WO2023210151A1

WO2023210151A1 - ステータ及び回転機

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Publication number: WO2023210151A1
Application number: PCT/JP2023/007554
Authority: WO
Inventors: 駿上野
Original assignee: 株式会社明電舎
Priority date: 2022-04-28
Filing date: 2023-03-01
Publication date: 2023-11-02
Also published as: JP2023163522A; JP7310971B1

Abstract

ティースの形状について改善したステータを提供することを目的とする。ステータは、中心軸に沿って延びるシャフトを有するロータの径方向外側にエアギャップを介して配置される回転機のステータであって、積層鋼板から成るステータコアを有し、前記ステータコアは、径方向外側から径方向内側に延び、径方向内側端を先端とする複数のティースを有し、前記複数のティースのうちの少なくとも一つは、径方向外側から径方向内側に延びる基部と、該基部の径方向内側で該基部よりも周方向両側に拡がるツバ部を有し、前記ツバ部は、径方向内側端に径方向外側に凹む溝部を有し、前記ツバ部の立ち上がり角度をθ１、前記溝部の立ち上がり角度をθ２、前記ティースの幅をｔ１、前記ツバ部の幅をｔ２、前記溝部の端同士の距離をｗとしたとき、ｔ２＞ｗ＞ｔ１、且つθ１＞θ２、の関係を満たす。

Description

ステータ及び回転機

　本発明は、ステータ及び回転機に関する。

　従来、回転機のステータとしては、ステータコアにおいてコアバックから径方向内側に延びる複数のティースを有する構造が知られている。特許文献１では、車両用回転電機の作動時に発生するノイズがドライバに目立ち難くすることを目的とし、ティースの径方向内側端のロータと対向する部分に溝を設け、隣接するティース同士で溝の個数を異ならせる構造を開示している。

特開２０１７－１１８７１３号公報

　ところで、特許文献１に記載のようにティースの径方向内側端に溝を形成することで、鉄損やＮＶ性能が改善することが知られている。ＮＶは、Ｎｏｉｓｅ・Ｖｉｂｒａｔｉｏｎの略称であって、トルクリプル、ラジアル力等に起因する。

　ティースの径方向内側端の溝を深くするほどＮＶ性能に影響するトルクリプルやラジアル力が改善するが、溝を深くしすぎると例えばティースの周方向端部から溝までの距離が短くなり剛性や強度が低下するおそれがあった。

　ステータコアは、電磁鋼板を所望の形状に打ち抜いて、これを積層する積層鋼板で形成されるが、剛性が低下すると打ち抜きや製造時の機械的ストレスにより変形してしまう可能性がある。ティースの径方向内側端の形状は鉄損やＮＶ性能に対する感度が高いため、わずかな変形でも特性への影響が大きく、ばらつきの増加や、工程能力の悪化が懸念される。このため、従来、ティースの形状について改善の余地があった。

　本発明は、ティースの形状について改善したステータを提供することを目的とする。

　本発明の一態様に係るステータは、中心軸に沿って延びるシャフトを有するロータの径方向外側にエアギャップを介して配置される回転機のステータであって、積層鋼板から成るステータコアを有し、前記ステータコアは、径方向外側から径方向内側に延び、径方向内側端を先端とする複数のティースを有し、前記複数のティースのうちの少なくとも一つは、径方向外側から径方向内側に延びる基部と、該基部の径方向内側で該基部よりも周方向両側に拡がるツバ部を有し、前記ツバ部は、径方向内側端に径方向外側に凹む溝部を有し、前記ツバ部の立ち上がり角度をθ１、前記溝部の立ち上がり角度をθ２、前記ティースの幅をｔ１、前記ツバ部の幅をｔ２、前記溝部の端同士の距離をｗとしたとき、ｔ２＞ｗ＞ｔ１、且つθ１＞θ２、の関係を満たす。

