JP5909680B2 - モータの固定子およびモータ - Google Patents

Description

本発明は、モータの固定子およびこれを備えたモータに関する。

空調機器の圧縮機などに用いられるブラシレスモータ（brushless motor）（ＩＰＭモータ）などのモータにおいて、変速駆動を行うための方法として所定のキャリア（carrier）周波数に基づいてパルス(pulse)波のデューティ比（duty ratio）を変化させることにより変調するＰＷＭ駆動方式を用いることが知られている。ＰＷＭ駆動方式においては、モータに流れる電流波形を得るために当該電流波形より高い周波数を有するキャリア周波数によって変調を行っているため、電流波形にＰＷＭにおけるキャリア周波数による高調波成分が重畳することとなる。

ここで、モータの損失は、鉄心を磁化したときの損失を示す鉄損と、励磁時におけるコイル（coil）の電気抵抗による損失を示す銅損とに分けられる。このうちの鉄損は、鉄心の磁気特性に起因するヒステリシス損（hysteresis loss）と鉄心内の電磁誘導による渦電流損とを足したものであるが、ヒステリシス損および渦電流損のいずれについても、モータを回転させるための交番磁束（交番電流）の周波数が高いほど損失の比率が大きくなることが知られている。したがって、モータに流れる交番電流にキャリア周波数による高調波成分が重畳していると、当該高調波成分による電流によって高調波磁束が発生することとなるため、鉄損が増大する結果となっていた。特に、ブラシレスモータの小型化および高出力化に応じてＰＷＭ駆動におけるキャリア周波数は高くなる傾向にあり、このような鉄損の増大による効率の悪化はますます問題となる。

このような問題に対し、ＰＷＭ駆動によって発生する高調波磁束を抑制するために、固定子のヨーク（yoke）の一部に他の部位と比較して応力を相違させた応力変化部位が設けられた構成が知られている（例えば、特許文献１参照）。具体的には、例えばヨークの外周面および内周面の一部に切欠部やかしめ部等を設け、固定子をケース内に焼き嵌め等により固定することにより、当該切欠部やかしめ部等において圧縮応力を増加させている。

特開２０１０−１５８０９５号公報

図１５は従来の固定子における応力分布を解析した結果を示す図である。図１５においては色が濃い（色調が暗い）ほど加えられる応力が大きいことを示している。図１５に示すように特許文献１のような従来の固定子においては、固定子を焼き嵌め等によりケース内に固定することによってその内側のティース(teeth)より圧縮応力が高いヨークの一部に、応力変化部位によってさらに高い応力が加えられていることが分かる。

しかしながら、固定子を焼き嵌めによりケース内に固定した際に、ヨーク内の応力が増加すると、交番磁束の周波数に拘わらず鉄損が顕著に大きくなるという問題点が指摘されている（例えば、佐藤光彦、金子清一、冨田睦雄、道木慎二、大熊繁「焼嵌めによる損失を低減するための電磁鋼板の特性を用いた固定子形状の改善」電気学会論文誌Ｄ（ＩＥＥＪ Ｔｒａｎｓ．ＩＡ，Ｖｏｌ．１２７，Ｎｏ．１，２００７ ｐｐ．６０−６８）参照）。したがって、特許文献１のような構成とすることによってヨークにおける圧縮応力を高めると、局所的に高調波磁束を抑制できたとしても全体としての鉄損がかえって増加するおそれがある。

また、固定子の構成要素である固定子鉄心は、複数の板状体（電磁鋼板）を積層して形成される。そして、これらの複数の板状体を一体的に固定するために、複数の板状体によって形成される固定子鉄心には、複数の板状体の一部を変形させることにより、複数の板状体を一定的に固定するクランプ部が形成される。このように固定子鉄心に形成されたクランプ部においては、変形による残留応力が存在するため、磁気特性が低下する。したがって、モータ特性の低下が起こり難いようにクランプ部を配置する必要がある。

本発明は、このような従来の課題を解決するものであり、モータに生じる損失を低減して高効率なモータを得ることができるモータの固定子およびこれを備えたモータを提供することを目的とする。

本発明のある形態に係るモータの固定子は、複数の板状体を積層して形成される固定子鉄心を備え、前記固定子鉄心は、筒状のヨークと、前記ヨークから当該ヨークの径方向（以下、単に径方向という）内方に延出する延出部と当該延出部の先端に前記ヨークの周方向（以下、単に周方向という）に広がるように形成された幅広部とを有するティースと、を備え、前記延出部は、周方向の幅が一定となるように径方向に直線状に延びる定幅部と、前記定幅部より周方向の幅が狭い狭小部と、複数の板状体を互いに固定するクランプ部とを有しており、前記クランプ部は、前記定幅部に設けられている。

