JP2010068686A - 回転電機用の固定子 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の分割コアを強固に保持しながら漏洩磁束を低減して出力特性を向上する。
【解決手段】固定子巻線１０がトロイダル状に巻き回しされ、環状をなすように周方向に分割して配設された複数の分割コア２と、分割コア２の外周部に接合して、複数の分割コア２を環状に保持する保持部材３と、を有する回転電機用の固定子１であって、分割コア２は、固定子巻線１０が巻き回しされる巻回部２１を有し、巻回部２１から周方向に延出して形成されたヨーク部２２と、ヨーク部２２から径方向外側に延出して形成され、保持部材３と接合する接合面２３ａを有する接合部２３と、ヨーク部２２から径方向内側に延出して形成されたティース部２４と、を有し、接合部２３は、接合面２３ａを介して保持部材３に漏洩する磁束の通り道における磁気抵抗が高くなるように磁気ギャップ形成手段である切欠部２５または溶接痕２５ａ′，２５ｂ′を備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転電機用の固定子に係り、特に、環状をなすように周方向に分割して配設された複数の分割コアを保持する保持部材を有する回転電機用の固定子に関する。

従来、一般に、モータ等の回転電機の小型、薄型化を図るため、トロイダル状に巻線が巻き回しされた回転電機用の固定子が知られている（特許文献１，２）。
例えば、特許文献１に記載の技術では、固定子を固定する被固定部材へ漏洩する磁束を低減することを目的として、コアの一部（３箇所）を外側に突出させて（図２参照）、この突出させた３箇所のコアを被固定部材で保持するとともに、この突出させた３箇所のコアから磁束が漏洩しにくいように、ＵＶＷ相の電流の向きと大きさを電気的に制御することで短絡を生じにくくしている。

また、特許文献２に記載の技術では、環状に形成された固定子の外周部に切欠き部を設けて漏洩磁束を低減させている（図２参照）。
特開２００６−２７１１６１号公報 特開平９−９５３２号公報

しかしながら、特許文献１に記載された固定子では、複数の固定子のうちの一部を突出させて、その突出させた部分を被固定部材で保持するものであるから、強固に保持しようとすると保持力が不均等になるため、固定子の保持強度の向上に限界があり、回転電機の出力特性を向上させようとすると振動や衝撃に対する剛性不足が懸念されるという問題があった。

また、特許文献２に記載の技術では、固定子外周から内周方向に向かって切欠き部を設けたことで固定子の剛性が低下する恐れがあるため、回転電機の出力特性を向上させようとするとやはり同様に振動や衝撃に対する剛性不足が懸念されるという問題があった。

本発明は、このような背景に鑑みてなされたものであり、複数の分割コアを強固に保持しながら、漏洩磁束を低減して保持部材における渦電流損を抑制し、ひいては、出力特性を向上できる回転電機用の固定子を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、固定子巻線がトロイダル状に巻き回しされ、環状をなすように周方向に分割して配設された複数の分割コアと、前記分割コアの外周部に接合して、前記複数の分割コアを環状に保持する保持部材と、を有する回転電機用の固定子であって、前記分割コアは、前記固定子巻線が巻き回しされる巻回部と、この巻回部から周方向に延出して形成されたヨーク部と、このヨーク部から径方向外側に延出して形成され、前記保持部材と接合する接合面を有する接合部と、前記ヨーク部から径方向内側に延出して形成されたティース部と、を有し、前記接合部は、前記接合面を介して前記保持部材に漏洩する前記固定子巻線から生ずる磁束の通り道における磁気抵抗が高くなるように磁気ギャップを形成する磁気ギャップ形成手段である切欠部または溶接痕を備えたこと、を特徴とする。

