JP2008086172A - 焼嵌リングおよびモータのステータ - Google Patents

Abstract

【課題】焼嵌リングを厚みは従来と同様にできながら、焼嵌リングで分割コアを締め付けたときでも、分割コアが破壊されることのない所定の締付力でヨーク外面を均一に押圧してステータを構成することができる焼嵌リングを提供する。
【解決手段】コイル4が装着されたティース22とティース22の一端側に設けるヨーク部21とを備える複数の分割コア2が円環状に配置され、これら分割コア2のヨーク部21を連結してモータのステータ1を構成するために、各分割コア2の外周に焼き嵌めされる焼嵌リング3であり、少なくとも周方向に複数の貫通孔31が形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の分割コアを環状に配置させた状態で一体化させてモータのステータを構成するために用いられる焼嵌リング、およびこの焼嵌リングを備えるモータのステータに関する。

従来、モータを構成するロータやステータのコアは、鋼などの磁性材料から形成されている。さらに、近年では、ステータのティースにコイルを装着する作業性、およびコアの歩留まりを向上させるために、ステータコアを周方向に複数に分割したものが提案されている（特許文献１または特許文献２参照）。

特許文献１および２に開示されているステータコアは、コイルが装着されるティースとこれらティースの一端側に連続形成されるヨーク部とを備える複数の分割コアから構成される。

これら分割コアから構成されるステータは、例えば、特許文献１の図３にも開示されているように、分割コアのティースにそれぞれコイルを装着した後、これら分割コアを隣り合うヨーク部の端部が接触するように円環状に配置する。そして、円環状に配置したこれら分割コアの外周に焼嵌リングを焼き嵌めして分割コアのヨーク部を締結して一体化させ、ステータを構成する。

ところで、分割コアは、一般には、Ｔ字状の電磁鋼板を積層して形成される。電磁鋼板から成る分割コアは、積層方向端面において、ティースとヨーク部が面一となってしまうため（二次元形状）、ティースに巻き付けられた巻線は、コアの軸方向(モータの回転軸の軸方向)端面から張り出すことになる。

そこで、近年、圧粉成形により分割コア(圧粉磁心)を形成したものが提案されている。圧粉磁心は、鉄などの金属磁性粉末と樹脂(バインダ)を混合し、加圧成形したものである。圧粉磁心は、高抵抗材料の開発や、高密度成形技術の開発により、モータコアとしての適用が期待されている。

特に、圧粉磁心製のモータコアは、三次元形状を形成できるので、従来の積層鋼板で構成されるモータコアでは達成できない形状が作製できる。従って、ティースの軸方向(モータの回転軸の軸方向)長さよりも、ヨーク部の軸方向長さを長くできる。また、圧粉成形する場合には、ヨークの厚みを薄く形成できるのでモータの小型化も図れるという利点もある。

圧粉成形により分割コアを形成した場合、ヨーク部をティースの軸方向両端面から突出させた分割コアを形成できる。従って、このヨーク部の軸方向への突出部分でコイルエンドを囲むことができ、コイルエンドの軸方向端部の位置とヨーク部の軸方向端部の位置とを略同じ位置にできる。

その結果、同じ容積のモータケース内に積層鋼板のステータと圧粉成形のステータとを配置させたとき、積層鋼板のモータコアの体積に対して、圧粉成形したモータコアでは、ヨーク部の突出部分の体積だけ体積を増加させることができることから、モータ特性を向上できる。

特開2001-218429号公報 特開2002-291182号公報

ところで、圧粉成形した分割コアによりステータを形成する場合、焼嵌リングを加熱して膨張させておき、その焼嵌リング内に、円環状に配置させた分割コアを挿入して、焼嵌リングで締め付けて固定する。

その際、圧粉成形した分割コアは、焼結せずに高圧で成型しているため、積層鋼板の分割コアに比べて強度が弱く、焼嵌リングが収縮したときの収縮力が強すぎると、圧粉分割コアが破壊する可能性がある。

