本発明は、モータ又は発電機のような回転機と、回転機が備えるステータの製造方法に関する。
回転機としてのモータに関する技術が提案されている。例えば、特許文献1には、分割ステータの製造方法が開示されている。この製造方法は、組み付け体を所望数用意し、これを周方向に配して分割ステータの中間体を形成し、この中間体を成形型内に収容し、中間体の全体に一気にモールド樹脂体を製造し、分割ステータを製造するものである。特許文献2には、磁極ごとに分割された状態で形成されるコアに関し、コイルが形成されたコアセグメントを環状に配置し、溶接等によりこれらを結合する、ことが開示されている。
特開2011−45178号公報
特開2000−217293号公報
各種の製品に、回転機が搭載されている。回転機としては、モータ又は発電機が挙げられる。回転機のステータでは、渦電流の発生に伴う損失を低減することが求められる場合がある。このような要求は、ステータが、複数のステータコアセグメントを環状に配置して形成されたステータコアを備える場合についても同様である。
本発明は、複数のステータコアセグメントを環状に配置して形成されたステータコアを備えるステータで渦電流損を低減することが可能な、回転機及びステータの製造方法を提供することを目的とする。
本発明の一側面は、回転自在に設けられたロータと、樹脂モールドされたステータと、を備え、前記ステータは、環状のヨーク部の一部を形成するヨーク部分と、前記ヨーク部分から突出するティース部と、を備え、鋼板を積層して形成された複数のステータコアセグメントを、環状に配置して形成されたステータコアと、前記ティース部に設けられたコイルと、前記ステータコアセグメントで前記鋼板が積層された積層方向における前記ステータコアの第一端面及び第二端面の各側で、前記コイルのコイルエンド部を被覆するモールド部と、を備え、前記複数のステータコアセグメントを環状に配置した環状状態で、前記ステータコアセグメントそれぞれの前記ヨーク部分が接する部分が溶接されていない、回転機である。
この回転機によれば、積層され重なり合う鋼板間の短絡をなくし、短絡部(溶接部)を介した渦電流の流れを防止することができる。積層構造のメリットが損なわれることを防止することができる。ステータコアセグメントを環状に配置して形成されたステータコアは、モールド部によって環状のまま固定される。「回転機」は、モータ又は発電機を含む概念である。
この回転機は、次のようにしてもよい。前記ステータコアにおいて、前記ティース部は、前記ロータの回転軸の側に突出し、前記ステータは、前記環状状態で、前記回転軸を中心とする径方向における前記ヨーク部分の外側面によって形成された前記ステータコアの外周側面が露出している、ようにしてもよい。これによれば、溶接を省略して製造可能な構造のステータとすることができる。
前記ステータは、前記積層方向において前記外周側面の第一部分が前記モールド部によって被覆され、前記積層方向において前記外周側面の第二部分が露出した、構造としてもよい。これによれば、ステータコアの外周側面の第一部分を被覆するモールド部の部分を利用し、回転機を所定の製品に装着することができる。
本発明の他の側面は、回転機が備える樹脂モールドされたステータの製造方法であって、環状のヨーク部の一部を形成するヨーク部分と、前記ヨーク部分から突出するティース部と、を備え、鋼板を積層して形成されたステータコアセグメントの前記ティース部にコイルを形成するコイル形成工程と、前記コイル形成工程で前記ティース部に前記コイルが形成された複数の前記ステータコアセグメントを環状に配置する配置工程と、前記配置工程で前記複数のステータコアセグメントを環状に配置して形成されたステータコアを、前記回転機が備えるロータの回転軸を中心とする径方向において外側となる前記ステータコアの外周側面の側から拘束する拘束工程と、前記拘束工程で前記外周側面の側から拘束された前記ステータコアを樹脂モールドし、前記ステータコアセグメントで鋼板が積層された積層方向における前記ステータコアの第一端面及び第二端面の各側に、前記コイルのコイルエンド部を被覆するモールド部を形成するモールド工程と、前記モールド工程によって形成された前記モールド部を備える前記ステータにおいて、前記拘束工程による前記外周側面からの拘束を解除する解除工程と、を含む製造方法である。
この製造方法によれば、各ティース部にコイルが形成された複数のステータコアセグメントを環状に配置して形成されたステータコアを、外周側面の側から拘束することで、環状の状態を維持し、モールド工程を実行することができる。ステータコアセグメントを環状に配置して形成されたステータコアは、モールド部によって環状のまま固定される。モールド工程に際し、隣り合うステータコアセグメントを溶接するといった工程を省略することができる。積層され重なり合う鋼板間の短絡をなくし、短絡部(溶接部)を介した渦電流の流れを防止することができる。「回転機」については、上記同様である。
本発明によれば、複数のステータコアセグメントを環状に配置して形成されたステータコアを備えるステータで渦電流損を低減することが可能な、回転機及びステータの製造方法を得ることができる。
回転機の一例を示す平面図である。
ステータの一例を示す斜視図である。
ステータコアの一例を示す斜視図である。
ステータの製造方法の配置工程及び拘束工程を示す平面図である。
ステータの他の例を示す斜視図である。
