JP5483048B2

JP5483048B2 - ステータユニットとステータ積層板

Info

Publication number: JP5483048B2
Application number: JP2008330691A
Authority: JP
Inventors: 智広稲垣; 健武田
Original assignee: Aisin AW Co Ltd
Current assignee: Aisin AW Co Ltd
Priority date: 2008-12-25
Filing date: 2008-12-25
Publication date: 2014-05-07
Anticipated expiration: 2028-12-25
Also published as: JP2010154678A

Description

本発明は、モータや発電機などの回転電機に組み込まれるステータユニット及び、ステータユニットを構成するステータ積層板に関する。

同じ形状に打ち抜かれた積層体を重ね合わせることでステータユニットを構成する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。このステータユニットでは、個々の積層体はその外周面に所定ピッチで外側に突出した多数のピン(フィン)を形成しているとともに、その内周面側には所定ピッチで内側に突出した歯を形成している。さらに、この積層体を所定の回転角度でずらしながらステータユニットを組み上げられると、その内周側において各歯の間にステータコイルを収容するコイル収容空間が作り出されるとともに、その外周側において隣り合う積層体のピン同士が整列しないようにピンの数や形成ピッチが設定されている。このピンの非整列によりステータユニットを覆うジャケットとの間の冷却空間において混合渦流が生じることで、良好な冷却効果が得られる。
特開２００８−１０９８５１号公報（段落番号００１０−００１３、図３）

多数のステータ積層板を積層してステータユニットを構成する際、積層されたステータ積層板を正確にかつ強固に連結固定するためは、ステータ積層板の外周面に周方向等ピッチで複数の固定部を形成し、この固定部に締結ボルト等を挿入してステータ積層板を締め付けることが好都合である。そのような構造を採用した場合、外周面の固定部が形成される領域にはフィンを形成することができないので、その固定部の領域でフィンの形成ピッチが途絶えてしまう。そのことから、そのような固定部付きのステータ積層板を用いたステータユニットの構築では、特許文献１で示されたようなフィンの適正な非整列を作り出すためのずらし回転角度の選択可能性は制約を受けることになる。この制約が、適正なフィンの数やフィンの形成ピッチを有するステータ積層板、及びそのステータ積層板によって作り出されるステータユニットの提供を難しくしていた。
上記実状に鑑み、本発明の目的は、連結固定用の固定部を外周面に形成しているにもかかわらず突出部の非整列を作り出す適正な突出部の数や突出部の形成ピッチを有するステータ積層板及びステータユニットを提供することである。

上記目的を達成するため、同一リング形状の複数枚のステータ積層板を軸方向に積層して構成された、本発明によるステータユニットでは、前記ステータ積層板は、前記ステータ積層板の外周面に周方向等ピッチで形成された複数の固定部と、前記固定部の間の全ての外周面から互いに周方向等ピッチで突き出し形成された複数の突出部とを有し、１枚以上のステータ積層板から構成される積層ユニットを積層単位として、前記各積層ユニットの重ね合わせ位相を前記固定部の形成ピッチ分だけ異ならせるとともにそれらの前記固定部を軸方向に一致するように積層したときに、隣接する前記積層ユニットの突出部同士が周方向で所定のオフセット量を示すように前記固定部と当該固定部に対して周方向で隣り合う突出部との距離が設定され、
前記固定部の個数をＮ、前記固定部の間に形成される前記突出部の個数をＫ、前記突出部の形成ピッチをθp、基準とする１番目の固定部の中心位置から当該１番目の固定部に対して周方向一方側で隣り合う突出部の中心位置までの距離である所定基準距離をθ[1]、前記基準とする固定部から前記周方向一方側にｎ番目（ｎ＝１．．．Ｎ）の固定部の中心位置から当該固定部に対して前記周方向一方側で隣り合う突出部の中心位置までの距離θ[n]をθ[1]＋θp(n-1)/N、とすると、前記突出部の形成ピッチθpと前記所定基準距離θ[1]とは以下の式、
θp＝((360/N)-2θ[1])*(1/(Ｋ-1/N))
で表される関係を有する。

この構成によれば、下側の積層ユニットの固定部と上側の積層ユニットの固定部とを重ね合わせて積層していく際に、積層する毎に順次重ね合わせるべき固定部を１つずつ（つまり固定部の１形成ピッチ分だけ）ずらしていくことで、軸方向からみて、各積層ユニットの突出部が所定のオフセット量だけずれることになり、突出部が軸方向に非整列となったステータユニットが組み上げられる。

