特開 2024-141807 固定子、および、電動機または発電機

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024141807

(43)【公開日】2024-10-10

(54)【発明の名称】固定子、および、電動機または発電機

(51)【国際特許分類】

   H02K 1/02 20060101AFI20241003BHJP

   H02K 1/18 20060101ALI20241003BHJP

【ＦＩ】

H02K1/02 Z

H02K1/18 C

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023053648

(22)【出願日】2023-03-29

(71)【出願人】

【識別番号】000180025

【氏名又は名称】山洋電気株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001416

【氏名又は名称】弁理士法人信栄事務所

(72)【発明者】

【氏名】堀内 学

【テーマコード（参考）】

5H601

【Ｆターム（参考）】

5H601AA22

5H601CC01

5H601CC02

5H601CC13

5H601DD01

5H601DD11

5H601EE39

5H601GA02

5H601GB05

5H601GB12

5H601GB33

5H601GB48

5H601GC12

5H601GD02

5H601GD07

5H601GD08

5H601GD09

5H601GD10

5H601GD20

5H601GD22

5H601GD23

5H601HH02

5H601KK08

(57)【要約】

【課題】電動機のトルクの低下を抑制しつつ、トルクリプルを低減する固定子、および、電動機または発電機を提供する。
【解決手段】固定子１１は、磁気特性の異なる２種以上の軟磁性体で構成されている。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

磁気特性の異なる２種以上の軟磁性体で構成されていることを特徴とする固定子。

【請求項2】

前記固定子は、複数の磁極部を備え、
少なくとも一つの前記磁極部が他の前記磁極部と異なる軟磁性体で構成されている、請求項１に記載の固定子。

【請求項3】

少なくとも一つの前記磁極部の比透磁率が、他の前記磁極部の比透磁率よりも低い、請求項２に記載の固定子。

【請求項4】

複数の前記磁極部が互いに同じ形状である、請求項２に記載の固定子。

【請求項5】

前記固定子のスロット数をＮ、相数をｍ、極数をＰと定義した場合、毎極毎相スロット数ｑ＝Ｎ／（ｍ・Ｐ）である同期機において、前記固定子はq≦1であり、複数の前記磁極部を支持する継鉄部をさらに備え、
複数の前記磁極部は、互いに位相が同じ巻線の間に設けられる第一磁極部から構成され、
前記第一磁極部から前記第一磁極部の径方向外側に位置する前記継鉄部までの部位の少なくとも一部が、他の部位と異なる軟磁性材料で構成されている、請求項２に記載の固定子。

【請求項6】

前記固定子のスロット数をＮ、相数をｍ、極数をＰと定義した場合、毎極毎相スロット数ｑ＝Ｎ／（ｍ・Ｐ）である同期機において、前記固定子はq＞1であり、複数の前記磁極部を支持する継鉄部をさらに備え、
複数の前記磁極部は、互いに位相が同じ巻線の間に設けられる第一磁極部と、互いに位相が異なる巻線の間に設けられる第二磁極部とから構成され、
前記第二磁極部から前記第二磁極部の径方向外側に位置する前記継鉄部までの部位の少なくとも一部が、他の部位と異なる軟磁性材料で構成されている、請求項２に記載の固定子。

【請求項7】

前記固定子は複数のコアシートが軸方向に積層されて構成されており、
軸方向に隣り合う前記コアシートを前記軸方向から透視的に見たときに、一方の前記コアシートのうちの他の部位と異なる軟磁性材料で構成された部位が、他方の前記コアシートのうちの他の部位と異なる軟磁性材料で構成された部位と、軟磁性材料の配置が異なる、請求項１に記載の固定子。

【請求項8】

請求項１から７の何れか一項に記載の固定子と、
回転子と、を備える電動機または発電機。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、固定子、および、電動機または発電機に関する。

【背景技術】

【0002】

電動機のトルクリプルは、制御性能の悪化や振動・騒音の増加などさまざまな問題を引き起こすため、いくつかの抑制手段が提案されている。例えば、特許文献１に、トルクリプルを低減するために、位相巻線スロット間の磁極部の中心にスリットを設けた電動機の固定子が開示されている。また、特許文献２に、トルクリプルを低減するために、位相巻線スロット間の磁極部の先端が凹んだ形状の電動機の固定子が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開昭５２－０９７１０２号公報

【特許文献2】特開平０５－０５６６１４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、特許文献１、２に開示されている固定子は、磁束の通り道の空隙が増加するため、電動機のトルクが低下してしまう恐れがある。したがって、電動機のトルクの低下を抑制しつつ、トルクリプルを低減する技術が求められる。

