JP2010279241A

JP2010279241A - 電動機の固定子

Info

Publication number: JP2010279241A
Application number: JP2010074715A
Authority: JP
Inventors: Akihiko Yamazaki; 昭彦山▲崎▼; Yasutake Seki; 育剛関
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2009-04-30
Filing date: 2010-03-29
Publication date: 2010-12-09

Abstract

【課題】一般的なスロット形状でインナー型ノズル巻線方式という通常の巻線方法において、第１層目および多層に積層されるコイルエンドの整列性が確保でき収納性の高い巻線の実現できる絶縁物形状。
【解決手段】ティース部端面３３のスロット側両角部のうち巻線時にコイルが掛かり始める側の角部１辺３３１に、巻装されるコイル線径に応じ第１層目の巻始めから巻終りまでの全てのコイルに対してコイル保持溝３４を形成している。上側インシュレータ３０１、下側インシュレータ３０２をコアティース１２の両端面に相対して装着している。また両インシュレータ間を補うスロット内絶縁物として、スロット絶縁紙５０を装着している。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、密閉型圧縮機等の各種機器に具備される電動機の固定子に関する。

一般に電動機において突極集中巻をして成る固定子は、鉄心両端面およびスロット壁面に絶縁部材を配し、前記絶縁部材を介して巻線を施すことにより形成されている。巻線方法としては、内径側からノズル４０を介して、ノズル４０の旋回・往復摺動によりコイル２０を巻装するインナー型ノズル巻線方式が知られている。

前記絶縁部材は一般的に樹脂成形物により形成され、樹脂成形による形状形成の容易さから種々の機能が付加されている。図１１に従来の１例を示すが、ティース部１２の外周側、内周側にコイル内外径方向の衝立となるティース外周側鍔部３１、ティース内周側鍔部３２を設けている。また前記ティース外周側鍔部３１に溝を設けることで巻始め線の導入溝３８としている。

また樹脂成形による形状形成を利用して、電動機の特性に大きく影響する巻線の整列性、収納性を高める方策が取り組まれている。図１２に示すようにティース部１２の端面にコイル位置決めのためのコイル保持溝３４を設けることで巻装されるコイル位置を規制、保持させていく方法は、従来から整列巻線する必須条件として提示されてきており、その上に種々の機能を追加して整列性やコイル品質を高める取組が提示されている。

一方、前記絶縁部材のティース外周側およびティース内周側鍔部についても形状形成は巻線収納性に大きく影響する。そのティース部端部絶縁部材の形状に適正斜面や段差を設けることで、コイルの巻装時の整列性、収納性を高める例などもある。（例えば、特許文献１）

特開平１１−１２２８５５号公報

巻線の整列性、収納性の向上は電動機の特性に大きく寄与することから、永年の課題として取り組まれてきている。巻線において整列性を決める第１要素は第１層目巻線の整列状態の確保にある。第２層目からは、第１層目により形成されたコイル条に沿って上をなぞるように巻装されていくからである。その第１層目を形成するために前記のごとく特許文献も種々の形状を提示している。

しかしながら、採用する鉄心スロット形状および巻線方法によっては巻装されるコイルの軌跡が限定されてしまい、前記文献に提示された効果が簡単に喪失されてしまうことが発生する。図１３に示すスロット形状例１は、ノズルの通過位置によって決められるコイルの通過位置２３とスロット底部１７が一致するため、前記した特許文献に示された絶縁物形状を採用することで巻線の整列性は一定向上する。しかし、通常の鉄心設計において前記ノズル４０によるコイルの通過位置２３と前記スロット底部１７を一致させようとすると、極端なコアヨーク幅狭小部が存在したり、反対にコアヨーク幅を確保しようとすると反対にスロット面積が小さくなってしまうなど、モータ設計上は採用が困難な状況となる。そのため、図１４に示すスロット形状例２のように可能な限りスロット底部１７を奥に位置させる折衷案や、図１５に示すスロット形状例３のように巻線性を無視してスロット面積を最大に広げる案などが採用される場合が一般的には多い。この場合、図に示されているように、前記ノズル４０によるコイルの通過位置２３と前記スロット底部１７が一致しなくなる。

