WO2013121786A1

WO2013121786A1 - モータのステータ・コア

Info

Publication number: WO2013121786A1
Application number: PCT/JP2013/000812
Authority: WO
Inventors: 洋平亀田; 一夫岩田; 大倉　健; 芳樹小野
Original assignee: 日本発條株式会社
Priority date: 2012-02-14
Filing date: 2013-02-14
Publication date: 2013-08-22
Also published as: CN104126265A; KR101636463B1; KR20140128368A; EP2816707A1; US20150001985A1; EP2816707A4; JPWO2013121786A1

Abstract

　鍔部を通過してコイルへ達する磁束の漏れを抑制できながら、部品点数の増大がなく、組付け、部品管理を極めて容易にすることを可能とするモータのステータ・コアを提供する。　環状のヨーク部１５及びこのヨーク部１５の内周に径方向内側へ突出するティース部１７とを備えたモータのステータ・コア１３であって、径方向内側へ突出したティース部１７の先端に、ティース部１７に巻き付き形成されるコイルに径方向に対向する鍔部２１を備え、この鍔部２１に圧縮残留応力部Ｍを有することを特徴とする。

Description

モータのステータ・コア

　この発明は、モータのステータ・コアに関する。

　近年、各種電気機器、電気自動車，ハイブリッド車，ロボットなどの新技術の進展に伴い、それらに用いられるモータや発電機に要求される性能が高度化してきている。たとえば、産業用モータ、電気自動車やハイブリッド車などにおいては、高トルク化，高出力化，省スペース化などが求められている。

　特許文献１には、上記高トルク化，高出力化，省スペース化の要請に応えるべく、ステータ・コアのティース部に集中巻きでスロット部に納められたステータ・コイルを備えた埋め込み型永久磁石同期回転電機が提案されている。この技術では、集中巻によりティース間隔が大きくなる結果、ロータとの磁気作用に関与しないスロット部を通過する漏れ磁束が大きくなる為、少なくともコイル表面側に位置するコイル導線の導体断面積を小さくした複数の導線を並列して接続した構成とするなどにより、漏れ磁束によってコイル内で生ずる渦電流を抑制することが開示されている。さらに、このステータ・コアは、複数枚の磁性鋼板で積層形成され、各鋼板のティース部の先端にはロータ回転方向（周方向）に沿った鍔部が突設され、ロータからの磁束が直接コイルに達して渦電流を生じる問題を抑制している。

　それでも、鍔部のコイル側縁辺部２１aからコイルを通過してティース１７縁辺へ達する漏れ磁束は存在するので、本法ではモータ効率の向上には十分ではなかった。そこで鍔部を有するステータでは、鍔部縁辺部からコイルを通過する漏れ磁束を出来るだけ避けるべく、コイルは鍔部根元からヨーク１５側に出来るだけ離れてスロット部に巻かれるのが望ましいが、そのためには、鍔部とコイル間にスペーサを設ける必要が有るなど部品点数や工数の増加を招いたり、コイル巻き数を犠牲にスペースを確保することから、ステータの励振磁極としての高効率化、さらにはモータの小型化への障害となってしまう。

　これに対し、特許文献２に記載のステータ・コアは、鍔部を、ティース部の先端部からヨーク部に向かう方向に積層された複数の磁性板によって構成している。これにより、各磁性板の面はロータから流入する磁束の方向とほぼ直交するので、ロータからの磁束は各磁性板の面に沿ってティース部に導かれることになり、スロット領域のコイルに達する磁束量が鍔部との間にスペースを置かなくとも低減されている。しかも、ティース部を通過する磁束の量が増大するので、トルクに寄与する磁束の量も増大し、磁束が効率的に利用され、モータの高トルク化、高出力化が可能な高性能のステータが得られている。

　しかし、積層された複数の磁性板は、ステータ・コアとは別体構成であり、複数のティース部毎に別体の磁性板を形成する必要から、部品点数が著しく増大し、組付け、部品管理が極めて煩雑になるという問題があった。

特開２００４－２０８４６４号公報特開２００９－３８９０４号公報

　解決しようとする問題点は、従来の鍔部を通過してコイルへ達する磁束の漏れを抑制する方法では、鍔部とコイル間のスペースの確保が必要で小型化の障害となり、部品点数が著しく増大し、組付け、部品管理が極めて煩雑であった点である。

　本発明は、鍔部を通過してコイルへ達する磁束の漏れを抑制できながら、部品点数の増大がなく、組付け、部品管理を極めて容易にするため、環状のヨーク部及びこのヨーク部の内周に径方向内側へ突出するティース部を備えたモータのステータ・コアであって、前記径方向内側へ突出したティース部の先端に、該ティース部に巻き付き形成されるコイルに対向しロータ回転方向（周方向）に沿った鍔部を備え、ティース部を積層構成する単板毎の鍔部に圧縮残留応力部又は非磁性部を有することを特徴とする。

