JP2017229160A - ステータコア、ステータ及び回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】ティース先端部の振動を抑制することが可能なステータコア、ステータ及び回転電機を提供する。【解決手段】円環状のステータにおける円環の少なくとも一部を構成するバックヨーク２２と、バックヨーク２２からステータの径方向に延びてコイル２６が巻回可能なコイル巻回部２３ａ、及びコイル巻回部２３ａの先端からステータの周方向に延びるティース先端部２４を有するティース２３と、ティース先端部２４及びバックヨーク２２の間をコイル巻回部２３ａから離れて架橋状に連結する非磁性の剛性部材２５と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、ステータコア、ステータ及び回転電機に関する。

従来から、ステータ及びロータを備えた回転電機が知られている。回転電機のステータには、ステータの径方向に延びるティースが設けられている。ステータの周方向に隣接するティース間には、コイルが収容されるスロットが形成されている。周方向のティース寸法が一定である場合、ロータに配設された永久磁石がティースに対向する場合とスロットに対向する場合との間で磁束の変化が急激になり、磁気バランスが悪くなる。その結果、トルクの時間変動、振動、モータ音に悪影響を及ぼす。
そこで、ティースの先端部を周方向に延長することにより、スロットの開口部を部分的に閉鎖し、磁束の分布を拡大して、磁束の変化を抑制した構造が知られている。

また、例えば特許文献１では、ティース毎に周方向に分割された分割型のステータにおいてステータコアの変形を防ぐため、隣接するティース間のスロット開口部を絶縁体の融着により閉鎖した構造が開示されている。
特許文献１では、周方向に隣接する分割型のステータコア間における変形、振動を抑制することが意図されているため、ステータコア間が絶縁体の融着によりステータの周方向に連結されている。

特開２００２−８４６９８号公報

回転電機の実稼働中には、磁束の変化により電磁力が発生し、ステータコアには電磁加振力が加わる。ティース先端部が周方向に延長されているステータコアの場合には、ティース先端部が細く片持ち状に突出しているため、ティース先端部がステータの径方向に振動し、騒音の原因となるおそれがある。

そこで本発明は、ティース先端部の振動を抑制することが可能なステータコア、ステータ及び回転電機を提供する。

第１発明のステータコア（例えば、実施形態のステータコア２１）は、円環状のステータ（例えば、実施形態のステータ２０）における円環の少なくとも一部を構成するバックヨーク（例えば、実施形態のバックヨーク２２，２９）と、前記バックヨークから前記ステータの径方向に延びてコイル（例えば、実施形態のコイル２６）が巻回可能なコイル巻回部（例えば、実施形態のコイル巻回部２３ａ）、及び前記コイル巻回部の先端から前記ステータの周方向に延びるティース先端部（例えば、実施形態のティース先端部２４）を有するティース（例えば、実施形態のティース２３）と、前記ティース先端部及び前記バックヨークの間を前記コイル巻回部から離れて架橋状に連結する非磁性の剛性部材（例えば、実施形態の剛性部材２５）と、を備えることを特徴とする。

第２発明のステータコアは、前記バックヨーク及び前記ティースが複数枚の磁性板材（例えば、実施形態の磁性板材２８）を有する積層体から構成され、前記剛性部材が前記磁性板材の１枚ごとに設けられていることを特徴とする。

第３発明のステータコアは、前記バックヨークと前記剛性部材の前記バックヨーク側の端部との間、及び前記ティース先端部と前記剛性部材の前記ティース先端部側の端部との間が、相互に段差形状（例えば、実施形態の段差形状２２ｅ，２４ａ，２５ａ，２５ｂ）を組み合わせて結合されていることを特徴とする。

第４発明のステータは、前記ステータコアを備えていることを特徴とする。

第５発明のステータは、前記バックヨークが前記ステータにおける円環の一部を構成し、前記ステータの周方向に沿って複数の前記ステータコアが円環状に配列されていることを特徴とする。

