JP6139748B1

JP6139748B1 - 回転電機の固定子

Info

Publication number: JP6139748B1
Application number: JP2016094274A
Authority: JP
Inventors: 山本　孝; 孝山本; 陽介杉野; 俊宏松永
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2016-05-10
Filing date: 2016-05-10
Publication date: 2017-05-31
Anticipated expiration: 2036-05-10
Also published as: JP2017204912A

Abstract

【課題】回転電機のモータの特性（トルク脈動）及び振動・騒音性能を悪化させることなく、焼付きやカジリなどの生産性低下を抑制し安価で高品質な回転電機を得る。【解決手段】外周が円弧状であるヨーク部とこのヨーク部から内向きに且つ周方向に所定ピッチで突出した複数のティース部を有し、積層鋼板で形成された複数の扇形状分割鉄心と、この扇形状分割鉄心の互いに隣り合う両対向面を突合状態とし且つ外径側を接合部として円筒状に形成された固定子鉄心と、この固定子鉄心が内周面に圧入された外筒鉄心と、ティース部に巻装された固定子巻線とを有する回転電機の固定子であって、接合部の周辺外周面には、積層鋼板の外径寸法を複数枚単位で短くすることにより形成された窪み部が、固定子の軸方向に間隔をおいて配置されている。【選択図】図３

Description

この発明は、分割鉄心を組合わせて構成した回転電機の固定子に関するものである。

従来の回転電機に用いられる固定子は、生産性、経済性などの点から薄板珪素鋼板からプレス等で打ち抜かれた複数個の分割コア片をカシメ等で積層して形成される分割鉄心に対して、前述の分割鉄心を接合した固定子鉄心を構成する例が採用されている。(例えば
特許文献１参照)

特開２０１１―６６９９１号公報

しかしながら、前記分割鉄心を複数個組合せて固定子鉄心を構成するためには、分割鉄心を円筒状に配列された後に、分割鉄心の端部同士を接合させることが必要となる。このように複数個の分割鉄心を円筒状に配列させる際、鉄心各々の寸法差や鉄心の位置決め規制設備の関係上、コア同士の接合部に径方向に段差が生じることになる。

前述の段差は、ステータの内径側又は外径側のどちらかの径方向の段差となって現れるが、内径側のずれが生じるとモータ特性（トルク脈動）が悪化するなどの問題が生じる。
一方、外径側に段差が生じると、固定子鉄心を固定するために使用するヨーク等の圧入時に、外径側に飛び出した側の段差部分で圧入時の面圧が集中するため、前述の該当部にて摩擦熱が上昇して、焼付きやカジリなどの生産性の悪化を招く問題がある。

内径側及び外径側の段差両方の問題点を解決するためには、例えば鉄心自身及び圧入するヨーク内径寸法精度を向上させることが考えられるが、当然、設備（金型等）の高精度化が必要となり生産コストの増加につながることが考えられる。また、外径側の段差による焼付きやカジリを改善するために、固定子鉄心とヨークの締代寸法を小さくし、圧入時の面圧を低下させる方法も考えられるが、固定子鉄心とヨーク自体の締結力低下による鉄心保持力低下が発生する。前述のケースでは、モータ回転時の電磁加振力に対する固定子鉄心の剛性が低下して、モータの振動・騒音の悪化につながるケースが懸念される。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、回転電機のモータの特性（トルク脈動）及び振動・騒音性能を悪化させることなく、圧入時における焼付きやカジリなどの生産性低下を抑制し、且つ安価で高品質な回転電機の固定子を提供するものである。

この発明に係わる回転電機の固定子は、外周が円弧状であるヨーク部とこのヨーク部から内向きに且つ周方向に所定ピッチで突出した複数のティース部を有し、積層鋼板で形成された複数の扇形状分割鉄心と、この扇形状分割鉄心の互いに隣り合う両対向面を突合状態とし且つ外径側を接合部として円筒状に形成された固定子鉄心と、この固定子鉄心が内周面に圧入された外筒鉄心と、前記ティース部に巻装された固定子巻線と、を有する回転電機の固定子であって、前記接合部の周辺外周面には、前記固定子鉄心の外筒鉄心内周面への圧入工程時に、削れ屑や焼付きによる溶解塊を落とし込み収納すると共に前記外筒鉄心の内周面に対する前記固定子鉄心の接触面積を減少させ前記圧入工程時に発生する面圧上昇を抑制する窪み部が、前記接合部ごとに周方向に形成され、且つこの窪み部は前記積層鋼板の外径寸法を複数枚単位で短くすることにより形成され、前記固定子鉄心の軸方向の両端部には、前記窪み部を有しない前記固定子鉄心が配置され、前記窪み部とこの窪み部を有しない前記固定子鉄心の外周部分とは、前記固定子鉄心の軸方向に等間隔に且つ交互に配置されているものである。