　本発明のモータのステータ・コアは、上記構成であるため、鍔部の圧縮残留応力部又は非磁性部により鍔部を通過してコイルへ達する磁束の漏れを抑制でき、高トルク化、高出力化が可能な高性能のステータ・コアを得ることができながら、鍔部に圧縮残留応力部又は非磁性部を形成するだけであり、鍔部とコイル間のスペース確保も不要で、部品点数の増大は無く、組付け、部品管理が極めて容易にすることができる。

電動モータの概略を示す構成図である。（実施例１）ステータ・コアの積層を示す要部斜視図である。（実施例１）ステータ・コアの要部正面図である。（実施例1）図３のＩＶ－ＩＶ線矢視断面図である。（実施例１）鍔部の潰し加工を示す断面図である。（実施例１）ステータ・コアをモータ・ケースと共に示す要部正面図である。（実施例２）ステータ・コアをモータ・ケースと共に示す要部正面図である。（実施例３）

　鍔部を通過してコイルへ達する磁束の漏れを抑制できながら、部品点数の増大がなく、組付け、部品管理を極めて容易にするという目的を、環状のヨーク部１５及びこのヨーク部１５の内周に径方向内側へ突出するティース部１７とを備えたモータのステータ・コア１３であって、径方向内側へ突出したティース部１７の先端に、ティース部１７に巻き付き形成されるコイルに対向しロータ回転方向（周方向）に沿った鍔部２１を備え、ティース部を積層構成する単板毎の鍔部２１に圧縮残留応力部Ｓ又は非磁性部Ｍを有するモータのステータ・コア１３により実現した。

　図１は、電動モータの概略を示す構成図、図2は、ステータ・コアの積層を示す要部斜視図、図3は、ステータ・コアの要部正面図、図４は、図３のＩＶ－ＩＶ線矢視断面図である。以下の説明において、周方向及び径方向は、ステータ・コアの周方向及び径方向を意味する。また、周方向は、ロータ回転方向でもある。

　図１～図４のように、電動モータ１は、ロータ５及びステータ7を備えている。ロータ５は、回転軸９に取り付けられている。ステータ7は、内周面がロータ５の外周面に対向するよう配置され、三相交流電動機として構成されている。

　ロータ５は、電磁鋼板を打ち抜き加工により環状に形成した部材を複数枚積層した構成であり、回転軸９には焼き嵌め又はスプライン嵌合などにより固定されている。ロータ５の外径側には、永久磁石１１が取り付けられている。永久磁石１１は、径方向に磁力線が向くように且つ１個置きに磁極の向きが反転するよう配置されている。

　ステータ７は、ステータ・コア１３とコイル（図示せず）とから成り、モータ・ケース８に焼きバメなどにより締め代を持って取り付けられている。

　ステータ・コア１３は、例えば電磁鋼板を打ち抜き加工により環状に形成した複数枚を積層形成した積層体の構成であり、環状のヨーク部１５及びこのヨーク部１５の内周に径方向内側へ突出するティース部１７を備え、隣接するティース部１７間のスロット１９でティース部１７にコイルが巻きまわされている。

　ティース部１７の先端に、鍔部２１が備えられている。この鍔部２１は、ティース部１７に巻き付き形成されるコイルに径方向に対向する。

　本発明の実施例では、鍔部２１に、コイルを通過してティース１７縁辺へ達する漏れ磁束を低減するための圧縮残留応力部Ｓを有している。圧縮残留応力部Ｓは、ティース部１７を積層構成する単板毎の鍔部２１の積層方向一側面をコイル側縁辺２１ａ側で圧縮加工することにより断面が楔状に形成され、コイル側縁辺２１ａの傾斜に沿って備えられている。こうして本実施例では、圧縮残留応力部Ｓが、鍔部２１のコイル側縁辺２１ａ側のみに沿って形成され鍔部２１の反コイル側縁辺は圧縮加工されず、元の板厚を維持している。

　鍔部２１の積層方向でコイル側縁辺２１ａ側間には、空間Ｇが圧縮残留応力部Ｓに対応して各間に形成されている。空間Ｇは、圧縮残留応力部Ｓとは逆にコイル側で最大となるように楔状に形成されている。

　図５は、鍔部の圧縮加工を示す断面図である。

　図５のように、鍔部２１をパンチ２３及びダイ２５により圧縮加工し、鍔部２１に圧縮残留応力部Ｓを形成した。圧縮率は、コイル側縁辺２１ａから板厚ｔの１．５倍の範囲でティース側上面から、コイル側縁辺２１ａで５０％となるように傾斜加工しており、圧縮残留応力部Ｓは、図５の鍔部上面の傾斜開始点より０．５ｔ（コイル側縁辺２１ａ側）の範囲に形成されている。なお、圧縮率は、５０％に限らず、５０％を越え或いは下回る範囲で、鍔部２１の透磁率、強度、放熱性との関係においてモータ仕様等に応じて任意に設定することができる。

