JP2020036532A - ステータおよび回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】コギングトルクを低減することができるステータを提供する。【解決手段】積層した鋼板をかしめにより一体化したブロック１４、１６からなるステータ１２であって、ステータ１２は、ブロック１４、１６をステータ１２の軸方向に複数重ね合せることにより形成され、ステータ１２を軸方向から見たときに、一対のブロック１４、１６が対向する面において、一方のブロック１４のすべてのかしめ位置と、他方のブロック１６のすべてのかしめ位置が重ならないように形成される。【選択図】図２

Description

本発明は、積層鋼板により形成したステータ、および、積層鋼板により形成したステータを有する回転電機に関する。

下記特許文献１には、磁性鋼板を積層してかしめ処理をして接合することにより形成されるステータコアが開示されている。

特開２０１０−１４２０６７号公報

上記特許文献１の技術では、磁性鋼板のかしめ処理を行った箇所は部分的に変形するため、かしめ処理を行った箇所の磁界の流れやすさと、かしめ処理を行っていない箇所の磁界の流れやすさが異なり、コギングトルクが増大する問題があった。

本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、コギングトルクを低減することができるステータおよび回転電機を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様では、積層した鋼板をかしめにより一体化したブロックからなるステータであって、前記ステータは、前記ブロックを前記ステータの軸方向に複数重ね合せることにより形成され、前記ステータを前記軸方向から見たときに、一対の前記ブロックが対向する面において、一方のブロックのすべてのかしめ位置と、他方のブロックのすべてのかしめ位置が重ならないように形成される。

本発明の第２の態様では、回転電機は、上記のステータを有する。

本発明によれば、コギングトルクを低減することができる。

回転電機の外観を示す斜視図である。 回転電機の断面図である。 図３Ａおよび図３Ｂは、第１ブロックのかしめ位置と第２ブロックのかしめ位置とを２２．５［°］ずらした場合に回転電機に発生するコギングトルクのシミュレーション結果を示すグラフである。 図４Ａおよび図４Ｂは、第１ブロックのかしめ位置と第２ブロックのかしめ位置とを２２．５［°］ずらした場合に回転電機に発生するコギングトルクの計測値を示すグラフである。 図５Ａおよび図５Ｂは、第１ブロックのかしめ位置と第２ブロックのかしめ位置とを１０［°］ずらした場合に回転電機に発生するコギングトルクのシミュレーション結果を示すグラフである。 図６Ａおよび図６Ｂは、第１ブロックのかしめ位置と第２ブロックのかしめ位置とを３０［°］ずらした場合に回転電機に発生するコギングトルクのシミュレーション結果を示すグラフである。 回転電機の断面図である。 回転電機の断面図である。

〔第１の実施の形態〕
［回転電機の構成］
図１は、回転電機１０の外観を示す斜視図である。図２は、回転電機１０を、ステータ１２を構成する第１ブロック１４と第２ブロック１６との間で、回転電機１０の回転軸Ｏに垂直な平面で切断した断面図である。回転電機１０は、ステータ１２、ロータ１８、シャフト２０、第１ハウジング２２、第２ハウジング２４およびベアリングホルダ２６を有している。

ステータ１２は、回転電機１０の回転軸Ｏ方向に重ね合せられた２つの第１ブロック１４および第２ブロック１６によって構成されるステータコア２８を有している。ステータ１２の回転軸Ｏ方向の一端側には第１ハウジング２２が取り付けられ、他端側には第２ハウジング２４が取り付けられている。第１ハウジング２２の回転軸Ｏ方向の一端側にはベアリングホルダ２６が取り付けられている。ステータ１２、シャフト２０、第１ハウジング２２、第２ハウジング２４およびベアリングホルダ２６は、回転軸Ｏ方向に延びるタイロッド３０によって締結されている。

シャフト２０は、ベアリングホルダ２６および第１ハウジング２２に跨って設けられた図示しないベアリングと、第２ハウジング２４に設けられた図示しないベアリングとによって回転可能に支持されている。シャフト２０は、第１ハウジング２２、ステータ１２、第２ハウジング２４を貫通し、第２ハウジング２４からシャフト２０の他端部が突出している。

第２ハウジング２４の四隅にはフランジ３２が形成され、フランジ３２には回転電機１０を機器等に取り付けるときにボルトが挿入されるボルト孔３４が形成されている。第１ハウジング２２には、ステータ１２のコイル３６に電力を供給するための第１コネクタ３８が設けられている。ベアリングホルダ２６には、ロータ１８の回転角度、回転速度等を検出する図示しない回転角センサの信号を外部に出力するための第２コネクタ４０が設けられている。

