JP5329059B2 - ステータおよびステータの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は分割ステータを組みつけて形成したステータおよび該ステータの製造方法に関し、分割ステータコア内の鉄損を低減し、モータ特性を向上させるものである。

従来、モータにおいて、ロータの外周に配置されるステータに用いられるステータコア（鉄心）には、巻き線のしやすさや占有率向上等の理由から、リング状のステータコアを所定角度に分割した分割ステータコアが用いられる場合が多い。

分割ステータコアは、通常、コイルを巻きつけた状態で円環状に配置し、これら分割ステータコアの外周に焼きバメリングを外嵌して締結し、ステータとして形成している。
即ち、焼きバメリングを予め加熱して膨張させ、この状態で円環状に配置した分割ステータコアの外周面に外嵌し、該焼きバメリングが温度降下により内径が縮小していくことで、分割ステータコアの外周面を焼きバメリングで押圧し、分割ステータコア同士を締結している。

前記分割ステータコアを一体化して形成しているステータとして、特開２００５−３５４８３８号公報（特許文献１）が提供されている。該特許文献１のステータ１は、図９（Ａ）に示すように、複数のステータコア部品２をローターコア３の周囲に沿ってステータ周方向に連結して構成している。
ステータコア部品２は、図９（Ｂ）に示すように、ヨーク部２ａと、ヨーク部２ａから内周側に突設したティース部２ｂと、該ティース部２ｂを挟んでヨーク部２ａと対向して設けられた鍔部２ｃと、ティース部２ｂに巻きつけたコイル２ｄとを備えている。ステータ１は、ステータ周方向のヨーク部２ａの端面を接合端面２ｅとしてステータ周方向に環状に連続させて配置し、ステータコア部品２同士を締結している。

特開２００５−３５４８３８号公報

ティース部２ｂに巻きつけるコイル２ｄによって発生した磁束は、ティース部２ｂからステータ周方向に突出しているヨーク部２ａの両側部を夫々通って、隣接するヨーク部２ａへと流れる。磁束は最短距離の経路をとるため、隣接するヨーク部２ａの接合部分では、内周側２ｆの磁束密度が局所的に高くなり、磁束密度が不均一となってしまう。
磁性材料のコアでは、モータ特性を低下させる要因となる電気エネルギーの損失、即ち鉄損は磁束密度の約１．６乗に比例する。よって、磁束が不均一となると鉄損が増大すると共に、磁束が飽和状態となって漏れ磁束が発生する場合があり、特許文献１のステータ１では、モータ特性が悪化しやすい問題がある。

本発明は、前記問題に鑑みてなされたものであり、分割ステータコアの形状を工夫することで、磁束密度の不均一を解消して鉄損を低減し、モータ特性を向上させることを課題としている。

前記課題を解決するために、第１の発明として、分割ステータを円環状に配置してモータのステータを形成しており、
各分割ステータコアは圧粉磁性体あるいは積層鋼板から形成されると共に、バックヨーク部と、該バックヨーク部からステータ内方へ突出するティース部を有し、前記バックヨーク部のステータ周方向両端の径方向の端面が、周方向に隣接する分割ステータコアとの接合端面とされ、該周方向両端の接合端面は外周端から内周端にかけて傾斜した平坦面とし、該両端の接合端面がなす角度αが、３６０度を前記ステータを構成する分割ステータコアの個数で割った角度βよりも大きく設定されており、隣接配置される前記分割ステータコアの接合端面の外周側を互いに縮径化して内周側より大きな接触圧の接触部とされ、 前記各分割ステータコアの前記ティース部に巻線を巻き付けてコイルが形成された分割ステータとし、
前記分割ステータの周方向に隣接するバックヨーク部の接合端面同士を全面にわたって接触させ、外周側の接触面の接触圧より内周側の接触面の接触圧が小とされているステータを提供している。
また、第２の発明として、分割ステータを円環状に配置してモータのステータを形成しており、
各分割ステータコアは圧粉磁性体あるいは積層鋼板から形成されると共に、バックヨーク部と、該バックヨーク部からステータ内方へ突出するティース部を有し、前記バックヨーク部のステータ周方向両端の径方向の端面が、周方向に隣接する分割ステータコアとの接合端面とされ、該周方向両端の接合端面は外周端から内周端にかけて傾斜した平坦面とし、該両端の接合端面がなす角度αが、３６０度を前記ステータを構成する分割ステータコアの個数で割った角度βよりも大きく設定されており、隣接配置される前記分割ステータコアの接合端面の外周側を互いに縮径化して内周側より大きな接触圧の接触部とされ、 前記各分割ステータコアの前記ティース部に巻線を巻き付けてコイルが形成された分割ステータとし、
前記分割ステータの周方向に隣接するバックヨーク部同士は前記接合端面の外周側は接触させて接触部としている一方、前記接合端面の内周側は隙間をあけて非接触部とし、
前記接合端面内周側の非接触部のステータ径方向の長さは、前記接合端面のステータ径方向の長さの４０％〜６０％とし、かつ、前記非接触部の内周端の周方向の寸法は０．５ｍｍ〜１ｍｍとしているステータを提供している。

