JPWO2008078616A1 - 固定子の巻線方法及び永久磁石電動機 - Google Patents

Abstract

３ｎ個の歯部４ａ〜４ｆとスロット５ａ〜５ｆとを有する固定子鉄心３の歯部４ａ〜４ｆへの導線８の巻線を、３個のノズル１３を備える巻線装置１２を用いて行う固定子の巻線方法において、ｎ回目の巻線工程が行われる歯部４ｂ、４ｄ、４ｆの両側のスロット５ａ〜５ｆは、ｎ回目の巻線工程が行われる歯部４ｂ、４ｄ、４ｆ側の奥行き寸法Ａが、残りの部分の奥行き寸法Ｂより小さく形成され、ｎ回目の巻線工程の最終段階時に、ノズル１３をスロット５ａ〜５ｆの奥側から固定子鉄心３の内周側に移動させ、歯部４ｂ、４ｄ、４ｆに巻線される導線８を、歯部４ａ、４ｃ、４ｅに巻線されている導線８との間の隙間１４の寸法をノズル１３の外径寸法より小さくする。

Description

本発明は、固定子の巻線方法及びこの巻線方法を用いて製造される固定子を用いた永久磁石電動機に関する。

図１に示す永久磁石電動機は、円環状の固定子１００と、固定子１００の中央部に形成された中空部１０１内に回転可能に収納される回転子１０２とを備えている。固定子１００には、内周側に向かって突出する複数の歯部１０３と、隣合った歯部１０３の間に位置する複数のスロット１０４とが等間隔で形成され、各歯部１０３には、その両側に位置するスロット１０４内に配線される導線１０５が巻線されている。

歯部１０３への導線１０５の巻線は、放射状に配列された複数のノズルを有する巻線装置を用いて行われている。例えば、歯部１０３が６個あり、３個のノズルを有する巻線装置で巻線を行う場合には、巻線を２回の工程で行い、１回目の巻線工程で一つ置きに配置された３個の歯部１０３に巻線を行い、２回目の巻線工程で残りの３個の歯部１０３に巻線を行う。

この巻線工程では、ノズルが巻線される歯部１０３の回りを周回するように巻線装置が駆動され、ノズルから引き出される導線１０５が歯部１０３に巻線される。このため、隣合う歯部１０３に巻線されて隣合う導線１０５の間には、２回目の巻線工程時にノズルが歯部１０３の回りを周回するための隙間１０６が形成される。この隙間１０６は、ノズルの外径寸法より大きく形成されている。

このように、隣合って位置する歯部１０３に巻線された導線１０５の間に隙間１０６が形成され、しかも、この隙間１０６はノズルの外径寸法より大きく形成されているため、スロット１０４の断面積（回転子１０２の回転軸と直交する平面上の断面積）を巻線された導線１０５の断面積に加えてこの隙間１０６の分大きくする必要がある。

スロット１０４の断面積が大きくなると、その分固定子１００の歯部１０３や継鉄部の磁路が狭くなり、磁束密度が大きくなって鉄損が増大し、永久磁石電動機の効率が低下するという問題が生じる。

このような問題を解決するために、特開２００４−２７４８７８号公報には、隣合う歯部に巻線される導線の間の隙間を小さくすることによりスロットの断面積を小さくし、磁路幅を増大させて電動機の効率を向上させるようにした発明が開示されている。

この発明は、スロットの数と同じ数のノズルを備える巻線装置を用いて全ての歯部に同時に巻線を行い、最外周の巻線時にノズルをスロットの奥側から固定子の内周側に向かって移動させ、隣接する導線の間の隙間寸法をノズルの外径寸法より小さくしている。

しかしながら、上記特許文献に記載された発明では、以下の点について配慮がなされていない。

スロットの数と同じ数のノズルを備える巻線装置を使用するため、使用する導線ボビンの数や導線を配線する経路の数が多くなり、巻線装置の機構が複雑になる。

また、ノズルを径方向に揺動させる機構が複雑になるとともに、揺動の機構上、揺動ストロークはノズルヘッドの径とノズルの数とに依存するため、ノズルの数が多くなると揺動ストロークを大きく取れない。揺動ストロークが小さい場合には、スロットの奥への巻線が行いにくくなり、導線の巻線状態が乱れやすい。

