(57)【要約】【課題】発生トルクを低下させることなく、トルクリプルを低減できるステータコアを提供する。【解決手段】円環状のヨーク２０と当該ヨーク２０から径方向内側に突出する複数のティース２４とを備えたステータコアは、前記ティース２４に、当該ティース２４の径方向内側端面よりも径方向外側位置から、当該ティース２４とヨーク２０との境界位置よりも径方向内側位置までの範囲で、径方向に延びるスリット２６が設けられている【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
円環状のヨークと当該ヨークの内周面から径方向内側に突出する複数のティースとを備えたステータコアであって、
前記ティースには、当該ティースの径方向内側端面よりも径方向外側位置から、当該ティースとヨークとの境界位置よりも径方向内側位置までの範囲で、径方向に延びるスリットが設けられている、ことを特徴とするステータコア。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、円環状のヨークと当該ヨークの内周面から径方向内側に突出する複数のティースとを備えたステータコアに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、回転電機では、トルクリプル（トルクの変動量）を低減することが強く求められていた。過大なトルクリプルが減衰されないままだと、回転電機の振動および騒音が大きくなるためである。
【０００３】
かかるトルクリプルが増大（悪化）する原因の一つとして、無効磁束が挙げられる。無効磁束とは、ロータに回転駆動力を与えない磁束のことである。すなわち、一般に回転電機のステータコアには、円環状のヨークと、当該ヨークの内周面から径方向内側に突出する複数のティースと、を備えている。そして、このステータコアに設けられた各ティースに、ステータコイルを巻回することでステータコアが構成される。そして、ステータコイルに流れる電流（電機子電流）に鎖交する磁束が、トルクを発生し、ロータに回転駆動力を与える有効磁束となる。かかる有効磁束は、通常、ロータから一つのティースに流れ込んで当該一つのティースを径方向に進んだ後、ヨークを経由して、他のティースに流れ、当該他のティースからロータへ流れ込む。一方、従来の回転電機では、この有効磁束の他に、ロータから一つのティースに流れ込んだ後、ヨークに到達することなく、当該一つのティースからロータに戻る無効磁束も生じていた。かかる無効磁束は、トルクリプル悪化を招いていた。
【０００４】
そこで、従来から無効磁束を低減するための技術が多数提案されている。例えば、特許文献１には、ステータコアの各ティースに、当該ティースの先端（径方向内側端部）から径方向に延びるスリットを設けることで無効磁束を低減する技術が開示されている。また、特許文献２には、無効磁束ではなく、鉄損を低減するために、ステータコアの各ティースの根元（ティースとヨークとの境界近傍）にスリットを設ける技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−３１９５７５号公報
【特許文献２】特開２００８−２７８５５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１の技術によれば、スリットが、無効磁束の経路を横断するため、無効磁束を低減できる。しかし、この特許文献１の技術では、スリットが、ティースの先端面まで到達している。この場合、無効磁束の経路だけでなく、有効磁束の経路も横断してしまい、有効磁束の低減、ひいては、発生トルクの低下を招くという問題があった。また、特許文献２記載の技術は、鉄損の低減には有効ではあるものの、無効磁束、ひいては、トルクリプルの低減には、有効ではない。つまり、従来の技術では、発生トルクを低下させることなく、トルクリプルを低減することができなかった。
【０００７】
そこで、本発明では、発生トルクを低下させることなく、トルクリプルを低減できるステータコアを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のステータコアは、円環状のヨークと当該ヨークの内周面から径方向内側に突出する複数のティースとを備えたステータコアであって、前記ティースには、当該ティースの径方向内側端面よりも径方向外側位置から、当該ティースとヨークとの境界位置よりも径方向内側位置までの範囲で、径方向に延びるスリットが設けられている、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、当該ティースの径方向内側端面よりも径方向外側位置から、当該ティースとヨークとの境界位置よりも径方向内側位置までの範囲で、径方向に延びるスリットが設けられている。このスリットは、無効磁束の経路を横断する一方で、有効磁束の経路は横断しないため、発生トルクを低下させることなく、トルクリプルを低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態である回転電機の一部平面図である。
【図２】従来の回転電機における磁束の流れを示す図である。
【図３】図２のＳ部分拡大図である。
【図４】従来の回転電機における磁束の流れの他の例を示す図である。
