JP2023129002A - 電機子コア、電機子及び回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】巻線をティース部のまわりに巻回する工程においてティース部の変形を抑制する。【解決手段】ステータコア２０は、複数のコア構成板２１を備えている。軸方向に積層された複数のコア構成板２１の一部は、環状に形成された環状部３２を形成している。軸方向に積層された複数のコア構成板２１の他の一部は、複数のティース部３４を形成している。ティース部３４は、環状部３２から径方向一方側へ向けて突出するコイル形成部３４Ａと、コイル形成部３４Ａから環状部とは反対側へ向けて突出すると共に径方向への寸法がコイル形成部３４Ａの径方向への寸法よりも大きな寸法に設定されたティース先端部３４Ｂと、を有している。複数のコア構成板２１においてコイル形成部３４Ａを構成する部分には、カシメ部５１がそれぞれ形成されている。カシメ部５１は、軸方向に隣り合うものどうしが軸方向に嵌合した状態で、複数のコア構成板２１が積層された状態を保持する。【選択図】図６

Description

本開示は、電機子コア、電機子及び回転電機に関する。

下記特許文献１には、金属板を積層することによって形成された環状部（ヨーク積層体）及びティース部（磁極積層体）を含んで構成された電機子コアと、電機子コアのティース部のまわりに巻線が巻回されることにより形成されたコイルと、を含んで構成された固定子が開示されている。

特開２００５－１４３１９９号公報

ところで、上記特許文献１に記載された電機子コアのように、環状部から突出するティース部のまわりにコイルが形成される構成では、巻線をティース部のまわりに巻回する工程においてティース部の変形を抑制することが重要である。

本開示は上記事実を考慮し、巻線をティース部のまわりに巻回する工程においてティース部の変形を抑制することができる電機子コア、電機子及び回転電機を得ることが目的である。

上記課題を解決する電機子コア（２０）は、軸方向を厚み方向として径方向に延在する複数のコア構成板（２１）と、軸方向に積層された複数の前記コア構成板の一部によって構成され、環状に形成された環状部（３２）と、軸方向に積層された複数の前記コア構成板の他の一部によって構成され、前記環状部から径方向一方側へ向けて突出すると共にそのまわりに導電性の巻線（２４）が巻回されることによってコイル（２６）が形成されるコイル形成部（３４Ａ）と、前記コイル形成部から前記環状部とは反対側へ向けて突出すると共に周方向への寸法が前記コイル形成部の周方向への寸法よりも大きな寸法に設定されたティース先端部（３４Ｂ）と、を有し、周方向に間隔をあけて配置された複数のティース部（３４）と、複数の前記コア構成板において前記コイル形成部を構成する部分にそれぞれ形成され、軸方向に隣り合うものどうしが軸方向に嵌合した状態で、複数の前記コア構成板が積層された状態を保持するカシメ部（５１）と、を備えている。また、電機子（１４）は、上記電機子コアと、前記電機子コアに取付けられ、複数の前記ティース部をそれぞれ覆うティース被覆部（３８）を有するインシュレータ（２２）と、導電性の巻線が前記ティース被覆部を介して各々の前記ティース部のまわりに巻回されることによってそれぞれ形成された複数のコイルと、を備えている。さらに、回転電機（１０）は、上記電機子を含んで構成された固定子（１４）及び回転子（１２）の一方と、前記電機子と径方向に対向して配置されたマグネット（１８）を有する固定子及び回転子の他方と、を備えている。

この様に構成することで、巻線をティース部のまわりに巻回する工程においてティース部の変形を抑制することができる。

本実施形態のモータを軸方向から見た模式図である。 ステータを示す斜視図である。 インシュレータが取付けられたステータコアを示す斜視図である。 図３に示された４－４線に沿って切断したインシュレータ及びステータコアの断面を示す斜視断面図である。 図２に示された５－５線に沿って切断したステータの断面を示す側断面図である。 ティース部の第１カシメ部及び第２カシメ部の位置を説明するための図である。 図６に示された７－７線に沿って切断したティース部の断面を示す側断面図である。 比較例に係るティース部の第１カシメ部及び第２カシメ部の位置を説明するための図である。 軸方向他方側への荷重が入力された際の本実施形態のティース部を示す斜視図である。 軸方向他方側への荷重が入力された際の比較例のティース部を示す斜視図である。

