JP2016010277A - 回転電機用ステータ - Google Patents

Abstract

【課題】インシュレータの組付時における固定用突起の破損防止と、インシュレータをステータコアにがたつきなく安定して固定することである。
【解決手段】回転電機のステータ２は、環状をなすバックヨーク７と径方向に突出するティース８とを有する金属製のステータコア５と、ティース８の周囲に巻装されるコイル６と、ステータコア５およびコイル６間を電気的に絶縁するインシュレータ１２と、インシュレータ１２をステータコア５に固定する樹脂製の固定部材３０とを備える。インシュレータ１２は絶縁性樹脂により形成されるとともにステータコア５に組み付けられた状態で径方向外側に突出する鍔部２０を有する。固定部材３０は、加熱されることにより、インシュレータ１２の鍔部２０に溶着されるとともに、ステータコア５の軸方向端面上に樹脂金属接合される。
【選択図】図３

Description

本発明は、回転電機用ステータに関する。

従来、ステータコアのティースにコイルが巻装されて構成されるステータと、このステータに対してギャップを介して回転可能に設けられたロータとを備える回転電機が知られている。このような回転電機において、ステータに巻装されるコイルは、ステータコアとの間に例えば樹脂等の絶縁性材料からなるインシュレータを介在させることによって、ステータコアと電気的に絶縁されている。

これに関連する先行技術文献として、例えば特許文献１には、電動機の固定子において、平面視で略Ｈ字状をなす分割コアの軸方向両端部にインシュレータをそれぞれ配置し、分割コアのコアバック部の端面に形成された固定用穴にインシュレータに形成された突起を侵入させるとともに、分割コアのティース部の先端面にインシュレータティース先端部に形成された係止用突起を係止することにより、分割コアのティース部およびインシュレータの周囲にコイルを巻回する際にインシュレータが分割コアに対して回転するのを抑制することが記載されている。

特開２０１２−９５４９２号公報

上記特許文献１に記載されるインシュレータの固定方法では、分割コアの端面に形成された固定用穴に侵入させる突起がインシュレータに予め形成されていることから、インシュレータを分割コアに取り付ける際に突起が引っ掛かることによって破損することが起こり得る。また、インシュレータの突起と分割コアの固定用穴との間に寸法誤差に起因して隙間が形成される場合、インシュレータの固定状態が不安定になる可能性がある。

本発明の目的は、インシュレータの組付時に固定用突起が破損するのを防止できるとともに、インシュレータが安定して固定された回転電機用ステータを提供することである。

本発明に係る回転電機用ステータは、環状をなすバックヨークと該バックヨークから径方向に突出するティースとを有する金属製のステータコアと、前記ティースの周囲に巻装されるコイルと、前記ステータコアと前記コイルとの間に配置されて両者を電気的に絶縁するインシュレータと、前記インシュレータを前記ステータコアに固定する樹脂製の固定部材と、を備える回転電機用ステータであって、前記インシュレータは絶縁性樹脂により形成されるとともに前記ステータコアに組み付けられた状態で径方向外側に突出する鍔部を有し、前記固定部材は、加熱されることにより、前記インシュレータの鍔部に溶着されるとともに、前記ステータコアの軸方向端面上に樹脂金属接合されるものである。

本発明に係る回転電機用ステータによれば、固定部材がインシュレータの鍔部に溶着されるとともにステータコアの軸方向端面上に樹脂金属接合されて固定される。その結果、コイルが巻回されたインシュレータを固定部材を介してステータコアにがたつきなく安定して固定することができる。

また、インシュレータには固定用突起が形成されておらず、ティースへの組み付け時に固定用突起が引っ掛かって破損することがなく、組付性が向上する。

本発明の一実施形態であるステータを含む回転電機の軸方向から見た部分端面図である。 図１に示すインシュレータの（ａ）上面図、（ｂ）正面図、および、（ｃ）側面図である。 コイルが巻回されたインシュレータが固定部材を介してステータコアに固定された状態を示すステータの軸方向断面図と一部拡大図である。

