JP5782929B2 - モータのステータコア - Google Patents

Description

本発明は、モータのステータコアに関するものであり、具体的には、分割したコア部材を組み合わせたモータのステータコアの接合部における鉄損の上昇を、効果的に抑制した高効率モータのステータコアに関するものである。

近年、地球温暖化や化石燃料の枯渇の影響を受けて、エネルギー消費量の削減が世界的に求められている。そして、電力の多くは、モータによって消費されているため、モータ効率向上への要求が益々強くなってきている。また、自動車からの二酸化炭素の排出量削減は、地球環境を保護する重要な手段の一つと考えられており、電気で駆動する電気自動車や、電気とガソリンで駆動するハイブリッド自動車の研究開発が強力に進められ、従来のガソリン自動車からの切り換えが徐々に進行しつつある。

上記電気自動車やハイブリッド自動車においては、限られた電池容量でいかにして航続距離を伸ばすか、すなわち、いかにしてモータ効率を高めるかが、現在、最も重要な課題となっている。このような背景から、モータの効率向上を目的として、モータの鉄心材料である電磁鋼板の特性改善、特に、鉄損の低減に開発の努力が注がれている。

モータは、その駆動原理から、いくつかの種類に分類されるが、先述した電気自動車やハイブリッド自動車の駆動モータ、あるいは、最近の家庭用電気製品の主要モータには、主にブラシレスＤＣモータが用いられている。また、ブラシレスＤＣモータも、その構造によって種々に分類されるが、図１に示したように、薄い電磁鋼板を円柱状に積層し、その中心軸にシャフト１を通し、外周に面した位置に複数の永久磁石２を磁極が交互となるように埋め込んだロータ（回転子）３と、そのロータの磁石と対面するように配置された複数のティース４と、その複数のティースの根元を連結する円弧状のヨーク５からなるステータ（固定子）６と、それらを収納するモータケース７とで構成されているものが一般的である。上記ステータ６も、ロータ３と同様、薄い電磁鋼板を積層して作製されている。ステータのティースと隣接するティースとの間に挟まれた空間はスロット８と呼ばれ、この空間部、つまりティースの周りには、図示されていない巻線が施される。そして、この巻線に電流を流すことによって、ロータの磁石との間に磁気的な吸引力・反発力を発生させて、ロータ、即ち、モータを回転させる。

ところで、薄い電磁鋼板を積層してステータを作製するには、素材となる電磁鋼板を所定のステータ形状に加工する必要がある。例えば、素材の電磁鋼板から、すべてのヨークとティースを包含した一体物として金型で打ち抜いたり、あるいは、ワイヤーカット等で切り抜いたりして所望のステータ形状に加工する。しかし、素材鋼板から、このような環状のステータを一体物として採取するのは、素材歩留まりが悪いという欠点がある。

そこで、環状のステータをいくつかの小さな部材に分割し、それらの部材を、素材鋼板から、切り捨てロスができるだけ少なくなるよう打ち抜いたり、ワイヤーカットしたりして加工後、それらの部材を積層してコア部材とし、その後、それらのコア部材を環状に組み合わせてステータとする、いわゆる「分割コア」が開発されている。この分割コアは、従来の一体物のステータに比べて、ティース部への巻線が容易であるという利点もあり、この方式を採用する割合が高まっている。

上記分割コアのコア部材には、分割の仕方によって種々あるが、例えば、図２（ａ）に示したように、ティース１個とヨーク部からなるもの、図２（ｂ）に示したように、複数のティースとそれらをつなぐヨーク部とからなるもの等がある。そして、これらのコア部材のヨーク部を溶接や接着で組み合わせて環状にした後、焼き嵌め法や圧入法、接着等でモータケース内に挿入し、固定してモータのステータとしている。

