JP5880334B2 - ティースにコイルを固定する方法とステータ - Google Patents

Description

本発明は、ステータコアのティース周りにコイルを配設して固定する方法とステータに関するものである。

モータ（電動機）を構成するステータは、環状のヨークと、ヨークから径方向内側に突出する複数のティースと、隣接するティース間に形成されるスロットとを備えた鋼板積層体もしくは圧粉磁心からなるステータコアと、ティースの周りに形成されるコイルとから大略構成されている。

ところで、占積率が高くなっている昨今のモータにおいては、その構成要素であるステータコア（の特にティース）とコイルの固定に関し、ワニスを適用することなく強固に双方を固定できる方法が切望されている。

たとえば、ティースの周りに絶縁紙等のインシュレータを介してコイルを形成する場合に、ティースのコイルエンド側の端面とコイルの間には隙間が生じ易く、従来の固定方法ではこの隙間にワニスが含浸固定されることで隙間を閉塞できていた。しかしながら、このワニスの含浸を廃した場合にこの隙間が仮に閉塞されないままであると、コイルがステータコアの軸方向（ステータコアの中央に配設されることになるロータコアに取付けられる回転シャフトの軸方向）にずれ易くなり、ステータコアとコイルの強固な固定が図れないことになる。

ここで、特許文献１には、表面が発泡樹脂によって構成された矩形のシートを中央部で折り曲げた状態でティース間のスロットに挿入した後にティースにコイルを形成し、シートを加熱して膨張させることによってステータコアとコイルの間に発泡樹脂部を形成して双方を固定する方法が開示されている。この方法によれば、コイルを構成する導線間にワニスを含浸させることなく、ステータコアとコイルの固定を図ることが可能となる。

しかしながら、特許文献１で開示の固定方法では、スロット壁面においてシートを介したティースとコイルの固定が図られることは明確であるが、ティースのコイルエンド側の端面とコイルの間に生じ得る隙間の閉塞に関する言及がないことから、上記する課題、すなわち、ティースのコイルエンド側の端面とコイルの間に生じ得る隙間のためにコイルがステータコアの軸方向にずれ易いという課題を解消できるか否かは定かでない。

特開２０１１−２４４５９６号公報

本発明は上記する問題に鑑みてなされたものであり、ワニスを使用することなく、しかも、ティースに対してコイルがステータコアの軸方向にずれることなく、ティースとコイルを強固に固定することのできる固定方法とティースとコイルが強固に固定されたステータを提供することを目的とする。

前記目的を達成すべく、本発明によるティースにコイルを固定する方法は、環状のヨークから径方向内側に複数のティースが突出し、ティース間にスロットが形成されてなるステータコアのティース周りにコイルを固定する方法であって、ティースのコイルエンド側の端面にコイルがステータコアの軸方向にずれるのを防止するずれ防止措置を講じておく第１のステップ、筒状の熱膨張性シートをティースの周りに配設する第２のステップ、ティース周りの筒状の熱膨張性シートの周囲にコイルを形成する第３のステップ、少なくとも熱膨張性シートを加熱して膨張させ、膨張した熱膨張性シートを介してティース周りにコイルを固定する第４のステップからなるものである。

本発明のティースにコイルを固定する方法は、ティースのコイルエンド側の端面にコイルがステータコアの軸方向にずれるのを防止するずれ防止措置を講じておいた上で、筒状の熱膨張性シートをティースの周りに配設し、次いでコイルを形成し、熱膨張性シートを加熱して膨張させることでティースとコイルを固定するものであり、この固定構造において、ティースのコイルエンド側の端面とコイルの間に隙間が生じないことでコイルのステータコアの軸方向へのずれを効果的に抑止できるものである。

ここで、適用される熱膨張性シートは特に限定されるものでないが、発泡プラスチックシート（発泡剤が分散したものなど）などが適用できる。

また、コイルは断面円形の丸線コイルであってもよいし、占積率向上を図ることのできる平角線であってもよく、いずれも、エナメル等の絶縁被膜が形成されたものを適用できる。また、コイルの形成方法は、導線を集中巻きする方法であっても分布巻きする方法であってもよい。

