WO2017154576A1 - 回転電機の固定子及び回転電機 - Google Patents

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connecting portion
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rotating electrical
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川村　浩司
橋本　昭
秋田　裕之
祥子 川崎
直弘 本石
尚俊 増田
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三菱電機株式会社
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Definitions

  • This invention relates to a stator of a rotating electric machine and a rotating electric machine.
  • a stator iron core is divided into two inner cores including a tooth and an outer iron core that is a back yoke.
  • a method has been used in which a stator is formed by dividing a stator core into two parts and integrating the stator core into two parts by fitting the outer iron core after the stator winding is incorporated into the inner iron core.
  • the slot has a shape that expands from the inner periphery toward the outer periphery, and when the coil is assembled into the slot, the coil is pushed toward the narrow portion on the inner peripheral side using the wide portion on the outer peripheral side as an inlet.
  • the resistance value of the stator winding can be lowered by increasing the sectional area of the coil disposed in the slot and increasing the space factor, which is the ratio of the coil sectional area to the slot area. Loss reduction and performance improvement can be achieved. This is an effect that can be obtained regardless of distributed winding or concentrated winding if the inner / outer two-part iron core structure is used.
  • the inner iron core is integrated without being divided for each tooth, there is an effect that the number of parts is reduced and the assembly of the stator becomes easy.
  • the inner circumference side of the stator facing the rotor is connected in advance, shape errors such as variations in pitch between teeth are less likely to occur, and the shape accuracy inside the stator after assembly of the stator is improved. Also, there is an effect that uneven rotation and vibration during driving of the rotating electrical machine are difficult to occur.
  • the magnetic flux passing through the teeth flows to the rotor through the gap between the stator and the rotor, thereby generating a driving force as a rotating electric machine.
  • magnetic flux leakage between the adjacent teeth is unavoidable via the connecting portion. Since this magnetic flux leakage passes only through the stator, it does not contribute to the driving of the rotor at all. Therefore, it becomes one of the causes of deterioration of the characteristics of the rotating electrical machine. As described above, although the performance is improved by increasing the density of the windings, the performance is deteriorated due to the magnetic flux leakage between the teeth.
  • a split-type stator core having a concave portion with a narrower radial width has been proposed in the connecting portion with the aim of reducing leakage magnetic flux at the connecting portion while connecting the tip portions of the teeth (for example, see Patent Document 1).
  • Providing a recess in the connecting portion increases the magnetic resistance at that portion, and thus has the effect of reducing leakage magnetic flux that passes through the connecting portion.
  • the mechanical strength of the connecting portion is reduced by providing a recess in the connecting portion.
  • the portion is deformed.
  • the strength of the connecting portion is reduced, the natural frequency of the stator core after assembly is lowered, and there is a problem that vibration and noise are easily generated as a rotating electrical machine.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, can reduce the magnetic flux leaking between the teeth via the connecting portion, has high rigidity, and realizes low noise and low vibration during operation.
  • An object of the present invention is to provide a rotating electric machine stator and a rotating electric machine.
  • the stator of the rotating electrical machine is: In a stator of a rotating electrical machine comprising a stator core formed by laminating magnetic thin plates, and a stator winding wound around the teeth of the stator core,
  • the stator core is an outer core that is an annular back yoke portion;
  • a plurality of teeth are arranged radially, inner tip portions of the teeth adjacent in the circumferential direction are connected to each other by a connecting portion in the circumferential direction, and the inner iron core is fitted inside the outer iron core;
  • the connecting portion has a hole penetrating in the axial direction,
  • the connecting portion is divided into a plurality by the holes,
  • the width in the radial direction of one of the connecting portions in the narrowest portion of the connecting portion in the radial direction is not less than 1/4 and less than 1/2 of the thickness of the thin plate.
  • a rotating electrical machine includes a stator of the rotating electrical machine, The rotor is configured to be rotatably supported facing the inner peripheral surface of the stator.
  • the stator of the rotating electrical machine and the rotating electrical machine By providing a hole in the connecting portion between the teeth and dividing the connecting portion into the outer connecting portion and the inner connecting portion, the core cross-sectional area of the connecting portion can be reduced. Thereby, the magnetic resistance of the said part becomes large, the effect of reducing the leakage magnetic flux between the teeth adjacent to the circumferential direction is acquired, and the electromagnetic characteristics of a rotary electric machine can be improved. Also, by increasing the residual stress of the outer connecting part and the inner connecting part, the magnetic flux flowing between adjacent teeth via the connecting part can be further reduced, and a highly efficient stator and rotating electric machine are provided. it can.
  • the connecting portion by providing a hole in the connecting portion and making the connecting portion a rigid structure in which at least two beams (outer connecting portion, inner connecting portion) are rigidly connected, rigidity against deformation in the lamination plane of the stator core Can be improved. As a result, the stator core is less likely to be deformed, the natural frequency of the stator core is improved, and vibration and noise of the rotating electrical machine are less likely to be generated.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. It is the front view and side view of a coil which concern on Embodiment 1 of this invention. It is a figure which shows the manufacturing process of the stator winding
  • Embodiment 1 FIG.
  • the stator of a rotating electrical machine and the rotating electrical machine according to Embodiment 1 of the present invention will be described with reference to the drawings.
  • the terms “axial direction”, “circumferential direction”, “radial direction”, “inner peripheral side”, “outer peripheral side”, “inner side”, and “outer side” are respectively referred to as a stator. “Axial direction”, “circumferential direction”, “radial direction”, “inner peripheral side”, “outer peripheral side”, “inner side”, and “outer side”.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of the rotating electrical machine 100.
