(57)【要約】【課題】ティース部の磁気特性を向上し、鉄損を低減すること。【解決手段】ロータと、円筒状のヨーク部と、前記ヨーク部から前記ロータの径方向内方に突出し、前記ヨーク部の周方向に複数設けられたティース部と、を有し、複数の電磁鋼板を前記ロータの軸方向に積層して形成されたステータコアと、を備えた回転電機において、前記ティース部に圧接して、前記ティース部の突出方向と直交する方向の圧縮応力を付加する応力付加部材を設けたことを特徴とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータと、
円筒状のヨーク部と、前記ヨーク部から前記ロータの径方向内方に突出し、前記ヨーク部の周方向に複数設けられたティース部と、を有し、複数の電磁鋼板を前記ロータの軸方向に積層して形成されたステータコアと、
を備えた回転電機において、
前記ティース部に圧接して、前記ティース部の突出方向と直交する方向の圧縮応力を付加する応力付加部材を設けたことを特徴とする回転電機。
【請求項２】
前記ティース部に巻き回されたコイルを備え、
前記応力付加部材は、前記ティース部の根元部分と先端部分との間の部分において、前記根元部分と前記先端部分とからそれぞれ離間して前記ティース部に圧接し、
前記コイルは、
前記応力付加部材を介して前記ティース部に巻き回された部分と、
前記応力付加部材が前記ティース部に圧接していない部分において前記応力付加部材を介さずに前記ティース部に巻き回された部分と、
を有することを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
【請求項３】
前記応力付加部材は、前記ティース部毎に設けられ、前記ティース部を囲む筒体であり、
前記筒体は、互いに接合されて前記筒体を構成する複数の分割体からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の回転電機。
【請求項４】
前記応力付加部材は、前記ティース部間に介在し、前記ロータの軸方向と平行な方向の開口部を有する筒体であることを特徴とする請求項１又は２に記載の回転電機。
【請求項５】
前記応力付加部材は、前記ティース部毎に設けられ、前記ティース部に巻き回された帯体であることを特徴とする請求項１又は２に記載の回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電動機、発電機といった回転電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
回転電機のステータコアは複数枚の電磁鋼板を積層して形成される（特許文献１）。そのような電磁鋼板として、磁化容易軸が特定の方向性を有していない無方向性電磁鋼板や、磁化容易軸が一方向に揃っている一方向性電磁鋼板、或いは、直角方向に磁化容易軸を有する二方向性電磁鋼板等が用いられる。
【０００３】
ステータコアは、円筒状のヨーク部と、ヨーク部からロータの径方向内方に突出するティース部とを有する構造である。このため、ヨーク部については周方向に、ティース部については突出方向に磁気特性が良好であることが、鉄損低減、モータ効率の点で好ましいことが知られている。このため、ティース部、ヨーク部を分割してそれぞれを一方向性電磁鋼板から構成した分割コア方式のステータコアが提案されている。
【０００４】
また、電磁鋼板の磁化容易軸の方向以外に着目したものとして、特許文献２には、ティース部に、その突出方向の引張応力を付与するものが提案されている。特許文献２に開示されたステータコアは、ティース部の側面において、ティース部先端とヨーク部との間に介在するセラミック板を配置したものである。そして、電磁鋼板の熱収縮を利用して、セラミック板によりティース部に引張応力を付与することで、ティース部の突出方向の磁気特性向上を狙ったものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−２３３０９０号公報
【特許文献２】特開２００８−１７６１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献２のようにティース部先端とヨーク部との間にセラミック板を介在させることによってティース部に引張応力を付与する構造の場合、セラミック板の一方端部がティース部の根元近傍のヨーク部に強く当接し、ヨーク部に局所的な径方向の圧縮応力を集中的に与えてしまう虞がある。ティース部の根元周辺は、ティース部からヨーク部に向かう多くの磁束が通る部位であり、ここに圧縮応力が集中的に作用すると鉄損が増大する。
