JP7251278B2 - 電機子の製造方法および電機子 - Google Patents

Description

本発明は、電機子の製造方法および電機子に関するものである。

回転電機の電機子として鉄心に巻線が巻回された構造のものがある（例えば特許文献１参照）。特許文献１の電機子では、Ｕ字状に成形した複数のコイル線を鉄心のスリットにおける対応部分に各別に差し込むとともに、それらコイル線の端部同士を接合するといった態様で、鉄心への巻線の組み付けが行われる。

特開２０１４－１００００６号公報

上記電機子は、鉄心への巻線の組み付けに際して多数の接合箇所においてコイル線の端部同士を接合する必要があるため、その組み付けにかかる作業が煩雑になってしまう。しかも、各接合箇所においてコイル線同士の接合のためのスペースが必要になるため、電機子の大型化を招いてしまう。

本発明は、そうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、小型な電機子を簡素な手順で製造することのできる電機子の製造方法、および同電機子を提供することにある。

上記課題を解決するための電機子の製造方法は、鉄心と同鉄心に巻回された巻線とを有する電機子の製造方法において、前記鉄心における前記巻線が延設される部分において同鉄心の中心線に沿う方向に貫通する態様で前記中心線と直交する線に沿って並ぶ複数の貫通孔を有してなる前記鉄心を形成する第１工程と、前記第１工程の後に、前記貫通孔の内面に絶縁材料からなる絶縁層を形成する第２工程と、前記第２工程の後に、前記絶縁層が内面に形成された前記貫通孔をキャビティの一部とする態様での鋳造によって前記鉄心に前記巻線を一体成形する第３工程と、を有する。

上記製造方法によれば、鋳造によって巻線を成形することができるため、電機子の製造に際して巻線を構成するコイル線同士を多数の接合箇所において接合する作業が不要になる。そのため、コイル線同士を接合する接合箇所を多数有する比較例の電機子を製造する場合と比べて、電機子を簡素な手順で製造することができる。しかも、コイル線同士を接合する接合箇所を少なくしたり無くしたりすることができるため、その接合のためのスペースが不要になる分だけ、上記比較例の電機子と比べて電機子を小型化することができる。

前記課題を解決するための電機子は、鉄心と同鉄心に巻回された巻線とを有する電機子において、前記鉄心は、前記巻線が延設される部分において前記鉄心の中心線に沿う方向に貫通する態様で前記中心線と直交する線に沿って並ぶ複数の貫通孔と、絶縁材料からなるとともに前記複数の貫通孔の内面を覆う形状の絶縁層と、を有してなり、前記巻線は、前記絶縁層によって内面が覆われた前記貫通孔を埋める態様で延びる部分を有してなる。

上記構成によれば、貫通孔の内面に予め絶縁層を形成した状態の鉄心と、各貫通孔がキャビティの一部になっている巻線成形用の金型装置とを用いた鋳造によって、同鉄心に巻線を一体成形することができる。これにより、電機子の製造に際して巻線を構成するコイル線同士を多数の接合箇所において接合する作業が不要になる。そのため、コイル線同士を接合する接合箇所を多数有する比較例の電機子を製造する場合と比べて、電機子を簡素な手順で製造することができる。しかも、コイル線同士を接合する接合箇所を少なくしたり無くしたりすることができるため、その接合のためのスペースが不要になる分だけ、上記比較例の電機子と比べて電機子を小型化することもできる。

本発明によれば、小型な電機子を簡素な手順で製造することができる。

一実施形態のステータの（ａ）は平面図であり、（ｂ）は側面図であり、（ｃ）は底面図。 ステータコアの（ａ）は平面図であり、（ｂ）は側面図。 ステータの図１（ａ）の３－３線に沿った断面図。 ステータの製造工程を示すフローチャート。 インサート成形用の金型装置の断面図。 アルミダイカスト鋳造用の金型装置の固定型の（ａ）は底面図であり、（ｂ）は側面図。 同金型装置の可動型の（ａ）は側面図であり、（ｂ）は平面図。 同金型装置の側面図。 ステータの孔配置部およびその周辺を示す断面図。 他の実施形態のステータの貫通孔およびその周辺を示す断面図。

