JP2015159674A

JP2015159674A - 回転電機のステータ

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Publication number: JP2015159674A
Application number: JP2014033593A
Authority: JP
Inventors: 尚史苗村; Hisafumi Naemura; 川村　浩司; Koji Kawamura; 浩司川村; 伊藤　慎一; Shinichi Ito; 慎一伊藤; 豊秋有働; Toyoaki Arido
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2014-02-25
Filing date: 2014-02-25
Publication date: 2015-09-03
Anticipated expiration: 2034-02-25
Also published as: JP6157379B2

Abstract

【課題】内輪コアと外輪コアを正しく組み合わせることにより、電磁特性のばらつきを低減できるとともに、内輪コアと外輪コアの当接部に起因する組立のばらつきを低減する。
【解決手段】内輪コアを軸方向から外輪コアに圧入してステータを形成する際、外輪コアの外周には周方向の位置を認識するための切欠きを設け、内輪コアの軸方向一端部には端板を取り付けるとともに端板には内輪コアを外輪コアに圧入する際に切欠きを基準に内輪コアの周方向の位置を決めるための突起部を設けたものである。
【選択図】図１２

Description

この発明は、回転電機のステータの構造に関するものである。

従来のステータにおいて、ティース部とヨーク部が別体の部品として構成され、ティース部にコイルが巻線された後にティース部とヨーク部が圧入嵌合にて組みつけられる構造のステータが知られている。例えば特許文献１には、磁束路となるヨークは、内周面の周方向に並ぶ複数の圧入溝を有し、それぞれの圧入溝にティースが圧入により組み付けられているステータが開示されている。

また特許文献２において、ティース部は各ティースごとに分割されており、ティース部の軸方向両端部にティース部と同形状の端板が設けられ、端板を介してティース部は連結されており、ティース部の外周はモータケーシング内周に当接しているステータが開示されている。

特開２０１２−１１５１２４号公報特開２００９−２６８１６８号公報

上記のようなティース部とヨーク部が別体であるステータは、ティース部とヨーク部を製造するにあたり、ティース部とヨーク部が一体となった状態からティース部とヨーク部を分離するようにプレスで打ち抜いて製造することが一般的に行われている。この場合ティース部とヨーク部を組立てるに際して、以下に示す理由により、ティース部とヨーク部の周方向の位置が分離前と同じとなるように組立てることが重要である。

すなわち一般的にステータに用いられる電磁鋼板は長手方向と幅方向において電磁特性の異方性を有していることが多く、そのためティース部とヨーク部も異方性を有する。ティース部とヨーク部の周方向の位置の組合せが合わないと、ステータの電磁特性がばらつくことになり、回転電機の性能に問題が生じてしまう。

更に複数のティース部を同形状にするとともに、ヨーク部外周に対して同軸に構成するための金型を作製することが考えられるが、当然金型ごとにばらつきが生じる。このためティース部とヨーク部の周方向の位置が合わない場合に、ティース部とヨーク部の当接部間に微小な隙間が生じたり、ティース部に周方向における傾きが生じたり、更にはヨーク部外周とティース部内周の間の同軸性が損なわれることがあり、組立精度の低下が生じることがある。その結果、回転電機の性能に問題が生じることがある。

またティース部とヨーク部が別体であるステータの場合、上記特許文献１のようにティース部はティースごとに別体に構成したり、あるいは特許文献２のように端板を介して連結される構造が考えられる。この場合ティース部はステータ内周で連結される構造となるが、上記特許文献１及び特許文献２のどちらの場合も構造体としての剛性は低いものとなり、ヨーク部との組立においてティースの位置決めに課題を有している。

例えば特許文献１においては、ヨーク部内周は圧入溝を有し、ティース部が圧入溝に嵌合することで組立てられることにより、ヨーク部に対してティース部の位置決めがなされる。しかしながら、どの圧入溝にどのティースを圧入組立するかは規定できないため、ステータの電磁特性がばらついてしまう等の問題が生じ、モータの性能に問題が生じることがある。また特許文献２においては、端板によって各ティースの位置決めがなされる。しかしながら、ヨーク部に対して各ティースを周方向に位置決めする手段がないため、ステータの電磁特性がばらついてしまう等の問題が生じ、モータの性能に問題が生じることがある。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、ティース部とヨーク部を嵌合組立する際にティース部とヨーク部を正しく組み合わせ、電磁特性のばらつきや、ティース部とヨーク部の当接部に起因する組立ばらつきを低減することを目的としている。

