WO2013024700A1 - 回転電機 - Google Patents
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Abstract
回転電機は、ハウジング、および、ハウジングに焼き嵌めにより固定される円筒状のステータコアを有するステータと、ステータの内側に回転可能に配設されたロータとを備える。ステータコアは、周方向に2つ以上に分割された分割コアで構成されている。分割コアの分割面の形状は、分割コアの分割面において、外径側の分割面における焼き嵌めによって生じる歪み量が、内径側の分割面における焼き嵌めによって生じる歪み量よりも大きくなるようにして決定される。
Description
本発明は、回転電機に関する。
回転電機は、ロータとステータとを備えており、ステータにはステータコイルが巻き回されている。回転電機をモータとして動作させて機械的動力を得る場合は、ステータコイルに電流を流してロータに回転力を付与する。回転電機により発電して電力を得る場合には、ロータを外部からの回転力により回転させ、ステータコイルに発生する電流を取り出す。
回転電機を動作させる際には、ステータコイルに電流を流すことにより生じる銅損や、ステータコアに渦電流が流れることにより生じる鉄損などの損失が生じるため、これらの損失を低減することが重要である。
一般に、鉄損を低減する技術のひとつとして、ステータコアを互いに電気的に絶縁した薄板状の電磁鋼板を積層することがある。この場合、帯状の電磁鋼板をステータコアの形状である円環状に打ち抜き、打ち抜いた円環状の鋼板を複数枚積層することでステータコアを形成するが、ステータコアの形状に打ち抜いたあとの残りの電磁鋼板が無駄になるため、歩留まり性が悪い。
そこで、ステータコア製造の歩留まり性を向上するために、ステータコアを複数の分割コアで形成することが知られている(特許文献1参照)。特許文献1には、材料歩留まり性を向上させるためのDCモータ用ステータコアの打ち抜き配置方法が記載されている。このような分割コアを用いた回転電機は材料コストの面で有利であり、広く採用されている。
分割コアで形成されるステータコアは、ハウジングにより固定される。ステータコアとハウジングとを固定する方法のひとつとして、焼き嵌めが広く適用されている。焼き嵌めは、ハウジングをあらかじめ高温に熱し、その熱膨張によりハウジングの内径を拡大した状態でステータコアに嵌め込み、そのまま冷却することで、ステータコアをハウジングにより締め付けて固定する方法である。
常温におけるステータコアの外径寸法とハウジングの内径寸法との差である締め代は、ステータコアが運転時におけるロータのトルクによる反作用によってハウジングに対して空転しないように設定されている。
締め代を大きく設定しておき、ハウジングによる締め付け力を大きくすることで、複数の分割コアから構成されるステータコアを安定して固定することができる。しかしながら、前述の通り分割コアは、薄板状の電磁鋼板を積層することで形成されており、電磁鋼板の一枚の強度は高くない。したがって、締め付け力を大きくすると、隣接する分割コア同士が押し合うことで隣接する分割コア同士の接触部が破損してしまうことがあった。
本発明の第1の態様によると、回転電機は、ハウジング、および、ハウジングに焼き嵌めにより固定される円筒状のステータコアを有するステータと、ステータの内側に回転可能に配設されたロータとを備え、ステータコアは、周方向に2つ以上に分割された分割コアで構成され、分割コアの分割面において、外径側の分割面における焼き嵌めによって生じる歪み量が、内径側の分割面における焼き嵌めによって生じる歪み量よりも大きくなるように、分割コアの分割面の形状を決定する。
本発明の第2の態様によると、第1の態様の回転電機において、外径側の分割面と、内径側の分割面との間には、隣接する分割コア同士を嵌合するための凹凸の嵌合部が設けられていることが好ましい。
本発明の第3の態様によると、第1または2の態様の回転電機において、外径側の分割面は、内径側の分割面よりも周方向に突出していることが好ましい。
本発明の第4の態様によると、第1または2の態様の回転電機において、ハウジングを焼き嵌めする前には、一の分割コアの外径側の分割面と一の分割コアに隣接する他の分割コアの外径側の分割面とを当接させたとき、一の分割コアの内径側の分割面と他の分割コアの内径側の分割面との間には隙間が形成され、ハウジングを焼き嵌めした後には、一の分割コアの内径側の分割面と他の分割コアの内径側の分割面とが当接するように分割コアの分割面の形状を決定することが好ましい。
本発明の第5の態様によると、第1または2の態様の回転電機において、分割コアの内径側の分割面は、曲線状に面取りされていることが好ましい。
本発明の第6の態様によると、第1または2の態様の回転電機において、分割コアの内径側の分割面は、直線状に面取りされていることが好ましい。
本発明の第2の態様によると、第1の態様の回転電機において、外径側の分割面と、内径側の分割面との間には、隣接する分割コア同士を嵌合するための凹凸の嵌合部が設けられていることが好ましい。
本発明の第3の態様によると、第1または2の態様の回転電機において、外径側の分割面は、内径側の分割面よりも周方向に突出していることが好ましい。
本発明の第4の態様によると、第1または2の態様の回転電機において、ハウジングを焼き嵌めする前には、一の分割コアの外径側の分割面と一の分割コアに隣接する他の分割コアの外径側の分割面とを当接させたとき、一の分割コアの内径側の分割面と他の分割コアの内径側の分割面との間には隙間が形成され、ハウジングを焼き嵌めした後には、一の分割コアの内径側の分割面と他の分割コアの内径側の分割面とが当接するように分割コアの分割面の形状を決定することが好ましい。
本発明の第5の態様によると、第1または2の態様の回転電機において、分割コアの内径側の分割面は、曲線状に面取りされていることが好ましい。
本発明の第6の態様によると、第1または2の態様の回転電機において、分割コアの内径側の分割面は、直線状に面取りされていることが好ましい。
本発明によれば、焼き嵌めの際、隣接する分割コア同士の接触部における破損を防止することができる。
本発明による回転電機の実施の形態を、図面を参照して説明する。
本実施の形態に係る回転電機は、電気自動車やハイブリッド型電気自動車の走行に使用するのが好適な回転電機である。
本実施の形態に係る回転電機は、電気自動車やハイブリッド型電気自動車の走行に使用するのが好適な回転電機である。
-第1の実施の形態-
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る回転電機を搭載したハイブリッド型電気自動車の概略構成を示す図である。
