JP6995183B1

JP6995183B1 - モーターのコア構造

Info

Publication number: JP6995183B1
Application number: JP2020218311A
Authority: JP
Inventors: 石田二彦
Original assignee: 石田二彦
Priority date: 2020-12-28
Filing date: 2020-12-28
Publication date: 2022-01-14
Anticipated expiration: 2040-12-28
Also published as: JP2022103583A

Abstract

【課題】本発明は、モーターのコアを軽量化することによって、起動時の初期動作や回転の変動に伴う追従性を向上させることを可能とするモーターの提供を課題とするものである。【解決手段】本発明は、積層される複数の電磁鋼板の間に隙間領域を設けて絶縁した構成のモーターのコア構造であって、前記隙間領域は、複数の電磁鋼板のうち縁部を残して中央部分を切り取った少なくとも一以上のスペーサー電磁鋼板と、該スペーサー電磁鋼板を両側から中央部を残したモーターコア電磁鋼板により挟み込む構成が連続して成る構成を採用した。【選択図】図１

Description

本発明は、モーターのコア構造に関し、詳しくは、コアを軽量化してレスポンスの向上を図るとともに、定格電圧における回転数の増加を可能とするために、従来の絶縁手段とは異なり、積層される電磁鋼板の間に隙間領域を設ける構成を採用することによって、軽量化を図るモーターコア構造に関するものである。

従来のモーターコアは何枚も積層される電磁鋼板によって構成され、係る電磁鋼板は一枚一枚表面に絶縁皮膜等の絶縁処理が施されており、積層されたコア全体の重量は大きくなるものである。そうすると、回転はじめの初期動作等において、大きなトルクを必要とするために、大きな起動電力が必要となる。また、回転速度が変動するような利用方法においてはその追従性が悪くなる。ステッピングモーターのように回転角制御ができない直流モーターでは、コアが重いと慣性力が大きく作用し回転の上昇や下降に影響する。そこで軽量なコアを構成するための工夫が必要となる。しかしながら、渦電流の発生を抑止すること等の理由から、薄板の電磁鋼板を積層する構成が技術常識となっており、係る技術分野においては、コアの軽量化は意外と疎かにされているものと考えられる。

また、小型モーター等に使用されるモーターコアは、従来プレス加工によって金属板を積層して所定形状に成形されており、積層モーターコアとしての係る形状については、例えば、複数の突極を有し、各突極の先端部は円弧状の部位となっており、各突極毎にそれぞれ巻線が巻かれる形状である。このようなコアはモーターの回転子として用いられるが、コアの突極と巻線との間が絶縁されていないような場合には、各巻線同士はコアを通じて短絡してしまい、モーター自身が機能しなくなってしまう。そこで、コアと巻線との間は絶縁する必要があり、積層電磁鋼板の表面はあらかじめ絶縁処理がなされているのが通常である。

そして、このような絶縁処理手段として、従来、電着塗料や溶剤スプレー、或いは粉体塗料等によりモーターコア表面に絶縁層を形成させる方法が採用されてきた。しかし、このような塗料で絶縁層を被覆する場合、モーターコアのエッジ部は絶縁層が剥離し易く、その結果絶縁層の絶縁特性を低下させるという問題が生じていた。そのため、絶縁層の膜厚を厚くせざるを得ない状況下にあった。近年、モーターの小型化、薄型化が要求され、さらには高性能（高耐電圧）が要求され、絶縁層の薄膜化が求められている。
膜状の絶縁層は、薄いにせよ厚いにせよ、成形工程においてコストもかかり製造工程も増加するものである。そこで、塗装以外で、しかも簡易に絶縁特性に優れた絶縁層を形成できることが課題といえる。

そこで、上記の問題を鑑み、従来より種々の技術提案がなされている。例えば、発明の名称を「モーターコアの製造方法及びモーターコア及び高周波モーター」とする技術が開示されている（特許文献１参照）。具体的には、「特殊な材料を用いることなく、大規模な装置を設備することなく、積層鋼板による分割コア、ロータコアを安価に製造する。」ことを課題とし、解決手段として「積層鋼板が積層され、該積層鋼板が一体化されモータコアが製造されるモータコアの製造方法に於いて、焼鈍工程（ＳＴＥＰ：０５）と、焼鈍工程後に積層された前記積層鋼板を接着する工程（ＳＴＥＰ：０６）とを具備する。」といった技術が公開され公知技術となっている。しかしながら、特許文献１に記載の技術は、焼き純しにより、加工硬化した電磁鋼板の加工歪を除去することを特徴とするものであり、本発明のように絶縁手段として隙間領域を設ける構成とは異にするものであり、また、軽量化という課題を解決するに至っていない。

