JP2009165273A

JP2009165273A - 回転電機用固定子鉄心構造およびその製造方法

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Publication number: JP2009165273A
Application number: JP2008000697A
Authority: JP
Inventors: Kota Makiyama; 高大牧山; Toshiya Teramae; 俊哉寺前; Shigeyasu Ueno; 恵尉上野; Yuji Enomoto; 裕治榎本; Yoshitoshi Ishikawa; 芳壽石川
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2008-01-07
Filing date: 2008-01-07
Publication date: 2009-07-23
Also published as: WO2009087835A1

Abstract

【課題】鉄心に圧粉磁心を用いた従来技術の回転電機においては、得られた成形体は強度が低く、力率を低下させ、また、電気的な時定数も大きくなるので制御性に欠けるといった問題点があった。
【解決手段】クローポールモータを構成する爪磁極を電磁鋼板、冷間圧延鋼板、電磁ステンレスなどの鉄板を用いて構成し、回転電機の固定子は回転子の外側に環状に巻装された固定子巻線と、前記回転子と対向する部位に軸方向両側からそれぞれが交互に延びる固定子爪磁極を有した固定子鉄心とで構成され、固定子鉄心が鋼板を積層する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力電機用、産業用、家電用、自動車用などに幅広く使用されるモータ、発電機などの幅広い回転電機の構造およびその製造方法に関するものである。

モータ、発電機などの回転電機は、誘導電動機、永久磁石同期電動機、直流整流子モータなど、種々の形式のモータ、発電機がある。これらの回転機は、ほとんどが巻き線と鉄心で構成され、巻き線に電流を流すことで鉄心が電磁石となることを利用して回転力を得る原理が採用されている。

これらのモータは、固定子、または回転子を鉄などの強磁性体の鉄心で構成し、その鉄心に設けたスロットと呼ばれる溝に巻き線を施すことで構成される。通常、鉄心には電磁鋼板などの鉄損の少ない薄手の鉄板の表面に絶縁コーティングしたものを複数枚積み重ねて鉄心を構成する。これは、巻き線や磁石の磁束が変化するのに伴って発生する渦電流を抑えるためである。図３０（ａ）には、固定子と回転子の関係を示し、図３０（ｂ）には固定子と回転子を備えた回転電機の例を示す。

一般的にモータは高効率であることが望まれており、これらの構造のモータでは、銅損と鉄損を低減することで高効率化が達成できる。銅損は、コイルの抵抗をいかに小さくするかがポイントであり、鉄心のスロット内の巻き線（導体）の割合（占積率）を高くすることと、コイルエンドと呼ばれる鉄心の積層方向ではみだした部分を小さくすることが銅損の低減につながる。鉄損は、鉄板などのヒステリシス損と渦電流損を小さくすることが必要である。

上記より、銅損、鉄損を低減してモータを小型化する構造が提案されている。例えば、特許文献１では、コイルエンドを軸方向になくす構造で、占積率も同時に向上でき、高密度で高抵抗の特性を有する圧粉磁心を鉄心に採用してモータの鉄損も低減するモータ構造が示されている。このモータ構造では、固定子鉄心の軸方向にコイルエンド有さないために小型化も図れるとされている。
特開２００６−２９６１８８号公報

上記従来技術においては、鉄心に圧粉磁心を用いるために、種々の問題が残されている。ひとつには、圧粉磁心を用いるために、大型化が困難であることである。圧粉磁心は、絶縁皮膜の施された鉄粉を非常に高圧力で押し固める方法で製造される。このときの圧力は、密度７．４Ｍｇ／ｍ^３の成形体を得るのに１ＧＰａと非常に大きい。これからわかるとおり、１００ｃｍ^２程度の面積を持つ成形体を得るためのプレスは、１０００トンにもなり、大きいものを作ることが困難であることがわかる。

また、そのような製造方法であるがゆえに、得られた成形体は非常に強度が低いという問題がある。圧縮成形されただけの成形体で、曲げ強度が最大でも１５０ＭＰａ程度の強度しかないため、鉄心だけの強度ではモータの強度メンバとしては不十分なため、モールドなどの強度向上策が必要であった。

さらに、この圧粉磁心は錆びやすいという性質も有しているために、自動車用など、塩水、泥水などにさらされる過酷な環境下で使用される用途には不向きであるなどの欠点を多く有している。

また、設計的な制限事項としては、そのモータ構造より、コイルのインダクタンスが大きくなるという問題がある。コイル全体を磁性体で覆う構造とするために、どうしてもインダクタンスが大きくなってしまうのである。インダクタンスが大きくなると、電流と電圧の位相差が大きくなりモータや発電機の主要特性である力率を低下させる。また、電気的な時定数も大きくなるので制御性に欠けるといった特性上の問題が発生する。

本発明の目的は、上記課題を解決すべく、前記特許文献１記載のクローポール型モータの大型化、高強度化、対環境性能向上、コイルインダクタンス低減を同時に満足して、高効率で小形の回転電気、すなわち電動機や発電機を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために、クローポール型モータの固定子鉄心を圧粉磁心以外の高強度な磁性体を用いて構成する。そして、磁気回路として必要最低限の磁性体以外の部分を無くす構造とする。

具体的には、クローポールモータを構成する爪磁極を電磁鋼板、冷間圧延鋼板、電磁ステンレスなどの鉄板を用いて構成し、回転電機は、回転自在に設けられた回転子と、該回転子の外周と対向する部位に設けられた固定子とを有する回転電機において、前記固定子は前記回転子の外側に環状に巻装された固定子巻線と、前記回転子と対向する部位に軸方向両側からそれぞれが交互に延びる固定子爪磁極を有した固定子鉄心とで構成され、前記固定子鉄心が鋼板を積層することで構成されている。

このとき、軸方向に配置する１相分の固定子の相対位置関係は、２相回転電機であれば、電機角で９０度ずつ、すなわち回転子側の一極対あたりの機械的な角度の１／４ずらして配置する必要がある。また、３相回転電機であれば、電機角で１２０度ずつ、すなわち回転子側の一極対あたりの機械的な角度の１／３ずらして配置する必要がある。また、固定子側はずらさないで配置した場合においては、回転子側の固定子に対応する部分の極をそれぞれ上記のように複数相回転電機を構成する角度に配置することでも実現できる。

