JP6070329B2 - 回転電機用ステータコア - Google Patents

Description

本発明は、円環状のヨークと、ヨークから径方向内側に突出する複数のティースとを備える回転電機用ステータコアに関し、特に、応力集中による磁気抵抗の増大及び回転電機損失の増加の抑制に関する。

特許文献１及び特許文献４には、ティースに巻回したコイルの少なくとも一部を樹脂モールドで覆う回転電機用ステータが記載されている。

特許文献２には、複数の分割コアを環状に連結することにより形成されるステータコアが記載されている。分割コアのヨーク構成部分のうち、ティースの根元部との連結部に、断面円形の切欠が設けられる。

特許文献３には、ステータコアにおいて、ヨークの内周面で隣り合うティース間に形成されるスロットの底部の周方向中間部に、径方向に伸びるスリットが形成され、ヨークの径方向内側を通過する磁束の磁気抵抗と、径方向外方側を通過する磁束の磁気抵抗との差を小さくし、磁気飽和の発生を抑制することが記載されている。

特許文献４には、ティースの根元部に軸方向に対し傾斜するように形成されたスリットを含むステータコアが記載されている。特許文献４には、ティースに周方向、径方向、軸方向のいずれの方向に対しても傾斜するように形成されたスリットを含むステータコアも記載されている。

特開２０１１−４５１７８号公報 特開２００５−１３０６０５号公報 特開２０１０−１１５０９５号公報 特開２０１０−２５２４５３号公報

特許文献１及び特許文献４に記載されたステータのように、樹脂によりステータコイル及びティース間のエアギャップを少なくして、ステータコイルからティースへの放熱性を向上したり、外部からの絶縁強化を図るために少なくともコイルを樹脂モールドする構成が知られている。この構成では、製造型内で樹脂モールドする際にティースに樹脂の注入により圧縮応力または曲げ応力が発生し、その応力が発生した状態で樹脂が固化される場合がある。また、特許文献２及び特許文献３に記載されたステータのようにティースを樹脂モールドしない構成でも、ティースにコイルを巻回する場合にティースに圧縮応力または曲げ応力が発生する場合がある。この場合、ヨークの内周面から径方向に突出するティースの根元部の周方向両端付近が形状の大きく変化する部分となるので応力が集中する。このため、特許文献１から特許文献４に記載されたステータでは、磁束密度の高いティースの根元部に応力が集中する。この応力の集中によって磁束が通過しにくくなるので、ステータコアの磁気抵抗が増大し、さらに、応力集中部での磁気飽和で鉄損が増加する。鉄損の増加は回転電機損失の増加につながるので改善が望まれる。

本発明の目的は、ティースに応力が発生する場合でも、磁気抵抗の増大と回転電機損失の増加とを抑制できる回転電機用ステータコアを提供することである。

本発明に係る回転電機用ステータコアは、複数の電磁鋼板の積層体により形成された回転電機用ステータコアであって、円環状のヨークと、前記ヨークから径方向内側に突出する複数のティースとを備え、前記ヨークは、前記各ティースの周方向両端の根元部近傍において、少なくとも前記根元部の周方向の最大幅を維持するように径方向外側に形成されたスリットを含み、前記スリットは、前記ヨークを軸方向全長にわたって貫通し、前記ヨークの前記スリット両側部分同士を接触させて前記スリット内の空間をなくしていることを特徴とする。なお、「少なくとも根元部の周方向の最大幅を維持するように径方向外側に形成された」とは、ティース両側のスリット間の周方向の幅がティースの根元部の周方向の最大幅よりも小さくならないようにスリットを設けることを含む意味である。

本発明に係る回転電機用ステータコアにおいて、好ましくは、前記ヨークは、隣り合う前記ティース間の周方向中間部外径側で径方向幅が最小となる最小幅部を含み、前記スリットの奥端となる径方向外端位置Ｈと前記ヨークの外周面との間の径方向距離であるスリットヨーク外径間距離ｈ３を、前記最小幅部の径方向幅ｈ１以上とする。

また、本発明に係る回転電機用ステータコアにおいて、好ましくは、前記ヨークは、隣り合う前記ティース間の周方向中間部外径側で径方向幅が最小となる最小幅部を含み、前記ヨークにおいて、前記スリットヨーク外径間距離ｈ３を一辺の長さとする矩形の磁路断面Ｓ１の面積を、前記最小幅部の径方向幅ｈ１を一辺の長さとする矩形の磁路断面Ｓ２の面積以上とする。

