JP7299527B2 - コアブロック、積層コアおよび回転電機、並びにコアブロックの製造方法 - Google Patents
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Description
本願は、2019年6月26日に、日本に出願された特願2019-118337号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
(1) 本発明の第一の態様は、環状に複数個を連結することで積層コアを構成するコアブロックであって、互いに積層された複数の電磁鋼板片と、積層方向に隣り合う前記電磁鋼板片同士の間に設けられ、前記電磁鋼板片同士をそれぞれ接着する接着部と、を備え、前記電磁鋼板片は、円弧状のコアバック部と、前記コアバック部から前記コアバック部の径方向の一方側に突出するティース部と、を有し、前記接着部は、前記ティース部の周方向両側の周縁に沿って延びる一対の第1部分と、前記第1部分の基端から前記コアバック部の径方向の一方側の周縁に沿ってそれぞれ周方向両側に延びる一対の第3部分と、前記コアバック部の径方向の他方側の周縁に沿って周方向に延びる第4部分と、を有し、前記接着部による前記電磁鋼板片の接着面積率が、1%以上、60%以下であり、前記接着部が設けられた前記電磁鋼板片の接着領域と、前記電磁鋼板片の周縁との間には、前記接着部が設けられていない前記電磁鋼板片の非接着領域が形成されているコアブロックである。
(2) 前記(1)に記載のコアブロックでは、前記接着面積率は、前記接着面積率と鉄損との関係に基づいて定められる構成としてもよい。
上述の構成のコアブロックでは、積層方向に隣り合う電磁鋼板片同士が、接着部によって接着されている。したがって、複数の電磁鋼板片の全体において、積層方向に隣り合う電磁鋼板片同士が相対的に変位するのを抑制することができる。電磁鋼板片に設けられた接着部の接着面積率が1%以上であるため、接着部による電磁鋼板片同士の接着を確実なものとし、巻線時などにおいても、積層方向に隣り合う電磁鋼板片同士の相対的な変位を効果的に規制することができる。しかも、電磁鋼板片同士の固定方法が、上記のようなかしめによる固定ではなく接着による固定なので、電磁鋼板片に生じる歪を抑えることができる。以上から、コアブロックの磁気特性を確保することができる。
ところで、接着部の硬化に伴って電磁鋼板片には、圧縮応力が生じる。そのため、接着部による接着によっても電磁鋼板片に歪が発生するおそれがある。上述の構成のコアブロックでは、接着部による電磁鋼板片の接着面積率が60%以下である。したがって、接着部を起因として電磁鋼板片に生じる歪を低く抑えることができる。よって、コアブロックの磁気特性を一層確保することができる。
この構成によれば、接着部を起因として電磁鋼板片に生じる歪を一層低く抑えることができる。
接着部が、電磁鋼板片の周縁に配置されていることで、例えば、電磁鋼板片のめくれを抑制すること等ができる。これにより、巻線工程を容易とし、かつ、積層コアの磁気特性をより一層確保することができる。
コアブロックにおいて磁束は、ティース部の先端から周方向両側に拡散して延びる。このため、ティース部の先端は、磁束が集中しやすい。また、磁束は、コアバック部の周方向両端から隣り合うコアブロックに侵入する。このため、コアバック部の周方向両端には磁束が集中しやすい。磁束が集中した領域に接着領域が設けられると、鉄損の上昇が顕著となりやすい。このため、接着領域がティース部の先端およびコアバック部の周方向両端に設けられると、鉄損が大きくなりやすい。上述の構成によれば、接着部が設けられていない非接着領域がティース部の先端およびコアバック部の周方向両端に位置するため、接着領域を磁束密度の高い領域から離して配置することができ、鉄損の上昇を抑制できる。
ティース部の幅(周方向の大きさ)が、コアバック部の幅(径方向の大きさ)に比較して狭い場合、ティース部には磁束が集中し、ティース部の磁束密度が高くなる傾向がある。そのため、接着部により電磁鋼板へ歪が付与されたとき、同一量の歪であれば、コアバック部の磁気特性よりもティース部の磁気特性に与えられる影響の方が大きい。