図1に示すように、ハイブリッド型電気自動車(以下、車両)100には、エンジン120と、第1の回転電機200と、第2の回転電機202と、バッテリ180とが搭載されている。
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る回転電機を搭載したハイブリッド型電気自動車の概略構成を示す図である。
図1に示すように、ハイブリッド型電気自動車(以下、車両)100には、エンジン120と、第1の回転電機200と、第2の回転電機202と、バッテリ180とが搭載されている。
バッテリ180は、リチウムイオン電池あるいはニッケル水素電池などの二次電池やキャパシタで構成され、250ボルトから600ボルト、あるいはそれ以上の高電圧の直流電力を出力する。バッテリ180は、力行走行時には回転電機200,202に直流電力を供給し、回生走行時には回転電機200,202から直流電力を受ける。バッテリ180と回転電機200,202との間の直流電力の授受は、電力変換装置600を介して行われる。
車両100には低電圧電力(たとえば、14ボルト系電力)を供給するバッテリ(不図示)が搭載されており、以下に説明する制御回路に直流電力を供給する。
エンジン120および回転電機200,202による回転トルクは、変速機130とデファレンシャルギア160を介して前輪110に伝達される。変速機130は変速機制御装置134により制御され、エンジン120はエンジン制御装置124により制御され、バッテリ180の充放電は、バッテリ制御装置184により制御される。
変速機制御装置134、エンジン制御装置124、バッテリ制御装置184および電力変換装置600には、通信回線174を介して統合制御装置170が接続されている。
統合制御装置170は、変速機制御装置134、エンジン制御装置124、電力変換装置600およびバッテリ制御装置184の状態を表す情報を、通信回線174を介してそれらからそれぞれ受け取る。統合制御装置170は、取得したそれらの情報に基づき各制御装置の制御指令を演算する。演算された制御指令は通信回線174を介してそれぞれの制御装置へ送信される。
バッテリ制御装置184は、バッテリ180の充放電状況やバッテリ180を構成する各単位セル電池の状態を、通信回線174を介して統合制御装置170に出力する。
統合制御装置170は、バッテリ制御装置184からの情報に基づいてバッテリ180の充電が必要と判断すると、電力変換装置600に発電運転の指示を出す。
統合制御装置170は、エンジン120および回転電機200,202の出力トルクの管理、エンジン120の出力トルクと回転電機200,202の出力トルクとの総合トルクやトルク分配比の演算処理を行い、その演算処理結果に基づく制御指令を、変速機制御装置134、エンジン制御装置124および電力変換装置600へ送信する。
電力変換装置600は、統合制御装置170からのトルク指令に基づき、指令通りのトルク出力あるいは発電電力が発生するように回転電機200,202を制御する。電力変換装置600にはインバータを構成するパワー半導体素子が設けられている。電力変換装置600は、統合制御装置170からの指令に基づきパワー半導体素子のスイッチング動作を制御する。パワー半導体素子のスイッチング動作により、回転電機200,202は電動機としてあるいは発電機として運転される。
回転電機200,202を電動機として運転する場合は、高電圧のバッテリ180からの直流電力が電力変換装置600のインバータの直流端子に供給される。電力変換装置600は、パワー半導体素子のスイッチング動作を制御して供給された直流電力を3相交流電力に変換し、回転電機200,202に供給する。
一方、回転電機200,202を発電機として運転する場合には、ロータが外部から加えられる回転トルクで回転駆動され、ステータコイルに3相交流電力が発生する。発生した3相交流電力は電力変換装置600で直流電力に変換され、その直流電力が高電圧のバッテリ180に供給されることにより、バッテリ180が充電される。
図2は、図1の電力変換装置600の回路図である。電力変換装置600には、第1の回転電機200のための第1のインバータ装置と、第2の回転電機202のための第2のインバータ装置とが設けられている。第1のインバータ装置は、パワーモジュール610と、パワーモジュール610の各パワー半導体素子21のスイッチング動作を制御する第1の駆動回路652と、回転電機200の電流を検知する電流センサ660とを備えている。駆動回路652は駆動回路基板650に設けられている。
第2のインバータ装置は、パワーモジュール620と、パワーモジュール620における各パワー半導体素子21のスイッチング動作を制御する第2の駆動回路656と、回転電機202の電流を検知する電流センサ662とを備えている。駆動回路656は駆動回路基板654に設けられている。
制御回路基板646に設けられた制御回路648、コンデンサモジュール630およびコネクタ基板642に実装された送受信回路644は、第1のインバータ装置と第2のインバータ装置とで共通に使用される。
パワーモジュール610,620は、それぞれ対応する駆動回路652,656から出力された駆動信号によって動作する。パワーモジュール610,620は、それぞれバッテリ180から供給された直流電力を3相交流電力に変換し、その電力を対応する回転電機200,202の電機子巻線であるステータコイルに供給する。パワーモジュール610,620は、回転電機200,202のステータコイルに誘起された交流電力を直流に変換し、高電圧のバッテリ180に供給する。
パワーモジュール610,620は、図2に示すように3相ブリッジ回路を備えており、3相に対応した直列回路が、それぞれバッテリ180の正極側と負極側との間に電気的に並列に接続されている。各直列回路は上アームを構成するパワー半導体素子21と下アームを構成するパワー半導体素子21とを備え、それらのパワー半導体素子21は直列に接続されている。
パワーモジュール610とパワーモジュール620とは、図示するように、回路構成がほぼ同じであるため、ここではパワーモジュール610を代表して説明する。
本実施の形態では、スイッチング用パワー半導体素子としてIGBT(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)を用いている。IGBTは、コレクタ電極、エミッタ電極およびゲート電極の3つの電極を備えている。IGBTのコレクタ電極とエミッタ電極との間にはダイオード38が電気的に接続されている。ダイオード38は、カソード電極およびアノード電極の2つの電極を備えており、IGBTのエミッタ電極からコレクタ電極に向かう方向が順方向となるように、カソード電極がIGBTのコレクタ電極に、アノード電極がIGBTのエミッタ電極にそれぞれ電気的に接続されている。
