JP2016052200A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】振動の発生や鉄損の増加を抑制することができる回転電機を提供すること。
【解決手段】円環状に配置される複数の分割コア３１と、複数の分割コア３１を収容する円筒状のコア収容部５３が形成され、分割コア３１と異なる熱膨張係数を有するハウジング２３とを備えた回転電機１０であって、コア収容部５３が、複数の分割コア３１の軸線方向において、複数の分割コア３１と接触する接触内壁５３ｔと、複数の分割コア３１と接触しない非接触内壁５３ｓとを有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、円環状に配置される複数の分割コアを有する回転電機に関する。

従来、複数の分割コアにより環状のステータコアが形成され、このステータコアの外周面部がハウジングの内周面部に圧入や焼嵌めによって嵌め合わされる回転電機が知られている（例えば、特許文献１を参照）。

特開２００９−１３１００６号公報

このような、ステータコアの外周面部の全面がハウジングの内周面部の全面へ圧入や焼嵌めなどによって嵌め合わされる構成の場合、ステータコアおよびロータから発生する振動や回転騒音がハウジングに直接伝達されやすくなるため、回転電機の振動や騒音が増大するといった不都合がある。
また、ステータコアの外周面部の全面がハウジングの内周面部の全面へ圧入や焼嵌めなどによって嵌め合わされる構成の場合、圧入や焼嵌めによって生ずる圧縮応力により、ハウジングやステータコアに歪が発生しやすくなるため、電気的な損失、いわゆる鉄損が増加してしまうといった不都合がある。

上記課題を解決するための本発明に係る回転電機は、円環状に配置される複数の分割コアと、前記複数の分割コアを収容する円筒状のコア収容部が形成され、前記分割コアと異なる熱膨張係数を有するハウジングとを備えた回転電機であって、前記コア収容部が、前記複数の分割コアの軸線方向において、前記複数の分割コアと接触する接触内壁と、前記複数の分割コアと接触しない非接触内壁とを有する。

本発明に係る回転電機によれば、円環状に配置される複数の分割コアがコア収容部に収容され、コア収容部と複数の分割コアとが接触する接触内壁が部分的に形成されるため、振動や騒音の発生、鉄損の増加を抑制することができる。

図１は、本発明の実施形態に係る回転電機の断面図である。 図２は、本発明の実施形態に係る回転電機の各構成要素を分解した状態を示す断面図である。 図３は、本発明の実施形態に係る回転電機の本体の平面図である。 図４は、本発明の実施形態に係る回転電機の本体の断面図である。 図５は、図２に示すＡ部を拡大した部分拡大断面図である。 図６は、本発明の実施形態に係る回転電機のステータコアの平面図である。

以下、本発明に係る回転電機を適用した実施形態に係る回転電機１０について、図１〜図６を参照して説明する。

回転電機１０は、図１、図２に示すように、本体１１と、カバー１２と、カバー１２を本体１１に固定する複数のボルト１３とを有する。回転電機１０は、分割コアを備えた構造のものであればよく、特に制限はないが、例えば、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の３相の交流電力により駆動する三相誘導モータや三相同期モータによって構成されている。

本体１１は、図２に示すように、ステータコア２１と、ロータ２２と、ハウジング２３と、インシュレータ２５と、引き出し線２６と、ステータコア２１をハウジング２３に固定する複数のボルト２７とを含んで構成される。

ステータコア２１は、図３、図４に示すように同一構造の１２個の分割コア３１で構成されており、各分割コアは、互いに隣接して円環状に配置される。１２個の分割コア３１は、円環状に配置された各分割コアの内径側の周壁もしくは、外径側の周壁を基準にして円形治具によって円環状に保持される。また、１２個の分割コア３１は、外径側の周壁を部分的に数箇所レーザ溶接することで円環状に保持されるようにしてもよく、各分割コアの接触部分を接着によって結合することで、円環状に保持されるようにしてもよい。これにより、１２個の分割コア３１が一体化された円環状のステータコア２１が形成される。

なお、ステータコア２１は、同一構造の１２個の分割コア３１で構成されているが、これ以外の構造で構成されていてもよい。例えば、１２個以外の個数、３ないし２０個程度の複数個であってもよい。また、各分割コア３１は同一構造ではなく、異なった構造のものでステータコア２１と同様の円環状のステータコアを形成するようにしてもよい。