上記構成によれば、ティースの一部に定幅部より周方向の幅が狭い狭小部が設けられているため、当該狭小部においてティースを通過する磁束密度が高くなり局所的な磁気飽和が生じて、高調波磁束がフィルタリング（filtering）される。この際、ティースの狭小部には応力が生じないため、固定子に作用する圧縮応力が増加することによる鉄損が増加することも防止することができる。しかも、固定子の中で相対的に磁束密度が高いティースにおいて狭小部が設けられることにより、有効に高調波磁束のみをフィルタリングして除去することができる。さらに、固定子鉄心を構成する複数の板状体を互いに固定するクランプ部は、狭小部を避けて定幅部に設けられている。本発明の発明者らは鋭意研究の末、固定子のティースの一部に狭小部を設けた場合に、複数の板状体を固定するクランプ部の位置を定幅部とすることによって、トルク定数の低下を防止することができるという知見を得た。これは、クランプ部を定幅部に設けることによって、狭小部を備えた延出部にクランプ部を設けることによる銅損の増加が防止されるものと推考される。したがって、固定子鉄心の延出部に狭小部を設けつつクランプ部を定幅部に形成することにより、モータに生じる損失を低減して高効率なモータを得ることができる。

前記クランプ部は、径方向において前記狭小部に近接する側の端部が前記狭小部と前記定幅部との境界近傍に位置するように設けられていてもよい。これによれば、クランプ部が狭小部の外部かつ定幅部の最も狭小部と近接する位置に設けられるため、鉄損の増加を防止しつつトルク定数の低下を最小限に抑えることができる。

前記クランプ部は、周方向の幅が前記定幅部の周方向の幅の半分以下であってもよい。これにより、クランプ部を形成したことによって生じる残留応力が延出部内を通過する主磁束に及ぼす影響をより有効に低減させることができる。

前記狭小部は、前記延出部の基端部に設けられ、前記定幅部は、前記狭小部の先端から径方向内方に延びていてもよい。これにより、隣り合うティース間でヨークを介して交鎖する高調波磁束がフィルタリングされるため、高調波磁束を有効に抑制することができる。

前記狭小部は、前記ヨークの中心軸に垂直な断面視において周方向両側が円弧形状を有していてもよい。これにより、狭小部における磁束の流れが緩やかになり、狭小部と他の部位との接続箇所における磁気ベクトル（vector）の変化量が低減されるため、鉄損の増加を抑制することができる。

前記定幅部の周方向の幅ｄ２に対する前記狭小部の周方向の幅の最小値ｄ１の割合は、０．７０＜ｄ１／ｄ２＜０．９８であってもよい。このような割合とすることにより、より有効に高調波磁束を抑制することができる。

また、本発明の他の形態におけるモータは、上記構成のモータの固定子を備えている。これにより、同じサイズのモータにおいてトルク定数（torque constant）を低下させることなく損失を低減させて、高効率なモータを得ることができる。

本発明の上記目的、他の目的、特徴、及び利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施態様の詳細な説明から明らかにされる。

本発明は以上に説明したように構成され、モータに生じる損失を低減して高効率なモータを得ることができるという効果を奏する。

図１は本発明の一実施形態に係るモータの回転子を備えたモータの断面構造例を示す断面図である。 図２は図１に示すモータの固定子の断面構造を示す部分拡大図である。 図３は図１に示すモータの固定子におけるティース近傍の局所的な磁束の流れを示す説明図である。 図４は図１に示す固定子におけるティースの狭小部の周方向の幅の最小値ｄ２を定幅部の周方向の幅ｄ１に対して変化させた際の鉄損およびトルク定数の解析値を示すグラフである。 図５は図１に示す固定子におけるティースの狭小部の周方向の幅の最小値ｄ２を定幅部の周方向の幅ｄ１に対して変化させた際のモータ効率の解析値を示すグラフである。 図６Ａは図１に示すモータの固定子における固定子鉄心の製造工程を示す図である。 図６Ｂは図１に示すモータの固定子における固定子鉄心の製造工程を示す図である。 図６Ｃは図１に示すモータの固定子における固定子鉄心の製造工程を示す図である。 図６Ｄは図１に示すモータの固定子における固定子鉄心の製造工程を示す図である。 図７は図１に示す固定子におけるクランプ部の延出部に対する径方向位置を変化させた際の鉄損およびトルク定数の解析値を示すグラフである。 図８は図７に示すグラフにおける延出部に対するクランプ部の径方向位置を示す概略図である。 図９は図１に示す固定子におけるクランプ部の延出部に対する径方向位置を変化させた際のモータ効率の解析値を示すグラフである。 図１０は図１に示す固定子におけるクランプ部のティース幅に対する周方向の幅を変化させた際の鉄損およびトルク定数の解析値を示すグラフである。 図１１は図１に示す固定子における固定子におけるクランプ部の延出部に対する径方向位置を変化させた際のモータ効率の解析値を示すグラフである。 図１２Ａは本発明の第１実施形態の変形例における固定子の断面構造例を示す部分拡大図である。 図１２Ｂは本発明の第１実施形態の変形例における固定子の断面構造例を示す部分拡大図である。 図１３は本発明の実施例１における固定子の鉄損およびトルク定数の解析値を比較例と対比して示すグラフである。 図１４は本発明の実施例１における固定子の鉄損の解析値を周波数ごとに示すグラフである。 図１５は従来の固定子における応力分布を解析した結果を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、以下では全ての図を通じて同一または相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。

