JP5049534B2

JP5049534B2 - 回転電機のアーマチュア

Info

Publication number: JP5049534B2
Application number: JP2006220803A
Authority: JP
Inventors: 龍之齋藤; 貴寛永井
Original assignee: Mitsuba Corp
Current assignee: Mitsuba Corp
Priority date: 2006-08-14
Filing date: 2006-08-14
Publication date: 2012-10-17
Anticipated expiration: 2026-08-14
Also published as: JP2008048517A

Description

本発明は、車両に搭載される電装品等を構成する回転電機のアーマチュアの技術分野に属するものである。

一般に、電動モータのような回転電気のなかには、内周面に複数の磁極が形成されたヨークに、アーマチュアを回転自在に軸承して構成されたものがあり、このようなものにおいて、アーマチュアを構成する薄板状のコア材は、リング状のボス部の外周に複数のティースが形成されており、前記各ティースは、外径側に延出する基部と、該基部先端から周回り方向に延出する爪部とで略Ｔ字形に形成されている。そして、アーマチュアは前記薄板状のコア材を複数枚積層することにより構成されており、アーマチュアの外周には、隣接するティース同士のあいだに軸方向に長いコイル溝が形成され、これらコイル溝にコイルが巻装されるように構成されている。そして、このように構成される電動モータにおいて、駆動時のコギングトルクを低下させることが重要な課題となっている。
電動モータにおけるコギングトルクの主な発生原因の一つとして、ヨーク側に配される永久磁石の磁極端でのティースの磁束密度の変化（磁気抵抗変化）があり、このため、アーマチュアを偶数のティースにした場合に、径方向に対向するティースに発生するトルクが同位相となるためコギングトルクが大きくなることが知られている。そこで、奇数のティースが形成されコア材を用いてアーマチュアを形成することが提唱されるが、奇数のティースを備えたアーマチュアは量産性が悪く、どうしてもコスト高となってしまううえ、コイルの巻装工程においても複雑になるという問題がある。これに対し、コア材を積層させたとき隣接するティース間に形成され、コイルが巻装されるスロット（コイル溝）をアーマチュア軸とは変位する状態、即ちスキューさせる状態として、コギングトルクの低減を図ることが提唱されており、これによって、永久磁石端部とティースとのあいだに生じる磁束密度変化を緩和させることができるが、これだけでは充分ではなく、依然コギングトルクの低下が要求されるうえ、このようにスキューさせた場合では、有効磁束の低下に伴い特性劣化と巻線性が悪くなるという不具合があって、問題がある。

この改善策として、ティース爪部の外径側縁部に、対称状とならない状態で切り欠き凹溝を形成することが提唱されている。
特開２００３−４７１８４

ところで、電動モータの性能アップやコンパクト化を図るためには、アーマチュアを構成するコイル溝に巻装されるコイルの占積率を向上させることが要求され、これに対処するべく、従来のものでは、ティースの基部を、ボス部の軸芯を基準とする放射方向とは位置ズレして延出（突出）させ、隣接する基部同士のあいだに形成されるコイル溝（スロット）が同形状にならない（異形となる）よう構成されており、このものにおいて、ティースの爪部外径側縁部に切り欠き凹溝が形成されている。そして、このようにすることにより、電動モータの高性能化とともに、コギングトルクの低減を図ることができるが、隣接するティースの間に形成されるスロットを異形に形成するが故に、各ティース毎にコギングトルクの大きさにバラツキが生じ、該コギングトルクのバラツキを低減することが課題となっている。
さらに、前記従来のコア材は、基部の形状がそれぞれ異なるうえ、各爪部における切り欠き部の形成位置も対称状とはならないように形成しているため、コア材を積層する場合に、周回り方向所定の位置において積層しなければならず、積層作業が面倒、かつ、煩雑になるという問題もあり、ここに本発明の解決すべき課題がある。

