JP5282591B2

JP5282591B2 - 回転電機

Info

Publication number: JP5282591B2
Application number: JP2009021549A
Authority: JP
Inventors: 寿行椛嶌; 宣夫坂手; 幸弘杉本; 俊行玄道; 立人福島
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2009-02-02
Filing date: 2009-02-02
Publication date: 2013-09-04
Anticipated expiration: 2029-02-02
Also published as: JP2010178588A

Description

本発明は、ロータ軸方向に複数枚の電磁鋼板が積層されてなるステータコアを備えた電動機または発電機からなる回転電機に関するものである。

上記電動機または発電機からなる回転電機は、電気エネルギーを回転力に変換し、あるいは回転力を電気エネルギーに変換するものであって、その変換効率を効果的に向上させることにより、省エネルギーに寄与することが望まれている。例えば、電動機を駆動源とする電気自動車や、エンジンと電動機とを組み合わせて駆動力を得るハイブリッド自動車では、その軽負荷領域から高負荷領域に至る幅広い負荷領域で、電気エネルギーと回転力との変換効率を向上させることにより電気エネルギーや燃料の消費を抑制することが求められている。

上記回転電機の性能を向上させることを目的として、一方向の磁化容易軸を有する一方向性電磁鋼板、互いに直交する二方向の磁化容易軸を有する二方向性電磁鋼板、または磁化容易軸が特定の方向性を有していない無方向性電磁鋼板の何れかを所定形状に打ち抜き成形し、この打ち抜いた複数枚の電磁鋼板を積層して一体化させることにより回転電機のステータコアを形成することが行われている。例えば、特定の方向に優れた磁気特性を有する一方向性電磁鋼板により上記ステータコアを形成する場合において、ステータコアの径方向に優れた磁気特性が発揮されるように形成されたティース部材と、ステータコアの周方向に優れた磁気特性が発揮される形成されたヨーク部材とを組み合わせるようにすれば、理論的にはステータコアの鉄損を効果的に低減することが可能である。

しかし、一方向性電磁鋼板により形成されたステータコアのティース部材とヨーク部材との当接部に、磁気抵抗の大きいエアギャップが生じるため、この部分において磁気の流れが阻害されるという問題がある。また、上記一方向性電磁鋼板または二方向性電磁鋼板は、無方向性電磁鋼板に比べて高価であるため、上記ステータコアを無方向性電磁鋼板により形成するとともに、その鉄損低減を目的としてステータコアのヨーク部に円周方向の引張応力を付加することが提案されている。

例えば、下記特許文献１には、モータケースとステータコア（固定子）とを有するインナーロータ型のモータにおいて、上記モータケースおよびステータコアに熱膨張差を生じさせた状態で両者を固定し、あるいはステータコアの内周面に保持部材を当接させて外方側に押圧力を作用させることによりステータコアに引張応力を付与し、これによってある程度の鉄損低減効果が得られるようにした構成が示唆されている。

特開２００６−２２３０１５号公報

上記特許文献１に開示された第１実施形態では、モータケースの内径をステータコアの外周よりもやや大きめとなるように作製し、ステータコアを加熱して膨張させ、あるいはモータケースを冷却して収縮させることにより、両者の直径および嵌合部が適正に嵌め合う寸法の時点でステータコアをモータケースに挿入して両者を固定した後、常温に戻すことにより上記ステータコアのヨーク部（継鉄部）に径方向の引張応力を作用させるように構成している。

しかし、上記特許文献１の第１実施形態に示すように、モータケースの内周部およびステータコアの外周部に相対応して設けられたテーパ状の嵌合部を、それぞれ適正状態で嵌め合わせるとともに、上記ステータコアのヨーク部に所定の引張応力を作用させ得るように、上記ステータコアまたはモータケースの寸法および温度を管理するように構成した場合には、これらの寸法および温度の両方を適正に管理することが極めて困難であり、実用的でないという問題がある。

