(57)【要約】【課題】ステータのティースにて生じる回転磁界を効果的に抑止することにより、もって鉄損を低減させ、モータのトルク性能等を向上させることのできるステータコアと該ステータコアを備えたモータを提供する。【解決手段】円環状のヨーク２と該ヨーク２から径方向内側へ突出する複数のティース１，…とを備え、所定高さに成形されたステータコア１０であり、このティース１において、ヨーク２と該ティース１の境界であるティース根元部からその径方向に延びるスリット３，…が形成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
円環状のヨークと該ヨークから径方向内側へ突出する複数のティースとを備え、所定高さに成形されたステータコアであって、
前記ティースにおいて、前記ヨークと該ティースの境界から前記径方向に延びるスリットが形成されていることを特徴とするステータコア。
【請求項２】
前記スリットの幅をｔ，該スリットの数をｎとした場合に、以下の式を満足することを特徴とする請求項１に記載のステータコア。
ｔ×ｎ≦０．５（ｍｍ）
【請求項３】
請求項２に記載のステータコアにおいて、
スリット数が３であることを特徴とするステータコア。
【請求項４】
前記ティースの径方向の長さをＬ１，前記スリットの径方向の長さをＬ２とした場合に、以下の式を満足することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のステータコア。
Ｌ２／Ｌ１≦０．２
【請求項５】
前記ステータコアは、圧粉磁心から成形されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のステータコア。
【請求項６】
前記ステータコアは、積層鋼板から形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のステータコア。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載のステータコアと、ロータと、を少なくとも具備するモータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ステータコアとモータに係り、特に、鉄損の原因となるステータコアに生じる回転磁界を効果的に抑制することのできるステータコアと、該ステータコアを具備するモータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
自動車産業においては、ハイブリッド自動車や電気自動車のさらなる走行性能の向上を目指して、駆動用モータの高性能化、軽量化、小型化への開発が日々進められている。また、家電製品メーカーにおいても、各種家電製品に内蔵されるモータのさらなる小型化、高性能化への開発に余念がない。
【０００３】
モータ性能を向上させるには、モータ内部で発生する各種損失を如何に低減できるかが課題である。例えば、電気入力後においては、モータを構成するコイルにおいて導体抵抗損失に起因する銅損が生じ、ロータやステータには渦電流損失やヒステリシス損失に起因する鉄損（または高周波鉄損）が生じ、これらの損失に応じてモータ効率やトルク性能が低下することとなる。この渦電流損失は磁束密度の変化によって齎される損失であり、ヒステリシス損失は磁束密度波形に起因する損失である。
【０００４】
ところで、上記するヒステリシス損失には、交番磁界や回転磁界が大きく影響しており、交番磁界の磁束密度波形は直線往復的な波形であるのに対して、回転磁界のそれは３６０度方向に分散した波形である。直線往復方向の磁束密度ベクトル以外の磁束密度ベクトルはモータの回転性能に関与することなく鉄損の原因となることから、回転磁界の発生によってモータの回転性能、トルク性能は低減する。この回転磁界は、例えば図９にステータａとロータｂの一部を取り出した平面図で示すように、ティースａ１の先端部（図中のＡ部）およびティースａ１におけるヨークａ２との境界部（ティースａの根元部で図中のＢ部）に多く発生することが本発明者等の実験によって実証されている。また、非特許文献１に基づく図１０に示すように、飽和磁束未満のモータ回転時（図中の１．５テスラ（Ｔ）未満の領域）において回転磁界による鉄損と交番磁界による鉄損を比較した場合、前者が２０〜５０％も大きくなることも分かっている。そこで、ステータ内においてこの回転磁界の発生を如何に抑制できるかが鉄損の低減に繋がり、ひいてはモータの性能向上に繋がることになる。
【０００５】
