JP2005192339A - 電動機のステータ構造及び電動機ステータの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】巻線に圧力をかけて巻線間及び巻線とステータとの間を密着させるとともに、ティースと巻線との接触面積を大きくして熱の伝達効率を向上させ、これによって電動機の出力性能を向上させることのできる電動機のステータ構造及びその製造方法を提供する。
【解決手段】略円環形状のバックヨークと、バックヨークから内周方向へ突出して形成された複数のティース５と、ティース５間に形成されるスロット６内に挿入されてティース５に巻装される巻線４とを備える電動機のステータ構造において、スロット６の開口部近傍に挿入され、巻線４をスロット６の外周方向に向かって押圧する楔８を備え、該楔８は、スロット６の外周方向に向く突起形状を有し、楔８の少なくとも一方の側面とスロット６内面との間に巻線４が介在することを特徴とする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、電動機のステータ構造及びその製造方法に係り、特に巻線に発生する熱をステータに効率よく伝達して放熱するための技術に関する。

従来より、電動機に用いられるステータでは、通電時に巻線（コイル）で生じるジュール熱を放熱させることが課題となっていた。この熱は通常巻線間に充填されたワニス、絶縁紙、バックヨークの順に経由されて外部の冷却媒体等に伝達されて放熱されていた。ここで、巻線に発生した熱を効率よく伝達して放熱させるためには、スロット内の巻線の隙間をできるだけ少なくして密着させることが必要であった。

このような巻線に発生する熱を放熱させる技術に関する従来例として、特開平６−３８４２２号公報（特許文献１）が開示されている。

ここで、この公報で開示されている従来の電動機のステータ巻線構造を図１０に基づいて説明する。同図に示すように、従来のステータ巻線構造では、ティース１０１の間に形成されたスロットに、絶縁紙１０２と巻線１０３とを挿入し、巻線１０３の飛び出し防止と巻線の密着のために方形の楔１０４が圧入されていた。
特開平６−３８４２２号公報

しかしながら、上述した特許文献１に開示された従来例は、断面形状が方形の楔１０４をスロット内に圧入するので、楔１０４の占める断面積の分（図中符号Ｐに示す部分）だけ巻線１０３とティース１０１との接触面積が減少してしまう。従って、巻線１０３で発生した熱はステータコアへ十分に伝達されず、ステータへの放熱性能が低下してしまうという問題点があった。

この発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、巻線間及び巻線とステータとの間を密着させると共に、ティースと巻線との接触面積をより大きくして熱の伝達効率を向上させ、これによって電動機の出力性能を向上させることのできる電動機のステータ構造及び電動機ステータの製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明に係る電動機のステータ構造は、略円環形状のバックヨークと、前記バックヨークから内周方向へ突出して形成された複数のティースと、前記ティース間に形成されるスロット内に挿入されて前記ティースに巻装される巻線とを備える電動機のステータ構造において、前記スロットの開口部近傍に挿入され、前記巻線をスロットの外周方向に向かって押圧する押圧部材を備える。そして、この押圧部材は、前記スロットの外周方向に向く突起形状を有し、該押圧部材の少なくとも一方の側面と前記スロット内面との間に前記巻線が介在することを特徴とする。

また、本発明に係る電動機ステータの製造方法は、略円環形状のバックヨークと、前記バックヨークから内周方向へ突出して形成された複数のティースと、前記ティース間に形成されるスロット内に挿入されて前記ティースに巻装される巻線とを備える電動機のステータを製造する製造方法において、前記スロット内に巻線を挿入した後、前記スロットの開口部近傍に前記巻線を外周方向に向かって押圧する押圧部材を挿入する工程を有する。そして、前記押圧部材との接続部分にて、該押圧部材と略同一の断面形状を有し、且つ、前記スロットの外周方向に向く突起方向の長さが徐々に短く成るテーパ面を有する挿入用冶具を用いて、前記スロットの開口部近傍に前記押圧部材を挿入することを特徴とする。

