(57)【要約】【課題】真円に近いステータコアを提供する。【解決手段】回転電動機は、ステータ２を備える。このステータ２は、フレーム３０と、フレーム３０の嵌合部に嵌合されたステータコア１０と、を備える。ステータコア１０の第１部分１０Ｘ（Ｘ軸交点）における周方向応力をσＣＸ、第２部分１０Ｙ（Ｙ軸交点）における周方向応力をσＣＹとするとき、  σＣＸ／σＣＹ＞１．０１が成り立つ。また第１部分１０Ｘに対応するフレーム３０の部分３０Ｘにおける周方向応力をσＦＸ、第２部分１０Ｙに対応するフレーム３０の部分３０Ｙにおける周方向応力をσＦＹとするとき、  σＦＸ／σＦＹ＞１が成り立つ。【選択図】図８
2018064394.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステータを備える回転電動機であって、
前記ステータは、
フレームと、
前記フレームの嵌合部に嵌合されたステータコアと、
を備え、
前記ステータコアの第１部分における周方向応力をσＣ１、第２部分における周方向応力をσＣ２とするとき、
σＣ２／σＣ１＞１．０１
が成り立っており、かつ、
前記ステータコアの前記第１部分に対応する前記フレームの部分における周方向応力をσＦ１、前記ステータコアの前記第２部分に対応する前記フレームの部分における周方向応力をσＦ２とするとき、
σＦ２／σＦ１＞１
が成り立っていることを特徴とする回転電動機。
【請求項２】
前記フレームの前記嵌合部の断面は円形であることを特徴とする請求項１に記載の回転電動機。
【請求項３】
前記フレームの嵌合部の断面は多角形であることを特徴とする請求項１に記載の回転電動機。
【請求項４】
ステータを備える回転電動機であって、
前記ステータは、
フレームと、
前記フレームの嵌合部に嵌合されたステータコアと、
を備え、
前記フレームの剛性が前記ステータコアの剛性より低いことを特徴とする回転電動機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インナーロータ型の回転電動機に関する。
【背景技術】
【０００２】
回転電動機のひとつに、インナーロータ型のブラシレスモータ（以下、単に回転電動機ともいう）が知られている。回転電動機は、ロータおよびステータを備える。
【０００３】
図１（ａ）は、ステータ２の構造を示す平面図であり、図１（ｂ）はその拡大図である。ステータ２は、ステータコア１０およびフレーム３０を備える。ステータコア１０は、環状のヨーク１２と、ヨーク１２から中央方向に突起した複数のティース（歯部）１４を有する。ティース１４とティース１４の間には、スロット１６が形成される。スロットには、図示しない巻線（コイル）が巻装される。ステータコア１０は、プレス加工により切断、成形された薄型の鉄心片が積層されて構成される。複数の鉄心辺は、かしめあるいは溶着によって接合される。
【０００４】
ステータコア１０は、焼き嵌め工程によってフレーム３０の嵌合部３２に嵌合される。この工程では、フレーム３０が加熱される。図１（ｂ）に示すように、フレーム３０は過熱状態において膨張し、その嵌合部３２の内径は、ステータコア１０の外径よりも大きくなる。この状態でステータコア１０がフレーム３０の嵌合部３２に挿入される。そしてフレーム３０を冷却して収縮させることにより、ステータコア１０がフレーム３０の嵌合部３２に固定される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１４−８２９３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
回転電動機は、固定子巻線に電流を流さない状態において、ロータを回転させたときに回転角に応じて脈動する抗力が発生する。これはコギングトルクと称され、回転電動機を回転制御する際の外乱となり、装置の精度低下、効率の低下、騒音、振動の原因となる。コギングトルクを低減するためには、ステータコア１０を真円に近づけることが有効である。
【０００７】
本発明は係る状況においてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、真円に近いステータコアの提供にある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のある態様は、ステータを備える回転電動機に関する。ステータは、フレームと、フレームの内側に嵌められたステータコアと、を備える。ステータコアの第１部分における周方向応力（圧縮応力）をσＣ１、第２部分における周方向応力をσＣ２とするとき、σＣ２／σＣ１＞１．０１が成り立っており、かつ、ステータコアの第１部分に対応するフレームの部分における周方向応力をσＦ１、ステータコアの第２部分に対応するフレームの部分における周方向応力をσＦ２とするとき、σＦ２／σＦ１＞１が成り立っている。第１部分は、フレーム３０の内径ｒＦとステータコア１０の外径ＲＣの差（嵌めしろｒＦ−ＲＣ）が最も大きい部分であってもよい。
