JP2006211819A - モータ、及びモータ製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ステータのティースによるコギングトルクを低減すること。
【解決手段】 積層するコア間において、各コアに発生するコギングトルクの位相の位相差が１８０度となるように、各コアの圧延方向の角度を設定することによって、これらのコアに発生するコギングトルクを互いに相殺して打ち消し、モータのコギングトルクを低減する。電磁鋼板の圧延材からなる複数のコアを積層して形成される積層コアを備えるモータであって、積層コアを形成する各コアは、コアの圧延方向がスロット数及び／又は極数により定まる機械角だけ異ならせる。機械角は、モータのスロット数及び／又は極数により定まる各コアの磁気異方性とティース形状により発生するコギングトルクの位相差が互いに１８０度となる角度である。
【選択図】 図１２

Description

本発明は、モータ及びモータ製造装置に関し、特に磁気異方性に起因するコギングトルクの低減に関する。

磁石を埋め込んだロータと、周方向に等間隔に設けたスロットを有しそのスロットに巻き線を施してコイル部を形成したステータとを備え、磁石のトルクとコイルのリラクタンストルクにより回転駆動するモータにおいて、ロータの回転時にロータが脈動するコギングトルクが発生する。

ロータ内部に配置された磁石が発生する磁束がステータ側のティースを介して閉じた磁路を形成する際、ステータとロータの回転角度における電磁吸引力の回転方向の総和は、ロータとステータとの相対位置に応じて変動する。ステータは磁気抵抗の異なるスロットとティースとの繰り返しであるため、ロータの回転に伴ってロータには１スロットピッチを通過する際にロータの回転方向あるいは反回転方向に電磁吸引力が切り替わり、磁石の極数やスロット数に比例した周期でトルクが変動しコギングトルクが発生する。

従来、このコギングトルクを低減するために、ロータ形状、ステータ形状、ロータやステータを形成する金型の精度の改善が図られてきている。例えば、ロータを軸方向に積層する際、ロータの回転方向である周方向に等間隔にずらして配置するスキューが知られている。これは、ロータに配置された磁石の磁極がステータのティースを通過する際の相対位置を周方向にずらすことで、各層が発生するコギングトルクの最大位置を周方向にずらすものである。また、軸方向に２段以上に分割する多段スキューも知られている。

このようなロータ形状やステータ形状に基づくコギングトルクの低減によっても、なおコギングトルクが残存する。本出願の発明者は、このコギングトルクの要因としてロータやステータを構成する電磁鋼板の磁気異方性があることを見いだした。モータに使用されるロータコア、ステータコアは無方向性電磁鋼板で製造されるが、圧延方向に平行な方向と、圧延方向に垂直な方向とでは無方向性電磁鋼板であっても磁化特性が異なり、この電磁鋼板の磁気異方性がコギングトルクの要因となっている。

本出願人は、特許文献１において、同期電動機の磁気異方性に起因する回転変動を解消する提案を行っている。この特許文献１では、積層ステータの磁気異方性に注目し、この磁気異方性により同期電動機のトルクリップルを低減する積層ステータの製造方法について開示している。

しかしながら、この特許文献１が解決しようとする回転変動はトルクリップルであり、コギングトルクとは異なるものである。また、本発明の出願人は、この電磁鋼板の磁気異方性によるコギングトルクを低減するモータについて先に出願している（特許文献２）。

モータを構成する各ロータコア及びステータコアは、圧延された電磁鋼板（フープ材）を打ち抜くことにより形成される。図１は電磁鋼板（フープ材）の圧延方向を説明するための図である。図１において、巻かれた電磁鋼板（フープ材）４の長さ方向（送り出し方向）は圧延方向に対して平行であり、電磁鋼板（フープ材）４の幅方向は圧延方向に対して垂直である。

無方向性の電磁鋼板であっても、その磁化特性は圧延方向により異なる磁化特性（磁気異方性）を有する。したがって、ロータの磁石により発生する磁束密度は圧延方向により異なるため、コギングトルクの要因となる。

特許文献２では、プレス加工によりモータのロータコアやステータコアを製造する際に、積層する複数のコアの圧延方向を異ならせる。これにより、積層したコアの圧延方向が揃わないようにすることで、磁気異方性を原因とするコギングトルクを低減する。

図２はロータの構成例である。この例では、それぞれ１０枚のロータコア１ａを積層してなる積層コア（１）と積層コア（２）を重ねた合計２０枚の積層コアにより構成している。
積層コア（１）と積層コア（２）とは、圧延方向（図中の矢印で示す）を基準として互いに所定角度だけずれている。

図３はコギングトルクの低減を説明するための図であり、図３において、実線は１回転あたり８回のコギングトルクが発生した場合のコギングトルク波形を示し、破線は１回転あたり同じく８回発生するコギングトルクであり、実線で示すコギングトルクに対して１８０度の位相差を有している。このように互いに位相差が１８０度の関係にあるコギングトルク波形を足し合わせることにより、コギングトルクを零とすることができる。

特許文献２では、圧延方向をずらしたコアを積層させることによって互いに逆位相のコギングトルクを足し合わせ、合計のコギングトルクを低減させている。

特開平１０−６６２８３号公報 特願２００４−３０９１６

本出願の発明者は、コギングトルクの要因として圧延方向以外にステータ形状があることを見出した。ステータには、スロットレスのモータの他にスロット及びティースを備える構成が知られている。
このティースを備えるステータでは、磁束の進む向きがそのティース形状により拘束され、磁束がティースに沿う方向で進む。すなわち、圧延方向とティースの向きが一致していない場合、磁束はティースに沿った向きで進むことを見出した。

