JP5304284B2

JP5304284B2 - 回転電機

Info

Publication number: JP5304284B2
Application number: JP2009021551A
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: 2013-10-02
Anticipated expiration: 2029-02-02
Also published as: JP2010178590A

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ことが避けられず、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となった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た後に、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、その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されることにより形成された円環状のステータコアと、このステータコアを保持するケース部材とを有する回転電機であって、ロータ軸挿通孔が形成された円形基板と、その外周部からヨーク部内周面に沿ってロータ軸方向に延びるよう突設された縁部とを有する圧挿部材とを備え、この圧挿部材の縁部が上記ステータコアのヨーク部に対してその径方向内方側から圧挿されるように構成されたものである。

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、上記縁部の突出寸法が、ステータコのロータ軸方向長さの１／２よりも大きく設定されたものである。

請求項３に係る発明は、上記請求項１または２に記載の回転電機において、上記円形基板には、複数の開口部がロータ軸挿通孔の外方側部分に配設されたものである。

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、上記円形基板には、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の設置部を有する鍔部が設けられたものである。

請求項１に係る発明では、上記圧挿部材の縁部をステータコアのヨーク部に対してそ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ステータコアのヨーク部に周方向へと向かう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。

請求項２に係る発明では、縁部の突出寸法を、ステータコのロータ軸方向長さの１／２よりも大きく設定したため、上記ヨーク部のロータ軸方向全長に亘って上記圧挿部材の縁部を圧接させることにより、上記ステータコアを構成する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できるという利点がある。

請求項３に係る発明では、円形基板に形成されたロータ軸挿通孔の外方側部分に、複数の開口部を配設したため、圧延部材、ひいては回転電機を軽量化しつつ、その内部の温度が上昇するのを効果的に抑制できるという利点がある。

請求項４に係る発明では、ステータコアのロータ軸方向両端部に形成されたスペース、つまりステータコアのティース部に巻回されたコイルの高さに対応して形成されたス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。

本発明に係る回転電機の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。圧挿部材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斜視図である。図３のＶＩ−ＶＩ線断面図である。図４のＶＩＩ−ＶＩＩ線断面図である。圧挿部材の変形例を示す図６対応図である。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。本発明に係る回転電機の第２実施形態を示す図８相当図である。

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ケース部材１，２と、このケース部材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、上記ケース部材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。上記ケース部材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、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複数の延設部９が突設されるとともに、この延設部９には上記ステータコア３をケース部材１，２に固定する固定ボルト１０の設置孔１１が形成されている。

上記圧挿部材４は、図４および図５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を有し、その外周部には、上記ヨーク部６の内周面に沿ってロータ軸方向に延びる複数の縁部１６が一定間隔で配設されている。この縁部１６は、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１２（図３参照）に対応した個数だけ設けられるとともに、上記縁部１６の幅寸法が当該スロット部１２の幅寸法よりも若干短く形成されている。

また、上記縁部１６の突出寸法Ｓ（図２参照）は、ステータコア３のロータ軸方向長さＬの１／２よりも大きく設定されている。具体的には、上記ステータコア３のロータ軸方向長さＬの１／２と、上記コイル８の設置高さとの和よりも若干大きい値に縁部１６の突出寸法Ｓが設定され、上記コイルとの干渉が回避されるようになっている。さらに、上記縁部１６の外径Ｄが、ステータコア３のヨーク部内径ｄ、つまり上記スロット部１２の直径よりも、１００μｍ〜３００μｍ程度大きく形成されている。そして、図３および図６に示すように上記圧挿部材４がステータコア３に組み付けられることにより、ステータコア３のヨーク部６に対してその径方向内方側から圧挿部材４の縁部１６が圧挿されるようになっている。

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挿通孔１７が形成されるとともに、このロータ軸挿通孔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のティース部７の設置部に対応した位置に配設されるとともに、このティース部７に対応した幅寸法を有している。上記開口部１７の径方向長さは、適宜設定可能であるが、少なくともティー部７の突出長さの１／２が露出する程度まで径方向に向かって開放しているのが好ましい。また、上記開口部１８の側壁面１８ａは、図７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。但し、本発明は、これらの構成に限定されるものではない。

