JP4753011B2 - 電機子コア及びモータ - Google Patents

Description

本発明は、円筒ヨークから複数のティースを径方向に起立して備えた電機子コア及びモータに関する。

図１２に示した従来のモータは、円筒ヨーク２の内周面から複数のティース３を起立して備えた電機子コア１を有している。電機子コア１の内側には界磁４が備えられ、各ティース３に巻回された図示しない電磁コイルを励磁すると界磁４が回転する（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−６１２７３号公報（段落［００１２］［００１３］［図１］）

ところで、上記したモータは、界磁４を構成する永久磁石とティース３との間の吸引力が原因になってコギングトルクが発生する。このコギングトルクは、振動、騒音の原因になるので小さな値にすることが好ましい。そして、従来は、コギングトルクを低減させるために、例えば界磁４とティース３との間のエアギャップ５を大きくすることがあった。しかしながら、エアギャップ５を大きくすると、これに伴ってモータの出力トルクが小さくなるという問題が生じていた。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、モータの出力トルクの低下を抑えつつ、コギングトルクを従来より低減することが可能な電機子コア及びモータの提供を目的とする。

上記目的を達成するためになされた請求項１の発明に係る電機子コアは、円筒ヨークから複数のティースを径方向に起立した構造をなし、ティースに電磁コイルが巻回されてモータにおける電機子の一部を構成する電機子コアであって、円筒形ヨークのうち隣り合ったティースの間を連絡するティース間連絡部の全てに、円筒形ヨークの周方向と交差した空隙部を形成し、空隙部の幅を０．０５〜０．３［ｍｍ］とすると共に、ティース間連絡部のうち空隙部を含む縦割り断面の面積における空隙部の占有率を０．６７〜０．７４としたところに特徴を有する。

なお、本発明に係る電機子コアは、モータのステータ側に配置されて円筒形ヨークの内周面から複数のティースが突出した構造であってもよいし、モータのロータ側に配置されて円筒形ヨークの外周面から複数のティースが突出した構造であってもよい。

請求項２の発明は、請求項１に記載の電機子コアにおいて、空隙部は、円筒形ヨークの周面に開放しかつ円筒形ヨークの径方向の途中部分まで延びた形状であるところに特徴を有する。

請求項３の発明は、請求項２に記載の電機子コアにおいて、空隙部は、円筒形ヨークの周面に開放した開放端から奥部に向かうに従って徐々に幅狭となったＶ字形状をなし、開放端における幅が０．０５〜０．３［ｍｍ］であるところに特徴を有する。

請求項４の発明は、請求項１又は２に記載の電機子コアにおいて、空隙部は、ティース間連絡部を軸方向に貫通した縦孔であるところに特徴を有する。

請求項５の発明は、請求項１又は２に記載の電機子コアにおいて、電機子コアは、複数の鋼板を積層してなり、空隙部は、鋼板の表裏の一方の面に陥没形成されて溝形構造をなしたところに特徴を有する。

請求項６の発明は、請求項１乃至５の何れかに記載の電機子コアにおいて、電機子コアは、周方向でティースと同数の複数のコア構成体に分割可能とされ、その分割面に空隙部が形成されたところに特徴を有する。

請求項７の発明に係るモータは、請求項１乃至６の何れかに記載の電機子コアを備えたところに特徴を有する。

［請求項１の発明］
請求項１の構成のように、円筒形ヨークのうち隣り合ったティースの間を連絡するティース間連絡部の全てに、円筒形ヨークの周方向と交差した空隙部を形成し、空隙部の幅を０．０５〜０．３［ｍｍ］とすると共に、ティース間連絡部のうち空隙部を含む縦割り断面の面積における空隙部の占有率を０．６７〜０．７４とすると、界磁とティースとの間の吸引力が小さくなってコギングトルクが低減される。その一方で、モータの出力トルクの低下は抑えられる。

［請求項２〜５の発明］
空隙部の形状としては、請求項２の構成のように、円筒ヨークの周面に開放しかつ円筒ヨークの径方向の途中部分まで延びた形状としてもよい。この場合、空隙部を、円筒ヨークの外周面或いは内周面に形成された開放端から奥部に向かうに従って徐々に幅狭となったＶ字形状とし、開放端における幅を０．０５〜０．３［ｍｍ］とすることが好ましい（請求項３の発明）。請求項４の構成のように、空隙部は、ティース間連絡部を軸方向に貫通した縦孔にしてもよいし、請求項５の構成のように、電機子コアを複数の鋼板を積層して構成し、空隙部を、鋼板の表裏の一方の面に陥没形成した溝形にしてもよい。

