以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。図1は、本発明の実施形態である回転電機10の横断面図である。以下の説明における「軸方向」、「径方向」、「周方向」とは、いずれも、ステータ20の軸方向、径方向、周方向を意味する。以下で述べる形状、寸法、ティース32の数、巻数、材質等は、説明のための例示であって、実際と異なる場合があり、また、ステータ20の仕様に合わせて適宜変更可能である。
本実施形態の回転電機10は、ロータ12及びステータ20を備える。ロータ12は、ロータコア14と、当該ロータコア14に埋め込まれた複数の永久磁石16とを備える。ロータコア14の中心には回転軸18が挿通されており、当該回転軸18は、ベアリング(図示せず)等を介してケース(図示せず)に対して回転自在に支持される。ロータ12は、この回転軸18とともに回転自在となる。
ステータ20は、ロータ12の外側に、ロータ12と同心となるように配置される。ステータ20は、その内周に複数のティース32が形成された略環状のステータコア22と、各ティース32に巻回されたステータコイル24と、ステータコア22及びステータコイル24の間に介在するインシュレータ26と、を備える。
ステータコア22は、円環状のヨーク30と、当該ヨーク30の内周側に突き出すティース32と、に大別される。なお、図1の例では、ステータコア22は9個のティース32を有するが、この個数は、適宜変更されてもよい。ステータコア22は、ヨーク30とティース32とを含む所定の形状に成形された円環状のコア構成片34を、所定の枚数で軸方向に積み重ねた積層体である。コア構成片34の両面には電気的絶縁処理が施される。コア構成片34の材質としては、例えば、珪素鋼板の一種である電磁鋼板を用いることができる。
図2は、ステータコア22を示す。図2(a)は、ステータコア22の上面図であり、図2(b)は、図2(a)のA−A線における断面を示す図である。ステータコア22の軸方向端面には、後述するインシュレータ26の開口部46に対応する表面領域に孔部38が形成されている。図2(b)に示すように、ステータコア22を構成するコア構成片34は、貫通孔36を有するコア構成片34aと、貫通孔36を有さないコア構成片34bとからなり、軸方向両端部にあるコア構成片34aでコア構成片34bを挟むようにして構成されている。これにより、ステータコア22の軸方向端面には、径方向に面する側面52を有する孔部38が形成される。ステータコア22の軸方向端部に配置される貫通孔36を有するコア構成片34aは1枚でも複数枚でもよい。孔部38の形状及び作用効果については後述する。
ステータコイル24は、断面円形の巻線を集中巻することで構成される。巻線の表面には、隣接する巻線との間の絶縁を確保するために絶縁皮膜が施される。ステータコイル24は、三相のコイル、すなわち、U相コイル、V相コイル、W相コイルを有しており、各相コイルは、複数の単コイルを直列につなぐことで構成され、各単コイルは、巻線を一つのティース32に巻回して構成される。複数のティース32には、U相の単コイル、V相の単コイル、W相の単コイルが、周方向に順に繰り返し並ぶようにセットされる。なお、こうしたステータコイル24の構成は、一例であり、適宜、変更されてもよい。例えば、ステータコイル24は、集中巻に限らず、分布巻でもよく、また、巻線は、断面円形ではなく、断面矩形の平角線、楕円断面の巻線等でもよい。絶縁皮膜付き巻線の素線としては、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。絶縁皮膜としては、ポリアミドイミド、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。
ステータコア22とステータコイル24との間には、インシュレータ26が配置される。図3は、ステータコア22のティース32に装着されるインシュレータ26の斜視図である。インシュレータ26は、絶縁性材料、例えば、ポリエチレンテレフタレート樹脂(PET樹脂)などの樹脂材料からなる部材である。インシュレータ26は、図3に示すように、筒状のコイル巻回部40と、コイル巻回部40の径方向外側端部から軸方向及び周方向に張り出す第1フランジ部42と、コイル巻回部40の径方向内側端部から軸方向及び周方向に張り出す第2フランジ部44と、に大別される。コイル巻回部40は、ティース32に対応する形状を有し、径方向で対向する二面が開口した四角筒状である。コイル巻回部40をティース32に挿し込むことで、ティース32の周囲がコイル巻回部40に覆われる。また、コイル巻回部40の外周囲には、ステータコイル24が巻回される。
