JP4668130B2 - ステータ - Google Patents

Description

本発明は、モータに用いられるステータ、特に、圧粉磁心を利用したステータを構築するための技術に関する。

下記特許文献１には、磁性粉体の焼結により成形した分割コアを用いて、ステータを生成する技術が開示されている。具体的には、円筒形のハウジング内に、台形形状の分割コアを交互に並べてステータを組み立てている。

下記特許文献２には、円環状のコアバックの内周面に設けられた凸部に、ティースの凹部を嵌合させてステータを構成する技術が開示されている。この技術では、コアバックとティースの少なくとも一方が磁性粉体で成形される。

下記特許文献３には、ティースを備えた複数の分割コアを組み合わせてステータを構成する技術が開示されている。この技術では、分割コアの一側面に円弧状の凹部を設け、他側面に円弧状の凸部を設けて隣接する分割コア同士を嵌合させることで、広い面で外力を受け止め、応力の集中を防止している。ただし、各分割コアは、積層部材の積層により作成されている。下記特許文献４には、隣り合う分割コア同士の重なり部をボルトによってフレームに固定する技術が開示されている。この技術は、磁束の通り道となる面同士を確実に接触させ、磁束を通りやすくするものである。下記特許文献５には、円筒形のコアバックに複数のティースを嵌合してステータを固定する技術が記載されている。

特開２００４−３２８９６５号公報 特開２００３−２２４９４０号公報 特開２００５−３９９９２号公報 特開平１１−２７５８３０号公報 特開平１１−１２７５４９号公報

圧粉磁心は、低損失材料を用いると強度が低下するため、高応力に対する強度が不足する。しかし、上記特許文献１乃至５には、圧粉磁心に作用する応力を低下させる技術は開示されていない。

本発明の目的は、圧粉磁心を用いたステータに対する応力集中を防止することにある。

本発明の別の目的は、圧粉磁心を用いたステータの強度確保と、ステータの省スペース化とを両立させる技術を確立することにある。

本発明のステータは、圧粉磁心により成形された複数の分割コアと、分割コアと隣接する分割コアは凸部形状及び凹部形状で構成されるコア間嵌合構造により周方向に結合され、円筒形状に構成されたステータコアと、圧粉磁心よりも高強度の素材により作られ、ステータコアの円筒形状に対応した環形状の部材と複数の穴が開けられたつば状の張り出しとを有する補強部材と、を備え、ステータコアを構成する分割コアの凸部形状の一端が突起部を形成し、突起部が補強部材の穴に嵌合することで、ステータコアと補強部材とが結合される。

ステータは、モータに用いられる部品である。モータにおいては、ロータとステータの間の電磁気的作用により、ロータが回転する。ステータは、このロータを囲むように（通常はロータの外側に）設置される。

ステータは、ロータに作用する磁束（磁界）を作り出すステータコアと、ステータコアの強度を補強する補強部材とを備える。ただし、補強部材が磁束の通り道の一部を担っていてもよい。そして、ステータコアは、複数のティースと、これらの背後に設けられるコアバックとを備える。ティースは、コイルが巻かれ、コイルに適当な電流が流されることで、磁極として機能するものである。また、コアバックは、ティースの背後に設けられ、ティース間における磁束の通り道として機能する。ステータコアは、分割コアを円筒形状の周方向に並べることで、円筒形状に構成されている。

分割コアは、通常、少なくとも一つのティースと、その背後のコアバックを備える。この分割コアは、圧粉磁心の成形により作られる。すなわち、典型的には、鉄粉等の磁性粉末と樹脂等の絶縁物を含む圧粉磁心を型を用いて固めることで、型に応じた形状をもつ分割コアが作られる。成形にあたっては、焼結や焼き鈍し等の付随的な処理を施してもよい。なお、分割コアを製造するにあたっては、製造手順を簡略化する観点からは、ティースとコアバックを一体的に成形することが望ましいが、例えば、ティースにコイルを巻きやすくするといった観点からは、ティースとコアバックを別々に成形し、ティースにコイルを巻いた後に両者を組み立てることも可能である。

