内転形電動機用固定子

【課題】電動機の効率を殆ど低下させることなく、固定箇所を最小限にして効率よく配置し、電動機稼動時に発生する固定子の鋼板の振動を抑制し、振動レベルを低減した電動機用固定子を提供する。
【解決手段】鋼板を所定の形状に打抜き、ティース部１５及びヨーク部１３が一体化した１枚の鋼板を複数枚積層し、磁極数が６極でスロット数が９個の内転型電動機用固定子において、９つのティース部１５とヨーク部１３の交差部のヨーク外周部分（ティースバック部１８）のうち任意の１つを基準とした場合、全９個のティースバック部１８のうち時計回りに１番目１８−１、３番目１８−３、５番目１８−５、７番目１８−７のティースバック部のみが電動機のケースに固定される。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電動機の鉄心に係り、特に打抜かれた鋼板を複数枚積層且つ一体化して製造される内転形電動機用固定子の振動騒音低減に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、省エネルギーの観点から各種電動機の効率向上，低コスト化が強く求められている。一方、冷蔵庫，洗濯機，エアーコンディショナー等に用いられる電動機は高効率，低コスト化に加え、低振動，低騒音のニーズが非常に高い。電動機用固定子は、鋼板を打抜き、所定枚数を積層し、かしめ、溶接等を用いて固着するのが一般的で、その固定子は、ティース部，ヨーク部および巻線コイルを挿入するための空隙部であるスロット部より構成された一体構造であり、巻線コイルの組立て工程を経て、最終的に電動機の一部品として組み込まれる。
【０００３】
固定子は、固定子外径とほぼ同じ大きさの内径を持つ電動機のケースに、ボルト締めもしくは焼嵌め等により固定収容される。固定子が電動機に組み込まれる際に、ティース部に巻線コイルが巻かれ、また、その固定子の内側には永久磁石が埋め込まれた回転子が取り付けられる。巻線コイルには交流電流が流され、固定子と回転子の間で回転磁界が発生し、電動機が回転作動する。電動機が稼動すると、回転子の永久磁石と固定子ティース先端部の間で吸引，反発を繰返し、電磁加振力が生じる。その回転磁界に伴って生じる電磁加振力は、固定子を振動させようとし、とくに半径方向に変形させようとする力（半径方向力）が増大する。その半径方向力は、ティース部先端に集中して作用し、ヨーク部を伝播し、電動機全体を振動させる。
【０００４】
固定子をボルト締め等によりケースの取付け座面に締結させて固定する場合、その固定箇所は、電動機稼動時に固定子内に発生する磁束の流れを極力乱さないようにするため、通常、ティースの外周側に位置するヨークの外周側を含む領域とする。固定箇所が多いほど、固定子を含む電動機全体の剛性は向上し振動低減に寄与するが、固定箇所は、磁束が流れる領域（磁路）を狭め、電動機の効率を損なうため、最小限にすることが好ましい。従って、固定箇所は、通常、前述の電磁加振力を受けるティース外周側のすべてに配置されず、数箇所に限定して配置される。製造コスト，軽量化，低容積化の観点からも固定箇所は最小限が望ましく、固定子の断面積も軽量化の観点から最小限が望ましい。しかしながら、固定箇所が限定されると、固定されていない部位は局部的に剛性が低下する問題がある。
【０００５】
さらに、磁極数６極の内転形電動機では、中心角で１２０°ごとに対称性をもってステータコアへ吸引反発を繰り返す。したがって、図１に示すように、略正三角形状となる電磁加振力７１の空間モードを保ちながら回転作動する。固定されていないティースの外周箇所３点がヨーク部の円周方向に固定子内径中心を中心として等配（等ピッチ）な位置にある、つまり略正三角形状に位置する場合、電磁加振力７１は、ヨーク部の剛性が局部的に低下した領域、すなわち、固定されていない３点近傍を同時に加振するため、固定子の振動が増大する問題がある。
【０００６】
以上のように、固定子外周に存在する固定箇所の個数を極力最小限に留め、固定子の限られた断面領域の範囲内で固定箇所を効率よく配置し、振動低減を図る必要がある。
【０００７】
