JP2021125909A - ステータ、及び回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】より鉄損の増大を抑えたステータを提供することである。【解決手段】回転電機のステータは、第１の材料の電磁鋼板を積層した第１の層と、第２の材料の電磁鋼板を積層した第２の層と、を積層したステータコアと、前記ステータコアを収容するハウジングと、を備え、前記ステータコアは、前記ハウジングの内周に、焼き嵌め又は圧入により固定され、前記第１の材料は、前記第２の材料と比べて、圧縮応力が負荷されることによる鉄損の増大が少ない材料であり、前記第１の層と前記ハウジングとは接し、前記第２の層と前記ハウジングとは離れている。【選択図】図１

Description

本発明は、ステータ、及び回転電機に関する。

従来、積層鋼板で構成されたステータコアを円筒状のハウジング内に固定して成るステータが知られている。ステータコアとハウジングとは、例えば焼き嵌めによって固定される。ハウジングに固定されたステータコアの外周には、ハウジングによる圧縮応力が負荷付加され、これによりステータコアの鉄損が増大する。

これに対し、ハウジングの内周に凹凸を設けることで、ステータコアの外周に、ハウジングによる圧縮応力が負荷されない部分を形成し、鉄損の増大を抑えようとする技術が知られている（特許文献１）。

特許第５６３１２９７号公報

従来例によれば、ハウジングの内周に凹凸を設けることなどで、ステータコアの外周に、ハウジングによる圧縮応力が負荷されない部分を形成することができる。しかしながら、ステータコアの外周のうち、ハウジングの内周と接する部分については、圧縮応力が大きく負荷されることになり、トータルで鉄損の増大を抑えることはできても、圧縮応力が負荷されることによる鉄損の増大は避けられない。

本発明は、より鉄損の増大を抑えたステータ、及び回転電機を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係るステータは、回転電機のステータであって、第１の材料の電磁鋼板を積層した第１の層と、第２の材料の電磁鋼板を積層した第２の層と、を積層したステータコアと、前記ステータコアを収容するハウジングと、を備え、前記ステータコアは、前記ハウジングの内周に、焼き嵌め又は圧入により固定され、前記第１の材料は、前記第２の材料と比べて、圧縮応力が負荷されることによる鉄損の増大が少ない材料であり、前記第１の層と前記ハウジングとは接し、前記第２の層と前記ハウジングとは離れている。

上記の一態様のステータにおいて、前記第２の材料は、前記第１の材料よりも鉄損が小さい材料であってもよい。

上記の一態様のステータにおいて、前記ステータコアは、２つの前記第１の層で前記第２の層を挟んでもよい。

上記の一態様のステータにおいて、前記第１の材料は、Ｆｅ−６．５％Ｓｉ合金であり、前記第２の材料は、Ｆｅ−３％Ｓｉ合金、アモルファス合金、及び鉄コバルト合金のうちのいずれかであってもよい。

上記の一態様のステータにおいて、前記第１の材料は、Ｆｅ−３％Ｓｉ合金であり、前記第２の材料は、アモルファス合金、及び鉄コバルト合金のうちのいずれかであってもよい。

上記の一態様のステータにおいて、前記第２の層と前記ハウジングとの間に熱伝導部材を有してもよい。

上記の一態様のステータにおいて、前記熱伝導部材は、加熱硬化型膨張接着シートであってもよい。

また、本発明の一態様に係る回転電機は、上記の一態様に係るステータと、ロータと、を備える。

本発明の一態様によれば、より鉄損の増大を抑えたステータを提供できる。

本発明の第１実施形態に係るモータの分解斜視図である。 図１に示したロータ１０をフロント側から見た側面図である。 図１に示したステータ３０を、軸方向と平行であって中心軸Ａを通る面で切断して示す断面図である。 図１に示したステータ３０の、図３に示すＩＶ−ＩＶ断面図である。 図１に示したステータ３０の、図３に示すＶ−Ｖ断面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
実施形態では説明を分かり易くするため、本発明の主要部以外の構造や要素については、簡略化または省略して説明する。また、図面において、同じ要素には同じ符号を付す。なお、図面に示す各要素の形状、寸法などは模式的に示したもので、実際の形状、寸法などを示すものではない。

