(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
前記バックヨーク及び前記ティースが複数枚の磁性板材を有する積層体から構成され、前記剛性部材が前記磁性板材の1枚ごとに設けられていることを特徴とする請求項1に記載のステータコア。
前記バックヨークと前記剛性部材の前記バックヨーク側の端部との間、及び前記ティース先端部と前記剛性部材の前記ティース先端部側の端部との間が、相互に段差形状を組み合わせて結合されていることを特徴とする請求項1又は2に記載のステータコア。
前記バックヨークが前記ステータにおける円環の一部を構成し、前記ステータの周方向に沿って複数の前記ステータコアが円環状に配列されていることを特徴とする請求項4に記載のステータ。
【背景技術】
【0002】
従来から、ステータ及びロータを備えた回転電機が知られている。回転電機のステータには、ステータの径方向に延びるティースが設けられている。ステータの周方向に隣接するティース間には、コイルが収容されるスロットが形成されている。周方向のティース寸法が一定である場合、ロータに配設された永久磁石がティースに対向する場合とスロットに対向する場合との間で磁束の変化が急激になり、磁気バランスが悪くなる。その結果、トルクの時間変動、振動、モータ音に悪影響を及ぼす。
そこで、ティースの先端部を周方向に延長することにより、スロットの開口部を部分的に閉鎖し、磁束の分布を拡大して、磁束の変化を抑制した構造が知られている。
【0003】
また、例えば特許文献1では、ティース毎に周方向に分割された分割型のステータにおいてステータコアの変形を防ぐため、隣接するティース間のスロット開口部を絶縁体の融着により閉鎖した構造が開示されている。
特許文献1では、周方向に隣接する分割型のステータコア間における変形、振動を抑制することが意図されているため、ステータコア間が絶縁体の融着によりステータの周方向に連結されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
回転電機の実稼働中には、磁束の変化により電磁力が発生し、ステータコアには電磁加振力が加わる。ティース先端部が周方向に延長されているステータコアの場合には、ティース先端部が細く片持ち状に突出しているため、ティース先端部がステータの径方向に振動し、騒音の原因となるおそれがある。
【0006】
そこで本発明は、ティース先端部の振動を抑制することが可能なステータコア、ステータ及び回転電機を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0007】
第1発明のステータコア(例えば、実施形態のステータコア21)は、円環状のステータ(例えば、実施形態のステータ20)における円環の少なくとも一部を構成するバックヨーク(例えば、実施形態のバックヨーク22,29)と、前記バックヨークから前記ステータの径方向に延びてコイル(例えば、実施形態のコイル26)が
周囲に巻回
されているコイル巻回部(例えば、実施形態のコイル巻回部23a)、及び前記コイル巻回部の先端から前記ステータの周方向に延びるティース先端部(例えば、実施形態のティース先端部24)を有するティース(例えば、実施形態のティース23)と、前記ティース先端部及び前記バックヨークの間を径方向に、前記コイル巻回部から離れて架橋状に連結する非磁性の剛性部材(例えば、実施形態の剛性部材25)と、を備えることを特徴とする。
【0008】
第2発明のステータコアは、前記バックヨーク及び前記ティースが複数枚の磁性板材(例えば、実施形態の磁性板材28)を有する積層体から構成され、前記剛性部材が前記磁性板材の1枚ごとに設けられていることを特徴とする。
【0009】
第3発明のステータコアは、前記バックヨークと前記剛性部材の前記バックヨーク側の端部との間、及び前記ティース先端部と前記剛性部材の前記ティース先端部側の端部との間が、相互に段差形状(例えば、実施形態の段差形状22e,24a,25a,25b)を組み合わせて結合されていることを特徴とする。
【0010】
第4発明のステータは、前記ステータコアを備えていることを特徴とする。
【0011】
第5発明のステータは、前記バックヨークが前記ステータにおける円環の一部を構成し、前記ステータの周方向に沿って複数の前記ステータコアが円環状に配列されていることを特徴とする。
【0012】