［請求項６の発明］
請求項６の構成によれば、複数のコア構成体を合体させて電機子コアが形成されると、周方向で隣り合った２つのコア構成体の互いの分割面の間に空隙部が形成される。

［請求項７］
請求項７に係るモータは、コギングトルクが低減されて、振動、騒音等の低減が図られる。

以下、本発明に係る一実施形態を図１〜図８に基づいて説明する。本実施形態は、例えば、ブラシレスモータＭ（以下、「モータ」という）に備えたステータコア１０（本発明の「電機子コア」に相当する）に本発明を適用したものである。図１に示すように、ステータコア１０は、円筒ヨーク１１の内周面から径方向内側に向けて複数（例えば、１２個）のティース１２を起立させた構造をなしている。

図２に示すように、各ティース１２には、ステータコア１０の径方向に沿って同じ幅をなして延びた脚部１３と、その脚部１３よりティース１２の先端側に形成されかつ脚部１３より幅広になった先端幅広部１４とが備えられている。具体的には、先端幅広部１４は脚部１３の先端からステータコア１０の中心に向かうに従って徐々に幅が広がった鳩尾形状をなしている。そして、図１に示すように、各ティース１２の主として脚部１３に電磁コイル５０が巻かれ、これによりティース１２がモータＭにおける磁極を構成するようになっている。

ステータコア１０は、軸方向に複数の鋼板（具体的には、珪素鋼板）を積層してなる。そして、図３に示すように、円筒ヨーク１１がティース１２毎の略円弧部１５に縦割り分割にされ、これにより鋼板も複数の鋼板ピース３１に分割されている。図４には、単体の鋼板ピース３１が示されている。同図に示すように、鋼板ピース３１は、ティース１２を中心にして左右対称に略円弧部１５が突出した構造をなしている。即ち、鋼板ピース３１は全体として、略円弧部１５の両先端部と、その略円弧部１５から張り出したティース１２との計３つの突片部分を備えた構造になっている。なお、これら各突片部分には、それぞれ１つずつ係止突起２０が形成されている。係止突起２０は、鋼板ピース３１における積層方向の一方の面から突出して、その係止突起２０の裏側には、係止凹所２２が陥没形成されている。さらに、略円弧部１５のうちティース１２との交差部分には、ステータコア１０に組み付けられる部品を位置決めするためのピン孔２３が貫通形成されている。

複数の鋼板ピース３１は積層されると、一の鋼板ピース３１の係止突起２０が、他の鋼板ピース３１の係止凹所２２に押し込まれ、これにより複数の鋼板ピース３１が積層された状態に保持される。そして、所定複数の鋼板ピース３１が積層されてコアピース２５（図３を参照、本発明の「コア構成体」に相当する）が形成され、それらコアピース２５のティース１２に電線を巻回して電磁コイル５０を構成してからコアピース２５を合体して本発明に係る「電機子」とし、その電機子（ステータコア１０と電磁コイル５０）を筒形ハウジング１６（図１を参照）内に、例えば焼嵌することで、モータＭのステータが構成される。

図１に示すように、ステータコア１０の内部には、ロータ１７が配されている。ロータ１７は、例えば複数の珪素鋼板を積層してなる回転円柱体１８の中心にロータシャフト１９を貫通した構造になっている。図２に示すように、回転円柱体１８の外周面を周方向で均等分した位置には、複数（具体的には、例えば１４個）の界磁用のセグメント磁石３５が例えば接着剤にて固定されている。

各セグメント磁石３５は、焼結部材で構成された永久磁石であり、図２に示すように瓦状をなしている。具体的には、例えば、回転円柱体１８の外側に嵌合可能な筒体を複数に縦割り分割した構造をなしている。また、セグメント磁石３５は、モータＭの軸方向から見た形状が、モータＭの径方向より周方向に長い扁平形状をなしている。

そして、上記ロータ１７をステータコア１０の内部に配して筒形ハウジング１６の両端部を閉塞することで、モータＭが完成される。

ところで、図２に示すように隣り合ったコアピース２５，２５同士の接合部分の全てには、空隙部４０が形成されている。各空隙部４０は、円筒ヨーク１１の内側に開放し、円筒ヨーク１１の径方向の途中部分まで延びたＶ字形状になっている。そのために、前記した各コアピース２５における略円弧部１５の両端面には、その外側寄りに円筒ヨーク１１の中心軸を通過する面に含まれる当接面１５Ａ（図４参照）が形成され、内側寄りには、当接面１５Ａよりティース１２側に傾斜した傾斜面１５Ｂ（図４参照）が形成されている。そして、図５（Ａ）に示すように隣り合ったコアピース２５，２５の間で当接面１５Ａ，１５Ａ同士が接合されて、傾斜面１５Ｂ，１５Ｂの間に空隙部４０が形成されている。

