(57)【要約】      （修正有）【課題】ステータコアが締り嵌めで組み込まれたフレームで発生する応力を低減する。【解決手段】電気機械は、締り嵌めによってフレームに組み込まれたラミネーションコアを有する。コアは、締り嵌めを形成する表面の周囲に切欠部３２を有し、この切欠部によってフレームにおける応力が低減される。切欠部は、コアの外面から機械の中心に向かって延びる。本発明は、動作温度や保管温度が低くなる場合に特に有用である。本発明は、また、軸をロータコアに嵌めこむ場合にも適用される。【選択図】図３
2016144391.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
略円環部を規定する電気機械用ステータコアであって、前記略円環部は、当該略円環部から径方向内方に延びるステータポールを有し、１つ以上の切欠部が、前記略円環部の外輪郭に、当該外輪郭から径方向内方に延び、各切欠部は、角度方向において各々のステータポールの側面の間に設けられるとともに、前記略円環部の径方向範囲の少なくとも半分に亘って前記略円環部内方に延びる。
【請求項２】
各切欠部は、前記各々のステータポールの中心と一致する半径を中心とする、請求項１に記載のステータコア。
【請求項３】
各切欠部は、前記略円環部の径方向範囲を超えて前記各々のステータポールの径方向内方に広がる、請求項１または２に記載のステータコア。
【請求項４】
各切欠部は、当該切欠部の径方向深さの２０％〜５０％の弦に亘って角度方向に広がる、請求項１ないし３のいずれか一項に記載のステータコア。
【請求項５】
各切欠部は、 内側切欠底部から径方向および角度方向外方に延びる側面を有する、請求項１ないし４のいずれか一項に記載のステータコア。
【請求項６】
各切欠部は、前記内側切欠底部の領域においてアール付き輪郭を有する、 請求項５に記載のステータコア。
【請求項７】
各切欠部は、前記ステータコアの軸方向範囲に亘って軸方向に広がる、請求項１ないし６のいずれか一項に記載のステータコア。
【請求項８】
前記ステータコアを形成するために共に重ねられたラミネーションの積層から形成された、請求項１ないし７のいずれか一項に記載のステータコア。
【請求項９】
請求項１ないし８のいずれか一項に記載のステータコアと、前記ステータコアを保持するフレームと、を備え、前記ステータコアとフレームとは締り嵌めされている、電気機械。
【請求項１０】
前記１つ以上の切欠部に接続されて、前記１つ以上の切欠部に冷却液を供給する冷却液供給部を備える、請求項９に記載の電気機械。
【請求項１１】
前記電気機械は、スイッチドリラクタンス機械である、請求項９または１０に記載の電気機械。
【請求項１２】
１つ以上の別のラミネーションと重ねられて請求項８に記載のステータコアを形成するよう成形される、ラミネーション。
【請求項１３】
締り嵌めによってステータコアを電気機械のフレームに保持させる方法であって、前記ステータコアの外輪郭に１つ以上の切欠き部を設けることによってステータコアの設計準備を行う工程と、前記ステータコアを前記フレームに組み込む際の前記フレームにおける応力を低減するように前記切欠部の形状を調節する工程と、を備える。
【請求項１４】
前記切欠部の形状を調節する工程は、前記機械内における磁路長の増加を許容可能レベルに維持しつつ、前記ステータコアを前記フレームに組み込む際の前記フレームにおける応力を低減するように前記切欠部の形状を調節する工程を備える、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記ステータコアの設計に従ってステータコアを製造する工程を含む、請求項１３または１４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主に、電気機械に用いられるステータに関する。特に、本発明は、フレーム内にステータを収容し、突出極の周りに集中巻線を有する電気機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気機械は、一般に、電力源に接続される１つ以上の巻線を有するステータと、該ステータの内側または外側で回転するように配置されるロータと、を備える。一般に、ステータおよびロータの双方は電磁薄鋼板のラミネーションから形成され、ラミネーションを重ねたものがまとまって、通常ステータコアおよびロータコアとして知られるブロックになる。ステータコアを収容するために用いられる筐体の種類には多くの形態がある。例えば、ステータコアを囲むフレームを全くまたは事実上有さず、家電製品では一般的にサイズが小さい「フレームレス」構造を用いた機械や、基本的なフレームのみを用いて塵や水はねからステータを保護する機械や、ステータからのトルク反力に耐性がありトルク反力を機械の周辺環境に伝達するように設計される完全囲繞フレームを有する機械がある。本発明は、特に、この最後の部類の機械、つまり、ステータを囲繞且つ収容するフレームを有する機械に関する。
【０００３】
ステータをトルク反力に逆らってフレーム内にしっかり保持するために、締り嵌めによってステータをフレームに組み込むことが一般的な方法になっている。締り嵌めを行うことによって、ステータコアとフレームとの間の熱インピーダンスが低くなるという付加的な利点もあり、ある種の冷却ジャケットをフレーム内に設けて、機械の損失を取り出して他へ放出させることが一般的な方法になっている。フレームは、さまざまな方法で作製することができる。例えば、フレームは、予備成形した金属片から製造したり、主にアルミニウムや鉄などの溶融金属から鋳造したりすることができる。アルミニウムの利点は、必要な強度のフレームをより軽く生成できるということであり、比較的簡単に必要な仕上がり寸法に機械加工できる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
締り嵌めによるフレームへのコアの組み立ては、一般に、以下の２つの分類のうちの１つにあてはまる。つまり、２つの構成要素を室温で一緒に押圧する場合（これは小型機械の場合によく用いられる）と、どちらか一方または双方の構成要素の熱膨張または熱収縮を利用して、双方の構成要素が共に摺動している間は締り嵌めを一時的に解消する場合とがある。フレームとコアは基本的に同軸の円筒部であると仮定すると、締り嵌めによる組み立て後、内側円筒部（つまり、コア）は圧縮され、外側円筒部（つまり、フレーム）は伸張される。この圧縮伸張が起こる範囲は、２つの要素の相対剛性によって決まる。