この発明に係る回転電機のステータは、１つの電磁鋼板から打ち抜かれることによって形成された内輪コアと外輪コアとを有し、内輪コアを軸方向から外輪コアに圧入することにより形成されるものであって、外輪コアには周方向の位置を認識するための指標を設け、内輪コアの軸方向一端部には端板を取り付けると共に端板には内輪コアを外輪コアに圧入する際に指標を基準に内輪コアの周方向の位置を決めるための目印を設けたものである。

上記のように構成された回転電機のステータにおいては、内輪コアと外輪コアを正しく組み合わせることができ、電磁特性のばらつきを低減できるとともに、内輪コアと外輪コアの当接部に起因する組立のばらつきを低減することができる。

実施の形態１による回転電機を示す断面図である。ステータ部を示す平面図である。ステータに巻回されるコイルを示す斜視図である。ステータコアを形成する内輪コアを示す斜視図である。ステータコアを形成する外輪コアを示す斜視図である。端板を示す斜視図である。内輪コアに端板を取り付けた状態を示す斜視図である。端板を示す斜視図である。端板を示す斜視図である。内輪コアの１つのティースについて、端板を取り付けた状態を示す斜視図である。図１０における正面図である。内輪コアに外輪コアを圧入した後のステータコアを示す平面図である。１つの電磁鋼板から内輪コアと外輪コアを形成する過程を示す平面図である。ティースと外輪コアとの当接部を示す拡大平面図である。端板を示す斜視図である。端板を示す斜視図である。実施の形態２によるステータにおける端板を示す斜視図である。

実施の形態１．
以下この発明の実施形態を図に基づいて説明する。図１は実施の形態１による回転電機を示す断面図である。図１においては、回転電機１の一例として３相交流モータが示されており、回転電機１は回転磁界を発生させるステータ２、ステータ２の内周側に配置されて回転磁界により回転するロータ３、ロータ３の回転に伴って回転する出力軸４、出力軸４を軸支するベアリング５及びベアリング６、ステータ２とベアリング５を保持するハウジング７、ベアリング６を保持するブラケット８、出力軸４の回転角度を検出するセンサ９、パワーＭＯＳＦＥＴなどからなるパワー素子（半導体スイッチング素子）１０、制御基板１１から構成される。

本実施の形態においては、センサ９、パワー素子１０及び制御基板１１といったモータを駆動制御する装置が一体となった構成例を示したが、駆動制御装置が別体となって構成される回転電機であってもよい。図２はステータ部を示す平面図、図３はステータに巻回されるコイルを示す斜視図である。尚図２においては、コイルを省略して図示されている。

ステータ２はステータコア２１とステータコア２１に巻線されたコイル２２とを有し、コイル２２に３相交流電流を流すことにより回転磁界を形成し、回転磁界内に配置されるロータ３を回転させる。コイル２２は３相のコイル（Ｕ相コイル、Ｖ相コイル、Ｗ相コイル）を有している。ロータ３はたとえば表面磁石型（ＳＰＭ）で構成されている。他にもロータ３は埋込磁石型（ＩＰＭ）、電磁石型、鉄心型など様々な態様を取りえる。

図４はステータコアを形成する内輪コアを示す斜視図、図５は外輪コアを示す斜視図である。ステータコア２１、内輪コア２５及び外輪コア２６は薄板の積層体から構成されているが、図においては判りやすくするため、薄板の一枚一枚は図示していない。ステータコア２１は周方向に略一定間隔で複数配置されるティース２３、及びティース２３の内周部を連結する連結部２４から構成される内輪コア２５と、ステータ２のコアバックを構成する筒状の外輪コア２６から構成される。

内輪コア２５と外輪コア２６はそれぞれ電磁鋼板をプレスで打ち抜かれた後、電磁鋼板を積層してかしめなどの手段によってそれぞれ一体化されて構成される。内輪コア２５と外輪コア２６はプレスで打ち抜かれる過程において、初期は一体であるが、プレス工程内で金型によって分離され別々の部品となる。

外輪コア２６の外周には指標となる３か所の切欠き１０１、１０２、１０３が設けられる。３か所の切欠きは周方向に等間隔に設けられており、切欠き１０１の幅寸法が他の切欠き１０２、１０３の幅寸法とわずかに相違させることで、外輪コア２６の外周に設けられた切欠きを基準にして、外輪コア２６の周方向の位置を一義的に決めることができる。外輪コア２６の外周の切欠きの数は３個に限るものではなく、周方向に略等間隔に複数設けてもよい。あるいは積層かしめの形状やかしめの寸法を変えることによって周方向の位置決め基準としてもよい。

