JP6832767B2 - 電動機用ヨーク、およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、電動機のステータ等を構成するヨーク、およびその製造方法に関する。

電動機では、振動や騒音を低減するために、ロータが回転する際のトルクリプル（トルク変動）を低減し、回転むらを抑制することが行われている。
たとえば、特許文献１には、永久磁石を備えたロータと、コイルが巻回されるステータと、を備えたモータに対して、磁性材からなる磁性管をステータの内径に密着させる構成が開示されている。

特開平１１-１８３３２号公報

ところで、特許文献１の構成では、磁性管を新たに用意する必要があるうえに、磁性管を組付ける際に、ステータと磁性管との密着度を各部位で均一にすることが困難であるため、コストが高騰してしまうという問題がある。

本発明は、前述の点に鑑みてなされたものであり、低コストで、トルクリプルを低減することができる電動機用ヨーク、およびその製造方法を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明に係る電動機用ヨークは、円環形状を有する薄板状の磁性材からなり、積層されてロータとステータのどちらか一方を構成するコア板と、該コア板を構成し、径方向に沿って延在するティースと、該コア板を構成し、隣接する該ティースの一端側の間に位置しつつ、該ロータと該ステータの他方に面する前面側コアと、を備えた電動機用ヨークにおいて、前記前面側コアは、前記ティース間の中間部分に位置する部位に、他の部位よりも板厚が薄く設定された薄肉部を備え、前記薄肉部は、径方向に沿って板厚が変化することを特徴とする。

本発明によれば、低コストで、トルクリプルを低減することができる電動機用ヨークを提供することができる。

第１実施形態に係る回転電機を示す断面図である。 第１実施形態に係る電動機用ヨークを示す斜視図である。 第１実施形態に係るコア板を示す斜視図である。 第１実施形態に係る薄肉部を示す要部拡大図である。 第１実施形態に係るコア板を重ねた状態での薄肉部を示す要部拡大図である。 薄肉部における潰し量とリプル率との関係を示す特性図である。 高調波成分の薄肉部における潰し量とリプル率との関係を示す特性図である。 第２実施形態に係る薄肉部を示す要部拡大図である。 第２実施形態に係るコア板を重ねた状態での薄肉部を示す要部拡大図である。 第３実施形態に係る薄肉部を示す要部拡大図である。 第３実施形態に係るコア板上に配置される薄肉部を示す要部拡大図である。 第３実施形態の別態様に係る薄肉部を示す要部拡大図である。 第４実施形態に係る薄肉部を示す要部拡大図である。 第４実施形態に係るコア板上に配置される薄肉部を示す要部拡大図である。 第４実施形態の別態様に係る薄肉部を示す要部拡大図である。

本発明の第１実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、説明において、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
図１は、本第１実施形態に係る電動機１０１の全体構成を示す概略構成図（断面図）である。電動機１０１は、例えば電気自動車等の車両に動力源として搭載される。
なお、本願発明の給電ユニットは、車両用の電動機１０１に限らず、固定式の電動機やその他用途の電動機にも適用が可能である。

電動機１０１は、図１に示すように、ケース１０２と、ロータ１０３と、ステータ１０４と、を備えている。
ケース１０２は、両端が閉止された略円筒形状を備え、その内部に、円柱状の空間が形成されている。
ロータ１０３は、ケース１０２の軸心部に回転可能に軸支されている。
ステータ１０４は、図２に示すように、筒形状を備え、図１に示すように、筒内にロータ１０３が配置される。そして、ステータ１０４は、図２に示すように、コア板積層体１０５と、コア板積層体１０５に装着されたコイル１０６とを備えている。
つまり、本実施形態の電動機用ヨークは、コア板積層体１０５として、ステータ１０４を構成している。

コア板積層体（電動機用ヨーク）１０５は、図２に示すように、同様の形状を備えた複数のコア板１０を積層することで構成され、略円筒形状を呈している。
コア板１０は、図３に示すように、円環状に打ち抜かれた薄板状の磁性鋼板で形成されている。また、コア板１０は、スロット１１、ティース１２、背面側コア１３、および前面側コア１４を備えている。

