JP2005304166A - 回転電機のステータコア - Google Patents

Abstract

【課題】回転電機のトルク定数を変動させることなく、電磁騒音の発生を抑制することができる回転電機のステータコアを提供する。
【解決手段】コア本体１２の内周面１２ａから径方向へ向かって突出するティース１３の先端部から、コア本体１２の周方向一方側に向けて突起部１７が突出形成されると共に、その突起部１７の突出方向とは反対側となる周方向他方側へ向けて突部１９が形成されている。前記突起部１７においてティース１３の先端部端面１３ａからコア本体１２の周方向一方側へ連続して延びる連続面１７ａは、当該突起部１７の先端側ほどロータコア１８の外周面１８ａとの間のエアギャップＧの間隔が大きくなるように基端側から先端側へ斜状に切り上げ形成されている。従って、ロータコア１８側から流入する磁束が突起部１７に集中することがなくなり、その突起部１７の飽和磁束密度を超えることが防止される。
【選択図】 図２

Description

本発明は、回転電機において固定子を形成するステータコアに関する。

一般に、電動機（モータ）や発電機等の回転電機では、積層鋼板からなる例えば円筒状のステータコアの内周面に形成された各ティース間のスロット内に、絶縁被覆された導線からなる巻線が装着されることで固定子が形成される。従来、こうしたステータコアにおいてティースの先端部からは、各ティース間のスロット内に装着した巻線をスロット内に収容保持すべく左右一対の突起部がステータコアの周方向両側へ各々突出するように形成されていた。

しかし、ティースの先端部から左右対称に一対の突起部を形成した場合には、ステータコアの内周側でロータコアが回転することにより両コアの周面間のエアギャップに周方向に沿う磁束分布が生じたときに、その磁束分布が不均一になる。即ち、ティースの中心線から見てロータコアの回転方向側の方が反回転方向側よりも大きな磁束分布となる。そのため、エアギャップに発生する電磁力がティースの先端部の各突起部へ不均一に作用する結果、ステータコアが振動して電磁騒音を発生させるという問題が指摘されていた。そこで、近時、この問題に着目したステータコアが提案されている（特許文献１参照）。

即ち、特許文献１に記載の発明では、図５に示すように、回転電機（モータ）におけるステータコア５１の内周面に形成されたティース５２の先端部から同図において二点鎖線で示すロータコア５３の回転方向側（矢印Ｒ方向側）となる周方向一方側へのみ突起部５４を突出形成するようにしている。そして、このようにティース５２の先端部から周方向一方側へのみ突起部５４を突出形成したことにより、特許文献１の発明においては、エアギャップＧの周方向に沿って発生する前記磁束分布が平滑になる結果、そのエアギャップＧに発生する電磁力に基づくステータコア５１の振動を低減し、電磁騒音の発生を抑制できるとしている。なお、図５では各ティース５２間のスロット５５内に装着される巻線の図示を省略している。
特開平８−２３６４６号公報（請求項１，段落番号［００１１］、図２）

