JP2008278672A - ステーターコア - Google Patents

Abstract

【課題】コギングトルクを低減できながら、最大トルクの低下をできるだけ小さくできるステーターコア、及びステーターを提供する。
【解決手段】複数の分割コア7が円環状に配置されたステーターコア2である。各分割コア7は、ヨーク部4と、ヨーク部4の内周側から突出するティース3とを備える。透磁率が異なる分割コア7を２種以上用いてステーターコア2を構成する。分割コア7の数が、6ｎ個(ｎ：自然数)の場合には、透磁率の異なる２種の分割コアを交互に配置させる。このとき、透磁率の高い分割コア71を積層鋼板で形成し、透磁率の低い分割コア72を軟磁性粉末材料で形成した圧粉成形体とする。
【選択図】図1

Description

本発明は、モータに利用されるステーターコア、及びこのコアとコイルとを備えるステーターに関するものである。特に、コギングトルクを低減できながら最大トルクの低下をできるだけ小さくできるステーターコアに関するものである。

従来から、モータのステーターは、鋼といった磁性材料からなるステーターコアのスロットに、巻線を巻回してなるコイルを配置させて構成されている。

ステーターコアは、一般に、図２に示すように、円環状のヨーク部Aと、このヨーク部Aの内周側からヨーク部Aの中心に向かって突出する複数のティースBとを備えている。そして、ステーターコアは、通常は、薄い電磁鋼板を複数積層させて構成されている。各ティースBの外周に巻線からなるコイルを取り付けることにより、隣接するティースB間に形成されるスロットにコイルが配置されてステーターが構成される。

ところで、例えば、ヨーク部とティースとを備えるステーターコアにコイルが装着されるステーターと、永久磁石を備えるロータとにより構成されるモータは、ロータの回転に伴ってロータの永久磁石がステーターコアのティースと、ティース間に形成されるスロットの開口部の近傍を交互に通過することになる。

ティースの磁気抵抗と、スロット開口部の空間の磁気抵抗とは、磁気抵抗の大きさが異なるので、この磁気抵抗の違いにより、ロータが回転したときにトルクの脈動（コギングトルク）が生じる。このコギングトルクが大きくなると、ロータの滑らかな回転が損なわれて、騒音や振動の原因となる。

そこで、従来からコギングトルクの低減を図るための工夫が提案されている。例えば、図２に示すステーターコアのように、ステーターコアのヨーク部Aと反対側の端部に、ロータの回転方向に向けて突出する鍔部B1を形成する構成が挙げられる。この場合には、スロット開口部の開口幅を小さくできるので、開口部での磁気抵抗が小さくなりコギングトルクを小さくすることができる。

また、特許文献１に示すように、各ティースをロータの回転軸に対して所定の角度に捻って、ステーターコアにスキューを施すことによっても、コギングトルクを低減することができる。

特開2005-261188号公報

モータでは、磁束がステーターのティースからステーターとロータとの間のギャップ部を介してロータに達し、さらに、前記ギャップ部を介して隣のティースからステーターのヨーク部に至る閉磁路を形成することによりロータが回転するようになっている。

しかしながら、ティースの先端部に鍔部を形成すると、スロット開口部の開口幅が小さくなって、隣り合うティース間の磁気抵抗が小さくなるので、磁束がロータ側に至らない漏れ磁束が多くなる。この漏れ磁束は、トルクに寄与しないため、最大トルクが低減してしまう。

また、特許文献１に開示されているように、ティースにスキューを施す場合には、ステーターコアの磁束密度分布がロータの回転軸方向で一様でない。そのため、コギングトルクの低減がなされるが、回転力に対して有効な磁束が犠牲になるので、最大トルクが低下してしまう問題がある。

さらに、ティースにスキューを施す場合には、ステーターコアは通常は積層鋼板で形成するので、捻れたティースを有するステーターコアを作製するには鋼板を周方向にずらしながら積層する必要があり、作業が煩雑となるばかりか加工精度も悪くなる問題がある。また、鋼板をずらして積層した場合、板材間に微小な段差が生じるため、コイルをティースに挿入する際、この段差の角部が巻線の表面に形成した絶縁被覆を傷つける虞がある。

そこで、本発明の目的は、コギングトルクを低減できながら、最大トルクの低下をできるだけ小さくできるステーターコア、および、このステーターコアを備えるステーターを提供することにある。

