JPH10234147A

JPH10234147A - 回転電機

Info

Publication number: JPH10234147A
Application number: JP9036174A
Authority: JP
Inventors: Fumio Tajima; 文男田島; Shoichi Kawamata; 昭一川又; Yutaka Matsunobu; 豊松延; Toshiyuki Yasujima; 俊幸安島; Ryoichi Naganuma; 良一長沼; Kazuo Onishi; 和夫大西; Toshimi Abukawa; 俊美虻川
Original assignee: Hitachi Ltd; Japan Servo Corp
Current assignee: Hitachi Ltd; Nidec Advanced Motor Corp
Priority date: 1997-02-20
Filing date: 1997-02-20
Publication date: 1998-09-02
Anticipated expiration: 2017-02-20
Also published as: JP3305973B2

Abstract

(57)【要約】【課題】脈動トルクの減少とともに、部品点数が少な
く、構成が簡単な小形軽量、高効率の回転電機を提供す
る。【解決手段】固定子巻線５と、固定子鉄心４とを備えた
固定子２と、固定子２と適当な空隙を介して回転する回
転子３を有する回転電機において、固定子鉄心４は軸方
向には一体で、周方向には固定子鉄心歯部４２で分割さ
れ且つ歯部４２と一体にヨーク部４１、ブリッジ部４３
を有する断面「エ」字状の構成部材を、周方向に溶接１
２して組み立てられる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は回転電機に係わり、
その小形軽量と高効率化に関する。

【０００２】

【従来の技術】電気自動車等の電動車両用モータとして
は小形軽量、高効率であることが望まれる。このため
に、第１には永久磁石式、第２にはリラクタンスを利用
したブラシレスモータが最適である。特に、小型機の分
野では、固定子鉄心歯部の固定子巻線に集中巻方式を採
用できるブラシレスモータが有効である。

【０００３】この従来例として、特開平７−２９８５２
２号公報に記載の電動機がある。この開示によれば、周
方向に分割された固定子鉄心歯部に固定子巻線を集中的
に巻回しすることによって、固定子巻線のコイルエンド
部を短くし、かつコイルの占積率を向上できる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記した引用例によれ
ば、電動機の体格を小さくできる。しかしながら、固定
子鉄心歯部を固定するのに、固定子鉄心の内外周部を溶
接によっているために、鉄損が増加する。また、軸方向
に積層する構成のため部品点数が多く、構成が複雑にな
る。さらに、固定子鉄心歯部が周方向に分離されていな
いため大きな高調波磁束を有し、脈動トルクの発生、及
び鉄損の増加を引き起こす。等々、問題点が残されてい
る。

【０００５】本発明の目的は、上記した従来技術の問題
点を克服し、小形軽量、高効率の回転電機を提供するこ
とにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の目的は、固定子巻
線と、固定子巻線が巻回された固定子鉄心を備えた固定
子と、固定子と適当な空隙を介して回転する回転子を有
する回転電機において、前記固定子鉄心が、軸方向には
一体で且つ周方向には固定子鉄心歯部で分割された単位
部品からなる固定子磁極を組み立てることにより達成さ
れる。

【０００７】前記固定子磁極は、軸方向には一体で、固
定子鉄心歯部で分割され且つ前記歯部と一体にヨーク
部、ブリッジ部を有する前記単位部品と、前記歯部に巻
き回される固定子巻線からなる。

【０００８】外部巻きの場合には、前記単位部品は整形
後の軸方向の断面が略「エ」字状で、その中央に位置す
る鉄心歯部に固定子巻線が巻き回される。前記単位部品
は、１枚の磁性板から作成し、鉄心歯部を分割した断面
略「コ」字状の２つの部材を、鉄心歯部で背中合わせに
整形する。この後、単位部品のヨーク部を接合して固定
子を組み立てる。

【０００９】組立て後の巻線の場合には、前記単位部品
は整形後の軸方向の断面が略「ｃ」字状で、開口側がブ
リッジ部その反対がヨーク部、その間の両側が歯部とな
る。固定子鉄心の組立ては歯部の外周側を接合して行わ
れる。

