JP2005295765A - 回転電機の電機子 - Google Patents

Abstract

【課題】 回転電機において、永久磁石の磁極端における有効磁束量を低下させることなく、コギングトルクの低減が図れる構成とする。
【解決手段】 コア材２は、ティースを、爪部２ｃの外径縁部の周回り方向中心部を基準として周回り方向一方に切り欠き溝２ｄが形成された第一ティース２ｅｆと、周回り方向他方に切り欠き溝２ｄが形成された第二ティース２ｆとで構成するとともに、所定数の第一ティース２ｅが隣接する第一ティース群２Ｅと、前記所定数の第二ティース２ｆが隣接する第二ティース群２Ｆとが周回り方向交互に配されるものとし、各磁極ＭＮ、ＭＳの周回り方向一方の磁極端に対向する第一ティース２ｅと第二ティース２ｆとが同数となるように構成する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、車両に搭載される電装品等を構成する回転電機の電機子の技術分野に属するものである。

一般に、この種回転電機において、これが例えば電動モータであった場合、内周面に複数対の永久磁石により複数の磁極が形成されたヨーク（界磁）に、アーマチュア（電機子）を回転自在に軸承して構成されたものがあり、このようなものにおいて、アーマチュアは、アーマチュア軸に複数枚のコア材を積層状に外嵌してアーマチュアコアを形成し、該アーマチュアコアの外周にコイルが巻装されたものに構成されている。前記コア材は、リング状のボス部の外径に、基部と、該基部先端から周回り方向に延出する爪部とで略Ｔ字状に形成されるティースが複数配されたものとなっており、これらが積層されたアーマチュアコアの外周に、隣接ティース間であるスロット（コイル溝）が軸方向を向いて形成され、これらコイル溝にコイルが巻装されている。
ところで、電動モータにおいては、駆動時のコギングトルクの低下が課題であるが、該コギングトルクの主な発生原因の一つとして、ヨーク側に配される永久磁石の磁極端でのティースの磁束密度の変化（磁気抵抗変化）があり、このため、コア材を偶数のティースが形成されたものにした場合、径方向に対向するティースに発生するトルクが同位相となるためコギングトルクが大きくなってしまうことが知られており、奇数のティースが形成されたコア材の方が好適であることが知られている。しかるに、奇数のティースが形成されたコア材で構成されるアーマチュアコアは量産性が悪く、どうしてもコスト高となってしまううえ、コイルの巻装工程においても複雑になるという問題がある。これに対し、コア材を積層させたときスロット対応部位に形成されるコイル溝をアーマチュア軸とは変位する状態、即ちスキューさせる状態とすることが提唱され、このようにすることで永久磁石端部とティースとのあいだで生じる磁束密度変化を緩和させるようにしたものが提唱されている。しかるに、このものでは、コギング低下の効果を充分に得ることはできず、依然問題が残されるうえ、このようにスキューさせた場合では、有効磁束の低下に伴い特性劣化と巻線性が悪くなるという不具合が生じるという問題がある。

この改善策として、永久磁石の周回り方向両端部を薄板状（偏芯状）とし、これによって、アーマチュアコアと永久磁石端部部位における対向間隔を広くしてコギングトルクの低減を計るようにすることが提唱されている。
特開平３−７４１６４号公報

しかるに、前記従来のものでは、コギングトルクの低減は果せるものの、永久磁石を薄板状にする分、有効磁束量の低下が生じてしまうという問題があり、高性能の電動モータが要望されるなか、有効磁束量を低下させることなくコギングトルクの低減を図ることが強く要求され、ここに本発明が解決しようとする課題がある。

