JP2011072148A

JP2011072148A - 回転機

Info

Publication number: JP2011072148A
Application number: JP2009222247A
Authority: JP
Inventors: Takehiro Miyoshi; 健宏三好
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2009-09-28
Filing date: 2009-09-28
Publication date: 2011-04-07

Abstract

【課題】安価で高効率な回転機を提供する。
【解決手段】ステータ２と、ステータ２に対して回転自在に設けられたロータ３とを備えた回転機１であって、ステータ２は、環状のヨーク部２ａと、ヨーク部２ａの内周面に周方向に配列された複数のティース部２ｂとを備え、ティース部２ｂは、ヨーク部２ａからヨーク部２ａの径方向に突出するティース本体部２ｂ１と、ティース本体部２ｂ１の先端に形成されたティース先端鍔部２ｂ２とからなり、ヨーク部２ａおよび前記ティース本体部２ｂ１は、Ｆｅ−Ｓｉ系合金で構成され、ティース先端鍔部２ｂ２は、Ｆｅ−Ｃｏ系合金で構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、高効率な回転機に関する。

回転機の高効率化を図るための技術として、回転機の一部を異なる材料とする技術が種々提案されている。例えば、特許文献１では、電磁鋼板を積層して形成する固定子において、無方向性電磁鋼板に代えて方向性電磁鋼板を使用して鉄損を低減して効率化を図る技術が提案されている。また、特許文献２では、高い磁束密度が要求されるティース部について方向性電磁鋼板を用い、高い磁束密度が要求されないコアバック部（ヨーク部）については無方向性電磁鋼板を用いるようにして、高い磁束密度が要求される部分とそうでない部分とについてそれぞれ最適な材料を選択して効率化を図る技術が提案されている。

特開平７−６７２７２号公報（段落００１２，００１３、図１）特開２０００−３４１８８９号公報（段落００３１、図４）

ところで、図７に示すように、方向性電磁鋼板は無方向性電磁鋼板に比べて低磁場領域（図中領域Ａ）では高い磁束密度を示すが、高磁場領域（図中領域Ｂ）では互いに同じ特性を示す。このように高磁場領域で同じ特性を示すのは、方向性電磁鋼板と無方向性電磁鋼板とがそもそも結晶方位の差による特性差を利用しているため、材料自体が持つ磁気モーメントの値が同じであることによる。

例えば、ハイブリッド自動車（ＨＥＶ）などに用いられるモータ（回転機）には大電流が流れるため、ステータ近傍において高い磁場が発生する。モータの高トルク化には、使用環境下（高磁場領域）での磁束密度が高い必要がある。すなわち、高磁場領域において高磁束密度化する必要があり、これには方向性電磁鋼板ではなく高飽和磁束密度材料を用いることが必要になる。

しかしながら、高磁場領域におけるモータの高トルク化においてステータに高飽和磁束密度材料を適用することが有効であるが、高飽和磁束密度材料は、一般的なＦｅ−Ｓｉ系合金からなる電磁鋼板（ケイ素鋼板）に比べて著しくコストが高く（例えば、１００倍）実用的ではないという課題がある。

本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、安価で高効率な回転機を提供することを目的とする。

第１の本発明は、ステータと、前記ステータに対して回転自在に設けられたロータとを備えた回転機であって、前記ステータは、環状のヨーク部と、前記ヨーク部の周面に周方向に配列された複数のティース部とを備え、前記ティース部は、前記ヨーク部よりも飽和磁束密度の高い高飽和磁束密度材料で構成されることを特徴とする。

第１の本発明によれば、ティース部のみにヨーク部よりも飽和磁束密度の高い高飽和磁束密度材料を用いることにより、安価で高効率な回転機を得ることができる。

第２の本発明は、ステータと、前記ステータに対して回転自在に設けられたロータとを備えた回転機であって、前記ステータは、環状のヨーク部と、前記ヨーク部の周面に周方向に配列された複数のティース部とを備え、前記ティース部は、前記ヨーク部から前記ヨーク部の径方向に突出するティース本体部と、前記ティース本体部の先端に形成されたティース先端鍔部とからなり、前記ティース先端鍔部は、前記ヨーク部および前記ティース本体部よりも飽和磁束密度の高い高飽和磁束密度材料で構成されることを特徴とする。

