ステータコア

【課題】ティースの形状に由来する磁束量の偏りを従来よりも軽減させる。
【解決手段】ステータコア１０は、円筒形状のヨーク１２と、ヨーク１２の内周面に周方向に沿って配置され、回転電機のロータ１１からの磁束を受けるティース１４と、を備えている。ティース１４は、ヨーク１２の中心軸に垂直な断面形状が台形である台形ティース１６と、先端部１９が台形ティース１６と同一形状であって、先端部１９からヨーク１２に至るまでの基部２１が台形ティース１６とは異なる形状である異形ティース１８と、から構成される。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、ステータコアに関する。
【背景技術】
【０００２】
モータやジェネレータなどの回転電機には回転磁界を発生させてロータ（回転子）を回転させるステータ（固定子）が設けられている。ステータは略円筒形状のステータコアとコイルとを含んで構成されており、ステータコアに設けられたティース（極歯）にコイルが組み付けられる。ティースはステータコアの内周面の周方向に沿って複数個設けられており、隣り合うティース同士の隙間はスロットと呼ばれる。このスロットにおけるコイル密度（スロット空間に占めるコイル体積の割合）の向上を図るために、従来から、例えば特許文献１に開示されているような台形ティースと呼ばれるティースが使用されている。台形ティースとは、図８に示すように、ステータコア１１０の中心軸Ｃに垂直な断面形状が台形であるティースであり、ステータコア１１０の中心軸Ｃに向かう方向に沿って幅が狭くなるように形成されている。
【０００３】
台形ティース１１２には台形ティース１１２に沿った形状の台形コイル１１４が組み付けられる。ティースおよびコイルの断面形状を台形にすると、図９のようにティースおよびコイルの断面形状が長方形である場合に比べてスロット１１６におけるコイル密度が向上する。このことから、台形ティース１１２を使用する事で、従来の出力を維持したまま回転電機を小型化することが可能となる。
【０００４】
ここで、図１０に示すように、所定の台形ティース１１２に台形コイル１２２を組み付けるにあたり、両隣の台形ティース１１２に既に台形コイル１１４が組み付けられている場合、所定の台形ティース１１２に台形コイル１２２を組み付けることができない。そこで従来からコイルの組み付けを容易にするために、図１１に示すようにステータコア１１０に台形ティース１１２の他に長方形ティース１１８を少なくとも一個配置している。図１１に示されているように、両隣の台形ティース１１２に台形コイル１１４が組み付けられていても長方形ティース１１８に長方形コイル１２０を組み付けることができる。ティースにコイルを組み付ける際には長方形ティース１１８の隣の台形ティース１１２から台形コイル１１４を組み付け、以下ステータコア１１０の周方向に沿って順次台形ティース１１２に台形コイル１１４を順次組み付けていき、最後に長方形ティース１１８に長方形コイル１２０を組み付ける。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−１６０９３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、ティースはロータ１２４に設けられた永久磁石１２６からの磁束を受ける。永久磁石１２６から生じた磁束がティースに流入する模式図を図１２に示す。磁束は主にティースの頂面１２８からティース内に流入するが、一部は漏れ磁束１３０としてティースの側面１３２からティース内に流入する。これは永久磁石１２６からティースに向かう過程で磁束密度が増加して飽和し、ティースの頂面１２８から外れる磁束が生じるためである。
【０００７】
この漏れ磁束１３０につき、ティースが台形ティース１１２である場合と長方形ティース１１８である場合とは磁束の強さが異なる。すなわち、ロータ１２４から台形ティース１１２の側面１３４（図１２にて一点鎖線で示す）に至るまでの磁路と、ロータ１２４から長方形ティース１１８の側面１３２に至るまでの磁路とを比較すると、長方形ティース１１８の磁路の方がΔｄで示す分、大気を通過する区間が長くなる。大気はティースの材料である金属よりも磁気抵抗が大きいことから、大気を通過する区間が長い分、磁束が弱められる。その結果、長方形ティース１１８に流入する総磁束量は、台形ティース１１２に流入する総磁束量よりも少なくなる。
【０００８】