かかる構成によれば、複数の分割コアの外周部に接合又は勘合して、前記複数の分割コアを環状に保持する保持部材を備えたことで、固定子の剛性を確保して振動や衝撃を抑制することができる。
そして、前記固定子巻線から生ずる磁束のうち、前記接合面を介して前記保持部材に漏洩する漏洩磁束の通り道における磁気抵抗が高くなるように磁気ギャップを形成する磁気ギャップ形成手段を備えたことで、当該漏洩磁束が磁気ギャップ形成手段の周りを迂回して、より大きなループを描いて磁路が形成される。このため、前記接合面を介して前記保持部材に漏洩する漏洩磁束を低減して保持部材における渦電流損を抑制し、ひいては、回転電機の出力特性を向上することができる。

すなわち、前記接合面を介して前記保持部材に漏洩する漏洩磁束は、前記回転電機のロータと鎖交しないため損失（保持部材における渦電流損）となってしまうが、このロータと鎖交しない漏洩磁束を通りにくくすることで、その分固定子巻線から発生する磁束のうちロータと鎖交する主磁束が増加する。
このようにして、前記接合面を介して前記保持部材に漏洩する漏洩磁束を低減することができるため、保持部材で分割コアを固定して強固に保持しながら、回転電機のロータと鎖交する有効磁束量を増大させ、回転電機の出力特性を向上することができる。

ここで、磁気ギャップ形成手段として、切欠部を設けた場合には、磁気抵抗の高い磁気ギャップ（空気が介在することによるエアギャップ）を形成することができる。
また、切欠部に代えて溶接痕を設けた場合には、分割コアのコア部材の磁気特性が劣化し、溶接痕を設けない場合に比べて磁気抵抗が高い磁気ギャップが形成される。さらに、溶接痕を設けた場合には、例えば、分割コアを複数の電磁鋼板をスポット溶接等の溶接手段により一体化して積層することも可能となり、分割コアの製作性の向上を図ることができる。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の回転電機用の固定子であって、前記磁気ギャップ形成手段は、前記接合部において前記固定子巻線に近接する当該接合部の周方向端面と前記接合面との間に設けられていること、を特徴とする。

かかる構成によれば、前記磁気ギャップ形成手段を前記固定子巻線に近接する当該接合部の周方向端面と前記接合面との間に設けたことで、固定子巻線の近傍に生じる磁束密度の高い漏洩磁束が磁気ギャップ形成手段の周りを迂回するようになり、より大きなループを描いて磁路が形成されるため、漏洩磁束を効果的に低減することができる。

請求項３に係る発明は、請求項１または２に記載の回転電機用の固定子であって、前記磁気ギャップ形成手段である切欠部は、前記接合面の端部において、テーパ状または円弧状もしくはＵ字状に形成されていること、を特徴とする。

かかる構成によれば、回転電機の出力特性等に応じて適宜切欠部の形状を適切に設定することができる。

請求項４に係る発明は、請求項１に記載の溶接痕を備えた回転電機用の固定子の前記ティース部には、前記磁気ギャップ形成手段である第２の溶接痕が設けられ、この第２の溶接痕は、前記固定子巻線の径方向内側の端面よりも内径側であって、当該ティース部の側端面に近接して設けられていること、を特徴とする。

かかる構成によれば、前記接合部に設けられた溶接痕（第１の溶接痕）の他、さらにティース部においても第２の溶接痕を設けたことで、前記接合部から前記保持部材に漏洩する漏洩磁束の他、前記固定子の内周部における漏洩磁束も低減することができ、さらに回転電機のロータと鎖交する有効磁束量を増大させ、回転電機の出力特性を向上することができる。

本発明に係る回転電機用の固定子は、複数の分割コアを強固に保持しながら、漏洩磁束を低減して保持部材における渦電流損を抑制し、ひいては、回転電機の出力特性を向上することができる。

