JP2009131093A - 回転電機の固定子および回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】固定子コアの精度に優れた回転電機の固定子を提供すること。
【解決手段】本発明の回転電機１の固定子３は、回転子２と内周側または外周側で向き合う、深さ方向が径方向に一致するスロットを周方向に複数有する固定子コア３０と、スロット３１に設置されている周方向で波状をなす複数の各相巻線４０が巻回されて形成されるコイル４と、を備えた回転電機１の固定子３であって、固定子コア３０は、径方向外方側の幅が径方向内方側の開口幅よりも広い溝条３３０が軸方向に沿ってのびる円環状のコア本体部３３と、コア本体部３３の溝条３３０に嵌合可能な嵌合部３２０を備えたティース部３２と、を備えたことを特徴とする。
【選択図】 図３

Description

本発明は、回転電機の固定子および回転電機に関する。

近年、電動機および発電機として使用される回転電機において、小型高出力および品質の向上が求められている。

例えば、車両に搭載される回転電機においては、車両のエンジンルームで回転電機を搭載するためのスペースが小さくなってきている一方で、車両負荷の増大による発電出力の向上が求められている。

特に、回転電機の小型高出力については、各相巻線の巻線抵抗値の低減、固定子の磁気回路内に納める電気導体の占積率の向上、さらには各相巻線のターン部の整列化および高密度化が必要であった。

このような回転電機としては、たとえば、特許文献１に開示されている。

特許文献１には、連続した各相巻線でコイルが形成された回転電機の固定子が開示されている。

この回転電機の固定子では、多相が編込みされた連続巻線を一体コアに設けられたスロット内に挿入していくには挿入時コイルが容易に変形し規定位置に収まったとき略元の形状に収まってほしいが高出力を発生する回転電機ではコイルの断面が大きく容易に変形させスロット内へ挿入することは困難になっていた。そのためスロット部を構成するコアを分割し多相が編込みされた連続巻線された外周側から分割コアを挿入することになる。

しかしながら、分割されたコアでは、それぞれの寸法出しや固定方法、また固定強度を安定して容易に行える方法がなかった。たとえば、隣接した分割コア同士の寸法精度の誤差がわずかであっても、固定子コア全周にわたると、その誤差が累積され、大きな誤差を生じるものとなる。
特開２００２−８８９９３号公報

本発明は上記実状に鑑みてなされたものであり、固定子コアの精度に優れた回転電機の固定子および回転電機を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために本発明者は回転電機の固定子について検討を重ねた結果、本発明をなすに至った。

すなわち、本発明の請求項１に記載の回転電機の固定子は、周方向に交互に異なる複数の磁極を形成している回転子と内周側または外周側で向き合う、深さ方向が径方向に一致するスロットを周方向に複数有する固定子コアと、スロットに設置されている周方向で波状をなす複数の各相巻線が巻回されて形成されるコイルと、を備えた回転電機の固定子であって、固定子コアは、径方向外方側の幅が径方向内方側の開口幅よりも広い溝条が軸方向に沿ってのびる円環状のコア本体部と、コア本体部の溝条に嵌合可能な嵌合部を備えたティース部と、を備えたことを特徴とする。

本発明の請求項２に記載の回転電機の固定子は、請求項１の回転電機の固定子において、ティース部は、結晶軸方向が固定子コアの径方向に並んだ少なくとも一枚の方向性鋼板が積層してなることを特徴とする。

本発明の請求項３に記載の回転電機の固定子は、請求項１〜２のいずれかの回転電機の固定子において、固定子コアは、ティース部がコイルに挿入された状態で、ティース部を径方向外方に押圧して成形することを特徴とする。

また、本発明の回転電機は、請求項１〜３のいずれかに記載の回転電機の固定子を用いてなることを特徴とする。

本発明の請求項１に記載の回転電機の固定子は、固定子コアがティース部とコア本体部とから構成されることで、ティース部とコア本体部の嵌合部でティース部の位置のズレを解消することができ、固定子コアの精度を高くすることができる。また、ティース部とコア本体部との位置のズレが生じても、隣接するティース部に、そのズレが影響を与えなくなっている。この結果、本発明の回転電機の固定子は、固定子コアの精度に優れたものとなり、コイルを精度良く固定できる。

本発明の請求項２に記載の回転電機の固定子は、ティース部の結晶軸方向が径方向に沿うことで、固定子コアの全周にわたっての磁性特性が均一になる。これにより、周方向で均一な磁性特性を持つこととなる。

本発明の請求項３に記載の回転電機の固定子は、ティース部がコイルに挿入された状態でティース部を径方向外方に押圧して成形している。これにより、ティース部とコア本体部との嵌合部での位置のズレを解消できる。