【００１０】単位部品を整形する磁性材は、軸方向に一
体であれば１枚板でも、積層板でも磁粉等による成型品
でもよい。なお、本発明のその他の特徴有る構成は、実
施例の説明を通して明らかになる。

【００１１】本発明の構成によれば、以下のように小形
軽量、高効率の回転電機を提供することができる。すな
わち、固定子鉄心は軸方向に積層されず、軸方向には一
体構成となっている。このため部品点数が少なく、構成
が簡単になる。固定子鉄心の内周側には溶接部を有しな
いため、鉄損も大幅に減少できる。

【００１２】前記単位部品は、例えば１枚の鋼板から同
一形状で成型できるので、量産に適する。その単位部品
に固定子巻線を巻き回した後に固定子を組立てるので、
巻線が簡単になるのみならず、線積率を高め、固定子鉄
心スリット幅を縮少できる。さらに、背中合わせする固
定子鉄心歯部間に、周方向の磁束を抑制する磁気的スリ
ット部が形成され、鉄心歯部の内周を循環する高調波磁
束を抑制できる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の複数の実施の形態
について、図面を参照しながら詳細に説明する。各図を
通して同等の構成要素には同一の符号を付してある。

【００１４】〔実施形態１〕図１に実施形態１の回転電
機の構造図、図２にその断面図、示す。本例は永久磁石
回転電機で、固定子鉄心歯部に固定子巻線を集中的に巻
回しする集中巻回転電機の一実施形態である。

【００１５】回転電機１は固定子２と回転子３からな
り、固定子２は固定子鉄心４と固定子巻線５で構成され
る。固定子鉄心４は固定子鉄心歯部４２とその磁束の通
路を形成する固定子鉄心ヨーク４１及び固定子鉄心ブリ
ッジ部４３からなり、固定子鉄心歯部４２に固定子巻線
５が巻回されている。各々の固定子巻線５は空隙面での
磁路を共有することがない、集中巻固定子構造である。
一般の大型機に使用されている分布巻構造の固定子に比
べて、エンドコイル部の長さを短くきるので、回転電機
の体格を小さくするのに有利である。ここでは、固定子
鉄心４の外周にフレームが無い構成で示したが、必要に
よってはフレームを用いてもよい。

【００１６】回転子３は、ほぼ等間隔のピッチで隣り合
う永久磁石６が互いに異なる極性に配置した構成で、そ
の内周には永久磁石の磁束を通す回転子ヨーク７を有
し、シャフト９、ベアリング１１を介してエンドブラッ
ケト１０に回転自在に保持される。回転子のシャフト９
上には永久磁石６の位置を検出する磁極位置検出器、位
置検出器（ここでは図示せず）を備える。

【００１７】さらに、固定子巻線５のＵ相にはＵ1+、Ｕ
1-、Ｕ2+、Ｕ2-、Ｖ相にはＶ1+、Ｖ1-、Ｖ2+、Ｖ2-、Ｗ
相にはＷ1+、Ｗ1-、Ｗ2+、Ｗ2-がそれぞれ接続される。
ここで、サフイッスの数字は固定子巻線の番号、＋、−
は固定子巻線の巻き方向を示す。

【００１８】本実施形態は図１に示すよう、固定子鉄心
４が周方向に固定子巻線５と同数に分割されている。言
い替えれば、固定子巻線５と同数で断面が「エ」字状の
固定子鉄心構成部品４０を周方向に組み合わせて形成さ
れている。構成部品４０はそれぞれ軸方向には一体に作
られる。構成部品４０は鉄心歯部４２に巻線５を巻き回
されて固定子磁極を構成する。

