JP7195920B2 - コア、ステータ、及び回転電機 - Google Patents
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Description
アキシャルギャップ型回転電機に用いられるコアであって、
環状のヨークと、
前記ヨークの周方向に並ぶ複数の柱状のティースとを備え、
前記ヨークと前記各ティースとは、互いに独立した圧粉成形体で構成され、
前記ヨークは、前記各ティースの一端部が挿入される貫通孔を備え、
前記各ティースの一端部は、前記貫通孔内で偏って配置されている。
本開示のコアと、
前記各ティースに配置されるコイルとを備える。
本開示のステータを備える。
最初に本開示の実施態様を列記して説明する。
アキシャルギャップ型回転電機に用いられるコアであって、
環状のヨークと、
前記ヨークの周方向に並ぶ複数の柱状のティースとを備え、
前記ヨークと前記各ティースとは、互いに独立した圧粉成形体で構成され、
前記ヨークは、前記各ティースの一端部が挿入される貫通孔を備え、
前記各ティースの一端部は、前記貫通孔内で偏って配置されている。
前記ティースは、前記一端部の外周面と前記貫通孔の内周面との間隔が0.05mm以下である近接領域を備える形態が挙げられる。
前記貫通孔の周長に対して、前記近接領域における前記貫通孔の周方向に沿った長さの割合が20%以上である形態が挙げられる。
前記一端部の外周面と前記貫通孔の内周面との間隔の最大値と最小値との差が0.40mm未満である形態が挙げられる。
前記ティースは、前記近接領域の少なくとも一部を前記ティースにおける前記ヨークの外周側に備える形態が挙げられる。
前記ヨークの周方向に隣り合う前記ティースは、前記近接領域の少なくとも一部を前記両ティースが対向する側に備える形態が挙げられる。
隣り合う前記ティースには、同相のコイルが配置される形態が挙げられる。
前記ティースは、前記近接領域の少なくとも一部を前記ティースにおける前記ヨークの周方向の同じ側に備える形態が挙げられる。
前記ティースは、前記貫通孔内に位置する一端面と、前記貫通孔外に位置する他端面とを備え、
前記ヨークは、前記ティースが突出する側に位置する第一面と、前記第一面に対向する第二面とを備え、
前記第二面を延長した面を基準面とし、前記基準面から前記他端面までの長さを前記ティースの高さとするとき、
複数の前記ティースの高さのばらつきが0.1mm以下である形態が挙げられる。
前記基準面から前記一端面までの長さが、前記ヨークの厚さの10%以下である形態が挙げられる。
前記コアの構成材料は、純鉄、Siを含む鉄基合金、又はAlを含む鉄基合金を含む形態が挙げられる。
前記コアの相対密度は90%以上である形態が挙げられる。
上記(1)から(12)のいずれか一つのコアと、
前記各ティースに配置されるコイルとを備える。
本開示のステータを備える。
本開示の実施形態の詳細を、以下に図面を参照しつつ説明する。図中の同一符号は同一名称物を示す。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
図1~図5、及び適宜図6、図7を参照して、実施形態のコア1を説明する。コア1は、環状のヨーク3と、複数の柱状のティース2とを備える。コア1は、アキシャルギャップ型回転電機(一例として、後述の図7に示す回転電機9)に用いられる。代表的には、コア1は、ステータ(一例として、後述の図6に示すステータ8)のコアに利用できる。コア1は、各ティース2にコイル80(図6,図7)が配置されて、コイル80がつくる磁束や磁石95(図7)の磁束が通過する磁気回路の構成部材として利用される。
ヨーク3は、平面形状が円環状である板部材である。ヨーク3は、ヨーク3の周方向に並ぶティース2のうち、隣り合うティース2同士を磁気的に結合する。ヨーク3は、その中央部に、表裏面(第一面31及び第二面32)を貫通する軸孔39を備える。第一面31は、ティース2が突出して設けられる側に位置する面であり、第二面32は、第一面31に対向する面である。