また、上記目的を達成するための回転電機の製造方法は、鋼板から環状の素材を切抜く第１工程と、前記素材に前記固定子爪磁極部と前記固定子背面部とを成形する第２工程と、前記成形した素材を積層する第３工程と、前記積層した素材を接合する第４工程とを備えている。

また、本発明の固定子を有する回転電機における回転子は、種々の形式のものが適用可能である。表面磁石型回転子、埋め込み磁石型回転子、スリップリングとブラシを有する直流界磁型ルンデルタイプ回転子、また、誘導子を有するかご型回転子、リラクタンス型回転子など回転電機として成立する回転子の全てに対応が可能である。

システムとしては、回転電機を利用する広い範囲のシステムに適用が可能である。モータ、または発電機など、多種のシステムで利用可能であるが、課題で述べた錆びによる劣化に対して強くなったこと、機械的強度の向上、インダクタンスの低減などが見込めるため、車載用の発電機システムに採用が可能となる。

本発明により、圧粉磁心で構成するクローポールモータに比べ、渦電流による鉄損を大幅に低減することができる。本発明のクローポール型回転電機は、小形で、高効率、低温度上昇とできる。また、強度の問題が解決できるため、高信頼性の製品が供給可能である

以下、図面を用いて、本発明の実施の形態について説明する。

本発明の実施例１を図１、２に基づいて説明する。図１は固定子１相分の斜視図、図２は固定子１相分の分解斜視図である。

図１に示す回転電機の固定子１は固定子鉄心２と固定子巻線３から構成される。また、図２に示すように固定子鉄心２は爪磁極部４、背面部６、側面部５から構成される素材を軸方向に積層したものである。固定子鉄心２は同形状の部品を、背面部６の軸方向端面７を合わせることで構成される。このため、固定子巻線３の巻装を容易にすることができる。

固定子鉄心２は爪磁極部４、背面部６、側面部５が一体の鋼板から構成されているが、固定子鉄心２を構成する鋼板を電磁鋼板とした場合、回転電機の出力特性を向上させることが可能である。この時、必ずしも固定子鉄心２の全ての層を電磁鋼板にする必要は無い。

また、固定子鉄心２を構成する鋼板の板厚は必ずしも全ての層で同じにする必要は無く、例えば、回転子に近い層の板厚を薄くすることで、回転電機の特性向上が可能であったり、例えば回転子に近い層の板厚を厚くすることで、爪磁極部４の軸中心方向への剛性を高くすることが可能であったりする。

図３に爪磁極部４にスリット８を入れた固定子鉄心２の１磁極分の斜視図および、爪磁極部４の横断面形状を示す。爪磁極部４にスリット８を入れることで渦電流を低減することが可能である。また、このスリット８は必ずしも貫通する必要は無く、図３の（ｂ）から（ｄ）に示される三角形状の凹凸９、矩形形状の凹凸１０、のこぎり歯の凹凸１１などもよい。また、スリット８は必ずしも軸方向に平行である必要は無く、例えば爪磁極部４の中心から広がる放射状や、軸方向に垂直な方向であっても良い。また、スリット８および三角形状の凹凸９、矩形形状の凹凸１０、のこぎり歯の凹凸１１などは必ずしも線状である必要は無く、例えばディンプルのように爪磁極部４に垂直な方向から見て円形または楕円または多角形であっても良い。

図４は固定子鉄心２の横断面を示している。爪磁極部４と側面部５の交わる角部１２の半径が、爪磁極部４の長さの０．２倍以下とすることで、回転電機の出力特性を確保することができる。

図５に本発明の実施例１の製造方法の第１の例を示す。鋼板から環状の素材１３を切抜き、切抜いた素材１３の１枚に対して爪磁極部４および背面部６を成形し、成形した素材１３を積層し、積層した素材１３同士を接合する工程からなる。図６に本発明の実施例１の製造方法の第２の例を示す。鋼板から環状の素材１３を切抜き、切抜いた素材１３を積層し、素材１３を積層させた状態で素材１３に爪磁極部４および背面部６を成形し、成形した素材１３同士を接合する工程からなる。

鋼板から環状の素材１３を切抜く工程では、例えばせん断加工、ワイヤーカット、レーザー切断、ウォータージェット、あるいは機械加工などによって所望の形状に切抜く。

切抜いた素板を積層する工程では、素材１３の軸中心および爪磁極部４に成形される部分の中心をそろえ、素材１３の板厚方向に積層する。

切抜いた素材１３に爪磁極部４および背面部６を成形する工程では、例えば、図７の（ａ）に示すように素材１３を側面部成形工具１５上に置き、爪磁極部４の面外への曲げ成形および固定子鉄心２の周方向形状を成形するための円筒形状の爪磁極部成形工具１６と、背面部６の面外への曲げ成形および固定子鉄心２の周方向形状を成形するための円筒形状の空間を有する背面部成形工具１４を、図７の（ｂ）のように、押込むことによって爪磁極部４および背面部６を成形する。また、図７では固定した側面部成形工具１５に対して、爪磁極部成形工具１６および背面部成形工具１４を押込んでいるが、固定した爪磁極部成形工具１６および背面部成形工具１４に対して、側面部成形工具１５を押込んでも良い。

また、切抜いた素材１３に爪磁極部４および背面部６を成形する工程において図８の（ａ）に示すように、側面部成形工具１５に素材１３を挟んで対向する側面部成形対向工具１７により、板厚方向に荷重を負荷しながら、図８の（ｂ）のように、爪磁極部４および背面部６を成形することで、側面部５の周方向および軸方向への変形を拘束し、所望の成形への成形が容易となる。また、爪磁極部４を成形後に爪磁極部成形工具１６を抜く工程において、側面部成形工具１５と側面部成形対向工具１７により板厚方向に加圧保持することで、爪磁極部４と爪磁極部成形工具１６間に生じる摩擦に起因する爪磁極部４の軸方向への変形を抑制することが可能である。

