JP2011125180A - ステータ - Google Patents

Abstract

【課題】分割コアのヨーク部に生じる圧縮応力に起因する鉄損を十分に低減させることが可能な構造を備えるステータを提供する。
【解決手段】固定リング２３を構成する材料にも電磁鋼板を用い、ヨーク部１２の半径方向厚さ（ａ）は、固定リング２３の半径方向厚さ（ｂ）よりも大きく設けている。これにより、従来の構造に比べて、固定リング２３には大きな引張り応力が加わる。また、分割コア１０のヨーク部１２には、固定リング２３からの締め付けによる圧縮応力と、隣接する分割コア１０のヨーク部１２同士の当接による圧縮応力とが加わるが、その圧縮応力の大きさは、従来の構造に比べて小さくすることができる。さらに、固定リング２３には、大きな引張り応力が加わるものの、大きな鉄損は生じないことから、固定リング２３を磁路として用いることが可能となる。
【選択図】図３

Description

この発明は、モータやジェネレータに用いられるステータに関する。

モータやジェネレータに用いられるステータの構造の一例として、分割されたコアを複数個有するステータが挙げられる。このような構成を有するステータを開示する文献として、特許文献１（特開２００９−１１８６３４号公報）が挙げられる。特許文献１には、分割コアに生じる鉄損を低減するために、分割コア同士の結合部に空隙を設け、結合部での圧縮応力を分散させる構造が開示されている。

図７に示すように、ステータは、複数の分割コア１１０と、この分割コア１１０の外周部が嵌め合わせられる固定リング１２３とを有する。分割コア１１０は、半径方向に沿って設けられるティース部１１１と、周方向に沿って設けられ固定リング１２３が当接するヨーク部１１２とを有している。通常、固定リング１２３は鉄で構成され、分割コア１１０は電磁鋼板で構成されている。

分割コア１１０のヨーク部１１２は、磁束を通過させる磁路を構成する領域であることから、固定リング１２３の半径方向の厚さ（ｂ）よりも、ヨーク部１１２の半径方向の厚さ（ａ）の方が大きくなるように設けられている。

図７中の矢印で示すように、上記構成を備える分割コア１１０に、固定リング１２３からの締め付けによる圧縮応力が加わった場合には、分割コア１１０のヨーク部１１２には、固定リング１２３からの締め付けによる圧縮応力と、隣接する分割コア１１０のヨーク部１１２同士の当接による圧縮応力とが加わる。

ここで、図８を参照して、分割コアに生じる鉄損と圧縮応力との関係について説明する。電磁鋼板の特性として、圧縮圧力が加わると鉄損が生じることが知られている。図８に示すように、電磁鋼板に圧縮圧力が加わっていない状態では、電磁鋼板は良好な磁束密度［Ｔ］が得られる（図８中ラインＡ）。しかし、電磁鋼板に圧縮圧力が加わると、磁束密度［Ｔ］が低下してしまう（図８中ラインＢ）。

したがって、分割コア１１０に鉄損が生じると、分割コア１１０におけるヨーク部１１２の占める割合が大きい程、鉄損による影響が大きくなり、当該ステータを備えるモータやジェネレータの回転効率を低下させる結果となる。ここで、上記特許文献１においては、分割コアの鉄損を低減するために、分割コア同士の結合部に空隙を設け、結合部での圧縮応力を分散させている。

しかし、空隙を設けた結合部での圧縮応力は低下させることができるものの、分割コアを嵌め合わせる固定リング１２３からの半径方向に加わるヨーク部１１２に生じる圧縮応力（半径方向）に対しては十分な対策が施されていないため、分割コア１１０に生じる鉄損が効果的に低減されているとは言えない。

特開２００９−１１８６３４号公報

この発明が解決しようとする課題は、分割コアのヨーク部に生じる圧縮応力に起因する鉄損が十分に低減されていない点にある。したがって、この発明の目的は、上記課題を解決するためになされたものであり、分割コアのヨーク部に生じる圧縮応力に起因する鉄損を十分に低減させることが可能な構造を備えるステータを提供することにある。

この発明に基づいたステータにおいては、環状に配置される複数の分割コアと、上記分割コアの外周部が嵌め合わせられる固定リングとを含み、上記分割コアは、半径方向に延びるように設けられるティース部と、周方向に沿って設けられるヨーク部とを有し、上記分割コアおよび上記固定リングは、電磁鋼板からなり、上記ヨーク部の半径方向厚さは、上記固定リングの半径方向厚さよりも小さく設けられる。

上記ステータの他の形態においては、上記分割コアには、半径方向に磁化容易軸を持つ方向性電磁鋼板が用いられ、上記固定リングには、周方向に磁化容易軸を持つ方向性電磁鋼板が用いられる。

