JP2004312928A - 電動機の固定子およびそれを備えた電動機 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】固定子2は、環状のコア体10と、複数の巻線相21から32と、磁性体40とを備える。コア体10は、複数のティース部11を有する。複数のティース部11の間にはスロット部13が形成されている。巻線相21から32は、複数のティース部11に集中巻きされる。巻線相21から32の一部分がスロット部13に位置する。磁性体40はスロット部13の底部12と巻線相21から32の間に形成された空間に挿入される。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、電動機の固定子およびそれを備えた電動機に関し、特に、コイルが集中巻きされた固定子と、それを用いた電動機に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、電動機(モータおよびジェネレータを含む)の固定子は、例えば、特開2000−156943号公報(特許文献1)および実開平4−80244号公報(特許文献2)に開示されている。
【0003】
【特許文献1】
特開2000−156943号公報
【0004】
【特許文献2】
実開平4−80244号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
上記特許文献1に開示された固定子の構造では、固定子の外周部に開口が設けられた構造となっているため、外周側へ磁束が漏れる。これにより電動機のトルクが低下するという問題があった。
【0006】
また、無効な漏れ磁束が巡回するため、必要以上の鉄損を増大させるという問題があった。
【0007】
さらに、特許文献2に開示された固定子は、集中巻きで形成されるものではない。
【0008】
そこで、この発明は上述のような問題点を解決するためになされたものであり、磁束の漏れを防止でき、かつ損失の少ない固定子とそれを用いた電動機を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
この発明に従った電動機の固定子は、複数のティース部を有し、その複数のティース部の間にはスロット部が形成されており、スロット部は内周側に位置する開口と、外周側に位置する底部とにより規定される、環状のコア体と、複数のティース部に集中巻きされてその一部分がスロット部に位置する複数の巻線相と、スロット部の底部と複数の巻線相との間に形成された空間に挿入された磁性体とを備える。
【0010】
このように構成された電動機の固定子では、スロットの開口が内周側に位置し、底部が外周側に位置する。そのため、外周側が底部で覆われているため外周側へ磁束が漏れることを防止することができる。その結果、内周側へ向かって多くの磁束を供給することができる。さらに、余分な磁束が巡回することがないため鉄損の発生を防止することができる。
【0011】
好ましくは、複数の巻線相を複数のティース部に巻き付けた後、複数の巻線相をコア体の内周側へ移動させることにより空間が形成される。この場合、複数の巻線相を内周側へ移動させることによりスロットの底部と複数の巻線相との間に形成された空間に磁性体を挿入するため、巻線相の占積率を高くすることができる。
【0012】
好ましくは、スロット部の幅はコア体の内周側へ近づくにつれて小さくなるように複数のティース部が形成されている。電動機の固定子は、隣り合う2つの巻線相間に接触するようにスロット部に設けられた絶縁体をさらに備える。複数の巻線相を内周側へ移動させることにより、隣り合う2つの巻線相間の距離を小さくして絶縁体が隣り合う2つの巻線相間に固定される。この場合、絶縁層は2つの巻線相間で挟まれて固定されるため、絶縁層が抜け落ちず、確実に絶縁層を位置決めすることができる。また、この絶縁層により隣り合う2つの巻線相間の絶縁を確保することができる。
【0013】
より好ましくは、コア体は、コア体を流れる磁束の流れとほぼ一致する磁化容易軸を有する方向性電磁鋼板を含む。この場合、コア体を流れる磁束の流れと方向性電磁鋼板の磁化容易軸とが一致するため、さらに磁束の漏れを防止することができる。
