JP5518353B2 - ステータ構造及びこれを用いた回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、電磁モータ、発電機などのステータ構造とこれを用いた回転電機に係わりコイルを備えたステータの固定構造の改良に関する。

一般に、ＤＣモータ、発電機などの回転電機は回転軸を備えたロータとステータで構成され、インナーロータ型回転電機ではマグネットロータをハウジングに回転自在に軸受け支持し、このロータの外周にステータコイルを環状に配列する構造が広く知られている。

例えば特許文献１（特開２００４−２６６９８２号公報）には、ロータの回転軸を前後一対のカップ状ブラケットに軸受け支持し、このロータにマグネットを配置して回転周方向にＮＳ磁極を形成し、このロータの外周に円環状にステータコイルを配置したインナーロータ型回転電機が開示されている。同文献にはステータコイルを複数に分割したコアにインシュレータを介してコイルを巻回し、この複数のステータコイルを回転軸の前後から一対のカップ状ブラケットで保持して環状の磁歯を形成している。そして互いに環状に配列される複数の分割コアは電磁鋼板、例えば珪素鋼板で所定形状にプレス成形され、このコア片を積層状に重ね合わせて各ステータコアを作成する。このステータコアにインシュレータを被冠して巻き線を巻回し、隣接する各コア片を凹凸嵌合して環状のステータコイルを形成している。

このように環状に形成されたステータコイルは前述のマグネットロータを軸承している一対のカップ状ブラケットで固定して回転電機の構造体を構成している。このようにロータ回転軸を一対のブラケットで軸承することによってマグネットロータを位置決めし、この一対のブラケットで複数のステータコアを挟持することによって環状のステータコイルをロータ外周に配置している。

特開２００４−２６６９８２号

前述のようにステータコイルをマグネットロータの周囲に環状に配列する際に、このステータコイルは磁歯に応じた複数個のステータコアを作成して環状に配列するのが一般的である。このステータコアは例えば三相モータの場合には４の倍数個の磁歯を形成する個数で構成され、各ステータコアは珪素鋼板などの電磁鋼板を積層状に重ね合わせてその周囲にインシュレータを介在させて巻き線を巻回し、各ステータコアの端部を例えば凹凸嵌合によって連結している。

このように複数のステータコアを環状に連結してステータコイルを作成し、これを回転軸の前後から一対のブラケットで挟持する構造の場合、各コアの厚さ形状が問題となる。図７で説明すると、各ステータコアは複数の電磁鋼板を積層して構成されるため均一な厚さ形状に製作することは極めて困難である。つまり図７に示す第１ステータコア９１ａの積層厚さがｔ１で第２ステータコア９１ｂの積層厚さがｔ２とすると、積層厚さｔ１と積層厚さｔ２が異なるとき第１ブラケットの突き当て面９５ａと第２ブラケットの突き当て面９６ａとの間に隙間が生ずる。この隙間ｇはマグネットロータ（不図示）が回転すると各ステータコアが軸方向前後にガタつき、騒音振動が発生する。これと同時にロータの周囲に形成する磁歯の磁力が変化するため回転斑の原因となる。

そこで従来はこのような複数のステータコアを作成する際に各コアの厚さ形状が均一となるように電磁鋼板の素材プレートの厚さ、プレス型構造などを工夫し、均一厚さを確保している。例えば圧延鋼板をプレス型抜きする場合、素材厚さのバラツキが小さい圧延方向に沿って型抜きするなどその製造は困難であり、コスト高の要因となっていた。

本発明は、ロータの周囲に複数のコアを環状に配列してステータを構成する際に、各コアの製作精度に寸法誤差が生じても個々のコアを確実に固定することが出来、作動時に騒音振動の生ずることのないステータ構造及び回転電機の提供をその課題としている。
更に本発明は、複数のコアを回転軸の軸方向に揃えて正確な環状形状に固定することの可能なステータ構造及び回転電機の提供を課題としている。

