JP2019201460A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】分割コアのコア強度を増加させるとともに、鉄損の低減と分割コアの高剛性を両立させた回転電機を得る。
【解決手段】積層された電磁鋼板を径方向に分割してなる分割コアを環状に配置して形成されたステータコアを有し、積層された電磁鋼板をかしめにより結合してなるかしめ部を設けるとともに隣接する前記分割コア同士が当接するコアバック部の長さの外周から１/３以内の範囲に前記かしめ部を配置したことを特徴とする。
【選択図】図１０

Description

本願は、回転電機、特に、回転電機のステータ構造に関するものである。

近年、ＥＶ（電気自動車）、ＰＨＥＶ（プラグインハイブリッド車）またはＨＥＶ（ハイブリッド車）においては、低負荷領域（市街地走行）から高負荷領域（登板走行、高速道路走行）まで広範囲の電費向上が求められている。また、車両駆動に用いられる回転電機についても、広範囲の回転領域でモータの小型化、高効率化、静粛性および出力密度向上が要求されている。特に、使用頻度の高い低負荷領域におけるモータの効率が電費に大きく影響することが知られている。

このような状況を鑑み、車両に使用される電動機や発電機等の回転電機は、永久磁石を使用し、回転電機の体格あたりの出力密度の向上を図っている。このため、回転電機に用いられるステータコアとして磁性部材である鉄心を積層して構成し、これによって鉄心に生じる渦電流を抑制し、モータの高効率化を図ったものが広く知られている。
また、鉄心を分割し、外周をフレームで円環状に固定した構造を採用することによって、生産性を向上させた分割コア構造が広く知られており、このような分割コアによりコイルの占積率や出力密度向上による高効率化、金型費低減、高速巻線化といった利点を得ることができる（例えば、特許文献１参照）。

特許第５８１９０３７号公報

一般的に分割コア構造のステータコアを用いる場合、生産性の向上から抜きかしめにより積層された電磁鋼板同士を締結しているが、コア剛性が低いと、フレームの焼き嵌めや圧入時に分割コア同士の接触部で応力が集中し、電磁鋼板が変形することになる。この結果、電磁鋼板の剥がれや座屈変形が生じ、磁気特性の低下、ステータの形状保持力が低下する。また、鉄損低減のために電磁鋼板を薄板化すると、コア剛性が低下し、更に電磁鋼板の変形が生じ易くなる。

このため、特許文献１に記載されているように、分割コアの電磁鋼板同士を締結するかしめ数を増加させ、かしめをコア中央部に配置することによってコア強度の増加を図ることになるが、かしめ損による鉄損が増加してモータの効率低下を招き、出力密度の増加、モータの小型化および電費の向上を妨げる要因となっている。
本願は、上記のような問題を解決するための技術を開示するものであり、分割コアのコア強度を増加させるとともに、鉄損の低減と分割コアの高剛性を両立させた回転電機を提
供することを目的としている。

本願に開示される回転電機は、ハウジングと、このハウジングに固定されたステータと、このステータの内周側に対向配置されたロータとを備えた回転電機であって、前記ステータは、積層された電磁鋼板を径方向に分割してなる分割コアを環状に配置して形成されたステータコアと、このステータコアの隣接する前記分割コアによって形成されたスロットに装着されたステータ巻線とを有し、前記積層された電磁鋼板をかしめにより結合してなるかしめ部を設けるとともに隣接する前記分割コア同士が当接するコアバック部の長さの外周から１/３以内の範囲に前記かしめ部を配置したことを特徴とするものである。

本願に開示される回転電機によれば、永久磁石の磁束通路に影響しない位置においてかしめ部を設けることによって低鉄損と分割コアの高剛性を両立させた回転電機のステータを得ることができる。

実施の形態１に係る回転電機の全体構成を示す断面図である。 図１における回転電機の要部を示す斜視図である。 図１における回転電機のステータを軸方向から見た平面図である。 図３におけるステータの要部を拡大して示す平面図である。 実施の形態１におけるスタータ巻線に用いられる単位コイルを軸方向から見た平面図である。 図５における単位コイルを示す斜視図である。 実施の形態１におけるステータ巻線を示す正面図である。 実施の形態１に係るステータを示す斜視図である。 実施の形態１に係るステータの分割コアを示すもので、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は平面図、（Ｃ）は要部断面図である。 分割コアの特性を説明するための概要図である。 実施の形態２に係るステータの分割コアを示す平面図である。 実施の形態２に係る分割コアの構成を示す平面図である。 実施の形態４に係るステータの分割コアを示す平面図である。 実施の形態５に係るステータの分割コアを示す平面図である。 実施の形態６に係るステータコアの一部構成を示す斜視図である。 実施の形態７に係るステータコアの一部構成を示す斜視図である。 実施の形態８に係る分割コアの構成を示すもので、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は平面図、（Ｃ）は要部断面図である。 実施の形態９に係るステータの構成を示す要部断面図である。 ステータの面外変形を説明するための概要図である。

