JP6279988B2

JP6279988B2 - 電動機の固定子

Info

Publication number: JP6279988B2
Application number: JP2014129325A
Authority: JP
Inventors: 一人岡崎; 寿美夫柳生
Original assignee: Kubota Corp
Current assignee: Kubota Corp
Priority date: 2014-06-24
Filing date: 2014-06-24
Publication date: 2018-02-14
Anticipated expiration: 2034-06-24
Also published as: JP2016010227A

Description

本発明は、単独の駆動源として又はエンジンとともにハイブリッドの駆動源として産業機器に適用される電動機の固定子に関する。

自動車や、農機、建機、ユーティリティビークル等の産業機器に適用される電動機（各種ＩＰＭモータ・ジェネレータを含む。）は、シリーズハイブリッド式又はパラレルハイブリッド式駆動源として機器に搭載されており、例えば、永久磁石埋込型同期電動機が用いられている。
この種の電動機の固定子は、分割ヨークにティースを突出して分割固定子を形成し、これを多数環状に配置した固定子片環状結合型と、環状ヨークの内周に多数のティースを突出したヨーク一体型とがある。

前記固定子片環状結合型には、特許文献１に開示されているように、絶縁処理した分割鉄心の極歯ごとに巻線を巻回した固定子片を環状結合する固定子において、分割鉄心のスロット開口部を絶縁するスロット絶縁板と、弾性を有する絶縁体とを備え、前記スロット絶縁板と巻線との間に前記絶縁体を介在させており（請求項１）、固定子巻線の絶縁性能の経時劣化を少なくしかつ高効率と信頼性を向上させている。

特開２００６−１４１１７３号公報

前記従来技術は、絶縁体によって経時劣化を少なくすることは期待できるが、絶縁体とティース（分割鉄心）との間及び絶縁体と巻線との間の接触面積が小さくなって伝熱量が小さくなる、空気層が生じて熱抵抗が大きくなる、等の問題が発生する可能性がある。
本発明は、このような従来技術の問題点を解決できるようにした電動機の固定子を提供することを目的とする。

本発明は、ティースの面とこれを包囲する絶縁部材の内面とに凹凸を形成して適合嵌合することにより、ティースと絶縁部材との間の伝熱量を増大しかつ熱抵抗を減少できるようにした電動機の固定子を提供することを目的とする。

本発明における課題解決のための具体的手段は、次の通りである。
本発明の一態様に係る電動機の固定子は、環状のヨーク２の内周側に、前記ヨーク２から径方向の内方に突出するティース３を前記ヨーク２の周方向に複数配列し、各ティース３に弾性樹脂製の絶縁部材４を介在して巻線５を巻いた電動機の固定子であって、各ティース３は、前記周方向を向く面である周方向面Ａと、前記ヨーク２の軸方向を向く面である軸方向面Ｂとを有し、各ティース３の前記周方向面Ａと前記軸方向面Ｂの内の少なくとも周方向面Ａに凹凸３ａを形成し、この周方向面Ａに形成された凹凸３ａは、前記軸方向に延びる凸条であって前記径方向に間隔をおいて形成された複数本の第１凸条と、前記径方向において隣接する前記第１凸条間の溝である複数本の第１凹状溝とを有し、前記絶縁部材４は、前記巻線５が巻き付けられる外面４ｂと、前記周方向面Ａ及び前記軸方向面Ｂに対面し且つ前記ティース３に形成された凹凸３ａに適合嵌合する凹凸４ａが形成された内面とが一体形成されており、前記絶縁部材４に形成された凹凸４ａは、前記軸方向に延びていて前記第１凹状溝に嵌入して面接触する凸条であって前記径方向に間隔をおいて形成された複数本の第２凸条と、前記径方向において隣接する前記第２凸条間の溝であって前記第１凸条が嵌入して面接触する複数本の第２凹状溝とを含むことを特徴とする。

