JP6436381B2 - モータ用電機子及びモータ - Google Patents

Description

本発明は、モータ用電機子及びモータに関する。

モータ駆動時の損失として、巻線の抵抗成分によって生じる銅損と、電機子を構成するコアの物性によって生じる鉄損と、回転運動に伴う摩擦によって生じる機械損とが知られている。鉄損は、さらにヒステリシス損及び渦電流損に分類されるが、その大部分が渦電流損で占められている。このため、鉄損を低減してモータの効率を向上させるには、渦電流損を低減する必要がある。渦電流は、電磁誘導作用によってコア内に生じる電流であり、コア内の磁束が変化した場合に当該変化を妨げる方向に流れる。渦電流損は、渦電流が流れることによりジュール熱として失われるエネルギーである。

コアは、通常、多数の電磁鋼板を積層して構成される。また、各電磁鋼板は、その表面に絶縁層が形成された板状体からなる。板形状の導体における渦電流損Ｐｅは、導体の厚さｈ、周波数ｆ、最大磁束密度Ｂｍ及び磁性体の抵抗率ρを用いた次式で表わされることが知られている。この式によれば、コアに用いられる電磁鋼板の厚さを１／２倍にすれば、渦電流損は１／４倍になることがわかる。つまり、電磁鋼板の厚さが薄くなれば、渦電流損が低減することがわかる。

また、ステータコアの形状を工夫することにより、鉄損を低減する方法が従来から提案されている（例えば、特許文献１及び２）。特許文献１には、圧縮応力と平行な複数のスリットがバックヨーク部に設けられたコアが記載されている。このような構成を採用することにより、焼き嵌めによる圧縮応力を緩和し、鉄損を低減できることが記載されている。

特開２０１１−１６０５７８号公報 特開２０１２−１３５１２３号公報

しかしながら、渦電流損を低減するために電磁鋼板の厚さを薄くした場合、電磁鋼板の機械的強度が低下し、また、電磁鋼板の加工が困難になるという問題があった。また、渦電流損を低減するためにバックヨーク部にスリットを設けた場合も、電磁鋼板の機械的強度が低下するという問題があった。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、渦電流損を低減することにより、モータの効率を向上させることを目的とする。

本発明の第１の観点からのモータ用電機子は、モータに使用されるモータ用電機子であって、２以上の電磁鋼板が積層され、前記モータの径方向に延びるティース部を有するコアと、前記ティース部に周方向に巻回される導線とを有し、前記電磁鋼板のティース部の表面には、径方向に延びる２以上の第一凹部が位置する。

本発明によれば、渦電流損を低減することにより、モータの効率を向上させることができる。

本発明の実施の形態１によるモータＭ１の一構成例を模式的に示した断面図である。 図１のステータ１２の断面を示した断面図である。 図１のティース部１２Ｔを軸方向から見た拡大図である。 図１のティース部１２Ｔを周方向から見た拡大図である。 コア１２０の詳細構成の一例を示した図である。 図５のＢ−Ｂ切断線によりコア１２０を切断した断面を含む斜視図である。 コア１２０の断面の他の例を示した斜視図である。 評価用電機子２００を模式的に示した図である。 比較用電機子２１０を模式的に示した図である。 第一凹部５１と電磁鋼板１２２の結晶粒層との関係を模式的に示した図である。 本発明の実施の形態２によるコア１２０の詳細構成の一例を示した図である。 図１１のＣ−Ｃ切断線によりコア１２０を切断した断面を含む斜視図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。本明細書では、便宜上、モータの中心軸Ｊの方向を上下方向として説明するが、本発明によるモータの使用時における姿勢を限定するものではない。また、モータの中心軸Ｊの方向を単に「軸方向」と呼び、中心軸Ｊを中心とする径方向及び周方向を単に「径方向」及び「周方向」と呼ぶことにする。同様にして、電機子及びそのコアについても、モータ内に組み込まれた状態においてモータの軸方向、径方向及び周方向と一致する方向を「軸方向」、「径方向」及び「周方向」と呼ぶことにする。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１によるモータＭ１の一構成例を示した図であり、中心軸Ｊを含む平面で切断したときの断面が示されている。モータＭ１は、家電製品、事務機器、医療機器、自動車などの駆動装置の駆動源として使用され、駆動装置の枠体に固定される静止部と、当該静止部により回転可能に支持される回転部とにより構成される。回転部には、シャフト１０及びロータ１１が含まれる。一方、静止部には、ステータ１２、回路基板１３、軸受１４、ブラケット１５及びスペーサ１６が含まれる。以下、これらの各部品について詳しく説明する。

