JP2009055750A - Ｐｍクローポール型モータとその製作方法 - Google Patents

Abstract

【課題】希土類マグネットを使用して，磁気飽和を生じない固定子構造で，高出力の多相ＰＭクローポール型モータを提供する。
【解決手段】磁気特性の優れた軟磁性鋼板を折り曲げ，積層，焼鈍，モールドして固定子を形成する。第一の固定子と第二の固定子を軟磁性鋼板から打ち抜きし，爪磁極部１０を折り曲げし，加工による磁気歪みを除去するため焼鈍処理を施す。また，残留磁束密度の高い希土類マグネットを使用しても磁気飽和を生じないように爪磁極等に必要な厚みを確保するため積層して固定子を形成する。更に，磁気回路を構成する各部品の接触磁気抵抗を極力低減するために，接触面積の増加を図る。また，生産性を向上させるため，第一の固定子鉄心９Ａと第二の固定子鉄心９Ｂをモールドして爪磁極の変形や精度確保を容易にする。
【選択図】図２

Description

本発明は，産業，家電，自動車等の分野で使用される多相ＰＭクローポール型モータに係り，詳しくは外周面にＮＳ極が交互に多極配置されるマグネットを有するロータと，マグネットとエアギャップを介して上下交互に対向する台形形状の爪磁極を有する固定子鉄心と，各固定子鉄心の内部に設けられ，前記爪磁極を磁化するための環状コイルとから構成されるＰＭクローポール型モータの高出力化に関するものである。

特許文献１にはＰＭ型ステッピングモータの高トルク化について，高残留磁束密度の希土類マグネットを使用する提案がされている。

一般の回転電機において，巻線の巻装率を上げて磁束の利用率を向上させるために，例
えば、特許文献２に開示されているように，軟磁性鋼板を積層したＰＭクローポール型の鉄心を備える構造が提案されている。

また，特許文献３には圧粉磁心材を使用したＰＭクローポール型モータが提案されている。

特許第３８９５７１２号公報 特開２００３−３３３７７７号公報 特願２００６−２５０２０７号公報

特許文献１に係わるＰＭ型ステッピングモータの高トルク化では，軟磁性鋼板を折り曲げた爪磁極部に対する考察が不足している。実際には残留磁束密度が高い希土類のマグネットを使用すると，爪磁極等の固定子の厚みが不足して固定子に磁気飽和を生じ，マグネットの磁束を生かすことが出来ない。また，爪磁極の折り曲げ部には折り曲げ加工による磁気歪みが生じ，透磁率が著しく低下し，この部分でも磁気飽和が生じる。ＰＭ型ステッピングモータではこのような背景から，残留磁束密度が高い希土類のマグネットを使用したモータは少ない。

特許文献２では，固定子の板金プレス加工による磁気歪みの原因で生じる渦電流の増加した薄板を用いた積層構造を採用することにより改善を図っているが，クローポール型の鉄心の爪磁極を，軟磁性鋼板を積層のみで構成しているので，単純な形状の爪磁極しか得ることができず，その結果固定子鉄心の部分的な磁気飽和や，永久磁石と固定子で構成される磁気回路部での漏れ磁束が多く，期待する高効率のモータを得ることができない問題がある。

特許文献３では，磁性粉を圧縮成形して形成する圧粉磁心材を使用して，複雑な形状の爪磁極を形成することで，加工磁気歪みと磁気飽和しない形状の爪磁極を形成することが可能であり，残留磁束密度の高い希土類マグネットを使用することで，高出力のＰＭクローポール型モータの製作が可能である。

しかしながら，圧粉磁心材で爪磁極を形成するには成形可能な形状の制約が多い。例えば固定子の外径が小さくなると，爪磁極の径方向厚みも薄くする必要が生じる。しかし磁性粉の圧縮成形での製品強度の限界があり，固定子外径６０ｍｍ以下では，爪磁極等の厚みが薄くなり成形が難しい。