また、前記ティース３は、前記周方向の一方を向く第１の周方向面Ａと、他方を向く第２の周方向面Ａとを有し、前記第１の周方向面Ａと前記第２の周方向面Ａとに前記第１凸条と前記第１凹状溝とが形成され、前記軸方向面Ｂに形成された凹凸３ａは、前記第１の周方向面Ａと前記第２の周方向面Ａに形成された前記第１凸条同士を連結する凸条であって前記径方向に間隔をおいて形成された複数本の第３凸条と、前記第１周方向面Ａと前記第２周方向面Ａに形成された第１凹状溝同士を連結する凹状溝であって前記径方向において隣接する前記第３凸条間の溝である複数本の第３凹状溝とを有し、前記絶縁部材４に形成された凹凸４ａは、前記第３凹状溝に嵌入して面接触する複数本の第４凸条と、前記第３凸条が嵌入して面接触する複数本の第４凹状溝とを含むことを特徴とする。
また、前記絶縁部材４でティース３を包囲し、ティース３の周方向面Ａ及び軸方向面Ｂの外方に位置する絶縁部材４の外面４ｂを、巻線５の巻き方向で中高円弧状に形成していることを特徴とする。
また、前記ティース３の周方向面Ａ及び軸方向面Ｂの外方に位置する絶縁部材４の外面４ｂに、断面円形の巻線５が嵌入する螺旋凹凸部４ｃをティース３の径方向に多数配列して形成していることを特徴とする。

また、前記絶縁部材４は、対向する２つで前記ティース３の前記周方向面Ａと前記軸方向面Ｂとを包囲する二つ割り形状であることを特徴とする。

本発明によれば、ティースと絶縁部材との間の伝熱量を増大しかつ熱抵抗を減少できるようにする。
即ち、各ティース３の周方向面Ａと軸方向面Ｂの内の少なくとも周方向面Ａに凹凸３ａを形成し、この凹凸３ａに適合嵌合する凹凸４ａを絶縁部材４の内面に形成しているので、絶縁部材４の内面はティース３の周方向面Ａと大面積で密着でき、空気層が減少し、両者の間の伝熱量を増大するとともに熱抵抗を減少できる。

また、絶縁部材４の外面４ｂを巻線５の巻き方向で中高円弧状に形成しているので、絶縁部材４の外面４ｂと巻線５との間の空気層が減少し、両者の間の伝熱量を増大するとともに熱抵抗を減少できる。
また、絶縁部材４の外面４ｂに断面円形の巻線５が嵌入する螺旋凹凸部４ｃをティース３の径方向に多数配列して形成しているので、絶縁部材４の外面４ｂと巻線５とが大面積で密着でき、空気層が減少し、両者の間の伝熱量を増大するとともに熱抵抗を減少できる。

また、絶縁部材４は対向する２つでティース３の周方向面Ａと軸方向面Ｂとを包囲する二つ割り形状であるので、絶縁部材４の製作及び装着がきわめて容易にできる。

本発明の第１実施形態を示す正面図である。図１のＸ−Ｘ線断面図である。図１のＹ−Ｙ線断面図である。分解斜視図である。本発明の第２実施形態を示す正面図である。図５のＺ−Ｚ線断面図である。本発明の第３実施形態を示す正面図である。同平面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１〜４に示す第１実施形態において、永久磁石埋込型同期電動機に適用される固定子１は、環状のヨーク２の内周側にティース３が周方向複数配列され、ティース３には絶縁部材４を介在して巻線５が巻かれている。
第１実施形態の固定子１は、固定子片環状結合型の固定子片であって、周方向に多数個の固定子片を配列して１個の環状の固定子を構成するものであり、各固定子１（固定子片、分割鉄心）がヨーク２（分割ヨーク）とそれに一体となった１つのティース３（極歯部）とを有する。

固定子１は多数枚の珪素鋼板を積層して形成しており、ティース３は周方向の２面Ａ（スロット側の面）と軸方向（固定子の軸心方向）の２面Ｂとを有し、断面矩形状になっており、前記周方向面Ａと軸方向面Ｂの両面に凹凸３ａが形成されている。
ティース３の周方向面Ａの凹凸３ａは、固定子１を珪素鋼板からプレス加工して製作する際に形成され、軸方向面Ｂの凹凸３ａは、表面側の珪素鋼板に表面加工を施すことにより形成されたものであり、面に凸条の帯を径方向（環状固定子の径方向）に複数本間隔をおいて形成している。周方向面Ａの凹凸３ａと軸方向面Ｂの凹凸３ａとは、連続であっても断続であってもよい。

