JP5151738B2 - 回転電機の固定子及び回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、回転電機の固定子及び回転電機に関する。

電動機および発電機として使用される回転電機には、たとえば、特許文献１に記載されたものがある。

特許文献１には、分割コアを周方向の端部同士が重なり合うように環状に配置してなる固定子コアと、固定子コアに組み付けられてなる固定子巻線と、を備えた回転電機が記載されている。この回転電機の固定子は、予め成形した固定子巻線に、径方向外方から内径方向に分割コアを挿入して形成される。

このように複数の分割コアを固定子巻線に外周方向から挿入して形成される固定子では、固定子巻線に損傷を生じるという問題があった。具体的には、分割コアの周方向の端部に隣接する分割コアとの重なり部が形成されている。このため、分割コアを固定子巻線に挿入するときには、分割コアをその軸方向の両端面を挟むように保持している。この場合、分割コアが周方向に揺動を生じ、場合によっては、ティース部が固定子巻線に当たり、固定子巻線が損傷を生じる場合がある。
特許第３６０４３２６号公報

本発明は上記実状に鑑みてなされたものであり、分割コアの組み付け性に優れた回転電機の固定子を提供することを課題とする。

課題を解決するための手段及び効果

上記課題を解決するために本発明者等は固定子コアを形成する分割コアの形状に関して検討を重ねた結果、本発明をなすに至った。

すなわち、請求項１に記載の本発明の回転電機の固定子は、分割コアが周方向の全周にわたって配設されてなり、深さ方向が径方向に一致する複数のスロットを周方向に区画する固定子コアと、スロットに組み付けられた固定子巻線と、を備えた回転電機の固定子であって、分割コアは、スロットの底面と底面に背向した固定子コアの外周面の一部を区画するコアバック部と、コアバック部の該底面の両端から径方向に突出して、その側面と底面との間でスロットを区画する二本のティース部と、を持ち、コアバック部が、隣接する分割コアと嵌合する重なり凸部と、隣接する分割コアの重なり凸部と重なり合う重なり凹部を周方向の両端に有し、固定子コアを形成する分割コアの内、同一平面内に配設される分割コアの数をｎ、重なり凸部がコアバック部の周方向の端面から突出した突出量をｐ、重なり凸部の最内径部とスロットの底面までの距離をｑ、スロット深さをｔ、としたときに数２式を満たすことを特徴とする。

本発明の回転電機の固定子は、分割コアの形状が規定されたことで、固定子巻線に挿入して組み付ける時に、ティース部が揺動することを抑えることができ、組み付け時に固定子巻線が損傷を生じることが抑えられる。

さらに、本発明の回転電機の固定子は、分割コア同士が重なる重なり部の面積を小さくすることが可能となる。すなわち、渦電流による損失を小さくすることができる。この結果、本発明の回転電機の固定子は、性能の優れた回転電機を得ることができる。

請求項２に記載の本発明の回転電機の固定子は、請求項１において、分割コアは、一枚のまたは積層した二枚以上の金属板部材よりなることを特徴とする。これにより、所定の形状に分割コアを形成することが可能となる。

請求項３に記載の本発明の回転電機の固定子は、請求項２において、分割コアは、同じ形状に形成された複数の金属板部材を、表面同士および／または裏面同士が対向した状態で積層してなることを特徴とする。これにより、同じ形状の金属板部材を組み合わせて分割コアを形成することができ、所定の形状の分割コアを簡単に製造することができる。

さらに、分割コアが積層した複数の金属板部材よりなることで、金属板部材に発生する渦電流を小さくすることができる。この金属板部材自身も、一枚以上の金属板により形成することができ、複数枚の金属薄板を積層してなることが好ましい。

請求項４に記載の本発明の回転電機は、請求項１〜３のいずれかに記載の回転電機の固定子の内周側に、周方向に異なる磁極を形成している回転子を備えたことを特徴とする。

すなわち、本発明の回転電機は、上記の効果を持つ固定子を用いてなるものであり、上記の効果を発揮する。

以下、本発明を具体的な実施の形態を用いて説明する。

（実施形態）
本発明に係る回転電機１は、図１に示すように、略有底筒状の一対のハウジング部材１００、１０１とが開口部同士で接合されてなるハウジング１０と、ハウジング１０に軸受け１１０、１１１を介して回転自在に支承される回転軸２０に固定された回転子２と、ハウジング１０の内部で回転子２を包囲する位置でハウジング１０に固定された固定子３と、を備えている。

