JP2022151030A - 電機子及び電機子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】鉄心の鉄損を抑制しつつ、鉄心の形状を維持することができる電機子及び電機子の製造方法を提供する。【解決手段】ステータは、複数のスロット２３を有するステータコア２０と、スロット２３の内部に配置されたコイル４０と、スロット２３の内面とコイル４０の外面との間に配置された絶縁シート５０とを備える。絶縁シート５０は、スロット２３の内面を覆う本体部５１と、本体部５１からコイル４０とは反対側に突出するとともにステータコア２０の積層方向に互いに間隔をおいて設けられた複数の突出部５２とを有している。複数の突出部５２は、積層方向において１枚または複数枚の鉄心片３０を挟み込んで保持している。【選択図】図３

Description

本発明は、電機子及び電機子の製造方法に関する。

従来、回転電機を構成するステータなどの電機子は、複数のスロットを有する鉄心と、スロットの内部に配置され、導体により構成されるコイルとを備えている（例えば、特許文献１参照）。スロットの内部には、鉄心とコイルとを絶縁するための絶縁シートが設けられている。

こうした鉄心は、電磁鋼板から打ち抜かれた複数枚の鉄心片を積層することにより構成されている。鉄心片には、厚さ方向に凹凸が形成されている。鉄心の積層方向において隣り合う２枚の鉄心片同士は、互いの凹凸がかしめられることで接合されている。これにより、鉄心の形状が維持されている。

国際公開第２０１４／０４１６３７号

ところで、互いの凹凸をかしめることで鉄心片同士を接合する場合、当該凹凸を介して鉄心片同士が導通することで短絡が生じるおそれがある。これにより、鉄心に渦電流が生じやすくなり、鉄心の鉄損が増大するおそれがある。しかしながら、上記凹凸同士のかしめを省略した場合には、鉄心片同士が接合されなくなるため、鉄心の形状を維持できなくなるおそれがある。このため、電機子においては、鉄心の鉄損を抑制しつつ、鉄心の形状を維持することが望まれている。

上記課題を解決するための電機子は、板状をなす複数枚の鉄心片が積層されてなり、複数のスロットを有する鉄心と、前記スロットの内部に配置されたコイルと、前記スロットの内面と前記コイルの外面との間に配置された絶縁シートと、を備える電機子であって、前記絶縁シートは、前記スロットの内面を覆う本体部と、前記本体部から前記コイルとは反対側に突出するとともに前記鉄心の積層方向に互いに間隔をおいて設けられた複数の突出部と、を有しており、前記複数の突出部は、前記積層方向において１枚または複数枚の前記鉄心片を挟み込んで保持している。

同構成によれば、１枚または複数枚の鉄心片は、絶縁シートの複数の突出部によって挟み込まれて保持されることで、積層方向において位置決めされる。これにより、複数の突出部によって挟み込まれた１枚または複数枚の鉄心片と、当該鉄心片に隣り合う鉄心片とがかしめられる部分を減らすことができる。したがって、鉄心の鉄損を抑制しつつ、鉄心の形状を維持することができる。

また、上記課題を解決するための電機子の製造方法は、板状をなす複数枚の鉄心片が積層されてなり、複数のスロットを有する鉄心と、前記スロットの内部に配置されたコイルと、前記スロットの内面と前記コイルの外面との間に配置された絶縁シートと、を備える電機子の製造方法であって、前記スロットの内部に前記絶縁シートを配置する絶縁シート配置工程と、前記絶縁シートが配置された前記スロットの内部に前記コイルを配置するコイル配置工程と、前記スロットの内部に配置された前記コイルを前記スロットの内面に向けて押圧することで、当該コイルを前記スロットの内面に沿って塑性変形させつつ、前記絶縁シートから前記コイルとは反対側に突出するとともに前記鉄心の積層方向において１枚または複数枚の前記鉄心片を挟み込んで保持する複数の突出部を形成する押圧工程と、を備える。

