JP2009177907A - 回転電動機のステータおよびそれを備えた回転電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】 内周の寸法精度が高いステータおよびそれを用いた小型・高性能かつ低コギングトルクの回転電動機を提供する。
【解決手段】 本発明の回転電動機のステータは、フレーム内周の形状を略多角形とするか、ステータコアのティース部の中心の外半径を大きくするか、ステータコアの外周部またはフレームの内周部に凸部を設けるか、ステータコアの外周とフレームの内周の間に挿入部材を挿入することにより、ティース部の径方向中心近傍の径方向応力をその他の部分よりも大きくしたものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、主に各種産業用機器に使用される回転電動機のステータコアとフレームを含むステータの構成に関する。

従来より、回転電動機の小型・高性能化のために、高密度巻線および高性能磁石が採用されている。巻線の高密度化を実現する技術として、分割コア方式が提案されている。分割コア方式とは、固定子コアをいくつかに分割し、そのスロットに対し直接巻線を巻回した後、環状に組み合わせる方法である（例えば、特許文献１参照）。これにより、巻線を集中かつ整列状に巻回することができ、巻線の高密度化とコイルエンドの短縮が可能となる。分割コア方式はスロット開口幅の制約をなくすことができるので、スロット開口幅を狭めることにより、回転電動機のギャップ中の磁気エネルギー変化を小さくでき、高性能磁石の採用により増大しているコギングトルクの低減も可能にしている。

以下に、従来の回転電動機のステータ部の構成について説明する。
（第１の従来例）
第１の従来例を図７に示す。図７は、従来の分割コア構成の平面断面図である。図７において、１０１は分割コア、１０２は分割コア１０１のヨーク部、１０３は分割コア１０１のティース部、１０４は巻線部、１０５は絶縁部である。上記構成において、Ｔ字型の分割コア１０１のティース部１０３に絶縁部１０５を介して高密度かつ整列状に巻回した巻線部１０４を形成し、所定数量を環状に組み合わせて一体構造とすることにより、ステータとすることができる。

（第２の従来例）
第２の従来例として、分割コアを環状に一体化したステータコアの外周に、環状フレームを焼き嵌めた構成が提案されている（例えば、特許文献２参照）。図８は、従来の分割コアにフレームを焼き嵌めた構成の平面断面図である。図８において、１０１は分割コア、１０２は分割コア１０１のヨーク部、１０３は分割コア１０１のティース部、１０４は巻線部、１０５は絶縁部、１０６は環状フレームである。上記構成において、Ｔ字型の分割コア１０１のティース部１０３に絶縁部１０５を介して整列状に高密度に巻線部１０４を形成し、所定数量を環状に組み合わせて一体構造とし、その外周に環状フレーム１０６を焼き嵌めることによりステータとすることができる。この場合、環状分割コアの外周と環状フレームの内周は円形状である。

（第３の従来例）
第３の従来例では、フレームの形状は環状であるが、環状以外の形状のフレームを焼き嵌めた構成も提案されている（例えば、特許文献３参照）。図９は、従来の分割コアに外形状が矩形のフレームを焼き嵌めた構成の平面断面図である。図９において、１０１は分割コア、１０２は分割コア１０１のヨーク部、１０３は分割コア１０１のティース部、１０４は巻線部、１０５は絶縁部、１０７は矩形状フレームである。上記構成において、Ｔ字型の分割コア１０１のティース部１０３に絶縁部１０５を介して高密度かつ整列状に巻回した巻線部１０４を形成し、所定数量を環状に組み合わせて一体構造とし、その外周に矩形状フレーム１０７を焼き嵌めることによりステータとすることができる。この場合、環状分割コアの外周と矩形状フレームの内周は円形状である。

（第４の従来例）
回転電動機（永久磁石式同期モータ）のコギングトルクは、理論上、ロータ磁石の磁極数とスロット数の最小公倍数の次数を有するトルク脈動となる。しかしながら、実機、特に量産の現場においては、極数、スロット数の対称性がくずれるため、最小公倍数の次数よりも低次のコギングトルク成分が大きな振幅で現れることが多い。
それで、第４の従来例では、ステータの所定の個所に挿入部材（加圧部品）にてステータの外周から内側に加圧することで、応力による磁気特性の分布による不均一性等のステータがもつ不均一性に起因する低次のコギングトルクを打ち消して、全体のコギングトルクを低減させる回転電動機が提案されている。図１０は、ロータが８極、ステータが１２スロットの回転電動機の平面断面図である。ステータ１０８は、主にティース部１０３と円管上のヨーク部１０２とで構成されている。またロータ１０９はシャフト１１３とロータコア１１２およびロータ磁石１１１から構成され、ティース部１０３の周りにはコイルが巻いてあるが、図１０においては省略している。また、ステータ１０８の外側に挿入部材（加圧部品）１１０と挿入部材１１０を内側へ加圧するための環状フレーム１０６とが配置されている。所定の４箇所の位置に配設された挿入部材１１０にてステータ１０８の外周から内側に加圧することで、ロータ１１１の極数と同数のコギングトルクの脈動成分を打ち消すようにしている。