　上記の一態様のステータにおいて、前記溝部の立ち上がりが曲線であり、前記溝部の立ち上がり角度は、前記溝部の立ち上がりに内接する円の接線と、前記基部の周方向中央を通り径方向と平行な直線である基準線と直交する直線とがなす角度である。

　上記の一態様のステータにおいて、前記ツバ部の立ち上がりが曲線であり、前記ツバ部の立ち上がり角度は、前記ツバ部の立ち上がりに内接する円の接線と、前記基部の周方向中央を通り径方向と平行な直線である基準線と直交する直線とがなす角度である。

　上記の一態様のステータにおいて、前記溝部は、第１溝部であり、前記ツバ部は、前記基部の周方向中央を通り径方向と平行な直線である基準線を対称軸として、前記第１溝部と線対称な第２溝部を有する。

　上記の一態様のステータにおいて、前記溝部は、第１溝部であり、前記ツバ部は、前記第１溝部と非対称な第２溝部を有する。

　上記の一態様のステータにおいて、前記溝部は、基準線よりも周方向一方側に配置された溝の底と基準線よりも周方向他方側に配置された溝の底とが連通した一つの溝部である。

　上記の一態様のステータにおいて、前記ツバ部は、径方向内側から径方向外側に凹む複数の溝を有する。

　上記の一態様のステータにおいて、
　θ２／θ１≦０．６
の関係を満たす。

　本発明の一態様に係る回転機は、前記ステータと、前記ロータと、を有する。

　本発明の一態様によれば、ティースの形状について改善したステータを提供することが出来る。

本発明の第１実施形態に係るステータコアを軸方向一方側から見た側面図である。本発明の実施例１に係るティースを示す図であって、図１に示したティース１２２を拡大して示す側面図である。 θ２／θ１＜１の範囲条件でθ２を変えた場合の損失の変化を示すグラフである。 θ２／θ１＜１の範囲条件でθ２を変えた場合の電磁力（ラジアル力）の変化を示すグラフである。本発明の実施例２に係るティースを示す図であって、図１に示したティース１２２に相当するティース１１２２を拡大して示す側面図である。本発明の実施例３に係るティースを示す図であって、図１に示したティース１２２に相当するティース２１２２を拡大して示す側面図である。本発明の実施例４に係るティースを示す図であって、図１に示したツバ部１１３１に相当するツバ部３１３１を拡大して示す側面図である。

　以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態に係るステータについて説明する。なお、以下の図面においては、各構成をわかり易くするために、実際の構造と各構造における縮尺及び数等を異ならせる場合がある。

　また、図面においては、適宜３次元直交座標系としてＸＹＺ座標系を示す。ＸＹＺ座標系において、Ｚ軸方向は、図１に示す中心軸Ｊの軸方向と平行な方向とする。Ｙ軸方向は、中心軸Ｊに対する径方向のうち図１の上下方向とする。Ｘ軸方向は、Ｚ軸方向及びＹ軸方向の両方と直交する方向とする。Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、及びＺ軸方向のいずれにおいても、図中に示す矢印が指す側を＋側、反対側を－側とする。

　また、以下の説明においては、Ｚ軸方向の正の側（＋Ｚ側）を「一方側」と呼び、Ｚ軸方向の負の側（－Ｚ側）を「他方側」と呼ぶ。なお、一方側及び他方側とは、単に説明のために用いられる名称であって、実際の位置関係及び方向を限定しない。また、特に断りのない限り、中心軸Ｊに平行な方向（Ｚ軸方向）を単に「軸方向」と呼び、中心軸Ｊを中心とする径方向を単に「径方向」と呼び、中心軸Ｊを中心とする周方向、すなわち、中心軸Ｊの軸周りを単に「周方向」と呼ぶ。径方向において中心軸Ｊに近づく側を「径方向内側」と呼び、中心軸Ｊから遠ざかる側を「径方向外側」と呼ぶ。周方向において、図中に示す矢印が指す側を＋θ側、反対側を－θ側とする。