シャフト１０は、軸方向（上下方向）に延びる略円柱状の部材であり、２つの軸受１４により支持され、中心軸Ｊを中心として回転する。

ロータ１１は、シャフト１０とともに回転する部材であり、ステータ１２に対し相対的に回転する。ロータ１１は、ロータホルダ１１０及びロータマグネット１１１により構成される。ロータホルダ１１０は、円筒部１１Ｃ及び底板部１１Ｂにより構成され、軸方向上方に開口を有する有底円筒形状からなる。円筒部１１Ｃは、略円筒形状を有し、ステータ１２の径方向外側に配置される。底板部１１Ｂは、円筒部１１Ｃの下端から径方向内方に延びる板状の部材であり、ステータ１２の下方に配置され、シャフト１０に固定されている。ロータマグネット１１１は、ロータホルダ１１０の円筒部１１Ｃの内周面に固定された磁石である。ロータマグネット１１１の内周面には、ステータ１２と対向する磁極面が形成されている。当該磁極面は、Ｎ極の磁極領域とＳ極の磁極領域とが周方向に交互に並ぶように着磁されている。

ステータ１２は、モータＭ１の電機子であり、略円環形状を有し、ブラケット１５に固定されている。また、ステータ１２は、ロータ１１の径方向内側に配置され、ステータ１２の外周面は、間隙を介してロータマグネット１１１と径方向において対向する。

回路基板１３は、コイル１２１に駆動電流を供給する電子回路（不図示）を搭載した基板であり、略円形の板状体からなる。回路基板１３は、ロータ１１の軸方向上側に配置され、ロータホルダ１１０の軸方向上方の開口と対向する。また、回路基板１３は、ブラケット１５に対応する貫通孔を有する。

軸受１４は、シャフト１０を回転自在に支持する部材であり、例えば、玉軸受が用いられる。２つの軸受１４は、いずれもシャフト１０に対して圧入固定され、ブラケット１５に対して隙間嵌めされる。また、これらの軸受１４は、ブラケット１５内に固定されたスペーサ１６を挟んでブラケット１５内に収容されている。

ブラケット１５は、軸受１４を収容する軸受保持部であり、亜鉛メッキ鋼板などの金属板をプレス加工することにより得られる。ブラケット１５は、ステータ１２の内周面に圧入固定される円筒部１５Ｃと、円筒部１５Ｃの上端から径方向外方に延びるフランジ部１５Ｆとによって構成される。円筒部１５Ｃ内には、略円筒形状のスペーサ１６が収容されている。スペーサ１６をブラケット１５内に圧入することにより、２つの軸受１４がブラケット１５によって支持される。

図２〜図４は、図１のステータ１２の詳細構成を示した図である。図２は、ステータ１２を図１のＡ−Ａ切断線で切断したときの断面を示した断面図である。図３及び図４は、ステータ１２の一部を拡大して示した拡大図であり、図３には、ティース部１２Ｔを軸方向から見たときの様子が示され、図４には、ティース部１２Ｔを周方向から見たときの様子が示されている。

＜コア１２０＞
コア１２０は、２以上の電磁鋼板１２２を軸方向（上下方向）に積層した積層体である。例えば、厚さ３５０μｍのケイ素鋼板を２０枚積層することによりコア１２０が得られる。また、コア１２０は、厚さ及び平面形状が同一の電磁鋼板１２２によって構成される。このため、電磁鋼板１２２の平面形状は、コア１２０の平面形状と一致する。コア１２０の平面形状は、環状のコアバック部１２Ｂと、コアバック部１２Ｂの外周縁から径方向外方に延びる複数のティース部１２Ｔと、ティース部１２Ｔの径方向外端にそれぞれ配置された複数のアンブレラ部１２Ｕとによって構成される。

コアバック部１２Ｂは、周方向に延びる形状を有する。図２〜図４に示されたコアバック部１２Ｂは、円環形状を有する。当該円環形状の中心は、中心軸Ｊと一致する。当該円環形状の径方向の幅は、略一定である。当該円環形状の内周面は、ブラケット１５の円筒部１５Ｃの外周面と対向する。

ティース部１２Ｔは、径方向に延びる形状を有する。また、ティース部１２Ｔの一端にはコアバック部１２Ｂが配置され、ティース部１２Ｔの他端にはアンブレラ部１２Ｕが配置されている。図２〜図４に示されたティース部１２Ｔは、コアバック部１２Ｂよりも径方向外側に配置されている。つまり、ティース部１２Ｔの径方向内端にコアバック部１２Ｂが配置され、ティース部１２Ｔの径方向外端にアンブレラ部１２Ｕが配置されている。また、ティース部１２Ｔは、周方向の幅を一定に維持しつつ径方向に直線的に延びる略矩形の形状を有する。

