JP2021106446A - 同期電動機のフレーム構造並びにフレーム及び電機子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】回転子に磁石からなる界磁源を有する電動機において、フレームから受ける偏応力を分散させ、固定子又はステータの電機子コアの内周面について、より理想的な真円形状を得ることができ、コギングトルクの発生要因の一つである「製造要因」を低減させる。【解決手段】電動機のフレーム１の角数を４Ｍ（Ｍは自然数であり、Ｍ≧１。）及び電機子コアＡＣのスロットＳＬの数を６Ｎ（Ｎは自然数であり、Ｎ≧１。）としたときに、フレーム１の対抗する二辺Ａ〜Ｄと直交しかつ回転軸線Ｚを通る基準線Ｘ１、Ｙ１と、回転軸線Ｚを中心とした点対称となる磁極ＭＰ同士を結ぶ直線Ｘ２、Ｙ２との間に、円周方向で所定範囲の偏角θが形成されるように、フレーム１に電機子コアＡＣが挿入される。偏角θは、電機子コアＡＣの隣接する磁極ＭＰの先端部がブリッジされている場合とブリッジされておらず開口部ＣＬとされている場合とでは異なるものとされている。【選択図】図４

Description

本発明は、回転子に磁石からなる界磁源を有する電動機において、電機子コアをフレームに挿入するときの角度を、特定の角度で挿入することで、電機子コアに作用する偏応力を低減し、コギングトルクを低減したフレーム構造及びその製造方法に関するものである。

回転子に磁石からなる界磁源を有する電動機である、例えば、永久磁石を備えた同期電動機では、電機子コアの磁気抵抗の変化と永久磁石の磁束密度変化によって、無負荷状態でも回転子の回転角度に従って脈動するトルク、すなわちコギングトルクが発生する。コギングトルクに関して「設計要因」で発生するコギングトルクと「製造要因」で発生するコギングトルクが知られており、前者の設計要因は電機子コアの形状、寸法、回転子の永久磁石、あるいは回転子コアの形状などに起因して発生する。その低減策として特許文献１に示すように、回転子磁石の角度をある一定の極弧率に設定することで、コギングトルクが極小となる寸法に設計し、低減させるという手段が知られている。

一方で後者の「製造要因」は、電動機を組み立てしていく際に、電機子コア自体の寸法のバラツキや組み立て精度のバラツキ、または製造において作用する応力などにより、前者の「設計要因」で意図して設計したコギングトルクの低減策が効果を発揮せず、コギングトルクが大きくなってしまう事象である。これに対しては、例として、次のような対策手段が知られている。

特許文献２に開示された技術では、ステータは、フレームと、フレームの嵌合部に嵌合されるステータコア１０と、を備え、ステータコア１０は、複数の鉄心辺２０を有する積層コアであり、複数の鉄心辺２０は、複数のかしめ部分２２において積層状態でかしめ固定され、複数のかしめ部分２２が円周方向に不均等に配置される。この特許文献２に開示された従来技術では、真円に近いステータコアを提供し、コギングトルクの増加を抑制している。

特許文献３に開示された技術では、フレーム内にステータコアを固定することにより永久磁石式同期電動機を製造する方法において、フレームの特定部位と、ステータコアの特定部位をそれぞれ基準位置とし、上記両部位を特定の位置関係をもって位置決めした後、固定することを特徴とする永久磁石式同期電動機の製造方法であって、上記フレームの特定部位を、ステータコアの外周をＮ箇所（Ｎは自然数）において、ほかの部位よりも大きな力で内側に加圧する部位とし、上記ほかの部位よりも大きな力で内側に加圧するフレームの特定部位として、スペーサなどの加圧部材を上記フレームないし上記ステータコアとは別に設けている。

特許文献３に開示された技術は、完全に対称に製造されている場合のコギングトルクに対して、実機、特に量産の現場において、これらの極数、スロット数の対称性がくずれ、それらの数の最小公倍数の次数よりも低次のコギングトルク成分が大きな振幅で現れてしまうことを抑制する技術である。

特許文献４には、永久磁石を含む回転子と、該回転子を周方向に取り囲む環状配置となるように互いに組み合わせて一体構造にされる略Ｔ字形状の複数のコアピース部材を備える固定子と、円筒面をなすべく作製された内側面を有し、前記固定子における前記複数のコアピース部材のうちの少なくともいくつかに対し該内側面が接することにより前記複数のコアピース部材を前記環状配置に保持するためのフレーム部材とを備えてなり、前記複数のコアピース部材は、前記フレーム部材の前記内側面に対し接すべき面が所定の半径の円筒面の一部をなす円筒面要素となっている標準コアピース部材と、前記フレーム部材の前記内側面に対し接すべき面が該標準コアピース部材の前記円筒面要素より突出して形成されている拡大コアピース部材とを有しているものであり、前記固定子は、前記フレーム部材の前記内側面の各位置のうち理想的円筒面から外側に奥まっている位置に対応する前記環状配置の周方向位置に前記拡大コアピース部材を配置したものである回転電機が開示されている。

特許文献４に開示された技術は、複数のコアピースを組み上げた固定子では内側面の真円度が悪化してしまい、真円度が悪化すると、固定子と回転子の間のギャップの形状が不均一となり磁気エネルギーの周方向の分布がアンバランスとなって、この磁気的なアンバランスのために、永久磁石を含む回転子のトルク変動（コギングトルク）の波形に、回転子が１周する間に磁極の数だけ脈動する成分（いわゆる極数成分）が重畳してしまい、コギングトルクのピークピーク値（ｐｅａｋ ｔｏ ｐｅａｋ値）が増大してしまうことを解決する手段である。