第６発明の回転電機（例えば、実施形態のモータ１０）は、前記ステータを備えていることを特徴とする。

第１発明によれば、ティース先端部とバックヨークとの間が剛性部材により連結されているので、ティース先端部がコイル巻回部と剛性部材との間に支持された両持ち構造となる。このため、ステータの径方向に向けたティース先端部の振動を抑制することができ、騒音を軽減することができる。

第２発明によれば、積層型のステータコアにおいて磁性板材の１枚ごとにティース先端部が剛性部材により固定される。これにより、各磁性板材のティース先端部の振動をより確実に抑制することができる。

第３発明によれば、剛性部材とバックヨーク又はティース先端部との間の結合部が段差形状の組み合わせによる相欠き状となり、接触面積が増大するので、異種材料間の密着性を向上することができる。

第４発明によれば、径方向に向けたティース先端部の振動を抑制することができ、騒音を軽減したステータを提供することができる。

第５発明によれば、ティースごとにステータコアが分割されているので、周方向に隣接するティース間に配置される剛性部材の固定が容易になる。

第６発明によれば、径方向に向けたティース先端部の振動を抑制することができ、騒音を軽減した回転電機を提供することができる。

実施形態に係るステータコアの平面図である。 剛性部材の固定構造を例示する部分拡大斜視図である。 軸方向に複数枚積層されたステータコアを示す斜視図である。 モータの概略構成平面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。以下の説明では、モータの軸方向を単に「軸方向」といい、軸方向に中心軸を有する周方向を単に「周方向」といい、軸方向に直交する方向を「径方向」という。

図１は、ステータコアの概略構成を示す平面図である。周方向はほぼ図１の左右方向であり、径方向は図１の上下方向である。軸方向は、図１の紙面に垂直な方向である。図１では、上側が径方向外側、下側が径方向内側である。

本実施形態のステータコアは、ロータがステータの径方向内側に配置されるインナーロータ型のモータ用のステータコアである。すなわち、ステータの径方向内側とは、ステータがロータに対向する側を意味する。

図１に示すように、ステータコア２１は、他のステータコア２１に対して周方向に連結されるバックヨーク２２と、バックヨーク２２から径方向に延びるティース２３と、ティース先端部２４及びバックヨーク２２の間を連結する剛性部材２５と、を備えている。バックヨーク２２からティース２３が延びる方向は径方向内側である。径方向内側におけるティース２３の先端部には、周方向に延びるティース先端部２４が形成されている。

ステータコア２１のバックヨーク２２は、円環状のステータにおける周方向の一部を構成している。すなわち図１に示すステータコア２１は、円環状のステータが周方向に分割された構成におけるステータコア片に相当する。

バックヨーク２２の周方向の両端部には、それぞれ凸部２２ａ及び凹部２２ｂが形成されている。複数のステータコア２１を円環状に組み合わせる際、隣接するステータコア２１の凸部２２ａと凹部２２ｂとを嵌め合わせることで、径方向の位置決めが可能である。凸部２２ａ及び凹部２２ｂの形状は特に限定されないが、例えば半円状、矩形状、三角形状等が挙げられる。

バックヨーク２２の外周部には、溝部２２ｃ等の係合部が形成されてもよい。これにより、円環状のホルダの周方向に沿って複数のステータコア２１を配列したとき、係合部をホルダ側と係合することにより、周方向の位置決めが可能である。この位置決めに際しては、周方向に沿って配列される複数のステータコア２１のうち、少なくとも１つのステータコア２１においてバックヨーク２２の係合部がホルダと係合されればよい。

バックヨーク２２の軸方向の面には、複数のステータコア２１を軸方向に積層するため、かしめ部２２ｄ等の連結部が形成されている。かしめ部２２ｄは、軸方向の一方の面が凸部で、他方の面が凹部となるように形成されている。軸方向に隣接するステータコア２１の対向面どうしで凸部を凹部に圧入することにより、複数のステータコア２１を軸方向に連結することができる。