本発明に係る回転電機用ステータコアにおいて、好ましくは、前記ヨークにおいて、隣り合う前記ティース間の周方向中間部外径側の径方向幅は、隣り合う前記ティース間の周方向端部外径側の径方向幅よりも小さい。

本発明に係る回転電機用ステータコアにおいて、好ましくは、前記スリットは、前記ヨークにおいて、前記各ティースの周方向両端の根元部近傍で、前記根元部の周方向の最大幅を維持するように径方向外側に向かって互いに平行に形成されている。

本発明の回転電機用ステータコアによれば、ティースに応力が加わる場合でも、ティース間のスロット底部の周方向端部における内周端よりもヨークの外径側に応力集中部を移動させて、応力集中部での磁束密度の集中を緩和できるので、磁気抵抗の増大と回転電機損失増加とを抑制できる。

本発明の実施形態の回転電機用ステータコアの斜視図である。 図１のＡ部拡大図である。 図２を軸方向に見た図である。 図３のＣ部拡大図である。 図１のステータコアを含むステータの斜視図である。 樹脂モールド時にティースに圧縮応力が加わる様子を誇張して示す図であって、図３のＢ−Ｂ断面に相当する図である。 本発明の実施形態でティースからヨークに磁束が流れる様子を示す図であって、図４に相当する図である。 比較例の回転電機用ステータコアの周方向一部を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。以下では、回転電機が電動モータである場合を説明するが、回転電機は、発電機、または電動モータ及び発電機の両方の機能を有するモータジェネレータであってもよい。電動モータまたはモータジェネレータは、ハイブリッド車両または電気自動車の車輪を駆動する駆動源として使用されてもよい。以下では、すべての図面において同様の要素には同一の符号を付して説明する。

図１は、本実施形態の回転電機用ステータコア１０の斜視図を示している。以下では回転電機用ステータコア１０は、単にステータコア１０という。ステータコア１０は、円環状のヨーク１２と、ヨーク１２から径方向内側に突出する複数のティース１４とを含む。ステータコア１０は、複数の電磁鋼板の積層体によって形成される。各ティース１４には、後述する図６のステータ３０を形成する場合に、ステータコイル３２が集中巻きまたは分布巻きで巻回される。

ステータコア１０の周方向に隣り合うティース１４間にはスロット１６が形成される。スロット１６は、周方向に隣り合うティース１４の互いに対向する周方向側面間に形成される。図６のステータコイル３２は、スロット１６内に一部が収容される。

図２は、図１のＡ部拡大図を示している。各ティース１４は、ヨーク１２の径方向内側面に設けられ、図示しないロータと対向する先端面１８を有する。ティース１４は、ヨーク１２の周方向幅が先端面１８を含む先端部で最小となり、径方向中間部から径方向外側に向かって周方向幅が徐々に増大し、径方向外端部の根元部２０で周方向幅ｄ１が最大となっている。

図３は図２を軸方向に見た図であり、図４は図３のＣ部拡大図を示している。ヨーク１２は、各スロット１６の底部となる内周面において、スロット１６の底部の周方向中央部から両側のティース１４に向かって径方向内側にＶ字形に傾斜するように形成されたテーパ面２２を有する。また、ヨーク１２は、スロット１６の底部の周方向中央部の外径側に設けられ、ヨーク１２のうちで径方向幅が最小となる幅ｈ１を有する最小幅部２４と、ヨーク１２において、スロット１６の底部の周方向両端部外径側に設けられ、ティース１４から周方向に外れた部分のうちで径方向幅が最大となる幅ｈ２を有する最大幅部２６とを含む。最小幅部２４は、ヨーク１２の内周面で２つのテーパ面２２の端部がＶ字形に接続される点Ｇの外径側部分に相当する。

図４に示すように、ヨーク１２は、各ティース１４の周方向両端の根元部２０近傍に設けられたスリット２８を含む。各ティース１４の根元部２０近傍のスリット２８は、根元部２０の周方向の最大幅ｄ１を維持するように径方向外側に向かって互いに平行に形成される。各スリット２８は、ヨーク１２を軸方向全長にわたって貫通する。この場合、各スリット２８は、各ティース１４の周方向両端の根元部２０近傍において、少なくとも根元部２０の周方向の最大幅ｄ１を維持するように径方向外側に形成される。なお、「少なくとも根元部２０の周方向の最大幅を維持するように径方向外側に形成された」とは、ティース１４両側のスリット２８間の周方向の幅が根元部２０の周方向の最大幅ｄ１よりも小さくならないようにスリット２８を設けることを含む意味である。なお、スリット２８は、ヨーク１２を軸方向全長に貫通させる構成に限定するものではなく、ヨーク１２の軸方向端寄り部分にのみ形成され、ヨーク１２の軸方向中間部にはスリット２８が形成されないようにしてもよい。図４では、スリット２８の内側に隙間として空間を設けているが、ヨーク１２のうち、スリット２８の両側に設けられる部分同士を接触させて、スリット２８内に空間が発生しないようにしてもよい。