【０００５】
一般的に、コアは電磁鋼からなり、電磁設計上の要求条件から剛性構造となるので、コアはフレームよりもはるかに剛性がある。対照的に、フレーム（特にアルミニウム製の場合）は、フレームを厚くすることなく他の機械的要件や熱的要件を概ね満たすためにコアよりもはるかに剛性が乏しく、そのうえ、設計者は通常、商業的圧力の下でフレームをできるだけ軽くしなければならない。
【０００６】
鋼とアルミニウムでは温度膨張係数が異なるため、締り嵌めの度合いは、上記構成要素の温度に左右される。構成要素の温度が動作温度１５０℃に上昇すると、周囲温度２０℃で例えば０．２ｍｍの締り嵌めが漸減するので、設計者はその温度でも十分に必要なトルク伝達が行われることを保証しなければならない。一方、温度が例えば最低保管温度−５０℃まで低下すると、アルミフレームにおける応力が上昇して、設計上の大きな課題となる。
【０００７】
図１は、アルミフレームに収容される例示のステータのセグメント１０の一つを示す図である。ステータは、複数の突出極１４を有し、突出極１４の周りには１つ以上の巻線（分かりやすいように、図示なし）が配置されている。突出極は、一般に「バックアイアン」と呼ばれるステータの円環部から内方に延びる。図を簡素化するため、アルミフレームは単純な円環として図示されている。本図は、温度２０℃で締り嵌めが０．２２ｍｍの場合を示す。この締り嵌め量は、＋１５０℃で適切なトルク伝達が行われるように選定されたものである。締り嵌めによるフレーム１２の応力等高線を、ＭＰａを用いて示す。ステータコアは周方向に均一でないため、フレームにおける応力は周方向に変化する。予想されるように、ステータの剛性はポール中心線上で最も高く、フレーム１２における最大応力はこの中心線を中心とする。最大応力は９５ＭＰａ、最小応力は８２ＭＰａである。これらの応力レベルは、電気機械の場合、許容範囲レベル内とみなされる。
【０００８】
図２は、同じ構成要素を、数多くの応用分野で一般的な最低動作温度である−４０℃の場合で示す。最低応力は１０４ＭＰａに増加し、最大応力は１２０ＭＰａに増加している。これは、理想的な円筒部の応力レベルであるが、実際には、フレームには、全てが応力集中部となる他の特徴（例えば、取り付け位置、フィン、冷却設備など）も求められる。また、鋳造フレームは、鋳造による含有物やその他欠陥を有しやすく、それらもまた応力集中部となる。鋳造アルミニウムの降伏応力は一般的に約２２０ＭＰａであるが、応力集中部を必然的に有する実際のフレームの数値は、それよりはるかに低くなる。したがって、実際のフレームの安全率は、図２に示される−４０℃の場合の応力レベルにより低下すると思われるため、フレームが永久変形したり破損したりする虞がある。
【０００９】
図示される例示の構成要素の場合、締り嵌めを低下させてフレームにおける応力を低下させることは、＋１５０℃でのトルク伝達において妥協することになるので不可能である。したがって、ステータ設計は、フレームを厚くしたりその結果としてコスト増に悩むことなく、この組立品の機械により生じるトルクの伝達性を保ちながらフレームにおける応力を低減できるように行う必要がある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、添付の独立請求項によって定義される。本発明の好適な特徴は、独立請求項にそれぞれ従属する請求項に記載する。
【００１１】
いくつかの実施形態では、電気機械用のステータコアが提供される。ステータコアは、略円環部を規定し、この略円環部は、当該略円環部から径方向内方に延びる複数のステータポールを有する。１つ以上の切欠部が、当該略円環部の外輪郭に設けられて、当該外輪郭から径方向内方に延び、各切欠部は、角度方向において各々のステータポールの側面の間に設けられるとともに、前記略円環部の径方向範囲の少なくとも半分に亘って前記略円環部内に径方向に延びる。有利なことに、ステータポールの略円環部に１つ以上の切欠部を設けることによって、締り嵌めによってステータポールをフレームに取り付ける際に、ステータとの締り嵌めによって発生するフレームにおける最大応力が所定の締り嵌め強度に対して低くなる。これについて、以下で詳細に説明する。
【００１２】
ステータコアおよびフレームには、熱膨張係数の異なる材料を用いてもよい。この場合、フレームにおける応力も温度と共に変動し、ステータコアとフレームの熱膨張係数差が大きいほどこの変動は大きくなる。したがって、熱膨張係数差が大きいほど、切欠部によってもたらされる応力低減による効果は大きい。いくつかの実施形態では、ステータコアは鋼（例えば、ステータのラミネーションに一般に用いられるような磁気的に柔らかい鋼）からなり、フレームはアルミニウムやアルミニウム合金から製造される。
【００１３】
疑義を避けるために、ステータコアは、別の方法で構成される他の切欠部の存在を排除することなく、本明細書に記載するような構成を各々が有する１つ以上（例えば２つ以上）の切欠部を備えていてもよい。いくつかの実施形態では、他の切欠部が本開示に沿って構成されているか否かにかかわらず、１つ以上の切欠部は、本開示に沿って互いに異なる構成を有していてもよい。いくつかの実施形態では、各ステータポールに少なくとも１つの切欠部、例えば、各ステータポールに１つの切欠部が設けられる。いくつかの実施形態では、全てのステータポールに切欠部が設けられるとは限らず、切欠部は回転対称に配置される。例えば、切欠部は１つおきのポールに設けてもよい。いくつかの実施形態では、切欠部の位置は、ともすれば応力集中部にもなるフレームの特徴に関係する。さらに別の実施形態では、切欠部は、ステータコアの軸方向全長に亘って延びるものではない。
【００１４】
いくつかの実施形態では、各切欠部は、各々のステータポールの中心と一致する半径を中心としてもよい。切欠部は、略円環部の径方向範囲を超えて各々のステータポールの径方向内方に広がっていてもよい。各切欠部は、当該切欠部の径方向深さの２０％〜５０％の弦に亘って角度方向に広がっていてもよい。
【００１５】
