JP2009077534A - 回転電機の固定子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】製造が容易であり且つ強度に優れた回転電機の固定子及びその製造方法を提供する。
【解決手段】固定子コア１３は、電磁鋼板を積層してなり三相固定子巻線２０の外径以上の内径を有する円筒部材１５と電磁鋼板を積層してなる複数のティース部材１６とに分割された構造であるので、三相固定子巻線２０の外周側に円筒部材１５を配置した状態で、複数のティース部材１６を円筒部材１５の内周面にて周方向に配列して組付けることにより、周方向に隣接するティース部材１６間に三相固定子巻線２０を構成する線材３０が挿入された構造を容易に形成することができる。また、三相固定子巻線２０を構成する線材３０とティース部材１６との間に磁性粉を含有する樹脂等の成形材が隙間無く充填されているため、高い占積率を有する固定子１０を実現することができる。
【選択図】図１１

Description

本発明は、回転電機の固定子及びその製造方法に関する。

従来、圧粉磁心材料の成形によって固定子コアを作成し、その固定子コアに巻線を施してなる回転電機の固定子が提案されている（例えば、特許文献１等参照。）。
特開２００６−３２００５４号公報

しかしながら、上述した従来技術における固定子は、固定子コアの成形後にコイルを巻線するものであり、間隔の狭い固定子コアのスロット内へ線材を挿入して巻線を施す作業が困難であり、多くの工数が必要とされるという問題がある。さらに、圧粉磁心材料を用いて成形した固定子コアでは、強度を十分に確保できないおそれがある。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、製造が容易であり且つ強度に優れた回転電機の固定子及びその製造方法を提供することを目的とする。

以下、上記課題を解決するのに適した各手段につき、必要に応じて作用効果等を付記しつつ説明する。

１．断面形状が略矩形状の線材を巻線して環状に形成され且つ接着剤により全体が固着された多相固定子巻線と、
電磁鋼板を積層してなり前記多相固定子巻線の外径以上の内径を有し前記多相固定子巻線の外周側に配置される円筒部材、及び電磁鋼板を積層してなり前記円筒部材の内周面にて周方向に配列され且つ組付けられた複数のティース部材を有し、前記多相固定子巻線の外形全体を含む前記多相固定子巻線の内周部と前記円筒部材の内周部との間の空間を磁性粉を含有する成形材によって成形してなる固定子コアと
を備えたことを特徴とする回転電機の固定子。

手段１によれば、多相固定子巻線は、断面形状が略矩形状の線材を予め巻線して環状に形成されているので、線材を固定子コアのスロットへ挿入する等の作業を伴うことなく、簡単な巻線作業で多相固定子巻線を作製することができる。また、多相固定子巻線全体が接着剤により固着されているので、巻線形状を確実に維持することができる。また、固定子コアは、電磁鋼板を積層してなり多相固定子巻線の外径以上の内径を有する円筒部材と電磁鋼板を積層してなる複数のティース部材とに分割された構造であるので、多相固定子巻線の外周側に円筒部材を配置した状態で、複数のティース部材を円筒部材の内周面にて周方向に配列して組付けることにより、周方向に隣接するティース部材間に多相固定子巻線を構成する線材が挿入された構造を容易に形成することができる。また、多相固定子巻線の外形全体を含む多相固定子巻線の内周部と円筒部材の内周部との間の空間が磁性粉を含有する成形材によって成形されているので、固定子全体の強度を確実に確保することができると共に、多相固定子巻線を構成する線材とティース部材との間に磁性粉を含有する樹脂等の成形材が隙間無く充填されるため、高い占積率を有する固定子を実現することができる。

２．前記円筒部材は、その内周面に周方向に配列され且つ前記各ティース部材を嵌合可能な複数の凹溝が設けられたことを特徴とする手段１に記載の回転電機の固定子。

手段２によれば、円筒部材の内周面に周方向に配列され且つ各ティース部材を嵌合可能な複数の凹溝が設けられているので、複数のティース部材を確実に円筒部材の内周面にて周方向に配列して組付けることができる。