前記構成とすると、複数の分割ステータを円環状に配置し、分割ステータの外周を焼きバメリングで内方に押圧することで一体的に固定した際に、前記第２の発明では、隣接するバックヨーク部の接合端面の外周側同士が接触し接合端面の内周側は接触しない状態となる。また、前記第１の発明では、接合端面全面が接触し、接合端面の外周側の接触面の接触圧より内周側の接触面の接触圧が小さい状態となる。
前述したように、バックヨーク部の接合端面内周側の接触圧を外周側より小とすることで、接合端面が接触している外周側に磁束が分散してバックヨーク部における磁束の不均一が解消され鉄損を低減することができると共に、接合端面内周側において磁束が飽和状態とならず漏れ磁束を減らすことができ、モータ特性を向上させることができる。

前記のように、分割ステータコアは圧粉磁性体あるいは積層鋼板から形成している。
分割ステータコアが圧粉磁性体で構成されると、三次元成形で容易に作製することができるため、作業性が良いと共に、コストを削減することができる。さらに、モータの廃棄時に、分割ステータコアを細かく粉砕できるため、分割ステータコアとコイルとの分離を容易に行うことができ、リサイクル性が高い。
一方、分割ステータコアが積層鋼板で構成されると、積層鋼板は鋼板を打ち抜いて製造することができるため、製造が容易であると共に安価に作製することができる。

前記のように、分割ステータコアのティース部に巻線が巻き付けられてコイルが形成されている分割ステータを、円環状に配置してモータのステータとしている。

前記のように、第１の発明では、接合端面同士を全面にわたって接触させ、外周側の接触面の接触圧より内周側の接触面の接触圧が小とされている。
第２の発明では、接合端面の外周側は接触させて接触部としている一方、前記接合端面の内周側は隙間をあけて非接触部としている。

前記第２の発明では接合端面の内周側は隙間をあけて非接触部とし、第１の発明では外周側よりも内周側の接触圧を小とし、コイルの磁束を接合端面の外周側に分散させて通すことで、分割ステータコアにおける磁束の不均一が解消され鉄損を低減することができると共に、局所的に磁束密度が高くなる部分がなくなるため磁束が飽和状態とならず漏れ磁束を減らすことができ、モータ特性を向上させることができる。

前記のように、第２の発明では、接合端面内周側の非接触部のステータ径方向の長さは、前記接合端面のステータ径方向の長さの４０％〜６０％とし、かつ、前記非接触部の内周端の周方向の寸法は０．５ｍｍ〜１ｍｍとしている。

前記非接触部の内周端の周方向の寸法を０．５ｍｍ〜１ｍｍとしていることで、非接触部では磁束が流れにくくなり、接触部では磁束が流れやすくなるため、バックヨーク部の内周側を流れていた磁束が外周側に分散させることができ、局所的に磁束密度の高い部分がなくなり、鉄損を低減させることができる。
非接触部のステータ径方向の長さは、接合端面のステータ径方向の長さの４０％より小さいと、磁束を外周側に分散させるには至らず、６０％より大きいと流れる磁束の主な通り道である接合端面の外周側が狭まるため、逆にモータ特性を低下させることになる。

さらに、本発明は、前記ステータの製造方法として、
前記分割ステータを円環状に配置し、隣接する前記分割ステータの前記接合端面の外周端を接触させ、
前記環状に組みつけられた前記バックヨーク部の外周面に焼きバメ用の外リングを外嵌し、該外リングを焼きバメして縮径化して前記接合端面を接合するステータの製造方法を提供している。