これら特許文献２〜４に共通することは、いずれも、フレームの外側から応力をかけて真円になるように、嵌め合いの部分の形状を工夫して、不均等に締まるように工夫する、という点にある。しかしながら、嵌め合い部分の精度や、応力のかけ方によっては、固定子又はステータの内周面について、必ずしも理想的な真円形状を得ることは容易ではなかった。

特許第４８７０９１２号公報 特開２０１８−６４３９５号公報 特許第５２４３５１１号公報 特許第６０５６１９３号公報

本発明は、前記先行技術とは異なる手段で、フレームから受ける偏応力を分散させ、固定子又はステータの電機子コアの内周面について、より理想的な真円形状を得ることができ、コギングトルクの発生要因の一つである「製造要因」を低減させるためのものである。

本発明は、前記課題を解決するために、以下の電動機のフレーム構造に係る構成を採用した。

すなわち、回転子に磁石からなる界磁源を有する電動機のフレーム構造において、前記フレームの外周が多角形をなし、かつ前記フレームの内周が円形状をなし、前記フレームの回転軸線Ｚから径方向に見たときの前記フレーム断面の肉厚のピークの数をもって前記多角形の角数が定義され、前記フレームの内周に電機子コアが挿入される電動機のフレーム構造において、
前記電機子コアは、隣接する磁極の前記回転軸線Ｚ側の先端部がそれぞれブリッジにより連結された第１のコアシートのみを複数枚積層されているか、又は、前記第１のコアシートと、隣接する前記磁極の前記先端部が連結されずに前記先端部間に開口部を形成された第２のコアシートとの両者を含んで複数枚積層されており、
前記フレームの前記角数を４Ｍ（Ｍは自然数であり、Ｍ≧１。）及び前記電機子コアのスロットの数を６Ｎ（Ｎは自然数であり、Ｎ≧１。）としたときに、前記フレームの対抗する二辺と直交しかつ前記回転軸線Ｚを通る基準線と、前記回転軸線Ｚを中心とした点対称となる磁極同士を結ぶ直線との間に、円周方向で所定範囲の偏角θが形成されるように、前記フレームに前記電機子コアが挿入されている電動機のフレーム構造、を採用したものである。

また、回転子に磁石からなる界磁源を有する電動機のフレーム構造において、前記フレームの外周が多角形をなし、かつ前記フレームの内周が円形状をなし、前記フレームの回転軸線Ｚから径方向に見たときの前記フレーム断面の肉厚のピークの数をもって前記多角形の角数が定義され、前記フレームの内周に電機子コアが挿入される電動機のフレーム構造において、
前記電機子コアは、その円周方向に全ての磁極がつながっている一体構造の第２のコアシートが積層されているか、又はその円周方向に各磁極が全て分割されてＴ字形状をした第３のコアシートが積層されかつ所定回数等配に組み合わせて、前記磁極の先端部間に開口部を有する同心円状にまとめられているものであり、
前記フレームの前記角数を４Ｍ（Ｍは自然数であり、Ｍ≧１。）及び前記電機子コアのスロットの数を６Ｎ（Ｎは自然数であり、Ｎ≧１。）としたときに、前記フレームの対抗する二辺と直交しかつ前記回転軸線Ｚを通る基準線と、前記回転軸線Ｚを中心とした点対称となる磁極同士を結ぶ直線との間に、円周方向で所定範囲の偏角θが形成されるように、前記フレームに前記電機子コアが挿入されている電動機のフレーム構造、を採用したものである。

加えて、前記のような電動機のフレーム構造を構成するために、以下の電動機のフレーム及び電機子の製造方法に係る構成を採用した。

すなわち、回転子に磁石からなる界磁源を有する電動機のフレーム構造において、前記フレームの外周が多角形をなし、かつ前記フレームの内周が円形状をなし、前記フレームの回転軸線Ｚから径方向に見たときの前記フレーム断面の肉厚のピークの数をもって前記多角形の角数が定義され、前記フレームの内周に電機子コアが挿入される電動機のフレーム構造において、
前記電機子コアは、隣接する磁極の前記回転軸線Ｚ側の先端部がそれぞれブリッジにより連結された第１のコアシートのみを複数枚積層されているか、又は、前記第１のコアシートと、隣接する前記磁極の前記先端部が連結されずに前記先端部間に開口部を形成された第２のコアシートとの両者を含んで複数枚積層されており、
前記フレームの前記角数を４Ｍ（Ｍは自然数であり、Ｍ≧２。）及び前記電機子コアのスロットの数を６Ｎ（Ｎは自然数であり、Ｎ≧２。）としたときに、前記フレームの対抗する二辺と直交しかつ前記回転軸線Ｚを通る基準線と、前記回転軸線Ｚを中心とした点対称となる磁極同士を結ぶ直線との間に、円周方向で所定範囲の偏角θが形成されるように、位置決め部を用いて前記フレームに前記電機子コアが挿入する電動機のフレーム及び電機子の製造方法、を採用したものである。

また、回転子に磁石からなる界磁源を有する電動機のフレーム構造において、前記フレームの外周が多角形をなし、かつ前記フレームの内周が円形状をなし、前記フレームの回転軸線Ｚから径方向に見たときの前記フレーム断面の肉厚のピークの数をもって前記多角形の角数が定義され、前記フレームの内周に電機子コアが挿入される電動機のフレーム構造において、
前記電機子コアは、その円周方向に全ての磁極がつながっている一体構造の第２のコアシートが積層されているか、又はその円周方向に各磁極が全て分割されてＴ字形状をした第３のコアシートが積層されかつ所定回数等配に組み合わせて、前記磁極の先端部間に開口部を有する同心円状にまとめられているものであり、
前記フレームの前記角数を４Ｍ（Ｍは自然数であり、Ｍ≧１。）及び前記電機子コアのスロットの数を６Ｎ（Ｎは自然数であり、Ｎ≧２。）としたときに、前記フレームの対抗する二辺と直交しかつ前記回転軸線Ｚを通る基準線と、前記回転軸線Ｚを中心とした点対称となる磁極同士を結ぶ直線との間に、円周方向で所定範囲の偏角θが形成されるように、位置決め部を用いて前記フレームに前記電機子コアが挿入する電動機のフレーム及び電機子の製造方法、を採用したものである。