各ティース2は、柱状の部材であり、ヨーク3の第一面31に直交するように突出する。また、各ティース2は、ヨーク3の周方向に所定の間隔をあけて配置される。代表的には、図1に例示するように、各ティース2は、ヨーク3の周方向に等間隔に配置される。なお、ヨーク3の第一面31に直交する方向は、ヨーク3の軸孔39の軸方向に平行な方向に相当する。また、各ティース2の軸方向は、ヨーク3の軸方向に平行な方向に相当する。
以下、主に図2~図5を参照して、ヨーク3の貫通孔30とティース2の一端部との関係を詳細に説明する。
ティース2の近接領域25とヨーク3の貫通孔30の内周面300との間隔は0.05mm以下と非常に小さい。このようなティース2の近接領域25は、貫通孔30の内周面300に実質的に接する領域といえる。よって、ティース2の近接領域25とヨーク3との間に生じ得る隙間は磁気ギャップになり難いといえる。このようなコア1を用いて回転電機9(図7)を構築すれば、ティース2の近接領域25を介してティース2とヨーク3との間の磁束の通過をより良好に確保できる。そのため、この回転電機9は、トルクの低下をより抑制し易く、高いトルクを有し易い。
ティース2の近接領域25は長いほど好ましい。定量的には、貫通孔30の周長L30に対して、近接領域25における貫通孔30の周方向に沿った長さL25の割合(以下、接合割合と呼ぶ)が20%以上であることが挙げられる。上記接合割合(%)は、(L25/L30)×100で求められる。
ティース2の一端部が貫通孔30内で偏って配置されることで、ティース2の一端部の外周面20と貫通孔30の内周面300との間隔が相対的に大きい領域が生じる場合がある。この場合でも、上記間隔の最大値と最小値との差(以下、この差を間隔の最大差と呼ぶ)が0.40mm未満であることが好ましい。上記間隔の最大差が0.40mm未満であれば、コア1は、ティース2の一端部の外周面20と貫通孔30の内周面300との間隔が局所的に大きな領域を有していないといえる。上記間隔が局所的に大きな領域は、大きな磁気ギャップとなる。そのため、上記間隔の最大差が0.40mm未満であれば、コア1は、大きな磁気ギャップを有さず、ティース2とヨーク3との間の磁束の通過を良好に確保し易い。従って、トルクの低下を抑制し易い。上記間隔の最大差が小さいほど、コア1は、大きな磁気ギャップをより確実に有さず、ティース2とヨーク3との間の磁束の通過を良好に確保し易い。トルクの低下の更なる抑制を望む場合、上記間隔の最大差は0.35mm以下、更に0.30mm以下が好ましい。
ティース2は、ヨーク3の貫通孔30の周方向の任意の位置に近接領域25を備えられる。図2に例示するように、ティース2は、近接領域25の少なくとも一部をティース2におけるヨーク3の外周側に備えることが挙げられる。この場合、近接領域25を長くし易い。例えば、ティース2の外形が台形状等であり、台形の長辺部分がヨーク3の外周側に位置すれば、ティース2におけるヨーク3の外周側に位置する外周領域26の長さは、ティース2におけるヨーク3の内周側に位置する内周領域27の長さよりも長い。そのため、近接領域25の少なくとも一部がティース2の外周領域26に設けられると、近接領域25を長く確保し易い。近接領域25が長いほど、上述の接合割合が大きくなる。その結果、コア1は、近接領域25を介してティース2とヨーク3との間の磁束の通過を良好に確保し易く、トルクの低下をより抑制し易い。
ヨーク3とティース2とが互いに独立した部材で構成されることで、ヨーク3に対する複数のティース2の高さにばらつきが生じる場合がある。この場合でも、ヨーク3に対する複数のティース2の高さのばらつきが0.1mm以下であることが好ましい。ヨーク3に対するティース2の高さは、図5に示すように、ヨーク3の第二面32を延長した面を基準面とし、この基準面からティース2の他端面22までの長さH1である。上記高さのばらつきが0.1mm以下であれば、複数のティース2の他端面22が実質的に同一平面上にあると見做せる。このようなコア1を用いて回転電機9を構築すれば、ティース2の他端面22が磁石95(図7)のいずれの箇所にも実質的に均一な間隔で対向するため、ティース2の受ける磁石95の磁束がいずれの箇所でも実質的に均一になり、コギングトルクを低減し易い。
