(57)【要約】【課題】圧縮応力の作用を抜本的に低減させ、低鉄損の積層ステータコアが実現でき、高効率な回転電機およびその製造方法を提供することにある。【解決手段】回転電機１００は、ステータコア１１２及び該ステータコアに巻回されたステータコイル１１４とを有するステータ１１０と、ステータの内周側に隙間を介して回転可能に保持されたロータ１２０とを有する。ステータコア１１２は、所定形状に加工された軟磁性薄板材の積層体で構成され、かつ、その積層方向と平行な外周面にステータコイルの巻線固定用樹脂と異なる樹脂からなる樹脂層１１２Ｘを備える。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステータコア及び該ステータコアに巻回されたステータコイルとを有するステータと、
該ステータの内周側に隙間を介して回転可能に保持されたロータとを有する回転電機であって、
前記ステータコアは、所定形状に加工された軟磁性薄板材の積層体で構成され、かつ、その積層方向と平行な外周面に前記ステータコイルの巻線固定用樹脂と異なる樹脂からなる樹脂層を備えることを特徴とする回転電機。
【請求項２】
ステータコア及び該ステータコアに巻回されたステータコイルとを有するステータと、
該ステータの内周側に隙間を介して回転可能に保持されたロータとを有する回転電機であって、
前記ステータコアは、所定形状に加工された軟磁性薄板材の積層体で構成され、かつ、該積層体を構成する軟磁性薄板材の間に前記ステータコイルの巻線固定用樹脂と異なる樹脂からなる樹脂層若しくは無機質層を備えることを特徴とする回転電機。
【請求項３】
請求項１若しくは請求項２記載の回転電機において、
前記ステータコアは、内周側に開口するとともに、前記ステータコイルを寛解するためのスロットを有し、
該スロットは、周方向の幅が外周側が内周側よりも広い末広がりの形状を有することを特徴とする回転電機。
【請求項４】
ステータコア及び該ステータコアに巻回されたステータコイルとを有するステータと、
該ステータの内周側に隙間を介して回転可能に保持されたロータとを有する回転電機の製造方法であって、
前記ステータコアは、所定形状に加工された軟磁性薄板材を積層して積層体を構成した後、その積層方向と平行な外周面に、前記ステータコイルの巻線固定用樹脂と異なる樹脂からなる樹脂層を被覆することを特徴とする回転電機の製造方法。
【請求項５】
ステータコア及び該ステータコアに巻回されたステータコイルとを有するステータと、
該ステータの内周側に隙間を介して回転可能に保持されたロータとを有する回転電機の製造方法であって、
前記ステータコアは、ステータ巻線固定樹脂と異なる樹脂あるいは無機物層が表面に被覆された所定形状の軟磁性薄板材を積層して積層体を構成することを特徴とする回転電機の製造方法。
【請求項６】
ステータコア及び該ステータコアに巻回されたステータコイルとを有するステータと、
該ステータの内周側に隙間を介して回転可能に保持されたロータとを有する回転電機の製造方法であって、
前記ステータコアは、所定形状に加工された軟磁性薄板材を積層して積層体を構成した後、積層体を構成する前記軟磁性薄板材の間にステータ巻線固定樹脂と異なる樹脂を浸透させることを特徴とする回転電機の製造方法。
【請求項７】
請求項５〜請求項７のいずれかに記載の回転電機の製造方法において、
軟磁性薄板積層体の積層方向と平行な外周面の内、内周面に形成されたステータ巻線固定樹脂と異なる樹脂層を凹部充満樹脂以外を削ぎ落すことを特徴とする回転電機の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、積層コアをステータコアとし、ステータコイルの巻線が樹脂で固着される回転電機およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