また、発明の名称を「ホイールインモーターのステータ製造方法」とする技術が開示されている（特許文献２参照）。具体的には、「薄型、コンパクトな高性能のホイールインモータのステータを容易に製造する製造方法を提供する」ことを課題とし、解決手段として「複数枚の電磁鋼板を圧接しながら溶接し分割ステータコアを形成する溶接ステップと、丸線材を角線材に加工しながらコアに巻回して分割ステータピースにするコイル巻回ステップと、巻回した角線材の膨れ上がり部分を両側から均等にプレスして所定形状に整形するコイル成形ステップと、各分割ステータピースを組み合わせてリング状にするステータ組合せステップと、各分割ステータピースの関連するコイル端子を結線する結線ステップと、リング状に組み合わされた各分割ステータピースをモールド型に納めて形状固定した状態で樹脂注入を行いステータ形状の永久固定を行うモールドステップと、を含む。」という技術が公開され公知技術となっている。しかしながら、特許文献２に記載の技術は、モーターコアの製造方法に関するものであるが、複数枚の電磁鋼板を結合する手段として圧接しながら溶接するものであり、係る工程において隙間領域を形成するという構成は採用しておらず、軽量化という点からも本発明の課題を解決するに至っていない。

また、発明の名称を「モーター鉄芯構造」とする技術が開示されている（特許文献３参照）。具体的には、「本発明は、歯部と絶縁部材との間に形成した隙間内に樹脂等の封止剤を注入することにより、鉄芯の強度を向上させることを目的とする。」ことを課題とし、解決手段といて「本発明によるモータ鉄芯構造は、多数の鉄芯片を転積する際に、歯部と絶縁部材との間に形成された隙間内に樹脂等の封止剤を注入して硬化させることにより、鉄芯を強化し、絶縁部材と巻線を鉄芯に対して強固に固定する構成である」という技術が公開され公知技術となっている。しかしながら、特許文献３に記載の技術は、鉄芯の強度を向上させることを主たる目的とするものであり、軽量化を図るために隙間領域を設ける構成は採用しておらず、本発明の課題を解決するに至っていない。

特開２００５－２８７１３４号特開２０００－０５０５８３号特開２００２０－５１４８６号

本発明は、モーターのコアを軽量化することによって、起動時の初期動作や回転の変動に伴う追従性を向上させることを可能とするモーターの提供を課題とするものである。

本発明は、積層される複数の電磁鋼板の間に隙間領域を設けて絶縁した構成のモーターのコア構造であって、前記隙間領域は、複数の電磁鋼板のうち縁部を残して中央部分を切り取った少なくとも一以上のスペーサー電磁鋼板と、該スペーサー電磁鋼板を両側から中央部を残したモーターコア電磁鋼板により挟み込む構成が連続して成る構成を採用する。

また、本発明は、前記隙間領域が複数の電磁鋼板のうち、前記スペーサー電磁鋼板を複数備え、該スペーサー電磁鋼板を両側から前記モーターコア電磁鋼板により挟み込む構成が連続して成る構成を採用することもできる。

また、本発明は、前記スペーサー電磁鋼板及び前記モーターコア電磁鋼板に絶縁皮膜処理がされている構成を採用することもできる。

また、本発明は、前記スペーサー電磁鋼板及び前記モーターコア電磁鋼板の素材が何れも鉄製である構成を採用することもできる。

本発明に係るモーターのコア構造によれば、コア自体が軽量化されることによって、電圧変化に伴う回転速度の追従性が良くなるという優れた効果を発揮するものである。

また、本発明に係るモーターのコア構造によれば、コアが軽量化されていることにより、より遠方から吸着及びより遠方へと反発することから、定格電流当たりの出力増加並びに低回転域での高トルク化を図ることが可能となる優れた効果を発揮するものである。

また、本発明に係るモーターのコア構造によれば、積層される電磁鋼板の絶縁処理が空間を設けることによって絶縁される為、特別な絶縁皮膜等の表面処理を施す必要がなく、渦電流の発生を抑えつつ、コストも軽減できるという優れた効果を発揮するものである。