第1フランジ部42は、コイル巻回部40の外周側端部から外側に広がっている。第1フランジ部42は、インシュレータ26をティース32に組み込んだ際、ヨーク30の内周面に沿って位置し、ヨーク30とステータコイル24との間に介在する。第2フランジ部44は、コイル巻回部40の外周側端部から外側に広がっている。第2フランジ部44は、インシュレータ26をティース32に組み込み、ロータ12の外周面に沿って位置し、ロータコア14とステータコイル24との間に介在する。
本実施形態では、図3に示す通り、コイル巻回部40の軸方向の両端部、すなわち、インシュレータ26の軸方向端面に、開口部46が設けられる。この開口部46は、筒状のコイル巻回部40の内外を連通する貫通孔である。本実施形態のステータ20では、インシュレータ26に設けた開口部46に接着剤50を充填することにより、インシュレータ26をステータコア22に固定できる。そのため、ステータコア22とインシュレータ26との間に接着剤50の塗布スペースを設ける必要がなく、コイルエンド部48の高さを抑えることができ、回転電機10の占有空間を小さくできる。また、ステータコア22とステータコイル24との距離が近くなるため、両者間の伝熱性が向上し、ステータコア22及びステータコイル24のいずれか一方の過熱を抑制できる。
図4に、本実施形態のステータ20の部分構成を示す。図4では、軸方向端部における、ステータコア22(ティース32)、ステータコイル24、インシュレータ26及び接着剤50の配置が示されている。なお、図4はステータ20の軸方向の一方端の拡大図であるが、他方端も同様であるので、一方端における配置関係を述べる。本実施形態のステータ20では、ステータコア22に設けた孔部38及びインシュレータ26に設けた開口部46に接着剤50が充填される。
インシュレータ26をステータコア22に固定する接着剤50は、絶縁性を有し、ステータコイル24、インシュレータ26及びステータコア22を接着可能であれば、その種類等は限定されない。接着剤50としては、例えば、エポキシ系接着剤などの熱硬化性樹脂を用いることが好ましい。エポキシ樹脂に代えてワニスを用いてもよい。本実施形態のステータ20において、接着剤50としてエポキシ樹脂を用いる場合、液状又は流動状態のエポキシ樹脂を開口部46及び孔部38に注入し、加熱硬化条件の処理を行うと、開口部46及び孔部38を充填するエポキシ樹脂の硬化物が、ステータコア22、ステータコイル24及びインシュレータ26を固定するとともに、これらを絶縁する。
本実施形態に係る、ステータコア22に側面52を有する孔部38を設け、インシュレータ26に開口部46を設け、且つ、孔部38及び開口部46を接着剤50を充填したステータ20の作用効果を、図4及び図5を用いて説明する。図5(a)に、ステータコア22が孔部38を有さず、インシュレータ26が開口部46を有さない従来のステータ60を示す。図5に示すステータ60では、ステータコイル24とインシュレータ26との間、及び、ステータコア22とインシュレータ26との間の2箇所を、接着剤50を用いて固定している。インシュレータ26及びステータコイル24がステータコア22に対して固定されていないと、ステータ60が受ける振動や温度変化などの外部ストレスにより、インシュレータ26及びステータコイル24がティース32の突出方向、即ち径方向に沿って移動する結果、騒音が生じたり、ステータコイル24が擦れて、絶縁被膜や巻線が劣化するおそれがあるためである。
しかしながら、上述したステータ60に用いられる接着剤50では、温度の上昇及び下降の繰り返しや高温環境への曝露等を受けること等の要因により接着力が低下することがある。例えば、図5に示すステータ60において、接着剤50と、ステータコア22又はインシュレータ26との接着力が低下すると、インシュレータ26の径方向の移動を制止できないおそれがある。ステータコア22とインシュレータ26とを固定するために設けられる接着剤層としては、その他に、ティース32の外周面とコイル巻回部40の内周面との間の周方向の側面、或いは、ヨーク30の内周面と第1フランジ部42の径方向外側の面との間などが考えられるが、これらの箇所に接着剤層を設けたとしても、図5に示すステータ60と同様、接着剤層の接着力が低下すると、インシュレータ26の径方向の移動を制止できないおそれが生じる。
