JP2018050384A - 回転電機ステータ - Google Patents

Abstract

【課題】回転電機ステータにおいて、回転電機の特性を維持しつつ、巻線固定材とステータコアの間の熱膨張係数の差によって生じるステータコアの軸方向端面の変形を抑制することである。【解決手段】回転電機ステータ１０は、磁性体薄板を軸方向に積み重ねた積層体のステータコア１２と、ティース２４に巻回されたコイル巻線１４とを含む。また、コイル巻線１４がステータコア１２の軸方向端面から突き出して巻回された部分をコイルエンドとして、積層体のコイルエンド側の最外端面の磁性体薄板上に配置され、磁性体薄板よりも熱膨張係数の大きな材料の巻線固定材４０を含む。積層体のコイルエンド側の最外端面の磁性体薄板３２，３４は、ティース２４に対応する位置で外周面に複数の切欠４０を有する。【選択図】図１

Description

本開示は、回転電機ステータに関する。

回転電機のステータは、磁性体薄板の積層体であるステータコアと、これに巻回されるコイル巻線の他に、多くの部材を含んで構成される。これらの部材は材質の違いによって互いに異なる熱膨張係数を有する。そのため、温度変化によってステータに変形を生じることがある。

特許文献１では、珪素鋼板製で円環状のステータコアがアルミニウム製のハウジングに焼嵌めされる電動モータの構造において、珪素鋼板とアルミニウムとの間の熱膨張係数の差で、低温下で締め具合が強くなりすぎることを指摘している。そこで、ステータコアの周壁に軸方向に延びる空隙部をティースと同数設け、低温下における収縮差を吸収することを開示している。

特開２００４−１１２９８８号公報

回転電機のステータにおいて、ステータコアとコイル巻線との間を巻線固定材で固定することが行われる。その場合に、ステータコアと巻線固定材との間の熱膨張係数が異なるので温度変化によってステータコアの軸方向の端面側で変形が生じる。これを防止するために、ステータコアの周壁に軸方向に延びる切欠を設けると、回転電機のトルク低下が生じ得る。そこで、回転電機の特性を維持しつつ、巻線固定材とステータコアの間の熱膨張係数の差によって生じるステータコアの軸方向端面の変形を抑制できる回転電機ステータが要望される。

本開示に係る回転電機ステータは、円環状のバックヨーク及びバックヨークから内周側に突き出す複数のティースを有する磁性体薄板を所定枚数で軸方向に積み重ねた積層体のステータコアと、ティースに巻回されたコイル巻線と、コイル巻線がステータコアの軸方向端面から突き出して巻回された部分をコイルエンドとして、積層体のコイルエンド側の最外端面の磁性体薄板上に配置され、磁性体薄板よりも熱膨張係数の大きな材料の巻線固定材と、を含み、積層体のコイルエンド側の最外端面の磁性体薄板は、ティースに対応する位置で外周面に複数の切欠を有する。

上記構成によれば、最外端面に設けた切欠によって、巻線固定材とステータとの間の熱膨張係数の差によって生じるステータコアにおける応力を緩和できる。

本開示に係る回転電機ステータによれば、回転電機の特性を維持しつつ、巻線固定材とステータコアの間の熱膨張係数の差によって生じる応力を緩和できるので、ステータコアの軸方向端面の変形を抑制できる。

本実施の形態に係る回転電機ステータの構成図である。図１（ａ）は上面図であり、（ｂ）は側面図である。 図２（ａ）は、図１のＡ−Ａ線に沿った断面図である。（ｂ）は（ａ）のＢ部の拡大図である。 本実施の形態に係る回転電機ステータに用いられるインシュレータの斜視図である。 本実施の形態に係る回転電機ステータの部分分解図である。 比較例として、切欠を有さない磁性体薄板で構成されるステータコアにおける応力の発生図である。

以下に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。以下では、車両に搭載される回転電機に用いられるステータを述べるが、これは説明のための例示であって、回転電機ステータであれば、車両搭載以外の用途であっても構わない。以下では、コイル巻線を集中巻として述べるが、これは説明のための例示であって、巻線固定材を用いるものであれば、分布巻であっても構わない。以下では、コイル巻線を円形断面の丸線として述べるが、これも説明のための例示であって、円形断面以外のコイル巻線であってもよい。例えば、矩形断面の平角線、楕円断面の巻線等でも構わない。