本発明に係る電動機のステータ構造では、スロットの外周方向に向く突起形状を有する押圧部材を、スロットの開口部近傍に挿入して巻線間の隙間を圧縮し、この際、押圧部材の側面とスロット内面との間には、巻線が介在するので、より広い面積で巻線とスロット内面とを接触させることができ、熱伝導効率を向上させることができる。これにより、モータの連続出力性能を向上させることができる。

また、本発明に係る電動機ステータの製造方法では、スロットの外周方向に向く突起方向の長さが徐々に短くなるテーパ面を有する挿入用冶具を用いて、押圧部材をスロット内に挿入するので、押圧部材の挿入作業が極めて簡素化され、作業工数を低減することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明に係る電動機のステータ構造の一実施形態を示す断面図である。同図に示すように、電動機は、中心に回転軸となるシャフト１が設けられ、その外側にシャフト１と連動して回転するロータ２が設けられている。そして、このロータ２には永久磁石が搭載されている。

更に、ロータ２の外側にはステータ３が設けられており、このステータ３に搭載されている巻線４に電流を流して回転磁界を発生させ、これによりロータ２、ひいてはシャフト１が回転するようになっている。

図２は、ステータ３に設けられた複数のティース内に、巻線４が挿入されている様子を示す断面図である。同図に示すように、互いに隣接するティース５間には、スロット６が形成され、該スロット６の内面には、絶縁紙７が設けられている。そして、その内部には、ステータコイルを形成するための巻線４が挿入されている。

この際、巻線４の飛び出しを防止し、且つ巻線４に電流が流れることにより生じる熱をティース５、及びその周囲部となるステータコアに効果的に伝達させるために、スロット６の開口部近傍に楔（押圧部材）８を挿入し、巻線４をスロット６の外周側（図２中左側）に押しつけることにより、巻線４どうしの間に生じる隙間部分をより密な状態として、熱伝導効率を向上させている。なお、楔８の材質としては、モータの磁気的性能に影響を与えない非磁性体（樹脂、アルミニウム等）を用いるのが望ましく、また、巻線４に傷をつけないようにするために、角部はバレル研磨等により、滑らかに形成する。

また、本実施形態では、より一層熱伝導効率が向上するように、断面がスロット６の外周側に向いた突起形状を有する楔８を用いている。即ち、楔８は、鍔部８ａと、該鍔部８ａからスロット６の外周側に向いて形成される方形部８ｂとを有しており、更に、該方形部８ｂの先端部はＵ字形状となっている。

従って、方形部８ｂの２つの側面とスロット６の内面との間に隙間が生じ、この隙間部分に巻線４が介在することになる。つまり、スロット６内に楔８を挿入することにより、巻線４どうしが密に接触すると共に、従来、楔８とスロット６内面と接触していた部分（図２の符号「ｘ」に示す部分）が、巻線４と接触することになるので、巻線４に生じた熱をより効果的にティース５へと伝達させることができる。

次に、スロット６内に楔８を挿入する際の、挿入方法について説明する。図３は、楔８、及び該楔８に取り付けてスロット６内に挿入する際に用いる冶具９の構成を示す説明図であり、（ａ）は平面図、（ｃ）は側面図、（ｂ），（ｄ）は背面図、正面図をそれぞれ示す。同図に示すように、冶具９は、一方の端面側（図中左側の端面側）が、楔８と略同一の断面形状、即ち、鍔部９ａ及び方形部９ｂを有する断面形状とされている。

なお、冶具９の材質は、非磁性体である必要はなく、耐摩耗性を考慮して熱処理やコーティングを施した鉄鋼材料を用いるのが望ましい。

そして、この冶具９の一方の端面には２個の突起部９ｃが形成されており、他方、楔８の一方の端面側（図中右側の端面側）には、２個の位置合わせ穴８ｃが形成されており、これらが嵌合することにより、楔８と冶具９とを着脱することができるようになっている。

また、冶具９には、突起部９ｃが形成された端面側から、その反対側の端面に向けて（つまり、図中左側から右側に向けて）直線的に高さ方向の長さが短くなるように、即ち、スロットの外周方向に向く突起方向の長さが徐々に短くなるように、高さ方向テーパ面９ｄが形成されている。また、冶具９には、図中左側から右側に向けて、幅方向テーパ面９ｅが形成されている。