同方法によれば、絶縁シート配置工程において、スロットの内部に絶縁シートが配置される。次に、コイル配置工程において、絶縁シートが配置されたスロットの内部にコイルが配置される。次に、押圧工程において、スロットの内部に配置されたコイルがスロットの内面に向けて押圧される。これにより、当該コイルがスロットの内面に沿って塑性変形されつつ、絶縁シートからコイルとは反対側に突出するとともに積層方向において１枚または複数枚の鉄心片を挟み込んで保持する複数の突出部が形成される。したがって、上述した電機子の作用効果に準じた作用効果を奏することができる。

一実施形態のステータを示す断面図。 ステータの一部を拡大して示す拡大断面図。 図２の３－３線に沿った断面図。 図２の４－４線に沿った断面図。 絶縁シート配置工程において、スロットの内部に絶縁シートを配置した状態を示す断面図。 コイル配置工程において、スロットの内部にコイルを配置した状態を示す断面図。 押圧工程において、複数の配置部を押圧した状態を示す断面図。 押圧工程において、全ての配置部を押圧した状態を示す断面図。 第１変更例のステータを示す断面図。 第２変更例のステータを示す断面図。

以下、図１～図８を参照して、電機子及び電機子の製造方法をステータ及びステータの製造方法として具体化した一実施形態について説明する。
各図面では、説明の便宜上、構成の一部を誇張又は簡略化して示す場合がある。また、各部分の寸法比率については実際と異なる場合がある。

（ステータ１０）
図１及び図２に示すように、回転電機のステータ１０は、中心孔２０ａを有する筒状のステータコア２０と、ステータコア２０に巻回されたコイル４０と、コイル４０の外面を覆う複数の絶縁シート５０とを備えている。なお、図１では、絶縁シート５０の図示が省略されている。

本実施形態のステータ１０は、三相同期型の回転電機に用いられるものであり、図示しないロータを取り囲むように設けられている。ステータコア２０は、「鉄心」に相当する。

（ステータコア２０）
ステータコア２０は、円環状のヨーク２１と、ヨーク２１からヨーク２１の径方向の内側に向かって延びる複数のティース２２とを有している。複数のティース２２は、ヨーク２１の周方向に互いに間隔をおいて設けられている。

ヨーク２１の周方向において互いに隣り合うティース２２同士の間には、径方向の内側に開口するとともに径方向に延びるスロット２３が形成されている。本実施形態のステータコア２０は、都合４８個のスロット２３を有している。

図３に示すように、ステータコア２０は、板状をなす複数枚の鉄心片３０が積層されることにより構成されている。鉄心片３０は、電磁鋼板を打ち抜くことにより形成されている。

以降において、ステータコア２０の積層方向を単に積層方向と称し、ステータコア２０の軸線を中心とするステータコア２０の周方向を単に周方向と称し、同軸線を中心とするステータコア２０の径方向を単に径方向と称する。また、ステータコア２０の積層方向における両端を構成する鉄心片３０を鉄心片３０ａとし、鉄心片３０ａ同士の間に位置する鉄心片３０を鉄心片３０ｂとして区別する場合がある。

（コイル４０）
図２に示すように、コイル４０は、スロット２３の内部において、例えば径方向に８列に並んで配置されている。本実施形態では、Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相を構成するコイル４０が、複数のティース２２に跨がって分布巻きにより巻回されている。

コイル４０は、例えばアルミニウム合金などの金属材料により形成された平角線と、平角線の外周面を覆う絶縁被膜とを有している。なお、各図では、絶縁被膜の図示が省略されている。

図３に示すように、コイル４０は、スロット２３の内部に配置される配置部４１と、配置部４１に連なるとともに積層方向の両側においてスロット２３から突出したコイルエンド４２とを有している。

配置部４１は、積層方向において直線状に延びている。図示は省略するが、コイルエンド４２は、異なる２つのスロット２３の内部に配置された配置部４１同士を連結している。

図２に示すように、スロット２３の内部には、８つの配置部４１が径方向に隣り合って設けられている。
本実施形態のコイル４０の長さ方向に直交する断面形状は、長辺及び短辺を有する長方形状をなしている。配置部４１の断面形状における長辺は、スロット２３の幅方向に延びており、配置部４１の断面形状における短辺は、径方向に延びている。なお、スロット２３の幅方向は、積層方向と径方向との双方に直交する方向である。

