JP5028133B2 - 電動機 - Google Patents

Description

本発明は、複数枚の薄板鉄板を積層した積層鉄心で構成された固定子のスロット形状に関する。

近年、電動機は小型化され使用用途が広範囲に渡っている。例えば、冷凍機や空調機の圧縮機駆動用電動機等では圧縮機が搭載するスペースから、小型化、軽量化されている。また、電気自動車等の車両用途に用いられる電動機等においても車両搭載スペースから同様に小型化、軽量化されている。この様な電動機においては固定子の小型化、軽量化を目的としてスロット形状の検討がなされている。

例えば、特許文献１（実開昭５８−４１０２８号公報）に示すようなスロット形状をした電動機の固定子がある。特許文献１の固定子のスロットは、巻線を挿入するスロット開口部を固定子の内径の軸中心からスロット中央を通る中心線よりスロット側壁の歯部寄りに開口させたスロットとすることにより巻線のスロット内への挿入性を改善し、巻線が挿入されていないスペースを低減させ小型化した電動機が示されている。

実開昭５８−４１０２８号公報

このようなスロット形状にすることにより、スロット内にある程度の巻線を挿入することが可能となり電動機の効率も上げることができるようになった。しかしながら、図４に示したような固定子１ａのスロット５ａの形状では、巻線４ａを挿入するスロット５ａの開口部が、固定子１ａの内径側に開口したスロット５ａの両サイドに設けられた歯部２ａの片方の歯部寄りに開口しているので、固定子１ａの内径側の歯部先端部から両サイドに伸びたチップ部３ａａと３ａｂの長さが異なることになり磁束の流出入による疎密の差が発生しコギングトルクに起因する音、振動が大きくなっている。

また、図５も同様に固定子１ｂのスロット５ｂの形状では、巻線４ｂを挿入するスロット５ｂの開口部が、固定子１ｂの内径側に開口したスロット５ｂの両サイドに設けられた歯部２ｂの片方の歯部寄りに開口しているので、固定子１ｂの内径側の歯部先端部から両サイドに伸びたチップ部３ｂａと３ｂｂの長さが異なることになり磁束の流出入による疎密の差が発生しコギングトルクに起因する音、振動が大きくなっている。

特に、固定子１ａ、１ｂの内径側の歯部先端部から細長く延びたチップ部３ａｂ、３ｂｂでは、チップ部３ａｂ、３ｂｂが細長いため回転子とチップ部分３ａｂ、３ｂｂとの間に発生する磁気吸引力により、チップ部３ａｂ、３ｂｂが振動し易くなっている。また、固定子１ａ、１ｂの取り扱いが悪い場合、この細長いチップ部分３ａｂ、３ｂｂが固定子１ａ、１ｂの内径側に変形して飛び出してしまうこともある。また、固定子１ａ、１ｂの歯部先端の両サイドから延びるチップ部３ａａ、３ｂａと３ａｂ、３ｂｂの長さが違うことにより回転子の回転方向の方向性が決まってしまい電動機の汎用性がなくなっている。

また、図４に示している固定子１ａのスロット５ａはスロット底部が１つの曲率を有した半径で構成され、スロット５ａの底部が固定子１ａの外径方向に膨らんだスロット形状になっている。尚、図４中にはチップ部３ａａ、３ａｂを覆い巻線４ａをスロット５ａ内にガイドして挿入するためのインサータ（巻線挿入機）等に取り付けられたブレード９ａを示している。

図４では、巻線４ａをスロット５ａの奥まで挿入することができるものの、固定子１ａの小型化が進み外径寸法が小さくなった場合、固定子１ａのヨーク部６ａが狭くなってしまい磁束の流れが悪くなってしまう。尚、図中の実線の矢印は磁束の流れを示している。特に、スロット５ａのバックヨーク部において磁束通路が閉塞してしまい悪くなる。一点鎖線で示した線は、ヨーク部６ａにおいて、磁束がスムーズに流れるための必要なヨーク幅Ｘを示している。また、図４の一点鎖線の矢印はスロット５ａに巻線４ａが挿入される方向を示している。

また、図５の固定子１ｂのスロット形状は図４の問題に鑑みてスロット底部を平坦にしている。スロット底部のスロット角部はＲ形状になっている。尚、図５中にはチップ部３ｂａ、３ｂｂを覆い巻線４ｂをスロット５ｂ内にガイドして挿入するためのインサータ（巻線挿入機）等に取り付けられたブレード９ｂを示している。