本実施形態におけるコイル２６は、突極集中巻きによりティース２３のうちコイル巻回部２３ａの周囲に巻回されている。ここで、コイル巻回部２３ａは、径方向におけるバックヨーク２２とティース先端部２４との間の部分である。また、図１に示すコイル２６は、導体（導線）が軸方向に延びる部分の断面である。ティース２３のコイル巻回部２３ａは、バックヨーク２２の周方向の中央部から径方向の内側に延出している。周方向におけるコイル巻回部２３ａの寸法は、バックヨーク２２の寸法よりも狭い。ティース２３の両側にはコイル２６が収容されるスロット２７が配置されている。

ティース先端部２４は、コイル巻回部２３ａの先端部から周方向の両側にそれぞれ片持ち状に突出している。さらに、ティース先端部２４とバックヨーク２２との間は、剛性部材２５により径方向に連結されている。これにより、ティース先端部２４は、コイル巻回部２３ａ及び剛性部材２５により両端が固定された両持ち状となるので、電磁加振力が加わっても振動しにくくなり、騒音を抑制することができる。

ティース先端部２４に対して周方向に部材を付加する場合と比較すると、ティース先端部２４の突出方向と同じ周方向に部材を添えても、断面積の増加に対応する程度しか剛性は増加しない。これに対して、本実施形態のように、振動方向に沿った径方向に剛性部材２５を一体化し、かつ剛性部材２５の端部をバックヨーク２２と一体化することで、剛性を効果的に向上させることができる。

ステータコア２１に剛性部材２５が設けられない場合、ティース先端部２４の中では、コイル巻回部２３ａから周方向に離れた位置において、径方向に振動を生じる。このため、剛性部材２５は、ティース先端部２４のうちコイル巻回部２３ａから周方向に離れた位置を固定するように構成されている。また、剛性部材２５は、バックヨーク２２に対してもコイル巻回部２３ａから周方向に離れた位置を固定するように構成されているので、剛性部材２５が径方向においてコイル巻回部２３ａに沿う部分は架橋状となり、コイル巻回部２３ａと剛性部材２５との間にコイル２６を収容する空間が確保されている。

バックヨーク２２及びティース２３（ティース先端部２４を含む。）は、ステータにおける磁性コアの役割を果たし、ステータコア本体２１ａを構成する。ステータコア本体２１ａは、軸方向に垂直な面内（径方向及び周方向）に磁気回路を構成するように、一体の磁性材料から構成されていることが好ましい。

ステータコア本体２１ａを構成する磁性材料の具体例としては、例えば、磁性板材又は磁性板材を軸方向に複数枚積層した積層体が挙げられる。磁性板材としては、例えば珪素鋼板等の電磁鋼板が挙げられる。ステータコア本体２１ａとコイル２６との間を電気的に絶縁するため、両者の間にインシュレータ（不図示）が設けられる。インシュレータとしては、樹脂、絶縁紙等が挙げられる。

剛性部材２５の材料としては、樹脂、セラミックス、複合成形材料等の非磁性材料が挙げられる。剛性部材２５が非磁性であることにより、ティース先端部２４とバックヨーク２２との間で剛性部材２５の内部を通る磁束の増加を防ぎ、ロータにおける磁束密度の低下を抑制することができる。剛性部材２５がコイル２６と電気的に接続されないように、剛性部材２５は誘電体（電気絶縁体）であることが好ましい。

樹脂からなる剛性部材２５を例えばインサート成形により形成する場合、剛性部材２５の成形とステータコア本体２１ａに対する接合とが一工程で実現できるので好ましい。ただし、ステータコア２１の製造方法は特に限定されない。例えば、ステータコア本体２１ａ及び剛性部材２５を別々に形成した後に、接着、融着等により剛性部材２５をステータコア本体２１ａに接合することも可能である。