【００１９】図３に、固定子鉄心構成部品の製造過程を
示す。１枚の磁性鉄板から固定子鉄心ヨーク部４１、固
定子鉄心歯部４２、固定子鉄心ブリッジ部４３となる
（ａ）の平板形状を打ち抜き、（ｂ）のように折り曲げ
て構成部品の片側部材４０１が形成される。さらに、
（ｃ）のように、２つの片側部材４０１の鉄心歯部を背
中合わせにし、ここを両者の接合部８５として、断面
「エ」字状の固定子鉄心構成部品４０を形成する。構成
部品４０からみれば、片側部材４０１は鉄心歯部４２の
中心で分割された形状となる。

【００２０】構成部品４０の各要素４１，４２，４３は
軸方向には１枚の磁性板からなり、文字通り一体であ
る。なお、複数枚の磁性板を積層した材料から、図３の
ように構成部品４０を形成した場合でも、軸方向には一
体である。

【００２１】本構成によれば、上記した固定子鉄心構成
部品４０の構成によって、固定子鉄心４を組み立てると
き、その溶接部１２は鉄心ヨーク部４１の端面１３とな
る。このため、従来のように鉄心４の内周部の溶接によ
って、固定子鉄心４に短絡回路を形成することがない。
従って、鉄損の発生を最小に押さえることができる。な
お、最内周部の鉄板を溶接しなくてすむために、従来の
積層鉄心の様な膨らみがなく、組立て精度も向上でき
る。

【００２２】また、構成部品４０の片側部材４０１の隣
合わせ部に磁気的な空隙（スリット）８５が形成される
ので、この間を通る磁束量を減少できる。これによっ
て、たとえば、Ｗ2-の固定子鉄心歯部４２のスリット８
５が、回転子３の永久磁石のＮ・Ｓの極間と一致した場
合、Ｎ極から固定子鉄心歯部４２の表面を通ってＳ極に
戻るループの磁気抵抗が増加し、固定子巻線５と鎖交し
ない高調波磁束が減少し、スリット８５の無い従来構造
に比べて鉄損を小さくできる。

【００２３】さらに、図１の状態に固定子２を組み立て
る前に、固定子鉄心構成部品４０に、固定子巻線５を巻
回しすることができるので、上記引用例の場合と同様に
高速の巻線が可能となる。また、巻線後に各構成部品４
０を溶接部１２によって接合して組み立てるので、固定
子鉄心歯部４２間の固定鉄心スリット８の間隔を小さく
でき、コギングトルク等の脈動トルクを減少する。

【００２４】さらに、磁性鉄板として方向性の磁気鋼板
を使用し、磁束の通る方向、ここでは鉄心歯部４２の内
周方向（回転電機の半径方向）に磁気特性の良い方向を
選択することで、鉄損を軽減することができる。

【００２５】さらに、図３に示すように、固定子鉄心歯
部４２を、ヨーク部４１やブリッジ部４３に対して軸方
向に短くする構造が簡単に作れる。これによって、同一
軸長に対しては出力もしくは効率の増加、体格の一定に
対しては軸方向の長さの短い扁平な回転電機を提供する
ことができる。

【００２６】〔実施形態２〕図４に、本発明の第２の実
施形態を示す。同図（ａ）は回転電機の構造、（ｂ）は
その要部図を示す。図１の実施形態１との違いは、固定
子鉄心にコギングトルク低減のための補助溝を設けた点
にある。

【００２７】図４（ｂ）に拡大して示すように、固定子
鉄心４のブリッジ部４３の内周面に、固定子鉄心歯部４
２間のスリット部８とほぼ同様の磁気的なパーミアンス
を有する補助溝４４を等間隔に配置している。

【００２８】図４（ｃ）に示すように、軸方向に一体で
周方向に固定子歯部４２で分割した固定子鉄心４の構成
部品４０を形成する際に、片側部材４０１のブリッジ部
４３に補助溝４４を整形する。補助溝４４を設ける位置
や個数は、本実施例に限定されるものではなく、コギン
グトルク低減の法則に従って任意に設けることができ
る。

