JP5903545B2 - コア素材、ステータコアおよびこのステータコアを備えたモータ - Google Patents

Description

本発明は、ブラシレスモータ等のモータに用いられるステータコアのコア素材に関するものである。

従来、コア素材を変形させることでモータのステータコアを形成する手法が知られている。すなわち、この種のステータコアを製造するにあたり、次のような手法によって、製造時の磁性鋼板の歩留を向上させている。まず、磁性鋼板からコア素材を打抜く際、環状とせずに帯状となるコア素材へと打抜いている。このとき、コア素材は帯状に連なる複数のコア片で構成される。そして、打抜いたコア素材を環状に変形させることでステータコアを形成している。

具体的には、ティース部およびヨーク部を有する所定数のコア片どうしを、連結部を介して相互に連結した状態で磁性鋼板から打抜く。そして、連結部を塑性変形させて折り曲げ、環状のステータコアにする。このとき、連結部に切欠き部と連結方向に長い貫通孔とを設けて塑性変形しやすいようにしていた（例えば、特許文献１参照）。また、貫通孔を略円形としたものもある（例えば、特許文献２参照）。

図１０は、特許文献１に記載された従来のコア素材９１の構成を示す図である。図１０に示すように、コア素材９１は、連結部となる薄肉部９７で連結された複数のコア片９２で構成されている。また、コア片９２は、ティース部９５とヨーク部９６とを含む。さらに、コア素材９１は、コア片９２間において、接合面９３ａ、９３ｂを有した切欠き部９３が形成されており、切欠き部９３の先端側には拡開した貫通孔９４が形成されている。

しかしながら、上述した図１０のような従来の構成では、貫通孔９４が連結方向に長く、薄肉部９７も貫通孔９４に平行して連結方向に長くなるため、環状に変形するとき、薄肉部９７に明確な曲げの支点が無いことになる。このため薄肉部９７を塑性変形させて折り曲げる際、各ヨーク部９６への力の加わり方によって曲げの支点が各連結部で同じ位置にならず、切欠き部９３の接合面９３ａ、９３ｂにズレが生じるおそれがあった。このように、従来の構成では、各連結部の接合状態が一定にならないため、ティースの真円度が悪化するという課題を有していた。

また、特許文献２に記載のように、貫通孔を略円形にする構成では、各連結部の曲げの支点は一定となるが、薄肉部の領域が狭くなる。このため、環状にするための加工力が大きくなり、接合面に加わる圧縮応力の増加による鉄損の増加とこの鉄損によるモータ効率の低下という課題を有していた。

特開平９−３０８１４３号公報 特開平１１−２８９６９５号公報

本発明のコア素材は、ティース部およびヨーク部を有する所定数のコア片が連結部を介して連結され、連結部を塑性変形させてステータコアを形成するためのコア素材である。本コア素材の連結部は、Ｖ字状の切欠き部と、切欠き部の先細部分に設けられた連結方向に長い貫通孔と、貫通孔の外側に設けられ、コア片どうしを連結する薄肉部とを備える。そして、薄肉部は、貫通孔と反対側の端縁が平坦であり、薄肉部の幅を、切欠き部のＶ字を構成する２辺の対称軸線上から離れるに従って太くするとともに、薄肉部の対称軸線上の幅をＷとしたとき、Ｖ字を構成する２辺の延長線の交点を、薄肉部の切欠き方向内側から０．３Ｗ以内でかつ薄肉部内とした構成である。

これによって、塑性変形の際、薄肉部の最も幅の狭い部分に応力が集中し、ここが曲げの支点となる。このことから、各連結部における曲げの支点がほぼ同じ位置になり、接合面にズレを生じることなく塑性変形を行うことができる。

また、切欠き部の２辺の延長線の交点を、薄肉部の切欠き方向内側から０．３Ｗ以内でかつ薄肉部内にすることで、設計上の曲げの支点と塑性変形時の磁性鋼板の曲げの支点とをほぼ一致させることができる。このため、切欠き部の接合面をほぼ平行に接合できることとなり、僅かな加工力で塑性変形を行うことができる。

このように、本発明のコア素材は、塑性変形させるとき、接合面にズレを生じることなく、ほぼ平行に接合できる。このため、本コア素材は、ティースの真円度を良好に保つことができるとともに、僅かな加工力で塑性変形が行える。さらに、接合面に生じる圧縮応力を抑制することができるので、鉄損の増加を抑制し、モータ効率を向上することができる。

