JP2013138589A - 回転電機用ステータコア、および、回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】ヒンジ部を介して帯状に連なった複数のコア要素をヒンジ部で曲げて環状のコア素材としたものを積層して構成される回転電機用ステータコアにおいて、ステータコアのヒンジ部積層領域での軸寸法の増大を抑制する。
【解決手段】回転電機用ステータコアは、磁性金属板からなる環状のコア素材４０を軸方向に積層して構成される。コア素材４０は、分断箇所５８以外ではヨーク２０に設けられたヒンジ部５０で互いにつながって形成されている複数の略円弧状のコア要素４８を含む。周方向に隣り合うコア要素４８の端部にそれぞれ形成されたティース構成部分２２ａ，２２ｂ同士がヒンジ部５０で曲げられて突き当てられることにより１つのティース２２を構成するとともにティース構成部分２２ａ，２２ｂの突き当て面に形成された相互に引っ掛かる形状の凸部５２および凹部５４を嵌合させることにより連結される。
【選択図】図３

Description

本発明は、複数の磁性金属板を積層して構成される回転電機用ステータコアと、これを備えた回転電機に関する。

従来、電磁鋼板を打ち抜き加工したものを軸方向に多数積層して構成される回転電機用ステータコアが知られている。

例えば、特開２００６−３５２９９１号公報（特許文献１）には、ステータコアを周方向に極単位で分割した１分割分の平面形状をもつ単位ヨーク片を帯状に連ねたコア素材を積層して展開コアを形成し、それを筒状に塑性変形させて両端部を結合した構成の回転電機用ステータコアにおいて、展開コアの結合部となる一方の端面には周方向に突出する凸部を、他方の端面には当該凸部と嵌合する凹部を設け、両者を嵌合させて結合させると共に凸部と凹部の首部分に抜け防止のくびれ部を設けたものが開示されている。この特許文献１には、積層されるコア素材における単位ヨーク片は、隣り合う部分に設けられた切り欠きで残された繋ぎ部により相互に繋がって形成されることが記載されている。

また、周方向に関して複数に分割された分割コアを環状に配列して筒状部材等で締結することにより、筒状のステータコアを構成することが特許文献２ないし５に記載されている。

特開２００６−３５２９９１号公報 特開２０１１−１３５６３４号公報 特開２０１１−４５１７９号公報 特開２００９−５０１２３号公報 特開２０１０−１７８４２６号公報

上記特許文献１の回転電機用ステータコアでは、繋ぎ部で相互に繋がっている単位ヨーク片を周方向に曲げて環状のコア素材に形成するとき、くびれ部を設けた凸部とこれに対応する形状の凹部とを嵌合させるには板厚方向に若干ねじって凸部と凹部とを板厚方向にずらして上で相互に嵌合させる必要がある。その場合、繋ぎ部と凸部および凹部とが共にヨークに接近して形成されているために、繋ぎ部におけるねじり量が大きくなる傾向にある。そのため、塑性変形した繋ぎ部の板厚偏差が大きくなり、多数枚のコア素材を積層してステータコアを構成したときに繋ぎ部の周方向位置が軸方向に沿って揃うことによりその部分でのステータコアの軸方向長さが他の部分よりも増大するという課題がある。

本発明の目的は、ヒンジ部を介して帯状に連なった複数のコア要素をヒンジ部で曲げて環状のコア素材としたものを積層して構成される回転電機用ステータコアにおいて、各コア素材のヒンジ部が軸方向に揃ってもステータコアのヒンジ部積層領域での軸寸法の増大を抑制することである。

本発明の１つの態様は、磁性金属板からなる複数の環状コア素材を積層および連結して構成され、環状のヨークと該ヨークから径方向に突出する複数のティースとを有する回転電機用ステータコアであって、前記コア素材は、周方向の少なくとも１箇所で分断される一方で前記分断箇所以外では前記ヨークに設けられたヒンジ部で互いにつながって形成されている複数の略円弧状のコア要素を含み、周方向に隣り合う前記コア要素の端部にそれぞれ形成されたティース構成部分同士が前記ヒンジ部で曲げられて突き当てられることにより１つのティースを構成するとともに前記ティース構成部分の突き当て面に形成された相互に引っ掛かる形状の凸部および凸部を嵌合させることにより連結されるものである。