接着部によるコアバック部の接着面積は、接着部によるティース部の接着面積以上である。したがって、ティース部における接着部の歪による磁気特性の劣化の影響を抑えつつ、コアバック部において積層コア全体としての接着強度を確保することができる。
(15) 本発明の第四の態様は、前記(1)から前記(12)の何れか一項に記載のコアブロックの製造方法であって、前記接着面積率と鉄損との関係に基づいて前記接着面積率を定める第1工程を含むコアブロックの製造方法である。
(16) 前記(15)に記載のコアブロックの製造方法では、前記第1工程において前記接着面積率が定められた前記接着部によって、積層方向に隣り合う前記電磁鋼板片を接着させる第2工程を更に含む構成としてもよい。
本実施形態では、回転電機10として、ロータ30がステータ20の内側に位置するインナーロータ型を採用している。しかしながら、回転電機10として、ロータ30がステータ20の外側に位置するアウターロータ型を採用してもよい。また本実施形態では、回転電機10が、12極18スロットの三相交流モータである。しかしながら、例えば極数やスロット数、相数などは適宜変更することができる。なおこの回転電機10は、例えば、各相に実効値10A、周波数100Hzの励磁電流を印加することにより、回転数1000rpmで回転することができる。
ロータコア31は、ステータ20と同軸に配置される環状(円環状)に形成されている。ロータコア31内には、前記回転軸60が配置されている。回転軸60は、ロータコア31に固定されている。
複数の永久磁石32は、ロータコア31に固定されている。本実施形態では、2つ1組の永久磁石32が1つの磁極を形成している。複数組の永久磁石32は、周方向に同等の間隔をあけて配置されている。本実施形態では、中心軸線Oを中心として30度おきに12組(全体では24個)の永久磁石32が設けられている。
なお本実施形態では、ロータコア31を形成する複数の電磁鋼板は、かしめC(ダボ)によって互いに固定されている。しかしながら、ロータコア31を形成する複数の電磁鋼板は、互いに接着されていてもよい。
ステータコア21の積厚は、例えば50.0mmとされる。ステータコア21の外径は、例えば250.0mmとされる。ステータコア21の内径は、例えば165.0mmとされる。ここで、ステータコア21の内径は、ステータコア21におけるティース部23の先端部を基準としている。ステータコア21の内径は、全てのティース部23の先端部に内接する仮想円の直径である。
コアブロック24は、周方向に沿って延びる円弧状のコアバック部22と、ティース部23と、を有する。図1には、コアバック部22とティース部23との境界線24BLを図示する。コアブロック24は、外側面のうち径方向内側を向く面と周方向を向く面と間に設けられた一対のコーナ部24cを有する。境界線24BLは、中心軸線Oを中心とし、一対のコーナ部24cを通過する円弧である。
ティース部23は、コアバック部22から径方向の内側に向けて(径方向に沿ってコアバック部22の中心軸線Oに向けて)突出する。複数のコアブロック24が周方向に沿って環状に並びステータコア21が構成されることで、複数のティース部23は、周方向に同等の間隔をあけて配置される。本実施形態のステータ20には、中心軸線Oを中心として20度おきに18個のティース部23が設けられている。複数のティース部23は、互いに同等の形状で、かつ同等の大きさに形成されている。
前記巻線は、ティース部23に巻き回されている。前記巻線は、集中巻きされていてもよく、分布巻きされていてもよい。
一方で絶縁被膜が厚くなるに連れて絶縁効果が飽和する。また、絶縁被膜が厚くなるに連れてコアブロック24における絶縁被膜の占める割合が増加し、コアブロック24の磁気特性が低下し、積層コアとしての性能が低下する。したがって、絶縁被膜は、絶縁性能が確保できる範囲で薄い方がよい。絶縁被膜の厚さ(電磁鋼板片40片面あたりの厚さ)は、好ましくは0.1μm以上5μm以下、さらに好ましくは0.1μm以上2μm以下である。
