JP2007274787A

JP2007274787A - ステータ、電動機およびステータの製造方法

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Publication number: JP2007274787A
Application number: JP2006095084A
Authority: JP
Inventors: Yoshito Takeuchi; 誉人竹内
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-03-30
Filing date: 2006-03-30
Publication date: 2007-10-18
Anticipated expiration: 2026-03-30
Also published as: JP4742947B2

Abstract

【課題】電動機の体格を低減することができ、かつ、出力性能に優れた電動機と、該電動機を構成するステータ、該ステータの製造方法を提供する。
【解決手段】円環状のヨーク１２と、ヨーク１２から径方向内側に突出する複数のティース１１，１１，…と、隣接するティース１１，１１間に形成されるスロット１３と、を備えた鋼板が積層されてできる第１のステータコア１と、複数のスロット間に巻装された多相コイル３，３，…と、からステータ１０が構成されている。このステータ１０において、コイルエンド３’の外周側のヨーク１３の端面には、円環状の鋼板が積層されてできる第２のステータコア４が接着されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ステータと、該ステータを備えた電動機およびステータの製造方法に係り、特に、電動機の体格を低減することができ、かつ、出力性能に優れた電動機と、該電動機を構成するステータおよび該ステータの製造方法に関するものである。

電動機（モータ）を構成するステータは、円環状のヨークと、該ヨークから径方向内側に突出する複数のティースと、隣接するティース間に形成されるスロットとを備えた鋼板が積層されてできるステータコアから形成されており、コイルがこのスロット内に挿入されながら、ティース間に巻装されることによってステータが完成する。ここで、コイルの巻装形態には、集中巻き方式と分布巻き方式があり、それぞれに長所と短所を有している。なお、コイルは、銅線等の周りに絶縁被膜が形成されてなる巻線からなる。

集中巻き方式とは、ティースごとにコイルが巻装される形態であり、分布巻き方式とは、複数のティースに跨ってコイルが巻装される形態である。

集中巻き方式によれば、ティースごとにコイルが巻装されることから、ステータコア端部からのコイルエンドの突出長を相対的に短くすることができ、したがって、電動機の小型化を図り易いという利点がある。また、スロット断面に対するコイル断面の比からなる占積率を高め易く、生産効率も高いという利点もある。一方、その短所としては、リラクタンストルクが相対的に小さいことからトルク性能が分布巻き方式に比して劣ること、出力軸を備えたロータにおける駆動時の発熱量が相対的に大きいため、回転エネルギー効率が低くなってしまうことなどが挙げられる。

一方、分布巻き方式によれば、リラクタンストルクが相対的に大きくなり、さらには、ロータ駆動時の発熱量も少ないため、電動機の出力性能（ロータの回転性能やトルク性能）が高いことが挙げられる。その短所としては、複数のティースを跨いで狭隘なスロット内に斜め姿勢でコイルが挿入されるため、スロット内でコイルが直立姿勢にされた際に必然的にコイルエンドの突出長が大きくなり、その結果として電動機の体格が大きくなってしまう点である。また、例えば３相の分布巻きコイルを備えたステータにおいては、そのヨーク幅（径方向の幅）は、３相分の磁束を通す必要があることから、一般にティース幅の３倍の幅を必要とする。したがって、コイルエンドの突出長による鋼板積層方向への体格の増大に加えて、径方向外側への体格の増大が問題となっている。

自動車産業に目を向けると、環境影響への配慮等から電気自動車やハイブリット自動車の需要が増加しており、かかる車両には出力性能のよい電動機の開発は必然であるとともに、その小型化、軽量化も必然の課題となっている。すなわち、出力性能のよい分布巻き方式の電動機であって、その体格をより小型化することができれば、これらの車両にとっては極めて望ましい。

ところで、コイルエンドに生じる無駄な空間を少なくすることによって体格の小型化を図ることを目的とした電動機にかかる発明が特許文献１に開示されている。この電動機は、そのステータコアを２つの分割体から構成させ、各分割体は、その途中で屈折され、ロータ側に比して外周側の高さを低くし、この低くなった箇所にコイルを形成することにより、コイルエンド高を低くでき、電動機の小型化を図るというものである。なお、分割体を上記構成とすることにより、上下の分割体の隣接部には隙間が生じるため、補助コアを隙間に介装させることにより、ステータコアが形成されるものである。