ティースの形状によって磁束量が異なるとロータ１２４に径方向の偏心力が発生する。これを図１３を用いて説明する。図１３で示す回転電機は三相の交流回転電機であり、Ｖ相に長方形ティース１１８が割り当てられている。各ロータ１２４の永久磁石１２６からＶ相のティースに磁束が流入する際、ティースの形状によって磁束量が異なると、長方形ティース１１８に生じる電磁力と長方形ティース１１８に対向する台形ティース１１２に生じる電磁力とが相殺されず、長方形ティース１１８に対向する方向に偏心力１３６が生じる。この偏心力１３６によりロータ１２４及びロータ１２４のシャフト１３８が長方形ティース１１８に対向する側に引っ張られる。これによりロータ１２４の回転が不安定になり、回転電機の騒音・振動特性（ＮＶ特性）が悪化してしまう。
【０００９】
そこで本発明は、ティースの形状に由来する磁束量の偏りを従来よりも軽減させるステータコア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】
【００１０】
本発明は回転電機のステータコアに関するものである。ステータコアは、円筒形状のヨークと、ヨークの内周面に周方向に沿って配置され、回転電機のロータからの磁束を受けるティースと、を備えている。さらに、ティースは、ヨークの中心軸に垂直な断面形状が台形である台形ティースと、先端部が台形ティースと同一形状であって、先端部からヨークに至るまでの基部が台形ティースとは異なる形状である異形ティースと、から構成されている。
【００１１】
また、上記発明において、ヨークの径方向に沿った長さについて、異形ティースの先端部の長さは、異形ティースの全長の１５％以上３０％以下であることが好適である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明により、ティースの形状に由来する磁束量の偏りを従来よりも軽減させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本実施形態に係るステータコアを例示する図である。
【図２】異形ティースと台形ティースとの形状を比較する図である。
【図３】本実施形態に係るステータコアの拡大図である。
【図４】本実施形態に係るステータコアの拡大図である。
【図５】本実施形態に係るステータコアにおける磁束の解析結果を例示する図である。
【図６】ロータに加わる偏心力を説明する図である。
【図７】本実施形態に係るステータコアを例示する図である。
【図８】従来技術に係るステータコアを例示する図である。
【図９】従来技術に係るステータコアを例示する図である。
【図１０】従来技術に係るステータコアを例示する図である。
【図１１】従来技術に係るステータコアを例示する図である。
【図１２】ロータからステータへの磁束の流れを説明する図である。
【図１３】ロータに加わる偏心力を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１に本実施形態に係るステータコア１０を例示する。ステータコア１０は略円筒形状をしており、内周側にロータ（回転子）１１が収容される。ステータコア１０に後述するコイルを組み付けることでステータ（固定子）１５が形成され、ステータ１５から発生する回転磁界によってロータ１１が回転する。ステータ１５及びロータ１１を備える回転電機は、例えば車両のモータまたはジェネレータとして使用される。なお、回転電機の種類としては、ロータ１１に永久磁石１３を備えた永久磁石モータであってもよく、ロータ１１に永久磁石１３を備えないリラクタンスモータであってもよい。
【００１５】
ステータコア１０は、円筒形状のヨーク（継鉄）１２と、ヨーク１２の内周面に周方向に沿って配置され、ヨーク１２の中心軸Ｃに向かって延びる複数個のティース１４とを備えている。ヨーク１２とティース１４とは一体に形成されており、例えば珪素鋼板の積層体から構成されている。
【００１６】
ティース１４は、台形ティース１６と、台形ティース１６とは形状の異なる異形ティース１８から構成されている。台形ティース１６はヨーク１２の中心軸Ｃに垂直な断面形状が台形のティースであり、ヨーク１２の中心に向かって幅が狭くなるように形成されている。また、隣り合う台形ティース１６の側面同士はほぼ平行となるように形成されていることが好適である。
【００１７】
