JP5171224B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、トルクの脈動を抑制した回転電機に関するもので、モータ効率や生産性の向上を目的に使用されることが多い分割鉄心を連結した連結型分割鉄心を対象としたものである。

分割された鉄心（分割鉄心）は、例えば、特許文献１に開示されるように、プレス金型により鋼板を打ち抜いて分割鉄心部材を製作し、複数の分割鉄心部材を積層してかしめにより固定して製作する。ステータ鉄心は、分割鉄心の磁極ティース（磁極歯部）に絶縁シートを介してコイルを巻き付け、コイルを巻き付けた分割鉄心を環状に組み立て、環状に組み立てた分割鉄心をフレーム内に固定することにより製作される。

分割鉄心はばらばらの状態で巻線されるので、分割されていない一体型鉄心への巻線と比較するとコイルを巻きつけるノズルが通過するスペースを空間として無駄にすることなく、高密度にコイルを装着することができる。したがって、コイルの巻数増加によるトルクの向上や、より断面積の大きなコイルの装着による電気抵抗の低減などの設計が可能となり、モータのトルクや効率などの性能を向上できるという効果がある。

特許第３４６１５５２号公報（第３頁、図１）

例えば、工作機、乗用車の電動パワーステアリング、エレベータなどの駆動モータの特性としては、その精度向上、快適性向上のためにトルク脈動を小さく抑制したいという要求がある。トルク脈動の原因としては、ステータ鉄心の内径形状の誤差、ステータ鉄心の磁気抵抗のばらつき、ロータの起磁力のばらつき、ステータとロータの軸ずれなどさまざまな要素がある。

分割鉄心を組み立てて環状のステータ鉄心を得た場合に、分割鉄心同士の境界が当接して各分割鉄心相互の位置が決まるが、分割鉄心の加工精度や、組み立て誤差により分割鉄心同士の内径形状にわずかな段差が発生する。分割鉄心の内径形状にわずかな段差が存在すると、ステータとロータの間で構成される磁路のパーミアンスが局部的に大きくなりトルク脈動を増加させるという問題が生じる。

そこで、分割鉄心の組み立て精度を向上させるためには、分割鉄心を回転可動の連結型分割鉄心にして、組み立て精度の向上を図っているが、この場合も連結部の回転中心位置の誤差や分割鉄心自体の形状の不ぞろい等による内径形状に段差が生じ、その大きさはトルク脈動を抑制するのに十分小さいとは言えず、トルク脈動低減への要求が厳しい場合は、製作時の加工精度の一層の向上、又は組み立て後の内径研削仕上げ等の必要が生じ、製造コストが大きくなるという問題がある。

また、鋼板は圧延方向とそれに垂直な方向で磁気抵抗が異なる磁気異方性を有するので、分割鉄心を並べて一体として打ち抜いた場合に、磁極歯部の向きによって磁気抵抗がばらつき、たとえ加工・組み立てに伴う誤差が全くなかったとしても、トルク脈動を増加させてしまうという問題がある。

本願に係る発明は、磁極毎に分割された所謂分割鉄心がその一部で隣接の分割鉄心と連結部を介して回転可動に連結された連結型分割鉄心を円環状に組み立てたステータ鉄心内径形状に、段差等の形状非対称性が存在することにより発生するトルク脈動を低減することができる回転電機を提供することを目的とする。

本願の第一の発明に係る回転電機は、周方向一端に第一の端部及び周方向他端に当該第一の端部と異なる形状の第二の端部を有するヨーク部と、上記ヨーク部から径方向内側に突出する磁極歯部とを有する分割鉄心部材を、上記ヨークの周方向に隣接する上記第一、第二の端部間を隙間なく、鋼板上に円環状に配列した形状に打ち抜いて形成される分割鉄心部材Ａと、上記分割鉄心部材Ａと同様の打ち抜きにより形成されるもので、同一の分割鉄心部材上で上記第一の端部及び上記第二の端部の周方向位置が上記分割鉄心部材Ａに対して逆に配置された分割鉄心部材Ｂとを、交互に積層固定して得られる複数個の分割鉄心が、それぞれ、上記第一の端部と、これと周方向に隣接する分割鉄心の第二の端部とが当接して円環状に配置され、上記当接部近傍において積層方向に隣り合う分割鉄心部材が重なり合い、かつ、重なり合った部分に積層方向に設けられた凹凸部により連結され、周方向に隣接する分割鉄心相互間で互いに回転可能に連結された連結型分割鉄心構造のステータ鉄心、及び上記各磁極歯部に巻回されたコイルを備えたステータと、回転軸となるシャフト、及び周方向に複数の磁極を有し上記シャフト周りに配置されたロータ鉄心を備えたロータとを有する回転電機であって、上記円環状に配置された分割鉄心は、この鋼板から打ち抜かれる円環状に配列した分割鉄心部材Ａ及びＢを、上記円環状の配列を保ったまま交互に所定の厚さ積層して得られる積層体ｎ個（ｎ≧２）のうちｉ番目の積層体を、１番目の積層体に対して所定の回転角αｉ（０＜αｉ＜２π、ｉ=２〜ｎ）回転して積層することによって形成されたものである。

本発明に係る回転電機によれば、上記のようにその隣接する端部で回転可能に連結された複数の分割鉄心でステータ鉄心を構成すると共に、複数の積層体を回転積層してステータ鉄心を構成したので、コイル巻線の効率化を図ることができ、コイル占積率を高めることができるとともに、隣接歯部間の段差などステータ鉄心の内周形状の歪み、ステータ鉄心打ち抜き加工の母材である鋼板の磁気異方性等により発生するトルク脈動の位相を上記回転角に依存して積層体毎に異なるものとすることができる。そのため、回転積層により積層体毎の位相の相互関係を所定の関係にすることにより積層体毎のトルク脈動成分をステータ鉄心全体として相殺し、トルク脈動成分を低減することができる。

