JP4207771B2

JP4207771B2 - 回転電機の螺旋巻コア

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Publication number: JP4207771B2
Application number: JP2003423562A
Authority: JP
Inventors: 博司岡島; 滋近田; 芳信和田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-12-19
Filing date: 2003-12-19
Publication date: 2009-01-14
Anticipated expiration: 2023-12-19
Also published as: JP2005185014A

Description

本発明は、回転電機の螺旋巻コア、特に、薄板状の電磁鋼板を積層して形成したコアと同等の磁気性能および／または、同等のコア剛性を容易に得ることのできる回転電機の螺旋巻コアの改良に関する。

従来からモータ或いは発電機として機能する回転電機は、モータ駆動時には無公害の動力源として、また回生発電時にはエネルギの有効利用源として活用されている。このような回転電機のうち例えばインナーロータタイプの回転電機は、ハウジングの内周側に固定されたステータコアと、当該ステータコアの内周で回転自在に軸支されるロータとで構成されている。例えば、ステータコアは、円筒形状を呈し、巻線を挿入するためのスロットが内周に沿って等間隔で形成されている。このようなステータコアは、渦電流の発生を抑制するために、薄板ドーナツ状の電磁鋼板を回転軸方向に複数積層して構成されることが一般的である。

しかし、薄板ドーナツ状の電磁鋼板は、電磁鋼板の材料となる薄鋼板から打ち抜きプレス加工等により製造する必要がある。この場合、打ち抜きの結果生じる残余部分（ドーナツ状の外周部分やドーナツ状の内径部分）が大量に発生し材料コストの増大を伴っている。つまり、薄板ドーナツ状の電磁鋼板を複数積層するタイプのステータコアは、製造効率が悪いという問題があった。

そこで、例えば、図７に示すように、巻線（コイル）が挿入されるスロット部１０が幅方向に等間隔で形成された帯状コア材１２を準備し、この帯状コア材１２のヨーク部１４（スロットを形成するティース部１６以外の部分）を不均圧ローラ１８で圧延すると共に、引張り力と曲げ力を図７に示すように付与することにより、ヨーク部１４の長さをティース部１６より長くして、帯状コア材１２を徐々に湾曲させる。その結果、図８に示すように螺旋状に巻き込んだ螺旋巻コア２０を形成するという方法が提案されている。

この場合、図７から明らかなように、帯状コア材１２は、ティース部１６を互い違いに配置して打ち抜き加工を行うことにより、帯状コア材１２の製造時の残余部分を最小限にすることが可能となり、材料コストの低減を行うことができる。つまり製造効率を向上することが可能となる（例えば、特許文献１参照）。なお、螺旋巻コア２０は、帯状コア材１２を強制的に当該帯状コア材１２の平面方向に湾曲させることにより製造することも可能である。

特開２０００−２２４８１７号公報

しかし、上述したように、不均圧ローラ１８を使用し螺旋巻コア２０を形成する場合でも、また、帯状コア材１２を強制的に当該帯状コア材１２の平面方向に湾曲させて螺旋巻コア２０を形成する場合でも、ヨーク部１４はティース部１６に比して薄くなる。つまり、完成した螺旋巻コア２０は、図９に示すように、螺旋巻コア２０を軸方向の断面で見た場合、ヨーク部１４の各巻回層間に隙間Ｓを生じる。隙間Ｓが生じた場合、螺旋巻コア２０の占積率が低下し、磁気性能が減少する。その結果、回転電機の出力低下を招くという問題を生じる。また、隙間Ｓの存在により螺旋巻コア２０を環状のハウジング２２で固定しようとした場合、隙間Ｓの存在により固定力が低下するという問題も発生する。さらに、隙間Ｓにより螺旋状に積層された各巻回層の帯状コア材１２同士が上下に移動可能となり、回転電機の振動や異音の発生原因になるという問題も有していた。つまり、螺旋巻コアを採用することにより材料コストの低減、つまり製造効率の向上ができるが、その反面磁気性能の低下や剛性低下、振動や異音の発生を招き、回転電機の性能を低下させてしまうという問題があった。

