JP2013247815A - 電動モータ - Google Patents

Abstract

【課題】ステータコアの鉄損を低減可能な電動モータを提供する。
【解決手段】フレームの内周面のうち、ステータコアの外周面との対向領域に、フレームの周方向の全域にわたり、フレームの軸線方向の中間部から両端部に向かって徐々に深さが増す円環状の鉄損低減用溝を形成した。よって、しめ代はその中間部から両端部に向かって徐々に小さくなり、ステータコアのフレームとの面接触領域に作用する圧縮応力が、その中間部から両端部に向かって徐々に減少する。これにより、従来よりステータコアの両端部の外周部分の圧縮応力が緩和され、各ティース部の中間部の内面部分での圧縮応力も低下する。その結果、ステータコアの鉄損を低減できる。
【選択図】図１

Description

この発明は、電動モータ、詳しくはステータコアの外周面に円筒形状のフレームが、フレームの締め付け力により保持されてステータコアの内部空間でロータが回転する電動モータに関する。

インナーロータ型の電動モータ（電動回転機）は、円筒形状のフレームと、フレームの内部空間に挿入され、かつ外周面をフレームの内周面と面接触させてフレームの締め付け力により保持されるステータコアと、ステータコアの内部空間で回転するロータとを備えている。ステータコアをフレームに固定する方法は各種存在するが、小型の電動モータの場合には、しめ代をもってステータコアをフレームに嵌め合う「焼きバメ」が一般的である。焼きバメには、ステータコアの外径より内径が小さいフレームを使用し、嵌め合う直前にフレームを加熱してこれを熱膨張により拡径し、この状態でフレームの内部空間にステータコアを挿入後、フレームを冷やす。こうして縮径したフレームには、ステータコアとの面接触領域に引張応力が作用し、フレームからの圧縮応力がステータコアに発生して、両部材は締りバメ状態となる。

しかしながら、この焼きバメによりステータコアに発生する圧縮応力が、ステータコアの特性を劣化させて鉄損を増加し、電動モータの効率を低下させていた。特にステータコアの外周面のフレームと嵌り合う部分のうち、ステータコアの軸線方向の両端部（以下、単に両端部という場合がある）に発生する圧縮応力は、ステータコアの半径方向にも大きな応力であるばかりでなく、ステータコアの両端部の外周面側からステータコアの中心部へ向かう押し曲げ応力も発生していた。これは、フレームの収縮力がステータコア両端部では、ステータコアの中心部に向かう力が発生するためである。

そこで、これを解消する従来技術として、例えば、特許文献１の「回転機」などが知られている。具体的には、特許文献１では、フレームの内周面のステータコアとの面接触領域のうち、フレームの両端部にフレームの周方向に沿った切り欠き部をそれぞれ設け、ステータコアに発生する圧縮応力を緩和させ、ステータコアの鉄損を減少させる。この切り欠き部は、その軸線方向（長さ方向）の全域にわたって深さが一定の溝である。

特開２０１０−１１９１５７号公報

このように、特許文献１の回転機においては、ステータコアの両端部に発生する圧縮応力を緩和するため、フレームの内周面のステータコアとの面接触領域のうち、フレームの両端部に、周方向に沿って環状の切り欠き部をそれぞれ形成していた。これにより、あたかもその目的が達成されたかのように見える。しかしながら、切り欠き部は、その軸線方向の全域にわたり深さが一定の溝であるため、実際は、互いの接触面の面積が縮小しただけで、ステータコアの外周面のフレームとの面接触部分のうち、ステータコアの両端部には、従前と同様の圧縮応力が集中し、高い鉄損が発生して回転機の効率を低下させていた。

また、特許文献１の回転機の場合、上述したステータコアの両端部のフレームとの面接触領域に作用する応力集中を原因として、各ティース部においても、ステータコアの両端部の外周面側からの押し曲げ力が作用し、各ティース部のうち、その長さ方向（ステータコアの軸線方向）の中間部の内面部分で圧縮応力が高まっていた。その結果、ステータコアの鉄損がさらに増大していた。