また、本発明のステータコアは、このようなコア素材によって形成される。

また、本発明のモータは、このようなステータコアを備えている。

図１は、本発明の実施の形態１におけるコア素材の平面図である。 図２は、同コア素材の連結部近傍の平面図である。 図３は、本発明の実施の形態１におけるステータコアの構成を示す上面図である。 図４Ａは、本発明の塑性変形時における曲がり初めでの連結部近傍の応力分布を示す図である。 図４Ｂは、比較例の塑性変形時における曲がり初めでの連結部近傍の応力分布を示す図である。 図５Ａは、本発明の接触時における連結部近傍の応力分布を示す図である。 図５Ｂは、比較例の接触時における連結部近傍の応力分布を示す図である。 図６は、交点Ｐの位置と接合面の隙間の関係を示す図である。 図７は、本発明の実施の形態２におけるコア素材の連結部近傍の平面図である。 図８Ａは、同コア素材の凸部、凹部の他の形状例を示す図である。 図８Ｂは、同コア素材の凸部、凹部のさらに他の形状例を示す図である。 図８Ｃは、同コア素材の凸部、凹部のさらに他の形状例を示す図である。 図９は、本発明の実施の形態３におけるモータの断面図である。 図１０は、従来のコア素材の平面図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１におけるコア素材１０の平面図である。

図１に示すように、コア素材１０は、連結部２を介して連結された複数のコア片２０で構成されている。また、コア片２０は、それぞれがティース部５とヨーク部６とで構成されている。コア素材１０は、帯状の磁性鋼板から、このような所定の形状に打抜くことで形成される。

このように、本実施の形態のコア素材１０は、ティース部５およびヨーク部６を有する複数のコア片２０が連結部２を介して連結されている。そして、このコア素材１０の連結部２それぞれを塑性変形させることで、環状のステータコアが形成される。

図２は、本発明の実施の形態１におけるコア素材１０の連結部２近傍の平面図である。

図２に示すように、連結部２は、コア片２０間において形成され、薄肉部７と切欠き部３と貫通孔４とを含む構成である。コア片２０どうしは薄肉部７によって連結され、コア片２０それぞれが、薄肉部７を介して連結方向に配置される。また、コア片２０どうし間には、切欠き部３と貫通孔４とによる開口が形成されている。

薄肉部７は、連結方向において、その中心部の幅が最も細く、コア片２０に近づくに従ってその幅が広くなるように形成されている。

貫通孔４は、薄肉部７と接するように開口した孔である。貫通孔４は、切欠き部３の切欠き方向に比べて連結方向が長くなる孔の形状としている。すなわち、貫通孔４は、図２のように、両端に丸みを含む楕円のような孔形状としている。

切欠き部３は、貫通孔４の薄肉部７の反対側から、連結方向に対して垂直となる方向へとＶ字状に開口した切欠きである。貫通孔４の開口と切欠き部３の先細側の開口とは繋がっており、切欠き部３は、貫通孔４から離れるに従って開口幅が広くなるように形成されている。また、切欠き部３のＶ字を構成する２辺は、等しい長さとしており、ステータコア形成時にそれぞれが接する接合面３ａ、３ｂとなる。

このように、本実施の形態の連結部２には、Ｖ字状の切欠き部３を設け、Ｖ字状の切欠き部３の先細部分に、連結方向に長い貫通孔４を設け、貫通孔４の外側に薄肉部７を設けている。

このようなコア素材１０の連結部２における薄肉部７をそれぞれ塑性変形させて折り曲げることで、環状のステータコアが形成される。

図３は、このようにして形成された本実施の形態のステータコア３０の構成を示す上面図である。図３に示すように、ステータコア３０は、コア素材１０の各接合面３ａ、３ｂが接することで環状のヨーク３６が形成され、ヨーク３６から複数のティース３５が径方向の内周側へと突出している。

次に、連結部２のさらに詳細について説明する。

まず、図２に示すように、薄肉部７の塑性変形前の幅を、切欠き部３のＶ字を構成する２辺の対称軸線Ｓ上から連結双方向に離れるに従って太くしている。ここで、図２では、薄肉部７の対称軸線Ｓ上の幅をＷとしており、薄肉部７においてこの幅Ｗが最も薄くなる。さらに、切欠き部３を構成する２辺の延長線の交点Ｐを、薄肉部７の切欠き方向内側、すなわち貫通孔４側から０．３Ｗ以内でかつ薄肉部７内にあるように構成している。すなわち、対称軸線Ｓと薄肉部７の貫通孔４側の境界線との交点を境界点として、交点Ｐが、対称軸線Ｓ上において境界点と境界点から０．３Ｗ離れた点との範囲内に位置するように、連結部２を形成している。

次に、以上のように構成されたコア素材１０と比較例として挙げるコア素材との比較およびその結果について、以下説明する。ここで、比較例として薄肉部の幅が均一なコア素材を作成し、本発明のコア素材１０と比較した。

