JP2020048411A

JP2020048411A - 電動機

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Publication number: JP2020048411A
Application number: JP2019232964A
Authority: JP
Inventors: 中井　英雄; Hideo Nakai; 英雄中井; 大谷　裕子; Yuko Otani; 裕子大谷; 浦田　信也; Shinya Urata; 信也浦田
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2019-12-24
Filing date: 2019-12-24
Publication date: 2020-03-26
Anticipated expiration: 2035-08-20
Also published as: JP6825688B2

Abstract

【課題】アモルファス鋼板をコアに使用する電動機の出力を向上する。【解決手段】ステータコア３４のティース３２の先端に設けられた先端部４０の少なくとも一部にアモルファス鋼板３８を配置する。先端部４０のアモルファス鋼板により形成された部分以外の部分、ティース３２の幹部４６およびヨーク３０を、電磁鋼板４４などのアモルファス鋼板より飽和磁束密度が大きい材料で形成する。磁束密度変動が大きいティース先端にアモルファス鋼板を配置することで鉄損が低減される。また、ステータコア３４の大部分を飽和磁束密度が大きい材料で形成することにより、コア全体にアモルファス鋼板を用いた場合に比べて出力が向上する。【選択図】図１

Description

本発明は、電動機に関し、特に電動機の構造に関する。

電動機において、アモルファス鋼板をコアに使用する技術が知られている。下記特許文献１には、アモルファス強磁性合金シート（６）を電磁鋼板（５）で挟んだ構造のコア（７）が示されている。また、下記特許文献２には、積層されたアモルファス薄板により形成された第２の積層体（２）を、積層された磁性鋼板により形成された第１の積層体（１）で挟んだ構造の鉄心が示されている。特許文献１，２において、アモルファス材料で形成された部分は、コア（鉄心）のティース全体およびヨーク部全体にわたって延びている。なお、上記の（）内の符号は、下記特許文献１，２にてそれぞれ用いられている符号であり、本願の実施態様の説明で用いられる符号とは関連しない。

特開平１０−１０８３９３号公報特開２０１４−１５５３４７号公報

アモルファス鋼板は鉄損が小さいというコア材料として好ましい特性を有する。一方、飽和磁束密度は、コア材料として従来から広く用いられている電磁鋼板より小さい。したがって、コアの多くの部分にアモルファス鋼板を用いると電動機のコイルに大きな電流を流したときに生じる磁束が、電磁鋼板等を用いた場合より小さくなり、電動機の出力が小さくなるという問題がある。

本発明は、鉄損を低減しつつ、出力低下を抑制することを目的とする。

本発明に係る電動機は、相対的に移動する第１要素と第２要素を含む。第１要素は、第１要素コアを含み、第１要素コアは、ヨークと、ヨークから第２要素に向けて延び、先端が第２要素に対向しているティースとを有する。第１要素コアは、ティース先端の少なくとも一部にアモルファス鋼板により形成されたアモルファス鋼板部分を有し、このアモルファス鋼板部分以外の部分がアモルファス鋼板より飽和磁束密度が大きい高飽和磁束密度材料で形成されている。

ティース先端は、電動機の運転に伴って磁束密度が大きく変化し、鉄損が大きくなる部分である。このような部分に低鉄損材料であるアモルファス鋼板を配置することにより鉄損を低減することができる。また、これ以外の部分を高飽和磁束密度材料で形成することにより、アモルファス鋼板を用いたことによる磁束密度の低下を抑制することができる。

また、ティース先端において、アモルファス鋼板を高飽和磁束密度材料によりなる部材で挟む、または囲むようにできる。これにより、アモルファス鋼板で形成された部分の強度を補うことができる。

また、ティースは、積層状態の電磁鋼板およびアモルファス鋼板から形成することができる。電磁鋼板は、ティース先端まで延びている第１電磁鋼板と、第１電磁鋼板より短くティース先端に達していない第２電磁鋼板を含むものとできる。第２電磁鋼板の先端より先の部分に、つまり第１電磁鋼板より短くなっている部分を埋めるようにアモルファス鋼板が配置される。この結果、アモルファス鋼板で形成された部分の先端が、第１電磁鋼板の先端と揃えられている。第１電磁鋼板は、電磁鋼板の積層方向において両端に配置することができる。

