JP6826566B2 - 回転電機用ステータコアおよび回転電機 - Google Patents

回転電機用ステータコアおよび回転電機 Download PDF

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Description

本発明は、回転電機用ステータコアおよび回転電機に関する。
従来の回転電機では、トルクリプル(トルクむら)を減らす方法として、ステータコアのティース部間にスロットと連通する開口部を形成し、この開口部を軸方向に対して斜めに形成する方法が提案されている。
特開2003−18802号公報
しかしながら、特許文献1に記載のステータコアでは、ティース先端部のダレ部が一致しないため、電磁鋼板の積層間に隙間が存在してしまうことが懸念される。このような隙間が形成されると、電磁鋼板の占積率が低下し、トルク密度が低下する。また、特許文献1に記載のステータコアでは、電磁鋼板のプレス打ち抜き型数の増大によりコストが増加する。
本発明は、前記した従来の課題を解決するものであり、トルクリプルを抑えつつ、製造コストを低減することが可能な回転電機用ステータコアおよび回転電機を提供することを目的とする。
本発明は、ロータを囲むように環状に形成され、軸方向の一端から他端にかけて延びる複数のスロットと、前記スロット間に形成されるティースと、を備えるコア部材を積層してなり、前記ティースは、前記コア部材の内周面側の先端に、当該コア部材の周方向に突出する第一突出部と前記第一突出部よりも突出高さが低い第二突出部とが設けられた第1ティース部と、一対の前記第一突出部および/または一対の前記第二突出部が設けられた第2ティース部とから成り、前記コア部材の内周面には、隣り合う前記ティース間に前記スロットに連通する開口部が形成され、前記開口部の周方向中心は、前記コア部材の中心と前記スロットの周方向中心とを結ぶ軸線に対して周方向にずれて配置され、前記開口部は、積層された前記コア部材に形成された前記スロットが前記コア部材の軸方向に連通するように複数積層された状態で、前記第2ティース部が前記軸方向に隣り合うように設けられ、隣り合って積層された前記コア部材の前記開口部の周方向中心同士が周方向にずれて配置されることを特徴とする。
本発明によれば、トルクリップルを抑えつつ、製造コストを低減することが可能な回転電機用ステータコアおよび回転電機を提供することができる。
第1実施形態のステータコアを示す斜視図である。 第1実施形態のステータコアを備えた回転電機を示す正面図である。 図2のIIIA部の拡大図である。 図2のIIIB部の拡大図である。 第1実施形態のステータコアの他方のコア部材を示す正面図である。 図1のステータコアを展開した状態を模式的に示す図である。 第1実施形態のステータコアのバリ部とダレ部の関係を模式的に示す図である。 第2実施形態のステータコアを示す斜視図である。 第2実施形態のステータコアのバリ部とダレ部の関係を模式的に示す図である。
以下、本発明の実施形態に係る回転電機用ステータコア(以下、ステータコアと表記)について、適宜図面を参照して詳細に説明する。また、部材のサイズおよび形状は、説明の便宜上、変形または誇張して模式的に表す場合がある。
(第1実施形態)
図1は第1実施形態のステータコアを示す斜視図である。なお、以下の図面において、ステータコアの「軸方向」を符号Zで表し、「周方向」を符号Wで表し、「径方向」を符号Rで表すこととする。
図1に示すように、ステータコア1Aは、コア部材10A,10Bを積層し、略円筒状に構成されている。コア部材10A,10Bは、鉄損値、磁束密度および透磁率等の優れた材料で形成された薄板が積層されたリング状のものであり、外表面には絶縁被膜がコーティングされている。なお、図1では、下段にコア部材10A、上段にコア部材10Bとしているが、その逆であってもよい。
コア部材10Aは、W方向に沿ってティース(ステータティース)11とスロット12とが交互に形成されている。コア部材10Bは、コア部材10Aと同一形状のもの(コア部材10Aを裏返しにしたもの)であり、W方向に沿ってティース11とスロット12とが交互に形成されている。なお、図1では、コア部材10Aとコア部材10Bがそれぞれ1枚の厚い部材で構成されているように図示しているが、コア部材10A,10Bはそれぞれ磁性板材をZ方向に複数重ねたもので構成されている。
また、コア部材10Aは、外周側に円筒状(リング状)のコア本体10aを有している。このコア本体10aの内周面からティース11がR方向内側に突出している。ティース11は、W方向に等間隔に形成されている。また、ティース11は、コア本体10aの内周面全体に形成されている。なお、ティース11は、ステータコイル3(図2参照)を巻き回しするための突起である。