ここで、第１のステップにおける「ずれ防止措置」としては、以下の実施の形態を挙げることができる。

ずれ防止措置の一つの実施の形態は、ティースのコイルエンド側の端面と熱膨張性シートの間の隙間を埋めるスペーサを配設することである。

このスペーサの形状は、ティース周りにコイルを形成した際に形成され得る隙間形状を実際の製造品から特定し、この隙間形状と同じ形状、もしくは相補的な形状となるようにスペーサの形状が設定される。一般には、ティースのコイルエンド側の端面の上方では、コイルはティースの一方のスロット面のエッジで曲げられてコイルエンドに延びていることから、半円状もしくは半楕円状の隙間が形成され易い。

そこで、たとえば第１のステップでは、ティースのコイルエンド側の端面に断面が半円状もしくは半楕円状のスペーサを配設して固定しておき、第２のステップにおいて筒状の熱膨張性シートをティースとスペーサの周りに配設することにより、第２のステップの段階でティースのコイルエンド側の端部に生じ得る隙間を無くすことができる。

そして、第３のステップでコイルを形成した際に仮に筒状の熱膨張性シートとコイルの間に多少の隙間があっても、第４のステップで熱膨張性シートを加熱して膨張させることで隙間を完全に閉塞することができ、この膨張した熱膨張性シートによってティースとコイルの双方が押圧された姿勢で双方の強固な固定を図ることができる。

この方法によれば、ティースに対するコイルの固定に際してワニスを使用することなく、ティースのコイルエンド側の端面とコイルの間に隙間が生じないことから、コイルがステータコアの軸方向へずれるといった問題は生じ得ない。したがって、コイルの占積率が高く、ワニスの含浸が容易でない昨今のモータ全般に好適な固定方法である。

また、筒状の熱膨張性シートを使用することにより、これを何等の加工（折り曲げる等）をおこなうことなくティースに嵌め込むだけで熱膨張性シートの位置決めを図ることができる。また、熱膨張性シートに接着性の素材を適用することで、ティースに熱膨張性シートを嵌め込んだ際にティースの側面とスペーサの周囲に熱膨張性シートを接着固定することもできる。

ここで、スペーサの熱膨張係数の値がティースの熱膨張係数以上であってコイルの熱膨張係数以下の値となるようにそれらの素材を設定しておくことにより、スペーサや熱膨張性シートが加熱されて膨張した後、スペーサが冷却されて体積収縮した際に、この体積収縮量がコイルの体積収縮量よりも小さくなることでコイルとスペーサの間に隙間が生じないようにすることができる。

また、たとえばスペーサ、ティース、コイルの熱膨張係数が同じ場合や略同じ場合には、それらの熱膨張量や熱収縮量が同程度となることから、モータの供用期間を通じて（モータが駆動している場合も停止している場合も含む）、コイルとスペーサの間、スペーサとティースとの間に隙間が生じないようにすることができる。

また、ずれ防止措置の他の実施の形態は、ティースのコイルエンド側の端面を湾曲状に形成しておくことである。

ステータコアは、電磁鋼板を積層した積層体や圧粉磁心を加圧焼結してなる圧粉成形体などから製作できるが、このステータコアの製作の際に、ティースのコイルエンド側の端面を断面が湾曲状を成すように突出した態様で製作しておく。なお、全体形状が環状で一体のステータコアのほか、分割コアを周方向に繋いで全体形状が環状を呈しているステータコアであってもよい（分割ステータコア）。

ここで、「湾曲状」とは、既述する一般的な隙間形状である、半円形や半楕円形を含む意味である。

ティースのコイルエンド側の端面を予め湾曲状に突出させておくことにより、第２のステップでは、筒状の熱膨張性シートをティースの周りに配設した際に湾曲状の突出部分を熱膨張性シートに密着させることができ、第２のステップの段階でティースのコイルエンド側の端部に生じ得る隙間を無くすことができる。

また、本発明はステータにも及ぶものであり、このステータは、環状のヨークから径方向内側に複数のティースが突出し、ティース間にスロットが形成されているステータコアのティース周りにコイルが固定されてなるステータであって、ティースのコイルエンド側の端面にコイルがステータコアの軸方向にずれるのを防止するずれ防止措置であるスペーサが配設され、ティースとスペーサを包囲するように筒状の熱膨張性シートが配設され、熱膨張性シートの周りにコイルが配設されており、熱膨張した該熱膨張性シートを介してコイルがティースに固定されているものである。

