JP7209260B2

JP7209260B2 - 固定子およびモータ

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Publication number: JP7209260B2
Application number: JP2019088270A
Authority: JP
Inventors: 光央齋藤; 尚紀野尻; 秀明濱田; 憲司谷本; 文彦川合; 幸男西川
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2019-05-08
Filing date: 2019-05-08
Publication date: 2023-01-20
Anticipated expiration: 2039-05-08
Also published as: US11601021B2; CN111917198A; CN111917198B; US20200358323A1; JP2020184836A

Description

本開示は、固定子およびモータに関する。

従来、モータの固定子（固定子鉄心ともいう）には、積層部材として、純鉄、電磁鋼板、非晶質磁性体、またはナノ結晶粒を有する磁性体が用いられている。非晶質磁性体またはナノ結晶粒を有する磁性体は、電磁鋼板よりも鉄損が数分の一と低いため、モータの高効率化を目的として用いられる。

ここで、図６を用いて、特許文献１に開示されている固定子について説明する。図６は、特許文献１の固定子３３の上面図である。

図６に示す固定子３３は、軟磁性材である電磁鋼板３１が複数積層されて構成されている。電磁鋼板３１同士は、カシメにより密着している。固定子３３（電磁鋼板３１）の内側には、複数のティース部３２が設けられている。なお、図６では、ティース部３２に巻回されるコイルの図示を省略している。

また、図６では、隣り合うティース部３２の先端部が円周状に配置されていることにより、固定子の内径部３４が形成されている。電磁鋼板３１の積層方向全体に亘って高精度の形状を確保するために、固定子の内径部３４の真円度を０．０３ｍｍ以下としている。なお、特許文献１にも記載されているが、通常φ４０ｍｍ乃至φ１００ｍｍ程度の固定子の内径部の真円度は、０．１ｍｍ程度にすることが多い。

このように固定子の内径部３４の真円度を０．１ｍｍ程度にする理由については、以下の通りである。例えば、固定子の内径部３４の寸法精度が悪く、真円度が０．１ｍｍより大きい場合、エアギャップ３６（固定子３３の内側に配置される回転子３５の側面部と、ティース部３２の先端部との間の距離）にばらつきが生じる。これにより、コギングトルクなどのトルク脈動が大きくなり、モータの動作が不安定となる。

コギングトルクは、無通電状態においてロータの回転に伴って正負に生じるトルクであり、モータが動作したときに騒音や振動が発生する原因となる。よって、精密モータでは、モータの制御性および効率性の向上を目的として、コギングトルクをより小さくすることが求められる。

特許３６７８１０２号公報

しかしながら、図６に示した固定子３３を、電磁鋼板３１の代わりに、非晶質磁性体またはナノ結晶粒を有する磁性体の薄帯（以下、磁性薄帯という）を用いて構成する場合、その磁性薄帯固有の物性上の理由により、固定子の内径部は楕円形状となる。その結果、以下の問題点が生じる。

その問題点について、図７Ａ、図７Ｂを用いて説明する。図７Ａは、磁性薄帯１を積層して構成された固定子３３ａの上面図である。図７Ｂは、固定子３３ａの内径部３４ａと回転子３５とが為すエアギャップ３６を示す模式図である。

図７Ａ、図７Ｂに示すように、磁性薄帯１を積層した場合、固定子の内径部３４は楕円形状となる。これにより、図７Ｂに示すように、固定子３３ａの内径部３４ａと回転子３５とが為すエアギャップ３６のばらつきが大きくなる。その結果、コギングトルクが大きくなってしまう。

本開示の一態様の目的は、コギングトルクを低減できる固定子およびモータを提供することである。

本開示の一態様に係る固定子は、複数のティース部を備えた磁性薄帯が複数積層された固定子であって、前記磁性薄帯は、前記複数のティース部の先端部分に沿って形成された楕円形状の内径部を有し、積層された前記磁性薄帯は、前記磁性薄帯を水平方向に所定角度ずらさずに積層させた複数の小積層体に分けられ、前記複数の小積層体のうち、少なくとも１つの小積層体が、他の小積層体に対して水平方向に所定角度ずれており、かつ、積層された前記磁性薄帯の全ての前記ティース部の位置が一致しており、前記小積層体１つあたりの厚みは、０．０６ｍｍ乃至５ｍｍである。