回転子２は、永久磁石により周方向に交互に異なる磁極を、固定子３の内周側と向き合う外周側に複数形成している。回転子２の磁極の数は、回転電機により異なるため限定されるものではない。本形態の回転電機では、８極（Ｎ極：４、Ｓ極：４）の回転子が用いられている。

固定子３は、図２に示すように、固定子コア３０と、複数の各相巻線から形成される三相の固定子巻線４と、固定子コア３０と固定子巻線４との間に配された絶縁紙５と、を備えた構成を有している。

固定子コア３０は、図３〜５に示すように、コア片部材３１が積層された分割コア３２を、分割コア３２を構成するコア片部材３１の一部分が重なるように周方向に複数個を配設してなる。固定子コア３０は、内周面側に深さ方向が径方向と一致する複数のスロット３３が形成された円環状を有している。

コア片部材３１は、図５に示すように、ティース部３５およびコアバック部３４を形成するための形状となるように、厚さ０．３ｍｍの電磁鋼板３１０をプレスで打ち抜いたものを、所定の枚数を同じ向きで積層してなる。

分割コア３２は、積層した鋼板からなるコア片部材３１を、表面同士が対向した状態で積層したものである。なお、積層の仕方は、これに限定されるものでなく、コア片部材３１の厚さにより適宜変更できる。例えば、表面同士−裏面同士−表表面同士−裏面同士・・・のように、表と裏を交互に積層した形態としてもよい。

分割コア３２は、図４に示すように、スロット３３の底面とその底面に背向した固定子コア３０の外周面の一部を区画するコアバック部３４と、コアバック部３４の底面の両端から径方向に突出して、その側面と底面との間でスロット３３を区画する二本のティース部３５と、を持つ。分割コア３２を周方向に連結すると、隣接する二つの分割コア３２は、それぞれの隣接するティース部３５，３５とで新たに一つのスロット３３を区画する。

分割コア３２は、コアバック部３４の周方向の一方の端部に、端面３４ｃから突出した重なり凸部３６と、コアバック部３４の周方向の他方の端部に、端面３４ｄからくぼんだ重なり凹部３７と、が形成されている。重なり凸部３６は、隣接する分割コア３２の重なり凹部３７と重なり合うことが可能な形状に形成されている。本実施形態においては、略台形形状を有している。また、本実施形態において端面３４ｃ及び端面３４ｄは、分割コア３２の重なり凸部３６及び重なり凹部３７が形成されていない部分を示し、両端面３４ｃ，ｄは固定子コア３０の軸方向に平行な断面上に位置するように形成されている。

なお、本実施形態では、コア片部材３１の外周縁部の内、固定子巻線４に面する外周縁部全てをバリ取り処理している。このバリ取りにより、固定子巻線４の絶縁皮膜の損傷が抑制される。このバリ取りは、固定子巻線４と接して擦れる頻度の高いティース部３５の先端部及びその周辺だけ処理してもよい。

分割コア３２は、図６に示したように、固定子コア３０を形成する分割コアの内、同一平面内に配設される分割コア３２の数をｎ、重なり凸部３６がコアバック部３４の周方向の端面３４ｃから突出した突出量をｐ、重なり凸部３６の最も突出した部分の最内径部とスロット３３の底面までの距離をｑ、スロット３３の深さをｔ、としたときに下記数３式を満たしている。

固定子巻線４は、複数の巻線４０を所定の巻回方法で巻回してなる。固定子巻線４を構成する巻線４０は、図７（Ａ）に示したように、銅製の導体４１と、導体４１の外周を覆い導体４１を絶縁する内層４２０及び外層４２１からなる絶縁皮膜４２とから形成されている。内層４２０および外層４２１を合わせた絶縁皮膜４２の厚みは、１００μｍ〜２００μｍの間に設定されている。