コア1の構成材料は、軟磁性材料を含む。代表的には、コア1は、主として軟磁性材料から構成される。軟磁性材料は、例えば、純鉄、又は鉄基合金が挙げられる。
コア1の相対密度が高く、緻密であると、飽和磁束密度等の磁気特性、強度等の機械的特性に優れて好ましい。定量的には、ヨーク3の相対密度、ティース2の相対密度はいずれも、90%以上であることが好ましい。上記相対密度が90%以上であれば、飽和磁束密度が高く、強度にも優れるコア1にできる。例えば、ヨーク3の貫通孔30内にティース2の一端部を固定する際等で、ヨーク3やティース2の欠け等を防止できる。磁気特性の向上、機械的特性の向上等を望む場合、上記相対密度は93%以上、更に95%以上が好ましい。
コア1は、ティース2の他端面22(図5)に鍔部(図示せず)を備えることが挙げられる。鍔部は、ティース2の他端面22の周縁から外周側に突出するように形成されており、他端面22より大きい面積を有する。ティース2に鍔部を備えるコア1を用いて回転電機9(図7)を構成すれば、磁石95に対向する面積が増え、鎖交磁束が増大する。これにより、コギングを低減できるなど、回転電機9の特性を向上できる。また、鍔部は、ティース2からコイル80(図6)が脱落することを防止できる。
ヨーク3を構成する圧粉成形体、及びティース2を構成する圧粉成形体は、上述のように原料粉末を所定の形状に圧縮成形することで製造できる。ヨーク3及びティース2と独立して構成される鍔部を備える場合、鍔部を構成する圧粉成形体も同様に製造できる。圧縮成形には、プレス成形機等を利用できる。原料粉末は、軟磁性材料の粉末に加えて、バインダや潤滑剤を含んでもよい。金型に潤滑剤を塗布してもよい。
実施形態のコア1は、ヨーク3とティース2とが互いに独立した圧粉成形体で構成される。そのため、コア1は、ヨーク3に固定する前のティース2にコイル80を配置できる。このようなコア1を備えるステータやアキシャルギャップ型回転電機は、製造性に優れる。
図6を参照して、実施形態のステータ8を説明する。ステータ8は、コア1と、コア1に備えられる各ティース2に配置されるコイル80とを備える。このステータ8は、アキシャルギャップ型回転電機(例、回転電機9(図7))に用いられる。図6では、図1に示すコア1を備える場合を例示する。
図7を参照して、実施形態の回転電機9を説明する。図7は、回転電機9の回転軸91に平行な平面で切断した断面図である。
環状のヨークと複数のティースとを備えるコアを三相交流アキシャルギャップ型モータのステータに用いたときのトルクをシミュレーションによって調べた。
この試験では、ヨーク及びティースを備えるコアのモデルについて、ヨークとティースとの分割の有無によるトルクへの影響を調べた。
試料No.100のコアは、ヨークとティースとが一体に成形された理想の形状である。試料No.100のコアは、複数の分割片の組物ではなく、一体成形物であり、ヨークとティースとの間に磁気ギャップとなり得る隙間が無い。
この試験では、以下のステータコアを備えるモータを仮想し、このモータのトルクを検討した。
(ステータコアの条件)
コイル巻数:30ターン、ティースの断面積:102mm2、14極12スロット
ヨークの外径:100mm、ヨークの内径:70mm
この試験では、試験例1で用いた試料No.1のコアに対して、ティースの一端部の外周面とヨークの貫通孔の内周面との間隔の最大値と最小値の差(以下、間隔の最大差と呼ぶ)を変更した。上記間隔の最大差の相違によるトルクの影響を調べた。
この試験では、試験例2で用いた試料No.3のコアに対して、貫通孔の周長に対して近接領域における貫通孔の周方向に沿った長さの割合(接合割合)を変更した。上記接合割合の相違によるトルクの影響を調べた。
この試験では、試験例2と同様にして、上記間隔が0.05mm以下である近接領域を設けると共に、近接領域の配置位置を変更した。上記近接領域の配置位置の相違、ロータの回転方向の相違によるトルクへの影響を調べた。