誘導モータ等の産業用モータには、近年の地球温暖化対策として、高効率化による消費電力量の削減が求められている。高効率化には、モータ運転中の損失低減が必須であり、損失低減対策が多角的な視点から検討されている。特に、交番磁界が作用することでステータコアに発生する鉄損は、積層コア構成材である軟磁性薄板の電気抵抗、厚さ依存性を有するため、積層コア構成材として主流の電磁鋼板では、鉄損低減対策として高抵抗化、薄板化が急速に進展してきている。このような先進的な電磁鋼板を用いることで、鉄損低減が図られている。しかし、電磁鋼板の高抵抗化、薄板化は、その製造上限界に近付きつつあり、積層コア構成材特性向上以外による鉄損低減が望まれている。
【０００３】
一方、鉄損は、積層コア及びモータ組立工程において積層コアに作用する圧縮応力によって増大することが知られており、完成モータにおける鉄損は、積層コア素材鉄損特性と使用量の積で表わされる、いわゆる理想鉄損値から乖離する。この積層コアに作用する圧縮応力を低減することができれば、従来にない低鉄損、高効率のモータを実現できる。
【０００４】
積層コア構成材料に電磁鋼板を用いる一般的なかご型誘導モータの場合、ステータコアは、フープ状の電磁鋼板から打ち抜かれた所定形状の単板コアを積層して形成される。積層ステータコア形成後、積層コアに設けられたスロット内に巻線を挿入しコイルエンドの結線、端末処理を経て、ハウジングに焼嵌め固定される。このステータコア組立工程において、積層ステータコアに圧縮応力が作用する工程の一つが、ハウジングの焼嵌め工程である。ハウジング焼嵌めに対しては、コア形状を検討し焼嵌め圧縮応力緩和、鉄損低減を図る試みが知られている（例えば、非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】玉村ら：コンプレッサ用高効率ブラシレスモータ：Matsushita Technical Journal, Vol.51, No.1, pp.26-29 (2005)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、非特許文献１では、電磁鋼板の薄手化効果も含め、鉄損低減は２０％程度に留まっており、圧縮応力低減の効果は十分とは言えない。このことは、ハウジング焼嵌めとは異なる別の圧縮応力作用工程が存在し、それが圧縮応力による鉄損増大の支配的要因となっていることが考えられる。
【０００７】
本発明の目的は、圧縮応力の作用を抜本的に低減させ、低鉄損の積層ステータコアが実現でき、高効率な回転電機およびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明は、ステータコア及び該ステータコアに巻回されたステータコイルとを有するステータと、該ステータの内周側に隙間を介して回転可能に保持されたロータとを有する回転電機であって、前記ステータコアは、所定形状に加工された軟磁性薄板材の積層体で構成され、かつ、その積層方向と平行な外周面に前記ステータコイルの巻線固定用樹脂と異なる樹脂からなる樹脂層を備えるようにしたものである。  
かかる構成により、圧縮応力の作用を抜本的に低減させ、低鉄損の積層ステータコアが実現でき、高効率なものとすることができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、圧縮応力の作用を抜本的に低減させ、低鉄損の積層ステータコアが実現でき、高効率なものとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態による回転電機の全体構成を示す、部分断面の斜視図である。
【図２】本発明の一実施形態による回転電機に用いるステータコアの構成を示す平面図である。
【図３】本発明の一実施形態による回転電機の製造方法を示す工程図である。
【図４】本発明の一実施形態による回転電機に用いるステータコアの構成を示す要部断面図である。