図４Ａは本発明、図４Ｂは比較例の塑性変形時における曲がり初めでの連結部近傍の応力分布を示す図である。また、図５Ａは本発明、図５Ｂは比較例の接触時における連結部近傍の応力分布を示す図である。これらの応力分布については、構造解析を行うＣＡＥによりミーゼス応力を算出した。

図４Ａおよび図４Ｂにおいて、ミーゼス応力が最大となる箇所を矢印で示している。図４Ｂに示すように、薄肉部の幅が均一である比較例では、曲がり始めに力のかかり方によって応力の集中する箇所が一定では無く、曲げの支点が安定しない。このため、図５Ｂに示すように、接触時に接合面にズレが生じる。

一方、本発明では、図４Ａに示すように、薄肉部７の最も幅の狭い部分に応力が集中し始めるため、ここが曲げの支点となる。このことから、各連結部２における曲げの支点がほぼ同じ位置になる。このため、図５Ａに示すように、接合面３ａ、３ｂにズレを生じることなく塑性変形を行うことができる。

また、切欠き部３のＶ字を構成する２辺の延長線の交点Ｐを、種々変化させて一定の力を加えて塑性変形させた場合の切欠き部３の隙間をＣＡＥにより算出した。交点Ｐの位置と接合面の隙間との関係を図６に示す。

図６の中で交点Ｐの位置が薄肉部７の切欠き方向内側からＷ比０．３より大きい領域では、隙間が０以下、すなわちコア素材１０を環状に形成する前に切欠き部３の接合面３ａ、３ｂが当接してしまい、環状に形成することができないためＮＧとなる。これに対し、交点Ｐの位置が薄肉部７の内側からＷ比０．３以内の領域においては、設計上の曲げの支点と変形時の曲げの支点がほぼ一致し、僅かな加工力で接合面３ａ、３ｂがほぼ平行に当接することになる。この結果より、交点Ｐを薄肉部７の切欠き方向内側から０．３Ｗ以内でかつ薄肉部７内にすることで、設計上の曲げの支点と塑性変形時の磁性鋼板の曲げの支点とをほぼ一致させることができる。よって、切欠き部３の接合面３ａ、３ｂがほぼ平行に接合されることから、形成されたステータコアのティースの真円度を良好に保ち、僅かな加工力で塑性変形を行うことができる。さらに、接合面に生じる圧縮応力を抑制することができるので、鉄損の増加を抑制しモータ効率を向上させることができる。

なお、接合面３ａと３ｂとの間は、密着した場合を示したが、微小な隙間を開けてもよい。

（実施の形態２）
図７は、本発明の実施の形態２におけるコア素材４０の連結部近傍の平面図である。

図７において、図１で示した実施の形態１と同様の構成要素については同一の符号を付しており、詳細な説明は省略する。本実施の形態のコア素材４０は、実施の形態１の構成から、さらに、切欠き部３の接合面３ａ、３ｂの一方に凸部８ａを設け、これと対向する接合面には、凸部８ａと嵌合可能なように凹部８ｂを設けた構成である。

以上のように構成されたコア素材４０について、以下その詳細を説明する。

まず、ステータコアを形成するにあたり塑性変形の際に、凸部８ａと凹部８ｂが嵌合することとなる。そして、全ての連結部２を塑性変形させることで図３に示したようなステータコアが形成される。

本実施の形態では、切欠き部３にこのような嵌合部を設けた構成であるため、形成されたステータコアに対して径方向に力が加わった場合、この嵌合によって径方向の力を受け止める。このため、外力などによる変形を抑制でき、ステータコアの真円度を保持することができる。また、接合面３ａと接合面３ｂとの接触面積を増やすことができるため、機械的な強度も増加することになる。

以上のように、本実施の形態においては、切欠き部３の接合面３ａ、３ｂの一方に凸部８ａを設け、これと対向する接合面には、凸部８ａと嵌合可能なように凹部８ｂを設けたことにより、凸部８ａと凹部８ｂが嵌合し、機械的な強度を向上させることができる。

なお、凸部８ａと凹部８ｂの形状は図７のような円弧状だけでなく、図８Ａや図８Ｂに示すような多角形、あるいは図８Ｃに示すような多角形と円弧との組合せの形状でもよく、その大きさは接合面３ａ、３ｂの一部分でも全長であってもよい。

（実施の形態３）
図９は、本発明の実施の形態３におけるモータ５０の断面図である。

図９に示すように、本実施の形態のモータ５０は、ロータ６０とステータ７０とを備えている。ロータ６０は、円柱状のロータヨーク６１の外周にマグネット６３を保持して回転軸６４を中心に回転する。また、ステータ７０は、ステータコア３０に巻線７１が巻回されている。