以下で述べる形状、寸法、ティースの数、巻数、材質等は、説明のための例示であって、回転電機ステータの仕様に合わせ、適宜変更が可能である。以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、車両に搭載される回転電機に用いられる回転電機ステータ１０の構成を示す図である。以下では、回転電機ステータ１０を特に断らない限り、ステータ１０と呼ぶ。ステータ１０が用いられる回転電機は、駆動回路の制御によって、車両が力行するときは電動機として機能し、車両が制動時にあるときは発電機として機能するモータ・ジェネレータで、三相同期型回転電機である。回転電機は、図１に示される固定子であるステータ１０と、ステータ１０の内周側に所定の隙間を隔てて配置される円環状の回転子であるロータとで構成される。図１ではロータの図示を省略した。

図１（ａ）は、ステータ１０の軸方向から見た上面図であり、（ｂ）は側面図である。図１（ｂ）に、ステータ１０の軸方向を示した。軸方向の両端を区別して、一方端側と他方端側と呼ぶ。

ステータ１０は、ステータコア１２と、コイル巻線１４と、ステータコア１２とコイル巻線１４との間に配置されるインシュレータ１６と、ステータコア１２の軸方向の端面に配置される巻線固定材２０とを含む。巻線固定材２０は、ステータコア１２の軸方向の一方端と、他方端とにそれぞれ配置される。

ステータコア１２は、円環状の磁性体部品で、円環状のバックヨーク２２とバックヨーク２２から内周側に突き出す複数のティース２４とを含む。隣接するティース２４の間の空間は、スロットである。図１の例では、ティース２４の数は６つである。

かかるステータコア１２は、バックヨーク２２とティース２４とを含み、スロットが形成されるように所定の形状に成形された円環状の磁性体薄板２６を所定枚数で軸方向に積み重ねた積層体である。磁性体薄板２６の両面には電気的絶縁処理が施される。磁性体薄板２６の材質としては、珪素鋼板の一種である電磁鋼板を用いることができる。珪素鋼板の熱膨張係数は、（１２〜１５）×１０^-6（℃）である。

ステータコア１２は、図１（ｂ）に示すように、軸方向の一方端の最外端面の磁性体薄板３２と、他方端の最外端面の磁性体薄板３４と、その間のコア本体部３０とが積層されたものである。磁性体薄板３２，３４には、切欠４０が設けられ、コア本体部３０の各磁性体薄板２６には切欠が設けられない。図１（ａ）は上面図であるので、磁性体薄板３２と、切欠４０が示され、切欠４０を通して現われたコア本体部３０が示される。切欠４０の内容と、その作用効果については後述する。

コイル巻線１４は、集中巻コイルで、１つのティース２４に絶縁皮膜付きの導線を所定巻数で巻回し、１つの相巻線としたものである。コイル巻線１４がステータコア１２の軸方向端面から突き出して巻回された部分はコイルエンドである。図１には、軸方向の一方端のコイルエンド２８と、他方端のコイルエンド２９を示す。コイル巻線１４の絶縁皮膜付き導線の素線としては、銅線、銅錫合金線、銀メッキ銅錫合金線等を用いることができる。素線としては、断面形状が円形の丸線が用いられる。絶縁皮膜としては、ポリアミドイミドのエナメル皮膜が用いられる。これに代えて、ポリエステルイミド、ポリイミド、ポリエステル、ホルマール等を用いることができる。

インシュレータ１６は、コイル巻線１４の内周側面とこれに向かい合うティース２４の外周側面との間に保持される筒状形状を有する絶縁体である。インシュレータ１６は接着等の固定手段によってステータコア１２に固定される。かかるインシュレータ１６は、電気絶縁性を有するシートを所定の形状に成形したものを用いることができる。電気絶縁性を有するシートとしては、紙の他、プラスチックフィルムを用いることができる。インシュレータ１６の構成については後述する。

巻線固定材２０は、ステータコア１２である積層体の軸方向の最外端面の磁性体薄板３２，３４上に配置され、コイル巻線１４をステータコア１２に固定する絶縁樹脂接着剤である。軸方向の端面は、一方端と他方端とがあるが、巻線固定材２０は、一方端と他方端のそれぞれの最外端面の磁性体薄板３２，３４上に配置される。巻線固定材２０として用いられる絶縁樹脂接着剤としては、エポキシ樹脂が用いられる。エポキシ樹脂の熱膨張係数は、６２×１０^-6（℃）である。エポキシ樹脂に代えてワニスを用いてもよい。ワニスの熱膨張係数は、（１８〜２１）×１０^-6（℃）である。エポキシ樹脂の熱膨張係数、ワニスの熱膨張係数は、いずれも珪素鋼板の熱膨張係数に比べて大きい。