【図５】本発明の一実施形態による回転電機に用いるステータコアの他の構成を示す要部断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図１〜図４を用いて、本発明の一実施形態による回転電機の構成について説明する。  
最初に、図１を用いて、本実施形態による回転電機の全体構成について説明する。  
図１は、本発明の一実施形態による回転電機の全体構成を示す、部分断面の斜視図である。
【００１２】
ここでは、回転電機として、積層コア構成材料に電磁鋼板を用いる一般的なかご型誘導モータを例にして説明する。
【００１３】
回転電機１００は、ステータ１１０と、ロータ１２０とを備えている。ステータ１１０は、ハウジング１３０の内周側に焼嵌めにより固定される。ステータ１１０は、ステータコア１１２と、ステータコア１１２のスロットに巻回されたステータコイル１１４とから構成される。ステータコイル１１４の内、ステータコア１１２の両端部から突出したコイルエンド部およびスロット内巻線は、ワニスにより固着される。
【００１４】
ハウジング１３０の一方の開口端には、フロントブラケット１４０Ｆが固定され、他方の開口端には、リアブラケット１４０Ｒが固定されている。ブラケット１４０Ｆ，１４０Ｒは、略円盤状であり、その中央部には、軸受１５０Ｆ，１５０Ｒがそれぞれ取り付けられている。
【００１５】
軸受１５０Ｆ，１５０Ｒは、出力軸１６０を回転可能に支持している。出力軸１６０には、ロータ１２０が固定されている。ロータ１２０は、ステータ１１０の内周側に位置するとともに、ステータ１１０の内周とロータ１２０の外周との間には、所定の空隙が形成されている。
【００１６】
また、出力軸１６０の一方の端部には、冷却ファン１７０が固定されている。出力軸１６０が回転することで、冷却ファン１７０が回転し、モータ１００を冷却する。冷却ファン１７０の外側には、ファンカバー１８０が取り付けられている。
【００１７】
次に、図２を用いて、本実施形態による回転電機に用いるステータコアの構成について説明する。  
図２は、本発明の一実施形態による回転電機に用いるステータコアの構成を示す平面図である。
【００１８】
図２のステータコア１１２は、図１におけるステータコア１１２を出力軸１６０の軸方向から見た状態を示している。
【００１９】
ステータコア１１２は、電磁鋼板等の軟磁性薄板を複数枚積層した積層コアである。
【００２０】
ステータコア１１２を出力軸の軸方向から見た場合、円環状である。円環の内周側には、スロット１１２Ｓが形成されている。スロット１１２Ｓは、ステータコア１１２を構成する１枚の薄板をプレスにより打ち抜き加工される際に、同時に形成される。複数のスロット１１２Ｓは、周方向に等間隔に設けられている。図示の例では、３６個のスロット１１２Ｓが設けられている。スロット１１２Ｓは、その内周側が開口しており、外周側は袋状に閉じている。スロット１１２Ｓの開口部の幅は、その外周側のスロット１１２Ｓの本体部の幅よりも狭くなっている。また、第１のスロットとそれに隣接する第２のスロットの間には、ステータコア歯部が形成されている。ステータコア歯部の周方向の幅は、一定である。従って、スロット１１２Ｓの周方向の幅は一定ではなく、外周側におけるスロット１１２Ｓの幅は、内周側におけるスロット１１２Ｓの周方向の幅よりも広く、開口側から見た場合、末広がりのスロットとなっている。
【００２１】
あるスロットと、そのスロットからいくつか飛ばされた（隣接してない）他のスロットに、導線が挿入され、巻回されて、ステータコイル１１４が構成される。
【００２２】
また、ステータコア１１２は、スロット１１２Ｓの位置よりも外周側に、複数のかしめ部１１２Ｋを備えている。この例では、８個のかしめ部１１２Ｋが設けられている。かしめ部１１２Ｋは、例えば、紙面手前から見た時凹部の場合、紙面奥側には凸部となる。この凸部が奥側に隣接する次の薄板のかしめ部の凹部と噛み合って、かしめにより複数の薄板が結合され、積層コアが構成される。