本発明は、上記の如き実情に鑑みこれらの課題を解決することを目的として創作されたものであって、請求項１の発明は、複数のコア材を積層しコイルを巻装してなる電機子と、少なくとも一対の磁極を形成する界磁とを備えた回転電機において、前記コア材は、リング状のボス部の周回りに、該ボス部から径方向に突出する基部の先端に周回り方向に延出する爪部が形成された略Ｔ字状のティースが偶数個配されるものとし、前記ティースを、爪部外径縁の周回り方向一方に切り欠き溝が形成された第一ティースと、周回り方向他方に切り欠き溝が形成された第二ティースとで構成し、予め設定される所定数の第一ティースが隣接する第一ティース群と、前記所定数の第二ティースが隣接する第二ティース群とを周回り方向交互に配し、各磁極の周回り方向一方の磁極端に対向する第一ティースの数と第二ティースの数とが同じになるように構成されているものである。
そして、このようにすることにより、有効磁束量を低下させることなくコギングトルクの低減を図ることができる。
請求項２の発明は、請求項１において、回転電機を二極としたとき、コア材は、ｎを２以上の自然数、ｍを奇数としたとき、周回り方向に（２×ｎ×ｍ）個のティースが形成され、各第一、第二ティース群はそれぞれｎ個の第一、第二ティースで構成されているものであり、このようにすることにより、二極の回転電気において、有効磁束量を低下させることなくコギングトルクの低減を図ることができる。
請求項３の発明は、請求項１において、回転電機を四極以上であって２ｐ極と示すとき、コア材のティースは、ｎを２以上の自然数、ｍを奇数としたとき、周回り方向に（ｐ×ｎ×ｍ）または（２ｐ×ｎ×ｍ）個のティースが形成され、各第一、第二ティース群はそれぞれｎ個の第一、第二ティースで構成されているものであり、このようにすることにより、四極以上の回転電機において、有効磁束量を低下させることなくコギングトルクの低減を図ることができる。

請求項１の発明とすることにより、有効磁束量を低下させることなくコギングトルクの低減を図ることができる。
請求項２の発明とすることにより、二極の回転電気において、有効磁束量を低下させることなくコギングトルクの低減を図ることができる。
請求項３の発明とすることにより、四極以上の回転電機において、有効磁束量を低下させることなくコギングトルクの低減を図ることができる。

つぎに、本発明の実施の形態について、図１〜４の図面に基づいて説明する。
図面において、１は回転電機のアーマチュア（本発明の電機子に相当する）であって、該アーマチュア１は、回転中心となるアーマチュア軸１ａが電動モータの有底筒状のヨーク（図示せず）に回転自在に軸承されること等の基本的な構成は従来通りとなっている。尚、本実施の形態では、ヨークの内周面に、均一な板厚を有した円弧形状の永久磁石Ｍが固着されて界磁を構成しているが、本実施の形態では、ヨークに一対の永久磁石Ｍを固着することにより、二極の電動モータを構成するように設定されている。

２はアーマチュア１を構成する薄板状のコア材であって、該コア材２は、リング状のボス部２ａの外周に、外径側に放射状に突出する基部２ｂの先端に周回り方向に長く延出する爪部２ｃが形成された略Ｔ字状のティースが周回り方向に複数形成されたものに構成されている。そして、複数枚のコア材２のボス部２ａを、アーマチュア軸１ａに回り止め状に外嵌せしめることでアーマチュアコア３を構成するように設定されている。ここで、本実施の形態のコア材２は、図２に示すように、周回り方向に偶数である１２個のティースが形成されたものになっており、これによって、コア材２を積層して構成されるアーマチュアコア３の外周には、隣接するティース間に１２個のスロット（コイル溝）３ａが軸方向に長く形成され、これらスロット３ａにコイル（図示せず）が巻装されるように設定されている。前記各コイルの両端部は、アーマチュア軸１ａに一体的に外嵌されたコンミテータ４に接続されており、該コンミテータ４に外部電源が供給されるように設定されている。

本実施の形態は、前述したように、二極の電動モータに構成されており、このため、コア材２に形成されるティースの数は、ｎを２以上の自然数、ｍを奇数としたとき、（２×ｎ×ｍ）の式を満足する個数となるように設定されている。即ち、本実施の形態のティースの個数は、ｎを２、ｍを３とした場合のティース数に相当する１２個のティースが形成されており、隣接する爪部２ｃの中心部同志間の角度θ１は（３６０／１２＝３０）度となるように設定されている。

さらに、コア材２外周に形成される各ティースは、各ティースのうち、半数（六個）のものは、周回り方向中央部を基準として、爪部２ｃ外径縁部の周回り方向一方に位置して内径側に切り欠かれる切り欠き溝２ｄが形成された第一ティース２ｅに構成されている。ここで、第一ティース２ｅは、爪部２ｃの中心部から切り欠き溝２ｄの溝中心とのあいだが予め設定される角度θ2を存して形成されている。さらに、残りの半数（６個）のものは、周回り方向中央部を基準として、爪部２ｃの外径縁部の周回り方向他方に位置して内径側に切り欠かれる切り欠き溝２ｄが形成された第二ティース２ｆに構成されている。前記第二ティース２ｆは、爪部２ｃの中心部から切り欠き溝２ｄの溝中心とのあいだが前記第一ティース２ｅと同様に角度θ2となるように形成されている。そして、これら第一、第二ティース２ｅ、2ｆとは、図２に示すように、ボス部２ａの外周に周回り方向ｎ個づつ、本実施の形態では二個づつ並んで第一ティース群２Ｅと第二ティース群２Ｆを構成しており、これら第一、第二ティース群２Ｅ、２Ｆとは、それぞれ三群づつのものが交互に配設されてコア材２を構成するように設定されている。