図４は、圧延方向、ティースの向き、及び磁束方向の関係を説明するための図である。なお、図４はロータ１とステータ２の一部分のみ示し、ステータ２はティース２ｅとスロット２ｆを備えている。ここで、ステータ２の電磁鋼板の圧延方向１０とティースの向きとは角度θを有しているものとする。このとき、スロット２ｆには空気や銅が存在するためこの部分の比透磁率は約１であるのに対して、ティース２ｅは電磁鋼板で形成されているためこの部分の比透磁率は約２０００となる。これにより、圧延方向がスロット２ｆに沿っていた場合であっても、磁束はスロット２ｆに流れずティース２ｅに沿って流れるため、磁束は圧延方向に平行とはならない。そのため、上記したように圧延方向を回転させたとき、回転角度の通りにコギングトルクの位相基準は回転しないことになる。本出願の発明者は、このことから、圧延方向以外にステータ形状がコギングトルクの要因としてあり、ステータ形状を無視して圧延方向を回転させた場合には、コギングトルクの低減を良好に行うことができないという問題があることを見出した。

図５は、ティースがコギングトルクの与える影響を説明するためのコギングトルク波形図である。図５に示すコギングトルク波形は何れも１回転当たり３２回発生するコギングトルクの波形であり、太い実線は１回転当たり３２回発生するコギングトルクの波形を示し、破線は圧延方向を所定角度（ここでは５．６２５度）回転させたコギングトルク波形であってティースにより磁束の流れの拘束の影響がない場合を示している。

太い実線で示すコギングトルク波形の位相と破線で示すコギングトルク波形の位相との位相差は１８０度であるため、両波形を足し合わせることによってコギングトルクを零に低減することができる。

これに対して、細い実線は、圧延方向を所定角度（ここでは５．６２５度）回転させたコギングトルク波形であってティースにより磁束の流れの拘束の影響がある場合を示している。このティースによる磁束の流れの影響によって二つのコギングトルク波形の位相差は１８０度からずれることになり、両波形を足し合わせてもコギングトルクを零に低減することができなくなり、圧延方向を回転させることによるコギングトルクの良好な低減を実現することが困難となる。

図６はコギングトルクの位相と圧延方向との関係を示す図である。なお、コギングトルクは１回転で３２回発生する場合を示している。コギングトルクの位相は、圧延方向の角度において３６０度／３２＝１１．２５度を単位として繰り返すことになる。
なお、電磁鋼板の磁気異方性による１回転中に発生するコギングトルクの回数は、ロータの極数とステータのスロット数に依存する。以下に示す表はその一例である。

表１の例によれば、例えば、極数が１０でスロット数が１２の場合には、ステータ側で１回転当たり１０回又は２０回の周期、ロータ側で１２回の周期のコギングトルクが発生する。また、極数が８でスロット数が２４の場合には、ステータ側で１回転当たり２４回の周期、ロータ側で２４回の周期のコギングトルクが発生する。また、極数が８でスロット数が３６の場合には、ステータ側で１回転当たり３２又は４０回の周期、ロータ側で３６回の周期のコギングトルクが発生する。

ここで、コアの電磁鋼板の圧延方向を各ティースの向きと同じ角度で回転させ、圧延方向とティースの向きとをティース単位で一致させることができる構成とすることができれば、圧延方向と形状の対称性から、ロータとの位置関係はロータをその角度で回転させた状態と等価となり、コギングトルクの位相はティースの影響を受けることなく従来の位相関係を適用させることができる。

図７〜図１０は、圧延方向をティースの向きに合わせた構成を説明するための図である。図７は圧延方向とスロットの方向が一致する角度での位相と圧延方向との関係を示す図であり、横軸に圧延方向の角度（機械角）を示し、縦軸にコギングトルクの位相（度）を示している。なお、ここでは、一回転当たり３２回のコギングトルクが発生する場合について機械角で９０度分を示している。

コギングトルクの位相は、一スロット分に相当する機械角（ここでは１１．２５度＝３６０度／３２）の範囲内で位相が０度から３６０度変化する。図中の点は、圧延方向とティースの方向が一致する角度での位相を表している。例えばスロット数を３６としたとき、機械角が１０度の位置のティースでは図中のＰ１で圧延方向とティース方向が一致し、また、機械角が２０度の位置のスロットでは図中のＰ２で圧延方向とティース方向が一致する。この場合には、ロータを単に機械的に回転させた場合と一致する。

各スロット単位であれば、圧延方向とティース方向とを一致させることができる。図８は圧延方向をｘ軸方向に向けて配置した場合を示し、図９は圧延方向を２０度回転させてステータが備える一ティースの向きに合わせた場合を示し、図１０は圧延方向をｘ軸方向に向けて配置し、ロータを−２０度回転させた場合を示した例である。図１０においては、ロータが回転することにより、コギングトルクの位相が進むことになる。

また、スロットの個数分だけコアを用意し、各コアをスロットの角度分ずつ互いに回転させて積層させる構成とした場合においても、各コアにおいて圧延方向とティース方向が一致するのは一部のティースのみであって、他の多くのスロットでは圧延方向と一致しないため、ティースの形状による影響の低減効果を期待することは難しい。
そこで、本発明は、モータにおいて、ステータのティースによるコギングトルクを低減することを目的とする。

本出願の発明者は、ティースの個数が有限個である場合、コギングトルクの位相は３６０度／スロット数の自然数倍の位置での各位相を結んだ直線に沿ってほぼ変化することを実験によって見いだした。

本発明は、この知見に基づいて、この圧延方向の角度（機械角）に対するコギングトルクの位相（度）の関係において、積層するコア間において、各コアに発生するコギングトルクの位相の位相差が１８０度となるように、各コアの圧延方向の角度を設定することによって、これらのコアに発生するコギングトルクを互いに相殺して打ち消し、電磁鋼板の磁気異方性かつティースの形状により発生するコギングトルクを低減する。

本発明のモータは、電磁鋼板の圧延材からなる複数のコアを積層して形成される積層コアを備えるモータであって、積層コアを形成する各コアは、コアの圧延方向がスロット数及び／又は極数により定まる機械角だけ異ならせる。この機械角は、モータのスロット数及び／又は極数により定まる各コアの磁気異方性により発生するコギングトルクの位相差が互いに１８０度となる角度である。

