JP5382869B2 - ステータコアの製造方法 - Google Patents

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本発明は、ステータコアの製造方法に関する。
従来、例えば、回転軸周りに回転可能なロータと、回転軸方向の少なくとも一方側からロータに対向配置されたステータとを備え、ロータの永久磁石による界磁磁束に対して、ステータを介した磁束ループを形成するアキシャルギャップ型モータが知られている。
アキシャルギャップ型モータのステータでは、ステータコアの複数のティース部間に形成された複数のスロット部に、固定子巻線(コイル)が巻回されて構成されている。このようなアキシャルギャップ型モータのトルクや効率の向上、或いは小型化を図るには、コイルの占積率(導体体積率)を大きくすることが有効である。特許文献1に記載のアキシャルギャップ型回転電機のステータ構造では、ティース部のいずれかの面に凹部を設け、コイルをインシュレータを介して巻装した後、凹部に位置するコイルをステータコアの外周側から内周側に向けて押圧することにより、ステータコアの隣接する角部以外におけるコイルの湾曲による膨らみを抑制し、コイルの占積率を大きくするようにしている。
特開2006‐311704号公報
ところで、アキシャルギャップ型モータのステータコアは、例えば、テープ状の電磁鋼板を捲回巻きして積層することにより構成される。捲回巻きにより形成されるステータコアでは、スロット部の幅は径方向に亘って一様となり、ティース部の円周方向側面と内周面との内径側隅部、及びティース部の円周方向側面と外周面との外径側隅部が尖った形状となっている。このため、固定子巻線は、これら内径側隅部及び外径側隅部によって傷付けられることのないように、内径側渡り部分、及び外径側渡り部分の湾曲部は、スロット部の内周面より内側及び外周面より外側から大きな曲率半径を持って巻回する必要があり、これら渡り部分が大きくなると共に、巻線長さが長くなる。これにより、電気抵抗が増大し、モータが大型となるばかりでなく、トルクや効率の向上に影響を及ぼす可能性がある。また、スロット部に隅部を覆う樹脂製のインシュレータを装着してコイルを巻装することも考えられるが、部品点数が増大してコスト増となってしまう。
特許文献1に記載のアキシャルギャップ型回転電機のステータ構造は、コイルの湾曲による膨らみの抑制を図ったものであり、コイルの内径側渡り部分、及び外径側渡り部分についての記載はなく、コイルの小型化、モータトルク及び効率の向上を図る上で改善の余地があった。
本発明は、前述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、巻線渡り部分の小型化、軽量化を図ると共に、モータのトルクや効率を向上させることができるステータコアの製造方法を提供することにある。
請求項に係る発明は、
略円環板状のヨーク部、及び該ヨーク部の軸方向一側面から軸方向に突出して、円周方向に所定の間隔で形成される複数のティース部を有し、該複数のティース部間に形成された複数のスロットに固定子巻線を巻回するためのアキシャルギャップ型モータのステータコアの製造方法であって、
テープ状の電磁鋼板(例えば、後述の実施形態における30)を搬送する工程と、
前記搬送される電磁鋼板に対して、複数のスロット用開口(例えば、後述の実施形態におけるスロット用開口31)を打ち抜く工程と、
前記電磁鋼板からステータコア用電磁鋼板(例えば、後述の実施形態におけるステータコア用電磁鋼板32)を切り離す工程と、
前記ステータコア用電磁鋼板を所定回数捲回して、径方向に並んだ複数のスロット用開口により構成される前記複数のスロット部、及び前記複数のティース部をそれぞれ有する前記ステータコアを形成する工程と、
を備え、
前記打ち抜き工程では、
前記ステータコアの径方向中間部(例えば、後述の実施形態における径方向中間部25)を構成する前記電磁鋼板に、該径方向中間部のスロット部が一様幅となるように、前記スロット用開口を打ち抜き、
