JP4444852B2

JP4444852B2 - 同期電動機の固定子の製造方法及び同期電動機の固定子及び送風機

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Publication number: JP4444852B2
Application number: JP2005049084A
Authority: JP
Inventors: 篤松岡; 祥子川崎; 芳雄滝田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2005-02-24
Filing date: 2005-02-24
Publication date: 2010-03-31
Anticipated expiration: 2025-02-24
Also published as: JP2006238587A

Description

この発明は、マグネットを用いた回転子を備えた同期電動機に係り、小形、低コスト、低騒音を実現する同期電動機に関するものである。

従来のインナーロータ形の同期電動機の固定子コアは、鋼板より打ち抜かれたものを複数枚積層して構成されている。モータ出力の小さい小形のファンモータ等の場合、出力トルクも小さいため、必要となる固定子コアの積層枚数が少なく、非常に薄形のコアとなることが多い。

また、軸方向の寸法が大きく、外径が小さいモータを作る場合には、径の小さいコアを複数枚積層して固定子コアを構成する。

薄形の固定子コアの巻線作業を容易にする技術として、ティースの数を減らした固定子コアを打ち抜いたものに巻線を巻回し、それらをティースの位置をずらしながら積層するという技術がある（例えば、特許文献１参照）。

また、出力の小さいファンモータなどでは、鋼板を積層せず、数枚の鋼板を折り曲げてコアを構成し、コイルとの組み合わせで固定子を構成することがある。この場合、磁極を構成するティースに直接巻線を巻回せず、大きなコイルを用いるのみであるため、電動機の組み立ては比較的容易である（例えば、特許文献２参照）。
特開２００３−２９９２６８号公報特開２００４−２２２３７３号公報

従来のような鋼板の積層により構成される固定子コアの場合、積層枚数が少ない薄形の固定子コアをフレームに圧入して電動機を構成しようとすると、軸方向の寸法が短いため、出力軸に対して傾きやすく、回転子とのギャップが不均一となり、振動・騒音の原因となる。

また、出力の小さいファンモータなどで磁極を構成するティースに集中的にコイルを巻回しようとすると、モータの体格が小さいため、作業が困難である。

小径のモータに用いる固定子コアを鋼板の積層により構成しようとすると、積層枚数が多くなり、加工コストが高くなるという問題があるのと共に、内径も小さいことによる巻線作業の困難さが問題となる。

特許文献１のように、ティースの数を減らした鋼板に巻線を巻回したのち、ティースの位置をずらして積層すると、巻線時には、ティース間の距離を大きく取れるため、作業が容易となるが、回転子に対向するティースの軸方向位置がそれぞれ異なるため、運転時に軸方向の加振力が発生しやすく、振動、騒音の原因となりやすい。また、コアの厚みは薄いままであるため、フレームへの圧入時のコアの傾きを防ぐのは難しい。

特許文献２のように、鋼板を折り曲げた固定子コアとコイルを用いて固定子を構成する場合、組み立ては容易であるが、コイルが大きくなるため、巻線の周長が長くなり、電動機の効率の低下や、材料コストの増加が考えられる。

この発明は、上記のよう問題点を解決するためになされるもので、低コスト化、小形化、低騒音、低振動化、高効率化できる同期電動機の固定子及びその製造方法及びその同期電動機を用いた送風機を得ることを目的とする。

この発明に係る同期電動機の固定子の製造方法は、固定子の内側にロータが設けられるインナーロータ形の同期電動機の固定子の製造方法において、
コアバック部と、このコアバック部より突出するティース巻線部と、このティース巻線部の先端でロータに対向するティース先端部を有するコアを、１枚の鋼板より切り出す工程と、
コアのコアバック部およびティース先端部を、ティース巻線部に対して同方向に折り曲げる工程と、
ティース巻線部に巻線を巻回する工程と、
コアバック部を円筒状に成形する工程とを備えたことを特徴とする。

この発明に係る同期電動機の固定子の製造方法は、上記構成により、同期電動機の小形化ができ、材料コストと加工コストを低く抑えるという効果がある。
また、コアのティースに直接巻線を巻回して、巻線の周長を短くして巻線抵抗を小さくできるので、モータを高効率化することができる。

実施の形態１．
図１〜５は実施の形態１を示す図で、図１は固定子コアの展開図、図２は固定子コアのティース先端部、ティース巻線部を折り曲げた状態を示す斜視図、図３は同期電動機の固定子及び同期電動機を示す斜視図、図４は固定子コアのティース部分を示す斜視図、図５は同期電動機の固定子コアのティース先端部の形状を示す斜視図である。

