JP2020102894A - 回転電機の固定子鉄心及び固定子 - Google Patents

Abstract

【課題】絶縁紙の厚みを厚くすることなく、コイルをスロット部に挿入する際の絶縁紙の損傷を防止することのできる、回転電機の固定子鉄心を得る。【解決手段】固定子鉄心３０を、外側鉄心３０ａと、複数のティース３１を有する内側鉄心３０ｂとで形成する。複数のティース３１は、内周側が互いに連結されて、隣接する各ティース３１の側面により複数のスロット部３６を形成する。外側鉄心３０ａに、内周側に開口する複数のＶ溝３７を形成し、内側鉄心３０ｂの複数のティース３１の外周側の端部に、それぞれ外側鉄心３０ａのＶ溝３７と係合する凸部３８を形成する。そして、各ティース３１の両側面３９ａ、３９ｂにおける凸部３８の基部に、それぞれ凹部５０を形成する。【選択図】図４

Description

本発明は、外側鉄心と内側鉄心により形成される回転電機の固定子鉄心、及び外側鉄心と内側鉄心により形成される固定子鉄心を有する回転電機の固定子に関する。

従来、回転電機は、円筒形の固定子の内周側に、所定の空隙を介して回転子を配置している。そして、回転電機において、固定子鉄心を、ティースを有する内側鉄心と、バックヨークとしての外側鉄心に分割したものが知られている。このような回転電機では、内側鉄心に固定子巻線を組み込んだ後に、外側鉄心を内側鉄心に嵌合させて一体化し、固定子を形成している（例えば特許文献１参照）。

固定子鉄心を分割して構成した場合、内側鉄心の外周側から巻線を施すことができるため、固定子鉄心の内周側から巻線するより巻線作業が容易になる。また、隣接するティース間に形成される各スロット部の間隙は、内周から外周に向かうにつれて広くなるため、各スロット部にコイルを配置する場合、間隙の広い外周側からコイルを押し込むことができる。よって、コイルと内側鉄心との間及び各コイル間の隙間を最小限にすることができ、高密度な巻線が可能となる。その結果、スロット部の断面積に対するコイル断面積の割合を上げることができ、固定子巻線の抵抗値が下がるので、回転電機の損失低減、性能向上を図ることができる。

特許第４０１８４７４号公報

固定子巻線に使用されるコイルには、通常、絶縁被膜を有する導体線が用いられるが、絶縁被膜だけでは絶縁が不十分である。このため、樹脂あるいは紙からなる絶縁紙を、コイルと固定子鉄心との間に配置して、十分な絶縁状態を確保している。この絶縁紙が薄いほど、スロット部におけるコイルの密度が高くなり、回転電機の性能が向上する。しかしながら、特許文献１の固定子鉄心では、分割された内側鉄心のスロット部にコイルを押し込む際に、薄い絶縁紙がスロット部のエッジに当接して損傷するおそれがあり、コイルと固定子鉄心との間の絶縁が十分に確保されないという課題があった。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、絶縁紙の厚みを厚くすることなく、コイルをスロット部に挿入する際の絶縁紙の損傷を防止することのできる、回転電機の固定子鉄心を得るものである。

本発明に係る回転電機の固定子鉄心は、バックヨーク部である環状の外側鉄心と、外側鉄心の内側に嵌合される環状の内側鉄心とを有し、外側鉄心は、内周側に開口する複数のＶ溝を有し、内側鉄心は、放射状に配置された複数のティースを有し、複数のティースは、内周側が互いに連結されて、隣接する各ティースの側面により複数のスロット部を形成する。複数のティースは、外周側の端部にそれぞれ外側鉄心のＶ溝と係合する凸部を有し、各ティースの両側面における凸部の基部には、それぞれ凹部が形成される。

本発明の回転電機の固定子鉄心によれば、固定子にコイルを組み付ける際に、絶縁紙を損傷させることが防止できる。これにより、厚さの薄い絶縁紙を用いて、スロット部に占めるコイルの密度を高くすることができる。よって、固定子巻線の抵抗値が下がり、回転電機の損失低減、性能向上を図ることができる。