また、本発明に係るモーターのコア構造において、隙間領域が複数の電磁鋼板のうち、スペーサー電磁鋼板を複数備え、スペーサー電磁鋼板を両側からモーターコア電磁鋼板により挟み込む構成を採用した場合には、より軽量化を図ることができる。但し、係る構成を採用した場合その隙間領域が大きすぎると出力が低下してしまうため、スペーサー電磁鋼板の枚数を適宜選択することが必要である。とする優れた効果を発揮するものである。

本発明に係るモーターのコア構造の基本構成を説明する基本構成説明図である。本発明に係る隙間領域の配置構成を説明する構成説明図である。本発明に係るモーターのコア構造の試験装置により隙間領域の配置構成を説明する構成説明図である。

本発明は、積層される複数の電磁鋼板の間に隙間領域を設けて絶縁した構成のモーターのコア構造であって、前記隙間領域は、複数の電磁鋼板のうち縁部を残して中央部分を切り取った少なくとも一以上のスペーサー電磁鋼板と、該スペーサー電磁鋼板を両側から中央部を残したモーターコア電磁鋼板により挟み込む構成が連続することにより、コアの内部に多数形成して軽量化を図ることを最大の特徴とするものである。
以下、図面に基づいて説明する。但し、係る図面に記載された形状や構成に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の創作として発揮する効果の得られる範囲内で変更可能である。

図１は、本発明に係るモーターのコア構造の基本構成を説明する基本構成説明図である。また、図２は、本発明に係る隙間領域２０の配置構成を説明する構成説明図であり、図２（ａ）は電磁鋼板１０をモーター軸の軸方向から見た状態を示し、図２（ｂ）はモーター軸の垂直方向から見た状態を示している。なお、図２（ｂ）ではスペーサー電磁鋼板１２が２枚で該スペーサー電磁鋼板１２を両側からモーターコア電磁鋼板１３により挟み込む構成の実施例としたものであり、係る挟み込まれるスペーサー電磁鋼板１２は２枚に限定されるものではなく、スペーサー電磁鋼板１２の厚みにもよるが、隙間領域２０の存在によって上昇する鉄損による電動機のエネルギー効率の低下と、軽量化による性能の向上とのバランスから適宜選択する。

モーターのコア構造１は、積層される複数の電磁鋼板１０の間に隙間領域２０を設けて絶縁した構成のモーターのコア構造であって、隙間領域２０は、複数の電磁鋼板１０のうち縁部１１を残して中央部分を切り取った少なくとも一以上のスペーサー電磁鋼板１２と、該スペーサー電磁鋼板１２を両側から中央部を残したモーターコア電磁鋼板１３により挟み込む構成を連続させて、コア３０の内部に多数の隙間領域２０を形成して軽量化を図るものである。また、複数のスペーサー電磁鋼板１２をモーターコア電磁鋼板１３により挟み込む構成とすることで大きな空間の隙間領域２０として、より軽量化を図ることも有効である。

電磁鋼板１０は、変圧器や回転機(モータ)の鉄芯として積層して使用される機能材料であり、地球上に存在する物質の中で、常温での強磁性体元素は「鉄」「ニッケル」「コバルト」の３種のみである。電気が流れる所には磁気が発生し、例えば鉄の周りに銅線を巻きそこに電気を流すと、磁力が及ぶ空間（磁場）が発生する。強磁性体元素は、その時に自らが磁石になる（磁化する）性質を有しているものである。磁石が鉄片を吸引する作用の原因を磁気といい、磁気作用の及ぶ空間を磁界（磁場）と呼ばれる。鉄片を磁界中に置くと磁力線が流れることで磁極を生じ磁石となり、この現象を磁気誘導という。強磁性体「鉄・ニッケル・コバルト」は磁化された磁気（自発磁気）を持っている小さな区域から成立っており、小磁石の区域は磁区と呼ばれ、その境界を磁壁と呼ぶ。磁界がなければそれぞれがランダムな方向を向いて存在しているが、外部から磁界（磁場）をかけると同じ方向に整列し、あたかも１つの磁石の様相を示す。磁性材料には、電流の向きを反転すると容易に磁化も反転する「軟質磁性材料」と、電流を切っても磁化を維持し続け永久磁石になる「硬質磁性材料」の２種類があり、電磁鋼板１０は軟磁性材料に該当するものである。「軟質磁性材料（電磁鋼板１０）」は外部から磁界を加えると反応しやすく、その向きが反転するとすぐに自らの磁化も反転する。つまり、磁力線を通し易い（高透磁率）特性を持つものである。実験的に試作したものには鉄製１５を用いた。

