JP2023092107A - 回転電機の固定子鉄心 - Google Patents

Abstract

【課題】トルクリップルを低減できながら、比較的簡単な構成で済ませる。
【解決手段】実施形態の回転電機の固定子鉄心は、電磁鋼板を軸方向に積層して構成され、円環状のヨーク部の内周部に、内周方向に延びる複数個のティース部を有し、そのティース部の先端部に円周方向両側に延びる突出部を有するものであって、前記電磁鋼板は、前記ティース部の突出部のうち右回転方向先方を向く片側がカットされた形態の第１の電磁鋼板と、前記ティース部の突出部のうち左回転方向先方を向く片側がカットされた形態の第２の電磁鋼板とを含み、前記第１の電磁鋼板と前記第２の電磁鋼板とが同じ枚数で積層されて構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、電磁鋼板を積層して構成される回転電機の固定子鉄心に関する。

例えば三相型の誘導モータや同期モータなどの回転電機にあっては、固定子として、リング状のヨーク部とこのヨーク部から内周方向に突出する複数のティース部とを有する固定子鉄心と、前記ティース部間のスロット内に収容されるコイルとを有して構成されるものがある（例えば特許文献１参照）。この種のモータ、例えば４極６スロットのモータにおいては、電源周波数の６倍及びその整数倍のトルクリップルが発生することが知られており、そのようなトルクリップルを低減させることが望まれる。

特開２０１１－１８８６７５号公報

上記特許文献１では、ブラシレスモータのトルクリップルを低減させるために、固定子コアの複数のティース部の内周側を、金属製の連結部材で連結ようにした構成が開示されている。これによれば、ティース部の先端部の周方向ピッチを高精度に維持することにより、ばらつきに起因するコギングを抑制し、トリクリップルを低減することができる。しかし、この構成では、部品数の増大、構成の複雑化を招いてしまうことになる。

そこで、トルクリップルを低減できながら、比較的簡単な構成で済ませることができる回転電機の固定子鉄心を提供する。

実施形態の回転電機の固定子鉄心は、電磁鋼板を軸方向に積層して構成され、円環状のヨーク部の内周部に、内周方向に延びる複数個のティース部を有し、そのティース部の先端部に円周方向両側に延びる突出部を有するものであって、前記電磁鋼板は、前記ティース部の突出部のうち右回転方向先方を向く片側がカットされた形態の第１の電磁鋼板と、前記ティース部の突出部のうち左回転方向先方を向く片側がカットされた形態の第２の電磁鋼板とを含み、前記第１の電磁鋼板と前記第２の電磁鋼板とが同じ枚数で積層されて構成されている。

第１の実施形態を示すもので、モータの全体構成を概略的に示す断面図 第１の電磁鋼板の形状を示す平面図 第２の電磁鋼板の形状を示す平面図 一つのティース部のカットの形態を示す拡大平面図 電磁鋼板の積層状態を模式的に示す断面図 第１の電磁鋼板における磁束の様子を示す平面図 第２の電磁鋼板における磁束の様子を示す平面図 第１の電磁鋼板及び第２の電磁鋼板におけるトルクの変動の様子を示す図 トルクの変動の様子を従来のものと比較して示す図 第２の実施形態を示すもので、電磁鋼板の積層状態を模式的に示す断面図 第３の実施形態を示すもので、電磁鋼板の積層状態を模式的に示す断面図

以下、第１の実施形態について、図１から図９を参照しながら説明する。図１は、本実施形態に係る回転電機としての永久磁石式の三相同期モータ１（以下、モータ１と略称する）の内部構成を、円周の２分の１の範囲について模式的に示している。本実施形態に係るモータ１は、例えば円筒状をなすフレーム２の内周面に、固定子３を装着すると共に、固定子３の内周部に僅かなエアギャップをおいて回転子４を配置して構成されている。尚、本実施形態では、例えば４極６スロットのモータ１を具体例としているが、これに限定されるものでないことは勿論である。

前記回転子４は、全体として円柱状の回転子鉄心５を備え、その回転子鉄心５の中心の中心孔５ａを貫通して図示しない回転軸が固定され、その回転軸が前記フレーム２の両端のブラケットに回転自在に支持されて設けられる。そして、回転子鉄心５の各磁極を構成する領域、即ち円周方向に４分割された角度９０度の各領域には、夫々スリット５ｂが形成され、各スリット５ｂ内に、永久磁石６が装着されている。前記回転子鉄心５は、多数枚の電磁鋼板を軸方向に積層して構成される。