本発明の実施形態に係る回転電機用の固定子１について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。参照する図面において、図１は本発明の実施形態に係る回転電機用の固定子の分解斜視図であり、図２は本発明の実施形態に係る回転電機用の固定子の平面図である。図３は、固定子から分割コアの１つを抜き出した状態を示す図であり、（ａ）は分割コアに固定子巻線を巻き回しした状態を示す斜視図であり、（ｂ）は（ａ）の断面図であり、（ｃ）と（ｄ）は切欠部の他の形状を示す（ｂ）の部分断面図である。図４は分割コアの構成を説明するための図であり、（ａ）斜視図、（ｂ）は断面図である。

なお、本実施形態に係る回転電機は、例えばモータとして使用することができ、図２に示すように、回転子Ｒを固定子１の内周部に配設して、小型化、薄型化を図ることができる。

本発明の第１の実施形態に係る回転電機用の固定子１は、図１に示すように、固定子巻線１０がトロイダル状に巻き回しされ、環状をなすように周方向に分割して配設された複数の分割コア２，２・・・からなるコアユニット２０と、複数の分割コア２，２・・・の外周部である接合面２３ａに覆い被さるように接合して、複数の分割コア２，２・・・を環状に保持する保持部材３と、を備えている。そして、保持部材３は、コアユニット２０に焼きばめして強固に保持できるように構成されている。

かかる構成により、複数の分割コア２，２・・・の外周部に保持部材３を焼きばめすることで、複数の分割コア２，２・・・の接合面２３ａを内周方向に向けて均等に締め付けるようにして保持することができるため、固定子１の剛性を確保することができる。ここで、保持部材３は、機械的強度や焼入れ温度などに耐えるための耐熱性を考慮して金属材料（非磁性の金属材料、例えば、アルミニウム、銅など透磁率が空気と同程度かつヒステリシス損失を生じないものが好ましい）が用いられることが好ましい。
なお、本実施形態においては、製作性を考慮して保持部材３を焼きばめしているが、これに限定されるものではなく、締りばめ等による圧入で強固に保持することもできる。

分割コア２は、磁性部材（例えば、珪素鋼板や圧粉磁心、パーマロイ、ダストコアなど透磁率が空気より高く磁石とは異なり保持力のない軟磁性材。）からなり、図４に示すように、固定子巻線１０が巻き回しされる巻回部２１を有し（図３参照）、この巻回部２１から周方向に延出して形成されたヨーク部２２と、このヨーク部２２から径方向外側に延出して形成され、保持部材３（図１）と接合する接合面２３ａを有する接合部２３と、ヨーク部２２から径方向内側に延出して形成されたティース部２４と、を備えている。

そして、接合部２３には、図４（ｂ）に示すように、接合部２３の周方向端面２３ｂ，２３ｂと接合面２３ａとで形成する角部に磁気ギャップ形成手段としての切欠部であるテーパ状の切り欠き２５が形成されている。そして、切り欠き２５は軸方向の全長にわたって形成されている（図４（ａ））。

さらに具体的には、切り欠き２５は、図３（ｂ）に示すように、固定子巻線１０に近接する接合部２３の周方向端面２３ｂの径方向外側の角部１０ａに近接する部位から接合面２３ａに向かって断面視における三角形状のテーパ状に勾配を設けて形成されている（図３（ａ）を併せて参照）。
なお、切り欠き２５は、例えば、Ｒ＞０．５、Ｃ＞０．５以上で形成されることが望ましいが、所望の磁気抵抗を得ることができればこの数値に限定はされない。

かかる構成により、切り欠き２５は、固定子巻線１０から生ずる磁束のうち、接合面２３ａを介して保持部材３に漏洩する漏洩磁束の通り道における磁気抵抗が高くなるように磁気ギャップを形成することができる。

なお、本実施形態においては、磁気ギャップ形成手段である切欠部として、テーパ状の切り欠き２５を採用したが、これに限定されるものではなく、接合面２３ａの角部に接するように形成された円弧状の切欠部２５１（図３（ｃ）参照）または接合部２３の周方向端面の方向に沿ってＵ字状に形成されたＵ字形状（図３（ｄ）参照）の切欠部２５２を採用することもでき、分割コア２の外周部の形状や固定子巻線１０の巻き方に応じて切り欠きの形状を適宜設定することが望ましい。