以下、回転電機のステータの好適な実施の形態について図面を用いて説明する。
実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る回転電機の全体構成を示す断面図、図２は、図１における回転電機の要部を示す斜視図、図３は、図１におけるステータを軸方向から見た平面図、図４は、図３におけるステータの要部を拡大して示す平面図である。また、図５は、実施の形態１におけるスタータ巻線に用いられる単位コイルを軸方向から見た平面図、図６は、図５における単位コイルを示す斜視図、図７は、ステータ巻線を示す正面図、図８は、実施の形態１に係るステータを示す斜視図である。

図１において、回転電機１００は、円筒状のフレーム１ａおよびフレーム１ａの開口を塞口する上下のブラケット１ｂからなるハウジング１と、フレーム１ａの円筒内に固定されたステータ１０と、ステータ１０の内周側に対向配置されたロータ２０とを備えている。
このロータ２０は、上下のブラケット１ｂにベアリング２１を介して回転可能に支持された回転軸２２と、回転軸２２に固着されたロータ鉄心２３と、ロータ鉄心２３の外周面側を軸方向に貫通する穴内に収納されて周方向に等ピッチで配列され、磁極を構成する永久磁石２４とを備えており、いわゆる永久磁石型ロータが形成されている。
なお、ロータ２０は、永久磁石式ロータに限定されるものではない。また、ロータ２０として、絶縁しないロータ導体をロータ鉄心２３のスロットに収納して両側を短絡環で短絡したかご形ロータ、または絶縁した導体線をロータ鉄心２３のスロットに装着した巻線形ロータを用いてもよい。

次に、ステータ１０の構成について図２から図１１を参照し、具体的に説明する。なお、説明の便宜上、回転軸６の軸方向を軸方向、回転軸６の半径方向を径方向、回転軸６の軸心を中心とする回転方向を周方向とする。
ステータ１０は、図２から図４に示すように、円筒状のフレーム１ａに取り付けられるステータコア１１と、ステータコア１１に装着されたステータ巻線１２とを備え、ステータコア１１とステータ巻線１２とを絶縁する絶縁部材１３がステータコア１１に装着され、さらに、ステータコア１１内にワニスなどの充填剤が含浸されている。ここでは、ロータ２０の極数を８、ステータコア１１のスロット数を４８、ステータ巻線１２を三相巻線としている。すなわち、スロットは、毎極毎相当たり２個の割合でステータコア１１に形成されている。

このようなステータコア１１は、分割された分割コア１１０を組み合わせて形成されている。この分割コア１１０は、外周が円弧状のコアバック部１１１、コアバック部１１１から径方向内方に延びるティース部１１２を有し、隣接する分割コアにおけるコアバック部１１１の周方向の側面同士を当接させ円環状に配列することによってステータコア１１が構成されている。なお、周方向に隣り合うティース部１１２間のスペースによってスロット１１３が形成されることになる。

一方、ステータ巻線１２は、複数の単位コイル１２１から構成され、この単位コイル１２１は、絶縁被覆され、かつ接続部のない連続した銅線、アルミニウム線などからなる長方形断面の導体線（図５に示す）で形成されている。また、この単位コイル１２１は、図６に示すように、径方向内方から見て、「８」の字を横向きにしたコイルパターンに巻かれている。このように作製された単位コイル１２１は、分布巻きの重ね巻きの巻線である。
なお、長方形断面の導体線に代えて、円形断面の導体線を用いてもよい。また、６スロット間隔とは、周方向に連続する６本のティース部１１２の両側に位置するスロット１１３の間の間隔であり、ここでは１磁極ピッチに相当する。

次に、このようなステータ１０を組み立てる場合、まず、単位コイル１２１を１スロットピッチで周方向に４８個配列し、図７に示すように、未結線状態の円環状のステータ巻線１２を作製する。このとき、未結線状態のステータ巻線１２は、径方向に1列に並んだ第１、第２、第３、第４、第５および第６スロット挿入部の群が１スロットピッチで４８個周方向に配列されている。

