WO2014103758A1 - 回転機及びステータの製造方法 - Google Patents

Abstract

　回転機は、ロータと、樹脂モールドされたステータを備える。ステータは、ステータコアと、コイルと、モールド部を備える。ステータコアは、環状のヨーク部の一部を形成するヨーク部分と、ヨーク部分から突出するティース部を備え、鋼板を積層して形成された複数のステータコアセグメントを、環状に配置して形成される。コイルは、ティース部に設けられる。モールド部は、ステータコアセグメントで鋼板が積層された積層方向におけるステータコアの第一端面及び第二端面の各側で、コイルのコイルエンド部を被覆する。ステータは、複数のステータコアセグメントを環状に配置した環状状態で、ステータコアセグメントそれぞれのヨーク部分が接する部分が溶接されていない。

Description

回転機及びステータの製造方法

　本発明は、モータ又は発電機のような回転機と、回転機が備えるステータの製造方法に関する。

　回転機としてのモータに関する技術が提案されている。例えば、特許文献１には、分割ステータの製造方法が開示されている。この製造方法は、組み付け体を所望数用意し、これを周方向に配して分割ステータの中間体を形成し、この中間体を成形型内に収容し、中間体の全体に一気にモールド樹脂体を製造し、分割ステータを製造するものである。特許文献２には、磁極ごとに分割された状態で形成されるコアに関し、コイルが形成されたコアセグメントを環状に配置し、溶接等によりこれらを結合する、ことが開示されている。

特開２０１１－４５１７８号公報 特開２０００－２１７２９３号公報

　各種の製品に、回転機が搭載されている。回転機としては、モータ又は発電機が挙げられる。回転機のステータでは、渦電流の発生に伴う損失を低減することが求められる場合がある。このような要求は、ステータが、複数のステータコアセグメントを環状に配置して形成されたステータコアを備える場合についても同様である。

　本発明は、複数のステータコアセグメントを環状に配置して形成されたステータコアを備えるステータで渦電流損を低減することが可能な、回転機及びステータの製造方法を提供することを目的とする。

　本発明の一側面は、回転自在に設けられたロータと、樹脂モールドされたステータと、を備え、前記ステータは、環状のヨーク部の一部を形成するヨーク部分と、前記ヨーク部分から突出するティース部と、を備え、鋼板を積層して形成された複数のステータコアセグメントを、環状に配置して形成されたステータコアと、前記ティース部に設けられたコイルと、前記ステータコアセグメントで前記鋼板が積層された積層方向における前記ステータコアの第一端面及び第二端面の各側で、前記コイルのコイルエンド部を被覆するモールド部と、を備え、前記複数のステータコアセグメントを環状に配置した環状状態で、前記ステータコアセグメントそれぞれの前記ヨーク部分が接する部分が溶接されていない、回転機である。

　この回転機によれば、積層され重なり合う鋼板間の短絡をなくし、短絡部（溶接部）を介した渦電流の流れを防止することができる。積層構造のメリットが損なわれることを防止することができる。ステータコアセグメントを環状に配置して形成されたステータコアは、モールド部によって環状のまま固定される。「回転機」は、モータ又は発電機を含む概念である。

　この回転機は、次のようにしてもよい。前記ステータコアにおいて、前記ティース部は、前記ロータの回転軸の側に突出し、前記ステータは、前記環状状態で、前記回転軸を中心とする径方向における前記ヨーク部分の外側面によって形成された前記ステータコアの外周側面が露出している、ようにしてもよい。これによれば、溶接を省略して製造可能な構造のステータとすることができる。

　前記ステータは、前記積層方向において前記外周側面の第一部分が前記モールド部によって被覆され、前記積層方向において前記外周側面の第二部分が露出した、構造としてもよい。これによれば、ステータコアの外周側面の第一部分を被覆するモールド部の部分を利用し、回転機を所定の製品に装着することができる。

