JP5839007B2 - 回転電機の固定子鉄心およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、回転電機の固定子鉄心およびその製造方法に関する。

環状部と当該環状部から内側に突き出す複数の突出部とを一体に有する板部材を複数枚積層して成る固定子鉄心がある。各環状部はヨークを構成し、各突出部はティースを構成する。このタイプの固定子鉄心では、導線を巻くときティースに対し内側から導線を挿入する必要がある。

これに対し、ヨークとティースとを別部材で構成し、ティースに導線を巻いたあと当該ティースとヨークとを固定して成る固定子鉄心がある。これによると、導線を巻くときティースに対し外側から導線を挿入することができる。そのため、例えば平角線などの導線を用いて高密度の分布巻き固定子を作ることができ、騒音および振動を低減可能である。

このような固定子鉄心では、ティースを積層体から構成することを考慮すると、特許文献１に開示されているように、各ティースの径方向内側の端部同士をブリッジによって繋ぐ形態にすべきである。スロット数が比較的多いものだとティースが細くなるので、ブリッジが無いと、ティースを構成する積層体にカシメや溶接を施すことが不可能となるからである。

特開２０１１−０９７７６９号公報

ところが、各ティースの径方向内側の端部同士がブリッジによって繋がれていると、回転電機の作動時、ブリッジを通じて磁束が短絡する影響によって固定子と回転子との空隙磁束に乱れが生じ、トルク脈動を引き起こす問題が生じる。

これに対し、ブリッジを極力細くすればトルク脈動は軽減する。しかし、ティースおよびブリッジを有する板部材をプレス加工で作るとき精密加工が要求され、またヨークへの組付け時の剛性低下を招きティースが歪む懸念がある。
本発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、その目的は、騒音および振動を低減することができ、またトルク脈動を抑制することができる回転電機の固定子鉄心およびその製造方法を提供することである。

本発明による固定子鉄心は、回転電機の固定子に用いられる。固定子鉄心は、ヨーク部材と、ヨーク部材とは別部材のティース部材とを備えている。ティース部材は、環状のヨーク部材から径方向内側に突き出し、鋼板が周方向へ積層されて成る複数のティース、および、周方向で隣り合う二つのティースの先端部のうち軸方向の一部同士を連結している複数の連結部を有する。本発明による固定子鉄心の製造方法では、ティース部材は帯状鋼板を曲げて作られる。

本発明によれば、ティースに導線を巻いたあとティース部材とヨーク部材とを固定することによって固定子を作ることができる。そのため、導線を巻くときティースに対し外側から導線を挿入することができる。したがって、例えば平角線などの導線を用いて高密度の分布巻き固定子を作ることができ、騒音および振動を低減可能である。
また本発明によれば、ティースの先端部のうち軸方向の一部のみが他のティースと連結されているので、隣り合う２つのティース間で短絡する磁束を減らすことができる。そのため、トルク脈動を抑制することができる。

本発明の第１実施形態による固定子鉄心が適用されたモータの概略構成を示す断面図である。 図１の固定子鉄心を軸方向から見た図である。 図２のＩＩＩ部分の拡大図である。 図２のヨーク部材を作る手順の第１段階を説明する図である。 図２のヨーク部材を作る手順の第２段階を説明する図である。 図２のヨーク部材を作る手順の第３段階を説明する図である。 図３のティース部材を矢印ＶＩＩ方向から見た図である。 図３のティース部材を部分的に示す斜視図である。 図３のヨーク部材を作る途中の段階を説明する図である。 図３の固定子鉄心を作る手順を説明する図である。 本発明の第２実施形態による固定子鉄心を部分的に示す図である。 図１１のティース部材を矢印ＸＩＩ方向から見た図である。 本発明の第３実施形態による固定子鉄心を部分的に示す図である。 図１３のティース部材を矢印ＸＩＶ方向から見た図である。

以下、本発明の複数の実施形態を図面に基づき説明する。実施形態同士で実質的に同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。
＜第１実施形態＞
本発明の第１実施形態による固定子は、図１に示すモータに適用されている。モータ９０は、車両用電動パワーステアリングの動力源として用いられる三相ブラシレスモータであり、ハウジング９１、回転子９２および固定子９３を備えている。

回転子９２は、ハウジング９１により軸受９４を介して回転可能に支持されている回転軸９５、回転軸９５に圧入されている回転子鉄心９６、および、回転子鉄心９６に取り付けられている複数の永久磁石９７、９８を有する。本実施形態では、回転子９２の極数は例えば２０極である。固定子９３は、回転子９２に対し径方向外側でハウジング９１の内壁に固定されている筒状の固定子鉄心１０、および、固定子鉄心１０に巻回されている固定子巻線９９を有している。