いくつかの実施形態では、各切欠部は、内側切欠底部から径方向および角度方向外方に延びる側面を有していてもよい。各切欠部は、上記内側切欠底部の領域においてアール付き輪郭を有していてもよい。さらに、各切欠部は、略円環部の外輪郭に繋がって、当該切欠部と外輪郭とが繋がる領域にアール付き輪郭またはフィレット半径を形成してもよい。切欠部は、主に、丸みを帯びた形状を有していてもよい。
【００１６】
いくつかの実施形態では、各切欠部は、ステータコアの軸方向範囲に亘って軸方向に広がる。軸方向範囲は、ステータコアの軸方向の一端面から他端面に亘る。別の実施形態では、各切欠部は、ステータコアの半径範囲の一部に亘ってのみ広がる。
【００１７】
いくつかの実施形態では、ステータコアは、ラミネーションを重ねることによって形成され、このラミネーションは、ステータコアを形成するために共に重ねられる。
【００１８】
いくつかの実施形態では、上述のステータコアと該ステータコアを保持するフレームとを備える電気機械が提供される。ステータコアとフレームとは締り嵌めされている。
【００１９】
いくつかの実施形態では、電気機械は、１つ以上の切欠部に接続されて、該１つ以上の切欠部に冷却液を供給する冷却液供給部を備える。有利なことに、このような実施形態では、冷却配管を追加することなく、切欠部の応力低減効果と冷却機能とが組み合わされる。このために、少なくとも各切欠部のどちら側の領域においても、ステータコアの外輪郭とフレームとでシールを形成して、切欠部内に冷却液を保持する。いくつかの実施形態では、接着剤を使ってこのシールを増強する。いくつかの実施形態では、切欠部内部のライナーを用いて封止材を収容する。
【００２０】
いくつかの実施形態では、上記電気機械は、スイッチドリラクタンス機械である。
【００２１】
さらに別の実施の形態では、締り嵌めによってステータコアを電気機械のフレームに保持させる方法が提供される。この方法は、ステータコアの外輪郭に１つ以上の切欠き部を設けることによってステータコアの設計準備を行う工程を備える。この方法は、さらに、好ましくは機械内の磁路長の増加を許容可能レベルに維持しつつ、フレームにおける応力を低減するように切欠部の形状を調節する工程を有する。磁路長増加の許容可能レベルは、ステータコア設計における設計上の制約に依存し、場合ごとに異なる。各設計工程において、許容可能レベルは、それ以上の磁路長増加を認めない設定のレベルである。いくつかの実施形態では、上記方法は、ステータコアの設計に従ってステータコアを製造する工程を含む。
【００２２】
本発明のその他の局面や利点は、本発明で例示される実施形態に関する以下の詳細な説明および添付図面により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は、ステータのセグメントの１つを、温度が２０℃の場合のＭＰａの応力等高線と共に示す図である。
【図２】図２は、温度が−４０℃の場合の図１のステータを示す図である。
【図３】図３は、本発明の一実施形態にかかるステータの断面を示す図である。
【図４】図４は、図３のステータの一部を拡大した図である。
【図５】図５は、フレームにおける応力が切欠部の幅と共に変化する様子を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
図１および２に示すステータおよびフレームのような構成要素を締り嵌めによって組み立てる場合、これら構成要素は、締り嵌めによって生じる干渉圧力によってそれぞれ個々の位置から歪む。図１および２に示すステータの温度が変化するにつれて、これら構成要素の歪み度合いは、熱収縮や熱膨張によって生じる変形張力の変化によってさらに変化する。締り嵌めにより、ある領域で、フレームは外方にずれ、ステータコアは内方にずれる。ずれの周方向の値は、ステータの非対称の関数である。例えば、図２に示す応力条件で計算すると、（ステータとの境界における）フレームの外側ずれ最大値は０．１８ｍｍ、ステータポール面の内側ずれ値は０．０４ｍｍであることがわかる。
【００２５】
図３は、本発明の一実施形態に係るステータコア３０を示す図である。複数の切欠部３２がステータコアを構成するラミネーション、特に、ステータコアのバックアイアン３４に設けられる。好ましくは、切欠部はステータポールの中心線を中心として設けられるが、いくつかの実施形態では、中心線からずれていてもよい。好適な手法に従って、切欠部の底部は、応力が不必要に上昇することを避けるため、アール状に形成される。切欠部は、好ましくは、ステータコアのバックアイアン３４の径方向長さよりもステータポール内方に延びるが、いくつかの実施形態では、ステータコアのバックアイアン３４の径方向長さよりも短くてもよい。図４に、コアのセグメント４０の一つを拡大して示す。切欠部４２の効果は、ポールの領域でコアの剛性を低下させることであるので、締り嵌めによってフレームに組み込まれる際のコアの歪みは、切欠部を設けない場合よりも大きくなる。このコアの歪みの増加は、逆に、フレームにおける応力を低減させる。計算によると、フレームにおける応力は、依然としてポールの中心線（図４の点ＭＸ）で最大になるものの、２０℃で切欠部がない場合（図１）は９５ＭＰａから７６ＭＰａに、−４０℃で切欠部がない場合（図２）は１２０ＭＰａから１０６ＭＰａに減少する。
【００２６】
このようなフレームにおける応力の低下により、設計者には特別な自由度が与えられ、これを利用して、フレーム割れのリスクを伴うことなく下限温度を低くしたり、トルク伝達損失のリスクを伴うことなく上限温度を高くしたり、フレームを薄くしたりすることができる。
【００２７】
図３および図４に例示のステータにおいて、Ｖ字型切欠部によって生じる空隙は空気で満たされる。別の実施形態において、切欠部は、ステータのラミネーションから熱を取り除く冷却液で満たされる。熱をフレームに送って放散または回収したり、また、冷却液を従来のタイプの熱交換器に接続することもできる。例えば、冷却液を、コアの軸方向一端に接し、かつ、１つ以上の切欠部に冷却液を送り込むポートを有するマニホールドに注入することができる。また、コアの他端で、別のマニホールドで切欠部からの冷却液を受け取ることもできる。マニホールドは、適当な配管に代えてもよく、また、ステータフレームに埋め込まれた冷却回路に代えてもよい。切欠部を通った後の冷却液は、最初のマニホールドに戻す前に熱交換器に送られて冷却されてもよい。冷却液は、冷却ポンプで循環されてもよい。バックアイアン３４は、フレームと共にシールを形成して切欠部内部に冷却液が収容されるようにしてもよく、および／または、冷却液は、切欠部内部で適当なライナーに保持されてもよい。