ロータ６０において、回転軸６４がロータヨーク６１を貫通して、回転軸６４とロータヨーク６１とが固着されている。また、ロータヨーク６１の外周側には、着磁されたリング状のマグネット６３が一体に固着されている。ロータヨーク６１から延伸した回転軸６４はそれぞれ軸受６５を貫通し、ロータ６０が軸受６５により回転自在に支承されている。

また、ステータ７０は、実施の形態１または実施の形態２で説明したステータコア３０を備えている。本実施の形態では、上述したようにコア素材１０を塑性変形させて形成した１枚のステータコア３０を、さらに複数枚積層してステータコア３０を構成した一例を示している。このようなステータコア３０の各ティース３５に、巻線７１を巻回している。

このように、モータ５０は、ステータコア３０の各ティース３５とロータ６０の各マグネット６３とが対面するように、ロータ６０がステータコア３０の内周側に配置されている。

モータ５０は、巻線７１に交流電力を印加することで、回転軸６４を中心にロータ６０が回転する。

以上説明したように、本発明のコア素材は、連結部が、Ｖ字状の切欠き部と、切欠き部の先細部分に設けられた連結方向に長い貫通孔と、貫通孔の外側に設けられ、コア片どうしを連結する薄肉部とを備えている。そして、薄肉部の幅を、切欠き部のＶ字を構成する２辺の対称軸線上から離れるに従って太くするとともに、薄肉部の対称軸線上の幅をＷとしたとき、Ｖ字を構成する２辺の延長線の交点を、薄肉部の切欠き方向内側から０．３Ｗ以内でかつ薄肉部内とした構成である。

これにより、コア素材を塑性変形させるとき、接合面にズレを生じることなく、ほぼ平行に接合できる。このため、本コア素材は、ティースの真円度を良好に保つことができるとともに、僅かな加工力で塑性変形が行える。さらに、接合面に生じる圧縮応力を抑制することができるので、鉄損の増加を抑制し、モータ効率を向上させることができる。

また、本発明のステータコアは、このようなコア素材によって形成される。これにより、真円度が良好なステータコアを提供できる。

また、本発明のモータは、このようなステータコアを備えている。これにより、効率よいモータを提供できる。

本発明にかかるコア素材は、ティースの真円度を良好に保つことができるとともに、僅かな加工力で塑性変形が行えることに加え、接合面に生じる圧縮応力の抑制による鉄損増加の抑制とモータ効率の向上が可能となるので、各種のモータおよび発電機等の用途にも適用できる。

２ 連結部
３，９３ 切欠き部
３ａ，３ｂ，９３ａ，９３ｂ 接合面
４，９４ 貫通孔
５，９５ ティース部
６，９６ ヨーク部
７，９７ 薄肉部
８ａ 凸部
８ｂ 凹部
１０，４０，９１ コア素材
２０，９２ コア片
３０ ステータコア
３５ ティース
３６ ヨーク
５０ モータ
６０ ロータ
６１ ロータヨーク
６３ マグネット
６４ 回転軸
６５ 軸受
７０ ステータ
７１ 巻線

Claims (7)

1. ティース部およびヨーク部を有する所定数のコア片が連結部を介して連結され、前記連結部を塑性変形させてステータコアを形成するためのコア素材であって、
   前記連結部は、
   Ｖ字状の切欠き部と、
   前記切欠き部の先細部分に設けられ、連結方向に長い貫通孔と、
   前記貫通孔の外側に設けられ、コア片どうしを連結する薄肉部とを備え、
   前記薄肉部は、前記貫通孔と反対側の端縁が平坦であり、
   前記薄肉部の幅を、前記切欠き部のＶ字を構成する２辺の対称軸線上から離れるに従って太くするとともに、前記薄肉部の前記対称軸線上の幅をＷとしたとき、前記Ｖ字を構成する２辺の延長線の交点を、前記薄肉部の切欠き方向内側から０．３Ｗ以内でかつ前記薄肉部内としたことを特徴とするコア素材。
2. 前記切欠き部の一方の接合面に凸部を設け、これと対向する接合面には、前記凸部と嵌合可能なように凹部を設けたことを特徴とする請求項１に記載のコア素材。
3. 前記連結部は、前記貫通孔と反対側の辺が直線状であることを特徴とする請求項１または２に記載のコア素材。
4. 前記ヨーク部は、ティース部が突出する側の辺が直線状であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のコア素材。
5. 前記Ｖ字を構成する２辺の延長線の交点を、前記薄肉部の切欠き方向内側から０．２２Ｗ以上としたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項にコア素材。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載のコア素材により形成されたことを特徴とするステータコア。
7. 請求項６に記載のステータコアを備えたモータ。