【００２３】
次に、図３を用いて、本実施形態による回転電機の製造方法について説明する。  
図３は、本発明の一実施形態による回転電機の製造方法を示す工程図である。
【００２４】
最初に、ステータコアの製造工程について説明する。
【００２５】
まず、ステップＳ１０において、フープ状の電磁鋼板が用意される。そして、ステップＳ２０において、所定のコア形状となるように、電磁鋼板が打ち抜かれて、所定形状の単板コアが形成される。この単板コアが所定枚数積層されて、積層コアが形成される。次に、ステップＳ３０において、積層コアに設けられたスロット内に巻線が挿入され、ステータコイルが巻回される。次に、ステップＳ４０において、コイルエンドの結線、端末処理を行う。次に、ステップＳ５０において、コイルエンドおよびスロット内巻線を固定するためのワニス処理を行う。最後に、ステップＳ６０において、加熱して膨張したハウジングの内周側に、ステータを挿入し、その後冷却することで、ステータは、ハウジングに焼嵌め固定される。
【００２６】
次に、ロータコアの製造工程について説明する。
【００２７】
まず、ステップＳ７０において、フープ状の電磁鋼板が用意される。そして、ステップＳ８０において、所定のコア形状となるように、電磁鋼板が打ち抜かれて、所定形状の単板コアが形成される。この単板コアが所定枚数積層されて、積層コアが形成される。一方、ステップＳ９０において、ロータバーをダイキャストにより製作する。そして、ステップＳ１００において、ロータの中心にシャフトを挿入する。
【００２８】
その後、ステップＳ１１０において、ステップＳ１０〜Ｓ６０にて製作したハウジングに固定されたステータに対して、ステップＳ７０〜Ｓ１００にて製作されたロータを挿入して、誘導モータが製作される。
【００２９】
次に、本発明に至る検討結果について説明する。
【００３０】
本発明者等は、前述の課題を解決するために、積層ステータコアにおける応力状態変化を調査し、積層ステータコア間に浸透する巻線固定用樹脂が圧縮応力発生の原因であることを突きとめ、本発明に至った。
【００３１】
以下、積層コア間に浸透した樹脂による圧縮応力発生メカニズムを説明する。従来の製法では、ステータ巻線を樹脂（例えば、ワニス）により固定しようとすると、接着作用を有する巻線固定用樹脂が積層されたコアの薄板の間に浸透し、積層コアの構成材である軟磁性薄板材の表面凹凸内を充填し、固化する。
【００３２】
軟磁性薄板材表面凹凸を充填する樹脂は、固化の際に体積収縮を起こし、樹脂を挟む上下の軟磁性薄板材距離を収縮させる。軟磁性薄板材の表面には、その製造過程で生じる凹凸が存在するため、上下の軟磁性薄板材どうしは樹脂を介在することなく接触し、樹脂固化収縮に伴う軟磁性薄板材の移動が拘束される。その結果、軟磁性薄板材には、積層方向に引張応力が作用することになり、積層方向と直交する半径方向、円周方向には、圧縮応力が作用することになり、積層コア鉄損を増大させる。
【００３３】
上述の積層ステータコアにおける圧縮応力発生メカニズムに基づき、本発明においては、積層ステータコアに作用する圧縮応力の低減、鉄損低減を達成するために、積層コア間に固着作用のある樹脂の浸透のない積層ステータコア、あるいは固着作用のある樹脂が積層コア間に浸透しても圧縮応力の起源となる接着作用の阻害処置が講じられた積層ステータコアで構成されるようにしたものである。
【００３４】
次に、図４を用いて、本実施形態による回転電機に用いるステータコアの構成について説明する。  
図４は、本発明の一実施形態による回転電機に用いるステータコアの構成を示す要部断面図である。
【００３５】
積層ステータコア１１２は、複数枚の軟磁性薄板材１１２Ｐが積層されている。各軟磁性薄板材１１２Ｐの間には、軟磁性薄板材の表面凹凸による空間１１２Ｇが存在する。積層ステータコア１１２の積層方向に平行な側面（図２に示したステータコアが紙面の奥方向まで延在している筒状の形状の積層コアの、外周面およびスロット内面を含む内周面）に、ステータ巻線固定用樹脂と異なる樹脂層１１２Ｘが被覆された構造を有する。
