JP2013219947A - ステータコアおよびそれを用いた回転電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】コギングトルクを低減した回転電動機を提供する。
【解決手段】ステータコア１００は、インナーロータ型の回転電動機に使用される。複数の鉄心片１０は、それぞれの内周側に複数のスロット１６および複数のティースが形成され、それぞれの外周側に実質的に等間隔に配置される複数の溶接溝１８が形成される。複数の鉄心片１０は厚み方向に積層され、対応する溶接溝１８同士が溶接されて固着される。ステータコア１００のスロット数をＳとするとき、溶接溝１８の個数Ｎは、値（Ｓ／Ｎ×２）が奇数であり、かつその値がスロット数Ｓの約数のうちの２つの公約数となるよう定められる。
【選択図】図７

Description

本発明は、インナーロータ型の回転電動機に関し、特に積層型のステータコア（固定子鉄心）を有する回転電動機に関する。

回転電動機のひとつに、インナーロータ型のブラシレスモータ（以下、単に回転電動機ともいう）が知られている。回転電動機は、インナーロータとアウターステータを備える。アウターステータは、ステータコアと、それに巻装された巻線（コイル）を有し、ステータコアは、プレス加工により切断、成形された薄型の鉄心片が積層されて構成される。図１（ａ）、（ｂ）は、回転電動機のステータコア１００の構成を示す図である。図１（ａ）は、鉄心片１０の平面図であり、図１（ｂ）は、鉄心片１０の断面図であり、図１（ｃ）はステータコア１００全体を示す斜視図である。鉄心片１０は、環状のヨーク１２、複数のティース（歯部）１４、複数のスロット（溝）１６、複数の溶接溝１８を備える。

複数のヨーク１２は、環状のヨーク１２から内側に突起している。隣接する２つのティース１４の間には、巻線（不図示）が巻装されるスロット１６が設けられる。ヨーク１２の外側には、複数の溶接溝１８が設けられる。

図１（ｃ）に示すように、ステータコア１００は円筒形状を有し、複数の鉄心片１０が積層されて構成される。複数の鉄心片１０同士は、ヨーク１２の外側に設けられた溶接溝１８において溶接によって機械的に接続される。

特開２００７−１４１２９号公報

回転電動機は、固定子巻線に電流を流さない状態において、ロータを回転させたときに回転角に応じて脈動する抗力が発生する。これはコギングトルクと称され、回転電動機を回転制御する際の外乱となり、装置の精度低下、効率の低下、騒音、振動の原因となるため、低減することが望まれる。

本発明は係る状況においてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、コギングトルクを低減した回転電動機の提供にある。

本発明のある態様は、インナーロータ型の回転電動機のステータコアに関する。ステータコアは、それぞれの内周側に複数のスロットおよび複数のティースが形成され、それぞれの外周側に実質的に等間隔に配置される複数の溶接溝が形成された複数の鉄心片を備える。複数の鉄心片は厚み方向に積層され、対応する溶接溝同士が溶接されて固着される。ステータコアのスロット数をＳとするとき、溶接溝の個数Ｎは、値（Ｓ／Ｎ×２）が奇数であり、かつその値がスロット数Ｓの約数のうちの２つの公約数となるよう定められる。

本発明の別の態様もまた、ステータコアである。このステータコアは、それぞれの内周側に複数のスロットおよび複数のティースが形成され、それぞれの外周側に実質的に等間隔に配置されるＭ個（Ｍは偶数の整数）の溶接溝が形成された複数の鉄心片を備える。複数の鉄心片は厚み方向に積層され、対応する溶接溝同士が溶接されて固着される。Ｎ個の溶接溝のうち奇数番目のそれらにおいて複数の鉄心片を溶接したときのステータコアの内径の角度方向の分布と、Ｎ個の溶接溝のうち偶数番目のそれらにおいて複数の鉄心片を溶接したときのステータコアの内径の角度方向の分布とは、ある真円の径を基準として極性を反転した関係にある。

