JP6319226B2

JP6319226B2 - 回転電機ステータ

Info

Publication number: JP6319226B2
Application number: JP2015162715A
Authority: JP
Inventors: 服部　宏之; 宏之服部; 岳志朝永
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2015-08-20
Filing date: 2015-08-20
Publication date: 2018-05-09
Anticipated expiration: 2035-08-20
Also published as: US10720799B2; US20170054338A1; JP2017041982A

Description

本発明は、回転電機ステータに関する。

特許文献１には、回転電機のステータコアのティース先端部の両側に舌片部を設けずスロット開口を大きくして予め成形したコイルをスロットに挿入し易くし、その後スロット開口端部にティースの舌片部を形成する別部材を装着することが開示されている。

特許文献２には、径方向に真直ぐなスロットを用いたときのコイルの抜け止めのために、ステータコアの内周側にティースに窓を嵌め込むようにして、リング形状のコイル固定具を取付けることが開示されている。

本発明に関連する技術として、特許文献３には、回転電機のステータコアのティースの先端部の両側面部に連接して面取り部を設け、ロータが回転するときのティースに流れ込む磁束の急変を緩和しトルクリップルを抑制することが述べられている。

特開平１０−０５１９８７号公報特開２００２−０７８２９９号公報特開２０１０−１１５０５７号公報

特許文献１の別部材や特許文献２のコイル固定具は、スロットの開口部の一部を塞ぐので、スロット内に異物が堆積する恐れがある。回転電機ステータにおいて、電気絶縁性能低下の原因ともなり得る異物をスロット内に堆積させずに、ティースの剛性を向上させて振動ノイズ特性を向上させることが望まれる。

本発明の形態の１つに係る回転電機ステータは、円環状のステータヨーク、及び前記ステータヨークから内周側に突き出す複数のティースを有するステータコアと、前記ティースに巻回されたコイルと、リング形状を有し、前記複数のティースのそれぞれにおいて前記コイルの配置範囲よりも内周側の先端部の軸方向端面に固定されている非磁性体の補強部材と、を備え、前記ティースには、回転電機のトルクリップル抑制用の凹部が設けられており、前記補強部材は、前記凹部に対応する凸部を有し、前記凸部が前記凹部に嵌め込まれて固定されていることを特徴とする。

上記構成の回転電機ステータによれば、補強部材は、リング形状を有し、複数のティースのそれぞれにおいてコイルの配置範囲よりも内周側の先端部の軸方向端面に固定される。補強部材はスロットの開口部を塞がないので、異物をスロット内に堆積させずに、ティースの剛性を向上させることができる。

上記構成の回転電機ステータによれば、補強部材の凸部はティースの凹部に嵌め込まれるので、補強部材とティースとの間の結合をより強固にできる。

上記構成の回転電機ステータによれば、回転電機のトルクリップル抑制用の窪みを利用して補強部材がティースに固定されるので、固定用の窪みを特別に設けなくても済む。

本発明の形態の１つに係る回転電機ステータにおいて、凹部は、ティースの先端部における周方向端部の面取り部であることが好ましい。

上記構成の回転電機ステータによれば、補強部材の凸部はティースの先端部の面取り部に嵌め込まれるので、スロットの開口を塞ぐことがなく、補強部材とティースとの間の結合をより強固にできる。

本発明の形態の１つに係る回転電機ステータにおいて、凹部は、ティースの先端部における径方向端面の切欠き部であることが好ましい。

上記構成の回転電機ステータによれば、補強部材の凸部はティースの先端部の切欠き部に嵌め込まれるので、スロットの開口を塞ぐことがなく、ティースの先端部から突き出すこともなく、補強部材とティースとの間の結合をより強固にできる。

本発明に係る回転電機ステータにおいて、電気絶縁性能低下の原因ともなり得る異物をスロット内に堆積させずに、ティースの剛性を向上させることができる。

本発明に係る実施の形態の回転電機ステータの上面図である。図１のＡ部分を回転電機ステータの内周側から見た展開図である。図２の１つのティースについて、ティースとコイルと補強部材との関係を示す分解図である。別の実施形態について、図２に対応する図である。別の実施形態について、図３に対応する図である。他の実施形態について、図２に対応する図である。他の実施形態について、図３に対応する図である。

