JP2019080454A - ステータコア - Google Patents

Abstract

【課題】電磁鋼板からなる分割コアによってステータコアが形成されるステータにおいて、各層の分割コア間における磁束の分断を抑制することにある。【解決手段】電磁鋼板からなる分割コア１０ａ、１０ｂ、１０ｃが同一面内で隣接配置されて単層コア１６が形成されている。そして、この単層コア１６を、層毎に、転積して積層することで、ステータコア２２が形成されている。単層コアにおける分割コア間の間隙２０ａ、２０ｂ、２０ｃには、軟磁性材料を含有する接着剤が充填される。これによって、各単層コアにおける鋼板間の磁束の分断が抑制される。【選択図】図１

Description

本発明は、ステータコアに関し、特に、電磁鋼板からなる分割コアを隣接配置して形成された単層コアが積層されたステータコアに関する。

回転電機では、電磁鋼板を積層してステータコアあるいはロータコアを形成するにあたり、周方向に複数に分割された分割コアを利用する場合がある。

下記特許文献１には、電磁鋼板を層毎に周方向端（回転軸回りの方向の端）の位置を異ならせて積層することで、凹凸形状の周方向端をもつ分割コアを形成する記載がある。そして、分割コア同士の凹凸部分が互いに嵌合し、さらに外周側を溶接等で固定することで、ステータが形成されている。

下記特許文献２には、１２０度の広がりをもつ分割コアの電磁鋼板を３枚組み合わせて各層を形成し、これを積層することでロータコアを形成する旨の記載がある。積層にあたっては、組み合わせ箇所が積層の度に同方向に３０度ずらされる。そして、各層を貫く複数の孔部にピンが挿入されて、固定が行われている。

下記特許文献３には、電磁鋼板を同方向に順次ずらすことで、斜めに傾いた分割コアを形成する旨の記載がある。この分割コアには、積層方向に連続する接着溝が設けられており、ここに接着剤が塗布されることで各層の電磁鋼板が接着される。また、分割コアと分割コアを連結する箇所には嵌合構造が設けられており、圧入によって連結が行われる。

特開２００９−２７３２６１号公報 特開２００８−２７１６４８号公報 特開２００８−３１２３４８号公報

分割された電磁鋼板を周方向に並べる場合、隣り合う鋼板間には隙間ができる。磁束はこの隙間によって分断されるため、コアの性能が低下することになる。

本発明の目的は、電磁鋼板からなる分割コアによって形成されるステータコアにおいて、各層の分割コア間における磁束の分断を抑制することにある。

本発明の一態様においては、ステータコアは、電磁鋼板からなる複数の分割コアが同一面内で隣接配置された単層コアを、層毎に転積して積層したステータコアであって、各単層コアにおける分割コア間の間隙には、軟磁性材料を含有する接着剤が充填されていることを特徴とする。

電磁鋼板は、磁気特性を改善した鋼板の表面を絶縁皮膜で覆われた部材である。回転軸回り（周方向）に分割された分割コアは、この電磁鋼板によって形成されている。分割コアは、最終的に形成されるステータコアの形状を想定して、周方向に均等あるいは不均等な形状で複数枚に分割して形成されたものである。分割コア間の境界の位置（スロット部分か、スロットの合間の突起部分かなど）や形状（直線状か曲線状かなど）は特に限定されない。単層コアは、分割コアを同一面内で周方向に隣接配置したものである。ここで、同一面とは、製造誤差を含んだ上で、実質的に同じ面内とみなせる程度の範囲をいう。すなわち、単層コアが、分割されていない一枚の電磁鋼板で形成されているとして扱える程度に、分割コアの高さが揃っていればよい。