両端に配置された第１電磁鋼板によりアモルファス鋼板を挟むようにしたことでアモルファス鋼板で形成された部分の強度を補うことができる。

ティースの形状は、先端が広がった形状とすることができる。具体的には、ティースの長さの大部分を幅が一定の幹部とし、幹部の先に幹部より幅の広い幅広先端部を配するようにできる。幅広先端部が第２要素に対向する。アモルファス鋼板は、この幅広先端部に配置することができる。

第１電磁鋼板を配置する位置は、上述した電磁鋼板の積層方向の両端に加え、両端の第１電磁鋼板の間に間隔を開けて少なくとも１箇所に配置することができる。両端のみに第１電磁鋼板を配置するだけでは強度が不足する場合、中間位置に第１電磁鋼板を追加することで、強度を高めることができる。

第２要素は、第２要素コアを有する。第２要素コアは、第１要素のティース先端に対向する表面の少なくとも一部にアモルファス鋼板により形成されたアモルファス鋼板部分を有し、このアモルファス鋼板部分以外の部分はアモルファス鋼板より飽和磁束密度が大きい高飽和磁束密度材料で形成されている。第２要素コアにもアモルファス鋼板を用いることで鉄損を低減することができる。

ギャップを介して互いに対向する第１要素コアと第２要素コアにおいて、第１要素コアと第２要素コアの一方または双方のギャップに隣接する部分にアモルファス鋼板を配置したことにより、鉄損を低減することができる。また、第１要素コアと第２要素コアのアモルファス鋼板を用いた部分以外の部分を、飽和磁束密度がアモルファス鋼板よりも大きい材料で形成することで、アモルファス鋼板を採用したことによる電動機の出力低下を抑えることができる。

本実施形態のラジアル型の電動機の回転軸線に直交する断面を示す図である。ステータコアの要部を示す拡大図である。ステータコアを構成する電磁鋼板を示す図である。ステータコアを構成する電磁鋼板とアモルファス鋼板を示す図である。アモルファス鋼板と電磁鋼板の磁気特性を比較して示す図である。コアを構成する材料と最大トルクとの関係を示す図である。コアを構成する材料と軽負荷時のトルクの関係を示す図である。コアを構成する材料と鉄損の関係を示す図である。ティース内部の磁束密度変動を示す図である。ステータコアの他の態様を示す図である。アキシャル型の電動機の概略構成を示す図である。アキシャル型の電動機のステータコアのティースを示す図である。アキシャル型の電動機のステータコアのティースの他の態様を示す図である。

以下、本発明の実施形態を図面に従って説明する。電動機の最も典型的な形態は、第１要素が固定され、第２要素が第１要素に対して所定の軸周りに回転するものである。以下においては、このような回転形の電動機について説明する。しかし、本発明は、他の形態、例えば、第１要素が直線、または任意の曲線に沿って延び、第２要素が第１要素の延びる方向に沿って移動するいわゆるリニアモータなどの形態にも適用可能である。

図１は、電動機１０の断面形状を示す図である。電動機１０は、略円板または略円柱形状のロータ１２と、ロータ１２を取り囲むように配置される略円環または略円筒形状のステータ１４を有する。図１においては、ロータ１２、ステータ１４共に全周の四分の１が示されている。ロータ１２は、自身の形状である円板または円柱の中心軸線周りに回転可能である。この軸線を以降「回転軸線」と記す。また、回転軸線に対して直交する方向を「径方向」、回転軸線周りを周回する方向を「周方向」と記す。

ステータ１４の円環または円筒の中心軸線は、回転軸線に一致している。ステータ１４は固定され、ロータ１２はステータ１４に対して回転する。この電動機１０は、内側の構成要素（ロータ１２）が回転するが、外側の構成要素が回転するよう構成されてもよい。