モータのステータコアに関する従来の技術としては以下に示す特許文献１を挙げることができる。特許文献１に開示のステータコアは、ティースの先端にスリットを設けるものであり、この構成により、ティース先端における回転磁界を抑制することができる。
【０００６】
【非特許文献１】日本応用磁気学会誌  第１３０回研究会資料（２００３）、「モータ高性能化のための磁界解析の最近の話題」、図１６：回転磁界下における鉄損
【特許文献１】特開２００３−３１９５７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１のステータコアによれば、ティース先端に生じる回転磁界を効果的に抑制することができる。ところで、本発明者等は、ティースに生じる磁界に関し、その部位ごとの磁束の経時的変化を解析によって求めており、その結果を図１１〜１３に示している。具体的には、図１１ａに示すティースの長手方向（径方向）の略中央部における磁束変化を図１１ｂに示しており、図１２ａに示すティースの先端部（ティースのロータ側部分）における磁束変化を図１２ｂに示しており、図１３ａに示すティースの根元部（ヨークとティースの境界付近）における磁束変化を図１３ｂに示している。
【０００８】
図１１ｂより、ティースの長手方向の中央部においては、磁束がティースの長手方向に沿う方向（図１１ａのｙ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。
【０００９】
一方、図１２ｂでは任意時刻の磁束密度ベクトルが図１２ａ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。
【００１０】
それに対し、図１３ｂに示す磁束密度ベクトルでは、その軌跡が円軌跡に近い楕円軌跡を呈している。このことはモータの回転性能（もしくはトルク性能）にとって不要な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。本発明者等はかかる部位における回転磁界を抑止することが鉄損の低減に繋がり、モータのトルク性能等を効果的に向上できるという結論に至った。
【００１１】
本発明は、上記する問題に鑑みてなされたものであり、ステータのティースに生じる回転磁界を効果的に抑止することにより、もって鉄損を低減させ、モータの回転効率を向上させることのできるステータコアと該ステータコアを備えたモータ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】
【００１２】
前記目的を達成すべく、本発明によるステータコアは、円環状のヨークと該ヨークから径方向内側へ突出する複数のティースとを備え、所定高さに成形されたステータコアであって、前記ティースにおいて、前記ヨークと該ティースの境界から前記径方向に延びるスリットが形成されていることを特徴とするものである。
【００１３】
本発明のステータコアは、例えばインナーロータ型モータに適用されるステータコアに係り、特に、ヒステリシス損失を効果的に低減することを目的としたステータコアである。さらに言及すれば、ティースの根元部（ヨークとティースの境界付近）に発生する回転磁界を交番磁界に変化させることによってヒステリシス損失を低減させ、もってモータの回転効率を高め、トルクの低減抑止を図ることを目的としたものである。
【００１４】
上記の目的を達成するために、ティースの根元部、すなわち、ティースのヨークとの境界付近には、該境界からティースの径方向に延びてステータコアの高さ方向に延設するスリットを形成するものである。なお、このスリットがヨーク側に入ってしまうと、ヨークを周方向に流れる磁束流れが阻害されることからスリットはティース内に形成されるのが望ましい。ここで、形成されるスリットは、ティースの幅方向中央部に１つ形成される形態や、例えば等間隔おきに２つもしくは３つのティースが形成される形態などを適用できる。
【００１５】
ここで、上記するステータコアは、圧粉磁心から成形されていてもよく、さらには、鋼板が積層されて一体に形成された鋼板積層体であってもよい。
【００１６】
