(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
環状のヨーク部の内周面から径方向内方に延出する基部と該基部の先端部から周方向両側に延出する鍔部とを有するティースが該ヨーク部の内周面に周方向に複数配設されてなる固定子鉄心、および、この固定子鉄心に磁極集中巻きで巻装された固定子巻線を有する固定子と、
上記固定子の内周側に均一なエアギャップを有するように同軸に配置され、永久磁石が外周面に周方向に複数配設され、かつ、周方向に隣り合う該永久磁石が互いに逆極性に着磁されている回転子とを備えた回転電機において、
上記ティースの鍔部が、上記基部から周方向に延設され、負荷状態で磁気飽和しない鍔基部と、該鍔基部から周方向に延設され、該鍔基部に対して薄い径方向厚さを有し、負荷状態で磁気飽和する鍔先端部とからなる２段の階段状形状に形成されていることを特徴とする回転電機。
【請求項２】
上記固定子鉄心が磁性薄板を軸方向に積層して構成され、上記鍔先端部の径方向厚さが該磁性薄板の板厚以上、かつ、該磁性薄板の板厚の２倍以下に形成されていることを特徴とする請求項１記載の回転電機。
【請求項３】
周方向に隣り合う上記鍔先端部間の周方向隙間Ｌａと、周方向に隣り合う上記鍔基部間の周方向隙間Ｌｂと、上記エアギャップの空隙長Ｌｇとが、Ｌａ<３．７Ｌｇ<Ｌｂの関係となっていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の回転電機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えばモータなどの回転電機に関し、特に全運転領域でトルクリップルを低減できる固定子鉄心のティースの鍔部形状に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図７は従来の磁極集中巻きモータの構成を模式的に示す縦断面図、図８は従来の磁極集中巻きモータに適用される固定子鉄心の要部を示す拡大図である。
図７および図８において、回転子２は、円柱状に成形され、永久磁石３がその外周面に周方向に等角ピッチに配設されている。この永久磁石３としては、フェライト系の磁石、ネオジ磁石、サマリウムコバルト系磁石等が用いられる。
【０００３】
固定子５は、珪素鋼板等からなる磁性薄板を積層して形成され、円筒状のヨーク部７の内周面から径方向内方に突出するティース８が該ヨーク部７の内周面に周方向に所定ピッチで形成されてなる固定子鉄心６と、この固定子鉄心６に巻装された固定子巻線１０とを備えている。
固定子鉄心６の各ティース８は、所定の歯幅を有する基部８ａと、基部８ａの先端から周方向の両側に突設された鍔部８ｂとを備えている。この固定子鉄心６には、スロット９がヨーク部７と隣り合うティース８とにより画成されている。
また、固定子巻線１０は、ティース８の本数分の巻線１０ａから構成され、巻線１０ａはそれぞれ導体線を１つのティース８の基部８ａに所定回巻回して形成されている。つまり、固定子巻線１０は、固定子鉄心６に磁極集中巻き方式で巻装されていることになる。
【０００４】
このように構成された固定子６が回転子２の外周を覆うように同軸に配置され、固定子巻線１０に電流を流して周方向に隣り合う永久磁石３が互いに逆極性となるように永久磁石３の着磁を行って、モータ１が完成される。このとき、各ティース８の径方向先端面が回転子２の外周面との距離が一様に等間隔となるように円弧面に形成されており、均一な空隙長Ｌｇを有するエアギャップ４が回転子２と固定子６との間に形成されている。
【０００５】
このように構成された従来のモータ１においては、永久磁石３の着磁時に、短絡磁束が相対する鍔部８ｂ間に多く発生し、回転子２の永久磁石３に作用する磁束が少なくなってしまい、永久磁石３を効率よく着磁できないという問題があった。