そして、このように構成されたコア材２において、各極を構成する永久磁石ＭＮ、ＭＳの周回り方向一端部にそれぞれ対向するティースは、図３（Ａ）に示すように、互いに径方向に対向するティースとなる。本実施の形態のコア材２は、前述したように、二個づつの第一、第二ティース２ｅ、２ｆで構成された三個の第一、第二ティース群２Ｅ、２Ｆが周回り方向に交互に並んでいるので、各永久磁石ＭＮ、ＭＳの一端部に対向するティース（コア材２において径方向に対向するティース）は、それぞれ第一、第二ティース２ｅ、２ｆとなるように設定されている。

そして、各コア材２は、アーマチュア軸１ａの外周に外嵌して積層されるにあたり、軸方向に第一ティース２ｅ同志、第二ティース２ｆ同志がそれぞれ並ぶような外嵌状態となっている。これによって、ヨークにアーマチュア１を軸承させたとき、アーマチュア１２は、Ｓ極の永久磁石ＭＳの周回り方向一端部に対して第一ティース２ｅが対向したときは、Ｎ極の永久磁石ＭＮの周回り方向一端部に対して第二ティース２ｆが対向し、これとは逆にＳ極の永久磁石ＭＳの周回り方向一端部に対して第二ティース２ｆが対向したときは、Ｎ極の永久磁石ＭＮの周回り方向一端部に対して第一ティース２ｅが対向するように設定され、永久磁石ＭＮ、ＭＳの周回り方向一方の端部（磁極端）に対向する第一ティース２ｆと第二ティース２ｇとの数が同じ数（１個づつ）となるように構成されている。

叙述の如く構成された本発明の実施の形態において、アーマチュアコア３の各スロット３ａに巻装されるコイル４に通電することで、アーマチュア３の回転がなされるが、この場合に、アーマチュアコア３を構成する各コア材２に形成されるティースは、ｎを２以上の自然数、ｍを奇数としたとき、（２×ｎ×ｍ）で示される個数のものが形成されているとともに、爪部２ｃの周回り方向中央部を基準として、周回り方向一方に切り欠き溝２ｄが形成された第一ティース２ｅと、周回り方向他方に切り欠き溝２ｄが形成された第二ティース２ｆとが半数づつ形成され、第一、第二ティース２ｅ、２ｆとは、それぞれｎ（２）個づつで第一または第二ティース群２Ｅ、２Ｆを構成しており、かつ、これら第一、第二ティース群２Ｅ、２Ｆが周回り方向交互に配設されている。このため、永久磁石ＭＮ、ＭＳの周回り方向一方の端部である磁極端に対向するティースは、常に第一ティース２ｅと第二ティース２ｆとの二種類となり、同じ形状のティースが対向することがない。この結果、各磁極端部位に対向することによる第一、第二ティース２ｅ、２ｆの磁束密度の変化がそれぞれ異なったものとなり、コギングトルクやトルクむらの発生を低減させ、バランスのよい回転を得ることができる。しかも、このものでは、永久磁石ＭＮ、ＭＳの形状を磁極端側部位を薄板状にすることなく、均一な板厚のままにしながらコギングトルクを低減することができるので、磁極端部位で有効磁束量が低下してしまうことがなく、もって、より高性能、高品質な電動モータを提供することができる。

つぎに、本実施の形態のアーマチュアが用いられている電動モータ（本発明品）と、ティース（アーマチュア）は従来型であるが永久磁石の磁極端部位を薄板状（偏芯状）にした電動モータ（従来改良品）と、ティース（アーマチュア）、永久磁石とも従来型の電動モータ（従来品）を用いてコギングトルクを測定した結果を図４（Ａ）に示す。
図４（Ａ）によると、従来品に比し、従来改良品ではコギングトルクの波形が小さくなっており、コギングトルクの低下が図れていることが実証されるが、さらに、本発明品では、従来改良品よりもさらなるコギングトルクの低下が図れていることが解る。
また、前記と同様の本発明品、従来改良品、従来品の各電動モータにおけるコギングトルクと、有効磁束量とについて、従来品を１としたときの割合を示したグラフ図を図４（Ｂ）に示すが、該グラフ図からも明らかなように、従来改良品では、コギングトルクの低減はなされるものの有効磁束量の低下の割合が大きく、本発明品を用いた電動モータでは、有効磁束量の低下を押さえつつ、コギングトルクの低下が図られていることがわかる。