補強部材は、ステータコアの形状に対応した環形状（ステータと同様の円筒形状であってもよいが、ステータほどの厚みを持たない形状も含める意味で環形状と呼んでいる）に作られている。そして、個々の分割コアのコアバックと結合されることで、ステータの強度を補強する役割を果たしている。補強部材は、圧粉磁心よりも高強度の素材により作られる。圧粉磁心よりも強度が強いとは、単位面積、単位体積又は単位質量あたりの強度が高い部材をいう。ここで、強度とは、適当な外力によって、弾性もしくは塑性変形を受けにくい度合い、または、破壊されない度合いをいう。強度の例としては、引っ張り力に耐える伸張強度、圧縮力に耐える圧縮強度、剪断力に耐える剪断強度などを挙げることができる。圧粉磁心よりも高強度の素材は、圧粉磁心の特性によって相対的に変化するが、敢えてそのような素材を例示すれば、冷間圧延鋼板（ＳＰＣＣ）やアルミなどを挙げることができる。

なお、圧粉磁心は、一般に、圧縮強度は比較的高いが、伸張強度は比較的低いという特性をもつ。そこで、この観点からは、補強部材として伸張強度が比較的強い部材を採用することが効果的であり、また、圧粉磁心に作用する伸張の力を吸収するように補強部材とステータコアとを結合することも有効であると言える。さらに、圧粉磁心は、一般に、高応力の下で強度が低下する特性をもつ。この観点からは、補強部材として高応力の下での強度が低下しない部材を採用することが望ましいと考えられ、また、圧粉磁心に作用する応力を吸収するように補強部材とステータコアとを結合する方が良いとも言える。

この構成によれば、補強部材により、各分割コアに作用する応力を分散させることができるため、補強部材を用いない場合に比べ、高強度のステータを作ることができる。特に、高応力の下での強度が低下しない素材を補強部材として用いることで、ある程度の強度と、ある程度の省スペース性（あるいは軽量性）とを両立させたステータ（そしてモータ）を作ることが可能となる。

本発明のステータの一態様においては、分割コアに設けられたコア間嵌合構造を構成する凸部及び凹部と、分割コアに設けられたステータコアの軸方向に延びる突起部とが、分割コアの成形時に一体成形される。これにより、あとから加工してコア間嵌合構造を作り出す必要がなくなる。これは、電磁鋼板の積層によってステータを作る場合には採用できない態様であり、圧粉磁心を使用するからこそ採用できる利点であると言える。

本発明のステータの一態様においては、各分割コアと補強部材には、相対応する嵌合構造が設けられ、各分割コアと補強部材とは、この嵌合構造の嵌合により結合される。つまり、少なくとも一方に突起部（突起帯や突起群でもよい）が設けられ、他方に穴部（貫通孔や溝でもよい）が設けられ、これらが嵌合することで結合が行われる。結合を強化するため、接着剤を利用してもよい。また、本発明のステータの一態様においては、分割コアに設けられた嵌合構造は、分割コアの成形時に一体成形される。

本発明のステータの一態様においては、各分割コアは、隣接する分割コアと相互に結合され、各分割コアと補強部材とは、一箇所で結合される。この構成では、分割コア同士が結合されるため、補強部材と各分割コアのコアバックを一箇所で結合しても、分割コアの振動や位置ずれなどを抑制することが可能となる。なお、一箇所で結合されているとは、結合可能な領域全体のある一部分で結合されていることをいう。一点ではなく、ある程度の拡がりを持っていても良いが、線状または面状に大きく拡がることは想定していない。一箇所で結合した場合には、結合のための処理が簡単になる。また、本発明のステータの一態様においては、各分割コアと隣接する分割コアとには、相対応するコア間嵌合構造が設けられ、各分割コアと隣接する分割コアとは、コア間嵌合構造の嵌合により結合され、コア間嵌合構造は、分割コアの成形時に一体成形される。

本発明のステータの一態様においては、補強部材は、ステータコアの円筒形状の端面（そして各分割コアの端面）に配置される。端面とは、円筒形状の端の面をいう。補強部材の一部は側面へと拡がっていてもよいが、補強部材が端面にのみ配置されると、体格を小さくする（省スペース化する）上で有利となる。

本発明のステータの一態様においては、補強部材は、ステータコアの円筒形状の一端面にのみ配置される。一般には、一端面にのみ設ければ、十分な強度を確保できると考えられ、また、組み立ても容易となる。しかし、バランスを重視する場合や、十分な強度を確保できない場合には、この構成の代わりに、両端に補強部材を設けることも有効である。

