JP2009142087A - 電動機及び電動機の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
生産性の向上と高効率化を図りながらも小型、薄型の電動機を提供する。
【解決手段】
円環形状の基部２’とこの基部２’から突出して周方向に複数形成される爪型磁極２ａとを有する成形体を、磁性粉を圧縮して成形し、この成形体が対向して配置される固定子コアを備え、一の成形体の爪型磁極の間に他の成形体の爪型磁極が位置するように構成した電動機において、成形体は基部２’の内周側であって爪型磁極２ａの間には、位置決め用の突起５ａが挿入される複数の凹状２ｂを有する。したがって、金型５において樹脂モールドする際に突起５ａによって位置決めすることができる。
【選択図】図６

Description

本発明は、電動機及び電動機の製造方法に関するものである。

電動機は駆動源として種々の用途に用いられており、様々な製品の内部に組み込まれて使用されることが多い。例えば、送風機、冷凍空調用の圧縮機、さらには、自動車のパワーウィンドウやワイパー等のいわゆる補機類等にも用いられている。このように、製品内部に組み込まれる電動機に関しては、高効率化だけではなく、小型化（薄型化）、あるいは組立性の向上が求められている。そして、高効率化、小型化、組立性の向上を図るためのロータあるいはステータの形状が検討されている。

特許文献１には、小型化や生産性の向上を図るためのステッピングモータの構成が開示され、特許文献２には、コアの回転方向の位置決めを行うために、コア平坦部の外周に位置決め用のＶ状溝を備えた構成が開示されている。また、特許文献３には、多相クローポール型モータが示され、磁性粉を圧縮成形することで製造の容易化を図りながらも複雑な形状の爪型磁極を得ることで、モータの高効率化を行っている。

特許文献４〜６には、コアの位置決めに関し、ボビンを用いた構成が開示されている。

特開2005-287288号公報 特開平4-17538号公報 特開2006-296188号公報 特開平8-116659号公報 特開2005-304164号公報 特開平10-295070号公報

製造性を向上しつつも電動機の小型化及び高効率化を図るには、コアの位置決めが重要となる。特に、磁極を有するコアを対向して配置する構成においては、両コアの位置ずれが磁界形成に影響を与えるため、位置決めの容易化を図ることが必要となる。

特許文献１は金属板を同一形状に成形したものを一対のステータとして用い、これに位置決め孔及び貫通孔を形成して位置決めを行っている。また、特許文献２ではコア平坦部の外周にＶ状溝を有し、位置決め用のスライダを用いてコアの回転方向の位置決めを行っている。さらに、特許文献３では、コアに凸部及び凹溝を設けること、あるいは、嵌合突起と嵌合孔を設け（図１５〜図１８参照）、これによって位置決めを図っている。

これらの特許文献１〜３に示されるようにコアに位置決め構造を設ける場合には、十分なコア強度が要求される。特許文献１では、金属板を金型で成形したコアを用いているため、位置決め孔を容易に成形できると考えられるが、コア強度が低い場合には貫通孔を設けることでさらに強度が低下し、その後の製造工程における取扱性や信頼性の低下を招くことになる。

特に、特許文献３は、磁性粉を圧縮成形したコアを用い、磁極の成形をしやすくしているものの、コア自体は磁性粉を圧縮したものに過ぎず、十分な強度を確保することは容易ではない。したがって、貫通孔を設けずに凹凸形状による位置決めを採用しているが、形状の複雑化を招いてしまう。複雑な形状の爪型磁極が得られることが圧縮成形のメリットの一つであるが、位置決め構造は、爪型磁極と異なり、位置決めがなされた後の電動機としては高効率化に寄与しないため、強度の面では単純な形状が望ましい。

特許文献４〜６はボビンを用いて位置決めを行っているが、特許文献４では、ボビンの位置決め用突部とコア外周部に設けた切欠きとの嵌合を用いるものであり（段落００３７等参照）、コアに位置決め構造を有する点において特許文献１〜３と同様の課題が生じ得る。

