(57)【要約】【課題】外周側鉄心と内周側鉄心とを嵌合させる際に、両者の中心を容易に合わせることができる回転電機の固定子を提供する。【解決手段】回転電機の外周方向に向けて放射状に延びるティース１０９を備えた内周側鉄心１１１と、ティース１０９間に配置された固定子巻線１０７と、外周側鉄心１１０とを有し、外周側鉄心１１０を回転電機の軸方向からティース１０９の先端部に圧入することにより回転電機の固定子１００を形成する際、内周側鉄心１１１の軸方向における一端面に平面形状が内周側鉄心１１１と同一である端板１１２を配置するとともに、端板１１２において、板厚方向であって、内周側鉄心１１１と外周側鉄心１１０との当接面であり、軸方向に重なる位置に配置される部位に第２の面取り部１１４を設ける。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転電機の外周方向に向けて放射状に延びるティースを備えた内周側鉄心と、上記ティース間に配置された固定子巻線と、外周側鉄心とを有し、上記外周側鉄心を上記回転電機の軸方向から上記ティースの先端部に圧入することにより形成される回転電機の固定子であって、上記内周側鉄心の上記軸方向における一端面に平面形状が上記内周側鉄心と同一である端板を配置するとともに、上記端板において、板厚方向であって、上記内周側鉄心と上記外周側鉄心との当接面であり、軸方向に重なる位置に配置される部位に第２の面取り部を設けたことを特徴とする回転電機の固定子。
【請求項２】
上記端板において、板厚方向であって、上記固定子巻線が挿入されるスロット部の外周の一部を形成する箇所に第１の面取り部を設けたことを特徴とする請求項１記載の回転電機の固定子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は回転電機の固定子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
回転電機の性能を向上させる手段として、固定子における固定子鉄心スロット内の巻線占積率を向上させることが考えられる。その実現手段の一つとして固定子鉄心を分割する方法がある。一体型の鉄心では巻線のための作業スペースが必要となるため、巻線後にスロット内に隙間が残るのに対し、固定子鉄心分割方式では、予め分割しておいた鉄心を巻線後に組み立てるので、巻線のための作業スペースが不要となる。
【０００３】
固定子鉄心分割方式としては多くの方式が存在し、そのうちのひとつに放射状のティース部を含む内周側鉄心と、略円筒形である外周側鉄心の２つに分割する内外分割鉄心方式がある。内周側鉄心のみの状態で巻線を施し、巻線後に外周側鉄心を組み合わせて固定子全体を構成するものである。この方式によると、コイルの占積率を最大限に高めた固定子を製作することができる。
【０００４】
特許文献１は内外分割鉄心方式に集中巻を施したものである。予め樹脂製のインシュレータに巻線を施しておき、それを内周側鉄心のティース部に嵌めこむ。ティース部に直接巻線を施す場合には隣接ティースの巻線間には巻線を施すための作業スペースが必要なため、巻線同士の間には必ず隙間が生じてしまう。これに対して特許文献１に示されているように巻線済みのインシュレータを挿入する方式であれば、各巻線間の隙間を最小限にすることができるので占積率を向上させることができる。
【０００５】
そして内周側鉄心に巻線を施した後、外周側鉄心を組み合わせて固定子を構成するものである。この際、固定子鉄心内での磁気抵抗増大を防ぐため、内周側鉄心と外周側鉄心との間に隙間を生じさせないことが望ましい。また固定子にはトルクや振動が作用するため、両者を機械的に保持しておく必要もある。そのため内周側鉄心と外周側鉄心との組み立ては一般的に圧入が用いられている。特許文献１は内外分割鉄心方式に集中巻を施した固定子に関するものであるが、分布巻において適用した場合でも同様に巻線の作業スペースが不要となるためスロット内の巻線占積率向上を図ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−１６１０３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述のように内外分割鉄心方式においては、内周側鉄心と外周側鉄心とは圧入で組み立てられるのが一般的である。しかし圧入する際、内周側鉄心と外周側鉄心との軸心を高精度に合わせるとともに、お互いの角度を高精度に合わせる必要がある。これらの位置合わせが不十分である場合には圧入できないか、あるいは圧入中に鉄心同士にかじりが生じて鉄心の一部に過大な荷重が作用して鉄心が破損してしまうという問題があった。