本発明は、複数の分割コアが円環状に配置されたステーターコアであって、各分割コアは、ヨーク部と、このヨーク部の内周側から突出するティースとを備え、透磁率が異なる分割コアを２種以上用いてステーターコアを構成していることを特徴とする。

分割コアは、例えば、平面視がほぼＴ字状をしており、円弧状の分割ヨーク部と、この分割ヨーク部の円弧内面側中央部から突設する１つのティースとを備える構成が挙げられる。

各分割コアは、磁性材料で形成された板、例えば珪素鋼板を積層して形成してもよいし、純鉄などの軟質磁性粉末材料と結合材(樹脂)を混合して加圧成形した圧粉磁心でもよい。分割コアが積層鋼板で形成される場合には、分割コアの比透磁率を高く、例えば比透磁率8000〜9000にできる。また、分割コアを軟磁性粉末材料で形成した圧粉成形体とする場合には、比透磁率を低く、例えば比透磁率を400〜600にできる。

本発明では、透磁率の異なる分割コアを少なくとも２種以上用いてステーターコアを形成するのであって、例えば比透磁率8000〜9000の範囲内など、高い透磁率の範囲において、透磁率の異なる分割コアを形成してステーターコアを構成することができる。また、例えば比透磁率400〜600の範囲内など、低い透磁率の範囲において、透磁率の異なる分割コアを形成してステーターコアを構成することもできる。さらに、例えば、比透磁率8000〜9000の範囲内で高い透磁率の分割コアを形成し、比透磁率400〜600の範囲内で低い透磁率の分割コアを形成して、これら分割コアを組み合わせてステーターコアを構成することもできる。

ステーターコアは、分割コアの全てを積層鋼板で形成したものを組み合わせて構成することもできるし、分割コアの全てを軟磁性粉末材料の圧粉成形体としたものを組み合わせて構成することもできる。さらに、積層鋼板で形成した分割コアと軟磁性粉末材料の圧粉成形体の分割コアとを組み合わせて構成することもできる。

分割コアを積層鋼板で形成する場合には、透磁率を高くすることができ、分割コアを軟磁性粉末材料の圧粉成形体とする場合には、透磁率を低くすることができる。

このように、透磁率の異なる分割コアを組み合わせてステーターコアを構成することにより、ロータをステーター内で回転させると、ロータの磁極と、隣接するティースとで形成される磁束の透過経路には、磁束の通り易いティースと磁束の通り難いティースとが配置されることになる。

このように、ティース毎に磁束の通り難い部分と通り易い部分とがロータの回転方向に発生するので、ギャップ部の磁束の通り難い部分に対して磁束の通り難さの差が小さくなる部分ができ、モータのパーミアンスの脈動が低減され、その結果、コギングトルクの低減が図れる。

しかも、スロット開口部の開口幅を小さくする必要が無くなるので、漏れ磁束は少なくなり、透磁率が低い部分での磁束密度の低下によって最大トルクは多少低下するが、この最大トルクの低下は従来のようにスロット開口部の開口幅を狭くする場合に比べて小さくできる。

さらに、ステーターコアのティースにスキューを施す必要も無くなるので、ステーターコアの作製を容易に行えるし、コイルの装着作業も簡単に行え、しかも、磁束密度は、ロータの周方向において、一様でないが、回転軸方向では一様にできるので、ティースにスキューを施した場合に比較して回転軸方向に磁束密度の大きい部分が得られるので、最大トルクの低下を小さくできる。

透磁率の異なる分割コアを環状に組み合わせる場合、分割コアを環状に配置したときに各分割コアの透磁率が周方向に規則性を有するように、複数の分割コアを配置させることが好ましい。

例えば、ステーターコアが６ｎ個(ｎ：自然数)のスロットを有する場合、周方向に高い方から低い方へ、そして、低い方から高い方へと透磁率を規則的にエンドレスに変化させるように分割コアを環状に組み合わせることが好ましい。

このように、周方向に規則的に透磁率を変化させることにより、各ティースに対するパーミアンスが規則的にしかも緩やかに変化するので、コギングトルクの低減を良好に行える。