内輪コア２５の軸方向の両端部には図６に示すように突起部４１を有する形状の端板２７と突起部を有さない端板２８が取り付けられる。図７は内輪コア２５に端板２７及び端板２８を取り付けた状態を示す斜視図、図８は端板２７を示す斜視図、図９は端板２８を示す斜視図である。又図１０は内輪コア２５の１つのティース２３について、端板２７及び端板２８を取り付けた状態を示す斜視図、図１１は図１０における正面図である。端板２７及び端板２８は例えば板金で形成される。そして板金を曲げることにより突起部４１は軸方向において凸部を形成することが出来るようになる。

端板２７及び端板２８は例えばプレスによってエッジ部を丸める。エッジ部の丸めはプレスによるものだけでなく、例えば切削やバレルなどによってもよい。端板２７及び端板２８はエッジ部が丸められた面１２０、１２１が、内輪コア２５の軸方向外側になるように、内輪コア２５に例えばレーザー溶接によって取り付けられる。内輪コア２５と端板２７、端板２８の固定はレーザー溶接に限るものではなく、例えば抵抗溶接やかしめ、更には接着などの方法が考えられる。

端板２８はモータ組立時にロータ３を挿通する側のステータ２端面に取り付け、端板２７はその反対側に取り付ける。図１の回転電機１は組立工程において、コイル２２の結線側の反対側からロータ３を挿通する構造であるため、端板２７をコイル２２の結線側に取り付け、端板２８がコイル２２の結線側とは反対側に取り付ける。そのため、端板２８の内径はロータ３の外径よりも大きく、端板２７の内径はベアリング５の外径より大きい寸法であれば、回転電機１を組み立てることができる。

端板２７の内周側には突起部４１が１つ構成されている。突起部４１の数は１つとは限らず、等間隔とならないように複数配置してもよい。さらに突起部４１は軸方向に略直角に曲げられている。内輪コア２５が電磁鋼板の長手方向に対してどの角度であったかを記録しておき、端板２７を内輪コア２５に組み付けるときに突起部４１を周方向の特定の角度になるように端板２７を内輪コア２５に組み付ける。

内輪コア２５には絶縁部材（図示せず）を介してコイル２２が巻線される。コイル２２は図３に示すような形状のコイルを溶接などにより複数接続したセグメントコイルである。コイル２２は内輪コア２５の外周側の開口部からティース２３の間に挿入され、いわゆる分布巻と呼ばれる巻き方で内輪コア２５に巻線される。分布巻で構成することにより、トルク性能が向上し、振動騒音を低減することが出来る。内輪コア２５にコイル２２が巻線された後、内輪コア２５を軸方向から外輪コア２６に圧入する。図１２は内輪コア２５に外輪コア２６を圧入した後のステータコアを示す平面図である。但しコイルの図示は省略されている。
本例ではコイル２２はセグメントコイルの分布巻の例を示したが、コイルが複数に分割されていないようなコイルであってもよいし、分布巻ではなく集中巻であってもよい。

圧入時には突起部４１を基準に内輪コア２５の周方向の位置決めを行い、外輪コア２６の外周の切欠きを基準に内輪コア２５に対する外輪コア２６の周方向の位置決めを行う。図１２においては、外輪コア２６の切欠き１０１と端板２７の突起部４１が同じ周方向位置となるように組み立てられている。上述のように、内輪コア２５と外輪コア２６は元々は一体であったものが、プレスで打ち抜かれる過程で分離されており、圧入工程において再び組み合わされる。そのため内輪コア２５を外輪コア２６に圧入するにあたり、内輪コア２５と外輪コア２６の電磁鋼板の長手方向に対する方向を正しく合わせることが重要である。

図１３は１つの電磁鋼板から内輪コア２５と外輪コア２６を形成する過程を示す平面図である。例えば外輪コア２６の外周の切欠き１０１と外輪コア２６の中心とを結ぶ線が電磁鋼板の長手方向Ａと一致している。この状態では内輪コア２５の方向を確認できる目印がないため、内輪コア２５の方向を決めた状態でプレス機から内輪コア２５を取り出し、端板２７を内輪コア２５に取り付け、目印となる突起部４１が指標となる切欠き１０１と一致するよう調整する。これにより図１２に示すように、後の行程で正しく外輪コア２６に対して内輪コア２５を取り付けることが出来る。