（絶縁シート５０）
絶縁シート５０は、スロット２３の内面とコイル４０の外面との間に配置されている。絶縁シート５０は、スロット２３の内面全体を覆うように設けられている。絶縁シート５０は、スロット２３と同様に径方向の内側に開口している。

図示は省略するが、絶縁シート５０は、樹脂製の基材と、当該基材の両面に設けられた絶縁層とを有している。絶縁層は、例えば、不織布に樹脂材料を含浸させることによって構成されている。

図３及び図４に示すように、絶縁シート５０は、コイル４０の外面を覆う本体部５１と、本体部５１からコイル４０とは反対側に突出するとともに積層方向に互いに間隔をおいて設けられた複数の突出部５２とを有している。

本体部５１は、配置部４１に沿って積層方向に延びている。本体部５１の積層方向における両端は、スロット２３から突出している。
突出部５２は、上述した絶縁層の一部がコイル４０とは反対側に突出することにより構成されている。突出部５２は、２つの外側突出部５２ａと、複数の内側突出部５２ｂとを含んでいる。複数の内側突出部５２ｂは、積層方向における２つの外側突出部５２ａの間に設けられている。

２つの外側突出部５２ａは、積層方向におけるステータコア２０の両側からステータコア２０の全体を挟み込んで保持している。外側突出部５２ａは、本体部５１のうちスロット２３の外部に位置する部分から突出している。各外側突出部５２ａは、鉄心片３０ａの外面に接触している。

内側突出部５２ｂは、積層方向において隣り合う鉄心片３０同士の間に位置している。内側突出部５２ｂと鉄心片３０ｂとは、積層方向において交互に設けられている。したがって、積層方向において隣り合う２つの内側突出部５２ｂは、１枚の鉄心片３０ｂを挟み込んで保持している。なお、鉄心片３０ａは、外側突出部５２ａと内側突出部５２ｂとにより挟み込まれている。

内側突出部５２ｂを挟んで積層方向の両側に位置する２枚の鉄心片３０同士の間には、隙間Ｇが設けられている。隙間Ｇは、上記２枚の鉄心片３０同士の間における全体にわたって設けられている。したがって、鉄心片３０同士は、積層方向において互いに離れている。

外側突出部５２ａ及び内側突出部５２ｂは、スロット２３の略全周にわたって延びている。すなわち、外側突出部５２ａ及び内側突出部５２ｂの双方は、本体部５１から径方向の外側に突出した部分と、本体部５１からスロット２３の幅方向の両側に突出した部分とが連なって構成されている。外側突出部５２ａ及び内側突出部５２ｂは、平面視において略Ｕ字状をなしている。

（ステータ１０の製造方法）
次に、ステータ１０の製造方法について説明する。
図５に示すように、まず、ステータコア２０のスロット２３の内部に絶縁シート５０を配置する（絶縁シート配置工程）。このとき、絶縁シート５０は、径方向の内側からスロット２３の内部に挿入されてもよいし、積層方向においてスロット２３の内部に挿入されてもよい。なお、積層方向において隣り合う鉄心片３０同士は、積層方向において互いに接触している。

ここで、積層方向におけるステータコア２０の両側には、押さえ治具６０が配置されている。各押さえ治具６０は、鉄心片３０ａにおけるヨーク２１及びティース２２を構成する部分の外面に接触している。なお、図６～図８では、押さえ治具６０の図示が省略されている。

図６に示すように、次に、絶縁シート５０が配置されたスロット２３の内部にコイル４０の配置部４１を配置する（コイル配置工程）。このとき、配置部４１の長辺が延びる方向と径方向とが一致するようにスロット２３の内部に配置部４１を配置する。本実施形態のコイル配置工程では、まず、スロット２３の内部に配置部４１が径方向に５列に並ぶように配置する。

図７に示すように、次に、配置部４１を押圧するための押圧治具７０をスロット２３の内部に挿入する。ここで、押圧治具７０の押圧面７０ａは、積層方向におけるスロット２３の全体にわたって延びている。

次に、スロット２３の内部に配置された配置部４１を、押圧治具７０により、スロット２３の内面に向けて、より詳しくは、径方向の外側に向けて押圧する。これにより、配置部４１をスロット２３の内面に沿って塑性変形させる。このとき、配置部４１は、径方向における厚さが減少するとともに幅方向における厚さが増大するように塑性変形する。これにより、配置部４１は、スロット２３の幅方向に延びる長辺と、径方向に延びる短辺とを有することとなる。