アンブレラ部１２Ｕは、ティース部１２Ｔの一端に設けられ、周方向に延びる形状を有する。アンブレラ部１２Ｕの周方向の幅は、ティース部１２Ｔよりも広い。アンブレラ部１２Ｕの径方向の長さは、ティース部１２Ｔよりも短い。図２〜図４に示されたアンブレラ部１２Ｕは、ティース部１２Ｔの径方向外端に設けられている。また、アンブレラ部１２Ｕの外周面は、ロータ１１の内周面と対向する。このため、ロータ１１によって生成される磁束の一部は、アンブレラ部１２Ｕの外周面を通って、コア１２０内に入り、アンブレラ部１２Ｕ内に略径方向の磁界を形成する。

＜コイル１２１＞
コイル１２１は、コア１２０に巻回された導線により構成される。当該導線に駆動電流を流すことにより、磁芯としてのコア１２０内に磁束が発生する。このため、アンブレラ部１２Ｕとロータマグネット１１１との間に周方向のトルクが発生し、シャフト１０が中心軸Ｊを中心として回転する。コイル１２１の導線は、ティース部１２Ｔに対し周方向に巻回されている。このため、駆動電流の変化量に応じて、ティース部１２Ｔ内には径方向の磁束が発生する。当該磁束は、ティース部１２Ｔの両端に配置されたアンブレラ部１２Ｕ内及びコアバック部１２Ｂ内を通る。

なお、コイル１２１の導線は、２以上の電磁鋼板１２２を積層した積層体に対して巻回されている。また、コイル１２１は、コア１２０と導通しないように、例えば、絶縁性の樹脂からなるインシュレータを介在させてティース部１２Ｔに巻回されるが、便宜上、本実施の形態では省略する。なお、インシュレータに代えて、コア１２０に対して絶縁性の粉末の被膜が形成される粉体塗装による絶縁が行われてもよい。

＜渦電流＞
コア１２０内の磁束密度が変化すれば、コア１２０内に渦電流が流れる。渦電流は、磁束に垂直な面内において環状に流れる電流であり、磁束密度の変化を妨げる方向に流れる。コア１２０を構成する各電磁鋼板１２２は、互いに絶縁されているため、渦電流の経路は、各電磁鋼板１２２内に形成され、異なる電磁鋼板１２２に跨がることはない。つまり、渦電流の経路は、各電磁鋼板１２２内の断面であって、上記磁束に垂直な面内に形成される。

図５及び図６は、コア１２０の詳細構成の一例を示した図である。図４は、コイル１２１が取り付けられていない状態のコア１２０を示した拡大図であり、図３と同様、軸方向から見たときの様子が示されている。また、図６は、図５のＢ−Ｂ切断線によりコア１２０を切断した断面を含む斜視図である。

＜凹部５１〜５３＞
コア１２０を構成する各電磁鋼板１２２の表面には凹部５１〜５３が設けられる。凹部５１〜５３は、電磁鋼板１２２のティース部１２Ｔ、アンブレラ部１２Ｕ及びコアバック部１２Ｂにそれぞれ形成される。凹部５１〜５３の深さｄは、電磁鋼板１２２の厚さｈよりも短く、凹部５１〜５３は、電磁鋼板１２２を軸方向に貫通していない。例えば、厚さｈが３５０μｍの電磁鋼板１２２に対し、深さｄが１００μｍの凹部５１〜５３が形成される。また、凹部５１〜５３は、電磁鋼板１２２の表面上に細長い形状の開口を有する。細長いとは、凹部の溝の幅よりも凹部が延びる方向の長さの方が大きいことをいう。つまり、凹部５１〜５３は、電磁鋼板１２２の溝部として形成される。

渦電流は、主として電磁鋼板１２２の表面付近を流れる。このため、電磁鋼板１２２に凹部５１〜５３を形成することにより、渦電流の経路を蛇行させ、その経路長を長くすることができる。その結果、経路における電気抵抗Ｒが増大し、渦電流Ｉが減少する。渦電流損は、渦電流が流れることによって発生するジュール熱による損失であり、一般に、Ｒ×Ｉ^２として与えられる。従って、電磁鋼板１２２に凹部５１〜５３が設けられることにより、渦電流損を抑制し、モータＭ１の効率を向上させることができる。しかも、電磁鋼板１２２を貫通するスリットを設ける場合に比べて、電磁鋼板１２２の機械的強度を確保することができる。

また、凹部５１〜５３は、電磁鋼板１２２内を通る磁束の方向と略同一の方向に延びる形状を有する。渦電流は磁束に垂直な面内を流れることから、凹部５１〜５３の延伸方向を磁束の方向と略一致させることにより、軸方向から平面視した場合に凹部５１〜５３が渦電流と交差し、渦電流の発生を効果的に抑制することができる。また、３以上の凹部５１〜５３が略平行に配列し、隣接する凹部５１〜５３の間隔が略同一となることにより、渦電流を更に効果的に抑制することができる。

