JP6091380B2 - 固定子、電動機、および固定子の製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、固定子コアのティースにコイルを装着して成る固定子、この固定子を備える電動機、およびこの固定子の製造方法に関するものである。

一般的に電動機の出力は通電電流［Ａ］×巻き数［ｔｕｒｎ］で決定され、高出力で使用される様な電動機は通電電流量を多くするか、または巻き数を多くする必要がある。

巻き数を多くする場合、一般的に、固定子ティースに装着されたボビンに丸線または平角線を直接巻く方法（例えば、特許文献１参照）、あるいは、丸線または平角線を事前に曲げ加工してコイル（巻線）にし固定子ティースに後挿入する方法（例えば、特許文献２参照）がある。固定子ティースに丸線または平角線を直接巻く場合、固定子コアの内径が大きければ巻線機のアームを挿入するスペースを確保できるが、固定子コアの内径が小さいと固定子を分割した上で巻く必要があった（例えば、特許文献３参照）。また、固定子ティースにコイルを後挿入する場合においても、固定子コアの内径が小さいと固定子を分割してコイルを後挿入する必要があった。

また、巻き数を多くする場合、巻き線工程に時間がかかり、かつ、コイルのスペースを多く取る必要があり、製品のミニマム化において懸念があった。

一方、通電電流を多くする場合、コイルを設置するスペースを小さくするために、一般的に丸線ではなく、平角線が使用される。図１４に示すように、断面積が等しい丸線１００と平角線１０２の場合、丸線１００を巻いて重ね合わせたコイル１０１に比べて、平角線１０２を巻いて重ね合わせたコイル１０３の方が占積率が高く小スペースでコイル設計が可能である。

また、通電電流量を多くする場合、コイルの自己発熱量が増える。よって、高出力かつ大電流を通電する（＝巻き数が少ない、コイルのスペースを最小限に抑えて商品価値を付加した）電動機において、性能（出力）の維持および長寿命化のために、コイルの小発熱化および高放熱化が望まれる。しかしながら、コイルを小発熱化する場合、コイルの断面積を増加させることに伴い、小スペース設計が阻害される問題があった。

コイルを高放熱化する場合、コイルと固定子コアとを樹脂で一体成形して隙間を無くし、固定子コアを介したコイルの放熱性を向上させる方法があった（例えば、特許文献４参照）。しかしながら、従来のコイルは図１５（ａ）に示すフラットワイズ巻きおよび図１５（ｂ）に示すエッジワイズ巻きのいずれの場合でも平角線を多層に重ねて巻回するため、コイルと固定子コアとを樹脂で一体成形して隙間を無くしたとしても依然として放熱性が低かった。そのため、図１５（ａ）に例示するように、コイルの中心層の温度が高く、外周層および内周層の温度が低くなる温度ばらつきが生じていた。

また、平角線が層状に重なるので、平角線に絶縁被膜を施すことが必須であった。
ここで、図１６のグラフに絶縁被膜の耐熱寿命を示す。グラフの縦軸は絶縁被膜の耐熱寿命、横軸は温度を示し、高温が長時間続くほど絶縁被膜の寿命が短くなることが分かる。このように、絶縁被膜の寿命は温度と時間に左右されるため、コイルに温度ばらつきがあると絶縁被膜の寿命時間を予測することが非常に困難となる。

特開２００１−１８６７０３号公報 特開２００９−２８３５９１号公報 特開２０１１−２４４６２７号公報 特開２００９−２６１０８６号公報

上記のように、固定子コアに層状に巻回されたコイルは、放熱性が低いという課題があった。そのため、電動機の性能（出力）を維持できず、長寿命化の阻害要因となっていた。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、高出力かつ大電流を通電する電動機において、平角線を巻回して成るコイルの放熱性を向上することを目的とする。

この発明に係る固定子は、ティースが突設された固定子コアと、平角線が層状に重ならないようフラットワイズ巻きされ、かつ、当該フラットワイズ巻きされた状態で隣り合う平角線同士が接触しないよう隙間があいた形状に構成されてティースに装着されたコイルと、コイルとティースを固定する樹脂部とを備え、コイルは、平角線の一部がクランク形状になった屈曲部を有し、平角線のうち、屈曲部を成す部分の幅が平角線２本分の幅より広いものである。