縁部１１は、ローター３０（回転子）を構成する電磁鋼板１０のうち、ステータ（固定子）側の外周縁部をいい、周方向への円弧形状に突き出した部分であり、モーターのコア構造１において積層される複数の電磁鋼板１０間に、隙間領域２０が存在しない部分となる。なお、先端から周方向へ突き出した縁部１１の両先端部はハンダ付け、ろう付け、レーザー溶接、接着またはカシメ等により結合される部分となる。実験的に試作したものではハンダによる結合手段を採用した。

スペーサー電磁鋼板１２は、積層される複数の電磁鋼板１０間に、隙間領域２０をつくるために、複数の電磁鋼板（１０）のうち縁部（１１）を残して中央部分を切り取った形状であり、モーターコア電磁鋼板１３間で挟持されるものである。

モーターコア電磁鋼板１３は、コア３０の全体を積層により構成する部材であり、図１に示すような形状である。素材としては、鉄製１５であればコスト的にも好適である。

絶縁皮膜処理１４は、通常、積層される一枚一枚の電磁鋼板１０のすべての表面に施されるものであるが、本発明に係るモーターのコア構造１では、隙間領域２０で隣接する電磁鋼板１０は接触しないため原則的には不要である。ただし、電磁鋼板１０の縁部はスペーサー電磁鋼板１２とモーターコア電磁鋼板１３は接触状態での積層となるため、縁部１１のみ或いはスペーサー電磁鋼板１２と当接部分に絶縁被膜処理１４を施すことも有効である。係る絶縁被膜処理１４については、従来と同様に、電着塗料や溶剤スプレー、或いは粉体塗料等により縁部１１の表面に絶縁層を形成させる方法を用いればよい。

鉄製１５は、電磁鋼板１０の素材のことである。電磁鋼板１０は鉄鋼材料であると同時に、磁気的性質を持つ「磁性材料」であり、材料が磁性を持つためには「磁石につく性質（強磁性）」が不可欠であるが、地球上に存在する物質の中で、常温での強磁性体元素は「鉄」「ニッケル」「コバルト」の３つしかなく、工業的に使用される磁性材料は、合金や酸化物の形態でこの３元素のいずれかを含んでいる場合がほとんどである。電気があるところには磁力が発生する。例えば、鉄の周りに銅線を巻きそこに電気を流すと、磁力が及ぶ空間（磁界）が生まれる。強磁性体元素は、そのときに自らが磁石になる（磁化する）性質を持つ。鉄は、構造材料でありながら強い磁性を併せ持つ重宝な素材であり、磁性材料には、電流の向きを反転すると容易に磁化も反転する「軟質磁性材料」と、電流の向きを反転しても磁化を維持し続け永久磁石になる「硬質磁性材料」の２種類がある。電磁鋼板１０としての鉄製１５は軟質磁性材料にあたるものである。

隙間領域２０は、本発明に係るモーターのコア構造１において重要な技術的要素であり、軽量化と回転特性の向上化に資するものである。具体的には、複数の電磁鋼板１０のうち縁部１１を残して中央部分を切り取った少なくとも一以上のスペーサー電磁鋼板１２と、該スペーサー電磁鋼板１２を両側から中央部を残したモーターコア電磁鋼板１３により挟み込む構成が連続することによりコア３０の内部に多数形成される空間である。

コア３０は、複数の積層鋼板１０をコア状に積層して積上げ一体化したものである。通常、一体化には、所要箇所を板厚方向に溶接する方法、複数の電磁鋼板１０をカシメてプレス接合をする方式、電磁鋼板１０に接着剤を塗布して積層固着する方式などがある。溶接方法の場合では、溶接部分で積層鋼板間が短絡することとなり、磁気が通過する部分は溶接を避けなければならず、溶接箇所に制約が生じる。

また、ローター側のコア３０には複数部分に分割したものがあるが、係る分割型のコアでは、溶接箇所が多くなり、又磁気を通過する部分を避けて溶接することが困難になるので、実質的に溶接を用いることは難しいという問題がある。特に、ロータ側のコアは磁界の中を回転するものであり、磁気を通過する部分を避けて溶接することは困難であり、溶接でモーターのコア３０を製造するにはレーザ溶接機が必要となり、コスト高になる。

そしてまた、カシメ方式は、前記溶接方法等と比べると安価に供給ができるものの、正確なカットと正確なプレス結合のため、精度の高いレーザーカット加工機や高精度な金型等が必要となり、やはりコストが問題となる。