スロット12は、隣り合うティース11間に形成されるとともにW方向に等間隔に形成されている。また、スロット12は、ティース11と同数形成されている。
ステータコア1Aは、コア部材10Aのスロット12とコア部材10Bのスロット12とがZ方向に連通するように積層されている。また、ステータコア1Aは、コア部材10Aのティース11とコア部材10Bのティース11とがZ方向に重なるように積層されている。
図2は第1実施形態のステータコアを備えた回転電機を示す正面図である。なお、以下では、永久磁石埋め込み型回転電機(IPMモータ)を例に挙げて説明する。また、図2は、コア部材10A側から見た状態を平面的に示している。
図2に示すように、回転電機100は、ステータ1とロータ2とを備えて構成されている。ステータ1は、ステータコア1Aと、このステータコア1Aに設けられるステータコイル3(巻線)とを備えている。ステータコイル3は、例えば分布巻で複数のスロット12に収められるように巻かれている。ロータ2は、図示しないシャフトに固定されるロータコア2aと、ロータコア2aに設けられる複数の永久磁石2cと、を備えて構成され、ステータ1が生成する回転磁界により回転する。
ロータコア2aは、例えば、円環状の電磁鋼板がZ方向(図1参照)に複数積層されることで構成されている。また、ロータコア2aの外周部には、Z方向に貫通するスロット(磁石収容孔)2bが形成されている。これらのスロット2bは、W方向に沿って配置されている。また、2つのスロット2bが組になって、V字形状に外径側に開くように配置されている。
各スロット2b内には、希土類磁石などで構成された永久磁石2cが収容されている。永久磁石2cは、R方向に磁化され、ロータコア2aの外周部分に複数(本実施形態では8個)の磁極部を形成している。これらの磁極部は、W方向に沿って交互に磁化方向が反転するように構成されている。
ステータコア1Aは、1つの磁極部において、ティース11が6つ配置されるように構成されている。本実施形態では、8つの磁極部があるので、48本のティース11によって構成されている。また、ティース11が48本であるので、48個のスロット12によって構成されている。
また、ステータコア1Aは、一点鎖線で示すように、180度毎に境界部S1,S2が設けられている。これらの境界部S1,S2は、ティース11のR方向の中心Oを通るように設定されている。また、ステータコア1Aは、境界部S1,S2を境にして、図示左側と右側において同数のティース11およびスロット12を備えている。
図2に示すように、コア部材10Aは、第1ティース部11A,11Bと、第2ティース部11C,11Dと、を備えて構成されている。
第1ティース部11Aは、各ティース11の内周面側の先端に、W方向に突出する第一突出部11aと、第一突出部11aよりも突出高さが低い第二突出部11bとが設けられたティース11を複数備えて構成されている。また、第1ティース部11Aは、境界部S1,S2を境にして一側(図示左側)において、第一突出部11aが時計回り方向に突出し、第二突出部11bが反時計回り方向に突出するように構成されている。
第1ティース部11Bは、各ティース11の内周面側の先端に、W方向に突出する第一突出部11aと、第一突出部11aよりも突出高さが低い第二突出部11bとが設けられたティース11を複数備えて構成されている。また、第1ティース部11Bは、境界部S1,S2を境にして他側(図示右側)において、第一突出部11aが反時計回り方向に突出し、第二突出部11bが図示時計回り方向に突出するように構成されている。
第2ティース部11Cは、コア部材10Aの内周面側の先端に、W方向に突出する一対の第突出部11b,11bが設けられている。また、第2ティース部11Cは、境界部S1と重なる位置に設けられている。
第2ティース部11Dは、コア部材10Aの内周面側の先端に、W方向に突出する一対の第突出部11a,11aが設けられている。また、第2ティース部11Dは、境界部S2と重なる位置に設けられている。
図3Aは図2のIIIA部の拡大図、図3Bは図2のIIIB部の拡大図である。
図3Aに示すように、第1ティース部11Aのティース11は、ティース11の内周面側の先端に、W方向(図2の時計回り方向)に突出する第一突出部11aが形成されている。また、第1ティース部11Aのティース11は、ティース11の内周面側の先端に、第一突出部11aとはW方向反対側(図2の反時計回り方向)に突出する第二突出部11bが形成されている。詳述すると、第一突出部11aの突出高さ寸法aは、ティース11のW方向の中央を通りかつR方向に延びる基準線C1から第一突出部11aの先端11a1までの長さである。また、第二突出部11bの突出高さ寸法bは、基準線C1から第二突出部11bの先端11b1までの長さである。第一突出部11aの突出高さ寸法aは、第二突出部11bの突出高さ寸法bよりも長く形成されている。このように、第一突出部11aと第二突出部11bは、非対称(a>b)に形成されている。
