JP2009253996A - ステータ用コア及びステータ - Google Patents

Abstract

【課題】従来のステータの外観形態をほとんど変更することなく、コギングトルクやトルクリップルの影響、すなわち、振動や騒音を低減させて効率を高めることのできるステータ用コア及びステータを提供する。
【解決手段】コイルが装着されるティース部５を備える電動機のステータ用コア４であって、周方向位置によって透磁率が変化する上記ティース部を備えて構成されている。
【選択図】図３

Description

本願発明は、電動機等に用いられるステータ用コアに関する。詳しくは、コギングトルクやトルクリップルの影響を緩和することができるステータ用コアに関する。

たとえば、電動機は、回転磁界を発生させるように複数のコイルを環状に配置して構成されるステータと、このステータの内側で回転させられるロータとを備えて構成される。上記ロータには、上記ステータに対向する永久磁石が配置されており、上記コイルの回転磁界と上記磁石の間で生じる磁気吸引力によって上記ロータが回転駆動されるように構成されている。

上記ステータにおいてモータの出力を増加させるには、発生する磁力線を増加させるとともに磁力線を集中させて磁束密度を大きくし、上記ロータに作用させるのが好ましい。このため、上記コイルの内周部に磁性材料で形成されたコアが設けられている。磁束密度を大きくするには、できるだけ透磁率の大きい材料で上記コアを形成するのが望ましい。同様に、ロータ側の永久磁石を高性能化して、磁束密度を大きくすることが好ましい。

しかしながら、磁束密度が大きくなるほど、電流を流さない状態でのロータの位置による保持トルク、いわゆるコギングトルクが大きくなる。

また、上記ステータの各コイル及びロータの各磁石は、対向部分がロータの回転に伴って間欠的に近接離間を繰り返す。このため、上記コイルと永久磁石の磁束密度が大きくなるほど回転中のトルクの変動成分であるトルクリップル、すなわち、出力トルクの最低値と最大値の差を出力トルクの平均値で除した値も大きくなる。上記コギングトルクやトルクリップルが大きくなると、電動機の振動や騒音もそれだけ大きくなる。

上記コギングトルクやトルクリップルの問題を緩和するため、ステータあるいはロータのコイル配列を傾斜させて設ける、いわゆるスキューが知られている。
特開２００５−２６１１８２

しかしながら、ステータにスキューを施すには、コイルが装着されるティース部を傾斜状に形成しなければならなくなり、コアの形態が複雑になる。また、スキューを施したティース部に巻線を巻き回してコイルを形成するのも困難である。したがって、製造工程が増加するばかりでなく、製造コストも増加する。

また、コアやコイルの形態が複雑になるため、モータの小型化を図ることも困難である。

さらに、近年、製造工程を合理化するため、各コイルに対応した分割ステータを環状に組み付けてステータを構成する場合が多い。このような分割ステータに上記スキューを設けるのは困難である。特に、磁性粉体を圧粉成形等して各コイルに対応するコアを形成する場合、これら分割ステータ用コアに、上記スキューに対応した形態を付与するのも困難である。

本願発明は、上記従来の問題を解決し、従来のステータの外観形態をほとんど変更することなく、コギングトルクやトルクリップルの影響、すなわち、振動や騒音を低減させて効率を高めることのできるステータ用コア及びステータを提供することを課題としている。

本願の請求項１に記載した発明は、コイルが装着されるティース部を備える電動機のステータ用コアであって、ステータ周方向に透磁率が変化する上記ティース部を備えて構成したものである。

ステータコイル近傍において、磁力線の強度、すなわち磁束密度が急激に変化すると、コギングトルクやトルクリップルの影響が大きくなり、モータの振動や騒音につながる。上記磁力線の急激な変化を緩和することにより、上記コギングトルクやトルクリップルの影響を低減させて、モータの振動や騒音を抑制することが可能となる。

