JP2008312288A - ステータおよびその製造方法ならびに回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】部品点数を増加させずにステータコイルからステータコアへの伝熱効率を向上させたステータおよびその製造方法ならびに該ステータを含む回転電機を提供する。
【解決手段】ステータ１４０は、ステータティース１４１Ａを有するステータコア１４１と、ステータティース１４１Ａに嵌合される開口１４４Ａを有するインシュレータ１４４と、インシュレータ１４４に巻回されるステータコイル１４２とを備える。開口１４４Ａは、ステータコア１４１を冷却した状態で該ステータティース１４１Ａに嵌合される。
【選択図】図２

Description

本発明は、ステータおよびその製造方法ならびに回転電機に関し、特に、ステータティースに絶縁部材およびステータコイルが組付けられるステータおよびその製造方法ならびに回転電機に関する。

特開２００２−２６２５００号公報（特許文献１）には、固定子コイルを支持するためのコイル支持体を、熱膨張率の異なる複数枚の材料を重ね合わせたバイメタルにより形成した回転電機が記載されている。ここで、バイメタルは、スペーサとして用いられ、温度上昇に応じて固定子コイル側に凸に変形するように設けられている。

また、特許文献１と同様に、ステータコアにおけるティース部にコイルを巻回して形成されたステータを含む回転電機が、特開２００３−１６４０８１号公報（特許文献２）および特開２００１−２１８４２９号公報（特許文献３）などに記載されている。
特開２００２−２６２５００号公報 特開２００３−１６４０８１号公報 特開２００１−２１８４２９号公報

回転電機の駆動時に、ステータコイルは発熱する。したがって、ステータコイルからの放熱性を高めることは重要である。ステータコイルからの放熱性を高める１つの方策として、ステータコイルの熱をステータコアに効率よく伝達し、ステータコアからの放熱を促進することが考えられる。

特許文献１では、バイメタルからなるスペーサを設けることにより、固定子コイルと積層鉄心との良好な熱伝導を得ることができるとされているが、このようなバイメタルを設けることにより、部品点数が増加する。

他方、特許文献２，３に記載の発明では、ステータコイルとステータコアとの伝熱性を高めることは意図されていない。

本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、部品点数を増加させずにステータコイルからステータコアへの伝熱効率を向上させたステータおよびその製造方法ならびに該ステータを含む回転電機を提供することにある。

本発明に係るステータは、ステータティースを有するステータコアと、ステータティースに嵌合される開口を有する絶縁部材と、絶縁部材に巻回されるステータコイルとを備え、開口は、ステータコアを冷却した状態で該ステータティースに嵌合される。

上記構成によれば、ステータコアが冷却されてステータティースが収縮した状態で絶縁部材を嵌合させることにより、その後ステータティースが常温に戻って体積が元に戻った際に絶縁部材とステータティースとの間の隙間を縮小することができる。したがって、部品点数を増大させることなく、ステータコイルからステータコアへの伝熱効率を向上させることができる。

上記ステータにおいて、好ましくは、絶縁部材にステータティースが当接する。
上記構成によれば、絶縁部材にステータティースが当接することにより、ステータコイルからステータコアへの伝熱効率をさらに向上させることができる。

上記ステータにおいて、好ましくは、ステータティースの根元部から先端部にわたって、絶縁部材とステータコアの軸方向端面とが密着する。

上記構成によれば、ステータコイルからステータコアへの伝熱効率をさらに向上させることができる。

上記ステータにおいて、１つの例として、ステータコアは、複数のステータティースを有し、複数のステータティースに各々異なる絶縁部材が嵌合される。

本発明に係るステータの製造方法は、ステータティースを有するステータコアを形成する工程と、開口を有する絶縁部材を形成する工程と、絶縁部材にステータコイルを巻回する工程と、ステータコアを冷却する工程と、冷却されたステータコアにおけるステータティースに開口を嵌合させる工程とを備える。