各相のアームは、IGBTのエミッタ電極とIGBTのコレクタ電極とが電気的に直列に接続されて構成されている。なお、本実施の形態では、各相の各上下アームのIGBTを1つしか図示していないが、制御する電流容量が大きいので、実際には複数のIGBTが電気的に並列に接続されて構成されている。
各相の各上アームのIGBTのコレクタ電極はバッテリ180の正極側に、各相の各下アームのIGBTのエミッタ電極はバッテリ180の負極側にそれぞれ電気的に接続されている。各相の各アームの中点(上アーム側IGBTのエミッタ電極と下アーム側のIGBTのコレクタ電極との接続部分)は、対応する回転電機200,202の対応する相の電機子巻線(ステータコイル)に電気的に接続されている。
駆動回路652,656は、対応するインバータ装置のパワーモジュール610,620を制御するための駆動部を構成しており、制御回路648から出力された制御信号に基づいて、IGBTを駆動させるための駆動信号を発生する。それぞれの駆動回路652,656で発生した駆動信号は、対応するパワーモジュール610,620の各パワー半導体素子21のゲートにそれぞれ出力される。駆動回路652,656には、各相の各上下アームのゲートに供給する駆動信号を発生する集積回路がそれぞれ6個設けられており、6個の集積回路を1ブロックとして構成されている。
制御回路648は各インバータ装置の制御部を構成しており、複数のスイッチング用パワー半導体素子21を動作(オン・オフ)させるための制御信号(制御値)を演算するマイクロコンピュータによって構成されている。制御回路648には、統合制御装置170からのトルク指令信号(トルク指令値)、電流センサ660,662のセンサ出力、回転電機200,202に搭載された回転センサ(不図示)のセンサ出力が入力される。制御回路648はそれらの入力信号に基づいて制御値を演算し、駆動回路652,656にスイッチングタイミングを制御するための制御信号を出力する。
コネクタ基板642に実装された送受信回路644は、電力変換装置600と外部の制御装置との間を電気的に接続するためのもので、図1の通信回線174を介して他の装置と情報の送受信を行う。
コンデンサモジュール630は、パワー半導体素子21のスイッチング動作によって生じる直流電圧の変動を抑制するための平滑回路を構成するもので、パワーモジュール610,620における直流側の端子に電気的に並列に接続されている。
回転電機200,202の構造について説明する。第1の回転電機200と第2の回転電機202とはほぼ同様の構造であるため、以下では、第1の回転電機200の構造を代表例として説明する。なお、以下に示す構造は回転電機200,202の双方に採用されている必要はなく、一方だけに採用されていてもよい。
図3は本発明の第1の実施の形態に係る回転電機200を車両に取り付けた状態を模式的に示す一部断面模式図である。図3に示すように、回転電機200は、車両側のケース10の内部に配設されるものであり、ステータ230と、ステータ230の内周側に隙間をあけて回転可能に配設されたロータ250とを備えている。ケース10は、エンジンのケースや変速機のケースと一体的に設けられている。
ステータ230は、円筒状のハウジング(焼き嵌めリング)212と、ハウジング212内に固定されたステータコア232とを有している。ステータ230は、ハウジング212に設けられたフランジ215がボルト12によりケース10に締結されることで、ケース10内に固定されている。
図4は、本発明の第1の実施の形態に係る回転電機200を示す横断面模式図である。図3および図4に示すように、ロータ250は、ロータコア252と、永久磁石254とを備えている。ロータコア252にはシャフト218が一体回転するように装着されている。シャフト218は、図3に示すように、ケース10に設けられた軸受14,15により回転可能に保持されている。
シャフト218には、ロータ250の極の位置や回転速度を検出するレゾルバ224が設けられている。このレゾルバ224からの出力は、図2に示した制御回路648に入力される。制御回路648は、レゾルバ224からの出力に基づいて制御信号を駆動回路652に出力する。駆動回路652は、その制御信号に基づく駆動信号をパワーモジュール610に出力する。パワーモジュール610は、上述したように、制御信号に基づきスイッチング動作を行い、たとえば、バッテリ180から供給される直流電力を3相交流電力に変換する。この3相交流電力は図3および図4に示したステータコイル233に供給され、回転磁界がステータ230に発生する。3相交流電流の周波数はレゾルバ224の出力値に基づいて制御され、3相交流電流のロータ250に対する位相も同じくレゾルバ224の出力値に基づいて制御される。
図3および図4に示すように、ロータコア252の外周近傍には、永久磁石254が周方向に沿って等間隔に配設されている。永久磁石254はロータ250の界磁極として作用し、本実施の形態では16極構成となっている。3相交流電流をステータコイル233に流すことで回転磁界がステータ230に発生すると、この回転磁界がロータ250の永久磁石254に作用してトルクが生じる。
図3および図4に示すように、ステータ230は、円筒状のステータコア232と、ステータコイル233とを有している。本実施の形態では、回転電機200によって300kw程度の出力を得るために、ステータ230の直径は250mm程度とされている。
図4に示すように、ステータコイル233は、ステータコア232のティース238に巻回されている。図4では、便宜上、ステータコイル233が1つのティース238に巻回されている状態を模式的に示したが、実際には、ステータコイル233は各ティース238に巻回されている。
図5および図6は、ステータ230を示す外観斜視図および分解斜視図である。図5では、ステータコイル233の図示を省略している。図6では、ステータコイル233および後述する樹脂製ボビン239の図示を省略している。図4~図6に示すように、ステータコア232は、24個の分割コア237Aで構成され、24個の分割コア237Aが周方向に配設されることで円筒形状を呈している。換言すれば、ステータコア232は周方向に24個の分割コア237Aに分割されている。