特開平０７?００７８７５号公報（第２?３頁、図１） 特開２００１?１６１０４８号公報（第２?４頁、図３） 特開平０９?３０８１４１号公報（第２?３頁、図１） 再公表特許W０２００５/０２５０３７号公報（第２２頁、図１０）

ところが、従来の構成において環状分割コアの外周にフレームを焼き嵌めると、理想的には各Ｔ字型の分割コアの径方向に均一に応力が印加するはずであるが、工業製品においては不可避な寸法公差などを要因とするアンバランスが生じる。このことは、フレームの外周形状が矩形状など環状以外の場合に顕著となる。その結果、各分割コアへの応力印加は均一とならず、径方向以外の応力成分が発生することになり、分割コアに回転が生じてしまうため、ステータコアの内径の寸法精度が低下するという問題があった。
また、量産時の加工精度を考慮して、低次のコギングトルク成分をキャンセルすべく、従来例４のように、スロット数１２より少ない４個所だけを加圧すると、加圧個所のティースとそれに隣接するティースではかかる応力方向が異なるため、隣接するティースの内輪側のティース端部が周方向に移動するようなモーメントが発生し、隣接するスロット開口幅は異なることになり、最悪の場合は、ティース端部の衝突が生じていた。このようなステータコアの内径寸法精度の大幅な低下は、コギングトルクを大幅に増大させる問題があった。

本発明はこのような問題点を鑑みてなされたものであり、高密度巻線が可能な分割コア構成を採用しフレームを焼き嵌めしても、コギングトルクの大幅な増大の要因となるステータコア内径の寸法精度が低下し難いステータ部およびそれを用いた回転電動機を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したものである。
請求項１の発明は、ヨーク部とティース部とを有する略Ｔ字型分割コアを所定個数環状に組み合わせて一体構造としたステータコア部に、フレームを焼き嵌めしてなる回転電動機のステータにおいて、前記分割コア部の径方向応力が、前記ティース部の径方向中心線上において最大となることを特徴としている。
また、請求項２の発明は、前記フレームの内周形状が略多角形であり、前記略多角形の辺の中心を前記分割コアのティース部の中心線上に合わせたことを特徴としている。
また、請求項３の発明は、前記一体構造としたステータコア部において、ティース部の径方向中心線上において回転中心から偏位した位置を中心とした円形状に、前記ヨーク部の外周形状を形成したことを特徴としている。
また、請求項４の発明は、前記フレームの内周に凸部を有し、前記凸部が前記分割コアのティース部の径方向中心線上に位置していることを特徴としている。
また、請求項５の発明は、前記一体構造としたステータコア部の外周に凸部を有し、前記凸部が前記分割コアのティース部の径方向中心線上に位置していることを特徴としている。
また、請求項７の発明は、請求項１から６に記載の回転電動機のステータを用いて製作されたことを特徴とする回転電動機である。

請求項１から請求項７に記載の発明によると、分割コアを組み合わせて一体構造とした環状ステータコア部とフレームを焼き嵌めする際の応力を分割コアのティース部の中心線方向に集中させることができるので、径方向以外の応力成分が発生することも少なくなり、分割コアも回転することなく、工業製品における一般的な寸法公差よりも悪い条件であっても、ステータコアの内径の寸法精度を確保した回転電動機のステータを提供でき、コギングトルクが小さい回転電動機を提供できる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は、本発明の第１の実施例を示す回転電動機のステータの平面断面図である。分かり易くするため、ステータコアの外周とフレームの内周の間を広く描いている。図１において、１は分割コア、２は分割コア１のヨーク部、３は分割コア１のティース部、４は巻線部、５は絶縁部、６はスロット開口、７はフレームである。
本発明が従来技術と異なる点は以下のとおりである。
すなわち、フレーム７の内周形状が略多角形であり、この略多角形の辺の中心と分割コア１のティース部３の径方向中心線上に合わせるように配置し、焼き嵌めした。
ティース部３の径方向中心近傍の径方向応力が、その他のティース部分よりも大きくなるので、ステータコアの内径の寸法精度を確保できる。
なお、ここでフレーム７の内周形状を略多角形と定義したが、その頂点には面取りやフィレットがあってもよい。

図２は、本発明の第２の実施例を示す回転電動機のステータの平面断面図である。図２の符号は実施例１と同じであるため以後説明を省略する。
実施例１と異なる点は、ティース部の径方向中心線上において回転中心から偏位した位置を中心とした円形状に、前記ヨーク部の外周形状を形成したことである。このことにより、ティース部３の径方向中心近傍の径方向応力を、その他の部分よりも大きくできるので有効である。

