JP4788881B2

JP4788881B2 - 電動機の製造方法

Info

Publication number: JP4788881B2
Application number: JP2005226116A
Authority: JP
Inventors: 好史福田; 賢一乙山; 博樹中川原; 祐介菊地
Original assignee: Fujitsu General Ltd
Current assignee: Fujitsu General Ltd
Priority date: 2005-08-04
Filing date: 2005-08-04
Publication date: 2011-10-05
Anticipated expiration: 2025-08-04
Also published as: JP2007043840A

Description

本発明は、磁極歯にマグネットワイヤーを直巻きするタイプの電動機の製造技術に関し、さらに詳しく言えば、マグネットワイヤーをより効率的かつ高密度に巻回する電動機の製造技術に関する。

例えば特許文献１には、冷凍サイクルの圧縮機用電動機で、円筒状の密閉シェルの内周面に沿って円筒状のステータ（固定子）が固着され、ステータの中心にロータ（回転子）が回転可能に配置されたインナーロータ型の電動機が示されている。

この電動機のステータは、中心に向かって多数の磁極歯（ティース）が突設された固定子鉄心（ステータコア）を有し、固定子鉄心の両端には、樹脂成型物からなるインシュレータが配置され、磁極歯の間のスロット内に沿って絶縁シートが配置されている。

各磁極歯の外周には、マグネットワイヤー（コイル）が巻回されている。マグネットワイヤーの巻回方法としては、磁極歯に直接マグネットワイヤーを巻き付ける直巻き式と、予め束ねられたマグネットワイヤーをスロットに装嵌する分布巻き式との２通りがあるが、圧縮機用電動機では、通常、組立作業性がよく、コスト低減効果のある直巻き式が一般的によく用いられる。

ところで、特許文献１の電動機は、圧縮機用として用いるために、密閉シェルとステータとの間に冷媒循環用の切欠部が設けられている。通常、切欠部は磁力への影響を少なくするため、各磁極歯の背面側に形成されるが、バックヨークの幅が必然的に狭くなるため、従来では失われた磁路幅を広くするために磁極歯の巻胴部の付け根側の幅の一部を広くしていた。

しかしながら、巻胴部の幅を広くした場合、巻胴部の付け根が傾斜するための、そこにマグネットワイヤーを整列良く巻回させることは困難であった。とりわけ、ニードルの移動幅には限界があったため、ニードルの移動幅よりも外側にマグネットワイヤーを巻回することはできなかった。

特開２００３−３２４８８２号公報

そこで、本発明は上述した問題を解決するためになされたものであって、その目的は、マグネットワイヤーを整列良く、高密度に巻回することができる電動機の製造技術を提供することにある。

上述した目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、隣り合う磁極歯の間にコイルを収納するスロットが設けられた固定子鉄心を含み、上記磁極歯の間に形成されたスロット開口部から上記スロット内にニードルを差し込み、上記ニードルからマグネットワイヤーを繰り出しながら上記各磁極歯に沿って直巻きする電動機の製造方法において、上記固定子鉄心は、上記各磁極歯が半径方向の中心に向かって突設されたインナーロータ型であり、上記各磁極歯は、先端に設けられる磁極面側から外径側に延びる巻胴部と、同巻胴部の付け根から外径側に向かって磁路幅が漸次広くなるように形成された拡幅部とを備え、上記巻胴部の付け根から上記マグネットワイヤーを巻き始め、上記磁極面側に向かって１巡目のマグネットワイヤーを上記巻胴部に巻回するステップと、上記磁極面側から上記付け根部側に向かって２巡目のマグネットワイヤーを巻回し、１巡目のマグネットワイヤーの上に２巡目のマグネットワイヤーを積層すると共に、上記拡幅部にも２巡目のマグネットワイヤーを巻回し、上記ニードルの最深到達位置まで２巡目のマグネットワイヤーを巻回するステップと、上記最深到達位置で巻回した２巡目のマグネットワイヤーの上にマグネットワイヤーを重ねて巻くことで、上記最深到達位置を乗り越えて上記拡幅部にマグネットワイヤーを落とし込むステップとを含むことを特徴としている。

請求項２に記載の発明は、上記請求項１において、上記マグネットワイヤーを整列巻きする際、隣接する上記マグネットワイヤーの一部に接触するように次の上記マグネットワイヤーを整列巻きすることを特徴としている。

本発明によれば、磁極歯に沿って巻回されたマグネットワイヤーの終端の上にさらにマグネットワイヤーを重ね巻きしたのち、一定のテンションをかけてマグネットワイヤーを引っ張ることにより、マグネットワイヤーの終端よりも外側に落とし込んで巻回することができる。また、マグネットワイヤーを直に巻きにくい磁極歯の付け根側に設けられた拡幅部にもコイルを整列良く巻回することができる。

