(57)【要約】【課題】回転電機の振動や騒音をより効果的に低減することが可能なステータを提供する。【解決手段】ステータコイルが巻回される複数のティース１１ｂと、当該複数のティース１１ｂを互いに連結するヨーク１１ａとを有するステータ１において、ティース１１ｂ毎に、対応するティース１１ｂの振動エネルギーを電気エネルギーに変換するピエゾ素子１３を設ける。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステータコイルが巻回される複数のティースと、当該複数のティースを互いに連結するヨークとを有するステータであって、
前記ティース毎に、対応するティースの振動エネルギーを電気エネルギーに変換するピエゾ素子が設けられてなることを特徴とするステータ。
【請求項２】
請求項１に記載のステータであって、
前記ピエゾ素子は、対応するティースの根元に前記ヨークに埋め込まれることを特徴とするステータ。
【請求項３】
ステータコイルが巻回される複数のティースと、当該複数のティースを互いに連結するヨークとを有するステータであって、
前記ヨークに、前記ティースの振動を電気エネルギーに変換するピエゾ素子が埋め込まれてなることを特徴とするステータ。
【請求項４】
請求項２または３に記載のステータであって、
前記ピエゾ素子の両電極間は、前記ヨークを介して電気的に接続されていることを特徴とするステータ。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれか１項に記載のステータであって、
前記ピエゾ素子の両電極間に、抵抗を含み、前記ピエゾ素子と共にフィルタ回路を構成する回路が接続されてなることを特徴とするステータ。
【請求項６】
請求項１〜３のいずれか１項に記載のステータであって、
前記ピエゾ素子の両電極間に、負帰還回路が接続されてなることを特徴とするステータ。
【請求項７】
請求項１〜３のいずれか１項に記載のステータであって、
前記ピエゾ素子の両電極間に、対応するティースの振動によって当該ピエゾ素子に生じる変形と反対方向の変形が当該ピエゾ素子に生じるように当該ピエゾ素子に電圧を印加する電圧印加回路が接続されてなることを特徴とするステータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータ等の回転電機に用いられるステータに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、モータに圧電素子（ピエゾ素子）を取り付け、モータの振動によってピエゾ素子に発生する電気エネルギーを負荷で消費することにより、モータの制振や制音を図る技術が開示されている。この特許文献１には、モータにピエゾ素子を取り付ける態様として、図１１に示されるように、電動送風機１４０のファンケース１４１の吸気口１４１Ａの周囲にリング状のピエゾ素子１６０を取り付ける態様、ファンケース１４１の周壁面１４１Ｂに可撓性のピエゾ素子１６２を取り付ける態様、およびモータケース１４２の吸音材の外側に円筒状のピエゾ素子１６４を取り付ける態様が記載されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−３６９４５０号公報
【特許文献２】特開平６−２８４７５４号公報
【特許文献３】特開２０００−１１６１６０号公報
【特許文献４】特開２００２−３５９９８４号公報
【特許文献５】特開２００５−２０８３９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、永久磁石モータのステータの各ティースには、ロータの磁石とステータのティースとの間の電磁気力により、ロータの磁石の極数の整数倍回転次数の加振力が発生する。例えば８極モータにおいては、図１２に示されるように、８の整数倍の回転次数の加振力が発生する。なお、図１２は、８極４８スロットのモータについて実測された回転次数と加振力ゲインとの関係を示す図である。
【０００５】
図１３には、８極４８スロットのモータについての、加振力の回転４８次成分および回転８次成分の理論的な空間波形が示されている。図１３のように、回転４８次成分に関しては、空間波長はティース間隔と一致し、各ティースに同じ方向に力が加わる。回転８次成分に関しては、空間波長はティース間隔の６倍であり、３ティース毎に逆方向に力が加わる。このように、加振力は、各ティースに対して、回転次数毎に異なる波長で作用するとともに、（回転４８次成分を除き）ティース毎に異なる位相で作用する。
【０００６】