上記方法によれば、ステータコアが冷却されてステータティースが収縮した状態で絶縁部材を嵌合させることにより、その後ステータティースが常温に戻って体積が元に戻った際に絶縁部材とステータティースとの間の隙間を縮小することができる。したがって、部品点数を増大させることなく、ステータコイルからステータコアへの伝熱効率を向上させることができる。

上記ステータの製造方法において、好ましくは、開口がステータティースに嵌合される前において、開口の幅はステータティースの幅よりも狭く形成されている。

これにより、絶縁部材とステータティースとの密着度を向上させてステータコイルからステータコアへの伝熱効率をさらに向上させることができる。

本発明に係る回転電機は、回転シャフトに固設されたロータと、ロータの外周に設けられた、上述のステータ、または、上述のステータの製造方法により製造されたステータとを備える。

上記構成によれば、部品点数の増加が抑制され、かつ、ステータコイルの放熱効率の高い回転電機が得られる。

本発明によれば、部品点数を増加させずにステータコイルからステータコアへの伝熱効率を向上させることができる。

以下に、本発明の実施の形態について説明する。なお、同一または相当する部分に同一の参照符号を付し、その説明を繰返さない場合がある。

なお、以下に説明する実施の形態において、個数、量などに言及する場合、特に記載がある場合を除き、本発明の範囲は必ずしもその個数、量などに限定されない。また、以下の実施の形態において、各々の構成要素は、特に記載がある場合を除き、本発明にとって必ずしも必須のものではない。また、以下に複数の実施の形態が存在する場合、特に記載がある場合を除き、各々の実施の形態の構成を適宜組合わせることは、当初から予定されている。

図１は、本発明の１つの実施の形態に係るステータを含む駆動ユニットの構造の一例を概略的に示す図である。図１に示される例では、駆動ユニット１は、ハイブリッド車両に搭載される駆動ユニットであり、モータジェネレータ１００と、ハウジング２００と、減速機構３００と、ディファレンシャル機構４００とドライブシャフト受け部５００とを含んで構成される。

モータジェネレータ１００は、電動機または発電機としての機能を有する回転電機であり、軸受１２０を介してハウジング２００に回転可能に取付けられた回転シャフト１１０と、回転シャフト１１０に取付けられたロータ１３０と、ステータ１４０とを有する。

ロータ１３０は、ロータコア１３１と、ロータコア１３１に埋設された永久磁石１３２とを有する。ロータコア１３１は、鉄または鉄合金などの板状の磁性体を積層することにより構成される。永久磁石１３２は、たとえば、ロータコア１３１の外周近傍にほぼ等間隔を隔てて配置される。

ステータ１４０は、リング状のステータコア１４１と、ステータコア１４１に組付けられるステータコイル１４２と、ステータコイル１４２に接続されるバスバー１４３とを有する。バスバー１４３は、ハウジング２００に設けられた端子台２１０を介して給電ケーブル２２０と接続される。これにより、外部電源２３０とステータコイル１４２とが電気的に接続される。

ステータコア１４１は、鉄または鉄合金などの板状の磁性体を積層することにより構成される。ステータコア１４１には、３つの巻線相であるＵ相、Ｖ相およびＷ相を含むステータコイル１４２が設けられる。ステータコイル１４２のＵ相、Ｖ相およびＷ相は、互いに円周上でずれるように設けられる。バスバー１４３は、それぞれステータコイル１４２のＵ相、Ｖ相およびＷ相に対応するＵ相、Ｖ相およびＷ相を含む。

給電ケーブル２２０は、Ｕ相ケーブルと、Ｖ相ケーブルと、Ｗ相ケーブルとからなる三相ケーブルである。バスバー１４３のＵ相、Ｖ相およびＷ相がそれぞれ給電ケーブル２２０におけるＵ相ケーブル、Ｖ相ケーブルおよびＷ相ケーブルに接続される。

