JP2009268155A - 回転電機の固定子及び回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】内径真円度の高い固定子及び内径真円度の高い固定子を備えた回転電機を提供すること。
【解決手段】分割コア３２が、周方向の全周にわたって配設されてなり、周方向に複数のスロット３１a、３１bを区画した固定子コア３０と、スロット３１a、３１bに組み付けられたコイル４と、を備えた回転電機１の固定子３において、分割コア３２は、固定子コア３０を形成したときに隣接した分割コア３２と当接する当接部３６a、３６bと、隣接した前記分割コア３２と離間する隙間部３７a、３７bと、を持つ。
【選択図】図４

Description

本発明は、回転電機の固定子及び回転電機に関する。

近年、電動機及び発電機として使用される回転電機において、小型高出力及び高品質が求められている。

車両に搭載される回転電機においては、搭載するためのスペースが小さくなる一方で、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。回転電機の小型高出力化のためには、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及び高密度化が必要であった。

このような回転電機の固定子としては、図１４に示すものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。固定子７１は、固定子コア７３と、固定子コア７３のスロット７３bに挿入されたスロット収容部７５aを持つ複数の各相巻線から形成される固定子コイル７５と、を備えている。固定子７１は、スロット収容部７５aを環状に配列した固定子コイル７５の外周方向から分割コア７４を移動させ、ティース部７４aを隣り合うスロット収容部７５aの間に挿入し、分割コア７４を周方向に結合させて輪状に構成されることで組み立てられる。
特開平９−２１９９４３号公報

上記従来の回転電機の固定子７１では、図１５に示すように、分割コア７４の寸法を高精度に維持しないと、寸法のばらつきのため、コアバック部７４bの側面７４cが隣接する分割コアの側面と干渉して輪状に構成することができない。すなわち、固定子７１の中心をＯとするとき、ティース部７４aの先端をＯを中心とする円周上に配置することができない（中心Ｏからティース部７４aの先端までの所定の距離ＲがＲ´（≠Ｒ）となる。）。その場合、固定子の内径真円度の悪化につながり、固定子と回転子のギャップが不均一になるため、回転電機の駆動時の騒音増加、性能低下をもたらす。

本発明は、上記従来の固定子の問題に鑑みてなされたものであり、内径真円度の高い固定子及び内径真円度の高い固定子を備えた回転電機を提供することを課題とする。

上記の課題を解決するためになされた本発明の回転電機の固定子は、分割コアが、周方向の全周にわたって配設されてなり、周方向に複数のスロットを区画した固定子コアと、前記スロットに組み付けられたコイルと、を備えた回転電機の固定子において、前記分割コアは、前記固定子コアを形成したときに隣接した前記分割コアと当接する当接部と、隣接した前記分割コアと離間する隙間部と、を持つことを特徴とする。

また、上記固定子において、前記分割コアは、前記スロットの底面と前記底面に背向した前記固定子コアの表面の一部を区画するコアバック部と、前記コアバック部の前記底面の両端から径方向に突出して、その側面と前記底面との間で前記スロットを区画する二本のティース部と、を備え、前記当接部は、前記コアバック部の内径側に形成され、前記隙間部は、前記コアバック部の側面に形成されているとよい。

また、上記固定子において、前記分割コアは、一枚の金属板または積層した二枚以上の金属板からなるとよい。

また、上記固定子において、前記スロットは、前記コイルを構成する各相巻線が径方向に一列に配列した状態で収容するものとするとよい。

また、上記固定子において、前記コイルは、複数の前記各相巻線が、前記固定子コアの周方向で波状をなすように巻回されてなるとよい。

課題を解決するためになされた本発明の回転電機は、上記の回転電機の固定子を用いてなることを特徴とする。

分割コアは、固定子コアを形成したときに隣接する分割コアと当接する当接部と、隣接する前記分割コアと離間する隙間部と、を持つので、隣接する分割コアのコアバック部の側面同士の干渉が減り、内径真円度の高い固定子が得られる。その結果、固定子と回転子のギャップが均一になる。また、当接部が磁路となり、固定子コアの磁気特性の低下が抑えられる。

また、当接部をコアバック部の内径側に形成し、隙間部をコアバック部の側面に形成することで、隣接する分割コアのコアバック部の側面同士の干渉がより一層減り、内径真円度のより一層高い固定子が得られる。また、磁路がコアバック部のコイルに近い位置に形成されるため、磁気特性の低下が抑えられる。