　パンチ２３及びダイ２５による圧縮加工は、電磁鋼板を打ち抜き加工する際に、ステータ・コア１３一枚ごとに行っている。この加工は、順送金型内に組み込むことにより最終輪郭を形成する前に行わせることもできる。

　ここで、圧縮変形時の加工硬化に基づく強度の増加と透磁率の低下との関係は知られており、変形度が増すほど透磁率が低下し、強度が増加する。本発明実施例では、圧縮加工によりコイル側縁辺２１ａ側の透磁率を低下させるためコイル側縁辺２１ａ側に向かって鍔部２１の断面が楔状に漸次薄くなるが、強度は増加する。コイル側縁辺２１ａ側は、構造上鍔部２１の自由端となるため、圧縮加工により強度が増加することはトルク変動等を受ける時に有利な構造となる。且つよりコイルに近いコイル側縁辺２１ａ側程透磁率が低下する。

　すなわち、ロータから流入する磁束の方向でコイル側空間に対して透磁率を確実に低下させ、且つ圧縮加工により薄くなるコイル側縁辺２１ａ側の強度を高めることができる。さらに、コイル側縁辺２１ａの薄板化と空隙Gによりステータ・コアの放熱性が良くなり、ステータ全体の温度上昇も抑えられる。

　したがって、ロータからの磁束が直接コイルに達して渦電流を生じる問題を抑制でき、温度上昇の抑制から銅損及び鉄損の低減が相乗し、且つ高速回転、トルク変動にも適応できる。

　しかも、圧縮残留応力部Ｓは、コイル側縁辺２１ａに沿って鍔部２１の先端からティース部１７側の基部まで形成されているので、ロータから流入する磁束の方向に全体的に交差すると共に、圧縮残留応力部Ｓよりも径方向の内側の反コイル側縁辺側は、鍔部２１の元の板厚を維持する。このため、圧縮残留応力部Ｓよりも径方向の内側の反コイル側縁辺では、ロータから流入する磁束が鍔部２１に沿ったロータ回転方向（周方向）に導かれることになり、ロータからの磁束が直接コイルに達することをより確実に抑制することができる。

　加えて、コイル側縁辺２１ａの圧縮残留応力部Ｓは、周方向の先端から基部へティース部１７へ向かって径方向外側へ傾斜しているので、ロータから流入する磁束をティース部１７へ無理なく導くことができる。

　さらに、鍔部２１の圧縮加工により生じる空間Ｇにおける空気の透磁率は非常に小さいので、空間Ｇの発生により磁気抵抗が増加している。しかも、空間Ｇは、コイル側縁辺２１ａに至るほど大きくなる断面が楔状に形成されており、コイル側縁辺２１ａ間での磁気抵抗を増加させている。かかる点においてもロータからの磁束が直接コイルに達することをより確実に抑制することができる。

　このように、鍔部２１の圧縮残留応力部Ｓにより鍔部２１を通過してコイルへ達する磁束の漏れを抑制でき、コイルの渦電流損の低減によりコイル温度上昇が抑えられる。さらに、コイル側縁辺２１ａの薄板化と空間Ｇにより、放熱性が上がりステータ全体の温度上昇も抑えられ、コイル温度上昇によるコイル抵抗の増加で発生する銅損の低減、コイルの渦電流損の低減により、高トルク化、高出力化が可能な高性能のステータ・コア１３を得ることができる。

　さらに、鍔部２１に圧縮残留応力部Ｓを形成するだけであり、部品点数の増大は無く、組付け、部品管理を極めて容易にすることができる。

　図６は、実施例２に係り、ステータ・コアの要部正面図である。なお、基本的な構成は、実施例１と同様であり、同一構成部分には同符号を付し、対応する構成部分には、同符号にＡを付し、重複した説明は省略する。

　本実施例のステータ７Ａのステータ・コア１３Ａでは、鍔部２１のコイル側２１ａに非磁性部Ｍを形成した。非磁性部Ｍは炭素鋼における高温で安定な相が急速冷却により室温にて残留したいわゆる残留オーステナイト相であり、目的とする箇所以外の表面に浸炭防止剤を塗布後、ガス浸炭焼き入れにより形成した。また、目的箇所に固体浸炭剤を塗布し非酸化性雰囲気中で焼入れて形成した。さらに、目的箇所に固体浸炭剤を塗布後或いは浸炭性ガス中で、目的とする領域に誘導加熱コイルを局所的に配置した高周波誘導加熱やスポットレーザー加熱により形成してもよい。また、これらの浸炭焼入れにおいて、浸炭濃度によっては組織をマルテンサイト相に変態させ、その部分の相変態膨張により周りから圧縮力を受ける圧縮残留応力部Ｓとして形成することもできる。つまり、鍔部は浸炭焼入れによって、非磁性（残留オーステナイト相）部Ｍと、圧縮残留応力部Ｓとが混在してもよい。

