JP2015220875A - Stator of rotary electric machine - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は回転電機の固定子に関するものである。 The present invention relates to a stator of a rotating electric machine.
回転電機の性能を向上させる手段として、固定子における固定子鉄心スロット内の巻線占積率を向上させることが考えられる。その実現手段の一つとして固定子鉄心を分割する方法がある。一体型の鉄心では巻線のための作業スペースが必要となるため、巻線後にスロット内に隙間が残るのに対し、固定子鉄心分割方式では、予め分割しておいた鉄心を巻線後に組み立てるので、巻線のための作業スペースが不要となる。 As a means for improving the performance of the rotating electrical machine, it is conceivable to improve the winding space factor in the stator core slot of the stator. One of means for realizing this is a method of dividing the stator core. Since an integrated iron core requires a work space for winding, a gap remains in the slot after winding, whereas in the stator core splitting system, a previously split core is assembled after winding. This eliminates the need for a work space for winding.
固定子鉄心分割方式としては多くの方式が存在し、そのうちのひとつに放射状のティース部を含む内周側鉄心と、略円筒形である外周側鉄心の2つに分割する内外分割鉄心方式がある。内周側鉄心のみの状態で巻線を施し、巻線後に外周側鉄心を組み合わせて固定子全体を構成するものである。この方式によると、コイルの占積率を最大限に高めた固定子を製作することができる。 There are many types of stator core division methods, one of which is an inner / outer division core method that divides the core into two: an inner core that includes radial teeth and an outer core that has a substantially cylindrical shape. . The entire stator is configured by winding the inner peripheral side iron core alone and combining the outer peripheral side iron core after the winding. According to this method, it is possible to manufacture a stator that maximizes the coil space factor.
特許文献1は内外分割鉄心方式に集中巻を施したものである。予め樹脂製のインシュレータに巻線を施しておき、それを内周側鉄心のティース部に嵌めこむ。ティース部に直接巻線を施す場合には隣接ティースの巻線間には巻線を施すための作業スペースが必要なため、巻線同士の間には必ず隙間が生じてしまう。これに対して特許文献1に示されているように巻線済みのインシュレータを挿入する方式であれば、各巻線間の隙間を最小限にすることができるので占積率を向上させることができる。 In Patent Document 1, concentrated winding is applied to an inner and outer divided iron core system. The resin insulator is wound beforehand, and it is fitted into the teeth portion of the inner peripheral iron core. When the winding is directly applied to the teeth portion, a work space for winding is required between the windings of the adjacent teeth, so that a gap is always generated between the windings. On the other hand, if it is a system which inserts the insulator by which winding was carried out as shown in patent documents 1, since the gap between each winding can be minimized, space factor can be improved. .
そして内周側鉄心に巻線を施した後、外周側鉄心を組み合わせて固定子を構成するものである。この際、固定子鉄心内での磁気抵抗増大を防ぐため、内周側鉄心と外周側鉄心との間に隙間を生じさせないことが望ましい。また固定子にはトルクや振動が作用するため、両者を機械的に保持しておく必要もある。そのため内周側鉄心と外周側鉄心との組み立ては一般的に圧入が用いられている。特許文献1は内外分割鉄心方式に集中巻を施した固定子に関するものであるが、分布巻において適用した場合でも同様に巻線の作業スペースが不要となるためスロット内の巻線占積率向上を図ることができる。 And after winding to an inner peripheral side iron core, a stator is comprised combining an outer peripheral side iron core. At this time, in order to prevent an increase in magnetic resistance in the stator core, it is desirable not to create a gap between the inner peripheral side iron core and the outer peripheral side iron core. Moreover, since torque and vibration act on the stator, it is necessary to hold both of them mechanically. Therefore, press fitting is generally used for assembling the inner peripheral side iron core and the outer peripheral side iron core. Patent Document 1 relates to a stator in which concentrated winding is applied to an inner and outer divided core system, but even when applied to distributed winding, the work space of the winding is similarly eliminated, so that the winding space factor in the slot is improved. Can be achieved.