上記分割コアにおいて、隣り合う各コア部材をヨーク部で接合する方法には、図３（ａ）のように、接合面を平坦とし接合箇所で単純に突き合わせる「突き合せ接合」と、図３（ｂ）のように、電磁鋼板を１枚おきにあるいは数枚おきに周方向にずらして積層する、いわゆる「ラップ接合」とがある。ラップ接合の場合、各コア部材のヨーク部の周方向長さは、部材の中心線に対して非対称となる。そして、あるコア部材の長いヨークには、隣接するコア部材の短いヨークが接合され、それが周期的に交互に繰り返されるよう積層される。因みに、特許文献１には、部分的に重なりをもつラップ接合を採用することにより、組立が容易になると共に、ステータ内部の磁気抵抗の低下を実現することができると記載されている。

特開２００９−０１１０６３号公報

しかしながら、上記の分割コアは、積層した鋼板をラップさせることによって磁気抵抗を低下させることができる反面、図４に示したように、ラップ接合部分において鋼板の積層方向、すなわち電磁鋼板の板面に垂直な方向に磁束の流れが生ずるため、鋼板の面内に渦電流が発生して鉄損が却って増加してしまうという問題がある。この渦電流による損失は、「渦電流損」または「渦電流損失」と呼ばれており、モータの回転数が高くなるに伴って増加する。また、ロータの磁石の極数が増えると、単位時間で鉄心の極性が変化する回数（周波数）も高くなるため、渦電流損は大きくなる。そのため、高周波で駆動される電気自動車等のモータでは、大きな問題となっている。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、分割コアのラップ接合部における付加的な渦電流損の増加を抑制したモータのステータコアを提供することにある。

発明者らは、上記の課題を解決するため、ラップ接合部に発生する渦電流損に着目して鋭意検討した。その結果、隣り合うコア部材がラップ接合して鋼板が互いに重なり合っている部分のヨークに、周方向に伸びるスリットを設けてやることにより、電磁鋼板の面内を流れる渦電流が分断され、渦電流損失を小さくできることを見出し、本発明を開発するに至った。

すなわち、本発明は、積層した電磁鋼板からなり、１以上のティース部を含むよう複数に分割したコア部材をラップ接合して環状に組み合わせた分割ステータコアにおいて、上記コア部材のヨーク周方向両端部に、周方向長さが隣り合うコア部材のヨークがラップする長さの１倍以上２倍以下、幅が０．５ｍｍ以下、間隔が１ｍｍ以上の周方向に伸びる１以上のスリットを設けてなることを特徴とするモータのステータコアである。

本発明によれば、分割したステータのコア部材のラップ接合部分において、隣接するコア部材の電磁鋼板が重なる部分のヨークに、周方向に伸びるスリットを付与してやることによって、鋼板面内に流れる渦電流を分断し、渦電流損失を小さく抑えることができるので、磁気損失の少ない高効率のモータを提供することが可能となる。

モータの構造を説明する例図である。 ステータコアの分割数が異なる分割コアを説明する例図であり、（ａ）は１２スロットのコアを１２分割した例、（ｂ）は１２スロットのコアを４分割した例である。 分割コアの接合方法を説明する例図であり、（ａ）は突合せ接合、（ｂ）はラップ接合の例である。 ラップ接合部分における鋼板内の磁束の流れを説明する図である。 ラップ接合部分のスリット有無による渦電流の変化を説明する図である。 本発明のステータコアの一例を説明する図であり、（ａ）はコア部材を、（ｂ）は上記コア部材をラップ接合した状態を示す。

先ず、本発明の基本的な技術思想について説明する。
巻線電流や磁石によって鉄心材料に磁界が加わると、鉄心内に磁束が流れ、磁界の増減にともなって磁束量も変化する。一方、磁界が増減すると、鉄心内には、磁束の増減を抑えるよう、磁束の流れる方向に対して垂直な面内で、磁束を軸として同心円を描くような渦電流が流れる。この渦電流によって生ずる損失は、一般に、渦電流が流れる面積が小さいほど小さくなることが知られている。すなわち、鉄心がブロックのような塊状であれば、渦電流が流れる範囲に制限がないため、渦電流損失が大きくなる。一方、鉄心が薄い鋼板を重ねた積層鋼板であれば、渦電流は薄い板の面内にとどまって流れることになり、ブロック状の鉄心に比べて積層鋼板の渦電流は小さくなり、渦電流損失を小さくすることができる。モータのステータやロータの鉄心材料に電磁鋼板を積層して用いているのはこのためである。

