JP2005269889A - 電気モータのステータ - Google Patents

Abstract

【課題】 占積率の向上を実現することができ、ステータ溝へのステータ巻線の挿入が容易になる、電気モータのステータを提供する。
【解決手段】 複数のステータ歯部と、各ステータ歯部の間にあるステータ溝とを有するステータ鉄心を備え、ステータ溝がステータ巻線を収容するために構成されている、電気モータのステータにおいて、ステータ溝がそれぞれ異なる深さに構成されており、電気モータの一つ又は複数の相のステータ巻線の割当部分を収容するようになっている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、複数のステータ歯部と、各ステータ歯部の間にあるステータ溝とを有するステータ鉄心を備え、ステータ溝がステータ巻線を収容するために構成されている、電気モータのステータに関するものである。

より一般的には、本発明は、永久磁石を有する電気モータの分野、例えば、ブラシレスモータ、電子転流直流モータ、その他の永久磁石モータ等の分野に関するものであり、本発明に係るモータは、インナーロータ型又はアウターロータ型として設計され得る。

インナーロータ型モータは、通常、モータシャフトに組み付けられたロータ構造部と、一つ又は複数の永久磁石と、例えば巻線を備えた積層された金属薄板により構成されたステータ鉄心を有するステータ構造部と、を備えている。

インナーロータ型モータの場合、ロータ構造部は、ステータ構造部と同軸に挿入されており、対応する軸受によってステータ構造部に対して回転支持されている。

アウターロータ型モータの場合、ステータは、同じく定置のシャフトに取り付けられている。半径方向外側を向いているステータのステータ歯部は、対応する軸受によりステータ構造部に対して相対的に回転支持されたロータ構造部によって囲繞されている。

図３は、本発明の背景を説明するために、インナーロータ型電気モータの基本的な構造を示している。このモータは、ハウジング１１４を備えており、その内部に、ステータ構造部１１８と、ロータ構造部１１６と、ロータ構造部を回転自在に軸支するための軸受１２６，１２８と、が収容されている。ステータ構造部１１８は、積層された金属薄板１５５と、巻線１６０と、を備えており、ロータ構造部１１６を挿入することができる内部空間を区切っている。ロータ構造部１１６は、モータシャフト１１０と、継鉄１１２と、永久磁石１２２と、を備えている。ロータ構造部を軸支するための軸受１２６，１２８は、モータハウジング１１４のフランジ１２４に統合されていてもよい。図３は、前述したように、電気モータの基本的な構造の説明に資するためのものであり、本発明に係るステータ本体は、インナーロータ型モータ用として設計されていても、アウターロータ型モータ用としても設計されていてもよい。アウターロータ型モータにおいては、ステータがシャフトに装着され、ロータによって囲繞される。

図１は、従来の技術に基づくアウターロータ型モータの模式的な断面図を示している。

図１に模式的に図示している電気モータは、ハウジング１０を備えており、その内部にステータ構造部１２とロータ構造部１４とが収容されている。ステータ構造部１２は、一例として、ステータ歯部１６と、各ステータ歯部１６の間に形成されたステータ溝１８とを有する打抜積層された金属薄板から構成されている。ステータ溝１８は、ステータ構造部１２の外側円周に向かって開いており、ステータ構造部１２は、全体としてロータ構造部１４に囲繞されている。ロータ構造部１４は、ロータ本体２０を備えており、その内部に永久磁石２２が埋設されている。それらの永久磁石の磁化方向は、図１に矢印で図示されている（Ｎ極→Ｓ極）。

永久磁石により励起される図１に示す電気モータにおいては、コイル又はステータ巻線２４は、電流方向に応じて「電磁極」を構成するステータ歯部１６に巻き付けられている。図示した電気モータは、スロット付きモータとも称される。

