(57)【要約】【課題】  巻線の発生熱を効率よく冷却できる電動機の固定子を提供する。【解決手段】  本発明の電動機の固定子は、電磁鋼板を積層した積層体で構成され、積層方向の両端部のティース部の幅が中央部のティース部の幅よりも細い固定子コアと、固定子コアを絶縁性樹脂でモールドすることによりティース部の表面に形成された絶縁体と、絶縁体上に装着された巻線と、を備える。【選択図】  図２
2010268586.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁鋼板を積層した積層体で構成され、積層方向の両端部のティース部の幅が中央部のティース部の幅よりも細い固定子コアと、
前記固定子コアを絶縁性樹脂でモールドすることにより前記ティース部の表面に形成された絶縁体と、
前記絶縁体上に装着された巻線と、を備える電動機の固定子。
【請求項２】
前記絶縁性樹脂の熱伝導率が、０．５［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］以上、１８［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］以下であることを特徴とする請求項１記載の電動機の固定子。
【請求項３】
前記絶縁性樹脂の熱伝導率が、０．５［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］以上、１４［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］以下であることを特徴とする請求項２記載の電動機の固定子。
【請求項４】
前記絶縁性樹脂が、熱可塑性樹脂であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電動機の固定子。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の固定子を略円形状に複数並べた固定子群と、
永久磁石を含み、前記固定子群で囲まれた空間内に前記固定子群と空隙を介して設けられた回転子と、を備える電動機。
【請求項６】
電動機の固定子の製造方法であって、
積層方向の両端部のティース部の幅が中央部のティース部の幅よりも細くなるように、ティース部の幅が異なる２種類の電磁鋼板を積層することにより、固定子コアを形成し、
絶縁体である絶縁性樹脂で前記固定子コアをモールドすることにより、当該絶縁体を前記ティース部の表面に形成し、
前記ティース部の表面に形成された前記絶縁体上に巻線を装着する、電動機の固定子の製造方法。
【請求項７】
前記絶縁性樹脂の熱伝導率が、０．５［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］以上、１８［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］以下であることを特徴とする請求項６記載の電動機の固定子の製造方法。
【請求項８】
前記絶縁性樹脂の熱伝導率が、０．５［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］以上、１４［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］以下であることを特徴とする請求項７記載の電動機の固定子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、各種産業用機器に使用される電動機の固定子、当該固定子の製造方法、および当該固定子を用いた電動機に関する。
【背景技術】
【０００２】
電動機の小形化、高性能化のためには、電気装荷の向上、磁気装荷の向上、および効率的な冷却が求められる。特に、電動機の大きさは内部で発生する熱に制約されるため、電動機の小形化のためには、巻線の発生熱を効率よく冷却する必要がある。
【０００３】
巻線の発生熱を冷却する第１の従来技術として、固定子コアの積層方向の両端部のティース部の幅を中央部のティース部の幅よりも細くすることにより、固定子コアと巻線の密着性を向上させた固定子が知られている（例えば、特許文献１参照）。第１の従来技術では、巻線と固定子コア間を絶縁する絶縁体を、スロット絶縁板とエンドインシュレータという複数の部材を組み合わせることにより構成している（例えば、特許文献１の図３参照）。
【０００４】
巻線の発生熱を冷却する第２の従来技術として、巻線と固定子コア間を絶縁する絶縁体を固定子コアの表面に薄肉に形成することで、巻線と固定子コア間の熱伝達を優れたものにした固定子が知られている（例えば、特許文献２参照）。第２の従来技術では、絶縁体である絶縁性樹脂で固定子コアをモールドして固定子コアと絶縁体を一体成形することで、絶縁体を固定子コアの表面に薄肉に形成している。第２の従来技術では、固定子コアのティース部の幅は一定である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−１４１１７３号公報