３．前記円筒部材は、取付け穴を有する取付部が設けられたことを特徴とする手段１又は２に記載の回転電機の固定子。

手段３によれば、電磁鋼板を積層してなる強度の高い円筒部材に取付け穴を有する取付部が設けられているので、固定子を取付部でネジ部材等によりハウジング等へ強固に取付けることができる。

４．前記固定子コアは、前記多相固定子巻線外周と前記円筒部材内周との間にインシュレータを介挿した状態で前記成形材によって成形されたことを特徴とする手段１乃至３のいずれかに記載の回転電機の固定子。

手段４によれば、固定子コアは、多相固定子巻線外周と円筒部材内周との間にインシュレータを介挿した状態で樹脂等の成形材によって成形されているので、円筒部材と多相固定子巻線とが確実に非接触に保たれて電気的絶縁が図られ、信頼性の高い回転電機を実現することができる。

５．前記各ティース部材は、切り欠き部が設けられたことを特徴とする手段１乃至４のいずれかに記載の回転電機の固定子。

手段５によれば、各ティース部材に切り欠き部が設けられているので、樹脂等の成形材との抜け止めが図られて耐振動性が向上する。

６．前記各ティース部材は、単一のティース部からなることを特徴とする手段１乃至５のいずれかに記載の回転電機の固定子。

手段６によれば、各ティース部材は、単一のティース部からなるので、ティース部材の全体形状が略平板状となり、容易に作製可能であると共に、円筒部材の内周面に１個ずつ容易に位置合わせして組付けることができる。

７．前記各ティース部材は、複数のティース部が一体的に形成されたことを特徴とする手段１乃至５のいずれかに記載の回転電機の固定子。

手段７によれば、各ティース部材は、複数のティース部が一体的に形成されているので、円筒部材の内周面へ複数のティース部を同時に組付け可能であり、組付け工数の低減を図ることができる。

８．前記磁性粉は、絶縁被膜が施された鉄粉からなることを特徴とする手段１乃至７のいずれかに記載の回転電機の固定子。

手段８によれば、磁性粉は、絶縁被膜が施された鉄粉からなるので、鉄粉の電気抵抗率を高めることにより、回転電機における鉄損を少なくすることできる。

９．前記磁性粉は、低鉄損材料からなることを特徴とする手段１乃至８のいずれかに記載の回転電機の固定子。

手段９によれば、磁性粉は、低鉄損材料からなるので、鉄損が少なく高効率な回転電機を実現することできる。

１０．前記磁性粉は、珪素鋼入り鉄粉からなることを特徴とする手段９に記載の回転電機の固定子。

手段１０によれば、磁性粉は、低鉄損材料である珪素鋼入り鉄粉からなるので、鉄損が少ない回転電機を確実に実現することできる。

１１．断面形状が略矩形状の線材を巻線して環状の多相固定子巻線を形成する巻線形成工程と、
前記多相固定子巻線全体を接着剤により固着する巻線固着工程と、
電磁鋼板を積層してなり前記多相固定子巻線の外径以上の内径を有する円筒部材を、前記接着剤により固着された前記多相固定子巻線の外周側に配置し、この状態で、電磁鋼板を積層してなる複数のティース部材を前記円筒部材の内周面に周方向に配列しつつ組付けるティース部材組付け工程と、
前記円筒部材の内周面に前記複数のティース部材が組付けられた状態で、前記多相固定子巻線の外形全体を含む前記多相固定子巻線の内周部と前記円筒部材の内周部との間の空間を、磁性粉を含有する樹脂によって一体的に成形して固定子コアを形成する成形工程とを備えたことを特徴とする回転電機の固定子製造方法。