また、積層鋼板で形成される分割コアにおいても、焼嵌リングの収縮が大きく、過大な応力が分割コアにかかった場合には、鋼板の積層状態が崩れてしまう虞もある。

この積層鋼板の積層ズレを防止するために、特許文献２では、分割コアのヨーク部にボルト挿通孔を軸方向に貫通させ、このボルト貫通孔に、ボルトを挿通させて積層鋼板を締め付けた状態にして積層ズレを防止している。特許文献２では、ボルトで締め付けられた分割コアを円環状に配置し、これら分割コアを焼嵌リングで焼き嵌めして、焼嵌リングで締め付けた後に、ボルトを取り外すようになっている。

しかし、積層鋼板から成る分割コアにこのような貫通孔を設けると、コアの強度低下を招くし、所定の強度を得るためには、ヨーク部の幅(径方向の厚み)を厚くする必要があり、ステータコア全体が大型化してしまう不具合も生じる。

そこで、焼嵌リングの厚さを薄くして、焼嵌リングの収縮による分割コアにかかる応力を低減させることが考えられる。ところで、焼嵌リングを製造する場合、板状部材を筒状に曲げて端面同士を溶接して形成する方法と、引き抜き成形により、シームレスのパイプを製造し、このパイプを所定の幅に切断して焼嵌リングを形成する方法とがある。

板状部材で焼嵌リングを形成した場合には、リングを非常に薄く成形できる。しなしながら、溶接箇所は厚みが厚くなり、しかも、微視的にみると角部が形成されるので、収縮した際に、分割コアのヨーク外面における溶接部分が圧接する箇所に応力が集中してしまう。その結果、ヨーク外面を均一に押圧して分割コアを締め付けることは難しい。

シームレスパイプで焼嵌リングを形成する場合には、良好で均一な締付力が得られる反面、シームレスパイプは、厚さ４mmより薄くなるように形成するのは製造上難しい。

そこで、本発明は、焼嵌リングを、厚みは従来と同様にできながら、焼嵌リングで分割コアを締め付けたときでも、分割コアが破壊されることのない所定の締付力でヨーク外面を均一に押圧してステータを構成することができる焼嵌リングおよびこの焼嵌リングを備えるステータを提供することを目的とする。

本発明は、焼嵌リングに貫通孔を形成して、分割コアにかかる背面圧力を低減し、コアに発生する応力を低減する。

本発明の焼嵌リングは、コイルが装着されたティースとティースの一端側に設けるヨーク部とを備える複数の分割コアが円環状に配置され、これら分割コアのヨーク部を連結してモータのステータを構成するために、各分割コアの外周に焼き嵌めされる焼嵌リングであり、この焼嵌リングに貫通孔が形成されていることを特徴とする。

さらに、本発明のモータのステータは、コイルが装着されたティースとティースの一端側に設けるヨーク部とを備える複数の分割コアが円環状に配置され、これら分割コアの外周に、前記貫通孔が形成されている焼嵌リングが焼き嵌めされて、ヨーク部が連結して分割コアが一体化されていることを特徴とする。

分割コアは、複数の分割コアを、隣り合うヨーク部端面が当接するように円環状に配置するとにより、ステータコアが構成される。分割コアは、圧粉成形した分割コアでもよいし、積層鋼板で形成した分割コアでもよい。但し、分割コアの形状の自由度が得られる点から、圧粉成形した分割コアが好ましい。

焼嵌リングの材質は、鉄系材料が好ましく、例えば、鋼管に利用されるＳＰＣＣ（冷間圧延鋼板）が挙げられる。

ところで、車用モータのステータは、使用温度の範囲が大きいので(〜200℃)、分割コアを構成する部材の熱膨張率と焼嵌リングを構成する部材の熱膨張率とが大きく異なると、以下の問題が生ずる虞がある。焼嵌リングの熱膨張率の方が大きい場合には、分割コアの固定が十分に行えなくなる虞があり、分割コアの熱膨張率の方が大きい場合には、分割コアが破壊される虞がある。従って、ステータの使用温度が高い場合には、焼嵌リングの材質は、分割コアと同様の熱膨張係数を有する鉄系材料が好ましい。