分割コア３１は、ステータコア２１の円環の一部を構成する円弧部３１ａと、円弧部３１ａの内周部分から円弧の中心に向けて突出する突出部３１ｂとからなるコア本体４１と、突出部３１ｂに巻きつけられたコイル巻線４２とを有している。
１２個の各分割コア３１のコイル巻線４２は、Ｕ相コイル、Ｖ相コイル及びＷ相コイルの三相コイルを構成しており、三相の交流電力の供給により三相コイルに磁界が形成される。

コア本体４１は、電磁鋼板などの磁性材料からなる一定の厚みのコア積層板４１ａが積層され連結固定されて一体化された積層コアで形成されており、ボルト２７を通す貫通孔４１ｂが形成されている。なお、このコア本体４１は、圧粉磁性体によって形成されてもよい。

コア本体４１は、ハウジング２３が有する熱膨張係数と異なった熱膨張係数を有する材料で形成されている。具体的には、回転電機１０の温度が上昇した際に、ハウジング２３に収容されるコア本体４１の外周面とハウジング２３の内周面との間のすき間が大きくなるよう、コア本体４１の熱膨張係数はハウジング２３の熱膨張係数よりも小さな値になる材料が選択される。

コア本体４１には、コア本体４１を覆うよう形成された絶縁部材がコア本体４１に嵌め込まれることにより絶縁性が高められている。または、コア本体４１が、絶縁性樹脂のアウトサート成形により形成された絶縁部材で覆われることで絶縁性が高められている。

ロータ２２は、図２に示すように、ステータコア２１の内周側に配置されており、動力を出力するシャフト２２ａと、シャフト２２ａに固定されシャフト２２ａとともに回転する回転子２２ｂとを有している。ロータ２２は、さらに、本体１１のハウジング２３に収容される本体側ベアリング２２ｃと、カバー１２に収容されるカバー側ベアリング２２ｄとにより、シャフト２２ａを回転自在に支持されている。

ロータ２２の外周面と、ステータコア２１の内周面との間のすき間は、ロータ２２がステータコア２１内で抵抗なく滑らかに回転しうる程度のすき間であり、かつ中心線ＣＬで表される回転軸を中心とする円周方向に均一になるようロータ２２およびステータコア２１が形成されている。

回転子２２ｂには、図示しない複数の永久磁石が埋め込まれており、ステータコア２１の三相コイルによって励起される磁界に回転子２２ｂ内の永久磁石が引かれることにより、回転子２２ｂが回転駆動される。

他方、回転子２２ｂの回転に伴って、回転子２２ｂに設けられた永久磁石が回転軸を中心に回転すると、磁界が形成され、この磁界によりステータコア２１の三相コイルに誘導電流が流れる。この誘導電流により、三相コイルの両端に電力が発生し、回転電機１０は、発電機としても機能するようになっている。

この回転電機１０は、回転子２２ｂに永久磁石が埋め込まれている永久磁石同期電動機（Interior Permanent Magnet）として構成され、例えば、可変電圧可変周波数制御(VVVF)インバータにより制御されるようになっている。なお、回転電機１０は、永久磁石同期電動機以外の構成でもよい。すなわち、回転子２２ｂが、永久磁石以外の構造、例えば、電磁石で構成されていてもよく、鉄心のみで構成されていてもよい。

ハウジング２３は、図２、図３、図４に示すように、装着部５１と、ベアリング収容部５２と、コア収容部５３と、接続部５４と、カバー固定部５５とを有しており、これらの各部は一体的に形成されている。

このハウジング２３は、分割コア３１のコア本体４１が有する熱膨張係数と異なった熱膨張係数を有する材料で形成されている。具体的には、回転電機１０の温度が上昇した際に、ハウジング２３に収容される分割コア３１のコア本体４１の外周面とハウジング２３の内周面とのすき間が大きくなるよう、ハウジング２３の熱膨張係数はコア本体４１の熱膨張係数よりも大きな値になる材料が選択される。

装着部５１は、平坦に形成され、装着孔５１ａ、５１ｂ、５１ｃ、５１ｄを有しており、装着孔５１ａ、５１ｂ、５１ｃ、５１ｄには、図示しない装着ボルトが挿入され回転電機１０が被装着部に装着されるようになっている。