手段１１によれば、巻線形成工程では、断面形状が略矩形状の線材を巻線して環状に形成するので、固定子コアへの巻装作業を伴うことなく、多相固定子巻線を容易に作製することができる。また、巻線固着工程では、多相固定子巻線全体を接着剤により固着することにより、巻線形状を確実に維持することができる。また、ティース部材組付け工程では、電磁鋼板を軸方向に積層してなり多相固定子巻線の外径以上の内径を有する円筒部材を、接着剤により固着された多相固定子巻線の外周側に配置し、この状態で、電磁鋼板を積層してなる複数のティース部材を前記円筒部材の内周面に周方向に配列しつつ組付ける。そして、成形工程では、多相固定子巻線の外形全体を含む多相固定子巻線の内周部と円筒部材の内周部との空間を、磁性粉を含有する樹脂によって一体的に成形して固定子コアを形成することにより、複数のティース部材を組付けた電磁鋼板を積層してなる円筒部材と樹脂等の成形材の成形とによって全体の強度が優れた固定子を簡単に作製できると共に、多相固定子巻線を構成する線材とティース部材との間に磁性粉を含有する樹脂等の成形材が隙間無く充填されるため、高い占積率を有する固定子を実現することができる。

以下、本発明の回転電機の固定子及びその製造方法を具体化した一実施形態について図面を参照しつつ具体的に説明する。図１は、本発明の一実施形態における固定子１０の製造工程を示すフローチャートである。

本実施形態における固定子１０の製造工程には、図１に示すように、巻線形成工程Ｓ１と、巻線固着工程Ｓ２と、ティース部材組付け工程Ｓ３と、成形工程Ｓ４とが含まれる。

巻線形成工程Ｓ１では、線材３０を巻線して、図２に示す環状の三相固定子巻線２０を形成する。図２は、三相固定子巻線２０を示す斜視図である。図３は、線材３０を示す断面図である。図４は、線材３０の形状を示す斜視図である。尚、三相固定子巻線２０が、本発明の多相固定子巻線を構成するものである。

線材３０は、断面形状が略矩形状の線材（平角線）であって、銅製の導体３２と、導体３２の外周を覆い導体３２を絶縁する内層３４および外層３６からなる絶縁被覆とから形成されている。内層３４は導体３２の外周を覆い、外層３６は内層３４の外周を覆っている。内層３４および外層３６を合わせた絶縁被覆の厚みは、１００μｍ〜２００μｍの間に設定されている。このように、内層３４および外層３６からなる絶縁被覆の厚みが厚いので、線材３０同士を絶縁するめに線材３０同士の間に絶縁紙等を挟み込んで絶縁する必要がない。外層３６はナイロン等の絶縁材、内層３４は外層よりもガラス転移温度の高い熱可塑性樹脂またはガラス転移温度の無いポリアミドイミド等の絶縁材で形成されている。

また、線材３０は、図４に示すように、後述する固定子コア１２内に配置される直線部４０と、固定子コア１２の外に突出し、周方向に異なる位置に配置されている直線部４０同士を接続しているターン部４２とを有しており、環状に波巻されることにより固定子巻線２０を形成している。ターン部４２は、固定子巻線２０の軸方向両側にそれぞれ形成されている。ターン部４２の略中央部にはねじりを伴わないクランク部４４が形成されている。クランク部４４は、固定子コア１２端面に沿うクランク形状に形成されている。このクランク部４４のクランク形状によるずれ量は、線材３０の略幅分である。これにより、径方向に隣接している線材３０のターン部４２同士を密に巻回できる。その結果、コイルエンドの径方向の幅が小さくなるので、固定子巻線２０が径方向外側に張り出すことを防止する。また、固定子コア１２内から固定子コア１２外に突出するターン部４２の突出箇所に、固定子コア１２軸方向両側端面に沿うクランク部４６が形成されている。

さらに、線材３０には、ターン部４２の略中央部のクランク部４４と、ターン部４２の突出箇所に形成したクランク部４６との間に、それぞれ２個のクランク部４８が形成されている。つまり、固定子コア１２の一方の軸方向の端面側の線材３０のターン部４２には、合計７個のクランク部が形成されている。これにより、クランク部を形成しない三角形状のターン部の高さに比べ、ターン部４２の高さが低くなる。クランク部４８のクランク形状も、クランク部４４、４６と同様に、固定子コア１２の端面に沿ったクランク形状に形成されている。したがって、線材３０のターン部４２は、クランク部４４を挟んで両側を階段状に形成している。