ステータコアを圧粉磁心から成形する場合において、この圧粉磁心は軟磁性粉末を加圧成形して得られるものであり、この軟磁性粉末は複数の軟磁性粒子の集合体からなる。軟磁性粒子としては、絶縁被膜で覆われた金属磁性粒子が用いられている。金属磁性粒子としては、たとえば、鉄、鉄−シリコン系合金、鉄−窒素系合金、鉄−ニッケル系合金、鉄−炭素系合金、鉄−ホウ素系合金、鉄−コバルト系合金、鉄−リン系合金、鉄−ニッケル−コバルト系合金および鉄−アルミニウム−シリコン系合金などを用いることができる。また、絶縁被膜は、たとえば、金属磁性粒子にリン酸処理が施されることによって形成される。好ましくは、絶縁被膜は、酸化物を含有する。この酸化物を含有する絶縁被膜としては、リンと鉄とを含むリン酸鉄の他、リン酸マンガン、リン酸亜鉛、リン酸カルシウム、酸化シリコン、酸化チタン、酸化アルミニウムまたは酸化ジルコニウムなどの酸化物絶縁体を使用することができる。絶縁被膜は、金属磁性粒子間の絶縁層として機能する。金属磁性粒子を絶縁被膜で覆うことによって、軟磁性粉末の電気抵抗率を大きくすることができる。
【００１７】
一方、ステータコアを鋼板から成形する場合、この鋼板は、電磁鋼板、冷延鋼板、熱延鋼板などを使用することができ、中でも電磁鋼板を使用するのが好ましい。電磁鋼板等が所定の高さに積層され、各鋼板のヨーク同士がかしめ等されることにより、全体が一体に成形される。
【００１８】
本発明のステータコアによれば、ティースの根元部に形成された単数もしくは複数のスリットによって回転磁界の発生が効果的に抑止される。具体的には、ティースの根元部にスリットが設けられていることで回転磁界が生じる平面スペースが制約されるため、交番磁界が卓越してティース内に流れることとなる。その結果、該根元部に生じ易い回転磁界が交番磁界に変化することでヒステリシス損失が低減され、鉄損の低減に繋がるというものである。したがって、回転磁界による鉄損を可及的に低減でき、モータ効率（回転性能）を効果的に高めることが可能となる。
【００１９】
また、本発明によるステータコアの好ましい実施の形態は、前記スリットの幅をｔ，該スリットの数をｎとした場合に、ｔ×ｎ≦０．５（ｍｍ）なる式を満足することを特徴とするものである。
【００２０】
スリットの数が多すぎたり、スリット幅が大きくなりすぎると、今度はティースにおける磁束の鎖交断面積が減少してしまい、トルクが低減することになる。本発明者等の解析結果によれば、上式を満足するようなスリットの幅とスリットの数にてスリットを設計することで、トルク性能の低下を可及的に抑制しながら鉄損の低減効果が高められることが特定された。
【００２１】
さらに本発明者等の解析によれば、上式において、スリット数が３であることが望ましいことが特定されている。すなわち、ｔ×ｎ≦０．５（ｍｍ）であってスリット数が３の場合（したがって、スリット幅が０．１７ｍｍ以下の場合）に、トルク性能の低減抑制効果と鉄損の低減効果の最も高いステータコアが得られるというものである。
【００２２】
また、本発明によるステータコアの好ましい実施の形態は、前記ステータコアにおいて、前記ティースの径方向の長さをＬ１，前記スリットの径方向の長さをＬ２とした場合に、Ｌ２／Ｌ１≦０．２であることを特徴とするものである。
【００２３】
本発明者等の解析によれば、回転磁界が最も生じ易い部位としてティースの根元部でヨークとの境界からティース長さの０．２倍の長さ範囲であることが特定されている。
【００２４】
そこで、スリットの長さをティース長さの０．２倍の長さ範囲に設定するとともに、スリットの幅や数を上式を満足する数値に設定することにより、モータの回転性能等にとって最適なスリット設計を実現することができる。
【００２５】
また、本発明によるモータは上記ステータコアを具備するモータであり、ステータにおける鉄損が低減されることで回転性能（モータ効率）が高められ、トルク性能も高いモータを得ることができる。
【００２６】
かかる本発明のモータは、たとえば可変リラクタンス型（ＶＲ）や永久磁石型（ＰＭ）、ハイブリッド型（ＨＢ）からなるステッピングモータをはじめとした各種モータ、ハイブリッド自動車用の次世代型ＳＲモータのほか、各種家電製品や模型遊具等に使用されるモータなど、あらゆるモータに適用することができる。
【発明の効果】
【００２７】
以上の説明から理解できるように、本発明のステータコアと該ステータコアを具備するモータによれば、ティースの根元部にスリットを形成するだけの極めて簡易な構造によって、ティースに生じる回転磁界を効果的に抑止することができ、モータの回転性能やトルク性能を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１，２は、本発明のステータコアの実施の形態の一部を示した斜視図である。図３はスリットの形成部位と長さを説明するための図であり、図４はスリット長さと鉄損比率に関する解析結果を示したグラフである。図５はスリット幅を説明するための図であり、図６は解析条件であるスリット幅とスリット数の関係を説明したグラフである。図７はスリット数および幅と鉄損との関係に関する解析結果を示したグラフであり、図８はスリット数および幅とトルクとの関係に関する解析結果を示したグラフである。