これらの態様によると、奇数番目の溶接溝により引き起こされるステータの内径の歪みと、偶数番目の溶接溝により引き起こされるステータの内径の歪みと、が互いに打ち消し合い、ステータを真円に近づけることができ、コギングトルクを低減できる。

本発明の別の態様は、回転電動機に関する。回転電動機は、ステータおよび永久磁石を有するロータを備える。ステータは、上述のステータコアと、ステータコアの複数のスロットそれぞれに巻装される複数の巻線と、を有する。
この態様によれば、コギングトルクが低減されるため、高効率化、静音化、低振動化などの効果を得ることができる。

本発明によれば、回転電動機のコギングトルクを低減できる。

図１（ａ）、（ｂ）は、回転電動機のステータコアの構成を示す図である。 図２（ａ）、（ｂ）は、磁極数Ｐ＝１６、スロット数Ｓ＝１８、Ｎ＝６である鉄心片の構成を示す平面図である。 図２（ａ）の鉄心片を用いたステータコアおよび図１（ａ）の鉄心片を用いたステータコアそれぞれの、溶接による径方向の歪みの計算結果を示すチャート図である。 実施の形態に係るステータコアを備える回転電動機の構成を示す断面図である。 Ｎ＝８、Ｎ＝６それぞれにおける、高調波と、コギングトルクの計算結果を示す図である。 変形例に係る鉄心片の構成を示す平面図である。 図７（ａ）、（ｂ）は、スロット数Ｓ＝１８、Ｎ＝１２である第２の実施の形態に係る鉄心片１０ａの構成を示す平面図である。 図２（ａ）の鉄心片、図２（ｂ）の鉄心片、図７（ａ）の鉄心片、図７（ｂ）の、それぞれを用いたステータコアの、溶接による径方向の歪みの計算結果を示す図である。 図２（ａ）の鉄心片、図２（ｂ）の鉄心片、図７（ａ）の鉄心片、図７（ｂ）の鉄心片、それぞれを用いたステータコアの、高調波と、コギングトルクの計算結果を示す図である。 さまざまなスロット数に対して、第１、第２条件のもとで選択可能な溶接溝の個数を示す図である。

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

（第１の実施の形態）
本発明者らは、図１に示すステータコア１００について、コギングトルクを低減するための検討を行い、以下の着想を得た。なおこの検討により得られた知見は、当業者に周知ではなく、本発明者らが独自に認識したものである。

図１のステータコア１００では、図１のステータコア１００は、スロット数Ｓ＝１８であり、溶接溝１８の個数としてＮ＝８が選択されている。このようなステータコア１００を用いて構成された回転電動機について、コギングトルクを解析したところ、コギングトルクは１．１５［Ｎ・ｍ］であり、さらに低減する必要がある。

本発明者らは、図１のステータコア１００のコギングトルクが大きい理由として以下の２つの要因を見いだした。第１の要因は、溶接溝１８の個数Ｎが、磁極数Ｐの約数となっていること、第２の要因は、溶接後のステータコア１００が、楕円形状に変形していることである。

第１の要因について説明する。コギングトルクは、ロータの永久磁石の極数Ｐとスロット数Ｎの最小公倍数Ｘの脈動となって現れ、その大きさは脈動数Ｘに反比例する。したがってコギングトルクを低減するためには、脈動数Ｘを大きくすればよいことが知られている。
また、Ｎ個の溶接溝１８において溶接されたステータコア１００では、Ｎ次高調波が生ずる。上述のように磁極数Ｐとスロット数Ｓの最小公倍数Ｘの脈動が生ずるため、溶接溝１８の個数Ｎは、磁極数Ｐを避けることが望ましい。また溶接溝１８の個数Ｎが磁極数Ｐの約数である場合にも同様である。

