JP2005261188A - 回転機用コア及び回転機 - Google Patents

Abstract

【課題】 鉄損の低減を図れるのは勿論、コギングトルクを低減できると共にコイルの占積率を高めることができるのに加え、容易に製作することもできる。
【解決手段】 ステータ用コア６は、互いに回転軸線方向に所定のスキュー角をもって捻られながら周方向に複数に分割されている。即ち、分割体６０は、ステータ５において隣り合うスロットの中央部が分割体６０の両端側と形成され、そこから回転軸線に対し例えば２〜３５度の角度θで捻れながら分割形成される。分割体６０は、各々が絶縁材でコーティングされた金属粉末によって圧縮して形成され、つまり金属粉末の表面が絶縁処理された後、その金属粉末が成形金型により圧縮され複合軟磁性体として成形される。
【選択図】 図２

Description

この発明は、回転機用コア及び回転機に係り、例えばステータ又はロータに使用するのに好適な技術に関する。

一般に、モータや発電機などからなる回転機は、概略的にはステータとロータとから構成されている。これらステータ及びロータは、鉄損を低減させるため、いずれも珪素鋼板などのように両面に絶縁処理をした鋼板を積層させてコアが形成されている。ところが、このようなコアは、軸方向に真直となるストレート形状であると、出力トルクが磁束の脈動により変動してコギングトルクが発生し、これに伴って騒音が発生するという問題がある。
そのため、駆動時に発生するトルクの変動とそれに伴う騒音を低減するため、ステータ又はロータのコアに、回転軸線に対して適度のスキュー角をもたせる技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

また、回転機のステータ（又はロータ）が積層されて一体的に形成されていると、これに巻線した場合、スロットにおけるコイルの占積率の低下をきたすことから、ステータを周方向に分割することで、各分割体におけるコイルの占積率を高めるようにしたものが提案されている（例えば、特許文献２参照。）。

更に、コギングトルクを低減すべく、モータのステータ用コアの磁極ティース部のロータ対向面の形状が、電動機の円周方向に複数枚の磁性材が互いにずれて配置されたものが提案されている（例えば、特許文献３参照。）。

また、積層コアの端部に圧粉磁性体からなるコアエンド部材を設け、このコアエンド部材の端部に拡幅部を設けると共にこの拡幅部がコアにスキューを与えるように構成したのも提案されている（例えば、特許文献４参照。）。
特開２０００−１７５３８０号公報（第２−３頁、図１） 特開平８−１２６２４０号公報（第１−３頁、図１−図４） 特開平１１−２２０８３９号公報（第４−１８頁、図１−図１３） 特開２００２−３６９４１８号公報（第４−６頁、図１−図１６）

上記に示す特許文献１は、ステータにスキューが設けられているので、トルク変動とそれによる騒音とを低減することができるものの、ステータ及びロータのいずれも、鋼板を軸方向に積層させて一体に形成されているので、コイルをスロット内に巻線しにくく、巻線効率の低下を招き、コイルのスロット内における占積率が低下する問題があった。

特許文献２に記載されたものは、ステータが周方向に分割されているので、特許文献１に比較するとコイルの巻回しが容易に行え、巻線効率を上げてコイルの占積率を高めることができるものの、分割体が軸方向に沿うストレート形状であるので、駆動時にコギングトルクが発生するばかりでなく、それに伴う騒音が大きくなる問題があった。

特許文献３に記載されたものは、ステータの磁極ティースのロータ対向面との形状が、電動機の円周方向に複数枚の磁性材を互いにずらして配置されているので、コギングトルクを低減することができるものの、ステータ用コアを構成する鋼板を軸方向にそれぞれ独立的に打ち抜いて形成しなければならず、従って、容易に製造することができないと共にコストが大幅にアップすることが余儀なくされていた。

特許文献４に記載されたものは、拡幅部がコアにスキューを与える構成であるものの、コアエンド部材の端部にだけ設けられているので、根本的にはコアのストレート部分の磁束が支配的であって、コアのスキュー効果に大きな期待を望むことが困難であり、従って、角度方向への磁束変化の連続性が小さくコギングトルクの減少は限られたものとなる問題があった。しかも、コアエンド部材に拡幅部としての別部品を設けるので、それだけコア全体の軸方向の寸法が増大するという問題もあった。

