WO2024117004A1 - ステータ、ステータの製造方法、及び表面磁石型のモータ - Google Patents

Abstract

金属製補強管にスリットを設けたり、金属製補強管を分割したりすることなく、金属製補強管の渦電流による損失を低下させる。　ステータ（２０）は、ロータ軸（１４）の周囲に設けられた永久磁石（１６）が金属製補強管（１８）によって覆われたロータ（１２）とともに表面磁石型のモータ（１０）を構成する。このステータ（２０）では、ティース（２８）の先端部にステータコア（２２）の軸方向に延びるスリット（３４）が形成されている。

Description

ステータ、ステータの製造方法、及び表面磁石型のモータ

　本開示は、表面磁石型のモータに関し、特にステータに関する。

　特開２０２２－０１０９３４号公報に開示された回転電機のロータは、金属製の筒部材（補強管）と、補強管の内周面に固定された永久磁石と、補強管及び永久磁石と一体回転可能とした第１軸部材及び第２軸部材と、を備えている。補強管の内周面において、永久磁石が固定されている領域には、補強管の周方向に延びる第１スリットが形成されている。補強管の外周面には、補強管の径方向において第１スリットと重なる位置に延びる第２スリットが形成されている。これにより、強度の低下を抑制しつつ補強管の渦電流を抑制するようにしている。

　特許６６１８７６８号公報に開示された回転電気機械のロータは、ロータ軸に外嵌された軸方向に延びる筒状のスリーブ（補強管）と、ロータ軸と補強管との半径方向の間に設けられ、補強管によってロータ軸の周囲に保持された界磁用の永久磁石とを備えている。補強管は、軸方向に細分化されており、且つ、ショート補強管同士が機械的に接合されている。これにより、補強管が一体物である場合やショート補強管同士が溶接で接合されている場合と比較して、補強管の電気抵抗が大きくなり、渦電流の電流路が短くなるようにしている。

　特許４６１３８３３号公報に開示された表面磁石型回転電機は、ロータを備え、ロータは、磁石と、磁石の外周に設けられ、磁石の飛散を抑制する飛散防止管（補強管）とを有している。補強管は、チタン層である第１部分と、第１部分よりも高比抵抗のシリコン粒子層である第２部分とを軸方向に交互に積層したチタン複合材料を焼結して形成される。これにより、組付け工程が複雑になることを抑制しながら渦電流損を抑制するようにしている。

　上記のような補強管の材料としては、高強度なチタン合金やインコネルなどの金属材料が主に使用される。金属材料は、炭素繊維強化樹脂やガラス繊維強化樹脂に比べて耐熱性は良好であるが、モータ内の磁束により渦電流が発生し、補強管が発熱してしまうという問題がある。回転体であるロータは直接冷却することが難しく、空冷させることしかできない。そのため、冷却効率がステータに比べて悪いため、如何に発熱を抑えるかが課題となる。上記の先行技術では、金属製補強管にスリットを設けたり、金属製補強管を分割したりして、渦電流を抑制するようにしているが、このような対策では、本来必要な金属製補強管の剛性を低下させたり、余計な加工コストが掛かるという問題がある。

　本開示は上記事実を考慮し、金属製補強管にスリットを設けたり、金属製補強管を分割したりすることなく、金属製補強管の渦電流による損失を低下させることができるステータ、ステータの製造方法及び表面磁石型のモータを得ることを目的とする。

　第１の態様のステータは、ロータ軸の周囲に設けられた永久磁石が金属製補強管によって覆われたロータとともに表面磁石型のモータを構成するステータであって、ティースの先端部にステータコアの軸方向に延びるスリットが形成されている。

　第１の態様のステータは、ロータ軸の周囲に設けられた永久磁石が金属製補強管によって覆われたロータとともに表面磁石型のモータを構成する。このステータは、ティースの先端部にステータコアの軸方向に延びるスリットが形成されている。これにより、ティース先端部において磁束が流れやすい側を磁気飽和させることができ、ティース先端部の磁束の流れ易さのバラツキを緩和させることができる。その結果、金属製補強管内の磁束密度分布の交番磁界を低下させることができ、金属製補強管内の渦電流を低下させることができる。またこの態様では、ティース先端部の磁気飽和は片側のみの為、トルク発生のための磁束の流れは十分確保できる。そのため、ティース先端部にスリットを形成しても、モータのトルク低下はわずかしかなく、それ以上に金属製補強管の渦電流による損失を低下させることができる。

