JP2007159400A - ユニバーサルモータ及びその固定子用ラミネーション - Google Patents

Abstract

【課題】ユニバーサルモータの固定子コアのためのラミネーションを提供する。
【解決手段】ユニバーサルモータの固定子のためのラミネーション１０は、２つの極１２と、これら２つの極を一緒に接合するリングの形態の磁束戻り路とを有する。各極１２は、極面１６を有し、それらの間に、回転子を受け入れるための回転子空間２０を画成し、又、各極１２は、固定子界磁巻線を受け入れるためのネック部分を有する。リング１４の巾Ａ、極１２の長さＢ、極面１６間の半径方向距離Ｃ、及びネック部分１８の巾Ｄは、改善された電力出力及び出力トルクを達成するための式に基づいて選択される。
【選択図】図１

Description

本発明は、ユニバーサルモータに係り、より詳細には、ユニバーサルモータの固定子コアのためのラミネーションに係る。

今日の機器は、小型で、軽量で及び／又はよりパワフルであることが要望される。このような要望は、これらの機器を駆動するモータにも同様の要求を課する。電動工具、台所用品及び電気掃除機のような家庭用機器を付勢するのに使用されるモータの１つの共通の形式は、小型のユニバーサルモータである。通常、このようなモータは、８０００から１８０００ｒｐｍで動作し、電気掃除機のモータは、３８０００ｒｐｍまでの速度に達する。今日の機器は、軽量及び／又は小型で、高いアンペア定格及び優れた過負荷容量をもつユニバーサルモータを必要とする。

直列接続されるユニバーサルモータの場合に、直接軸の磁束は、界磁(field)／電機子の電流に比例する。直接軸の磁束は、界磁巻線により形成される固定子極と電機子との間のエアギャップ磁束分布である。この磁束は、界磁軸又は直接軸として知られている界磁極の中心線の周りで一般的に対称的である。従って、モータ電流密度は、固定子巻線に対する空間が不充分である場合には非常に高くなる。重量と巻線空間のバランスは、制限されたモータフレームサイズ内で固定子巻線に対して合理的な磁束密度分布及び充分な空間（スロット空間）を与えるようにラミネーションの設計を最適化することにより、達成することができる。

ユニバーサルモータは、「フレームサイズ」として知られているモータの固定子の外部サイズに基づいて定格付けされる。所与のフレームのモータのパワーを高めるためには、モータの外部サイズを同じに保持する必要があり、さもなければ、取り付けの問題が生じる。しかしながら、制限された又は所与のフレームサイズ内で、ラミネーションの実際の形状を変更して、幾つかの動作特性を改善し及び／又はモータの重量を変化させることができる。固定子コアはモータの重量に著しく貢献するので、固定子コア重量が変化すると、モータの重量に直接的に影響する。もちろん、固定子巻線の重量も問題である。

小型ユニバーサルモータの希望の速度及びトルクを得るためには、界磁極に沿った寸法が重要となる。固定子の全寸法、即ちフレームサイズが制限されるので、界磁極を通過して励起磁界として働く有効磁束により磁気トルクが決定される。それ故、固定子ラミネーションの寸法は、界磁巻線に対して充分な空間を与えながら、有効磁束を最大にするように設計されねばならない。

磁束分布は、首尾良い整流の範囲に直接影響するので重要である。ブラシが中性位置にないか、又は整流子のセグメントに接続された磁石ワイヤが適切な角度でシフトされない場合には、電機子の起磁力がクロス磁化を生じさせるだけでなく、直接軸磁化も生じさせ、これは、不均一な磁界線を招く。これは、極のネック部分が狭過ぎる場合に起きることであるが固定子極が飽和した場合に、かなり悪化する。界磁巻線は、固定子極のネック部分の周りに配置されると共に、固定子リング及び極により画成又は制限される固定子スロットに配置される。極のネック部分のサイズは、固定子スロットのサイズとの直接的な兼ね合いとなり、スロットが大きいほど、受け容れられる界磁巻線の最大巻回数が大きくなる。又、ネック部分が小さいほど、同じ巻回数を巻くのに使用される界磁巻線の全長が短くなり、重量及びコストを減少させる。