各コアの圧延方向を上記機械角とすることによって、コギングトルクの位相の差は１８０度とすることができる。位相が１８０度異なるコギングトルクは、足し合わせることによって相殺されて低減される。

これらの位相関係は、例えば、あるコアのティース位置又は極位置の圧延方向の角度（機械角）を基準とし、その圧延方向に対してコギングトルクの位相差が互いに１８０度となる圧延方向の角度を求めることで得ることができる。

上記した圧延方向に対してコギングトルクの位相差が互いに１８０度となる圧延方向の角度は以下の様にして求めることができる。
電磁鋼板の圧延材からなる複数のコアを積層して形成される積層コアの各コアは、圧延方向を機械角θだけ回転させて積層させる。この機械角θは、コアが有するスロット又は極の個数をsとし、ｍ、ｎを自然数とするとき、磁気異方性により発生するｍs回のコギングトルクのティース位置又は極位置での位相αの位相差が１８０度となる角度である。そして、各位相αは、
（３６０ｎ／ｓ）mod（３６０／（ｍ×ｓ））×（ｍ×ｓ） …（１）
で表される。この式（１）は、ティースの角度値（３６０ｎ／ｓ）を分子としコギングトルクの１周期分の角度値（３６０／（ｍ×ｓ））を分母とする除算の剰余に（ｍ×ｓ）を乗じる演算である。

ここで、自然数ｍは、個数ｓのスロットまたは極による磁気異方性によるコギングトルクの回数ｍｓがモータの極数またはスロット数と近い値となる数に設定し、互いのコアの磁気異方性によるコギングトルクを相殺する。

ティース位置又は極位置での各位相αを結ぶことで、角度θとコギングトルクの位相αとの直線関係を求め、この直線関係において、各コアの位相αの位相差を１８０度とする機械角θを求める。
この機械角θが、圧延方向に対してコギングトルクの位相差が互いに１８０度となる圧延方向の角度となる。

この機械角θを圧延方向とするコアを同数枚用意し、これらのコアを積層することでモータの積層コアを形成する。
コアを積層する際には、角度θの圧延方向のコアの積層コアの全積層長に対する割合をｔとしたとき、角度θとコギングトルクの位相αとの直線関係において、各角度θに相当する各位相αにそれぞれの割合ｔを乗じた位相の総和Σαｔが９０度の奇数倍の角度を中心とする所定範囲となるように設定する。所定範囲は、−４５度から４５度の範囲の中から設定する。

積層コアは圧延方向を異にする２種類のコアを備え、各コアの積層長に対する割合ｔはそれぞれ０．５とする。
また、コギングトルクに含まれる基本波長成分及び高調波成分の各波長成分に対した圧延方向を設定したコアを積層する。圧延方向を回す角度は、他の手段によりコアをずらした角度分差し引いた角度とする。
また、ロータにおいても同様で、極の形状に磁束が拘束され、ステータと同様のコギングトルクが発生する。

本発明のモータ製造装置は、前記した本発明のコアを作成してモータを製造するものであり、このモータ製造装置の態様の第１の形態は、積層コアを備えたモータを製造するモータ製造装置であって、打ち抜き用金型に対して電磁鋼板の圧延材を所定角度回転させて打ち抜く打ち抜き手段を備え、この打ち抜き手段は圧延方向を異にする複数のコアを形成する。

モータ製造装置の第２の形態は、積層コアを備えたモータを製造するモータ製造装置であって、電磁鋼板の圧延材に対して打ち抜き用金型を所定角度回転させて打ち抜く打ち抜き手段を備え、この打ち抜き手段は圧延方向を異にする複数のコアを形成する。
上記の形態において、打ち抜き用金型は順送金型とすることができる。
この順送金型は、コアを打ち抜く複数のステーションを備えた構成とし、ステーションは、電磁鋼板の圧延材に対して所定角度回転させた打ち抜き用金型を備える。

上記第１〜３の各形態において、モータ製造装置は前記した本発明のコアを作成する。
モータはこのコアを積層することにより製造される。
また、本発明のモータの製造装置において、打ち抜き用金型を順送金型とし、前記の所定角度ずらした金型を用いる複数のステーション、及び前記所定角度によらない金型を用いる共通のステーションを備える構成や、ロッド位置及び／又は外形を異にする２種類のコアを打ち抜きステーションの間に打ち抜いたコアを回すステーションを備える構成とする。

順送金型においては１枚のコアを打ち抜いた後、数枚のコアをひとつにまとめてブロック状に積層する際、所定の角度、型を回転させたステーションを付け加える必要があり、従来の方法ではステーションの数が倍必要となって、順送金型の全長が長くなり、現行のプレス機でコアを打てなくなるが、上記構成の共通のステーションによりステーションの数を減らすものである。

例えば、１回転当たり形状的に繰り返し性の高い形状であるステータ内径は円形であるため任意の角度で回転させても形状に変化はなく繰り返し性が高いといえ、スロットは通常スロット数が大きく繰り返し性が高いため、打ち抜くステーションステータにおいて共通のステーションとすることができる。なお、追加のステーションが必要なのは、かしめ、ロッド、外形を抜くステーションであるが、外形が円弧の場合はステーションを共通にすることができる。また、コアを回すステーションを設けることにより、コアを所定角度逆方向にずらして通常のコアと所定の角度回転させたコアのロッド位置や外形を整列し揃える。

また、磁気異方性が現れるのは電磁鋼板の結晶の方位が原因である。通常は、結晶の方位の主方向（磁化容易方位）は圧延方向と一致する。その結晶の方位を所定の角度回転させることにより製造された電磁鋼板と回転させていない電磁鋼板を組み合わせることにより、型は共通で使用でき、磁気異方性が原因のコギングトルクをなくすことができる。また、その所定の角度は従来の半分の角度とし、表のコアとそれを裏返したコアを足し合わせることにより、所定の角度ずれたコアを足し合わせることになり、所定角度の角度ずれを形成する。