【0014】
好ましくは、電動機の固定子は、隣り合う2つの巻線相に接触するようにスロット部に設けられた層間絶縁手段をさらに備える。この場合、層間絶縁手段により、隣り合う巻線相間の絶縁を確保することができる。
【0015】
この発明に従った電動機は、上述のいずれかに記載の固定子と、コア体の内周面に向かい合う回転子とを備える。この場合、固定子から多くの磁束が回転子に向けて供給されるため、回転子を回転させるトルクが大きくなる。その結果、大きなトルクを発生させることができる電動機を提供することができる。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【0017】
なお、以下の実施の形態において同一または相当する部分については同一の参照符号を付し、その説明は繰返さない。
【0018】
(実施の形態1)
図1は、この発明の実施の形態1に従った電動機の断面図である。図1を参照して、この発明の実施の形態1に従った電動機1は、固定子2と、その固定子2の内周側に配置された回転子100とを有する。回転子100は回転軸101に取付けられるコア体103と、コア体103に埋込まれた磁石102とを有する。なお、回転子100としては、図1で示すように磁石(永久磁石)102がコア体103に埋込まれたものに限らず、コア体103の外周部に磁石102が設けられているものであってもよい。
【0019】
固定子2は、環状のコア体10と、複数の巻線相21から32と、磁性体40とを備える。環状のコア体10は、複数のティース部11を有し、その複数のティース部11の間には、内周側に位置する開口17と、外周側に位置する底部12とを有するスロット部13が形成されている。複数のティース部11には複数の巻線相21から32が集中巻きされる。巻線相21から32の一部分がスロット部13に位置する。複数の巻線相21から32を複数のティース部11に巻付けた後複数の巻線相21から32をコア体10の内周側へ移動させることにより底部12と巻線相21から32との間に形成された空間に磁性体40が挿入される。
【0020】
コア体10は磁性体(たとえば鉄)により構成される。コア体10は、突出するように形成されたティース部11と、その複数のティース部11を繋ぐ底部12とにより構成される。底部12はコア体10の外周縁に設けられる。ティース部11と底部12とに囲まれる空間がスロット部13である。スロット部13の外周側に底部12が位置し、内周側に開口17が位置している。開口17はティース部11の先端部14によって規定されており、先端部14は開口面積を小さくするように、隣り合うティース部11の先端部に近づくように突出して延びている。
【0021】
各々のティース部11には巻線相21から32が集中巻きされている。巻線相21から32は銅線により構成され、複数の銅線をティース部11に巻付けることにより構成される。なお、巻線相21から32の巻線方法としては、ティース部11に直接巻く直巻きを採用してもよいし、インサータを用いた巻線方法を採用してもよい。スロット部13にはボビン34が配置されており、ボビン34に巻線相21から32が巻かれている。
【0022】
底部12と巻線相21との間には磁性体40が挿入される。磁性体40は方向性電磁鋼板により構成される。磁性体40は底部12と巻線相21から32の各々に接触する。
【0023】
図2は、図1で示す固定子で用いられる磁性体を拡大して示す斜視図である。図2を参照して、磁性体40は複数の電磁鋼板41を積層することにより構成される。磁性体40の内側および外側はそれぞれ巻線相21から32と底部12に沿う形状とされる。
【0024】
次に、図1で示す固定子2の製造方法について説明する。図3から図6は、図1で示す固定子2の製造方法を説明するための断面図である。図3を参照して、まず積層プレスにより非分割の一体的なコア体10を成型する。コア体10には複数のスロット部13が形成される。スロット部13の幅は外周側で大きい幅(W1)となり、内周側で小さい幅(W2)となる。すなわち、スロット部13の幅は内周側に近づくにつれて小さくなる。また、ティース部11の先端には突出する先端部14が設けられて開口17の面積が小さくされる。
【0025】