【００２９】ところで、永久磁石回転電機１のコギング
トルクは１回転当たり、永久磁石の極数と固定子鉄心歯
部の数の最小公倍数のサイクルで発生する。このサイク
ル数が大きくなるにつれてその値は小さくなる。従っ
て、本実施形態のように１つの歯部４２毎に補助溝４４
を設けることによって、補助溝がない場合のコギントル
クの脈動数６０（１０と１２の最小公倍数）に対して、
コギングトルクの脈動数を１８０（１０と３６の最小公
倍数）と大きくすることができ、コギングトルクを低減
できる。

【００３０】〔実施形態３〕図５に、本発明の他の実施
の形態を示す。同図（ａ）は回転電機の構造、（ｂ）は
その要部の拡大図を示す。実施形態１、２は、主に永久
磁石ブラシレスモータの実施例であったが、本実施形態
は永久磁石ステップモータへの適用例である。

【００３１】同図（ａ）のように、永久磁石回転子３
は、ここでは３２の極数を有する構成である。一方、固
定子鉄心４のブリッジ部４３は、永久磁石６の磁極ピッ
チより若干小さく構成されている。また、ブリッジ部４
３には固定子鉄心の補助溝４４が設けられ、そのピッチ
は永久磁石６の磁極ピッチより若干大きくされている。

【００３２】なお、固定子鉄心４は、実施形態１、２と
同様の製法により、軸方向に一体で、周方向に歯部４２
で分割した構成部品４０から組み立てられる。補助溝４
０は、実施形態２の場合と同様にして整形できる。

【００３３】補助溝４４は、実施形態２においてはコギ
ングトルクの低減用として作用したが、本実施形態では
固定子磁極の極数の増加として作用し、ステップモータ
のトルク向上に寄与する。なお、１つの固定子磁極（構
成部品４０）につける固定子鉄心ブリッジ部４３及び補
助溝４４の数は、本実施形態に限定されるものではな
く、永久磁石の極数も任意である。

【００３４】〔実施形態４〕図６に、本発明の他の実施
の形態を示す。同図（ａ）は回転電機の構造で図１とほ
ぼ同様である。（ｂ）は固定子鉄心を構成する構成部品
の鋼板の展開図を示したもので、図３（ａ）と対応する
図である。（ｃ）は（ｂ）を整形した構成部品の断面図
である。

【００３５】本実施形態は上記の実施形態１〜３と異な
り、一枚の磁性鋼板から片側部材を介さずに構成部品４
０’を構成している。図示のように、固定子鉄心ブリッ
ジ部４３に軸方向と直角方向にスリット８３、固定子鉄
心歯部４２にスリット８２、固定子鉄心ヨーク部４１に
スリット８１を設けている。

【００３６】固定子鉄心ブリッジ部４３に設けたスリッ
ト８３と、固定子鉄心歯部４２に設けたスリット８２
は、軸方向に流れる渦電流の通路を切断して渦電流損を
小さくする効果を発揮する。（ｂ）で、軸方向に示した
実線部が折り曲げ点を示し、順次内側に折り曲げること
によって（ｃ）の構成部品４０’を形成する。隣り合う
構成部品４０’は、鉄心歯部４２のヨーク部４１側を溶
接部１２によって固定している。

【００３７】固定子鉄心ヨーク部４１に設けたスリット
部８１を元の形状のままで（ｃ）の形状に構成すると、
組み立てられた固定子２は（ａ）の状態より一回り大き
な形状となる。これによって、固定子鉄心４のブリッジ
部４３間のスリット部８の周方向幅は拡大されているの
で、スリット部８から巻線治具により固定子巻線５を鉄
心歯部４２に巻回しするのに十分なスペースを確保する
ことができる。固定子巻線５の巻線完了後、これを治具
などを使って固定子の外周から力を加えることによっ
て、ヨーク部４１のスリット部８１を押しつぶし、固定
子鉄心歯部４２及び固定子巻線５を周方向に移動させ、
ブリッジ部４３のスリット部８を減少させ、固定子２を
一回り小さくして（ａ）の状態に整形する。