ロータまたはステータの形状を圧延方向に対して、所定の角度の半分ずらした型を作成し、その型で製造したコアとそれを裏返したコアを組み合わせる。両者の角度差は所定の角度となる。この場合、ステーションの数は従来と同じになり、ステーションの数を増やすことなく磁気異方性対策を行うことができる。ステーションの数が増えると型の全長が長くなるため従来のプレス機では対応できなくなる可能性があったが、この場合はステーションの数が同じですむので問題もなく、非常に効果的である。

ロータまたはステータの形状を型で打つにあたって、電磁鋼板を圧延方向に対して、所定の角度の半分ずらして挿入してコアを打ち、これにより製造したコアとそれを裏返したコアを組み合わせ、両者の角度差を所定の角度とする。この場合、ステーションの数は従来と同じになり、ステーションの数を増やすことなく磁気異方性対策を行うことができる。ステーションの数が増えると型の全長が長くなるため従来のプレス機では対応できなくなる可能性があったが、この場合はステーションの数が同じですむので問題もなく、非常に効果的である。

本発明によれば、モータにおいて、ステータのティースによるコギングトルクを低減することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図を参照しながら詳細に説明する。
図１１はモータの一構成例を説明するための図である。図１１において、モータはロータ１とステータ２を備え、電磁鋼板から成るコアを積層した積層材により形成される。

ロータ１は、複数のロータコア１ａを積層して構成される。各ロータコア１ａには、中心にモータの回転軸となるシャフト３を通すための開口部が形成され、モータの極数に応じた個数の磁石用穴１ｂが周方向に等角度で配置され、この磁石用穴１ｂ内に永久磁石が埋設されている。また、ロータコア１ａには、積層して固定するためのかしめ１ｅが形成されている。

ステータ２は、複数のステータコア２ａを積層して構成される。各ステータコア２ａには、中心にロータ１を配置するための開口部が形成され、コイルを巻回するための複数のティース２ｅ、スロット２ｆが周方向に等角度で配置されている。また、ステータコア２ａには、積層して固定するためのかしめ２ｃが形成されている。また、ステータを固定するためのステータ固定用穴２ｄを備える。図１１は、８極２４スロットのモータ例を示し、ロータ１は等角度に８個の極を備え、各極部分には永久磁石が配置されている。ステータ２は等角度に２４個のスロットを備えている。

各ロータコア１ａ及びステータコア２ａは、前記図１に示すように、圧延された電磁鋼板（フープ材）４を打ち抜くことにより形成される。

前記図７に示したように、圧延方向とティースの方向が一致する角度での位相と圧延方向との関係について見ると、コギングトルクの位相は、１ティースに相当する機械角（ここでは１１．２５度＝３６０度／３２）の範囲内で０度から３６０度まで変化する。図中の点は、ティース位置において圧延方向とティースの方向が一致する角度での位相を表している。これらの圧延方向とティースの方向が一致する点を結ぶと直線状に並ぶ。図１２は圧延方向の角度とコギングトルクの位相関係を示す図であり、前記した圧延方向とスロットの方向が一致する各点を結ぶことにより前記位相関係を表す直線（図中の破線）が得られる。

図１２は横軸に圧延方向の角度（機械角）を示し、縦軸にコギングトルクの位相（度）を示しており、直線の位相関係から、ある圧延方向角度におけるコギングトルクの位相を求めることができる。例えば、圧延方向の角度が０度である位置におけるコギングトルクの位相は３６０度であり、圧延方向の角度が９０度である位置におけるコギングトルクの位相は０度である。この間のコギングトルクの位相は、圧延方向の角度に従ってほぼ直線的に変化する。

スロット数又は極数をｓとし、磁気異方性により１回転当たり（ｍｓ）回のコギングトルクが発生（ｍは自然数）したとき、スロット位置あるいは極位置でのコギングトルクの位相αは、図７の関係から求めることができ、前記したように、
位相α＝（３６０ｎ／ｓ）mod（３６０／ｍｓ）×（ｍ×ｓ） …（１）
の式で表すことができる。上記式（１）において、（３６０ｎ／ｓ）はティースの角度値を示し、（３６０／（ｍ×ｓ））はコギングトルクの１周期分の角度値を示している。そして、上記式は、スロットの角度値（３６０ｎ／ｓ）を分子としコギングトルクの１周期分の角度値（３６０／（ｍ×ｓ））を分母とする除算の剰余に（ｍ×ｓ）を乗じる演算である。

なお、１回転当たりのコギングトルクの回数（ｍ×ｓ）は、スロット数、極数の高調波（倍数）である。この内、スロット数の高調波の場合には極数に近い数であり、極数の高調波の場合にはスロット数に近い数である。

ティースの角度は３６０／（ｎ×ｓ）で表すことができる。なお、ｎは整数で０からスロット数までとることができる。ティースの角度は、圧延方向をθ回す回転角度に相当しており、図１２の直線は、図７の点列を結ぶα＝ａ×θ＋ｂの直線の式によって表すことができる。

したがって、上記位相αの式から、機械角θは、コアが有するスロット又は極の個数をsとし、ｍを自然数とするとき、磁気異方性により発生するｍs回のコギングトルクのティース位置又は極位置での位相αの位相差が１８０度となる角度である。
表２は、１回転当たり３２回のコギングトルクの場合において、ティースの角度における上記演算式中のmodの算出値と、位相αを表している。

前記したように、互いに１８０度の位相差があるコギングトルクを足し合わせることによってコギングトルクを相殺することができる。この関係を図１２の直線で表される位相関係に適用すると、直線上において互いの位相差が１８０度となるような圧延方向の角度差を与えることで、コギングトルクを相殺することができる。