スロット１１は、図３に示すように、径方向に沿って板面を貫通する長孔からなり、コア板１０の周方向に等角度間隔で配置されている。
ティース１２は、スロット１１とスロット１１の間に位置し、径方向に沿って延在し、前面側コア１４と背面側コア１３とを連結している。また、ティース１２には、コイル１０６がＳＣ形式で巻回される（図２参照）。
背面側コア１３は、隣接するティース１２の外径側を繋いでいる。
前面側コア１４は、ロータ１０３（図１参照）に面しつつ、隣接するティース１２の内径側を繋いでいる。
そして、隣接する一対のティース１２と、前面側コア１４と、背面側コア１３とで磁路ＭＣが形成されている。なお、ティース１２は、隣接する磁路ＭＣを兼ねている。

前面側コア１４は、図４、図５に示すように、ティース１２とティース１２との間の中間部分（周方向の中間部分）に、薄肉部１５を備えている。
前面側コア１４の幅寸法は、ティース１２側の根元部分から徐々に狭くなり、薄肉部１５で最も狭くなるように設定されている。
薄肉部１５は、前面側コア１４の板厚方向に窪む半円形の窪みによって形成され、その板厚寸法が、前面側コア１４におけるティース１２側の根元部分よりも薄くなるように設定されている。
つまり、磁気回路の中で、磁束密度が、薄肉部１５の中央部分で最も高くなるように（磁束が前面側コア１４の中央部分に集中するように）、前面側コア１４の形状が設定されている。

また、薄肉部１５は、鍛造やプレス等の潰し加工、および切削加工等によって、他の部位よりも薄肉に形成されている。
コア板１０の形成には、コア板１０の外形形状、およびスロット１１を打ち抜く型抜き工程と、鍛造やプレス等の潰し加工、および切削加工等によって、薄肉部１５を形成する減肉工程とが行われる。なお、型抜き工程と減肉工程の作業順は、スロット１１、および薄肉部１５の形状等を考慮し、適宜決定される。

また、薄肉部１５は、図６に示すように、その減肉率に応じて、リプル率が増減する。なお、減肉率は、他の部位の板厚に対する減肉の割合を表し、リプル率は、設定トルクに対する出力トルクの変動量を表している。そして、薄肉部１５は、減肉率２０％程度で、最もトルクリプルが低減され、減肉率が４５％以上になると、薄肉部１５を設けない場合よりもトルクリプルが顕在化することが読み取れる。

また、コイル１０６に供給される電力に起因する高調波の影響によって、高調波成分の次数毎にトルクリプルが発生する。そして、図７では、発生するトルクリプルは、高調波成分の次数毎に傾向が異なり、抑制に適した減肉率がそれぞれ異なることが読み取れる。
なお、図６、図７は、電動機１０１の一例であり、最適な減肉率は機種によって異なる。

なお、図６、図７では、設定トルクを１５０Ｎｍに設定しているが、薄肉部１５がこのようなトルク域に限定して機能するものではない。
たとえば、トルクリプルが最も顕著に表れるトルク域、乗員が違和感を受け易い運転状況で多用されるトルク域、および他の関連機器への影響が大きなトルク域等を設定トルクに設定することができる。そして、設定される各トルク域に応じて、高調波成分を考慮しつつ、薄肉部１５の減肉率を設定する。

次に、本第１実施形態に係る電動機用ヨーク（コア板積層体１０５）の作用効果について説明する。
本第１実施形態の電動機用ヨークでは、前面側コア１４におけるティース１２間の中間部分（周方向の中間部分）に、他の部位よりも板厚が薄く設定された薄肉部１５を備えている（図３参照）。
これによって、ティース１２の一端側から前面側コア１４における磁束変動が緩やかになるため、トルクリプルが低減されるとともに、渦電流損の発生を抑制することができる。

