JP2010200492A - インシュレータ、ステータおよびモータ - Google Patents

Abstract

【課題】放熱性に優れ、温度ストレスに起因するクラックが生じ難い、もしくは生じないインシュレータと、これをティース周りに具備するステータ、および該ステータとロータとからなるモータを提供することを提供する。
【解決手段】平面視が略環状もしくは弧状のヨーク１２と、該ヨーク１２から径方向内側に突出するティース１１と、からなり、隣接するティース１１，１１間にスロットを具備するステータの該ティース１１の周りに形成されるインシュレータ２０であり、インシュレータ２０は、スロットを画成するティース１１の両側面１１’、１１’に当接する第１の面材２２および第２の面材２３を少なくとも有し、第１、第２の面材２２，２３の端部２２ａ，２３ａは、ロータと対向しないティースの端面１１”よりも外側へ延びており、かつ、ティース１１の該端面１１”の中央側へ湾曲している。
【選択図】図１

Description

本発明は、少なくともティースの両側面に当接するインシュレータと、該インシュレータをティース周りに備えたステータ、および該ステータとロータとからな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（電動機）を構成するステータは、円環状のヨークと、該ヨークから径方向内側に突出する複数のティースと、隣接するティース間に形成されるスロットとを備えた鋼板が積層されてなるステータコアから形成されており、コイルがこのスロット内に挿入されながら、ティース間に巻装されることによってステータが製造される。ここで、コイル用の導線の巻装形態には、集中巻き方式と分布巻き方式があり、集中巻き方式とはティースごとに導線が巻装される形態であり、分布巻き方式とは複数のティースに跨って導線が巻装される形態である。いずれの巻き線方式においても、スロット壁面とコイルとの間の絶縁性を確保する観点からそれらの間にはスロット絶縁紙が介装されている。しかし、この絶縁紙にてコイルとコア間の絶縁を図る場合には、該絶縁紙とコアの間に空気層が形成されることを回避できず、この空気層が熱抵抗を増大させるために、モータ駆動時にコイルで生じるジュール熱のコアへの放熱性を低下させる原因となっている。

そこで、絶縁素材の樹脂をたとえばティース周りに一体成形してインシュレータを形成することで、該インシュレータとコアの密着性を担保し、双方の間に空気層を形成させない方策が取られている。なお、この一体成形にてインシュレータが形成された分割ステータコアが特許文献１に開示されている。この分割ステータコアでは、そのヨークのティース基端側にコイルを案内するガイド溝が設けられている。

モータの小型化、放熱性の観点から、上記する一体成形されたインシュレータは可及的に薄層であるのが好ましいものの、たとえば放熱性を高めるべく、インシュレータの厚みを薄くしていくと、射出成形時に充填不良を来たし易く、さらには、コアに比して樹脂製インシュレータの線膨張係数が格段に高いために、使用環境によっては、温度ストレスに起因するクラックが生じ易くなってしまう。放熱性を高めるべく、樹脂に無機フィラーを含有する場合も、樹脂の流動性が低下し、同様に射出成形時の充填不良を来たし易い。

このように、ティース周りに樹脂を一体成形してインシュレータを形成する場合には、高い熱伝導性、高い流動性に基づく充填良好性、高い強度（耐クラック性）、は相互に相反しており、すべての要素を満足させる材料面からのアプローチは極めて困難な状況にある。なお、上記特許文献１に開示の分割ステータコアにおいても、上記課題を効果的に解決することができない。

一方、別体に製造された筒状のインシュレータをティース周りに嵌め込む等する従来一般のインシュレータにおいても、その素材は熱硬化性樹脂もしくは熱可塑性樹脂であり、したがって、コアに比して樹脂製インシュレータの線膨張係数が高いために割れ易いことは同様である。特に、筒状のインシュレータにおいては、高剛性領域である隅角部でインシュレータの変形（膨張や収縮）が拘束され、その中央部（たとえばティース側面の中央部に対応する部分）では相対的に変形量が大きくなるために、上記隅角部やその近傍でクラックが生じ易いことが本発明者等によって特定されている。線膨張係数に関して言えば、たとえば、鉄の線膨張係数が１２×１０^−６／℃程度であるのに対して、ポリスチレン（ＰＳ）やポリフェニレンエーテル（ＰＰＥ）の線膨張係数は６０×１０^−６／℃程度、ポリプロピレン（ＰＰ）の線膨張係数は１００×１０^−６／℃程度と、鉄（電磁鋼板を含む）に比して樹脂の線膨張係数はかなり高いものであり、したがって、温度変化時の変形量（膨張量、収縮量）が大きく異なることとなる。