次に、固定子鉄心１０について図２〜図９を参照して説明する。便宜上、図２、図３には固定子巻線９９を図示していない。
図２および図３に示すように、固定子鉄心１０は、ヨーク部材２０およびティース部材３０から構成されている。
ヨーク部材２０は、筒状であり、軟磁性鋼板が軸方向へ積層されて成る積層体である。本実施形態では、ヨーク部材２０は、螺旋状に巻き重ねられた一つの軟磁性鋼板から構成されている。

ヨーク部材２０の内壁には、軸方向へ延びる複数の溝２１が形成されている。各溝２１は、周方向で等角度間隔に形成されている。溝２１の浅部２２は、溝２１の深部２３よりも周方向幅が小さくなっている。溝２１の数は、後述のティース部材３０のティース３１の数と同じである。ヨーク部材２０の外径をＤ［ｍｍ］とし、溝２１の数をＫ［個］とすると、外径Ｄおよび溝数Ｋは、Ｋ／Ｄが１以上となるように設定されている。本実施形態では、外径Ｄは１１０［ｍｍ］であり、溝数Ｋは１２０［個］である。

ヨーク部材２０を作るとき、先ず、図４に示すように、帯状鋼板２４のうち幅方向の一方に、溝２１（図３参照）の断面形状と略同じ形状の切欠き２５が長手方向の所定間隔毎に形成される。続いて、図５に示すように、幅方向で切欠き２５がある側が内側となるように帯状鋼板２４が曲げられ、図６に示すように螺旋状に巻き重ねられる。続いて、例えばカシメや溶接などによって帯状鋼板２４の端部が固定され、ヨーク部材２０が完成する。

図２および図３に戻って、ティース部材３０は、ヨーク部材２０とは別部材からなり、複数のティース３１および複数の連結部３４から構成されている。
各ティース３１は、ヨーク部材２０から径方向内側に放射状に突き出している。ティース３１は、軟磁性鋼板が周方向へ積層されて成る積層体である。本実施形態では、ティース３１は、折り曲げられて二層に重ねられた一つの軟磁性鋼板から構成されている。

ティース３１の重ね部３２は、一層目と二層目とが密着している。これに対し、ティース３１の折り曲げ部３３は、一層目と二層目とが密着せず、隙間を有している。これにより、ティース３１の折り曲げ部３３は、重ね部３２よりも周方向の幅が大きくなっている。ティース３１は、折り曲げ部３３をヨーク部材２０の溝２１の深部２３に嵌め入れつつ、重ね部３２の一部をヨーク部材２０の溝２１の浅部２２に圧入することによってヨーク部材２０に固定されている。ティース３１の折り曲げ部３３は、ヨーク部材２０の溝２１の浅部２２よりも周方向の幅が大きいことから、ティース３１の径方向内側への抜け止め手段として機能する。

図７、図８に示すように、連結部３４は、周方向で隣り合う二つのティース３１のうち軸方向の一部同士を連結している。本実施形態では、連結部３４は、一方のティース３１の一層目の先端部のうち軸方向の一端と、他方のティース３１の二層目の先端部のうち軸方向の一端とを連結し、また一方のティース３１の一層目の先端部のうち軸方向の他端と、他方のティース３１の二層目の先端部のうち軸方向の他端とを連結している。ティース３１と連結部３４とは、同一の軟磁性鋼板から構成されている。

ティース部材３０を作るとき、先ず、図９に示すように、帯状鋼板３５に、幅方向へ延びるスリット３６が長手方向の所定距離毎に開けられる。続いて、帯状鋼板３５を、長手方向で隣り合う二つのスリット３６の中央３７で山折りとなるように、また当該山折り箇所とスリット３６との間３８で谷折りとなるように曲げることによって、図２のように環状に成形される。続いて、例えばカシメや溶接などによって帯状鋼板３５の端部が固定され、ティース部材３０が完成する。

次に、固定子鉄心１０を作る手順について図１０を参照して説明する。
先ず、固定子鉄心１０のティース部材３０を治具４０に保持させ、外側に解放された放射状のティース３１群を形成する。このとき、例えばティース部材３０のスリット３６（図７、図８参照）に治具４０の図示しない保持用突起を挿入することによって、ティース部材３０を治具４０に保持させる。

続いて、各ティース３１の間のスロット３９に導線４１を巻回する。本実施形態では、例えば平角線である導線４１が全節ピッチで波巻きされる。
続いて、ティース部材３０のティース３１がヨーク部材２０の溝２１に圧入されるようにティース部材３０とヨーク部材２０とを組み合わせて、固定子鉄心１０が完成する。