本発明に係る回転電機用ステータコアにおいて、前記磁性鋼板の分断箇所にも前記凹凸嵌合部が設けられているのが好ましい。

また、本発明に係る回転電機用ステータコアにおいて、前記環状の磁性金属板は、前記分断箇所の周方向位置が軸方向に重ならないように積層されているのが好ましい。

本発明の別の態様である回転電機は、上記いずれかの構成のステータコアと、前記ステータコアに巻装されるコイルと、前記ステータコアに対向配置されるロータとを備える。

本発明に係る回転電機用ステータコア、およびこれを備えた回転電機によれば、コア要素同士をつなぐヒンジ部をヨークに設けるとともにコア要素の端部に形成したティース構成部分に引っ掛かり形状の凹凸嵌合部を設けたことにより、この凹凸嵌合部を連結するときにヒンジ部の板厚方向のひねり量を小さくすることができ、各コア要素が環状に連結されたときのヒンジ部の板厚偏差を抑えられる。したがって、多数枚の環状コア素材を積層して構成されるステータコアにおいて、各コア素材のヒンジ部が軸方向に揃う位置での寸法増大を抑制することができ、回転電機の軸方向寸法を小型化できる。

本発明の一実施形態であるステータコアを備えた回転電機の軸方向断面図である。 ステータコアの斜視図である。 ステータコアを構成する１枚のコア素材の一部を展開状態で示す平面図である。 コア素材に含まれるコア要素同士をつなぐヒンジ部をコア素材が展開された状態で示す拡大図平面図である。 コア素材に含まれるコア要素同士をつなぐヒンジ部をコア素材が環状に成形された後の状態で示す拡大図平面図である。

以下に、本発明に係る実施の形態について添付図面を参照しながら詳細に説明する。この説明において、具体的な形状、材料、数値、方向等は、本発明の理解を容易にするための例示であって、用途、目的、仕様等にあわせて適宜変更することができる。また、以下において複数の実施形態や変形例などが含まれる場合、それらの特徴部分を適宜に組み合わせて用いることは当初から想定されている。

図１は、本発明の一実施形態であるステータコア１２を備える回転電機１０の軸方向断面図であり、図２は回転電機１０のステータコア１２の斜視図である。回転電機１０は、ステータコア１２およびコイル１４を含むステータ１６と、ステータ１６の内周側にギャップを隔てて対向配置されたロータ１８とを備える。これにより、ステータ１６のコイル１４に例えば三相交流電流が通電されると、ロータ１８を回転駆動させる回転磁界がステータ１６の内側に発生するようになっている。なお、図１においてコイル１４は、ステータコア１２の軸方向端面から外側に突出したコイルエンド部だけが示されている。

ステータ１６は、ステータコア１２とステータコア１２の内周側に巻装されたコイル１４を含む。ステータコア１２は、電磁鋼板等の磁性金属板を環状に打ち抜き加工したものを多数枚積層および連結して構成される。ステータコア１２の構成については後に詳述する。

ロータ１８は、径方向中心部にシャフト穴２４を有する円柱状または円筒状のロータコア２６と、ロータコア２６のシャフト穴２４を貫通して固定されるシャフト２８と、矢印Ｘで示すシャフト２８（およびロータコア２６）の軸方向に関してロータコア２６の両側に接して配置されるエンドプレート３０と、ロータコア２６およびエンドプレート３０をシャフト２８上に固定する固定部材３２とを備える。

ロータコア２６は、例えば珪素鋼板等の電磁鋼板を打ち抜き加工してそれぞれ形成された多数のコア素材（磁性金属板）４０を軸方向に積層して構成されている。ロータコア２６を構成する各コア素材４０は、かしめ、溶接、接着等の方法によって一体に連結されている。ロータコア２６を構成する各コア素材は、表面に形成された絶縁皮膜によって互いに電気的に絶縁されている。

ロータコア２６には複数の磁極（図示せず）が周方向に均等な間隔で設けられている。各磁極には永久磁石３４が埋設されている。また、ロータコア２６は、締り嵌めによる固定またはキー嵌合によってシャフト２８上での周方向位置が決められている。

