JP2013090365A - 回転電機用ステータ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】回転電機用ステータの製造方法において、ステータを含む回転電機の損失を低減するとともに、ステータコイルに対するワニス浸透性を向上させることである。
【解決手段】ステータの製造方法は、ステータコイル１４の径方向片側である内周面側にスペーサである拡張用リング２２を径方向に関して、ステータコア１２を構成する環状のヨーク部１６側に押し付けるリング押し付けステップと、ステータコイル１４の径方向片側に拡張用リング２２を押し付けた状態で、ステータコイル１４にワニスを含浸させる含浸ステップとを含む。
【選択図】図２

Description

本発明は、ヨーク部と複数のティースとを有するステータコアと、複数のティースに巻回されたステータコイルとを備える回転電機用ステータ及びその製造方法に関する。

従来から、エンジン及びモータを駆動源として走行するハイブリッド車両や、電気自動車や燃料電池車等において、回転電機がモータや発電機として使用されている。また、回転電機をモータ及び発電機の両方の機能を有するものとして使用される場合もある。また、回転電機は、ステータと、ステータに対向配置され、回転するロータとを備える。また、ステータでは、ステータコアの複数個所にステータコイルが巻回されている。

例えば、特許文献１には、導体を巻線装置でコイル状に曲げ加工してステータコイルを形成した後、ステータコイルをステータコアの内周面の複数個所に設けられたティースの周囲に内径側から嵌合させる、逆にいえばステータコイルにティースを挿入することで製造される回転電機用ステータが記載されている。ステータの製造後の状態で、ティースの周囲にステータコイルが巻回されている。

特開２００９−２８３５９１号公報

上記の特許文献１に記載されたステータでは、ステータコイルが、導体をコイル状に曲げ形成することで形成されている。このため、ステータの製造過程において、ステータコアのティースにステータコイルを嵌合させた後、ステータコイルをティースの奥側、すなわちステータコアの環状のヨーク部分に向けて（径方向外側に）押し込んだとしも、ステータコイルの自身のバネ力により復元する、すなわちステータコイルにスプリングバックが作用するので、コイル軸心方向の全長が広がりやすい。このため、ステータコアに対するステータコイルの位置が安定しない可能性がある。この場合、過度にコイル軸心方向の全長が大きくなると、ティースの先端とステータコイルのこの先端側部分との間に形成される段差高さが小さくなったり、段差がなくなる可能性がある。この場合、ステータコイルがロータに近づくため、ロータで磁力を発生させる場合にロータからの磁束がステータコイルを通過しやすくなり、コイル渦電流損が発生しやすくなる。このため、ステータを含む回転電機の損失が増大する可能性がある。

また、ステータコイルのコイル軸心方向の全長が大きくなると、ワニス含浸によりステータコイルを固定する際に、ステータコイルのそれぞれ１巻きである複数のターン部同士の間隔が大きくなりやすいため、ワニス浸透時の毛細管現象が作用しにくくなり、ワニス浸透性が低下する可能性がある。

本発明は、回転電機用ステータ及びその製造方法において、ステータを含む回転電機の損失を低減するとともに、ステータコイルに対するワニス浸透性を向上させることを目的とする。

本発明に係る回転電機用ステータの製造方法は、環状のヨーク部と、前記ヨーク部の径方向片側から突出する複数のティースとを有するステータコアと、前記複数のティースに巻回されたステータコイルとを備える回転電機用ステータの製造方法であって、前記ステータコイルの径方向片側にスペーサを径方向に関して前記ヨーク部側に押し付ける押し付けステップと、前記ステータコイルの径方向片側に前記スペーサを押し付けた状態で、前記ステータコイルにワニスを含浸させる含浸ステップとを含むことを特徴とする回転電機用ステータの製造方法である。なお、「径方向」とは特に断らない限り、ステータの径方向をいう（本明細書全体及び特許請求の範囲で同じである。）。また、「ティースに巻回」とはティースの全周に巻回される場合の他、ティースの周囲の周方向一部のみに配置される、いわゆる波巻きの場合も含む（本明細書全体及び特許請求の範囲で同じである。）