図１は本発明の一実施形態に係るモータの回転子を備えたモータの断面構造例を示す断面図である。なお、以下では、モータがブラシレスモータである構成を例示するが、モータはこれには限定されない。図１に示すように、本実施形態に係るブラシレスモータ（以下、単にモータと称する）は、外枠１０の内壁面に焼き嵌めなどによって取り付けられる筒状の固定子１と、固定子１の内側に固定子１に対して相対回転可能に保持される筒状の回転子２とを有している。回転子２の中心にはシャフト孔３が設けられ、当該シャフト孔３にシャフト（図示せず）が挿通された状態で回転子２とシャフトとが固定される。

固定子１は、筒状に形成されたヨーク１１とヨーク１１の内壁面から径方向内方に延出した複数（本実施形態においては１８）のティース１２とを有する固定子鉄心１３と、ティース１２のそれぞれに巻回されたコイル１４とを有している。固定子鉄心１３は、複数の板状体（後述）を積層して形成されている。ティース１２とコイル１４との間には、両者を電気的に絶縁する絶縁部材１５（後述する図２参照）が設けられている。また、回転子２は、筒状の回転子鉄心２１と、回転子鉄心２１の内部に回転子２の周方向に複数（本実施形態においては６つ）形成された空孔に埋め込み形成された板状の永久磁石２２とを有している。なお、本実施形態においては、複数のティース１２にわたって巻線を巻く分布巻によるコイル１４を例示しているが、本発明はこれに限られない。例えば、波巻や１つのティース１２に巻線を巻いた集中巻など種々の巻き方が採用できる。

このように構成されたモータにおいては、固定子１のコイル１４に交番電流を流して回転磁束を発生させることにより、シャフトの中心軸を回転軸Ｃとしてシャフトおよび回転子２が固定子１に対して回転軸Ｃ回りに回転する。

図２は図１に示すモータの固定子の断面構造を示す部分拡大図である。図２においてはコイル１４および絶縁部材１５について図示を一部省略している。図２に示すように、ティース１２の一部には、他の部位より細い狭小部１２１が設けられている。より具体的には、ティース１２は、ヨーク１１から当該ヨーク１１の径方向（以下、単に径方向という）内方に延出する延出部１２３と当該延出部１２３の先端にヨーク１１の周方向（以下、単に周方向という）に広がるように形成された幅広部１２２とを有しており、延出部１２３は、周方向の幅が幅広部１２２の周方向の幅より短いように形成されている。延出部１２３は、いわゆる磁極部と呼ばれ、幅広部１２２は、いわゆる磁極先端部と呼ばれる部分である。さらに、延出部１２３は、周方向の幅が一定となるように径方向に直線状に延出された定幅部１２４と、周方向の幅ｄ１が定幅部１２４の周方向の幅ｄ２より狭い狭小部１２１とを有している。すなわち、延出部１２３は、回転軸Ｃの方向から視て一部がくびれているような形状を有している。これにより、狭小部１２１は、延出部１２３の一部に当該延出部１２３の他の部位より周方向の幅が狭い（径方向に垂直な断面の面積が定幅部１２４より小さい）ように形成されている。

次に、上記のように構成される固定子１において狭小部１２１を設ける効果について説明する。図３は図１に示すモータの固定子におけるティース近傍の局所的な磁束の流れを示す説明図である。図３においては一時的な磁束の流れを矢印によって示している。理解容易のため、図３においては、後述するクランプ部１２５は図示を省略し、後述する図３〜図５に関する説明においてはクランプ部１２５の影響を無視して考える。また、図３においてコイル１４および絶縁部材１５は図示を省略している。図３に示すように、回転子２からの磁束がティース１２の幅広部１２２からティース１２内に入りティース１２の延出部１２３を通ってヨーク１１に進出する。ティース１２に流れる磁束は交番磁束であるため、図３の矢印の反対方向にも同様に磁束が流れ得る（磁束がヨーク１１からティース１２を通過して回転子２に向かう向きにも生じ得る）。

ここで、本実施形態においては、ティース１２の一部に当該ティース１２の他の部位より細い狭小部１２１が設けられているため、当該狭小部１２１においてティース１２を通過する磁束密度が高くなり局所的な磁気飽和が生じて、高調波磁束がフィルタリングされる。より詳しくは、ティース１２を通過する交番磁束（主磁束）が極大値となった際に、当該交番磁束に重畳している高調波成分が除去される。このため、狭小部１２１の径方向（交番磁束の流れる向き）に垂直な断面積は、交番磁束の極大値において可能な限りすべての主磁束が通過可能な大きさとすることが好ましい。

また、従来構成における図１５にも示したとおり、ティース１２には焼き嵌め等による応力が生じないため、ティース１２に狭小部１２１を設けても固定子１に作用する応力が増加することがない。したがって、固定子１に作用する圧縮応力が増加することによる鉄損が増加することも防止することができる。しかも、固定子１の中で比較的磁束密度が高いティース１２において狭小部１２１が設けられることにより、有効に高調波磁束のみをフィルタリングして除去することができる。これにより、ティース１２内を通過する交番磁束の高調波成分を除去して鉄損を低減させつつ主磁束を通過させることによりトルク定数が低下するのを防止することができる。これにより、電流の増加による銅損の増加が抑制されるため、モータの効率低下を防止することができる。したがって、モータに生じる損失を低減して高効率なモータを得ることができる。