この発明の回転電機の固定子によれば、固定子鉄心を外筒鉄心への圧入時に面圧を低下させ、且つ焼付きカ、カジリ等を抑制する効果を有する。また、同時に分割型の固定子鉄心と外筒鉄心の保持力を高めることで振動・騒音の低減効果の高い回転電機の固定子を得ることができる。

この発明の実施の形態１における回転電機の固定子鉄心を示す正面図である。この発明の実施の形態１における回転電機の固定子鉄心を示す平面図である。この発明の実施の形態１における回転電機の固定子を示す断面図である。この発明の実施の形態１における回転電機の固定子の窪み部を示し、（ａ）は窪み部の構成を示す説明図、（ｂ）は窪み部構成の変形例を示す説明図である。この発明の実施の形態２における回転電機の扇形状分割鉄心を示し、（ａ）（ｂ）は実施の形態１で採用される扇形状分割鉄心の分割コア片で、（ａ）は窪み部無しの分割コア片を示す正面図、（ｂ）は窪み部有の分割コア片を示す正面図、（ｃ）、（ｄ）は窪み部有の分割コア片であって２種類の変形例を示す正面図である。分割コア片の共通部分である連結部を説明するための分割コア片の正面図である。

以下、図面に基づいて、この発明の各実施の形態を説明する。
なお、各図間において、同一符号は同一あるいは相当部分を示す。

実施の形態１．
図１〜図４に基づいて実施の形態１における回転電機の固定子を説明する。
図１は回転電機の固定子を示す正面図、図２は回転電機の固定子鉄心を示す平面図、図３は回転電機の固定子を示す断面図、図４は図２と同様の回転電機の固定子鉄心を示し、（ａ）は窪み部の構成を示す説明図、（ｂ）は窪み部構成の変形例を示す説明図である。

図１〜４において、回転電機の固定子鉄心５は、板状磁性材料の打ち抜き型鉄系材料の積層鋼板よりなる複数の扇形状分割鉄心１で構成され、プレス打ち抜き等で製作した分割コア片を積層することにより形成されたものである。この扇形状分割鉄心１は、外周が円弧状であるヨーク部（コアバック部）２ｂとこのヨーク部２ｂから内向きに且つ周方向に所定ピッチで突出した複数のティース部２ａで構成される。この実施の形態１では扇形状分割鉄心１の数はN＝3個で、連続するティース部２ａの数はｎ=4個である。
また、互いに隣り合う扇形状分割鉄心１は、その両対向面が突合状態とされる共に外径側のNヶ所（本例では3ヶ所）を接合部３（３ａ、３ｂ、３ｃ）として円筒状に形成され且つ回転電機のハウジングである外筒鉄心（円筒状ケース）８の内周面に、圧入状態で挿着一体化され、一体の固定子鉄心５を構成している。

ティース部２ａには、インシュレータ６を介して固定子巻線７が巻きつけられ、固定子鉄心５、インシュレータ６、固定子巻線７、外筒鉄心８などによって固定子９が構成されている。
図１では、図示を省略しているが、固定子鉄心５を形成する前に、扇形状分割鉄心１に対してインシュレータ６と固定子巻線７は、組付けられた状態にて円筒状に配置して固定子鉄心５を形成する。
接合部３については、レーザー溶接等で実施することが一般的である。固定子巻線７を組付けた状態の固定子鉄心５は、それを固定するための外筒鉄心８へ圧入することによる組付で固定され、固定子９が形成される構造となる。

また、図４に示すように接合部３の周辺外周面には、後述する目的で、外径に対して固定子９の軸方向に等間隔をおいてへこみ部（窪み部）となる溝部４が設けられている。この溝部４は、実施の形態２で詳述するが、積層鋼板の外径寸法を複数枚単位で短くすることにより形成されるものである。

前述のように扇形状分割鉄心１は、円筒状に配置したのち接合部３を溶接することで一体となるが、溶接前に扇形状分割鉄心１を組付けジグや設備にて固定する必要がある。しかし、扇形状分割鉄心１自身の寸法精度及び組付けジグや設備のズレなどが必ず存在する。そのため、接合部３において、内径側もしくは外径側に径方向のずれを生じながら組付けられることになる。