第6発明の回転電機(例えば、実施形態のモータ10)は、前記ステータを備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【0013】
第1発明によれば、ティース先端部とバックヨークとの間が剛性部材により連結されているので、ティース先端部がコイル巻回部と剛性部材との間に支持された両持ち構造となる。このため、ステータの径方向に向けたティース先端部の振動を抑制することができ、騒音を軽減することができる。
【0014】
第2発明によれば、積層型のステータコアにおいて磁性板材の1枚ごとにティース先端部が剛性部材により固定される。これにより、各磁性板材のティース先端部の振動をより確実に抑制することができる。
【0015】
第3発明によれば、剛性部材とバックヨーク又はティース先端部との間の結合部が段差形状の組み合わせによる相欠き状となり、接触面積が増大するので、異種材料間の密着性を向上することができる。
【0016】
第4発明によれば、径方向に向けたティース先端部の振動を抑制することができ、騒音を軽減したステータを提供することができる。
【0017】
第5発明によれば、ティースごとにステータコアが分割されているので、周方向に隣接するティース間に配置される剛性部材の固定が容易になる。
【0018】
第6発明によれば、径方向に向けたティース先端部の振動を抑制することができ、騒音を軽減した回転電機を提供することができる。
【発明を実施するための形態】
【0020】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。以下の説明では、モータの軸方向を単に「軸方向」といい、軸方向に中心軸を有する周方向を単に「周方向」といい、軸方向に直交する方向を「径方向」という。
【0021】
図1は、ステータコアの概略構成を示す平面図である。周方向はほぼ
図1の左右方向であり、径方向は
図1の上下方向である。軸方向は、
図1の紙面に垂直な方向である。
図1では、上側が径方向外側、下側が径方向内側である。
【0022】
本実施形態のステータコアは、ロータがステータの径方向内側に配置されるインナーロータ型のモータ用のステータコアである。すなわち、ステータの径方向内側とは、ステータがロータに対向する側を意味する。
【0023】
図1に示すように、ステータコア21は、他のステータコア21に対して周方向に連結されるバックヨーク22と、バックヨーク22から径方向に延びるティース23と、ティース先端部24及びバックヨーク22の間を連結する剛性部材25と、を備えている。バックヨーク22からティース23が延びる方向は径方向内側である。径方向内側におけるティース23の先端部には、周方向に延びるティース先端部24が形成されている。
【0024】
ステータコア21のバックヨーク22は、円環状のステータにおける周方向の一部を構成している。すなわち
図1に示すステータコア21は、円環状のステータが周方向に分割された構成におけるステータコア片に相当する。
【0025】
バックヨーク22の周方向の両端部には、それぞれ凸部22a及び凹部22bが形成されている。複数のステータコア21を円環状に組み合わせる際、隣接するステータコア21の凸部22aと凹部22bとを嵌め合わせることで、径方向の位置決めが可能である。凸部22a及び凹部22bの形状は特に限定されないが、例えば半円状、矩形状、三角形状等が挙げられる。
【0026】
バックヨーク22の外周部には、溝部22c等の係合部が形成されてもよい。これにより、円環状のホルダの周方向に沿って複数のステータコア21を配列したとき、係合部をホルダ側と係合することにより、周方向の位置決めが可能である。この位置決めに際しては、周方向に沿って配列される複数のステータコア21のうち、少なくとも1つのステータコア21においてバックヨーク22の係合部がホルダと係合されればよい。
【0027】
バックヨーク22の軸方向の面には、複数のステータコア21を軸方向に積層するため、かしめ部22d等の連結部が形成されている。かしめ部22dは、軸方向の一方の面が凸部で、他方の面が凹部となるように形成されている。軸方向に隣接するステータコア21の対向面どうしで凸部を凹部に圧入することにより、複数のステータコア21を軸方向に連結することができる。
【0028】
本実施形態におけるコイル26は、突極集中巻きによりティース23のうちコイル巻回部23aの周囲に巻回されている。ここで、コイル巻回部23aは、径方向におけるバックヨーク22とティース先端部24との間の部分である。また、
