JP2008178258A - ステータコア - Google Patents

Abstract

【課題】鉄損を大きく低減しながらもトルクの低下を極力抑えることができるステータコアとそのコアを用いたステータを提供する。
【解決手段】ロータ20の外周に同軸に配される環状のヨーク部（分割ヨーク部111A）と、ヨーク部の内周側からロータ側に向かって突出する複数のティース112と、各ティース112の先端部においてヨーク部の周方向両側に突出するつば部113とを備える。ロータ20の回転方向側を一方、ロータ20の反回転方向側を他方とする。そのとき、ティース112の先端部は、その一方側はロータ20とのギャップGが狭く、他方側に向かうに従ってロータ20とのギャップGが広くなるように形成されている傾き面14を有する。その傾き面14の一方の側縁は、他方のティース側面の延長面EFよりも一方側に位置することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、モータに利用されるステータコア、及びこのコアとコイルとを備えるステータに関するものである。特に、鉄損を大きく低減しながらもトルクの低下を極力抑えることができるステータコアに関するものである。

図４に示すように、通常、モータ１は円環状のステータ10の内側にロータ20が同軸状に配された構成である。このステータ10は、鋼といった磁性材料からなるステータコア100のティース112に、巻線を巻回してなるコイル200を配置させて構成されている。

ステータコア100は、一般に、環状のヨーク部111と、このヨーク部111の内周側からヨーク部111の中心に向かって突出する複数のティース112と、ティース112の先端でヨーク部周方向の両側に突出するつば部113とを備えている。

例えば、このようなステータコア100は、複数の分割コア110を組み合わせて構成されている。分割コア110は、円弧状の分割ヨーク部111Aと、その分割ヨーク部111Aの円弧内周側に突出する一つのティース112およびつば部113とから構成される。

モータを構成する場合、各分割コア110のティース112外周に巻線を巻回してコイル200を形成し、分割ステータ11を構成する。この複数の分割ステータ11を、分割ヨーク部111Aが隣接されるように環状に配列してステータ10を形成する。そして、このステータ10の内側に環状のロータ20を同軸状に配置する。このロータ20の外周面とティース112の先端部との間にはギャップGが形成されている。

ところで、このようなステータ10において、ティース先端部のうち、ティース112の中心線から見てロータ20の反回転方向側の方が回転方向側よりも大きな磁束分布となる。そのため、この大きな磁束分布となる箇所で磁気飽和が起こり、鉄損が増大するという問題がある。

この問題を解決する技術として、特許文献１に記載の技術がある。この文献は、各ティースの先端部からヨーク部の周面の周方向一方側へ向けて突起部を突出形成したステータを開示している。この突起部は、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の周面との間に形成される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されている。つまり、突起部のうち、磁束密度が高くなるロータの反回転方向側はロータとのギャップを大きくし、ロータの回転方向側はロータとのギャップを小さくしている。

これにより、ロータ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、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低減される。

特開2005-304166号公報

しかし、特許文献１のステータコアでは、鉄損の増加をある程度抑制できるが、その抑制効果はより大きい方が望ましい。一般に、ティース端面とロータ周面とのギャップが大きくなると鉄損が減少する。ところが、同時にモータのトルクも低下してしまう。そのため、特許文献１のステータコアで鉄損を大きく低減しようとすると、トルクも大幅に低下してしまうことになる。

本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、その目的の一つは、鉄損を大きく低減しながらもトルクの低下を極力抑えることができるステータコアとそのコアを用いたステータを提供することにある。

本発明ステータコアは、ロータの外周に同軸に配される環状のヨーク部と、ヨーク部の内周側からロータ側に向かって突出する複数のティースと、各ティースの先端部においてヨーク部の周方向両側に突出するつば部とを備える。ここで、ロータの回転方向側を一方、ロータの反回転方向側を他方とする。そのとき、前記ティースの先端部は、その一方側はロータとのギャップが狭く、他方側に向かうに従ってロータとのギャップが広くなるように形成されている傾き面を有する。そして、その傾き面の一方の側縁は、他方のティース側面の延長面よりも一方側に位置することを特徴とする。

特許文献１のステータコアでは、ティース先端部からロータの反回転方向側に突起部を形成し、この突起部の範囲内においてのみ、ロータの回転方向側はロータとのギャップが小さく、ロータの反回転方向側はロータとのギャップを大きくしている。