前述したように、本発明の分割ステータコアは、ステータとして円環状に締結した際に、バックヨーク部の接合端面同士を接触した状態で接触した状態では局所的に磁束密度が高くなるバックヨーク部の接合端面内周側に隙間を設ける、あるいは、内周側の接触面の接触圧を外周側より小とすることで、接合端面が接触している外周側に磁束が分散してバックヨーク部における磁束の不均一が解消され鉄損を低減することができると共に、接合端面内周側において磁束が飽和状態とならず漏れ磁束を減らすことができ、モータ特性を向上させることができる。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
図１乃至図７に本発明の第１実施形態を示す。

第１実施形態の分割ステータ１０は、分割ステータコア１１と、該分割ステータコア１１に外嵌して被覆する絶縁樹脂被覆体１２と、分割ステータコア１１のティ−ス部１１ａに絶縁樹脂被覆体１２を介して巻線を巻きつけて形成するコイル１４とを備えている。該分割ステータ１０を円環状に順次配置し、外周面に焼きバメ用の外リング２０を外嵌固定してステータ３０としている。該ステータ３０はロータ４０の周囲に配置されてモータ５０を構成している。

分割ステータコア１１は、図３（Ａ）に示すように、バックヨーク部１１ｂと、該バックヨーク部１１ｂからステータ３０内方へ突出するティース部１１ａと、該ティース部１１ａの内周端からステータ周方向Ｄ２に突出する鍔部１１ｃとからなる。
バックヨーク部１１ｂのステータ周方向Ｄ２の両端面をステータ周方向Ｄ２に隣接する分割ステータコア１１との接合端面１１ｄ、１１ｄとしており、該接合端面１１ｄ、１１ｄを互いに接合させてステータ３０を形成する。バックヨーク部１１ｂおよび鍔部１１ｃは、ステータ軸方向Ｄ３の高さをティース部１１ａと同じとしている。

バックヨーク部１１ｂの接合端面１１ｄ、１１ｄは図３に示すように外周端から内周端にかけて傾斜した平坦面とし、該接合端面１１ｄ、１１ｄのなす角度αは、図３（Ｂ）に示すように、バックヨーク部１１ｂの両接合端面１１ｄ、１１ｄの外周端１１ｇ、１１ｇとステータ中心Ｏを結ぶ線がなす角度、即ち、ステータ３０を構成する分割ステータ１０の個数で３６０度を割った角度βより大としている。本実施形態では、分割ステータ１０の個数を１８個としており、βを２０度とし、αを２１度としている。
分割ステータコア１１は圧粉磁性体材料を加圧、圧縮した後に加熱処理することにより一体成形している。なお、分割ステータコア１１は鋼板積層体から形成してもよい。

前記絶縁樹脂被覆体１２は、図４に示すように、ティース部１１ａの外周面に被覆する矩形筒状のティース被覆部１２ａを備え、該ティース被覆部１２ａの外周端からはバックヨーク被覆部１２ｂ、内周端からは鍔被覆部１２ｃが鍔状に突設している。該絶縁樹脂被覆体１２の厚さは０．２ｍｍとしている。
本実施形態では、絶縁樹脂被覆体１２はステータ径方向Ｄ１の軸線で２つに分割した成形品１２−１、１２−２として成形して、分割ステータコア１１に外嵌して取り付けている。
なお、該絶縁樹脂被覆体１２を分割ステータコア１１と別に成形して、分割ステータコア１１に取り付ける構成とする代わりに、分割ステータコア１１にモールドして絶縁被覆層を形成してもよい。

ステータ３０は、図１および図７に示すように、円環状に分割ステータ１０を配置し、その外周面に焼きバメ用の外リング２０を外嵌して一体的に締結している。
円環状に配置している分割ステータ１０は、図７（Ａ）（Ｂ）に示すように、ステータ周方向Ｄ２に隣接する分割ステータコア１１の接合端面１１ｄの外周側は接触させて接触部１１ｅとしている一方、接合端面１１ｄの内周側は隙間をあけて非接触部１１ｆとしている。
該非接触部１１ｆのステータ径方向Ｄ１の長さＬ１は、接合端面１１ｄのステータ径方向Ｄ１の長さＬ２の５０％としている。また、非接触部１１ｆの内周端のステータ周方向Ｄ２の寸法長さＬ３は０．８ｍｍとしており、非接触部１１ｆでは磁束密度は低いが磁束が通っている。

