JP7288348B2

JP7288348B2 - 電動機

Info

Publication number: JP7288348B2
Application number: JP2019101234A
Authority: JP
Inventors: 重哉遠藤; 宗多山田
Original assignee: Okuma Corp
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 2019-05-30
Filing date: 2019-05-30
Publication date: 2023-06-07
Anticipated expiration: 2039-05-30
Also published as: JP2020195257A

Description

本発明は、電磁鋼板を積層し溶接して構成された固定子鉄心を備える電動機に関する。

円環状のヨークと、ヨークの内周面から径方向内側に突出した複数のティースとを備え、各ティースの間にスロットが形成された固定子鉄心と、各ティースに巻かれた巻線とを備える固定子と、固定子の内側に収容され、内部に複数の永久磁石を埋め込んだＩＰＭ（ＩｎｔｅｒｉｏｒＰｅｒｍａｎｅｎｔＭａｇｎｅｔ）構造の回転子とを備える電動機が特許文献１で開示されている。

特開２０１７―１８４５７９号公報

従来の電動機の固定子鉄心は、回転子の回転軸の軸方向に積層された複数の電磁鋼板により構成される。積層された電磁鋼板を溶接によって接合した固定子鉄心を図４及び図５に示す。図４は回転子及び固定子鉄心を示した平面図で、図５は固定子鉄心を外径側から見た側面図である。

図４に示すように、固定子鉄心１の外周面には６箇所の溶接部６が等間隔に配置されている。図５に示すように、溶接部６は回転子３の回転軸４の軸方向と平行に直線状に延びており、固定子鉄心１の外周面に溶接トーチを直線状に走らせることで電磁鋼板同士を溶接している。図４に示すように、固定子鉄心１は、円環状のヨーク１１と、ヨーク１１の内周面から径方向内側に突出した複数のティース１２とを備え、各ティース１２の間にスロット１３が形成されている。電動機の固定子２は、固定子鉄心１と、スロット１３に挿入されてティース１２に巻かれた不図示の巻線とで構成される。

また、図４に示すように、電動機の回転子３は、外周側に永久磁石５を挿入するための複数のスリットを配した円環状の電磁鋼板を積層した回転子鉄心３１と、スリットに挿入した複数の永久磁石５とで構成される。つまり、回転子３は、内部に複数の永久磁石５を埋め込んだＩＰＭ構造にて構成される。永久磁石５から発せられる磁束によって、回転子３にＮ極またはＳ極の磁極が形成される。なお、回転子３は、スリットを設けず、永久磁石５を回転子鉄心３１の外周表面に貼り付けたＳＰＭ（ＳｕｒｆａｃｅＰｅｒｍａｎｅｎｔＭａｇｎｅｔ）構造にて構成しても良い。

図４及び図５に示す電動機において、固定子鉄心１のティース１２は、永久磁石５の磁気吸引力によって、磁極数Ｐの整数倍成分の回転方向の力を受ける。固定子鉄心１の全てのティース１２が受ける磁気吸引力による回転方向の力を足し合わせると、多くの成分は相殺し合ってゼロとなるが、一般的にスロット数Ｓと磁極数Ｐの最小公倍数の成分は、相殺できずコギングトルクとして現れる。

図４及び図５に示すように電磁鋼板を溶接で接合した固定子鉄心１を有する電動機の場合、溶接部６の径方向内側に存在するティース１２は、溶接の影響を受けて歪み径方向内側に飛び出すように変形する。すなわち回転子３と固定子２のティース１２との間のエアギャップが小さくなるため、エアギャップを乗り越えてティース１２に入って行く磁束の本数が多くなる。

また、溶接部６が等間隔で配置され、溶接部６の本数Ｍが磁極数Ｐの約数である場合、溶接部６の径方向内側に存在するティース１２で受ける磁気吸引力の位相が揃い、ティース１２が受ける磁気吸引力の内、磁極数Ｐの整数倍成分が増幅される。よってコギングトルクが非常に大きく現れるという問題点がある。