そこで、発明者らは、鋭意研究の結果、フレームの内周面のうち、少なくともステータコアの外周面との対向領域のうち、フレームの軸線方向の両端部分に、フレームの周方向の全域にわたって、その（鉄損低減用溝の）軸線方向の中間部からその軸線方向の対応する端部へ向かって徐々に深さが増大する円環状の鉄損低減用溝を形成すればよいことに想到した。すなわち、この構成を採用すれば、フレームとステータコアとのしめ代が、その軸線方向の中間部に比べて、その両端部の方が徐々に小さくなる。これにより、ステータコアの軸線方向の両端部の応力集中が緩和され、その結果、上述した問題が全て解消されることを知見し、この発明を完成させた。

この発明は、フレームとステータコアとの嵌め合いを原因としたステータコアの軸線方向の両端部の外周部分に作用する圧縮応力、および、各ティース部のうち、その長さ方向の中間部の内面部分に発生する圧縮応力をそれぞれ緩和し、これによりステータコアの軸線方向およびその周方向の鉄損を低減することができる電動モータを提供することを目的としている。

請求項１に記載の発明は、円筒形状のフレームと、該フレームの内部空間に挿入され、かつ外周面を該フレームの内周面と面接触させて該フレームの締め付け力により保持されるステータコアと、該ステータコアの内部空間で回転するロータとを備えた電動モータにおいて、前記フレームの内周面のうち、前記ステータコアの外周面との対向領域には、前記フレームの周方向の全域にわたり円環状の鉄損低減用溝が形成され、該鉄損低減用溝は、該鉄損低減用溝の軸線方向の中間部から該鉄損低減用溝の両端部に向かって徐々に深さが増大する電動モータである。

従来の電動モータの場合、フレームの内周面のステータコアとの対向領域が、その軸線方向の全長にわたって平面（完全な円筒面）であったため、フレームとステータコアとの嵌め合い時（締りバメ時）において、ステータコアの両端部のフレームとの接触部分に応力集中が発生し、これを原因として、その接触部分の圧縮応力が高まるとともに、各ティース部においても、ステータコアの両端部の外周面側からの押し曲げ力が作用して、各ティース部のうち、その長さ方向の中間部の内面部分で圧縮応力が高まっていた。

これを解消するため、本発明では、フレームの内周面のうち、ステータコアの外周面との対向領域に、フレームの周方向の全域にわたり、鉄損低減用溝の軸線方向（以下、溝軸方向という場合がある）の中間部から溝軸方向の両端部に向かって徐々に深さが増大する円環状の鉄損低減用溝を形成した。
これにより、嵌め合い時、フレームとステータコアとのしめ代は、ステータコアの軸線方向の中間部からその両端部に向かって徐々に小さくなる。その結果、嵌め合いによりステータコアのフレームとの面接触領域に作用する圧縮応力が、ステータコアの軸線方向の中間部から両端部に向かって徐々に減少し、このステータコアの両端部の外周部分に作用する圧縮応力が従来に比べて緩和される。これに伴い、各ティース部においても、ステータコアの両端部の外周面側からの押し曲げ力が減少し、各ティース部のうち、その長さ方向の中間部の内面部分に作用する圧縮応力も従来に比べて緩和される。これらにより、ステータコアの軸線方向およびその周方向の鉄損を低減することができる。

電動モータは、インナーロータ型のものである。電動モータは、ステータコアの外周面のフレームの内周面との対向領域のうち、ステータコアの軸線方向の少なくとも中間部が、ステータコアの周方向の全域にわたってフレームと面接触するように構成されている。
ここでいう「ステータコアの外周面のフレームの内周面との対向領域のうち、ステータコアの軸線方向の少なくとも中間部」とは、フレームとの面接触領域が、例えばステータコアの外周面のフレームの内周面との対向領域のうち、ステータコアの軸線方向の中間部のみでもよいし、ステータコアの外周面のフレームの内周面との対向領域の全部でもよいことを意味する。別の見方で言えば、鉄損低減用溝のフレームの軸線方向の両端の深さ（最大深さ）は、しめ代より大きくても、小さくてもよい。
なお、上記ステータコアの軸線方向の中間部のみが、ステータコアの周方向の全域にわたってフレームと面接触（面接触領域）している場合、この中間部のみでも、ステータコアをフレームに固定する役割は十分に果たせる。よって、本発明のようにフレームの内周面に鉄損低減用溝を加工しさえすれば、ステータコアの固定の目的と、フレームからステータコアに圧縮応力が緩和されることよる鉄損低減の効果が得られる。