また、ヨーク１２において、隣り合うティース１４間の周方向中間部外径側の径方向幅は、最小幅部２４の幅ｈ１も含めて、隣り合うティース１４間の周方向端部の外径側である最大幅部２６の径方向幅ｈ２よりも小さい。

また、ヨーク１２において、スリット２８の奥端となる径方向外端位置Ｈとヨーク１２の外周面との間の径方向距離であるスリットヨーク外径間距離ｈ３は、最小幅部２４の径方向幅ｈ１以上である（ｈ３≧ｈ１）。図３、図４で破線Ｉは、各最小幅部２４の内径側位置Ｇを通過する外接円の一部を示しており、この破線Ｉからスリットヨーク外径間距離ｈ３と最小幅部２４の径方向幅ｈ１との関係（ｈ３≧ｈ１）がよく分かる。スリット２８は、スリットヨーク外径間距離ｈ３が最小幅部２４の径方向幅ｈ１よりも小さくならないように設ける。また、図１に示すように、ヨーク１２において、スリットヨーク外径間距離ｈ３を一辺の長さとする径方向の矩形の磁路断面Ｓ１の面積を、最小幅部２４の径方向幅ｈ１を一辺の長さとする径方向の矩形の磁路断面Ｓ２の面積以上とする。このようなスリット２８の形成によって、ステータコア１０での磁気抵抗の増大と回転電機損失の増加とを抑制できるが、この理由については後述する。

上記のステータコア１０は、図５に示すステータ３０を形成するために用いられる。ステータ３０は、ステータコア１０と、ステータコア１０の複数のティース１４に巻回されたＵ相、Ｖ相、Ｗ相の３相のステータコイル３２とを含む。ステータコイル３２の軸方向両端部でステータコア１０の軸方向側面から外側に突出したコイルエンドは、図３、図５の二点鎖線Ｊ部分で樹脂モールドされる。ステータ３０は、図示しないケースの内側に固定される。

なお、ステータコア１０を周方向複数個所で分離される複数の分割コアにより形成し、各分割コアにステータコイルを巻回した状態でステータコイルを樹脂モールドし、その後、分割コア同士を円環状に連結してステータを形成してもよい。

図示しない回転電機は、ロータが固定された回転軸をケースに対し回転可能に支持し、ステータ３０の内側にロータを対向配置することによって形成される。ロータは、周方向複数個所に設けられる永久磁石またはロータコイルを含む。回転電機を電動モータとして用いる場合、３相のステータコイル３２に３相の交流電流を流すことで、ステータ３０からロータに作用する回転磁界が発生する。ロータは、ステータ３０から作用する回転磁界により回転駆動される。

上記の構成を有するステータコア１０によれば、各ティース１４の周方向両端の根元部２０近傍において、根元部２０の周方向の最大幅ｄ１を維持するように径方向外側に向かって互いに平行にスリット２８が形成される。このため、ティース１４に応力が発生する場合でも、磁気抵抗の増大と損失増加とを抑制できる。この理由を次に説明する。

ティース１４が図示しない製造型内での樹脂注入で樹脂モールドされる際に、ティース１４には圧縮応力または曲げ応力が発生し、その状態で樹脂が固化される場合がある。図６は、樹脂モールド時にティース１４に圧縮応力が発生する様子を誇張して示す図であって、図３のＢ−Ｂ断面に相当する図を示している。なお、電磁鋼板である板材３４の数は図６から想定される数に限定するものではなく、図６の場合よりも多くしてもよいのは勿論である。図６に二点鎖線で示すように軸方向に板材３４が積層された積層体で形成されるステータコア１０のティース１４の軸方向長さは、樹脂注入前にヨーク１２の軸方向長さと同じである。この場合、板材３４間には各板材３４の微小な曲がりによって隙間が存在する。一方、ティース１４の周囲に巻回された図示しないステータコイルの周囲に樹脂が注入されることにより、ティース１４が実線で示すように板材３４間の隙間がなくなるように曲げ変形して圧縮される。