以下、電機子の製造方法および同電機子の一実施形態について説明する。
本実施形態の電機子の製造方法および同電機子は電動機の固定子（ステータ）に適用される。

先ず、本実施形態のステータの構造について説明する。
図１（ａ）、図１（ｂ）および図１（ｃ）に示すように、ステータ１０は、鉄心としてのステータコア１１と、鉄心に巻回された巻線としてのステータコイル１２とを有している。

図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、ステータコア１１は円筒状をなしている。このステータコア１１は、詳しくは、中心孔を有する円板状の金属板が複数枚（例えば数百枚）積層された積層構造をなしている。各金属板は電磁鋼板（詳しくは、無方向性ケイ素鋼板）によって形成されている。

ステータコア１１には、中心線Ｌの延びる方向（以下、中心線Ｌ方向）に貫通する貫通孔２０が複数（本実施形態では、７２個）設けられている。
ステータコア１１において貫通孔２０が設けられる部分（以下、孔配置部２１）は、ステータコア１１の周方向において等間隔で並ぶように１２箇所定められている。各孔配置部２１はステータコア１１の中心線Ｌを中心とする円弧状をなしている。また、ステータコア１１において隣り合う孔配置部２１に挟まれた部分（以下、非配置部２２）は、同ステータコア１１の径方向において同一幅で直線状に延びる形状になっている。

各孔配置部２１には、ステータコア１１の径方向において一列で並ぶように６つの貫通孔２０が設けられている。同一の孔配置部２１に形成される６つの貫通孔２０は、周方向において孔配置部２１にぴったり納まるように設けられている。詳しくは、各貫通孔２０は、中心線Ｌを中心とする断面円弧状であって、且つ、円弧状の孔配置部２１における周方向の両端まで延びる断面円弧状をなしている。これにより、孔配置部２１に形成される６つの貫通孔２０は、ステータコア１１の外周側に配置されるものほど断面形状における周方向長さが長くなっている。また、孔配置部２１に形成される６つの貫通孔２０は断面積が略同一になっている。

図１および図３に示すように、ステータコア１１の表面には絶縁層２３が設けられている。この絶縁層２３は、各貫通孔２０（図３）の内面とステータコア１１の中心線Ｌ方向における両端面とを覆う形状をなしている。絶縁層２３は、耐熱温度（具体的には、熱分解温度）が高く、且つ絶縁性を有する合成樹脂材料（本実施形態では、ポリベンゾイミダゾール）によって形成されている。

ステータコイル１２は、集中巻のものであり、ステータコア１１における非配置部２２に複数回だけ巻回されたコイル状をなしている。ステータコイル１２における貫通孔２０を貫通する部分は、絶縁層２３によって内面が覆われた貫通孔２０を埋める態様で延びている。ステータコイル１２は各部の断面積が同一になる態様で延設されている。本実施形態では、ステータコイル１２の各部のうちの同一の孔配置部２１において貫通孔２０を埋める態様で延びる６本の部分の断面積が同一になるように、各貫通孔２０の断面形状と絶縁層２３の厚さとが定められている。また、ステータコイル１２における上記ステータコア１１の外部で２つの貫通孔２０を繋ぐように延びる部分は、同ステータコア１１の外面との間に絶縁層２３を挟んだ状態で、同外面に沿って延びている。ステータコイル１２はアルミニウムによって形成されている。

以下、本実施形態のステータ１０を製造する際の各工程について、図４に示すフローチャートを参照しつつ説明する。
図４に示すように、ステータ１０を製造する際には先ず、第１工程が実行される。

この第１工程では、複数の貫通孔２０を有するステータコア１１（図２参照）が形成される。
第１工程の後には、第２工程が実行される。

この第２工程では、インサート成形により、ステータコア１１の各貫通孔２０の内面と同ステータコア１１の中心線Ｌ方向における両端面とに上記絶縁層２３が形成される。詳しくは、図５に示すように、固定型３１と可動型３２とからなるインサート成形用の金型装置３０が用意される。そして、金型装置３０の内部にステータコア１１が組み込まれるとともに、その状態で同金型装置３０の内部に溶融した合成樹脂材料が射出される。これにより、ステータコア１１の表面に絶縁層２３（図３参照）が形成される。