この発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的は、鉄損の低減を図れるのは勿論、コギングトルクを低減できると共に、コイルの占積率を高めることができるのに加え、容易に製作することもできる回転機用コア及び回転機を提供することにある。

上記目的を達成するために、この発明は以下の手段を提案している。
請求項１に係る発明は、回転軸線周りに設けられる回転機のロータ又はステータに設けられ、互いに回転軸線方向に所定のスキュー角をもって捻られながら周方向に各々分割されると共に、該各分割体が他の分割体と協働して回転機のコアを構成する回転機用コアであって、前記分割体各々は、粉末表面に絶縁効果物質が被覆された金属粉末を用いた複合軟磁性体であることを特徴とする。
請求項２に係る発明は、請求項１記載の回転機用コアにおいて、回転機の径方向の内周面側に形成される内周壁部と、外周面側に形成される外周壁部と、これら内周壁部と外周壁部間に形成される巻線壁部とを備え、該巻線壁部の前記回転軸方向の端面に、前記内周壁部と前記外周壁部との端面より凹んだ凹み部が形成されていることを特徴とする。
請求項３に係る発明は、請求項１又は２記載の回転機用コアにおいて、前記分割体のスキュー角は、２〜３５度の角度であることを特徴とする。
請求項４に係る発明は、請求項１から３のいずれか記載の回転機用コアを備えたことを特徴とする。

請求項１に係る発明によれば、回転機用コアを構成する各分割体を粉末表面に絶縁効果物質が被覆された金属粉末を用いた複合軟磁性体で構成したので、渦電流損を確実に低減することができ、また周方向に捻れていることにより、駆動時に発生するコギングトルクを確実に低減でき、平滑化された良好なトルクを得ることができ、更に、各分割体が周方向に分割されていることにより、コイルの占積率を高めることができ、しかも各分割体の突き当て面が平滑となることで、各分割体の周方向の組み付けを容易に行うことができ、回転機用コアを容易に形成することができるという効果が得られる。

請求項２に係る発明によれば、コイルが回転機用コアより外部に突出することがなくなるので、コイルエンド部がデッドスペースとなるのを避けることができ、コアの軸線方向の長さを大きくできることでトルクを増大させることができる一方、その分だけ回転機用コアの軸方向の長さを短くすることができ、電動機としての小型化を図ることもできるという効果が得られる。

請求項３に係る発明によれば、コギングトルクの発生を防止することができ、所望の大きさの平滑なトルクを得ることができるという効果が得られる。

請求項４に係る発明によれば、電気特性を大幅に向上させることができ、電気特性の良好な回転機を容易に得ることができるという効果が得られる。

以下、図面を参照し、この発明の実施の形態について説明する。図１〜図３はこの発明の第１の実施の形態として示した電動機（回転機）を示す図であって、図１は電動機を示す分解斜視図、図２は図１におけるステータ用コアを示す拡大図、図３はステータ用コアの分割体を示す斜視図である。
図１に示す実施形態の電動機１は、回転軸２にロータ３が設けられ、そのロータ３と対向する外周方向にステータ５が設けられている。ロータ３は、回転軸２の外周にその中心軸周りに設けられ、例えば永久磁石からなるロータ用コア４を有している。ステータ５は、ロータ３の外周方向において回転軸２の中心軸周りに設けられたステータ用コア６と、該コア６に巻回されたコイル（図示せず）とを有している。そのため、ステータ用コア６の内周部には、上記コイルを巻回するためのスロット７が設けられている。スロット７は、図２に示すように、ステータ用コア６の内周壁部６１と、外周壁部６２と、これらの間に形成される巻線壁部６３とによって複数画成されている。そのため、ステータ用コア６は、電動機の径方向の内周面側に形成される内周壁部６１と、外周面側に形成される外周壁部６２と、これら内周壁部６１と外周壁部６２間に、軸方向に沿って形成される巻線壁部６３とを備えている。

このようなステータ用コア６は、円筒状に形成されたハウジング８の内側に固定される。一方、回転軸２は、図１に示すように、両側が軸受を有するエンドブラケット１０、１０によって回転自在に支持される。図１における双方のエンドブラケット１０、１０のうち、左側のエンドブラケット１０には、ステータ５及びハウジング８の左側がブラケット９を介して一体的に組み付けられ、右側のエンドブラケット１０には、ステータ５及びハウジング８の右側が一体的に組み付けられる。
そして、ステータ５のコイルに通電されたとき、ステータ５とロータ３間で磁気回路が形成されると共に、交番磁界を生じさせることにより、回転軸２を軸周りに回転させるようになっている。