また、幅広部１２２が設けられていることにより、当該幅広部１２２において回転子２からの磁束が固定子１に流れる際の漏れ磁束を低減させつつ、その上で、さらに狭い狭小部１２１において高調波磁束がフィルタリングされる。したがって、モータのトルク定数を低下させることなく有効に高調波磁束を抑制することができる。さらに、延出部１２３のうち狭小部１２１以外の箇所を定幅部１２４により形成することにより、定幅部１２４においては交番磁束による磁気飽和を緩和させつつ、当該定幅部１２４より周方向の幅が短い狭小部１２１において高調波磁束を有効に抑制することができる。

本実施形態における狭小部１２１についてより詳しく説明する。図２に示すように、狭小部１２１は、延出部１２３の基端部（ヨーク１１に近接する部分）に設けられ、定幅部１２４は、狭小部１２１の先端から径方向内方に延出している。これにより、隣り合うティース１２間でヨーク１１を介して交鎖する高調波磁束がフィルタリングされるため、高調波磁束を有効に抑制することができる。

さらに、狭小部１２１は、ヨーク１１の中心軸に垂直な断面視において周方向両側が円弧形状を有している。すなわち、狭小部１２１の基端部（ヨーク１１に近接する部分）から先端に向かうに従ってティース１２の周方向の幅が短くなっていき、最も短い周方向の幅ｄ１となった後、さらに先端に向かうに従ってティース１２の周方向の幅がｄ２に近づくように長くなっていくように形成されている。ティース１２にこのようなくびれ部が形成されることにより、狭小部１２１における磁束の流れが緩やかになり、狭小部１２１と他の部位（定幅部１２４またはヨーク１１）との接続箇所における磁気ベクトルの変化量が低減されるため、狭小部１２１において鉄損の増加を抑制することができる。

ここで、定幅部１２４の周方向の幅ｄ２に対する狭小部１２１の周方向の幅の最小値ｄ１の割合は、０．７０＜ｄ１／ｄ２＜０．９８であることが好ましい。図４は図１に示す固定子におけるティースの狭小部の周方向の幅の最小値ｄ２を定幅部の周方向の幅ｄ１に対して変化させた際の鉄損およびトルク定数の解析値を示すグラフである。図４においては、狭小部が存在しない場合（延出部の基端から先端まで周方向の幅が一定である場合）の鉄損およびトルク定数を１としたときの鉄損およびトルク定数の減少率をそれぞれ示している。さらに、図５は図１に示す固定子におけるティースの狭小部の周方向の幅の最小値ｄ２を定幅部の周方向の幅ｄ１に対して変化させた際のモータ効率の解析値を示すグラフである。図５におけるモータ効率は、狭小部が存在しない場合（延出部の基端から先端まで周方向の幅が一定である場合）のモータ効率を基準とするモータ効率の向上分を示している。図４および図５においては、定幅部の周方向の幅ｄ１に対し、狭小部１２１の周方向の幅の最小値ｄ２を０．７ｄ１（７０％）から０．９８ｄ１（９８％）まで変化させたときの解析値をグラフ化したものである。

モータ効率ηは、モータ入力Ｐｉｎとモータ出力Ｐｏｕｔとの比Ｐｏｕｔ／Ｐｉｎで示され、モータ出力Ｐｏｕｔは、モータ入力Ｐｉｎからモータ損失Ｐｌｏｓｓを引いた値であるため、η＝（Ｐｉｎ−Ｐｌｏｓｓ）／Ｐｉｎで表わされる。さらに、モータ損失Ｐｌｏｓｓは鉄損Ｗｆと銅損Ｗｃの和（Ｗｆ＋Ｗｃ）であり、銅損Ｗｃはモータ電流Ｉとコイル１４の巻線抵抗Ｒとを用いてＷｃ＝Ｉ^２・Ｒで示される。ここで、モータのトルクτは、トルク定数Ｋ_τを用いてτ＝Ｋ_τ・Ｉと表わせるため、モータ電流Ｉは、τ／Ｋ_τで表わせる。したがって、モータ効率ηは、η＝１−（Ｗｆ＋（τ／Ｋ_τ）^２・Ｒ）／Ｐｉｎと表わせる。これにより、鉄損Ｗｆが低減し、トルク定数Ｋ_τが大きくなるとモータ効率ηが高くなるといえる。

図４に示すように、狭小部１２１の周方向の幅の最小値ｄ２が定幅部１２４の周方向の幅ｄ１に対して９８％以上である場合（０．９８≦ｄ１／ｄ２≦１．０の場合）、鉄損の低減効果は生じないが、９８％未満である場合には、鉄損の低減効果が生じている。ここで、狭小部１２１の周方向の幅の最小値ｄ２が定幅部１２４の周方向の幅ｄ１に対して９８％未満である場合において、狭小部１２１の周方向の幅の最小値ｄ２が定幅部１２４の周方向の幅ｄ１に対して狭くなるほど鉄損は低減するが、同時にトルク定数も低下する。ここで、図５に示すように、モータ効率を考慮すると、狭小部１２１の周方向の幅の最小値ｄ２が定幅部１２４の周方向の幅ｄ１に対して７０％以下である場合には、鉄損が低減してもそれ以上にトルク定数が低下し（すなわち銅損が増加し）、モータ効率が改善しない（モータ効率の向上分が０となる）。