図１に示すように、固定子コアは、長方形のコアバック部１と、その長手側より複数突出するティース巻線部２、その先端でロータマグネットに対向するティース先端部３で構成されている。このような形状の鋼板を図２に示すようにティース巻線部２を折り曲げ、さらにティース先端部３に曲面を持たせて折り曲げる。この状態においてティース巻線部２に巻線を施す。巻線作業後、コアバック部１を円筒状に折り曲げることにより、図３（ａ）に示すような電動機の固定子を得ることが出来る。このように構成された固定子を図３（ｂ）に示すようにフレーム７に圧入して、マグネット５およびシャフト６で構成される回転子を挿入することで薄形の同期電動機を得ることができる。

本実施の形態に示す固定子は１枚の鋼板を折り曲げて固定子を構成しており、コアバック部１が円筒状であることから、軸方向寸法を確保でき、固定子をフレーム７に圧入する際の傾きを防止できる。

また、ティース先端部３を折り曲げてロータマグネットに対向する面積を大きく取ることができるため、モータ出力を大きくすることができる。あるいは、少ない電流でトルクが出せるため、巻線で発生する熱損失をおさえて同期電動機の効率を向上することができる。

コアバック部１が平面状で、各ティースは直線状に配置された状態では（図２の状態）、隣り合うティース先端部３同志の間隔（スロットの開口部）が大きく開いており、巻線作業が容易となる。

また、折り曲げた後はティース先端部３同志の間隔を狭く出来るため、コギングトルクを小さくすることができ、振動、騒音の少ないモータが得られる。

上記の固定子において、図４に示すようにティース巻線部２の近くのコアバック部、ティース先端部にコアバック平面部８、ティース先端平面部９を設けると、この平面が巻枠の役目を果たすため、巻線の崩れを防止して、巻線周長を縮小し、銅線の使用量を減らすと共に、モータの特性を向上させることも出来る。
尚、平面部はコアバック部、ティース先端部のいずれかに設けることでもよい。

ティース先端部３は、平面の鋼板を折り曲げて構成することから、自由な形状に設定できるため、例えば、図５（ａ）に示す様に周方向端部に傾斜を付けた平行四辺形形状のティース先端部１０とすることにより、回転子マグネットに斜めのスキュー着磁を施したのと同じ効果が得られる。これにより、平行四辺形形状のティース先端部１０の端面付近で得られる回転子マグネットの磁束の変化が緩やかになるため、コギングトルクを小さくでき、振動、騒音の少ないモータが得られる。

また、例えば、平行四辺形形状のティース先端部１０の様な形状の場合、両端が傾斜しているため、軸方向にマグネットの吸引力のアンバランスが生じて加振力が生じ、場合によっては振動、騒音の原因となる可能性がある。この場合、図５（ｂ）のようにくの字形状のティース先端部１１とすることで、軸方向の吸引力のアンバランスをキャンセルできるため、コギングトルクを小さくするのと同時に軸方向の加振力を抑えることができる。

また、図５（ｃ）に示すように、長方形の角を切り欠いたような八角形形状のティース先端部１２（六角形でもよい）とすることでも、八角形形状のティース先端部１２で受ける回転子マグネットの磁束の変化を緩やかにできるため、コギングトルクを低減できる。この形状は限定されない多角形でよい。

また、図５（ｄ）のように平面状のティース先端部１３とすると、ロータマグネットと平面状のティース先端部１３との間の磁束密度の分布が緩やかに変化することになるため、固定子の巻線に発生する誘起電圧を正弦波状にすることができ、トルクリップルを低減して、振動、騒音の少ないモータが得られる。

例えば、図３に示すような形状で、厚みが１ｍｍの鋼板を用いて外径が６０ｍｍ程度で、コアバック部、およびティース先端部の軸方向寸法が５ｍｍ程度の固定子を用いると、出力がおおよそ１Ｗの同期電動機を作ることができる。このモータでモータ効率は、３５％程度得ることができる。同等の外径で同程度の出力が得られる誘導電動機を作ろうとすると、鋼板を２０ｍｍ程度積層した固定子を用いる必要があり、そのときのモータの効率は、１５％程度である。このことからも、本実施の形態の同期電動機が小形で効率が良いことがわかる。

また、上記のように出力の小さな同期電動機の場合、例えば１２Ｖ程度の低い電圧で駆動することで、固定子鉄心と巻線の間の絶縁も簡易的にすることができるため、電動機のコストも下げることができる。