次に、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、本発明はこの限りではない。図１は、本発明の一実施形態に係る電動機を備えた圧縮機の要部断面図であり、図２は、電動機のステータの斜視図である。

電動機１０は、圧縮機の密閉シェル１の内周面に沿って配置されたステータ２０と、同ステータ２０の中心に回転可能に配置されたロータ３０とを有し、ロータ３０には冷媒圧縮部３を駆動する出力軸２が同軸的に取り付けられている。出力軸２は、一端がメインフレーム５に軸支され、その先端が冷媒圧縮部３に接続されている。出力軸２の他端は、電動機１０の下部に配置されたサブフレーム４に軸支されている。

本発明において、密閉シェル１，出力軸２，冷媒圧縮部３，サブフレーム４，メインフレーム５およびロータ３０は、電動機１０および圧縮機を構成するに必要な基本的機能を備えていれば良く、それ以外は仕様に応じて任意に変更可能であるため、その形状や材質などの具体的な説明は省略する。

図２および図３に示すように、ステータ２０は中心にロータ３０が配置される円筒状の固定子鉄心４０と、同固定子鉄心４０の両端（図２では上下端）に取り付けられる一対の絶縁端板（インシュレータ）５０，５０とを有し、同固定子鉄心４０の各スロット４３内には図示しない絶縁シートが配置されている。この実施形態において、ステータ２０はインナーロータ型ブラシレスモータの固定子である。また、絶縁シートに代えて、絶縁端板５０の一部に一体に設けられたスリーブをスロット内に差し込んで絶縁してもよく、本発明においてステータ２０の絶縁方法は任意である。

固定子鉄心４０は複数枚の電磁鋼板を軸線方向に沿って積層したものからなり、そのヨーク４０ａの外周面には軸線方向に沿って切欠溝４１が設けられているが、この例において、磁極歯４２ａ，４２ｅ，４２ｆのヨーク４０ａには、冷媒循環用の冷媒循環孔４５が設けられている。

切欠溝４１および冷媒循環孔４５は、固定子鉄心４０の軸方向に沿って貫通する貫通溝（貫通孔）からなり、切欠溝４１および冷媒循環孔４５を介して電動機１０の上下に冷媒を循環させる循環孔として用いられる。

なお、切欠溝４１および冷媒循環孔４５の形成位置は、仕様により任意に変更可能であるが、各磁極歯４２ａ〜４２ｉの背面側（外周側）に設けることが好ましい。また、この例において、固定子鉄心４０は電磁鋼板の積層体からなるが、これ以外に鋳造成型品や金属粉体の焼結成型品などであってもよい。

固定子鉄心４０は円周方向に沿って等間隔に配置された９カ所に磁極歯４２ａ〜４２ｉを有し、各磁極歯４２ａ〜４２ｉの先端部にはロータの形状に沿って円弧状に湾曲された磁極面４２１が形成されている。

磁極歯４２ａ〜４２ｉの数は９個であるため、各磁極歯４２ａ〜４２ｉの間に形成されるスロット４３も磁極歯４２ａ〜４２ｉの数と同じく９スロットであるが、磁極歯４２ａ〜４２ｉおよびスロット４３の数（スロットコンビネーション）は仕様に応じて任意に変更可能である。

各磁極歯４２ａ〜４２ｉはともに同一形状であるため、以下においては磁極歯４２ａを例にとって説明する。磁極歯４２ａは、ヨーク４０ａの内側から中心に向かって延設された巻胴部４２２を有し、巻胴部４２２の付け根側には、切欠溝４１の形成によって失われた磁路幅を補うための拡幅部４２３が設けられている。

各スロット４３には各磁極歯４２ａ〜４２ｉに巻線を巻き付ける際にニードル６０（図５参照）（巻線供給ノズル）が差し込まれるスロット開口部４４が形成されている。スロット開口部４４は、隣接する磁極面４２１の軸線方向に沿って形成されたスリット溝からなる。

次に、絶縁端板５０，５０について説明するが、絶縁端板５０，５０は固定子鉄心４０を挟んで上下対称形状であるため、上方の絶縁端板５０について説明する。

図２に示すように、絶縁端板５０は合成樹脂の成型品からなり、この例において、絶縁端板５０には冷凍サイクルの冷媒圧縮機用電動機として耐冷媒性が要求される場合、例えばＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）やＰＰＳ（ポロフェニレンサルファイド）、液晶ポリマーやフッ素樹脂などが用いられることが好ましい。

