JP2008306794A - 分割ステータおよびその製造方法とモータ - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な製造方法でその放熱性が高められた分割ステータとその製造方法、および該分割ステータを具備するモータを提供する。
【解決手段】円環状のヨークと該ヨークから径方向内側へ突出する複数のティースとを備えたステータであって、該ステータを形成するステータコアはその周方向に分割されてなる複数の分割コア１，…から形成されており、該複数の分割コア１，…がその外周側の筒体２にて固定されてなる分割ステータ１０であり、筒体２のうち、少なくとも分割コアに面する内周面には、該分割コア１に比して相対的に軟質で、かつ、非磁性を有する非磁性層３が形成されており、ステータコアの外周側の一部が放熱層３に埋め込まれている。
【選択図】図１

Description

本発明は、分割ステータとその製造方法、および該分割ステータを具備するモータに関するものである。

自動車産業においては、ハイブリッド自動車や電気自動車のさらなる走行性能の向上を目指して、駆動用モータの高出力化、軽量化、小型化への開発が日々進められている。また、家電製品メーカーにおいても、各種家電製品に内蔵されるモータのさらなる小型化、高性能化への開発に余念がない。

モータの性能を向上させるには、モータ内部で発生する各種損失を如何に低減できるかが課題である。例えば、電気入力後においては、モータを構成するコイルにおいて導体抵抗損失に起因する銅損が生じ、ロータやステータには渦電流損失やヒステリシス損失に起因する鉄損（または高周波鉄損）が生じ、これらの損失に応じてモータ効率やトルク性能が低下することとなる。この渦電流損失は磁束密度の変化によって齎される損失であり、ヒステリシス損失は磁束密度波形に起因する損失である。上記するモータの小型化および高出力化に伴ない、モータ内部で発生する熱量は従来のモータに比して一層多くなることから、モータの設計に際し、その体格と出力に必要な電圧／電流設定には自ずと限界が生じる。したがって、モータの小型化と高出力化の双方を実現するためには、モータ内部で発生した熱量を如何に放熱するか、すなわちモータの放熱性の向上が極めて重要な課題となってくる。

ところで、モータを構成するステータコアとして、コイル形成を含めた製造効率向上の観点から、複数の分割コアからステータ（分割ステータ）を製造する方法がある。この分割ステータにおいては、分割コアのティースにコイルを形成して各分割コアを組付けて円環状のコアユニットを形成し、このコアユニットを筒体（ケーシング）に挿入し、この筒体を焼き嵌めることにより、分割ステータが製造されている。ここで、図６は、電磁鋼板が積層されてできた分割ステータＡ（コイルの図示を省略している）を示しており、図７は、その横断面図であって、ヨークａ１とティースａ２を有し、該ティースａ２まわりにコイルａ３が形成されてなる分割コアａ，…が周方向に組み付けられ、その外周に筒体ｂが焼き嵌めされている状態を示している。

図８はステータの縦断図を示しているが、分割コアは図示例では電磁鋼板の積層体からなり、この電磁鋼板は鋼板を所定形状に打抜き加工されたものであるために、この打抜き加工時にその端部にバリａ４が生じ、このバリａ４が筒体ｂと点接触もしくは線接触している。したがって、ステータコアからの熱は熱伝導率の低い介在空気層を介さず、この点接触箇所または線接触箇所を介して筒体に逃げ、該筒体から外部へ放熱されるという熱の流れ（逃げ）が形成されることからステータコアからの放熱性は極めて低いものであった。

そこで、分割コア外周面の上記バリを除去すべく、該外周面を研摩加工等することで平坦性を確保し、該分割コアと筒体を面接触させて放熱性を向上させるという方策が考えられる。しかし、この方法では、分割コア外周面の研摩加工等の際にコア内部に加工歪が発生し、コアの磁気特性を劣化させることは必至であり、かかる方策は好ましくない。

ここで、分割ステータを有するモータ（電動機）やその製造方法に関する従来の技術として例えば特許文献１，２を挙げることができる。特許文献１に開示の電動機は、固定子（複数の分割コアからなるコアユニット）とケーシング（筒体）の間にステンレス等からなる中間リングを介在させ、この中間リングとケーシングの間に薄い流体層を形成するものであり、この流体層によってダンパ作用を得ることでコギングトルクによる分割コアの振動を低減するものである。

一方、特許文献２に開示の電動機の製造方法は、鉄心片（分割コア）に絶縁枠（コイルボビン）を介してコイルを形成し、各鉄心片を円筒形に保持し（コアユニットを形成し）、絶縁枠に治具を嵌めこんでフレーム（筒体）に焼き嵌めした後に治具を取り外す製造方法である。