上述のように内外分割鉄心方式においては、内周側鉄心と外周側鉄心とは圧入で組み立てられるのが一般的である。しかし圧入する際、内周側鉄心と外周側鉄心との軸心を高精度に合わせるとともに、お互いの角度を高精度に合わせる必要がある。これらの位置合わせが不十分である場合には圧入できないか、あるいは圧入中に鉄心同士にかじりが生じて鉄心の一部に過大な荷重が作用して鉄心が破損してしまうという問題があった。 As described above, in the inner and outer divided core systems, the inner peripheral core and the outer peripheral core are generally assembled by press fitting. However, when press-fitting, it is necessary to match the axes of the inner and outer iron cores with high accuracy and to adjust the angles of each other with high accuracy. If these alignments are insufficient, there is a problem that press fitting cannot be performed, or iron cores are galling during press fitting, and an excessive load acts on a part of the iron core to break the core. .
この発明は上記のような問題点を解消するためになされたものであり、外周側鉄心と内周側鉄心とを嵌合させる際に、両者の中心を容易に合わせることができる回転電機の固定子を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems. When the outer peripheral iron core and the inner peripheral iron core are fitted, the center of the rotating electric machine can be easily aligned. The purpose is to provide children.
この発明に係る回転電機の固定子は、回転電機の外周方向に向けて放射状に延びるティースを備えた内周側鉄心と、ティース間に配置された固定子巻線と、外周側鉄心とを有し、外周側鉄心を回転電機の軸方向からティースの先端部に圧入することにより形成されるものであって、内周側鉄心の軸方向における一端面に平面形状が内周側鉄心と同一である端板を配置するとともに、端板において、板厚方向であって、内周側鉄心と外周側鉄心との当接面であり、軸方向に重なる位置に配置される部位に第2の面取り部を設けたものである。 A stator of a rotating electrical machine according to the present invention includes an inner peripheral side iron core having teeth extending radially toward the outer peripheral direction of the rotary electric machine, a stator winding disposed between the teeth, and an outer peripheral side iron core. The outer peripheral side iron core is formed by press-fitting from the axial direction of the rotating electrical machine to the tip of the teeth, and the planar shape is the same as the inner peripheral side iron core at one end surface in the axial direction of the inner peripheral side iron core. In addition to arranging an end plate, a second chamfer is provided at a portion of the end plate that is in the plate thickness direction and is a contact surface between the inner peripheral side iron core and the outer peripheral side iron core, and is disposed at a position overlapping in the axial direction. A part is provided.
上記のように構成された回転電機の固定子においては、内周側鉄心と外周側鉄心との圧入工程において、第2の面取り部によって内周側鉄心と外周側鉄心との中心軸のずれが解消されるので、両鉄心同士の位置決めを容易に行うことができ、圧入の不良を低減させることができる。 In the stator of the rotating electrical machine configured as described above, in the press-fitting process between the inner peripheral side iron core and the outer peripheral side iron core, the center axis shift between the inner peripheral side iron core and the outer peripheral side iron core is caused by the second chamfered portion. Since it is eliminated, it is possible to easily position both iron cores and reduce press-fitting defects.
実施の形態1.
以下本実施形態を図に基づいて説明する。図1は実施の形態1による回転電機を示す断面図である。固定子100は略円筒形状に構成されており、モータケース102によって外周を保持されている。固定子100の内側に所定の空隙を介して回転子101が配置される。回転子101においては、略円筒形状に構成された回転子鉄心101aの外周面に永久磁石101bが接着によって固定され、回転子鉄心101aの中心にはシャフト101cが固定されて回転子鉄心101aと一体となっている。シャフト101cはモータケース102に組み込まれたベアリング104、およびベアリングホルダ103に組み込まれたベアリング105で支持されている。
Embodiment 1 FIG.