従って、本発明は、その１つの態様において、ユニバーサルモータの固定子のためのラミネーションであって、該ラミネーションは、２つの極と、これら２つの極を接合し且つ固定子コアの外径を定義するリングの形態の磁束戻り路とを有し、各極は、極面を有し、それらの間に、回転子を受け入れるための内径を有する回転子空間を画成し、又、各極は、その極をリングに接続するネック部分を有し、前記リング及び極は、前記回転子空間に干渉せずに、固定子巻線を前記極の周りに配置させるための空間を画成し、更に、極界面におけるリングの巾をＡとし、極面からリングまでの極の長さをＢとし、内径の長さを２Ｃとし、そして極のネック部分の巾をＤとすれば、
Ｂ＝Ｋ₁＊Ａ 但し、Ｋ₁は、0.65 1.0の範囲、
Ｃ＝（Ｋ₂＊Ａ）＊（Ａ＋Ｂ）／Ｂ 但し、Ｋ₂は、1.7 2.05の範囲、
Ｄ＝Ｋ₃＊Ａ＊Ｃ／Ｂ 但し、Ｋ₃は、0.72 0.747の範囲、
であるようにしたラミネーションを提供する。

好ましくは、リングの巾は、実質的に均一である。

好ましくは、ラミネーションは、極のネック部分にホールを有し、又、Ｄは、ネック部分の巾より、ネック部分の巾方向に測定したホールの巾だけ短いものに等しい。

好ましくは、ラミネーションは、冷間圧延鋼板又は珪素鋼板から型抜きされる。

又、本発明は、その第２の態様によれば、上述したラミネーションを含むラミネート型固定子コアを有するユニバーサルモータを提供する。

好ましくは、界磁巻線と電機子巻線が電気的に直列に接続される。

以下、添付図面を参照して、本発明の１つの好ましい実施形態を一例として詳細に説明する。

図１は、ユニバーサルモータのラミネート型固定子に使用するためのラミネーション１０を示す。このラミネーション１０は、２つの極１２を有し、これらは、リング１４（ヨークとしても知られている）の形態の磁束戻り路により一緒に接続される。各極は、弓形の極面１６と、リングに接続する狭い部分即ちネック部分１８とを有する。極面は、互いに向かって延びて、それらの間に、回転子又は電機子を受け入れるための回転子空間２０を画成する。使用に際して、リングと極との間に形成されたギャップ又はスロット２２（固定子スロット又は界磁スロットとして知られている）内でネック部分の周りに界磁巻線が配置される。極は、互いに向き合い、極軸２４として知られている仮想線に沿って延びる。

ラミネーション１０には、各極１２のネック部分１８にホール２６を任意に形成することができる。このホールの目的は、ラミネーションの重量を減少すると共に、極の冷却を助けることである。ホール２６を設けることは、設計上の選択及び動作要件に依存する。

２つの他のホール２８が、モータ及び／又はベアリング支持ブラケットを取り付けるために、対角方向に互いに対向して且つ極から等離間されてリングに任意に設けられる。同じ面積又は体積の金属を維持して磁束密度を維持するために、ホールの領域ではリングの巾が増加される。

ラミネーションの寸法Ａ−Ｅは、ポイントＰ１−Ｐ７と同様に、更に詳細に説明する。

図２において、固定子ラミネーション１０は、それに対応する電機子ラミネーション３０が配置された状態で示されている。幾つかのエリア又は領域が、以下に述べる測定位置を表わすＶからＺで示された線により表わされている。

