JP7150957B1 - 固定子 - Google Patents

Abstract

【課題】 分割鉄心の変形を抑制することが可能な固定子を提供する。【解決手段】 実施形態によれば、固定子は、電磁鋼板が複数枚積層された分割鉄心が前記電磁鋼板の積層方向に平行な軸を中心とする円周方向に複数並んでいる固定子鉄心と、一端に前記固定子鉄心に嵌合された第１端部と他端に前記固定子鉄心に間隔を置いて対向する第２端部とを含む内周面を有し、前記第１端部から前記第２端部の間において前記固定子鉄心との間に隙間を形成するように前記固定子鉄心を囲んで設けられたケースと、前記隙間に充填された接着剤と、を備える。【選択図】 図５

Description

本発明の実施形態は、固定子に関する。

モータや発電機などの回転電機は、円筒状の固定子と、固定子に対して回転自在に設けられた回転子とを備えている。固定子は、それぞれ巻線が巻装された複数の分割鉄心を円筒状に並べた固定子鉄心と、固定子鉄心の外周に嵌合された筒状のケースとを備えている。固定子鉄心は、ケースにより円筒状に保持されている。

特開２０１１－２５４６２４号公報 特許第４６６８１３０号公報 特許第５２４３５１１号公報 特開２００７－１０４８７７号公報

固定子の組立てにおいて、焼き嵌めあるいは圧入などによりケースを固定子鉄心に嵌合させると、ケースは径方向内側に向けて固定子鉄心を締め付ける。ケースの固定子鉄心に対する締め付け力が増大すると、分割鉄心には座屈などによる変形の発生が懸念される。

本発明の実施形態の課題は、分割鉄心の変形を抑制することが可能な固定子を提供することである。

実施形態によれば、固定子は、電磁鋼板が複数枚積層された分割鉄心が前記電磁鋼板の積層方向に平行な軸を中心とする円周方向に複数並んでいる固定子鉄心と、一端に前記固定子鉄心に嵌合された第１端部と他端に前記固定子鉄心に間隔を置いて対向する第２端部とを含む内周面を有し、前記第１端部から前記第２端部の間において前記固定子鉄心との間に隙間を形成するように前記固定子鉄心を囲んで設けられたケースと、前記隙間に充填された接着剤と、を備える。

図１は、回転電機の固定子の固定子鉄心とケースとを分解して示す分解斜視図。 図２は、前記固定子の分割鉄心部を示す斜視図。 図３は、前記分割鉄心部の分割鉄心を示す斜視図。 図４は、前記固定子の斜視図。 図５は、図４のＶ－Ｖ線に沿って示す前記固定子の断面図。 図６は、前記固定子鉄心と前記ケースとの組立工程の一例を示す断面図。 図７は、前記固定子鉄心と前記ケースとの組立工程の一例を示す断面図。 図８は、前記固定子鉄心と前記ケースとの組立工程の一例を示す断面図。 図９は、前記固定子鉄心と前記ケースとの組立工程の他の例を示す断面図。 図１０は、前記固定子鉄心と前記ケースとの組立工程の他の例を示す断面図。

以下に、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。
なお、開示はあくまで一例にすぎず、以下の実施形態に記載した内容により発明が限定されるものではない。当業者が容易に想到し得る変形は、当然に開示の範囲に含まれる。説明をより明確にするため、図面において、各部分のサイズ、形状などを実際の実施態様に対して変更して模式的に表す場合もある。

図１は、回転電機の固定子１の固定子鉄心１０とケース２０とを分解して示す分解斜視図である。回転電機は、例えば、鉄道車両、ハイブリッド自動車および電気自動車において、主電動機、駆動モータあるいは発電機などに適用される。回転電機は、例えば、３相（Ｕ相、Ｖ相およびＷ相）の交流電源によって駆動される。