図４に示すように、第２工程の後には、第３工程が実行される。
この第３工程では、アルミダイカスト鋳造によって、ステータコイル１２がステータコア１１に一体成形される。

本実施形態では、図６に示す第１型４１と図７に示す第２型４２とからなるアルミダイカスト鋳造用の金型装置４０が用意される。
図６（ａ）および図６（ｂ）に示すように、第１型４１は有蓋円筒状をなしている。この第１型４１における蓋壁４１Ａの内面には、複数本（本実施形態では３６本）の形成溝４１Ｂが設けられている。これら形成溝４１Ｂは、ステータコイル１２のコイル線のうちの上記ステータ１０の中心線Ｌ方向における一方の壁部から突出している部分（図１（ａ）参照）と同一形状になっている。

図７（ａ）および図７（ｂ）に示すように、第２型４２は有底円筒状をなしている。この第２型４２における底壁４２Ａの内面には、複数本（本実施形態では４２本）の形成溝４２Ｂが設けられている。これら形成溝４２Ｂは、ステータコイル１２のコイル線のうちの上記ステータ１０の中心線Ｌ方向における他方の壁部から突出している部分（図１（ｃ）参照）と同一形状になっている。

図８に示すように金型装置４０の内部にステータコア１１を組み込むことにより、第１型４１の形成溝４１Ｂ（図６（ａ）参照）と第２型４２の形成溝４２Ｂ（図７（ｂ）参照）とがステータコア１１の各貫通孔２０（図２（ａ）参照）によって連通された状態になる。この状態では、第１型４１の形成溝４１Ｂ、第２型４２の形成溝４２Ｂ、およびステータコア１１の各貫通孔２０によって、金型装置４０の内部に前記ステータコイル１２の外形と同一形状のキャビティが区画形成される。

第３工程では、金型装置４０の内部にステータコア１１が組み込まれるとともに、その状態で同金型装置４０の内部にダイカスト材（詳しくは、溶融アルミニウム）が射出される。これにより、アルミニウムからなるステータコイル１２がステータコア１１に一体成形される。

このように本実施形態では、第１工程、第２工程、第３工程を通じて、ステータ１０が製造される。
以下、本実施形態のステータ１０による作用について説明する。

本実施形態のステータ１０では、ステータコア１１の各貫通孔２０をキャビティの一部とする態様でのアルミダイカスト鋳造によって、同ステータコア１１にステータコイル１２が一体成形される。これにより、ステータ１０の製造に際して、ステータコイルを構成するコイル線同士を多数の接合箇所において接合するといった煩雑な作業が不要になっている。そのため、コイル線同士を接合する接合箇所を多数有する比較例のステータを製造する場合と比べて、ステータ１０を簡素な手順で製造することができる。しかも、本実施形態のステータ１０では、ステータコイル１２を構成するコイル線同士を溶接等によって接合する接合箇所が無い。そのため、コイル線同士の接合のためのスペースが不要になる分だけ、上記比較例のステータと比べて、ステータ１０を小型化することができる。

鋳造によってステータコイルをステータコア１１に一体成形するためには、同ステータコイルの成形に際して絶縁層２３が溶けることのないように、ステータコイルの形成材料の融解温度を絶縁層２３の形成材料の耐熱温度（本実施形態では、熱分解温度）よりも低くすることが望ましい。

アルミダイカスト鋳造においてダイカスト材として用いられるアルミニウムの溶融温度（６６０．３度）は、ステータコイルの形成材料として多用される「銅」の溶融温度（１０８５．０度）よりも低い。本実施形態では、そうしたアルミニウムをダイカスト材として利用するアルミダイカスト鋳造によってステータコイル１２が成形される。そのため、ステータコイルの形成材料として「銅」が用いられる場合と比較して、絶縁層２３の形成材料の耐熱温度よりもステータコイルの形成材料の融解温度を低くするといった構成を容易に実現することができる。したがって、鋳造によってステータコイル１２をステータコア１１に一体成形する第３工程を容易に実現することができる。