上記加振力は、各ティースを振動させ、モータの振動や騒音（いわゆるモータの電磁気音（３００〜５ｋＨｚ））を発生させる。
【０００７】
モータの振動や騒音を抑制する技術としては、上記特許文献１に記載の技術が提案されているが、当該技術では、モータケース等にピエゾ素子が取り付けられるだけであり、ティース毎に異なる加振力が作用する点について考慮されておらず、モータの振動や騒音を効果的に低減することができない。
【０００８】
そこで、本発明は、回転電機の振動や騒音をより効果的に低減することが可能なステータを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係るステータは、ステータコイルが巻回される複数のティースと、当該複数のティースを互いに連結するヨークとを有するステータであって、前記ティース毎に、対応するティースの振動エネルギーを電気エネルギーに変換するピエゾ素子が設けられてなることを特徴とする。
【００１０】
本発明の好適な態様では、前記ピエゾ素子は、対応するティースの根元に前記ヨークに埋め込まれる。
【００１１】
また、本発明の好適な態様では、ステータコイルが巻回される複数のティースと、当該複数のティースを互いに連結するヨークとを有するステータであって、前記ヨークに、前記ティースの振動を電気エネルギーに変換するピエゾ素子が埋め込まれてなる。
【００１２】
また、本発明の好適な態様では、前記ピエゾ素子の両電極間は、前記ヨークを介して電気的に接続されている。
【００１３】
また、本発明の好適な態様では、前記ピエゾ素子の両電極間に、抵抗を含み、前記ピエゾ素子と共にフィルタ回路を構成する回路が接続されてなる。
【００１４】
また、本発明の好適な態様では、前記ピエゾ素子の両電極間に、負帰還回路が接続されてなる。
【００１５】
また、本発明の好適な態様では、前記ピエゾ素子の両電極間に、対応するティースの振動によって当該ピエゾ素子に生じる変形と反対方向の変形が当該ピエゾ素子に生じるように当該ピエゾ素子に電圧を印加する電圧印加回路が接続されてなる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、回転電機の振動や騒音をより効果的に低減することが可能なステータを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態を図面に従って説明する。
【００１８】
［第１の実施の形態］
図１は、第１の実施の形態に係るステータ１の構成を示す平面図である。図１において、ステータ１は、略円筒形状であり、主としてステータコア１１と、これに巻回されるステータコイル（不図示）とで構成されている。ここでは、ステータコア１１は、複数の電磁鋼板が積層されてなる積層コアである。ただし、ステータコア１１の構成は、これに限定されず、例えば圧粉コアなどであってもよい。
【００１９】
ステータコア１１は、略円筒形状のステータヨーク（以下、単に「ヨーク」と称す）１１ａと、このヨーク１１ａの内側に所定間隔ごとに中心軸に向けて延設された複数個（ここでは４８個）のステータティース（以下、単に「ティース」と称す）１１ｂとで構成されている。各ティース１１ｂには、ステータコイル（不図示）が巻回される。
【００２０】
上記ステータ１の内部には、例えば８極の永久磁石ロータ（不図示）がエアギャップを介してステータ１と同軸に配置され、これにより永久磁石モータが構成される。この永久磁石モータは、様々な用途に適用可能であるが、例えば、駆動源として電動モータを備えるハイブリッド自動車等の電気自動車に好適に適用される。
【００２１】
本実施の形態では、図１に示されるように、ヨーク１１ａには、各ティース１１ｂの根元部分に（ここでは各ティース１１ｂの外周側に）、ピエゾ素子挿入用の挿入孔１２が形成されている。そして、各挿入孔１２には、棒状のピエゾ素子１３が挿入されている。
【００２２】
図２は、図１の特定のピエゾ素子１３に着目した部分拡大図である。図２に示されるように、ピエゾ素子１３の両電極１３ａ，１３ｂは、対応するティース１１ｂの突設方向（ステータ１の半径方向、図２の矢印Ｘ方向）に垂直に配置されている。また、本実施の形態では、ピエゾ素子１３の両電極１３ａ，１３ｂは、それぞれヨーク１１ａ（電磁鋼板）の切断面に接触しており、両電極間は、ヨーク１１ａを介して電気的に導通している。
【００２３】