尚、本発明は前記実施の形態に限定されないことは勿論であって、つぎに説明する第二の実施の形態のような構成とすることができる。
第二の実施の形態のアーマチュア６は、前記第一の実施の形態のコア材２を用いて構成されている。前記コア材２は、ティース基部２ｂが放射状に形成されており、隣接するコア材２同志を、各ティース群２Ｅ、２Ｆにおけるティース数分の周回り角度（この場合では６０度）を回転させて積層することにより、異形の爪部２ｃ同志が重なるように構成されている。そして、第二の実施の形態のものは、前述したように異形の爪部２ｃ同志が軸方向に隣接するようコア材２をそれぞれ６０度づつ回転させた状態で積層されたアーマチュア６になっていて、図５に示すように、切り欠き溝２ｄがそれぞれ隣接コア材２により覆蓋されるように構成されている。そうして、このものでも、各コア材２において、磁極端に対向するティースは、常に第一ティース２ｅと第二ティース２ｆとの二種類となることとなり、このようなアーマチュア６を、同一板厚の永久磁石を備えたヨークに軸承させることにより、有効磁束量の低下を回避し、かつ、前記第一の実施の形態のものに比してコギングトルクの低減は劣るものの略同様の効果を得ることができることが確認された。

つぎに、図６に示す第三の実施の形態について説明する。第三の実施の形態のコア材７は、前記第一、二の実施の形態のコア材２と略同様に、ボス部７ａから複数の基部７ｂが放射状に形成され、該基部７ｂの先端に周回り方向に長い爪部７ｃが形成されてティースを構成し、前記爪部７ｃ外径縁部の周回り方向一方に切り欠き溝７ｄが形成された第一ティース７ｅと、周回り方向他方に切り欠き溝７ｄが形成された第二ティース７ｆとにより構成されている。さらに、本実施の形態の各ティース７ｅ、７ｆは、爪部７ｃの外径縁部の周回り方向中央部に位置して内径側に凹溝部７ｇが切り欠き形成されたものに構成されている。そして、前記コア材７を用いて形成されたアーマチュアを、同一板厚の永久磁石を備えたヨークに軸承させることにより、磁極端に対向するティースは常に第一ティース７ｅと第二ティース７ｆとの二種類となり、有効磁束量の低下を回避し、かつ、前記第一の実施の形態と略同様のコギングトルクの低減を果せることが確認された。

図７に示す第四の実施の形態は、コア材８のボス部８ａから突出する基部７ｂの突出方向が放射状ではなく、これによって、アーマチュア軸に外嵌してアーマチュアコアを構成したとき、隣接するティース同志のあいだに形成されるスロット形状がそれぞれ異形となるように構成されている。前記コア材８の爪部８ｃの外径縁部には、第一の実施の形態同様に周回り方向一方または他方に切り欠き溝８ｄが形成されて、第一ティース８ｅと第二ティース８ｆとを構成している。そして、前記コア材８を用いて構成したアーマチュアを、同一板厚の永久磁石を備えたヨークに軸承させることにより、磁極端に対向するティースが常に第一ティース８ｅと第二ティース７８との二種類となり、有効磁束量の低下を回避しつつ、コギングトルクの低減を果せることが確認された。さらに、このものでは、異形スロットに構成されているため、コイルの巻装状態を良好かつコンパクト化できるという利点を付加することができる。

さらに、二極の電動モータに用いられるアーマチュアのコア材としては、（２×ｎ×ｍ）で示されるティース数で、かつ、第一、第二ティースがｎ個づつの群になったコア材を用いることにより、一対の永久磁石の磁極端に対向するティースを、それぞれ第一、第二ティースとすることができ、有効磁束量の低下を回避しつつ、コギングトルクの低下を防止することができる。
因みに、図８（Ａ）〜（Ｉ）に、二極電動モータ用のコア材の他例を、永久磁石とティース形状との関係を説明するためにそれぞれを展開したパターン図として示す。図中、○印は第一ティースを、△印は第二ティースを示すものとする。そして、これらのコア材を用いたアーマチュアは、何れのものでも、板厚が均等な一対の永久磁石を設けたヨークに軸承することで、有効磁束量の低下を回避しつつ、コギングトルクの低減を図れることが確認された。