図4および図6に示すように、分割コア組立体であるステータコア232の内周側には、ステータコア232の中心軸CL、すなわちロータ250の回転軸に平行な複数のスロット236とティース238とが周方向に等間隔となるように形成されている。分割コア237Aの各々は、1つのティース238を有し、周方向で隣接する一対の分割コア237Aとの間で1つのスロット236を区画するように平面視T字状(図4参照)に形成されている。
図7(a)は樹脂製ボビン239が取り付けられた分割コア237Aを示す斜視図であり、図7(b)は樹脂製ボビン239にステータコイル233が巻回された状態を示す斜視図である。分割コア237Aのティース238には、図5および図7(a)に示すように樹脂製ボビン239が取り付けられ、図7(b)に示すように、ステータコイル233は樹脂製ボビン239に集中的に巻回されている。図7(a)に示すように、樹脂製ボビン239の四隅の角部には、平角線からなるステータコイル233の巻乱れを防ぐ溝239Gが設けられている。
図8は分割コア237Aを示す斜視図である。図8に示すように、分割コア237Aは、厚さ0.05~1.0mm程度の珪素鋼板や電磁鋼板をプレス加工により打ち抜いて形成されたコアプレート235Aが複数枚積層されてなる。コアプレート235Aの積層方向(以下、コア積層方向ともいう)は、ロータ250の回転軸方向と平行とされている。
分割コア237Aは、周方向に配置されたれたときに円筒状のコアバックを構成するコアバック部261Aと、コアバック部261Aから径方向内方に突出するティース部262Aとを有している。
分割コア237Aのコアバック部261Aの周方向両端には、分割面300A,400Aが形成されており、複数の分割コア237Aを周方向に配置すると(図6参照)、一の分割コア237Aの分割面300Aと、一の分割コア237Aに隣接する他の分割コア237Aの分割面400Aとが接触する。
一の分割コア237Aの一方の分割面300Aには、一の分割コア237Aに隣接する他の分割コア237Aの他方の分割面400Aに設けられた凹面403Aと嵌合する凸面303Aが形成されている。一の分割コア237Aの他方の分割面400Aには、一の分割コア237Aに隣接する他の分割コア237Aの一方の分割面300Aに設けられた凸面303Aと嵌合する凹面403Aが形成されている。
このように、各分割コア237Aの分割面300A,400Aのそれぞれには、隣接する分割コア237Aと嵌合可能な凸面303Aと凹面403Aとが形成されているため、位置決めが容易であり、簡単に複数の分割コア237Aを円筒状に配列して分割コア組立体であるステータコア232を形成することができる。
分割面300Aは、凸面303Aと、凸面303Aを境界として形成されている外径側の分割面301Aおよび内径側の分割面302Aとを有している。分割面400Aは、凹面403Aと、凹面403Aを境界として形成されている外径側の分割面401Aおよび内径側の分割面402Aとを有している。
分割コア組立体であるステータコア232は、後述するように焼き嵌めによりハウジング212により固定される。焼き嵌めの際、ハウジング212の熱収縮により、隣接する一方の分割コア237Aの分割面300Aと他方の分割コア237Aの分割面400Aとが押し合うことになる。分割面300Aと分割面400Aとが押し合うことにより分割面300Aと分割面400Aには歪みが生じる。
本実施の形態では、分割コア237の分割面において、外径側の分割面301A,401Aにおける焼き嵌めによって生じる歪み量が、内径側の分割面302A,402Aにおける焼き嵌めによって生じる歪み量よりも大きくなるように、分割コア237Aの分割面300A,400Aの形状が決定されている。分割面300A,400Aの形状については後述する。
図4~図6に示すように、ハウジング(焼き嵌めリング)212は、厚さ2~5mm程度の鋼板(高張力鋼板など)からなり、絞り加工により円筒形状に形成されている。ハウジング212の内径は、ステータコア232の外周に焼き嵌め可能な寸法であり、その寸法精度は、1/10~1/100mm程度である。ハウジング212の内径および厚さは、焼き嵌めにより生じる引張応力等を考慮して設定されている。
図5および図6に示すように、ハウジング212の一方の端部には、ケース10との取付部であるフランジ215が複数設けられている。複数のフランジ215は、円筒状のハウジング212の一端面周縁において、径方向外方に突設されている。
ステータコア232は、ハウジング212の内側に焼き嵌めにより固定される。具体的な組み立て方法としては、分割コア237Aを円筒状に組立てたステータコア232を配置しておき、分割コア組立体であるステータコア232に予め加熱して熱膨張により内径を広げておいたハウジング212を嵌め込む。ハウジング212を冷却して内径を収縮させることで、その熱収縮によりステータコア232の外周部を締め付ける。
運転時におけるロータ250のトルクによる反作用によって、ハウジング212に対してステータコア232が空転しないように、ハウジング212の内径寸法は、ステータコア232の外径寸法よりも所定値だけ小さく設定され、焼き嵌めによりステータコア232がハウジング212内に強固に固定されるようになっている。
ここで、常温におけるステータコア232の外径と、ハウジング212の内径との差を締め代といい、この締め代を回転電機200の最大出力時に発生する最大トルクを想定して設定することで、ハウジング212は所定の締め付け力によりステータコア232を保持することになる。
ハウジング212が収縮することにより締め付け力がステータコア232に作用すると、隣接する分割コア237A同士が押し合うため、分割コア237A同士の接触部に圧縮応力が発生する。
ステータコア232は、上記したように、回転電機200の損失を低減するために、0.05~1.0mm程度の珪素鋼板や電磁鋼板を積層することで形成されている。このように、ステータコア232を構成する電磁鋼板は非常に薄いため、ステータコア232は、コア積層方向の力に対しては高い強度を有しているがコア積層方向に直交する方向(ロータ250の回転軸に直交する径方向と周方向に相当)の力に対する強度は低い。
従来、ハウジング212をステータコア232に焼き嵌めする際に生じる圧縮応力により、分割コア237A同士の接触部が破損(座屈)することがあった。なお、分割コア237Aは、焼き嵌めによって外周部がハウジング212によって保持され、内周側は保持されていない。そのため、コアバック部261Aの分割面300A,400Aのうち、内径側の分割面302A,402Aにおいて破損が生じていた。
