JP2009060754A - ステータ用コア、ステータ、その組立方法およびモータ - Google Patents

Abstract

【課題】ヨーク部とティース部とに分割された、高性能かつ高信頼性のコア、その組立方法、ならびにこれを利用したステータおよびモータを提供する。
【解決手段】ステータ１０は、ヨーク部１１およびティース部１２からなるコア１５と、コイル１３とを備えている。ヨーク部１１は、平板リング状の部材であり、多数のテーパ状の嵌合穴１１ａを備えている。組立の際、ティース部１２を冷却して収縮させた状態で、ヨーク部１１の嵌合穴１１ａに、ティース部１２のテーパ状の基部１２ｃを挿入し、ティース部１２を室温に戻すことにより、嵌合穴１１ａと基部１２ｃとを強嵌合させる。つまり、冷やし嵌めによって、ティース部１２とヨーク部１１とを連結する。
【選択図】図４

Description

本発明は、ステータ用コア、ならびに、これを利用したステータ、その組立方法およびモータの改良に関する。

近年、各種電気機器、電気自動車，ハイブリッド車，ロボットなどの新技術の進展に伴い、それらに用いられる回転電機（モータや発電機）に対する性能の高度化、小型化、コスト低減などの要請も高まっている。

そこで、特許文献１には、小型化（薄型化）に適したモータとして、モータ回転軸の方向においてステータに対してロータを対向させたアキシャルモータが開示されている。同文献には、コアを構成する磁性材料として、圧粉磁性体を用いることにより、磁性鋼板を用いるよりも、コイルによって生成される磁性流を効率よく利用する構造が開示されている。また、コアをヨーク部とティース部とに分割し、ティース部の底部をヨーク部の凹部に圧入する構造を採ることで、コアの各パーツの製造および組立の容易化を図っている。

特開２００５−３４８４７２号公報

ところで、パーツに分割したものを組み立てる際には、破損しないように注意する必要がある。特に、圧粉磁性体は、磁性鋼板に比べて、製造性に優れるものの、機械的強度が低い。そのために、特許文献１のように、ヨーク部の凹部にティース部の底部を圧入すると、ヨーク部またはティース部が破損するおそれがあった。反面、接着剤を介在させると、コア内で磁性流が妨げられて、磁束が低減されることになる。

本発明の目的は、コアをヨーク部とティース部とに分割することで、製造の容易化を図りつつ、高性能かつ高信頼性のコア、これを利用したステータ、その組立方法およびモータを提供することにある。

本発明のステータ用コアは、嵌合穴を有するヨーク部と、ステータとに分割されており、ティース部の基部は冷やし嵌めによりヨーク部の嵌合穴に締結されている。

これにより、ヨーク部とティース部とが強固に連結され、ヨーク部の嵌合穴とティース部の基部とがほぼ全面的に相接触するので、コイルによって生じるコア内の磁性流を効率よく利用して多くの磁束を発生させることができる。しかも、冷やし嵌めを利用しているので、嵌合穴と基部とが相接触する際に、衝撃や局部的応力がほとんど作用することがなく、破損のおそれもほとんどない。したがって、パーツの製造および組立が容易で、高性能かつ高信頼性のコアが得られる。

嵌合穴と基部とが、モータ回転軸方向にテーパを有していることにより、冷やし嵌めの締め代をティース部とヨーク部との軸方向における相対位置によって適正範囲にコントロールすることができる。

また、嵌合穴と基部とが、ラジアル方向にテーパを有していることにより、ティース部とヨーク部の軸方向の相対位置を一定にした状態で、冷やし嵌めの締め代を適正範囲にコントロールすることができる。