この発明に係る電動機は、固定子コアに突設されたティースにコイルが装着されて成る固定子を備えるものであって、コイルは、平角線が層状に重ならないようフラットワイズ巻きされ、かつ、当該フラットワイズ巻きされた状態で隣り合う平角線同士が接触しないよう隙間があいた形状に構成され、かつ、平角線の一部がクランク形状になった屈曲部を有し、平角線のうち、屈曲部を成す部分の幅が平角線２本分の幅より広いものである。
この発明に係る固定子の製造方法は、ティースが突設された固定子コアと、平角線が層状に重ならないようフラットワイズ巻きされ、かつ、当該フラットワイズ巻きされた状態で隣り合う平角線同士が接触しないよう隙間があいた形状に構成されてティースに装着されたコイルと、コイルとティースを固定する樹脂部とを備え、コイルは、平角線の一部がクランク形状になった屈曲部を有し、平角線のうち、屈曲部を成す部分の幅が平角線２本分の幅より広いことを特徴とする固定子の製造方法であって、コイルは、板状導体をプレス加工して屈曲部を有する平角線を成形し、曲げ加工によりティースの外形に沿った形状にフラットワイズ巻きして構成されるものである。

この発明によれば、平角線が層状に重ならないようフラットワイズ巻きされ、かつ、当該フラットワイズ巻きされた状態で隣り合う平角線同士が接触しないよう隙間があいた形状に構成されたコイルは、平角線の一部がクランク形状になった屈曲部を有し、平角線のうち、屈曲部を成す部分の幅が平角線２本分の幅より広いので、一重に巻回された平角線の長方形断面の長辺側がティースおよび樹脂部に接触し、放熱性が向上する。

この発明の実施の形態１に係る電動機を構成する固定子を示す平面図である。 実施の形態１の固定子を図１のＡＡ線に沿って切断した断面図である。 実施の形態１の分割コアとコイルの構成を示す平面図である。 実施の形態１のコイルを装着した分割コアを示す斜視図である。 実施の形態１の分割コアとコイルをインサート成形して成る分割コアモジュールを示す斜視図である。 実施の形態１の分割コアモジュールの構成を示し、図６（ａ）は平面図、図６（ｂ）はＢＢ線に沿って切断した断面図である。 実施の形態１の分割コアモジュールを成形する金型構造を示す断面図である。 実施の形態１の分割コアモジュールの変形例を示す平面図である。 実施の形態１の分割コアモジュールの別の変形例を示す平面図である。 この発明の実施の形態２に係る固定子の構成を示し、図１０（ａ）は平面図、図１０（ｂ）はＣＣ線に沿って切断した断面図である。 この発明の実施の形態２に係る固定子の構成を示す平面図である。 この発明に係る固定子の金属ハウジングに空冷構造を設けた構成例を示す平面図である。 この発明に係る固定子の金属ハウジングに水冷構造を設けた構成例を示す平面図である。 断面積が等しい丸線と平角線を巻回したコイルを比較した断面図である。 従来のコイルを説明する図であり、図１５（ａ）はフラットワイズ巻き、図１５（ｂ）はエッジワイズ巻きの例である。 平角線に施された絶縁被膜の耐熱寿命を示すグラフである。

実施の形態１．
図１に、本実施の形態１に係る電動機を構成する固定子１を抜粋して示す。この固定子１は、固定子コア１０と、コイル２０と、コイル２０を固定子コア１０に固定すると共にコイル２０を被覆して絶縁する樹脂部３０と、固定子コア１０を収容した金属ハウジング４０とを備えている。
本実施の形態１の固定子コア１０は分割型であり、金属ハウジング４０の内部に同一形状の分割コアモジュール３が６個周方向に並べて設置され、ネジ２を用いて金属ハウジング４０に締結されている。

図２は、図１の固定子１をＡＡ線に沿って切断した断面図である。図３は分割コア１１とコイル２０の構成を示す平面図、図４はコイル２０を装着した分割コア１１を示す斜視図、図５は分割コア１１とコイル２０をインサート成形して成る分割コアモジュール３を示す斜視図である。

図３に示すように、分割コアモジュール３を構成する分割コア１１には、ティース１２が突設されると共に、ネジ２を挿通するネジ穴１３が形成される。なお、本実施の形態１では電磁鋼板を積層して分割コア１１を構成するが、圧粉磁心で構成してもよい。また、図示は省略するが、固定子コア１０の間に永久磁石を挟みこむなど、電動機の構成に応じた変形が可能である。

