JP7092477B2 - 回転電機ステータ - Google Patents

Description

本発明は、回転電機ステータに関し、特に、ステータコアを補強する構造に関する。

特許文献１には、回転電機ステータにおいて、複数のティースのそれぞれにおいてティースに巻回されている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、非磁性体からなるリング状の補強部材を固定する構成が開示されている。この構成によれば、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うる異物をティース間に形成された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と記載されている。

特開２０１７－４１９８２号公報

特許文献１に記載される回転電機ステータでは、スロット内への異物混入を防止し、コイルの抜け防止にはなるが、ステータコアの補強あるいはコイルの固定力を大きくすることはできない。

本発明の目的は、非磁性体リングの熱膨張を利用してステータの円環剛性を高めることであり、その結果、振動騒音性能を向上させることもできる回転電機ステータを提供することである。

本発明に係る回転電機ステータは、円環状のヨーク、および、該ヨークにおいてステータ周方向に間隔をおいた位置で前記ヨークからステータ径方向内側へ突出する複数のティースを有するステータコアと、前記ステータコアの前記ティースに巻回され、前記ティースからステータ軸方向外側へ突出するコイルエンド部を有するコイルと、前記ステータコアのステータ軸方向外側において前記各ティースのステータ径方向内側に設けられる非磁性体リングと、を備え、前記非磁性体リングには、ステータ周方向に隣り合う前記ティースのステータ径方向内側端部の間、および、ステータ周方向に隣り合う前記コイルエンド部の間の少なくとも一方に、周方向両側で接触した状態で嵌まり込む突起部が形成されている。

この構成によれば、ティース間およびコイルエンド間に接触状態で嵌り込んだ突起部が熱膨張することで、ティースが直接的に又はコイルエンド部を介して周方向に押圧される。これにより、各ティースが非磁性体リングの突起部を介して強固に環状に連結された状態になる。その結果、回転電機ステータの円環剛性が高くなり、回転電機ステータの振動騒音性能が向上する。

本発明に係る回転電機ステータにおいて、前記突起部は、前記非磁性体リングにおいてステータ軸方向に突出して形成され、ステータ周方向に隣り合う前記ティース部に接触した状態で嵌まり込んでいてもよい。

この構成によれば、ティース間に接触状態で嵌り込んだ突起部が熱膨張することで、ティースが直接的に周方向に押圧される。これにより、各ティースが非磁性体リングを介して強固に環状に連結された状態になる。その結果、回転電機ステータの円環剛性が高くなり、回転電機ステータの振動騒音性能が向上する。

また、本発明に係る回転電機ステータにおいて、前記突起部は、前記非磁性体リングにおいて径方向外側に突出して形成され、周方向に隣り合う前記コイルエンド部に接触した状態で嵌まり込んでいてもよい。

この構成によれば、コイルエンド間に接触状態で嵌り込んだ突起部が熱膨張することで、ティースがコイルエンド部を介して周方向に押圧される。これにより、各ティースが非磁性体リングを介して強固に環状に連結された状態になる。その結果、回転電機ステータの円環剛性が高くなり、回転電機ステータの振動騒音性能が向上する。

さらに、本発明に係る回転電機ステータにおいて、前記突起部は、前記ティースのステータ径方向内側端部の間、および、前記コイルエンド部の間の少なくとも一方に圧入されていてもよい。

この構成によれば、突起部がティース間等に圧入されることで、ステータコアに非磁性体リングをより強固に組み付けることができる。

本発明に係る回転電機ステータによれば、ティース間およびコイルエンド間に接触状態で嵌り込んだ突起部が熱膨張することで、ティースが直接的に又はコイルエンド部を介して周方向に押圧される。これにより、各ティースが非磁性体リングを介して強固に環状に連結された状態になる。その結果、回転電機ステータの円環剛性が高くなり、回転電機ステータの振動騒音性能が向上する。

本発明の一実施形態である回転電機ステータを含む回転電機の軸方向断面図である。 図１に示した回転電機ステータの斜視図である。 図２に示した回転電機ステータに組み付けられた非磁性体リングを示す斜視図である。 本発明の別の実施形態である回転電機ステータの斜視図である。 図４に示した回転電機ステータに組み付けられた非磁性体リングを示す斜視図である。 図５の非磁性体リングの変形例を示す斜視図と、その突起部の拡大図である。

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、非磁性体リング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である非磁性体リングを設けるとしてもよい。