本発明は、前記の構成を採用することにより、フレームから受ける偏応力を分散させ、固定子又はステータの内周面について、より理想的な真円形状を得ることができ、コギングトルクを安定的に製造することができるものであり、コギングトルクの発生要因の一つである「製造要因」を低減させることができる、という効果を奏するものである。

本発明の基本的な考え方を説明するための、フレーム構造のイメージ斜視図（ａ）及びそのミーゼス応力分布と変形の様子を示す応力変形イメージ断面図（ｂ） 本発明のフレーム構造に付加的な構成が設けられた態様のイメージ斜視図 本発明の第１の態様におけるフレーム構造を分解したところを示す斜視図 本発明の第１の態様における、電機子コアＡＣの挿入角度（偏角θ）の説明図 本発明の第１の態様における、電機子コアＡＣ内周に作用する応力の分布（ａ）及びミーゼス応力に含まれる振幅成分（ｂ）を示すグラフ 本発明の第１の態様の比較例としての偏角θが０°である場合のミーゼス応力分布と変形の様子を示す応力変形断面図 本発明の第１の態様における、別の、電機子コアＡＣ内周に作用する応力の分布（ａ）及びミーゼス応力に含まれる振幅成分（ｂ）を示すグラフ 本発明の第１の態様における、さらに別の、電機子コアＡＣ内周に作用する応力の分布（ａ）及びミーゼス応力に含まれる振幅成分（ｂ）を示すグラフ 本発明の第１の態様における、さらにまた別の、電機子コアＡＣ内周に作用する応力の分布（ａ）及びミーゼス応力に含まれる振幅成分（ｂ）を示すグラフ 本発明の第１の態様の比較例としての偏角θが１５°である場合のミーゼス応力分布と変形の様子を示す応力変形断面図 本発明の第１の態様における、フレーム構造電機子コアＡＣが非点対象となる態様を示す断面図 本発明の第１の態様における、フレーム構造電機子コアＡＣが非点対象となる態様の、電機子コアＡＣ内周に作用する応力の分布（ａ）及びミーゼス応力に含まれる振幅成分（ｂ）を示すグラフ 本発明の第２の態様におけるフレーム構造を分解したところを示す斜視図 本発明の第２の態様における、電機子コアＡＣ内周に作用する応力の分布（ａ）及びミーゼス応力に含まれる振幅成分（ｂ）を示すグラフ 本発明の第２の態様における、別の、電機子コアＡＣ内周に作用する応力の分布（ａ）及びミーゼス応力に含まれる振幅成分（ｂ）を示すグラフ 本発明の態様における、偏角θとコギングトルクＴとの関係を示すグラフ 本発明の態様における、電機子コアの偏角θを維持する位置決め手段を示す斜視図 本発明の態様における、別の、電機子コアの偏角θを維持する位置決め手段を示す斜視図 本発明の態様における、さらに別の、電機子コアの偏角θを維持する位置決め手段を示す斜視図

最初に、本発明の基本的な考え方を説明する。なお、以下の説明においては、回転子に磁石からなる界磁源を有する電動機の構成や機能は周知のものであるので、本発明に関する部分を除き、詳細な説明は省略している。

図１に、本発明の基本的な考え方を説明するための、フレーム構造のイメージ斜視図（ａ）及びそのミーゼス応力分布と変形の様子を示す応力変形イメージ断面図（ｂ）を示す。

本態様においては、図１（ａ）に示されるように、幾何学的に四角形を基本とし、その各頂点部分に肉厚Ｗの厚い角部を２つずつ形成した、のべ８角のフレーム１の内側に、電機子コアＡＣの外周面、すなわち電機子コアＡＣのフレーム１の内周面側に位置する部分をモデル化した円環２を備えている。本態様では、フレーム１の角数が４Ｍ角形（Ｍ：自然数）としたときに、Ｍ＝２とした態様のフレーム１である。

フレーム１には、電機子コアＡＣが挿入される。電動機ＭにトルクＴが発生したときに電機子コアＡＣが反力でトルクＴとは逆方向に回転しないように、フレーム１と電機子コアＡＣとの間に何等かの締結が必要になるが、一般的には、電機子コアＡＣの外径とフレーム１の内径を圧入寸法に設定し、焼き嵌めなどで機械的に締めこんで固定する手段か、フレーム１の内径よりも電機子コアＡＣの外径を小さくして隙間を設け、接着剤にて固定する手段か、両者を合わせた手段に大別される。このとき嵌め合いが、圧入寸法であればフレームの収縮による応力が、隙間寸法であれば接着剤の硬化収縮による応力が、コアの外径からラジアル方向に作用する。しかし、締結のためのフレームからの応力によって、磁気的な不等配が起こり、コギングトルクＴｃが設計意図に反して大きくなる製造誤差要因につながってしまうため電機子コアＡＣに対して極力応力を作用させないように構成することが望ましい。

この応力変形は、フレーム１の外周と内周との間の肉厚Ｗの大小によって変化するものである。仮に、フレーム１の内外周が円筒形状（図示せず。）の場合には、電機子コアＡＣがフレームから受ける応力は均等に作用することになる。ところが本態様のようにフレーム１が多角形の場合、頂点と辺その他の部分において内部に作用する応力が異なってくるため、電機子コアＡＣの各磁極ＭＰに対して偏応力が作用する。そのフレーム１への偏応力がどのように作用するかを、図１（ａ）に示すような、フレーム１に単純な円環２を圧入にて挿入した場合を想定して、応力解析を行ったのが、図１（ｂ）である。図１（ｂ）には、本態様における、フレーム１が円環２に与える応力変形イメージを、ミーゼス応力分布図をもって示している。