ところが、特許文献１に記載の発明においては次のような問題が依然として存在した。即ち、前記突起部５４においてティース５２の先端部端面からステータコア５１の周方向へ連続して延びる内周側端面（連続面）が、前記ティース５２の先端部端面と同一円弧面を形成するように構成されていた。換言すると、前記ステータコア５１では、ロータコア５３の外周面との間に形成されるエアギャップＧの間隔が各ティース５２の先端部端面の部分でも前記突起部５４の内周側端面の部分でも同一間隔になっていた。そのため、前記ロータコア５３の回転に伴いロータコア５３側からステータコア５１側へ流れる磁束が、各々の部分でエアギャップＧの間隔が同じであることから、ティース５２の先端部端面及び突起部５４の内周側端面の各々へ同様に流入し、質量の小さい突起部５４においては磁束密度が大きくなって飽和磁束密度を超えてしまうことがあった。その結果、ティース５２の先端部のうち特に突起部５４の部分に鉄損が起こり、磁束の流れが悪化して回転電機のトルク定数を変動させてしまうという問題があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、回転電機のトルク定数を変動させることなく、電磁騒音の発生を抑制することができる回転電機のステータコアを提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、所定軸線を中心に回転するロータコアの周面と対向するコア本体の周面から複数のティースを周方向へ所定間隔をおいて突出形成し、各ティース間にスロットを形成すると共に、各ティースの先端部からは前記コア本体の周面の周方向一方側へ向けて突起部を突出形成し、当該突起部において前記ティースの先端部端面から前記周方向一方側へ連続して延びる連続面を当該突起部の先端側ほど前記ロータコアの周面との間に形成されるエアギャップの間隔が大きくなるように基端側から先端側へ切り上げ形成したことを要旨とした。従って、請求項１に記載の発明では、ロータコア側からステータコア側へ磁束が流入する場合、その磁束は突起部の連続面よりもエアギャップの間隔が小さいティースの先端部端面から先ず流入するようになる。そのため、質量的に小さな突起部の磁束密度が飽和磁束密度を超えて鉄損を生じるという虞が良好に回避される。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の回転電機のステータコアにおいて、前記各ティースの先端部からは前記突起部の突出方向とは反対側となる前記コア本体の周面の周方向他方側へ向けて前記突起部よりも小さな突出量の突部が形成されていることを要旨とした。従って、請求項２に記載の発明では、ティースの先端部へ磁束が流入する場合において、当該ティースの先端部から周方向一方側へ突出する突起部だけが設けられている場合よりも、ティースの先端部における磁束分布がバランス良くなる。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の回転電機のステータコアにおいて、前記突部は、当該突部において前記ティースの先端部端面から前記コア本体の周面の周方向他方側へ連続して延びる連続面が前記ティースの先端部端面と同一円弧面を形成するように構成されていることを要旨とした。従って、請求項３に記載の発明では、ティースの先端部端面と共に突部の連続面が同一の流入条件でティースに対する磁束の流入面として機能する。

本発明によれば、回転電機のトルク定数を変動させることなく、電磁騒音の発生を抑制することができる。

以下、本発明を回転電機の一種である電動機（モータ）におけるステータコアに具体化した一実施形態を図１〜図３に従って説明する。
図１は本実施形態における回転電機としての電動機（モータ）１０の要部を示したものであり、同図に示すように、回転電機用コアとしてのステータコア（固定子用コア）１１は積層鋼板からなる円筒状のコア本体１２を有している。コア本体１２の内周面１２ａには径方向内側に向かって突出する複数のティース１３が周方向へ等ピッチ間隔で形成されている。各ティース１３間にはコア本体１２の軸（図１に示す軸線Ｐ）方向に沿って延びるようにスロット１４が形成されている。各スロット１４は、当該スロット１４を周方向両側から挟むように隣り合って位置する両ティース１３の先端部間が開口部１５とされ、その開口部１５を通して各スロット１４内に絶縁被覆導線からなる断面扁平状の平角巻線１６が挿入されている。そして、平角巻線１６が各スロット１４内に装着されることにより、前記ステータコア１１は電動機（モータ）１０の固定子として機能するようになっている。

図２は図１に点線で丸く囲み表示したＡ部分から平角巻線１６の図示を省略したものであるが、同図に示すように、各ティース１３の先端部からはコア本体１２の内周面１２ａの周方向一方側へ向けて突起部１７が突出形成されている。本実施形態の場合、各突起部１７は図１及び図２に二点鎖線で示すロータコア（回転子用コア）１８の軸線Ｐを回転中心とした回転方向Ｒの反対側へ向けて突出形成されている。また、前記各ティース１３の先端部からは、前記突起部１７の突出方向とは反対側となるコア本体１２の内周面１２ａの周方向他方側へ向けて突部１９が形成されている。前記突起部１７の前記周方向一方側への突出量Ｄ１に対し前記突部１９の前記周方向他方側への突出量Ｄ２は小さくなるように設定されている。そして、前記突起部１７及び突部１９は当該突起部１７及び突部１９の各々において前記ティース１３の先端部端面１３ａから周方向へ各々連続して延びる各内周側端面（連続面）１７ａ，１９ａが前記ティース１３の先端部端面１３ａと共にエアギャップＧを介してロータコア１８の外周面１８ａと対向するように構成されている。