また、隣り合うティース11間に形成されるスロット12は、Z方向からの平面視においてR方向に細長く且つ略矩形状に形成されている。また、隣り合うティース11間には、スロット12に連通する開口部13aが形成されている。この開口部13aは、スロット12を挟んで一方のティース11に形成される第一突出部11aの先端11a1と他方のティース11に形成される第二突出部11bの先端11b1との間に形成されている。
また、先端11a1,11b1は、R方向に沿って平面状に形成され、R方向に互いに同じ長さに形成されている。また、第一突出部11aの基端部11a2は、第二突出部11bの基端部11b2よりもR方向の幅が長く形成されている。
また、第1領域における開口部13aの中心St1は、ステータコア1A(図2参照)の中心(軸中心)O(図2参照)とスロット12のW方向中心とを結ぶ軸線C10に対してW方向(時計回り方向)にずれて配置されている。
図3Bに示すように、第1ティース部11Bのティース11は、ティース11の内周面側の先端に、W方向(図2の反時計回り方向)に突出する第一突出部11aが形成されている。また、第1ティース部11Bのティース11は、ティース11の内周面側の先端に、第一突出部11aとはW方向反対側(図2の時計回り方向)に突出する第二突出部11bが形成されている。詳述すると、第一突出部11aの突出高さ寸法aは、第二突出部11bの突出高さ寸法bよりも長く形成されている。
図4は、第1実施形態のステータコアの他方のコア部材を示す正面図である。
図4に示すように、コア部材10Bは、第1ティース部11A,11Bと、第2ティース部11C,11Dと、を備えて構成されている。
第1ティース部11Aは、境界部S1,S2を境にして一側(図示左側)において、第一突出部11aが図示反時計回り方向に突出し、第二突出部11bが図示時計回り方向に突出している。
第1ティース部11Bは、境界部S1,S2を境にして他側(図示右側)において、第一突出部11aが図示時計回り方向に突出し、第二突出部11bが図示反時計回り方向に突出している。
第2ティース部11Cは、コア部材10Bの内周面側の先端に、W方向に突出する一対の第突出部11b,11bが設けられている。第2ティース部11Cは、境界部S2と重なる位置に設けられている。
第2ティース部11Dは、コア部材10Bの内周面側の先端に、W方向に突出する一対の第突出部11a,11aが設けられている。第2ティース部11Dは、境界部S1と重なる位置に設けられている。
このように、ステータコア1Aは、コア部材10Aのような形状の電磁鋼板(磁性板材)を裏返した状態でコア部材10Aに積層することによって構成される。詳述すると、第2ティース部11Cと第2ティース部11DとがZ方向において積層されるように(図1参照)、裏返したコア部材10Bをコア部材10Aに積層することで構成される。
図5は、図1のステータコアを展開した状態を模式的に示す図である。
図5に示すように、ステータコア1Aは、積厚方向基準(Z方向基準)として、図示下側(一方)にA層(第1層)としてコア部材10Aが配置され、図示上側(他方)にB層(第2層)としてコア部材10Bが配置される。なお、A層およびB層は、コア部材10A,10Bが薄い磁性板材を複数枚積層した構成である。
また、コア部材10A(A層)は、周方向基準(0°)として、0〜180°間に、時計回り方向に長いティース(第一突出部11a)が配置されている。また、コア部材10A(A層)は、0〜−180°間に、反時計回り方向に長いティース(第一突出部11a)が配置されている。一方、コア部材10B(B層)は、周方向基準(0°)として、0〜180°間は、反時計回り方向に長いティース(第一突出部11a)が配置されている。また、コア部材10B(B層)は、0〜−180°間は、時計回り方向に長いティース(第一突出部11a)が配置されている。
このように、ステータコア1Aにおいて、第一突出部11aの向きがW方向に180°ずれて配置されていることから(図1参照)、開口部13a,13bをW方向にずらした状態で積層することができる(スキューさせることができる)。その結果、パーミアンス分布を打ち消すことができることにより、トルクリプルを低減することが可能になる。また、ステータコア1Aでは、積厚基準に対して磁気的に対称に構成されているので、回転電機100においてスラスト力が発生し難い構造になっている。
図6は、第1実施形態のステータコアのバリ部とダレ部の関係を模式的に示す図である。なお、図6では、バリ部とダレ部を簡略化して図示している。