ここで、図６を参照して上記するクラックの発生を説明する。図６は、分割ステータコアを形成する分割コアａ（電磁鋼板ａ’の鋼板積層体からなる）のティースａ１周りと、ヨークａ２のスロットｓに対向する面と、にインシュレータｂが装着されたものを示している。同図において、ティース周りのインシュレータｂは、スロットｓに対向する側面ｂ１と、スロットｓに対向しない頂面ｂ２とから形成されており、側面ｂ１と頂面ｂ２からなる隅角部Ｇは、他の部位に比して高剛性となっている。そのため、図示する分割コアａが組み付けられて分割ステータコアを形成し、これを具備するモータが駆動時の高温雰囲気と、（たとえば寒冷地域での）非駆動時と、の間の冷熱サイクルを受けた際には、インシュレータｂの側面ｂ１における隅角部Ｇ近傍において、径方向に延びるクラックｃが生じるというものである。なお、本発明者等によれば、この冷熱サイクル時の温度応力を解析した際に、この隅角部やその近傍で相対的に大きな温度応力が生じていることが特定されており、これは、発生するクラックと相関している。

また、従来の公開技術に関し、断面がコの字状の２つのインシュレータをティースの上下から嵌め合いする形態のインシュレータが特許文献２に開示されており、このインシュレータは、その隅角部に傾斜を持たせていることで、インシュレータとティースの間に隙間を形成し、コイル通電時に生じる振動をステータに伝播させ難くしている。しかし、この構造では、上記する課題、すなわち、コイルからの熱をステータに十分に放熱できないという課題が一層顕著となる。

特開平１１−３３２１３８号公報 特開２００１−２３１２０７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、放熱性に優れ、温度ストレスに起因するクラックが生じ難い、もしくは生じないインシュレータと、これをティース周りに具備するステータ、および該ステータとロータとからな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、本発明によるインシュレータは、平面視が略環状もしくは略弧状のヨークと、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、隣接するティースとティースの間にスロットを具備するステータの該ティースの周りに形成されるインシュレータであって、前記インシュレータは、前記スロットを画成するティースの両側面に当接する第１の面材および第２の面材を少なくとも有し、前記第１、第２の面材の端部は、ロータと対向しないティースの端面よりも外側へ延びており、かつ、ティースの該端面の中央側へ湾曲しているものである。

本発明のインシュレータは、スロットを画成するティースの両側面に当接する第１の面材および第２の面材を少なくとも有した構造を呈しており、たとえば、ティース外周に嵌め合いされてそのヨーク側のスロット側面に当接する枠状部材と、この枠状部材に該第１の面材および第２の面材が一体に形成された構造を有するものなどを挙げることができる。

この第１の面材および第２の面材は、ともに、ロータと対向しないティースの端面よりも外側へ延びており、かつ、ティースの該端面の中央側へ湾曲している。したがって、第１の面材と第２の面材は、ロータと対向しないティースの端面箇所において双方が縁切りされており、従来構造のインシュレータのように、その隅角部が高剛性部位となり、そのために該隅角部やその近傍でクラックが生じ易くなるといった課題は効果的に解消される。

また、第１の面材および第２の面材がティースの端面よりも外側へ延びていて、ティースの該端面の中央側へ湾曲している構造より、インシュレータ周りにコイルが形成された際に、第１の面材と第２の面材によってティース側面とコイルとの絶縁は確保され、ティースの端面とコイルとは、面材がティースの端面よりも外側へ延びていていることで形成されるエアギャップによって絶縁が確保される。

さらに、ティースの該端面の中央側へ湾曲していることから、この湾曲部位が可撓性（もしくは変形性）を有することとなる。そのため、たとえば導線が巻装加工されてコイルが形成され、このコイルがインシュレータ外周に嵌め合いされる場合において、コイル加工時の誤差でその内空寸法が変化した場合であっても、インシュレータ端部の可撓性でこの寸法誤差を容易に吸収しながら、効率的なコイル嵌め合い加工を実施することができる。