図２に、ステータコア１２、コイル巻線１４、及び巻線固定材２０の配置関係を示す。
図２（ａ）は、図１のＡ−Ａ線に沿った断面図である。（ｂ）は（ａ）のＢ部の拡大図である。（ｂ）は、軸方向の一方端の拡大図であるが、他方端における内容も同じであるので、一方端における配置関係を述べる。（ｂ）に示すように、積層体であるステータコア１２の一方端の端面上に巻線固定材２０が配置され、巻線固定材２０の上にコイル巻線１４が巻回される。

巻線固定材２０としてエポキシ樹脂を用いる場合では、液体状態または半固化状態のエポキシ樹脂を、ステータコア１２の軸方向の一方端における最外端面の磁性体薄板３２の上面に塗布する。そして、巻線固定材２０の上にコイル巻線１４を巻回し、適当な加熱硬化条件の処理を行って固化させる。これによって、コイル巻線１４は固化した巻線固定材２０を介してステータコア１２に固定される。

巻線固定材２０は、絶縁樹脂接着剤であるので、固化した後は絶縁体となる。インシュレータ１６も、ステータコア１２とコイル巻線１４との間に配置される絶縁体である。巻線固定材２０は、ステータコア１２の軸方向の一方端と他方端とに配置されるので、その箇所についてはインシュレータ１６の配置を省略できる。図３は、インシュレータ１６の構成を示す斜視図である。

インシュレータ１６は、バックヨーク２２とコイル巻線１４との間に配置される第１シート部５０と、ティース２４の先端側に配置される第２シート部５２と、その間を接続する筒シート部５４とを含む筒状形状を有する部材である。第１シート部５０には、ティース２４のバックヨーク２２側の根元部を通す第１開口部５６が設けられ、第２シート部５２には、ティース２４の先端部を通す第２開口部５８が設けられる。筒シート部５４は、ティース２４を通す筒部で、その内壁は、ティース２４の外周面に対向する。

インシュレータ１６の筒シート部５４は、軸方向の一方端側の部分に第３開口部６０が設けられ、他方端側の部分に第４開口部６２が設けられる。巻線固定材２０は、この第３開口部６０と第４開口部６２に配置され、ティース２４において、軸方向の一方端側の外周面と、他方端側の外周面のそれぞれに、直接的に配置される。換言すれば、インシュレータ１６は、巻線固定材２０が配置される箇所に、第３開口部６０と第４開口部６２の２つの開口を設ける。

図１で述べた切欠４０についてその内容と作用効果を図４と図５を用いて説明する。巻線固定材２０の上にコイル巻線１４を巻回し、その後適当な加熱硬化条件で巻線固定材２０を固化させ、その後室温に戻すと、巻線固定材２０とステータコア１２との間の熱膨張係数の差によって、ステータコア１２を変形させる応力が生じ得る。図１で述べた切欠４０は、応力の発生を緩和する作用を有する。

図４は、ステータコア１２の積層体の部分分解図である。部分分解図というのは、積層体を構成する複数の磁性体薄板２６を一枚ずつ分解するのではなく、軸方向の一方端の最外端面の磁性体薄板３２と、他方端の最外端面の磁性体薄板３４と、その間のコア本体部３０とに分解して示す図である。

磁性体薄板３２と磁性体薄板３４とは、外周面に複数の切欠４０を有する。切欠４０は、図５で述べる応力の発生がティース２４毎に繰り返すことを考慮し、バックヨーク２２の外周面において、各ティース２４の配置位置に対応する位置に設けられる。図４の例では、ティース２４は６つであるので、切欠４０は、磁性体薄板３２と磁性体薄板３４のそれぞれについて６つ設けられる。コア本体部３０を構成する各磁性体薄板２６には切欠４０が設けられない。場合によっては、軸方向の一方端及び他方端において、１枚でなく２枚あるいは３枚の磁性体薄板に最外端面の磁性体薄板３２と同様の切欠４０を設けてもよい。切欠４０の形状は、略三角形である。これは例示であって、半円弧状の切欠、角型の切欠等であってもよい。