配置部４１が塑性変形する過程において、絶縁シート５０は、配置部４１を介してスロット２３の内面に向けて押圧される。このとき、絶縁シート５０は、径方向の外側及び幅方向の両側に向けて押圧される。これにより、図３及び図４に示すように、絶縁シート５０の本体部５１からコイル４０とは反対側に突出する複数の突出部５２を形成する（押圧工程）。このとき、本体部５１は、積層方向に伸びることとなる。

押圧工程では、図３及び図４に二点鎖線にて示すように、押さえ治具６０と鉄心片３０ａとの間に絶縁シート５０の一部が入り込むことで外側突出部５２ａが形成される。このとき、押さえ治具６０と鉄心片３０ａとは、積層方向において互いに離れる方向に移動する。

また、積層方向において隣り合う２枚の鉄心片３０同士の間に絶縁シート５０の一部が入り込むことで内側突出部５２ｂが形成される。このとき、上記２枚の鉄心片３０は、積層方向において互いに離れる方向に移動する。

図８に示すように、同様にして、更に３つの配置部４１を押圧治具７０により押圧することで塑性変形させつつ、スロット２３の略全周にわたって外側突出部５２ａ及び内側突出部５２ｂを形成する。なお、本実施形態では、まず、上記３つの配置部４１のうち２つの配置部４１をスロット２３の内部に配置するとともに、当該２つの配置部４１を押圧治具７０により押圧する。続いて、残り１つの配置部４１をスロット２３の内部に配置するとともに、当該１つの配置部４１を押圧治具７０により押圧する。

このようにして、ステータ１０が製造される。
本実施形態の作用について説明する。
ステータコア２０は、２つの外側突出部５２ａによって、ステータコア２０の全体が積層方向の両側から挟み込まれて保持される。このため、各鉄心片３０が積層方向において位置決めされる。これにより、ステータコア２０の全体において、鉄心片３０同士がかしめられる部分を減らすことができる（以上、作用１）。

また、積層方向において隣り合う鉄心片３０同士の間にそれぞれ位置する複数の内側突出部５２ｂによって、各鉄心片３０ｂが積層方向において挟み込まれて保持される。これにより、２つの内側突出部５２ｂによって挟み込まれた各鉄心片３０ｂと、当該鉄心片３０ｂに隣り合う鉄心片３０ｂとがかしめられる部分を減らすことができる（以上、作用２）。

本実施形態の効果について説明する。
（１）ステータ１０は、複数のスロット２３を有するステータコア２０と、スロット２３の内部に配置されたコイル４０と、スロット２３の内面とコイル４０の外面との間に配置された絶縁シート５０とを備える。絶縁シート５０は、スロット２３の内面を覆う本体部５１と、本体部５１からコイル４０とは反対側に突出するとともにステータコア２０の積層方向に互いに間隔をおいて設けられた複数の突出部５２とを有している。複数の突出部５２は、積層方向におけるステータコア２０の両側からステータコア２０の全体を挟み込んで保持する２つの外側突出部５２ａと、積層方向において隣り合う鉄心片３０同士の間に位置し、各鉄心片３０を挟み込んで保持する複数の内側突出部５２ｂとを含んでいる。

こうした構成によれば、上述した作用１及び作用２を奏することから、ステータコア２０の鉄損を抑制しつつ、ステータコア２０の形状を維持することができる。
（２）内側突出部５２ｂを挟んで積層方向の両側に位置する２枚の鉄心片３０同士の間には、隙間Ｇが設けられている。

こうした構成によれば、鉄心片３０同士の隙間Ｇに、例えば、オイルなどの冷却媒体を流すことができる。これにより、ステータコア２０を冷却することができる。
（３）絶縁シート配置工程では、スロット２３の内部に絶縁シート５０を配置する。コイル配置工程では、絶縁シート５０が配置されたスロット２３の内部にコイル４０を配置する。押圧工程では、スロット２３の内部に配置されたコイル４０をスロット２３の内面に向けて押圧することで、コイル４０をスロット２３の内面に沿って塑性変形させつつ、絶縁シート５０からコイル４０とは反対側に突出するとともに積層方向において各鉄心片３０を挟み込んで保持する複数の突出部５２を形成する。