フレームの素材としては、例えば、各種のアルミニウム合金を採用することができる。
フレームの内径は、締りバメを行うしめ代の分だけ、ステータコアの外径より小さい。これは、フレームを高温に加熱してステータコアに組み付ける焼きバメ、ステータコアを冷やしてフレームに組み付ける冷やしバメ、若干のしめ代によりフレームにステータコアを固定する圧入れなどの嵌め合いを行い、フレームをステータコアに所定の締め付け力により保持するためである。フレームの厚さは電動モータの大きさにより適宜異なる。
ステータコアの素材としては、電磁鋼板を積層したものを採用することができる。
ステータコアの種類としては、例えば、薄肉な電磁鋼板を多数枚重ね合わせた積層電磁鋼板型のものを採用することができる。ステータコアの内周部には、コイルを巻回する多数のティース部が、ステータコアの周方向に所定ピッチで、かつステータコアの軸線方向にその長さ方向を揃えて配設されている。

ステータコアとフレームとの（軸線方向の）長さ関係は、フレームの方がステータコアより長い。なお、フレームとステータコアとの長さが同一の場合でも、本発明の効果は発現される。
「鉄損低減用溝」としては、フレームを、その軸線を含む垂直面で（縦に）２分割した断面において（それぞれがフレームの軸線と平行で、かつ１８０°間隔で対向した２つの分割線に沿って半分割した断面において）、背面（奥面、底面、巾面）の溝軸方向の中間部が外方へ突出した凸型の円弧溝、または、背面の溝軸方向の中間を頂上（山頂）とし、かつ背面の溝軸方向の両側部にそれぞれ斜面部を有した山形溝などを採用することができる。このうち、鉄損低減用溝の背面が断面円弧状の鉄損低減溝の場合には、ステータコアの軸線方向の応力分布が両端部に向かうほど徐々に緩和され、接触部が段階的に変化することによる応力集中も発生しない。

また、前記背面の断面円弧の曲率半径は、フレームの内径の５〜３５倍である。５倍を下回れば、フレームとステータコアの固定が十分にできない。また、３５倍を超えれば、従来のステータコアの場合とフレームのしめ代はほとんど変わらず、ステータコアの両端部で鉄損が増加する。鉄損低減用溝の背面の好ましい曲率半径は７〜１５倍である。この範囲であれば、ステータコアのバックヨークの両端部およびティース部においても、ステータコアを固定するには十分で、さらに応力分布が均一でかつ小さくなって、鉄損が低減する。
鉄損低減用溝の背面が断面山形の場合、背面の鉄損低減用溝の軸線方向の中間部には、鉄損低減用溝の軸線方向の全長にわたって内径が一定となる平面部を形成してもよい。その際、この背面の前記断面形状は台形となる。
また、鉄損低減用溝は、互いに一致するフレームおよびステータコアの軸線から、鉄損低減用溝の背面の軸線方向の中間点（鉄損低減用溝の最内周縁）までの最短距離が、これら軸線からフレームの内周面（鉄損低減用溝を除く）までの最短距離と同一でも、それより短くてもよい。
ロータとしては、例えば、一般的なインナーロータを採用することができる。

