JP5267521B2 - 回転電機のステータ及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば車両において電動機や発電機として使用される回転電機のステータ及びその製造方法に関する。

従来より、回転電機のステータとして、周方向に配列された複数のスロットを有する円環状のステータコアと、前記ステータコアの前記スロットに巻装されたステータコイルと、を備えたものが一般に知られている。そして、ステータコアは、径方向内方へ突出して周方向両側の側面でスロットを区画する複数のティースを有するように構成されている。このようなステータにおいては、ステータコイルの耐振動性を確保するために、例えばワニス等の含浸材でステータコイルをステータコアに固定するようにしている。特許文献１には、含浸材をコイルエンド部に滴下してステータコアのスロット内に浸透させるようにする含浸材の含浸方法が開示されている。

特開２００３−１８９５２３号公報

ところで、ステータコアの種類として、スロット内のコイルの占積率を向上させるために、ティース先端に周方向に突出する鍔部が設けられていないものがある。このようなステータコアにおいては、上記特許文献１に開示された含浸方法を採用した場合に、ステータコイルの最内径側コイルをステータコアに確実に固定することができない。なぜなら、最内径側コイルの径方向内方側に鍔部が無いため含浸材の滞留する場所が無いからである。そこで、最内径側コイルを確実に固定するために、ステータコアの内周側から内周面に含浸材を滴下してスロット内に浸透させるようにすることが考えられるが、その場合、以下の課題がある。

ステータコアは、通常、コア軸方向に積層された複数の鋼板により構成されているが、その鋼板をプレスで打ち抜く際に、ティースの突出先端面と側面とが交わる角部がピン角（ストレート状の平面同士）で形成されていると、その角部にバリが発生し易くなる。そのため、ステータコアの内周側から内周面に含浸材を塗布すると、角部に発生したバリが防波堤となり、ステータコアの内周面（ティースの突出先端面）に残留した含浸材が付着し易くなる。このようにして、ステータコアの内周面に含浸材が硬化物として付着すると、ステータコアの内周側に配設されるロータの外周部と干渉し、ロータ挿入時の組付け性の悪化や、ロータによって削り取られた含浸材が異物となってステータコイルやギヤ等の構造物にダメージを与えるといった問題が発生する。

また、バリがあることによる他の問題点として、回転電機の内部に供給された冷却油の油冷時には、ティース表面に冷却油を巻き込み易くなるため、ロータを回転させた際に抵抗として損失悪化を招くことが挙げられる。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、ティースの突出先端面の周方向両端に形成された屈曲角部にバリが発生するのを抑制し、ステータコアの内周面への含浸材の付着量を低減し得るようにした回転電機のステータ及びその製造方法を提供することを解決すべき課題とするものである。

上記課題を解決するためになされた請求項１に記載の発明は、周方向に配列された複数のスロットを有する円環状のステータコアと、該ステータコアの前記スロットに巻装されたステータコイルと、前記ステータコアの内周面に塗布された含浸材と、を備えた回転電機のステータにおいて、前記ステータコアは、径方向内方へ突出して周方向両側の側面で前記スロットを区画する複数のティースを有し、複数の前記ティースは、突出先端面と各前記側面との間に面取り面を有するものと該面取り面を有しないものとが混在しており、前記ティースの前記突出先端面の周方向両端に形成された屈曲角部の少なくとも一方が円弧面により形成されており、前記突出先端面と前記面取り面とが交わる前記屈曲角部に形成された前記円弧面の曲率半径をＲ１とし、前記突出先端面と前記側面とが交わる前記屈曲角部に形成された前記円弧面の曲率半径をＲ２とした場合に、Ｒ１＞Ｒ２となるように設定されていることを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、ティースの突出先端面の周方向両端に形成された屈曲角部の少なくとも一方が円弧面により形成されている。そのため、ステータコアを構成する鋼板をプレスで打ち抜く際に、その円弧面よりなる屈曲角部にバリが発生するのを抑制することができる。これにより、ステータコアの内周側から内周面に含浸材を塗布した際に、含浸材がティースの突出先端面からスロット内へ流れ易くなるので、ステータコアの内周面への含浸材の付着量を低減することができる。
また、回転電機の内部に供給された冷却油の油冷時にティース表面に冷却油が溜まりにくくなることから、ロータを回転させた場合に、ロータとステータコアのギャップ面での摩擦抵抗を低減することができるので、損失低減を図ることができる。さらに、摩擦熱による冷却油の劣化も防止することができる。