前記固定子３は、複数個例えば６個のスロット７ａを有する固定子鉄心７に、三相の巻線８を装着して構成されている。この固定子鉄心７は、多数枚の電磁鋼板を軸方向に積層して構成される。前記固定子鉄心７は、全体として円環状に構成され、外周側のリング状のヨーク部９と、そのヨーク部９から内周方向に延びて設けられる複数本この場合６本のティース部１０とを備えている。前記ティース部１０は、内周側の先端部に、円周方向両側に拡がる突出部１１を有した形態に設けられている。

さて、本実施形態に係る固定子鉄心７について、図２から図５も参照して詳述する。上記のように、固定子鉄心７は、多数枚の電磁鋼板を積層して構成されるのであるが、図２に示すような第１の電磁鋼板１２と、図３に示すような第２の電磁鋼板１３との２種類の電磁鋼板１２、１３を同じ枚数ずつ含んで構成されている。これら電磁鋼板１２、１３は、前記固定子鉄心７のヨーク部９に相当するリング状部分及び６個のティース部１０に相当する部分を一体に備えると共に、各ティース部１０の突出部１１のうち片側のみに相当する部分を備えている。

具体的には、第１の電磁鋼板１２は、図２、図４に示すように、各ティース部１０の突出部１１のうち右回転方向先方を向く片側がカットされた形態とされ、このカットされた形態の部分をカット部１２ａという。第２の電磁鋼板１３は、図３に示すように、各ティース部１０の突出部１１のうち左回転方向先方を向く片側がカットされた形態とされ、このカットされた形態の部分をカット部１３ａという。本実施形態では、これら第１の電磁鋼板１２と第２の電磁鋼板１３とは、鏡面対称形状とされ、同一形状の１種類の電磁鋼板が表裏反転されることにより得られるようになっている。

これら電磁鋼板１２、１３に設けられるカット部１２ａ、１３ａは、より具体的には、、第１の電磁鋼板１２を代表させると、図４に示すように、ティース部１０相当部の先端部の該ティース部１０の中心線Ｏに対し、カットする側（図４で右側）から反対方向（図４で左側）にずれた位置を起点Ｓとしてカットがなされる。そして、カットの位置は、前記起点Ｓから、円周方向他方（図４で右側）に向けて、前記ティース部１０の先端縁部に対して２５度以上の角度φをなす直線Ｌによりカットされる。

このとき、より具体的には、前記起点Ｓは、前記ティース部１０の中心線Ｏに対し、回転子鉄心７の中心を通り角度θだけ円周方向一方にずれた仮想線Ｖと、当該ティース部１０の先端部が交差する位置とされる。これと共に、
前記角度θは、θ＝３６０／（Ｐ＊ｎ）／２ …（１）
（但し、Ｐは極数、ｎは周波数ｆに対する低減トルクリップル倍数成分）
で求められる。本実施形態では、Ｐは４、ｎは６であるから、θ＝７．５°となる。

本実施形態では、図５に示すように、固定子鉄心７は、前記第１の電磁鋼板１２を複数枚例えば数枚程度積み重ねたブロックである第１のブロック１４と、前記第２の電磁鋼板１３を同じ枚数だけ積み重ねたブロックである第２のブロック１５とを、交互に積層されて構成される。図５では、第１のブロック１４と第２のブロック１５とが３ブロックずつの、全体で６ブロックが交互に積層される。尚、上記のように電磁鋼板１２、１３を積層して構成された固定子鉄心７のティース部１０に対し、各スロット７ａに収容されるようにして、前記三相の巻線８が装着され、固定子３が構成される。

次に、上記構成のモータ１の作用、効果について、図６から図９も参照して述べる。本実施形態の三相同期モータ１のような、例えば４極６スロットのモータ１においては、巻線８に三相交流を流した際の磁束密度の分布ひいては回転子４に対する回転起磁力は、周期的に変動し、特に周波数ｆの６倍の高調波成分により、トルクリップルが大きくなることが知られていた。これに対し、本発明者は、トリクリップルの低減のために、固定子鉄心７のティース部１０の形状に着目し、ティース部１０の内周側端部に設けられる突出部１１における形状変更を施すことにより、トルクリップルの低減が可能となることを確認した。