上記ステータの他の形態においては、上記分割コアに用いる上記電磁鋼板の粒子の大きさが、上記固定リングに用いる上記電磁鋼板の粒子の大きさよりも小さい。

この発明に基づいたステータによれば、分割コアのヨーク部に生じる圧縮応力に起因する鉄損を十分に低減させることが可能な構造を備えるステータを提供することが可能になる。

実施の形態におけるステータを採用した回転電機を示す断面図である。 実施の形態におけるステータに採用した分割コアと固定リングとの斜視図である。 実施の形態におけるステータに採用した分割コアの部分拡大図である。 電磁鋼板における応力と鉄損との関係を示す図である。 実施の形態におけるステータに採用した分割コアの磁束が通過する磁路を示す図である。 実施の形態におけるステータに採用した分割コアに電磁鋼板を用いた場合の、磁化容易軸の方向を示す図である。 背景技術におけるステータに採用した分割コアの部分拡大図である。 電磁鋼板における応力が増加した場合の、磁化力と磁束密度との関係を示す図である。

本発明に基づいた実施の形態におけるステータについて、以下、図を参照しながら説明する。なお、以下に説明する実施の形態において、個数、量などに言及する場合、特に記載がある場合を除き、本発明の範囲は必ずしもその個数、量などに限定されない。また、同一の部品、相当部品に対しては、同一の参照番号を付し、重複する説明は繰り返さない場合がある。

図１は、本発明に基づいた実施の形態におけるステータ５０を採用した回転電機を示す断面図である。図中に示す回転電機は、ガソリンエンジンやディーゼルエンジン等の内燃機関と、充放電可能な２次電池（バッテリ）から電力供給されるモータとを動力源とするハイブリッド自動車に搭載されたモータである。回転電機とは、電力が供給されてモータとしての機能と、発電機（ジェネレータ）としての機能との少なくとも一方の機能を有するモータジェネレータを意味する。

図１を参照して、回転電機１００は、ロータ１１０と、ロータ１１０の外周上に配置された本発明に基づいた実施の形態におけるステータ５０とを備える。ロータ１１０は、中心線１０１に沿って延びるロータシャフト５８に設けられている。ロータシャフト５８は、ロータ１１０とともに中心線１０１を中心に回転する。

ロータ１１０は、ロータコア２０と、ロータコア２０に埋設された永久磁石３１とを有する。すなわち、回転電機１００は、ＩＰＭ（Interior Permanent Magnet）モータである。

ロータコア２０は、中心線１０１に沿った円筒形状を有する。ロータコア２０は、中心線１０１の軸方向に積層された複数の電磁鋼板２１から構成されている。なお、ロータコア２０は、電磁鋼板に限定されず、たとえば圧粉磁心から構成されても良い。

中心線１０１方向に位置するロータ１１０の軸方向端面には、エンドプレート２９が設けられている。ロータシャフト５８には軸方向に延びるオイル経路４１が設けられており、そのオイル経路４１から供給されたオイルをロータから放出するオイル排出孔４４がエンドプレート２９に設けられている。

ステータ５０は、ステータコア５５と、ステータコア５５に巻回されたコイル５１とを有する。ステータコア５５は、中心線１０１の軸方向に積層された複数の電磁鋼板５２から構成されている。

コイル５１は、３相ケーブル６０によって制御装置７０に電気的に接続されている。３相ケーブル６０は、Ｕ相ケーブル６１、Ｖ相ケーブル６２、およびＷ相ケーブル６３からなる。コイル５１は、Ｕ相コイル、Ｖ相コイルおよびＷ相コイルからなり、これらの３つのコイルの端子に、それぞれ、Ｕ相ケーブル６１、Ｖ相ケーブル６２およびＷ相ケーブル６３が接続されている。

制御装置７０には、ハイブリッド自動車に搭載されたＥＣＵ（Electrical Control Unit）８０から、回転電機１００が出力すべきトルク指令値が送られる。制御装置７０は、そのトルク指令値によって指定されたトルクを出力するためのモータ制御電流を生成し、そのモータ制御電流を、３相ケーブル６０を介してコイル５１に供給する。

図２は、この実施の形態におけるステータ５０に採用した分割コア１０と固定リング２３との斜視図である。図２を参照して、円周方向において互いに接触する複数の分割コア１０が複数集合してステータコア５５を構成している。分割コア１０が集められて固定リング２３に嵌め合わせられる。

固定リング２３の内周側に分割コア１０の外周部が嵌め合わせられる。この嵌め合わせの方式としては、圧入または焼き嵌めを用いることができる。圧入では、固定リング２３を特に加熱することなく、固定リング２３の内周側に分割コア１０を嵌め合わせる。