なお、上記ではロータ１８が永久磁石埋込み型のロータであるものとして説明したが、これに限定されるものではなく、永久磁石を含まないロータ（例えばリラクタンスモータのロータまたは電磁コイルが巻装されたロータ等）であってもよい。

ロータ１８のシャフト２８は、例えば丸棒鋼材から形成されており、その外周には径方向外側へ突出するフランジ部２９が形成されている。このフランジ部２９は、ロータ１８が組み立てられる際にエンドプレート３０に当接してシャフト２８でのロータコア２６の軸方向位置を決める当り部として機能する。

エンドプレート３０は、ロータコア２６の軸方向端面とほぼ同じ外形状の円板によって構成される。エンドプレート３０は、例えばアルミニウム、銅等の非磁性金属材料により好適に形成されている。ここで非磁性金属材料とするのは、磁極を構成する永久磁石の軸方向端部における磁束の短絡を抑制するためである。ただし、非磁性材料であれば金属材料に限定されるものではなく、樹脂材料で形成されてもよい。また、エンドプレート３０をロータコア２６よりも小径化するか又は省略することにより、コスト低減を図ってもよい。

固定部材３２は、シャフト２８に固定される筒状の固定部３６と、固定部３６の一方端部から径方向外側へ突出する円環状の押え部３８とを含む。固定部材３２は、押え部３８によってロータコア２６および２枚のエンドプレート３０を上記フランジ部２９に向かって押圧した状態で、固定部３６がシャフト２８に対して例えばかしめ、溶接、ねじ留め等の方法によって固定されることにより、シャフト２８上に固定される。これにより、ロータコア２６がエンドプレート３０と共にシャフト２８に固定されることになる。

図２に示すように、ステータコア１２は、多数枚の環状のコア素材４０を軸方向に積層してかしめ等により一体に連結されて構成されている。図２では、理解および視認を容易にするために、上方すなわち軸方向一端側に位置する２枚のコア素材４０が分離された状態で示されている。

ステータコア１２は、径方向外側に位置して円筒状に連なるヨーク２０と、ヨーク２０の内周面から径方向内側へ突出すると共に周方向に間隔を空けて設けられた複数のティース２２とを有する。そして、周方向に隣り合うティース２２間には、スロット２３が軸方向にわたって延伸して形成されている。

ヨーク２０の外周面には、複数のボルト挿通部４２が膨出して形成されている。ボルト挿通部４２には、軸方向（図２中の上下方向）に貫通するボルト挿通孔４４が形成されている。このボルト挿通孔４４に挿通されるボルト（図示せず）によって、ステータコア１２（すなわちステータ１６）が回転電機１０を収容するケーシング等に固定されるようになっている。

なお、ステータコア１２の内周側に配置されるコイル１４は、各ティース２２にそれぞれ巻回される集中巻きによって巻装されてもよいし、又は、複数のティース２２に跨って巻回される分布巻きによって巻装されてもよい。

図３は、ステータコア１２を構成する１枚のコア素材４０の一部を展開状態で示す平面図である。図４Ａは、コア素材４０に含まれるコア要素同士をつなぐヒンジ部をコア素材４０が展開された状態で示す拡大図平面図である。図４Ｂは、コア素材４０に含まれるコア要素同士をつなぐヒンジ部をコア素材４０が環状に成形された後の状態で示す拡大図平面図である。図４Ａ，４Ｂにおいては、後述するかしめ部の図示が省略されている。

図２，３に示すように、コア素材４０は、複数のコア要素４８がヒンジ部５０によってつながって帯状に連続するように形成されている。本実施形態では、５つのヒンジ部５０によって繋がった６つのコア要素４８によって１つのコア素材４０が構成される例が示されている。ここで図２，３において、隣り合うコア要素４８の識別を容易にするために、１つ置きのコア要素４８にハッチングを付している。

円環状をなすコア素材４０は、周方向の１箇所において分断されている。以後、この分断されたコア素材４０の端部を分断端部５８という。コア素材４０が展開状態で示される図３においては、一方側の分断端部５８だけが示されている。

コア素材４０は、図３に示すように、各コア素材４８同士がヒンジ部５０で繋がった帯状の部材として基材となる電磁鋼板ウェブから打ち抜き加工されて形成される。このようにコア素材４０を形成することで、円環状のコア素材を打ち抜き加工する場合に比べて材料の歩留まりが向上し、製造コストを低減することができる。