また、薄肉部１５を備えることで、前面側コア１４における中央部分の占積率を低減（断面積をより小さく）できるため、磁気飽和しやすくなる。
これによって、高トルク領域でのトルク低下を抑制することができる。
そして、薄肉部１５は、潰し加工や切削加工等の比較的安価な加工方法での形成が可能である。
以上のことから、薄肉部１５を設けることで、低コストでトルクリプルを低減することができる。

また、本第１実施形態では、薄肉部１５の周方向における中央部分の板厚が、最も薄くなるように設定されている。
これによって、ティース１２の一端側から前面側コア１４における磁束変動が、さらに緩やかになるため、トルクリプルが低減されるとともに、渦電流損の発生を抑制することができる。

さらに、本第１実施形態では、前面側コア１４は、中央部分で分割せずに一体に構成されており、磁路ＭＣが途中で途切れずに閉じている。
これによって、ティース１２の一端側から前面側コア１４における磁束変動を、緩やかにすることができる。
なお、本第１実施形態では、電動機用ヨークとして、ステータ１０４を構成するコア板積層体１０５を例示したが、これに限定されるものではない。たとえば、ロータ１０３を構成するヨークとして採用することも可能であり、本実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

以上、本願発明の第１実施形態について図面を参照して詳細に説明したが、本願発明はこのような形態に限定されるものではなく、発明の主旨を逸脱しない範囲で変更が可能である。
前述の電動機用ヨーク（コア板積層体１０５）は、前面側コア１４の中央部分で分割せずに一体に構成されており、磁路ＭＣが途中で途切れずに閉じているが、このような構成に限定するものではない。
たとえば、第２実施形態では、図８、図９に示すように、前面側コア１４には、薄肉部１５の中央部分に、スロット１１に通じるスリット１６が形成されている。
つまり、前面側コア１４は、一方のティース１２側と、他方のティース１２側とに２分割されている。そして、スリット１６によって、磁路ＭＣが開いている。

このような前面側コア１４を形成するためには、まずコア板１０の外形形状、およびスロット１１を打ち抜くとともに、前面側コア１４を２分割する型抜き工程を行う。
次に、潰し加工によって薄肉部１５を形成する減肉工程を行う。

次に、本第２実施形態に係る電動機用ヨーク、およびその製造方法の作用効果について説明する。
本第２実施形態のような構成にすることによって（図８参照）、前述の第１実施形態で得られる作用効果に加え、前面側コア１４での磁束漏れが防止されて、急激な磁束密度の変化が抑制され、渦電流損をさらに低減することができる。
また、スロット１１が開いていることで、巻線をティース１２に巻掛ける作業を効率よく行うことができる。

また、本第２実施形態では、前面側コア１４を２分割する工程の後に、潰し加工を行うことによって薄肉部１５を形成している。
つまり、潰し加工によってスリット１６周辺部分が圧延されて薄肉化し、薄肉部１５が形成され、圧延によって、スリット１６の間隔が狭まる。
これによって、スリット１６の間隔を、プレス加工では打ち抜きが困難な間隔に狭めることができる。

第３実施形態では、図１０、図１１に示すように、薄肉部１５は、前面側コア１４の中央部におけるロータ側に形成されている。これによって、前面側コア１４の板厚が、径方向に沿ってロータ側で薄く、スロット側で厚く、階段状に変化するように構成されている。
次に、本第３実施形態に係る電動機用ヨークの作用効果について説明する。
本第３実施形態の薄肉部１５は、径方向に沿って板厚が変化するように設定されている。このような構成とした場合であっても、前述の第１実施形態と同様の作用効果が得られる。
なお、本第３実施形態の別態様として、図１２に示すように、薄肉部１５を径方向に沿ってロータ側で薄く、スロット側で厚くなるようにテーパー状に変化する形態を採用することも可能である。そして、このような形態とすることで、本第３実施形態と同様の作用効果が得られるとともに、磁束変動を緩やかにすることができる。

