JP2006014471A - モータ - Google Patents

Abstract

【課題】 コイル内の温度勾配を小さくし、小型化を達成することができるモータを提供すること。
【解決手段】 ステータコア１０にコイル素線２１が巻回されたコイル２０において、前記コイル２０からの放熱経路で放熱し易い部位の前記コイル素線２１の断面積を小さい細線２１ａを用い、かつ、前記コイル２０からの放熱経路で放熱し難い部位の前記コイル素線２１の断面積を大きい太線２１ｃを用いたことを特徴とする。
【選択図】 図５

Description

本発明は、コイル内の温度勾配を小さくし、小型化を達成することができるモータに関する。

従来のモータは、鉄心（ステータコア又はロータコア）にコイル素線を巻回して多層に積み上げた固定子が備えられている。コイル素線内では通電によりジュール熱が発生するため、固定子の放熱性を確保することができるモータが提案されている。例えば、隣接する（鉄心にコイル素線を巻回した）固定子間に冷却用の金属片を配するＤＣブラシレスモータ（特許文献１参照）や、固定子の内側ケースの軸方向端面に冷却用フィンを備えたＤＣブラシレスモータ（特許文献２参照）がある。これらによれば、固定子内部で発生する熱の放熱効果が高められ、小型・高出力で高効率になるというものである。

特開平５−３１６７０９号公報 特開平５−３４４６８３号公報

ここで、鉄心の周囲にコイル素線を巻回して多層に積み上げられたコイルが構成される場合、コイル内部では、素線の表面の絶縁層が多層に積み重なった形態となり、多層の絶縁層によって熱が伝達しにくくなるため、コイル内部で熱抵抗が構成される。そのため、コイルの発熱及び熱抵抗と、コイルからの放熱状況により、コイル内に温度分布が発生する。

従来のモータのコイル１２０は、一般に同一の断面積のコイル素線１２１を用いて構成されるため（図８参照）、通電によって発生する熱はコイル１２０各部で同じである。そのため、放熱部（例えば、ステータコア１１０とコイル１２０の接触面）から離れたコイルの部位（例えば、ステータコア１１０の表面から離れたコイル１２０の表面）ほど温度が高くなり、温度勾配が大きくなる。そして、モータの熱定格は、コイルの許容温度で決まるため、コイル内の温度勾配が大きいと、コイルの到達温度が高くなる。そのため、コイルの到達温度を低くするために、モータのサイズを大きくしなければならなかった。

本発明の目的は、コイル内の温度勾配を小さくし、小型化を達成することができるモータを提供することである。

本発明の第１の視点においては、モータにおいて、コアにコイル素線が巻回されたコイルにおいて、一定電流を通電した場合に、前記コイルが配される領域内の部位に応じて発熱分布を変えたことを特徴とする。

本発明の第２の視点においては、モータにおいて、コアにコイル素線が巻回されたコイルにおいて、前記コイルからの放熱経路で放熱し易い部位の前記コイル素線の発熱量を大きく、かつ、前記コイルからの放熱経路で放熱し難い部位の前記コイル素線の発熱を小さく構成したことを特徴とする。

本発明の第３の視点においては、モータにおいて、コアにコイル素線が巻回されたコイルにおいて、前記コイルからの放熱経路で放熱し易い部位の前記コイル素線の断面積を小さく、かつ、前記コイルからの放熱経路で放熱し難い部位の前記コイル素線の断面積を大きく構成したことを特徴とする。

本発明の第４の視点においては、モータにおいて、コアにコイル素線が巻回されたコイルにおいて、前記コイルからの放熱経路で放熱し易い部位の前記コイル素線を発熱量の多い材質にし、かつ、前記コイルからの放熱経路で放熱し難い部位の前記コイル素線を発熱量の少ない材質になるように構成したことを特徴とする。

また、本発明の前記モータにおいて、前記コイル素線は、丸線又は平角線であることが好ましい。

本発明（請求項１〜５）によれば、コイルで発生した熱を速やかに放出することができる。また、放熱部位から遠いところの発熱が少なくなるため、コイル内部の温度分布差を小さくすることができ、コイルの到達温度を下げることができる。これにより、モータを小型化できる。さらに、コイルの到達温度を下げることで、熱的余裕ができ、電流値を上げてモータの出力を向上させることができる。