図３に示すように、各突起部１７は、その内周側端面１７ａが当該突起部１７の先端側ほど前記ロータコア１８の外周面１８ａとの間に形成されるエアギャップＧの間隔が大きくなるように形成されている。即ち、各突起部１７は、その内周側端面１７ａが当該突起部１７の基端側から先端側へ斜状に切り上げ形成されており、コア本体１２の軸方向から見た場合には先細となる形状に形成されている。そして、その内周側端面１７ａの切り上げ量Ｃに関しては、突起部１７における基端側がコア本体１２の径方向（軸線Ｐを中心とする放射方向）において有する幅寸法Ｗの１／３以下の切り上げ量Ｃとなるように設定されている。例えば、幅寸法Ｗが１．５ｍｍとされる場合には、切り上げ量Ｃは０．５ｍｍ以下とされる。ここで、切り上げ量Ｃを幅寸法Ｗの１／３以下とする理由は、その切り上げ量Ｃが１／３を超えた場合には、ロータコア１８の回転に伴って前記エアギャップＧを介してロータコア１８側からティース１３に流入する磁束の量が減少してしまい、電動機１０のトルクを大きく下げてしまうからである。

一方、前記突部１９の突出量Ｄ２に関しては、前記突起部１７における基端側の幅寸法Ｗの２／３以下の突出量Ｄ２となるように設定されている。即ち、その突部１９が前記スロット１４の開口部１５を挟んで対向する突起部１７の先端との位置関係において開口部１５からの平角巻線１６のスロット１４内への挿入を妨げない程度（例えば１ｍｍ程度）に設定されている。そして、この突部１９の内周側端面１９ａに関しては、前記突起部１７の内周側端面１７ａの場合と異なり、先端側が切り上げられるようなこともなく、前記ティース１３の先端部端面１３ａと同一円弧面を形成するように周方向へ連続するように形成されている。なお、本明細書に添付の各図面では前記エアギャップＧの間隔（通常、０．３ｍｍ〜０．５ｍｍ程度）を図示説明の便宜上から実際よりも大きく図示している。

そこで次に、上記のように構成されたステータコア１１における作用につき、主としてロータコア１８側からエアギャップＧを介してステータコア１１側へ流入する磁束の流れに着目して説明する。

さて、ロータコア１８が回転されると、ロータコア１８の外周面１８ａと前記ティース１３の先端部端面１３ａ（及び突起部１７の内周側端面１７ａと突部１９の内周側端面１９ａ）との間のエアギャップＧを介してロータコア１８側からステータコア１１のティース１３の先端部に磁束が流入する。その際、前記磁束は、エアギャップＧを介在したロータコア１８の外周面１８ａからの距離が次第に遠のくように斜状に切れ上がっている突起部１７の内周側端面１７ａよりもエアギャップＧの間隔が狭くて一様な間隔になっているティース１３の先端部端面１３ａ及び突部１９の内周側端面１９ａから先ず流入する。

そして、前記エアギャップＧにおける磁束密度が更に高まると、次には前記突起部１７の内周側端面１７ａからも前記磁束が流入するようになる。すると、この突起部１７では次第に磁束密度が飽和磁束密度に向けて高まるが、当該突起部１７で磁束の流入面となる内周側端面１７ａは、同じく磁束の流入面となるティース１３の先端部端面１３ａ及び突部１９の内周側端面１９ａよりも、エアギャップＧを介在したロータコア１８の外周面１８ａからの距離が大きい設定となっている。そのため、例えば図５に示した従来のステータコア５１の場合とは異なり、その突起部１７における磁束密度が飽和磁束密度を超えることもなくなり、当該突起部１７に鉄損が生じることも回避される。その結果、前記鉄損の発生に起因して、前記ステータコア１１により固定子が形成される電動機１０のトルク定数が変動するという事態も回避される。

また、ティース１３の先端部から前記突起部１７のみがコア本体１２の周方向へ突出形成されて前記突部１９が突出形成されていない場合は、ティース１３に対する磁束の流入面が当該ティース１３の先端部端面１３ａと前記突起部１７の内周側端面１７ａだけとなる。そのため、コア本体１２の径方向に一致するティース１３の幅方向中心線（図示略）から見た場合、当該ティース１３の先端部における磁束分布が左右アンバランスとなる。しかし、本実施形態では、ティース１３の先端部から前記突起部１７の突出方向とは反対側となる周方向他方側へ向けて前記突部１９が形成されているため、そのような左右アンバランスの磁束分布となることもない。