図5(b)に、ステータコア22が孔部38を有さず、インシュレータ26が開口部46を有するステータ70を示す。図5(b)に示すステータ70では、インシュレータ26に設けた開口部46を接着剤50が充填し、当該接着剤50を固化することで、ステータコア22、ステータコイル24及びインシュレータ26が互いに固定される。しかしながら、図5(b)に示すステータ70においても、ステータコア22に対する固化した接着剤50の接着力が低下すれば、インシュレータ26の径方向の移動を制止できないおそれが生じる。このことは、特許文献1に開示された固定子構造についても当てはまると考えられる。即ち、特許文献1に開示された固定子構造では、貫通孔である充填穴及び鉄心の積層隙間に接着剤を充填させたとしても、当該積層隙間の径方向には、充填された接着剤の固化物と対向する面が存在しないことから、接着剤の接着力が低下すれば、当該2分割したインシュレータを鉄心に対して固定する機能が低下すると考えられる。
図4に示す本実施形態のステータ20では、図5(a)に示すステータ60及び図5(b)に示すステータ70と異なり、上述の通り、インシュレータ26に開口部46が設けられ、ステータコア22の開口部46に対応する表面領域に孔部38が設けられ、孔部38及び開口部46に接着剤50が充填され、且つ、孔部38には充填された接着剤50に対して径方向で対向する側面52が設けられる。これにより、接着剤50の接着力が低下したとしても、固化した接着剤50が側面52及び開口部46の径方向側内周面と当接するため、インシュレータ26のティース32に対する径方向の移動を、固化した接着剤50の機械的性質を利用して抑制できる。その結果、インシュレータ26のステータコア22に対する固定の信頼性をより一層向上できる。例えば、本実施形態のステータ20では、接着剤50の接着力が低下した場合に、インシュレータ26に対して径方向内側向きの荷重がかかったとしても、固化した接着剤50が開口部46の内周面の径方向外側及び孔部38の径方向内側の側面52と当接するため、インシュレータ26の径方向の移動が抑制される。このような移動抑制作用は、インシュレータ26に開口部46を設けるのみ、或いは、ステータコア22に径方向に面する側面52を有する孔部38を設けるのみでは得ることはできない。
図2を再度参照しながら、孔部38の形状について詳しく説明する。図2の破線で示す領域は、ステータコア22における「開口部46に対応する表面領域」である。開口部46に対応する表面領域とは、ステータコア22の表面であって、ステータコア22をインシュレータ26を取り付けた際に後述する開口部46を通して露出する領域である。ステータコア22において、開口部46に対応する表面領域に設けた孔部38は、ステータコア22に設けた孔部38の開口端面の一部又は全部が、開口部46に対応する表面領域に含まれる。
図2に示すステータコア22では、孔部38は、インシュレータ26に設けられた開口部46に向かって開口している。これにより、ステータコア22にインシュレータ26を組み付けた状態で孔部38及び開口部46は軸方向外側に向かって開放され、孔部38の底面が開口部46を通して軸方向外側に露出することになる。また、図2に示すステータコア22では、孔部38がティース32を周方向に横断する凹溝として形成される。これにより、固化した接着剤50に対して径方向で対向する側面52を有する孔部38がステータコア22に設けられる。ステータコア22には、例えば各ティース32ごとにインシュレータ26の開口部46に対応する孔部38が形成される。