　このような、非磁性部Ｍ、又は非磁性部Ｍ及び圧縮残留応力部Ｓの形成で、実施例１と同様な作用効果を奏することができる。

　浸炭焼き入れは、ステータ・コア１３Ａ一枚ごとに行い、又は積層体として行うかの何れも適用できる。

　図７は、ステータ・コア分割体の正面図である。なお、基本的な構成は、実施例１と同様であり、同一構成部分には同符号を付し、対応する構成部分には、同符号にＢを付し、重複した説明は省略する。

　本実施例のステータ７Ｂのステータ・コア１３Ｂは、ステータ・コア分割体２７を接合して環状に配置した。

　各ステータ・コア分割体２７は、ヨーク部構成部２９及びティース部３１を備えており、例えば電磁鋼板を打ち抜き加工により形成した複数枚を積層形成した積層体の構成である。ヨーク部構成部２９は、環状のヨーク部１５Ｂを周方向に所定間隔で分割した構成となっている。このステータ・コア分割体２７の複数を、周方向に接合して環状に形成し、モータ・ケース８に焼きバメなどにより締め代を持って取り付けられている。

　このステータ・コア分割体２７のティース部３１は、前記同様に鍔部２１に、実施例２同様に浸炭焼入れにより、非磁性部Ｍ、圧縮残留応力部（Ｓ）を形成した。

　このような、非磁性部Ｍ又は圧縮残留応力部（Ｓ）の形成で、実施例１と同様な作用効果を奏することができる。

　本実施例は、実施例２の処理を行い、又は実施例３に実施例２と同様の処理を行い、その後実施例１の圧縮加工を行った。その結果、浸炭焼入れで硬化した作用で、実施例１～３よりも大きな値を有し非硬化部または非圧縮加工部に及ぶ広範囲な圧縮残留応力部Sを形成することができる。これにより鍔部２１を通過してコイルへ達する磁束の漏れをより一層抑制できる。
［その他］
　上記各実施例では、鍔部２１のコイル側縁辺２１ａに沿って全縁部に非磁性部Ｍ、又は非磁性部Ｍ及び圧縮残留応力部Ｓを形成したが、コイル側縁辺２１ａの長さ方向に部分的に形成することもでき、鍔部２１全体に形成することもできる。

　鍔部２１のコイル側縁辺２１ａは、ティース部１７へ向かって径方向外側へは傾斜しない形状に形成することもできる。

　１３、１３Ａ、１３Ｂ　ステータ・コア
　１５、１５Ｂ　ヨーク部
　１７、３１　ティース部
　２１　鍔部
　２７　ステータ・コア分割体
　２９　ヨーク部構成部
　Ｓ　圧縮残留応力部
　Ｍ　非磁性部

Claims

　環状のヨーク部及びこのヨーク部の内周に径方向内側へ突出するティース部とを備えたモータのステータ・コアであって、
　前記径方向内側へ突出したティース部の先端に、該ティース部に巻き付き形成されるコイルに対向し周方向に沿った鍔部を備え、
　前記ティース部を積層構成する単板毎の鍔部に圧縮残留応力部又は非磁性部を有する、
　ことを特徴とするステータ・コア。
　請求項１記載のステータ・コアであって、
　前記圧縮残留応力部は、前記鍔部の圧縮加工により形成した、ことを特徴とするステータ・コア。
　請求項１または２記載のステータ・コアであって、
　前記圧縮残留応力部又は非磁性部は、前記鍔部の浸炭焼き入れにより形成した、
　ことを特徴とするステータ・コア。
　請求項１～３の何れか１項記載のステータ・コアであって、
　前記圧縮残留応力部又は非磁性部は、前記鍔部の浸炭焼き入れ後、圧縮加工により形成した、
　ことを特徴とするステータ・コア。
　請求項１～４の何れか１項記載のステータ・コアであって、
　複数のヨーク部構成部に前記ティース部をそれぞれ備えたステータ・コア分割体を接合して環状に配置した、
　ことを特徴とするステータ・コア。
　請求項１～５の何れか１項記載のステータ・コアであって、
　前記圧縮残留応力部又は非磁性部は、前記鍔部のコイル側縁辺側のみに沿って形成された、
　ことを特徴とするステータ・コア。
　請求項６記載のステータ・コアであって、
　前記コイル側縁辺は、周方向の先端から基部へ前記ティース部へ向かって径方向外側へ傾斜している、
　ことを特徴とするステータ・コア。