【0005】

本発明は、トルクの低下を抑制しつつ、トルクリプルを低減する固定子、および、電動機または発電機を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の一側面に係る固定子は、
磁気特性の異なる２種以上の軟磁性体で構成されている。

【0007】

本発明の一側面に係る電動機または発電機は、
上記固定子と、回転子と、を備える。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、トルクの低下を抑制しつつ、トルクリプルを低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】基準例１に係る電動機の水平方向断面図である。

【図2】第１実施形態に係る電動機の水平方向断面図である。

【図3】基準例１に係る電動機と、参考例１に係る電動機と、第１実施形態に係る電動機のトルク特性を示すグラフである。

【図4】第１実施形態に係る電動機の磁極部の模式図である。

【図5】基準例２に係る電動機の水平方向断面図である。

【図6】第２実施形態に係る電動機の水平方向断面図である。

【図7】基準例２に係る電動機と第２実施形態に係る電動機のトルク特性を示すグラフである。

【図8】第２実施形態に係る電動機のステータコアの模式図である。

【図9】第２実施形態に係る電動機のステータコアの模式図である。

【図10】第２実施形態に係る電動機のステータコアの模式図である。

【図11】第２実施形態の応用例に係る電動機を示す模式図である。

【図12】図１１の電動機のトルク特性を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。尚、実施形態の説明において既に説明された部材と同一の参照番号を有する部材については、説明の便宜上、その説明は省略する。また、本図面に示された各部材の寸法は、説明の便宜上、実際の各部材の寸法とは異なる場合がある。
［第１実施形態］

【0011】

本実施形態１に係る電動機１００の詳細を説明するために、比較対象として、図１を用いて、基準例１に係る電動機１００’について説明する。

【0012】

図１は、基準例１に係る電動機１００’の水平方向断面図である。図１に示す電動機１００’は、３相４極６スロット、集中巻線、毎極毎相スロット数ｑ＝０．５のＩＰＭＳＭ（埋め込み磁石同期電動機）構造である。なお、スロット数をＮ、相数をｍ、極数をＰと定義した場合、毎極毎相スロット数ｑはｑ＝Ｎ／（ｍ・Ｐ）で求められる値である。

【0013】

電動機１００’は、固定子１０と、固定子１０に対して相対的に回転可能な回転子２０と、を備えている。

【0014】

固定子１０は、回転軸方向（図１の紙面垂直方向）に複数の電磁鋼板が積層されて形成されたリング形状のステータコア１１を備えている。ステータコア１１は、単一の軟磁性体材料で構成されている。ステータコア１１は、径方向内側に６個の平面視略Ｔ字状からなる磁極部（ティース）１１ａを有し、径方向外側に継鉄部１１ｂを有する。６個の磁極部１１ａは互いに略同じ形状であり、継鉄部１１ｂによって支持される。隣接する２つの磁極部１１ａの間にはスロットが設けられ、各スロット内にステータコイル１２が組み込まれている。各ステータコイル１２は集中巻線によって磁極部１１ａに巻回されている。ステータコイル１２には、外部から交流電流が印加される。磁極部１１ａによって隔てられたステータコイル１２の二つの部位は、流れる電流の位相が互いに反転している。例えば磁極部１１ａによって隔てられたステータコイル１２の二つの部位１２ａ、１２ｂにはそれぞれ、Ｕ反転相とＵ相が流れる。

【0015】

回転子２０は、回転軸方向に複数の電磁鋼板が積層されて形成されたロータコア２１を備えている。ロータコア２１は円筒状に形成されている。ロータコア２１の内周面は、シャフト取付孔２２を構成している。シャフト取付孔２２には図示しない駆動シャフトが固定され、駆動シャフトは回転中心Ｏを中心として回転可能に図示しないハウジングに支承されている。

【0016】

回転子２０は、ロータコア２１に図示しない複数のロータ磁石を有する。ロータ磁石は、スロット内部に埋め込まれた永久磁石で構成されている。ロータ磁石は、それぞれ極性の異なる１極を構成している。

【0017】

以下、図２～４を用いて、第１実施形態の電動機１００について詳細に説明する。

【0018】

図２は、第１実施形態に係る電動機１００の水平方向断面図である。以下、図１に示す基準例１に係る電動機１００’の構成との相違点のみを説明する。

【0019】

ステータコア１１は、磁気特性の異なる２種類以上の軟磁性体で構成されている。具体的には、磁極部１１ａから継鉄部１１ｂまでの部位の少なくとも一部（図２の例示では第二軟磁性材料１１Ａ）が、他の部位（第一軟磁性材料）と異なる軟磁性材料で構成されている。第一軟磁性材料として、例えば電磁鋼板が用いられ、第二軟磁性材料１１Ａとして、例えばＮｉ―Ｆｅ合金（パーマロイ）が用いられる。第一軟磁性材料と第二軟磁性材料１１Ａは、互いに異なる軟磁性材料であるため、比透磁率も互いに異なる。

