JP2006230081A - 電動機のステータ - Google Patents

Abstract

【課題】 ウェッジの挿入抵抗が小さくなるようにした電動機のステータを提供すること。
【解決手段】 円周方向に所定の間隔で複数のティース５，６，７が突設され、そのティース５，６，７間に形成されたスロット１，２，３に対し、例えばＵ相コイル、Ｖ相コイル又はＷ相コイルがそれぞれ挿入され巻回された多相コイルからなる電動機であって、各相のコイルにおけるスロット１，２，３間の渡り部のステータの径方向位置に対応し、Ｕ相コイルが挿入されるＵ相用スロット１には外径側に、Ｖ相コイルが挿入されるＶ相用スロット２には径方向中央部に、Ｗ相コイルが挿入されるＷ相用スロット３には内径側にと、それぞれ拡張部１１，１２，１３が形成された電動機のステータ１０。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ティース間のスロットにステータコイルを挿入して巻回された状態にして構成される電動機のステータに関し、特にＵ相コイル、Ｖ相コイル及びＷ相コイルからなる多相コイルを挿入したスロットにウェッジを挿入する際、無理に挿入することによってウェッジが座屈してしまう不具合を解消するようにした電動機のステータに関する。

三相モータは、例えば、ロータが回転軸を中心とする円筒形のロータ本体にマグネットが８極に配置された永久磁石ロータであるのに対し、ステータは、コイルが３相８極の分布巻きが施されている。三相モータを構成するステータは、薄いけい素鋼板を複数枚積層して、図３に示すように、円環状に形成され、４８ヶのティース（内歯）１０１及びスロット１０２が形成されている。そして、８ヶのＵ相コイル５１、Ｖ相コイル５２、Ｗ相コイル５３が、所定のスロット１０２に挿入され、ティース１０１に分布巻きによって巻き付けられている。

このときＵ相コイル５１、Ｖ相コイル５２、Ｗ相コイル５３は、ステータコアの軸方向端部に位置するコイルエンド部分が、図示するようにスロットからスロットへとまたぐように巻き付けられている。この部分をそれぞれＵ相渡り部５１ａ、Ｖ相渡り部５２ａ、Ｗ相渡り部５３ａとする。これらの相互の位置関係は、Ｕ相渡り部５１ａ、Ｖ相渡り部５２ａ、Ｗ相渡り部５３ａが、この順にステータ１００の径方向外側から径方向内側に向かって配置されている。これは、Ｕ相コイル５１、Ｖ相コイル５２、Ｗ相コイル５３が、その順で巻き付けられるからである。

こうしたステータ１００に対するコイル５１，５２，５３の巻き付けには、例えば図４にその一部を示すようなコイル巻線機が使用される。モータ用のコイルは、ワイヤがコイル巻線機の巻枠に螺旋状に巻き取られ、その後、図４に示すように同一円周状に所定の間隔をおいて植設した複数のブレード２０１を有するコイル挿入治具２００に預けられる。そして、このコイル挿入治具２００に装着されたステータ１００の所定のスロット１０２に挿入して移し換えられる。
特開平１１−２９９１３５号公報（第３−５頁、図１） 特開平１０−２９５０６４号公報（第４−５頁、図２）

ところで、Ｕ相コイル５１、Ｖ相コイル５２、Ｗ相コイル５３は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の順で図４に示すようなコイル巻線機でスロット１０２に挿入され巻き付けられるため、従来から最後に挿入されるＷ相コイル５３が適切に挿入されないことによる問題があった。すなわち、ステータ１００の軸方向端部に位置するコイルエンドでは、それぞれスロットからスロットへとまたいだＵ相渡り部５１ａ、Ｖ相渡り部５２ａ、Ｗ相渡り部５３ａが、図５に示すように、最初に挿入されるＵ相コイル５１は径方向外側に退けられ、Ｖ相コイル５２はその内側に配置され、Ｗ相コイル５３は更にその内側に配置されている。

従って、Ｗ相渡り部５３ａが最も径方向内側に位置するＷ相コイル５３は、スロット内でもＷ相渡り部５３ａの位置に引っ張られるようにしてステータ内周面に切り欠かれたスロット開口部１０３付近に集中してしまっている。ステータは、スロット１０２内のコイルがはみ出してしまわないようにスロット開口部１０３を封止するためのウェッジが挿入されえる。従って、Ｗ相コイル５３がスロット開口部１０３付近の密度分布が大きくなってしまうと、ウェッジをスロット１０２内に挿入することが難しくなる。ここで、図６はスロットをステータの軸方向に見た図であるが、ウェッジ１０５は図示するようにスロット開口部１０３に沿って軸方向（図面を貫く方向）に挿入される。