以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。以下では、車両に搭載される回転電機に用いられるステータを述べるが、これは説明のための例示であって、車両搭載以外の用途であっても構わない。以下では、コイルとして、平角線を用いて単層巻したコイルを述べるが、これは説明のための例示であって、平角線以外の円形断面の丸線、楕円断面の巻線等でも構わない。また、多層巻であってもよい。巻回方式としては、集中巻でもよく、分布巻でもよい。以下では、補強部材はティースの軸方向両端面にそれぞれ設けられるとして説明するが、ティースの軸方向両端面のいずれか一方の端面にのみ補強部材を設けるとしてもよい。

以下で述べる形状、寸法、ティースの数、磁極の数、巻数、材質等は、説明のための例示であって、回転電機ステータの仕様に合わせ、適宜変更が可能である。以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、車両に搭載される回転電機に用いられる回転電機ステータ１０の構成を示す図である。以下では、回転電機ステータ１０を特に断らない限り、ステータ１０と呼ぶ。ステータ１０が用いられる回転電機は、駆動回路の制御によって、車両が力行するときは電動機として機能し、車両が制動時にあるときは発電機として機能するモータ・ジェネレータで、三相同期型回転電機である。回転電機は、図１に示される固定子であるステータ１０と、ステータ１０の内周側に所定の隙間を隔てて配置される円環状の回転子であるロータとで構成される。図１ではロータの図示を省略した。

図１は、ステータ１０を軸方向から見た上面図である。図１に、ステータコア１２の周方向、径方向、軸方向をそれぞれ示した。周方向についての（＋）方向はステータ１０の上面図において時計回りの方向であり、径方向についての（＋）方向はステータコア１２の内周側から外周側に向かう方向であり、軸方向についての（＋）方向は、図１の紙面の向こう側から手前側に向かう方向である。以下の図でも同様である。

ステータ１０は、ステータコア１２と、ステータコア１２に装着されるコイル１４と、補強部材３０とを含んで構成される。

ステータコア１２は、円環状の磁性体部品で、円環状のステータヨーク２０とステータヨーク２０から内周側に突き出す複数のティース２２とを含む。隣接するティース２２の間の空間は、スロット２４である。ティース２２はコイル１４が装着され磁極となる突出部である。コイル１４の巻回の観点からは、ティース２２の先端部には舌片部を設けず、スロット２４は径方向に沿って真直ぐであることが好ましい。以下では、舌片部を有しないティース２２とし、スロット２４は径方向に沿って真直ぐとする。

かかるステータコア１２は、ステータヨーク２０とティース２２とを含み、スロット２４が形成されるように所定の形状に成形された円環状の磁性体薄板２８（図２参照）を複数積層して用いられる。磁性体薄板２８の両面には電気的絶縁処理が施される。磁性体薄板２８の材質としては、電磁鋼板を用いることができる。磁性体薄板２８の積層体に代えて、磁性粉末を所定の形状に一体化成形してもよい。

コイル１４は、絶縁皮膜付きの導線を用い、所定の巻回方式で、スロット２４に導線を通してティース２２に所定の巻数で巻回した巻線コイルである。コイル１４の巻回は、ティース２２の最先端の手前までの範囲で行われる。図１に、コイル１４の配置範囲１６を示す。図１では、コイル１４として、単層巻の集中巻コイルの例を示した。これは例示であって、多層巻の集中巻コイルであってもよく、また、分布巻コイルであってもよい。以下では、特に断らない限り、集中巻コイルの例について述べる。

コイル１４の絶縁皮膜付き導線の素線としては、銅線、銅錫合金線、銀メッキ銅錫合金線等を用いることができる。素線としては、断面形状が略矩形の平角線が用いられる。絶縁皮膜としては、ポリアミドイミドのエナメル皮膜が用いられる。これに代えて、ポリエステルイミド、ポリイミド、ポリエステル、ホルマール等を用いることができる。

回転電機の仕様によっては、ステータコア１２とコイル１４との間の電気絶縁性能を向上させるためにインシュレータを用いることがある。インシュレータは、コイル１４の内周側面とこれに向かい合うステータコア１２の外周側面との間に保持され筒状形状を有する絶縁体である。インシュレータとしては、電気絶縁性を有するシートを所定の形状に成形して用いることができる。電気絶縁性を有するシートとしては、紙の他、プラスチックフィルムを用いることができる。以下では、コイル１４に用いられる導線の絶縁皮膜の電気絶縁性能が十分高いとして、インシュレータを用いない。