【００２８】
Ｖ字型切欠部の角度方向範囲および切欠部の径方向深さは、コアの剛性を調節する際に設計者が使用可能な２つのパラメータである。切欠部を非常に深くすると、バックアイアンの周囲に伝わる磁束の経路長が増加することによってコアの磁気性能が損なわれる一方、切欠部を非常に浅くしてもコアの剛性に大幅な変化はみられない。コアを機械の特定の性能要件を満たすように設計する場合、設計者は、適当な妥協点に達するまで、コアの柔軟性を向上させるために磁気性能を多少犠牲にする。切欠部の径方向深さが（ポール間における）バックアイアンの径方向深さよりも若干深くなる場合にこの妥協点に到達する傾向にあるが、ラミネーション設計の違いによってある程度異なることになる。
【００２９】
同様の考察が、切欠部の角度方向幅にも当てはまる。切欠部の幅（つまり、角度方向の間隔）がゼロに近い寸法から増加するにつれ、フレームにおける応力は低下する。図５は、図４に示す切欠部に対するフレーム応力の変化の典型的な曲線を示す図である。図から、最初に大きなメリットが見られた後、横ばい状態になることがわかる。切欠部の幅が広くなると、コアの磁気性能はある程度低下する。しかし、制約となる問題点は、コアとフレームとの間の接触力が減少することであるとみられ、切欠部が非常に幅広の場合、所要のトルク伝達が不可能なレベルにまで減少してしまう。
【００３０】
これらの問題点を全て考慮した結果、切欠部の径方向深さをバックアイアンの径方向長さよりもわずかに大きくし、かつ、角度方向範囲の弦を径方向深さの２０〜５０％にすることにより、磁気性能を著しく犠牲にすることなく、コアの剛性を有益に減少させることができることがわかった。この寸法は、どのような特別なラミネーションの場合でも、最適化手順における起点として用いることができる。
【００３１】
上記説明では、本発明の実施形態を例示するために三角形の切欠部を用いた。磁気性能への影響が最も少ない三角形の切欠部が望ましいが、切欠部は他の形状であってもよい。例えば、切欠部は、矩形であってもよく（好ましくは、コアにおける応力を低減するためにアール付きの角を有する矩形）、他の都合のよい形状であってもよい。
【００３２】
上記説明では、ステータコアおよび周囲のフレームと関連させて本発明を説明したが、本発明は、ロータコアやロータコアを支持するシャフトに適用することもできる。ロータコアをシャフトに固定する方法の一つとして、締り嵌めを用いる方法がある。コアに組み込まれる際のロータシャフトにおける応力を低減させるため、上述したのと同じ原理を採用して、ロータコアの穴周辺に切欠部を設けてもよい。
【００３３】
本発明から逸脱することなく、開示された構成を変更することが可能であることは、当業者であれば分かることである。したがって、いくつかの実施形態に関する上記説明はあくまで例示であり、本発明を限定する趣旨のものではない。上記作業を大幅に変更することなく軽微な修正を構成に行うことができることは、当業者にとって自明である。本発明は、以下の請求項の範囲によってのみ限定されるものである。
【図１】
2016144391.tif 000003
【図２】
2016144391.tif 000004
【図３】
2016144391.tif 000005
【図４】
2016144391.tif 000006
【図５】
2016144391.tif 000007
【外国語明細書】
Title of Invention
A Stator Core, an Electrical Machine, a Lamination, and a Method for Making a Stator Core
Technical Field
The present invention generally relates to a stator for use in an electrical machine. More particularly, the present invention relates to electrical machines in which the stator is contained within a frame and has concentrated windings around salient poles. 
Background Art
Electrical machines typically comprise a stator with one or more windings connected to an electrical supply and a rotor arranged to rotate either inside or outside the stator.  Typically, both the stator and rotor are built up from laminations of electrical sheet steel, the stacks of laminations being consolidated into blocks usually known as the stator core and rotor core.  The type of enclosure used to contain the stator core can take many forms: machines using a “frameless” construction which have no or virtually no frame surrounding the stator core and are common in small sizes in domestic appliances;  machines using only a rudimentary frame to protect the stator from dust or splashing water; through to machines which have a fully enclosing frame which is designed to withstand the torque reaction from the stator and transmit it to the environment around the machine.  This invention relates particularly to this last class of machines having a frame which surrounds and contains the stator.