実施の形態１．
図１は、本願発明の実施の形態１に係る回転電機の分割鉄心によるステータを示す平面図である。図１は一例として１２個の磁極を有する場合を示しているがこれに限るものではない。図１において、１はステータ鉄心、２は分割鉄心で、１２個のティース毎に分割されたヨーク部とこのヨーク部からステータ径方向内側に突き出した歯部を有する。３は歯部を覆う絶縁樹脂製の巻き枠で、この巻き枠を介して歯部にコイル４が巻装されている。ステータ鉄心１は、巻線された１２個の分割鉄心２を環状に並べ、円周方向の端部を互いに接触させて構成される。ステータ鉄心１は、外郭にフレーム５が取り付けられる。

図２は、本発明に係る回転電機の磁石付ロータの断面図である。図２に示したように、ロータは、リング状の磁石６がロータ鉄心７の外郭に備わり、ロータ鉄心７の中央にはロータの回転軸となるシャフト８が備わっている。ロータのロータ鉄心７は、ステータと同様に鋼板が積層されて構成されている。ロータは、図１に示したステータの内側に組み合わされて回転電機が構成される。

図３は、ステータを構成するステータ鉄心の平面図（ａ）及び側面図（ｂ）である。図３に示したように、分割鉄心２は、分割鉄心部材２ａを積層して構成される。分割鉄心部材２ａは、そのヨーク部の周方向の一端である第一の端部の形状が、上記ヨーク部の他端である第二の端部の形状とは異なったものとなっている。例えば一端が凸形状で他端が凹形状のヨーク２ｂがその例である。また、分割鉄心部材２ａは、また、分割鉄心部材２ａは、ヨーク２ｂから径方向に突出する磁極歯部２ｃを有している。分割鉄心部材２ａの中央表面には径方向位置の異なる２つのかしめ用に形成された凹凸部２ｄ(一方の表面には凹部、その裏面には凸部ということで凹凸部と呼ぶ)が形成されており、分割鉄心部材２ａを積層し、このかしめ用の凹凸部２ｄにより、層間を相互に固定することにより分割鉄心２が構成されている。また、分割コア２ａのヨーク２ｂの第一の端部と第二の端部のうち、より突き出たほう、例えば凸形状部には、その表面に前記凹凸部２ｄと同様な凹凸部２ｅが形成されている。

ステータ鉄心は、１２個の分割鉄心２を環状に並べて互いに接触させて構成される。分割鉄心２同士は、ヨーク部２ｂの周方向の一端である第一の端部と、これに隣接する分割鉄心のヨーク部２ｂの、前記第一の端部とは異なる形状の第二の端部とを当接している。例えば、ヨーク２ｂの凸形状部と凹形状部とを当接させることができる。以下では第一の端部と第二の端部がそれぞれ凸部と凹部で構成されている場合を例にとって説明する。隣接する分割鉄心２の分割鉄心部材２ａ同士は、その接触部においてヨーク２ｂの凸形状端部が積層方向に重なり合う。この重なり部に上記凹凸部２ｄと同様に積層方向にかしめ用凹凸部２ｅを形成し、このかしめ用凹凸部２ｅでかしめることにより上記重なり部で積層方向に隣接する分割鉄心部材２ａ同士が互いに連結され、連結型分割鉄心が形成される。周方向に隣接する分割鉄心２同士は、かしめ用凹凸部２ｅを軸にして互いに回転することができるように構成される。

図４及び図５は、連結型分割鉄心を製造する方法を示す平面図及び断面図である。図４（ａ）（ｂ）は図３に示すステータ鉄心を積層によって構成する際の２種類の層を示すものである。図４（ａ）に示す形状の層をＡタイプ、図４（ｂ）に示す形状の層をＢタイプと呼ぶことにする。各層は電磁鋼板やＳＰＣＥなどの磁性材料からなる薄型鋼板（以下、鋼板と略称する）から分割鉄心部材２ａが図示するように円環状にプレス打ち抜き加工され、そのままの配列が保持されたものである。Ａタイプの層ではこれを構成する各分割鉄心部材２ａのヨーク２ｂは、その周方向時計回り先端部が凸形状で、その反対方向端部が凹形状となっている。一方、Ｂタイプの層ではヨーク周方向両先端部の凹凸形状がＡタイプとは逆に配置されたものになっている。図４（ａ）（ｂ）とも、２ｄ、２ｅは図３で説明した凹凸部のことである。

図４（ｃ）は両タイプの層を交互に積層して構成したものを示している。Ａタイプの形状とＢタイプの形状の鋼板の層は、分割鉄心部材２ａ毎にカットライン２ｆと呼ぶ切れ目で分割されている。両タイプの層を積層すると、積層方向に対して凸形状部が重なりあう部分（以下、「重なり部」と呼ぶ）２ｇができる。

図５はＡ、Ｂ両タイプの層を交互に積層する様子を凹凸部２ｄ、２ｅを通る円周線できったときの断面図で示したものである。なお、この断面図は、凹凸部２ｄ、２ｅのロータ回転中心からの径方向位置が同じとしたときのものであるが、必ずしもこれに限る必要はない。この断面図に上記重なり部２ｇを明示している。この図に示したように、また、図３でも述べたように、Ａタイプの層とＢタイプの層が積層された場合に、分割鉄心２において積層方向に隣接する分割鉄心部材２ａ同士の凸形状部が重なり合う。重なり部２ｇの周方向中央に円柱状の凹凸部２ｅがプレス加工による塑性加工で形成されている。この凹凸部２ｅ同士は、積層方向に隣接する分割鉄心部材２ａ間にわずかな隙間（約５μｍ）を有してはまりあっているので、周方向に隣接する分割鉄心２は、それぞれ凹凸部２ｅを軸として相互に回転することができる。さらに、隣り合う分割鉄心２は、それぞれ積層固定用に使うかしめ用の凹凸部２ｄがあり、かしめ用の凹凸部２ｄを圧入することでかしめられ、分割鉄心２を１積層体として固定する。かしめ用の凹凸部２ｄのしまり代は約５μｍであり、かしめによる弾性変形、塑性変形の不均一や当該部を成形する工具の偏摩耗が分割鉄心２の形状精度に及ぼす影響は小さい。従って連結型分割鉄心は、非連結型分割鉄心に比べて、環状に再組み立てをした場合の形状再現性に優れている。