集中巻のコイル１４は、ステータコア１２の各ティース２２にそれぞれ１つずつ装着される。図１の例では、ステータコア１２は、Ｕ相用のティース２２が５つ、Ｖ相用のティース２２が５つ、Ｗ相用のティース２２が５つであり、この１５個のティース２２のそれぞれに１つずつコイル１４が装着される。コイル１４が装着されたティース２２について、図１では、Ｕ相に用いられるＵ１〜Ｕ５、Ｖ相に用いられるＶ１〜Ｖ５、Ｗ相に用いられるＷ１〜Ｗ５と示した。

同相のコイル１４同士は、図示しない渡り線等で互いに接続される。例えば、Ｕ相に用いられるティースＵ１〜Ｕ５に装着されるコイル１４は、互いに渡り線で接続されて１つのＵ相コイルとなり、その一方端子は動力線のＵ端子に接続される。Ｖ相に用いられるティースＶ１〜Ｖ５に装着されるコイル１４、Ｗ相に用いられるティースＷ１〜Ｗ５に装着されるコイル１４も同様で、渡り線で接続されてそれぞれ１つのＶ相コイル、Ｗ相コイルとなり、それぞれの一方端は図示しない動力線のＶ端子、Ｗ端子に接続される。Ｕ相コイル、Ｖ相コイル、Ｗ相コイルのそれぞれの他方端は、互いに接続されて中性点とされる。

補強部材３０は、ティース２２の剛性を補強するために用いられる部材である。各ティース２２は、ステータヨーク２０側を支持端とし、先端側が自由端となる構造を有するので、剛性が不足すると、ティース２２自身の質量やコイル１４の質量等によって振動し、ノイズを発生することがある。補強部材３０は、リング形状を有する部材で、複数のティース２２のそれぞれにおいてコイル１４の配置範囲１６よりも内周側の先端部の軸方向端面に固定される。

図２は、図１のＡ部分をステータ１０の内周側から見た展開図である。図１のＡ部分には、Ｕ１，Ｖ１，Ｗ５の３つのティース２２、これらのティース２２に巻回されたコイル１４、補強部材３０，３１を含む。図２において、スロット２４の最内周側における開口部の大きさとして、軸方向の開口部の寸法をＨ₂₄で示し、周方向の開口部の寸法をＷ₂₄で示す。

図１に示したように、補強部材３０は、ステータコア１２の軸方向についての（＋）方向の一方側端に配置される。これに対し、補強部材３１は、補強部材３０と同一形状、同一材質であるが、ステータコア１２の軸方向についての（−）方向の他方側端に配置される。図２に示すように、ティース２２の先端部の一方側の軸方向端面２６に補強部材３０が固定され、他方側の軸方向端面２７に補強部材３１が固定される。

かかる補強部材３０，３１は、非磁性体材料を用いて所定の形状に成形して用いることができる。非磁性体材料としては、セラミックスを用いることができるが、成形性や強度等から、樹脂を用いることが好適である。樹脂としては、電気絶縁性を有し、適当な強度と耐熱性を有する材料が用いられる。例えば、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、芳香族ナイロン樹脂コンパウンド等が用いられる。樹脂に適当なフィラーを含ませてもよい。

補強部材３０，３１は、所定の形状として、同心の内径と外径を有する円環状で、一様な厚さを有する。内径は、回転電機のロータの回転を妨げず、所定の回転電機特性を発揮できるように、ティース２２の先端を結ぶステータコア内径と同じまたは大きく設定される。外径は、ティース２２におけるコイル１４の配置範囲１６を結ぶコイル配置内径と同じまたは小さく設定される。厚さは、複数のティース２２の先端部に固定されたときのティース２２の剛性が振動ノイズ特性から見て十分な大きさに設定される。同心の内径と外径を有する円環状に代えて、ティース２２の数に対応する多角形環状形状としてもよい。その場合でも、上記内径と外径の設定の範囲内に多角形環状形状が含まれる大きさとする。

補強部材３０，３１とティース２２の軸方向端面２６，２７との間の固定は、接着、溶着の他に、ねじ止め等の機械的接続手段を用いることができる。以下では、適当な接着剤を固定手段として用いる。この固定により、補強部材３０，３１は、各ティースの剛性を向上させることができる。

図２に示されるように、補強部材３０，３１の配置は、軸方向において、スロット２４の軸方向の開口部の寸法Ｈ₂₄を狭めることがなく、周方向において、スロット２４の周方向の開口部の寸法Ｗ₂₄を狭めることがない。すなわち、補強部材３０，３１はスロット２４の開口部を塞がないので、異物をスロット内に堆積させず、異物の堆積による電気絶縁性能の低下を抑制する。