ステータコア１１における上記ステータコイル１２が巻回された非配置部２２（図２）を通る磁力は、同非配置部２２の断面積、詳しくは各部の断面積のうちの最小値によって定まる。そのため、非配置部２２に磁力を通すうえで同非配置部２２を無駄なく利用するためには、非配置部２２の形状を同一の断面積で延びる形状にすることが好ましい。本実施形態のステータ１０における非配置部２２は、そうした形状になっている。

一方、ステータコア１１においてステータコイル１２のコイル線を貫通させる態様で配設可能な部分は、隣り合う非配置部２２に挟まれた部分である孔配置部２１になる。この孔配置部２１は、中心線Ｌを中心とする円弧状をなしている。そして、電動機のトルクアップを図るためには、ステータコア１１の孔配置部２１におけるステータコイル１２（詳しくは、そのコイル線）の占積率を高くして、同コイル線の巻回し量を多くすることが好ましい。

本実施形態では、図２（ａ）に示すように、ステータコア１１の径方向に一列で並ぶ６つの貫通孔２０が、円弧状の孔配置部２１にぴったり納まるように設けられている。具体的には、孔配置部２１に形成される６つの貫通孔２０は、いずれも中心線Ｌを中心とする断面円弧状をなしており、ステータコア１１の外周側に配置されるものほど断面形状における周方向長さが長くなっている。これにより本実施形態によれば、ステータコア１１におけるステータコイル１２を配置可能な部分である孔配置部２１を効率良く利用する態様で、同ステータコア１１に貫通孔２０を設けることができ、同貫通孔２０を利用してステータコイル１２を設けることができる。

図９に示すように、同一の孔配置部２１に形成された６つの貫通孔２０の内部には、同一のステータコイル１２の一部をなすコイル線が各別に形成される。ステータコイル１２の最大電流量は、同ステータコイル１２を構成するコイル線の各部の断面積のうちの最小値によって定まる。そのため、孔配置部２１に複数のコイル線を形成するうえで同孔配置部２１を無駄なく利用するためには、それらコイル線の断面積を同一にすることが好ましい。

本実施形態では、ステータコイル１２の各部のうち、同一の孔配置部２１において貫通孔２０を埋める態様で延びる６本の部分の断面積が同一になっている。これにより、ステータコイル１２を構成するコイル線の各部のうちのステータコア１１を貫通する６本の部分については同一の断面積にすることができるため、同コイル線が無駄に太い部分をなくすことができる。したがって、ステータコア１１においてステータコイル１２を配置可能な部分である円弧状の孔配置部２１の全体を効率良く利用する態様で、コイル線を設けることができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、以下に記載する効果が得られる。
（１）ステータ１０を簡素な手順で製造することができる。しかも、ステータ１０を小型化することができる。

（２）アルミダイカスト鋳造を通じてステータコイル１２を成形するようにした。そのため、鋳造によってステータコイル１２をステータコア１１に一体成形する第３工程を容易に実現することができる。

（３）ステータコア１１の各貫通孔２０の断面形状を、中心線Ｌを中心とする円弧状にした。そのため、ステータコア１１におけるステータコイル１２を配置可能な部分である孔配置部２１を効率良く利用する態様で、同ステータコア１１にステータコイル１２を設けることができる。

（４）同一の孔配置部２１に形成される６つの貫通孔２０の断面形状における周方向の長さを、ステータコア１１の外周側に配置される貫通孔２０ほど長くした。そのため、ステータコア１１の孔配置部２１を効率良く利用する態様で、同ステータコア１１にステータコイル１２を設けることができる。

（５）ステータコイル１２の各部のうち、同一の孔配置部２１において貫通孔２０を埋める態様で延びる６本の部分の断面積を同一にした。そのため、ステータコア１１においてステータコイル１２を配置可能な部分である円弧状の孔配置部２１の全体を効率良く利用する態様で、コイル線を設けることができる。