図６は、連結型分割鉄心への巻線を示す平面図である。図６において、巻線機９のヘッド９ｂが回転して、コイルとなるワイヤ９ａが各分割鉄心２の磁極歯２ｃに巻き付けられる。各分割鉄心２の磁極歯部２ｃは、隣接する磁極歯２部ｃと回転自在に連結されているので、コイルを巻線する際には隣接する磁極歯部２ｃとの間の角度を拡大することができる。分割鉄心２の磁極歯部２ｃを外向きの姿勢に変形することでワイヤ９ａを供給するための十分なスペースを確保することができるので、確保した十分なスペースを利用して、巻線機９から供給されるワイヤ９ａの真直性を保持したまま、隣接する分割鉄心２と干渉することなく磁極歯部２ｃに巻線することができる。そのためワイヤを整列した巻線状態で磁極歯部に配置でき、コイル占積率の高いステータが得られる。また、巻線のための十分なスペースが確保されているため、巻線の動作を高速運動の可能な円軌道とすることができ、高い生産性が得られる。

更に、連結型となっていることから巻線工程を隣接歯部に進めることが容易である。例えば、磁極歯部が外部に露出する形で回転可能な円柱に構造物に巻いて、１個の磁極歯部への巻線が完了するたびに、この円柱構造物を回転して、巻線機位置に次の磁極歯部を移動させるようにすれば、狭い空間で、連結型分割鉄心に効率的に巻線することができる。もちろん、図６に示すようにレーストラック状に連結型分割鉄心を配置してもよい。この場合は、より広い空間が必要になるかもしれないが、巻線機位置にある磁極歯部と隣接磁極歯部との開き角を円柱に巻く場合よりも大きく取れるので隣接磁極歯部の干渉を低減するという点ではより好ましい。このような配置であっても、連結型分割鉄心の搬送機構を考慮することにより、同様に連結型分割鉄心に効率的に巻線することができる。また、連結型分割鉄心では、かしめ用凹凸部２ｅの加工精度が高いためこれを環状に組み立てるときの形状再現性が非連結型分割鉄心の場合よりも改善される。

図７は、本願発明に係る回転電機の連結型分割鉄心２により構成されたステータ鉄心の一例を模式的に示す斜視図である。図７に示したＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆの各積層部分はそれぞれ図４及び図５で説明した積層して形成された分割鉄心２で構成されたステータ鉄心の一部であるが、完成したステータ鉄心に比べて積層厚が小さい。以下の説明の便宜上、このそれぞれの積層部分を積層体Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆと呼ぶことにする。これらの積層体は、それぞれ一枚の鋼板から打ち抜いた分割鉄心部材２ａを打ち抜いた位置関係をそのままに保持した状態で積層しているので積層体を構成している各層の圧延方向はそろっている。また、打ち抜き金型に一部誤差があり、環状に組み立てたときに特定の磁極端部と隣接磁極端部との間にロータ回転中心から見たときの距離に差異があった場合には積層体は同じ位置に磁極部の段差を有するものとなる。打ち抜き加工機と加工対象物である鋼板の配置関係を共通にした場合、この段差の配置、圧延方向は各積層体に対して共通である。従って、各積層体は同一の装置、鋼板で製作される限り、所定の方向Ｘを定めて、この方向Ｘを相互に同じ向きにすることで全く同一のものとすることができる。連結型分割鉄心２の場合は環状に組み立てたときの誤差は小さくなってはいるが、後述するように、トルク脈動成分の低減の観点から十分なものとはいいがたく、やはり段差等の形状誤差を考慮する必要性はある。

この例では積層体を２群に分け、積層体Ａ、Ｃ、Ｅを第一群、積層体Ｂ、Ｄ、Ｆを第ニ群としている。各積層体ではその積層体の各層を製作するときに使用した打ち抜き金型と鋼板の圧延方向との関係は共通にしてある。従って、各積層体は厚さを除き同じものである。上記方向Ｘを第一群と第二群の積層体に対してそれぞれ方向Ｘ１と方向Ｘ２として所定の角度を持たせてある。このように積層体を複数の群に分け、各群の方向Ｘを一致させずに相互に所定の角度を持たせて積層することを回転積層と呼ぶ。ステータ鉄心を回転積層により製作することでステータ鉄心の形状非対称性に起因する回転電機のトルク脈動成分を低減することができるが、その点について以下で説明する。なお、各群を構成する積層体の数は１個であってもよい。

ここで、回転電機のトルク脈動の発生について説明する。このトルク脈動は様々な要因により発生するが通常はステータに起因するものが支配的でロータに起因するものは副次的な場合が多い。例えば、ステータの内周形状の誤差、溶接等による応力の不均一分布、形状の非対称性、磁気異方性などにより生じるステータの磁気的非対称性がその支配的な要因となる。これらの要因が存在すると周方向の磁気特性、すなわち磁気抵抗の逆数であるパーミアンスにアンバランスが生じ、ステータの各磁極とロータとの間のエアギャップに生じる磁気エネルギーが周方向位置、換言するとロータ回転角に依存して変化する。そのため、非通電状態、通電状態いずれの場合もロータ回転時にトルク脈動が発生する。非通電時に生じるトルク脈動がコギングトルクである。通電時に生じるトルク脈動はトルクリップルと呼ばれている。ステータの上記のような非対称性による周方向のトルク変化はロータの回転にともない、磁石の極数ｐと同じ周期で脈動する。

このトルク脈動成分は周期を持っているため複素数平面上でベクトル表示することができる。ロータがステータの所定の基準から回転角度θの位置にあるときのトルクをＴ（θ）とすると位相を含めた表式は
Ｔ（θ）＝｜Ｔ｜・ｅｘｐ（ｊθ） （１）
ここで、｜Ｔ｜はトルクＴ（θ）の絶対値、ｊは虚数単位である。
これを極座標空間でのベクトル表示にしてトルクＴ（θ）に対応するトルクベクトルＴとすると以下のようにあらわされる。
Ｔ＝（Ｔｘ、Ｔｙ） （２）
｜Ｔ｜＝（Ｔｘ^２＋Ｔｙ^２）^1/２ （３）