また、分割コアが積層した二枚以上の金属板からなる場合、従来の分割コアと同様にして固定子コアを形成することができ、磁路が金属板の厚さ方向に流れにくくなることで磁気特性の低下が抑えられる。さらに、金属板を表―裏−表−裏のように積層することができ、隙間部が積層方向に繋がらないので、隙間部による磁気特性の低下を減らすことができる。

分割コアが一枚の金属板からなる場合、従来の分割コアと同様にして固定子コアを形成することができ、磁路が金属板の厚さ方向に流れにくくなることで磁気特性の低下が抑えられる。さらに、分割コアの寸法のばらつきを少なくでき、内径真円度の高い固定子とすることができる。

また、スロットは、コイルを構成する各相巻線が径方向に一列に配列した状態で収容するようにすることで、磁路がティース部の延びる方向に沿って形成される。さらに、ティース部とコイルとの干渉も減り内径真円度の高い固定子が得られる。

また、コイルは、複数の各相巻線が、固定子コアの周方向で波状をなすように巻回されてなるようにすることで、径方向に放射状に延びるコイルのスロット収容部が周方向に所定の間隔を隔てて配置される。その結果、ティース部とコイルとの干渉なしに隣接するスロット収容部の間に外周側から分割コアのティース部を容易に挿入することができる。

本発明の回転電機は、上記の効果を持つ固定子を用いてなるものであり、上記の効果を発揮する。

最良の形態の回転電機の固定子及び回転電機を図面を参照して説明する。

本発明に係る回転電機１は、図１に示すように、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。本形態の回転電機では、８極（Ｎ極：４、Ｓ極：４）の回転子が用いられている。

固定子３は、図２に示すように、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、固定子コア３０とコイル４との間に配された絶縁紙５と、を備えた構成を有している。

固定子コア３０は、図３に示すように、後述のコア片部材が複数積層された分割コア３２を分割コア３２を構成するコア片部材の一部分が重なるように周方向に複数（本形態の固定子コアでは、２４個）連結したもので、内周に深さ方向が径方向と一致する複数のスロット３１a、３１bが形成された円環状をしている。固定子コア３０に形成されたスロットの数は、回転子２の磁極数に対し、コイル４の一相当たり２個の割合で形成されている。すなわち、８×３×２＝４８個のスロットが形成されている。３３a、３３bは、スロット３１a、３１bを区画するティース部である。

図４は、分割コア３２の正面視図、図５は図４のＡ矢視図である。分割コア３２は、後述する図６に示す電磁鋼板からなるコア片部材３２aを前半、表−表−表・・・にし、後半、裏−裏−裏・・・として積層したものである。なお、積層の仕方は、これに限定されるものでなく、例えば、表−裏−表−裏・・・のように、表と裏を交互に積層してもよい。或いは、表−表−表−・・・のように、全て表を積層してもよい。

分割コア３２は、図４に示すように、スロット３１aの底面とその底面に背向した固定子コアの表面の一部を区画するコアバック部３４と、コアバック部３４の底面の両端から径方向に突出して、その側面と底面との間でスロット３１aを区画する二本のティース部３３a、３３bと、隣接する分割コア３２と当接する当接部３６a、３６bと、隣接する分割コア３２と離間する隙間部３７a、３７bと、を持つ。なお、３８a、３８bは後述するコア片部材３２aの傾斜面３２１fに対応する傾斜部である。

分割コア３２を周方向に連結すると、隣接する分割コア３２は、それぞれの隣接するティース部３３bと３３aとで新たに一つのスロット３１bを区画するようになる（図３参照。）。

コア片部材３２aは、図６に示すように、厚さ０．３ｍｍの電磁鋼板からプレスで打ち抜かれたもので、固定子コア３０の外周の一部を成す円弧状面３２１aと面３２１aに背向する底面３２１bとで構成される略平行四辺形状のコアバック３２１と、底面３２１bの両端部から所定の距離ａだけ離れた底面３２１bの２カ所から径方向に伸びる二つのティース３２０a、３２０bと、隣接する分割コア３２を構成するコア片部材３２aと当接する当接面３２１c、３２１dと、隣接する分割コア３２を構成するコア片部材３２aと離間する隙間面３２１eと、を持つ。隙間面３２１eは、コアバック３２１の一方の（左側の）側面の点線で示す部分を切り落とした状態となっている。なお、他方の側面３２１fは、磁気抵抗を減らすために形成された傾斜面そのままである。