上記透磁率の変化態様は特に限定されることはないが、少なくともロータ磁石が近接するステータ周方向端部から中央部に向かって、ティース部の透磁率が次第に増加するように構成するのが望ましい。この構成を採用することにより、ステータとロータ間の磁気吸引力の急激な変化を緩和できるとともに、ロータ磁石の回転位置に応じて磁気吸引力を滑らかに作用させることが可能となる。これにより、コギングトルクやトルクリップルの影響を低減させることが可能となる。

また、本願発明により、透磁率の大きな材料をティース部中央部に配置することにより、コギングトルクやトルクリップルの影響を緩和しつつ、ティース部の全体的としての磁束を増加させて、電動機の出力を向上させることも可能となる。

請求項２に記載した発明のように、上記ティース部のステータ周方向中央部の透磁率を、周方向両外側部より大きく設定するのが好ましい。この構成を採用することにより、ロータ磁石がステータコイルに近接する場合における磁束の急激な変化を緩和できるとともに、ロータ磁石がステータコイルから遠ざかる場合における磁束の急激な変化を緩和できる。また、ロータが逆方向に回転する場合のトルクリップル等の影響を緩和することもできる。

上記ティース部の透磁率を変化させるための構成も特に限定されることはない。請求項３に記載した発明のように、上記ティース部を、透磁率の異なる磁性材料をステータ周方向に積層して形成することができる。

たとえば、透磁率の異なる複数の電磁鋼板をステータの周方向に積層して、上記ティース部を構成することができる。

また、請求項４に記載した発明のように、上記ティース部を、透磁率の異なる粉体磁性材料を周方向に積層成形した粉体成形体部を備えて構成することができる。上記粉体成形部は、１層のみでもよく、また、透磁率の異なる複数の層を設けて構成することもできる。

上記粉体磁性材料の透磁率を異ならせるために、異なる透磁率を有する磁性粉体を採用することができる。また、同一の磁性粉体を採用する場合においても、バインダの配合割合を異ならせることにより、透磁率を変化させることができる。

また、異なる透磁率を備える複数の層を一体圧粉成形等することにより、上記ティース部を形成することができる。また、配合される磁性粉体の種類、あるいは磁性粉体の配合割合を連続的に変化させて圧粉成形等することにより、透磁率がステータ周方向に連続的に変化するティース部を形成することもできる。

請求項５に記載した発明は、上記ティース部のステータ周方向中央部において、ステータ周方向に積層配置された１又は２以上の電磁鋼板と、粉体磁性材料から形成されるとともに、少なくとも上記電磁鋼板の周方向外側に積層形成された粉体成形部とを備えてステータ用コアを構成したものである。

磁性粉体を圧粉成形等することにより、所望の透磁率のコアを設けることができる。一方、電磁鋼板を採用すると、上記圧粉成形体では得られない大きな透磁率のコアを構成することが可能となる。本願発明では、上記２つのコア材料を組み合わせることにより、ティース部の透磁率を所望の態様で変化させることが可能となる。

透磁率を変化させるため、上記粉体成形部は、少なくとも電磁鋼板の周方向外側に形成すればよい。また、電磁鋼板の全体を粉体成形体内に埋め込むように成形することもできるし、一部をティース部から露出させて設けることもできる。粉体成形体内に上記電磁鋼板をインサートして成形することにより、製造工程が簡単になるばかりでなく、積層鋼板を保持する機構が不要となるため、部品点数を削減することも可能となる。

上記粉体成形部は、均一な透磁率を備える一つの層から構成することもできるし、２以上の異なる透磁率を備える層から構成することもできる。また、透磁率が同一の複数の電磁鋼板を積層してもよいし、透磁率の異なる複数の電磁鋼板をティース部の中央部に向かうにつれて、上記透磁率が大きくなるように積層することもできる。