特許文献１には、ロータ（回転子）とステータ（固定子）からなる回転電機であって、前記ロータと前記ステータとを収納する筐体と、前記ステータを、前記回転電機の回転軸に平行な方向に貫通して前記筐体に締結されるボルトと、前記ボルトの軸部分に対応した形状を有するナットとを含み、前記ナットは、前記空間部内に設けられる、回転電機が開示され、３箇所のボルトで締結されたモータケースとステータが例示されている。例示された締結構造では、磁極数６極である場合、局部的に剛性が低下したティース外周のヨーク部を３箇所同時に加振する形態を包含し、振動が増大する恐れがある。また、締結ボルト用にステータ（固定子）外縁に突出部を設けているため、ステータ断面積が増し、ステータ容積が大きくなる問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００８−４８４６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は前記の問題点に鑑み、電動機の効率を殆ど低下させることなく、固定箇所を最小限にして効率よく配置し、電動機稼動時に発生する固定子の鋼板の振動を抑制し、振動レベルを低減した電動機用固定子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】
【００１０】
上記課題を解決するための本発明の要旨は以下のとおりである。
（１）鋼板を所定の形状に打抜き、ティース部及びヨーク部が一体化した１枚の鋼板を複数枚積層して形成され、且つ磁極数が６極でスロット数が９個の内転型電動機用固定子において、９つのティース部とヨーク部の交差部のヨーク外周部分であるティースバック部のうち任意の１つを基準として、全９個のティースバック部のうち前記基準としたティースバック部から反時計回りに１番目、３番目、５番目、７番目のティースバック部のみが電動機のケースに固定されていることを特徴とする内転型電動機用固定子。
（２）前記ティースバック部の前記ケースへの固定は、ボルトで行うことを特徴とする（１）記載の内転型電動機用固定子。
（３）前記ティースバック部の固定箇所は、ヨーク外周よりヨーク厚みの０．５倍以下の範囲に位置することを特徴とする（１）又は（２）記載の内転型電動機用固定子。
【発明の効果】
【００１１】
本発明により、電動機の効率を殆ど低下させることなく、固定箇所を最小限に留め効率よく配置し、電動機稼動時に発生する固定子の鋼板の振動を抑制し、振動レベルを低減することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】電磁加振力の空間モードを示す図である。
【図２】内転形電動機用固定子の上面を示す図である。
【図３】内転形電動機用固定子の断面を示す図である。
【図４（ａ）】内転形電動機用固定子の形状の１例を示す図である。
【図４（ｂ）】内転形電動機用固定子の形状の１例を示す図である。
【図４（ｃ）】内転形電動機用固定子の形状の１例を示す図である。
【図４（ｄ）】本実施形態による内転形電動機用固定子の形状の１例を示す図である。
【図５】各固定子の周波数特性を示す図である。
【図６】各固定子のピーク周波数時の振動レベル比較を示す図である。
【図７】固定子ＡとＢの固有振動モードを示す図である。
【図８】磁束流れの概要を示す図である。
【図９】内転形電動機用固定子の実施例を示す図である。
【図１０】各固定子の振動加速度レベル比較を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態に関し、図面を用いて具体的に説明する。
【００１４】
図２は、エアコン及び冷蔵庫の圧縮機等に使用される磁極数６極、スロット数９個の内転形電動機の上面図である。また、図３は、内転型電動機において締結用のボルトが存在するＡ−Ａ’断面の図である。図２に示すように、内転形電動機は、固定子１１と回転子１２からなり、固定子１１は、環状のヨーク部１３、ヨーク部内周１４から径方向内側に伸びる９本のティース部１５および巻線コイル２２を挿入するための空隙部である９個のスロット部１７から構成される。図３に示すように、固定子１１は、固定子１１と取付け台座２１を貫通するボルト２５によって、電動機のケースの取付け台座２１へ締結されている。固定子１１は、内転形電動機へ組み込まれる前にティース部１５に巻線コイル２２が直接巻かれた集中巻の固定子である。
【００１５】
固定子１１の内側には６個の永久磁石２３が埋め込まれた回転子１２が回転軸を中心に回転自在に取り付けられている。巻線コイル２２には交流電流が流され、固定子１１と回転子１２の間で磁界が発生し、電動機が回転作動する。電動機が稼動すると、回転子１２の永久磁石２３と固定子のティース先端部１６の間で吸引，反発を繰返し、電磁加振力７１が生じ、電動機全体が振動する。
【００１６】
磁極数６極の内転形電動機は、前述のように図１に示す略正三角形状となる電磁加振力７１の空間モードを保ちながら回転作動する。一方、ボルト２５が存在しないティース部１５の外周箇所３点を選定すると、その外周箇所３点がヨーク部の円周方向に固定子内径中心を中心として等配（等ピッチ）な位置にある、つまり三角形状に位置する場合がある。このとき、電磁加振力７１は、ティース部の外周側に位置するヨーク部の剛性が局部的に低下した領域、すなわちボルト２５が存在しない領域を同時に加振することになるため、固定子の振動が増大することが考えられる。