【００３６】
積層方向側面に被覆された樹脂層１１２Ｘは、ステータ巻線固定用樹脂（ワニス等）が積層コア間に浸透するのを防止する浸透防止層となる。ステータ巻線固定用樹脂（ワニス等）が積層コア間に浸透するのを防止できることで、空間１１２Ｇにはワニスが浸透しないため、積層ステータコアの半径方向、円周方向に圧縮応力が作用することを防止可能となる。
【００３７】
ここで、樹脂層１１２Ｘには、ステータ巻線固定用樹脂（ワニス等）とは異なる樹脂を用い、例えば、シリコーン樹脂、フッ素樹脂等の耐熱温度が２００℃以上の電気絶縁性を有する樹脂を用いる。
【００３８】
樹脂層１１２Ｘの被覆方法としては、樹脂溶液中への浸漬、スプレー塗布、滴下等の手法が適用可能である。樹脂層１１２Ｘの形成は、図２のステップＳ２０におけるステータコアの打ち抜き・積層工程で、積層後に行われる。
【００３９】
なお、ステータコア・スロット内面に被覆される樹脂層は、その一部分がモータ運転中に剥離し、絶縁不良等の問題を起こさないように、樹脂層被覆後に所定厚さ以下に削ぎ落とす。
【００４０】
なお、図４では、積層ステータコア１１２の側面のステータ巻線固定用樹脂と異なる樹脂層１１２Ｘにより、ステータ巻線固定用樹脂の積層コア間への浸透が完全に阻害され、積層コア構成材の軟磁性薄板材間が空隙１１２Ｐとなる場合を示しているが、ステータ巻線固定樹脂が軟磁性薄板材間を完全に充満しない限り、ステータ巻線固定用樹脂が積層コア間に浸透しても、本発明の効果が得られる。
【００４１】
次に、図５を用いて、本実施形態による回転電機に用いるステータコアの他の構成について説明する。  
図５は、本発明の一実施形態による回転電機に用いるステータコアの他の構成を示す要部断面図である。
【００４２】
この例では、図５に示すように、積層ステータコア１１２’の積層コア間にステータ巻線固定用樹脂と異なる樹脂層あるいは無機質層１１２Ｙを内在する構造を有する。内在樹脂層あるいは無機質層１１２Ｙが積層コア構成材の軟磁性薄板１１２Ｐの凹凸間の空隙（図４における空間１１２Ｇ）を充填することで、ステータ巻線固定用樹脂の積層コア間への浸透を防止できる。
【００４３】
なお、図５では、ステータ巻線固定用樹脂と異なる樹脂層あるいは無機質層１１２Ｙが完全に軟磁性薄板１１２Ｐの凹凸間空隙に充填される場合を示しているが、積層コア構成材２２間の内在樹脂層あるいは無機質層１１２Ｙは、軟磁性薄板１１２Ｐの表面（両面あるいは片面）とステータ巻線固定樹脂の接触を阻害するに足る量で極薄く被覆され、軟磁性薄板１１２Ｐの凹凸間に内在樹脂層あるいは無機質層１１２Ｙと空隙が混在していても本発明の効果が得られる。
【００４４】
積層コア間内在樹脂層あるいは無機質層１１２Ｙは、樹脂としてはシリコーン樹脂、フッ素樹脂等の耐熱樹脂を用い、無機質として黒鉛、窒化ホウ素等離型作用を有す無機質粉末を用いる。内材被覆方法には、樹脂溶液中への浸漬、スプレー塗布、滴下等の手法が適用可能である。内在樹脂層あるいは無機質層１１２Ｙの形成方法としては、コア打ち抜き前の軟磁性薄板材表面に樹脂溶液、無機質粉末懸濁溶液を浸漬、滴下、スプレー、ロールコータ等により塗布、皮膜形成後に、コア打抜き、積層する方法が適用できる。この他、積層コア間が空隙である従来積層ステータコアを樹脂溶液、無機質粉末懸濁溶液中に浸漬し、積層コア間に樹脂溶液、無機質粉末懸濁溶液を浸透させ、積層コア間に内在樹脂層あるいは無機質層１１２Ｙを形成する方法も可能である。
【００４５】
以上の積層ステータコアでは、ステータコア・スロット内面の積層コア側面の樹脂層１１２Ｘ、スロット内面にはみだして被覆される内在樹脂層あるいは無機質層１１２Ｙの一部分がモータ運転中に剥離し、絶縁不良等の問題を起こす可能性があり、樹脂層被覆あるいは内在樹脂層あるいは無機質層形成後に、スロット内面の樹脂、無機質被覆層を所定厚さ以下に削ぎ落とすことが望ましい。