以下に、本発明に係る実施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を備える回転電機１を軸方向から見た部分端面図である。回転電機１は、略円筒状をなすステータ２と、ステータ２の径方向内側にギャップ３を介して設けられたロータ４とを備える。ロータ４は、回転電機１を収容するケース（図示せず）に回転可能に支持されている。ロータ４は、永久磁石を内蔵する回転子であってもよいし、または、永久磁石を含まないタイプの回転子であってもよい。

ステータ２は、ステータコア５、インシュレータ１２および固定部材３０と、ステータコア５に巻装されたコイル６とを備える。

ステータコア５は、例えば電磁鋼板を略円環状に打ち抜き加工したものを多数枚積層して、カシメ、溶接等によって一体に連結されて構成される磁性板材の積層体である。ステータコア５は、略円環状をなすバックヨーク７と、バックヨーク７の内周側に径方向内方へ突出するとともに周方向に所定ピッチで形成された複数のティース８とを有する。これにより、周方向に隣接するティース８の間には、溝状のスロット９が軸方向両側および径方向内側に開口して形成されている。また、本実施形態では各ティース８は軸方向に見て略台形状をなして形成されている。

ステータコア５において、バックヨーク７の軸方向両側の端面上には、樹脂層２２（図３参照）が付着形成されている。樹脂層２２は、固定部材３０がステータコア５に組み付けられたときに固定部材３０と当接するバックヨーク７の軸方向端面に付着されている。この場合、樹脂層２２は、バックヨーク７の軸方向端面全体に形成されていなくてもよく、少なくとも固定部材３０が当接する部分に形成されていればよい。樹脂層２２の詳細は後述する。

なお、本実施形態ではステータコア５は、環状の磁性板材積層体として一体に形成されているものとして説明するが、図１中に一点鎖線Ｄで示すように、バックヨーク７がティース８の両側で周方向に所定間隔に分断された分割コアからなってもよい。この場合、分割コアは、略円弧状のバックヨークとティースとで平面視が略Ｔ字状をなす。このような分割コアを環状に配列し、その外周側に円筒状ケースを焼嵌め、圧入等によって外装することにより一体に連結されステータコアが構成されてもよい。また、ステータコア５は、磁性粉末を樹脂コーティングしたものを成形型で圧縮成形した圧粉磁心として形成されてもよい。

コイル６は、例えば銅線に絶縁被覆された巻線がインシュレータ１２に巻回されて構成されている。本実施形態ではコイル６は、各ティース８に集中巻き方式でそれぞれ巻装されている。また、コイル６を構成する巻線の断面は、円形であってもよいし（図３参照）、あるいは、角形であってもよい。

インシュレータ１２は、ステータコア５とコイル６との間を電気的に絶縁する機能を有する。インシュレータ１２は、例えばポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）等の熱可塑性樹脂によって形成することができる。ただし、インシュレータ１２は、後述するように固定部材３０が溶着可能であれば、例えばエポキシ系樹脂等の熱可塑性樹脂を用いて形成されてもよい。

図２は、インシュレータ１２の（ａ）上面図、（ｂ）正面図、および（ｃ）側面図である。インシュレータ１２は、矩形筒状をなす本体部１４と、本体部１４の径方向の両端部において周方向へ突出して形成された第１および第２フランジ部１６，１８と、第２フランジ部１８の外側面に突出する鍔部２０とを備える。インシュレータ１２は、熱可塑性樹脂を用いて成形型で一体成形することができる。インシュレータ１２の本体部１４は、第１および第２フランジ部１６，１８とともに、コイル６をティース８の周囲に絶縁状態で巻装するためのボビンを構成するものである。

インシュレータ１２の本体部１４の内部空間１５は、軸方向から見て略台形状をなすティース８を略隙間無く収容可能な形状および大きさに形成されている。これにより、インシュレータ１２がティース８の周囲に配置されたとき、ティース８の外周面に本体部１４の内周面が密着して配置することができる。また、図１に示すように、本体部１４の径方向寸法はティース８よりも若干短く形成されている。これにより、インシュレータ１２がティース８に嵌め込まれたときティース８の先端が本体部１４から少し突出した状態となるようにしてある。