また、上記特許文献１の第２実施形態には、モータケースの底部と一体となった複数個の保持部材をスロット内部からステータコアにそれぞれ接触させ、ステータコア外方側へ押圧してそのヨーク部に引張応力を作用させることにより、ステータコアの保持と磁気特性の改善とを同時に達成可能とした構成が開示されている。さらに、上記保持部材の強度を高めるためには、モータケースの上面部取付ボルトで上記保持部材を上面側から固定することが好ましいと、上記特許文献１に記載されている。

しかし、上記特許文献１の図５および図６に開示されているように、ステータコアに設けられた複数のスロット毎に保持部材を配設してこれをボルトで固定した場合には、ロータ軸の中心からボルト孔位置までの寸法誤差に起因して上記保持部材からステータコアに付与される押圧力にバラツキが生じ易く、結果としてステータコアの周方向に不均一な引張応力が付与されることが避けられない。さらに、上記各保持部材は、モータケースの上面部側からのみ取付ボルトで固定されているので、上記ロータ軸方向に積層された各電磁鋼板のそれぞれに均一な引張応力を付与することができないという問題があった。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、ステータコアに均一な引張応力を作用させることにより、鉄損の低減効果および磁束密度の増大効果を向上させることができる回転電機を提供することを目的としている。

請求項１に係る発明は、複数枚の電磁鋼板をロータ軸方向に積層してなる円環状のステータコアの外周部に、径方向外方側に延びる複数個の延設部が設けられ、この延設部にはロータの軸方向と平行な方向に突出した突出部が備えられ、かつこの突出部に対してステータコアの径方向内方側から圧挿される圧挿部材を備えたものである。

請求項２に係る発明は、上記請求項１に記載の回転電機において、上記延設部には、ロータ軸と略平行な挿通孔が形成されるとともに、この挿通孔に棒状部材が挿入されてその両端部がステータコアの端部からロータ軸方向に突出した状態で設置されることにより上記突出部が備えられたものである。

請求項３に係る発明は、上記請求項１に記載の回転電機において、上記突出部は、上記延設部のロータ軸方向両端部に接合された突出部材からなるものである。

請求項４に係る発明は、上記請求項１〜３のいずれか１項に記載の回転電機において、上記ステータコアに設けられた複数の延設部のうち一部には、カバー部材に対する取付ボルトの設置孔が上記突出部の径方向外方側部に設けられたものである。

請求項５に係る発明は、上記請求項１〜４のいずれか１に記載の回転電機において、上記圧挿部材には、ステータコアのヨーク部のロータ軸方向端面に当接する補助コアが設けられたものである。

請求項６に係る発明は、上記請求項１〜５のいずれか１項に記載の回転電機において、上記圧挿部材は、ステータコアのロータ軸方向端面を覆うカバー部材の一部として一体的に設けられたものである。

請求項１に係る発明では、ステータコアの外周部に設けられた延設部にロータ軸と平行な突出部を設け、この突出部に対して圧挿部材をステータコアの径方向内方側から圧挿するように構成したため、この圧挿部材から上記突出部を介してステータコアのヨーク部に付与される圧力に対応した均一な引張応力を作用させることにより、優れた鉄損の低減効果および磁束密度の増大効果が得られるという利点がある。

上記延設部には、ロータ軸と略平行な挿通孔が形成されるとともに、この挿通孔に棒状部材が挿入されてその両端部がステータコアの端部からロータ軸方向に突出した状態で設置されることにより上記突出部が備えられたものであってもよい（請求項２）。この場合には、棒状部材が、上記積層された電磁鋼板からなるステータコアの延設部を貫いて設けられるので、圧挿部材から上記突出部がその一部とされる棒状部材を介して直接的にステータコアのヨーク部に付与される圧力に対応した均一な引張応力を作用させることができ、鉄損の低減効果および磁束密度の増大効果が得られる。

また、上記突出部は、上記延設部のロータ軸方向両端部に接合された突出部材からなるものであってもよい（請求項３）。この場合は、上記請求項２のような棒状部材およびこれを挿入するための挿通孔を延設部に設ける必要がなく、電磁鋼板を打抜くプレス型が簡略化できるとともに、棒状部材の突出部に相当する突出部材を固定するだけでいいのでコスト的に有利である。なお、この場合には、後述する公知のカシメ処理及び／又はヨーク外周面の溶接等により各電磁鋼板を接合することで、積層中央部付近の電磁鋼板にも圧挿部材を突出部に圧挿した際の上記引張応力を作用させることができる。