嵌合穴が、底付き穴であることによっても、ティース部とヨーク部の軸方向の相対位置を一定にした状態で、冷やし嵌めの締め代を適正範囲にコントロールすることができる。

ヨーク部がリング状の一体型構造を有していることにより、組立部品数を低減することができ、コストの低減を図ることができる。

本発明のステータ用コアを用いた、ステータまたはモータにより、信頼性の高いステータやモータ（特にアキシャルモータ）が得られる。

本発明のステータ用コアの組立方法は、圧粉磁性材料を主材料とする，ヨーク部およびティース部を備えたコアの組立方法であって、ティース部を冷却した状態でヨーク部の嵌合穴に挿入した後、ティース部を常温に戻すことにより、ヨーク部の各嵌合穴によってティース部の基部を締結する方法である。

組立前にティース部を冷却すると、ティース部の基部の寸法が縮小されるので、ティース部の基部がヨーク部の嵌合穴に挿入された瞬間には、両者がほとんど接触しておらず、その後、緩やかに相接触する。そして、ティース部が常温に戻ると、基部がヨーク部の嵌合穴に強嵌合状態で締結されて、ティース部とヨーク部とが強固に連結されることになる。このとき、温度変化に応じて膨張する基部の寸法変化は緩やかに進行するので、ティース部やヨーク部には衝撃力が作用することがなく、破損のおそれを抑制することができる。よって、パーツの製造の容易化を図りつつ、高性能かつ高信頼性のステータ用コアを容易に組み立てることができる。

本発明のステータ用コア，ステータ，その組立方法またはモータによると、パーツの製造および組立の容易化を図りつつ、高性能かつ高信頼性のコア，ステータまたはモータを得ることができる。

図１は、実施の形態におけるアキシャルモータＭＯの概略的な構造を示す断面図である。同図に示すように、モータＭＯは、モータケースＣＡ内に、ステータ１０とロータ２０とを収納して構成されている。ステータ１０は、各々圧粉磁性材料を主材料とするヨーク部１１およびティース部１２からなるコア１５と、ティース部１２の周囲に巻回されたコイル１３とを備えている。一方、ロータ２０は、モータケースＣＡに取り付けられたベアリングＢＲによって回転自在に支持される回転軸２１と、回転軸２１に固定されたロータ本体２２と、ステータ１０のコア１５に対向してロータ本体２２に取り付けられた永久磁石２３とを備えている。なお、図示が省略されているが、コア１５とコイル１３との間に、インシュレータが介在している。
本明細書においては、図２に示すように、回転軸２１（モータ回転軸）に平行な方向を軸方向ｚとし、軸方向ｚに直交する平面のうち、半径方向をラジアル方向ｒとし、円周の方向を周方向θとする。本実施の形態のモータＭＯは、ステータ１０とコア２０とが（具体的にはステータ１０のコア１５とロータ２０の永久磁石２３とが）、軸方向ｚにおいて相対向しているアキシャルモータである。

図２は、コア１５の一部を拡大して示す斜視図である。同図において、コイルの図示は省略されている。また、図３は、ステータ１０のｚ−θ面における断面図である。図２および図３に示すように、ヨーク部１１は、平板リング状の部材であり、多数のテーパ状の嵌合穴１１ａを備えている。ティース部１２は、本体部１２ａと、本体部１２ａの先端に設けられた鍔部１２ｂと、テーパ状の基部１２ｃとを備えている。そして、ティース部１２の基部１２ｃが、ヨーク部１１の嵌合穴１１ａに、冷やし嵌めによって強嵌合状態で締結されている。

本実施の形態のコア１０のヨーク部１１およびティース部１２は、絶縁被膜を有する磁性粉末を圧縮成形して形成されている。ただし、多数の珪素鋼板を樹脂絶縁層を挟んで積層したものであってもよい。
ティース部１２の軸方向ｚの寸法は２０ｍｍ程度であり、ヨーク部１１やロータ本体２２の径は１００ｍｍ〜１５０ｍｍ程度であり、モータケースＣＡの軸方向ｚの寸法は、４０ｍｍ程度である。つまり、本実施の形態のモータＭＯは、薄型のアキシャルモータであることがわかる。