第１の要因の検討結果から、溶接溝１８の個数Ｎは、磁極数Ｐの非約数であることが望ましい。これを第１条件という。

第２要因について説明する。図１を参照すると、ある溶接溝１８［１］、１８［５］は、ティース１４と対応する箇所に位置し、別の溶接溝１８［３］、１８［７］は、スロット１６と対応する箇所に位置し、別の溶接溝１８［２］、１８［４］、１８［６］、１８［８］は、ティース１４とスロット１６の境界付近に位置する。鉄心片１０の剛性は、必ずしも回転対称ではなく、ティース１４の箇所とスロット１６の箇所とでは、剛性が異なっている。したがって図１の鉄心片１０を複数の溶接溝１８において溶接すると、溶接溝１８ごとに剛性が異なることにより、鉄心片１０が楕円状に変形する。ステータコア１００が楕円状に変形すると、２次高調波の成分が大きくなり、これによりコギングトルクが増大する。これが第２要因の原因である。なお、溶接溝１８の分布に応じて、鉄心片１０が真円から歪むという知見は当業者に知られたものではなく、本発明者らが初めて見いだしたものである。

第２の要因の検討結果から、複数の溶接溝１８は、溶接後に鉄心片１０が真円を保つように配置されることが望ましく、複数の溶接溝１８それぞれが、鉄心片１０の剛性が互いに等しい複数の箇所に均等に配置されることが望ましい。このためには、溶接溝１８の個数Ｎは、スロット数Ｓの約数のうち２つの公倍数であることが望ましい。これを第２条件という。

以上の考察から、コギングトルクを低減するためには、第１条件および第２条件を満たすように溶接溝１８の個数Ｎおよび配置を決定すればよい。

以下、磁極数Ｐ＝１６、スロット数Ｓ＝１８の回転電動機について、具体的に好ましい溶接溝の配置を説明する。
第１条件を考慮すると、溶接溝１８の個数Ｎから、１６の約数（１，２，４，８，１６）が除外される。

第２条件を考慮する。スロット数Ｓ＝１８の約数は、１，２，３，６，９，１８である。約数のうち２つの公倍数は、２，３，６，９，１２，１８，２７，３６，・・・５４，１０８，１６２であり、これらの数が溶接溝１８の個数Ｎに許容される候補となる。

第１条件および第２条件をともに満たす個数Ｎは、３，６，９，１２，１８，２７，３６，５４，１０８，１６２となる。以下ではＮ＝６の場合について、その効果を説明する。

図２（ａ）、（ｂ）は、磁極数Ｐ＝１６、スロット数Ｓ＝１８、Ｎ＝６である第１の実施の形態に係る鉄心片１０の構成を示す平面図である。たとえば鉄心片１０は、プレス加工により切断、成形される。６個の溶接溝１８［１］〜１８［６］は、実質的に等間隔に、すなわち６０度ごとに配置される。図２（ａ）の鉄心片１０では、６個の溶接溝１８は、ティース１４と対応する箇所に配置される。図２（ｂ）の鉄心片１０では、６個の溶接溝１８は、スロット１６と対応する箇所に配置される。

以上が実施の形態に係るステータコア１００の構成である。続いてその利点を説明する。

図３は、図２（ａ）の鉄心片１０を用いたステータコア１００および図１（ａ）の鉄心片１０を用いたステータコア１００それぞれの、溶接による径方向の歪みの計算結果を示すチャート図である。計算は、ＦＥＭ（有限要素法）構造解析を用いて行っており、図１（ａ）のＮ＝８のモデルと、図２（ａ）のＮ＝６のモデルについて行った。溶接による変形は、溶接溝１８それぞれに対して、鉄心片１０の外側から中心方向に向けて加重を与えることで模擬している。チャート中の１〜１８はそれぞれティース１４の位置を示している。Ｎ＝８の場合、鉄心片１０が楕円形状に変形するのに対して、Ｎ＝６の場合、変形が抑制されており、溶接後においても真円に近い形状を維持できる。