図３は、本発明の第３の実施例を示す回転電動機のステータの平面断面図である。図３において、８はフレーム７の内周部に設けた凸部である。他の符号は実施例１と同じであるため以後説明を省略する。
実施例１および２と異なる点は、フレーム７の内周部に凸部を設けティース部３の中心線上に位置させた点であり、従来技術と異なる点でもある。
本実施例でも、フレーム７の内周部に設けた凸部８をティース部３の径方向中心に位置させることにより、ティース部３の径方向応力をその他の部分よりも大きくできるので有効である。

図４は、本発明の第４の実施例を示す回転電動機のステータの平面断面図である。図４において、９はステータコアの外周に配置した凸部である。他の符号は実施例１と同じであるため以後説明を省略する。
実施例１から３と異なる点は、ステータコアの外周部のティース部の径方向中心線上に凸部を設けた点であり、従来技術と異なる点でもある。
本実施例でも、ティース部３の中心近傍の径方向応力をその他の部分よりも大きくできるので有効である。

図５は、本発明の第５の実施例を示す回転電動機のステータの平面断面図である。図５において、１０は挿入部材である。他の符号は実施例１と同じであるため以後説明を省略する。
実施例１から４と異なる点は、ステータコアの外周とフレーム７の内周の間のティース部３の径方向中心線上に挿入部材１０を配置して焼き嵌めた点であり、従来技術と異なる点でもある。
本発明でも、ティース部３の中心近傍の径方向応力をその他の部分よりも大きくできるので有効である。ここで、挿入部材１０の球状や棒状といった形状に左右されることなく、いずれの場合でも有効である。

図６は、本発明の第６の実施例を示す回転電動機の平面断面図である。図６において、１１はロータ磁石、１２はロータコア、１３はシャフトである。他の符号は実施例１と同じであるため以後説明を省略する。
ロータ磁石１１、ロータコア１２およびシャフト１３からなるロータと、実施例１から５に示すステータおよび図示していない軸受などを組み合わせ、回転電動機とした。
本発明の構成によれば、スロット開口６が衝突してティース端部が変形し、ステータコアの内周部の寸法精度が著しく低下し、コギングトルクが大幅に増大することが発生することはなく、低コギングトルクの回転電動機となる。

本発明の回転電動機のステータおよびそれを用いた回転電動機は、小型・高性能かつ低コギングトルクを実現できるので、産業用機器などの装置に適用できる。

本発明の第１の実施例を示す回転電動機のステータの平面断面図 本発明の第２の実施例を示す回転電動機のステータの平面断面図 本発明の第３の実施例を示す回転電動機のステータの平面断面図 本発明の第４の実施例を示す回転電動機のステータの平面断面図 本発明の第５の実施例を示す回転電動機のステータの平面断面図 本発明の第５の実施例を示す回転電動機の平面断面図 第１の従来例を示す回転電動機のステータの平面断面図 第２の従来例を示す回転電動機のステータの平面断面図 第３の従来例を示す回転電動機のステータの平面断面図 第４の従来例を示す回転電動機の平面断面図

符号の説明

１、１０１ 分割コア
２、１０２ ヨーク部
３、１０３ ティース部
４、１０４ 巻線部
５、１０５ 絶縁部
７ フレーム
８ フレームの凸部
９ コアの凸部
１０、１１０ 挿入部材
１０６ 環状フレーム
１０７ 矩形状フレーム
１０８ ステータ
１０９ ロータ
１１、１１１ ロータ磁石
１２、１１２ ロータコア
１３，１１３ シャフト

Claims (7)

1. ヨーク部とティース部とを有する略Ｔ字型分割コアを所定個数環状に組み合わせて一体構造としたステータコア部に、フレームを焼き嵌めしてなる回転電動機のステータにおいて、
   前記分割コア部の径方向応力が、前記ティース部の径方向中心線上において最大となることを特徴とする回転電動機のステータ。
2. 前記フレームの内周形状が略多角形であり、前記略多角形の辺の中心を前記分割コアのティース部の径方向中心線上に合わせたことを特徴とする請求項１記載の回転電動機のステータ。
3. 前記一体構造としたステータコア部において、ティース部の径方向中心線上において回転中心から偏位した位置を中心とした円形状に、前記ヨーク部の外周形状を形成したことを特徴とする請求項１記載の回転電動機のステータ。
4. 前記フレームの内周に凸部を有し、前記凸部が前記分割コアのティース部の径方向中心線上に位置していることを特徴とする請求項１記載の回転電動機のステータ
5. 前記一体構造としたステータコア部の外周に凸部を有し、前記凸部が前記分割コアのティース部の径方向中心線上に位置していることを特徴とする請求項１記載の回転電動機のステータ。
6. 前記一体構造としたステータコア部の外周と前記フレームの内周の間の前記分割コアのティース部の径方向中心線上に、球体または棒状の挿入部材を挿入して焼き嵌めしたことを特徴とする請求項１記載の回転電動機のステータ。
7. 請求項１から６のいずれかの項に記載の回転電動機のステータを備えたことを特徴とする回転電動機。

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