　なお、本明細書において、「軸方向に延びる」とは、厳密に軸方向（Ｚ軸方向）に延びる場合に加えて、軸方向に対して、４５°未満の範囲で傾いた方向に延びる場合も含む。また、本明細書において、「径方向に延びる」とは、厳密に径方向、すなわち、軸方向（Ｚ軸方向）に対して垂直な方向に延びる場合に加えて、径方向に対して、４５°未満の範囲で傾いた方向に延びる場合も含む。また「平行」とは、厳密に平行な場合に加えて、互いに成す角が４５°未満の範囲で傾いた場合も含む。

＜第１実施形態＞
　図１は、本発明の第１実施形態に係るステータコアを軸方向一方側から見た側面図である。ステータコア１００は、モータのステータで用いられる。モータは回転機の一例である。モータは、中心軸Ｊに沿って延びるシャフトを有するロータと、シャフトをロータよりも軸方向一方側で軸支する第１軸受と、シャフトをロータよりも軸方向他方側で軸支する第２軸受と、ロータの径方向外側にエアギャップを介して配置されるステータと、を備える。ステータは、ステータコア１００及びステータコイルを有する。

　ステータコア１００は、図１に示す形状に打ち抜いた複数の電磁鋼板を軸方向に積層して形成される。ステータコア１００は、径方向外側で周方向全周に亘るコアバック１１０と、コアバック１１０の内周側から径方向内側に延びる複数のティース１２０と、を有する。複数のティース１２０のそれぞれと、隣接するティース１２０との間にはスロットが形成される。スロットは、ステータコイルを収容する。ティース１２１、ティース１２２及びティース１２３のそれぞれは、複数のティース１２０のうちの一つである。

　図２は、本発明の実施例１に係るティースを示す図であって、図１に示したティース１２２を拡大して示す側面図である。以下の説明では、ティース１２２の形状について説明するが、本実施形態では複数のティース１２０のすべてがティース１２２と同じ形状である。なお、複数のティース１２０のうちの少なくとも一つが、以下に説明するティース１２２の形状であってもよい。

　ティース１２２は、コアバック１１０の内周側から径方向内側に延びる基部１４０を有する。ティース１２２は、基部１４０の径方向内側に、基部１３１よりも周方向両側に拡がるツバ部１３１を有する。図２において、基準線Ｋは、基部１４０の周方向中央を通り、径方向と平行な直線である。ティース１２２は、基準線Ｋを対称軸とした線対称な形状である。ティース１２２が線対称であることから、以下の説明では、ティース１２２の形状について基準線Ｋよりも－θ側について主に説明する。

　基部１４０の－θ側の縁は直線１４１で形成される。直線１４１の径方向外側端は、コアバック１１０の内周に繋がる。直線１４１は、径方向外側端から径方向内側に延びる。直線１４１は、径方向外側よりも径方向内側の方が基準線Ｋに近い。基部１４０の径方向内側端の－θ側縁と＋θ側縁とを結ぶ直線は、基準線Ｋと直交する。基部１４０の径方向内側端の－θ側縁と＋θ側縁とを結ぶ直線の長さ（以下「ティースの幅」ともいう）はｔ１である。

　ツバ部１３１の－θ側の縁は直線１３２及び直線１３８で形成される。直線１３２の径方向外側端は、直線１４１の径方向内側端に繋がる。直線１３２は、径方向外側端から径方向内側に延びる。直線１３２は、径方向内側よりも径方向外側の方が基準線Ｋに近い。直線１３２が、基準線Ｋと直交する直線となす角の角度（以下「ツバ部の立ち上がり角度」ともいう）はθ１である。