　本発明の他の側面は、回転機が備える樹脂モールドされたステータの製造方法であって、環状のヨーク部の一部を形成するヨーク部分と、前記ヨーク部分から突出するティース部と、を備え、鋼板を積層して形成されたステータコアセグメントの前記ティース部にコイルを形成するコイル形成工程と、前記コイル形成工程で前記ティース部に前記コイルが形成された複数の前記ステータコアセグメントを環状に配置する配置工程と、前記配置工程で前記複数のステータコアセグメントを環状に配置して形成されたステータコアを、前記回転機が備えるロータの回転軸を中心とする径方向において外側となる前記ステータコアの外周側面の側から拘束する拘束工程と、前記拘束工程で前記外周側面の側から拘束された前記ステータコアを樹脂モールドし、前記ステータコアセグメントで鋼板が積層された積層方向における前記ステータコアの第一端面及び第二端面の各側に、前記コイルのコイルエンド部を被覆するモールド部を形成するモールド工程と、前記モールド工程によって形成された前記モールド部を備える前記ステータにおいて、前記拘束工程による前記外周側面からの拘束を解除する解除工程と、を含む製造方法である。

　この製造方法によれば、各ティース部にコイルが形成された複数のステータコアセグメントを環状に配置して形成されたステータコアを、外周側面の側から拘束することで、環状の状態を維持し、モールド工程を実行することができる。ステータコアセグメントを環状に配置して形成されたステータコアは、モールド部によって環状のまま固定される。モールド工程に際し、隣り合うステータコアセグメントを溶接するといった工程を省略することができる。積層され重なり合う鋼板間の短絡をなくし、短絡部（溶接部）を介した渦電流の流れを防止することができる。「回転機」については、上記同様である。

　本発明によれば、複数のステータコアセグメントを環状に配置して形成されたステータコアを備えるステータで渦電流損を低減することが可能な、回転機及びステータの製造方法を得ることができる。

回転機の一例を示す平面図である。 ステータの一例を示す斜視図である。 ステータコアの一例を示す斜視図である。 ステータの製造方法の配置工程及び拘束工程を示す平面図である。 ステータの他の例を示す斜視図である。

　本発明を実施するための実施形態について、図面を用いて説明する。本発明は、以下に記載の構成に限定されるものではなく、同一の技術的思想において種々の構成を採用することができる。例えば、以下に示す構成の一部は、省略し又は他の構成等に置換してもよい。他の構成を含むようにしてもよい。

　＜回転機＞
　回転機１０は、例えば、モータ又は発電機である。回転機１０は、各種の製品に搭載される。例えば、回転機１０は、電動車両に搭載される。電動車両としては、電気自動車、電動自転車、電動車椅子、電動カート又は電動配膳車が例示される。電気自動車は、ハイブリッド自動車を含む。回転機１０がモータである場合、回転機１０は、例えば、電動車両を移動させるための動力源として利用される。回転機１０は、図１に示すように、ロータ１２と、ステータ２０を備える。本実施形態は、ロータ１２の極数が１４極で、ステータ２０のスロット数が１２個である場合を例に説明する（図１参照）。

　ロータ１２は、ロータコア１４と、１４個の永久磁石１６と、シャフト１８を備える。ロータコア１４は、例えば、プレス機によって電磁鋼板を打ち抜きつつ積層して形成される。ロータコア１４には、１４個の永久磁石１６がそれぞれ収納される空間と、シャフト１８が固定される貫通孔が形成される。このような空間及び貫通孔は、電磁鋼板が積層された方向に延在する。永久磁石１６は、前述した空間に収納された状態で、ロータコア１４の内部に設けられる。回転機１０がモータである場合、このようなロータ１２を備えるモータは、ＩＰＭ（Interior Permanent Magnet）モータと称される。

　シャフト１８は、ロータコア１４の中心部に形成された貫通孔に固定される。シャフト１８には、ロータコア１４の両側に軸受（不図示）が取り付けられる。軸受は、ステータ２０に設けられた支持部（不図示）に支持される。シャフト１８は回転軸となり、ロータ１２は、シャフト１８を回転中心として回転する。図１でシャフト１８の近傍に示す「矢印」は、ロータ１２の回転方向を示す。ロータ１２は、既に実用化されたモータ又は発電機が備えるロータと同様である。従って、ロータ１２に関するこの他の説明は、省略する。

