JP6292312B2

JP6292312B2 - 回転機及び回転機の製造方法

Info

Publication number: JP6292312B2
Application number: JP2016555405A
Authority: JP
Inventors: 成文遠嶋; 武弘軸丸
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2014-10-24
Filing date: 2015-10-23
Publication date: 2018-03-14
Anticipated expiration: 2035-10-23
Also published as: US20170222507A1; EP3211765A1; JPWO2016063976A1; US10511199B2; WO2016063976A1; CN107078583A; EP3211765A4

Description

本開示は、回転機及び回転機の製造方法に関するものである。本願は、２０１４年１０月２４日に日本に出願された特願２０１４−２１７０２０号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

例えば、特許文献１に示すように、モータ等の回転機においては、先端に向けて窄むように周面がテーパ面とされた突極が採用される場合がある。このような形状の突極を用いることにより、磁気飽和を抑止し、高出力時であってもモータ効率が低下することを抑止することができる。また、特許文献２は、モータの固定子において、コイルは、素線から成型された矩形断面の平角導体をエッジワイズ曲げして螺旋状に巻回することにより形成されており、この平角導体は、巻回された際にターン毎に矩形断面の長辺と短辺の長さが異なるように予め段付き形状に成型されていることを開示している。このような形状により、スロットに対する第１のコイルと第２のコイルの占積率を高くすることができる。また、特許文献３〜４にも、背景技術が開示されている。

国際公開第２０１２／１３７３０２号日本国特開２００８−１６７５９３号日本国特開平１１−０３２４５７号日本国特開２０００−０４１３６５号日本国特開平０９−３０８１４２号

１つのステータには、複数のコイルが設けられる。通常、これらのコイルは、同一形状を有している。占積率を最大にするようにコイルを使用すると、一般的には、このような同一形状のコイルは、隣のコイルに当接するように設けられる。

しかしながら、ステータの径方向内側に向けて突出しかつ周面がテーパ面である突極に、同一形状のコイルを設ける場合には、突極と突極との間に巻線の存在しないデッドスペースが生じる。より詳説すると、ステータの組立て時において、周方向に設けられた複数の突極に順次成型されたコイルを取り付けるときに、コイルはステータの径方向に向かう突極の中心軸に沿って突極に差し込まれる。このとき、先に取り付けられたコイルの外周面のステータ内側に近い端部に、後から取り付けられるコイルの外周面のステータ外側に近い端部が干渉することを防止するためには、コイルのステータ外側に近い端部の径を縮小する必要がある。この結果、隣り合うコイル同士の間にデッドスペースが生じる。

本開示は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、径方向内側に向けて突出する突極を有するステータを備える回転機において、コイルの占積率を向上させて性能の向上を図ることを目的とする。

上記目的を達成するために、本開示の第１の態様は、円環状のヨーク部と、径方向内側に突出しかつ周方向に配列される複数の突極と、突極に設けられるコイルとを有する環状のステータを備え、突極の周面が突極の先端に向けて窄むテーパ面である回転機である。コイルは、突極のテーパ面に沿って傾斜する内周面及びステータの径方向内側に向けて傾斜する外周面を有する第１コイルと、第１コイルが設けられる突極に隣り合う突極に設けられ、突極のテーパ面に沿って傾斜する内周面及びステータの径方向外側に向けて傾斜された外周面を有する第２コイルと、を備える。

本開示の第２の態様は、円環状のヨーク部と、径方向内側に突出しかつ周方向に配列される複数の突極と、突極に設けられるコイルとを有する環状のステータを備え、突極の周面が突極の先端に向けて窄むテーパ面である回転機であって、コイルは、突極のテーパ面に沿って傾斜する内周面及びステータの径方向内側に向けて傾斜された外周面を有する第１コイルと、第１コイルが設けられる突極に隣り合う突極に設けられ、突極のテーパ面に沿って傾斜する内周面及びステータの径方向外側に向けて傾斜された外周面を有する第２コイルと、を備える、回転機の製造方法である。この回転機の製造方法は、巻線を複数回に渡り巻回することにより、第１コイルと、第２コイルと、を成型する巻線工程と、巻線工程において成型されたコイルを圧縮成型するプレス工程と、プレス工程において圧縮成型された上記コイルを突極に取り付ける組立工程と、を有する。