図１～図７を用いて本開示の実施形態に係るモータ１０について説明する。なお、図中に適宜示す矢印Ｚ方向、矢印Ｒ方向及び矢印Ｃ方向は、後述するロータ１２の回転軸方向一方側、回転径方向外側及び回転周方向一方側をそれぞれ示すものとする。また、以下、単に軸方向、径方向、周方向を示す場合は、特に断りのない限り、ロータ１２の回転軸方向、回転径方向、回転周方向を示すものとする。また、本実施形態のモータ１０及び後述する各実施形態のモータは、回転電機の一例である。

図１に示されるように、本実施形態のモータ１０は、インナロータ型のブラシレスモータである。このモータ１０は、電機子及び固定子としてのステータ１４と、ステータ１４の径方向内側に配置された回転子としてのロータ１２と、を備えている。

ロータ１２は、図示しない回転軸に固定されたロータコア１６と、ロータコア１６の径方向外側の面に固定されたマグネット１８と、を含んで構成されている。マグネット１８は、一例として環状に形成されたリングマグネットである。このマグネット１８では、径方向外側がＮ極とされた部分と径方向外側がＳ極とされた部分とが、周方向に沿って交互に配置されている。なお、複数のマグネット１８がロータコア１６の径方向外側の面に固定された構成となっていてもよい。この構成では、径方向外側がＮ極とされたマグネット１８と径方向外側がＳ極とされたマグネット１８とが、周方向に沿って交互に配置されている。

図２及び図３に示されるように、ステータ１４は、ステータコア２０と、ステータコア２０に取付けられたインシュレータ２２と、導電性の巻線２４がステータコア２０のまわりに巻回されることによって形成された複数のコイル２６と、を備えている。

図３、図４及び図５に示されるように、ステータコア２０は、軟磁性材料である鋼鈑が所定の形状に打ち抜かれること等によって形成されたコア構成板２１が軸方向に積層されることによって形成された積層コアである。このステータコア２０は、環状に形成された環状部３２と、環状部３２から径方向内側に向けて突出する複数のティース部３４と、を備えている。図３に示されるように、本実施形態では、１５個のティース部３４が周方向に沿って等間隔に配置されている。

ティース部３４の詳細な構成について説明すると、図６に示されるように、ティース部３４は、環状部３２から径方向内側へ向けて突出すると共にそのまわりにコイル２６（図５参照）が形成されるコイル形成部３４Ａを備えている。また、ティース部３４は、コイル形成部３４Ａから環状部３２とは反対側である径方向内側へ向けて突出するティース先端部３４Ｂを備えている。ここで、ティース先端部３４Ｂとは、ティース部３４の径方向内側の端部であって、周方向への寸法Ｃ１がコイル形成部３４Ａの周方向への寸法Ｃ２よりも大きな寸法となっている部分のことをいうものとする。

図３及び図４に示されるように、インシュレータ２２は、絶縁性の材料である樹脂材料を用いて形成されている。このインシュレータ２２は、ステータコア２０の環状部３２における径方向内側の面に沿って配置される環状被覆部３６を備えている。

また、インシュレータ２２は、環状被覆部３６から径方向内側へ向けて延出している複数のティース被覆部３８を備えている。ティース被覆部３８の数は、ステータコア２０のティース部３４の数と一致している。そして、各々ティース被覆部３８は、各々のティース部３４におけるコイル形成部３４Ａをそれぞれ覆っている。

また、インシュレータ２２は、ティース被覆部３８における径方向内側の端部から軸方向かつティース部３４とは反対方向へ向けて突出する鍔部分４０を備えている。この鍔部分４０は、ティース先端部３４Ｂの軸方向の端面を覆っている。そして、後述するコイル２６は、ティース被覆部３８のまわりかつ鍔部分４０と環状被覆部３６との間に配置されるようになっている。なお、本実施形態のインシュレータ２２は、軸方向に二分割の構造となっている。

なお、図３に示されるように、インシュレータ２２は、図示しない３つの第１ターミナルが支持される３つの第１ターミナル支持部４２を備えている。また、インシュレータ２２は、図示しない第２ターミナルが支持される第２ターミナル支持部４６を備えている。