この様にスロット５ｂの底部を平坦にすることにより固定子１ｂのヨーク部６ｂの磁束通路を緩和することができる。尚、図中の実線の矢印は磁束の流れを示している。しかしながら、スロット５ｂの底部が平坦になっていることで巻線４ｂが平坦部に当りスロット５ｂ内でスムーズに巻線４ｂが回るように挿入することができず、スロット５ｂの開口部付近で巻線４ｂが詰まりスロット底部のスロット角部まで巻線４ｂを入れることができないため巻線４ｂが入らないスペースができてしまう。一点鎖線で示した線は、ヨーク部６ｂにおいて、磁束がスムーズに流れるための必要なヨーク幅Ｘを示している。また、図５の一点鎖線の矢印はスロット５ｂに巻線４ｂが挿入される方向を示している。

本発明は、このような電動機において効率を向上し、コギングトルクに起因する音、振動をなくし、磁束の疎密を極力低減し、尚且つ、巻線を固定子のスロット底部の奥まで挿入し巻線が入らないスペースを低減した、スロット形状の固定子を用いた電動機を提供するものである。

本発明の固定子は、
複数枚の薄板鉄板を積層した積層鉄心で構成される固定子であって、
ヨーク部と、前記ヨーク部から固定子の内径方向に延びている歯部と、前記ヨーク部と前記歯部によって形成されるスロットを有し、
前記スロットは、固定子の内径方向に開口部が設けられているとともに、固定子の外径方向にスロット底部が設けられており、
固定子の内径中心を中心とする、前記スロット底部の最外径をｒａとした場合、
前記スロット底部は、前記固定子の内径中心と前記スロットの中央部を通る線上で、前記固定子の内径中心より前記スロット底部側の位置を中心とし、前記スロットのバックヨーク部における磁束通路の閉塞を低減することができる第１の曲率半径ｒ１（ｒ１＜ｒａ）を有する曲線と、前記第１の曲率半径ｒ１を有する曲線と前記スロットの両サイドの歯部それぞれとの間に設けられ、第２の曲率半径ｒ２（ｒ２＜ｒ１）を有する曲線によって形成されている。

本発明の固定子は、巻線をスロット底部の奥まで挿入することができる。また、固定子のスロットのバックヨーク部における磁束通路の閉塞も低減することができ、スムーズなバックヨーク部の磁束の流れを得ることができる。また、スロット両サイドの歯部に流れる磁束の流れを均一化することができ、スロットのバックヨーク部近傍の磁束の乱れを低減できる。

本発明を、図面を用いて説明する。図１には薄板鉄板の電磁鋼板をプレスなどにより打ち抜き積層した積層鉄心で構成された固定子１のスロット形状を示しています。この固定子１のヨーク部６から固定子１の内径方向に突き出した突極の歯部２が延びてスロット５を形成している。固定子１の内径の軸中心に向かい巻線４を挿入する開口部が設けられ、固定子１の外径方向にスロット底部を設けています。

この固定子１の内径側の歯部２の先端部には、歯部２の先端部から固定子１の周方向に延びるチップ部３ａ、３ｂが設けられている。固定子１のスロット５内には、固定子１と挿入する巻線４との間を絶縁するためのスロット絶縁８が挿入されている。スロット絶縁８はできる限り、スロット形状と同様な形状でスロット内側面に張り付くように配置させるのが望ましい。

また、挿入される巻線４は、スロット絶縁８の上からインサータ（巻線挿入機）等により固定子１のスロット５へ挿入する。図２にはインサータ（巻線挿入機）等により固定子１のスロット５へ巻線４を挿入する際の図を示している。尚、本実施形態の固定子１のスロット５への巻線方法は、外部の巻型で巻いた巻線４をインサータ（巻線挿入機）等に装着し、スロット５に挿入する機械入れ方式の場合である。この場合の固定子１の巻線方式は分布巻き方式を用いる場合が多い。