そこで、本発明は、上記課題の少なくとも一つを解決するために成されたものであり、薄板状の電磁鋼板を積層して形成したコアと同等の磁気性能を容易に得ることのできる回転電機の螺旋巻コアを提供すること目的とする。また、薄板状の電磁鋼板を積層して形成したコアと同等のコア剛性を容易に得ることのできる回転電機の螺旋巻コアを提供することを目的とする。

本発明は、スロット部が幅方向の一端側に等間隔で形成された帯状コア材を螺旋状に巻回して積層することにより形成する回転電機の螺旋巻コアにおいて、前記帯状コア材を螺旋状に巻回することで生じる螺旋巻コアの内周側に対する外周側の薄肉化に伴う螺旋巻コアの軸方向の間隙に磁性体を充填し、前記磁性体は磁性細線であり、当該磁性細線は螺旋巻回された帯状コア材の各巻回層間隙間に充填され、前記磁性細線の端部に冷却接続部を設けたことを特徴とする。

この構成によれば、螺旋巻コアの有する隙間を排除し、コア全体を磁性体の固まりとすることができる。その結果、磁気性能を薄板状の電磁鋼板を積層して形成したコアと同等レベルまで容易に回復させることが可能となる。また隙間の排除により螺旋巻コアの剛性を薄板状の電磁鋼板を積層して形成したコアと同等レベルまで容易に回復することができる。さらに各層間のばたつきが抑制され、振動、異音の抑制にも寄与することができる。

ここで、磁性細線とは、例えば、鉄細線である。この場合、隙間部分への磁性細線の挿入は巻線機等により容易に行うことが可能であり、容易な設備により螺旋巻コアの磁気性能を薄板状の電磁鋼板を積層して形成したコアと同等レベルまで回復させることができる。また、磁気細線にすることで、磁性細線を挿入した部分は表皮効果を得ることが可能となり渦電流損を低減することができる。その結果、回転電機の効率を向上することが可能となる。なお、この場合、磁性細線は、１本を巻回するようにしてもよし、複数本を巻回してもよい。

ここで、冷却接続部は磁性細線の始端部分または終端部分、或いはその両方に形成することが望ましい。また、冷却接続部が接続される冷却部は、回転電機の駆動時のコア温度より低いものであれば任意である。このように、冷却接続部を冷却部に接続することにより、螺旋巻コアの隙間に充填された磁性細線を介して、螺旋巻コアで発生した熱を容易に放熱することができる。

この構成によれば、螺旋巻コアの磁気性能を薄板状の電磁鋼板を積層して形成したコアと同等レベルまで回復させつつ、螺旋巻コアの冷却も行うことができ、回転電機の性能向上に寄与することができる。

以下、本発明の実施の形態（以下実施形態という）を、図面に従って説明する。なお、本実施形態では、インナーロータタイプの回転電機のステータコアを例に取って説明する。

実施形態１．
図１には、本実施形態１の螺旋巻コアの構成を説明する説明図が示されている。図１（ａ）は、本実施形態１の処理を施す前の螺旋巻コア２０、すなわち、前述した図７に示すように、巻線が挿入されるスロット部１０が幅方向に等間隔で形成された帯状コア材１２を準備し、この帯状コア材１２のヨーク部１４（スロットを形成するティース部以外の部分）を不均圧ローラ１８で圧延しつつ、引張り力と曲げ力を付与することにより、図８に示すような螺旋巻コア２０を形成する。この場合、図１（ａ）で示すように、巻回したときに外周側の肉厚が内周側の肉厚より薄くなり、隙間Ｓを生じる。前述したように隙間Ｓは空間的なギャップとなり、磁気性能の低下や剛性の低下の原因となる。

そこで、本実施形態１においては、図１（ｂ）に示すように、帯状コア材１２を螺旋状に積層することにより生じた隙間Ｓのそれぞれに、磁性体として磁性粉体２４を充填している。この磁性粉体２４は、例えば鉄等の強磁性体の微小粒であり、例えば、射出成型方法と同様な手法で、隙間Ｓに磁性粉体２４を圧入充填することができる。磁性粉体２４で隙間Ｓを満たすことにより、巻回形成した螺旋巻コア２０の帯状コア材１２の間に隙間が存在しない形状と見なすことができる。つまり、薄板状の電磁鋼板を積層して形成したコア（以下、このコアを螺旋巻コアに対し積層コアという）と同等の形状とすることができる。その結果、磁性粉体２４を充填した螺旋巻コア２０の磁気性能を、従来の積層コアと同等レベルまで回復させることができる。また、隙間Ｓに磁性粉体２４を充填することによりコア全体としての剛性を従来の積層コアと同等レベルまで回復させることができる。さらに、隙間Ｓの排除により巻回層を形成する帯状コア材１２のばたつきが排除され、回転電機の振動や異音の発生も防止することができる。