これに対し、本発明ステータコアでは、ティース先端部のうち、ロータとのギャップが変化する傾き面をティースから突出したつば部（特許文献１の突起部に相当）だけでなくティース先端部のロータとの対向面にまで伸ばしている。

既に述べたように、図４に示すステータコアでは、ティース先端部のうち、ロータの反回転方向側の箇所、特にロータの反回転方向側に突出するつば部とその近傍で磁気飽和が生じやすい。そのため、この磁気飽和が生じやすい箇所のギャップを広げることで、ステータコアに磁気飽和となる箇所が生じることを軽減し、鉄損を低減させることができる。

また、ティース先端部のうち、ロータ回転方向側は、ロータとのギャップを小さくすることで、トルクの低減を極力抑えている。一般に、ティース先端部とロータとのギャップが小さくなると、等比級数的にトルクを増大させることができる。そのため、ティース先端部の一部分にのみギャップの小さい箇所があっても、このギャップの小さい箇所の存在により、ロータの反回転方向側のギャップを広げたことで生じるトルクの低下分をある程度相殺することができる。その結果、鉄損の低減とトルクの低下のバランスを考慮した場合、鉄損の低減効果に比べて、トルクの低下する割合を極力小さくすることができる。

本発明ステータコアの一形態として、前記傾き面は、一方のつば部の側面から他方のつば部の側面にまで及んでいても有効である。

この構成によれば、つば部を含むティース先端部におけるロータとの対向面の全面が、ギャップの変化する傾き面として構成されていることになる。そのため、ティース先端部において、ロータとのギャップが変化する領域を広く採ることができ、鉄損の低減とトルクの低下抑制のバランス調整を容易に行うことができる。

本発明ステータコアの一形態として、前記ステータコアは、前記ヨーク部をティース毎に周方向に分割した複数の分割コアで構成され、各分割コアは、圧粉成形体により構成されていることが好ましい。

ステータコアをティース単位で分割できる分割コアの組み合わせとして構成することで、各分割コアにコイルを装着して分割ステータを形成し、その分割ステータを環状に配することで、作業性よくステータを組み立てることができる。また、分割コアを圧粉成形体とすることで複雑形状の分割コアでも容易に形成することができる。

一方、本発明ステータは、上述したいずれかのステータコアと、各ティースの外周に配置されたコイルとを備えることを特徴とする。

このステータによれば、本発明ステータコアを用いることで、モータを構成した場合に、鉄損を大幅に低減させながらも、トルクの低減は極力小さく抑えることができる。

本発明のステータコアでモータを構成することにより、鉄損を大幅に低減させながらも、トルクの低減は極力小さく抑えることができる。

以下、本発明のステータコアの実施の形態を説明する。本発明ステータコアも、図４のステータコアと同様に、ロータの外周に同軸に配される環状のヨーク部と、ヨーク部の内周側からロータ側に向かって突出する複数のティースと、各ティースの先端部においてヨーク部の周方向両側に突出するつば部とを備える。また、モータを構成する際、(1)複数の分割ステータを組み合わせてステータを構成している点、(2)このステータの内側、つまりティースの先端部の内周側には、円筒状のロータが配置される点、(3)このロータの外周面とティース先端部との間には、ギャップが形成されている点も、図４のステータコアと同様である。そして、上記分割ステータは、ティース単位でヨーク部を均等に分割した複数の分割コアと、各ティースに装着されるコイルとから構成されている。ただし、この分割コアのティース先端部の形状が図４のステータコアとは異なっている。

図１は、この分割コア110をモータの軸方向から見た端面図である。この分割コア110は、円弧状の分割ヨーク部111Aと、この分割ヨーク部111Aの円弧内面側中央から突出する一つのティース112と、ティース112の先端部において、分割ヨーク部の円弧方向の両側に突出するつば部113（113F、113B）とを有する。各つば部113は、円弧方向の両側に均等に突出されている。