図２、図４及び図５に示されるように、コイル２６は、銅線等の巻線２４がステータコア２０のコイル形成部３４Ａのまわりにインシュレータ２２のティース被覆部３８を介して巻回されることによって形成されている。本実施形態では、Ｕ相を構成する５つのコイル２６、Ｖ相を構成する５つのコイル２６及びＷ相を構成する５つのコイル２６が、定められたティース部３４のまわりにそれぞれ形成されている。Ｕ相のコイル２６とＶ相のコイル２６とＷ相のコイル２６とは、周方向に沿ってこの順で配置されている。また、Ｕ相を構成する５つのコイル２６、Ｖ相を構成する５つのコイル２６及びＷ相を構成する５つのコイル２６は、それぞれ直列で結線されている。さらに、Ｕ相を構成する５つのコイル２６と、Ｖ相を構成する５つのコイル２６と、Ｗ相を構成する５つのコイル２６とは、スター結線で結線されている。

ここで、図５に示されるように、コイル２６は、巻線２４が送り出される図示しないロボットの先端がステータコア２０のコイル形成部３４Ａのまわりを繰り返し通過することで形成される。なお、コイル２６をステータコア２０のコイル形成部３４Ａのまわりに形成する工程を「コイル形成工程」と呼ぶ。コイル形成工程では、先ず、ステータコア２０の環状部３２の径方向外側の部位を支持治具２３によって軸方向の両側から挟み込んで支持する。次に、巻線２４が送り出される図示しないロボットの先端がステータコア２０のコイル形成部３４Ａのまわりを繰り返し通過する。この時、巻線２４の張力を所定の張力に保ったままにする必要があるため、ティース部３４には、軸方向及び径方向への力が作用する。その結果、当該ティース部３４が変形する。特に、軸方向への力がティース部３４に加わると、積層されたコア構成板２１間にずれが生じて、ティース部３４の軸方向への変形が大きくなり易い。これに加えて、コイル形成部３４Ａの軸方向への寸法が周方向への寸法よりも小さな寸法に設定された扁平コアと呼ばれるステータコア２０では、ティース部３４に作用する軸方向への力によって、ティース部３４の軸方向への変形が大きくなり易い。

そこで、以下においては、上記のコイル形成工程においてティース部３４の変形を抑制するための構成（特に軸方向への変形を抑制するための構成）について説明する。

図６及び図７に示されるように、ステータコア２０は、コア構成板２１が軸方向に積層されることによって構成されている。また、複数のコア構成板２１は、カシメ部５１を有することによって軸方向に積層された状態が保持されるようになっている。そして、本実施形態では、カシメ部５１の位置等を後述のように設定することで、コイル形成工程においてティース部３４が変形することを抑制している。

図７に示されるように、カシメ部５１は、コア構成板２１の軸方向一方側の面から軸方向一方側へ向けて突出する嵌合凸部２１Ａと、コア構成板２１の軸方向他方側の面に形成された窪みである嵌合凹部２１Ｂと、によって構成されている。嵌合凸部２１Ａと嵌合凹部２１Ｂとは、コア構成板２１の同じ位置に形成されており、一例として、コア構成板２１を形成する際のプレス加工によって形成されている。また、嵌合凸部２１Ａを軸方向一方側から見た形状は円形となっていると共に、嵌合凹部２１Ｂを軸方向他方側から見た形状は円形となっている。そして、軸方向に隣り合う一のコア構成板２１の嵌合凸部２１Ａと他のコア構成板２１の嵌合凹部２１Ｂとが軸方向に嵌合することで、複数のコア構成板２１が軸方向に積層された状態が保持されるようになっている。

ところで、本実施形態では、図６に示されるように、コイル形成部３４Ａの周方向の中央部において径方向に間隔をあけて配置された２箇所のカシメ部５１を有する構成となっている。ここで、２箇所のカシメ部５１のうち径方向内側に配置されたカシメ部５１を第１カシメ部５１Ａと呼び、２箇所のカシメ部５１のうち径方向外側に配置されたカシメ部５１を第２カシメ部５１Ｂと呼ぶことにする。第１カシメ部５１Ａは、ティース先端部３４Ｂとコイル形成部３４Ａとの境界Ｋ１から径方向外側に距離Ｘ１の位置に配置されている。第２カシメ部５１Ｂは、環状部３２とコイル形成部３４Ａとの境界Ｋ２から径方向内側に距離Ｘ２の位置に配置されている。また、本実施形態では、距離Ｘ１が距離Ｘ２に対して若干長い距離に設定されている。