図１に示すように、固定子１は、固定子鉄心１０と、固定子鉄心１０の外周に嵌合される筒状のケース２０と、電極端子３５と、複数本のコイル３７と、を備えている。固定子鉄心１０は、複数、例えば、２４個の分割鉄心部１０Ａを軸Ｃに対して円筒状に並べて形成される。隣合う分割鉄心部１０Ａが互いに連結することにより、固定子鉄心１０を構成している。以下の説明では、軸Ｃの延在方向を軸方向Ｚ、軸Ｃを中心とする円周方向ＤＲ、軸方向Ｚおよび円周方向ＤＲに直交する方向を径方向ＤＣと定義する。

各々の分割鉄心部１０Ａは、分割鉄心３１と、分割鉄心３１に装着された絶縁性を有する巻線ホルダ（第１巻線ホルダ３２および第２巻線ホルダ３３）とで構成されている。コイル３７は、分割鉄心部１０Ａに対して、集中巻きの構成で巻き付けられている。すなわち、１本のコイル３７が、１つの分割鉄心部１０Ａに巻き付けられている。

電極端子３５は、外部の電源からコイル３７に入力される電流の入力端子である。電極端子３５は、Ｕ相の８本のコイル３７に接続されるＵ相電極端子３５Ｕと、Ｖ相の８本のコイル３７に接続されるＶ相電極端子３５Ｖと、Ｗ相の８本のコイル３７に接続されるＷ相電極端子３５Ｗと、を含んでいる。

ケース２０は、固定子鉄心１０を径方向ＤＣ外側から支持する。ケース２０は、それぞれ外周部から突出した複数（例えば、４つ）の固定部２２を有し、これらの固定部２２は円周方向ＤＲにほぼ等しい間隔を置いて設けられている。各々の固定部２２は、例えば、ボルトなどを用いて図示しない保持部材に固定される。

次に、分割鉄心部１０Ａの構成について説明する。図２はコイル３７が装着された１つの分割鉄心部１０Ａを示す斜視図であり、図３は分割鉄心部１０Ａの分割鉄心３１を示す斜視図である。

図２に示すように、分割鉄心部１０Ａは、分割鉄心３１と、分割鉄心３１に装着された巻線ホルダと、を有している。巻線ホルダには、コイル３７が巻き付けられ保持されている。巻線ホルダは、分割鉄心３１の軸方向Ｚの一方側に装着された絶縁性を有する第１巻線ホルダ３２と、分割鉄心３１の軸方向Ｚの他方側に装着された絶縁性を有する第２巻線ホルダ３３とで構成されている。

第１巻線ホルダ３２は、コイル３７が巻き付けられる装着部３２Ｂと、バスバーリングあるいは接続配線をガイドするガイド部３２Ｃとを一体に有している。第２巻線ホルダ３３は、コイル３７が巻き付けられる装着部３３Ｂと、バスバーリングあるいは接続配線をガイドするガイド部３３Ｃとを一体に有している。コイル３７は、第１巻線ホルダ３２および第２巻線ホルダ３３を介して、後述する分割鉄心３１のティース３１Ｑに巻き付けられている。

図３に示すように、分割鉄心３１は、磁性を有する複数枚の電磁鋼板３１Ｓを軸方向Ｚに積層した積層体で構成されている。電磁鋼板３１Ｓの積層方向は、軸Ｃに平行な方向である。軸方向Ｚに隣合う電磁鋼板３１Ｓは、例えば外周面が溶接されて、互いに連結される。電磁鋼板３１Ｓは、例えばプレス成形することにより形成される。

分割鉄心３１は、円周方向ＤＲに延びる円弧状のヨーク３１Ｐと、ヨーク３１Ｐの内周から径方向ＤＣ内側に延出したほぼ長方形状のティース３１Ｑと、を有している。ヨーク３１Ｐおよびティース３１Ｑは、分割鉄心３１の軸方向Ｚに延びている。