図３は、図２のＵ１のティース２２関係の部分を抜き出した斜視図であるが、補強部材３０，３１と他の部分とを分けた分解図として示す。別の見方をすると、補強部材３０，３１以外のステータコア１２を組み立てた状態で、これから補強部材３０，３１をティース２２の先端部の軸方向端面２６，２７に接着剤で接着する時点の状態を示す図である。

補強部材３０においてステータ１０の軸方向についての（−）方向側の面の接着領域４０は、ティース２２の上記軸方向についての（＋）方向側の軸方向端面２６に接着される。同様に、補強部材３１の上記（＋）方向側の面の接着領域４１は、ティース２２の上記（−）方向の側の軸方向端面２７に接着される。位置決めは、複数のティース２２の全てに渡って補強部材３０，３１を配置したときに、その配置状態における補強部材３０，３１の内径の位置が、各ティース２２の先端を結ぶステータコア内径の位置と同じまたは外周側となるように行われる。これによって、補強部材３０，３１は回転電機のロータの動作を妨げない。

上記では、補強部材３０，３１は、接着領域４０，４１においてのみ、ティース２２の先端部の軸方向端面２６，２７に接着により固定されるとした。これに加えて、ティース２２の外形を部分的に窪ませて凹部とし、その凹部に対応する大きさの凸部を補強部材３０，３１に設け、補強部材３０，３１の凸部をティース２２の凹部に嵌め込むことで、固定強度が向上する。ティース２２に適当な窪みを設けて凹部としてもよいが、他の目的でティース２２にすでに窪みとしての凹部があるときは、その凹部を用いることがよい。そのような凹部としては、回転電機のトルクリップルを抑制するための面取り部、切欠きがある。

図４、図５は、ティース２２の先端部における周方向端部の面取り部５０，５２を利用して接着強度を向上させた補強部材６０，６１の例を示す図である。図４は、図２に対応し、図５は、図３に対応する。

面取り部５０は、ティース２２の先端部において、周方向についての（−）方向端部に軸方向に沿ったティース２２の全高さの範囲に設けられた窪みの凹部である。同様に、面取り部５２は、ティース２２の先端部において、周方向についての（＋）方向端部に軸方向に沿ったティース２２の全高さの範囲に設けられた窪みの凹部である。

補強部材６０は、図２、図３で述べたリング形状の補強部材３０の部分に加えて、面取り部５０としての凹部を埋める形状の凸部６２と、面取り部５２としての凹部を埋める形状の凸部６４とを有する。面取り部５０，５２が軸方向に延びることに対応して、凸部６２，６４は、リング形状の補強部材３０の部分から軸方向についての（−）方向に延びる。

同様に、補強部材６１は、図２、図３で述べたリング形状の補強部材３１の部分に加えて、面取り部５０としての凹部を埋める形状の凸部６３と、面取り部５２としての凹部を埋める形状の凸部６５とを有する。面取り部５０，５２が軸方向に延びることに対応して、凸部６３，６５は、リング形状の補強部材３０の部分から軸方向についての（＋）方向に延びる。

補強部材６０の凸部６２と、補強部材６１の凸部６３は、ティース２２の面取り部５０としての凹部に嵌め込まれ、接着剤で固定される。軸方向に沿った凸部６２の長さと、凸部６３の長さの和は、軸方向に沿ったティース２２の全高さよりも短く設定される。凸部６２，６３の外形の大きさは、面取り部５０としての凹部の形状の大きさよりも接着代の分に対応してやや小さめに設定される。

同様に、補強部材６０の凸部６４と、補強部材６１の凸部６５は、ティース２２の面取り部５２としての凹部に嵌め込まれ、接着剤で固定される。軸方向に沿った凸部６４の長さと、凸部６５の長さの和は、軸方向に沿ったティース２２の全高さよりも短く設定される。凸部６４，６５の外形の大きさは、面取り部５２としての凹部の形状の大きさよりも接着代の分に対応してやや小さめに設定される。

