JP5651924B2 - ステータコアおよびモータ - Google Patents

Description

本発明は、ステータコアとモータに関し、具体的には、ステータコアをモータ（電動機）のハウジングに固定した際にステータコアに加わる圧縮応力による鉄損特性の劣化が小さいステータコアと、そのステータコアを用いたモータに関するものである。

近年、省エネルギーを図る観点から、各種電気機器やハイブリッド自動車の効率向上が追及されている。特に、電気機器の分野においては、モータ（電動機）の鉄心で発生する損失は大きな比重を占めているため、鉄損の小さな電磁鋼板を使用することで、モータの高効率化を図っている。

ところで、モータ等の回転機は、一般にロータコア（回転子）とステータコア（固定子）およびステータコアを固定するハウジングを備えている。エアコンや冷蔵庫のコンプレッサに用いられるモータでは、ステータコアをハウジングに固定する方法として、「焼き嵌め法」が一般的に用いている。この「焼き嵌め法」とは、ハウジングを加熱して膨張させてから、その内周部にステータコアを挿入し、その後、ハウジングを冷却して収縮させることによりステータコアをハウジングに固定する方法である。

しかし、このような焼き嵌め法を用いてステータコアをハウジングに固定すると、ハウジングが冷却する際の収縮によって、ステータコア、特にステータコアのバックヨークには、大きな圧縮応力が加わることになる。その他にも、ステータコアには、例えば、モータを製造する際のボルト締めやかしめ、溶接などによっても内部応力が発生する。

上記モータのステータコアには、一般に、ステータの断面形状に打ち抜いた電磁鋼板を複数枚積層したものが用いられているが、そのステータコアを構成する電磁鋼板は、圧縮応力が加わると、磁気特性（鉄損特性）が大きく低下することが知られている。そのため、上記のように焼き嵌めによってステータコアに大きな圧縮応力が加わる場合には、ステータコアの鉄損が増加し、モータ効率が大きく低下することになる。

したがって、焼き嵌めによって生ずる圧縮応力による鉄損特性の劣化が小さいステータコアを用いることができれば、モータの効率向上を図ることが可能と考えられる。斯かる要求に応える技術として、例えば、特許文献１には、電磁鋼板を複数枚積層して形成した円柱状の電機子鉄心の外周部に複数個の凸部を有しており、この凸部の外周部がモータケースの内周部と勘合することによりモータケースに固定され、かつ、電磁鋼板を互いに接合する長方形のカシメ部が凸部に少なくとも一つずつあり、長方形のカシメ部の長辺が径方向と垂直な方向を向かせることにより、電磁鋼板が焼き嵌めにより内部応力を受けてもひずみが生じ難く、鉄損の増大の小さい電機子鉄心の固定方法が提案されている。

特開平０４−３２５８４６号公報

上記特許文献１の技術では、モータのハウジングの内周面に、ステータコア周囲に配設された突起を接触させて固定するとともに、接触部となる突起の内部にカシメ部を設けることで、内部応力による鉄損特性の劣化を抑制している。しかしながら、この方法では、突起部に過度な応力が加わる場合には、局所的な応力増加によって、鉄心（ステータコア）の磁気特性が却って劣化してしまうという問題がある。

そこで、本発明は、従来技術が抱える上記問題点を解決するために開発されたものであって、その目的は、ステータコアをモータハウジングに焼き嵌めた際に生ずるステータコアに対する圧縮応力による鉄損特性の劣化が小さなステータコアと、そのステータコアを用いたモータを提供することにある。

発明者らは、上記課題を解決するべく、ステータコアを構成する電磁鋼板に着目して鋭意検討を行った。その結果、ステータコアを構成する電磁鋼板のバックヨークに溝を形成することで、圧縮応力による鉄損劣化を軽減できることを見出し、本発明を開発するに至った。

すなわち、本発明は、環状のバックヨークとそのバックヨークから中心方向に突出するティースを有するモータのステータコアにおいて、上記ステータコアを構成する積層した電磁鋼板のバックヨークの片面または両面に、深さ：５μｍ以上０．３×板厚以下、幅：２μｍ以上３００μｍ以下の溝を間隔：１０μｍ以上１ｃｍ以下として形成してなり、かつ、該溝の方向が、ステータコアの外周接線方向に対して±３０度以内であることを特徴とするステータコアである。