本実施形態では、孔部38の軸方向と直交する横断面の面積をS(m2)、インシュレータ26にかかると想定される径方向の向きの荷重をF(N)、固化した接着剤50の強度(曲げ弾性率)をT(N/m2)としたとき、S>F/Tが成立するように、孔部38の形状、使用する接着剤の種類等が選択される。これにより、固化した接着剤50の機械的性質を利用したインシュレータ26及びステータコア22の固定作用をより確実に得ることができる。また、図2に示すステータコア22では、ステータコア22の軸方向端面の開口部46に対応する表面領域内のうち径方向の外周側に孔部38が配置される。これは、後述する薄板の鋼板からコア構成片34aを打ち抜いて孔部38に対応する貫通孔36を形成する際に、より肉厚な部位を打ち抜くことができ、歩留まりが向上するためである。
図4を再度参照しながら、本実施形態のステータ20における、孔部38及び開口部46への接着剤50の充填等について説明する。本明細書において「孔部38及び開口部46に接着剤50が充填された」とは、孔部38の底面及び各側面並びに開口部46の内周面に対して固化した接着剤50が隙間なく密着した状態のみならず、孔部38の底面及び各側面並びに開口部46の内周面の近傍に固化した接着剤50が存在する状態をも含む意味で用いられる。例えば、孔部38の径方向側面及び開口部46の径方向の内周面の近傍に固化した接着剤50があれば、インシュレータ26のステータコア22に対する径方向の移動を制限する作用が得られる。
図4に示す本実施形態のステータ20では、孔部38及び開口部46のみならず、開口部46の軸方向外側の第1フランジ部42と第2フランジ部44に挟まれた領域において、ステータコイル24の隙間を埋めるように接着剤50が充填される。これにより、接着剤50を用いてステータコイル24をインシュレータ26及びステータコア22に固定することができる。また、接着剤50は、ステータコア22とインシュレータ26とで挟まれた領域であって、孔部38及び開口部46と隣接する領域に浸透していてもよい。
ステータ20の製造方法について説明する。ステータコア22を構成するコア構成片34を、例えば薄板の鋼板を円環状に打ち抜いて作製する。打ち抜きの際、各ティース32ごとに貫通孔36に対応する形状を設けた加工パンチ等を使用することで、貫通孔36を有するコア構成片34aを作製する。次いで、所定枚数の貫通孔36を有さないコア構成片34bが積層方向の両端部からそれぞれ所定枚数のコア構成片34aで挟まれた配置となるように、接着等の公知の方法でコア構成片34aを積層して、本実施形態に係るステータコア22を作製する。
図2に示すステータコア22では、貫通孔36を有するコア構成片34aが軸方向の両端にそれぞれ1枚ずつ配置されているため、ステータコア22に形成された孔部38は、コア構成片34の1枚分の厚みに相当する深さ(軸方向の幅)を有することになる。ステータコア22の軸方向の両端にそれぞれ複数枚のコア構成片34aを配置し、孔部38の深さを増すことにより、インシュレータ26のステータコア22に対する径方向の固定効果を向上することができる。
作製されたステータコア22の各ティース32に、ステータコイル24を予め組み付けたインシュレータ26を装着する。ステータコイル24を組み付けたインシュレータ26は、インシュレータ26のコイル巻回部40に巻線を巻回して作製する。続いて、ステータ20を、その軸方向が鉛直方向と略平行となるような姿勢に保持し、一つのティース32に組み付けられたステータコイル24のコイルエンド部48に接着剤50を注入する。接着剤50は、重力又は毛細管現象により巻線間の隙間を通過して、インシュレータ26の開口部46及びステータコア22の孔部38を含む空間を充填する。注入された接着剤50は、例えば、ティース32の軸方向端面、インシュレータ26の内周面及びステータコイル24のコイルエンド部48に接触する。
一つのティース32に対して接着剤50の充填を行った後、ステータ20を1ティース分だけ回転させ、同様に接着剤50を注入して当該ティース32に対応する開口部46及び孔部38を接着剤50で充填する。全てのティース32に対して、開口部46及び孔部38を接着剤50で充填した後、適当な条件で加熱を行うことにより接着剤50を硬化させる。これにより、ステータコア22、ステータコイル24及びインシュレータ26を接着剤50で互いに固定することができる。続いて、ステータ20の軸方向反対側についても同様に、全てのティース32に対応する開口部46及び孔部38を接着剤50で充填した後、接着剤50を硬化させる。このようにして、本実施形態のステータ20を製造できる。なお、ステータコイル24の巻線間に接着剤50を通過させて開口部46及び孔部38に接着剤50を充填する場合、硬化前の粘度が比較的低い(例えば2Pa・S以下である)接着剤50を用いることが望ましい。