特許文献５〜６は、ボビンの内周側に突出する位置決め部を備えた例が開示され、これによってコアの位置決めを図っているが、これらはいずれもロータが配置される内周側に突出する構成であるため、位置決め部の存在が磁極の形状や磁極間の距離に影響を与え、高効率化に制約が生じてしまうものであった。

上述のように、特に磁性粉を圧縮成形したコアを用いる場合には、強度上、コア形状の単純化が必要となる。１相を形成する２つの対向したコア（以下、両コアを指して「上下コア」という。）の位置決めに際し、単純なコア形状での位置決めを可能とする方法及びそのときに生じ得る課題について一例を示しながら説明する。

図８は、コアの位置決めのために、コア外周の接合面に凹凸を設け、それを組み合わせることにより爪型磁極の間隔が等しくなるようにした例を示している。この例は、磁性粉を圧縮成形して圧粉磁心を得るにあたって、金型の応力集中による破損防止や、成形体を型から取り出す際に成形体のスプリングバックにより金型と固着し、成形体自身が破損してしまうことを防止するために、この凹凸の形状の側面を傾斜させた場合を示している。

この圧粉磁心は鉄粉が圧縮成形されて押し固められたものであるため、強度のほか、成形時の加圧方向に対しては寸法精度が得られ難い。したがって、凹凸の高さ方向バラツキが生じ得る。

このとき、互いに係合する凹凸のうち、凸部が凹部よりも高くなってしまった場合は上下コア接合面に隙間ができることになる（図８（ｂ）参照）。一方、逆に凸部が凹部深さよりも低くなってしまう場合は、凹凸間の側面に隙間が生じるため（図８（ｃ）参照）、上下コアの位置精度、特に回転方向の精度が悪くなり、位置ずれが生ずる。

これらの図８（ｂ）（ｃ）に示される状態は、電動機の特性を悪化させる原因となり、単に電動機の性能低下を招くだけではなく、電動機の性能のばらつき、すなわち、量産される電動機の個体差を生じやすいものとなっていた。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、生産性の向上と高効率化を図りながらも小型、薄型の電動機を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、円環形状の基部とこの基部から突出して周方向に複数形成される爪型磁極とを有する成形体を、磁性粉を圧縮して成形し、この成形体が対向して配置される固定子コアを備え、一の成形体の爪型磁極の間に他の成形体の爪型磁極が位置するように構成した電動機において、本願の第一の発明は、前記成形体は前記基部の内周側であって前記爪型磁極の間には、位置決め用の突起が挿入される複数の凹状を有することを特徴としている。

この第一の発明においては、前記凹状に、モールド金型に設けられた突起が挿入されることをさらなる特徴としている。

また、電動機の製造方法における発明は、上下金型で前記成形体を保持して樹脂モールドする工程で、前記上下金型に設けられた突起と、前記成形体に設けられる係合部とを係合し、対向配置される成形体の周方向の位置決めを行うことを特徴としている。

さらには、上下金型で前記成形体を保持して樹脂モールドする工程で、前記上下金型に設けられた突起と、前記基部の内周側であって前記爪型磁極の間に設けられる凹状とを係合することを特徴としている。

本発明によれば、生産性の向上と高効率化を図りながらも小型、薄型の電動機を提供することができる。

以下、図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。本欄では、ステータのコアに磁性粉を圧縮した成形体を対向して配置したものを用い、この圧粉磁心からなる成形体に特別な凹凸を付けずに位置決めをする構成を説明する。まず、図１及び図２を用いて本実施形態の電動機の構成を説明する。

図１は本実施形態の電動機に用いられるステータの１相分（符号３）の分解斜視図である。図１に示すように、上下コアは、磁性粉を圧縮して成形された圧粉コア２を対向したものが用いられ、これによって固定子コアを構成している。すなわち、本実施形態では、同一形状の圧粉コア２を対向配置することで１相分の上下コアを構成している。