なお、揺動ストロークを大きくするにはノズルヘッドの径を大きくすればよいが、この場合は固定子の内径寸法が大きくなり、固定子側の磁路幅が小さくなって電動機の効率が低下する。

さらに、全ての歯部に同時に巻線するため、極間の連続巻を行えず、巻線された導線の端末が多くなり、口出し線等の配線処理が煩雑になる。

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、スロットの断面積を小さくするととも固定子の磁路幅を大きくし、電動機の効率の向上を図ることができる固定子の巻線方法及び永久磁石電動機を提供することである。

本発明の第１の特徴は、内周側に向かって突出する３ｎ（ｎは２以上の整数）個の歯部を有する鉄心と、隣合う歯部の間に１個ずつ設けられた３ｎ個のスロットとを有し、前記３ｎ個の歯部の中で１２０°の間隔を有して放射状に配列された１組の３個の歯部において、各歯部の両側に位置するスロットの当該歯部側の部分の前記固定子の中心からの距離が、前記スロットの残りの部分の前記固定子の中心からの距離よりも小さく形成された環状の固定子に導線を巻線する固定子の巻線方法であって、１２０°の間隔を有して放射状に配列された３個のノズルを備える巻線装置を準備し、前記１組の３個の歯部に対して前記ｎ回目の巻線工程を行い、前記ｎ回目の巻線工程の最終段階時に、前記ノズルを前記スロットの外周側から内周側に向けて移動させ、当該ｎ回目の巻線工程で前記１組の３個の歯部の各々に巻線される導線の部分と、前記１組の３個の歯部の各々に隣接する歯部に巻線された導線の部分との隙間が前記ノズルの外径よりも小さくなるように巻線することである。

本発明の第２の特徴は、永久磁石電動機であって、内周側に向かって突出する３ｎ（ｎは２以上の整数）個の歯部を有する鉄心と、隣合う歯部の間に１個ずつ設けられた３ｎ個のスロットとを有し、前記３ｎ個の歯部の中で１２０°の間隔を有して放射状に配列された１組の３個の歯部において、各歯部の両側に位置するスロットの当該歯部側の部分の前記固定子の中心からの距離が、前記スロットの残りの部分の前記固定子の中心からの距離よりも小さく形成された環状の固定子と、永久磁石を有して前記固定子の鉄心の内周側に形成された中空部内に回転可能に収納される回転子とを備えることである。

従来例の永久磁石電動機を示す平面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る永久磁石電動機を示す平面図である。 固定子鉄心の歯部への導線の巻線作業を示す平面図である。 スロットの形状と歯部に巻線された導線とを示す水平断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る永久磁石電動機の固定子鉄心を示す平面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。

（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態に係る永久磁石電動機は、図２に示すように、固定子１と回転子２とから構成されている。

固定子１は、図４に示すような環状の固定子鉄心３を有し、この固定子鉄心３には、内周側に向かって突出する６個の歯部４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ、４ｆと、隣合う歯部４ａ〜４ｆの間に１個ずつ設けられた６個のスロット５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅ、５ｆとが形成され、固定子鉄心３の内周部には中空部６が形成されている。固定子鉄心３には、絶縁枠７が装着され、各歯部４ａ〜４ｆには絶縁枠７の上から導線８が巻線されている。導線８の端部は口出し線９として外部に引き出され、口出し線９は導線８への通電を制御する通電制御部（図示せず）に接続されている。

回転子２は、４個の平板状の永久磁石１０を有する４極構造に形成され、中空部６内に回転可能に収納されている。回転子２の中心部には回転軸１１が設けられている。

固定子鉄心３の歯部４ａ〜４ｆへの導線８の巻線作業は、図３に示すように、中空部６内に位置させた巻線装置１２を用いて行われる。この巻線装置１２は、１２０°の間隔を有して放射状に配列された３個のノズル１３を備える。このノズル１３内に導線ボビン（図示せず）に巻回されている導線８が挿通され、ノズル１３の先端から引き出された導線８が歯部４ａ〜４ｆに巻線される。また、巻線装置１２による導線８の巻線作業は、２回の巻線工程により行われ、１回目の巻線工程では一つ置きに配置された３個の歯部４ａ、４ｃ、４ｅに巻線が行われ、２回目の巻線工程では残りの３個の歯部４ｂ、４ｄ、４ｆに巻線が行われる。図３は、２回目の巻線工程の最終段階の様子を示している。