本発明の実施の形態１による固定子を有する回転電機の軸方向に平行な断面図である。 本発明の実施の形態１による固定子を有する回転電機の軸方向に垂直な断面図である。 図２のＡ部の外側鉄心と内側鉄心のみを示す拡大図である。 図３のＢ部の拡大図である。 図２のＡ部の拡大図である。 実施の形態１による固定子の固定子鉄心に、コイルを配置する前の状態を示す模式図である。 実施の形態１による固定子の固定子鉄心に、コイルを配置した状態を示す図である。 実施の形態１による固定子を示す図である。 実施の形態１による固定子の内側鉄心に、コイルを圧入する状態を示す図である。 実施の形態１による固定子の内側鉄心の凹部に、コイルが落ち込む様子を示す図である。 実施の形態２による固定子の固定子鉄心に、コイルを配置する前の状態を示す図である。 実施の形態２による固定子の固定子鉄心に、コイルを配置した状態を示す図である。 実施の形態２による固定子を示す図である。

以下、本発明の回転電機の固定子鉄心及び固定子の好適な実施の形態につき、図面を用いて説明する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における固定子３を有する回転電機１００の軸方向に平行な断面を示す図である。図２は、実施の形態１による固定子３を有する回転電機１００の軸方向に垂直な断面を示す図である。また、図３は、図２のＡ部を拡大して、固定子鉄心のみを示した図であり、図４は、図３のＢ部拡大図である。そして、図５は図２のＡ部拡大図である。

なお、本明細書中で、特に断り無く、「軸方向」、「径方向」、「内周側」、「外周側」というときは、それぞれ、固定子の、「軸方向」、「径方向」、「内周側」、「外周側」をいうものとする。

回転電機１００は３相のブラシレスモータである。図１に示すように、回転電機１００は、ハウジング２と、ハウジング２に収容された固定子３、回転子４、回転軸５により形成されている。回転軸５は、ハウジング２に固定された軸受７及び８により、両端部を回転可能に支持された状態で、ハウジング２に固定されている。回転子４は、回転軸５に固定されている。固定子３は、回転子４を囲むように、ハウジング２の内壁に固定されている。図１において、回転軸５の出力端５ａ側を回転電機１００のフロント側とし、反対側をリヤ側とする。なお、回転電機１００は３相に限るものではなく、５相以上であってもよい。

回転電機１００は、図示しないインバータ回路を備えており、インバータ回路は、回転子４の位相に合わせて、固定子３の各相の巻線に通電する電流を切り替えている。これにより、インバータ回路は、回転子４の回転速度及びトルクを制御している。回転軸５のリヤ側には、回転子４の位相を検出する回転角度センサ７０が配置されている。

回転子４は、回転電機１００の界磁であり、図２に示すように、強磁性体である鉄で形成された円筒形の回転子鉄心４０と、回転子鉄心４０の外周面に貼り付けられた複数の永久磁石４１とにより形成されている。

固定子３は、回転電機１００の電機子であり、図２に示すように、回転子４の外周側に、回転子４と一定の間隙を介して配置されている。固定子３は、固定子鉄心３０と固定子巻線５１とにより形成されている。そして、固定子鉄心３０は、バックヨーク部である環状の外側鉄心３０ａと、外側鉄心３０ａの内側に嵌合される、環状の内側鉄心３０ｂとを有している。外側鉄心３０ａと内側鉄心３０ｂは、略円形の薄い電磁鋼板を、回転電機１００の軸方向に複数枚積層して形成されている。

図３に示すように、内側鉄心３０ｂは、放射状に配置された複数のティース３１を有している。各ティース３１の外周側の端部には、それぞれ三角形状の凸部３８が形成されている。一方、外側鉄心３０ａには、内周側に開口する複数のＶ溝３７が形成されている。外側鉄心３０ａのＶ溝３７の数は、内側鉄心３０ｂのティース３１の数と同じである。内側鉄心３０ｂに外側鉄心３０ａを組み付ける際には、内側鉄心３０ｂの凸部３８を、外側鉄心３０ａのＶ溝３７に係合させる。内側鉄心３０ｂの凸部３８は、両側面が傾斜面で形成されているため、この傾斜面を、外側鉄心３０ａのＶ溝３７の内壁に沿わせることにより、外側鉄心３０ａと内側鉄心３０ｂとを容易に位置決めすることができる。

図３に示すように、内側鉄心３０ｂの複数のティース３１は、内周側が互いに連結されている。そして、隣接する一対のティース３１の側面によって、スロット部３６が形成されている。また、図４に示すように、各ティース３１の両側面３９ａ及び３９ｂにおける、凸部３８の基部には、それぞれ凹部５０が形成されている。各凹部５０と、ティース３１の両側面３９ａ及び３９ｂとは、それぞれ緩やかな曲線で繋げられており、エッジ部のない形状に形成されている。