コア素材４０を構成する各コア要素４８は、それぞれ、略円弧状をなしている。本実施形態では各コア要素４８が円周を６等分した周方向長さを有するように形成されている。また、本実施形態では、各コア要素４８は、円弧状のヨーク２０と、ヨーク２０の内周側縁部から突出する４つのティースと、コア要素４８の両端においてヨーク２０から突出するティース構成部分２２ａ，２２ｂとを有する。さらに、本実施形態のコア要素４８では、１つの置きのコア要素４８の外周側縁部にボルト挿通部４２が膨出形成されている。

また、コア素材４０（すなわちコア要素４８）のヨーク２０には、スロット２３に対応する位置にかしめ部２１がそれぞれ形成されている。かしめ部２１は、コア素材４０の一方面に凹むとともに他方面に突出した形状にプレス成形されている。これらのかしめ部２１が各コア素材４０間で嵌合されることにより、コア素材４０同士が連結されてステータコア１２が一体に構成される。

なお、上記においては１つのコア素材４０を構成するコア要素４８の数は、上記のような６つに限定されるものではなく、２つ以上の適宜な数に設定することができる。また、各コア要素に含まれるティースの数も、コア素材の周方向の分割数等に応じて適宜に変更され得るものである。

図３，４Ａに示すように、ヒンジ部５０を介して隣り合う２つのコア要素４８間には、Ｖ字状の切込み５１が形成されている。ヒンジ部５０は、切込み５１が形成されることによってヨーク２０の外周側縁部に残された細幅の部分である。切込み５１のヒンジ部５０に対向する頂角部の角度θは、周方向に６分割されたコア要素４８を含む本実施形態では６０°に設定されている。これにより、ヒンジ部５０で曲げてコア素材４０を円環状に成形したとき、隣り合うコア要素４８の端部に位置するティース構成部分２２ａ，２２ｂ同士が密着した状態に突き当てられるようにされている。

図３中におけるＡ部の拡大平面図である図４Ａに示すように、コア要素４８の一方側端部に形成されたティース構成部分２２ａの突き当て面（すなわち切込み５１に対向する側面）５６ａには、凸部５２が形成されている。凸部５２は、根元部が細くなったくびれ部を有するとともに例えば略台形状に幅広となった先端部を有する。

一方、コア要素４８の他方側端部に形成されたティース構成部分２２ｂの突き当て面（すなわち切込み５１に対向する側面）５６ｂには、上記凸部５２が略ぴったりと嵌合可能な凹部５４が形成されている。具体的には、凹部５４は、突き当て面５６ｂに開口する部分が狭くて奥側で略台形状に広がった切欠き部として形成されている。

このようにヒンジ部５０を介して隣り合うティース構成部分２２ａ，２２ｂの対向する突き当て面５６ａ，５６ｂに周方向への抜けが防止される引っ掛かり形状である凸部５２および凹部５４が形成されていることで、コア素材４０がヒンジ部５０を塑性変形させるように曲げて、突き当て面５６ａ，５６ｂ同士を突き当てるようにして上記凸部５２および凹部５４を互いに嵌合させることによって、ティース構成部分２２ａ，２２ｂが連結されて１つのティース２２が構成されることになる。この状態が図４Ｂに示されている。

また、上記のような凸部５２および凹部５４は、コア素材の両側に位置する分断端部５８に位置するティース構成部分２２ａ，２２ｂにも形成されている。図３では、他方側の分断端部５８のティース構成部分２２ｂに凹部５４が形成されている様子が示されている。したがって、ヒンジ部５０を介して隣り合うティース構成部分２２ａ，２２ｂ同士を凸部５２および凹部５４の嵌合によって連結するとともに、コア素材４０の両端に位置するティース構成部分２２ａ，２２ｂ同士も凸部５２および凹部５４の嵌合によって両端の分断端部５８が連結することにより、環状に連結されたコア素材４０が成形されることになる。

図４Ｂに示すように上記のような引っ掛かり形状を有する凸部５２と凹部５４とを嵌合させるとき、凸部５２と凹部５４とを少なくとも板厚分に相当する寸法だけずらして重ねた上で嵌合させる必要があり、このときヒンジ部５０には若干のひねりが加わることになる。