  • the rotating electrical machine 100 is a brushless motor and has three or more phases, and includes a frame 2, a stator 3, a rotor 4, a rotating shaft 5, a bearing holder 6, a bearing 7, and a bearing 8. Yes.
  • the output end side 5a of the rotating shaft 5 is referred to as a front side, and the opposite side is referred to as a rear side.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG.
  • the rotating electrical machine 100 changes the rotational speed and torque of the rotor 4 to desired values by switching the current applied to the windings of each phase of the stator 3 in accordance with the phase of the rotor 4 using an inverter circuit (not shown). Is controlling. For this reason, a rotation angle sensor for detecting the phase of the rotor 4 is provided at the rear side end of the rotation shaft 5, but the rotation angle sensor is omitted in FIG.
  • the rotor 4 is a field of the rotating electrical machine 100, and a permanent magnet 41 is attached to the outer peripheral surface of a substantially cylindrical rotor core 40 made of a ferromagnetic material such as iron, and the rotor core 40 is centered.
  • the rotating shaft 5 is fixed.
  • a description will be given using the surface magnet type rotor 4 in which the permanent magnet 41 is attached to the surface of the rotor core 40, but a hole for embedding a magnet is provided in the rotor core, A magnet-embedded rotor in which magnets are embedded in the rotor core may be used.
  • the stator 3 is an armature of the rotating electric machine 100, and is arranged on the outer peripheral side of the rotor 4 via a certain gap, and is composed of a stator core 30 and a stator winding 35.
  • the stator core 30 includes an outer core 30a that is an annular back yoke portion formed by laminating a plurality of thin steel plates or electromagnetic steel plates having a substantially circular shape with a thin insulating coating on the surface thereof in the axial direction of the rotating electrical machine.
  • the inner tip 30b is formed by laminating thin plates in which inner tips of a plurality of teeth 31 arranged radially are connected to each other in the circumferential direction.
  • FIG. 3A is a front view of the tortoiseshell type coil 22 which is the minimum unit constituting the stator winding 35.
  • FIG. 3B is a side view of the coil 22.
  • the stator winding 35 is formed by connecting a plurality of coils 22 inserted into a slot 36 that is a gap formed between the teeth 31 of the inner iron core 30b and wound twice over the plurality of teeth 31. ing.
  • the stator winding may adopt a form in which it is wave-wound along the circumferential direction, or the number of windings of the coil 22 may be increased or decreased.
  • the coil 22 is made of a wire made of a highly conductive metal material such as copper or aluminum, and the surface is covered with an insulating resin film.
  • the portions disposed in the slot 36 of the coil 22 are slot housing portions 22a and 22b.
  • the portion of the stator core 30 that protrudes outward in the axial direction from the slot 36 becomes a coil end portion, and the coil end portion leads to the coil 22 arranged in another slot and joins the terminal.
  • the stator winding 35 is composed of windings having three or more phases, and each phase is composed of a plurality of coils 22. That is, the stator winding 35 for one phase is configured by joining a plurality of coils 22 in series, parallel, or series-parallel.
  • FIG. 2 As shown in FIG. 2, the stator core 30 is divided into an outer core 30 a and an inner core 30 b at the outermost peripheral portion of the tooth 31.
  • each tooth 31 has an inner circumferential tip connected in the circumferential direction, and a slot 36 sandwiched between the teeth 31 and in which the coil 22 is disposed has a shape in which the outer circumferential side is opened.
  • each slot 36 in the inner iron core 30b is the inlet of the slot 36 and the connected inner periphery is the bottom of the slot 36, as shown in FIG.
  • One slot accommodating portion 22 a (a set of two) of all the coils 22 is inserted into the slot 36 from the entrance of the slot 36.
  • the inner iron core 30b is rotated in the direction of the arrow shown in FIG. 4A, and as shown in FIG. 4B, the other slot housing portion 22b (a set of two) is attached to the plurality of teeth 31. It is inserted into another slot 36 across the bridge.
  • the outer side iron core 30a is axially press-fitted and fixed to the outer periphery of the inner side iron core 30b.
  • FIG. 5 is an enlarged perspective view of a main part of the inner iron core 30b. It is the enlarged view which cut
  • FIG. 6 is an enlarged front view of a main part of the inner iron core 30b.
  • adjacent teeth 31 are connected to each other in the circumferential direction by a connecting portion 32 at the inner end portion of each tooth 31.
  • the connecting portion 32 is provided with a hole 32h penetrating in the axial direction.
  • the connecting part 32 is divided into two parts, an outer connecting part 32a on the radially outer side and an inner connecting part 32b on the radially inner side.
  • each radial direction of the outer side connection part 32a and the inner side connection part 32b is the same, it does not necessarily need to be the same width and shape, and may differ.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view perpendicular to the rotation axis of the rotating electrical machine 100b when concentrated winding is employed.
  • the distributed-winding rotating electrical machine 100 in which each coil 22 is disposed across a plurality of teeth 31 has been described.
  • each coil 122 does not straddle a plurality of teeth 131 and only one tooth 131 is present.
  • the stator core 130 divided into the inner side and the outer side can be applied to the concentrated-winding rotating electrical machine 100b around which the coil 122 is wound, and the present invention can also be applied in the same manner.
  • the coil 122 wound around the winding frame 34 made of an insulating material such as resin is fitted into each tooth 131 of the inner iron core 130b from the outer peripheral side. Thereafter, as in the case of the above-described distributed winding, the outer iron core 130a is fitted on the outer periphery of the inner iron core 130b to constitute the stator 103b.
  • the hole 32h is provided in the connecting portion 32 between the teeth 31, and the connecting portion 32 is connected to the outer connecting portion 32a and the inner connecting portion 32b.