図２に、バックヨーク２２及びティース先端部２４と剛性部材２５とを固定する構造の具体例を示す。この具体例では、ステータコア本体２１ａが１枚の磁性板材２８から構成されている。図２の上下方向は、軸方向である。

なお、ステータコア２１のバックヨーク２２、ティース先端部２４及び剛性部材２５において、周方向外側とは、コイル巻回部２３ａから離れた側である。
また、剛性部材２５における周方向内側とは、コイル巻回部２３ａに対向する側、すなわち、コイル巻回部２３ａと剛性部材２５の間に構成されるスロット２７に接する側である。

図２に示すように、剛性部材２５は、バックヨーク２２側の端部及びティース先端部２４側の端部のそれぞれに、段差形状２５ａ，２５ｂを有する。段差形状２５ａがバックヨーク２２側であり、段差形状２５ｂがティース先端部２４である。これらの段差形状２５ａ，２５ｂは、軸方向の寸法の片側において剛性部材２５の一部が欠けた形状である。

バックヨーク２２のうち径方向内側かつ周方向外側の角部には、剛性部材２５の段差形状２５ａと相補的に組み合わせることが可能な段差形状２２ｅが形成されている。また、ティース先端部２４の周方向外側の突出端部には、剛性部材２５の段差形状２５ｂと相補的に組み合わせることが可能な段差形状２４ａが形成されている。なお、以下の説明では、バックヨーク２２及びティース先端部２４の段差形状２２ｅ，２４ａを総称して、ステータコア本体２１ａの段差形状２２ｅ，２４ａという場合がある。

ステータコア本体２１ａの段差形状２２ｅ，２４ａは、軸方向において、剛性部材２５の段差形状２５ａ，２５ｂとは反対側の一部が欠けた形状を有する。例えば図２に示す例では、軸方向となる図２の上下方向において、剛性部材２５の段差形状２５ａ，２５ｂは図２の下側が欠けた形状である。そして、ステータコア本体２１ａの段差形状２２ｅ，２４ａは図２の上側が欠けた形状である。

剛性部材２５とステータコア本体２１ａとの間の結合は、それぞれ段差形状２２ｅ，２４ａ，２５ａ，２５ｂを軸方向に組み合わせたことによる相欠き状となっている。これにより、剛性部材２５とステータコア本体２１ａとの接触面積が増大するので、異種材料間の密着性を向上することができる。

また、本実施形態においては、剛性部材２５を含めたステータコア２１の寸法が、軸方向、周方向、径方向のいずれにおいても、剛性部材２５を除いたステータコア本体２１ａの寸法と同等である。これにより、ステータコア２１を軸方向及び周方向に複数組み合わせたり、ステータコア２１を周方向にロータと対向させたりするときに、立体的な干渉を防ぐことができる。

ステータコア２１とロータとの間の立体的干渉を避けるためには、剛性部材２５のティース先端部２４側の段差形状２５ｂの径方向内側を向く端面は、ティース先端部２４の径方向内側を向く端面と面一であることが好ましい。ロータの回転時の空気抵抗を抑制するため、ステータコア２１の径方向内側を向く端面を滑らかな形状とすることもできる。

周方向に隣接するステータコア２１間の立体的干渉を避けるためには、ステータコア本体２１ａの段差形状２２ｅ，２４ａの周方向外側を向く端面と、剛性部材２５の周方向外側を向く端面とが、面一であるか、またはステータコア本体２１ａの段差形状２２ｅ，２４ａの周方向外側を向く端面より剛性部材２５の周方向外側を向く端面が低くなっていることが好ましい。

剛性部材２５の周方向内側の形状は、特に限定されないが、スロット２７に収容されるコイル２６との立体的干渉が回避される形状、あるいは、コイル２６を構成する導体の整列、保持等に資する形状であることが好ましい。

