JP3987063B2

JP3987063B2 - モータのステータおよびその製造方法

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Publication number: JP3987063B2
Application number: JP2004280984A
Authority: JP
Inventors: 信幸今井; 忠伸高橋; 茂田嶋; 正広関; 博幸菊地; 新青木
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2004-02-12
Filing date: 2004-09-28
Publication date: 2007-10-03
Anticipated expiration: 2024-09-28
Also published as: JP2005261182A; US7345395B2; US20050189843A1

Description

本発明は、環状のステータコアの円周方向に離間した複数の位置からティースを径方向に突出させ、これらのティースに巻線を波巻したモータのステータに関する。

ティース間に形成したスロットに複数相の巻線を巻き付けたステータを有するモータでは、スロットによるトルクリップルや異常高調波トルクの発生を抑制してスムーズな回転を可能にするために、巻線の短節巻や分布巻を採用することが知られている（下記特許文献１および特許文献２参照）。

しかしながら、短節巻や分布巻を採用すると、図１２（Ａ）に示すように、ステータ０１のティース０２間のスロット０３に巻き付けられた巻線０４のうち、トルクの発生に寄与しない渡り部分０４ａが長くなるため、巻線抵抗が増加して効率が低下するだけでなく、渡り部分０４ａの両端を９０°屈曲させる際にステータ０１の軸線方向への突出高さＨが増加して寸法の小型化が妨げられる問題がある。

そこで、図１２（Ｂ）に示す波巻を採用すると、巻線０４の渡り部分０４ａの長さを短くし、巻線抵抗を減少させて効率を高めるとともに、渡り部分０４ａの軸線方向への突出高さを減少させて寸法の小型化を図ることができる。しかしながら、単に巻線０４を波巻するだけではスロット０３によるトルクリップルや異常高調波トルクが発生するため、図１２（Ｃ）に示すようにスロット０３を傾斜（スキュー）させることが必要となる。

即ち、図１１に示すように、スキューの無い長さＬの導線が受ける力Ｆは、電流をＩ・ｓｉｎωｔとし、磁束密度をＢとすると、
Ｆ＝Ｉ・Ｂ・Ｌ・ｓｉｎωｔ
で与えられる。

一方、スキュー角θを有する導線の微小部分ｄＬが受ける力ｄＦは、
ｄＦ＝Ｉ・Ｂ・ｓｉｎ｛ωｔ＋（ｃｏｓθ／Ｌ）・ｘ｝・ｃｏｓθ
で与えられる。従って、導線全体が受ける力Ｆｓｋは、

で与えられ、スキュー係数ｋｓｋ＝Ｆｓｋ／Ｆは、

で与えられる。またｑ次高調波に対するスキュー係数ｋｓｑは、

で与えられる。

［数２］および［数３］から明らかなように、スキュー角θが増加するほど（γが増加するほど）スキュー係数ｋｓｋ，ｋｓｑが小さくなり、上述した短節巻や分布巻を採用した場合と同様に、モータのトルクを減少させるとともにモータのトルク変動を小さくすることができる。
特公平４−７２４６１号公報特許第２７６５７６４号公報

図１２（Ｃ）に示すように、波巻した巻線０４をスキューさせるとモータのトルク変動を小さくすることができるが、図１２（Ｂ）に示すスキューしていない巻線０４と比べて渡り部分０４ａの長さを短縮することはできず、逆にａ部において巻線０４が鋭角に屈曲することで渡り部分０４ａの突出高さＨが大きくなり、ステータ０１の軸線方向の寸法が大型化する問題がある。

本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、モータのステータのスロットをスキューさせてトルクの変動を抑制しながら、巻線の渡り部分を短くしてステータの小型化およびトルクの低下防止を図ることを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載された発明によれば、環状のステータコアの円周方向に離間した複数の位置からティースを径方向に突出させ、これらのティースに巻線を波巻したモータのステータにおいて、隣接するティース間に形成される複数のスロットを交互に逆方向にスキューさせることで、各ティースは径方向に見て二等辺三角形を成して交互に逆方向にテーパーし、巻線は渡り部分の長さが短くなるようにスキュー方向が異なる円周方向に３個目毎のスロットを交互に通過することを特徴とするモータのステータが提案される。