上記Ｔｘ、ＴｙからトルクベクトルＴの位相角を求めることができる。トルクは磁石の力との相互作用であり、磁石の力は，ロータの一周(機械角としての一周)につき磁石の数だけの周期を持っているので、トルクは磁石の数だけの周期（磁極角）を持つ。従って、磁極角周期で振動するトルクベクトルを有する積層体を複数個用意し、各積層体相互間で所定角度回転させて積層するいわゆる回転積層を行うことにより磁極角で現したときのベクトル和を小さくして、形状、鋼板の磁気異方性など磁気特性、ステータ鉄心への応力分布などに起因する磁気的非対称性によるトルク脈動をステータ鉄心全体として大幅に低減することができることがわかる。

上記回転積層によるトルクベクトルの相殺の条件は次式の通りとなる。なお、磁極角は回転角（上記の機械角）にロータ磁極数を乗じたものとして表現する。

各積層体を構成する分割鉄心部材２ａが同一の特性を有する鋼板から同一の打ち抜き金型を使って打ち抜かれたものであれば｜Ｔｉ｜はｉ群に属する積層体の積層厚の総和に比例することになる。従って、式（７）はｉ群に属する積層体の積層厚の総和をｈｉとすれば、次式のように変換される。

図８は２つの群からなる場合で、各群に属する積層体の厚さの合計がそれぞれｈ１、ｈ２の場合の例を示したものである。この例は、図８の右側の図に示すようにステータの磁気的非対称性要因として隣接磁極歯部先端の端部間に段差１０がある場合を示している。この図では磁極歯部先端に内接する円から外れた部分を段差１０として示している。

また、ｉ群に属する積層体の積層厚の総和を同じにすれば、（８）式は次式のように変換される。

図８で各群に属する積層体数をそれぞれ１にしたものと考え、更にｈ１＝ｈ２として第１層と第２層との間の角をαとした場合や、図７で、第１群、第２群の積層体厚の総和は同じと考え、第１群と第２群の所定の基準位置に対する回転角をそれぞれα１、α２とした場合を考えると、上記（９）式を使って、実部、虚部に対する式は、それぞれ次のようになる。すなわち、
ｃｏｓ（α１・ｐ）＋ｃｏｓ（α２・ｐ）＝０ （１０） ｓｉｎ（α１・ｐ）＋ｓｉｎ（α２・ｐ）＝０ （１１）

これから（α２−α１）・ｐ＝π＋２π・ｋ（ｋは整数）の条件の場合に、第一群と第二群とは逆位相となる。

図９は、形状によるトルク脈動成分が第一群と第二群とで逆位相で同じ大きさとなる例のトルク脈動のベクトルを示す図である。たとえば、ｐが１０の場合は、α２−α１をαとし、αとしてπ／２を選択すればα・ｐ＝５π＝π＋２π×２となり、ｋ＝２のとき（９）式を満たすことがわかる。従って、第一群と第二群とで磁極角として逆位相のベクトルとなる。また、第一群と第二群の積層厚を同じにすることでベクトルの大きさが同じになる。このように設定すると合成ベクトルはゼロとなるので各積層体に形状や鋼板の磁気異方性等に起因する共通のトルク脈動成分がある場合、回転積層により、これらの要因によるトルク脈動成分を小さくすることができる。

なお、通常の設計では、上記回転角度αｉの設定に際しては、各積層体の群間でスロット位置を一致させるという制限が付加される。このようにしないと積層体ごとに磁極位置が食い違うことになり磁極歯部への巻線に不都合が生じるためである。そのため、スロット数ｓのステータの場合の回転角度αｉは以下の式で採りうる値に制限される。
αｉ＝２π・ｔ／ｓ （０≦ｔ≦ｓ−１のいずれか１の整数） （１２）

この回転角度αｉを、磁極数ｐのロータを採用した場合の磁極角度αｉ’に変換すると次のようになる。

αｉ’＝αｉ・ｐ＝２π・ｔ・ｐ／ｓ（０≦ｔ≦ｓ−１のいずれか１の整数）（１３）

例えば、複数ある群の積層厚が全て同じとし、８極１２スロットの回転電機と、１０極１２スロットの回転電機の場合の群ｉについて設定可能な磁極角αｉ’は上記（１２）（１３）式より、下記（１４）式及び（１５）式のようになる。

αｉ'＝（４π／３）×ｔ （０≦ｔ≦１１のいずれか１の整数） （１４）
αｉ’＝（５π／３）×ｔ （０≦ｔ≦１１のいずれか１の整数） （１５）

図１０（ａ）は、８極１２スロットの場合に許容される上記（１４）式で求めた磁極角に対応した位相を持つトルクベクトル、図１２（ｂ）は、１０極１２スロットの場合に許容される上記（１４）式で求めた磁極角に対応した位相を持つトルクベクトルを示す図である。

まず、８極１２スロットで上記２積層体の場合について考えてみると、（１０）式、（１１）式から求められた磁極角は０とπである。一方（１４）式から許容される磁極角は０、２π／３、４π／３、及びこれらにそれぞれ２πの整数倍を加えたものとなり、この中にπが含まれていないため、８極１２スロットの場合、２積層体の回転積層でのトルク脈動の相殺はできないという結論になる。

次に、１０極１２スロットで上記２積層体の場合について考えてみると、（１０）式、（１１）式から求められた磁極角は同じく０とπである。一方、（１５）式から許容される磁極角は０、π／３、２π／３、π、４π／３、５π／３、及びこれらにそれぞれ２πの整数倍を加えたものとなり、この中に０とπとが含まれているため、１０極１２スロットの場合、２積層体の回転積層でのトルク脈動の相殺が可能という結論になる。上記相殺に係る２積層体の位相の関係は相対的なものでよいので、（９）式を満たす磁極角は互いにπ離れてさえいればよい。従って、０とπ以外にも、π／３と４π／３、２π／３と５π／３の組み合わせでも良い。このとき一方の積層体に対する他方の積層体の回転角はπ／１０とすればよい。

