JP4926192B2

JP4926192B2 - 電動機の固定子

Info

Publication number: JP4926192B2
Application number: JP2009038712A
Authority: JP
Inventors: 篤松岡; 和彦馬場
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2009-02-21
Filing date: 2009-02-21
Publication date: 2012-05-09
Anticipated expiration: 2029-02-21
Also published as: JP2010200388A

Description

この発明は、電動機の固定子鉄心と巻線との絶縁を行う絶縁部材を用いる電動機の固定子に関する。

従来、電動機の固定子に軟磁性の鉄心と巻線を用いるモータの固定子において、鉄心と巻線を絶縁するために用いる部材は、固定子の巻線を収納するスロット部分を絶縁する絶縁部材と、固定子の軸方向両端に、巻線のコイルエンド部が崩れたり、コイルエンド部が崩れて回転子側に倒れ込むことを防止する巻き枠部とが一体となった樹脂で成型される部品で構成され、その部品を固定子鉄心の両側から嵌め込むモータの固定子が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

これは、例えば、固定子鉄心を成型金型にインサートして、絶縁部材及び巻き枠部を一体に成型する場合に比べると、成型金型を簡略化することができ、設備・金型の費用を低く抑えられる利点がある。

また、巻線のスロット内における占積率を高めることを目的として、ティースの軸方向中央部分の周方向幅を小さくする形状のステータコアが提案されている（例えば、特許文献２参照）。

また、スロット内部に挿入される絶縁体の厚みを軸方向に向かって異ならせ、ティースの両側で厚みを異なるようにすることで、スロットの断面積を大きくして、巻線の占積率を向上させるものがある（例えば、特許文献３参照）。

特開２００１−２１８４０７号公報特開２００７−８２２８２号公報特開２００３−０７９０８０号公報

しかしながら、上記特許文献１記載のモータの固定子は、絶縁部材を上下から鉄心に嵌め込むため、両絶縁部材の間に隙間が生じると、固定子鉄心と巻線の間に十分な絶縁の距離（空間距離）が確保できなくなることから、部材同士は先端部分にラップする部分を確保する必要がある。このラップする部分が絶縁部材を成型するのに可能な最小肉厚としても、スロット内部に挿入される絶縁部材の肉厚は、最低でも最大肉厚の２倍の肉厚となってしまう。このようにスロット内部に厚肉の絶縁部材が存在すると、巻線を挿入するのに有効な断面積が小さくなるため、固定子に線径の大きな巻線が巻回できなくなり、電動機の効率を向上の妨げとなる。

また、上記特許文献２記載のステータコアは、ティースの幅を軸方向で変化させて、鉄心中央付近で小さくして巻線のふくらみを防ぐ様に巻線をすることで、占積率を向上させることは可能であるが、軸方向両端にティース幅が最も大きな部分が存在し、スロットの断面積の最小部分はこの位置で制限されてしまう。

また、上記特許文献３のステータは、ティース両側の絶縁体の厚みを異ならせることにより、スロットの有効断面積をひろげることは可能であるが、片側の絶縁体は厚肉な部分が存在する。

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、スロットの断面積を絶縁部材の肉厚を薄肉化することで有効なスロット断面積を拡大して銅線の占有面積を拡大するとともに、固定子鉄心のティースの断面積を拡大することで磁束密度を緩和することによりモータの効率を向上することができる電動機の固定子を提供する。

この発明に係る電動機の固定子は、所定の形状に打ち抜いた電磁鋼板を所定の枚数積層することで構成され、外周にリング状のコアバックを有し、コアバックから内側に向かって放射状にティースが延びて円周方向に略等間隔に配置される固定子鉄心と、
ティースの軸方向両端面から該ティースに挿入される二分割された絶縁部材と、を備え、
ティースは、軸方向両端部が中央部より周方向片側に拡大し、軸方向両端部において周方向に拡大する側が逆になっているものである。