即ち、本実施形態では、ティース部１０の突出部１１のうち右回転方向先方を向く片側がカットされた形態の第１の電磁鋼板１２と、ティース部１０の突出部１１のうち左回転方向先方を向く片側がカットされた形態の第２の電磁鋼板１３とを設け、それらを組合せて積層し固定子鉄心７を構成することより、トルクリップルを低減できることが確認された。その理由としては、次のことが考えられる。

ここで、図６は、所定の位相における第１の電磁鋼板１２に透過する磁束の様子を示し、図７は、同じ位相における第２の電磁鋼板１３に透過する磁束の様子を示している。これら図６、図７から理解できるように、第１の電磁鋼板１２と第２の電磁鋼板１３との間で、磁束密度の分布が、夫々突出部１１の存在する側に偏ったものとなる。本実施形態の固定子鉄心７では、それら電磁鋼板１２、１３が同じ枚数だけ積層されて構成されることにより、全体として見て、磁束密度の分布が均等化し、トルクリップルの大きさを小さく抑えることができたと考えられる。

ちなみに、図８は、時間経過つまり位相変動に伴う、発生トルクの変動の様子を示しており、図８中、（Ａ）は、第１の電磁鋼板１２におけるトルク、（Ｂ）は、第２の電磁鋼板１３におけるトルクをそれぞれ示している。また、（Ｃ）は、本実施形態のモータ１全体におけるトルクを夫々示している。また、図９では、図８のトルク変動に加えて、従来のモータ、即ち突出部が両側に存在する固定子鉄心におけるトルク変動を、（Ｄ）で示している。図８、図９では、（Ａ）と（Ｂ）とは高低が逆の波となり、それらの合成である（Ｃ）においては、リップルが抑制されるものとなっている。また、（Ｄ）に比べて全体的にトルクリップルが低下している。これら図８、図９から、本実施形態の固定子鉄心７において、トルクリップルを十分に低減できたことが理解できる。

本実施形態では、固定子鉄心７を組み立てるにあたっての、部品数の追加などを招くことなく済ませることもできる。このように、本実施形態のモータ１の固定子鉄心７によれば、ティース部１０の突出部１１のうち右回転方向先方を向く片側がカットされた形態の第１の電磁鋼板１２と、ティース部１０の突出部１１のうち左回転方向先方を向く片側がカットされた形態の第２の電磁鋼板１３とを設け、それらを同じ枚数で組合せて積層して構成したことより、トルクリップルを低減できながら、比較的簡単な構成で済ませることができるという優れた効果を得ることができる。

このとき、本実施形態では、第１の電磁鋼板１２と、第２の電磁鋼板１３とが、同一形状の１種類の電磁鋼板を表裏反転することにより構成されるものとした。これによれば、固定子鉄心７を構成する電磁鋼板は、必要に応じて表裏反転することにより、第１の電磁鋼板１２、第２の電磁鋼板１３のどちらにも使用できるので、製作する電磁鋼板が１種類で済む。従って、電磁鋼板１２、１３の製作が容易となり、より一層簡単な構成で済ませることができる。

特に本実施形態では、電磁鋼板１２、１３における突出部１１をカットする位置の起点Ｓを、ティース部１０の中心線Ｏに対し、カットする側から反対方向にずれた位置とした。これにより、トルクリップルの低減効果に優れたものとすることができる。より具体的には、電磁鋼板１２、１３における突出部１１をカットする位置は、前記起点Ｓから、円周方向他方に向けて、ティース部１０の先端縁部に対して２５°以上の角度φをなす直線Ｌとした。この際の角度φが２５°よりも小さくなると、トルクリップルの抑制効果が小さくなる。但し、角度φをあまりに大きくしてしまうと、全体の駆動トルクが小さくなってしまう。

更に本実施形態では、前記起点Ｓを、ティース部１０の中心線Ｏに対し、角度θだけ円周方向一方にずれた仮想線Ｖと、当該ティース部１０の先端部が交差する位置とすると共に、角度θを、次の（１）式、即ち、θ＝３６０／（Ｐ＊ｎ）／２ （但し、Ｐは極数、ｎは周波数ｆに対する低減トルクリップル倍数成分）で求めるようにした。これにより、トルクリップルの低減効果に優れたものとすることができる。

また、本実施形態では、第１の電磁鋼板１２が複数枚積層された第１のブロック１４と、第２の電磁鋼板１３が同等の枚数積層された第２のブロック１５とを、交互に積層して固定子鉄心７を構成するようにした。これにより、トルクリップルの低減効果を十分に得ることができながら、電磁鋼板１２、１３を１枚ごとに積層する場合に比べて、固定子鉄心７の製造を容易とすることができる。