　第２の態様のステータは、第１の態様において、前記スリットは、前記ティースの先端部において、前記ロータの回転方向と逆側に偏倚して配置されている。

　第２の態様のステータでは、ティース先端部に形成されたスリットは、ティース先端部において、ロータの回転方向と逆側に偏倚して配置されている。これにより、ティース先端部の磁束が流れやすい側がより磁気飽和しやすくなるため、前述した効果が向上する。

　第３の態様のステータは、第１の態様又は第２の態様において、前記ステータコアの周方向における前記スリットの幅は、前記ティースの幅の６分の１以上でかつ３分の２以下に設定されている。

　第３の態様のステータでは、ティース先端部に形成されたスリットは、ステータコア周方向の幅が、ティースの幅の６分の１以上でかつ３分の２以下に設定されている。これにより、モータのトルク低下を抑制しつつ、金属製補強管の渦電流による損失を低下させることができる。

　第４の態様のステータは、第１の態様又は第２の態様において、前記ティースの先端部には、スロットの開口側へ張り出した張出部が設けられ、前記ステータコアの径方向における前記スリットの長さは、前記張出部における前記径方向の厚さよりも長く設定されている。

　第４の態様のステータでは、ティース先端部にスロットの開口側へ張り出した張出部が設けられている。ティース先端部に形成されたスリットは、ステータコア径方向の長さが、上記張出部におけるステータコア径方向の厚さよりも長く設定されている。これにより、モータのトルク低下を抑制しつつ、金属製補強管の損失を低下させることができる。

　第５の態様のステータは、第１の態様又は第２の態様において、全体が樹脂によりモールドされ、前記スリット内にも樹脂が充填されている。

　第５の態様のステータでは、全体が樹脂によりモールドされているため、放熱性を向上させることができる。しかも、ティース先端部に形成されたスリット内にも樹脂が充填された構成であるため、上記のスリットが樹脂の流路となる。これにより、ステータの内径部とモールド金型とのクリアランスが小さく設定される場合でも、ステータ内径部への樹脂の流れ込みを良好にすることができる。

　第６の態様のステータの製造方法は、第１の態様又は第２の態様において、請求項１又は請求項２に記載のステータの製造方法であって、コイル挿入用のインサータ治具に補強用リブを設け、当該補強用リブを前記スリットに挿入しながらコイルをスロットに挿入する。

　第６の態様のステータの製造方法では、コイル挿入用のインサータ治具によってコイルがスロットに挿入される。このインサータ治具には、補強用リブが設けられており、ティース先端部に形成されたスリットに上記の補強用リブが挿入されながら、コイルがスロットに挿入される。この補強用リブにより、インサータ治具の剛性確保が容易になる。

　第７の態様の表面磁石型のモータは、ロータ軸の周囲に設けられた永久磁石が金属製補強管によって覆われたロータと、ティースの先端部にステータコアの軸方向に延びるスリットが形成されたステータと、を備えている。

　第７の態様の表面磁石型のモータによれば、ロータは、ロータ軸の周囲に設けられた永久磁石が金属製補強管によって覆われており、ステータは、ティースの先端部にステータコアの軸方向に延びるスリットが形成されている。これにより、ティース先端部において磁束が流れやすい側を磁気飽和させることができ、ティース先端部の磁束の流れ易さのバラツキを緩和させることができる。その結果、金属製補強管内の磁束密度分布の交番磁界を低下させることができ、金属製補強管内の渦電流を低下させることができる。またこの態様では、ティース先端部の磁気飽和は片側のみの為、トルク発生のための磁束の流れは十分確保できる。そのため、ティース先端部にスリットを形成しても、モータのトルク低下はわずかしかなく、それ以上に金属製補強管の渦電流による損失を低下させることができる。

　以上説明したように、本開示に係るステータ、ステータの製造方法及び表面磁石型のモータによれば、金属製補強管にスリットを設けたり、金属製補強管を分割したりすることなく、金属製補強管の渦電流による損失を低下させることができる。