【００２９】
図１は、本発明のステータコアを示したものである。このステータコア１０は、金属磁性粒子を絶縁被膜にて被覆してなる粉体がプレス加工成形されたものである。この金属磁性粒子としては、鉄、鉄−シリコン系合金、鉄−窒素系合金、鉄−ニッケル系合金、鉄−炭素系合金、鉄−ホウ素系合金、鉄−コバルト系合金、鉄−リン系合金、鉄−ニッケル−コバルト系合金および鉄−アルミニウム−シリコン系合金などを使用できる。また、絶縁被膜としては、リンと鉄とを含むリン酸鉄の他、リン酸マンガン、リン酸亜鉛、リン酸カルシウム、酸化シリコン、酸化チタン、酸化アルミニウムまたは酸化ジルコニウムなどの酸化物絶縁体を使用できる。
【００３０】
ステータコア１０は、その外周のリング状柱状体を形成するヨーク２と該ヨーク２から径方向内側へ突出するティース１，１，…とから構成されている。
【００３１】
各ティース１の根元部、すなわちティース１とヨーク２の境界からティースの長手方向（径方向）に向って所定長さおよび所定幅のスリット３が所定数だけ形成されている。このスリット３はステータコアの長さ（厚み）方向に延設している。
【００３２】
上記するスリット３，…の成形方法は、ステータコア１をプレス加工する際に使用される成形型に予めスリット成形用の凸条を設けておくことで型内成形する方法であってもよいし、プレス加工後のステータコアのティース根元部にカッター切断によって成形する方法であってもよい。
【００３３】
一方、図２にはステータコアの他の実施の形態を示している。このステータコア１０Ａは、リング状のヨーク２Ａとそれから突出するティース１Ａ，…を具備した平面視形状に打ち抜きされた多数の電磁鋼板が所定の高さに積層され、ヨーク全体がかしめ等されて一体に成形されたものであり、このステータコアにおいても、ティースの根元部に例えば複数のスリット３，…が形成されている。なお、このステータコア１０Ａを製造する際には、電磁鋼板の打ち抜き時にその内部に歪が生じていることから、最終的に焼鈍することでこの内部歪を除去しておくことが望ましい。
【００３４】
[スリット長さと鉄損比率に関する解析結果]
図３はステータコア１０のティースの拡大平面図を示したものである。図示するように、ティース１の根元部（ヨークとの境界点Ｏからティース内部）には平面視が矩形でスリット長：ｌのスリット３が形成される。なお、ティースの全長はＬである。
【００３５】
発明者等は、ティース幅が８ｍｍで３つの等間隔のスリット（スリット幅が０．１７ｍｍ）の解析モデルを作成し、図３におけるスリット長：ｌとティース長：Ｌの比率を変化させて鉄損比率、すなわち、鉄損の低減率を算定した。その結果を図４に示している。なお、この解析において、スリット長：ｌとティース長：Ｌの比率を変化させても、トルクの変動はなかった。
【００３６】
図４の解析結果より、スリット長：ｌがティース長：Ｌの１割程度の長さとなるまでは鉄損低減効果が大きく、２割程度で鉄損低減効果は頭打ちとなる。なお、スリット長がティース長の１割の場合に鉄損は８５％にまで、２割の場合に鉄損は８０％にまで低減する。
【００３７】
したがって、スリットの長さはティース長さの１割〜２割程度に設定するのが好ましいと結論付けることができる。
【００３８】
[スリット数および幅と鉄損比率に関する解析結果]
次に、本発明者等はスリット数や幅と鉄損に関する解析をおこなった。図５はティース幅：Ｗに対するスリット幅：ｔと未スリット部の幅：ｗを模式的に示した図であり、解析ではＷ＝８ｍｍに設定されている。また、図６は、所定の総スリット幅（１つのスリット幅：ｔ×スリット数：ｎ）のバリエーションを示したグラフであり、想定される効果的な組み合わせとして、ｔ×ｎが１ｍｍのケース（グラフＸ１）、ｔ×ｎが０．５ｍｍのケース（グラフＸ２）、ｔ×ｎが０．３ｍｍのケース（グラフＸ３）ごとにスリット数とスリット幅の組み合わせを図示している。なお、鉄損比率は、回転磁界を交番磁界に変化させた際の鉄損低減率を０．２とした場合に、鉄損比率＝１−０．２×｛（Ｗ−ｗ）／Ｗ｝で表すことができる。
【００３９】
上記する３ケースにおいて、スリット数を変数とした場合の鉄損比率に関する解析結果を図７に示している。
【００４０】