前記ステータコアの径方向中間部より内径側を構成する前記電磁鋼板に、前記ティース部の円周方向側面と内周面との内径側隅部が曲面状に面取りされるように、前記スロット用開口を打ち抜き、
前記ステータコアの径方向中間部より外径側を構成する前記電磁鋼板に、前記ティース部の円周方向側面と外周面との外径側隅部が曲面状に面取りされるように、前記スロット用開口を打ち抜くことを特徴とする。
請求項に係る発明は、請求項に記載の発明の構成に加えて、
前記打ち抜き工程では、前記スロット用開口は、前記ステータコアの径方向中間部の前記スロット用開口を打ち抜く所定幅(例えば、後述の実施形態における所定幅Pw)の打ち抜き型(例えば、後述の実施形態における打ち抜き型41)を用いて、前記電磁鋼板を相対的にステップ送りしながら打ち抜かれ、
前記ステータコアの径方向中間部より内径側及び外径側の前記スロット用開口は、前記電磁鋼板を該打ち抜き型の所定幅以下の距離で相対的にステップ送りしながら前記打ち抜き型を複数回打ち抜くことで形成されることを特徴とする。
請求項の発明によれば、複数のスロット用開口が打ち抜かれたステータコア用電磁鋼板を所定回数捲回することにより、ステータコアの内径側隅部、及び外径側隅部に曲面状の面取りを形成することができる。これにより、固定子巻線を傷付けることなく、巻線渡り部分の湾曲部をこれら隅部から湾曲させることができ、巻線渡り部分を小型化、軽量化してモータ効率を向上させることができる。
請求項の発明によれば、単一幅の抜き型によって、任意幅のスロット用開口を打ち抜くことができ、ステータコアの内径側隅部、及び外径側隅部に曲面状の面取りが施されたティース部を形成することができる。
本発明に係る第1実施形態のアキシャルギャップ型モータのステータの正面図である。 図1に示すステータコアの部分斜視図である。 図1に示すステータの要部拡大図である。 (a)は、電磁鋼板にスロット用開口を形成する工程を概念的に示す上面図であり、(b)は、その正面図である。 (a)は、径方向中間部のスロット部を構成するスロット用開口の打ち抜き工程を示す図であり、(b)は、内径側及び外径側のスロット部を構成するスロット用開口の打ち抜き工程を示す図である。 (a)は図2に示すステータコアの要部正面図、(b)は内径側のスロット部を構成するスロット用開口が形成されたステータコア用電磁鋼板の正面図、(c)は中間部のスロット部を構成するスロット用開口が形成されたステータコア用電磁鋼板の正面図、(d)は外径側のスロット部を構成するスロット用開口が形成されたステータコア用電磁鋼板の正面図、(e)はステータコアの半径とスロット用開口幅との関係を示すグラフである。 本発明に係る第2実施形態のアキシャルギャップ型モータのステータの正面図である。 (a)は図7に示すステータコアの部分斜視図、(b)はステータの部分正面図である。
以下、本発明の各実施形態を、添付図面に基づいて説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。
(第1実施形態)
図1に示すように、本実施形態のアキシャルギャップ型モータのステータ10は、ステータコア11と、ステータコア11に形成された所定のスロット部13内に巻回される三相(U相、V相、W相)の各固定子巻線12と、を備える。なお、図1では、理解を容易にするため、一相分の固定子巻線12のみを示しており、複数のスロット部13のうち3つおきのスロット部13に巻回されている。
ステータコア11は、後述する図4〜図6に示すように、スロット用開口31が打ち抜き形成されたステータコア用電磁鋼板32を捲回することによって形成される。ステータコア11は、図2も参照して、略円環板状のヨーク部14と、ヨーク部14の軸方向一側面から、円周方向に所定の間隔をおいて内周面から外周面に亘って軸方向に突出して形成される複数のティース部15を有し、隣接するティース部15間にスロット部13が形成される。