なお、インシュレータが装着されるティースを具備するステータコアに関し、円環状に一体に形成されたステータコアのほか、平面視が略弧状のヨークと、ヨークから径方向内側に突出するティースと、からなる分割コアが周方向に組み付けられ、その外周が筒体にて締結されてなる分割ステータコアであってもよい。さらに、電磁鋼板を積層してなる鋼板積層体から形成されるもののほか、磁性粉末を加圧成形してなる圧粉磁心、高密度圧粉磁心（ＨＤＭＣ）などから成形されるものを含むものである。ここで、この磁性粉末としては、鉄、鉄−シリコン系合金、鉄−窒素系合金、鉄−ニッケル系合金、鉄−炭素系合金、鉄−ホウ素系合金、鉄−コバルト系合金、鉄−リン系合金、鉄−ニッケル−コバルト系合金および鉄−アルミニウム−シリコン系合金などの軟磁性金属粉末、もしくは軟磁性金属酸化物粉末がシリコーン樹脂等の樹脂バインダーで被覆されたものを挙げることができる。

また、本発明によるインシュレータの他の実施の形態において、ティースの前記端面の中央側へ湾曲している前記面材の前記端部の先端が、ティースの該端面に当接しているものである。

本実施の形態は、第１の面材、第２の面材それぞれの湾曲している端部の先端がティースの端面に当接しているものであり、この構成により、たとえば別体に成形され、後工程でティース外周に嵌め合いされたインシュレータの位置決めを規定することが可能となる。なお、面材の端部が湾曲していることにより、インシュレータやティースに製造誤差があっても、この湾曲部分の可撓性で該製造誤差を吸収しながら、容易にインシュレータの嵌め合い加工を実施することができる。

さらには、放熱性能に関し、コイルからの伝熱は、第１の面材、第２の面材を介してティースの側面へ伝熱される放熱ルートに加えて、面材の端部の先端を介してティースの端面へ伝熱される放熱ルートも形成されることから、放熱性能をより一層高めることにも繋がる。

また、本発明によるインシュレータの他の実施の形態において、前記インシュレータは、ティースの前記両側面に一体に成形されており、前記第１の面材および第２の面材が該両側面に密着しているものである。

このインシュレータは、ティース周りに絶縁素材の樹脂材料等を射出成形等することで成形されるものであり、少なくともティースのスロットに対向する両側面に射出成形等でインシュレータ（の第１の面材および第２の面材）が一体に成形されることで、コアとインシュレータ同士が密着してそれらの間に生じ得るエアギャップを廃し、コイルからコアへの放熱性能を高めることができる。

また、本発明によるインシュレータの他の実施の形態は、ティースの前記端面の中央側へ湾曲している前記面材の前記端部と、ティースの該端面と、で画成される空間に放熱性樹脂体が形成されているものである。

本実施の形態は、ティース端面の中央側へ湾曲している第１、第２の面材それぞれの端部とティースの該端面、および、コイルの間に画成された空間に放熱性樹脂体を設けたものであり、コイルからこの放熱性樹脂体を介してティースの該端面へ放熱することにより、インシュレータ全体の放熱性能を一層高めることができるものである。

なお、この放熱性樹脂体を具備しない形態においては、絶縁油などで例えばＡＴＦ（オートマチックトランスミッションに使用されるオイル）を冷媒としてティース端面に提供し、この端面においてティースを直接的に冷却することで、高温雰囲気のステータコアをクーリングするようにしてもよい。

上記する本発明のインシュレータを具備するステータと、該ステータ内で回転自在に配されたロータと、を具備するモータは、ティース周りに形成されたインシュレータの耐クラック性能が極めて高いこと、インシュレータの放熱性能が極めて高いこと、より、放熱性に優れ、しかも耐クラック性（もしくは耐久性）に優れたモータとなる。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耐久、高放熱性を要求する、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、本発明のインシュレータによれば、その高い耐クラック性能、放熱性能により、放熱性に優れ、しかも耐クラック性、もしくは耐久性に優れたモータの製造を実現することができる。