In order to hold the stator securely in the frame against the torque reaction, it is common practice to assemble the stator into the frame with an interference fit.  The interference fit has the added benefit of reducing the thermal impedance between the stator core and the frame and it is common practice to provide a cooling jacket of some sort in the frame to extract losses in the machine and dissipate them elsewhere.  The frame can be made in different ways, e.g. it can be fabricated from pre-formed pieces of metal or cast from a molten metal, typically aluminium or iron.   Aluminium has the benefit of producing a lighter frame for a required strength and is relatively easy to machine to the finished dimensions required.
Summary of Invention
Technical Problem
The assembly of the core into the frame with an interference fit typically falls into one of two categories: pressing the two components together at ambient temperature, which is often used for smaller machines; and using thermal expansion or contraction of one or both components so that the interference fit is temporarily removed while the components are slid together.   Assuming that the frame and core are basically concentric cylinders, then after assembly with an interference fit the inner cylinder, i.e., the core, is compressed and the outer cylinder, i.e., the frame, is expanded.    The extent to which this occurs depends on the relative stiffness of the two parts.   Typically the core is much stiffer than the frame because it is made from electrical steel and the requirements of the electromagnetic design produce a stiff structure.   By contrast,  the frame (particularly if made from aluminium) is much less stiff because the other mechanical and thermal requirements are generally satisfied without making the frame very thick,  and the designer is usually under commercial pressure to make the frame as light as possible.
Because of the differing temperature coefficients of expansion of steel and aluminium, the degree of interference is dependent on the temperature of the components.   An interference of, for example, 0.2mm at an ambient of 20oC,  will diminish as the temperature of the components rises to a working temperature of 150oC and the designer must ensure that it is still sufficient to provide the required torque transmission at that temperature.   On the other hand, as the temperature is reduced to, say, a minimum storage temperature of -50oC, the stress in the aluminium frame rises and becomes a major design issue.