インシュレータ１２の第１および第２フランジ部１６，１８は、図２（ｂ）に示すように、平面視で長方形状の枠をなすようにそれぞれ形成されている。また、第１および第２フランジ部１６，１８の周方向両側の端縁部は、本体部１４の軸方向断面に対して所定角度をなすように屈曲して形成されている。これにより、インシュレータ１２がティース８に組み付けられたとき、径方向外側の第２フランジ部１８がティース８間に位置するバックヨーク７の内周側湾曲面に沿って当接した状態となり、インシュレータ１２の配置を安定したものにできる。また、第１フランジ部１６が第２フランジ部１８と略平行となるように屈曲していることで、第１および第２フランジ部１６，１８間のコイル巻回スペースを大きく確保することが可能になる。その結果、スロット９内でコイル６が占める占積率を向上させ、コイル６の銅損を低下させることができる。

インシュレータ１２の鍔部２０は、図１および図２に示すように、第２フランジ部１８の径方向外側の表面に例えば略半円状に突出して形成されている。鍔部２０は、インシュレータ１２の軸方向の両端側に、ティース８の軸方向長さに相当する距離だけ離れて２つ形成されている。これにより、インシュレータ１２がティース８に組み付けられたとき、鍔部２０がステータコア５の軸方向端面上に略当接した状態に配置されるようになっている。なお、鍔部２０の形状は、半円状に限定されるものではなく、矩形状等の他の形状であってもよい。

インシュレータ１２の鍔部２０の厚さｔは、本体部１４や第１および第２フランジ部１６，１８と略同じ厚さに形成されている。これにより、インシュレータ１２の成形性および寸法精度が向上する。ただし、鍔部２０は、後述するように固定部材３０によってステータコア５に固定される部分となるため、十分な固定強度を確保できるように他の部分１４，１６，１８よりも厚く形成されてもよい。

また、インシュレータ１２の鍔部２０は、図１に示されるように、ティース８の周方向中心位置を通って径方向に延びる周方向中心線Ｃ上に位置するように配置されている。好ましくは、インシュレータ１２の鍔部２０は、上記周方向中心線Ｃに関して対称となる形状に形成されている。このように配置および形成することによって、ステータコア５に対するインシュレータ１２の固定状態（または座り具合）がより安定したものになるという利点がある。

図１を再び参照すると、固定部材３０は、コイル６が巻装されたインシュレータ１２をステータコア５に固定する機能を有する。固定部材３０は、例えばリング状をなす１つの部材として形成されるのが好ましい。ただし、固定部材３０は、周方向に分割された複数の部材で構成されてもよく、例えば各インシュレータ１２と同数の部材で構成されてもよい。

固定部材３０は、合成樹脂により形成されている。この合成樹脂には、例えば、アミン基と結合する官能基を所定量だけ含有するものを用いることができる。具体的には、インシュレータ１２は、例えばポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）等の熱可塑性樹脂に、例えばエポキシ基、改質されたエポキシ基、またはアルコキシシリル等の官能基を１０重量％だけ含有する合成樹脂によって形成することができる。

図３は、コイル６が巻回されたインシュレータ１２が固定部材３０を介してステータコア５に固定された状態を示すステータ２の軸方向断面図と一部拡大図である。

図３に示すように、略Ｌ字状の断面を有する固定部材３０は、リング状をなす基部３２と、基部３２の軸方向端部から屈曲して径方向内側に突出する突出部３４とを備える。基部３２は、ステータコア５のバックヨーク７の軸方向端面上に固定される部分である。また、突出部３４は、インシュレータ１２の鍔部２０に溶着固定される部分である。さらに、突出部３４は、インシュレータ１２の鍔部２０に対応する部分が基部３２から突出するように形成されてもよい。

ここで、固定部材３０の突出部３４とインシュレータ１２の第２フランジ部１８との間には、隙間が形成されている。これにより、固定部材３０を加熱するときの熱がインシュレータ１２の第２フランジ部１８に伝わって熱変形するのを抑制することができる。その結果、インシュレータ１２において第１および第２フランジ部１６，１８間で本体部１４の周囲にコイル６がしっかりと巻回された状態を維持することができる。

