JP2009261150A - 回転電機の固定子製造方法及び永久磁石回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、固定子の生産性を向上させることができる回転電機の固定子製造方法及び永久磁石回転電機を得ることを目的とするものである。
【解決手段】固定子を製造する場合、分割コア２を円環状に並べて固定子コア１を形成する。次に、互いに隣接するコアバック部２ａ同士を接合した状態で分割コア２を拘束する複数の外周拘束治具を固定子コア１の外周部に装着する。この状態で、１段階目の樹脂モールドをスロット部１ａ内に施す。この後、外周拘束治具を固定子コア１から取り外し、仮固定された固定子コア１をフレーム用金型９内にセットする。そして、２段階目の樹脂モールドを固定子コア１の外周部に施す。
【選択図】図１

Description

この発明は、例えば永久磁石回転電機、インダクションモータ及びシンクロナスモータ等の回転電機の固定子製造方法、及び回転子に複数の永久磁石が用いられている永久磁石回転電機に関するものである。

従来の固定子製造方法では、固定子コアの外周から内径方向に力を均一に加えることにより固定子コアの寸法が矯正される。また、円筒状の部材に突起及び溝を設けた形状の内径拘束治具により内径寸法を拘束した状態で樹脂モールドを施すことにより、内径真円度が確保される（例えば、特許文献１参照）。

特開２００１-２１８４２９号公報

上記のような従来の固定子製造方法では、固定子コアの外周から力を加え、かつ内径拘束治具がスロット部に挿入された状態で樹脂モールドを施すので、樹脂モールド終了後に外周から加えた力を解除しても、モールド樹脂の硬化によりスロット部に内径拘束冶具が保持された状態となる。このため、樹脂モールド終了後の内径拘束冶具の取り外しが難しくなるとともに、内径拘束冶具を取り外す際にティース先端部を破損することがあり、固定子の生産性が著しく低下する。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、固定子の生産性を向上させることができる回転電機の固定子製造方法及び永久磁石回転電機を得ることを目的とする。

この発明に係る回転電機の固定子製造方法は、コアバック部とティース部とをそれぞれ有する複数の分割コアのティース部にそれぞれ巻線部を装着する工程、分割コアを円環状に並べて固定子コアを形成するとともに、互いに隣接するコアバック部同士を接合した状態で分割コアを拘束する外周拘束治具を固定子コアの外周部に装着する工程、ティース部間に形成された複数のスロット部内に樹脂モールドを施す工程、及び固定子コアから外周拘束治具を取り外し、固定子コアの外周部に樹脂モールドを施す工程を含む。

この発明の回転電機の固定子製造方法は、樹脂モールドを２段階に分けて実施するので、分割コアを固定するための溶接を不要としつつ内周真円度を向上させることができ、また外周に突起を有する内径拘束治具を用いる必要がなく、従って固定子の生産性を向上させることができる。

以下、この発明を実施するための最良の形態について、図面を参照して説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による電動機の固定子の断面図である。図において、円環状の固定子コア１は、複数（この例では９個）の分割コア２を円環状に並べて構成されている。各分割コア２は、固定子コア１の外周部側に位置するコアバック部２ａと、コアバック部２ａから固定子コア１の径方向内側へ突出した１つのティース部２ｂとを有している。互いに隣接するコアバック部２ａ同士は、非溶接で、即ち溶接せずに接合されている。

各ティース部２ｂには、絶縁材（インシュレータ）３を介して巻線部４が装着されている。また、互いに隣接するティース部２ｂ間には、スロット部１ａが形成されている。各スロット部１ａには、スロット樹脂部５が充填されている。固定子コア１の外周部には、フレーム樹脂部６が設けられている。