図１５および１６に示すスロット形状例２、３の場合、巻線方法として鉄心を分割してボビン巻方式を採用し単独で巻線可能にすれば、ノズルの位置制御により前記文献に提示された絶縁物形状を活かした巻線が限定的ではあるが一定可能となる。一方鉄心が分割できない場合、巻線方法としてはインナー型ノズル巻線方式が一般的に採用される。図１６に９スロット、図１７に６スロットのインナー型ノズル巻線の例を示す。ノズル４０はティース部１２の周囲を旋回・往復周動し、図１６、１７の４１１および４１２に示すノズルのスロット内位置にてスロット１６内を通過する。またノズル４０は、巻装位置を放射方向に移動させながらティース部１２全体への巻線を行う。

図１８から図２０は、９スロットのインナー型ノズル巻線の例で、巻始め線のティース部への巻装状況について工程を順次追って示している。図１８で下側から導入された巻始め線２２は、ノズル４０により左のスロット１６の最奥に位置させて通過点４１１にてスロット１６を抜ける。図１９で左のスロット１６の最奥に位置させたままティース１２上へノズル４０が旋回し、ティース１２のコイルが掛かり始める側の角部上に達する。この段階で巻始め線２２はスロット最奥に位置できる。図２０でティース１２上を振り角α旋回したノズル４０は、右のスロット１６を抜ける通過点４１２位置に達する。この段階で明白なように、ノズル４０はスロット１６の最奥を通過しているにも係らず、ティース１２に巻き付けられるコイル位置は右のスロット１６の最奥とはならない。前段階の図１９でスロット最奥に位置付けされたはずの巻始め線２２も、この段階で位置がずれてきてしまう。この現象が、インナー方ノズル巻線方式のノズル旋回を利用して巻装するゆえ発生する、整列巻線に対する重大な課題となる。

この現象は巻線全体に対して言えるものであるが、前記第１層巻線の整列性を確保するという命題に対して特に大きな影響を与える。巻始め線２２の位置が不安定な状態であると、第２巻目が巻始め線２２を越してティース部外周側に巻装されたりする現象が発生し、以降の巻線位置を制御不能とさせる最大要因となる。一方基本的に第１層に巻装するコイル巻数は決められているため、途中からの巻線を前提として巻数を減らすことはかえって次に巻装されるコイル層の不安定さを誘導することとなる。

この課題に対し、前記の特許文献に提示された絶縁物形状はティース部外周側端部から順次巻線されることが前提となっており、ティース端面に巻き付けられたコイルの位置が斜めに走ることでティース端面に形状形成された位置決め溝はその機能を果さなくなり、むしろ溝の上をクロスすることでコイルボリュームを増大させることになり、第１層目の巻線そのものが成り立たなくなることで訴求効果が得られなくなる。また、ティースに形成された巻枠の４角のうち１角のみを位置決めさせる場合も、他方でコイルがフリーとなるため整列巻を得るのが困難となる。また１、２巻目を自由にする案も提示されているが、１周にわたり自由にすることはコイル位置の変動を防止できなくなり、訴求効果を得る事ができなくなる。

またスロット形状は、第１層目の巻線の上に積層されていく多層のコイル形成にも大きく影響してくる。図８は一般的な形状のスロット内に巻装されたある線径のコイル２０の積層状態を、図９はティース上の積層状態を示す。スロット内における積層形状が、そのままティース上のコイルエンド形状に転写されることになる。この事例では、ティース部外周側における絶縁部材のティース外周側鍔部の形状形成は、コイルエンド形状が上層狭小形のためにコイルエンド形状に沿った形成は不可能となり、巻線収納性には関与できないことになる。このコイルエンドの形成と保持はコイルエンドの多層形成のためには欠かせない要素となるが、そのための方法の提示は前記の特許文献に提示された絶縁物形状においては示されてはいない。

以上述べたように、前記の特許文献に提示された絶縁物形状では、一般的に採用されるスロット形状でのインナー型ノズル巻線方式による第１層目の巻線の整列性は確保が困難であり、また第１層目の上に積層される多層のコイルエンドの整列性の確保も困難、と言うことになる。