第１実施形態に係るモータを示す断面図である。 図１に示される構成の一部を拡大して示す拡大断面図である。 比較例に係るモータを示す断面図である。 図３に示される構成の一部を拡大して示す拡大断面図である。 第１実施形態に係るモータの一部を拡大して示す拡大断面図である。 ロータの回転角度と磁束密度との関係を示す線図である。 スリットの幅とモータのトルク及びロータの損失の増減率との関係を示す線図である。 スリットの長さとモータのトルク及びロータの損失の増減率との関係を示す線図である。 第２実施形態に係るモータを示す断面図である。 図９に示される構成の一部を拡大して示す拡大断面図である。 ティース先端部に形成されたスリットがロータの回転方向に偏倚して配置された例を示す図である。 ティース先端部におけるスリットの偏倚量とモータのトルク及びロータの損失の増減率との関係を示す線図である。 第３実施形態に係るモータを示す斜視断面図である。 比較例に係るモータを示す斜視断面図である。 第４実施形態に係るモータのステータコアとインサータ治具とを示す斜視断面図である。 比較例に係るモータのステータコアとインサータ治具とを示す斜視断面図である。

　＜第１の実施形態＞
　以下、図１～図８を参照して本開示の第１実施形態に係るモータ１０について説明する。なお、各図中においては、図面を見易くする関係から、一部の符号を省略している場合や、断面のハッチングを省略または簡略化している場合がある。

　図１に示されるように、本実施形態に係るモータ１０は、インナロータ型の回転電機であり、ロータ１２と、ロータ１２に対して回転磁界を発生させるステータ２０と、ロータ１２及びステータ２０を収容する図示しないケースとを備えている。このモータ１０は、ロータ１２の外周に永久磁石１６が保持された表面磁石型（Surface Permanent Magnetic；ＳＰＭ）のモータである。

　ロータ１２は、ロータ軸１４と、ロータ軸１４の周囲に設けられた１つのリング状の永久磁石１６と、永久磁石１６を外周側から覆った金属製補強管１８とを備えた回転子である。このロータ１２は、ステータ２０が発生させる回転磁界により、ロータ軸１４の軸線回りに回転する。なお、ロータ１２が１つのリング状の永久磁石１６の代わりに、ロータ軸１４の周方向に分割された複数の永久磁石を備える構成にしてもよい。

　永久磁石１６は、例えば接着剤によりロータ軸１４の外周面に固定されている。永久磁石１６の外周には、金属製補強管１８が装着されている。金属製補強管１８は、例えばチタン合金やインコネルなどの金属材料によって円筒状に形成されている。金属製補強管は、表面にスリット・溝等が設けられておらず、また軸方向に分割もされていない、一様な筒・スリーブ・円筒形状である。金属製補強管１８は、永久磁石１６の外周面の全体を覆っており、永久磁石１６をロータ軸１４側へ締め付けてロータ軸１４に強固に固定している。

　金属製補強管１８の内径は、ロータ軸１４に固定された永久磁石１６の外径よりも若干小さく形成され、締め代が設定される。製造された金属製補強管１８の内側には、ロータ軸１４に固定された永久磁石１６が圧入される。この圧入には、例えば図示しない圧入装置が用いられる。この圧入により、永久磁石１６の外周面の全体が金属製補強管１８により覆われ、且つ永久磁石１６が締め付けられてロータ軸１４に強固に固定される。

　ステータ２０は、ステータコア２２と、分布巻きのコイル２４とを備えた固定子である。ステータコア２２は、電磁鋼板からなる複数枚の鉄心片が積層されて構成されている。このステータコア２２は、環状に形成されており、ヨーク２６と、複数（ここでは１２個）のティース２８とを有している。ヨーク２６は、円筒状をなしている。複数のティース２８は、ヨーク２６の内周面からステータコア２２の径方向の内側に向かって突出するように形成されている。複数のティース２８は、ステータコア２２の周方向に等間隔に並んで形成されており、複数のティース２８の間には、それぞれスロット３０が形成されている。なお、図１に示されるステータ２０の極数やスロット３０の数は単なる一例であり、これに限定されない。

