(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の歯部とスロットを備えた固定子鉄心にコイルを巻装した固定子と、複数のフラックスバリアを回転子鉄心の半径方向に間隔を置いて設けた回転子とを対向配置してなるシンクロナスリラクタンスモータにおいて、前記回転子鉄心は順送プレス型によって打ち抜き並びに積層された電磁鋼板よりなるとともに、前記フラックスバリアは前記回転子鉄心の形成と同時に打ち抜かれたスリットよりなり、前記複数のスリットは短手方向の幅が１．５ｍｍ以上となるように打ち抜かれるとともに、
前記固定子の１極当たりの歯部の数ｎ（ｎは自然数）に対して、前記１極当たりの回転子磁路の有効数をｎ＋１としたことを特徴とするシンクロナスリラクタンスモータ。
【請求項２】
前記スリットの回転子外周に近接する端部を先細とし、前記スリット間に形成される回転子磁路の回転子外周に近接する部分を幅広に構成したことを特徴とする請求項１記載のシンクロナスリラクタンスモータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、一般にマルチフラックスバリア形と称されるシンクロナスリラクタンスモータの構成に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
シンクロナスリラクタンスモータは、ｄ軸インダクタンスＬｄとｑ軸インダクタンスＬｑとの差に依存してトルクを発生するようになっている。従って、回転子構造は、ｄ軸となる極中央部のインダクタンスを大きく、ｑ軸となる極間部のインダクタンスを小さくして突極比が大きくなるように構成するため、円弧状に形成したフラックスバリアを該円弧の凸側を軸心側へ向けて多層に配置して構成される。このようなリラクタンスモータに関しては、例えば平成９年電気学会全国大会講演論文集の論文番号１１５２に記載されている。
【０００３】
上記回転子の構成は、フラックスバリアとなる高磁気抵抗材と磁路となる高透磁率材とを交互に回転軸と平行に積層してボルトや接着剤等によって固定する構成が一般的であるが、高速回転に供する場合の遠心力や加減速に対する回転子強度が問題となることから、強磁性体よりなる回転子鉄心の内部に軸方向に延びる複数のスリットを設け、このスリット内に存在する空気やスリット内へ挿着した高磁気抵抗材によってフラックスバリアを形成するものが提案されている。この場合、順送プレス型によって電磁鋼板からスリットを備えた回転子鉄心を打ち抜き、軸方向に積層して固着することにより形成する手法がコスト的に有利な手法である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
シンクロナスリラクタンスモータは、固定子鉄心における歯部と、回転子鉄心におけるフラックスバリア間に形成される磁路が共にエアギャップ面でそれぞれ断続的に対向するため、トルク脈動を発生する。回転子についていえば、フラックスバリアの数を多くするに従ってトルク脈動は小さくなるため、従来実験的に試作されるモータにおいては、フラックスバリアの幅を小さくしてその数を極力多くするように構成されている。
【０００５】
ところが量産を前提としたとき、前述の順送プレス型によって回転子鉄心の内部にスリットを打ち抜くため、量産時に生じる制約事項を考慮したスリットの形状や個数についての吟味がなされておらず、またスリットの打ち抜き方法に関しても確立されていない。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、複数の歯部とスロットを備えた固定子鉄心にコイルを巻装した固定子と、複数のフラックスバリアを回転子鉄心の半径方向に間隔を置いて設けた回転子とを対向配置してなるシンクロナスリラクタンスモータにおいて、下記構成及び製造方法を特徴としている。先ず構成に関しては、前記回転子鉄心は順送プレス型によって打ち抜き並びに積層された電磁鋼板よりなるとともに、前記フラックスバリアは前記回転子鉄心の形成と同時に打ち抜かれたスリットよりなるものである。そして前記複数のスリットは短手方向の幅が１．５ｍｍ以上となるように打ち抜かれるとともに、前記スリット間に形成される１極当たりの回転子磁路の有効数は、前記固定子の歯部の数に対する前記回転子磁路の数の量産上の合理的数値として、ｎを自然数とするとき、前記固定子の１極当たりの歯部の数ｎに対して、前記１極当たりの回転子磁路の有効数をｎ＋１とするのがよい。ここでいう回転子磁路の有効数とは、容易に磁気飽和を生じない程度の幅を有する磁路の数を意味している。