本願発明は、一般的なスロット形状でのインナー型ノズル巻線方式という通常の巻線方法において、第１層目の巻線の整列性が確保でき収納性の高い巻線の実現できる絶縁物形状を提供するのみならず、積層されるコイルエンドの整列性も確保することで、銅損の低い高効率の電動機を実現することを目的としている。

上記課題を解決するために本発明は、ティース部端面のスロット側両角部のうち巻線時にコイルが掛かり始める側の角部１辺にのみ、巻装されるコイル線径に応じ第１層目の巻始めから巻終りまでの全てのコイルに対してコイル保持溝を有する段差部を形成した絶縁部材を、前記固定子鉄心の軸方向端面上に相対して配置したことにより、スロット内を移動するコイルをコイルが掛かり始めるティース角部にて位置決め保持し、他方の角部で斜めに通過するコイルを位置決めしないことで移動可能とすると共に、掛かるコイルの角度を鈍角とすることでノズル移動に合わせたコイル位置修正が容易に可能となり、確実にコイル位置を確定させていくことをできるようにした。

また巻始め線の位置規制とともに巻装されるスロット部外周側および内周側に、前記スロット部内に巻装されるコイルを前記ティース上のコイルエンドへと誘導するスロット外周側鍔部およびスロット内周側鍔部を、コイル積層形状に合わせてスロット内側を規制する形状に形成することで、スロット形状に係らず積層されるコイルエンドの整列性を確保できるようにした。

具体的に本発明を説明する。第１の発明は、環状のヨークと、前記ヨークの内周部に配置された複数のティースと、前記ティースの内径側先端に形成されるティース幅広部とから形成される固定子鉄心と、前記固定子鉄心の軸方向両端面およびスロット壁面に配置された絶縁部材と、前記絶縁部材を介して前記ティースに直に巻装された巻線とからなる電動機の固定子において、前記ティース部端面のスロット側両角部のうち巻線時にコイルが掛かり始める側の角部１辺にのみ、巻装されるコイル線径に応じ第１層目の巻始めから巻終りまでの全てのコイルに対してコイル保持溝を有する段差部を形成した絶縁部材を、前記固定子鉄心の軸方向端面上に相対して配置したことを特徴とする電動機の固定子であり、一般的なスロット形状とインナー型ノズル巻線方式という通常使用される巻線方式で、第１層目の巻始め線から巻終り線まで全てのコイルを位置決め保持して第１層目巻線の整列性を確保できるようになる。

第２の発明は、前記電動機の固定子において、前記ティース部端面のスロット側両角部のうち巻線時にコイルが掛かり始める側の角部１辺にのみ、コイル保持溝を有する段差部を形成すると共に、段差部に掛かるコイル位置を他方の角部１辺に掛かるコイル位置より高くすることで、前記他方の角部１辺に掛かるコイルの屈曲角度を鈍角とした絶縁材を、前記固定子鉄心の軸方向端面上に相対して配置したことを特徴とする請求項１に記載の電動機の固定子であり、一般的なスロット形状とインナー型ノズル巻線方式という通常使用される巻線方式で、位置決め溝の段差部を有しない辺に掛かるコイルの角部への食らい付きを和らげ、第１層目に巻装されるコイルの移動性を高め、第１層目巻線の整列性を容易に確保できるようになる。

第３の発明は、前記絶縁部材において、巻装されるスロット部外周側に、前記スロット内に巻装されるコイルを前記ティース部上のコイルエンドへと誘導するスロット外周側鍔部を、コイル積層形状に合わせてスロット内側を規制する形状に形成したことを特徴とする請求項１または２に記載の電動機の固定子であり、一般的なスロット形状とインナー型ノズル巻線方式という通常使用される巻線方式で、整列巻された第１層目の上に順次多層の整列巻線を施すときの適用線径に応じたコイルエンド形状を規制するガイドを形成することにより、多層巻線の整列性を確保できるようになる。

