JP2016144252A

JP2016144252A - ステータおよびモータ

Info

Publication number: JP2016144252A
Application number: JP2015016716A
Authority: JP
Inventors: 幹人佐々木; Mikito Sasaki; 磯部　真一; Shinichi Isobe; 真一磯部
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Plastic Techonologies Co Ltd
Current assignee: U MHI Platech Co Ltd
Priority date: 2015-01-30
Filing date: 2015-01-30
Publication date: 2016-08-08

Abstract

【課題】モータのトルクリプルを低減させ、かつ、ステータとロータとの接触リスクの増加を回避できるようにする。
【解決手段】モータのステータが、ロータと対向する対向面における周方向の中央を含む領域である中央部と、前記中央部の周方向両側に配置されて、前記中央部からそれぞれ周方向に向かうにしたがって、前記対向面における中央を通り、かつ軸線を中心とした仮想円弧から前記ロータと反対側へ離れる離間部と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、ステータおよびモータに関する。

産業機械等に使用されるモータでは、高トルクかつ低トルクリプル（脈動）のモータが求められる。一般的に、マグネットトルクよりもリラクタンストルクの割合を大きくした多重円弧磁石併用同期リラクタンスモータは、フェライト磁石を使用し低コストである反面，トルクリプルが大きい。
トルクリプルの低減に関して、特許文献１には、Ｍ個（Ｍは自然数）の磁極を有する永久磁石と、Ｎ個（Ｎは自然数）のティース部を有する電機子を備えるモータが示されている。このモータでは、ステータ（電機子）のティース部の、ロータ（永久磁石）と対向する対向面に、ロータに向かい突出する突部が設けられる。隣接するティース部の間には、ロータに向かい開口するスロットオープンが形成される。突部が形成される周方向の位置は、突部によって発生するコギングトルクの波形の位相がスロットオープンによって発生するコギングトルクの波形の基本波の位相に対して略逆位相となるように設定される。
特許文献１では、これにより、コギングトルクの低減を達成しつつ、回転トルクの低減を抑えたモータを提供することができる、とされている。

再公表ＷＯ２００９／１１９７３４号公報

特許文献１に記載のモータでは、ステータのティース部の、ロータと対向する対向面に、ロータに向かい突出する突部が設けられるため、その凸部でｄＴ／ｄθ（ロータ角度の変化に対するトルク変化）が大きくなり、負荷時のトルクリプルは増加してしまう。また、ステータとロータとのギャップ長が小さくなり、ステータとロータとの接触リスクが増加してしまう。

本発明は、負荷時のトルクリプルを低減させることができ、かつ、ステータとロータとの接触リスクの増加を回避することができるステータおよびモータを提供する。

本発明の第１の態様によれば、ステータは、モータのステータであって、ロータと対向する対向面における周方向の中央を含む領域である中央部と、前記中央部の周方向両側に配置されて、前記中央部からそれぞれ周方向に向かうにしたがって、前記対向面における中央を通り、かつ軸線を中心とした仮想円弧から前記ロータと反対側へ離れる離間部と、を備える。

前記離間部の先端部が、前記ロータと反対側へ曲げられていてもよい。

本発明の第２の態様によれば、モータは、ロータと対向する対向面における周方向の中央を含む領域である中央部と、前記中央部の周方向両側に配置されて、前記中央部からそれぞれ周方向に向かうにしたがって、前記対向面における中央を通り、かつ軸線を中心とした仮想円弧から前記ロータと反対側へ離れる離間部と、を備えるステータを備える。

上記したステータおよびモータによれば、負荷時のトルクリプルに大きな影響を及ぼす、ロータとステータティースとの隙間距離の不連続部分、あるいは急激な変化部分が無く、これにより負荷時のトルクリプルを低減させることができる。また、ステータとロータとの接触リスクの増加を回避することができる。

本発明の一実施形態におけるステータティースの形状の例を示す図である。同実施形態におけるティース部１１の離間部Ａ２の形状の例を示す図である。凸部を設けたステータティースの形状の例を示す図である。同実施形態におけるティース部１１の、もう１つの形状の例を示す図である。同実施形態におけるティース部１１の周方向先端部の厚みと、当該周方向先端部の曲げ量とに変数を付した図である。同実施形態におけるティース部１１の周方向先端部の厚みおよび当該周方向先端部の曲げ量と、トルクリプルとの関係の例を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
図１は、本発明の一実施形態におけるステータティースの形状の例を示す図である。以下では、ステータティースをステータ部と称する。同図は、モータ１を回転軸方向から見た断面図の例が示されており、モータ１が備えるステータ１０およびロータ２０のそれぞれ一部が示されている。ステータ１０は、導線を巻かれてコイルを構成する複数のティース部１１を備えている。ティース部１１の各々は、ロータ２０と対向する対向面において、周方向の中央を含む領域である中央部Ａ１と、中央部Ａ１の周方向両側に配置されて、中央部Ａ１からそれぞれ周方向に向かうにしたがって、対向面における中央を通り、かつ軸線を中心とした仮想円弧（線Ｌ１）からロータ２０と反対側へ離れる離間部Ａ２とを備えている。中央部Ａ１の周方向の幅は任意である。また、離間部Ａ２の先端部は、ロータ２０と反対側へ曲げられている。