　直線１３８の径方向外側端は、直線１３２の径方向内側端に繋がる。直線１３８は、径方向外側端から径方向内側に延びる。直線１３８は、基準線Ｋと平行である。

　ツバ部１３１の径方向内側の縁は直線１３９、直線１３３、直線１３４及び直線１３６で形成される。直線１３９の－θ側端は、直線１３８の径方向内側端に繋がる。直線１３９は、－θ側から＋θ側に延びる。直線１３９は、基準線Ｋと平行である。

　直線１３３の－θ側端は、直線１３９の＋θ側端に繋がる。直線１３３は、－θ側から＋θ側に延びる。直線１３３は、－θ側よりも＋θ側の方がコアバック１１０に近い。直線１３３が、基準線Ｋと直交する直線となす角の角度（以下「溝部の立ち上がり角度」ともいう）はθ２である。

　直線１３４の－θ側端は、直線１３３の＋θ側端に繋がる。直線１３４は、－θ側から＋θ側に延びる。直線１３４は、＋θ側よりも－θ側の方がコアバック１１０に近い。

　直線１３６の－θ側端は、直線１３４の＋θ側端に繋がる。直線１３６は、－θ側から＋θ側に延びる。直線１３６は、基準線Ｋと直交する。

　ツバ部１３１は、直線１３３及び直線１３４によって形成され、直線１３９及び直線１３６の径方向位置よりも径方向外側に凹む溝部１３５を有する。ツバ部１３１は、基準線Ｋよりも＋θ側に、溝部１３５に相当する溝部１３７を有する。

　溝部１３５の－θ側端と溝部１３７の＋θ側端とを結ぶ直線は、基準線Ｋと直交する。溝部１３５の－θ側端と溝部１３７の＋θ側端とを結ぶ直線の長さ（以下「溝部の端同士の距離」ともいう）はｗである。
ツバ部１３１の径方向内側端における－θ側端と＋θ側端とを結ぶ直線は、基準線Ｋと直交する。ツバ部１３１の径方向内側端における－θ側端と＋θ側端とを結ぶ直線の長さ（以下「ツバ部の幅」ともいう）はｔ２である。

　本実施例では、θ１＞θ２となるように、すなわちツバ部１３１が先細りになるように溝部１３５を設け、且つ、上述のｔ１、ｔ２及びｗの関係は、ｔ２＞ｗ＞ｔ１である。本実施例では、基準線Ｋを対称軸として線対象となるように、溝部１３５及び溝部１３７を設けているが、溝部１３５と溝部１３７との間にさらに溝部を設けてもよい。また、本実施例では、基準線Ｋを対称軸として線対象としているが、θ１＞θ２であれば非対称な形状であってもよい。また、溝部１３５及び溝部１３７は２本の直線で構成されるものに限らず、円形状、円弧形状、楕円形状などの曲線で形成されるものであってもよいし、３本以上の直線で形成されるものであってもよい。

　本実施例によれば、θ１＞θ２としてツバ部１３１の根元を広くすることで、変形に対する十分な剛性を確保できる。この構成により、鉄損やNV性能を溝が無い場合よりも低減することができる。

　溝部１３５の深さは、深くするほど鉄損やＮＶ性能が改善する傾向ではあるが、深くするほど実効ギャップ長が広がるためトルクが低下する。つまり、同じトルクを出す場合は電流を大きくする必要があり銅損が悪化する。このためＮＶ性能だけではなくモータ効率も考える場合、両者のバランスをとって溝部１３５の深さを決定するのが望ましい。

　図３は、θ２／θ１＜１の範囲条件でθ２を変えた場合の損失の変化を示すグラフである。図３において、横軸はθ２／θ１であり、縦軸は損失である。図４は、θ２／θ１＜１の範囲条件でθ２を変えた場合の電磁力（ラジアル力）の変化を示すグラフである。図４において、横軸はθ２／θ１であり、縦軸はラジアル力である。図３及び図４では、θ２／θ１＝０、すなわち溝部１３５がない場合の損失及びラジアル力の変化を１として正規化している。