焼嵌リングは、シームレスパイプを所定の幅に切断して形成することもできるし、板状部材を筒状に曲げて端面を溶接することにより形成することもできる。シームレスパイプで焼嵌リングを形成する場合には、リングを切断した後に、貫通孔を形成する加工を行う。このように焼嵌リングを形成することにより製造コストを安くできる。

なお、板状部材を溶接して管に形成する場合には、焼嵌リングに溶接箇所ができるため、真円にならない。しかも、板の部分と溶接部分との熱膨張率が異なるので、溶接部分で破壊しやすくなる。以上のことから、焼嵌リングは、シームレスパイプで形成することが好ましい。

そして、本発明の焼嵌リングには貫通孔が形成されている。貫通孔は、焼嵌リングに複数形成することが好ましく、複数の貫通孔を形成する場合には、リングの周方向に複数の貫通孔が配置されるように形成することが好ましい。貫通孔を形成することにより、焼嵌リングが収縮したときの収縮力が低減され、焼嵌リングの熱膨張率が高くても、リング収縮による分割コアへかかる応力を緩和できる。焼嵌リングに形成する孔は、パンチなどで貫通形成する。貫通孔の形状は、円形、楕円形など様々な形状に形成することができる。

貫通孔を焼嵌リングに複数形成する場合には、周方向に等間隔で配置されるように形成してもよいし、配置間隔が一定とならないように形成してもよい。また、複数の貫通孔を形成する場合、周方向に配置されるように複数の孔を形成しながら軸方向にも複数配置されるように形成してもよい。また、千鳥状に貫通孔を配置させることもできる。

さらに、複数の貫通孔を形成する場合、分割コアのヨーク部外周面におけるティース形成位置に対応した位置に貫通孔を多く形成し、分割コアのヨーク部の周方向端部(隣接するコアのヨーク部が接する境界部)には、貫通孔が配置されないように形成してもよい。

また、複数の貫通孔を形成する場合、分割コアのヨーク部外周面におけるティース形成位置に対応した位置に貫通孔を形成し、分割コアのヨーク部の周方向端部(境界部)には、貫通孔が少なくなるように形成してもよい。

このように、孔の大きさや形状、そして、個数は、分割コアの許容応力に応じて適宜決定することができる。

焼嵌リングの幅（軸方向長さ）の大きさは、分割コアのヨーク部外周面の軸方長さと同じ長さにしてもよいし、また、ヨーク部外周面の軸方向長さよりも短くしてもよい。ただし、ヨーク部外周面の軸方向長さよりも焼嵌リングの幅を小さくし過ぎると、分割コアにおける焼嵌リングと接触した部分のみに応力が集中した状態で締め付けられ、コアが破壊する虞がある。従って、焼嵌リングの幅は、ヨーク部外周面の軸方長さと同じ長さにすることが好ましい。

本発明の焼嵌リングを用いたステータは、分割コアを、貫通孔が形成された焼嵌リングにより所定の締付力で締め付けているので、分割コアを圧粉成形体としても、ステータの破損が起こらないようにすることができる。

本発明の焼嵌リングには、貫通孔を形成しているので、焼嵌リングを円環状に配置した分割コアの外周に焼き嵌めしたときに、焼嵌リングの収縮による分割コアへかかる応力を緩和できる。即ち、焼嵌リングの熱膨張率が高くても、貫通孔により、焼嵌リングが収縮したときの分割コアに作用する背面圧力を低減できるので、分割コアの破壊を防止することができる。また、焼嵌リングに貫通孔を開けることにより、軽量化も図れる。

