JP4477016B2 - 磁性金属粉により形成した固定子 - Google Patents

Description

本発明は、電気機器に使用するコア部材、特に、電気機器、最も典型的には電動モータに使用する固定子組立体に関する。

モータ及び発電機等の電気機器は、通常、固定子（ステータ）と称する静止部材と、一般に回転子（ロータ）と称する可動部材又は回転部材とを有する。固定子又は回転子の何れかにより発生する磁場（磁界）の相互作用によって、固定子と回転子との間に相互作用が発生する。固定子又は回転子の一方に捲回される巻線に流れる電流により、通常、磁場が発生又は誘起される。この巻線は、通常、巻線支持体の周囲に捲回される複数のコイル（巻線組立体）を有する。巻線支持体は、選択された鋼材料からなる複数の薄層により従来通り形成される軟質磁性材料から通常構成される。複数の薄層は、互いに絶縁されて渦電流が低減される。

電気機器の構造では、巻線による開放空間の充填率（詰め込み率）を向上して、自由空間を低減する要求又は需要がある。実用上可能な限り開放空間の多くの部分に巻線を充填して、固定子と回転子との間に形成される電磁場間の相互作用を向上することが望ましい。これにより、より効率の高いモータ又は発電機を製造できるからである。用語「高効率」は、モータの出力密度として考えられる。

薄層鋼材料製の固定子コア又は回転子コアを、粉末冶金法により圧密化した強磁性粉粒子製の巻線支持体に置換することも公知である。強磁性粉粒子自体を互いに電気的に絶縁して得られる圧密化形成物は、積層された薄層鉄材料を使用する場合と同様に、低い渦電流損失を示す。強磁性粉粒子を含む圧密化金属粉を電気機器用コアに使用する例は、下記特許文献１、２及び３に開示される。
米国特許第６,９５６,３０７号公報 米国特許第６,３００,７０２号公報 米国特許第６,４４１,５３０号公報

従って、本発明の目的は、巻線による開放空間の充填率が減少する電気機器に使用して、モータの出力密度自体を向上できる改良型固定子組立体を提供することである。

本発明の別の目的は、圧密化された強磁性粉により形成される構成部材を固定子組立体に利用する電気機器用の改良型固定子組立体を提供することである。

本発明は、電気機器用の改良型固定子組立体、より詳細には、電気モータ用又は発電機用の改良型固定子組立体を提供する。改良型固定子組立体は、複数の部品を備える。各固定子組立体自体は、ほぼ円筒状の構造体となる固定子の円弧部を形成する。各固定子組立体は、内側シュー部材（座金）、巻線組立体、背部材（バックピース）及び２つの蓋端部（エンドキャップ）を備える。各固定子組立体それ自体は、固定子の円周面に沿って他の同様の固定子組立体に隣接する。

また、内側シュー部材、背部材及び蓋端部の各々は、鉄系磁性粉粒子により形成される。前記鉄系磁性粉粒子により形成される部品は、互いに絶縁される。鉄系磁性金属粉粒子は、粉末冶金法により一体の固体に圧密化成形される。

本発明の特徴は、鉄系磁性金属粉粒子により形成されかつ互いに絶縁された複数の部品を有する前記改良型固定子組立体により、電気機器の渦電流損失を減少して、性能を改善できる点にある。主に固定子組立体内の巻線による開放空間の充填率を改善して、開放空間を除去することにより、性能を改善することができる。固定子組立体内の開放空間の充填率を改善するので、モータの出力密度も改善される。

図１は、固定子組立体全体を符号10で示す。固定子組立体10は、通常、内側の円弧状内面28及び外側の円弧状外面30を有するほぼ矩形状の内側シュー部材24を備える。内側シュー部材24の別の見方では、内側シュー部材24の縦中心軸に対して、円弧状内面28は、凹状で、円弧状外面30は、凸状である。２つの巻線ガイド26は、内側シュー部材24の円弧状外面30から突出して延伸する。各巻線ガイド26は、円弧状断面又は円形状断面を有する外面と、ほぼ平坦な内面とを備える。

ほぼ楕円形の形状を有する巻線20は、絶縁被覆された電線を有する多数の巻線により構成される。巻線20から外側に延伸する巻線の導線（リード）22を介して、最終形態の固定子組立体10に電気接続を行うことができる。２つの巻線ガイド26の周囲に巻線20を取り付けて、巻線20に隣接して内側シュー部材24を緊密な間隔で配置することができる。

