JP2010161916A - ステータおよびモータ - Google Patents

Abstract

【課題】電磁鋼板を積層させ、一体化させてなるモータ用のステータに関し、その一体化に際して、鉄損を増大させることなく、大きな渦電流を生じさせることなく、高強度で高耐久なステータと、該ステータを具備するモータを提供する。
【解決手段】平面視が弧状のヨーク１１と、該ヨーク１１から径方向内側に突出するティース１２と、からなり、電磁鋼板１，…が積層されて分割コア１０Ａが形成され、該分割コア１０Ａが円周方向に組み付けられてなる、ステータ１００であり、各ティース１２の周りに、非磁性素材の部材、たとえば、繊維織物に熱硬化性樹脂を含浸させてなるプリプレグシート３０が巻装されている、ステータ１００である。
【選択図】図３

Description

本発明は、ステータとこれ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。

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などによって、分割ステータが製造されている。

一般的なステータコア、および上記する分割コアのいずれであっても、電磁鋼板を積層してなるコアは、そのヨークとティースの双方で、かしめられたり、接着剤にて接着されたり、あるいはその外周を溶接される等することで、電磁鋼板が一体化され、コアの形状保持が図られている。なお、この方法でステータコアの一体化を図っている従来技術として、特許文献１に開示の固定子構造を挙げることができる。

しかし、上記する電磁鋼板を一体化させる方法にはいずれも、固有の課題が存在している。まず、かしめて一体化させる方法では、ヨークおよびティースをともにかしめてしまうことで磁区が乱され、これによって磁束流れが阻害されることで鉄損が増大するという課題が生じており、特に、ティースのかしめによってこの磁区乱れは顕著となり、この磁区乱れはステータコアの鉄損増大にも繋がるものである。このかしめに関し、ヨークのみをかしめる方法では、ティースを構成する電磁鋼板同士は固定されることなくフリー状態であり、したがって、モータ駆動時の振動や騒音の原因となってしまう。また、溶接によって一体化させる方法では、溶接箇所を介してコア内部が短絡し易く、結果として大きな渦電流が発生して鉄損が増大するという課題が生じている。さらに、接着剤にて接着する方法では、往々にして耐熱性能の低い接着剤による接着箇所が、モータ駆動時の高温雰囲気下でその接着強度が低下してしまい易く、コア自体の耐久性低下に直結してしまう。

特開２００７−１７４８２７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、電磁鋼板を積層させ、一体化させてなるモータ用のステータに関し、その一体化に際して、鉄損を増大させることなく、大きな渦電流を生じさせることなく、高強度で高耐久なステータと、該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、本発明によるステータは、平面視が略環状のヨークと、該ヨークから径方向内側に突出するティースと、からなり、電磁鋼板が積層されて形成されているステータであって、前記ティースの周りに、非磁性素材の部材が巻装されているものである。

本発明のステータは、積層される電磁鋼板同士の固定に関し、ヨークは、従来構造のものと同様に１点もしくは２点程度でかしめるものであり、ティースは、積層された電磁鋼板周りに非磁性素材の部材を巻装させることによって固定するものであり、この固定形態により、ティースがかしめられることで招来されていた上記する磁区乱れを解消でき、接着剤による固定形態や溶接による固定形態の場合の上記課題も生じ得ないステータとしたものである。

また、上記するステータは、分割ステータであってもよい。すなわち、平面視が弧状のヨークと、該ヨークから径方向内側に突出するティースと、からなり、電磁鋼板が積層されて分割コアが形成され、該分割コアが円周方向に組み付けられてなる、分割ステータであり、このティースの周りに、非磁性素材の部材が巻装されている形態である。

ここで、上記する非磁性素材の部材として、以下に示す形態を挙げることができる。
その一つは、非磁性素材の部材として非磁性の細線を用いるものであり、この非磁性細線としては、アルミニウムやステンレスなどの非磁性金属、さらにはそれらの非磁性合金からなる細線、もしくは、尿素樹脂やメラミン樹脂、フェノール樹脂をはじめとする熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂等からなる細線、をティース周りに巻装する形態である。