（実施形態１）
本発明の実施形態１について図面を用いて説明する。図１は、本発明の実施形態１に係るモータの構成を模式的に示した断面図である。図２は、本発明の実施形態１に係るモータのステータコアの構成を模式的に示した平面図である。図３は、本発明の実施形態１に係るモータの固定子の構成を模式的に示したＡ方向かつ固定子の内側から見たときの部分拡大平面図である。図４は、本発明の実施形態１に係るモータの固定子の構成を模式的に示したＢ方向から見たときの部分拡大平面図である。図５は、本発明の実施形態１に係るモータの固定子の構成を模式的に示した図３のＣ−Ｃ間の部分拡大断面図である。図６は、本発明の実施形態１に係るモータの固定子の変形例の構成を模式的に示した図３のＣ−Ｃ間の部分拡大断面図である。図７は、本発明の実施形態１に係るモータの固定子の変形例の構成を模式的に示した図３のＣ−Ｃ間の部分拡大断面図である。

図１を参照すると、このモータは、ブラシレスタイプのモータであり、固定子１と、シャフト２と、回転子３と、ケーシング４と、を有する。

シャフト２は、ボールベアリング６を介して各エンドプレート５に回転自在に支持されている。

回転子３は、固定子１の内周に所定の間隔を介して配置され、かつ、中心にシャフト２を有する。回転子３は、遠心力による永久磁石８の離脱を防止するために、シャフト２に固定されたロータコア７の外周面近傍の内部に複数の板状の永久磁石８が埋め込まれている。

ケーシング４は、固定子１の外周を囲んだ円筒状の部材であり、その軸方向の両端部にそれぞれエンドプレート５を有する。

固定子１は、全体として円環状ないし円筒状に構成され、ステータコア１０と、コイル２０と、を有する。

ステータコア１０は、珪素鋼板等を打ち抜いて作製された複数枚のステータ鋼板１０ａを積層してかしめられている。ステータコア１０の外周部１１から内径側に８つのティース部１２が突出している。隣り合うティース部１２間の空間には、スロット部１３が形成されている（図２参照）。なお、実施形態１では、ティース部１２、スロット部１３はそれぞれ８つ設けられているが、その数や形状には特に限定されず、設計により任意に設定できる。また、実施形態１では、ステータコア１０は複数枚のステータ鋼板１０ａを積層して形成されているが、鋼材から加工したり、焼結金属で製造するなど一体で形成されたものでもよい。

ティース部１２には、電気的絶縁性を確保して、スロット部１３に通されたコイル２０が巻装されている。コイル２０の端は、ターミナル（図示せず）を介して端子（図示せず）に結合されている。端子は、外部からの電源を供給するために設けられている。なお、ステータコア１０、コイル２０、ターミナルは、絶縁性の封止材（図示せず）によりモールドしてもよい。また、コイル２０で発生した熱を効率よくステータコア１０に伝えるために、ティース部１２とコイル２０の間にできる隙間に、熱伝導性を有するインシュレータ（図示せず）を配設するようにしてもよい。

コイル２０に用いられるコイル素線２１には、被覆線が用いられ、ティース部１２に必要回数巻回される。コイル素線２１の材質には、銅、アルミニウム、黄銅等の導電性材料が用いられる。コイル素線２１として、丸線を使用する場合だけでなく、平角線を使用してもよい。コイル２０は、内部の温度分布差が極力小さくできるように構成されている。そのために、コイル２０内の発熱分布を、コイル２０内の発熱総量及び巻き数を一定にしたまま、モータの放熱経路に応じて、変える。すなわち、放熱部位に近いコイル部位の発熱を多く、遠いコイル部位の発熱を少なくする。例えば、放熱部位に近いコイル２０部位のコイル素線２１の断面積を細くして銅損を増やし、放熱部位から遠いコイル２０部位のコイル素線２１の断面積を太くして銅損を減らす。また、放熱部位に近いコイル２０部位のコイル素線２１に発熱性の高い材料を用いて銅損を増やし、放熱部位から遠いコイル２０部位のコイル素線２１に発熱性の低い材料を用いて銅損を減らす。

例えば、図１を参照すると、ケーシング４の外側表面で冷却が行われる場合、コイル２０で発生した熱の流れは、コイル２０、ステータコア１０、ケーシング４の順となる。従来例のように、同一断面積のコイル素線（図８の１２１）を使用した場合、コイルの中でも温度が高くなるのは、ステータコアから遠いコイル部位、すなわち、コイルエンド（図３の２０ａ）である。