二つのティース３２０a、３２０bは、積層されてティース部３３a、３３bとなり、幅ｗ（＝２ａ）のスロット３１aを区画する。なお、上述のように、ティース３２０aと、左隣のコア片部材のティース３２０bとは、積層されてティース部３３a、３３bとなり、幅２ａ（＝ｗ）のスロット３１bを区画する。同様に、ティース３２０bと、右隣のコア片部材のティース３２０aとは、積層されてティース部３３b、３３aとなり、幅２ａ（＝ｗ）のスロット３１bを区画する。

底面３２１bにおけるスロット３１aの中間点（ｗ／２）をイとし、当接面３２１c、３２１dと、底面３２１bとの交点をロとすると、図３から分かるように、分割コア３２をＯを中心とする半径Ｒ₀の円周上に配置するためには、円弧イ−ロをＲ₀θに等しくする必要がある。すなわち、円弧イ−ロを直線Δと近似すると、Δ〜Ｒ₀θを満たすように設計管理すればよい。

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７に示すように、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からなる絶縁被膜４２とから形成されている。内層４２０及び外層４２１を合わせた絶縁被膜４２の厚みは、１００μｍ〜２００μｍの間に設定されている。

コイル４は、図８に示すように、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。

また、コイル４は、図９に示すように、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沿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３１a、３１bに収容される直線上のスロット収容部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（本形態の固定子では、３相×２個＝６個）ごとのスロット３１a又は３１bに収容され、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（図２参照。）。

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３１a又は３１b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４０のスロット収容部４４とは、スロット３１a、３１b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１０に示した展開成形体を形成し、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数（例えば、４回）に巻回して製造される。製造されたコイル４は、図９に示したように、各相の巻線４０のスロット収容部４４が径方向に放射状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。

次に、図４及び図５に示す分割コア３２を分割コア３２を構成するコア片部材の一部分が重なるように周方向に複数連結して図２に示す固定子３に組み付ける方法を説明する。

先ず、図４及び図５に示す分割コア３２を所定数（本形態の固定子では、２４個）及び図９に示す円環状コイル４を１個準備する。次に、図１１（a）（図１１は、簡単のために左右二つの分割コアの連結を模式的に示している。）に示すように、分割コア３２を矢印方向に移動させ、ティース部３３a、３３bをコイル４のスロット収容部４４の間に挿入し（スロット収容部４４をスロット３１a、３１bに挿入し）、図１１（b）に示す状態にする。

図１１(a)の状態から図１１(b)の状態に組み付く際、分割コア３２が隙間部３７aを有しているので、隣接する分割コアの傾斜部３８aとの間にギャップδができ、互いに干渉することが無く、内径真円度の高い固定子が得られる。その結果、固定子３と回転子２のギャップが均一になる。また、当接部３６a、３６bが磁路となり、固定子コアの磁気特性の低下が抑えられる。

また、当接部３６a、３６bがコアバック部３４の内径側にあるので、磁路がコアバック部３４のコイル４に近い位置に形成されるため、磁気特性の低下が抑えられる。

また、コイル４が、複数の各相巻線が、固定子コア３０の周方向で波状をなすように巻回され、各相巻線が径方向に一列に配列したスロット収容部４４を、持つので、スロット３１a、３１bは、コイルを構成する各相巻線が径方向に一列に配列した状態で収容するようにでき、磁路がティース部３３a、３３bの延びる方向に沿って形成される。また、ティース部３３a、３３bとコイル４のスロット収容部４４との干渉なしに分割コア３２のティース部３３a、３３bをスロット収容部４４の間に容易に挿入することができる。その結果、右側の分割コアが途中で止まることなく矢印方向に移動し、ティース部３３a、３３bの先端がＯを中心とする円周Ｃ上に配置する。

隙間部３７aの径方向隙間長さ（図１１(b)のδ）については、最大の径方向隙間長さを、固定子の内径側の所望の真円度（内径のばらつき、すなわち、ティース部３３a、３３bの先端の円周Ｃからのずれ）に設定することで、隙間部３７aと傾斜部３８aとの干渉が無くなり、満足できる真円度を達成することができる。

本実施形態の分割コア３２は、コア片部材３２を前半、表−表−表・・・にし、後半、裏−裏−裏・・・として積層したので、ギャップδは、上から下まで（軸方向に）繋がること無く、隙間部３７aによる磁気特性の低下を抑制することができる。なお、コア片部材３２を、表−表−表−・・・のように、全て表向きに積層することで、隙間部３７aによる磁気特性の低下をさらに抑制することができる。