【０００８】
この発明は上記のような問題点を解消するためになされたものであり、外周側鉄心と内周側鉄心とを嵌合させる際に、両者の中心を容易に合わせることができる回転電機の固定子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明に係る回転電機の固定子は、回転電機の外周方向に向けて放射状に延びるティースを備えた内周側鉄心と、ティース間に配置された固定子巻線と、外周側鉄心とを有し、外周側鉄心を回転電機の軸方向からティースの先端部に圧入することにより形成されるものであって、内周側鉄心の軸方向における一端面に平面形状が内周側鉄心と同一である端板を配置するとともに、端板において、板厚方向であって、内周側鉄心と外周側鉄心との当接面であり、軸方向に重なる位置に配置される部位に第２の面取り部を設けたものである。
【発明の効果】
【００１０】
上記のように構成された回転電機の固定子においては、内周側鉄心と外周側鉄心との圧入工程において、第２の面取り部によって内周側鉄心と外周側鉄心との中心軸のずれが解消されるので、両鉄心同士の位置決めを容易に行うことができ、圧入の不良を低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施の形態１による回転電機を示す断面図である。
【図２】固定子部分を示す平面部分断面図である。
【図３】内周側鉄心部を示す部分斜視図である。
【図４】１つのティースを図３のＸ方向から見た正面図である。
【図５】１つのティースを図３のＸ方向から見た正面図である。
【図６】固定子部分を示す平面部分断面図である。
【図７】亀甲コイルを示す平面図（Ａ）及び正面図（Ｂ）である。
【図８】内周側鉄心に亀甲コイルを組み込む様子を示す断面図である。
【図９】組み込み前の亀甲コイルの形状を示す正面図（Ａ）及び組み込み後の亀甲コイルの形状を示す正面図（Ｂ）である。
【図１０】内周側鉄心に亀甲コイルを挿入する状態を示す正面図である。
【図１１】内周側鉄心と外周側鉄心を圧入する一連の過程を示した部分側面断面図である。
【図１２】内周側鉄心と外周側鉄心を圧入する一連の過程を示した部分側面断面図である。
【図１３】内周側鉄心と外周側鉄心を圧入する一連の過程を示した部分側面断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
実施の形態１．
以下本実施形態を図に基づいて説明する。図１は実施の形態１による回転電機を示す断面図である。固定子１００は略円筒形状に構成されており、モータケース１０２によって外周を保持されている。固定子１００の内側に所定の空隙を介して回転子１０１が配置される。回転子１０１においては、略円筒形状に構成された回転子鉄心１０１ａの外周面に永久磁石１０１ｂが接着によって固定され、回転子鉄心１０１ａの中心にはシャフト１０１ｃが固定されて回転子鉄心１０１ａと一体となっている。シャフト１０１ｃはモータケース１０２に組み込まれたベアリング１０４、およびベアリングホルダ１０３に組み込まれたベアリング１０５で支持されている。
【００１３】
図２は固定子部分を示す平面部分断面図である。図２において、固定子は固定子鉄心１００ａに形成されている複数のスロット１０６内に配置された固定子巻線１０７と、固定子鉄心１００ａと固定子巻線１０７との間を電気的に絶縁するインシュレータ１０８を備えている。そして固定子巻線１０７は複数のティース１０９の間に配置されている。なお固定子巻線１０７を構成する導体は１本ずつその周囲がポリイミド等の絶縁被膜材が塗布されており互いに電気的に絶縁されているが、図２においては、図示を省略している。固定子鉄心１００ａは回転電機の外周方向に向けて放射状に延びるティース１０９を備えた内周側鉄心１１１と、外周側鉄心１１０で構成され、両者は圧入によって組み立てられて一体となっている。圧入の工程については後述する。
【００１４】