  • the core cross-sectional area of the connection part 32 can be made small by dividing
  • the connecting portion has a ramen structure in which at least two beams (an outer connecting portion 32a and an inner connecting portion 32b) are rigidly joined. If the total cross-sectional area of the beams connecting between the teeth 31 is the same, the cross-sectional secondary moment with respect to the deformation in the laminated plane is better when a ramen structure is formed using a plurality of beams than when a single beam is used. Becomes larger. As a result, the rigidity against deformation in the lamination plane of the stator core 30 is increased, the stator core 30 is hardly deformed, the natural frequency of the stator core 30 is improved, and vibration / noise of the rotating electrical machine 100 is less likely to occur. The effect of becoming is obtained.
  • stator core 30 is configured by laminating a large number of thin steel plates or electromagnetic steel plates that are ferromagnetic materials, the strength against deformation in the laminating direction is sufficiently high compared to that in the laminating plane, There is no problem with deformation in the stacking direction.
  • the radial width of the connecting portion 32 is increased by the width of the hole 32h as compared with the case where the connecting portion 32 is constituted by only one.
  • the radial width B of the entire connecting portion 32 including the hole 32 h is made equal to or less than the radial width of the shoe portion S at the tip of the tooth 31, The area that can be wound in the cross-sectional area perpendicular to is not reduced, and a stator winding similar to the conventional structure can be arranged.
  • connection part 32 between adjacent teeth 31 was divided into two parts, the outer connection part 32a and the inner connection part 32b, so far, the connection part 32 is divided into three or more. Also good.
  • the hole 32h does not necessarily have to be arranged at the center between the adjacent teeth 31 and may be arranged at a position biased toward one of the teeth 31 side.
  • FIG. 8 is an enlarged perspective view of a main part of the inner iron core 230b.
  • the connecting portion 32 is divided into an outer connecting portion 32a and an inner connecting portion 32b to reduce the leakage magnetic flux, and the stator core 30.
  • the inner iron core 230b of the present embodiment alternately stacks the steel plates K1 including the plurality of connecting portions 32 and the steel plates K2 that are not connected between the adjacent teeth 31. .
  • gap R is provided between the teeth 31 of the steel plate K2 adjacent to the circumferential direction.
  • These steel plates K1 and K2 are connected to each other in the stacking direction by means of caulking, welding, or adhesion at a portion of the teeth 31 (not shown).
  • the magnetic flux does not leak by providing the gap R in the circumferential direction between the steel plates K2 where the teeth 31 adjacent in the circumferential direction are not connected, the electromagnetic characteristics of the rotating electrical machine can be further improved.
  • FIG. 9 is an enlarged perspective view of a main part of the inner iron core 330b.
  • each tooth 31 is connected to a tooth 31 adjacent in the circumferential direction by a connecting portion 332 at the inner end portion of each tooth 31.
  • the radial width W1 of the outer connecting portion 332a and the radial width W2 of the inner connecting portion 332b are 1 ⁇ 4 or more and less than 1 ⁇ 2 of the plate thickness T of the thin plate constituting the stator core.
  • the thin plate of a steel plate or an electromagnetic steel plate uses what was processed with the press.
  • the inner side surface and the outer side surface of the narrowest portion of the connecting portion 332 are also machined by pressing, and both the side surfaces have both a shear surface and a fracture surface.
  • the radial width of the outer connecting portion 332a and the inner connecting portion 332b of the connecting portion 332 is set to 1 ⁇ 4 or more of the plate thickness T of the thin plate constituting the iron core, so A reduction in shape accuracy due to deformation of the portion is prevented.
  • the range in which the residual stress generated by the processing is affected is distributed along the press-worked portion of the stator core.
  • the range in which the residual stress can be considered to be affected is a range of about 1/2 of the plate thickness from the processed surface, and particularly in the range of about 1/4 of the plate thickness, including deformation in the plate thickness direction of the plate material. The stress remains in
  • the steel plate and electromagnetic steel plate constituting the stator core are used for the steel plate and electromagnetic steel plate constituting the stator core, but when residual stress is generated, the magnetic permeability of the magnetic steel plate is lowered. For this reason, the magnetic resistance per unit cross-sectional area is larger than that in a portion where no residual stress is generated.
  • the width in the radial direction of the narrowest portion (outer coupling portions 332a and 332b) of the coupling portion 332 is set to be less than 1 ⁇ 2 of the plate thickness T, and residual due to press working on both side surfaces of the coupling portion 332 A range of 1 ⁇ 4 of the plate thickness, which is a high stress range, exists over the entire inner and outer edges of the outer connecting portion 332a and the inner connecting portion 332b. Therefore, in the outer coupling part 332a and the inner coupling part 332b, the magnetic resistance per unit area can be increased in the entire cross section.
  • the residual stress in the outer coupling portion 332a and the inner coupling portion 332b is increased to increase the connection.
  • the magnetic flux which flows between the adjacent teeth 31 via the part 332 can be further reduced, and the stator and the rotating electrical machine of the rotating electrical machine having high efficiency can be provided.
  • FIG. 10 is an enlarged front view of a main part of the inner iron core 430b.
  • the difference between the inner iron core 430b according to the fourth embodiment and the inner iron core 330b described in the third embodiment is that the radial width W402 of the inner connecting portion 432b inside the hole 332h is larger on the outer outer connecting portion. It is a point larger than the radial width W401 of 432a.
  • the width in the radial direction of the outer connecting portion 332a and the inner connecting portion 332b is limited to 1/4 or more of the plate thickness in consideration of deformation of the connecting portion in the press working.
  • the deformation of the processed part cannot be completely eliminated.