単層コアは、層毎に転積して積層される。すなわち、積層される単層コアは、その下の単層コアと比較して周方向にある程度回転され、周方向の位置関係が変えられる。この結果として、ある単層コアにおける分割コアの間隙の位置は、隣接する上層及び下層の単層コアにおける分割コアの間隙の位置とは異なることになる。言い換えれば、ある単層コアにおける分割コアの間隙は、その上層あるいは下層の単層コアにおける分割コアの間隙とは、連結しないことになる。

各単層コアにおける分割コア間の間隙には、軟磁性材料を含有する接着剤が充填される。すなわち、単層コアにおける分割コア間は、接着剤によって機械的及び磁気的に結合される。接着剤は、上層及び下層の単層コア間も埋める程度に、密に充填されていてもよい。しかし、接着剤は、上層側あるいは下層側の単層コアとの間に隙間ができる程度に疎に充填されていてもよい。接着剤は、機械的な結合が可能であれば、その成分等は特に限定されるものではない。接着剤としては、例えば、エポキシ系、シリコン系の接着剤を例示することができる。軟磁性材料も特段限定されるものではなく、例えば、コスト面での利点を考えてフェライトを採用することができる。また、ニッケル、珪素鉄などを採用してもよい。

軟磁性材料を含む接着剤によって、各層の分割コア間における磁束の分断を抑制することが可能になる。

実施形態に係るステータの積層の流れを説明する図である。 ステータの周方向に沿った断面図である。 接着剤の充填工程を示す図である。 変形例にかかる接着剤の充填例を示す図である。 別の変形例にかかる接着剤の利用態様を示す図である。

以下に、図面を参照しながら、実施形態について説明する。説明においては、理解を容易にするため、具体的な態様について示すが、これらは実施形態の例であり、他にも様々な実施形態をとることが可能である。

図１は、実施形態にかかるステータコアの形成過程を説明する図である。ステータコアは、回転電機において、回転するロータの周囲に、ロータと同軸で配置される円筒形状の部品である。図１（ａ）は、ステータコアを構成する分割コア１０の上面図である。分割コア１０は、ステータコアに必要となる磁気特性等を確保した薄い電磁鋼板によって形成されている。電磁鋼板は、例えば、鉄に珪素を含有して形成した珪素鋼板の両面に、絶縁皮膜が施されたものである。

分割コア１０は、円筒形の周方向（回転軸回りの方向）の１／３（つまり１２０度）の形状に作られている。そして、分割コア１０の内周側には、等間隔に複数のスロット１２が形成されている。スロット１２は、コイルが巻回されるための溝である。また、分割コア１０の外周面には、分割コア１０の位置決めやステータコアの固定などに用いられる挿入孔を備えた２つの突起１４が６０度間隔で設けられている。

図１（ｂ）は、同じ形状をもつ３枚の分割コア１０ａ、１０ｂ、１０ｃを、同一面内で、周方向に隣接して配置した状態を示す斜視図である。この３枚の分割コア１０ａ、１０ｂ、１０ｃは、ステータコアの最下層をなす単層コア１６を形成している。単層コア１６の形成にあたっては、位置決めを行う６本のピン１８ａ〜１８ｆが利用される。ピン１８ａ〜１８ｆは加工台に６０度間隔で設置されている。そして、このうちの隣接する２本のピンを、分割コア１０の２つの突起１４における各挿入孔に挿入することで、所定の位置に分割コア１０が設置される。図１（ｂ）の例では、分割コア１０ａはピン１８ａ、１８ｂの位置に設置されており、分割コア１０ｂはピン１８ｃ、１８ｄの位置に設置されており、分割コア１０ｃはピン１８ｅ、１８ｆの位置に設置されている。