請求項２に記載の発明は、前記鉄損低減用溝の最大深さは、前記フレームと前記ステータコアとのしめ代の最大値の０．１〜１倍である請求項１に記載の電動モータである。

請求項２に記載の発明によれば、鉄損低減用溝の最大深さを、嵌め合わせる前のフレームとステータコアとのしめ代の最大値以下としたため、ステータコアの軸端部では、圧縮応力やステータコアの中心部へ向かう応力が小さくなり、全体として鉄損が低減される。
鉄損低減用溝の最大深さ（鉄損低減用溝のうち、フレームの軸線方向の両端の深さ）の値は、フレームとステータコアとのしめ代の最大値と同一（１倍）からそれより小さい０．１倍までである。この範囲であれば、ステータコアの軸端部では圧縮応力やステータコアの中心部へ向かう応力が小さくなり、鉄損が低減される。また、鉄損低減用溝の最大深さをしめ代の最大値と同一にした場合には、嵌め合い時、ステータコアの軸端部では、ステータコアの外径とフレームの内径が同一（中間バメの状態）となり、圧縮応力やステータコアの中心部へ向かう応力が発生せず、全体として鉄損が低減する。
ここで、フレームとステータコアとのしめ代が最大値となるのは、鉄損低減用溝の軸線方向の中間部に該当する、フレームとステータコアとの対向部分（ステータコアの軸線方向の中間部）である。

請求項１に記載の発明によれば、フレームの内周面のうち、ステータコアの外周面との対向領域に、フレームの周方向の全域にわたって、鉄損低減用溝の軸線方向の中間部からその両端部に向かって徐々に深さが増大する円環状の鉄損低減用溝を形成する構成を採用した。これにより、ステータコアとフレームとの嵌め合い時、フレームとステータコアとのしめ代は、ステータコアの軸線方向の中間部からその両端部に向かって徐々に小さくなる。その結果、ステータコアのフレームとの面接触領域に作用する圧縮応力が、ステータコアの軸線方向の中間部から両端部に向かって徐々に減少し、従来に比べてステータコアの両端部の外周部分に作用する圧縮応力が緩和される。しかも、これに伴い、各ティース部では、ステータコアの両端部の外周面側からの押し曲げ力が小さくなって、各ティース部の中間部の内面部分での圧縮応力が従来より低下する。以上のことから、ステータコアの軸線方向およびその周方向の鉄損を低減することができる。

請求項２に記載の発明によれば、鉄損低減用溝の最大深さをフレームとステータコアとのしめ代の最大値の０．１〜１倍としている。この範囲であれば、ステータコアの軸端部では、圧縮応力やステータコアの中心部へ向かう応力が従来より小さくなり、全体として鉄損が低減する。

この発明の実施例１に係る電動モータの一部を構成するフレームとステータコアとの嵌め合い状態を示す要部拡大縦断面図である。 この発明の実施例１に係る電動モータの一部を構成する冷却前のフレームとステータコアとの嵌め合い状態を示す縦断面図である。 この発明の実施例１に係る電動モータの一部を構成するフレームとステータコアとの嵌め合い状態でのステータコアの鉄損低減用溝の形成壁およびティース部の応力分布を示す要部拡大縦断面図である。 この発明の実施例１に係る電動モータの一部を構成するステータコアおよび従来の電動モータの一部を構成するステータコアにおいて、電磁鋼板の積層後と、本発明の焼きバメ後と、従来の焼きバメ後とにおけるステータコアの軸線方向での鉄損の変移を示すグラフである。 （ａ）は、従来手段に係る電動モータの一部を構成するフレームの上半分とステータコアの上半分との嵌め合い状態での応力分布を示す要部斜視断面図である。（ｂ）は、この発明の実施例１に係る電動モータの一部を構成するフレームの上半分とステータコアの上半分との嵌め合い状態での応力分布を示す要部斜視断面図である。

以下、この発明の実施例を具体的に説明する。ここでは、フレームとステータコアとが、焼きバメ法の締りバメにより嵌め合わされた電動モータを例にとる。

図１および図２において、１０はこの発明の実施例１に係る電動モータ（以下、回転機）である。この回転機１０は、円筒形状のフレーム１１と、フレーム１１の内部空間に挿入され、かつ外周面をフレーム１１の内周面と面接触させてフレーム１１の焼きバメによる締め付け力によって保持されるステータコア１２と、ステータコア１２の内部空間で回転する図示しないロータとを備えている。