本発明を実施するための実施形態について、図面を用いて説明する。本発明は、以下に記載の構成に限定されるものではなく、同一の技術的思想において種々の構成を採用することができる。例えば、以下に示す構成の一部は、省略し又は他の構成等に置換してもよい。他の構成を含むようにしてもよい。
<回転機>
回転機10は、例えば、モータ又は発電機である。回転機10は、各種の製品に搭載される。例えば、回転機10は、電動車両に搭載される。電動車両としては、電気自動車、電動自転車、電動車椅子、電動カート又は電動配膳車が例示される。電気自動車は、ハイブリッド自動車を含む。回転機10がモータである場合、回転機10は、例えば、電動車両を移動させるための動力源として利用される。回転機10は、図1に示すように、ロータ12と、ステータ20を備える。本実施形態は、ロータ12の極数が14極で、ステータ20のスロット数が12個である場合を例に説明する(図1参照)。
ロータ12は、ロータコア14と、14個の永久磁石16と、シャフト18を備える。ロータコア14は、例えば、プレス機によって電磁鋼板を打ち抜きつつ積層して形成される。ロータコア14には、14個の永久磁石16がそれぞれ収納される空間と、シャフト18が固定される貫通孔が形成される。このような空間及び貫通孔は、電磁鋼板が積層された方向に延在する。永久磁石16は、前述した空間に収納された状態で、ロータコア14の内部に設けられる。回転機10がモータである場合、このようなロータ12を備えるモータは、IPM(Interior Permanent Magnet)モータと称される。
シャフト18は、ロータコア14の中心部に形成された貫通孔に固定される。シャフト18には、ロータコア14の両側に軸受(不図示)が取り付けられる。軸受は、ステータ20に設けられた支持部(不図示)に支持される。シャフト18は回転軸となり、ロータ12は、シャフト18を回転中心として回転する。図1でシャフト18の近傍に示す「矢印」は、ロータ12の回転方向を示す。ロータ12は、既に実用化されたモータ又は発電機が備えるロータと同様である。従って、ロータ12に関するこの他の説明は、省略する。
ステータ20は、樹脂モールドされる。ステータ20は、図1及び図2に示すように、ステータコア21と、コイル30と、端子50U,50V,50Wと、モールド部60を備える。ステータコア21は、図3に示すように、複数のティース部23と、ヨーク部25を備える。ステータ20のスロット数を12個とする本実施形態では、ティース部23の数は、12個である。12個のティース部23は、ヨーク部25(後述する、ヨーク部分251)からロータ12(シャフト18)の側に突出する。本実施形態では、回転機10において、回転軸となるシャフト18を中心とする放射方向を「径方向」という。ティース部23が突出する方向は、径方向に一致する。図1では、モールド部60の図示を省略し、複数のティース部23に巻線された複数のコイル30を図示した状態としている。また、図1では、端子50U,50V,50Wの図示を省略している。図2及び図3では、積層された電磁鋼板の積層に関する図示を省略している。
ステータコア21は、図3に示すように、12個のステータコアセグメント22を環状に配置して形成される。ステータコアセグメント22を「セグメント22」という。本実施形態では、1個のセグメント22におけるティース部23の数を1個としているため、ステータコア21は、12個のセグメント22を環状に配置して形成される。
セグメント22は、図3に示すように、ティース部23と、ヨーク部分251によって形成される。ヨーク部分251は、環状のヨーク部25の一部を形成する部分である。本実施形態において、セグメント22を環状に配置した状態は、ヨーク部分251が環状をなす状態にセグメント22を配置した状態を含む概念である。セグメント22を環状に配置した状態で隣り合う2個のティース部23の間には、スロット部26が形成される。セグメント22は、例えば、プレス機によって電磁鋼板を、図3に示すような形状に打ち抜きつつ積層して形成される。本実施形態では、セグメント22で電磁鋼板が積層された方向を「積層方向」という。ロータコア14で電磁鋼板が積層された方向は、積層方向に一致する。
コイル30は、ティース部23に導線を集中巻して形成される。コイル30は、隣り合うセグメント22のティース部23の間に形成されたスロット部26に収納される。セグメント22には、インシュレータ34が装着される(図1参照)。インシュレータ34によって、セグメント22(ステータコア21)と、コイル30の間の絶縁を確保することができる。12個のコイル30は、U相、V相及びW相の何れかのコイル30にそれぞれ分類され、例えば、スター結線される。12個のコイル30のうち、所定の4個のコイル30は、渡線によって連結されてU相の連結コイルを形成する。他の4個のコイル30は、渡線によって連結されてV相の連結コイルを形成する。さらに他の4個のコイル30は、渡線によって連結されてW相の連結コイルを形成する。
各相の連結コイルの一端側は、各相の端子50U,50V,50Wにそれぞれ接続される。各相の連結コイルの他端側は、接続され、中性点が形成される。セグメント22を形成する技術と、複数のコイル30の結線に関する技術は、既に実用化された技術を採用することができる。従って、これらに関するこの他の説明は、省略する。