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および延設部９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および延設部９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を巻掛けた後、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、その縁部１６を上記ステータコア３のヨーク部６に対してそ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、上記縁部１６の外径Ｄを、ヨーク部６の内径ｄよりも小さくした状態で、上記縁部１６をヨーク部６内に設置する。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の縁部１６を上記ヨーク部６の内周面に圧接させるようにする。

なお、図８に示すように、上記縁部１６の先端部外面に先窄まりのテーパ面１９を形成しておくと圧入が容易になるとともに、ヨーク部６の内周面における電磁鋼板の欠け等の不都合も防止することができる。すなわち、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、上記縁部１６をステータコア３のヨーク部６に対してそ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、これらを上記ケース部材１，２の間に配設する。そして、上記固定ボルト１０を介して両ケース部材１，２を相連結し、かつ上記ケース部材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、特許文献１の第１実施形態のように、円筒状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等を、それぞれ適正状態で嵌め合わせる等の繁雑な作業を要することなく、上記ステータコア３のロータ軸方向両端部側に上記圧挿部材４を設置し、その縁部１６を上記ステータコア３のヨーク部６に対してその径方向内方側から圧挿するだけで、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が付与され（図３参照）、ステータコア３のヨーク部６には、図９に示すように、周方向への引張応力Ｑが付与されることになる。

このようにしてステータコア３のヨーク部６には、上記圧挿部材４を介して付与される圧力Ｐ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。しかも、上記円形基板１５の外周部に縁部１６を突設することにより上記圧挿部材４を構成したため、旋盤等を使用した切削加工により高い精度で上記縁部１６の外径寸法を設定することができる。

したがって、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特許文献１の第２実施形態のように、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ること無く、上記ステータコア３のヨーク部６に対してその径方向内方側から上記圧挿部材４の縁部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。

さらに、上記実施形態に示すように、円形基板１５の外周部に設けられた上記縁部１６の突出寸法Ｓを、ステータコのロータ軸方向長さＬの１／２よりも大きく設定した場合には、上記ステータコア３のロータ軸方向両端部に一対の圧挿部材４，４を設置することにより、上記ヨーク部６のロータ軸方向全長に亘って上記圧挿部材４，４の縁部１６を圧接させることができるため、上記ロータ軸方向に積層された各電磁鋼板２０のそれぞれに均一な引張応力を付与できるという利点がある。あるいは、ステータコア３においてロータ中心軸方向に向かって突出するヨーク部６に巻掛けられたコイル（電機子巻線）８と干渉することなく、円形基板１５とヨーク部６のロータ軸方向端面部との間にコイル８を収納することができる。

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実施形態では、上記圧挿部材４の外周部に、ヨーク部６のロータ軸方向端面に対向する面が開口した凹溝２１を有する鍔部２２が形成され、上記凹溝２１内に配設された補助コア２３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ている。上記補助コア２３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、上記縁部１６の凹溝２１内に保持されるようなっている。

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２３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２３を配設することができる。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ため、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。

なお、上記ステータコア３のロータ軸方向端面を覆うケース部材１，２の壁面に、上記圧挿部材４の縁部１６として機能する突部が一体的に設けられた構造としてもよい。この場合に、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。

１，２ケース部材
３ステータコア
４圧挿部材
５ロータ
６ヨーク部
１５円形基板
１６縁部
１７ロータ軸挿通孔
１８開口部
２１鍔部
２３補助コア

Claims

複数枚の電磁鋼板をロータ軸方向に積層されることにより形成された円環状のステータコアと、このステータコアを保持するケース部材とを有する回転電機であって、ロータ軸挿通孔が形成された円形基板と、その外周部からヨーク部内周面に沿ってロータ軸方向に延びるよう突設された縁部とを有する圧挿部材とを備え、この圧挿部材の縁部が上記ステータコアのヨーク部に対してその径方向内方側から圧挿されるように構成されたことを特徴とする回転電機。
上記縁部の突出寸法が、ステータコのロータ軸方向長さの１／２よりも大きく設定されたことを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
上記円形基板には、複数の開口部がロータ軸挿通孔の外方側部分に配設されたことを特徴とする請求項１または２に記載の回転電機。
上記円形基板には、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の設置部を有する鍔部が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。