前記ステータ用コア６は、互いに回転軸線方向に所定のスキュー角をもって捻られながら周方向に複数に分割されている。即ち、ステータ用コア６の分割体６０は、図２に示すように、隣り合うスロット７の中央部が各分割体６０の接合面として形成され、この接合面が電動機の回転軸線、即ち回転軸線に対し所望の角度θ、例えば２〜３５度の角度θで捻れながら分割形成され、単体として図３に示す形状となっている。
また、分割体６０は、各々が粉末表面に絶縁性効果物質が被覆された金属粉末を用いた複合軟磁性体で形成されている。つまり、分割体６０の複合軟磁性体は、粉末表面に絶縁性効果物質が被覆された金属粉末が成形金型（図示せず）によって圧縮されることで圧粉体として成形され、必要な熱処理や焼成を行ったものである。

この実施形態の電動機１は、上記のように、ステータ用コア６が互いに回転軸線方向に所定のスキュー角をもって捻られながら周方向に各々分割され、しかも分割体６０の各々が粉末表面に絶縁性効果物質が被覆された金属粉末（例えばフェライト層が被覆されている複合軟磁性粉末）によって圧縮して形成されているので、これら各分割体６０に図示しないコイルを巻回すと共に、互いに図１及び図２に示すように周方向に組み付けることで構成されたステータ５を用い、このステータ５のコイルに通電されると、ステータ５及びロータ３間に磁気回路が形成されると共に交番磁界が生じることで、ロータ３が中心軸周りに回転することとなる。

上記回転時、ステータ５を構成するステータ用コア６の各分割体６０が前記複合軟磁性体で構成されていることから、前記コア６の各分割体６０を構成する金属粉末だけの局所的な部分にのみ渦電流が発生するだけであり、渦電流損を低減することができ、従って、鉄損を確実に低減することができ、ステータ用コア６全体の鉄損を大幅に低減できる。

また、各々の分割体６０が回転軸線方向に捻られて形成されているので、駆動時に発生するコギングトルクを確実に低減でき、トルクの平滑化を図ることができる。更に、各分割体６０が周方向に分割されているので、巻線時、スロット７内へのコイルの巻回しを容易に行うことができるばかりでなく、多くのコイルを可及的に巻回すことができ、それだけコイルの占積率を高めることができる。これにより、電動機としての電気特性を大幅に向上させることができ、電気特性の良好な回転機を容易に得ることができる。

そして、前述したように、ステータ用コア６の各分割体６０が前記複合軟磁性体で構成されていると、鋼板を積層するものと異なり、各分割体６０の突き当て面が平滑となるので、各分割体６０の周方向の組み付けを容易に行うことができ、ステータ用コア６を容易に形成することができる。そのため、従来のように鋼板のそれぞれを異なる金型で打ち抜きかつ順次積層することが不要になる結果、電動機の製作を極めて良好に行える。
その上、各分割体６０のスキュー角が２〜３５度の角度θであるので、コギングトルクの発生を防止することができ、所望の大きさの平滑なトルクを得ることができる。
また、巻線は、各分割体６０の各々に個別に巻くことができる為、各分割体６０を周方向に組み上げた時にできる、各分割体６０の内周壁部６１の間にできるスロット開口部を極限まで狭くすることができる。この為に前記スキューの効果と同様にコギングトルクの発生を抑えることができる。

図４は、この発明の第２の実施の形態として示した回転機（電動機）の要部を示している。
この実施形態では、ステータ用コア６の内周面側に形成される内周壁部６１と、外周面側に形成される外周壁部６２と、これら内周壁部６１と外周壁部６２間に形成される巻線壁部６３とを備えてスロット７が形成されており、その巻線壁部６３の電動機の回転軸線方向の端面に、内周壁部６１と外周壁部６２との端面より凹ませた凹み部６４が形成されている。つまり、巻線壁部６３における軸方向の長さが、内周壁部６１と外周壁部６２より短く形成されることで凹み部６４が設けられている。