　ステータ２０は、樹脂モールドされる。ステータ２０は、図１及び図２に示すように、ステータコア２１と、コイル３０と、端子５０Ｕ，５０Ｖ，５０Ｗと、モールド部６０を備える。ステータコア２１は、図３に示すように、複数のティース部２３と、ヨーク部２５を備える。ステータ２０のスロット数を１２個とする本実施形態では、ティース部２３の数は、１２個である。１２個のティース部２３は、ヨーク部２５（後述する、ヨーク部分２５１）からロータ１２（シャフト１８）の側に突出する。本実施形態では、回転機１０において、回転軸となるシャフト１８を中心とする放射方向を「径方向」という。ティース部２３が突出する方向は、径方向に一致する。図１では、モールド部６０の図示を省略し、複数のティース部２３に巻線された複数のコイル３０を図示した状態としている。また、図１では、端子５０Ｕ，５０Ｖ，５０Ｗの図示を省略している。図２及び図３では、積層された電磁鋼板の積層に関する図示を省略している。

　ステータコア２１は、図３に示すように、１２個のステータコアセグメント２２を環状に配置して形成される。ステータコアセグメント２２を「セグメント２２」という。本実施形態では、１個のセグメント２２におけるティース部２３の数を１個としているため、ステータコア２１は、１２個のセグメント２２を環状に配置して形成される。

　セグメント２２は、図３に示すように、ティース部２３と、ヨーク部分２５１によって形成される。ヨーク部分２５１は、環状のヨーク部２５の一部を形成する部分である。本実施形態において、セグメント２２を環状に配置した状態は、ヨーク部分２５１が環状をなす状態にセグメント２２を配置した状態を含む概念である。セグメント２２を環状に配置した状態で隣り合う２個のティース部２３の間には、スロット部２６が形成される。セグメント２２は、例えば、プレス機によって電磁鋼板を、図３に示すような形状に打ち抜きつつ積層して形成される。本実施形態では、セグメント２２で電磁鋼板が積層された方向を「積層方向」という。ロータコア１４で電磁鋼板が積層された方向は、積層方向に一致する。

　コイル３０は、ティース部２３に導線を集中巻して形成される。コイル３０は、隣り合うセグメント２２のティース部２３の間に形成されたスロット部２６に収納される。セグメント２２には、インシュレータ３４が装着される（図１参照）。インシュレータ３４によって、セグメント２２（ステータコア２１）と、コイル３０の間の絶縁を確保することができる。１２個のコイル３０は、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の何れかのコイル３０にそれぞれ分類され、例えば、スター結線される。１２個のコイル３０のうち、所定の４個のコイル３０は、渡線によって連結されてＵ相の連結コイルを形成する。他の４個のコイル３０は、渡線によって連結されてＶ相の連結コイルを形成する。さらに他の４個のコイル３０は、渡線によって連結されてＷ相の連結コイルを形成する。

　各相の連結コイルの一端側は、各相の端子５０Ｕ，５０Ｖ，５０Ｗにそれぞれ接続される。各相の連結コイルの他端側は、接続され、中性点が形成される。セグメント２２を形成する技術と、複数のコイル３０の結線に関する技術は、既に実用化された技術を採用することができる。従って、これらに関するこの他の説明は、省略する。

　モールド部６０は、樹脂モールドによって形成される。ステータ２０は、モールド部６０が形成された状態において、ステータコア２１の外周側面を含む外周部分と、ロータ１２に対向するティース部２３の対向面２３１が露出した状態となる（図２参照）。ステータコア２１の外周側面は、１２個のセグメント２２が環状に配置された状態において、各セグメント２２のヨーク部分２５１の径方向の外側面によって形成される。モールド部６０を形成する樹脂としては、熱硬化性樹脂が例示される。例えば、モールド部６０は、ＢＭＣ（Bulk Molding Compound）によって形成される。

　モールド部６０は、図２に示すように、第一モールド部６１と、第二モールド部６２を備える。モールド部６０を形成する樹脂は、コイル３０が収納されたスロット部２６にも充填され、同一のスロット部２６に収納された隣り合うティース部２３に集中巻された異なる相の各コイル３０の絶縁を確保する。モールド部６０は、ステータコア２１の内周側において対向面２３１を除く部分も被覆する。このような各部を備えるモールド部６０は、樹脂モールドによって一体的に形成される。

