JP5531773B2

JP5531773B2 - 回転電機

Info

Publication number: JP5531773B2
Application number: JP2010116270A
Authority: JP
Inventors: 彰教星野; 功加藤
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Aisin Corp
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2010-05-20
Filing date: 2010-05-20
Publication date: 2014-06-25
Anticipated expiration: 2030-05-20
Also published as: JP2011244644A

Description

本発明は回転電機に関し、より詳細には、コアおよびコイルを有するステータの磁気特性の向上に関する。

ハイブリッド車や電気自動車に搭載される発電電動機などの回転電機には、コイルを有するステータを外周側に配置し、磁石を有するロータを内周側に配置したインナーロータ回転磁石形のものが多用されている。この種の回転電機のステータは、半径方向内向きに延出する複数の磁極ティースを有する円筒状のステータコアと、各磁極ティースに導線を巻回して構成したコイルと、各コイルと各磁極ティースとの間に介在して電気絶縁を担う筒状の絶縁ボビンとを備えるのが一般的である。さらに、ステータの磁気特性を向上するために、磁極ティースの先端に磁極鍔部を設けたり、ティース間に磁性部材を配置したりする場合もあり、特許文献１および特許文献２に例示されている。

特許文献１の回転電機は、鉄心歯部間を橋絡してスロット開口部を塞ぐ磁性閉鎖部材に非磁性組織を局所的に形成し、この非磁性組織を鉄心歯部間の略中央に配置させたことを特徴としている。実施例の説明によれば、磁性楔（磁性閉鎖部材）にはオーステナイト系ステンレス鋼が用いられ、レーザビーム照射による加熱処理により非磁性組織が形成される、とされている。磁性楔は略矩形で向かい合う２辺に楔部が形成され、一方、鉄心歯部の先端部の対応内面には装着溝が形成されている。そして、楔部が装着溝に圧入され、若しくは装入後に接着されることにより、磁性楔が固定されるようになっている。また、特許文献２の永久磁石形モータは、バックヨーク部から延出して隣り合うティース部の先端部が対向する位置に、絶縁部材からなる磁性部材収納部を設け、磁性部材収納部内に磁性部材を配置したことを特徴としている。

特許文献１および２では、隣接する磁極ティース（鉄心歯部、ティース部）の間に磁性部材（磁性楔）を配置したことで、ステータ表面の磁界分布が滑らかになり、磁気特性が向上する。これにより、回転電機が発電機であれば誘起電圧の高調波歪みが減少し、モータであればトルクリップルが減少する。また、鉄損や銅渦損も減少する。これに対し、特許文献１における磁性楔中の非磁性組織は、漏れ磁束を低減する機能を有している。つまり、ロータの磁石から出た磁束が磁極ティースに向かわずに磁性楔に漏れてしまうことを抑制する機能を有している。磁性部材は、磁界分布を滑らかにする目的では磁極ティース間を橋絡し磁極ティースと同一の透磁率を有することが好ましいが、漏れ磁束を低減する目的では磁極ティース間の途中で部分的に小さな透磁率を有することが好ましい。この相反条件を考慮し、回転電機の特性が良好となるように、磁性部材の大きさ、形状や透磁率が適宜設計される。

特開平６−３１１６８３号公報特開２００３−２０４６３８号公報

ところで、特許文献１および２の磁極ティース間に磁性部材を配置する構成は、磁気特性が向上する点では好ましいが、部材点数が増加し形状が複雑化してコストが増加するという問題点がある。つまり、ただ単に磁性部材の部品コストが発生するだけでなく、取り付ける相手側部材の構造が複雑化するため、その分の部品コストも増加する。例えば、特許文献１では鉄心歯部に装着溝を形成する必要があり、特許文献２では新たに磁性部材収納部を設ける必要がある。さらに、磁性部材を組み付けるための工数、すなわち組み付けコストが必要となる。

また、特許文献１では圧入により磁性楔を組み付けるため、組み付け作業性が悪く、磁性楔または鉄心歯部が割れるおそれもある。加えて、磁性楔を固定するための装着溝により鉄心歯部の磁路断面積が減少して磁気抵抗が増加するため、回転電機の鉄損が増加して効率が低下する。

本発明は、上記背景技術の問題点に鑑みてなされたもので、部品点数を増加させずコストの増加を抑制しつつ、磁気特性を向上したステータを備える回転電機を提供することを解決すべき課題とする。