次に、図３を参照しながら、本実施の形態に係るステータ１の作用について説明する。図３に示されるように、ティース１１ｂに加振力Ｆが加わり、ピエゾ素子１３が歪むと、ピエゾ素子１３は圧電効果により起電力を発生する。これにより、ピエゾ素子１３の電極間に電磁鋼板を介した電流が流れ、発熱損失が発生し、結果として振動エネルギーが減衰する。すなわち、ティース１１ｂの振動エネルギーは、ピエゾ素子１３により電気エネルギーに変換され、当該電気エネルギーは、電磁鋼板で熱として消費される。これにより、ティース１１ｂの振動エネルギーが消費される。
【００２４】
以上のとおり、本実施の形態では、複数のティースを有するステータにおいて、ティース毎に、対応するティースの振動エネルギーを電気エネルギーに変換するピエゾ素子を設ける。このため、本実施の形態によれば、ティース毎に異なる加振力に起因するティース毎の振動エネルギーを、ティース毎のピエゾ素子で効率的に電気エネルギーに変換することができ、モータの振動や騒音（電磁気音）を効果的に低減することが可能となる。
【００２５】
また、本実施の形態では、ピエゾ素子は、対応するティースの根元にヨークに埋め込まれる。このため、本実施の形態によれば、振動エネルギーをより効率的に電気エネルギーに変換することができ、モータの振動や騒音をより効果的に低減することが可能となる。また、ピエゾ素子をヨークに圧入する構成とすれば、電磁鋼板同士の機械的な結合を強化することができる。また、電磁鋼板同士を仮止めすることができ、電磁鋼板同士の仮止めが必要とされる場合において仮止め用の部材を不要とすることができる。
【００２６】
また、本実施の形態では、ピエゾ素子の両電極間をヨークを介して電気的に接続し、ヨークで電気エネルギーを消費するので、特別の電力消費回路を設ける必要がなく、低コストでモータの振動や騒音を低減することができる。
【００２７】
［第２の実施の形態］
図４は、第２の実施の形態に係るステータ２の構成を示す概略図である。以下、図４に従ってステータ２について説明するが、本実施の形態は上記第１の実施の形態と殆ど同じであるので、共通する部分については、同一の符号を用い、説明を省略することとする。
【００２８】
本実施の形態では、各ピエゾ素子１３の外周は、絶縁体２１により電磁鋼板と絶縁されている。そして、各ピエゾ素子１３の両電極間には、抵抗を含み、当該ピエゾ素子１３と共にフィルタ回路を構成する回路２２が接続される。具体的には、回路２２は、インダクタＬとコンデンサＣと抵抗Ｒとの直列接続、またはインダクタＬと抵抗Ｒとの直列接続を含み、ピエゾ素子１３の容量成分等とともにＬＣＲ直列共振回路を構成する。好適には、ピエゾ素子１３と回路２２とで構成されるフィルタ回路の共振周波数は、ステータ２の固有振動数や耳障りな音の周波数など、減衰させたい振動の周波数と略一致するように設定される。
【００２９】
上記構成を有するステータ２の作用について説明する。ティース１１ｂに加振力が加わり、ピエゾ素子１３が歪むと、ピエゾ素子１３は圧電効果により起電力を発生する。これにより、ピエゾ素子１３と回路２２とで構成されるフィルタ回路に電流が流れ、抵抗Ｒで発熱損失が発生し、結果として振動エネルギーが減衰する。このとき、フィルタ回路の周波数特性（例えば図５に示されるような周波数特性）に応じて振動が減衰する。すなわち、フィルタ回路の共振周波数の近傍の周波数帯において、大きな共振電流が得られ、選択的に振動が大きく減衰する。
【００３０】
以上のとおり、本実施の形態では、ピエゾ素子の両電極間に、抵抗を含み、当該ピエゾ素子と共にフィルタ回路を構成する回路が接続される。このため、本実施の形態によれば、フィルタ回路の周波数特性を調節することにより、所望の周波数帯の振動を選択的に減衰させることができる。
【００３１】
また、ティース毎にフィルタ回路の周波数特性をずらす構成とすれば、複数の周波数帯の振動を減衰させることができる。例えば、ステータの固有振動数がｆ１，ｆ２を含む場合において、共振周波数ｆ１のフィルタ回路と共振周波数ｆ２のフィルタ回路とをティース配列に沿って交互に設けることとすれば、周波数帯ｆ１，ｆ２の振動を減衰させることができる。
【００３２】
［第３の実施の形態］
図６は、第３の実施の形態に係るステータ３の構成を示す概略図である。以下、図６に従ってステータ３について説明するが、本実施の形態は上記第１の実施の形態と殆ど同じであるので、共通する部分については、同一の符号を用い、説明を省略することとする。
【００３３】
本実施の形態では、各ピエゾ素子１３の外周は、絶縁体３１により電磁鋼板と絶縁されている。そして、各ピエゾ素子１３の両電極間には、負帰還回路３２が接続される。
【００３４】