絶縁部材４は、シリコンゴム、ＰＰＴ樹脂等の弾性樹脂で形成されており、断面矩形状のティース３の全周を包囲する四角筒形状であり、ティース３の周方向面Ａと軸方向面Ｂとに対面する内面には、ティース３の凹凸３ａに適合嵌合する凹凸４ａが形成されている。
即ち、絶縁部材４の内周面には、ティース３の周方向面Ａの凸条（第１凸条）と軸方向面Ｂの凸条（第３凸条）とが嵌入する凹条溝（第２凹状溝、第４凹状溝）が形成され、同時に、凹条溝の間に、ティース３の周方向面Ａの凹条溝（第１凹条溝）と軸方向面Ｂの凹条溝（第３凹条溝）とに嵌入する凸条（第２凸条、第４凸条）が形成されている。

ティース３の凸条が絶縁部材４の凹条溝に嵌入することにより、凸条及び凹条溝が面接触するとともにそれら以外の面も面接触する状態となり、ティース３の周方向面Ａの凹凸３ａと絶縁部材４の凹凸４ａとは適合嵌合することになり、凹凸のない場合に比べて接触面積が大きくなり、空気層も形成され難くなり、また、ティース３に対して絶縁部材４の
嵌合位置が不動になる。

絶縁部材４において、ティース３の周方向面Ａ及び軸方向面Ｂの外方に位置する絶縁部材４の外面４ｂは、巻線５の巻き方向で中高円弧状（蒲鉾形）に形成されており、内周面が四角形であるのに対して外面４ｂは円形に近づけられており、巻線５を巻きやすくし、また外面４ｂと巻線５との間に空隙が形成されないようになっている。
この絶縁部材４はティース３の全周を２個一対で包囲する二つ割り形状であって、二つ割り絶縁部材４は対称形状で、対向する２つでティース３の周方向面Ａと軸方向面Ｂとを包囲する。絶縁部材４の割り面Ｐはティース３の軸方向面Ｂに対向する位置にあり、図１、２に仮想線で示す如く、二つ割り絶縁部材４はそれぞれスロット側からティース３に嵌合する。

この割り面Ｐはティース３の周方向面Ａに対向する位置にあってもよく、その場合は、二つ割り絶縁部材４を軸方向からティース３に嵌合する。
前記巻線５は集中巻きで巻かれており、ティース３に絶縁部材４を嵌合して、その絶縁部材４の外周に巻線５を締めながら集中巻きして周方向所要角度の分割固定子１を構成し、この分割固定子１を周方向に多数配列して環状の固定子を構成する。

分割状の固定子１は、１つのティース３に対して二つ割り形状の絶縁部材４を嵌合して、ティース３の周方向面Ａ及び軸方向面Ｂの凹凸３ａに絶縁部材４の内面の凹凸４ａを適合嵌合すると、ティース３の外面と絶縁部材４の内面とは、凹凸分だけ接触面積が増えた状態、空気層のない状態、絶縁部材４の位置ズレのない状態で密着する。
ティース３に嵌合した絶縁部材４に巻線５を螺旋状に集中巻きしていくと、絶縁部材４の外面４ｂが巻き方向で中高円弧状であるので、断面四角形のティース３に対して円形に近づけて巻くことができ、外面４ｂでの巻線５の密着性が良好になり、また、ティース３のエッジ部に対向する位置での巻線５の屈曲が穏やかになることにより、絶縁部材４とも広い面積で接触する。

絶縁部材４の外面４ｂに断面円形の巻線５が嵌入する螺旋凹凸部４ｃを形成していると、螺旋凹凸部４ｃの凹部に巻線５が入り、螺旋凹凸部４ｃの凸部が巻線５間の間隙を占有するので、絶縁部材４と巻線５とは、凹凸分だけ接触面積が増えた状態、空気層を排除した状態、巻線５の位置ズレのない状態で密着するとともに、螺旋状に巻く工程が容易になる。