モールド部60は、樹脂モールドによって形成される。ステータ20は、モールド部60が形成された状態において、ステータコア21の外周側面を含む外周部分と、ロータ12に対向するティース部23の対向面231が露出した状態となる(図2参照)。ステータコア21の外周側面は、12個のセグメント22が環状に配置された状態において、各セグメント22のヨーク部分251の径方向の外側面によって形成される。モールド部60を形成する樹脂としては、熱硬化性樹脂が例示される。例えば、モールド部60は、BMC(Bulk Molding Compound)によって形成される。
モールド部60は、図2に示すように、第一モールド部61と、第二モールド部62を備える。モールド部60を形成する樹脂は、コイル30が収納されたスロット部26にも充填され、同一のスロット部26に収納された隣り合うティース部23に集中巻された異なる相の各コイル30の絶縁を確保する。モールド部60は、ステータコア21の内周側において対向面231を除く部分も被覆する。このような各部を備えるモールド部60は、樹脂モールドによって一体的に形成される。
第一モールド部61は、積層方向におけるステータコア21の第一端面211の側に設けられ、第一端面211の側でコイル30のコイルエンド部(図1に示す「コイル30の部分」参照)を被覆する。第二モールド部62は、積層方向におけるステータコア21の第二端面の側に設けられ、第二端面の側でコイル30のコイルエンド部(不図示)を被覆する。第二端面は、積層方向において第一端面211とは反対側となるステータコア21の端面である。
<ステータの製造方法>
ステータ20の製造方法は、コイル形成工程と、配置工程と、拘束工程と、モールド工程と、解除工程を含む。本実施形態では、ステータ20の製造方法を「製造方法」という。コイル形成工程では、セグメント22のティース部23にコイル30が形成される。コイル30の形成には、所定の巻線機が用いられる。巻線機によるコイル30の形成(巻線)は、環状とされる前のセグメント22のそれぞれを対象として、セグメント22のティース部23に導線を巻回して行われる。巻線に際し、セグメント22には、インシュレータ34が装着される。コイル30の形成は、導線が巻回されたコイルボビンを形成し、コイルボビンを、ティース部23に嵌め込み行うようにしてもよい。
コイル形成工程が終了すると、製造方法は、配置工程に移行する。配置工程では、コイル形成工程でティース部23にコイル30が形成された12個のセグメント22が環状に配置される(図4上段参照)。隣り合うセグメント22それぞれのヨーク部分251は、周方向に接した状態となる(図2及び図3に示す「D部」参照)。周方向は、回転軸となるシャフト18を中心とし、ロータ12の回転方向(図1参照)及びこれとは反対の方向の両方向を含む概念である。
製造方法は、隣り合うセグメント22をヨーク部分251で連結するための溶接工程を含まない。即ち、複数のセグメント22を環状に配置した状態において、セグメント22それぞれのヨーク部分251が接する部分(図3に示す「D」部参照)は、溶接されない。隣り合うセグメント22は、ヨーク部分251で接しているにすぎず、離間できないように連結された状態ではない。
配置工程が終了すると、製造方法は、拘束工程に移行する。拘束工程では、配置工程で12個のセグメント22を環状に配置して形成されたステータコア21を、拘束具70を用いてステータコア21の外周側面の側から拘束する(図4下段参照)。拘束具70は、例えば、図4に示すように、第一拘束部71及び第二拘束部72を備える。第一拘束部71及び第二拘束部72のそれぞれは、リングを半割とした形状を有する。第一拘束部71及び第二拘束部72は、ねじ74によって締結される。第一拘束部71及び第二拘束部72の締結は、ねじ74とは異なる締結具、又は、別の締結構造によって行うようにしてもよい。
拘束工程が終了すると、製造方法は、モールド工程に移行する。モールド工程では、拘束具70によって拘束されたステータコア21が樹脂モールドされる。樹脂モールドに際し、拘束具70によって拘束されたステータコア21は、成形金型内にセットされる。その後、成形金型内に樹脂が射出され、モールド部60が形成される。積層方向において、ステータコア21の第一端面211の側には、第一モールド部61が形成され、ステータコア21の第二端面の側には、第二モールド部62が形成される。モールド工程に際し、12個のコイル30の結線等は、完了した状態とされる。
モールド工程が終了すると、製造方法は解除工程に移行する。解除工程では、モールド工程によって形成されたモールド部60を備えるステータ20が成形金型から取り出される。その後、ステータコア21の外周側面を拘束した拘束具70において、ねじ74が取り外され、拘束具70による拘束が解除される。これによって、図2に示すような、ステータ20を得ることができる。解除工程の終了に伴い、製造方法は終了する。
<本実施形態の効果>
本実施形態では、製造方法に拘束工程を設け、各ティース部23にコイル30を形成した複数のセグメント22を環状に配置して形成されたステータコア21を、拘束具70によって、ステータコア21の外周側面の側から拘束することとした(図4参照)。そして、隣り合うセグメント22それぞれのヨーク部分251が接する部分が溶接されていない構造のステータ20とした(図2参照)。