圧粉コア２には爪型磁極２ａが複数形成されており、一方の圧粉コア２の爪型磁極２ａと他方の圧粉コア２の爪型磁極２ａとが互いに干渉しないように、上下コアが組み合わされる。したがって、本実施形態に示す例では、上下コア合わせて２４の爪型磁極がステータの内周面に隣り合って配置されることになる。

これらの対向配置される圧粉コア２に挟まれてボビン１が挟持されている。ボビン１にはコイルが巻き回され、このコイルに電流を流すことによって電動機が回転する。また、ボビン１にはコア位置決め用の突起１ａを備えている。突起１ａの作用効果については後述する。

図２は３相クローティース電動機の分解図である。ステータ１０は、図１に示す上下コア２、ボビン１及びコイルを３相積層したものであり、このステータ１０の中心に、シャフトとロータコアとマグネットを組み合わせて構成したロータ１１が挿入される。ステータ１０の両側はブラケットが配置され、図２ではステータ１０の両端面が、負荷側ブラケット１２ａと反負荷側ブラケット１２ｂとで挟まれている。ロータ１１はベアリング１３にて支持され、これらの積層構造を形成するため、貫通ねじ１４によって各構成が固定される。

図３は図２に示したステータ１０の断面を示す図であり、図４はステータ１０内部の３相分のステータ形状を示す外観斜視図である。図５は、図４の３相からなるステータ１０のうち、１相分３を分解して示した図であり、２つの対向する圧粉コア２の間に、絶縁用ボビン１に銅線を巻き回して製作したコイル４を挟み込んでいることを示している。

また、圧粉コア２の外周側面には凹部が設けられている。上下コアを組み合わせることによって、この凹部が開口部となり、ここから巻き線が引き出される。３相積層の際には、この巻き線引出し部も３箇所になるが、これらを近づけて配置することで、簡易な構成で電動機を構成することができる。

図１〜５に示すように、圧粉コア２に設けられた爪型磁極２ａは、ステータ１０の内周面、すなわち、のロータ１１と向かい合う部分に、隣り合って配置され、コイル４に電流が流れることによって、互いに隣り合う磁極間に磁束が発生する。これによってロータ１１に回転力が生じて電動機として機能することになる。

次に、本実施形態における上下コアの位置決めについて、さらに具体的な構成を示しながら説明する。

図１に示すように、上下コアに磁性粉の成形体からなる圧粉コア２を対向したものが用いられ、圧粉コア２に設けられた爪型磁極２ａが隣り合って配置される。また、ボビン１はコア位置決め用の突起１ａを複数備えている。突起１ａは、ボビン１を挟む圧粉コア２に向かって上下両側に突出しており、この突起１ａが圧粉コア２の爪型磁極２ａの間に挿入される。なお、図１に示すように、上下両側に突出する突起１ａは、上下で互い違いに突出しており、後述する凹状２ｂ内への挿入が行いやすくなっている。

圧粉コア２及びボビン１には円環形状のものを用い、図１に示すように、一方の圧粉コア２の爪型磁極２ａと他方の圧粉コア２の爪型磁極２ａとが互い違いに並ぶように、両コアが組み合わされる。このとき、上下コアが組み合わされた状態で互いに隣り合う爪型磁極２ａ間の距離をＬ４とする。

このように上下コアが組み合わされるため、ステータ１０の内周面を構成する爪型磁極２ａは、円周方向の幅Ｌ２が、爪型磁極２ａ間の距離Ｌ１よりも小さくなっている。

また、円環状の圧粉コア２は平面形状の基部２’において、爪型磁極２ａ間に凹状２ｂを備えている。この凹状２ｂは、図に示すとおり、爪型磁極２ａの間において、基部２’の円環面において凹み形状となっているものであり、基部２’の円環面に切り欠き等のような特別の凹凸形状を設けることなく形成される。

上下コアが組み合わされた状態では、他方の圧粉コア２の爪型磁極２ａの先端部が、凹状２ｂ内に位置するため、圧粉コア２の内周部における凹状２ｂの幅はＬ２よりも大となっている。また、この凹状２ｂの根元部には、ボビン１の突起１ａが挿入される。したがって、凹状２ｂの円周方向の幅Ｌ３は、圧粉コア２とボビン１とが組み合わされた状態でボビン１に設けられた突起１ａの幅Ｌ３と同じ幅となっている。

