JP7202779B2 - 電動機 - Google Patents

Description

本発明は、インナーロータ型の回転電動機に関し、特に積層型のステータコア（固定子鉄心）を有する電動機に関する。

回転電動機のひとつに、インナーロータ型のブラシレスモータ（以下、単に電動機ともいう）が知られている。電動機は、インナーロータとアウターステータを備える。アウターステータは、ステータコアと、それに巻装された巻線（コイル）を有し、ステータコアは、プレス加工により切断、成形された薄型の鉄心片が積層されて構成される。図１（ａ）、（ｂ）は、回転電動機のステータコア１００の構成を示す図である。図１（ａ）は、鉄心片１０の平面図であり、図１（ｂ）は、鉄心片１０の断面図であり、図１（ｃ）はステータコア１００全体を示す斜視図である。鉄心片１０は、環状のヨーク１２、複数のティース（歯部）１４、複数のスロット（溝）１６、複数の溶接溝２０を備える。

複数のヨーク１２は、環状のヨーク１２から内側に突起している。隣接する２つのティース１４の間には、巻線（不図示）が巻装されるスロット１６が設けられる。ヨーク１２の外側には、複数の溶接溝２０が設けられる。

図１（ｃ）に示すように、ステータコア１００は円筒形状を有し、複数の鉄心片１０が積層されて構成される。複数の鉄心片１０同士は、ヨーク１２の外側に設けられた溶接溝２０において溶接によって機械的に接続される。溶接に代えて、カシメによって複数の鉄心片１０を固定する場合もある。

特開２００７－１４１２９号公報

回転電動機は、固定子巻線に電流を流さない状態において、ロータを回転させたときに回転角に応じて脈動する抗力が発生する。これはコギングトルクと称され、回転電動機を回転制御する際の外乱となり、装置の精度低下、効率の低下、騒音、振動の原因となるため、低減することが望まれる。

本発明は係る状況においてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、脈動トルクを低減した回転電動機の提供にある。

本発明のある態様は、インナーロータ型の電動機に関する。電動機は、複数の鉄心片の積層構造を有するステータコアを備える。複数の鉄心片それぞれに設けられる複数の固着部が、鉄心片の圧延方向およびその垂直方向に集中して配置される。

固着部では圧縮応力が発生し、これは磁気特性を劣化させる方向に作用する。一方、固着部に挟まれる領域では、引張応力が発生し、これは磁気特性を向上させる方向に作用する。一方で、圧延により製造される電磁材料は、圧延方向およびそれと垂直方向において相対的に優れた磁気特性を有し、それらから４５°傾いた方向に、相対的に劣った磁気特性を有する。この態様によれば、固着部の配置を工夫することにより、電磁材料が有する磁気特性の不均一性と、固着に起因する応力にもとづく磁気特性の不均一性をバランスさせることで、脈動トルクを低減し、あるいはスロット高調波を低減できる。

圧延方向を０°と規定して反時計回りに傾斜角度θをとるとき、０°，１８０°の±１０°の範囲に固着部が形成されてもよい。

圧延方向を０°と規定して反時計回りに傾斜角度θをとるとき、９０°，２７０°の±７°の範囲に固着部が形成されてもよい。

圧延方向に配置される固着部の個数と、圧延方向と垂直方向に配置される固着部の個数とが異なってもよい。

固着部は溶接溝であってもよい。固着部はカシメであってもよい。

本発明によれば、回転電動機の脈動トルクを低減できる。

図１（ａ）、（ｂ）は、回転電動機のステータコアの構成を示す図である。 実施の形態に係る鉄心片の平面図である。 鉄心片の一部の拡大写真である。 電磁材料の磁気特性の異方性を説明する図である。 図５（ａ）、（ｂ）は、実施の形態に係るステータの磁気特性を示す図である。 図６（ａ）は、６個の溶接溝を等方的に配置したときの、ステータの磁気特性を示す図であり、図６（ｂ）は、８個の溶接溝を等方的に配置したときの、ステータの磁気特性を示す図である。 図７（ａ）、（ｂ）は、１８スロットのステータに、１２個の溶接溝を等間隔に配置した様子を示す図であり、図７（ｃ）は、図７（ａ）、（ｂ）のステータの内径の分布を示す図である。 図８（ａ）、（ｂ）は、変形例に係る鉄心片の平面図である。 図９（ａ）、（ｂ）は、変形例に係る鉄心片の平面図である。 変形例に係る鉄心片の平面図である。

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

本発明者らは、図１に示すステータコア１００について、脈動トルクを低減するための検討を行い、以下の着想を得た。なおこの検討により得られた知見は、当業者に周知ではなく、本発明者らが独自に認識したものである。

図１に示したステータを形成する鉄心片１０は、電磁材料（電磁鋼板）をプレスして形成され、プレス前の電磁材料は圧延によって形成される。電磁材料は、圧延方向に対して磁化が容易であり、それと垂直方向に磁化が難しいという特性を有する。従来では、電磁材料の圧延方向に応じた磁気特性を考慮せずに、溶接溝の個数や配置を工夫することにより、脈動トルクを低減するアプローチをとっていた。本発明者らは、圧延方向に応じた磁気特性に着目し、それを積極的に利用して、脈動トルクを低減しうることを独自に認識した。