そこで、本発明の第1の実施の形態では、ハウジング212を焼き嵌めすることにより内径側の分割面302A,402Aに生じる歪み量が外径側の分割面301A,401Aに生じる歪み量よりも小さくなるように、分割コア237Aの分割面300A,400Aの形状を決定した。その結果、焼き嵌めの際に発生する圧縮応力に起因した内径側の分割面302A,402Aにおける破損が防止されている。以下、詳細に説明する。
図9は、本発明の第1の実施の形態に係る回転電機200における分割コア237Aの分割面300A,400Aの形状を示す模式図である。図9(a)は、周方向に配置された分割コア237Aのうちの2つを示す平面模式図である。図9(b)は図9(a)のA部拡大図であり、焼き嵌め前の拡大図および焼き嵌め後の拡大図を模式的に示しており、焼き嵌め前に形成されている隙間34Aの幅を誇張して記している。図10は、焼き嵌め前の分割コア237Aを示す部分拡大模式図であり、図10(a)では図示左側の分割コア237Aを実線で、図示右側の分割コア237Aを二点鎖線で記し、図10(b)では図示右側の分割コア237Aを実線で、図示左側の分割コア237Aを二点鎖線で記した。
図9(a)に示すように、2つの分割コア237Aは、一の分割コア237A(図示左側の分割コアであり、以下、符号237ALを付す)の凸面303Aと分割コア237ALに隣接する他の分割コア237A(図示右側の分割コアであり、以下、符号237ARを付す)の凹面403Aとが嵌合した状態で配置されている。図9(b)、図10(a)および図10(b)に示すように、焼き嵌め前の状態において、分割コア237ALの外径側の分割面301Aと、分割コア237ARの外径側の分割面401Aとは当接している。図10(a)および図10(b)に示すように、分割面301Aと分割面401Aとの当接面は、図示する仮想平面X上に位置している。仮想平面Xは、図6に示すステータコア232の中心軸CL、すなわちロータ250の回転軸を面内に含んでいる。
図10(a)に示すように、図示左側の分割コア237ALの内径側の分割面302Aは、仮想平面Xよりも図示左側に位置している。図10(b)に示すように、図示右側の分割コア237ARの内径側の分割面402Aは、仮想平面Xよりも図示右側に位置している。すなわち、図示左側の分割コア237ALは、外径側の分割面301Aが内径側の分割面302Aよりも周方向に突出するように形成されている。同様に、図示右側の分割コア237ARは、外径側の分割面401Aが内径側の分割面402Aよりも周方向に突出するように形成されている。
図9(b)に示すように、焼き嵌めする前の状態では、複数の分割コア237Aを周方向に配置して、隣接する一方の分割コア237ALの外径側の分割面301Aと、他方の分割コア237ARの外径側の分割面401Aとを当接させたとき、分割コア237ALの内径側の分割面302Aと、分割コア237ARの内径側の分割面402Aとの間に隙間34Aが形成されている。隙間34Aは、幅g1が100μm程度、径方向長さがコアバック部261Aの径方向長さに対して30%程度となるように形成されている。
図9(b)に示すように、ハウジング212を焼き嵌めした後には、隣接する一方の分割コア237ALの内径側の分割面302Aと他方の分割コア237ARの分割面402Aとは当接する。
このように、焼き嵌め前には外径側における分割面301Aと分割面401Aとは当接しているが内径側における分割面302Aと分割面402Aとは当接していない。本実施の形態では、焼き嵌め前には内径側の分割面302A,402A間に隙間34Aが形成され、焼き嵌め後には内径側の分割面302Aと分割面402Aとが当接するように、各分割コア237Aの分割面300A,400Aが形成されている。このため、焼き嵌め後に内径側の分割面302A,402Aに生じる歪み量を、外径側の分割面301A,401Aに生じる歪み量よりも小さくできる。
これにより、コアバック261Aの内径側の強度の低い分割面302A,402Aに生じる圧縮応力を低減することが可能となり、ハウジング212を焼き嵌めする際の分割コア237Aの破損を防ぐことができる。
以上説明した本実施の形態によれば、以下のような作用効果を奏することができる。
(1)隣接する分割コア237Aの分割面300A,400Aにおいて、外径側の分割面301A,401Aにおける焼き嵌めによって生じる歪み量が、内径側の分割面302A,402Aにおける焼き嵌めによって生じる歪み量よりも大きくなるように、分割コア237Aの分割面300A,400Aの形状を決定した。これにより、焼き嵌めの際、隣接する分割コア237A同士の接触部における破損を防止することができる。
(1)隣接する分割コア237Aの分割面300A,400Aにおいて、外径側の分割面301A,401Aにおける焼き嵌めによって生じる歪み量が、内径側の分割面302A,402Aにおける焼き嵌めによって生じる歪み量よりも大きくなるように、分割コア237Aの分割面300A,400Aの形状を決定した。これにより、焼き嵌めの際、隣接する分割コア237A同士の接触部における破損を防止することができる。
(2)ハウジング212を焼き嵌めする前には、分割コア237ALの外径側の分割面301Aと、分割コア237ARの外径側の分割面401Aとを当接させたとき、分割コア237ALの内径側の分割面302Aと、分割コア237ARの内径側の分割面302Aとの間に隙間34Aが形成されるように、各分割コア237Aの分割面300A,400Aの形状を決定した。ハウジング212を焼き嵌めした後には、分割コア237ALの内径側の分割面302Aと、分割コア237ARの内径側の分割面402Aとが当接するように、各分割コア237Aの分割面300A,400Aの形状を決定した。これにより、電気的性能の低下、たとえばトルク値の低下を抑制できる。
(3)外径側の分割面301Aと内径側の分割面302Aとの間に隣接する分割コア237A同士を嵌合するための凸面303Aを設け、外径側の分割面401Aと内径側の分割面402Aとの間に隣接する分割コア237A同士を嵌合するための凹面403Aを設けた。これにより、位置決めが容易となり、簡単に複数の分割コア237Aを円筒状に配列して分割コア組立体であるステータコア232を形成することができる。その結果、製作工数を短縮して製作コストの低減を図ることができる。
-第2の実施の形態-
図11を参照して、本発明の第2の実施の形態に係る回転電機について説明する。図11は、本発明の第2の実施の形態に係る回転電機における分割コア237Bの分割面300B,400Bの形状を示す模式図である。図11(a)は、周方向に配置された分割コア237Bのうちの2つを示す平面模式図である。図11(b)は図11(a)のB部拡大図であり、焼き嵌め前の拡大図および焼き嵌め後の拡大図を模式的に示しており、焼き嵌め前に形成されている隙間34Bの大きさを誇張して記している。図中、第1の実施の形態と同一もしくは相当部分には同一の参照番号にBを付し、第1の実施の形態との相違点を主に説明する。