焼きバメ用の外リング２０は金属製のリングとし、常温時においては焼きバメ用の外リング２０の内周径を、円環状に配置された分割ステータコア１１の外周径よりも小とする。かつ、熱せられて膨張した状態で円環状に配置された分割ステータコア１１の外周に嵌合可能な径に設定している。

次に、前記分割ステータ１０およびステータ３０の製造方法について説明する。
まず、図４に示すように、分割ステータコア１１には分割した絶縁樹脂被覆体１２−１、１２−２を両側から挟み込んで組みつけておく。詳しくは、ティース部１１ａをティース被覆部１２ａに内嵌させると共に、鍔被覆部１２ｃおよびバックヨーク被覆部１２ｂを鍔部１１ｃおよびバックヨーク部１１ｂに被覆する。

前記絶縁樹脂被覆体１２を被覆した分割ステータコア１１のティース部１１ａにコイル１４を巻き付けて図２に示すような分割ステータ１０とする。

ついで、前記コイル１４を巻き付けた分割ステータ１０を、図５（Ａ）（Ｂ）に示すように、接合端面１１ｄの外周端１１ｇを接触させながら円環状に配置していく。
その後、焼きバメ用の外リング２０を予め加熱膨張させ、その内周径を分割ステータ１０を円環状に連結した外周径よりも大とし、この状態で、図６に示すように、該焼きバメ用の外リング２０を円環状に連結した分割ステータ１０の外周に外嵌する。

焼きバメ用の外リング２０は自然冷却により縮径化していき、該縮径化の過程で、焼きバメ用の外リング２０は分割ステータコア１１のバックヨーク部１１ｂの外周面をステータ中心Ｏに向けて内方に押圧する。そうすると、図７（Ａ）（Ｂ）に示すように、バックヨーク部１１ｂの接合端面１１ｄの外周側は密着して接触部１１ｅとなる一方、縮径化後も内周側同士には隙間が存在して非接触部１１ｆとなる。この状態で隣接する分割ステータコア１１同士および焼きバメ用の外リング２０を一体的に固定してステータ３０としている。

前記構成からなるステータ３０において、各分割ステータ１０のコイル１４によって発生する磁束Ｂは、バックヨーク部１１ｂ側の両側を夫々通って、各接合端面１１ｄ、１１ｄから、ステータ周方向Ｄ２の両側に隣接するバックヨーク部１１ｂの接合端面１１ｄ、１１ｄへと流れる。其の際、磁束の経路に当たる位置であり局所的に磁束密度が高い接合端面１１ｄの内周側に非接触部１１ｆを設けることで、接合端面１１ｄの内周側を通っていた磁束Ｂの大半が外周側の接触部１１ｅを通るようになり、磁束Ｂが分散するため磁束密度の不均一を解消することができると共に、磁束Ｂの飽和状態を防止することができる。従って、電気エネルギーの減少、即ち、鉄損を減少させることができ、モータ特性を向上させることができる。

さらに、分割ステータコア１１を圧粉磁性体で構成すると、三次元成形で容易に作製することができるため、作業性が良いと共に、コストを削減することができる。
かつ、分割ステータコアのコイル巻き付け部に形成する絶縁樹脂被覆層を成形品で構成しているため、分割ステータコア１１に対して必要箇所に絶縁樹脂被覆体１２−１、１２−２を外嵌するだけで、絶縁樹脂層を簡単に設けることができる。

図８（Ａ）（Ｂ）に本発明の第２実施形態を示す。
第２実施形態のステータ３００は、該分割ステータコア１１を円環状に配置して締結した状態で、隣接する分割ステータコア１１のバックヨーク部１１ｂの接合端面１１ｄ同士を全面にわたって接触させ、外周側の接触面１１ｈの接触圧より内周側の接触面１１ｉの接触圧を小としている構成を第１実施形態と相違させている。

前記構成とすると、磁束の経路に当たる位置であり局所的に磁束密度が高い接合端面１１ｄの内周側の接触面１１ｉの接触圧を、外周側の接触面１１ｈより小とすることで、接合端面１１ｄの内周側を通っていた磁束Ｂの大半が外周側の接触面１１ｈを通るようになり、磁束Ｂが分散するため磁束密度の不均一を解消することができると共に、磁束Ｂの飽和状態を防止することができる。従って、電気エネルギーの減少、即ち、鉄損を減少させることができ、モータ特性を向上させることができる。

