JP5652305B2

JP5652305B2 - 回転電機用ステータ

Info

Publication number: JP5652305B2
Application number: JP2011085302A
Authority: JP
Inventors: 佐々木　慶; 慶佐々木
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-04-07
Filing date: 2011-04-07
Publication date: 2015-01-14
Anticipated expiration: 2031-04-07
Also published as: JP2012222929A

Description

本発明は、円環状に配置された複数の分割コアを備える回転電機用ステータに関する。

従来から、エンジン及びモータを駆動源として走行するハイブリッド車両や、電気自動車や燃料電池車等において、回転電機がモータや発電機として使用されている。また、回転電機をモータ及び発電機の両方の機能を有するものとして使用される場合もある。また、回転電機は、ステータと、ステータに対向配置され、回転するロータとを備える。このようなステータとして、高周波での鉄損を抑える等のために、絶縁被膜処理を施した金属磁性粉末の圧粉体や、樹脂を添加した金属磁性粉末の圧粉体を用いたステータコアを使用することが考えられる。

例えば、特許文献１には、円環状に配置した複数の分割コアの外周に外周薄板を巻き付け、外周薄板の周方向端部を径方向外側に折り曲げて形成した折り曲げ部である耳部同士が溶接により接続され、外周薄板と複数の分割コアとが嵌合されている。

また、外周薄板の軸方向に対向するように周方向に間隔をあけて複数組設けられる挟持片であって、舌片を径方向内側に折り曲げて設けられた挟持片により分割コアが挟持されている。また、挟持片を、分割コアのヨーク部の軸方向端面に形成された凹部に嵌合して、分割コアを周方向に位置決めしている。

特開２００７−１９５２８１号公報

上記の特許文献１に記載されたステータでは、分割コアの位置決めのために外周部に設ける外周薄板が折り曲げ部である挟持片を有し、外周薄板を成形するためのプレス工程が必要となるだけでなく、プレス型が複雑になる。また、挟持片の折り曲げ工程も必要になる。このように工程が増えることはコストが過度に上昇する原因となる。

また、外周薄板と分割コアとの相手部材に対する嵌合部の寸法を高精度にしなければ外周薄板と分割コアとの位置決め精度が不十分になりやすい。例えば、外周薄板の挟持片の曲げ精度自体や、挟持片の寸法や個々の部品の寸法ばらつきが重なった組み付け状態に合わせた曲げ固定が必要になる。このため、分割コアを備えるステータで、取り付け時の締め代ばらつきに対する設計や寸法管理による締め付け力管理を容易に行え、取り付け部品間での寸法精度を低くでき、各部品の製造を容易に行える構造の実現が望まれている。さらに、ステータを冷却するために冷却専用の別部品をステータに設ける場合、部品点数が増え、コストが過度に増大する可能性がある。このため、分割コアを備えるステータで、冷却専用の部品を設けることなく、冷却機能を持たせることも望まれている。

本発明は、回転電機用ステータにおいて、分割コアを備える構成において、コストを低減でき、かつ、設計や締め付け力管理を容易に行え、かつ、各部品の製造を容易に行え、しかも、冷却専用部品を設けることなく冷却機能を持たせる構成を実現することを目的とする。

本発明に係る回転電機用ステータは、円環状に配置された複数の分割コアと、複数の分割コアの外周に巻き付けられた金属管と、を備え、金属管の両端寄り部分と、円環状に配置された複数の分割コアの外周とが同時に溶接固定されていることを特徴とする回転電機用ステータである。

また、本発明に係る回転電機用ステータにおいて、好ましくは、金属管は、断面矩形に形成され、複数の分割コアの外周に金属管を丸めた状態で両端寄り部分が同時に溶接固定されている。

また、本発明に係る回転電機用ステータにおいて、好ましくは、金属管は、複数の分割コアの外周に複数周回分巻き付けられている。

また、本発明に係る回転電機用ステータにおいて、好ましくは、金属管は、複数の分割コアの外周の周方向片側部分に巻き付けられた第１金属管であり、さらに、複数の分割コアの外周の周方向他側部分に巻き付けられた第２金属管を備え、第１、第２両金属管の一端寄り部分同士及び円環状に配置された複数の分割コアの外周の一部と、第１、第２両金属管の他端寄り部分同士及び円環状に配置された複数の分割コアの外周の別の部分とが、同時に溶接固定されている。