このように、固定子１は、ティース３に凹凸３ａを形成して絶縁部材４の内面の凹凸４ａを適合嵌合することにより、ティース３と絶縁部材４とは大面積で空気層のない密着嵌合ができ、伝熱量が大きくかつ熱抵抗が小さくなり、モータの冷却効率を向上でき、組立て作業性及び信頼性も向上でき、それらによって、フィン等の冷却構造物の削減や、強制冷却システムの低出力化、低コスト化が可能になり、また、絶縁部材４の外面４ｂを中高円弧状に形成したり、螺旋凹凸部４ｃを形成したりすることにより、絶縁部材４の外面４ｂと巻線５をより大面積で空気層の少ない密着巻きができ、ティース３のエッジ部に対向する位置でも、巻線５が絶縁部材４と接触することにより絶縁破壊を抑制して、モータ寿命を長くすることが可能になる。

図５、６に示す第２実施形態において、固定子１の絶縁部材４は、ティース３の周方向面Ａ及び軸方向面Ｂの外方に位置する絶縁部材４の外面４ｂに、断面円形の巻線５が嵌入する螺旋凹凸部４ｃをティース３の径方向に多数配列して形成され、ヨーク２の内周面に沿うスロット絶縁部４ｄが形成され、また、絶縁部材４の割り面Ｐはティース３の一角のエッジ部に対向する位置に配置されている。

絶縁部材４の外面４ｂは中高円弧状でありながら螺旋凹凸部４ｃが形成され、この螺旋凹凸部４ｃの凹部が巻線５の巻きを案内するとともに絶縁部材４の外面４ｂと巻線５との密着を大面積とし、凹部間の凸部が隣接する巻線５の間の空間を埋め、空気層を減少させて両者の間の伝熱量を増大する。
絶縁部材４は低硬度の弾性樹脂で形成すると、巻線５を締め付けながら巻き付けたときに自然に螺旋凹凸部４ｃを形成することができるが、予め深い螺旋凹部を形成しておく方が、密着面積の拡大、空気層の減少は顕著となる。

この第２実施形態の絶縁部材４は、１つの割り面Ｐを大きく開いてティース３に外方から嵌合することになるが、ティース３の対角位置に割り面Ｐを形成して、対角線で二つ割りにしてもよい。また、絶縁部材４はティース３に嵌合した状態で、巻線５とティース３との間だけでなく、スロット絶縁部４ｄによって巻線５とヨーク２との間の絶縁もできる。

なお、第２実施形態では、ティース３は周方向面Ａにのみ凹凸３ａが形成され、軸方向面Ｂには凹凸３ａが形成されていなく、従って、絶縁部材４も周方向面Ａにのみ、凹凸３ａと適合嵌合する凹凸４ａが形成されている。
図７、８に示す第３実施形態において、固定子１は非分割の環状形状であり、環状のヨーク２の内周側に周方向複数のティース３が一体成形されており、絶縁部材４は軸方向二つ割り形状であり、巻線５は集中巻き又は分散巻きになっている。

ティース３は周方向面Ａ及び軸方向面Ｂの全周に凹凸３ａが形成され、絶縁部材４にも内周面の全周に凹凸４ａが形成されている。
絶縁部材４は、ティース３に嵌合する部分からヨーク２の内周面に沿うスロット絶縁部４ｄが一体形成され、周方向に隣り合うスロット絶縁部４ｄ同士が一体に形成されており、環状でかつ軸方向対称形状の二つ割り絶縁部材４を対向させて、全ティース３に同時に嵌合する構成になっている。

この第３実施形態の絶縁部材４は、環状ヨーク２に沿って複数に分割してもよく、１個の絶縁部材４で複数のティース３に同時に嵌合すればよい。
なお、本発明は前記実施形態における各部材の形状及びそれぞれの前後・左右・上下の位置関係は、図１〜８に示すように構成することが最良である。しかし、前記実施形態に限定されるものではなく、部材、構成を種々変形したり、組み合わせを変更したりすることもできる。