【特許文献２】特開平０９−１７２７４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
第１の従来技術においては、ティース部の幅が一定でないために固定子コアの角部における絶縁体と巻線との間に空隙が形成され、またその空隙は埋められていない。すなわち、固定子コアの角部における絶縁体と巻線との間には熱抵抗の大きな空隙が形成されたままとなっている。このため、巻線と固定子コア間の熱伝達が不十分となり、巻線の発生熱を効率よく冷却することができないという問題があった。このように、第１の従来例の固定子は、巻線の発生熱を効率よく冷却することができるものではなく、電動機を小形化および高性能化することは困難であった。また、第１の従来例の固定子では、絶縁体を、スロット絶縁板とエンドインシュレータという複数の部材を組み合わせることにより構成している。このため、絶縁体の構成が複雑であるのに加えて絶縁体の製造に手間がかかり、さらには絶縁体や固定子が大きくなるという問題もあった。
【０００７】
第２の従来技術において、巻線の発生熱を効率よく冷却するために、熱伝導率の高いフィラーが多量に含有した熱伝導率の高い絶縁性樹脂で固定子コアをモールドしたとする。しかしながら、熱伝導率が高い絶縁性樹脂は流動性が悪い。このため、熱伝導率が高い絶縁性樹脂で固定子コアをモールドしても、熱伝導率が高い絶縁性樹脂を固定子コアの表面に薄肉に成形できず、巻線の発生熱を効率よく冷却することはできないという問題があった。このように、第２の従来技術の固定子では、巻線の発生熱を効率よく冷却することができず、電動機を小形化および高性能化することは困難であった。
【０００８】
本発明の目的は、巻線の発生熱を効率よく冷却できる電動機の固定子、当該固定子の製造方法、および当該固定子を用いた、高性能かつ小形の電動機を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため、本発明は以下の構成を備える。
請求項１記載の発明は、電動機の固定子に関するものであり、電磁鋼板を積層した積層体で構成され、積層方向の両端部のティース部の幅が中央部のティース部の幅よりも細い固定子コアと、固定子コアを絶縁性樹脂でモールドすることによりティース部の表面に形成された絶縁体と、絶縁体上に装着された巻線と、を備える電動機の固定子である。
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、絶縁性樹脂の熱伝導率が、０．５［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］以上、１８［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］以下であることを特徴とするものである。
請求項３記載の発明は、請求項２記載の発明において、絶縁性樹脂の熱伝導率が、０．５［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］以上、１４［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］以下であることを特徴とするものである。
請求項４記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の発明において、絶縁性樹脂が、熱可塑性樹脂であることを特徴とするものである。
請求項５記載の発明は、電動機に関するものであり、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の固定子を略円形状に複数並べた固定子群と、固定子群で囲まれた空間内に固定子群と空隙を介して設けられた回転子と、を備える電動機である。
請求項６記載の発明は、電動機の固定子の製造方法に関するものであり、積層方向の両端部のティース部の幅が中央部のティース部の幅よりも細くなるように、ティース部の幅が異なる２種類の電磁鋼板を積層することにより、固定子コアを形成し、絶縁体である絶縁性樹脂で固定子コアをモールドすることにより、当該絶縁体をティース部の表面に形成し、ティース部の表面に形成された絶縁体上に巻線を装着する、電動機の固定子の製造方法である。
請求項７記載の発明は、請求項６記載の発明において、絶縁性樹脂の熱伝導率が、０．５［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］以上、１８［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］以下であることを特徴とするものである。