特開２００２−２０９３４６号公報

上記する特許文献１に開示の電動機のステータによれば、コイルエンドの無駄な空間を可及的に少なくすることが可能となり、電動機の小型化を図ることができる。しかし、ステータコアの成形に際し、コア分割体（積層される各電磁鋼板）を屈折成形する必要があり、その製作手間は計り知れない。また、ステータコアは、２つの分割体の間に補助コアが介装設置されることによって形成されるため、必然的にステータコアの製作コストが高騰することとなる。

本発明は、上記する問題に鑑みてなされたものであり、製作コストを高騰させることなく、電動機の小型化を図ることができ、かつ、出力性能に優れた電動機と、該電動機を構成するステータおよび該ステータの製造方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成すべく、本発明によるステータは、円環状のヨークと、該ヨークから径方向内側に突出する複数のティースと、隣接するティース間に形成されるスロットと、を備えた鋼板が積層されてできる第１のステータコアと、複数のスロット間に巻装された多相コイルと、からなるステータにおいて、コイルエンドの外周側のヨークの端面に、円環状の鋼板が積層されてできる第２のステータコアが固着されてなることを特徴とする。

ここで、ステータコア（第１のステータコア、第２のステータコア）を構成する鋼板は、公知の電磁鋼板のほか、圧粉磁心からなる鋼板、軟磁性材からなる鋼板などを使用できる。また、多相コイルとは、３相コイル、２相コイル、５相コイルなど、分布巻き方式を採用する適宜の相数のコイルが選定される。

本発明のステータは、ステータコア（第１のステータコア）の上下の端面（上下両面のほか、一方だけの端面でもよい）のうち、コイルエンドの外周側のヨークに該ステータコアとは別体のステータコア（第２のステータコア）が接着剤等によって固着されたステータコアから構成される。

既述するように、３相の分布巻きコイルを備えたステータのヨーク幅（径方向の幅）は、３相分の磁束が通過できるように、通常はティース幅の３倍の幅が必要とされる。そこで、本発明のステータにおいては、ヨークの径方向の幅を狭くすることによってステータ全体を径方向に体格低減させることを目的としたステータである。

上記の目的を実現するために、コイルエンドの外側であってステータコアのヨークの頂面および／または下面のデッドスペースをヨークの磁束通路として有効利用するものである。すなわち、このステータコアのヨークの頂面および／または下面に別途のステータコアを取り付けることにより、ヨークに流れる磁束を別途のステータコア側に流すことが可能となり、通常必要とされるヨーク幅を低減させることができる。なお、ヨークの幅を低減することにより、従来のステータと同一体格のステータとした場合には、ステータを構成するティース〜ヨークまでの幅を低減させることにより、その分だけロータの径を大きくすることが可能となる。ロータの径が大きくなることにより、電動機のトルク性能を向上させることができる。

また、本発明によるステータの他の実施の形態は、円環状のヨークと、該ヨークから径方向内側に突出する複数のティースと、隣接するティース間に形成されるスロットと、を備えた鋼板が積層されてできる第１のステータコアと、複数のスロット間に巻装された多相コイルと、からなるステータにおいて、前記第１のステータコアの長手方向の途中において、該第１のステータコアのヨークが縁切りされており、縁切りされた部分に、複数の平面視が円弧状の分割体から構成され、平面視が円環状を呈する第２のステータコアが介装されていることを特徴とする。

本発明のステータは、ステータコア（第１のステータコア）のヨーク部を縁切りしておき、この縁切り部に円環状の別途の挿入コア（第２のステータコア）を介装設置させることにより、ステータを形成するものである。第２のステータコアを縁切り部に介装させるために、この円環状の第２のステータコアを周方向に２以上の分割体に分割しておき、この分割体を縁切りされたヨークに嵌め込むことによりステータコアを形成する。