　第一モールド部６１は、積層方向におけるステータコア２１の第一端面２１１の側に設けられ、第一端面２１１の側でコイル３０のコイルエンド部（図１に示す「コイル３０の部分」参照）を被覆する。第二モールド部６２は、積層方向におけるステータコア２１の第二端面の側に設けられ、第二端面の側でコイル３０のコイルエンド部（不図示）を被覆する。第二端面は、積層方向において第一端面２１１とは反対側となるステータコア２１の端面である。

　＜ステータの製造方法＞
　ステータ２０の製造方法は、コイル形成工程と、配置工程と、拘束工程と、モールド工程と、解除工程を含む。本実施形態では、ステータ２０の製造方法を「製造方法」という。コイル形成工程では、セグメント２２のティース部２３にコイル３０が形成される。コイル３０の形成には、所定の巻線機が用いられる。巻線機によるコイル３０の形成（巻線）は、環状とされる前のセグメント２２のそれぞれを対象として、セグメント２２のティース部２３に導線を巻回して行われる。巻線に際し、セグメント２２には、インシュレータ３４が装着される。コイル３０の形成は、導線が巻回されたコイルボビンを形成し、コイルボビンを、ティース部２３に嵌め込み行うようにしてもよい。

　コイル形成工程が終了すると、製造方法は、配置工程に移行する。配置工程では、コイル形成工程でティース部２３にコイル３０が形成された１２個のセグメント２２が環状に配置される（図４上段参照）。隣り合うセグメント２２それぞれのヨーク部分２５１は、周方向に接した状態となる（図２及び図３に示す「Ｄ部」参照）。周方向は、回転軸となるシャフト１８を中心とし、ロータ１２の回転方向（図１参照）及びこれとは反対の方向の両方向を含む概念である。

　製造方法は、隣り合うセグメント２２をヨーク部分２５１で連結するための溶接工程を含まない。即ち、複数のセグメント２２を環状に配置した状態において、セグメント２２それぞれのヨーク部分２５１が接する部分（図３に示す「Ｄ」部参照）は、溶接されない。隣り合うセグメント２２は、ヨーク部分２５１で接しているにすぎず、離間できないように連結された状態ではない。

　配置工程が終了すると、製造方法は、拘束工程に移行する。拘束工程では、配置工程で１２個のセグメント２２を環状に配置して形成されたステータコア２１を、拘束具７０を用いてステータコア２１の外周側面の側から拘束する（図４下段参照）。拘束具７０は、例えば、図４に示すように、第一拘束部７１及び第二拘束部７２を備える。第一拘束部７１及び第二拘束部７２のそれぞれは、リングを半割とした形状を有する。第一拘束部７１及び第二拘束部７２は、ねじ７４によって締結される。第一拘束部７１及び第二拘束部７２の締結は、ねじ７４とは異なる締結具、又は、別の締結構造によって行うようにしてもよい。

　拘束工程が終了すると、製造方法は、モールド工程に移行する。モールド工程では、拘束具７０によって拘束されたステータコア２１が樹脂モールドされる。樹脂モールドに際し、拘束具７０によって拘束されたステータコア２１は、成形金型内にセットされる。その後、成形金型内に樹脂が射出され、モールド部６０が形成される。積層方向において、ステータコア２１の第一端面２１１の側には、第一モールド部６１が形成され、ステータコア２１の第二端面の側には、第二モールド部６２が形成される。モールド工程に際し、１２個のコイル３０の結線等は、完了した状態とされる。

　モールド工程が終了すると、製造方法は解除工程に移行する。解除工程では、モールド工程によって形成されたモールド部６０を備えるステータ２０が成形金型から取り出される。その後、ステータコア２１の外周側面を拘束した拘束具７０において、ねじ７４が取り外され、拘束具７０による拘束が解除される。これによって、図２に示すような、ステータ２０を得ることができる。解除工程の終了に伴い、製造方法は終了する。