本発明は、上記の如き実情に鑑みこれらの課題を解決することを目的として創作されたものであって、請求項１の発明は、内周面に複数の磁極が形成されたヨークに、複数枚のコア材を用いて構成されたアーマチュアを回転自在に軸承してなる回転電機において、前記コア材を、リング状ボス部から外径側に突出する複数の基部と、これら基部の先端から周回り方向両側に延出し、予め設定される周回り方向長さを存し、かつ周回り方向所定間隙を存して配される爪部とにより構成し、前記基部を、ボス部の軸芯を基準とする放射方向とは偏寄して直線状に延出し、隣接する基部同士のあいだに異形のスロットを形成するとともに、基部の先端から延出する爪部の延出量が周回り方向一方と他方とで異なるようにする一方、爪部の外径側縁部に切り欠き凹溝を形成するにあたり、前記切り欠き凹溝の周回り方向の溝中心位置を、前記偏倚した基部の周回り方向長さにおける二等分線上に位置させることで、切り欠き凹溝を、前記基部の偏倚に対応するように形成し、かつ、前記基部の先端から周回り方向両側に延出する爪部にそれぞれ至るスロット側の縁部を、基部の二等分線とのあいだの距離を狭めることなく湾曲して形成し、基部の先端から爪部に至る周回り方向両側における隅部の曲率を、爪部の基部からの延出量の多い側の曲率が延出量の少ない側の曲率よりも小さくなるようにした回転電機のアーマチュアである。
請求項２の発明は、切り欠き凹溝は、周回り方向の溝幅が基部の周回り方向の長さに相当するように形成されている請求項１に記載の回転電機のアーマチュアである。
請求項３の発明は、切り欠き凹溝は、各爪部毎に径方向の溝深さが異なるように形成されている請求項１または２に記載の回転電機のアーマチュアである。
請求項４の発明は、コア材に形成されるティースは、偶数個である請求項１乃至３の何れか一項に記載の回転電機のアーマチュアである。

請求項１の発明とすることにより、各ティース毎に発生するコギングトルクのバラツキを低減できる。
請求項２、３の発明とすることにより、コギングトルクの低減を図れる。
請求項４の発明とすることにより、偶数のティースを備えたコア材を用いてもコギングトルクの低減を図れる。

つぎに、本発明の実施の形態について、図面に基づいて説明する。
図面において、１は回転電機（電動モータ）を構成するアーマチュア軸（モータ軸）であって、該アーマチュア軸１に、複数枚のコア材２を一体的に外嵌することによりアーマチュアコア３が構成され、該アーマチュアコア３に、図示しないコイルを巻装し、該コイルの端部を、アーマチュア軸１に一体的に外嵌するコンミテータ４のセグメント４ａに適宜接続することにより、アーマチュアが構成されるように設定されている。そして、前記アーマチュアは、回転中心となるアーマチュア軸１を、有底筒状のヨーク（図示せず）に回転自在に軸承することにより電動モータが構成されるが、これらの基本的な構成は従来通りとなっている。
尚、前記ヨークの内周面には、均一な板厚を有した円弧形状の永久磁石が固着されて界磁が構成されている。

前記コア材２は金属製薄板材で構成されており、リング状のボス部２ａの外周に、周回り方向に複数ティース２ｂが形成されるが、各ティース２ｂは、後述するように、ボス部２ａから外径側に突出する基部２ｃと、該基部２ｃの先端に周回り方向に長く延出する爪部２ｄとにより略Ｔ字状に形成されている。
ここで、本実施の形態のコア材２は、図２に示すように、周回り方向に偶数である１２個（１番〜１２番）のティース２ｂが形成されたものになっており、これによって、コア材２を積層して構成されるアーマチュアコア３の外周には、隣接するティース２ｂのあいだに１２個（１番〜１２番）のスロット（コイル溝）３ａが軸方向に長く形成され、これらスロット３ａにコイル（図示せず）が巻装されるように設定されている。

そして、前記コア材２は、各ティース２ｂを構成する爪部２ｄの形成位置は、それぞれボス部２ａの軸芯Ｐを基準として予め設定される角度（３０度＝３６０度÷１２）を存し、予め設定される周回り方向長さを存して形成されており、軸芯Ｐと爪部２ｄの周回り方向長さを二等分する位置とを結ぶ基準線Ｌ１〜Ｌ６は、それぞれ隣接するもの同士のあいだにおいて前記角度を存して交差するように設定されている。

一方、各爪部２ｄの内径側の基部２ｃは、それぞれ周回り方向の長さは同一に設定されている。さらに、基部２ｃは、ボス部２ａの軸芯Ｐを基準とする放射方向、即ち、前記基準線Ｌ１〜Ｌ６に沿って突出形成されるのではなく、基部２ｃの周回り方向幅を二等分する基部基準線ＢＬ１〜ＢＬ１２が、前記基準線Ｌ１〜Ｌ６とは位置ズレする状態で形成されている。これによって、爪部２ｄの基部２ｃから周回り方向に延出する延出量は、基部２ｃに対し周回り方向何れか一方に偏寄する状態となるように形成されている。
このように、それぞれの基部２ｃを、対応する爪部２ｄの基準線Ｌ１〜Ｌ６からは位置ズレして形成することにより、隣接するティース２ｂ同士のあいだに形成され、コイルが巻装されるスロット３ａ（コイル溝）の形状がそれぞれ異形となり、これによって、コイルの占積率を向上させることができるように設定されている。