次に、図１の固定子の製造方法について説明する。図２は図１の固定子の製造手順を示す工程図である。図１の固定子を製造する場合、まず、図３に示すように、各分割コア２のティース部２ｂに絶縁材３を介して巻線部４を装着する（ステップＳ１）。分割コア２は、打ち抜き金型で抜いた薄板をかしめて積層したり、圧粉鉄心により成型したり、電磁鋼板をワイヤカットし接着したりして構成される。

この後、図４に示すように、９個の分割コア２を円環状に並べて固定子コア１を形成する（ステップＳ２）。そして、必要に応じて、巻線結線部の端部処理作業を実施する。

次に、図５に示すように、互いに隣接するコアバック部２ａ同士を接合した状態で分割コア２を拘束する複数の外周拘束治具７を固定子コア１の外周部に装着する。このとき、固定子コア１に対して径方向内側への力を加え、コアバック部２ａ同士を密着させる。また、固定子コア１の内側へのモールド樹脂の侵入を防止する円筒状の内側侵入防止治具８を固定子コア１の内側に配置する。

この状態で、１段階目の樹脂モールドをスロット部１ａ内に施す（ステップＳ３）。これにより、スロット部１ａ内にスロット樹脂部５が形成され、分割コア２が高精度に一体化（仮固定）される。１段階目の樹脂モールド後には、図６に示すように、外周拘束治具７及び内側侵入防止治具８を固定子コア１から取り外す。

なお、内側侵入防止治具８としては、その外径寸法が固定子コア１の内径寸法よりも小さいものが使用される。これは、固定子コア１の内周真円度を、互いに隣接するコアバック部２ａ同士の密着度を高めることにより向上させるためである。コアバック部２ａ同士の接合面の工作精度に関しては、分割コア２を例えば金型打ち抜きにより製作することにより、数ミクロン程度まで確保可能であり、これにより十分な内周真円度を確保することが可能となる。

この後、図７に示すように、仮固定された固定子コア１をフレーム用金型９内にセットするとともに、固定子コア１の内側に内側侵入防止治具８を配置する。この内側侵入防止治具８は、１段階目の樹脂モールドと共通化しても別々のものとしてもよい。

この状態で、２段階目の樹脂モールドを固定子コア１の外周部に施す（ステップＳ４）。これにより、電動機のフレームを構成するフレーム樹脂部６が固定子コア１の外周部に形成される。この後、内側侵入防止治具８及びフレーム用金型９を固定子コア１から取り外し、必要に応じてフレーム樹脂部６の端面の加工等の仕上げ作業を行うことにより、図１に示したような固定子が完成する。

このような固定子製造方法では、樹脂モールドを２段階に分けて実施するので、分割コア２を固定するための溶接を不要としつつ内周真円度を向上させることができ、また外周に突起を有する内径拘束治具を用いる必要がなく、従って固定子の生産性を向上させることができる。

ここで、従来の製造方法では、コアバック部２ａ同士の接合部に溶接を施して分割コア２を一体化するため、コアバック部２ａに溶接に伴う熱収縮が発生する。特に、外径が小さい小型モータの場合、コアバック部２ａでの熱収縮が固定子内周部にまで影響し、固定子内周部の真円度が悪化する。また、ティース部２ｂの打ち抜き精度が不十分である場合や溶接が不十分である場合には、コアバック部２ａ間に隙間が発生する。

上述のような固定子内周部の真円度の悪化やコアバック部２ａ間の隙間は、永久磁石モータではコギングトルクの悪化を招く。また、誘導電動機においては、電磁音の発生を招く。

これに対して、実施の形態１の固定子製造方法によれば、分割コア２を固定するための溶接を不要としつつ内周真円度を向上させることができるため、電動機の電磁騒音やコギングトルクを低減することができる。

次に、図８は図１の固定子を用いた永久磁石回転電機の断面図である。永久磁石回転電機は、固定子と、固定子内に設けられた回転子とを有している。回転子は、固定子コア１の内側に設けられた円柱状の回転子コア１１と、回転子コア１１の外周部に設けられた複数の永久磁石１２とを有している。この例では、磁石極数が６、固定子スロット数が９の永久磁石回転電機を示している。そして、巻線部４に電流を通電することで、巻線部４が作る磁束と永久磁石１２が作る磁束との相互作用により回転トルクが得られる。