図11を参照して、本発明の第2の実施の形態に係る回転電機について説明する。図11は、本発明の第2の実施の形態に係る回転電機における分割コア237Bの分割面300B,400Bの形状を示す模式図である。図11(a)は、周方向に配置された分割コア237Bのうちの2つを示す平面模式図である。図11(b)は図11(a)のB部拡大図であり、焼き嵌め前の拡大図および焼き嵌め後の拡大図を模式的に示しており、焼き嵌め前に形成されている隙間34Bの大きさを誇張して記している。図中、第1の実施の形態と同一もしくは相当部分には同一の参照番号にBを付し、第1の実施の形態との相違点を主に説明する。
図11(a)に示すように、第2の実施の形態の回転電機では、嵌合部としての凸面303Aおよび凹面403A(図9参照)を有しておらず、外径側の分割面301B,401Bと、内径側の分割面302B,402Bとの間に明確な境界を有していない。第2の実施の形態では、図11(b)に示すように、焼き嵌めする前の状態では、複数の分割コア237Bを周方向に配置して、隣接する一方の分割コア237B(図示左側の分割コアであり、以下、符号237BLを付す)の外径側の分割面301Bと、他方の分割コア237B(図示右側の分割コアであり、以下、符号237BRを付す)の外径側の分割面401Bとを当接させたとき、分割コア237BLの内径側の分割面302Bと、分割コア237BRの内径側の分割面402Bとの間に隙間34Bが形成されている。
隙間34Bは、コアバック部261Bの径方向中央部付近から内径方向に向かうにしたがって徐々に幅が周方向両側に向かって広くなるように形成されている。換言すれば、隣接する一方の分割コア237BLは、外径側の分割面301Bが内径側の分割面302Bよりも周方向に突出するように形成され、隣接する他方の分割コア237BRは、外径側の分割面401Bが内径側の分割面402Bよりも周方向に突出するように形成されている。図11(b)に示すように、ハウジング212を焼き嵌めした後には、隣接する一方の分割コア237BLの内径側の分割面302Bと他方の分割コア237Bの内径側の分割面402BRとは当接する。
このように、焼き嵌め前には外径側における分割面301Bと分割面401Bとは当接しているが内径側における分割面302Bと分割面402Bとは当接していない。第2の実施の形態では、焼き嵌め前には内径側の分割面302B,402B間に隙間34Bが形成され、焼き嵌め後には内径側の分割面302Bと分割面402Bとが当接するように各分割コア237Bの分割面300B,400Bが形成されている。このため、焼き嵌め後に、内径側の分割面302B,402Bに生じる歪み量を、外径側の分割面301B,401Bに生じる歪み量よりも小さくできる。
これにより、第1の実施の形態で説明した(1)および(2)と同様の効果を奏する。
-第3の実施の形態-
図12および図13を参照して、本発明の第3の実施の形態に係る回転電機について説明する。図12は、本発明の第3の実施の形態に係る回転電機における分割コア237Cの分割面300C,400Cの形状を示す模式図である。図12(a)は、周方向に配置された分割コア237Cのうちの2つを示す平面模式図である。図12(b)は図12(a)のC部拡大図であり、焼き嵌め前の拡大図および焼き嵌め後の拡大図を模式的に示しており、焼き嵌め前後に形成されている隙間34Cの幅を誇張して記している。図中、第1の実施の形態と同一もしくは相当部分には同一の参照番号にCを付し、第1の実施の形態との相違点を主に説明する。
図12および図13を参照して、本発明の第3の実施の形態に係る回転電機について説明する。図12は、本発明の第3の実施の形態に係る回転電機における分割コア237Cの分割面300C,400Cの形状を示す模式図である。図12(a)は、周方向に配置された分割コア237Cのうちの2つを示す平面模式図である。図12(b)は図12(a)のC部拡大図であり、焼き嵌め前の拡大図および焼き嵌め後の拡大図を模式的に示しており、焼き嵌め前後に形成されている隙間34Cの幅を誇張して記している。図中、第1の実施の形態と同一もしくは相当部分には同一の参照番号にCを付し、第1の実施の形態との相違点を主に説明する。
第3の実施の形態の回転電機では、第1の実施の形態と同様、図12(a)に示すように、分割コア237Cの分割面300C,400Cには、隣接する分割コア237Cと嵌合可能な凸面303Cと凹面403Cとが形成されている。
分割面300Cは、凸面303Cと、凸面303Cを境界として形成されている外径側の分割面301Cおよび内径側の分割面302Cとを有している。分割面400Cは、凹面403Cと、凹面403Cを境界として形成されている外径側の分割面401Cおよび内径側の分割面402Cとを有している。
図11(b)の焼き嵌め前の拡大図に示されているように、隣接する一方の分割コア237C(図示左側の分割コアであり、以下、符号237CLを付す)は、外径側の分割面301Cが内径側の分割面302Cよりも周方向に突出するように形成されている。同様に、隣接する他方の分割コア237C(図示右側の分割コアであり、以下、符号237CRを付す)は、外径側の分割面401Cが内径側の分割面402Cよりも周方向に突出するように形成されている。
図11(b)に示すように、焼き嵌めする前の状態では、複数の分割コア237Cを周方向に配置して、隣接する一方の分割コア237CLの外径側の分割面301Cと、他方の分割コア237CRの外径側の分割面401Cとを当接させたとき、分割コア237CLの内径側の分割面302Cと、分割コア237CRの内径側の分割面402Cとの間に隙間34Cが形成されている。
隙間34Cは、図示するように、焼き嵌め前の幅g31に対して焼き嵌め後の幅g32が小さくなるが(g31>g32)、ハウジング212を焼き嵌めした後にも存在している。つまり、焼き嵌め後に、内径側の分割面302C,402Cには歪みが生じない。これにより、第1の実施の形態で説明した(1)および(3)と同様の効果を奏する。
焼き嵌め後の隙間34Cの径方向長さは、コアバック部261Cの径方向長さの30%程度とされ、焼き嵌め後の隙間34Cの幅g32は40μm程度とされている。これにより、電気的性能の低下を極力抑えることができる。
-解析例-
