JP2007143252A

JP2007143252A - 電動機

Info

Publication number: JP2007143252A
Application number: JP2005331782A
Authority: JP
Inventors: Takashi Hirayama; 隆平山; Takeshi Kawachi; 毅河内
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2005-11-16
Filing date: 2005-11-16
Publication date: 2007-06-07

Abstract

【課題】嵌め合い加工により製造する電動機において、稼動時の発熱に伴う電動機の損失を可及的に低減する。
【解決手段】円筒形状の嵌め合いリング１２により固定子１０を保持する電動機において、嵌め合いリング１２の線膨張係数α_R を、嵌め合い代と、固定子１０及び嵌め合いリング１２の寸法と、稼動時の温度差とにより規定される所定の式を満たすように選択する。
【選択図】図１

Description

本発明は、嵌め合い加工を用いて固定子を筐体に固定した電動機、特に嵌め合い加工による鉄損を低減するのに好適な技術に関する。

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。電気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、最近ではより鉄損の少ない電磁鋼板が使用されている場合が増加している。

このような電磁鋼板を、固定子の形状に一体で打抜き、積層して製造される固定子を嵌め合いリングに固定する際に、（ａ）加熱膨張させた嵌め合いリングに固定子を挿入後に冷却する焼嵌め法や（ｂ）固定子を冷却収縮させた後、常温の嵌め合いリングに挿入後、固定子と嵌め合いリングがともに常温になるまで放置する冷やし嵌め法のほかに、（ｃ）嵌め合いリングを複数分割させ、分割した端面にフランジを設け、ボルト、ナットで固定した物の中に固定子を挿入し、ボルトを締結することで、嵌め合いリングの半径を収縮させ、固定子と嵌め合いリングを固定するリング固定法のような嵌め合い加工を用いて電動機を製造することがある。

この焼嵌め法の利点は、電動機とケースの間の同心度を機械加工によらず比較的安価に実現できることである。しかしながら、この嵌め合い加工では、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劣化させ、電動機としての効率を低下させてしまうことが知られている（非特許文献１参照）。

このような固定子の嵌め合い加工による電動機の特性の劣化を減らす技術が、従来手案されている（特許文献１参照）。これは、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。
特開２００２−１３６０１３号公報電気学会回転機研究資料RM−９８−１３１、Ｐ６７−７２

しかしながら、嵌め合い加工により製造した電動機においては、嵌め合い加工時に回転子や固定子に印加される応力による特性劣化に加えて、電動機の稼動時に固定子の鉄損や励磁巻線の銅損による発熱に伴う特性劣化が現れた。

本発明は、嵌め合い加工により製造する電動機において、稼動時の発熱に伴う電動機の損失を可及的に低減することを目的とする。

上記の課題を解決するための本発明の要旨とするところは、以下のとおりである。
（１）円筒形状の嵌め合いリングにより固定子を保持する電動機において、
α_Sを、固定子の線膨張係数（１／ｄｅｇ）、ΔＴ_Sを、固定子における常温と所定の使用温度の温度差（ｄｅｇ）、ΔＴ_Rを、嵌め合いリングにおける常温と所定の使用温度の温度差（ｄｅｇ）、ａを、嵌め合い代（ｍ）、Ｌ₁を、固定子の外径（ｍ）、およびβを、電動機の所定の使用条件の下で所定の使用温度における固定子と嵌め合いリングを保持するのに必要な力と、常温での固定子と嵌め合いリング間の保持力との比の１からの差を示すものとして、
前記嵌め合いリングの線膨張係数α_Rが、次の式（１）

を満たすことを特徴とする電動機。

（２）前記嵌め合いリングの線膨張係数α_Rが１．２４×１０^-5（１／ｄｅｇ）以上かつ２．６０×１０^-5（１／ｄｅｇ）以下であることを特徴とする（１）記載の電動機である。

（３）前記嵌め合いリングが鋼材であることを特徴とする（１）または（２）に記載の電動機である。

本発明により、固定子と嵌め合いリングの熱膨張差に起因して、嵌め合い加工で組み立てられた電動機の稼動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するので、鉄損および励磁電流を低くすることができる。

本発明の実施の形態を説明する前に、まず本発明の中心的アイデアについて説明する。
本発明者は、電動機の稼動時に付加的に発生する損失を詳細に検討して、以下のようなメカニズムを見出した。