上記する特許文献１のモータ、および上記特許文献２の製造方法によるモータのいずれにおいても、図８で示す鋼板積層体を構成する電磁鋼板端部のバリと外周の筒体の間の点接触もしくは線接触に起因した低放熱性を改善することはできない。

特開２００３−８８０１３号公報 特開２００３−２５９６０９号公報

本発明は、上記する問題に鑑みてなされたものであり、複数の分割コアと、その外周の筒体から形成されるステータにおいて、その放熱性を高めることのできる分割ステータとその製造方法、および該分割ステータを具備するモータを提供することを目的とする。

前記目的を達成すべく、本発明による分割ステータは、円環状のヨークと該ヨークから径方向内側へ突出する複数のティースとを備えたステータであって、該ステータを形成するステータコアはその周方向に分割されてなる複数の分割コアから形成されており、該複数の分割コアがその外周側の筒体にて固定されてなる分割ステータにおいて、前記筒体のうち、少なくとも前記分割コアに面する内周面には、該分割コアに比して相対的に軟質で、かつ、非磁性を有する非磁性層が形成されており、前記ステータコアの外周側の一部が前記非磁性層に埋め込まれていることを特徴とするものである。

本発明の分割ステータは、複数の分割コアからなるコアユニットと、その外側でたとえばコアユニットを固定する筒体との間の熱伝導性が高められ、放熱性能に優れた分割コアに関するものである。ここで、分割コアは、電磁鋼板の積層体、圧粉磁心のいずれであってもよい。積層鋼板の場合には、図８で示すようにその外周断面がギザギザ形状を呈しており、筒体との接触面積が極めて小さい。一方、圧粉磁心の場合には電磁鋼板の場合に比して接触面積は大きくなるものの、断面をより微視的に見れば側面表面の粗度は大きく、やはり筒体とは点接触となっており、面接触に比して接触面積が格段に小さいことは積層鋼板の場合と同様である。

本発明の分割ステータでは、複数の分割コアを周方向に組み付けてなるコアユニット外周面と筒体との間の直接的な接触面積を大きくする代わりに、熱伝導性を有するとともに非磁性を有し、かつ分割コアに比して軟質な金属素材からなる非磁性層をコアユニット外周面と筒体との間に介在させ、分割ステータコアの外周側の一部をこの非磁性層に埋め込ませることでこれらの接触面積を大きくし、かつ、非磁性層と筒体とは面接触させることで放熱性を格段に高めるようにしている。

筒体は、鉄やその合金など、熱伝導率が高く、かつ、ステータの剛性を高めるべく高強度（高剛性）の金属素材であるのが望ましい。

また、非磁性層は、熱伝導性と非磁性を有する金属素材であるアルミニウム、銅、亜鉛などから形成することができる。

ここで、たとえば電磁鋼板とＡｌ（純アルミニウム）、Ｃｕ（純銅）、Ｚｎ（純亜鉛）の各硬度をブリネル硬さ（ＨＢ）で示すと、電磁鋼板は１９０、Ａｌは１７、Ｃｕは８０、Ｚｎは４５であり、したがって、例示の金属素材からなる非磁性層が筒体の収縮作用によって電磁鋼板側に押圧された際には、該電磁鋼板が非磁性層内に埋設することができる。

本発明の分割ステータによれば、分割コアが積層鋼板、圧粉磁心のいずれから形成されている場合でも、分割コアから最外郭の筒体への放熱性が従来の分割ステータに比して格段に向上される。したがって、本発明の分割ステータは、高出力で発熱量大のモータ、たとえばハイブリッド自動車や電気自動車の駆動用モータ等への適用に好適となる。

また、本発明による分割ステータの製造方法は、モータのステータであって、該ステータを形成するステータコアはその周方向に分割された複数の分割コアから形成されており、該複数の分割コアがその外周側の筒体にて固定されてなる分割ステータの製造方法であって、前記分割コアを製造するとともに、前記筒体のうち少なくとも該分割コアに面する内周面に、該分割コアに比して相対的に軟質で、かつ、非磁性を有する非磁性層を形成して筒体を製造する第１の工程と、前記筒体を熱処理して膨張させた後に前記分割コアを組付けてなるコアユニットを該筒体内に位置決めする第２の工程と、前記筒体を放熱収縮させることにより、前記コアユニットの外周側の一部が前記非磁性層に埋め込まれた姿勢でコアユニットと筒体を固定させる第３の工程と、からなることを特徴とするものである。