図1に示すコイル26は、導体(導線)が軸方向に延びる部分の断面である。ティース23のコイル巻回部23aは、バックヨーク22の周方向の中央部から径方向の内側に延出している。周方向におけるコイル巻回部23aの寸法は、バックヨーク22の寸法よりも狭い。ティース23の両側にはコイル26が収容されるスロット27が配置されている。
【0029】
ティース先端部24は、コイル巻回部23aの先端部から周方向の両側にそれぞれ片持ち状に突出している。さらに、ティース先端部24とバックヨーク22との間は、剛性部材25により径方向に連結されている。これにより、ティース先端部24は、コイル巻回部23a及び剛性部材25により両端が固定された両持ち状となるので、電磁加振力が加わっても振動しにくくなり、騒音を抑制することができる。
【0030】
ティース先端部24に対して周方向に部材を付加する場合と比較すると、ティース先端部24の突出方向と同じ周方向に部材を添えても、断面積の増加に対応する程度しか剛性は増加しない。これに対して、本実施形態のように、振動方向に沿った径方向に剛性部材25を一体化し、かつ剛性部材25の端部をバックヨーク22と一体化することで、剛性を効果的に向上させることができる。
【0031】
ステータコア21に剛性部材25が設けられない場合、ティース先端部24の中では、コイル巻回部23aから周方向に離れた位置において、径方向に振動を生じる。このため、剛性部材25は、ティース先端部24のうちコイル巻回部23aから周方向に離れた位置を固定するように構成されている。また、剛性部材25は、バックヨーク22に対してもコイル巻回部23aから周方向に離れた位置を固定するように構成されているので、剛性部材25が径方向においてコイル巻回部23aに沿う部分は架橋状となり、コイル巻回部23aと剛性部材25との間にコイル26を収容する空間が確保されている。
【0032】
バックヨーク22及びティース23(ティース先端部24を含む。)は、ステータにおける磁性コアの役割を果たし、ステータコア本体21aを構成する。ステータコア本体21aは、軸方向に垂直な面内(径方向及び周方向)に磁気回路を構成するように、一体の磁性材料から構成されていることが好ましい。
【0033】
ステータコア本体21aを構成する磁性材料の具体例としては、例えば、磁性板材又は磁性板材を軸方向に複数枚積層した積層体が挙げられる。磁性板材としては、例えば珪素鋼板等の電磁鋼板が挙げられる。ステータコア本体21aとコイル26との間を電気的に絶縁するため、両者の間にインシュレータ(不図示)が設けられる。インシュレータとしては、樹脂、絶縁紙等が挙げられる。
【0034】
剛性部材25の材料としては、樹脂、セラミックス、複合成形材料等の非磁性材料が挙げられる。剛性部材25が非磁性であることにより、ティース先端部24とバックヨーク22との間で剛性部材25の内部を通る磁束の増加を防ぎ、ロータにおける磁束密度の低下を抑制することができる。剛性部材25がコイル26と電気的に接続されないように、剛性部材25は誘電体(電気絶縁体)であることが好ましい。
【0035】
樹脂からなる剛性部材25を例えばインサート成形により形成する場合、剛性部材25の成形とステータコア本体21aに対する接合とが一工程で実現できるので好ましい。ただし、ステータコア21の製造方法は特に限定されない。例えば、ステータコア本体21a及び剛性部材25を別々に形成した後に、接着、融着等により剛性部材25をステータコア本体21aに接合することも可能である。
【0036】
図2に、バックヨーク22及びティース先端部24と剛性部材25とを固定する構造の具体例を示す。この具体例では、ステータコア本体21aが1枚の磁性板材28から構成されている。
図2の上下方向は、軸方向である。
【0037】
なお、ステータコア21のバックヨーク22、ティース先端部24及び剛性部材25において、周方向外側とは、コイル巻回部23aから離れた側である。
また、剛性部材25における周方向内側とは、コイル巻回部23aに対向する側、すなわち、コイル巻回部23aと剛性部材25の間に構成されるスロット27に接する側である。
【0038】
図2に示すように、剛性部材25は、バックヨーク22側の端部及びティース先端部24側の端部のそれぞれに、段差形状25a,25bを有する。段差形状25aがバックヨーク22側であり、段差形状25bがティース先端部24である。これらの段差形状25a,25bは、軸方向の寸法の片側において剛性部材25の一部が欠けた形状である。
【0039】