これに対して、焼き嵌めでは、固定リング２３を加熱して固定リング２３を膨張させ、その膨張した固定リング２３内に分割コア１０を嵌め合わせ。その後固定リング２３を自然冷却することで固定リング２３が収縮し、収縮した固定リング２３が分割コア１０に圧縮応力を加える。また、分割コア１０を構成する材料として、電磁鋼板を積層する。また、固定リング２３を構成する材料にも電磁鋼板を用いる。

分割コア１０の個数としては、図２で示したものに限定されず、さらに多い分割コア１０または少ない分割コア１０を用いてもよい。

分割コア１０は、半径方向に沿って設けられるティース部１１と、周方向に沿って設けられ固定リング２３が当接するヨーク部１２とを有している。ティース部１１にコイルが巻かれてこのコイルに電流が流される。

図３は、この実施の形態におけるステータ５０に採用した分割コア１０の部分拡大図である。本実施の形態においては、ヨーク部１２の半径方向厚さ（ａ）は、固定リング２３の半径方向厚さ（ｂ）よりも小さく設けられている。

ここで、図４を参照して、電磁鋼板における応力と鉄損との関係について説明する。電磁鋼板に圧縮応力が加わった場合には、鉄損［ｗ／ｋｇ］は増加するが、電磁鋼板に引張応力が加わった場合には、圧縮応力が加わるほど鉄損［ｗ／ｋｇ］は増加しないことが知られている。

そこで、本実施の形態においては、上記したように、固定リング２３を構成する材料にも電磁鋼板を用い、ヨーク部１２の半径方向厚さ（ａ）は、固定リング２３の半径方向厚さ（ｂ）よりも小さく設けている。

これにより、図５に示す従来の構造に比べて、固定リング２３には大きな引張り応力が加わる。また、分割コア１０のヨーク部１２には、固定リング２３からの締め付けによる圧縮応力と、隣接する分割コア１０のヨーク部１２同士の当接による圧縮応力とが加わるが、その圧縮応力の大きさは、図５に示す従来の構造に比べて小さくすることができる。

さらに、電磁鋼板を用いた固定リング２３には、大きな引張り応力が加わるものの、大きな鉄損は生じないことから、固定リング２３を磁路として用いることが可能となる。その結果、図５に示すように、ティース部１１の中央から一旦固定リング２３に抜け、再び、隣接するティース部１１の中央に戻る磁束Ｆを形成することが可能になる。

以上により、分割コア１０のヨーク部１２に生じる圧縮応力に起因する鉄損を十分に低減させながら、磁束Ｆを通過させることのできる磁路を固定リング２３を用いて確保している。その結果、十分な磁束がステータを通過することが可能となり、コストの上昇を招くことなく、回転電機の効率向上を図ることが可能になる。

なお、図６に示すように、分割コア１０には、半径方向（ｒ）に磁化容易軸を持つ方向性電磁鋼板を用い、固定リング２３には、周方向（θ）に磁化容易軸を持つ方向性電磁鋼板を用いることで、より効率的にステータ内に磁束を通過させることが可能になる。

また、分割コア１０に用いる電磁鋼板の粒子の大きさが、固定リング２３に用いる電磁鋼板の粒子の大きさよりも小さくすることが好ましい。これは、粒子の大きさが小さい方が、圧縮応力に対し鈍感となり、鉄損の影響を緩和させることが可能となるからである。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、今回開示された実施の形態は全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

１０ 分割コア、１１ ティース部、１２ ヨーク部、２０ ロータコア、２１，５２ 電磁鋼板、２３ 固定リング、２９ エンドプレート、３１ 永久磁石、４１ オイル経路、４４ オイル排出孔、５０ ステータ、５１ コイル、５５ ステータコア、５８ ロータシャフト、６０ ３相ケーブル、６１ Ｕ相ケーブル、６２ Ｖ相ケーブル、６３ Ｗ相ケーブル、７０ 制御装置、８０ ＥＣＵ（Electrical Control Unit）、１００ 回転電機、１０１ 中心線、１１０ ロータ、Ｆ 磁束。

Claims (3)

1. 環状に配置される複数の分割コアと、
   前記分割コアの外周部が嵌め合わせられる固定リングと、を含み、
   前記分割コアは、半径方向に延びるように設けられるティース部と、周方向に沿って設けられるヨーク部とを有し、
   前記分割コアおよび前記固定リングは、電磁鋼板からなり、
   前記ヨーク部の半径方向厚さは、前記固定リングの半径方向厚さよりも小さく設けられる、ステータ。
2. 前記分割コアには、半径方向に磁化容易軸を持つ方向性電磁鋼板が用いられ、
   前記固定リングには、周方向に磁化容易軸を持つ方向性電磁鋼板が用いられる、請求項１に記載のステータ。
3. 前記分割コアに用いる前記電磁鋼板の粒子の大きさが、前記固定リングに用いる前記電磁鋼板の粒子の大きさよりも小さい、請求項１に記載のステータ。

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