したがって、図１２の直線上において位相差が互いに１８０度となる圧延方向の角度を求め、これらの関係を満たす圧延方向のコアを組み合わせてそれぞれ同数枚積層することによって、スロットによるコギングトルクを相殺して低減することができる。

例えば、二つのコアを積層する場合、一方にコアの圧延方向を０度としたときそのコアのコギングトルクの位相は３６０度であるから、このコギングトルクを相殺するには、０度の位相を持つコアと１８０度の位相を持つコアを積層すればよい。この１８０度の位相を持つコアの圧延方向は、図１２の直線上において、コギングトルクの位相が１８０度となる圧延方向の角度を求めることで得ることができる。

図１２において、コギングトルクが１８０度の位相に対応する圧延方向の角度は４５度である。したがって、圧延方向の角度（機械角）が０度のコアと、圧延方向が４５度の角度（機械角）のコアを積層することで、スロットによるコギングトルクを低減することができる。

図１３は、コギングトルクの位相差が１８０度の関係となる圧延方向の角度を有するコアを用いることによるコギングトルクの相殺を説明するための図である。図１３（ａ）及び図１３（ｂ）は、上記例において、圧延方向の角度が０度（図１３（ａ））の場合のコアと４５度（図１３（ｂ））の場合のコアを表している。これらのコアのコギングトルクの位相は互いに１８０度の位相差となるため、図１３（ｃ）に示すように、両コアを積層することでコギングトルクを足し合わせると、コギングトルクは相殺される（図１３（ｃ）中の太い実線で示す）。

また、二つのコアを積層する場合、一方にコアの圧延方向を１０度としたときそのコアのコギングトルクの位相は３２０度であるから、このコギングトルクを相殺するには、１４０度の位相を持つコアを積層すればよい。このコアの圧延方向は、図１２の直線上において、コギングトルクの位相が１４０度となる圧延方向の角度を求めることで得ることができる。

図１２において、コギングトルクが１４０度の位相に対応する圧延方向の角度は５５度である。したがって、圧延方向の角度（機械角）が０度のコアと、圧延方向が５５度の角度（機械角）のコアを積層することで、ティースによるコギングトルクを低減することができる。

位相差γを持つコギングトルクの足し合わせによるコギングトルクの低減は、
sinα＋sin（α+β）＝（sin（α+β）×cos（β））／２ …（２）
から位相βが０度あるいは１８０度であるときに最も小さくなり零となるが、必ずしも位相βが０度あるいは１８０度でなくとも、（cos（β））／２の絶対値は常に１以下となるため、コギングトルクは低減する。

図１４はこのコギングトルクの低減を説明するための図である。図１４（ａ）はある圧延方向を持つコアのコギングトルクを示している。このコギングトルクに対して、図１４（ｂ）に示すように、１８０度の位相差を持つコギングトルク（破線で示す）を足し合わせることでコギングトルクを相殺することができる（太い実線で示す）。

一般に１８０度の位相は９０度の奇数倍で表すことができる。また、複数のコアを積層した場合、積層したコアの位相は同じ位相を持つコアの積層長の割合によって定まりΣαｔで表すことができる。例えば、位相α１のコアと位相α２の二種類のコアを複数枚積層して一つのロータあるいはステータを構成する場合には、位相α１のコアの全積層長に対する割合をｔ１とし、位相α２のコアの全積層長に対する割合をｔ２としたとき、積層したコアの位相は（α１×ｔ１）＋（α２×ｔ２）で表される。

これにより、コギングトルクを相殺するに用いるコギングトルクの位相を複数のコアを積層して構成する場合には、その位相はΣαｔで表すことができ、以下の位相範囲とすることができる。
９０度×奇数倍−β≦Σαｔ≦９０度×奇数倍＋β …（３）
図１４（ｃ）中の斜線範囲はこの位相範囲を表している。Σαｔとして９０度×奇数倍の位相を用いた場合にはコギングトルクは相殺されて零となる。

例えば１回転当たり３２回のコギングトルクが発生する場合には、圧延方向の角度が０度のコアと、圧延方向の角度が４５度のコアを同数枚積層すると、圧延方向の角度が０度の位相αは０度であり、圧延方向の角度が４５度の位相αは１８０度であり、それぞれ同数枚とすることでｔ＝０．５であるため、
Σαｔ＝０度×０．５＋１８０度×０．５＝９０度
となり、前記式においてβ＝０とした場合に相当する。

図１５は、このコアの組み合わせを示している。図１５において、圧延方向の角度が０度で位相α＝０度のコア（図１５（ａ））と、圧延方向の角度が４５度で位相α＝１８０度のコア（図１５（ｂ））をそれぞれ全積層長に対する割合ｔ１，ｔ２に相当する枚数分積層して構成する。

また、±βの位相ずれを含む場合には、コギングトルクは零とならないものの（cos（β））／２の大きさに低減される。例えば、β＝４５度の場合には、足し合わせることでコギングトルクは３０％程度削減される（図１４（ｄ））。また、例えばβ＝２０度の場合には、足し合わせることでコギングトルクはさらに削減することができる（図１４（ｅ））。
なお、ここでは、積層するコアの種類を２種類としているが、２種類に限らず多種類とすることもできる。

次に、コア素材から打ち抜きによるコアの作成態様について説明する。
本発明は、打ち抜き手段により圧延方向を異にする複数のコアを形成する。
圧延方向を異にしてコアを作成する第１の態様は、打ち抜き用金型に対してコア素材である電磁鋼板の圧延材を所定角度回転させて打ち抜く。モータ製造装置は、型内の送り機構によりコア素材を回転させ、打ち抜き用金型により圧延方向を所定角度ずらしたコアを形成する。

