JP2010154680A - 磁性ウェッジ並びにこれを用いたステータ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】製作工数を低減することができると共に、形成する回転電機の出力特性の低下を抑制することができる磁性ウェッジ、並びにこれを用いたステータ及びその製造方法を提供すること。
【解決手段】磁性ウェッジ４は、ステータコア２における複数のスロット２１の内周側開口部２１１に配置する複数のウェッジ部４１と、複数のウェッジ部４１の軸方向Ｌの両端部４１２において、複数のウェッジ部４１を連結する一対の環状連結部４２とを有している。一対の環状連結部４２及び複数のウェッジ部４１は、磁性材料を用いて一体的に形成してある。各環状連結部４２には、その周方向Ｃの複数箇所において、その軸方向Ｌに伸びる切欠溝４３が形成してある。
【選択図】図１

Description

本発明は、ステータコアにおける複数のスロットの内周側開口部に配置する磁性ウェッジに関する。

電動機、発電機、モータジェネレータ等の回転電機においては、ステータコアのスロット内に絶縁紙を介してコイルを配置し、スロットの内周側開口部をウェッジによって蓋をして、コイルの内周側へのはみ出しを防止している。このウェッジは、絶縁紙と同様の紙、樹脂等から構成する場合もあるが、特に内周側開口部の開口面積が大きいオープンスロットの場合等には、磁性材料から形成した磁性ウェッジとすることがある。この場合には、ロータがステータに対して回転する際の磁気回路をティースだけでなく、磁性ウェッジにも形成することができ、ロータにおける永久磁石等に対向するティースが移り変わる際に、磁気回路に生ずる急激な磁束変化を緩和している。
例えば、特許文献１においては、非磁性薄葉材と、この薄葉材に接着したアモルファシートとからなり、スロットの開口部を塞ぐためのスロット用磁性楔が開示されている。また、特許文献１においては、端板と楔部を櫛形一体にした一体楔が開示されている。この一体楔によれば、楔部のスロットへの挿入を一括して行うことができる。

特開平４−３５１４４０号公報

しかしながら、一体楔（磁性ウェッジ）を用いる場合には、円環形状の端板がステータコアの軸方向端面の外側に位置する。この場合、端板が磁性体から形成されていると、端板へ磁束が漏れ、ロータが回転する際の磁気回路を弱めてしまうおそれがある。また、特許文献１においては、多数の楔部を端板に接着しているため、製作工数が増大してしまう。
従って、製作工数の低減と回転電機の出力特性の低下の抑制とを両立させるためには更なる工夫が必要とされる。

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、製作工数を低減することができると共に、形成する回転電機の出力特性の低下を抑制することができる磁性ウェッジ、並びにこれを用いたステータ及びその製造方法を提供しようとするものである。

第１の発明は、ステータコアにおける複数のスロットの内周側開口部に配置する複数のウェッジ部と、
該複数のウェッジ部における軸方向の一端部又は両端部において、該複数のウェッジ部を連結する環状連結部とを有しており、
該環状連結部及び上記複数のウェッジ部は、磁性材料を用いて一体的に形成してあり、
上記環状連結部には、その周方向の複数箇所において、その軸方向に伸びる切欠溝が形成してあることを特徴とする磁性ウェッジにある（請求項１）。

本発明の磁性ウェッジは、複数のウェッジ部を、軸方向の一端部又は両端部において環状連結部によって連結してなる。環状連結部及び複数のウェッジ部は、磁性材料を用いて一体的に形成してある。これにより、ステータコアにおけるスロットの数に対応した数のウェッジ部を容易に形成することができ、磁性ウェッジの製作工数を低減することができる。

また、環状連結部には、その周方向の複数箇所において、その軸方向に伸びる切欠溝が形成してある。これにより、ステータに対してロータが回転する際の磁気回路（ステータにおけるティース及びヨークと、ロータとを通って形成される磁気回路）において、ステータコアの軸方向端面の外側に配置された環状連結部を、ステータコアの周方向へ通過しようとする磁束の漏れの発生を抑制することができる。そのため、磁性ウェッジを用いて形成した回転電機の出力特性の低下を抑制することができる。
また、複数のスロットの内周側開口部にウェッジ部を配置することにより、上記磁気回路をティース及びヨークだけでなく、磁性ウェッジにも形成することができ、ロータにおける永久磁石等に対向するティースが移り変わる際に、磁気回路に生ずる急激な磁束変化を緩和することができる。