このような永久磁石回転電機では、互いに隣接するコアバック部２ａ同士が非溶接で接合されているので、上述のようにコギングトルク及びトルクリップルを低減することが可能となる。

実施の形態２．
次に、図９はこの発明の実施の形態２による電動機の固定子の断面図である。この例では、各分割コア２のコアバック部２ａの径方向外周側にＶ字形の凹部２ｃが設けられている。他の構成は、実施の形態１と同様である。

次に、図９の固定子の製造方法について説明するが、基本的な製造手順は実施の形態１（図２）と同様である。図９の固定子を製造する場合、まず、図１０に示すように、各分割コア２のティース部２ｂに絶縁材３を介して巻線部４を装着する（ステップＳ１）。

この後、図１１に示すように、９個の分割コア２を円環状に並べて固定子コア１を形成する（ステップＳ２）。そして、必要に応じて、巻線結線部の端部処理作業を実施する。

次に、図１２に示すように、互いに隣接するコアバック部２ａ同士を接合した状態で分割コア２を拘束する複数の外周拘束治具１０を固定子コア１の外周部に装着する。このとき、固定子コア１に対して径方向内側への力を加え、コアバック部２ａ同士を密着させる。また、外周拘束治具１０に設けられた凸部１０ａを凹部２ｃに嵌合させる。さらに、固定子コア１の内側へのモールド樹脂の侵入を防止する円筒状の内側侵入防止治具８を固定子コア１の内側に配置する。

この状態で、１段階目の樹脂モールドをスロット部１ａ内に施す（ステップＳ３）。これにより、スロット部１ａ内にスロット樹脂部５が形成され、分割コア２が高精度に一体化（仮固定）される。１段階目の樹脂モールド後には、図１３に示すように、外周拘束治具１０及び内側侵入防止治具８を固定子コア１から取り外す。

この後、図１４に示すように、仮固定された固定子コア１をフレーム用金型９内にセットするとともに、固定子コア１の内側に内側侵入防止治具８を配置する。

この状態で、２段階目の樹脂モールドを固定子コア１の外周部に施す（ステップＳ４）。これにより、電動機のフレームを構成するフレーム樹脂部６が固定子コア１の外周部に形成される。この後、内側侵入防止治具８及びフレーム用金型９を固定子コア１から取り外し、必要に応じてフレーム樹脂部６の端面の加工等の仕上げ作業を行うことにより、図９に示したような固定子が完成する。

このような固定子製造方法では、１段階目の樹脂モールドの際に、各コアバック部２ａに設けられた凹部２ｃに、外周拘束治具１０に設けられた凸部１０ａを嵌合するので、実施の形態１よりも固定子コア１の内周真円度を向上させることが可能となる。

なお、凹部２ｃの形状はＶ字形に限定されるものではなく、位置決めが可能な形状であれば他の形状であってもよい。また、凸部１０ａの形状も凹部２ｃの形状に応じて変更される。
また、各分割コア２に設ける凹部２ｃの数は１つに限定されるものではなく、位置決めが可能であれば２つ以上であってもよい。

実施の形態３．
次に、図１５はこの発明の実施の形態３による電動機の固定子の製造途中の状態を示す断面図である。この例では、薄肉の連結部１３により分割コア２間が連結されている。このような固定子コア構造は、例えば特開平１１−２２０８４４号公報に示されている。従来の固定子製造方法では、図１５の分割コア２の連結体の両端部が溶接されるが、この実施の形態３では、図１５の連結体を円環状に折り曲げて固定子コア１を形成した後、両端部を溶接せず、実施の形態１と同様に２段階の樹脂モールドを施す。