凹部５１〜５３は、例えば、電磁鋼板１２２にレーザ光を照射することによって形成される。コア１２０は、２以上の電磁鋼板１２２の積層体であるため、各電磁鋼板１２２に僅かな歪みが生じることにより、コア１２０のばらつきが大きくなる場合がある。このため、凹部５１〜５３の加工には、短パルスレーザを用いることが望ましい。特に、ピコ秒パルスレーザ又はフェムト秒パルスレーザを用いれば、凹部５１〜５３の加工時に電磁鋼板１２２に歪みが生じるのを抑制することができる。

凹部５１〜５３の幅は、渦電流損にほとんど影響を与えないことから、電磁鋼板１２２の機械的強度を確保する観点から、凹部５１〜５３の幅は狭い方が望ましい。そこで、凹部５１〜５３の軸方向における断面形状は、電磁鋼板１２２の表面から離れるほど幅が狭くなるＶ字形状として形成される。特に、凹部５１〜５３の開口の幅を深さｄよりも短くし、凹部５１〜５３の断面形状をＶ字形状にすることが望ましい。例えば、凹部５１〜５３の断面は、深さｄ＝１００μｍ、開口の幅ｗ＝２０μｍのＶ字形状として形成される。また、体積比で電磁鋼板１２２の１％以下となるように凹部５１〜５３を配置することが望ましい。

凹部５１〜５３は、いずれも電磁鋼板１２２の互いに対向する上面及び下面に形成することができる。本明細書では、電磁鋼板１２２の上面に形成された凹部５１〜５３を第一上凹部、第二上凹部及び第三上凹部とそれぞれ呼び、電磁鋼板１２２の下面に形成された凹部５１〜５３を第一下凹部、第二下凹部及び第三下凹部とそれぞれ呼ぶことにする。なお、本実施の形態では、凹部５１〜５３が、いずれも電磁鋼板の上面及び下面に設けられている例について説明するが、凹部５１〜５３は、電磁鋼板１２２の上面又は下面の少なくとも一方に設けられていればよい。

＜第一凹部５１＞
第一凹部５１は、電磁鋼板１２２のティース部１２Ｔに形成された凹部である。第一凹部５１は、電磁鋼板１２２の表面上に開口を有する。当該開口は、周方向の幅が径方向の長さよりも短く、径方向に延びる形状を有する。つまり、第一凹部５１は、径方向に延びる溝形状からなる。また、ティース部１２Ｔには、２以上の第一凹部５１が周方向に配列されている。

ティース部１２Ｔ内には径方向に磁束が通る。このため、第一凹部５１を径方向に延伸させることにより、軸方向から平面視した場合に第一凹部５１を渦電流と交差させ、渦電流損を抑制することができる。また、好ましくは、２以上の第一凹部５１を周方向に配列させることにより、より渦電流を抑制することができる。さらに、３以上の第一凹部５１を略同一の間隔で配列させることにより、渦電流をより効果的に抑制することができる。

図６の第一上凹部５１Ａは、電磁鋼板１２２の上面に設けられた第一凹部５１であり、図６の第一下凹部５１Ｂは、電磁鋼板１２２の下面に設けられた第一凹部５１である。つまり、第一凹部５１は、電磁鋼板１２２の上面及び下面に配置されている。

第一上凹部５１Ａ及び第一下凹部５１Ｂが異なる位置に配置されていれば、同じ位置に配置されている場合に比べて、電磁鋼板１２２の機械的強度をより増大させることができるとともに、渦電流の経路長をより長くすることができる。このため、第一上凹部５１Ａ及び第一下凹部５１Ｂは、周方向の異なる位置に配置されていることが望ましい。例えば、第一上凹部５１Ａの少なくとも１つが、周方向において互いに隣り合う２つの第一下凹部５１Ｂの間に配置され、あるいは、第一下凹部５１Ｂの少なくとも１つが、周方向において互いに隣り合う２つの第一上凹部５１Ａの間に配置されることが望ましい。さらに、全ての第一上凹部５１Ａ及び全ての第一下凹部５１Ｂが、周方向の異なる位置に配置されていることがより望ましい。特に、図６に示した通り、第一上凹部５１Ａ及び第一下凹部５１Ｂが、周方向において交互に配置される構成が望ましい。

さらに、第一上凹部５１Ａは、互いに隣り合う２つの第一下凹部５１Ｂの略中央に配置されることが望ましく、第一下凹部５１Ｂの位置は、互いに隣り合う２つの第一上凹部５１Ａの略中央に配置されることが望ましい。また、第一凹部５１の間隔ｓは、コイル１２１を構成する導線の巻回ピッチｐよりも小さいことが望ましい。第一凹部５１の間隔ｓは、互いに隣接する第一凹部５１の開口縁部間における距離である。巻回ピッチｐは、互いに隣接する導線の中心間の距離である。

