JP4948474B2

JP4948474B2 - 電動機

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Publication number: JP4948474B2
Application number: JP2008129133A
Authority: JP
Inventors: 紳一郎片桐; 紘章渋川; 拓也濱野; 博和松崎; 俊彦山田; 琢志藤岡; 洋一田邉; 雅樹山田; 英隆寺久保; 功貴北島
Original assignee: Fujitsu General Ltd
Current assignee: Fujitsu General Ltd
Priority date: 2008-05-16
Filing date: 2008-05-16
Publication date: 2012-06-06
Anticipated expiration: 2028-05-16
Also published as: US7986064B2; EP2120313B1; US20090284096A1; CN101621221B; EP2120313A2; EP2120313A3; CN101621221A; JP2009278814A

Description

本発明は、インナーロータ型電動機およびその製造方法に関し、さらに詳しく言えば、ステータの寸法精度を上げて、より高効率な電動機を製造する技術に関する。

インナーロータ型電動機のステータは、環状に形成されたヨークの内周面から複数のティースがロータの磁極面に向かって突設されたステータコアを有し、そのステータコアのティースの外周にインシュレータ（絶縁体）を介してコイルが巻回されている。

ステータコアの成形方法の一例としては、電磁鋼板をヨークとティースとをあらかじめ一体に成形した環状シートコアを出力軸の軸線方向に沿って積層させて形成する方法と、コアとティースをセグメント毎に直線状に連結した状態で打ち抜いた直線シートコア（ストレートコア）を積層し、その端部同士を環状に折り曲げて連結する方法などがある。

前者は、打抜工程と積層工程の２工程でステータを成形することができる反面、打抜工程でステータの内側部分も同時に電磁鋼板から打ち抜くため、抜きに無駄な部分が多く発生してしまう。これに対して、後者はこうした無駄な抜きが少ないため、生産効率が高い。

例えば特許文献１に示すように、ストレートコアを環状に折り曲げるため、各セグメントのヨーク間にＶ字状の切欠部を形成している。この切欠部を設けたことにより、ストレートコアに係る変形応力が切欠部に集中するため、より小さい加工応力での変形が可能となり、かつ、磁気回路性能も良好となる。

特開平９−３０８１４３号公報

しかしながら、従来のストレートコア型のステータの成形方法には、次のような問題があった。すなわち、特許文献１に記載された切欠部は、環状に成形したときに切欠部の隙間が０となるように、ティースの数をαとしたとき、切欠部の開き角が（３６０／α）となるように設計されているが、実際には折曲加工時に切欠部の付け根側の端面が接触し、そこに応力歪が加わるため、多少なりとも磁気回路に影響が出る。

また、特許文献１に記載のストレートコアは、切欠部の２つの側壁面を付き合わせることにより、環状に形成したときの寸法精度（ティース面の真円の度合い）を上げるようにしているため、ストレートコアの打抜精度と、積層精度を高く設定しなくてはならず、高度な生産管理が必要であった。

寸法精度が悪い、すなわち真円の度合いが低いと、モータの磁気回路に影響を与え、エネルギー変換効率が悪くなるばかりでなく、振動や共振などによってモータの動作時にノイズなどを発生させる原因となる。

そこで、本発明は上述した課題を解決するためになされたものであって、その目的は、ストレートコアを環状に折り曲げる工程を容易にしつつ、ステータの寸法精度をより簡単に高めることができ、かつ、磁気回路への影響をできるだけ小さく抑えた電動機を提供することにある。

上述した目的を達成するため、本発明は、回転出力軸を有するロータと、上記ロータの外周に同軸的に配置されるステータとを含み、上記ステータは、環状に形成されたヨークの内周面から上記ロータに向かって複数のティースが突設されたステータコアを備え、上記ステータコアは、上記ティースを備えた複数のセグメントが直線状に一列となって形成されており、上記ステータコアの端部同士を環状に折り曲げて連結してなる電動機において、上記ステータコアの上記各セグメントの間には、上記ステータコアを環状に折り曲げる際に、隣接する上記セグメント同士が干渉しないようにするための切欠部が設けられており、上記各切欠部は、切欠幅が外径側から内径側にかけて漸次広がるほぼＶ字状に形成されており、上記各切欠部の開き角θの総和が３６０°より大きく、上記ステータコアを環状に折り曲げた際、上記切欠部を挟んで互いに対向する対向面の間には、微少な隙間が設けられており、上記ステータコアは、上記各セグメントの間に上記切欠部が設けられている同一形状に打ち抜かれた電磁鋼板を積層することにより構成され、上記ステータコアの端部の一方には、鉤状に形成され先端部分が外径側に突き出た第１突起部を有する係止凸部が設けられ、その他方には、上記係止凸部を挟み込んで支持する一対のクランプアームを備えた係止凹部が設けられており、上記一対のクランプアームのうち外径側のクランプアームは開閉可能であって、その先端部分は閉じたときに上記係止凸部の第１突起部に係止する内径側に突き出た第２突起部を有し、上記ステータコアの端部同士は、上記係止凸部が上記一対のクランプアームにて挟持されることにより係止されているとともに、
上記ロータと対向するティース面を除いて上記ティースの外周面には、樹脂材よりなるインシュレータが上記ステータコアを環状に連結した状態で一体的に形成されていることを特徴としている。