図１６は、このコアの作成の第１の態様を説明するための図である。図１６（ａ）において、コア素材の圧延方向を打ち抜き用金型に対して所定方向（所定角度）に合わせた後、打ち抜き用金型でコアを打ち抜く。図１６（ａ）において、（ａ２）中の５Ａは打ち抜き用金型を表している。打ち抜き用金型５Ａによりロータコア１ａを打ち抜いた後、図１６（ｂ）において、型内の送り機構によりコア素材を所定角度回転させ、圧延方向が揃わないようにして打ち抜き用金型でコアを打ち抜く。図１６（ｂ）において、（ｂ２）中の打ち抜き用金型５Ａ′は、打ち抜き用金型５Ａと同一の型である。モータ製造装置は、送り機構内にコア素材を所定角度回転させて打ち抜く打ち抜き手段を備える。

圧延方向を異にしてコアを作成する第２の態様は、コア素材である電磁鋼板の圧延材に対して打ち抜き用金型を所定角度回転させて打ち抜く。モータ製造装置は、型内の送り機構により打ち抜き用金型を回転させ、打ち抜き用金型により圧延方向を所定角度ずらしたコアを形成する。

図１７は、このコアの作成の第２の態様を説明するための図である。図１７（ａ）において、コア素材の圧延方向に対して打ち抜き用金型を所定方向（所定角度）に合わせた後、打ち抜き用金型でコアを打ち抜く。図１７（ａ）において、（ａ２）中の５Ａは打ち抜き用金型を表している。打ち抜き用金型５Ａによりロータコア１ａを打ち抜いた後、図１７（ｂ）において、型内の送り機構により打ち抜き用金型を所定角度回転させ、圧延方向が揃わないようにして打ち抜き用金型でコアを打ち抜く。図１７（ｂ）において、（ｂ２）中の打ち抜き用金型５Ａ′は、打ち抜き用金型５Ａと同一の型である。モータ製造装置は、送り機構内に金型を所定角度回転させて打ち抜く打ち抜き手段を備える。

圧延方向を異にしてコアを作成する第３の態様は、コア素材である電磁鋼板の圧延材に対して角度を異にする打ち抜き用金型を複数用意し、これら複数の金型により角度を異にするコアを打ち抜く。モータ製造装置は、圧延材に対して角度を異にする打ち抜き用金型を複数備える。

図１８は、このコアの作成の第３の態様を説明するための図である。図１８（ａ）において、コア素材の圧延方向に対して打ち抜き用金型を所定方向（所定角度）に合わせた後、打ち抜き用金型でコアを打ち抜く。図１８（ａ），（ｂ）において、（ａ２），（ｂ２）中の５Ａ及び５Ｂは打ち抜き用金型を表している。打ち抜き用金型５Ａ及び５Ｂは、それぞれロータコア１ａを打ち抜き、圧延方向に対して所定角度分だけずれたロータコア１ａを形成する。
また、コアの作成において、所定角度分の半分の角度だけずらして形成したコアを組み合わせる構成とすることもできる。

図１９は、この所定角度分の半分の角度ずれを有するコアを作成する第１の態様であり、ロータまたはステータの形状を圧延方向に対して、所定の角度の半分ずらした型を作成し、その型で製造したコアとそれを裏返したコアを組み合わせる例である。

図１９において、コア素材の圧延方向に対して所定角度分の半分の角度だけずらした打ち抜き用金型を備える。この打ち抜き用金型に対してコア素材を挿入してコアを打ち抜く。図１９において５Ａは打ち抜き用金型を表しており、所定角度分の半分の角度だけずらして形成され、打ち抜かれたロータコア１ａは、圧延方向に対して所定角度分の半分の角度だけずれる。

この積層コアの作成において、複数のコアの一方を反転させて裏返して組み合わせる。これにより、積層されたコアの角度ずれ分は所定角度分となる。
また、図２０は、この所定角度分の半分の角度ずれを有するコアを作成する第２の態様であり、型あるいはコア素材を圧延方向に対して所定角度分の半分の角度だけずらして打ち抜きを行い、これにより製造されたコアとそれを裏返したコアを組み合わせる。

図２０において、コア素材の圧延方向に対してコア素材４ａを所定角度分の半分の角度だけずらしてコアの打ち抜きを行う。図２０において５Ａは打ち抜き用金型を表しており、コア素材４ａを圧延方向に対して角度をずらして挿入させてコアの打ち抜きを行う。打ち抜かれたロータコア１ａは、圧延方向に対して所定角度分の半分の角度だけずれる。
この積層コアの作成において、複数のコアの一方を反転させて裏返して組み合わせる。これにより、積層されたコアの角度ずれ分は所定角度分となる。

次に、順送金型によるロータコアとステータコアの打ち抜きについて説明する。順送金型は、打ち抜き用の素材であるフープ材の進行方向に対して複数のステーションを設け、各ステーションにおいて金型により打ち抜きを行う。図２１は従来の順送金型によるロータコアとステータコアの打ち抜きを説明する図である。

図２１において、１番目のステーションＡにはロータコアを打ち抜くための金型を配置し、２番目のステーションＢにはステータコアを打ち抜くための金型を配置する。この順送金型により、１番目のステーションＡでロータコアを打ち抜き、２番目のステーションＢでステータコアを打ち抜くことで、ロータコアとステータコアが順に作成される。型全体でみると、１回の打ち抜きで同時に１枚のロータコアとステータコアが作成されることになる。これにより、ロータコアとステータコアを別々に打ち抜く場合より、単位時間当たりのコアの作成数は２倍となる。なお、電磁鋼板のフープ材４にはパイロット穴６が設けられ、位置合わせに用いることができる。