また、本発明に係る回転電機用ステータの製造方法において、好ましくは、前記複数のティースは、前記ヨーク部の内周面から突出しており、前記押し付けステップは、前記ステータコイルの内周側に前記スペーサを径方向に関して前記ヨーク部側に押し付ける。

また、本発明に係る回転電機用ステータの製造方法において、好ましくは、前記スペーサは、環状部材である。

また、本発明に係る回転電機用ステータの製造方法において、好ましくは、前記環状部材は、環状に形成された金属製の本体部の表面の少なくとも前記ステータコイルと接触する部分に離型剤がコーティングされることにより形成されている。

本発明に係る回転電機用ステータは、環状のヨーク部と、前記ヨーク部の径方向片側から突出する複数のティースとを有するステータコアと、前記複数のティースに巻回されたステータコイルとを備える回転電機用ステータであって、前記ステータコイルの径方向片側に当接し、径方向に関して前記ヨーク部側に前記ステータコイルを押し付けているスペーサを備え、前記ステータコイルの径方向片側に前記スペーサが押し付けられた状態で、前記ステータコイルにワニスが含浸されていることを特徴とする回転電機用ステータ。

また、本発明に係る回転電機用ステータにおいて、好ましくは、前記複数のティースは、前記ヨーク部の内周面から突出しており、前記スペーサは、前記ステータコイルの内周面に径方向に関して前記ヨーク部側に押し付けられている。

また、本発明に係る回転電機用ステータにおいて、好ましくは、前記スペーサは、環状部材である。

本発明の回転電機用ステータ及び本発明の回転電機用ステータの製造方法により得られる回転電機用ステータによれば、製造時にスペーサによりステータコイルを径方向に関してヨーク部側に押し付け、この状態で、ステータコイルにワニスを含浸している。このため、ステータの完成品で、ステータコイルをロータから径方向に遠ざけることができ、ステータを含む回転電機の損失を低減できる。さらに、ステータコイルの複数のターン部同士の間隔を小さくして、ワニス含浸時のステータコイルに対するワニス浸透性を向上させることができる。

本発明の実施形態の回転電機用ステータの製造方法を示すフローチャートである。 本発明の実施形態の回転電機用ステータの製造方法でのリング押し付けステップにおいて、ステータと拡張用リングとを示す概略半部断面図である。 図２のステータ及び拡張用リングの軸方向片側から他側に見た図に対応する図であって、一部を断面にして示す図である。 図３からスペーサである拡張用リングを取り出して示す斜視図である。 図３のＡ−Ａ概略断面図である。 比較例の回転電機用ステータの製造方法でワニス含浸時に用いるステータを示す、図３に対応する図である。 図６のＢ−Ｂ概略断面図である。 （ａ）は比較例の図６のＤ部拡大断面図であり、（ｂ）は実施形態の図３のＣ部拡大断面図である。 スペーサの別例である押圧部材を示す斜視図である。

以下において、図面を用いて本発明に係る実施の形態につき詳細に説明する。図１から図５は、本発明の実施形態の１例を示している。図１は、本実施形態の回転電機用ステータの製造方法を示すフローチャートである。また、図２、図３、図５は、本実施形態の回転電機用ステータの製造方法の途中工程での回転電機用ステータである、ステータ１０を示す図である。まず、図２、図３、図５を参照して、本実施形態の製造方法で得られるステータ１０を説明する。モータや発電機として使用される回転電機を構成するステータ１０は、略筒状の磁性材製のステータコア１２と、ステータコア１２の複数個所に巻回されたステータコイル１４とを備える。すなわち、ステータコア１２は、環状のヨーク部１６と、ヨーク部１６の径方向片側である、内周面の周方向複数個所から径方向に突出する複数のティース１８とを有する。