以下、これらの構成体を具体的に説明する。
回転機１０は出力数ｋＷ程度のものである。
フレーム１１は、アルミニウム合金（Ａ２０２７）からなり、内径Ｒａ、外径Ｒｂ（厚さｔ）、軸線方向の長さがＬｆの円筒体である。
ステータコア１２は、薄肉で円環形状の電磁鋼板を軸線方向に多数枚重ね合わせた積層式円筒体である。ステータコア１２の内周部の全域には、ステータコア１２の軸線に向かってそれぞれ放射状に突出した多数のティース部１３が、ステータコア１２の周方向に所定ピッチで配設されている。ステータコア１２のティース部１３を除く本体部分の内径はＲｃ、本体部分の外径はＲａ＋０．６ｍｍ、本体部分の厚さＴ、本体部分の軸線方向の長さはＬｓである。これにより、フレーム１１とステータコア１２との（焼きバメ前の）しめ代ａは、後述する鉄損低減用溝１４の背面１４ａの形状の影響により、ステータコア１２の軸線方向の長さの中間位置が最大（一例として０．６ｍｍ）となるとともに、ステータコア１２の軸端部のしめ代ａは、例えば０．１ｍｍ、０．２ｍｍのように、焼きバメの条件に応じて適宜小さくなる。
ステータコア１２の内部空間には、図示しないロータが、その軸線回りに回転自在に収納されている。ロータとしては、汎用品のインナーロータが使用されている。

次に、図１を参照して、前記フレーム１１を詳細に説明する。
フレーム１１には、その内周面のうち、ステータコア１２の外周面との対向領域に、フレーム１１の周方向の全域にわたって、フレーム１１の軸線方向の中間部からフレーム１１の両端部に向かって徐々に深さが増大する円環状の鉄損低減用溝１４が形成されている。ここでいう「ステータコア１２の外周面との対向領域」とは、フレーム１１の内周面のうち、フレーム１１の軸線方向の両端部を除く部分である。嵌め合い（焼きバメ）時、フレーム１１とステータコア１２とは、互いに一致した軸線上で、それぞれの軸線方向の長さの中間点が重なり合っている。

鉄損低減用溝１４は、フレーム１１を、その軸線を含む垂直面で２分割した断面において、溝軸方向の中間部が外方へ突出した凸型円弧状の背面１４ａを有するものである（焼きバメ前の状態）。背面１４ａの軸線方向の中間点は、フレーム１１の軸線と直交する断面において、フレーム１１の内周面と同心円上に配置されている。鉄損低減用溝１４は、その軸線方向の長さが、ステータコア１２の軸線方向の長さより０．２ｍｍ（上下に０．１ｍｍずつ）長く、かつ焼きバメ前において、鉄損低減用溝１４の軸線方向の両端の深さが、鉄損低減用溝１４の最大深さｂとなる。最大溝深さｂは、しめ代ａの最大値の０．５倍の０．３ｍｍ、焼きバメ後の最大深さｃは０．６ｍｍである。
なお、例えば鉄損低減用溝１４の最大深さｂを、しめ代ａの最大値と同一の０．６ｍｍとしてもよい。この場合、鉄損低減用溝１４の背面１４ａの断面円弧の曲率半径は、フレーム１１の内径の５．６倍である。このとき、ステータコア１２の軸端部ではしめ代が存在しない。

このように構成される回転機１０の製造時には、焼きバメによりフレーム１１とステータコア１２とが嵌め合わされる。このとき、フレーム１１の内周面のうち、ステータコア１２の外周面との対向領域およびそれより上下に０．１ｍｍずつの領域に、鉄損低減用溝１４が形成され、かつこの鉄損低減用溝１４は、上述したようにフレーム１１の周方向の全域にわたって、軸線方向の中間部から両端部に向かって徐々に深さが増大し、最大深さｂが０．３ｍｍとなっている。そのため、焼きバメ時、ステータコア１２の外周面のフレーム１１の内周面との対向領域のうち、ステータコア１２の軸線方向の中間部が最もしめ代ａが大きくなり（しめ代ａの最大値）、ステータコア１２の上下端に進むにしたがってしめ代ａが徐々に小さくなる。また、焼きバメ後のフレーム１１とステータコア１２とのしめ代ｃは、フレーム１１の内周面とステータコア１２の外周面との対向領域の全域にわたって、０．６ｍｍとなる（図１）。このとき、フレーム１１の内周面とステータコア１２の外周面との面接触領域は、この対向領域と同一となる。