ベアリング収容部５２には、装着部５１から内部に向かって突出部５２ａが形成されるとともに、突出部５２ａには本体側ベアリング２２ｃを収容する凹部５２ｂが形成されている。
また、ベアリング収容部５２には、凹部５２ｂを貫通する貫通孔５２ｃが形成されており、貫通孔５２ｃにロータ２２のシャフト２２ａが通されるようになっている。

コア収容部５３は、図２に示すように、ベアリング収容部５２の突出部５２ａの突出方向と同方向に突出する円筒状に形成されており、円環状のステータコア２１を収容するよう、コア収容部５３の横断面における内周面が、ステータコア２１を収容した際のステータコア２１の軸心と同一の軸心を中心とする円からなる断面形状を有する。コア収容部５３のステータコア２１を収容する内壁は、図５に示すように、ステータコア２１の各分割コア３１と接触する接触内壁５３ｔと、ステータコア２１の各分割コア３１と接触しない非接触内壁５３ｓとを有している。

本実施形態では、接触内壁５３ｔおよび非接触内壁５３ｓは、コア収容部５３の前述の軸心を中心とした円周方向に連続する構造で形成されるが、他の実施形態では、前述の軸心を中心とした円周方向に部分的に形成される不連続な構造であってもよい。この場合、接触内壁５３ｔによって、ステータコア２１の各分割コア３１を固定できればよく、例えば、略９０°の間隔をおいて配置される４つの接触内壁５３ｔを断続的に配置したり、略１２０°の間隔をおいて配置される３つの接触内壁５３ｔを断続的に配置したりされる。

また、各分割コア３１のコア本体４１に対向するコア収容部５３の内壁の軸線方向の長さをＬとし、接触内壁５３ｔの軸線方向の長さをＬ_１とし、非接触内壁５３ｓの軸線方向の長さをＬ_２とすると、Ｌ＝Ｌ_１＋Ｌ_２となっており、長さＬ_１は、Ｌ_１＜Ｌ×（１／２）、すなわち長さＬ_１は、長さＬの半分を超えない範囲の任意の寸法、例えば、Ｌ×（１／２）からＬ×（１／５）の範囲内の寸法で形成される。

接触内壁５３ｔにおいては、ステータコア２１の外周面と、円筒の内周壁面との間に、例えば、ＪＩＳ規格に基づく基準穴がＨ６、軸の交差がｊｓ５やｋ５ｃからなる中間ばめ程度のすき間と同等のすき間が生ずるように、円筒の内周の直径が形成されている。
非接触内壁５３ｓにおいては、ステータコア２１の外周面と、円筒の内周壁面との間に、例えば、ＪＩＳ規格に基づく基準穴がＨ９、軸の交差がｃ９からなるすき間ばめ程度のすき間と同等のすき間、またはこのすき間よりも僅かに大きなすき間が生ずるように、円筒の内周の直径が形成されている。

また、コア収容部５３の下部には、各分割コア３１に対応する位置にねじ穴５３ａが形成されており、ねじ穴５３ａにはボルト２７がねじ結合するようになっている。

接続部５４は、コア収容部５３から径方向外方に部分的に突出して形成された突出部５４ａと、引き出し線２６の接続部分を収容するよう凹んで形成された凹部５４ｂを有している。
ここで、径方向とは、分割コア３１とハウジング２３の径方向を示し、前述の１２個の分割コア３１で形成される円環の中心軸を中心とする半径方向を示す。

カバー固定部５５は、コア収容部５３から径方向外方に突出して形成されるとともに、複数のねじ穴５５ａが形成されており、ねじ穴５５ａにはボルト１３がねじ結合し、カバー１２が本体１１に固定されるようになっている。

インシュレータ２５は、図２、図４に示すように、プラスチックや陶磁器などの高い絶縁性を有する材料で円筒形に形成された絶縁部材として機能する。そして、インシュレータ２５は、側壁に複数の貫通孔やスリットが形成される。
このインシュレータ２５は、ステータコア２１の上側に配置され、ステータコア２１を構成する分割コア３１のコア本体４１と、コア本体４１に巻きつけられたコイル巻線４２との間の絶縁をより確実にする機能を有しており、コイル巻線４２を取り回した際にコイル巻線４２の取り回し線がインシュレータ２５内に確実に収まるよう、ストラップなどの保持部材で側壁の貫通孔やスリットに保持し得る機能も有している。