なお、以下の説明において、図面に示す中心軸Ａが延びる方向を単に「軸方向」と呼び、中心軸Ａを中心とする径方向を単に「径方向」と呼び、中心軸Ａを中心とする周方向を単に「周方向」と呼ぶ。また、軸方向において、図１での左側をフロント側又は一方側と呼び、図１での右側をリア側又は他方側と呼ぶ。また、径方向において、中心軸Ａに近い側を内側と呼び、中心軸Ａから遠い側を外側と呼ぶ。

＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態に係るモータの分解斜視図である。
本実施形態は、本発明をＰＭモータ（ロータに永久磁石を用いた永久磁石式モータ）に適用した場合の例である。本実施形態のモータ１は、ハウジング２を有するステータ３０と、中心軸Ａに沿って配置されるシャフト５を有するロータ１０と、リアカバー４と、フロントカバー３と、を備える。モータ１は、ＰＭモータである。ハウジング２は、ステータコア３６（図３参照）及びロータ１０を収容する。シャフト５はロータコア１１に挿入される。ロータ１０は、図示しない軸受により周方向に回転可能に軸支される。中心軸Ａは、ロータ１０の回転軸である。

ハウジング２は、例えばアルミダイカスト製であって、軸方向に延びる円筒形状の部材である。ハウジング２は、その内周にステータコア３６を保持する。ステータコア３６は、例えば、焼き嵌め、又は圧入によりハウジング２に固定される。ステータ３０は、軸方向に延びる円筒形状の部材である。ロータ１０は、ステータ３０の内周に配置される。ロータ１０の外周は、ステータ３０の内周と径方向に隙間を介して対向する。フロントカバー３は、ハウジング２のフロント側に固定される。フロントカバー３は、ハウジング２のフロント側の開口を塞ぐ。フロントカバー３は、シャフト５が貫通する貫通孔３ｃを有する。リアカバー４は、ハウジング２のリア側に固定される。リアカバー４は、ハウジング２のリア側の開口を塞ぐ。

図２は、図１に示したロータ１０をフロント側から見た側面図である。
ロータ１０は、シャフト５と、ロータコア１１と、磁石１２と、を有する。シャフト５は、軸方向に延びる円柱形状の部材である。シャフト５は、円筒形状の部材であってもよい。ロータコア１１は、シャフト５の外周に配置される。ロータコア１１は、軸方向に延びる円筒形状の部材である。シャフト５は、例えば、焼き嵌め、又は圧入によりロータコア１１に固定される。ロータコア１１は、磁石１２が挿入された複数のスロットを有する。磁石１２は、軸方向に延びる角柱形状の部材である。磁石１２は、永久磁石である。磁石１２は、フェライト磁石、ネオジム磁石等の如何なる永久磁石であってもよい。磁石１２は、ロータコア１１の外縁の近傍に配置される。ロータ１０の磁石１２は、ステータ３０の巻線３５（図３参照）に電流が流れることによって生じる回転磁界に吸引される。磁石１２は、回転磁界に吸引されることによって、中心軸Ａを回転軸としてロータ１０を回転させる回転トルクを発生する。

図３は、図１に示したステータ３０を、軸方向と平行であって中心軸Ａを通る面で切断して示す断面図である。図３は、図中の上側がフロント側であり、下側がリア側である。
ステータ３０は、ステータコア３６に巻線３５を巻き回して構成される。ステータ３０は、巻線３５に電流が流されることで回転磁界を生じる。ステータコア３６は、電磁鋼板を軸方向に積層した積層鋼板で構成される。ステータコア３６は、フロント側から順に、積層鋼板３１、積層鋼板３２、及び積層鋼板３３を積層して構成される。