図７は、コア１２０の詳細構成の他の例を示した図である。図７は、図６と同様、図５のＢ−Ｂ切断線によりコア１２０を切断した断面を含む斜視図である。図７において、第一上凹部５１Ａ及び第一下凹部５１Ｂは、周方向の異なる位置に配置されている。また、第一上凹部５１Ａは、互いに隣り合う２つの第一下凹部５１Ｂの間に配置され、第一下凹部５１Ｂは互いに隣り合う２つの第一上凹部５１Ａの間に配置されている。つまり、第一上凹部５１Ａ及び第一下凹部５１Ｂは、周方向において交互には配置されていないが、互いに隣接する２つの第一上凹部５１Ａの組み合わせと、互いに隣接する２つの第一下凹部５１Ｂの組み合わせとが、周方向において交互に配置されている。

＜第二凹部５２＞
第二凹部５２は、電磁鋼板１２２のアンブレラ部１２Ｕに形成された凹部である。第二凹部５２は、電磁鋼板１２２の表面上に開口を有する。当該開口は、周方向の幅が径方向の長さよりも短く、略径方向に延びる形状を有する。つまり、第二凹部５２は、略径方向に延びる溝形状からなる。また、アンブレラ部１２Ｕには、２以上の第二凹部５２が周方向に配列されている。

第二凹部５２は、アンブレラ部１２Ｕ内を通る磁束の方向に略一致するように配置されている。第二凹部５２の延伸方向を磁束の方向と略一致させることにより、軸方向から平面視した場合に第二凹部５２を渦電流と交差させ、渦電流損を効果的に抑制することができる。また、２以上の第二凹部５２を周方向に配列させることにより、より渦電流を抑制することができる。

第二凹部５２は、略径方向に延びるが、隣接する第二凹部５２の間隔は、径方向外側にいくほど大きくなる。具体的には、アンブレラ部１２Ｕの周方向の中央付近では、第二凹部５２は径方向に直線的に延びる。一方、周方向の両端付近では、隣接する第二凹部５２の間隔がロータ１１に向かうにつれて大きくなる。

また、第二凹部５２は、電磁鋼板１２２の上面及び下面に配置される。上面に形成される第二上凹部と、下面に形成される第二下凹部とは、互いに異なる位置に配置されることが望ましい。例えば、第二上凹部の少なくとも１つが、周方向において互いに隣り合う２つの第二下凹部の間に配置され、あるいは、第二下凹部の少なくとも１つが、周方向において互いに隣り合う２つの第二上凹部の間に配置される。また、全ての第二上凹部と、全ての第二下凹部が、周方向の異なる位置に配置されていることがより望ましい。特に、第二上凹部及び第二下凹部が、周方向において交互に配置される構成が望ましい。さらに、第二上凹部の位置は、周方向において互いに隣り合う第二下凹部の略中央であることが望ましく、第二下凹部の位置は、周方向において互いに隣り合う第二上凹部の略中央であることが望ましい。

アンブレラ部１２Ｕは、ティース部１２Ｔの径方向外端に設けられ、ロータ１１と対向する。このため、アンブレラ部１２Ｕ内には、コイル１２１の駆動電流によって生じる磁束と、ロータ１１の磁石によって生じる磁束とが存在する。しかも、両者の磁束密度を比較すれば後者の方が大きい場合が多い。このため、アンブレラ部１２Ｕ内には、ティース部１２Ｔ内よりも大きな磁界が形成され、より大きな渦電流損が生じ得る。このため、互いに隣り合う第二凹部５２の間隔は、互いに隣り合う第一凹部５１の間隔よりも狭いことが望ましい。例えば、第二凹部５２の間隔の最小値は、第一凹部５１の間隔の最小値よりも小さいことが望ましい。また、第二凹部５２の間隔の平均値は、第一凹部５１の平均値よりも小さいことが望ましい。

＜第三凹部５３＞
第三凹部５３は、コアバック部１２Ｂに形成された凹部である。第三凹部５３は、略周方向に延びる開口を有する。当該開口は、径方向の幅が周径方向の長さよりも短く、周径方向に延びる形状を有する。つまり、第三凹部５３は、周方向に延びる溝形状からなる。コアバック部１２Ｂ内には、周方向に磁束が通ることから、第三凹部５３が周方向に延伸することにより、軸方向から平面視した場合に第三凹部５３が渦電流と交差し、渦電流損を抑制することができる。

また、２以上の第三凹部５３を径方向に配列させることにより、より渦電流を抑制することができる。さらに、３以上の第三凹部５３を略同一の間隔で配列させることにより、渦電流をより抑制することができる。

また、第三凹部５３は、電磁鋼板１２２の互いに対向する上面及び下面に配置される。上面に形成される第三上凹部と、下面に形成される第三下凹部とは、互いに異なる位置に配置されることが望ましい。例えば、第三上凹部の少なくとも１つが、径方向において互いに隣り合う第三下凹部の間に配置され、あるいは、第三下凹部の少なくとも１つが、径方向において互いに隣り合う第三上凹部の間に配置されることが望ましい。また、全ての第三上凹部と、全ての第三下凹部が、径方向の異なる位置に配置されていることがより望ましい。特に、第三上凹部及び第三下凹部が、径方向において交互に配置される構成が望ましい。さらに、第三上凹部の位置は、径方向において互いに隣り合う第三下凹部の略中央であることが望ましく、第三下凹部の位置は、径方向において互いに隣り合う第三上凹部の略中央であることが望ましい。