【００４６】
次に、本発明の効果について説明する。ここでは、回転電機として、出力２．２ｋＷ−４極かご型誘導モータを対象とした実施例、比較例と対比して説明する。
【００４７】
共通条件として、ステータ、ロータコアには、５０Ａ７００相当の電磁鋼板を用い、打抜きコアの積層方法にはカシメにより型内積層を用いた。巻線挿入後に不飽和ポリエステル系ワニスをコイルエンド上に滴下し、１３０℃で１ｈｒ大気中で加熱しワニスを固化させ、コイルエンドおよびスロット内巻線を固定するステータコア組立法を用いた。ハウジングには、アルミ合金ダイキャスト製を用い、ハウジングを所定の温度に加熱後、ステータ巻線固定済みステータコアを挿入して焼嵌めた。
【００４８】
上記を共通条件として、以下の実施例、比較例の２．２ｋＷ−４Ｐのかご型誘導モータを製作し、その損失を測定することで本発明の効果を検証した。製作した実施例、比較例におけるロータの製造条件は、同一条件としている。
【００４９】
実施例１では、巻線挿入前に積層方向と平行な積層ステータコア外周面およびスロット内面を含む内周面にシリコーン樹脂をコーティングした積層ステータコアを製作した。シリコーン樹脂コーティングは、シリコーン樹脂が水中に懸濁したエマルジョン溶液に積層コアを浸漬し、引上げ、乾燥させることで行った。
【００５０】
実施例２では、片側表面にシリコーン樹脂を塗布した電磁鋼板を打抜き、積層することで積層コア間にシリコーン樹脂が内在するステータコアを製作した。打抜き前の電磁鋼板へのシリコーン樹脂塗布は、シリコーン樹脂のエマルジョン溶液をスプレー噴霧により実施した。
【００５１】
比較例は、従来工程に沿って製作された積層ステータコアを用いたもので、損失測定後にステータコアを解体したところ、積層コア間にステータ巻線固定用ワニスが浸透しており、積層コアがステータ巻線固定用ワニスで強固に固着されていた。
【００５２】
これらの積層ステータコアを用いて製作した２．２ｋＷ−４極かご型誘導モータの２００Ｖ／５０Ｈｚにおける実負荷試験および損失測定結果を（表１）に示す。
【００５３】
【表１】
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【００５４】
積層ステータコアの圧縮応力低減対策を施した実施例１、２では、比較例に対し鉄損が約３０％低減され、その結果、実施例１、２の効率はそれぞれ１．８％、１．３％、従来技術である比較例より大幅に改善されることが確認できた。
【００５５】
ところで、実施例１、２では、鉄損に加え、１次銅損も比較例に対し有意な低下を示している。これは、実施例では積層ステータコアの特にティース部における圧縮応力の作用が弱まるためにティース部コアの透磁率が比較例に対し高くなったことによる本発明の副次的な効果と言える。
【００５６】
以上説明したように、本実施形態によれば、ステータ巻線固定樹脂の積層ステータコア間への浸透を防止可能となり、また、浸透した場合でもステータ巻線固定樹脂と積層コアが分離され、ステータ巻線固定樹脂の固化・体積収縮の影響を排除することが可能となり、従来モータにおいて不可避的に発生していた積層コア半径方向、円周方向に圧縮応力を低減でき、低鉄損で高効率モータを得ることができる。
【符号の説明】
【００５７】
１００…回転電機
１１０…ステータ
１２０…ロータ
１３０…ハウジング
１４０Ｆ，１４０Ｒ…ブラケット
１５０Ｆ，１５０Ｒ…軸受
１６０…出力軸
１７０…冷却ファン
１８０…ファンカバー
１１２，１１２’…積層ステータコア
１１２Ｇ…空間
１１２Ｐ…軟磁性薄板材
１１２Ｘ…樹脂層
１１２Ｙ…樹脂層あるいは無機質層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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