このような同期電動機を送風機に適用し、例えば薄形の羽根と組み合わせることにより、送風機自体を薄形にすることができる。

実施の形態２．
図６は実施の形態２を示す図であり、同期電動機のを示す固定子コアのティース部分の構成を示す斜視図である。
本実施の形態の固定子コアは、図２に示した固定子を２つ用いて、これらを上下反転させて結合することにより構成されるものである。回転子マグネットと対向するティース先端部３の軸方向の寸法を大きくすると、回転子マグネットより発生する磁束をより多く得られることになるが、この寸法を大きく取りすぎると、ティース巻線部に磁束が集中しすぎてしまい、磁束密度の飽和が生じ軸方向の寸法を増加したことに対して、十分なモータ出力が得られなくなる。また、ティース巻線部で発生する鉄損も大きくなり、同期電動機の効率も低下する。

本実施の形態のように同形状のコアを上下に結合することで、ティース先端部３の軸方向寸法の拡大と同時にティース巻線部２の断面積も拡大するため、磁束の飽和を防止してモータの高出力化が可能となる。

また、コアバック部１とティース先端部３を上下に突出させるため、巻線の巻枠としての役割がより有効となり、巻線を整列に巻きやすくなる。

例えば、実施の形態１で述べた出力１Ｗ程度の同期電動機の場合、本実施の形態のように、ティース巻線部の断面積を２倍とした場合、モータの効率は、３５％から４４％まで向上することができた。これは、ティース巻線部の断面積を拡大し、この部分に磁束を通しやすくしたため、巻線に鎖交する磁束量が約５０％増加し、トルク定数が大きくなり、銅損が増加したことが要因である。

実施の形態３．
図７、８は実施の形態３を示す図で、図７は同期電動機の固定子コアのティース巻線部の構成を示す斜視図、図８は同期電動機の固定子コアのティース巻線部の抜け止めの構成を示す斜視図である。
図７に示すように、実施の形態１と同様、鋼板より切り出したコアを折り曲げて固定子コアを構成するが、ここでは、コアバック部１とティース先端部３が分割されており、別の部品（第１のコア３０、第２のコア３１）として構成されている。

ティース巻線部２はほぼ共通の形状でコアバック部１は第１のコア３０に、ティース先端部３は第２のコア３１に存在しており、ティース巻線部２を重ね合わせることで固定子コアを構成する。

ティース先端部３で受けた磁束はティース巻線部２に集中するため、ロータマグネットの磁力を強くすると、鋼板一枚で構成したコアではティース巻線部２の断面積が十分に取れずこの部分で磁束密度の飽和を起こし、十分なモータ出力が得られなくなる。また、損失増加、誘起電圧の歪み等の不具合を生じさせやすくなる。上記のように、コアを２分割し、ティース巻線部２を重ねて断面積を大きくして磁気飽和をなくすことで、これらの不具合を防止することができる。

また、コアバック部１とティース先端部３を分割することで、例えば、巻線を別途巻枠に巻いておいたものをティース巻線部２に挿入し、後にティース先端部３を挿入することで、固定子の組み立て作業を容易にすることもできる。

また、図８に示すように、重ね合わせるティース巻線部２の一方に窪み部１５を、他方に突起部１６を設けることで、ティース先端部３が内径側に抜けることを防止することができるのと同時に、ティース巻線部２の位置合わせもできる。

実施の形態４．
図９、１０は実施の形態４を示す図で、図９は同期電動機の固定子コアを構成する鋼板の展開図、図１０は同期電動機の固定子コアのティース巻線部の構成を示す斜視図である。
図９に示すように、鋼板より固定子コアを切り出す際にティース巻線部２を実際の寸法より幅広に切り出す。コアバック部１およびティース先端部３との接続部には実施寸法の幅を残して切り込みを入れて折り曲げ部１７を形成する。次に、このコアにおいてティース巻線部２は実際の寸法分を残して折り曲げ部１７を折り曲げる。

折り曲げ方は、様々な方法が考えられるが、例えば、図１０（ａ）に示すように両側に折り曲げ部１７設け、軸方向どちらか同方向に折り曲げると、ティース巻線部２の断面積は、概ね２倍とすることができる。これによって、ティース巻線部の磁束の飽和を緩和して電動機の出力を向上することができる。また、巻線部の角が折り曲げた際の曲面となるため、切り出した鋼板のエッジにより巻線が傷付くことを防止することもできる。

また、ティース巻線部２に寸法の概ね２倍の折り曲げ部１７を設けて切り出し、図１０（ｂ）に示す様に両側を上下にそれぞれ折り込むことで、断面積を３倍にすることもできる。