第４実施形態では、図１３、図１４に示すように、コア板１０の各前面側コア１４に形成される薄肉部１５は、それぞれの形状（幅、板厚、断面形状、減肉部分の面積、スリット１６（図８、および図９参照）の有無、およびスリット１６の幅等）が、異なるように設定されている。各薄肉部１５の形状は、トルクリプルが最も顕著に表れるトルク域、乗員が違和感を受け易い運転状況で多用されるトルク域、および他の関連機器への影響が大きなトルク域等に応じて変化する。このため、低減したいトルクリプルに応じて、対応した形状の薄肉部１５を組み合わせて、前面側コア１４に形成される。

次に、本第４実施形態に係る電動機用ヨークの作用効果について説明する。
本第４実施形態では、各前面側コア１４に薄肉部１５が形成され、各薄肉部１５は、幅、および板厚がそれぞれに設定されている。
これによって、各薄肉部１５が対応する高調波成分の次数毎にトルクリプルを抑制することができるため、より安定したトルクを発生することができる。

なお、本第４実施形態の別態様として、図１５に示すように、薄肉部１５をティース１２から薄肉部１５の中心に向かってテーパー状に板厚が薄くなるように構成することも可能である。このような形態とすることで、本第４実施形態と同様の作用効果が得られるとともに、磁束変動をより緩やかにすることができる。
また、選択される薄肉部１５の形状を、１枚のコア板１０の周方向に変える構成とするだけでなく、コア板積層体１０５の積層方向に変える構成とすることも可能である。
さらに、本願発明の電動機用ヨークを第１実施形態〜第４実施形態のように、ステータ１０４のコア板積層体１０５に適用した場合、ステータ１０４は回転体ではないので、同一形状の薄肉部１５を回転対称に配置する必要はない。このため、全ての薄肉部１５を異なった形状とすることも可能である。

１０ コア板
１２ ティース
１４ 前面側コア
１５ 薄肉部
１０３ ロータ
１０４ ステータ
１０５ 電動機用ヨーク（コア板積層体）

Claims (6)

1. 円環形状を有する薄板状の磁性材からなり、積層されてロータとステータのどちらか一方を構成するコア板と、
   該コア板を構成し、径方向に沿って延在するティースと、
   該コア板を構成し、隣接する該ティースの一端側の間に位置しつつ、該ロータと該ステータの他方に面する前面側コアと、
   を備えた電動機用ヨークにおいて、
   前記前面側コアは、
   前記ティース間の中間部分に位置する部位に、他の部位よりも板厚が薄く設定された薄肉部を備え、
   前記薄肉部は、径方向に沿って板厚が変化する
   ことを特徴とする電動機用ヨーク。
2. 前記コア板は、
   前記ステータを構成しつつ、径方向に沿って板面を貫通する長孔からなるスロットを備え、
   前記薄肉部は、
   径方向に沿って前記ロータ側で薄く、該スロット側で厚く、階段状に変化する
   ことを特徴とする請求項１に記載の電動機用ヨーク。
3. 前記コア板は、
   前記ステータを構成しつつ、径方向に沿って板面を貫通する長孔からなるスロットを備え、
   前記薄肉部は、
   径方向に沿って前記ロータ側で薄く、該スロット側で厚くなるようにテーパ状に変化する
   ことを特徴とする請求項１に記載の電動機用ヨーク。
4. 前記前面側コアは、
   隣接するティースの一端側を連結する
   ことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の電動機用ヨーク。
5. 前記前面側コアは、
   前記薄肉部の中央部分で、一方の前記ティース側と、他方の該ティース側とに２分割されている
   ことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の電動機用ヨーク。
6. 請求項５に記載の電動機用ヨークを製造する電動機用ヨークの製造方法において、
   前面側コアを２分割する型抜き工程の後に、
   潰し加工によって薄肉部を形成する減肉工程を行う
   ことを特徴とする電動機用ヨークの製造方法。

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