外層４２１はナイロン等の絶縁材、内層４２０は外層よりもガラス転移温度の高い熱可塑性樹脂またはポリアミドイミド等の絶縁材で形成されている。これにより、回転電機に発生する熱により外層４２１は内層４２０よりも早く軟化するので、同じスロット３３に設置されている巻線４０同士が外層４２１同士で熱接着する。その結果、同じスロット３３に設置されている複数の巻線４０が一体化し巻線４０同士が剛体化するので、スロット３３内の線巻線４０の機械的強度が向上する。また、過剰な振動が発生しても、内層４２０と導体４１の接着箇所よりも内層４２０と外層４２１との接着箇所が先に剥離するので、内層４２０と導体４１との接着を維持し絶縁を確保できる。

さらに、固定子巻線４の巻線４０は、図７（Ｂ）に示したように、内層４２０および外層４２１からなる絶縁皮膜４２の外周をエポキシ樹脂等からなる融着材４３で被覆してもよい。これにより、回転電機に発生する熱により融着材４３は絶縁皮膜４２よりも早く溶融するので、同じスロット３３に設置されている複数の巻線４０同士が融着材４３同士により熱接着する。その結果、同じスロット３３に設置されている複数の巻線４０が一体化し巻線４０同士が鋼体化することで、スロット３３の巻線４０の機械的強度が向上する。

固定子巻線４を構成する巻線４０の絶縁皮膜４２には、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）よりなる皮膜を用いても良い。

固定子巻線４は、図８に示すように、それぞれ二本の三相巻線（Ｕ１，Ｕ２，Ｖ１，Ｖ２，Ｗ１，Ｗ２）により形成されている。

また、固定子巻線４は、図９に示すように、複数の巻線４０を所定の形状に巻回してなる。固定子巻線４を構成する巻線４０は、固定子コア３０の内周側で周方向に沿って波巻きされた形状で成形されている。そして、固定子コア３０に形成されたスロット３３に収容される直線状のスロット収容部４４と、隣り合ったスロット収容部４４同士を接続するターン部４５と、を備えている。スロット収容部４４は、所定のスロット数（たとえば、３相×２個＝６個）ごとのスロット３３に収容され、ターン部４５は、固定子コア３０の軸方向の端面から突出して形成されている。

固定子巻線４は、複数の巻線４０を一方の端部が固定子コア３０の軸方向の端面から突出した状態で、周方向に沿って波状に巻装した状態で形成されている。固定子巻線４の１相は、周方向に沿って波状に巻装された２本の巻線４０を他方の端部同士で接合した構成を有している。１相をなす２本の巻線４０は、同一スロット３３に収容される二つのスロット収容部４４を有する。同一のスロット３３に収容される二つのスロット収容部４４は、周方向で隣り合ったスロット３３の深さ方向での位置が交互に位置するように設置されている。そして、２本の巻線４０は、２本の巻線４０の巻装される方向が反転するスロット収容部４４よりなる折り返し部４６に接合部が形成された構成を有している。

固定子巻線４は、図１０に展開図で示したように、互いに巻装方向が異なる二つの巻線部４０ａ，４０ｂをもつ成形体を各相（Ｕ１，Ｕ２，Ｖ１，Ｖ２，Ｗ１，Ｗ２）ごとに、６組用いて形成されている。二つの巻線部４０ａ，４０ｂのそれぞれは、中性点側の端部および相端子側の端部とは反対の端部側が、スロット収容部４４（折り返し部４６）を介して接続されている。各相の巻線４０の結線方法は同様である。

固定子巻線４は、図１０に展開図を示した成形体を形成し、この成形体を折り返し部４６が軸心側に位置するように所定の巻き数（たとえば、４回）に巻回して製造される。製造された固定子巻線４は、図９に示したように、各相の巻線４０のスロット収容部４４が径方向に並んだ状態で形成されている。このとき、径方向に並んだスロット収容部４４は、固定子巻線４の周方向で小間隔を隔てた状態で位置している。