絶縁端板５０は、リング状に形成されたボビン５１と、固定子鉄心４０の各ティース４２ａ〜４２ｉの端部を覆うように取り付けられる９個のティースエンド５２とを備えている。ボビン５１は所定高さの円筒体からなり、その外周面には巻線の渡り線を引っ掛けておくための係止部５１１が設けられている。

係止部５１１は例えばＴ字状やＬ字状、逆Ｌ字状に形成されており、各ティースに巻回された巻線の渡り線同士が互いに緩衝し合わないように異なる高さ位置に配置されている。この係止部５１１の形状および配置は仕様に応じて任意に変更できる。

ボビン５１には各相毎に束ねられた渡り線をボビンの内側に導くためのガイドスロット５１２が設けられている。ガイドスロット５１２はボビン５１の一端側（図２では上端側）から他端側に向けて切り込まれたスリット溝であり、このガイドスロット５１２を介して渡り線（図示しない）がボビン５１の内部に引き込まれる。

ティースエンド５２は、ボビン５１の内周面から中心に向かって延設された巻線部５２１と、同巻線部５２１の先端側に成形され、マグネットワイヤーの抜け落ちを防止する鍔（つば）部５２２とを有している。ティースエンド５２は固定子鉄心４０の磁極歯４２ａ〜４２ｉの端部に沿って合致する形状に形成されている。

図４（ａ）に示すように、各ティースエンド５２の巻線部５２１は、固定子鉄心４０の巻胴部４２２の幅よりも若干幅広で、巻胴部４２２の上端面を覆い隠す大きさを有し、その両端にボビン５１と鍔部５２２とがほぼ垂直に立設された断面コ字状を呈している。巻線部５２１およびボビン５１と鍔部５２２との付け根部には、マグネットワイヤー７０を整列良く巻くための所定曲率のＲ部が設けられている。

図４（ａ）において、巻線部５２１は平滑面であるが、より好ましくは、図４（ｂ）に示すように、巻線部５２１の表面にマグネットワイヤーの断面形状に合わせて半円状の係止溝５２３を連続的に形成してもよい。これによれば、係止溝５２３に沿ってマグネットワイヤーが係止されることにより、マグネットワイヤーを整列させて巻回することができる。

また、別の態様としては、図４（ｃ）に示すように、巻線部５２１の表面に滑り止め防止処理５２４を施してもよい。滑り止め防止処理としては、例えばローレット加工などの高摩擦化処理や、摩擦係数の高い材料、例えばＬＣＰ（液晶ポリマー）やＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）などを採用してもよく、さらにその強度を上げるためにガラスなどを添加剤として加えてもよい。

絶縁端板５０の磁極歯４２ａ〜４２ｉと向き合う端面（下端面）には、図２に示す固定子鉄心４０側に設けられた係止孔４６に差し込まれる図示しない係止リブが設けられており、この係止リブが係止孔４６に挿入されることにより、絶縁端板５０が固定子鉄心に固定される。

次に、ステータ２０の製造手順について説明する。固定子鉄心４０の両端には、予め絶縁端板５０，５０が取り付けられているものとして、まず、このステータ２０を専用の図示しない巻線装置に取り付ける。巻線装置は、ステータ２０が固定される支持台座（図示しない）と、マグネットワイヤー７０を繰り出すニードル６０（図５（ａ）〜図５（ｄ）参照）とを備えている。

この例において、支持台座はθ方向（ステータ２０の軸線を中心とする回転方向）に回転可能であり、時計回りの回転を＋θとし、反時計回りの回転を−θとする。ニードル６０は、半径方向に往復的に移動可能で、かつ、軸方向に沿って上下動可能とされている。マグネットワイヤー７０は各磁極歯４２ａ〜４２ｉにそれぞれ巻かれるが、以下においては、磁極歯４２ａに巻回される場合について説明する。

図５（ａ）にマグネットワイヤー７０を巻回する前の状態を示すように、支持台座にステータ２０を固定したのち、図５（ｂ）に示すように、ニードル６０の先端から繰り出されたマグネットワイヤー７０の一部を絶縁端板５０のボビン５１に引っ掛け、ガイドスロット５１２からステータ２０の内周側にマグネットワイヤーを引き込む。この状態を初期状態とする。

この初期状態において、巻線開始ボタンを操作することにより、巻線作業が開始される。巻線作業が開始されると、図示しない制御部は、上端側に位置するニードル６０を軸方向に沿って下端側に移動させたのち、支持台座を＋θ方向に磁極歯２２ａ１つ分回転させる。次に、再びニードル７０を下端から上端に持ち上げ、最後に再び支持台座を−θ方向に磁極歯２２ａ１つ分回転させる（巻回ステップ）。