図３中に一点鎖線円で囲まれた拡大図に示すように、ステータコア５のバックヨーク７においてインシュレータ１２の鍔部２０と当接する軸方向端面上には、樹脂層２２が形成されている。樹脂層２２は、例えばアミン基を含有する樹脂材料によって形成されており、具体的には例えばポリアリルアミンを好適に用いることができる。また、樹脂層２２は、例えば、塗布、噴き付け、成膜等の手法によってステータコア５に付着形成されている。

続いて、図３を参照して、ステータ２の製造方法について説明する。まず、上記のように樹脂層２２がバックヨーク７の軸方向端面に付着されたステータコア５と、コイル６が本体部１４に予め巻回されているインシュレータ１２と、固定部材３０とを準備する。

次に、インシュレータ１２をステータコア５のティース８に径方向先端側から嵌め込んで組み付ける。このとき、第２フランジ部１８がスロット９の底面すなわち径方向内周面に当接した状態に配置する。

それから、固定部材３０をステータコア５に軸方向両側（矢印Ａ，Ｂ方向）から組み付ける。固定部材３０は、突出部３４がインシュレータ１２の鍔部２０の表面に略当接し、基部３２の軸方向端面がステータコア５のバックヨーク７の軸方向端面に略当接した状態となるように組み付けられる。このとき、固定部材３０は、部分的に塗布した接着剤や固定部材３０およびインシュレータ１２の移動を規制する冶具等を用いてステータコア５に仮留めしてもよい。これにより、ステータコア５および各インシュレータ１２に対する固定部材３０の位置ずれが防止され、その後の加熱押圧による固定作業を効率良く正確に行える。

そして、固定部材３０を加熱する。具体的には、例えば、固定部材３０の突出部３４に図示しない加熱部材を軸方向両側（矢印Ａ，Ｂ方向）から押し付けて加熱する。これにより、固定部材３０の突出部３４がインシュレータ１２の鍔部２０に樹脂同士の溶着によって接合される。また、このとき、固定部材３０の基部３２は、固定部材３０を構成する樹脂材料に含まれるエポキシ基等の官能基がステータコア５のバックヨーク７の軸方向端面上に形成された樹脂層２２に含まれるアミン基と化学反応することによって、ステータコア５に対して隙間無く強固に樹脂金属接合される。その結果、インシュレータ１２およびこれに巻回されたコイル６は、固定部材３０を介してステータコア５に接合される。なお、加熱部材の温度、加熱時間、押圧力は、固定部材の溶着および化学反応による接合を良好に行えるように、固定部材３０や樹脂層２２の材料、寸法等に応じて適宜に設定される。また、上記加熱部材は、ヒーター内蔵のものであってもよいし、あるいは、加熱源からの伝熱によって所望温度に加熱された部材であってもよい。

このように本実施形態のステータ２によれば、固定部材３０が、インシュレータ１２の鍔部２０に樹脂同士で溶着するとともに、固定部材３０がステータコア５に強固に樹脂金属接合される。その結果、コイル６が巻回されたインシュレータ１２を固定部材３０を介してステータコア５にがたつきなく安定して固定することができる。したがって、インシュレータ１２およびコイル６を例えばワニス、接着剤等の硬化性部材を用いることなく、ステータコア５に固定することができる。

ワニスや接着剤等の硬化性部材でインシュレータ１２およびコイル６をステータコア５に固定する場合にはインシュレータ１２からはみ出した硬化性部材を除去する必要があった。これは、はみ出した硬化性部材が回転電機１の作動時の振動等によって異物として脱落すると、ステータ２とロータ４間のギャップ３に噛み込まれて出力低下をもたらすことがあるためである。これに対し、本実施形態では、そのような硬化性部材を用いることなくインシュレータ１２およびコイル６を固定できるので、はみ出した硬化性部材の除去作業が不要になるとともに、異物脱落による噛み込みを防止することができる。

また、本実施形態のステータ２によれば、固定部材３０を加熱することによってコイル６が巻かれたインシュレータ１２をステータコア５に固定するので、インシュレータ１２の熱変形を抑制できる。その結果、インシュレータ１２の第２フランジ部１８が径方向外側へ倒れるように変形することによって生じ得るコイル６の巻きくずれを防止できる。

また、本実施形態のステータ２では、固定部材３０とインシュレータ１２とは樹脂同士の溶着によって接合され、固定部材３０とステータコア５とはエポキシ基等の官能基と樹脂層２２のアミン基との化学反応による結合によって樹脂金属接合されるため、硬化性部材のように温度変化による固着力の変化が生じることがなく、固定信頼性が向上する。