分割コア１０ａ、１０ｂ、１０ｃが隣接配置された間には、若干の間隙２０ａ、２０ｂ、２０ｃが形成されている。この間隙２０ａ、２０ｂ、２０ｃには、軟磁性材料としてのフェライトの粉末を含有した接着剤が充填される。この間隙を形成している電磁鋼板の断面には鋼板が現れる。そこで、接着剤は、鋼板との接着性がよい方が望ましい。また、この間隙は、後で説明するように、下層（ただし最下層の単層コア１６ではそれより下層の単層コアは存在しない）及び上層の単層コアにおける絶縁皮膜部分が接することになる。したがって、接着剤は、絶縁皮膜を構成する樹脂との接着性が良い方が望ましいと言える。

単層コア１６の上には、次の単層コアが転積積層して形成され、間隙に接着剤が充填される。これを何度も繰り返すことで、図１（ｃ）に示すように、所定の厚みをもったステータコア２２が形成される。ステータコア２２に対しては、スロット１２にコイルの巻回が行われる。コイルは、例えば、スロット１２に挿入した多数のセグメントコイルを相互に連結することで行うことができる。

ここで、図２を用いて、単層コアの積層について説明する。図２は、ステータコアの周方向に沿った断面を平面に展開した図である。図２では、最下層の単層コア１６と、それより上の数層についてのみ示している。また、周方向には一周全てを示しており、図面の左端と右端とが連続することになる。なお、説明の便宜のため、縦方向（厚さ方向）を拡大しており、さらに、間隙の大きさを周方向に拡大して示している。

最下層の単層コア１６には、図１（ｂ）において説明したように、分割コア１０ａ、１０ｂ、１０ｃが配置されている。分割コアは、両面に絶縁皮膜が施された電磁鋼板からなる。そして、コア間の間隙２０ａ、２０ｂ、２０ｃには軟磁性フェライト粉末が含有された接着剤が充填されている。

最下層の一つ上の単層コア２４には、分割コア２６ａ、２６ｂ、２６ｃが積層されている。ここでは、周方向に６０度転積して積層をしている。すなわち、分割コア２６ａは、ピン１８ｆ、１８ａの位置に設置され、分割コア２６ｂはピン１８ｂ、１８ｃの位置に設置され、分割コア２６ｃはピン１８ｄ、１８ｅの位置に設置されている。この結果、間隙２８ａ、２８ｂ、２８ｃの位置も、周方向に６０度ずれている。すなわち、間隙２８ａは分割コア１０ａの中央上部に形成され、間隙２８ｂは分割コア１０ｂの中央上部に形成され、間隙２８ｃは分割コア１０ｃの中央上部に形成されている。

単層コア２４の上の単層コア３０は、単層コア２４からさらに６０度転積して積層されている。しかし、分割コアが１２０度の形状をもつことから、結果的に、最下層の単層コア１６と同じ位置関係で分割コア及びその間の間隙が形成されている。このようにして、ステータコア２２は、奇数番目の単層コアと偶数番目の単層コアが周方向に６０度ずれた形で転積積層されて形成されている。

図３は、接着剤の充填工程について説明する断面図である。図３（ａ）では、ある単層コアにおける分割コア４０が示されている。分割コア４０の下面には絶縁皮膜４０ａが設けられており、上面には絶縁皮膜４０ｂが設けられている。図３（ｂ）では、分割コア４０の上層に、分割コア４２、４４が間隙５０をおいて転積積層されている。分割コア４２の下面には絶縁皮膜４２ａが設けられており、上面には絶縁皮膜４２ｂが設けられている。また、分割コア４４の下面には絶縁皮膜４４ａが設けられており、上面には絶縁皮膜４４ｂが設けられている。このため、分割コア４０と分割コア４２、４４は絶縁が確保されている。

図３（ｃ）に示すように、間隙５０には、軟磁性フェライト粉末が含有された接着剤５２が充填されている。そして、図３（ｄ）に示すように、分割コア４６が上層に積層されている。分割コア４６の下面には絶縁皮膜４６ａが設けられており、上面には絶縁皮膜４６ｂが設けられている。このため、分割コア４２、４４と分割コア４６は絶縁が確保されている。