図４は、図１に示したステータ３０の、図３に示すＩＶ−ＩＶ位置での断面図である。
積層鋼板３１は、複数の電磁鋼板を軸方向に積層して構成される。積層鋼板３１は、第１の層の一例である。積層鋼板３１を構成する複数の電磁鋼板の材料は、第１の材料であり、例えばＦｅ−６．５％Ｓｉ合金である。Ｆｅ−６．５％Ｓｉ合金は、第１の材料の一例である。積層鋼板３１を構成する複数の電磁鋼板のそれぞれの軸方向の厚さは、例えば約０．３ｍｍ程度である。積層鋼板３１を構成する複数の電磁鋼板のそれぞれは、板状の円環形状である。なお、別の例として第１の材料としては、例えばＦｅ−３％Ｓｉ合金を用いることもできる。

積層鋼板３１を構成する複数の電磁鋼板のそれぞれは、径方向外側に、周方向全体に亘るコアバック部３１ａを有する。コアバック部３１ａは、積層鋼板３１の外周部分を形成する。積層鋼板３１の外周は、ハウジング２の内周に接する。積層鋼板３１を構成する複数の電磁鋼板のそれぞれは、径方向内側に、周方向全体に亘るティース部３１ｂを有する。ティース部３１ｂは、積層鋼板３１の内周部分を形成する。ティース部３１ｂは、周方向で所定の間隔を空けて、コアバック部３１ａから径方向内側に突出する。

本実施形態では、積層鋼板３１を構成する複数の電磁鋼板の積層方法は、電磁鋼板同士を接着剤で接着して積層して固定する。積層鋼板３１を構成する複数の電磁鋼板の積層方法は、既知の如何なる方法を用いてもよい。積層鋼板３１を構成する複数の電磁鋼板の積層方法は、例えば、ボルト止めでもよいし、ダボによるカシメでもよいし、溶接でもよい。

図５は、図１に示したステータ３０の、図３に示すＶ−Ｖ位置での断面図である。
積層鋼板３２は、複数の電磁鋼板を軸方向に積層して構成される。積層鋼板３２は、第２の層の一例である。積層鋼板３２を構成する複数の電磁鋼板の材料は、第２の材料であり、例えばＦｅ−３％Ｓｉ合金、アモルファス合金、及び鉄コバルト合金のうちのいずれかである。Ｆｅ−３％Ｓｉ合金、アモルファス合金、及び鉄コバルト合金は、第２の材料の一例である。第１の材料は、第２の材料と比べて、圧縮応力が負荷されることによる鉄損の増大が少ない材料である。第１の材料は、圧縮応力が負荷されることによる鉄損の増大がない材料であることがより望ましい。第２の材料は、第１の材料よりも鉄損が小さい材料である。積層鋼板３２を構成する複数の電磁鋼板のそれぞれの軸方向の厚さは、アモルファス合金の場合、例えば約０．０３ｍｍ程度である。積層鋼板３２を構成する複数の電磁鋼板のそれぞれは、板状の円環形状である。なお、アモルファス合金としては、例えばＦｅ系アモルファス合金を用いることができる。アモルファス合金としては、Ｆｅ系アモルファス合金以外の他のアモルファス合金を用いることもできる。アモルファス合金としては、例えば小型のモータではＣｏ系アモルファス合金を用いることもできる。