ラミネーション１０の設計は、磁気理論を使用して以下に説明し、図１に示す部分及び寸法を参照する。

この説明において、Φ_dは、極当たりの直接軸磁束として定義される。Φ_dの半分が図１の線「Ｐ３Ｐ７」を通過し、次いで、弧「Ｐ６Ｐ７」を経て進む。ポイント「Ｐ３」は、ポイント「Ｐ７」の真上でなければならない。この場合に、磁力線は、固定子の磁束戻り路即ちリング（ヨークとしても知られている）へ直接通過する。理想的な設計は、界磁巻線に対して充分なスロット面積があるが、半分の極において磁束密度の歪を生じさせないものである。製造の目的で、先鋭なポイント「Ｐ３」は、弧「Ｐ２Ｐ４」のようにトリミングされ、「Ｐ２Ｐ４」は、ポイント「Ｐ３」に非常に近い。極に最低磁束密度を得るために、磁力線は、極のネック部分において線「Ｐ３Ｐ７」にほぼ平行でなければならない。弧「Ｐ３Ｐ５」は、磁束を線「Ｐ３Ｐ７」にほぼ垂直に通過させるように設計される。しかし、ポイント「Ｐ７」付近の線セグメントは、弧「Ｐ７Ｐ８」による曲がりと、弧「Ｐ７Ｐ８」からの磁束が搾られることとの組み合せにより、その目的に到達し得ない。従って、モータサイズが非常に大きくない場合には、セグメント「Ｐ７Ｐ９」の作用を無視することができる。従って、磁力線が通過するための線「Ｐ３Ｐ７」の有効長さは「Ｂ」となる。寸法Ａ及びＢの各断面積をＳ_A及びＳ_Bとすれば、寸法「Ａ」を通る磁束は、

であり、そして線「Ｐ３Ｐ７」に沿って

となる。従って、Ａ及びＢは、ほぼ同じ磁束密度をもたねばならないと言える。

ユニバーサルモータの電磁トルクは、次の式により評価できる。

但し、ｉ_aは、外部電機子回路の電流である。Ｃａは、スロット面積で決定される電機子巻線の合計巻回数である。電機子のスロット面積は、電機子コアのスポークの巾により制限される。というのは、スポークの磁束密度を許容レベル内に保持しなければならないからである。従って、スロット面積は、電機子面積に比例し、図１を参照すれば、これは、「Ｔ」がπＣ²に比例することを意味する。適切な磁束分布が考慮された場合には、次のようになる。
Ｔ＝ｍ₁Ｃ²Φ_d （１）
但し、ｍ₁は、電機子スロット形状に関係したファクタである。

固定子は、通常、高い電流密度を有し、これは、ヨークが一般にある程度過剰飽和されることを招くことに注意されたい。これは、軽量の製品であることが絶対的な第１プライオリティである場合には受け容れられる。換言すれば、Φ_dは、Ａに比例しなければならない。図１を参照すれば、Ａは、界磁ヨークの巾である。従って、次のようになる。
Ｔ＝ｍ₂Ｃ²Ａ （２）
但し、ｍ₂は、Ａを通る有効磁束密度に関係したファクタである。界磁極に沿ったサイズは、用途自体により制限されると仮定する。これは、次のことを意味する。
Ａ＋Ｂ＋Ｃ＝一定 （３）

式（１）及び（２）から、特定用途に対して有効磁束Φ_dを達成できるようにＡが固定されると言うことができる。有効磁束をもはや増加できないときに、より大きな出力を達成するために、Ｃを増加してもよい。式（３）から、これは、Ｂの減少を犠牲にするが、界磁極に沿った磁束密度の飽和が許されないので、制限なく減少することはできない。