そこで、本発明は、電磁鋼板を溶接で接合した固定子鉄心を有しながらコギングトルクの増幅が少ない電動機を提供することを目的とする。

本発明に係る電動機は、円環状のヨークと、前記ヨークの内周面から径方向内側に突出した複数のティースと、を備え、前記各ティースの間にスロットが形成された固定子鉄心と、前記各ティースに巻かれた巻線と、を備える固定子と、前記固定子の内側に収容され、回転子鉄心の内部に複数の永久磁石を埋め込んだＩＰＭ構造または回転子鉄心の外周表面に複数の永久磁石を貼り付けたＳＰＭ構造で、磁極数がＰである回転子と、を備える電動機であって、ＭをＰの約数としたとき、前記固定子鉄心は前記回転子の回転軸の軸方向に積層された複数の電磁鋼板により構成され、前記軸方向と平行に直線状に延びて前記電磁鋼板を接合するＭ箇所の溶接部が前記固定子鉄心の外周面に設けられ、Ａを１以上Ｍ以下の整数として、ＢをＭの約数としたとき、前記Ｍ箇所の溶接部のうちＡ番目の溶接部は、前記固定子鉄心の外周面の円周方向に等間隔に配置されるＭ箇所の基準位置の中からそれぞれ任意に選択された基準位置から、（Ａ－１）×（３６０度÷Ｐ÷Ｂ）の角度だけ前記円周方向に移動した位置に配置されること、を特徴とする。

本発明は、等間隔の基準位置から（Ａ－１）×（３６０度÷Ｐ÷Ｂ）の角度だけ円周方向に移動した位置に溶接部を配置することで、溶接部の径方向内側に存在し、磁気吸引力を大きく受けるティースの磁気吸引力の位相が（Ａ－１）×（３６０度÷Ｐ÷Ｂ）の角度だけずれて、足し合わせるとＰ×Ｂの倍数成分以外は相殺することができる。そのため、電磁鋼板を溶接で接合した固定子鉄心を有しながらコギングトルクの増幅が少ない電動機を提供することができる。

本発明の第１の実施形態である電動機の回転子及び固定子鉄心を示した平面図である。本発明の第２の実施形態である電動機の回転子及び固定子鉄心を示した平面図である。本発明の第３の実施形態である電動機の回転子及び固定子鉄心を示した平面図である。従来の電動機の回転子及び固定子鉄心を示した平面図である。従来の電動機の固定子鉄心を外径側から見た側面図である。

以下、本発明の第１～第３の実施形態について、スロット数Ｓ＝３６、磁極数Ｐ＝６、溶接部の本数Ｍ＝６を例にとって図１～図３を用いて説明する。溶接部の本数Ｍ＝６は、磁極数Ｐ＝６の約数である。第１～第３の実施形態は、いずれも溶接部の本数Ｍ＝６であるため、前提として等間隔の基準位置については図４に示すような、基準位置７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ、７ｅ、７ｆの６０度ピッチとなる。また、Ａを１以上６以下の整数として、Ａ番目の溶接部の位置を決めるための基準位置は、Ａ番目の溶接部の位置が他の溶接部の位置と同一とならない限り、６箇所の基準位置７ａ～７ｆの中から任意の基準位置を選択することができる。

＜第１の実施形態＞
図１に示すように、第１の実施形態の電動機１０は、略円筒形状に形成された固定子２と、固定子２の内側に回転自在に収容された回転子３とを備える。回転子３は回転軸４に固定され、回転軸４と共に回転する。固定子鉄心１は、円環状のヨーク１１と、ヨーク１１の内周面から径方向内側に突出した３６本のティース１２とを備え、各ティース１２の間にスロット１３が形成されている。固定子２は、固定子鉄心１と、スロット１３に挿入されてティース１２に巻かれた不図示の巻線とで構成される。

回転子３は、外周側に永久磁石５を挿入するための６箇所のスリットを配した円環上の電磁鋼板を積層した回転子鉄心３１と、スリットに挿入した６個の永久磁石５とで構成される。つまり、回転子３は、内部に複数の永久磁石５を埋め込んだＩＰＭ構造にて構成される。永久磁石５から発せられる磁束によって、回転子３にＮ極またはＳ極の磁極が形成される。