【０００９】
この態様によると、ステータコアを真円に近づけることができる。あるいは、同じ真円度のステータコアを得ることができる焼き嵌め前のフレームの真円度を大きく（非真円に）できる。
【００１０】
フレームのステータコアを収容する嵌合部の断面は円形であってもよい。フレームのステータコアを収容する嵌合部の断面は多角形であってもよい。
【００１１】
本発明の別の態様も、ステータを備える回転電動機に関する。ステータは、フレームと、フレームの内側に嵌められたステータコアと、を備える。フレームの剛性はステータコアの剛性よりも低い。
ステータコアをフレームに嵌める前に、フレームの嵌合部の周方向の対称性が失われている場合に、フレームによってステータコアが非対称に変形するのを防止でき、ステータコアを真円に近づけることができる。
【００１２】
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、ステータコアを真円に近づけることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１（ａ）は、ステータの構造を示す平面図であり、図１（ｂ）はその拡大図である。
【図２】本発明者が検討したステータの斜視図である。
【図３】図３（ａ）は、嵌合前において測定された、フレームの嵌合部の内径ｒＦおよびステータコアの外径ＲＣの周方向分布図であり、図３（ｂ）は、従来のステータコアの嵌合前と嵌合後において測定された外径ＲＣの周方向分布図である。
【図４】シミュレーションで用いた簡略化されたフレームの断面形状を示す図である。
【図５】フレームのヤング率と嵌合後のステータコアの真円度の関係を示す図である。
【図６】フレームの厚みＤと嵌合後のステータコアの真円度の関係を示す図である。
【図７】焼き嵌め後のフレーム内径（真円度）と焼き嵌め前のステータコアの内径（真円度）の関係を示す図である。
【図８】ステータの応力分布を説明する図である。
【図９】図９（ａ）は、解析に用いたステータの断面図であり、図９（ｂ）は、パラメータを示す図である。
【図１０】断面形状が四角形である嵌合部を有するステータの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。
【００１６】
本発明者らはステータについて検討した結果、以下の知見を得た。なおこの知見を当業者の一般的な認識として捉えてはならない。
【００１７】
図２は、本発明者が検討したステータ２の斜視図である。ステータコア１０は、複数の鉄心辺２０の積層構造となっている。鉄心辺２０は電磁鋼板をプレス加工により切断、成形したものである。複数の鉄心辺２０は積層された状態で、かしめによって、あるいは溶着によって固定されている。ステータコア１０の外径をＲＣとする。
【００１８】
フレーム３０は、ステータコア１０を収容する嵌合部３２を備える。嵌合部３２の内径をｒＦとする。ステータコア１０をフレーム３０の嵌合部３２に嵌合する前の状態では、周方向の少なくとも一部において、ＲＣ＜ｒＦが成り立っている。
【００１９】
図３（ａ）は、嵌合前において測定された、フレーム３０の嵌合部３２の内径ｒＦおよびステータコア１０の外径ＲＣの周方向分布図である。径ＲＣ，ｒＦはそれぞれ、周方向に４５°間隔で８方向について測定されている。
【００２０】
ステータコア１０を構成する鉄心辺２０の断面形状は円形であり、また厚みｄ（内径と外径の差）も周方向に実質的に均一といえる。一方、フレーム３０の断面形状は非円形であり、また厚みＤも場所ごとに大きく異なっている（たとえばＤ２＞Ｄ１）。かかる構造の違いから、ステータコア１０は真円に近づけることが相対的に容易であるのに対して、フレーム３０の嵌合部３２を真円に近づけることは相対的に難しい。
【００２１】
このことは図３（ａ）からも確認でき、ステータコア１０の外径ＲＣの方が、嵌合部３２の内径ｒＦよりも真円に近くなっている。径の最大値と最小値の差を真円度とすると、ステータコア１０の外径ＲＣの真円度が１０μｍであるのに対して、フレーム３０の嵌合部３２の内径ｒＦの真円度は４００μｍであり、１桁以上異なっている。嵌合の段階において、フレーム３０の嵌合部３２の断面は偏平形状を有していると言える。
【００２２】