同一の形状に形成される蓋端部12及び18は、固定子組立体10の縦中心軸に対して、それぞれ外側に円弧状又はほぼ凸状の外面13及び19を有する。また、蓋端部18は、巻線20の端部が嵌合される切欠部34を有する。従って、蓋端部18の切欠部34は、滑り嵌めにより巻線20の端部に嵌合され、蓋端部12も同様である。更に、蓋端部12及び18は、内側シュー部材24の外面30に緊密に配置される。

同一の形状に形成される背部材14及び16は、互いに隣接してかつ蓋端部12及び18の内側でこれらに隣接して設置される。各背部材14及び16は、それぞれ外側の円弧状外面21と23とを有する。更に、背部材16は、背部材16の外側縁部に隣接して形成される一方の切欠部36と、背部材16の他の外側縁部に隣接して形成される他方の切欠部とを有する。背部材14も同様の切欠部を有する。背部材16の切欠部36と、背部材16の他方の外側縁部に隣接する類似の他方の切欠部とを円弧形状に形成して、巻線20の上面に接触させ又は巻線20の上面に極力緊密に配置することが好ましい。しかしながら、何らかの理由で円弧状以外の形状に巻線20を形成しても、巻線20の上部の形状に類似する相補的な形状で、背部材16の一方の切欠部（開口部）36と他方の切欠部（開口部）を形成できよう。

また、背部材16は、背部材16の切欠部36に隣接して延伸する内側支持部38と、他方の切欠部36に隣接して延伸する同様の他方の内側支持部とを有する。これらの内側支持部38は、切欠部36の一部を形成するのみならず、内側シュー部材24の外面30に背部材16を極力接近させて、背部材16の一部を物理的に位置決めする作用がある。

絶縁された粉末粒子を有する圧密化鉄系磁性粉を固定子組立体10に固有の部材の形状に成形し、蓋端部12及び18、背部材14及び16並びに内側シュー部材24の全てを圧密化鉄系磁性粉により構成すると理解すべきである。圧密化鉄系磁性粉は、金型圧密化と熱処理とを含む公知の金属粉末冶金法により形成される。完全に組み立てられた固定子内での渦電流の増加を抑制するため、互いに電気的に絶縁された固定子組立体10の複数の部品を鉄系磁性金属粉粒子により形成することが重要である。

蓋端部12、背部材14、背部材16及び蓋端部18の隣接面間に形成される酸化膜等の適切な絶縁材料を利用できることは理解できよう。

更に、各蓋端部（末端部材）12及び18は、接合面52を備え、背部材16に隣接して蓋端部18の側面に突起、隆起又は窪みを接合面52に設けることもできる。蓋端部18の端面に凹凸等の相補的な形状を有する端面を背部材16に設けて、背部材16と蓋端部18との間を確実に相補的に嵌合することもできる。蓋端部18と背部材16との嵌合構造と同様の相補面を有する嵌合構造を蓋端部12と背部材14とに設けてもよい。

図２は、内側シュー部材24、巻線20並びにそれらに取り付けられた背部材14及び16を有する固定子組立体10を示す。背部材14及び16と内側シュー部材24との間の開放空間をほぼ除去できることは、明らかである。巻線20は、背部材14及び16と内側シュー部材24との間のほぼ全空間を占有している。これにより、充填率を増加しかつ固定子組立体10を組み込むモータの出力密度を改善することができる。

完全に組み立てた固定子組立体10を図３に示す。図３には図示しないが、内側シュー部材24上で巻線ガイド26の周囲に巻線20を取り付けた内側シュー部材24が固定子組立体10に設けられる。また、前記のように、巻線20の周囲でかつ内側シュー部材24上に取り付けられる蓋端部12、背部材14、背部材16及び蓋端部18の全部品が固定子組立体10に設けられる。符号56及び58で示す接着剤又は接着用樹脂は、固定子組立体10を封止し、各構成部品の温度を制御しかつ強度を向上させる。蓋端部12、背部材14、背部材16及び蓋端部18の間にも設けられる接着用樹脂56,58は、前記構成部品をより確実に接合しかつ封止する。また、蓋端部12と内側シュー部材24との間に形成される溝（注入経路）57内にも接着剤を含侵させかつ移動させることができる。接着剤及び接着用樹脂56,58を固化させて、固定子組立体10に対して良好に温度を制御しかつ強度を向上する同様の溝59を設けることができる。