モータジェネレータ１００から出力された動力は、減速機構３００からディファレンシャル機構４００を介してドライブシャフト受け部５００に伝達される。ドライブシャフト受け部５００に伝達された駆動力は、ドライブシャフト（図示せず）を介して車輪（図示せず）に回転力として伝達されて、車両を走行させる。

一方、ハイブリッド車両の回生制動時には、車輪は車体の慣性力により回転させられる。車輪からの回転力によりドライブシャフト受け部５００、ディファレンシャル機構４００および減速機構３００を介してモータジェネレータ１００が駆動される。このとき、モータジェネレータ１００が発電機として作動する。モータジェネレータ１００により発電された電力は、インバータを介してバッテリに蓄えられる。

次に、図２，図３を用いて、ステータ１４０の構造についてより詳細に説明する。
図２は、ステータ１４０の軸方向断面図である。図２を参照して、ステータコア１４１は、周方向に等間隔に並ぶステータティース１４１Ａを有し、ステータコイル１４２およびインシュレータ１４４が、各々のステータティース１４１Ａに１つずつ組付けられている。すなわち、本実施の形態に係るステータ１４０は、複数のステータティース１４１Ａに各々異なるステータコイル１４２およびインシュレータ１４４が設けられる、所謂「集中巻」ステータである。なお、本願発明の思想は、「集中巻」ステータのみならず、「分布巻」ステータにも適用され得る。

より具体的には、各々のステータコイル１４２は、絶縁体（たとえば、ポリエチレン、フッ素系樹脂、アミド系樹脂など）からなるインシュレータ１４４に巻回される。インシュレータ１４４は、開口１４４Ａを有する。開口１４４Ａをステータティース１４１Ａに嵌合させることで、インシュレータ１４４に巻回されたステータコイル１４２がステータコア１４１に固定される。

図３は、図２におけるIII−III断面図である。図３を参照して、ステータコア１４１の軸方向端面上には、それぞれＵ相，Ｖ相，Ｗ相のバスバーを構成するバスバー１４３Ｕ，１４３Ｖ，１４３Ｗが取り付けられたレール１４５が設けられている。図３に示されるステータコイル１４２は、Ｖ相のコイルであり、レール１４５に取り付けられたバスバー１４３Ｖと電気的に接続されている。なお、ステータコイル１４２がＵ相のコイルである場合は、該コイルはＵ相のバスバー１４３Ｕと電気的に接続され、ステータコイル１４２がＷ相のコイルである場合は、該コイルはＷ相のバスバー１４３Ｗと電気的に接続されることになる。

また、ステータコア１４１の軸方向端面上に設けられたレール１４５およびステータコイル１４２が樹脂により構成されるモールド樹脂部１４６によりモールドされている。これにより、各々のステータコイル１４２の位置決めが確実に行なわれるとともに、隣り合うステータコイル１４２間の絶縁がより確実に確保される。

モータジェネレータ１００の駆動時に、ステータコイル１４２は発熱し、たとえば１００℃以上に達する。本願発明者らは、ステータコイル１４２の放熱性を向上させるための方策として、インシュレータ１４４とステータコア１４１との隙間を縮小する嵌合方法を考案した。

図４〜図６を用いて、本実施の形態に係るステータ１４０の製造方法について説明する。まず、図４に示すように、ステータティース１４１Ａを有するステータコア１４１と、開口１４４Ａを有するインシュレータ１４４にステータコイル１４２を巻回して形成したカセットコイルとが準備される。この際、インシュレータ１４４の開口１４４Ａの幅（Ｌ１）は、ステータティース１４１Ａの幅（Ｌ２）よりも狭く形成されている。次に、図５に示すように、インシュレータ１４４に巻回されたステータコイル１４２が、矢印ＤＲ１４２方向からステータティース１４１Ａに組付けられる。この際、ステータコア１４１はたとえば０℃程度に冷却され、その結果ステータコア１４１は収縮しており、ステータティース１４１Ａの幅は、Ｌ２からＬ３（＜Ｌ１）に縮小されている。したがって、カセットコイルのステータコア１４１への組付けをスムーズに行なうことができる。カセットコイルがステータコア１４１に組付けられた後、ステータコア１４１が常温（たとえば２０℃〜３０℃程度）に戻される。この結果、ステータコア１４１はもとの体積に戻ろうとするため、図６に示すように、ステータティース１４１Ａの幅がＬ３から拡大し、ステータティース１４１Ａの側面１４１Ａ１がインシュレータ１４４に密着するようになる。