請求項８記載の発明は、請求項７記載の発明において、絶縁性樹脂の熱伝導率が、０．５［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］以上、１４［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］以下であることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１０】
請求項１記載の発明によれば、固定子コアは、積層方向の両端部のティース部の幅が中央部のティース部の幅よりも細く、固定子コアの角部の段差が形成される。このため、熱伝導率が高い絶縁性樹脂で固定子コアをモールドしても、熱伝導率が高い絶縁性樹脂（つまり絶縁体）を、固定子コアの角部以外のティース部の表面に薄肉に形成することができる。また、巻線と絶縁体の間に熱抵抗の大きな空隙を形成しなくて済むので、巻線の発生熱の冷却を大幅に改善することができる。このように、請求項１記載の発明によれば、巻線の発生熱を効率よく冷却できる電動機の固定子を提供することができる。
請求項２および３記載の発明によれば、従来よりも熱伝導率が高い絶縁性樹脂からなる絶縁体を、成形不良を起こすことなく固定子コアのティース部の表面に薄肉に形成することができ、巻線の発生熱を従来よりも効率よく冷却することができる。
請求項５記載の発明によれば、より多くの電流を巻線に流すことが可能となり、高トルクの電動機を実現することができる。さらに、より径の小さな巻線を用いることが可能となるので、小形化した電動機を提供できる。
請求項６乃至８の発明によれば、絶縁性樹脂で固定子コアをモールドすることにより絶縁体を形成するので、自動化が容易で、歩留まりも高く、生産性が高い電動機の固定子の製造方法が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施例に係る電動機の構成例を示す図
【図２】本発明の実施例に係る電動機の固定子の断面図
【図３】本発明の実施例に係る電動機の固定子の断面図
【図４】本発明の実施例に係る固定子コアの斜視図
【図５】比較例１に係る電動機の固定子の断面図
【図６】比較例２に係る電動機の固定子の断面図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。本実施形態で参酌する図面では、発明の理解を容易にするため、各要素が模式的に示されている。
【実施例】
【００１３】
図１は、本発明の実施例に係る電動機の構成例を示す図である。電動機３００は、複数の固定子１００からなる固定子群と回転子２００とを備える。複数の固定子１００は、互いに隣接するように並べられ、かつ略円形状に並べられている。回転子２００は、表面に設けられた複数の永久磁石２０１を含み、複数の固定子１００で囲まれた空間内に配置される。回転子２００と複数の固定子１００との間には空隙が形成される。図１では、各永久磁石２０１は、回転子２００の表面に設けられていたが、回転子２００の内部に設けられてもよい。
【００１４】
図２および図３は、図１に示した固定子１００の断面図であり、図２は、回転子２００の回転軸と平行な方向に固定子１００を切断したときの断面図であり、図３は、回転子２００の回転軸に対して垂直な方向に固定子１００を切断したときの断面図である。図４は、本発明の実施例に係る固定子コアの斜視図であり、図４（ａ）は、２種類の積層体を分解した様子を示す図であり、図４（ｂ）は、２種類の積層体を一体にした様子を示す図である。
固定子１００は、固定子コア１、巻線６、および絶縁体７を備える。固定子コア１はヨーク部２およびティース部３を有する。ここで、固定子コア１はティース部３の幅のみ異なる２種類の電磁鋼板を積層して形成された２種類の積層体により構成される。図２および図４に示すように、固定子コア１の中央部は第１積層体４で構成され、固定子コア１の両端部は第２積層体５で構成される。第２積層体５のティース部３の幅（ｔｅ）は、第１積層体４のティース部３の幅（ｔｃ）よりも小さい。すなわち、ｔｅとｔｃの関係は、ｔｅ＜ｔｃとなる。
【００１５】
図３に示すように、固定子コア１のティース部３の凹部（巻線形成領域）には薄肉の絶縁体７が形成され、この絶縁体７の上には巻線６が装着されている。絶縁体７は、熱伝導率が高い絶縁性樹脂であり、当該絶縁性樹脂で固定子コア１をモールドすることにより、固定子コア１と一体成形され、固定子コア１のティース部３の凹部に薄肉に形成される。本実施例では、図２に示すように、固定子コア１の第２積層体５のティース幅が第１積層体４のティース幅よりも小さいので、絶縁体７の角部８の肉厚は他の部分の肉厚よりも厚くなっている。
【００１６】
上述したように、第２の従来技術では、熱伝導率が高い絶縁性樹脂は流動性が悪いため、固定子コアを熱伝導率が高い絶縁性樹脂でモールドしても、成形不良を起こし、熱伝導率が高い絶縁性樹脂を固定子コアの表面に薄肉に形成できなかった。
これに対し、本実施例では、絶縁体７に角部８が形成される。つまり、固定子コア１の角部に段差が形成される。この角部の段差により、熱伝導率が高い絶縁性樹脂の流動性を改善できる。このため、固定子コア１を熱伝導率が高い絶縁性樹脂でモールドしても、成形不良を起こすことなく、絶縁体７の角部８以外の部分を比較的容易に薄肉に形成することができる。