次に、巻線固着工程Ｓ２では、巻線形成工程Ｓ１において形成された三相固定子巻線２０の巻線形状を維持するために、三相固定子巻線２０全体を接着剤により固着する。

次に、ティース部材組付け工程Ｓ３では、電磁鋼板を軸方向に積層してなり三相固定子巻線２０の外径よりも僅かに大きい内径を有する円筒部材１５を、三相固定子巻線２０の外周側に非接触に配置する。図５は、円筒部材１５を示す平面図である。円筒部材１５は、図５に示すように、内周面にて周方向に配列され且つ後述する各ティース部材１６を嵌合可能な複数の凹溝１５ａが設けられている。各凹溝１５ａは、円筒部材１５内周面にて軸方向に沿う直線状に形成されている。また、円筒部材１５外周には、径外方向へ突出して軸方向に貫通する取付け穴１５ｃを有する３個の取付部１５ｂが、周方向に等間隔で設けられている。

続いて、円筒部材１５を三相固定子巻線２０の外周側に配置した状態で、電磁鋼板を積層してなる複数のティース部材１６を円筒部材１５の内周面に周方向に配列された凹溝１５ａに１個ずつ嵌合して組付ける。図６（ａ）は、ティース部材１６を図５の円筒部材と同一縮尺で示す平面図であり、同図（ｂ）はティース部材１６を拡大して示す拡大平面図である。図７は、ティース部材組付け工程Ｓ３を説明するための説明図である。ティース部材１６は、単一のティース部を構成する矩形状の略平板状部材であり、成形材との抜け止めを図るために、ティース部材１６の両側面に複数の切り欠き部１６ａが設けられている。また、内径側端部１６ｂの両側面に凸部１６ｃが設けられている。各ティース部材１６は、外径側端部１６ｄを円筒部材１５内周面の凹溝１５ａに１個ずつ位置合わせして嵌合することによって組付けを行う。

次に、成形工程Ｓ４では、接着剤により固着された三相固定子巻線２０及びその外周に配置され且つ複数のティース部材１６が組付けられた円筒部材１５を図示しない成形型内に配置し、この状態で、三相固定子巻線２０の外形全体を含む三相固定子巻線２０の内周部と円筒部材１５の内周部との間の空間を、磁性粉を含有する樹脂等の成形材によって一体的に成形し、成形部１４と複数のティース部材１６が組付けられた円筒部材１５とからなる固定子コア１３を形成する。図８は、成形材によって成形される部分を示す説明図である（成形される部分を点線で示す）。尚、固定子コア１３は、三相固定子巻線２０と円筒部材１５との間の電気的絶縁を確実に図るため、三相固定子巻線２０外周と円筒部材１５内周との間に図示しないインシュレータを介挿した状態で成形が行われる。

磁性粉としては、絶縁被膜が施された鉄粉を用いることが好ましく、鉄粉として低鉄損材料（例えば、珪素鋼入り鉄粉）を用いることが特に好ましい。絶縁被膜が施された鉄粉によれば、鉄粉の電気抵抗率を高めることにより、回転電機における鉄損を少なくすることできる。また、鉄粉として低鉄損材料を用いることによって、鉄損が少ない回転電機をより確実に実現することできる。

成形工程Ｓ４が終了すると、本実施形態の固定子１０が完成する。図９は、固定子１０を示す斜視図である。図１０は、図９におけるＡ−Ａ線断面図である。図１１は、固定子１０の部分横断面図である。固定子１０は、図９乃至図１１に示すように、線材３０を巻線して環状に形成され且つ接着剤により全体が固着された三相固定子巻線２０と、電磁鋼板を積層してなり三相固定子巻線２０の外径以上の内径を有し三相固定子巻線２０の外周側に配置される円筒部材１５、及び電磁鋼板を積層してなり円筒部材１５の内周面にて周方向に配列され且つ組付けられた複数のティース部材１６を有し、三相固定子巻線２０の外形全体を含む三相固定子巻線２０の内周部と円筒部材１５の内周部との間の空間を磁性粉を含有する成形材によって成形してなる固定子コア１３とを備えている。固定子コア１３成形部分の上部からは、２本×３組の入力端子２０ａが径外方向へ引き出されている。また、円筒部材１５外周には、上述したとおり、３個の取付部１５ｂが周方向に等間隔で設けられている。

