(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
周方向に複数の磁極が設けられた回転子と、
コア板材を積層して形成され、円筒部および該円筒部から径方向に放射状に延びる複数のティースを有する固定子コアと、
前記ティース間に形成されるスロットに収納される固定子コイルと、を備え、
前記ティースは、
前記円筒部から径方向に放射状に延びる基部と、
前記基部の先端に接続部を介してそれぞれ設けられて、前記スロットへの前記固定子コイルの収納前は径方向に延在する伸張状態とされ、コイル収納後は前記接続部が変形されて周方向に折り曲げられた屈曲状態とされる一対の先端突起部とを有し、
前記屈曲状態における前記接続部のスロット側には、Ｖ字形状切り欠きが屈曲変形されて形成された空隙が設けられ、
前記Ｖ字形状切り欠きは、Ｖ字底部のＲ寸法が前記コア板材の厚さ寸法の３０％〜６０％に設定されていることを特徴とする回転電機。
【請求項２】
請求項１に記載の回転電機において、
前記空隙が前記スロットに連通していることを特徴とする回転電機。
【請求項３】
請求項１に記載の回転電機において、
前記空隙のスロット側は、前記先端突起部と前記基部とが密着していることを特徴とする回転電機。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の回転電機において、
前記固定子コイルは、前記伸張状態において巻線状態とされた導線を前記基部に外挿するように装着したものであって、
前記伸張状態における前記先端突起部の周方向幅寸法は、前記基部の周方向幅寸法よりも小さく設定されていることを特徴とする回転電機。
【請求項５】
請求項４に記載の回転電機において、
前記複数のティースは前記円筒部の外周から放射状に形成され、
前記固定子コアは、円筒状を成す前記回転子の内周側に隙間を介して配置されることを特徴とする回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータや発電機などの回転電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
回転電機の固定子に形成するコイルの構造として、集中巻、分布巻などの方式が知られている。集中巻方式はコアティースに絶縁物を介してコイルが直接巻線され、分布巻コイルに比較して小型化できるという利点がある。一方、分布巻方式の場合には、コイルが絶縁物を介してコアスロットを跨って組線され、集中巻コイルに比較して電気特性が良いという利点がある。
【０００３】
また、固定子と回転子との位置関係から、回転電機は、固定子の内側で回転子が回転する内転型と、固定子の外側で回転子が回転する外転型とに大別される。内転型の場合には、主に回転を伝える主軸に回転子が連結され、外転型の場合には、主に直接駆動したい回転体や、歯車など間接駆動の回転体などに回転子が連結または一体化されている。
【０００４】
例えば、外転型の場合、固定子コアの外側からコアスロットへコイルを組線する構造が採用される。コイル巻線方式に集中巻および分布巻のいずれの方式が採用された場合でも、固定子コアは鉄損低減の観点から一体型であることが望ましく、かつ、コイルの銅損低減の観点からスロット内のコイル占有率が高いことが望ましい。
【０００５】
特許文献１に記載の技術では、外転型の回転電機において、固定子コアへの巻線作業を容易化してコイル占有率を向上させるため、隣接するティースの一方に、先端両側から薄肉連結部を介して放射方向に突起状の磁極片を延設し、コイルを巻き回した後に、薄肉連結部を屈曲させて磁極片を周方向に変位させるようにしている。また、特許文献２に記載の技術では、各ティースの先端に突起を設けるようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１０−３０４６０９号公報