【０００７】
本発明の目的は、ティース部の磁気特性を向上し、鉄損を低減することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明によれば、ロータと、円筒状のヨーク部と、前記ヨーク部から前記ロータの径方向内方に突出し、前記ヨーク部の周方向に複数設けられたティース部と、を有し、複数の電磁鋼板を前記ロータの軸方向に積層して形成されたステータコアと、を備えた回転電機において、前記ティース部に圧接して、前記ティース部の突出方向と直交する方向の圧縮応力を付加する応力付加部材を設けたことを特徴とする回転電機が提供される。
【０００９】
この回転電機では、前記応力付加部材が前記ティース部の突出方向と直交する方向の圧縮応力を前記ティース部に付加することで、前記ティース部の突出方向の磁気特性が向上する。よって、ティース部の磁気特性を向上し、鉄損を低減することができる。
【００１０】
本発明においては、前記ティース部に巻き回されたコイルを備え、前記応力付加部材は、前記ティース部の根元部分と先端部分との間の部分において、前記根元部分と前記先端部分とからそれぞれ離間して前記ティース部に圧接し、前記コイルは、前記応力付加部材を介して前記ティース部に巻き回された部分と、前記応力付加部材が前記ティース部に圧接していない部分において前記応力付加部材を介さずに前記ティース部に巻き回された部分と、を有していてもよい。この構成によれば、前記応力付加部材と前記ヨーク部又は前記先端部分との間のスペースをコイルの配設スペースとして利用して、コイルの巻き量を確保できる。
【００１１】
また、本発明においては、前記応力付加部材は、前記ティース部毎に設けられ、前記ティース部を囲む筒体であり、前記筒体は、互いに接合されて前記筒体を構成する複数の分割体からなってもよい。この構成によれば、前記筒体により前記ティース部に圧縮応力を付加できる。
【００１２】
また、本発明においては、前記応力付加部材は、前記ティース部間に介在し、前記ロータの軸方向と平行な方向の開口部を有する筒体であってもよい。この構成によれば、コイルの配設スペースを確保しつつ、前記筒体により前記ティース部に圧縮応力を付加できる。
【００１３】
また、本発明においては、前記応力付加部材は、前記ティース部毎に設けられ、前記ティース部に巻き回された帯体であってもよい。この構成によれば、前記帯体により前記ティース部に圧縮応力を付加できる。
【発明の効果】
【００１４】
以上述べた通り、本発明によれば、ティース部の磁気特性を向上し、鉄損を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】（ａ）は本発明の第１実施形態に係る回転電機Ａの断面図、（ｂ）は図１（ａ）の線Ｘ−Ｘに沿う回転電機Ａの断面図である。
【図２】（ａ）は電磁鋼板２３の斜視図、（ｂ）はティース部２１に設けられた応力付加部材５０の斜視図である。
【図３】（ａ）及び（ｂ）は応力付加部材５０の構成例を示す分解斜視図、（ｃ）は全分割体５４を一体化した構成例を示す図である。
【図４】（ａ）は分割体５１、５２の接合構造を示す断面図、（ｂ）はコイル３０の配設状態を示す図である。
【図５】（ａ）は応力付加部材５０によりティース部２１に付加される圧縮応力の説明図、（ｂ）は応力付加部材５０の寸法を示す説明図、（ｃ）は本発明の第２実施形態におけるティース部２１'、応力付加部材５０'の説明図である。
【図６】（ａ）は本発明の第３実施形態における応力付加部材１５０の説明図、（ｂ）は応力付加部材１５０の斜視図である。
【図７】本発明の第４実施形態における応力付加部材２５０の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
＜第１実施形態＞
図１（ａ）は本発明の第１実施形態に係る回転電機Ａの断面図、図１（ｂ）は図１（ａ）の線Ｘ−Ｘに沿う回転電機Ａの断面図である。回転電機Ａは、電動機又は発電機であって、ロータ１０と、ステータコア２０と、コイル３０と、ケース４０と、応力付加部材５０と、を備える。ロータ１０は、ロータ軸１１とロータ軸の周囲に配設された複数個の永久磁石（不図示）と、を備える。以下、軸方向、周方向、径方向と言うときは、特に断らない限り、ロータ１０の軸方向（軸方向と平行な方向を含む）、周方向、径方向を指すものとする。