なお、熱伝導の観点から考えると、物質の厚さに比例して放熱性（冷却性）が低下するので、厚肉である絶縁体７の角部８は望ましくない。しかしながら、その他の絶縁体７の薄肉部分と比較すると、巻線６と接触する角部８の接触面積の割合はわずかである。つまり、絶縁体７の角部８による放熱性の低下よりも角部８以外の薄肉部分による冷却効果の方がはるかに大きいため、全体として巻線の発生熱を効率よく冷却することができる。
【００１７】
また、絶縁体７を固定子コア１と一体成形することにより、巻線６と絶縁体７の間から、熱抵抗の大きな空隙をなくすことができる。すなわち、固定子コア１のティース部３の表面に、熱伝導率が高い絶縁体７を薄肉に空隙なく形成することができ、巻線６の発生熱の冷却を大幅に改善することができる。また、絶縁体７を固定子コア１と一体成形しているので、製造において自動化が容易で、歩留まりも高くなる。
【００１８】
また、絶縁体７の角部８に比較的大きなＲを設けることが容易であるので、絶縁体７と巻線６の間に空隙を作ることなく巻回することが可能となるため、巻線からの放熱性はさらに改善できる。
【００１９】
また、このような固定子を用いた電動機においては、より多くの電流を巻線に流すことが可能となり、高トルク化することができる。さらに、より径の小さな巻線を用いることが可能となるので、小形化することもできる。
【００２０】
また、絶縁体７の角部８は肉厚があるため、機械的強度にも優れており、巻線６に強い張力を加えながら巻回しても絶縁体７が破損することがないため、信頼性にも優れている。
【００２１】
また、固定子コア１は、２種類の積層体、つまりティース部３の幅のみ異なる２種類の電磁鋼板により構成される。電磁鋼板を固定子コア１の形状に打ち抜く金型は高価であるため、工業製品としてはコスト的に必要最小限の形状で実現する必要がある。これに対し、本実施例では、ティース部３の幅のみ異なる２種類の電磁鋼板を準備すればよいので、形状が全く異なる金型を２種類用意する必要がなく、コストアップを最小限に抑えることができる。
【００２２】
なお、本実施形態では、絶縁体７として、酸化アルミニウムの微粉末およびその他の成形性などを改善させる物質がフィラーとして含有された、熱伝導率が高い絶縁性樹脂である液晶ポリマー樹脂を用いた。このほかにも、熱伝導率が高く放熱に有効である絶縁性樹脂であれば、本実施例に適用可能である。
例えば、熱伝導の高いフィラーとしては、酸化アルミニウムの他にも、酸化ケイ素、酸化チタン、酸化マグネシウム、炭化ケイ素、窒化アルミニウム、或いは窒化ケイ素などの熱伝導性のセラミックスを用いることができる。他にも、導電性の金属系や炭素系のフィラーであっても、表面に絶縁被覆などを施すことによって絶縁性を改善したものであれば、本実施例に適用できる。さらに、液晶ポリマー樹脂の他にも、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）樹脂やナイロン（ＰＡ）樹脂などの熱可塑性樹脂も本実施例に適用できる。
【００２３】
以下、固定子コア１と絶縁体７を一体成形する際の成形性に関する実験結果を評価する。実験結果を表１に示す。なお、表１に示す実験では、図１に示した本実施例における固定子１００と、比較例１として図５に示す同一形状、同一ティース幅の電磁鋼板から構成される固定子コア１１をもつ固定子１０１とを用いた。固定子１００の絶縁体７および固定子１０１の絶縁体７ａとしては、表１記載の熱伝導率を有する絶縁性樹脂を用い、固定子１００および固定子１０１を各々１０個成形した。また、角部８以外の絶縁体７および絶縁体７ｂの肉厚はすべて０．２ｍｍとした。また、表１には、合格数／試験数を記載している。
【００２４】
【表１】
2010268586.tif 000003
【００２５】
表１からわかるように、本実施例では、１０［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］以下の熱伝導率を有する絶縁性樹脂を用いても全て問題なく成形できたが、１４［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］の熱伝導率を有する絶縁性樹脂では１個（１０個中）、１８［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］の熱伝導率を有する絶縁性樹脂では５個（１０個中）、２１［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］の熱伝導率を有する絶縁性樹脂では１０個（１０個中）の成形不良が発生した。ここで、成形不良は全て、絶縁性樹脂が成形途中で固化し全体に流れない現象によるもので、流動性不足が原因と考えられる。