ヨーク３１Ｐは、円弧状の外周面３１ａと、それぞれ径方向ＤＣに延び互いに円周方向ＤＲに対向した一対の端面３１ｂ，３１ｃと、を有している。端面３１ｂには軸方向Ｚに延びた凸部３１ｄが形成され、端面３１ｃには軸方向Ｚに延びた凹部３１ｅが形成されている。複数の分割鉄心３１を円周方向ＤＲに並べて配置した際、ヨーク３１Ｐの凸部３１ｄが隣接するヨーク３１Ｐの凹部３１ｅに嵌合することで、隣合う分割鉄心３１同士を連結することができる。

ティース３１Ｑは、ヨーク３１Ｐの円周方向ＤＲの幅よりも小さい幅を置いて互いに対向する一対の側面と、一対の側面の一端同士を接続する先端面と、を有している。図３に示す例において、ティース３１Ｑは、先端部から円周方向ＤＲに突出し軸方向Ｚに延びる一対の凸部３１Ｒを一体に有している。

図２に示した第１巻線ホルダ３２は、軸方向Ｚの一方側から分割鉄心３１に装着され、ヨーク３１Ｐおよびティース３１Ｑに重ねて配置される。図２に示した第２巻線ホルダ３３は、軸方向Ｚの他方側から分割鉄心３１に装着され、ヨーク３１Ｐおよびティース３１Ｑに重ねて配置される。

上述した複数の分割鉄心部１０Ａを円筒状に並べて配置し、分割鉄心３１の凸部３１ｄを隣接する他の分割鉄心３１の凹部３１ｅに嵌合し、隣合う分割鉄心３１を互いに連結することにより、図１に示した固定子鉄心１０が構成される。

次に、固定子１の構成について説明する。図４は固定子１の斜視図であり、図５は、図４のＶ－Ｖ線に沿って示す固定子１の断面図である。なお、図５以降においては、コイル３７および巻き線ホルダなどの図示を省略している。

図４および図５に示すように、固定子鉄心１０は、ケース２０内に挿入されている。図５に示すように、固定子鉄心１０は、軸方向Ｚに平行に延びる外周面１１を有している。ここで、平行とは、軸方向Ｚに対して外周面１１がわずかに傾いている場合も含む。外周面１１は、上述の分割鉄心３１の外周面３１ａが円周方向ＤＲに並ぶことで構成される。外周面１１は、軸方向Ｚの一端に円周方向ＤＲに沿って設けられた端部１１ａと、軸方向Ｚの他端に円周方向ＤＲに沿って設けられた端部１１ｂと、を有している。

図５に示す例においてケース２０は、円錐台状に形成されている。ケース２０は、軸Ｃに対して傾斜する内周面２１を有している。内周面２１は、軸方向Ｚの一端に円周方向ＤＲに沿って設けられた端部２１ａ（第１端部）と、軸方向Ｚの他端に円周方向ＤＲに沿って設けられた端部２１ｂ（第２端部）と、を有している。ケース２０の外周面は、例えば内周面２１と同様に傾斜している。

図５に示す例において、内周面２１は、軸方向Ｚにおいて端部２１ｂから端部２１ａに向かうに従い、軸Ｃに近づくように角度θ傾斜するテーパ面である。内周面２１の内径は、軸方向Ｚにおいて端部２１ｂから端部２１ａに向かうに従い小さくなっている。角度θは、例えば、ケース２０を金型により成形する際の抜き勾配に相当する。角度θは、例えば０．５度～５度である。ケース２０を金型により成形した後、端部２１ａは、内径の精度を出す加工がされてもよい。

ケース２０は、固定子鉄心１０を囲んで設けられている。ケース２０の内周面２１が固定子鉄心１０の外周面１１に対向し、内周面２１と外周面１１との間には隙間Ｇが形成される。端部２１ａは端部１１ａに嵌合され、端部２１ｂは端部１１ｂに間隔を置いて対向している。端部２１ａが端部１１ａに嵌合される前において、内周面２１における端部２１ａの内径は、固定子鉄心１０の外周面１１の外径よりも小さい。内周面２１における端部２１ｂの内径は、固定子鉄心１０の外周面１１の外径よりも大きい。