ロータ１２は、ロータコア１６と、ロータコア１６に形成されたスリット１８内に配置された永久磁石２０を含む。ロータコア１６は、電磁鋼板２２を積層して形成されるロータコア本体２４と、ロータコア１６のステータ１４に対向する表面に形成された表面部２６を有する。表面部２６の少なくとも一部がアモルファス鋼板２８を積層して形成される。電磁鋼板２２およびアモルファス鋼板２８は、回転軸線の延びる方向に積層されている。この方向を以降「積層方向」と記す。表面部２６のアモルファス鋼板２８で形成された部分の厚さ、つまり径方向の寸法を２ｍｍ以下とすることができる。

ステータ１４は、略円環または略円筒のヨーク３０と、ヨーク３０の内壁面からロータ１２に向けて径方向内側に延びるティース３２を有するステータコア３４を含む。ティース３２は、ヨーク３０の内壁面に周方向に沿って間隔を開けて配列されている。隣接するティース３２の間の空間はスロットと呼ばれ、スロットにコイル導線が配置される。ティース３２に、コイル導線を巻き付けてコイル３６が形成されている。

ティース３２は、その先端に少なくとも一部がアモルファス鋼板３８により形成される先端部４０を有している。先端部４０は、ロータコア１６の外周面に対向しており、この電動機１０においてはティース３２とロータコア１６の対向する方向が周方向に一致している。ステータコア３４の先端部４０以外の部分をステータコア本体４２と記す。ステータコア本体４２は、電磁鋼板４４を積層して形成されている。アモルファス鋼板３８で形成された部分の径方向の寸法は、２ｍｍ以下とすることができる。

図２は、ステータコア３４の１つのティース３２を含む部分を示す斜視図である。実際には図示された部分が周方向に連なって円形を形成している。ステータコア３４は積層された電磁鋼板４４および積層されたアモルファス鋼板３８で形成されている。電磁鋼板４４およびアモルファス鋼板３８のそれぞれの積層方向は、回転軸線に沿う方向である。ティース３２は、幅、すなわち周方向の寸法がほぼ一定の幹部４６を有し、さらに幹部４６の先に、幹部４６より幅の広い先端部４０を有する。先端部４０は、電磁鋼板４４の一部で構成される第１部分４０ａと、アモルファス鋼板３８で構成される第２部分４０ｂを有する。

図３，４は、ステータコア３４を形成する電磁鋼板４４およびアモルファス鋼板３８の形状を示す図である。図３，４も図２と同様、１つのティース３２を含む部分を示している。図３に示される電磁鋼板４４は、積層して形成されたステータコア３４の１層全体を形成するものであり、この電磁鋼板を第１電磁鋼板４４Ａと記す。図４に示される電磁鋼板４４は、アモルファス鋼板３８と共にステータコア３４の１層を形成するものであり、この電磁鋼板を第２電磁鋼板４４Ｂと記す。

第１電磁鋼板４４Ａは、ステータコアのヨーク３０を形成するヨーク部４８と、ステータコアのティース３２を形成するティース部５０を有する。ティース部５０は、幹部４６を形成する第１部分５０ａと、先端部４０を形成する第２部分５０ｂを有する。第２部分５０ｂは、第１部分５０ａよりも幅が広く形成されている。

第２電磁鋼板４４Ｂは、ステータコアのヨーク３０を形成するヨーク部５２と、ステータコアのティース３２の幹部４６を形成するティース部５４を有する。第２電磁鋼板４４Ｂのティース部５４の径方向の長さは、第１電磁鋼板４４Ａのティース部の第１部分５０ａの長さと等しい。つまり、第２部分５０ｂの分、ティース部５４は、ティース部５０より短く形成されている。アモルファス鋼板３８は、第１電磁鋼板４４Ａのティース部の第２部分５０ｂと同じ形状であり、第２電磁鋼板４４Ｂのティース部５４の先に配置される。アモルファス鋼板３８の厚さは、０．０１〜０．０３ｍｍ程度であり、一方電磁鋼板４４の厚さは０．３〜０．５ｍｍである。したがって、第２電磁鋼板４４Ｂ一枚に対して、十数から数十枚のアモルファス鋼板３８を積層して、厚さを揃える。第２電磁鋼板４４Ｂとアモルファス鋼板３８を繋げた状態の全体形状は、第１電磁鋼板４４Ａの形状と同一である。