なお、縁切りされたヨークは、第１のステータコアの長手方向の途中、すなわち、鋼板積層方向の途中の複数箇所に設けることができる。また、介装される第２のステータコアは、２枚以上の積層鋼板のほか、１枚の鋼板からなる形態であってもよい。本発明のステータにおいては、１枚〜数枚の鋼板が複数の縁切り部に介装された構成となっているため、第２のステータコアを磁束が上下に流れる際に生じ得る鉄損をより低減することができる。

本発明のステータにおいては、第１のステータコアのうち、ティースに比してヨークの高さを高くすることにより、結果としてコイルエンド外側のデッドスペースを無くし、ヨークにおける磁束の通路をステータコアの長手方向に拡張することができる。この結果、長手方向の拡張分だけヨークの径方向の幅を低減させることが可能となる。

また、本発明によるステータの好ましい実施の形態は、前記ステータにおいて、前記第２のステータコアが方向性電磁鋼板から成形されており、その結晶方位が周方向に配向していることを特徴とする。

第２のステータコアを構成する電磁鋼板として、周方向に結晶方位が配向した方向性鋼板を使用することにより、ヨークにおける磁束の流れの効率を高めることができる。

また、上記するステータを備え、その内部にロータを有する多相コイルの電動機を製作することにより、分布巻きコイルを有するステータの欠点である大きなヨーク幅を可及的に狭くすることができ、その結果として体格が低減され、さらには、回転性能およびトルク性能に優れた電動機を得ることができる。なお、かかる電動機は、例えば、シンクロナスリラクタンスモータやインダクションモータ、ブラシレスモータ、ＩＰＭモータなど、公知の電動機を対象としている。

また、本発明によるステータの製造方法は、円環状のヨークと、該ヨークから径方向内側に突出する複数のティースと、隣接するティース間に形成されるスロットと、を備えた鋼板が積層されてできる第１のステータコアと、複数のスロット間に巻装された多相コイルと、からなるステータの製造方法であって、多相コイルを構成する各相のコイルを、ステータコアの所定のスロットに順次挿入する第１の工程と、コイルエンドの外周側のヨークの端面に、円環状の鋼板が積層されてできる第２のステータコアを接着させる第２の工程と、を少なくとも含むことを特徴とする。

本発明のステータの製造方法によれば、ヨークの端面に円弧状の別途のステータコアを接着させるだけの極めて簡易な方法によって、コイルエンドのデッドスペースを磁束の通路として有効利用させ、ヨークの径方向の幅を可及的に低減させることができ、結果としてステータの体格低減に繋がる。すなわち、ステータの製造コストを何ら高騰させることなく、ステータおよび電動機の体格を効率的に低減させることができるものである。

さらに、本発明によるステータの製造方法の他の実施の形態は、円環状のヨークと、該ヨークから径方向内側に突出する複数のティースと、隣接するティース間に形成されるスロットと、を備えた鋼板が積層されてできる第１のステータコアと、複数のスロット間に巻装された多相コイルと、からなり、第１のステータコアの長手方向の途中において、該第１のステータコアのヨークが縁切りされてなるステータの製造方法であって、多相コイルを構成する各相のコイルを、ステータコアの所定のスロットに順次挿入する第１の工程と、第１のステータコアのヨークに形成された縁切り部に複数の平面視が円弧状の分割体を挿入し、平面視が円環状の第２のステータコアを縁切り部に形成する第２の工程と、を少なくとも含むことを特徴とする。

本発明のステータの製造方法によれば、ステータコアの縁切り部に例えば半円環状の分割体２つを挿入設置するだけの簡易な方法で、ティース側に比してヨークの高さを高くすることができ、ステータコアのヨーク幅を低減させることが可能となる。

以上の説明から理解できるように、本発明のステータ、電動機およびステータの製造方法によれば、多相コイルを有するステータにおいて、コイルエンド外側のデッドスペースを有効に利用しながら、ティースに比してヨークをステータの長手方向に長くすることによってヨーク幅を狭くすることができ、したがってステータおよび電動機の体格を低減させることができる。また、本発明のステータの製造方法は極めて簡易な製造方法であり、ステータの製造コストを何ら高騰させるものではない。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明のステータの一実施の形態の縦断図を、図２は、図１のＩＩ―ＩＩ矢視図を、図３は、本発明のステータの他の実施の形態の縦断図を、図４は、図３のＩＶ―ＩＶ矢視図をそれぞれ示している。