スロット付きモータは、多くの場合、ステータ巻線が単一のステータ歯部１６の周囲に巻き付けられるように作製されている。これを集中巻と称する。図１は、１２個の溝を有するステータの典型的な形態を示しており、一つのステータ溝１８にそれぞれ二つのステータ巻線又はコイル２４の半分が格納されている様子を図１の図面に見ることができる。図１においては、異なる相のステータ巻線２４が異なる斜線で図示されており、第１の相のコイル２４は符号Ａ、第２の相のコイル２４は符号Ｂ、第３の相のコイル２４は符号Ｃが付されている。

ロータ構造部１４の極のペア数とステータ構造部１２の溝数とが特定の組み合せになると、一つのステータ溝の内部にある二つのコイル２４の半分が同じ相に属する可能性さえある。このことは、図１に示す１２個のステータ溝と１４個の極との組み合せにも該当する。図１に示す電気モータの巻付型式は、次のように設計され得る。
溝番号 １ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ９ １０ １１ １２
ステータ巻線 Ａ ａ ｂ Ｂ Ｃ ｃ ａ Ａ Ｂ ｂ ｃ Ｃ
この表では、巻付け方向が大文字と小文字とにより表現されており、それにより、それぞれの相に属する巻線が磁界を溝の中に向かって通すか、又は、溝の外に向かって通すかを表現している。また、巻線及びそれに伴う電流方向が、該当するステータ歯部の周囲に時計回りに設けられているか、又は、反時計回りに設けられているかが表現されていると言うこともできる。

図１に示すステータ構造部のステータ巻線２４は、いわゆるフライヤ技術により巻き付けられている。この場合、ステータ巻線の線材が二つのステータ歯部１６の間の溝開口部に通され、それぞれのステータ歯部１６に当接するように張力の下で保持されている。そのため、当然ながら、ステータ巻線のために利用できる面積を全面的に活用することはできない。

上述した従来の技術を前提とする本発明の課題は、占積率の向上を実現することができ、ステータ溝へのステータ巻線の挿入が容易になる、電気モータのステータを提供することである。

上記課題は、請求項１の構成要件を備えているステータによって解決される。

本発明は、複数のステータ歯部と、各ステータ歯部の間にあるステータ溝とを有するステータ鉄心を備え、ステータ溝がステータ巻線を収容するために構成されている、電気モータのステータを意図している。本発明によれば、ステータ溝は、それぞれ異なる深さに構成されており、浅い方のステータ溝には、電気モータの一つの相のステータ巻線の軸平行な割当部分を格納し、深い方の溝には、複数の相のステータ巻線の軸平行な割当部分を格納するようになっている。電気モータの一つの相ごとに、一つのステータ溝が他のステータ溝よりも大きい深さを有しており、隣接する相のステータ巻線の各割当部分を収容するようになっていると好ましい。これらの巻線は、深い方のステータ溝の中においては、半径方向に相上下して配置される。

このように、本発明では、ステータ巻線が従来のように専ら円周方向に相並んで位置するのではなく、それに加えて、ステータの半径方向の寸法が活用され、選択された深い方のステータ溝に、複数の相の巻線が相上下して配置されているステータが意図されている。本発明に係るステータの構造により、ステータ溝の銅空間の拡大が得られ、それにより、占積率の向上と電気モータのより優れた活用とが得られる。例えば、９スロットのステータを備えている３相電気モータの場合、一つの相ごとに深いステータ溝を設けることにより、巻線割当部分の数を三つから四つへ増加させることが可能である。電気モータの一つの相ごとに一つの深いステータ溝を設けると、一般に、ｘ個の相とｙ個のステータ溝とを有する電気モータの場合、電気モータの一つの相ごとに（（ｙ／ｘ）＋１）個の巻線を設けることができる。

本発明の有利な実施の形態においては、ステータ溝は、実質的に相互に平行に配置された側壁によって区切られる。それにより、ステータ溝は、特に近似的に直方体の空間をそれぞれ区切ることになる。その空間は、インナーロータ型モータ用又はアウターロータ型モータ用のステータを構成するために、ステータ鉄心の内側円周又は外側円周に向かって開いており、各溝の閉じている底面は平坦であってよく又は湾曲していてもよい。