しかし、本実施形態では、凸部５２および凹部５４を、ヒンジ部５０が形成されているヨーク２０ではなくて、ヨーク２０から離れたティース２２に形成してあるため、凸部５２と凹部５４とを嵌合させて連結するときにヒンジ部５０の板厚方向のひねり量を小さくすることができ、これによりコア素材４０が環状に連結されたときのヒンジ部５０の板厚偏差を抑えられる。したがって、磁性金属板からなるコア素材４０を多数枚積層して構成されるステータコア１２において、各コア素材４０のヒンジ部５０が軸方向に連なる位置での寸法増大を低減できる。その結果、ステータコア１２およびこれを用いた回転電機１０の軸方向の小型化を図れる。

また、本実施形態のステータコア１２では、図２に示すように、環状に成形および連結されたコア素材４０を軸方向に積層していくとき、コア素材４０の分断端部５８の周方向位置が軸方向に揃わないようにして積層するのが好ましい。具体的には、各コア素材４０の分断端部５８の周方向位置が１つのティース分に相当するピッチで軸方向に交互にずらして積層されている。このようにすれば、ヒンジ部５０を含まない分断端部５８が軸方向に揃うことによってその部分でステータコア１２の周方向強度および軸方向強度が他の部分に比べて大きく低下するのを抑制することができる。このように分断端部５８の周方向位置を交互にずらすには、異なるプレス型によって打ち抜き加工された、ボルト挿通部４２の位置が異なっている２種類のコア素材を準備して交互に積層すればよい。

なお、本発明は、上記の実施形態およびその変形例の構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された事項の範囲内で種々の変更や改良が可能である。

例えば、上記実施形態においては、環状のコア素材４０が周方向に１箇所だけ分断されているものと説明したが、これに限定されず、２箇所以上で分断して形成されたコア要素を連結して環状のコア素材が構成されてもよい。

また、上記実施形態においては、凸部５２および凹部５４が略台形状に形成されているものとして説明したが、これに限定されず、互いに嵌合された凸部および凹部が周方向および径方向に引っ掛かる形状であれば、くびれ部を有する略円形状または略円形状、略Ｌ字状等の他の凸部および凹部の嵌合形状であっても構わない。

１０ 回転電機、１２ ステータコア、１４ コイル、１６ ステータ、１８ ロータ、２０ ヨーク、２１ かしめ部、２２ ティース、２２ａ，２２ｂ ティース構成部分、２３ スロット、２４ シャフト穴、２６ ロータコア、２８ シャフト、２９ フランジ部、３０ エンドプレート、３２ 固定部材、３４ 永久磁石、３６ 固定部、３８ 押え部、４０ コア素材、４２ ボルト挿通部、４４ ボルト挿通孔、４８ コア要素、５０ ヒンジ部、５２ 凸部、５４ 凹部、５６ａ，５６ｂ 突き当て面、５８ 分断端部または分断箇所。

Claims (4)

1. 磁性金属板からなる複数の環状コア素材を積層および連結して構成され、環状のヨークと該ヨークから径方向に突出する複数のティースとを有する回転電機用ステータコアであって、
   前記コア素材は、周方向の少なくとも１箇所で分断される一方で前記分断箇所以外では前記ヨークに設けられたヒンジ部で互いにつながって形成されている複数の略円弧状のコア要素を含み、周方向に隣り合う前記コア要素の端部にそれぞれ形成されたティース構成部分同士が前記ヒンジ部で曲げられて突き当てられることにより１つのティースを構成するとともに前記ティース構成部分の突き当て面に形成された相互に引っ掛かる形状の凸部および凸部を嵌合させることにより連結される、
   回転電機用ステータコア。
2. 請求項１に記載の回転電機用ステータコアにおいて、
   前記磁性鋼板の分断箇所にも前記凹凸嵌合部が設けられている、回転電機用ステータコア。
3. 請求項１または２に記載の回転電機用ステータコアにおいて、
   前記環状の磁性金属板は、前記分断箇所の周方向位置が軸方向に重ならないように積層されている、回転電機用ステータコア。
4. 請求項１ないし３のいずれか一項に記載のステータコアと、
   前記ステータコアに巻装されるコイルと、
   前記ステータコアに対向配置されるロータとを備える、
   回転電機。

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