一方、本実施形態では、上記のスリット２８の形成によって、ヨーク１２の形状が急激に変化する部分が外径側に移動する。この場合、図６の枠Ｒで示す部分、及び、図３、図７に斜線の四角枠Ｐ１で示す部分に応力集中部が発生する。この応力集中部は、スロット１６底部の周方向端部における内周端Ｋ（図３、４、６、７）よりもヨーク１２の外径側となる。この場合、図７に矢印で磁束を示すように、ティース１４の根元部２０からヨーク１２のスロット１６側部分に流れる磁束として、ティース１４の根元からスリット２８をまたいで流れる磁束と、この根元から径方向外側に向かいスリット２８をまたがないで流れる磁束とが生じる。このため、ティースの根元からヨークの径方向外側にだけ応力集中部を通って磁束が流れる場合と異なり、応力集中部での磁束密度の集中を緩和できるので、ステータコア１０の磁気抵抗の増大を抑制できる。また、ティース１４の根元からスリット２８をまたいで周方向に磁束が流れて、応力集中部での磁気飽和を生じにくくして鉄損を小さくできる。このため、回転電機損失の増加を抑制できるので、回転電機のトルク低下を抑制できる。

また、ヨーク１２のスリット２８両側部分同士を接触させて、スリット２８内の空間をなくす場合には、スリット２８の一方側から他方側に流れる磁束の磁気抵抗を小さくできる。このため、スリット２８をまたいで流れる磁束を多くして、磁気抵抗の増大及び回転電機損失の増加をより効率よく抑制できる。

一方、ステータコア１０にスリット２８が形成されない比較例の場合には、ティース１４に応力が加わる場合の応力集中部は、根元部２０の径方向内側寄りの図３に二点鎖線の四角枠Ｐ２で示す部分となる。このため、比較例では応力集中部となるティース１４の根元部２０で磁束が通過しにくくなり、根元部２０での磁束密度が増大することで磁気抵抗が増大し、さらに磁束密度が高い根元部２０での磁気飽和によって鉄損が増大して回転電機損失が増加するおそれがある。

また、本実施形態では、スリット２８の奥端となる径方向外端位置Ｈ（図４）とヨーク１２の外周面との間のスリットヨーク外径間距離ｈ３が、ヨーク１２の最小幅部２４の径方向幅ｈ１以上（ｈ３≧ｈ１）となる。また、スリットヨーク外径間距離ｈ３を一辺の長さとする矩形の磁路断面Ｓ１の面積が、最小幅部２４の径方向幅ｈ１を一辺の長さとする矩形の磁路断面Ｓ２の面積以上である。このため、ヨーク１２にスリット２８を形成する場合でも、ヨーク１２で磁束が通過し、磁路断面積が最小値となる最小幅部２４を含む磁路断面Ｓ２の面積よりも、スリットヨーク外径間距離ｈ３の一辺を含む磁路断面Ｓ１の面積が小さくはならない。したがって、ヨーク１２の磁路断面積を小さくすることなく、スリット２８を形成できるので、効率よく磁気抵抗及び鉄損の低減を図れる。

また、ティース１４の周方向両端の根元部２０近傍において、互いに平行にスリット２８が形成されるので、スリット２８がヨーク１２においてスロット１６側に周方向に伸びることがなく、ヨーク１２のうち、ティース１４から周方向に外れた部分において、スリット２８で磁路が制限されることを抑制できる。なお、本実施形態と異なる別の実施形態として、各ティース１４の根元部２０近傍のスリット２８は、根元部２０の周方向の最大幅ｄ１を維持するように径方向外側に向かって互いに間隔が広がるように形成される構成としてもよい。この場合も、各スリット２８は、各ティース１４の周方向両端の根元部２０近傍において、少なくとも根元部２０の周方向の最大幅ｄ１を維持するように径方向外側に形成される。

また、本実施形態では、ヨーク１２において、隣り合うティース１４間の周方向中間部外径側の径方向幅は、ティース１４間の周方向端部外径側の径方向幅よりも小さい。例えば、ヨーク１２において、隣り合うティース１４間の周方向中間部外径側の径方向幅は、ティース１４間の周方向端部での最大幅部２６の径方向幅ｈ２よりも小さい。このため、ヨーク１２において、スロット１６底部の外径側の周方向中間部での径方向幅を、必要となる磁路断面積よりも過度に大きくしないので、ステータコア１０の軽量化と材料低減による低コスト化とを図れる。