上記課題を達成するため本発明は、電磁鋼板を積層して所定形状のステータコアを磁歯に応じて複数作成し、この各コアを回転軸方向前後に配置した一対の第１第２ブラケットで挟持する。このとき第１ブラケット部材にはコアの一端面を突当規制する第１当接面を、第２ブラケット部材にはコアの他端面を突当規制する第２当接面を設ける。そしてこの第１当接面は、複数コアの一端面を同一平面上に揃える基準面を構成すると共に、第２当接面は複数コアの他端面に倣うように変形可能な変形面で構成することを特徴としている。これによって複数コアはその一端面を基準に同一平面（回転軸と直交する平面）に揃えられ、コアの他端面はコア寸法（厚さ寸法）に倣うように変形する変形面で挟圧支持され、ガタつきなく確実に固定されることとなる。次にその構成を詳述する。

マグネットロータの周囲に複数の磁歯を形成する回転電機のステータ構造であって、電磁鋼板を積層した複数のステータコアと、ステータコアにインシュレータを介して巻回された巻き線と、複数のステータコアをマグネットロータの回転軸方向前後から挟持する一対の第１第２ブラケット部材と、この第１第２ブラケット部材を連結する締結部材とを備える。そして第１ブラケット部材には、複数のステータコアを環状に配列するように各ステータコアの一端面を突当規制する第１当接面を形成し、第２ブラケット部材には、複数のステータコアの他端面を突当規制する第２当接面を形成する。この第１当接面は、複数のステータコアの一端面を同一平面上に揃える基準面を構成し、第２当接面は、複数のステータコアの他端面に倣うように変形可能な変形面で構成する。

上記変形面は、例えば第２ブラケット部材を、ステータコアを形成する電磁鋼板より軟質の素材で形成し、第１第２ブラケット部材を締結部材で締結する締結力で変形面を弾性及び塑性変形するように構成する。

更に、第１当接面はコアの端面と面接触する平面形状に、また第２当接面はコアの端面と線接触する傾斜面で形成することによって第１第２ブラケット部材を締結部材で締結する際に第１当接面は変形することがなく、第２当接面は変形してコアの厚さ形状に倣うこととなる。

本発明は上述のように、ロータの周囲に複数のステータコアを第１第２ブラケット部材間に環状に配列して固定する際に、各ステータコアの一端面を第１ブラケット部材に形成した第１当接面を基準に位置決めし、コアの他端側を第２ブラケットに形成した変形面でコア寸法に適合するように変形して固定するため次の効果を奏する。

電磁鋼板を積層して形成した複数のステータコアは、その一端面を第１当接面に位置規制され回転軸方向に基準面に揃って配列され、他端面は第２当接面で保持される。このとき第２当接面は第１第２ブラケット部材を連結する締結部材の締結力でコア寸法に倣って変形する。これによって複数のステータコアはその一端面を基準面に揃えられ、その他端面は寸法精度のバラツキに応じて変形する変形面で挟圧支持される。従ってマグネットロータの周囲に環状に配列された複数のステータコアは第１第２ブラケット間に確実に固定支持され、個々のステータコアがガタつくことがなく作動中に騒音或いは振動を発する恐れがない。

更に本発明は変形面を形成する第２ブラケット部材を電磁鋼板で形成するステータコアより軟質の素材で構成し、締結部材の締結力で変形面がコア寸法に倣うように変形することによって特別な加工を要することなく寸法差のある複数のステータコアを確実に固定することが出来る。

また、変形面を傾斜した正円錐曲面形状に形成し、この円錐曲面の頂点を回転軸の軸心と略々一致する形状に構成することによって複数のステータコアを回転軸の軸心を基準に正円錐状に配列することが可能となる。これによってロータとステータコアの軸心を一致させることが可能となる。

本発明に係わる回転電機の説明図であり、（ａ）は縦断断面を示し、（ｂ）はコア部材の斜視図であり、（ｃ）はコア片の構造図。 図１に示すステータの構造説明図。 ステータコアの構造を示す説明図であり、（ａ）は連結状態を示し、（ｂ）は角度基準面の説明図であり、（ｃ）は、第１ブラケットの位置決め構成図。 ステータコア積層連鎖形状ブラケット支持状態図。 図４の第２ブラケットの第１実施形態を示す説明図であり、（ａ）は縦断断面を示し、（ｂ）は第２当接面の拡大図。 図５と異なる第２ブラケットの第２実施形態を示す説明図。 従来のステータコアの固定構造を示す説明図。

