JP6925519B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

本願は、環状部材であるフレームに複数の分割コアが嵌合保持された固定子を備えた回転電機に関するものである。

従来の回転電機では、環状部材であるフレームの部位の剛性差により、組み付けられる分割コア内径の円筒度、真円度の悪化、さらには締め付け力過大となる部位におけるコア変形、鉄損増加等の課題に対して、締め代を変化させることでそれらの改善を図ったものが知られている。
特許文献１においては、分割コアと、その分割コアを拘束するリングとを備え、リングの部位毎の剛性によって締め代を変化させ、円筒度を向上させることが可能な回転電機が示されている。
特許文献２においては、分割コアを組み付けたコア組み付け体の外周に所定の締め代で嵌合固定された外筒に鍔を設けることにより、周方向の剛性が高くなり、コア組み付け体の真円度を高く維持する回転電機が示されている。
特許文献３においては、フレームの冷却通路の形成による薄肉部の締め代が冷却通路の無い厚肉部の締め代よりも大きく形成することにより、固定子コアの圧縮応力のアンバランスを低減することが可能な回転電機が示されている。
これらの特許文献１〜３では、いずれもフレームの剛性のある部位における締め代を他の部位よりも少なくする構成が提案されている。

特開２００９-１３１００６ 特許第４９０５５６８ 特開２０１７-１８４５１２

このように特許文献１〜３はいずれも、フレームの剛性のみに着目し、その剛性に応じて締め代を変化させている。
しかしながら、特に集中巻分割コアにおいては、積層されたコアにコイルを巻線することで、その巻線時張力によりコア外周の軸方向中央部が膨らみ略樽型形状になるため、前記締め代は、フレーム剛性および前記略樽型形状のコア外周の両者を考慮して決定する必要がある。
さらに、この従来の考え方での回転電機では、巻線後の前記略樽型形状のコアのために、特にコア両端部での締め付け力が不足し、フレームとコアを合わせた固定子全体での面外（固定子軸直角面外）剛性が不足することで、この面外方向の変形による振動音が問題となっていた。
特に、この問題は比較的、面外剛性の低い扁平型回転電機において、顕在化し易かった。上記課題に対し、フレーム両端部の剛性を上げる、あるいは、焼きばめの大きな締め代で全体に締め上げることも解決策として考えられたが、前者では、寸法制約等で、後者では、部分的には必要以上に締め上げるための鉄損、コア変形がデメリットであった。

本願は、上記のような課題を解決するための技術を開示するものであり、面外変形に起因する回転電機の振動騒音を抑えることができる回転電機を得ることを目的としている。

本願に開示される回転電機は、環状部材であるフレームと、前記フレームの内径部に円環状に嵌合保持された複数の分割コアとで構成される固定子を備えた回転電機において、
前記フレームは、軸方向で一体の部材で構成されるとともに、両端部における内径が前記軸方向中央部の内径に対して小さくなるように形成され、前記両端部における前記分割コアと前記フレームの嵌合締め付け力が前記軸方向中央部の嵌合締め付け力よりも大きく設定されている。

本願に開示される回転電機によれば、コイル巻線で軸方向中央部が膨らむ集中巻分割コアを用いても、面外変形（固定子軸直角面外変形）による振動および騒音の小さな回転電機を提供できる。

実施の形態１による回転電機の構成を模式的に示した軸方向断面図である。 実施の形態１による回転電機のステータを軸方向から見た平面図である。 実施の形態１による回転電機の固定子構造を示した断面図である。 実施の形態１による環状部材であるフレームに分割コアを嵌合する工程を示す説明図である。 実施の形態１における分割コアにコイルを巻線した際のコア中央部膨らみの測定例を示す図である。 実施の形態１に対し、従来技術によるフレームに樽型に変形したコアを嵌合した際の接触面圧分布についての解析例を示す図である。 実施の形態１によるフレームに樽型に変形したコアを嵌合した際の接触面圧分布についての解析例を示す図である。 実施の形態２による回転電機の固定子構造を示した断面図である。 実施の形態２による環状部材であるフレームに分割コアを嵌合する工程を示す説明図である。 実施の形態２に対し、従来技術によるフレームに樽型に変形したコアを嵌合した際の接触圧分布についての解析例を示す図である。 実施の形態２によるフレームに樽型に変形したコアを嵌合した際の接触面圧分布についての解析例を示す図である。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１による回転電機を模式的に示した軸方向断面図である。
図１において、回転電機１００は固定子１と固定子の内周で回転軸６を中心として回転する回転子５を備えている。固定子１は分割コア２と、分割コア２に巻回された集中巻コイル３と、分割コア２を保持する環状部材であるフレーム４を備えている。
分割コア２は軸方向に複数の鋼板を積層して構成され、固定子１の円周方向に対し交差する方向に分割面を有し、フレーム４の内径部に円環状に当接保持される。
回転子５は、回転軸６を中心として回転するように軸受７によって支持されている。なお、回転子５に装着される磁石は図示されていない。