ずれ防止措置であるスペーサとティースの周りに熱膨張性シートが配設され、熱膨張性シートの周りにコイルが配設されるとともに熱膨張性シートが熱膨張している構成によって、ティースに対するコイルの強固な固定構造が形成されている。特に、ティースのコイルエンド側の端面にスペーサが配設されていることでコイルとティースの端面との間に生じ得る隙間が解消されており、このことによってコイルのずれが効果的に抑止され、ティースとコイルの強固な固定構造に大きく寄与している。

また、本発明によるステータの他の実施の形態は、環状のヨークから径方向内側に複数のティースが突出し、ティース間にスロットが形成されているステータコアのティース周りにコイルが固定されてなるステータであって、コイルがステータコアの軸方向にずれるのを防止するずれ防止措置として、ティースのコイルエンド側の端面は湾曲状に突出しており、ティースを包囲するように筒状の熱膨張性シートが配設され、熱膨張性シートの周りにコイルが配設されており、熱膨張した該熱膨張性シートを介してコイルがティースに固定されているものである。

本実施の形態のステータによっても、コイルエンド側の端面が湾曲状に突出していることでコイルとティースの端面との間に生じ得る隙間が解消され、ティースとコイルの間に介在する熱膨張性シートが熱膨張していることと相俟って、ティースとコイルの強固な固定構造を備えるステータとなっている。

以上の説明から理解できるように、本発明のティースにコイルを固定する方法によれば、ティースのコイルエンド側の端面にコイルがステータコアの軸方向にずれるのを防止するずれ防止措置を講じておいた上で、筒状の熱膨張性シートをティースの周りに配設し、次いでコイルを形成し、熱膨張性シートを加熱して膨張させることでティースとコイルを固定することにより、ティースとコイルの間に隙間が生じるのを解消することができ、したがって、コイルがステータコアの軸方向にずれるのを解消しながら、ワニスを使用することなく、コイルとティースを強固に固定することができる。また、本発明のステータによれば、ティースのコイルエンド側の端面にずれ防止措置が配設され、ティースとずれ防止措置を包囲するように熱膨張性シートが配設され、熱膨張性シートの周りにコイルが配設されるとともにこの熱膨張性シートが熱膨張していることにより、ティースに対してコイルがずれることなく、ティースとコイルの強固な接続構造を備えたステータとなっている。

本発明のティースにコイルを固定する方法の実施の形態１の第１のステップを説明した図である。 図１に続いて、第２のステップおよび第３のステップを説明した図である。 図２に続いて、第４のステップを説明した図であって、固定方法によって形成されたステータの実施の形態１を示した図である。 本発明のティースにコイルを固定する方法の実施の形態２の第１のステップを説明した図である。

以下、図面を参照して本発明のティースにコイルを固定する方法と、この方法によって形成されたステータを説明する。なお、図示するティースにコイルを固定する方法では、使用するステータコアを電磁鋼板の積層体からなる環状一体型の形態を示しているが、ステータコアが分割コアからなる形態であってもよい。また、図示例は環状のステータコアの一部を抜き出して図示しているが、ステータコアのティースの全部に対して図示する固定方法が適用されてステータが形成されることは勿論のことである。

（ティースにコイルを固定する方法とステータの実施の形態１）
図１は本発明のティースにコイルを固定する方法の実施の形態１の第１のステップを説明した図であり、図２は図１に続いて、第２のステップおよび第３のステップを説明した図であり、図３は図２に続いて、第４のステップを説明した図であって、固定方法によって形成されたステータの実施の形態１を示した図である。

図示するステータコア１０は、略円環状の電磁鋼板１を積層してなる積層体をかしめ等によって一体に形成したものであり、環状のヨーク１１とヨーク１１から径方向内側に突出するティース１２から構成されている。なお、ステータコア１０の形成素材としては電磁鋼板以外にも、冷延鋼板（SPCC）や熱延鋼板（SPHC）、炭素鋼（S45C）などの鋼板を積層してなる鋼板積層体や、軟磁性金属粉末または軟磁性金属酸化物粉末がシリコーン樹脂やシリカ等の樹脂バインダーで被覆された磁性粉末を加圧成形してなる圧粉磁心から形成されるものであってもよい。