Hereinafter, the present embodiment will be described with reference to the drawings. 1 is a cross-sectional view showing a rotating electrical machine according to Embodiment 1. FIG. The
図2は固定子部分を示す平面部分断面図である。図2において、固定子は固定子鉄心100aに形成されている複数のスロット106内に配置された固定子巻線107と、固定子鉄心100aと固定子巻線107との間を電気的に絶縁するインシュレータ108を備えている。そして固定子巻線107は複数のティース109の間に配置されている。なお固定子巻線107を構成する導体は1本ずつその周囲がポリイミド等の絶縁被膜材が塗布されており互いに電気的に絶縁されているが、図2においては、図示を省略している。固定子鉄心100aは回転電機の外周方向に向けて放射状に延びるティース109を備えた内周側鉄心111と、外周側鉄心110で構成され、両者は圧入によって組み立てられて一体となっている。圧入の工程については後述する。
FIG. 2 is a plan partial sectional view showing a stator portion. In FIG. 2, the stator is electrically insulated from a stator winding 107 disposed in a plurality of
図3は内周側鉄心111部を示す部分斜視図である。なお図においては、固定子巻線は図示を省略している。固定子鉄心100aは渦電流による損失を低減するために薄板の鋼板を積層することにより構成されており、内周側鉄心111も同じく複数の鋼板を積層した構造である。内周側鉄心111の回転電機軸方向端面に平面形状が内周側鉄心と略同一である端板112が配置されている。端板112は内周側鉄心111の端面にかしめ、溶接あるいは接着によって固定されている。図4は1つのティースを図3のX方向から見た正面図である。尚端板112は内周側鉄心111の一端面のみに設けても良いし、又両端面に設けても良い。端板112の材質としては例えば鉄が挙げられ、鋼板で構成することが出来る。この場合、鉄心の積層鋼板を構成する鋼板と同じ材質である必要は必ずしもなく、例えば積層鋼板が電磁鋼板で構成され、端板が一般的な圧延鋼板でもよい。また、他の金属材料、例えばステンレスや銅やアルミニウムも端板材料として適用可能である。さらに、樹脂や厚紙によって端板112を構成することも可能である。
FIG. 3 is a partial perspective view showing 111 parts of the inner peripheral iron core. In the figure, the stator winding is not shown. The
図4に示すように端板112のティース側面部であって、上面角部には第1の面取り部113が施されている。尚この場合の上面とは、後述するように、内周側鉄心111と外周側鉄心110を圧入で組み立てる際に、最初に内周側鉄心111と外周側鉄心110が接触する側の端板112の端面である。第1の面取り部113の角度Aは15度〜45度である。第1の面取り部113の角度Aが15度以下の場合、第1の面取り部113上端の角部113aから端板の端面112aまでの距離Bが小さくなってしまうため、後述するコイル組み込み時において角部113bにコイルが押し付けられることによってコイル絶縁被膜やインシュレータの損傷が生じて電気絶縁性能が低下する。
As shown in FIG. 4, a first chamfered
逆に角度Aが45度を超えると面取り部下端の角部113bによってインシュレータやコイル絶縁被膜が損傷を受けてしまう。端板112の軸方向の板厚Cは内周側鉄心111を構成する1枚の積層鋼板の厚さよりも大きいものとする。コイル絶縁被膜やインシュレータは積層鋼板端部に面取りを施すことによって、ある程度は保護することができるが十分ではない。そのため端板112を追加することによって積層鋼板では形成できない大きな面取り部を設けるものである。従って、端板112の板厚Cは積層鋼板より大きくする必要がある。なお上面角部の形状としては図5に示すような円弧形状でもよく、この場合は端板の端面112aで円弧と端面が接する形状とする。ここで挿入されるコイルを保護するために面取り部を設けるためには、端板112の板厚は最小となるように設計する。鉄心を構成する積層鋼板の一枚の鋼板に面取りを設けることも可能だが、それでは十分でない場合に端板112を配置する。従って、鋼板よりも大きな面取りを施すためには、端板112は一枚の鋼板以上の板厚とする必要がある。
