JP2009077491A - ステータコア積層体およびモータ - Google Patents

Abstract

【課題】外形寸法を大きくせずに、鉄損の発生を抑えつつ溶接等で一体積層したステータコア積層体およびモータを提供する。
【解決手段】隣接する突極２４の間に、コア本体２２から中心軸に向かって立設された突起部４０を備え、その突起部４０の先端に溝状の凹部４２が形成され、その凹部４２の内面を溶接して複数の電磁鋼板２１ａが接合されている。コア本体２２の基準円から突起部４０の先端までの高さＡは、コア本体２２の基準円から突極２４の先端までの高さＢの５０％以下であることが望ましい。
【選択図】図４

Description

この発明は、ステータコア積層体およびモータに関するものである。

一般に、電動機であるスイッチトリラクタンスモータ（以下、「ＳＲモータ」という。）は、ステータケースに内嵌固定されたステータと、ステータに対して回転自在に設けられたロータとを有している。

ステータケースは、一般に円筒形状であり、筒状部分の内周にコア本体が内嵌固定されている。また、ステータケースの両端の開口部は、フロントブラケット及びリアブラケットによってそれぞれ閉塞されている。各ブラケットには、径方向中央にそれぞれベアリングが設けられており、このベアリングにロータのシャフトが回転自在に支持されている。

ロータは、回転軸に対して直角に突出した複数の突極を有するロータコアの内径にシャフトを圧入した構造となっている。ステータは、ステータコア積層体の突極の周囲にコイルを配置した構造となっている。ステータコア積層体は、略円筒状のコア本体と、コア本体から中心軸に向かって立設された複数の突極とを備えている。

このようなＳＲモータのステータは、渦電流による鉄損の発生を抑制するため、薄板状の電磁鋼板を積層して形成されている。この際、積層した各電磁鋼板を固定するために溶接による締結がなされる。しかしながら、溶接のためにステータの磁束流路を狭くすると磁束密度が高くなり鉄損が多く発生してしまう。そこで、ステータの外側に磁束のほとんど流れない突起部を設けて、この突起部において溶接を行うものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開平５−３１６７０９号公報

しかしながら、特許文献１のようにステータの外側に突起部を設けた場合には、ステータの外側寸法が大きくなり、ＳＲモータ全体の外側寸法も大きくなってしまうという問題がある。

そこで、この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、鉄損の発生を抑えつつ、外形寸法を大きくせずに、複数の鋼板が接合されてなるステータコア積層体およびモータを提供するものである。

上記の課題を解決するために、本発明に係るステータコア積層体は、複数の鋼板が積層されてなり、略円筒状のコア本体と、前記コア本体から中心軸に向かって立設された複数の突極とを備えたモータ用のステータコア積層体であって、隣接する前記突極の間に、前記コア本体から中心軸に向かって立設された突起部を備え、前記複数の鋼板は、前記突起部において接合されていることを特徴とする。
この構成によれば、磁束の流路（磁路）となるコア本体から外れた位置で複数の鋼板が接合されるので、磁路を侵食することなく鉄損を防止することができる。また、コア本体の内側に突起部を設けていることで、ステータコア積層体の外径を大きくすることがない。

また、前記コア本体の基準円から前記突起部の先端までの高さは、前記コア本体の基準円から前記突極の先端までの高さの５０％以下であることを特徴とする。
この構成によれば、ステータの鉄損とモータの出力トルクとのバランスを確保することができる。また、突極の周囲にコイルの配置スペースを確保することが可能になり、コイルの占積率を向上させることができる。

また、前記コア本体の周方向における前記突極の両側面は、相互に平行に形成され、前記突起部の側面は、隣接する前記突極の側面と平行に形成されていることを特徴とする。
また、前記突極の側面に連続する前記コア本体の内面は、前記突極の側面に垂直な平面で構成されていることを特徴とする。
これらの構成によれば、コイルの配置スペースの断面形状を、略正方形状または略長方形状とすることが可能になる。これにより、断面形状が略正方形状または略長方形状にあらかじめ巻き回したコイルの装着が容易になり、コイルの占積率を向上させることができる。

また、前記コア本体の径方向における幅の最小値は、前記コア本体の周方向における前記突極の幅の５５％以上であることを特徴とする。
この構成によれば、コア本体の磁束密度が突極の磁束密度よりも小さくなり、磁束はコア本体から漏れることなく突極のみから漏れることになる。したがって、モータの出力を向上させることができる。