そのため、ステータコア21を拘束具70によって外周側面から拘束させた状態でモールド工程を実行することができる。セグメント22を環状に配置して形成されたステータコア21は、モールド部60によって環状のまま固定される。拘束具70による拘束によって、ステータコア21の外周側面は露出した状態となる。モールド工程に際し、隣り合うセグメント22を溶接するといった工程を省略することができる。積層され重なり合う鋼板間の短絡をなくし、短絡部(溶接部)を介した渦電流の流れを防止することができる。渦電流損を低減することができる。
<変形例>
本実施形態は、次のようにすることもできる。以下に示す変形例は、他の変形例と適宜組み合わせて採用するようにしてもよい。以下の構成を採用した場合においても、上述した効果と同様の効果を得ることができる。
(1)上記では、ロータ12の極数が14極で、ステータ20のスロット数が12個である回転機10を例に説明した(図1参照)。ロータの極数及び/又はステータのスロット数は、これとは異なる数としてもよい。ロータの極数及び/又はステータのスロット数は、要求される性能等の諸条件を考慮し、適宜設定される。ロータは、永久磁石がロータコアの外周側面に設けられた形式のロータ、又は、永久磁石を備えない形式のロータとしてもよい。回転機がモータである場合、永久磁石がロータコアの外周側面に設けられたロータを備えるモータは、SPM(Surface Permanent Magnet)モータと称される。
(2)上記では、ステータコア21の外周側面を含む外周部分がモールド部60によって被覆されておらず、露出した構造のステータ20を例に説明した(図2参照)。ステータは、図5に示すようなモールド部90を備えるステータ80としてもよい。モールド部90は、図5に示すように、第一モールド部91と、第二モールド部92と、第三モールド部93を備える。第一モールド部91は、モールド部60の第一モールド部61に対応し、端子50U,50V,50Wが設けられている積層方向の一方側であるステータコア21の第一端面211(図5で不図示 図3参照)の側で、コイル30のコイルエンド部を被覆する。第二モールド部92は、モールド部60の第二モールド部62に対応し、ステータコア21の第二端面の側で、コイル30のコイルエンド部を被覆する。
第三モールド部93は、径方向の外側で第一モールド部91に連続して形成される。第三モールド部93は、径方向の外側におけるステータコア21の第一端面211の所定の領域と、積層方向の第一端面211の側におけるステータコア21の外周側面の一部を被覆する。ステータ80を備える回転機が所定の製品に装着される場合、第三モールド部93を利用して回転機を所定の製品に装着することができる。この場合、第三モールド部93の所定の部分(面)を装着の基準として利用することもできる。製造方法の拘束工程では、ステータコア21の外周側面において露出することとなる部分が、拘束具70によって拘束される。ステータ80に関し、モールド部90以外の各部は、ステータ20と同様である。従って、ステータ80に関するこの他の説明は、省略する。
(3)上記では、製造方法の拘束工程におけるステータコア21の外周側面の側からの拘束を、第一拘束部71及び第二拘束部72を備える拘束具70を用いて行う構成を例に説明した(図4参照)。拘束具は、溶接されていない状態で環状に配置されたセグメント22によるステータコア21を外周側面の側から拘束することが可能な構成であれば、図4とは異なる構成であってもよい。例えば、ベルト状の拘束具であってもよい。拘束具は、モールド工程で用いられる成形金型を構成する要素であってもよい。この場合、成形金型は、第一拘束部71及び第二拘束部72に対応する各部を、ステータコア21の外周側面に接近させ、離間させる所定の移動機構を備える。12個のセグメント22は、例えば、成形金型内で環状に配置される。その後、第一拘束部71及び第二拘束部72に対応する各部が、ステータコア21の外周側面に接近する方向に移動し、上記同様の拘束が行われる。解除工程では、第一拘束部71及び第二拘束部72に対応する各部が、ステータコア21の外周側面から離間する方向に移動し、拘束が解除される。
(4)上記では、ロータ12がステータ20の内周側に回転自在に支持された内転型の回転機10を例に説明した(図1参照)。回転機は、外転型の回転機であってもよい。外転型の回転機のステータでは、複数のティース部は、ヨーク部(ヨーク部分)からロータの回転軸となるシャフトを中心とする径方向の外側に突出する。外転型の回転機のロータは、ステータの外側で、複数のティース部に対向する。製造方法の拘束工程では、上記同様、複数のセグメントを環状に配置して形成されたステータコアは、外周側面の側から拘束具70によって拘束される。この場合、ステータコアは、ティース部においてロータと対向する面が拘束具70に接する。
10 回転機
12 ロータ
14 ロータコア
16 永久磁石
18 シャフト
20,80 ステータ
21 ステータコア
22 ステータコアセグメント(セグメント)
23 ティース部
25 ヨーク部
26 スロット部
30 コイル
34 インシュレータ
50U,50V,50W 端子
60,90 モールド部
61,91 第一モールド部
62,92 第二モールド部
93 第三モールド部
70 拘束具
71 第一拘束部
72 第二拘束部
74 ねじ
211 第一端面
231 対向面
251 ヨーク部分
本発明は、モータ又は発電機のような回転機と、回転機が備えるステータの製造方法に関する。