Conversely, if the angle A exceeds 45 degrees, the
一方、外周側鉄心110には端板が配置されていない。従って、内周側鉄心111に取り付けた端板112に対しては、外周側鉄心110には当接する相手となる鋼板は存在しない。そのため、端板112を鋼板で構成した場合でも端板部分の磁気回路は不完全であるため電磁気的には固定子鉄心100aの積層枚数を増やしたことにはならない。また、外周側鉄心110の方の積層枚数を増やして端板112に当接する相手となる鋼板を配置した場合でも、端板112に面取りが施してあるために外周側鉄心110との間には空隙が存在しており磁気抵抗が大きくなってしまう。以上の理由により、端板112を鋼板で構成した場合でも電磁気的には固定子鉄心100aの一部としての性能向上にはわずかしか寄与しない。一方、端板112を配置した場合には固定子鉄心100aの総積層厚増加による製品サイズの増加や、コイル長さの増大によるコスト増大並びにコイル抵抗値増大といったデメリットがある。従って、端板112はコイル保護のために必要最小限の厚さとすることが望ましい。コイルの保護として考えると、端板112の面取り部分の長さを板厚Cの半分とし、必要な面取りの大きさは最大でコイル線径程度であるため、端板112の板厚Cは少なくともコイル線径の2倍程度あればよい。
On the other hand, no end plate is disposed on the outer peripheral
端板112のティース正面部であって上面角部には、図3に示すように、更に第2の面取り部114が設けられている。即ち内周側鉄心111と外周側鉄心110を圧入で組み立てる際に、最初に外周側鉄心110が接触する端板112の端面角部において第2の面取り部114を設けたものである。最初に外周側鉄心110が接触する端板112の端面以外の端面において第2の面取り部114を設けても意味がない。第2の面取り部114はティース側面に設けられた第1の面取り部113と同様の断面形状となっている。図3では第1の面取り部113と第2の面取り部114は同様の断面形状となっているが、必ずしも同じである必要はない。第1の面取り部113はコイル保護のための面取り部であり、第2の面取り部114は外周側鉄心110をガイドするための面取り部である。それぞれの目的が異なるため、お互いの形状が異なっていても問題なく、それぞれの目的を達成できるなら両者が同様の断面形状でもよい。
As shown in FIG. 3, a second chamfered
実施の形態1においては分布巻方式を採用しており、固定子巻線107はあるスロットと、そのスロットから所定のピッチ離れた他のスロット間を結ぶように巻回される。例えば図6に示すように、スロット内の内周側に配置されている導体115は、そこから反時計回りに6スロット離れたスロットの外周側に配置された導体117と対をなしており、同じスロットに配置されている導体116も6スロット離れた導体118と対をなす。同様に隣接するスロットに配置されている導体119、導体120もそれぞれ6スロット離れた導体121、導体122と対をなしている。そしてこれらの対をなす導体同士は固定子鉄心の軸方向端部において繋がっており、その連結部でコイルエンドを構成している。
In the first embodiment, a distributed winding method is adopted, and the stator winding 107 is wound so as to connect a certain slot and another slot separated from the slot by a predetermined pitch. For example, as shown in FIG. 6, the
以上のような固定子巻線を構成する方法として、図7に示す亀甲コイル123がある。図7(A)は亀甲コイルを示す平面図、図7(B)は同じく正面図である。亀甲コイル123にはスロット内に配置される直線部分123a、123bがあり、直線部分の長さは少なくとも内周側鉄心111の軸方向高さ以上とする。さらに直線部分123a、123bを連結するコイルエンド部123c、123d、及び他の亀甲コイルとの連結部あるいは固定子巻線の端末部となるコイル末端部123e、123fで構成されている。当該コイルはポリイミド等の絶縁被膜材を塗布した銅線を用いて形成され、銅線の断面形状は角形や円形である。
As a method of configuring the stator winding as described above, there is a