また前記突起部の先端には、前記コア本体の軸方向に伸びる凹部が形成され、前記複数の鋼板は、前記凹部内面を溶接して接合されていることを特徴とする。
この構成によれば、凹部内面を溶接することで溶接面積を増やすことができ、複数の鋼板を強く接合し、ステータコア積層体の強度を強くすることができる。

また前記複数の鋼板は、前記突起部に形成された凸部と凹部とを嵌合して接合されていることを特徴とする。
この構成によれば、複数の鋼板を溶接によらず簡単に接合することが可能になり、製造工程を簡略化して製造コストを低減することができる。

一方、本発明に係るモータは、上述したステータコア積層体における前記突極の周囲にコイルが配置されてなるステータと、前記ステータの内側に同軸状に配置されたロータと、を備えたことを特徴とする。
この構成によれば、鉄損が抑制されたステータコア積層体を備えているので、高効率のモータを提供することができる。また外形の小さいステータコア積層体を備えているので、小型のモータを提供することができる。

本発明によれば、鉄損の発生を抑えつつ、外形寸法を大きくせずに、複数の鋼板が接合されてなるステータコア積層体およびモータを提供することができる。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について説明する。図１（ａ）はスイッチトリラクタンスモータの斜視図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＦ−Ｆ線における側面断面図である。図２（ａ）は図１（ｂ）のＧ−Ｇ線における正面断面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）のＰ部拡大図である。
図１（ｂ）に示すように、スイッチトリラクタンスモータ（以下、「ＳＲモータ」という。）１は、円筒形状のステータケース２に内装固定された円筒形状のステータ２０と、ステータ２０の内側に回転自在に設けられたロータ１０とを有する。また、ステータケース２の一方端部に外装固定されたフロントブラケット３と、他方端部に外装固定されたリアブラケット４とを有する。

ステータケース２へのフロントブラケット３およびリアブラケット４の固定は、セットボルト５によりなされる。この際、図２（ａ）に示すように、ステータケース２の内周面に凹部を設けるとともに、ステータ２０の外周面に凹部を設け、これらの凹部により形成される孔２８にセットボルト５を通して固定する構造となっている。
これにより、図１（ｂ）に示すＳＲモータ１の外径を大きくすることなしに、ステータケース２へのフロントブラケット３およびリアブラケット４の固定ができるともに、ステータケース２とステータ２０との相対回転を防止することができる。

図１（ｂ）に示すように、ロータ１０にはシャフト１１を挿入する孔が設けられており、この孔にシャフト１１が圧入固定されている。このシャフト１１がフロントブラケット３に配置されたフロント側ベアリング６およびリアブラケット４に配置されたリア側ベアリング７により回転自在に支持されている。これにより、ロータ１０がステータ２０に対して回転自在に軸止されることとなる。また、ロータ１０は電磁鋼板を積層して形成されている。図２（ａ）に示すように、ロータ１０の回転軸に対して直角に、複数のロータ突極１４が放射状に形成されている。

図２（ａ）に示すように、ステータ２０は、ステータコア積層体２１の突極２４の周囲にコイル５０を配置した構造となっている。このステータコア積層体２１も、電磁鋼板を積層して形成されている。ステータコア積層体２１は、略円筒状のコア本体２２と、コア本体２２から中心軸に向かって立設された複数の突極２４とを備えている。この突極２４の側面には巻き線が巻き装されて、Ｕ相・Ｖ相・Ｗ相のステータコイル５０が形成される。突極２４に巻き装されたＵ相・Ｖ相・Ｗ相のコイル５０の各巻き線の始点と終点は、図１（ｂ）に示すリアブラケット４から外部に取出され、外部電源（図示せず）に接続されている。Ｕ相・Ｖ相・Ｗ相のコイル５０への電力供給は、回転センサ（レゾルバ）６０によるロータ１０の回転位置情報に基づいて行われる。回転センサ６０は、リアブラケット４に固定されたレゾルバステータ６２と、シャフト１１に固定されレゾルバステータ６２の内側で回転するレゾルバロータ６１とで構成されている。

図１（ｂ）に示すように、フロントブラケット３には複数のフロント側貫通孔８が、リアブラケット４には複数のリア側貫通孔９が設けられている。さらに、ロータ１０の両端面には、それぞれフロント側ファン１８およびリア側ファン１９が設けられている。ロータ１０とともにファン１８，１９が回転すると軸流が発生し、フロント側貫通孔８（リア側貫通孔９）からリア側貫通孔９（フロント側貫通孔８）への空気の流れが生じ、これによりステータコイル５０の冷却が行えるようになっている。