本発明の目的は，固定子の外径寸法の制約を受けずに，残留磁束密度の高い希土類マグネットを使用しても，加工磁気歪みと磁気飽和しない爪磁極を形成し，高出力，高効率の多相ＰＭクローポール型モータを安価に提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は，磁気特性の優れた軟磁性鋼板を折り曲げ，積層，焼鈍，モールドして固定子を形成する。第一の固定子と第二の固定子を軟磁性鋼板から打ち抜きし，爪磁極部を折り曲げし，加工による磁気歪みを除去するため焼鈍処理を施す。また，残留磁束密度の高い希土類マグネットを使用しても磁気飽和を生じないように爪磁極等に必要な厚みを確保するため積層して固定子を形成する。更に，磁気回路を構成する各部品の接触磁気抵抗を極力低減するために，各部品の接触面積の増加を図る。また，生産性を向上させるため，第一の固定子鉄心と第二の固定子鉄心をモールドして爪磁極の変形や精度確保を容易にする。

本発明によれば，従来の磁気特性が優れた軟磁性鋼板を用いて，残留磁束密度の高い希土類マグネットと組合せが可能となり，下記のような優れた特徴を有するモータを構成できる。
（１）軟磁性鋼板の積層枚数により，磁気飽和の問題が解決され，残留磁束密度の高い希土類マグネットが使用できモータの高出力化が可能となる。
（２）爪磁極部折り曲げによる，加工磁気歪みを除去するため焼鈍処理を施すことで，透磁率を改善できモータの高出力化が可能となる。
（３）焼鈍により爪磁極等は変形しやすくなるが，樹脂成形することで強度と寸法精度が向上して，マグネットと爪磁極のエアギャップが適切に確保出来るためモータの高出力化が可能となる。また，爪磁極の先端長さを，マグネットと対向するものに対して，積層する固定子鉄心の爪磁極の先端部長さを長くすることで，樹脂で爪磁極の押さえを補強し，吸引反発力が生じるマグネット側への変形を抑制することができる。
（４）第一の固定子鉄心と第二の固定子鉄心は，同一形状で構成することが可能で，同一金型での加工が可能でありコスト低減化が図れる。
（６）第一の固定子と第二の固定子における外周側継鉄の外周部とリング状継鉄の接触面積を増加することが可能であり，磁気回路の磁気抵抗値が低減できモータの高出力化が可能となる。

以下，図面によって本発明の実施例を説明する。

本発明による３相ＰＭクローポール型モータにおける第１の実施の形態を図１〜図３に基づいて説明する。
図１は本発明による３相ＰＭクローポール型モータの構造を示すものである。モータは回転子２と，この回転子２に対し周方向の微少隙間を介して同心状に設置された固定子５と，この固定子５を支持する固定子枠７と，この固定子枠７の両端に軸受８Ａ，８Ｂを介して前記回転軸１を回転自在に支持することで構成されている。

前記回転子２は，回転軸１と同心状に形成された回転子鉄心３と，その外周に固定され
多極に着磁されたマグネット４とで構成され，前記固定子５は，固定子鉄心６Ｕ，６Ｖ，６Ｗと，これら固定子鉄心６Ｕ，６Ｖ，６Ｗに挟持される環状巻線１３Ｕ，１３Ｖ，１３Ｗとで構成されている。そして固定子鉄心６Ｕ，６Ｖ，６Ｗを固定子枠７で支持し，この固定子枠７の両端部に軸受８Ａ，８Ｂを介して前記回転軸１を回転自在に支持している。

図２は固定子鉄心における一部分の形状の詳細を示すものである。前記固定子鉄心６Ｕ，６Ｖ，６Ｗは，第１の固定子鉄心９Ａと第２の固定子鉄心９Ｂとから構成され，これら第１の固定子鉄心９Ａと第２の固定子鉄心９Ｂは，軸方向に延在し前記回転子２と微小隙間をもって対向する爪磁極１０と，この爪磁極１０から外径側に直角に延在する径方向継鉄部１１と，この径方向継鉄部１１から前記爪部１０と同じ方向に延在する外周側継鉄１２とで構成されている。図３は第１の固定子鉄心９Ａにおける第２の固定子鉄心９Ｂを樹脂成形により一体に形成し，２１は樹脂充填部であり，１３は環状巻線を施した固定子組における一部分の形状の詳細を示すものである。

