JP2007267439A - 回転電機におけるアーマチュアコア - Google Patents

Abstract

【課題】電動モータのアーマチュアを構成するコア材の形状に基づいて、渦電流の発生を防止して鉄損の低減を図るように構成する。
【解決手段】コア材１０、１１の各ティース１０ｅ、１１ｅの外周縁部に、渦電流防止用スロットとなる凹溝部１０ｊ、１１ｊを形成し、該凹溝部１０ｊ、１１ｊを、脚片１０ｃ、１１ｃの周回り方向両側縁と爪片１０ｄ、１１ｄの内径側縁との境界から凹溝部１０ｊ、１１ｊの溝底部までの各最短距離Ａ、Ｂが、脚片１０ｃ、１１ｃの周回り方向幅Ｃの半分と略等しく（Ａ＝Ｂ≒Ｃ／２）、かつ、凹溝部１０ｊ、１１ｊの溝深さＨが、脚片１０ｃ、１１ｃの側縁と爪片の内径側縁との境界において、脚片１０ｃ、１１ｃの側縁に沿う直線Ｌ１と爪片１０ｄ、１１ｄの内径側縁に沿う直線Ｌ２との交点Ｑから爪片１０ｄ、１１ｄの外径側縁までの最短距離Ｒに略等しく（Ｈ≒Ｒ）なるように形成する。
【選択図】図３

Description

本発明は、アクチュエータを構成する電動モータ等の回転電機におけるアーマチュアコアの技術分野に属するものである。

一般に、この種電動モータ等の回転電機のなかには、ヨークに回転自在に軸承されるアーマチュアを、リング状板材の外周縁に周回り方向複数のティースが放射方向に突出するコア材の複数枚をアーマチュア軸に一体的に外嵌してなるアーマチュアコアの外周に、コイルを巻装することにより構成したものがある。このように構成されたアーマチュアのコイルに通電がなされると、励磁されたコイルがアーマチュアを内装するヨーク内周面に配された永久磁石に引き寄せられることにより、アーマチュアの回転がなされる構成となっているが、前記アーマチュアを用いた回転電機においては、渦電流による鉄損、インダクタンス、コギングトルクの発生をそれぞれ低減させることが課題となっている。
特開２００２−１９９６２６

しかるに、前記従来のものでは、渦電流による鉄損を低減させるためには、コア材の板厚を薄くすることや、コア材の材質を変えること等が提唱されるが、何れの場合もコストアップという問題がある。さらに、インダクタンスを低減するためには、コイル巻装用スロットにコイルを巻装する際に、その巻き回数を減少させる一方、ヨーク側の永久磁石の磁束を増加すること等が提唱されるが、この場合もコストアップの問題があるうえ、このようにすることで鉄損やコギングトルクの増加が生じるという問題があり、何れの対策についても充分な解決策とはなっておらず、ここに本発明の解決すべき課題がある。

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、リング状板材の外周縁に周回り方向複数のティースが放射方向に突出するコア材の複数枚を、アーマチュア軸に貫通してなるアーマチュアコアにおいて、各コア材のティースの外周縁を内径側に切り欠いて凹溝部を形成し、アーマチュアコアの外周に、隣接するティースのあいだに位置し、コイルが巻装されるコイル巻装用スロットと、ティースに生じる渦電流の発生を防止する渦電流防止用スロットとが軸方向に長く形成されている回転電機におけるアーマチュアコアである。
請求項２の発明は、各コア材に形成されるティースは、放射方向に突出する脚片と、該脚片の突出端部から周回り方向に延出する爪片とにより構成され、渦電流防止用スロットを構成する凹溝部は、脚片の周回り方向両側縁と爪片の内径側縁との境界から凹溝部の溝底部までの最短距離をそれぞれＡ、Ｂと設定し、脚片の周回り方向幅をＣと設定したとき、
式 Ａ＝Ｂ≒Ｃ／２
を満たし、かつ、凹溝部の溝深さをＨ、脚片の側縁と爪片の内径側縁との境界において、脚片の側縁に沿う直線と爪片の内径側縁に沿う直線との交点から爪片の外径側縁までの最短距離をＲとしたとき、
式 Ｈ≒Ｒ
を満たす形状に設定されている請求項１に記載の回転電機におけるアーマチュアコアである。
請求項３の発明は、凹溝部は、溝入口部の少なくとも周回り方向一方の端部に切り欠き部が形成されている請求項２に記載の回転電機におけるアーマチュアコアである。

