JP4706215B2 - 複軸多層型回転電機のステータ構造 - Google Patents

Description

本発明は、複軸多層型回転電機、特には一つのステータで二つのロータを駆動する複軸多層型回転電機のステータ構造に関するものである。

この種の複軸多層型回転電機は、例えば特許文献１で開示されたものがあり、コイルを巻装した複数のコアを、周方向に配置し、隣接するコアの間にモールド樹脂を充填してステータを構成し、ステータの内周側にインナーロータを回転自在に配設し、ステータの外周側にアウターロータを回転自在に配設してなるものである。
特開２００１−３５９２６１号公報

ところが、このような形態の複軸多層型回転電機のステータの構造において、ステータの剛性を高めようとすると、コア自体の半径方向および周方向の曲げ剛性を高めることが必須であるが、電磁鋼板の積層体であるコアの曲げ剛性を高める技術は、従前存在しなかった。また、隣接するコアの間にモールド樹脂を充填して、モールドすることによりステータを構成しているため、コアをステータの半径方向および中心軸線方向のいずれの方向にも強固には拘束しえず、かつ、回転電機を駆動して、ステータに鉄損および銅損による熱が発生した場合に、線膨張係数の異なるコアと樹脂との間には隙間が生じて、その拘束力が弱くなってしまうおそれもあった。

本発明は上述したところの課題を解決することを目的とするものであり、その目的は、コアの曲げ剛性を高めるとともに、コアを拘束する力を高めることができる複軸多層型回転電機のステータ構造を提供することにある。

請求項１に係る複軸多層型回転電機のステータ構造は、コイルを巻装した複数のコアを、周方向に配置し、隣接するコアの間にモールド樹脂を充填してなるステータと、ステータの内周側に配設されたインナーロータと、ステータの外周側に配設されたアウターロータとを具えてなる複軸多層型回転電機のステータ構造において、
隣接する各コアは間隔を空けて配置され、各コア間にモールド樹脂が充填され、当該コアを、前記外周側および内周側の面を除く側面に段を形成するように、電磁鋼板をステータの中心軸線方向に積層して構成してなることを特徴とする。

請求項１に係る複軸多層型回転電機のステータ構造によれば、コアの側面に形成される段に、モールド樹脂が入りこむことにより、その入り込んだモールド樹脂が、コアの、ステータ中心軸線方向の圧縮変形および引張り変形を抑制して、コアの半径方向および周方向の曲げ剛性を高めることができる。ここで、段とは各々の電磁鋼板の側面により形成される、ステータ中心軸線方向に交互に連続し、当該中心軸線方向に垂直な方向に延びる複数の凹状部および凸状部を示すものとする。

また、コアの側面に形成される段により、ステータを構成する際に、モールド樹脂がその段に入り込み、モールド樹脂にもその段に対応する段が形成されるため、コアの段と、モールド樹脂の段とが噛みあい、コアをモールド樹脂が前記中心軸線方向に拘束するため、コアを、ステータの中心軸線方向により強固に拘束することができる。これにより、回転電機を駆動して、ステータに発熱が生じて、コアとモールド樹脂との間に隙間が生じた場合でも、コアがモールド樹脂に対して当該中心軸線方向にずれることを防止することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明に係る複軸多層型回転電機のステータ構造の一実施形態を示す模式断面図であり、図２は当該ステータの構造を中心軸線を含む平面で示す模式断面図である。
この複軸多層型回転電機のステータ構造は、図１に示すように、コイル１を巻装したＴ字柱形状をなす複数のコア２を、周方向に配置し、隣接するコア２の間にモールド樹脂３を充填してなるステータ４と、ステータ４の内周側に配設された図示しないインナーロータと、ステータ４の外周側に配設された図示しないアウターロータとを具えてなるものであって、
当該コア２を、その側面に段を形成するように、電磁鋼板５をステータの中心軸線Ｃ方向に積層して構成している。（請求項１に相当）ここで電磁鋼板５としては、表面に無機質の絶縁被膜を施した薄いケイ素鋼板を用いることが好ましい。

電磁鋼板５を積層してなるコア２は、図２に示すように、ステータの中心軸線Ｃ方向の両端にインシュレータ６が接合され、当該インシュレータ６とコア２の周方向の両端面を覆うように、コイル７が巻装される。さらに、当該コイル１の前記中心軸線方向の両端部を覆う形状のインシュレータカバー７を前記インシュレータ６に嵌合し、コア２はその両端を、当該インシュレータカバー７とインシュレータ６を介して、フロントカバー８とリアカバー９とにより、図１に示すボルト１０、１１および図示しないナットの螺合による締結力を用いて挟持される。

