JP4321096B2

JP4321096B2 - 電動機の固定子、固定子製造方法および電動機

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Publication number: JP4321096B2
Application number: JP2003105269A
Authority: JP
Inventors: 健司原田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-04-09
Filing date: 2003-04-09
Publication date: 2009-08-26
Anticipated expiration: 2023-04-09
Also published as: JP2004312928A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電動機の固定子、固定子製造方法および電動機に関し、特に、コイルが集中巻きされた固定子、固定子製造方法および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、固定子製造方法および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製造方法は、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および外周側に位置する底部により規定されるとともに内周側へ近づくにつれて幅が小さくなる、環状かつ非分割型のコア体に対して、前記複数のティース部にノズルを用いた直巻方式で複数の巻線相を集中巻きで巻き付けることにより当該巻線相の一部分を前記スロット部に位置させるステップと、前記ティース部に巻き付けられることにより互いに隣り合う２つの前記巻線相の間に絶縁体を設けるステップと、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、前記スロット部の底部と前記巻線相との間に空間を形成するとともに、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を前記隣り合う２つの前記巻線相間に接触させつつ固定させるステップと、前記スロット部の底部と前記巻線相との間に形成された空間に磁性体を挿入するステップと、を備え、前記スロット部は、前記巻線相を外周側に位置させた場合には同一スロット部内で隣接する巻線相との間にノズルが挿入でき、巻線相を内周側に位置させた場合には前記同一スロット部内で隣接する巻線相とで前記絶縁体を挟持できる程度に内周側に近づくにつれて幅が小さくなる形状である。
【００１０】
このように構成された電動機の固定子製造方法では、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。また、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。また、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。
【００１１】
好ましくは、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。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。
【００１２】
他の本発明である電動機の固定子は、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、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、環状かつ非分割型のコア体と、前記複数のティース部にノズルを用いた直巻方式で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、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と、を備え、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、前記スロット部の幅は、前記巻線相を外周側に位置させた場合には同一スロット部内で隣接する巻線相との間にノズルが挿入でき、巻線相を内周側に位置させた場合には前記同一スロット部内で隣接する巻線相とで前記絶縁体を挟持できる程度に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、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。
【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

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および外周側に位置する底部により規定されるとともに内周側へ近づくにつれて幅が小さくなる、環状かつ非分割型のコア体に対して、前記複数のティース部にノズルを用いた直巻方式で複数の巻線相を集中巻きで巻き付けることにより当該巻線相の一部分を前記スロット部に位置させるステップと、
前記ティース部に巻き付けられることにより互いに隣り合う２つの前記巻線相の間に絶縁体を設けるステップと、
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、前記スロット部の底部と前記巻線相との間に空間を形成するとともに、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を前記隣り合う２つの前記巻線相間に接触させつつ固定させるステップと、
前記スロット部の底部と前記巻線相との間に形成された空間に磁性体を挿入するステップと、
を備え、
前記スロット部は、前記巻線相を外周側に位置させた場合には同一スロット部内で隣接する巻線相との間にノズルが挿入でき、巻線相を内周側に位置させた場合には前記同一スロット部内で隣接する巻線相とで前記絶縁体を挟持できる程度に内周側に近づくにつれて幅が小さくなる形状である、
電動機の固定子製造方法。
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に記載の電動機の固定子製造方法。
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、環状かつ非分割型のコア体と、
前記複数のティース部にノズルを用いた直巻方式で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、
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と、
を備え、
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、
前記スロット部の幅は、前記巻線相を外周側に位置させた場合には同一スロット部内で隣接する巻線相との間にノズルが挿入でき、巻線相を内周側に位置させた場合には前記同一スロット部内で隣接する巻線相とで前記絶縁体を挟持できる程度に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、
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、
電動機の固定子。
請求項３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。