図１１（b）に示すティース部３３a、３３bのスロット収容部４４間への挿入後、図１２（コイルのスロット収容部４４を省略）に示すように、ティース部固定治具５０を装着して分割コア３２を周方向及び径方向に揃え、溶接部位３５を溶接する。ティース部固定治具５０は、それぞれ、周方向固定凸部５１と径方向固定凸部５２を有している。溶接部位３５を溶接する代わりに、外筒を嵌めてもよい。

分割コア３２は、図４に示す形状に限らず、例えば、図１３に示すようなコアバック部３４の形状が異なっているものでもよい。すなわち、この変形形態の分割コア３２の場合、スロット３１aを区画する二本のティース部３３a、３３bと、隣接する分割コア３２と当接する当接部３６a、３６bと、隣接する分割コア３２と離間する隙間部３７aと、を持つ。隙間部３７aは、コアバック部３４の一方の（左側の）側面の点線で示す部分を切り落とした状態である。なお、他方の側面３７bは、当接部３６bを径方向に延ばしたものとなっている。なお、この分割コア３２は、紙面方向にコア片部材を積層したものでなく、積層して得られる厚さに相当する厚さの電磁鋼板から切り出されたものである。

図１３に示す分割コア３２を周方向に連結すると、隙間部３７aと左側の分割コアの側面３７bとが干渉することが無く、真円度の高い固定子が得られる。

最良の形態の回転電機の断面図である。 図１の回転電機の固定子の正面視（軸方向視）図である。 図２の固定子の固定子コアの正面視（軸方向視）図である。 図３の固定子コアの分割コアの正面視図である。 図４のＡ矢視図である。 図４及び図５に示す分割コアを構成するコア片部材の正面視図である。 図２の固定子のコイルを構成する各相巻線の断面図である。 図２の固定子のコイルの結線を示す図である。 図２の固定子のコイルの斜視図である。 図９のコイルの展開図である。 図２の固定子を組み立てる方法を示す図である。 図２の固定子を組み立てる方法を示す図である。 変形形態の分割コアの正面視図である。 従来の固定子の断面図である。 従来の固定子の問題を説明する模式図である。

符号の説明

１・・・・・・・・・・・・・・・・回転電機
２・・・・・・・・・・・・・・・・回転子
３・・・・・・・・・・・・・・・・固定子
３０・・・・・・・・・・・・・・固定子コア
３１a、３１b ・・・・・・・・・スロット
３２・・・・・・・・・・・・・・分割コア
３４・・・・・・・・・・・・・・コアバック部
３３a、３３b・・・・・・・・・・ティース部
３６a、３６b・・・・・・・・・・当接部
３７a、３７b・・・・・・・・・・隙間部
４・・・・・・・・・・・・・・・・コイル

Claims (6)

1. 分割コアが、周方向の全周にわたって配設されてなり、周方向に複数のスロットを区画した固定子コアと、
   前記スロットに組み付けられたコイルと、
   を備えた回転電機の固定子において、
   前記分割コアは、前記固定子コアを形成したときに隣接した前記分割コアと当接する当接部と、隣接した前記分割コアと離間する隙間部と、を持つことを特徴とする回転電機の固定子。
2. 前記分割コアは、前記スロットの底面と前記底面に背向した前記固定子コアの表面の一部を区画するコアバック部と、前記コアバック部の前記底面の両端から径方向に突出して、その側面と前記底面との間で前記スロットを区画する二本のティース部と、を備え、
   前記当接部は、前記コアバック部の内径側に形成され、前記隙間部は、前記コアバック部の少なくとも一方の側面に形成されている請求項１に記載の固定子。
3. 前記分割コアは、一枚の金属板または積層した二枚以上の金属板からなる請求項２に記載の回転電機の固定子。
4. 前記スロットは、前記コイルを構成する各相巻線が径方向に一列に配列した状態で収容する請求項１〜３のいずれかに記載の回転電機の固定子。
5. 前記コイルは、複数の前記各相巻線が、前記固定子コアの周方向で波状をなすように巻回されてなる請求項１〜４のいずれかに記載の回転電機の固定子。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の回転電機の固定子の内周側又は外周側に、周方向に異なる磁極を形成している回転子を備えたことを特徴とする回転電機。

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