バックヨーク22のうち径方向内側かつ周方向外側の角部には、剛性部材25の段差形状25aと相補的に組み合わせることが可能な段差形状22eが形成されている。また、ティース先端部24の周方向外側の突出端部には、剛性部材25の段差形状25bと相補的に組み合わせることが可能な段差形状24aが形成されている。なお、以下の説明では、バックヨーク22及びティース先端部24の段差形状22e,24aを総称して、ステータコア本体21aの段差形状22e,24aという場合がある。
【0040】
ステータコア本体21aの段差形状22e,24aは、軸方向において、剛性部材25の段差形状25a,25bとは反対側の一部が欠けた形状を有する。例えば
図2に示す例では、軸方向となる
図2の上下方向において、剛性部材25の段差形状25a,25bは
図2の下側が欠けた形状である。そして、ステータコア本体21aの段差形状22e,24aは
図2の上側が欠けた形状である。
【0041】
剛性部材25とステータコア本体21aとの間の結合は、それぞれ段差形状22e,24a,25a,25bを軸方向に組み合わせたことによる相欠き状となっている。これにより、剛性部材25とステータコア本体21aとの接触面積が増大するので、異種材料間の密着性を向上することができる。
【0042】
また、本実施形態においては、剛性部材25を含めたステータコア21の寸法が、軸方向、周方向、径方向のいずれにおいても、剛性部材25を除いたステータコア本体21aの寸法と同等である。これにより、ステータコア21を軸方向及び周方向に複数組み合わせたり、ステータコア21を周方向にロータと対向させたりするときに、立体的な干渉を防ぐことができる。
【0043】
ステータコア21とロータとの間の立体的干渉を避けるためには、剛性部材25のティース先端部24側の段差形状25bの径方向内側を向く端面は、ティース先端部24の径方向内側を向く端面と面一であることが好ましい。ロータの回転時の空気抵抗を抑制するため、ステータコア21の径方向内側を向く端面を滑らかな形状とすることもできる。
【0044】
周方向に隣接するステータコア21間の立体的干渉を避けるためには、ステータコア本体21aの段差形状22e,24aの周方向外側を向く端面と、剛性部材25の周方向外側を向く端面とが、面一であるか、またはステータコア本体21aの段差形状22e,24aの周方向外側を向く端面より剛性部材25の周方向外側を向く端面が低くなっていることが好ましい。
【0045】
剛性部材25の周方向内側の形状は、特に限定されないが、スロット27に収容されるコイル26との立体的干渉が回避される形状、あるいは、コイル26を構成する導体の整列、保持等に資する形状であることが好ましい。
【0046】
図3に、複数枚のステータコア21が軸方向に積層された構成を示す。ステータ及びコイルの軸方向寸法に対応して、一般にステータコアは、複数枚の磁性板材28が軸方向に積層された構造を有する。
図3に示すステータコア21では、バックヨーク22及びティース23が複数枚の磁性板材28の積層体から構成され、剛性部材25が磁性板材28の1枚ごとに設けられている。磁性板材28は、軸方向に分割されたステータコア本体21aを構成している。
【0047】
このような構成によれば、積層型のステータコア21において磁性板材28の1枚ごとにティース先端部24を剛性部材25に固定することができる。各磁性板材28のティース先端部24は、独立に振動可能であるので、磁性板材28の1枚ごとにバックヨーク22及びティース先端部24の間に剛性部材25を取り付けることにより、各ティース先端部24の振動を、より確実に抑制することができる。
【0048】
ステータコア21にコイル26を巻回する方法は特に限定されないが、例えばコイル巻回部23aと剛性部材25との間(スロット)で軸方向に導体(導線)を通し、ステータコア21の軸方向の両側にコイルエンドを設ければよい。軸方向に延びる2つの脚部の間に、一端側のコイルエンドに対応する中間部を設けて、略U字状に構成されたセグメントコンダクタ(SC)を用いることも可能である。SC型のコイルは、脚部をスロットに通し、他端側で脚部の先端同士を接続することによりコイルが構成されるため、コイル巻回部23aの周囲で導体を巻回させる動作が不要となるので、作業性に優れる。
【0049】