これらの突出部を通じてステータユニットを熱交換冷却するため、突出部に対して軸方向に通過する冷媒流を送り込むことになるが、その際の冷媒流の通過性を考慮すると、隣接する前記積層ユニットどうしの突出部が軸方向から見て重なり合わないように前記オフセット量と前記突出部の最大弧長が設定されることが好適である。これにより、冷媒流は突出部と衝突して渦を発生させながら、滞ることなく流れていくので、良好な冷却効果を得ることができる。

上述したような、本発明による固定部と突出部との回転位置関係を汎用的に明示できる一般式があれば、この一般式に基づく種々のタイプのステータユニットを簡単に作り出すことができる。そのような好適な一般式を用いた固定部と突出部との回転位置関係を、上記の構成のように提案することができる。

ここで、前記固定部の個数Ｎを３とし、前記基準とする固定部から前記周方向一方側にｎ番目（ｎ＝１、２、３）の固定部の中心位置から当該固定部に対して前記周方向一方側で隣り合う突出部の中心位置までの距離θ[n]をθ[1]＋θp(n-1)/3とすると、前記突出部の形成ピッチθpと前記所定基準距離θ[1]とは以下の式、
θp＝(120-2θ[1])*(1/(Ｋ-1/3))
で表される関係を有する。

その際、積層ユニットどうしの突出部が軸方向から見て重なり合わないようにするためには次の拘束条件、
θw＜θp/N、ここでθwは突出部の最大弧の中心角、
を採用するとよい。

軸方向に非整列された多数の突出部を効果的に冷却するために、本発明の好適な実施形態では、前記突出部を冷却する冷媒を前記ステータ積層板の外周面に沿って前記軸方向に流す冷媒流路が形成される構成を採用している。具体的には、２つの好ましい形態が提案されるが、その１つは、積層されたステータ積層板を覆うケースと積層されたステータ積層板の外周面との間のスペースに冷媒流路を形成することである。特に、ケースとステータ積層板の外周面との間隔が狭い場合、冷媒の大部分が突出部に接触するという効果的な冷媒流路が形成される。他の一つは、ケースとステータ積層板の外周面との間隔が広い場合に適しているもので、冷媒流路をケースとは別体の流路形成体によって形成することである。例えば、突出部の先端に近接する位置でステータユニットの外周面を覆う湾曲板を流路形成部材として設けることで、この流路形成部材の内周面とステータ積層板の外周面との間に効果的な冷媒流路が形成される。

以下、本願に係るステータ積層板及びステータユニットを採用した回転電機を図面に基づいて説明する。図１は、回転電機Ｍの回転軸心Ｘに沿った断面図であり、図２は、回転電機１の構成の概略を説明するための分解斜視図である。図１、２から理解できるように、回転電機Ｍは、カバー１１によって閉鎖される円筒状のケース本体１０内に、ロータ２と本願に係る電機子としてのステータ３とを備えて構成されている。この組付け状態で、回転電機１の回転軸心Ｘであるロータ２の回転軸心はステータ３の中心軸心と一致しており、ロータ２を支持している回転軸９はケース本体１０とカバー１１に装着された一対のベアリングに回転可能に支持されている。以下の説明では、回転電機１の回転軸心Ｘでもあるステータ３の中心軸心Ｘに基づいて、軸方向、周方向、径方向が定義されている。

ステータ３は、ステータコアとしてのステータユニット４と、コイル５とから構成されている。ステータユニット４は、図２に示す様に概略リング状の鋼板であるステータ積層板４０（以下単に積層板と略称する）を多数枚積層して構成される。積層方向は、軸方向Ｘと一致している。各積層板４０の外周部には、周方向均等に３箇所、径方向に突出する突起片としての固定部４１が設けられており、各固定部４１にステータユニット４をケース本体１０に締結固定するためのボルト挿通孔４１ａが設けられている。積層構造体であるステータユニット４は締付具としての締結ボルト４２でケース本体１０に形成された固定面に締結固定される。

図３に示すように、積層板４０の内周面には均等な配置ピッチで多数のスロット部４３が形成されている。このスロット部４３は積層板４０を貫通しており、スロット部４３の開口幅（周方向長さ）はその配置ピッチのほぼ半分程度である。従って、各スロット部４３の間にスロット部４３の幅とほぼ同じ幅でスロット部４３の深さと同じ高さを有する歯部４４が作り出される。このスロット部４３と固定部４１との周方向の位置関係は、各積層板４０の任意の固定部４１同士を合わせ、そのボルト挿通孔４１ａに締結ボルト４１ｂを挿入して積層板４０を組み付けたときに、各積層板４０のスロット部４３が軸方向に直列するように決められている。従って、多数の積層板４０を積層して組み上げられたステータユニット４には軸方向に直線的に整列したスロット部４３からスロット４３０が作り出され、歯部４４から長手歯４４０が作り出される。コイル５は、このスロット４３０に収容されるように長手歯４４０を巻き込み支持体として巻き込まれる。