図２に示しているようにスロット５に巻線４を挿入する場合の挿入方法は、固定子１の内径より若干小さい径を有したストリッパ１０と呼ばれる巻線押し込み治具により、このストリッパ１０の外周側に取り付けられたブレード９に装着された巻線４を固定子１の内径側のスロット５の開口部からスロット底部まで挿入する。ブレード９は固定子１の歯部先端部を覆うようにカバーしスロット５の奥まで巻線４が挿入できるようにガイドするガイド治具である。

本実施形態では、図１に示す様に固定子１のスロット５の開口部は、固定子１の内径の軸中心からスロット５の中央部を通る線上に固定子１の内径側に面して開口している。巻線４を固定子１のスロット５へ挿入する際、固定子１の内径側に開口しているスロット５の開口部から巻線４を整然と並んだ状態で挿入することができる。

尚、図１には図２で説明したインサータ（巻線挿入機）等により巻線４を挿入している図である。
図１には記載していないが固定子１の内径側に固定子１の軸方向下部から上部に巻線４を押し上げてスロット５に挿入するストリッパ１０が設けられている。
このストリッパ１０の外周には、固定子１の歯部先端のチップ部分３ａ、３ｂをガイドしながらスロット５内に巻線４を挿入するためのブレード９が設けられている。ブレード９には外部で巻かれた巻線４が装着され、ストリッパ１０が固定子１の下部から上部に押し上げることにより固定子１の歯部先端のチップ部分３ａ、３ｂをガイドしながら巻線４をスロット５内に挿入している。

実施形態のように、固定子１のスロット５の形状はスロット底部の形状が複数の曲率半径を有した曲線形状で構成しているので、固定子１の内径側のストリッパ１０が固定子１の下部から上部に巻線４を押し上げることによりスロット５の開口部付近で巻線４が詰まりスロット底部の奥まで入らなくなることもなくなる。また、巻線４をスロット５の底部まで整然と並べてスムーズに挿入することができるのでスロット内に巻線４が入らない空間を極力低減することもできる。尚、図１の一点鎖線の矢印はスロット５に巻線４が挿入される方向を示している。

この場合、スロット底部の形状を複数の曲率半径で構成された曲線形状としているが、好ましくは、３つ以上の曲率半径を伴う曲線形状とすると良い。固定子１の内径の軸中心からスロット５の中央部を通る線上に中心がある曲率半径でスロット底部を構成する曲線と、前記スロット底部の曲線とスロット５の両サイドの歯部２との間に構成した複数の曲率半径を有する曲線とで構成すると良い。

これにより従来の実施形態の図４に示したような曲率半径が１つのみで構成されたスロット底部の形状でないので、固定子の外径方向に膨らんでスロットのバックヨーク部分が狭くなり磁束通路が閉塞し磁束の流れが悪くなるようなこともない。尚、図１の実線の矢印は磁束の流れを示している。

また、同様に従来の実施形態として示した図５のようにスロット底部の形状を平坦にしていないので巻線を挿入する際、スムーズに巻線をスロット底部まで挿入することができ、スロットの開口部付近で巻線が詰まりスロット底部まで挿入できなくなることもない。

また、特にこのようにスロット底部の形状を複数の曲率半径で構成した曲線形状とすることにより巻線４を固定子１のスロット底部の奥まで挿入でき、スロット５内の巻線４が入っていない空間を低減し多くの巻線４を巻き込むことや、スロット底部のバックヨーク部６における磁束の疎密をなくし磁束をスムーズに流すことができる最も適したスロット形状としては、スロット底部の形状を３つの曲率半径で構成した曲線形状とするとよい。

このようなスロット形状を図３で説明する。図３ではスロット５内のスロット絶縁８や巻線４を図中の説明から省略している。尚、一点鎖線で示した線は、ヨーク部６において磁束がスムーズに流れるために必要な固定子１の外径からのヨーク幅Ｘ（図４及び図５参照）を示している。

固定子１の内径中心を軸中心とし、この軸中心からスロット５の中央部を通る線上でありスロット５の底部までの距離を半径ｒａとし、固定子１の内径中心の軸中心からスロット５の中央部を通る線上に中心がある曲率半径でスロット５の底部を構成する第１の曲率を有した曲率半径をｒ１とし、スロット５の底部を構成する第２の曲率を有した曲率半径をｒ２とし、スロットの底部を構成する第３の曲率を有した曲率半径をｒ３とした場合、ｒａ＞ｒ１＞ｒ２ 及び ｒａ＞ｒ１＞ｒ３としている。ここでは、半径ｒaを軸中心からスロット５の中央部を通る線上でありスロット５の底部までの距離としているが、固定子１におけるスロット５の底部の最外径であれば良い。