また、他の一つは、非磁性素材の部材として繊維織物に熱硬化性樹脂を含浸させてなるプリプレグシートを用いるものである。このプリプレグシートとは、ガラス繊維や炭素繊維などの繊維材を織り込んだ織物に適宜の熱硬化性樹脂が含浸されてなるシートのことであり、容易にティース周りに巻装することができ、巻装した後に熱加熱することによって収縮硬化することができる。なお、この熱硬化性樹脂としては、上記するメラミン樹脂、フェノール樹脂などからなる熱硬化性合成樹脂を使用することができる。

本発明者等によれば、ティースがかしめによって固定されたステータ、ティースが溶接によって固定されたステータに比して、ティースがたとえば上記するプリプレグシートによって固定された本発明のステータは、その鉄損が２〜３割程度も低減できることが実証されている。この鉄損低減効果により、本発明のステータを具備するモータ（回転機）は、従来構造のモータに比してそのトルク性能、回転性能、出力効率が格段に向上する。
したがって、本発明のステータを具備するモータは、近時その生産が拡大しており、車載される特に駆動用モータに一層の高出力性能を要求する、ハイブリッド車や電気自動車に好適である。

以上の説明から理解できるように、本発明のステータとこれを具備するモータによれば、ティースをかしめたり、溶接したり、接着剤にて固定する形態に比して、鉄損を大幅に低減でき、しかも、ヨークおよびティースの双方が強固に固定されることで、モータ駆動時の振動や騒音の発生を抑止でき、トルク性能、回転性能、出力効率に優れたモータを得ることができる。

本発明のステータを形成する分割コアの一実施の形態を示した斜視図である。 本発明のステータを形成する分割コアの他の実施の形態を示した斜視図である。 本発明のステータコアの一実施の形態を示した斜視図である。 ティースの固定形態が異なる、実施例、比較例１，２の各ステータの鉄損を測定した実験結果であり、実施例の鉄損を基準として比較例１，２の鉄損比をグラフ化した実験結果である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。なお、図示するステータは分割ステータであるが、これ以外にも、分割されていない一般の円環状ステータであってもよいことは勿論のことである。また、ティース周りに形成されるコイルの図示は省略している。

図１，２は、本発明のステータを形成する分割コアの一実施の形態を示した斜視図である。
まず、図１で示す分割コア１０は、弧状のヨーク１１とヨーク１１の径方向内側に突出するティース１２とからなる電磁鋼板片１，…が所定高さまで積層され、たとえば、このヨーク１１は２点でかしめられて図示のごとき外形を保持したものであり、さらに、ティース１２の周りには、非磁性細線２０が巻装されてティース１２が一体に固定されたものである。

分割コア１０の製造方法を概説する。まず、電磁鋼板片１の製造方法は、不図示の磁粉を混合して型内でプレス成形し、圧延処理してシート状の鋼板を製造し、これを、２００〜３００℃程度で、数日間、焼鈍処理することにより、所望する粒径（平均粒径）の結晶粒を有し、かつ、所望する磁区（磁化の方向）を有する電磁鋼板が得られる。次いで、製造された電磁鋼板を図１で示すような形状に打ち抜き加工することで、分割ステータ用の電磁鋼板片１が得られる。

電磁鋼板片１，…を積層してヨーク１１を１点もしくは２点でかしめることで、分割コア１０の形状を保持させる。次いで、アルミニウムやステンレスなどの非磁性金属からなる非磁性細線２０、もしくは、尿素樹脂やメラミン樹脂、フェノール樹脂をはじめとする熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂等からなる非磁性細線２０を用意し、これをティース１２周りに所定数巻装することにより、ティース１２の全体を一体化し、もってそのヨーク１１およびティース１２が一体化された分割コア１０を製造することができる。