図より、スリットがなく、鎖交断面積が１００％の場合が鉄損が最も大きいことは自明であるが、いすれのケースとも、スリット数が１つとなることで鉄損低減効果は最も高くなり、スリット数が３までで全鉄損低減の９割程度の鉄損低減効果を挙げることができる。
【００４１】
スリット数を増加させることは製造手間を増加させる、ステータコアの強度を低下させるといった問題に繋がることから、本解析結果より、スリット数は３程度までに設定するのが好ましいと結論付けることができる。
【００４２】
[スリット数および幅とトルク比率に関する解析結果]
次に、上記する３ケースでスリット数に応じたトルクを算定し、その結果を図８に示している。トルク値は、スリットが存在せず、したがって鎖交断面積が１００％の場合に最大トルクとなることは自明のことである。
【００４３】
解析の結果、グラフＸ１とグラフＸ２でトルクの低減抑制効果が高く、双方ともにスリット数が１以上でトルク値は変化しなかった。なお、グラフＸ１（ｔ×ｎ＝０．３のケース）ではトルク値はスリットなしの場合の９６％強となり、グラフＸ２（ｔ×ｎ＝０．５のケース）ではトルク値はスリットなしの場合の９４％弱となる。
【００４４】
本解析結果と、上記する鉄損比率に関する解析結果より、スリット幅：ｔ×スリット数：ｎ≦０．５（ｍｍ）を満足するスリットの幅および数にてスリットを設計するのが望ましいと結論付けることができ、より望ましくは、スリット数を３に設定する（したがって、スリット幅が０．１７ｍｍ以下となる）のが望ましいと結論付けることができる。
【００４５】
以上の解析結果より、ティースの根元部にその長さや幅、数が所定の値に設定されたスリットを形成することで回転磁界が抑制され、その結果として鉄損が低減することで飽和磁束未満の磁束領域におけるモータ回転性能（モータ効率）を高めることができる。また、トルクの低減抑止効果も高いことから高トルクのモータを得ることができる。
【００４６】
以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。例えば、ティースの根元部のみならず、その先端部にステータコアの厚み方向に延設する凹溝を形成しておくことで根元部に生じる回転磁界と先端部に生じる回転磁界の双方を抑止することが可能となる。この場合には、ティースの根元部および先端部に上記関係式を満足する幅、長さ、数（例えば幅が０．１７ｍｍ、長さがティースの０．１もしくは０．２倍、数が３つ）のスリットおよび凹溝を設けることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明のステータコアの一実施の形態の一部を示した斜視図である。
【図２】本発明のステータコアの他の実施の形態の一部を示した斜視図である。
【図３】スリットの形成部位と長さを説明するための図である。
【図４】スリット長さと鉄損比率に関する解析結果を示したグラフである。
【図５】スリット幅を説明するための図である。
【図６】解析条件であるスリット幅とスリット数の関係を説明したグラフである。
【図７】スリット数および幅と鉄損との関係に関する解析結果を示したグラフである。
【図８】スリット数および幅とトルクとの関係に関する解析結果を示したグラフである。
【図９】ティースにおいて回転磁界が生じる部位を説明した平面図である。
【図１０】飽和磁束未満のモータ回転時において回転磁界による鉄損と交番磁界による鉄損を比較したグラフである。
【図１１】（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１２】（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１３】（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。
【符号の説明】
【００４８】
１，１Ａ…ティース、２，２Ａ…ヨーク、３…スリット、１０，１０Ａ…ステータコア
【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】
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【図９】
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【図１０】
2008278551.tif 000012
【図１１】
2008278551.tif 000013
【図１２】
2008278551.tif 000014
【図１３】
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