第２の本発明によれば、ティース部のさらに一部であるティース部の先端側のティース先端鍔部、つまり、ロータに対向する板状の部分のみにヨーク部およびティース本体部よりも飽和磁束密度の高い高飽和磁束密度材料を用いることにより、安価で高効率な回転機を得ることができる。

例えば、前記高飽和磁束密度材料は、Ｆｅ−Ｃｏ系合金であり、前記ステータを構成する残部は、Ｆｅ−Ｓｉ系合金であることを特徴とする。

詳細については、後記する実施形態において説明するが、第１の本発明によれば、ティース部にＦｅ−Ｃｏ系合金、ステータを構成する残部（ヨーク部）にＦｅ−Ｓｉ系合金を用いると、全体（ティース部＋ヨーク部）をＦｅ−Ｃｏ系合金に置換する場合と比べて８割を超える効果が得られ、安価で高効率な回転機を得ることが可能になる。また、第２の本発明によれば、ティース先端鍔部にＦｅ−Ｃｏ系合金、ステータを構成する残部（ヨーク部およびティース本体部）にＦｅ−Ｓｉ系合金を用いると、全体（ティース部＋ヨーク部）をＦｅ−Ｃｏ系合金に置換する場合と比べて４割の効果が得られ、安価で高効率な回転機を得ることが可能になる。

本発明によれば、安価で高効率な回転機を提供することができる。

本発明の実施形態に係る回転機の構成を示す一部省略平面図である。ステータの分割パターンを示す概略図である。ステータの製造工程を示すフローチャートである。（ａ）〜（ｃ）は、それぞれティース先端鍔部の接合方法を示す断面図である。ステータの面積分率とトルク変化率との関係を示すグラフである。本発明の実施形態の変形例に係る回転機の構成を示す一部省略平面図である。方向性電磁鋼板と無方向性電磁鋼板における、磁場と磁束密度との関係を示すグラフである。

以下、本発明に係る実施形態について図１ないし図５を参照して説明する。なお、以下の説明では、まず特許請求の範囲に記載のティース先端鍔部のみに高飽和磁束密度材料であるＦｅ−Ｃｏ系合金を適用した場合について説明する。また、本発明の回転機１は、例えば、ハイブリッド車の駆動用の電動機に適用される。

図１に示すように、本実施形態の回転機１は、ステータ（固定子）２、ステータ２の内側に配置されるロータ（回転子）３を備え、これら（ステータ２、ロータ３）が図示しないハウジング（モータケース）内に収容されて構成されている。

ステータ２は、環状に形成されたヨーク部２ａと、ヨーク部２ａの内周面２ａ１（周面）に径方向内側に突出して形成される複数のティース部２ｂと、各ティース部２ｂに巻回されるコイル２ｃとで構成されている（一部のみ図示）。なお、ヨーク部２ａは、例えば図示しないハウジング内に固定されている。

ティース部２ｂは、ティース本体部２ｂ１と、ティース本体部２ｂ１の先端に形成されるティース先端鍔部２ｂ２とを有している。なお、本実施形態でのティース先端鍔部２ｂ２とは、ティース本体部２ｂ１から周方向に突出している部分（オーバハング部分）のみを意味するのではなく、ロータ３の外周面３ｓに対向する先端部分全体（湾曲した片状の部分）を意味している（図２の白抜きで示す領域１参照）。また、本実施形態では、ティース先端鍔部２ｂ２のみが、ヨーク部２ａおよびティース本体部２ｂ１とは異なる材料である高飽和磁束密度材料で形成されている。