この問題を解決するために、鍔部の一部に穴を穿設することにより相対する鍔部間の磁気抵抗を大きくして鍔部間に発生する短絡磁束を減少させ、永久磁石に作用する磁束を増大させようとする試みが、例えば特開２０００−１６６１３３号公報等に提案されている。
【０００６】
特開２０００−１６６１３３号公報に記載された改善策としての従来のモータにおいては、図９に示されるように、磁気短絡防止穴８ｃがティース８Ａの鍔部８ｂの周方向の両端側にそれぞれ穿設されている。
このように構成された固定子鉄心６Ａを採用した従来のモータでは、相対する鍔部８ｂ間の磁路が磁気短絡防止穴８ｃの形成部位で小さくなり、即ち磁気抵抗が大きくなり、鍔部間に発生する短絡磁束が減少する。これにより、永久磁石の着磁時に永久磁石に作用する磁束が増大するので、永久磁石を効率よく着磁できるようになる、としている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来の改善策としてのモータは、以上のように、永久磁石の着磁特性を改善することを目的としてなされたものであり、磁石の素材のばらつきや磁石の着磁不良などに起因するモータ特性の低下については何ら考慮されていなかった。従って、従来の改善策としてのモータは、磁石の素材のばらつきや磁石の着磁不良などに起因するトルクリップルの増大を抑制するには不十分なものであった。つまり、相対する鍔部８ｂの向かい合う近傍において、磁路に部分的に狭い箇所ができるため、着磁時の大きな短絡磁束の発生を磁路の磁気飽和を利用して抑制できるものの、モータの通常使用時に生じる磁束に対しては、短絡磁路を十分に飽和させることができず、該磁束を抑制することができない、という課題があった。
【０００８】
そこで、発明者らは、モータを作製する上で磁石の素材のばらつきや磁石の着磁不良などの工作誤差が生じてしまい、これらの工作誤差がトルクリップルに影響を及ぼし、モータ特性を悪化させるという見地から、モータの通常使用時における工作誤差により生じるトルクリップルの増大を抑制するために、トルクリップルとスロット開口幅との関係に着目し、磁界解析を行った。
【０００９】
まず、工作誤差のない理想状態について説明する。
一般に、三相交流で駆動される永久磁石モータにおいては、電源周波数の６ｎ倍（ｎ：自然数）の周波数成分をもつトルクリップルが観測される。そして、このトルクリップルの周波数成分は、低次の成分ほど影響が大きいことが知られている（以降、これらの低次の成分をトルクリップルの６ｆ成分と呼ぶ）。このトルクリップルの６ｆ成分は、電源から電力が供給された状態でのみ生じるものであり、つまり負荷状態でのみ生じるものである。
ここで、理想状態のモータにおけるＬａ／Ｌｇとトルクリップルおよび平均トルクとの関係について発明者らが磁界解析した結果を図３に示す。なお、Ｌａはスロット開口幅、Ｌｇはエアーギャップ４の空隙長である。また、トルクリップルは６ｆ成分を示しており、６ｆ成分以外の成分は殆ど見られないことが分かっている。図３から、工作誤差のない理想状態のモータの負荷状態においては、Ｌａ／Ｌｇが大きくなるように設計すれば、トルクリップルの６ｆ成分を低減し、平均トルクを大きくできることが分かる。従って、理想状態では、スロット開口幅Ｌａを大きくすることにより、トルクリップルを低減できることになる。
【００１０】
ついで、工作誤差が生じる実際の状態について説明する。つまり、実際のモータでは、磁石の素材のバラツキや着磁不良等の工作誤差が生じてしまう。
この実際のモータでは、トルクリップルの６ｆ成分に加えて、上述の工作誤差に起因するトルクリップル成分が発生することが、発明者らの実験および磁界解析から判明している。そして、磁石のバラツキにより生じるトルクリップル成分は、固定子のスロット数により規定され、１回転当たり、スロット数と同数の脈動成分を生じることになる（以降、トルクリップルのスロット成分と呼ぶ）。