図７は、負帰還回路３２の一例を示す回路図である。図７において、負帰還回路３２は、ＮＰＮ型のトランジスタＴｒを備えている。トランジスタＴｒのベースは、抵抗Ｒ１を介して直流電源Ｅの正極に接続されるとともに、コンデンサＣ１を介してピエゾ素子１３の一方の電極に接続されている。ピエゾ素子１３の他方の電極はグランドに接続されている。トランジスタＴｒのコレクタは、抵抗Ｒ２を介して直流電源Ｅの正極に接続されるとともに、コンデンサＣ２の一方の電極に接続されている。コンデンサＣ２の他方の電極は、出力端子ＯＵＴに接続されるとともに、抵抗ＲＬを介してグランドに接続されている。トランジスタＴｒのエミッタは、抵抗ＲＥを介してグランドに接続されている。
【００３５】
上記構成を有するステータ３の作用について説明する。ティース１１ｂに加振力が加わり、ピエゾ素子１３が歪むと、負帰還回路３２に対して入力電圧が生じる。すると、負帰還回路３２は、図８に示されるように、ピエゾ発生電圧（図８の破線）に対して逆位相のフィードバック電圧（図８の実線）をピエゾ素子１３にフィードバックする。このフィードバック電圧は、ピエゾ素子１３を入力と逆の方向に歪ませる方向に働くため、振動が低減される。
【００３６】
以上のとおり、本実施の形態では、ピエゾ素子の両電極間に負帰還回路が接続される。このため、本実施の形態によれば、ピエゾ素子の歪みの大小に応じて、自動的にフィードバック電流が変化することで、振動の大小に応じた制振効果が得られる。
【００３７】
［第４の実施の形態］
図９は、第４の実施の形態に係るステータ４の構成を示す概略図である。以下、図９に従ってステータ４について説明するが、本実施の形態は上記第１の実施の形態と殆ど同じであるので、共通する部分については、同一の符号を用い、説明を省略することとする。
【００３８】
本実施の形態では、各ピエゾ素子１３の外周は、絶縁体４１により電磁鋼板と絶縁されている。そして、各ピエゾ素子１３の両電極間には、電圧印加回路４２が接続される。この電圧印加回路４２は、ティース１１ｂの振動によってピエゾ素子１３に生じる変形と反対方向の変形が当該ピエゾ素子１３に生じるように当該ピエゾ素子１３に電圧を印加する回路である。具体的には、電圧印加回路４２は、ロータの回転角およびステータ電流に基づき、これらから推定されるピエゾ素子１３に生じる変形と反対方向の変形をピエゾ素子１３に生じさせる電圧をピエゾ素子１３に印加する。
【００３９】
上記電圧印加回路４２は、適宜の構成で実現可能であるが、図９に示される構成例では、外部からの駆動信号に基づきピエゾ素子１３に電圧を印加するアンプ４２ａと、当該アンプ４２ａに駆動信号を供給する波形生成回路４２ｂとを含んで構成されている。波形生成回路４２ｂには、ステータ４を含むモータを制御するモータＥＣＵ（電子制御ユニット）５１が接続される。このモータＥＣＵ５１には、Ｒ−Ｄコンバータ５２を介してレゾルバ５３が接続されるとともに、ステータコイルに流れる電流を検出する電流センサ５４が接続されている。ここで、レゾルバ５３は、ロータの回転角に応じた信号をＲ−Ｄコンバータ５２に出力し、Ｒ−Ｄコンバータ５２は、レゾルバ５３からの信号に基づき電流位相の信号をモータＥＣＵ５１に出力する。また、電流センサ５４は、ステータ電流の波高値の信号をモータＥＣＵ５１に出力する。モータＥＣＵ５１は、Ｒ−Ｄコンバータ５２から入力された電流位相の信号および電流センサ５４から入力された波高値の信号を波形生成回路４２ｂに出力する。
【００４０】
上記構成を有するステータ４の作用について説明する。波形生成回路４２ｂは、モータＥＣＵ５１から電流位相と波高値の信号を受け取り、これらの信号に基づいて、各ティース１１ｂに入力される各回転次数の力により各ピエゾ素子１３で発生する電圧（大きさおよび位相を含む）を算出する。そして、波形生成回路４２ｂは、算出された電圧の位相を反転させた電圧がピエゾ素子１３に印加されるように、アンプ４２ａに駆動信号を出力する。アンプ４２ａは、波形生成回路４２ｂからの駆動信号に基づき、図１０に示されるように、上記算出された電圧（ピエゾ発生電圧、図１０の破線）の位相を反転させた電圧（制御電圧、図１０の実線）をピエゾ素子１３に印加する。ここで、ティース１１ｂの振動を効果的に抑制する観点より、制御電圧は、ピエゾ発生電圧より大きい電圧であることが好ましい。ただし、制御電圧は、ピエゾ発生電圧と同一またはそれより小さい電圧であってもよい。
【００４１】
このように本実施の形態では、ピエゾ素子１３には、ティース１１ｂに力が加わりピエゾ素子１３が歪むことにより生じる電圧を反転させた電圧が印加され、加振力に対して逆位相の力が生じる。このピエゾ素子１３に生じる逆位相の力により加振力が打ち消され、ティース１１ｂの振動が抑制される。