　＜本実施形態の効果＞
　本実施形態では、製造方法に拘束工程を設け、各ティース部２３にコイル３０を形成した複数のセグメント２２を環状に配置して形成されたステータコア２１を、拘束具７０によって、ステータコア２１の外周側面の側から拘束することとした（図４参照）。そして、隣り合うセグメント２２それぞれのヨーク部分２５１が接する部分が溶接されていない構造のステータ２０とした（図２参照）。

　そのため、ステータコア２１を拘束具７０によって外周側面から拘束させた状態でモールド工程を実行することができる。セグメント２２を環状に配置して形成されたステータコア２１は、モールド部６０によって環状のまま固定される。拘束具７０による拘束によって、ステータコア２１の外周側面は露出した状態となる。モールド工程に際し、隣り合うセグメント２２を溶接するといった工程を省略することができる。積層され重なり合う鋼板間の短絡をなくし、短絡部（溶接部）を介した渦電流の流れを防止することができる。渦電流損を低減することができる。

　＜変形例＞
　本実施形態は、次のようにすることもできる。以下に示す変形例は、他の変形例と適宜組み合わせて採用するようにしてもよい。以下の構成を採用した場合においても、上述した効果と同様の効果を得ることができる。

　（１）上記では、ロータ１２の極数が１４極で、ステータ２０のスロット数が１２個である回転機１０を例に説明した（図１参照）。ロータの極数及び／又はステータのスロット数は、これとは異なる数としてもよい。ロータの極数及び／又はステータのスロット数は、要求される性能等の諸条件を考慮し、適宜設定される。ロータは、永久磁石がロータコアの外周側面に設けられた形式のロータ、又は、永久磁石を備えない形式のロータとしてもよい。回転機がモータである場合、永久磁石がロータコアの外周側面に設けられたロータを備えるモータは、ＳＰＭ（Surface Permanent Magnet）モータと称される。

　（２）上記では、ステータコア２１の外周側面を含む外周部分がモールド部６０によって被覆されておらず、露出した構造のステータ２０を例に説明した（図２参照）。ステータは、図５に示すようなモールド部９０を備えるステータ８０としてもよい。モールド部９０は、図５に示すように、第一モールド部９１と、第二モールド部９２と、第三モールド部９３を備える。第一モールド部９１は、モールド部６０の第一モールド部６１に対応し、端子５０Ｕ，５０Ｖ，５０Ｗが設けられている積層方向の一方側であるステータコア２１の第一端面２１１（図５で不図示　図３参照）の側で、コイル３０のコイルエンド部を被覆する。第二モールド部９２は、モールド部６０の第二モールド部６２に対応し、ステータコア２１の第二端面の側で、コイル３０のコイルエンド部を被覆する。

　第三モールド部９３は、径方向の外側で第一モールド部９１に連続して形成される。第三モールド部９３は、径方向の外側におけるステータコア２１の第一端面２１１の所定の領域と、積層方向の第一端面２１１の側におけるステータコア２１の外周側面の一部を被覆する。ステータ８０を備える回転機が所定の製品に装着される場合、第三モールド部９３を利用して回転機を所定の製品に装着することができる。この場合、第三モールド部９３の所定の部分（面）を装着の基準として利用することもできる。製造方法の拘束工程では、ステータコア２１の外周側面において露出することとなる部分が、拘束具７０によって拘束される。ステータ８０に関し、モールド部９０以外の各部は、ステータ２０と同様である。従って、ステータ８０に関するこの他の説明は、省略する。

　（３）上記では、製造方法の拘束工程におけるステータコア２１の外周側面の側からの拘束を、第一拘束部７１及び第二拘束部７２を備える拘束具７０を用いて行う構成を例に説明した（図４参照）。拘束具は、溶接されていない状態で環状に配置されたセグメント２２によるステータコア２１を外周側面の側から拘束することが可能な構成であれば、図４とは異なる構成であってもよい。例えば、ベルト状の拘束具であってもよい。拘束具は、モールド工程で用いられる成形金型を構成する要素であってもよい。この場合、成形金型は、第一拘束部７１及び第二拘束部７２に対応する各部を、ステータコア２１の外周側面に接近させ、離間させる所定の移動機構を備える。１２個のセグメント２２は、例えば、成形金型内で環状に配置される。その後、第一拘束部７１及び第二拘束部７２に対応する各部が、ステータコア２１の外周側面に接近する方向に移動し、上記同様の拘束が行われる。解除工程では、第一拘束部７１及び第二拘束部７２に対応する各部が、ステータコア２１の外周側面から離間する方向に移動し、拘束が解除される。