【００３８】これによって、固定子鉄心の組立て後に固
定子巻線を巻き回しする場合の固定子巻線占積率の向上
等を達成することができる。

【００３９】〔実施形態５〕図７に、本発明の他の実施
の形態を示す。同図（ａ）は回転電機の構造、（ｂ）は
固定子鉄心を構成する構成部品の鋼板の展開図、（ｃ）
は（ｂ）における鉄心歯部の断面図を示す。

【００４０】固定子鉄心４を構成する構成部品４０は、
（ｂ）に示す１枚の鋼板を実線部で折り曲げて片側部材
４０１を整形し、２つの部材４０１の歯部４２で隣合せ
して形成する。図６と同様に、鉄心ブリッジ部４３に
は、軸方向と直角にスリット８３を設けている。

【００４１】本実施形態では、さらに固定子鉄心歯部４
２に強度確保用のリブ４５と固定用のリブ４６を設けて
いる。このように整形した構成部品４０に、固定子巻線
５を外部で巻回し、固定用リブ４６を固定子鉄心ヨーク
部４１に合わせ、固定する。

【００４２】以上の構成によれば、固定子鉄心の強固な
組立て構造が実現できる。また、他の実施形態と同様に
コギングトルクの減少、固定子巻線占積率の向上等の効
果もある。さらに、より強固に固定子鉄心を支持する必
要のある場合には、軸方向の空間を利用して、固定子鉄
心歯部を支持部材（図示せず）によって保持することも
可能である。

【００４３】〔実施形態６〕図８に本発明の他の実施の
形態を示す。外転型の回転電機で、（ａ）は最終整形前
の固定子構造、（ｂ）は最終整形後の固定子構造を示
す。

【００４４】（ａ）において、ヨーク部４１、歯部４
２、ブリッジ部４３をもつ、断面が「変形エ」字状の固
定子鉄心構成部品４０を、別個に作られた環状ヨーク４
７にスリット部８４を形成するように、溶接によって固
定している。なお、構成部品４０は、他の実施形態の場
合と同様に鉄板から整形している。

【００４５】固定子鉄心歯部４２に固定子巻線５が巻き
回されて、固定子磁極が形成される。本実施形態によれ
ば、ヨーク部４１の形状を「大」の字状に変形して、ス
リット部８４を形成し、これによって、固定子鉄心のス
リット部８の周方向幅が組立て後の巻線作業に十分な間
隔とし、高速な巻線作業を容易にしている。

【００４６】巻線の完了後、外周より固定子鉄心４に圧
力を加え、スリット部８４がなくなるまで変形させる
と、（ｂ）のように構成部品４０は「エ」字状となり、
スリット部８が減少して固定子２が完成する。なお、ス
リット部８４を固定子鉄心と環状ヨーク間に設ける構成
としたが、固定子鉄心歯部に設けるなどの変形もある。

【００４７】本実施形態によれば、図示形状の場合は磁
極間の面積にしめる巻線の割合を（ａ）の５０％から
（ｂ）の７５％に向上させることができる。また、従来
よりもスリット部８の周方向幅が小さくなるので、コギ
ングトルクも減少できる。

【００４８】以上、本発明の実施形態１〜７を説明し
た。上記では、固定子鉄心の磁極となる構成部品を一枚
の鋼板から整形する例を示したが、複数枚の積層板や磁
粉材料等による成型材を用いたり、部分的に折り曲げあ
るいは挿入して複数枚とすることも可能である。

【００４９】また、集中巻回転電機で、特に、永久磁石
回転子構造を有する永久磁石回転電機について説明した
が、リラクタンス回転子に適用しても同様の効果を発揮
することができる。さらに、集中巻に限らず分布巻でも
よい。あるいは、電動機に限らず、発電機でもよく、外
転型、内転型回転子、クローポール型回転子を用いた回
転電機にも適用可能である。