引き出し線２６は、図２、図３、図４、図６に示すように、分割コア３１のコア本体４１に巻きつけられたコイル巻線４２の各両端を、Ｕ相コイル、Ｖ相コイル、Ｗ相コイル及び中性点ごとに取りまとめたもので、先端に端子が設けられたＵ相引き出し線２６ａ、Ｖ相引き出し線２６ｂ、Ｗ相引き出し線２６ｃおよび中性点引き出し線２６ｄからなる。

図６に示すように、Ｕ相引き出し線２６ａ、Ｖ相引き出し線２６ｂ、Ｗ相引き出し線２６ｃおよび中性点引き出し線２６ｄは、順に配置されているが、この配置の順は任意の順であってもよい。これらの、Ｕ相引き出し線２６ａ、Ｖ相引き出し線２６ｂ、Ｗ相引き出し線２６ｃおよび中性点引き出し線２６ｄは、図示しないモータコントローラに電気的に接続されている。

このモータコントローラは、例えば、可変電圧可変周波数制御インバータを含んで構成されており、図示しない制御装置から送られる回転電機１０が出力すべきトルク指令値に基づいて、トルクを出力するためのモータ制御電流を生成し、そのモータ制御電流を、引き出し線２６を介して分割コア３１のコイル巻線４２に供給する。

カバー１２は、図１、図２に示すように、カバー１２を本体１１のハウジング２３に固定する固定部７１と、ロータ２２のカバー側ベアリング２２ｄを収容するベアリング収容部７２と、ベアリング収容部７２の開口を閉塞する閉塞部７３とを有しており、固定部７１とベアリング収容部７２とが一体的に形成されている。

固定部７１には、貫通孔７１ａが形成されており、ボルト１３が通されるようになっている。ベアリング収容部７２には、内部に向かって突出部７２ａが形成されるとともに、突出部７２ａにはカバー側ベアリング２２ｄを収容する凹部７２ｂが形成されている。

また、ベアリング収容部７２には、凹部７２ｂを貫通する貫通孔７２ｃが形成されており、貫通孔７２ｃにロータ２２のシャフト２２ａが通されるようになっている。
閉塞部７３は、ベアリング収容部７２の貫通孔７２ｃを閉塞する蓋７３ａを有し、蓋７３ａは、ベアリング収容部７２の突出部７２ａの反対側を閉塞している。

次に本実施形態の回転電機１０のステータコア２１をハウジング２３に組み込む方法について簡単に説明する。

まず、図２、図６に示すステータコア２１が用意される。
ステータコア２１は、次のように形成される。一定の厚みのコア積層板４１ａが積層されて一体化した積層コアが、コア本体４１として形成される。

このコア本体４１に、コア本体４１を覆うよう形成した絶縁部材が嵌め込まれる。
そして、コア本体４１の突出部３１ｂに配線が巻き付けられてコイル巻線４２が形成される。このようにして、分割コア３１が形成される。同様に、絶縁部材が嵌め込まれたコア本体４１にコイル巻線４２が形成され、分割コア３１が１２個用意される。これら１２個の分割コア３１が円環状に配置され、接触部分が互いに接着されることにより、円環状のステータコア２１が形成される。

次いで、ステータコア２１を構成する各分割コア３１の貫通孔４１ｂに、それぞれボルト２７が通されて、ボルト２７と、各分割コア３１に対応する位置に形成されたハウジング２３のねじ穴５３ａとがねじ結合し、ステータコア２１がハウジング２３に固定される。
このとき、ステータコア２１は、コア収容部５３の接触壁面５３ｔに対して圧入または焼嵌めによって嵌め込まれる。

そして、ステータコア２１の巻線から引き出された引き出し線２６のＵ相引き出し線２６ａ、Ｖ相引き出し線２６ｂ、Ｗ相引き出し線２６ｃおよび中性点引き出し線２６ｄがハウジング２３の図２、図３、図４に示す接続部５４にセットされる。接続部５４に各引き出し線がセットされると、ステータコア２１のハウジング２３への組み込みが終了する。

以下に、本実施形態の回転電機１０の効果について説明する。
本実施形態の回転電機１０は、円環状に配置される１２個の分割コア３１と、１２個の分割コア３１を収容するコア収容部５３が形成され、分割コア３１と異なる熱膨張係数を有するハウジング２３とを備え、コア収容部５３が、複数の分割コア３１と接触する接触内壁５３ｔと、複数の分割コア３１と接触しない非接触内壁５３ｓとを有する。