ここで、ティース間連絡部１１Ｔのうち空隙部４０を含む縦割り断面の面積における空隙部４０の占有率Ｒ１は０．６７〜０．７４になっている。なお、この空隙部４０の占有率Ｒ１は、図５の（Ｂ）に示すように、開放端から奥部までの奥行き寸法をＬＢとし、空隙部４０の開放端から円筒ヨーク１１の外周面までの径方向の長さをＬＣとした場合に、寸法ＬＣに対する奥行き寸法ＬＢの比率（＝ＬＢ／ＬＣ）として求められる。また、空隙部４０のうち開放端における幅寸法ＬＡは、０．０５〜０．３［ｍｍ］になっている。

本実施形態のステータコア１０及びモータＭの構成は以上であり、この構成のように円筒形ヨーク１１のうち隣り合ったティース１２の間を連絡するティース間連絡部１１Ｔの全てに所定の形状及び大きさの空隙部４０を形成すれば、後述する解析によって確認できたように、セグメント磁石３５とティース１２との間の吸引力が小さくなってコギングトルクが低減される。一方、モータＭの出力トルクの低下は抑えられる。

なお、磁束は、一般に磁気抵抗のより小さい部分を貫通しようとするため、ステータコア１０では、円筒ヨーク１１のうち空隙部４０の外側部分で磁束密度が増大する。ここで、ステータコア１０を構成する珪素鋼板における磁界強度Ｈと磁束密度Ｂｒとの関係は、図８のグラフＧのように表される。このグラフＧの傾きは、珪素鋼板の透磁率μであり、磁束密度Ｂｒの上昇に伴い透磁率μは低下する。つまり、ステータコア１０のうち、空隙部４０が形成された部分で透磁率μが局所的に低下し、モータＭの出力トルクは若干低下することになるが、これに伴ってトルクリップルも低下するものと考えられる。

［解析１］
モータ解析ソフトを使ってシミュレーションを行い、本発明に係る「空隙部４０」の効果を解析した。解析方法は、以下の通りである。

（１）空隙部４０の幅寸法ＬＡを一定値としかつ、上記した寸法ＬＣに対する寸法ＬＢの比率（空隙部４０の占有率Ｒ１）のみを種々の値に変化させて、本発明のモータＭにおけるコギングトルク、平均出力トルク及びトルクリップルの各シミュレーション値を算出した。

（２）空隙部４０を有していない従来のステータコアを備えた従来のモータにおける、コギングトルク、平均出力トルク及びトルクリップルの各シミュレーション値を算出した。

（３）本発明のモータＭにおける各シミュレーション値を、従来のモータにおける各シミュレーション値で除算して、コギングトルク比率、平均出力トルク比率及びトルクリップル比率として求めた。

（４）コギングトルク比率、平均出力トルク比率及びトルクリップル比率と、空隙部４０の占有率Ｒ１を１から引いて求めた接触面積比率Ｒ２（＝１−Ｒ１）との関係を、図６に示すようにグラフ化した。なお、従来のステータコアは空隙部４０を備えていないため空隙部４０の占有率Ｒ１は「０」であり、接触面積比率は「１」である。

［解析結果］
図６のグラフに基づき本発明のステータコア１０を備えたモータＭと従来のステータコアを備えたモータとを比較すると、同図（ａ）に示すように、コギングトルクは、接触面積比率Ｒ２が０．２６〜０．３３（空隙部４０の占有率Ｒ１が０．６７〜０．７４）の範囲内において、従来のモータより小さくなった。特に、接触面積比率Ｒ２を「０．３」及び「０．３２５」（空隙部４０の占有率Ｒ１を「０．７」及び「０．６７５」）とした場合には、従来のモータの約４５％及び約６５％まで低減した。

図６の（ｂ）に示すように、平均出力トルクは、設定した何れの接触面積比率Ｒ２（空隙部４０の占有率Ｒ１）においても、従来のモータより若干小さくなり、接触面積比率Ｒ２が小さくなるに従って小さくなる傾向となった。しかしながら、従来のモータに対する平均出力トルクの比率は、最も小さくても約０．９７（接触面積比率Ｒ２が０．２５のとき）であり、平均出力トルクの低下は全体として抑えられていた。