図２に示されるように、第１電磁鋼板４４Ａは、ステータコア３４の積層方向の両端に配置され、第１電磁鋼板４４Ａに挟まれるように第２電磁鋼板４４Ｂとアモルファス鋼板３８が配置される。図２において、第１電磁鋼板４４Ａと第２電磁鋼板４４Ｂの境界を二点鎖線で示す。

第１電磁鋼板４４Ａのヨーク部４８およびティース部の第１部分５０ａと、第２電磁鋼板４４Ｂのヨーク部５２とティース部５４がステータコア本体４２を形成する。よって、ステータコア本体４２は、全体が電磁鋼板で形成される。第１電磁鋼板４４Ａのティース部の第２部分５０ｂとアモルファス鋼板３８がステータコアの先端部４０を形成する。

図５は、電磁鋼板とアモルファス鋼板の磁気特性を表す図である。横軸は試料に加える磁界強度Ｈ、縦軸は試料中に発生する磁束密度Ｂを表す。図５中、実線がアモルファス鋼板、破線が電磁鋼板の特性を示す。磁界強度Ｈが低い領域では、アモルファス鋼板の方が磁束密度Ｂが高いが、磁界強度Ｈが高くなると、逆転して電磁鋼板の磁束密度Ｂが高くなる。よって、飽和磁束密度は、電磁鋼板の方が高くなる。このため、電動機のコア材料として電磁鋼板を用いた方がより大きな磁束を発生させることができ、電動機の最大トルクを向上させることができる。言い換えれば、コア材料としてアモルファス鋼板を使用すると最大トルクが低下する可能性がある。

一方、アモルファス鋼板は、電磁鋼板に比べて磁気ヒステリシスが小さく、このため電動機のコアに用いた場合、鉄損を小さくすることができる。鉄損は、ロータの回転に伴って生じる磁束密度の変化が大きい部分で発生しやすい。このような部分は、ロータコアとステータコアの間に形成されるギャップ付近であり、この部分にアモルファス鋼板を用いれば、鉄損を効率よく低減することができる。このような着想に基づき、ロータの表面部２６、ステータの先端部４０にアモルファス鋼板を適用したものが上述の電動機１０である。

図６は、ステータコアの構成と最大トルクの関係を示す図である。図中、左はステータコアおよびロータコア全体を電磁鋼板で形成した場合、中央は、上述の電動機１０のようにステータコアとロータコアの間に形成されるギャップ付近にのみアモルファス鋼板を用いた場合、右はステータコアおよびロータコア全体をアモルファス鋼板で形成した場合を示している。全体を電磁鋼板で作製したコアの最大トルクを１として、他を比較している。ギャップ付近のみアモルファス鋼板を用いた場合、最大トルクはほとんど変わらない。一方、全体をアモルファス鋼板で形成した場合、アモルファス鋼板の飽和磁束密度が小さいため、最大トルクが低下する。この例では約１０％、最大トルクの減少が見られた。

図７は、ステータコアの構成と軽負荷時のトルクの関係を示す図である。図中、左はステータコアおよびロータコア全体を電磁鋼板で形成した場合、右はステータコアとロータコアの間に形成されるギャップ付近にのみアモルファス鋼板を用いた場合を示している。両者の場合について同一の電流を流して比較したときのトルクを比較している。低負荷時には磁界強度Ｈは低く、図５に示されるアモルファス鋼板の磁束密度Ｂが電磁鋼板の磁束密度Ｂより高い範囲においては、トルクの増加が見られる。この例では、約５％のトルク増加が見られた。

図８は、ステータコアの構成と鉄損の関係を示した図である。図中、左はステータコアおよびロータコア全体を電磁鋼板で形成した場合、右はステータコアとロータコアの間に形成されるギャップ付近にのみアモルファス鋼板を用いた場合を示している。ギャップ付近にアモルファス鋼板を用いることにより、鉄損が約５％低下した。