【００５０】

【発明の効果】本発明によれば、回転電機の固定子鉄心
が軸方向には一体となるので従来の軸方向積層鉄心が不
要とり、また、周方向には固定子鉄心歯部で分割し、同
一部材でなる単位固定子磁極の組立てによってなるの
で、線積率の向上と鉄損の減少を可能にする構造が容易
に実現でき、これによって小形軽量、高効率の回転電機
を提供することが可能になった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態１による回転電機の構造図。

【図２】図１の回転電機の断面図。

【図３】図１の回転電機における固定子鉄心の単位磁極
となる構成部品の製作図。

【図４】本発明の実施形態２による回転電機の構造図。

【図５】本発明の実施形態３による回転電機の構造図。

【図６】本発明の実施形態４による回転電機の構造図。

【図７】本発明の実施形態５による回転電機の構造図。

【図８】本発明の実施形態６による回転電機の構造図。

【符号の説明】

１…回転電機、２…固定子、３…回転子、４…固定子鉄
心、４０…固定子鉄心構成部品（固定子磁極）、４０１
…片側部材、４１…固定子鉄心ヨーク部、４２…固定子
鉄心歯部、４３…固定子鉄心ブリッジ部、４４…補助
溝、４５…強度確保用リブ、４６…固定用リブ、４７…
環状ヨーク、５…固定子巻線、６…永久磁石、８…固定
子鉄心スリット部、８１…スリット、８２…スリット、
８３…スリット、８４…スリット、８５…スリット、９
…シャフト、１０…エンドブラケット、１２…溶接部、
１３…接合部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者松延豊茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者安島俊幸茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者長沼良一茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者大西和夫東京都千代田区神田美土代町７番地日本サーボ株式会社内 (72)発明者虻川俊美東京都千代田区神田美土代町７番地日本サーボ株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】固定子巻線と、固定子巻線が巻回された
固定子鉄心を備えた固定子と、固定子と適当な空隙を介
して回転する回転子を有する回転電機において、前記固定子鉄心が軸方向には一体で、周方向には固定子
鉄心歯部で分割された固定子磁極を組み合わせて構成し
たことを特徴とする回転電機。
【請求項２】固定子巻線と、固定子巻線が巻回された
固定子鉄心を備えた固定子と、固定子と適当な空隙を介
して回転する回転子を有する回転電機において、前記固定子鉄心が、軸方向には一体で周方向には固定子
鉄心歯部で分割され且つ前記歯部と一体にヨーク部、ブ
リッジ部を有する単位部品を、周方向に組立てて構成し
たことを特徴とする回転電機。
【請求項３】請求項２において、前記固定子鉄心は、隣り合う単位部品の前記ヨーク部間
に接合部を設けたことを特徴とする回転電機。
【請求項４】請求項１、２または３において、周方向に分割された固定子鉄心歯部は、一枚の磁性板よ
り構成したことを特徴とする回転電機。
【請求項５】請求項４において、構成部品を構成する１枚の磁性板は、固定子鉄心歯部の
内周方向の磁気特性を他の方向に比べて良くしたことを
特徴とする回転電機。
【請求項６】請求項１〜５のいずれか１項において、前記固定子巻線は、前記固定子鉄心歯部に集中的に巻回
した構成としたことを特徴とする回転電機。
【請求項７】請求項１〜６のいずれか１項において、前記固定子鉄心歯部の軸方向長さを前記固定子鉄心ヨー
ク部もしくは前記固定子鉄心ブリッジ部の軸方向長さよ
り短くしたことを特徴とする回転電機。
【請求項８】請求項１〜７のいずれか１項において、前記固定子鉄心の空隙側に補助溝を設けたことを特徴と
する回転電機。
【請求項９】請求項１または２において、固定子鉄心の一部に強度確保用のリブを設けたことを特
徴とする回転電機。
【請求項１０】請求項１または２において、前記固定子鉄心のヨーク部に周方向に短縮可能なスリッ
ト部を設けたことを特徴とする回転電機。