図６の（ｃ）に示すように、トルクリップルは、設定した何れの接触面積比率Ｒ２（空隙部４０の占有率Ｒ１）においても、従来のモータより小さくなった。特に、接触面積比率Ｒ２を０．４５以下（空隙部４０の占有率Ｒ１を０．５５以上）とすると、従来のモータの約７０％まで低減した。

［解析２］
モータ解析ソフトを使ってシミュレーションを行い、空隙部４０の開放端における幅寸法ＬＡと、コギングトルク、出力トルク及びトルクリップルとの関係について解析した。解析方法は、以下の通りである。

（１）接触面積比率Ｒ２（空隙部４０の占有率Ｒ１）を一定値としかつ、空隙部４０の開放端の幅寸法ＬＡのみを種々の値に変化させて、本発明のモータＭにおけるコギングトルク、平均出力トルク及びトルクリップルの各シミュレーション値を算出した。

（２）従来のモータの各シミュレーション値に対する本発明のモータＭの各シミュレーション値の比率と、空隙部４０の幅寸法ＬＡとの関係を、図７に示すようにグラフ化した。なお、従来のステータコアは空隙部４０を備えていないため幅寸法ＬＡは「０」である。

［解析結果］
図７のグラフに基づき本発明のステータコア１０を備えたモータＭと従来のステータコアを備えたモータとを比較すると、同図（ａ）に示すように、設定した何れの幅寸法ＬＡにおいても、コギングトルクは従来のモータより小さくなり、特に、幅寸法ＬＡを０．１［ｍｍ］とした場合には、従来のモータの約２５％まで低減した。

図７の（ｂ）に示すように、平均出力トルクは、設定した何れの幅寸法ＬＡにおいても従来のモータより若干小さくなり、幅寸法ＬＡが大きくなるに従って小さくなる傾向となった。しかしながら、従来のモータに対する平均出力トルクの比率は、最も小さくても約０．９６（幅寸法ＬＡが０．３［ｍｍ］のとき）であり、全体として平均出力トルクの低下は抑えられていた。

図７の（ｃ）に示すように、トルクリップルは、設定した何れの幅寸法ＬＡにおいても従来のモータより小さくなり、幅寸法ＬＡが大きくなるに従って小さくなる傾向であった。そして、幅寸法ＬＡを０．３［ｍｍ］とした場合には、従来のモータの約７０％まで低減した。

このように、本実施形態によれば、円筒ヨーク１１に空隙部４０を形成することで、モータＭの平均出力トルクの低下を抑えつつ、コギングトルク及びトルクリップルを従来より低減できることが分かった。特に、空隙部４０の開放端における幅寸法ＬＡを０．０５〜０．３［ｍｍ］とした場合又は、接触面積比率Ｒ２を、０．２６〜０．３３（空隙部４０の占有率Ｒ１を０．６７〜０．７４）の範囲内としたときには、効果的にコギングトルクを低減できることが分かった。なお、より好ましくは、空隙部４０の開放端における幅寸法ＬＡを０．１［ｍｍ］或いは、接触面積比率Ｒ２を０．３〜０．３２５（空隙部４０の占有率Ｒ１を０．６７５〜０．７）の範囲内にするとよい。

［他の実施形態］
本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、例えば、以下に説明するような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれ、さらに、下記以外にも要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することができる。
（１）前記実施形態では、ブラシレスモータＭに本発明を適用したものを例示したが、他の種類のモータに本発明を適用してもよい。

（２）前記実施形態では、モータＭのステータコア１０に本発明を適用したものを例示したが、ロータに巻線を備えたモータにおいて、そのロータコアに本発明を適用してもよい

（３）前記実施形態では、円筒ヨーク１１に空隙部４０を形成していたが、空隙部４０に代えて、図９に示すように、鋼板ピース３１の表裏の一方の面に円筒ヨーク１１の径方向に延びた溝形凹所４１を陥没形成してもよい。即ち、鋼板ピース３１を積層したときに溝形凹所４１と鋼板ピース３１（詳細には、溝形凹所４１の底壁）とが、積層方向で交互に配置されるように構成してもよい。また、図１０に示すように、円筒ヨーク１１のうちティース間連絡部１１Ｔに鋼板ピース３１の積層方向（ステータコア１０の軸方向）に貫通した縦孔４２を形成してもよい。