異形ティース１８は、台形ティース１６と同一形状の先端部１９と、先端部１９とヨーク１２との間に形成され、台形ティース１６とは異なる形状の基部２１とから構成されている。なお、「同一形状」とは、図２に示すように、台形ティース１６の先端部１７と異形ティース１８の先端部１９とが幾何学的に合同であることを指している。すなわち、台形ティース先端部１７の頂面３０と異形ティース先端部１９の頂面３２との形状及び面積が等しく、かつ、台形ティース先端部１７の側面３４と異形ティース先端部１９の側面３６の形状及び面積が等しく、さらに、台形ティース先端部１７の頂面３０と各側面３４との成す角（テーパ角）と、異形ティース先端部１９の頂面３２と各側面３６との成す角とが同一であり、これらの条件により、台形ティース先端部１７と異形ティース先端部１９の立体形状及び体積が相等しいことを指している。また、「同一」とは、台形ティース１６および異形ティース１８の製造時の公差を含むものであり、たとえば設計値に対して５％程度の差異を含むものとする。
【００１８】
また、図３に示すように、ヨーク１２の径方向について、異形ティース先端部１９の長さＬ２は異形ティース１８の全長Ｌ１の１５％以上３０％以下とすることが好適である。異形ティース先端部１９の長さＬ２を上述のように定めることの効果については後述する。また、台形ティース１６と異形ティース１８の全長は同一であることが好適である。
【００１９】
また、図１においては異形ティース１８の基部２１の断面を長方形で示しているが、この形状に限らない。要するに両隣の台形ティース１６に台形コイル２０が挿入されている時であってもコイルが挿入できる形状であれば良く、例えば基部２１の断面形状を台形ティース１６よりも幅の狭い（細い）台形に形成してもよい。
【００２０】
図１に戻り、台形ティース１６および異形ティース１８にはそれぞれの形状に沿って成形されたコイルが組み付けられる。以下、台形ティース１６に組み付けられるコイルを台形コイル２０と呼び、異形ティース１８に組み付けられるコイルを異形コイル２２と呼ぶ。ここで、台形コイル２０および異形コイル２２はいわゆる集中巻き用のコイルであって、例えば銅製の平角線を厚み方向に巻いて形成されるエッジワイズコイルであってよい。また、エッジワイズコイルの他にも、銅製の丸線をボビンに巻いた丸線コイルであってもよく、さらに、銅製の平角線をボビンに巻いたフラット巻きコイルであっても良い。
【００２１】
なお、従来の長方形ティースから本実施形態に掛かる異形ティース１８にティース形状を変更したことに伴い、図４にｗで示すように異形ティース１８の幅が増加する。これに伴い、異形ティース１８の組み付けの際に、台形ティース１６に既に組み付けられている台形コイル２０の先端部分と異形コイル２２との基部とが接触し、そのままでは異形コイル２２を異形ティース１８に組み付けることが困難となる。そこで、異形コイル２２の組み付けの際には、異形コイル２２の基部側外周面４０を異形コイル２２の中心軸４２側に弾性変形させ、基部側の径を小さくさせた状態で異形ティース１８に組み付ける。基部側の径を小さく変形することにより、台形コイル２０の先端部との接触を避けることができ、異形コイル２２を異形ティース１８に挿入することができる。また、台形コイル２０の先端部を通過した後は異形コイル２２はその弾性によりもとの形状に回復する。さらに、異形コイル２２の先端部は異形ティース１８の先端部１９に沿った形状をしていることから、隣接する台形コイル２０に接触することはない。
【００２２】
また、図１においては異形ティース１８を３個ステータコア１０に配置しているが、この配置に限られない。コイルの組付けを可能にするという観点から考慮すれば、異形ティース１８は少なくとも１個ステータコア１０に配置されていればよい。
【００２３】
また、ステータコア１０の内周側にはロータ１１が収容されている。ロータ１１はシャフト２４に嵌め込み固定されており、これによりロータ１１の回転がシャフト２４に伝えられ、さらにシャフト２４から図示しない車両の動力伝達機構（パワートレーン）に回転が伝達される。図１に示す実施形態においてはロータ１１には鋳込み等の手段によって永久磁石１３が組み込まれている。永久磁石１３は好適にはネオジム磁石等の希土類磁石から構成される。この永久磁石１３から生じた磁束はステータコア１０のティース１４に流入する。
【００２４】
ここで本発明者らは、異形ティース先端部１９の長さＬ２を異形ティース１８の全長Ｌ１の１５％以上３０％以下に構成することにより、異形ティース１８に流入する磁束量が台形ティース１６とほぼ等しくなることを見出した。これによれば、台形ティース１６と異形ティース１８との間で磁束量の偏りが軽減され、その結果ロータ１１に係る偏心力を軽減することが可能となる。
【００２５】