【００１７】
このことから、本発明者らは、図２に示す磁極数６極の内転形電動機用固定子に関して、その振動特性とボルト配置の関係を、有限要素法を用いて解析的に調査した。この調査の詳細は後述するが、磁極数が６極でスロット数が９個の固定子において、ティースバック部のうち任意の１つを基準とした場合、全９個のティースバック部のうち反時計回りに１番目、３番目、５番目、７番目のティースバック部が電動機のケースに固定することが、電動機稼動時の振動低減に有効であることが判明した。換言すれば、ティースバック部にボルト締結がないティースの３箇所に同時に電磁反力が作用することのないボルト配置が電動機稼動時の振動低減に有効であるということである。
【００１８】
図９は、電動機稼動時の振動低減に有効な本発明の実施の形態における内転形電動機用固定子を示すものである。ティース部１５の先端の半径Ｒｔ＝３０ｍｍ、ヨーク部内周の半径Ｒｉ＝４５ｍｍ、ヨーク部の外周側１８の端面の半径Ｒｏ＝５５ｍｍである。ティース部の幅Ｔは１２ｍｍ、ヨーク部の厚みＹは１０ｍｍ、スロットの個数は９個であり、磁極数は６極である。また、積層される鋼板の１枚の板厚は０．３５ｍｍで積層高さは４０ｍｍであり、固定子は電動機のケースの取付け台座にボルト締めにより固定されている。
【００１９】
ボルト穴は、全９個のティースバック部１８のうち反時計回りに１番目１８−１、３番目１８−３、５番目１８−５、７番目１８−７に、円周方向に固定子内径中心を中心として不等配（不等ピッチ）な位置に４箇所存在し、ボルト２５により固定子１１を台座２１に固定している。各ボルト２５の外径は３．５ｍｍで、ボルト２５の中心はティースの中心軸線上に位置すると共に、ヨーク外周から２．５ｍｍの位置に存在する。
【００２０】
以下、磁極数６極の内転形電動機用固定子に関して、その振動特性とボルト配置の関係の解析的な調査の詳細を説明する。
【００２１】
図４（ａ）〜図４（ｄ）は解析に用いた固定子形状の代表例を示す。図４（ａ）の固定子は、ボルト２５が９つのティース部１５とヨーク部１３の交差部のヨーク外周部分、すなわちティースバック部１８の３箇所１８−１、１８−４、１８−７に存在し、且つ、円周方向に固定子内径中心を中心として等配（等ピッチ）な位置（以下、「円周方向に等ピッチな位置」という）に配置されている。図４（ｂ）の固定子は、ボルト２５が、全９個のティースバック部１８のうち反時計回りに１番目１８−１、２番目１８−２、４番目１８−４、７番目１８−７に、円周方向に固定子内径中心を中心として不等配（不等ピッチ）な位置（以下、「円周方向に不等ピッチな位置」という）に４箇所存在している。図４（ｃ）の固定子は、ボルト２５が、全９個のティースバック部１８のうち反時計回りに１番目１８−１、２番目１８−２、４番目１８−４、５番目１８−５、７番目１８−７に、円周方向に不等ピッチな位置に５箇所存在している。図４（ｄ）の固定子は、ボルト２５が、全９個のティースバック部１８のうち反時計回りに１番目１８−１、３番目１８−３、５番目１８−５、７番目１８−７に、円周方向に不等ピッチな位置に４箇所存在している。
【００２２】
図４（ａ）〜図４（ｃ）の固定子については、ティースバック部１８にボルト２５による固定箇所がないティースの外周箇所３点１８−３、１８−６、１８−９を選定した場合に、その外周箇所３点１８−３、１８−６、１８−９がヨーク部の円周方向に等ピッチな位置に配置される、つまり略正三角形状に位置した形態を包含している。一方、図４（ｄ）は、ティースバック部１８にボルト２５による固定箇所がないティースの外周箇所３点をどの様に選定しても、例えば、外周箇所１８−２、１８−６、１８−８などの固定箇所がない外周箇所３点が前記ヨーク部の円周方向に等ピッチな位置に配置されない。
【００２３】
磁極数６極の内転形電動機は前述のように略正三角形状となる電磁加振力の空間モードを保ちながら回転作動することから、その加振形態を再現するため、円周方向に等ピッチな位置にあるティース先端部１６の３方向に動荷重４１を作用させ、応答評価点４２における周波数応答を算出する固定子の周波数応答解析を行った。図４（ａ）〜図４（ｃ）の固定子では、３方向の動荷重が、ティースバック部１８にボルト２５が存在せず局部的に剛性が低下したティース先端部１６の３箇所に同時に作用した場合、振動が大きくなる。また、図４（ｄ）の固定子では、３方向の動荷重のうち２方向の動荷重は、ティースバック部１８にボルト２５が存在せず局部的に剛性が低下したティース先端部１６へ作用するが、１方向の動荷重はボルト２５が存在するティースバック部に作用するので、図４（ａ）〜４（ｃ）と比較すると、振動は小さくなることが期待される。
【００２４】