このように、巻線壁部６３の端面が内周壁部６１と外周壁部６２の端面より凹んだ凹み部６４が形成されていると、コイルの巻線時、その凹み部６４にコイルが収納されることとなり、ステータ用コア６より外部に突出することがなくなるので、コイルエンド部がデッドスペースとなるのを避けることができる。これにより、スロットを有するステータ用コア６とロータコアとの双方の軸方向の長さを大きくできるので、トルクを増大させることができる一方、その分だけステータ用コア６とロータ用コア４との軸方向の長さを短くすることができるので、電動機としての小型化を図ることもできる。

このような凹み部６４は、ステータ用コア６の分割体６０が、前記複合軟磁性体で構成されていることから、ステータ用コア６を種々の形状に容易に形成できる。

また、図５及び図６は、この発明の第３の実施の形態として示した回転機（電動機）の要部を示している。
この実施形態では、ステータ用コア６の分割体６０として図５に示すように、外周壁部６２が回転軸線方向に沿いストレートに形成されてあって、内周壁部６１と巻線壁部６３とがその回転軸線方向に所定のスキュー角（例えば２〜３５度の角度）をもって捻れて形成されている。そして、これら各分割体６０が図６に示すように周方向に互いに組み付けられることでステータ用コア６が形成されるようになっている。

その場合、各分割体６０において外周壁部６２の周方向の一端には例えばＶ字状に切り欠くことで切欠き溝６２ａが設けられると共に、他端には前記切欠き溝６２ａに対応する形状をなす山形状の凸部６２ｂが形成され、各分割体６０の切欠き溝６２ａに隣接する分割体６０の凸部６２ｂが嵌め込まれることで、分割体６０の周方向の組立を良好に行えるようになっている。切欠き溝６２ａは、外周壁部６２の前記一端において、径方向の両端から厚み方向の中央部に至るに従って次第に切り欠かれると共に、その厚み方向の中央部が最も深く切り欠かれるＶ字状をなしている。凸部６２ｂは、前記切欠き溝６２ａに対応してあって、外周壁部６２の前記他端において、径方向の厚みの中央部が最も外周側に突出する形状をなしている。
従って、この実施形態によれば、第１及び第２の実施形態と同様、コギングトルクの発生を防止することができ、平滑なトルクを得ることができる他、組立が容易になる等の効果が得られる。

更に、図示していないが、例えば分割体６０の外周壁部６２、巻線壁部６３が回転軸線方向に沿うスレート形状をなす一方、内周壁部６１のみが上記と同様のスキュー角をもって捻れて形成するようにしてもよい。この場合も、外周壁部６２の周方向の両端部にそれぞれ切欠き溝、凸部をそれぞれ設けることで、第３の実施形態と同様の作用効果が得られる。

分割体を構成する複合軟磁性体は、粉末表面に絶縁効果物質が被覆された金属粉末を用い、成形金型によって圧縮成形された圧粉体を熱処理、焼成して得られる。この複合軟磁性体は、フェライトよりも高い磁束密度を有し、金属焼結軟磁性材よりも高い比抵抗を有するため、高周波特性に優れたコア材である。また、粉末治金法と同様の形状付与を行うことができる。この金属粉末としては、純鉄粉末などの鉄粉末、Ｓｉ：０．１〜１０％を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなるＦｅ−Ｓｉ系鉄基軟磁性合金粉末(例えばＦｅ−３％Ｓｉ粉末）、Ｓｉ：０．１〜１０重量％、Ａｌ：０．１〜２０を含有し、残部がＦｅおおび不可避不純物からなるＦｅ−Ｓｉ−Ａｌ系鉄基軟磁性合金粉末(例えば、Ｆｅ−９％Ｓｉ−５％Ａｌからなる組成を有するセンダスト粉末)、Ａｌ：０．１〜２０を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなるＦｅ−Ａｌ系鉄基軟磁性合金粉末(例えば、Ｆｅ−１５％Ａｌからなる組成を有するアルパーム粉末）、Ｃｒ：１〜２０％を含有し、必要に応じてＡｌ：５％以下、Ｓｉ：５％以下の内の１種または２種を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなるＦｅ−Ｃｒ系鉄基軟磁性合金粉末、または、Ｎｉ：３５〜８５％を含有し、必要に応じてＭｏ：５％以下、Ｃｕ：５％以下、Ｃｒ：２％以下、Ｍｎ：０．５％以下の内の１種または２種以上を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなるニッケル基軟磁性合金性粉末を用いることができる。