【特許文献２】特開２００１−７４４６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、突起状の磁極片を周方向に屈曲させた際に、根元部に皺がよって固定子コアの軸方向に盛り上がりが生じやすい。固定子コアは電磁鋼板を積層したものであって、各々の電磁鋼板に皺ができて軸方向に盛り上がると、固定子コアの軸方向寸法が大きくなってしまい、性能面にも悪影響をおよぼす。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１の発明による回転電機は、周方向に複数の磁極が設けられた回転子と、コア板材を積層して形成され、円筒部および該円筒部から径方向に放射状に延びる複数のティースを有する固定子コアと、ティース間に形成されるスロットに収納される固定子コイルと、を備え、ティースは、円筒部から径方向に放射状に延びる基部と、基部の先端に接続部を介してそれぞれ設けられて、スロットへの前記固定子コイルの収納前は径方向に延在する伸張状態とされ、コイル収納後は接続部が変形されて周方向に折り曲げられた屈曲状態とされる一対の先端突起部とを有し、屈曲状態における接続部のスロット側には、Ｖ字形状切り欠きが屈曲変形されて形成された空隙が設けられ、Ｖ字形状切り欠きは、Ｖ字底部のＲ寸法がコア板材の厚さ寸法の３０％〜６０％に設定されていることを特徴とする。
請求項２の発明は、請求項１に記載の回転電機において、空隙がスロットに連通していることを特徴とする。
請求項３の発明は、請求項１に記載の回転電機において、空隙のスロット側は、先端突起部と基部とが密着していることを特徴とする。
請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の回転電機において、固定子コイルは、伸張状態において巻線状態とされた導線を基部に外挿するように装着したものであって、伸張状態における先端突起部の周方向幅寸法は、基部の周方向幅寸法よりも小さく設定されていることを特徴とする。
請求項５の発明は、請求項４に記載の回転電機において、複数のティースは円筒部の外周から放射状に形成され、固定子コアは、円筒状を成す回転子の内周側に隙間を介して配置されることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、先端突起部を屈曲させた際のコア板材の軸方向への盛り上がりを抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明による回転電機の概略構成を示す断面図である。
【図２】固定子２の一部を示す拡大図である。
【図３】コアシート３０の一部を示す図である。
【図４】固定子２の組み立て手順を示す図である。
【図５】ボビン５の装着過程を示す図である。
【図６】先端突起部４１ａ，４１ｂの曲げ工程を示す図である。
【図７】成形後の先端突起部４１ａ，４１ｂの形状を示す図である。
【図８】パンチ１１を用いた先端突起部４１ａ，４１ｂの成形加工を示す図である。
【図９】パンチ１２を用いた先端突起部４１ａ，４１ｂの成形加工を示す図である。
【図１０】パンチ１３を用いた先端突起部４１ａ，４１ｂの成形加工を示す図である。
【図１１】Ｖ溝１８および空隙８の形状を示す図である。
【図１２】分布巻コイル１５を用いた場合を示す図である。
【図１３】変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図を参照して本発明を実施するための形態について説明する。図１は，本発明による回転電機の概略構成を示す断面図である。図１に示す回転電機は、集中巻コイルで形成された外転型の回転電機であって、固定子２の外周側に回転子１が設けられている。固定子２のコア３は、珪素鋼板などを打抜き加工したもの（以下では、コアシートと称する）を積層することにより構成される。
【００１２】
コア３の円筒部４ａの外周には、放射状に形成された複数のティース４ｂが周方向等間隔に設けられている。各ティース４ｂには絶縁材料で形成したボビン５が装着され、そのボビン５に集中巻コイル６が巻回されている。コイル巻線には、例えば、断面が略矩形形状の絶縁皮膜付導線が使用される。後述するように、本実施の形態の回転電機では、コア３へのコイル６の装着を容易とするために、集中巻コイル６が巻回されたボビン５を、コア３の外周方向からティース４ｂに装着する構成となっている。
【００１３】