請求項１、２の発明とすることにより、ティースにおける渦電流の発生を防止してアーマチュアに生じる鉄損を低減することができる。
請求項３の発明とすることにより、有効磁束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、本発明の第一の実施の形態について、図面に基づいて説明する。
図中、１は車両に搭載する電装品の駆動源となる電動モータ（回転電機）であって、該電動モータ１を構成する有底筒状に形成されたヨーク（モータハウジング）２の内周面には、周回り方向に二対のＮ、Ｓ極（磁極）が形成されるべく永久磁石３が固定されており、これによって、同極同士が径方向に対向する四極型の電動モータ１に構成されている。４はアーマチュアであって、該アーマチュア４を構成するアーマチュア軸５には、リング状板材であるコア材６を複数枚積層して構成されたアーマチュアコア７が一体的に外嵌されており、さらに、アーマチュアコア７の先端部に位置してコンミテータ（整流子）８が外嵌固定されている。そして、アーマチュア軸５は、基端部がヨーク２の筒底部２ａに設けられた軸受２ｂを介して軸承される一方、先端部がヨーク２の開口端に設けたカバー２ｃに設けられた軸受２ｄに軸承されており、これによって、アーマチュア５は、ヨーク２内において回動自在な状態で内装されている。また、前記カバー２ｃとヨーク２とのあいだには、ホルダステー９が挟持状に支持されており、該ホルダステー９には、周回り方向四箇所に位置してブラシホルダ９ａが形成されており、該ブラシホルダ９ａに、それぞれブラシ９ｂが出没自在に内装され、該ブラシ９ｂの突出先端部（内径側先端部）がコンミテータ８に弾圧状に当接（接触）することによって、外部からの電源がブラシ９ｂを介してコンミテータ８に供給され構成となっているが、これらの基本構成は従来通りとなっている。

さて、前記アーマチュアコア７を構成するコア材６は、アーマチュア軸５に一体的に外嵌する貫通孔１０ａが形成された第一コア材１０と、該第一コア材１０よりも大径でアーマチュア軸５に遊嵌する貫通孔１１ａが形成された第二コア材１１との二種類が用いられており、アーマチュアコア７は、複数枚の第一コア材１０を積層したものの軸方向両端部に、複数枚の第二コア材１１をそれぞれ積層することで構成されている。このようにアーマチュアコア７を第一、第二コア材１０、１１を用いて構成することにより、第二コア材１０内径部位とアーマチュア軸５とのあいだに空隙部が形成され、これによって、コンミテータ８と基端側の軸受２ｂとを近付けた状態で配設できるようにし、アーマチュア軸５方向のコンパクト化が図れるように構成されている。
尚、１２、１３はアーマチュアコア７の軸方向先端側と基端側とに位置して設けられた一対インシュレータである。

