JP2021058035A - 固定子及び回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】磁性楔の比透磁率を所望の値に到達させることが容易な固定子を提供する。【解決手段】複数のスロット１３２の開口部１３５に磁性楔１７を備える固定子１３であって、磁性楔１７は、平均粒径が６０μｍ以下の軟磁性材料粉末と、合成樹脂との混合体である。【選択図】図３

Description

本発明は、固定子及び回転電機に関する。

ステータコアに備わるスロットがロータコアに対して開口する回転電機は、開口する部分（スロット開口部）でステータコアとロータコアの間隔が広がる。そのため、回転電機の起動時に、ステータコアとロータコアの間隔が変動することによる高調波磁束が発生し、回転電機に損失（高調波損失）を発生させている。この高調波損失を低減する目的で、ステータコアのスロット開口部に、軟磁性材料粉末と合成樹脂の混合体である磁性楔を設けた回転電機が特許文献１に開示されている。

国際公開第２０１８／８７３８号

特許文献１は、磁性楔の密度と比透磁率の関係について、密度が増加するにつれて比透磁率も増加する単調増加の関係があることを開示している。

そこで、発明者は、比透磁率が所望の値となる磁性楔を作製するために当該所望の値から磁性楔の密度の目標値（計算密度）を演算し、磁性楔の密度を当該目標値とするために必要な鉄粉（軟磁性材料粉末）と合成樹脂の分量（体積）を両者の比重からそれぞれ演算し、演算した分量の鉄粉と合成樹脂を混合して磁性楔を作製した。ところが、作製された磁性楔の実際の密度は計算密度に比べて低く、比透磁率を所望の値に到達させることができなかった。

また、磁性楔の作製に際しては、磁性楔の密度を増加する目的で混合体に含まれる軟磁性材料粉末の割合を過剰に大きくすると、軟磁性材料粉末の増加に応じて混合体の流動性が低下する点に留意しなければならない。混合体の流動性が低下すると、スロット開口部に均一に充填することが困難となり、磁性楔の製作作業性が悪化するだけでなく、場合によっては磁性楔の製作が不可能となるおそれもあるからである。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、磁性楔の比透磁率を所望の値に到達させることが容易な固定子を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明は、複数のスロットの開口部に磁性楔を備える固定子であって、前記磁性楔は、平均粒径が６０μｍ以下の軟磁性材料粉末と、合成樹脂との混合体であることとする。

本発明によれば、磁性楔における軟磁性材料粉末の割合を過剰に大きくすることなく磁性楔の密度を容易に向上できるため、磁性楔の比透磁率を所望の値に到達させることが容易である。上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の第１実施形態に係る回転電機の断面図である。 本発明の第１実施形態に係る磁性楔を備える前の固定子の部分断面図である。 本発明の第１実施形態に係る磁性楔を備えた固定子の部分断面図である。 本発明の第１実施形態の実施例に係る磁性楔の鉄粉割合と密度の関係を鉄粉の平均粒径ごとに示し、計算密度と比較したグラフである。 本発明の第２実施形態に係る磁性楔の断面図である。 本発明の第２実施形態に係る磁性楔の断面図である。

以下、図面を用いて、本発明の第１及び第２の実施形態による回転電機の構成及び動作について説明する。なお、各図において、同一符号は同一部分を示す。

（第１実施形態）
図１は、本実施形態に係る回転電機の断面図である。回転電機１００は、回転軸（シャフト）１１に固定された回転子（ロータ）１２と、ロータ１２の外側に設置された固定子（ステータ）１３とを有する。

ロータ１２は、所定の形状に打ち抜いた複数の電磁鋼板を積層した積層コアであるロータコア１２１と、ロータコア１２１のスロット内に挿入された二次導体１２２と、を有している。

ステータ１３は、所定の形状に打抜いた複数の電磁鋼板等の軟磁性薄板を積層した積層コアであるステータコア１３１と、ステータコア１３１のスロット１３２内に挿入されたコイル１３３とを有している。ステータコア１３１の内周は、エアギャップを介してロータ１２の外周と対向している。