  • the state of deformation of the press-worked portion changes due to wear of the mold, variation in the plate thickness of the material, and the like, and it is necessary to manage these elements more strictly as the width of the connecting portion becomes narrower. On the other hand, if the management state of these elements is approximately the same, it can be said that the narrower the connecting portion, the easier the deformation.
  • FIG. 11 is an enlarged perspective view of the vicinity of the thin plate connecting portion 332 used in Embodiment 3, and shows a cross section of the connecting portion obtained by cutting the connecting portion 332 along a plane parallel to the axial direction.
  • the fracture surface of the pressed surface and the elements of the shear surface are ignored, and the cross section is represented by a rectangle.
  • FIG. 11A illustrates a state where the connecting portion 332 is not deformed.
  • a shearing force acts in the direction of the arrow in the figure due to the mold.
  • the inner peripheral surface 332IN of the thin plate is perpendicular to a plane perpendicular to the axial direction of the thin plate.
  • FIG. 11B schematically shows a state in which deformation occurs in the connecting portion 332. Since the shearing force acts on the arrow method in the figure, the outer connecting portion 332a and the inner connecting portion 332b of the connecting portion 332 are twisted, and a part of the inner peripheral surface 332IN of the connecting portion 332 is internal to the normal position. The state is shifted to the circumferential side. In the press working, the thin plate is sandwiched between the upper and lower molds and held, thereby preventing the thin plate from being deformed as shown in FIG. However, when the connecting portion 332 is narrow in the radial direction, the holding force of the thin plate is reduced, so that deformation easily occurs here.
  • the innermost inner connecting portion 332b faces the rotor 4 through a gap. If the position of the inner peripheral surface 332IN of the inner iron core 332IN is shifted from the position where it should originally be due to the deformation of the inner connecting portion 332b, the interval between the stator 3 and the rotor 4 changes, and thus the rotation unevenness of the rotating electrical machine 100 occurs. Impact will occur. On the other hand, the outer connecting portions 332a other than the innermost inner connecting portion 332b do not face the rotor 4, so that the characteristics of the rotating electrical machine 100 are not changed by deformation.