＜シミュレーション結果＞
図８及び図９は、渦電流損のシミュレーション結果を模式的に示した図である。図８には、本実施の形態による電磁鋼板１２２を含む評価用電機子２００が示され、図９には、凹部５１が形成されていない従来の電磁鋼板２１１を含む比較用電機子２１０が示されている。

図８の評価用電機子２００は、１枚の電磁鋼板１２２に導線が巻回されている。電磁鋼板１２２は、図６に示した電磁鋼板である。電磁鋼板１２２の上面には第一上凹部５１Ａが形成されている。電磁鋼板１２２の下面には第一下凹部５１Ｂが形成されている。図６中の左右方向において、第一上凹部５１Ａ及び第一下凹部５１Ｂは、交互に配置されている。また、電磁鋼板１２２は、厚さｈが３５０μｍである。第一上凹部５１Ａ及び第一下凹部５１Ｂは、深さｄが１００μｍ、開口の幅ｗが２０μｍである。また、第一上凹部５１Ａ及び第一下凹部５１Ｂは、短波パルスレーザを照射し、電磁鋼板１２２の体積の略１％を除去することによって形成される。

図９の比較用電機子２１０は、１枚の電磁鋼板２１１に導線が巻回されている。電磁鋼板２１１は、一般的なモータ用電機子に用いられる従来の電磁鋼板であり、第一上凹部５１Ａ及び第一下凹部５１Ｂを有しない点を除き、本実施の形態による電磁鋼板１２２と同一である。

コイル１２１に時計方向の駆動電流２０１が流れると、電磁鋼板１２２，２１１内には、紙面と垂直に手前から奥へ向かう磁場２０２が形成される。この磁場２０２が変化したとき、当該変化を抑制するように渦電流２０３が流れる。例えば、磁場２０２が増大した場合であれば、渦電流２０３が反時計方向に流れる。

同一の条件下において評価用電機子２００及び比較用電機子２１０に生じる渦電流損をシミュレーションで求めたところ、評価用電機子２００は、比較用電機子２１０に比べ、３０％の渦電流損が低減されることがわかった。

渦電流２０３は、電磁鋼板１２２，２１１内に形成される環状の経路を流れる。また、渦電流２０３は、主に電磁鋼板１２２，２１１の表面近傍を流れる。このため、図９では、渦電流２０３の経路が、電磁鋼板２１１の表面に沿って延びる滑らかな曲線経路として形成されている。これに対し、図８では、電磁鋼板１２２の上面及び下面に第一上凹部５１Ａ及び第一下凹部５１Ｂが設けられているため、これらを回避するように渦電流２０３の流路が蛇行し流路長が長くなる。その結果、渦電流２０３が減少し、渦電流損も減少する。

本実施の形態による電磁鋼板１２２は、厚さｈが２５０μｍの電磁鋼板を繰り返し折り曲げることによって、厚さｈが３５０μｍとなるように成形したものに相当すると考えることもできる。つまり、厚さ２５０μｍの電磁鋼板と同等の渦電流損を実現しつつ、より大きな機械的強度を確保することができる。

また、電磁鋼板１２２を薄くすることによるコストの増大を回避しつつ、渦電流損を抑制することができる。軸方向の長さが同一のコア１２０を製作する場合、薄い電磁鋼板１２２を使用すれば、必要となる電磁鋼板１２２の枚数が多くなる。このため、渦電流損を抑制するために電磁鋼板１２２を薄くすれば、コア１２０を製作するための加工工数が増大する。しかしながら、本実施の形態による電磁鋼板１２２は、電磁鋼板１２２を薄くすることなく、渦電流損を抑制しているため、コストを顕著に増大させることなく、渦電流損を抑制することができる。

＜結晶粒層３１，３２Ａ，３２Ｂ＞
図１０は、第一凹部５１と、電磁鋼板１２２の結晶粒層との関係を模式的に示した図であり、図５のＢ−Ｂ切断面が拡大して示されている。電磁鋼板１２２は、第一結晶粒層３１と、第一結晶粒層３１の上方及び下方に形成された第二結晶粒層３２Ａ，３２Ｂとより構成される。なお、図中では、第二結晶粒層３２Ａ，３２Ｂにハッチングが付されている。

第一結晶粒層３１は、凹部５１〜５３が形成される前の状態において、電磁鋼板１２２の上面又は下面のいずれからも露出していない結晶粒によって構成される層である。第二結晶粒層３２Ａ，３２Ｂは、電磁鋼板１２２の上面又は下面から露出する結晶粒により構成される層である。結晶粒は、結晶方位がそろっている結晶の塊であり、第二結晶粒層３２Ａ，３２Ｂの結晶粒は、その粒径が第一結晶粒層３１の結晶粒よりも小さい。