なお、フレーム１の材質は鉄やアルミなど様々な材料が用いられるが、電機子コアＡＣの材質は通常は電磁鋼板などの鉄系金属からなる。図１（ｂ）では変形状態を分かりやすく示すために、両部材を同一の材料であると設定したものである。

図１（ｂ）のように円環２はフレーム１の肉厚Ｗの厚い部分が凹み、フレーム１の肉厚Ｗの薄い部分が飛び出した多角形に変形している。これをみると、応力変形は、概ね、フレーム１の外周と内周との間の肉厚Ｗの大小によって変化するものであることがわかる。

したがって、フレーム構造を決定するには、フレームの多角形形状の角数を肉厚Ｗとの関係で定義して行うことが必要となる。すなわち、フレーム内周円に対して、フレーム１の回転軸線Ｚから径方向に見たときのフレーム１断面の肉厚Ｗのピークの数をもって前記多角形の角数が定義するということになる。

図２には、本発明のフレーム構造に付加的な構成が設けられた態様のイメージ斜視図が示されている。これは、外気等に電動機Ｍの発する熱を放熱するための放熱フィンＦｉｎがフレーム１の外周側に設けられている態様である。このような、フレーム１に対する付加構成である放熱フィンＦｉｎは、構造部材ではなく、フレーム１から電機子コアＡＣの各磁極ＭＰに対して作用する偏応力に大きな影響を及ぼす構成部分ではない。そのため、このような態様においては、付加構成である放熱フィンＦｉｎを除いた部分である、フレーム１の本体部分の形状等に基づいて設計を行うこととなる。

以上の考察からすると、電機子コアＡＣは外周からフレーム１により応力を受けて変形するので、その変形が可能な限り小となるように、フレーム１と電機子コアＡＣの中心を通り断面に垂直なＺ軸に対して、一定の角度を設けて電機子コアＡＣを挿入することで、半径方向から作用する応力を分散させて、電機子コアＡＣにかかる偏応力によるストレスを緩和することができるという、フレーム構造を設計するために、基本的な考え方が明らかとなる。

以上のような、基本的な考え方に基づいてフレーム構造を設計する場合には、内部に挿入する電機子コアＡＣの形状が異なる場合、すなわち、磁極ＭＰの先端部がブリッジされて連結されている場合とそうでない場合という応力の分布が著しく異なる２つの態様を考慮することが必要であるので、最適な挿入角度の決定は、それぞれの態様に応じて行われることとなる。
以下、それぞれの態様を本発明の第１の実施の態様及び第２の実施の態様として説明する。

図３は、本発明の第１の態様におけるフレーム構造を分解したところを示す斜視図である。

本態様では、隣り合う磁極ＭＰの先端部がブリッジにて連結されている第１のコアシートＣＳと隣り合う磁極ＭＰの先端部が少なくとも１種類以上の開口部ＣＬを有する第２のコアシートＣＳを混合して積層した電機子コアＡＣを挿入している。もちろん、電機子コアＡＣの隣り合う磁極ＭＰの先端部がブリッジにて連結されているコアシートＣＳのみを積層した電機子コアＡＣであっても良い。

フレーム１の外周は、四角形であり、４Ｍ角形（Ｍ：自然数）で、Ｍ＝１の態様のフレーム１の例となる。

図４は、本態様における、電機子コアＡＣを挿入する際の電機子コアＡＣの挿入角度の説明図である。

挿入角度は、フレーム１外周の対抗する二つの辺（Ａ、Ｃ及びＢ、Ｄの二組）のそれぞれと直交しかつ電動機の回転軸線Ｚを通る二つの基準線Ｘ１、Ｙ１と、前記回転軸線Ｚを中心とした点対称となる磁極ＭＰ同士を結ぶ直線（のうち、かかる基準線Ｘ１、Ｙ１に近接する直線）Ｘ２、Ｙ２との間に生じる、円周方向で所定範囲の偏角θ１とされる。

磁極ＭＰのピッチＰは、全周の回転角３６０°の間で、スロットＳＬの数と同じ周期で現れるが、かかるピッチＰの半分を超えた偏角を採用した場合には、隣接するスロットＳＬとの関係で位置関係が再現されるため、偏角の範囲は、０°を超え、磁極ＭＰのピッチＰの半分までの領域を考慮すれば足りる。

本態様では、フレーム１の角数が８で、４Ｍ角形（Ｍ：自然数）で、Ｍ＝２の態様のフレーム１となる。電機子コアＡＣの磁極ＭＰの数、すなわちスロットＳＬの数が１２で、スロットＳＬの数６Ｎで、Ｎ＝２となっている。

この場合、磁極ＭＰのピッチＰは、全周の回転角３６０°をスロットＳＬの数１２で除した３０°となるので、前記した考慮すべき偏角θ１の領域は、０°から、かかるピッチＰの半分の１５°までとなる。

かかる偏角θ１について、θ１＝７．５°の態様について構造解析を行った結果が図５（ａ）、（ｂ）である。

ここで、図５（ａ）は、本態様において、電機子コアＡＣ内周に作用する応力の分布を示す。磁極ＭＰの先端およびブリッジを含む任意の断面の応力について、横軸が円周方向角度（０°〜３６０°）で、縦軸がそれぞれのミーゼス応力である。さらにこの応力の空間分布をフーリエ解析することで、ミーゼス応力に含まれる振幅成分を評価することができ、それを示したものが図５（ｂ）である。