（本実施形態の作用並びに効果）
次に、本実施形態の作用並びに効果について説明する。

図１及び図２に示されるように、本実施形態のモータ１０では、各相のコイル２６を流れる電流が切り替えられる。これにより、ステータ１４のまわりに回転磁界が生じて、ロータ１２が回転する。

ここで、図６に示されるように、本実施形態のモータ１０の一部を構成するステータコア２０では、コイル形成部３４Ａの周方向の中央部において径方向に間隔をあけて配置された２箇所のカシメ部５１を有する構成となっている。これにより、コイル巻回工程において軸方向への荷重がティース部３４に加わった際に、当該ティース部３４におけるコア構成板２１間のずれが抑制される。これにより、ティース部３４の軸方向への変形を抑制することができる。

これに加えて、本実施形態では、第１カシメ部５１Ａが、ティース先端部３４Ｂとコイル形成部３４Ａとの境界Ｋ１から径方向外側に距離Ｘ１の位置に配置されていると共に、第２カシメ部５１Ｂが、環状部３２とコイル形成部３４Ａとの境界Ｋ２から径方向内側に距離Ｘ２の位置に配置されている。また、距離Ｘ１が距離Ｘ２に対して長い距離に設定されている。これにより、コイル巻回工程において軸方向への荷重がティース部３４に加わった際に、当該ティース部３４における環状部３２側の変形を効果的に抑制することができる。

ここで、図８には、比較例に係るティース部３４が示されている。比較例に係るティース部３４では、第１カシメ部５１Ａが、ティース先端部３４Ｂとコイル形成部３４Ａとの境界Ｋ１上の位置に配置されていると共に、第２カシメ部５１Ｂが、環状部３２とコイル形成部３４Ａとの境界Ｋ２上の位置に配置されている。また、図９には、軸方向他方側への所定の荷重が入力された際における本実施形態のティース部３４が示されており、図１０には、軸方向他方側への所定の荷重が入力された際における比較例のティース部３４が示されている。図９に示されるように、本実施形態のティース部３４では、当該ティース部３４の径方向の中間部（コイル形成部３４Ａ）におけるコア構成板２１間のずれが抑制され、当該ティース部３４の径方向の中間部の形状変化が少なくなっている。これに対して、図１０に示されるように、比較例のティース部３４では、当該ティース部３４の径方向の中間部（コイル形成部３４Ａ）におけるコア構成板２１間にずれが生じて、当該ティース部３４の径方向の中間部の形状がＳ字状に変化している。このように、本実施形態のティース部３４では、比較例のティース部３４と比べて、ティース部３４の軸方向への変形を抑制することができることがわかる。

なお、以上説明した本実施形態では、コイル形成部３４Ａの周方向の中央部において径方向に間隔をあけて配置された２箇所のカシメ部５１を有する構成とした例について説明したが、本開示はこれに限定されない。例えば、コイル形成部３４Ａに１箇所のカシメ部５１を有する構成としてもよいし、コイル形成部３４Ａに３箇所以上のカシメ部５１を有する構成としてもよい。カシメ部５１の数や位置は、ティース部３４に要求される剛性等を考慮して適宜設定すればよい。

（コア構成板２１間の摩擦係数を考慮した構成）
次に、コア構成板２１間の摩擦係数を考慮した構成について説明する。

以上説明したように、ティース部３４の径方向の中間部におけるコア構成板２１間のずれを抑制することで、ティース部３４の軸方向への変形を抑制することができる。そこで、前述の構成に加えて、コア構成板２１間の摩擦係数を向上させた例について説明する。

ここでは、プレス加工で形成された複数のコア構成板２１において軸方向に重ね合わされる面のみに研削加工等を施した。これにより、コア構成板２１間の摩擦力が向上し、軸方向への荷重がティース部３４に加わった際のコア構成板２１間のずれが抑制される。その結果、ティース部３４の変形を効果的に抑制することができる。

また、研削加工等を複数のコア構成板２１に施した状態では、複数のコア構成板２１においてインシュレータ２２と接触する面の面粗度が、複数のコア構成板２１において軸方向に重ね合わされている面の面粗度よりも小さな面粗度となる。換言すると、複数のコア構成板２１においてインシュレータ２２と接触する面の面粗度が、研削加工等を施す前の面粗度に対して変化しない。これにより、インシュレータ２２が複数のコア構成板２１との接触面において摩耗することを抑制することができる。