また請求項２に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、前記ステータコアおよびティースを積層鋼板により構成したことを特徴とするモータのステータが提案される。

また請求項３に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、前記ステータコアおよびティースを圧粉材で構成したことを特徴とするモータのステータが提案される。

また請求項４に記載された発明によれば、請求項２に記載のモータのステータの製造方法であって、プレス金型で鋼板の素材をプレスすることで、前記複数のスロットの数の半数の切欠よりなる第１切欠群を円周方向等間隔に有する鋼板中間製品を成形する第１工程と、前記プレス金型と同じプレス金型を用いて前記鋼板中間製品をプレスすることで、前記第１切欠群に加えて、前記複数のスロットの数の半数の切欠よりなる第２切欠群を円周方向等間隔に有する鋼板最終製品を成形する第２工程とを含み、前記第２工程において、前記プレス金型および前記鋼板中間製品間の位相を、ステータにおける前記鋼板最終製品の軸線方向の位置に応じて変化させることを特徴とするモータのステータの製造方法が提案される。

また請求項５に記載された発明によれば、請求項４の構成に加えて、前記第２工程において、前記プレス金型および前記鋼板中間製品間の位相を、ステータの形状から定められたプログラムに応じて制御することを特徴とする、請求項４に記載のモータのステータの製造方法が提案される。

尚、実施例のＵ相、Ｖ相およびＷ相巻線３４，３５，３６は本発明の巻線に対応する。

請求項１の構成によれば、環状のステータコアの円周方向に離間した複数の位置から径方向に二等辺三角形状に突出するティース間に形成された複数のスロットを交互に逆方向にスキューさせたので、トルクの変動を低減してモータをスムーズに回転させることができる。また巻線はスキュー方向が異なる円周方向に３個目毎のスロットを交互に通過するので、トルクの発生に寄与しない巻線の渡り部分の長さを短くし、トルクの発生に寄与するスロット内に位置する部分を長くすることで、スロットをスキューさせたことによるトルクの減少を補償することができる。しかも渡り部分の両端における巻線の屈曲角度が鈍角になるので、巻線の巻き付け作業が容易になるだけでなく、ステータコアからの渡り部分の突出高さを減少させてステータの軸線方向の寸法を小型化することができる。

請求項２の構成によれば、ステータコアおよびティースを積層鋼板により構成したので、各々の鋼板の形状を異ならせることでスロットのスキュー方向を交互に異ならせることができる。

請求項３に記載された発明によれば、ステータコアおよびティースを圧粉材で構成したので部品点数を削減することができ、しかも巻線に接触するスロットの両端部のエッジに丸みを持たせることで、絶縁紙等を不要にして部品点数を削減するとともに巻線の占積率を高めることができる。

また請求項４に記載された発明によれば、請求項２に記載のモータのステータを構成する鋼板を製造する際に、先ず第１工程において、プレス金型で鋼板の素材をプレスすることで、複数のスロットの数の半数の切欠よりなる第１切欠群を円周方向等間隔に有する鋼板中間製品を成形し、続く第２工程において、前記プレス金型と同じプレス金型を用いて、プレス金型および鋼板中間製品間の位相をステータにおける鋼板最終製品の軸線方向の位置に応じて変化させながら鋼板中間製品をプレスすることで、第１切欠群に加えて、複数のスロットの数の半数の切欠よりなる第２切欠群を円周方向等間隔に有する鋼板最終製品を成形するので、一種類の金型で第１切欠群および第２切欠群間の位相が種々に異なる多数種類の鋼板を製造することが可能になり、鋼板の製造に要する時間およびコストを低減することができる。

請求項５の構成によれば、鋼板中間製品に第２切欠群を成形する第２工程において、プレス金型および鋼板中間製品間の位相をステータの形状から定められたプログラムに応じて制御するので、第１切欠群および第２切欠群間の位相が異なる多数の鋼板最終製品を効率良く成形することができる。