一方で電磁鋼板片40が厚すぎると、電磁鋼板片40のプレス打ち抜き作業が困難になる。そのため、電磁鋼板片40のプレス打ち抜き作業を考慮すると電磁鋼板片40の厚さは0.65mm以下とすることが好ましい。
また、電磁鋼板片40が厚くなると鉄損が増大する。そのため、電磁鋼板片40の鉄損特性を考慮すると、電磁鋼板片40の厚さは0.35mm以下とすることが好ましく、より好ましくは、0.20mmまたは0.25mmである。
上記の点を考慮し、各電磁鋼板片40の厚さは、例えば、0.10mm以上0.65mm以下、好ましくは、0.10mm以上0.35mm以下、より好ましくは0.20mmや0.25mmである。なお電磁鋼板片40の厚さには、絶縁被膜の厚さも含まれる。
なお、平均引張弾性率Eは、共振法により測定される。具体的には、JIS R 1602:1995に準拠して引張弾性率を測定する。
より具体的には、まず、測定用のサンプル(不図示)を製作する。このサンプルは、2枚の電磁鋼板片40間を、測定対象の接着剤により接着し、硬化させて接着部41を形成することにより、得られる。この硬化は、接着剤が熱硬化型の場合には、実操業上の加熱加圧条件で加熱加圧することで行う。一方、接着剤が常温硬化型の場合には常温下で加圧することで行う。
そして、このサンプルについての引張弾性率を、共振法で測定する。共振法による引張弾性率の測定方法は、上述した通り、JIS R 1602:1995に準拠して行う。その後、サンプルの引張弾性率(測定値)から、電磁鋼板片40自体の影響分を計算により除くことで、接着部41単体の引張弾性率が求められる。
このようにしてサンプルから求められた引張弾性率は、積層コア全体としての平均値に等しくなるので、この数値をもって平均引張弾性率Eとみなす。平均引張弾性率Eは、その積層方向に沿った積層位置や積層コアの中心軸線回りの周方向位置で殆ど変わらないよう、組成が設定されている。そのため、平均引張弾性率Eは、積層コアの上端位置にある、硬化後の接着部41を測定した数値をもってその値とすることもできる。
一方で接着部41の厚さが100μmを超えると接着力が飽和する。また、接着部41が厚くなるに連れてコアブロック24における接着部の占める割合が増加し、コアブロック24の鉄損などの磁気特性が低下する。したがって、接着部41の厚さは1μm以上100μm以下、さらに好ましくは1μm以上10μm以下とすることが好ましい。
なお、上記において接着部41の厚さは、接着部41の平均厚みを意味する。
接着部41の平均厚みは、積層コア全体としての平均値である。接着部41の平均厚みはその積層方向に沿った積層位置や積層コアの中心軸線回りの周方向位置で殆ど変わらない。そのため、接着部41の平均厚みは、積層コアの上端位置において、円周方向10箇所以上で測定した数値の平均値をもってその値とすることができる。
本明細書において、接着部41の各部分の幅は、ステータコア21の外径の1.5%以上である。接着部41の各部分の幅がステータコア21の外径の1.5%以上であることで、電磁鋼板片40同士の接着強度を十分に確保することができる。
ここで第1接着面積S1は、電磁鋼板片40の第1面において接着部41のコアバック部分45が設けられる領域の面積である。同様に、第2接着面積S2は、電磁鋼板片40の第1面において接着部41のティース部分44が設けられる領域の面積である。なお、接着部41が設けられた領域の面積と同様に、第1接着面積S1および、第2接着面積S2は、例えば、剥離後の電磁鋼板片40の第1面を撮影し、その撮影結果を画像解析することによって求められる。