図５（ｂ）から明らかなとおり、θ１＝７．５°のときに、４次調波の応力成分が最小となっていることが分かる。この状態は、８角形のフレーム１の外周から変形応力が作用する状態において、フレームの外周の頂点または辺Ａ〜Ｄの直下にスロットＳＬが位置するものである。

一般に、低次調波の方がコギングトルクＴｃの製造誤差要因に対する寄与度がより大きいことから、この場合には、偏角θ１＝７．５°が最もコギングトルクＴｃの製造安定性が高くなる態様であることが分かる。

なお、図６には、比較例として、偏角θ１＝０°の態様が示されている。本態様を見ると、各磁極ＭＰがフレーム１の各辺Ａ〜Ｄ又は多角形のフレーム１の各頂点の真下に位置しており、磁極ＭＰとブリッジを含めた内側の電機子コアＡＣは、８角形に変形しようとしていることが分かる。

図７（ａ）、（ｂ）には、フレーム１の角数４ＭをＭ＝１、すなわち４角とし、スロットＳＬの数６ＮをＮ＝２、すなわちスロットＳＬの数が１２の電機子コアＡＣを用いた態様において、電機子コアＡＣ内周に作用する応力の分布とミーゼス応力に含まれる振幅成分が示されている。

これを見ると、フレーム１の角数４ＭをＭ＝２、すなわち８角とし、スロットＳＬの数６ＮをＮ＝２、すなわちスロットＳＬの数が１２の電機子コアＡＣを用いた、図５、６に示した態様の場合には、偏角θ１＝７．５°が最適であったが、スロットＳＬの数が同じであっても、フレーム１の角数４ＭをＭ＝１、すなわち４角とした場合は１５°が低次調波を抑えるのに有効であることが分かる。

図８（ａ）、（ｂ）には、フレーム１の角数４ＭをＭ＝２、すなわち８角とし、スロットＳＬの数６ＮをＮ＝１、すなわちスロットＳＬの数が６の電機子コアＡＣを用いた態様において、電機子コアＡＣ内周に作用する応力の分布とミーゼス応力に含まれる振幅成分が示されている。

これをみると、本態様では、低次から高次にわたって多くの調波が観察されるが、低次調波領域において、偏角θ１＝１５°が最も優位、すなわち最適であることが分かる。

図９（ａ）、（ｂ）には、フレーム１の角数４ＭをＭ＝１、すなわち４角とし、スロットＳＬの数６ＮをＮ＝１、すなわちスロットＳＬの数が６の電機子コアＡＣを用いた態様において、電機子コアＡＣ内周に作用する応力の分布とミーゼス応力に含まれる振幅成分が示されている。

これをみると、本態様では、低次調波領域に調波が集中しているが、偏角θ１＝１５°がわずかに優位であることは分かる。

しかしながら、本態様では、低次調波で現れる変形成分の２次調波と４次調波の応力成分がほとんど変化せず、コギングトルクＴｃの製造安定性を大きく高めることができない。

図１０に本態様においてθ１＝１５°としたときのミーゼス応力分布と変形の様子を示す応力変形イメージ断面図を示す。

図１０から分かるとおり、電機子コアＡＣは略４角形に変形してしまっており、フレームからの偏応力の分散がされていないことが分かる。スロットＳＬの数が６であるため、磁極ＭＰのピッチＰは６０°となるので、偏角θ１の領域は、０°＜θ１≦３０°となるが、実際には、１５°＜θ１≦３０°の領域では、０°＜θ１≦１５°の領域で生じる磁極ＭＰの位置関係と同じ位置関係が再現されてしまう。この場合には、本発明の適用は可能であるが、より有利な他の手段、例えば従来公知の楕円化の手段が有利となる場合もあり得る。

図１１には、電機子コアＡＣが非点対象となる構造の態様が示されている。本態様においては、隣接するスロットＳＬ（図上点線で囲まれた組み合わせＣｏｎｖ）はその間に配置される磁極ＭＰに対して線対称に配置されているが、スロットＳＬの中心についてみると、非点対称になっている。

図１２（ａ）、（ｂ）には、このような電機子コアＡＣが非点対称となる構造において、フレーム１の角数４ＭをＭ＝２、すなわち８角とし、スロットＳＬの数６ＮをＮ＝２、すなわちスロットＳＬの数が６の電機子コアＡＣを用いた態様において、電機子コアＡＣ内周に作用する応力の分布とミーゼス応力に含まれる振幅成分が示されている。

これをみると、本態様では、低次から高次にわたって多くの調波が観察されるが、低次調波領域、特に４次の変形成分を著しく減少させる偏角θ１＝１５°が最適であることが分かる。

以上は、いずれも電機子コアＡＣの隣り合う磁極ＭＰの先端部がブリッジにて連結されている態様であったが、隣り合う磁極ＭＰの先端部がブリッジにて連結されていない電機子コアＡＣを挿入する本発明の第２の実施の態様について説明する。

図１３には、本発明の第２の実施の態様の分解斜視図が示されている。

本発明の第２の実施の態様は、円周方向に全ての磁極ＭＰがつながっている一体構造の第２のコアシートＣＳを積層した電機子コアＡＣ、または周方向に各磁極ＭＰが全て分割されＴ字形状をした第３のコアシートＣＳを積層し、所定回数等配に組み合わせて丸めることで、一つの電機子コアＡＣを形成する場合である。本発明の第１の実施の態様との大きな違いは、磁極ＭＰの先端部が隣接する磁極ＭＰとブリッジでつながっておらず、開口部ＣＬを形成している点にある。

本態様についても、偏角をθ２と定義し、変形の検討を行うが、内周の磁極ＭＰの先端部が円環状につながっておらず、応力で評価することが困難であるので、磁極ＭＰの変位量を評価指標として、比較を行った。