また、極数を２ｐで示したとき、２ｐ極の電動モータに用いられるアーマチュアのコア材としては、（２ｐ×ｎ×ｍ）または（ｐ×ｎ×ｍ）で示されるティース数で、かつ、第一、第二ティースがｎ個づつの群になったコア材を用いることにより、ｐ対の永久磁石の磁極端に対向するティースを、それぞれ同数（ｐ個づつ）の第一、第二ティースとすることができ、有効磁束量の低下を回避しつつ、コギングトルクの低下を防止することができる。
因みに、図９（Ａ）〜（Ｇ）に、四極電動モータ用のコア材の他例を、永久磁石とティース形状との関係を説明するためにそれぞれを展開したパターン図として示す。図中、○印は第一ティースを、△印は第二ティースを示すものとする。そして、これらのコア材を用いたアーマチュアは、何れのものでも、板厚が均等な一対の永久磁石を設けたヨークに軸承することで、有効磁束量の低下を回避しつつ、コギングトルクの低減を図れることが確認された。

さらに、前記各実施の形態の電機子は、回転電機の界磁に対して内径側に位置する構成のものであるが、例えばブラシレスモータのような回転電機における電機子のように、界磁の外径側に設けられる電機子に本発明を実施することも可能である。この場合、各コア材は、前記条件に対応する個数のティースとするとともに、ボス部の内径側に向けて形成されるティースに、外径側に向く切り欠き溝を周回り方向一方または他方に形成して第一ティースと第二ティースとし、これらを前記条件に基づいて第一、第二ティース群として周回り方向交互に配することにより、各磁極端に対向するティースを、それぞれ同数の第一、第二ティースとすることができ、有効磁束量の低下を回避しつつ、コギングトルクの低減を図ることができる。

アーマチュアの一部側面断面図である。 図２（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれコア材の正面図である。 図３（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれアーマチュアと永久磁石との関係を説明する正面図、アーマチュアコアの一部側面図である。 図４（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ本発明品と従来改良品と従来品とのコギングトルクの測定結果であり、従来品を１としたときの本発明品と従来改良品とのコギングトルクの低下割合と有効磁束量の低下割合とを示すグラフ図ある。 図５（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ第二の実施の形態におけるアーマチュアと永久磁石との関係を説明する正面図、アーマチュアコアの一部側面図である。 第三の実施の形態におけるコア材の正面図である。 第四の実施の形態におけるコア材の正面図である。 図８（Ａ）〜（Ｉ）はそれぞれ二極電動モータ用のコア材の他例を、永久磁石とティース形状との関係を説明するために展開したパターン図である。 図９（Ａ）〜（Ｇ）はそれぞれ四極電動モータ用のコア材の他例を、永久磁石とティース形状との関係を説明するために展開したパターン図である。

符号の説明

１ アーマチュア
１ａ アーマチュア軸
２ コア材
２ｃ 爪部
２ｄ 切り欠き溝
２ｅ 第一ティース
２ｆ 第二ティース
２Ｅ 第一ティース群
３ アーマチュアコア
３ａ スロット
４ コンミテータ

Claims (3)

1. 複数のコア材を積層しコイルを巻装してなる電機子と、少なくとも一対の磁極を形成する界磁とを備えた回転電機において、前記コア材は、リング状のボス部の周回りに、該ボス部から径方向に突出する基部の先端に周回り方向に延出する爪部が形成された略Ｔ字状のティースが偶数個配されるものとし、前記ティースを、爪部外径縁の周回り方向一方に切り欠き溝が形成された第一ティースと、周回り方向他方に切り欠き溝が形成された第二ティースとで構成し、予め設定される所定数の第一ティースが隣接する第一ティース群と、前記所定数の第二ティースが隣接する第二ティース群とを周回り方向交互に配し、各磁極の周回り方向一方の磁極端に対向する第一ティースの数と第二ティースの数とが同じになるように構成されている回転電機の電機子。
2. 請求項１において、回転電機を二極としたとき、コア材は、ｎを２以上の自然数、ｍを奇数としたとき、周回り方向に（２×ｎ×ｍ）個のティースが形成され、各第一、第二ティース群はそれぞれｎ個の第一、第二ティースで構成されている回転電機の電機子。
3. 請求項１において、回転電機を四極以上であって２ｐ極と示すとき、コア材のティースは、ｎを２以上の自然数、ｍを奇数としたとき、周回り方向に（ｐ×ｎ×ｍ）または（２ｐ×ｎ×ｍ）個のティースが形成され、各第一、第二ティース群はそれぞれｎ個の第一、第二ティースで構成されている回転電機の電機子。

Images