また、ステータコア１２は、ヨーク部１６の内周面の隣り合うティース１８間に配置された複数のスロット２０（図３、５）を有する。複数のステータコイル１４は、例えばＵ相、Ｖ相、Ｗ相の３相のステータコイルであり、複数のティース１８に集中巻きまたは分布巻きまたは波巻きで巻回されている。この状態で、各スロット２０にステータコイル１４の一部が配置される。なお、図３では、説明の便宜上、斜格子部によりステータコイル１４を設けたステータ１０の軸方向端部を簡略化して示している。また、ティース１８とステータコイル１４との間には、絶縁紙等の絶縁材を設けることもできる。また、ステータコア１２は、周方向複数個所で分割された複数の分割コアを周方向に連結して形成されるものでもよい。以下、図２、図３、図５に示す要素と同一または対応する要素には同一の符号を付して説明する。

図１に示すように、本実施形態のステータ１０の製造方法は、まず、ステータコイル１４の内側にティース１８を挿入する、逆にいえばティース１８の周囲にステータコイル１４を嵌合させる「コイル内ティース挿入ステップ」（Ｓ１０）と、ステータコイル１４の径方向内側にスペーサであり、環状部材である拡張用リング２２（図２〜５）を押し付ける「リング押し付けステップ」（Ｓ１２）と、ステータコイル１４にワニスを含浸させる「含浸ステップ」（Ｓ１４）とを含む。

「コイル内ティース挿入ステップ」（Ｓ１０）では、断面丸形の丸線または断面矩形の平角線等の導体線を、集中巻きまたは分布巻きまたは波巻きで巻き形成された複数のステータコイル１４に、複数のティース１８を順次に、または同時に挿入する。例えば、ステータコア１２が複数の分割コアにより形成される場合、複数の分割コアのティース１８を、対応するステータコイル１４の内側に順次に挿入する。そして複数の分割コアを環状に配置した状態で外周側に嵌合リングを嵌合させ、締め付けることで複数の分割コアを環状に連結する。この状態で、図２に示すように、ステータコイル１４において、ステータコア１２の軸方向（図２の左右方向）両端よりも軸方向外側に配置される部分により、ステータ１０の軸方向両側に設けられる一対のコイルエンド２４が形成される。例えば、３相に対応する導体線を、複数のスロット２０に挿入されるスロット挿入部と、隣り合うスロット挿入部の一端部同士または他端部同士を連結する連結部とを有する波形形状に形成し、各導体線を１つずつ、または２つずつずれたスロット２０に挿入するように波巻きで複数のティース１８に巻き形成することもできる。この場合、同相の導体線同士を隣り合うスロット２０に配置するように巻き形成し、同相の各導体線同士を直列または並列に接続することもできる。

次いで、図１の「リング押し付けステップ」（Ｓ１２）では、複数のステータコイル１４の両側のコイルエンド２４部分の径方向片側である内周側に、図４に１つを示すスペーサである一対の拡張用リング２２の外周面を、それぞれ径方向に関してヨーク部１６側である外側（図２の矢印α方向）に押し付ける。

各拡張用リング２２は、互いに同じ形状及び同じ寸法を有し、鉄等の金属等により円環状に形成されている。また、各拡張用リング２２は、円環状に形成された金属等により造られた本体部の表面において、ステータコイル１４と接触する外周面を含む部分、例えば表面全体に離形剤がコーティングされることにより形成されている。離形剤は、後のステップでステータコイル１４にワニスが含浸される場合でも、このワニスに対する離形性を高くする機能を有する。この「リング押し付けステップ」により、各ステータコイル１４は、自由状態から自身のバネ力に抗して径方向外側、すなわち、ヨーク部１６側に押し付けられ、コイル軸心方向の全長が縮んだ状態となる。

次いで、図１の「含浸ステップ」（Ｓ１４）では、複数のステータコイル１４にワニスを含浸させ、隣り合うステータコイル１４同士の間や、同じステータコイル１４のターン部同士の間にワニスを介在させ、絶縁性を確保するとともに、複数のステータコイル１４をステータコア１２にワニスにより固定する。