さらにまた、電磁鋼板１０に接着剤を塗布して積層固着する接着方式によれば、１枚１枚の電磁鋼板１０の間に接着剤を付けて積み上げるため、加工がない分、加工時間等がかかるためコスト高となるが、熱影響や鉄損のロスが生じない。電磁鋼板１０の薄手化にも対応しているほか、接着性が高いため振動が小さくモーターの高回転にも耐えられ、金型の精度は要求されず、他の方式と比較してモーター特性が向上する。但し、結合工程における接着時間がかかるという問題を含んでいる。以上の各結合手段のメリット・デメリットを踏まえ、実験的に試作したものではハンダにより縁部１１の外周辺の一部であって、ステータ（固定子）とロータ（回転子）とのクリアランス内に収まるようハンダを流す結合手段を採用した。

巻線４０は、電気機器の巻線用電線を一般にマグネットワイヤと呼ばれ、換言すれば電気エネルギーと磁気エネルギーとを、互に交換するために用いる電線であり、電磁鋼板１０に巻き付けてモーターコイルを形成する。巻線４０には多くの種類が存在するが、一般的な銅線を被膜絶縁したエナメル線を用いればよく、絶縁厚さが薄く均一であり、絶縁破壊電圧や絶縁抵抗等電気特性が良いなど、モーターコイル用として必要な性能を有するものであれば、特にその種類は限定されるものではない。

ステータ５０は、モーターの静止部分(固定子)であり、永久磁石で構成される磁気回路の一部である。

図３は、本発明に係るモーターのコア構造の試験装置により隙間領域の配置構成を説明する構成説明図である。図３（ａ）は、積層される電磁鋼板１０全体の積層状態を示し、図３（ｂ）はその一部拡大図である。図面として示した写真ではわかりにくいが、白っぽく見える複数の板状部材がモーターコア電磁鋼板１３であり、その間の黒っぽく見えるのが隙間領域２０である。また、ハンダにより見え難いがハンダの下にはスペーサー電磁鋼板１２が存在する。なお、実験的に試作した装置に用いられるコア３０では、４０枚のモーターコア電磁鋼板１３の各隙間に其々２枚ずつペーサー電磁鋼板１２を挟持した場合、積層厚さで４５ｍｍであり、隙間領域２０の部分が軽量化されていることがわかる。

本発明に係るモーターのコア構造によれば、同じ大きさのモーターコアと比較して軽量化を図ることができることから回転の追従性や、出力・トルクの向上が図れ、電動機等を用いる工業製品等広く利用できることから、産業上利用可能性は高いと思慮されるものである。

１モーターのコア構造
１０電磁鋼板
１１縁部
１２スペーサー電磁鋼板
１３モーターコア電磁鋼板
１４絶縁皮膜処理
１５鉄製
２０隙間領域
３０コア
４０巻線
５０ステータ

Claims

積層される複数の電磁鋼板（１０）の間に隙間領域（２０）を設けて絶縁した構成のモーターのコア構造であって、
前記隙間領域（２０）は、
複数の電磁鋼板（１０）のうち縁部（１１）を残して中央部分を切り取った少なくとも一以上のスペーサー電磁鋼板（１２）と、
該スペーサー電磁鋼板（１２）を両側から中央部を残したモーターコア電磁鋼板（１３）により挟み込む構成が連続する積層回数に応じて、コア（３０）の内部に前記隙間領域２０が形成されることにより軽量化を図ることを特徴とするモーターのコア構造（１）。
前記隙間領域（２０）が、
複数の電磁鋼板（１０）のうち前記スペーサー電磁鋼板（１２）を少なくとも二以上備え、該複数のスペーサー電磁鋼板（１２）を両側から前記モーターコア電磁鋼板（１３）により挟み込む構成が連続する積層回数に応じて、コア（３０）の内部に前記スペーサー電磁鋼板（１２）が一つの場合と比べて大きな空間の前記隙間領域（２０）が形成されることにより軽量化を図ることを特徴とする請求項１に記載のモーターのコア構造（１）。
前記スペーサー電磁鋼板（１２）及び前記モーターコア電磁鋼板（１３）に絶縁皮膜処理（１４）がされていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のモーターのコア構造（１）。
前記スペーサー電磁鋼（１２）板及び前記モーターコア電磁鋼板（１３）の素材が何れも鉄製（１５）であることを特徴とする請求項１から請求項３の何れかに記載のモーターのコア構造（１）。