コイル２ｃは、例えば、表面が絶縁材料で被覆された金属線（例えば、銅）で形成され、各ティース部２ｂのティース本体部２ｂ１の周囲に巻回されている。なお、コイル２ｃは、例えば、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のコイルが周方向に順に配列されている。

ロータ３は、例えば、周縁部に、周方向に沿って永久磁石３ｂが埋め込まれたもので構成されている。すなわち、ロータ３は、環状のロータヨーク３ａを有し、ロータヨーク３ａの周方向に形成された各スロット（不図示）内に永久磁石３ｂが埋め込まれて構成されている。また、ロータ３の中心には、動力を伝達する軸（シャフト）が固定されている。

次に、本実施形態に係るステータ２の材料構成について説明する。
本実施形態の回転機１は、ステータ２を構成する材料のうち、ティース先端鍔部２ｂ２が、高飽和磁束密度材料で形成されていることに特徴を有している。すなわち、ステータ２は、図２に示すように、濃いドットで示すヨーク部２ａおよび薄いドットで示すティース本体部２ｂ１を構成する部分（領域３＋領域２）がＦｅ−Ｓｉ系合金で形成され、白抜きで示すティース先端鍔部２ｂ２を構成する部分（領域１）がＦｅ−Ｃｏ系合金で構成されている。なお、ヨーク部２ａおよびティース本体部２ｂ１（領域３＋領域２）が、ステータ２を構成する残部に相当する。

Ｆｅ−Ｓｉ系合金は、いわゆるケイ素鋼板であり、例えば、表１に示すように、鉄に３％（質量％）のケイ素を含むもので構成されている。

Ｆｅ−Ｃｏ系合金は、いわゆる高飽和磁束密度材料であり、例えば、Ｆｅ（鉄）に１０％（質量％）以上のＣｏ（コバルト）を含むもので構成されている。Ｆｅ−Ｃｏ系合金としては、いわゆるパーメンジュールと称される鉄に４９％のＣｏを含むものであり、具体的には、Ｃｏが４９％、バナジウムが２％、残部（４９％）がＦｅで構成されたものである。また、Ｆｅ−Ｃｏ系合金としては、鉄に２７％のＣｏを含むもの、鉄に１８％のＣｏを含むもの、鉄に１０％のＣｏを含むものなど、コストと効率性とを勘案して適宜選択することができる。

このように、鉄に１０％以上のＣｏが含まれるＦｅ−Ｃｏ系合金を用いると、高磁場領域（図７に示す領域Ｂ）において高い磁束密度を得ることができる。ただし、このようなＦｅ−Ｃｏ系合金は、希少金属であるＣｏを含む金属であるため、ステータ２を構成する材料のすべてをこのＦｅ−Ｃｏ系合金に置換すると著しくコスト高となる。そこで、本実施形態では、前記したように、ステータ２の図２で示す領域１のみにＦｅ−Ｃｏ系合金を適用したものである。

ところで、回転機１の高磁場領域における高トルク化には高飽和磁束密度材料を用いてステータ２の全体に大きな磁束を通すことが有効であるが、実際にはステータ２の先端部で局所的に磁気飽和を起こしてそれ以上磁束密度を大きくできず、トルクも向上しないことが見出された。そこで、本実施形態では、磁束密度のボトルネックとなる先端部位に高飽和磁束密度材料を適用し、ステータ２全体の材料効率を向上させるに至ったものである。

次に、ステータ２の製造工程について簡単に説明するが、まずステータを形成する一例について図３のフローチャートを参照して説明する。まず、圧延処理などによって薄板状の電磁鋼板ａ（Ｆｅ−Ｓｉ系合金）を作製する（電磁鋼板作製工程）。そして、作製された電磁鋼板ａをプレス成形によって略Ｔ字状に打ち抜き、この打ち抜いたものをカシメなどによって積層固定する（プレス＆カシメ工程）。そして、積層された略Ｔ字状の電磁鋼板に樹脂製の絶縁ボビンｂを取り付け、絶縁ボビンｂの周囲に、絶縁被覆された銅線ｃを巻回してコイル成形体を形成する（巻き線工程）。そして、複数のコイル成形体を環状に接合して、ハウジングｄ内に収容する（ＡＳＳＹ工程）。