　コイル２４は、例えば絶縁被膜によって覆われた銅等からなる線径の細い丸線が複数本の束となって構成されている。複数束のコイルは、複数のティース２８にわたって巻回されている。図２に示されるように、各ティース２８の先端部には、各スロット３０の開口側へ張り出した一対の張出部３２（図１では符号省略）が設けられており、各スロット３０の開口幅ａが一対の張出部３２によって狭められている。

　また、各ティース２８の先端部には、ステータコア２２の軸方向に延びるスリット（溝）３４が形成されている。このスリット３４は、ステータコア２２を構成する積層鉄心の各鉄心片に形成された切込みがステータコア２２の軸方向に連続して並ぶことで構成されている。各鉄心片の上記切込みは、各鉄心片がプレス加工により打ち抜かれた際に形成されたものである。

　上記のスリット３４におけるステータコア２２の周方向の幅ｂは、ティース２８の幅ｃの６分の１以上でかつ３分の２以下に設定されている。このスリット３４の幅ｂは、ティース２８の幅ｃの３分の１以上でかつ２分の１以下であることがより好ましい。また、上記のスリット３４におけるステータコア２２の径方向の長さｄは、張出部３２におけるステータコア２２の径方向の厚さｅよりも長く設定されている。このスリット３４の長さｄは、張出部３２の厚さｅの１倍以上でかつ６倍以下であることが好ましく、張出部３２の厚さｅの２倍以上でかつ６倍以下であることがより好ましい。

　次に、本実施形態の作用及び効果について説明する。
　上記構成のモータ１０によれば、ロータ１２は、ロータ軸１４の周囲に設けられた永久磁石１６が金属製補強管１８によって覆われており、ステータ２０は、各ティース２８の先端部にステータコア２２の軸方向に延びるスリット３４が形成されている。これにより、各ティース２８の先端部において磁束が流れやすい側を磁気飽和させることができ、各ティース２８の先端部の磁束の流れ易さのバラツキを緩和させることができる。その結果、金属製補強管１８内の磁束密度分布の交番磁界を低下させることができ、金属製補強管１８内の渦電流を低下させることができる。またこの態様では、ティース２８の先端部の磁気飽和は片側のみの為、モータ１０のトルク発生のための磁束の流れは十分確保できる。そのため、ティース２８の先端部にスリット３４を形成しても、モータ１０のトルク低下はわずかしかなく、それ以上に金属製補強管１８の損失を低下させることができる。

　上記の効果について、図３及び図４に示されるモータ１００（比較例）を用いて補足説明する。この比較例では、ステータコア２２の各ティース２８の先端部にスリット３４が形成されていないが、それ以外の構成は本実施形態と同様とされており、ステータ２０のコイル２４が分布巻きとされている。なお図３において、符号Ｃ１を付したマークは、紙面に垂直な方向の手前側への電流の流れを示しており、符号Ｃ２を付したマークは、紙面に垂直な方向の奥側への電流の流れを示しており、矢印Ｌは、電流が作る局所的な磁束の流れを示しており、矢印Ｍは、永久磁石１６の磁束を示している。また図３及び図４において矢印Ｒは、ロータ１２の回転方向を示しており、図４において矢印ＭＦは、磁束の流れを示している。

　ステータ２０のコイル２４が分布巻きの場合、ティース２８の先端部には、磁束の流れ易い箇所（図４においてティース２８の表面にハッチングを付した箇所参照）と、流れにくい箇所とが発生する。スロット３０内のコイル２４を流れる電流が作る磁束の流れにより、ロータ１２の回転方向に対して逆側の方が、磁束が流れやすくなる。本実施形態のように、ティース２８の先端部にスリット３４を形成することにより、磁束が流れやすい側を磁気飽和させることができる。その結果、図５に矢印ＭＦで示されるように、ティース２８の先端部における磁束の流れ易さのバラツキを緩和させることができる。

　図６には、ロータの回転角度と磁束密度との関係が線図にて示されている。この図６において、破線は本実施形態であり、実線は上記の比較例である。この図６に示されるように、本実施形態では、金属製補強管１８内の磁束密度分布の交番磁界を低下させることができる（図６において、Ａ２＜Ａ１）。その結果、金属製補強管１８内の渦電流を低下させることができる。