請求項４に係る発明では、上記ステータコアに設けられた複数の延設部のうち一部に、カバー部材に対する取付ボルトの設置孔を上記突出部の径方向外方側部に設けたため、上記圧挿部材から突出部を介してステータコアに付与される圧力が固定ボルトによる締結部において阻害されるという事態を生じることなく、上記延設部を利用して簡単な構成でステータコアをカバー部材に固定できるという利点がある。

請求項５に係る発明では、ステータコアのロータ回転軸方向両端部に形成されたスペース（一般的に、ティース部にはコイルが巻回されるが、このコイル高さに相当するペース）を有効に利用して上記補助コアを配設し、これによって回転電機に所望のトルクを生じさせるための磁束を流すのに必要なバックヨーク部の断面積を効果的に増大させることができ、上記バックヨーク部の径方向の厚みを薄くして回転電機の小型化を実現できるという利点がある。

請求項６に係る発明では、上記突出部に対してステータコアの径方向内方側から圧挿される圧挿部材を、ステータコアのロータ軸方向端面を覆うカバー部材の一部として一体的に設けたため、部品点数を増加させることなく上記ステータコアのヨーク部に均一な引張応力を作用させることができるとともに、回転電機の組立作業を効果的に簡略化できるという利点がある。

本発明に係る回転電機の第１実施形態を示す断面図である。上記回転電機を分解した状態を示す断面図である。図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。ステータコアの具体的構成を示す平面図である。圧挿部材の具体的構成を示す平面図である。図５のＶＩ−ＶＩ線断面図である。ステータコアにおける応力の作用状態を示す説明図である。圧挿部材の変形例を示す断面図である。本発明に係る回転電機の第２実施形態を示す分解断面図である。上記回転電機の要部構成を示す断面図である。本発明に係る回転電機の第３実施形態を示す断面図である。本発明に係る回転電機の第４実施形態を示す断面図である。

図１〜図３は、本発明に係る回転電機を電気自動車に用いられる電動モータに適用した実施形態を示している。この回転電機は、アルミニウム合金材またはオーステナイト系ＳＵＳ材等の非磁性体で所定の剛性を有する部材からなる一対のカバー部材１，２と、このカバー部材１，２に保持されたステータコア（固定子）３と、このステータコア３に引張応力を付与する一対の圧挿部材４，４と、上記カバー部材１，２に配設されたベアリング１ａ，２ａにより回転自在に支持されたロータ（回転子）５とを有している。上記カバー部材１，２は、車両に搭載されるトランスミッションケースまたはディファレンシャルケース等と一体に形成されている。

上記ステータコア３は、図４に示すように、円環状に形成されたヨーク部（胴部）６と、その内周面から回転中心に向けて突出する複数個のティース部（歯部）７とを有し、このティース部７にコイル（電機子巻線）８が巻掛けられるように構成されている。また、上記ヨーク部６の外周部には、径方向外方側に向けて延びる長尺の第１延設部９と、短尺の第２延設部１０とが一定間隔で交互に突設されている。当実施形態では、ステータコア３の内周部に８個のティース部７が突設されるとともに、このティース部７に対応する位置の外周部に、上記第１，第２延設部９，１０の何れか一方が突設され、その合計数と、上記ティース部７の個数とが同数に設定されている。

そして、上記第１，第２延設部９，１０の基端部には、下記棒状部材１１の挿通孔１２が圧挿部材４の周面に沿って形成され、かつ長尺の第１延設部９の先端部には、上記カバー部材１，２を相連結してその間にステータコア３をカバー部材１，２に固定する固定ボルト１３の設置孔１４が形成されている。上記棒状部材１１は、オーステナイト系ＳＵＳ材等からなる所定の剛性を有する部材により断面形状が上記挿通孔１２に対応した形状および大きさに形成されるとともに、その全長が上記ステータコア３のロータ軸方向長さよりも大きな値に設定されている。そして、上記第１，第２延設部９，１０の挿通孔１２に棒状部材１１が挿入されることにより、その両端部がステータコア３の端面から所定長さＬだけ突出した状態でステータコア３に固定されるようになっている。