図２は、実施の形態１による回転電機１００の固定子１を回転子５の軸方向から見た図である。なお、分割コア２に巻回されるコイルは図示していない。
固定子１は、複数個の分割コア２を円環状に組み合わせることで構成され、分割コア２はフレーム４に圧入または焼嵌めされている。
分割コア２はフレーム４から径方向に収縮するよう圧力を受け、前記圧力と釣合うように隣り合う分割コア同士が当接し周方向につっぱることで円環形状を保持する。
なお、図２では１個の分割コアに対して１本のティースを有するが、１個の分割コアが有するティースの数はこれに限らない。

図３は、実施の形態１による回転電機の固定子１を示す断面図である。
図３において、固定子１はフレーム４と分割コア２を備えている。分割コア２には、集中巻コイル３が巻装され、集中巻分割コアを構成している。
隣接する（図示しない）集中巻分割コアは、圧入あるいは焼きばめ等の方法で環状部材であるフレーム４に嵌合されている。
なお、フレーム４は、その外周側に、分割コア２を冷却するための冷却水路４ｂを形成するジャケット４ａを有している。

図４は、実施の形態１によるフレーム４に分割コア２を嵌合する工程を示している。ここで、分割コア２のフレーム４と嵌合する外周面２ａは、図示するように集中巻コイル３の巻線により分割コア２の軸方向中央部が、径方向に膨らんだ樽型となる。なお、同図では前記樽型形状が判るように模式的に記載している。
図５は、樽型に膨らんだ分割コア２を実際に形状測定機で測定した事例を示しており、この例では、分割コア２の軸方向中央部は両端部に比べて約５０μｍ、径方向に膨らんでいる。

一方で分割コア２の外周面２ａに嵌合される環状部材であるフレーム４の内径は、フレーム４の軸方向中央部に対して両端部で小さくなるように形成され、分割コア２の軸方向中央部が膨らんだ外周面２ａとの間で嵌合締め付け力が、軸方向中央部のそれよりも両端部の嵌合締め付け力が大となるように設定されている。
ここで、前記軸方向中央部あるいは両端部という用語には、それぞれ中央もしくは両端面に限らず、各々から所定距離離れた部位を含むものとする。

本実施の形態においては、上記構成を具現化する形として、図４に模式的に示しているように、フレーム４の軸方向中央部における内径φＡが、両端部における内径φＢ,φＣより大きくなるように放物線状に形成してもよいし、さらに軸方向中央部から両端部に向かって小さくなるようにテーパ状に形成してもよい。この場合φＢ＝φＣ、φＢ≠φＣのどちらでもよい。

次に、本実施の形態のように構成することで、従来技術に対して、フレーム４と分割コア２との当接面において、軸方向中央部に対して両端部で大なる嵌合締め付け力が得られることを解析例をもって示す。
図６は、従来技術によるフレーム４を軸方向中央部が膨らんだ分割コア２に嵌合した際の接触面圧を解析した例を示す。ここでのフレーム４の内径は均一であり、分割コア外径に対して所定の締め代を与えるための内径としている。
図６の下図には、コア軸方向位置における接触面圧の解析結果を示す（図では、要求される面圧に対する指数で記載。また軸方向位置はコアの積厚をLcとして示している）。