さらに、積層される複数の電磁鋼板は同一の形態である必要はない。たとえば、同一の透磁率を有する電磁鋼板を採用する場合においても、ティース部のステータ周方向両端部における電磁鋼板のステータ軸方向幅を、ステータ周方向中央部の電磁鋼板の上記軸方向幅より小さく設定し、ティース部の中央に向かうにつれて、上記電磁鋼板の軸方向幅を次第に増加させるように構成することにより、上記ティース部のステータ周方向の透磁率を変化させることも可能となる。

また、高い透磁率を備える電磁鋼板をコアに採用した場合、トルクを向上させることができるが、高周波数領域において渦電流が増大して鉄損が増加するという特性がある。一方、磁性粉体の成形体は、電磁鋼板ほどの高い透磁率を得ることは困難であるが、比抵抗を大きく設定できるため高周波数領域における渦電流損失が小さい。したがって、これらを組み合わせることにより、全体として電動機のトルクを増加させながら、高周波数領域における鉄損の少ないコアを構成することも可能となる。

請求項６に記載した発明は、上記ステータ用コアを、装着されるコイルに対応してステータの周方向に分割された分割ステータ用コアに関するものである。

分割ステータを採用することにより、コイルを容易に装着できるばかりでなく、ステータの組み付けを容易に行うことが可能となる。また、分割ステータでは、スキューを施すことが困難であるため、コギングトルクやトルクリップルの影響を低減させることが困難であったが、本願発明を採用することにより、これら分割ステータを採用した電動機のコギングトルクやトルクリップルの影響を低減させることも可能となる。

さらに、磁性粉体を成形して構成されるコアを採用する場合においても、従来の外観形態を変更することなく上記コギングトルクやトルクリップルの影響を低減させることが可能となる。

本願の請求項７に記載した発明は、 請求項１から請求項６のいずれか１項に記載したステータ用コアと、各ティース部外周に装着されたコイルとを備える、電動機のステータに関するものである。

本願発明によって、コギングトルクやトルクリップルの影響を低減させた電動機を提供することができる。

以下、本願発明の実施形態を図に基づいて具体的に説明する。

図１は、本願発明に係るステータ用を備えるステータ１の軸に直交する断面図である。本実施形態は、環状に組付けられて、ステータ１を構成する分割ステータ２に用いるコア３に本願発明を適用したものである。

図１及び図２に示すように、分割ステータ２は、ステータ１の外周側に配置されるヨーク部４と上記ヨーク部４からステータ１の半径方向内方に一体延出形成された断面矩形状のティース部５とを有する上記コア３と、上記ティース部５の外周に巻線６を巻き回して形成されたコイル部７とを備えて構成されている。

本実施形態に係る上記コイル部７は、巻線６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄを各々巻き回して形成される略矩形状の４つの筒状コイル部材を入れ子状に組み付けて形成されており、上記ヨーク部側と上記ティース部側とから、それぞれ端子部８ａ，８ｂが延出されている。図１に示すように、上記コイル部７は、上記ティース部５の外周に被着されたインシュレータ１１を介して各コアのティース部５に組み付けられている。

図３に示すように、本実施形態に係る上記ティース部５は、ステータ周方向に積層されるとともに、上記ティース部５の周方向中央部に配置された７枚の電磁鋼板９ｄ，９ｃ，９ｂ，９ａ，９ｂ，９ｃ．９ｄと、これら電磁鋼板９ｄ，９ｃ，９ｂ，９ａ，９ｂ，９ｃ．９ｄを、周方向両側から挟み込むようにして配置される圧粉成形部５ａ，５ａとを備えて構成されている。本実施形態では、上記ヨーク部４と上記ティース部５の圧粉成形部５ａ，５ａは、上記電磁鋼板９ｄ，９ｃ，９ｂ，９ａ，９ｂ，９ｃ．９ｄを挟んだ状態で磁性粉体を圧粉成形して一体的に形成されている。