また、本発明に係る回転電機用ステータにおいて、好ましくは、金属管は、複数の分割コアの外周面に軸方向に沿う外形を有する扁平な矩形断面を有し、かつ、金属管の少なくとも軸方向一端面に、金属管内の流れと直交する方向に形成された冷媒噴出孔を有する。

本発明に係る回転電機用ステータによれば、分割コアを備える構成において、単純な管形状で複数の分割コアを円環状に一体に固定できるので、複雑なプレス型を使用せずコストを低減できる。また、組み付け時の締め代ばらつきに対する設計や締め付け力の管理を容易に行える。また、組み付ける部品間での寸法精度を過度に高くする必要がなくなり、各部品の製造を容易に行える。さらに、組み付け部品である金属管に冷媒を流すことで、冷却専用部品を設けることなくステータに冷却機能を持たせることができる。

本発明の実施の形態の回転電機用ステータを構成するステータコアを示す図である。図１のＡ部拡大図である。ステータコアにコイルを巻回したステータを示す、図２のＢ−Ｂ断面図である。本発明の実施の形態の別例の第１例の回転電機用ステータを示す、図３に対応する図である。本発明の実施の形態の別例の第２例の回転電機用ステータを示す、図３に対応する図である。本発明の実施の形態の別例の第３例の回転電機用ステータを示す、図３に対応する図である。本発明の実施の形態の別例の第４例の回転電機用ステータを構成するステータコアを示す図である。本発明の実施の形態の別例の第５例の回転電機用ステータを示す、図３に対応する図である。

以下において、図面を用いて本発明に係る実施の形態につき詳細に説明する。図１から図３は、本発明の実施の形態の１例を示している。図１に示すように、モータや発電機として使用される回転電機を構成する回転電機用ステータである、ステータ１０（図３）は、円環状に設けられたステータコア１２と、ステータコア１２の内周部の周方向複数個所に径方向に突出するように設けられたティース１４に、集中巻きまたは分布巻きで巻回されたコイル１６（図３）とを備える。また、ステータコア１２は、円環状に周方向に隣接するように配置された複数の分割コア１８と、複数の分割コア１８の外周面に周方向に巻き付けられたパイプ状の金属管である外筒２０とを備える。

図２に詳しく示すように、各分割コア１８は、組み付けられた状態で外周部に設けられるヨーク要素２２と、組み付けられた状態でヨーク要素２２の内周側となる部分に設けられたティース１４とを有する。分割コア１８は、複数個が円環状に隣接するように配置され、コア本体２４を構成する。各ティース１４にはコイル１６（図３）が巻回される。

図１に示すように、このようなコア本体２４の外周面には、金属管であり、略円筒形に形成された外筒２０を密着するように巻き付けている。図１、図３に示すように、外筒２０は、コア本体２４の円筒状の外周面に軸方向に沿うように、コア本体２４の軸方向全長とほぼ同じ軸方向長さを有するように設けられた断面矩形状としている。そして外筒２２が、コア本体２４の外周面に沿って略円筒状に丸めて締め付けるようにコア本体２４の外周面に周方向に巻き付けられ、外筒２０の両端寄り部分の互いに対向する部分が、それぞれ径方向外側に曲げ形成されて曲げ部２６が形成されている。また、外筒２０の周方向両端寄り部分同士の間に隙間２７（図２）が設けられている。

そして、外筒２０の周方向両端寄り部分と、コア本体２４の外周面の周方向一部とが図１、図２に斜線部で示す溶接部２８で、同時に溶接固定されている。すなわち、外筒２０の両端寄り部分と分割コア１８の外周部とが同時に溶接固定されている。図示の例では、コア本体２４の周方向に関して、外筒２０の周方向両端寄り部分の間に、２個の分割コア１８の隣接する端部同士が位置し、２個の分割コア１８と外筒２０の両端寄り部分とが同時に溶接固定されている。ただし、コア本体２４の周方向に関して、外筒２０の周方向両端寄り部分の間に、１個の分割コア１８の周方向中央部が位置する場合に、１個の分割コア１８と外筒２０の両端寄り部分とを同時に溶接固定することもできる。