図５に示すように、内側鉄心３０ｂの各スロット部３６には、固定子巻線５１が配置されている。固定子巻線５１は、４本のコイル５１Ａ〜５１Ｄにより形成されている。なお、コイルの本数は４つに限るものではない。固定子巻線５１が配置された内側鉄心３０ｂの外周側に、外側鉄心３０ａを圧入することにより、固定子３が形成される。

固定子鉄心３０は円筒形であるため、各ティース３１は、放射状に形成される。このため、隣接する一対のティース３１によって形成されるスロット部３６の、軸に垂直な方向の断面は、台形状となる。この台形状のスロット部３６に、高密度で固定子巻線５１を配置するため、各コイル５１Ａ〜５１Ｄの軸に垂直な方向の断面を、台形状としている。

断面が台形状のコイル５１Ａ〜５１Ｄは、一般的な丸断面のコイル又は長方形断面のコイルに塑性変形を加えることにより形成される。なお、実施の形態１では、スロット部３６の断面が台形状であるため、コイル５１Ａ〜５１Ｄの断面を台形状にしているが、スロット部３６の形状が長方形状であれば、コイル５１Ａ〜５１Ｄの断面も長方形状でよい。

各コイル５１Ａ〜５１Ｄの表面には、樹脂の絶縁被膜が施されているが、絶縁被膜は機械的強度が低いため、固定子鉄心３０とコイル５１Ａ〜５１Ｄとの絶縁を確保するには不十分である。そこで、各コイル５１Ａ〜５１Ｄと、内側鉄心３０ｂ及び外側鉄心３０ａとの間には、絶縁紙５２が配置されている。これにより、回転電機１００が振動した場合又は温度変化による膨張収縮が発生した場合であっても、絶縁が確保できる。

図１に示すように、各コイル５１Ａ〜５１Ｄは、固定子３の軸方向の外側において、接合部５６で接合されている。各コイル５１Ａ〜５１Ｄの接合には、例えば溶接やロウ付けが用いられる。各スロット部３６に配置された各コイル５１Ａ〜５１Ｄは、各ティース３１を跨いで、隣接する他のスロット部３６に配置された各コイル５１Ａ〜５１Ｄと接続されている。

次に、図６Ａから図６Ｃを用いて、固定子３を形成する手順を説明する。まず、固定子巻線５１の周囲に、絶縁紙５２を巻きつける。１枚の絶縁紙５２を、固定子巻線５１の一方の側面５１ａから内周側の底面５１ｂを経て、他方の側面５１ｃ及び外周側の上面５１ｄまで巻きつける。絶縁紙５２を巻き付ける際の始点と終点は、側面５１ａと上面５１ｄの間とする。なお、絶縁紙５２の巻き付け方向は、これに限るものではない。例えば、固定子巻線５１の他方の側面５１ｃから内周側の底面５１ｂを経て、一方の側面５１ａ及び外周側の上面５１ｄまで巻きつけるようにしてもよい。

絶縁紙５２の始点と終点をオーバーラップさせると、絶縁紙５２の厚みが増して、スロット部３６における固定子巻線５１の密度が低下するため、ここではオーバーラップさせていない。よって、絶縁紙５２の巻き始めと巻終わりとの間には多少の隙間が生じる。そこで、絶縁紙５２の巻き始めと巻き終わりを、固定子巻線５１の側面５１ａと上面５１ｄの間の角部とすることにより、内側鉄心３０ｂと固定子巻線５１との絶縁距離を確保している。

次に、図６Ａに示すように、内側鉄心３０ｂの各ティース３１の外周側に、治具５３を配置する。各治具５３と各ティース３１との接続部には、ティース３１の凸部３８に係合するＶ溝が形成されており、各治具５３は、各ティース３１を延長するように形成されている。そして、隣接する治具５３の間に、固定子巻線５１を配置する。

各スロットに配置されるコイル５１Ａ〜５１Ｄは、複数のティース３１を間に挟んで、他のスロットに配置されたコイル５１Ａ〜５１Ｄと、固定子３の軸方向外側において、コイルエンドを介して繋がっている。したがって固定子巻線５１を形成する各コイル５１Ａ〜５１Ｄのコイルエンドは、図１に示すように、お互いに重なっている。