ところで、ステータコア1Aのコア部材10A,10Bは、例えば、薄い鉄板を打ち抜き加工した薄い電磁材がZ方向に複数重ねられることによって構成される。このような加工法では、磁性板材(電磁鋼板)を切断した縁部にバリ部10sおよびダレ部10tが発生する。この場合、コア部材10Aとコア部材10Bとが積層される境界部分において、バリ部同士が向き合うように配置されると、コア部材10Aとコア部材10Bとの間に隙間が発生し、電磁鋼板(磁性板材)の占積率が低下し、トルク密度が低下することになる。
そこで、図6に示すように、第1実施形態では、コア部材10Aにおいて、図示下向きにバリ部10sおよびダレ部10tが向くようにし、コア部材10Bにおいて、図示上向き(コア部材10Aとは逆向き)にバリ部10sおよびダレ部10tが向くようにしたものである。このように、ダレ部10t同士が向き合うようにコア部材10A,10Bを積層することで、バリ部10s同士が干渉するのを防ぐことができ、電磁鋼板(磁性板材)の占積率が低下するのを抑制できる。
以上説明したように、第1実施形態のステータコア1Aは、ロータ2を囲むように環状に形成され、Z方向の一端から他端にかけて延びる複数のスロット12と、スロット12間に形成されるティース11と、を備えるコア部材10A,10Bを積層してなる。ティース11は、コア部材10A,10Bの内周面側の先端に、当該コア部材10A,10BのW方向に突出する第一突出部11aと、第一突出部11aよりも突出高さが低い第二突出部11bとが設けられた第1ティース部11A,11Bを有している。また、ティース11は、一対の第一突出部11aが設けられた第2ティース部11および一対の第二突出部11bが設けられた第2ティース部11を有している。これによれば、1種類の電磁鋼板を裏返して積層するだけでスキュー効果(トルクリプル低減効果)を得ることができるので、従来のロータスキューや、ステータ先端スキューに対して同様の効果がありながら、製造コストを大幅に低減できる。
また、第1実施形態では、積層コア(積層したコア部材10A,10B)の内周面には、隣り合うティース11間においてスロット12に連通する開口部13a,13bが形成されている。開口部13a,13bのW方向の中心St1は、コア部材10A,10Bの中心Oとスロット12のW方向中心(基準線)C1とを結ぶ軸線C10に対してW方向にずれて配置されている。これによれば、第一突出部11aと第二突出部11bとの非対称性を大きくでき、トルクリプル低減効果を大きくすることが可能になる。
また、第1実施形態では、積層コア(積層したコア部材10A,10B)は、第1ティース部11Aの第一突出部11aの向きが、W方向一側に向いて1以上含むA層(コア部材10A)と、第1ティース部11Bの第一突出部11aの向きが、W方向他側に向いて1以上含むB層(コア部材10B)とから成る。これによれば、コア部材10A,10Bを裏返すだけでスキュー効果(トルクリプル低減効果)を得ることができる。A層とB層の2層だけにすることで、バリ部10s同士が向き合うことを防止でき、バリ部10s処理に伴うコスト増を抑制できる。
また、第1実施形態では、開口部13a,13bは、積層コア(積層されたコア部材10A,10B)に形成されたスロット12がコア部材10A,10BのZ方向に連通するように複数積層された状態で、A層およびB層を交互に積層することによってスキューされる。これによれば、A層とB層を交互に積層することによってスキューできる。
また、第1実施形態では、開口部13a,13bが積層コア(積層されたコア部材10A,10B)に形成されたスロット12がZ方向に連通するように複数積層された状態で、Z方向に隣り合う第2ティース部の突出高さが一致する。これによれば、第一突出部11a同士の干渉を防止できる。
また、第1実施形態では、積層コア(積層されたコア部材10A,10B)は、180度ごとに境界部S1,S2が設けられ、第一突出部11aおよび第二突出部11bのW方向の向きは、境界部S1,S2を起点としてW方向反対である。これによれば、簡単な構成でスキュー効果を発揮できる。
また、第1実施形態では、境界部S1,S2は、第2ティース部11C,11Dを通るように設けられる。これによれば、ステータコア1Aの全周において、第2ティース部11C,11Dを含めて開口部13a,13bをW方向にずらすことができる(スキューさせることができる)。
(第2実施形態)
図7は、第2実施形態のステータコアを示す斜視図である。
図7に示すように、第2実施形態のステータコア1Bは、コア部材10A(第1層)、コア部材10C(第2層)およびコア部材10A(第1層)を積層して、略円筒状に構成されている。コア部材10A,10Cは、例えば、電磁鋼板(磁性板材)を複数重ねて構成されている。
また、コア部材10Cは、Z方向の長さが、コア部材10Aの2倍の長さとなるように構成されている。コア部材10Cは、コア部材10Aを第1実施形態と同様に裏返して、コア部材10Aに積層されている。