上記課題を解決する請求項１に係る回転電機の発明は、周方向に間隔をあけて配置され半径方向に延出する複数の磁極ティースを有する円筒状のステータコアと、該ステータコアの前記磁極ティースに導線を巻回して構成したコイルと、該コイルと前記磁極ティースとの間に介在する絶縁部材とを有するステータと、該ステータと軸線を共通にして該ステータの同軸内側または同軸外側に配置されたロータと、を備える回転電機において、前記ステータの前記絶縁部材は、前記磁極ティースを周回する筒状部と、該筒状部の前記ロータに近接する側の端縁から周方向に延在する鍔部とを有し、該鍔部の前記ロータに対向する側における第一部位の透磁率が前記筒状部の透磁率よりも大きくかつ前記磁極ティースの透磁率よりも小さく、前記鍔部の前記コイルに接する側における第二部位の透磁率が前記第一部位の透磁率よりも小さい、ことを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１において、前記第二部位の透磁率は前記筒状部の透磁率と同等であることを特徴とする

請求項３に係る発明は、請求項１または２において、前記絶縁部材の前記筒状部と前記鍔部の前記第二部位とに絶縁性樹脂を用い、前記鍔部の前記第一部位に磁性粉体を含んだ絶縁性樹脂を用いて、二色成形加工により前記絶縁部材を一体的に形成したことを特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項１または２において、前記絶縁部材の前記鍔部の前記第一部位に磁性片を鋳込んで前記絶縁部材を成形加工により形成したことを特徴とする。

請求項５に係る発明は、請求項１〜４のいずれか一項において、前記ステータコアは前記磁極ティースの先端から周方向に延在する磁極鍔部を有し、該磁極鍔部と前記絶縁部材の前記鍔部とが周方向に連なっていることを特徴とする。

請求項６に係る発明は、請求項１〜５のいずれか一項において、前記コイルは集中巻きコイルであることを特徴とする。

請求項１に係る回転電機の発明では、ステータのコイルと磁極ティースとの間に介在する絶縁部材は筒状部と鍔部とを有し、鍔部のロータに対向する側における第一部位の透磁率が筒状部の透磁率よりも大きくかつ磁極ティースの透磁率よりも小さく、鍔部のコイルに接する側における第二部位の透磁率が第一部位の透磁率よりも小さい。つまり、ステータのロータに対向する表面で、大きな透磁率を有する磁極ティースの間に中間的な大きさの透磁率を有する鍔部の第一部位が配置される。このため、鍔部は従来の磁性部材の役割を果たし、磁気特性が向上する。一方、鍔部のコイルに接する側における第二部位の透磁率を第一部位の透磁率よりも小さくして、コイルとステータコアとの間の電気絶縁を保つことができる。また、筒状部および鍔部からなる絶縁部材は絶縁ボビンと称され、コイルを巻回する際の巻き型を兼ねて従来から用いられており、ステータを構成する部品点数は増加しない。したがって、部品コストや組み付けコストの増加を抑制しつつ、磁気特性を向上したステータを備える回転電機を提供できる。

請求項２に係る発明では、第二部位の透磁率は筒状部の透磁率と同等になっている。したがって、鍔部の第二部位および筒状部の材質を共通化して絶縁部材を容易に製造することができ、部品コストの増加を抑制できる。

請求項３に係る発明では、絶縁部材の筒状部と鍔部の第二部位とに絶縁性樹脂を用い、鍔部の第一部位に磁性粉体を含んだ絶縁性樹脂を用いて、二色成形加工により絶縁部材を一体的に形成している。したがって、絶縁部材以外でステータを変更する箇所はなく、部品コストの増加はわずかであり、組み付けコストは従来と変わらない。

請求項４に係る発明では、絶縁部材の鍔部の第一部位に磁性片を鋳込んで絶縁部材を成形加工により形成している。したがって、絶縁部材以外でステータを変更する箇所はなく、部品コストの増加はわずかであり、組み付けコストは従来と変わらない。

請求項５に係る発明では、ステータコアは磁極ティースの先端から周方向に延在する磁極鍔部を有し、磁極鍔部と絶縁部材の鍔部とが周方向に連なっている。これにより、ステータのロータに対向する表面で、大きな透磁率を有する磁極鍔部が周方向に拡がり、さらに中間的な大きさの透磁率を有する絶縁部材の鍔部の第一部位が連なるので、磁界分布がより一層滑らかになり、磁気特性が格段に向上する。