また、本実施形態では、孔部38及び開口部46は、軸方向端面に設けられ、軸方向外側に向かって開放されており、孔部38の底面が開口部46を通して軸方向外側に露出している。これにより、ステータコア22にステータコイル24及びインシュレータ26を組み付けた後、軸方向外側の開放されたスペースから、ステータコイル24のコイルエンド部48を通過させるように接着剤50を注入できるため、ステータ20の製造工程及び製造装置を簡便にすることができる。
なお、本実施形態のステータ20を製造することができる方法であれば、各工程の順序等は適宜変更されてもよい。例えば、上記の製造方法では、予めステータコイル24を組み付けたインシュレータ26をティース32に装着しているが、インシュレータ26をティース32に装着した後、インシュレータ26のコイル巻回部40に巻線を巻回させてステータコイル24を組み付けてもよい。或いは、インシュレータ26をティース32に装着した後、開放状態の孔部38及び開口部46に、十分な量の接着剤50、例えば、コイル巻回部40に巻線を巻回させるとインシュレータ26側の巻線が接着剤50に浸ることになる量の接着剤50を注入し、それからコイル巻回部40に巻線を巻回させてステータコイル24を組み付け、次いで、接着剤50の加熱硬化を行ってもよい。
また、これまで説明した本実施形態のステータ20の構成は例示に過ぎず、ステータコア22に設けた孔部38とインシュレータ26に設けた開口部46に接着剤50が充填されているものであれば、他の構成は上記と異なっていてもよい。例えば、本実施形態では、孔部38及び開口部46はステータ20の軸方向の両端面に設けられているが、軸方向の一方側の端面のみに設けていてもよい。
本実施形態のステータ20では、図2に示すように、孔部38は、軸方向と直交する横断面が略矩形状となる形状を有し、径方向と略直交する平面である側面52を有している。しかしながら、孔部38の形状は図2に示す形状に制限されるものではなく、固化した接着剤50と径方向で対向する側面52として、接着剤50からの径方向の荷重を面全体で受け止めることができる平面又は曲面の形状を有するものであればよい。図6に、ステータコア22に設ける孔部38の形状の他の例を示す。孔部38は、例えば、図6(a)に示すように横断面が隅部に丸み(R)を有する多角形状となる形状であってもよく、図6(b)に示すように横断面が円形となる形状であってもよい。
本実施形態のステータ20では、孔部38及び開口部46が軸方向端面に設けられているが、孔部及び開口部の配置は、軸方向端面に制限されず、インシュレータ26がステータコア22とステータコイル24とで挟まれた領域に形成され、孔部が接着剤に対して径方向で対向する側面を有するものとなる限り、他の箇所に配置されていてもよい。例えば、孔部及び開口部はティース及びコイル巻回部の周方向側面に設けられていてもよい。ティース及びコイル巻回部の周方向側面に孔部を設ける場合、まず、打ち抜きにより、各ティースの周方向側面に孔部に対応する形状(例えば矩形状)の切欠部を形成したコア構成片を作製する。次いで、軸方向の所定の位置に孔部が配置されるように、所定枚数の当該切欠部を有するコア構成片を所定枚数の切欠部を有さないコア構成片で挟み、積層することにより、ティースの周方向側面に孔部を設けたステータコアが作製される。得られたステータコアに、コイル巻回部の周方向側面に開口部を設けたインシュレータを取り付けることで、孔部及び開口部をティースの周方向側面に設けたステータを作製できる。
本実施形態のステータ20では、インシュレータ26は開口部46を有し、ステータコア22は開口部46に対応する表面領域に孔部38を有し、孔部38及び開口部46に接着剤50が充填され、且つ、孔部38は接着剤50に対して径方向で対向する側面52が設けられる。これにより、接着剤50の接着力が低下したとしても、固化した接着剤50が側面52及び開口部46の径方向側の内周面と当接することで、インシュレータ26のティース32に対する径方向の移動を抑制し、インシュレータ26のステータコア22に対する固定の信頼性をより一層向上することができる。