端部１１ａは、円周方向ＤＲに沿って端部２１ａに接している。隙間Ｇは、端部２１ａから端部２１ｂの間において、端部２１ｂおよびその近傍から軸方向Ｚに形成される。他の観点からは、内周面２１は、外周面１１の全面とは接していない。

上述のように内周面２１は傾斜しているため、隙間Ｇにおける径方向ＤＣの外周面１１と内周面２１との間隔Ｗは、軸方向Ｚにおいて端部２１ａから端部２１ｂに向かうに従い増加している。図５に示す例において、間隔Ｗは、端部２１ａから端部２１ｂに向かうに従い単調に増加している。隙間Ｇは、例えば、軸方向Ｚにおいて端部２１ｂから端部２１ａに向けて先細り形状をなしている。

固定子１は、隙間Ｇに設けられた接着剤４０をさらに備えている。接着剤４０は、例えば隙間Ｇに全体的に充填されている。接着剤４０は、隙間Ｇに充填され硬化することで、ケース２０の内周面２１と固定子鉄心１０の外周面１１とを固定している。接着剤４０は、一例として熱硬化性のエポキシ樹脂である。隙間Ｇの間隔Ｗが端部２１ａから端部２１ｂに向かうに従い増加しているため、接着剤４０は端部２１ａから端部２１ｂに向かうに従い多く充填される。

ケース２０内に固定子鉄心１０が挿入され、固定子鉄心１０の外周面１１がケース２０の内周面２１に嵌合した際、内周面２１の端部２１ａは、円周方向ＤＲに沿って外周面１１の端部１１ａと接する。端部１１ａと端部２１ａとの間の締め代により、端部２１ａは径方向ＤＣ外側から径方向ＤＣ内側に向けて端部１１ａを押圧し締め付ける。

ここで、締め代とは、端部２１ａが端部１１ａに嵌合される前において、端部２１ａにおけるケース２０の内径と端部１１ａにおける固定子鉄心１０の外径との差を意味する。締め代は、一例として、固定子鉄心１０の外周面１１がケース２０の内周面２１に嵌合した際、分割鉄心３１を構成する電磁鋼板３１Ｓが押し出されたり、変形したりしない範囲において規定される。

端部２１ａが円周方向ＤＲに沿って端部１１ａに接し、端部１１ａを締め付けることにより、複数の分割鉄心部１０Ａにより構成される固定子鉄心１０は円筒状に保持される。さらに、隙間Ｇに設けられた接着剤４０により、ケース２０と固定子鉄心１０とは接着固定される。

次に、固定子鉄心１０とケース２０との組立工程の一部を説明する。図６乃至図８は、固定子鉄心１０とケース２０との組立工程の一例を示す断面図である。

図６においては、ケース２０内に固定子鉄心１０が挿入される前の状態を示している。図６に示すように、固定子鉄心１０およびケース２０は、軸方向Ｚに配置されている。固定子鉄心１０は、複数の分割鉄心部１０Ａを円筒状に並べて配置されている。ケース２０は、内周面２１の端部２１ｂが固定子鉄心１０の外周面１１の端部１１ａ側に位置するように配置されている。

図６に矢印を付して示すようにケース２０内に固定子鉄心１０が挿入されると、図７に示すように、固定子鉄心１０の外周面１１がケース２０の内周面２１に嵌合する。この場合、固定された固定子鉄心１０に対して、ケース２０を軸方向Ｚに移動させている。図７に示す例においては、径方向ＤＣにおいて、端部１１ａは端部２１ａに対向し、端部１１ｂは端部２１ｂに対向している。

端部２１ａが円周方向ＤＲに沿って端部１１ａに接し、径方向ＤＣ内側に端部１１ａを締め付けることにより、固定子鉄心１０は円筒状に保持され、ケース２０に対する固定子鉄心１０の相対的な位置が決められている。これにより、固定子鉄心１０の軸とケース２０の軸とを合わせることができる。さらに、内周面２１と外周面１１との間には、隙間Ｇが形成されている。隙間Ｇの形状などについては、図５を用いて説明した通りである。