【００１７】
ステータコア２０は、ロータ１０と同心円筒状のヨーク部２２と、ヨーク部２２から径方向内方に突出し、ヨーク部２２の周方向に等間隔で複数（本実施形態では８つ）設けられたティース部２１と、を備え、各ティース部２１にはコイル３０が巻き回されている。ステータコア２０は、軸方向に積層された複数の電磁鋼板２３の積層体である。図２（ａ）は電磁鋼板２３の斜視図であり、ティース部２１を構成する部分とヨーク部２２を構成する部分とが一体に形成されている。
【００１８】
本実施形態では、周方向には１つの電磁鋼板２３を軸方向に積層してステータコア２０を形成したが、ティース部、ヨーク部を分割してそれぞれを一方向性電磁鋼板から構成した分割コア方式のステータコアでもよい。
【００１９】
図１（ａ）及び（ｂ）を参照して、ケース４０は例えばアルミ合金等の金属製であり、ステータコア２０が挿入される筒状体をなしている。図１（ａ）及び（ｂ）においては、ステータコア２０の軸方向の両端部が開放されているが、各端部にはロータ軸１１を軸支する端部部材（不図示）が設けられる。端部部材はケース４０と別体でケース４０に固定することで構成できるが、端部部材の一方はケース４０と一体であってもよい。
【００２０】
応力付加部材５０は、各ティース部毎に設けられ、ティース部２１に圧接して、ティース部２１の突出方向と直交する方向の圧縮応力をティース部２１に付加する。応力付加部材５０の材料は非磁性材料であり、例えば、アルミ合金やオースナイト系ＳＵＳ等の非磁性金属材料を用いることができる。
【００２１】
図２（ｂ）はティース部２１に設けられた応力付加部材５０の斜視図である。本実施形態の場合、応力付加部材５０は、ティース部２１の周方向の各側面に圧接する一対の壁部５０ａと、ティース部２１の軸方向の各側面に圧接する一対の壁部５０ｂと、から構成され、ティース部２１を囲む方形の筒体である。
【００２２】
本実施形態の場合、ティース部２１の先端部分２１ａが、他の部分よりも幅広となっているため、応力付加部材５０は互いに接合されて筒体を構成する複数の分割体から構成されている。図３（ａ）及び（ｂ）は応力付加部材５０の構成例を示す分解斜視図である。これらの構成例は、いずれも、応力付加部材５０を２分割構造としたものであるが、３分割以上であってもよい。尤も、組み立て時の利便性を考慮すると２分割構造が望ましい。
【００２３】
図３（ａ）の例は、応力付加部材５０を周方向に２分割した分割体５１と５２とから構成したものである。また、図３（ｂ）の例は、応力付加部材５０を軸方向に２分割した分割体５３と５４とから構成したものである。図３（ｂ）の例の場合、各ティース部２１に応じて周方向に環状に分割体５３、５４を配し、分割体５３及び分割体５４毎に一体化してもよい。図３（ｃ）は、全ての分割体５４を一体化した構成例を示す図であり、リング状の部材と各分割体５４を一体的に構成することで、全分割体５４を一体化したものである。
【００２４】
分割体同士の接合方法としては、溶接のほか、機械的な係合であってもよく、強固に接合できればどのような接合でもよい。溶接等の場合、図３（ａ）の例のように周方向に２分割した構成の方が、溶接作業がやり易いという利点がある。
【００２５】
図４（ａ）は分割体５１、５２の接合構造を示す断面図であり、機械的な係合構造の例を示す。分割体５３、５４の接合にも同種構造を用いることもできる。図４（ａ）の例では、分割体５１、５２の各接合端面において、分割体５１には突起部５１ａを設け、分割体５２には突起部５１ａが嵌合する溝５２ａを形成したものである。この突起部５１ａ及び溝５２ａは接合端面の長手方向に線状に形成することができる。突起部５１ａと溝５２ａとを嵌合すると、溝５２ａが押し広げられて若干塑性変形する場合があるが、応力付加部材５０にはコイル３０が巻かれるので該変形は解消される。
【００２６】
応力付加部材５０を設けると、ティース部２１間のスペースが小さくなり、コイル３０の配設スペースが応力付加部材５０を設けない場合よりも小さくなる。本実施形態では、応力付加部材５０が、ティース部２１の根元部分と先端部分２１ａとの間の部分において、先端部分と根元部分とからそれぞれ離間してティース部２１に圧接するように応力付加部材５０の径方向の幅を設定している。そして、先端部分２１ａ側と根元部分側においてはコイル３０をティース部２１に直接巻くようにしている。
【００２７】