【0020】

ステータコア１１が磁気特性の異なる２種類以上の軟磁性体で構成されていることで、電動機１００に発生するトルクリプルを低減できる。その理由を、図３を用いて説明する。図３は、図１に示す基準例１に係る電動機と、参考例１に係る電動機と、図２に示す第１実施形態に係る電動機のトルク特性を示すグラフである。ここで、参考例１に係る電動機とは、図２に示す第１実施形態に係る電動機１００の第二軟磁性材料１１Ａの部位を空隙に置き換えた構成である。当該空隙には空気が含まれている。
図３において、横軸に電気角、縦軸にトルクを示す。破線の波形は基準例１に係る電動機１００’のトルクを示し、点線の波形は参考例１に係る電動機のトルクを示し、実線の波形は第１実施形態に係る電動機１００のトルクを示す。図３において、符号Ｔ１は基準例１に係る電動機１００’のトルク波形のトルクリプルの大きさを表し、符号Ｔ２は参考例１に係る電動機１００’のトルク波形のトルクリプルの大きさを表し、符号Ｔ３は第１実施形態に係る電動機１００のトルク波形のトルクリプルの大きさを表す。

【0021】

図３に示すように、参考例１に係る電動機のトルクリプルの大きさＴ２は、基準例１に係る電動機１００’のトルクリプルの大きさＴ１よりも３／４程度に低減されている。しかしながら、参考例１に係る電動機のトルクの大きさは、基準例１に係る電動機１００’のトルクの大きさから１．１Ｎｍ程度低減されている。

【0022】

これに対して、第１実施形態に係る電動機１００のトルクリプルの大きさＴ３は、基準例１に係る電動機１００’のトルクリプルの大きさＴ１よりも１／３程度に低減されている。さらに、第１実施形態に係る電動機１００のトルクの大きさは、基準例１に係る電動機のトルクの大きさから０．４５Ｎｍ程度しか低減されていない。つまり、本実施形態の構成により、電動機のトルクの低下を抑制しつつ、トルクリプルを低減することが可能となる。

【0023】

図４は、第１実施形態に係る電動機の磁極部の模式図である。図４に示すように、磁極部１１ａは第一軟磁性材料で構成され、径方向内側の内周面Ｓの一部から径方向外側に向かって凸形状である挿入孔１３を有する。第二軟磁性材料１１Ａが、図４の矢印方向に沿って挿入孔１３に挿入されて内部に組み込まれることで、磁極部１１ａは第一軟磁性材料と第二軟磁性材料１１Ａの複数の磁性材料で構成される。このような形状とすることで、磁気特性の異なる２種類以上の軟磁性体で構成された磁極部１１ａを容易に組み立てることができる。
［第２実施形態］

【0024】

本実施形態２に係る電動機２００の詳細を説明するために、比較対象として、図５を用いて、基準例２に係る電動機２００’について説明する。

【0025】

図５は、基準例２に係る電動機２００’の水平方向断面図である。図５に示す電動機２００’は、３相２極１８スロット、分布巻線、毎極毎相スロット数ｑ＝３のＩＰＭＳＭ（埋め込み磁石同期電動機）構造である。

【0026】

電動機２００’は、固定子１０と、固定子１０に対して相対的に回転可能な回転子２０と、を備えている。

【0027】

固定子１０は、回転軸方向に複数の電磁鋼板が積層されて形成されたリング形状のステータコア１１を備えている。ステータコア１１は、単一の軟磁性体で構成されている。ステータコア１１は、径方向内側に計１８個の平面視略Ｔ字状からなる第一磁極部１１ａ、第二磁極部１１ａ’を有し、径方向外側に継鉄部１１ｂを有する。１８個の第一磁極部１１ａ、第二磁極部１１ａ’は互いに略同じ形状であり、継鉄部１１ｂによって支持される。隣接する２つの第一磁極部１１ａ、または隣接する第一磁極部１１ａと第二磁極部１１ａ’の間にはスロットが設けられ、各スロット内にステータコイル１２が組み込まれている。ステータコイル１２は環状に配置されており、各ステータコイル１２は分布巻線によって巻回されており、外部から交流電流が印加される構成となっている。第一磁極部１１ａによって隔てられたステータコイル１２の二つの部位は、流れる電流の位相が同じである。第二磁極部１１ａ’によって隔てられたステータコイル１２の二つの部位は、流れる電流の位相が互いに異なる。例えば第二磁極部１１ａ’によって隔てられたステータコイル１２の二つの部位１２ａ、１２ｂにはそれぞれ、Ｕ相とＶ反転相が流れる。