前記第一、第二コア材１０、１１は、互いに同径に設定されたリング状の本体部１０ｂ、１１ｂの外周に、該本体部１０ｂ、１１ｂ外周縁から周回り方向等間隔を存し、放射方向に突出する脚片１０ｃ、１１ｃと、該脚片１０ｃ、１１ｃの突出先端から周回り方向両側に突出する爪片１０ｄ、１１ｄとにより構成されるＴ字形のティース１０ｅ、１１ｅが周回り方向に十個配設されている。これによって、これら第一、第二コア材１０、１１を積層してアーマチュアコア７を形成したとき、アーマチュアコア７外周の隣接するティース１０ｅ、１１ｅの対向間に、軸芯方向に長く凹設された蟻溝状のコイル巻装用スロット１０ｆ、１１ｆが周回り方向に十個形成されるように設定されている。そして、これらコイル巻装用スロット１０ｆ、１１ｆには巻線１４ａが巻装され、アーマチュアコア７の外周に複数のコイル１４が形成されており、これら各コイル１４を形成する巻線１４ａの端部をコンミテータ８に電気的に接続することにより、これらコイル１４に、ブラシ９ｂ、コンミテータ８を介して外部電源が供給されるように構成され、外部電源の供給に基づいてコイル１４が励磁するように設定されている。

また、第一コア材１０は、前記本体部１０ｂの内径側に、アーマチュア軸５を内嵌する貫通孔１０ａが形成された内径側本体部１０ｇが形成されており、該内径側本体部１０ｇと外径側の本体部（以降、外径側本体部）１０ｂとのあいだには、各ティース１０ｅの脚片１０ｃと同一放射線上に位置する状態で周回り方向十個のブリッジ片１０ｈが設けられ、内径側本体部１０ｇと外径側本体部１０ｂとを一体的に連結するように構成されている。そして、周回り方向に隣接するブリッジ片１０ｈ同士のあいだに形成される内側スロット１０ｉは、アーマチュアコア７を構成したときに軸方向に長い隙間となり、コイル巻装用スロット１０ｆ、１１ｆに巻装される巻線１４ａをコンミテータ８にヒュージングするときのスペースとして、また、電動モータ１の駆動時に発生する熱を放出するためのスペースとして機能するように構成されている。

そして、各ティース１０ｅ、１１ｅを構成する爪片１０ｄ、１１ｄの外周縁部には、周回り方向中間部に位置し、後述する条件を満たす形状となるように寸法設定された凹溝部１０ｊ、１１ｊが、軸芯側（内径側）に切り欠く状態で形成されている。これによって、アーマチュアコア７を形成したとき、これら凹溝部１０ｊ、１１ｊが、ティース１０ｅ、１１ｅの周回り方向中間に位置し、アーマチュア軸５方向に長い渦電流防止用スロットとなり、渦電流の発生を防止して鉄損の低減が図れるように構成されている。
さらに、凹溝部１０ｊ、１１ｊの周回り方向両側部位に位置する溝入口部には、溝奥側よりも大きい開口となるよう、溝入口部となるコーナー部を切り欠く（切り落とす）状態で補助凹部１０ｋ、１１ｋが形成されており、凹溝部１０ｊ、１１ｊの溝奥側の周回り方向溝幅よりも、溝入口部における溝幅が広くなるように設定されており、これによって、磁束を低下させることなく、磁束の変化を緩和してコギングトルクを低減できるようにしている。
尚、１０ｍ、１１ｍは、第一コア材外径側本体部１０ｂと第二コア材本体部１１ｂとのそれぞれの内径側に、各ティース１０ｅ、１１ｅの脚片１０ｃ、１１ｃと同一放射線上に位置し、第一、第二コア材１０、１１の板面を一方の面側に押し出すことにより形成されるカシメ用突起１０ｋ、１１ｋであって、該カシメ用突起１０ｍ、１１ｍは、それぞれ周回り方向に十個づつ形成されている。