この発明に係る電動機の固定子は、所定の形状に打ち抜いた電磁鋼板を所定の枚数積層することで構成され、外周にリング状のコアバックを有し、コアバックから内側に向かって放射状にティースが延びて円周方向に略等間隔に配置される固定子鉄心と、ティースの軸方向両端面から該ティースに挿入される二分割された絶縁部材と、を備え、ティースは、軸方向両端部が中央部より周方向片側に拡大し、軸方向両端部において周方向に拡大する側が逆になっているので、巻線と固定子鉄心との絶縁を確保しつつ、絶縁部材の肉厚を薄肉化することができる。そのため有効なスロット断面積が拡大でき、銅線の占有面積が拡大するとともに、固定子鉄心のティースの断面積を拡大することで、ティースの磁束密度を緩和することにより電動機の効率が向上する。

実施の形態１を示す図で、同期電動機１００を示す横断面図。実施の形態１を示す図で、固定子１０を示す横断面図。実施の形態１を示す図で、同期電動機１００の固定子１０のスロット１４付近の拡大図。実施の形態１を示す図で、固定子鉄心１１を示す部分斜視図。図４のＸ−Ｘ断面図。実施の形態１を示す図で、絶縁部材１５の縦断面図。実施の形態１を示す図で、絶縁部材１５をティース１３の上から挿入した状態を示す図。実施の形態１を示す図で、絶縁部材１５を図６の位置から１８０°回転した状態の縦断面図。実施の形態１を示す図で、図７に加えて絶縁部材１５をティース１３の下から挿入した状態を示す図。実施の形態１を示す図で、従来のものと比較した場合のスロット１４面積増加分を示す図。実施の形態１を示従来のものと比較した場合のティース１３面積増加分を示す図。実施の形態１を示す図で、ティース１３の集中巻の巻線１６を施した一例を示す図。実施の形態１を示す図で、スロット１４内の巻線配置の一例を示す図。比較のために示す図で、従来の固定子鉄心のティース１１３に絶縁部材１１５を装着した縦断面図。比較のために示す図で、従来の固定子１１０のスロット１１４内の巻線配置を示す図。

実施の形態１．
図１乃至１３は実施の形態１を示す図で、図１は同期電動機１００を示す横断面図、図２は固定子１０を示す横断面図、図３は同期電動機１００の固定子１０のスロット１４付近の拡大図、図４は固定子鉄心１１を示す部分斜視図、図５は図４のＸ−Ｘ断面図、図６は絶縁部材１５の縦断面図、図７は絶縁部材１５をティース１３の上から挿入した状態を示す図、図８は絶縁部材１５を図６の位置から１８０°回転した状態の縦断面図、図９は図７に加えて絶縁部材１５をティース１３の下から挿入した状態を示す図、図１０は従来のものと比較した場合のスロット１４面積増加分を示す図、図１１は従来のものと比較した場合のティース１３面積増加分を示す図、図１２はティース１３の集中巻の巻線１６を施した一例を示す図、図１３はスロット１４内の巻線配置の一例を示す図である。

図１４、図１５は比較のために示す図で、図１４は従来の固定子鉄心のティース１１３に絶縁部材１１５を装着した縦断面図、図１５は従来の固定子１１０のスロット１１４内の巻線配置を示す図である。

電動機の一例として、回転子に永久磁石を用いた同期電動機について説明する。

図１に示すように、同期電動機１００は、固定子１０と、固定子１０の内側に空隙４０を介して略同心に配置される回転子２０とを備える。尚、以下の説明において、同期電動機１００を電動機という場合もある。

回転子２０と固定子１０との間の空隙４０は、例えば、径方向幅が０．３〜１．０ｍｍ程度であり、一例では、０．５ｍｍである。

図２に固定子１０を示す。固定子１０は、少なくとも軟磁性材料からなる固定子鉄心１１と、固定子鉄心１１に形成されたスロット１４に挿入され、電流が通電される巻線（図１、図２では図示していない、図１０参照）と、巻線とスロット１４とを電気的に絶縁する絶縁部材１５とを備える。

固定子鉄心１１は、厚さ０．１〜１．０ｍｍ程度の薄い電磁鋼板を一枚一枚所定の形状に打ち抜いて、所定の枚数を積層することで構成される。

固定子鉄心１１は、肉厚の略円筒形である。外周にリング状のコアバック１２を有し、このコアバック１２から内側に向かって放射状にティース１３が延びて、円周方向に略等間隔に配置されている。ここでは、９個のティース１３の例を示す。但し、ティース１３の数は、９個に限定されるものではなく任意でよい。