上記の構成を備えたことによって、ボビン１の突起１ａが圧粉コア２の凹状２ｂに挿入されて上下コアの位置決めがなされ、圧粉コア２が回転方向にずれることはない。また、突起１ａは内周側ではなく、各圧粉コア２側に突出しているため、ロータ１１側で隣り合う爪型磁極２ａの配置に影響を与えることはなく、隣り合う爪型磁極２ａ間の距離Ｌ４を所望の値に収めることができる。

また、爪型磁極２ａの先端部を、凹状２ｂ内に収めることによって、対向する圧粉コアの基部２’と干渉することなく、ロータ１１と向かい合う内周部に爪型磁極２ａを並べることができる。すなわち、爪型磁極２ａの先端部を、対向する圧粉コア２の基部２’の円環面まで延伸可能な構成となり、効果的な磁路形成が可能となる。

さらに、互いに対向する上下コアにおいては、隣り合う爪型磁極２ａ間で磁路が形成されるが、爪型磁極２ａの先端部と基部２’との間の距離Ｌ５を隣り合う爪型磁極２ａ間の距離Ｌ４よりも大きくするとともに、爪型磁極２ａの先端部と基部２’との間に絶縁材料からなるボビン１の突起１ａを位置させるため、磁束の漏れを抑制し、高効率な構成とすることができる。すなわち、互いに隣り合う爪型磁極間の距離Ｌ４が、爪型磁極２ａの先端部と凹状２ｂの底部（基部２’）との距離Ｌ５よりも小さいため、通電時に形成される磁束に及ぼす影響を低減できる。併せて、突起１ａの径方向の幅Ｌ６もＬ５とほぼ同一としているため、磁束漏れ低減に寄与している。

上記のように、ボビンを用いる場合には、ボビン１の両面にコア２と勘合するような突起１ａを設け、ボビン１とコア２を組み合わせることで、コア２を組み合わせて固定子コアを形成する際に、両者を必要な角度に位置決めすることができる。また、凹状２ｂ、突起１ａ、爪型磁極２ａの位置関係から、磁束の漏れの抑制が図られ、高効率化を図ることができる。

図６は、実施例１とは異なる上下コアの位置決めを行う例を示す図である。上述したように、本実施形態の圧粉コア２は、磁性粉を圧縮した成形体からなっており、この点は実施例２においても同様である。以下では、特に示した構成を除いて実施例１と共通するため、詳細な説明は省略する。

実施例２の特徴は、上下コアの位置決めに金型を用いることにある。具体的には、次の通りである。本実施形態では、磁性粉を圧縮した成形体が対向して配置されたコア２を用いることとしているが、この圧粉コア２は樹脂でモールドして使用される。成形体をモールドする際、成形体を保持するために金型を用いる。

図６は、実施例２において用いられる金型の例を示す図である。このモールド金型５は成形体の保持部を備え、この保持部にモールドされる成形体が設置される。本実施形態では、圧粉コア２を対向配置することによって固定子コアを構成しているため、金型も上金型と下金型をセットにして用いられる。なお、以下の説明では、図６は下金型を示すものとする。すなわち、図６の左図は下金型の上面図であり、右図は中心線の断面図である。

このような金型を用いると、圧粉コア２を対向配置して樹脂でモールドする際に、上下の金型において、それぞれ周方向の位置決めがなされれば、モールド後の上下コアを位置決めして固定することができることになる。したがって、圧粉コア２の周方向の位置決めを、ボビンを用いることなく行うことができる。

本実施例の金型５は、図６に示すように、上下のモールド金型に成形体の保持部を有し、この保持部に圧粉コア２の爪型磁極２ａあるいは凹状２ｂと精密に係合する突起５ａを備えている。この突起５ａが圧粉コア２に設けられる係合部と係合することによって、圧粉コア２が金型５上において周方向の移動が規制されて位置決めされる。他方、この圧粉コア２と対向配置される圧粉コアも、図示しない上金型によって同様に位置決めがなされる。