図１ではコイル６の端末線は接続されていないが，端末線はコイル間，中性点を接続されて電気回路が構成される。図示していないが、回転子１の内部には、磁石ロータもしくはかご型の銅ロータが同軸で組み込まれ、そのロータの両端を軸受で回転可能に支持することにより電動機または発電機を構成する。
【００１４】
図２は固定子２の一部を示す拡大図である。各ティース４ｂは、コイル６が装着される軸部４０と、先端突起部４１ａ，４１ｂとを有したＴ字形状をしており、先端突起部４１ａ，４１ｂの根元には空隙８が形成されている。ティース４ｂとティース４ｂとの間には、コイル６を収納するためのスロット１６が形成される。先端突起部４１ａ，４１ｂの根元に空隙８を設けた点が、本実施形態の回転電機の特徴である。
【００１５】
図３は、積層体であるコア３を構成するコアシート３０の一部を示す図である。図１，２に示す完成状態の固定子２では、先端突起部４１ａ，４１ｂは周方向に延在していて、ティース４ｂの形状はＴ字形状となっているが、コアシート３０の段階における先端突起部３４１ａ，３４１ｂは径方向に延在している。
【００１６】
コアシート３０の各先端突起部３４１ａ，３４１ｂの根元部分にはＶ字形状の切り欠き３１８が形成されている。この切り欠き３１８の角度θは、先端突起部３４１ａ，３４１ｂを成形加工する際の曲げ角度とほぼ同程度とされる。先端突起部３４１ａ，３４１ｂが設けられている部分の幅寸法Ｄ２は、軸部３４０の部分の幅寸法Ｄ１以下に設定される。また、切り欠き３１８の底の部分のＲ寸法はコアシート３０の板厚にも依るが、例えば、板厚ｔ＝０．３５ｍｍの場合には、少なくともＲ０．１〜Ｒ０．２程度とされる。他の板厚であっても、ほぼ同様の比率で設定される。
【００１７】
積層体としたときの各部との対応は、先端突起部３４１ａ，３４１ｂが先端突起部４１ａ，４１ｂに対応し、円筒部３０４ａが円筒部４ａに、軸部３４０が軸部４０に、切り欠き３１８が後述するＶ溝１８に、それぞれ対応している。
【００１８】
図４〜図１１は、固定子２の組み立て手順を説明する図である。ボビン５には予め絶縁皮膜付導線９が巻回されており、図４（ａ）に示す工程では、集中巻コイル６が巻装された状態のボビン５を、コアシート３０を積層して成るコア３のティース４ｂに差し込むように装着する。ボビン５にはティース４ｂが挿入される貫通穴５ａが形成されている。ティース４ｂの周方向側面には、コアシート３０の切り欠き３１８から成るＶ溝１８が形成されている。
【００１９】
図５はボビン５の装着過程を示したものであり、右側のティース４ｂは装着前の状態を示し、中央のティース４ｂは挿入過程の状態を示し、図示左側のティース４ｂは装着完了状態を示している。図３に示したように、先端突起部３４１ａ，３４１ｂの部分の幅寸法Ｄ２は、軸部３４０の部分（図５の軸部４０の部分）の幅寸法Ｄ１以下に設定される。そのため、Ｄ２＜Ｄ１と設定することで、ボビン５の装着作業がより行い易くなる。
【００２０】
ボビン５をティース４ｂの軸部４０に装着すると、図４（ｂ）および図５に示すように、先端突起部４１ａ，４１ｂがボビン５から外周側に突出する。次いで、図６に示すように先端突起部４１ａ，４１ｂを成形して、先端突起部４１ａ，４１ｂを周方向に曲げる。図７は、成形後の先端突起部４１ａ，４１ｂの形状を示す図である。
【００２１】
図８〜図１０は、先端突起部４１ａ，４１ｂの曲げ加工の手順を示したものである。先端突起部４１ａ，４１ｂの成形角度は９０度程度と大きいので、図８〜１０に示す例では、先端突起部４１ａ，４１ｂを一気に曲げるのではなく、３種類の成形用パンチ１１〜１３を用いて先端突起部４１ａ，４１ｂを３段階に分けて曲げるようにしている。図８，９に示すパンチ１１，１２は成形面１１ａ，１２ａが凸形状のパンチであり、図１０に示すパンチ１３は先端突起部４１ａ，４１ｂの最終形状を決めるパンチであり、成形面１３ａは凹形状をしている。
【００２２】
図８に示す第１段階では、角度θ１の成形面１１ａを有するパンチ１１をティース４ｂの外径側に配置し、矢印の方向へパンチ１１を移動させ、先端突起部４１ａ，４１ｂが図８（ｂ）に示す形状となるまで成形加工する。この成形加工により、先端突起部４１ａ，４１ｂは根元部分を中心に塑性変形し、開き角度がθ１となるとともに、Ｖ溝１８の間隔も狭くなる。