また、本発明において、複数のティースは、突出先端面と各側面との間に面取り面を有するものと面取り面を有しないものとが混在している。この場合、面取り面を有するティースは、面取り面を有しないティースに比べて、ロータとの間のギャップ長が長く、磁束が通る時の磁気抵抗が大きくなる。そのため、面取り面を有するティースを、例えばステータコイルの同一相内でのティースの切り替わり位置や、異相間でのティースの切り替わり位置に配置することによって、ティースを通る磁束の量を調整することができる。これにより、磁気音を発生させる加振力（以下、「ＮＶ強制力」という。）を低減することができる。さらに、本発明では、曲率半径Ｒ１の値を曲率半径Ｒ２の値よりも大きくすることで、バリに対してのロバスト性を確保することができる。

請求項２に記載の発明は、前記面取り面を有するティースは、前記ステータコアにおける異相間での前記ティースの切り替わり位置に配置されていることを特徴とする。請求項２に記載の発明によれば、ティースを通る磁束の量を調整することができるので、ＮＶ強制力を低減することができる。

請求項３に記載の発明は、前記屈曲角部は、前記突出先端面と前記面取り面又は前記側面とが交わる箇所であることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、円弧面により形成された前記屈曲角部は、前記ステータコアの全周において前記ティースの周方向同じ側に配置されていることを特徴とする。

請求項４に記載の発明によれば、ステータを回転させながらステータの内周側から内周面に含浸材を塗布する際に、円弧面により形成された屈曲角部が回転方向の後方側に位置するようにすれば、塗布した含浸材をティースの突出先端面からスロット内へ確実に浸透させることができるので、ステータコアの内周面への含浸材の付着量をより確実に低減することができる。

請求項５に記載の発明は、前記ティースの突出先端面の周方向両端に形成された前記屈曲角部の両方が円弧面により形成されていることを特徴とする。

請求項５に記載の発明によれば、ステータコアとステータコイルの組付け時の冗長性が向上する。また、ステータを回転させながらステータの内周側から内周面に含浸材を塗布する際に、ステータの回転方向が制限されないことからも冗長性が向上する。

請求項６に記載の発明は、前記面取り面は、前記ティースの外側に膨出する円弧面により形成されていることを特徴とする。

請求項６に記載の発明によれば、ＮＶ強制力の低減をより効果的に実現することが可能となる。

請求項７に記載の発明は、前記ティースの突出先端部の前記側面には、周方向に突出する鍔部は設けられていないことを特徴とする。

請求項８に記載の発明は、周方向に配列された複数のスロットを有する円環状のステータコアと、該ステータコアの前記スロットに巻装されたステータコイルと、前記ステータコアの内周側から内周面に塗布された含浸材と、を備えた回転電機のステータの製造方法において、前記ステータコアは、径方向内方へ突出して周方向両側の側面で前記スロットを区画する複数のティースを有し、複数の前記ティースは、前記突出先端面と各前記側面との間に面取り面を有するものと該面取り面を有しないものとが混在しており、前記ティースの突出先端面の周方向両端に形成された屈曲角部の少なくとも一方が円弧面により形成されており、前記突出先端面と前記面取り面とが交わる前記屈曲角部に形成された前記円弧面の曲率半径をＲ１とし、前記突出先端面と前記側面とが交わる前記屈曲角部に形成された前記円弧面の曲率半径をＲ２とした場合に、Ｒ１＞Ｒ２となるように設定されていることを特徴とする。