Figure 1 shows a segment 10 of an exemplary stator housed in an aluminium frame 12.  The stator has salient poles 14, around which are placed one or more windings (not shown here for clarity).   The poles extend inwards from the annular part of the stator, generally referred to as the back-iron. The aluminium frame is shown as a simple annulus for simplicity.   The figure is drawn for an interference fit of 0.22mm at a temperature of 20oC.  This amount of interference has been chosen to give adequate torque transmission at +150oC.  The stress contours in the frame 12 due to the interference fit are marked with stress in MPa.   Because the stator core is not uniform in a circumferential direction, the stress in the frame varies circumferentially.   As would be expected, the stator is stiffest on the pole centre-line and the maximum stress in the frame 12 is centred on that line.   The maximum stress is 95MPa; the minimum is 82MPa.  These levels of stress would be considered to be within acceptable levels for an electrical machine.   
Figure 2 shows the same components at a temperature of -40oC, which is a typical minimum operating temperature for many applications.   The minimum stress has now increased to 104MPa and the maximum has increased to 120MPa.   These stress levels are for an idealised cylinder - in practice the frame would be required to have other features (eg mounting points, fins, cooling arrangements, etc) all of which would act as stress raisers. In addition, a cast frame is likely to have casting inclusions or other imperfections, which would also act as stress raisers.  Cast aluminium typically has a yield stress of around 220MPa, but the figure for a practical frame with its inevitable stress raisers would be significantly lower. The safety margin for a practical frame is therefore likely to be eroded by the stress levels shown in Figure 2 for -40oC, so that permanent deformation or fracture of the frame might occur.
For the illustrative components shown, it is not possible to reduce the interference fit to reduce the stress in the frame, as that would compromise the torque transmission at +150oC.   There is therefore a need for a stator design which, without increasing the frame thickness and suffering the consequent cost increase, is able to reduce stress in the frame while still maintaining the ability of the assembly to transmit the torque generated by the machine.
Solution to Problem
The present invention is defined in the accompanying independent claims. Preferred features of the invention are recited in the claims respectively dependent thereon.
In some embodiments, a stator core for an electrical machine is provided.  The stator core defines a generally annular portion with stator poles extending radially inwards from the generally annular portion.  One or more notches in an outer profile of the generally annular portion extend from the outer profile radially inwards, each notch being disposed angularly between sides of a respective stator pole and radially extending into the generally annular portion over at least half of a radial extent of the generally annular portion.  Advantageously, by placing one or more notches in the generally annular portion of the stator pole, when the stator pole is mounted in a frame by way of interference fit, the maximum stress in the frame due to the interference fit with the stator is reduced for a given strength of the interference fit.  This will be described in detail below.
Materials with different thermal expansion coefficients for the stator core and frame may be used.  In this case there will also be variations of the stresses in the frame with temperature, which will be larger for larger differences in the thermal expansion coefficients of the stator core and frame.  The larger the difference between the thermal expansion coefficients, therefore, the larger the benefit of the stress reduction provided by the notches.  In some embodiments, the stator core is made from steel, for example magnetically soft steel as typically used for stator laminations, and the frame is made from aluminium or an aluminium alloy.
For the avoidance of doubt, the stator core may be provided with one or more notches, for example two or more, each of which is configured as described herein, without precluding the presence of other notches, otherwise configured.  In some embodiments, one or more of the notches may be mutually differently configured in line with the present disclosure irrespective of whether other notches are also configured in line with the present disclosure or otherwise.  In some embodiments there is provided at least one notch per stator pole, for example a single notch per stator pole.  In some embodiments not every stator pole has a notch but the notches are still arranged with rotational symmetry.  For example, every other pole may have a notch. In some embodiments, the positions of the notches relate to features in the frame which would otherwise result in stress raisers. In further embodiments, the notches do not extend the full axial length of the stator core.
In some embodiments, each notch may be centred on a radius coinciding with a centre of the respective stator pole.  The notch may radially extend beyond the radial extent of the generally annular portion, into the respective stator pole.  Each notch may extend angularly over a chord, which is between 20% and 50% of a radial depth of the notch.  
In some embodiments, each notch may have sides extending radially and angularly outward from an inner notch root.  Each notch may have a radiussed profile in the region of the inner notch root.  Further, each notch may join the outer profile of the generally annular portion to form a radiused profile or fillet radius in the region where the notch and outer profile join.  The notch may generally be provided with a rounded shape.
In some embodiments, each notch extends over an axial extent of the stator core, that is from one axial end face of the stator core to the other.  In other embodiments, each notch extends only over a part of the radial extent of the stator core. 
In some embodiments, the stator core is formed of a stack of laminations, which are shaped to be stacked together to form the stator core.