以下、スロット６内に楔８を挿入する手順を、図４に示すフローチャート、及び図５に示す説明図を参照しながら説明する。まず、図１に示したスロット６内に巻線４を挿入する（ステップＳ１）。これにより、図５（ａ）に示すように、複数の巻線４間に若干の隙間がある状態で、該巻線４がスロット６内に存在することになる。

次いで、図３に示した冶具９の突起部９ｃを、楔８に形成された位置合わせ穴８ｃ内に嵌合させ、冶具９と楔８を連結した状態とする。そして、図５（ｂ）に示すように、冶具９の先端部を、スロット６の開口部から徐々に挿入する（ステップＳ２）。

この際、冶具９に高さ方向テーパ面９ｄ、及び幅方向テーパ面９ｅが形成されていることにより、冶具９の先端部がスロット６内に挿入され、図５（ｃ）に示すように、冶具９と連結された楔８を、スロット６の開口部に容易に挿入することができる（ステップＳ３）。その後、図５（ｄ）に示すように、楔８の挿入が確認されると、該楔８から冶具９を取り外す（ステップＳ４）。こうして、スロット６内へ楔８を挿入することができるのである。

このようにして、本実施形態に係る電動機のステータ構造では、スロット６の外周方向を向いて突起する楔８を、スロット６の開口部近傍に挿入することにより、巻線４どうしの間の隙間部分がより密となるように押し付けるようにしており、この際、楔８の側面とスロット６の内面との間に、巻線４が介在するので、図２の符号「ｘ」に示すように、巻線４とスロット６内面との接触面積を多く取ることができ、巻線４にて生じる熱を、効率良くティース５ひいてはステータコアへと伝達させることができる。これにより、電動機ステータの温度上昇を抑制することができる。

即ち、本発明に係る電動機のステータ構造では、スロットの外周方向に向く突起形状を有する押圧部材を、スロットの開口部近傍に挿入して巻線間の隙間を圧縮し、この際、押圧部材の側面とスロット内面との間には、巻線が介在するので、より広い面積で巻線とスロット内面とを接触させることができ、熱伝導効率を向上させることができる。これにより、モータの連続出力性能を向上させることができる。

また、楔８が、鍔部８ａと、先端部がＵ字形状をなす方形部８ｂとを備えた形状とされているので、効果的に巻線４をスロット６内の外周方向へ押し付けることができ、巻線４間の隙間を均一に圧縮することができる。また、鍔部８ａと方形部８ｂとの間に生じる段差部分により、楔８の側面とスロット６内面との間に隙間部分を形成することができ、この部分に巻線４を介在させることができる。

即ち、押圧部材の断面形状を、鍔部と先端部Ｕ字型の方形部を有する形状とすることにより、巻線をスロットの外周方向へ押し付けることができ、且つ、押圧部材の側面とスロット内面との間の隙間、即ち、巻線が介在するスペースを確実に確保することができる。

更に、高さ方向テーパ面９ｄ、及び幅方向テーパ面９ｅを有する冶具９を用いて、楔８をスロット６内に挿入するので、円滑に楔８を挿入することができ、楔８の挿入に要する手間を著しく軽減することができる。

即ち、スロットの外周方向に向く突起方向の長さが徐々に短くなるテーパ面を有する挿入用冶具を用いて、押圧部材をスロット内に挿入するので、押圧部材の挿入作業が極めて簡素化され、作業工数を低減することができる。

また、上述した実施形態では、楔８の断面形状が図６（ａ）に示すように、鍔部８ａと先端部がＵ字形状をなす方形部８ｂを備えたものを用いる例について説明したが、その他の形状として、同図（ｂ）、（ｃ）に示す如くの楔１２，１３を用いることも可能である。

同図（ｂ）に示す楔１２は、断面形状が鍔部１２ａ、及び該鍔部１２ａから細長く突起する長尺突起部１２ｂとを備えた形状となっている。そして、このような断面形状を有する楔１２を用いることにより、楔１２をスロット６の外周側深くまで挿入することができるので、巻線４のスロット６内面への密着度を大きくすることができる。このような楔１２は、スロット６の幅（周方向の長さ）が大きいもの対し、極めて有用である。