【0028】

なお、回転子２０の構成は、図１に示す基準例２に係る電動機１００の回転子２０の構成と同様のため、説明を省略する。

【0029】

以下、図６～９を用いて、第２実施形態の電動機２００について詳細に説明する。

【0030】

図６は、第２実施形態に係る電動機２００の水平方向断面図である。以下、図５に示す基準例２に係る電動機２００’の構成との相違点のみを説明する。

【0031】

ステータコア１１は、磁気特性の異なる２種類以上の軟磁性体で構成されている。具体的には、第二磁極部１１ａ’から継鉄部１１ｂまでの部位の少なくとも一部（図１の例示では第二軟磁性材料１１Ａ）が、他の部位（第一軟磁性材料）と異なる軟磁性材料で構成されている。第一軟磁性材料として、例えば電磁鋼板が用いられ、第二軟磁性材料１１Ａとして、例えばＮｉ―Ｆｅ合金（パーマロイ）が用いられる。第一軟磁性材料と第二軟磁性材料１１Ａとは比透磁率が異なる。

【0032】

図７は、図５に示す基準例２に係る電動機と図６に示す第２実施形態に係る電動機のトルク特性を示すグラフである。横軸に電気角を、縦軸にトルクを示す。破線の波形は、基準例２に係る電動機２００’のトルクを示し、実線の波形は、第２実施形態に係る電動機２００のトルクを示す。図７において、符号Ｔ３は基準例２に係る電動機２００’のトルク波形のトルクリプルの大きさを表し、符号Ｔ４は第２実施形態に係る電動機２００のトルク波形のトルクリプルの大きさを表す。

【0033】

図７に示すように、第２実施形態に係る電動機２００のトルクリプルの大きさＴ５は、基準例２に係る電動機１００’のトルクリプルの大きさＴ４よりも１／３程度に低減されている。さらに、第２実施形態に係る電動機１００のトルクの大きさは、基準例２に係る電動機のトルクの大きさから０．０８Ｎｍ程度しか低減されていない。つまり、本実施形態の構成により、電動機のトルクの低下を抑制しつつ、トルクリプルを低減することが可能となる。

【0034】

図８～１０は、第２実施形態に係る電動機のステータコアの模式図である。

【0035】

図８に示すステータコア１１は、回転軸Ｌの軸方向および各スロットＳＬの中心を通る断面で周方向に分割したブロックから構成される。図７の例示では、周方向に等間隔に１８個のブロックに分割されている。分割された少なくとも１つのブロック（図８の例示では第二軟磁性材料１１Ａ）は、他のブロック（第一軟磁性材料）と異なる軟磁性材料で構成される。このように、固定子１０は円周方向に沿って多数のブロックに分割されているため、第二軟磁性材料１１Ａの配置の調整が容易となる。

【0036】

図９に示すステータコア１１は、回転時Ｌと、互いに位相が異なる２つのスロットＳＬの間に位置する磁極部１１ａ’の中心を通る断面で周方向に分割したブロックから構成される。図９の例示では、周方向に等間隔に６個のブロックに分割されている。さらに、６個に分割された各々のブロックは、内部ブロックＡ、および、当該内部ブロックＡの外側に位置する外部ブロックＢから構成される。内部ブロックＡは、互いに位相が同じ２つのスロットＳＬの間に位置する複数の磁極部１１ａを連結する。複数の内部ブロックＡおよび複数の外部ブロックＢのうち少なくとも１つのブロック（図９の例示では第二軟磁性材料１１Ａ）が、他のブロック（第一軟磁性材料）と異なる軟磁性材料で構成される。このように、ステータコア１１は異相間で周方向に等間隔に分割されているため、任意の位相のブロックの磁性材料の変更が容易となる。

【0037】

図１０に示すステータコア１１は、メインブロックＡと６個の挿入ブロックＢから構成される。メインブロックＡは径方向外側の外周面Ｓ’から径方向内側に向かって凸形状である挿入溝１１ｈを有する。挿入ブロックＢは、外周面Ｓ’から挿入溝１１ｈに挿入されて組み込まれる。複数のメインブロックＡおよび複数の挿入ブロックＢのうち少なくとも１つのブロック（図１０の例示では第二軟磁性材料１１Ａ）が、他のブロック（第一軟磁性材料）と異なる軟磁性材料で構成される。このように、挿入ブロックＢが外周面Ｓ’から挿入溝１１ｈに挿入できる構成のため、ステータコアの磁性材料の変更が容易となる。