ティース１３の先端部１３ｂ（回転子２０側）は、その両端が円周方向に傘状に延びている。図４も参照のこと。

隣接する二つのティース１３間の空間をスロット１４と呼ぶ。スロット１４も周方向に略等間隔に配置される。スロット１４の数は、ティース１３の数と同じ９個である。

ティース１３は、コアバック１２側から内側に向かって略平行の形状を有している。そのため、二つのティース１３間に形成されるスロット１４は、周方向の長さがその内周側よりもコアバック１２側が長くなる。

図示はしないが、巻線は、例えば集中巻方式の三相Ｙ結線である。但し、巻線方式は集中巻やＹ結線に限定されない。巻線方式は分布巻でもよいし、結線はΔ結線でもよい。

絶縁部材１５は、通常、巻線１６のコイルエンド部１６ａ（図１０参照、巻線１６の固定子鉄心１１の軸方向両端から外側に突出する部分をいう）が崩れることや、回転子２０側に倒れ込むことを防止する巻き枠部（図示せず）と一体に構成されることが多い。

絶縁部材１５は、固定子鉄心１１を金型内部に配置して、樹脂の射出成形によって一体に成形（インサート成形）することも可能である。しかし、電動機が大きくなると金型も大きくする必要があるなど、製造設備、金型の費用が高くなる。そのため、鉄心とは別に、別途成形した部品（絶縁部材１５）を後から取り付けることで、製造設備、金型の費用を抑えることができる。

この場合、絶縁部材１５は、電動機の軸方向に上下に分割して、固定子鉄心１１のティース１３を挟み込むように取り付けられる。

回転子２０は、６極の永久磁石埋込型であり、少なくとも回転子鉄心２１と、回転子鉄心２１の外周縁に沿って形成された６個の磁石挿入孔２３に挿入される６個の永久磁石２２と、回転軸３０とを備える。但し、磁石挿入孔２３、永久磁石２２の数は任意でよい。本実施の形態は、固定子１０に特徴があるので、回転子２０の詳細な説明は省く。

詳細は後述するが、図３に示すように、固定子鉄心１１のティース１３は、軸方向両端部においてティース１３の中心に対して片側（図３では右側）を拡大している。この部分を幅拡大部１３ａとする。幅拡大部１３ａは、軸方向両端部において、反対側に設けられる。絶縁部材１５は、このティース１３に沿うように挿入される。

固定子鉄心１１は、図４に示すようにティース１３の形状が回転軸方向で、上部、中央部及び下部との３カ所でそれぞれ異なっている。中央付近の形状を基準にすると、図５に示すように、軸方向の上側（ティース１３上部）では、右側に幅拡大部１３ａを追加して幅（周方向）は広くなっている。また、軸方向の下側（ティース１３下部）では、左側に幅拡大部１３ａを追加して幅（周方向）が広くなっている。

ここで、ティース１３中央部の周方向幅をＷ１、ティース１３上部及びティース１３下部の周方向幅をＷ３と定義する。そして、Ｗ３＞Ｗ１の関係を満たす。

また、ティース１３上部及びティース１３下部の軸方向長さをＬ１、ティース１３上部及びティース１３下部のいずれか一方とティース１３中央部の長さの和をＬ２と定義する。

図６は絶縁部材１５の縦断面図である。絶縁部材１５は、軸方向に二分割されている。図６は二分割された一方の絶縁部材１５を示している。そして、ティース１３の軸方向両端面から、二分割された絶縁部材１５がティース１３に挿入される。二分割された絶縁部材１５は、同じ形状である。

一つの絶縁部材１５は、ティース１３の軸方向の面に挿入される挿入部の長さが、左右（図６において）で異なる。即ち、ティース１３上部に挿入される絶縁部材１５は、図６に示すように、左側の第１の挿入部１５ａが、右側の第２の挿入部１５ｂよりも長い。

ここで、絶縁部材１５の各部の寸法を、つぎのように定義しておく。
（１）Ｗ３：第１の挿入部１５ａと第２の挿入部１５ｂとの間の距離（ティース１３上部及びティース１３下部の周方向幅Ｗ３と略等しいので同じ記号とする）；
（２）Ｗ４：絶縁部材１５の周方向の長さ；
（３）Ｌ４：第２の挿入部１５ｂの軸方向の長さ；
（４）Ｌ３：第１の挿入部１５ａの軸方向の長さ；
（５）ｄ：絶縁部材１５のスロット１４内の厚さ。