図３に、複数枚のステータコア２１が軸方向に積層された構成を示す。ステータ及びコイルの軸方向寸法に対応して、一般にステータコアは、複数枚の磁性板材２８が軸方向に積層された構造を有する。図３に示すステータコア２１では、バックヨーク２２及びティース２３が複数枚の磁性板材２８の積層体から構成され、剛性部材２５が磁性板材２８の１枚ごとに設けられている。磁性板材２８は、軸方向に分割されたステータコア本体２１ａを構成している。

このような構成によれば、積層型のステータコア２１において磁性板材２８の１枚ごとにティース先端部２４を剛性部材２５に固定することができる。各磁性板材２８のティース先端部２４は、独立に振動可能であるので、磁性板材２８の１枚ごとにバックヨーク２２及びティース先端部２４の間に剛性部材２５を取り付けることにより、各ティース先端部２４の振動を、より確実に抑制することができる。

ステータコア２１にコイル２６を巻回する方法は特に限定されないが、例えばコイル巻回部２３ａと剛性部材２５との間（スロット）で軸方向に導体（導線）を通し、ステータコア２１の軸方向の両側にコイルエンドを設ければよい。軸方向に延びる２つの脚部の間に、一端側のコイルエンドに対応する中間部を設けて、略Ｕ字状に構成されたセグメントコンダクタ（ＳＣ）を用いることも可能である。ＳＣ型のコイルは、脚部をスロットに通し、他端側で脚部の先端同士を接続することによりコイルが構成されるため、コイル巻回部２３ａの周囲で導体を巻回させる動作が不要となるので、作業性に優れる。

軸方向に積層される磁性板材２８間の連結は、上述したかしめ部２２ｄ等の連結部により行うことができる。軸方向に隣接する磁性板材２８間において、軸方向に隣接する剛性部材２５が相互に接触してもよく、隣接する剛性部材２５の間に隙間が設けられてもよい。磁性板材２８が軸方向に積層される際に、剛性部材２５間の立体的干渉を避けるためには、磁性板材２８の軸方向の各端面と、剛性部材２５の軸方向の各端面は、面一であるか、または磁性板材２８の軸方向の端面より剛性部材２５の軸方向の端面が低くなっていることが好ましい。

図４に、複数のステータコア２１が周方向に配列された構成のステータ２０を備えるモータ１０の一例を示す。このモータ１０は、回転子であるロータ１１と、ロータ１１の外周に配置された固定子であるステータ２０とを備えている。

ロータ１１は円盤状に形成されている。ロータ１１の外周部には、全周にわたって所定の間隔で永久磁石１２が配置されている。図４には、一極対１４に対応する永久磁石１２，１２のみが図示されている。一極対１４は、極性（Ｓ極又はＮ極）の異なる一対の磁極を含む。ロータ１１の中心部には、回転軸であるシャフト１３が設けられている。なお、図４にはシャフト１３の軸に垂直な断面が示されている。ステータ２０のコイル２６に通電すると回転磁界が発生する。回転磁界と永久磁石１２との相互作用により、ロータ１１が所定のいずれか一方向に回転する。

ステータ２０は、周方向に沿って複数のステータコア２１が円環状に配置されるように、ホルダ３０を備える。ホルダ３０は、略円筒状に形成されている。複数のステータコア２１を周方向に配列することにより、各ステータコア２１のバックヨーク２２が円環状に連結されて、円環状のバックヨーク２９が構成される。これにより、各ステータコア２１のティース２３は、バックヨーク２９の径方向内側に形成された突極を構成する。

ステータ２０は、一極対１４ごとに、交流の三相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）に対応して３個のコイル２６を備えている。この場合、一極対（電気角３６０ｅｄｅｇ）ごとに６回のトルク変動が発生する。６極対のモータでは、ロータの一回転（機械角３６０°）ごとに３６回のトルク変動が発生する。無通電時のコギングトルクや通電時のトルクリプルによるトルク変動により振動が発生すると、モータ音が放射される。
本実施形態のモータ１０では、上記実施形態のステータコア２１を備えていることにより、ティース先端部２４の振動が抑制され、モータ音が軽減される。