本発明によれば、切欠部の開き角θの総和を３６０°よりも大きくしたことにより、ストレートコアを環状に折り曲げて連結すると、切欠部の間に隙間が形成して環状に連結した状態で若干のガタを残すことにより、ステータコアが変形する余地を残しておき、ステータを成型する段階で徐々に寸法精度を高めてゆくことができる。

また、切欠部の間に微少な隙間を設けておくことにより、ステータコアを環状に折り曲げる際に、切欠部の側壁面同士が接触することを確実に防止することができる。

次に、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明するが、本発明はこの限りではない。図１は、本発明の一実施形態に係る電動機の要部断面図であり、図２（ａ）は環状に折り曲げられたステーコアの正面図であり、図２（ｂ）は環状に形成する前のストレートコアの正面図である。

図３は、ステータコアの部分拡大正面図であり、図４（ａ）および（ｂ）はステータコアの左右両端をそれぞれ拡大する拡大正面図であり、図４（ｃ）は、端部同士を連結した状態の部分拡大図である。図５は、ステータの切欠部の隙間とエネルギー損失との関係を表すグラフ。

図６はストレートコアを環状に成形するステータコア折曲工程を説明する説明図であり、図７はステータコアにインシュレータを成形するインシュレータ取付工程を説明する説明図であり、図８はステータコアを樹脂で一体化するインサート成形工程を説明する説明図である。

図１に示すように、この電動機（モータ）１は、回転出力軸２１を有するロータ２と、同ロータ２の外周に同軸的に配置されるステータ３とを含むインナーロータ型の電動機である。本発明において、ロータ２は、永久磁石付きのロータであってもよいし、それ以外のロータ、例えばかご形や巻線型などインナーロータ型のロータの基本構成を備えていればよく、その具体的な構成は任意であってよい。

図２（ａ）を併せて参照して、ステータ３は、環状に形成されたヨーク３１と、ヨーク３１の内周面側からロータ２の磁極面に向かって複数のティース（磁極歯）３２ａ〜３２ｌが突設されたステータコア３０を備えている。この例において、ティース３２ａ〜３２ｌは、誘導電動機が６極であることから２×６＝１２個設けられているが、ティース３２ａ〜３２ｌの数は仕様により任意である。

ステータ３はコイル４が巻回されたのち、全体をインサート成形によって樹脂５で一体化されている。

各ティース３２ａ〜３２ｌは、先端のティース面３２１を残して、その外周がインシュレータ３３によって覆われている。この例において、インシュレータ３３は、合成樹脂製の絶縁体からなり、インサート成形によってティース３２ａ〜３２ｌに一体的に形成されている。

この例において、インシュレータ３３は各ティース３２ａ〜３２ｌにインサート成形によって一体的に形成されているが、別体であってもよい。例えば、軸方向に２分割された２つのインシュレータメンバーでティース３２ａ〜３２ｌを上下から挟むようにして取り付けるものであってもよい。

このインシュレータ３３を介して各ティース３２ａ〜３２ｌには、コイル４が巻回されており、コイル４は所定の結線パターンで結線されている。本発明において、コイル４の結線パターンは任意であり、主巻線や補助巻線、減速巻線などの巻回順序や結線は仕様に応じて任意に選択されてよい。

図２（ｂ）に示すように、ステータコア３０は、ヨーク３１と各ティース３２ａ〜３２ｌがセグメント毎に直線状に連結された状態で電磁鋼板から打ち抜くと同時に積層されたストレートコア構造である。ヨーク３１と各ティース３２ａ〜３２ｌの一部には、電磁鋼板を積層する際に、電磁鋼板を互いに係着しておくための半抜き孔３４が設けられている。

図３に示すように、ステータコア３０の各セグメント間（この例では、ティース３２ｂとティース３２ｃ）には、ステータコア３０を環状に折り曲げる際に、折り曲げやすくするための切欠部３５が設けられている。