以上説明したように、第１実施形態では、固定子鉄心１０は、互いに別部材のヨーク部材２０とティース部材３０とから構成されている。そのため、ティース３１に導線４１を巻いたあとティース部材３０とヨーク部材２０とを固定することによって固定子９３を作ることができる。したがって、導線４１を巻くときティース３１に対し外側から導線４１を挿入することができる。よって、例えば平角線などの導線４１を用いて高密度の分布巻き固定子を作ることができ、騒音および振動を低減可能である。

また、第１実施形態では、ティース部材３０は、環状のヨーク部材２０から径方向内側に突き出し、鋼板が周方向へ積層されて成る複数のティース３１、および、周方向で隣り合う二つのティース３１の先端部のうち軸方向の一端同士および他端同士を連結している複数の連結部３４を有する。そのため、ティース３１の先端部のうち軸方向の一部のみが他のティース３１と連結されているので、隣り合う２つのティース３１間で短絡する磁束を減らすことができる。したがって、トルク脈動を抑制することができる。

また、第１実施形態では、ティース部材３０は、帯状鋼板２４に、幅方向へ延びるスリット３６を長手方向の所定距離毎に開け、当該帯状鋼板２４を、長手方向で隣り合う二つのスリット３６の中央３７で山折りとなるように、また当該山折り箇所とスリット３６との間３８で谷折りとなるように曲げることによって作られたものである。そのため、ティース部材３０を一枚の帯状鋼板２４から作ることができる。

また、第１実施形態では、ヨーク部材２０の内壁は、互いに周方向へ離れた位置で軸方向へ延びる、ティース部材３０のティース３１と同数の溝２１を有する。ティース部材３０のティース３１は、各溝２１のいずれか一つに嵌合している。そのため、ティース部材３０とヨーク部材２０とを強固に組み付けることができる。また、ティース部材３０の全てのティース３１とヨーク部材２０との間の磁気抵抗を減らすことができ、良好な磁気回路を形成することができる。

また、第１実施形態では、ヨーク部材２０の外径Ｄ［ｍｍ］と、ティース部材３０のティース３１の数をＫ［個］との比Ｋ／Ｄは、１以上である。このように構成すると、小型モータにファインピッチでティースを設計する場合に巻線作業性とティースの剛性維持との両立が可能となる。

＜第２実施形態＞
本発明の第２実施形態による固定子鉄心５０のティース部材５１について図１１、図１２を参照して説明する。ティース部材５１の連結部５２は、周方向で隣り合う二つのティース３１の先端部のうち軸方向の中央同士を連結している。
このようにティース３１の先端部のうち軸方向の中央同士が連結されている形態であっても、第１実施形態と同様に、ティース３１間で短絡する磁束を減らすことができる。したがって、トルク脈動を抑制することができる。

＜第３実施形態＞
本発明の第３実施形態による固定子鉄心６０のティース部材６１について図１３、図１４を参照して説明する。以下の説明において、「仮想円筒面」とは、図１３に示すように各ティース３１の先端部を通る仮想的な円筒面６２のことである。また、「第１特定ティース」、「第２特定ティース」とは、図１４に示すように、周方向で所定間隔離れている二つのティースのうち一方のティース３１Ａ、他方のティース３１Ｂのことである。また、「仮想曲線」とは、図１４に示すように、第１特定ティース３１Ａの先端のうち軸方向の一端部と、第２特定ティース３１Ｂの先端のうち軸方向の他端部と、を結ぶ仮想円筒面６２上の曲線６６のことである。

図１４に示すように、第１特定ティース３１Ａと第２特定ティース３１Ｂとの間にある複数の連結部６７は、仮想曲線６６に沿って延びている。
第３実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果を得ることができ、さらに、スキュー効果によりトルク脈動を一層抑制することができる。

＜他の実施形態＞
前述の実施形態では、モータは、固定子鉄心の外径Ｄ＝１１０［ｍｍ］であって２０極１２０スロットの全節分布巻モータであった。このモータでは、隣接するティース間は電気角度で３０度であり、２組の絶縁された３相巻線が１スロット置きに巻装されて３０度の位相差を持った構成である。このように極数が比較的多いモータは、低速トルクを増強することができる。
しかし、固定子鉄心の外径Ｄ、回転子の極数および固定子鉄心のスロット数の組み合わせはこれに限らない。
本発明の他の実施形態では、モータは、例えば固定子鉄心の外径Ｄ＝１１０［ｍｍ］であって１０極１２０スロットの全節分布巻モータであってもよい。このモータでは、隣接するティース間は電気角度で１５度であり、隣接するスロット同士の巻線は直列接続され１相が１５度の位相差を持った３相の分布巻きが２組絶縁されて、２スロット置きに巻装され、３０度位相差を持った構成である。このような構成のモータは、ギャップ磁束の分布を正弦波に近づけて低騒音および低振動を目指す場合に適したものである。
その他、モータは、例えば外径Ｄ＝９０［ｍｍ］であって１６極９６スロットのもの、外径Ｄ＝１２０ｍｍであって２４極１４４スロットのもの、あるいは、外径Ｄ＝９０［ｍｍ］であって１０極１００スロットであり５相巻線が２組のものであってもよい。このように、本発明は種々の形態に適用可能である。