図２には、図１（ｂ）に示す磁性粉体２４を充填した螺旋巻コア２６の概念的な製造方法が示されている。

例えば、図７の方法で作成した図８に示すような螺旋巻コア２０を、例えば図示しない粉体射出装置のコア収納型にセットする。このコア収納型は、螺旋巻コア２０の外径と同等か、僅かに大きな形状を有している。なお、螺旋巻コア２０はカシメ等の固定処理が予め施され、螺旋形状が崩れないようになっている。螺旋巻コア２０をコア収納型にセットした後、磁性粉体２４の射出時に当該磁性粉体２４の飛散を防止するために、上方から環状のブロック２８でカバーすると共に螺旋巻コア２０を押さえる。この状態で、螺旋巻コア２０の周囲より、磁性粉体２４を射出し螺旋巻コア２０に形成された隙間Ｓに磁性粉体２４を充填圧入する。所定量の磁性粉体２４の充填後、ブロック２８を用いて螺旋巻コア２０を押圧し、充填した磁性粉体２４を圧縮し、コア収納型から取り出し螺旋巻コア２６を完成する。完成した螺旋巻コア２６は、環状のハウジング２２（図９参照）で周囲を保持することにより、螺旋巻コア２６に充填した磁性粉体２４の保持を行う。もちろん、樹脂等により螺旋巻コア２６の外周面を固めて磁性粉体２４の保持を行ってもよい。

なお、本実施形態１の螺旋巻コア２６を形成する場合、磁性粉体２４を直接圧入することが望ましいが、例えば、エポキシ系接着剤等をバインダーとして用いて、磁性粉体２４と共に、隙間Ｓに充填することにより、螺旋巻コア２６を形成する帯状コア材１２の各巻回層間の固定を強固かつ確実に行うことが可能になり、より信頼性の高いの螺旋巻コア２６を形成することができる。

実施形態２．
図３には、他の形態の螺旋巻コア３０が示されている。図３（ａ）は、本実施形態２の処理を施す前の螺旋巻コア２０、すなわち隙間Ｓを有する螺旋巻コア２０である。本実施形態２においては、隙間Ｓを有する螺旋巻コア２０の薄肉化されたヨーク部１４のみを螺旋巻コア２０の軸方向上下から予め押圧し、各隙間Ｓの部分を密着させ、図３（ｂ）に示すように、螺旋巻コア２０の上下またはいずれか一方に、隙間Ｓが寄せ集められたスペース、すなわち集合隙間Ｐを形成する。

この時ヨーク部１４部分の押圧は、図２に示すように、環状のブロック２８で押圧してもよいし、ヨーク部１４部分を転動するローラで押圧してもよい。この時、上下から同等の圧力で押圧することにより隙間Ｓを螺旋巻コア２０の上下面側にバランスよく寄せ集めることができる。もちろん、上面または下面のいずれか一方でもよい。

ところで、隙間Ｓが寄せ集められて形成される集合隙間Ｐは螺旋巻コア２０の巻数やヨーク部１４の圧延状態により予め認識することができる。そこで、本実施形態２では、図３（ｃ）に示すような磁性粉体を押し固めて、圧粉磁心３２を成型しておき、集合隙間Ｐの部分に、接着剤等で固定する。

この場合、密着させた帯状コア材１２の部分は高い磁気性能を得ることができる。一方、圧粉磁心３２も高密度で圧縮されるため容易に高い磁気性能を得ることができる。その結果、圧粉磁心３２が固定された螺旋巻コア３０全体として、従来の積層コアと同等形状となり、同等レベルの磁気特性及び剛性を容易に得ることができる。また、隙間Ｓの排除により巻回層を形成する帯状コア材１２のばたつきが排除され、回転電機の振動や異音の発生も防止することができる。