Some embodiments provide an electrical machine comprising a stator core as described above and a frame holding the stator core.  The stator core and frame form an interference fit.  
The electrical machine may, in some embodiments, comprise a coolant supply connected to the one or more notches to supply coolant to the one or more notches.  Advantageously, in such embodiments the stress reducing benefit of the notches is combined with a cooling function without the need for additional cooling pipes.  To this end, the outer profile of the stator core, at least in the regions on either side of each notch, may form a seal with the frame to retain coolant within the notches.  In some embodiments, the seal is enhanced by the use of adhesive.  In some embodiments a liner inside the notches is used to contain the sealant.  
In some embodiments, the electrical machine is a switched reluctance machine.
Further embodiments provide a method for making a stator core to be held in a frame of an electrical machine by means of an interference fit.  The method comprises preparing a stator core design by placing one or more notches in an outer profile of the stator core.  The method further comprises adjusting the configuration of the notches to reduce stress in the frame, preferably while keeping an increase in flux path length in the machine to an acceptable level. The acceptable level of flux path length increase will depend on the design constraints of the stator core design and will vary from case to case. For each design process it is a set level above which the flux path increase is not allowed to rise. In some embodiments, the method includes making a stator core according to the stator core design.
Other aspects and advantages of the invention will become apparent upon reading the following detailed description of exemplary embodiments of the invention and upon reference to the accompanying drawings.
Brief Description of Drawings
Figure 1 shows a segment of a stator with stress contours in MPa for a temperature of 20oC;
Figure 2 shows the stator of Figure 1 at a temperature of -40oC; 
Figure 3 shows a cross section of a stator according to an embodiment of the invention; 
Figure 4 shows an enlarged view of part of the stator of Figure 3; and
Figure 5 shows the variation of stress in the frame with the width of the notch.
Description of Embodiments
When components such as the stator and frame shown in Figures 1 and 2 are assembled with an interference fit, the components deflect from their individual positions due to the interface pressure produced by the interference fit.  As the temperature of the stator shown in Figures 1 and 2 varies, the deflections of the components undergo further changes due to the changing strain produced by the thermal contraction or expansion.  Due to the interference fit, the frame is displaced outwards in some regions and the stator core is displaced inwards in some regions, with the circumferential values of displacement being a function of the asymmetry of the stator.  For example, calculations for the stress conditions given in Figure 2 show that the maximum outwards deflection of the frame is 0.18mm (at the interface with the stator) and the inwards deflection of the stator pole face is 0.04mm.
Figure 3 shows a stator core 30 according to an embodiment of the invention.   Notches 32 have been provided in the laminations making up the stator core, specifically in the back-iron 34 of the stator core.   Preferably the notches are centred about the centre-line of the stator poles, though in some embodiments they can be offset from the centre-lines.   In accordance with good practice, the root of the notch is radiussed to avoid unnecessary stress raising.  The notches preferably extend into the stator pole further than the radial length of the back-iron 34 of the stator core, though in some embodiments they may be less than the radial length of the back-iron 34 of the stator core.   An enlarged view of a segment 40 of the core is shown in Figure 4.    The effect of the notch 42 is to reduce the stiffness of the core in the region of the poles, so that, when assembled into the frame with an interference fit, the core deflects more than it would have done in the absence of the notches.  This increase in deflection of the core in turn reduces the stress in the frame.  Calculations show that the maximum stress in the frame still occurs at the centre-line of the pole (point MX in Figure 4), but has reduced to 76MPa at 20oC from the 95MPa without the notch (Figure 1) and has reduced to 106MPa at -40oC from the 120MPa without the notch (Figure 2).
This reduction in stress in the frame gives extra freedom to the designer, allowing the benefit to be taken as an extended lower temperature limit without risk of fracture of the frame; an extended higher temperature limit without risk of loss of transmission of torque; a thinner frame; etc.
In the exemplary stator shown in Figures 3 and 4, the void produced by the V-shaped notch is filled with air.   In other embodiments, the notch is filled with a cooling fluid which abstracts heat from the stator lamination.   The heat can be passed to the frame for dissipation or recovery, or the fluid can be connected to a heat exchanger of conventional type.   For example, the coolant could be pumped into a manifold which abuts one axial end of the core and which has ports which feed coolant into one or more notches.   At the other end of the core a second manifold can receive the coolant from the notch(es).   The manifolds may be supplied by suitable pipes or by a cooling circuit embedded in the stator frame.   After passing through the notches, the coolant may be transferred to a heat exchanger and cooled before being returned to the first manifold.   The coolant may be circulated by a coolant pump.  The back-iron 34 may form a seal with the frame to contain the coolant inside the notches and/or the coolant may be retained by a suitable liner inside the notches.