　（４）上記では、ロータ１２がステータ２０の内周側に回転自在に支持された内転型の回転機１０を例に説明した（図１参照）。回転機は、外転型の回転機であってもよい。外転型の回転機のステータでは、複数のティース部は、ヨーク部（ヨーク部分）からロータの回転軸となるシャフトを中心とする径方向の外側に突出する。外転型の回転機のロータは、ステータの外側で、複数のティース部に対向する。製造方法の拘束工程では、上記同様、複数のセグメントを環状に配置して形成されたステータコアは、外周側面の側から拘束具７０によって拘束される。この場合、ステータコアは、ティース部においてロータと対向する面が拘束具７０に接する。

　１０　回転機
　１２　ロータ
　１４　ロータコア
　１６　永久磁石
　１８　シャフト
　２０，８０　ステータ
　２１　ステータコア
　２２　ステータコアセグメント（セグメント）
　２３　ティース部
　２５　ヨーク部
　２６　スロット部
　３０　コイル
　３４　インシュレータ
　５０Ｕ，５０Ｖ，５０Ｗ　端子
　６０，９０　モールド部
　６１，９１　第一モールド部
　６２，９２　第二モールド部
　９３　第三モールド部
　７０　拘束具
　７１　第一拘束部
　７２　第二拘束部
　７４　ねじ
　２１１　第一端面
　２３１　対向面
　２５１　ヨーク部分

Claims (4)

1. 　回転自在に設けられたロータと、
   　樹脂モールドされたステータと、を備え、
   　前記ステータは、
   　　環状のヨーク部の一部を形成するヨーク部分と、前記ヨーク部分から突出するティース部と、を備え、鋼板を積層して形成された複数のステータコアセグメントを、環状に配置して形成されたステータコアと、
   　　前記ティース部に設けられたコイルと、
   　　前記ステータコアセグメントで前記鋼板が積層された積層方向における前記ステータコアの第一端面及び第二端面の各側で、前記コイルのコイルエンド部を被覆するモールド部と、を備え、
   　　前記複数のステータコアセグメントを環状に配置した環状状態で、前記ステータコアセグメントそれぞれの前記ヨーク部分が接する部分が溶接されていない、回転機。
2. 　前記ステータコアにおいて、前記ティース部は、前記ロータの回転軸の側に突出し、
   　前記ステータは、前記環状状態で、前記回転軸を中心とする径方向における前記ヨーク部分の外側面によって形成された前記ステータコアの外周側面が露出している、請求項１に記載の回転機。
3. 　前記ステータは、
   　　前記積層方向において前記外周側面の第一部分が前記モールド部によって被覆され、
   　　前記積層方向において前記外周側面の第二部分が露出した、請求項２に記載の回転機。
4. 　回転機が備える樹脂モールドされたステータの製造方法であって、
   　環状のヨーク部の一部を形成するヨーク部分と、前記ヨーク部分から突出するティース部と、を備え、鋼板を積層して形成されたステータコアセグメントの前記ティース部にコイルを形成するコイル形成工程と、
   　前記コイル形成工程で前記ティース部に前記コイルが形成された複数の前記ステータコアセグメントを環状に配置する配置工程と、
   　前記配置工程で前記複数のステータコアセグメントを環状に配置して形成されたステータコアを、前記回転機が備えるロータの回転軸を中心とする径方向において外側となる前記ステータコアの外周側面の側から拘束する拘束工程と、
   　前記拘束工程で前記外周側面の側から拘束された前記ステータコアを樹脂モールドし、前記ステータコアセグメントで鋼板が積層された積層方向における前記ステータコアの第一端面及び第二端面の各側に、前記コイルのコイルエンド部を被覆するモールド部を形成するモールド工程と、
   　前記モールド工程によって形成された前記モールド部を備える前記ステータにおいて、前記拘束工程による前記外周側面からの拘束を解除する解除工程と、を含む製造方法。

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