歯部４ａ〜４ｆは、図４に示すように、内周側の先端部の形状が全て同一に形成され、及び、幅寸法が同一に形成されている。

スロット５ａ〜５ｆの形状に関し、２回目の巻線工程が行われる歯部４ｂ、４ｄ、４ｆの両側に位置するスロット５ａ〜５ｆの、２回目の巻線工程が行われる歯部４ｂ、４ｄ、４ｆ側の略半分の部分の回転軸１１の中心からの奥行き寸法“Ａ”が、残りの略半分の部分の奥行き寸法“Ｂ”より小さく形成されている。

歯部４ｂ、４ｄ、４ｆに対して巻線する２回目の巻線工程の最終段階時には、ノズル１３をスロット５ｂ、５ｄ、５ｆの奥側から固定子鉄心３の内周側の中空部６に向けて移動させ、この２回目の巻線工程で巻線される導線８を、他の歯部４ａ、４ｃ、４ｅに既に巻線されて隣接する他の導線８との間の隙間１４の寸法がノズル１３の外径寸法より小さくなるように巻線するとともに、他の歯部４ａ、４ｃ、４ｅに巻線されている他の導線８の巻径より大径に巻線されている。つまり、“ａ”を２回目の巻線工程で巻線された導線８の巻径とし、“ｂ”を１回目の巻線工程で巻線された導線８の巻径としたとき、“ａ＞ｂ”の関係となっている。

固定子鉄心３に装着される絶縁枠７の外周側には、歯部４ａ〜４ｆに巻線された導線８をガイドする鍔部７ａ、７ｂが形成されている。鍔部７ａは歯部４ａ、４ｃ、４ｅに巻線された導線８をガイドする部分であり、鍔部７ｂは歯部４ｂ、４ｄ、４ｆに巻線された導線８をガイドする部分である。

このような構成において、２回目の巻線工程で巻線される歯部４ｂ、４ｄ、４ｆの両側に位置するスロット５ａ〜５ｆは、図４に示すように、歯部４ｂ、４ｄ、４ｆ側の略半分の部分の奥行き寸法“Ａ”が、残りの略半分の部分の奥行き寸法“Ｂ”より小さく形成されている。即ち、スロット５ａ〜５ｆの歯部４ｂ、４ｄ、４ｆ側の位置における断面積Ｓａは、歯部４ａ、４ｃ、４ｅ側の位置おける断面積Ｓｂよりも小さくなり、固定子鉄心３における歯部４ｂ、４ｄ、４ｆの外周側の部分における磁路幅（巻径ａに対応）は歯部４ａ、４ｃ、４ｅの外周側の部分における磁路幅（巻径ｂに対応）よりも大きくなっている。このようにして、固定子鉄心３のスロット５ａ〜５ｆの断面積を部分的に小さくして磁路幅を大きくした部分が形成されることにより、固定子鉄心３の外径寸法を大きくすることなく永久磁石電動機の効率を向上させることができる。

歯部４ｂ、４ｄ、４ｆ側のスロット５ａ〜５ｆの断面積が小さくなっているが、２回目の巻線工程の最終段階時に、ノズル１３をスロット４ａ〜４ｆの奥側から固定子鉄心３の内周側である中空部６に向けて移動させ、この２回目の巻線工程で巻線される導線８を、他の歯部４ａ、４ｃ、４ｅに巻線されて隣接する他の導線８との間の隙間寸法がノズル１３の外径寸法より小さくなるように巻線し、歯部４ｂ、４ｄ、４ｆに巻線される導線８の巻径“ａ”を他の歯部４ａ、４ｃ、４ｅに巻線される導線８の巻径“ｂ”より大きくしている。このため、各歯部４ａ〜４ｆへの導線８の巻数を同じにすることができ、各歯部４ａ〜４ｆへの導線８の巻数の差が原因となる各歯部４ａ〜４ｆにおける磁気的な不均一性を防止することができる。

また、各歯部４ａ〜４ｆの先端部形状や各歯部４ａ〜４ｆの幅寸法が同一であるため、各歯部４ａ〜４ｆの先端部形状や幅寸法が異なることが原因ととなる各歯部４ａ〜４ｆにおける磁気的な不均一性を防止することができる。