図１および図２に示した複軸多層型回転電機のステータ構造は、本発明に係る複軸多層型回転電機のステータ構造の実施の形態の基礎となるものである。
図３は、図１および図２に示すステータの半径方向Ａから見た模式矢視図である。図３ではコアとモールド樹脂のみを示しその他の構成部品は省略している。
このように、Ｔ字柱状のコア２を、形状および大きさの少なくともいずれか、ここでは形状が異なる二種類の電磁鋼板５ａ、５ｂを交互に積層して構成して、（請求項２に相当）ここでは、Ｔ字柱状のコア２の側面（中心軸線方向両端面、外周面および内周面を除く面）に段を形成している。このコア２の側面に形成される段により、ステータを構成する際に、モールド樹脂３がその段に入り込み、それによりコア２の周方向および半径方向の曲げ剛性を高めることができるとともに、モールド樹脂にもその段に対応する段が形成されるため、コア２の段と、モールド樹脂３の段とが噛みあい、コア２をモールド樹脂３がステータの中心軸線方向に拘束するため、コア２を、ステータの中心軸線方向により強固に拘束することができる。これにより、回転電機を駆動して、ステータに発熱が生じて、コア２とモールド樹脂３との間に隙間が生じた場合でも、コア２がモールド樹脂３に対してステータの中心軸線方向にずれることを防止することができる。

さらに、図３に示すように、コア２のステータの外周側および内周側に面する形状を、その周方向両側に位置するモールド樹脂３との境界部分で段状、言い換えれば櫛歯状とすることにより、ロータの位置によるステータとロータの磁気吸引力のバラツキを極力抑制して、いわゆるコギングトルクを抑制することができる。

図４は、本発明に係るステータ構造の他の実施の形態を示す模式図である。
ここでは、前記コア２を、左右非対称である一種類の電磁鋼板５ｃを、交互に表裏を逆転して積層して構成している。（請求項３に相当）図４（ａ）は電磁鋼板５ｃを表から見た形状を示し、図４（ｂ）は電磁鋼板５ｃを裏から見た形状を示す。ここで、電磁鋼板が左右非対称であるとは、電磁鋼板をその外周側の傘部を上方、内周側のティース部を下方と見立てた場合に、上下方向に平行ないずれの軸に関しても、その形状が線対称とならないことを示す。

これによれば、図３に示した請求項２に相当する構成と同じく、Ｔ字柱状のコア２の側面に段を形成することにより、コア２の周方向および半径方向の曲げ剛性を高めるとともに、コア２はモールド樹脂３により、ステータの中心軸線方向に強固に拘束されることになるため、回転電機を駆動して、ステータ４に発熱が生じて、コア２とモールド樹脂３との間に隙間が生じた場合でも、コア２がモールド樹脂３に対して当該中心軸線方向にずれることを防止することができる。

また、コア２のステータの外周側および内周側に面する形状を、その周方向両側に位置するモールド樹脂との境界部分で段状、言い換えれば櫛歯状とすることにより、ロータの位置によるステータとロータの磁気吸引力のバラツキを極力抑制して、いわゆるコギングトルクを抑制することができる。
これとともに、左右非対称である一種類の電磁鋼板５ｃを用いてコアを構成することにより、図３に示した請求項２に相当する構成では、二種類の電磁鋼板を製造するのに二種類の金型を必要となるところを、一種類の金型で電磁鋼板を製造することができ、製造コストを低減し、製造効率を高めることができる。

なお、図３、４に示した請求項２および３に相当する構成は、請求項１に相当する構成の具体例を示すものであるが、請求項１に相当する構成はこれに限られるものではなく、例えば左右対称でＴ字形状の一種類の電磁鋼板を交互に周方向にずらせながら積層していく形態とすることも可能である。
また、図３に示した構成においては、二種類の電磁鋼板の周方向長さを相互に異ならせて積層して、側面に段を形成することも可能である。

ここで本発明の基礎となる知見を説明する。
図５は、本発明の基礎となる曲げ試験結果を示すグラフである。
背景技術で述べたように、電磁鋼板の積層体である回転電機のコアの曲げ剛性を高める手法は従来存在しなかった。そこで、その手法の基礎となる知見を得るべく、以下に述べる試験を行った。曲げ試験に用いる部材は、表面を研磨した金属（材質：Ｓ４５Ｃ）の棒状部材と、表面を研磨した後、その表面に長手方向に垂直な方向に、幅２０μｍおよび８０μｍの溝を加工した棒状部材（溝の深さ２０μｍ及び８０μｍ、溝を設けるピッチ０．２７ｍｍ）、および、それらの表面にモールド樹脂を成形した部材（合計六種類）を用い、それぞれを間隔６０ｍｍの支点にて支持し、それらの支点の中間に荷重３０Ｎを負荷して、当該荷重負荷点の変位を測定した。その結果が図５に示すものである。図中、点線は表面にモールド樹脂を成形しないものを示し、実線は表面をモールド樹脂にて成形したものを示す。