それ故、本発明の磁性ウェッジによれば、その製作工数を低減することができると共に、形成する回転電機の出力特性の低下を抑制することができる。

第２の発明は、上記磁性ウェッジを用いたステータであって、
上記複数のスロットにはコイルが配置してあり、
上記複数のスロットの内周側開口部には、上記コイルに対する内周側より上記ウェッジ部が配置してあり、
上記ステータコアにおける軸方向の一端面又は両端面の外側には、上記環状連結部が配置してあることを特徴とするステータにある（請求項５）。

本発明のステータは、上記優れた作用効果を奏する磁性ウェッジを用いて形成したものである。従って、本発明のステータによれば、磁性ウェッジの製作工数を低減することができると共に、形成する回転電機の出力特性の低下を抑制することができる。

第３の発明は、上記磁性ウェッジを用いたステータを製造する方法であって、
ステータコアにおける複数のスロット内にコイルを配置し、
上記複数の切欠溝を利用して一方の上記環状連結部をテーパ状に縮径させるように弾性変形させ、該縮径させた状態の環状連結部を上記ステータコアの軸方向一端部から挿入し、
上記ウェッジ部同士の間に位置する切欠穴に上記ティースを挿入したときに、上記一方の環状連結部の弾性変形を復帰させることを特徴とするステータの製造方法にある（請求項６）。

本発明のステータの製造方法は、上記優れた作用効果を奏する磁性ウェッジをステータコアに対して組み付けるための適切な方法である。
ところで、磁性ウェッジが上記複数の切欠溝を有していない場合であって、環状連結部によって複数のウェッジ部を軸方向両端部において連結した場合には、磁性ウェッジをステータコアの軸方向一端部から挿入配置しようとすると、環状連結部が障害物になる。

これに対し、本発明においては、磁性ウェッジが複数の切欠溝を有していることにより、ステータコアに対して磁性ウェッジを配置する際に、複数の切欠溝を利用して一方の環状連結部を縮径させるようにテーパ状に弾性変形させることができる。そして、縮径させた状態の環状連結部をステータコアの軸方向一端部から挿入し、複数の切欠穴に各ティースを挿入したときに、一方の環状連結部の弾性変形を復帰させる。これにより、磁性ウェッジをステータコアに挿入配置する際に、環状連結部が障害物になることを回避し、もとの形状を維持して磁性ウェッジをステータコアに配置することができる。

それ故、本発明のステータの製造方法によれば、環状連結部によって複数のウェッジ部を軸方向両端部において連結した場合であっても、もとの形状を維持して、上記優れた作用効果を奏する磁性ウェッジをステータコアに配置することができる。

上述した第１〜第３の発明における好ましい実施の形態につき説明する。
第１〜第３の発明において、上記環状連結部は、必ずしも１つの円環形状から構成する必要はなく、複数の円弧状連結部を円周上に配置したもの（円環形状を周方向の複数箇所で分割したもの）から構成することもできる。

また、上記磁性ウェッジを構成する上記磁性材料は、磁性を有する金属を含む材料とすることができる。
上記磁性ウェッジは、磁性粉体を圧縮成形して形成することができる。また、磁性ウェッジは、磁性粉体を圧縮成形してなる圧縮成形体に、切断、打ち抜き等の加工を行って形成することができる。なお、磁性粉体は、バインダーとしての樹脂を添加して圧縮成形することができる。また、磁性ウェッジは、打ち抜き等を行って複数のウェッジ部及び複数の切欠溝を形成した板状の圧縮成形体の両端部を接合して、円筒形状に形成することもできる。
また、磁性ウェッジは、ガラス繊維等の繊維をバインダーとなる樹脂中に含有して強度を向上させたＦＲＰ（繊維強化プラスチック）と、磁性粉体とを混合してなる材料から構成することもできる。