一方、比較例１では、０．２［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］の熱伝導率を有する絶縁性樹脂でのみ全１０個が不良なく成形できたが、それより高い熱伝導率を有する絶縁性樹脂を用いた場合には、成形不良が発生し、３．５［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］以上の熱伝導率を有する絶縁性樹脂では全く成功することはできなかった。
【００２６】
以上のように、本実施例に係る固定子１００の成形性は、従来の比較例１に係る固定子１０１よりも良く、従来よりも熱伝導率が高い絶縁性樹脂を固定子コアの表面に薄肉に形成することができる。
【００２７】
なお、０．５［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］未満の熱伝導率を有する絶縁性樹脂では、本実施例の熱伝達の方が比較例１よりも、本実施例の角部８の分だけ若干ではあるが劣る。このため、本発明においては、熱伝導率が０．５［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］以上、１８［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］以下の絶縁性樹脂を絶縁体として用いることが望ましく、より望ましくは熱伝導率が０．５［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］以上、１４［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］以下の絶縁性樹脂を絶縁体として用いるのがよい。
【００２８】
なお、本実施形態に用いた絶縁体の熱伝導率の測定は、ＪＩＳ  Ｒ１６１１に基づき、リガク製ＬＦ／ＴＣＭ−ＦＡ８５１０Ｂを用いてレーザーフラッシュ法により行った。
【００２９】
次に、熱伝導率が０．９［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］の絶縁体を一体成形した固定子コアに巻線を巻回し、固定子コアと巻線間の絶縁性および絶縁体の機械的強度に関する実験結果を評価する。実験結果を表２に示す。なお、表２に示す実験では、図１に示した本実施例における固定子１００と、比較例１として図５に示した固定子１０１と、比較例２として図６に示すように図５に示す絶縁体７ａの角部にＲを設けて空隙９をなくした絶縁体７ｂをもつ固定子１０２とを各々１０個用意した。なお、比較例１および比較例２では成形不良のないものを選別して実験に用いた。また、表２には、合格数／試験数を記載している。
【００３０】
【表２】
2010268586.tif 000004
【００３１】
表２からわかるように、本実施例では、絶縁性および機械的強度の評価において、不具合は全く見られなかった。
一方、比較例１では、巻線の被覆損傷と考えられる絶縁不良が７個（１０個中）、絶縁体の角部の割れ発生が３個（１０個中）に見られた。
また、比較例２では、絶縁不良は比較例１よりも改善されたが、絶縁体の角部のＲによって当該角部の肉厚が極端に薄くなったので、巻線の巻回時の絶縁体の角部割れが全数で見られた。なお、比較例２の成形合格率は比較例１よりも低く、全く実用的ではない。
【００３２】
次に、熱伝導率が１０［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］の絶縁体を用いた図１に示した固定子１００を用いた電動機と、比較例１として熱伝導率が０．２［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］の絶縁体を用いた図４に示した固定子１０１を用いた電動機とを作成し、定格条件で駆動させて各電動機の巻線の温度上昇の比較を行った。その結果、本実施例の固定子１００を用いた電動機の巻線の温度上昇が１２［Ｋ］であったのに対し、比較例１の固定子１０１を用いた電動機の巻線の温度上昇は８８［Ｋ］であった。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明の電動機の固定子によれば、高性能かつ小形化の電動機を実現できるので、産業用機器などに用いられる電動機およびそれを内蔵した装置全般に広く適用できる。
【符号の説明】
【００３４】
１００、１０１、１０２    固定子
２００    回転子
３００    電動機
１、１１    固定子コア
２    ヨーク部
３    ティース部
４    第１積層体
５    第２積層体
６    巻線
７、７ａ、７ｂ    絶縁体
８    角部
９    空隙
【図１】
2010268586.tif 000005
【図２】
2010268586.tif 000006
【図３】
2010268586.tif 000007
【図４】
2010268586.tif 000008
【図５】
2010268586.tif 000009
【図６】
2010268586.tif 000010