図１４には、フレーム１の角数が８で、４Ｍ角形（Ｍ：自然数）で、Ｍ＝２の態様のフレーム１となる。電機子コアＡＣの磁極ＭＰの数、すなわちスロットＳＬの数が１２で、スロットＳＬの数６Ｎで、Ｎ＝２となっている態様における、磁極ＭＰの変位量分布とそのフーリエ解析結果を示す。

本態様においては、４次調波と８次調波の変形成分が大幅に減っており、θ２＝１５°が最適であることが分かる。

図１５には、フレーム１の角数が８で、４Ｍ角形（Ｍ：自然数）で、Ｍ＝１の態様のフレーム１となる。電機子コアＡＣの磁極ＭＰの数、すなわちスロットＳＬの数が６で、スロットＳＬの数６Ｎで、Ｎ＝１となっている態様における、磁極ＭＰの変位量分布とそのフーリエ解析結果を示す。

本態様においては、フーリエ解析結果の各次調波の変形成分にほとんど差が現れない。これは一見して効果が得られないように窺えるが、磁極ＭＰの変位量分布の元の波形では、偏角θ２＝１５°の時の脈動のピーク比が大きい。すなわち外部からの応力でフレーム１の内周の変形が大きい場所と小さい場所が存在することになる。こうした変形はむしろ一定に変形した方がエアギャップの距離に周期性を持たせて磁気的な等配性が保たれることになるので、偏角θ２＝１５°は、必ずしも最適な偏角とはならず、最適偏角はθ２＝０°となる。

以上説明した本発明の実施の態様について最適偏角をまとめると、表１及び表２のとおりとなる。

ここでフレームの角数を４Ｍ角形、電機子のスロットＳＬ数を６ＮスロットＳＬ（Ｍ、Ｎ：自然数）とすると、最適な挿入角度θ１、θ２は次式で与えられる。

前記式（１）、（２）に基づき、電機子コアＡＣの磁極ＭＰの先端部の構造に応じて、フレームの肉厚Ｗを基準とした角数に対して最適な電機子コアＡＣの挿入の際の偏角が一意的に決定されることが分かる。

なおスロットＳＬの数について、非点対称形状のコア構造を有する電機子コアＡＣである場合には、磁極ＭＰの中心又はスロットＳＬの中心と、電動機の回転中心を通る直線に対して、どちらか一方が点対称位置にあり、その他方が非点対称形状となる関係にあるため、点対称形状の複数のスロットＳＬ又は磁極ＭＰに対して、それぞれ線対称の範囲に含まれる複数の磁極ＭＰ又はスロットＳＬをそれぞれ１つのまとまりとして取り扱えば、これまでに説明した態様と同様の取り扱いが可能となる。たとえば、図１１、図１２に示される態様の場合、実際のスロットＳＬの数は１２であるが、本態様においては、スロットＳＬの数を６であるとみなして設定すれば良い。

以上は、偏角θの設定に関する説明であるが、かかる偏角θとコギングトルクＴｃとの関係について説明する。

図１６に、偏角θとコギングトルクＴｃとの関係を示す。

検証に用いたものは、前記した磁極ＭＰの先端部がブリッジにて連結されている電機子コアＡＣ及びフレーム１について、フレーム１の角数が４Ｍ角で、Ｍ＝２、すなわち８角形フレーム１において、非対称構造のスロットＳＬの数が６Ｎ、Ｎ＝１（非対称構造であるのでみなし値）、すなわちスロットＳＬの数が６の電機子コアＡＣを用いた例を示す。これによれば、偏角θ＝０°のときのコギングトルクＴｃと比較すると、偏角θの増加に応じてコギングトルクＴｃが低下し、偏角θ＝１５°のときにコギングトルクＴｃが最も低減されることが分かる。

以上により、最適な挿入角度によってコギングトルクＴｃの低減効果があることを示すことができるが、実際に電動機を製造する上では、電動機の電機子コアＡＣに対して作用する回転トルクＴ等に対して、適切な偏角位置が維持できるように、回転方向の位置決め手段が必要となる。

かかる位置決め手段は、フレーム１と電機子コアＡＣとの位置関係が維持できるものであれば、以下に例示するごとく、どのような手段であっても良い。

図１７には、その位置決め手段の一態様を示す。

本態様では、電機子巻線の端末結線に用いるプリント基板４と電機子巻線のボビン３又はインシュレータ（図示せず）を台座部３ａで連結しており、プリント基板４に設けられた配線、結線、コネクタ配置等のために備わっている突起４ａを基準位置の固定に利用することにより位置決めを行っているものである。

図１８には、その位置決め手段の別の態様を示す。

本態様では、電機子巻線や結線処理後に樹脂にてモールド成型を行って形成された充填樹脂５の一部に設けた凹み５ａを位置決めの基準位置としたものである。

要は、プリント基板の前記突起４ａや充填樹脂の一部に設けた凹み５ａに依らなくとも、穴、くぼみ、突起など、前記位置決めが可能であれば、およそ如何なる構造でも差し支えない。

また、位置決めの基準位置は、こうした周辺部材だけではなく、電動機Ｍの回転軸線Ｚの方向にみてその端面に露出している側において、電機子コアＡＣそのものに位置決め機能を付与することもできる。その場合、少なくとも１枚の第１、第２又は第３のコアシートＣＳの一部に位置決め機構を設けることとなる。

図１９には、その位置決め手段のさらに別の一態様を示す。

電機子コアＡＣのバックヨーク６の部分に、位置決めのための凹み６ａ、または穴などを有するコアシートＣＳを、コイルエンドより数枚オーバーハングして積層した態様を示している。この部分はコイルエンドであるため電動機１のトルクＴに直接的に影響しないため、穴などを形成するために加工を施しても電動機１の性能には悪影響を及ぼさない。