なお、上記説明では、一つのステーションでロータコア及びステータコアを作成するとしているが、コアの各部分毎にステーションを設けて複数のステーションを構成することもできる。例えば、ロータコアでは、シャフト穴打ち抜きの工程で１ステーションを構成し、磁石穴打ち抜きの工程で１ステーションを構成し、ロータ外形打ち抜きの工程で１ステーションを構成する。また、ステータコアでは、ステータ内径打ち抜きの工程で１ステーションを構成し、スロット打ち抜きの工程で１ステーションを構成し、ステータ固定穴打ち抜きの工程で１ステーションを構成し、ステータ外形打ち抜きの工程で１ステーションを構成する。
以下、本発明を上記した順送金型に適用した例について説明する。

図２２は順送金型の適用例を説明するための図である。この適用例では、電磁鋼板のフープ材４の移動方向に沿って３つのステーションＡ，Ｂ，Ｃが設けられる。１番目のステーションＡには０°回転のロータコアを打ち抜く金型が設けられ、２番目のステーションＢにはα回転したロータコアを打ち抜く金型が設けられ、３番目のステーションＣにはステータコアを打ち抜く金型が設けられる。

フープ材４は順送金型に対してステーション幅間隔で送られ挿入される。順送金型による打ち抜きは、２つの段階により行われる。第１の段階では、１番目のステーションＡにおいて０°回転のロータコアを打ち抜き、２番目のステーションＢではロータコアの打ち抜きを行わず、３番目のステーションＣにおいてステータコアを打ち抜く。これにより、０°回転のロータコアとステータコアが作成される。

第２の段階では、１番目のステーションＡではロータコアの打ち抜きを行わず、２番目のステーションＢにおいてα回転したロータコアを打ち抜き、３番目のステーションＣにおいてステータコアを打ち抜く。これにより、α回転のロータコアとステータコアが作成される。なお、第１の段階及び第２の段階において、いずれのステーションにおいて打ち抜き動作を行うか行わないかは、図示しない制御装置により制御することができる。

上記の順送金型により、フープ材の圧延方向に対して０°回転のロータコアとα回転のロータコアとステータコアが順に作成される。作成されたロータコアを整列させて積層させ、またステータコアを積層させることによりモータのコアを作成することができる。

上記した順送金型の適用例によれば、型のステーション数は増加するが、単位時間当たりのコア作成数は従来と同等とすることができ、生産性を維持したままで圧延方向に対して異なる角度のロータコアを作成することができる。

上記した角度は、回転で発生するコギングトルクについての複数の回数成分に対応するための角度幅の他に、実際の磁気特性の分布から、式上で定まる角度に対して多少の角度の広がりを含む角度であっても所定の低減効果を奏することができる角度幅を含むものである。
したがって、本発明の積層コアの回転角度は、前記式で定まる角度に、所定のコギングトルクの低減効果を奏することができる多少の角度範囲を含むものである。

また、磁気異方性の要因として電磁鋼板の結晶の方位がある。上述した本発明の各構成は、この電磁鋼板の結晶の方位により生じる磁気異方性の低減にも適応することができる。例えば、結晶の方位を所定の角度回転させることにより製造された電磁鋼板と、回転させていない電磁鋼板を組み合わせることにより、共通の型を使用して電磁鋼板の結晶の方位による磁気異方性が原因のコギングトルクを低減させる他、所定角度又はその半分の角度分だけずらした打ち抜き型を用いたり、打ち抜き型やコア素材を所定角度又はその半分の角度分だけ角度ずれさせて打ち抜きを行い、作成されたコアを重ね合わせることにより結晶の方位による磁気異方性を低減させコギングトルクを低減させることができる。

順送金型によりコアを作成する場合において、磁気異方性が原因のコギングトルクを低減する為に所定角度分だけ型を回転させるには、通常は倍の個数のステーションが必要になる。ステーションの個数の増加は、順送金型の全長が長くなり、一般的なプレス機ではコアを打つことができない。そこで、型の回転が不要なステーションについては共通にしてステーションの数を減らすことができる。

また、順送金型においては１枚のコアを打ち抜いた後、数枚のコアをひとつにまとめてブロック状になるように積層する。このままでは通常のコアと所定の角度回転させたコアとで外形形状が揃ったコアができてこないため、ロッド位置または外形を揃えるためにコアを回すステーションも追加する。なお、その角度は上記の角度で向きは逆である。１つの形状に対して２種類のステーションを備える場合、そこで打ち抜いたコアを回し、整列、積層するステーションを備える。
また、図２３に示すように、順送金型によりコアを作成する場合において、磁気異方性が原因のコギングトルクを低減させる為に所定角度の半分だけ型を回転させ、コアを作成する。そのコアを表と裏で重ね合わせれば、磁気異方性によるコギングトルクを低減させることができる。この場合、従来と順送金型のステーション数は同じで、型の全長も同等になり、従来のプレス機でもコアを打つことができる。

本発明の技術は、モータや発電機等の回転電機に適用することができる。

電磁鋼板（フープ材）の圧延方向を説明するための図である。 ロータの構成例を示す図である。 コギングトルクの低減を説明するための図である。 圧延方向、ティースの向き、及び磁束方向の関係を説明するための図である。 ティースがコギングトルクの与える影響を説明するためのコギングトルク波形図である。 コギングトルクの位相と圧延方向との関係を示す図である。 圧延方向とティースの方向が一致する角度での位相と圧延方向との関係を示す図である。 圧延方向をｘ軸方向に向けて配置した場合を示す図である。 圧延方向を２０度回転させてステータが備える１スロットの向きに合わせた場合を示す図である。 圧延方向をｘ軸方向に向けて配置して、ロータを−２０度回転させた場合を示した例である。 ８極２４スロットのモータ例を示すステータ図である。 圧延方向の角度とコギングトルクの位相関係を示す図である。 コギングトルクの相殺を説明するための図である。 コギングトルクの低減を説明するための図である。 コアの組み合わせを説明するための図である。 圧延方向を異にしてコアを作成する第１の態様を説明するための図である。 圧延方向を異にしてコアを作成する第２の態様を説明するための図である。 圧延方向を異にしてコアを作成する第３の態様を説明するための図である。 所定角度分の半分の角度ずれを有するコアを作成する第１の態様を説明するための図である。 所定角度分の半分の角度ずれを有するコアを作成する第２の態様を説明するための図である。 従来の順送金型によるロータコアとステータコアの打ち抜きを説明するための図である。 順送金型の適用例を説明するための図である。 順送金型の適用例（ステータを所定角度の半分回した）を説明するための図である。