スロット１３２は、ステータコア１３１に備わる円環状のバックコア１３６からロータ１２に向かって径方向に延びる複数のティース（歯）１３４のうち隣合う２つのティース１３４の間に形成された溝である。スロット１３２のロータ１２側の端部は開口し、スロット開口部１３５が形成されている。

図２は、本実施形態に係る磁性楔１７を備える前のステータ１３の部分断面図である。ステータ１３に形成されたスロット開口部１３５は、ティース１３４の端部から周方向に突出する突起部１３７により開口幅が狭められ、半閉型に形成されている（セミオープン・スロット型）。

スロット１３２内には、絶縁シート例えばＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）シートにより形成されたスロットライナー１４、１５と、コイル１３３とが配置されている。スロットライナー１４はスロット１３２の内壁に貼り付けられたシートで、コイル１３３がスロット１３２の内壁に接触することを防ぎ、コイル１３３とステータコア１３１とを絶縁している。スロットライナー１５は磁性楔１７とコイル１３３を隔てるシートで、コイル１３３を覆うようにスロット１３２内に配置され、スロットライナー１５のロータ１２方向の外側にはスロット開口部１３５と空隙部１３７が形成されている。

コイル１３３は、導線例えば銅やアルミ等にエナメル等の絶縁材が被覆された金属線で、スロットライナー１４、１５により囲まれ、ステータコア１３１と磁性楔１７に接触しないように配置されている。スロット１３２内に配置されたコイル１３３は結線されコイルエンド加工をされた後に、不飽和ポリエステル系ワニス等の固着ワニスにより、スロットライナー１４、１５とともにステータコア１３１に対して固着される。

図３は、本実施形態に係る磁性楔１７を備えた固定子１３の部分断面図である。磁性楔１７は、軟磁性材料粉末と合成樹脂を混錬した混合体を、スロット開口部１３５と空隙部１３７（図２参照）に充填して硬化させたものである。本実施形態では軟磁性材料粉末として鉄粉を利用している。

軟磁性材料粉末の平均粒径は６０μｍ以下とする。これは、軟磁性材料粉末の平均粒径が大きいほど、磁性楔（混合体）における軟磁性材料粉末の割合が増加するにつれて磁性楔の密度が計算密度から乖離する度合いが大きくなる傾向があり、特に平均粒径が６０μｍを超える場合には、磁性楔の密度を増加する目的で混合体における軟磁性材料粉末の割合を増加すると、混合体の流動性が著しく低下してスロット開口部１３５と空隙部１３７に均一に充填することが困難となり、実用に耐え得る磁性楔（固定子）の作製が困難になるからである。

なお、磁性楔１７の作製に際し、スロット開口部１３５と空隙部１３７に混合体を均一に充填可能な流動性を確保するためには、軟磁性材料粉末と合成樹脂から成る混合体における軟磁性材料粉末の割合（鉄粉割合）を６０％以下とすることが好ましい。

（実施例）
ＩＥＣ（国際電気標準会議：Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｃｏｍｍｉｓｓｉｏｎ）の国際高効率規格に規定されるＩＥ４に適合した回転電機１００を、磁性楔１７の比透磁率を高めることにより作製すべく試作を行った。

具体的には、国際高効率規格に規定されるＩＥ３に適合した回転電機１００の固定子１３に、軟磁性材料粉末の粒径と鉄粉割合を変えた磁性楔１７を装着し、効率を測定した。また、軟磁性材料粉末には、水アトマイズ法により作製された平均粒径が７５μｍと６０μｍの鉄粉を用い、合成樹脂はエポキシ樹脂を用いた。

図４は、本実施例に係る磁性楔１７の鉄粉割合と密度の関係を鉄粉の平均粒径ごとに示し、エポキシ樹脂と鉄粉の混合比率から計算した密度（計算密度）と比較したグラフである。