その他、電機子コアＡＣの磁極ＭＰ間の開口部ＣＬの溝を基準位置とすることも可能である。

以上、本発明の様々な実施の態様を説明してきたが、これらは、特許請求の範囲の記載によって特定される本発明の範囲をいささかも限定するものではなく、あくまでも本発明の態様の例を示すものに過ぎず、その態様の存在により、本発明の範囲を限定して解釈されるものではない。

電動機 Ｍ
フレーム １
円環 ２
肉厚 Ｗ
電機子コア ＡＣ
コギングトルク Ｔｃ
磁極 ＭＰ
回転軸線 Ｚ
偏角（電機子コアＡＣの挿入角度） θ（θ１、θ２）
第１、第２、第３のコアシート ＣＳ
フレーム外周の辺 Ａ〜Ｄ
基準線 Ｘ１、Ｙ１
磁極同士を結ぶ直線 Ｘ２、Ｙ２
磁極のピッチ Ｐ
スロット ＳＬ
コアシート ＣＳ
開口部 ＣＬ
プリント基板 ４
電機子巻線のボビン ３
台座部 ３ａ
突起 ４ａ
充填樹脂 ５
凹み ５ａ、６ａ
バックヨーク ６

Claims (23)

1. 回転子に磁石からなる界磁源を有する電動機のフレーム構造において、前記フレームの外周が多角形をなし、かつ前記フレームの内周が円形状をなし、前記フレームの回転軸線Ｚから径方向に見たときの前記フレーム断面の肉厚のピークの数をもって前記多角形の角数が定義され、前記フレームの内周に電機子コアが挿入される電動機のフレーム構造において、
   前記電機子コアは、隣接する磁極の前記回転軸線Ｚ側の先端部がそれぞれブリッジにより連結された第１のコアシートのみが複数枚積層されているか、又は、前記第１のコアシートと、隣接する前記磁極の前記先端部が連結されずに前記先端部間に開口部が形成された第２のコアシートとの両者を含んで複数枚積層されており、
   前記フレームの前記角数を４Ｍ（Ｍは自然数であり、Ｍ≧１。）及び前記電機子コアのスロットの数を６Ｎ（Ｎは自然数であり、Ｎ≧１。）としたときに、前記フレームの対抗する二辺と直交しかつ前記回転軸線Ｚを通る基準線と、前記回転軸線Ｚを中心とした点対称となる磁極同士を結ぶ直線との間に、円周方向で所定範囲の偏角θが形成されるように、前記フレームに前記電機子コアが挿入されている電動機のフレーム構造。
2. 前記偏角θが、以下の数式によって定まる角度θ１である、請求項１に記載の電動機のフレーム構造。
   

   
3. 前記電機子コアの形状が、前記磁極の中心面又は前記スロットの中心面が、前記電動機の前記回転軸線Ｚを中心として、いずれか一方が回転対称の形状であり、いずれか他方が回転対称の形状とされていない構造をもつ前記電機子コアにおいて、前記スロットの数である６Ｎのうちの数Ｎは、回転対称の形状の中心をなす前記回転軸線Ｚに対して回転対称となる範囲に含まれる複数の前記磁極又は前記スロットを１つの前記磁極又は前記スロットとして計数する、請求項１又は２に記載の電動機のフレーム構造。
4. 前記電機子コアの巻線の端末結線に用いるプリント基板に、前記電機子コアをその偏角位置に固定する位置決め部が形成されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の電動機のフレーム構造。
5. 前記電動機のモールド成形部の一部に、前記電機子コアをその偏角位置に固定する位置決め部が形成されている請求項１〜３のいずれか１項に記載の電動機のフレーム構造。
6. 前記電動機の前記回転軸線Ｚの方向にみてその端面に露出している側において、少なくとも１枚の前記第１又は前記第２のコアシートの一部に、前記電機子コアをその偏角位置に固定する位置決め部が形成されている請求項１〜３のいずれか１項に記載の電動機のフレーム構造。
7. 前記電機子コアの前記磁極の前記先端部、または前記スロットの前記開口部にて前記電機子コアをその偏角位置に固定する位置決め部として形成されている請求項１〜３のいずれか１項に記載の電動機のフレーム構造。
8. 回転子に磁石からなる界磁源を有する電動機のフレーム構造において、前記フレームの外周が多角形をなし、かつ前記フレームの内周が円形状をなし、前記フレームの回転軸線Ｚから径方向に見たときの前記フレーム断面の肉厚のピークの数をもって前記多角形の角数が定義され、前記フレームの内周に電機子コアが挿入される電動機のフレーム構造において、
   前記電機子コアは、その円周方向に全ての磁極がつながっている一体構造の第２のコアシートが積層されているか、又はその円周方向に各磁極が全て分割されてＴ字形状をした第３のコアシートが積層されかつ所定回数等配に組み合わせて、前記磁極の先端部間に開口部を有する同心円状にまとめられているものであり、
   前記フレームの前記角数を４Ｍ（Ｍは自然数であり、Ｍ≧１。）及び前記電機子コアのスロットの数を６Ｎ（Ｎは自然数であり、Ｎ≧１。）としたときに、前記フレームの対抗する二辺と直交しかつ前記回転軸線Ｚを通る基準線と、前記回転軸線Ｚを中心とした点対称となる磁極同士を結ぶ直線との間に、円周方向で所定範囲の偏角θが形成されるように、前記フレームに前記電機子コアが挿入されている電動機のフレーム構造。
9. 前記偏角θが、以下の数式によって定まる角度θ２である、請求項８に記載の電動機のフレーム構造。
   