一方、図２で示す分割コア１０Ａは、分割コア１０の非磁性細線２０の代わりに、プリプレグシート３０をティース１２周りに巻装したものである。このプリプレグシート３０は、ガラス繊維や炭素繊維などの繊維材を織り込んだ織物３１にメラミン樹脂、フェノール樹脂などの熱硬化性樹脂が含浸されてなるシートのことであり、たとえば、このプリプレグシート３０を一巻き、もしくは２〜５巻きすることで、ティース１２を強固に一体化でき、その振動や騒音を抑止することができる。

図３で示すステータ１００は、図２で示す分割コア１０Ａが円周方向に組み付けられ（隣接する分割コア１０Ａ，１０Ａ双方のヨーク１１，１１の端面同士を当接させる）、この組み付け姿勢の分割コア１０Ａ，…の外周に焼き嵌め用の筒体４０が嵌め込まれ、焼き嵌め処理することで分割コア１０Ａ，…の一体化が図られて製造される。

実際のモータは、図示するティース１２周りのプリプレグシート３０のさらに外周に不図示のコイルが形成されて（分割）ステータが形成され、このステータの内部に永久磁石を埋設したロータが駆動軸を具備した姿勢で配設されて形成される。図示する本発明のステータ１００を具備するモータによれば、ティース１２がかしめや、溶接、接着剤にて固定される形態に比して、ティースにおける磁区乱れ等が齎されていないことで、その鉄損は大幅に低減され、しかも、ヨークおよびティースの双方が強固に固定されていることで、モータ駆動時の振動や騒音の発生が効果的に抑止され、トルク性能、回転性能、出力効率に優れたモータとなり得る。

[ティースの固定形態が異なる、実施例、比較例１，２の各ステータの鉄損を測定した実験とその結果]
本発明者等は、電磁鋼板を積層させて分割コアを製造し、これを周方向に組み付けて分割ステータを製造し、この分割ステータに励磁した際の磁束をサーチコイルで測定することにより、ステータで生じる鉄損を測定した。ここで、分割コアのヨークをかしめで固定し、ティースはその周りにプリプレグシートを巻装して固定した分割コアからなるステータを実施例とし、ヨークおよびティースの双方をかしめで固定した分割コアからなるステータを比較例１とし、電磁鋼板同士を溶接にて固定した分割コアからなるステータを比較例２として、それぞれのステータでの鉄損を測定した。

各ステータの鉄損の測定結果に関し、実施例の鉄損を基準として、比較例１，２を実施例に対する比率で表した実験結果を図４に示している。
図４より、実施例に対して、比較例１は鉄損が１．５割程度増加し、比較例２は鉄損が３割程度も増加することが実証された。

この実験結果より、電磁鋼板が積層されてなるステータにおいて、そのティースの固定を、かしめや溶接でなく、たとえばプリプレグシート等を巻装する方法で実施することにより、ステータで生じ得る鉄損を可及的に少なくでき、もって、トルク性能、回転性能、出力効率に優れたモータが得られることが分かった。

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。

１…電磁鋼板片、１０，１０Ａ…分割コア、１１…ヨーク、１２…ティース、２０…非磁性細線、３０…プリプレグシート、３１…繊維織物、４０…筒体、１００…ステータ

Claims (5)

1. 平面視が略環状のヨークと、該ヨークから径方向内側に突出するティースと、からなり、電磁鋼板が積層されて形成されているステータであって、
   前記ティースの周りに、非磁性素材の部材が巻装されている、ステータ。
2. 平面視が弧状のヨークと、該ヨークから径方向内側に突出するティースと、からなり、電磁鋼板が積層されて分割コアが形成され、該分割コアが円周方向に組み付けられてなる、分割ステータであって、
   前記ティースの周りに、非磁性素材の部材が巻装されている、ステータ。
3. 前記非磁性素材の部材が、非磁性の細線である、請求項１または２に記載のステータ。
4. 前記非磁性素材の部材が、繊維織物に熱硬化性樹脂を含浸させてなるプリプレグシートである、請求項１または２に記載のステータ。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載のステータと、該ステータの内側に配設されたロータと、からなる、モータ。

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