第２の材料は、第１の材料と比べて鉄損が小さい材料である。Ｆｅ−３％Ｓｉ合金、アモルファス合金、及び鉄コバルト合金は、Ｆｅ−６．５％Ｓｉ合金と比べて、鉄損が小さい材料の一例である。第２の材料は、第１の材料と比べて透磁率が高い材料である。Ｆｅ−３％Ｓｉ合金、アモルファス合金、及び鉄コバルト合金は、Ｆｅ−６．５％Ｓｉ合金と比べて、透磁率が高い材料の一例である。第２の材料は、第１の材料と比べてヒステリシス損失が小さい材料である。Ｆｅ−３％Ｓｉ合金、アモルファス合金、及び鉄コバルト合金は、Ｆｅ−６．５％Ｓｉ合金と比べて、ヒステリシス損失が小さい材料の一例である。第２の材料は、第１の材料と比べて渦電流が小さい材料である。Ｆｅ−３％Ｓｉ合金、アモルファス合金、及び鉄コバルト合金は、Ｆｅ−６．５％Ｓｉ合金と比べて、渦電流が小さい材料の一例である。なお、第１の材料としてＦｅ−３％Ｓｉ合金を用いる場合は、第２の材料は、アモルファス合金、及び鉄コバルト合金のうちのいずれかを用いることができる。

積層鋼板３２を構成する複数の電磁鋼板のそれぞれは、径方向外側に、周方向全体に亘るコアバック部３２ａを有する。コアバック部３２ａは、積層鋼板３２の外周部分を形成する。ステータ３０は、積層鋼板３２の外周とハウジング２の内周との間に隙間を有する。積層鋼板３２の外周とハウジング２の内周との間の隙間は、空洞であってもよい。本実施形態では、ステータ３０は、積層鋼板３２の外周とハウジング２の内周との間の隙間にシート部材３４を有する。シート部材３４は、例えば樹脂シートである。シート部材３４は、例えば加熱硬化型膨張接着シートである。積層鋼板３２の外周に配置されたシート部材３４は、加熱されることで積層鋼板３２の外周とハウジング２の内周との間の隙間を埋めて硬化する。シート部材３４として、空気よりも熱伝導率が高い材質の部材を用いることにより、積層鋼板３２の外周とハウジング２の内周との間の隙間が空洞である場合と比べて、シート部材３４によってステータコア３６の発熱をハウジング２に放熱しやすい。シート部材３４は、熱伝導部材の一例である。例えばハウジング２に冷却水の水路を設けた構成において、モータ１は、シート部材３４を設けることで、より放熱効率を高めることができる。積層鋼板３２を構成する複数の電磁鋼板のそれぞれは、径方向内側に、周方向全体に亘るティース部３２ｂを有する。ティース部３２ｂは、積層鋼板３２の外周部分を形成する。ティース部３２ｂは、周方向で所定の間隔を空けて、コアバック部３２ａから径方向内側に突出する。

本実施形態では、積層鋼板３２を構成する複数の電磁鋼板の積層方法は、電磁鋼板同士を接着剤で接着して積層して固定する。積層鋼板３２を構成する複数の電磁鋼板の積層方法は、既知の如何なる方法を用いてもよい。積層鋼板３２を構成する複数の電磁鋼板の積層方法は、例えば、ボルト止めでもよいし、ダボによるカシメでもよいし、溶接でもよい。

積層鋼板３３は、図４に示した積層鋼板３１と同じ形状であるため、図４、図５と同様の断面の図示は省略する。積層鋼板３３は、複数の電磁鋼板を軸方向に積層して構成される。積層鋼板３３は、第１の層の一例である。本実施形態では、ステータコア３６は、第１の層の一例である積層鋼板３１と積層鋼板３３とで、第２の層の一例である積層鋼板３２を軸方向において挟む。積層鋼板３３を構成する複数の電磁鋼板の材料は、例えばＦｅ−６．５％Ｓｉ合金である。Ｆｅ−６．５％Ｓｉ合金は、第１の材料の一例である。積層鋼板３３は、積層鋼板３１と同じ材質であってもよいし、積層鋼板３１と異なる材質であってもよい。積層鋼板３３を構成する複数の電磁鋼板のそれぞれの軸方向の厚さは、例えば約０．３ｍｍ程度である。積層鋼板３３を構成する複数の電磁鋼板のそれぞれは、板状の円環形状である。