即ち、押圧部材の断面形状を、鍔部と該鍔部からスロットの外周方向に向けて突起する長尺突起部とを有する構成とすることにより、押圧部材をスロット内の奥深くまで挿入することができるので、巻線とスロット内面との密着度を大きくすることができる。これにより、熱伝導性が向上し、巻線で発生した熱を効率良くステータコアへと伝達させることができる。

更に、図６（ｃ）に示すように、断面形状が三角形状の突起を有する楔１３を用いることにより、巻線４をスロット６の底部（外周側）へ押し付ける力を強くすることができ、巻線４間の密着性をより一層向上させることができる。このような断面三角形状の突起を有する楔１３は、スロット６の幅が狭く奥行きが長いものに対し、極めて有用である。

即ち、押圧部材の断面形状を、外周側へ突起する三角形状とすることにより、巻線を強い力でスロット６の外周側へ押し付けることができ、巻線どうしの密着性を向上させることができる。これにより、熱伝導性が向上し、巻線で発生した熱を効率良くステータコアへと伝達させることができる。

また、上述した実施形態では、図３に示した如くの、幅方向について、左右対象な形状をなす幅方向テーパ面９ｅを有する冶具９を用いて、楔８をスロット６内に挿入する例について説明したが、図７に示すように、幅方向の一方の面のみが傾斜する幅方向テーパ面１１ｅを有する冶具１１を用いることも可能である。

次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図８は、第２の実施形態に係る電動機のステータ構造に用いられる楔１４の構成を示す断面図である。図示のように、本実施形態では、巻線４間の隙間を圧縮するために、鍔部１４ａ及び該鍔部１４ａから突起し、且つ中心位置がオフセットした（非対称形状とされた）長尺突起部１４ｂを有する楔１４を用いる点で前述した第１の実施形態と相違している。

そして、このような形状とすることにより、図６（ｂ）に示した場合と同様に、楔１４をスロット６の外周側深くまで挿入することができるので、巻線４のスロット６内面への密着度を大きくすることができる。このような楔１４は、スロット６の幅（周方向の長さ）が大きいもの対し、極めて有用である。

即ち、巻線が挿入された状態に合わせて、巻線に無理な力を加えることなく巻線を圧縮してスロット内部に密着させることができる。

図９は、第２の実施形態の変形例を示す説明図である。同図に示すように、該変形例では、スロット６内に挿入された巻線４間の隙間を圧縮するために、鍔部１０ａ及び該鍔部１０ａからスロット６の外周方向に向けて突起し、且つ、中心位置がオフセットした（非対称形状とされた）方形部１０ｂとを有する楔１０を用いている。

そして、このような構成による電動機のステータ構造では、楔１０の一方の側面が、スロット６の内面（巻線４を巻き付けるティース５ａでない方のティース５ｂ側となる内面）と接触し、且つ、他方の側面とスロット６の内面（ティース５ａ側の内面）との間に生じる隙間部分に巻線４が介在することになる。従って、図９中の符号「ｙ」に示す部分にて、巻線４とスロット６内面とが接触することになり、この部分から巻線４に発生する熱をティース５ａ、ひいてはステータコアへと伝達させることができ、巻線４の発熱をいち早く放熱することができる。

また、楔１０の一方の側面がスロット６の内面と接触するので、巻線４がスロット６内に挿入された状態に合わせ、巻線４に無理な力を加えることなく、該巻線４を圧縮してスロット６内に密着させることができる。つまり、上述した第１の実施形態と比較すると、巻線４とスロット６内面との接触面積は減少するが、巻線４に無理な力を加えることなく、均一な力で圧縮することができる。

即ち、断面形状が、スロットの中心軸方向に沿って非対称となる突起形状を有する押圧部材を用いて巻線を圧縮するので、巻線に無理な力を加えることなく圧縮することができ、且つ、巻線にて発生する熱を効率良く放熱させることができる。