【図５】（ａ）はティース中央部の部位を説明した図であり、（ｂ）は（ａ）の部位における磁束密度の経時的変化を示した図である。
【図６】（ａ）はティース先端部の部位を説明した図であり、（ｂ）は（ａ）の部位における磁束密度の経時的変化を示した図である。
【図７】（ａ）はティース根元部の部位を説明した図であり、（ｂ）は（ａ）の部位における磁束密度の経時的変化を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施形態である回転電機の一部平面図である。  
【００１２】
回転電機は、回転可能に支持されたロータ１０と、当該ロータ１０の外周囲に配置された略環状のステータ１２と、を備えている。ロータ１０は、略円筒形のロータコア１４の外周面近傍に複数の永久磁石１６を埋設して構成される。ロータコア１４は、積層電磁鋼板などの磁性材料からなり、その中央には、回転軸（図示せず）が挿通されている。回転軸は、軸受を介してケーシングに支持されており、ロータコア１４とともに回転自在となっている。複数の永久磁石１６は、ロータコア１４の外周面近傍において、周方向に間隔を開けて並び、かつ、隣接する二つの永久磁石１６がＶ字を構成するような角度で埋設されている。
【００１３】
ステータ１２は、ロータ１０の外周囲に配置される略円筒状部材で、ステータコア１８およびステータコイル２０を有している。ステータコア１８は、磁性材料、例えば、積層電磁鋼板や圧粉磁芯などから構成されている。このステータコア１８は、略円環状のヨーク２２と、当該ヨーク２２の内周面から径方向内側に向かって延びる複数のティース２４と、を有している。各ティース２４には、ステータコイル２０が巻回されている。ここで、ステータコイル２０の巻回方法としては、ステータコイル２０が複数のティース２４を跨いで巻回される分布巻と、ステータコイル２０が一つのティース２４に巻回される集中巻と、が知られているが、本実施形態では、巻回過程の自動化が容易で、ステータコア１８の軸方向端面からの突出部分（コイルエンド）の厚みを小さくできる集中巻を採用している。各ティース２４の先端面（径方向内側端面）は、微小な隙間（ギャップ）を介してロータ１０の外周面に対向している。
【００１４】
かかる構成の回転電機は、ステータコイル２０に電流を供給して回転磁界を形成すれば、ロータ１０および回転軸が回転する電動機として機能し、ロータ１０および回転軸を回転させてステータコイル２０に電流を発生させれば、発電機として機能する。
【００１５】
本実施形態では、この回転電機におけるトルクリプルを低減するために、ステータコア１８の各ティース２４の略中央部分に、径方向に延びるスリット２６を設けている。かかるスリット２６を設ける理由および当該スリット２６の具体的な位置・形状について、図２、図３を参照して詳説する。図２は、スリット２６を設けなかった場合における、磁束の流れを示す図である。この磁束の流れは、例えば、有限要素法（ＦＥＭ）を用いたコンピュータシミュレーション等により求められている。また、図３は、図２における矩形Ｓ部分の拡大図である。なお、図３においては、スリット２６と磁束との位置関係を示すために、便宜上、スリット２６を図示しているが、描かれている磁束の流れは、スリット２６が無い場合の流れである。
【００１６】
図２に示すように、ロータ１０からステータ１２に流れ込んだ磁束の大部分は、ティース２４内を径方向外側に進み、ヨーク２２を経由した後、他のティース２４へと流れ込む。そして、他のティース２４に流れ込んだ磁束は、ティース２４内を径方向内側に進んで、ロータ１０へと流れ込む。このティース２４内を径方向に進む磁束は、ステータコイル２０に流れる電機子電流と鎖交し、トルク発生に寄与する有効磁束となる。
【００１７】
従来の回転電機では、かかる有効磁束の他に、ティース２４内を円弧状に進む無効磁束も生じていた。例えば、図２において、矩形Ｓで囲った範囲には、ロータ１０から、ティース２４に流れ込んだ後、略円弧状に進み、同じティース２４の先端からロータ１０に戻っている磁束があることが分かる。こうしたティース２４内を径方方向に進まず、ヨーク２２に到達することなく、ティース２４の外に出ていく磁束は、トルク発生に寄与しない無効磁束と言える。かかる無効磁束は、トルクの変動量であるトルクリプルを増大（悪化）させる原因の一つである。トルクリプルが悪化すると、回転電機の振動および騒音が大きくなるという問題が発生する。
【００１８】
そこで、本実施形態では、ティース２４内に径方向に延びるスリット２６を設けている。この径方向に延びるスリット２６は、別の見方をすれば、従来の回転電機で発生していた無効磁束の経路を横断するスリット２６である。かかるスリット２６は、無効磁束の流れを阻害する磁気抵抗として機能し、当該スリット２６を設けることで、無効磁束を効果的に低減できる。その一方で、このスリット２６は、径方向、すなわち、ティース内を流れる有効磁束の経路とほぼ平行な方向に延びているため、有効磁束の流れは阻害しない。その結果、かかるスリット２６を設けても、トルク発生に寄与する有効磁束は殆ど低減しない。
【００１９】