【００４２】
以上のとおり、本実施の形態では、ティースの振動によってピエゾ素子に生じる変形と反対方向の変形が当該ピエゾ素子に生じるように、当該ピエゾ素子に電圧を印加する。このため、本実施の形態によれば、圧電素子の逆圧電効果による力を用いてティースの振動をアクティブに打ち消すことができ、大きな制振効果を得ることができる。
【００４３】
また、例えばハイブリッド自動車等の電気自動車においては、ユーザからの指示等に応じて電圧印加回路がピエゾ発生電圧と同位相の制御電圧をピエゾ素子に印加する構成とすれば、必要に応じて電磁気音を増大させることができ、歩行者や他の運転者に優しい警告音を発する機能（思いやりホーン）を実現することができる。
【００４４】
なお、本発明は、上記実施の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内で種々変更することができる。例えば、ピエゾ素子１３の両極に接続される回路は、上記実施の形態で示されたものに限られず、ピエゾ素子１３の電気エネルギーを消費する他の電力消費回路であってもよい。また、上記実施の形態では、本発明のステータをインナーロータ型の永久磁石モータに適用した場合を例示したが、本発明のステータは、他のタイプのモータや発電機など、他の回転電機にも適用可能である。
【００４５】
上記第２の実施の形態において、共振周波数が可変となるようにフィルタ回路を構成しておき、ロータ回転速度に応じてフィルタ回路の共振周波数を変化させる制御を行ってもよい。この構成によれば、ロータ回転速度に応じた振動の周波数の変化に適切に対応することができる。
【００４６】
上記第４の実施の形態において、実際に振動を測定し、測定された振動と逆位相の振動が生じるように、電圧印加回路４２からピエゾ素子１３に電圧を印加してもよい。
【００４７】
また、上記実施の形態では、ピエゾ素子１３をヨーク１１ａに埋設することとしたが、ピエゾ素子１３の設置位置はこれに限られず、例えばヨーク１１ａの外周面に取り付けてもよい。
【００４８】
ティースの振動を電気エネルギーに変換するピエゾ素子をヨークに埋め込む構成によれば、他の位置（例えばモータケースやヨーク外壁など）にピエゾ素子を設置する構成と比較して、ティースの振動を効率的に電気エネルギーに変換することができ、振動を効果的に低減させることができる。このような効果は、必ずしもティース毎にピエゾ素子を設けなくとも得られる。例えば、Ｎ個（Ｎは２以上の整数）のティースにつき、１個のピエゾ素子を設けることとしても、上記効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】第１の実施の形態に係るステータの構成を示す平面図である。
【図２】図１の特定のピエゾ素子に着目した部分拡大図である。
【図３】第１の実施の形態に係るステータの作用を説明するための図である。
【図４】第２の実施の形態に係るステータの構成を示す概略図である。
【図５】第２の実施の形態におけるフィルタ回路の周波数特性を示す図である。
【図６】第３の実施の形態に係るステータの構成を示す概略図である。
【図７】第３の実施の形態における負帰還回路の一例を示す回路図である。
【図８】第３の実施の形態におけるピエゾ発生電圧およびフィードバック電圧を示す波形図である。
【図９】第４の実施の形態に係るステータの構成を示す概略図である。
【図１０】第４の実施の形態におけるピエゾ発生電圧および制御電圧を示す波形図である。
【図１１】特許文献１に記載された電動送風機の分解斜視図である。
【図１２】回転次数と加振力ゲインとの関係を示す図である。
【図１３】加振力の回転４８次成分および回転８次成分の波形図である。
【符号の説明】
【００５０】
１〜４  ステータ、１１  ステータコア、１１ａ  ヨーク、１１ｂ  ティース、１２  挿入孔、１３  ピエゾ素子、１３ａ，１３ｂ  電極、２１，３１，４１  絶縁体、２２  回路、３２  負帰還回路、４２  電圧印加回路、４２ａ  アンプ、４２ｂ  波形生成回路、５１  モータＥＣＵ、５２  Ｒ−Ｄコンバータ、５３  レゾルバ、５４  電流センサ。
【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】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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