なお、本発明は、前記実施形態は限定されず、本発明の特許請求の範囲内の種々の形態が含まれるものである。

モータを示す斜視図であり、 本発明の分割ステータを示す斜視図である。 本発明の分割ステータコアを示す図であり、（Ａ）は斜視図であり、（Ｂ）は接合端面のなす角度を説明する図である。 絶縁樹脂層を分割ステータコアに被覆する斜視図である。 ステータの製造工程を示す図であり、（Ａ）は分割ステータを円環状に配置した状態の平面図、（Ｂ）は（Ａ）の要部を拡大した図である。 ステータの製造工程を示す図であり、円環状に配置した分割ステータの外周に焼きバメ用の外リングを配置した状態を示す平面図である。 ステータの製造工程を示す図であり、（Ａ）は円環状に配置した分割ステータの外周に焼きバメ用の外リングを外嵌した状態を示す平面図、（Ｂ）は（Ａ）の要部を拡大した図である。 本発明の第２実施形態を示す図であり、（Ａ）は円環状に配置した分割ステータの外周に焼きバメ用の外リングを外嵌した状態を示す平面図、（Ｂ）は（Ａ）の要部を拡大した図である。 従来例を示す図である。

符号の説明

１０ 分割ステータ
１１ 分割ステータコア
１１ａ ティース部
１１ｂ バックヨーク部
１１ｅ 接触部
１１ｆ 非接触部
１２ 絶縁樹脂被覆体
１４ コイル
２０ 焼きバメ用の外リング
３０、３００ ステータ
５０ モータ
Ｄ１ ステータ径方向
Ｄ２ ステータ周方向
Ｄ３ ステータ軸方向

Claims (3)

1. 分割ステータを円環状に配置してモータのステータを形成しており、
   各分割ステータコアは圧粉磁性体あるいは積層鋼板から形成されると共に、バックヨーク部と、該バックヨーク部からステータ内方へ突出するティース部を有し、前記バックヨーク部のステータ周方向両端の径方向の端面が、周方向に隣接する分割ステータコアとの接合端面とされ、該周方向両端の接合端面は外周端から内周端にかけて傾斜した平坦面とし、該両端の接合端面がなす角度αが、３６０度を前記ステータを構成する分割ステータコアの個数で割った角度βよりも大きく設定されており、隣接配置される前記分割ステータコアの接合端面の外周側を互いに縮径化して内周側より大きな接触圧の接触部とされ、 前記各分割ステータコアの前記ティース部に巻線を巻き付けてコイルが形成された分割ステータとし、
   前記分割ステータの周方向に隣接するバックヨーク部の接合端面同士を全面にわたって接触させ、外周側の接触面の接触圧より内周側の接触面の接触圧が小とされているステータ。
2. 分割ステータを円環状に配置してモータのステータを形成しており、
   各分割ステータコアは圧粉磁性体あるいは積層鋼板から形成されると共に、バックヨーク部と、該バックヨーク部からステータ内方へ突出するティース部を有し、前記バックヨーク部のステータ周方向両端の径方向の端面が、周方向に隣接する分割ステータコアとの接合端面とされ、該周方向両端の接合端面は外周端から内周端にかけて傾斜した平坦面とし、該両端の接合端面がなす角度αが、３６０度を前記ステータを構成する分割ステータコアの個数で割った角度βよりも大きく設定されており、隣接配置される前記分割ステータコアの接合端面の外周側を互いに縮径化して内周側より大きな接触圧の接触部とされ、 前記各分割ステータコアの前記ティース部に巻線を巻き付けてコイルが形成された分割ステータとし、
   前記分割ステータの周方向に隣接するバックヨーク部同士は前記接合端面の外周側は接触させて接触部としている一方、前記接合端面の内周側は隙間をあけて非接触部とし、
   前記接合端面内周側の非接触部のステータ径方向の長さは、前記接合端面のステータ径方向の長さの４０％〜６０％とし、かつ、前記非接触部の内周端の周方向の寸法は０．５ｍｍ〜１ｍｍとしているステータ。
3. 請求項１または請求項２に記載のステータの製造方法であって、
   前記分割ステータを円環状に配置し、隣接する前記分割ステータの前記接合端面の外周端を接触させ、
   前記環状に組みつけられた前記バックヨーク部の外周面に焼きバメ用の外リングを外嵌し、該外リングを焼きバメして縮径化して前記接合端面を接合するステータの製造方法。

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