したがって、定幅部１２４の周方向の幅ｄ２に対する狭小部１２１の周方向の幅の最小値ｄ１の割合を０．７０＜ｄ１／ｄ２＜０．９８とすることにより、同じサイズのモータにおいてトルク定数を低下させることなく鉄損を低減させて、高効率なモータを得ることができる。特に、定幅部１２４の周方向の幅ｄ２に対する狭小部１２１の周方向の幅の最小値ｄ１の割合が０．８０＜ｄ１／ｄ２＜０．９６の範囲において、モータ効率の向上分が大きくなるため、ｄ１／ｄ２の割合をこの範囲とすることにより、モータ効率をより高くすることができる。

本実施形態においては、上述したとおり、固定子鉄心１３が複数の板状体（後述）を積層することにより形成されている。このため、延出部１２３の定幅部１２４には、図１おおよび図２に示すように、複数の板状体を互いに固定するクランプ部１２５が形成されている。

クランプ部１２５は、互いに積層された複数の板状体の各板状体に設けられた局部的な屈曲部（以下、局部的屈曲部という）によって構成され、各板状体に設けられた局部的屈曲部が互いに嵌合することによって互いに積層された複数の板状体を互いに固定するように機能する。従って、この局部的屈曲部の態様は特に限定されず、複数の板状体が互いに積層された状態で嵌合するように形成されていればよい。また、局部的屈曲部の形成には、周知の加工方法を適用することが可能であり、局部的屈曲部の形成方法は特に限定されない。

クランプ部１２５は、例えば、以下に示すように、複数の板状体１３０（図６参照）を積層した状態で定幅部１２４にプレス加工を行うことにより、形成される。なお、図１および図２等に示すクランプ部１２５は、図示の都合上、定幅部１２４との大きさの比率が実際とは異なっており、図示される比率に本発明が限定されるものではない。

ここで、本実施形態における固定子鉄心１３の製造方法の一例について説明する。図６Ａ〜図６Ｄは図１に示すモータの固定子における固定子鉄心の製造工程を示す図である。図６Ａは板状体のクランプ部形成箇所に切り込みを入れた状態を示す部分拡大上面図であり、図６Ｂは複数の板状体を積層した状態を図６ＡのＢ−Ｂ方向から視た断面図であり、図６Ｃは積層した複数の板状体をプレスした状態を図６ＡのＢ−Ｂ方向から視た断面図であり、図６Ｄはプレスによって複数の板状体が互いに固定された状態（固定子鉄心が形成された状態）を示す部分拡大上面図である。

予め複数の板状体１３０が積層されたときに定幅部１２４となる箇所の一部にクランプ部１２５を形成する領域１２５ａを設定しておく。本実施形態においては図６Ａに示すように、領域１２５ａは、定幅部１２４の延出方向（径方向）に延び、クランプ部１２５の周方向の幅を規定する一対の第１辺１２５ｂと、第１辺１２５ｂに直交し、クランプ部１２５の径方向の長さを規定する一対の第２辺１２５ｃとにより定義されている。すなわち、領域１２５ａは、一対の第１辺１２５ｂおよび一対の第２辺１２５ｃで区画される矩形の領域を有している。これにより、形成されるクランプ部１２５は、正方形状ないし第１辺１２５ｂが第２辺１２５ｃより長い長方形状を有している。

まず、図６Ａに示す工程においては、電磁鋼板などの複数の板状体１３０のそれぞれを固定子鉄心１３の形状（ヨーク１１およびティース１２を有する形状）に打ち抜きにより切り出す。その際に、当該領域１２５ａの一部である一対の第１辺１２５ｂに板状体１３０を貫通するような切り込みを入れる。

次に、図６Ｂに示す工程においては、図６Ａに示す工程において形成された板状体１３０を複数積層する。この際、クランプ部１２５が形成される領域１２５ａの位置が複数の板状体１３０間で一致するように、位置決めされる。

さらに、図６Ｃに示す工程においては、複数の板状体１３０が積層された状態で、積層された複数の板状体１３０の表面から凸型のプレス機１５０によりプレスを行い、領域１２５ａを変形させる。本実施形態においては、複数の板状体１３０の一対の第２辺１２５ｃと領域１２５ａ内の第２辺１２５ｃに平行な第３辺１２５ｄとを境に折り曲げられ、一の板状体１３０の一部が当該一の板状体１３０が接している他の板状体１３０に食い込むようにかしめられる。これにより、複数の板状体１３０は、互いに固定される。また、クランプ部１２５は、ここでは、板状体におけるその周囲の部分と両側が切断され、かつ直線状の折り目を有するように折り曲げられた態様に形成されている。