この一連の作業により、巻胴部４２２の外周面に沿ってマグネットワイヤー７０が一巻き分巻回される。次に制御部は、ニードル６０を半径方向に沿って所定ピッチ移動させたのち、上述した一連の作業工程を繰り返すことにより、図５（ｃ）に示すように、巻胴部４２２に沿ってマグネットワイヤー７０が整列巻きされる。

ここで、ニードル６０の移動ピッチは、マグネットワイヤー７０の線径の８０〜９０％であることが好ましい。これによれば、次に巻回されるマグネットワイヤー７０が先に巻回されたマグネットワイヤー７０に接触しながら巻かれることで、マグネットワイヤー７０を寄せながら密に巻回することができる。また、マグネットワイヤー７０の線径のバラツキを吸収することができる。

巻胴部４２２に設定した巻数分のマグネットワイヤー７０が巻回されると、制御部はニードル６０の移動方向を変えて、図５（ｄ）に示すように、先に巻回されたマグネットワイヤー７０の上にさらにマグネットワイヤー７０を巻き付けてゆき、これを繰り返すことで巻胴部４２２には、マグネットワイヤー７０が積層される。

ところで、図５（ａ）〜（ｄ）に示す巻回手順では、巻胴部４２２の付け根にある拡幅部４２３にマグネットワイヤー７０を均等に巻回することはできない。そこで、本発明において、制御手段は、まず、図６（ａ）に示すように、ニードル６０を半径方向に沿って磁極歯２２ａの付け根を始端（マグネットワイヤー７０ａ）として、先端に向かって移動させながら１巡目のマグネットワイヤー７０を巻胴部４２２および拡幅部４２３の一部に巻回したのち、ニードル６０を折り返して、２巡目のマグネットワイヤー７０を巻胴部４２２の先端側から付け根部側に向かって最深到達位置Ｘまで順次巻回していく。

マグネットワイヤー７０がニードル６０の最深到達位置Ｘまで巻回されると、図６（ｂ）に示すように、制御手段は、終端に位置するマグネットワイヤー７０ｂの上にマグネットワイヤー７０ｃを重ね巻きする（重ね巻きステップ）。この例において、終端とは磁極歯２２ａの先端から付け根側に向かって整列巻きされた最後のマグネットワイヤーをいい、重ね巻きとは、少なくとも最後のマグネットワイヤーの上方の所定位置に次のマグネットワイヤーを重ねて巻くことを言う。

マグネットワイヤー７０ｃを重ね巻きしたのち、制御手段は支持台座を＋θ回転させることにより、マグネットワイヤー７０ｃには、一定のテンション（張力）が加えられる。これにより、そのテンションによって直上のマグネットワイヤー７０ｃがマグネットワイヤー７０ｂの上を滑り落ち、最深到達位置Ｘを乗り越えて拡幅部４２３に配置される（落とし込みステップ）。

同様に、図６（ｃ）に示すように、マグネットワイヤー７０ｂの上部にマグネットワイヤー７０ｄを重ね巻きしたのち、テンションをかけて落とし込むことによって、マグネットワイヤー７０ｂと７０ｃの上にマグネットワイヤー７０ｄが配置されることにより、２巡目のマグネットワイヤー７０が巻回される。

３巡目のマグネットワイヤー７０は、図６（ｄ）に示すように、磁極歯２２ａの付け根側から先端側に向かってニードル６０の先端が移動していくことにより、２巡目のマグネットワイヤー７０の上に３巡目のマグネットワイヤー７０が積層される。なお、３巡目の巻線作業においては、落とし込み作業は行われない。

図６（ｅ）に示すように、４巡目は、磁極歯２２ａの先端側（ティース面側）から付け根側に向かって巻回されてゆく。ニードル６０が最深到達位置Ｘまで巻回されると、制御手段は端部に位置するマグネットワイヤー７０ｅの右上にマグネットワイヤー７０ｆを重ね巻きする。

重ね巻きされたマグネットワイヤー７０ｆにテンションがかけられると、マグネットワイヤー７０ｆはマグネットワイヤー７０ｅから滑り落ち、最深到達位置Ｘを乗り越えて拡幅部４２３のマグネットワイヤー７０ｄの左上に巻き重ねられる。