回転機としてのモータに関する技術が提案されている。例えば、特許文献1には、分割ステータの製造方法が開示されている。この製造方法は、組み付け体を所望数用意し、これを周方向に配して分割ステータの中間体を形成し、この中間体を成形型内に収容し、中間体の全体に一気にモールド樹脂体を製造し、分割ステータを製造するものである。特許文献2には、磁極ごとに分割された状態で形成されるコアに関し、コイルが形成されたコアセグメントを環状に配置し、溶接等によりこれらを結合する、ことが開示されている。
特開2011−45178号公報
特開2000−217293号公報
各種の製品に、回転機が搭載されている。回転機としては、モータ又は発電機が挙げられる。回転機のステータでは、渦電流の発生に伴う損失を低減することが求められる場合がある。このような要求は、ステータが、複数のステータコアセグメントを環状に配置して形成されたステータコアを備える場合についても同様である。
本発明は、複数のステータコアセグメントを環状に配置して形成されたステータコアを備えるステータで渦電流損を低減することが可能な、回転機及びステータの製造方法を提供することを目的とする。
本発明の一側面は、回転自在に設けられたロータと、ステータと、を備え、前記ステータは、環状のヨーク部の一部を形成するヨーク部分と、前記ヨーク部分から前記ロータの回転軸の側に突出するティース部と、を備え、鋼板を積層して形成された複数のステータコアセグメントを、環状に配置して形成されたステータコアと、前記ティース部に設けられたコイルと、前記ステータコアセグメントで前記鋼板が積層された積層方向における前記ステータコアの第一端面及び第二端面の各側で、前記コイルのコイルエンド部を被覆し、前記複数のステータコアセグメントを環状に配置した環状状態で、前記回転軸を中心とする径方向における前記ヨーク部分の外側面によって形成された前記ステータコアの外周側面のうち、前記積層方向における第一部分を被覆する、樹脂製の被覆部と、を備え、前記環状状態で、前記ステータコアセグメントそれぞれの前記ヨーク部分が接する部分に、前記積層方向に重なり合う前記鋼板の間を電気的に短絡させる短絡部を備えず、前記外周側面のうち、前記積層方向における第二部分が露出した、回転機である。
この回転機によれば、積層され重なり合う鋼板間の短絡をなくし、短絡部を介した渦電流の流れを防止することができる。積層構造のメリットが損なわれることを防止することができる。ステータコアセグメントを環状に配置して形成されたステータコアは、被覆部によって環状のまま固定される。溶接を省略して製造可能な構造のステータとすることができる。ステータコアの外周側面の第一部分を被覆する被覆部の部分を利用し、回転機を所定の製品に装着することができる。「回転機」は、モータ又は発電機を含む概念である。
この回転機は、次のようにしてもよい。前記被覆部は、前記ステータコアの第一端面の側で前記コイルエンド部を被覆する部分と、前記第一部分を被覆する部分と、が連続した形状とされる、ようにしてもよい。
本発明の他の側面は、回転機が備える樹脂モールドされたステータの製造方法であって、環状のヨーク部の一部を形成するヨーク部分と、前記ヨーク部分から前記ロータの回転軸の側に突出するティース部と、を備え、鋼板を積層して形成されたステータコアセグメントの前記ティース部にコイルを形成するコイル形成工程と、前記コイル形成工程で前記ティース部に前記コイルが形成された複数の前記ステータコアセグメントを環状に配置する配置工程と、前記配置工程で前記複数のステータコアセグメントを環状に配置して形成されたステータコアを、前記回転機が備えるロータの回転軸を中心とする径方向において外側となる前記ステータコアの外周側面の側から拘束する拘束工程と、前記拘束工程で前記外周側面の側から拘束された前記ステータコアを樹脂モールドし、前記ステータコアセグメントで鋼板が積層された積層方向における前記ステータコアの第一端面及び第二端面の各側で、前記コイルのコイルエンド部を被覆し、前記外周側面のうち、前記積層方向における第一部分を被覆し且つ前記積層方向における第二部分を被覆しない、樹脂製の被覆部を形成するモールド工程と、前記モールド工程によって形成された前記被覆部を備える前記ステータにおいて、前記拘束工程による前記外周側面からの拘束を解除する解除工程と、を含み、前記拘束工程では、前記ステーコアは、前記第二部分で、前記外周側面の側から拘束される、製造方法である。
この製造方法によれば、各ティース部にコイルが形成された複数のステータコアセグメントを環状に配置して形成されたステータコアを、外周側面の側から拘束することで、環状の状態を維持し、モールド工程を実行することができる。ステータコアセグメントを環状に配置して形成されたステータコアは、被覆部によって環状のまま固定される。モールド工程に際し、隣り合うステータコアセグメントを溶接するといった工程を省略することができる。積層され重なり合う鋼板間の短絡をなくし、短絡部を介した渦電流の流れを防止することができる。ステータコアの外周側面の第一部分を被覆する被覆部の部分を利用し、回転機を所定の製品に装着することができる。「回転機」については、上記同様である。
本発明によれば、複数のステータコアセグメントを環状に配置して形成されたステータコアを備えるステータで渦電流損を低減することが可能な、回転機及びステータの製造方法を得ることができる。