図９は、ティース内の磁束密度変動を示し、横軸がティース先端からの距離、縦軸が磁束密度変動の振幅を示す。磁束密度変動は、ティース先端で大きく、ティースからの距離が大きくなると急激に減少する。磁束密度変動が大きい部分はティース先端のみであり、この部分にアモルファス鋼板を配置すれば、有効に鉄損を低減することができる。例えば、磁束密度変動がティース先端に対して１０％以上の範囲にアモルファス鋼板を配置するようにできる。これ以上、ティース先端から離れた領域にアモルファス鋼板３８を配置しても鉄損低下の効果は小さい。アモルファス鋼板３８が配置される位置はティース先端の幅広の部分だけでなく、これに続くティースの幹部の先端に配置されてもよい。

上述の電動機１０においては、ロータコア１６とステータコア３４の両方にアモルファス鋼板を用いたが、いずれか一方のみに用いるようにしてもよい。また、ティース３２の先端にのみ設けるようにしてもよい。

図１０は、ステータコアの他の態様を示す図である。図２と同様、１つのティースを含む部分を示している。ステータコア５６の外形は、前述のステータコア３４と同一であり、前述の第１および第２電磁鋼板４４Ａ，４４Ｂとアモルファス鋼板３８から形成されている点も同じである。このステータコア５６は、第１電磁鋼板４４Ａが積層方向の両側端面に加え、中間の部分にも、互いに間隔を空けて配置されている。また、先端部４０において、第１電磁鋼板４４Ａの間の部分にアモルファス鋼板３８が配置される。これにより、先端部４０は、電磁鋼板からなる第１部分４０ａと、アモルファス鋼板からなる第２部分４０ｂが交互に配置された状態となる。第１電磁鋼板４４Ａは、両端を含め３箇所に配置することができ、また更に多くの箇所に配置することができる。

ティース３２の先端の形状は、幹部４６と同じ幅に形成しても、また幹部４６から先に向かって細くなるテーパ形状としてもよい。

図１１は、アキシャル型の電動機６０の概略構成を示す図である。電動機６０は、同軸に配置された略円板形状のロータ６２とステータ６４を有する。ロータ６２とステータ６４は、回転軸線Ｌの方向に対向する。ロータ６２のステータ６４に対向する面には周方向に永久磁石６６が配置されている。ステータ６４のロータ６２に対向する面には、ステータコアのティース６８が配置されている。ティース６８は周方向に沿って間隔を空けて配列されている。ティース６８に巻回してコイル７０が形成されている。

図１２は、電動機６０のステータコアのティース６８の形状を示す図である。図において、Ｚ方向が回転軸線方向、Ｒ方向が径方向、Ｃ方向が周方向である。また、図において上面がロータ６２に対向する面である。ティース６８は、回転軸線方向から見たときに、中心部を欠いた扇形または円弧形状であり、厚さ（Ｚ方向の寸法）は一定である。電磁鋼板７２が径方向に積層されており、内側の端部と外側の端部には、Ｚ方向の寸法が長い第１電磁鋼板７２Ａが配置され、間の部分にはＺ方向の寸法が短い第２電磁鋼板７２Ｂが配置されている。第１電磁鋼板７２Ａと第２電磁鋼板７２Ｂの寸法差で生じた窪み部分にアモルファス鋼板７４が配置される。アモルファス鋼板７４も径方向に積層される。

図１３は、図１２に示すティース６８の代替例を示す図である。ティース７６は、外形形状はティース６８と同一である。電磁鋼板７８で形成された部分の上面中央には、周囲が囲まれた窪みが設けられ、その窪みにアモルファス鋼板８０が配置される。Ｚ方向寸法の短い電磁鋼板を多重に巻き、さらにその周りにＺ方向寸法の長い電磁鋼板を巻き付ける。これにより中央部分の窪みが形成される。この窪み部分に渦巻き状に巻いたアモルファス鋼板８０を収めて形成する。