（ステータコア積層体）
図３は、本発明のＳＲモータのステータコア積層体の斜視図である。
ステータコア積層体２１は、ケイ素鋼板等の複数の電磁鋼板２１ａを積層して形成されている。ステータコア積層体２１は、略円筒状のコア本体２２と、コア本体２２から中心軸に向かって立設された複数の突極２４とを有している。コア本体２２は、突極２４が立設された基底部と、隣接する基底部を接続する継鉄部とを、周方向に交互に配置して構成されている。この基底部の外周部に、セットボルトを貫通させるための凹部が形成されている。

また継鉄部の内周部には、突極２４の高さよりも低い高さで中心方向に突出する山型の突起部がもうけられている。すなわち隣接する突極２４の間に、コア本体２２から中心軸に向かって突起部４０が立設されている。この突起部４０の先端には、コア本体２２の軸方向に伸びる凹部４２が形成されている。この凹部４２の内面を溶接することによって複数の電磁鋼板２１ａが接合されている。

図４（ａ）は電磁鋼板の正面図であり、図４（ｂ）は斜視図であり、図４（ｃ）は図４（ａ）のＱ部拡大図である。図４（ａ）に示すように、コア本体２２の基準円から突起部４０の先端までの高さＡは、コア本体２２の基準円から突極２４の先端までの高さＢの５０％以下になっている。なおコア本体２２の基準円とは、コア本体２２の径方向における最小幅（Ｄ）部における円である。

突起部４０の高さＡは、ステータの鉄損とＳＲモータの出力トルクとのバランス、およびコイル５０の占積率により決定される。
図５（ａ）は突起部の高さとトルクとの関係を示すグラフであり、図５（ｂ）は突起部の高さと突極磁束最大値との関係を示すグラフであり、図５（ｃ）は突起部の高さとインダクタンス最小値との関係を示すグラフである。なお図５の横軸は、突極２４の高さＢに対する突起部４０の高さＡの割合であり、Ａ＝Ｂの場合に１００％となる。

図５（ａ）によれば、突起部４０のない従来技術（「突極高さに対する突起部高さの割合」＝０％）に比べて、突起部４０を設けることにより、ＳＲモータの出力トルクが増加することがわかる。ＳＲモータのトルクは、突極を流れる磁束の大きさに比例する性質を有する。図５（ｂ）に示すように、突起部４０を設けることにより、突極磁束最大値φｍａｘが増加している。これは、突起部４０を設けることにより、コア本体の磁束密度が減少し、ステータ突極からコア本体（コア本体からステータ突極）への磁束が流れやすくなったことに因るものである。これにより、ＳＲモータの出力トルクが増加したものである。

しかしながら、突起部４０の高さＡが増加するほどトルクは減少している。ＳＲモータのトルクは、ロータ回転角によって周期的に変化するインダクタンスの傾きに比例するという性質も有する。ここで、インダクタンスの傾きは一般にインダクタンスの最小値が大きくなるほど小さくなる。ロータ突極１４がステータ突極２４から離れるほど磁気抵抗が大きくなるため、コイル５０のインダクタンスは小さくなり、隣接する二つの突極の略中央にロータ突極が位置したきに、インダクタンスが最小となる。しかしながら、ステータ突極間に突起部４０が存在すると磁気抵抗が小さくなりインダクタンスの最小値が増加してしまう。そして、図５（ｃ）に示すように、突起部４０の高さＡが増加するほど、インダクタンスの最小値が増加することになる。これにより、インダクタンスの傾きが減少して、図５（ａ）に示すようにトルクが減少するのである。

本実施形態は、ロータ本体に突起部を設け、その突起部の凹部を溶接して電磁鋼板を接合するものである。そのため、突起部を設けない従来技術に比べて、大きなトルクを得ることができる。

一方、図５（ｄ）は突起部の高さと鉄損との関係を示すグラフである。図５（ｄ）によれば、突起部４０のない従来技術に比べて、突起部４０を設けることにより、ステータの鉄損が減少することがわかる。また、突起部４０の高さＡが増加するほど鉄損も減少している。なおＦＥＭ解析の結果から、突起部４０の先端ほど磁束密度が低くなることが確認されている。このような磁束密度の低い部分において複数の電磁鋼板を接合することにより、鉄損が減少するものと考えられる。

このように、ステータの鉄損とモータの出力トルクとは、トレードオフの関係にある。
また図２（ａ）に示すように、突起部４０が高くなるほど、コイル５０の配置スペースが減少するため、占積率が低下することは明らかである。
そこで本実施形態では、コア本体２２の基準円から突起部４０の先端までの高さＡを、コア本体２２の基準円から突極２４の先端までの高さＢの５０％以下に設定した。これにより、ステータの鉄損とモータの出力トルクとのバランスを確保することができる。またコイルの配置スペースを確保することが可能になり、占積率を向上させることができる。