なお、この例において、ステータコア３０は、１本のストレートコアが環状に折り曲げられているが、ステータコア３０は分割されていてもよい。すなわち、例えば３セグメントを１つとする棒状に形成されたステータコアメンバを複数用意し、それらを直線状に配置して連結したものでもよい。なお、この場合には、コアメンバの連結端には、後述するノッチ３５３は設けられなくてよい。

切欠部３５は、外径側から内径側に向かってその開口幅が漸次大きくなる、Ｖ字状（図３では逆Ｖ字状）に形成されている。切欠部３５の付け根部（切欠部３５の側壁面３５１，３５２の付け根）には、ティース２２ｂとティース３２ｃを折り曲げた際に、その加工応力を連結部に集中させるためのノッチ３５３が設けられている。

ノッチ３５３は、側壁面３５１，３５２にかけて円弧状に切り欠かれた切欠凹部からなり、このノッチ３５３によってセグメント間の連結部に変形応力が集中するため、より小さな加工応力で変形させることができるばかりでなく、ノッチ３５３を円弧状に形成したことで、より均一に変形させることができる。

切欠部３５は、その各開き角θの総和３６０°よりも大きくなるように設計されている。すなわち、この実施形態においては、ティースの数は１２であり、各開き角θが３０°よりも大きくなるように設けられている。

この例において、開き角θは全ての切欠部３５において３０°となるように設計されているが、開き角θは、例えば３０°や３５°など切欠部３５毎に可変であってもよく、各開き角θの総和が３６０°よりも大きければ、これら変形例も本発明に含まれる。

すなわち、切欠部３５を介して各ティース３２ａ〜３２ｌを環状に折り曲げていった際に、各切欠部３５の両側壁面３５１，３５２の間に微少な隙間が形成されることが好ましい。

開き角θを大きく取ることにより、ストレートコア構造のステータコア３０を環状に折り曲げる作業が容易になる。すなわち、ステータコア３０を折り曲げてゆく場合、各セグメント間の連結部上の折曲支点を中心に折り曲げてゆくが、折曲支点にバラツキがあると、従来のストレートコア構造では、切欠部の側壁面は平行に当接せず、環状に折り曲げることができなくなる場合がある。

これに対し、本発明の場合は、開き角θが大きく取られているので、折曲支点位置のバラツキを上記隙間で吸収できる。したがって、ストレートコアを容易に環状に折り曲げることが可能となる。

より好ましい態様として、隙間は０μｍ≦Ｇ≦１００μｍの範囲内であることが好ましい。これによれば、磁気回路に与える影響を小さくできるため、エネルギー変換効率の低下を防ぐことができる。

すなわち、図５に示すように、隙間とエネルギー損失の関係は反比例の関係であるため、隙間Ｇが小さければ小さいほどエネルギー損失は小さくはなるが、隙間Gが０μｍの場合は、加工時に側壁面同士が接触して加工歪みが蓄積して、磁気回路に影響を与えるおそれがある。隙間Gが１００μｍよりも大き過ぎた場合は、図５に示すように、磁気回路に与える影響が大きく、エネルギー変換効率が低下するおそれがある。

次に、図４（ａ）〜（ｃ）を参照して、ステータコア３０の両端には、ステータコア３０を環状に折り曲げた状態で連結するための連結手段３６が設けられている。連結手段３６は、ステータの一方の端部（この例ではティース３２ａ）に設けられた係止凸部３６１と、他方の端部（この例ではティース３２ｌ）に設けられた係止凹部３６２とを備えている。

係止凸部３６１は、ステータコア３０のヨーク３１の側端部から突設されており、係止凹部３６２によって係合されるように鉤状に形成されている。係止凹部３６２は、係止凸部３６１を上下方向（半径方向）から挟み込んで支持する上下一対のクランプアーム３６２ａ，３６２ｂを備えている。

一方のクランプアーム３６２ｂは、図４（ｂ）に示すようにストレート状態において、開いた状態で形成されている。したがって、ステータコア３０を環状に折り曲げて、係止凸部３６１をクランプアーム３６２ａに合致させたのち、開いたクランプアーム３６２ｂをカシメて閉じることにより、図４（ｃ）に示すように、係止凸部３６１と係止凹部３６２とが係合されるようになっている。

次に、図６〜図８を参照して、ステータ３の組立手順の一例について説明する。なお、ステータコア３０は、あらかじめ所定の打抜工程を経て打ち抜かれた電磁鋼板を多数積層したストレート状に形成されているものとする。