上述の各実施形態において、ステータコア、ロータコアなどのコアは、積層された電磁鋼板に限らず、粉または粒状の磁性体を圧縮して成形した圧粉コアや、軟磁性ステンレスなど他の材料とすることができる。アモルファス鋼として、例えば鉄−ケイ素−ホウ素系、または鉄−ケイ素−ホウ素−クロム系の鋼材料を用いることができる。

１０電動機、１２ロータ（第２要素）、１４ステータ（第１要素）、１６ロータコア、１８スリット、２０永久磁石、２２電磁鋼板、２４ロータコア本体、２６表面部、２８アモルファス鋼板、３０ヨーク、３２ティース、３４ステータコア、３６コイル、３８アモルファス鋼板、４０先端部、４０ａ先端部の部分、４０ｂ先端部の部分、４２ステータコア本体、４４電磁鋼板、４４Ａ第１電磁鋼板、４４Ｂ第２電磁鋼板、４６幹部、４８ヨーク部、５０ティース部、５０ａティース部の部分、５０ｂティース部の部分、５２ヨーク部、５４ティース部、５６ステータコア、６０電動機、６２ロータ、６４ステータ、６６永久磁石、６８ティース、７０コイル、７２電磁鋼板、７２Ａ第１電磁鋼板、７２Ｂ第２電磁鋼板、７４アモルファス鋼板、７６ティース、７８電磁鋼板、８０アモルファス鋼板。

Claims

相対的に移動する第１要素と第２要素を含む電動機であって、
第１要素は、ヨークと、前記ヨークから第２要素に向けて延び、先端が前記第２要素に対向しているティースとを有する第１要素コアを含み、
前記ティースは、前記第２要素に対向する先端部と、前記ヨークから延びて先端に前記先端部が配置された幹部とを有し、
前記ティースの前記先端部の少なくとも一部にアモルファス鋼板により形成されたアモルファス鋼板部分を有し、前記先端部の、前記アモルファス鋼板部分以外の部分と、前記ティースの前記幹部と、前記ヨークとがアモルファス鋼板より飽和磁束密度が大きい高飽和磁束密度材料で形成されている、
電動機。
請求項１に記載の電動機であって、前記ティースの前記先端部において、前記アモルファス鋼板部分は、前記高飽和磁束密度材料よりなる部材に挟まれている、電動機。
請求項１に記載の電動機であって、前記ティースの前記先端部において、前記アモルファス鋼板部分は、前記高飽和磁束密度材料よりなる部材に囲まれている、電動機。
請求項１に記載の電動機であって、
前記ティースは、積層状態の電磁鋼板およびアモルファス鋼板から形成されており、
前記電磁鋼板は、前記ティースの前記先端まで延び、前記ティースの前記先端部の一部および前記幹部の一部を構成している第１電磁鋼板と、前記第１電磁鋼板より短く、前記ティースの前記幹部の一部を構成している第２電磁鋼板を含み、
前記第２電磁鋼板の先端より先の部分に前記アモルファス鋼板部分が配置され、当該アモルファス鋼板部分の先端が前記第１電磁鋼板の先端に揃っており、
前記電磁鋼板の前記積層方向において前記ティースの両端に前記第１電磁鋼板が配置されている、
電動機。
請求項４に記載の電動機であって、前記ティースの前記先端部は、前記ティースの前記幹部より幅が広い、電動機。
請求項４または５に記載の電動機であって、前記電磁鋼板の前記積層方向において、前記第１電磁鋼板が少なくとも３箇所に間隔を開けて配置されている、電動機。
請求項１から６のいずれか１項に記載の電動機であって、前記第２要素が第２要素コアを含み、前記第２要素コアは、コア本体と、前記コア本体の、前記ティースの前記先端に対向する表面部とを有し、前記表面部の少なくとも一部にアモルファス鋼板により形成されたアモルファス鋼板部分を有し、前記表面部の、前記アモルファス鋼板部分以外の部分と、前記コア本体とがアモルファス鋼板より飽和磁束密度が大きい高飽和磁束密度材料で形成されている、電動機。