特に、圧粉成形した分割コアは、積層鋼板の分割コアに比べて強度が弱いが、本発明の焼嵌リングを用いることにより、適度な締付力で分割コアを焼嵌リングで締め付けることができる。

ところで、焼嵌リングに貫通孔を形成することにより、焼嵌リングにかかる応力は貫通孔を形成しない場合に比べて増加するが、貫通孔の形成位置、形状、大きさ、個数に応じて応力の掛かり方が異なるので、貫通孔の形状等を制御することにより、焼嵌リングにかかる応力の制御が行える。

以下、本発明の実施の形態を説明する。まず、第１実施形態について図１から図３に基づいて説明する。

（第１実施形態）
第１実施形態は、１２個の分割コア2を焼嵌リング3で締め付けて固定したモータのステータ1であり、焼嵌リング3には、多数の貫通孔31が形成されている。

分割コア2は、図１に示すように、平面視ほぼＴ字状をしており、外周面が円弧面を有し、内側が平面であるヨーク部21と、図１の横断面図および図２の縦断面図に示すように、このヨーク部21の中央部から突設するティース22とを備える。なお、図２では、コイルは、省略しており、分割コア2と焼嵌リング3のみを記載している。

ティース22は、ヨーク部21の内面側の面積よりも小さい断面積を有する柱状をしており、ヨーク部21が形成される側とは反対側、即ち、ロータが配置されるステータ1の径方向内方側端部に周方向および軸方向に延びるつば部23が形成されている。

分割コア2は、圧粉成形により形成されており、例えば、純鉄粉表面を無機絶縁物で絶縁し、少量の有機樹脂バインダで混合した後、圧縮成形して形成している。

ティース22の外周には、インシュレータ(図示せず)が配置され、このインシュレータ上に巻線を巻き付けて、ティース22にコイル4が装着された状態なる。分割コア2にコイル4が装着されて、分割ステータが構成される。

このような分割ステータを１２個用意し、各分割コア2のヨーク部21の周方向端面を隣り合うヨーク部21の周方向端面と当接させながら、分割コア2を円環状に配置する。円環状に配置された分割ステータを焼嵌リング3で締め付けることにより、分割ステータが一体化されて、図１に示すような、モータのステータ1が構成される。

焼嵌リング3は、加熱前の状態では、円環状に配置された状態の分割コア2の外径よりもコンマ数ミリ小さい内径を有するように形成されている。本実施形態では、焼嵌リング3は厚み4mmのSPCC(鉄の鋼管)で形成され、内径300mm、公差±0.3mm程度となるように形成している。

焼嵌リング3は、図３に示すように、周方向の同一線上に等間隔で配置されるように円形の貫通孔31を形成するとともに、軸方向の同一線上にも二箇所配置されるように形成するように多数の貫通孔31を形成している。

これら貫通孔31は、図１に示すように、円環状に配置した分割コア2において、ヨーク部21の周方向端部には、配置されないように形成している。

次に、円環状に配置させた分割コア2に焼嵌リング3を焼き嵌めする方法について説明する。

まず、上下に移動可能な架台（図示せず）上にコイルが装着された分割コアを円環状に配置する。さらに、架台の軸と同軸上で、この架台の上方に焼嵌リングを配置する。このとき、焼嵌リングは、円環状に配置された分割コアの軸心と焼嵌リングの軸心が一致するように配置する。

そして、焼嵌リングの外周面に近接させて円環状のヒータ（図示せず）を配置し、焼嵌リングを所定の大きさまで膨張するまで加熱する。このときの焼嵌リングの加熱は、200℃〜300℃程度にすることが好ましい。