上述したように、インシュレータ１４４の開口１４４Ａがステータティース１４１Ａに嵌合される前（図４）において、開口１４４Ａの幅（Ｌ１）をステータティース１４１Ａの幅（Ｌ２）よりも狭く形成することで、インシュレータ１４４の組付け後において、図６に示すように、インシュレータ１４４とステータティース１４１Ａの側面１４１Ａ１とを密着させることができるので、ステータコイル１４２からステータコア１４１への伝熱効率を向上させることができる。また、インシュレータ１４４によりステータティース１４１Ａを締め付けることができるので、ステータコア１４１を構成する複数の電磁鋼板の位置がより精密に合わされる。なお、インシュレータ１４４とステータティース１４１Ａの側面１４１Ａ１とは、必ずしも密着する必要はなく、両者の間に若干の隙間が形成されることもある。このような場合も、上述した「冷やし嵌め」により、インシュレータ１４４とステータティース１４１Ａの側面１４１Ａ１との隙間を縮小することにより、ステータコイル１４２からステータコア１４１への伝熱効率を向上させることができる。

また、図４〜図６には図示されていないが、開口１４４Ａがステータティース１４１Ａに嵌合される前において、開口１４４Ａの高さはステータティース１４１Ａの高さよりも低く形成されている。なお、ステータティース１４１Ａの「高さ」とは、図３中における矢印ＤＲ１４１方向の寸法を意味する。このようにすることで、インシュレータ１４４の組付け後において、ステータティース１４１Ａの根元部から先端部にわたって、インシュレータ１４４とステータコア１４１の軸方向端面とを密着させることができるので、ステータコイル１４２からステータコア１４１への伝熱効率をさらに向上させることができる。また、ステータコア１４１の軸方向において、ステータコイル１４２の位置決めを、より精密に行なうことが可能になる。

次に、ステータコア１４１の形態に応じたカセットコイルの組付け方法の特徴について説明する。

図７においては、リング状に形成された一体型のステータコア１４１の例を示す。このステータコア１４１により構成されるステータ１４０の製造フローは、図８に示すように、概ね下記の通りである。まず、ステップ１０（以下、「Ｓ１０」のように略す。）において、リング状のステータコア１４１を形成する。そして、Ｓ２０において、ステータティース１４１Ａに嵌合するインシュレータ１４４を形成し、Ｓ３０において、インシュレータ１４４にステータコイル１４２Ａ，１４２Ｂを巻回する。そして、Ｓ４０において、ステータコア１４１を冷却し、ステータティース１４１Ａの幅を縮小させ、Ｓ５０において、ステータティース１４１Ａにインシュレータ１４４を嵌合させる。その後、Ｓ６０において、ステータコア１４１を常温に戻すことにより、ステータティース１４１Ａをインシュレータ１４４に当接させる。

なお、図７の例では、周方向に並ぶ複数のステータティース１４１Ａに対し、断面が矩形状のステータコイル１４２Ａが巻回されたインシュレータ１４４と、断面が台形状のステータコイル１４２Ｂが巻回されたインシュレータ１４４とが１つおきに交互に組付けられている。Ｓ５０において、インシュレータ１４４をステータティース１４１Ａに組付ける際は、まず、ステータコイル１４２Ｂが巻回されたインシュレータ１４４をステータティース１４１Ａに１つおきに嵌合させ、その後、ステータコイル１４２Ａが巻回されたインシュレータ１４４を残りのステータティース１４１Ａに嵌合させる。このようにすることで、スロット内におけるステータコイルの占有率を向上させ、モータジェネレータ１００の出力を向上させることができる。