このように分割コア１８の外周に外筒２０を巻き付ける場合、円環状に配置した複数の分割コア１８の内側に円筒状の治具（図示せず）を嵌合させて行うこともできる。また、外筒２０を造る際に、丸い断面の金属管を潰して断面矩形の扁平形状に成形したあと、円筒状に丸め成形したり、矩形の断面を有する金属管を円筒状に丸め成形することができる。

また、図３に示すように、外筒２０の内側に冷媒通路２９を設けるとともに、図２に示すように、外筒２０の径方向外側に向く一端部を冷媒入口３０とし、外筒２０の径方向外側に向く他端部を冷媒出口３２とすることができる。そして冷媒、例えば冷却水や、オートマチックトランスミッションフルード（ＡＴＦ）等の冷却油等の冷却液を、冷媒入口３０から冷媒出口３２に向け、外筒２０内に流すことで、コア本体２４を冷却することができる。このため、外筒２０は、高い熱伝導性を有する材料、例えばアルミニウムやアルミニウム合金等により造るようにしてもよい。また、使用時には、冷媒入口３０と冷媒出口３２とに、図示しない冷媒経路の両端を接続し、冷媒経路の途中に熱交換部や冷媒ポンプを設けて、冷媒経路と外筒２０とを含む冷媒循環経路に冷媒を循環させる。この場合、熱交換部で冷媒を空気や他の冷媒等と熱交換させて冷媒を冷却する。また、冷媒として冷却油を用いる場合に、熱交換部の代わりにオイルパンを設けて、オイルパンに冷媒を通過させることで冷却することもできる。

このようなステータコア１２は、ティース１４にコイル１６を巻回してステータ１０（図３）を形成した状態で、図示しないハウジングの内側にステータ１０を嵌合固定したり、ステータ１０の外周部に図示しないブラケットを接合し、そのブラケットにより、図示しない固定部に固定して使用することができる。また、図３に示すように、コイル１６のうち、ステータコア１２の軸方向両端面から軸方向に突出する部分により、コイルエンド３４が形成されている。

このようなステータ１０によれば、分割コア１８を備える構成において、単純な管形状の外筒２０で複数の分割コア１８を円環状に一体に固定できるので、複雑なプレス型を使用せず、コストを低減できる。また、組み付け時の締め代ばらつきに対する設計や締め付け力の管理を容易に行える。すなわち、本実施の形態と異なり、円環状に配置された複数の分割コアを外側の筒部により焼き嵌めや圧入により固定する場合と異なり、外筒２０に対するコア本体２４の固定時の締め代ばらつきに対する設計や締め付け力の管理が容易になる。

また、複数の分割コア１８と、分割コア１８に巻き付けた外筒２０とを同時に溶接により固定できるため、外筒２０に対する分割コア１８の位置決め精度が良好で、構成部品に要求される寸法精度を低くできる。すなわち、外筒２０及び分割コア１８である、組み付ける部品間での寸法精度を過度に高くする必要がなくなり、各部品の製造を容易に行える。また、外筒２０が単純な形状で、さらに分割コア１８に巻き付ける形状であるため、複数の分割コア１８の軸方向厚さの違いや径方向の寸法の違いに対応することを容易に行える。さらに、組付け部品である外筒２０に冷却機能を持たせ、外筒２０に冷媒を流すことで、ステータ１０に冷却専用部品を設けることなく、冷却機能を持たせることができる。このため、ステータ１０に冷却機能を持たせるのにもかかわらず、部品点数を過剰にすることなく、設置空間を小さくでき、しかもコストの過度の上昇を防止できる。

また、外筒２０の管の形状が単純であるため、板材に深絞り等のプレス成形を施すことにより外筒２０を作る場合と異なり、材料歩留まりを大幅に向上できる。なお、上記では、外筒２０の断面が矩形である場合を説明したが、外筒２０の断面は丸形や三角形等、他の形状とすることもできる。

