(57)【要約】【課題】固定子にかかる圧縮応力を低減し、かつ固定子内の磁束の局所集中や不均一を抑制し、鉄損および励磁電流が低い電動機用固定子および電動機を提供する。【解決手段】ティースとヨークを分割し、締め固定により固定されている分割型固定子において、ティースとヨークの嵌合部に形成される空隙に電磁鋼板よりもヤング率が低くかつヤング率が１MPａ以上の弾性体を挿入する。【選択図】    図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁鋼板を材質とするティースとヨークが複数の分割部材で構成され、該複数の分割部材を締め固定により組み立てられてなる電動機の分割型固定子において、
前記ティースとヨークの嵌合部に形成される空隙に、ヤング率が１MPａ以上かつ前記電磁鋼板のヤング率よりも低い弾性体を挿入したことを特徴とする分割型固定子。
【請求項２】
前記空隙に挿入する弾性体のヤング率が１MPａ以上、２０GPａ以下であることを特徴とする請求項１に記載の分割型固定子。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の分割型固定子を持つことを特徴とする電動機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電動機の高効率化に係り、特に稼動時に内部に形成される磁路を切断するように分割されたパーツを組み立てて製造される分割型固定子および電動機の鉄損低減技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、省エネルギーの観点から各種電気機器の効率向上が求められている。電機機器の効率は各種要因に影響されるが、電動機の鉄芯で発生する損失である鉄損は比較的大きな比重を占めており、従って最近ではより鉄損の少ない電磁鋼板が使用される場合が増加している。
【０００３】
このような電磁鋼板を用いて、固定子の形状に一体で打抜き、積層し製造される電動機用固定子は、電磁鋼鈑から製造される製品の歩留まりが悪い。そのため歩留まりが高くなるように、固定子の部分毎の形状で打抜いた分割部材を積層したパーツを所定の形状になるよう組み立てる分割型固定子がある。
【０００４】
分割型固定子では、焼嵌めやリング固定といった締め固定方法を用いて固定子に組み立てる。そのために固定子を組み立てる際に固定子を形成する鉄芯に圧縮応力がかかってしまい、逆磁歪効果によって固定子の透磁率や鉄損特性を低下させ、電動機としての効率を低下させてしまう（例えば、非特許文献１）。
【０００５】
このような分割型固定子の締め固定による悪影響を減らす技術が、特許文献１に開示されている。この技術は、固定子や回転子の少なくとも一方に孔を設けて、固定子や回転子に発生する応力を低減させることで、回転子や固定子の透磁率や鉄損特性を改善し、電動機鉄芯の鉄損や励磁電流を低減する技術である。
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−１３６０１３号公報
【非特許文献１】電気学会回転機研究資料RM−９５−２７（１９９５年１月）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、固定子の一部に応力緩和のための孔を空けると、その孔の部分の透磁率は空気の透磁率となり、電磁鋼板で形成される他の部分の透磁率の数千から数万分の１となってしまい、孔の部分には磁束が流れない。結果的に固定子内で磁束の不均一や磁束の集中が発生し、鉄損の増加を招くため、電動機の特性は改善されない。特許文献１に開示されている技術では、かえって鉄損を増加させてしまう。
【０００８】
本発明は、分割型固定子を締め固定方法で組み立てる時に不可避的に発生する、固定子にかかる圧縮応力を低減し、かつ固定子内の磁束の局所集中や不均一を抑制することで、鉄損および励磁電流が低い電動機用固定子および電動機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の課題を解決するため、本発明の要旨とするところは、以下の通りである。
（１）電磁鋼板を材質とするティースとヨークが複数の分割部材で構成され、該複数の分割部材を締め固定により組み立てられた、電動機の分割型固定子において、前記ティースとヨークの嵌合部に形成される空隙に、ヤング率が１MPａ以上かつ前記電磁鋼板のヤング率よりも低い弾性体を挿入したことを特徴とする分割型固定子。
（２）前記空隙に挿入する弾性体のヤング率が１MPａ以上、２０GPａ以下であることを特徴とする（１）に記載の分割型固定子。
（３）（１）または（２）に記載の分割型固定子を持つ電動機。
【発明の効果】
【００１０】