なお、本発明は、図面を参照して説明した上述の実施形態に限定されるものではなく、その技術的範囲において様々な変形例が考えられる。

例えば、上述の実施形態においては、軸方向に積層された磁性板材２８の１枚ごとに剛性部材２５が設けられているが、軸方向に積層された２枚以上の磁性板材の一部又は全部にわたって一体化された剛性部材を構成することも可能である。
また、上述の実施形態においては、周方向に分割されたステータコア２１ごとに別々の剛性部材２５が設けられているが、周方向に隣接するステータコア２１の間で対向する２つのティース先端部２４にわたって一体化された剛性部材を構成することも可能である。

上述の実施形態では、剛性部材２５の周方向の寸法（幅）は、剛性部材２５の径方向の寸法（長さ）に渡って略同一であるが、周方向の寸法を変化させてもよい。例えば、剛性部材とステータコアとの密着性を向上するため、剛性部材のバックヨーク側の端部は、バックヨークの周方向に沿ってＬ字状に広くバックヨークと結合してもよい。また、剛性部材のティース先端部側の端部は、ティース先端部に沿ってＬ字状に長くティース先端部と結合してもよい。このほか、剛性部材の端部とステータコア本体（ティース先端部又はバックヨーク）とを結合する形状は、特に限定されない。剛性部材の端部が２つに分岐して、ステータコア本体を軸方向に挟み込む形状としてもよい。ステータコア本体に溝状又は穴状の凹部を形成して、この凹部に剛性部材の端部が挿入されてもよい。

上述の実施形態では周方向に分割されたステータコア２１を円環状に配置してステータ２０を形成したが、円環の全周に連続して形成されたバックヨークを有するステータコアを採用してもよい。すなわち、各ステータコアのバックヨークは、円環の一部を構成してもよく、円環の全周を構成してもよい。

上述の実施形態では、回転電機としてインナーロータ型のモータについて説明したが、これに限らず、アウターロータ型のモータに本発明を適用しても構わない。さらに、回転電機は、車両用のモータに限定されず、その他用途のモータや発電機等であってもよい。車両用の回転電機は、車両の駆動用に限らず、回生発電に利用することもできる。

１０…モータ（回転電機）、１１…ロータ、２０…ステータ、２１…ステータコア、２２，２９…バックヨーク、２２ｅ，２４ａ，２５ａ，２５ｂ…段差形状、２３…ティース、２３ａ…コイル巻回部、２４…ティース先端部、２５…剛性部材、２６…コイル、２８…磁性板材。

Claims (6)

1. 円環状のステータにおける円環の少なくとも一部を構成するバックヨークと、
   前記バックヨークから前記ステータの径方向に延びてコイルが巻回可能なコイル巻回部、及び前記コイル巻回部の先端から前記ステータの周方向に延びるティース先端部を有するティースと、
   前記ティース先端部及び前記バックヨークの間を前記コイル巻回部から離れて架橋状に連結する非磁性の剛性部材と、
   を備えることを特徴とするステータコア。
2. 前記バックヨーク及び前記ティースが複数枚の磁性板材を有する積層体から構成され、前記剛性部材が前記磁性板材の１枚ごとに設けられていることを特徴とする請求項１に記載のステータコア。
3. 前記バックヨークと前記剛性部材の前記バックヨーク側の端部との間、及び前記ティース先端部と前記剛性部材の前記ティース先端部側の端部との間が、相互に段差形状を組み合わせて結合されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のステータコア。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のステータコアを備えていることを特徴とするステータ。
5. 前記バックヨークが前記ステータにおける円環の一部を構成し、前記ステータの周方向に沿って複数の前記ステータコアが円環状に配列されていることを特徴とする請求項４に記載のステータ。
6. 請求項４又は５に記載のステータを備えていることを特徴とする回転電機。

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