またこの金属粉末表面を被覆する絶縁効果物質としては、有機絶縁材料や無機絶縁材料のいずれか、または有機絶縁材料と無機絶縁材料とを混合したものを用いてもよい。有機絶縁材料では、エポキシ樹脂やフッ素樹脂、フェノール樹脂、ウレタン樹脂、シリコーン樹脂、ポリエステル樹脂、フェノキシ樹脂、ユリア樹脂、イソシアネート樹脂、アクリル樹脂、ポリイミド樹脂、ＰＰＳ樹脂などを用いることができる。無機絶縁材料では、リン酸鉄などのリン酸塩膜、リン酸や酸化マグネシウムおよびホウ酸を含む混合液で処理して得られるガラス状絶縁膜、珪酸ソーダを主成分とする水ガラス膜、酸素を含む雰囲気中で熱処理して表面に生成した絶縁性酸化物膜、シラン系やチタン系界面活性剤で処理した絶縁膜、等を用いることができる。

なお、図示実施の形態では、ステータ用コアのみが複数の分割体によって形成された例を示したが、ロータコアを複合軟磁性体によって同様に形成することもできる。また、ステータ用コアに前述したようにコイルが巻線され、かつその分割体が周方向に所定の角度をもって捻れて分割された例を示したが、ロータ用コアにコイルを巻線する場合、該コアを同様にして形成することもでき、従って、ステータ５或いはロータ３のいずれかのコアに適用することで、同様の作用効果を得ることができる。
そして、ステータ用コアの各分割体が、回転軸線に対し所望の角度で捻れて形成された例を示したが、この角度としては、例えば電動機に用いられるトルクの大きさ、コイルの相数及び極数、更にはコアの大きさなどに応じ適宜選定すればよい。更に、上記コアが電動機として用いた例を示したが、発電機などのように回転機にも適用することができ、従って、要は、回転機用コアとして本発明を達成することができる。

回転機用コア及び回転機に係り、例えばステータ又はロータに使用する技術分野において、この発明は、電気特性を大幅に向上させることができ、電気特性の良好な回転機を容易に得ることができるという効果が得られ、さらに、コギングトルクの発生を防止することができ、所望の大きさの平滑なトルクを得ることができるという効果が得られる回転機用コア及び回転機を提供するものであるため、産業上の利用可能性が認められる。

この発明の第１の実施の形態として示した電動機（回転機）を示す分解斜視図である。 図１におけるステータ用コアを示す拡大図である。 ステータ用コアの分割体を示す斜視図である。 この発明の第２の実施の形態として示した電動機（回転機）を示す分割体の要部の説明図である。 この発明の第３の実施の形態として示した電動機（回転機）を示す分割体の斜視図である。 図５における分割体によりステータ用コアを組み立てた状態を示す斜視図である。

符号の説明

１ 電動機（回転機）
２ 回転軸
３ ロータ
５ ステータ
６ ステータ用コア（回転機用コア）
６０ 分割体
６１ 内周壁部
６２ 外周壁部
６３ 巻線壁部
６４ 凹み部

Claims (4)

1. 回転軸線周りに設けられる回転機のロータ又はステータに設けられ、互いに回転軸線方向に所定のスキュー角をもって捻られながら周方向に各々分割されると共に、該各分割体が他の分割体と協働して回転機のコアを構成する回転機用コアであって、
   前記分割体各々は、粉末表面に絶縁効果物質が被覆された金属粉末を用いた複合軟磁性体であることを特徴とする回転機用コア。
2. 請求項１記載の回転機用コアにおいて、
   回転機の径方向の内周面側に形成される内周壁部と、外周面側に形成される外周壁部と、これら内周壁部と外周壁部間に形成される巻線壁部とを備え、該巻線壁部の前記回転軸方向の端面に、前記内周壁部と前記外周壁部との端面より凹んだ凹み部が形成されていることを特徴とする回転機用コア。
3. 請求項１又は２記載の回転機用コアにおいて、
   前記分割体のスキュー角は、２〜３５度の角度であることを特徴とする回転機用コア。
4. 請求項１から３のいずれか記載の回転機用コアを備えたことを特徴とする回転機。
   

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