ここで、ティース先端部におけるロータ20との対向面は、ロータ20の回転方向側のつば部113Fの側面からロータ20の反回転方向側のつば部113Bの側面までの間に亘って、ロータ20の回転方向側はギャップGが小さく、ロータ20の反回転方向側はギャップGが大きくなるような傾き面114で構成されている。本例では、傾き面114もロータ20の外周面の円弧に近似したような湾曲面としているが、一方のつば部113Fの側面から他方のつば部113Bの側面に至る平面で構成してもよい。

この傾き面114の構成を換言すれば、次のようにも言える。ティース側面のうち、ロータ20の反回転方向側の側面112Sの延長面EFを考えた場合、上記傾き面114におけるロータ20の回転方向側の側縁は、前記延長面EFよりもロータの回転方向側に位置することになる。本例の場合、傾き面114におけるロータ20の回転方向側の側縁とは、ロータ回転方向側のつば部113Fの側面に重なっている。

つまり、この構成の分割コア110を用いてモータを構成すれば、分割コア110のうち、磁気飽和の生じやすい箇所、すなわちロータ20の反回転方向側のつば部113Bとその近傍のティース先端部が切り欠かれた状態を形成できることになる。そのため、この磁気飽和が生じやすい箇所のギャップGを広げることで、ステータコアに磁気飽和となる箇所が生じることを軽減し、鉄損を低減させることができる。

また、つば部113を含むティース先端部のうち、ロータ回転方向側は、ロータとのギャップGを小さくすることで、トルクの低減を極力抑えることができる。本例の場合、ロータ回転方向側のつば部113Fの側面と傾き面114との角部が最もロータ20の外周面に近接されることになる。このギャップGの小さい箇所の存在により、ロータ20の反回転方向側のギャップGを広げたことで生じるトルクの低下分をある程度相殺することができる。その結果、鉄損の低減とトルクの低下のバランスを考慮した場合、鉄損の低減効果に比べて、トルクの低下する割合を極力小さくすることができる。

このような分割コア110は、次の工程によりステータとされる。

まず、各分割コア110のうち、少なくともコイル200と接触する面、例えばティース112の外周面、分割ヨーク111Aの円弧内面、つば部113の円弧外面にインシュレータ（図示せず）を配置する。このインシュレータは、コイル200と分割コア110との絶縁を確保する。

次に、このインシュレータで被覆されたティース112の外側に巻線を巻回してコイル200を形成し、分割ステータ11とする。

そして、複数の分割ステータ11を、分割ヨーク部111Aが環状となるように並列し、その外周にリング部を焼き嵌めなどにより装着して、ステータを構成する。

本例の変形例としては、次の分割コアも考えられる。

図２に示すように、傾き面114が一方のつば部113Fの側面から他方のつば部113Bの側面まで至るのではなく、ティース先端面の周方向の途中から傾き面114が形成された構成としてもよい。その場合でも、傾き面114におけるロータの回転方向側の側縁は、延長面EFよりもロータ20の回転方向側に位置させる。つまり、つば部のうちロータ回転方向側のつば部113Fと、ティース先端面のうちロータ回転方向側の一部は、ロータ20の外周面と同軸状の円弧面115でロータ20に対面する。そして、この円弧面115に連続してロータ20の反回転方向側に向かって傾き面114が形成される。この変形例の場合でも、図１の分割コアを用いてモータを構成した場合と同様に、鉄損の低減を図りつつ、トルクの低減を極力抑制することができる。

また、他の変形例としては、分割ヨーク部の形状を変えてもよい。図１の分割コアでは、分割ヨーク部が、その円弧沿いの方向にティースから突出するだけであったが、さらにモータの軸方向、つまり図１の紙面に対して垂直方向にもティースから突出する複雑形状の分割コアとしてもよい。この構成の分割コアでステータコアを形成した場合、隣接する分割ヨーク部同士の接触面積が増大するため、より高トルクとすることができる。

以上に説明した分割コアは、電磁鋼板を積層して構成してもよいし、磁性粉末の圧粉成形で構成してもよい。特に、分割ヨーク部が、その円弧沿いの方向にティースから突出するだけでなく、モータの軸方向にもティースから突出する複雑形状の分割コアの場合、圧粉成形であれば容易に成形することができる。