図４に示すように、本実施形態では、異なる透磁率を有する上記電磁鋼板９ａ１枚と、９ｂ，９ｃ．９ｄ各２枚、と上記圧粉形成部５ａ，５ａとから上記ティース５が形成されている。上記ティース部５は、周方向両端部から中央部に向かって透磁率が増加するように、上記電磁鋼板９ｄ，９ｃ，９ｂ，９ａ，９ｂ，９ｃ．９ｄ及び上記圧粉形成部５ａ，５ａを積層して構成されている。これにより、ティース部５の周方向中央部に磁束を集中させて磁束密度を最も高く設定するとともに、周方向両外側に向かって磁束密度が次第に低下するように構成している。

上記構成を採用することにより、ステータの各コイル部近傍における磁束密度の急激な変化を緩和して、ステータとロータ間の磁気吸引力をステータ中央部に向かって次第に増加させることができる。これにより、コギングトルクやトルクリップルの影響を低減させて、振動や騒音を抑制することができる。その結果、電動機の効率を向上させることもできる。

また、透磁率の大きな電磁鋼板を磁性粉体から形成された圧粉成形部５ａ，５ａで挟むように積層することにより、コギングトルクやトルクリップルの影響を緩和しつつ、全体としての磁束量を増加させて、電動機の出力を向上させることも可能となる。

しかも、本実施形態では、上記ティース部５の周方向中央部の透磁率を、周方向両外側部より大きく設定しているため、ロータが逆方向に回転する場合のトルクリップル等の影響を緩和することもできる。

図５に本願発明の第２の実施形態を示す。この実施形態は、異なる透磁率を有する磁性粉体を層状に積層成形してティース部２０５を構成したものである。すなわち、コア２０３の中央部に透磁率の高い磁性粉体を用いて最も透磁率の高い圧粉成形部２０９ａを配置するとともに、この圧粉成形部２０９ａの周方向両側に、上記圧粉成形部２０９ａより透磁率の低い圧粉成形部２０９ｂ，２０９ｂを配置し、さらにその周方向両側に、より透磁率の低い圧粉成形部２０５ａ，２０５ａを積層配置して、コア２０３の全体を構成している。これら各層は一体的に積層成形して構成されている。上記構成を採用することにより、上記ティース部２０５の周方向中央部の透磁率を、周方向両外側部より大きく設定することが可能となり、上記第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。

積層形成される各圧粉成形部の透磁率を異ならせるために、異なる透磁率の磁性粉体を採用することができる。また、同一の磁性粉体を採用する場合においても、バインダの配合割合を異ならせることにより、各圧粉成形部の透磁率を異ならせることができる。

図６に、本願発明の第３の実施形態を示す。この実施形態では、配合される磁性粉体の種類、あるいは磁性粉体の配合割合を連続的に変化させることにより、透磁率が連続的に変化するティース部３０５を形成したものである。この構成を採用することにより、磁束密度をより滑らかに変化させることが可能となり、急激な磁束変化によるコギングトルク及びトルクリップルの影響をより緩和することが可能となる。

図７に、本願発明の第４の実施形態を示す。この実施形態に係るコア４０３は、同一の透磁率を有する電磁鋼板を採用するとともに、ティース部４０５の周方向両端部側に配置される電磁鋼板４０９ｄ，４０９ｄのステータ軸方向幅を、周方向中央部に配置される電磁鋼板４０９ａより小さく設定し、ティース部４０５の中央に向かうにつれて、上記電磁鋼板４０９ｄ，４０９ｃ，４０９ｂ，４０９ａのように、積層される電磁鋼板のステータ軸方向幅を次第に増加させるように構成している。磁束は透磁率の高い電磁鋼板の部分に集中的に生じるため、ティース部４０５の周方向の透磁率を変化させることが可能となる。これにより、上記第１の実施形態ないし上記第３の実施形態と同様の効果を得ることが可能となる。

本願発明が適用されるコアは、第１の実施形態のような分割ステータ用のコアに限定されることはない。図８に示す第５の実施形態のように、一体成形されたステータ用コア５０３に本願発明を適用することもできる。