ロータ１８は、薄い鋼板が回転軸Ｏ方向に積層された積層鋼板により形成される略円柱形のロータコア４２を有している。ロータコア４２には、ロータコア４２の回転軸Ｏ上を貫通するシャフト挿入孔４４が形成されている。シャフト挿入孔４４には、シャフト２０が焼嵌めにより挿入されている。これにより、ロータコア４２は、シャフト２０と一体に回転する。

ロータコア４２には、回転軸Ｏ方向に貫通するスロット４５が８個形成されている。スロット４５は、ロータコア４２を回転軸Ｏ方向から見たときに、外周側が離間するＶ字状に配置されている。各スロット４５には、２つの永久磁石４６が挿入されている。２つの永久磁石４６は、Ｖ字状のスロット４５の内側の極が同極となるように配置されている。さらに、永久磁石４６は、隣り合うスロット４５に挿入されている永久磁石４６のＶ字状のスロット４５の内側の極と反対となるように配置されている。つまり、ロータ１８の極数は８となる。

ステータコア２８を構成する第１ブロック１４および第２ブロック１６は、それぞれが薄い鋼板が回転軸Ｏ方向に積層された積層鋼板から形成されている。第１ブロック１４と第２ブロック１６とは、同一の形状に形成されている。第１ブロック１４および第２ブロック１６は、第１ブロック１４および第２ブロック１６のそれぞれを回転軸Ｏ方向から見たときに、回転軸Ｏを通る直線である対称軸Ｌ１および対称軸Ｌ２に対して線対称となる形状に形成されている。第１ブロック１４と第２ブロック１６とを同一の形状とすることにより、同一の金型によって、第１ブロック１４および第２ブロック１６を構成する鋼板を打ち出すことができる。

第１ブロック１４は４つのかしめ位置４８においてかしめられて一体に形成され、第２ブロック１６は４つのかしめ位置５０においてかしめられて一体に形成されている。第１ブロック１４のかしめ位置４８は、第１ブロック１４を回転軸Ｏ方向から見たときに、かしめ位置４８の幅方向の中心位置が第１ブロック１４の形状の対称軸Ｌ１に対して、略１１．２５［°］ずれた位置に形成されている。４つのかしめ位置は、すべて対称軸Ｌ１に対して一方の方向にずれて形成されている。

第２ブロック１６のかしめ位置５０も第１ブロック１４と同様の位置に形成されている。なお、上記では、かしめ位置４８およびかしめ位置５０の幅方向の中心位置が、対称軸Ｌ１に対して略１１．２５［°］ずれた位置に形成されるようにしたが、対称軸Ｌ２に対して略１１．２５［°］ずれた位置に形成されるようにしてもよい。

第１ブロック１４と第２ブロック１６とを重ね合せるときには、第１ブロック１４および第２ブロック１６を回転軸Ｏ方向から見たときに、第１ブロック１４および第２ブロック１６を、対称軸Ｌ１に対してかしめ位置４８とかしめ位置５０が同じ側に位置するように並べて配置した状態で、第１ブロック１４に、第２ブロック１６を反転させて重ね合せる。

これにより、第１ブロック１４と第２ブロック１６とを重ね合わせた状態でステータ１２を回転軸Ｏ方向から見ると、第１ブロック１４のかしめ位置４８の幅方向の中心位置と第２ブロック１６のかしめ位置５０の幅方向の中心位置とが略２２．５［°］ずれた状態となる。第１ブロック１４のかしめ位置４８と第２ブロック１６のかしめ位置５０のずれ量は、ロータ１８の極数に応じて設定され、極数をｎとしたときのずれ量は３６０／２ｎ［°］である。

第１ブロック１４および第２ブロック１６はそれぞれ、内周側に突出するティース５２を周方向に３６本有しており、各ティース５２にはコイル３６が巻回されている。つまり、ステータ１２のスロット数は３６となる。

［コギングトルクの低減］
第１ブロック１４および第２ブロック１６をかしめることにより、第１ブロック１４および第２ブロック１６を構成する鋼板が部分的に変形する。そのため、かしめを行った箇所の磁界の流れやすさと、かしめを行っていない箇所の磁界の流れやすさが異なり、コギングトルクが増大する。本実施の形態は、第１ブロック１４とロータ１８との間で発生するコギングトルクと、第２ブロック１６とロータ１８との間で発生するコギングトルクとを互いに打ち消し合うことで、回転電機１０のコギングトルクを低減している。

図３Ａおよび図３Ｂは、第１ブロック１４とロータ１８との間で発生するコギングトルク、および、第２ブロック１６とロータ１８との間で発生するコギングトルクのシミュレーション結果を示すグラフである。図３Ａのグラフでは、第１ブロック１４とロータ１８との間で発生するコギングトルクを実線で示し、第２ブロック１６とロータ１８との間で発生するコギングトルクを点線で示す。図３Ｂは、第１ブロック１４とロータ１８との間で発生するコギングトルクと、第２ブロック１６とロータ１８との間で発生するコギングトルクとを重ね合わせたグラフである。