組み立てた完全な固定子を符号50で図４に示す。固定子50は、典型的には、モータ又は発電機用に環状（円形状）に配列される複数の固定子組立体10を備える。図１〜図３について説明したように、各固定子組立体10は、固定子50の内側で中心軸に面する内側シュー部材24を備える。巻線20は、内側シュー部材24の径方向外側に配置される。図４には図示しないが、内側シュー部材24の外面30に突出する巻線ガイド26の周囲に巻線20が取り付けられる。また、図１〜図３について説明したように、各固定子組立体10は、蓋端部12と、蓋端部12に隣接する背部材14と、背部材14に隣接する背部材16と、背部材16に隣接する蓋端部18とを備える。最終的に組み立てられる完全な固定子50では、蓋端部12,18自体を互いに隣接させてもよい。

本発明は、電気機器に使用するコア部材、特に、電気機器、最も典型的には電動モータに使用する固定子組立体に適用できる。

本発明の実施の形態による固定子組立体の分解斜視図 本発明の実施の形態による固定子組立体の斜視図 本発明の実施の形態による固定子組立体の構成部材を封止する接着剤を有する固定子組立体の斜視図 本発明の実施の形態による複数の固定子組立体を備える固定子の断面図

符号の説明

(12,18)・・蓋端部、 (13,19)・・外面（円弧状外面）、 (14,16)・・背部材、 (20)・・巻線組立体、 (21,23)・・外面（円弧状外面）、 (24)・・内側シュー部材、 (26)・・巻線ガイド、 (28)・・内面（円弧状内面）、 (30)・・外面（円弧状外面）、 (34)・・切欠部、 (36)・・切欠部、 (38)・・内側支持部、 (56)・・接着剤、

Claims (11)

1. 内側シュー部材の縦中心軸に対して、ほぼ凹状の内面と、ほぼ凸状の外面と、凸状の外面から突出する少なくとも１つの巻線ガイドとを備えるほぼ矩形状の内側シュー部材と、
   巻線ガイドの周囲に取り付けられるほぼ楕円状の巻線組立体と、
   背部材の縦中心軸に対してほぼ凸状の外面と、それぞれ巻線組立体の一部に取り付けられる２つの円弧状の切欠部を有する内面とを備える少なくとも１つの背部材と、
   蓋端部の縦中心軸に対してほぼ凸状の外面と、巻線組立体の端部に取り付けられる切欠部を有する内面とをそれぞれ備える２つの蓋端部とを備え、
   内側シュー部材の凸状の外面から突出する２つの巻線ガイドにより巻線組立体を支持することを特徴とする電気機器用の固定子組立体。
2. 各背部材の内面から突出する内側支持部により円弧状の切欠部の一部を形成した請求項１に記載の固定子組立体。
3. 内側シュー部材の形状に成形される鉄系磁性粉粒子より内側シュー部材を構成した請求項１に記載の固定子組立体。
4. 背部材の形状に成形される鉄系磁性金属粉粒子により各背部材を構成した請求項１に記載の固定子組立体。
5. 各背部材は、蓋端部に隣接しかつ蓋端部の接合面に相補的な形状を有する端面を有する請求項１に記載の固定子組立体。
6. 接着剤により蓋端部に隣接して背部材を保持する請求項５に記載の固定子組立体。
7. 内側の円弧状の内面と、外側の円弧状の外面と、円弧状の外面から突出する少なくとも１つの巻線ガイドとを備えるほぼ矩形状の内側シュー部材と、
   巻線ガイドの周囲に取り付けられる巻線組立体と、
   外側の円弧状の外面と、巻線組立体の一部に取り付けられる２つの切欠部を有する内面とを備える少なくとも１つの背部材と、
   外側の円弧状の外面と、巻線組立体の端部に取り付けられる切欠部を有する内面とをそれぞれ備える２つの蓋端部とを備え、
   内側シュー部材、背部材及び蓋端部の形状に成形される鉄系磁性金属粉粒子により内側シュー部材、背部材及び蓋端部を構成したことを特徴とする固定子組立体。
8. 内側シュー部材の円弧状外面から突出する２つの巻線ガイドは、巻線組立体を支持する請求項７に記載の固定子組立体。
9. 各背部材は、内面から突出して各切欠部の一部を形成する内側支持部を備える請求項７に記載の固定子組立体。
10. 各背部材は、蓋端部に隣接しかつ蓋端部の接合面に相補的な形状を有する端面を有する請求項７に記載の固定子組立体。
11. 接着剤を使用して、蓋端部に隣接して背部材を保持する請求項１０に記載の固定子組立体。

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