さらに、本実施の形態におけるコア材２は、異形のスロット３ａを構成するものではあるが、１番ティース（２ｂ−１）と７番ティース（２ｂ−７）、２番ティース（２ｂ−２）と８番ティース（２ｂ−８）・・・とがそれぞれ同形状となっており、１番〜６番のスロット（３ａ−１〜６）と７番〜１２番のスロット（３ａ−７〜１２）とが同様の形状となり、軸芯Ｐを基準とする点対称状態に形成されている。これによって、複数枚のコア材２を積層してアーマチュアコア３を形成する場合に、コア材２は周回り方向二箇所において形状が一致し、コア材２の積層作業を容易にすることができるように設定されている。

さらに、各基部２ｃの突出端部に形成される爪部２ｄは、外径側縁部に位置して切り欠き凹溝２ｆが形成されているが、該切り欠き凹溝２ｆは、つぎのような設定条件に基づいて形成されている。
つまり、各爪部２ｄは、前述したように、基部２ｃに対して周回り方向何れか一方に偏寄して形成されており、このため、爪部２ｄは、基部２ｃの周回り方向両端部からの延出量が、基部２ｃの一方と他方とでそれぞれ異なるように設定されている。そして、各爪部２ｄの外径側縁部に形成される切り欠き凹溝２ｆは、周回り方向の溝中心位置が、各爪部２ｄの基部２ｃからの延出量が少ない側、即ち、基準線Ｌ１〜Ｌ６に対する基部基準線ＬＢ１〜ＬＢ１２の、爪部２ｄ形成位置におけるおける位置ズレ側（位置ズレ方向であって、矢印方向）に偏寄して形成されるように設定されている。
具体的には、図２の１番ティース（２ｂ−１）について説明すると、基部基準線ＬＢ１は、爪部２ｄの形成位置において基準線Ｌ１に対して時計回り方向に向けて位置ズレしており、このため、爪部２ｄの基部２ｃからの延出量は、基部２ｃの一方（時計回り方向）端部からの延出量の方が、他方（反時計回り方向）端部からの延出量よりも小さくなっており、切り欠き凹部２ｆは、一方端部側に偏寄して形成されている。また、３番ティース（２ｂ−３）について説明すると、基部基準線ＬＢ３は、爪部２ｄの形成位置において基準線Ｌ３に対して反時計回り方向に向けて位置ズレしており、このため、爪部２ｄの基部２ｃからの延出量は、基部２ｃの一方（時計回り方向）端部からの延出量は、他方（反時計回り方向）端部からの延出量よりも大きくなっており、切り欠き凹部２ｆは、他方端部側に偏寄して形成されている。

このように、切り欠き凹部２ｆは、溝中心位置が、各爪部２ｄの基部２ｃからの延出量が少ない側に偏寄して形成されるが、本実施の形態の切り欠き凹溝２ｆは、周回り方向長さが基部２ｃの周回り方向長さと略等しくなるように設定されている。このため、切り欠き凹溝２ｆは、周回り方向の溝中心位置が、対応する基部２ｃの周回り方向長さを二等分する基部基準線ＢＬ１〜ＢＬ１２上に位置する部位となるように形成されている。また、Ｒ１、Ｒ２は基部２ｃの先端から爪部２ｄに至る周回り方向両側における隅部の曲率であって、爪部２ｄの基部２ｃからの延出量の多い側の曲率Ｒ１は少ない側の曲率Ｒ２よりも小さくなるように設定されている。