さて、前記各ティース１０ｅ、１１ｅに形成される凹溝部１０ｊ、１１ｊの形状は、脚片１０ｃ、１１ｃの周回り方向両側縁と爪片１０ｄ、１１ｄの内径側縁との境界点Ｘ、Ｙと凹溝部１０ｊ、１１ｊの溝底部１０ｐ、１１ｐとのあいだの最短距離を距離Ａ、Ｂと設定したとき、これら距離Ａ、Ｂは、脚片１０ｃ、１１ｃの周回り方向の幅Ｃの半分の長さと略同じ長さ、即ち、
式 Ａ＝Ｂ≒Ｃ／２
で示される条件を満足しており、しかも、凹溝部１０ｊ、１１ｊの溝深さＨは、脚片１０ｃ、１１ｃの側縁と爪片１０ｄ、１１ｄの内径側縁との境界部位において、脚片側縁に沿う直線Ｌ１と爪片内径側縁に沿う直線Ｌ２との交点Ｑから爪片１０ｃ、１１ｃの外径側縁までの最短距離Ｒ（爪片１０ｄ、１１ｄの外径側円となる第一円弧と、交点Ｑを通り、前記第一円弧と同芯状の第二円弧とのあいだの距離で設定される）と略同じ長さ、即ち、
式 Ｈ≒Ｒ
で示される条件を満足するように設定されている。
このように形成することにより、凹溝部１０ｊ、１１ｊは、各ティース１０ｅ、１１ｅの爪片１０ｄ、１１ｄの外径側縁において、周回り方向中間部から内径側に向けて形成され、かつ、その溝深さＨが爪片１０ｄ、１１ｄの径方向長さに相当するように形成されている。これによって、隣接するティース１０ｅ、１１ｅのあいだに形成されるコイル巻装用スロット１０ｆ、１１ｆの面積を、巻線１４ｃの巻装に必要な広さに確保でき、しかも、アーマチュア４における渦電流の発生を防止して鉄損を低減できるように構成されている。

叙述の如く構成された本形態において、アーマチュアコア７を構成するコア材６は、第一、第二コア材１０、１１の二種類のものが用いられているが、この場合に、第一、第二コア材１０、１１の各ティース１０ｅ、１１ｅの外周縁部には凹溝部１０ｊ、１１ｊが形成されているので、アーマチュアコア７を構成したとき、凹溝部１０ｊ、１１ｊが軸方向に長い渦電流防止用スロットとなって、爪片１０ｄ、１１ｅｄ部位に発生する渦電流の発生を防止して、鉄損を低減することができる。しかも、この場合に、各コア材１０、１１のティース１０ｅ、１１ｅを切り欠くだけの構成であるので、コストアップを押さえることができるものでありながら、電動モータ１の性能アップが図れて高性能なものにすることができる。

さらにこのものでは、凹溝部１０ｊ、１１ｊの溝入口部を切り欠くことで補助凹部１０ｋ、１１ｋが形成されていて、溝入口部側が溝奥側よりも周回り方向幅が広くなっているため、磁束変化を緩和してコギングトルクの低減を図ることができ、しかも、さらなる鉄損の低減を図ることができる。

因みに、図４に、凹溝部が形成されない従来のコア材を用いたアーマチュアにより構成される従来型電動モータと、本発明が実施されて凹溝部１０ｊ、１１ｊが形成されたコア材１０、１１を用いたアーマチュア４により構成される電動モータ１とにおいて、回転角に対するコギングトルクの値を測定したグラフ図を示す。前記グラフ図によると、実線で表示される本発明に基づく電動モータ１のコギングトルクの変化の方が、二点鎖線で表示される従来型電動モータのコギングトルクの変化よりも振幅の小さい変化になっており、コギングトルクの低減が図れたことが実証される。また、従来型電動モータと本発明に基づく電動モータ１との有効磁束を測定した結果、略同様の測定値となり、凹溝部１０ｊ、１１ｊを形成することによる有効磁束の低下はないことが確認された。
これによって、本発明が実施された電動モータ１は、渦電流の発生を防止できて鉄損を防止することができるうえ、有効磁束を低下させることがないものでありながらコギングトルクの低減を図ることができ、もって、モータ特性の優れたものとなっている。