一方、図２（ａ）に示すように、突極２４の周囲におけるコイル５０の配置スペースは、巻き線の延在方向に垂直な断面において、略矩形状（略正方形状または略長方形状）に形成されている。具体的には、図４（ａ）に示すように、コア本体２２の周方向における突極２４の両側面２５，２５が、相互に平行に形成されている。また図４（ｃ）に示すように、突起部４０の側面４５が、隣接する突極２４の側面２５と平行に形成されている。さらに、突極２４の側面２５に連続するコア本体２２の内面２３が、突極２４の側面２５に垂直な平面で構成されている。

ステータコア積層体２１の各部を上記形状とすることにより、図２（ａ）に示すように、コイル５０の配置スペースを略矩形状とすることができる。これにより、断面形状が略正方形状または略長方形状にあらかじめ巻き回したコイルの装着が容易になり、コイル５０の占積率を向上させることができる。なお、断面形状が略正方形状または略長方形状にあらかじめ巻き回したコイルを装着する代わりに、突極２４の周囲に巻き線を巻き回してコイルを形成してもよい。

一方、図４（ａ）に示すように、コア本体２２の径方向における最小幅Ｄは、コア本体２２の周方向における突極２４の幅Ｃの５５％以上とされている。
ステータコア積層体２１を流れる磁束は、一つの突極２４からコア本体２２の基底部に流れ、その両側に隣接する継鉄部を経て、両側に隣接する突極に流れる。すなわち、一つの突極２４を流れる磁束は、それに隣接する二つの継鉄部に二分されて流れることになる。したがって、突極２４の幅Ｃを１．０とした場合に、継鉄部における最も幅の狭い部分（最小幅部）の幅Ｄを０．５とすれば、突極２４および継鉄部の磁束密度は同等となる。本実施形態では、継鉄部の最小幅Ｄを０．５５としている。これにより、継鉄部の磁束密度が突極２４の磁束密度よりも小さくなり、継鉄部から磁束が漏れることなく、突極２４のみからロータ突極に向けて漏れることになる。したがって、ＳＲモータの出力を向上させることができる。

以上に詳述したように、図４（ａ）に示す本実施形態に係るステータコア積層体は、隣接する突極２４の間に、コア本体２２から中心軸に向かって立設された突起部４０を備え、その突起部４０において複数の電磁鋼板２１ａが接合されている構成とした。
この構成によれば、磁束の流路（磁路）となるコア本体２２から外れた位置で複数の電磁鋼板２１ａが接合されるので、磁路を侵食することなく鉄損を防止することができる。また、コア本体２２の内側に突起部４０を設けていることで、ステータコア積層体２１の外径を大きくすることがなく、これによりＳＲモータ１の外径が大きくなることもない。さらに、隣接する突極２４の間に突起部４０を設けることで、コイル５０の配置に寄与しないデッドスペースに突起部４０を設けることが可能になり、コイル５０の占積率の低下を防止することができる。

また、突起部４０の先端にはコア本体２２の軸方向に伸びる溝状の凹部４２が形成され、その凹部４２の内面を溶接することにより複数の電磁鋼板２１ａが接合されている構成とした。
この構成によれば、凹部４２の内面を溶接することで、溶接面積を増やすことができ、複数の電磁鋼板２１ａを強く接合し、ステータコア積層体２１の強度を強くすることができる。また、溶接のはみ出しによるコイル５０の占積率の低下を防止することができる。

（変形例）
図６は、第１実施形態の変形例に係るステータコア積層体の説明図である。図６（ａ）は電磁鋼板の正面図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）のＲ部拡大図である。図４（ａ）に示す第１実施形態では突起部４０の先端に１個の凹部４２を形成したが、図６（ｂ）に示す変形例では複数の凹部４６を形成している点で異なっている。なお第１実施形態と同様の構成となる部分については、その詳細な説明を省略する。

図６（ｂ）に示すように、電磁鋼板３２ａの突起部４０の先端に、複数（例えば２個）の凹部４６が形成されている。この電磁鋼板３２ａを積層することにより、突起部４０の先端に複数の溝状の凹部４６が形成される。そして、この複数の凹部４６の内面をそれぞれ溶接することにより、複数の電磁鋼板３２ａが接合されている。
このように、複数の凹部４６の内面を溶接することで、溶接面積をさらに増やすことができる。したがって、複数の電磁鋼板３２ａを強く結合し、ステータコア積層体の強度を強くすることができる。