そして、以下の関係を満たす。

Ｗ４＞Ｗ３
Ｌ４＞Ｌ３
ｄ＝（Ｗ４−Ｗ３）／２
また、ティース１３上部及びティース１３下部周方向幅Ｗ３とティース１３中央部の周方向幅Ｗ１との差（Ｗ３−Ｗ１）は、絶縁部材１５のスロット１４内の厚さｄに略等しい。

二つの絶縁部材１５をティース１３の軸方向両端から挿入するが、図６はティース１３上部に一方の絶縁部材１５をティース１３の上から挿入した状態を示している。

図７に示すように、絶縁部材１５は、第１の挿入部１５ａがティース１３の幅拡大部１３ａに沿うように挿入される。そして、ティース１３上部（幅拡大部１３ａ）の軸方向長さＬ１と、第１の挿入部１５ａの軸方向の長さＬ３とは、
Ｌ３＞Ｌ１
の関係を満たす。

また、ティース１３上部とティース１３中央部の長さの和Ｌ２と、第２の挿入部１５ｂの軸方向の長さＬ４とは、
Ｌ４＜Ｌ２
の関係を満たす。

次に、ティース１３下部にも絶縁部材１５を挿入する。図８はティース１３下部に挿入される絶縁部材１５の姿勢を示す。絶縁部材１５は、図６に示すものと同じものである。図６の状態から１８０°回転させたものである。

図９は図７に加えて絶縁部材１５をティース１３の下から挿入した状態を示す図である。ティース１３上部及びティース１３下部周方向幅Ｗ３とティース１３中央部の周方向幅Ｗ１との差（Ｗ３−Ｗ１）は、絶縁部材１５のスロット１４内の厚さｄに略等しいのでティース１３の上下から挿入される二つの絶縁部材１５の先端部は当接しない。

ティース１３上部及びティース１３下部周方向幅Ｗ３とティース１３中央部の周方向幅Ｗ１との差（Ｗ３−Ｗ１）を、ティース１３上部及びティース１３下部の拡大代とする。

また、ティース１３の軸方向の全長は、ティース１３上部及びティース１３下部の軸方向長さをＬ１、ティース１３上部及びティース１３下部のいずれか一方とティース１３中央部の長さの和をＬ２とするとき、Ｌ１＋Ｌ２で表される。そして、第１の挿入部１５ａの軸方向の長さＬ３と第２の挿入部１５ｂの軸方向の長さＬ４との和（Ｌ３＋Ｌ４）は、Ｌ１＋Ｌ２よりも所定の寸法（巻線１６とティース１３との絶縁に必要な絶縁距離（沿面距離）から絶縁部材１５のスロット１４内での厚さｄの２倍を引いた長さ）だけ長くなっている。従って、ティース１３の上下から挿入される二つの絶縁部材１５の先端部が、軸方向に所定の寸法だけ重なるように挿入することができる。

本実施の形態の効果をわかりやすくするため、ここで、従来の固定子鉄心のティース１１３に絶縁部材１１５を装着したものとの比較を行う。

図１４は比較のために示す図で、従来の固定子鉄心のティース１１３に絶縁部材１１５を装着した縦断面図である。ティース１１３の周方向幅はＷ１で、軸方向全長に亘って同一である。

二分割された絶縁部材１１５が、ティース１１３の上下から挿入される。二つのティース１１３の先端が当接する部分は、当接部の沿面距離が長くなるように、互いに重なるように、且つ絶縁部材１１５のスロット１１４（図１５参照）内での厚さが当接部でその他の箇所と変わらないように組み合わされる。

そのため、絶縁部材１１５のスロット１１４内での厚さは、本実施の形態における絶縁部材１５の第１の挿入部１５ａ及び第２の挿入部１５ｂの厚さｄの略２倍の２ｄである。

図１０は従来のものと比較した場合のスロット１４面積増加分を示す図である。図１０の破線部分がスロット１４面積増加分である。これを数式で表すと、以下のようになる。

スロット１４面積増加分＝２×（（Ｌ１＋Ｌ２）−Ｌ３）×ｄ）
図１１は従来のものと比較した場合のティース１３面積増加分を示す図である。図１１の色の濃い部分が、ティース１３面積増加分を示している。これを数式で表すと、以下のようになる。