まず、ストレート状に形成されたステータコア３０を環状に折り曲げる。図６に示すように、円柱状に形成された所定の折曲成形機に取り付けられた座金１００を用いてステータコア３０を折曲加工する（ステータコア折曲工程）。

座金１００は、図示しない駆動手段によって回転駆動される円柱状を呈し、外周面には、ステータコア３０の各ティース３２ａ〜３２ｌの先端部が係合される係合凹部１１０がティース３２ａ〜３２ｌの数と同じ数、この例では１２カ所設けられている。

各係合凹部１１０は、ティース面２３１に沿って形状的に合致するように形成された円弧状のガイド面１２０と、各ティース３２ａ〜３２ｌの側端面を狭持する一対のガイドリブ１３０，１３０とを備えている。

係合凹部１１０にステータコア３０の一端側、この例では右端のティース３２ｌから順次合致させるゆきながら、座金１００を回転させてゆくことにより、ステータコア３０は回転に伴って徐々に環状に折り曲げられてゆく。

図６において図示されてはいないが、折曲形成装置には、折曲加工時にステータコア３０が暴れたり、位置ずれしないようにするために、ステータ３の外周面を押さえるための固定手段が設けられていることが好ましい。固定手段の構成については任意である。

このステータコア折曲工程は、ステータコア３０を折り曲げる際にティース３２ａ〜３２ｌのティース面３２１をガイド面１２０に押し当てることにより、ステータコア３０の寸法精度（真円度：ティース面の真円の度合い）を高める第１芯出し工程を兼ねている。

上述したように本発明のステータコア３０は、開き角θが大きく環状に折り曲げる作業が容易である。また、ステータコア３０の各切欠部３５は、環状に折り曲げた状態においても微少な隙間を備えているため、ステータコア３０は変形しやすい構造となる。したがって、ティース面２３１とガイド面１２０を高精度で合致させることができるため、ステータ３のティース面２３１の真円の度合いを高めることができる。

これによれば、従来のように切欠部３５の側壁面３５１，３５２を当接させて寸法精度を出した場合と比べ、開き角θや折曲の支点位置のバラツキが生じても、ティース面２３１とガイド面１２０を合致させて、各ティース３２ａ〜３２ｌに生じた全体的な歪みを除くので、より寸法精度を高めることができる。

ステータコア折曲工程によってステータコア３０を環状に折り曲げたのち、連結手段３６を介して、ステータコア３０の両端を係止することにより、ステータコア３０は環状に形成された状態となる。

なお、ステータコア折曲工程は、上述した座金１００の係合凹部を有さなくてもよい。また、後述するインサート成形工程で真円の度合いを規定値以上に高めることができれば、ステータコア折曲工程における座金１００を用いた精度出しを行わなくてもよい。

次に、インサート成形によってステータコア３０の各ティース３２ａ〜３２ｌの外周にインシュレータ３３を一体的に形成する（インシュレータ取付工程）。図７に示すように、インシュレータ取付工程は、インサート成型装置に設けられた金型（ともに図示しない）内に設けられた円筒状の芯金２００に沿ってステータコア３０を挿入し、各ティース３２ａ〜３２ｌの外周面をインシュレータ３３で一体的に覆う。このときステータコア３０は、金型内でティース面２３１とバックヨーク３１の外周とが支持された状態で保持される。

芯金２００は、図示しない金型内に突設された円柱状を呈し、その表面がガイド面としてステータコア３０の各ティース面３２１に沿って合致するようになっている。すなわち、芯金２００に沿って環状ステータコア３０を金型内に挿入したのち、樹脂を金型内に流し込んでインサート成形することにより、各ティース３２ａ〜３２ｌがティース面３２１とバックヨーク３１の外周を残してインシュレータ３３が装着される。

このインシュレータ取付工程は、ステータコア３０のティース面３２１を芯金２００の外周面に嵌合させることにより、ステータコア３０の寸法精度をさらに高める第２芯出し工程を兼ねている。

すなわち、芯金２００の外周面の真円度合を高めておくことにより、ティース面３２１に対する真円度合が上がるため、インシュレータの取付けと同時に、ステータコア３０自体の寸法精度をさらに向上させることができる。

インシュレータ３３をステータコア３０に組み込んだのち、各ティース３２ａ〜３２ｌには、図示しないコイル巻回装置により巻線が取り付けられたのち、所定の結線パターンで結線される。しかるのち、ステータ３は、インサート成形によって合成樹脂とともに一体化される（インサート成形工程）。

図８に示すように、インサート成形工程は、インサート成型装置に設けられた金型（ともに図示しない）内の芯金３００に沿ってインシュレータ３３および巻線４が装着されたステータ３を挿入し、ステータ３全体を樹脂で覆う工程である。