実施形態に係る回転電機の構成を模式的に示す軸方向断面図である。 実施形態に係るステータの図であって、（ａ）はそのステータの平面図であり、（ｂ）はそのステータを側方から見た正面図である。 実施形態に係るステータコアの平面図である。 実施形態に係る分割コアの図であって、（ａ）は分割コアの平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ部の拡大図であり、（ｃ）は（ａ）のＢ部の拡大図である。 実施形態における含浸材の塗布工程を模式的に示す説明図であって、（ａ）はステータを軸方向に切断した断面図であり、（ｂ）はステータの一部を示す部分斜視図である。 実施形態に係る回転電機のＮＶ強制力変化率と曲率半径Ｒ１との関係を示すグラフである。 実施形態に係る回転電機のトルク変化率と曲率半径Ｒ１との関係を示すグラフである。 変形例１に係るステータコアのティース先端部の部分平面図である。

以下、本発明の回転電機のステータを具体化した実施形態について図面を参照しつつ具体的に説明する。図１は、本実施形態に係る回転電機１の構成を模式的に示す軸方向断面図である。本実施形態の回転電機１は、略有底筒状の一対のハウジング部材１０ａ，１０ｂ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１１，１２を介して回転自在に支承される回転軸１３に固定されたロータ１４と、ハウジング１０の内部でロータ１４を包囲する位置でハウジング１０に固定されたステータ２０と、を備えている。

ロータ１４は、ステータ２０の内周側と向き合う外周側に、永久磁石により極性の異なる複数の磁極を周方向に交互に形成している。ロータ１４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。本実施形態においては、８極（Ｎ極：４、Ｓ極：４）のロータが用いられている。ステータ２０は、図２に示すように、複数の分割コア３２によりなるステータコア３０と、複数の導線から形成される三相のステータコイル４０とを備えている。なお、ステータコア３０とステータコイル４０との間には、絶縁紙を配してもよい。

次に、ステータコア３０について図３及び図４を参照して説明する。図３は、本実施形態に係るステータコア３０の平面図である。図４は、本実施形態に係る分割コア３２の図であって、（ａ）は分割コア３２の平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ部の拡大図であり、（ｃ）は（ａ）のＢ部の拡大図である。

ステータコア３０は、図３及び図４に示すように、周方向に分割された複数（本実施形態では２４個）の分割コア３２により円環状に形成され、その内周側に周方向に配列された複数のスロット３１を有する。このステータコア３０は、外周側に位置する円環状のバックコア部３３と、バックコア部３３から径方向内方へ突出し周方向に所定距離を隔てて配列された複数のティース３４とからなる。これにより、隣り合うティース３４の周方向に対向する側面３４ａ同士の間には、ステータコア３０の内周側に開口し径方向に延びるスロット３１が形成されている。隣り合うティース３４の周方向に対向する側面３４ａ、即ち、１つのスロット３１を区画する一対の側面３４ａは、互いに平行な平行面となっている。これにより、各スロット３１は、一定の周方向幅寸法で径方向に延びている。なお、ティース３４の突出先端部の側面３４ａには、周方向に突出する鍔部は設けられていない。

スロット３１は、本実施形態ではステータコイル４０が２倍スロットの分布巻きであるため、回転子の磁極数（８）に対し、ステータコイル４０の一相あたり２個の割合で形成されている。つまり、８×３×２＝４８個のスロット３１が形成されている。この場合、４８個のスロット３１は、スロット３１と同数の４８個のティース３４により形成されている。

４８個のティース３４は、図４（ａ）に示すように、突出先端面３４ｂと各側面３４ａとの間に面取り面３４ｃを有するもの（以下、「面取り有りのティース３４Ａ」という。）と、その面取り面３４ｃを有しないもの（以下、「面取り無しのティース３４Ｂ」という。）とが混在している。本実施形態では、面取り有りのティース３４Ａが１６個、面取り無しのティース３４が３２個設けられており、面取り無しのティース３４Ｂが２個ある毎に、面取り有りのティース３４Ａが１個あるように配置されている。即ち、面取り有りのティース３４Ａは、三相のステータコイル４０における異相間でのティースの切り替わり位置に配置されている。