本発明の請求項４に記載の回転電機は、コイルを高精度で組み付けることができ、これにより固定子が回転子に干渉しなくなることで、すぐれた特性を持つ回転電機となった。

以下に本発明の回転電機の固定子および回転電機を、実施の形態を用いてより具体的に説明する。

（実施形態例）
本実施形態の回転電機の構成を図１に示した。本実施形態の回転電機１は、略有底筒状の一対のハウジング部材１００，１０１とが開口部同士で接合されてなるハウジング１０と、ハウジング１０に軸受け１１０，１１１を介して回転自在に支承される回転軸２０に固定された回転子２と、ハウジング１０の内部で回転子２を包囲する位置でハウジング１０に固定された固定子３と、を備えている。

回転子２は、永久磁石により周方向に交互に異なる磁極を、固定子３の内周側と向き合う外周側に複数形成している。回転子２の磁極の数は、回転電機により異なるため限定されるものではない。

固定子３は、図２に示したように、固定子コア３０と、複数の各相巻線から形成される三相のコイル４と、を備えた構成を有している。

固定子コア３０は、図２に示したように、内周に複数のスロット３１が形成された円環状を有している。複数のスロット３１は、その深さ方向が径方向と一致するように形成されている。固定子コア３０に形成されたスロット３１の数は、特に限定されるものではない。

固定子コア３０は、図２に示したように、径方向にのびる略板状のティース部３２と、ティース部３２の径方向外方でティース部３２を保持・固定する略円筒状のコア本体部３３と、から構成される。

ティース部３２は、図３〜５に示したように、少なくとも１枚の方向性鋼板を含む複数枚の金属薄板を積層させてなる。積層構造がわかるように、図４のＩ−Ｉ線での断面を図５に示した。そして、ティース部３２は、金属薄板が積層した状態で、複数箇所（本実施形態では図４に示したように、径方向に３カ所）をリベットレス締めを行うことで製造される。ティース部３２を構成する金属薄板のうち、方向性鋼板は、結晶軸方向が固定子の径方向に沿って並ぶように成形されている。さらに、ティース部３２の径方向外方の外周面には、径方向外方での幅が広く形成された略扇状の嵌合突部３２０が形成されている。なお、積層された金属薄板の間には、絶縁薄膜が配置されている。ここで、金属薄板および絶縁薄膜の材質や厚さについては従来公知の材質や厚さとすることができる。

コア本体部３３は、複数枚の金属薄板を積層させてなる。コア本体部３３は、略円筒状の内周面に、ティース部３２の嵌合突部３２０が嵌合可能な嵌合溝３３０が固定子の軸方向にそってのびた状態で形成されている。この嵌合溝３３０は、円筒状（円環状）のコア本体部の内周面に周方向で等間隔に形成されている。なお、コア本体部３３においても、積層された金属薄板の間には、絶縁薄膜が配置されている。ここで、金属薄板および絶縁薄膜の材質や厚さについては従来公知の材質や厚さとすることができる。

コア本体部３３の外周面には、径方向外方に突出したハウジング１０に固定するための固定部がもうけられている。

固定子コア３０は、コア本体部３３の嵌合溝３３０にティース部３２の嵌合突部３２０が嵌合して形成される。このとき、周方向に沿って複数のティース部３２が間隔を隔てた状態で配設されており、周方向で隣り合ったティース部３２同士の間が、スロット１１，１２となる。

コイル４は、複数の巻線４０を所定の巻回方法で巻回してなる。コイル４を構成する巻線４０は、図６（Ａ）に示したように、銅製の導体４１と、導体４１の外周を覆い導体４１を絶縁する内層４２０及び外層４２１からなる絶縁皮膜４２とから形成されている。内層４２０および外層４２１を合わせた絶縁皮膜４２の厚みは、１００μｍ〜２００μｍの間に設定されている。このように、内層４２０および外層４２１からなる絶縁皮膜４２の厚みが厚いので、巻線４０同士を絶縁するために巻線４０同士の間に絶縁紙等を挟み込んで絶縁する必要がなくなっているが、線材同士を絶縁するために絶縁紙を配してもよい。

外層４２１はナイロン等の絶縁材、内層４２０は外層よりもガラス転移温度の高い熱可塑性樹脂またはポリアミドイミド等の絶縁材で形成されている。これにより、回転電機に発生する熱により外層４２１は内層４２０よりも早く軟化するので、同じスロット３１に設置されている巻線４０同士が外層４２１同士で熱接着する。その結果、同じスロット３１に設置されている複数の巻線４０が一体化し巻線４０同士が剛体化するので、スロット３１内の線巻線４０の機械的強度が向上する。また、過剰な振動が発生しても、内層４２０と導体４１の接着箇所よりも内層４２０と外層４２１との接着箇所が先に剥離するので、内層４２０と導体４１との接着を維持し絶縁を確保できる。

