JP2016129451A - 固定子および回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】電磁加振力の空間モードと固定子の固有振動モードとが一致する共振状態に起因する電磁騒音を抑制することができる固定子および回転電機を提供することである。【解決手段】実施形態の固定子は、筒状のヨークと、複数のティースと、コイルとを持つ。ヨークの軸方向に直交する切断面でのヨークの外周形状は、Ｎを３以上の任意の奇数として、３×Ｎ角形状に形成される。３×Ｎ角形の頂点は、ヨークの基準外径を直径とする第１基準円に外接するＮ角形と、Ｎ角形のＮ辺の各々に２個ずつの交点で交わる第２基準円とによる、２×Ｎ個の交点を有する。３×Ｎ角形の頂点は、Ｎ角形の内部における第２基準円のＮ個の円弧上の各々に設けられる１個ずつの点によるＮ個の点を有する。３×Ｎ角形の３×Ｎ辺の各々は、前記第１基準円に接するまたは前記第１基準円の外部に配置されている。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、固定子および回転電機に関する。

従来、界磁に永久磁石を用いる永久磁石同期電動機がある。しかしながら、回転子による電磁加振力の空間モードと固定子の固有振動モードとが一致する共振状態が生じると、電磁騒音が増大する可能性がある。

特開２０１２−１００３８０号公報

本発明が解決しようとする課題は、電磁加振力の空間モードと固定子の固有振動モードとが一致する共振状態に起因する電磁騒音を抑制することができる固定子および回転電機を提供することである。

実施形態の固定子は、筒状のヨークと、複数のティースと、コイルとを持つ。複数のティースは、ヨークから径方向に突出する。コイルは、周方向で隣り合う前記ティースの間に形成されるスロットに挿入される。ヨークの軸方向に直交する切断面でのヨークの外周形状は、Ｎを３以上の任意の奇数として、３×Ｎ角形状に形成される。３×Ｎ角形の頂点は、ヨークの基準外径を直径とする第１基準円に外接するＮ角形と、Ｎ角形のＮ辺の各々に２個ずつの交点で交わる第２基準円とによる、２×Ｎ個の交点を有する。３×Ｎ角形の頂点は、Ｎ角形の内部における第２基準円のＮ個の円弧上の各々に設けられる１個ずつの点によるＮ個の点を有する。３×Ｎ角形の３×Ｎ辺の各々は、前記第１基準円に接するまたは前記第１基準円の外部に配置されている。

実施形態の回転電機の固定子の構成を模式的に示す断面図。 実施形態の回転電機の固定子の構成を模式的に示す断面図。 実施形態の第１の変形例に係る回転電機の固定子の構成を模式的に示す断面図。 実施形態の第２の変形例に係る回転電機の固定子の構成を模式的に示す断面図。 実施形態の第３の変形例に係る回転電機の固定子の構成を模式的に示す断面図。

以下、実施形態の回転電機を、図面を参照して説明する。

実施形態の回転電機１０は、図１に示すように、ロータ１１およびステータ１２およびを備えている。回転電機１０は、例えば、インナーロータ型である。ロータ１１の外形は、円柱状に形成されている。ステータ１２の外形は、筒状に形成されている。ロータ１１は、ステータ１２の内周面から径方向内方に所定間隔を置いて、ステータ１２の内部に配置されている。回転電機１０は、例えば、永久磁石同期電動機である。

ロータ１１は、ロータ鉄心１３と、ロータ鉄心１３の外周部に配置される複数の永久磁石１４と、を備えている。
ロータ鉄心１３は、例えばケイ素鋼板などの電磁鋼板の積層体によって形成されている。複数の永久磁石１４は、ロータ鉄心１３の外周部において周方向に所定間隔を置いて配置されている。