したがって、上下金型を組み合わせ、この状態を保持しながらモールド樹脂成型を行うことにより、位置決めされた状態で固定子コアを得ることができる。したがって、爪型磁極２ａを等ピッチに配置できる。また、その後の製造工程においてステータ３の取扱性の向上が図られる。

図７は、上述の実施例１や実施例２で示した電動機を用いた一例を示す図であり、この例ではＦＦＵを示している。電動機２０の回転軸にはファン２１が取り付けられており、フィルタ２３と共に筐体２２に収められて、ファンフィルタユニット（ＦＦＵ）を構成している。筐体２２は上方に開口部を有しており、ファン２１が回転することによって開口部から空気が取り込まれる。すなわち、ファン２１の回転によって図中の上部から空気が吸い込まれ、ファン２１の下方に取り付けられたフィルタ２３を通過する。

したがって、フィルタ２３を通過する際に空気がろ過され、フィルタ２３の下流側（図中の下部）へは清浄な空気として排出される。ＦＦＵの運転中はクリーンルーム内に塵埃等が除去された空気を供給し続け、クリーンルーム内を清浄に保つことができる。

本実施形態のＦＦＵは、クリーンルームの天井部に取り付けられるため、薄型化の要求が強い。ＦＦＵは、筐体２２にフィルタ２３、電動機２０、ファン２１が取り付けられるため、電動機２０の小型化を図ることにより、ＦＦＵとしても薄型化が可能となる。

ステータの１相分（符号３）の分解斜視図。 ３相クローティース電動機の分解図。 ステータの断面を示す図。 ステータ内部の３相分のステータ形状を示す外観斜視図。 ３相からなるステータのうち、１相分を分解して示した図。 上下コアの位置決めを行う他の例を示す図。 本実施形態のＦＦＵの構造を示す図。 コアの位置決め例と課題を示す図。

符号の説明

１…ボビン、１ａ…突起、２…圧粉コア、２’…基部、２ａ…爪型磁極、２ｂ…凹状、３…１相分、４…コイル、５…金型、５ａ…突起、１０…ステータ、１１…ロータ、１２…ブラケット、１３…ベアリング、１４…貫通ねじ、２０…電動機、２１…ファン、２２…ＦＦＵ筐体、２３…フィルタ。

Claims (4)

1. 円環形状の基部とこの基部から突出して周方向に複数形成される爪型磁極とを有する成形体を、磁性粉を圧縮して成形し、この成形体が対向して配置される固定子コアを備え、一の成形体の爪型磁極の間に他の成形体の爪型磁極が位置するように構成した電動機において、
   前記成形体は前記基部の内周側であって前記爪型磁極の間には、位置決め用の突起が挿入される複数の凹状を有する電動機。
2. 前記凹状には、モールド金型に設けられた突起が挿入されることを特徴とする請求項１記載の電動機。
3. 磁性粉を圧縮した円環形状の成形体が対向して配置される固定子コアを備え、前記成形体は周方向に複数の爪型磁極を有し、一の成形体の爪型磁極の間に他の成形体の爪型磁極が位置するように構成した電動機の製造方法において、
   上下金型で前記成形体を保持して樹脂モールドする工程で、前記上下金型に設けられた突起と、前記成形体に設けられる係合部とを係合し、対向配置される成形体の周方向の位置決めを行うことを特徴とする電動機の製造方法。
4. 円環形状の基部とこの基部から突出して周方向に複数形成される爪型磁極とを有する成形体を、磁性粉を圧縮して成形し、この成形体が対向して配置される固定子コアを備え、一の成形体の爪型磁極の間に他の成形体の爪型磁極が位置するように構成した電動機の製造方法において、
   上下金型で前記成形体を保持して樹脂モールドする工程で、前記上下金型に設けられた突起と、前記基部の内周側であって前記爪型磁極の間に設けられる凹状とを係合することを特徴とする電動機の製造方法。

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