また、ステータコア11は、ティース部15の円周方向側面16と内周面17との内径側隅部18に、曲率半径raの円弧断面によって形成される曲面状の面取りが施されている。また、ティース部15の円周方向側面16と外周面19との外径側隅部20にも、曲率半径Raの円弧断面によって形成される曲面状の面取りが施されている。
このため、図3に示すように、ティース部15の円周方向側面16に沿って巻回される固定子巻線12では、内径側渡り部分21は、ティース部15の内周面17より外径側の部分、即ち、ティース部15の円周方向側面16と内径側隅部18との境界t1より内側部分から曲率半径rbで円弧状に湾曲する内径側湾曲部21aを有する。また、外径側渡り部分22は、ティース部14の外周面19より内径側の部分、即ち、ティース部15の円周方向側面16と外径側隅部20との境界t2より外側部分から曲率半径Rbで円弧状に湾曲する外径側湾曲部22aを有する。
なお、スロット部13内には、図示しない絶縁紙が介装されてもよく、その場合、固定子巻線12は、絶縁紙を介してティース部15の円周方向側面16に沿って巻回される。また、固定子巻線12としては、複数の線材からなる直径0.5mm以上の束線によって構成されてもよく、或いは、直径1.5mm以上の単線によって構成されてもよい。なお、束線を用いる場合には、内径側湾曲部21aと外径側湾曲部22aを捩じりながら巻回することで、固定子巻線12は、ティース部15の内周面17及び外周面19により近接して配置される。
これにより、該内径側隅部及び外径側隅部が尖って形成される従来のステータコアと比較して、内径側渡り部分21及び外径側渡り部分22をティース部15の内周面17及び外周面19に接近させた状態で固定子巻線12に損傷を与えることなく巻回することができる。これにより、巻線渡り部分21、22の小型化、軽量化が可能となり、固定子巻線12の全長を短くして、巻線抵抗を低減させてモータ効率を向上させることができる。
また、内径側渡り部分21及び外径側渡り部分22が、ティース部15に近接して位置しているので、ティース部15を冷却することにより、銅損によって発熱した固定子巻線12を効率的に冷却することができる。ティース部15の冷却方法は、空冷、液冷(水または油等)、いずれであってもよい。
また、内径側隅部18に施された円弧状の面取りの曲率半径raは、固定子巻線12がスロット部13から内径側渡り部分21へ湾曲可能な最小曲率半径rb以上の大きさに形成されれば、固定子巻線12を内径側隅部18に沿わせて配置することができる。同様に、外径側隅部20に施された円弧状の面取りの曲率半径Raは、直径0.5mm以上の束線、または直径1.5mm以上の単線によって構成される固定子巻線12が、スロット部13から外径側渡り部分22へ湾曲可能な最小曲率半径Rb以上の大きさに形成されれば、固定子巻線12を外径側隅部20に沿わせて配置することができる。
次に、ステータコア11を製造する工程について、図4及び図5を参照して説明する。ステータコア11は、電磁鋼板のロール40から電磁鋼板30を繰り出しながら、ステータコア11の径方向中間部25のスロット部13の幅Swと同じ所定幅Pwの打ち抜き型41を備えるプレス装置42によって、スロット用開口31を打ち抜いて形成される。
具体的に、ロール40から繰り出された電磁鋼板30は、洗浄油槽44で油洗浄された後、フェルト46によって挟み込まれて付着した油を除去する。そして、プレス装置42に送られた電磁鋼板30は、ステップ送りしながら打ち抜き型41でスロット用開口31を打ち抜き、バリ取りロール43を押圧することでバリを除去し、巻き取りロール45で巻き取られてステータコア11となる。
このとき、ステータコア11の巻径が大きくなるに従って周長が長くなるので、隣接するスロット用開口31の間隔を次第に大きくして形成する必要がある。このため、ステータコア11の巻径が大きくなるにつれて、電磁鋼板30のステップ送り量を増加し、打ち抜き型41をサーボモータ(図示せず)によって破線で示す位置から実線で示す位置に移動させながらプレス抜きすることによって達成される。また、巻き取りロール45の中心位置も、ステータコア11の巻径が大きくなるにつれて、サーボモータによって破線で示す位置から実線で示す位置に移動させる。