（第２実施形態）
図７は、第２実施形態に係るステータコア積層体の説明図である。図７（ａ）は電磁鋼板の正面図であり、図７（ｂ）は図７（ａ）のＨ−Ｈ線における断面拡大図である。図４（ａ）に示す第１実施形態では突起部４０に凹部４２を形成したが、図７（ｂ）に示す第２実施形態ではボス凸部４７およびボス凹部４８を形成している点で異なっている。なお第１実施形態と同様の構成となる部分については、その詳細な説明を省略する。

図７（ｂ）に示すように、突起部４０の一方面（図７（ｂ）では下面）３４には、ボス凸部４７が形成されている。突起部４０の他方面（図７（ｂ）では上面）３５には、ボス凹部４８が形成されている。ボス凸部４７およびボス凹部４８は、プレス成形等により、同等の大きさの円柱状に形成されている。
この電磁鋼板３３ａを積層配置し、隣接する一対の電磁鋼板のうち一方の電磁鋼板に形成されたボス凸部４７を、他方の電磁鋼板に形成されたボス凹部４８に嵌合させて、複数の電磁鋼板３３ａを接合する。これにより、複数の電磁鋼板３３ａを溶接によらず簡単に接合することが可能になり、製造工程を簡略化して製造コストを低減することができる。

なお本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述の実施形態に種々の変更を加えたものを含む。
複数の電磁鋼板は突起部において接合されていればよく、具体的な接合方法は上記実施形態に限られない。例えば、突起部に貫通孔を形成して、複数の電磁鋼板をボルト−ナットで接合してもよい。
また、上記実施形態では本発明をＳＲモータに適用する場合を例にして説明したが、本発明をブラシレスモータに適用することも可能である。

スイッチトリラクタンスモータの斜視図および側面断面図である。 スイッチトリラクタンスモータの正面断面図および部分拡大図である。 第１実施形態に係るステータコア積層体の斜視図である。 第１実施形態に係るステータコア積層体の電磁鋼板の正面図、斜視図および部分拡大図である。 突起部の高さと、トルク、インダクタンス最小値、鉄損およびステータ突極磁束最大値の関係との関係を示すグラフである。 第１実施形態の変形例に係るステータコア積層体の電磁鋼板の正面図および部分拡大図である。 第２実施形態に係るステータコア積層体の電磁鋼板の正面図および部分拡大図である。

符号の説明

１…スイッチトリラクタンスモータ（モータ） １０…ロータ ２０…ステータ ２１…ステータコア積層体 ２１ａ…電磁鋼板 ２２…コア本体 ２４…突極 ２５…側面 ４０…突起部 ４２…凹部 ４７…ボス凸部（凸部） ４８…ボス凹部（凹部） ５０…コイル

Claims (8)

1. 複数の鋼板が積層されてなり、略円筒状のコア本体と、前記コア本体から中心軸に向かって立設された複数の突極とを備えたモータ用のステータコア積層体であって、
   隣接する前記突極の間に、前記コア本体から中心軸に向かって立設された突起部を備え、
   前記複数の鋼板は、前記突起部において接合されていることを特徴とするステータコア積層体。
2. 前記コア本体の基準円から前記突起部の先端までの高さは、前記コア本体の基準円から前記突極の先端までの高さの５０％以下であることを特徴とする請求項１に記載のステータコア積層体。
3. 前記コア本体の周方向における前記突極の両側面は、相互に平行に形成され、
   前記突起部の側面は、隣接する前記突極の側面と平行に形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のステータコア積層体。
4. 前記突極の側面に連続する前記コア本体の内面は、前記突極の側面に垂直な平面で構成されていることを特徴とする請求項３に記載のステータコア積層体。
5. 前記コア本体の径方向における幅の最小値は、前記コア本体の周方向における前記突極の幅の５５％以上であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のステータコア積層体。
6. 前記突起部の先端には、前記コア本体の軸方向に伸びる凹部が形成され、
   前記複数の鋼板は、前記凹部内面を溶接して接合されていることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のステータコア積層体。
7. 前記複数の鋼板は、前記突起部に形成された凸部と凹部とを嵌合して接合されていることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のステータコア積層体。
8. 請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載のステータコア積層体における前記突極の周囲にコイルが配置されてなるステータと、
   前記ステータの内側に同軸状に配置されたロータと、
   を備えたことを特徴とするモータ。

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