モータ１は、例えば多重円弧磁石を用いた同期リラクタンスモータなど、ロータまたはステータのいずれか一方の極に永久磁石が用いられ、他方の極に電磁石が用いられているモータである。図１の例では、モータ１はアウターロータのモータであり、ロータ側の極に永久磁石が用いられ、ステータ側の極に電磁石が用いられている。
但し、モータ１は、アウターロータのモータに限らず、インナーロータのモータであってもよい。特に、ロータ側の極に電磁石が用いられ、ステータ側の極に永久磁石が用いられていてもよい。

ここで、永久磁石モータのトルク式は、式（１）にて示される。

但し、ｐは、モータの極数を示し、Ｌｄは、ｄ軸のインダクタンスを示し、Ｌｑは、ｑ軸のインダクタンスを示す。また、Ｉｄは、ｄ軸電流を示し、Ｉｑは、ｑ軸電流を示し、φ０は、磁石磁束を示す。
式（１）の第１項「ｐ（Ｌｄ−Ｌｑ）ＩｄＩｑ」は、磁気抵抗の差によって発生するリラクタンストルクを示し、第２項「ｐφ０Ｉｑ」は、磁石の磁力によって発生するマグネットトルクを示す。

モータの平均トルクを増加させる方法の１つとして、ロータとステータとのギャップ（隙間）を小さく（狭く）する方法が挙げられる。ギャップを小さくすると、マグネットトルクの項に含まれる磁石磁束φ０が増加し、モータの平均トルクが増加する。但し、この方法では、磁石磁束φ０の時間的な振幅が大きくなり、トルクリプルが増加してしまう。
トルクリプルを下げるためには、ギャップを大きくし、磁石磁束φ０の時間的な振幅を小さくすることが考えられるが、この場合、平均トルクが低下してしまう。

トルクリプルが発生する原因として、ティース部とティース部との隙間の存在が挙げられる。ティース部に導線を巻くために、ティース部とティース部との間には隙間が設けられる。ティース部がロータの磁石と対向している状態と、隙間がロータの磁石と対向している状態とでは、ステータに渡る磁束が異なりトルクが変化する。このトルクの変化が、トルクリプルの原因になっていると考えられる。

このことからすると、ティース部と隙間の部分とで、トルクが緩やかに変化するようにすれば、トルクリプルを低減させることができる。そこで、モータ１では、ティース部１１の中央部Ａ１から周方向に沿って、ティース部１１とティース部１１との隙間に近い離間部Ａ２へと向かうにしたがって、ロータ２０と反対側へ離れるように、ティース部１１が形成されている。ティース部１１（特に中央部Ａ１）とロータ２０とのギャップ長（間隔の長さ）は大きくしないことで平均トルクを維持することができる。かつ、中央部Ａ１から離間部Ａ２にかけて、ティース部１１のロータ２０に対向する面の形状が、円弧上に単一の曲率で繋がっていることで、ロータ２０からの磁束がステータ１０に渡りにくくしてトルクを緩やかに変化させ、トルクリプルを低減させることができる。つまり、ｄｔ／ｄθ（ロータ角度の変化に対するトルク変化）を小さくする事により、トルクリプルを低減させることができる。中央部Ａ１から離間部Ａ２にかけてのティース部１１の形状の円弧上につなげる単一の曲率は、Ｒ１２０ｍｍ〜Ｒ１８０ｍｍが好ましい。Ｒ１２０ｍｍより小さい曲率半径では、ロータの単位回転角度θに対するロータとステータのギャップ長の変化が急激となり、十分な効果を得られない場合がある。Ｒ１８０ｍｍより大きい曲率半径では、ロータが対向しているティース部１１を外れた際（図２の領域Ａ４のように、隣接している２つのティース部１１の隙間の領域に入った場合）、トルク変化が急激となり、十分な効果を得られない場合がある。
また、ティース部１１のつば部分は、隙間に近付くに従って徐々に細く（肉厚が薄く）なっている。これによっても、ロータ２０からの磁束がステータ１０に渡りにくくしてトルクを緩やかに変化させ、トルクリプルを低減させることができる。