こうした方法によれば、絶縁シート配置工程において、スロット２３の内部に絶縁シート５０が配置される。次に、コイル配置工程において、絶縁シート５０が配置されたスロット２３の内部にコイル４０が配置される。次に、押圧工程において、スロット２３の内部に配置されたコイル４０がスロット２３の内面に向けて押圧される。これにより、コイル４０がスロット２３の内面に沿って塑性変形されつつ、絶縁シート５０からコイル４０とは反対側に突出するとともに積層方向において各鉄心片３０を挟み込んで保持する複数の突出部５２が形成される。

こうして製造されたステータ１０においては、各鉄心片３０が、絶縁シート５０の複数の突出部５２によって挟み込まれて保持されることで、積層方向において位置決めされる。これにより、複数の突出部５２によって挟み込まれた各鉄心片３０と、当該鉄心片３０に隣り合う鉄心片３０とがかしめられる部分を減らすことができる。したがって、ステータコア２０の鉄損を抑制しつつ、ステータコア２０の形状を維持することができる。

＜変更例＞
本実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。

・押圧工程では、複数の配置部４１を１つずつ押圧してもよいし、複数の配置部４１を一括して押圧してもよい。
・図９に示すように、スロット２３の内面において、積層方向において互いに接触する２枚の鉄心片３０によって形成され、コイル４０とは反対側に窪む凹部２３ａを設けることもできる。凹部２３ａの内部には、内側突出部５２ｂが位置している。本変更例の凹部２３ａは、各鉄心片３０に切り欠き３１を設けることによって形成されている。切り欠き３１は、例えば、鉄心片３０におけるスロット２３の内面を構成する端縁をスロット２３の全周にわたって面取りすることにより形成することができる。こうした構成によれば、凹部２３ａの内部に内側突出部５２ｂが位置している。このため、鉄心片３０同士を積層方向において互いに接触させた状態で、各鉄心片３０を複数の内側突出部５２ｂによって容易に挟み込んで保持することができる。したがって、ステータコア２０の形状を好適に維持することができる。

・上記第１変更例において、ステータコア２０は、切り欠き３１の積層方向における向きが互いに異なる複数枚の鉄心片３０を積層させてなるものであってもよい。こうしたステータコア２０としては、例えば、図１０に示すように、第１積層体２０Ａと第２積層体２０Ｂとを積層させて形成することができる。第１積層体２０Ａは、切り欠き３１が積層方向の一方を向いた複数枚の鉄心片３０が積層されてなるものである。第２積層体２０Ｂは、切り欠き３１が積層方向の他方を向いた複数枚の鉄心片３０が積層されてなるものである。この場合、第１積層体２０Ａ及び第２積層体２０Ｂは、各内側突出部５２ｂによって、積層方向において互いに近付く方向に押し付けられやすくなる。これにより、ステータコア２０の形状が維持されやすくなる。

・上記各変更例における凹部２３ａは、スロット２３の内面を構成する端縁の外形が異なる２枚の鉄心片３０を、積層方向において互いに接触させることで形成することもできる。この場合、一方の鉄心片３０における端縁が他方の鉄心片３０における端縁よりも外周側に位置するため、スロット２３の内面には、これら２枚の鉄心片３０の端縁によって段差が生じる。そして、当該段差によって凹部２３ａが形成される。こうした構成であっても、鉄心片３０同士を積層方向において互いに接触させた状態で、複数の内側突出部５２ｂによって鉄心片３０を１枚おきに挟み込んで保持することができる。したがって、ステータコア２０の形状を好適に維持することができる。

・隙間Ｇは、内側突出部５２ｂの近傍にのみ設けられていてもよい。すなわち、２枚の鉄心片３０は、内側突出部５２ｂから離れた部分において互いに接触していてもよい。
・絶縁シート５０から内側突出部５２ｂを省略することができる。すなわち、絶縁シート５０は、外側突出部５２ａのみを有するものであってもよい。

