JP2004215442A - 永久磁石埋め込み同期モータ - Google Patents

Abstract

【課題】コイル長を大きくせずにトルク変動を低減できる永久磁石埋め込み同期モータを提供する。
【解決手段】永久磁石を用いて界磁を形成するロータ（２０）と、該ロータと同軸的に設置される略円筒状のステータ（１０）とを備え、該ステータはロータ側へ向けて突出するティース部（３）を有するモータであって、前記ティース部は、コイル（２）が巻回されるティース胴体部（１ｂ）と、ロータに対面し且つ前記コイルが巻回されていないティース先端部（１ｃ）を有し、前記ステータは、前記ティース先端部（１ｃ）における円周方向の中心位置（１６）が前記ティース胴体部の円周方向の中心（１５）からずれている複数種類の鋼板（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ）を備え、該複数種類の鋼板が軸方向に積層されることを特徴とするモータを提供する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ロータに永久磁石を備える回転電機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に永久磁石を有するロータと、突極性のあるステータを組み合わせた電気モータでは、コギングトルクと呼ばれる無負荷回転時のトルク変動が生じることが知られている。このコギングトルクは、永久磁石磁束によるロータ磁極とステータ磁極間の吸引力を主因として生じる。また上記モータでは、駆動時にはトルクリプルも発生する。この傾向は、製造が容易であるなどの理由から近年開発が進んでいる集中巻ＩＰＭモータ（永久磁石埋め込みモータ）では特に顕著である。これらは例えば、車両に搭載され車両を駆動するようなモータにおいては、不快な振動の発生源となる場合がある。
【０００３】
このトルク変動を抑制する手段としては、例えば特開２００１−６９６９７などが知られている。これはステータを積層鋼板で構成する際に、微小角度ずつ円周方向に意図的にずらして積層し斜めの突極（軸方向に対して平行でない）を構成するスキューと呼ばれる手法である。スキューは、トルク変動が主にステータとロータの相対位置に依存して発生することを利用し、位相の異なるトルク波形を重ね合わせて全体的なトルク変動を低減する。
【０００４】
【特許文献１】
特開特開２００１−６９６９７号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながらこのような従来の技術においては、ステータにスキューを施すとコイルをステータティース側面に沿って巻回することになる。このため、スキューを施さない場合に比較してコイルの銅線長が長くなり、電気抵抗が大きくなり銅損が増大し、モータの効率が悪化するという問題点があった。
【０００６】
本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであって、コイル長を大きくせずにトルク変動を低減できる永久磁石埋め込み同期モータを提供する。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明のモータ、永久磁石を用いて界磁を形成するロータと、該ロータと同軸的に設置され且つコイルに電流を流すことによって回転磁界を発生する略円筒状のステータとを備え、該ステータはロータ側へ向けて突出するティース部を有するとともに隣接するティース部間のスロットに前記コイルが収容される。前記ティース部は、前記コイルが巻回されるティース胴体部と、ロータに対面し且つ前記コイルが巻回されていないティース先端部を有する。さらに前記ステータは、前記ティース先端部における円周方向の中心位置が前記ティース胴体部の円周方向の中心からずれるように配置されている複数種類の鋼板を備え、該複数種類の鋼板が軸方向に積層されている。
【０００８】
【作用・効果】
本発明によれば、コイルの巻かれないティースの先端部分のみについて、ステータの円周方向の角度位置が異なる鋼板を積層することによりコイル長を大きくせずにトルク変動を低減できる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１０】