  • the width W402 of the innermost inner side coupling portion 432b is made larger than the width W401 of the other outer side coupling portion 432a, and the deformation of the coupling portion 432 during the press working, In particular, the deformation of the inner peripheral surface 432IN of the connecting portion 432 is prevented.

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Abstract

回転電機（１００）の固定子鉄心（３０）は、円環状のバックヨーク部である外側鉄心（３０ａ）と、複数のティース（３１）が放射状に配置され、周方向に隣接するティース（３１）の内側先端部同士が互いに周方向に連結部（３３２）により連結され、外側鉄心（３０ａ）の内側に嵌合された内側鉄心（３０ｂ）とを有し、連結部（３３２）は、軸方向に貫通する孔（３３２ｈ）を有し、連結部（３３２）は、孔（３３２ｈ）によって複数に分割されており、連結部の、径方向の幅が最も狭い部分における１つの連結部の径方向の幅は、薄板の板厚の１／４以上、かつ１／２未満である。

Description

回転電機の固定子及び回転電機
　この発明は、回転電機の固定子及び回転電機に関するものである。
　従来、略円筒形状の固定子の内周側に所定の空隙を介して回転子が配置される回転電機において、固定子鉄心を、ティースが含まれる内側鉄心とバックヨークである外側鉄心の２つの部分に分割し、内側鉄心に固定子巻線を組み込んだ後、外側鉄心を嵌め込んで２分割した固定子鉄心を一体化して固定子を構成する方法が用いられていた。
　このような回転電機は、２分割された固定子鉄心のうちティース部を含む内側鉄心に対し、その外周側から巻線を施すことができるため、固定子鉄心の内周側から巻線する方法に比べて巻線時における作業スペースを広く取ることが可能であり、巻線作業が容易になる。その結果、高密度な巻線が可能となり、回転電機の性能向上あるいは小型化を実現することができる。
　すなわち、スロットは内周から外周に向かって広がった形状になっており、スロット内にコイルを組み込む際には外周側の幅の広い部分を入口として内周側の狭い部分に向けてコイルを押し込むことになるので、スロット内の所定位置までコイルを押し込んだ状態でコイルと鉄心との間、コイルと他のコイルとの間の隙間を最小限にすることが可能である。これにより、スロット内に配置されるコイルの断面積を大きくし、スロット面積に対するコイル断面積の割合である占積率を上げることで固定子巻線の抵抗値を下げることができるため、回転電機の損失低減、性能向上を図ることができる。これは内外２分割鉄心構造であれば分布巻、集中巻を問わずに得られる効果である。
　また、内側鉄心がティース毎に分割されず一体化されているため部品点数が減って固定子の組み立てが容易になるという効果もある。さらに、回転子に対向する固定子内周側が予め連結されているため、ティース間のピッチのばらつき等の形状誤差が生じにくくなり、固定子組立後の固定子の内側の形状精度が良好になり、回転電機の駆動時の回転むらや振動が生じにくいという効果もある。
　本来、ティース内を経由する磁束は、固定子と回転子との空隙を介して回転子に流れることで回転電機としての駆動力を生じさせるものである。しかし、隣接するティースの内側先端部同士が周方向に連結されているため、連結部を経由して隣接ティース間での磁束漏れが避けられない。この磁束漏れは、固定子内だけを経由するので、回転子の駆動には全く寄与せず、そのため回転電機の特性低下の要因のひとつとなる。このように、巻線の高密度化により性能向上を図っているにもかかわらず、一方でティース間の磁束漏れによって性能劣化が生じていることになる。
　そこで、ティースの先端部同士を連結しつつ、連結部での漏洩磁束の低減を狙って、連結部に径方向の幅が狭くなる凹部を設けた分割型の固定子鉄心が提案されている（例えば、特許文献１参照）。連結部に凹部を設けると、当該部分での磁気抵抗が大きくなるため、連結部を経由する漏洩磁束を減らす効果がある。
特開２００６－２８８０４２号公報
　特許文献１に記載の発明では、連結部に凹部を設けることにより連結部の機械的強度が低下し、例えば内側鉄心の取り扱い時に当該部分に変形が生じ、その結果、組立後の固定子鉄心の内側の形状精度が悪化するという課題があった。また、連結部の強度が低下するため、組立後の固定子鉄心の固有振動数が低くなり、回転電機として振動・騒音が発生し易いという課題があった。
　この発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、連結部を介してティース間を漏洩する磁束を低減でき、かつ、剛性が高く、運転時において低騒音、低振動を実現できる回転電機の固定子及び回転電機を提供することを目的とする。
　この発明に係る回転電機の固定子は、
磁性を有する薄板を積層してなる固定子鉄心と、前記固定子鉄心のティースに巻回された固定子巻線とを備えた回転電機の固定子において、
前記固定子鉄心は、円環状のバックヨーク部である外側鉄心と、
複数の前記ティースが放射状に配置され、周方向に隣接する前記ティースの内側先端部同士が互いに周方向に連結部により連結され、前記外側鉄心の内側に嵌合された内側鉄心とを有し、
前記連結部は、軸方向に貫通する孔を有し、
前記連結部は、前記孔によって複数に分割されており、
前記連結部の、径方向の幅が最も狭い部分における１つの前記連結部の径方向の幅は、前記薄板の板厚の１／４以上、かつ１／２未満であるものである。
　また、この発明に係る回転電機は、上記回転電機の固定子と、
前記固定子の内周面に対向して回転可能に保持された回転子とからなるものである。
　この発明に係る回転電機の固定子及び回転電機によれば、
ティース間の連結部に孔を設け、連結部を外側連結部と内側連結部とに分割することにより、連結部の鉄心断面積を小さくすることができる。これにより当該部分の磁気抵抗が大きくなり、周方向に隣接するティース間の漏洩磁束を減らす効果が得られ、回転電機の電磁気特性を向上できる。また、外側連結部及び内側連結部の残留応力を増大させることにより、連結部を経由して隣接するティース間に流れる磁束を更に低減でき、効率の高い、回転電機の固定子及び回転電機を提供できる。