第４の発明は、前記絶縁部材において、巻装されるスロット部内周側に、前記スロット内に巻装されるコイルを前記ティース部上のコイルエンドへと誘導するスロット内周側鍔部を、コイル積層形状に合わせてスロット内側を規制する形状に形成したことを特徴とする請求項３に記載の電動機の固定子であり、一般的なスロット形状とインナー型ノズル巻線方式という通常使用される巻線方式で、整列巻された第１層目の上に順次多層の整列巻線を施すときの適用線径に応じたコイルエンド形状を規制するガイドを形成することにより、多層巻線の整列性を確保できるようになる。

第５の発明は、前記絶縁部材において、前記ティース部外周側に前記ティース部に巻装されるコイルの巻始め線が導入される導入溝を形成したことを特徴とする請求項３または４に記載の電動機の固定子であり、一般的なスロット形状とインナー型ノズル巻線方式という通常使用される巻線方式で、巻始め線が最初にティース部端面上を通過するポイントを規定すると共に、第２層目のコイルが巻始め線上を渡る位置にて障害とならないよう巻始め線を表面から埋めてしまうことにより、第２層目以上の巻線の整列性を確保できるようになる。

本発明により、一般的なスロット形状でインナー型ノズル巻線方式という通常使用される巻線方法において、巻始め線の位置決めおよび第１層目の巻線の整列性が確保できるようになり、この整列性が向上した第１層上に形成されることで多層の巻線の整列性、収納性を向上させることができ、また積層されるコイルエンドの整列性も確保できることで、この固定子を搭載する電動機の銅損削減と高効率化に寄与することが可能となる。

本発明のインシュレータ形状例を示す部分外観図本発明のインシュレータを装着したティース部の断面図９スロットの本発明のインシュレータの場合の巻装工程の工程１の平面図９スロットの本発明のインシュレータの場合の巻装工程の工程２の平面図９スロットの本発明のインシュレータの場合の巻装工程の工程３の平面図９スロットの本発明のインシュレータの場合の巻装工程の工程４の平面図本発明のインシュレータ組付の構成例を示す部分外観図スロット内のコイルの積層状態を示す部分断面図ティース上に巻装された積層状態を示す部分断面図本発明のティース外周側鍔部を示す部分外観図従来のインシュレータ形状を示す部分外観図従来のコイル位置決め溝を有するインシュレータ形状を示す部分外観図従来のスロット形状例１を示す平面図従来のスロット形状例２を示す平面図従来のスロット形状例３を示す平面図９スロットのインナー型ノズル巻線の例を示す平面図６スロットのインナー型ノズル巻線の例を示す平面図９スロットの従来のインシュレータの場合の巻装工程の工程１の平面図９スロットの従来のインシュレータの場合の巻装工程の工程２の平面図９スロットの従来のインシュレータの場合の巻装工程の工程３の平面図

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。

（実施の形態１）
図１は本発明のインシュレータ形状例を示したものである。ティース部端面３３のスロット側両角部のうち巻線時にコイルが掛かり始める側の角部１辺３３１に、巻装されるコイル線径に応じ第１層目の巻始めから巻終りまでの全てのコイルに対してコイル保持溝３４を形成している。

図２に本発明のインシュレータを装着した事例のティース部断面を示すが、前記機能を持つ上側インシュレータ３０１、下側インシュレータ３０２をコアティース１２の両端面に相対して装着している。また両インシュレータ間を補うスロット内絶縁物として、スロット絶縁紙５０を装着している。

それぞれのインシュレータは、ティース部端面３３のスロット側両角部のうち巻線時にコイルが掛かり始める側の角部１辺３３１に、巻装されるコイル線径に応じ第１層目の巻始めから巻終りまでの全てのコイルに対してコイル保持溝３４を形成している。また他方の角部１辺３３２は、巻装されるコイルが移動しやすいように、前記コイル保持溝３４を有する角部１辺３３１との位置に高さの差を設けて、巻き付けられるコイルの角度βが鈍角となるように形成されている。

図３から図６は、９スロットのインナー型ノズル巻線に本願のインシュレータを装着した例で、巻始め線２２のティース部１２への巻装状況について工程を順次追って示している。