これに対して、本実施形態に係るコアブロック24では、積層方向に隣り合う電磁鋼板片40同士が、接着部41によって接着されている。したがって、複数の電磁鋼板片40全体において、積層方向に隣り合う電磁鋼板片40同士が相対的に変位するのを抑制することができる。ここで、接着部41による電磁鋼板片40の接着面積率が1%以上である。よって、接着部41による接着を確実なものとし、例えばコアブロック24のティース部23への巻線時などにおいても、積層方向に隣り合う電磁鋼板片40同士の相対的な変位を効果的に規制することができる。しかも、電磁鋼板片40の固定方法が、上記のようなかしめによる固定ではなく接着による固定なので、電磁鋼板片40に生じる歪を抑えることができる。以上から、コアブロック24の磁気特性を確保することができる。なお、さらに接着強度を高めて、衝撃が加わった場合であっても電磁鋼板片40同士の分離を抑制したい場合には、接着面積率を10%以上とすることがより好ましい。
しかしながら、本実施形態に係るコアブロック24では、接着部41による電磁鋼板片40の接着面積率が60%以下である。したがって、接着剤を起因として電磁鋼板片40に生じる歪を低く抑えることができる。よって、コアブロック24の磁気特性を一層確保することができる。
しかも、接着部41による電磁鋼板片40の接着面積率が20%以下である。したがって、接着剤を起因として電磁鋼板片40に生じる歪を一層低く抑えることができる。
本実施形態において、第1接着面積S1が第2接着面積S2以上であることが好ましい。この場合、ティース部23における接着剤の歪による磁気特性の劣化の影響を抑えつつ、コアバック部22においてコアブロック24全体としての接着強度を確保することができる。
なお、本明細書において、非接着領域143の「幅」とは、非接着領域143の各部が延びる方向に直交する方向の寸法を意味する。非接着領域143の幅は、非接着領域143の全長に亘って、上記の範囲内の寸法であることが好ましい。
前記実施形態では、同期電動機として、永久磁石界磁型電動機を一例に挙げて説明したが、本発明はこれに限られない。例えば、回転電機がリラクタンス型電動機や電磁石界磁型電動機(巻線界磁型電動機)であってもよい。
前記実施形態では、交流電動機として、同期電動機を一例に挙げて説明したが、本発明はこれに限られない。例えば、回転電機が誘導電動機であってもよい。
前記実施形態では、電動機として、交流電動機を一例に挙げて説明したが、本発明はこれに限られない。例えば、回転電機が直流電動機であってもよい。
前記実施形態では、回転電機として、電動機を一例に挙げて説明したが、本発明はこれに限られない。例えば、回転電機が発電機であってもよい。
図7から図18に本検証試験でシミュレーションを実施した12種類のステータコア21A~21Lを示す。これらのステータコア21A~21Lでは、いずれも図3に示す実施形態に係るステータコア21を基本構造としこのステータコア21に対して以下の点を変更した。ステータコア21A~21Lは、それぞれ複数のコアブロック24A~24Lを有する。また、電磁鋼板片40の板厚を0.25mmとした。そして、接着部41による各電磁鋼板片40の接着面積率を、0%~100%で互いに異ならせた。より具体的には、ステータコア21Aの接着面積率は、100%である。ステータコア21Bの接着面積率は、90%である。ステータコア21Cの接着面積率は、85%である。ステータコア21Dの接着面積率は、70%である。ステータコア21Eの接着面積率は、60%である。ステータコア21Fの接着面積率は、50%である。ステータコア21Gの接着面積率は、40%である。ステータコア21Hの接着面積率は、30%である。ステータコア21Iの接着面積率は、20%である。ステータコア21Jの接着面積率は、15%である。ステータコア21Kの接着面積率は、10%である。ステータコア21Lの接着面積率は、0%である。
次に、接着面積率を変えた場合の電磁鋼板片の接着強度について検証を行った。
まず、接着面積率が0%(すなわち、接着無し)の電磁鋼板片を積層したコアブロック、接着面積率が0.5%の電磁鋼板片を積層したコアブロック、接着面積率が1%の電磁鋼板片を積層したコアブロック、接着面積率が10%の電磁鋼板片を積層したコアブロックを用意した。次いで、これらのコアブロックのティース部に巻線を行い、巻線がスムーズに行えるかどうかを確認した。検証結果を表1に示す。