次に、４８個の分割コア１１０をステータ巻線１２の外径側に円環状に配列して配置し、これらの分割コア１１０を径方向内方に移動する。これによって、分割コア１１０のティース部１１２が周方向に隣り合う第１、第２、第３、第４、第５および第６スロット挿入部の群間に挿入される。その後、周方向に隣り合う分割コア１１０のコアバック部１１１の周方向の側面同士が突き合わされ、分割コア１１０の径方向内方への移動が終了する。
このような工程によって、図８に示すように、ステータ巻線１２がステータコア１１に装着される。最後に、一つの単位コイル１２１の第１端末と第２端末とを他の単位コイル１２１の第１端末と第２端末とに溶接などにより接合し、ステータ１０が組み立てられることになる。

次に、実施の形態１における回転電機の要部であるステータコアについて、図９および図１０を用いて説明する。
図９は、実施の形態１に係るステータコア１１を構成する分割コアを示すもので、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は平面図、（Ｃ）は図ＢにおけるＣ−Ｃ線断面図である。
図において、ステータコア１１を形成する分割コア１１０は、電磁鋼板が積層されて形成され、各電磁鋼板は、外周が円弧状に形成されたコアバック部１１１と、コアバック部１１１から径方向内方に延びるティース部１１２とを有し、コアバック部１１１の一方の側面の径方向中央位置に凸部１１１ａが設けられ、他方の側面の径方向中央位置に凹部１１１ｂが設けられている。また、コアバック部１１１の径方向外周側に一対のかしめ部１１１ｃが設けられ、このかしめによって積層された複数の電磁鋼板が一体に結合されている。また、コアバック部１１１の凸部１１１ａおよび凹部１１１ｂに隣接するコアバック部１１１の凹部１１１ｂおよび凸部１１１ａを嵌合することによって、環状のステータコア１１が形成されることになる。

ところで、積層された電磁鋼板の外周をフレーム１ａによって固定した場合、図１９に示すように分割コア１１０同士の当接面に周方向の荷重が作用することになり、電磁鋼板の締結強度が低い場合、電磁鋼板が周方向に滑り、面外変形、あるいは、たわみ座屈変形を発生することになる。
このため、本願においては、図１０に示すように、コアバック部１１１の径方向幅Ｂの外周側Ｄ１であって内周側Ｄ２の１／３以内の範囲にかしめ部１１１ｃを設けており、これによって面外変形を抑制することができ、また、永久磁石の磁束が通る領域を避けることによって鎖交磁束Ｍに対する影響を軽減することができる。

実施の形態２．
図１１は、実施の形態２に係るステータの分割コアを示す平面図である。
図において、分割コア１１０におけるコアバック部１１１の中央の最外径側を電磁鋼板の積層方向にレーザー溶接あるいはＴＩＧ溶接により締結部１１１ｄを形成したものである。ここで、締結部１１１ｄは、一対のかしめ部１１１ｃと二等辺三角形をなす頂部の位置に設けられている。
なお、その他の構成は、実施の形態１と同じであるため、説明を省略する。また、以下の実施の形態についても、要部である分割コアを除き、実施の形態１と同じであるため、同様に説明を省略する。

このように、かしめ部１１１ｃと溶接による締結部１１１ｄとが三角形をなすコアバック部１１１の最外径側の位置に配置することにより、かしめ数を増加させることなく剛性を大幅に向上させることができ、面外変形、振動、騒音を抑制することができる。

実施の形態３．
図１２は、実施の形態３に係るステータの分割コアを示す平面図である。
図において、分割コア１１０におけるコアバック部１１１の最外径中央部に凹部１１１ｅを設け、この凹部１１１ｅ内において電磁鋼板を積層方向に溶接により締結して構成されている。ここで、凹部１１１ｅの底面までの径Ｒ２をかしめ部１１１ｃまでの径Ｒ１より小さくすることにより、一対のかしめ部１１１ｃと締結部１１１ｄとが三角形をなすように配置している。
このように、コアバック部１１１の最外径部に凹部１１１ｅを設け、この凹部１１１ｅ内で積層した電磁鋼板を溶接することにより、実施の形態２と同様の効果を得ることができる。また、凹部１１１ｅにより、分割コア１１０の位置決め、搬送時の保持箇所、位置決め用として使用することができ、生産性を向上させることができる。

実施の形態４．
図１３は、実施の形態４に係るステータの分割コアを示す平面図である。
実施の形態４の分割コア１１０においては、コアバック部１１１の中央部の最外径側で溶接した締結部１１１ｄに加えて隣接する分割コア１１０の間の最外径側で溶接した締結部１１１ｆを形成している。ここで、かしめ部１１１ｃ、コアバック部１１１の中央の締結部１１１ｄおよび隣接する分割コア１１０の間の締結部１１１ｆが三角形状をなすように配置して構成されている。
このように、コアバック部１１１の径方向外周の中央部および隣接する分割コア１１０の間を溶接固定する締結部１１１ｄ，１１１ｆを設けることによって、電磁鋼板の軸方向の締結強度を増加させることができ、面外変形、振動、騒音を抑制することができる。