補強部材６０，６１は、図３で述べた接着領域４０，４１に加えて、面取り部５０，５２と凸部６２，６３，６４，６５との間でも接着されるので、固定強度が向上する。

また、面取り部５０，５２に凸部６２，６３，６４，６５が嵌め込まれ接着剤で固定されても、その状態のティース２２の外形は、図２、図３で述べた面取り部５０を有さないティース２２の外形より大きくはならない。したがって、補強部材６０の凸部６２，６４、補強部材６１の凸部６３，６５をティース２２の面取り部５０，５２に嵌め込んで固定しても、軸方向において、スロット２４の軸方向の開口部の寸法Ｈ₂₄を狭めることがなく、周方向において、スロット２４の周方向の開口部の寸法Ｗ₂₄を狭めることがない。すなわち、補強部材６０の凸部６２，６４、補強部材６１の凸部６３，６５はスロット２４の開口部を塞がないので、異物をスロット内に堆積させず、異物の堆積による電気絶縁性能の低下を抑制する。

図６、図７は、ティース２２の先端部における径方向端面の切欠き部５４を利用して接着強度を向上させた補強部材７０，７１の例を示す図である。図６は、図２に対応し、図７は、図３に対応する。

切欠き部５４は、ティース２２の先端部の径方向端面において、周方向に沿ったほぼ中央の位置に、軸方向に沿ったティース２２の全高さの範囲に設けられた窪みの凹部である。

補強部材７０は、図２、図３で述べたリング形状の補強部材３０の部分に加えて、切欠き部５４としての凹部を埋める形状の凸部７２を有する。切欠き部５４が軸方向に延びることに対応して、凸部７２は、リング形状の補強部材３０の部分から軸方向についての（−）方向に延びる。

同様に、補強部材７１は、図２、図３で述べたリング形状の補強部材３１の部分に加えて、切欠き部５４としての凹部を埋める形状の凸部７３を有する。切欠き部５４が軸方向に延びることに対応して、凸部７３は、リング形状の補強部材３１の部分から軸方向についての（＋）方向に延びる。

補強部材７０の凸部７２と、補強部材７１の凸部７３は、ティース２２の切欠き部５４としての凹部に嵌め込まれ、接着剤で固定される。軸方向に沿った凸部７２の長さと、凸部７３の長さの和は、軸方向に沿ったティース２２の全高さよりも短く設定される。凸部７２，７３の外形の大きさは、切欠き部５４としての凹部の形状の大きさよりも接着代の分に対応してやや小さめに設定される。

補強部材７０，７１は、図３で述べた接着領域４０，４１に加えて、切欠き部５４と凸部７２，７３との間でも接着されるので、固定強度が向上する。

また、切欠き部５４に凸部７２，７３が嵌め込まれ接着剤で固定されても、その状態のティース２２の外形は、図２、図３で述べた切欠き部５４を有さないティース２２の外形より大きくはならない。したがって、補強部材７０の凸部７２、補強部材７１の凸部７３をティース２２の切欠き部５４に嵌め込んで固定しても、凸部７２，７３は、ティース２２の先端を結ぶステータコア内径の内側にとどまって配置される。これによって、補強部材７０，７１を用いても、ロータの回転を妨げない。

また、補強部材７０の凸部７２、補強部材７１の凸部７３はスロット２４の開口部を塞がないので、異物をスロット内に堆積させず、異物の堆積による電気絶縁性能の低下を抑制する。

１０（回転電機）ステータ、１２ステータコア、１４コイル、１６（コイルの）配置範囲、２０ステータヨーク、２２ティース、２４スロット、２６，２７軸方向端面、２８磁性体薄板、３０，３１，６０，６１，７０，７１補強部材、４０，４１接着領域、５０，５２面取り部（凹部）、５４切欠き部（凹部）、６２，６３，６４，６５，７２，７３凸部。

Claims

円環状のステータヨーク、及び前記ステータヨークから内周側に突き出す複数のティースを有するステータコアと、
前記ティースに巻回されたコイルと、
リング形状を有し、前記複数のティースのそれぞれにおいて前記コイルの配置範囲よりも内周側の先端部の軸方向端面に固定されている非磁性体の補強部材と、
を備え、
前記ティースには、回転電機のトルクリップル抑制用の凹部が設けられており、
前記補強部材は、前記凹部に対応する凸部を有し、前記凸部が前記凹部に嵌め込まれて固定されていることを特徴とする回転電機ステータ。
請求項１に記載の回転電機ステータにおいて、
前記凹部は、
前記ティースの先端部における周方向端部の面取り部であることを特徴とする回転電機ステータ。
請求項１に記載の回転電機ステータにおいて、
前記凹部は、
前記ティースの先端部における径方向端面の切欠き部であることを特徴とする回転電機ステータ。