本発明における上記溝は、下記；
間隔：１０μｍ以上１ｃｍ以下
深さ：５μｍ以上０．３×板厚以下
幅：２μｍ以上３００μｍ以下
の条件を満たして形成されてなることを特徴とする。

また、本発明における上記溝は、環状バックヨークの円周方向に沿って形成されてなることを特徴とする。

また、本発明における上記溝は、環状バックヨークのティース突出部以外の部分に形成されてなることを特徴とする。

また、本発明における上記電磁鋼板は、無方向性電磁鋼板であることを特徴とする。

また、本発明は、上記いずれかに記載のステータコアを有することを特徴とするモータである。

本発明によれば、焼き嵌めによって生じた圧縮応力によるステータコアの鉄損特性の劣化を大幅に軽減することができるので、高効率のモータの提供が可能となる。

鋼板を磁化した際に生ずる渦電流を模式的に示す図である。 圧縮応力が付与された、表面に溝を形成した鋼板を磁化した際に生ずる渦電流を模式的に示す図である。 モータのステータコア（固定子）を説明する模式図である。 ステータコアを構成する電磁鋼板のバックヨーク表面に線状溝を円周方向に平行に形成した本発明例を示す模式図（図１のＡ部の拡大図）である。 ステータコアを構成する電磁鋼板のバックヨーク表面に点線状の溝を円周方向に平行に形成した本発明例を示す模式図である。 ステータコアを構成する電磁鋼板のスロット部分のバックヨーク表面に線状溝を円周方向に平行に形成した本発明例を示す模式図である。

先ず、本発明の技術思想について説明する。
高効率モータの開発には、上述したように、圧縮応力下でも鉄損特性の劣化の小さいステータコアが必要である。そこで、ステータコアを構成する電磁鋼板の圧縮応力下における鉄損特性について鋭意検討を行ったところ、圧縮応力下では、電磁鋼板のヒステリシス損だけでなく、渦電流損も増加することが明らかとなった。一般に、ハイブリッド車のＥＶモータやエアコンのコンプレッサ用モータは、高周波で駆動されるだけでなく、インバータでも駆動されるため、数ｋＨｚの高調波が加わっている。したがって、渦電流損特性の劣化（渦電流損の増大）を抑制することは極めて重要なことである。

そこで、圧縮応力により渦電流損が増大する原因について検討したところ、鋼板に圧縮応力が付与されると、鋼板内で磁化ベクトルの向きが変化することによって、図１（ａ）に模式的に示す無応力の場合に生ずる鋼板の板厚方向の渦電流だけでなく、図１（ｂ）に示すような鋼板の板面方向（面内）にも渦電流が流れるため、全体の渦電流損が大きくなることが明らかとなった。この現象は、バックヨークに圧縮応力が加わったステータコアを有するモータを回転させる場合においても全く同様であると考えられる。

そこで、発明者らは、圧縮応力が加えられても、渦電流損が増大しないステータコアを開発するための検討を重ねた。その結果、積層する電磁鋼板のバックヨークの表面に溝を形成してやることで、上記課題を解決できることに想到した。その理由は、環状ステータコアのバックヨークに溝を形成することによって、図２に模式的に示したように、板面内に流れる渦電流の経路を小さくすることができるため、板面方向での渦電流損を効果的に低減できるものと考えられる。

次に、本発明において、ステータコアを構成する電磁鋼板に形成する溝の仕様について具体的に説明する。
＜溝の方向＞
モータのステータコアは、図３に示したような環状の形状に打ち抜いた電磁鋼板１を複数枚積層し、固着したものである。ここで、図中の２はバックヨーク、３はティース、４はティースとティースの間のスロットを示している。このような電磁鋼板のバックヨークに流れる渦電流の増大を効果的に抑制するには、図４に示したように、環状ステータコアのバックヨーク部に溝を形成する必要がある。