ここで、ティース部15の内径側隅部18には、曲面状の面取りが施されることから、図6(a)に示すように、最小幅となるステータコア11の径方向中間部25におけるスロット部13の幅をSwとすると、図6(b)に示すように、ステータコア11の内径側部分26を形成する電磁鋼板30には、内周面から径方向中間部25に向かうに従って、幅Sw1から幅Swまで次第に幅が狭くなるスロット用開口31aが形成される。
また、図6(c)に示すように、ステータコア11の径方向中間部25を形成する電磁鋼板30には、一様幅Swのスロット用開口31bが形成される。更に、ティース部15の外径側隅部20にも、曲面状の面取りが施されることから、図6(d)に示すように、ステータコア11の外径側部分27を形成する電磁鋼板30には、径方向中間部25から外径側に向かうに従って、幅Swから幅Sw2まで次第に幅が広くなるスロット用開口31cが形成される。
即ち、図6(e)に示すように、スロット用開口31の幅は、ステータコア11の内径側部分26を形成する半径r0から半径r1の間は、幅が幅Sw1から幅Swまで次第に狭くなるように形成され、径方向中間部25を形成する半径r1から半径r2の間は、一様幅Swで形成され、外径側部分27を形成する半径r2から半径r3の間は、幅が幅Swから幅Sw2まで次第に広くなるように形成される。
このため、図5(a)に示すように、ステータコア11の径方向中間部25を形成する電磁鋼板30は、スロット部13の幅Swと同じ幅Pwの打ち抜き型41により、電磁鋼板30を打ち抜き型41に対して相対的にステップ送りしながら打ち抜かれて、径方向中間部25のスロット用開口31bが形成される。
一方、図5(b)に示すように、ステータコア11の内径側部分26及び外径側部分27を形成する電磁鋼板30は、一度、打ち抜き型41によって幅Pwで打ち抜いた後、電磁鋼板30を所定幅Pw以下の距離、即ち、所望の幅Sw1(Sw2)から打ち抜き型41の幅Pwを減算した距離だけ打ち抜き型41に対してステップ送りして、再度打ち抜くことで幅広のスロット用開口31a、31cが形成される。
そして、スロット用開口31a、31b、31cが形成されたステータコア用電磁鋼板32を捲回することにより、径方向に並んだ複数のスロット用開口31a、31b、31cにより構成される複数のスロット部13、及び複数のティース部15を有するステータコア11が形成される。
なお、電磁鋼板30の板厚は0.2〜0.5mm程度であるので、各隅部18、20に形成される曲面状の面取りは、厳密には階段状となっている。この場合にも、固定子巻線12が振動などによって電磁鋼板30と接触する位置がその都度変わるため、巻線の損傷の可能性を低減することができる。
以上説明したように、本実施形態のアキシャルギャップ型モータのステータ10によれば、ステータコア11には、ティース部15の円周方向側面16と、内周面17及び外周面19との各隅部18、20に曲面状の面取りが施され、固定子巻線12の内径側渡り部分21は、ティース部15の内周面17より外径側の部分から湾曲する内径側湾曲部21aを有し、外径側渡り部分22は、ティース部15の外周面19より内径側の部分から湾曲する外径側湾曲部22aを有する。これにより、巻線渡り部分21、22の小型化、軽量化が可能となり、固定子巻線12の全長が短くなって巻線抵抗が低減し、モータ効率の向上を図ることができる。また、内径側及び外径側渡り部分21,22は、冷却されるティース部15により近接して配置されるので、銅損によって発熱した固定子巻線12を効率的に冷却することができる。
また、樹脂製のインシュレータを使用することなく、巻線渡り部分21、22の小型化、軽量化が可能となり、コストを低減することができる。
また、ティース部15の内径側隅部18の断面円弧状の面取りの曲率半径raは、円弧状に湾曲する固定子巻線12の内径側湾曲部21aの最小曲率半径rb以上であるので、モータが小型化した場合であっても、内径側隅部18によって固定子巻線12を傷付けることなく、内径側渡り部分21を面取りした内径側隅部18から湾曲させることができ、内径側渡り部分21を小型化、軽量化してモータ効率を向上させることができる。