図３で下側から導入された巻始め線２２は、ノズル４０により左のスロット１６の最奥に位置させて通過点４１１を抜ける。図４でノズル４０を左のスロット１６の最奥に位置させたままティース１２上へ旋回し、ティース１２のコイルが掛かり始める側の角部１辺３３１上に装備されたコイル保持溝３４へと達する。この段階で巻始め線２２はコイル保持溝３４の最奥溝へと位置決め保持されることになる。図５でティース１２上を振り角α旋回したノズル４０は、右のスロット１６を抜ける通過点４１２に達する。この段階でティース１２に巻き付けられるコイル位置は他方の角部１辺３３２上の最奥ではない途中に掛かることになる。図６で、ノズル４０は右のスロット１６を抜けて右のスロット１６の最奥側を通りながら、ティース１２の下側インシュレータ３０２におけるコイルが掛かり始める側の角部１辺上に装備されたコイル保持溝３４へと達する。この工程中、上側インシュレータ３０１の他方の角部１辺３３２に掛かったコイル２０は、前記角部１辺３３１上に装備されたコイル保持溝３４にて保持された点を支点にして、移動しやすい他方の角部１辺３３２上を滑りながら、右のスロット１６最奥を移動するノズル４０に誘導されて、右のスロット１６の最奥へと移動することになる。これより以降、前記上側インシュレータ３０１にて行われた工程同様、下側インシュレータ３０２の角部１辺３３１上に装備されたコイル保持溝３４により最奥にて保持される。

以下、ノズル位置を放射方向に移動させながら、順次巻線を施すことで第１層目の整列巻線が実現する。第２層目からは、前記第１層目により形成されたコイル条に沿いながら整列に巻装されることになる。

（実施の形態２）
図７は、本発明のインシュレータを組み付けた固定子のスロット部絶縁物の構成をしめすものである。固定子鉄心１１の両端面に上側インシュレータ３０１と下側インシュレータ３０２が装着され、スロット内絶縁物として前記両インシュレータ間を補うスロット絶縁紙５０が装着されている。固定子鉄心１１のスロット形状に沿ってスロット壁面を覆うことでスロット内の絶縁を確保するスロット絶縁紙５０に対し、両端面を覆う前記インシュレータ３０１、３０２は、一部スロット絶縁紙５０と重複する鉄心嵌合部３５を持つことで沿面絶縁距離を確保すると共に、スロット部外周側１３においてスロット外周側鍔部３６およびスロット部内周側１４においてスロット内周側鍔部３７という、スロット絶縁紙５０端部でスロット内に覆い被さる形状を有している。

図８は、スロット内に巻装されたある線径のコイル２０の積層状態を示すものである。また図９は、前記コイル２０のティース１２上に巻装された積層状態を断面にて示すものである。通常として、スロット形状は線径変更とは異なり安易に変更できるものではないため、前記図８に示されるようにスロット形状に沿ったスロット絶縁紙と整列巻線されたコイル積層形状の間には間隙６０が発生することになる。また通常は、ティース部外周側１５における絶縁部材のティース外周側鍔部３１の形状形成がコイルエンドのコイルを積層して巻装していくガイドとなるが、前記図９で示されているようにティース部外周側コイルエンド形状が上層狭小形となり、このコイルエンド形状に沿ってティース部外周側１５にて積層され巻装されるコイルをガイドする形状を形成することは事実上不可能なものとなる。

上述したようにティース部外周側１５では不可能な積層され巻装されるコイルをガイドする機能を持たせたものが、前記図７におけるスロット外周側鍔部３６およびスロット内周側鍔部３７である。スロット部外周側１３およびスロット部内周側１４は、スロット部内に巻装されるコイルをティース１２上のコイルエンドへと誘導する位置付けにある。スロット内でストレートに巻装されたコイルは、スロット部外周側１３とスロット部内周側１４に挟まれた領域にて、屈曲してティース上に誘導されコイルエンドとして積層されていく。スロット内よりストレートに立ち上がってきたコイルをスロット部外周側１３とスロット部内周側１４において、適用線径により形成されるコイルエンド形状に合わせたスロット外周側鍔部３６およびスロット内周側鍔部３７によりガイドすることで、積層されていくコイルを外枠にて保持し、積み上げられたコイルの崩れを防止することにより、一般的なスロット形状においても適用線径に対応した整列巻線が可能となる。