上記圧挿部材４は、図５および図６に示すように、所定の剛性を有するアルミニウム合金材を削り加工する等により形成された円形基板１５と、その外周部から円形基板１５の厚さ方向に突設されたフランジ部１６とからなっている。このフランジ部１６の幅寸法Ｗは、上記棒状部材１１の突出長さＬに対応した値に設定されている。また、上記フランジ部１６の外径Ｄは、ステータコア３の端面から突出した状態でステータコア３に固定された各棒状部材１１のうち相対向する棒状部材１１の内周面間距離ｄよりも、１００μｍ〜３００μｍ程度大きく設定されている。これにより、後述するように上記圧挿部材４をステータコア３に組み付ける際に、上記棒状部材１１の突出部に対してステータコア３の径方向内方側から上記圧挿部材４のフランジ部１６が圧挿されるように構成されている。

上記圧挿部材４の円形基板１５には、その中心部にロータ軸の挿通孔１７が形成されるとともに、この挿通孔１７の周囲には、放射状に延びる複数の開口部１８が設けられている。上記円形基板１５の開口部１８は、回転電機を軽量化するととともに、その内部の温度が上昇するのを抑制するために設けられたものであり、上記ステータコア３の相隣接するティース部７，７間に形成されたスロット部に対応した幅寸法を有している。また、上記開口部１８の側壁面１８ａは、図６に示すように、ロータ５の回転方向Ｋに対応して発生した渦巻風Ｆをスムーズに外部へ排出し得るように、この渦巻風Ｆの流動方向に沿った傾斜面に形成されている。

上記ステータコア３を作製するには、まず０．１〜１．０ｍｍ程度の厚さを有する磁性鋼板を打ち抜くことにより、上記ティース部７および第１，第２延設部９，１０を構成する複数の突部が内周面および外周面にそれぞれ設けられた円環状板からなる複数枚の電磁鋼板２０を形成する。次いで、上記ティース部７および第１，第２延設部９，１０となる突部の位置を一致させるように各電磁鋼板２０を位置決めしつつ、電磁鋼板２０を一枚積層する毎に、この積層した電磁鋼板２０の表面所定位置にその裏面に向かって微小凸部が突出するような微小凹部を設けることで、各電磁鋼板２０をカシメ処理して仮接合するとともに、その外周面部を溶接する等により、複数枚の電磁鋼板２０がロータ回転軸方向に積層されて一体化されたステータコア３を作製する。

そして、上記ステータコア３のティース部７にコイル８を巻掛けるとともに、上記第１，第２延設部９，１０の挿通孔１２に棒状部材１１を挿入し、その両端部をステータコア３の端面から突出させた状態でステータコア３に上記棒状部材１１を固定する。また、上記ステータコア３内にロータ５を配設した状態で、そのロータ軸方向の両端部側に上記圧挿部材４を設置し、そのフランジ部１６を上記棒状部材１１の突出部に対してステータコア３の径方向内方側から圧挿する。

具体的には、上記ステータコア３を加熱して膨張させ、あるいは上記圧挿部材４を冷却して収縮させることにより、上記フランジ部１６の外径Ｄを、相対向する棒状部材１１の内周面間距離ｄよりも小さくした状態で、上記フランジ部１６を相対向する棒状部材１１の内周面間に設置する。このようにして上記圧挿部材４をステータコア３に組み付けた状態で常温に戻すことにより、圧挿部材４のフランジ部１６を上記棒状部材１１の突出部にステータコア３の径方向内方側から圧接させるようにする。