本発明により、分割型固定子を締め固定方法で組み立てる際に不可避的に発生する、固定子にかかる圧縮応力を低減し、かつ、固定子内の磁束の局所集中や不均一を抑制することで、鉄損および励磁電流が低くなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明者らは、電磁鋼板に圧縮応力がかかることにより励磁特性や鉄損特性が劣化することから、分割型固定子を形成する過程でティースやヨークを固定する際に、ティースとヨークの間の嵌合部に電磁鋼板よりヤング率が低い物質を挿入することでティースやヨークに加わる圧縮応力が低減できることを見出した。
【００１２】
しかし、同様にティースやヨークに加わる圧縮応力が低減できる手法である特許文献１で提示される手法では、しかし、固定子の一部に応力緩和のための孔を空けているため、その孔の部分の透磁率は空気の透磁率となり、電磁鋼板で形成される他の部分の透磁率の数千から数万分の１となってしまう。孔の部分には、磁束が流れず、結果的に固定子内で磁束の不均一や磁束の集中が発生し、鉄損の増加を招くため、電動機の特性は改善されない。
【００１３】
また、本発明において、固定子の一部に応力緩和のための孔を設けないことより、孔を設けている場合より、磁束の不均一や磁束の集中の発生が抑制されるため、鉄損の増加を生じさせることがない。
【００１４】
さらに、嵌合部の透磁率を十分に高めるためには、弾性体中に磁性粉末である鉄紛を５ｖｏｌ％以上、５０ｖｏｌ％以下混入することが望ましい。
図１および図２に示すように電磁鋼板を打ち抜き、積層、ワニスによる固化を施したティース積層パーツ１０とヨーク積層パーツ１１を作成し、ティース積層パーツには、巻き線（図示せず）を施した。
【００１５】
図３に示すように、まず、ティース積層パーツ１０とヨーク積層パーツ１１の外径Ｌ１から図１０に示す加熱前の焼嵌めリング１２の内径Ｌ２の差である焼嵌め代を１５０[μｍ]一定として、比較例（ａ）、（ｂ）として、ティース積層パーツ１０とヨーク積層パーツ１１の間の嵌合面１７に形成される空隙に（ａ）ヤング率が２００［ＧＰａ］の電磁鋼板を挿入、（ｂ）ヤング率が５０［ＧＰａ］相当のアルミニウムを挿入した後、図３に示すようにティース積層パーツ１０とヨーク積層パーツ１１を円状に配置し、焼嵌めリング１２を１５０℃に加熱してティース積層パーツ１０とヨーク積層パーツ１１の円状に配置したものに挿入の後、冷却することで分割型固定子１３を組み立てる。その後、図４に示すように分割型固定子１３を上下から固定治具（図示せず）ではさみ、連結部をボルト（図示せず）で固定し、分割型固定子１３の内側に永久磁石１４を配置した回転子１５を設置した電動機１６を製作した。それぞれの電動機１６を７５０［ｒｐｍ］、１［Ｎｍ］の条件で運転した際の鉄損を測定した。鉄損算出に際しては、電力計により測定される入力電力から出力と回転数に応じた機械損を減じる方法を用いた。
【００１６】
次に、本発明の例（ｃ）、（ｄ）として、同様にティース積層パーツ１０とヨーク積層パーツ１１の間の嵌合面１７に形成される空隙に（ｃ）ヤング率が２０［ＧＰａ］の木材、および（ｄ）ヤング率が１０［ＧＰａ］のプラスティックを挿入した後、前述した同様の方法で図４に示す電動機を製作した。それぞれの電動機１６を７５０［ｒｐｍ］、１［Ｎｍ］の条件で運転した際の鉄損を測定した。
【００１７】
測定結果を（ａ）の測定値に対する比率で図５に示す。嵌合面の空隙部に挿入する物質のヤング率の減少に伴い、鉄損は減少する。空隙部のヤング率が２０［ＧＰａ］以下での鉄損減少量は、３５％以上となり効果が大である。
【００１８】
さらに本発明による効果は、上記以外の形態の分割型固定子、電動機にも適用でき、たとえば、図７に示されるティース先端が結合された形状の分割型固定子や図８に示されるティースヨーク結合型積層パーツが結合された形状の分割型固定子でも上記と同様の効果を得た。
【００１９】
さらに、ティース積層パーツ１０とヨーク積層パーツ１１の積層方向は、必ずしも同一である必要はなく、図９に示されるティース積層パーツ１０とヨーク積層パーツの積層方向が直交する形状の分割型固定子でも上記と同様の効果を得た。さらに巻き線の方法は、文献（「イラスト・図解小型モータのすべて」、見城尚志＋佐渡友茂著、  技術評論社、
ＩＳＢＮ４−７７４１−１１９９−６）の８３ページに紹介されているような分布巻きでも、同文献２の８６ページに紹介されているような集中巻きでも上記と同様の効果を得た。
【００２０】
さらに、ティース積層パーツ１０とヨーク積層パーツの固定方法は、いかなる形態でもよく、ティース積層パーツ１０とヨーク積層パーツ１１を−５０度程度に冷却して体積収縮をさせた状態で、リングに挿入の後、常温に戻すことで締め固定を行う冷し嵌めや、締め固定用リングを分割し、分割されたリングをボルトで固定し、リングの内径を縮小することで、ティース積層パーツ１０とヨーク積層パーツ１１を固定するリング締め固定でも実施例で示した焼嵌めによる締め固定と同様の効果を得た。