回転機の一例を示す平面図である。
ステータの一例を示す斜視図である。
ステータコアの一例を示す斜視図である。
ステータの製造方法の配置工程及び拘束工程を示す平面図である。
ステータの他の例を示す斜視図である。
本発明を実施するための実施形態について、図面を用いて説明する。本発明は、以下に記載の構成に限定されるものではなく、同一の技術的思想において種々の構成を採用することができる。例えば、以下に示す構成の一部は、省略し又は他の構成等に置換してもよい。他の構成を含むようにしてもよい。
<回転機>
回転機10は、例えば、モータ又は発電機である。回転機10は、各種の製品に搭載される。例えば、回転機10は、電動車両に搭載される。電動車両としては、電気自動車、電動自転車、電動車椅子、電動カート又は電動配膳車が例示される。電気自動車は、ハイブリッド自動車を含む。回転機10がモータである場合、回転機10は、例えば、電動車両を移動させるための動力源として利用される。回転機10は、図1に示すように、ロータ12と、ステータ20を備える。本実施形態は、ロータ12の極数が14極で、ステータ20のスロット数が12個である場合を例に説明する(図1参照)。
ロータ12は、ロータコア14と、14個の永久磁石16と、シャフト18を備える。ロータコア14は、例えば、プレス機によって電磁鋼板を打ち抜きつつ積層して形成される。ロータコア14には、14個の永久磁石16がそれぞれ収納される空間と、シャフト18が固定される貫通孔が形成される。このような空間及び貫通孔は、電磁鋼板が積層された方向に延在する。永久磁石16は、前述した空間に収納された状態で、ロータコア14の内部に設けられる。回転機10がモータである場合、このようなロータ12を備えるモータは、IPM(Interior Permanent Magnet)モータと称される。
シャフト18は、ロータコア14の中心部に形成された貫通孔に固定される。シャフト18には、ロータコア14の両側に軸受(不図示)が取り付けられる。軸受は、ステータ20に設けられた支持部(不図示)に支持される。シャフト18は回転軸となり、ロータ12は、シャフト18を回転中心として回転する。図1でシャフト18の近傍に示す「矢印」は、ロータ12の回転方向を示す。ロータ12は、既に実用化されたモータ又は発電機が備えるロータと同様である。従って、ロータ12に関するこの他の説明は、省略する。
ステータ20は、樹脂モールドされる。ステータ20は、図1及び図2に示すように、ステータコア21と、コイル30と、端子50U,50V,50Wと、被覆部60を備える。ステータコア21は、図3に示すように、複数のティース部23と、ヨーク部25を備える。ステータ20のスロット数を12個とする本実施形態では、ティース部23の数は、12個である。12個のティース部23は、ヨーク部25(後述する、ヨーク部分251)からロータ12(シャフト18)の側に突出する。本実施形態では、回転機10において、回転軸となるシャフト18を中心とする放射方向を「径方向」という。ティース部23が突出する方向は、径方向に一致する。図1では、被覆部60の図示を省略し、複数のティース部23に巻線された複数のコイル30を図示した状態としている。また、図1では、端子50U,50V,50Wの図示を省略している。図2及び図3では、積層された電磁鋼板の積層に関する図示を省略している。
ステータコア21は、図3に示すように、12個のステータコアセグメント22を環状に配置して形成される。ステータコアセグメント22を「セグメント22」という。本実施形態では、1個のセグメント22におけるティース部23の数を1個としているため、ステータコア21は、12個のセグメント22を環状に配置して形成される。
セグメント22は、図3に示すように、ティース部23と、ヨーク部分251によって形成される。ヨーク部分251は、環状のヨーク部25の一部を形成する部分である。本実施形態において、セグメント22を環状に配置した状態は、ヨーク部分251が環状をなす状態にセグメント22を配置した状態を含む概念である。セグメント22を環状に配置した状態で隣り合う2個のティース部23の間には、スロット部26が形成される。セグメント22は、例えば、プレス機によって電磁鋼板を、図3に示すような形状に打ち抜きつつ積層して形成される。本実施形態では、セグメント22で電磁鋼板が積層された方向を「積層方向」という。ロータコア14で電磁鋼板が積層された方向は、積層方向に一致する。
コイル30は、ティース部23に導線を集中巻して形成される。コイル30は、隣り合うセグメント22のティース部23の間に形成されたスロット部26に収納される。セグメント22には、インシュレータ34が装着される(図1参照)。インシュレータ34によって、セグメント22(ステータコア21)と、コイル30の間の絶縁を確保することができる。12個のコイル30は、U相、V相及びW相の何れかのコイル30にそれぞれ分類され、例えば、スター結線される。12個のコイル30のうち、所定の4個のコイル30は、渡線によって連結されてU相の連結コイルを形成する。他の4個のコイル30は、渡線によって連結されてV相の連結コイルを形成する。さらに他の4個のコイル30は、渡線によって連結されてW相の連結コイルを形成する。