　また、連結部に孔を設け、連結部を少なくとも２本の梁（外側連結部、内側連結部）を剛接合で構成したラーメン構造とすることにより、固定子鉄心の積層平面内の変形に対する剛性を向上できる。これにより、固定子鉄心が変形しにくくなるとともに固定子鉄心の固有振動数が向上し、回転電機の振動・騒音が発生しにくくなるという効果が得られる。
この発明の実施の形態１に係る回転電機の断面模式図である。 図１のＡ－Ａ線における断面図である。 この発明の実施の形態１に係るコイルの正面図及び側面図である。 この発明の実施の形態１に係る固定子巻線の製造工程を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る内側鉄心の要部拡大斜視図である。 この発明の実施の形態１に係る内側鉄心の要部拡大正面図である。 この発明の実施の形態１に係る他の回転電機の、回転軸に垂直な断面図である。 この発明の実施の形態２に係る内側鉄心の要部拡大斜視図である。 この発明の実施の形態３に係る内側鉄心の要部拡大斜視図である。 この発明の実施の形態４に係る内側鉄心の要部拡大正面図である。 この発明の実施の形態３で用いた薄板の連結部近傍の拡大斜視図である。
実施の形態１．
　以下、本発明の実施の形態１に係る回転電機の固定子及び回転電機を、図を用いて説明する。本明細書中で、特に断り無く「軸方向」、「周方向」、「径方向」、「内周側」、「外周側」、「内側」、「外側」というときは、それぞれ、固定子の「軸方向」、「周方向」、「径方向」、「内周側」、「外周側」、「内側」、「外側」をいうものとする。
　図１は、回転電機１００の断面模式図である。
回転電機１００は、ブラシレスモータであり、３相あるいはそれ以上の相数を備えており、フレーム２、固定子３、回転子４、回転軸５、ベアリングホルダ６、軸受７、軸受８を備えている。なお、回転電機１００において、回転軸５の出力端側５ａをフロント側、その反対側をリヤ側と称する。
　図２は、図１のＡ－Ａ線における断面図である。
回転電機１００は、図示しないインバータ回路を用いて回転子４の位相に合わせて固定子３の各相の巻線に通電する電流を切り替えることにより、回転子４の回転速度、トルクを所望の値に制御している。そのため、回転軸５のリヤ側端部には回転子４の位相を検出するための回転角度センサが設けられているが、図１においては回転角度センサを省略している。
　回転子４は、回転電機１００の界磁であり、鉄等の強磁性体からなる略円筒形の回転子鉄心４０の外周面に永久磁石４１を貼り付けてあり、回転子鉄心４０の中心には回転軸５が固定されている。なお、本実施の形態では、回転子鉄心４０の表面に永久磁石４１を貼り付けた表面磁石型の回転子４を用いて説明するが、回転子鉄心の内部に磁石埋め込み用の穴を設け、回転子鉄心内に磁石を埋め込んだ磁石埋め込み型回転子であっても良い。
　固定子３は、回転電機１００の電機子であり、回転子４の外周側に一定の空隙を介して配置され、固定子鉄心３０と固定子巻線３５とで構成されている。固定子鉄心３０は、略円形で表面に薄い絶縁被膜を配した鋼板あるいは電磁鋼板の薄板を回転電機の軸方向に複数枚積層して構成された円環状のバックヨーク部である外側鉄心３０ａと、同様に、放射状に配置された複数のティース３１の内側先端部が互いに周方向に連結された薄板を積層した内側鉄心３０ｂとからなる。
　図３（ａ）は、固定子巻線３５を構成する最小単位である、亀甲型のコイル２２の正面図である。
図３（ｂ）はコイル２２の側面図である。
固定子巻線３５は、内側鉄心３０ｂの各ティース３１間に形成された隙間であるスロット３６に挿入され、複数のティース３１を跨いで２回巻回されたコイル２２を複数結合して形成されている。なお、固定子巻線は、周方向に沿って波巻きになるような形態を採用して良いし、コイル２２の巻回回数を増減しても良い。
　コイル２２は、銅やアルミといった導電率の高い金属素材による線材からなり、表面を絶縁性の樹脂被膜で覆われている。コイル２２のスロット３６内に配置される部分がスロット収納部２２ａ，２２ｂである。固定子鉄心３０のスロット３６から軸方向に外部に飛び出した部分がコイルエンド部となり、コイルエンド部にて他のスロットに配置されたコイル２２への引き回しと端末の接合をおこなう。
　固定子巻線３５は３つあるいはそれ以上の相数の巻線からなり、さらに各相は複数のコイル２２で構成されていることになる。すなわち、１相分の固定子巻線３５は複数のコイル２２を直列あるいは並列、または直並列に接合して構成されている。
　次に、亀甲型のコイル２２を用い、外側鉄心３０ａと内側鉄心３０ｂとの２つに分割された固定子鉄心３０への固定子巻線３５の組み付け方法を説明する。
図４（ａ）～図４（ｃ）は、固定子巻線３５の製造工程を示す図である。
図２に示すように、固定子鉄心３０は、ティース３１の最外周部分で外側鉄心３０ａと内側鉄心３０ｂとに分割されている。内側鉄心３０ｂにおいて各ティース３１は、内周側先端が周方向に連結されており、ティース３１に挟まれた、コイル２２が配置されるスロット３６は、外周側が開放された形状となっている。
　ここで、まず、内側鉄心３０ｂにおいて各スロット３６の開放されている外周側をスロット３６の入口、連結されている内周側をスロット３６の底とすると、図４（ａ）に示すように各スロット３６の入口から全てのコイル２２の一方のスロット収納部２２ａ（２本１組）をスロット３６内に挿入する。次に、内側鉄心３０ｂを図４（ａ）の矢印の方向に回転させて、図４（ｂ）に示すように、他方のスロット収納部２２ｂ（２本１組）を、複数のティース３１を跨いで他のスロット３６内に挿入する。
　そして、図４（ｃ）に示すように、外側鉄心３０ａを、内側鉄心３０ｂの外周に軸方向に圧入して固定する。
　図５は、内側鉄心３０ｂの要部拡大斜視図である。内側鉄心３０ｂの一部を切断した拡大図である。図６は、内側鉄心３０ｂの要部拡大正面図である。
内側鉄心３０ｂは、各ティース３１の内側先端部において、隣接するティース３１が連結部３２により周方向に連結されている。そして、連結部３２には、軸方向に貫通する孔３２ｈが設けられている。孔３２ｈを設けてある部分では、連結部３２は、径方向外側の外側連結部３２ａと、径方向内側の内側連結部３２ｂの２本に分かれている。