積層鋼板３３を構成する複数の電磁鋼板のそれぞれは、径方向外側に、周方向全体に亘るコアバック部３３ａを有する。コアバック部３３ａは、積層鋼板３３の外周部分を形成する。積層鋼板３３の外周は、ハウジング２の内周に接する。積層鋼板３３を構成する複数の電磁鋼板のそれぞれは、径方向内側に、周方向全体に亘るティース部３３ｂを有する。ティース部３３ｂは、積層鋼板３３の内周部分を形成する。ティース部３３ｂは、周方向で所定の間隔を空けて、コアバック部３３ａから径方向内側に突出する。

本実施形態では、積層鋼板３３を構成する複数の電磁鋼板の積層方法は、電磁鋼板同士を接着剤で接着して積層して固定する。積層鋼板３３を構成する複数の電磁鋼板の積層方法は、既知の如何なる方法を用いてもよい。積層鋼板３３を構成する複数の電磁鋼板の積層方法は、例えば、ボルト止めでもよいし、ダボによるカシメでもよいし、溶接でもよい。

本実施形態では、第１の層（積層鋼板３１及び積層鋼板３３）及び第２の層（積層鋼板３２）を積層して成るステータコア３６において、軸方向両端は第１の層である。本実施形態では、積層鋼板３１と積層鋼板３２と積層鋼板３３とを積層する積層方法は、電磁鋼板同士を接着剤で接着して積層して固定する。積層鋼板３１と積層鋼板３２と積層鋼板３３との積層方法は、既知の如何なる方法を用いてもよい。積層鋼板３１と積層鋼板３２と積層鋼板３３との積層方法は、例えば、ボルト止めでもよいし、ダボによるカシメでもよいし、溶接でもよい。ステータコア３６は、積層鋼板３１、積層鋼板３２及び積層鋼板３３のそれぞれを積層した後に、積層鋼板３１と積層鋼板３２と積層鋼板３３とを積層してもよい。ステータコア３６は、積層鋼板３１を構成する複数の電磁鋼板、積層鋼板３２を構成する複数の電磁鋼板、及び積層鋼板３３を構成する複数の電磁鋼板を軸方向に配置して一度ですべてに接着剤を含侵して接着することで積層してもよい。

第１の層の一例である積層鋼板３１及び積層鋼鈑３３を構成する電磁鋼板は、圧縮応力が負荷されることによる鉄損の増大が少ない材料の電磁鋼板である。ステータコア３６を、焼き嵌め又は圧入によりハウジング２に収容したとき、積層鋼板３１及び積層鋼板３３はハウジング２に接し、積層鋼板３１及び積層鋼板３３にはハウジング２による圧縮応力が負荷される。しかしながら、積層鋼板３１を構成する電磁鋼板及び積層鋼板３３を構成する電磁鋼板は、圧縮応力が負荷されることによる鉄損の増大が少ない材料であるため、鉄損の増大を抑えることができる。本実施形態によれば、鉄損の増大を抑えることができるので、これに伴いモータの温度上昇を抑えることができる。このため、放熱のための構成を省くことができ、モータを小型化することができる。

第２の層の一例である積層鋼板３２を構成する電磁鋼板は、圧縮応力が負荷されることによる鉄損の増大がある材料の電磁鋼板であってもよい。ステータコア３６を、焼き嵌め又は圧入によりハウジング２に収容したとき、積層鋼板３２とハウジング２とは離れており、積層鋼板３２にはハウジング２による圧縮応力が直接負荷されない。積層鋼板３２とハウジング２との間にシート部材３４が介在する場合、ハウジング２による圧縮応力はシート部材３４が吸収し、積層鋼板３２にはハウジング２による圧縮応力がほとんど負荷されない。このため、積層鋼板３２には、圧縮応力が負荷されず鉄損は増大しない。

＜第２実施形態＞
第１実施形態では、ステータコア３６は、２つの第１の層（積層鋼板３１及び積層鋼板３３）で第２の層（積層鋼板３２）を挟む構成にしたが、本発明はこれに限られるものではない。ステータコアは、フロント側から順に、第２の層、第１の層、及び第２の層を積層して構成されるものであってもよい。このようにすることで、鉄損が小さい第２の層をより多く用いることができ、鉄損をより小さくすることができる。本実施形態では、第１の層及び第２の層を積層して成るステータコアにおいて、軸方向両端は第２の層である。