図５に示すように、金属の棒状部材において、その表面に溝加工を施すと、その溝幅が大きいものほど変位は大きくなり（０．１４９ｍｍ→０．１４９ｍｍ→０．１７９ｍｍ）、曲げ剛性が低下していることが分かる。研磨しただけで表面に溝加工を施さない金属部材の表面にモールド樹脂による成形を施すと、変位は０．１２９ｍｍと小さくなり曲げ剛性が高くなる。さらに、溝加工を施した金属部材の表面にモールド樹脂による成形を施すと、変位は溝幅が２０μｍのもので０．１１７ｍｍ、溝幅が８０μｍのもので０．１１９ｍｍとなり、溝加工をしないものに比べて、変位が小さくなり、曲げ剛性が高くなることが分かる。

これらのことにより、溝加工を施した金属の棒状部材においては、モールド樹脂による成形を施すと曲げ剛性が高まる傾向があり、その傾向は電磁鋼板を積層したコアにおいても同様であり、本発明に示したように、コアの側面に段ができるように電磁鋼板を積層することにより、ステータ成形時のモールド樹脂の充填によって、コアの側面の段にモールド樹脂が入り込み、コアの曲げ剛性を高めることができるという知見を導いたものである。

図６は、本発明に係る複軸多層型回転電機のステータ構造の、他の実施の形態をステータの中心軸線に垂直な平面で示す模式断面図である。ここではコアとモールド樹脂のみを示しその他の構成部品は省略している。
コア２のティース部の内周側に、ステータ４の中心軸線方向に延びる凹状部２ａまたは凸状部２ｂを設けている。（請求項４に相当）図６（ａ）は凹状部２ａを示し、図６（ｂ）は凸状部２ｂを示す。ここでティース部とは、Ｔ字柱状をなすコア２の内周側の、周方向長さの短い部分を示す。

これらの構造によれば、凹状部２ａまたは凸状部２ｂに嵌合する形態にて、モールド樹脂が充填されてステータが形成されるため、コア２はステータの半径方向にモールド樹脂３により強固に拘束され、コア２がモールド樹脂３に対して半径方向にずれることを防止することができる。
ここで、コア２は磁気の通路となるため、凹状部を設けるよりも凸状部を設けたほうが、磁路を狭めることを避けることができるのでより好ましい。

図７は、本発明に係る複軸多層型回転電機のステータ構造の、さらに他の実施の形態をステータの中心軸線に垂直な平面で示す模式断面図である。ここでも、コアとモールド樹脂のみを示しその他の構成部品は省略している。
コア２の傘部に、ステータ４の中心軸線方向に延びる凹状部２ｃまたは凸状部２ｄを設けている。（請求項５に相当）図７（ａ）は凹状部２ｃを示し、図７（ｂ）は凸状部２ｄを示す。ここで傘部とは、Ｔ字柱状をなすコア２の外周側の、周方向長さの長い部分を示す。

これらの構造によれば、凹状部２ｃまたは凸状部２ｄに嵌合する形態にて、モールド樹脂が充填されてステータが形成されるため、コア２はステータの半径方向にモールド樹脂３により強固に拘束され、コア２がモールド樹脂３に対して半径方向にずれることを防止することができる。
ここでは、コア２は磁気の通路となるものの、傘部はティース部よりもその周方向長さが長いことに起因して、磁路に与える影響は小さいため、凸状部を設けるよりも凹状部を設けたほうが、漏れ磁束をより低減することができるので好ましい。さらに、図６に示したように、ティース部に凹状部または凸状部を設けることに比して、図７に示す形態の凹状または凸状部は、傘部がティース部に対してその周方向長さが長いため、凹凸を設けても磁路に与える影響が小さくできるため、より好ましい構成となる。

図８は、本発明に係る複軸多層型回転電機のステータ構造の、さらに他の実施の形態をステータの中心軸線に垂直な平面で示す模式断面図である。ここでも、コアとモールド樹脂のみを示しその他の構成部品は省略している。
コア２の傘部の外周面の、ステータの周方向の両端部分を、角状に切り欠いて、ステータ４の中心軸線方向に延びる直角状の角部２ｅを設けている。（請求項６に相当）