面取り有りのティース３４Ａは、図４（ｂ）に示すように、突出先端面３４ｂと各側面３４ａとの間に面取り面３４ｃが形成されている。そして、突出先端面３４ｂと各面取り面３４ｃとが交わる２箇所の屈曲角部３４ｄは、曲率半径Ｒ１の円弧面により形成されている。即ち、ティース３４の突出先端面３４ｂの周方向両端に形成された屈曲角部３４ｄの両方が円弧面により形成されている。一方、側面３４ａと面取り面３４ｃとが交わる２箇所の屈曲角部３４ｅは、円弧面にされておらず、略ストレート状の平面同士が交わる状態になっている。

また、面取り無しのティース３４Ｂは、図４（ｃ）に示すように、突出先端面３４ｂと各側面３４ａとが交わる２箇所の屈曲角部３４ｆは、屈曲角部３４ｄの曲率半径Ｒ１よりも小さい曲率半径Ｒ２の円弧面により形成されている。この場合にも、面取り有りのティース３４Ａと同様に、ティース３４の突出先端面３４ｂの周方向両端に形成された屈曲角部３４ｆの両方が円弧面により形成されている。

なお、ステータコア３０を構成する分割コア３２は、プレス打ち抜き加工により所定形状に形成された複数の電磁鋼板をステータコア３０の軸方向に積層して形成されている。また、ステータコア３０は、円環状に配置された分割コア３２の外周に嵌合された外筒３７により円環状に固定（保形）されている（図２参照）。

ステータコイル４０は、所定の波形形状に成形した所定数（本実施形態では１２本）の導線を所定の状態に積み重ねて帯状の導線集積体を形成し、その導線集積体を渦巻き状に巻き付けることにより円筒状に形成されている。ステータコイル４０を構成する導線は、ステータコア３０のスロット３１に設置されるスロット収容部と、周方向の異なるスロット３１に収容されているスロット収容部同士をスロット３１の外部で接続しているターン部とを有する波形形状に形成されている。この導線は、矩形断面の導体と、導体の外周を被覆する絶縁皮膜とからなる絶縁被覆平角線が採用されている。

このステータコイル４０とステータコア３０との組付けは、ステータコイル４０の外周側から各分割コア３２のティース部３４を挿入して、全ての分割コア３２をステータコイル４０に沿って円環状に配置した後、分割コア３２の外周に円筒状の外筒３７を嵌合することにより行われる。これにより、ステータコイル４０は、図２に示すように、各導線の所定のスロット収容部がステータコア３０の所定のスロット３１内に収容された状態に組付けられる。この場合、各導線のスロット収容部は、所定のスロット数（本実施形態では３相×２個（倍スロット）＝６個）ごとのスロット３１に収容されている。また、導線の隣り合うスロット収容部同士を接続しているターン部は、ステータコア３０の軸方向の両端面３０ａからそれぞれ突出し、その突出している多数のターン部により、ステータコイル４０の軸方向両端部にコイルエンドが形成されている。

その後、ステータコア３０に組付けられたステータコイル４０の耐振動性を確保するために、含浸材を塗布してステータコイル４０をステータコア３０に固定する作業を行う。この作業は、図５（ａ）（ｂ）に示すように、先ず、ステータコア３０を軸方向が水平方向を向くように回転装置の保持部６１に保持させる。そして、回転装置によりステータコア３０を軸回りに回転させながら、ステータコア３０の内周側から内周面（ティース３４の突出先端面３４ｂ）に放出部６２より含浸材６３を滴下して、ステータコア３０の内周面全域に含浸材６３を塗布する。

これにより、塗布された含浸材６３は、面取り有りのティース３４Ａと面取り無しのティース３４Ｂの何れの場合にも、突出先端面３４ｂの周方向両端に形成された屈曲角部３４ｄ，３４ｆの両方が円弧面により形成されているので、突出先端面３４ｂに滞留することなくスロット３１内に円滑に浸透する。そのため、ステータコア３０の内周面に残留して付着する含浸材６３の付着量は大幅に低減する。その後、スロット３１内に浸透した含浸材６３が固化することによって、スロット３１内のステータコイル４０（スロット収容部）がステータコア３０に固定され、耐振動性が確保される。