また、ティース部15の外径側隅部20は断面円弧状に面取りされ、該面取りの曲率半径Raは、固定子巻線12が複数の線材からなる直径0.5mm以上の束線によって構成される場合には、円弧状に湾曲する束線の外径側湾曲部22aの最小曲率半径Rb以上に形成される。これにより、外径側隅部20によって傷付けることなく、束線の外径側渡り部分22を面取りした外径側隅部20に沿って湾曲させることができ、外径側渡り部分22を小型化、軽量化してモータ効率を向上させることができる。また、固定子巻線12が直径1.5mm以上の単線によって構成される場合には、外径側隅部20の断面円弧状の面取りの曲率半径Raは、円弧状に湾曲する単線の外径側湾曲部22aの最小曲率半径Rb以上に形成されることで、同様の効果を奏する。この場合、ステータコア11を巻枠として利用することで、固定子巻線12をステータコア11により密着して巻回することができる。
また、本実施形態のステータコア11の製造方法によれば、テープ状の電磁鋼板30を搬送する工程と、搬送される電磁鋼板30に対して、複数のスロット用開口31を打ち抜く工程と、電磁鋼板30からステータコア用電磁鋼板32を切り離す工程と、ステータコア用電磁鋼板32を所定回数捲回して、径方向に並んだ複数のスロット用開口31により構成される複数のスロット部13、及び複数のティース部15をそれぞれ有するステータコア11を形成する工程と、を備える。
そして、打ち抜き工程では、ステータコア11の径方向中間部25を構成する電磁鋼板30に、径方向中間部25のスロット部13が一様幅SWとなるように、スロット用開口31bが打ち抜かれる。また、ステータコア11の内径部26を構成する電磁鋼板30に、ティース部15の内径側隅部18が曲面状に面取りされるように、内径側から径方向中間部25に向けて次第に幅SW1が狭くなるようにスロット用開口31aが打ち抜かれる。さらに、ステータコア11の外径部27を構成する電磁鋼板30には、ティース部15の外径側隅部20が曲面状に面取りされるように、径方向中間部25から外径側に向けて次第に幅SW2が広くなるようにスロット用開口31cが打ち抜かれる。
これにより、曲面状の面取りされた内径側隅部18及び外径側隅部20を有するステータコア11を製造することができ、固定子巻線12を傷付けることなく、内径側及び外形側渡り部分21、22を小型化、軽量化してモータ効率を向上させることができる。
また、スロット用開口31は、ステータコア11の径方向中間部25のスロット用開口31bを打ち抜く所定幅Pwの打ち抜き型41を用いて形成され、電磁鋼板30を相対的にステップ送りしながら打ち抜き、ステータコア11の内径側部分26及び外径側部分27のスロット用開口31a、31cは、電磁鋼板30を打ち抜き型41の所定幅以下の距離で相対的にステップ送りしながら打ち抜き型41で複数回打ち抜くことで形成するようにしたので、単一幅Pwの打ち抜き型41によって、任意幅のスロット用開口31を打ち抜くことができ、内径側隅部18及び外径側隅部20に曲面状の面取りが施されたティース部15を形成することができる。
(第2実施形態)
次に、図7及び図8を参照して第2実施形態のステータについて説明する。図7及び図8に示すように、本実施形態のステータ10は、固定子巻線12が、突極集中巻きによってステータコア11に巻回されている点で第1実施形態のステータと異なる。このため、第1実施形態と同一又は同等部分には同一符号または相当符号を付して説明を省略または簡略化する。
本実施形態のステータコア11は、第1実施形態のステータコア11と同様に、スロット用開口31が打ち抜き形成されたステータコア用電磁鋼板32を、内径側から捲回することによって形成されており、ティース部15の内径側隅部18に、曲率半径raの曲面状の面取りが施されている。また、ティース部15の外径側隅部20にも、同様に曲率半径Raの曲面状の面取りが施されている。