【００２３】
次に、成型用パンチを、角度θ１のパンチ１１から角度θ２（＞θ１）のパンチ１２に交換し、図９（ｂ）に示すように先端突起部４１ａ，４１ｂをさらに成形加工する。その結果、先端突起部４１ａ，４１ｂの開き角度がθ２となるとともに、Ｖ溝１８の間隔もさらに狭くなる。最後に、図１０に示すように、成形面１３ａを有するパンチ１３を用いて、先端突起部４１ａ，４１ｂの形状を最終的な形状、すなわち、周方向に沿った形状に成形する。
【００２４】
図４（ｃ）は先端突起部４１ａ，４１ｂを最終的な形状に成形した状態を示しており、周方向に折り曲げられた先端突起部４１ａ，４１ｂの外周面はほぼ円弧状を成している。このように先端突起部４１ａ，４１ｂを周方向に向けることで、鉄損を低減することができ、高効率化に寄与することができる。また、図７は、先端突起部４１ａ，４１ｂの根元部分のＶ溝１８の形状は成形加工によって大きく変形し、細長い空隙８に変化している。
【００２５】
従来、コイル６をティース４ｂに装着した後に先端突起部４１ａ，４１ｂを成形する構成の固定子２では、特許文献１の図１０等に記載のように、成形後の先端突起部４１ａ，４１ｂの根元部分に空隙が生じないように構成されていた。これは、ティース４ｂの軸部４０から先端突起部４１ａ，４１ｂへの磁束の流れを考慮したものであり、空隙があると磁束の流れが制限され回転電機の性能が低下するので、先端突起部４１ａ，４１ｂを成形したときにＶ溝１８が閉じるようにぴったりと密着して、隙間が形成されないように設計されていた。
【００２６】
ところで、先端突起部４１ａ，４１ｂを図８〜１０に示すように成形加工する際には、先端突起部４１ａ，４１ｂと軸部４０との接続部、すなわちＶ溝１８が形成された細くなっている部分（図３の符号Ａで示す部分）を塑性変形させることになる。その際に、Ｖ溝１８が形成されている側（曲げ加工の内側）では材料が圧縮され、反対に、曲げ加工の外側では材料が引き延ばされることになる。
【００２７】
一方、従来のように、図１に示すような空隙８が形成されないようにするためには、ティース４ｂに形成されたＶ溝１８の底の部分を、図１１（ａ）に示すようになるべく鋭角にする必要がある。その結果、曲げの内側で材料が圧縮されたときに、圧縮による材料の流れが非常に狭い部分に集中し、コアシート３０が厚さ方向に盛り上がるという現象が発生する。積層されたコアシート３０の各々に成形加工による盛り上がりが生じると、ティース先端部分の軸方向寸法が大きくなり、性能の低下等の不都合が生じることになる。
【００２８】
本実施の形態では、図３に示す切り欠き３１８のＲ寸法を大きくすることにより、従来のような盛り上がりを低減または防止することができる。図１１（ａ）に示す例では、Ｖ溝１８の底の部分のＲ寸法が非常に小さいため、符号Ｂ１で示した狭い領域に圧縮による材料の流れが集中しやすい。一方、図１１（ｂ）に示すようにＲ寸法を大きくすると、より大きな円弧の部分（符号Ｂ２で示す部分）に材料の流れを分散させることができ、材料がコアシート３０の厚さ方向に盛り上がるのを低減または防止することができる。
【００２９】
図１１（ｃ）は、先端突起部４１ａ，４１ｂが周方向に折り曲げられた後の形状を示したものである。符号１０で示した領域が、先端突起部４１ａ，４１ｂの根元の屈曲部であり、この屈曲部１０の内側（コイル６側）に空隙８が形成されることになる。屈曲部１０の内側では圧縮応力が作用し、屈曲部１０の外側では引っ張り応力が作用する。空隙８は、先端突起部４１ａ，４１ｂが折り曲げられることによって、図１１（ｂ）に示すＶ溝１８の角度θが小さくなって細長い溝状となったものである。そのため、曲げ成形後の溝８の幅寸法ｄは、Ｖ溝１８の底の部分のＲ寸法と同程度となる。
【００３０】
具体例をあげると、厚さｔがｔ＝０．３５ｍｍ、幅Ｄ１がＤ１＝２ｍｍコアシート３０を積層して高さ３４ｍｍのコア３とした場合で、Ｖ溝１８のＲ寸法を０．２ｍｍとすると、空隙８の幅寸法ｄは０．１〜０．２ｍｍとなる。空隙８の長さは０．８ｍｍである。空隙８の隙間がこの程度であれば、空隙８を貫通して磁束が流れることができ、磁束に対する影響を非常に小さくすることができる。なお、盛り上がりが防止できるＲ寸法はコアシート３０の厚さ寸法ｔにも依存しており、実際に曲げ加工を行った結果や変形解析等の結果によれば、少なくとも３０〜６０％に設定するのが好ましい。