特に、分割コアの数が、6ｎ個(ｎ：自然数)である場合には、透磁率の異なる２種の分割コアを交互に配置させることが好ましい。

このように、ステーターコアを透磁率の異なる２種の分割コアで構成することにより、最低限の２種類の分割コアでステーターコアを形成できながら、分割コアを透磁率が周方向にエンドレスに規則性を有するように配置させることができる。特に、三相交流モータの場合には、各相(U相、V相、W相)のコイルが配置される分割コアを高い透磁率の分割コアと低い透磁率の分割コアとの組み合わせにできながら、高い透磁率の分割コアと低い透磁率の分割コアとを規則的にエンドレスで交互に均等配置することができる。

分割コアを２種の透磁率とする場合、透磁率の高い分割コアを積層鋼板で形成し、透磁率の低い分割コアを軟磁性粉末材料で成形した圧粉成形体とすることが好ましい。

積層鋼板で形成した分割コアと、軟磁性粉末材料で形成した圧粉成形体の分割コアとでステーターコアを形成することにより、隣接するティースの磁束の通り易さの差が大きくなる。しかしながら、ティースとロータとの間のギャップは空気であって、空気は最も磁束が通り難いため、この空気と透磁率の低い分割コアのティースとは、磁束の通り易さの差を小さくできる。その結果、この透磁率の低いティースとロータの磁極との間に生じるコギングトルクは小さくでき、各磁極で発生するコギングトルクが全て足し合わされたときに、各磁極で発生するコギングトルクが分散されて、コギングトルクがより効果的に低減される。

上記した透磁率の異なる分割コアで形成されるステーターコアは、各ティースの外周にコイルを配置することよりステーターが構成される。

ステーターは、分割コアのティースにそれぞれコイルを装着した後、これら分割コアを隣り合う分割ヨーク部の端部が接触するように円環状に配置する。このとき、円環状に配置したこれら分割コアの外周に焼嵌リングを焼き嵌めして分割コアの分割ヨーク部を締結して一体化させ、ステーターを構成することができる。また、隣接する分割ヨーク部の端面を接着することにより、分割ヨーク部を締結して一体化させ、ステーターを構成することもできる。

本発明のステーターは、例えば、アウター型ロータやインナー型ロータのモータのステーターに利用できる。本発明のステーターは、三相交流モータに用いることができる。本発明のステーターは、コギングトルクを低減できながら、最大トルクもできるだけ低下しないようにすることができる。

本発明のステーターコアでモータを構成することにより、コギングトルクを低減して、モータ回転時の振動を低減することができながら、最大トルクをできるだけ低下しないようにすることができる。

以下、本発明のステーターコアおよびステーターの実施の形態を図１に基づいて説明する。図１には、ステーター1の横断面図が示されており、ステーター1は、ステーターコア2と、ステーターコア2のティース3に取り付けられるコイル5と、ステーターコア2の外周に嵌合される焼嵌リング6とを備える。

ステーターコア2は、円環状のヨーク部4と、ヨーク部4の内周側から突出する６つのティース3とを備える。そして、ヨーク部4が、周方向に6つに分割されて、円弧状の分割ヨーク部41と、この分割ヨーク部41の円弧内面側中央から突出する一つのティース3とを有する分割コア7を６個環状に配置させてステーターコア2が構成される。

各分割コア7は、半分ずつ透磁率が異なり、６個の分割コア7のうち、３個は透磁率が高い材料で形成され、残りの３個は透磁率が低い材料で形成されている。

透磁率の高い分割コア71は、薄肉の珪素鋼板を積層して形成されており、比透磁率は8000〜9000となるようにしている。

また、透磁率の低い分割コア72は、軟磁性粉末材料で形成された圧粉成形体であり、例えば、純鉄粉表面を無機絶縁物で絶縁し、少量の有機樹脂バインダで混合した後、圧縮成形して形成している。透磁率の低い分割コア72は、比透磁率が400〜600となるようにしている。

本実施形態では、透磁率の高い分割コア71と透磁率の低い分割コア72とを交互に環状に配置してステーターコア2を構成している。

本実施形態の分割コア7には、各分割コア7を環状に配置する前に、ティース3の外周に、インシュレータ(図示せず)を配置し、このインシュレータ上に巻線を巻き付けて、ティース3にコイル5が装着された状態にする。

このように、コイル5が装着された分割コア7を、透磁率が交互に異なるように、環状に配置した後、円環状に配置された分割コア7を焼嵌リング6で締め付けることにより、分割コア7が一体化されて、図１に示すような、モータのステーター1が構成される。