最初に、平均粒径が７５μｍの鉄粉により形成された磁性楔１７を備える回転電機１００について、ＩＥ４に適合させるべく磁性楔１７の鉄粉割合を増加させた。そうしたところ、回転電機１００がＩＥ４に適合する効率になる前に混合体は流動性が低下し、スロット開口部１３５と空隙部１３７に混合体を均一に充填することが困難となった。そのため、平均粒径が７５μｍの鉄粉により形成された磁性楔１７を備える回転電機１００はＩＥ４に適合できなかった。

一方、平均粒径が６０μｍの鉄粉により形成された磁性楔１７を備える回転電機１００について、ＩＥ４に適合させるべく磁性楔１７における鉄粉割合を増加させた。混合体の鉄粉割合を５８％としたところ、従前の固定子ではＩＥ３だった回転電機１００の効率をＩＥ４に適合させることができた。そのときの磁性楔１７の密度は４．９×１０^−６ｋｇ／ｍｍ^３であった（図４参照）。このことから、少なくとも本実施例で使用した回転電気１００の仕様では、軟磁性材料粉末の平均粒径を６０μｍ以下とし、混合体における軟磁性材料粉末の割合を５８％以上とした磁性楔１７を作製すれば、回転電気の効率をＩＥ４に適合できることが判った。

また、図４に示すように、磁性楔１７の密度は、鉄粉の平均粒径によらず、鉄粉割合が大きくなると計算密度から乖離する傾向があり、鉄粉割合の増加に対する密度の上昇が計算密度より低い。一方、鉄粉割合が同じ場合の磁性楔１７の密度は、平均粒径が７５μｍの場合より６０μｍの場合の方が大きく、磁性楔１７を形成する軟磁性材料粉末の平均粒径を小さくすることにより、磁性楔１７の密度を大きくすることができる。

したがって、本実施形態に係る固定子１３は、磁性楔１７を備え、磁性楔１７は、平均粒径が６０μｍ以下の軟磁性材料粉末と、合成樹脂との混合体である。このことにより、固定子１３に密度の大きい磁性楔を容易に形成することができ、磁性楔の比透磁率を所望の値に到達させることが容易である。

また、本実施形態に係る回転電機１００は、磁性楔１７を備え、磁性楔１７は、混合体における軟磁性材料粉末の割合が６０％以下である。このことにより、磁性楔１７の作製に際し、スロット開口部１３５と空隙部１３７に混合体を均一に充填可能な流動性を確保することができる。

また、本実施形態に係る回転電機１００は、磁性楔１７を備え、磁性楔１７は、混合体における軟磁性材料粉末の割合が５８％以上である。このことにより、ＩＥ４に適合する回転電機１００を作製することができる。

（第２実施形態）
図５と図６は、第２実施形態に係る磁性楔の断面図である。本実施形態に係る磁性楔が第１実施形態と異なる点は、固定子１３の中心軸に対して周方向に軟磁性材料粉末（鉄粉）の含有量の異なる部分が磁性楔１７に配列されている点である。なお、回転電機１００の断面は図１と同じため省略し、第１実施形態と重複する部品、構成等に関しては原則として説明を割愛する。

図５に示す磁性楔１７は、１つの第１部分１７１と２つの第２部分１７２が固定子１３の中心軸に対して周方向に配列され、１つの第１部分１７１は、２つの第２部分１７２より鉄粉の含有量が少なく、２つの第２部分１７２により挟まれている。

また、図６に示す磁性楔１７は、２つの第１部分１７１と３つの第２部分１７２が固定子１３の中心軸に対して周方向に配列され、２つの第１部分１７１は、３つの第２部分１７２より鉄粉の含有量が少なく、３つの第２部分１７２の２つにより挟まれている。

即ち、本実施形態に係る固定子１３（回転電機１００）は、磁性楔１７を備え、磁性楔１７は、少なくとも１つの第１部分１７１と複数の第２部分１７２が固定子１３の中心軸（回転電機１００の回転軸）に対して周方向に配列され、少なくとも１つの第１部分１７１は、複数の第２部分１７２より軟磁性材料粉末の含有量が少なく、複数の第２部分１７２の２つにより挟まれている。