図３Ａおよび図３Ｂに示すように、極数が８であるロータ１８では、第１ブロック１４のかしめ位置４８と第２ブロック１６のかしめ位置５０とを、２２．５［°］ずらすことにより、第１ブロック１４とロータ１８との間で発生するコギングトルクと、第２ブロック１６とロータ１８との間で発生するコギングトルクとにより完全に打ち消し合うことができる。

図４Ａおよび図４Ｂは、回転電機１０に発生するコギングトルクの計測値を示すグラフである。図４Ａは、第１ブロック１４のかしめ位置４８と第２ブロック１６のかしめ位置５０とをずらさなかった場合の回転電機１０に発生するコギングトルクを示すグラフである。図４Ｂは、第１ブロック１４のかしめ位置４８と第２ブロック１６のかしめ位置５０とを２２．５［°］ずらした場合の回転電機１０に発生するコギングトルクを示すグラフである。

図４Ａおよび図４Ｂに示すように、第１ブロック１４のかしめ位置４８と第２ブロック１６のかしめ位置５０とをずらさなかった場合に比べて、第１ブロック１４のかしめ位置４８と第２ブロック１６のかしめ位置５０とを２２．５［°］ずらした場合には、コギングトルクが低減していることが分かる。なお、図４Ｂを見ると、依然として回転電機１０にコギングトルクが発生しているが、これはロータ１８の磁気異方性等を原因として発生しているコギングトルクである。

なお、上記では、第１ブロック１４のかしめ位置４８と第２ブロック１６のかしめ位置５０とを略２２．５［°］ずらす場合について述べたが、ずれ量は２２．５［°］に限らず、第１ブロック１４のかしめ位置４８と第２ブロック１６のかしめ位置５０とが重ならないようにすればよい。

図５Ａおよび図５Ｂは、第１ブロック１４のかしめ位置４８と第２ブロック１６のかしめ位置５０とを１０［°］ずらした場合に回転電機１０に発生するコギングトルクのシミュレーション結果を示すグラフである。図５Ａは、第１ブロック１４とロータ１８との間で発生するコギングトルク、および、第２ブロック１６とロータ１８との間で発生するコギングトルクを示すグラフである。図５Ａのグラフでは、第１ブロック１４とロータ１８との間で発生するコギングトルクを実線で示し、第２ブロック１６とロータ１８との間で発生するコギングトルクを点線で示す。図５Ｂは、第１ブロック１４とロータ１８との間で発生するコギングトルクと、第２ブロック１６とロータ１８との間で発生するコギングトルクとを重ね合わせたグラフである。

図６Ａおよび図６Ｂは、第１ブロック１４のかしめ位置４８と第２ブロック１６のかしめ位置５０とを３０［°］ずらした場合に回転電機１０に発生するコギングトルクを示すグラフである。図６Ａは、第１ブロック１４とロータ１８との間で発生するコギングトルク、および、第２ブロック１６とロータ１８との間で発生するコギングトルクを示すグラフである。図６Ａのグラフでは、第１ブロック１４とロータ１８との間で発生するコギングトルクを実線で示し、第２ブロック１６とロータ１８との間で発生するコギングトルクを点線で示す。図６Ｂは、第１ブロック１４とロータ１８との間で発生するコギングトルクと、第２ブロック１６とロータ１８との間で発生するコギングトルクとを重ね合わせたグラフである。

図５Ａ、図５Ｂ、図６Ａおよび図６Ｂから、第１ブロック１４のかしめ位置４８と第２ブロック１６のかしめ位置５０とがずれていれば、回転電機１０のコギングトルクを低減できることが分かる。

〔第２の実施の形態〕
第２の実施の形態では、第１ブロック１４のかしめ位置４８の個数と、第２ブロック１６のかしめ位置５０の個数とが異なるように形成する。図７は、回転電機１０を、ステータ１２を構成する第１ブロック１４と第２ブロック１６との間で、回転電機１０の回転軸Ｏに垂直な平面で切断した断面図である。

第１ブロック１４は４つのかしめ位置４８においてかしめられて一体に形成され、第２ブロック１６は３つのかしめ位置５０においてかしめられて一体に形成されている。つまり、第１の実施の形態と異なり、第１ブロック１４と第２ブロック１６とは、かしめ位置４８の個数とかしめ位置５０の個数とが一致せず、同一の形状には形成されていない。第１ブロック１４に、第２ブロック１６を重ね合せることにより、ステータ１２を回転軸Ｏ方向から見ると、第１ブロック１４の４つのかしめ位置４８のうち３つのかしめ位置４８が、第２ブロック１６の３つのかしめ位置５０と重なっている。第２の実施の形態では、第１の実施の形態のように、第１ブロック１４に、第２ブロック１６を反転させて重ね合わせる必要はない。