なお、上記実施形態は、以下のように変更して実施してもよい。
・ステータコア１１の表面に絶縁層２３を形成する第２工程は、任意に変更することができる。例えば、第２工程において、溶融した合成樹脂材料を溜めた溶融樹脂槽にステータコアを浸けることによって絶縁層を形成するようにしてもよい。その他、第２工程において、予め成形された絶縁部材をステータコアに取り付けることによって絶縁層を形成することなども可能である。この場合には、絶縁層の形成材料として、合成樹脂材料以外の材料（セラミックなど）を採用することができる。

・ステータコア１１に形成される各貫通孔２０の形状は任意に変更することができる。
・一つの貫通孔２０に二本のコイル線が貫通する態様で、ステータコイルを形成するようにしてもよい。そうしたステータの一例を図１０に示す。図１０に示す例では、各貫通孔５０の内部にステータコア５１の径方向（図１０の上下方向）に延びる隔壁５３が形成されている。この隔壁５３によって、各貫通孔５０の内部は、周方向において二つの貫通孔５０Ａ，５０Ｂが並ぶように仕切られている。この隔壁５３は、第２工程において、絶縁層２３と同一の形成材料で同絶縁層２３と一体に形成することができる。本例では、第３工程において、各貫通孔５０を構成する二つの貫通孔５０Ａ，５０Ｂをキャビティの一部とする態様でのアルミダイカスト鋳造によって、ステータコイル５２を成形するようにすればよい。

・ステータコイル１２を、ダイカスト鋳造によって成形することに代えて、低圧鋳造や重力鋳造によって成形するようにしてもよい。
・ステータコイル１２の形成材料として、「銅」を採用することができる。

・上記実施形態にかかる電機子の製造方法や同電機子は、分布巻のステータコイルを有するステータにも適用することができる。
・上記実施形態にかかる電機子の製造方法や同電機子は、ブラシモータの回転子（ロータ）にも適用することができる。

１０…ステータ、１１…ステータコア、１２…ステータコイル、２０…貫通孔、２１…孔配置部、２２…非配置部、２３…絶縁層、３０…金型装置、３１…固定型、３２…可動型、４０…金型装置、４１…第１型、４１Ａ…蓋壁、４１Ｂ…形成溝、４２…第２型、４２Ａ…底壁、４２Ｂ…形成溝、５０，５０Ａ，５０Ｂ…貫通孔、５１…ステータコア、５２…ステータコイル、５３…隔壁。

Claims (4)

1. 鉄心と同鉄心に巻回された巻線とを有する電機子において、
   前記鉄心は、前記巻線が延設される部分において前記鉄心の中心線に沿う方向に貫通する態様で前記中心線と直交する線に沿って並ぶ複数の貫通孔と、絶縁材料からなるとともに前記複数の貫通孔の内面を覆う形状の絶縁層と、を有してなり、
   前記複数の貫通孔の各々は、前記鉄心の周方向に間隔を置いて前記中心線と直交する方向に延びる一対の内側面と、前記中心線と直交する方向に間隔を置いて前記中心線を中心とする断面円弧状で前記周方向に延びる一対の内周面と、によって区画されており、
   前記複数の貫通孔の断面形状における周方向長さは、前記鉄心の外周側に配置される前記貫通孔ほど長くなっており、
   前記巻線は、前記絶縁層によって内面が覆われた前記貫通孔を埋める態様で延びる部分を有してなり、
   前記巻線の各部のうちの前記複数の貫通孔を各別に埋める態様で延びる複数の部分の断面積は同一になっていることを特徴とする電機子。
2. 前記巻線は、アルミニウムからなる
   請求項１に記載の電機子。
3. 請求項１または２に記載の電機子を製造する製造方法において、
   前記複数の貫通孔を有してなる前記鉄心を形成する第１工程と、
   前記第１工程の後に、前記貫通孔の内面に絶縁材料からなる前記絶縁層を形成する第２工程と、
   前記第２工程の後に、前記絶縁層が内面に形成された前記貫通孔をキャビティの一部とする態様での鋳造によって前記鉄心に前記巻線を一体成形する第３工程と、を有することを特徴とする電機子の製造方法。
4. 前記第３工程における前記鋳造は、アルミダイカスト鋳造である
   請求項３に記載の電機子の製造方法。

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