ここで、実際のモータにおけるＬａ／Ｌｇとトルクリップルの６ｆ成分および平均トルクとの関係について発明者らが磁界解析した結果を図４に示す。図４から、実際のモータの負荷状態においては、トルクリップルの６ｆ成分および平均トルクとＬａ／Ｌｇとの関係は、工作誤差のない理想状態のモータの負荷状態とほぼ同様であることが分かる。
ついで、実際のモータにおけるＬａ／Ｌｇとトルクリップルのスロット成分との関係について発明者らが磁界解析した結果を図５に示す。
図５から、モータの無負荷状態においては、トルクリップルのスロット成分はＬａ／Ｌｇにほぼ比例して増加することがわかる。従って、実際のモータの無負荷状態においては、トルクリップルを低減するためには、スロット開口幅（Ｌａ／Ｌｇ）を小さく設計することが望ましい。
一方、実際のモータの負荷状態においては、トルクリップルのスロット成分に加えて、トルクリップルの６ｆ成分が生じる。負荷状態のトルクリップルのスロット成分は、図５から分かるように、Ｌａ／Ｌｇにあまり依存しないが、トルクリップルの６ｆ成分は、図４から分かるように、Ｌａ／Ｌｇの増加に対して減少する傾向にある。従って、実際のモータの負荷状態において、トルクリップルを低減し、かつ、平均トルクを大きくするするためには、Ｌａ／Ｌｇを大きく設計することが望ましい。
【００１１】
本発明者らは、トルクリップルとスロット開口幅との関係についての磁界解析結果から、工作誤差が生じてしまう実際のモータ（実機）において、無負荷状態から負荷状態までの全運転領域でトルクリップルを低減させるためには、無負荷状態ではＬａ／Ｌｇを小さくし、負荷状態ではＬａ／Ｌｇを大きくすることが望ましいことに着眼し、本発明を発明するに至ったものである。
つまり、この発明は、上記のような着眼点に基づいて、スロット開口幅が無負荷状態と負荷状態とで実質的に異なるようにティースの鍔部形状を工夫し、全運転領域でトルクリップルを低減させ、かつ、平均トルクを大きくできる回転電機を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る回転電機は、環状のヨーク部の内周面から径方向内方に延出する基部と該基部の先端部から周方向両側に延出する鍔部とを有するティースが該ヨーク部の内周面に周方向に複数配設されてなる固定子鉄心、および、この固定子鉄心に磁極集中巻きで巻装された固定子巻線を有する固定子と、
上記固定子の内周側に均一なエアギャップを有するように同軸に配置され、永久磁石が外周面に周方向に複数配設され、かつ、周方向に隣り合う該永久磁石が互いに逆極性に着磁されている回転子とを備えた回転電機において、
上記ティースの鍔部が、上記基部から周方向に延設され、負荷状態で磁気飽和しない鍔基部と、該鍔基部から周方向に延設され、該鍔基部に対して薄い径方向厚さを有し、負荷状態で磁気飽和する鍔先端部とからなる２段の階段状形状に形成されているものである。
【００１３】
また、上記固定子鉄心が磁性薄板を軸方向に積層して構成され、上記鍔先端部の径方向厚さが該磁性薄板の板厚以上、かつ、該磁性薄板の板厚の２倍以下に形成されているものである。
【００１４】
また、周方向に隣り合う上記鍔先端部間の周方向隙間Ｌａと、周方向に隣り合う上記鍔基部間の周方向隙間Ｌｂと、上記エアギャップの空隙長Ｌｇとが、Ｌａ<３．７Ｌｇ<Ｌｂの関係となっているものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図について説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る磁極集中巻きモータに適用される固定子の要部を示す縦断面図、図２はこの発明の実施の形態１に係る磁極集中巻きモータのティース先端部周りを示す拡大図である。なお、各図において、図７乃至図９に示した従来例と同一または相当部分には同一符号を付し、その説明を省略する。