さらに、コイル４の巻線４０は、図６（Ｂ）に示したように、内層４２０および外層４２１からなる絶縁皮膜４２の外周をエポキシ樹脂等からなる融着材４３で被覆してもよい。これにより、回転電機に発生する熱により融着材４３は絶縁皮膜４２よりも早く溶融するので、同じスロット３１に設置されている複数の巻線４０同士が融着材４３同士により熱接着する。その結果、同じスロット３１に設置されている複数の巻線４０が一体化し巻線４０同士が鋼体化することで、スロット３１の巻線４０の機械的強度が向上する。

コイル４を構成する巻線４０の絶縁皮膜４２には、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）よりなる皮膜を用いても良い。

コイル４は、図７に示したように、それぞれ二本の三相巻線（Ｕ１，Ｕ２，Ｖ１，Ｖ２，Ｗ１，Ｗ２）により形成されている。

コイル４は、図８に示したように、複数の巻線４０を所定の形状に巻回してなる。コイル４を構成する巻線４０は、固定子コア３０の内周側で周方向にそって波巻きされた形状で成形されている。そして、固定子コア３０に形成されたスロット３１に収容される直線状のスロット収容部４４と、隣り合ったスロット収容部４４同士を接続するターン部４５と、を備えている。スロット収容部４４は、所定のスロット数（本実施形態では３相×２個＝６個）ごとのスロット３１に収容されている。ターン部４５は、固定子コア３０の軸方向の端面から突出して形成されている。

そして、コイル４は、複数の巻線４０を一方の端部が固定子コア３０の軸方向の端面から突出した状態で、周方向に沿って波状に巻装した状態で形成されている。コイル４の１相は、周方向に沿って波状に巻装された２本の巻線４０を他方の端部同士で溶接で接合して形成されている。２本の巻線４０は、同一スロット３１にスロット収容部４４が収容される。このとき、第一の巻線４０のスロット収容部４４と、第二の巻線のスロット収容部４４は、スロット３１の深さ方向で交互にスロット収容部４４が位置するように設置されている。そして、２本の巻線４０ａ，４０ｂの接合部４５は、２本の巻線４０の巻装される方向が反転するスロット収容部４４よりなる折り返し部４６に形成されている。

コイル４は、図９に展開図で示したように、互いに巻装方向が異なる二つの巻線部４０ａ，４０ｂをもつ成形体を各相（Ｕ１，Ｕ２，Ｖ１，Ｖ２，Ｗ１，Ｗ２）ごとに、６組用いて形成されている。二つの巻線部４０ａ，４０ｂのそれぞれは、中性点側の端部および相端子側の端部とは反対の端部側が、スロット収容部４４（折り返し部４６）を介して接続されている。各相の巻線４０の結線方法は同様である。

コイル４は、図９に展開図を示した成形体を形成し、この成形体を折り返し部４６が軸心側に位置するように所定の巻き数（たとえば、４回）に巻回して製造される。製造されたコイル４は、図８に示したように、各相の巻線４０のスロット収容部４４が径方向に並んだ状態で形成されている。このとき、径方向に並んだスロット収容部４４は、コイル４の周方向で小間隔を隔てた状態で位置している。

コイル４で隣接する二つのスロット収容部４４の間のすき間に、径方向内方から外方に向かってガイド部材５を挿入する（図１０（Ａ））。ガイド部材５はコイル４のすき間に挿入され、コイル４を径方向で貫通した状態で保持される。ガイド部材５は、断面が直方体の薄板よりなる。ガイド部材５は、径方向外方の先端面がティース部３２の内周形状に対応した形状に形成されていることが好ましい。

つづいて、ガイド部材５の径方向外方の先端部にティース部３２の径方向内方の先端部を当接する（図１０（Ｂ））。この図は、ティース部３２の変移がわかるように、上面図で示してある。このとき、ティース部３２は、図示されない支持部材によりガイド部材５に向けて付勢されている。また、ガイド部材５は、コイル４に対する径方向での位置が保持されている。

その後、支持部材およびガイド部材５を、ティース部３２を挟持した状態で径方向内方に変移させる（図１１）。これにより、ティース部３２がコイル４のスロット収容部４４のすき間に挿入される。そして、ティース部３２の嵌合突部３２０がコア本体部３３の嵌合溝３３０に嵌合可能な径方向位置にまで変移したら、ティース部３２の径方向での変移を停止する。全てのティース部３２がコイル４に挿入される。

そして、軸方向の一方に同軸状態でコア本体部３３を配置し、ティース部３２が挿入されたコイル４とコア本体部３３の少なくとも一方を軸方向に変移させ、ティース部３２の嵌合突部３２０をコア本体部３３の嵌合溝３３０に嵌入する（図１２）。この嵌入は、たとえば、治具６を用いてティース部３２をコア本体部３３に嵌入させることができる。