この構造によれば、角部２ｅをその外周側から覆う形態にて、モールド樹脂が充填されてステータが形成されるため、コア２はステータの半径方向にモールド樹脂３により強固に拘束され、コア２がモールド樹脂３に対して半径方向にずれることを防止することができる。さらに、アウターロータとコア２とのエアギャップが、コア２の周方向端部において階段状に変化するため、ロータの位置によるステータとロータの磁気吸引力のバラツキを極力抑制して、いわゆるコギングトルクを抑制することができる。

図９は、本発明に係る複軸多層型回転電機のステータ構造の、さらに他の実施の形態をステータの中心軸線に垂直な平面で示す模式断面図である。ここでも、コアとモールド樹脂のみを示しその他の構成部品は省略している。
コア２の傘部の外周面の、周方向の両端部分を、テーパ状に切り欠いて、ステータ４の中心軸線方向に延びるテーパ部２ｆを設けている。（請求項７に相当）

この構造によれば、テーパ部２ｆをその外周側から覆う形態にて、モールド樹脂が充填されてステータが形成されるため、コア２はステータの半径方向にモールド樹脂３により強固に拘束され、コア２がモールド樹脂３に対して半径方向にずれることを防止することができる。さらに、アウターロータとコアとのエアギャップが、コアの周方向端部において漸次的に変化するため、ロータの位置によるステータとロータの磁気吸引力のバラツキを極力抑制して、いわゆるコギングトルクを抑制することができる。

なお、本発明は、上記実施の形態にのみ限定されるものではなく、幾多の変形または変更が可能である。
本明細書中の回転電機は電動機および発電機の双方を含むものとする。

本発明は、複軸多層型回転電機のステータに用いて好適なものであり、ステータの剛性を高め、コアのステータに対する拘束力を高めることを可能としたものである。

本発明に係る複軸多層型回転電機のステータ構造の一実施形態を示す、略式断面図である。 本発明に係る複軸多層型回転電機のステータ構造の一実施形態を示す、ステータの中心軸線を含む模式断面図である。 本発明に係る複軸多層型回転電機のステータ構造の一実施形態を示す、模式矢視図である。 本発明に係る複軸多層型回転電機のステータ構造の他の実施形態を示す、模式矢視図である。 本発明の基礎となる棒状部材の曲げ試験のデータを示すグラフである。 本発明に係る複軸多層型回転電機のステータ構造のさらに他の実施形態を示す、模式矢視図である。 本発明に係る複軸多層型回転電機のステータ構造のさらに他の実施形態を示す、模式矢視図である。 本発明に係る複軸多層型回転電機のステータ構造のさらに他の実施形態を示す、模式矢視図である。 本発明に係る複軸多層型回転電機のステータ構造のさらに他の実施形態を示す、模式矢視図である。

符号の説明

１ コイル
２ コア
３ モールド樹脂
４ ステータ
５ 電磁鋼板
５ａ〜５ｃ 電磁鋼板
７ ステータ
２ａ 凹状部
２ｂ 凸状部
２ｃ 凹状部
２ｄ 凸状部
２ｅ 角部
２ｆ テーパ部

Claims (7)

1. コイルを巻装した複数のコアを、周方向に配置し、隣接するコアの間にモールド樹脂を充填してなるステータと、ステータの内周側に配設されたインナーロータと、ステータの外周側に配設されたアウターロータとを具えてなる複軸多層型回転電機のステータ構造において、
   隣接する各コアは間隔を空けて配置され、各コア間にモールド樹脂が充填され、当該コアを、前記外周側および内周側の面を除く側面に段を形成するように、電磁鋼板をステータの中心軸線方向に積層して構成してなる複軸多層型回転電機のステータ構造。
2. 前記コアを、形状および大きさの少なくともいずれかが異なる二種類の電磁鋼板を交互に積層して構成してなる請求項１に記載の複軸多層型回転電機のステータ構造。
3. 前記コアを、左右非対称である一種類の電磁鋼板を、交互に表裏を逆転して積層して構成してなる請求項１に記載の複軸多層型回転電機のステータ構造。
4. 前記コアのティース部に、ステータの中心軸線方向に延びる凹または凸状部を設けてなる請求項１〜３のいずれかに記載の複軸多層型回転電機のステータ構造。
5. 前記コアの傘部の、ステータの周方向の両端面に、ステータの中心軸線方向に延びる凹または凸状部を設けてなる請求項１〜４のいずれかに記載の複軸多層型回転電機のステータ構造。
6. 前記コアの傘部の外周面の、ステータの周方向の両端部分を、角状に切り欠いてなる請求項１〜４のいずれかに記載の複軸多層型回転電機のステータ構造。
7. 前記コアの傘部の外周面の、周方向の両端部分を、テーパ状に切り欠いてなる請求項１〜４のいずれかに記載の複軸多層型回転電機のステータ構造。

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