固定子鉄心１は、回転子３の回転軸４の軸方向に積層された複数の電磁鋼板により構成される。固定子鉄心１の外周面には、６箇所の溶接部６ａ～６ｆが配置されている。溶接部６ａ～６ｆは、いずれも回転子３の回転軸４の軸方向と平行に直線状に延びており、固定子鉄心１の外周面に溶接トーチを直線状に走らせることで電磁鋼板同士を溶接している。

Ａを１以上６以下の整数として、Ｂを溶接部６ａ～６ｆの本数６の約数としたとき、６箇所の溶接部６ａ～６ｆのうちＡ番目の溶接部は、固定子鉄心１の外周面の円周方向に等間隔に配置される６箇所の基準位置７ａ～７ｆの中からそれぞれ任意に選択された基準位置から、以下の式１で示される角度だけ円周方向に移動した位置に配置される。

（Ａ－１）×（３６０度÷Ｐ÷Ｂ）・・・式１

第１の実施形態の電動機１０では、磁極数Ｐ＝６であり、式１におけるＢを６の約数である３として、６箇所の溶接部６ａ～６ｆのうちＡ番目の溶接部は、固定子の外周面の円周方向に等間隔に配置される６箇所の基準位置７ａ～７ｆの中から任意に選択された基準位置７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄから、（Ａ－１）×２０度の角度だけ円周方向に移動した位置に配置される。すなわち図１に示すように、１番目の溶接部６ａは基準位置７ａから０度、２番目の溶接部６ｂは基準位置７ｂから２０度、３番目の溶接部６ｃは基準位置７ｂから４０度、４番目の溶接部６ｄは基準位置７ｃから６０度、５番目の溶接部６ｅは基準位置７ｄより８０度、６番目の溶接部６ｆは基準位置７ｄより１００度、固定子鉄心１の外周面の円周方向に移動した位置に配置される。このように溶接部６ａ～６ｆを配置することによって、溶接部６ａ～６ｆは回転軸の中心点を対称の中心とした点対称な配置となる。

このように電動機１０では、等間隔に配置された６箇所の基準位置７ａ～７ｆの中からそれぞれ選択された基準位置から、（Ａ－１）×２０度の角度だけ円周方向に移動した位置に溶接部６ａ～６ｆを配置することで、溶接部６ａ～６ｆの径方向内側に存在し、磁気吸引力を大きく受けるティース１２の磁気吸引力の位相が（Ａ－１）×２０度の角度だけずれて、足し合わせるとＰ×Ｂ＝６×３＝１８の倍数成分以外は相殺することができる。そのため、電磁鋼板を溶接で接合した固定子鉄心１を有しながらコギングトルクの増幅が少ない電動機１０を提供することができる。

＜第２の実施形態＞
次に、第２の実施形態の電動機２０について図２を用いて説明する。第２の実施形態の電動機２０は、溶接部６ａ～６ｆの位置が異なる点を除き、第１の実施形態の電動機１０と同一の構成を有している。そのため、第１の実施形態の電動機１０と同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。

第２の実施形態の電動機２０では、磁極数Ｐ＝６であり、式１におけるＢを６の約数である６として、６箇所の溶接部６ａ～６ｆのうちＡ番目の溶接部は、固定子の外周面の円周方向に等間隔に配置される６箇所の各基準位置７ａ～７ｆからそれぞれ、（Ａ－１）×１０度の角度だけ円周方向に移動した位置に配置される。この場合、任意に選択された基準位置は基準位置７ａ～７ｆである。図２に示すように、１番目の溶接部６ａは基準位置７ａから０度、２番目の溶接部６ｂは基準位置７ｂから１０度、３番目の溶接部６ｃは基準位置７ｃから２０度、４番目の溶接部６ｄは基準位置７ｄから３０度、５番目の溶接部６ｅは基準位置７ｅより４０度、６番目の溶接部６ｆは基準位置７ｆより５０度、固定子鉄心１の外周面の円周方向に移動した位置に配置される。

このように電動機２０では、等間隔に配置された６箇所の各基準位置７ａ～７ｆからそれぞれ、（Ａ－１）×１０度の角度だけ円周方向に移動した位置に溶接部６ａ～６ｆを配置することで、溶接部６ａ～６ｆの径方向内側に存在し、磁気吸引力を大きく受けるティース１２の磁気吸引力の位相が（Ａ－１）×１０度の角度だけずれて、足し合わせるとＰ×Ｂ＝６×６＝３６の倍数成分以外は相殺することができる。そのため、電磁鋼板を溶接で接合した固定子鉄心１を有しながらコギングトルクの増幅が少ない電動機２０を提供することができる。