本実施形態では、スロット底部の３つの曲率半径で構成された曲線形状は、固定子の内径の軸中心からスロット中央部を通る線上に中心を有し、スロットの底部を構成する第１の曲率を有した曲率半径をｒ１とし、スロット底部の曲線と両サイドの歯部との間に構成する曲率を第２の曲率を有した曲率半径をｒ２、第３の曲率を有した曲率半径をｒ３としている。尚、第２の曲率を有した曲率半径ｒ２、第３の曲率を有した曲率半径ｒ３の曲線の中心は任意に設けることになる。また、本実施形態ではスロットの底部を構成する第１の曲率を有した曲率半径ｒ１を固定子の内径の軸中心からスロット中央部を通る線上に中心を有しているが、これに限定せず任意に定めることもできる。

また、スロット５の両サイドの歯部２での磁束の流出入の疎密を無くす場合、スロット底部の曲線と両サイドの歯部２との間に構成する第２の曲率を有した曲率半径ｒ２、第３の曲率を有した曲率半径ｒ３をｒ２＝ｒ３とすることにより磁束の流出入の疎密をなくし磁束の流れを均一に流すことができる。

本実施形態のスロット５のチップ部３ａ、３ｂは、固定子の内径の軸中心からスロット中央部を通る線上に対して左右対称となっており略同じ長さとなっている。これにより回転子の回転方向を考慮することもなく汎用性のある電動機とすることもできる。また、チップ部３ａ、３ｂが固定子１の内径側の歯部２の先端部から周方向に延びた長さが略同じにしているので、このチップ部３ａ、３ｂを介して流れる磁束が安定し磁束の疎密によって発生するコギングトルクなどに起因する音、振動も低減することができる。また、チップ部３ａ、３ｂの長さを短くすることができるので固定子１の取り扱いによるチップ部３ａ、３ｂの変形も防ぐことができる。

尚、このようなスロット形状の固定子１を用いた電動機を冷蔵庫やエアコン等の室外機の圧縮機内に搭載した電動機や、車両用途に使用される電動機として搭載することにより、磁気的な悪影響を極力低減し、スロット５内の巻線４の巻線密度を上げ電動機の小型、高性能化することができる。

本実施形態における電動機の固定子のスロット形状を示す図。 インサータ（巻線挿入機）等により巻線を固定子のスロットに挿入する図。 図１の電動機の固定子のスロット形状の拡大図。 従来の実施形態の電動機の固定子のスロット形状を示した図。 別の従来の実施形態の電動機の固定子のスロット形状を示した図。

１ａ、１ｂ・・固定子
２、２ａ、２ｂ・・・歯部
３ａ、３ｂ、３ａａ、３ａｂ、３ｂa、３ｂｂ・・・チップ部
４、４ａ、４ｂ・・・巻線
５、５ａ、５ｂ・・・スロット
６、６a、６ｂ・・・ヨーク部
８、８ａ、８ｂ・・・スロット絶縁
９、９ａ、９ｂ・・・ブレード
１０・・・ストリッパ

Claims (1)

1. 複数枚の薄板鉄板を積層した積層鉄心で構成される固定子であって、
   ヨーク部と、前記ヨーク部から固定子の内径方向に延びている歯部と、前記ヨーク部と前記歯部によって形成されるスロットを有し、
   前記スロットは、固定子の内径方向に開口部が設けられているとともに、固定子の外径方向にスロット底部が設けられており、
   固定子の内径中心を中心とする、前記スロット底部の最外径をｒａとした場合、
   前記スロット底部は、前記固定子の内径中心と前記スロットの中央部を通る線上で、前記固定子の内径中心より前記スロット底部側の位置を中心とし、前記スロットのバックヨーク部における磁束通路の閉塞を低減することができる第１の曲率半径ｒ１（ｒ１＜ｒａ）を有する曲線と、前記第１の曲率半径ｒ１を有する曲線と前記スロットの両サイドの歯部それぞれとの間に設けられ、第２の曲率半径ｒ２（ｒ２＜ｒ１）を有する曲線によって形成されていることを特徴とする固定子。

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