図4および図5を参照して、スロット部13の奥に樹脂からなるボビン34をセットし、コア体10の内側からノズルを用いてボビン34に銅線51を巻付ける。このときノズル50を用いる。なお、3相電動機の場合には、3つのスロット部に同時に巻線をすることが可能である。これにより複数の巻線相21から32を形成する。
【0026】
図6を参照して、各々のティース部11に巻かれたコイルを形成する巻線相21から32をコア体10の内周側へ移動させる。なお、移動を容易にするために、ティース部11の幅をラジアル方向に沿って僅かにテーパ形状としてもよい。図6では、巻線相21から32を形成した後に、これを移動させているが、移動させなくてもよい。この場合、あらかじめ巻線相21から32を高密度で巻いておく必要がある。
【0027】
最後に図1を参照して、空いた空間15に、予め積層された電磁鋼板からなる磁性体40をスラスト方向から挿入する。これにより固定子2が完成する。
【0028】
このように構成された固定子2では、スロット部13の外周側が磁性体からなる底部12で覆われる。これにより外周部へ磁束が漏れることを防止することができ、多くの磁束を回転子100側へ供給することができ、電動機のトルクを向上させることができる。
【0029】
また、図1で示すように、ノズルを通過させるスペースを必要としないため、1つのスロット部13内での巻線相21から32が示す面積率(占積率)が高くなる。具体的には、この実施の形態に従えば、従来品に比べて占積率を3割程度向上させることができる。また、一体的に形成されたコア体10に直接銅線を巻付けるため、生産性が高い。さらに、3相電動機では、3つのスロット部13に対して同時に巻線することができるため製造効率が高くなる。
【0030】
また、後の工程で挿入される磁性体40は構造部材とする必要がないため、接着程度の簡単な固定のみで位置決めすることができる。その結果、分割コアのように磁性体に過大なストレスをかけることなく、必要以上の鉄損を発生させない。
【0031】
さらに、スロット部13のテーパ面を利用して磁性体40とコア体10とを完全に密着させることが構造上可能となる。
【0032】
(実施の形態2)
図7は、この発明の実施の形態2に従った固定子で用いられる磁性体の斜視図である。図7を参照して、この発明の実施の形態2に従った磁性体43は電磁圧粉により構成される。すなわち、鉄粉などの磁性体の粒子を成型し、これを焼結することにより磁性体43が形成される。このような磁性体43を用いれば、高回転モータに適用した場合に電磁圧粉により渦電流の大幅な改善が得られる。
【0033】
さらに、磁性体43の外周が電磁鋼板もしくはコイルのボビンで囲まれているため、強度が足りない電磁圧粉に余計なストレスを与えることがない。これにより、電磁圧粉の強度不足を補うことができる。
【0034】
(実施の形態3)
図8は、この図面の実施の形態3に従った固定子で用いられる磁性体の斜視図である。図8を参照して、この発明の実施の形態3に従った磁性体43には放熱用の冷媒通路44が形成されている。磁性体43は圧粉磁性体により構成され、冷媒通路44内を冷媒としての水または油が矢印で示す方向に流れる。
【0035】
このように構成された固定子では、電磁鋼板を用いた場合に問題となるシール性を確保しつつ、磁性体43内に冷媒通路44を設けてこれにより磁性体43を冷却することができるため、固定子および電動機の冷却能力を大幅に向上することができる。
【0036】
(実施の形態4)
図9は、この発明の実施の形態4に従った固定子の断面図である。図9を参照して、この発明の実施の形態4に従った固定子2では、巻線相21から32の間に絶縁体55が設けられている点で、実施の形態1に従った固定子と異なる。絶縁体55は、PET(ポリエチレンテレフタレート)、PEN(ポリエーテルニトリル)、ウンモ、PBT(ポリブチレンテレフタレート)、PPS(ポリフェニレンスルフィド)、LCP(液晶ポリマー)、ナイロン、紙、エポキシガラス、木材などのさまざまな材質で構成することができる。
【0037】