一方、分割コア型のモータのステータでは、ステータをいくつかの部材に分けて組合せているため、素材の電磁鋼板から部材を歩留りよく採取でき、また、部材ごとに巻線を施すことができるため、モータを作製する際の作業性が向上するなど、有利となることが多い。しかし、コア部材を環状に組立てたステータは、各部材のヨーク接合部に少なからずギャップが生じているため、鋼板を一体で打ち抜いて作製したステータと比べて、この部分の透磁率が低下する。また、これによって磁気抵抗が増加し、励磁する磁界に対して磁化されにくくなり、磁束が低下する。

そこで、このコアの分割により生じる磁気抵抗の低下を防ぐ方法として、積層する鋼板を周方向に交互に、あるいは、数枚周期で交互にずらして積層するラップ接合がある。しかし、この積層方法では、一枚の電磁鋼板を通る磁束は、１つのコア部材のヨーク端部において、隣接するコア部材の同じ位置にあるヨーク端部に向かおうとするが、上記ギャップすなわち磁気抵抗の高い接合面の存在によって、より密着して積層されている上あるいは下の電磁鋼板に向かって流れるようになる。そして、上記上または下の電磁鋼板に流れた磁束は、再び次のヨーク端部においてギャップを回避するため、下か上の元の電磁鋼板に戻るものと考えられる（図４参照）。

そして、この磁束が上下の電磁鋼板に流れを変える部分では、磁束は鋼板の板面の垂直方向に流れるため、鋼板の面内には、図５（ａ）に示したように、渦電流が発生する。そして、この渦電流は、隣り合う部材の鋼板が互いに重なっている接合部の長さとヨークの幅の積に相当する接合部の面積全体に広がって流れるものと考えられる。したがって、この付加的な渦電流損失の増大を抑制するためには、渦電流損失の流れる面積を小さくしてやることが必要となる。

そこで、本発明では、ラップ接合における鋼板が重なった部分の渦電流損失を低減するため、図５（ｂ）に示したように、板面に垂直な磁束が発生する部分、すなわち隣り合うコア部材の鋼板が上下で重なる部分に、渦電流を遮るようなスリットを設けて、渦電流の流れる面積を小さくし、電磁鋼板面内の渦電流を分断してやることとした。

次に、本発明の構成について具体的に説明する。
本発明のモータのステータは、分割した分割コア型のものであり、かつ、分割した各コア部材がラップ接合により接合されているものであることが必要である。分割コア型でない一体型のステータや、分割型でも突き合わせ接合されたステータでは、接合部における渦電流損に関する問題は生じないからである。ここで、上記ラップ接合とは、図３（ｂ）のように、その接合部において隣り合うコア部材のヨーク両端部がある一定の積層周期で周方向に互いに重なり合う接合の仕方のものをいう。

そして、本発明のモータのステータは、上記ラップ接合したコア部材のヨーク端部に、周方向に伸びる１以上のスリットを設けたものであることが必要である。

ヨーク両端部に設けるスリットは、図６（ａ）に示したように、ヨーク周方向に伸び、かつ、その長さは、図６（ｂ）に示したように、ラップ接合部で上下の鋼板が重なる（ラップする）長さ以上であることが好ましい。なお、スリット長さは、長ければ長いほど渦電流を抑制する効果は大きくなるが、長くし過ぎると、板厚が薄い場合や素材の強度が低い場合などには、ステータコアの機械的強度が弱くなるので好ましくない。よって、本発明においては、スリット長さの上限は、鋼板が重なる長さの２倍以下とすることが好ましい。なお、ヨークの外周と内周とで、鋼板が重なる長さが異なる場合は、その位置における重なり長さを基準とする。

また、スリットの幅は、渦電流のループを阻止する電気的絶縁が得られる最小限の幅以上であれば良い。ただし、スリット幅を大きくすると、電気的絶縁効果は確実なものとなるが、磁束が流れる断面積が小さくなり、局所的な磁束密度の増加を招いて、素材によっては却って鉄損が増加するので、上限は０．５ｍｍとするのが好ましい。なお、このようなスリットを加工する方法は、加工歪みの小さい方法であれば特に制限はなく、例えば、ワイヤーカットやレーザー加工、エッチング加工などの方法を用いることができる。