符号の説明

１ ロータ
１ａ ロータコア
１ｂ 磁石用穴
１ｃ シャフト用穴
１ｄ 磁石用穴
１ｅ かしめ
２ ステータ
２ａ ステータコア
２ｃ かしめ
２ｄ ステータ固定用穴
２ｅ ティース
２ｆ スロット
３ シャフト
４ 電磁鋼板（フープ材）
４ａ コア素材
５ 型
６ パイロット穴
１０ 圧延方向
１１ ティース方向
１２ 磁束方向

Claims (16)

1. 電磁鋼板の圧延材からなる複数のコアを積層して形成される積層コアを備えるモータであって、
   前記コアは、コアの圧延方向がスロット数及び／又は極数により定まる機械角だけ異なり、
   前記機械角は、モータのスロット数及び／又は極数により定まる各コアの磁気異方性により発生するコギングトルクの位相差が互いに１８０度となる角度であることを特徴とするモータ。
2. 電磁鋼板の圧延材からなる複数のコアを積層して形成される積層コアを備えるモータであって、
   前記コアの圧延方向を機械角θだけ回転させて積層させ、
   前記機械角θは、
   前記コアが有するスロット又は極の個数をsとし、ｍ、nを自然数とするとき、磁気異方性により発生するｍs回のコギングトルクの位相αの位相差が１８０度となる角度であり、
   前記各位相αは、
   （３６０ｎ／ｓ）mod（３６０／ｍｓ）×ｍｓ
   で表されるスロットの角度値（３６０ｎ／ｓ）を分子としコギングトルクの半周期分の角度値（３６０／ｍｓ）を分母とする除算の剰余に（ｍｓ）を乗じた値であり、
   スロット位置又は極位置での各位相αを結んで得られる、角度θとコギングトルクの位相αとのほぼ直線関係において、各コアの位相αの位相差を１８０度とする機械角θを圧延方向とするコアを同数枚積層することを特徴とするモータ。
3. 角度θの圧延方向のコアの積層コアの全積層長に対する割合をｔとしたとき、角度θとコギングトルクの位相αとの直線関係において、前記各角度θに相当する各位相αにそれぞれの割合ｔを乗じた位相の総和Σαｔが９０度の奇数倍の角度を中心とする所定範囲であることを特徴とする請求項２に記載のモータ。
4. 前記自然数ｍは、個数ｓのスロットまたは極による磁気異方性によるコギングトルクの回数ｍｓがモータの極数またはスロット数と近い値となる数とし、
   互いのコアの磁気異方性によるコギングトルクを相殺することを特徴とする請求項２又は３に記載のモータ。
5. 前記所定範囲は、−４５度から４５度の範囲であることを特徴とする請求項３又は４に記載のモータ。
6. 前記積層コアは圧延方向を異にする２種類のコアを備え、
   前記各コアの積層長に対する割合ｔはそれぞれ０．５であることを特徴とする請求項３乃至５の何れかに記載のモータ。
7. 前記コギングトルクが含む基本波長成分及び高調波成分の各波長成分に対して前記圧延方向を設定したコアを積層することを特徴とする請求項１乃至６の何れかに記載のモータ。
8. 前記圧延方向を回す角度は、他の手段によりコアをずらした角度分差し引いた角度であることを特徴とする、請求項１乃至７に記載のモータ。
9. 積層コアを備えたモータを製造するモータ製造装置において、
   打ち抜き用金型に対して電磁鋼板の圧延材、又は打ち抜き用金型を所定角度回転させて打ち抜く打ち抜き手段を備え、
   当該打ち抜き手段は、前記所定の基準角度に対して圧延方向を異にする前記請求項１乃至８に記載のモータが備える複数のコアを形成することを特徴とする、モータ製造装置。
10. 前記打ち抜き用金型は順送金型であり、
    前記所定角度ずらした金型を用いる複数のステーション、及び／又は前記所定角度によらない金型を用いる共通のステーションを備えることを特徴とする、請求項９に記載のモータ製造装置。
11. 前記順送金型は、１回転当たり繰り返し数の比較的小さい形状に対して２種類のコアを打ち抜くステーションを備え、１回転当たり繰り返し数の比較的大きい形状に対して１種類のコアを打ち抜くステーションを備えることを特徴とする請求項９に記載のモータ製造装置。
12. １つの形状に対して２種類のステーションを備える場合、そこで打ち抜いたコアを回し、整列、積層するステーションを備えることを特徴とする請求項９乃至１１の何れかに記載のモータ製造装置。
13. 前記請求項９に記載の所定角度だけ結晶の方位を異にする電磁鋼板を用いてコアを形成することを特徴とするモータ製造装置。
14. 圧延方向を基準として前記請求項９に記載の所定角度の半分の角度だけ結晶の方位をずらした電磁鋼板を用いて形成したコアを用い、
    一方のコアを裏返して積層することにより互いの結晶の方位の角度差を所定角度とすることを特徴とするモータ製造装置。
15. 圧延方向を基準として前記請求項９に記載の所定角度の半分の角度ずらした型または順送金型を用いてコアを形成し、
    一方のコアを裏返して積層することにより互いの角度差を前記所定角度とすることを特徴とするモータ製造装置。
16. 圧延方向を基準として電磁鋼板を前記請求項９に記載の所定角度の半分の角度をずらして型又は順送金型に挿入し、
    前記型又は順送金型により形成されたコアの内、一方のコアを裏返して積層することにより互いの角度差を所定角度とすることを特徴とするモータ製造装置。
    

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