以下好適な実施の形態に基づいて本発明を詳述する。まず本発明に係わる回転電機の構成について説明する。図１（ａ）に示すように回転電機（以下「モータ」という）Ｍはロータ１０と、ステータ２０と、第１ブラケット３０と、第２ブラケット４０と、外装ケーシング（不図示）とから構成される。図１（ａ）に示す回転電機Ｍはブラシレス三相ＤＣモータを示し、以下その構造に沿って本発明を説明する。

［ロータ構成］
ロータ１０は回転軸１１とこの回転軸１１に一体形成されたロータコア１２と、このロータコア１２の外周に形成されたマグネット１３で構成されている。回転軸１１は回転負荷に耐える強度の金属材料その他のロッドで構成されている。ロータコア１２は例えば鉄粉などの強磁性金属粉末を型成型して構成され、回転軸１１と一体に形成されている。このロータコア１２の外周にはマグネット１３が埋設され、図示のものは３の倍数個の磁極が形成されている。この磁極はロータの外周に等間隔でＮ−Ｓ極が交互に配列されている。マグネット１３は、ネオジュウム、フェライト、希土類コバルトなどで形成され、ロータコア１２の周囲に等間隔（３０度間隔）で９極、Ｎ極とＳ極が交互に配列されている。

［ステータ構成］
ステータ２０はロータの周囲を囲むように環状に配置され、複数のステータコア２１（２１ａ〜２１ｌ）を環状に連結して構成される。各ステータコア２１ａ〜２１ｌにはインシュレータ２２を介して巻き線２３が巻回される。このステータコア２１は後述するように電磁鋼板、例えば鉄にケイ素を添加した珪素鋼板を積層状に重ね合わせて形成する。通常は圧延加工したロール鋼板をプレス型で所定形状に打ち抜き成形してコア片２１ｘを作成する。そしてこのコア片２１ｘを複数枚（例えば５０枚）積層状に重ね合わせてコア部材を形成し、このコア部材にインシュレータ２２を嵌合してその上から巻き線２３を巻回する。巻き線２３のターン数は予め設計値で決定する。

上記ステータコア２１は図示の実施形態（図２参照）では１２個（３相ＤＣモータの関係で４の倍数）で構成され、３０度間隔で環状に配列され各コア片２１ｘにインシュレータ２２を介して巻き線２３ａ、２３ｂ・・・２３ｌが巻回されている。この１２個のステータコア２１は互いに対向する同位相の巻き線２３同士は連結結線され、３相のステータコア２１ａ、２１ｅ、２１ｉが入力端子Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３（図２参照）に接続される。従ってこの３相のステータコア２１ａ、２１ｅ、２１ｉがロータ１０の周囲に１２０度間隔で正確な角度位置に位置決めされる必要がある。

［ブラケット構成］
上述のロータ１０とステータ２０は一対の第１ブラケット３０と第２ブラケット４０に固定される。この一対の第１第２ブラケット３０、４０は、図１に示すように締結部材（図示のものは連結ボルト）５０で互いに連結されロータ１０とステータ２０を次のように固定する。まずロータ１０の回転軸１１は所定距離（間隔Ｌ）を隔てて前後２個所を第１ブラケット３０に設けた軸受３１と第２ブラケット４０の軸受４１で回転自在に支持される。これと同時にこの軸受３１、４１には段差３２、４２が設けられ、この段差３２、４２で回転軸１１に形成した位置決め用段差（Ｅリング）１１ｅを位置規制する。これによってロータ１０は第１第２ブラケット３０、４０にラジアル方向とスラスト方向をそれぞれ位置規制されることとなる。

上記第１第２ブラケット３０、４０はステータ２０を次のように固定する。まずステータ２０の構造について説明すると、前述のしたようにステータ２０は複数のステータコア２１ａ〜２１ｌ（図示の三相モータの実施形態では１２個）は、電磁鋼板（例えば珪素鋼板）を適宜の形状にプレス型で打ち抜き成形し、このコア片２１ｘを積層状に重ね合わせて形成する。この各コア片２１ｘは図１（ｃ）に示すように、その断面形状は略々扇形に形成され複数枚（数十枚）が積層状に重ね合わされて１つのステータコア２１を形成する。