図３は内周側鉄心１１１部を示す部分斜視図である。なお図においては、固定子巻線は図示を省略している。固定子鉄心１００ａは渦電流による損失を低減するために薄板の鋼板を積層することにより構成されており、内周側鉄心１１１も同じく複数の鋼板を積層した構造である。内周側鉄心１１１の回転電機軸方向端面に平面形状が内周側鉄心と略同一である端板１１２が配置されている。端板１１２は内周側鉄心１１１の端面にかしめ、溶接あるいは接着によって固定されている。図４は１つのティースを図３のＸ方向から見た正面図である。尚端板１１２は内周側鉄心１１１の一端面のみに設けても良いし、又両端面に設けても良い。端板１１２の材質としては例えば鉄が挙げられ、鋼板で構成することが出来る。この場合、鉄心の積層鋼板を構成する鋼板と同じ材質である必要は必ずしもなく、例えば積層鋼板が電磁鋼板で構成され、端板が一般的な圧延鋼板でもよい。また、他の金属材料、例えばステンレスや銅やアルミニウムも端板材料として適用可能である。さらに、樹脂や厚紙によって端板１１２を構成することも可能である。
【００１５】
図４に示すように端板１１２のティース側面部であって、上面角部には第１の面取り部１１３が施されている。尚この場合の上面とは、後述するように、内周側鉄心１１１と外周側鉄心１１０を圧入で組み立てる際に、最初に内周側鉄心１１１と外周側鉄心１１０が接触する側の端板１１２の端面である。第１の面取り部１１３の角度Ａは１５度〜４５度である。第１の面取り部１１３の角度Ａが１５度以下の場合、第１の面取り部１１３上端の角部１１３ａから端板の端面１１２ａまでの距離Ｂが小さくなってしまうため、後述するコイル組み込み時において角部１１３ｂにコイルが押し付けられることによってコイル絶縁被膜やインシュレータの損傷が生じて電気絶縁性能が低下する。
【００１６】
逆に角度Ａが４５度を超えると面取り部下端の角部１１３ｂによってインシュレータやコイル絶縁被膜が損傷を受けてしまう。端板１１２の軸方向の板厚Ｃは内周側鉄心１１１を構成する１枚の積層鋼板の厚さよりも大きいものとする。コイル絶縁被膜やインシュレータは積層鋼板端部に面取りを施すことによって、ある程度は保護することができるが十分ではない。そのため端板１１２を追加することによって積層鋼板では形成できない大きな面取り部を設けるものである。従って、端板１１２の板厚Ｃは積層鋼板より大きくする必要がある。なお上面角部の形状としては図５に示すような円弧形状でもよく、この場合は端板の端面１１２ａで円弧と端面が接する形状とする。ここで挿入されるコイルを保護するために面取り部を設けるためには、端板１１２の板厚は最小となるように設計する。鉄心を構成する積層鋼板の一枚の鋼板に面取りを設けることも可能だが、それでは十分でない場合に端板１１２を配置する。従って、鋼板よりも大きな面取りを施すためには、端板１１２は一枚の鋼板以上の板厚とする必要がある。
【００１７】
一方、外周側鉄心１１０には端板が配置されていない。従って、内周側鉄心１１１に取り付けた端板１１２に対しては、外周側鉄心１１０には当接する相手となる鋼板は存在しない。そのため、端板１１２を鋼板で構成した場合でも端板部分の磁気回路は不完全であるため電磁気的には固定子鉄心１００ａの積層枚数を増やしたことにはならない。また、外周側鉄心１１０の方の積層枚数を増やして端板１１２に当接する相手となる鋼板を配置した場合でも、端板１１２に面取りが施してあるために外周側鉄心１１０との間には空隙が存在しており磁気抵抗が大きくなってしまう。以上の理由により、端板１１２を鋼板で構成した場合でも電磁気的には固定子鉄心１００ａの一部としての性能向上にはわずかしか寄与しない。一方、端板１１２を配置した場合には固定子鉄心１００ａの総積層厚増加による製品サイズの増加や、コイル長さの増大によるコスト増大並びにコイル抵抗値増大といったデメリットがある。従って、端板１１２はコイル保護のために必要最小限の厚さとすることが望ましい。コイルの保護として考えると、端板１１２の面取り部分の長さを板厚Ｃの半分とし、必要な面取りの大きさは最大でコイル線径程度であるため、端板１１２の板厚Ｃは少なくともコイル線径の２倍程度あればよい。
【００１８】
端板１１２のティース正面部であって上面角部には、図３に示すように、更に第２の面取り部１１４が設けられている。即ち内周側鉄心１１１と外周側鉄心１１０を圧入で組み立てる際に、最初に外周側鉄心１１０が接触する端板１１２の端面角部において第２の面取り部１１４を設けたものである。最初に外周側鉄心１１０が接触する端板１１２の端面以外の端面において第２の面取り部１１４を設けても意味がない。第２の面取り部１１４はティース側面に設けられた第１の面取り部１１３と同様の断面形状となっている。図３では第１の面取り部１１３と第２の面取り部１１４は同様の断面形状となっているが、必ずしも同じである必要はない。第１の面取り部１１３はコイル保護のための面取り部であり、第２の面取り部１１４は外周側鉄心１１０をガイドするための面取り部である。それぞれの目的が異なるため、お互いの形状が異なっていても問題なく、それぞれの目的を達成できるなら両者が同様の断面形状でもよい。