なお、形成する溝の方向は、必ずしも図４のようなステータ外周の接線方向である必要はなく、例えば接線方向と直角方向であっても本発明の前記した効果を得ることができる。しかし、ステータコアの外周接線方向に沿って溝を形成するのが好ましい。この場合、ステータコアの圧縮応力と溝の長手方向が一致することになるが、そのような方向に形成された溝は、圧縮応力下で板厚方向の渦電流の経路をも小さくするため、全体の鉄損低減効果がさらに高まるものと考えられるからである。また、高周波になると、板厚方向の渦電流は、表皮効果により表面に集中するため、それによる鉄損低減効果も生ずるものと考えられる。さらに、溝の方向が圧縮方向から傾くと、座屈しやすくなるため、形状劣化を防止する点からも好ましい。したがって、このような効果を享受するには、溝の方向は、接線方向に対して±３０度以内の範囲とするのが好ましい。

また、溝は、図４のように、環状のステータコアの連続して形成してもよいが、図５のように、所定の長さの溝を不連続に（破線状に）間隔をもって全周に形成してもよい。また、形成する溝は、連続または不連続の円弧でも、直線でもよい。すなわち、渦電流の増大を抑制する効果がある限り、その形態には特に制限はない。

＜溝の形成位置＞
本発明において、ステータコアを構成する電磁鋼板に形成する上記溝は、上記図４や図５に示したように、バックヨークの全面に亘って形成してもよいが、図６のように、バックヨークのうちのティースが突出している部分以外の部分、すなわち、スロット部分のバックヨークにのみ形成するようにしてもよい。その理由は、ティースが突出している部分以外のバックヨークには、ティース方向に流れる磁束密度が存在するため、溝形成による渦電流損低減効果が小さいと考えられるためである。
また、バックヨークに溝を形成する範囲の幅は、バックヨークの全幅にわたって形成するのが好ましいが、バックヨーク部の幅の少なくとも５０％の幅に形成すれば、本発明の効果を十分に得ることができる。
また、本発明における上記溝は、ステータコアを構成する電磁鋼板表面の少なくとも片面に形成してあればよい。ただし、両面に形成してもよいことは勿論である。

＜溝の間隔（ピッチ）：１０μｍ以上１ｃｍ以下＞
また、本発明においてバックヨーク表面に形成する溝は、その間隔を１０μｍ以上、１ｃｍ以下として形成するのが好ましい。ここで、上記溝の間隔とは、溝の中心から隣接する溝の中心までの距離のことである。１０μｍ未満では、間隔が小さ過ぎて溝を形成することが難しくなったり、溝の幅によっては、隣接する溝と接近し過ぎたりするためである。一方、溝の間隔が１ｃｍを超えるようになると、圧縮応力下での渦電流損の低減効果が得られなくなる。より好ましくは、５０〜５００μｍの範囲である。

＜溝の深さ：５μｍ以上０．３×板厚以下＞
また、本発明においてバックヨーク表面に形成する溝は、深さを５μｍ以上、板厚の３０％以下として形成するのが好ましい。溝の深さが５μｍ未満では、溝形成による渦電流の低減効果が十分に得られない。一方、溝の深さが板厚の３０％を超えると、磁束密度が低下するだけでなく、座屈し易くなるためステータコアを形成することが難しくなる。よって、溝の深さは５μｍ以上でかつ板厚の３０％以下とするのが好ましい。より好ましくは、１０μｍ以上、板厚の２５％以下である。

＜表面溝の幅：２μｍ以上３００μｍ以下＞
また、本発明においてバックヨーク表面に形成する溝は、その幅を２μｍ以上３００μｍ以下とするのが好ましい。溝の幅が２μｍ未満でも渦電流の低減効果は得られるが、溝を形成することが難しくなる。一方、溝の幅が３００μｍを超えると、磁束密度が低下するため、圧縮応力下での鉄損低減効果が小さくなるからである。より好ましくは、２〜１００μｍの範囲である。