そして互いに隣接する部位に凹部２１ｙと凸部２１ｚが形成され、互いに嵌合することによって連鎖状に連結されている。このコア片２１ｘにはコイル巻回部２１ｗとフランジ部２１ｖが設けられ、コイル巻回部２１ｗにはインシュレータ２２を介在させた状態で巻き線２３が巻回される。またフランジ部２１ｖは第１第２ブラケット３０、４０に固定されるようになっている。

更に図示のものは、コア片２１ｘに角度基準面２１ｕが形成してある。図示の角度基準面２１ｕはコア片２１ｘのフランジ部２１ｖに形成した凸部に設けられ、後述する第１ブラケット３０の第１当接面３３に形成した位置決め突起３４と係合する。これによって互いに円環状に連結された複数のステータコア２１ａ〜２１ｌは後述の第１ブラケット３０に規定された角度位置に位置合わせされる。

そこで本発明は、上述のステータコア２１を第１第２ブラケット３０、４０に次のように固定する。ブラケットの一方（第１ブラケット３０）にはコア片２１ｘを積層状に積み重ねたステータコア２１の一端面（図４（ｂ）に示すＳｒａ）を突き当て規制する第１当接面３３が形成されている。この第１当接面３３はステータコア２１の数に応じてリング形状（円環形状）の第１ブラケット３０に放射状に形成されている。そしてこの第１当接面３３はステータコア２１の一端面Ｓｒａと面接触する平面で構成されている。

またこの第１ブラケット３０にはステータコア２１の角度位置（ロータ回転方向の角度位置）を位置規制する位置決め突起３４が設けられている。この位置決め突起３４は図示の装置が三相モータである関係で１２度等間隔で３個所に配置され、この位置に前述のステータコア２１の角度基準面２１ｕを一致させるようになっている。

一方ブラケットの他方（第２ブラケット４０）にはステータコア２１の他端面（図４（ｂ）に示すＳｒｂ）を突き当て規制する第２当接面４３が形成されている。この第２当接面４３もステータコア２１の数に応じて断面円環状の第２ブラケット４０に放射状に形成されている。この第２当接面４３について図５（ａ）（ｂ）にその第１実施形態を、図６にその第２実施形態を示す。

［第２ブラケットの第１実施形態］
図５（ａ）に示す第２ブラケット４０には第２当接面４３が次のように形成されている。この第２当接面４３はステータコア２１の他端面Ｓｒｂと線接触する傾斜面でリング形状に構成されている。つまりブラケットに形成された円錐台形状の傾斜面に対してステータコア２１の他端面Ｓｒｂのエッジが鋭角で接触する。これと共に前述の電磁鋼板（ケイ素綱など）で形成したステータコア２１に対し、この第２当接面４３は軟質の金属材料或いは樹脂材料（図示のものはアルミニウム合金）で構成されている。このように第２ブラケット４０に形成する第２当接面４３は後述する締結部材５０の締結力を受けてステータコア２１のエッジ部に押し潰されるように変形する材料で構成されている。

上述のように第２当接面４３は傾斜面でリング状に形成されるが、図示の傾斜面は図５（ａ）に示すように正円錐台形状でその頂点Ｏは軸受４１に支持された回転軸１１の軸心ｘ−ｘに一致するように放射状に配列されている。これは後述するように第２ブラケット４０の当接面４３で複数のステータコア２１ａ〜２１ｌを挟圧する際に各ステータコアを回転軸の軸心ｘ−ｘを中心に等距離に配列することによって磁歯が偏らないようにするためである。