さらに、図３に示すように、積層板４０の外周面には、複数の固定部４１の間の領域において外周面から突き出す形態で形成された突出部としてのフィン４５が設けられている。それぞれの固定部４１の間に位置する一群のフィン４５、この実施形態では５個のフィン４５はその相互の形成ピッチは等しいが、各固定部４１とその固定部４１に周方向で隣り合うフィン４５との距離は異なっている。以下で詳しく説明するが、各固定部４１と当該固定部４１に周方向で隣り合うフィン４５との距離が、所定基準距離から順次フィン４５の形成ピッチを固定部４１の個数で割った値を増加値として増加している。

ステータユニット４はケース本体１０に固定されることにより、多数の積層板４０の外周面によって作り出される多数のフィン４５を散りばめた筒体周面と、ケース本体１０の内周面との隙間に軸方向に延びた筒状の冷媒流路ＣＰを作り出している。この冷媒流路ＣＰの一方端に図示されていない冷媒源からの冷媒供給路を接続し、冷媒流路ＣＰの他方端に図示されていない冷媒回収部への冷媒排出路を接続することで、軸方向の冷媒流が多数のフィン４５に衝突し、このフィン４５を通じてステータユニット４は効率よく冷却される。

図４を用いて、この固定部４１とフィン４５との配置関係を説明する。図４では、基準となる固定部４１を第１固定部と称し付加的な図番４１１を付与し、この第１固定部４１１の反時計方向で隣接する固定部４１を第２固定部と称し付加的な図番４１２を付与し、さらに第２固定部４１２の反時計方向で隣接する固定部４１を第３固定部と称し付加的な図番４１３を付与している。さらに、第１固定部４１１に反時計方向で隣接するフィン４５を第１出発フィン４５１とし、第２固定部４１２に反時計方向で隣接するフィン４５を第２出発フィン４５２とし、第３固定部４１３に反時計方向で隣接するフィン４５を第３出発フィン４５３とする。また、第１固定部４１１と第１出発フィン４５１との距離、正確には第１固定部４１１の中心と軸心Ｘを通る中心線と第１出発フィン４５１の中心と軸心Ｘを通る中心線とがなす角度をθ[1]とする。このθ[1]を所定基準距離と呼ぶ。同様に、第２固定部４１２と第２出発フィン４５２との距離、正確には第２固定部４１２の中心と軸心Ｘを通る中心線と第２出発フィン４５２の中心と軸心Ｘを通る中心線とがなす角度をθ[2]とし、第３固定部４１３と第３出発フィン４５３との距離、正確には第３固定部４１３の中心と軸心Ｘを通る中心線と第３出発フィン４５３の中心と軸心Ｘを通る中心線とがなす角度をθ[3]とする。ここで、各固定部４１間に位置する一群のフィン４５同士の距離、すなわち隣接する各フィン４５の中心と軸心Ｘを通る中心線がなす角度を、フィン４５の形成ピッチ：θpと称している。また、第１固定部４１１と第１出発フィン４５１との距離θ[1]である所定基準距離は、基準となる第1固定部４１１の底部と干渉しないように設定する。

次に、第２固定部４１２と第２出発フィン４５２との距離θ[2]を、次式
θ[2]＝θ[1]＋θp*1/3、
で求め、
第３固定部４１３と第３出発フィン４５３との距離θ[3]を、
θ[3]＝θ[1]＋θp*2/3、
で求めることにする。

図５に示すように、このように形成された積層板４０を固定部４１の形成ピッチ分だけずらして（回転させて）重ね合わせた場合、つまり第１固定部４１１と第３固定部４１３とが合うように重ね合わせた場合、上側の積層板４０のフィン４５と下側のフィン４５とはオフセットすることになり、軸方向から見れば一方の積層板４０のフィン４５同士の間に他方のフィン４５が入り込むような形態となる。図５で表している部分のオフセット量（角度）：θoffは、
(θ[1]＋θp)−θ[3]、
つまり、θp*1/3となるが、類似する式を通じて各オフセット量（角度）：θoffもθp*1/3の値が導かれる。