実施形態２の螺旋巻コア３０の場合、圧粉磁心３２を用いることで、実施形態１の螺旋巻コア２６のように磁性粉体２４を充填する場合より高密度化が容易であり良好な磁気性能を得ることができる。一方で、実施形態１の構成の螺旋巻コア２６の場合、各隙間Ｓに磁性粉体２４を充填するのみであるので、軸方向のサイズは適宜選択することができるが、実施形態２の螺旋巻コア３０の場合、ヨーク部１４の隙間Ｓを集合させる、つまりコア外周部分の隙間Ｓを寄せ集めるように変形させるので、軸方向のサイズが大きな螺旋巻コアには適さない。従って、必要とする螺旋巻コアの軸方向サイズに応じて、適切な構造を選択することが望ましい。なお、実施形態２の構造を採用する場合、軸方向に小サイズの螺旋巻コア３０を複数積層して軸方向のサイズ増大を図ることも可能である。この場合、複数の螺旋巻コア３０を積層するので、ティース部１６の配列が軸方向に維持できるように、螺旋巻コア３０の外周面等にキー溝等を設け、容易に位置決めできるようにしておくことが望ましい。

実施形態３．
図４には、実施形態１の螺旋巻コア２６と類似する螺旋巻コア３４が示されている。実施形態３の螺旋巻コア３４は、実施形態１の螺旋巻コア２６と同様に、螺旋巻きされた帯状コア材１２の各巻回層間に磁性体を充填している。ただし、実施形態３の場合、磁性体は磁性細線３６である。この場合、磁性細線３６は、従来の巻線機等を用いることにより、容易に隙間Ｓに巻回挿入することができる。もちろん、この時、巻回する磁性細線３６は、連続した一本でもよいし、複数に分割された線材でもよい。

磁性細線３６を利用する場合も、螺旋巻きにより生じた隙間Ｓを容易かつ確実に埋めることが可能となり、実施形態１と同様に、螺旋巻コア３４を用いた場合でも、実質的な形状を従来の積層コアと同等とすることが可能となり、従来の積層コアと同等の磁気性能及び剛性を得ることができるという効果を得ることができる。また、隙間Ｓの排除により巻回層を形成する帯状コア材１２のばたつきが排除され、回転電機の振動や異音の発生も防止することができる。なお、磁性細線３６を用いる場合、磁性細線３６の配置した位置において表皮効果を得るとが可能となり、その部分の抵抗を高くすることができる。その結果、回転電機が駆動したときに発生する渦電流損を低減することが可能となり、回転電機の効率を向上することが可能となる。

図５には、実施形態３の螺旋巻コア３４の製造法を概念的に説明する説明が示されている。

例えば、図７の方法で作成した図８に示すような螺旋巻コア２０を、例えば図示しない巻線機のテーブル上にセットする。この巻線機は、螺旋巻コア２０の周囲を磁性細線３６を繰り出しながら公転運動する巻線ノズルを有する構造や、螺旋巻コア２０を保持したベッドが磁性細線３６を繰り出す巻線ノズルの周囲を公転運動する構造等任意のものが利用できる。

この時、螺旋巻コア２０は、磁性細線３６の巻回時にティース部１６に磁性細線３６が食い込まないように、ティース部１６部分のみをブロック３８等により押圧しておくことが望ましい。その後、前述したような巻線機等を用いて所定量の磁性細線３６を隙間Ｓに順次挿入していく。なお、磁性細線３６の巻回（挿入）密度は巻線機の繰り出す磁性細線３６のテンションを調整することにより適宜調整することができるが、ブロック３８により押圧することにより磁性細線３６を高密度で巻回挿入することができる。

ところで、螺旋巻コア３４の隙間Ｓに挿入する磁性細線３６の始端及び終端には、図６に示すように、冷却接続部４０ａ，４０ｂを形成することができる。この冷却接続部４０ａ，４０ｂが接続される冷却部とは、回転電機の駆動時に螺旋巻コア３４の温度より低いものであれば任意であり、例えば、回転電機の外装ハウジングであってもよいし、任意に設けられた放熱板等、周囲に設けられた構造物であってもよい。また、回転電機が搭載される機器の冷媒流路、例えば、回転電機が自動車に搭載された場合には、ラジエータに接続された冷媒経路であったり、任意に設けられた冷却装置の流路であってもよい。