【０００７】
さらにスリット数の増加に伴って回転子磁路の幅が狭くなることへの対処として、前記スリットの回転子外周に近接する端部を先細とし、回転子外周に近接する部分の前記回転子磁路の幅を広く構成するものである。
【０００８】
また製造方法においては、順送プレス型によって前記回転子鉄心を打ち抜くに際し、同一行程で打ち抜かれる前記スリットの隣接する相互間には４ｍｍ以上の間隔を残存させるものである。
【０００９】
【作用】
スリットの幅が１．５ｍｍ以上となっているので、スリットを打ち抜くパンチ型の強度が打ち抜きに耐え得るものに形成できる。従って、この幅寸法においてより多くのスリットを設けるように構成することにより、特性面と量産性が共に優れたモータとすることができる。またスリットの長手方向が長くなる場合はパンチ型の製作が難しくなるため、１極当たりの回転子磁路の数を固定子の１極当たりの歯部の数の１個増しに留めることにより、スリット幅が大きく形成されて、モータ特性に大きな影響を及ぼすことなく、パンチ型の製作を容易になし得る。さらに回転子外周に近接する部分の回転子磁路の幅が広くなっているため、この部分が磁束に対する漏斗の役割を果たし、磁束の流出入がスムースとなる。
【００１０】
また本発明の製造方法は、同一行程で打ち抜かれるスリットの隣接する相互間に４ｍｍ以上の間隔を持たせてあるため、スリットが抜き落とされるダイ型の強度が保証される。従って、打ち抜き型の寿命が維持され、回転子磁路となる鉄心部分の変形が防止される。
【００１１】
【実施例】
図１は本発明の実施例を示すシンクロナスリラクタンスモータの平面断面図であり、固定子１と、この固定子の内周部とエアギャップ６を介して対向する回転子１０より構成されている。固定子１は、固定子鉄心２の外周部が図示しないフレーム等に固定され、回転子１０は、回転子鉄心７の中心に嵌入された軸１２が図示しない軸受によって回動自在に支持されている。
【００１２】
固定子鉄心１及び回転子鉄心７は、板厚が０．３５ｍｍ，０．５０ｍｍ等の無方向性電磁鋼板を順送プレス型によって所定形状に打ち抜き、この薄板を軸方向に多数積層することによって形成されており、各薄板に設けた切り起こし突起を積層方向に隣接する薄板相互でからませて固着する周知のクランプ手段１３，１４によってそれぞれ固定されている。
【００１３】
固定子鉄心２の内周部には、多数の歯部３と、この各歯部間に打ち抜かれたスロット４がそれぞれ設けられている。実施例のものは２４個の歯部３を備えている。また各スロット４には絶縁紙を介してコイル５が巻装され、図１の実施例には図示されないが、回転子の極数と同数の４極のコイル構成を採用している。
【００１４】
回転子鉄心７の内部にはフラックスバリアとなる複数の円弧状のスリット８が打ち抜かれており、各円弧の凸側を軸心に向けて形成した８ａ，８ｂ，８ｃの各スリットと、極間部の磁気漏洩防止を目的として軸心側と外周側の双方を凸状に形成したスリット８ｄの合計４個のスリットを一つのセットとして、このセットを４等配で配置してある。これら８ａ〜８ｄのスリット間には、回転子鉄心７による円弧状の磁路９（９ａ〜９ｄ）が形成されており、この結果、図中矢印ｄで示される磁路９ａの中央を極中心とし、矢印ｑで示されるスリット８ｄの中央を極間とする極が４個生じることになる。尚、図中１１は、回転子鉄心７をかしめて強固に保持するためのカシメピンであり、回転子鉄心内を軸方向に貫通している。このカシメピン１１は、必要に応じてスリット８に高磁気抵抗材を装着するような場合に、回転子鉄心７の軸方向端部に端板を取り付けて蓋をするような構成においては特に必要とされる。