切欠４０の効果を説明するために、比較例として、切欠を有さない磁性体薄板２６で構成されるステータコア１３における応力の発生図を図５に示す。図５（ａ）は上面図であり、（ｂ）は側面図である。ここでは、コイル巻線１４を二点鎖線で示す。

切欠を有さない磁性体薄板２６のみで構成されるステータコア１３においては、巻線固定材２０とステータコア１２との間の熱膨張係数の差によって、矢印で示す方向に、ステータコア１３を変形させる応力７０，７２，７４が生じる。応力７０は、巻線固定材２０が配置される位置に向かって、ステータコア１３を収縮させる方向に発生する。その応力７０の発生のために、バックヨーク２２の外周面側から巻線固定材２０の方向に向かってステータコア１３を収縮させる応力７２，７４が発生する。磁性体薄板２６の外周長は一定であるので、結局、磁性体薄板２６の全体が歪んで変形する。図５（ｂ）に、ステータコア１２の軸方向の両端面の変形の概略を二点鎖線で示す。

図５（ｂ）に示すステータコア１３の変形が生じると、ステータ１０をモータケース等にボルト締結するときに、その変形を平坦化するための力がボルト軸力の反力となり、締付力を上げる必要がある。これに対し、図１の構成のステータ１０においては、ステータコア１２の軸方向の最外端面の磁性体薄板３２，３４の外周面に複数の切欠４０を設けるので、図５における応力７０，７２，７４が切欠４０に向かうとき、応力緩和や応力解放が生じる。これによって、ステータコア１２の軸方向端面における変形の発生を抑制できる。

本実施の形態に係る回転電機ステータ１０は、円環状のバックヨーク２２及びバックヨーク２２から内周側に突き出す複数のティース２４を有する磁性体薄板を所定枚数で軸方向に積み重ねた積層体のステータコア１２を有する。また、ティース２４に巻回されたコイル巻線１４を有する。さらに、コイル巻線１４がステータコア１２の軸方向端面から突き出して巻回された部分をコイルエンドとして、積層体のコイルエンド側の最外端面の磁性体薄板３２，３４上に配置され、磁性体薄板よりも熱膨張係数の大きな材料の巻線固定材２０を含む。そして、積層体のコイルエンド側の最外端面の磁性体薄板３２，３４は、ティース２４に対応する位置で外周面に複数の切欠を有する。

本実施の形態に係る回転電機ステータ１０によれば、切欠４０は、積層体の軸方向の最外端面の磁性体薄板３２，３４に設けられるが、全ての磁性体薄板には設けられないので、切欠によるトルク低下を抑制し、回転電機の特性を維持できる。また、切欠４０によって、巻線固定材２０とステータコア１２の間の熱膨張係数の差によって生じる応力を緩和できるので、ステータコア１２の軸方向端面の変形を抑制できる。また、ボルト軸力の反力となるステータコア１２の軸方向端面の変形を生じないので、ステータ１０とモータケース等との間の締結の信頼性が向上する。

１０ （回転電機）ステータ、１２，１３ ステータコア（積層体）、１４ コイル巻線、１６ インシュレータ、２０ 巻線固定材、２２ バックヨーク、２４ ティース、２６ 磁性体薄板、２８，２９ コイルエンド、３０ コア本体部、３２，３４ （軸方向の最外端面の）磁性体薄板、４０ 切欠、５０ 第１シート部、５２ 第２シート部、５４ 筒シート部、５６ 第１開口部、５８ 第２開口部、６０ 第３開口部、６２ 第４開口部、７０，７２，７４ 応力。

Claims (1)

1. 円環状のバックヨーク及び前記バックヨークから内周側に突き出す複数のティースを有する磁性体薄板を所定枚数で軸方向に積み重ねた積層体のステータコアと、
   前記ティースに巻回されたコイル巻線と、
   前記コイル巻線が前記ステータコアの軸方向端面から突き出して巻回された部分をコイルエンドとして、前記積層体のコイルエンド側の最外端面の前記磁性体薄板上に配置され、前記磁性体薄板よりも熱膨張係数の大きな材料の巻線固定材と、
   を含み、
   前記積層体の前記コイルエンド側の前記最外端面の前記磁性体薄板は、前記ティースに対応する位置で外周面に複数の切欠を有する、回転電機ステータ。

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