図４から図８は固定子組の加工工程を示す図である。図４は薄板の軟磁性鋼板をプレスで打ち抜き，爪磁極部１０を折り曲げて形成される１枚の固定子鉄心である。図５は折り曲げられた薄板の軟磁性鋼板を積層する工程である。積層する数は使用されるマグネット４の残留磁束密度によって爪磁極１０等の固定子鉄心が磁気飽和を生じないように設定される。軟磁性鋼板はプレス加工，折り曲げ加工により磁気歪みを伴い，透磁率等の磁気特性が大幅に劣化する。この状態でモータに組み込むと大きな鉄損を伴い，効率低下と温度上昇値が高くなり，結果としてモータ出力が低下する。

この加工磁気歪みを除去するために，８００〜９００℃の焼鈍炉に投入して焼鈍を実施することで，加工前の磁気特性に復元することが可能である。しかし，焼鈍することで固定子鉄心は硬度が低下し変形しやすくなる。特に，マグネット４と対向する爪磁極１０は吸引反発力を受けるため機械的な補強が必要である。

図６は請求項２に係わるものである。爪磁極１０の補強と第一の固定子鉄心と第二の固定子鉄心との組合せ精度を確保して固定する目的で，第一の固定子鉄心と第二の固定子鉄心を一体に樹脂成形する工程を示す図である。図中の斜線部は樹脂２１が充填された部分を示すものである。固定子鉄心は爪磁極部１０を除き樹脂で被われる。成形樹脂は熱可塑性の材料を用いれば射出成形することで短時間に成形できる。

図７は樹脂成形により第一の固定子鉄心と第二の固定子鉄心間に絶縁性を有して形成されたスペースにモータ巻線１３が装巻されたものである。

図８は第一の固定子鉄心と第二の固定子鉄心の外周側継鉄間１２にリング状継鉄２２を巻き付けた状態を示し，この形状がモータ１相分の固定子組となる。このリング状継鉄２２にはモータ巻線の引出線を出すために部分的に切り欠け部が設けられている。

図４から図８は，１相分の固定子組の製作工程を示したが，図６の樹脂成形行程でモータとして必要な相数分の固定子鉄心をモータ軸方向に並べて，一体に樹脂成形し，モータ巻線も同時に相数分装巻することで製作時間を短縮することが可能である。

図９は図５の爪磁極１０における先端部２０のプレス加工面拡大図である。図において，爪磁極の先端長さを，マグネットと対向するものから，積層するにつれて固定子鉄心の爪磁極の先端部長さを長くすることで，樹脂で爪磁極の押さえを補強することが出来る。このようにして吸引反発力が生じるマグネット側への変形を抑制することができる。その結果，モータとしての振動も大幅に低減が可能となる。更に変形の抑制効果を上げるには爪磁極１０の外周に微少な凹凸を設けることも有効である。

更に高出力のモータに適用するには，図１０に示すように固定子鉄心９の爪磁極部１０ の先端部はモータ外径方向に折り曲げられ押さえ部２６が形成される。モールド時にその押さえ部２６の表面が樹脂で被われ，積み重ねられた爪磁極１０が，マグネット４との大きな吸引反発力が生じても変形を抑制することが可能となる。

図１１はリング状継鉄２２の展開図であり，直線状の材料を部分的に打ち抜き，固定子鉄心の外周側継鉄部１２に巻き付けながら組み立てるものである。また，リング状継鉄２２には凸部２７，固定子鉄心の外周側継鉄部１２には凹部２８が設けられていて，外周側継鉄部１２とリング状継鉄２２の接触面は凹凸により接触面積を増加して締結され，モータ磁気回路の磁気抵抗が上昇することを抑制出来る。