このように、冷却接続部４０ａ，４０ｂを冷却部に接続することにより、螺旋巻コア３４の隙間Ｓに充填された磁性細線３６を介して、螺旋巻コア３４で発生した熱を効率的に放熱することができる。従って、磁性細線３６を隙間Ｓに挿入することにより、螺旋巻コア３４の磁気性能や剛性を従来の積層コアと同等レベルまで回復させることができると共に、螺旋巻コア３４の冷却、つまりは回転電機の冷却も可能となり、回転電機の性能向上に寄与することができる。

なお、図６は、一本の磁性細線３６を螺旋巻コア３４の隙間Ｓに巻回する例を示しているが、前述したように、磁性細線３６は複数でもよい。この場合、各磁性細線３６の端部（始端または終端の少なくとも一方）に冷却接続部を設けることが望ましく、冷却接続部の増加に伴い冷却効率を向上することができる。

以上各実施形態で説明したように、材料コストの低減ができる螺旋巻コアを採用した場合でも、螺旋巻コアの構造上発生する隙間に磁性体を充填（挿入）することにより、従来の積層コアと同等レベルの磁気性能や剛性を回復することができる。また、隙間の排除により巻回層を形成する帯状コア材のばたつきが排除され、回転電機の振動や異音の発生も防止することができる。さらに、磁性体として圧粉磁心や磁性細線を用いることにより、渦電流の抑制性能が得られ、特に磁性細線を用いるとコアの冷却性能等を積層コア以上に向上することができる。

なお、上述した実施形態１，３おける図１（ｂ）、図４において、螺旋巻コアを構成する帯状コア材の最上面及び最下面にも磁性体が存在するように図示されているが、現実的には磁性体を最上面及び最下面では保持することができない。そこで、最上面及び最下面に関しては、実施形態２と同様に圧粉磁心を接着することにより磁性体を保持している。また、螺旋巻コアの最上面及び最下面に押え板等を配置する構成にすれば、帯状コア材の最上面及び最下面と押さ板とで隙間を構成することが可能になり、実施形態１，３で示した磁性体の充填を行うことが可能となる。

また、上述した実施形態では、個別の構成を説明したが、実施形態１〜３の構造を任意に組み合わせた螺旋巻コアを構成してもよく、同様な効果を得ることができる。

また、本実施形態においては、インナーロータタイプの回転電機のステータコアを例に取って説明したが、ロータコアにも本実施形態を適用可能であり、同様な効果を得ることができる。また、アウターロータタイプの回転電機にも同様に適用可能であり同様な効果を得ることができる。

実施形態１に係る回転電機の螺旋巻コアの構成を説明する断面図である。実施形態１に係る回転電機の螺旋巻コアの作成方法を説明する説明図である。実施形態２に係る回転電機の螺旋巻コアの構成を説明する断面図である。実施形態３に係る回転電機の螺旋巻コアの構成を説明する断面図である。実施形態３に係る回転電機の螺旋巻コアの作成方法を説明する説明図である。実施形態３に係る回転電機の螺旋巻コアに用いる冷却接続部を有する磁性細線を説明する説明図である。螺旋巻コアの作成方法を説明する説明図である。螺旋巻きされた帯状コア材を説明する説明図である。螺旋巻きしたことにより、螺旋巻コアの外周側に隙間が形成されることを説明する説明図である。

符号の説明

１０スロット部、１２帯状コア材、１４ヨーク部、１６ティース部、１８不均圧ローラ、２０，２６，３０，３４螺旋巻コア、２２ハウジング、２４磁性粉体、２８，３８ブロック、３２圧粉磁心、３６磁性細線、４０ａ，４０ｂ冷却接続部、Ｐ集合隙間、Ｓ隙間。

Claims

スロット部が幅方向の一端側に等間隔で形成された帯状コア材を螺旋状に巻回して積層することにより形成する回転電機の螺旋巻コアにおいて、
前記帯状コア材を螺旋状に巻回することで生じる螺旋巻コアの内周側に対する外周側の薄肉化に伴う螺旋巻コアの軸方向の間隙に磁性体を充填し、
前記磁性体は磁性細線であり、当該磁性細線は螺旋巻回された帯状コア材の各巻回層間隙間に充填され、
前記磁性細線の端部に冷却接続部を設けたことを特徴とする回転電機の螺旋巻コア。