ティース１３面積増加分＝２×（Ｗ３−Ｗ１）×Ｌ１
（Ｗ３−Ｗ１≒ｄ）
このように、本実施の形態は、ティース１３と絶縁部材１５を図９に示す構成とすることにより、従来のものに比べて、スロット１４面積が２×（（Ｌ１＋Ｌ２）−Ｌ３）×ｄ）だけ増加するとともに、ティース１３面積が２×（Ｗ３−Ｗ１）×Ｌ１だけ増加する。

上記の面積が増加したスロット１４に巻線を施す場合、巻線１６の占有できるスロット１４の形状は軸方向で均一（同形状）ではなく増加分を全て利用できないが、図１２、図１３に示すように、巻線１６を斜めに配置することができるため、従来（図１５参照）よりも多くの巻線を巻くことできる。

例えば、図１３に示すように、濃い色で示す巻線１６ｂを追加することができる。概略、スロット１４面積増加分の半分程度利用可能である。

このように、従来より多くの巻線を巻くことでき、同期電動機１００の効率を向上することができる。

また、ティース１３面積を、２×（Ｗ３−Ｗ１）×Ｌ１だけ増加することができるので、ティース１３の磁束密度を下げることができるため鉄損が減少して、さらに同期電動機１００の効率を向上させることができる。

以上の説明は、同期電動機１００を例に行ったが、必ずしも同期電動機１００に限定されるものではなく、また、巻線１６をティース１３に集中的に巻回する形式の電動機に限定されるものでも無い。固定子鉄心１１のスロット１４内部における絶縁部材１５の占める面積を減らすものであるため、誘導電動機のように、回転子に永久磁石を用いない電動機であっても良く、また、固定子巻線も分布巻きと呼ばれる巻線形式の電動機であっても良い。

本発明の活用例として、固定子に巻線を備える電動機全般への適用が可能である。

１０固定子、１１固定子鉄心、１２コアバック、１３ティース、１３ａ幅拡大部、１３ｂ先端部、１４スロット、１５絶縁部材、１５ａ第１の挿入部、１５ｂ第２の挿入部、１６巻線、１６ａコイルエンド部、１６ｂ巻線、２０回転子、２１回転子鉄心、２２永久磁石、２３磁石挿入孔、３０回転軸、４０空隙、１００同期電動機。

Claims

所定の形状に打ち抜いた電磁鋼板を所定の枚数積層することで構成され、外周にリング状のコアバックを有し、前記コアバックから内側に向かって放射状にティースが延びて円周方向に略等間隔に配置される固定子鉄心と、
前記ティースの軸方向両端面から該ティースに挿入される二分割された絶縁部材と、を備え、
前記ティースは、軸方向両端部が中央部より周方向片側に拡大し、前記軸方向両端部において周方向に拡大する側が逆になっていることを特徴とする電動機の固定子。
前記ティースの軸方向両端部が中央部より周方向片側に拡大する拡大代は、前記ティースに挿入される前記絶縁部材の厚さと略等しいことを特徴とする請求項１記載の電動機の固定子。
前記絶縁部材は、前記ティースに挿入される第１の挿入部と、前記第１の挿入部よりも軸方向の長さが短い第２の挿入部とを有し、前記第１の挿入部と前記第２の挿入部の厚さは略等しく、
前記第１の挿入部が、前記ティースの周方向に拡大していない軸方向端部から該ティースに挿入されるとともに、
前記第２の挿入部が、前記ティースの周方向に拡大している軸方向端部から該ティースに挿入されることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の電動機の固定子。
前記第２の挿入部の軸方向の長さは、前記ティースの中央部より周方向片側に拡大している軸方向端部の軸方向の長さより長く、且つ前記第１の挿入部と前記第２の挿入部の軸方向の長さの和は、前記ティースの軸方向長さよりも所定寸法長いことを特徴とする請求項３記載の電動機の固定子。