なお、本実施例は、歯部４ａ〜４ｆとスロット５ａ〜５ｆとが共に６個の場合を例に挙げて説明したが、歯部とスロットとの数が６個以外の３の倍数であるときも、本発明を適用することができる。例えば、歯部とスロットとの数が９個である場合は、巻線を３個の歯部ごとに３回の巻線工程で行い、最後の巻線工程となる３回目の巻線工程で巻線される歯部の両側に位置するスロットの形状を、巻線が行われる歯部側の半分の部分の奥行き寸法が“Ａ”で残りの半分の部分の奥行き寸法が“Ｂ”となる形状に形成すればよい。また、この３回目の巻線工程で巻線される導線８の巻径“ａ”を、１回目と２回目との巻線工程で巻線される導線８の巻径“ｂ”より大きくすればよい。

（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態に係る永久磁石電動機を図５に基づいて説明する。なお、第１の実施の形態において説明した構成要素と同じ構成要素には同じ符号を付け、重複する説明は省略する。

第２実施の形態の永久磁石電動機の基本的構造は第１の実施の形態の永久磁石電動機と同じである。第２の実施の形態の永久磁石電動機では、第１の実施の形態の永久磁石電動機に対し、固定子１をフレーム（図示せず）に固定する固定部材であるボルト（図示せず）を取付けるための固定用穴である３個のボルト穴１５が、固定子鉄心３に等間隔で形成されている。

ボルト穴１５の形成位置は、固定子鉄心３における２回目の巻線工程が行われる歯部４ｂ、４ｄ、４ｆの外周側の部分である。

また、固定子鉄心３に装着される絶縁枠７の外周側には、歯部４ａ〜４ｆに巻線された導線８をガイドする鍔部７ａ、７ｂが形成されている。

ボルト穴１５が形成された歯部４ｂ、４ｄ、４ｆの両側は、スロット５ａ〜５ｆにおける奥行き寸法が“Ａ（Ａ＜Ｂ）”であり、鍔部７ｂの位置が鍔部７ａの位置よりも固定子鉄心３の内周側に寄せられている。このため、この歯部４ｂ、４ｄ、４ｆの外周側の部分にボルト穴１５を形成することにより、このボルト穴１５に取付けるボルトが鍔部７ｂに干渉することを防止することができ、ボルトの締付け作業を容易に行うことができる。

本発明によれば、スロットの断面積を小さくするととも固定子の磁路幅を大きくすることができ、電動機の効率の向上を図ることができる。

Claims (3)

1. 内周側に向かって突出する３ｎ（ｎは２以上の整数）個の歯部を有する鉄心と、隣合う歯部の間に１個ずつ設けられた３ｎ個のスロットとを有し、前記３ｎ個の歯部の中で１２０°の間隔を有して放射状に配列された１組の３個の歯部において、各歯部の両側に位置するスロットの当該歯部側の部分の前記固定子の中心からの距離が、前記スロットの残りの部分の前記固定子の中心からの距離よりも小さく形成された環状の固定子に導線を巻線する固定子の巻線方法であって、
   １２０°の間隔を有して放射状に配列された３個のノズルを備える巻線装置を準備し、
   前記１組の３個の歯部に対して前記ｎ回目の巻線工程を行い、
   前記ｎ回目の巻線工程の最終段階時に、前記ノズルを前記スロットの外周側から内周側に向けて移動させ、当該ｎ回目の巻線工程で前記１組の３個の歯部の各々に巻線される導線の部分と、前記１組の３個の歯部の各々に隣接する歯部に巻線された導線の部分との隙間が前記ノズルの外径よりも小さくなるように巻線することを特徴とする固定子の巻線方法。
2. 内周側に向かって突出する３ｎ（ｎは２以上の整数）個の歯部を有する鉄心と、隣合う歯部の間に１個ずつ設けられた３ｎ個のスロットとを有し、前記３ｎ個の歯部の中で１２０°の間隔を有して放射状に配列された１組の３個の歯部において、各歯部の両側に位置するスロットの当該歯部側の部分の前記固定子の中心からの距離が、前記スロットの残りの部分の前記固定子の中心からの距離よりも小さく形成された環状の固定子と、
   永久磁石を有して前記固定子の鉄心の内周側に形成された中空部内に回転可能に収納される回転子とを備えることを特徴とする永久磁石電動機。
3. 前記固定子の鉄心における前記１組の３個の歯部の外周側の部分に、前記固定子をフレームに固定する固定部材が取付けられる固定用穴が形成されていることを特徴とする請求項２記載の永久磁石電動機。

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