しかも、前記突部１９において磁束の流入面となる内周側端面１９ａは、ロータコア１８の外周面１８ａとの間に介在するエアギャップＧの間隔がティース１３の先端部端面１３ａと同じにされているため、当該突部１９の内周側端面１９ａにはティース１３の先端部端面１３ａと同一の流入条件で磁束が流入することになる。また、前記突部１９については、その突出量Ｄ２も僅かな突出量であるため、当該突部１９が対向する突起部１７との間に形成する開口部１５を通してスロット１４内へ平角巻線１６が装着される際に支障となることもない。さらに、前記突起部１７の内周側端面１７ａに関しては、基端側から先端側へ斜状に切り上げ形成されているため、前記スロット１４内へ平角巻線１６を装着する際に、当該平角巻線１６を開口部１５側へガイドする機能も有する。

上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）ロータコア１８の回転に伴いロータコア１８側からステータコア１１のティース１３の先端部へ流入する磁束が突起部１７に集中して流入することを回避でき、当該突起部１７における磁束密度が飽和磁束密度を超えることを防止できる。そのため、ステータコア１１により固定子が形成される電動機（モータ）１０のトルク定数を変動させる要因ともなる突起部１７での鉄損の発生を防止することができる。従って、前記電動機１０のトルク定数を変動させることなく、電磁騒音の発生を抑制することができる。

（２）前記突起部１７への磁束集中を回避するべく当該突起部１７の内周側端面１７ａを切り上げ形成した場合でも、その切り上げ量Ｃは僅かな切り上げ量で済む。そのため、ステータコア１１において前記突起部１７の部分の剛性を極端に低下させることもなく、当該突起部１７に対する良好な磁束流入状態を実現できる。また、前記切り上げ量Ｃを大きくした場合には、ロータコア１８側からステータコア１１側へ流入する磁束の量を減少させて電動機１０のトルクを下げてしまう虞もあるが、前記切り上げ量Ｃを僅かなものとしたため、そのようなトルク低下の虞もない。

（３）ティース１３の先端部からは突起部１７の突出方向と反対側に突部１９が形成されているため、ロータコア１８側からエアギャップＧを介してステータコア１１側へ流入する磁束がティース１３の先端部においてバランスの良い磁束分布となる。従って、アンバランスな磁束分布に起因する電磁騒音の発生を良好に防止できる。

（４）ステータコア１１に平角巻線１６を巻線装着する際には、突起部１７と突部１９との間に形成される開口部１５を通して平角巻線１６がスロット１４内へ装着されることになるが、前記突部１９の突出量Ｄ２は僅かな突出量であるため、前記平角巻線１６の装着作業の支障になることもなく、巻線装着作業を効率よく行うことができる。

（５）ティース１３の先端部端面１３ａと突部１９の内周側端面１９ａにはロータコア１８側から同一流入条件で磁束が流入するため、磁束分布の乱れが生じることを回避できる。

（６）スロット１４内へ開口部１５から平角巻線１６を装着する際には、突起部１７において斜状に切り上げ形成された内周側端面１７ａを倣いガイドとして利用することができるので、巻線装着作業をスムーズに行うことができる。

なお、上記実施形態は以下のような別の実施形態（別例）に変更してもよい。
○ 上記実施形態において、突部１９の内周側端面１９ａについても突起部１７の内周側端面１７ａの場合に倣って、基端側から先端側へ斜状に切り上げ形成してもよい。このようにすれば、この突部１９の斜状の内周側端面１９ａについても平角巻線１６をスロット１４内へ装着する際に倣いガイドとして利用できる。

○ 上記実施形態において、ティース１３の先端部からは、周方向一方側へのみ突起部１７を突出形成するようにし、周方向他方側へは突部１９を形成しなくてもよい。
○ 上記実施形態において、突起部１７の内周側端面１７ａは基端側から先端側へ斜状に切り上げ形成される場合に限らず、先端側ほどロータコア１８の外周面１８ａとの間に形成されるエアギャップＧの間隔が大きくなるならば、湾曲状に切り上げ形成されたものであってもよい。