本実施形態に係る回転電機１０によれば、円環状に配置される１２個の分割コア３１が、中間ばめのはめあい交差と同等に形成された接触内壁５３ｔとすき間ばめのはめあい交差と同等に形成された非接触内壁５３ｓとを有するコア収容部５３に収容されるので、１２個の分割コア３１からなるステータコア２１とコア収容部５３との軸偏心が緩和される。すなわち、非接触内壁が形成されておらず、分割コアとコア収容部とのはめあいが、中間ばめを含む圧入やしまりばめを含む焼嵌めによって行われる構造と比較して、本実施形態に係る回転電機１０は、接触内壁５３ｔの寸法が、非接触内壁５３ｓと接触内壁５３ｔとの合計の寸法の１／２未満となっているので、軸偏心ができ難くなり、軸偏心が緩和される。

なお、はめあいの寸法公差については、前述のようにＪＩＳ規格で規定されているが、ＪＩＳ規格では、すま間ばめ、中間ばめ、しまりばめが規定されており、本実施形態においても、ＪＩＳ規格と同様のはめあいを用いる。本実施形態においては、すま間ばめは、高温時においてもすき間が確保されるものや、ガタがなく精密な運動が要求されるすき間のものまですき間が形成されるはめあいをいう。しまりばめは、圧入や焼嵌めが含まれ、例えばしまりばめをした部品を損傷しないで分解することが困難なはめあいをいう。中間ばめは、すま間ばめとしまりばめの中間のはめあいをいい、押し込みや軽い圧入が含まれ、部品を損傷しないで分解および組立てできるはめあいをいう。

また、本実施形態に係る回転電機１０によれば、接触内壁５３ｔがコア収容部５３に部分的に形成されているので、ステータコア２１をコア収容部５３に嵌め込む際に、双方の軸心を一致させる位置決めが容易となる。すなわち、ステータコア２１をコア収容部５３に嵌め込む際に、コア収容部５３の開口側の非接触内壁５３ｓがすき間ばめのはめあい交差と同等に形成されているので、ステータコア２１を簡単にコア収容部５３に挿入することができ、さらに中間ばめのはめあい交差と同等に形成された接触内壁５３ｔにステータコア２１を押し込むだけで、容易にステータコア２１をコア収容部５３に嵌め込むことができる。
なお、なお、ステータコア２１は、コア収容部５３の接触壁面５３ｔに対して圧入や焼嵌めによって嵌め込まれる。

また、本実施形態に係る回転電機１０によれば、回転電機１０の温度上昇に伴って、接触内壁５３ｔにおける分割コア３１とコア収容部５３の内壁との接触圧が低下するようハウジング２３の熱膨張係数が分割コア３１の熱膨張係数よりも大きくなるよう設定されている。これにより、回転電機１０の温度上昇に伴って接触内壁５３ｔにおける圧縮応力を低減することができる。その結果、ハウジング２３におけるコア収容部５３の内部のロータ２２の回転振動やステータコア２１の振動がハウジング２３に伝達されることが抑制され振動や騒音の発生を抑制できるとともに、分割コア３１の歪の発生を抑制でき、鉄損の増加を抑制できる。

本発明の実施形態を開示したが、当業者によっては本発明の範囲を逸脱することなく変更が加えられうることは明白である。すべてのこのような修正および等価物が次の請求項に含まれることが意図されている。

１０ 回転電機
２１ ステータコア（円環状に配置される複数の分割コア）
２３ ハウジング
３１ 分割コア
５３ コア収容部
５３ｓ 非接触内壁
５３ｔ 接触内壁

Claims (2)

1. 円環状に配置される複数の分割コアと、
   前記複数の分割コアを収容する円筒状のコア収容部が形成され、前記分割コアと異なる熱 膨張係数を有するハウジングとを備えた回転電機であって、
   前記コア収容部が、前記複数の分割コアの軸線方向において、前記複数の分割コアと接触する接触内壁と、前記複数の分割コアと接触しない非接触内壁とを有することを特徴とする回転電機。
2. 前記接触内壁は、前記コア収容部の円周方向に連続して形成され、前記非接触内壁は、前記コア収容部の円周方向に連続して形成されることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。

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