＜第３の実施形態＞
次に、第３の実施形態の電動機３０について図３を用いて説明する。第３の実施形態の電動機３０は、溶接部６ａ～６ｆの位置が異なる点を除き、第１の実施形態の電動機１０と同一の構成を有している。そのため、第１の実施形態の電動機１０と同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。

第３の実施形態の電動機３０では、磁極数Ｐ＝６であり、式１におけるＢを６の約数である６として、６箇所の溶接部６ａ～６ｆのうちＡ番目の溶接部は、固定子の外周面の円周方向に等間隔に配置される６箇所の基準位置７ａ～７ｆの中から選択された基準位置７ａから、（Ａ－１）×１０度の角度だけ円周方向に移動した位置に配置される。すなわち図３に示すように、１番目の溶接部６ａは基準位置７ａから０度、２番目の溶接部６ｂは基準位置７ａから１０度、３番目の溶接部６ｃは基準位置７ａから２０度、４番目の溶接部６ｄは基準位置７ａから３０度、５番目の溶接部６ｅは基準位置７ａより４０度、６番目の溶接部６ｆは基準位置７ａより５０度、固定子の外周面の円周方向に移動した位置に配置される。

このように電動機３０では、等間隔に配置された６箇所の基準位置７ａ～７ｆの中から選択された基準位置７ａから、（Ａ－１）×１０度の角度だけ円周方向に移動した位置に溶接部６ａ～６ｆを配置することで、溶接部６ａ～６ｆの径方向内側に存在し、磁気吸引力を大きく受けるティース１２の磁気吸引力の位相が（Ａ－１）×１０度の角度だけずれて、足し合わせるとＰ×Ｂ＝６×６＝３６の倍数成分以外は相殺することができる。そのため、電磁鋼板を溶接で接合した固定子鉄心１を有しながらコギングトルクの増幅が少ない電動機３０を提供することができる。

＜実施形態の補足＞
本開示の電動機は、上述した形態に限定されず、本開示の要旨の範囲内において種々の形態にて実施できる。例えば、電動機の回転子は、回転子の内部に複数の永久磁石を埋め込んだＩＰＭ構造ではなく、回転子の外周表面に複数の永久磁石を貼り付けたＳＰＭ構造であってもよい。また、ティース及びスロットの数は３６でなくてもよいし、磁極数も６でなくてもよい。

１固定子鉄心、２固定子、３回転子、４回転軸、５永久磁石、６、６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ、６ｅ、６ｆ溶接部、７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ、７ｅ、７ｆ基準位置、１０、２０、３０電動機、１１ヨーク、１２ティース、１３スロット、３１回転子鉄心。

Claims

円環状のヨークと、前記ヨークの内周面から径方向内側に突出した複数のティースと、を備え、前記各ティースの間にスロットが形成された固定子鉄心と、前記各ティースに巻かれた巻線と、を備える固定子と、
前記固定子の内側に収容され、回転子鉄心の内部に複数の永久磁石を埋め込んだＩＰＭ構造または回転子鉄心の外周表面に複数の永久磁石を貼り付けたＳＰＭ構造で、磁極数がＰである回転子と、
を備える電動機であって、
ＭをＰの約数としたとき、
前記固定子鉄心は前記回転子の回転軸の軸方向に積層された複数の電磁鋼板により構成され、前記軸方向と平行に直線状に延びて前記電磁鋼板を接合するＭ箇所の溶接部が前記固定子鉄心の外周面に設けられ、
Ａを１以上Ｍ以下の整数として、ＢをＭの約数としたとき、
前記Ｍ箇所の溶接部のうちＡ番目の溶接部は、前記固定子鉄心の外周面の円周方向に等間隔に配置されるＭ箇所の基準位置の中からそれぞれ任意に選択された基準位置から、（Ａ－１）×（３６０度÷Ｐ÷Ｂ）の角度だけ前記円周方向に移動した位置に配置されること、を特徴とする電動機。