＜第３実施形態＞
また、ステータコアは、ステータコアの軸方向の長さに応じて、積層する第１の層及び第２の層の数を調整してもよい。具体的には、ステータコアの軸方向の長さが長い場合には、積層する第１の層及び第２の層の数を多くし、ステータコアの軸方向の長さが短い場合には、積層する第１の層及び第２の層の数を少なくする。このようにすることにより、ステータコアとハウジングとを焼き嵌め又は圧入により固定する際に、第１の層がハウジングに接触する箇所を軸方向の所定間隔で確保することができ、ステータの形状を安定させることができる。本実施形態では、第１の層及び第２の層を積層して成るステータコアにおいて、軸方向両端は第１の層であってもよい。本実施形態では、第１の層及び第２の層を積層して成るステータコアにおいて、軸方向両端は第２の層であってもよい。本実施形態では、第１の層及び第２の層を積層して成るステータコアにおいて、軸方向一方端は第１の層であり、軸方向他方端は第２の層であってもよい。

上記実施形態では、本発明を、ＰＭモータに適用した場合の構成例について説明した。しかしながら本発明はこれに限られるものではない。本発明は、ステータに積層鋼板を用いてハウジング等により圧縮応力が負荷される回転電機であれば、如何なる回転電機にも適用可能である。本発明において、ロータは、ロータコアに永久磁石を埋め込んだ構成であってもよい。本発明において、ロータは、ロータコアの外周に永久磁石を貼り付けた構成であってもよい。本発明において、モータは、かご形誘導電動機であってもよい。本発明は、モータに適用するものであってもよいし、発電機に適用するものであってもよいし、如何なる回転電機に適用するものであってもよい。

本発明は、上記実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の改良並びに設計の変更を行ってもよい。加えて、今回開示された実施形態は、全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

１…モータ、２…ハウジング、３…フロントカバー、３ｃ…貫通孔、４…リアカバー、５…シャフト、１０…ロータ、１１…ロータコア、３０…ステータ

Claims (8)

1. 回転電機のステータであって、
   第１の材料の電磁鋼板を積層した第１の層と、第２の材料の電磁鋼板を積層した第２の層と、を積層したステータコアと、
   前記ステータコアを収容するハウジングと、
   を備え、
   前記ステータコアは、前記ハウジングの内周に、焼き嵌め又は圧入により固定され、
   前記第１の材料は、前記第２の材料と比べて、圧縮応力が負荷されることによる鉄損の増大が少ない材料であり、
   前記第１の層と前記ハウジングとは接し、
   前記第２の層と前記ハウジングとは離れている、
   ステータ。
2. 前記第２の材料は、前記第１の材料よりも鉄損が小さい材料である、
   請求項１に記載のステータ。
3. 前記ステータコアは、２つの前記第１の層で前記第２の層を挟む、
   請求項１又は２に記載のステータ。
4. 前記第１の材料は、Ｆｅ−６．５％Ｓｉ合金であり、
   前記第２の材料は、Ｆｅ−３％Ｓｉ合金、アモルファス合金、及び鉄コバルト合金のうちのいずれかである、
   請求項１から３のいずれか一項に記載のステータ。
5. 前記第１の材料は、Ｆｅ−３％Ｓｉ合金であり、
   前記第２の材料は、アモルファス合金、及び鉄コバルト合金のうちのいずれかである、
   請求項１から３のいずれか一項に記載のステータ。
6. 前記第２の層と前記ハウジングとの間に熱伝導部材を有する、
   請求項１から５のいずれか一項に記載のステータ。
7. 前記熱伝導部材は、加熱硬化型膨張接着シートである、
   請求項６に記載のステータ。
8. 請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のステータと、
   ロータと、
   を備える回転電機。
   
   

Images