なお、各コイルには、給電部材を接続し、例えば、三相交流の各相(U相、V相、W相)の電流を流す。このとき、U相のコイルU1,U2(5)、V相のコイルV1,V2(5)、W相のコイルW1,W2(5)が周方向に順に並ぶように各ティース3に装着する。このとき、U相のコイルU1が装着される一方の分割コア71の透磁率は高く、V相のコイルV1が装着される一方の分割コア72の透磁率は低く、W相のコイルW1が装着される一方の分割コア71の透磁率は高く、U相のコイルU2が装着される他方の分割コア72の透磁率は低く、V相のコイルV2が装着される他方の分割コア71の透磁率は高く、W相のコイルW2が装着される他方の分割コア72の透磁率は低くなる。

各相はすべて高い透磁率と低い透磁率の分割コアで構成され、異なる透磁率の分割コア7が各相に対してステーター周方向に均等に配置される。その結果、ステーターにロータを組み付けたモータにおいて、ティース毎に磁束の通り難い部分と通り易い部分とがロータの回転方向に規則的に発生するので、各ティースに対するパーミアンスが規則的にしかも緩やかに変化するので、コギングトルクが低減される。しかも、ティースに鍔部を設けたり、ティースにスキューを施したりすることなく、コギングトルクを低減できるので、最大トルクの低下もできるだけ小さくできる。

ここで、積層鋼板で形成した分割コア71と、軟磁性粉末材料で形成した圧粉成形体の分割コア72とでステーターコア2を形成しているので、隣接するティース3の磁束の通り易さの差が大きくなる。しかしながら、ティースとロータとの間のギャップが磁束の最も通り難い空気であるため、この空気と、透磁率の低い分割コア72のティース3とは、磁束の通り易さの差を小さくできる。その結果、本実施形態のステーター1を備えるモータは、この透磁率の低いティース3とロータの磁極との間に生じるコギングトルクは小さくなり、各磁極で発生するコギングトルクが全て足し合わされたときに、各磁極で発生するコギングトルクが分散されて、コギングトルクがより効果的に低減される。

本発明のステーターコアおよびこのステーターコアを有するステーターは、前記した実施形態では、６つのスロットを有するステーターについて述べたが、本発明は、例えば１２スロットや２４スロットなど６つの整数倍(６ｎ)のスロットを有するステーターであれば何れでも適用できる。

さらに、透磁率の異なる分割コアは、２種の透磁率の分割コアを交互に環状に配置するのはもちろんのこと、３種の透磁率の分割コアをモータ周方向に透磁率の変化が規則的に変化するように配置するようにしてもよいし、４種の透磁率の分割コアを規則的に変化させるように配置することもできる。

なお、上述した実施形態は、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。

本発明ステーターコア及びモータステーターは、モータの構成部材に好適に利用することができる。特に、本発明のステーターコアおよびステーターは、電気自動車やハイブリッド自動車などの高出力が要求されるモータに好適に利用できる。

複数の分割コアを組み合わせて一体とする本発明のステーターコアを有するステーターの横断面図である。 従来のステーターコアを示す平面図である。

符号の説明

1 ステーター
2 ステーターコア
3 ティース
4 ヨーク部 41 分割ヨーク部
5(U1,U2,V1,V2,W1,W2) コイル
6 焼嵌リング
7(71,72) 分割コア

Claims (5)

1. 複数の分割コアが円環状に配置されたステーターコアであって、
   各分割コアは、ヨーク部と、このヨーク部の内周側から突出するティースとを備え、
   透磁率が異なる分割コアを２種以上用いて構成されていることを特徴とするステーターコア。
2. 分割コアを環状に配置したときに各分割コアの透磁率が周方向に規則性を有するように、複数の分割コアを環状に組み合わせていることを特徴とする請求項１に記載のステーターコア。
3. 分割コアの数が、6ｎ個(ｎ：自然数)であり、透磁率の異なる２種の分割コアを交互に配置させていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のステーターコア。
4. 透磁率の高い分割コアが積層鋼板で形成され、透磁率の低い分割コアが軟磁性材料で成形した圧粉成形体であることを特徴とする請求項３に記載のステーターコア。
5. 請求項1から４のいずれかに記載のステーターコアと、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ー。

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