　なお、本実施の形態では、外側連結部３２ａと内側連結部３２ｂの、それぞれの径方向の幅は同じであるが、必ずしも同じ幅、形状である必要はなく、異なっていても良い。また、図６では連結部３２に設けた孔３２ｈが１個であり、連結部３２は外側連結部３２ａと内側連結部３２ｂの２本となる構成であるが、例えば２個の長穴を径方向に並べて配置し、連結部が３本となっている構成も可能である。
　図７は、集中巻を採用した場合の回転電機１００ｂの、回転軸に垂直な断面図である。
これまでの説明では、各コイル２２が複数のティース３１を跨いで配置される分布巻の回転電機１００について説明したが、各コイル１２２が複数のティース１３１を跨がず、１つのティース１３１のみにコイル１２２が巻回される集中巻の回転電機１００ｂにも同様に内側と外側に分割した固定子鉄心１３０を適用可能であり、本発明も同様に適用することができる。
　樹脂等の絶縁素材からなる巻枠３４に巻回したコイル１２２を、内側鉄心１３０ｂの各ティース１３１に外周側から嵌め込む。その後、前述の分布巻の場合と同様に内側鉄心１３０ｂの外周に外側鉄心１３０ａを嵌め込んで固定子１０３ｂを構成する。
　本発明の実施の形態１に係る回転電機１００の固定子３及び回転電機１００によれば、ティース３１間の連結部３２に孔３２ｈを設け、連結部３２を外側連結部３２ａと内側連結部３２ｂとに分割することにより、連結部３２の鉄心断面積を小さくすることができる。これにより当該部分の磁気抵抗が大きくなり、周方向に隣接するティース３１間の漏洩磁束を減らす効果が得られ、回転電機１００の電磁気特性を向上できる。
　また、連結部３２に孔３２ｈを設けることにより、連結部を少なくとも２本の梁（外側連結部３２ａ、内側連結部３２ｂ）を剛接合で構成したラーメン構造としている。ティース３１間を連結する梁の断面積の合計が同じであれば、一本の梁を用いるよりも、複数の梁を用いてラーメン構造とした方が、積層平面内の変形に対する断面二次モーメントが大きくなる。その結果、固定子鉄心３０の積層平面内の変形に対する剛性が上がり、固定子鉄心３０が変形しにくくなるとともに固定子鉄心３０の固有振動数が向上し回転電機１００の振動・騒音が発生しにくくなるという効果が得られる。
　なお、固定子鉄心３０は強磁性体である鋼板あるいは電磁鋼板の薄板を多数積層して構成されているので、積層方向への変形に対する強度は積層平面内のそれと比較して十分に高いので、積層方向への変形に対しては問題ない。
　ところで、連結部３２を２本以上に分割した構成にすると、１本だけで構成した場合と比較して連結部３２の径方向の幅が孔３２ｈの幅だけ広くなってしまう。しかし、図６に示すように、孔３２ｈを含めた連結部３２全体の径方向の幅Ｂをティース３１先端のシュー部Ｓの径方向の幅と同等以下にしておけば、スロット３６の軸方向に垂直な断面積のうち巻線可能な面積は減少せず、従来構造と同様の固定子巻線を配置することができる。
　また、ここまでの説明では隣接するティース３１間の連結部３２が、外側連結部３２ａと内側連結部３２ｂの２本に分かれた例を説明したが、連結部３２が３本以上に分かれていても良い。また、孔３２ｈが必ずしも隣接するティース３１間の中央に配置されていなくても良く、どちらかのティース３１側に偏った位置に配置されていても良い。
実施の形態２．
　以下、本発明の実施の形態２に係る回転電機の固定子及び回転電機を、図を用いて実施の形態１と異なる部分を中心に説明する。
図８は、内側鉄心２３０ｂの要部拡大斜視図である。
実施の形態１では、隣接するティース３１間の連結部３２に孔３２ｈを設けることにより、連結部３２を外側連結部３２ａと内側連結部３２ｂとに分けて漏洩磁束を低減させつつ固定子鉄心３０の剛性を上げる構成としたが、本実施の形態の内側鉄心２３０ｂは、複数の連結部３２を備えた鋼板Ｋ１と隣り合うティース３１間が連結されていない鋼板Ｋ２とを交互に積層している。そして、周方向に隣り合う鋼板Ｋ２のティース３１同士の間には空隙Ｒを設けている。
　これらの鋼板Ｋ１、Ｋ２は、図示しないがティース３１部分において、カシメ、溶接あるいは接着といった手段により互いに積層方向に連結されている。
　本発明の実施の形態２に係る回転電機の固定子及び回転電機によれば、隣り合う鋼板Ｋ２の内側先端部同士が連結されていなくても、鋼板Ｋ１の外側連結部３２ａと内側連結部３２ｂとのラーメン構造により、内側鉄心２３０ｂの強度が得られるので、鋼板Ｋ１の枚数を減らしても問題ない。
　また、周方向に隣り合うティース３１間が連結されていない鋼板Ｋ２間においては、周方向に空隙Ｒを設けることにより磁束が漏洩しないので、回転電機の電磁気特性をさらに向上させることができる。
実施の形態３．
　以下、本発明の実施の形態３に係る回転電機の固定子及び回転電機を、図を用いて実施の形態１と異なる部分を中心に説明する。
図９は、内側鉄心３３０ｂの要部拡大斜視図である。
実施の形態１と同様に、各ティース３１は、各ティース３１の内側先端部において、周方向に隣接するティース３１と連結部３３２により連結されている。ここで、外側連結部３３２ａの径方向の幅Ｗ１と、内側連結部３３２ｂの径方向の幅Ｗ２とは、固定子鉄心を構成する薄板の板厚Ｔの１／４以上、１／２未満とする。
　なお、鋼板あるいは電磁鋼板の薄板は、プレスで加工したものを用いる。連結部３３２の最も狭い部分の内側面、外側面も同じくプレスにより加工されており、両側面のそれぞれに、せん断面と破断面の両方を有している。
　ところで、プレス加工において板厚に対して幅の狭い部材を加工すると、加工時に当該部分が面外方向に変形し易くなるため加工後の形状精度が低下してしまう。変形の影響を無視できる程度に加工できるのは板厚Ｔの１／４程度までである。
そこで、本実施の形態では連結部３３２の外側連結部３３２ａ、内側連結部３３２ｂの径方向の幅を、鉄心を構成する薄板の板厚Ｔの１／４以上とすることでプレス加工時の当該部分の変形による形状精度の低下を防いでいる。
　一方、薄板のプレス加工には大きな力が必要である。そのため加工部近傍にはプレス加工時に大きな荷重が作用し、プレス加工後にも加工部近傍には残留応力が生じている。つまり、プレス加工で形成された固定子鉄心には、加工に伴って生じる残留応力が影響している範囲が固定子鉄心のプレス加工部に沿って分布していることになる。残留応力が影響しているとみなせる範囲は、加工面から板厚の１／２程度の範囲であり、特に、板厚の１／４程度の範囲では板材の板厚方向の変形も含めて顕著に応力が残留している。