［第２ブラケットの第２実施形態］
図６に示す第２ブラケット４０には第２当接面４３が次のように形成されている。この第２当接面４３は第２ブラケット（金属材料）４０に添着されたスペーサ部材４５で構成され、このスペーサ部材４５はステータコア２１の他端面Ｓｒｂと面接触するようになっている。そしてこのスペーサ部材４５はステータコア２１の他端面Ｓｒｂに作用する締結部材５０の締結力で容易に変形する樹脂材料で構成されている。従って円環状に配列される複数のステータコア２１ａ〜２１ｌに寸法的なバラツキがあってもこの当接面がコア端面に倣うように変形して両者間に隙間が生ずることがない。

上述のようにロータ１０とステータ２０を合体する第１、第２ブラケット３０、４０は締結部材（連結ボルト）５０で一体化され、その間隔Ｌはステータコア２１の厚さ寸法で決定される。この他図示しない円筒状ヨークで覆われて回転電機Ｍのハウジングが構成される。

次に本発明の作用について説明する。ロータ１０は前述したように回転軸１１とマグネット１３で構成され、ロータコア１２の外周にＮ極Ｓ極の磁極が交互に配列されている。このロータ１０は、回転軸１１を締結部材５０で一体化された第１、第２ブラケット３０、４０の軸受３１、４１で回転可能に支持される。これによってロータ１０のマグネット１３で形成される磁極を所定の円軌跡で回転するように支持される。これと共にロータ１０の軸方向（スラスト方向）位置は、回転軸１１のを段差３２、４２でＥリング１１ｅで位置決め支持される。

上述のステータ２０は複数のステータコア２１ａ〜２１ｌで構成され、各ステータコア２１ａ〜２１ｌはコア片２１ｘに形成した凹部２１ｙと凸部２１ｚで嵌合連結され円環状に連結されている。そこで各ステータコア２１ａ〜２１ｌを、その一端面Ｓｒａが第１ブラケット３０の第１当接面３３を基準に円環状に配列する。このとき連鎖したステータコア２１は、その角度基準面２１ｕを第１ブラケット３０の位置決め突起３４と一致させる。これによって複数のステータコア２１ａ〜２１ｌを、その端面Ｓｒａが同一平面上に揃うように位置決め配列することが可能となり、同時に円環状に連鎖した複数のステータコア２１の角度位置を所定位置に位置決めすることが可能となる。

また、上述のステータコア２１の他端面Ｓｒｂは第２ブラケット４０の第２当接面４３で挟圧支持される。このとき第２当接面４３は傾斜面（第１実施形態）又はスペーサ部材（第２実施形態）で形成され、この当第２接面４３はステータコア２１を構成する電磁鋼板より軟質な素材で形成されているから、複数のステータコア２１ａ〜２１ｌ間の厚さ寸法にバラツキが生じていても第２当接面４３が変形してステータコア２１の他端面Ｓｒｂとの間に隙間やガタつきを生ずることがない。

更に、第２当接面４３を傾斜面で形成し、この傾斜面を正円錐形状で、その頂点Ｏが回転軸１１の軸心ｘ−ｘに一致するようにする。これによって複数のステータコア２１ａ〜２１ｌを回転軸１１の軸心ｘ−ｘを中心に放射状に配列することが可能となる。この配列は締結部材５０で一対の第１第２ブラケット３０、４０を締結することによって自動的に整列される。

更に、上述のロータ１０とステータコア２１を第１第２ブラケット間に固定する際に、ステータ２０の巻き線２３に生起する磁力が回転軸方向の変位力（図４（ｂ）に示すＦ）を生起するように位置決めされ、この変位力Ｆは第１ブラケット３０の第１当接面３３側にロータ１０を偏奇させる方向に設定してある。

このようにロータ１０とステータコア２１ａ〜２１ｌの回転軸方向の位置関係を所定距離オフセットさせることにより、ロータ１０には第１当接面３３（基準面）側に偏る方向の変位力が作用しもステータコア２１はこの基準面に揃えられているからロータ１０の回転中に軸方向のガタつきを生ずる力が作用することがない。

本発明は、電磁モータ、発電機などのステータ構造とこれを用いた回転電機に係わりコイルを備えたステータの固定構造の改良に関するものであり、産業上の利用可能性を有する。