電磁鋼板には長手方向と幅方向で異方性があるため、内輪コア２５と外輪コア２６はそれぞれ周方向の角度によって電磁的特性が異なる。内輪コア２５と外輪コア２６の圧入において、周方向に正しく位置を合わせることでステータ２の電磁的特性のばらつきを生じさせることなく、組み立てることができる。また内輪コア２５と外輪コア２６は元々一体であったものをプレスによって分離したものであり、当然ティースごとにわずかな形状のばらつきが生じる。形状ばらつきとしては、例えば内輪コア２５と外輪コア２６の当接部の形状が考えられる。又同一の電磁鋼板から形成する場合に元の位置においてティース２３と外輪コア２６の当接部１０４が一致しない場合、ティース２３が外輪コア２６に対して傾いてしまうことにより形状がばらついてしまうことがある（後の説明における図１４参照）。更にはティースの長さのばらつき等も考えられる。

内輪コア２５と外輪コア２６の当接部の形状がばらついた場合、内輪コア２５と外輪コア２６の電磁鋼板の長手方向に対する方向（図１３におけるＡ方向）が正しく合わせられないことが生じ、内輪コア２５と外輪コア２６の当接部において微小な隙間が生じることがある。これによりティース２３ごとに外輪コア２６に流れる磁束の流れがばらつくため、ステータ２の電磁特性のばらつきの原因となる。またティース２３の外輪コア２６との当接部１０４（図１２参照）の形状がばらつくと、内輪コア２５と外輪コア２６の電磁鋼板の長手方向に対する方向が正しく合わせられない場合が生じ、ティース２３は内輪コア２５の中心線からずれた形で外輪コア２６と固定される。そのためティース２３ごとに磁束の流れがばらつくため、ステータ２の電磁特性のばらつきの原因となる。

図１４はティースと外輪コアとの当接部を示す拡大平面図であり、図１４（Ａ）は当接部の形状が理想的な場合、図１４（Ｂ）、（Ｃ）は当接部の形状がばらついた場合であり、図１４（Ｂ）は内輪コア２５と外輪コア２６の組み合わせが正しい場合、図１４（Ｃ）は内輪コア２５と外輪コア２６の組み合わせが正しくない場合である。図１４（Ｂ）の場合、当接部１０４がステータの半径方向に対して傾いているが、内輪コア２５と外輪コア２６が正しく組み合わされているため、内輪コア２５と外輪コア２６を組み立てるとその傾きの影響は小さい。一方、図１４（Ｃ）の場合、当接部１０４がステータの半径方向に対して傾いており、さらに内輪コア２５と外輪コア２６の組み合わせが正しくないため、内輪コア２５と外輪コア２６を組み立てると当接部１０４の形状にならってティース２３が曲がったり、あるいは当接部１０４に隙間が生じることとなり、ステータ２の電磁特性のばらつきの原因となる。またティース２３の長さがばらついた場合、内輪コア２５の内周と外輪コア２６の外周の同軸度が悪化し、ステータ２とロータ３の間のエアギャップがばらつき、回転電機１が発生させるトルクの低下、振動及び騒音が生じる場合がある。

本実施形態においては、以上のような形状のばらつきが生じても、内輪コア２５と外輪コア２６を電磁鋼板の長手方向に対する方向に対して正しく合わせて組立を行うことができるので、上記のばらつきの影響をキャンセルしてステータ２を組み立てることができる。

また端板２７に周方向の位置決め基準の機能を持たせることによって次のような利点が生じる。即ち本実施形態のような構成を有するステータ２の場合、外輪コア２６に周方向の磁束を流す必要があり、外輪コア２６は径方向に一定の幅を設ける必要がある。従って周方向の位置決め基準を設けるのは容易である。しかし内輪コア２５の場合はティース２３において径方向に磁束を流す必要があるが、ティース２３の本数が多くなるとティース一本一本の幅は小さくならざるをえず、周方向の位置決め基準をティース２３に設けるのは困難である。

また一部のティースの長さを変えたり、内輪コア２５と外輪コア２６の当接部の形状を変えるといった方法で周方向の位置決め基準を設けることもできるが、ティース２３ごとの磁束の流れにばらつきが生じてしまう。また各ティース２３を連結する内輪コア２５の内周の連結部２４に磁束が流れるとトルクが低下するため、連結部２４の幅は極力小さくする必要がある。さらに連結部２４の内周はロータ３と対向するため、形状にばらつきがあるとコギングトルクの増加などにつながる。以上より連結部２４の内周に周方向の位置決め基準を設けることは困難である。以上のように内輪コア２５においては、組立途中の状態において剛性が低く、電磁特性を低下させずに周方向の位置決め基準を設けることは非常に困難である。