また、分割コア２は、図２に示すように、隣接する分割コア２と係合するように設けられた凸部２ａと凹部２ｂを有し、この凸部２ａと凹部２ｂがそれぞれ嵌合することで、周方向に繋ぎ合わされて保持されるが、この係合部である凸部２ａと凹部２ｂは必ずしも必要ではなく、分割コア２の内周部を当接させた状態で保持部材３を嵌合させることで強固に保持することも可能である。

続いて、以上のように構成された本発明の実施形態に係る回転電機用の固定子１の作用について、主として図５を参照しながら説明する。図５は本発明の実施形態に係る固定子１における切欠部の作用について説明するための平面図である。

本発明の実施形態に係る固定子１の固定子巻線１０に通電されると、図５に示すように、固定子巻線１０の周りには、固定子１のヨーク部２２において周方向に磁路を形成する主磁束Ｆｓと、この主磁束Ｆｓからティース部２４を通って径方向に磁路を形成する主磁束Ｆｒと、が生じる。

ここで、この主磁束Ｆｓおよび主磁束Ｆｒに伴って、接合面２３ａを介して保持部材３に漏洩する漏洩磁束Ｆ，ｆも生じる。
具体的には、漏洩磁束ｆは、固定子巻線１０の周りに近接するループを描いて形成され、切り欠き２５を設けない場合に主として生じる漏洩磁束である。一方、漏洩磁束Ｆは、漏洩磁束ｆよりも大きなループを描いて形成され、主として切り欠き２５を設けた場合に生じる漏洩磁束である。したがって、漏洩磁束Ｆは、ループの小さな漏洩磁束ｆよりも磁束密度が小さな磁路を形成する。
つまり、切り欠き２５を設けない場合には、接合面２３ａを介して保持部材３に漏洩する磁束が増大し（漏洩磁束ｆ）、切り欠き２５を設けた場合には、当該漏洩磁束を低減することができる（漏洩磁束Ｆ）。

このようにして、固定子巻線１０から生ずる磁束のうち、接合面２３ａを介して保持部材３に漏洩する漏洩磁束ｆの通り道における磁気抵抗が高くなるように切り欠き２５を備えたことで、漏洩磁束が切り欠き２５の周りを迂回して磁路を形成するため（漏洩磁束Ｆ）、切り欠き２５が存在しない場合に形成されるループ（漏洩磁束ｆ）よりも大きなループを描いて磁路が形成され（漏洩磁束Ｆ）、当該漏洩磁束を低減することができる。

そして、当該漏洩磁束は、モータ（回転電機）のロータと鎖交しないため従来においては損失となっていたが、当該漏洩磁束を低減することで、保持部材３で発生する渦電流損を低減することができ、さらには、当該漏洩磁束分の磁束をロータと鎖交する主磁束Ｆｓ、Ｆｒへと導くことができる。

以上より、本発明の第１の実施形態に係る回転電機の固定子１は、接合面２３ａを介して保持部材３に漏洩する漏洩磁束ｆを低減することができるため、保持部材３で分割コアを固定して強固に保持しながら、回転電機のトルクに寄与しない磁束（漏洩磁束）を低減し、ひいては、ロータと鎖交する有効磁束量を増大させることができ、回転電機の効率及び出力特性を向上することができる。

続いて、本発明の第２の実施形態に係る回転電機用の固定子について、主として図６を参照しながら説明する。図６は本発明の第２の実施形態に係る分割コアを説明するための図であり、（ａ）はその構成を示す斜視図であり、（ｂ）は作用を説明するための平面図である。

なお、本発明の第２の実施形態に係る回転電機用の固定子は、前記した第１の実施形態に係る固定子１における分割コア２を分割コア２′に置き換えた構成に相当するものであるため、以下、分割コア２′の構成について説明し、前記した第１の実施形態に係る固定子１と重複する説明は省略する。