Ｍ 回転電機（モータ）
１０ ロータ
１１ 回転軸
１１ｅ 位置決め用段差（Ｅリング）
１２ ロータコア
１３ マグネット
２０ ステータ
２１ ステータコア（２１ａ〜２１ｌ）
２１ｕ 角度基準面
２１ｖ フランジ部
２１ｗ コイル巻回部
２１ｘ コア片
２１ｙ 凹部
２１ｚ 凸部
２２ インシュレータ
２３ 巻き線（２３ａ〜２３ｌ）
３０ 第１ブラケット
３１ 軸受
３２ 段差
３３ 第１当接面
３４ 位置決め突起
４０ 第２ブラケット
４１ 軸受
４２ 段差
４３ 第２当接面
５０ 締結部材（連結ボルト）
Ｔ１〜Ｔ３ 入力端子
Ｆ 変位力Ｆ

Claims (7)

1. マグネットロータの周囲に複数の磁場を形成する回転電機のステータ構造であって、
   電磁鋼板を積層した複数のステータコアと、
   前記ステータコアにインシュレータを介して巻回された巻き線と、
   前記複数のステータコアを前記マグネットロータの回転軸方向前後から挟持する一対の第１、第２ブラケット部材と、
   この第１、第２ブラケット部材を連結する締結部材と、を備え、
   前記第１ブラケット部材には、
   前記複数のステータコアを環状に配列するように各ステータコアの一端面を突当規制する第１当接面が形成され、
   前記第２ブラケット部材には、前記複数のステータコアの他端面を突当規制する第２当接面が形成され、
   前記第１当接面は、
   前記複数のステータコアの一端面に面接触する平面で、かつ前記複数のステータコアの一端面を同一平面上に揃える基準面を構成し、
   前記第２当接面は、
   前記複数のステータコアの他端面のエッジが線接触する傾斜面で、かつ前記複数のステータコアの他端面に倣うように変形可能な変形面で構成されている
   ことを特徴とする回転電機のステータ構造。
2. 前記第２当接面は、前記ステータコアの電磁鋼板より軟質の材料で構成され、
   この第２当接面は、前記締結部材の締結力で前記複数のステータコアの端面に倣うように変形可能であ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構造。
3. 前記第１当接面及び前記第２当接面は、リング形状に構成されていることを特徴とする請求項２に記載の回転電機のステータ構造。
4. 前記リング形状の傾斜面は前記マグネットロータの回転軸の軸心に頂点を有する正円錐曲面に形成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構造。
5. 前記第２当接面は、前記複数のステータコアの端面と前記第２ブラケットとの間に介在するスペーサ部材に形成され、
   このスペーサ部材は前記ステータコアの電磁鋼板より軟質の材料で構成されていることを特徴とする請求項２に記載の回転電機のステータ構造。
6. 前記第１当接面には前記複数のステータコアの少なくとも１つの角度位置を規制する角度基準面が形成され、この角度基準面にステータコアの端面を突き当て規制することによって複数のステータコアを前記回転軸の回転方向の所定角度位置に位置決めす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構造。
7. 互い対向する一対の第１、第２ブラケット部材と、
   この一対のブラケット部材に軸受け支持された回転軸を有するマグネットロータと、
   前記マグネットロータの外周に複数の磁場を形成するように前記一対のブラケット部材に支持されたステータと、
   前記一対のブラケット部材を連結する締結部材と、
   を備え、
   前記ステータは、
   前記マグネットロータの周囲に環状に配列されそれぞれ電磁鋼板を積層した複数のステータコアと、
   このそれぞれのステータコアにインシュレータを介して巻回された巻き線と、
   で構成され、
   この複数のステータコアは、
   一端面を前記第１ブラケット部材に形成された第１当接面に、
   他端面を前記第２ブラケット部材に形成された第２当接面に、
   それぞれ位置規制されて環状に配列され、
   前記第１当接面は、前記複数のステータコアの一端面に面接触する平面で、かつ前記複数のステータコアの一端面を同一平面上に揃える基準面とし、前記第２当接面は、前記複数のステータコアの他端面のエッジが線接触する傾斜面で、かつ前記複数のステータコアの他端面に倣うように変形可能な変形面を有していることを特徴とする回転電機。

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