次に、本実施形態の分割コア３２の効果を、固定子３の形成方法を用いて説明する。

本実施形態の回転電機１の固定子３の製造方法を以下に示す。

まず、巻線４０を用いて固定子巻線４を形成（成形）する。また、所定の形状を有する分割コア３２を形成する。

所定の数（ｎ）の分割コア３２を、固定子巻線４の外周の位置に周方向に沿って配列させる（図１１（Ａ））。

そして、配列した分割コア３２を縮径していき、固定子巻線４のスロット収容部４４をスロット３３に収容する。配列した分割コア３２を縮径していくと、分割コア３２の重なり凸部３６が隣接する分割コア３２と重なり始める（図１１（Ｂ））。さらに、縮径させると、スロット収容部４４がスロット３３内に完全に収容され、分割コア３２の重なり凸部３６が隣接する分割コア３２と完全に重なり合う（図１１（Ｃ））。このとき、分割コア３２のコアバック部３４の端面３４ｃ，ｄ同士が完全に密着する。これにより、固定子３が形成される。

つづいて、数３式で示される分割コア３２の形状について説明する。

固定子巻線４に挿入される分割コア３２において、ｒ：固定子巻線４の軸心からティース部４４の先端部までの距離、ｗ：分割コア３２のコアバック部３４の隣接する分割コア３２と当接する最内径部での周方向の長さ、ｌ：重なり凸部の最内径部（組み付け時に最初に重なり合う部分）でのコイルの周方向中心線を回転電機の軸心から放射状に伸ばした架空の線間の周方向の長さ、ｄ：固定子巻線４の内径、としたときに（図１２）、ｗは下記数４式で、ｌは下記数５式で表される。

このとき、端面３４ｃからコイルの周方向中心線を回転電機の軸心から放射状に伸ばした架空の線までの長さｅは、下記数６式で表される。

そして、分割コア３２が固定子巻線４に完全に挿入されて固定子コア３０を形成したときには、下記数７式の条件が成り立ち、数６式は、下記数８式となる。

そして、分割コア３２が固定子巻線４に完全に挿入された状態では、重なり凸部３６が隣接する分割コア３２と重なり合うためには、下記数９式及び数９式を変形した数１０式を満たす必要がある。

また、分割コア３２が固定子巻線４に挿入される前の状態では、下記数１１式及び数６式を変形した数１２式が成り立つ。

分割コア３２が固定子巻線４に挿入される前の状態では、重なり凸部３６が隣接する分割コア３２と重なり合っていないため、下記数１３式及び数１３式を変形した数１４式を満たす必要がある。

上記の数１０式及び数１４式から、上記の数３式が得られる。

本実施形態は、分割コア３２が上記の数３式を満たすように形成されている。このため、分割コア３２を固定子巻線４に挿入して固定子コア３０を形成する工程中に、分割コア３２が固定子巻線４に挿入される前には重なり凸部３６が隣接する分割コア３２と重なり合っておらず、固定子コア３０を形成したときには重なり合う形態となっている。

さらに、本実施形態においては、分割コア３２が固定子巻線４に挿入される前には重なり凸部３６が隣接する分割コア３２と重なり合っていないため、分割コア３２のコアバック部３４の最外径部の周方向の両端面を挟むようにして治具で保持して、挿入を行うことができた。これにより、分割コア３２（のティース部３５）が揺動しなくなり、挿入時に固定子巻線４が損傷を生じなくなった。

このように、本実施形態は、分割コア３２の組み付け性に優れた回転電機１の固定子３となっている。

さらに、本実施形態は、分割コア３２同士が重なる重なり部３６，３７の面積を数３式を満たす範囲で小さくすることが可能となる。すなわち、渦電流による損失を小さくすることができる。この結果、性能の優れた回転電機１を得ることができる。

（変形形態）
本発明は、上記の実施形態のみに限定されるものではなく、図１３〜１６に示した分割コア３２を用いても良い。

（第１変形形態）
本変形形態は、図１３に示したように、コアバック部３４の最内径部に重なり凸部３６及び重なり凹部３７が形成された形態の分割コア３２を用いてなる例である。なお、図１３においては、本変形形態の分割コア３２の形状を、コア片部材３１の形状で示した。