なお、図７に示すように、上記フランジ部１６を棒状部材１１の突出部に対して機械的に圧入するように構成してもよく、この場合には、上記フランジ部１６の先端部外面に先窄まりのテーパ面１９を形成し上記圧入が容易になる。この構成によれば、上記ステータコア３を加熱膨張させ、あるいは上記圧挿部材４を冷却収縮させることなく、フランジ部１６を上記棒状部材１１の突出部に対してステータコア３の径方向内方側から圧挿することが可能である。

上記のように複数枚の電磁鋼板２０をロータ軸方向に積層することにより形成された円環状のステータコア３の内方にロータ５を配設するとともに、ステータコア３のロータ軸方向両端部に一対の圧挿部材４，４を設置した状態で、これらを上記カバー部材１，２の間に配設する。そして、上記固定ボルト１３を介して両カバー部材１，２を相連結し、かつ上記カバー部材１，２にステータコア３を固定するとともに、ロータ５を回転自在に支持することにより、優れたモータ効率を有する回転電機を容易かつ適正に製造することができる。

すなわち、上記ステータコア３の外周部に、径方向外方側に延びる複数個の延設部９，１０を設け、この延設部９，１０に、ロータ軸と略平行な挿通孔１２を形成するとともに、この挿通孔１２に棒状部材１１を挿入してその両端部をステータコア３の端部からロータ軸方向に突出させた状態で設置するように構成したため、上記延設部９，１０および挿通孔１２が設けられることに起因してステータコア３のヨーク部６に生じる磁束の流れが阻害されるという事態を生じることなく、上記棒状部材１１の突出部に対してステータコア３の径方向内方側から圧挿部材４を圧挿することにより、上記ステータコア３にはその直径を増大させる方向に均一な圧力Ｐを付与することができる（図４参照）。

このようにしてステータコア３のヨーク部６には、図７に示すように、上記圧挿部材４および棒状部材１１を介して付与される圧力に対応した周方向への均一な引張応力Ｑを作用させることができるため、無方向性電磁鋼板を使用して上記ステータコア３を構成した場合においても、優れた鉄損の低減効果および磁束密度の増大効果が得られるという利点がある。

特に、上記実施形態に示すように、円形基板１５の外周部にフランジ部１６を突設することにより上記圧挿部材４を構成した場合には、旋盤等を使用した切削加工により高い精度で上記フランジ部１６の外径寸法を設定することができるため、上記棒状部材１１の突出部に対してステータコア３の径方向内方側から上記圧挿部材４のフランジ部１６を圧接させることにより、ステータコア３のヨーク部６に周方向へ向かう均一な引張応力を簡単かつ適正に作用させることができる。

また、上記実施形態では、ステータコア３に設けられた複数の延設部９，１０に上記棒状部材１１の挿通孔１２を形成するとともに、上記延設部９，１０のうち一部、つまり長尺の第１延設部９に、上記固定ボルト１３の設置孔１４を設けた構造としたため、この第１延設部９を利用して簡単な構成で上記ステータコア３をカバー部材１，２に固定できるという利点がある。

なお、上記第１延設部９に形成された挿通孔１２の径方向内方側部に上記固定ボルト１３の設置孔１４を設けた構造とすることも考えられるが、この場合には、上記棒状部材１１の突出部に対してステータコア３の径方向内方側から圧挿部材４を圧挿することにより上記ステータコア３に付与される圧力が、上記固定ボルト１３による締結部において阻害されることになる。これに対して上記のように第１延設部９に形成された上記挿通孔１２の径方向外方側部に、上記固定ボルト１３の設置孔１４を設けた場合には、上記圧挿部材４からステータコア３に付与される圧力が固定ボルト１３による締結部において阻害されるという事態を生じることなく、上記固定ボルト１３によりステータコア３をカバー部材１，２に固定できるという利点がある。

図９および図１０は、本発明に係る回転電機の第２実施形態を示している。この第２実施形態は、上記圧挿部材４のフランジ部１６に凹溝２１が形成され、この凹溝２１内に配設された補助コア２２がステータコア３のヨーク部６のロータ軸方向端面に当接するように構成されたものである。上記補助コア２２は、電磁鋼板からなる帯状体がロータ軸の周方向に巻回され、その始端部および終端部がそれぞれ点溶接等で固定される等により、上記電磁鋼板がロータ半径方向に積層された状態で、上記フランジ部１６の凹溝２１内に保持されるよう構成されている。