このように、しめ代ａがステータコア１２の軸線方向の中間部からその両端部に向かって徐々に小さくなるため、ステータコア１２のフレーム１１との面接触領域に作用する圧縮応力は、この面接触領域付近のステータコア１２の上下端部を含めて、ステータコア１２の軸線方向の中間部から両端部に向かって徐々に減少する（図３）。そのため、フレーム１１とステータコア１２との焼きバメ時にステータコア１２の両端部の外周部分に作用する圧縮応力は、従来の回転機に比べて緩和される（図４のグラフ）。しかも、これに伴って各ティース部１３では、ステータコア１２の両端部の外周面側からの押し曲げ力が小さくなり、各ティース部１３の長さ方向の中間部の内面部分において、圧縮応力も従来より小さくなる（図３）。
なお、例えば鉄損低減用溝１４の最大深さｂを、しめ代ａの最大値と同一の０．６ｍｍとした場合、ステータコア１２の軸端部ではしめ代がない中間バメ状態となる。これにより、ステータコア１２の軸端部では、圧縮応力やステータコア１２の中心部へ向かう応力が発生せず、全体として鉄損が低減される。仮に、鉄損低減用溝１４の最大深さｂを、しめ代ａの最大値より大きくした場合には、ステータコア１２の軸端部ではフレーム１１の内周面との間に隙間が現出し、フレーム１１の内周面とステータコア１２の外周面との面接触領域は前記対向領域より小さくなる。この場合でも、しめ代ａはステータコア１２の軸線方向の中間部からその両端部に向かって徐々に小さくなっているため、ステータコア１２の軸端部での鉄損の低減が図れる。

ここで、図５を参照して、実際に、本発明（実施例１）の電動モータおよび従来の電動モータにおける、フレームとステータコアとの嵌め合い部分の応力解析を実施した結果を報告する。なお、本発明の電動モータと従来の電動モータとの構造上の違いは、フレームの内周面に鉄損低減用溝を有するか否かのみである。
図５（ａ）に示すように、従来の電動モータの場合には、焼きバメ時に発生するステータコアの両端部の外周部分に作用する圧縮応力、および、各ティース部の長さ方向の中間部の内面部分にそれぞれ作用する圧縮応力が大きかった。
これに対して、図５（ｂ）に示すように、本発明では、フレーム１１とステータコア１２とのしめ代ａが、ステータコア１２の軸線方向の中間部からその両端部に向かって徐々に小さくなった。その結果、焼きバメ時に発生するステータコア１２の両端部の外周部分に作用する圧縮応力が緩和した。これに伴い、各ティース部１３の長さ方向における中間部の内面部分にそれぞれ作用する圧縮応力も緩和した。よって、ステータコア１２の軸線方向およびその周方向の鉄損を、従来機の場合に比べて低減することができた。

この発明は、電動モータのステータコアの鉄損低減として有用な技術である。

１０ 電動モータ、
１１ フレーム、
１２ ステータコア、
１４ 鉄損低減用溝、
ａ しめ代。

Claims (2)

1. 円筒形状のフレームと、
   該フレームの内部空間に挿入され、かつ外周面を該フレームの内周面と面接触させて該フレームの締め付け力により保持されるステータコアと、
   該ステータコアの内部空間で回転するロータとを備えた電動モータにおいて、
   前記フレームの内周面のうち、前記ステータコアの外周面との対向領域には、前記フレームの周方向の全域にわたり円環状の鉄損低減用溝が形成され、
   該鉄損低減用溝は、該鉄損低減用溝の軸線方向の中間部から該鉄損低減用溝の両端部に向かって徐々に深さが増大する電動モータ。
2. 前記鉄損低減用溝の最大深さは、前記フレームと前記ステータコアとのしめ代の最大値の０．１〜１倍である請求項１に記載の電動モータ。

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