本開示の一態様に係るモータは、本開示の一態様に係る固定子と、回転子と、を含む。

本開示によれば、コギングトルクを低減できる。

本開示の実施の形態に係る磁性薄帯の上面図本開示の実施の形態に係るモータの上面図図２に示したＬ－Ｌの断面拡大図本開示の実施の形態に係る小積層体それぞれの内径部およびエアギャップの一例を模式的に示す上面図本開示の実施の形態に係る固定子および回転子の上面図本開示の実施の形態に係る小積層体それぞれの内径部およびエアギャップの一例を模式的に示す上面図特許文献１の固定子の上面図非晶質磁性体またはナノ結晶粒を有する磁性体の薄帯を用いた固定子の上面図図７Ａに示した固定子におけるエアギャップを示す模式図

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、各図において共通する構成要素については同一の符号を付し、それらの説明は適宜省略する。

まず、図１を用いて、本実施の形態に係る磁性薄帯１について説明する。図１は、本実施の形態の磁性薄帯１の上面図である。

図１に示す磁性薄帯１は、例えば、非晶質磁性体の薄帯（非晶質薄帯といってもよい）である。磁性薄帯１は、例えば、溶融状態の金属を約１００００００℃／秒程度の超高速で急冷する液体急冷凝固法により製造される。

磁性薄帯１の１枚あたりの厚みを概ね０．０１ｍｍより小さくすると、液体急冷凝固法によって磁性薄帯１に穴が空き、モータ１００（図２参照）の効率が低下する。一方、磁性薄帯１の１枚あたりの厚みを概ね０．０６ｍｍより大きくすると、磁気特性が低下するため、モータ１００の効率が低下する。よって、磁性薄帯１の１枚あたりの厚みは、概ね０．０１乃至０．０６ｍｍであることが好ましい。

図１に示すように、磁性薄帯１は、その内側に突起状のティース部４を有している。なお、図１では、ティース部４の数が５つである場合を例示しているが、これに限定されない。

また、図１に示すように、磁性薄帯１の内径部３は、各ティース部４の先端部に沿って形成されており、楕円形状である。

以上説明した磁性薄帯１は、後述するモータ１００の固定子７に用いられる。

次に、図２～図４を用いて、本実施の形態に係るモータ１００について説明する。図２は、本実施の形態のモータ１００の上面図である。図３は、図１に示した点線Ｌ－Ｌの断面拡大図である。図４は、小積層体それぞれの内径部およびエアギャップの一例を模式的に示す上面図である。

モータ１００は、固定子７と、固定子７により回転される回転子５とを有する。

図２に示すように、回転子５は、固定子７における各ティース部４の内側に設けられる。

固定子７は、図１に示した磁性薄帯１を複数積層した積層体２（図３参照）を有する。

また、図２に示すように、固定子７の内径部３は、各ティース部４の先端部に沿って形成されている。なお、図２では、ティース部４に巻回されるコイルの図示を省略している。

図３に示すように、積層体２は、小積層体１５ａ～１５ｆを含む。

小積層体１５ａ～１５ｆは、それぞれ、複数の磁性薄帯１を円周方向にずらさずに積層させたものである。小積層体１５ａ～１５ｆそれぞれの厚みは、概ね０．０６ｍｍ乃至５ｍｍである。

なお、本実施の形態において「円周方向」とは、各上面図において時計回りの方向または反時計回りの方向をいう。また、円周方向は、水平方向の一例である。

このような小積層体１５ａ～１５ｆを、全てのティース部４の位置を一致させ、かつ、円周方向に所定角度回転させて（換言すれば、所定角度水平回転させて）積層させる。所定角度は、例えば、１２０°である。これにより、例えば、小積層体１５ｃ、１５ｄ（内径部１６ｃ、１６ｄ）は、小積層体１５ａ、１５ｂ（内径部１６ａ、１６ｂ）に対して円周方向に１２０°ずれ、小積層体１５ｅ、１５ｆ（内径部１６ｅ、１６ｆ）は、小積層体１５ｃ、１５ｄ（内径部１６ｃ、１６ｄ）に対して円周方向に１２０°ずれる（図４参照）。

図３、図４に示す内径部１６ａ～１６ｆは、それぞれ、上述したように積層された小積層体１５ａ～１５ｆの内径部である。内径部１６ａ～１６ｆは、それぞれ、設計上の内径部φ６０ｍｍに対して、概ねφ５９．５ｍｍ乃至φ６０．５ｍｍの範囲である。