なお、本実施形態の固定子２０において、面取り有りのティース３４Ａの屈曲角部３４ｄの曲率半径Ｒ１の値が変化した場合の、ＮＶ強制力及びトルクへの影響を調べたところ、図６及び図７に示す結果が得られた。この場合、ステータコア３０は、外径が２３０ｍｍ、内径が１５０ｍｍ、軸方向長さが５０ｍｍのものであり、ステータコア３０を構成する電磁鋼板の板厚は０．３ｍｍである。

図６から明らかなように、ＮＶ強制力変化率は、曲率半径Ｒ１の値が大きくなるにつれて次第に低下している。したがって、曲率半径Ｒ１を大きくすることにより、ＮＶ強制力の高い低減効果が得られることが解る。また、図７から明らかなように、トルク変化率は、曲率半径Ｒ１の値が変化しても殆ど変化しない。したがって、曲率半径Ｒ１の大きさは、トルクへの感度が小さいことが解る。

以上のように構成された本実施形態の回転電機１のステータ２０によれば、ティース３４の突出先端面３４ｂの周方向両端に形成された屈曲角部３４ｄ，３４ｆの少なくとも一方が円弧面により形成されている。そのため、ステータコア３０を構成する鋼板をプレスで打ち抜く際に、その円弧面よりなる屈曲角部３４ｄ，３４ｆにバリが発生するのを抑制することができる。これにより、ステータコア３０の内周側から内周面に含浸材６３を塗布した際に、含浸材６３がティース３４の突出先端面３４ｂからスロット３１内へ流れ易くなるので、ステータコア３０の内周面に残留して付着する含浸材６３の付着量を低減することができる。

特に、本実施形態では、ティース３４の突出先端面３４ｂの周方向両端に形成された屈曲角部３４ｄ，３４ｆの両方が円弧面により形成されているので、ステータコア３０とステータコイル４０の組付け時の冗長性が向上する。さらに、ステータコア３０を回転させながらステータコア３０の内周側から内周面に含浸材６３を塗布する際に、ステータコア３０の回転方向が制限されないので、これによっても冗長性が向上する。

また、回転電機１の内部に供給された冷却油の油冷時にティース３４の表面に冷却油が溜まりにくくなることから、ロータ１４を回転させた場合に、ロータ１４とステータコア３０のギャップ面での摩擦抵抗を低減することができるので、損失低減を図ることができる。さらに、摩擦熱による冷却油の劣化も防止することができる。

また、本実施形態では、複数のティース３４は、面取り有りのティース３４Ａと、面取り無しのティース３４Ｂとが混在しており、面取り有りのティース３４Ａが、三相のステータコイル４０における異相間でのティースの切り替わり位置に配置されている。これにより、ティース３４を通る磁束の量を調整することができるので、ＮＶ強制力を低減することができる。

また、本実施形態では、面取り有りのティース３４Ａの屈曲角部３４ｄに形成された円弧面の曲率半径Ｒ１は、面取り無しのティース３４Ｂの屈曲角部３４ｆに形成された円弧面の曲率半径Ｒ２よりも大きな値に設定されているので、バリに対してのロバスト性を確保することができる。

なお、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更することが可能である。例えば、上記実施形態では、面取り有りのティース３４Ａが、三相のステータコイル４０における異相間でのティース３４の切り替わり位置に配置されていたが、同一相内でのティース３４の切り替わり位置に配置するようにしてもよい。

また、上記実施形態では、ティース３４の突出先端面３４ｂの周方向両端に形成された屈曲角部３４ｄ，３４ｆの両方が円弧面により形成されているが、突出先端面３４ｂの周方向両端のうちの一方端の屈曲角部３４ｄ，３４ｆのみを円弧面により形成するようにしてもよい。このようにした場合、円弧面により形成された屈曲角部３４ｄ，３４ｆは、ステータコア３０の全周においてティース３４の周方向同じ側に配置されるようにするのが好ましい。このようにすれば、ステータコア３０を回転させながらステータコア３０の内周側から内周面に含浸材６３を塗布する際に、円弧面により形成された屈曲角部３４ｄ，３４ｆが回転方向の後方側に位置するようにすることによって、塗布した含浸材６３をティース３４の突出先端面３４ｂからスロット３１内へ確実に浸透させることができるので、ステータコア３０の内周面への含浸材６３の付着量をより確実に低減することができる。