　図３を参照してわかるように、ステータ鉄損はθ２／θ１を大きく（溝部１３５を深く）するほど改善していくが、トルク低下により銅損が悪化するためモータの損失（銅損＋鉄損）としては変化が小さい。鉄損をステータ鉄損とロータ鉄損に分離するとθ２／θ１≦０．６の範囲では、ロータ鉄損が、溝部１３５がない場合よりも改善していることが確認できる。回転体であるロータは冷却が難しいため、ロータ損失の改善は熱的に有利である。ラジアル力に関しては、θ２／θ１＜１の範囲では溝部１３５を深くするほど改善していることが確認できる。以上から、θ１＞θ２とすることで剛性を確保しつつＮＶ性能を改善でき、より好ましくはθ２／θ１≦０．６と設定することでＮＶ性能向上と効率、熱性能向上を両立できる。

　図５は、本発明の実施例２に係るティースを示す図であって、図１に示したティース１２２に相当するティース１１２２を拡大して示す側面図である。

　基部１１４０は、図２の基部１４０に相当する。ツバ部１１３１は、図２のツバ部１３１に相当する。直線１１４１は、図２の直線１４１に相当する。直線１１３２は、図２の直線１３２に相当する。直線１１３８は、図２の直線１３８に相当する。直線１１３９は、図２の直線１３９に相当する。直線１１３３は、図２の直線１３３に相当する。直線１１３４は、図２の直線１３４に相当する。溝部１１３５は、図２の溝部１３５に相当する。溝部１１３７は、図２の溝部１３７に相当する。

　実施例２では、ツバ部１１３１は、溝部１１３５と溝部１１３７との間に、溝部１１３６を有する。実施例２においても、θ１＞θ２とすることで剛性を確保しつつＮＶ性能を改善でき、より好ましくはθ２／θ１≦０．６と設定することでＮＶ性能向上と効率、熱性能向上を両立できる。

　図６は、本発明の実施例３に係るティースを示す図であって、図１に示したティース１２２に相当するティース２１２２を拡大して示す側面図である。

　基部２１４０は、図２の基部１４０に相当する。ツバ部２１３１は、図２のツバ部１３１に相当する。直線２１４１は、図２の直線１４１に相当する。直線２１３２は、図２の直線１３２に相当する。直線２１３８は、図２の直線１３８に相当する。直線２１３９は、図２の直線１３９に相当する。直線２１３３は、図２の直線１３３に相当する。

　直線２１３４の－θ側端は、直線２１３３の＋θ側端に繋がる。直線２１３４は、－θ側から＋θ側に延びる。直線２１３４は、基準線Ｋと直交する。本実施例の溝部２１３５は、図２の溝部１３５と溝部１３７とが溝の底同士で繋がった形状になっている。すなわち、本実施例では、ツバ部２１３１は、基準線よりも－θ側（周方向一方側）に配置された溝（溝部１３５に相当）の底と基準線よりも＋θ側（周方向他方側）に配置された溝（溝部１３７に相当）の底とが連通した一つの溝部（溝部２１３５）を有する。また、本実施例では、ツバ部２１３１は、直線２１３４から径方向外側に凹む溝部２１３６を有する。実施例２においても、θ１＞θ２とすることで剛性を確保しつつＮＶ性能を改善でき、より好ましくはθ２／θ１≦０．６と設定することでＮＶ性能向上と効率、熱性能向上を両立できる。

　図７は、本発明の実施例４に係るティースを示す図であって、図２に示したツバ部１１３１に相当するツバ部３１３１を拡大して示す側面図である。図２では溝部１３５を直線１３３及び直線１３４の２本の直線で形成したが、本発明はこれに限られるものではなく、図７に示す溝部３１３５のように曲線で形成される溝部であっても適用可能である。この場合、溝部３１３５の－θ側端（溝部３１３５の立ち上がり）に内接する円３１３５ａの接線と、ツバ部１１３１の径方向内側端の直線３１３６（基準線Ｋと直交する直線）とがなす角度をθ２として、上述したθ１とθ２との関係を適用すればよい。