2 ティース
20 外周面
21 一端面
22 他端面
25 近接領域
26 外周領域
27 内周領域
3 ヨーク
30 貫通孔
300 内周面
31 第一面
32 第二面
39 軸孔
8 ステータ
80 コイル
9 回転電機
90 ロータ
91 回転軸
92 ケース
93 軸受け
95 磁石
Claims (11)
- アキシャルギャップ型回転電機に用いられるコアであって、
環状のヨークと、
前記ヨークの周方向に並ぶ複数の柱状のティースとを備え、
前記ヨークと前記各ティースとは、互いに独立した圧粉成形体で構成され、
前記ヨークは、前記各ティースの一端部が挿入される貫通孔を備え、
前記各ティースの一端部は、前記貫通孔内で偏って配置されており、
前記各ティースは、
前記一端部の外周面と前記貫通孔の内周面との間隔が0.05mm以下である近接領域と、
前記一端部の外周面と前記貫通孔の内周面との間隔が0.05mm超0.45mm未満である非近接領域とを備え、
前記近接領域の少なくとも一部を前記各ティースにおける前記ヨークの外周側に備えるコア。 - アキシャルギャップ型回転電機に用いられるコアであって、
環状のヨークと、
前記ヨークの周方向に並ぶ複数の柱状のティースとを備え、
前記ヨークと前記各ティースとは、互いに独立した圧粉成形体で構成され、
前記ヨークは、前記各ティースの一端部が挿入される貫通孔を備え、
前記各ティースの一端部は、前記貫通孔内で偏って配置されており、
前記各ティースは、
前記一端部の外周面と前記貫通孔の内周面との間隔が0.05mm以下である近接領域と、
前記一端部の外周面と前記貫通孔の内周面との間隔が0.05mm超0.45mm未満である非近接領域とを備え、
前記近接領域の少なくとも一部を前記各ティースにおける前記ヨークの周方向の同じ側に備えるコア。 - アキシャルギャップ型回転電機に用いられるコアであって、
環状のヨークと、
前記ヨークの周方向に並ぶ複数の柱状のティースとを備え、
前記ヨークと前記各ティースとは、互いに独立した圧粉成形体で構成され、
前記ヨークは、前記各ティースの一端部が挿入される貫通孔を備え、
前記各ティースの一端部は、前記貫通孔内で偏って配置されており、
前記各ティースは、
前記一端部の外周面と前記貫通孔の内周面との間隔が0.05mm以下である近接領域と、
前記一端部の外周面と前記貫通孔の内周面との間隔が0.05mm超0.45mm未満である非近接領域とを備え、
前記ヨークの周方向に隣り合う二つの前記ティースの組を複数備え、
前記各組における二つの前記ティースは、前記近接領域の少なくとも一部を前記両ティースが対向する側に備えるコア。 - 前記各組における二つの前記ティースには、同相のコイルが配置される請求項3に記載のコア。
- 前記貫通孔の周長に対して、前記近接領域における前記貫通孔の周方向に沿った長さの割合が20%以上70%以下である請求項1から請求項4のいずれか1項に記載のコア。
- 前記各ティースは、前記貫通孔内に位置する一端面と、前記貫通孔外に位置する他端面とを備え、
前記ヨークは、前記各ティースが突出する側に位置する第一面と、前記第一面に対向する第二面とを備え、
前記第二面を延長した面を基準面とし、前記基準面から前記他端面までの長さを前記各ティースの高さとするとき、
複数の前記ティースの高さのばらつきが0.1mm以下である請求項1から請求項5のいずれか1項に記載のコア。 - 前記基準面から前記一端面までの長さが、前記ヨークの厚さの10%以下である請求項6に記載のコア。
- 前記コアの構成材料は、純鉄、Siを含む鉄基合金、又はAlを含む鉄基合金を含む請求項1から請求項7のいずれか1項に記載のコア。
- 前記コアの相対密度は90%以上である請求項1から請求項8のいずれか1項に記載のコア。
- 請求項1から請求項9のいずれか1項に記載のコアと、
前記各ティースに配置されるコイルとを備えるステータ。 - 請求項10に記載のステータを備える回転電機。
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