電動機の稼動時には、励磁巻線の発熱による銅損および固定子の発熱による鉄損が発生する。この励磁巻線や固定子で発生する熱は、巻線や固定子表面から抜熱される以外に固定子から嵌め合いリングを経て抜熱される。つまり、固定子温度は、外部の温度より必ず高くなる。固定子を構成する電磁鋼板の線膨張係数が嵌め合いリングの線膨張係数より大である場合は、固定子と嵌め合いリングの温度差、および固定子と嵌め合いリングの線膨張係数差から、固定子の熱延び量は、嵌め合いリングの熱延び量より大きくなる。このことにより、稼動前に比べて固定子内にさらに大きな圧縮応力が発生することで、固定子の透磁率や鉄損特性を稼動前より劣化させて、励磁電流の増加および鉄損の増加を招いてしまう。

このような解析に基づいて、α _R を嵌め合いリングの線膨張係数（１／ｄｅｇ）、α _S を固定子の線膨張係数（１／ｄｅｇ）、ΔＴ _S を固定子における常温と所定の使用温度の温度差（ｄｅｇ）、ΔＴ _R を嵌め合いリングにおける常温と所定の使用温度の温度差（ｄｅｇ）、Ｌ ₁ を固定子の外径（ｍ）とするとき、嵌め合い加工を用いて嵌め合いリングに固定子を固定した電動機の所定の使用温度での運転時において、巻線での銅損および固定子での鉄損による発熱に起因する嵌め合いリングの熱膨張量α_RΔＴ_RＬ₁を固定子の熱膨張量α_SΔＴ_SＬ₁より大きくすることで、等価的に常温時の固定子の外径と嵌め合いリング内径の差である嵌め合い代ａを低減し、固定子にかかる圧縮応力が低減することを見出した。

一方、所定の使用温度での運転時に、嵌め合いリングの熱膨張量α_RΔＴ_RＬ₁と固定子の熱膨張量α_SΔＴ_SＬ₁の差が、所定の使用温度での運転時に必要な固定子と嵌め合いリング間の保持力より小さくなってしまうと所定の使用温度での運転中に電動機は、壊れてしまう。固定子と嵌め合いリング間の保持力は、嵌め合い代ａに比例する。

βを、電動機の所定の使用条件の下で所定の使用温度における固定子と嵌め合いリングを保持するのに必要な力と、常温での保持力との比の１からの差を示すものし、この所定の使用温度での運転時に必要な固定子と嵌め合いリング間の保持力を、常温の保持力の（１−β）倍（ただし０＜β＜１）が必要であるとすると、所定の使用温度での運転時において嵌め合いリングの熱膨張量α_RΔＴ_RＬ₁と固定子の熱膨張量α_SΔＴ_SＬ₁の差である嵌め合い代の最大値は、βａでなければならない。

したがって、この両者の関係を数式で記述すると以下の式（２）のようになる。

この式（２）を変形すると、所定の使用温度での運転時に固定子にかかる圧縮応力が低減する嵌め合いリングの線膨張係数の範囲は、次のように、上記の式（１）として示される。

なお、固定子における常温と所定の使用温度の温度差ΔＴ_S及び嵌め合いリングにおける常温と所定の使用温度の温度差ΔＴ_Rは、それぞれの材質の耐熱性や電動機の使用条件に基づいて、予め仕様で設定する。

次に、本発明の実施の形態を図を用いて具体的に説明する。
図１に示すように、線膨張係数が１．２０×１０^-5[１／ｄｅｇ]である電磁鋼板（５０A４７０）を打抜き、カシメにより固定した後、励磁巻線１３をティース１６の周囲に巻回した固定子１０（カシメ位置は図示せず）および、同様に電磁鋼板を打抜き、カシメにより固定後、永久磁石１４を挿入した回転子１１を作成した。

そして、嵌め合いリングの材質を換えて、鉄損を調べた。
まず、比較例（ａ）であるＳＳ４００の鋼材からなる嵌め合いリング１２を使用した電動機１５を、検討した。

固定子１０の外径Ｌ１（１２５［ｍｍ］）から図７に示す加熱前の嵌め合いリング１２の内径Ｌ２の差である嵌め合い代ａを１５０［μｍ］一定として、比較例（ａ）として、嵌め合いリング１２の線膨張係数を１．１８×１０^-5［１／ｄｅｇ］の鋼材（ＳＳ４００材）を使用して、１５０℃まで加熱した後、固定子１０を中に挿入した。

その後、図１に示すように、固定子１０と嵌め合いリング１２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、回転子１１を設置した電動機１５を製作した。