次に、図８に示すように図７に示す状態から固定子１の上下が反転される。隙間Ｇは、軸方向Ｚの上方に向けて開口している。次に、ディスペンサ５０などの液体定量吐出装置を用いて、接着剤４０が隙間Ｇに向けて吐出される。ディスペンサ５０により隙間Ｇを満たす所定量の接着剤４０を吐出することで、接着剤４０が隙間Ｇに全体的に充填される。隙間Ｇは上方に開口しているため、充填された接着剤４０は隙間Ｇから流出しにくい。

さらに、接着剤４０の一部は、隙間Ｇから分割鉄心３１を構成する電磁鋼板３１Ｓの間に含浸する。そして、接着剤４０が硬化することで、接着剤４０はケース２０の内周面２１と固定子鉄心１０の外周面１１とを接着固定する。

図９および図１０は、固定子鉄心１０とケース２０との組立工程の他の例を示す断面図である。図９においては、ケース２０内に固定子鉄心１０が挿入される前の状態を示している。

図９に示すように、固定子鉄心１０およびケース２０は、軸方向Ｚに配置されている。固定子鉄心１０は、複数の分割鉄心部１０Ａを円筒状に並べて配置されている。ケース２０は、内周面２１の端部２１ｂが固定子鉄心１０の外周面１１の端部１１ａ側に位置するように配置されている。

図９に示すように、固定子鉄心１０の外周面１１の一部には、接着剤４０が塗布されている。接着剤４０は、円周方向ＤＲに沿って外周面１１に環状に塗布されている。接着剤４０は、径方向ＤＣに所定の幅を有している。例えば、外周面１１のうちケース２０により締め付けられる側の端部（例えば、端部１１ａ）またはその近傍に、接着剤４０は塗布されている。塗布された接着剤４０の量は、例えば隙間Ｇを全体的に満たす量に相当する。

図９に示すように外周面１１に接着剤４０を塗布する場合、接着剤４０の粘度は高いほうが好ましい。例えば接着剤の粘度は、１００Ｐａ・ｓ以上が好ましく、より好ましくは１４０Ｐａ・ｓ以上である。上述の粘度を有する接着剤４０であれば、外周面１１に塗布した場合に、図９に示すように円周方向ＤＲに環状に設けることができる。上述の粘度を有する接着剤４０は、図６乃至図８を用いて説明した組立工程に適用されてもよい。

図９に矢印を付して示すようにケース２０内に固定子鉄心１０が挿入されると、図１０に示すように、固定子鉄心１０の外周面１１がケース２０の内周面２１に嵌合する。この場合、固定された固定子鉄心１０に対して、ケース２０を軸方向Ｚに移動させている。図１０に示す例においては、径方向ＤＣにおいて、端部１１ａは端部２１ａに対向し、端部１１ｂは端部２１ｂに対向している。

端部２１ａが円周方向ＤＲに沿って端部１１ａに接し、端部１１ａを締め付けることにより、固定子鉄心１０は円筒状に保持され、ケース２０に対する固定子鉄心１０の相対的な位置が決められている。これにより、固定子鉄心１０の軸とケース２０の軸とを合わせることができる。さらに、内周面２１と外周面１１との間には、隙間Ｇが形成されている。隙間Ｇの形状などについては、図５を用いて説明した通りである。

ケース２０内に固定子鉄心１０を挿入した際、ケース２０が軸方向Ｚに移動すると、接着剤４０は軸方向Ｚに沿って内周面２１により押し広げられ、外周面１１に塗り広げられる。固定子鉄心１０の外周面１１がケース２０の内周面２１に嵌合すると、接着剤４０は隙間Ｇに充填されている。

さらに、接着剤４０の一部は、隙間Ｇから分割鉄心３１を構成する電磁鋼板３１Ｓの間に含浸する。そして、接着剤４０が硬化することで、接着剤４０はケース２０の内周面２１と固定子鉄心１０の外周面１１とを接着固定する。