本発明の第２の実施形態に係る分割コア２′は、図６（ａ）に示すように、磁性体からなる複数の電磁鋼板をスポット溶接により接合部２３′とティース部２４′において、それぞれ２箇所を溶接して一体化して積層したものである。
すなわち、接合部２３′においては溶接痕２５ａ′，２５ａ′の部位を溶接し、ティース部２４′においては溶接痕２５ｂ′，２５ｂ′の部位を溶接している。

なお、本実施形態においては、スポット溶接により接合部２３′とティース部２４′において、それぞれ２箇所を溶接したが、これに限定されるものではなく、積層方向の固着力を維持できれば４箇所でなくてもよいし、スポット溶接の他、シーム溶接、その他の溶接手段、またはこれらを組み合わせた他の溶接手段により溶接することもできる。

分割コア２′は、図６（ａ）に示すように、固定子巻線１０′（図６（ｂ））が巻き回しされる巻回部２１′を有し（図３参照）、この巻回部２１′から周方向に延出して形成されたヨーク部２２′と、このヨーク部２２′から径方向外側に延出して形成され、保持部材３′（図１）と接合する接合面２３ａ′を有する接合部２３′と、ヨーク部２２′から径方向内側に延出して形成されたティース部２４′と、を備えている。

そして、接合部２３′には、図６（ｂ）に示すように、第１の実施形態における磁気ギャップ形成手段としての切り欠き２５に相当する箇所、すなわち固定子巻線１０に接する周方向端面２３ｂ，２３ｂと接合面２３ａとで形成する角部に溶接痕２５ａ′，２５ａ′が形成されている。そして、切り欠き２５は、図４（ａ）に示すように、軸方向の全長にわたって形成されている。

さらに、第２の実施形態に係る分割コア２′は、第１の実施形態における切り欠き２５に相当する箇所に形成された溶接痕２５ａ′，２５ａ′（第１の溶接痕）の他、第２の溶接痕２５ｂ′，２５ｂ′がティース部２４′に設けられている。
具体的には、第２の溶接痕２５ｂ′，２５ｂ′は、ティース部２４′において、固定子巻線１０′の径方向内側の端面２４ｂ′よりも内径側であって、ティース部２４′の側端面２４ｃ′に近接するように設けられている。
ここで、溶接痕２５ａ′，２５ａ′および第２の溶接痕２５ｂ′，２５ｂ′は、溶接強度を考慮するとともに、当該溶接痕における溶融金属（いわゆるナゲット）の磁気抵抗、当該溶接痕の占める断面積や容積によって磁気ギャップとしての適切な磁気抵抗を適宜設定される。

このように、第２の実施形態に係る分割コア２′は、第１の実施形態における切り欠き２５に相当する箇所に形成された
溶接痕２５ａ′，２５ａ′の他、さらにティース部２４′においても第２の溶接痕２５ｂ′，２５ｂ′を設けたことで、接合部２３′から保持部材３′に漏洩する漏洩磁束の他、第２の実施形態に係る固定子１の内周部であるティース部２４′における漏洩磁束も低減することができ、さらに回転電機のトルクに寄与しない磁束（漏洩磁束）を低減し、ひいては、ロータと鎖交する有効磁束量を増大させることができ、回転電機の効率及び出力特性を向上することができる。

第２の実施形態に係る分割コア２′は、第１の実施形態における切り欠き２５に代えて溶接痕２５ａ′，２５ａ′を設けることで、コア部材が溶接部材とともに溶融されて磁気抵抗が高い磁気ギャップが形成されるため、例えば、分割コア２′を複数の電磁鋼板をスポット溶接により一体化して積層することも可能となり、製作性の向上を図ることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記した実施形態に限定されるものではなく、適宜変更して実施することが可能である。
例えば、本実施形態においては、いわゆるラジアルギャップ型モータに適用する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、いわゆるアキシャルギャップ型モータであってもよいし、モータではなく発電機の固定子であっても同様に構成することもできる。