【００１６】
各図において、固定子２０は、珪素鋼板等からなる磁性薄板を軸方向に積層して形成され、円筒状のヨーク部２２の内周面から径方向内方に突出するティース２３が該ヨーク部２２の内周面に周方向に所定ピッチで形成されてなる固定子鉄心２１と、この固定子鉄心２１に巻装された固定子巻線１０とを備えている。
固定子鉄心２１の各ティース２３は、所定の歯幅を有する基部２４と、基部２４の先端から周方向の両側に突設された鍔部２５とを備えている。この固定子鉄心２１には、スロット２６がヨーク部２２と隣り合う２つのティース２３とにより画成されている。また、ティース２３の径方向先端面が回転子２の外周面との距離が一様に等間隔となるように円弧面に形成されている。そして、鍔部２５は、基部２４から周方向両側に延出する鍔基部２５ｂと、鍔基部２５ｂから周方向両側に延出する鍔先端部２５ａとからなる階段状に構成されている。鍔基部２５ｂは、その径方向厚さが基部２４から周方向の両側に向かって漸次減少するように形成され、鍔先端部２５ａは、その径方向厚さが鍔基部２５ｂから周方向の両側に向かって漸次減少するように形成されている。さらに、鍔基部２５ｂの根元部の径方向厚さをＨｓｂ、鍔基部２５ｂの周方向先端部の径方向厚さをＨｂ、鍔先端部２５ａの根元部の径方向厚さをＨｓａ、鍔先端部２５ａの周方向先端部の径方向厚さをＨａとしたときに、Ｈｓｂ>Ｈｂ>Ｈｓａ>Ｈａとなっている。
また、固定子巻線１０は、ティース２３の本数分の巻線１０ａから構成され、巻線１０ａはそれぞれ導体線を１つのティース２３の基部２４に所定回巻回して形成されている。つまり、固定子巻線１０は、固定子鉄心２１に磁極集中巻き方式で巻装されていることになる。
さらに、永久磁石３が回転子２の外周に等角ピッチに配置され、隣り合う永久磁石３が逆極性となるように着磁されている。
【００１７】
このように構成された固定子２０が回転子２の外周を覆うように同軸に配置されて、モータ１００が完成される。このとき、回転子２と固定子２０との間に均一なエアギャップ４が形成されている。
【００１８】
このように構成されたモータ１００の無負荷状態においては、電流が固定子巻線１０に流れていないので、ティース２３の鍔部２５の鍔先端部２５ａの磁束密度は高くならない。これにより、鍔先端部２５ａの磁気飽和が生じず、スロット開口幅は隣り合う鍔先端部２５ａ間の距離（図２中Ｌａに相当）とみなすことができる。即ち、Ｌａ／Ｌｇが小さくなり、工作誤差に起因するトルクリップルのスロット成分を低減することができる。
また、モータ１００の負荷状態においては、電流が固定子巻線１０に流れることにより発生する磁束が、鍔基部２５ｂを通り鍔先端部２５ａから相対する鍔先端部２５ａに流れる。そして、鍔先端部２５ａの磁束密度が、鍔基部２５ｂの磁束密度より大きくなり、鍔先端部２５ａの磁気抵抗が大きくなるので、スロット開口幅は隣り合う鍔基部２５ｂ間の距離（図２中Ｌｂに相当）とみなすことができる。つまり、通電時には、等価的にスロット開口幅を大きくしたことになる。即ち、Ｌａ／Ｌｇが大きくなり、トルクリップルの６ｆ成分を低減することができる。
【００１９】
このように、実施の形態１によれば、ティース２３の鍔部２５が径方向厚さの厚い鍔基部２５ｂと、この鍔基部２５ｂから周方向の両側に延設され、鍔基部２５ｂに比べて径方向厚さの薄い鍔先端部２５ａとからなる階段状形状に形成されているので、無負荷状態においては、スロット開口幅が実質的に狭められ、負荷状態においては、スロット開口幅が実質的に広められる。そこで、無負荷状態ではＬａ／Ｌｇが小さくなり、かつ、負荷状態ではＬａ／Ｌｇ（つまり、Ｌｂ／Ｌｇ）が大きくなるので、無負荷状態から負荷状態の全運転領域において、トルクリップルを低減でき、かつ、平均トルクを大きくできるモータを実現することができる。