ステータコア１０のティース１２のうち、コイルエンド側となる２つの端面（上端および下端）に断面が半楕円状で柱状のスペーサ２０、３０をたとえば接着剤、接着シート等を介して固定する。なお、スペーサ２０，３０の断面形状は半楕円状に限定されるものではなく、半円形等もあり、ティースのコイルエンド側の端面とコイルの間にできる隙間と相補的な形状であるのが望ましい。

このスペーサ２０，３０はティース１２と不図示のコイルの間に生じ得る隙間を防止するものであり、この隙間を防止することによってコイルがステータコア１０の軸方向（Ｙ方向）にずれるのを防止するずれ防止手段となる。

ここで、スペーサ２０、３０の形成素材は特に限定されるものではないが、電磁鋼板１やコイル形成用の平角線等と線膨張係数が近似した金属素材から形成することもできるし、充填剤が多量に入ったPPS樹脂などから形成してもよい。

スペーサ２０，３０、ティース１２、コイルの熱膨張係数が同じ場合や略同じ場合には、それらの熱膨張量や熱収縮量が同程度となることから、モータの供用期間を通じてコイルとスペーサ２０，３０の間、スペーサ２０，３０とティース１２との間に隙間が生じないようにすることができる。また、スペーサ２０，３０の熱膨張係数の値がティース１２の熱膨張係数以上であってコイルの熱膨張係数以下の値となるようにそれらの素材が設定されている場合は、スペーサ２０，３０や熱膨張性シート４０が加熱されて膨張した後、スペーサ２０，３０が冷却されて体積収縮した際に、この体積収縮量がコイルの体積収縮量よりも小さくなることでコイルとスペーサ２０，３０の間に隙間が生じないようにすることができる。

このようにステータコア１０のティース１２のコイルエンド側の上下端面にスペーサ２０，３０を配設し、コイルがステータコア１０の軸方向にずれるのを防止するずれ防止措置を講じる（第１のステップ）。

次に、ティース１２とその上下のスペーサ２０，３０の周囲に筒状の熱膨張性シート４０を嵌め込んで（Ｘ方向）配設する（第２のステップ）。

熱膨張性シート４０は、熱膨張性のゴムシートや熱膨張性の発泡プラスチックシート（発泡剤が分散したものなど）、繊維材を無機バインダー樹脂で結合した熱膨張マットなどを素材とすることができる。

たとえば、エポキシ樹脂や不飽和ポリエステル樹脂等の熱硬化性樹脂に発泡剤を分散させた素材からなる熱膨張性シート４０を使用することで、熱膨張性と接着性があることから、熱膨張性シート４０を嵌め込んだ際にティース１２とスペーサ２０，３０が熱膨張性シート４０と接着してそれらの一体化を図ることができる。

次に、ティース１２の外周に配設された熱膨張性シート４０の周りに平角線５０を巻装することにより、図２で示すようにコイルが形成される（第３のステップ）。

平角線５０は銅素材の平角導線の周りに絶縁被膜が形成されたものであり、この平角線５０をティース１２周りにエッジワイズ巻きすることでコイルが形成される。この平角線５０からコイルを形成することで、スロット１３内におけるコイルの占積率が向上する。

スペーサ２０，３０の断面形状（半楕円状）や寸法は、予め図示のように平角線を巻装した際にティースのコイルエンド側の端面上方でできる隙間の形状および寸法を特定しておき、特定された形状および寸法を充足するスペーサ２０，３０を配設することにより、コイルが形成された段階で図示のごとくティース１２のコイルエンド側の端面とコイル５０の間に隙間は生じ得ない。

次に、ティース１２、スペーサ２０，３０および熱膨張性シート４０の付近を熱処理することにより、熱膨張性シート４０を熱膨張させ、熱膨張性シート４０の内側にあるティース１２に圧力ｑを生じさせ、熱膨張性シート４０の外側にあるコイル５０にも同様に圧力ｑを生じさせることにより、この膨張した熱膨張性シート４０を介してティース１２とコイル５０の固定を図り、ティースとコイルの固定構造１００を具備するステータ２００が形成される（第４のステップ）。