図５にはロータ１１−ステータ１５間の磁束の流れ解析の結果が示されている。磁束はロータ１１及びステータ１５に記された線によって表わされ、さらに磁束の強さは当該線の周りの色の濃さによって表わされている。ここで、図５に丸で囲った部分を参照すると、異形ティース先端部１９について、頂面３２から側面３６にかけて色が濃くなっている、すなわち磁束密度が高くなっている。さらに側面３６において、ヨーク１２側に行くにつれて磁束密度が低くなっている。すなわち、異形ティース１８の側面に流入する漏れ磁束の大部分は異形ティース先端部１９に集中していることが理解される。このことから、異形ティース１８の先端部のみを台形ティース１６と同一形状にすることによって、台形ティース１６と異形ティース１８との磁束量はほぼ等しくなることが理解される。本発明者らの解析の結果、異形ティース先端部１９の長さＬ２を異形ティース１８の全長Ｌ１の１５％以上３０％以下とすることで、台形ティース１６と異形ティース１８との磁束量がほぼ等しくなることを見出した。
【００２６】
ステータコア１０に異形ティース１８を配置したときの、ロータ１１に係る偏心力の軌跡を図６下段に示す。なお、図６上段は比較例であり、異形ティース１８の代わりに従来の長方形ティースを配置したときの、ロータ１１に係る偏心力を示すものである。いずれの場合においても、ロータ１１を一回転させたときの偏心力の軌跡４４を示している。また、いずれの場合においても、図７に示すように基準線Ａから左回りに９０°の位置に異形ティース１８または長方形ティースを１個のみステータコア１０に配置し、その他は台形ティース１６を配置している。
【００２７】
なお、ロータ１１に加わる偏心力については図６の円で示すように予め許容範囲が定められている。この許容範囲は騒音・振動特性（ＮＶ特性）に影響を与えない範囲として予め実験等により求められる。長方形ティースを使用した場合、図６上段に示すように長方形ティースの対向側に偏心力が発生し、許容範囲を逸脱していることが理解される。一方、長方形ティースに代えて本実施形態に係る異形ティース１８を使用すると、異形ティース１８の対向側に偏心力が発生するものの、その大きさは長方形ティースの場合と比較して大幅に軽減され、偏心力が許容範囲内に収まっている。
【００２８】
以上説明した様に本発明においては、ステータコア１０に配置するティース１４として、台形ティース１６の他に、先端部１９が台形ティース１６と同一形状であり、かつ、基部２１が台形ティースとは形状の異なる異形ティース１８を使用している。このような異形ティース１８を配置することにより、従来の長方形ティースと比較して台形ティース１６との磁束量の差が軽減され、したがってロータ１１に掛かる偏心力も軽減される。また異形ティース１８の基部２１は長方形断面等に形成され、両隣の台形ティース１６に台形コイル２０が挿入されている時であってもコイルが挿入できるように形成されている。したがってコイルの組み付けに際しては、長方形コイルを使用するときとほぼ同等の容易性が保たれる。
【００２９】
なお、図１にて示したように、回転電機が三相交流の回転電機である場合、異形ティース１８は各相に均等に割り当てられることが好適である。図６下段に示したように、異形ティース１８は従来の長方形ティースと比較して台形ティース１６との磁束量の差が軽減されているものの、台形ティース１６と異形ティース１８との間には依然としてわずかな磁束量の差が存在する。このため、異形ティース１８と各相に均等に割り当てることによって各相間の磁束量に偏りが発生することを防ぎ、磁束量に伴う誘起電圧（逆起電力）を各相間で等しくすることができる。
【符号の説明】
【００３０】
１０ステータコア、１１ロータ、１２ヨーク、１３永久磁石、１４ティース、１５ステータ、１６台形ティース、１７台形ティース先端部、１８異形ティース、１９異形ティース先端部、２０台形コイル、２１異形ティース基部、２２異形コイル、２４シャフト、３０台形ティース頂面、３２異形ティース頂面、３４台形ティース先端部の側面、３６異形ティース先端部の側面、４０異形ティース基部の外周面、４２異形ティース中心軸。

【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転電機のステータコアであって、
円筒形状のヨークと、
前記ヨークの内周面に周方向に沿って配置され、前記回転電機のロータからの磁束を受けるティースと、
を備え、
前記ティースは、
前記ヨークの中心軸に垂直な断面形状が台形である台形ティースと、
先端部が前記台形ティースと同一形状であって、前記先端部から前記ヨークに至るまでの基部が前記台形ティースとは異なる形状である異形ティースと、
から構成されることを特徴とするステータコア。
【請求項２】
請求項１記載のステータコアであって、前記ヨークの径方向に沿った長さについて、前記異形ティースの先端部の長さは、前記異形ティースの全長の１５％以上３０％以下であることを特徴とするステータコア。

【図１】