本発明のステータの一態様においては、補強部材は、ステータコアの円筒形状の外周面に配置される。補強部材は、外周面を全面的に覆うものであってもよいし、一部のみを覆う（つまり幅狭に作られる）ものであってもよい。

本発明のステータの一態様においては、各分割コアと補強部材とは、二箇所または三箇所以上で結合される。この構成は、隣接する分割コアが結合されない場合に、特に有効である。つまり、隣接する分割コアを結合しなくても、分割コアの動きの自由度を奪い、位置ずれの抑制を図ることが可能となる。二箇所にした場合には、比較的結合が簡単となり、三箇所（特に三角形をなす三箇所）だと動きの自由度を厳しく制限できる点で有効である。

本発明のモータは、前記ステータと、前記ステータの内側に配置されたロータと、を備える。前記ステータを採用することで、比較的高い強度をもち、かつ、体格を小さくしたモータを実現することができる。

図１は、本実施の形態にかかるステータ１０の概略的な構成を示す斜視図である。ステータ１０は、円筒形状に作られている。このステータ１０の中央には、ロータが配置され、モータが構築される。

ステータ１０は、ステータコア１２を備えている。そして、ステータコア１２は、１８個の分割コア２０，２２，．．．を周方向に並べて作られている。各分割コア２０，２２，．．．は、ステータコア１２の円筒の外壁を構成するコアバック（ヨークとも呼ばれる）と、コアバックから内側に突き出たティース３０，３２，．．．を備えている。ティース３０，３２，．．．は、その周囲に巻かれるコイルと、コイルに流される電流によって、ロータの回転運動を制御する磁極として機能し、コアバックは磁極間に伸びる磁束の通り路として機能する。

ステータコア１２の上端には、冷間圧延鋼板で作られた補強部材としての補強リング４０が設置されている。そして、補強リング４０は、各分割コア２０，２２，．．．のコアバックと結合されている。なお、この例では、ステータコア１２の下端には、補強リングは設けられていない。これは、上端の補強リング４０のみで必要な強度を確保できていること、また、上端の補強リング４０のみを設けるほうが組み立ての容易性と省スペース性に優れていることなどの理由による。

図２は、図１のステータコア１２の一部分について示した分解図である。図には、一つの分割コア２０と、補強リング４０の一部、及びこれらを結合するリベット７０，７２が示されている。

分割コア２０は、突起状のティース３０と、その背後に位置する板状のコアバック５０とを備える。ティース３０は、コアバック５０の内壁面５６の中央付近から突き出た柱部５２と、その先端に設けられた幅広のアーチ面部５４とからなる。そして、柱部５２は、内壁面５６に比べて幅狭に作られており、その周囲にはコイルが巻かれる。また、アーチ面部５４は、その内側に配置されるロータと近接するように、アーチ形状につくられている。

コアバック５０の側面５８は、平坦に作られており、隣接する分割コアのコアバックと接触するように配置されるが、直接的に結合されることはない。コアバック５０の上端面６０も平坦に作られており、補強リング４０の平坦な下面と密着する。また、コアバック５０の上端面６０には、距離をあけて二つの穴６２，６４が作られており、補強リング４０には、対応する貫通孔６６，６８が開けられている。そして、リベット７０，７２は、それぞれ、貫通孔６６、６８を貫いて穴６２，６４に圧入され、補強リング４０と分割コア２０とを密着固定させる。これにより、コアバック５０には、リベット７０，７２を通じて剪断力が作用し、応力の一部を開放することとなる。なお、リベット７０，７２と補強リング４０とを、穴６２，６４への圧入前あるいは圧入後に溶接によって一体化し、両者の結合を高めることも有効である。二つの穴６２，６４は、コアバック５０の上端面６０に対し垂直に開けられており、リベット７０，７２は、コアバック５０の上端面６０に対し垂直に差し込まれる。したがって、リベット７０，７２は、加速時にも減速時にも、順回転時にも逆回転時にも、コアバック５０から横向きの力（リベットに垂直な方向からの力）を受ける。