図１は本発明の第一実施形態を示す図である。略円筒状のステータ１０は、主にステータコア１とステータコア１に巻かれるコイル２とで構成される。図１（ａ）はモータのステータコア１を示し、ステータコア１は磁性体からなる薄い鋼板１１を複数枚、軸方向に積層して構成されている。鋼板１１は、例えば、ケイ素鋼板であってよい。ステータコア１には、略円筒状のヨーク部１ａと、ヨーク部１ａからステータ内周側（ロータ２０側）に突出したティース胴体部１ｂと、ロータ２０に対面するティース先端部１ｃがある。このうちティース胴体部１ｂにはコイル２が例えば集中巻により巻回されており、ティース先端部１ｃにはコイル２は巻回されていない。集中巻では、コイルエンドの高さを低くでき銅損が低減できる。このように、突極つまりティース部３が、ティース胴体部１ｂとティース先端部１ｃとで構成されている。なお、各ティース胴体部は、ステータ１０の中心軸方向に向かう中心平面１５に関して略面対称の形状を有している。
【００１１】
ティース部３の間にスロット５が構成され、コイル２がスロット５に収容されている。コイル２が巻回される場合の作業性向上およびコイル２のズレ防止の目的でステータコア１にはコイルストッパ部１ｄが設けられることもある。
【００１２】
ステータ１０の内部には、エアギャップとなる隙間を介してステータ１０と同軸的にロータ２０が配置されており、略円筒状のステータ１０の中心軸は円筒状のロータ２０の回転中心に一致している。ロータ２０には、界磁を形成する永久磁石（図示せず）が設置されている。コイル２に交流電流を流すことにより、ステータ１０は回転磁界を発生し、主に回転磁界と永久磁石との作用により、ロータ２０は回転中心のまわりで回転する。
【００１３】
なお、ステータコア１の各ティース胴体部１ｂは、ステータ１０の中心軸に向かう半径方向の平面１５に関して対称になっており、この平面１５が各ティース胴体部１ｂの幅方向（円周方向）の中心となる。
【００１４】
図１（ｂ）は、ティース先端部１ｃをロータ側から見た側面図である。図１（ｂ）を参照すると、ステータコア１において、ティース先端部１ｃの円周方向（つまりティース先端部１ｃの幅方向）における中心が互いに異なる３種類の鋼板が、それぞれほぼ同じ枚数だけ軸方向に積層されている。即ち、ティース先端部の中心１６が、ティース胴体部１ｂの中心よりに対して一方にずれた位置にあるような鋼板１１ａを所定枚数だけ積層したＡ部と、ティース先端部の中心１６がティース胴体部１ｂの中心１５と同じであるような鋼板１１ｂを同じく積層したＢ部と、さらにはティース先端部の中心１６がＡ部とは逆の方向にずれているような鋼板１１ｃを積層したＣ部とで、ステータコア１は構成されている。Ａ部、Ｂ部、Ｃ部の軸方向の厚みは、略同一である。このような構成は円周方向に設けられた全てのティースについて同じである。
【００１５】
図１（ｃ）−（ｅ）に、Ａ部、Ｂ部、Ｃ部の軸方向に垂直な断面図を示す。この断面は、同時にＡ部を構成する鋼板１１ａ、Ｂ部を構成する鋼板１１ｂ、Ｃ部を構成する鋼板１１ｃの形状を示したものである。上記のように、軸方向の上側のＡ部と下側のＣ部では、ティース先端部１ｃの幅方向に関する鋼板の中心１６が、ティース胴体部１ｂの中心１５から円周方向において互いに逆向きにずらされている。
【００１６】
一般に永久磁石モータのトルク変動は、ステータとロータの相対角度位置に依存することが知られているから、ここではＡ部、Ｂ部およびＣ部でそれぞれ発生するトルク波形は、僅かずつ位相がずれることになる。この様子を図２に示す。図はコイル２に所定の電流を流した時の、ロータ回転角度に対する発生トルクを表している。従来のスキューのないモータは、本実施形態におけるＢ部の寄与によるトルクの３倍となるので、図では▲１▼で示される。これに対して本実施形態ではＡ部により発生するトルクは、Ｂ部により発生するトルク▲３▼よりも位相が僅かに進んだ波形▲２▼となり、逆にＣ部により発生するトルクはＢ部よりも位相が遅れた▲４▼の波形となる。モータ全体としてのトルクはこれら▲２▼〜▲４▼の和となるから、▲５▼が本実施形態でのモータのトルク波形となる。
【００１７】
従って、本実施形態は以下の効果を奏する。ティース先端部分中心の円周方向についての位置が異なる複数種類の鋼板を軸方向に積層することで、トルク波形のピークを抑制し、トルク変動が低減できる。さらにはこの場合、コイルを巻回するティース胴体部１ｂに関しては、スキューのないモータと全く同一であるため、コイル長が長くなることもなく、従って銅損の増大は発生しない。
【００１８】
なお、本実施形態では３種類の鋼板を積層する例を示したが、これが２種類、あるいは３種類以上の鋼板であっても同様の効果が得られることは、その原理上明らかである。
【００１９】