上述したように小積層体１５ａ～１５ｆを円周方向にずらして積層することにより、図４に示すように、エアギャップ１４を、小積層体１５ａ～１５ｆの積層方向（固定子７の厚さ方向といってもよい）および固定子７の円周方向全体において平均化することができる。エアギャップ１４は、固定子７の内径部１０と回転子５との間の距離である。

以上説明したように、本実施の形態の固定子７では、エアギャップ１４の円周方向のばらつきと積層方向のばらつきを平均化できるので、全体としてエアギャップ１４を小さくすることができる。従来のモータでは、定格トルクの１．５％乃至２．０％の範囲で発生していたコギングトルクを、本実施の形態の固定子７を備えたモータ１００では、定格トルクの０．２％乃至０．７％にまで低減することができた。

なお、小積層体１５ａ～１５ｆそれぞれの厚みを小さくするほど、小積層体１５ａ～１５ｆの積層方向に対するエアギャップ１４のばらつきを均等にでき、コギングトルクをより小さくすることができる。ただし、小積層体１５ａ～１５ｆそれぞれの厚みを概ね０．０６ｍｍよりも小さくすると、小積層体１５ａ～１５ｆの剛性が低くなる。その結果、ティース部４の先端部が変形したり、モータ１００の効率が低下したりしてしまう。その一方で、小積層体１５ａ～１５ｆそれぞれの厚みを概ね５ｍｍより大きくすると、小積層体１５ａ～１５ｆの積層方向に対するエアギャップ１４の局所的な偏りが無視できなくなり、コギングトルクを悪化させる。以上のことから、小積層体１５ａ～１５ｆそれぞれの厚みは、概ね０．０６ｍｍ乃至５ｍｍであることが好ましい。

また、小積層体１５ａ～１５ｆを円周方向に回転させる角度（以下、回転角度という）は、隣り合うティース部４の為す角度（例えば、図４に示す６０°）の整数倍であることが好ましい。例えば、図２に示したようにティース部４の数が６個である場合、回転角度を１２０°とする。なお、ティース部４の数が６個以外である場合でも、回転角度を隣り合うティース部４の為す角度の整数倍とすることにより、エアギャップ１４のばらつきを小さくすることができ、コギングトルクを低減できる。

ここで、例えば固定子７におけるティース部４の数が４個である場合について、図５Ａ、図５Ｂを用いて説明する。図５Ａは、固定子５および回転子７の上面図である。図５Ｂは、小積層体１５ａ～１５ｄそれぞれの内径部１６ａ～１６ｄおよびエアギャップ１４の一例を模式的に示す上面図である。

図５Ａに示すように、固定子７は、４個のティース部４を有する。隣り合うティース部４の為す角度は、９０°である。また、固定子７は、積層された小積層体１５ａ～１５ｄを含む。

図５Ａに示すように、小積層体１５ａ、１５ｂは、小積層体１５ｃ、１５ｄに対し、円周方向に９０°回転している。これにより、例えば、小積層体１５ａ、１５ｂは、小積層体１５ｃ、１５ｄに対して円周方向に９０°ずれる。すなわち、この場合では、隣り合うティース部４の為す角度と、回転角度とが同じである。

この場合でも、図５Ｂに示すように、エアギャップ１４を、小積層体１５ａ～１５ｄの積層方向（固定子７の厚さ方向といってもよい）および固定子７の円周方向全体において平均化することができる。

したがって、固定子７のティース部４が４個である場合でも、エアギャップ１４のばらつきを小さくする（換言すれば、平均化する）ことができ、コギングトルクを低減することができる。

以下、エアギャップ１４のばらつきを小さくでき、コギングトルクを低減できた理由について説明する。

図１に示した磁性薄帯１は、非晶質薄帯であり、Ｆｅ（鉄）系磁性材料料を用いて液体急冷凝固法により製造される。液体急冷凝固法では、超高速で非晶質薄帯を巻き取る必要がある。そのため、液体急冷凝固法では、ある一定幅の状態の磁性材料に対して液体を供給しつつ、水冷された銅ロールに磁性材料を連続的に巻きつけては、非晶質薄帯を銅ロールから引き剥がすという工程が採用されている。