Ｗ相コイル５３の挿入が適切に挿入されていない場合、スロット開口部１０３付近にコイルが集中してしまう。ウェッジ１０５は、ラミネート樹脂からなる板材であり、それがコイルの巻回後にスロット１０２内に挿入される。そのため、Ｗ相コイル５３とスロット開口部１０３を形成する壁１０３ａとの間に挿入する際の抵抗が大きくなり、無理矢理挿入しようとするとウェッジ１０５が座屈を起こしてしまい不良品となる。また、ウェッジ１０５は、湿度が高かったり、接着性のラミネートがウェッジの挿入ガイドにカスとなって付着することなどによっても入りにくくなる。そのため、ウェッジの座屈が慢性的にある確率で発生するため、挿入用のガイドを交換したりメンテナンスしたりする負担も大きかった。

そこで、本発明は、かかる課題を解決すべく、ウェッジの挿入抵抗が小さくなるようにした電動機のステータを提供することを目的とする。

本発明に係る電動機のステータは、円周方向に所定の間隔で複数のティースが突設され、そのティース間に形成されたスロットに対して各相毎にコイルが挿入されて巻回された多相コイルからなるものであって、前記各相のコイルにおけるスロット間の渡り部のステータの径方向位置に対応してスロットに拡張部が形成されたものであることを特徴とする。
また、本発明に係る電動機のステータは、前記電動機が、前記各スロットに対してＵ相コイル、Ｖ相コイル又はＷ相コイルがそれぞれ挿入され巻回されたものであり、Ｕ相コイルが挿入されるＵ相用スロットは外径側に拡張部が形成され、Ｖ相コイルが挿入されるＶ相用スロットは径方向中央部に拡張部が形成され、Ｗ相コイルが挿入されるＷ相用スロットは内径側に拡張部が形成されたものでることが好ましい。

また、本発明に係る電動機のステータは、前記各相のスロットが、隣り合うスロットの拡張部に応じて縮小部が形成され、ティースに所定の肉厚が確保されるようにしたものであることが好ましい。
更に、本発明に係る電動機のステータは、周方向に前記Ｕ相用スロット、Ｖ相用スロット及びＷ相用スロットの順で繰り返し配置され、ティースの肉厚を確保するため、Ｕ相用スロットは径方向奥部が周方向両側に幅広に形成され、Ｖ相用スロットは径方向中央部が周方向両側に幅広で、更にＵ相用スロット側は径方向入り口部も幅広に形成され、Ｗ相用スロットはＶ相用スロット側の径方向入り口部が周方向に幅広に形成されたものであることが好ましい。

本発明に係る電動機のステータによれば、例えば、３相コイルの多相コイルからなる電動機のステータの場合、Ｕ相コイル、Ｖ相コイルおよびＷ相コイルの順でスロットに挿入される各コイルがそれぞれ拡張部にほぼ収まるので、最後に挿入されるＷ相コイルがＵ相コイル及びＶ相コイルによって、ステータ内周側において軸方向に切欠かれたスロット開口部側に押し退けられることなく、そのスロット開口部付近に形成された拡張部に収まるようになる。そのため、Ｗ相コイルが存在するスロット開口部１５付近はＷ相コイルの分布密度が小さくなり、スロット開口部を封止するウェッジを挿入するときの抵抗が小さくなる。よって、ウェッジの挿入が簡単になり、そのウェッジを座屈させる頻度は極端に少なくなることで生産性が向上する。

次に、本発明に係る電動機のステータについて、その一実施形態を図面を参照しながら以下に説明する。本実施形態でも、電動機のステータは、例えば三相モータのステータであって、回転軸を中心とする円筒形のロータ本体にマグネットが８極に配置された永久磁石ロータに対し、３相８極の分布巻きが施されたコイルを有するものである。ステータは、薄いけい素鋼板を複数枚積層して、図３に示すように、円環状に形成されティース（内歯）及びスロットが形成されている。そして、Ｕ相コイル５１、Ｖ相コイル５２、Ｗ相コイル５３が、所定のスロット１０２に挿入され、ティースに分布巻きによって巻き付けられている。

ここで、図１は、本実施形態のステータを軸方向に見た場合のスロット形状を示した図である。そして、図２は、従来のステータについて、同じくスロットの形状を示した図である。そこで、両スロットについて比較しながら図１に示したスロット形状について説明する。図５に示すように、ステータ１００に巻回されるＵ相コイル５１、Ｖ相コイル５２およびＷ相コイル５３は、スロット１０２間に掛け渡された渡り部５１ａ，５２ａ，５３ａの径方向の位置に応じて、図２に示すようにコイル集中部Ｓの位置が異なるため密度分布が各々偏る傾向が見られる。