【００２１】
さらに、本発明による効果は、上記以外の形態の回転子にも適用でき、たとえば上記文献の３６ページに紹介されている非同期モータでも上記と同様の効果を得た。
【００２２】
以上で説明したように空隙に挿入する物質のヤング率が小さいほど、鉄損は改善するが、電動機の稼動時は、固定子に大きな応力がかかる。そんためにヤング率はあまり小さくすることができない。以下のようにして、ヤング率の加減を検討した。
図１および図２に示すように、電磁鋼板を打ち抜き、積層、ワニスによる固化を施したティース積層パーツ１０とヨーク積層パーツ１１を作成し、ティース積層パーツには、巻き線（図示せず）を施した。
【００２３】
まず、ティース積層パーツ１０とヨーク積層パーツ１１の外径から加熱前の焼嵌めリング１２の内径の差である焼嵌め代を一定として、比較例（i）、（ii）、及び（iii）とし
て、ティース積層パーツ１０とヨーク積層パーツ１１の間の嵌合面１７に形成される空隙に（ｉ）ヤング率が２００［ＧＰａ］の電磁鋼板を挿入、（ｉｉ）ヤング率が０．０００５［ＧＰａ］のシリコーンを主原料としたゲル状素材（例えば株式会社ジェルテック製αＧｅｌ）を挿入、と（ｉｉｉ）ヤング率が０．０００１［ＧＰａ］のシリコーンを主原料としたゲル状素材（例えば株式会社ジェルテック製αＧｅｌ）を挿入した後、図３に示すようにティース積層パーツ１０とヨーク積層パーツ１１を円状に配置し、焼嵌めリング１２を１５０℃に加熱してティース積層パーツ１０とヨーク積層パーツ１１の円状に配置したものに挿入の後、冷却することで分割型固定子１３を組み立てる。
【００２４】
分割型固定子１３の焼嵌めリング１２を固定した後、１つのティース積層パーツの上部に分割型固定子の直径の長さの鉄製のアームを溶接にて固定する。このアームの先端に力を加えることで、分割型固定子１３にトルクをかける。トルクを徐々に大きくして、分割型固定子１３内のヨーク積層パーツ１１と焼嵌めリング１２が滑り出す際のトルクを測定し保持トルクとした。
【００２５】
次に本発明の例（iv）乃至（viii）として、同様にティース積層パーツ１０とヨーク積層パーツ１１の間の嵌合面１７に形成される空隙に（ｉｖ）ヤング率が１０［ＧＰａ］のプラスティックを挿入、（ｖ）ヤング率が１［ＧＰａ］のナイロンを挿入、（ｖｉ）０．１［ＧＰａ］のウレタンゴムを挿入、（ｖｉｉ）０．０１［ＧＰａ］のウレタンゴムを挿入、（ｖｉｉｉ）０．００１［ＧＰａ］のシリコンゴムを挿入した後、前述した同様の方法で図３に示す分割型固定子１３を組み立てる。それぞれの分割型固定子に前述の鉄製アームを取り付け、アームの先端に力を加えることで、前述した同様の方法にて保持トルクを測定した。
【００２６】
測定結果を（ｉ）の測定値に対する比率で図６に示す。嵌合面の空隙部に挿入する物質のヤング率の減少に伴い、保持トルクは低下する。電動機が発生するトルクに対する必要保持トルク以上となるのは、ヤング率が０．００１［ＧＰａ］以上である。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施形態におけるティース積層パーツを示す図である。
【図２】本発明の実施形態におけるヨーク積層パーツを示す図である。
【図３】本発明の実施形態における分割型固定子を示す図である。
【図４】本発明の実施形態における電動機を示す図である。
【図５】本発明による効果を示す鉄損の測定結果を示す図である。
【図６】本発明による効果を示す保持トルクの測定結果を示す図である。
【図７】本発明の分割型固定子を使用した電動機の例を示す図である。
【図８】本発明の分割型固定子を使用した電動機の例を示す図である。
【図９】本発明の分割型固定子を使用した電動機の例を示す図である。
【図１０】本発明の実施形態における加熱前の焼嵌めリングを示す図である。
【符号の説明】
【００２８】
１０  ティース積層パーツ
１１  ヨーク積層パーツ
１２  焼嵌めリング
１３  分割型固定子
１４  分割型固定子の内側に配置される回転子に埋め込まれる永久磁石
１５  分割型固定子の内側に配置される回転子
１６  電動機
１７  分割型固定子のティース積層パーツとヨーク積層パーツが形成する嵌合部
１８  ティースヨーク結合型積層パーツ
１９  分割型固定子のティースヨーク結合型積層パーツが形成する嵌合部
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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