図４（ｂ）はコイル３０の配設状態を示す図であり、特に、応力付加部材５０の周囲においては、個々のコイル巻き線３１の配置を詳細に示した図である。同図に示すように、応力付加部材５０がティース部２１に圧接した領域Ｒ２においてはコイル巻き線３１は応力付加部材５０を介してティース部２１に巻きまわされ、応力付加部材５０がティース部２１に圧接していない、根元部分側の領域Ｒ１及び先端部分２１ａ側の領域Ｒ３においてはコイル巻き線３１は応力付加部材５０を介さずに直接ティース部２１に巻きまわされている。このように領域Ｒ１、Ｒ３をコイル３０の配設スペースとして利用して、コイル３０の巻き量を確保できる。
【００２８】
なお、コイル巻き線３１とステータコア２０との間は絶縁されるようにシート等が設けられることはいうまでもない。また、応力付加部材５０を、ティース部２１の根元部分と先端部分２１ａとから離間させることは、ティース部２１の根元周辺において応力付加部材５０がヨーク部２２に圧縮応力を付与してしまうことを確実に回避できるという効果もある。
【００２９】
係る構成からなる回転電機Ａでは、応力付加部材５０がティース部２１の突出方向と直交する方向の圧縮応力をティース部２１に与えることで、ティース部２１の突出方向、つまり、磁束が流れる方向の磁気特性が向上し、その鉄損を低減することができる。図５（ａ）は応力付加部材５０によりティース部２１に付加される圧縮応力の説明図である。
【００３０】
電磁鋼板は、圧縮応力を受けるとその圧縮方向と直交する方向の磁気特性が向上するという性質がある。これは圧縮応力を受けるとその圧縮方向と直交する方向に磁区が向き易くなるためと考えられる。本実施形態の場合、図５（ａ）に示すように、ティース部２１に対して応力付加部材５０によって、矢印ｄ２で示す周方向の圧縮応力と矢印ｄ３で示す軸方向の圧縮応力が付加される。このため、矢印ｄ１で示すティース部２１の突出方向の磁気特性が向上することになる。本実施形態では応力付加部材５０が、矢印ｄ２で示す周方向の圧縮応力と矢印ｄ３で示す軸方向の圧縮応力とを付加するが、周方向又は軸方向のいずれか一方向の圧縮応力を付加するようにしてもよい。
【００３１】
応力は材料の熱膨張、熱収縮を利用した残留応力で付加することができる。例えば、応力付加部材５０を加熱して熱膨張させた状態でティース部２１に装着し、常温に戻すことで応力が付加されるようにする。このとき、応力付加部材５０の常温での寸法により圧縮応力を制御できる。図５（ｂ）は応力付加部材５０の寸法を示す説明図である。壁部５０ａ間の常温での幅Ｗ１をティース部２１の周方向の幅よりも短くしておくことで、図５（ａ）において矢印ｄ２で示す周方向の圧縮応力をティース部２１に付加でき、寸法差の度合いにより圧縮応力の大きさを変えることができる。同様に、壁部５０ｂ間の常温での幅Ｗ２をティース部２１の軸方向の幅よりも短くしておくことで、図５（ａ）において矢印ｄ３で示す軸方向の圧縮応力をティース部２１に付加でき、寸法差の度合いにより圧縮応力の大きさを変えることができる。
【００３２】
＜第２実施形態＞
上記第１実施形態では、先端部分２１ａを除き、ティース部２１の周方向の幅を均一としたが、根元部分から先端部分２１ａに向かうに従って周方向の幅を狭くしてもよい。このようにすることで、上記第１実施形態の構成よりもコイル３０の配設スペースを拡大できる。この場合、応力付加部材５０の壁部５０ａもティース部２１の形状に倣ったものとする。
【００３３】
図５（ｃ）は、本発明の第２実施形態におけるティース部２１'、応力付加部材５０'の説明図である。ティース部２１'は、その根元部分の周方向の幅がＷ１１であって、先端部分２１ａ'側の周方向の幅がＷ１２（＜Ｗ１１）であり、根元部分から先端部分２１ａ'に向かうに従って周方向の幅が狭くなっている。
【００３４】
応力付加部材５０'は、ティース部２１の周方向の各側面に圧接する一対の壁部５０ａ'がティース部２１'の形状に倣ったものとなっており、壁部５０ａ'間の幅がティース部２１'の根元部分側で大きく、先端部分２１ａ'側で小さくなっている。
【００３５】
本実施形態の場合、ティース部２１'の先端部分２１ａ'側の周方向の幅が狭くなっているため、相対的に先端部分２１ａ'側で磁気特性がよい方が望ましい。一方、圧縮応力の付与による磁気特性の向上は、ある範囲で圧縮応力の大きさに比例する。そこで、応力付加部材５０'による圧縮応力が、図５（ｃ）の矢印の長さで示すように、根元部分側で相対的に小さく、先端部分２１ａ'側で相対的に大きいことが好ましい。圧縮応力の大きさは、上記の通り、常温時の応力付加部材５０'の寸法で制御でき、ティース部２１'の周方向の幅と壁部５０ａ'の幅との常温での寸法差を、根元部分側で相対的に小さく、先端部分２１ａ'側で相対的に大きくすればよい。