分割コアのティース周りにインシュレータが装着された状態を示した斜視図である。 図１のII方向の矢視図であって、インシュレータ周りにコイルが形成された状態を示した図である。 図２に対応する図であって、インシュレータの他の実施の形態を示した図である。 図２に対応する図であって、インシュレータのさらに他の実施の形態を示した図である。 図１で示す分割コアが周方向に組み付けられてなるステータと、ロータとからなるモータを示した斜視図である。 分割コアのティース周りに装着されたインシュレータにクラックが生じている状態を説明した模式図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。ここで、図１は、分割コアのティース周りにインシュレータが装着された状態を示した斜視図であり、図２は、図１のII方向の矢視図であって、インシュレータ周りにコイルが形成された状態を示した図である。なお、図示例は分割コアを示しているが、円環状に一体に形成された一般のステータであってもよいことは勿論のことである。

図１は、ＩＰＭモータの分割ステータを構成する分割コア１０を示したものである。この分割コア１０は、平面視が略弧状のヨーク１２と、該ヨーク１２から径方向内側に突出するティース１１と、からなり、電磁鋼板１，…が積層されて形成されている。なお、図示例のように電磁鋼板が積層された形態以外にも、圧粉磁心、高密度圧粉磁心（ＨＤＭＣ）などから成形されるものであってもよい。

この分割コア１０のティース周りに、別体に成形されたインシュレータ２０が装着される。ここで、インシュレータ２０は、ティース１１外周に嵌め合いされてそのヨーク１２側のスロット側面１２’に当接する枠状部材２１と、この枠状部材２１に一体に成形された第１の面材２２および第２の面材２３と、から構成されている。なお、このインシュレータ２０は、絶縁素材から成形されるものであり、たとえば、適宜の熱硬化性樹脂もしくは熱可塑性樹脂をその素材とでき、放熱性（熱伝導性）をより一層高める観点から、これらの樹脂素材に無機フィラー等が含有された材料から成形されるものであってもよい。その素材の一例として、エポキシ樹脂やポリプロピレン、ポリエチレンナフタレート、ポリフェニレンサルファイド、ポリイミド、ポリアミド、液晶ポリマーのうちのいずれか一種を使用でき、さらには、これらの樹脂素材にシリカ、アルミナ、窒化ホウ素、窒化ケイ素、炭化ケイ素、酸化マグネシウムなどのフィラーが含有された材料を使用することができる。

第１の面材２２および第２の面材２３は、分割コア１０のティースの側面、より具体的には、分割コア１０，…が周方向に組み付けられた際にティース間に画成されるスロットに対向する側面１１’、１１’に当接しており、それらの端部２２ａ、２３ａは、ロータと対向しないティース１１の端面１１”よりも外側へ延びて、該端面１１”の中央側へ湾曲しており、したがって、第１の面材２２および第２の面材２３は、この端面１１”にて縁切りされた構造を呈している。

なお、インシュレータ２０は、別体に成形された形態以外にも、ティース１１を不図示の成形型内に収容し、絶縁素材樹脂等を射出成形等することによってティース１１周りに一体に成形されるものであってもよく、この一体成形インシュレータによれば、第１の面材２２および第２の面材２３とティース１１の側面１１’との密着性をより一層高めることができる。

図２は、図１におけるII方向の矢視図であり、さらに、インシュレータ２０の第１の面材２２および第２の面材２３周りにコイル３０を形成した状態を図２に示している。

このコイル３０は、平角線を適用するもの、断面円形の一般のコイルを適用するもののいずれであってもよいが、占積率の観点から、平角線を適用するのが好ましい。

インシュレータ２０の第１の面材２２および第２の面材２３はそれぞれ、ティース１１の側面１１’に当接しており、したがって、モータ駆動時のコイル３０におけるジュール熱は、第１の面材２２および第２の面材２３を介してティース１１に放熱される（矢印Ｘ方向）。

一方、ティース１１の端面１１”とコイル３０、第１の面材２２および第２の面材２３それぞれの端部２２ａ，２３ａで画成される空間はエアギャップＡＧとなっており、このエアギャップＡＧにてコイル３０と端面１１”の間の絶縁が補償される。

図３は、図２に対応する図であって、インシュレータの他の実施の形態を示した図である。このインシュレータ２０Ａは、図２で示すエアギャップＡＧに放熱性樹脂体４０が形成されたものであり、それ以外の構成は図２で示すインシュレータ２０と同様である。