ステータ１２は、ヨーク１５と、複数のティース１６と、複数のコイル１７と、を備えている。ヨーク１５および複数のティース１６は、例えばケイ素鋼板などの電磁鋼板の積層体によって形成されている。ヨーク１５の外形は、筒状に形成されている。複数のティース１６は、ヨーク１５の内周部から径方向内周側に向かい突出し、周方向に所定間隔を置いて配置されている。複数のティース１６の各々の先端面は、径方向に所定間隔のギャップを介してロータ１１の外周面に対向している。複数のティース１６のうち周方向で隣り合うティース１６の間には、回転軸Ｏの軸方向に伸びるスロット１８が形成されている。複数のコイル１７は、複数のスロット１８に格納されている。

回転軸Ｏの軸方向に直交する切断面でのヨーク１５の外周形状は、図２に示すように、Ｎを３以上の任意の奇数（例えば、Ｎ＝３）とする３×Ｎ角形状に形成されている。
３×Ｎ角形２０の３×Ｎ個の頂点２１のうち２×Ｎ個の頂点２１は、ヨーク１５の基準外径を直径とする第１基準円２２に外接するＮ角形２３と、Ｎ角形２３のＮ辺２４の各々に２個ずつの交点２５で交わる第２基準円２６とによる、２×Ｎ個の交点２５である。ヨーク１５の基準外径は、予め回転電機１０の磁気特性の設計値などに応じて設定される固定値である。第１基準円２２に外接するＮ角形２３は、所定条件に応じて適宜に設定される形状を有している。Ｎ＝３による３角形２３は、所定条件に応じて、正三角形および二等辺三角形などの各種の形状の何れかの形状を有している。３角形２３は、例えば、正三角形である。
３×Ｎ角形２０の３×Ｎ個の頂点２１のうちＮ個の頂点２１は、Ｎ角形２３の内部における第２基準円２６のＮ個の円弧２７上の各々に設けられる１個ずつの点２８によるＮ個の点２８である。各点２８は、第２基準円２６のＮ個の円弧２７上の各々において、所定条件に応じて適宜に設定される位置に設けられている。各点２８は、例えば、各円弧２７上の中点に設けられている。

Ｎ角形２３の形状および点２８の位置を規定する所定条件は、３×Ｎ角形２０の３×Ｎ辺２９の各々が第１基準円２２に接するまたは第１基準円２２の外部に配置されているという条件を少なくとも有している。つまり、３×Ｎ角形２０の３×Ｎ辺２９の各々が第１基準円２２の内部に含まれないように設定されている。３×Ｎ角形２０は、予め回転電機１０の磁気特性の設計値などに応じて設定される有効磁路を狭めないように、少なくとも第１基準円２２の大きさ以上の大きさを有している。また、３×Ｎ角形２０の３×Ｎ辺２９の各々は、第２基準円２６から弓形領域を切り欠く切欠き部を形成している。

３×Ｎ角形２０は、Ｎ角形２３の内部の各点２８を介して接続される各２つの辺２９（２９ａ）と、３×Ｎ角形２０の中心部に対して各点２８の反対側においてＮ角形２３の各辺２４の一部によって形成される各１つの辺２９（２９ｂ）と、を備えている。ロータ１１による電磁加振力の空間モードが楕円モードの場合であっても、各２つの辺２９（２９ａ）側の振動位相と、各１つの辺２９（２９ｂ）側の振動位相との間に位相差が生じるので、同位相の振動位相に比べて振動が抑制される。したがって、電磁加振力の空間モードと固有振動モードとの共振が抑制される。

以上説明した実施形態によれば、非対称楕円の固有振動モードを有するヨーク１５を持つことにより、ロータ１１による電磁加振力の空間モードとヨーク１５の固有振動モードとの共振を抑制し、電磁騒音を抑制することができる。
ヨーク１５の基準外径を直径とする第１基準円２２の大きさ以上の大きさを有する３×Ｎ角形２０の外周形状のヨーク１５を持つことにより、所望の有効磁路が狭められることを防止することができる。

以下、第１の変形例について説明する。
上述した実施形態において、Ｎ＝３としたが、これに限定されない。Ｎを３よりも大きい任意の奇数、例えば、５，７、９…のうちの何れかとしてもよい。
上述した実施形態の第１の変形例によるステータ１２は、図３に示すように、Ｎ＝５とする３×Ｎ（＝１５）角形状の外周形状を有するヨーク１５を備えている。
以下に、上述した実施形態と同一部分については説明を簡略または省略して、上述した実施形態と異なる部分について説明する。