実施の形態５．
図１４は、実施の形態５に係るステータの分割コアを示す平面図である。
実施の形態５における分割コア１１０は、コアバック部１１１の径方向外周の中央に凹部１１１ｅを設け、この凹部１１１ｅ内に溶接による締結部１１１ｄを設けている。
このように、コアバック部１１１の最外径側中央部の凹部１１１ｅにおいて積層した分割コア１１０間を溶接することによって、電磁鋼板の締結強度が増加することになり、面外変形、振動、騒音を抑制することができる。また、凹部１１１ｅを設けることにより、分割コア１１０の位置決めおよび搬送時の保持用として用いることができ、生産性を向上させることができる。

実施の形態６．
図１５は、実施の形態６に係るステータコアの一部構成を示す斜視図である。
実施の形態６は、分割コア１１０の溶接箇所を積層された電磁鋼板の軸方向両端部側（Ｌ）にのみとし、軸方向中間部の溶接を省略している。
このように分割コア１１０の軸方向端部のみを溶接固定することにより、コア端部における剥離が生じにくくなり、面外変形を抑制する効果を得ることができる。また、溶接長を少なくすることにより、設備費を抑制し、生産性を向上させることができ、さらに、溶接部分による鉄損増加を抑制する効果を得ることができる。

実施の形態７．
図１６は、実施の形態７に係るステータコアの一部構成を示す斜視図である。
実施の形態７の分割コア１１０においては、図に示すように積層された電磁鋼板のコア間の溶接による締結部１１１ｆとコア凹部内の溶接による締結部１１１ｄの軸方向の溶接位置を千鳥状に配置している。
このように、積層方向の溶接による締結部１１１ｄ，１１１ｆを千鳥状に配置することにより、かしめ損による鉄損増加を抑制する効果を得ることができる。

実施の形態８．
図１７は、実施の形態８に係る分割コアの構成を示す平面図および要部断面図である。
実施の形態８おける分割コア１１０は、２枚以上の積層された電磁鋼板をかしめ部１１１ｃにより締結する際、図（Ｂ）に示すように、せん断面Ｓを有するように形成している。
このように電磁鋼板をかしめ部１１１ｃにせん断面Ｓを形成することによって、かしめ強度が増大し、コア剛性の向上による面外変形抑制効果を得ることができる。
実施の形態９．

図１８は、実施の形態９に係るステータの構成を示す要部断面図である。
実施の形態９におけるステータ１０は、周方向に分割されたコアの1ティースにコイルが直接巻回された集中巻構造を有するもので、ステータコア１１には、電磁鋼板が積層された状態で、１ティースごとに絶縁紙からなる絶縁部材１３を介してステータ巻線１２が設けられている。また、ステータ巻線１２を収容するスロット１１３の一部に充填剤が含浸されている。
このようにコアの集中巻化により、生産性を向上させることができ、また、スロット１１３に充填剤を含浸することにより、コア側面と絶縁紙間、絶縁紙と巻線間に充填剤が充填されることになり、電磁鋼板同士が接着されることによって積層方向の締結強度が増加することになる。この結果、径方向の剛性を向上させることができ、面外変形、振動および騒音の抑制効果を得ることができる。

なお、本開示は、例示的な実施の形態が記載されているが、実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合が含まれるものとする。

１００：回転電機、 １：ハウジング、 １０：ステータ、 ２０：ロータ、
１１：ステータコア、 １２：ステータ巻線、 １３：絶縁部材、
１１０：分割コア、 １１１：コアバック部、 １１２：ティース部、
１１３：スロット、 １１１ｄ：締結部、 １１１ｃ：かしめ部、
１１１ｆ：締結部

実施の形態１に係る回転電機の全体構成を示す断面図である。 図１における回転電機の要部を示す斜視図である。 図１における回転電機のステータを軸方向から見た平面図である。 図３におけるステータの要部を拡大して示す平面図である。 実施の形態１におけるステータ巻線に用いられる単位コイルを軸方向から見た平面図である。 図５における単位コイルを示す斜視図である。 実施の形態１におけるステータ巻線を示す斜視図である。 実施の形態１に係るステータを示す斜視図である。 実施の形態１に係るステータの分割コアを示すもので、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は平面図、（Ｃ）は要部断面図である。 分割コアの特性を説明するための概要図である。 実施の形態２に係るステータの分割コアを示す平面図である。 実施の形態３に係る分割コアの構成を示す平面図である。 実施の形態４に係るステータの分割コアを示す平面図である。 実施の形態５に係るステータの分割コアを示す平面図である。 実施の形態６に係るステータコアの一部構成を示す斜視図である。 実施の形態７に係るステータコアの一部構成を示す斜視図である。 実施の形態８に係る分割コアの構成を示すもので、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は要部断面図である。 実施の形態９に係るステータの構成を示す要部断面図である。 ステータの面外変形を説明するための概要図である。