図９においては、周方向に分割された分割コア１４１０の例を示す。この分割コア１４１０により構成されるステータ１４０の製造フローは、図１０に示すように、概ね下記の通りである。まず、Ｓ１０Ａにおいて、複数の分割コア１４１０を形成する。そして、Ｓ２０において、ステータティース１４１Ａに嵌合するインシュレータ１４４を形成し、Ｓ３０において、インシュレータ１４４にステータコイル１４２を巻回する。そして、Ｓ４０Ａにおいて、複数の分割コア１４１０を冷却し、ステータティース１４１Ａの幅を縮小させ、Ｓ５０において、ステータティース１４１Ａにインシュレータ１４４を嵌合させる。その後、Ｓ６０Ａにおいて、分割コア１４１０を常温に戻すことにより、ステータティース１４１Ａをインシュレータ１４４に当接させる。さらに、Ｓ７０において、ステータコイル１４２が組付けられた分割コア１４１０を周方向に並べ、締結リング（図示せず）により固定する。

図１１においては、リング状に形成された一体型のステータコア１４１に切れ目１４１Ｂを設けた例を示す。このステータコア１４１により構成されるステータ１４０の製造フローは、図１２に示すように、概ね下記の通りである。まず、Ｓ１０Ｂにおいて、切れ目１４１Ｂを有するリング状のステータコア１４１を形成する。そして、Ｓ２０において、ステータティース１４１Ａに嵌合するインシュレータ１４４を形成し、Ｓ３０において、インシュレータ１４４にステータコイル１４２を巻回する。そして、Ｓ４０Ｂにおいて、切れ目１４１Ｂを有するステータコア１４１を冷却し、ステータティース１４１Ａの幅を縮小させ、Ｓ５０において、ステータティース１４１Ａにインシュレータ１４４を嵌合させ、Ｓ５５において、ステータコア１４１に形成された切れ目１４１Ｂを閉じる。その後、Ｓ６０において、ステータコア１４１を常温に戻すことにより、ステータティース１４１Ａをインシュレータ１４４に当接させる。

図１１の例では、Ｓ５０において、切れ目１４１Ｂを広げた状態で、ステータティース１４１Ａにインシュレータ１４４を嵌合し、全てのステータティース１４１Ａにインシュレータ１４４が嵌合された後に、Ｓ５５において、切れ目１４１Ｂが閉じられている。その際、インシュレータ１４４は、切れ目１４１Ｂから離れたステータティース１４１Ａから先に嵌合され、切れ目１４１Ｂに隣接するステータティース１４１Ａに対しては最後に嵌合される。上記のように、切れ目１４１Ｂを広げた状態でステータティース１４１Ａにカセットコイルを嵌合させ、その後、切れ目１４１Ｂを閉じることで、スロット内におけるステータコイルの占有率を向上させ、モータジェネレータ１００の出力を向上させることができる。

本実施の形態に係るステータ１４０によれば、上述したように、ステータコア１４１が冷却されてステータティース１４１Ａが収縮した状態でインシュレータ１４４を嵌合させることにより、その後ステータティース１４１Ａが常温に戻って体積が元に戻った際にインシュレータ１４４とステータティース１４１Ａとの間の隙間を縮小することができる。したがって、部品点数を増大させることなく、ステータコイルからステータコアへの伝熱効率を向上させることができる。ここで、インシュレータ１４４にステータティース１４１Ａを当接させることにより、ステータコイル１４２からステータコア１４１への伝熱効率をさらに向上させることができる。

上述した内容について要約すると、以下のようになる。すなわち、本実施の形態に係るステータ１４０は、ステータティース１４１Ａを有するステータコア１４１と、ステータティース１４１Ａに嵌合される開口１４４Ａを有する「絶縁部材」としてのインシュレータ１４４と、インシュレータ１４４に巻回されるステータコイル１４２とを備える。開口１４４Ａは、ステータコア１４１を冷却した状態で該ステータティース１４１Ａに嵌合される。