その後、コア本体部３３の径方向の外周を固定した状態で、コイル４の軸心の中空部から径方向外方に向かってティース部３２を押圧する（図１３）。この押圧により、ティース部３２の径方向内方の先端面の位置決めを行うことができる。このとき、ティース部３２の塑性変形により嵌合突部３２０と嵌合溝３３０との嵌合部のすき間が閉塞され、ティース部３２の位置決め精度がより向上する。さらに、ティース部３２のコイル４に挿入された部分が圧縮されて、周方向の幅が増加するように塑性変形を生じる。この結果、ティース部３２の周方向の幅の増加により、巻線４０のスロット収容部４４がより固定される。

このように、本実施形態の回転電機の固定子３では、固定子コア３０において磁性特性に影響するティース部３２が円筒状（円環状）のコア本体部３３の内周面に固定された構成となっており、ティース部３２とコア本体部３３の位置決め精度が向上している。

特に、ティース部３２をコア本体部３３に押しつけて成形したことで、寸法精度のバラツキがティース部３２とコア本体部３３の嵌合部のみとなり、固定子１の他の部材に寸法精度のバラツキが影響しなくなっている。

さらに、本実施形態の回転電機の固定子３では、方向性鋼板を有するティース部３２の結晶軸が、ティース部３２ののびる方向（コア１０の径方向）に沿って配置されている。この結果、本実施形態のコア１０は、優れた磁性特性を発揮できる。

さらに、本実施形態の回転電機の固定子３は、コア本体部３３に回転電機を固定するためのステータ取付穴が一体に形成されており、高い強度で回転電機を固定することができるとともに、取付時の寸法精度を高く保つことができる。

加えて、本実施形態の回転電機の固定子３は、コア本体部３３に一体に固定部がもうけられており、十分な強度を確保できている。これにより、高い組み付け精度も維持できる。

（変形形態）
上記の実施形態においては、ティース部３２の成形を径方向に押圧することで行っていたが、径方向だけでなく周方向のモーメントをもつ略らせん状に押圧してもよい。このとき、周方向のモーメントは回転子２の回転方向に沿った方向である。

このように、ティース部３２をコア本体部３３に押しつけるときに略らせん状の力を付与したことで、より巻線４０のスロット収容部４４がより固定される。

実施形態の回転電機の構成を示した図である。 実施形態の回転電機の固定子の構成を示した図である。 実施形態の回転電機の固定子コアのティース部を示した図である。 実施形態の回転電機の固定子コアのティース部を示した図である。 実施形態の回転電機の固定子コアのティース部を示した図である。 実施形態の回転電機のコイルを構成する各相巻線の構成を示す断面図である。 実施形態の回転電機のコイルの結線を示した図である。 実施形態の回転電機のコイルを示した図である。 実施形態の回転電機のコイルの展開図である。 実施形態の回転電機の固定子の製造方法を示した図である。 実施形態の回転電機の固定子の製造方法を示した図である。 実施形態の回転電機の固定子の製造方法を示した図である。 実施形態の回転電機の固定子の製造方法を示した図である。

符号の説明

１：回転電機 １０：ハウジング
１１０，１１１：軸受け
２：回転子 ２０：回転軸
３：固定子 ３０：固定子コア
３１：スロット ３２：ティース部
３３：コア本体部
４：コイル ４０：各相巻線
４１：導体 ４２：絶縁皮膜
４３：融着材 ４４：スロット収容部
４５：ターン部 ４６：折り返し部
５：ガイド部材
６：治具

Claims (4)

1. 周方向に交互に異なる複数の磁極を形成している回転子と内周側または外周側で向き合う、深さ方向が径方向に一致するスロットを周方向に複数有する固定子コアと、
   該スロットに設置されている周方向で波状をなす複数の各相巻線が巻回されて形成されるコイルと、
   を備えた回転電機の固定子であって、
   該固定子コアは、径方向外方側の幅が径方向内方側の開口幅よりも広い溝条が軸方向に沿ってのびる円環状のコア本体部と、該コア本体部の該溝条に嵌合可能な嵌合部を備えたティース部と、を備えたことを特徴とする回転電機の固定子。
2. 前記ティース部は、結晶軸方向が前記固定子コアの径方向に並んだ少なくとも一枚の方向性鋼板が積層してなる請求項１に記載の回転電機の固定子。
3. 前記固定子コアは、前記ティース部が前記コイルに挿入された状態で、該ティース部を径方向外方に押圧して成形する請求項１〜２のいずれかに記載の回転電機の固定子。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の回転電機の固定子を用いてなることを特徴とする回転電機。