本発明の製造方法は、分割コアを製造するとともに、たとえば鉄製筒体をアルミ溶剤等に浸漬させ、電気メッキ等によって少なくとも筒体の内周面にアルミニウムからなる非磁性層を形成し、次いでこの筒体を焼き嵌め処理する。具体的には、熱膨張させてから筒体内部にコアユニットを位置決めし、筒体を冷却（自然放熱または急速冷却など）することで筒体を収縮させることで、コアユニットを非磁性層内に埋め込みながらコアユニットと筒体とを強固に一体固定するものである。また、メッキ処理以外にもクラッド処理する方法であってもよい。

さらに、本発明による分割ステータの製造方法の他の実施の形態は、分割コアを製造するとともに、複数の該分割コアを組付けてコアユニットを形成し、該コアユニットの外周面に前記分割コアに比して相対的に軟質で、かつ、非磁性を有する非磁性層を形成する第１の工程と、前記筒体を熱処理して膨張させた後に前記コアユニットを該筒体内に位置決めする第２の工程と、前記筒体を放熱させて収縮させることにより、前記コアユニットと前記筒体を固定させる第３の工程と、からなることを特徴とするものである。

本発明の製造方法は、筒体内周面に非磁性層を形成する代わりにコアユニットの外周面にめっき処理等で非磁性層を形成し、その後に筒体を焼き嵌め処理する方法である。

いずれの製造方法であっても、公知の方法によって非磁性層を形成することから、従来の分割ステータの製造方法に比して何ら製造コストを高騰させるものではなく、コアユニットから筒体への放熱性に優れた分割ステータを製造することができるものである。

以上の説明から理解できるように、本発明の分割ステータおよびその製造方法によれば、分割コア（からなるコアユニット）と筒体との間に分割コアよりも軟質で、熱伝導性を有し、非磁性を有する非磁性層を介在させ、分割コアをこの非磁性層に埋め込んで双方の接触面積を大きくすることで、分割コアからの放熱性を格段に高めることができる。

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は本発明の分割ステータの一実施の形態を示した斜視図であり、図２は本発明の分割ステータの他の実施の形態を示した斜視図である。図３は図２の分割ステータの一部の縦断面図であり、図４は図３のＩＶ部の拡大図であり、図５は図１の分割ステータの一部の縦断面の拡大図である。

図１は分割ステータの一実施の形態を示している。この分割ステータ１０は、電磁鋼板が所定高さに積層されて一体に固定された分割コア１，…が周方向に組み付けられたコアユニットを、非磁性層３を介して中空筒状の筒体２で一体固定したものである。なお、図示を省略するが、分割コアは圧粉磁心から成形されるものであってもよい。

この分割ステータ１０の製造方法は、分割コア１をたとえば鋼板打ち抜き工程、鋼板積層工程、スポット溶接工程などを経て製造し、鉄製の筒体２をアルミ溶剤等に浸漬させ、電気メッキ等によって筒体２の内周面にアルミニウムからなる非磁性層３を形成する。次いで、この筒体２を熱膨張させてから筒体内部にコアユニットを位置決めし、筒体２を放熱することで筒体を収縮させ、筒体の収縮によってコアユニットを非磁性層３側へ押し込むことでコアユニットが非磁性層３内に埋め込まれ、コアユニットと筒体２とが強固に一体固定される。

ここで、非磁性層は、積層鋼板よりも軟質で非磁性を有し、熱伝導性を有する金属素材、たとえばＡｌ（純アルミニウム）、Ｃｕ（純銅）、Ｚｎ（純亜鉛）のいずれかより形成するのが好ましい。これらの材料は材料コストも比較的安価であり、入手も容易である。なお、各硬度をブリネル硬さ（ＨＢ）で示すと、電磁鋼板は１９０、Ａｌは１７、Ｃｕは８０、Ｚｎは４５であることから、焼き嵌め処理の際の押し込み作用により、電磁鋼板は上記素材からなる非磁性層内に埋め込まれることになる。

また、他の製造方法として、コアユニットの外周面に非磁性層をメッキ処理等で形成し、次いで筒体を焼き嵌め処理する方法であってもよい。

図２は、分割ステータの他の実施の形態を示しており、この分割ステータ２０では、筒体２の内周面にコアユニットが埋め込まれる非磁性層３Ａが形成され、筒体２の外周面に非磁性層３Ｂが形成されたものである。溶剤内へ筒体２を浸漬させた場合には、通常内周側のみならず外周側にも非磁性層が形成されることから、外周側に形成された非磁性層をそのまま残した場合の実施形態である。

次に、図２で示す分割ステータ２０の放熱性能が向上する理由を模式的に示した図３，４の縦断面図に基づいて説明する。なお、図３は縦断面図を、図４は図３の一部の拡大図である。なお、図中の矢印は熱ひきを示している。