スロット内の巻線を圧縮し、且つ巻線に生じる熱を効果的に放熱する点で極めて有用である。

本発明に係るステータ構造が適用される電動機の構成を示す説明図である。 本発明の第１の実施形態に係る電動機のステータ構造を示す断面図である。 楔、及び該楔に取り付けられる冶具の構成を示す説明図である。 スロット内に楔を挿入する際の操作手順を示すフローチャートである。 スロット内に楔を挿入する際の操作の様子を示す説明図である。 楔の各種断面形状を示す説明図であり、（ａ）は鍔部と先端部Ｕ字形状の方形部からなる楔、（ｂ）は鍔部と長尺突起部からなる楔、（ｃ）は三角形状の突起部を有する楔を示す。 楔をスロット内に挿入する際に用いる冶具の変形例を示す説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る電動機のステータ構造に用いられる楔の断面図である。 鍔部、及び鍔部に対して中心線がオフセットした方形部からなる楔を用いた電動機のステータ構造を示す断面図である。 巻線を押し付けるためにスロット内に挿入される楔の従来例を示す説明図である。

符号の説明

１ シャフト
２ ロータ
３ ステータ
４ 巻線
５ ティース
６ スロット
７ 絶縁紙
８ 楔（押圧部材）
８ａ 鍔部
８ｂ 方形部
８ｃ 位置合わせ穴
９ 冶具
９ａ 鍔部
９ｂ 方形部
９ｃ 突起部
９ｄ 高さ方向テーパ面
９ｅ 幅方向テーパ面
１０ 楔（押圧部材）
１１ 冶具
１１ｅ 幅方向テーパ面
１２ 楔（押圧部材）
１３ 楔（押圧部材）
１４ 楔（押圧部材）

Claims (7)

1. 略円環形状のバックヨークと、前記バックヨークから内周方向へ突出して形成された複数のティースと、前記ティース間に形成されるスロット内に挿入されて前記ティースに巻装される巻線とを備える電動機のステータ構造において、
   前記スロットの開口部近傍に挿入され、前記巻線をスロットの外周方向に向かって押圧する押圧部材を備え、
   前記押圧部材は、前記スロットの外周方向に向く突起形状を有し、該押圧部材の少なくとも一方の側面と前記スロット内面との間に前記巻線が介在することを特徴とする電動機のステータ構造。
2. 前記押圧部材は、断面形状が、鍔部と該鍔部から前記スロットの外周方向へ向けて突起する先端部Ｕ字型の方形部とを有することを特徴とする請求項１に記載の電動機のステータ構造。
3. 前記押圧部材は、断面形状が、鍔部と該鍔部から前記スロットの外周方向へ向けて突起する長尺突起部とを有することを特徴とする請求項１に記載の電動機のステータ構造。
4. 前記押圧部材は、断面形状が、前記スロットの外周方向へ向けて突起する三角形状突起部を有することを特徴とする請求項１に記載の電動機のステータ構造。
5. 前記押圧部材は、断面形状が前記スロットの中心軸方向に沿って非対称となる突起形状を有することを特徴とする請求項１に記載の電動機のステータ構造。
6. 前記押圧部材の一方の側面は、前記スロットの一方の内面と接触すると共に、他方の側面と前記スロットの他方の内面との間に前記巻線が介在することを特徴とする請求項５に記載の電動機のステータ構造。
7. 略円環形状のバックヨークと、前記バックヨークから内周方向へ突出して形成された複数のティースと、前記ティース間に形成されるスロット内に挿入されて前記ティースに巻装される巻線とを備える電動機のステータを製造する製造方法において、
   前記スロット内に巻線を挿入した後、前記スロットの開口部近傍に前記巻線を外周方向に向かって押圧する押圧部材を挿入する工程を有し、
   前記押圧部材との接続部分にて、該押圧部材と略同一の断面形状を有し、且つ、前記スロットの外周方向に向く突起方向の長さが徐々に短く成るテーパ面を有する挿入用冶具を用いて、前記スロットの開口部近傍に前記押圧部材を挿入することを特徴とする電動機ステータの製造方法。

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