○ 図４に示すように、ティース１３の先端部から突起部１７をロータコア１８の回転方向（Ｒ矢印方向）側に向けて突出形成する一方、当該突起部１７の突出方向とは反対側となる方向へ前記突部１９を形成するようにしてもよい。

○ また、電動機（モータ）１０がアウターロータ型の場合は、ロータコアの内周面と対向するコア本体の外周面から複数のティースを周方向へ所定間隔おいて突出形成し、それら各ティースの先端部から上記実施形態の場合と同様に周方向一方側へ突起部を形成するようにしたステータコアに具体化してもよい。そして、その場合にはティースの先端部から突起部の突出方向と反対側に上記実施形態の場合と同様に突部を形成するようにしてもよい。

○ また、上記実施形態において、ステータコア１１のコア本体１２はロータコア１８の外周面１８ａと対向する内周面１２ａから前記突起部１７を有するティース１３が突出形成された構成であれば、そのコア本体１２は必ずしも円筒状をなしていなくてもよい。また、スロット１４については、コア本体１２の内周面１２ａに等ピッチ間隔でなく不等ピッチ間隔で形成されていてもよい。

次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想について以下に追記する。
（イ）前記突起部は、当該突起部の基端側が前記軸線Ｐを中心とする放射方向において有する幅寸法の１／３以下の切り上げ量となるように前記連続面が基端側から先端側へ切り上げ形成されている請求項１に記載の回転電機のステータコア。このように構成した場合、突起部においてティースの先端部端面からコア本体の周面の周方向一方側へ連続して延びる連続面を切り上げ形成した場合でも、その切り上げ量は僅かなもので済むため、突起部の剛性が損なわれない。また、ロータコア側からステータコア側へ流入する磁束の量が大幅に減少して回転電機のトルクを低下させることもない。

（ロ）前記突部は、前記突起部の基端側が前記軸線Ｐを中心とする放射方向において有する幅寸法の２／３以下の突出量となるように形成されている請求項２に記載の回転電機のステータコア。このように構成した場合、開口部を挟んで突起部と対向する突部の突出量は僅かなものとなるため、その開口部を通してスロット内へ巻線を装着する際に当該突部が支障となることもない。

本実施形態の電動機におけるステータコアの正面図。 図１における一部拡大破断正面図。 ティースの先端部を拡大して示す正面図。 別例のステータコアの一部破断正面図。 従来技術のステータコアの一部破断正面図。

符号の説明

１０…回転電機としての電動機（モータ）、１１…ステータコア、１２…コア本体、１２ａ…コア本体の内周面（周面）、１３…ティース、１３ａ…ティースの先端部端面、１４…スロット、１７…突起部、１７ａ…突起部の内周側端面（連続面）、１８…ロータコア、１８ａ…ロータコアの外周面（周面）、１９…突部、１９ａ…突部の内周側端面（連続面）、Ｃ…切り上げ量、Ｄ１，Ｄ２…突出量、Ｇ…エアギャップ、Ｐ…軸線、Ｗ…幅寸法。

Claims (3)

1. 所定軸線を中心に回転するロータコアの周面と対向するコア本体の周面から複数のティースを周方向へ所定間隔をおいて突出形成し、各ティース間にスロットを形成すると共に、各ティースの先端部からは前記コア本体の周面の周方向一方側へ向けて突起部を突出形成し、当該突起部において前記ティースの先端部端面から前記周方向一方側へ連続して延びる連続面を当該突起部の先端側ほど前記ロータコアの周面との間に形成されるエアギャップの間隔が大きくなるように基端側から先端側へ切り上げ形成した回転電機のステータコア。
2. 前記各ティースの先端部からは前記突起部の突出方向とは反対側となる前記コア本体の周面の周方向他方側へ向けて前記突起部よりも小さな突出量の突部が形成されている請求項１に記載の回転電機のステータコア。
3. 前記突部は、当該突部において前記ティースの先端部端面から前記コア本体の周面の周方向他方側へ連続して延びる連続面が前記ティースの先端部端面と同一円弧面を形成するように構成されている請求項２に記載の回転電機のステータコア。

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