このようなステータの製造工程において、本実施形態に係るステータ２Ａでは、図４（ａ）に示すように、電磁鋼板（Ｆｅ−Ｓｉ系合金）を略Ｔ字状に打ち抜いて、これを複数枚積層固定して、ヨーク部２ａとティース本体部２ｂ１とが一体に形成されたものを作製する。そして、別工程において、Ｆｅ−Ｃｏ系合金からなる電磁鋼板にクサビ２ｂ３を形成したティース先端鍔部２ｂ２を作製する。そして、ティース本体部２ｂ１（積層体）の先端面にティース先端鍔部２ｂ２のクサビ２ｂ３を打ち込み、互いの凹凸によって機械的に外れないようにして固定する。なお、巻き線工程とＡＳＳＹ工程は、前記した例と同様である。

また、図４（ｂ）に示すステータ２Ｂでは、ヨーク部２ａとティース本体部２ｂ１と一体に形成された略Ｔ字状の電磁鋼板（Ｆｅ−Ｓｉ系合金）からなる積層体に耐熱性を有する接着剤層２ｄを介してティース先端鍔部２ｂ２を固定することによって構成されている。なお、接着剤層２ｄとしては、エポキシ樹脂等の熱硬化性接着剤などから適宜選択できる。

また、図４（ｃ）に示すステータ２Ｃでは、ヨーク部２ａとティース本体部２ｂ１とが一体に形成された略Ｔ字状の電磁鋼板（Ｆｅ−Ｓｉ系合金）からなる積層体にティース先端鍔部２ｂ２を仮固定した後に、ステータ２の全体を熱可塑性樹脂などでモールド層（絶縁樹脂層）２ｅを形成することによって構成されている。これにより、ティース本体部２ｂ１に仮固定されたティース先端鍔部２ｂ２が機械的に補強される。

なお、図４（ａ）〜図４（ｃ）を組み合わせて構成してもよく、その他の接合手段によって接合してもよい。また、ティース先端鍔部２ｂ２は、積層したものであってもよく、ブロック状のものであってもよい。

また、図示はしないが、ケイ素鋼板で作製されたステータに対して、ティース部またはティース先端鍔部にＣｏ（コバルト）を拡散させることができれば、その部分は高飽和磁束密度となり、本発明の一例とすることができる。

また、本実施形態では、ティース先端鍔部２ｂ２をティース本体部２ｂ１に取り付けた後にコイルを巻回する場合を例に挙げて説明したが、ティース先端鍔部２ｂ２を取り付ける前にコイルを巻回するようにしてもよい。

このようにして構成されたステータ２を備えた回転機１において、ステータ２の領域１のみにＦｅ−Ｃｏ系合金を適用（置換）した場合、ティース先端鍔部２ｂ２の表面積（面積分率）は、ステータ２の全表面積に対して２％となる（図２参照）。このように面積分率を２％にした場合には、図５に示すように、トルク変化率を４０％にすることが可能になる。

つまり、図５においてＰ０で示すように、ステータ２にＦｅ−Ｃｏ系合金を使用しない場合（面積分率０％の場合）のトルク変化率を０％とし、図５においてＰ１００で示すように、ステータ２のすべてをＦｅ−Ｃｏ系合金とした場合（面積分率１００％の場合）のトルク変化率を１００％とした場合、Ｆｅ−Ｃｏ系合金をティース先端鍔部２ｂ２のみに適用したとき（面積分率２％の場合）のトルクを、面積分率０％のときに対して約４０％向上することが可能になる。

このように、ステータ２におけるＦｅ−Ｓｉ系合金からＦｅ−Ｃｏ系合金への置換割合を、面積分率で２％増加させただけで、Ｆｅ−Ｃｏ系合金に全置換した場合の４割分のトルクを得ることが可能になる。よって、安価で高効率な回転機１を得ることが可能になる。すなわち、高飽和磁束密度材料（Ｆｅ−Ｃｏ系合金）を最小限の使用量で高トルク化が可能になる。