図１，２は、ステータの一実施の形態を示した図である。ステータコア１を構成するリング状のヨーク１２から、リングの径方向内側に突出したティース１１，１１，…が形成されており、このティース１１，１１間には、コイル３が挿入されるスロット１３が設けられている。３相の分布巻きコイル３は、Ｕ相コイル、Ｖ相コイル、Ｗ相コイルが隣接するスロット１３，１３，…に順次挿入されており、各相のコイルが複数のティース１１，１１，…を跨いだ姿勢で２つのスロット１３，１３内に挿入される。各スロット１３には、その内壁面に不図示のスロット絶縁紙が挿入されており、スロット１３のロータ側の開口には不図示のウェッジ紙が挿入される。なお、ステータコア１（第１のステータコア）は、電磁鋼板、圧粉磁心からなる鋼板等を積層させて成形される。

ステータコア１と各相のコイル３とからステータ１０が形成され、ティース１１，１１，…の先端ラインで形成された円の内部には、円柱状のロータ２が、その内部に所定数の永久磁石２１，２１，…を埋設した姿勢で配設されており、該ロータ２の中心にはシャフト２２が軸着されている。なお、ティースの数（例えば４８）や、永久磁石の埋設数は、所望の磁極数等によって適宜設定されるものである。また、永久磁石は、ロータの側壁に露出した態様で接着された実施の形態であってもよい。

図１，２に示すように、ステータコア１のヨークの上面と下面、すなわち、コイルエンド３’の外周側には、平面視が円環状の鋼板が複数積層されてなる別途のステータコア４（第２のステータコア）がステータコア１のヨーク端面に接着されている。このステータコア４の積層方向の厚みは、コイルエンド３’の突出長と同程度に設定するのが好ましい。なお、このステータコア４も、電磁鋼板、圧粉磁心からなる鋼板等を積層させて成形することができる。

ステータコア１のヨーク１２の端面にコイルエンド３’の突出長と同程度の厚みの円環状のステータコア４を設けることにより、ティース１１を流れる磁束が図１に示すＸ方向、すなわちステータコア４に流れ、ステータコア４に入った磁束は、図２に示すＹ方向、すなわち周方向に流れることにより、ロータ→ティース→ヨーク→ティース→ロータの磁束の流れを実現できる。

ステータコア４を設けることによってヨークの厚みを厚くすることができ、ステータコア１のヨークの径方向の幅を低減することが可能となる。これは、上記の磁束の流れに際し、磁束が流れる通路をステータコアの長手方向（鋼板積層方向）に確保できるためである。

ここで、ステータ１０の製造方法の概要を説明する。まず、各スロット内にスロット絶縁紙を挿入し、所定のスロット内にＵ相コイルを挿入していく。このコイル挿入は、インサータを使用した自動挿入によっておこなわれる。次いで、Ｕ相コイルを拡張治具にてヨーク側に押込み、Ｖ相コイルの挿入空間を形成する。Ｖ相コイルの挿入に先んじて相間絶縁紙をＵ相コイルが挿入されたスロット内に挿入していく。

Ｖ相コイルにおいても、上記するスロット内挿入と、拡張成形、相間絶縁紙の設置を同様におこない、さらに、Ｗ相コイルにおいてもスロット内挿入と、拡張成形をおこなった後、スロットのロータ側開口にウェッジ紙を挿入する。

次いで、各相コイルのコイルエンドを直立方向に戻し、プレス機にてコイルエンドを加圧してその突出長を短縮させた後に、レーシング加工を施し、ワニスをコイル内に含浸／硬化させる。最後に、ヨーク１２の端面にステータコア４を接着することにより、ステータ１０が製造される。

一方、図３，４に示すステータ１０Ａは、ステータコア１の長手方向において、複数の縁切り部１ａ，１ａ，…がそのヨークに形成されており、この縁切り部１ａに、１枚〜数枚の鋼板であってその平面視形状が半円環状のステータコア４ａが挿入されることによって形成される。図４に示すように、２つのステータコア４ａ，４ａの端部同士を当接させることにより、平面視円環状のステータコア（第２のステータコア）が形成される。