従来のステータ１００は、図２に示すように全てのスロット１０２が同じ形状で形成されていた。そして、このときスロット１０２間のティース１０１部分は所定の肉厚Ｌを保ち、磁束密度が大きくならないようにして発熱や抵抗によるモータの出力低下を抑えていた。従って、コイルの密度分布の違いから生じるウェッジの挿入し難さを、単にスロットの断面積を大きくすることよってコイルの密度分布を大きくするといった問題解決はできない。

そこで、本実施形態のステータ１０では、図１に示すように、Ｕ相コイル５１、Ｖ相コイル５２およびＷ相コイル５３が挿入されるスロット毎に断面形状を異なるようにして、Ｕ相用スロット１、Ｖ相用スロット２、Ｗ相用スロット３を形成するようにした。Ｕ相用スロット１、Ｖ相用スロット２及びＷ相用スロット３は、共にステータ１０内周側において軸方向に切欠かれたスロット開口部１５が形成され、そこから径方向外側に放射状に延びた空間によって形成されている。スロット開口部１５及び径方向の奥行きは従来のものと同じ寸法であり、各スロット１，２，３においても共通している。従って、Ｕ相用スロット１、Ｖ相用スロット２及びＷ相用スロット３は、円周方向の幅寸法にそれぞれ異なる変化が付けられている。

Ｕ相用スロット１は、スロット開口部１５からステータの径方向外側、つまりスロット奥において円周方向に広げられた拡張部１１が形成され、Ｖ相用スロット２は、ステータの径方向中間部が円周方向に広げられた拡張部１２が形成され、更にＷ相用スロット３では、スロット開口部１５から入った所に円周方向に広げられた拡張部１３が形成されている。より具体的には、Ｕ相用スロット１の拡張部１１は、矢印で示すように左右両側に拡張して形成されている。Ｖ相用スロット２の拡張部１２は、径方向に見てＵ相コイル１の拡張部１１と重ならないように中間部分に形成され、矢印で示すように、図面右のＷ相用スロット３側では一部のみが拡張し、反対のＵ相用スロット１側は中間部分からスロット開口部１５にかけて拡張している。そして、Ｕ相用スロット１の拡張部１１とＷ相用スロット３の拡張部１３と重なる部分においては、Ｕ相用スロット１側が僅かに縮小している。

更に、Ｗ相用スロット３の拡張部１３は、矢印で示すようにスロット開口部１５から入った手前部分がＶ相用スロット２側に拡張し、逆に中間部分と奥側部分では、それぞれＶ相用スロット２側やＵ相用スロット１側が僅かに縮小している。このように、Ｕ相用スロット１、Ｖ相用スロット２及びＷ相用スロット３は、それぞれ概ねスロットの奥側部、中間部そしてスロット開口部付近が拡張して形成されている。そして、それぞれ矢印で示すように拡張する一方で縮小しているのは、各スロット間のティース５，６，７の肉厚が一定の厚さになるように確保し、磁束密度を低くして発熱や抵抗によるモータの出力低下を抑えるようにしたためである。そこで、本実施形態ではティース５，６，７の最小肉厚寸法が従来例と同様にＬとなるようにしたため、磁場解析を行ったところ、図２に示す従来のステータ１００と同等の磁束密度となった。

こうして、本実施形態のように３種類のスロット１，２，３が形成されたステータ１０にコイルが巻き付けられる場合、従来例と同様に図４に示したコイル巻線機が使用される。すなわち、そのコイル巻線機の巻枠に螺旋状に巻き取られたコイルが、同一円周状に所定の間隔で植設された複数のブレード２０１を有するコイル挿入治具２００に預けられ、このコイル挿入治具２００に装着されたステータ１０の所定のスロット１，２，３に挿入して移し換えられる。

Ｕ相コイル５１、Ｖ相コイル５２およびＷ相コイル５３の順で挿入されたスロット１，２，３内の各コイルは、図２に示すような位置における分布密度が高くなる。そして、本実施形態のステータ１０では、Ｕ相コイル５１はＵ相用スロット１の拡張部１１にほぼ収まり、Ｖ相コイル５２はＶ相用スロット２の拡張部１２にほぼ収まり、更にＷ相コイル５３はＷ相用スロット３の拡張部１３にほぼ収まる。