請求項６に係る発明では、ステータの各コイルは集中巻コイルとされている。本発明は、集中巻コイルを有するステータに実施することができ、効果が顕著となる。

実施形態の回転電機の構造を模式的に説明する図であり、軸線に直交する面の断面図である。図１に示されたステータの部分拡大断面図である。図１の実施形態における１個の分割コアおよび絶縁ボビンを説明する斜視図である。

本発明の実施形態の回転電機について、図１〜図３を参考にして説明する。図１は、実施形態の回転電機１の構造を模式的に説明する図であり、軸線ＡＸに直交する面の断面図である。回転電機１は、軸線ＡＸを中心として概ね軸対称に構成されており、同軸内側にロータ２が配置され、同軸外側にステータ３が配置されている。ロータ２は略円筒状であり、図１の紙面表裏方向に薄板環状の電磁鋼板が積層されて形成されている。また、ロータ２の外周側の周方向にＮ極およびＳ極が交互に並ぶように、図略の複数の永久磁石が埋め込まれている。

ステータ３は、円筒状のステータホルダ４と、焼き嵌めによりステータホルダ４の内周面に嵌着されたステータコア５とを備えている。ステータコア５は、図の例では１５個の分割コア５１が環状に配置されて構成されている。各分割コア５１は、紙面表裏方向に薄板状の電磁鋼板が積層されて形成され、半径方向内向きに延出する磁極ティース５２を有している。各磁極ティース５２に導線が巻回されて集中巻きのコイル６が形成されている。

図２は、図１に示されたステータ３の部分拡大断面図である。図示されるように、分割コア５１の磁極ティース５２の先端から周方向に磁極鍔部５３が延在して、ロータ２に対向している。

絶縁ボビン７は、本発明の絶縁部材に相当し、コイル６と磁極ティース５２との間に介在している。図示されるように、絶縁ボビン７は、磁極ティース５２を周回する筒状部７１と、筒状部７１のロータ２に近接する内周側の端縁から周方向および軸線ＡＸ方向に延在する内側鍔部７２と、筒状部７１の外周側の端縁から周方向および軸線ＡＸ方向に延在する外側鍔部７７とを有している。内側鍔部７２は周方向に延在する途中で厚くなり、内周側の第一部位７３（図２では間隔の密な破線の斜線で示されている）および外周側の第二部位７４の二層構造になっている。内側鍔部７２の第一部位７３は、磁極鍔部５３と周方向に連なってロータ２に対向するように配置されている。一方、第二部位７４はコイル６に接している。また、隣接する絶縁ボビン７の第一部位７３同士および第二部位７４同士は、当接するか、あるいはわずかの間隙で配置されている。

図３は、１個の分割コア５１および絶縁ボビン７を説明する斜視図である。図示されるように、絶縁ボビン７は、上側ボビン７Ｕおよび下側ボビン７Ｌからなっている。上側ボビン７Ｕの外側鍔部７７の上部には、コイル６の導線端を引き出す配策部７８が設けられている。上側ボビン７Ｕの図中下部は、部材厚さが約半分に加工されて上側嵌合部７Ｕ１が形成されている。同様に、下側ボビン７Ｌの図中上部は、部材厚さが約半分に加工されて下側嵌合部７Ｌ１が形成されている。

図３中の矢印Ｂで示されるように上側ボビン７Ｕを下降させると、上側ボビン７Ｕの上側嵌合部７Ｕ１と下側ボビン７Ｌの下側嵌合部７Ｌ１とがオーバラップして嵌合するようになっている。嵌合により、上下の筒状部７１がつながって磁極ティース５２を周回し、上下の第一部位７３および第二部位７４もつながる。絶縁ボビン７は、導線を巻回してコイル６を構成する際に巻き型の役割を果たすとともに、コイル６とステータコア５との間の電気絶縁を担っている。

上側ボビン７Ｕおよび下側ボビン７Ｌはそれぞれ、二色成形加工により形成することができる。詳述すると、筒状部７１と内側鍔部７２の第二部位７４と外側鍔部７７とに絶縁性樹脂を用い、内側鍔部７２の第一部位７３に磁性粉体を含んだ絶縁性樹脂を用いて、二色成形加工を行う。これにより、第一部位７３および第二部位７４を、別部品でなく一体的に形成できる。磁性粉体には、鉄粉やフェライト粉などを用いることができる。また、磁性粉体の大きさや含有比率は、所望する透磁率に合わせて適宜定めることができる。磁性粉体を含んで形成された第一部位７３の実効的な透磁率は、絶縁性樹脂の透磁率および磁性粉体の透磁率の中間的な値となる。したがって、第一部位７３の実効的な透磁率は、絶縁ボビン７の他の部分の透磁率より大きくなり、磁極ティース５２の透磁率より小さくなる。