本発明に係るステータ溝の構成により、予め作製されたコイルをステータ巻線として使用し、それらをそれぞれ溝開口部の方からステータ歯部へ簡単に被せることが可能であり、又は、巻線を簡単な方法によりステータ溝の中に入れることが可能である。これらのステータ溝の溝開口部は、従来の技術の場合に通常であるように、開いた端部の部位が狭くなっていないからである。

複数の相のステータ巻線を収容するステータ溝は、単一の相のステータ巻線を収容するステータ溝よりも深く形成される。異なる相に属するステータ巻線は半径方向において相前後して位置しており、従来の技術の場合のように相並んで位置しているものではない。予め作製されたコイルがステータ歯部に被せられると、好ましい。実際問題としては、コイルを外部で巻いて成形しておき、次いで、近似的に直方体の溝に挿入することができる。

さらに、本発明によれば、ステータ鉄心が、ステータ溝から離隔した材料切欠きを有していることが意図され得る。その材料切欠きは、一方ではステータ鉄心の重量を低減する役割を果たすが、それに加えて、熱排出の向上のためにステータ鉄心の換気をする通路としての役割も果たすことができる。

次に、図面を参照しながら、有利な実施の形態を用いて、本発明を詳細に説明する。

図２は、本発明に基づくステータ本体を備えている電気モータを示す模式的な断面図である。

図２に示す電気モータは、ハウジング３０を備えており、その内部にステータ構造部３２とロータ構造部３４とが収容されている。ステータ構造部の基本的な構成要素は、例えば、積層された鉄板により構成され又は鉄粉が押し固められたものであり得るステータ鉄心又はステータ継鉄を備えているステータ本体である。ロータ構造部３４は、図１を参照して説明したのと実質的に同様に構成されているものとしてよく、ここでは再度の詳細な説明はしない。

ステータ構造部は、ステータ溝３６とステータ歯部３８とを有している。図２に示すように、ステータ溝は、半径方向に異なる深さにステータ鉄心に刻まれているとよい。それぞれ一つのステータ溝３６の側壁は、実質的に相互に平行に配置されている。平行な側壁を備えているステータ溝３６によって、ステータ構造部３２の外側円周の方向に拡大していくステータ歯部３８が形成されており、このことは、ステータ構造部３２とロータ構造部３４との間の磁束伝達挙動に対して好都合に作用する。

ステータ構造部３２は、シャフト４０に被せられている。図２に示すように、ステータ本体は、一方では、重量を低減する役割を果たすと共に、他方では、熱排出を向上させるために換気を行い又は冷却流体を通過させる通路として構成され得る切欠き４２を有している。

図２は、９スロットのアウターロータ型モータ用のステータ構造部３２を、１０極の永久磁石との関連において示している。溝に１から９までの番号を付すと、次のような巻付型式が得られる。
溝番号 １ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ９
ステータ巻線 Ａ ａ Ａ Ｂ ｂ Ｂ Ｃ ｃ Ｃ 外側の位置
ｃ ａ ｂ 内側の位置（半径方向内側に
向かってオフセット）
ここで、大文字と小文字とは、前記同様に、ステータ巻線が磁界を溝の中に向かって通すか、又は、溝の外に向かって通すかを表現しており、即ち、電流がステータ巻線を通って正の方向に流れるか、又は、負の方向に流れるかを表しており、それに対して、アルファベットの名称は相への帰属を表している。異なる相のステータ巻線は、図２でも異なる斜線によって図示されている。

図２に示すように、二つの相のステータ巻線が格納されているステータ溝３６は、深く構成されている。このとき、それぞれのステータ巻線は、半径方向において相前後して位置しており、従来の技術のように相並んで位置しているものではない。一つの相のステータ巻線だけを支持するステータ溝３６は、相応に小さい深さに形成されている。このような構成により、従来式のステータよりも広い銅空間を提供し、それにより、電気モータのより優れた活用につながる本発明に係るステータの占積率の向上が得られる。