芯金３００は、図示しない金型内に突設された円柱状を呈し、表面がガイド面としてステータ３の各ティース面３２１に沿って合致するようになっている。芯金３００は、上述したインシュレータ取付工程の芯金２００とほぼ同じ構成からなる。

すなわち、芯金３００に沿ってステータ３を金型内に挿入したのち、樹脂を金型内に流し込んでインサート成形することにより、ティース面３２１を残してステータ３の全体に樹脂５が一体的に成形される。

このとき、金型内に流し込まれる樹脂の封入圧力により、ステータコア３０の外周が内径側に押される。この押圧力により、ティース面３２１は芯金３００の外周面に押し付けられて、ステータティース面の真円度合がさらに高められることになる。つまり、インサート成形工程は、ステータ３の寸法精度（ステータティース面の真円度合）を高める最終工程を兼ねている。

本実施例では、以上の各工程を経てステータ３が完成するが、ストレート状態のステータコア３０にインシュレータを一体または別体に形成して、巻線を巻回したのちに環状に折り曲げる場合に適用されてもよい。この場合、巻線の線積率をさらに向上できる。

また、本実施形態において、ステータコア３０の各セグメントにはティース３２ａ〜３２ｌがそれぞれ設けられているが、一部のセグメントにティースが設けられていないタイプのステータコアに本発明が適用されていてもよい。

このように本発明によれば、開き角θを大きくすることにより、折曲支点にバラツキがあっても、ストレートコアを容易に環状化できるとともに、ステータ３の各切欠部３５に微少な隙間を備えているため、ステータコア３０が変形しやすく、ティース面３２１を芯金に簡単に押し付けることができるので、ステータ３の高い寸法精度を簡単に出すことができる。

本発明の一実施形態に係る電動機の要部断面図。（ａ）環状に折り曲げられたステータコアの正面図、（ｂ）環状に形成する前のストレートコアの正面図。ステータコアの部分拡大正面図。（ａ）（ｂ）ステータコアの左端と右端をそれぞれ拡大する拡大正面図、（ｃ）端部同士を連結した状態の部分拡大図。ステータの切欠部の隙間とエネルギー損失との関係を表すグラフ。ストレートコアを環状に成形するステータコア折曲工程を説明する説明図。ステータコアにインシュレータを成形するインシュレータ取付工程を説明する説明図。ステータコアを樹脂で一体化するインサート成形工程を説明する説明図。

１電動機（モータ）
２ロータ
３ステータ
３０ステータコア
３１ヨーク
３２ａ〜３２ｌティース
３２１ティース面
３３インシュレータ
３４半抜き孔
３５切欠部
３５１，３５２側壁面
３５３ノッチ
３６連結手段
３６１係止凸部
３６２係止凹部

Claims

回転出力軸を有するロータと、上記ロータの外周に同軸的に配置されるステータとを含み、上記ステータは、環状に形成されたヨークの内周面から上記ロータに向かって複数のティースが突設されたステータコアを備え、上記ステータコアは、上記ティースを備えた複数のセグメントが直線状に一列となって形成されており、上記ステータコアの端部同士を環状に折り曲げて連結してなる電動機において、
上記ステータコアの上記各セグメントの間には、上記ステータコアを環状に折り曲げる際に、隣接する上記セグメント同士が干渉しないようにするための切欠部が設けられており、上記各切欠部は、切欠幅が外径側から内径側にかけて漸次広がるほぼＶ字状に形成されており、上記各切欠部の開き角θの総和が３６０°より大きく、上記ステータコアを環状に折り曲げた際、上記切欠部を挟んで互いに対向する対向面の間には、微少な隙間が設けられており、
上記ステータコアは、上記各セグメントの間に上記切欠部が設けられている同一形状に打ち抜かれた電磁鋼板を積層することにより構成され、
上記ステータコアの端部の一方には、鉤状に形成され先端部分が外径側に突き出た第１突起部を有する係止凸部が設けられ、その他方には、上記係止凸部を挟み込んで支持する一対のクランプアームを備えた係止凹部が設けられており、上記一対のクランプアームのうち外径側のクランプアームは開閉可能であって、その先端部分は閉じたときに上記係止凸部の第１突起部に係止する内径側に突き出た第２突起部を有し、上記ステータコアの端部同士は、上記係止凸部が上記一対のクランプアームにて挟持されることにより係止されているとともに、
上記ロータと対向するティース面を除いて上記ティースの外周面には、樹脂材よりなるインシュレータが上記ステータコアを環状に連結した状態で一体的に形成されていることを特徴とする電動機。