The angular extent of the V-shaped notch and the radial depth of the notch are two parameters which the designer can use to control the stiffness of the core. Making the notch very deep would impair the magnetic performance of the core by increasing the path length of flux travelling around the back-iron, while making it very shallow would not produce any significant change in the stiffness of the core.  When designing the core to meet a particular performance requirement of the machine, the designer would trade off some magnetic performance for improved flexibility of the core until a suitable compromise is reached.  This point is likely to occur when the radial depth of the notch is a little longer than the radial depth of the back-iron (between the poles), but some variation in this would be expected due to the differing designs of laminations. 
Similar considerations apply to the angular width of the notch.  As the width (i.e., the angular span) of the notch increases from a near-zero dimension, the stress in the frame falls.  Figure 5 shows a typical curve of the variation of frame stress for the notch shown in Figure 4.  It is seen that there is an initial large benefit and then a levelling off.  There will be some degradation of the magnetic performance of the core as the notch width increases.   However, the limiting consideration is likely to be the reducing contact force between the core and the frame, which, with very wide notches, would reduce to a level where it would be unable to transmit the required torque.
Taking all these considerations together it has been found that making the radial depth of the notch slightly greater than the radial length of the back-iron and making the chord of the angular extent 20 to 50% of the radial depth would give a useful decrease in stiffness of the core without a significant penalty in magnetic performance.  These dimensions can be used as a starting point for an optimisation procedure for any particular lamination.
The discussion above has used a triangular notch to illustrate the embodiments of the invention.   While triangular notches are preferable since they have the least impact on the magnetic performance, other shapes are possible.  For example, the notch could be rectangular (preferably with radiussed corners to reduce stress in the core) or some other convenient shape.
The discussion above has described the invention in relation to a stator core and surrounding frame.  It is also possible to apply the invention to a rotor core and the shaft which carries it.   One method of securing the rotor core to the shaft is to use an interference fit.  In order to reduce stress in the rotor shaft when assembled into the core, notches may be provided around the bore of the rotor core following the same principles as disclosed above.
The skilled person will appreciate that variation of the disclosed arrangements are possible without departing from the invention.  Accordingly, the above description of several embodiments is made by way of example and not for the purposes of limitation.  It will be clear to the skilled person that minor modifications can be made to the arrangements without significant changes to the operation described above.   The present invention is intended to be limited only by the scope of the following claims.
1.  A stator core for an electrical machine, the stator core defining a generally annular portion with stator poles extending radially inwards from the generally annular portion, wherein one or more notches in an outer profile of the generally annular portion extend from the outer profile radially inwards, each notch being disposed angularly between sides of a respective stator pole and extending into the generally annular portion over at least half of a radial extent of the generally annular portion. 
2.  A stator core as claimed in claim 1, each notch being centred on a radius coinciding with a centre of the respective stator pole.
3.  A stator core as claimed in claim 1 or 2, each notch radially extending beyond a radial extent of the generally annular portion into the respective stator pole.
4.  A stator core as claimed in any one of claims 1 to 3, each notch angularly extending over a chord, the chord being between 20% and 50% of a radial depth of the notch.
5.  A stator core as claimed in any one of claims 1 to 4, each notch having sides extending radially and angularly outward from an inner notch root.
6.  A stator core as claimed in claim 5, each notch having a radiussed profile in the region of the inner notch root.
7.  A stator core as claimed in any one of claims 1 to 6, each notch extending axially over an axial extent of the stator core.
8.  A stator core as claimed in any one of claims 1 to 7 formed from a stack of laminations stacked together to form the stator core.
9.  An electrical machine comprising a stator core as claimed in any one of claims 1 to 8 and a frame holding the stator core, the stator core and frame being an interference fit.
10.  An electrical machine as claimed in claim 9 comprising a coolant supply connected to the one or more notches to supply coolant to the one or more notches.
11.  An electrical machine as claimed in claim 9 or 10, wherein the electrical machine is a switched reluctance machine.
12.  A lamination shaped to be stacked with one or more other laminations to form a stator core as claimed in claim 8. 
13.  A method for making a stator core to be held in a frame of an electrical machine by means of an interference fit, the method comprising preparing a stator core design by placing one or more notches in an outer profile of the stator core and adjusting the configuration of the notches to reduce stress in the frame when the stator core is assembled in the frame. 
14.  A method as claimed in claim 13, wherein adjusting the configuration of the notches comprises adjusting the configuration of the notches to reduce stress in the frame when the stator core is assembled in the frame while keeping an increase in flux path lengths in the machine to an acceptable level.
15.  A method as claimed in claim 13 or 14, the method including making a stator core according to the stator core design. 
1.  Abstract
An electrical machine has a lamination core assembled with an interference fit into a frame.  The core has notches around the surface forming the interference fit which reduce the stress in the frame.  The notches extend from the outer surface of the core towards the centre of the machine.  This invention is particularly beneficial when the operating or storage temperature is reduced to a low value.  The invention also applies to the fitting of a shaft into a rotor core.
2.  Representative Drawing
Figure 3
【図１】
2016144391.tif 000008
【図２】
2016144391.tif 000009
【図３】
2016144391.tif 000010
【図４】
2016144391.tif 000011
【図５】
2016144391.tif 000012