図13を参照して、隣接する分割コア237C同士の内径側分割面302C,402C間に形成される隙間34Cの径方向長さと幅g32が電気的性能に与える影響を説明する。図13に示すグラフは、横軸を電流値、縦軸をトルクとした解析結果であり、焼き嵌め後に隙間がない場合における電流値50%のトルクを100%とし、各条件(Case1~4)に対して、電流値50,100,150,200%のそれぞれのトルク値をプロットしたものである。
図13を参照して、隣接する分割コア237C同士の内径側分割面302C,402C間に形成される隙間34Cの径方向長さと幅g32が電気的性能に与える影響を説明する。図13に示すグラフは、横軸を電流値、縦軸をトルクとした解析結果であり、焼き嵌め後に隙間がない場合における電流値50%のトルクを100%とし、各条件(Case1~4)に対して、電流値50,100,150,200%のそれぞれのトルク値をプロットしたものである。
解析結果に示されているように、いずれの場合も電気的性能の低下は極めて小さく、焼き嵌め後に形成される隙間34Cの径方向長さがコアバック部261Cの径方向長さの30%程度、かつ焼き嵌め後に形成される隙間34Cの幅g32が40μm程度であれば、同じ電流を流したときのトルクの大きさの低下は0.5%未満であり、隙間がない場合に比べて電気的性能の低下が極めて小さい。
-第4の実施の形態-
図14を参照して、本発明の第4の実施の形態に係る回転電機について説明する。図14は、本発明の第4の実施の形態に係る回転電機における分割コア237Dの分割面300D,400Dの形状を示す模式図である。図14(a)は、周方向に配置された分割コア237Dのうちの2つを示す平面模式図である。図14(b)は図14(a)のD部拡大図であり、焼き嵌め後の拡大図を模式的に示している。図14(a)および図14(b)では、それぞれ焼き嵌め前および焼き嵌め後の状態において形成されている隙間34Dの大きさを誇張して記している。図中、第2の実施の形態と同一もしくは相当部分には同一の参照番号にDを付し、第2の実施の形態との相違点を主に説明する。
図14を参照して、本発明の第4の実施の形態に係る回転電機について説明する。図14は、本発明の第4の実施の形態に係る回転電機における分割コア237Dの分割面300D,400Dの形状を示す模式図である。図14(a)は、周方向に配置された分割コア237Dのうちの2つを示す平面模式図である。図14(b)は図14(a)のD部拡大図であり、焼き嵌め後の拡大図を模式的に示している。図14(a)および図14(b)では、それぞれ焼き嵌め前および焼き嵌め後の状態において形成されている隙間34Dの大きさを誇張して記している。図中、第2の実施の形態と同一もしくは相当部分には同一の参照番号にDを付し、第2の実施の形態との相違点を主に説明する。
図14(a)に示すように、第4の実施の形態では、分割コア237Dの一方の分割面400Dに平面視で曲線状の面取りがなされている。これに対して、分割コア237Dの他方の分割面300Dは、外径側の分割面301Dと内径側の分割面302Dとが同一面上に位置するように形成されている。
第4の実施の形態の回転電機では、図14(a)に示すように、焼き嵌めする前の状態では、複数の分割コア237Dを周方向に配置して、隣接する一方の分割コア237D(図示左側の分割コアであり、以下、符号237DLを付す)の外径側の分割面301Dと、他方の分割コア237D(図示右側の分割コアであり、以下、符号237DRを付す)の外径側の分割面401Dとを当接させたとき、分割コア237DLの内径側の分割面302Dと、分割コア237DRの内径側の分割面402Dとの間に隙間34Dが形成されている。
隙間34Dは、図14(b)に示すように、ハウジング212を焼き嵌めした後にも存在している。つまり、焼き嵌め後に、内径側の分割面302D,402Dには歪みが生じない。
第4の実施の形態では、隙間34Dの幅が内径方向に向かうにしたがって徐々に広くなるように、コアバック部261Dの両側の分割面300D,400Dのうちの一方の分割面400Dにおける内径側の分割面402Dに平面視で曲線状の面取りをすることで、隙間34Dが形成されている。換言すれば、分割コア237Dは、コアバック部261Dの両側の分割面300D,400Dのうちの一方の分割面400Dにおいて、外径側の分割面401Dが内径側の分割面402Dよりも周方向に突出するように形成されている。
このように、第4の実施の形態によれば、平面視で曲線状の面取りをして隙間34Dを形成することにより、第1の実施の形態で説明した(1)と同様の効果を奏する。
-第5の実施の形態-
図15を参照して、本発明の第5の実施の形態に係る回転電機について説明する。図15は、本発明の第5の実施の形態に係る回転電機における分割コア237Eの分割面300E,400Eの形状を示す模式図である。図15では、焼き嵌め前の状態において形成されている隙間34Eの大きさを誇張して記している。図中、第4の実施の形態と同一もしくは相当部分には同一の参照番号にEを付し、第4の実施の形態との相違点を主に説明する。
図15を参照して、本発明の第5の実施の形態に係る回転電機について説明する。図15は、本発明の第5の実施の形態に係る回転電機における分割コア237Eの分割面300E,400Eの形状を示す模式図である。図15では、焼き嵌め前の状態において形成されている隙間34Eの大きさを誇張して記している。図中、第4の実施の形態と同一もしくは相当部分には同一の参照番号にEを付し、第4の実施の形態との相違点を主に説明する。
第5の実施の形態の回転電機では、第4の実施の形態と同様に、焼き嵌めする前の状態では、複数の分割コア237Eを周方向に配置して、隣接する一方の分割コア237E(図示左側の分割コアであり、以下、符号237ELを付す)の外径側の分割面301Eと、他方の分割コア237E(図示右側の分割コアであり、以下、符号237ERを付す)の外径側の分割面401Eとを当接させたとき、分割コア237ELの内径側の分割面302Eと、分割コア237ERの内径側の分割面402Eとの間に隙間34Eが形成されている。
この隙間34Eは、図示しないがハウジング212を焼き嵌めした後にも存在する。つまり、焼き嵌め後に、内径側の分割面302E,402Eには歪みが生じない。第5の実施の形態では、隙間34Eの幅が内径方向に向かうにしたがって徐々に広くなるように、コアバック部261Eの両側の分割面300E,400Eのうちの一方の分割面400Eにおける内径側の分割面402Eに平面視で直線状の面取りをすることで隙間34Eが形成されている。換言すれば、分割コア237Eは、コアバック部261Eの両側の分割面300E,400Eのうちの一方の分割面400Eにおいて、外径側の分割面401Eが内径側の分割面402Eよりも周方向に突出するように形成されている。