図10は、図9で示す固定子の製造方法を示す断面図である。図10を参照して、巻線相21から32を形成した後に、巻線相21から32間に層間絶縁部材としての絶縁体55を位置決めする。巻線相21から32をコア体10の内側へ移動することにより巻線相間の距離を小さくして層間絶縁手段である絶縁体55を挟み込む。なお、絶縁体55はゲルシートのような変形可能なものとし、巻線相同士の密着を図るとともに、巻線相間の伝熱性を改善し、ロックモードにおける1相のみの高温化を抑制する働きもある。
【0038】
すなわち、この実施の形態では、スロット部13の幅はコア体10の内周側へ近づくにつれて小さくなるようにティース部11が形成されている。絶縁体55は隣り合う2つの巻線相21から32に接触するようにスロット部13に設けられる。巻線相21から32を内周側へ移動させることにより、隣り合う2つの巻線相21から32間の距離を小さくして絶縁体55が隣り合う2つの巻線相21から32間に固定される。従来のノズルを用いた直巻きで高密度に巻線相を形成すると、その後の各相の間の絶縁部材を入れる際に内周側からラジアル方向に挿入すると巻線と直交するために絶縁体が引っかかって挿入できない。また、コイルエンド側からスラスト方向に挿入しようとすると部材が薄いため座屈したり、巻付けたコイルを傷つける恐れがある。この発明では、巻線相を移動させるときに絶縁体を挟み込むので上述の問題が発生しない。また、巻線相21から32に設けられた凹凸により絶縁体55を挟み込むことができるため絶縁体55の脱落を防止することが可能となる。
【0039】
(実施の形態5)
実施の形態5では、絶縁体55はゲルシートのような変形可能なものとする。隣り合う巻線相21から32の密着を図るとともに、巻線相21から32間の伝熱性を改善し、ロックモードにおける1相のみの高温化を抑制することができる。この場合、各巻線相21から32の均熱化を図り電動機の熱定格を向上させることができる。さらに、後に挿入する電磁部材との間にこのようなシートを設けることで巻線相21から32のさらなる温度低下を招くことができる。
【0040】
(実施の形態6)
図11は、この発明の実施の形態6に従った固定子を構成するコア体の製造方法を示す側面図である。図12は、この発明の実施の形態6に従った固定子で用いられる磁性体の斜視図である。図11を参照して、この発明の実施の形態6に従ったコア体では、ティース部11の矢印61で示す磁化容易軸が内周側から外周側に向いて揃っている点で実施の形態1に従ったコア体10と異なる。また、磁性体40の磁化容易軸も矢印62で示す方向に揃っている点で、実施の形態1に従った磁性体と異なる。
【0041】
すなわち、この実施の形態に従った固定子では、ティース部11および磁性体40の磁化容易軸はティース部11および磁性体40を流れる磁束の向きとほぼ同一方向である。図11で示すように、コア体10はティース部11の延びる方向とほぼ同一の磁化容易軸の方向(矢印61で示す方向)を有する方向性電磁鋼板のスパイラルコイルで作製する。後から挿入する磁性体40は電磁鋼板により構成され、円周方向に近い向き(矢印62で示す向き)の磁化容易軸を有する。なお、図12で示すように磁性体40は電磁鋼板を積層して構成される。コア体10は、実施の形態1のコア体10と同一の形状であるが、製造方法と、磁化容易軸の方向とが実施の形態1のコア体10と異なる。
【0042】
このように構成された固定子では、主回路となる部分が方向性電磁鋼板で構成されるため、HV(ハイブリッド自動車)およびEV(電気自動車)用電動機などで重要な評価項目である無負荷もしくは低負荷時の鉄損が大幅に改善することとなる。また、過負荷時では、外側の薄肉部である底部12も電磁回路として活用し、短時間高負荷要求に対応することができる。
【0043】
さらに、スパイラルコイルを適用するため、型枠の小型化、型枠費用の大幅削減とともに歩留りの向上が見込まれる。
【0044】
(実施の形態7)
図13は、この発明の実施の形態7に従った固定子で用いられる磁性体の斜視図である。図13を参照して、この発明の実施の形態7に従った磁性体40は接着鋼板などで形成された、ラジアル方向に積層された方向性の電磁鋼板41により構成される。すなわち、複数の電磁鋼板41がラジアル方向に積層され、電磁鋼板41の間に接着剤などが設けられて各々の電磁鋼板41が固着されている。
【0045】