図３を拡大した図４で示すように、分割コア１を構成する電磁鋼板の一部は筒体２の内周面に形成された非磁性層３Ａ内に埋設されており、これが点接触する場合に比して双方の接触面積は極めて大きくなる。また、非磁性層３Ａと筒体２は面接触していることから、分割コア１と筒体２とは熱伝導性を有する非磁性層３Ａを介して双方の接触面積が間接的に大きくなっており、結果として放熱性が大きく高められていることが理解できる。これは、従来例を示した図８と比較することでより一層明確になる。

また、図５は図１で示す分割ステータ１０の縦断面図を示している。同図より、分割ステータ１０においても同様に分割コア１を構成する電磁鋼板の一部は筒体２の内周面に形成された非磁性層３内に埋設されており、非磁性層３と筒体２が面接触していることから、分割コア１と筒体２とは熱伝導性を有する非磁性層３を介して双方の接触面積が間接的に大きくなっている。

上記する本発明の分割ステータ１０，２０によれば、従来の分割ステータに比してその放熱性が格段に向上する。このことは、モータのより一層の高出力化を可能とし、モータの一層の小型化、軽量化を可能とするものである。かかる高出力で小型かつ軽量なモータは、搭載機器の小型化、軽量化、高性能化が叫ばれている近時のハイブリッド自動車や電気自動車に好適である。

また、この分割ステータ１０，２０は、公知の方法でコアユニットの外周または筒体の内周に非磁性層を形成するだけの極めて簡易な製造方法によって得られることから、何ら製造コストを高騰させるものではない。

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。

本発明の分割ステータの一実施の形態を示した斜視図である。 本発明の分割ステータの他の実施の形態を示した斜視図である。 図２の分割ステータの一部の縦断面図である。 図３のＩＶ部の拡大図である。 図１の分割ステータの一部の縦断面の拡大図である。 従来の分割ステータを示した斜視図である。 図６の平面図である。 図６の縦断面の拡大図である。

符号の説明

１…分割コア、２…筒体、３，３Ａ，３Ｂ…非磁性層、１０，２０…分割ステータ

Claims (6)

1. 円環状のヨークと該ヨークから径方向内側へ突出する複数のティースとを備えたステータであって、該ステータを形成するステータコアはその周方向に分割されてなる複数の分割コアから形成されており、該複数の分割コアがその外周側の筒体にて固定されてなる分割ステータにおいて、
   前記筒体のうち、少なくとも前記分割コアに面する内周面には、該分割コアに比して相対的に軟質で、かつ、非磁性を有する非磁性層が形成されており、
   前記ステータコアの外周側の一部が前記非磁性層に埋め込まれていることを特徴とする分割ステータ。
2. 前記分割コアは電磁鋼板の積層体、圧粉磁心のいずれか一種からなり、前記金属はアルミニウム、銅、亜鉛のいずれか一種からなることを特徴とする請求項１に記載の分割ステータ。
3. 請求項１または２に記載の分割ステータを具備する、モータ。
4. モータのステータであって、該ステータを形成するステータコアはその周方向に分割された複数の分割コアから形成されており、該複数の分割コアがその外周側の筒体にて固定されてなる分割ステータの製造方法であって、
   前記分割コアを製造するとともに、前記筒体のうち少なくとも該分割コアに面する内周面に、該分割コアに比して相対的に軟質で、かつ、非磁性を有する非磁性層を形成して筒体を製造する第１の工程と、
   前記筒体を熱処理して膨張させた後に前記分割コアを組付けてなるコアユニットを該筒体内に位置決めする第２の工程と、
   前記筒体を放熱収縮させることにより、前記コアユニットの外周側の一部が前記非磁性層に埋め込まれた姿勢でコアユニットと筒体を固定させる第３の工程と、からなる分割ステータの製造方法。
5. モータのステータであって、該ステータを形成するステータコアはその周方向に分割された複数の分割コアから形成されており、該複数の分割コアがその外周側の筒体にて固定されてなる分割ステータの製造方法であって、
   前記分割コアを製造するとともに、複数の該分割コアを組付けてコアユニットを形成し、該コアユニットの外周面に前記分割コアに比して相対的に軟質で、かつ、非磁性を有する非磁性層を形成する第１の工程と、
   前記筒体を熱処理して膨張させた後に前記コアユニットを該筒体内に位置決めする第２の工程と、
   前記筒体を放熱させて収縮させることにより、前記コアユニットと前記筒体を固定させる第３の工程と、からなる分割ステータの製造方法。
6. 前記分割コアは電磁鋼板の積層体、圧粉磁心のいずれか一種からなり、前記金属はアルミニウム、銅、亜鉛のいずれか一種からなることを特徴とする請求項４または５に記載の分割ステータの製造方法。

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