また、スリットの間隔、即ち、スリット同士のヨーク径方向の間隔は、小さいほど渦電流損失を低減する効果があるが、小さくし過ぎるとスリット本数が増えて、スリット幅を大きくしたときと同様、電磁鋼板の磁気特性を劣化させてしまう。よって、スリットの間隔は１ｍｍ以上とするのが好ましい。なお、スリット間隔を大きくなると、スリット本数も少なくなるが、渦電流損失の低減効果は１本でも得ることができる。

１２スロットのステータを１２等分割した部材を、圧延方向がティースの長さ方向となるようにして、板厚：０．３５ｍｍの電磁鋼板から金型で打抜加工して採取した。なお、上記各部材は、ティース幅が７ｍｍ、ヨーク幅が８ｍｍで、ティースの中心線に対して、ヨークの長さを左右で、組み立て後のステータ中心を基準に約１．８°非対称（ラップする部分の角度：約３．７°）となるようにした。
次いで、上記打ち抜き後の部材のヨーク周方向両端部に、ワイヤーカットで、表１に示したような幅、長さ、間隔の異なるスリットを付与した。

その後、それらの部材を、２枚ずつ交互にして７２枚を積層し、コア部材とした後、上記コア部材の表面に絶縁処理を施し、絶縁紙を挟んでティース部の周りに巻線を施した後、各コア部材をヨーク方向に揃えてラップ接合し、環状のステータコアに組み立てた。なお、組み立て後のステータコアは、外径が１５６ｍｍφ、ヨーク内径が１４０ｍｍφ、内径が９１ｍｍφであった。また、各コア部材のラップ接合する部分の長さ（重なる部分の周方向長さ）は、ヨーク外周部で５ｍｍ、ヨーク内周部で４．５ｍｍであった。

次いで、上記のようにして得たステータコアの外周部に、エポキシ系接着剤を塗布し、内径が１５６．０５ｍｍφのアルミニウム合金製のモータケースに挿入して固定した後、ステータコアの内径部に８個の磁石を内蔵したロータを組み込んで、表１のＮｏ．１〜７に示した、８極１２スロットの集中巻きブラシレスＤＣモータ（埋め込み磁石型、インナーロータ型）を作製した。
また、１２スロットのステータを６等分割したこと以外、したがって、各コア部材は２個のティースを有していること以外は、上記とまったく同様として、表１のＮｏ．８の集中巻きブラシレスＤＣモータを作製した。

斯くして得られたＮｏ．１〜８の各モータについて、回転数：２５００ｒｐｍ、トルク：３Ｎｍにおけるモータ効率を測定し、その結果を表１に併記した。
表１の結果から、ステータを分割コアとし、かつ、ラップ接合する場合には、電磁鋼板が周方向で重なる箇所に適正寸法のスリットを形成してやることで、磁気損失が大幅に低減され、高効率のモータを得ることができることがわかる。
なお、板厚や素材によっては、スリット長さや幅が大きくなると、本実施例のように、ラップ接合部に歪が発生して、モータ効率が低下する場合があるので、スリット長さは、ステータがラップする長さの１倍以上２倍以下、幅は０．５ｍｍ以下とすることが好ましい。

１：ロータシャフト
２：磁石
３：ロータ（回転子）
４：ティース
５：ヨーク
６：ステータ（固定子）
７：モータケース
８：スロット
９：電磁鋼板
１０：突合せ接合部分
１１：ラップ接合部分
１２：磁束の流れ
１３：渦電流
１４：スリット

Claims (1)

1. 積層した電磁鋼板からなり、１以上のティース部を含むよう複数に分割したコア部材をラップ接合して環状に組み合わせた分割ステータコアにおいて、上記コア部材のヨーク周方向両端部に、周方向長さが隣り合うコア部材のヨークがラップする長さの１倍以上２倍以下、幅が０．５ｍｍ以下、間隔が１ｍｍ以上の周方向に伸びる１以上のスリットを設けてなることを特徴とするモータのステータコア。

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