第１基準円２２に外接するＮ（＝５）角形２３は、例えば、正５角形である。３×Ｎ（＝１５）角形２０は、Ｎ角形２３の内部の各点２８を介して接続される各２つの辺２９（２９ａ）と、３×Ｎ角形２０の中心部に対して各点２８の反対側においてＮ角形２３の各辺２４の一部によって形成される各１つの辺２９（２９ｂ）と、を備えている。

以上説明した第１の変形例によれば、非対称楕円の固有振動モードを有するヨーク１５を持つことにより、ロータ１１による電磁加振力の空間モードとヨーク１５の固有振動モードとの共振を抑制し、電磁騒音を抑制することができる。

以下、第２の変形例について説明する。
上述した実施形態では、Ｎ（＝３）角形２３は正三角形であり、各点２８は各円弧２７上の中点に設けられているとしたが、これに限定されない。
Ｎ角形２３の形状および第２基準円２６の円弧２７上における点２８の位置は、例えば、３×Ｎ角形２０の３×Ｎ辺２９のうち少なくとも１組の２辺２９が３×Ｎ角形２０の中心部を挟んで対向しながら平行となるように設定されてもよい。
上述した実施形態の第２の変形例によるステータ１２は、図４に示すように、３×Ｎ角形２０の３×Ｎ辺２９のうち、３×Ｎ角形２０の中心部を挟んで対向しながら平行となる１組の２辺２９（４９）を有する外周形状のヨーク１５を備えている。
以下に、上述した実施形態と同一部分については説明を簡略または省略して、上述した実施形態と異なる部分について説明する。

第１基準円２２に外接するＮ（＝３）角形２３は、例えば、二等辺三角形である。Ｎ（＝３）個の点２８のうち、二等辺三角形の２つの等辺が共有する頂点以外の２つの頂点に対する点２８（４８）は、１組の２辺２９（４９）を形成するように、各円弧２７上に設けられている。３×Ｎ（＝９）角形２０の３×Ｎ（＝９）辺２９のうち１組の２辺２９（４９）は、３×Ｎ（＝９）角形２０の中心部を挟んで対向しながら平行である。
３×Ｎ（＝９）角形２０は、Ｎ（＝３）角形２３の２つの等辺が共有する頂点側の点２８を介して接続される各２つの辺２９（２９ａ）と、３×Ｎ（＝９）角形２０の中心部に対して点２８の反対側においてＮ（＝３）角形２３の底辺の一部によって形成される１つの辺２９（２９ｂ）と、を備えている。

以上説明した第２の変形例によれば、３×Ｎ角形２０の中心部を挟んで平行となる１組の２辺２９（４９）を有する外周形状のヨーク１５を持つので、ヨーク１５を構成する複数の電磁鋼板を形成する際の材料歩留りを向上させることができる。複数の電磁鋼板を打ち抜き加工などによって形成する際に、隣り合う電磁鋼板の互いの辺２９（４９）を平行に対向させることができ、材料利用率を向上させることができる。
平行となる１組の２辺２９（４９）を有する外周形状のヨーク１５を持つので、ヨーク１５の剛性を向上させることができる。

以下、第３の変形例について説明する。
上述した実施形態では、ヨーク１５の外周部を支持するフレームを備えてもよい。さらに、ヨーク１５の外周部とフレームとの間に設けられる振動吸収部材を備えてもよい。
上述した実施形態の第３の変形例によるステータ１２は、図５に示すように、ヨーク１５の外周部を支持するフレーム５１と、ヨーク１５の外周部とフレーム５１との間に設けられる振動吸収部材５２と、を備えている。
フレーム５１の外形は、例えば、円筒状に形成されている。フレーム５１は、フレーム５１の内周面を、ヨーク１５の外周形状の３×Ｎ角形２０の３×Ｎ個の頂点２１に接触させることによって、ヨーク１５の外周部を支持している。
振動吸収部材５２は、例えば、ゴムおよび樹脂などのように振動を吸収する材料により形成されている。振動吸収部材５２は、フレーム５１の内周面とヨーク１５の外周形状の３×Ｎ角形２０の３×Ｎ辺２９の各々との間に設けられている。