　なお、スリット３４の幅ｂは大きい方が上記の効果が高くなるが、幅ｂを大きくしすぎると、モータ１０のトルク低下が大きくなってくる。図７には、スリット３４の幅ｂとモータ１０のトルク及びロータ損失の増減率との関係が線図にて示されている。この図７に示される例では、ティース２８の幅ｃが６ｍｍに設定されている。この図７に示されるように、スリット３４の幅ｂがティース２８の幅ｃの６分の１以上でかつ３分の２以下であれば、モータ１０のトルクの減少が一定の範囲に抑えられる。このため、本実施形態では、スリット３４の幅ｂがティース２８の幅ｃの６分の１以上でかつ３分の２以下に設定されている。これにより、モータ１０のトルク低下を抑制しつつ、金属製補強管１８の損失を低下させることができる。

　また、図８には、スリット３４の長さｄとモータ１０のトルク及びロータ損失の増減率との関係が線図にて示されている。この図８に示される例では、ティース２８の張出部３２の厚さｅが１ｍｍに設定されている。この図８に示されるように、スリット３４の長さｄが張出部３２の厚さｅよりも長くなると、モータ１０のトルクの減少が一定の範囲に抑えられる。このため、本実施形態では、スリット３４の長さｄが張出部３２の厚さｅよりも長く設定されている。これにより、モータ１０のトルク低下を抑制しつつ、金属製補強管１８の損失を低下させることができる。

　以上のように、本実施形態では、金属製補強管１８にスリットを設けたり、金属製補強管１８を分割したりすることなく、金属製補強管１８の渦電流による損失を低下させることができる。この効果は、金属製補強管１８だけでなく、金属製補強管１８の原理と同じように永久磁石１６に発生する渦電流も低下させることができる。また、渦電流を低下させることができる分、ステータ２０とロータ１２との間の空間ギャップを小さくすることが可能となり、モータ１０の出力を向上させることが可能となる。しかも、ステータコア２２のスリット３４は、プレス金型内で形成することができるため、ステータコア２２をプレスで打抜く際にスリット３４を加工することにより、製造コストの増加を抑制することができる。

　次に、本開示の他の実施形態について説明する。なお、第１実施形態と基本的に同様の構成及び作用については、第１実施形態と同符号を付し、その説明を省略する。

　＜第２の実施形態＞
　図９には、本開示の第２実施形態に係るモータ１０が断面図にて示されており、図１０には、図９に示される構成の一部が拡大断面図にて示されている。このモータ１０では、スリット３４がティース２８の先端部においてロータ１２の回転方向Ｒと逆側に偏倚して配置されている。これにより、ティース２８の先端部の磁束が流れやすい側がより磁気飽和しやすくなるため、ティース２８の先端部の磁束の流れ易さのバラツキを緩和させる効果が向上する。この実施形態では、上記以外の構成は第１実施形態と同様とされている。

　上記の効果について図１１及び図１２を用いて補足説明する。図１１には、スリット３４がティース２８の先端部においてロータ１２の回転方向Ｒに偏倚して配置された例（比較例）が示されている。また図１２には、ティース２８の先端部におけるスリット３４の偏倚量とモータのトルク及びロータ損失の増減率との関係が線図にて示されている。上記の偏倚量は、ステータコア２２の周方向におけるティース２８の中心からのスリット３４の中心の偏倚量である。図１２においては、ロータ１２の回転方向Ｒとは逆側の偏倚量をプラスで記載し、ロータ１２の回転方向Ｒの偏倚量をマイナスで記載している。図１２に示されるように、スリット３４がティース２８の先端部においてロータ１２の回転方向Ｒと逆側に偏倚して配置された構成では、スリット３４がティース２８の先端部においてロータ１２の回転方向Ｒに偏倚して配置された構成と比較して、ロータ１２の損失が低下する。