軸方向に積層される磁性板材28間の連結は、上述したかしめ部22d等の連結部により行うことができる。軸方向に隣接する磁性板材28間において、軸方向に隣接する剛性部材25が相互に接触してもよく、隣接する剛性部材25の間に隙間が設けられてもよい。磁性板材28が軸方向に積層される際に、剛性部材25間の立体的干渉を避けるためには、磁性板材28の軸方向の各端面と、剛性部材25の軸方向の各端面は、面一であるか、または磁性板材28の軸方向の端面より剛性部材25の軸方向の端面が低くなっていることが好ましい。
【0050】
図4に、複数のステータコア21が周方向に配列された構成のステータ20を備えるモータ10の一例を示す。このモータ10は、回転子であるロータ11と、ロータ11の外周に配置された固定子であるステータ20とを備えている。
【0051】
ロータ11は円盤状に形成されている。ロータ11の外周部には、全周にわたって所定の間隔で永久磁石12が配置されている。
図4には、一極対14に対応する永久磁石12,12のみが図示されている。一極対14は、極性(S極又はN極)の異なる一対の磁極を含む。ロータ11の中心部には、回転軸であるシャフト13が設けられている。なお、
図4にはシャフト13の軸に垂直な断面が示されている。ステータ20のコイル26に通電すると回転磁界が発生する。回転磁界と永久磁石12との相互作用により、ロータ11が所定のいずれか一方向に回転する。
【0052】
ステータ20は、周方向に沿って複数のステータコア21が円環状に配置されるように、ホルダ30を備える。ホルダ30は、略円筒状に形成されている。複数のステータコア21を周方向に配列することにより、各ステータコア21のバックヨーク22が円環状に連結されて、円環状のバックヨーク29が構成される。これにより、各ステータコア21のティース23は、バックヨーク29の径方向内側に形成された突極を構成する。
【0053】
ステータ20は、一極対14ごとに、交流の三相(U相、V相、W相)に対応して3個のコイル26を備えている。この場合、一極対(電気角360edeg)ごとに6回のトルク変動が発生する。6極対のモータでは、ロータの一回転(機械角360°)ごとに36回のトルク変動が発生する。無通電時のコギングトルクや通電時のトルクリプルによるトルク変動により振動が発生すると、モータ音が放射される。
本実施形態のモータ10では、上記実施形態のステータコア21を備えていることにより、ティース先端部24の振動が抑制され、モータ音が軽減される。
【0054】
なお、本発明は、図面を参照して説明した上述の実施形態に限定されるものではなく、その技術的範囲において様々な変形例が考えられる。
【0055】
例えば、上述の実施形態においては、軸方向に積層された磁性板材28の1枚ごとに剛性部材25が設けられているが、軸方向に積層された2枚以上の磁性板材の一部又は全部にわたって一体化された剛性部材を構成することも可能である。
また、上述の実施形態においては、周方向に分割されたステータコア21ごとに別々の剛性部材25が設けられているが、周方向に隣接するステータコア21の間で対向する2つのティース先端部24にわたって一体化された剛性部材を構成することも可能である。
【0056】
上述の実施形態では、剛性部材25の周方向の寸法(幅)は、剛性部材25の径方向の寸法(長さ)に渡って略同一であるが、周方向の寸法を変化させてもよい。例えば、剛性部材とステータコアとの密着性を向上するため、剛性部材のバックヨーク側の端部は、バックヨークの周方向に沿ってL字状に広くバックヨークと結合してもよい。また、剛性部材のティース先端部側の端部は、ティース先端部に沿ってL字状に長くティース先端部と結合してもよい。このほか、剛性部材の端部とステータコア本体(ティース先端部又はバックヨーク)とを結合する形状は、特に限定されない。剛性部材の端部が2つに分岐して、ステータコア本体を軸方向に挟み込む形状としてもよい。ステータコア本体に溝状又は穴状の凹部を形成して、この凹部に剛性部材の端部が挿入されてもよい。
【0057】
上述の実施形態では周方向に分割されたステータコア21を円環状に配置してステータ20を形成したが、円環の全周に連続して形成されたバックヨークを有するステータコアを採用してもよい。すなわち、各ステータコアのバックヨークは、円環の一部を構成してもよく、円環の全周を構成してもよい。
【0058】
上述の実施形態では、回転電機としてインナーロータ型のモータについて説明したが、これに限らず、アウターロータ型のモータに本発明を適用しても構わない。さらに、回転電機は、車両用のモータに限定されず、その他用途のモータや発電機等であってもよい。車両用の回転電機は、車両の駆動用に限らず、回生発電に利用することもできる。