次いで、図示しない「リング取り外しステップ」で、複数のステータコイル１４のコイルエンド２４部分の径方向内側に取り付けられた一対の拡張用リング２２を、複数のステータコイル１４の内側から外側に取り外してステータ１０の完成品とする。このようなステータ１０は、ハウジング等、図示しない固定の部材に固定し、ステータ１０の径方向内側に、図示しない回転するロータを対向配置することで、いわゆるインナーロータ型の回転電機（図示せず）を構成することができる。

このような本実施形態のステータの製造方法により得られるステータ１０によれば、製造時に拡張用リング２２によりステータコイル１４を径方向に関してヨーク部１６側に押し付け、この状態で、ステータコイル１４にワニスを含浸している。このため、ステータ１０の完成品で、ステータコイル１４をロータから径方向に遠ざけることができ、図示しないロータで永久磁石やロータコイル等により磁力を発生させる場合でも、ロータからの磁束がステータコイル１４に鎖交しにくくなり、ステータコイル１４での渦電流損の発生を低減できる。したがって、ステータ１０を含む回転電機の損失を低減できる。さらに、拡張用リング２２によりステータコイル１４の自身のバネ力に抗して、ステータコイル１４のコイル軸心方向の全長を短くできるので、ステータコイル１４の複数のターン部同士の間隔を小さくできて、ワニス含浸時の毛細管現象により、ステータコイル１４に対するワニス浸透性を向上させることができる。

また、ステータコイル１４をヨーク部１６側に押し付けるスペーサが、環状部材である拡張用リング２２であるので、複数のステータコイル１４を押圧する機能を１つの部材である拡張用リング２２に持たせることができ、部品点数及びコストを削減できる。また、環状部材である拡張用リング２２は、環状に形成された金属製の本体部の表面の少なくともステータコイル１４と接触する部分に離型剤がコーティングされることにより形成されている。このため、ステータコイル１４へのワニス含浸後でも、ステータコイル１４の内側から拡張用リング２２を外側に容易に取り外すことができる。

これに対して、図６、図７は、本発明と異なる比較例を示している。図６は、比較例の回転電機用ステータの製造方法でワニス含浸時に用いるステータ１０を示す、図３に対応する図である。図７は、図６のＢ−Ｂ概略断面図である。また、図８は、（ａ）が比較例の図６のＤ部拡大断面図であり、（ｂ）が実施形態の図３のＣ部拡大断面図である。

すなわち、比較例の製造方法では、図６、図７に示すように、ステータコイル１４へのワニス含浸時でも、ステータコイル１４の両側のコイルエンド２４部分の内周側には、拡張用リング２２（図２〜５参照）を押し付けていない。すなわち、ワニスをステータコイル１４に含浸させる「含浸ステップ」の前には「リング押し付けステップ」（図１参照）を行わない。その他の構成は、上記の図１〜５に示した実施形態と同様である。

このような比較例では、図８（ａ）に示すように、ワニス含浸の際に、ティース１８の周囲にステータコイル１４が巻回され、ステータコイル１４の一部が隣り合うティース１８の間に形成されるスロット２０に配置されている。ただし、比較例では、本実施形態と異なり、拡張用リング２２（図２等参照）でステータコイル１４をヨーク部１６側に押し付ける「リング押し付けステップ」を行わない。このため、ステータコイル１４のバネ力であるスプリングバックにより隣り合うターン部２６同士の間隔が広がって、コイル軸心方向（図８の上下方向）の全長Ｌ１が大きくなる。このため、ティース１８先端とステータコイル１４との間に形成される段差高さＤ１が小さくなり、ステータコイル１４が図示しないロータ側（図８の上側）に近づくので、コイル渦電流損が増大する要因となる。また、ターン部２６同士の間隔が広がることでワニス含浸の際の毛細管作用を有効に働かせることができず、ワニス浸透性が低下する要因となる。