内径側のずれは、固定子９がモータとして組付けられた後に磁気的なアンバランスを生じさせ、トルクの脈動成分や振動・騒音などに影響するため、モータ特性の悪化を招く。そこで、内径側の寸法精度を重視して固定子鉄心５を組立てると外径側にずれが生じ、接合部３は段差を持った状態となる。前記の状態で固定子鉄心５を外筒鉄心８に圧入すると、外径側に突出しているずれを持つ接合部３の部分において、外筒鉄心８との面圧が高くなり、焼付きやカジリなどが生じる可能性がある。

そのために、図１に示すように、接合部３の周辺外周面（外径）に対して溝部４が設けられる。この溝部４により接触面積を低下させることで、発生する面圧の上昇を抑制し、焼付きやカジリが問題となる部分の圧入力のみ低下させる効果を発揮できる。よって、扇形状分割鉄心１、固定子鉄心５及び外筒鉄心８の寸法精度や真円度を向上させることなく圧入が実施できるため、製造コストを低減させることができる。

一方、接合部３以外の外径については、固定子鉄心５と外筒鉄心８の締結力低下はなく、固定子鉄心５の剛性を保つことができるため、モータの振動、騒音性は維持される。また、モータの振動抑制、騒音低減のために、固定子鉄心５と外筒鉄心８の締代を上げ、固定子９の剛性を上げることが考えられる。ただ、締代増加に伴う焼付きの可能性も増加するが、この構造であれば焼付き・カジリの抑制を行えることから、モータの振動抑制及び騒音低減に対しても効果を得ることができる。

また、溝部４については、圧入工程において焼付き、カジリが発生した場合においても、発生する削れ屑や焼付きによる溶けた塊が溝部４に落ち込むことにより、成長を抑制できる。よって、圧入初動では、やや圧入力の増加が発生しても削れ屑や溶けた塊が圧入の阻害とならないため、スムーズな圧入を続けることが可能となる。

溝部４の配置に関しては、外筒鉄心８に対する圧入の導入部となる固定子鉄心５の軸方向の両端部については、溝部４がない方が導入部として圧入時のずれを生じにくくなること、及び前述の削れ屑や溶けた塊を溝部４に閉じ込めるために、固定子鉄心５の端部には溝部４を配置しないことにしている。
また、モータの振動や騒音の低減を考えると、軸方向全長において外径に対する溝部４によるへこみ部分とその他の部分のバランスが均一の方が好ましく、図４（ａ）に示すように溝部４とその他部分は交互での配置し、且つ同じピッチ幅（等間隔）で配置することが効果的である。
溝部４の軸方向長さをａとした場合、その他部分の長さｂは、aの1〜2倍程度が好ましい。また、削れ屑等の対策を重視するのであれば、図４（ｂ）に示すように圧入時の固定子鉄心５と外筒鉄心８の圧入開始時の芯ズレなどにより、圧入開始時に焼付き、カジリが発生しやすいことを考えると、固定子鉄心５の溝部４を、圧入方向上、外筒鉄心８の内周面と最初に接触する箇所(導入部)に集中して配置する構成が有効である。溝部４の深さについては外筒鉄心８と固定子鉄心５の間に空間ができるよう、一例として０.１〜1ｍｍ程度が考えられる。

焼付き・カジリについては、材料物性（硬度等）が近い金属部品同士の圧入では、これが顕著となる。固定子鉄心５は、モータの磁気特性を確保するために薄板珪素鋼板が使われることが一般的であり、外筒鉄心８が鉄系の材料である場合に焼付きやカジリが発生しやすい状況になるため、前述の溝部４を有した固定子鉄心５は、その効果がより向上する。外筒鉄心８の材料の例としては、Ｓ１０Ｃ等の機械構造用炭素鋼やプレス成型等で成型することが考えられるため、ＳＰＣＤ、ＳＰＣＥ等の加工性に優れた冷間圧延鋼板、及びＳＰＨＤ、ＳＰＨＥ等の熱間圧延鋼板等が挙げられる。

実施の形態２．
図５、図６に基づいて実施の形態２における３種類の窪み部（へこみ部）、すなわち溝部４について説明する。
図５（ａ）（ｂ）は実施の形態１で採用される溝部４を有する扇形状分割鉄心１の分割コア片を示し、（ａ）は窪み部無しの分割コア片１０を示す正面図、（ｂ）は窪み部有の分割コア片１１を示す正面図、（ｃ）、（ｄ）は窪み部有の分割コア片１１で、２種類の変形例を示す正面図、図６は分割コア片１０、１１の共通部分である連結部１２を説明するための分割コア片１３の正面図である。