このため、Ｂは、「界磁スロット」として知られている固定子スロットの形状に依存する。

図４を参照すれば、２つのラミネーション形状が示されている。図４ａは、寸法Ｄ＝１９．８ｍｍを有し、小さなＢと、大きなＣを伴う。図４ｂは、寸法Ｄ＝１６．０ｍｍを有し、Ｂ及びＣは不変である。図４ｂにおいて、界磁極及び電機子歯の両方における磁束密度は飽和に接近する。一方、図４ａでは、磁束密度分布は、大きなＤのために、低密度である。換言すれば、図１に示す寸法Ｄも重要である。というのは、磁力線が歪んだりラミネーションから漏れたりしないという条件において、「Ｄ」のエリアは、磁力線が通過するに充分な空間を与えるからである。寸法Ｄの適切な値を決定する際に、ラミネーション材料の巾だけを問題とし、従って、かなり一般的であるが、ラミネーションのネックにホールを形成する場合には、ネックを横切る方向に測定したホールの巾をネックの全巾の測定値から差し引くことによりＤの値を適宜変更しなければならないことに注意されたい。

前記分析を参照すれば、図１に関して次のように幾つかの式が見出される。
Ｂ＝Ｋ₁＊Ａ （４）
但し、ファクタＫ₁は、界磁スロットの形状に関連したもので、深いスロットは、浅いスロットに比して小さなＫ₁値を有し、「Ｃ」を増加すると、Ｋ₁は減少される。Ｋ₁は、０．６５〜１．０の範囲である。
Ｃ＝（Ｋ₂＊Ａ)＊(Ａ＋Ｂ）／Ｂ （５）
但し、Ｋ₂は、電機子サイズに比例し、Ｋ₂は、１．７〜２．０５の範囲である。実際に、寸法Ｃは、外径Ｅによっても制限され、ＣをＥの０．３０倍より増加することは推奨されない。

制限されたフレームサイズに基づいて巻線空間と有効磁束との間のバランスを得るために、次の式が与えられる。
Ｄ＝Ｋ₃＊Ａ＊Ｃ／Ｂ （６）
但し、Ｋ₃は、Ａ／Ｂの関係に依存するもので、Ａ／Ｂの結果が増加されるときに増加され、又、Ｋ₃は、０．７２〜０．７４７の範囲である。

モータの寸法及びファクタが式（４)、(５）及び（６）の制約を満足する場合には、モータの最大出力電力及びトルクが増加され、そして熱管理能力が改善される。

実験的分析
＃１で示される好ましい実施形態を含む４つのモータサンプルについて現場シミュレーション比較を行った。
モータの寸法をテーブル１に要約する。



テーブル１

固定子及び電機子の両方のラミネーションは、０．５ｍｍ厚みの冷間圧延鋼板から型抜きされる。
テスト性能データを以下のテーブル３に示す。

テーブル３

注：
− 全てのモータは、固定子ラミネーションの形状を除き同じ構成で作られる。
− テスト電圧：２３０Ｖ
− テスト周波数：５０Ｈｚ
− 整流角度：１５度
− スタック長さは、３０ｍｍである。

シミュレーションソフトウェアを使用する限定要素分析を実行して種々の位置における磁束密度を決定した。その結果が図３に示され、テーブル２に作表される一方、図２は、分析された位置を示す。

テーブル２

シミュレーション条件：シミュレーションは、ソフトウェアＦＥＭＡＧを使用し、回転子巻線１２ｘ２Ｔ、固定子巻線８４Ｔ、電流８Ａ、材料０．５ｍｍ冷間圧延鋼（ＣＲＳ）及び整流角度１５度の状態で実行された。

例＃２、＃３及び＃４の場合の位置Ｖ及びＺにおける磁束密度が過剰飽和され、これらモータでは高い鉄損が生じた。これは、高い発熱を意味し、従って、モータの熱管理の問題を意味する。

図４は、上述したように寸法Ｄを変更することによる磁束密度への作用を示す。

従って、本発明の目的は、前記方法により決定された寸法で満足されたことが明らかである。モータは、寸法及びファクタが式（４)、(５）及び（６）で指定された範囲内に入る場合に大きなトルク及び出力電力を良好に与えることができる。