以上詳述したことから明らかなように、本実施形態によれば、三相固定子巻線２０は、断面形状が略矩形状の線材３０を予め巻線して環状に形成されているので、線材３０を固定子コアのスロットへ挿入する等の作業を伴うことなく、簡単な巻線作業で三相固定子巻線２０を作製することができる。また、三相固定子巻線２０全体が接着剤により固着されているので、巻線形状を確実に維持することができる。また、固定子コア１３は、電磁鋼板を積層してなり三相固定子巻線２０の外径以上の（三相固定子巻線２０の外径よりも僅かに大きい）内径を有する円筒部材１５と電磁鋼板を積層してなる複数のティース部材１６とに分割された構造であるので、三相固定子巻線２０の外周側に円筒部材１５を配置した状態で、複数のティース部材１６を円筒部材１５の内周面にて周方向に配列して組付けることにより、周方向に隣接するティース部材１６間に三相固定子巻線２０を構成する線材３０が挿入された構造を容易に形成することができる。また、三相固定子巻線２０の外形全体を含む三相固定子巻線２０の内周部と円筒部材１５の内周部との間の空間が磁性粉を含有する成形材によって成形されているので、固定子１０全体の強度を確実に確保することができると共に、三相固定子巻線２０を構成する線材３０とティース部材１６との間に磁性粉を含有する樹脂等の成形材が隙間無く充填されるため、高い占積率を有する固定子１０を実現することができる。

また、円筒部材１５の内周面には、周方向に配列され且つ各ティース部材１６を嵌合可能な複数の凹溝１５ａが設けられているので、複数のティース部材１６を確実に円筒部材１５の内周面にて周方向に配列して組付けることができる。

また、電磁鋼板を積層してなる強度の高い円筒部材１５に取付け穴１５ｃを有する取付部１５ｂが設けられているので、固定子１０を取付部１５ｂでネジ部材等によりハウジング等へ強固に取付けることができる。

また、固定子コア１３は、三相固定子巻線２０外周と円筒部材１５内周との間にインシュレータを介挿した状態で樹脂等の成形材によって成形されているので、円筒部材１５と三相固定子巻線２０とが確実に非接触に保たれて電気的絶縁が図られ、信頼性の高い回転電機を実現することができる。

また、各ティース部材１６に切り欠き部１６ａが設けられているので、樹脂等の成形材との抜け止めが図られて耐振動性が向上する。特に、固定子コアの各ティース部材は、単一のティース部からなり、ティース部材の全体形状が略平板状となるので、容易に作製可能であると共に、固定子コアの内周面に１個ずつ容易に位置合わせして組付けることができる。

尚、本発明は上述した各実施の形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を施すことが可能であることは云うまでもない。

例えば、上述した実施形態では、各ティース部材は、単一のティース部からなる構成としたが、各ティース部材に複数のティース部を一体的に設ける構成としてもよい。図１２は、変形例におけるティース部材１７を示す平面図である。図１３は、変形例におけるティース部材組付け工程を説明するための説明図である。図１４は、変形例における固定子１０の部分横断面図である。本変形例において、ティース部材１７は、図１２に示すように、スロット１７ｃを挟んで対向するティース部１７ａ，１７ｂが内径側で接続されて一体的に設けられている。また、ティース部１７ａ，１７ｂの外側面には、それぞれ複数の切り欠き部１７ｃ，１７ｄが設けられている。また、内径側端部１７ｅの両側面に凸部１７ｆが設けられている。本変形例によれば、図１３，１４に示すように、外径側端部１７ｇ，１７ｈを円筒部材１５内周面の隣接する２つの凹溝１５ａへ位置合わせして嵌合することにより、２つのティース部１７ａ，１７ｂを同時に組付け可能であり、円筒部材１５に組付けるティース部材の個数が上記実施形態の半分となり、組付け工数の低減を図ることができる。

また、固定子巻線は三相に限らず、多相であればよい。また、上記実施形態では、電動機及び発電機を兼ねている回転電機の固定子について説明したが、電動機又は発電機のいずれかの専用の回転電機の固定子として上記実施形態の固定子を適用してもよい。