接着剤５２は、例えば熱硬化性である場合に、加熱によって硬化する。そして、両隣の分割コア４２、４４（における鋼板及び各絶縁皮膜）と、下層の分割コア４０（における上面の絶縁皮膜４０ｂ）と、上層の分割コア４６（における下面の絶縁皮膜４６ａ）と接着する。

ここで、接着剤５２の機能について説明する。接着剤５２は、隣接する分割コア４０、４２、４４、４６を連結している。したがって、ステータコア２２は、例えば、カシメなどの固定方法を用いなくても、その構造を堅持することが可能である。もちろん、強度を高めるために、カシメなどの別の固定方法を併用してもよい。

接着剤５２に含有されたフェライトは、比較的電気抵抗が大きいが、完全な絶縁が確保できるわけではない。このため、接着剤５２におけるフェライトの密度が十分に高い場合には、接着剤５２には電流が流れる。図３（ｄ）の場合、接着剤５２は、隣接する分割コア４２、４４の鋼板と接しているため、この両者を電気的に接続することになる。しかし、下層側では、分割コア４０の絶縁皮膜４０ｂと接しており、上層側では、分割コア４６の絶縁皮膜４６ａと接している。このため、上層及び下層側との絶縁を破壊することはない。

このように、ステータコア２２では、単層コアを転積積層しており、分割コア間の間隙が、上下の単層コアにおける間隙とは異なる位置に形成される。このため、間隙に軟磁性材料を含有した接着剤を充填しても、上下の単層コアとの絶縁が破壊されることはない。一般に、上下の単層コアとの絶縁が破壊されると、渦電流損が増加してしまうが、ステータコア２２では、絶縁が破壊されないため、渦電流損が増加することはない。

次に、接着剤５２の磁気的な機能について説明する。分割コア４２、４４の電磁鋼板における鋼板は透磁率が高く、絶縁皮膜は透磁率が低い。そこで、分割コア４２、４４においては、鋼板内に磁束が集中して流れており、上下の単層コアへの磁束漏れはほとんど起こらない。しかし、分割コア４２、４４の間隙５０では、鋼板が連結していない。このため、間隙５０に接着剤５２が充填されない場合には、透磁率の低い空気によって、磁束が断裂されてしまう。しかし、接着剤５２を充填した場合には、透磁率の高いフェライト粒子によって磁束が連続的に流れることが可能となる。すなわち、連続した一枚の電磁鋼板を使用した場合に近い磁気特性が得られることになる。

なお、間隙５０が、上下層の一方または両方の単層コアと同じ位置に設けられた場合には、間隙５０に充填された接着剤５２は上層または下層の間隙に充填された接着剤と結合することになる。このため、分割コア４２、４４における鋼板と、上層または下層の単層コアにおける鋼板とが通電して、渦電流損が増大する。また、磁気的にも結合することで、上層または下層に磁束の漏れが発生して、磁気特性が悪化することになる。しかし、上述した通り、単層コアは、その下層の単層コアに対して転積して積層されるため、間隙５０が上層または下層の間隙とは異なる位置に配置される。したがって、間隙５０に充填される接着剤によって、上層または下層の単層コアとの間で電気的な結合も、磁気的な結合も行うことはない。

続いて、図４を用いて、変形例について説明する。図４は、図３（ｃ）に対応する図であり、図３（ｃ）と同様の構成要素には、同一の符号を付して適宜説明を省略する。図４では、間隙５０に、軟磁性フェライト粉末を含有した接着剤６０を充填している点では、図３（ｃ）の場合と同様である。ただし、図４の例では、接着剤６０は、間隙５０の一部にのみ充填されている。すなわち、接着剤６０は、隣接する分割コア４２、４４の各鋼板を延長した領域付近には充填されているが、下層の分割コア４０及び上層の分割コア４６との間には充填されていない。