   
10. 前記電機子コアの形状が、前記磁極の中心面又は前記スロットの中心面が、前記電動機の前記回転軸線Ｚを中心として、いずれか一方が回転対称の形状であり、いずれか他方が回転対称の形状とされていない構造をもつ前記電機子コアにおいて、前記スロットの数である６Ｎのうちの数Ｎは、回転対称の形状の中心をなす前記回転軸線Ｚに対して回転対称となる範囲に含まれる複数の前記磁極又は前記スロットを１つの前記磁極又は前記スロットとして計数する、請求項８又は９に記載の電動機のフレーム構造。
11. 前記電機子の巻線の端末結線に用いるプリント基板に、前記電機子コアをその偏角位置に固定する位置決め部が形成されている、請求項８〜１０のいずれか１項に記載の電動機のフレーム構造。
12. 前記電動機のモールド成形部の一部に、前記電機子コアをその偏角位置に固定する位置決め部が形成されている請求項８〜１０のいずれか１項に記載の電動機のフレーム構造。
13. 前記電動機の前記回転軸線Ｚの方向にみてその端面に露出している側において、少なくとも１枚の前記第２又は前記第３のコアシートの一部に、前記電機子コアをその偏角位置に固定する位置決め部が形成されている請求項８〜１０のいずれか１項に記載の電動機のフレーム構造。
14. 前記電機子コアの前記磁極の前記先端部、または前記スロットの前記開口部にて前記電機子コアをその偏角位置に固定する位置決め部として形成されている請求項８〜１０のいずれか１項に記載の電動機のフレーム構造。
15. 回転子に磁石からなる界磁源を有する電動機のフレーム構造において、前記フレームの外周が多角形をなし、かつ前記フレームの内周が円形状をなし、前記フレームの回転軸線Ｚから径方向に見たときの前記フレーム断面の肉厚のピークの数をもって前記多角形の角数が定義され、前記フレームの内周に電機子コアが挿入される電動機のフレーム構造において、
    前記電機子コアは、隣接する磁極の前記回転軸線Ｚ側の先端部がそれぞれブリッジにより連結された第１のコアシートのみを複数枚積層されているか、又は、前記第１のコアシートと、隣接する前記磁極の前記先端部が連結されずに前記先端部間に開口部を形成された第２のコアシートとの両者を含んで複数枚積層されており、
    前記フレームの前記角数を４Ｍ（Ｍは自然数であり、Ｍ≧２。）及び前記電機子コアのスロットの数を６Ｎ（Ｎは自然数であり、Ｎ≧２。）としたときに、前記フレームの対抗する二辺と直交しかつ前記回転軸線Ｚを通る基準線と、前記回転軸線Ｚを中心とした点対称となる磁極同士を結ぶ直線との間に、円周方向で所定範囲の偏角θが形成されるように、位置決め部を用いて前記フレームに前記電機子コアが挿入する電動機のフレーム及び電機子の製造方法。
16. 前記偏角θが、以下の数式によって定まる角度θ１である、請求項１５に記載の電動機のフレーム及び電機子の製造方法。
    

    
17. 回転子に磁石からなる界磁源を有する電動機のフレーム構造において、前記フレームの外周が多角形をなし、かつ前記フレームの内周が円形状をなし、前記フレームの回転軸線Ｚから径方向に見たときの前記フレーム断面の肉厚のピークの数をもって前記多角形の角数が定義され、前記フレームの内周に電機子コアが挿入される電動機のフレーム構造において、
    前記電機子コアは、その円周方向に全ての磁極がつながっている一体構造の第２のコアシートが積層されているか、又はその円周方向に各磁極が全て分割されてＴ字形状をした第３のコアシートが積層されかつ所定回数等配に組み合わせて、前記磁極の先端部間に開口部を有する同心円状にまとめられているものであり、
    前記フレームの前記角数を４Ｍ（Ｍは自然数であり、Ｍ≧１。）及び前記電機子コアのスロットの数を６Ｎ（Ｎは自然数であり、Ｎ≧２。）としたときに、前記フレームの対抗する二辺と直交しかつ前記回転軸線Ｚを通る基準線と、前記回転軸線Ｚを中心とした点対称となる磁極同士を結ぶ直線との間に、円周方向で所定範囲の偏角θが形成されるように、位置決め部を用いて前記フレームに前記電機子コアが挿入する電動機のフレーム及び電機子の製造方法。
18. 前記偏角θが、以下の数式によって定まる角度θ２である、請求項１７に記載の電動機のフレーム及び電機子の製造方法。
    

    
19. 前記電機子コアの巻線の端末結線に用いるプリント基板に形成された前記位置決め部によって、前記電機子コアをその偏角位置に固定する、請求項１５〜１８のいずれか１項に記載の電動機のフレーム及び電機子の製造方法。
20. 前記電動機の少なくとも一部がモールド成形され、モールド成形された部分の一部に形成された前記位置決め部によって、前記電機子コアをその偏角位置に固定する、請求項１５〜１８のいずれか１項に記載の電動機のフレーム及び電機子の製造方法。
21. 前記電動機の前記回転軸線Ｚの方向にみてその端面に露出している側において、少なくとも１枚の前記第２及び第３のコアシートの一部に形成された前記位置決め部によって、前記電機子コアをその偏角位置に固定する、請求項１５〜１８のいずれか１項に記載の電動機のフレーム及び電機子の製造方法。
22. 前記電機子コアの前記磁極の前記先端部、又は前記スロットの前記開口部を、前記電機子コアをその偏角位置に固定する前記位置決め部として用いる、請求項１５〜１８のいずれか１項に記載の電動機のフレーム及び電機子の製造方法。
23. 前記位置決め部は、穴、くぼみ又は突起からなる、請求項１５〜１８のいずれか１項に記載の電動機のフレーム及び電機子の製造方法。

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