また、切抜いた素材１３に爪磁極部４および背面部６を成形する工程において側面部成形対向工具１７を用いない場合では、爪磁極部４の成形および背面部６の成形を同一ストロークで行う必要があるが、側面部成形対向工具１７を用いた場合では、図９および図１０に示すように、爪磁極部４の成形と背面部６の成形を別ストロークで成形することが可能となる。

また、切抜いた素材１３に爪磁極部４および背面部６を成形する工程において図１１に示すように、爪磁極部成形工具１６に素材１３を挟んで対向する爪磁極部成形対向工具１８により、素材１３板厚方向に荷重を負荷した状態で成形することで、爪磁極成形部１９が曲げ曲げ戻し変形を受けるため、爪磁極部４成形後に生じる爪磁極４の半径方向中心向きの倒れを低減することが可能である。

また、切抜いた素材１３に爪磁極部４および背面部６を成形する工程において図１２に示すように、背面部成形工具１４に素材１３を挟んで対向する背面部成形対向工具２０により、素材１３板厚方向に荷重を負荷した状態で成形することで、背面部未成形部２１において面外への変形が拘束されるため、背面部６の成形後に生じる背面部６のしわを抑制することが可能である。

製造方法の第１の例では素材１３が１枚の状態で爪磁極部４および背面部６を成形するため、爪磁極部４と側面部５をつなぐ角１２の半径を小さくすることが可能である。ただし、各層において同じ寸法形状の素材１３を用いた場合、図１３の（ａ）に示すように各層にでは側面部６が異なるため、爪磁極部先端部２２および背面部先端部２３が揃わない。この時、機械加工などにより爪磁極部先端部２２および背面部先端部２３をそろえても良いが、各層での素材１３の寸法を成形後の寸法に合わせておくことで、図１３の（ｂ）に示すように爪磁極部先端部２２および背面部先端部２３をそろえることができ、機械加工などが省略可能となる。

製造方法の第２の例では、積層した状態で爪磁極部４および背面部６を成形するため、爪磁極部４および側面部５の成形工程数を低減させることが可能である。ただし、爪磁極部４と側面部５をつなぐ角１２の半径を、積層した板厚の合計した寸法より小さくすることができないため、例えば図１４の（ａ）に示すように、爪磁極部先端押込み工具２４にて、軸方向（矢印方向）に押込むことで、図１４の（ｂ）のように爪磁極部４と側面部５をつなぐ角１２の半径を小さくすることができる。

成形した素材１３を積層する工程では、成形した素材１３の軸中心および成形した爪磁極部４の周方向位置を、背面部６の外周半径が板厚分大きい、爪磁極部４および背面部６を成形した素材１３に順次積層する。

素材１３同士を接合する工程では、例えば爪磁極部先端部２２または背面部先端部２３の少なくとも一方をレーザー溶接したり、接着剤を用いて、隣接する素材１３と順次接合したり、図１５の（ａ）に示すような素材１３板厚方向に半抜きされて形成された凸部２５と凹部２６を図１５の（ｂ）のように合わせる事で接合する。また、この接合工程は積層と同じ工程または積層工程より後工程で行う。

また、前述の製造方法の第１の例および前述の製造方法の第２の例を組合わせた、次に示すような製造方法でもよい。鋼板から環状の素材１３を切抜き、切抜いた素材１３の爪磁極部４を成形し、成形した素材１３を積層し、積層した素材１３の背面部６を成形し、成形した素材１３を接合する工程からなる、または、鋼板から環状の素材１３を切抜き、切抜いた素材１３の背面部６を成形し、成形した素材１３を積層し、積層した素材１３の爪磁極部４を成形し、成形した素材１３を接合する工程からなる。あるいは、鋼板から環状の素材１３を切抜き、切抜いた素材１３を、固定子鉄心２を構成する積層枚数未満の枚数を積層し、積層した素材１３に爪磁極部４および背面部６を成形し、成形した素材１３を積層し、積層した素材１３を接合する工程からなる。

図１６に本発明の実施例１の製造方法の第３の例を示す。鋼板から１磁極分または複数磁極分の素材１３を切抜き、切抜いた素材１３の１枚に対して爪磁極部４および背面部６を成形し、成形した素材１３を積層し、積層した素材１３同士を接合、周方向に組立てる工程からなる。図１７に本発明の実施例１の製造方法の第２の例を示す。鋼板から１磁極分または複数磁極分の素材１３を切抜き、切抜いた素材１３を積層し、素材１３を積層させた状態で素材１３に爪磁極部４および背面部６を成形し、成形した素材１３同士を接合し、周方向に組立てる工程からなる。

鋼板から１磁極分または複数磁極分の素材１３を切抜く工程では、例えばせん断加工、ワイヤーカット、レーザー切断、ウォータージェット、あるいは機械加工などによって所望の形状に切抜く。

切抜いた素板を積層する工程では、爪磁極部４に成形される部分の中心をそろえ、素材１３の板厚方向に積層する。

切抜いた素材１３に爪磁極部４および背面部６を成形する工程では、例えば素板を側面部成形工具１５上に置き、爪磁極部４の面外への曲げ成形および固定子鉄心２周方向形状を成形するための横断面が凸の円弧形状であるの爪磁極部成形工具１６と、背面部６の面外への曲げ成形および固定子鉄心２周方向形状を成形するための横断面が凹の円弧形状である背面部成形工具１４を、押込むことによって爪磁極部４および背面部６を成形する。また、固定した側面部成形工具１５に対して、爪磁極部成形工具１６および背面部成形工具１４を押込んでもよいし、固定した爪磁極部成形工具１６および背面部成形工具１４に対して、側面部成形工具１５を押込んでも良い。

また、切抜いた素材１３に爪磁極部４および背面部６を成形する工程において、側面部成形工具１５に素材１３を挟んで対向する側面部成形対向工具１７により、板厚方向に荷重を負荷しながら爪磁極部４および背面部６を成形することで、側面部５の周方向および軸方向への変形を拘束し、所望の成形への成形が容易となる。また、爪磁極または背面部６の少なくとも一方の成形後に、対応する爪磁極部成形工具１６または背面部成形工具１４を抜く工程において、側面部成形工具１５と側面部成形対向工具１７により板厚方向に加圧保持することで、爪磁極と爪磁極部成形工具１６間または背面部６と背面部成形工具１４間に生じる摩擦に起因する爪磁極部４または背面部６のの軸方向への変形を抑制することが可能である。