図３は本発明の第二実施形態を示す図である。本実施形態では、見かけ上ティース先端部１ｃの位置が異なる２種類の鋼板１１ｄ、１１ｅが積層され、それぞれＤ部とＥ部を構成している（図３（ｂ）参照）。ただしこの場合、Ｅ部はＤ部の裏返しの形状であり、これらは同一形状の鋼板１１を打ち抜き時の表裏を逆に積層することで実現される（図３（ｃ）（ｄ）参照）。なお、ティース胴体部は前記ステータの中心軸方向に向かう中心平面１５に関して略面対称の形状を有しているが、本実施形態において、ティース先端部において、前記ステータは前記ティース胴体部の前記中心平面に関して対称になるように配置される２種類の鋼板を具備し、２種類の鋼板が同一の鋼板の表裏を逆にした関係にある。つまり、複数種類の鋼板１１ｄ、１１ｅのティース先端部が、前記ティース胴体部のステータ円周方向についての中心に関して対称になるように配置される。
【００２０】
複数種類の形状の鋼板を使用してステータを構成する場合、一般には形状の数だけ打ち抜き用の型を用意しなければならないのが通常である。しかしながら本実施形態では、打ち抜き用の型は一種類でよく、製造が容易かつ低コストに上述の効果を得ることが可能である。
【００２１】
図４は本発明の第三実施形態を示す図である。図は２種類の鋼板を使用した例である。図３と同様に、軸方向の上側をＤ部、下側をＥ部とすると、Ｄ部のティース先端部１ｃの中心と、Ｅ部の先端部１ｃの中心との角度が、ステータ中心軸に関して円周方向に互いに１８０／ｌｃｍ（ｐ，ｔ）度だけずれている。ただし、ｌｃｍ（ｐ，ｔ）は、ロータの磁極数をｐ、ステータのティース数をｔとしたときに、ｐとｔの最小公倍数を表す。なお、図３（ｂ）に示すように、Ｄ部とＥ部は、ほぼ同じ枚数だけ積層されている。
【００２２】
例えば、３極対９スロットのモータの場合、ロータの磁極数ｐは６、ステータのティース数ｔは９であるからそれらの最小公倍数は１８であり、本実施形態に従えば２種類の鋼板の先端部の中心は１０°円周方向に異なるようになっている。
【００２３】
本実施形態の効果を図５により以下に詳述する。永久磁石モータのトルク変動が、ロータ１回転当たり、ロータ磁極数とステータティース数（又はステータスロット数）の最小公倍数で求まるサイクル数だけ生じることが知られている。このためティース先端部１ｃの中心を１８０／ｌｃｍ（ｐ，ｔ）度ずらすことにより、２種類の鋼板を用いて位相が半周期異なるトルクを全トルクの１／２ずつ発生させ、２種類の鋼鈑から生じるトルクのトルク変動を互いに打ち消しあうことができる。この様子を図５に示す。図のようにトルク波形の周期がＤ部（▲２▼）からの寄与により生じるトルクとＥ部（▲３▼）からの寄与により生じるトルクの間で１／２だけずれることにより一方の山ともう一方の谷が合成されることになるため、全体（▲４▼）では、スキューのない場合（▲１▼）と比較して大幅にトルク変動を抑制することが可能になる。
【００２４】
なお、本実施形態ではステータ１を構成する鋼板１１が２種類の場合について説明したが、これは他の組み合わせでも成立する。例えば第１図に示すような３種類の鋼板を積層する場合、Ａ部のティース先端部とＢ部の先端部が１８０／ｌｃｍ（ｐ，ｔ）度だけずれており、同様にＢ部の先端とＣ部の先端も１８０／ｌｃｍ（ｐ，ｔ）度ずれているようにする。なおかつ積層枚数はＡ部：Ｂ部：Ｃ部で１：２：１になるようにするのである。こうすることでそれぞれ位相が１／２周期だけ異なるトルクが同程度ずつ合成されることになり、トルク変動を効率的に抑制できる。
【００２５】
図６は本発明の第四実施形態を示す図である。図はティース先端部の位置が異なる鋼板を２種類積層したステータコアを示す（図６（ｂ）参照）。一方の鋼板１１ｅはティース先端部１ｃがティース胴体部の側面よりもスロット５側へ突出しており、別の鋼板１１ｄについては、ティース先端部１ｃが、鋼板１１ｅの場合とは逆方向にもう一方のスロット５’側へ突出している（図６（ａ）参照）。
【００２６】
ティースの先端部の形状や幅はモータの特性、特にコイルに誘起される誘起電圧に非常に敏感に作用する。ティース先端部の形状を僅かに変えることで誘起電圧に含まれる高調波成分が増大したり、逆に減少したりする場合がある。誘起電圧に含まれる高調波成分はモータの制御性を悪化させ、最大発生出力を低下させる原因になる。そのため高調波を抑制する目的で、ティース先端部１ｃの幅をティース胴体部１ｂよりも細くする必要が生じることがある。
【００２７】
ティース先端部１ｃの幅がティース胴体部１ｂよりも細い場合、従来のスキューのない構造では、コイルの巻回時の作業性や、モータ駆動時の振動等によるコイルのズレおよび脱落の防止のため、ティース胴体部にコイルストッパ部１ｄを設ける必要があった。しかし、このコイルストッパ部１ｄは隣接するティースとの間に漏れ磁束を発生させることがあり、モータの効率が低下することがある。
【００２８】
本実施形態によれば、ティース胴体部１ｂ側面の各方向に部分的に突出部が形成されるため、ティース先端部１ｃの幅がティース胴体部１ｂの幅よりも小さい場合であっても別途コイルストッパ部を設ける必要がなくなり、モータの効率が悪化することを抑制できる。