また、図１０（ｃ）に示す様に、ティース巻線部２に折り曲げ部１７を片方に偏らせて設け、巻き込む様に折り曲げることによって、ティース巻線部２の断面積をさらに増やすことも可能である。

これらの方法により、回転子マグネットの磁力の強さや、ティース先端部３の軸方向寸法によって得られる磁束量に対応したティース巻線部の断面積を自由に変えることができる。

実施の形態５．
図１１〜１４は実施の形態５を示す図で、図１１は同期電動機の固定子コア及び固定子の斜視図、図１２は同期電動機の固定子コアのティースの構成を示す斜視図、図１３は同期電動機の固定子コアの構成を示す斜視図、図１４は同期電動機の固定子コアの構成を示す斜視図である。
コアは、ティース毎に分割され、それぞれ１枚の鋼板より切り出され、図１１（ａ）の様な形状に折り曲げ、コアバック部１、ティース巻線部２、ティース先端部３を構成する。ティース巻線部２がロータ回転軸と平行な平面で構成されている点が前述の実施の形態１乃至４と異なっている。前述の実施の形態と同様に、ティース巻線部２に巻線を施す。巻線作業の後、これらのコアの外周（コアバック部１）を結合して図１１（ｂ）に示すような固定子コアを構成する。

上記のような構成を取ることにより、小形、小径の同期電動機を得ることができる。

このとき、例えば、実施の形態４で行ったように、ティース巻線部２の両側に切り込みを入れた状態で鋼板よりコアを切り出し、両側を折り込むことにより、ティース巻線部の断面積を一定のままで、巻線の周長を短くして、銅線の使用量を削減したり、巻線の抵抗値を下げてモータ特性を向上したりすることもできる。

また、各ティースを図１２（ａ）のように２分割で構成したものを図１２（ｂ）のように組み合わせて、ティースを構成すると、ティース巻線部２の断面積を大きくとれて、この部分での磁束密度の飽和を防ぎ、同期電動機の出力アップを図ることができる。

また、図１３に示す様に固定子を構成するコアにおいて、コアバック部１をティース巻線部２、ティース先端部３とは別の部品で構成すると、コアバック部１は、ティース毎に分割する必要が無くなる。このため、鋼板より切り出す際に、ティース巻線部２、ティース先端部３を配置する部分に切り欠き部１８を設けておき、ティース巻線部２、ティース先端部３をこの切り欠き部１８を用いてコアバック部１に嵌合する。

これによって、前述の実施の形態１乃至４と同様、ティースを一列に並べての巻線作業が可能となり、巻線作業後はコアバック部１を円筒状に折り曲げて固定子を得ることができる。

また、ティース毎に分割した場合、例えば、図１４に示すように隣り合うティースのコアバック部１に切り欠き連結部１９を設け、この切り欠き連結部１９使って複数のティースを一列に連ねることも可能である。これにより、巻線作業が容易となる。また、巻線作業の後にコアバック部１の折り曲げ作業が無いため、容易に円筒状の固定子を組み立てることができ、また、コアの歪みが生じにくい。

実施の形態６．
図１５、１６は実施の形態６を示す図で、図１５はダクト換気扇の断面図、図１６はパイプファン換気扇を示す図である。
図１５（ａ）は実施の形態６のダクト換気扇であり、図１５（ｂ）は比較のために示す従来の誘導電動機を用いたダクト換気扇である。
図１５の換気扇２１は、主に室内の天井に取り付けられるダクト形の換気扇であり、排気口２４をダクトに接続する。シロッコファン２２を電動機で回転させ、吸気口２３から室内の空気を取り込み排気口２４を通して室外へ排気する。

従来の誘導電動機２５を用いた場合、図１５（ｂ）に示すように電動機の軸方向寸法が大きくなるため、換気扇２１の高さも高くなる。また、電動機に積層電磁鋼板のコアを用いているため、電動機の重量が重く、製品全体としても重量が大きくなっている。これに対して、図１５（ａ）に示すように、本発明の同期電動機２０を搭載することで、モータの薄型化、軽量化ができ、換気扇２１の高さ寸法の縮小、軽量化ができる。

また、図１６は別の形態の換気扇を示す図で、図１６（ａ）は実施の形態６のパイプファン換気扇であり、図１６（ｂ）は比較のために示す従来の誘導電動機を用いたパイプファン換気扇である。