本検証試験は、接着部の各部の幅に関する検証試験である。なお、シミュレーションの条件および寸法の条件は、第1の検証試験と同様である。
21…ステータコア(積層コア)
22…コアバック部
23…ティース部
24,124,224,324…コアブロック
40…電磁鋼板片
41,141,241,341…接着部
42,142,242…接着領域
143,243…非接着領域
44a,244a,344a…第1部分
44b,344b…第2部分
45a,245a,345a…第3部分
45b,245b,345b…第4部分
45c,345c…第5部分
Claims (16)
- 環状に複数個を連結することで積層コアを構成するコアブロックであって、
互いに積層された複数の電磁鋼板片と、
積層方向に隣り合う前記電磁鋼板片同士の間に設けられ、前記電磁鋼板片同士をそれぞれ接着する接着部と、を備え、
前記電磁鋼板片は、円弧状のコアバック部と、前記コアバック部から前記コアバック部の径方向の一方側に突出するティース部と、を有し、
前記接着部は、
前記ティース部の周方向両側の周縁に沿って延びる一対の第1部分と、
前記第1部分の基端から前記コアバック部の径方向の一方側の周縁に沿ってそれぞれ周方向両側に延びる一対の第3部分と、
前記コアバック部の径方向の他方側の周縁に沿って周方向に延びる第4部分と、を有し、
前記接着部による前記電磁鋼板片の接着面積率が、1%以上、60%以下であり、
前記接着部が設けられた前記電磁鋼板片の接着領域と、前記電磁鋼板片の周縁との間には、前記接着部が設けられていない前記電磁鋼板片の非接着領域が形成されている
コアブロック。 - 前記接着面積率は、前記接着面積率と鉄損との関係に基づいて定められる請求項1に記載のコアブロック。
- 前記接着面積率が、1%以上、20%以下である請求項1または2に記載のコアブロック。
- 前記接着部は、さらに、
前記ティース部の先端の周縁に沿って延び一対の前記第1部分の先端同士を繋ぐ第2部分と、
前記コアバック部の周方向両側の周縁に沿って延びてそれぞれ前記第3部分と前記第4部分とを繋ぐ一対の第5部分と、を有する請求項1~3の何れか一項に記載のコアブロック。 - 前記第2部分および前記第5部分の幅が、前記第4部分の幅より狭い請求項4に記載のコアブロック。
- 前記接着部は、前記電磁鋼板片の周縁の少なくとも一部に設けられている請求項1~5の何れか一項に記載のコアブロック。
- 前記非接着領域の幅は、前記電磁鋼板片の板厚に対して、1倍以上10倍以下である請求項1~6の何れか一項に記載のコアブロック。
- 前記電磁鋼板片において、前記ティース部の先端および前記コアバック部の周方向両端には、前記接着部が設けられていない前記電磁鋼板片の非接着領域が形成されている請求項1~3の何れか一項に記載のコアブロック。
- 前記接着部による前記コアバック部の接着面積は、前記接着部による前記ティース部の接着面積以上である請求項1~8の何れか一項に記載のコアブロック。
- 前記接着部の平均厚みが1.0μm~3.0μmである請求項1~9の何れか一項に記載のコアブロック。
- 前記接着部の平均引張弾性率Eが1500MPa~4500MPaである請求項1~10の何れか一項に記載のコアブロック。
- 前記接着部が、エラストマー含有アクリル系接着剤からなるSGAを含む常温接着タイプのアクリル系接着剤である請求項1~11の何れか一項に記載のコアブロック。
- 請求項1~12の何れか一項に記載のコアブロックを環状に複数個を連結することで構成される、
積層コア。 - 請求項13に記載の積層コアを備える回転電機。
- 請求項1から12の何れか一項に記載のコアブロックの製造方法であって、
前記接着面積率と鉄損との関係に基づいて前記接着面積率を定める第1工程を含むコアブロックの製造方法。 - 前記第1工程において前記接着面積率が定められた前記接着部によって、積層方向に隣り合う前記電磁鋼板片を接着させる第2工程を更に含む請求項15に記載のコアブロックの製造方法。
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