本実施形態においては、保持部材３は、複数のすべての分割コア２，２・・・の外周部である接合面２３ａに覆い被さるように接合して、複数の分割コア２，２・・・を環状に保持するように構成したが、これに限定されるものではなく、複数の分割コア２，２・・・の一部に磁気ギャップ形成手段を設けたものであってもよい。

本発明の実施形態に係る回転電機用の固定子の分解斜視図である。 本発明の実施形態に係る回転電機用の固定子の平面図である。 固定子から分割コアの１つを抜き出した状態を示す図であり、（ａ）は分割コアに固定子巻線を巻き回しした状態を示す斜視図であり、（ｂ）は（ａ）の断面図であり、（ｃ）と（ｄ）は切欠部の他の形状を示す（ｂ）の部分断面図である。 分割コアの構成を説明するための図であり、（ａ）斜視図、（ｂ）は断面図である。 本発明の実施形態に係る固定子１における切欠部の作用について説明するための平面図である。 本発明の第２の実施形態に係る分割コアを説明するための図であり、（ａ）はその構成を示す斜視図であり、（ｂ）は作用を説明するための平面図である。

符号の説明

１ 固定子
２，２′ 分割コア
３，３′ 保持部材
１０，１０′ 巻線
２１，２１′ 巻回部
２２，２２′ ヨーク部
２３，２３′ 接合部
２３ａ，２３ａ′ 接合面
２３ｂ 周方向端面
２４，２４′ ティース部
２４ｂ′ 固定子巻線の径方向内側の端面
２４ｃ′ ティース部の側端面
２５ 切り欠き（切欠部、磁気ギャップ形成手段）
２５１，２５２ 切欠部（磁気ギャップ形成手段）
２５ａ′，２５ｂ′ 溶接痕（磁気ギャップ形成手段）
Ｆ，ｆ 漏洩磁束
Ｒ 回転子

Claims (5)

1. 固定子巻線がトロイダル状に巻き回しされ、環状をなすように周方向に分割して配設された複数の分割コアと、
   前記分割コアの外周部に接合して、前記複数の分割コアを環状に保持する保持部材と、を有する回転電機用の固定子であって、
   前記分割コアは、
   前記固定子巻線が巻き回しされる巻回部と、
   この巻回部から周方向に延出して形成されたヨーク部と、
   このヨーク部から径方向外側に延出して形成され、前記保持部材と接合する接合面を有する接合部と、
   前記ヨーク部から径方向内側に延出して形成されたティース部と、を有し、
   前記接合部は、前記接合面を介して前記保持部材に漏洩する前記固定子巻線から生ずる磁束の通り道における磁気抵抗が高くなるように磁気ギャップを形成する磁気ギャップ形成手段である切欠部または溶接痕を備えたこと、
   を特徴とする回転電機用の固定子。
2. 前記磁気ギャップ形成手段は、前記接合部において前記固定子巻線に近接する当該接合部の周方向端面と前記接合面との間に設けられていること、
   を特徴とする請求項１に記載の回転電機用の固定子。
3. 前記磁気ギャップ形成手段である切欠部は、前記接合面の端部において、テーパ状または円弧状もしくはＵ字状に形成されていること、
   を特徴とする請求項１または請求項２に記載の回転電機用の固定子。
4. 請求項１に記載の溶接痕を備えた回転電機用の固定子の前記ティース部には、前記磁気ギャップ形成手段である第２の溶接痕が設けられ、
   この第２の溶接痕は、前記固定子巻線の径方向内側の端面よりも内径側であって、当該ティース部の側端面に近接して設けられていること、
   を特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の回転電機用の固定子。
5. 前記分割コアは磁性部材からなること、
   を特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の回転電機用の固定子。
   

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