図２は、ティース部１１の離間部Ａ２の形状の例を示す図である。同図において、ティース部１１とティース部１１との隙間が領域Ａ４にて示されている。また、ティース部１１の離間部Ａ２の先端部Ａ３（隙間の領域Ａ４に近い領域）において、ティース部１１がロータ２０と反対側へ曲がっている。これにより、先端部Ａ３では特に、ティース部１１とロータ２０とのギャップ長が大きくなっており、ロータ２０からの磁束がステータ１０に渡りにくくなっている。中央部Ａ１から離間部Ａ２に向かって緩やかにギャップ長を拡大することでトルクリップルを低減し、十分離間しトルクリップルに対して影響が小さくなっている先端部Ａ３でギャップ長を更に拡大することにより、ティース部１１が無くギャップ長が急激に拡大する空間（隙間の領域Ａ４）における磁束の流れの急激な変化を抑制できるので、更にトルクリップルの低減が可能である。離間部Ａ２から先端部Ａ３へ変化する形状は、一定の曲率あるいは放物線状などが好ましい。

このように、中央部Ａ１では、ティース部１１とロータ２０とのギャップ長が比較的小さく、ロータ２０からの磁束がステータ１０に渡り易い。これに対し、離間部Ａ２では、ティース部１１のつば部分の先端に向かうにしたがって、ティース部１１とロータ２０とのギャップ長が徐々に長くなり、ロータ２０からの磁束がステータ１０に渡りにくくなっていく。特に、先端部Ａ３では、ティース部１１とロータ２０とのギャップ長がさらに大きくなり、ロータ２０からの磁束がステータ１０に渡りにくい。中央部Ａ１から先端部Ａ３にかけて徐々に、ロータ２０からの磁束がステータ１０に渡りにくくなることで、トルクが徐々に低下し、隙間の領域Ａ４において（すなわち、ロータ２０の磁石が領域Ａ４に対向する状態における）トルク低下によるトルク変動を低減させることができる。これにより、トルクリプルを低減させることができる。ギャップ長は、例えば、ステータ１０とロータ２０との接触が無く、トルクの発生が容易である０．１〜２．０ｍｍに規定される。

図３は、凸部を設けたステータティースの形状の例を示す図である。同図に示されるステータティースでは、ステータティースの内径側に凸部が設けられている。このように、ステータティースの内径側に凸部を設けることでも、ステータティースの中央部分と周方向先端付近とでトルクを変化させ、トルクリプルを低減させることができる。但し、ステータティースの内径側に凸部が設けられることで、ロータとステータとのギャップ長が小さくなり、ステータとロータとが接触するリスクが増加する。もし、ステータ１０とロータ２０との接触リスクを低下させるため、凸部をステータ１０の最内径に設定した場合、凸部以外の所のギャップ長が大きくなるため、ステータ１０とロータ２０との平均ギャップ長が大きくなり、トルクの低下を招く。

これに対し、図１および図２を参照して説明したモータ１では、ティース部１１の内径側に凸部を設けずに、ティース部１１の中央部分と周方向先端付近とでトルクを変化させている。従来のステータの最内径とロータとが接触する虞のあるクリアランスである０．１ｍｍ以下となるような凸部が無いため、ステータ１０の最内径寸法は変化せず、ステータ１０とロータ２０との接触リスクが増加しない。ここで、トルクを低下させずトルクリプルを低減するという条件下において、特許文献１は凸部を設けることでトルクリプルは低減可能であるが、過度に凸部を飛び出させると、ステータ最内径が小さくなり、ロータに近づくため、平均ギャップ長は小さくなり、ステータとロータの接触リスクが増加してしまう。これに対し、本実施形態のモータ１では凸部を設けずステータ最内径は変化しない（平均ギャップ長はほぼ同等の）ため、トルクリプルを低減可能で、かつ、ロータの接触リスクの増加を回避できる。これにより、モータ１では、トルクリプルを低減させ、かつ、ステータとロータとの接触リスクの増加を回避することができる。

図４は、ティース部１１の、もう１つの形状の例を示す図である。同図において、ティース部１１のつば部分は、隙間の領域Ａ４に近付くに従って徐々に細く（肉厚が薄く）なっている。これにより、ロータ２０からの磁束がステータ１０に渡りにくくしてトルクを緩やかに変化させ、トルクリプルを低減させることができる。

ここで、トルクを徐々に変化させる観点からは、ティース部１１の周方向先端部（ティース部１１とティース部１１との隙間の領域Ａ４に近い部分）におけるティース部１１の肉厚は、薄ければ薄いほど好ましい。
一方、鉄心の打ち抜き性やコイル納めの作業性を考慮すると、ティース部１１の周方向先端部にある程度の厚みを持たせることが好ましい。例えば、ティース部１１の周方向先端部に１ミリメートル（ｍｍ）程度の厚みを持たせる。