図１は、本発明の一実施形態である回転電機ステータ１４Ａを含む回転電機１０の軸方向断面図である。以下では、回転電機ステータを適宜にステータとだけいう。回転電機１０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１０は、ケース１６に収容されている。ケース１６は、例えば、アルミニウム合金等の金属で形成された筐体である。ケース１６は、有底筒状の収容部材１８と、収容部材１８の開口部を閉じる蓋部材２０とで構成される。蓋部材２０は、ボルト２２によって収容部材１８に締結固定されている。

回転電機１０は、ロータ１２と、ロータ１２の径方向外側に所定の隙間を隔てて配置されるステータ１４Ａとで構成される。ロータ１２は、円筒状のロータコア２４と、ロータコア２４に固定されたシャフト２６とを含む。ロータコア２４は、例えば円環状に打ち抜き加工された磁性体薄板を軸方向に積層および連結して構成される磁性体部品である。ロータコア２４の外周面近傍の内部には、複数の永久磁石（図示せず）が周方向に間隔を置いて埋設されている。また、ロータコア２４は、例えば、焼嵌め等によってシャフト２６の外周に固定される。

ロータ１２のシャフト２６は、軸方向の一端部がケース１６の収容部材１８の底部１８ａに固定された軸受部材１９によって回転可能に支持されている。他方、シャフト２６の軸方向他端部は、ケース１６の蓋部材２０に固定された軸受部材２１によって回転可能に支持されている。

図２は、図１に示したステータ１４Ａの斜視図である。図２（図４においても同様）には、ステータ周方向、ステータ径方向、および、ステータ軸方向がそれぞれ矢印で示されている。以下において、ステータ周方向を単に周方向といい、ステータ径方向を単に径方向といい、ステータ軸方向を単に軸方向という。

図１及び図２に示すように、ステータ１４Ａは、ステータコア２８と、ステータコア２８に装着されたコイル３０と、非磁性体リング３２とを備える。

ステータコア２８は、例えば円環状に打ち抜き加工された磁性体薄板を軸方向に積層および連結して構成される磁性体部品である。ステータコア２８は、円環状をなすヨーク３４と、ヨーク３４において周方向に間隔をおいた位置でヨーク３４から径方向内側へ突出する複数のティース３６とを有する。なお、ステータコア２８は、磁性体薄板の積層体に代えて、磁性粉末を所定の形状に一体化成形して構成されてもよい。

ステータコア２８の外周面には、複数（本実施形態では３つ）の取付部３８が径方向外側に膨出して形成されている。取付部３８には、ボルト孔４０が軸方向に貫通して形成されている。図１に示すように、取付部３８のボルト孔４０に挿通されたボルト４２が、ケース１６の収容部材１８の底部１８ａの雌ねじ孔に螺合されている。これにより、ステータコア２８を含むステータ１４Ａがケース１６内に固定されている。

周方向に隣り合うティース３６の間には、スロット４４が形成されている。スロット４４は、ティース３６と同数（本実施形態では１５個）だけ形成されている。また、スロット４４は、径方向内側に開口するとともに、軸方向両端が開口する空間または溝である。

コイル３０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４４に導線を通してティース３６に所定の巻数で巻回した巻線コイルである。コイル３０は、単層巻の集中巻コイルであってもよいし、多層巻の集中巻コイルであってもよいし、また、分布巻コイルであってもよい。

コイル３０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。

コイル３０は、ティース３６の軸方向両側の端面から軸方向外側へ突出するコイルエンド部３１を有する。本実施形態では、コイル３０が各ティース３６に集中巻でそれぞれ巻回されているため、周方向に隣り合うコイルエンド部３１の間には隙間３３が形成されている。

非磁性体リング３２は、ティース３６を周方向に押え付けてステータ１４Ａの円環剛性を高めるために用いられる部材である。また、非磁性体リング３２は、ティース３６からコイル３０が径方向内側へ抜け出るのを防止する機能も有する。

図３は、図２に示したステータ１４Ａに組み付けられた非磁性体リング３２を示す斜視図である。図２および図３に示すように、非磁性体リング３２は、リング状に形成された環状部３２ａと、環状部３２ａから軸方向に突出した複数の突起部３２ｂとを有する。突起部３２ｂは、ステータコア２８において周方向に隣り合うティース３６間に嵌まり込む部分であり、ティース３６と同じ周方向間隔で同数（本実施形態では１５個）だけ設けられている。

非磁性体リング３２の環状部３２ａは、軸方向から見たとき、ステータコア２８のティース３６に対応する位置で直線部分に形成され、全体としてこのような直線部分が連なった多角形状に形成されている。ただし、これに限定されるものではなく、環状部３２ａは円環状に形成されてもよい。