【００３１】
上述した実施形態では、コイル６を集中巻コイルとしたが、図１２に分布巻コイルを用いた場合を示す。図１２（ａ）に示すように、絶縁皮膜付導線９を所定の形状で巻線して絶縁材１４で覆い、分布巻コイル１５を形成する。形成された分布巻コイルを１５は、コア３のスロット１６に挿入される。次いで、ティース４ｂの先端突起部４１ａ，４１ｂを成形して固定子２が形成される。また、上記の例では巻線した分布巻コイル１５を挿入しているが、直接ティース４ｂの軸部４０に巻線する方法でもかまわない。さらに、本実施例では集中巻コイル、分布巻コイルについて述べたが、他の巻線コイルでもかまわない。
【００３２】
（変形例）
図１３は、上述した実施の形態の変形例を示す図である。この変形例では、図１３（ａ）に示すように、Ｖ溝１８の底部に円弧１８ａを形成するようにした。図１３（ｂ）は曲げ加工後の形状を示したものであり、Ｖ溝１８の直線部は互いに密着し、ほぼ円形状の空隙８が形成されている。逆に、成形後の形状が図１３（ｂ）に示すような形状となるように、Ｖ溝１８および円弧１８ａの寸法が設定される。この場合も、曲げ加工時の材料の流れは円弧１８ａに沿って分散されるので、コアシート３０の盛り上がりを抑えることができる。さらに、成形後はＶ溝１８の直線部が密着しているので、上述した場合に比べて磁束の通りが良くなるという利点を有している。
【００３３】
上述のように、本実施の形態では、複数のティース４ｂは固定子コア３の円筒部４ａから径方向に放射状に延び、その先端には先端突起部４１ａ，４１ｂが屈曲可能に設けられている。先端突起部４１ａ，４１ｂは、スロット１６に固定子コイル６を収納する際には径方向に延在するような形状となっており、コイル収納後は、周方向に折り曲げられて固定子コイル６の回転子側端面を係止する屈曲状態とされる。その屈曲状態において、軸部４０と先端突起部４１ａ，４１ｂとが連通する屈曲部１０のコイル側、すなわち先端突起部４１ａ，４１ｂの根元部分に空隙８が形成されるように構成されている。その結果、曲げ加工時の材料の流れが空隙８の縁に沿って分散し、板材の軸方向への盛り上がりを防止することができる。
【００３４】
このような空隙８が形成されるようにするために、曲げ加工前の先端突起部４１ａ，４１ｂが軸部４０に対して径方向に延在している状態では、先端突起部４１ａ，４１ｂと軸部４０との間に楔形状の溝１８が形成され、溝１８の底部をＲ形状としたり、図１３のように円弧１８ａを形成したりして滑らかな円弧形状となるようにしている。
【００３５】
なお、上述した実施の形態では、予め巻線されたコイルをティース４ｂの軸部４０に挿入する構成を例に説明したが、先端突起部４１ａ，４１ｂを径方向に延在するような形状とさせた状態で、ティース４ｂに線材を巻回してコイルを形成し、その後、先端突起部４１ａ，４１ｂを周方向に成形するような構成の場合にも、本発明は適用することができる。また、固定子コアにコイルを装着した後に先端突起部４１ａ，４１ｂを周方向に成形する構成の回転電機であれば、外転型に限らず内転型の回転電機にも本発明は適用できる。
【００３６】
上述した各実施形態はそれぞれ単独に、あるいは組み合わせて用いても良い。それぞれの実施形態での効果を単独あるいは相乗して奏することができるからである。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。
【符号の説明】
【００３７】
１：回転子、２：固定子、３：固定子コア、４ａ，３０４ａ：円筒部、４ｂ，３０４ｂ：ティース、５：ボビン、６，１５：コイル、８：空隙、１０：屈曲部、１１，１２，１３：パンチ、１６：スロット、１８：Ｖ溝、３０：コアシート、４０，３４０：軸部、４１ａ，４１ｂ，３４１ａ，３４１ｂ：先端突起部、３１８：切り欠き
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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