このように、第5の実施の形態によれば、平面視で直線状の面取りをして隙間34Eを形成することにより、第1の実施の形態で説明した(1)と同様の効果を奏する。
次のような変形も本発明の範囲内であり、変形例の一つ、もしくは複数を上述の実施形態と組み合わせることも可能である。
(1)第1~第3の実施の形態では、コアバック部の両側の分割面のそれぞれにおいて、外径側の分割面が内径側の分割面よりも周方向に突出しているものについて説明したが本発明はこれに限定されない。たとえば、図16(a)に示すように、図示左側の分割コア237FLの分割面において、外径側の分割面301Fと内径側の分割面302Fとが同一面上に配置されるように分割面301F,302Fを形成し、図16(b)に示すように、図示右側の分割コア237FRの分割面において、外径側の分割面401Fを内径側の分割面402Fよりも周方向に突出するように分割面401F,402Fを形成してもよい。
(1)第1~第3の実施の形態では、コアバック部の両側の分割面のそれぞれにおいて、外径側の分割面が内径側の分割面よりも周方向に突出しているものについて説明したが本発明はこれに限定されない。たとえば、図16(a)に示すように、図示左側の分割コア237FLの分割面において、外径側の分割面301Fと内径側の分割面302Fとが同一面上に配置されるように分割面301F,302Fを形成し、図16(b)に示すように、図示右側の分割コア237FRの分割面において、外径側の分割面401Fを内径側の分割面402Fよりも周方向に突出するように分割面401F,402Fを形成してもよい。
(2)第4および第5の実施の形態では、コアバック部の両側の分割面のうちの一方において、面取りがなされているものを説明したが、本発明はこれに限定されない。コアバック部の両側の分割面のそれぞれにおいて、面取りをしてもよい。
(3)分割コアの分割面の形状は、第1および第2の実施の形態に限定されない。本発明は、焼き嵌め前には隣接する分割コアの内径側の分割面同士の間に隙間が形成され、焼き嵌め後には内径側の分割面同士が当接するような種々の形状を採用できる。
(4)焼き嵌め後において、隣接する分割コア同士の内径側の分割面間に形成される隙間の形状は第3~第5の実施の形態に限定されない。隣接する分割コア同士の内径側の分割面が焼き嵌め後にも非接触となる種々の形状を採用できる。
(4)焼き嵌め後において、隣接する分割コア同士の内径側の分割面間に形成される隙間の形状は第3~第5の実施の形態に限定されない。隣接する分割コア同士の内径側の分割面が焼き嵌め後にも非接触となる種々の形状を採用できる。
(5)上記実施の形態では、ハウジング(焼き嵌めリング)212を円筒状として説明したが、本発明はこれに限定されない。ハウジング212は、両端面開放の円筒形状とすることに代えて、一方の端面が底板で閉鎖されたカップ形状としてもよい。あるいは、円筒形状に代えて多角筒形状でもよい。すなわち、ハウジング212は、複数の分割コアにより組立てられたステータコア232の外周に対応した内周形状を有する種々の形状のものを採用できる。
(6)上記実施の形態では、ステータコア232を構成する分割コアを24個としたが、本発明はこれに限定されない。2つ以上に分割されていれば、分割数は24個より少なくてもよいし、多くてもよい。同様に、分割コアを構成するコアプレートの数も上記実施の形態に限定されない。
(7)上記実施の形態では、ステータコイル233を集中巻方式にてステータコア232に巻回したが、本発明はこれに限定されることなく、分布巻方式でステータコイル233をステータコア232に巻回してもよい。
(8)上記実施の形態では、ロータ250に永久磁石254を埋め込んだロータ250を有する回転電機200について説明したが、ロータ250にロータコア252と導電性材料で構成されたロータバーやかご形巻線を有する誘導電動機などの回転電機にも、本発明を適用することができる。
(8)上記実施の形態では、ロータ250に永久磁石254を埋め込んだロータ250を有する回転電機200について説明したが、ロータ250にロータコア252と導電性材料で構成されたロータバーやかご形巻線を有する誘導電動機などの回転電機にも、本発明を適用することができる。
(9)回転電機は、他の電動車両、たとえばハイブリッド電車などの鉄道車両、バスなどの乗合自動車、トラックなどの貨物自動車、バッテリ式フォークリフトトラックなどの産業車両などにも利用することもできる。
上記では、種々の実施の形態および変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。
次の優先権基礎出願の開示内容は引用文としてここに組み込まれる。
日本国特許出願2011年第179024号(2011年8月18日出願)
日本国特許出願2011年第179024号(2011年8月18日出願)
Claims (6)
- 回転電機であって、
ハウジング、および、前記ハウジングに焼き嵌めにより固定される円筒状のステータコアを有するステータと、
前記ステータの内側に回転可能に配設されたロータとを備え、
前記ステータコアは、周方向に2つ以上に分割された分割コアで構成され、
前記分割コアの分割面において、外径側の分割面における前記焼き嵌めによって生じる歪み量が、内径側の分割面における前記焼き嵌めによって生じる歪み量よりも大きくなるように、前記分割コアの分割面の形状を決定した回転電機。 - 請求項1に記載の回転電機において、
前記外径側の分割面と、前記内径側の分割面との間には、隣接する前記分割コア同士を嵌合するための凹凸の嵌合部が設けられている回転電機。 - 請求項1または2に記載の回転電機において、
前記外径側の分割面は、前記内径側の分割面よりも周方向に突出している回転電機。 - 請求項1または2に記載の回転電機において、
前記ハウジングを焼き嵌めする前には、一の分割コアの前記外径側の分割面と前記一の分割コアに隣接する他の分割コアの前記外径側の分割面とを当接させたとき、前記一の分割コアの内径側の分割面と前記他の分割コアの内径側の分割面との間には隙間が形成され、
前記ハウジングを焼き嵌めした後には、前記一の分割コアの前記内径側の分割面と前記他の分割コアの前記内径側の分割面とが当接するように前記分割コアの分割面の形状を決定した回転電機。 - 請求項1または2に記載の回転電機において、
前記分割コアの内径側の分割面は、曲線状に面取りされている回転電機。 - 請求項1または2に記載の回転電機において、
前記分割コアの内径側の分割面は、直線状に面取りされている回転電機。
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