また、切抜いた素材１３に爪磁極部４および背面部６を成形する工程において側面部成形対向工具１７を用いない場合では、爪磁極部４の成形および背面部６の成形を同一ストロークで行う必要があるが、側面部成形対向工具１７を用いた場合では、爪磁極部４の成形と背面部６の成形を別ストロークで成形することが可能となる。

また、切抜いた素材１３に爪磁極部４および背面部６を成形する工程において、爪磁極部成形工具１６に素材１３を挟んで対向する爪磁極部成形対向工具１８により、素材１３板厚方向に荷重を負荷した状態で成形することで、爪時磁極成形部が曲げ曲げ戻し変形を受けるため、爪磁極部４成形後に生じる爪磁極成形部１９の半径方向中心向きの倒れを低減することが可能である。

また、切抜いた素材１３に爪磁極部４および背面部６を成形する工程において、背面部成形工具１４に素材１３を挟んで対向する背面部成形対向工具２０により、素材１３板厚方向に荷重を負荷した状態で成形することで、背面部６未成形部において面外への変形が拘束されるため、背面部６成形後に生じる背面部６成形部のしわを抑制することが可能あり、背面部６成形部が曲げ曲げ戻し変形を受けるため、背面部６成形後に生じる爪磁極成形部の半径方向外向きの倒れを低減することが可能である。

製造方法の第３の例では素材１３が１枚の状態で爪磁極部４および背面部６を成形するため、爪磁極部４と側面部５をつなぐ角１２の半径を小さくすることが可能である。ただし、各層において同じ寸法形状の素材１３を用いた場合、図１３（ａ）に示すように各層にでは側面部６が異なるため、爪磁極部先端部２２および背面部先端部２３が揃わない。この時、機械加工などにより爪磁極部先端部２２および背面部先端部２３をそろえても良いが、各層での素材１３の寸法を成形後の寸法に合わせておくことで、図１３（ｂ）に示すように爪磁極部先端部２２および背面部先端部２３をそろえることができ、機械加工などが省略可能となる。

製造方法の第４の例では、積層した状態で爪磁極部４および背面部６を成形するため、爪磁極部４および側面部５の成形工程数を低減させることが可能である。ただし、爪磁極部４と側面部５をつなぐ角１２の半径を、積層した板厚の合計した寸法より小さくすることができないため、例えば図１４に示すように、爪磁極部先端押込み工具２４にて、軸方向に押込むことで爪磁極部４と側面部５をつなぐ角１２の半径を小さくすることができる。

素材１３同士を接合する工程では、例えば爪磁極部先端部２２または背面部先端部２３の少なくとも一方をレーザー溶接したり、接着剤を用いて、隣接する素材１３と順次接合したり、図１５に示すような素材１３板厚方向に半抜きされて形成された凸部２５と凹部２６を合わせる事で接合する。また、この接合工程は積層と同じ工程または積層工程より後工程で行う。

また、前述の製造方法の第３の例および前述の製造方法の第４の例を組合わせた、次に示すような製造方法でもよい。鋼板から環状の素材１３を切抜き、切抜いた素材１３の爪磁極部４を成形し、成形した素材１３を積層し、積層した素材１３の背面部６を成形し、成形した素材１３を接合する工程からなる、または、鋼板から環状の素材１３を切抜き、切抜いた素材１３の背面部６を成形し、成形した素材１３を積層し、積層した素材１３の爪磁極部４を成形し、成形した素材１３を接合する工程からなる。あるいは、鋼板から環状の素材１３を切抜き、切抜いた素材１３を固定子鉄心２を構成する積層枚数未満の枚数を積層し、積層した素材１３に爪磁極部４および背面部６を成形し、成形した素材１３を積層し、積層した素材１３を接合する工程からなる。

図１８に本発明の実施例１の製造方法の第５の例を示す。帯状の連続した鋼板から素材１３を切抜き、切抜いた素材１３の爪磁極部４または背面部６の少なくとも一方を成形する工程と、成形した素材１３をらせん状に積層する工程と、積層した素材１３を接合する工程からなる。

帯所の連続した鋼板から素材１３を切抜く工程では、例えばせん断加工、ワイヤーカット、レーザー切断、ウォータージェット、あるいは機械加工などによって所望の形状に切抜く。

切抜いた帯状の素板１３に対して、例えばロールフォーミングにより、爪磁極部４または背面部６の少なくとも一方を成形するとともに、帯状の素材１３を周方向に成形し、らせん状に積層し、接合する。この時、爪磁極部４または背面部６は成形されていなくてもよく、接合後、成形されていない部分を本発明の実施例１の製造方法の第２の例のように成形しても良い。

図１９に本発明の実施例１の製造方法の第６の例を示す。鋼板から素材１３を切抜き、切抜いた素材１３を積層し、積層した素材１３の爪磁極部４および背面部６を成形し、成形した素材１３を接合し、接合した素材１３を環状にする工程からなる。また、切抜いた素材１３の爪磁極部４および背面部６を成形し、成形した素材を積層してもよい。

鋼板から素材１３を切抜く工程では、例えばせん断加工、ワイヤーカット、レーザー切断、ウォータージェット、あるいは機械加工などによって所望の形状に切抜く。

切抜いた素板を積層する工程では、爪磁極部４に成形される部分の中心をそろえ、素材１３の板厚方向に積層する。
切抜いた素材１３に爪磁極部４および背面部６を成形する工程では、例えば素板を側面部成形工具１５上に置き、爪磁極部４の面外への曲げ成形するための爪磁極部成形工具１６と、背面部６の面外への曲げ成形するための背面部成形工具１４を、押込むことによって爪磁極部４および背面部６を成形する。また、固定した側面部成形工具１５に対して、爪磁極部成形工具１６および背面部成形工具１４を押込んでもよいし、固定した爪磁極部成形工具１６および背面部成形工具１４に対して、側面部成形工具１５を押込んでも良い。