図２は、実施の形態に係る鉄心片１０の平面図である。ステータコア１００は、図１を参照して説明したように、複数の鉄心片１０を積層し、それらを相互に固着することにより形成される。

鉄心片１０は、環状のヨーク１２、複数のティース（歯部）１４、複数のスロット（溝）１６、複数の固着部１８を備える。ここでは１２スロットのモータを例として説明するが、スロット数は限定されない。

鉄心片１０は、圧延により製造された電磁鋼板をプレスして成型される。図２には、電磁鋼板の圧延方向（矢印Ｘで示す）にそって、ハッチングを付している。図３は、鉄心片の写真である。図３から分かるように、実際の鉄心片１０も、圧延方向に沿って筋が観察される。

図２に戻る。鉄心片１０の外周部には複数の固着部１８が設けられており、ステータコア１００を形成する際に、複数の鉄心片１０が積層され、固着部１８において互いに固定される。本実施の形態において、固着部１８は溶接溝であり、複数の鉄心片１０は溶接溝において溶接される。

本実施の形態において、鉄心片１０に設けられる複数の固着部１８が、鉄心片１０の圧延方向（Ｘ方向）およびその垂直方向（図中Ｙ方向）に集中して配置される。圧延方向であるＸ軸を０°と規定して反時計回りに傾斜角度θをとるとき、０°、９０°、１８０°、２７０°の近傍に固着部１８が形成される。本実施の形態では、固着部１８の個数は４個であり、０°、９０°、１８０°、２７０°それぞれに１個ずつ固着部１８が形成される。スロット数が４の倍数である場合、すべての固着部１８を、ティース１４に対応する箇所に設けるとよい。

別の観点からみると、複数の固着部（溶接溝）が、４５°，１３５°，２２５°，３１５°の位置を避けて配置される。

以上が鉄心片１０の構成である。続いて、その利点を説明する。

図４は、電磁材料の磁気特性の異方性を説明する図である。圧延方向θ＝０°が、最も磁化容易軸となり、それと垂直な方向θ＝９０°が磁化困難軸となる。透磁率μは、磁化容易軸方向であるθ＝０°において最大値を取り、θ＝４５°近傍で最も低くなり、θ＝９０°に近づくにつれて増大する。鉄損Ｗｈは、磁化容易軸方向であるθ＝０°において最小値を取り、θ＝４５°近傍で最も大きくなり、θ＝９０°に近づくにつれて減少する。なお、９０～１８０°の特性は、０～９０°の特性を９０°で折り返した特性である。１８０～３６０°の範囲は、０～１８０°の特性と同様であるから図示を省略する。

図５（ａ）、（ｂ）は、実施の形態に係るステータの磁気特性を示す図である。図５（ａ）は透磁率μ、図５（ｂ）は鉄損Ｗｈを示す。破線は溶着前の電磁材料の特性（図４）を示している。

複数の鉄心片１０同士を、溶接溝において溶着すると、溶着箇所の近傍のコアバック部分には圧縮応力が生ずる。圧縮応力は、磁気特性を悪化させる方向、すなわち図５（ａ）の透磁率μを低下させ、図５（ｂ）の鉄損を増加させる方向に作用する。一方で、溶接溝と溶接溝に挟まれる箇所のコアバック部分には、引張応力が生ずる。引張応力は、磁気特性を向上させる方向、すなわち図５（ａ）の透磁率μを上昇させ、図５（ｂ）の鉄損を低下させる方向に作用する。

したがって、溶接溝を０°、９０°、１８０°に配置すると、それらの箇所において、破線で示す磁気特性が悪化し、それらの間の４５°、１３５°において磁気特性が改善する。これにより、ステータの磁気特性を、実線で示すフラットな磁気特性に近づけることができ、脈動トルクを低減することができる。

また、もともと磁気特性の悪い４５°，１３５°，２２５°，３１５°の位置を避けて複数の固着部（溶接溝）を配置しているため、磁気特性の均一性を、磁気特性の良好な範囲（すなわち透磁率が高い範囲、あるいは鉄損が小さい範囲）で実現できる。

実施の形態に係るステータの効果を明確とするために、６個の溶接溝、８個の溶接溝を等間隔に配置した比較技術について検討する。

図６（ａ）は、６個の溶接溝を等方的に配置したときの、ステータの磁気特性を示す図である。６個の溶接溝を、０°、６０°、１２０°、１８０°、２４０°、３００°に配置したとする。そうすると、０°、６０°、１２０°、１８０°の近傍における磁気特性が悪化し、３０°、９０°、１５０°の近傍における磁気特性が改善する。その結果、ステータの磁気特性は、一点鎖線で示すように、もとの電磁材料よりもさらに不均一となる。