本発明は、強度に優れた回転電機の固定子を簡単に製造することが必要とされる場合に利用可能である。

本発明の一実施形態における固定子の製造工程を示すフローチャートである。 三相固定子巻線を示す斜視図である。 線材を示す断面図である。 線材の形状を示す斜視図である。 円筒部材を示す平面図である。 （ａ）はティース部材を図５の円筒部材と同一縮尺で示す平面図であり、（ｂ）はティース部材を拡大して示す拡大平面図である。 ティース部材組付け工程を説明するための説明図である。 成形工程において成形される部分を示す説明図である。 固定子を示す斜視図である。 図９におけるＡ−Ａ線断面図である。 固定子の部分横断面図である。 変形例におけるティース部材を示す平面図である。 変形例におけるティース部材組付け工程を説明するための説明図である。 変形例における固定子の部分横断面図である。

符号の説明

１０ 固定子
１３ 固定子コア
１４ 成形部
１５ 円筒部材
１５ａ 凹溝
１５ｂ 取付部
１５ｃ 取付け穴
１６ ティース部材
１６ａ 切り欠き部
１７ ティース部材
１７ａ，１７ｂ ティース部
１７ｃ，１７ｄ 切り欠き部
２０ 三相固定子巻線
３０ 線材

Claims (11)

1. 断面形状が略矩形状の線材を巻線して環状に形成され且つ接着剤により全体が固着された多相固定子巻線と、
   電磁鋼板を積層してなり前記多相固定子巻線の外径以上の内径を有し前記多相固定子巻線の外周側に配置される円筒部材、及び電磁鋼板を積層してなり前記円筒部材の内周面にて周方向に配列され且つ組付けられた複数のティース部材を有し、前記多相固定子巻線の外形全体を含む前記多相固定子巻線の内周部と前記円筒部材の内周部との間の空間を磁性粉を含有する成形材によって成形してなる固定子コアと
   を備えたことを特徴とする回転電機の固定子。
2. 前記円筒部材は、その内周面に周方向に配列され且つ前記各ティース部材を嵌合可能な複数の凹溝が設けられたことを特徴とする請求項１に記載の回転電機の固定子。
3. 前記円筒部材は、取付け穴を有する取付部が設けられたことを特徴とする請求項１又は２に記載の回転電機の固定子。
4. 前記固定子コアは、前記多相固定子巻線外周と前記円筒部材内周との間にインシュレータを介挿した状態で前記成形材によって成形されたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の回転電機の固定子。
5. 前記各ティース部材は、切り欠き部が設けられたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の回転電機の固定子。
6. 前記各ティース部材は、単一のティース部からなることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の回転電機の固定子。
7. 前記各ティース部材は、複数のティース部が一体的に形成されたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の回転電機の固定子。
8. 前記磁性粉は、絶縁被膜が施された鉄粉からなることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の回転電機の固定子。
9. 前記磁性粉は、低鉄損材料からなることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の回転電機の固定子。
10. 前記磁性粉は、珪素鋼入り鉄粉からなることを特徴とする請求項９に記載の回転電機の固定子。
11. 断面形状が略矩形状の線材を巻線して環状の多相固定子巻線を形成する巻線形成工程と、
    前記多相固定子巻線全体を接着剤により固着する巻線固着工程と、
    電磁鋼板を積層してなり前記多相固定子巻線の外径以上の内径を有する円筒部材を、前記接着剤により固着された前記多相固定子巻線の外周側に配置し、この状態で、電磁鋼板を積層してなる複数のティース部材を前記円筒部材の内周面に周方向に配列しつつ組付けるティース部材組付け工程と、
    前記円筒部材の内周面に前記複数のティース部材が組付けられた状態で、前記多相固定子巻線の外形全体を含む前記多相固定子巻線の内周部と前記円筒部材の内周部との間の空間を、磁性粉を含有する樹脂によって一体的に成形して固定子コアを形成する成形工程と
    を備えたことを特徴とする回転電機の固定子製造方法。