本開示の回転機によれば、コイルは、突極のテーパ面に沿って傾斜する内周面及びステータの径方向内側に向けて傾斜する外周面を有する第１コイルと、突極のテーパ面に沿って傾斜する内周面及びステータの径方向外側に向けて傾斜された外周面を有する第２コイルと、を備えている。また、第１コイルと第２コイルとが、ステータの周方向において、複数の突極に交互に設けられている。このような回転機によれば、先に第１コイルを突極に取り付けると、第１コイルの外周面がステータの径方向外側に向けて傾斜されているため、第１コイルの外周面のステータの内側に近い端部が突極に寄せて配置される。これにより、第１コイルの外周面におけるステータの内側に近い端部が第２コイルの取り付けの邪魔になることを防止することができる。さらに、第２コイルがステータの径方向外側に向くように傾斜されている外周面を有していることから、外周面のステータの内側に近い端部が突極から遠ざかるように張り出している。これにより、第２コイルの外周面を第１コイルの外周面に近接あるいは当接させることができることから、コイルの占積率の向上が図れる。このように、本開示によれば、形状の異なる２つのコイルを交互に突極に設けることにより、全てのコイルを突極に取り付けることを可能にするとともに、コイル占積率の向上を実現している。このような本開示によれば、径方向内側に向けて突出する突極を有するステータを備える回転機において、コイルの占積率を向上させることにより性能の向上を図ることが可能となる。

本開示の一実施形態に係るスイッチトリラクタンスモータの断面図である。本開示の一実施形態に係るスイッチトリラクタンスモータの部分拡大断面図である。本開示の一実施形態に係るスイッチトリラクタンスモータの製造方法を示すフローチャートである。本開示の一実施形態に係るスイッチトリラクタンスモータの製造工程を説明する断面図である。本開示の一実施形態に係るスイッチトリラクタンスモータの製造工程を説明する断面図である。

以下、図面を参照して、本開示に係る回転機の一実施形態について説明する。なお、以下の実施形態においては、本開示の回転機をスイッチトリラクタンスモータに適用した例について説明する。

図１は、本実施形態のスイッチトリラクタンスモータ１の断面図である。この図１に示すように、本実施形態のスイッチトリラクタンスモータ１は、ロータ２と、ステータ３と、を備えている。なお、図１に示されていないが、本実施形態のスイッチトリラクタンスモータ１は、ケーシング、シャフト、制御回路等の必要な構成要素を備えている。

ロータ２は、ロータ軸Ｌを中心とする環状形状とされており、不図示の軸受等によってロータ軸Ｌを中心として回転可能に支持されている。このロータ２は、円環状のヨーク部２ａと、ヨーク部２ａからロータ２の外側に向けて突出する突極２ｂと、を備えている。これらのヨーク部２ａ及び突極２ｂは、ロータ軸Ｌに沿う方向に積層された複数の電磁鋼板が、圧入、焼嵌め、又はボルト（不図示）のいずれかにより締結されること等によって形成されている。突極２ｂは、ヨーク部２ａの外周面からステータ３に向けて突出されており、複数の突極２ｂが、ロータ２の周方向に等間隔で設けられている。なお、本実施形態においては、図１に示すように、６０°間隔にて６個の突極２ｂが設けられている。

ステータ３は、ロータ２の外側に配置されており、ロータ２を径方向外側から囲うようにロータ軸Ｌを中心とする環状形状とされている。このようなステータ３は、円環状のヨーク部３ａと、ヨーク部３ａからステータ３の内側に向けて突出する突極３ｂとを備えている。これらのヨーク部３ａ及び突極３ｂは、磁性体によって一体的に形成されている。さらに、ステータ３は、突極３ｂに巻回されて設けられる第１コイル３ｃと第２コイル３ｄとを備えている。