高トルク特性を有しており、小型化に適しているため、パワーステアリング用等実用性の高い電動機としてステータスロット数１２、ロータ極数１０のもの、及びステータスロット数１２、ロータ極数８のものがあり、いずれもトルク脈動低減への要求が強い。
まず、ステータスロット数１２、ロータ極数１０の電動機について、積層厚の等しい２の積層体でステータ鉄心を構成した場合、これまで説明してきた方法と同じ方法によって積層体間の回転角を求めるとπ／２となる。
ステータスロット数１２、ロータ極数８の電動機について、積層厚の等しい３の積層体でステータ鉄心を構成した場合、これまで説明してきた方法と同じ方法によって積層体間の回転角を求めると１の積層体に対する他の積層体の回転角はそれぞれπ／６、π／３となる。
上記の回転角は回転積層する際の回転角が最小になる選び方である。回転積層する場合は既に説明したように金型において切断して積層して形成した積層体を上記回転角だけ回転させてその上に更に切断・積層を継続していくことになるが、回転角が最小ということは回転に要する時間を短くできるので生産性が向上するという利点がある。この例では２積層体、又は３積層体として説明したが、上記選定した角度関係の２又は３積層体を繰り返して複数積層するなどして図９に示すように複数の群として積層しても良い。各群を構成する積層体数が多くなればその分回転に要する時間も増加するので、上記の例による時間短縮の効果、すなわち生産性向上効果は一層大きくなる。

各積層体でスロットの位置を一致させない場合については（１２）式、(１３)式のような制限は不要である。このようなケースの一例としては、積層体ごとにコイルを巻線し、その後に回転積層の考え方に従って巻線後の各積層体を回転して全体を一体のものとした場合である。このような場合も、これまで述べてきた効果と同様な効果を奏することができる。

近年、位置決め精度の向上や振動・騒音を低減する観点からトルク脈動を低減する要求はますます厳しくなってきている。定量的には、トルク脈動を定格トルクの０．１％程度に低減したいという市場からの要求がある。分割鉄心の場合、図１１に示すように歯部の隣接先端部に段差が生じやすく、トルク脈動の悪化原因となる。例えば、内周に図１２に示すように一箇所の段差が発生した場合に段差の大きさとトルク脈動の大きさの関係を測定した結果を図１３に示す。ロータにはネオジム磁石を使用し、ステータとロータのエアギャップは、０．６ｍｍ。ステータ外径は８０ｍｍ、積層高さは４０ｍｍと市場に出回っている標準的な小型モータの形状とした。トルク脈動は段差の大きさと比例関係にある。０．１％のトルク脈動に抑えるためには段差を１７μｍ以下に抑える必要がある。分割されていない一体鉄心の場合は金型の精度で段差が決まるが、金型精度は１０μｍ以下であるのでトルク脈動を０．１％以上に悪化するような問題はほとんど生じない。分割鉄心の場合は、組立精度は３０μｍ程度であるため段差が発生しやすくトルク脈動を０．１％以下に抑制することは困難である。本発明は、一体鉄心では生じる可能性が低い段差が１０μｍ以上の内周形状誤差を持つ鉄心に対して段差を許容したうえでトルク脈動を低減するための技術といえる。

なお、回転積層による合成トルクベクトルの大きさはゼロにするのが理想ではあるが、種々の事情によりゼロにできない場合もある。そのような場合でも、各積層体のトルクベクトルの大きさの最大のものよりも小さくできれば、実用的には一定の効果があるといえる。この基準は次のようになる。
ｎ個の所定の回転角度αｉは、ロータの磁極数をｐ、ｉ番目の積層体のトルク脈動成分の大きさを｜Ｔｉ｜、Ｔｉの最大値をＭＡＸ（Ｔｉ）（ｉ=１〜ｎ）として、

により規定される合成されたトルク脈動成分の大きさがＭＡＸ（Ｔｉ）よりも小さくなるように設定する。ｈｉに対応したＴｉのトルクベクトルは、いずれも（２）式、（４）式、（５）式で算出できる。従って、上記基準を満たすｈｉとαｉとを求めることができる。
積層体を構成する各積層体のトルク脈動の要因が共通であるとき、各積層体の形状および鋼板の磁気異方性などの磁気特性の少なくとも１の要因に起因する磁気的非対称性(以下では「形状等に起因する磁気的非対称性」と略称する)によるトルク脈動成分は積層体厚さに比例すると考えてよいので、この場合は｜Ｔｉ｜をｈｉに置き換えることができ、より簡便に上記基準を満たすｈｉとαｉとを求めることができる。

実施の形態２．
本実施の形態は、形状等に起因する磁気的非対称性によるトルク脈動成分と応力によるトルク脈動成分を相互に相殺するというもので、図１４はそのことを示す図である。図１４（ａ）及び（ｂ）は、トルク脈動成分をベクトルとして捉え、第一群及び第二群の積層厚、および任意に設定した基準方向からの各群を構成する積層体の回転角を変えることでそれぞれのトルクベクトルの大きさ、および位相を自由に設定することができることを示している。従って第一群と第二群のトルクベクトルを合成した回転積層に係る合成トルクベクトルも自由に設定することができる。

一方、第一群、第二群の積層体を全体として一体に積層して構成されたステータ鉄心は通常その外周を、フレームでの焼き嵌め等により固定して使用に供される。このとき、各積層体にはフレームによる締め付け応力が加わることになるが、この応力は積層方向に対しては一様であるがステータ鉄心周方向に対しては非対称に分布するものとなることが多く、この非対称性によるトルク脈動成分（すなわちトルクベクトル）が発生する。このフレーム応力の非対称性は各積層体をどのように回転して積層しても各積層体に対して共通となるので、応力の非対称性によるトルクベクトルの位相は各積層体の積層時の回転に依存しないものとなる。すなわち、フレームにより締め付け円環状に固定されたステータ鉄心の応力によるトルクベクトルの大きさと位相は固定される。一方、この例に示す２群の積層体で構成されたステータ鉄心では、上記の通り、回転積層に係る合成トルクベクトルを自由に設定できる。

従って、図１４（ｃ）に示すように、形状等に起因する磁気的非対称性による２の積層体群のトルクベクトルを合成した合成トルクベクトル（以下、「形状等の要因による合成ベクトル」と略称する。）の大きさと、応力によるトルクベクトルの大きさとが同じになり、上記合成トルクベクトルの位相と応力によるトルクベクトルの位相とが磁極角において互いに逆位相になるように、各群に属する積層体のそれぞれの合計厚と両群の相互の回転角を設定することにより、両トルクベクトル、すなわちトルク脈動成分を相殺させ、全体のトルク脈動を小さくすることができる。