さらに、図６（ｆ）に示すように、マグネットワイヤー７０ｅの上にさらにマグネットワイヤー７０ｇを巻回した上にマグネットワイヤー７０ｈをさらに重ね巻きし、テンションをかけることで、マグネットワイヤー７０ｇがマグネットワイヤー７０ｅとマグネットワイヤー７０ｆとの間に落とし込まれる。以上により、４巡目の巻線が完了する。

５巡目の巻線作業は、図６（ｇ）に示すように、磁極歯２２ａの付け根部側から先端側に向かって、順次巻回されるため、落とし込み作業は行われない。最後に、図６（ｈ）に示すように、５巡目のマグネットワイヤー７０の上に、６巡目のマグネットワイヤー７０を先端側から付け根側に向かって巻回することで、全ての巻線作業が完了する。

これによれば、図７に示すように、固定子鉄心４０側には、巻胴部４２２と拡幅部４２３に順次マグネットワイヤー７０が整列して巻回されるとともに、その一部がニードル６０の最深到達位置Ｘよりも奥に配置されることで、マグネットワイヤー７０をより多く巻回でき、モータをより高出力化することができる。また、絶縁端板３０側でも、マグネットワイヤー７０を整列配置することで、より高効率かつ高密度に巻線を巻回することができる。

この例において、ニードル６０は半径方向に往復移動可能で、軸方向に上下動可能であり、支持台座を介してステータ２が軸線を中心にθ回転可能であるが、支持台座を完全固定式とし、ニードル６０を磁極歯２２ａに対して３６０°回転可能とし、ニードル６０のみでマグネットワイヤー７０を巻き付けてもよい。

また、この例において、電動機１０は冷媒圧縮用の圧縮機（コンプレッサー）の内部に用いられる電動機を用いて説明したが、一般的な用途（例えばエアコンのファン駆動モータなど）としての電動機に本発明の電動機および巻線方法を適用してもよい。

本発明の一実施形態に係る電動機を備えた圧縮機の要部断面図。上記電動機のステーターの斜視図。上記電動機の固定子鉄心の平面図。（ａ）絶縁端板の要部断面図，（ｂ）絶縁端板の巻線部の変形例を示す要部断面図，（ｃ）絶縁端板の巻線部の変形例を示す要部断面図。（ａ）〜（ｄ）ステータのマグネットワイヤーの巻回手順を説明するステップ図。（ａ）〜（ｈ）巻線の巻回順序を説明する説明図。マグネットワイヤーを巻回した状態を示すステータの要部断面図。

１密閉シェル
２出力軸
３冷媒圧縮部
４サブフレーム
５メインフレーム
１０電動機
２０ステータ
３０ロータ
４０固定子鉄心
４１切欠溝
４２ａ〜４２ｉ磁極歯
４２１磁極面（ティース面）
４２２巻胴部
４２３拡幅部
４３スロット
４４スロット開口部
５０絶縁端板
５１ボビン
５２ティースエンド
５２１巻線部
５２２鍔部
６０ニードル
７０マグネットワイヤー

Claims

隣り合う磁極歯の間にコイルを収納するスロットが設けられた固定子鉄心を含み、上記磁極歯の間に形成されたスロット開口部から上記スロット内にニードルを差し込み、上記ニードルからマグネットワイヤーを繰り出しながら上記各磁極歯に沿って直巻きする電動機の製造方法において、
上記固定子鉄心は、上記各磁極歯が半径方向の中心に向かって突設されたインナーロータ型であり、上記各磁極歯は、先端に設けられる磁極面側から外径側に延びる巻胴部と、同巻胴部の付け根から外径側に向かって磁路幅が漸次広くなるように形成された拡幅部とを備え、
上記巻胴部の付け根から上記マグネットワイヤーを巻き始め、上記磁極面側に向かって１巡目のマグネットワイヤーを上記巻胴部に巻回するステップと、
上記磁極面側から上記付け根部側に向かって２巡目のマグネットワイヤーを巻回し、１巡目のマグネットワイヤーの上に２巡目のマグネットワイヤーを積層すると共に、上記拡幅部にも２巡目のマグネットワイヤーを巻回し、上記ニードルの最深到達位置まで２巡目のマグネットワイヤーを巻回するステップと、
上記最深到達位置で巻回した２巡目のマグネットワイヤーの上にマグネットワイヤーを重ねて巻くことで、上記最深到達位置を乗り越えて上記拡幅部にマグネットワイヤーを落とし込むステップとを含むことを特徴とする電動機の製造方法。
上記マグネットワイヤーを整列巻きする際、隣接する上記マグネットワイヤーの一部に接触するように次の上記マグネットワイヤーを整列巻きすることを特徴とする請求項１に記載の電動機の製造方法。