本発明の積層ＰＭクローポール型モータと従来のスロット型ブラシレスＤＣモータの特性比較を次のような概略仕様で実施した。従来の３相スロット型ブラシレスＤＣモータは固定子外径寸法がΦ６０mmで１４個の突極を有し，積層厚み５０ｍｍで巻線のコイルエンドを含めて固定子の厚みは６０ｍｍ程度である。マグネットは残留磁束密度０．６５テスラで１２極の外径がΦ２９ｍｍである。
比較する積層ＰＭクローポール型モータで，マグネットはスロット型モータと同一の外径寸法として，マグネットの磁極数１４，爪磁極数も１４，固定子組をモータ軸方向に積層して３相モータを構成している。
固定子鉄心材料として，０．５ｍｍの珪素鋼板を４枚積層したものについて，モータの良さを表現するモータ定数を測定して比較した。モータ定数Ｔｍは逆起電力定数Ｋｅ，モータ巻線抵抗Ｒとすると，Ｔｍ＝Ｋｅ／√Ｒで表すことができる。即ち，モータ銅損と出力トルクの比と同等の評価が可能で，モータ定数は大きいほど良いことになる。
試作の結果，従来のスロット型モータのＴｍ＝０．１４（ＶＳ／√Ω）に対して，積層ＰＭクローポール型モータではＴｍ＝０．１８（ＶＳ／√Ω）が得られた。即ち，積層ＰＭクローポール型モータとすることで，同一のモータ体格でモータ出力が２８％増加できた。

本発明によれば，従来の加工技術を発展させることで，磁気特性が優れた軟磁性鋼板を用いて，残留磁束密度の高い希土類マグネットと組合せが可能となり，ＰＭクローポール型モータの高出力化が可能となり，ブラシレスＤＣモータに適用することで，従来のスロット型モータを小型化，高出力化することが可能となる。なお，実施例では，３相のＰＭクローポール型モータについて示したが３相だけでなく，２相以上の全ての多相モータに適用することが可能である。

本発明のＰＭクローポール型モータの構造図 本発明の固定子鉄心における一部分の形状の示す図 本発明の固定子鉄心おける一部分の形状の示す図 本発明の固定子組の製作工程を示す図 本発明の固定子組の製作工程を示す図 本発明の固定子組の製作工程を示す図 本発明の固定子組の製作工程を示す図 本発明の固定子組の製作工程を示す図 爪磁極先端部のプレス加工面拡大図 本発明の固定子鉄心における一部分の形状の示す図 リング状継鉄の展開図

符号の説明

１：モータ軸 ２：回転子 ３：回転子鉄心 ４：マグネット
５：固定子組 ６：固定子鉄心 ７：固定子枠 ８：軸受
９：第一の固定子鉄心 ９Ｂ：第二の固定子鉄心 １０：爪磁極
１１：径方向継鉄部 １２：外周側継鉄 １３：環状巻線
２０：爪磁極先端部 ２１：樹脂充填部 ２２：リング状継鉄
２７：凸部 ２８：凹部

Claims (9)