突極３ｂは、ヨーク部３ａの内周面からロータ２に向けて突出されており、先端に向けて窄む周面を有している。つまり、突極３ｂは、先端に向けて窄むテーパ面３ｂ１を有している。また、複数の突極３ｂが、ステータ３の周方向に等間隔で設けられている。なお、本実施形態においては、図１に示すように４５°間隔にて８個の突極３ｂが設けられている。

図２は、ステータ３の部分拡大図である。この図２に示すように、第１コイル３ｃは、突極３ｂのテーパ面３ｂ１に沿って傾斜する内周面３ｃ１と、ステータ３の径方向外側を向けて傾斜された外周面３ｃ２と、を有している。なお、第１コイル３ｃは、複数回に渡り密に巻回された巻線（素線）で構成されている。この第１コイル３ｃを構成する巻線は、突極３ｂのテーパ面３ｂ１に沿ってターン毎の巻線が互いに密接するように、且つ、突極３ｂが形成されていないヨーク部３ａの内周面に沿ってターン毎の巻線が互いに密接するように、整列巻きされている。ただし、巻線を巻回すことで第１コイル３ｃに近い形状に成型されたものを更に圧縮することにより第１コイル３ｃを成型することから、「突極３ｂのテーパ面３ｂ１に沿ってターン毎の巻線が互いに密接するように」とは、テーパ面３ｂ１に沿う方向から多少ずれてターン毎の巻線が互いに密接していることも含み、「突極３ｂが形成されていないヨーク部３ａの内周面に沿ってターン毎の巻線が互いに密接するように」とは、突極３ｂが形成されていないヨーク部３ａの内周面に沿う方向から多少ずれてターン毎の巻線が互いに密接することも含む。ここで、内周面３ｃ１と外周面３ｃ２とは、巻線が第１コイル３ｃの形状に最終的に成型されることで得られる成型体の内周面と外周面とを意味している。このような内周面３ｃ１及び外周面３ｃ２は、予め設計段階で規定されており、設計に沿って形成されている。

このような第１コイル３ｃは、内周面３ｃ１が突極３ｂのテーパ面３ｂ１に当接する内径を有している。ここで、上述のように内周面３ｃ１が突極３ｂのテーパ面３ｂ１に沿って傾斜されている。このため、図２に示すように、第１コイル３ｃの内周面３ｃ１は、突極３ｂのテーパ面３ｂ１と面接触されている。

また、第１コイル３ｃは、外周面３ｃ２を通るステータ３の径方向を基準としたときに、外周面３ｃ２がステータ３の径方向外側に向くように傾斜されている。このため、外周面３ｃ２のステータ３の内側に近い端部（図２における第１コイル３ｃの上側の端部）が、外周面をステータ３の径方向に沿って形成した場合や突極３ｂの中心軸と平行に形成した場合と比較して、第１コイル３ｃが設けられる突極３ｂに近接するように配置されている。

第２コイル３ｄは、第１コイル３ｃが設けられた突極３ｂと隣り合う突極３ｂに設けられており、突極３ｂのテーパ面３ｂ１に沿って傾斜する内周面３ｄ１及びステータ３の径方向内側に向けて傾斜された外周面３ｄ２を有している。なお、第１コイル３ｃと同様に、第２コイル３ｄも、複数回に渡り密に巻回された巻線（素線）で構成されている。この第２コイル３ｄを構成する巻線は、突極３ｂのテーパ面３ｂ１に沿ってターン毎の巻線が互いに密接するように、且つ、突極３ｂが形成されていないヨーク部３ａの内周面に沿ってターン毎の巻線が互いに密接するように、整列巻きされている。ただし、巻線を巻回すことで第２コイル３ｄに近い形状に成型されたものを更に圧縮することにより第２コイル３ｄを成型することから、「突極３ｂのテーパ面３ｂ１に沿ってターン毎の巻線が互いに密接するように」とは、テーパ面３ｂ１に沿う方向から多少ずれてターン毎の巻線が互いに密接していることも含み、「突極３ｂが形成されていないヨーク部３ａの内周面に沿ってターン毎の巻線が互いに密接するように」とは、突極３ｂが形成されていないヨーク部３ａの内周面に沿う方向から多少ずれてターン毎の巻線が互いに密接することも含む。ここで、内周面３ｄ１と外周面３ｄ２とは、巻線が第２コイル３ｄの形状に最終的に成型されることで得られる成型体の内周面と外周面とを意味している。このような内周面３ｄ１及び外周面３ｄ２は、予め設計段階で規定されており、設計に沿って形成されている。