以上、本開示の一実施形態について説明したが、本開示は、上記に限定されるものでなく、その主旨を逸脱しない範囲内において上記以外にも種々変形して実施することが可能であることは勿論である。例えば、モータ１０等の構成は、発電機に適用してもよい。また、モータ１０等の構成は、ロータ１２がステータ１４の径方向外側に配置されたアウタロータ型のブラシレスモータにも適用することができる。また、本実施形態のステータ１４と同様の構成の電機子を含んで構成されたロータにも、本開示の構成を適用することができる。

１０ モータ（回転電機）、１２ ロータ（回転子）、１４ ステータ（電機子、固定子）、１８ マグネット、２０ ステータコア（電機子コア）、２１ コア構成板、２２ インシュレータ、２４ 巻線、２６ コイル、３２ 環状部、３４ ティース部、３４Ａ コイル形成部、３４Ｂ ティース先端部、３８ ティース被覆部、５１ カシメ部、５１Ａ 第１カシメ部、５１Ｂ 第２カシメ部、Ｋ１ ティース先端部とコイル形成部との境界、Ｋ２ 環状部とコイル形成部との境界

Claims (6)

1. 軸方向を厚み方向として径方向に延在する複数のコア構成板（２１）と、
   軸方向に積層された複数の前記コア構成板の一部によって構成され、環状に形成された環状部（３２）と、
   軸方向に積層された複数の前記コア構成板の他の一部によって構成され、前記環状部から径方向一方側へ向けて突出すると共にそのまわりに導電性の巻線（２４）が巻回されることによってコイル（２６）が形成されるコイル形成部（３４Ａ）と、前記コイル形成部から前記環状部とは反対側へ向けて突出すると共に周方向への寸法が前記コイル形成部の周方向への寸法よりも大きな寸法に設定されたティース先端部（３４Ｂ）と、を有し、周方向に間隔をあけて配置された複数のティース部（３４）と、
   複数の前記コア構成板において前記コイル形成部を構成する部分にそれぞれ形成され、軸方向に隣り合うものどうしが軸方向に嵌合した状態で、複数の前記コア構成板が積層された状態を保持するカシメ部（５１）と、
   を備えた電機子コア（２０）。
2. 前記カシメ部は、前記ティース部の周方向の中央部において径方向に間隔をあけて配置された第１カシメ部（５１Ａ）及び第２カシメ部（５１Ｂ）とされ、
   前記第１カシメ部は、前記ティース先端部よりも前記環状部側かつ前記第２カシメ部よりも前記ティース先端部側に配置され、
   前記第２カシメ部は、前記環状部よりも前記ティース先端部側かつ前記第１カシメ部よりも前記環状部側に配置されている請求項１に記載の電機子コア。
3. 前記第１カシメ部が、前記ティース先端部と前記コイル形成部との境界（Ｋ１）から前記環状部側に第１の距離の位置に配置されており、
   前記第２カシメ部が、前記環状部と前記コイル形成部との境界（Ｋ２）から前記ティース先端部側に第２の距離の位置に配置されており、
   前記第１の距離が前記第２の距離に対して長い距離に設定されている請求項２に記載の電機子コア。
4. 請求項１～請求項３のいずれか１項に記載の電機子コアと、
   前記電機子コアに取付けられ、複数の前記ティース部をそれぞれ覆うティース被覆部（３８）を有するインシュレータ（２２）と、
   導電性の巻線が前記ティース被覆部を介して各々の前記ティース部のまわりに巻回されることによってそれぞれ形成された複数のコイルと、
   を備えた電機子（１４）。
5. 複数の前記コア構成板において前記インシュレータと接触する面の面粗度が、複数の前記コア構成板において軸方向に重ね合わされている面の面粗度よりも小さな面粗度に設定されている請求項４に記載の電機子。
6. 請求項４又は請求項５の電機子を含んで構成された固定子（１４）及び回転子（１２）の一方と、
   前記電機子と径方向に対向して配置されたマグネット（１８）を有する固定子及び回転子の他方と、
   を備えた回転電機（１０）。