図１４では各群の積層体厚合計値が異なるとして説明したが、同じ厚さとしてもよい。複数個の積層体の積層厚をほぼ等しくした場合は、積層体ごとの形状非対称性によるトルク脈動成分の大きさが同等となるので、回転角のみを考慮することにより簡便にトルク脈動成分を相殺することができるという利点がある。

なお、応力によるトルクベクトルは、形状非対称性をなくすように加工したモデル対象物を使って実験的に求めることができる。

なお、形状等による合成トルクベクトルと応力によるトルクベクトルの合成トルクベクトルの大きさをゼロにするのが理想ではあるが、種々の事情によりゼロにできない場合もある。そのような場合でも、各積層体の形状等の要因によるトルクベクトルの大きさの最大のもの、例えば積層厚が最大の積層体のトルクベクトル及び応力の非対称性に起因するトルクベクトルのうち大きい方の値よりも小さくできれば、実用的には一定の効果があるといえる。

すなわち、ｎ個の所定の回転角度αｉは、ロータの磁極数をｐ、ｉ番目の積層体の厚さｈｉ、厚さｈｉに対応したトルクベクトルの大きさを｜Ｔｉ｜、｜Ｔｉ｜の最大値をＭＡＸ（Ｔｉ）（ｉ=１〜ｎ）として、

により規定される形状非対称性による合成されたトルクベクトルの大きさが、ＭＡＸ（Ｔｉ）および応力の非対称性に起因するトルクベクトルの大きさのいずれか大きいほうの値よりも小さくなるように設定されたものであればよい。

ここでは、トルク脈動成分として、内径形状と応力によるトルク脈動成分を例に挙げたが、ステータ鉄心の非対称性に起因するトルク脈動成分であれば同様に、合成して低減することができる。例えば、内周形状、応力による成分以外に、形状の非対称性による成分や鋼板の磁気異方性による成分などがある。

また、ここでは、トルク脈動成分として、内周形状と応力によるトルク脈動成分を例に挙げたが、ステータ鉄心の非対称性に起因するトルク脈動成分であれば同様に、合成して低減することができる。例えば、内周形状、応力による成分以外に、形状の非対称性による成分や磁気異方性による成分などがある。

更に、上記実施の形態では、第一群と第二群の２種類の群に分けたが、３種類以上の群によりベクトル合成することも可能である。その場合に、各群の積層厚さ、および群の間の回転角により合成ベクトルの大きさ、位相を２群の場合と同様に自由に設定することが可能である。また、各群は複数の積層体で構成されているとして説明したが、１個の積層体で構成されている群が混在していても良く、その場合でもこれまで説明してきた効果と同等の効果を奏することができる。これは本実施の形態によらず、実施の形態１についても同様である。

実施の形態３．
本実施の形態では連結型分割鉄心の他の構成について説明する。実施の形態１に係る発明における分割鉄心は、分割鉄心部材の端部が積層方向に重なり合う部分２ｇを有し、この重なり合う部分２ｇに凹凸部２ｅを形成して積層することで隣接する分割鉄心が相互に回転可能に連結されるというものであった。本実施の形態においては図４のカットライン２ｆは隣接する分割鉄心部材２ａのヨーク２ｂを打ち抜き時に完全に切り離すのではなく最外周部に一部非切断部を残したものとする。また、ヨーク２ｂの両端は図４に示す凹凸形状のように異なる形状にする必要は必ずしもなく、同一形状でもよい。従って、同一形状の場合は、実施の形態１で説明したＡタイプ、Ｂタイプのように２種類の層に分けて積層する必要はない。他の積層工程は、回転積層等は実施の形態１の場合と同じである。このようにして形成された分割鉄心は非切断部で隣接分割鉄心同士が連結されているので、この非切断部の径方向幅が小さい場合、隣接分割鉄心はこの非切断部を中心に相互に回転可能である。従って、本実施の形態に係る発明によっても、実施の形態１で説明した効果と同様の効果を奏することができる。

本発明の回転電機は、工作機、乗用車の電動パワーステアリング、エレベータなどの駆動モータとして有効に利用することができる。

本発明に係る回転電機の連結型分割鉄心によるステータ構造の実施の形態１を示す平面図である。 本発明に係る回転電機の磁石付ロータの断面図である。 ステータを構成する鉄心の平面図（ａ）及び側面図（ｂ）である。 連結型分割鉄心を製造する方法を示す平面図である。 連結型分割鉄心を製造する方法を示す断面図である。 連結型分割鉄心への巻線を示す平面図である。 本発明に係る回転電機の連結型分割鉄心によるステータ鉄心を模式的に示す斜視図である。 第一群と第二群がそれぞれ１積層体からなり、で内周形状の１箇所に段差を持つ２の積層体を回転積層したステータ鉄心を模式的に示したものである。 形状によるトルク脈動成分が第一群と第二群とで逆位相で同じ大きさとなる例のトルク脈動のベクトルを示す図である。 ８極１２スロットの場合のスロット位置を合わせる場合に許容されるトルクベクトルの向き示す図（ａ）と、１０極１２スロットの場合のスロット位置を合わせる場合に許容されるトルクベクトルの向きを示す図（ｂ）である。 磁極歯部の先端隣接端部間の段差を示す図である。 ステータ内周上の所定の位置に磁極歯部の先端隣接端部間の段差が存在している場合を示す図である。 段差とトルク脈動の関係を示す図である。 応力によるトルク脈動成分の相殺の例を示す図である。

符号の説明

１ ステータ鉄心、２ 分割鉄心、２ａ 分割鉄心部材、２ｂ ヨーク、
２ｃ 磁極歯部、２ｄ かしめ用の凹凸部、２ｅ 凹凸部、２ｆ カットライン、
３ 巻枠、４ コイル、５ フレーム、６ 磁石、７ ロータ鉄心、８ シャフト、
９ 巻線機、９ａ ワイヤ、９ｂ ヘッド、１０ 段差。

Claims (11)