上記のようにステータコア３のヨーク部６のロータ軸方向端面に当接する補助コア２２を上記圧挿部材４に設けた構造とした場合には、上記ステータコア３のティース部７にコイル８が巻掛けられることにより、ステータコア３のロータ回転軸方向両端部に形成されたスペースを有効に利用して上記補助コア２２を配設し、これによって回転電機に所望のトルクを生じさせるための磁束を流すのに必要なバックヨーク部の断面積を効果的に増大させることができる。したがって、上記バックヨーク部の径方向の厚みを薄くして回転電機の小型化を実現できるという利点がある。

図１１は、本発明に係る回転電機の第３実施形態を示している。この第３実施形態では、ステータコア３のロータ軸方向端面を覆うカバー部材１，２の壁面に、上記圧挿部材として機能する円筒状の突部２３が一体的に設けられたものであり、この突部２３に形成された凹溝内に、電磁鋼板からなる帯状体がロータ軸の周方向に巻回されてなる補助コア２２が配設されるように構成されている。このように棒状部材１１の突出部に対してステータコア３の径方向内方側から圧挿される圧挿部材（突部２３）を、ステータコア３のロータ軸方向端面を覆うカバー部材１，２の一部として一体的に設けた構成によれば、部品点数を増加させることなく上記ステータコア３のヨーク部６に均一な引張応力を作用させることができるとともに、回転電機の組立作業を効果的に簡略化できるという利点がある。

図１２は、本発明に係る回転電機の第４実施形態を示している。この第４実施形態は、上記第１実施形態と比べて、第１，第２延設部９，１０に挿通孔１２が形成されていない点、及び棒状部材１１に代えて、略直方体状のブロック体からなる突出部材３１を第１，第２延設部９，１０のロータ軸方向両端面の電磁鋼板２０に固定した点で異なる。他の部分については、第１実施形態と同じであるため、その説明を省略する。また、本第４実施形態の構成は、上記第２実施形態、第３実施形態にも適用できる。

上記突出部材３１となるブロック体は非磁性材料、例えばオーステナイト系ＳＵＳ材からなり、ロータ軸方向両端の電磁鋼板２０における第１，第２延設部９，１０に治具等で位置決め、当接された状態でその周囲が電磁鋼板２０と溶接されることで固定されている。この固定位置は、上記延設部９，１０にあるため溶接による熱影響を受けることが無い。なお、本実施形態では、略直方体状のブロック体からなる突出部材３１としたが、これに代えて板材からなる箱状、筒状に成形した部材を用いてもよい。

１，２カバー部材
３ステータコア
４圧挿部材
５ロータ
６ヨーク部
１１棒状部材
１２挿通孔個
１３固定ボルト
１４設置孔
２２補助コア
３１突出部材

Claims

複数枚の電磁鋼板をロータ軸方向に積層してなる円環状のステータコアの外周部に、径方向外方側に延びる複数個の延設部が設けられ、この延設部にはロータの軸方向と平行な方向に突出した突出部が備えられ、かつこの突出部に対してステータコアの径方向内方側から圧挿される圧挿部材を備えたことを特徴とする回転電機。
上記延設部には、ロータ軸と略平行な挿通孔が形成されるとともに、この挿通孔に棒状部材が挿入されてその両端部がステータコアの端部からロータ軸方向に突出した状態で設置されることにより上記突出部が備えられたことを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
上記突出部は、上記延設部のロータ軸方向両端部に接合された突出部材からなることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
上記ステータコアに設けられた複数の延設部のうち一部には、カバー部材に対する取付ボルトの設置孔が上記突出部の径方向外方側部に設けられたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の回転電機。
上記圧挿部材には、ステータコアのヨーク部のロータ軸方向端面に当接する補助コアが設けられたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の回転電機。
上記圧挿部材は、ステータコアのロータ軸方向端面を覆うカバー部材の一部として一体的に設けられたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の回転電機。