図５で示された状態からさらに積層板４０を固定部４１の形成ピッチ分だけずらして重ね合わせた場合、図６に示すように、元の積層板４０のフィン４５と重ね合わせたフィン４５とはオフセットすることになり、軸方向から見れば元の積層板４０のフィンの間に、重ね合わされた積層板４０のフィン４５が入り込むような形態となる。ここでも図６で表している部分のオフセット量（角度）：θoffは、
(θ[1]＋θp)−θp*1/3−θ[2]
つまり、θp*1/3となるが、類似する式を通じて各オフセット量（角度）：θoffもθp*1/3の値が導かれる。
つまり、軸方向から見れば元の積層板４０のフィンの間に、重ね合わされた２つの積層板４０のフィン４５が均等に入り込む。このことを実現する各固定部と出発フィンとの距離：θ[k]を表す一般式は、
θ[k]＝θ[1]＋θp*(k-1)/3、
ここで、kは１から固定部４０の個数までの整数、
となる。

なお、フィン４５の形成ピッチ：θpは、積層板４０を固定部４１の形成ピッチ分だけずらして重ね合わせた場合、ずらした積層板４０のフィン４５が軸方向から見て重なり合わないようにこのオフセット量：θoffとフィン４５の最大弧長、通常はフィン４５の底部の弧長とが決定される。また、固定部４１の数をＮ、ここでは３、フィン４５の最大弧の中心角をθwとすると、この中心角θwとフィン４５の形成ピッチθpとは、
θw＜θp/N＝θp/3
という条件で拘束されている。

このことから、この積層板４０を固定部４１の形成ピッチ分だけずらして重ね合わせた場合、各固定部４１間に位置する一群のフィン４５は軸方向から見てθp*1/3ずつ、つまり等間隔でずれていることになる。したがって、この積層板４０を固定部４１の形成ピッチ分だけずらして重ね合わせて作り出したステータユニット４では、フィン４５と同様に外周面に固定部４１を形成することにより積層板４０の連結固定を簡単化しているにもかかわらず、固定部４１をその形成ピッチ分だけずらせるという簡単な作業でフィン４５が均等に分布した非整列状態となり、良好な冷却効果が得られる。

なお、コスト面を考慮して、積層板４０はかなり薄い板材から打ち抜き加工によって製作されるため、通常、フィン４５が軸方向で一直線に整列するように重ね合わせた複数枚の積層板４０を積層ユニットとし、この積層ユニット単位で固定部４１の形成ピッチ分だけずらしながら重ね合わせてステータユニット４が組み上げられる。そのようにして、組み上げられたステータユニット４が図７に示され、そこではフィン部４５の領域の拡大図が図８に示されている。

次に、上記の関係を汎用的に用いることができる一般式で表すことにする。
まず、固定部４１の個数をＮ、固定部４１の間に形成されるフィン４５の個数をＫとすることで一般化を図り、ｎ番目（ｎ＝１．．．Ｎ）の固定部４１の中心位置から当該固定部４１に対して周方向で隣り合うフィンの中心位置までの距離θ[n]をθ[1]＋θp(n-1)/Nと設定する。θp(n-1)/Nという項は、各固定部４１と当該固定部４１に周方向（図４を参照するなら反時計方向）で隣り合う突出部との距離、ここでは中心角ピッチが、所定基準距離：θ[1]から順次、フィン４５の形成ピッチ：θpを固定部４５の個数で割った値を増加値として増加することを意味している。これにより、積層ユニット単位で固定部４１の形成ピッチ分だけずらしながら重ね合わせていくと、一回りしたところで、フィン４５が均等に振り分けられ、フィン４５の理想的な非整列状態が得られる。
このような関係から、フィンの形成ピッチ：θpと所定基準距離θ[1]とは以下の式、
θp＝((360/N)-2θ[1])*(1/(Ｋ-1/N))
で表される。さらに、フィン４５が軸方向で重なり合わないためには、θw＜θp/N（θw：フィン４５の最大弧の中心角）という拘束条件を採用するとよい。

〔別実施形態〕
（１）上述した実施の形態では、ステータユニット４を収納するケース本体１０の内周面とステータユニット４の外周面（積層されたステータ積層板の外周面）との間のスペースに冷媒流路ＣＰが形成されていた。しかしながら、ケース本体１０の内周面とステータユニット４の外周面との間隔が大きく、その間のスペースが大きくなると、上述した形態の冷媒流路ＣＰでは、冷却効果が悪くなる。従ってそのような場合には、例えば、図９に示すように、ケース本体１０の内周面とステータユニット４の外周面との間の筒状スペースにこの筒状スペースを径方向に区分けするセグメント状の湾曲板としての流路形成部材１２を設け、この流路形成部材１２の内周面とステータユニット４の外周面との間に冷媒流路ＣＰを作り出す。これによる流れ断面の縮小化にともない、冷媒流路ＣＰ内を冷媒が高速に流れることで、その冷却効果が良好となる。このように、冷媒流路ＣＰが前記ケース本体１０とは別体の流路形成部材１２のような流路形成体によって形成されることも本発明の範囲に含まれる。
（２）上述した実施の形態では、固定部４１の数が３個で、固定部４１間の突出部４５の数は５個であったが、本発明により提示された一般式を通じて任意の個数からなる固定部４１と突出部４５とを有する冷却効果に優れたステータユニットが実現可能である。