図４は、実施の形態に係るステータコア１００を備える回転電動機１の構成を示す断面図である。回転電動機１は、ステータ２とロータ４を備える。ロータ４は、永久磁石を有し、その磁極数Ｐは１６である。ステータ２は、複数の鉄心片１０を積層し、複数の溶接溝１８において溶接することにより形成されるステータコア１００と、ステータコア１００のティース１４を軸としてスロット１６の部分に巻装される巻線２０を備える。

図４の回転電動機１は、実施の形態に係るステータコア１００を備えているため、コギングトルクを低減することができる。図５は、Ｎ＝８、Ｎ＝６それぞれにおける、高調波と、コギングトルクの計算結果を示す。Ｎ＝８の場合、溶接により鉄心片１０が楕円形に変形し、それによって２次高調波および８次高調波が顕著に表れることがわかる。このときのコギングトルクは１．１５［Ｎ・ｍ］である。Ｎ＝６の場合、溶接による鉄心片１０の変形が抑制されるため、２次高調波、８次高調波が低減される。その結果、コギングトルクは０．２０［Ｎ・ｍ］とＮ＝８の場合の１．１５［Ｎ・ｍ］に比べて８２％低減できる。

コギングトルクの低減によって、回転電動機１は、装置の精度の向上、効率の上昇、騒音、振動の低減などの効果を得ることができる。

以上、本発明について、第１の実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例について説明する。

実施の形態では、鉄心片１０が一体形成される場合を説明したが、本発明はそれには限定されない。図６は、変形例に係る鉄心片１０の構成を示す平面図である。鉄心片１０は、複数Ｓ個のティース片２２に分割して形成される。複数のティース片２２が円環状に連結されることにより、鉄心片１０が形成される。個々のティース片２２はティース１４の中央においてさらに２つのティース片２２ａ、２２ｂに分割されてもよい。

図６に示すように、鉄心片１０が複数のティース片２２の連結により形成される場合においても、図１の鉄心片１０と同様に、溶接による変形が発生しうる。したがって複数のティース片を有する鉄心片１０についても、第１条件、第２条件を満たすように溶接溝１８の個数Ｎを決定することにより、コギングトルクを低減できる。

実施の形態では、スロット数Ｓ＝１８、磁極数Ｐ＝１６の場合を説明したが、本発明はそれには限定されず、任意のスロット数Ｓ、任意の磁極数Ｐの組み合わせに適用可能である。

（第２の実施の形態）
第２の実施の形態では、第１の実施の形態よりもさらにコギングトルクを低減可能なステータコア１００の構成を説明する。

図７（ａ）、（ｂ）は、スロット数Ｓ＝１８、Ｎ＝１２である第２の実施の形態に係る鉄心片１０ａの構成を示す平面図である。図７（ａ）の鉄心片１０ａは、Ｎ＝１２個の溶接溝１８［１］〜１８［１２］を備えており、それらは実質的に等間隔に、すなわち３０度ごとに設けられる。図７の溶接溝１８［１］〜１８［６］はティース１４と対応する箇所に設けられており、図２（ａ）の溶接溝１８［１］〜１８［６］に対応する。また図７の溶接溝１８［７］〜１８［１２］は、スロット１６と対応する箇所に設けられており、図２（ｂ）の溶接溝１８［１］〜１８［６］に対応する。

図７（ｂ）の鉄心片１０ｂは、図７（ａ）の鉄心片１０ａの変形例であり、図７（ａ）の鉄心片１０ａから、溶接溝１８を７度時計回りに回転させたものである。

第２の実施の形態に係るステータコア１００は、図７（ａ）、（ｂ）の鉄心片１０ａあるいは１０ｂを積層し、溶接溝１８において溶接することにより構成される。

図８は、図２（ａ）の鉄心片、図２（ｂ）の鉄心片、図７（ａ）の鉄心片、図７（ｂ）の、それぞれを用いたステータコアの、溶接による径方向の歪みの計算結果を示す図である。横軸はティース１４の番号を、縦軸はステータの内径を示す。（i）は図２（ａ）の鉄心片１０を用いた場合、（ii）は図２（ｂ）の鉄心片１０を用いた場合、（iii）は図７（ａ）の鉄心片１０ａを用いた場合、（iv）は、図７（ｂ）の鉄心片１０ｂを用いた場合のステータの内径を示す。