この電動機の所定の使用温度は、９０℃であった。この時、固定子１０の外径Ｌ１ならびに、加熱前の嵌め合いリング１２の内径Ｌ２は、常温（２０℃）の状態で、ノギスを使用して測定した。ヨーク１７の表面および、嵌め合いリング１２の外表面に熱電対を貼付して、両者の温度を測定した。この電動機１５を常温の状態から７５０［ｒｐｍ］、１［Ｎｍ］の条件で所定の使用温度付近にて運転した際の鉄損を測定した。

この時のヨーク１７の温度は８２℃、嵌め合いリング１２の外表面温度は、８０℃であった。別途行った数値計算による伝熱解析の結果では、嵌め合いリング１２の外表面温度と嵌め合いリング内部温度との差は僅かであったため、この嵌め合いリング１２の外表面温度を嵌め合いリング内部温度としてもさしつかえない。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。

また、所定の使用温度における必要な固定子と嵌め合いリングの保持力は、ヨーク１７における常温と所定の使用温度との温度差が６２℃、嵌め合いリング１２における稼動前と稼動時の温度差が６０℃で、モータ中に流れる冷媒の圧力が所定の使用条件である１５気圧の条件下で運転した際に固定子と嵌め合いリングが分離しない条件が、常温での固定子と嵌め合いリング間の保持力の３０％であった結果より、１−β＝０．３とした。つまり、βは０．７となる。

さらに高出力を狙った別の電動機において、前記と同一の温度条件で、例えば冷蔵庫用のコンプレッサーにおいてモータ中に流れる冷媒の圧力が、所定の使用条件である２５気圧の条件下で運転した場合でも、固定子と嵌め合いリングが分離しない条件が、常温での固定子と嵌め合いリング間の保持力の５０％であった。このとき、１−β＝０．５となる。望ましくは、βの値は０．５とするとなおよい。

この条件における式（１）の上下限を計算すると以下のようになる。
式（１）の下限＝α_SΔＴ_S／ΔＴ_R＝１．２０×１０^-5×（８２−２０）／（８０−２０）＝１．２４×１０^-5、

式（１）の上限＝（βａ／Ｌ₁＋α_SΔＴ_S）／ΔＴ_R＝｛０．７×１５０×１０^-6／１２５×１０^-3＋１．２０×１０^-5×（８２−２０）｝／（８０−２０）＝２．６０×１０^-5

すなわち、嵌め合いリングの線膨張係数α _R の範囲を規定する式（１）は、
１．２４×１０ ^-5 ＜α _R ＜２．６０×１０ ^-5
となる。

嵌め合いシェルとして通常使用されている比較例（ａ）のＳＳ４００製の嵌め合いリングでは、線膨張係数が１．１８×１０ ^-5 ［１／ｄｅｇ］であるので、式（１）を満たさない。

次に、以下に示す嵌め合いリングを使用し、前述した同様の方法で図１に示す電動機１５を製作して、本発明の実施例（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）とした。

実施例（ｂ）
線膨張係数を１．２５×１０ ^-5 の鋼材（鉄及び不可避的に含む微量元素以外の組成元素が、［Ｃ］０．２１％、［Ｓｉ］０．２６％、［Ｍｎ］１．２３％、［Ｐ］０．０１６％、［Ｓ］０．０１６％、［Ｃｒ］０．４８％、［Ｂ］０．００２１％）からなる嵌め合いリングを使用した電動機１５。

実施例（ｃ）
線膨張係数を１．３０×１０ ^-5 の鋼材（鉄及び不可避的に含む微量元素以外の組成元素が、［Ｃ］０．７９％、［Ｓｉ］０．２５％、［Ｍｎ］１．２２％、［Ｐ］０．０１４％、［Ｓ］０．０１５％、［Ｃｒ］０．４８％、［Ｂ］０．００１９％）からなる嵌め合いリングを使用した電動機１５。

実施例（ｄ）
線膨張係数を１．３３×１０ ^-5 の鋼材（鉄及び不可避的に含む微量元素以外の組成元素が、［Ｃ］０．５％、［Ｓｉ］０．２６％、［Ｍｎ］１．２２％、［Ｐ］０．０１５％、［Ｓ］０．０１６％、［Ｃｒ］０．４８％、［Ｂ］０．００１９％）をからなる嵌め合いリングを使用した電動機１５。

ここで、前記式（１）の嵌め合いリングの線膨張係数α_Rの上下限より、実施例（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）で使用する嵌め合いリングの線膨張係数は、式（１）を満たしている。