図４は、本発明の実施の形態の別例の第１例の回転電機用ステータを示す、図３に対応する図である。図４に示す別例の第１例の場合、上記の図１〜３の構成で設けていた外筒２０（図１等）の代わりに、複数の分割コア１８の外周にらせん状に複数周回分巻き付けられた細管状の金属管３６が設けられている。図４に示す例では、金属管３６は断面丸形としている。また、金属管３６の内側に冷媒通路３７が設けられている。そして、円環状に配置された複数の分割コア１８により構成されるコア本体２４の外周に金属管３６を複数周回分巻き付け、両端寄り部分を径方向外側に曲げ形成した状態で、金属管３６の両端寄り部分とコア本体２４の外周面とが同時に溶接固定されている。この場合、金属管３６の両端寄り部分同士が周方向に対向しない場合があるが、この場合は、金属管３６の一端寄り部分及びコア本体２４の外周部の溶接と、金属管３６の他端寄り部分及びコア本体２４の外周部の溶接との、複数個所の溶接部の溶接を同時に行う。また、このようにステータコア１２を構成した状態で、ステータコア１２を構成するティース１４にコイル１６を巻き付けることで、ステータ１０を形成している。

このような構成によれば、金属管３６を組み付け前に、コア本体２４の軸方向（図４の左右方向）全長とほぼ同じ軸方向長さを有するように金属管３６を扁平に成形する必要がなくなる。また、金属管３６をコア本体２４に複数周回分巻き付けているため、金属管３６の断面寸法に応じて巻き付け周回を変化させることができる。このため、金属管３６の断面寸法によらずに、ステータ１０の軸方向全長（厚さ）の変化に対応することが容易になる。さらに、金属管３６をコア本体２４に複数周回分巻き付けるため、コア本体２４と金属管３６との接触面積及び金属管３６の外部への放熱面積を保つか、または増大させつつ、扁平金属管に冷媒を流す場合と同一冷媒量で流速を増大できるので、冷却効率を向上でき、しかも金属管３６内の冷媒の淀み、すなわち滞留を防止できる。その他の構成及び作用は、上記の図１〜３に示した実施形態の場合と同様である。

なお、図４の別例の第１例では、金属管３６の断面を丸形としているが、図５、図６にそれぞれ示す別例の第２例、第３例のように、金属管３６の断面を三角形または正方形、長方形等の矩形とすることもできる。このように金属管３６の断面を三角形または矩形とする場合には、金属管３６とコア本体２４との接触面積をより増大でき、冷却効率を向上させることができる。

図７は、本発明の実施の形態の別例の第４例の回転電機用ステータを構成するステータコアを示す図である。図７に示す別例の第４例のステータコア１２では、円環状に配置された複数の分割コア１８により構成されるコア本体２４の外周に、パイプ状で断面矩形の金属管を複数系統に分けて巻き付けている。すなわち、図７に示す例では、コア本体２４の外周面の周方向片側部分（図７の右側部分）に断面矩形で略半円状に形成された第１金属管３８を巻き付け、コア本体２４の外周面の周方向他側部分（図７の左側部分）に断面矩形で略半円状に形成された第２金属管４０を巻き付けている。

また、各金属管３８，４０の両端寄り部分で互いにほぼ直径方向反対側部分をそれぞれ径方向外側に曲げ形成することで、曲げ部４２を形成している。また、各金属管３８，４０の一端寄り部分同士を隙間をあけて、ステータコア１２の周方向に対向させ、各金属管３８，４０の他端寄り部分同士を隙間をあけて、ステータコア１２の周方向に対向させている。

そして、第１、第２両金属管３８，４０の一端寄り部分同士及びコア本体２４の外周面の周方向一部と、第１、第２両金属管３８，４０の他端寄り部分同士及びコア本体２４の外周面の別の部分である直径方向のほぼ反対側の部分とを、溶接部４４，４６により同時に溶接固定している。