ところで、本実施形態において、スリット２６の径方向内側端部は、図１、図３に示す通り、ティース２４の先端（径方向内側端部）よりも径方向外側の位置にある。換言すれば、スリット２６は、ティース２４の先端で、ロータ側に開放されていない（ティース２４の先端面に到達していない）。このように、スリット２６をティース２４の先端面に到達させていないのは、有効磁束を遮断しないためである。すなわち、ロータ１０内の永久磁石１６とステータ１２との位置関係によっては、有効磁束は、ティース２４の先端近傍で、径方向に対して傾斜した方向に進む。例えば、図２の状態から、図４に示すように、ロータ１０が時計周り方向に僅かに進んだ場合を考える。この場合は、図面左端のティース２４に流れていた有効磁束は、図４において太線矢印Ａで示すように、永久磁石１６を追うように、ティース２４の先端近傍で、大きく屈曲して、斜め方向に進む。
【００２０】
スリット２６を、ティース２４の先端面まで到達させていると、当該スリット２６が、この斜め方向に進む有効磁束の経路を横断することになる。この場合、スリット２６により、一部の有効磁束が遮断されることになり、発生トルクが低下する。そのため、本実施形態では、スリット２６の径方向内側端部を、ティース２４の先端よりも径方向外側に位置させている。
【００２１】
また、本実施形態において、スリット２６の径方向外側端部は、図１、図３に示す通り、ティース２４とヨーク２２の境界よりも径方向内側の位置にある。換言すれば、スリット２６は、ティース２４とヨーク２２の境界までは到達していない。これは、ステータコア１８の体積が減少することを防止するためである。すなわち、ティース２４内のスリット２６が長くなり、ステータコア１８の体積が低下すると、単位体積あたりの磁束量である磁束密度が増加する。磁束密度の増加は、鉄損などの別の問題を招く。一方、上述したように、本実施形態のスリット２６は、無効磁束を遮断するためのものであり、無効磁束の経路範囲にのみ設けられれば十分である。そして、この無効磁束は、図２などから明らかな通り、ティース２４の根元までは到達していない。そのため、本実施形態では、必要十分な範囲、すなわち、無効磁束の経路範囲にのみスリット２６を設け、ステータコア１８の体積減少を防止している。
【００２２】
なお、このスリット２６の位置、長さの具体的な数値は、回転電機の特性等によって一定ではないため、明確に特定することはできないが、スリット２６は、基本的には、交番磁界の発生する範囲に設けることが望ましいといえる。
【００２３】
すなわち、先行技術文献２において詳細に説明されているように、ティース２４には、部位によって異なる特性の磁界が発生する。これについて図５〜図７を参照して説明する。図５〜図７は、ティースに生じる磁界に関し、その部位ごとの磁束密度の経時的変化を解析によって求めた結果を示している。具体的には、図５（ａ）に示すティース２４の径方向の略中央部における磁束密度変化を図５（ｂ）に示しており、図６（ｂ）に示すティース２４の先端部における磁束密度変化を図６（ｂ）に示しており、図７（ａ）に示すティース２４の根元部における磁束密度変化を図７（ｂ）に示している。
【００２４】
図５（ｂ）から明らかな通り、ティース２４の径方向の中央部においては、磁束がティース２４の径方向に沿う方向で、その流れ方向が時間的に変化しながら転換するものであり、これは交番磁界が生じていることを示している。一方、図６（ｂ）から明らかな通り、ティース２４の先端近傍では、任意時刻の磁束密度ベクトルが図６（ａ）のｙ方向から左右に振れてｘ方向成分を有しており、８の字状の軌跡を有している。これはティース２４の先端部において交番磁界のみならず回転磁界（直線方向以外の磁束密度ベクトルを有している）が生じていることを示しているものの、軸比（磁束密度ｘ／磁束密度ｙ）が０．１以下であることから回転磁界成分は少ない。それに対し、図７（ｂ）から明らかな通り、ティース２４の根元部の磁束密度ベクトルは、その軌跡が円軌跡に近い楕円軌跡を呈している。このことは回転磁界がこの部位に最も多く生じていることを意味している。
【００２５】
無効磁束を低減するためのスリット２６は、この主に回転磁界が発生するティース２４の根元部分や、交番磁界および回転磁界の両方が発生するティース２４の先端部分は避け、主に交番磁界のみが発生するティース２４の径方向中央部分にのみ設けることが望ましい。なお、図３において、ハッチングを施した箇所は、回転磁界の発生領域を示しており、スリット２６を設けないことが望ましい領域を示している。
【００２６】
なお、図１、図３の例では、スリット２６の周方向位置を、ティース２４の幅方向（周方向）中心としているが、必ずしも中心である必要はなく、幅方向にずれた位置であってもよい。また、一つのティース２４に設けられるスリット２６の個数は、１個に限らず、複数であってもよい。いずれにしても、ティース２４の径方向の略中央部分に、径方向に延びるスリット２６を設けることで、有効磁束の流れを阻害することなく、無効磁束を遮断することができる。その結果、トルクリプルを効果的に低減できる。
【符号の説明】
【００２７】
１０  ロータ、１２  ステータ、１４  ロータコア、１６  永久磁石、１８  ステータコア、２０  ステータコイル、２２  ヨーク、２４  ティース、２５  スロット、２６  スリット。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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