このような固定子製造方法でも、分割コア２を固定するための溶接を不要としつつ内周真円度を向上させることができ、また外周に突起を有する内径拘束治具を用いる必要がなく、従って固定子の生産性を向上させることができる。
また、分割コア２が連結部１３で予め連結されているので、固定子コア１の形成が容易であり、生産性が向上する。

なお、例えば特開２０００-２０１４５８号公報に示されているようなコア構造を用いても同様の効果が得られ、接合部での密着性向上や内周真円度の向上が可能となる。

ここで、上述したように、コギングトルクの発生原因は、分割コア２間に発生する隙間である。図１６に発明者らが分割コア２間の隙間量とコギングトルクとの関係を測定した結果を示す。なお、図１６は図８のような断面形状を有する永久磁石回転電機においてコア分割部の１箇所に隙間が発生した場合の実験結果である。また、横軸はコア分割部の隙間量／エアギャップ長（固定子と回転子との間の隙間量）であり、縦軸はエアギャップ長の１割の隙間量が発生した場合のコギングトルクを基準としたコギングトルク比である。

図１６から、コギングトルク低減のためには、分割コア２間の隙間量をできる限り低減する必要があることがわかる。そして、隙間量をエアギャップ長の５％以下とするのが特に好適である。実施の形態１〜３に示したような固定子製造方法によれば、隙間量をエアギャップ長の５％以下とすることが可能であり、分割部隙間によって発生するコギングトルクを低減することが可能である。

また、分割コア２間の隙間の影響は、特に小型のモータで顕在化する。よって、この発明は、小型モータ、特に小型永久磁石回転電機に有効であり、回転子磁石極数は４〜１０、固定子スロット数は３〜１２の永久磁石式同期電動機のコギングトルクの低減に有用となる。

実施の形態４．
次に、この発明の実施の形態４について説明する。この例では、スロット樹脂部５の樹脂材料とフレーム樹脂部６の樹脂材料とを異なるものとした。具体的には、スロット樹脂部５には、モータ温度上昇低減のため、熱伝導性が高い樹脂材料（例えばアルミナや結晶シリカ等の熱伝導性の良い材料を含有させたエポキシ樹脂）、又は耐電圧性能の良いエポキシ樹脂が用いられている。また、フレーム樹脂部６には、モールド後の加工レス化のため、スロット樹脂部５よりも熱収縮率の小さい樹脂材料（ＢＭＣモールド等）、又はモールドの欠け防止のため、スロット樹脂部５よりも強度の高い樹脂材料が用いられている。これにより、モータ温度低減とフレーム強度の向上が可能となる。

なお、この発明は、電動機だけではなく、発電機にも適用できる。

この発明の実施の形態１による電動機の固定子の断面図である。 図１の固定子の製造手順を示す工程図である。 図１の分割コアに巻線部を装着した状態を示す断面図である。 図３の分割コアにより固定子コアを形成した状態を示す断面図である。 図４の固定子コアに外周拘束治具及び内側侵入防止治具を装着した状態を示す断面図である。 図５のスロット部内に樹脂モールドを施し外周拘束治具及び内側侵入防止治具を取り外した状態を示す断面図である。 図６の固定子コアをフレーム用金型内にセットした状態を示す断面図である。 図１の固定子を用いた永久磁石回転電機の断面図である。 この発明の実施の形態２による電動機の固定子の断面図である。 図９の分割コアに巻線部を装着した状態を示す断面図である。 図１０の分割コアにより固定子コアを形成した状態を示す断面図である。 図１１の固定子コアに外周拘束治具及び内側侵入防止治具を装着した状態を示す断面図である。 図１２のスロット部内に樹脂モールドを施し外周拘束治具及び内側侵入防止治具を取り外した状態を示す断面図である。 図１３の固定子コアをフレーム用金型内にセットした状態を示す断面図である。 この発明の実施の形態３による電動機の固定子の製造途中の状態を示す断面図である。 図８の分割コア間の隙間量とコギングトルクとの関係を測定した結果を示すグラフである。