このようにして、図６Ｄに示されるように、固定子鉄心１３の延出部１２３の定幅部１２４に中央部が径方向の基端部および先端部に対して凹んだクランプ部１２５が形成される。このように固定子鉄心１３に形成されたクランプ部１２５においては、変形による残留応力が存在するため、磁気特性が低下する。したがって、モータ特性の低下が起こり難いようにクランプ部１２５を配置する必要がある。

本発明の発明者らは、鋭意研究の末、固定子１のティース１２の一部に狭小部１２１を設けた場合に、複数の板状体１３０を固定するクランプ部１２５の位置を定幅部１２４とすることによって、トルク定数の低下を防止することができるという知見を得た。これは、クランプ部１２５を定幅部１２４に設けることによって、狭小部１２１を備えた延出部１２３にクランプ部１２５が形成された場合に銅損の増大が防止されるものと推考される。具体的には、クランプ部１２５を定幅部１２４に形成した場合においてティース１２を通過する主磁束は、クランプ部１２５を狭小部１２１に形成した場合に比べて増大する。前述したように、狭小部１２１を設けることでモータ出力の低下を防止しつつ鉄損を低減することができるとともに、クランプ部１２５を定幅部１２４に形成することでティース１２を通過する主磁束の低下を防止して銅損を低減することができる。したがって、固定子鉄心１３の延出部１２３に狭小部１２１を設けつつクランプ部１２５を定幅部１２４に形成することにより、モータに生じる損失を低減して高効率なモータを得ることができる。

ここで、クランプ部１２５の径方向の位置は、モータ効率の観点からは、クランプ部１２５の狭小部１２１に近接する側の端部が狭小部１２１と定幅部１２４との境界近傍に近い位置に位置することが好ましい。

図７は図１に示す固定子におけるクランプ部の延出部に対する径方向位置を変化させた際の鉄損およびトルク定数の解析値を示すグラフである。また、図８は図７に示すグラフにおける延出部に対するクランプ部の径方向位置を示す概略図である。図７においては、クランプ部１２５の狭小部１２１に近接する側の端部が狭小部１２１と定幅部１２４との境界線Ｌ２の近傍に位置する場合（図８における位置Ｐ４に位置する場合）の鉄損およびトルク定数を１００％としてクランプ部１２５の径方向位置を変化させたときの鉄損およびトルク定数の増加率をそれぞれ示している。なお、図７においてはクランプ部１２５の狭小部１２１の位置に対する径方向位置として、固定子の中心から狭小部１２１と定幅部１２４との境界線Ｌ２までの距離を１として、クランプ部１２５の内径側（狭小部１２１に離間する側）の端部の相対位置を示している。

さらに、図９は図１に示す固定子におけるクランプ部の延出部に対する径方向位置を変化させた際のモータ効率の解析値を示すグラフである。図９におけるモータ効率は、クランプ部１２５の狭小部１２１に近接する側の端部（図６（ｄ）に示す径方向外側の第２辺１２５ｃ）が狭小部１２１と定幅部１２４との境界線Ｌ２に位置する場合（図８における位置Ｐ４に位置する場合）のモータ効率を基準とするモータ効率の向上分を示している。図７および図９においては、同じ大きさおよび同じ形状のクランプ部１２５の狭小部１２１に近接する側の端部が定幅部１２４と幅広部１２２との境界線Ｌ１から狭小部１２１と定幅部１２４との境界線Ｌ２まで変化したときの各位置Ｐ１〜Ｐ４における解析値をグラフ化したものである。

図７に示すように、クランプ部１２５の径方向位置が狭小部１２１から離れるに従って定幅部１２２と狭小部１２１との間で主磁束が通過する断面積が大きくなり（銅損が減少し）、トルク定数は増加している。しかし、トルク定数の増加の割合以上に鉄損が増加している。ここで、図９に示すように、モータ効率を考慮すると、クランプ部１２５が狭小部１２１から離れるに従ってモータ効率が低下し、低幅部１２４と幅広部１２２との境界線Ｌ１を越えて幅広部１２２側へクランプ部１２５が位置するようになるとトルク定数の低下が顕著となり（すなわち銅損の増加率が高くなり）、モータ効率が大きく低下する。

以上より、クランプ部１２５を定幅部１２４に形成することにより、モータに生じる損失を低減して高効率なモータを得ることができる。さらに、クランプ部１２５を狭小部１２１の外部かつ定幅部１２４の最も狭小部１２１と近接する位置に設けることにより、鉄損の増加を防止しつつトルク定数の低下を最小限に抑えることができる。特に、モータ効率に関して鉄損より銅損の寄与率が高いという特性を有するモータについては、上記範囲内のクランプ部１２５の径方向位置とすることでモータ効率の低下を有効に防止することができる。