以下、本発明の実施の形態を、添付の図面に示した本発明の実施例に基づいて説明する。

図１〜図７は本発明の第１実施例を示すもので、図１は三相モータを備えたハイブリッド車両のパワーユニットを示す図、図２は図１の２−２線拡大断面図、図３は図２の３部拡大断面図、図４は図３の４−４線矢視図、図５はステータコアの一部破断斜視図、図６はステータコアのスロットと巻線との関係を示す図、図７は前記図４に対応する模式図である。

図１に示すように、ハイブリッド車両のパワーユニットは、エンジンＥおよびトランスミッションＴ間に配置された三相モータＭを備える。エンジンＥのシリンダブロック１１およびクランクケース１２の右側面にモータケース１３、トルクコンバータケース１４およびミッションケース１５が結合されており、シリンダブロック１１およびクランクケース１２間に支持されたクランクシャフト１６の軸端にモータＭのロータ１７が固定される。ロータ１７の外周に固定した複数の永久磁石１８…に環状のステータ１９が所定のエアギャップを介して対向しており、ステータ１９を支持するステータホルダ２０がシリンダブロック１１およびクランクケース１２とモータケース１３との割り面に挟まれて固定される。

トルクコンバータケース１４に収納されたトルクコンバータ２１は、タービンランナー２２とポンプインペラ２３とを備えており、タービンランナー２２に結合されてポンプインペラ２３を覆うサイドカバー２４がドライブプレート２５を介してモータＭのロータ１７に接続される。トルクコンバータ１４のポンプインペラ２３は、ミッションケース１５に支持されたメインシャフト２６の左端に結合される。

次に、図２〜図７を参照してモータＭのステータ１９の構造を説明する。

モータＭのステータ１９は、環状のステータコア３１と、ステータコア３１の内周面から径方向内向きに突出する複数個（実施例では１２個）のティース３２…と、ティース３２…間に形成されたスロット３３…を通過するように波巻されたＵ相巻線３４、Ｖ相巻線３５およびＷ相巻線３６とを備える。ステータコア３１およびティース３２…は圧粉材で一体成形される。

径方向に見たティース３２…は二等辺三角形であって軸線Ｌ方向にテーパーしており、そのテーパーの方向は円周方向に隣接するティース３２…どうしが逆方向となっている。従って、隣接するティース３２…間に形成される１２個のスロット３３…は軸線Ｌ方向に対して交互に逆方向にスキューしている。スロット３３…のスキュー角は、電気角で例えば６０°とされる。

Ｕ相巻線３４は円周方向に３個ずつ離間したスロット３３…を通過するように波巻される。このとき、Ｕ相巻線３４の巻きかたは、図７に実線で示す方向と鎖線で示す方向とがあるが、ティース３２…の軸線Ｌ方向の両端面に露出するＵ相巻線３４の渡り部分３４ａ…が短くなるように、実線で示す方向が採用される。

Ｖ相巻線３５はＵ相巻線３４に対して円周方向に１ピッチずれたスロット３３…を通過するように波巻され、Ｗ相巻線３６はＶ相巻線３５に対して円周方向に１ピッチずれたスロット３３…を通過するように波巻される。Ｖ相巻線３５およびＷ相巻線３６も、それらの渡り部分３５ａ…，３６ａ…が短くなる方向に波巻される。尚、図６ではＵ相、Ｖ相およびＷ相の各複数本の巻線３４，３５，３６のうち、各１本ずつが示されている。

このように、ステータ１９のスロット３３…をスキューさせたので、スロット３３…によるトルクリップルや異常高調波トルクの発生を抑制してモータＭをスムーズに回転させることができる。また全てのスロット３３…を同方向にスキューさせると（図１２（Ｃ）参照）、スロット３３…がスキューしていない場合（図１２（Ｂ）参照）と同様に巻線３４，３５，３６の渡り部分３４ａ，３５ａ，３６ａの長さを短縮できないだけでなく、その渡り部分３４ａ，３５ａ，３６ａの一端のａ部が鋭角に屈曲するため、巻線３４，３５，３６の巻き付けが困難になり、しかも渡り部分３４ａ，３５ａ，３６ａの軸線Ｌ方向の突出高さＨが増加してステータ１９の軸線Ｌ方向の寸法が大型化してしまう問題がある。