非磁性体リング３２の突起部３２ｂは、環状部３２ａから長方形板状に突出しており、その径方向の厚みは環状部３２ａと同じに形成されている。また、突起部３２ｂは、環状部３２ａの角部に対向する位置に設けられており、軸方向から見て略Ｖ字状に屈曲して形成されている。

図１及び図２を参照すると、非磁性体リング３２は、ステータコア２８の軸方向端面上において、各ティース３６の径方向内側の先端部に対向して設置される。このとき、非磁性体リング３２の突起部３２ｂは、周方向に隣り合うティース３６間に嵌め込まれる。突起部３２ｂは、周方向両側でティース３６の径方向内側先端部に接触した状態に配置される。また、非磁性体リング３２がステータコア２８に対して軸方向から組み付けられるとき、突起部３２ｂは周方向に隣り合うティース３６間に圧入されてもよい。非磁性体リング３２は、ステータコア２８の軸方向両側に設定されるのが好適である。また、非磁性体リング３２は、接着剤を用いてステータコア２８により強固に固定されるのが好ましい。

非磁性体リング３２は、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。このように非磁性体リング３２が例えばエポキシ樹脂で形成される場合、エポキシ樹脂の線膨張係数６２．０（×１０^-6／℃）であり、磁性体薄板で構成されるステータコア２８の線膨張係数１６．８（×１０^-6／℃）よりも大きい。

一般に、回転電機のステータでは、ステータコアの各ティースは、ステータヨーク側を支持端とし、径方向内側の先端部が自由端となる構造を有するので、ステータヨークの剛性が不足すると、ティース自身の質量やコイルの質量等によって振動し、騒音が発生することがある。これに対し、本実施形態における回転電機１０のステータ１４Ａでは、回転電機１０の稼働によってステータ１４Ａの温度が上昇すると、非磁性体リング３２の温度も上昇して熱膨張する。非磁性体リング３２の線膨張係数はステータコア２８のそれよりも大きいため、非磁性体リング３２の突起部３２ｂが熱膨張することによって、周方向両側に接触して位置するティース３６の径方向内側先端部を周方向に押圧することになる。その結果、各ティース３６の径方向内側先端部が非磁性体リング３２を介して強固に連結された状態になる。これによって、ステータ１４Ａの円環剛性が高くなり、振動騒音性能を向上させることができる。

次に、図４および図５を参照して、本発明の別の実施形態であるステータ１４Ｂについて説明する。図４はステータ１４Ｂの斜視図であり、図５は、図４に示したステータ１４Ｂに組み付けられた非磁性体リング３２を示す斜視図である。以下では、上述した回転電機１０と同様の構成については、同一の参照符号を付して説明を省略する。

図４および図５に示すように、ステータ１４Ｂに用いられる非磁性体リング３２は、リング状に形成された環状部３２ａと、環状部３２ａから径方向外側に突出した複数の突起部３２ｃとを有する。突起部３２ｃは、ステータコア２８において周方向に隣り合うコイルエンド部３１の間の隙間３３に嵌まり込む部分であり、ティース３６と同じ周方向間隔で同数（本実施形態では１５個）だけ設けられている。

非磁性体リング３２の突起部３２ｃは、直方体状をなし、軸方向から見て長方形状に形成されている。すなわち、突起部３２ｃは、環状部３２ａ側の基端部と、先端部とで同じ周方向幅である。また、突起部３２ｃの軸方向の厚みは、環状部３２ａと同じである。なお、非磁性体リング３２以外のステータ１４Ｂの構成は、上述したステータ１４Ａと同様である。

図４に示すように、ステータ１４Ｂにおいて、非磁性体リング３２は、ステータコア２８の軸方向端面上において、各ティース３６の径方向内側の先端部に対向して設置される。このとき、非磁性体リング３２の突起部３２ｃは、周方向に隣り合うコイルエンド部３１間の隙間３３に嵌め込まれている。突起部３２ｃは、周方向両側でコイルエンド部３１の径方向内側先端部に接触した状態に配置される。また、非磁性体リング３２がステータコア２８に対して軸方向から組み付けられるとき、突起部３２ｃは周方向に隣り合うコイルエンド部３１間に圧入されてもよい。

このような非磁性体リング３２が装着されたステータ１４Ｂでは、回転電機１０の稼働によってステータ１４Ｂの温度が上昇すると、非磁性体リング３２の温度も上昇して熱膨張する。非磁性体リング３２の線膨張係数はステータコア２８のそれよりも大きいため、非磁性体リング３２の突起部３２ｂが熱膨張することによって、周方向両側で接触して位置するコイルエンド部３１を介して各ティース３６の径方向内側先端部を周方向に押圧することになる。その結果、各ティース３６の径方向内側先端部が非磁性体リング３２を介して強固に連結された状態になる。これによって、ステータ１４Ｂの円環剛性が高くなり、振動騒音性能を向上させることができる。