コイル２０には、平角線を幅方向にずらすようなクランク形状の屈曲部２１が形成されている。この平角線を層状に重ならないよう一重にフラットワイズ巻きすることで、隣り合う平角線同士が接触しないよう隙間Ｌ１があいた形状になる。
このコイル２０を製作する際には、プレス加工により板状導体から長方形断面の平角線を打ち抜くときに屈曲部２１の形状も併せて形成しておき、この平角線をティース１２の外形に沿うようフラットワイズ状に曲げ加工する。なお、プレス加工ではなく切削加工により板状導体から平角線を形成してもよい。コイル２０の製作時にプレス曲げ作業が発生するため、コストを考慮すると、巻き数が少ない（０．５〜２ターン程度）方が有利である。図１〜図５のコイル２０は１．５ターン（巻き）である。

図４に示すように、曲げ加工されたコイル２０を分割コア１１のティース１２に挿入して装着させた状態で金型内に設置し、樹脂部材により樹脂部３０をインサート成形することにより、図５に示す分割コアモジュール３となる。

ここで、図６（ａ）に分割コアモジュール３の平面図、図６（ｂ）にＢＢ線に沿って切断した断面図を示す。図７は、分割コアモジュール３を成形する金型構造を示す断面図である。コイル２０にピン穴２２を形成し、金型５０の位置決めピン５１をピン穴２２に貫通させて先端をティース１２に当接させることにより、ティース１２を位置決めする。この位置決めピン５１には外径を大きくした肩部５２が設けられており、肩部５２をピン穴２２の周縁部に当接させることにより、コイル２０を位置決めする。これにより、ティース１２とコイル２０の間に所定のクリアランス５３が形成され、金型５０に樹脂を射出した際にその一部がクリアランス５３に流れ込み、樹脂部３０がティース１２とコイル２０に密着した状態でインサート成形される。

この樹脂部３０は、コイル２０の外表面を被覆して隣り合う平角線同士を絶縁すると共に、コイル２０とティース１２の間のクリアランス５３にも入り込んで両者を絶縁する。従って、平角線自体の絶縁被覆が不要である。
なお、樹脂部３０を構成する樹脂部材としては、電気絶縁性および放熱性に優れたポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）樹脂などを用いる。さらに、窒素ホウ素、酸化アルミニウム粉末等のフィラーを樹脂に混合したり、フィラー量を増加したりしてもよい。

また、この樹脂部３０は絶縁被膜としての機能に加え、コイル２０の発する熱を放熱する放熱部材としての機能も兼ね備えている。コイル２０の発する熱は、樹脂部３０、ティース１２、分割コア１１、金属ハウジング４０という放熱経路を通って外部へ放熱される。
なお、樹脂部３０を成形する際に、コイル２０とティース１２のクリアランス５３に樹脂部材を射出せず、クリアランス５３のまま残す構造も考えられるが、放熱効率を向上させる必要がある場合は、樹脂を流し込ませた方が放熱に対して有利である。

また、コイル２０を構成する平角線の断面積は長方形であり、放熱部材である樹脂部３０および放熱経路になるティース１２と接触する部分が常に長方形断面の長辺側（平角線の幅方向）となる様にフラットワイズ巻きしている。また、屈曲部２１を設けて、平角線のティース１２への接触面積を増やしている。さらに、図１５（ａ）および図１５（ｂ）に示したような多層方向に平角線を巻回するのではなく、一重に巻回している。このため、平角線が効率的にティース１２および樹脂部３０に接触し、放熱性が向上する。従って、コイル２０における平角線の温度ばらつきを防止することが可能であり、温度管理が容易である。

なお、図１〜図７では１．５ターンのコイル２０を例示したが、巻き数はこれに限定されるものではない。例えば図８の平面図に示すように、コイル２０を２．５ターンにした場合、２箇所の屈曲部２１−１，２１−２を形成して隣り合う平角線同士が接触しないように巻く位置をずらす。
また、例えば図９の平面図では、平角線を螺旋状にフラットワイズ巻きすることにより、隣り合う平角線同士が接触しないように巻く位置をずらし、２．５ターンのコイル２０を形成している。

以上より、実施の形態１によれば、固定子１は、ティース１２が突設された固定子コア１０と、平角線が層状に重ならないようフラットワイズ巻きされ、かつ、当該フラットワイズ巻きされた状態で隣り合う平角線同士が接触しないよう隙間（図３のＬ１）があいた形状に構成されてティース１２に装着されたコイル２０と、コイル２０とティース１２を固定する樹脂部３０とを備える構成にした。このため、一重に巻回された平角線の長方形断面の長辺側がティース１２および樹脂部３０に接触し、コイル２０の放熱性が向上する。