放熱性樹脂体４０も上記で例示するような熱硬化性もしくは熱可塑性樹脂やさらにフィラーが含有された素材をエアギャップＡＧに充填等することで形成でき、放熱性樹脂体４０がエアギャップＡＧを閉塞することで、コイル３０からの熱を放熱性樹脂体４０を介してティース１１の端面１１”へ放熱することが可能となり（矢印Ｙ方向）、矢印Ｘ方向の放熱と相俟って、ステータにおける放熱性能は一層高められる。

図４は、図２に対応する図であって、インシュレータのさらに他の実施の形態を示した図である。このインシュレータ２０Ｂは、ティース１１の端面１１”の中央側へ湾曲している端部２２ａ’,２３ａ’それぞれの先端が、該端面１１”に当接するものである。

このように、第１、第２の面材２２，２３の端部２２ａ’,２３ａ’の先端がティース１１の端面１１”に当接することにより、たとえば別体に成形され、後工程でティース１１の外周に嵌め合いされたインシュレータ２０Ｂの位置決め、特にティース１１の長手方向のインシュレータの位置決めを規定することが可能となり、該長手方向にインシュレータが位置ずれするのを抑制できる。なお、このインシュレータ２０Ｂにおいても、ティース１１の端面１１”と端部２２ａ’,２３ａ’、コイル３０の間で画成された空間に放熱性樹脂体が形成されてもよい。

図５は、図１で示す分割コアが周方向に組み付けられてなるステータと、ロータとからなるモータを示した斜視図であり、インシュレータ周りのコイルの図示を省略したものである。

具体的には、分割コア１０，…が周方向に組み付けられてなるステータ１００と、該ステータ１００の内側に回転自在に配設され、円盤状の電磁鋼板が積層されてなるロータ２００と、から大略構成されている。このロータ２００には、その中央位置においてロータ軸２１０（駆動シャフトスロット）が開設されており、その周縁部には、所定数で該ロータ軸２１０に沿う方向に延びる磁石用スロットが開設されており、この磁石用スロットに永久磁石３００が挿入され、たとえば該スロットと永久磁石３００の間に固定用樹脂が充填されて永久磁石３００のスロット内固定が補償されている。

図示するＩＰＭモータ１００において、ステータコアのティース１１の両側にその端面１１”で縁切りされた第１の面材２２、第２の面材２３を有するインシュレータ２０が装着もしくは一体成形されていることにより、従来構造のインシュレータの特に隅角部やその近傍で温度応力に起因して生じ易かったクラックの発生は効果的に抑止される。加えて、このインシュレータ２０は放熱性能にも優れていることから、耐久性、放熱性に優れたＩＰＭモータ１００となる。

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、１０…分割コア、１１…ティース、１１’…ティースのスロットに対向する側面、１１”…ティースのスロットに対向しない端面、２０，２０Ａ，２０Ｂ…インシュレータ、２１…枠状部材、２２…第１の面材、２２ａ，２２ａ’…端部、２３…第２の面材、２３ａ，２３ａ’…端部、３０…コイル、４０…放熱性樹脂体、１００…ステータ、２００…ロータ、３００…永久磁石、ＡＧ…エアギャップ、Ｇ…隅角部

Claims (6)

1. 平面視が略環状もしくは略弧状のヨークと、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、隣接するティースとティースの間にスロットを具備するステータの該ティースの周りに形成されるインシュレータであって、
   前記インシュレータは、前記スロットを画成するティースの両側面に当接する第１の面材および第２の面材を少なくとも有し、
   前記第１、第２の面材の端部は、ロータと対向しないティースの端面よりも外側へ延びており、かつ、ティースの該端面の中央側へ湾曲している、インシュレータ。
2. ティースの前記端面の中央側へ湾曲している前記面材の前記端部の先端が、ティースの該端面に当接している、請求項１に記載のインシュレータ。
3. 前記インシュレータは、ティースの前記両側面に一体に成形されており、前記第１の面材および第２の面材が該両側面に密着している、請求項１または２に記載のインシュレータ。
4. ティースの前記端面の中央側へ湾曲している前記面材の前記端部と、ティースの該端面と、で画成される空間に放熱性樹脂体が形成されている、請求項１〜３のいずれかに記載のインシュレータ。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載のインシュレータをティース周りに具備してなるステータ。
6. 請求項５に記載のステータと、ロータと、を少なくとも具備する、モータ。

Images