次に、図６Ｂに矢印で示すように、内側鉄心３０ｂの各スロット部３６に、固定子巻線５１を押し込む。このとき、コイル５１Ａ〜５１Ｄは、重なった状態で内側鉄心３０ｂのスロット部３６に押し込まれる。なお、図６Ｂでは、固定子巻線５１の押し込み冶具は省略している。

次に、各治具５３を内側鉄心３０ｂから外す。そして、図６Ｃに示すように、内側鉄心３０ｂの各ティース３１の凸部３８に、外側鉄心３０ａの各Ｖ溝３７の位置を合せて、外側鉄心３０ａを圧入する。

次に、固定子巻線５１を形成する各コイル５１Ａ〜５１Ｄの端末の結線処理をする。以上により、固定子３が完成する。

ここで、図７Ａ及び７Ｂは、スロット部３６に圧入されるコイル５１Ａの状態を示している。コイル５１Ａは、図１で示したように、複数のティース３１を跨いで、他のスロット部３６に配置されるコイル５１Ａと連結されている。よって、コイル５１Ａをスロット部３６に押し込む際には、固定子３の軸方向外側の連結された部分を変形させながら、ティース３１の側面に沿って圧入している。このとき、図７Ａに示すように、コイル５１Ａから治具５３の側面及びティース３１の側面には、押圧力Ｆがかかる。

このとき、内側鉄心３０ｂの両側面に形成した凹部５０の径方向の幅Ｗが大きいと、図７Ｂに示すように、コイル５１Ａが凹部５０に落ち込むことがある。凹部５０にコイル５１Ａが落ち込むと、コイル５１Ａを覆っている絶縁紙５２が損傷する恐れがある。

このため、凹部５０の径方向の幅Ｗは、コイル５１Ａの断面の径方向の高さＨの半分以下としている。これにより、コイル５１Ａを治具５３の側面に沿って移動させ、凹部５０を経由して、さらにティース３１の側面に沿って移動させた際に、凹部５０にコイル５１Ａが落ち込むことがない。よって、コイル５１Ａを覆う絶縁紙５２の損傷を防止することができる。

また、固定子巻線５１に通電すると、ジュール熱によりコイル５１Ａ〜５１Ｄの温度が上昇する。このときの温度が絶縁被膜又は絶縁紙５２の耐熱温度を超えると、絶縁劣化が生じる。コイル５１Ａ〜５１Ｄから、絶縁紙５２を介して内側鉄心３０ｂに伝導する経路が、放熱経路の一つである。しかし、凹部５０が存在すると、コイル５１Ａ〜５１Ｄとティース３１の間に空気層が介在するため、放熱性が低下する。ここでは、凹部５０の幅Ｗをコイル５１Ａの高さＨの半分以下にして、空気層を小さくすることにより、放熱性の低下を抑制している。

このように、実施の形態１による回転電機１００の固定子鉄心３０は、バックヨーク部である環状の外側鉄心３０ａと、外側鉄心の内側に嵌合される、環状の内側鉄心３０ｂにより形成される。外側鉄心３０ａは、内周側に開口する複数のＶ溝を有し、内側鉄心３０ｂは、放射状に配置された複数のティース３１を有する。そして、複数のティース３１は、内周側が互いに連結されて、隣接する各ティース３１の側面により複数のスロット部３６を形成する。また、複数のティース３１は、外周側の端部に、それぞれ外側鉄心３０ａのＶ溝３７と係合する凸部３８を有し、各ティース３１の両側面における、凸部３８の基部には、それぞれ凹部５０を有している。そして、凹部５０とティース３１の側面とを緩やかな曲線で接続することにより、スロット部３６を形成するティース３１の側面に、エッジ形状が形成されないようにしている。

これにより、実施の形態１による回転電機１００の固定子鉄心３０によれば、各スロット部３６に、絶縁紙５２で覆われた固定子巻線５１を圧入する際に、絶縁紙５２が損傷することを防止できる。よって、固定子巻線５１が、絶縁不良となることを防止できる。また、絶縁紙５２を薄くして、スロット部３６におけるコイル５１Ａ〜５１Ｄの密度を高くすることができる。

なお、実施の形態１では、回転子鉄心４０の表面に永久磁石４１を貼り付けた、表面磁石型の回転子４を用いていたが、これに限るものではない。例えば、回転子鉄心４０に、磁石埋め込み用の穴を設け、この穴に磁石を埋め込む、磁石埋め込み型の回転子であってもよい。また、実施の形態１では、固定子鉄心３０を、電磁鋼板を積層することによって形成していたが、これに限るものではない。例えば、表面に絶縁被膜が施された薄い鋼板を積層して形成してもよい。