図４の態様では、接着剤６０中のフェライト粉末によって、隣接する分割コア４２、４４の鋼板を通る磁束が円滑に接続される。そして、上層及び下層へ磁束漏れを生じさせることはなく、また、通電させることもない。したがって、図３（ｃ）の場合とほぼ同様の性能を確保することができる。接着剤６０は、隣接する分割コア４２、４４の鋼板を通る磁束を円滑に連結できるのであれば、間隙５０の一部のみに充填されているだけでもよい。ただし、接着剤６０が、下層の分割コア４０または上層の分割コア４６と接着されない場合には、ステータコアが積層方向に固定されない。そこで、例えば、カシメなどの固定方法を用いて、別途固定する必要性が生じる。

図５は、さらに別の変形例を説明する図である。図５は、図３（ｃ）に対応する図であり、図３（ｃ）と同様の構成要素には、同一の符号を付して適宜説明を省略する。図５では、単層コア間にも接着剤を塗布している。すなわち、下層の分割コア４０と中間層の分割コア４２、４４との間７０、及び、中間層の分割コア４２、４４と上層の分割コア４６との間７２にも接着剤７６が塗布されている。このため、接着剤７６は、中間層の分割コア４２、４４の間隙７４を含めた範囲に拡がっている。これにより、単層コアの間７０、７２が強固に固定されることになる。

接着剤７６は、単層コアの間７０、７２にも、フェライト含有のものを用いることができる。しかし、単層コアの間７０、７２にはフェライトが含有されていない接着剤を用い、単層コア内の分割コア４２、４４の間隙７４のみにフェライト含有の接着剤を充填するようにしてもよい。

図５の例では、単層コアの間７０、７２の接合強度を高めることができる。しかし、接着剤７６の厚みによって、ステータコアにおける鋼板の占有率が低下することになる。電磁鋼板では、絶縁皮膜が例えば１μｍ程度の厚みを持つのに対し、接着剤の層は特段の工夫をしなければ５〜１０μｍ程度になる可能性がある。また、例えば、真空含侵を行った場合にも接着剤の厚みは１μｍ程度になると考えられる。したがって、接合強度を高めるメリットが、鋼板の占有率が低下するデメリットを上回る場合に、この態様を導入するのがよい。

以上の説明においては、単層コアを積層するにあたって、６０度の転積を行うこととした。これは、位置決めピンを６０度間隔で配置しており、６０度の倍数で転積を行う必要があったためである。また、分割コアは１２０度の形状に形成しており、１２０度の転積は、転積をしないことと同じ状態になってしまうことから、必然的に６０度の転積を行った。しかし、転積は、単層コアにおける分割コアの間隙が、その下層における間隙と重複しない（空間が結合しない）のであれば、何度に設定してもよい。具体的には、スロット１個分あるいは２個分という小さな角度で転積することも可能である。また、転積の角度は、常に一定である必要もない。ただし、図３（ｄ）の態様で単層コア間の結合を接着剤のみで行う場合には、接着剤が充填される間隙が周方向にある程度散らばるように転積を設定する方が、結合の強度を高められると考えられる。

１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、４０、４２、４４、４６ 分割コア、１２ スロット、１４ 突起、１６、２４、３０ 単層コア、１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄ、１８ｅ、１８ｆ ピン、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２８ａ、２８ｂ、２８ｃ、５０、７４ 間隙、２２ ステータコア、２６ａ、２６ｂ、２６ｃ 分割コア、４０ａ、４０ｂ、４２ａ、４２ｂ、４４ａ、４４ｂ、４６ａ、４６ｂ 絶縁皮膜、５２、６０、７６ 接着剤、７０、７２ 間。

Claims (1)

1. 電磁鋼板からなる複数の分割コアが同一面内で隣接配置された単層コアを、層毎に転積して積層したステータコアであって、
   各単層コアにおける分割コア間の間隙には、軟磁性材料を含有する接着剤が充填されていることを特徴とするステータコア。

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