1. 周方向一端に第一の端部及び周方向他端に当該第一の端部と異なる形状の第二の端部を有し、当該第一の端部側表面上にかしめ用凹凸部を設けたヨーク部と、上記ヨーク部から径方向内側に突出する磁極歯部とを有する分割鉄心部材を、上記ヨークの周方向に隣接するヨークとの間で上記第一、第二の端部を対として、１枚の鋼板上に円環状に配列した形状に打ち抜いて形成される分割鉄心部材Ａと、
   上記分割鉄心部材Ａと同様の打ち抜きにより形成されるもので、同一の分割鉄心部材上で上記第一の端部及び上記第二の端部の周方向位置が上記分割鉄心部材Ａに対して逆に配置された分割鉄心部材Ｂとを、交互に積層固定して得られる複数個の分割鉄心が、それぞれ、上記第一の端部と、これと周方向に隣接する分割鉄心の第二の端部とが対として円環状に配置され、
   上記当接部近傍において積層方向に隣り合う分割鉄心部材が上記第一の端部側のヨーク部の一部で重なり合い、かつ、重なり合った部分が上記かしめ用凹凸部により連結されることにより、周方向に隣接する分割鉄心相互間で互いに回転可能に連結された連結型分割鉄心構造のステータ鉄心、及び上記各磁極歯部に巻回されたコイルを備えたステータと、回転軸となるシャフト、及び周方向に複数の磁極を有し上記シャフト周りに配置されたロータ鉄心を備えたロータとを有する回転電機であって、
   上記円環状に配置された分割鉄心は、この鋼板から打ち抜かれる円環状に配列した分割鉄心部材Ａ及びＢを、上記円環状の配列を保ったまま交互に所定の厚さ積層して得られる積層体ｎ個（ｎ≧２）のうちｉ番目の積層体を、１番目の積層体に対して所定の回転角αｉ（０＜αｉ＜２π、ｉ＝２〜ｎ）回転して積層することによって形成されたものであり、
   上記所定の回転角度αｉは、ロータの磁極数をｐ、ｉ番目の積層体のトルク脈動成分の大きさをＴｉ（ｉ＝１〜ｎ）として、
   

   

   を満たすように設定され、かつ
   上記所定の回転角度αｉは、
   αｉ＝２π・ｔ／ｓ （０≦ｔ≦ｓ−１のいずれか１の整数、ｓはステータのスロット数）
   を満たすように設定されたものである回転電機。
2. 周方向一端に第一の端部及び周方向他端に当該第一の端部と異なる形状の第二の端部を有し、当該第一の端部側表面上にかしめ用凹凸部を設けたヨーク部と、上記ヨーク部から径方向内側に突出する磁極歯部とを有する分割鉄心部材を、上記ヨークの周方向に隣接するヨークとの間で上記第一、第二の端部を対として、１枚の鋼板上に円環状に配列した形状に打ち抜いて形成される分割鉄心部材Ａと、
   上記分割鉄心部材Ａと同様の打ち抜きにより形成されるもので、同一の分割鉄心部材上で上記第一の端部及び上記第二の端部の周方向位置が上記分割鉄心部材Ａに対して逆に配置された分割鉄心部材Ｂとを、交互に積層固定して得られる複数個の分割鉄心が、それぞれ、上記第一の端部と、これと周方向に隣接する分割鉄心の第二の端部とが対として円環状に配置され、
   上記当接部近傍において積層方向に隣り合う分割鉄心部材が上記第一の端部側のヨーク部の一部で重なり合い、かつ、重なり合った部分が上記かしめ用凹凸部により連結されることにより、周方向に隣接する分割鉄心相互間で互いに回転可能に連結された連結型分割鉄心構造のステータ鉄心、及び上記各磁極歯部に巻回されたコイルを備えたステータと、回転軸となるシャフト、及び周方向に複数の磁極を有し上記シャフト周りに配置されたロータ鉄心を備えたロータとを有する回転電機であって、
   上記円環状に配置された分割鉄心は、この鋼板から打ち抜かれる円環状に配列した分割鉄心部材Ａ及びＢを、上記円環状の配列を保ったまま交互に所定の厚さ積層して得られる積層体ｎ個（ｎ≧２）のうちｉ番目の積層体を、１番目の積層体に対して所定の回転角αｉ（０＜αｉ＜２π、ｉ＝２〜ｎ）回転して積層することによって形成されたものであり、
   上記所定の回転角度αｉは、ロータの磁極数をｐ、ｉ番目の積層体のトルク脈動成分の大きさをＴｉ、Ｔｉの最大値をＭＡＸ（Ｔｉ）（ｉ＝１〜ｎ）として、
   

   

   により規定される合成されたトルク脈動成分の大きさがＭＡＸ（Ｔｉ）よりも小さくなるように設定され、かつ
   上記所定の回転角度αｉは、
   αｉ＝２π・ｔ／ｓ （０≦ｔ≦ｓ−１のいずれか１の整数、ｓはステータのスロット数）
   を満たすように設定されたものである回転電機。
3. ｎ個の積層体の各々は共通の、各積層体の形状非対称性を有するものであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の回転電機。
4. 形状非対称性は、ステータ鉄心の隣接する磁極歯部の周方向端部間のロータ回転軸中心からの距離の差異である段差であることを特徴とする請求項３に記載の回転電機。
5. ｎ個の積層体を構成する各層のトルク脈動の要因が共通であるとき、上記式のＴｉをｉ番目の積層体の積層厚ｈｉに置き換えることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の回転電機。
6. Ｔｉが各積層体で共通の大きさであることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の回転電機。
7. 周方向一端に第一の端部及び周方向他端に当該第一の端部と異なる形状の第二の端部を有し、当該第一の端部側表面上にかしめ用凹凸部を設けたヨーク部と、上記ヨーク部から径方向内側に突出する磁極歯部とを有する分割鉄心部材を、上記ヨークの周方向に隣接するヨークとの間で上記第一、第二の端部を対として、１枚の鋼板上に円環状に配列した形状に打ち抜いて形成される分割鉄心部材Ａと、
   上記分割鉄心部材Ａと同様の打ち抜きにより形成されるもので、同一の分割鉄心部材上で上記第一の端部及び上記第二の端部の周方向位置が上記分割鉄心部材Ａに対して逆に配置された分割鉄心部材Ｂとを、交互に積層固定して得られる複数個の分割鉄心が、それぞれ、上記第一の端部と、これと周方向に隣接する分割鉄心の第二の端部とが対として円環状に配置され、
   上記当接部近傍において積層方向に隣り合う分割鉄心部材が上記第一の端部側のヨーク部の一部で重なり合い、かつ、重なり合った部分が上記かしめ用凹凸部により連結されることにより、周方向に隣接する分割鉄心相互間で互いに回転可能に連結された連結型分割鉄心構造のステータ鉄心、及び上記各磁極歯部に巻回されたコイルを備えたステータと、回転軸となるシャフト、及び周方向に複数の磁極を有し上記シャフト周りに配置されたロータ鉄心を備えたロータとを有する回転電機であって、
   上記円環状に配置された分割鉄心は、この鋼板から打ち抜かれる円環状に配列した分割鉄心部材Ａ及びＢを、上記円環状の配列を保ったまま交互に所定の厚さ積層して得られる積層体ｎ個（ｎ≧２）のうちｉ番目の積層体を、１番目の積層体に対して所定の回転角αｉ（０＜αｉ＜２π、ｉ＝２〜ｎ）回転して積層することによって形成されたものであり、
   上記所定の回転角度αｉは、ロータの磁極数をｐ、ｉ番目の積層体の積層厚をｈｉ、ｈｉに対応したトルク脈動成分の大きさをＴｉ（ｉ＝１〜ｎ）として、
   