本発明により、巻回されたステータコイルを簡単な方法によりステータ溝に入れるか、又は、予め作製されたコイルを対応するステータ歯に単純に被せることを可能にするステータ構造部が提供される。それにも拘わらず、ステータ溝とステータ歯部との特別な構成により、対応するロータ構造部への優れた磁束伝達挙動が得られる。本発明においては、ステータ溝は、特に平行な側壁を備えている近似的な直方体の形態に構成される。しかしながら、ステータ歯部は、平行な側壁を有していなくてもよい。但し、ステータ歯部が内側に向かって先細になるように形成されているときは、相巻線の内側の位置についても外側の位置についても等しい巻付け面積を得るために、溝深さも相応に適合化したほうがよい。

以上の説明、特許請求の範囲及び図面に開示されている構成要件は、単独でも任意の組み合せの形態でも、本発明を様々な実施の形態において具現化するために有意義であり得る。

従来の技術に基づく電気モータを示す模式的な断面図である。 本発明に基づく電気モータを示す模式的な断面図である。 従来の技術に基づく電気モータを示す模式的な縦断面図である。

符号の説明

１０ ハウジング
１２ ステータ構造部
１４ ロータ構造部
１６ ステータ歯部
１８ ステータ溝
２０ ロータ本体
２２ 永久磁石
２４ ステータ巻線、コイル
３０ ハウジング
３２ ステータ構造部
３４ ロータ構造部
３６ ステータ溝
３８ ステータ歯部
４０ シャフト
１１０ モータシャフト
１１２ 継鉄
１１４ ハウジング
１５５ 金属薄板
１２６ 軸受
１１８ ステータ構造部
１２２ 永久磁石
１２４ フランジ
１２８ 軸受
１６０ 巻線

Claims (10)

1. 複数のステータ歯部（３８）と、前記各ステータ歯部の間にあるステータ溝（３６）とを有するステータ鉄心（３２）を備え、前記ステータ溝がステータ巻線を収容するために構成されている、電気モータのステータにおいて、
   前記ステータ溝（３６）がそれぞれ異なる深さに構成されており、電気モータの一つ又は複数の相の前記ステータ巻線の割当部分を収容するようになっていることを特徴とする電気モータのステータ。
2. 電気モータのそれぞれの相について少なくとも一つの前記ステータ溝（３６）が他の前記ステータ溝（３６）より大きい深さを有しており、電気モータの二つの相の前記ステータ巻線の軸平行な割当部分を収容するようになっていることを特徴とする請求項１に記載のステータ。
3. 隣接する相の前記ステータ巻線の軸平行な割当部分は、それぞれ深い方の前記ステータ溝（３６）の中で半径方向において重なり合って配置されていることを特徴とする請求項２に記載のステータ。
4. 電気モータの一つの相ごとに一つの前記ステータ溝（３６）が大きい深さを有し、電気モータはｘ個の相を有し、ステータ本体はｙ個の溝を有しており、それにより、電気モータの一つの相ごとに（（ｙ／ｘ）＋１）個の巻線割当部分が設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のステータ。
5. 前記各ステータ溝（３６）は、実質的に相互に平行に配置された側壁により区切られていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のステータ。
6. 前記ステータ溝（３６）は、それぞれ実質的に直方体であることを特徴とする請求項５に記載のステータ。
7. 前記ステータ鉄心（３２）は、前記ステータ溝から離隔した材料切欠き（４２）を有していることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載のステータ。
8. 前記材料切欠き（４２）は、前記ステータ鉄心を貫通して延在する換気通路を形成していることを特徴とする請求項７に記載のステータ。
9. 請求項１乃至８のいずれか一項に記載のステータ本体と、事前に巻回されて成形されたコイルによって構成され、前記ステータ歯部（３８）に被せられたステータ巻線と、を備えていることを特徴とするステータ。
10. 前記ステータ溝（３６）は、インナーロータ型モータ用又はアウターロータ型モータ用のステータを構成するために、前記ステータ鉄心（３２）の内側円周又は外側円周に向かって開いた空間を区切っていることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載のステータ。

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