【００１９】
実施の形態１においては分布巻方式を採用しており、固定子巻線１０７はあるスロットと、そのスロットから所定のピッチ離れた他のスロット間を結ぶように巻回される。例えば図６に示すように、スロット内の内周側に配置されている導体１１５は、そこから反時計回りに６スロット離れたスロットの外周側に配置された導体１１７と対をなしており、同じスロットに配置されている導体１１６も６スロット離れた導体１１８と対をなす。同様に隣接するスロットに配置されている導体１１９、導体１２０もそれぞれ６スロット離れた導体１２１、導体１２２と対をなしている。そしてこれらの対をなす導体同士は固定子鉄心の軸方向端部において繋がっており、その連結部でコイルエンドを構成している。
【００２０】
以上のような固定子巻線を構成する方法として、図７に示す亀甲コイル１２３がある。図７（Ａ）は亀甲コイルを示す平面図、図７（Ｂ）は同じく正面図である。亀甲コイル１２３にはスロット内に配置される直線部分１２３ａ、１２３ｂがあり、直線部分の長さは少なくとも内周側鉄心１１１の軸方向高さ以上とする。さらに直線部分１２３ａ、１２３ｂを連結するコイルエンド部１２３ｃ、１２３ｄ、及び他の亀甲コイルとの連結部あるいは固定子巻線の端末部となるコイル末端部１２３ｅ、１２３ｆで構成されている。当該コイルはポリイミド等の絶縁被膜材を塗布した銅線を用いて形成され、銅線の断面形状は角形や円形である。
【００２１】
スロット内の占積率を高くするため、角形断面の場合は直線部分がスロット内に配置されたときに可能な限りスロット内に隙間が残らないような断面形状とする。円形断面の場合はスロット内に配置したときに固定子鉄心との隙間が大きくなってしまうため、スロット内に配置される直線部分１２３ａ、１２３ｂのみ角形断面形状になるようにコイル断面形状を成形してもよい。この場合は安価な丸線を用いながら必要箇所のみ角形断面にして占積率を向上できるという効果がある。
【００２２】
次に内周側鉄心１１１への亀甲コイル１２３を組み込む方法について説明する。亀甲コイル１２３は直線部分１２３ａ、１２３ｂの両端がコイルエンド部１２３ｃ、１２３ｄで連結されており、内周側鉄心１１１のティース１０９にコイルエンド１２３ｃ、１２３ｄが干渉するため軸方向からスロット１０６に組み込むことはできない。そこで内周側鉄心１１１から半径方向外側に離れた場所に亀甲コイル１２３を配置しておき、そこから半径方向内側に亀甲コイル１２３を押し込むことでスロット１０６内の所定の位置に亀甲コイル１２３を組み込む。図８は組み込み作業時の内周側鉄心１１１、亀甲コイル１２３の位置関係を示した断面図である。
【００２３】
組み込み完了後の亀甲コイル直線部分１２３ａ、１２３ｂがコイル位置１２４、１２５であるのに対し、組み込み作業初期位置はそれぞれ半径方向外側に離れたコイル位置１２６、１２７にある。内周側鉄心１１１と亀甲コイル１２３の軸方向位置は、亀甲コイル１２３の直線部分１２３ａ、１２３ｂの範囲に内周側鉄心１１１の両端面が含まれるような位置関係とする。初期のコイル位置１２６、１２７の状態から、亀甲コイル１２３を半径方向に中心に向かって矢印方向に亀甲コイル１２３がスロット１０６の底に入るように押し込む。これにより亀甲コイル１２３がスロット１０６内の所定位置に収まり、内周側鉄心１１１への亀甲コイル１２３の組み込みが完了する。なお分かり易くするために図８においては、亀甲コイル１個分しか示されていないが、実際は全てのスロット１０６に亀甲コイル１２３が配置されており、全ての亀甲コイル１２３を上記と同様にしてスロット１０６内に押し込む必要がある。
【００２４】
以上の組み込み工程を実行した後、亀甲コイル直線部分１２３ａ、１２３ｂのピッチがＤからＥに小さくなる。コイルエンド部１２３ｃ、１２３ｄは直線部分１２３ａ、１２３ｂと連続しているため、直線部分１２３ａ、１２３ｂのピッチが小さくなるとコイルエンド部１２３ｃ、１２３ｄも変形する。図９（Ａ）は組み込み前の亀甲コイル１２３の形状を示す正面図、図９（Ｂ）は組み込み後の亀甲コイル１２３の形状を示す正面図である。組み込み前後で直線部分１２３ａ、１２３ｂのピッチがＤからＥに変化するのに伴い、コイルエンド部１２３ｃ、１２３ｄは略三角形状の頂点が高くなるように変形する。
【００２５】