【0038】

［第２実施形態の応用例］
以下、図１１、１２を用いて、第２実施形態の応用例の電動機について詳細に説明する。
図１１は、第２実施形態の応用例に係る電動機を示す模式図である。電動機２０００は、第一コアシート２００Ａと第二コアシート２００Ｂが回転軸Ｌの軸方向に積層された構成である。第一コアシート２００Ａと第二コアシート２００Ｂは共に、３相２極１８スロット、分布巻線、毎極毎相スロット数ｑ＝３のＩＰＭＳＭ（埋め込み磁石同期電動機）構造である。第一磁極部１１ａは、互いに位相が同じ（Ｕ相同士、Ｖ相同士、Ｗ相同士、Ｕ反転相同士、Ｖ反転相同士、Ｗ反転相同士）２つのステータコイル１２の間に位置していて、第二磁極部１１ａ’は、互いに位相が異なる２つのステータコイル１２の間に位置している。

【0039】

第一コアシート２００Ａのステータコア１１と第二コアシート２００Ｂのステータコア１１は共に、磁気特性の異なる２種類以上の軟磁性体で構成されている。具体的には、第一コアシート２００Ａでは、第二磁極部１１ａ’から継鉄部１１ｂまでの部位の少なくとも一部（図１１の例示では第二軟磁性材料１１Ａ）が、他の部位（第一軟磁性材料）と異なる軟磁性材料で構成されている。第二コアシート２００Ｂでは、第一磁極部１１ａから継鉄部１１ｂまでの部位の少なくとも一部（図１１の例示では第二軟磁性材料１１Ａ’）が、他の部位（第一軟磁性材料）と異なる軟磁性材料で構成されている。

【0040】

回転軸Ｌの軸方向に隣り合う第一コアシート２００Ａと第二コアシート２００Ｂを軸方向から透視的に見たときに、第一コアシート２００Ａの第二軟磁性材料１１Ａと第二コアシート２００Ｂの第二軟磁性材料１１Ａ’は、互いに重ならない位置に設けられている。

【0041】

図１２は、図１１の電動機のトルク特性を示すグラフである。横軸に角度を、縦軸にトルクを示す。横軸に電気角を、縦軸にトルクを示す。実線の波形は、第一コアシート２００Ａを含む領域におけるトルクを示し、波線の波形は、第二コアシート２００Ｂを含む領域におけるトルクを示す。図１２において、符号Ｔ６は第一コアシート２００Ａを含む領域におけるトルクリプルの大きさを表し、符号Ｔ７は第二コアシート２００Ｂを含む領域におけるトルクリプルの大きさを表す。

【0042】

図１２に示すように、第一コアシート２００Ａを含む領域におけるトルク波形の位相と第二コアシート２００Ｂを含む領域におけるトルク波形の位相が、互いに反転している。そのため、電動機２０００全体としては２つのトルクが合成されることで、トルクリプルＴ６、Ｔ７が相殺され、トルクリプルの高調波成分が低減される。したがって、第２実施形態に係る電動機２００をこのように応用することで、電動機のトルクの低下を抑制しつつ、トルクリプルをさらに低減することが可能となる。

【0043】

なお、第２実施形態の応用例について説明したが、第１実施形態についても同様に応用することができる。

【0044】

以上、本発明の実施形態について説明をしたが、本発明の技術的範囲が本実施形態の説明によって限定的に解釈されるべきではないのは言うまでもない。本実施形態は単なる一例であって、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内において、様々な実施形態の変更が可能であることが当業者によって理解されるところである。本発明の技術的範囲は特許請求の範囲に記載された発明の範囲及びその均等の範囲に基づいて定められるべきである。

【0045】

本発明の実施形態では、電動機として説明しているが、発電機にも適用が可能である。

【符号の説明】

【0046】

１００、２００：電動機
１０：固定子
１１：ステータコア
１１ａ、１１ａ’：磁極部（第一磁極部、第二磁極部）
１１Ａ、１１Ａ’：第二軟磁性材料
１１ｂ：継鉄部
１１ｈ：挿入溝
１２：ステータコイル
２０：回転子
２１：ロータコア
２２：シャフト取付孔
Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４、Ｔ５、Ｔ６：トルクリプル
Ｏ：回転中心

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】