以上説明した第３の変形例によれば、ヨーク１５の外周部を支持するフレーム５１を持つことにより、ヨーク１５の振動を抑制することができる。ヨーク１５の外周部とフレーム５１との間に設けられる振動吸収部材５２を持つことにより、ヨーク１５の振動を抑制することができるとともに、フレーム５１およびヨーク１５の安定性を向上させることができる。

なお、上述した第３の変形例では、振動吸収部材５２は、ヨーク１５の外周部とフレーム５１との間に設けられる空隙であってもよい。
また、上述した第３の変形例では、フレーム５１の内周面はヨーク１５の外周形状の３×Ｎ角形２０の３×Ｎ個の頂点２１に直接的に接触するとしたが、これに限定されない。
フレーム５１は、例えば、振動吸収部材５２を介して間接的にヨーク１５の外周部を支持してもよい。

以下、他の変形例について説明する。
上述した実施形態では、３×Ｎ角形２０の３×Ｎ個の頂点２１の各々において、丸め加工などによるＲ面が形成されてもよい。
上述した実施形態では、３×Ｎ角形２０の３×Ｎ辺２９の各々が湾曲していてもよい。

以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、非対称楕円の固有振動モードを有するヨーク１５を持つことにより、ロータ１１による電磁加振力の空間モードとヨーク１５の固有振動モードとの共振を抑制し、電磁騒音を抑制することができる。
ヨーク１５の基準外径を直径とする第１基準円２２の大きさ以上の大きさを有する３×Ｎ角形２０の外周形状のヨーク１５を持つことにより、所望の有効磁路が狭められることを防止することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１０…回転電機、１１…ロータ、１２…ステータ、１３…ロータ鉄心、１４…永久磁石、１５…ヨーク、１６…ティース、１７…コイル、１８…スロット、２０…３×Ｎ角形、２１…頂点、２２…第１基準円、２３…Ｎ角形、２４…Ｎ辺、２５…交点、２６…第２基準円、２７…円弧、２８…点、２９…３×Ｎ辺、５１…フレーム、５２…振動吸収部材

Claims (6)

1. 筒状のヨークと、
   前記ヨークから径方向に突出する複数のティースと、
   周方向で隣り合う前記ティースの間に形成されるスロットに挿入されるコイルと、
   を備え、
   前記ヨークの軸方向に直交する切断面での前記ヨークの外周形状は、
   Ｎを３以上の任意の奇数として、前記ヨークの基準外径を直径とする第１基準円に外接するＮ角形と、前記Ｎ角形のＮ辺の各々に２個ずつの交点で交わる第２基準円とによる、２×Ｎ個の前記交点と、
   前記Ｎ角形の内部における前記第２基準円のＮ個の円弧上の各々に設けられる１個ずつの点によるＮ個の前記点と、
   を頂点とする３×Ｎ角形状に形成され、
   前記３×Ｎ角形の３×Ｎ辺の各々は、前記第１基準円に接するまたは前記第１基準円の外部に配置されている、
   固定子。
2. 前記Ｎ角形の形状および前記第２基準円のＮ個の円弧上の各々における前記点の位置に応じて、前記３×Ｎ角形の３×Ｎ辺のうち少なくとも１組の２辺が、前記３×Ｎ角形の中心部を挟んで対向しながら平行である、
   請求項１に記載の固定子。
3. 前記ヨークの外周部を支持するフレームを備える、
   請求項１または請求項２に記載の固定子。
4. 前記ヨークの外周部と前記フレームとの間に設けられる振動吸収部材を備える、
   請求項３に記載の固定子。
5. 前記ヨークは積層鋼板により形成されている、
   請求項１から請求項４の何れか１つに記載の固定子。
6. 請求項１から請求項５の何れか１つに記載の固定子と、
   前記固定子から径方向内方に所定間隔を置いて配置されるとともに、永久磁石を有する回転子と、を備える、
   回転電機。

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