また、切抜いた素材１３に爪磁極部４および背面部６を成形する工程において、側面部成形工具１５に素材１３を挟んで対向する側面部成形対向工具１７により、板厚方向に荷重を負荷しながら爪磁極部４および背面部６を成形することで、側面部５の周方向および軸方向への変形を拘束し、所望の成形への成形が容易となる。また、爪磁極または背面部６の少なくとも一方の成形後に、対応する爪磁極部成形工具１６または背面部成形工具１４を抜く工程において、側面部成形工具１５と側面部成形対向工具１７により板厚方向に加圧保持することで、爪磁極と爪磁極部成形工具１６間または背面部６と背面部成形工具１４間に生じる摩擦に起因する爪磁極部４または背面部６の軸方向への変形を抑制することが可能である。

素材１３を１枚の状態で爪磁極部４および背面部６を成形した場合、爪磁極部４と側面部５をつなぐ角１２の半径を小さくすることが可能である。ただし、各層において同じ寸法形状の素材１３を用いた場合、図１３の（ａ）に示すように各層にでは側面部６が異なるため、爪磁極部先端部２２および背面部先端部２３が揃わない。この時、機械加工などにより爪磁極部先端部２２および背面部先端部２３をそろえても良いが、各層での素材１３の寸法を成形後の寸法に合わせておくことで、図１３の（ｂ）に示すように爪磁極部先端部２２および背面部先端部２３をそろえることができ、機械加工などが省略可能となる。

素材１３を積層した状態で爪磁極部４および背面部６を成形した場合、爪磁極部４および側面部５の成形工程数を低減させることが可能である。ただし、爪磁極部４と側面部５をつなぐ角１２の半径を、積層した板厚の合計した寸法より小さくすることができないため、例えば図１４に示すように、爪磁極部先端押込み工具２４にて、軸方向に押込むことで爪磁極部４と側面部５をつなぐ角１２の半径を小さくすることができる。

また、前述の素材１３を１枚ずつ成形する方法と、素材１３を積層した状態で成形する方法を組み合わせた、次に示すような製造方法でもよい。鋼板から環状の素材１３を切抜き、切抜いた素材１３の爪磁極部４を成形し、成形した素材１３を積層し、積層した素材１３の背面部６を成形し、成形した素材１３を接合する工程からなる、または、鋼板から環状の素材１３を切抜き、切抜いた素材１３の背面部６を成形し、成形した素材１３を積層し、積層した素材１３の爪磁極部４を成形し、成形した素材１３を接合する工程からなる。あるいは、鋼板から環状の素材１３を切抜き、切抜いた素材１３を固定子鉄心２を構成する積層枚数未満の枚数を積層し、積層した素材１３に爪磁極部４および背面部６を成形し、成形した素材１３を積層し、積層した素材１３を接合する工程からなる。

上述した本発明の実施例１の製造方法の例では、成形後に爪磁極部が図２０の（ｃ）に示すように軸中心方向に倒れることがある。この場合、爪磁極部４を成形した後に、図２０の（ａ）に示すように円錐状の工具２８を軸方向（矢印方向）に押込むことによって、爪磁極部をオーバーベンドさせ、図２０の（ｄ）のように爪磁極部４の軸中心方向の倒れを制御できる。

また、図２１の（ａ）に示すように、爪磁極部成形工具１６を軸方向および半径方向外向き（矢印方向）に移動させて図２１の（ｂ）の状態にすることによっても、図２１の（ｃ）のように爪磁極部４の軸中心方向の倒れを制御できる。

上述した本発明の実施例１の製造方法の１から５の例において、鋼板から切抜いた素材１３から背面部６を成形する際、成形により外周部の周長が短くなることに起因してしわが発生しやすくなる。そこで、例えば、図２２に示すような、素材１３の外周部に半径方向中心向きの切込み２９を入れることによってしわの発生の抑制が可能となる。

図２３に爪磁極部４の三角形状の凹凸９、矩形形状の凹凸１０、のこぎり歯の凹凸１１などの成形方法の例を示す。１つ目の例は、図２３の（ａ）（ｂ）に示すように爪磁極部４の外形を拘束する外形拘束工具３１に爪磁極部４を置き、三角形状の凹凸９、矩形形状の凹凸１０、のこぎり歯の凹凸１１などを成形する凹凸成形工具３０にて、凹凸成形工具３０の表面形状を転写させ爪磁極部４に三角形状の凹凸９、矩形形状の凹凸１０、のこぎり歯の凹凸１１などを成形する方法である。この時、転写させる凹凸成形工具３０の形状を変えることで、任意の凹凸形状が成形可能である。

２つ目の例は、図２３の（ｃ）に示すように、中央部が凸なローラ３２を爪磁極部４に押し付けることによって、ローラ３２の凸部形状を転写させることにより、爪磁極部４に三角形状の凹凸９、矩形形状の凹凸１０、のこぎり歯の凹凸１１などを成形する方法である。この時、転写させるローラ３２に凸部形状を変えることにより、任意の凹凸形状が成形可能である。

本発明の実施例２を図２４、２５、２６に基づいて説明する。図２４は固定子１相分の斜視図、図２５は固定子１相分の分解斜視図、図２６は固定子の１磁極の半分（ａ）、および１磁極分（ｂ）の斜視図である。

図２４に示す回転電機の固定子１は固定子鉄心２と固定子巻線３と保持板３３から構成される。また、固定子鉄心２は爪磁極部４、背面部６、側面部５から構成される素材を周方向に積層したものである。図２５および２６に示すように固定子鉄心２は１磁極あるいは、１磁極の半部を１つのセグメントとして周方向に配置し保持板３３にて各セグメントの位置決めおよび固定を行う。また、背面部６の軸方向端面７を合わせることで構成されるめ、固定子巻線３の巻装を容易にすることができる。

図２７に本発明の実施例２の製造方法の第１の例を示す。鋼板から素材１３を切抜き、切抜いた素材を成形し、成形した素材１３を積層し、積層した素材１３同士を接合すし、接合した素材を組立てる工程からなる。図２８に本発明の実施例２の製造方法の第２の例を示す。鋼板から素材１３を切抜き、切抜いた素材１３を積層し、素材１３を積層させた状態で素材１３に爪磁極部４および背面部６を成形し、成形した素材１３同士を接合し、接合した素材を組立てる工程からなる。