第一凹部５１は、第一結晶粒層３１に達するように形成される。つまり、第一凹部５１の深さｄは、第二結晶粒層３２Ａ，３２Ｂの厚さよりも大きい。また、第一結晶粒層３１の結晶粒は、第一凹部５１の内面の一部を構成している。第二凹部５２及び第三凹部５３と、結晶粒層３１，３２Ａ，３２Ｂとの関係についても、第一凹部５１の場合と同様であるため、重複する説明を省略する。

実施の形態２．
実施の形態１では、凹部５１〜５３が電磁鋼板１２２の溝部として形成される例について説明した。これに対し、本実施の形態では、凹部５１〜５３が一列に配列された多数の微小凹部５４である場合について説明する。

図１１及び図１２は、本発明の実施の形態２によるコア１２０の詳細構成の一例を示した図である。図１１は、コア１２０の一部を拡大して示した拡大図であり、図５と同様にして軸方向から見たときの様子が示されている。また、図１２は、図１１のＣ−Ｃ切断線によりコア１２０を切断した断面を含む斜視図である。

＜微小凹部５４＞
凹部５１〜５３は、多数の微小凹部５４によって構成される。微小凹部５４の深さｄは、電磁鋼板１２２の厚さｈよりも短い。微小凹部５４は電磁鋼板１２２を軸方向に貫通していない。例えば、厚さｈが３５０μｍの電磁鋼板１２２に対し、深さｄが１００μｍの微小凹部５４が形成される。また、微小凹部５４は、電磁鋼板１２２の表面に、好ましくは円形又は楕円形の開口を有する。多数の微小凹部５４の開口が、電磁鋼板１２２の表面上において一列に配列されている。電磁鋼板１２２の表面には、これらの微小凹部５４の列として、線状の凹部５１〜５３が形成される。

微小凹部５４は、電磁鋼板１２２にレーザ光を照射することによって形成される。例えば、短パルスレーザを用いることができる。特に、ピコ秒パルスレーザ又はフェムト秒パルスレーザを用いれば、微小凹部５４の加工時に電磁鋼板１２２に歪みが生じるのを抑制することができる。

微小凹部５４は、開口の幅ｗが深さｄよりも短く、断面がＶ字形状であることが望ましい。例えば、微小凹部５４の断面形状は、深さｄ＝１００μｍ、開口の幅ｗ＝２０μｍのＶ字形状として形成される。また、体積比で電磁鋼板１２２の１％以下を除去することによって微小凹部５４を形成することが、機械的強度を確保する観点からは望ましい。開口の幅ｗは、凹部５１〜５３の幅方向における微小凹部５４の開口の長さである。

＜凹部５１＞
第一凹部５１は、電磁鋼板１２２のティース部１２Ｔに形成された凹部であり、多数の微小凹部５４によって構成される。電磁鋼板１２２の表面上において微小凹部５４を一列に配列することにより、径方向に延びる直線状の第一凹部５１が形成される。

図１１の第一上凹部５１Ａは、電磁鋼板１２２の上面に設けられた第一凹部５１であり、電磁鋼板１２２の上面に形成された多数の微小凹部５４によって構成される。同様にして、図１１の第一下凹部５１Ｂは、電磁鋼板１２２の下面に設けられた第一凹部５１であり、電磁鋼板１２２の上面に形成された多数の微小凹部５４によって構成される。

なお、本実施の形態では、アウターロータ型のモータＭ１の例について説明したが、本発明の適用対象は、この様なモータのみに限定されない。すなわち、本発明は、電磁鋼板１２２を積層してコア１２０が形成され、当該コア１２０のティース部１２Ｔが径方向に延び、当該ティース部１２Ｔに対し周方向に導線を巻回させた電機子を備えたモータに適用することができる。

例えば、ロータ１１がステータ１２よりも径方向内側に配置されているインナーロータ型モータに対し、本発明を適用することができる。インナーロータ型モータの場合、ティース部１２Ｔがコアバック部１２Ｂよりも径方向内側に配置される。つまり、ティース部１２Ｔの径方向外端にコアバック部１２Ｂが配置され、ティース部１２Ｔの径方向内端にアンブレラ部１２Ｕが配置される。

また、本実施の形態では、ステータ１２が電機子で構成されるブラシレス型のモータＭ１の例について説明したが、本発明の適用対象は、この様なモータのみに限定されない。すなわち、本発明は、ロータが電機子で構成されるブラシ付きのモータにも適用することができる。