このような第２コイル３ｄは、内周面３ｄ１が突極３ｂのテーパ面３ｂ１に当接する内径を有している。ここで、上述のように内周面３ｃ１が、突極３ｂのテーパ面３ｂ１に沿って傾斜されている。このため、図２に示すように、第２コイル３ｄの内周面３ｄ１は、突極３ｂのテーパ面３ｂ１と面接触されている。

また、第２コイル３ｄは、外周面３ｄ２を通るステータ３の径方向を基準としたときに、外周面３ｄ２がステータ３の径方向内側に向くように傾斜されている。このため、外周面３ｄ２のステータ３の内側に近い端部（図２における第２コイル３ｄの上側の端部）が、外周面をステータ３の径方向に沿って形成した場合や突極３ｂの中心軸と平行に形成した場合と比較して、第２コイル３ｄが設けられる突極３ｂから遠ざかるように張り出されている。

また、本実施形態においては、ステータ３の径方向に沿う基準線と、ステータ３の内側に向くように傾斜している第１コイル３ｃの外周面３ｃ２とが成す傾斜角度と、ステータ３の径方向（基準線）と、ステータ３の外側に向くように傾斜している第２コイル３ｄの外周面３ｄ２とが成す傾斜角度とが、同一に設定されている。さらに、第１コイル３ｃの外径と第２コイル３ｄの外径とは、互いの外周面３ｃ２及び外周面３ｄ２とが面接触するように設定されている。このため、第１コイル３ｃの外周面３ｃ２と第２コイル３ｄの外周面３ｄ２とは、互いが接触する位置において、ステータ３の径方向の全域で面接触されている。

また、第１コイル３ｃの径と第２コイル３ｄの径とは、第１コイル３ｃの巻線の巻き方向と直交する断面（図２に示す断面）における断面積と、第２コイル３ｄの巻線の巻き方向と直交する断面（図２に示す断面）における断面積とが同一となるように、設定されている。また、第１コイル３ｃと第２コイル３ｄにおけるステータ３の内側及び外側の面が平面であると仮定したときに、第１コイル３ｃと第２コイル３ｄの上記断面の形状は、図２に示すように、台形である。

次に、このような本実施形態のスイッチトリラクタンスモータ１の製造方法について図３〜図５を参照して説明する。図３は、本実施形態のスイッチトリラクタンスモータ１の製造工程の概略を示すフローチャートである。なお、以下の説明では、ロータ２と、ステータ３のヨーク部３ａ及び突極３ｂとの一体成型体とが既に形成されているものとする。

まず、図３に示すように、巻線工程（ステップＳ１）を行う。ここでは、巻線を複数回に渡り巻回することにより、第１コイル３ｃと、第２コイル３ｄとを成型する。詳しくは、突極３ｂのテーパ面３ｂ１を想定し、そのテーパ面に沿ってターン毎の巻線が互いに密接するように、且つ、突極３ｂが形成されていないヨーク部３ａの内周面を想定し、その内周面に沿ってターン毎の巻線が互いに密接するように、巻線を整列巻きすることにより、第１コイル３ｃと、第２コイル３ｄとを成型する。ここでは、第１コイル３ｃ及び第２コイル３ｄのサイズが、最終的なサイズよりも大きくなるように成型する。なお、スイッチトリラクタンスモータ１で扱う電流が大きい場合には、巻線の胴体部の断面積を大きくしてスイッチトリラクタンスモータ１の抵抗値を下げることにより銅損を小さくすることが望ましい。このため、巻線工程Ｓ１において、巻線を単線で巻回するのではなく、２本以上の巻線を束ねた（並列した）状態でそれらを巻回しても良い。続いて、図３に示すように、プレス工程（ステップＳ２）を行う。ここでは、巻線工程Ｓ１で成型された第１コイル３ｃと第２コイル３ｄを、型を用いてプレス加工することにより圧縮成型する。これによって、第１コイル３ｃと第２コイル３ｄの巻線密度が高まるとともに、第１コイル３ｃと第２コイル３ｄを最終的な形状及びサイズに成型される。