図４（ａ）〜（ｃ）は、実施の形態に係るステータの組立工程を示すｚ−θ面における断面図である。
まず、図４（ａ）に示す工程で、ヨーク部１は、常温に維持し、ティース部１２は室温以下、たとえば−１９５℃〜−１６０℃に維持し、最終寸法よりも縮小させた状態にする。このとき、本実施の形態では、ティース部１２の本体部１２ａの周囲には、コイル１３が巻回されている。ただし、後述する図４（ｃ）に示す工程の後で、コイル１３をティース部１２の本体部１２ａの周囲に巻回してもよい。
このとき、ヨーク部１１を磁性性能が悪化しない温度範囲（たとえば５００℃以下、好ましくは２００℃以下）で加熱してもよい。

次に、図４（ｂ）に示す工程で、ティース部１２の基部１２ｃをヨーク部１１の嵌合穴１１ａに挿入し、両者が接触した位置で止める。このとき、ティース部１２およびヨーク部１１の圧分磁性材料が破損しない範囲で、圧入してもよい。

次に、図４（ｃ）に示す工程で、ティース部１２を室温に戻す。これにより、ティース部１２の基部１２ｃが、ヨーク部１１の嵌合穴１１ａに徐々に締結され、最終的には強嵌合状態で締結されて、ステータ１０が組み立てられる。ティース部１２の基部１２ｃが温度変化に応じてゆっくりと膨張するので、上述の過程において、ティース部１２やヨーク部１１に、大きな衝撃力や局部的な応力が印加されることはない。

本実施の形態によると、コア１５をティース部１２とヨーク部１０とに分割することで、コアをパーツに分けて成形容易な構造とし、製造の容易化を図っている。そして、ティース部１２とヨーク部１１とを組み立てる際には、ティース部１２の基部１２ｃが、ヨーク部１１の嵌合穴１１ａに、冷やし嵌めによって、強嵌合状態で締結されているので、基部１２ｃと嵌合穴１１ａとが均一な応力下で、均一に強く相接触している。したがって、コア１５を通過する磁性流を効率よく利用することが可能になる。すなわち、磁束の流れが接着剤や空隙によって妨げられることもないので、コア１５により、多くの磁束を発生させることができる。しかも、組立時には、冷やし嵌めを利用することにより、ティース部１２やヨーク部１１に衝撃力や局部的な応力が印加されることなく、組み立てられるので、信頼性の高いコア１５が得られる。
そして、このようなステータ１０を利用して、電力効率の高い高信頼性のモータＭＯ（図１参照）が得られる。

また、図３に示すように、ティース部１２の基部１２ｃと、ヨーク部１１の嵌合穴１１ａとがテーパ状に形成されているので、基部１２ｃのヨーク部１１に対する軸方向ｚの相対位置によって、締め代が調整でき、嵌合の強さを適正範囲に制御することができる。なお、基部１２ｃのヨーク部１１に対する軸方向ｚの相対位置の製造時のばらつき範囲Ｒｇは、コア１５の性能を確実に良好に保つためには、±０．１ｍｍ程度に抑制することが好ましい。

なお、ティース部１２の基部１２ｃと、ヨーク部１１の嵌合穴１１ａとがストレート形状であっても、冷やし嵌めによって、ティース部１２の基部１２ｃをヨーク部１１の嵌合穴１１ａに強嵌合させることができ、製造の容易化を図りつつ、高性能かつ高信頼性のコアやステータを得ることができる。

特に、アキシャルモータの場合、ティース部１２の鍔部１２ｂの形状などから、コア１５の材料として積層鋼板よりも圧粉磁性体が適している。ところが、圧粉磁性体は、積層鋼板に比べて、強度が劣るので、ティース部をヨーク部の嵌合穴に圧入すると、破損を生じる可能性が高くなる。そこで、本発明のコアとして、圧粉磁性体を用いることにより、アキシャルモータに適した構造を採りつつ、破損のおそれを緩和し、信頼性の向上を図ることができる。