第１部分１７１は第２部分１７２より鉄粉の含有量が少ない。そのため、第１部分１７１は第２部分１７２より比透磁率が低く、固定子１３の中心軸（または回転電機１００の回転軸１１）に対して周方向に第２部分１７２を通過した磁束は第１部分１７１を通過するときに弱められる。一方、固定子１３の中心軸（または回転電機１００の回転軸１１）に対して半径方向に第２部分１７２を通過する磁束は、第１部分１７１を通過せず弱められない。したがって、磁性楔１７を流れる磁束は周方向に比べて半径方向に流れやすい。これらのことより、本実施形態に係る磁性楔１７は、磁束を固定子１３の中心軸（または回転電機１００の回転軸１１）に対して半径方向である回転子１２の方向に流し、コイル１３３に発生する励磁電流を減少させることができる。

なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上述した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

なお、本発明の実施形態は、以下の態様であってもよい。

本発明に用いられる軟磁性材料粉末は生産性に優れたアトマイズ鉄粉を用いすることが好ましく、特に製造コストが低い水アトマイズ鉄粉を用いることが好ましい。

また、軟磁性材料粉末の平均粒径は、軟磁性材料粉末の表面の凹凸を滑らかにすることにより小さくすることが望ましい。

１１…回転軸（シャフト）、１２…回転子（ロータ）、１３…固定子（ステータ）、１４，１５…スロットライナー、１７…磁性楔、１００…回転電機、１３１…ステータコア、１３２…スロット、１３５…スロット開口部、１７１…第１部分、１７２…第２部分

Claims (12)

1. 複数のスロットの開口部に磁性楔を備える固定子であって、
   前記磁性楔は、平均粒径が６０μｍ以下の軟磁性材料粉末と、合成樹脂との混合体であることを特徴とする固定子。
2. 請求項１記載の固定子であって、
   前記磁性楔は、前記混合体における前記軟磁性材料粉末の割合が６０％以下であることを特徴とする固定子。
3. 請求項１記載の固定子であって、
   前記磁性楔は、前記混合体における前記軟磁性材料粉末の割合が５８％以上であることを特徴とする固定子。
4. 請求項１記載の固定子であって、
   前記磁性楔には、少なくとも１つの第１部分と複数の第２部分が前記固定子の中心軸に対して周方向に配列され、
   前記少なくとも１つの第１部分は、前記複数の第２部分より前記軟磁性材料粉末の含有量が少なく、前記複数の第２部分の２つにより挟まれていることを特徴とする固定子。
5. 請求項４記載の固定子であって、
   前記磁性楔が１つの前記第１部分と２つの前記第２部分を備えることを特徴とする固定子。
6. 請求項４記載の固定子であって、
   前記磁性楔が２つの前記第１部分と３つの前記第２部分を備えることを特徴とする固定子。
7. 複数のスロットの開口部に磁性楔を備える回転電機であって、
   前記磁性楔は、平均粒径が６０μｍ以下の軟磁性材料粉末と、合成樹脂との混合体であることを特徴とする回転電機。
8. 請求項７記載の回転電機であって、
   前記磁性楔は、前記軟磁性材料粉末の前記合成樹脂に対する割合が６０％以下の混合体であることを特徴とする回転電機。
9. 請求項７記載の回転電機であって、
   前記磁性楔は、前記軟磁性材料粉末の前記合成樹脂に対する割合が５８％以上の混合体であることを特徴とする回転電機。
10. 請求項７記載の回転電機であって、
    前記磁性楔には、少なくとも１つの第１部分と複数の第２部分が前記回転電機の回転軸に対して周方向に配列され、
    前記少なくとも１つの第１部分は、前記複数の第２部分より前記軟磁性材料粉末の含有量が少なく、前記複数の第２部分の２つにより挟まれていることを特徴とする回転電機。
11. 請求項１０記載の回転電機であって、
    前記磁性楔が１つの前記第１部分と２つの前記第２部分を備えることを特徴とする回転電機。
12. 請求項１０記載の回転電機であって、
    前記磁性楔が２つの前記第１部分と３つの前記第２部分を備えることを特徴とする回転電機。

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