さらに、各金属管３８，４０の両端部のうち、上側に向く一端部を冷媒入口３０とし、下側に向く他端部を冷媒出口３２としている。

このような別例の第４例によれば、各金属管３８，４０内で冷媒を上側から下側に流すことができ、冷媒が各金属管３８，４０内で円環状に循環しないので、円環状に循環させる場合よりも冷媒温度を低減できるとともに、冷媒の熱劣化の防止を図れる。また、冷媒が各金属管３８，４０内で円環状に循環する構成でないので、使用時に各金属管３８，４０の冷媒入口３０に、冷媒を冷却する冷却部を有する冷媒供給部（図示せず）の冷媒出口を接続すれば、各金属管３８，４０の冷媒出口３２に冷媒経路を接続しなくてもよく、各金属管３８，４０内に冷媒供給部で冷却された冷媒を連続的に注入し、流すことができる。また、各金属管３８，４０の冷媒出口３２からは下側に冷媒を噴出させ、下側で受け止めた図示しない冷媒溜まりから冷媒供給部にポンプ等により冷媒を戻すこともできる。その他の構成及び作用は、上記の図１〜図３に示した実施形態の場合と同様である。なお、上記では、金属管３８，４０の断面が矩形である場合を説明したが、金属管３８，４０の断面は丸形や三角形等、他の形状とすることもできる。

図８は、本発明の実施の形態の別例の第５例の回転電機用ステータを示す、図３に対応する図である。図８に示す別例の第５例の場合には、上記の図１〜図３に示した実施形態において、金属管である外筒２０ａを、複数の分割コア１８により構成されるコア本体２４の外周面に軸方向に沿う外形を有する扁平な矩形断面を有するように形成している。また、外筒２０ａの内側に冷媒通路２９を設けるとともに、外筒２０ａの軸方向両端面の周方向複数個所に、外筒２０ａ内の流れと直交する方向である、軸方向（図８の左右方向）に形成された冷媒噴出孔４８を有するようにしている。

このような構成によれば、外筒２０ａの内部を流れる冷媒が、冷媒通路２９から冷媒噴出孔４８を通じて外部に噴出され、噴出された冷媒は図８に矢印α方向で示すように、ステータ１０の両側に設けられた各コイルエンド３４にかかる。このため、各コイルエンド３４を冷媒によりコア本体２４を介さずに直接に冷却することができる。また、外筒２０ａはコア本体２４の外周面に接触しているので、外筒２０ａを流れる冷媒によりコア本体２４も冷却できる。すなわち、本構成例によれば、外筒２０ａを流れる冷媒によりコア本体２４の外周部とコイル１６とをより有効に冷却することができる。その他の構成及び作用は、上記の図１〜図３に示した実施形態と同様である。

１０ステータ、１２ステータコア、１４ティース、１６コイル、１８分割コア、２０，２０ａ外筒、２２ヨーク要素、２４コア本体、２６曲げ部、２７隙間、２８溶接部、２９冷媒通路、３０冷媒入口、３２冷媒出口、３４コイルエンド、３６金属管、３７冷媒通路、３８第１金属管、４０第２金属管、４２曲げ部、４４，４６溶接部、４８冷媒噴出孔。

Claims

円環状に配置された複数の分割コアと、
複数の分割コアの外周に巻き付けられた金属管と、を備え、
金属管の両端寄り部分と、円環状に配置された複数の分割コアの外周とが同時に溶接固定されていることを特徴とする回転電機用ステータ。
請求項１に記載の回転電機用ステータにおいて、
金属管は、断面矩形に形成され、複数の分割コアの外周に金属管を丸めた状態で両端寄り部分が同時に溶接固定されていることを特徴とする回転電機用ステータ。
請求項１に記載の回転電機用ステータにおいて、
金属管は、複数の分割コアの外周に複数周回分巻き付けられていることを特徴とする回転電機用ステータ。
請求項１に記載の回転電機用ステータにおいて、
金属管は、複数の分割コアの外周の周方向片側部分に巻き付けられた第１金属管であり、
さらに、複数の分割コアの外周の周方向他側部分に巻き付けられた第２金属管を備え、
第１、第２両金属管の一端寄り部分同士及び円環状に配置された複数の分割コアの外周の一部と、第１、第２両金属管の他端寄り部分同士及び円環状に配置された複数の分割コアの外周の別の部分とが、同時に溶接固定されていることを特徴とする回転電機用ステータ。
請求項１に記載の回転電機用ステータにおいて、
金属管は、複数の分割コアの外周面に軸方向に沿う外形を有する扁平な矩形断面を有し、かつ、金属管の少なくとも軸方向一端面に、金属管内の流れと直交する方向に形成された冷媒噴出孔を有することを特徴とする回転電機用ステータ。