また、磁気性能を改善するために、磁性ウェッジは、磁性材料、特に低炭素鋼、ステンレス鋼（ＳＵＳ４３０等）等の磁性材料の金属繊維と、ガラス繊維等の繊維と、バインダーとなる樹脂とを含有してなる金属繊維強化プラスチック（ＭＦＲＰ）から構成することもできる。この場合、金属繊維の表面には絶縁被膜を形成しておくことができる。この絶縁被膜は、繊維状態の金属繊維に対してリン酸化合物等の無機材料のコーティングを行って、又はクロス状態（多数の繊維による成形状態）の金属繊維に対してリン酸化合物等の無機材料含浸処理を行って形成することができる。

また、磁性ウェッジは、クロス状態において、金属繊維とガラス繊維とが交差するハイブリッド繊維クロスを用いて形成することもできる。この場合には、金属繊維を磁性ウェッジの周方向にほぼ向けて配置し、ガラス繊維を磁性ウェッジの軸方向にほぼ向けて配置することができる。これにより、ガラス繊維によって金属繊維同士を隔離させることができ、絶縁被膜を不要にすることができる。

第１の発明において、上記切欠溝は、上記ウェッジ部が連結された周方向幅の範囲内に形成することが好ましい（請求項２）。
この場合には、ステータにおけるティース及びヨークと、ロータとを通って形成される磁気回路において、環状連結部の周方向へ通過しようとする磁束の漏れの発生を、より効果的に抑制することができる。そのため、磁性ウェッジを用いて形成した回転電機の出力特性の低下をより効果的に抑制することができる。

また、上記切欠溝は、上記環状連結部の軸方向端面から、上記ウェッジ部同士の間に位置する切欠穴の軸方向内壁面よりも軸方向の内側の位置まで形成することが好ましい（請求項３）。
この場合には、切欠溝の形成により、ステータコアの軸方向端面の外側において、環状連結部を周方向に分断することができ、環状連結部の周方向へ通過しようとする磁束の漏れの発生を、さらに効果的に抑制することができる。そのため、磁性ウェッジを用いて形成した回転電機の出力特性の低下をさらに効果的に抑制することができる。

また、上記環状連結部は、上記複数のウェッジ部の軸方向両端部において該複数のウェッジ部を連結しており、一方の上記環状連結部は、上記ステータコアの内径よりも小さな外径に形成することが好ましい（請求項４）。
この場合には、環状連結部によって複数のウェッジ部を軸方向両端部において連結することにより、磁性ウェッジの形状を安定して維持することができる。また、一方の環状連結部を上記ステータコアの内径よりも小さな外径に形成することにより、ステータコアの軸方向一端部から一方の環状連結部を挿入して、磁性ウェッジの挿入配置を容易に行うことができる。
なお、上記ステータコアの内径とは、ステータコアのスロット同士の間に位置するティースの内周側端面を通る仮想円の直径のことをいう。

以下に、本発明の磁性ウェッジ並びにこれを用いたステータ及びその製造方法にかかる実施例につき、図面を参照して説明する。
（実施例１）
本例の磁性ウェッジ４は、図１、図２に示すごとく、ステータコア２における複数のスロット２１の内周側開口部２１１に配置する複数のウェッジ部４１と、複数のウェッジ部４１の軸方向Ｌの両端部４１２において、複数のウェッジ部４１を連結する一対の環状連結部４２とを有している。一対の環状連結部４２及び複数のウェッジ部４１は、磁性材料を用いて一体的に形成してある。各環状連結部４２には、その周方向Ｃの複数箇所において、その軸方向Ｌに伸びる切欠溝４３が形成してある。ここで、図１は、磁性ウェッジ４を部分的に拡大して示し、図２は、磁性ウェッジ４の全体を示す。