   

   により規定される、各積層体の形状非対称性による合成トルク脈動成分の大きさが、ステータ鉄心を構成する各積層体に共通に加わる応力の非対称性に起因するトルク脈動成分の大きさと同じ大きさで、上記形状非対称性による合成トルク脈動成分の位相は、上記応力の非対称性によるトルク脈動成分の位相と磁極角にして逆位相となるように、上記ステータ鉄心を構成するｎ個の積層体の各積層厚ｈｉと積層時の各回転角αｉ（ｉ＝１〜ｎ）とを設定したものであり、かつ
   上記所定の回転角度αｉは、
   αｉ＝２π・ｔ／ｓ （０≦ｔ≦ｓ−１のいずれか１の整数、ｓはステータのスロット数）
   を満たすように設定されたものである回転電機。
8. 周方向一端に第一の端部及び周方向他端に当該第一の端部と異なる形状の第二の端部を有し、当該第一の端部側表面上にかしめ用凹凸部を設けたヨーク部と、上記ヨーク部から径方向内側に突出する磁極歯部とを有する分割鉄心部材を、上記ヨークの周方向に隣接するヨークとの間で上記第一、第二の端部を対として、１枚の鋼板上に円環状に配列した形状に打ち抜いて形成される分割鉄心部材Ａと、
   上記分割鉄心部材Ａと同様の打ち抜きにより形成されるもので、同一の分割鉄心部材上で上記第一の端部及び上記第二の端部の周方向位置が上記分割鉄心部材Ａに対して逆に配置された分割鉄心部材Ｂとを、交互に積層固定して得られる複数個の分割鉄心が、それぞれ、上記第一の端部と、これと周方向に隣接する分割鉄心の第二の端部とが対として円環状に配置され、
   上記当接部近傍において積層方向に隣り合う分割鉄心部材が上記第一の端部側のヨーク部の一部で重なり合い、かつ、重なり合った部分が上記かしめ用凹凸部により連結されることにより、周方向に隣接する分割鉄心相互間で互いに回転可能に連結された連結型分割鉄心構造のステータ鉄心、及び上記各磁極歯部に巻回されたコイルを備えたステータと、回転軸となるシャフト、及び周方向に複数の磁極を有し上記シャフト周りに配置されたロータ鉄心を備えたロータとを有する回転電機であって、
   上記円環状に配置された分割鉄心は、この鋼板から打ち抜かれる円環状に配列した分割鉄心部材Ａ及びＢを、上記円環状の配列を保ったまま交互に所定の厚さ積層して得られる積層体ｎ個（ｎ≧２）のうちｉ番目の積層体を、１番目の積層体に対して所定の回転角αｉ（０＜αｉ＜２π、ｉ＝２〜ｎ）回転して積層することによって形成されたものであり、
   上記所定の回転角度αｉは、ロータの磁極数をｐ、ｉ番目の積層体の積層厚をｈｉ（ｉ＝１〜ｎ）として、ｈｉに対応したトルク脈動成分の大きさをＴｉ（ｉ＝１〜ｎ）として、
   

   

   により規定される各積層体の形状非対称性による合成トルク脈動成分の大きさが、ｈｉ（ｉ＝１〜ｎ）が最大の積層体の有するトルク脈動成分の大きさ及びステータ鉄心を構成する各積層体に共通に加わる応力の非対称性に起因するトルク脈動成分の大きさのうち最大の大きさのものよりも小さくなるように、上記ステータ鉄心を構成するｎ個の積層体の各積層厚ｈｉと積層時の各回転角αｉ（ｉ＝１〜ｎ）とを設定したものであり、かつ
   上記所定の回転角度αｉは、
   αｉ＝２π・ｔ／ｓ （０≦ｔ≦ｓ−１のいずれか１の整数、ｓはステータのスロット数）
   を満たすように設定されたものである回転電機。
9. ステータ鉄心を構成する複数の積層体は、上記複数の積層体のうち、少なくとも１の積層体を構成する分割鉄心のヨークの第一の端部及び第二の端部が周方向に上記複数の積層体の他の積層体とは逆向きに配置された積層体を含むことを特徴とした請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の回転電機。
10. ステータ鉄心が、積層厚の等しい同一形状の２の積層体で構成されており、周方向に隣接する磁極歯部で形成される空間であるステータスロットの数１２、ロータ極数１０の場合に、積層体相互の回転角をπ／２としたことを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
11. ステータ鉄心が、積層厚の等しい同一形状の３の積層体で構成されており、周方向に隣接する磁極歯部で形成される空間であるステータスロットの数１２、ロータ極数８の場合に、１の積層体に対する他の積層体の回転角をそれぞれπ／６、π／３としたことを特徴とする請求項１に記載の回転電機。

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