【００３６】
＜第３実施形態＞
上記第１実施形態では、応力付加部材をティース部２１を囲む筒体で構成したが、ティース部２１間に介在する部材で構成してもよい。図６（ａ）は本発明の第３実施形態における応力付加部材１５０の説明図、図６（ｂ）は応力付加部材１５０の斜視図である。
【００３７】
応力付加部材１５０は軸方向の開口部１５１を有する筒体であり、各ティース部２１間に配設されている。開口部１５１はコイル３０を巻きまわすための空間である。なお、上記第１実施形態の図４（ｂ）の構成のように、ティース部２１の根元部分側、先端部分側に、応力付加部材１５０が圧接していないスペースを設けた場合は、開口部１５１に加えて該スペースもコイル３０を巻きまわすスペースとして利用でき、この場合は図４（ｂ）の領域Ｒ１、Ｒ３のようにティース部２１に直接コイル３０を巻きまわすことができる。また、本実施形態と上記第２実施形態とを組み合わせることも可能である。
【００３８】
応力付加部材１５０は、ティース部２１の周方向の側面に圧接する一対の壁部１５０ａを備え、この壁部１５０ａ間の常温での幅を、互いに隣接するティース部２１の周方向の側面間の幅よりも大きくすることで、ティース部２１に対して周方向の圧縮応力を付加できる。応力付加部材１５０は、ティース部２１間に圧入して設けることができる。また、ステータコア２０を加熱して熱膨張させ、熱膨張しているときに応力付加部材１５０をティース部２１間に配置し、ステータコア２０が常温に戻って収縮することを利用して圧縮応力を付加するようにしてもよい。
【００３９】
また、壁部１５０ａの径方向の幅Ｗａを、ティース部２１の根元部分から先端部分２１ａまでの幅Ｗｔよりも大きくすることで、ティース部２１に対してその突出方向の引張応力も付加できる。これによりティース部２１の突出方向の磁気特性を更に向上できる。この場合、ヨーク部２２に対して圧縮応力が働くが、本実施形態の場合、壁部１５０ｂがヨーク部２２の内周面に倣って形成されて面で接触している。このため、ティース部２１の根元近傍に局所的名圧縮応力が集中的に作用することを回避でき、ヨーク部２２に対する径方向の圧縮応力の集中による鉄損の増大を抑制できる。
【００４０】
応力付加部材１５０は、各ティース部２１間の配設スペースに応じて周方向に環状に配置し、図３（ｃ）の構成例のように、全応力付加部材１５０を一体化してもよい。
【００４１】
＜第４実施形態＞
上記第１及び第３実施形態では応力付加部材を筒体で構成したが、ティース部２１毎に設けられ、ティース部２１に巻き回された帯体であってもよい。図７は本発明の第４実施形態における応力付加部材２５０の説明図である。応力付加部材２５０は、一本の帯体であり、この帯体にテンションをかけながらティース部２１に複数周回巻きつけて設けられている。そして、巻きつけ時の帯体のテンションの度合いに応じた圧縮応力をティース部２１に付加する。応力付加部材２５０は、例えば、５０μｍ乃至１００μｍの帯状金属箔であって、オースナイト系ＳＵＳ等の非磁性金属箔である。
【００４２】
なお、上記第１実施形態の図４（ｂ）の構成のように、ティース部２１の根元部分側、先端部分側に、応力付加部材２５０が圧接していないスペースを設けた場合は、該スペースもコイル３０を巻きまわすスペースとして利用でき、この場合は図４（ｂ）の領域Ｒ１、Ｒ３のようにティース部２１に直接コイル３０を巻きまわすことができる。また、本実施形態と上記第２実施形態とを組み合わせることも可能である。ティース部の根元部分側と先端部分側とで圧縮応力に差をつける場合、部位によって巻きつけ時のテンションを変えるか、或いは、１つのティース部２１に対して２本以上の帯体を巻きつけ、各帯体毎に巻きつけ時のテンションを変えることができる。
【符号の説明】
【００４３】
Ａ  回転電機
１０  ロータ
２０  ステータコア
２１  ティース部
２２  ヨーク部
２３  電磁鋼板
４０  ケース
５０、１５０、２５０  応力付加部材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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