図５は、図４（ａ）〜図４（ｄ）に示した其々の固定子における周波数応答特性の比較例であり、図６は其々の固定子におけるピーク周波数時の振動レベルの比較である。応答特性は、図４に示す応答評価点４２におけるもので、単位動荷重あたりの加速度を振動値として評価している。図７は、有限要素法による固有モード解析より得られた図５に示す周波数応答特性におけるピーク周波数時の固有モードであり、図４（ａ）の固定子の事例である。各固定子は三角形状の固有振動モードを有しており、図５の周波数応答特性での４０００Ｈｚ付近に存在する各ピーク周波数は、三角形状の固有モードにおける固有振動数に相当する。図４（ｄ）に示す固定子は、図４（ａ）〜図４（ｃ）に示す固定子より、ピーク振動時における振動値が約３〜４ｄＢ小さくなり、ティースバック部１８を含む領域にボルト２５を円周方向に不等ピッチな位置に配置し、かつ、ティースバック部１８にボルト２５による固定箇所がないティースの外周箇所３点をどの様に選定しても、その外周箇所３点が前記ヨーク部の円周方向に等ピッチな位置に配置されない形態をなすことが、電動機稼動時の振動低減に有効であることが分る。
【００２５】
一方、上記磁極数６極でスロット数が９個の固定子が内転形電動機に組み込まれ、巻線コイルには交流電流が流され、電動機が作動する場合、図８に示されるようにティース部１５を径方向に流れる磁束５１をつなぐヨーク部の磁束５２は、斜線部で示す領域５３の範囲に集中する傾向にある。その磁束が集中する領域５３は、半径方向にはヨーク部厚みＹの０．５倍程度の範囲となる。従って、電動機の鉄損を悪化させないために、ボルト２５は、磁束５１、５２の磁束の流れを乱さない位置に存在することが好ましい。したがって、ボルト２５は、ティース部１５とヨーク部１３の交差部のヨーク外周領域（ティースバック部１８）に有することが好ましく、ヨーク外周よりヨーク厚みの０．５倍以下の範囲に位置することが好ましい。
【００２６】
以上のことから、磁極数が６極でスロット数が９個の固定子において、ティースバック部のうち任意の１つを基準とした場合、全９個のティースバック部のうち反時計回りに１番目、３番目、５番目、７番目のティースバック部が電動機のケースに固定することが、電動機稼動時の振動低減に有効である。換言すれば、ティースバック部にボルト締結がないティースの３箇所に同時に電磁反力が作用することのないボルト配置が電動機稼動時の振動低減に有効である。
【００２７】
図４（ａ）〜図４（ｄ）に示した其々の固定子について確認試験を行った。この試験では、回転数２０００[ｒｐｍ]、トルク４[Ｎｍ]の条件で各固定子を装着した電動機を稼動させ、ケース外周部に加速度計を装着して、ケースの振動加速度を測定した。振動加速度レベルは１０ｋＨzまでの周波数範囲まで測定し、オーバーオール値[ｄＢ]で評価した。
【００２８】
図１０は、図４（ａ）〜図４（ｄ）に示した其々の固定子におけるオーバーオール値［ｄＢ］を示す図である。横軸の（ａ）〜（ｄ）は、図４（ａ）〜図４（ｄ）に示した固定子を示す。図９に示す実施形態による固定子を装着した電動機の振動加速度レベル（ｄ）は、その他の振動加速度レベル（ａ）〜（ｃ）よりも下回っていることを確認した。
【００２９】
また、各ボルトは、磁束を乱さないティース部の外周側に位置するヨーク部の外周側に位置しており、電動機の効率を殆ど低下させることはなかった。
【符号の説明】
【００３０】
１１固定子
１２回転子
１３ヨーク部
１４ヨーク部内周
１５ティース部
１６ティース先端部
１７スロット部
１８、１８−１〜１８−９ティースバック部
２１台座
２２巻線コイル
２３永久磁石
２４ボルト穴
２５ボルト
４１動荷重
４２応答評価点
５１径方向に流れる磁束
５２ヨーク部の磁束
５３磁束が集中する領域
７１電磁加振力

【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼板を所定の形状に打抜き、ティース部及びヨーク部が一体化した１枚の鋼板を複数枚積層して形成され、且つ磁極数が６極でスロット数が９個の内転型電動機用固定子において、９つのティース部とヨーク部の交差部のヨーク外周部分であるティースバック部のうち任意の１つを基準として、全９個のティースバック部のうち前記基準としたティースバック部から反時計回りに１番目、３番目、５番目、７番目のティースバック部のみが電動機のケースに固定されていることを特徴とする内転型電動機用固定子。
【請求項２】
前記ティースバック部の前記ケースへの固定は、ボルトで行うことを特徴とする請求項１記載の内転型電動機用固定子。
【請求項３】
前記ティースバック部の固定箇所は、前記ヨーク外周よりヨーク厚みの０．５倍以下の範囲に位置することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の内転型電動機用固定子。

【図１】