また、クランプ部１２５の周方向の幅は、モータ効率の観点からは、定幅部１２４の周方向の幅の半分以下であることが好ましい。

図１０は図１に示す固定子におけるクランプ部のティース幅に対する周方向の幅を変化させた際の鉄損およびトルク定数の解析値を示すグラフである。また、図１１は図１に示す固定子における固定子におけるクランプ部の延出部に対する径方向位置を変化させた際のモータ効率の解析値を示すグラフである。図１０においては、クランプ部１２５の周方向の幅ｄ３（図８参照）のティース幅すなわち定幅部１２４の周方向の幅ｄ２（図８参照）に対する比率が０．２３となる場合の鉄損およびトルク定数を１００％としてクランプ部１２５の周方向の幅を変化させたときの鉄損およびトルク定数の減少率をそれぞれ示している。また、図１１におけるモータ効率は、クランプ部１２５の周方向の幅ｄ３のティース幅すなわち定幅部１２４の周方向の幅ｄ２に対する比率が０．２３となる場合のモータ効率を基準とするモータ効率の減少分を示している。なお、図１０および図１１におけるクランプ部１２５の径方向位置は、図１０および図１１においては、同じ径方向長さのクランプ部１２５の周方向の幅ｄ３を徐々に長くしたときの解析値をグラフ化したものである。

図１０に示すように、クランプ部１２５の周方向の幅ｄ３が定幅部１２４の周方向の幅ｄ２に対して長くなるに従って定幅部１２４を主磁束が通過する断面積が減少するため、トルク定数が減少し、その結果銅損が増加している。一方、鉄損はクランプ部１２５の周方向の幅ｄ３が定幅部１２４の周方向の幅ｄ２に対して長くなるに従って減少している。図１０においては、トルク定数の減少率と鉄損の減少率とが略同様となる変化を示している。モータに同じトルクを出力させる場合、トルク定数が減少すると必要な電流が増加する。すなわち、モータに同じトルクを出力させる場合において、トルク定数と電流とは反比例の関係となる。これにより、トルク定数の低下と電流の増加は同義となる。前述したとおり、銅損は電流の２乗に比例するため、トルク定数の低下は、銅損の大幅な増加を意味する。このため、図１０に示されるグラフから銅損の増大率が鉄損の減少率に比べて非常に大きくなっていることが分かる。すなわち、クランプ部１２５の周方向の幅ｄ３が長くなるに従って定幅部１２４を通過する主磁束への影響が大きくなり、銅損の増加がより顕著になる。したがって、図１１に示すように、モータ効率は、クランプ部１２５の周方向の幅ｄ３が長くなるに従ってモータ効率が低下することとなる。クランプ部の周方向の幅ｄ３が定幅部１２４の周方向の幅ｄ２の半分以上になると、モータ効率が１．０％以上悪化する。

したがって、クランプ部１２５の周方向の幅ｄ３を定幅部１２４の周方向の幅ｄ２の半分以下とすることにより、クランプ部１２５を形成したことによって生じる残留応力が延出部１２３内を通過する主磁束に及ぼす影響をより有効に低減させることができる。特に、モータ効率に関して鉄損より銅損の寄与率が高いという特性を有するモータについては、上記範囲内のクランプ部１２５の周方向の幅とすることでモータ効率の低下を有効に防止することができる。

なお、本実施形態においては、狭小部１２１がティース１２の延出部１２３の基端側に設けられているが、これに限られない。図１２Ａおよび図１２Ｂは本発明の第１実施形態の変形例における固定子の断面構造例を示す部分拡大図である。図１２Ａおよび図１２Ｂにおいてはコイル１４および絶縁部材１５の図示を省略している。

図１２Ａおよび図１２Ｂに示す変形例においては、狭小部１２１ａがティース１２ａの延出部１２３ａの先端側（ヨーク１１から離間した側）に設けられている。具体的には、図１２Ａに示す変形例において、延出部１２３ａは、ヨーク１１から径方向内方へ向けて延びた定幅部１２４ａと定幅部１２４ａと先端の幅広部１２２との間に設けられた狭小部１２１ａとを有している。

また、図１２Ｂに示す変形例において、延出部１２３ｂは、ヨーク１１の中心軸に垂直な断面視において狭小部１２１ｂの周方向両側が角張った形状を有している。本例においては、図１２Ａと同様に、狭小部１２１ｂがティース１２ｂの延出部１２３ｂの先端側に設けられているが、本例のような狭小部１２１ｂの形状は、図２に示すような狭小部１２１が定幅部１２４より基端側に設けられている例においても適用可能である。

以上に説明したような各種変形例によっても、上記実施形態と同様の効果を奏することができる。

以下に、固定子１のティース１２に上記実施形態で説明したような狭小部１２１を設けた固定子（実施例１）と、ティースに狭小部を設けない固定子（比較例１，２）とのそれぞれについて、鉄損およびトルク定数を解析により求めた結果を示す。比較例としては、ヨークの径方向に延びる定幅部と定幅部より幅広の先端部とにより構成されるティースを有する固定子において、この定幅部の周方向の幅が上記図４に関する説明で示したのと同じ幅ｄ１である固定子（比較例１）と、０．９３ｄ１である固定子（比較例２）とを用いた。実施例１としては、定幅部１２４の周方向の幅を上記ｄ１とし、狭小部１２１の周方向の幅を０．９３ｄ１とした固定子１を用いた。固定子のその他の構成（ティースの数、ヨークの幅等）は、実施例１と比較例１，２とで同一とした。なお、本実施例においてはクランプ部１２５の影響を無視して考えている。