このようなステータコア1Bでは、下段のコア部材10Aにおいて、開口部13a,13bがコア部材10Cの開口部13c,13dに対してW方向にずれて配置されている。同様に、上段のコア部材10Aの開口部13a,13bは、コア部材10Cの開口部13c,13dに対してW方向にずれて配置されている。
図8は、第2実施形態のステータコアのバリ部とダレ部の関係を模式的に示す図である。
図8に示すように、ステータコア1Bは、上段のコア部材10Aにおいて図示上向きにバリ部10sとダレ部10tが向くようにし、コア部材10Cにおいて図示下向きにバリ部10sとダレ部10tが向くようにする。この場合、下段のコア部材10Aでは、上段のコア部材10Aと同様に、図示上向きにバリ部10sとダレ部10tが向くようになる。このため、下段のコア部材10Aのバリ部10sとコア部材10Cのバリ部10sとが互いに向き合う状態になる。
このようなステータコア1Bでは、バリ部10sの干渉を防止するために、バリ部10sを面取りする処理を行うか、電磁鋼板(磁性板材)の接着積層の厚みを厚くして、バリ部10sが干渉しないような処理が行われる。これに対して、第1実施形態では、A層(コア部材10A)とB層(コア部材10B)の2層にすることで、バリ部10s同士が向き合わないようにできるので、前記した処理が不要になり、コスト増を抑えることができる。
なお、本発明は、前記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、本実施形態では、第2ティース部11C,11Dとして、一対の第一突出部11aと一対の第二突出部11bとを備えた場合を例に挙げて説明したが、一対の第一突出部11aのみで構成されたものでもよく、一対の第二突出部11bのみで構成されたものでもよい。
また、前記した実施形態では、薄い磁性板材を複数積層したコア部材10A,10B,10Cを例に挙げて説明したが、各コア部材がひとつの厚い板材(1層のもの)で構成されたものでもよい。
1 ステータ
1A,1B,1C ステータコア
2 ロータ
2a ロータコア
2b スロット
2c 永久磁石
10A,10B,10C コア部材
10a コア本体
10s バリ部
10t ダレ部
11 ティース
11A,11B 第1ティース部
11C,11D 第2ティース部
11a 第一突出部
11b 第二突出部
12 スロット
13a,13b 開口部
13c,13d 開口部
100 回転電機
S1,S2 境界部

Claims (6)

  1. ロータを囲むように環状に形成され、軸方向の一端から他端にかけて延びる複数のスロットと、前記スロット間に形成されるティースと、を備えるコア部材を積層してなり、
    前記ティースは、前記コア部材の内周面側の先端に、当該コア部材の周方向に突出する第一突出部と前記第一突出部よりも突出高さが低い第二突出部とが設けられた第1ティース部と、一対の前記第一突出部および/または一対の前記第二突出部が設けられた第2ティース部とから成り、
    前記コア部材の内周面には、隣り合う前記ティース間に前記スロットに連通する開口部が形成され、
    前記開口部の周方向中心は、前記コア部材の中心と前記スロットの周方向中心とを結ぶ軸線に対して周方向にずれて配置され、
    前記開口部は、積層された前記コア部材に形成された前記スロットが前記コア部材の軸方向に連通するように複数積層された状態で、前記第2ティース部が前記軸方向に隣り合うように設けられ、
    隣り合って積層された前記コア部材の前記開口部の周方向中心同士が周方向にずれて配置されることを特徴とする回転電機用ステータコア。
  2. 積層した前記コア部材は、前記第1ティース部の前記第一突出部の向きが、周方向一側に向いて1以上含む第1層と、前記第1ティース部の前記第一突出部の向きが、周方向他側に向いて1以上含む第2層とから成ることを特徴とする請求項1に記載の回転電機用ステータコア。
  3. 前記開口部は、積層された前記コア部材に形成された前記スロットが前記コア部材の軸方向に連通するように複数積層された状態で、前記第1層および前記第2層を交互に積層することによってスキューされることを特徴とする請求項2に記載の回転電機用ステータコア。
  4. 積層された前記コア部材は、180度ごとに境界部が設けられ、
    前記第一突出部および前記第二突出部の周方向の向きは、前記境界部を起点として周方向反対であることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の回転電機用ステータコア。
  5. 前記境界部は、前記第2ティース部を通るように設けられることを特徴とする請求項4に記載の回転電機用ステータコア。
  6. 請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の回転電機用ステータコアを備えたことを特徴とする回転電機。
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