・絶縁シート５０から外側突出部５２ａを省略することができる。すなわち、絶縁シート５０は、内側突出部５２ｂのみを有するものであってもよい。
・積層方向において隣り合う２つの内側突出部５２ｂは、複数枚の鉄心片３０を挟み込んで保持するものであってもよい。すなわち、ステータコア２０の内部における内側突出部５２ｂの数及び位置は、適宜設定することができる。

・鉄心片３０に凹凸を設けるとともに、互いの凹凸をかしめることで鉄心片３０同士を接合してもよい。この場合、当該凹凸のかしめと、複数の突出部５２とを併用することによってステータコア２０の形状を維持することができる。

・突出部５２は、スロット２３の周方向における一部に設けられていてもよいし、同周方向において不連続的に設けられていてもよい。
・本実施形態では、電機子の一例として回転電機のステータを例示したが、同様の構成を回転電機のロータに対しても適用することも可能である。また、本実施形態では、電機子の製造方法の一例として回転電機のステータの製造方法を例示したが、同様の方法を回転電機のロータの製造方法に対して適用することも可能である。

Ｇ…隙間
１０…ステータ
２０…ステータコア
２０ａ…中心孔
２０Ａ…第１積層体
２０Ｂ…第２積層体
２１…ヨーク
２２…ティース
２３…スロット
２３ａ…凹部
３０…鉄心片
３０ａ…鉄心片
３０ｂ…鉄心片
３１…切り欠き
４０…コイル
４１…配置部
４２…コイルエンド
５０…絶縁シート
５１…本体部
５２…突出部
５２ａ…外側突出部
５２ｂ…内側突出部
６０…押さえ治具
７０…押圧治具
７０ａ…押圧面

Claims (6)

1. 板状をなす複数枚の鉄心片が積層されてなり、複数のスロットを有する鉄心と、前記スロットの内部に配置されたコイルと、前記スロットの内面と前記コイルの外面との間に配置された絶縁シートと、を備える電機子であって、
   前記絶縁シートは、
   前記スロットの内面を覆う本体部と、
   前記本体部から前記コイルとは反対側に突出するとともに前記鉄心の積層方向に互いに間隔をおいて設けられた複数の突出部と、を有しており、
   前記複数の突出部は、前記積層方向において１枚または複数枚の前記鉄心片を挟み込んで保持している、
   電機子。
2. 前記複数の突出部は、前記積層方向における前記鉄心の両側から前記鉄心全体を挟み込んで保持する２つの外側突出部を含んでいる、
   請求項１に記載の電機子。
3. 前記複数の突出部は、前記積層方向において隣り合う前記鉄心片同士の間に位置し、１枚または複数枚の前記鉄心片を挟み込んで保持する複数の内側突出部を含んでいる、
   請求項１または請求項２に記載の電機子。
4. 前記内側突出部を挟んで前記積層方向の両側に位置する２枚の前記鉄心片同士の間には、隙間が設けられている、
   請求項３に記載の電機子。
5. 前記積層方向において隣り合う前記鉄心片同士は、前記積層方向において互いに接触しており、
   前記スロットの内面には、前記積層方向において隣り合う２つの前記鉄心片によって形成され、前記コイルとは反対側に窪む凹部が設けられており、
   前記内側突出部は、前記凹部の内部に位置している、
   請求項３に記載の電機子。
6. 板状をなす複数枚の鉄心片が積層されてなり、複数のスロットを有する鉄心と、前記スロットの内部に配置されたコイルと、前記スロットの内面と前記コイルの外面との間に配置された絶縁シートと、を備える電機子の製造方法であって、
   前記スロットの内部に前記絶縁シートを配置する絶縁シート配置工程と、
   前記絶縁シートが配置された前記スロットの内部に前記コイルを配置するコイル配置工程と、
   前記スロットの内部に配置された前記コイルを前記スロットの内面に向けて押圧することで、当該コイルを前記スロットの内面に沿って塑性変形させつつ、前記絶縁シートから前記コイルとは反対側に突出するとともに前記鉄心の積層方向において１枚または複数枚の前記鉄心片を挟み込んで保持する複数の突出部を形成する押圧工程と、を備える、
   電機子の製造方法。

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