これによれば、分割コア２の軸方向中央部の膨らみのために両端部でのフレーム４と分割コア２間の接触がなく、比較的軸方向中央部に寄った位置で接触面圧が発生していることが判る。
なお、フレーム４の軸方向中央部においては、コア膨らみでのフレーム４と分割コア２間の十分な接触あるいは締め代があるものの、フレーム４が比較的薄肉で剛性が低いために、フレーム４が大きく変形するばかりでほとんど面圧が発生しない結果となっている。

一方、図７には本実施の形態１によるフレーム４に樽型に変形した分割コア２を嵌合した際の接触面圧分布についての解析例を示す。
この解析例では、フレーム４と分割コア２間の締め代は、軸方向中央部においては図６に示す締め代と同一とし、両端部に向かうに従って、本実施の形態のようにフレーム４の両端部の内径をテーパ状に小として分割コア２の両端部との間に締め代を与えている。
図７の下図にはその解析結果を示すが、この解析結果によれば、従来技術によるフレームに対し、フレーム４の内径の軸方向中央部よりも両端部での内径を小さくし、樽型に膨らんだ分割コア２を嵌合した際にも両端部に十分な接触面圧が得られ、かつ接触領域も広げることでフレーム４と分割コア２間の嵌合締め付け力（＝接触面圧＊接触面積）を上げられることを示している。

以上のように、本実施の形態１によれば、環状部材であるフレーム４と、フレーム４の内径部に円環状に嵌合保持された複数の分割コア２とで構成される固定子１を備えた回転電機において、フレーム４は、両端部における内径が軸方向中央部の内径に対して小さくなるように形成され、両端部における分割コア２とフレーム４の嵌合締め付け力が軸方向中央部の嵌合締め付け力よりも大きく設定されているので、コイル巻線で軸方向中央部が膨らむ集中巻分割コアを用いても、面外変形による振動および騒音の小さな回転電機を得ることができる。

実施の形態２．
図８は実施の形態２による回転電機の固定子を示す要部断面図である。
ここでは特に、環状部材であるフレーム４の一端に半径方向に延出するフランジ４ｃが配置されていることが実施の形態１と異なる。図９は実施の形態２によるフレーム４に分割コア２を嵌合する工程を示している。

図８に示すようにフレーム４の一端にフランジ４ｃを有しているために、フレーム４の両端の剛性は大きく異なり、フランジ４ｃを有する端部の剛性は他より大きい。
このために、図９に示すように、反フランジ端部については、実施の形態１に示した例と同様に、フレーム４の軸方向中央部の内径φＡに対し、反フランジ端部の内径φＢを小さくなるように、半放物線状またはテーパ状に形成する。
一方で、フランジ４ｃ側の端部においては、フレーム４の軸方向中央部の内径φＡと同径とした。
本実施の形態では、特に、フランジ４ｃの内周部近傍は前記の通り、フレーム４の剛性が過剰であるために、フレーム４のフランジ４ｃの内周部近傍に位置する部位に、軸方向中央部の内径より大きい内径を有する逃がし部４ｄが形成されている。

図１０は従来技術での解析例を示すが、フランジ４ｃの内周部近傍からフレーム４の軸方向中央部につながる肉厚変化部があるために、従来技術であっても十分な面圧が発生する一方で、反フランジ端部においては、図６で示したと同様にコア膨れのために端部での接触あるいは締め代が十分ではなく、高い面圧が発生しにくい。

図１１は実施の形態２においてフレーム４の反フランジ側の内径をテーパ状に小とした場合の解析例を示しているが、特に反フランジ側での接触面圧が改善され、さらに面圧が発生している領域も広がって嵌合締め付け力も向上している。

本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

１００ 回転電機、１ 固定子、２ 分割コア、２ａ 外周面、３ 集中巻コイル、４ フレーム、４ａ ジャケット、４ｂ 冷却水路、４ｃ フランジ、４ｄ 逃がし部、５ 回転子、６ 回転軸、７ 軸受

Claims (17)