次に、架台を上昇させて、膨張した焼嵌リング内に円環状に配置した分割コアを挿入する。分割コアが焼嵌リング内に配置された状態で、焼嵌リングを冷却して収縮させて、分割コアの外周面に焼嵌リングを圧接させる。焼嵌リングにより分割コアを締め付けて、分割コアを一体化する。焼嵌リングの冷却は、自然冷却で行い、冷却時間は、２０〜３０分とするのが好ましい。

（第２実施形態）
焼嵌リングの他の実施形態について図４に基づいて説明する。第２実施形態の焼嵌リング5で締め付け固定される分割コアは、第１実施形態の分割コアと同じ構成であるので、説明を省略する。

第２実施形態の焼嵌リング5は、材質、リングの内径、厚みは、第１実施形態の焼嵌リングと同じである。

本実施形態の焼嵌リング5は、周方向に等間隔で配置されるように細長い楕円形の貫通孔51を多数形成している。これら貫通孔51も、第１実施形態と同様に、円環状に配置した分割コアにおいて、ヨーク部の周方向端部には、配置されないように形成している。

円環状に配置させた分割コアに焼嵌リングを焼き嵌めする方法は、第１実施形態と同様である。

（第３実施形態）
焼嵌リングの第３実施形態について図５に基づいて説明する。第３実施形態の焼嵌リング30で締め付け固定される分割コアも、第１実施形態の分割コアと同じ構成であるので、説明を省略する。

第３実施形態の焼嵌リング30も、材質、リングの内径、厚みは、第１実施形態の焼嵌リングと同じである。

本実施形態の焼嵌リング30は、円形の貫通孔31を多数形成している。本実施形態では、周方向の同一線上に等間隔で配置されるように貫通孔31を多数形成している第一貫通孔群3aと、この第一貫通孔群3aの各貫通孔31に対してリングの軸方向に同一線上に貫通孔31が配置され、周方向の同一線上に等間隔で配置されるように多数形成される第二貫通孔群3bと、これら第一貫通孔群3aと第二貫通孔群3bの各周方向の中心線の間に中心線を有するように貫通孔31が配置される第三貫通孔群3cとを有する。

第三貫通孔群3cは、第一貫通孔群3aおよび第二貫通孔群3bの周方向に並ぶ貫通孔31と貫通孔31との間に位置し、しかも、分割コア2のティース22形成位置(図５の二点破線Aで四角形に記載された線上)に対応させて形成している。

本実施形態では、貫通孔31の全ては、円環状に配置した分割コアにおいて、ヨーク部の周方向端部（図５の二点破線B）には、配置されないように形成している。

円環状に配置させた分割コアに焼嵌リングを焼き嵌めする方法は、第１実施形態と同様である。

本発明の焼嵌リングは、特に、圧粉成形された分割コアを焼嵌リングで締め付けて固定するステータに用いる場合に好適である。

本発明の焼嵌リングを用いた第１実施形態にかかるステータの横断面図である。 図１に示すステータのコイルが省略された縦断面図である。 第１実施形態の焼嵌リングの縦断面図である。 第２実施形態の焼嵌リングの縦断面図である。 第３実施形態の焼嵌リングの縦断面図である。

符号の説明

1 ステータ
2 分割コア 21 ヨーク部 22 ティース 23 つば部
3,5,30 焼嵌リング
31,51 貫通孔
3a 第一貫通孔群 3b 第二貫通孔群 3c 第三貫通孔群

Claims (2)

1. コイルが装着されたティースとティースの一端側に設けるヨーク部とを備える複数の分割コアが円環状に配置され、これら分割コアのヨーク部を連結してモータのステータを構成するために、各分割コアの外周に焼き嵌めされる焼嵌リングであって、貫通孔が形成されていることを特徴とする焼嵌リング。
2. コイルが装着されたティースとティースの一端側に設けるヨーク部とを備える複数の分割コアが円環状に配置され、これら分割コアの外周に、貫通孔が形成されている焼嵌リングが焼き嵌めされて、ヨーク部が連結されて分割コアが一体化されていることを特徴とするモータのステータ。

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