切抜いた素板を積層する工程では、素材１３の中心をそろえ、素材１３の板厚方向に積層する。

素材１３を成形する工程では、例えば、図２９の（ａ）に示すように、対向する１組のＺ字状に成形する曲げ工具３４と３５の、曲げ工具下３４の上に素材１３を置き、曲げ工具上３５を素材１３の板厚方向（矢印方向）に押込むことにより、図２９の（ｂ）のように素材１３が曲げ工具上３５と曲げ工具下３４の間に挟まれて、図２９の（ｃ）のように素材１３が成形される。

成形した素材１３を積層する工程では、成形した素材１３の曲げ部と、側面部５をそろえて順次積層する。

素材１３同士を接合する工程では、例えば爪磁極部先端部２２または背面部先端部２３の少なくとも一方をレーザー溶接したり、接着剤を用いて、隣接する素材１３と順次接合したり、図１５に示すような素材１３板厚方向に半抜きされて形成された凸部２５と凹部２６を合わせる事で接合する。また、この接合工程は積層と同じ工程または積層工程より後工程で行う。この接合工程では、１磁極あるいは１磁極の半分を１つのセグメントとして接合する。

接合した素材を組立てる工程では、保持板３３に設けた位置決めの機構により１磁極分あるいは１次極の半分を配置して固定する。この位置決めの機構は例えば側面部５を転写したような形状の凹みを作成し、１磁極分あるいは１次極の半分を圧入して固定する。あるいは、保持板３３の磁極配置部に凸形状を設け、側面部５に凸部を設け、位置決めを行う。

図１は本発明の実施例１の固定子１相分の斜視図である。図２は本発明の実施例１の固定子１相分の分解斜視図である。図３は本発明の実施例１の爪磁極部の斜視図および横断面図である。図４は本発明の実施例１の固定子鉄心の横断面図である。図５は本発明の実施例１の製造方法の第１の例である。図６は本発明の実施例１の製造方法の第２の例である。図７は本発明の実施例１の成形方法について説明した図である。図８は本発明の実施例１の成形方法について説明した図である。図９は本発明の実施例１の成形方法について説明した図である。図１０は本発明の実施例１の成形方法について説明した図である。図１１は本発明の実施例１の成形方法について説明した図である。図１２は本発明の実施例１の成形方法について説明した図である。図１３は本発明の実施例１の成形方法について説明した図である。図１４は本発明の実施例１の成形方法について説明した図である。図１５は本発明の実施例１の成形方法について説明した図である。図１６は本発明の実施例１の製造方法の第３の例である。図１７は本発明の実施例１の製造方法の第４の例である。図１８は本発明の実施例１の製造方法の第５の例である。図１９は本発明の実施例１の製造方法の第６の例である。図２０は本発明の実施例１の成形方法について説明した図である。図２１は本発明の実施例１の成形方法について説明した図である。図２２は本発明の実施例１の成形方法について説明した図である。図２３は本発明の実施例１の成形方法について説明した図である。図２４は本発明の実施例２の固定子１相分の斜視図である。図２５は本発明の実施例２の固定子１相分の分解斜視図である。図２６は本発明の実施例２の固定子１磁極分の斜視図である。図２７は本発明の実施例２の製造方法の第１の例である。図２８は本発明の実施例２の製造方法の第２の例である図２９は本発明の実施例２の成形方法について説明した図である。図３０は回転電機の構造を説明する図である。

符号の説明

１固定子
２固定子鉄心
３固定子巻線
４爪磁極部
５側面部
６背面部
７軸方向端面
８スリット
９円形状の凹凸
１０矩形形状の凹凸
１１のこぎり歯の凹凸
１２角
１３素材
１４背面部成形工具
１５側面部成形工具
１６爪磁極部成形工具
１７側面部成形対向工具
１８爪磁極部成形対向工具
１９爪磁極成形部
２０背面部成形対向工具
２１背面部未成形部
２２爪磁極部先端部
２３背面部先端部
２４爪磁極部先端押込み工具
２５凸部
２６凹部
２８円錐状の工具
２９切込み
３０凹凸成形工具
３１外形拘束工具
３２ローラ
３３保持板