実施の形態6の図12で示す磁性体40では、磁性体40の磁化容易軸方向と電磁鋼板41の磁化容易軸方向が完全に一致することが原理上ない。これは、磁性体40が湾曲しているためである。実施の形態7では、接着鋼板などをコア体10の曲率に沿った方向に重ね合わせて磁化容易軸を完全に一致させることが見込まれる。
【0046】
(実施の形態8)
図14は、この発明の実施の形態8に従った固定子の断面図である。図14を参照して、この発明の実施の形態8に従った固定子では、磁性体40に突出部45が設けられる。また、ティース部11には凹部19が設けられる。凹部19に突出部45が嵌め合わされる。
【0047】
このように構成された固定子では、磁性体40とティース部11とを組合せる形状とすることで、継ぎ目の磁気特性を改善する。さらに、コア体10の強度を高め、振動を防止して、音の発生を低減することができる。
【0048】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【0049】
【発明の効果】
この発明に従えば、大きなトルクを発生させることができ、かつ鉄損を低減することができる固定子およびそれを用いて電動機を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の実施の形態1に従った電動機の断面図である。
【図2】図1で示す電動機で用いられる磁性体の斜視図である。
【図3】図1で示す固定子の製造方法の第1工程を示す断面図である。
【図4】図1で示す固定子の製造方法の第2工程を示す断面図である。
【図5】図1で示す固定子の製造方法の第3工程を示す断面図である。
【図6】図1で示す固定子の製造方法の第4工程を示す断面図である。
【図7】この発明の実施の形態2に従った磁性体の斜視図である。
【図8】この発明の実施の形態3に従った固定子で用いられる磁性体の斜視図である。
【図9】この発明の実施の形態4に従った固定子の断面図である。
【図10】図9で示す固定子の製造方法を示す断面図である。
【図11】この発明の実施の形態6に従った固定子を構成するコア体の製造方法を示す側面図である。
【図12】この発明の実施の形態6に従った固定子で用いられる磁性体の斜視図である。
【図13】この発明の実施の形態7に従った固定子で用いられる磁性体の斜視図である。
【図14】この発明の実施の形態8に従った固定子の断面図である。
【符号の説明】
1 電動機、2 固定子、10 コア体、11 ティース部、12 底部、13 スロット部、14 先端部、17 開口、21〜32 巻線相、40 磁性体、41 電磁鋼板、100 回転子。
Claims (6)
- 複数のティース部を有し、その複数のティース部の間にはスロット部が形成されており、前記スロット部は内周側に位置する開口と、外周側に位置する底部とにより規定される、環状のコア体と、
前記複数のティース部に集中巻きされてその一部分が前記スロット部に位置する複数の巻線相と、
前記スロット部の底部と前記複数の巻線相との間に形成された空間に挿入された磁性体とを備えた、電動機の固定子。 - 前記複数の巻線相を前記複数のティース部に巻き付けた後前記複数の巻線相を前記コア体の内周側へ移動させることにより前記空間が形成される、請求項1に記載の電動機の固定子。
- 前記スロット部の幅は前記コア体の内周側へ近づくにつれて小さくなるように前記複数のティース部が形成されており、
隣り合う2つの前記巻線相に接触するように前記スロット部に設けられた絶縁体をさらに備え、
前記複数の巻線相を前記コア体の内周側へ移動させることにより前記隣り合う2つの前記巻線相間の距離を小さくして前記絶縁体が前記隣り合う2つの前記巻線相間に固定される、請求項2に記載の電動機の固定子。 - 前記コア体は、前記コア体を流れる磁束の流れとほぼ一致する磁化容易軸を有する方向性電磁鋼板を含む、請求項1から3のいずれか1項に記載の電動機の固定子。
- 隣り合う2つの前記巻線相に接触するように前記スロット部に設けられた層間絶縁手段をさらに備えた、請求項1に記載の電動機の固定子。
- 請求項1から5のいずれか1項に記載の固定子と、
前記コア体の内周面に向かい合う回転子とを備えた、電動機。
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