また、実施の形態１によれば、コイル２０は、平角線の一部がクランク形状になった屈曲部２１を有する構成にしたので、樹脂部３０およびティース１２への接触面積（即ち、放熱面積）が拡大して放熱性が向上する。

また、実施の形態１によれば、樹脂部３０の一部を、コイル２０とティース１２の間に設ける構成にしたので、樹脂部３０がコイル２０とティース１２の固定部としての機能に加えてコイル２０の絶縁被膜としての機能を兼ねるようになる。よって、絶縁被膜が施されていないコイル２０を使用できる。
さらに、樹脂部３０の絶縁被膜は、隙間（図７のクリアランス５３）をあけてコイル２０をティース１２に装着した状態で樹脂部３０を樹脂成形するときに当該隙間に射出された樹脂部材により構成されるようにした。このため、樹脂部３０がコイル２０とティース１２に密着するので、コイル２０の発熱を効率的に放熱できる。

また、実施の形態１によれば、固定子１は、複数の分割コア１１から成る固定子コア１０を固定する金属ハウジング４０を備え、当該金属ハウジング４０がコイル２０の発する熱を樹脂部３０、ティース１２および固定子コア１０を介して外部へ放熱する構成にした。このため、コイル２０の発熱を外部へ効率的に放熱できる。

実施の形態２．
図１０（ａ）は、実施の形態２に係る固定子１のうち、分割コアモジュール３の構成を示す平面図、図１０（ｂ）はＣＣ線で切断した断面図である。この図１０において、図１〜図９と同一または相当の部分については同一の符号を付し説明を省略する。
上記実施の形態１では、樹脂部３０がコイル２０の絶縁被膜としての機能を兼ねる構成にしたが、これに限定されるものではなく、コイル２０に絶縁被膜を施してもよい。その場合、プレス加工により板状導体から平角線を打ち抜き、平角線を曲げ加工してコイル２０の形状にした後に被膜処理を実施するか、あるいは平角線を被膜処理した後に曲げ加工してコイル２０の形状にする。そして、コイル２０を分割コア１１のティース１２に装着し、コイル２０の絶縁被膜２３をティース１２に接触させた状態で樹脂部３０をインサート成形する。図７で説明したようなクリアランス５３を設けずコイル２０とティース１２を直に接触させる場合、コイル２０とティース１２を嵌め合わせることにより位置決めをしてもよいし、図７のような金型５０と位置決めピン５１により位置決めをしてもよい。

以上より、実施の形態２によれば、コイル２０は絶縁被膜２３を有し、樹脂部３０は、コイル２０をティース１２に装着して絶縁被膜２３をティース１２に密着させた状態で樹脂成形される構成にした。これにより、ティース１２とコイル２０が密着するので、コイル２０の発熱を効率的にティース１２へ放熱できる。この熱は、ティース１２から分割コア１１、金属ハウジング４０を介して外部へ放熱される。

実施の形態３．
図１１は、実施の形態３に係る固定子１のうち、分割コアモジュール３の構成を示す平面図である。この図１１において、図１〜図１０と同一または相当の部分については同一の符号を付し説明を省略する。
上記実施の形態１，２では、コイル２０の隣り合う平角線同士が接触しないように、平角線の一部に屈曲部２１を設けて巻く位置をずらしたが、本実施の形態３ではこの屈曲部２１ａの幅をその他の部分の幅より広げて、樹脂部３０およびティース１２に接触する面積を拡大する。

以上より、実施の形態３によれば、平角線のうち、屈曲部２１ａを成す部分の幅をその他の部分の幅より広くしたので、樹脂部３０およびティース１２への接触面積（即ち、放熱面積）が拡大して放熱性が向上する。

なお、上記実施の形態１〜３では固定子コア１０を分割して、分割コア１１とコイル２０を樹脂成形により一体化した例を示したが、これに限定されるものではなく、固定子コア１０を分割せずに各ティース１２にコイル２０を装着して樹脂成形により同時に一体化してもよい。固定子コア１０を分割しない場合には、固定子コア１０を金属ハウジング４０に圧入することにより、コイル２０、樹脂部３０、固定子コア１０、金属ハウジング４０という放熱経路を容易に確保可能である。
一方、固定子コア１０を金属ハウジング４０に圧入しない場合（例えば、分割コアモジュール３を金属ハウジング４０に挿入する場合）には、分割コアモジュール３と金属ハウジング４０の間に放熱材を塗布して放熱経路を確保することが可能である。