以上のように構成された本実施形態に係る固定子１によれば、固定子鉄心１０の外周面１１とケース２０の内周面２１とは、端部２１ａにおいて円周方向ＤＲに沿って外周面１１の端部１１ａと接し、端部２１ｂおよびその近傍から軸方向Ｚに隙間Ｇが形成されている。

ケース２０を固定子鉄心１０に嵌合させた際に、端部２１ａが端部１１ａを締め付けるため、固定子鉄心１０は円筒状に保持される。ケース２０は固定子鉄心１０の形状を保持すればよいため、ケース２０の固定子鉄心１０に対する締め付け力は、固定子鉄心１０の形状を保持するために必要な範囲において小さくすることができる。

他の観点からは、端部１１ａと端部２１ａとの間の締め代は、内周面２１と外周面１１とを全面において嵌合（焼き嵌め、あるいは圧入）させる場合と比較して、小さくすることができる。締め代を小さくすることで、ケース２０の締め付け力は小さくなる。

すなわち、締め付け力を小さくすることで、ケース２０を固定子鉄心１０に嵌合させた際に分割鉄心３１の電磁鋼板３１Ｓが押し出されたり変形したりすることを抑制し、分割鉄心３１の変形や破損を防止することができる。

さらに、固定子鉄心１０を円筒状に保持するための締め代であれば、締め代の管理が容易になるため、固定子鉄心１０の外径に応じて、予め規定された締め代の範囲に合わせて、内径の異なる複数のケース２０を準備する必要がない。

隙間Ｇには接着剤４０が設けられているため、内周面２１と外周面１１とが全面において嵌合しなくとも接着剤４０により固定子鉄心１０とケース２０とを固定することができる。接着剤４０により固定子鉄心１０とケース２０とを固定する場合においては、焼き嵌めにより嵌合させなくともよい。

以上説明したように本実施形態によれば、分割鉄心３１の変形を抑制することが可能な固定子１を提供することができる。なお、隙間Ｇにおいて、ケース２０の内周面２１と外周面１１との間隔Ｗは、端部２１ａから端部２１ｂに向かうに従い単調に増加しなくともよい。端部２１ａと端部２１ｂとの間において、隙間Ｇは、極小値を持つような間隔Ｗを含んでもよい。端部２１ａから端部２１ｂの間において、隙間Ｇは、一定の間隔Ｗを有する部分を含んでもよいし、一定の間隔Ｗを有する部分と間隔Ｗが単調に増加する部分とを含んでもよい。

なお、図６および図９において固定された固定子鉄心１０に対してケース２０を軸方向Ｚに移動させる例を説明したが、固定されたケース２０に対して固定子鉄心１０を軸方向Ｚに移動させてもよい。なお、図８においてディスペンサ５０を用いて接着剤４０を隙間Ｇに充填する例を説明したが、他の方法として射出成形機を用いて隙間Ｇに固定子鉄心１０とケース２０とを固定するための樹脂材料を注入または圧入してもよい。

なお、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態や変形例は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１…固定子、１０…固定子鉄心、１１…外周面、２０…ケース、２１…内周面、２１ａ…端部（第１端部）、２１ｂ…端部（第２端部）、３１…分割鉄心、３１Ｓ…電磁鋼板、４０…接着剤、Ｇ…隙間。

Claims (1)

1. 電磁鋼板が複数枚積層された分割鉄心が前記電磁鋼板の積層方向に平行な軸を中心とする円周方向に複数並んでいる固定子鉄心と、
   一端に前記固定子鉄心に嵌合された第１端部と他端に前記固定子鉄心に間隔を置いて対向する第２端部とを含む内周面を有し、前記第１端部から前記第２端部の間において前記固定子鉄心との間に隙間を形成するように前記固定子鉄心を囲んで設けられたケースと、
   前記隙間に充填された接着剤と、を備える、
   固定子。

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