また、本実施の形態に係るステータの製造方法は、ステータティース１４１Ａを有するステータコア１４１を形成する工程（Ｓ１０）と、開口１４４Ａを有するインシュレータ１４４を形成する工程（Ｓ２０）と、インシュレータ１４４にステータコイル１４２を巻回する工程（Ｓ３０）と、ステータコア１４１を冷却する工程（Ｓ４０）と、冷却されたステータコア１４１におけるステータティース１４１Ａに開口１４４Ａを嵌合させる工程（Ｓ５０）とを備える。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の１つの実施の形態に係るステータを含む駆動ユニットの構造の一例を概略的に示す図である。 図１に示されるステータの軸方向断面図である。 図２におけるIII−III断面図である。 本発明の１つの実施の形態に係るステータの製造方法における第１工程を示す図である。 本発明の１つの実施の形態に係るステータの製造方法における第２工程を示す図である。 本発明の１つの実施の形態に係るステータの製造方法における第３工程を示す図である。 本発明の１つの実施の形態に係るステータの１つの例を示す図である。 図７に示されるステータの製造工程を示すフロー図である。 本発明の１つの実施の形態に係るステータの他の例を示す図である。 図９に示されるステータの製造工程を示すフロー図である。 本発明の１つの実施の形態に係るステータのさらに他の例を示す図である。 図１１に示されるステータの製造工程を示すフロー図である。

符号の説明

１ 駆動ユニット、１００ モータジェネレータ、１１０ 回転シャフト、１２０ 軸受、１３０ ロータ、１３１ ロータコア、１３２ 磁石、１４０ ステータ、１４１ ステータコア、１４１Ａ ステータティース、１４１Ａ１ 側面、１４１Ｂ 切れ目（隙間）、１４２ ステータコイル、１４３，１４３Ｕ，１４３Ｖ，１４３Ｗ バスバー、１４４ インシュレータ、１４４Ａ 開口、１４５ レール、１４６ モールド樹脂部、２００ ハウジング、２１０ 端子台、２２０ 給電ケーブル、２３０ 外部電源、３００ 減速機構、４００ ディファレンシャル機構、５００ ドライブシャフト受け部、１４１０Ａ 分割コア。

Claims (7)

1. ステータティースを有するステータコアと、
   前記ステータティースに嵌合される開口を有する絶縁部材と、
   前記絶縁部材に巻回されるステータコイルとを備え、
   前記開口は、前記ステータコアを冷却した状態で前記ステータティースに嵌合される、ステータ。
2. 前記絶縁部材に前記ステータティースが当接する、請求項１に記載のステータ。
3. 前記ステータティースの根元部から先端部にわたって、前記絶縁部材と前記ステータコアの軸方向端面とが密着する、請求項１または請求項２に記載のステータ。
4. 前記ステータコアは、複数の前記ステータティースを有し、
   複数の前記ステータティースに各々異なる絶縁部材が嵌合される、請求項１から請求項３のいずれかに記載のステータ。
5. ステータティースを有するステータコアを形成する工程と、
   開口を有する絶縁部材を形成する工程と、
   前記絶縁部材にステータコイルを巻回する工程と、
   前記ステータコアを冷却する工程と、
   冷却された前記ステータコアにおける前記ステータティースに前記開口を嵌合させる工程とを備えた、ステータの製造方法。
6. 前記開口が前記ステータティースに嵌合される前において、前記開口の幅は前記ステータティースの幅よりも狭く形成されている、請求項５に記載のステータの製造方法。
7. 回転シャフトに固設されたロータと、
   前記ロータの外周に設けられた、請求項１から請求項４のいずれかに記載のステータ、または、請求項５もしくは請求項６に記載のステータの製造方法により製造されたステータとを備えた、回転電機。

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