続いて、図３に示すように組立工程（ステップＳ３）を行う。ここでは、プレス工程Ｓ２によって圧縮成型された第１コイル３ｃ及び第２コイル３ｄをステータ３の突極３ｂに取り付ける。まず、図４に示すように、第１コイル３ｃをステータ３の周方向に配列された複数の突極３ｂに１つ置きに取り付け、その後、図５に示すように、第２コイル３ｄを第１コイル３ｃが設けられていない突極３ｂに取り付ける。この後、ロータ２等が、組み付けられる。

以上のような本実施形態のスイッチトリラクタンスモータ１によれば、突極３ｂのテーパ面３ｂ１に沿って傾斜する内周面３ｃ１とステータ３の径方向外側を向けて傾斜された外周面３ｃ２とを有する第１コイル３ｃと、突極３ｂのテーパ面３ｂ１に沿って傾斜する内周面３ｄ１及びステータ３の径方向内側に向けて傾斜された外周面３ｄ２を有する第２コイル３ｄと、を備えている。また、第１コイル３ｃと第２コイル３ｄとが、ステータ３の周方向に配列される複数の突極３ｂに、交互に設けられている。

このようなスイッチトリラクタンスモータ１によれば、図４に示すように、先に第１コイル３ｃを突極３ｂに取り付けると、第１コイル３ｃの外周面３ｃ２がステータ３の径方向外側に向けて傾斜されているため、第１コイル３ｃの外周面３ｃ２のステータ３の内側に近い端部が、突極３ｂに寄せて配置される。これにより、図５に示すように、第１コイル３ｃの外周面３ｃ２のステータ３の内側に近い端部が第２コイル３ｄの取り付けの邪魔になることを防止することができる。

さらに、第２コイル３ｄが、ステータ３の径方向外側に向くように傾斜されている外周面３ｄ２を有していることから、外周面３ｄ２のステータ３の内側に近い端部が突極３ｂから遠ざかるように張り出している。これにより、第２コイル３ｄの外周面３ｄ２を第１コイル３ｃの外周面３ｃ２に当接させることができ、コイルの占積率の向上が図れる。

このように、本実施形態のスイッチトリラクタンスモータ１によれば、形状の異なる２つのコイルを交互に突極に設けることにより、全てのコイルを突極２ｂに取り付けることを可能にするとともに、コイルの占積率の向上を実現している。このような本実施形態のスイッチトリラクタンスモータ１によれば、コイルの占積率を向上させることにより性能の向上を図ることが可能となる。

また、本実施形態のスイッチトリラクタンスモータ１においては、第１コイル３ｃの外周面３ｃ２と第２コイル３ｄの外周面３ｄ２とが、互いが接触する位置において、ステータ３の径方向の全域で当接されている。このため、コイルの占積率を最大化することが可能となる。

また、本実施形態のスイッチトリラクタンスモータ１においては、第１コイル３ｃの巻線の巻き方向と直交する断面（図２に示す断面）における断面積と、第２コイル３ｄの巻線の巻き方向と直交する断面（図２に示す断面）における断面積とが、同一に設定されている。このため、第１コイル３ｃにより形成される磁束密度と、第２コイル３ｄにより形成される磁束密度とを同一とすることができることから、トルクリップル等を効果的に低減させることが可能となる。

また、本実施形態のスイッチトリラクタンスモータ１においては、第１コイル３ｃと第２コイル３ｄの上記断面における形状は、図２に示すように、台形である。例えば、第１コイル３ｃと第２コイル３ｄの上記断面における形状を三角形とすることも可能であるが、このような場合には、三角形の頂部が鋭角に尖る。このため、第１コイル３ｃと第２コイル３ｄは、構造的に崩れやすくなる可能性がある。これに対して、上述のように第１コイル３ｃと第２コイル３ｄの上記断面における形状を台形とすることで、第１コイル３ｃと第２コイル３ｄは、構造的に崩れにくく、強度の高いものとなる。