なお、これらの実施形態は、本発明の要旨を逸脱することなく、適宜変更することが可能であり、上述した構成に限定されるものではない。

[試算例]
図１に示す分割ステータでモータを構成した実施例、ロータの反回転方向側のつば部にのみ傾き面を形成した分割ステータでモータを構成した比較例１、傾き面のない分割ステータでモータを構成した比較例２の各々について、最大トルク、出力、ステータコアの鉄損を各々シミュレーションで演算した。

実施例の分割コアは、図３(A)に示すように、ティース先端部におけるロータ20との対向面が、ロータの回転方向側のつば部113Fの側面からロータの反回転方向側のつば部113Bの側面までの間に亘って、ロータ20の回転方向側はギャップが小さく、ロータの反回転方向側はギャップが大きくなるような傾き面114で構成されている。このコアのティース先端部における寸法は、図３(A)に示すように、最小のギャップd1が1mm、最大のギャップd2が1.5mmである。

比較例１の分割コアは、図３(B)に示すように、ロータ20の反回転方向側のつば部113Bにのみ傾き面114を形成している。つまり、この傾き面114におけるロータ20の回転方向側の側縁は、ロータ20の反回転方向側のティース側面の延長面上に位置している。ここでの最小のギャップd1は1mm、最大のギャップd２は1.5mmである。

比較例２の分割コアは、図３(C)に示すように、ギャップが変位する傾き面がなく、つば部113を含むティース先端におけるロータ20との対向面は、一方のつば部113Fから他方のつば部113Bに至る周方向に亘って実質的に均一なギャップで構成されている。ここでのギャップd1は1mmである。

以上のいずれの分割コアも、つば部を含むティース先端部の形状が異なるだけで、コイルが配置されるスロットのサイズやコアの体積は実質的に同一としている。また、コイルの仕様も実施例、比較例１、比較例２で共通である。

以上の実施例、比較例１、比較例２のモータを用い、最大トルク（Nm）と出力（kW）を演算し、無負荷におけるステータコアの鉄損を演算した。その結果を表1に示す。

ここで、比較例２の演算結果を基準として比較例１や実施例の結果を考察する。比較例２に比べ、比較例１は鉄損の低減率が約1.0％であり、最大トルクの低下率が約0.1％である。これに対し、実施例は比較例２に比べ、鉄損の低減率が約7.6％であり、最大トルクの低下率が約2.3％である。従って、実施例は比較例１に比べて、大幅に鉄損が低減できていながら、トルクの低下率が相当程度抑えられていることがわかる。

本発明ステータコア及びステータは、電気自動車やハイブリッド自動車などのモータに好適に利用できる。

実施例の本発明ステータを構成する分割ステータの端面図である。 変形例の本発明ステータを構成する分割ステータの端面図である。 (A)は実施例のティース先端部の形状を示す説明図、(B)は比較例１のティース先端部の形状を示す説明図、(C)は比較例２のティース先端部の形状を示す説明図である。 従来のモータおよび分割ステータを示す概略説明図である。

符号の説明

1 モータ
10 ステータ 11 分割ステータ
100 ステータコア 110 分割コア 111 ヨーク部 111A 分割ヨーク部
112 ティース 112S 側面 113、113F、113B つば部
114 傾き面 115 円弧面
20 ロータ
200 コイル
G ギャップ EF 延長面

Claims (4)

1. ロータの外周に同軸に配される環状のヨーク部と、ヨーク部の内周側からロータ側に向かって突出する複数のティースと、各ティースの先端部においてヨーク部の周方向両側に突出するつば部とを備えるステータコアであって、
   ロータの回転方向側を一方、ロータの反回転方向側を他方としたとき、
   前記ティースの先端部は、その一方側はロータとのギャップが狭く、他方側に向かうに従ってロータとのギャップが広くなるように形成されている傾き面を有し、
   その傾き面の一方の側縁は、他方のティース側面の延長面よりも一方側に位置することを特徴とするステータコア。
2. 前記傾き面は、一方のつば部の側面から他方のつば部の側面にまで及んでいることを特徴とする請求項１に記載のステータコア。
3. 前記ステータコアは、前記ヨーク部をティース毎に周方向に分割した複数の分割コアで構成され、
   各分割コアは、圧粉成形体により構成されていることを特徴とする請求項１に記載のステータコア。
4. 請求項１から３のいずれかに記載のステータコアと、各ティースの外周に配置されたコイルとを備えることを特徴とするステータ。

Images