1. 環状部材であるフレームと、前記フレームの内径部に円環状に嵌合保持された複数の分割コアとで構成される固定子を備えた回転電機において、
   前記フレームは、軸方向で一体の部材で構成されるとともに、両端部における内径が前記軸方向中央部の内径に対して小さくなるように形成され、前記両端部における前記分割コアと前記フレームの嵌合締め付け力が前記軸方向中央部の嵌合締め付け力よりも大きく設定されていることを特徴とする回転電機。
2. 前記フレームは、内径が前記軸方向中央部から前記両端部に向かって、小さくなるように放物線状に形成されたことを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
3. 前記フレームは、内径が前記軸方向中央部から前記両端部に向かって、小さくなるようにテーパ状に形成されたことを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
4. 前記分割コアは、前記軸方向中央部が径方向に膨らんだ樽型の形状を有した集中巻分割コアであることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の回転電機。
5. 前記フレームの外周側に前記軸方向中央部をまたぐように冷却水路が設けられていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の回転電機。
6. 一端にフランジが配置された環状部材であるフレームと、前記フレームの内径部に円環状に嵌合保持された複数の分割コアとで構成される固定子を備えた回転電機において、
   前記フレームは、軸方向で一体の部材で構成されるとともに、内径が前記軸方向中央部に対して反フランジ端部で小さくなるように形成され、前記分割コアと前記フレームの嵌合締め付け力がフランジ端部および反フランジ端部で前記軸方向中央部の嵌合締め付け力よりも大きく設定されていることを特徴とする回転電機。
7. 前記フレームは、内径が前記軸方向中央部から前記反フランジ端部に向かって、小さくなるように半放物線状に形成されたことを特徴とする請求項６に記載の回転電機。
8. 前記フレームは、内径が前記軸方向中央部から前記反フランジ端部に向かって、小さくなるようにテーパ状に形成されたことを特徴とする請求項６記載の回転電機。
9. 前記フレームは、前記フランジの内周部近傍に位置する部位に、前記軸方向中央部の内径より大きい内径を有する逃がし部が形成されていることを特徴とする請求項６から８のいずれか一項に記載の回転電機。
10. 前記分割コアは、前記軸方向中央部が径方向に膨らんだ樽型の形状を有した集中巻分割コアであることを特徴とする請求項６から９いずれか一項に記載の回転電機。
11. 前記フレームの外周側に前記軸方向中央部をまたぐように冷却水路が設けられていることを特徴とする請求項６から１０のいずれか一項に記載の回転電機。
12. 環状の単一部材であるフレームと、前記フレームの軸方向に複数の鋼板を積層して構成され、前記フレームの内径部に隙間なく当接し円環状に嵌合保持された複数の分割コアと、前記複数の分割コアのそれぞれに巻回された集中巻きコイルとで構成される固定子を備えた回転電機において、
    前記フレームは、内径が前記固定子の軸方向中央部から両端部に向かって、連続的に小さくなるように形成され、前記両端部における前記分割コアと前記フレームの嵌合締め付け力が前記軸方向中央部の嵌合締め付け力よりも大きく設定されていることを特徴とする回転電機。
13. 前記フレームは、内径が前記軸方向中央部から前記両端部に向かって、小さくなるように放物線状に形成されたことを特徴とする請求項１２に記載の回転電機。
14. 前記フレームは、内径が前記軸方向中央部から前記両端部に向かって、小さくなるようにテーパ状に形成されたことを特徴とする請求項１２に記載の回転電機。
15. 一端にフランジが配置された環状の単一部材であるフレームと、前記フレームの軸方向に複数の鋼板を積層して構成され、前記フレームの内径部に隙間なく当接し円環状に嵌合保持された複数の分割コアと、前記複数の分割コアのそれぞれに巻回された集中巻きコイルとで構成される固定子を備えた回転電機において、
    前記フレームは、内径が前記固定子の軸方向中央部から反フランジ端部に向かって、連続的に小さくなるように形成され、前記分割コアと前記フレームの嵌合締め付け力がフランジ端部および反フランジ端部で前記軸方向中央部の嵌合締め付け力よりも大きく設定されていることを特徴とする回転電機。
16. 前記フレームは、内径が前記軸方向中央部から前記反フランジ端部に向かって、小さくなるように半放物線状に形成されたことを特徴とする請求項１５に記載の回転電機。
17. 前記フレームは、内径が前記軸方向中央部から前記反フランジ端部に向かって、小さくなるようにテーパ状に形成されたことを特徴とする請求項１５記載の回転電機。

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