　＜第３の実施形態＞
　図１３には、本開示の第３実施形態に係るモータ１０が斜視断面図にて示されている。第３実施形態に係るモータ１０では、ステータ２０の全体が図示しない樹脂によりモールドされる構成になっている。これにより、放熱性を向上させることができる。しかも、ティース２８の先端部に形成されたスリット３４内にも上記の樹脂が充填されている。このスリット３４が樹脂の流路となるため、ステータコア２２の内径部とモールド金型３６とのクリアランスが小さく設定される場合でも、ステータコア２２の内径部への樹脂の流れ込みを良好にすることができる（図１３の矢印Ｆ１参照）。

　つまり、図１４に示される比較例のように、ティース２８の先端部にスリット３４が形成されていない構成では、ステータコア２２の内径部とモールド金型３６との間の狭い隙間に樹脂を流し込む必要があるが、上記の隙間は非常に狭いため、樹脂の流れ込みが悪い（図１４の矢印Ｆ２）。この樹脂の流れ込みを、本実施形態では良好にすることができる。

　＜第４の実施形態＞
　図１５には、本開示の第３実施形態に係るモータ１０のステータコア２２とインサータ治具３８とが斜視断面図にて示されている。この実施形態では、分布巻きのコイル２４をステータコア２２のスロット３０に挿入する際に使用されるインサータ治具３８に補強用リブ４０が設けられている。この補強用リブ４０がスリット３４に挿入されながらコイル２４がスロット３０に挿入される構成となっている。この補強用リブ４０により、インサータ治具３８の剛性を確保することができるので、コイル２４の挿入作業を容易にすることができる。

　特に、超高速で回転するモータはロータの径が小さいため、ステータの内径も小さくなる。ステータの内径が小さいと分布巻きコイルをステータコアのスロットに挿入する際に使用するインサータ治具を細くしなければならない（図１６に示される比較例参照）。その結果、インサータ治具の剛性不足により、コイル挿入が安定しない、コイルを挿入できない、インサータ治具のメンテナンスの頻度が上がる等の課題が発生する。本実施形態のように、ステータコア２２の内径部に設けたスリット３４を活用すれば、インサータ治具３８に補強用リブ４０を追加することが可能となり、ステータコア２２の内径が小さくても十分剛性のあるインサータ治具３８を使用することが可能となる。

　以上、幾つかの実施形態を挙げて本実施形態について説明したが、本開示は、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更して実施できる。また、本開示の権利範囲が上記各実施形態に限定されないことは勿論である。

　また、２０２２年１１月３０日に出願された日本国特許出願２０２２－１９２１２６号の開示は、その全体が参照により本明細書に取り込まれる。本明細書に記載された全ての文献、特許出願、および技術規格は、個々の文献、特許出願、および技術規格が参照により取り込まれることが具体的かつ個別に記載された場合と同程度に、本明細書中に参照により取り込まれる。

Claims (7)

1. 　ロータ軸の周囲に設けられた永久磁石が金属製補強管によって覆われたロータとともに表面磁石型のモータを構成するステータであって、ティースの先端部にステータコアの軸方向に延びるスリットが形成されたステータ。
2. 　前記スリットは、前記ティースの先端部において、前記ロータの回転方向と逆側に偏倚して配置されている請求項１に記載のステータ。
3. 　前記ステータコアの周方向における前記スリットの幅は、前記ティースの幅の６分の１以上でかつ３分の２以下に設定されている請求項１又は請求項２に記載のステータ。
4. 　前記ティースの先端部には、スロットの開口側へ張り出した張出部が設けられ、前記ステータコアの径方向における前記スリットの長さは、前記張出部における前記径方向の厚さよりも長く設定されている請求項１又は請求項２に記載のステータ。
5. 　全体が樹脂によりモールドされ、前記スリット内にも樹脂が充填されている請求項１又は請求項２に記載のステータ。
6. 　請求項１又は請求項２に記載のステータの製造方法であって、
   　コイル挿入用のインサータ治具に補強用リブを設け、当該補強用リブを前記スリットに挿入しながらコイルをスロットに挿入するステータの製造方法。
7. 　ロータ軸の周囲に設けられた永久磁石が金属製補強管によって覆われたロータと、
   　ティースの先端部にステータコアの軸方向に延びるスリットが形成されたステータと、
   　を備えた表面磁石型のモータ。