また、上記実施形態では、面取り有りのティース３４Ａの面取り面３４ｃは、平面により形成されているが、図８に示す面取り面３４ｃように、ティース３４Ａの外側に膨出する円弧面により形成するようにしてもよい。このようにすれば、ＮＶ強制力の低減をより効果的に実現することが可能となる。

１…回転電機、 １０…ハウジング、 １１，１２…軸受け、 １３…回転軸、 １４…ロータ、 ２０…ステータ、 ３０…ステータコア、 ３１…スロット、 ３２…分割コア、 ３３…バックコア部、 ３４…ティース、 ３４Ａ…面取り有りのティース、 ３４Ｂ…面取り無しのティース、 ３４ａ…側面、 ３４ｂ…突出先端面、 ３４ｃ…面取り面、 ３４ｄ，３４ｅ，３４ｆ…屈曲角部、 ３７…外筒、 ４０…ステータコイル、 ６１…保持部、 ６２…放出部、 ６３…含浸材。

Claims (8)

1. 周方向に配列された複数のスロットを有する円環状のステータコアと、該ステータコアの前記スロットに巻装されたステータコイルと、前記ステータコアの内周面に塗布された含浸材と、を備えた回転電機のステータにおいて、
   前記ステータコアは、径方向内方へ突出して周方向両側の側面で前記スロットを区画する複数のティースを有し、複数の前記ティースは、突出先端面と各前記側面との間に面取り面を有するものと該面取り面を有しないものとが混在しており、
   前記ティースの前記突出先端面の周方向両端に形成された屈曲角部の少なくとも一方が円弧面により形成されており、
   前記突出先端面と前記面取り面とが交わる前記屈曲角部に形成された前記円弧面の曲率半径をＲ１とし、前記突出先端面と前記側面とが交わる前記屈曲角部に形成された前記円弧面の曲率半径をＲ２とした場合に、Ｒ１＞Ｒ２となるように設定されていることを特徴とする回転電機のステータ。
2. 前記面取り面を有するティースは、前記ステータコアにおける異相間での前記ティースの切り替わり位置に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の回転電機のステータ。
3. 前記屈曲角部は、前記突出先端面と前記面取り面又は前記側面とが交わる箇所であることを特徴とする請求項１又は２に記載の回転電機のステータ。
4. 円弧面により形成された前記屈曲角部は、前記ステータコアの全周において前記ティースの周方向同じ側に配置されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の回転電機のステータ。
5. 前記ティースの突出先端面の周方向両端に形成された前記屈曲角部の両方が円弧面により形成されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の回転電機のステータ。
6. 前記面取り面は、前記ティースの外側に膨出する円弧面により形成されていることを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の回転電機のステータ。
7. 前記ティースの突出先端部の前記側面には、周方向に突出する鍔部は設けられていないことを特徴とする請求項１〜６の何れか一項に記載の回転電機のステータ。
8. 周方向に配列された複数のスロットを有する円環状のステータコアと、該ステータコアの前記スロットに巻装されたステータコイルと、前記ステータコアの内周側から内周面に塗布された含浸材と、を備えた回転電機のステータの製造方法において、
   前記ステータコアは、径方向内方へ突出して周方向両側の側面で前記スロットを区画する複数のティースを有し、複数の前記ティースは、前記突出先端面と各前記側面との間に面取り面を有するものと該面取り面を有しないものとが混在しており、
   前記ティースの突出先端面の周方向両端に形成された屈曲角部の少なくとも一方が円弧面により形成されており、
   前記突出先端面と前記面取り面とが交わる前記屈曲角部に形成された前記円弧面の曲率半径をＲ１とし、前記突出先端面と前記側面とが交わる前記屈曲角部に形成された前記円弧面の曲率半径をＲ２とした場合に、Ｒ１＞Ｒ２となるように設定されていることを特徴とする回転電機のステータの製造方法。

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