次に、本発明に係るステータコアの製造方法について説明する。
本発明に係るステータコアは、上述したように、ステータコアを構成する電磁鋼板のバックヨーク表面に好ましくは上記条件を満たして溝が形成されたものであればよく、溝を形成すること以外は、一般的なステータコアの製造方法と同じである。例えば、無方向性電磁鋼板を所定の形状に打ち抜いた後、複数枚を積層後、かしめたり溶接したりして固着して積み鉄心（コア）とし、その後、そのコアのティースに巻線を施してステータコアとした後、そのステータコアをモータハウジングに焼き嵌め法等で固定することで製造することができる。

ここで、電磁鋼板の表面に上記の溝を形成する方法は、特に限定されるものではないが、例えば、素材となる電磁鋼板を所定の形状に打ち抜き後、そのバックヨークの表面にエッチング加工や、レーザー加工、ウォータージェット加工等の方法を用いて行うことができる。また、溝付け後の歪取焼鈍は、必要に応じて行えばよいが、鉄心に積層した後に行うのが好ましい。

また、ステータコアの素材となる電磁鋼板は、特に限定されるものではないが、高効率もモータを志向する観点からは、無方向性電磁鋼板を用いるのが好ましい。また、この電磁鋼板の板厚は、モータが高周波で使用されることを考慮し、０．３５ｍｍ以下であることが好ましい。

板厚が０．２０ｍｍの無方向性電磁鋼板を、外径が１２０ｍｍφ、内径が３０ｍｍφ、バックヨーク幅が３０ｍｍ、ティース幅が５ｍｍで、スロット数が１２である環状のステータコア形状に打ち抜いた後、その打ち抜き後の電磁鋼板のバックヨーク部両面の全幅にわたって、表１に示したＮｏ．１〜１３の異なる仕様の線状溝を、図４のように、バックヨークの円周方向に平行にエッチング加工により形成した。その後、上記鋼板を接着して積み厚が２０ｍｍのステータコアとし、ティースに巻き線を施してから、そのコアを焼き嵌めによりハウジングに固定し、各種の試験用モータを製作した。なお、比較例として、溝を形成しないモータ（Ｎｏ．１４）も製作した。

上記のようにして製作した試験用モータについて、トルク０．２Ｎｍ時の鉄損を測定し、その結果を表１に併記して示した。表１から、ステータのバックヨークに本発明の条件を満たした溝を形成することで、圧緒応力による鉄損劣化を低減した高効率のモータを得ることができることがわかる。

実施例１において最も鉄損の少なかった表１のＮｏ．５のモータと同じ溝仕様を有し、図５のように長さ２０ｍｍの溝を１ｍｍ間隔で破線状に溝を形成したステータコアを有するモータ（Ｎｏ．１５）と、図６のように、スロット部分のバックヨークにのみ線状溝を形成したステータコアを有するモータ（Ｎｏ．１６）を製作し、実施例１と同じトルク０．２Ｎｍ時の鉄損を測定し、その結果を表１に併記して示した。この結果から、図５のように溝を破線状に形成しても、また、図６のように部分的に溝を形成しても、鉄損低減効果を得られることがわかる。

１：ステータコア（電磁鋼板）
２：バックヨーク
３：ティース
４：スロット部

Claims (5)

1. 環状のバックヨークとそのバックヨークから中心方向に突出するティースを有するモータのステータコアにおいて、上記ステータコアを構成する積層した電磁鋼板のバックヨークの片面または両面に、深さ：５μｍ以上０．３×板厚以下、幅：２μｍ以上３００μｍ以下の溝を間隔：１０μｍ以上１ｃｍ以下として形成してなり、かつ、該溝の方向が、ステータコアの外周接線方向に対して±３０度以内であることを特徴とするステータコア。
2. 上記溝は、環状バックヨークの円周方向に沿って形成されてなることを特徴とする請求項１に記載のステータコア。
3. 上記溝は、環状バックヨークのティース突出部以外の部分に形成されてなることを特徴とする請求項１または２に記載のステータコア。
4. 上記電磁鋼板は、無方向性電磁鋼板であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のステータコア。
5. 上記請求項１〜４のいずれかに記載のステータコアを有することを特徴とするモータ。

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