【００２９】
図７は本発明を分割コアステータに適用した第五実施形態を示す図である。ステータが分割コア構造である点以外は図１の実施形態と同じ構成となっている。
【００３０】
本実施形態では、略Ｔ字形状を有する鋼板であって、ティース先端形状のみが異なる３種類の鋼板を所定枚数ずつ積層して分割コアとし、この分割コアのティース胴体部１ｂにコイルを集中巻きした後、これを所定個数円周方向に並べて円筒状のステータを組み上げる。
【００３１】
従来の方法（同一形状の鋼板を微小角度ずつずらしながら積層）でスキューを設けようとすると、隣接するコアとの当接面がねじれた面となり、分割コアを良好に組み上げることが困難となるが、本発明の方法ではそのような問題が発生しない。
【００３２】
本発明は上記の実施の形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【図１】第一実施形態に係るステータを示す図である。（ａ）はステータの端面図である。（ｂ）はティース部をロータ側から見た側面図である。（ｃ）〜（ｅ）はティース部の軸方向垂直な断面図であり、同時にステータを構成する鋼板のティース部における形状を示す。
【図２】第一実施形態に係るモータのトルク波形を示す図である。
【図３】第二実施形態に係るステータを示す図である。（ａ）はステータの端面図である。（ｂ）はティース部をロータ側から見た側面図である。（ｃ）及び（ｄ）はティース部の軸方向垂直な断面図であり、同時にステータを構成する鋼板のティース部における形状を示す。
【図４】第三実施形態に係るステータの部分端面図であり、同時にステータを構成する鋼板のティース部における形状を示す。
【図５】第三実施形態に係るモータのトルク波形を示す図である。
【図６】第四実施形態に係るステータを示す図である。（ａ）ステータの端面図である。（ｂ）ティース部をロータ側から見た側面図である。
【図７】第五実施形態に係るステータを示す図である。（ａ）ステータの端面図である。（ｂ）ティース部をロータ側から見た側面図である。
【符号の説明】
１ ステータコア
１ａ ヨーク部
１ｂ ティース胴体部
１ｃ ティース先端部
１ｄ コイルストッパ部
２ コイル
３ ティース部
５ スロット
１０ ステータ
１１ 鋼板
１５ ティース胴体部の中心
１６ ティース先端部の中心
２０ ロータ

Claims (7)

1. 永久磁石を用いて界磁を形成するロータと、該ロータと同軸的に設置され且つコイルに電流を流すことによって回転磁界を発生する略円筒状のステータとを備え、該ステータはロータ側へ向けて突出するティース部を有するとともに隣接するティース部間のスロットに前記コイルが収容されるモータにおいて、
   前記ティース部は、前記コイルが巻回されるティース胴体部と、ロータに対面し且つ前記コイルが巻回されていないティース先端部を有し、
   前記ステータは、前記ティース先端部における円周方向の中心位置が前記ティース胴体部の円周方向の中心からずれるように配置されている複数種類の鋼板を備え、該複数種類の鋼板が軸方向に積層されていることを特徴とするモータ。
2. 前記複数種類の鋼板のティース先端部が、前記ティース胴体部の円周方向の中心に関して対称になるように配置されることを特徴とする請求項１に記載のモータ。
3. 前記複数種類の鋼板はそれぞれ略同枚数積層されており、さらに、ロータの磁極数をｐ、ステータのティース数をｔとし、ｌｃｍ（ｐ，ｔ）をｐとｔの最小公倍数とした場合に、それぞれの種類の鋼板の前記ティース先端部における中心の位置が、ステータ中心軸に関して円周方向に互いに１８０／ｌｃｍ（ｐ，ｔ）度だけ異なっていることを特徴とする請求項１または２に記載のモータ。
4. 前記複数種類の鋼板は、前記ティース先端部が円周方向について前記ティース胴体部よりも一方のスロット側へ突出している形状の鋼板と、それとは逆方向スロット側に突出している鋼板からなることを特徴とする請求項１〜３に記載のモータ。
5. 前記ティース胴体部に前記コイルが集中巻きされていることを特徴とする請求項１〜４に記載のモータ。
6. 前記ステータが、円筒状に結合された複数の分割コアから構成されることを特徴とする請求項１〜５に記載のモータ。
7. 前記ティース胴体部は、前記ステータの中心軸方向に向かう中心平面に関して略面対称の形状を有しており、前記ステータは前記ティース胴体部の前記中心平面に関して対称になるように配置される２種類の鋼板を具備し、該２種類の鋼板が同一の鋼板の表裏を逆にした関係にあることを特徴とする請求項２に記載のモータ。

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