上述した実施形態は、一例として与えられたものに過ぎず、特許請求の範囲に規定された本発明の範囲から逸脱せずに種々の変更がなされ得ることが当業者に明らかであろう。例えば、テストサンプルは、冷間圧延鋼板から型抜きされたラミネーションを使用したが、本発明は、珪素鋼板から型抜きされたラミネーションにも適用できる。

本発明によるユニバーサルモータ用の固定子コアのラミネーションを示すと共に、種々の寸法を示した平面図である。 固定子及び回転子のラミネーションセットを示す平面図である。 好ましい実施形態の固定子／回転子ラミネーションセットに対する磁力線グラフで、従来の例を示す図である。 好ましい実施形態の固定子／回転子ラミネーションセットに対する磁力線グラフで、従来の例を示す図である。 好ましい実施形態の固定子／回転子ラミネーションセットに対する磁力線グラフで、従来の例を示す図である。 好ましい実施形態の固定子／回転子ラミネーションセットに対する磁力線グラフで、従来の例を示す図である。 固定子／回転子ラミネーションセットに対する磁力線グラフで、固定子ラミネーションの１つの寸法を変化させる効果を示した図である。 固定子／回転子ラミネーションセットに対する磁力線グラフで、固定子ラミネーションの１つの寸法を変化させる効果を示した図である。

符号の説明

１０：ラミネーション
１２：極
１４：リング
１６：極面
１８：ネック部分
２０：回転子空間
２８：ホール

Claims (8)

1. ユニバーサルモータの固定子のためのラミネーションであって、該ラミネーション(10)は、２つの極(12)と、これら２つの極(12)を接合し且つ固定子コアの外径(E)を定義するリング(14)の形態の磁束戻り路とを有し、各極(12)は、極面(16)を有し、それらの間に、回転子を受け入れるための内径を有する回転子空間(20)を画成し、又、各極(12)は、その極をリング(14)に接続するネック部分(18)を有し、前記リング(14)及び極(12)は、前記回転子空間(20)に干渉せずに、固定子巻線を前記極(12)の周りに配置させるための空間(22)を画成し、更に、極界面におけるリング(14)の巾をＡとし、極面からリングまでの極(12)の長さをＢとし、内径の長さを２Ｃとし、そして極のネック部分(18)の巾をＤとすれば、
   Ｂ＝Ｋ₁＊Ａ 但し、Ｋ₁は、0.65 1.0の範囲、
   Ｃ＝（Ｋ₂＊Ａ）＊（Ａ＋Ｂ）／Ｂ 但し、Ｋ₂は、1.7 2.05の範囲、
   Ｄ＝Ｋ₃＊Ａ＊Ｃ／Ｂ 但し、Ｋ₃は、0.72 0.747の範囲、
   であるようにしたラミネーション。
2. 前記リング(14)の巾は実質的に均一である、請求項１に記載のラミネーション。
3. 前記ラミネーション(12)は、極のネック部分(18)にホール(26)を有し、又、前記Ｄは、ネック部分の巾より、ネック部分の巾方向に測定したホール(26)の巾だけ短いものに等しい、請求項１又は２に記載のラミネーション。
4. 前記ラミネーション(10)は、冷間圧延鋼板から型抜きされる、請求項１、２又は３に記載のラミネーション。
5. 前記ラミネーション(10)は、珪素鋼板から型抜きされる、請求項１、２又は３に記載のラミネーション。
6. 前記ラミネーション(10)は、外径Ｅを有し、又、前記Ｃは、０．３０＊Ｅ以下である、請求項１から５のいずれかに記載のラミネーション。
7. 請求項１から６のいずれかに記載のラミネーション(10)を含むラミネート型固定子コアを有するユニバーサルモータ。
8. 電気的に界磁巻線と電機子巻線が直列に接続された、請求項７に記載のユニバーサルモータ。

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