このように、ティース部１１の周方向先端部に厚みを持たせ、かつ、トルクリプルをさらに低減させるために、図１および図２を参照して説明したように、ティース部１１の離間部Ａ２の先端部Ａ３において、ティース部１１がロータ２０と反対側へ曲がった形状とすることができる。
この曲げ具合とトルクリプルの低減効果との関係の例について、図５および図６を参照して説明する。

図５は、ティース部１１の周方向先端部の厚みと、当該周方向先端部の曲げ量とに変数を付した図である。同図に示すように、ティース部１１の周方向先端部の厚みを変数ｔで表す。また、周方向先端部の曲げ量として、ティース部１１の中央を通る仮想円弧（図１の線Ｌ１）との比較における、ロータ２０とのギャップ長の増加分を用い、変数ｘで表す。

図６は、ティース部１１の周方向先端部の厚みおよび当該周方向先端部の曲げ量と、トルクリプルとの関係の例を示すグラフである。
同図の横軸はｘ（周方向先端部の曲げ量）をｔ（周方向先端部の厚み）との関係で示す。また、縦軸は、トルクリプルの大きさを示す。

また、線Ｌ２は、図１および図２に示されるように、ティース部１１の周方向先端部を曲げた場合のトルクリプルを示す。
線Ｌ３は、図４に示されるように、ティース部１１のつば部分が、隙間の領域Ａ４に近付くに従って徐々に細くなっている場合のトルクリプルを示す。線Ｌ３では、周方向先端部は十分に細くなっている。また、線Ｌ３では、周方向先端部の曲げは行われていない。
実験では、図６に示すように、ｘ≧０．１ｔの場合に、ティース部１１の周方向先端部を曲げることで、当該周方向先端部を十分薄くした場合と同等以上のトルクリプル低減効果を得られた。

以上のように、ステータ１０は、ロータ２０と対向する対向面における周方向の中央を含む領域である中央部Ａ１と、中央部Ａ１の周方向両側に配置されて、中央部Ａ１からそれぞれ周方向に向かうにしたがって、対向面における中央を通り、かつ軸線を中心とした仮想円弧（線Ｌ１）からロータと反対側へ離れる離間部Ａ２と、を備える。仮想円弧（線Ｌ１）の曲率は、例えば、Ｒ２０〜２００ｍｍの範囲で規定される。Ｒ２０ｍｍより小さい場合は、モータの体格自体が小さく、トルクリプル自体も小さいため、本発明による効果は比較的小さい。Ｒ２００ｍｍより大きい場合、電磁力の絶対値が大きく、局所変化させた形状の強度が問題になる事があるためである。

これにより、離間部Ａ２では、ティース部１１のつば部分の先端に向かうにしたがって、ティース部１１とロータ２０とのギャップ長が徐々に大きくなり、ロータ２０からの磁束がステータ１０に渡りにくくなっていく。中央部Ａ１からつば部分の周方向先端にかけて徐々に、ロータ２０からの磁束がステータ１０に渡りにくくなることで、トルクが徐々に低下し、隙間の領域Ａ４においてトルク低下によるトルク変動を低減させることができ、トルクリプルを低減させることができる。

また、離間部Ａ２の先端部Ａ３が、ロータ２０と反対側へ曲げられている。
これにより、先端部Ａ３では、ティース部１１とロータ２０とのギャップ長がさらに大きくなり、ロータ２０からの磁束がステータ１０に渡りにくい。この点において、トルクリプルをさらに低減させることができる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

１モータ
１０ステータ
１１ティース部
Ａ１中央部
Ａ２離間部
Ａ３先端部
２０ロータ

Claims

モータのステータであって、
ロータと対向する対向面における周方向の中央を含む領域である中央部と、
前記中央部の周方向両側に配置されて、前記中央部からそれぞれ周方向に向かうにしたがって、前記対向面における中央を通り、かつ軸線を中心とした仮想円弧から前記ロータと反対側へ離れる離間部と、
を備えるステータ。
前記離間部の先端部が、前記ロータと反対側へ曲げられている、請求項１に記載のステータ。
ロータと対向する対向面における周方向の中央を含む領域である中央部と、
前記中央部の周方向両側に配置されて、前記中央部からそれぞれ周方向に向かうにしたがって、前記対向面における中央を通り、かつ軸線を中心とした仮想円弧から前記ロータと反対側へ離れる離間部と、
を備えるステータを備えるモータ。