また、本実施形態のステータ２では、加熱による溶着および化学反応によって短時間で接合が完了する。したがって、長時間の硬化時間を必要とする硬化性部材を用いてインシュレータ１２を固定する場合に比べて、ステータ２の生産性が向上する。

また、本実施形態のステータ２では、インシュレータ１２が固定部材３０を介してステータコア５に安定して固定されるため、外部ストレス（例えば、振動、温度変化等）によってティース８上で動く（又はがたつく）ことがなくなる。したがって、コイル６同士の電気接続部の破断やコイル６が擦れることによる絶縁皮膜の破損等を抑制することができる。

また、本実施形態のステータ２では、インシュレータ１２をステータコア５に固定するための嵌合構造が不要であるため、ステータコア５のバックヨーク７およびティース８に嵌合溝や嵌合穴を形成しなくてもよい。これにより、ステータコア５内における磁路を広く確保することができるとともに、嵌合溝等の加工歪を抑制できる。その結果、回転電機１の損失低減および出力性能の向上を図ることができる。

さらに、インシュレータ１２に固定用突起が形成されていないことから、組み付け時に固定用突起がステータコア５のティース等に引っ掛かって破損することがなく、インシュレータ１２の組付性が向上する。

なお、本発明に係る回転電機用ステータは、上述した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、本願の特許請求の範囲に記載された事項およびその均等な範囲内で種々の改良や変更が可能である。

例えば、上記においては固定部材３０とステータコア５との樹脂金属接合の例として、固定部材３０が官能基を含有し、樹脂層２２がアミン基を含有する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、固定部材３０がアミン基を含有し、樹脂層２２が官能基を含有してもよい。あるいは、化学反応による樹脂金属接合が可能な他の組成物の組み合わせであってもよい。

また、上記では樹脂層２２をステータコア５の軸方向端面上に付着させるとして説明したが、これに限定されるものではなく、固定部材３０の基部３２のステータコア当接面に付着形成しておいてもよい。

さらに、上記においては、ステータ２の軸方向両側においてインシュレータ１２の鍔部２０を固定する例について説明したが、これに限定されるものではなく、軸方向一方側だけに鍔部２０を設けて固定部材３０で固定してもよい。

さらにまた、上記においては、固定部材３０をステータコア５に化学反応による樹脂金属接合によって固定する例について説明したが、これに限定されるものはない。例えば、固定部材３０を構成する樹脂がステータコア５の軸方向端面に形成された多数の微小凹部内に溶融して入り込むことによるアンカー効果によって固定される物理接合で、固定部材３０がステータコア５に樹脂金属接合されてもよい。あるいは、例えば、レーザ接合（例えば、ＬＡＭＰ(Laser Assisted Metal and Plastic)接合）によって固定部材３０がステータコア５に固定されてもよい。

１ 回転電機、２ ステータ、３ ギャップ、４ ロータ、５ ステータコア、６ コイル、７ バックヨーク、８ ティース、９ スロット、１０ インシュレータ固定構造、１２ インシュレータ、１４ 本体部、１５ 内部空間、１６ 第１フランジ部、１８ 第２フランジ部、２０ 鍔部、２２ 樹脂層、３０ 固定部材、３２ 基部、３４ 突出部、Ｃ 周方向中心線。

Claims (1)

1. 環状をなすバックヨークと該バックヨークから径方向に突出するティースとを有する金属製のステータコアと、
   前記ティースの周囲に巻装されるコイルと、
   前記ステータコアと前記コイルとの間に配置されて両者を電気的に絶縁するインシュレータと、
   前記インシュレータを前記ステータコアに固定する樹脂製の固定部材と、を備える回転電機用ステータであって、
   前記インシュレータは絶縁性樹脂により形成されるとともに前記ステータコアに組み付けられた状態で径方向外側に突出する鍔部を有し、
   前記固定部材は、加熱されることにより、前記インシュレータの鍔部に溶着されるとともに、前記ステータコアの軸方向端面上に樹脂金属接合される、
   回転電機用ステータ。

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