　また、固定子鉄心を構成する鋼板、電磁鋼板には透磁率の高い素材を用いるが、残留応力が生じている場合には、磁性体である鋼板の透磁率が低下する。そのため、残留応力が生じていない部分に比べて単位断面積当たりの磁気抵抗が大きい。
　本実施の形態では、連結部３３２の最も狭い部分（外側連結部３３２ａ、３３２ｂ）の径方向の幅を、板厚Ｔの１／２未満としており、連結部３３２の両側面のプレス加工による残留応力の高い範囲である板厚の１／４の範囲が、外側連結部３３２ａ、内側連結部３３２ｂの内側、外側の縁の全域に渡って存在する状態となっている。従って、外側連結部３３２ａ、内側連結部３３２ｂでは断面の全域において単位面積当たりの磁気抵抗が増大した状態にすることができる。
　本発明の実施の形態３に係る回転電機の固定子及び回転電機によれば、実施の形態１の効果に加えて、外側連結部３３２ａ及び内側連結部３３２ｂの残留応力を増大させることにより、連結部３３２を経由して隣接するティース３１間に流れる磁束を更に低減でき、効率の高い、回転電機の固定子及び回転電機を提供できる。
実施の形態４．
　以下、本発明の実施の形態４に係る回転電機の固定子及び回転電機を、図を用いて実施の形態３と異なる部分を中心に説明する。
図１０は、内側鉄心４３０ｂの要部拡大正面図である。
本実施の形態４に係る内側鉄心４３０ｂと実施の形態３で説明した内側鉄心３３０ｂとの違いは、孔３３２ｈの内側の内側連結部４３２ｂの径方向の幅Ｗ４０２の方が、外側の外側連結部４３２ａの径方向の幅Ｗ４０１より大きい点である。
　実施の形態３では、プレス加工での連結部の変形を考慮して外側連結部３３２ａと内側連結部３３２ｂの径方向の幅を板厚の１／４以上に限定していたが、それだけでプレス加工部の変形を完全に解消できるわけではない。プレス加工部の変形の状態は、金型の摩耗や材料の板厚ばらつき等によって変化し、連結部の幅が狭くなるほどこれらの要素をより厳密に管理する必要がある。逆に、これらの要素の管理状態が同程度であれば、連結部の幅が狭い方が変形を生じ易いといえる。
　図１１は、実施の形態３で用いた薄板の連結部３３２近傍の拡大斜視図であり、連結部３３２を軸方向に平行な平面で切断した連結部の断面を示している。ここでは、プレス加工面の破断面やせん断面の要素を無視し、断面を長方形で表している。
　図１１（ａ）は、連結部３３２に変形がない状態を表したものである。連結部３３２をプレス加工する際には金型によって図の矢印方向にせん断力が作用する。連結部３３２に変形がない場合には、薄板の内周面３３２ＩＮは、薄板の軸方向に垂直な平面に対して垂直である。
　一方、図１１（ｂ）が連結部３３２で変形が生じた状態を模式的に表したものである。図の矢印方法にせん断力が作用するので、連結部３３２の外側連結部３３２ａと内側連結部３３２ｂとに捻れが生じ、連結部３３２の内周面３３２ＩＮの一部が正規の位置に対して内周側にずれた状態となっている。プレス加工においては、薄板を上下方向から金型で挟み込んで保持することにより、薄板が、せん断力によって図１１（ｂ）に示すように変形することを防止する。しかし、連結部３３２の径方向の幅が狭い場合、薄板の保持力が小さくなるためここに変形が発生し易くなる。
　万一薄板に変形が生じても、連結部３３２の断面積自体は変化しないので、連結部３３２の幅を狭くして漏洩磁束を低減するという効果は有する。しかし、外側連結部３３２ａ及び内側連結部３３２ｂに捻れが生じることにより連結部３３２の内側と外側の両側面の径方向の位置が、本来あるべき位置から微妙にずれてしまう。
　ところで、径方向に複数に分割された連結部のうち、最も内周側の内側連結部３３２ｂは、空隙を介して回転子４と対向している。内側連結部３３２ｂの変形によって内側鉄心の内周面３３２ＩＮの位置が本来あるべき位置からずれると、固定子３と回転子４との間隔が変化するため、回転電機１００の回転むらが生じる等の影響が発生する。一方、最も内周側の内側連結部３３２ｂ以外の外側連結部３３２ａは、回転子４と対向していないので、変形によって回転電機１００の特性に変化を及ぼすことはない。そこで本実施の形態では、上述のように、最も内周側の内側連結部４３２ｂの幅Ｗ４０２をそれ以外の外側連結部４３２ａの幅Ｗ４０１より大きくして、プレス加工時の連結部４３２の変形、特に連結部４３２の内周面４３２ＩＮの変形を防止することとした。
　本発明の実施の形態４に係る回転電機の固定子及び回転電機によれば、実施の形態３の効果に加えて、最も内周側の連結部の幅Ｗ４０２をそれ以外の連結部の幅Ｗ４０１より大きくしたので、プレス加工時に連結部４３２に生じる変形を防止し、変形による回転電機の回転特性への悪影響を低減することができる。
　尚、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

Claims (4)

  1. 磁性を有する薄板を積層してなる固定子鉄心と、前記固定子鉄心のティースに巻回された固定子巻線とを備えた回転電機の固定子において、
    前記固定子鉄心は、円環状のバックヨーク部である外側鉄心と、
    複数の前記ティースが放射状に配置され、周方向に隣接する前記ティースの内側先端部同士が互いに周方向に連結部により連結され、前記外側鉄心の内側に嵌合された内側鉄心とを有し、
    前記連結部は、軸方向に貫通する孔を有し、
    前記連結部は、前記孔によって複数に分割されており、
    前記連結部の、径方向の幅が最も狭い部分における１つの前記連結部の径方向の幅は、前記薄板の板厚の１／４以上、かつ１／２未満である回転電機の固定子。
  2. 複数に分割された前記連結部のうち、最も内周側の連結部の径方向の幅が、それ以外の連結部の径方向の幅より大きい請求項１に記載の回転電機の固定子。
  3. 前記連結部は、前記内側鉄心の一部の積層を構成する前記薄板に設けられ、
    前記内側鉄心の前記一部の積層を構成する前記薄板以外の積層を構成する前記薄板においては、前記連結部を有しない請求項１又は請求項２に記載の回転電機の固定子。
  4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の回転電機の固定子と、前記固定子の内周面に対向して回転可能に保持された回転子とからなる回転電機。
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