【００１５】
図１の実施例において、固定子と回転子の極数はそれぞれ４であるので、固定子の１極当たりの歯部３の数は６となる。一方回転子においては、極中央の磁路９ａを中心にして円周方向両側に円弧状の磁路９ｂ，９ｃ，９ｄが各々配設された形状となっているので、１極当たりの磁路の数は７となっている。この１極当たりの歯部の数と回転子磁路の数とが同数または倍数または約数の関係にあると、固定子と回転子の相互の磁路が揃う箇所が生じて、回転子の１回転当たりの磁気抵抗の変化がより顕著となるため、トルク脈動が増大してモータトルクの低下や振動、騒音の原因となってしまうので注意を要する。
【００１６】
図１に示すような回転子鉄心７を順送プレス型によって打ち抜く場合、スリット８の短手方向の幅Ｗ１が狭いと、これを打ち抜くパンチ型の強度が弱くなり、打ち抜きを繰り返すうちに短期間で型が破損したり、また型自体の製作に際しても困難を極めることになる。本発明の場合、板厚が０．３５ｍｍ，０．５０ｍｍ等の電磁鋼板の打ち抜きにおいては、型強度が概ね維持できる限界が１．５ｍｍであることが確認されたので、スリット幅Ｗ１は１．５ｍｍ以上となるように設定する。従って、一般に量産機種においてトルク脈動を極力小さく抑えようとする場合は、スリット幅Ｗ１を１．５ｍｍ以上とした上で、より多くのスリットを設けるように構成すればよい。
【００１７】
またスリット８の長手方向が長くなると、パンチ型の製作が困難となって型コストが増大する。従ってこのような場合には図１の例のように、１極当たりの回転子磁路９の数を固定子の１極当たりの歯部３の数の１個増しに留めることにより、スリット幅が大きく形成されてパンチ型の製作を容易になし得る。即ち、パンチ型が幅広となるため、型製作時の研磨等の工程における作業性が良好となり、型の破損等がなくなって品質と歩留まりが向上するものである。この場合、トルク脈動の点から考察すると、１極当たりの回転子磁路９の数が固定子歯部３の数を上回るとトルク脈動が大きく減少する傾向にあるため、上記１個増しとすることによりトルク脈動に関してはほぼ満足できる特性を得ることができる。
【００１８】
尚、１極当たりの回転子磁路９の数を偶数個に設定したいような場合は、例えば図１の例において、極中心の磁路９ａの回転子外周に近接する部分の幅を極端に狭く形成することにより、この部分が容易に磁気飽和するように形成されて、この磁路９ａが回転子磁路の有効数としてほとんど寄与しないように構成すればよい。
【００１９】
また、スリット８が近接して多段に打ち抜かれるため、スリット間に形成される磁路９の幅Ｗ２が狭くなり、これらスリットを同時に打ち抜こうとすると、抜き残される磁路９の変形が大きくなるとともに、抜き落とされるスリットを受けるダイ型のスペースが限られてくるので、ダイ型の強度も問題となってくる。量産時においてこのダイ型の強度が概ね維持できる限界を考慮した結果、本発明においては、同一行程で打ち抜かれるスリット８の隣接する相互間に４ｍｍ以上の間隔を残存させるようにするものである。
【００２０】
次に、上記回転子の製造方法について説明する。回転子鉄心は、０．３５ｍｍ厚や０．５０ｍｍ厚等の電磁鋼帯を順送プレス型によって所定形状の薄鉄板に打ち抜くと同時に、同型内において積層して形成されるものである。図２は、図１に示した回転子鉄心７を製造する各打ち抜き行程における打ち抜き形状の一例を示している。この場合、同一材から同時に打ち抜かれる固定子鉄心部分は省略し、回転子鉄心のみに着目して（ａ）〜（ｆ）の順序よりなる行程の一例を示したものである。
【００２１】