また、鍔基部２５ｂの径方向厚さが周方向両側に向かって漸次薄くなるように構成されているので、固定子巻線１０の巻装性が向上される。
【００２０】
また、固定子鉄心２１は、磁性薄板からプレス成形によりヨーク部２２、ティース２３およびスロット２６が形成された帯状体を成形し、該帯状体を多数枚積層した後、円筒状に曲げ成形して作製される。また、磁性薄板からプレス成形によりヨーク部２２、ティース２３およびスロット２６が形成された環状体を成形し、該環状体を多数枚積層して作製される。あるいは、長尺の磁性薄板をプレス成形してヨーク部２２、ティース２３およびスロット２６が形成された長尺の帯状体を成形し、該帯状体を螺旋状に巻回して作製される。そこで、鍔先端部２５ａの周方向先端部の径方向厚さＨａが薄すぎると、鍔先端部２５ａの強度が確保されず、固定子鉄心の製作工程において鍔先端部２５ａの曲がりや折れが発生して固定子鉄心２１の製作性を悪化してしまう。そこで、鍔先端部２５ａの強度を考慮すれば、その径方向厚さＨａを磁性薄板の板厚（ｔ）と同等以上とすることが望ましい。これにより、固定子鉄心２１の製作工程における鍔先端部２５ａの曲がりや折れの発生が抑えられ、歩留まりが向上される。また、鍔先端部２５ａの径方向厚さＨａを磁性薄板の板厚（ｔ）の２倍以下とすれば、良好なモータ特性、即ち小さなトルクリップル、大きな平均トルクのモータが実現できる。
従って、鍔先端部２５ａの径方向厚さＨａは、ｔ≦Ｈａ≦２ｔとすることが望ましい。これにより、固定子鉄心の製作性が向上すると共に、通電時に鍔先端部２５ａを十分に磁気飽和させることができ、トルクリップルの小さなモータが得られる。
【００２１】
ここで、工作誤差が生じた場合におけるトルクリップルの６ｆ成分およびスロット成分とＬａ／Ｌｇとの関係を図６に示す。なお、図６において、無負荷時のトルクリップルとＬａ／Ｌｇとの関係は図５のトルクリップルのスロット成分とＬａ／Ｌｇとの関係であり、負荷時のトルクリップルとＬａ／Ｌｇとの関係は図４のトルクリップルの６ｆ成分とＬａ／Ｌｇとの関係である。
図６から、トルクリップルの６ｆ成分とスロット成分とがＬａ／Ｌｇ＝３．７において交差することが分かる。従って、トルクリップルの６ｆ成分およびスロット成分を低減させるには、無負荷状態ではＬａ／Ｌｇ<３．７とし、負荷状態ではＬｂ／Ｌｇ>３．７とすることが望ましい。即ち、Ｌａ<３．７Ｌｇ<Ｌｂとすることにより、全運転領域でトルクリップルの低減と、モータ効率の向上（同一電流に対するＤＣトルクの向上）の向上との両立を図ることができる。
【００２２】
なお、上記実施の形態１では、鍔基部２５ｂの根元部の径方向厚さをＨｓｂ、鍔基部２５ｂの周方向先端部の径方向厚さをＨｂ、鍔先端部２５ａの根元部の径方向厚さをＨｓａ、鍔先端部２５ａの周方向先端部の径方向厚さをＨａとしたときに、Ｈｓｂ>Ｈｂ>Ｈｓａ>Ｈａとなっているものとしているが、鍔部形状がＨｓｂ＝Ｈｂ、Ｈｓａ＝Ｈａ、Ｈｂ>Ｈａとなるように形成されてもよい。
また、上記実施の形態１では、鍔先端部２５ａが径方向厚さを鍔基部２５ｂから周方向両側に漸次減少するように形成されているものとしているが、鍔先端部２５ａが径方向厚さを鍔基部２５ｂから周方向両側に漸次増加するように形成しても、同様の効果が得られる。
さらに、上記実施の形態１では、モータに適用するものとして説明しているが、本発明はモータに限定されるものではなく、回転電機、例えば交流発電機に適用しても、同様の効果が得られる。