スロット内の占積率を高くするため、角形断面の場合は直線部分がスロット内に配置されたときに可能な限りスロット内に隙間が残らないような断面形状とする。円形断面の場合はスロット内に配置したときに固定子鉄心との隙間が大きくなってしまうため、スロット内に配置される直線部分123a、123bのみ角形断面形状になるようにコイル断面形状を成形してもよい。この場合は安価な丸線を用いながら必要箇所のみ角形断面にして占積率を向上できるという効果がある。
In order to increase the space factor in the slot, in the case of a square cross-section, the cross-sectional shape is such that a gap is not left in the slot as much as possible when the straight portion is arranged in the slot. In the case of a circular cross section, the gap with the stator core becomes large when it is placed in the slot. Therefore, the coil cross section is formed so that only the
次に内周側鉄心111への亀甲コイル123を組み込む方法について説明する。亀甲コイル123は直線部分123a、123bの両端がコイルエンド部123c、123dで連結されており、内周側鉄心111のティース109にコイルエンド123c、123dが干渉するため軸方向からスロット106に組み込むことはできない。そこで内周側鉄心111から半径方向外側に離れた場所に亀甲コイル123を配置しておき、そこから半径方向内側に亀甲コイル123を押し込むことでスロット106内の所定の位置に亀甲コイル123を組み込む。図8は組み込み作業時の内周側鉄心111、亀甲コイル123の位置関係を示した断面図である。
Next, a method for incorporating the
組み込み完了後の亀甲コイル直線部分123a、123bがコイル位置124、125であるのに対し、組み込み作業初期位置はそれぞれ半径方向外側に離れたコイル位置126、127にある。内周側鉄心111と亀甲コイル123の軸方向位置は、亀甲コイル123の直線部分123a、123bの範囲に内周側鉄心111の両端面が含まれるような位置関係とする。初期のコイル位置126、127の状態から、亀甲コイル123を半径方向に中心に向かって矢印方向に亀甲コイル123がスロット106の底に入るように押し込む。これにより亀甲コイル123がスロット106内の所定位置に収まり、内周側鉄心111への亀甲コイル123の組み込みが完了する。なお分かり易くするために図8においては、亀甲コイル1個分しか示されていないが、実際は全てのスロット106に亀甲コイル123が配置されており、全ての亀甲コイル123を上記と同様にしてスロット106内に押し込む必要がある。
The tortoiseshell coil
以上の組み込み工程を実行した後、亀甲コイル直線部分123a、123bのピッチがDからEに小さくなる。コイルエンド部123c、123dは直線部分123a、123bと連続しているため、直線部分123a、123bのピッチが小さくなるとコイルエンド部123c、123dも変形する。図9(A)は組み込み前の亀甲コイル123の形状を示す正面図、図9(B)は組み込み後の亀甲コイル123の形状を示す正面図である。組み込み前後で直線部分123a、123bのピッチがDからEに変化するのに伴い、コイルエンド部123c、123dは略三角形状の頂点が高くなるように変形する。
After performing the above assembling process, the pitch of the turtle shell coil
このようにコイル組み込み時にはコイルエンド部123c、123dを変形させて直線部分123a、123bのピッチを小さくする必要があるため、亀甲コイル123と積層鉄心間に大きな荷重が作用する。コイルエンド部123c、123dが変形するので、コイルエンド部123c、123dに近い内周側鉄心111の軸方向両端面近傍に荷重が集中して作用する。図10は内周側鉄心に亀甲コイルを挿入する状態を示す正面図である。コイル組み込み時には亀甲コイル123は内周側鉄心111に押しつけられるが、積層鉄心の端面には端板112が備わっているため、荷重のほとんどは端板112で受けることになる。
As described above, since it is necessary to deform the