なお、前記した実施形態では、ステータ２のティース先端鍔部２ｂ２のみ（領域１のみ）をＦｅ−Ｃｏ系合金に置換した場合を例に挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、ステータ２のティース本体部２ｂ１およびティース先端鍔部２ｂ２（ティース部２ｂ・・・領域２＋領域１）をＦｅ−Ｃｏ系合金に置換してもよい。

このようにステータ２の領域１および領域２にＦｅ−Ｃｏ系合金を適用した場合、ティース部２ｂにおける面積分率が５３％となり、図５に示すように、トルク変化率を８０％以上とすることが可能になる。この場合においても、より低コストで高効率な回転機１を得ることが可能になる。

また、前記した実施形態では、インナロータタイプの回転機１を例に挙げて説明したが、このようなタイプに限定されるものではなく、図６に示すようにアウタロータタイプの回転機１０に適用することもできる。なお、図６ではコイルの図示を省略している。

すなわち、図６に示す回転機１０は、ステータ１２と、ステータ１２に対して回転自在に設けられたロータ１３とを備えている。ステータ１２は、環状に形成されたヨーク部１２ａと、ヨーク部１２ａの外周面１２ａ１（周面）に周方向に配列された複数のティース部１２ｂとを有している。ティース部１２ｂは、ティース本体部１２ｂ１と、ティース本体部１２ｂ１の先端に形成されたティース先端鍔部１２ｂ２とで構成されている。本実施形態では、ティース先端鍔部１２ｂ２のみ、ティース本体部１２ｂ１およびティース先端鍔部１２ｂ２が高飽和磁束密度材料（Ｆｅ−Ｃｏ系合金）で形成されている。ロータ１３は、環状に形成されたロータヨーク１３ａを有し、ロータヨーク１３ａの周方向に形成された各スロット（不図示）内に永久磁石１３ｂが埋め込まれて構成されている。

なお、本発明は、ハイブリッド自動車（ＨＥＶ）などの四輪車（車両）に限定されるものではなく、電気自動車（ＥＶ）、燃料電池自動車（ＦＣＥＶ）、二輪車、列車、船舶などの駆動モータなどに適用できる。また、車両などの駆動モータに限定されるものではなく、車両用の補機などに適用してもよい。

１，１０回転機
２，１２ステータ
２ａ，１２ａヨーク部
２ａ１内周面（周面）
２ｂ，１２ｂティース部
２ｂ１，１２ｂ１ティース本体部
２ｂ２，１２ｂ２ティース先端鍔部
２ｂ３クサビ
１２ａ１外周面（周面）
２ｄ接着剤層
２ｅモールド層
２ｃコイル
３，１３ロータ

Claims

ステータと、前記ステータに対して回転自在に設けられたロータとを備えた回転機であって、
前記ステータは、環状のヨーク部と、前記ヨーク部の周面に周方向に配列された複数のティース部とを備え、
前記ティース部は、前記ヨーク部よりも飽和磁束密度の高い高飽和磁束密度材料で構成されることを特徴とする回転機。
ステータと、前記ステータに対して回転自在に設けられたロータとを備えた回転機であって、
前記ステータは、環状のヨーク部と、前記ヨーク部の周面に周方向に配列された複数のティース部とを備え、
前記ティース部は、前記ヨーク部から前記ヨーク部の径方向に突出するティース本体部と、前記ティース本体部の先端に形成されたティース先端鍔部とからなり、
前記ティース先端鍔部は、前記ヨーク部および前記ティース本体部よりも飽和磁束密度の高い高飽和磁束密度材料で構成されることを特徴とする回転機。
前記高飽和磁束密度材料は、Ｆｅ−Ｃｏ系合金であり、
前記ステータを構成する残部は、Ｆｅ−Ｓｉ系合金であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の回転機。