（変形例１）
図５は、実施の形態の変形例１に係るステータ１０のｚ−θ面における断面図である。この変形例においても、ティース部１２の基部１２ｃとヨーク部１１の嵌合穴１１ａとは、テーパ状に設けられ、冷やし嵌めにより強嵌合されているが、ヨーク部１１の嵌合穴１１ａは、貫通穴ではなく底付き穴である。そして、ティース部１２の基部１２ｃの先端面と、ヨーク部１１の嵌合穴１１の底壁部１１ｂとが、相接触している。この変形例では、ヨーク部１１の厚みが５ｍｍ〜１０ｍｍのとき、底壁部１１ｂの厚さは、たとえば１．５ｍｍ〜２ｍｍ程度とすればよい。

本変形例によっても、実施の形態と同様に、製造の容易化を図りつつ、高性能かつ高信頼性のコアを得ることができる。また、嵌合穴１１ａを底付き穴として、ティース部１２の基部１２ｃの先端面と、ヨーク部１１の嵌合穴１１の底壁部１１ｂとを相接触させることにより、ティース部１２の軸方向位置による締め代の調整範囲は狭まるものの、ヨーク部１１に対するティース部１２の軸方向位置が一定になるので、コア１５の性能ばらつきを抑制することができる。
ティース部１２の軸方向位置による締め代の調整範囲を十分確保したい場合には、基部１２ｃと底壁部１１ｂとの間に間隙を設ければよい。

（変形例２）
図６は、実施の形態の変形例２に係るヨーク部１１の一部を拡大して示す平面図である。
本変形例においては、ヨーク部１１の嵌合穴１１ａ（およびティース部１２の基部１２ｃ）は、軸方向ｚではストレート形状であり、ラジアル方向ｒにおいて、テーパを有している。

そして、ヨーク部１１の嵌合穴１１ａにティース部１２の基部１２ｃを嵌合させる際には、実施の形態と同様に、ティース部１２を冷却しておいて、嵌合穴１１ａに基部１２ｃを挿入してから、ラジアル方向ｒにティース部１２を移動させて、両者が接触した状態で保持し、常温に戻す。そして、嵌合穴１１ａにより基部１２ｃを強嵌合状態で締結する。このとき、図６に示すように、あるティース部１２の基部１２ｃと嵌合穴１１ａとのラジアル方向ｒにおいては、両端で間隙Ｓ１１およびＳ１２が生じ、他のティース部１２の基部１２ｃと嵌合穴１１ａとのラジアル方向ｒにおいては、両端で間隙Ｓ２１およびＳ２２が生じるが、そのばらつきの範囲を実施の形態と同様に制御すればよい。このとき、ヨーク部１１に対するティース部１２の軸方向位置を一定にすることができる。

本変形例によると、実施の形態と同様に、ヨーク部１１やティース部１２に衝撃力や局部的応力を与えることなく、ヨーク部とティース部とを組み立てることができる。また、ティース部１２のラジアル方向ｒの位置による締め代の調整範囲を十分確保することもできる。したがって、実施の形態と同様の作用効果を発揮することができる。また、ヨーク部１１に対するティース部１２の軸方向位置を一定にすれば、コアの性能のばらつきをより抑制することができる。

特に、変形例２において、変形例１のごとく、嵌合穴１１ａを底付き穴として、ティース部１２の基部１２ｃの先端面と、ヨーク部１１の嵌合穴１１ａの底壁部１１ｂとを相接触させてもよい。その場合には、ヨーク部１１に対するティース部１２の軸方向位置が確実に一定になるので、性能のばらつきを抑制することができ、しかも、ティース部１２のラジアル方向ｒの位置による締め代の調整範囲を十分確保することもできる。