図１３は本発明の実施例１における固定子の鉄損およびトルク定数の解析値を比較例と対比して示すグラフである。図１３においては、比較例１における鉄損およびトルク定数を１としたときの比較例２および実施例１における鉄損およびトルク定数の減少率をそれぞれ示している。

図１３に示すように、比較例２においては比較例１に対して鉄損が６％ほど低減しており、ティースの周方向の幅を狭めることによっても鉄損を低減させることができることが分かる。しかしながら、この場合、トルク定数が４％近くも低下しており、結果としてモータ効率を向上させることができない結果となった。

これに対し、実施例１においては、図１３に示すように、比較例１に対してトルク定数の低下を１％程度に抑えつつ鉄損が４％も低減される結果となった。したがって、ティース１２に狭小部１２１を設けることにより、モータ出力の低下を防止しつつ鉄損を低減することのできる高効率のモータを実現することができることが示された。

さらに、実施例１において比較例１に対して低減した鉄損が高調波成分（高調波磁束）によるものか基本波成分（主磁束）によるものかの割合を解析によって検証した。図１４は本発明の実施例１における固定子の鉄損の解析値を周波数ごとに示すグラフである。図１４においては、比較例１における基本波成分による鉄損および高調波成分における鉄損をそれぞれ１としたときの実施例１における基本波成分による鉄損の減少率と高調波成分による鉄損の減少率とをそれぞれ示している。

図１４に示すように、実施例１においては比較例１に対し、いずれの周波数成分においても鉄損が減少しているが、基本波成分の鉄損の減少率については２％程度とわずかであるのに対し、高調波成分における鉄損の減少率が７％と大きい結果となった。したがって、ティース１２に狭小部１２１を設けることにより、主磁束を維持しつつ、高調波磁束による鉄損を有効に抑制することができることが示された。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変更、修正が可能である。

例えば、上記実施形態においては、ティース１２におけるヨーク１１の周方向両側に狭小部１２１が形成されているが、本発明はこれに限られず、例えばティース１２におけるヨーク１１の周方向片側だけに狭小部が形成されてもよい。

また、上記実施形態においては、固定子１を構成するすべてのティース１２に狭小部１２１が形成されているが、本発明はこれに限られず、複数のティース１２のうちのいくつかのティース１２に狭小部が形成されてもよい。なお、ティース１２の数やティース１２の他の形状およびヨーク１１の形状などは適宜好適に設定され得る。

また、上記実施形態においては、固定子１を構成するすべてのティース１２にクランプ部１２５が形成されているが、本発明はこれに限られず、複数のティース１２のうちのいくつかのティース１２にクランプ部１２５が形成されてもよい。さらに、１つのティース１２に複数のクランプ部１２５を設けることとしてもよい。また、クランプ部１２５の形状、大きさについても適宜好適に設定され得る。

上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。

本発明のモータの固定子およびそれを備えたモータは、モータに生じる損失を低減して高効率なモータを得るために有用である。

１ 固定子
２ 回転子
３ シャフト孔
１０ 外枠
１１ ヨーク
１２，１２ａ，１２ｂ ティース
１３ 固定子鉄心
１４ コイル
１５ 絶縁部材
２１ 回転子鉄心
２２ 永久磁石
１２１，１２１ａ，１２１ｂ 狭小部
１２２ 幅広部
１２３，１２３ａ，１２３ｂ 延出部
１２４，１２４ａ，１２４ｂ 定幅部
１２５ クランプ部
１３０ 板状体

Claims (7)

1. 複数の板状体を積層して形成される固定子鉄心を備え、
   前記固定子鉄心は、
   筒状のヨークと、
   前記ヨークから当該ヨークの径方向（以下、単に径方向という）内方に延出する延出部と当該延出部の先端に前記ヨークの周方向（以下、単に周方向という）に広がるように形成された幅広部とを有するティースと、を備え、
   前記延出部は、周方向の幅が一定となるように径方向に直線状に延びる定幅部と、前記定幅部より周方向の幅が狭い狭小部と、複数の板状体を互いに固定するクランプ部とを有しており、
   前記クランプ部は、前記定幅部に設けられ、
   前記クランプ部は、径方向において前記狭小部に近接する側の端部が前記狭小部と前記定幅部との境界近傍に位置するように設けられている、モータの固定子。
2. 前記クランプ部は、前記板状体を局部的に屈曲させて形成された局部的屈曲部である、請求項１に記載のモータの固定子。
3. 前記クランプ部は、周方向の幅が前記定幅部の周方向の幅の半分以下である、請求項１に記載のモータの固定子。
4. 前記狭小部は、前記延出部の基端部に設けられ、
   前記定幅部は、前記狭小部の先端から径方向内方に延びている、請求項１に記載のモータの固定子。
5. 前記狭小部は、前記ヨークの中心軸に垂直な断面視において周方向両側が円弧形状を有している、請求項１に記載のモータの固定子。
6. 前記定幅部の周方向の幅ｄ２に対する前記狭小部の周方向の幅の最小値ｄ１の割合は、０．７０＜ｄ１／ｄ２＜０．９８である、請求項１に記載のモータの固定子。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載のモータの固定子を備えた、モータ。