各相の連結コイルの一端側は、各相の端子50U,50V,50Wにそれぞれ接続される。各相の連結コイルの他端側は、接続され、中性点が形成される。セグメント22を形成する技術と、複数のコイル30の結線に関する技術は、既に実用化された技術を採用することができる。従って、これらに関するこの他の説明は、省略する。
被覆部60は、樹脂モールドによって形成される。ステータ20は、被覆部60が形成された状態において、ステータコア21の外周側面を含む外周部分と、ロータ12に対向するティース部23の対向面231が露出した状態となる(図2参照)。ステータコア21の外周側面は、12個のセグメント22が環状に配置された状態において、各セグメント22のヨーク部分251の径方向の外側面によって形成される。被覆部60を形成する樹脂としては、熱硬化性樹脂が例示される。例えば、被覆部60は、BMC(Bulk Molding Compound)によって形成される。
被覆部60は、図2に示すように、第一被覆部61と、第二被覆部62を備える。被覆部60を形成する樹脂は、コイル30が収納されたスロット部26にも充填され、同一のスロット部26に収納された隣り合うティース部23に集中巻された異なる相の各コイル30の絶縁を確保する。被覆部60は、ステータコア21の内周側において対向面231を除く部分も被覆する。このような各部を備える被覆部60は、樹脂モールドによって一体的に形成される。
第一被覆部61は、積層方向におけるステータコア21の第一端面211の側に設けられ、第一端面211の側でコイル30のコイルエンド部(図1に示す「コイル30の部分」参照)を被覆する。第二被覆部62は、積層方向におけるステータコア21の第二端面の側に設けられ、第二端面の側でコイル30のコイルエンド部(不図示)を被覆する。第二端面は、積層方向において第一端面211とは反対側となるステータコア21の端面である。
<ステータの製造方法>
ステータ20の製造方法は、コイル形成工程と、配置工程と、拘束工程と、モールド工程と、解除工程を含む。本実施形態では、ステータ20の製造方法を「製造方法」という。コイル形成工程では、セグメント22のティース部23にコイル30が形成される。コイル30の形成には、所定の巻線機が用いられる。巻線機によるコイル30の形成(巻線)は、環状とされる前のセグメント22のそれぞれを対象として、セグメント22のティース部23に導線を巻回して行われる。巻線に際し、セグメント22には、インシュレータ34が装着される。コイル30の形成は、導線が巻回されたコイルボビンを形成し、コイルボビンを、ティース部23に嵌め込み行うようにしてもよい。
コイル形成工程が終了すると、製造方法は、配置工程に移行する。配置工程では、コイル形成工程でティース部23にコイル30が形成された12個のセグメント22が環状に配置される(図4上段参照)。隣り合うセグメント22それぞれのヨーク部分251は、周方向に接した状態となる(図2及び図3に示す「D部」参照)。周方向は、回転軸となるシャフト18を中心とし、ロータ12の回転方向(図1参照)及びこれとは反対の方向の両方向を含む概念である。
製造方法は、隣り合うセグメント22をヨーク部分251で連結するための溶接工程を含まない。即ち、複数のセグメント22を環状に配置した状態において、セグメント22それぞれのヨーク部分251が接する部分(図3に示す「D」部参照)は、溶接されない。隣り合うセグメント22は、ヨーク部分251で接しているにすぎず、離間できないように連結された状態ではない。
配置工程が終了すると、製造方法は、拘束工程に移行する。拘束工程では、配置工程で12個のセグメント22を環状に配置して形成されたステータコア21を、拘束具70を用いてステータコア21の外周側面の側から拘束する(図4下段参照)。拘束具70は、例えば、図4に示すように、第一拘束部71及び第二拘束部72を備える。第一拘束部71及び第二拘束部72のそれぞれは、リングを半割とした形状を有する。第一拘束部71及び第二拘束部72は、ねじ74によって締結される。第一拘束部71及び第二拘束部72の締結は、ねじ74とは異なる締結具、又は、別の締結構造によって行うようにしてもよい。
拘束工程が終了すると、製造方法は、モールド工程に移行する。モールド工程では、拘束具70によって拘束されたステータコア21が樹脂モールドされる。樹脂モールドに際し、拘束具70によって拘束されたステータコア21は、成形金型内にセットされる。その後、成形金型内に樹脂が射出され、被覆部60が形成される。積層方向において、ステータコア21の第一端面211の側には、第一被覆部61が形成され、ステータコア21の第二端面の側には、第二被覆部62が形成される。モールド工程に際し、12個のコイル30の結線等は、完了した状態とされる。
モールド工程が終了すると、製造方法は解除工程に移行する。解除工程では、モールド工程によって形成された被覆部60を備えるステータ20が成形金型から取り出される。その後、ステータコア21の外周側面を拘束した拘束具70において、ねじ74が取り外され、拘束具70による拘束が解除される。これによって、図2に示すような、ステータ20を得ることができる。解除工程の終了に伴い、製造方法は終了する。
<本実施形態の効果>
本実施形態では、製造方法に拘束工程を設け、各ティース部23にコイル30を形成した複数のセグメント22を環状に配置して形成されたステータコア21を、拘束具70によって、ステータコア21の外周側面の側から拘束することとした(図4参照)。そして、隣り合うセグメント22それぞれのヨーク部分251が接する部分が溶接されていない構造のステータ20とした(図2参照)。