図１０は、第２の実施形態を示すもので、固定子鉄心２１における、第１の電磁鋼板１２及び第２の電磁鋼板１３の積層の形態が、上記第１の実施形態と異なっている。即ち、この第２の実施形態の固定子鉄心２１は、第１の電磁鋼板１２と、第２の電磁鋼板１３とが１枚ずつ交互に積層されて構成されている。この場合、電磁鋼板１２、１３をブロックとして積層する場合に比べて、積層工程はやや面倒となるが、トルクリップルの低減効果第１のブロック３２に優れたものとすることができる。

図１１は、第３の実施形態に係る固定子鉄心３１を示している。この第３の実施形態では、第１の電磁鋼板１２を、全体の半数の枚数だけ積層して第１のブロック３２を構成し、第２の電磁鋼板１３を同数だけ積層して第２のブロック３３を構成している。そして、それら第１のブロック３２と第２のブロック３３とを積層して固定子鉄心３１を構成している。これによれば、トルクリップルの低減効果はやや劣るものの、固定子鉄心３１の製造工程を最も簡単に済ませることができる。

尚、上記した実施形態では、４極６スロットのモータ１に適用するようにしたが、極数やスロット数の異なる様々な用途、種類の回転電機に適用することができる。この場合、上記（１）式については、起点Ｓの位置が、ティース部１０の突出部１１から外れてしまうようなものについては適用から外すことができる。また、ティース部１０及び突出部１１の形状や大きさ等についても、様々な変更が可能である。突出部のカットを、直線Ｌでなく、曲線に沿って行うようにしても良い。

以上、本発明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。この新規な実施形態は、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。この実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、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。

図面中、１は三相同期モータ（回転電機）、３は固定子、４は回転子、５は回転子鉄心、６は永久磁石、７、２１、３１は固定子鉄心、７ａはスロット、８は巻線、９はヨーク部、１０はティース部、１１は突出部、１２は第１の電磁鋼板、１３は第２の電磁鋼板、１４は第１のブロック、１５は第２のブロック、３２は第１のブロック、３３は第２のブロックを示す。

Claims (6)

1. 電磁鋼板を軸方向に積層して構成され、円環状のヨーク部の内周部に、内周方向に延びる複数個のティース部を有し、そのティース部の先端部に円周方向両側に延びる突出部を有する回転電機の固定子鉄心であって、
   前記電磁鋼板は、前記ティース部の突出部のうち右回転方向先方を向く片側がカットされた形態の第１の電磁鋼板と、前記ティース部の突出部のうち左回転方向先方を向く片側がカットされた形態の第２の電磁鋼板とを含み、
   前記第１の電磁鋼板と第２の電磁鋼板とが同じ枚数で積層されて構成される回転電機の固定子鉄心。
2. 前記電磁鋼板における突出部をカットする位置は、前記ティース部の先端部の、該ティース部の中心線に対し、カットする側から反対方向にずれた位置を起点としてなされている請求項１記載の回転電機の固定子鉄心。
3. 前記電磁鋼板における突出部をカットする位置は、前記起点から、円周方向他方に向けて、前記ティース部の先端縁部に対して２５度以上の角度をなしてカットされる請求項２記載の回転電機の固定子鉄心。
4. 前記起点は、前記ティース部の中心線に対し、角度θだけ円周方向一方にずれた仮想線と、当該ティース部の先端部が交差する位置とされると共に、
   前記角度θは、θ＝３６０／（Ｐ＊ｎ）／２ …（１）
   （但し、Ｐは極数、ｎは周波数に対する低減トルクリップル倍数成分）
   で求められる請求項２又は３記載の回転電機の固定子鉄心。
5. 前記第１の電磁鋼板及び前記第２の電磁鋼板は、１枚毎に交互に積層されて構成される、あるいは、前記第１の電磁鋼板及び前記第２の電磁鋼板は、夫々が複数枚ずつ積み重ねられたブロックとして、交互に積層されて構成される請求項１から４のいずれか一項に記載の回転電機の固定子鉄心。
6. 前記第１の電磁鋼板と、前記第２の電磁鋼板とは、同一形状の１種類の電磁鋼板が表裏反転されて構成される請求項１から５のいずれか一項に記載の回転電機の固定子鉄心。

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