更に突起部４１を軸方向に曲げることで次のような効果がある。即ち通常端板２７はステータ２の電磁特性の向上に寄与しないため、ステータ２の軸方向の長さを小さくし、更にコイル２２の抵抗を低減するためにもなるべく薄肉とすることが好ましい。一方端板２７に設けた突起部４１をステータ２の組立の際の位置決め基準とするためには、軸方向における一定の寸法と剛性が必要であり、端板２７が薄板であった場合にはこの観点からは位置決め基準とすることは困難である。そこで本実施形態に示すように突起部４１を軸方向に曲げて構成することで、位置決め基準として必要な軸方向の寸法と剛性を確保できる。更にこれと同時に端板２７を薄板で形成することができ、従ってステータ２の軸方向の長さを短くして、コイル２２の抵抗を低減できる。

また突起部の軸方向の折り曲げ角度は略直角に限らず、例えば図１５に示すように、略１８０度の折り曲げ角度にして突起部１０６を設けても良い。これにより突起部の剛性を確保することができる。更にはわずかであるが、突起部の軸方向寸法も平坦な場合に比べると確保することができる。尚上記においては、略１８０度の折り曲げ角度にした場合を示したが、他の角度、例えば１６０度等の角度であっても良い。

以上の説明において、端板２７と端板２８は板金にて形成した例を示したが、端板２７と端板２８を樹脂等の絶縁部材で形成してもよい。端板２７と端板２８を樹脂で形成することにより、端板２７と端板２８を様々な形状で構成することができ、さらに端板２７と端板２８を絶縁部材とすることができるので、コイル２２と内輪コア２５間の絶縁を確保することができる。このように端板２７を樹脂で形成した場合、図１６に示すように、単なるブロック形状の突起部１０７を形成することが出来る。このようにブロック形状に形成することにより、折り曲げた場合よりも回転電機を組み立てる際の目印にし易く、組み立てやすいという利点がある。また端板２８を省略し、端板２７のみ用いることもできる。この場合、ステータ２の軸方向の長さをさらに短縮でき、コイル２２の抵抗を低減できる。

実施の形態２．
図１７は実施の形態２によるステータにおける端板を示す斜視図である。本実施の形態においては、端板２７は凸形状の突起部を有するのではなく、内周側に凹形状の切欠き１１０を有する。端板２７はロータ３の挿入方向と反対側に位置するため、端板２７の内径は内輪コア２５の内径よりも小さくできる。そこで端板２７の内径を内輪コア２５の内径よりも小さくして連結部１１１の幅を大きくとり、更に連結部１１１の周方向の一部に凹形状の切欠き１１０を設ける。

凹形状の切欠き１１０を設けることにより、内輪コア２５と外輪コア２６を組み合わせる際に、凹形状の切欠き１１０と外輪コア２６の外周の切欠き１０１に対して組立治具の位置決め基準を当てて両者を組立てることができる。これにより内輪コア２５と外輪コア２６の方向を正確に合わせて組み立てることができる。よって電磁鋼板における電磁特性のばらつきをなくし、更に形状のばらつきをキャンセルすることができ、性能のよい回転電機を得ることができる。

上記実施の形態１においては凸形状の突起部４１を目印にして内輪コア２５と外輪コア２６を正しく組み合わせた例を示したが、本実施形態においては、凹形状の切欠き１１０を目印にして内輪コア２５と外輪コア２６を正しく組み合わせるものである。
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、省略したりすることが可能である。

１回転電機、２ステータ、２２コイル、２５内輪コア、２６外輪コア、
２７端板、４１突起部、１０１切欠き、１１０切欠き。

Claims

１つの電磁鋼板から打ち抜かれることによって形成された内輪コアと外輪コアとを有し、上記内輪コアを軸方向から上記外輪コアに圧入することにより形成される回転電機のステータであって、上記外輪コアには周方向の位置を認識するための指標を設け、上記内輪コアの軸方向一端部には端板を取り付けると共に上記端板には上記内輪コアを上記外輪コアに圧入する際に上記指標を基準に上記内輪コアの周方向の位置を決めるための目印を設けたことを特徴とする回転電機のステータ。
上記目印は上記端板の内周側に設けられた突起部であることを特徴とする請求項１記載の回転電機のステータ。
上記突起部は軸方向に凸部を有することを特徴とする請求項２記載の回転電機のステータ。
上記目印は上記端板の内周側に設けられた凹形状の切欠きであることを特徴とする請求項１記載の回転電機のステータ。
上記端板を板金で形成したことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の回転電機のステータ。
上記端板を絶縁部材で形成したことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の回転電機のステータ。
上記内輪コアに対して分布巻によりコイルを巻回したことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の回転電機のステータ。