図２（ａ）の鉄心片１０において、溶接溝１８は、３、６、９、１２、１５、１８番目のティースと対応する箇所に設けられる。したがって（i）で示すように溶接溝１８が設けられる箇所の内径が小さくなる。

図２（ｂ）の鉄心片１０において、溶接溝１８は、１番目と２番目のティース１４の間のスロット、４番目と５番目のティース１４の間のスロット、１０番目と１１番目のティース１４の間のスロット、１３番目と１４番目のティース１４の間のスロット、１６番目と１７番目のティース１４の間のスロットに対応する箇所に設けられる。このときステータの内径は、（ii）に示すように、３、６、９、１２、１５、１８番目のティース１４に対応する箇所で小さくなる。

（i）と（ii）を比較すると、図２（ａ）と図２（ｂ）の鉄心片１０を用いた場合で、ステータの内径の分布は、位相（極性）が反転していることがわかる。

図７（ａ）の鉄心片１０ａは、図２（ａ）と図２（ｂ）の鉄心片１０を組み合わせた構成と把握できる。図７（ａ）の鉄心片１０ａを用いた場合、（iii）に示すように、（i）と（ii）の内径の変動が打ち消し合い、内径を高い精度で均一化することができる。

（iv）に示すように、図７（ｂ）の鉄心片１０ｂを用いた場合、図７（ａ）の鉄心片１０ａを用いた場合に比べてステータの内径のばらつきはわずかに大きくなるが、図２（ａ）、（ｂ）の鉄心片１０に比べれば十分にばらつきが小さいことがわかる。すなわち溶接溝１８は実質的に等間隔に配置されていれば、ステータの内径のばらつきを低減できる。

図９は、図２（ａ）の鉄心片、図２（ｂ）の鉄心片、図７（ａ）の鉄心片、図７（ｂ）の鉄心片、それぞれを用いたステータコアの、高調波と、コギングトルクの計算結果を示す図である。
図７（ａ）の鉄心片１０ａを用いた場合、図２（ａ）の鉄心片１０を用いた場合に比べて、ステータが真円に近づき、６次の高調波成分を大幅に低減することができ、コギングトルクを８２．７％低減することができる。同様に、図７（ｂ）の鉄心片１０ｂを用いた場合でも、図２（ａ）の鉄心片１０を用いた場合に比べて、６次の高調波成分を大幅に低減することができ、コギングトルクを８１．９％低減することができる。

以上、第２の実施の形態に係るステータコア１００について説明した。

第１の実施の形態では、溶接溝１８の個数Ｎが、磁極数Ｐの非約数であることが必要とされ、溶接溝１８の個数を選択する上での大きな制約となる。一方で、第２の実施の形態で説明したコギングトルクの低減の効果は、図７（ａ）、（ｂ）に示す鉄心片１０ａ、１０ｂのように、溶接後のステータが真円となるように複数の溶接溝１８が配置できれば、溶接溝１８の個数が、磁極数Ｐにより制約されないことを示唆している。

以上の考察から、第２の実施の形態における溶接溝１８の個数Ｎの選定条件として、以下の第１、第２条件が導かれる。
ステータコアのスロット数をＳとするとき、溶接溝１８の個数Ｎは、値（Ｓ／Ｎ×２）が奇数でなければならない（第１条件）。また、値（Ｓ／Ｎ×２）が、スロット数Ｓの約数のうちの２つの公約数でなければならない（第２条件）。

図１０は、さまざまなスロット数Ｓに対して、第１、第２条件のもとで選択可能な溶接溝１８の個数Ｎを示す図である。具体的には、スロット数Ｓ＝１８のとき、溶接溝の個数Ｎは、１２または３６であればよい。スロット数Ｓ＝２４のとき、溶接溝の個数Ｎは、１６または４８であればよい。スロット数Ｓ＝３６のとき、溶接溝の個数Ｎは、８、２４、７２のいずれかであればよい。スロット数Ｓ＝４８のとき、溶接溝の個数Ｎは、３２または９６のいずれかであればよい。