本発明の他の実施形態では、ヨーク部材は、複数枚の円環状の板部材を積層して作られてもよい。
本発明の他の実施形態では、固定子巻線は、全節巻に限らず、短節巻であってもよい。例えば、固定子巻線は、（５／６）πピッチ、すなわち１極ピッチが６スロットでコイルピッチが５スロットの短節ピッチで固定子鉄心に巻かれていてもよい。
本発明の他の実施形態では、回転子は、表面磁石型回転子に限らず、埋め込み磁石型回転子であってもよいし、磁石を使用しないリラクタンス回転子であってもよい。
本発明の他の実施形態では、ティース部材の各連結部は、互いに軸方向位置が異なっていてもよい。
本発明の他の実施形態では、モータは、車両用電動パワーステアリングの動力源に限らず、各種用途の電動機または発電機に適用されてもよい。
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の形態で実施可能である。

１０、５０、６０・・・固定子鉄心
２０ ・・・ヨーク部材
３０、５１、６１・・・ティース部材
３１ ・・・ティース
３４、５２、６７・・・連結部
９０ ・・・回転電機
９３ ・・・固定子

Claims (8)

1. 回転電機（９０）の固定子（９３）に用いられる固定子鉄心（１０、５０、６０）であって、
   環状のヨーク部材（２０）と、
   前記ヨーク部材から径方向内側に突き出し、鋼板が周方向へ積層されて成る複数のティース（３１）、および、周方向で隣り合う二つの前記ティースの先端部のうち軸方向の一部同士を連結している複数の連結部（３４、５２、６７）を有するティース部材（３０、５１、６１）と、
   を備えることを特徴とする固定子鉄心。
2. 前記ティース部材の前記連結部（３４）は、周方向で隣り合う二つの前記ティースの先端部のうち軸方向の一端同士および他端同士を連結していることを特徴とする請求項１に記載の固定子鉄心。
3. 前記ティース部材の前記連結部（５２）は、周方向で隣り合う二つの前記ティースの先端部のうち軸方向の中央部分同士を連結していることを特徴とする請求項１に記載の固定子鉄心。
4. 周方向で所定間隔離れている二つの前記ティースの一方を第１特定ティース（３１Ａ）とし、他方を第２特定ティース（３１Ｂ）とし、
   各前記ティースの先端を通る仮想的な円筒面を仮想円筒面（６２）とし、
   前記第１特定ティースの先端のうち軸方向の一端部と、前記第２特定ティースの先端のうち軸方向の他端部と、を結ぶ前記仮想円筒面上の曲線を仮想曲線（６６）とすると、
   前記第１特定ティースと前記第２特定ティースとの間にある前記連結部（６７）は、前記仮想曲線に沿って延びていることを特徴とする請求項１に記載の固定子鉄心。
5. 前記ヨーク部材の内壁は、互いに周方向へ離れた位置で軸方向へ延びる、前記ティース部材の前記ティースと同数の溝（２１）を有し、
   前記ティース部材の前記ティースは、各前記溝のいずれか一つに嵌合していることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の固定子鉄心。
6. 前記ヨーク部材の外径をＤ［ｍｍ］とし、前記溝の数をＫ［個］とすると、Ｋ／Ｄは１以上であることを特徴とする請求項５に記載の固定子鉄心。
7. 環状のヨーク部材（２０）と、
   前記ヨーク部材から径方向内側に突き出し、鋼板が周方向へ積層されて成る複数のティース（３１）、および、周方向で隣り合う二つの前記ティースの先端部のうち軸方向の一部同士を連結している複数の連結部（３４、５２、６７）を有するティース部材（３０、５１、６１）と、
   を備え、回転電機（９０）の固定子（９３）に用いられる固定子鉄心（１０、５０、６０）の製造方法であって、
   前記ティース部材は帯状鋼板（３５）を曲げて作られることを特徴とする固定子鉄心の製造方法。
8. 前記ティース部材は、帯状鋼板に、幅方向へ延びるスリット（３６）を長手方向の所定距離毎に開け、当該帯状鋼板を、長手方向で隣り合う二つの前記スリットの中央（３７）で山折りとなるように、また当該山折り箇所と前記スリットとの間（３８）で谷折りとなるように曲げることによって作られることを特徴とする請求項７に記載の固定子鉄心の製造方法。

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