従って、ステータ軸方向端部のコイルエンド部分では、Ｕ相コイル５１及びＶ相コイル５２が図５に示すようにスロット開口部１５付近にまで広がることがなくなり、Ｗ相コイル５３が存在するスロット開口部１５付近は、拡張部１３が形成されたこととも相まってＷ相コイル５３の分布密度が小さくなる。
そのため、Ｕ相用スロット１やＶ相用スロット２では、スロット開口部１５付近に各コイル５１，５２がほとんど存在しないためウェッジを挿入するのが容易なのはもちろんであるが、Ｗ相用スロット３においても拡張部１３にＷ相コイル５３の密度分布が小さい状態で挿入されているため、そのスロット開口部１５を封止するようにウェッジを挿入するときの抵抗が小さくなる。よって、ウェッジの挿入が簡単になり、そのウェッジを座屈させる頻度は極端に少なくなり、また挿入時の抵抗が小さいため挿入抵抗の原因として考えられるウェッジ自身のカスの発生が抑えられて挿入ガイドのメンテナンス回数も減ることになり、生産コストの低減、生産性向上を図ることが可能になった。

ところで、本実施形態のステータ１０は、三相モータのコイル５１，５２，５３に対応した３種類のスロット１．２．３を円周方向に複数形成しているため、薄いけい素鋼板を複数枚積層してなるステータは、各けい素鋼板のスロットが円周方向に位置ズレしないよう注意する必要がある。すなわち、図２に示す従来のステータの場合は、複数のスロットが全て同じ形状であったため円周方向の位置ズレの問題はなかったが、本実施形態の場合、形状が異なるため正確に各スロットを合わす必要がある。そこで、ステータを構成するけい素鋼板は、例えばそのロール板からプレスで打ち抜かれ、それが積層されるが、その際、いわゆるダボかしめを行い、それによって円周方向の位置決めができるようにする。

以上、本発明に係る電動機のステータについて、その一実施形態を説明したが、本発明は、これに限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
例えば、前記Ｕ相用スロット１、Ｖ相用スロット２及びＷ相用スロット３の形状は一例であって、特にＷ相コイル５３のスロット開口部１５付近の密度分布を小さくする形状であれば他の形状であってもよい。

一実施形態のステータを軸方向に見た場合のスロット形状を示した図である。 従来のステータを軸方向に見た場合のスロット形状を示した図である。 従来のステータを示した斜視図である。 コイル巻線機のステータに対するコイル挿入治具を示した図である。 ステータ鉄心にＵ相巻線、Ｖ相巻線及びＷ相巻線を巻き付けた状態を示す部分拡大斜視図である。 スロットにウェッジを挿入した状態を示した図である。

符号の説明

１ Ｕ相用スロット
２ Ｖ相用スロット
３ Ｗ相用スロット
５，６，７ ティース
１０ ステータ
１１，１２，１３ 拡張部
１５ スロット開口部
５１ Ｕ相コイル
５２ Ｖ相コイル
５３ Ｗ相コイル

Claims (4)

1. 円周方向に所定の間隔で複数のティースが突設され、そのティース間に形成されたスロットに対して各相毎にコイルが挿入されて巻回された多相コイルからなる電動機のステータにおいて、
   前記各相のコイルにおけるスロット間の渡り部のステータの径方向位置に対応してスロットに拡張部が形成されたものであることを特徴とする電動機のステータ。
2. 請求項１に記載する電動機のステータにおいて、
   前記電動機は、前記各スロットに対してＵ相コイル、Ｖ相コイル又はＷ相コイルがそれぞれ挿入され巻回されたものであり、Ｕ相コイルが挿入されるＵ相用スロットは外径側に拡張部が形成され、Ｖ相コイルが挿入されるＶ相用スロットは径方向中央部に拡張部が形成され、Ｗ相コイルが挿入されるＷ相用スロットは内径側に拡張部が形成されたものでることを特徴とする電動機のステータ。
3. 請求項１又は請求項２に記載する電動機のステータにおいて、
   前記各相のスロットは、隣り合うスロットの拡張部に応じて縮小部が形成され、ティースに所定の肉厚が確保されるようにしたものであることを特徴とする電動機のステータ。
4. 請求項２又は請求項３に記載する電動機のステータにおいて、
   周方向に前記Ｕ相用スロット、Ｖ相用スロット及びＷ相用スロットの順で繰り返し配置され、ティースの肉厚を確保するため、Ｕ相用スロットは径方向奥部が周方向両側に幅広に形成され、Ｖ相用スロットは径方向中央部が周方向両側に幅広で、更にＵ相用スロット側は径方向入り口部も幅広に形成され、Ｗ相用スロットはＶ相用スロット側の径方向入り口部が周方向に幅広に形成されたものであることを特徴とする電動機のステータ。

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