なお、本開示は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。上記実施形態においては、本開示をスイッチトリラクタンスモータ１に適用した例について説明したが、本開示はこれに限定されない。例えば、ＰＭモータに本開示を適用することも、可能である。また、本開示を、発電機等の他の回転機に適用することも、可能である。

本開示によれば、内側に向けて突出する突極を有するステータを備える回転機において、コイルの占積率を向上させて性能の向上を図ることができる。

１…スイッチトリラクタンスモータ
２…ロータ
２ａ…ヨーク部
２ｂ…突極
３…ステータ
３ａ…ヨーク部
３ｂ…突極
３ｂ１…テーパ面
３ｃ…第１コイル
３ｃ１…内周面
３ｃ２…外周面
３ｄ…第２コイル
３ｄ１…内周面
３ｄ２…外周面
Ｌ…ロータ軸

Claims

円環状のヨーク部と、径方向内側に突出しかつ周方向に配列される複数の突極と、前記突極に設けられるコイルとを有する環状のステータを備え、前記突極の周面が前記突極の先端に向けて窄むテーパ面である回転機であって、
前記コイルは、
前記突極のテーパ面に沿って傾斜する内周面及び前記ステータの径方向内側に向けて傾斜する外周面を有する第１コイルと、
前記第１コイルが設けられる前記突極に隣り合う前記突極に設けられ、前記突極のテーパ面に沿って傾斜する内周面及び前記ステータの径方向外側に向けて傾斜された外周面を有する第２コイルと
を備える回転機。
隣り合う前記第１コイルの前記外周面と前記第２コイルの前記外周面とが前記ステータの径方向の全域で当接されている請求項１記載の回転機。
前記第１コイルの巻線の巻き方向と直交する断面の形状と、前記第２コイルの巻線の巻き方向と直交する断面での形状とが、それぞれ台形である請求項１または２記載の回転機。
前記第１コイルの巻線の巻き方向と直交する断面における断面積と、前記第２コイルの巻線の巻き方向と直交する断面における断面積とが、同一である請求項１〜３いずれか一項に記載の回転機。
前記巻線は、前記突極の前記テーパ面に沿ってターン毎の前記巻線が互いに密接するように、且つ、前記突極が形成されていない前記ヨーク部の内周面に沿ってターン毎の前記巻線が互いに密接するように、整列巻きされている請求項１記載の回転機。
円環状のヨーク部と、径方向内側に突出しかつ周方向に配列される複数の突極と、前記突極に設けられるコイルとを有する環状のステータを備え、前記突極の周面が前記突極の先端に向けて窄むテーパ面である回転機であって、前記コイルは、前記突極のテーパ面に沿って傾斜する内周面及び前記ステータの径方向内側に向けて傾斜された外周面を有する第１コイルと、前記第１コイルが設けられる前記突極に隣り合う前記突極に設けられ、前記突極のテーパ面に沿って傾斜する内周面及び前記ステータの径方向外側に向けて傾斜された外周面を有する第２コイルと、を備える回転機の製造方法であって、
巻線を複数回に渡り巻回することにより、前記第１コイルと、前記第２コイルとを成型する巻線工程と、
前記巻線工程において成型された前記第１コイル及び前記第２コイルを圧縮成型するプレス工程と、
前記プレス工程において圧縮成型された前記第１コイル及び前記第２コイルを前記突極に取り付ける組立工程と
を有する回転機の製造方法。
前記巻線工程では、前記突極の前記テーパ面を想定し、前記テーパ面に沿ってターン毎の前記巻線が互いに密接するように、且つ、前記突極が形成されていない前記ヨーク部の内周面を想定し、前記内周面に沿って前記ターン毎の前記巻線が互いに密接するように、巻線を整列巻きする請求項６記載の回転機の製造方法。