また、上記実施の形態１では、エアギャップの空隙長Ｌｇが一様な例について説明しているが、例えば回転子表面に蒲鉾状の磁石が取り付けられているような場合でも、空隙長の最小値をＬｇと定義すれば同様の効果が得られる。
【００２３】
【発明の効果】
この発明は、以上のように構成されているので、以下に記載されているような効果を奏する。
【００２４】
この発明によれば、環状のヨーク部の内周面から径方向内方に延出する基部と該基部の先端部から周方向両側に延出する鍔部とを有するティースが該ヨーク部の内周面に周方向に複数配設されてなる固定子鉄心、および、この固定子鉄心に磁極集中巻きで巻装された固定子巻線を有する固定子と、
上記固定子の内周側にエアギャップを有するように同軸に配置され、永久磁石が外周面に周方向に複数配設され、かつ、周方向に隣り合う該永久磁石が互いに逆極性に着磁されている回転子とを備えた回転電機において、
上記ティースの鍔部が、上記基部から周方向に延設された鍔基部と、該鍔基部から周方向に延設され、該鍔基部に対して薄い径方向厚さを有する鍔先端部とからなる階段状形状に形成されているので、全運転領域でトルクリップルを低減できる回転電機が得られる。
【００２５】
また、上記固定子鉄心が磁性薄板を軸方向に積層して構成され、上記鍔先端部の径方向厚さが該磁性薄板の板厚以上、かつ、該磁性薄板の板厚の２倍以下に形成されているので、固定子鉄心の歩留まりが向上されるとともに、通電時に鍔先端部を十分に磁気飽和させることができ、トルクリップルを小さくすることができる。
【００２６】
また、周方向に隣り合う上記鍔先端部間の周方向隙間Ｌａと、周方向に隣り合う上記鍔基部間の周方向隙間Ｌｂと、上記エアギャップの空隙長Ｌｇとが、Ｌａ<３．７Ｌｇ<Ｌｂの関係となっているので、全運転領域でトルクリップルを確実に低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の実施の形態１に係る磁極集中巻きモータに適用される固定子の要部を示す縦断面図である。
【図２】  この発明の実施の形態１に係る磁極集中巻きモータのティース先端部周りを示す拡大図である。
【図３】  工作誤差のない磁極集中巻きモータにおけるＬａ／Ｌｇとトルクリップルの６ｆ成分および平均トルクとの関係を示す図である。
【図４】  工作誤差のある磁極集中巻きモータにおけるＬａ／Ｌｇとトルクリップルの６ｆ成分および平均トルクとの関係を示す図である。
【図５】  工作誤差のある磁極集中巻きモータにおけるＬａ／Ｌｇとトルクリップルのスロット成分との関係を示す図である。
【図６】  工作誤差のある磁極集中巻きモータにおけるＬａ／Ｌｇとトルクリップルの６ｆ成分およびスロット成分との関係を示す図である。
【図７】  従来の磁極集中巻きモータの構成を模式的に示す縦断面図である。
【図８】  従来の磁極集中巻きモータに適用される固定子鉄心の要部を示す拡大図である。
【図９】  改善策としての従来の磁極集中巻きモータに適用される固定子鉄心の要部を示す拡大図である。
【符号の説明】
２  回転子、３  永久磁石、４  エアギャップ、１０  固定子巻線、２０  固定子、２１  固定子鉄心、２２  ヨーク部、２３  ティース、２４  基部、２５鍔部、２５ａ  鍔先端部、２５ｂ  鍔基部、１００  モータ（回転電機）。
【図１】
0004606640.tif 000002
【図２】
0004606640.tif 000003
【図３】
0004606640.tif 000004
【図４】
0004606640.tif 000005
【図５】
0004606640.tif 000006
【図６】
0004606640.tif 000007
【図７】
0004606640.tif 000008
【図８】
0004606640.tif 000009
【図９】
0004606640.tif 000010