例えば、第１及び第２実施形態において、複数の分割の固定子１を環状に配列して、全ヨーク２に絶縁部材４を嵌合してから巻線５を分散巻きしてもよい。
ティース３の凹凸３ａ及び絶縁部材４の凹凸４ａの断面形状は、四角形であるが、台形、円弧形（波形）、鋸歯形等でもよい。

１固定子
２ヨーク
３ティース
３ａ凹凸
４絶縁部材
４ａ凹凸
４ｂ外面
４ｃ螺旋凹凸部
４ｄスロット絶縁部
５巻線
Ａ周方向面
Ｂ軸方向面
Ｐ面位置

Claims

環状のヨーク（２）の内周側に、前記ヨーク（２）から径方向の内方に突出するティース（３）を前記ヨーク（２）の周方向に複数配列し、各ティース（３）に弾性樹脂製の絶縁部材（４）を介在して巻線（５）を巻いた電動機の固定子であって、
各ティース（３）は、前記周方向を向く面である周方向面（Ａ）と、前記ヨーク（２）の軸方向を向く面である軸方向面（Ｂ）とを有し、
各ティース（３）の前記周方向面（Ａ）と前記軸方向面（Ｂ）の内の少なくとも周方向面（Ａ）に凹凸（３ａ）を形成し、この周方向面（Ａ）に形成された凹凸（３ａ）は、前記軸方向に延びる凸条であって前記径方向に間隔をおいて形成された複数本の第１凸条と、前記径方向において隣接する前記第１凸条間の溝である複数本の第１凹状溝とを有し、
前記絶縁部材（４）は、前記巻線（５）が巻き付けられる外面（４ｂ）と、前記周方向面（Ａ）及び前記軸方向面（Ｂ）に対面し且つ前記ティース（３）に形成された凹凸（３ａ）に適合嵌合する凹凸（４ａ）が形成された内面とが一体形成されており、
前記絶縁部材（４）に形成された凹凸（４ａ）は、前記軸方向に延びていて前記第１凹状溝に嵌入して面接触する凸条であって前記径方向に間隔をおいて形成された複数本の第２凸条と、前記径方向において隣接する前記第２凸条間の溝であって前記第１凸条が嵌入して面接触する複数本の第２凹状溝とを含むことを特徴とする電動機の固定子。
前記ティース（３）は、前記周方向の一方を向く第１の周方向面（Ａ）と、他方を向く第２の周方向面（Ａ）とを有し、前記第１の周方向面（Ａ）と前記第２の周方向面（Ａ）とに前記第１凸条と前記第１凹状溝とが形成され、
前記軸方向面（Ｂ）に形成された凹凸（３ａ）は、前記第１の周方向面（Ａ）と前記第２の周方向面（Ａ）に形成された前記第１凸条同士を連結する凸条であって前記径方向に間隔をおいて形成された複数本の第３凸条と、前記第１周方向面（Ａ）と前記第２周方向面（Ａ）に形成された第１凹状溝同士を連結する凹状溝であって前記径方向において隣接する前記第３凸条間の溝である複数本の第３凹状溝とを有し、
前記絶縁部材（４）に形成された凹凸（４ａ）は、前記第３凹状溝に嵌入して面接触する複数本の第４凸条と、前記第３凸条が嵌入して面接触する複数本の第４凹状溝とを含むことを特徴とする請求項１に記載の電動機の固定子。
前記絶縁部材（４）でティース（３）を包囲し、ティース（３）の周方向面（Ａ）及び軸方向面（Ｂ）の外方に位置する絶縁部材（４）の外面（４ｂ）を、巻線（５）の巻き方向で中高円弧状に形成していることを特徴とする請求項１又は２に記載の電動機の固定子。
前記ティース（３）の周方向面（Ａ）及び軸方向面（Ｂ）の外方に位置する絶縁部材（４）の外面（４ｂ）に、断面円形の巻線（５）が嵌入する螺旋凹凸部（４ｃ）をティース（３）の径方向に多数配列して形成していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電動機の固定子。
前記絶縁部材（４）は、対向する２つで前記ティース（３）の前記周方向面（Ａ）と前記軸方向面（Ｂ）とを包囲する二つ割り形状であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電動機の固定子。