図２の例において、先ず行程（ａ）及び（ｂ）にてスリット８ａ〜８ｄが打ち抜かれるが、プレス型の下型のダイの強度を維持するために、またスリット間に抜き残される鉄心部分の変形を少なくするために、同一行程での各スリットの打ち抜き間隔Ｗ３を４ｍｍ以上取るようにし、このため２行程にまたがって打ち抜きを行うようにしてある。即ち、各極において一度に打ち抜かれるスリットが１個置きとなるように、スリット８ａ〜８ｄを有するスリット群のうち、８ａ，８ｃを打ち抜くスリット群と８ｂ，８ｄを打ち抜くスリット群とを円周方向に交互に配置した型を用いるものである。そして行程（ａ）と（ｂ）とで、スリットを打ち抜くパンチ及びダイは円周方向へ１極分ずれた構成となっている。
【００２２】
続く行程（ｃ）にてカシメピン１１を挿通するための複数の挿通孔１１ａが打ち抜かれる。続く行程（ｄ）は、クランプ手段１４のカット孔１４ａを打ち抜くための行程であり、この行程の介入によってカット孔１４ａと同位置に設けられたクランプ手段１４による積層が遮断されるため、所定の積厚に達したときのみこの行程が介入されるようになっている。続く行程（ｅ）においては、クランプ手段１４の切り起こしと、軸１２が嵌入される軸孔１２ａの打ち抜きがなされる。最後に行程（ｆ）においては、回転子鉄心の外周１５が抜き落とされ、一連の行程で形成された鉄心用薄板が下型のダイへ押し込まれる。同時に、クランプ手段１４が上型のパンチによって加圧されて、一つ前に抜き落とされた薄板と積層固着される。
【００２３】
以上の製造方法においては、スリット間に最終的に形成される磁路９の幅Ｗ２が４ｍｍに満たないために、スリット８ａ〜８ｄを２行程に分けて打ち抜くものであるが、Ｗ２が４ｍｍ以上であれば１行程で全スリットを打ち抜けることは勿論である。また同一行程での各スリットの打ち抜き間隔Ｗ３を４ｍｍ以上とする必要性から、３行程以上に分けてスリットの打ち抜きを行っても構わないものである。
【００２４】
図３は本発明の別の実施例を示しており、図１に示したものと同様の平面断面の要部を拡大して示したものである。図１の例と異なる点は、スリット８ａと８ｃの回転子外周に近接する端部に面取り状のカット１６，１７を設け、スリットを先細とした点である。このように構成することにより、回転子磁路９ｂや９ｃにおける回転子外周に近接する部分が外周へ向けて幅広となり、この幅広の部分が磁束に対する漏斗の役割を果たすため、磁束の流出入がスムースとなり、この結果トルク脈動も小さくすることができる。
【００２５】
上記カット１６，１７等の形状は、図示する直線状のものに限らずアール状等であってもよい。また先細とするスリットとそうでないスリットの選定、及び円周方向に対して回転子磁路のどちら側を幅広とするかの選定等の細部設計は、磁界解析等によってトルク脈動がより顕著に抑制される方向へ選定するものである。
【００２６】
図４は、図１に示すモータと、図１に示すモータのスリットにカットを設けて図３に示す形状としたモータの双方のトルク脈動を比較した磁界解析結果であり、実線Ｔａは図３のモータの場合、破線Ｔｂは図１のモータの場合をそれぞれ示している。これらのモータは、固定子が外径φ１０５ｍｍで３相４極のコイル構成とし、回転子が外径φ５５．４ｍｍであり、鉄心積層厚が６０ｍｍ、エアギャップ寸法が０．３ｍｍとなっており、固定子に対して例えばＵ−Ｖ直流通電を行って回転子が静止する位置を０゜とし、定格電流値近辺の一定電流にてＵ−Ｖ直流通電を継続しつつ回転子を一定の方向へ回転させていった場合に、回転子の回転した機械角θに対するトルクＴの絶対値を示したものである。
【００２７】
図４から明らかなように、トルクＴａは、トルクＴｂに比べて凹凸の少ない滑らかな特性を示しており、特にトルクの山の中央部の落ち込みが持ち上げられて脈動が改善されていることが判る。このようなモータにおいては、例えばＵ−Ｖ通電区間は電気角６０゜即ち機械角３０゜の区間が設定されるが、高トルクを得るためにトルクの山の中央部近辺が通電区間に設定されるため、この部分でのトルク脈動の改善によって振動や騒音の顕著な低減が達成できる。そしてこの効果により、スリット数を必ずしも多くしなくても、スリット幅を１．５ｍｍ以上とする構成や、１極当たりの回転子磁路の数を固定子の１極当たりの歯部の数の１個増しとする構成の採用をより容易になし得るものである。