図示した分割コア２０は、圧粉磁心の成形により一時に作られる。すなわち、ティース３０、コアバック５０、及び穴６２，６４が同時に成形される。また、隣接する分割コアも、図示した分割コア２０と同形状であり、同様にして圧粉磁心の成形により作られる。そして、各分割コアは、ティースにコイルを巻かれた後、補強リング４０にリベットで固定される。こうして作られたステータ１０は、別途作成されたロータとともにモータのハウジングに設置され、これによりモータが作られる。

モータの運転は、コイルに適当な電力を供給することで行われる。これにより、分割コアの各磁極とロータとの間で磁気的相互作用が生じ、ロータが加速あるいは減速される。この時、各分割コアには、この磁気的相互作用にともなう反力を受ける。そして、この反力は、各分割コアの内部においては、応力として作用することになる。

一般に、圧粉磁心の強度は、低損失材料を用いると低下する傾向がある。一方、各分割コア、そして、各分割コアが並べられたステータコアは、急激な加速や減速にともなう応力に耐えるだけの強度をもつ必要がある。ところが、圧粉磁心は、電磁鋼板などに比べて強度、特に伸張に対する強度が小さい。そこで、ステータコアの体格を大きくするなどして強度を高める必要が生じる。

しかし、図１，２に示したステータ１０では、各分割コアを補強リング４０に結合させているため、各分割コアに作用する応力は、隣接する分割コアとの接触面を通じてだけでなく、補強リング４０を通じても広い範囲に分散されることになる。つまり、各分割コアに作用する応力は低下し、各分割コアに要求される強度は小さくて済むことになる。また、各分割コアからの応力が作用する補強リング４０は、高い強度特性をもつ冷間圧延鋼板を用いて作られている。したがって、圧粉磁心を用いて補強を行う場合に比べて、小さな断面積で必要な強度を確保することができる。つまり、ステータ１０は、圧粉磁心を主として構成した場合に比べ、小さく作ることができる。

続いて、図３乃至図５を用いて、変形例について説明する。

図３は、変形例にかかるステータ８０の概略的な構成を示す斜視図である。ステータ８０は、図１に示したステータ１０とほぼ同様にして作られている。すなわち、圧粉磁心の成形により作られた１８個の分割コアを円筒形状に並べることで、ステータコア８２が作られており、また、ステータコア８２は円筒形状をなす冷間圧延鋼板製の補強リング８４によって補強されている。ただし、ステータ８０では、ステータ１０とは異なり、補強リング８４はステータコア８２の外周面を全面的に覆うように設置されている。そして、補強リング８４とステータコア８２との結合は、補強リング８４の上端面で行われている。

図４は、ステータコア８２を構成する一つの分割コア９０について示した斜視図である。この分割コア９０は、図２に示した分割コア２０とほぼ同様に構成されており、ティース９１とコアバック９２とを備える。しかし、コアバック９２の上端面には、穴が設けられていない。また、コアバック９２の一方の側面には、下端から上端にわたって円柱形状の凸部９４が設けられている。そして、上端側では、凸部９４の先には、上端面よりも上側に突き出てた突起部９６が設けられている。さらに、コアバック９２の他方の側面には、下端から上端にわたって円柱形状に凹んだ凹部９８が設けられている。これらの凸部９４、突起部９６、及び凹部９８は、圧粉磁心によって分割コア９０を成形する際に、同時に作り出される。

各分割コアは、図４に示した分割コア９０と同様にして作られている。すなわち、その一方の側面には、凸部が作られ、他方の側面には凹部が作られている。そして、ステータコア８２を組み立てる際には、隣り合う分割コアを上下方向にスライドさせることで、互いの凸部と凹部とが嵌合される。つまり、ステータコア８２は、隣り合う分割コア同士が結合され、変形しにくく作られている。

図５は、ステータコア８２と補強リング８４の結合の様子を説明する部分的な斜視図である。図においては、ステータコア８２のうち、隣り合う二つの分割コア９０，１００の一部を示している。両分割コア９０，１００は、凸部と凹部とが嵌合されて、密着固定されている。そして、その外側は補強リング８４によって囲われている。