第１ブロック１４のかしめ位置４８と第２ブロック１６のかしめ位置５０のうち、一方の少なくとも１つのかしめ位置が、他方のかしめ位置と重ならないようにすることで、第１ブロック１４とロータ１８との間で発生するコギングトルクと、第２ブロック１６とロータ１８との間で発生するコギングトルクとで互いに打ち消すことができ、回転電機１０に発生するコギングトルクを低減することができる。第２の実施に形態ように、第１ブロック１４のかしめ位置４８の個数と、第２ブロック１６のかしめ位置５０の個数とが異なるように、第１ブロック１４および第２ブロック１６を形成すれば、第１ブロック１４のかしめ位置４８のうち少なくとも１つのかしめ位置４８は、第２ブロック１６のかしめ位置５０と重ならない。

〔変形例１〕
図８は、回転電機１０を、ステータ１２を構成する第１ブロック１４と第２ブロック１６との間で、回転電機１０の回転軸Ｏに垂直な平面で切断した断面図である。

第１の実施の形態では、第１ブロック１４のかしめ位置４８および第２ブロック１６のかしめ位置５０を、第１ブロック１４および第２ブロック１６を回転軸Ｏ方向から見たときに、かしめ位置４８およびかしめ位置５０の幅方向の中心位置が第１ブロック１４および第２ブロック１６の形状の対称軸Ｌ１に対してずれた位置に形成されるようにした（図２）。

これに対して、第１ブロック１４のかしめ位置４８を、第１ブロック１４を回転軸Ｏ方向から見たときに、かしめ位置４８の幅方向の中心位置が第１ブロック１４の形状の対称軸Ｌ１に一致する位置に形成されるようにしてもよい。その場合、第２ブロック１６のかしめ位置５０を、第２ブロック１６を回転軸Ｏ方向から見たときに、かしめ位置５０の幅方向の中心位置が第２ブロック１６の形状の対称軸Ｌ１に対して、略２２．５［°］ずれた位置に形成されるようにすればよい。

〔変形例２〕
第１の実施の形態および第２の実施の形態の第１ブロック１４および第２ブロック１６の形状に限らず、第１ブロック１４のかしめ位置４８と第２ブロック１６のかしめ位置５０のうち、一方のブロックの少なくとも１つのかしめ位置が、他方のブロックのかしめ位置と重ならないようにすればよい。

〔変形例３〕
第１の実施の形態および第２の実施の形態では、第１ブロック１４と第２ブロック１６の２つのブロックを回転軸Ｏ方向に重ねてステータコア２８を構成するようにしていたが、３つ以上のブロックを回転軸Ｏ方向に重ねてステータコア２８を構成するようにしてもよい。

なお、回転電機１０のステータ１２やロータ１８の形状は、上記の第１の実施の形態、第２の実施の形態、変形例１〜３に示す形状に限らない。ステータ１２を軸方向から見たときに、一対の第１ブロック１４と第２ブロック１６が対向する面において、第１ブロック１４の少なくとも１つのかしめ位置４８と、第２ブロック１６のかしめ位置５０が重ならないように形成されていれば、回転電機１０に発生するコギングトルクを低減することができる。

〔実施の形態から得られる技術的思想〕
上記実施の形態から把握しうる技術的思想について、以下に記載する。

積層した鋼板をかしめにより一体化したブロック（１４、１６）からなるステータ（１２）であって、前記ステータは、前記ブロックを前記ステータの軸方向に複数重ね合せることにより形成され、前記ステータを前記軸方向から見たときに、一対の前記ブロックが対向する面において、一方のブロックのすべてのかしめ位置（４８）と、他方のブロックのすべてのかしめ位置（５０）が重ならないように形成される。これにより、一方のブロックとロータとの間で発生するコギングトルクと、他方のブロックとロータとの間で発生するコギングトルクとを互いに打ち消し合うことで、全体として回転電機のコギングトルクを低減できる。

回転電機（１０）は、上記のステータを有する。これにより、一方のブロックとロータとの間で発生するコギングトルクと、他方のブロックとロータとの間で発生するコギングトルクとで互いに打ち消し合うことができ、回転電機のコギングトルクを低減できる。

１０…回転電機 １２…ステータ
１４…第１ブロック（一方のブロック） １６…第２ブロック（他方のブロック）
４８、５０…かしめ位置

Claims (2)

1. 積層した鋼板をかしめにより一体化したブロックからなるステータであって、
   前記ステータは、前記ブロックを前記ステータの軸方向に複数重ね合せることにより形成され、
   前記ステータを前記軸方向から見たときに、一対の前記ブロックが対向する面において、一方のブロックのすべてのかしめ位置と、他方のブロックのすべてのかしめ位置が重ならないように形成される、ステータ。
2. 請求項１に記載のステータを有する、回転電機。

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