第３のステップの段階で、たとえば熱膨張性シート４０とコイル５０の間に仮に多少の隙間が存在している場合であっても、第４のステップにおける熱膨張性シート４０の熱膨張によって隙間を完全に閉塞することができる。

図３で示すステータ２００によれば、ティース１２のコイルエンド側の端面とコイル５０の間に隙間が存在しないことから、隙間が存在する場合にコイルがステータコアの軸方向にずれるといった問題は生じ得ない。

また、平角線５０を使用してコイルを形成していることでスロット内の占積率が高くなり、ワニスの含浸のための十分な隙間が平角線間やティースと平角線の間に存在しない場合でも、ワニスを使用することなく、ティース１２とコイル５０の強固な固定を実現することができる。

（ティースにコイルを固定する方法の実施の形態２）
図４は本発明のティースにコイルを固定する方法の実施の形態２の第１のステップを説明した図である。なお、図示する実施の形態２の固定方法においては、第２のステップ〜第４のステップが実施の形態１の固定方法と同様であることからそれらの説明は省略する。また、この固定方法によって形成されたステータの図示も省略する。

この実施の形態では、ティース１２の上下端面にスペーサを接着剤等で固定する代わりに、電磁鋼板を積層させてステータコア１０Ａを製作する段階で、ティースのコイルエンド側の端面に、断面が湾曲状（図では半楕円状）の突出部分２０Ａ，３０Ａを電磁鋼板の積層体から形成しておくものである。

このように、ステータコア１０Ａを製作した段階で、コイルがステータコアの軸方向にずれるのを防止するずれ防止措置を講じておく（予め製作しておく）のが本実施の形態の固定方法である。

なお、ティースのコイルエンド側の端面に湾曲状の突出部分が形成されたステータコアを圧粉磁心からなる圧粉成形体で成形してもよいことは既述の通りである。

以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。

１…電磁鋼板、１０，１０Ａ…ステータコア、１１…ヨーク、１２…ティース、１３…スロット、２０，３０…スペーサ、２０Ａ，３０Ａ…湾曲状の突出部分、４０…熱膨張性シート、５０…平角線（コイル）、１００…ティースとコイルの固定構造、２００…ステータ

Claims (2)

1. 環状のヨークから径方向内側に複数のティースが突出し、ティース間にスロットが形成されてなるステータコアのティース周りにコイルを固定する方法であって、
   ティースのコイルエンド側の端面にコイルがステータコアの軸方向にずれるのを防止するずれ防止措置を講じておく第１のステップ、
   筒状の熱膨張性シートをティースの周りに配設する第２のステップ、
   ティース周りの筒状の熱膨張性シートの周囲にコイルを形成する第３のステップ、
   少なくとも熱膨張性シートを加熱して膨張させ、膨張した熱膨張性シートを介してティース周りにコイルを固定する第４のステップからなり、
   前記第１のステップにおいて、ずれ防止措置は、ティースのコイルエンド側の端面と熱膨張性シートの間の隙間を埋めるスペーサを配設することであり、
   前記第２のステップでは、筒状の熱膨張性シートをティースとスペーサの周りに配設するものであり、
   前記スペーサの熱膨張係数の値がティースの熱膨張係数以上であってコイルの熱膨張係数以下の値であるティースにコイルを固定する方法。
2. 環状のヨークから径方向内側に複数のティースが突出し、ティース間にスロットが形成されているステータコアのティース周りにコイルが固定されてなるステータであって、
   ティースのコイルエンド側の端面にコイルがステータコアの軸方向にずれるのを防止するずれ防止措置であるスペーサが配設され、
   ティースとスペーサを包囲するように筒状の熱膨張性シートが配設され、熱膨張性シートの周りにコイルが配設されており、熱膨張した該熱膨張性シートを介してコイルがティースに固定されており、
   前記スペーサの熱膨張係数の値がティースの熱膨張係数以上であってコイルの熱膨張係数以下の値であるステータ。

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