これに対して、上記の図１〜５に示した実施形態では、「ワニス含浸ステップ」の前に、拡張用リング２２（図２等）でステータコイル１４をヨーク部１６側に押し付ける「リング押し付けステップ」を行う。このため、図８（ｂ）に示すように、ステータコイル１４のバネ力に抗して、拡張用リング２２でステータコイル１４がヨーク部１６側（図８の下側）に押し付けられ、隣り合うターン部２６同士の間隔を小さくでき、ステータコイル１４の軸心方向の全長Ｌ２を比較例の場合の全長Ｌ１よりも小さくできる。このため、ティース１８先端とステータコイル１４との間に形成される段差高さＤ２が、比較例の場合の高さＤ１よりも大きくなる。したがって、ステータコイル１４を図示しないロータから遠ざけることができ、コイル渦電流損を低減できる。また、ターン部２６同士の間隔を小さくできるので、ワニス含浸の際の毛細管作用を有効に発揮させることができ、ワニス浸透性を向上できる。

なお、上記では、ワニス含浸後に複数のステータコイル１４の径方向内側から拡張用リング２２を取り外す場合を説明した。これに対して、ワニス含浸後、すなわちステータ１０の完成品状態で、拡張用リング２２が複数のステータコイル１４の径方向内側に取り付けられたままの状態とすることもできる。この場合、各拡張用リング２２を例えば樹脂等の絶縁材料製とする。樹脂により各拡張用リング２２を造る場合、複数のステータコイル１４の径方向内側に各拡張用リング２２が取り付けられた状態で、ステータコイル１４にワニスが含浸されるので、ステータコイル１４に拡張用リング２２がワニスにより接着されて一体のまま保持される。このため、ステータ１０の完成品でも、複数のステータコイル１４と拡張用リング２２とが一体に接合された状態となる。この場合でも、各拡張用リング２２が樹脂等の絶縁材料により造られていれば、ステータ１０を含む回転電機の損失が増大することがない。また、各拡張用リング２２の表面に離型剤をコーティングする必要がない。

すなわち、回転電機用ステータの製造方法の別例では、上記の図１を用いて説明した実施形態において、Ｓ１４の「含浸ステップ」の後に行っていた「リング取り外しステップ」を行わない。このような別例の製造方法により製造される別例のステータは、上記の図２〜５を用いて説明したステータ１０と同様に、ヨーク部１６と複数のティース１８とを有するステータコア１２と、複数のティース１８に巻回されたステータコイル１４とを備える。複数のティース１８は、ヨーク部１６の内周面の周方向複数個所から突出している。

特に、別例のステータ１０は、ステータコイル１４の径方向片側である内周面に当接し、径方向に関してヨーク部１６側である外側にステータコイル１４を押し付けているスペーサであり、環状部材である拡張用リング２２（図２〜５参照）を備える。また、別例のステータ１０には、ステータコイル１４の径方向片側である内周面側に拡張用リング２２が押し付けられた状態で、ステータコイル１４にワニスが含浸されている。

このような別例の製造方法により得られる別例のステータの場合も、製造時に拡張用リング２２によりステータコイル１４を径方向に関してヨーク部１６側に押し付け、この状態で、ステータコイル１４にワニスを含浸している。このため、ステータ１０の完成品で、ステータコイル１４をロータから径方向に遠ざけることができ、ステータ１０を含む回転電機の損失を低減できる。また、ステータコイル１４の複数のターン部同士の間隔を小さくして、ステータコイル１４に対するワニス浸透性を向上させることができる。

なお、上記の説明では、ステータが、ステータの径方向内側に、回転するロータを対向配置することでインナーロータ型の回転電機を構成する場合を説明した。ただし、ステータは、ステータの径方向外側に、回転するロータを対向配置することで、いわゆるアウターロータ型の回転電機を構成することもできる。この場合、ステータコアは、環状のヨーク部の径方向片側である外周面から突出する複数のティースを有する。また、複数のティースにステータコイルが巻回される。この様なステータの製造方法でも、本発明を適用することにより、上記の各実施形態と同様の効果を得られる。すなわち、本発明を適用しない場合には、ステータコアの外周面側からステータコイルのバネ力により、ステータコイルが外側に飛び出す傾向となり、ステータの外側に配置されたロータに近づくのでコイル渦電流損が増大したり、ワニス浸透性が低下する可能性がある。これに対して、本発明を適用するステータの製造方法では、ステータコイルの例えばコイルエンド部分等の径方向片側である外周面側にスペーサであり、環状部材である円環状の縮小用リングを、径方向に関してヨーク部側、すなわち内側に押し付ける「リング押し付けステップ」と、ステータコイルの外周面側に縮小用リングを押し付けた状態で、ステータコイルにワニスを含浸させる「含浸ステップ」とを有する構成を採用できる。このような構成でも、ステータを含む回転電機の損失を低減するとともに、ステータコイルに対するワニス浸透性を向上させることができる。