図６は、図５の非磁性体リング３２の変形例を示す斜視図と、その突起部３２ｄの拡大図である。この変形例の非磁性体リング３２は、リング状に形成された環状部３２ａと、環状部３２ａから径方向外側に突出した複数の突起部３２ｄとを有する。突起部３２ｄは、ステータコア２８において周方向に隣り合うコイルエンド部３１の間の隙間３３に嵌まり込む部分であり、ティース３６と同じ周方向間隔で同数（本実施形態では１５個）だけ設けられている。

非磁性体リング３２の突起部３２ｄは、軸方向から見て台形状に形成されており、軸方向の厚みは環状部３２ａと同じである。突起部３２ｄにおいて、環状部３２ａ側の基端部の周方向幅をＬ１、先端部の周方向幅をＬ２としたとき、先端部の周方向幅Ｌ１はコイルエンド部３１間の隙間３３の周方向幅Ｌ３（図４参照）よりも小さく、基端部の周方向幅Ｌ２は上記隙間３３の周方向幅Ｌ３よりも大きい。このように突起部３２ｄを形成することで、コイルエンド部３１間の隙間３３に突起部３２ｄを嵌め込み又は圧入しやすくなり、ステータコア２８への非磁性体リング３２の組付けが容易になる利点がある。また、この変形例の非磁性体リング３２を用いたステータでも、上述したステータ１４Ａ，１４Ｂと同様の効果を奏することができる。

なお、本発明に係る回転電機ステータは、上述した実施形態およびその変形例に限定されるものではなく、種々の変更や改良が可能である。

例えば、上記においては、非磁性体リング３２が、図２および図３に示すように周方向に隣り合うティース３６間に嵌まり込む突起部３２ｂを備えた場合と、図４ないし図５に示すように周方向に隣り合うコイルエンド部３１間の隙間３３に嵌まり込む突起部３２ｃ，３２ｄを備えた場合について説明したが、これに限定されるものではない。非磁性体は、これら両方の突起部を備えてもよい。

１０ 回転電機、１２ ロータ、１４Ａ，１４Ｂ 回転電機ステータ、１６ ケース、１８ 収容部材、１８ａ 底部、１９，２１ 軸受部材、２０ 蓋部材、２２，４２ ボルト、２４ ロータコア、２６ シャフト、２８ ステータコア、３０ コイル、３１ コイルエンド部、３２ 非磁性体リング、３２ａ 環状部、３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ 突起部、３３ 隙間、３４ ヨーク、３６ ティース、３８ 取付部、４０ ボルト孔、４４ スロット、Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３ 周方向幅。

Claims (4)

1. 円環状のヨーク、および、該ヨークにおいてステータ周方向に間隔をおいた位置で前記ヨークからステータ径方向内側へ突出する複数のティースを有するステータコアと、
   前記ステータコアの前記ティースに巻回され、前記ティースからステータ軸方向外側へ突出するコイルエンド部を有するコイルと、
   前記ステータコアのステータ軸方向外側において前記各ティースのステータ径方向内側に設けられ、線膨張係数が前記ステータコアの線膨張係数よりも大きい非磁性体リングと、を備え、
   前記非磁性体リングには、ステータ周方向に隣り合う前記コイルエンド部の間の周方向両側にて前記コイルエンド部に接触した状態で嵌まり込む突起部が形成され、
   前記突起部が熱膨張することによって、周方向両側で接触して位置する前記コイルエンド部を介して前記ティースの径方向内側先端部を周方向に押圧する、
   回転電機ステータ。
2. 請求項１に記載の回転電機ステータにおいて、
   前記突起部は、前記非磁性体リングにおいてステータ軸方向に突出して形成され、ステータ周方向に隣り合う前記ティース部に接触した状態で嵌まり込んでいる、回転電機ステータ。
3. 請求項１または２に記載の回転電機ステータにおいて、
   前記突起部は、前記非磁性体リングにおいて径方向外側に突出して形成され、周方向に隣り合う前記コイルエンド部に接触した状態で嵌まり込んでいる、回転電機ステータ。
4. 請求項１～３のいずれか一項に記載の回転電機ステータにおいて、
   前記突起部は、前記ティースのステータ径方向内側端部の間、および、前記コイルエンド部の間の少なくとも一方に圧入されている、回転電機ステータ。

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