図３（ｂ）は、従来のステータコア１０の嵌合前と嵌合後において測定された外径ＲＣの周方向分布図である。嵌合前において真円に近かったステータコア１０の外径ＲＣは、嵌合後において楕円変形（偏平）している。嵌合後のステータコア１０の形状は、嵌合前の嵌合部３２の形状と類似している。このことは、フレーム３０の剛性がステータコア１０の剛性に対して相対的に高過ぎると、フレーム３０が収縮過程において、ステータコア１０を変形させることを意味する。
【００２３】
本発明はこの知見にもとづくものである。実施の形態に係るステータ２は、フレーム３０の収縮過程において、ステータコア１０が変形しないように構成され、具体的にはフレーム３０の剛性が従来よりも低く、またステータコア１０の剛性よりも低く設計されている。
【００２４】
これにより、嵌合前に、フレーム３０の嵌合部３２の周方向の対称性が失われている場合、言い換えれば嵌合部３２の断面が非真円である（たとえば偏平している）場合に、フレーム３０からの力によってステータコア１０が非対称に変形するのを防止でき、ステータコア１０の嵌合前の真円に近い状態を維持することができる。
【００２５】
フレーム３０の剛性を下げるために、フレーム３０の材料として、アルミや、高度の低いＦＣ材（ねずみ鋳鉄品）を用いることができる。
【００２６】
続いてシミュレーションについて説明する。シミュレーションには以下のモデルを用いた。
【００２７】
図４は、シミュレーションで用いた簡略化されたフレームの断面形状を示す図である。フレーム３０は図４に示すように円筒型とし、基準外径２２０ｍｍ、内径２０９．７７ｍｍとした。ステータコア１０は、外径２１０ｍｍ、内径１４１ｍｍとした。
【００２８】
フレーム３０は鋳物であり、縦弾性率９２５００Ｎ／ｍｍ２、ポアソン比０．３、線膨張係数１．１８×１０−５（１／℃）、質量密度７．２５×１０−６ｋｇ／ｍｍ３、基準温度２００℃とした。ステータコア１０は軟鉄であり、縦弾性率２１００００Ｎ／ｍｍ２、ポアソン比０．３、線膨張係数１．０７×１０−５（１／℃）、質量密度７．８３×１０−６ｋｇ／ｍｍ３、基準温度２０℃とした。
【００２９】
図５は、フレームのヤング率と嵌合後のステータコア１０の真円度の関係を示す図である。図５は、ＦＥＭ（有限要素法）でシミュレーションした結果であり、フレーム３０の縦弾性率をパラメータとして変化させている。図５からわかるように、フレーム３０の剛性を下げるにしたがって、嵌合後の真円度が小さくなり、したがって真円に近づくことが分かる。
【００３０】
またフレーム３０の剛性を下げるために、フレーム３０の形状を工夫してもよい。
【００３１】
図６は、フレーム３０の厚みＤと嵌合後のステータコア１０の真円度の関係を示す図である。これもＦＥＭ（有限要素法）でシミュレーションした結果である。このシミュレーションでは、フレーム３０の外径をパラメータとして変化させている。
【００３２】
図６からわかるように、フレーム３０の厚みｄを薄くするにしたがい、嵌合後のステータコア１０の真円度が小さくなり、したがって真円に近づくことが分かる。
【００３３】
図７は、焼き嵌め後のフレーム内径（真円度）と焼き嵌め前のステータコアの内径（真円度）の関係を示す図である。実線はフレームの剛性の方がステータコアの剛性より低い場合であり、一点鎖線は、フレームの剛性がステータコアの剛性より高い場合である。
【００３４】
フレームの剛性がステータコアの剛性より高い場合、一点鎖線で示すように、焼き嵌め前のフレームの真円度が小さいほど、焼き嵌め後のステータコアの内径が真円に近くなる。したがって焼き嵌め前のフレームの真円度を小さくしなければならず、困難を伴う。
【００３５】
これに対して、フレームの剛性の方をステータコアの剛性より低くすることにより、焼き嵌めによるステータコアの変形が生じにくくなるため、実線で示すように、焼き嵌め前のフレームの真円度に関わらず、焼き嵌め後のステータコアの内径は、焼き嵌め前の内径が維持されるため、実質的に一定となる。
【００３６】
ステータコア１０とフレーム３０の剛性の関係は、嵌合後のステータコア１０およびフレーム３０の応力分布として現れる。
【００３７】
図８は、ステータ２の応力分布を説明する図である。フレーム３０の嵌合部３２の断面形状は略円形であり、厳密にはＸ軸方向に長軸を有し、Ｙ軸方向に短軸を有する楕円である。フレーム３０のＸ軸方向の内径をｒＦＸ，Ｙ軸方向のそれをｒＦＹとするとき、ｒＦＸ＞ｒＦＹである。ステータコア１０の断面形状も略円形であるが、こちらは嵌合前において真円に近い。嵌めしろは、Ｘ軸方向がもっとも大きく、Ｙ軸方向が最も小さくなっている。
【００３８】