また、上記の説明では、スペーサが環状部材である拡張用リング２２または縮小用リングである場合を説明した。ただし、スペーサは、環状部材以外により構成することもできる。例えば、上記の図２等を参照するように、ステータコイル１４へのワニス含浸の際にステータコイル１４の内周面側に、図９に示すような、スペーサである複数の押圧部材２８を押し付けることもできる。各押圧部材２８は、例えば、ステータコイル１４の内側の径方向反対側２個所位置を押圧する一対の円弧部３０と、一対の円弧部３０の軸方向一端同士を連結する連結部３２とを有する構成とする。そして、複数の押圧部材２８を周方向の位相をずらして配置し、各押圧部材２８により複数のステータコイル１４の内周面をヨーク部１６（図２等）側に押し付ける。例えば、各押圧部材２８同士で連結部３２の軸方向（図９の左右方向）高さを異ならせることができる。

１０ ステータ、１２ ステータコア、１４ ステータコイル、１６ ヨーク部、１８ ティース、２０ スロット、２２ 拡張用リング、２４ コイルエンド、２６ ターン部、２８ 押圧部材、３０ 円弧部、３２ 連結部。

Claims (7)

1. 環状のヨーク部と、前記ヨーク部の径方向片側から突出する複数のティースとを有するステータコアと、前記複数のティースに巻回されたステータコイルとを備える回転電機用ステータの製造方法であって、
   前記ステータコイルの径方向片側にスペーサを径方向に関して前記ヨーク部側に押し付ける押し付けステップと、
   前記ステータコイルの径方向片側に前記スペーサを押し付けた状態で、前記ステータコイルにワニスを含浸させる含浸ステップとを含むことを特徴とする回転電機用ステータの製造方法。
2. 請求項１に記載の回転電機用ステータの製造方法において、
   前記複数のティースは、前記ヨーク部の内周面から突出しており、
   前記押し付けステップは、前記ステータコイルの内周側に前記スペーサを径方向に関して前記ヨーク部側に押し付けることを特徴とする回転電機用ステータの製造方法。
3. 請求項１または請求項２に記載の回転電機用ステータの製造方法において、
   前記スペーサは、環状部材であることを特徴とする回転電機用ステータの製造方法。
4. 請求項３に記載の回転電機用ステータの製造方法において、
   前記環状部材は、環状に形成された金属製の本体部の表面の少なくとも前記ステータコイルと接触する部分に離型剤がコーティングされることにより形成されていることを特徴とする回転電機用ステータの製造方法。
5. 環状のヨーク部と、前記ヨーク部の径方向片側から突出する複数のティースとを有するステータコアと、前記複数のティースに巻回されたステータコイルとを備える回転電機用ステータであって、
   前記ステータコイルの径方向片側に当接し、径方向に関して前記ヨーク部側に前記ステータコイルを押し付けているスペーサを備え、
   前記ステータコイルの径方向片側に前記スペーサが押し付けられた状態で、前記ステータコイルにワニスが含浸されていることを特徴とする回転電機用ステータ。
6. 請求項５に記載の回転電機用ステータにおいて、
   前記複数のティースは、前記ヨーク部の内周面から突出しており、
   前記スペーサは、前記ステータコイルの内周面に径方向に関して前記ヨーク部側に押し付けられていることを特徴とする回転電機用ステータ。
7. 請求項５または請求項６に記載の回転電機用ステータにおいて、
   前記スペーサは、環状部材であることを特徴とする回転電機用ステータ。

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