このステータ１０Ａの製造方法は、各相コイルのコイルエンドを直立方向に戻し、プレス機にてコイルエンドを加圧する前段階において、ステータコア４ａを挿入設置するものである。所定数のステータコア４ａが挿入された段階でコイルエンドをプレス加工し、次いでレーシング加工を施し、最後にワニスをコイル内に含浸／硬化させることによってステータ１０Ａが製造される。

ステータ１０を構成するステータコア４、ステータ１０Ａを構成するステータコア４ａとして、周方向に結晶方位が配向した方向性の電磁鋼板を使用することにより、ヨークにおける磁束の流れをより促進させることができる。

上記するステータ１０，１０Ａを使用してなる電動機を製作することにより、電動機の径方向の体格を低減させることが可能となる。さらに、かかるステータ１０，１０Ａの製造方法は、上記するように極めて簡易な方法であるため、製造コストを高騰させることなく、効率的に電動機の体格の低減を図ることができる。

以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。

本発明のステータの一実施の形態の縦断図。図１のＩＩ―ＩＩ矢視図。本発明のステータの他の実施の形態の縦断図。図３のＩＶ―ＩＶ矢視図。

符号の説明

１…ステータコア（第１のステータコア）、１ａ…縁切り部、１１…ティース、１２…ヨーク、１３…スロット、２…ロータ、３…コイル、３’…コイルエンド、４，４ａ…ステータコア（第２のステータコア）、１０，１０Ａ…ステータ

Claims

円環状のヨークと、該ヨークから径方向内側に突出する複数のティースと、隣接するティース間に形成されるスロットと、を備えた鋼板が積層されてできる第１のステータコアと、複数のスロット間に巻装された多相コイルと、からなるステータにおいて、
コイルエンドの外周側のヨークの端面に、円環状の鋼板が積層されてできる第２のステータコアが固着されてなるステータ。
円環状のヨークと、該ヨークから径方向内側に突出する複数のティースと、隣接するティース間に形成されるスロットと、を備えた鋼板が積層されてできる第１のステータコアと、複数のスロット間に巻装された多相コイルと、からなるステータにおいて、
前記第１のステータコアの長手方向の途中において、該第１のステータコアのヨークが縁切りされており、縁切りされた部分に、複数の平面視が円弧状の分割体から構成され、平面視が円環状を呈する第２のステータコアが介装されてなるステータ。
請求項１または２に記載のステータにおいて、
前記第２のステータコアが方向性電磁鋼板から成形されており、その結晶方位が周方向に配向していることを特徴とするステータ。
請求項１〜３のいずれかに記載のステータと、該ステータの内部に配設されたロータと、からなる電動機。
円環状のヨークと、該ヨークから径方向内側に突出する複数のティースと、隣接するティース間に形成されるスロットと、を備えた鋼板が積層されてできる第１のステータコアと、複数のスロット間に巻装された多相コイルと、からなるステータの製造方法であって、
多相コイルを構成する各相のコイルを、ステータコアの所定のスロットに順次挿入する第１の工程と、コイルエンドの外周側のヨークの端面に、円環状の鋼板が積層されてできる第２のステータコアを接着させる第２の工程と、を少なくとも含むことを特徴とするステータの製造方法。
円環状のヨークと、該ヨークから径方向内側に突出する複数のティースと、隣接するティース間に形成されるスロットと、を備えた鋼板が積層されてできる第１のステータコアと、複数のスロット間に巻装された多相コイルと、からなり、第１のステータコアの長手方向の途中において、該第１のステータコアのヨークが縁切りされてなるステータの製造方法であって、
多相コイルを構成する各相のコイルを、ステータコアの所定のスロットに順次挿入する第１の工程と、第１のステータコアのヨークに形成された縁切り部に複数の平面視が円弧状の分割体を挿入し、平面視が円環状の第２のステータコアを縁切り部に形成する第２の工程と、を少なくとも含むことを特徴とするステータの製造方法。