（４）前記実施形態では、筒形をなしたステータコア１０の内側にセグメント磁石３５を備えたロータ１７を配していたが、その逆でもよい。即ち、例えば図１１に示すように、筒形構造をなしたロータ１７Ａの内側にステータコア１０Ａを配してもよい。詳細には、ロータ１７Ａは、円筒ハウジング６０の内周面に複数のセグメント磁石３５Ａを固定した構造とする一方、ステータコア１０Ａは、円筒ヨーク１１Ａの外周面から径方向外側に向かって複数のティース１２Ａが張り出した構造とし、円筒ヨーク１１Ａのティース間連絡部１１ＡＴに、空隙部４０Ａを形成してもよい。ここで、空隙部４０Ａは、例えば、円筒ヨーク１１Ａの外周面側に開放して径方向内側に向かって延びた形状とすればよい。

（５）前記実施形態では、空隙部４０は、円筒ヨーク１１の内周面に開放して径方向外側に延びた構造であったが、円筒ヨーク１１の外周面に開放して径方向内側に延びた構造でもよい。

（６）前記実施形態では、ステータコア１０は、鋼板ピース３１を積層してなる複数のコアピース２５を合体した構造であったが、ステータコア１０は一体成形品であってもよい。

本発明の一実施形態に係るモータの分解斜視図 モータの平断面図 ステータコアの斜視図 鋼板ピースの平断面図 （Ａ）ステータコアの平面図（Ｂ）ステータコアの分割部分における平面図 （ａ）接触面積比率とコギングトルク比率との関係を示すグラフ（ｂ）接触面積比率と平均出力トルク比率との関係を示すグラフ（ｃ）接触面積比率とトルクリップル比率との関係を示すグラフ （ａ）空隙部の幅寸法とコギングトルク比率との関係を示すグラフ（ｂ）空隙部の幅寸法と平均出力トルク比率との関係を示すグラフ（ｃ）空隙部の幅寸法とトルクリップル比率との関係を示すグラフ 鋼板における磁界強度と磁束密度との関係を示すグラフ 他の実施形態（３）に係るステータコアの側断面図 他の実施形態（４）に係るステータコアの平面図 他の実施形態（５）に係るモータの平断面図 従来のモータの平断面図

符号の説明

１０，１０Ａ ステータコア
１１，１１Ａ 円筒ヨーク
１１Ｔ，１１ＡＴ ティース間連絡部
１２，１２Ａ ティース
２５ コアピース（コア構成体）
３５，３５Ａ セグメント磁石（界磁）
４０，４０Ａ 空隙部
４１ 溝形凹所
４２ 縦孔
５０ 電磁コイル
Ｍ ブラシレスモータ

Claims (7)

1. 円筒ヨークから複数のティースを径方向に起立した構造をなし、前記ティースに電磁コイルが巻回されてモータにおける電機子の一部を構成する電機子コアであって、
   前記円筒形ヨークのうち隣り合った前記ティースの間を連絡するティース間連絡部の全てに、前記円筒形ヨークの周方向と交差した空隙部を形成し、前記空隙部の幅を０．０５〜０．３［ｍｍ］とすると共に、前記ティース間連絡部のうち前記空隙部を含む縦割り断面の面積における前記空隙部の占有率を０．６７〜０．７４としたことを特徴とする電機子コア。
2. 前記空隙部は、前記円筒形ヨークの周面に開放しかつ前記円筒形ヨークの径方向の途中部分まで延びた形状であることを特徴とする請求項１に記載の電機子コア。
3. 前記空隙部は、前記円筒形ヨークの周面に開放した開放端から奥部に向かうに従って徐々に幅狭となったＶ字形状をなし、前記開放端における幅が０．０５〜０．３［ｍｍ］であることを特徴とする請求項２に記載の電機子コア。
4. 前記空隙部は、前記ティース間連絡部を軸方向に貫通した縦孔であることを特徴とする請求項１又は２に記載の電機子コア。
5. 前記電機子コアは、複数の鋼板を積層してなり、
   前記空隙部は、前記鋼板の表裏の一方の面に陥没形成されて溝形構造をなしたことを特徴とする請求項１又は２に記載の電機子コア。
6. 前記電機子コアは、周方向で前記ティースと同数の複数のコア構成体に分割可能とされ、その分割面に前記空隙部が形成されたことを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載の電機子コア。
7. 前記請求項１乃至６の何れかに記載の電機子コアを備えたことを特徴とするモータ。

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