以下、回転電機のステータの好適な実施の形態について図面を用いて説明する。
実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る回転電機の全体構成を示す断面図、図２は、図１における回転電機の要部を示す斜視図、図３は、図１におけるステータを軸方向から見た平面図、図４は、図３におけるステータの要部を拡大して示す平面図である。また、図５は、実施の形態１におけるステータ巻線に用いられる単位コイルを軸方向から見た平面図、図６は、図５における単位コイルを示す斜視図、図７は、ステータ巻線を示す正面図、図８は、実施の形態１に係るステータを示す斜視図である。

次に、ステータ１０の構成について図２から図１１を参照し、具体的に説明する。なお、説明の便宜上、回転軸２２の軸方向を軸方向、回転軸２２の半径方向を径方向、回転軸２２の軸心を中心とする回転方向を周方向とする。
ステータ１０は、図２から図４に示すように、円筒状のフレーム１ａに取り付けられるステータコア１１と、ステータコア１１に装着されたステータ巻線１２とを備え、ステータコア１１とステータ巻線１２とを絶縁する絶縁部材１３がステータコア１１に装着され、さらに、ステータコア１１内にワニスなどの充填剤が含浸されている。ここでは、ロータ２０の極数を８、ステータコア１１のスロット数を４８、ステータ巻線１２を三相巻線としている。すなわち、スロットは、毎極毎相当たり２個の割合でステータコア１１に形成されている。

本願に開示される回転電機は、ハウジングと、このハウジングに固定されたステータと、このステータの内周側に対向配置されたロータとを備えた回転電機であって、 前記ステータは、電磁鋼板を周方向に分割してなる分割コアを環状に配置し、かつ、複数の電磁鋼板を積層して形成されたステータコアと、このステータコアの隣接する前記分割コアによって形成されたスロットに装着されたステータ巻線とを有し、前記積層された電磁鋼板をかしめにより結合してなる一対のかしめ部を設けるとともに隣接する前記分割コア同士が当接するコアバック部の長さの外周から１/３以内の範囲に前記かしめ部を配置し、さらに、前記一対のかしめ部と二等辺三角形をなす頂部の前記コアバック部の中央部最外径部において前記積層された電磁鋼板を溶接したことを特徴とするものである。

Claims (9)

1. ハウジングと、このハウジングに固定されたステータと、このステータの内周側に対向配置されたロータとを備えた回転電機であって、
   前記ステータは、積層された電磁鋼板を径方向に分割してなる分割コアを環状に配置して形成されたステータコアと、このステータコアの隣接する前記分割コアによって形成されたスロットに装着されたステータ巻線とを有し、前記積層された電磁鋼板をかしめにより結合してなるかしめ部を設けるとともに隣接する前記分割コア同士が当接するコアバック部の長さの外周から１/３以内の範囲に前記かしめ部を配置したことを特徴とする回転電機。
2. 前記コアバック部の中央部最外径部において前記積層された電磁鋼板を溶接し、この溶接による締結部と前記かしめ部とを三角形に配置したことを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
3. 前記コアバック部の中央部最外径部に凹部を設け、この凹部内において前記積層された電磁鋼板を溶接したことを特徴とする請求項２に記載の回転電機。
4. 前記隣接する分割コア間を溶接してなる締結部を設けたことを特徴とする請求項２または請求項３に記載の回転電機。
5. 前記隣接する分割コア間の溶接による締結部と前記かしめ部とを三角形に配置したことを特徴とする請求項４に記載の回転電機。
6. 前記溶接による締結部を前記ステータコアの軸方向両端部にのみ配置したことを特徴とする請求項２から請求項５のいずれか１項に記載の回転電機。
7. 前記溶接による締結部を前記ステータコアの軸方向に千鳥状に配置していることを特徴とする請求項６に記載の回転電機。
8. 前記積層された電磁鋼板のかしめ部において、２面以上のせん断面をもってかしめたことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の回転電機。
9. 前記スロットに充填剤を含浸したことを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の回転電機。

Images