以下に、本例の磁性ウェッジ４並びにこれを用いたステータ１及びその製造方法につき、図１〜図６を参照して詳説する。
本例の磁性ウェッジ４は、電動機、発電機、モータジェネレータ等の回転電機を構成するステータ１に用いるものである。
図１、図２に示すごとく、本例の複数の切欠溝４３は、環状連結部４２及びウェッジ部４１において、ウェッジ部４１が形成された周方向幅Ｃ１の範囲内に形成してあり、複数のスロット２１の形成数に対応する数が形成してある。また、本例の複数の切欠溝４３は、軸方向Ｌに平行な状態で、環状連結部４２の軸方向端面４２１から形成してある。そして、複数の切欠溝４３の底部４３１は、ウェッジ部４１同士の間に位置する（ウェッジ部４１を形成する）切欠穴４１１の軸方向内壁面４１３よりも軸方向Ｌの内側に位置している。これにより、切欠溝４３の軸方向長さＬ１は、環状連結部４２の軸方向長さＬ２よりも長くなっている。

本例の磁性ウェッジ４は、各部の厚みが均一な円筒形状の軟磁性体に対して、複数の切欠穴４１１及び複数の切欠溝４３を加工することによって形成されている。そして、磁性ウェッジ４において、複数のウェッジ部４１及び環状連結部４２は、均一な厚みで連続して形成されている（一体成形されている）。また、本例の環状連結部４２は、複数の切欠溝４３の形成によって、円環形状を周方向Ｃの複数箇所で分割してなる複数の円弧状部分によって構成されている。

本例の環状連結部４２は、複数の切欠溝４３を利用してテーパ状に縮径するよう弾性変形可能になっている。切欠溝４３の周方向幅は、環状連結部４２の強度を維持するために、切欠穴４１１及びウェッジ部４１の周方向幅よりも小さくなっている。
本例の磁性ウェッジ４においては、スロット２１同士の間のティース２２を配置するための切欠穴４１１が、ティース２２に対応する数だけ形成されている。

図３、図４に示すごとく、本例のステータ１は、コイル３、絶縁紙４５及び磁性ウェッジ４を配置してなる。また、ステータ１は、複数のスロット２１にコイル３を配置してなる。また、磁性ウェッジ４は、複数のスロット２１の内周側開口部２１１にコイル３に対する内周側よりウェッジ部４１を配置すると共に、ステータコア２における軸方向Ｌの両端面２０１の外側に環状連結部４２を配置してなる。ここで、図３は、ステータ１を部分的に拡大して示し、図４は、ステータ１の全体を示す。

本例のステータコア２における各スロット２１は、周方向Ｃにおける一対の内壁面２１２を互いに平行になるよう形成した平行スロット形状を有している。本例のコイル３は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３相のコイル３であり、角線を用いて波巻形状に形成してある。各コイル３は、スロット２１内に配置されるスロット導体部分３１と、スロット２１の外部（ステータコア２の軸方向Ｌの端面の外側）に配置されるコイルエンド導体部分３２とを有している。

図５、図６に示すごとく、各スロット２１の外周側底部２１３及び周方向Ｃの内壁面２１２には、絶縁紙４５が配置されている。磁性ウェッジ４におけるウェッジ部４１は、各スロット２１の内周側開口部２１１に挿入配置されている。
本例のステータコア２は、スロット数に対する半分の数に分割した分割コア２５を組み合わせ、この組み合わせた状態の分割コア２５の全体を、嵌合リング２６内に嵌入して形成してある。各分割コア２５は、２つのティース２２及び１つの中央側スロット２１Ａを有し、中央側スロット２１Ａの両側に位置する両側スロット２１Ｂの周方向Ｃの中心位置で、スロット２１の外周側に位置するヨーク２３の部分を分断して形成してある。

また、図１に示すごとく、ステータコア２における各ティース２２の軸方向端部２２１は、磁性ウェッジ４における切欠穴４１１の形状に対応して、軸方向Ｌの外側に向かうに連れて周方向幅が縮小する段差形状（又は傾斜形状）に形成することができる。この段差形状は、ステータコア２を形成する複数の電磁鋼板の周方向幅を変化させて形成することができる。

本例の磁性ウェッジ４は、複数のウェッジ部４１を、軸方向Ｌの両端部４１２において環状連結部４２によって連結してなる。環状連結部４２及び複数のウェッジ部４１は、磁性材料を用いて一体的に形成してある。これにより、ステータコア２におけるスロット２１の数に対応した数のウェッジ部４１を容易に形成することができ、磁性ウェッジ４の製作工数を低減することができる。