また、固定子巻線12は、隣接するスロット部13内で、ティース部15の円周方向両側面に沿って突極集中巻きされている。この場合も、固定子巻線12の内径側渡り部分21は、ティース部15の内周面17より外径側の部分から湾曲する内径側湾曲部21aを有し、外径側渡り部分22は、ティース部15の外周面19より内径側の部分から湾曲する外径側湾曲部22aを有する。
従って、本実施形態においても、巻線渡り部分21、22の小型化、軽量化が可能となり、固定子巻線12の全長が短くなって巻線抵抗が低減し、モータ効率の向上を図ることができる。また、内径側及び外径側渡り部分21,22は、冷却されるティース部15により近接して配置されるので、銅損によって発熱した固定子巻線12を効率的に冷却することができる。
また、本実施形態においても、ティース部15の内径側隅部18及び外径側隅部20の曲率半径ra,rbは、第1実施形態で述べた、固定子巻線12の内径側渡り部分21の内径側湾曲部21a及び外径側渡り部分22の外径側湾曲部22aの各曲率半径Ra,Rbとの関係を満たすようにすればよい。これにより、ステータコア11を巻枠として使用して固定子巻線12を突極集中巻きすることで、固定子巻線12を略密着して巻回することができ、巻線渡り部分21、22の小型化、軽量化をより効果的に行うことができる。
尚、本発明は、前述した各実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良等が可能である。
10 ステータ
11 ステータコア
12 固定子巻線
13 スロット部
14 ヨーク部
15 ティース部
16 ティース部の円周方向側面
17 ティース部の内周面
18 内径側隅部
19 ティース部の外周面
20 外径側隅部
21 内径側渡り部分
22 外径側渡り部分
25 径方向中間部
30 電磁鋼板
31,31a,31b,31c スロット用開口
41 打ち抜き型
Ra,ra,Rb,rb 曲率半径
Pw 所定幅

Claims (2)

  1. 略円環板状のヨーク部、及び該ヨーク部の軸方向一側面から軸方向に突出して、円周方向に所定の間隔で形成される複数のティース部を有し、該複数のティース部間に形成された複数のスロットに固定子巻線を巻回するためのアキシャルギャップ型モータのステータコアの製造方法であって、
    テープ状の電磁鋼板を搬送する工程と、
    前記搬送される電磁鋼板に対して、複数のスロット用開口を打ち抜く工程と、
    前記電磁鋼板からステータコア用電磁鋼板を切り離す工程と、
    前記ステータコア用電磁鋼板を所定回数捲回して、径方向に並んだ複数のスロット用開口により構成される前記複数のスロット部、及び前記複数のティース部をそれぞれ有する前記ステータコアを形成する工程と、
    を備え、
    前記打ち抜き工程では、
    前記ステータコアの径方向中間部を構成する前記電磁鋼板に、該径方向中間部のスロット部が一様幅となるように、前記スロット用開口を打ち抜き、
    前記ステータコアの径方向中間部より内径側を構成する前記電磁鋼板に、前記ティース部の円周方向側面と内周面との内径側隅部が曲面状に面取りされるように、前記スロット用開口を打ち抜き、
    前記ステータコアの径方向中間部より外径側を構成する前記電磁鋼板に、前記ティース部の円周方向側面と外周面との外径側隅部が曲面状に面取りされるように、前記スロット用開口を打ち抜くことを特徴とするステータコアの製造方法。
  2. 前記打ち抜き工程では、前記スロット用開口は、前記ステータコアの径方向中間部の前記スロット用開口を打ち抜く所定幅の打ち抜き型を用いて、前記電磁鋼板を相対的にステップ送りしながら打ち抜かれ、
    前記ステータコアの径方向中間部より内径側及び外径側の前記スロット用開口は、前記電磁鋼板を該打ち抜き型の所定幅以下の距離で相対的にステップ送りしながら前記打ち抜き型を複数回打ち抜くことで形成されることを特徴とする請求項に記載のステータコアの製造方法。
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