図８に示すステータ用コア５０３は、コイルが巻き回されるティース５０５ａ、５０５ｂ，５０５ｃ，５０５ｄ，５０５ｅ，５０５ｆを、環状の鍔部５０４を介して一体成形したものである。上記鍔部５０４は、平板ワッシャ状に形成されており、６つの上記ティース部５０５ａ、５０５ｂ，５０５ｃ，５０５ｄ，５０５ｅ，５０５ｆが、上記鍔部５０４からステータの軸方向に一体延出形成されている。

上記各ティース部５０５ａ、５０５ｂ，５０５ｃ，５０５ｄ，５０５ｅ，５０５ｆの周方向中央部には、上記第１の実施形態と同様に、透磁率の異なる３枚の電磁鋼板５０９ｂ，５０９ａ、５０９ｂが周方向に積層された状態で、両側に配置された圧粉成形部５０６，５０６に挟まれるようにして成形されている。透磁率は、５０９ａ、５０９ｂ、５０６の順に順次低くなるように設定されている。これにより、上記各ティース部５０５ａ、５０５ｂ，５０５ｃ，５０５ｄ，５０５ｅ，５０５ｆの周方向中央部の透磁率を、周方向両外側部より大きく設定している。

上記各ティース部の周囲には、巻線が巻き回されてコイルが形成される。本実施形態の場合、ロータの磁石は、上記ティース部の軸方向端面に対向して回転されるように保持されている。本実施形態においても、上記第１の実施形態と同様に、急激な磁束密度の変化が緩和され、コギングトルクやトルクリップルの影響を緩和することが可能となる。

本願発明は、上述の実施形態に限定されることはない。今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本願発明の範囲は、上記説明した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本願発明係るステータ用コアによって、コギングトルクやトルクリップルの影響を緩和して、振動や騒音を抑制することができる。

第１の実施形態に係るステータ用コアを採用したステータの軸に直交する断面図である。 図１に示す分割ステータの全体斜視図である。 図２に示す分割ステータ用コアの全体斜視図である。 図２におけるＩＶ−ＩＶ線に沿う断面図及びティース部のステータ周方向の透磁率の変化を表す図面である。 本願発明の第２の実施形態に係る断面図及びティース部の周方向の透磁率の変化を表す図面である。 本願発明の第３の実施形態に係る断面図及びティース部の周方向の透磁率の変化を表す図面である。 本願発明の第４の実施形態に係るティース部の全体斜視図である。 本願発明の第５の実施形態に係るティース部を備えるコアの全体斜視図である。

符号の説明

３ コア
５ ティース部

Claims (7)

1. コイルが装着されるティース部を備える電動機のステータ用コアであって、
   ステータ周方向に透磁率が変化する上記ティース部を備える、ステータ用コア。
2. 上記ティース部のステータ周方向中央部の透磁率を、ステータ周方向両外側部より大きく設定した、請求項１に記載のステータ用コア。
3. 上記ティース部は、透磁率の異なる磁性材料を周方向に積層して形成されている、請求項１又は請求項２のいずれかに記載のステータ用コア。
4. 上記ティース部は、透磁率の異なる粉体磁性材料を周方向に積層成形した粉体成形部を備える、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のステータ用コア。
5. 上記ティース部のステータ周方向中央部において、ステータ周方向に積層配置された１又は２以上の電磁鋼板と、
   粉体磁性材料から形成されるとともに、上記電磁鋼板のステータ周方向外側に積層された１又は２以上の粉体成形部とを備える、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のステータ用コア。
6. 上記ステータ用コアは、上記コイルに対応してステータの周方向に分割された分割ステータ用コアである、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のステータ用コア。
7. 請求項１から請求項６のいずれか１項に記載したステータ用コアと、各ティース部外周に装着されたコイルとを備える、電動機のステータ。

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