本発明によるステータユニットを組み込んだ回転電機の断面図図1による回転電機の分解斜視図ケース本体に収容されたステータユニットの平面図積層板における固定部とフィンとの位置関係を説明する説明図２段に積層された積層板における固定部とフィンとの位置関係を説明する説明図３段に積層された積層板における固定部とフィンとの位置関係を説明する説明図磁ステータユニットの斜視図図７のステータユニットにおけるフィン部の拡大図別実施形態におけるケース本体に収容されたステータユニットの平面図

２：ロータ
３：ステータ
４：ステータユニット
５：コイル
１０：ケース本体
１２：流路形成部材（流路形成体）
４０：ステータ積層板
４１：固定部
４３：スロット部
４３０：スロット
４４：歯部
４４０：長手歯
４５：フィン（突出部）
Ｘ：軸心（回転軸心）
ＣＰ：冷媒通路

Claims

同一リング形状の複数枚のステータ積層板を軸方向に積層して構成されたステータユニットにおいて、
前記ステータ積層板は、前記ステータ積層板の外周面に周方向等ピッチで形成された複数の固定部と、前記固定部の間の全ての外周面から互いに周方向等ピッチで突き出し形成された複数の突出部とを有し、
１枚以上のステータ積層板から構成される積層ユニットを積層単位として、前記各積層ユニットの重ね合わせ位相を前記固定部の形成ピッチ分だけ異ならせるとともにそれらの前記固定部を軸方向に一致するように積層したときに、隣接する前記積層ユニットの突出部同士が周方向で所定のオフセット量を示すように前記固定部と当該固定部に対して周方向で隣り合う突出部との距離が設定され、
前記固定部の個数をＮ、前記固定部の間に形成される前記突出部の個数をＫ、前記突出部の形成ピッチをθp、基準とする１番目の固定部の中心位置から当該１番目の固定部に対して周方向一方側で隣り合う突出部の中心位置までの距離である所定基準距離をθ[1]、前記基準とする固定部から前記周方向一方側にｎ番目（ｎ＝１．．．Ｎ）の固定部の中心位置から当該固定部に対して前記周方向一方側で隣り合う突出部の中心位置までの距離θ[n]をθ[1]＋θp(n-1)/N、とすると、前記突出部の形成ピッチθpと前記所定基準距離θ[1]とは以下の式、
θp＝((360/N)-2θ[1])*(1/(Ｋ-1/N))
で表される関係を有するステータユニット。
前記固定部の個数Ｎを３とし、前記基準とする固定部から前記周方向一方側にｎ番目（ｎ＝１、２、３）の固定部の中心位置から当該固定部に対して前記周方向一方側で隣り合う突出部の中心位置までの距離θ[n]をθ[1]＋θp(n-1)/3とすると、前記突出部の形成ピッチθpと前記所定基準距離θ[1]とは以下の式、
θp＝(120-2θ[1])*(1/(Ｋ-1/3))
で表される関係を有する請求項１に記載のステータユニット。
隣接する前記積層ユニットどうしの突出部が軸方向から見て重なり合わないように前記オフセット量と前記突出部の最大弧長が設定されている請求項１又は２に記載のステータユニット。
前記突出部の最大弧の中心角をθwとすると、この中心角θwと突出部の形成ピッチθpとは以下の条件で
θw＜θp/N
拘束されている請求項１から３のいずれか一項に記載のステータユニット。
前記突出部を冷却する冷媒を前記ステータ積層板の外周面に沿って前記軸方向に流す冷媒流路が形成されている請求項１から４のいずれか一項に記載のステータユニット。
積層されたステータ積層板を覆うケースが備えられており、前記ケースと積層されたステータ積層板の外周面との間のスペースに前記冷媒流路が形成されている請求項５に記載のステータユニット。
前記冷媒流路が前記ケースとは別体の流路形成体によって形成される請求項６に記載のステータユニット。
前記積層ユニットが複数枚のステータ積層板によって構成されている請求項１から７のいずれか一項に記載のステータユニット。