このとき端板112には第1の面取り部113が設けられているため接触範囲が広くなり、単位面積あたりに作用する荷重が低減する。即ち内周側鉄心111と略同一形状である端板112において、板厚方向であって、亀甲コイル123が挿入されるスロット106部の外周の一部を形成する箇所に第1の面取り部113を設けることにより、亀甲コイル123と端板112との間に挟まれるインシュレータ108やコイル絶縁被膜の損傷が回避できる。端板112がない場合には積層鉄心端面角部に大きな荷重が作用するため、局所的に大きな荷重が作用することになる。そのためインシュレータ108やコイル絶縁被膜の損傷が生じて固定子巻線107が鉄心に直接接触してしまう恐れがある。しかし本実施形態においてはこのような恐れはなくなる。
At this time, since the
次に亀甲コイル123を組み込んだ内周側鉄心111のティース109の先端部に対し外周側鉄心110を圧入する。図11〜13は巻線後の内周側鉄心111と外周側鉄心110を圧入する一連の過程を示した部分側面断面図である。なお図においては、分かり易くするためコイルは省略されており、ティース109部分の断面を拡大して示している。図11は圧入前の鉄心位置を示すもので、ここでは内周側鉄心111を固定し、外周側鉄心110を図の上方から下方に動かして圧入する場合を示している。図11においては内周側鉄心111のティース先端の嵌合面111aと外周側鉄心110の嵌合面110aは同一面上に無く、2つの鉄心の中心軸にずれが生じている状態を表している。
Next, the outer peripheral
図12は外周側鉄心110の下面が内周側鉄心111に配置された端板112に接触するまで下ろした状態を示しており、外周側鉄心嵌合面110aの下端部が端板112のティース部先端に設けられた第2の面取り部114に接触している。外周側鉄心110が端板112の第2の面取り部114の一部に接触すると、外周側鉄心110に対して横方向に力が作用し、内周側鉄心111との中心軸のずれが小さくなる方向に移動する。さらに外周側鉄心110を下ろしていくと、端板112の面取り部114によって内周側鉄心111と外周側鉄心110との中心軸のずれが解消され、図13に示すように外周側鉄心110と内周側鉄心111の嵌合面が同一面となる。この状態からさらに外周側鉄心110を押し下げていくことで、内周側鉄心111と外周側鉄心110が圧入固定される。
FIG. 12 shows a state where the lower surface of the outer peripheral
以上のように、外周側鉄心110と内周側鉄心111とを嵌合させる際に、端板112の端部断面に第2の面取り部114を設けることにより、両者の中心を容易に合わせることができる。即ち内周側鉄心111と略同一形状である端板112において、板厚方向であって、内周側鉄心111と外周側鉄心110との当接面であり、軸方向に重なる位置に配置される部位に第2の面取り部を設けることにより、両者の中心を容易に合わせることができる。なお上記においては第2の面取り部114の形状として直線状の斜面で形成した場合について説明したが、図5に示すような円弧形状に形成しても同様の効果が得られる。又本実施形態では亀甲コイル123の配置として6スロット分離れたスロット間を結ぶ場合について説明したが、このスロットピッチは回転電機の電磁気設計によっては2以上の整数値を取りうるものであり、他のスロットピッチに構成しても上記と同様の効果は得られる。
尚本発明は、その発明の範囲内において、各形態を自由に組み合わせたり、各形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。
As described above, when the outer peripheral
In the present invention, it is possible to freely combine the respective forms within the scope of the invention, or to appropriately modify and omit the respective forms.
100 固定子、106 スロット、107 固定子巻線、109 ティース、
110 外周側鉄心、111 内周側鉄心、112 端板、113 第1の面取り部、
114 第2の面取り部。
100 stator, 106 slots, 107 stator winding, 109 teeth,
110 outer peripheral iron core, 111 inner peripheral iron core, 112 end plate, 113 first chamfered portion,
114 Second chamfer.
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