1. 軸方向に延在し回転子と微少隙間をもって対向する磁極面を有する爪部と，前記爪部から外径側に延在する径方向継鉄部と，前記径方向継鉄部から前記爪部と同じ方向に延在する外周側継鉄とで爪磁極を複数形成する第一の固定子鉄心と第二の固定子鉄心とを具備し，
   前記複数の爪磁極を周方向に交互に配置して，第一の固定子鉄心における爪磁極の前記爪部の先端と第二の固定子鉄心における爪磁極の前記爪部の先端が、入れ子状になるように配置して固定子鉄心を形成し，前記固定子鉄心の前記爪磁極で環状コイルを挟み込んで固定子組を構成し，該固定子組をモータ軸方向に必要数積層し，前記爪磁極とエアギャップを設けて対向する希土類マグネットを配置する多相ＰＭクローポール型モータにおいて，前記第一の固定子鉄心と第二の固定子鉄心を軟磁性鋼板から打ち抜いて、爪磁極部をほぼ直角に折り曲げて焼鈍処理し、必要な枚数をモータ軸方向に積層して形成することを特徴とするＰＭクローポール型モータ。
2. 前記第一の固定子鉄心と第二の固定子鉄心を爪磁極の前記爪部の先端が入れ子状になるように配置して，環状コイルと接する部分と，爪磁極間を絶縁するため、絶縁性を有する樹脂成形材にて前記第一の固定子鉄心と第二の固定子鉄心を一体に樹脂成形し固定子サブ組とし，該固定子サブ組の外周から巻線をすることを特徴とする請求項１に記載のＰＭクローポール型モータ。
3. 前記第一の固定子鉄心と第二の固定子鉄心を爪磁極の前記爪部の先端が入れ子状になるように配置して，前記爪磁極で絶縁処理した環状コイルを挟み込んで樹脂成形材にて前記第一の固定子鉄心と第二の固定子鉄心を一体に成形したことを特徴とする請求項１に記載のＰＭクローポール型モータ。
4. 積層される前記固定子鉄心における爪磁極部の先端を，マグネットと対向する内径側の爪磁極の高さよりも，外径側の爪磁極の高さを高く，前記第一の固定子鉄心と第二の固定子鉄心を形成し，爪磁極間を絶縁するため、絶縁性を有する樹脂成形材にて第一の固定子鉄心と第二の固定子鉄心を一体に成形したことを特徴とする請求項１から３に記載のＰＭクローポール型モータ。
5. 前記爪磁極の外周に微少な凹凸を設けたことを特徴とする請求項４に記載のＰＭクローポール型モータ。
6. 前記爪磁極の先端部に段差を設け，樹脂成形時に該先端部の段差の表面であり，マグネットと対向する面に樹脂成形により段差部を被う構造としたことを特徴とする請求項１から３に記載のＰＭクローポール型モータ。
7. 前記第一の固定子鉄心と第二の固定子鉄心における外周側継鉄の外周部に凹部を設けて，モータ軸方向に凸部を有するリング状継鉄を，第一の固定子鉄心と第二の固定子鉄心の外周側継鉄間に，互いの凹凸が入れ子状になるように挿入したことを特徴とする請求項１から３に記載のＰＭクローポール型モータ。
8. 請求項１において，前記第一の固定子鉄心における第二の固定子鉄心における爪磁極の前記爪部の先端が入れ子状になるように配置して，環状コイルと接する部分と，爪磁極間を絶縁するため、絶縁性を有する樹脂成形材にて，必要なモータ相数分の第一の固定子鉄心と第二の固定子鉄心を一体に樹脂成形し積層固定子サブ組とし，該積層固定子サブ組の外周から巻線をすることを特徴とするＰＭクローポール型モータ。
9. 軸方向に延在し回転子と微少隙間をもって対向する磁極面を有する爪部と，前記爪部から外径側に延在する径方向継鉄部と，前記径方向継鉄部から前記爪部と同じ方向に延在する外周側継鉄とで爪磁極を複数形成する第一の固定子鉄心と第二の固定子鉄心とを具備し，
   前記複数の爪磁極を周方向に交互に配置して，第一の固定子鉄心における爪磁極の前記爪部の先端と第二の固定子鉄心における爪磁極の前記爪部の先端が入れ子状になるように配置して固定子鉄心を形成し，前記固定子鉄心の前記爪磁極で環状コイルを挟み込んで固定子組を構成し，該固定子組をモータ軸方向に必要数積層し，前記爪磁極とエアギャップを設けて対向する希土類マグネットを配置する多相ＰＭクローポール型モータにおいて，前記第一の固定子鉄心と第二の固定子鉄心を軟磁性鋼板から打ち抜きし，爪磁極部をほぼ直角に折り曲げし，焼鈍処理後必要な枚数をモータ軸方向に積層し，前記第一の固定子鉄心と第二の固定子鉄心を爪磁極の前記爪部の先端が入れ子状になるように配置して，絶縁性を有する樹脂成形材を充填して，前記第一の固定子鉄心と第二の固定子鉄心を一体に樹脂成形して形成することを特徴とするＰＭクローポール型モータの製造方法。
   

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