これらは、排気用のパイプに直接本体を取り付けるパイプファンと呼ばれる形態の換気扇である。電動機でプロペラファン２６を回転させ、吸気口２３より吸い込んだ空気を換気扇背面に接続されたパイプを通して室外に排気する。

従来の誘導電動機２５は、モータ径が大きく、モータ周辺の風路２７の断面積を大きく取れなかった。これに対して、本実施の形態の換気扇では、同期電動機２０を小径にできるため、風路２７の断面積を大きく取ることができて、換気能力を上げることができる。

本発明の活用例として、出力の小さいファンモータへの適用が可能である。

実施の形態１を示す図で、固定子コアの展開図である。実施の形態１を示す図で、固定子コアのティース先端部、ティース巻線部を折り曲げた状態を示す斜視図である。実施の形態１を示す図で、同期電動機の固定子及び同期電動機を示す斜視図である。実施の形態１を示す図で、固定子コアのティース部分を示す斜視図である。実施の形態１を示す図で、同期電動機の固定子コアのティース先端部の形状を示す斜視図である。実施の形態２を示す図であり、同期電動機のを示す固定子コアのティース部分の構成を示す斜視図である。実施の形態３を示す図で、同期電動機の固定子コアのティース巻線部の構成を示す斜視図である。実施の形態３を示す図で、同期電動機の固定子コアのティース巻線部の抜け止めの構成を示す斜視図である。実施の形態４を示す図で、同期電動機の固定子コアを構成する鋼板の展開図である。実施の形態４を示す図で、同期電動機の固定子コアのティース巻線部の構成を示す斜視図である。実施の形態５を示す図で、同期電動機の固定子コア及び固定子の斜視図である。実施の形態５を示す図で、同期電動機の固定子コアのティースの構成を示す斜視図である。実施の形態５を示す図で、同期電動機の固定子コアの構成を示す斜視図である。実施の形態５を示す図で、同期電動機の固定子コアの構成を示す斜視図である。実施の形態６を示す図で、ダクト換気扇の断面図である。実施の形態６を示す図で、パイプファン換気扇を示す図である。

符号の説明

１コアバック部、２ティース巻線部、３ティース先端部、４巻線、５マグネット、６シャフト、７フレーム、８コアバック平面部、９ティース先端平面部、１０平行四辺形形状のティース先端部、１１くの字形状のティース先端部、１２八角形形状のティース先端部、１３平面状のティース先端部、１４コア結合部、１５窪み部、１６突起部、１７折り曲げ部、１８切り欠き部、１９切り欠き連結部、２０同期電動機、２１換気扇、２２シロッコファン、２３吸気口、２４排気口、２５誘導電動機、２６プロペラファン、２７風路、３０第１のコア、３１第２のコア。

Claims

固定子の内側にロータが設けられるインナーロータ形の同期電動機の固定子の製造方法において、
コアバック部と、このコアバック部より突出するティース巻線部とを有する第１のコアを１枚の鋼板より切り出す工程と、
ティース巻線部と、このティース巻線部の先端でロータに対向するティース先端部を有する第２のコアを１枚の鋼板より切り出す工程と、
前記第１のコアの前記コアバック部を折り曲げる工程と、
前記第２のコアのティース先端部を折り曲げる工程と、
折り曲げられた前記第１のコアと前記第２のコアとを前記ティース巻線部を重ね合わせる工程と、
前記重ね合わされたティース巻線部に巻線を巻回する工程と、
前記コアバック部を円筒状に成形する工程とを備えたことを特徴とする同期電動機の固定子の製造方法。
固定子の内側にロータが設けられるインナーロータ形の同期電動機の固定子において、
コアバック部と、このコアバック部より突出するティース巻線部とを有する第１のコアを１枚の鋼板より切り出し、ティース巻線部と、このティース巻線部の先端でロータに対向するティース先端部を有する第２のコアを１枚の鋼板より切り出すし、前記第１のコアの前記コアバック部を、前記ティース巻線部に対して折り曲げ、前記第２のコアのティース先端部を折り曲げ、折り曲げられた前記第１のコアと前記第２のコアとを前記ティース巻線部を重ね合わせ、前記重ね合わされたティース巻線部に巻線を巻回した後で、前記コアバック部を円筒状に成形することを特徴とする同期電動機の固定子。
重ね合わせるティース巻線部にそれぞれ窪み部と突起部を設け、重ね合わせた際の位置決めおよび抜け止めとすることを特徴する請求項２記載の同期電動機の固定子。
請求項２又は請求項３記載の同期電動機の固定子を有する同期電動機を用いたことを特徴とする送風機。