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、図５に示す第二の実施の形態のようにすることもできる。
このものは、コア材１５に形成される複数のティース１５ａの外周縁部に形成される凹溝部１５ｂの溝底形状が四角になるように形成されている。そして、このものにおいても、凹溝部１５ｂの形状は、脚片１５ｃの周回り方向両側縁と爪片１５ｄの内径側縁との境界点Ｘ１、Ｙ１から凹溝部の溝底部までの最短距離をそれぞれＡ１、Ｂ１と設定し、脚片の周回り方向幅をＣ１と設定したとき、
式 Ａ１＝Ｂ１≒Ｃ１／２
を満たし、かつ、凹溝部１５ｂの溝深さをＨ１、脚片１５ｃの側縁と爪片１５ｄの内径側縁との境界部位において、脚片１５ｃの側縁に沿う直線と爪片１５ｄの内径側縁に沿う直線との交点Ｑ１から爪片１５ｄの外径側縁までの最短距離をＲ１としたとき、
式 Ｈ１≒Ｒ１
を満たす形状に設定されている。そして、このものにおいても、凹溝部１５ｂの溝入口部に段差状の補助凹部１５ｅが形成されており、このように構成されたコア材１５を用いてアーマチュアコアを形成することにより、軸方向に長い渦電流防止用スロットが形成されて、各ティース１５ａにおける渦電流の発生が防止されて、鉄損の低減を図ることができ、しかも、電動モータのコギングトルクが低減された高性能な電動モータを提供することができる。

さらには、このものでは、コア材の各ティースの周回り方向中間部に渦電流防止用スロットとしての凹溝部を形成する構成であるので、コア材に形成されるティースの数が少ない場合では、渦電流防止用スロットが疑似的なコイル巻装用スロットとして機能することにより、コンパクト化を図ることができる。そのうえ、ティースの数が、ヨークに形成される極数に対して整数倍とならないような場合では、コギングトルクの低減効果を一層顕著に発揮することができる。

電動モータの側面断面図である。 図２（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ第一、第二コア材の正面図である。 図３（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ電動モータの要部を切り欠いた正面図、コア材の拡大正面図である。 従来型電動モータと本発明の電動モータとの回転角度に対するコギングトルクの変化を示すグラフ図である。 第二の実施の形態におけるコア材の拡大正面図である。

符号の説明

１ 電動モータ
４ アーマチュア
５ アーマチュア軸
６ コア材
１０ 第一コア材
１０ｅ ティース
１０ｆ コイル巻装用スロット
１０ｈ ブリッジ片
１０ｉ 内側スロット
１０ｊ 凹溝部
１０ｋ 補助凹部
１１ 第二コア材

Claims (3)

1. リング状板材の外周縁に周回り方向複数のティースが放射方向に突出するコア材の複数枚を、アーマチュア軸に貫通してなるアーマチュアコアにおいて、各コア材のティースの外周縁を内径側に切り欠いて凹溝部を形成し、アーマチュアコアの外周に、隣接するティースのあいだに位置し、コイルが巻装されるコイル巻装用スロットと、ティースに生じる渦電流の発生を防止する渦電流防止用スロットとが軸方向に長く形成されている回転電機におけるアーマチュアコア。
2. 各コア材に形成されるティースは、放射方向に突出する脚片と、該脚片の突出端部から周回り方向に延出する爪片とにより構成され、渦電流防止用スロットを構成する凹溝部は、脚片の周回り方向両側縁と爪片の内径側縁との境界から凹溝部の溝底部までの最短距離をそれぞれＡ、Ｂと設定し、脚片の周回り方向幅をＣと設定したとき、
   式 Ａ＝Ｂ≒Ｃ／２
   を満たし、かつ、凹溝部の溝深さをＨ、脚片の側縁と爪片の内径側縁との境界において、脚片の側縁に沿う直線と爪片の内径側縁に沿う直線との交点から爪片の外径側縁までの最短距離をＲとしたとき、
   式 Ｈ≒Ｒ
   を満たす形状に設定されている請求項１に記載の回転電機におけるアーマチュアコア。
3. 凹溝部は、溝入口部の少なくとも周回り方向一方の端部に切り欠き部が形成されている請求項２に記載の回転電機におけるアーマチュアコア。

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