図６（ｂ）は、８個の溶接溝を等方的に配置したときの、ステータの磁気特性を示す図である。８個の溶接溝を、０°、４５°、９０°、１３５°、１８０°に配置したとする。そうすると、０°、４５°、９０°、１３５°、１８０°の近傍における磁気特性が悪化し、３０°、９０°、１５０°の近傍における磁気特性が改善する。この配置では、元の電磁材料の特性が悪い４５°、１３５°においてさらに特性を劣化させることとなるため、不均一性が改善されないばかりか、ステータの磁気特性が悪くなる。

実施の形態に係る鉄心片１０を用いると、６個や８個の溶接溝を等方配置した場合に比べても良好な特性を得ることができる。

以上、本発明について、実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例について説明する。

（変形例１）
実施の形態では、０°、９０°、１８０°、２７０°に配置したが、その限りでない。
溶接溝の位置θは、０°、９０°、１８０°、２７０°の近傍であればよい。本発明者らは、何度までのずれを許容できるかを検討した。図７（ａ）、（ｂ）は、１８スロットのステータに、１２個の溶接溝を等間隔に配置した様子を示す。図７（ａ）は、ティースとスロットそれぞれのセンターに溶接溝を配置しており、図７（ｂ）は図７（ａ）から７°、時計回りに回転して配置した場合を示す。図７（ｃ）は、図７（ａ）、（ｂ）のステータの内径の分布を示す図である。溶接溝を７°回転させても、径方向の変形例の誤差は十分に無視できることがわかる。したがって、本実施の形態において、溶接溝の位置は、０°，９０°，１８０°，２７０°それぞれにおいて、±７°の範囲に配置すればよい。この範囲の配置の微調節によって、周方向の磁気特性分布をより均一に近づけることができる。

なお図４から分かるように、圧延方向０°、１８０°の磁気特性は、垂直方向９０°（２７０°）のそれよりも優れている。したがって、圧延方向０°，１８０°については、垂直方向９０°、２７０°よりも、溶着に起因する圧縮応力を利用した磁気特性の調整の余地が大きいと言える。このことから、０°、１８０°については、±７°より大きい範囲で調節してもよく、たとえば±１０°の範囲で調節することとしてもよい。

（変形例２）
図８（ａ）、（ｂ）は、変形例に係る鉄心片１０Ａ、１０Ｂの平面図である。図８（ａ）の鉄心片１０Ａでは、ヨーク１２Ａの０°、９０°、１８０°、２７０°の位置それぞれに、複数（ここでは２個）の固着部１８が集中的に配置される。

０°、１８０°それぞれの箇所に配置される固着部１８の個数と、９０°、２７０°それぞれの箇所に配置される固着部１８の個数は異なっていてもよい。一例として、図８（ｂ）の鉄心片１０Ｂでは、０°、１８０°方向に３個、９０°、２７０°方向に２個の固着部１８が配置される。固着部（溶接溝）の個数によって応力を調節することで、より周方向の磁気特性を均一化することができる。

図９（ａ）、（ｂ）は、変形例に係る鉄心片１０Ｃ、１０Ｄの平面図である。これまでの説明では、ティース１４に対応する箇所に固着部１８を配置したがその限りでない。図９（ａ）の鉄心片１０Ｃでは、スロット１６に対応する箇所に固着部１８が配置される。図９（ｂ）には、１８スロットの電動機の鉄心片１０Ｄが示される。

（変形例３）
複数の鉄心片の固定方法は溶着に限定されない。図１０は、変形例に係る鉄心片１０Ｅの平面図である。固着部１８としてカシメを用いる場合においても、カシメの箇所において圧縮応力が発生し、磁気特性を劣化させる。したがってカシメを固着手段として用いるステータにおいても、上述の配置を採用することで、同様の効果を得ることができる。

（変形例４）
実施の形態では、０°，９０°，１８０°，２７０°の近傍にのみ、固着部を配置する場合を説明したがその限りでない。４箇所では鉄心片同士の接合強度が不足する場合には、補助的な固着部を追加することができる。この場合、補助的な固着部は、０°，９０°，１８０°，２７０°に配置される主たる固着部よりもサイズ（固着力）が小さいことが好ましい。補助的な固着部は、４５°，１３５°，２２５°，３１５°を避けて配置される。

以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。

１００ ステータコア
１０ 鉄心片
１２ ヨーク
１４ ティース
１６ スロット
１８ 固着部

Claims (2)

1. インナーロータ型の電動機であって、
   複数の鉄心片の積層構造を有するステータコアを備え、
   前記複数の鉄心片それぞれの外周に設けられる複数の溶接溝が、前記鉄心片の圧延方向およびその垂直方向に集中して配置され、
   前記圧延方向を０°と規定して反時計回りに傾斜角度θをとるとき、
   前記鉄心片の圧延方向と垂直方向に位置する溶接溝は、９０°±７°および２７０°±７°の範囲に存在し、
   前記鉄心片の圧延方向に位置する溶接溝は、０°±１０°の範囲であって０°±７°より外側の範囲と、１８０°±１０°の範囲であって１８０°±７°より外側の範囲と、に存在することを特徴とする電動機。
2. 前記圧延方向に配置される前記溶接溝の個数と、前記圧延方向と垂直方向に配置される前記溶接溝の個数とが異なることを特徴とする請求項１に記載の電動機。

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