磁性材料は、急冷されて凝固する時に（換言すれば、非晶質へ相変態する時に）、銅ロールに巻きついた状態となる。このとき、磁性材料は、その流れ方向（銅ロールの円周方向）において、銅ロールの曲率に保たれる。よって、磁性材料内には、歪みが蓄積される。一方、磁性材料は、その幅方向において、銅ロールの曲率の影響を受けることはない。

その結果、磁性材料は、その幅方向と流れ方向とにおいて、蓄積される歪み量が大きく異なるという特徴がある。

この磁性材料を図１に示した磁性薄帯１の形状に加工すると、磁性材料内の莫大な歪みがある程度開放されるため、加工後の形状には変形が生じる。しかし、上述したとおり、磁性材料の幅方向と流れ方向とにおいて歪み量が異なるため、結果的には、図１に示したように、内径部３が楕円形状の磁性薄帯１が形成される。

よって、磁性薄帯１を積層して形成された小積層体１５ａ～１５ｆの内径部１６ａ～１６ｆ（図４参照）も楕円形状となる。

本実施の形態では、このような小積層体１５ａ～１５ｆを、全てのティース部４の位置を一致させ、かつ、円周方向に所定角度回転させて積層させることにより、固定子７を作製する。この固定子７では、図４に示したように、エアギャップ１４を、固定子７（積層体２でもよい）の円周方向および固定子７（積層体２でもよい）の厚み方向において平均化することができる。

このようにエアギャップ１４を平均化することにより、モータ１００の回転動作時に回転子５から固定子７に入る磁束密度のばらつきを小さくすることができる。その結果、コギングトルクを低減することができる。

なお、本開示は、上記実施の形態の説明に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の変形が可能である。

例えば、実施の形態では、磁性薄帯１が非晶質薄帯である場合を例に挙げて説明したが、磁性薄帯１は、ナノ結晶粒を有する磁性体の薄帯（以下、ナノ結晶薄帯という）であってもよい。このナノ結晶薄帯は、一般的に、非晶質薄帯に対して一定の熱処理を与えた場合にのみ生成できる結晶状態の薄帯である。そのため、ナノ結晶薄帯は、非晶質薄帯と同様に、楕円形状の内径部を有する形状となる。したがって、ナノ結晶薄帯を用いて形成された小積層体の内径部も楕円形状となる。そして、その小積層体を円周方向に回転させて積層した固定子、および、その固定子を備えたモータは、エアギャップのばらつきを平均化することができる。よって、その結果、コギングトルクを低減することができる。

本開示の固定子およびモータは、インナーロータ方式またはアウターロータ方式のモータなど様々な構造のモータに適用することが可能である。また、本開示の固定子は、トランスおよびパワーチョークコイル等の磁気を応用した電子部品の用途にも適用できる。

１磁性薄帯
２積層体
３磁性薄帯の内径部
４、３２ティース部
５、３５回転子
７、３３、３３ａ固定子
１０、３４、３４ａ固定子の内径部
１４、３６エアギャップ
１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ、１５ｅ、１５ｆ小積層体
１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１６ｅ、１６ｆ小積層体の内径部
３１電磁鋼板

Claims

複数のティース部を備えた磁性薄帯が複数積層された固定子であって、
前記磁性薄帯は、
前記複数のティース部の先端部分に沿って形成された楕円形状の内径部を有し、
積層された前記磁性薄帯は、前記磁性薄帯を水平方向に所定角度ずらさずに積層させた複数の小積層体に分けられ、
前記複数の小積層体のうち、少なくとも１つの小積層体が、他の小積層体に対して水平方向に所定角度ずれており、かつ、積層された前記磁性薄帯の全ての前記ティース部の位置が一致しており、
前記小積層体１つあたりの厚みは、０．０６ｍｍ乃至５ｍｍである、
固定子。
前記所定角度は、互いに隣り合う前記ティース部の為す角度、または、互いに隣り合う前記ティース部の為す角度の整数倍の角度である、
請求項１に記載の固定子。
前記磁性薄帯は、非晶質薄帯またはナノ結晶薄帯である、
請求項１または２に記載の固定子。
前記磁性薄帯の１つあたりの厚みは、０．０１乃至０．０６ｍｍである、
請求項１から３のいずれか１項に記載の固定子。
請求項１から４のいずれか１項に記載の固定子と、
回転子と、を含む、
モータ。