それに対し、図７に実線で示す本実施例では、渡り部分３４ａ，３５ａ，３６ａの長さを短縮して巻線３４，３５，３６の抵抗を減少させるとともに、その渡り部分３４ａ，３５ａ，３６ａの両端のｂ部を鈍角に屈曲させて巻線３４，３５，３６の巻き付けを容易化し、かつ渡り部分３４ａ，３５ａ，３６ａの軸線Ｌ方向の突出高さＨを減少させてステータ１９の軸線Ｌ方向の寸法を小型化することができる。

またステータ１９のスロット３３…をスキューさせてスロット３３…によるトルクリップルや異常高調波トルクの発生を抑制すると、スキュー係数が小さくなってモータＭのトルクが減少するが、渡り部分３４ａ，３５ａ，３６ａの長さの減少による巻線３４，３５，３６の抵抗の減少や巻線３４，３５，３６の巻数の増加により、上述したトルクの減少を補うことができる。

また圧粉材を用いたことで複雑な形状のステータコア３１を容易に成形することができるだけでなく、それを積層鋼板で構成する場合に比べて部品点数を削減することができる。しかも巻線３４，３５，３６に接するスロット３３…の角部に丸みを付けることで絶縁紙のような保護部材を廃止することができ、これにより部品点数を更に削減するとともに巻線３４，３５，３６の占積率を高めることができる。

図８〜図１０は本発明の第２実施例を示すもので、図８は前記図６に対応する図、図９はステータの軸線方向の各部に位置する鋼板の形状の違いの説明図、図１０は鋼板の製造工程の説明図である。

図８から明らかなように、第２実施例のステータコア３１およびティース３２…は、ステータ１９の軸線Ｌ方向に積層した多数の鋼板３２ａ…から構成される。ステータ１９のティース３２…間に位置するスロット３３…の方向は軸線Ｌの方向に対して傾斜しているため、ステータコア３１およびティース３２…を構成する鋼板３２ａ…の形状はステータ１９における軸線Ｌ方向の位置に応じて異なっている。

即ち、図９から明らかなように、各々の鋼板３２ａ…は１６個のスロット３３…に対応して、８個の切欠ａ…よりなる第１切欠群と、８個の切欠ｂ…よりなる第２切欠群とを備えている。第１切欠群を構成する８個の切欠ａ…は円周方向に４５°の等間隔で配置され、第２切欠群を構成する８個の切欠ｂ…は円周方向に４５°の等間隔で配置されるが、第１切欠群の８個の切欠ａ…と、第２切欠群の８個の切欠ｂ…との間の位相は、その鋼板３２ａ…の軸線Ｌ方向の位置により異なっている。

例えば、ステータ１９の軸線Ｌ方向の中央に位置する鋼板３２ａでは、第１切欠群の８個の切欠ａ…の中央位置に第２切欠群の８個の切欠ｂ…が位置しており、１６個の切欠ａ…，ｂ…は２２．５°間隔で円周方向に均等に配置されている。それに対して、ステータ１９の軸線Ｌ方向の両端に位置する鋼板３２ａでは、第１切欠群の８個の切欠ａ…の反時計方向の近傍に第２切欠群の８個の切欠ｂ…が位置したり、第１切欠群の８個の切欠ａ…の時計方向の近傍に第２切欠群の８個の切欠ｂ…が位置したりしており、１６個の切欠ａ…，ｂ…は円周方向に不均等に配置されている。

このように、形状が異なる多数種類の鋼板３２ａ…を、それぞれ専用のプレス金型でプレス成形しようとすると、極めて多数種類のプレス金型が必要になって莫大なコストがかかる問題があるが、本実施例では一種類のプレス金型で形状が異なる多数種類の鋼板３２ａ…を成形することができる。以下、その鋼板３２ａ…の製造方法を説明する。

図１０に示すように、先ずプレス金型で鋼板の素材をプレスし、第１切欠群の８個の切欠ａ…のみを有する鋼板中間製品３２ａ′…を打ち抜く（第１工程）。この鋼板中間製品３２ａ′…の形状は１種類だけである。次に、第１工程と同じ（あるいは同じ種類の）プレス金型を用いて鋼板中間製品３２ａ′…をプレスし（網かけ部分参照）、第１切欠群の８個の切欠ａ…および第２切欠群の８個の切欠ｂ…を有する鋼板最終製品３２ａ″…を打ち抜く。このとき、その鋼板最終製品３２ａ″…のステータ１９の軸線Ｌ方向の位置に応じて、プレス金型および鋼板中間製品３２ａ′…間の位相θを一定量ずつ変化させることで、形状の異なる多数種類の鋼板最終製品３２ａ″…を得ることができる。