図５において、前述の固定子鉄心５に溝部４を設けるためには、切削加工で加工する方法もあるが、多大な時間及びコストが発生することが問題となる。
そこで、この実施の形態２では固定子鉄心５の接合部３付近の外径寸法に着目し、他の部分と同じ寸法の分割コア片１０に対し外径寸法が他の部分よりもへこむ設定となる分割コア片１１を別に製作し、それらの分割コア片１０、１１を所定の枚数単位で交互に積層することで、扇形状分割鉄心1の製作を可能としたものである。
分割コア片１０、１１の積層については、順送プレス金型を用いて、分割コア片１０、１１を形成するステーションを準備し、積層パターンをプログラム化して製作することが考えられる。また、それぞれの分割コア片１０、１１は、カシメ等により固定される。
また、溝部４を形成する分割コア片１１については、図５（ｂ）（ｃ）に示すように全体的に外径を減らすのではなく、金型の構成や生産性を考慮して、斜め形状の切断（１１ｃ）や円弧形状（１１ｄ）などにすることで形成することも可能である。

図６に示すように分割コア片１３は、ティース部２ａが直線状に打ち抜かれた素材の状態では、ヨーク部２ｂ間に切り欠き部２ｃが設けられ、各積層鋼板の外径部が薄肉状又は薄皮状の折り曲げ可能な連結部１２で連結されている。
したがって、直線状に巻付けた後、円弧状に丸めることで図５に示す分割コア片１０、１１の形状にすることができる。
この構成により、巻線できる固定子巻線７の密度を上げてモータ性能を高めること及び分割コア片１３を薄板珪素鋼板から打ち抜く際の歩留りを上げることができるため経済的にも有利である。
また、分割コア片１３の端部については、当然図５、６に示す外径のへこみ部（窪み部）を設けたものと、へこみ部（窪み部）がないものの２パターンが存在し、それらを積層することで溝部４のある扇形状分割鉄心１を形成することができる。

実施の形態３．
電動パワーステアリング用モータは、ハンドル軸に伝わる脈動低減のためモータのトルク脈動の低減が必要なこと及び、ドライバーに対して低騒音であることが求められている。実施の形態１による固定子鉄心５は、モータ特性を満たすために内径精度を重視して外径部に段差ができても外筒鉄心８と圧入できること、且つ圧入時の締代を保ち固定子９の剛性を低下させることなく製造可能であり、低振動、低騒音を達成できる構成である。よって、電動パワーステアリング用モータとしては好適である。
この発明は、電動パワーステアリング用モータなどに代表される、低騒音・低振動を求められる回転電機用の固定子に対して、安価且つ生産性を損なうことなく圧入工程を実施し製造することが可能となる。

なお、この発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１：扇形状分割鉄心、２ａ：ティース部、２ｂ：ヨーク部、３：接合部、
４：溝部（窪み部）、５：固定子鉄心、８：外筒鉄心、９：固定子、
１２：連結部、１３：分割コア片

Claims

外周が円弧状であるヨーク部とこのヨーク部から内向きに且つ周方向に所定ピッチで突出した複数のティース部を有し、積層鋼板で形成された複数の扇形状分割鉄心と、この扇形状分割鉄心の互いに隣り合う両対向面を突合状態とし且つ外径側を接合部として円筒状に形成された固定子鉄心と、この固定子鉄心が内周面に圧入された外筒鉄心と、前記ティース部に巻装された固定子巻線と、を有する回転電機の固定子であって、
前記接合部の周辺外周面には、前記固定子鉄心の外筒鉄心内周面への圧入工程時に、削れ屑や焼付きによる溶解塊を落とし込み収納すると共に前記外筒鉄心の内周面に対する前記固定子鉄心の接触面積を減少させ前記圧入工程時に発生する面圧上昇を抑制する窪み部が、前記接合部ごとに周方向に形成され、且つこの窪み部は前記積層鋼板の外径寸法を複数枚単位で短くすることにより形成され、
前記固定子鉄心の軸方向の両端部には、前記窪み部を有しない前記固定子鉄心が配置され、
前記窪み部とこの窪み部を有しない前記固定子鉄心の外周部分とは、前記固定子鉄心の軸方向に等間隔に且つ交互に配置されていることを特徴とする回転電機の固定子。
前記窪み部は、前記固定子鉄心の外筒鉄心内周面への圧入工程時に、前記外筒鉄心の内周面と最初に接触する導入側に集中的に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の回転電機の固定子。
前記外筒鉄心は、鉄系材料で構成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の回転電機の固定子。
前記固定子鉄心は、前記窪み部を有する部分及び前記窪み部を有しない部分共に、板状磁性材料の打ち抜き型鉄系材料で構成されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の回転電機の固定子。
前記ヨーク部間の連結部は、各積層鋼板の外径部に形成された折り曲げ可能な薄皮状連結部で構成されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の回転電機の固定子。
電動パワーステアリング駆動用モータに用いられることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の回転電機の固定子。