ステータコア１０の第１部分１０Ｘ（Ｘ軸近傍）における周方向応力をσＣＸ、第２部分１０Ｙ（Ｙ軸近傍）における周方向応力をσＣＹとする。またステータコア１０の第１部分１０Ｘに対応するフレーム３０の部分３０Ｘにおける周方向応力をσＦＸ、ステータコア１０の第２部分１０Ｙに対応するフレーム３０の部分３０Ｙにおける周方向応力をσＦＹとする。このとき、実施の形態に係るステータ２では、以下の関係式が成り立っている。
σＣＹ／σＣＸ＞１＋α
σＦＹ／σＦＸ＞１
応力レシオσＦＹ／σＦＸは、フレーム３０の剛性および嵌合前のフレーム３０の内径の分布に応じている。
【００３９】
ここでαはパラメータであり、α≧０．０１である。したがって、本実施の形態に係るステータ２において成り立つ関係式は、
σＣＹ／σＣＸ＞１．０１
σＦＹ／σＦＸ＞１
となる。ステータコア１０のＸ軸方向の内径をｒＣＸ，Ｙ軸方向のそれをｒＣＹとするとき、ｒＣＸ＝ｒＣＹに近づけることができ、コギングトルクを低減できる。
【００４０】
比較のために、嵌合前のフレーム３０が楕円、すなわちｒＦＸ＞ｒＦＹであり、ステータコア１０の剛性がフレーム３０の剛性より低い従来のステータについて検討する。図９（ａ）は、解析に用いたステータの断面図であり、図９（ｂ）は、パラメータを示す図である。解析には、上述したモデルを用いた。
【００４１】
解析点Ｘ，Ｙについて、ステータコア１０の周方向の圧縮応力を計算したところ、
σＣＹ＝４０．５４    ［ＭＰａ］
σＣＸ＝４０．５０    [ＭＰａ]
であった。すなわち、
σＣＹ／σＣＸ＝１．００１
である。フレーム３０についても同様であり、
σＦＹ／σＦＸ＝１．００１
である。
【００４２】
すなわち、従来のステータでは、
σＣＹ／σＣＸ≒１
σＦＹ／σＦＸ≒１
が成り立っており、応力は位置によらずに実質的に一定であると言える。
【００４３】
従来の応力レシオは以下のように表すこともできる。
σＣＹ／σＣＸ＝１＋β
β＝０．００１
【００４４】
フレーム３０の剛性を低くした実施の形態では、上述のように、
σＣＹ／σＣＸ＞１＋α
α≧０．０１
であった。α＝０．０１、β＝０．００１を比較すると、αの方が一桁大きい他ため、その差は十分に有意であると言える。
【００４５】
なお嵌合前において、ステータコア１０の外径ＲＣとフレーム３０の内径ｒＦがいずれも真円であったとすれば、ステータコア１０、フレーム３０それぞれにおいて、周方向応力は実質的に均一であるから、
σＣ１／σＣ２≒１
σＦ１／σＦ２≒１
が成り立つ。
【００４６】
以上、本発明について、実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例について説明する。
【００４７】
実施の形態では、フレーム３０の嵌合部３２の断面形状が円形の場合を説明したがその限りではなく、多角形であってもよい。図１０は、断面形状が四角形である嵌合部３２を有するステータ２の断面図である。四角形の嵌合部３２の場合、フレーム３０の内径ｒＦとステータコア１０の外径ＲＣの差（嵌めしろ）が最も大きいのは、Ｘ軸から４５°、１３５°、２２５°、３１５°回転した方向となる。図１０では、４５°の傾きの方向をＸＹとして表す。
【００４８】
この場合に、フレーム３０の剛性をステータコア１０の剛性より低くすると、ステータコア１０において以下の関係式が成り立つ。
σＣＸ１／σＣＸＹ＞１．０１
σＣＸ２／σＣＸＹ＞１．０１
σＣＹ１／σＣＸＹ＞１．０１
σＣＹ２／σＣＸＹ＞１．０１
【００４９】
またフレームにおいて、以下の関係式が成り立つ。
σＦＸ１／σＦＸＹ＞１．０１
σＦＸ２／σＦＸＹ＞１．０１
σＦＹ１／σＦＸＹ＞１．０１
σＦＹ２／σＦＸＹ＞１．０１
【００５０】
嵌合部３２の形状は特に限定されず、四角形以外の多角形を用いてもよい。
【００５１】
実施の形態では、アウターステータ・インナーロータ型のモータを説明したがその限りでない。
【００５２】
以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。
【符号の説明】
【００５３】
２…ステータ、１０…ステータコア、１２…ヨーク、１４…ティース、１６…スロット、２０…鉄心辺、３０…フレーム、３２…嵌合部。
【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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【図８】
2018064394.tif 000010
【図９】
2018064394.tif 000011
【図１０】
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