また、本発明によるコア１２０は、コイル１２１の取り付け後に、折り曲げ加工を行うことにより、コアバック部１２Ｂを環状にするストレートコア（展開コア）であってもよい。また、本発明によるコア１２０は、アンブレラ部１２Ｕを備えていないコアであってもよい。また、本発明によるコア１２０は、２以上の分割コアで構成することもできる。つまり、コア１２０は、予めコイルが取り付けられた２以上の分割コアを互いに連結して構成されるものであってもよい。

上記実施の形態では、コアバック部１２Ｂが円環形状を有する場合の例について説明した。しかしながら、コアバック部１２Ｂは周方向に延びる形状を有すればよく、他の形状を有するものであってもよい。例えば、コアバック部１２Ｂは、多角形の内縁又は外縁を有する環状形状であってもよい。また、コアバック部１２Ｂの幅は一定でなくてもよい。

１０ シャフト
１１ ロータ
１１Ｂ 底板部
１１Ｃ 円筒部
１１０ ロータホルダ
１１１ ロータマグネット
１２ ステータ
１２Ｂ コアバック部
１２Ｔ ティース部
１２Ｕ アンブレラ部
１３ 回路基板
１４ 軸受
１５ ブラケット
１５Ｃ 円筒部
１５Ｆ フランジ部
１６ スペーサ
３１ 第一結晶粒層
３２Ａ，３２Ｂ 第二結晶粒層
５１ 第一凹部
５１Ａ 第一上凹部
５１Ｂ 第一下凹部
５２ 第二凹部
５３ 第三凹部
５４ 微小凹部
１２０ コア
１２１ コイル
１２２ 電磁鋼板
２００ 評価用電機子
２０１ 駆動電流
２０２ 磁場
２０３ 渦電流
２１０ 比較用電機子
２１１ 電磁鋼板
Ｊ 回転軸
Ｍ１ モータ

Claims (12)

1. モータに使用されるモータ用電機子であって、
   ２以上の電磁鋼板が積層され、前記モータの径方向に延びるティース部を有するコアと、
   前記ティース部に周方向に巻回される導線とを有し、
   前記電磁鋼板の表面には、凹部が設けられ、
   前記凹部は、径方向に延びる２以上の第一凹部を含み、
   前記第一凹部は、前記電磁鋼板の前記ティース部の上面及び下面にそれぞれ位置し、
   前記電磁鋼板の上面もしくは下面に位置する少なくとも１つの前記第一凹部は、軸方向反対側の面に位置する隣り合う２つの前記第一凹部の間に位置することを特徴とするモータ用電機子。
2. 前記第一凹部は、周方向において、前記電磁鋼板の上面及び下面に交互に位置することを特徴とする請求項１に記載のモータ用電機子。
3. ３以上の前記第一凹部は、周方向において略同一の間隔で位置することを特徴とする請求項２に記載のモータ用電機子。
4. 前記コアは、前記ティース部の一端に配置され、前記モータの磁石と対向し、周方向に延びるアンブレラ部を備え、
   前記凹部は、前記アンブレラ部の表面に位置する２以上の第二凹部を含み、
   前記アンブレラ部の前記第二凹部は、前記ティース部の前記第一凹部に比べ、隣接する前記第二凹部の間隔が狭いことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のモータ用電機子。
5. 前記コアは、前記ティース部の他端に配置され、周方向に延びるコアバックと、
   前記ティース部の一端に配置され、前記モータの磁石と対向し、周方向に延びるアンブレラ部とを備え、
   前記アンブレラ部の周方向の長さは、前記ティース部の周方向の長さよりも長く、
   前記アンブレラ部の表面には、２以上の第二凹部が位置し、
   隣り合う第二凹部の間隔がロータに向かうにつれて大きくなることを特徴とする請求項４に記載のモータ用電機子。
6. 前記電磁鋼板は、第１結晶粒層と、第１結晶粒層の上方及び下方に形成され、第１結晶粒層よりも小さい結晶粒で構成される第２結晶粒層とを備え、
   前記凹部は、第１結晶粒層に達することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のモータ用電機子。
7. 前記第一凹部は、径方向に一列に配置された多数の微小凹部で構成されることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のモータ用電機子。
8. 前記凹部は、溝形状からなることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のモータ用電機子。
9. 前記凹部は、深さが周方向の幅よりも大きいことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載のモータ用電機子。
10. 前記微小凹部は、周方向の幅が略２０μｍ、深さが１００μｍであり、
    前記微小凹部の体積は、前記電磁鋼板の体積の１％以下であることを特徴とする請求項７に記載のモータ用電機子。
11. 前記凹部は、ピコ秒パルスレーザ又はフェムト秒パルスレーザを用いて形成されることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載のモータ用電機子。
12. 請求項１〜１１のいずれかに記載されたモータ用電子機で構成されるステータと、
    回転可能なシャフトと、
    前記シャフトに取り付けられ、前記ステータに対し相対的に回転するロータとを備えたことを特徴とするモータ。

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