なお、絶縁ボビン７の第一部位７３以外の部分は、磁性粉体を含まないので電気絶縁性能が確保される。換言すると、筒状部７１と外側鍔部７７と内側鍔部７２の第二部位７４とにより、コイル６とステータコア５との間の電気絶縁が確保される。

次に、上述のように構成された実施形態の回転電機１の作用、効果について説明する。ステータ３のロータ２に対向する内周面に注目すると、大きな透磁率を有する磁極ティース５２の先端の周方向に磁極鍔部５３が拡がり、さらに中間的な大きさの透磁率を有する第一部位７３が連なっている。したがって、ステータ３内周面において、透磁率の小さい箇所が殆どなくなり、周方向の磁界分布が滑らかになって、磁気特性が格段に向上する。これにより、回転電機１が発電機であれば誘起電圧の高調波歪みが減少し、モータであればトルクリップルが減少する。また、鉄損や銅渦損も減少する。

また、絶縁ボビン７は従来から用いられている部品であり、ステータ３を構成する部品点数は増加せず、組み付け方法も変わらない。このため、二色成形加工による部品コストの増加はわずかであり、組み付けコストは従来と変わらない。したがって、部品コストや組み付けコストの増加を抑制しつつ、磁気特性を向上したステータ３を備える回転電機１を提供できる。

なお、二色成形加工によらず磁性片を鋳込んだ成形加工により、上側ボビン７Ｕおよび下側ボビン７Ｌを形成することもできる。この場合、第一部位７３に相当する部分のみに磁性片を鋳込む。磁性片には、鉄製やフェライト製の粒体、線材、板状片などを用いることができ、所望する実効的な透磁率に合わせて適宜含有量を定めることができる。

また、磁極ティース５２が先端に磁極鍔部５３を有しない構造では、磁極ティース５２の先端側面に接するように第一部位７３を形成することが好ましい。本発明は、その他様々な変形や応用が可能である。

１：回転電機
２：ロータ
３：ステータ
４：ステータホルダ
５：ステータコア
５１：分割コア５２：磁極ティース５３：磁極鍔部
６：コイル
７：絶縁ボビン（絶縁部材）
７Ｕ：上側ボビン７Ｌ：下側ボビン
７１：筒状部７２：内側鍔部７３：第一部位７４：第二部位
７７：外側鍔部７８：配策部

Claims

周方向に間隔をあけて配置され半径方向に延出する複数の磁極ティースを有する円筒状のステータコアと、該ステータコアの前記磁極ティースに導線を巻回して構成したコイルと、該コイルと前記磁極ティースとの間に介在する絶縁部材とを有するステータと、
該ステータと軸線を共通にして該ステータの同軸内側または同軸外側に配置されたロータと、を備える回転電機において、
前記ステータの前記絶縁部材は、前記磁極ティースを周回する筒状部と、該筒状部の前記ロータに近接する側の端縁から周方向に延在する鍔部とを有し、
該鍔部の前記ロータに対向する側における第一部位の透磁率が前記筒状部の透磁率よりも大きくかつ前記磁極ティースの透磁率よりも小さく、
前記鍔部の前記コイルに接する側における第二部位の透磁率が前記第一部位の透磁率よりも小さい、
ことを特徴とする回転電機。
請求項１において、前記第二部位の透磁率は前記筒状部の透磁率と同等であることを特徴とする回転電機。
請求項１または２において、前記絶縁部材の前記筒状部と前記鍔部の前記第二部位とに絶縁性樹脂を用い、前記鍔部の前記第一部位に磁性粉体を含んだ絶縁性樹脂を用いて、二色成形加工により前記絶縁部材を一体的に形成したことを特徴とする回転電機。
請求項１または２において、前記絶縁部材の前記鍔部の前記第一部位に磁性片を鋳込んで前記絶縁部材を成形加工により形成したことを特徴とする回転電機。
請求項１〜４のいずれか一項において、前記ステータコアは前記磁極ティースの先端から周方向に延在する磁極鍔部を有し、該磁極鍔部と前記絶縁部材の前記鍔部とが周方向に連なっていることを特徴とする回転電機。
請求項１〜５のいずれか一項において、前記コイルは集中巻きコイルであることを特徴とする回転電機。