そのため、ステータコア21を拘束具70によって外周側面から拘束させた状態でモールド工程を実行することができる。セグメント22を環状に配置して形成されたステータコア21は、被覆部60によって環状のまま固定される。拘束具70による拘束によって、ステータコア21の外周側面は露出した状態となる。モールド工程に際し、隣り合うセグメント22を溶接するといった工程を省略することができる。積層され重なり合う鋼板間の短絡をなくし、短絡部(溶接部)を介した渦電流の流れを防止することができる。渦電流損を低減することができる。
<変形例>
本実施形態は、次のようにすることもできる。以下に示す変形例は、他の変形例と適宜組み合わせて採用するようにしてもよい。以下の構成を採用した場合においても、上述した効果と同様の効果を得ることができる。
(1)上記では、ロータ12の極数が14極で、ステータ20のスロット数が12個である回転機10を例に説明した(図1参照)。ロータの極数及び/又はステータのスロット数は、これとは異なる数としてもよい。ロータの極数及び/又はステータのスロット数は、要求される性能等の諸条件を考慮し、適宜設定される。ロータは、永久磁石がロータコアの外周側面に設けられた形式のロータ、又は、永久磁石を備えない形式のロータとしてもよい。回転機がモータである場合、永久磁石がロータコアの外周側面に設けられたロータを備えるモータは、SPM(Surface Permanent Magnet)モータと称される。
(2)上記では、ステータコア21の外周側面を含む外周部分が被覆部60によって被覆されておらず、露出した構造のステータ20を例に説明した(図2参照)。ステータは、図5に示すような被覆部90を備えるステータ80としてもよい。被覆部90は、図5に示すように、第一被覆部91と、第二被覆部92と、第三被覆部93を備える。第一被覆部91は、被覆部60の第一被覆部61に対応し、端子50U,50V,50Wが設けられている積層方向の一方側であるステータコア21の第一端面211(図5で不図示 図3参照)の側で、コイル30のコイルエンド部を被覆する。第二被覆部92は、被覆部60の第二被覆部62に対応し、ステータコア21の第二端面の側で、コイル30のコイルエンド部を被覆する。
第三被覆部93は、径方向の外側で第一被覆部91に連続して形成される。第三被覆部93は、径方向の外側におけるステータコア21の第一端面211の所定の領域と、積層方向の第一端面211の側におけるステータコア21の外周側面の一部を被覆する。ステータ80を備える回転機が所定の製品に装着される場合、第三被覆部93を利用して回転機を所定の製品に装着することができる。この場合、第三被覆部93の所定の部分(面)を装着の基準として利用することもできる。製造方法の拘束工程では、ステータコア21の外周側面において露出することとなる部分が、拘束具70によって拘束される。ステータ80に関し、被覆部90以外の各部は、ステータ20と同様である。従って、ステータ80に関するこの他の説明は、省略する。
(3)上記では、製造方法の拘束工程におけるステータコア21の外周側面の側からの拘束を、第一拘束部71及び第二拘束部72を備える拘束具70を用いて行う構成を例に説明した(図4参照)。拘束具は、溶接されていない状態で環状に配置されたセグメント22によるステータコア21を外周側面の側から拘束することが可能な構成であれば、図4とは異なる構成であってもよい。例えば、ベルト状の拘束具であってもよい。拘束具は、モールド工程で用いられる成形金型を構成する要素であってもよい。この場合、成形金型は、第一拘束部71及び第二拘束部72に対応する各部を、ステータコア21の外周側面に接近させ、離間させる所定の移動機構を備える。12個のセグメント22は、例えば、成形金型内で環状に配置される。その後、第一拘束部71及び第二拘束部72に対応する各部が、ステータコア21の外周側面に接近する方向に移動し、上記同様の拘束が行われる。解除工程では、第一拘束部71及び第二拘束部72に対応する各部が、ステータコア21の外周側面から離間する方向に移動し、拘束が解除される。
(4)上記では、ロータ12がステータ20の内周側に回転自在に支持された内転型の回転機10を例に説明した(図1参照)。回転機は、外転型の回転機であってもよい。外転型の回転機のステータでは、複数のティース部は、ヨーク部(ヨーク部分)からロータの回転軸となるシャフトを中心とする径方向の外側に突出する。外転型の回転機のロータは、ステータの外側で、複数のティース部に対向する。製造方法の拘束工程では、上記同様、複数のセグメントを環状に配置して形成されたステータコアは、外周側面の側から拘束具70によって拘束される。この場合、ステータコアは、ティース部においてロータと対向する面が拘束具70に接する。
10 回転機
12 ロータ
14 ロータコア
16 永久磁石
18 シャフト
20,80 ステータ
21 ステータコア
22 ステータコアセグメント(セグメント)
23 ティース部
25 ヨーク部
26 スロット部
30 コイル
34 インシュレータ
50U,50V,50W 端子
60,90 被覆部
61,91 第一被覆部
62,92 第二被覆部
93 第三被覆部
70 拘束具
71 第一拘束部
72 第二拘束部
74 ねじ
211 第一端面
231 対向面
251 ヨーク部分