ステータ１９のスロット３３…の数および幅と、ステータ１９に含まれる鋼板３２ａ…の枚数とが決まると、各々の鋼板３２ａ…の第１切欠群の８個の切欠ａ…および第２切欠群の８個の切欠ｂ…間の位相差が決まるので、その位相差が得られるようにプレス金型をプログラム制御することで、形状の異なる多数種類の鋼板３２ａ…を効率良く製造することができる。なによりも、形状の異なる多数種類の鋼板３２ａ…を一台の（あるいは一種類の）プレス金型で製造することができるので、大幅なコストダウンが可能になる。

以上、本発明の実施例を説明したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。

例えば、実施例ではモータＭをハイブリッド車両の走行用モータとして使用しているが、その用途は任意である。

また実施例のモータＭはステータ１９の内部にロータ１７を配置したインナーロータ型であるが、本発明はステータの外部にロータを配置したアウターロータ型のモータに対しても適用することができる。

また第２実施例において、鋼板中間製品３２ａ′…を打ち抜く第１工程と、鋼板最終製品３２ａ″…を打ち抜く第２工程とは、連続して行っても良いし別々に行っても良い。

三相モータを備えたハイブリッド車両のパワーユニットを示す図図１の２−２線拡大断面図図２の３部拡大断面図図３の４−４線矢視図ステータコアの一部破断斜視図ステータコアのスロットと巻線との関係を示す図前記図４に対応する模式図本発明の第２実施例に係る、前記図６に対応する図ステータの軸線方向の各部に位置する鋼板の形状の違いの説明図鋼板の製造工程の説明図スキュー係数の説明図従来の巻線方法の説明図

符号の説明

３１ステータコア
３２ティース
３２ａ鋼板
３２ａ′ 鋼板中間製品
３２ａ″ 鋼板最終製品
３３スロット
３４Ｕ相巻線（巻線）
３４ａ渡り部分
３５Ｖ相巻線（巻線）
３５ａ渡り部分
３６Ｗ相巻線（巻線）
３６ａ渡り部分
ａ切欠
ｂ切欠

Claims

環状のステータコアの円周方向に離間した複数の位置からティースを径方向に突出させ、これらのティースに巻線を波巻したモータのステータにおいて、
隣接するティース間に形成される複数のスロットを交互に逆方向にスキューさせることで、各ティースは径方向に見て二等辺三角形を成して交互に逆方向にテーパーし、巻線は渡り部分の長さが短くなるようにスキュー方向が異なる円周方向に３個目毎のスロットを交互に通過することを特徴とするモータのステータ。
前記ステータコアおよびティースを積層鋼板により構成したことを特徴とする、請求項１に記載のモータのステータ。
前記ステータコアおよびティースを圧粉材で構成したことを特徴とする、請求項１に記載のモータのステータ。
請求項２に記載のモータのステータの製造方法であって、プレス金型で鋼板の素材をプレスすることで、前記複数のスロットの数の半数の切欠よりなる第１切欠群を円周方向等間隔に有する鋼板中間製品を成形する第１工程と、
前記プレス金型と同じプレス金型を用いて前記鋼板中間製品をプレスすることで、前記第１切欠群に加えて、前記複数のスロットの数の半数の切欠よりなる第２切欠群を円周方向等間隔に有する鋼板最終製品を成形する第２工程と、
を含み、
前記第２工程において、前記プレス金型および前記鋼板中間製品間の位相を、ステータにおける前記鋼板最終製品の軸線方向の位置に応じて変化させることを特徴とするモータのステータの製造方法。
前記第２工程において、前記プレス金型および前記鋼板中間製品間の位相を、ステータの形状から定められたプログラムに応じて制御することを特徴とする、請求項４に記載のモータのステータの製造方法。