Claims

回転自在に設けられた回転子と、該回転子の外周と対向する部位に設けられた固定子とを有する回転電機において、前記固定子は前記回転子の外側に環状に巻装された固定子巻線と、前記回転子と対向する部位に軸方向両側からそれぞれが交互に延びる固定子爪磁極を有した固定子鉄心とで構成され、前記固定子鉄心が鋼板を積層することで構成されていることを特徴とする回転電機。
請求項１記載の回転電機であって、前記固定子鉄心の前記固定子爪磁極と、前記固定子爪磁極と前記固定子巻線を挟んで向かい合う固定子鉄心背面部は回転子の回転軸を中心とする半径方向に鋼板を積層し、かつ、前記固定子爪磁極と前記固定子背面部とをつなぐ固定子側面部は軸方向に鋼板を積層することで構成されていることを特徴とする回転電機。
請求項１記載の回転電機であって、前記固定子鉄心が周方向に鋼板を積層することで構成されていることを特徴とする回転電機。
請求項１に記載の回転電機であって、前記固定子鉄心を構成する鋼板の少なくとも１枚が電磁鋼板もしくは磁気抵抗の少ない鋼板であることを特徴とする回転電機。
請求項１に記載の回転電機であって、厚さの異なる鋼板を組合せて構成することを特徴とする回転電機。
請求項２記載の回転電機であって、前記固定子鉄心の前記固定子爪磁極と前記固定子背面部と前記固定子側面部とが一体である鋼板を積層することで構成されていることを特徴とする回転電機。
請求項２に記載の回転電機であって、前記固定子爪磁極の前記回転子と対向する前記回転子との対向面を構成する鋼板にスリットまたは凹凸形状を少なくとも１本以上構成することを特徴とする回転電機。
請求項３に記載の回転電機であって、前記爪磁極と前期固定子背面部と前期固定子側面部からなる１磁極分あるいは１磁極の半分を１組としたセグメントと、前期固定子鉄心の周方向の位置決める保持板から構成されることを特徴とする回転電機。
回転自在に設けられた回転子と、該回転子の外周と対向する部位に設けられた固定子とを有し、前記固定子は前記回転子の外側に環状に巻装された固定子巻線と、前記回転子と対向する部位に軸方向両側からそれぞれが交互に延びる固定子爪磁極を有した固定子鉄心とで構成され、前記固定子鉄心が鋼板を積層することで構成され、前記固定子鉄心の前記固定子爪磁極と、前記固定子爪磁極と前記固定子巻線を挟んで向かい合う固定子鉄心背面部は回転子の回転軸を中心とする半径方向に鋼板を積層し、かつ、前記固定子爪磁極と前記固定子背面部とをつなぐ固定子側面部は軸方向に鋼板を積層することで構成されている回転電機の製造方法において、
鋼板から環状の素材を切抜く第１工程と、前記素材に前記固定子爪磁極部と前記固定子背面部とを成形する第２工程と、前記成形した素材を積層する第３工程と、前記積層した素材を接合する第４工程とを備えることを特徴とする回転電機の製造方法。
回転自在に設けられた回転子と、該回転子の外周と対向する部位に設けられた固定子とを有し、前記固定子は前記回転子の外側に環状に巻装された固定子巻線と、前記回転子と対向する部位に軸方向両側からそれぞれが交互に延びる固定子爪磁極を有した固定子鉄心とで構成され、前記固定子鉄心が鋼板を積層することで構成され、前記固定子鉄心の前記固定子爪磁極と、前記固定子爪磁極と前記固定子巻線を挟んで向かい合う固定子鉄心背面部は回転子の回転軸を中心とする半径方向に鋼板を積層し、かつ、前記固定子爪磁極と前記固定子背面部とをつなぐ固定子側面部は軸方向に鋼板を積層することで構成されている回転電機の製造方法において、
鋼板から環状の素材を切抜く第１工程と、前記素材を積層する第２工程と、前記積層した素材に前記固定子爪磁極部と前記固定子背面部とを成形する第３工程と、前記成形した素材を接合する第４工程とを備えることを特徴とする回転電機の製造方法。
回転自在に設けられた回転子と、該回転子の外周と対向する部位に設けられた固定子とを有し、前記固定子は前記回転子の外側に環状に巻装された固定子巻線と、前記回転子と対向する部位に軸方向両側からそれぞれが交互に延びる固定子爪磁極を有した固定子鉄心とで構成され、前記固定子鉄心が鋼板を積層することで構成され、前記固定子鉄心の前記固定子爪磁極と、前記固定子爪磁極と前記固定子巻線を挟んで向かい合う固定子鉄心背面部は回転子の回転軸を中心とする半径方向に鋼板を積層し、かつ、前記固定子爪磁極と前記固定子背面部とをつなぐ固定子側面部は軸方向に鋼板を積層することで構成されている回転電機の製造方法において、
鋼板から１磁極または複数磁極分の素材を切抜く第１工程と、前記素材に前記固定子爪磁極部と前記固定子背面部とを成形する第２工程と、前記成形した素材を積層する第３工程と、前記積層された素材を接合する第４工程と、前記接合した素材を周方向に組立てる第５工程とを備えることを特徴とする回転電機の製造方法。
回転自在に設けられた回転子と、該回転子の外周と対向する部位に設けられた固定子とを有し、前記固定子は前記回転子の外側に環状に巻装された固定子巻線と、前記回転子と対向する部位に軸方向両側からそれぞれが交互に延びる固定子爪磁極を有した固定子鉄心とで構成され、前記固定子鉄心が鋼板を積層することで構成され、前記固定子鉄心の前記固定子爪磁極と、前記固定子爪磁極と前記固定子巻線を挟んで向かい合う固定子鉄心背面部は回転子の回転軸を中心とする半径方向に鋼板を積層し、かつ、前記固定子爪磁極と前記固定子背面部とをつなぐ固定子側面部は軸方向に鋼板を積層することで構成されている回転電機の製造方法において、
鋼板から１磁極または複数磁極分の素材を切抜く第１工程と、前記素材を積層する第２工程と、前記積層した素材に前記固定子爪磁極部と前記固定子背面部とを成形する第３工程と、前記成形した素材を接合する第４工程と、前記接合した素材を周方向に組立てる第５工程とを備えることを特徴とする回転電機の製造方法。
回転自在に設けられた回転子と、該回転子の外周と対向する部位に設けられた固定子とを有し、前記固定子は前記回転子の外側に環状に巻装された固定子巻線と、前記回転子と対向する部位に軸方向両側からそれぞれが交互に延びる固定子爪磁極を有した固定子鉄心とで構成され、前記固定子鉄心が鋼板を積層することで構成され、前記固定子鉄心の前記固定子爪磁極と、前記固定子爪磁極と前記固定子巻線を挟んで向かい合う固定子鉄心背面部は回転子の回転軸を中心とする半径方向に鋼板を積層し、かつ、前記固定子爪磁極と前記固定子背面部とをつなぐ固定子側面部は軸方向に鋼板を積層することで構成されている回転電機の製造方法において、