実施の形態２．
実施の形態１の固定子３では、固定子巻線５１の周囲を絶縁紙５２で覆い、これを内側鉄心３０ｂのスロット部３６に配置していたが、実施の形態２の回転電機の固定子３では、固定子巻線５１の周囲の一部を絶縁紙５２で覆わない点が、実施の形態１の固定子３とは異なる。他の構成は、実施の形態１と同様である。

図８Ａ〜図８Ｃは、実施の形態２による回転電機の固定子３の組立手順を示す図である。実施の形態２では、図８Ａに示すように、まず、Ｕ字状に形成した絶縁紙５２をスロット部３６の中に配置する。次に、図８Ｂに示すように、固定子巻線５１をスロット部３６に押し込む。この時、固定子巻線５１の外周側は、絶縁紙５２で覆われていない。

次に、図８Ｃに示すように、固定子巻線５１の最外周側にあるコイル５１Ｄと外側鉄心３０ａとの間に絶縁部材５４を配置し、内側鉄心３０ｂに外側鉄心３０ａを圧入する。絶縁部材５４には、厚めの絶縁紙又は樹脂成形品などを用いる。なお、絶縁部材５４は、内側鉄心３０ｂに外側鉄心３０ａを圧入した後に挿入してもよい。このように、実施の形態２による回転電機の固定子３では、あらかじめ絶縁紙５２で固定子巻線５１を覆う必要がないので、固定子巻線５１のスロット部３６への組み込みが容易になる。

ここで、スロット部３６に押し込まれたコイル５１Ａ〜５１Ｄは、スプリングバックによって外周側に戻ろうとする。このため、外側鉄心３０ａを圧入した後に、コイル５１Ａ〜５１Ｄが、スロット部３６の外周側に移動して偏ることがある。すると、外周側のコイル５１Ｄと外側鉄心３０ａとの間に、常に圧力が加わった状態となり、絶縁が損なわれるおそれが生じる。

実施の形態２による固定子３は、固定子巻線５１と内側鉄心３０ｂとの間を絶縁する絶縁紙５２と、固定子巻線５１と外側鉄心３０ａとの間を絶縁する絶縁部材５４とを分けているため、絶縁部材５４のみを、絶縁紙５２よりも厚く、耐荷重の大きいものにすることができる。よって、外周側のコイル５１Ｄと外側鉄心３０ａとの間に圧力が加わったとしても、コイル５１Ｄと外側鉄心３０ａとの間の絶縁を確保することができる。

２ ハウジング、３ 固定子、４ 回転子、５ 回転軸、７，８ 軸受、３０ 固定子鉄心、３０ａ 外側鉄心、３０ｂ 内側鉄心、３１ ティース、３６ スロット部、３７ Ｖ溝、３８ 凸部、４０ 回転子鉄心、４１ 永久磁石、５０ 凹部、５１ 固定子巻線、５１Ａ〜５１Ｄ コイル、５２ 絶縁紙、５３ 治具、５４ 絶縁部材、１００ 回転電機。

Claims (4)

1. バックヨーク部である環状の外側鉄心と、
   前記外側鉄心の内側に嵌合される、環状の内側鉄心とを有する回転電機の固定子鉄心であって、
   前記外側鉄心は、内周側に開口する複数のＶ溝を有し、
   前記内側鉄心は、放射状に配置された複数のティースを有し、
   前記複数のティースは、内周側が互いに連結されて、隣接する各ティースの側面により複数のスロット部を形成し、
   前記複数のティースは、外周側の端部に、それぞれ前記外側鉄心の前記Ｖ溝と係合する凸部を有し、
   前記凸部に隣接する前記各ティースの両側面には、それぞれ凹部が形成される、
   回転電機の固定子鉄心。
2. 請求項１の固定子鉄心と、
   前記複数のスロット部のそれぞれに配置された、コイル及び絶縁紙とを有する、
   回転電機の固定子。
3. 前記絶縁紙は、前記コイルと前記スロット部の内壁との間に配置され、
   前記コイルと前記外側鉄心との間には、絶縁部材が配置される、
   請求項２に記載の回転電機の固定子。
4. 前記複数の凹部の径方向の幅は、
   前記各コイルの径方向の高さの半分以下である、
   請求項２又は３に記載の回転電機の固定子。

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