ステータコア８２の上端面は、両分割コア９０，１００の各コアバック９２，１０２によって平坦に作られている。ただし、両分割コア９０，１００の境界では、分割コア９０の突起部９６が上方に飛び出している。そして、この突起部９６には、補強リング８４の結合部１１０の孔が嵌め合わされている。結合部１１０は、ステータコア８２の側面を覆う主要部と一体的に作られており、主要部に対して直角に内側に折り曲げ加工されている。このため、突起部９６と結合部１１０とを嵌め合わせることで、ステータコア８２と補強リング８４とが結合されることになる。

なお、図１，２に示したステータ１０では、補強リング４０と各分割コアとは、それぞれ二つのリベットを用いて、二箇所で結合された。これに対し、ステータ８０では、補強リング８４は各分割コアと、それぞれ一つの突起部により一箇所で結合されている。しかし、ステータ８０では、隣り合う分割コア同士が互いに嵌合されているため、分割コア同士のガタつきを防ぐことができる。また、ステータ８０では、補強リング８４の内周面全体がステータコア８２の外周面全体と接するように作られており、全体の形状が安定化する利点も生じている。

以上に示した実施形態は、さらに様々に変形することができる。

一例としては、図３に示したようなステータコア８２の外周面を覆う補強リングを、リベットによってステータコアに結合する態様を挙げることができる。リベットにより結合する場合には、例えば、図５に示した突起部９６のような折り曲げ部を補強リングに設け、ステータコアの上端面と折り曲げ部とをリベット結合するようにしてもよい。また、折り曲げ部は設けず、ステータコアの外周面に対してリベットを圧入し、結合することも有効である。

また、ステータコアと補強リングとの間の力の伝達箇所を分散させることも有効である。図１乃至図５を用いて説明した例のように、一箇所または二箇所でのみ分割コアと補強リングとを結合した場合には、この一箇所または二箇所の点において、分割コアに応力が集中してしまうことも考えられる。そこで、三箇所以上の点において結合を行ったり、線状または面状の結合を行って、応力の集中を避けることが有効となる。また、結合箇所を拡げるのではなく、接触のしかたを変えることで応力を分散させることも可能である。例えば、分割コアと補強リングとの接触面を同形状に波打たせることで、接触面を通じて応力が伝えられるようになる。さらには、リベットや突起部の直径を太くしたり、全長を長くしたりすることで、応力を分散することも有効であろう。

ステータの概略的な構成例を示す斜視図である。 図１のステータを構成する分割コアの分解図である。 変形例にかかるステータの概略的な構成を示す斜視図である。 図３のステータを構成する分割コアの斜視図である。 図３のステータの分割コアと補強リングとの結合例を説明する図である。

符号の説明

１０，８０ ステータ、１２，８２ ステータコア、２０，２２，９０，１００ 分割コア、３０，３２，９１ ティース、４０，８４ 補強リング、５０，９２，１０２ コアバック、５２ 柱部、５４ アーチ面部、５６ 内壁面、５８ 側面、６０ 上端面、６２，６４ 穴、６６，６８ 貫通孔、７０，７２ リベット、９４ 凸部、９６ 突起部、９８ 凹部、１１０ 結合部。

Claims (5)

1. 圧粉磁心により成形された複数の分割コアと、
   分割コアと隣接する分割コアは凸部形状及び凹部形状で構成されるコア間嵌合構造により周方向に結合され、円筒形状に構成されたステータコアと、
   圧粉磁心よりも高強度の素材により作られ、ステータコアの円筒形状に対応した環形状の部材と複数の穴が開けられたつば状の張り出しとを有する補強部材と、
   を備え、
   ステータコアを構成する分割コアの凸部形状の一端が突起部を形成し、突起部が補強部材の穴に嵌合することで、ステータコアと補強部材とが結合されることを特徴とするステータ。
2. 請求項１に記載のステータにおいて、
   分割コアに設けられたコア間嵌合構造を構成する凸部及び凹部と、分割コアに設けられたステータコアの軸方向に延びる突起部とは、分割コアの成形時に一体成形されることを特徴とするステータ。
3. 請求項１に記載のステータにおいて、
   補強部材は、ステータコアの円筒形状の外周面に配置されることを特徴とするステータ。
4. 請求項１に記載のステータにおいて、
   ステータコアを構成する各分割コアと補強部材とは、少なくとも一箇所で結合されることを特徴とするステータ。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載のステータと、
   前記ステータの内側に配置されたロータと、
   を備えるモータ。