また、ステータコア２の軸方向両端面の外側に配置される環状連結部４２は、複数のウェッジ部４１の形成状態を維持するために必要な部位であるが、ステータ１に対してロータが回転する際の磁気回路を弱めてしまう部位である。
これに対し、本例の環状連結部４２には、ウェッジ部４１の形成数と同じ数の切欠溝４３が形成してあり、各切欠溝４３は、環状連結部４２に対してウェッジ部４１が連結された周方向幅Ｃ１の範囲内において、環状連結部４２の軸方向端面４２１から切欠穴４１１の軸方向内壁面４１３よりも軸方向Ｌの内側の位置まで形成してある。

これにより、ステータ１に対してロータが回転する際の磁気回路（ステータ１におけるティース２２及びヨーク２３と、ロータとを通って形成される磁気回路）において、ステータコア２の軸方向Ｌの端面の外側に配置された環状連結部４２を、ステータコア２の周方向Ｃへ通過しようとする磁束の漏れの発生を効果的に抑制することができる。そのため、磁性ウェッジ４を用いて形成した回転電機の出力特性の低下を効果的に抑制することができる。
また、複数のスロット２１の内周側開口部２１１にウェッジ部４１を配置することにより、上記磁気回路をティース２２及びヨーク２３だけでなく、磁性ウェッジ４にも形成することができ、ロータにおける永久磁石等に対向するティース２２が移り変わる際に、磁気回路に生ずる急激な磁束変化を緩和することができる。

それ故、本例の磁性ウェッジ４によれば、その製作工数を低減することができると共に、形成する回転電機の出力特性の低下を抑制することができる。

（実施例２）
本例においては、上記実施例１に示した磁性ウェッジ４を用いたステータ１を製造する方法の一例を示す。
本例においては、図７に示すごとく、磁性ウェッジ４に対して、コイル３をステータコア２に配置するときの組付状態で配置し、磁性ウェッジ４及びコイル３に対して径方向Ｒの外周側から各分割コア２５を配置する。このとき、各コイル３のスロット導体部分３１を分割コア２５における各スロット２１に挿入配置し、磁性ウェッジ４におけるウェッジ部４１を各スロット２１の内周側開口部２１１に挿入配置する。その後、組み合わせた状態の分割コア２５の全体を嵌合リング２６内に嵌入して、ステータ１を製造する。
本例においても、その他の構成は上記実施例１と同様であり、上記実施例１と同様の作用効果を得ることができる。

（実施例３）
本例においては、上記実施例１に示した磁性ウェッジ４を用いたステータ１を製造する方法の他の例を示す。
本例においては、まず、図８に示すごとく、ステータコア２における複数のスロット２１内にコイル３を配置する。このとき、各スロット２１には絶縁紙４５を配置しておくことができる。次いで、複数の切欠溝４３を利用して一方の環状連結部４２Ａをテーパ状に縮径させるように弾性変形させ、縮径させた状態の環状連結部４２をステータコア２の軸方向Ｌの一端部から挿入する。これにより、一方の環状連結部４２Ａは、ステータコア２の内周側において軸方向Ｌに通過させるときだけ縮径させることができる。
次いで、一方の環状連結部４２Ａがステータコア２の軸方向Ｌの端面まで移動したときには、複数の切欠穴４１１に各ティース２２が挿入され、一方の環状連結部４２Ａの弾性変形がもとの状態に復帰する。こうして、ステータ１を製造することができる。

本例においては、磁性ウェッジ４が複数の切欠溝４３を有していることにより、磁性ウェッジ４をステータコア２に挿入配置する際に、環状連結部４２が障害物になることを回避することができる。そして、磁性ウェッジ４は、もとの形状を維持してステータコア２に配置することができる。
それ故、本例のステータ１の製造方法によれば、環状連結部４２によって複数のウェッジ部４１を軸方向Ｌの両端部４１２において連結した場合であっても、もとの形状を維持して、上記優れた作用効果を奏する磁性ウェッジ４をステータコア２に配置することができる。
本例においても、その他の構成は上記実施例１と同様であり、上記実施例１と同様の作用効果を得ることができる。