このようにコイル組み込み時にはコイルエンド部１２３ｃ、１２３ｄを変形させて直線部分１２３ａ、１２３ｂのピッチを小さくする必要があるため、亀甲コイル１２３と積層鉄心間に大きな荷重が作用する。コイルエンド部１２３ｃ、１２３ｄが変形するので、コイルエンド部１２３ｃ、１２３ｄに近い内周側鉄心１１１の軸方向両端面近傍に荷重が集中して作用する。図１０は内周側鉄心に亀甲コイルを挿入する状態を示す正面図である。コイル組み込み時には亀甲コイル１２３は内周側鉄心１１１に押しつけられるが、積層鉄心の端面には端板１１２が備わっているため、荷重のほとんどは端板１１２で受けることになる。
【００２６】
このとき端板１１２には第１の面取り部１１３が設けられているため接触範囲が広くなり、単位面積あたりに作用する荷重が低減する。即ち内周側鉄心１１１と略同一形状である端板１１２において、板厚方向であって、亀甲コイル１２３が挿入されるスロット１０６部の外周の一部を形成する箇所に第１の面取り部１１３を設けることにより、亀甲コイル１２３と端板１１２との間に挟まれるインシュレータ１０８やコイル絶縁被膜の損傷が回避できる。端板１１２がない場合には積層鉄心端面角部に大きな荷重が作用するため、局所的に大きな荷重が作用することになる。そのためインシュレータ１０８やコイル絶縁被膜の損傷が生じて固定子巻線１０７が鉄心に直接接触してしまう恐れがある。しかし本実施形態においてはこのような恐れはなくなる。
【００２７】
次に亀甲コイル１２３を組み込んだ内周側鉄心１１１のティース１０９の先端部に対し外周側鉄心１１０を圧入する。図１１〜１３は巻線後の内周側鉄心１１１と外周側鉄心１１０を圧入する一連の過程を示した部分側面断面図である。なお図においては、分かり易くするためコイルは省略されており、ティース１０９部分の断面を拡大して示している。図１１は圧入前の鉄心位置を示すもので、ここでは内周側鉄心１１１を固定し、外周側鉄心１１０を図の上方から下方に動かして圧入する場合を示している。図１１においては内周側鉄心１１１のティース先端の嵌合面１１１ａと外周側鉄心１１０の嵌合面１１０ａは同一面上に無く、２つの鉄心の中心軸にずれが生じている状態を表している。
【００２８】
図１２は外周側鉄心１１０の下面が内周側鉄心１１１に配置された端板１１２に接触するまで下ろした状態を示しており、外周側鉄心嵌合面１１０ａの下端部が端板１１２のティース部先端に設けられた第２の面取り部１１４に接触している。外周側鉄心１１０が端板１１２の第２の面取り部１１４の一部に接触すると、外周側鉄心１１０に対して横方向に力が作用し、内周側鉄心１１１との中心軸のずれが小さくなる方向に移動する。さらに外周側鉄心１１０を下ろしていくと、端板１１２の面取り部１１４によって内周側鉄心１１１と外周側鉄心１１０との中心軸のずれが解消され、図１３に示すように外周側鉄心１１０と内周側鉄心１１１の嵌合面が同一面となる。この状態からさらに外周側鉄心１１０を押し下げていくことで、内周側鉄心１１１と外周側鉄心１１０が圧入固定される。
【００２９】
以上のように、外周側鉄心１１０と内周側鉄心１１１とを嵌合させる際に、端板１１２の端部断面に第２の面取り部１１４を設けることにより、両者の中心を容易に合わせることができる。即ち内周側鉄心１１１と略同一形状である端板１１２において、板厚方向であって、内周側鉄心１１１と外周側鉄心１１０との当接面であり、軸方向に重なる位置に配置される部位に第２の面取り部を設けることにより、両者の中心を容易に合わせることができる。なお上記においては第２の面取り部１１４の形状として直線状の斜面で形成した場合について説明したが、図５に示すような円弧形状に形成しても同様の効果が得られる。又本実施形態では亀甲コイル１２３の配置として６スロット分離れたスロット間を結ぶ場合について説明したが、このスロットピッチは回転電機の電磁気設計によっては２以上の整数値を取りうるものであり、他のスロットピッチに構成しても上記と同様の効果は得られる。
尚本発明は、その発明の範囲内において、各形態を自由に組み合わせたり、各形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。
【符号の説明】
【００３０】
１００  固定子、１０６  スロット、１０７  固定子巻線、１０９  ティース、
１１０  外周側鉄心、１１１  内周側鉄心、１１２  端板、１１３  第１の面取り部、
１１４  第２の面取り部。
【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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