一方、特許文献２に記載された構成では、ティースの根元部の周方向端部に断面円形の溝部が形成されている。しかしながらこのような構成では、溝部によって、ティースの根元部における周方向幅が小さくなり、ティースにおける磁路断面積が減少する。このため、磁束密度が増大して回転電機のトルクが低下して、損失が増大するおそれがある。また、ティースに巻回されたステータコイルが樹脂モールドされる場合にティースの根元部に曲げ応力が集中する部分に磁束が集中して、さらに回転電機損失が増加する。本実施形態によれば、スリット２８を形成しても、ティース１４の根元部２０の周方向幅ｄ１を小さくしないので、このような不都合を防止できる。

図８は、比較例の回転電機用ステータコア１０の周方向一部を示す図である。比較例では、ヨーク１２においてスロット１６の底部の周方向中間部に径方向外側に伸びるようにスリット４０が形成されている。このような比較例では、スリット４０が形成されない場合に応力集中部が図８の破線枠Ｑ１で示す部分であるのに対して、スリット４０が形成されることで応力集中部が破線枠Ｑ２で示す部分となり、径方向外側に移動する。一方、この応力集中部はヨーク１２において、スロット１６の底部の周方向中間部付近である、スリット４０の径方向外端付近にまで達し、応力集中部の周方向長さが大きくなる。このため、回転電機での損失低減効果を期待できない。本実施形態では、ティース１４の根元部２０近傍に、根元部２０の周方向幅ｄ１を維持するようにスリット２８が形成されるので、応力集中部を周方向に大きくすることがない。このため、回転電機損失を効率よく低減できる。

以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。例えば、上記では、ステータコイルを樹脂モールドする場合を説明したが、本発明はステータコイルを樹脂モールドしない構成にも適用できる。この構成でも、ティースにステータコイルが高い張力で巻回され、ティースに応力が加わる場合でも、ティースの磁気抵抗の増大と回転電機損失の増加とを抑制できる。

また、上記の実施形態では、ティースの周方向幅が外径側の根元部に向かって徐々に小さくなるように周方向両側面を互いに傾斜させたテーパ状とする場合を説明したが、ティースの周方向幅が根元部から先端部にわたって等しくなるティース形状としてもよい。

１０ ステータコア、１２ ヨーク、１４ ティース、１６ スロット、１８ 先端面、２０ 根元部、２２ テーパ面、２４ 最小幅部、２６ 最大幅部、２８ スリット、、３０ ステータ、３２ ステータコイル、３４ 板材、４０ スリット。

Claims (5)

1. 複数の電磁鋼板の積層体により形成された回転電機用ステータコアであって、
   円環状のヨークと、前記ヨークから径方向内側に突出する複数のティースとを備え、
   前記ヨークは、前記各ティースの周方向両端の根元部近傍において、少なくとも前記根元部の周方向の最大幅を維持するように径方向外側に形成されたスリットを含み、
   前記スリットは、前記ヨークを軸方向全長にわたって貫通し、
   前記ヨークの前記スリット両側部分同士を接触させて前記スリット内の空間をなくしていることを特徴とする回転電機用ステータコア。
2. 請求項１に記載の回転電機用ステータコアにおいて、
   前記ヨークは、隣り合う前記ティース間の周方向中間部外径側で径方向幅が最小となる最小幅部を含み、前記スリットの奥端となる径方向外端位置Ｈと前記ヨークの外周面との間の径方向距離であるスリットヨーク外径間距離ｈ３を、前記最小幅部の径方向幅ｈ１以上とすることを特徴とする回転電機用ステータコア。
3. 請求項１または請求項２に記載の回転電機用ステータコアにおいて、
   前記ヨークは、隣り合う前記ティース間の周方向中間部外径側で径方向幅が最小となる最小幅部を含み、前記ヨークにおいて、前記スリットヨーク外径間距離ｈ３を一辺の長さとする矩形の磁路断面Ｓ１の面積を、前記最小幅部の径方向幅ｈ１を一辺の長さとする矩形の磁路断面Ｓ２の面積以上とすることを特徴とする回転電機用ステータコア。
4. 請求項１に記載の回転電機用ステータコアにおいて、
   前記ヨークにおいて、隣り合う前記ティース間の周方向中間部外径側の径方向幅は、隣り合う前記ティース間の周方向端部外径側の径方向幅よりも小さいことを特徴とする回転電機用ステータコア。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１に記載の回転電機用ステータコアにおいて、
   前記スリットは、前記ヨークにおいて、前記各ティースの周方向両端の根元部近傍で、前記根元部の周方向の最大幅を維持するように径方向外側に向かって互いに平行に形成されていることを特徴とする回転電機用ステータコア。

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