（実施例４）
本例は、上記磁性ウェッジ４の形状に工夫を行った例である。
図９に示すごとく、本例の環状連結部４２は、複数のウェッジ部４１の軸方向Ｌの両端部４１２において複数のウェッジ部４１を連結してなり、一方の環状連結部４２Ａの外径（符号４２２で示す。）が、複数のウェッジ部４１による内径よりも小さく、かつステータコア２の内径（ティース２２の内周側端面２２２を通る仮想円の直径）よりも小さくなっている。
本例においては、磁性ウェッジ４をステータコア２に配置する際には、ステータコア２の軸方向Ｌの一端部から一方の環状連結部４２Ａを挿入することにより、環状連結部４２Ａが障害物になることを回避することができる。
本例においても、その他の構成は上記実施例１と同様であり、上記実施例１と同様の作用効果を得ることができる。

実施例１における、ステータコアに配置する磁性ウェッジの一部を拡大して示す側面図。 実施例１における、磁性ウェッジの全体を示す側面図。 実施例１における、ステータの一部を側方から見た状態で拡大して示す断面説明図。 実施例１における、ステータの全体を側方から見た状態で示す断面説明図。 実施例１における、ステータの一部を軸方向から見た状態で拡大して示す断面説明図。 実施例１における、ステータの全体を軸方向から見た状態で示す断面説明図。 実施例２において、ステータを組み付ける状態を軸方向から見た状態で示す断面説明図。 実施例３において、磁性ウェッジをステータコアへ挿入配置する状態を側方から見た状態で示す断面説明図。 実施例４において、磁性ウェッジをステータコアへ挿入配置した状態を側方から見た状態で示す断面説明図。

符号の説明

１ ステータ
２ ステータコア
２１ スロット
２１１ 内周側開口部
２２ ティース
２５ 分割コア
２６ 嵌合リング
３ コイル
４ 磁性ウェッジ
４１ ウェッジ部
４２ 環状連結部
４３ 切欠溝

Claims (6)

1. ステータコアにおける複数のスロットの内周側開口部に配置する複数のウェッジ部と、
   該複数のウェッジ部における軸方向の一端部又は両端部において、該複数のウェッジ部を連結する環状連結部とを有しており、
   該環状連結部及び上記複数のウェッジ部は、磁性材料を用いて一体的に形成してあり、
   上記環状連結部には、その周方向の複数箇所において、その軸方向に伸びる切欠溝が形成してあることを特徴とする磁性ウェッジ。
2. 請求項１において、上記切欠溝は、上記ウェッジ部が連結された周方向幅の範囲内に形成してあることを特徴とする磁性ウェッジ。
3. 請求項２において、上記切欠溝は、上記環状連結部の軸方向端面から、上記ウェッジ部同士の間に位置する切欠穴の軸方向内壁面よりも軸方向の内側の位置まで形成してあることを特徴とする磁性ウェッジ。
4. 請求項１〜３のいずれか一項において、上記環状連結部は、上記複数のウェッジ部の軸方向両端部において該複数のウェッジ部を連結しており、
   一方の上記環状連結部は、上記ステータコアの内径よりも小さな外径に形成してあることを特徴とする磁性ウェッジ。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の磁性ウェッジを用いたステータであって、
   上記複数のスロットにはコイルが配置してあり、
   上記複数のスロットの内周側開口部には、上記コイルに対する内周側より上記ウェッジ部が配置してあり、
   上記ステータコアにおける軸方向の一端面又は両端面の外側には、上記環状連結部が配置してあることを特徴とするステータ。
6. 請求項３に記載の磁性ウェッジを用いたステータを製造する方法であって、
   ステータコアにおける複数のスロット内にコイルを配置し、
   上記複数の切欠溝を利用して一方の上記環状連結部をテーパ状に縮径させるように弾性変形させ、該縮径させた状態の環状連結部を上記ステータコアの軸方向一端部から挿入し、
   上記ウェッジ部同士の間に位置する切欠穴に上記ティースを挿入したときに、上記一方の環状連結部の弾性変形を復帰させることを特徴とするステータの製造方法。

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