帯状に連続した鋼板から素材を切抜く第１工程と、前記素材に前記固定子爪磁極部と前記固定子背面部とを成形する第２工程と、前記成形した素材をらせん状に積層する第３工程と、前記積層した素材を接合する第４工程とを備えることを特徴とする回転電機の製造方法。
請求項９から請求項１３のいずれかに記載の回転電機の製造方法であって、前記固定子爪磁極を成形する固定子爪磁極成形工具の前記固定子爪磁極部を成形する部分が軸に垂直な横断面が円弧形状であり、前記固定子背面部を成形する固定子背面部成形工具の前記固定子背面部を成形する部分が軸に垂直な横断面が円弧形状であり、前記固定子爪磁極成形型および前記固定子背面部成形型と前記素材を挟んだ位置に配置し前記固定子爪磁極成形工具より大きく前記固定子背面部成形工具より小さい前記固定子側面部を成形する固定子側面部成形工具を固定子爪磁極成形型および固定子背面部成形型に対して相対的に前記回転子の軸方向に押込むことを特徴とする回転電機の製造方法。
請求項１４に記載の回転電機の製造方法であって、前記固定子爪磁極成形工具を前記回転子の軸方向および半径方向外向きに押込むことを特徴する回転電機の製造方法。
請求項９から請求項１３のいずれかに記載の回転電機の製造方法において、
各層の前記固定子爪磁極の高さまたは前記固定子背面部の高さの少なくとも一方が前記回転子の半径方向に揃う形状の素材を使用することを特徴とする回転電機の製造方法。
請求項１０、１２あるいは１３のいずれかに記載の回転電機の製造方法において、前記固定子爪磁極先端部を前記回転子の軸方向に押込み、前記固定子爪磁極と前記固定子側面部の交わる角部半径を小さくする工程を備えることを特徴とする回転電機の製造方法。
回転自在に設けられた回転子と、該回転子の外周と対向する部位に設けられた固定子とを有し、前記固定子は前記回転子の外側に環状に巻装された固定子巻線と、前記回転子と対向する部位に軸方向両側からそれぞれが交互に延びる固定子爪磁極を有した固定子鉄心とで構成され、前記固定子鉄心が鋼板を積層することで構成され、前記固定子鉄心の前記固定子爪磁極と、前記固定子爪磁極と前記固定子巻線を挟んで向かい合う固定子鉄心背面部は回転子の回転軸を中心とする半径方向に鋼板を積層し、かつ、前記固定子爪磁極と前記固定子背面部とをつなぐ固定子側面部は軸方向に鋼板を積層することで構成されている回転電機の製造方法において、
外周部に前記回転子の半径方向中心向きに切込みが入っている前記素材を使用することを特徴とする回転電機の製造方法。
回転自在に設けられた回転子と、該回転子の外周と対向する部位に設けられた固定子とを有し、前記固定子は前記回転子の外側に環状に巻装された固定子巻線と、前記回転子と対向する部位に軸方向両側からそれぞれが交互に延びる固定子爪磁極を有した固定子鉄心とで構成され、前記固定子鉄心が鋼板を積層することで構成され、前記固定子鉄心の前記固定子爪磁極と、前記固定子爪磁極と前記固定子巻線を挟んで向かい合う固定子鉄心背面部は回転子の回転軸を中心とする半径方向に鋼板を積層し、かつ、前記固定子爪磁極と前記固定子背面部とをつなぐ固定子側面部は軸方向に鋼板を積層することで構成され、前記固定子鉄心の前記固定子爪磁極と前記固定子背面部と前記固定子側面部とが一体である鋼板を積層することで構成され、前記固定子鉄心が周方向に鋼板を積層することで構成されている回転電機の製造方法において、
鋼板から素材を切抜く第１工程と、前記素材を成形する第２工程と、前記成形した素材を積層する第３工程と、前記積層した素材を接合する第４工程と、前記素材を組立てる第５工程とを備えることを特徴とする回転電機の製造方法。
回転自在に設けられた回転子と、該回転子の外周と対向する部位に設けられた固定子とを有し、前記固定子は前記回転子の外側に環状に巻装された固定子巻線と、前記回転子と対向する部位に軸方向両側からそれぞれが交互に延びる固定子爪磁極を有した固定子鉄心とで構成され、前記固定子鉄心が鋼板を積層することで構成され、前記固定子鉄心の前記固定子爪磁極と、前記固定子爪磁極と前記固定子巻線を挟んで向かい合う固定子鉄心背面部は回転子の回転軸を中心とする半径方向に鋼板を積層し、かつ、前記固定子爪磁極と前記固定子背面部とをつなぐ固定子側面部は軸方向に鋼板を積層することで構成され、前記固定子鉄心の前記固定子爪磁極と前記固定子背面部と前記固定子側面部とが一体である鋼板を積層することで構成され、前記固定子鉄心が周方向に鋼板を積層することで構成されている回転電機の製造方法において、
鋼板から素材を切抜く第１工程と、前記素材を積層する第２工程と、前記積層した素材を成形する第３工程と、前記成形した素材を接合する第４工程と、前記素材を組立てる第５工程とを備えることを特徴とする回転電機の製造方法。
回転自在に設けられた回転子と、該回転子の外周と対向する部位に設けられた固定子とを有し、前記固定子は前記回転子の外側に環状に巻装された固定子巻線と、前記回転子と対向する部位に軸方向両側からそれぞれが交互に延びる固定子爪磁極を有した固定子鉄心とで構成され、前記固定子鉄心が鋼板を積層することで構成され、前記固定子鉄心の前記固定子爪磁極と、前記固定子爪磁極と前記固定子巻線を挟んで向かい合う固定子鉄心背面部は回転子の回転軸を中心とする半径方向に鋼板を積層し、かつ、前記固定子爪磁極と前記固定子背面部とをつなぐ固定子側面部は軸方向に鋼板を積層することで構成され、前記固定子鉄心の前記固定子爪磁極と前記固定子背面部と前記固定子側面部とが一体である鋼板を積層することで構成され、前記固定子鉄心が周方向に鋼板を積層することで構成されている回転電機の製造方法において、
鋼板から素材を切抜く第１工程と、前記素材を積層する第２工程と、前記積層した素材を接合する第３工程と、前記接合した素材を成形する第４工程と、前記素材を組立てる第５工程とを備えることを特徴とする回転電機の製造方法。
請求項１９から請求項２１のいずれかに記載の回転電機の製造方法において、
前記素材を固定子爪磁極部側から固定子背面部側に向けて、前記素材の面外方向に山谷あるいは谷山とＺ状に曲げることを特徴とする回転電機の製造方法。
請求項９から請求項１３のいずれか、または、請求項１９から請求項２１のいずれかに記載の回転電機の製造方法において、前記素材を板厚方向に半抜きして形成された凸部と凹部を合わせるかしめ、あるいは、レーザー溶接、あるいは接着により接合することを特徴とする回転電機の製造方法。