なお、前記インシュレータの樹脂成形において、コイル保持溝およびスロット外周側鍔部、スロット内周側鍔部の形状は、金型上の構造として嵌め込み型とすることで、線径に応じた形状変更が容易に行えるようになり、高額の金型を多面持つ必要は無くなる。

また、上記により基本的なコイルガイド機能を持たなくなったティース部外周側１５において、図１０に示すように、コイル底辺層のみのコイルガイドを持たせたティース外周側鍔部３１に、巻始め線２２導入用の導入溝３８を設ける。前記導入溝３８により、巻始め線２２が最初にティース部端面上を通過するポイントを規定すると共に、第２層目のコイルが巻始め線２２上を渡る位置にて障害とならないよう巻始め線２２を表面から埋めてしまうことにより、第２層目以上の巻線の整列性を確保できるようになる。

本発明に係る電動機の固定子は、整列性が高く高密度の巻線が可能となるため、極めて高い効率が要求される密閉型圧縮機その他の機器への搭載に対して有用である。

１０固定子
１１固定子鉄心
１２ティース部
１３スロット部外周側
１４スロット部内周側
１５ティース部外周側
１６スロット
１７スロット底部
２０コイル
２２巻始め線
２３コイルの通過位置
３０インシュレータ
３１ティース外周側鍔部
３２内径側鍔部
３３ティース部端面
３４段差部
３５鉄心嵌合部
３６スロット外周側鍔部
３７スロット内周側鍔部
３８導入溝
４０ノズル
５０スロット絶縁紙
６０間隙
３０１上側インシュレータ
３０２下側インシュレータ
３３１巻線時にコイルが掛かり始める側の角部１辺
３３２他方の角部１辺
３４１コイル保持溝
４１１左のスロット通過点
４１２右のスロット通過点

Claims

環状のヨークと、前記ヨークの内周部に配置された複数のティースと、前記ティースの内径側先端に形成されるティース幅広部とから形成される固定子鉄心と、前記固定子鉄心の軸方向両端面およびスロット壁面に配置された絶縁部材と、前記絶縁部材を介して前記ティースに直に巻装された巻線とからなる電動機の固定子において、
前記ティース部端面のスロット側両角部のうち巻線時にコイルが掛かり始める側の角部１辺にのみ、巻装されるコイル線径に応じ第１層目の巻始めから巻終りまでの全てのコイルに対してコイル保持溝を有する段差部を形成した絶縁部材を、前記固定子鉄心の軸方向端面上に相対して配置したことを特徴とする電動機の固定子。
前記電動機の固定子において、
前記ティース部端面のスロット側両角部のうち巻線時にコイルが掛かり始める側の角部１辺にのみ、コイル保持溝を有する段差部を形成すると共に、段差部に掛かるコイル位置を他方の角部１辺に掛かるコイル位置より高くすることで、前記他方の角部１辺に掛かるコイルの屈曲角度を鈍角とした絶縁材を、前記固定子鉄心の軸方向端面上に相対して配置したことを特徴とする請求項１に記載の電動機の固定子。
前記絶縁部材において、巻装されるスロット部外周側に、前記スロット内に巻装されるコイルを前記ティース部上のコイルエンドへと誘導するスロット外周側鍔部を、コイル積層形状に合わせてスロット内側を規制する形状に形成したことを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれかに記載の電動機の固定子。
前記絶縁部材において、巻装されるスロット部内周側に、前記スロット内に巻装されるコイルを前記ティース部上のコイルエンドへと誘導するスロット内周側鍔部を、コイル積層形状に合わせてスロット内側を規制する形状に形成したことを特徴とする請求項３に記載の電動機の固定子。
前記絶縁部材において、前記ティース部外周側に前記ティース部に巻装されるコイルの巻始め線が導入される導入溝を形成したことを特徴とする請求項３又は請求項４のいずれかに記載の電動機の固定子。