本実施例における常温の状態から、所定の使用温度が９０℃である電動機において、ヨーク１７の温度が８０℃かつ、嵌め合いリング１２の外表面温度が７０℃となる条件下で、それぞれの電動機１５を７５０［ｒｐｍ］、１［Ｎｍ］の条件で運転した鉄損を測定した。

測定結果を常温における比較例（ａ）の鉄損値に対する比率で図２に示す。同一線膨張係数の嵌め合いリングを使用した比較例（ａ）の所定の使用温度での鉄損は、コイルの銅損や鉄心の鉄損による熱膨張差に起因する固定子での圧縮応力が増加することにより鉄損は増加する。また、嵌め合いリングの線膨張係数の増加により、鉄損は減少する。さらに、線膨張係数が１．２５×１０^-5以上では、稼動時であるにもかかわらず、常温時の鉄損値以下となるため、効果が大である。

本発明における、嵌め合い加工とは、実施例で述べた焼嵌め加工だけではなく、固定子を−５０℃程度に冷却収縮の後、嵌め合いリングに挿入する冷し嵌め加工および、圧入加工を含む。さらに、図３に示すように、嵌め合いリングを分割し、分割した端面にフランジを設けたフランジ型リング１９のフランジ同士を重ね合わせてボルト２０で固定し、リングの内径を縮小する方法を含む。これらの嵌め合い加工においても、同様の効果を得ることができる。

本発明における所定の使用温度とは、電動機について定める仕様等において予め設定しておく、当該電動機の通常使用温度又は最高使用温度であり、実際に電動機稼動時の到達許容温度に基づく温度である。今回示した実施例では、使用温度が９０℃のものを示したが、冷暖房機のコンプレッサ用の電動機では、１１０℃〜１２０℃となるものもある。本発明の効果は、所定の使用温度の高低に関わらず、上記と同様の効果を得ることができる。

なお、上記の説明においては電動機の嵌め合い加工時の温度を常温としたが、室温等の通常の製造時の加工温度であっても良いことは明らかである。

さらに、図４〜７に示すように、固定子が一体になった電動機だけではなく、図４（回転子図示せず）、図５（嵌め合いリング図示せず）、図６（嵌め合いリング図示せず）、図７（嵌め合いリング図示せず）に示すティース１６とヨーク１７が分割された電動機においても、前記の実施例と同様の効果を得た。さらに巻線の方法は、見城尚志、佐渡友茂著「イラスト・図解小型モータのすべて」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でも同８６ページに紹介されているような集中巻でも上記と同様の効果を得た。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、たとえば前記文献「イラスト・図解小型モータのすべて」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。

本発明の実施の形態における電動機の一例の概略を示す図である。本発明の実施の形態において効果を示す、鉄損と嵌め合いリングの線膨張係数との関係の測定結果を示す図である。本発明の実施の形態の一部であるフランジ型リングを示す図である。嵌め合い加工を使用した固定子の構造の一例を示す図である。嵌め合い加工を使用した電動機の一例（その１）を示す図である。嵌め合い加工を使用した電動機の一例（その２）を示す図である。嵌め合い加工を使用した電動機の一例（その３）を示す図である。本発明の実施の形態において加熱前の嵌め合いリングの概略を示す図である。

符号の説明

１０固定子
１１回転子
１２嵌め合いリング
１３励磁巻線
１４永久磁石
１５電動機
１６ティース
１７ヨーク
１８分割固定子
１９フランジ型嵌め合いリング
２０ボルト

Claims

円筒形状の嵌め合いリングにより固定子を保持する電動機において、
α_Sを、固定子の線膨張係数（１／ｄｅｇ）、ΔＴ_Sを、固定子における常温と所定の使用温度の温度差（ｄｅｇ）、ΔＴ_Rを、嵌め合いリングにおける常温と所定の使用温度の温度差（ｄｅｇ）、ａを、嵌め合い代（ｍ）、Ｌ₁を、固定子の外径（ｍ）、およびβを、電動機の所定の使用条件の下で所定の使用温度における固定子と嵌め合いリングを保持するのに必要な力と、常温での固定子と嵌め合いリング間の保持力との比の１からの差を示すものとして、
前記嵌め合いリングの線膨張係数α_Rが、次の式（１）

を満たすことを特徴とする電動機。
前記嵌め合いリングの線膨張係数α_Rが１．２４×１０^-5（１／ｄｅｇ）以上かつ２．６０×１０^-5（１／ｄｅｇ）以下であることを特徴とする請求項１記載の電動機。
前記嵌め合いリングが鋼材であることを特徴とする請求項１または２に記載の電動機。