符号の説明

１ 固定子コア、１ａ スロット部、２ 分割コア、２ａ コアバック部、２ｂ ティース部、２ｃ 凹部、４ 巻線部、５ スロット樹脂部、６ フレーム樹脂部、７，１０ 外周拘束治具、８ 内側侵入防止治具、１０ａ 凸部、１１ 回転子コア、１２ 永久磁石。

Claims (10)

1. コアバック部とティース部とをそれぞれ有する複数の分割コアの上記ティース部にそれぞれ巻線部を装着する工程、
   上記分割コアを円環状に並べて固定子コアを形成するとともに、互いに隣接する上記コアバック部同士を接合した状態で上記分割コアを拘束する外周拘束治具を上記固定子コアの外周部に装着する工程、
   上記ティース部間に形成された複数のスロット部内に樹脂モールドを施す工程、及び
   上記固定子コアから上記外周拘束治具を取り外し、上記固定子コアの外周部に樹脂モールドを施す工程
   を含むことを特徴とする回転電機の固定子製造方法。
2. 樹脂モールドを施す際には、上記固定子コアの内側へのモールド樹脂の侵入を防止する円筒状の内側侵入防止治具を上記固定子コアの内側に配置することを特徴とする請求項１記載の回転電機の固定子製造方法。
3. 上記固定子コアの外周部に上記外周拘束治具を装着する際には、上記各コアバック部に設けられた凹部に、上記外周拘束治具に設けられた凸部を嵌合することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の回転電機の固定子製造方法。
4. 上記スロット部内に樹脂モールドを施す際に用いる樹脂材料は、上記固定子コアの外周部に樹脂モールドを施す際に用いる樹脂材料と異なることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の回転電機の固定子製造方法。
5. 互いに隣接する上記コアバック部同士は、非溶接で接合することを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の回転電機の固定子製造方法。
6. コアバック部とティース部とをそれぞれ有する複数の分割コアを円環状に並べてなり、上記ティース部間に複数のスロット部が形成されている固定子コア、
   上記ティース部にそれぞれ装着されている複数の巻線部、
   上記スロット部内に樹脂モールドを施してなる複数のスロット樹脂部、
   上記固定子コアの外周部に設けられているフレーム樹脂部、
   上記固定子コアの内側に設けられている回転子コア、及び
   上記固定子コアの外周部に設けられている複数の永久磁石
   を備え、
   互いに隣接する上記コアバック部同士は、非溶接で接合されていることを特徴とする永久磁石回転電機。
7. コアバック部とティース部とをそれぞれ有する複数の分割コアを円環状に並べてなり、上記ティース部間に複数のスロット部が形成されている固定子コア、
   上記ティース部にそれぞれ装着されている複数の巻線部、
   上記スロット部内に樹脂モールドを施してなる複数のスロット樹脂部、
   上記固定子コアの外周部に設けられているフレーム樹脂部、
   上記固定子コアの内側に設けられている回転子コア、及び
   上記固定子コアの外周部に設けられている複数の永久磁石
   を備え、
   上記スロット樹脂部の樹脂材料は、上記フレーム樹脂部の樹脂材料と異なることを特徴とする永久磁石回転電機。
8. 互いに隣接する上記コアバック部同士は、非溶接で接合されていることを特徴とする請求項７記載の永久磁石回転電機。
9. 互いに隣接する上記分割コア間の隙間の寸法は、上記固定子コアの内周面と上記永久磁石との間のエアギャップ長の５％以下であることを特徴とする請求項６から請求項８までのいずれか１項に記載の永久磁石回転電機。
10. 上記永久磁石の個数は４〜１０であり、上記スロット部の数は３〜１２であることを特徴とする請求項６から請求項９までのいずれか１項に記載の永久磁石回転電機。

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