叙述の如く構成された本発明の実施の形態において、アーマチュアコア３の各スロット３ａに巻装されるコイルに通電することで、アーマチュア３の回転がなされるが、この場合に、アーマチュアコア３を構成するコア材２は、基部２ｃの突出方向が基準線Ｌ１〜Ｌ６に対して位置ズレし、アーマチュアコア３の外周に形成されるスロット３ａが異形となるように形成され、コイルの占積率が向上すされている。さらに、このものにおいて、ティース２ｂは偶数である１２個が形成され、奇数個のティースが形成されるコア材に比べてコギングトルクが大きくなるが、このものでは、基部２ｃの基部基準線ＬＢ１〜ＬＢ１２は、基準線Ｌ１〜Ｌ６に対してそれぞれ位置ズレしており、切り欠き凹溝２ｆの形成位置は、各爪部２ｄに形成されるきり欠き凹溝２ｆの周回り方向の溝中心位置が、対応する基部基準線ＬＢ１〜ＬＢ１２の基準線Ｌ１〜Ｌ６に対する爪部２ｄ形成部位における位置ズレ方向に合わせて、それぞれ位置ズレして形成されている。これによって、個々のティース２ｂに形成される切り欠き凹溝２ｆが、それぞれの基部２ｃの偏寄状態に対応して形成されており、各ティース２ｂ毎に発生するコギングトルクのバラツキが低減されて均一化がなされ、電動モータにおけるコギングトルクの一層の低減を図ることができる。

このように構成されたコア材２を用いて構成される電動モータを電動モータＭ、そして、前記コア材２に対し、切り欠き凹溝が形成されないこと以外は同様に形成されたコア材を用いて構成される従来型電動モータＭＰ１、さらには、前記コア材２に対し、切り欠き凹溝が対称状とならないように形成されていること以外は同様に形成されたコア材を用いて構成される対策型電動モータＭＰ２とにおいて、それぞのコギングトルクを測定した結果を図３のグラフ図に示す。
図３から明らかなように、切り欠き凹溝２ｆを前記設定条件に基づいて形成することにより、各ティース２ｂにおけるコギングトルクが平均化されるうえ、一層の低減が図れていることが確認された。

さらに、本発明が実施されたコア材２は点対称状態に形成されているので、複数枚のコア材２を積層してアーマチュアコア３を構成する場合に、周回り方向二箇所において形状が一致するので、従来の、切り欠き凹溝が対称関係を持たない状態で形成されたコア材に比べて積層作業が容易になる。

尚、本発明は前記実施の形態に限定されないことは勿論であって、図３のグラフ図を考察すると、本発明の電動モータにおいて、各回転角度におけるコギングトルクの大きさに、僅かではあるが依然としてバラツキがあり、該バラツキを解消するには、コギングトルクが大きくなるティースにおける切り欠き凹溝の溝深さを深くすることにより対応することが可能であると考察される。

アーマチュアコアの一部側面断面図である。コア材の正面図である。本発明の電動モータと、従来型電動モータと、対策型電動モータとにおけるコギングトルクの測定結果を示すグラフ図である。

符号の説明

１アーマチュア軸
２コア材
２ｂティース
２ｃ基部
２ｄ爪部
２ｆ切り欠き凹溝
４コンミテータ

Claims

内周面に複数の磁極が形成されたヨークに、複数枚のコア材を用いて構成されたアーマチュアを回転自在に軸承してなる回転電機において、前記コア材を、リング状ボス部から外径側に突出する複数の基部と、これら基部の先端から周回り方向両側に延出し、予め設定される周回り方向長さを存し、かつ周回り方向所定間隙を存して配される爪部とにより構成し、前記基部を、ボス部の軸芯を基準とする放射方向とは偏寄して直線状に延出し、隣接する基部同士のあいだに異形のスロットを形成するとともに、基部の先端から延出する爪部の延出量が周回り方向一方と他方とで異なるようにする一方、爪部の外径側縁部に切り欠き凹溝を形成するにあたり、前記切り欠き凹溝の周回り方向の溝中心位置を、前記偏倚した基部の周回り方向長さにおける二等分線上に位置させることで、切り欠き凹溝を、前記基部の偏倚に対応するように形成し、かつ、前記基部の先端から周回り方向両側に延出する爪部にそれぞれ至るスロット側の縁部を、基部の二等分線とのあいだの距離を狭めることなく湾曲して形成し、基部の先端から爪部に至る周回り方向両側における隅部の曲率を、爪部の基部からの延出量の多い側の曲率が延出量の少ない側の曲率よりも小さくなるようにした回転電機のアーマチュア。
切り欠き凹溝は、周回り方向の溝幅が基部の周回り方向の長さに相当するように形成されている請求項１に記載の回転電機のアーマチュア。
切り欠き凹溝は、各爪部毎に径方向の溝深さが異なるように形成されている請求項１または２に記載の回転電機のアーマチュア。
コア材に形成されるティースは、偶数個である請求項１乃至３の何れか一項に記載の回転電機のアーマチュア。