さらに別の観点から見ると、第２の実施の形態におけるステータコア１００は、以下のように把握することが可能である。すなわち、Ｎ個の溶接溝のうち奇数番目のそれらにおいて複数の鉄心片を溶接したときのステータコア１００の内径の角度方向の分布と、Ｎ個の溶接溝のうち偶数番目のそれらにおいて複数の鉄心片を溶接したときのステータコアの内径の角度方向の分布とは、ある真円の径を基準として極性を反転した関係にあればよい。たとえばＳ＝３６、Ｎ＝１２の場合、図８に示すように奇数番目の溶接溝で溶接したときの内径分布（i）と、偶数番目の溶接溝で溶接したときの内径分布（ii）とは、仮想的な真円の内径８９．９５ｍｍを基準として極性を判定した関係にある。

以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。

１…回転電動機、２…ステータ、４…ロータ、１００…ステータコア、１０…鉄心片、１２…ヨーク、１４…ティース、１６…スロット、１８…溶接溝、２０…巻線、２２…ティース片。

Claims (10)

1. インナーロータ型の回転電動機のステータコアであって、
   それぞれの内周側に複数のスロットおよび複数のティースが形成され、それぞれの外周側に実質的に等間隔に配置される複数の溶接溝が形成された複数の鉄心片を備え、
   前記複数の鉄心片は厚み方向に積層され、対応する溶接溝同士が溶接されて固着され、
   前記ステータコアのスロット数をＳとするとき、前記溶接溝の個数Ｎは、値（Ｓ／Ｎ×２）が奇数であり、かつその値がスロット数Ｓの約数のうちの２つの公約数となるよう定められることを特徴とするステータコア。
2. インナーロータ型の回転電動機のステータコアであって、
   それぞれの内周側に複数のスロットおよび複数のティースが形成され、それぞれの外周側に実質的に等間隔に配置されるＭ個（Ｍは偶数の整数）の溶接溝が形成された複数の鉄心片を備え、
   前記複数の鉄心片は厚み方向に積層され、対応する溶接溝同士が溶接されて固着され、
   前記Ｎ個の溶接溝のうち奇数番目のそれらにおいて前記複数の鉄心片を溶接したときの前記ステータコアの内径の角度方向の分布と、前記Ｎ個の溶接溝のうち偶数番目のそれらにおいて前記複数の鉄心片を溶接したときの前記ステータコアの内径の角度方向の分布とは、ある真円の径を基準として極性を反転した関係にあることを特徴とするステータコア。
3. 前記複数の溶接溝は、奇数番目のそれらが、ティースに対応する箇所に配置され、偶数番目のそれらがスロットに対応する箇所に配置されることを特徴とする請求項１または２に記載のステータコア。
4. スロット数Ｓ＝１８であり、前記溶接溝の個数Ｎは、１２または３６であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のステータコア。
5. スロット数Ｓ＝２４であり、前記溶接溝の個数Ｎは、１６または４８であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のステータコア。
6. スロット数Ｓ＝３６であり、前記溶接溝の個数Ｎは、８、２４、７２のいずれかであることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のステータコア。
7. スロット数Ｓ＝４８であり、前記溶接溝の個数Ｎは、３２または９６のいずれかであることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のステータコア。
8. 前記複数の鉄心片はそれぞれ、プレスにより一体形成されることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載のステータコア。
9. 前記複数の鉄心片はそれぞれ、ティースごとに分割形成されたティース片を円環状に連結して形成されることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載のステータコア。
10. 請求項１から９のいずれかに記載のステータコアと、前記ステータコアの前記複数のスロットそれぞれに巻装される複数の巻線と、を有するステータと、
    永久磁石を有するロータと、
    を備えることを特徴とする回転電動機。

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