（他の実施の形態）
上記実施の形態およびその変形例では、ヨーク部１１を平板リング状の部材としたが、ティース部１２と同様にヨーク部１１も分割して、各ティース部１２とヨーク部１１とを個別に組み立てた後、各ヨーク部１１をリング状に連結する構造としてもよい。

上記実施の形態およびその変形例では、アキシャルモータに本発明のコア１５，ステータ１０，およびモータＭＯを適用した例について説明したが、ラジアルモータに各発明を適用することによっても、上記実施の形態および各変形例とほぼ同じ効果を得ることができる。ただし、アキシャルモータでは、ティース部１２の構造上、圧粉磁性体を用い、かつ、ティース部１２とヨーク部１１とを個別に形成することが多いので、本発明をアキシャルモータのコア、ステータに適用することにより、特に顕著な効果を発揮することができる。

上記開示された本発明の実施の形態の構造は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれらの記載の範囲に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内でのすべての変更を含むものである。

本発明のコア、ステータおよびモータは、産業用モータ、ハイブリッド車、電気自動車、燃料電池車，ロボットなどに配置されるモータや発電機に利用することができる。

実施の形態におけるアキシャルモータＭＯの概略的な構造を示す断面図である。 実施の形態におけるコアの一部を拡大して示す斜視図である。 実施の形態におけるステータのｚ−θ面における断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、ヨーク部とティース部との組立工程を示すｚ−θ面における断面図である。 実施の形態の変形例１に係るステータのｚ−θ面における断面図である。 実施の形態の変形例２に係るヨーク部の一部を拡大して示す平面図である。

符号の説明

１０ ステータ
１１ ヨーク部
１１ａ 嵌合穴
１１ｂ 底壁部
１２ ティース部
１２ａ 本体部
１２ｂ 鍔部
１２ｃ 基部
１３ コイル
１５ コア
２０ ロータ
２１ 回転軸
２２ ロータ本体
２３ 永久磁石
ＢＲ ベアリング
ＣＡ モータケース
ＭＯ モータ

Claims (9)

1. 嵌合穴を有するヨーク部と、
   前記嵌合穴に係合する基部を有するティース部と、
   を組み立ててなるステータ用コアであって、
   前記ティース部の基部は、冷やし嵌めにより前記ヨーク部の嵌合穴に締結されている、ステータ用コア。
2. 嵌合穴を有するヨーク部と、
   前記嵌合穴に係合する基部を有するティース部と、
   を組み立ててなるステータ用コアであって、
   前記嵌合穴と基部とは、モータ回転軸方向にテーパを有している、ステータ用コア。
3. 請求項１または２記載のステータ用コアにおいて、
   前記嵌合穴と基部とは、ラジアル方向にテーパを有している、ステータ用コア。
4. 請求項１〜３のうちいずれか１つに記載のステータ用コアにおいて、
   前記嵌合穴は、底付き穴である、ステータ用コア。
5. 請求項１〜４のうちいずれか１つに記載のステータ用コアにおいて、
   前記ヨーク部は、リング状の一体型構造を有している、ステータ用コア。
6. 請求項１〜５のうちいずれか１つに記載のステータ用コアと、
   前記ティース部に巻回されたコイルと、
   を備えている、ステータ。
7. 請求項６記載のステータと、
   前記ステータに対向して配置されたロータと、
   を備えている、モータ。
8. 請求項７記載のモータにおいて、
   前記ロータは、モータ回転軸方向において前記ステータと対向している、モータ。
9. ヨーク部とティース部とに分割されたコアを備えたステータの組立方法であって、
   前記ティース部を冷却した状態で、その基部を前記ヨーク部の嵌合穴に挿入する工程（ａ）と、
   前記ティース部を常温に戻すことにより、ヨーク部の各嵌合穴に基部を締結する工程（ｂ）と、
   を含むステータの組立方法。

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