　また、図２の直線１３２が曲線である場合、例えば、直線１３２の代わりに－θ側端に膨らむ曲線によってツバ部１３１が形成される場合にも本発明を適用することができる。この場合、曲線の－θ側端（溝部の立ち上がり）に内接する円の接線と、基準線Ｋと直交する直線とがなす角度をθ１として、上述したθ１とθ２との関係を適用すればよい。

　また、図２の直線１３２及び直線１３８が曲線である場合、例えば、直線１３２及び直線１３８の代わりに－θ側端に膨らむ曲線によってツバ部１３１が形成される場合にも本発明を適用することができる。この場合、曲線の－θ側端（溝部の立ち上がり）に内接する円の接線と、基準線Ｋと直交する直線とがなす角度をθ１として、上述したθ１とθ２との関係を適用すればよい。

　本発明は、上記実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の改良並びに設計の変更を行ってもよい。加えて、今回開示された実施形態は、全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなくて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及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

　本出願は、２０２２年４月２８日に出願された日本特許出願である特願２０２２－７４４８４号に基づく優先権を主張し、当該日本特許出願に記載されたすべての記載内容を援用する。

１００…ステータコア、１１０…コアバック、１２０…ティース

Claims

　中心軸に沿って延びるシャフトを有するロータの径方向外側にエアギャップを介して配置される回転機のステータであって、
　積層鋼板から成るステータコアを有し、
　前記ステータコアは、径方向外側から径方向内側に延び、径方向内側端を先端とする複数のティースを有し、
　前記複数のティースのうちの少なくとも一つは、径方向外側から径方向内側に延びる基部と、該基部の径方向内側で該基部よりも周方向両側に拡がるツバ部を有し、
　前記ツバ部は、径方向内側端に径方向外側に凹む溝部を有し、
　前記ツバ部の立ち上がり角度をθ１、前記溝部の立ち上がり角度をθ２、前記ティースの幅をｔ１、前記ツバ部の幅をｔ２、前記溝部の端同士の距離をｗとしたとき、
　ｔ２＞ｗ＞ｔ１、且つ
　θ１＞θ２、
の関係を満たす、
ステータ。
　前記溝部の立ち上がりが曲線であり、
　前記溝部の立ち上がり角度は、前記溝部の立ち上がりに内接する円の接線と、前記基部の周方向中央を通り径方向と平行な直線である基準線と直交する直線とがなす角度である、
請求項１に記載のステータ。
　前記ツバ部の立ち上がりが曲線であり、
　前記ツバ部の立ち上がり角度は、前記ツバ部の立ち上がりに内接する円の接線と、前記基部の周方向中央を通り径方向と平行な直線である基準線と直交する直線とがなす角度である、
請求項１に記載のステータ。
　前記溝部は、第１溝部であり、
　前記ツバ部は、前記基部の周方向中央を通り径方向と平行な直線である基準線を対称軸として、前記第１溝部と線対称な第２溝部を有する、
請求項１に記載のステータ。
　前記溝部は、第１溝部であり、
　前記ツバ部は、前記第１溝部と非対称な第２溝部を有する、
請求項１に記載のステータ。
　前記溝部は、基準線よりも周方向一方側に配置された溝の底と基準線よりも周方向他方側に配置された溝の底とが連通した一つの溝部である、
請求項１に記載のステータ。
　前記ツバ部は、径方向内側から径方向外側に凹む複数の溝を有する、
請求項１に記載のステータ。
　θ２／θ１≦０．６
の関係を満たす、
請求項１に記載のステータ。
　請求項１から６のいずれか１項に記載の前記ステータと、
　前記ロータと、
を有する、
回転機。