また、金属ハウジング４０を構成する材料としては、アルミ等の放熱率が高い金属材料が好適である。放熱率をさらに高める場合には、図１２に示すように金属ハウジング４０の外周面に放熱フィン４１を設置して空冷構造にしたり、図１３に示すように金属ハウジング４０の内部に水冷通路４２を設けて水冷構造にしたりする。

以上のように、本発明に係る固定子１は放熱性を高めたので、高出力電動機の固定子に用いるのに適している。本発明の固定子１を用いることにより、電動機の性能（出力）を維持し、長寿命の電動機を設計することが可能となる。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

１ 固定子、２ ネジ、３ 分割コアモジュール、１０ 固定子コア、１１ 分割コア、１２ ティース、１３ ネジ穴、２０ コイル、２１，２１ａ，２１−１，２１−２ 屈曲部、２２ ピン穴、２３ 絶縁被膜、３０ 樹脂部、４０ 金属ハウジング、４１ 放熱フィン、４２ 水冷通路、５０ 金型、５１ 位置決めピン、５２ 肩部、５３ クリアランス。

Claims (10)

1. ティースが突設された固定子コアと、
   平角線が層状に重ならないようフラットワイズ巻きされ、かつ、当該フラットワイズ巻きされた状態で隣り合う平角線同士が接触しないよう隙間があいた形状に構成されて前記ティースに装着されたコイルと、
   前記コイルと前記ティースを固定する樹脂部とを備え、
   前記コイルは、前記平角線の一部がクランク形状になった屈曲部を有し、
   前記平角線のうち、前記屈曲部を成す部分の幅が前記平角線２本分の幅より広いことを特徴とする固定子。
2. 前記樹脂部は、前記コイルと前記ティースの間に設けられていることを特徴とする請求項１記載の固定子。
3. 前記樹脂部は、前記コイルを前記ティースに装着した状態であいた隙間に設けられ、前記コイルと前記ティースとの間を絶縁することを特徴とする請求項１または請求項２記載の固定子。
4. 前記コイルは絶縁被膜を有し、前記絶縁被膜は前記ティースに密着することを特徴とする請求項１または請求項２記載の固定子。
5. 前記固定子コアは、電磁鋼板または圧粉磁心であることを特徴とする請求項１から請求項４のうちのいずれか１項記載の固定子。
6. 前記固定子コアを固定し、前記コイルの発する熱を前記樹脂部、前記ティースおよび前記固定子コアを介して外部へ放熱する金属ハウジングを備えることを特徴とする請求項１から請求項５のうちのいずれか１項記載の固定子。
7. 固定子コアに突設されたティースにコイルが装着されて成る固定子を備える電動機において、
   前記コイルは、平角線が層状に重ならないようフラットワイズ巻きされ、かつ、当該フラットワイズ巻きされた状態で隣り合う平角線同士が接触しないよう隙間があいた形状に構成され、かつ、前記平角線の一部がクランク形状になった屈曲部を有し、
   前記平角線のうち、前記屈曲部を成す部分の幅が前記平角線２本分の幅より広いことを特徴とする電動機。
8. ティースが突設された固定子コアと、
   平角線が層状に重ならないようフラットワイズ巻きされ、かつ、当該フラットワイズ巻きされた状態で隣り合う平角線同士が接触しないよう隙間があいた形状に構成されて前記ティースに装着されたコイルと、
   前記コイルと前記ティースを固定する樹脂部とを備え、
   前記コイルは、前記平角線の一部がクランク形状になった屈曲部を有し、
   前記平角線のうち、前記屈曲部を成す部分の幅が前記平角線２本分の幅より広いことを特徴とする固定子の製造方法であって、
   前記コイルは、板状導体をプレス加工して前記屈曲部を有する前記平角線を成形し、曲げ加工により前記ティースの外形に沿った形状にフラットワイズ巻きして構成されることを特徴とする固定子の製造方法。
9. 前記コイルは絶縁被膜を有し、
   前記絶縁被膜は、隙間をあけて前記コイルを前記ティースに装着した状態で前記樹脂部を樹脂成形するときに当該隙間に射出された樹脂部材により構成されることを特徴とする請求項８記載の固定子の製造方法。
10. 前記コイルは絶縁被膜を有し、
    前記樹脂部は、前記コイルを前記ティースに装着して前記絶縁被膜を前記ティースに密着させた状態で樹脂成形されることを特徴とする請求項８記載の固定子の製造方法。

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