本変形形態においても、上記の数３式を満たす形状では、上記の実施形態と同様の効果を発揮する。

（第２変形形態）
本変形形態は、図１４に示したように、コアバック部３４の最外径部に重なり凸部３６及び重なり凹部３７が形成された形態の分割コア３２を用いてなる例である。なお、図１４においては、本変形形態の分割コア３２の形状を、コア片部材３１の形状で示した。

本変形形態においても、上記の数３式を満たす形状では、上記の実施形態と同様の効果を発揮する。

（第３変形形態）
本変形形態は、図１５に示したように、コアバック部３４の外形部に外形が略山形の重なり凸部３６及び重なり凹部３７が形成された形態の分割コア３２を用いてなる例である。なお、図１５においては、本変形形態の分割コア３２の形状を、コア片部材３１の形状で示した。

本変形形態においても、上記の数３式を満たす形状では、上記の実施形態と同様の効果を発揮する。

（第４変形形態）
本変形形態は、図１６に示したように、コアバック部３４の周方向の両端部の全体に重なり凸部３６及び重なり凹部３７が形成された形態の分割コア３２を用いてなる例である。なお、図１６においては、本変形形態の分割コア３２の形状を、コア片部材３１の形状で示した。

本変形形態においても、上記の数３式を満たす形状では、上記の実施形態と同様の効果を発揮する。

実施形態の回転電機の構成を示した断面図である。 実施形態の回転電機の固定子の正面視図（軸方向の上面図）である。 実施形態の回転電機の固定子コアの正面視図（軸方向の上面図）である。 実施形態の回転電機の分割コアの構成を示した斜視図である。 実施形態の回転電機の分割コアの構成を示した断面図である。 実施形態の回転電機の分割コアを組み付けるときの構成を示した図である。 実施形態の回転電機の固定子巻線を構成する各相巻線の断面図である。 実施形態の回転電機の固定子巻線の結線を示す図である。 実施形態の回転電機の固定子巻線の斜視図である。 実施形態の回転電機の固定子巻線の展開図である。 実施形態の回転電機の分割コアを組み付けるときの構成を示した図である。 実施形態の回転電機の分割コアを示した図である。 第１変形形態の分割コアを示した図である。 第２変形形態の分割コアを示した図である。 第３変形形態の分割コアを示した図である。 第４変形形態の分割コアを示した図である。

符号の説明

１：回転電機
２：回転子
３：固定子 ３０：固定子コア
３１：コア片部材 ３２：分割コア
３３：スロット ３４：コアバック部
３５：ティース部 ３６：重なり凸部
３７：重なり凹部
４：固定子巻線

Claims (4)

1. 分割コアが周方向の全周にわたって配設されてなり、深さ方向が径方向に一致する複数のスロットを周方向に区画する固定子コアと、
   該スロットに組み付けられた固定子巻線と、
   を備えた回転電機の固定子であって、
   該分割コアは、
   該スロットの底面と該底面に背向した該固定子コアの外周面の一部を区画するコアバック部と、該コアバック部の該底面の両端から径方向に突出して、その側面と該底面との間で該スロットを区画する二本のティース部と、を持ち、
   該コアバック部が、隣接する該分割コアと重なり合う重なり凸部と、隣接する該分割コアの該重なり凸部と嵌合する重なり凹部を周方向の両端に有し、
   該固定子コアを形成する該分割コアの内、同一平面内に配設される該分割コアの数をｎ、該重なり凸部が該コアバック部の周方向の端面から突出した突出量をｐ、該重なり凸部の最内径部と該スロットの底面までの距離をｑ、該スロット深さをｔ、としたときに数１式を満たすことを特徴とする回転電機の固定子。
   

   
2. 前記分割コアは、一枚のまたは積層した二枚以上の金属板部材よりなる請求項１記載の回転電機の固定子。
3. 前記分割コアは、同じ形状に形成された複数の前記金属板部材を、表面同士および／または裏面同士が対向した状態で積層してなる請求項２記載の回転電機の固定子。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の回転電機の固定子の内周側に、周方向に異なる磁極を形成している回転子を備えたことを特徴とする回転電機。

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