【００２８】
図５は、スリットを先細として回転子外周に近接する部分の回転子磁路を幅広とする構成において、図３の例と異なる実施例を示したものである。図５の場合は、最も極中心側に配設されるスリット８ａの回転子外周に近接する端部の極中心側に面取り状のカット１８を設け、回転子磁路９ａにおける回転子外周に近接する部分を幅広としたものである。本発明においてはスリット幅を１．５ｍｍ以上とすることから、特に小型機において回転子磁路のスペースが不足しがちとなり、且つ円弧状のスリット形状の特質として極中心部の磁路９ａにおける回転子外周に近接する部分が狭められる傾向にあるが、図５のような構成により磁路９ａを幅広とすることにより、図３の例同様、磁束の流出入をスムースにしてトルク脈動も小さくすることができる。尚、上記カット１８を設けた部分はスリット８ａの幅が狭く形成されることになるが、局部的なものであるため、この部分について仮にスリット幅が１．５ｍｍを下回っても型強度への影響は小さく抑えることができる。
【００２９】
また、スリットと回転子外周との間に介在する鉄心ブリッジ部の幅Ｗ４（図５参照）は、狭くした方がモータトルクが大きくできるが、反面脈動も大きくなってしまう欠点がある。一方、現行の打ち抜き技術においては、鉄心ブリッジ部の幅Ｗ４は積層鉄心を構成する薄板の板厚程度まで狭くすることができる。従って、鉄心ブリッジ部の幅Ｗ４を狭く形成してモータトルクを大きくする場合は、図３や図５の実施例にて説明したようなスリットのカットを設けてトルク脈動を抑えるように構成することができる。
【００３０】
【発明の効果】
本発明によれば、順送プレス型によって打ち抜かれた回転子鉄心にフラックスバリアとなる複数のスリットを半径方向に間隔を置いて設けたシンクロナスリラクタンスモータにおいて、スリットの幅が１．５ｍｍ以上となっているので、スリットを打ち抜くパンチ型の強度が打ち抜きに耐え得るものに形成できる。従って、このスリットの幅寸法で且つスリット間に形成される１極当たりの回転子磁路の有効数を固定子の１極当たりの歯部の数の１個増しに設けるように構成することにより、トルク脈動が抑えられ、特性面と量産性が共に優れた最適形状のモータとすることができる。
【００３１】
またスリットは円弧形状に形成されて長手方向が非常に長いため、１極当たりの回転子磁路の有効数を固定子の１極当たりの歯部の数の１個増しに留めることにより、スリット幅が大きく形成できて、モータ特性に大きな支障を及ぼすことなくパンチ型の製作を容易になし得るものである。さらに、回転子磁路における回転子外周に近接する部分を幅広に構成することにより、磁束の流出入がスムースとなり、トルク脈動が一層抑制されて振動や騒音が少なく量産性に富むモータとすることができる。
【００３２】
また本発明の製造方法によれば、同一行程で打ち抜かれるスリットの隣接する相互間に４ｍｍ以上の間隔を持たせて打ち抜くものであるため、スリットが抜き落とされるダイ型の強度が保証され、長寿命の打ち抜き型が構成できるとともに、回転子磁路となる鉄心部分の変形が防止されて高品質のモータが提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示すシンクロナスリラクタンスモータの平面断面図。
【図２】本発明における回転子鉄心の打ち抜きの実施例を示す行程図。
【図３】本発明の別の実施例を示すシンクロナスリラクタンスモータの要部平面断面図。
【図４】回転子位置に対するモータトルクの変化を示す特性図。
【図５】本発明のさらに別の実施例を示すシンクロナスリラクタンスモータの要部平面断面図。
【符号の説明】
１  固定子
２  固定子鉄心
３  歯部
４  スロット
５  コイル
７  回転子鉄心
８  スリット
９  回転子磁路
１０  回転子
１２  軸
【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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