コイル２０内の発熱を、ステータコア１０の表面に近いほど多く、かつ、離れるほど少なくするために、コイル２０の全体電気抵抗及び巻き数を、同一断面積のコイル素線を使用した場合と同じにしたまま、スロット部（図２の１２）内ではステータコア１０の表面に近い部位のコイル素線に細線２１ａを用いる（図５参照）。一方、ステータコア１０の表面から遠い部位、すなわち、コイルエンド（図３の２０ａ）や、スロット部（図２の１３）内でも積みあがった部位のコイル素線に太線２１ｃを用いる（図５参照）。なお、図５に示したパターンの変形例として、図６及び図７のような構成であってもよい。

また、コイルエンド（図３の２０ａ）のコイル素線２１を太くし、スロット部（図２の１２）内のコイル素線２１を細くしてもよい。この場合は、占積率が下がり製作が容易になるので、生産コストを下げたり、ステータコア磁極幅を増やすことができるので、磁気飽和を緩和し最大トルクを増やすこともできる。また、巻き数を増やして最大トルクを増やしてもよい。さらに、スロット部（図２の１３）内のコイル素線を細くしなければ、コイルの全体電気抵抗が下がり、発熱量を減らし、効率向上を図ることもできる。

コイル素線２１の巻き方について説明する。第１に、コイル素線２１の延伸量を調整しながら、放熱しやすい領域においては延伸量を多くして細線２１ａにして巻き、放熱しにくい領域においては延伸量を少なくして太線２１ｃにして巻く。第２に、潰し量を調整しながら、放熱しやすい領域においては潰し量を多くして細線２１ａにして巻き、放熱しにくい領域においては潰し量を少なくして太線２１ｃにして巻く。第３に、太さの異なるコイル素線を繋ぎ合わせながら、放熱しやすい領域においては細線２１ａで巻き、放熱しにくい領域においては太線２１ｃで巻く。第４に、同一断面積で材質の異なるコイル素線を繋ぎ合わせながら、放熱しやすい領域においては発熱しやすい材質（例えば、アルミ）のコイル素線を用いて巻き、放熱しにくい領域において発熱しにくい素材（例えば、銅）のコイル素線を用いて巻く。

実施形態１によれば、コイルの全体の総発熱量は変更せずに、放熱部位に近いところの発熱が多くなるように、発熱分布を変更することで、コイルで発生した熱を速やかに放出することができる。また、放熱部位から遠いところの発熱が少なくなるため、コイル内部の温度分布差を小さくすることができ、コイルの到達温度を下げることができる。これにより、モータを小型化できる。さらに、コイルの到達温度を下げることで、熱的余裕ができ、電流値を上げてモータの出力を向上させることができる。

なお、実施形態１では、ステータコアにコイルを巻装した形態のモータについて説明したが、ロータコアにコイルを巻装した形態のモータに適用してもよい。また、図面中の線形断面は、わかりやすくするため、誇張したスケールでもって記載したものであり、実際の寸法を直接反映したものではない。線径は、発熱量に応じて設計変更される。

本発明の実施形態１に係るモータの構成を模式的に示した断面図である。 本発明の実施形態１に係るモータのステータ鋼板の構成を模式的に示した平面図である。 本発明の実施形態１に係るモータの固定子の構成を模式的に示したＡ方向かつ固定子の内側から見たときの部分拡大平面図である。 本発明の実施形態１に係るモータの固定子の構成を模式的に示したＢ方向から見たときの部分拡大平面図である。 本発明の実施形態１に係るモータの固定子の構成を模式的に示したＣ−Ｃ間の部分拡大断面図である。 本発明の実施形態１に係るモータの固定子の変形例の構成を模式的に示した部分拡大断面図である。 本発明の実施形態１に係るモータの固定子の変形例の構成を模式的に示した部分拡大断面図である。 従来例に係るモータの固定子の構成を模式的に示した部分拡大断面図である。

符号の説明

１、１０１ 固定子
２ シャフト
３ 回転子
４ ケーシング
５ エンドプレート
６ ボールベアリング
７ ロータコア
８ 永久磁石
１０、１１０ ステータコア
１０ａ ステータ鋼板
１１、１１１ 外周部
１２、１１２ ティース部
１３ スロット部
２０、１２０ コイル
２０ａ コイルエンド
２１、１２１ コイル素線
２１ａ 細線
２１ｂ 中線
２１ｃ 太線

Claims (5)

1. コアにコイル素線が巻回されたコイルにおいて、一定電流を通電した場合に、前記コイルが配される領域内の部位に応じて発熱分布を変えたことを特徴とするモータ。
2. コアにコイル素線が巻回されたコイルにおいて、前記コイルからの放熱経路で放熱し易い部位の前記コイル素線の発熱量を大きく、かつ、前記コイルからの放熱経路で放熱し難い部位の前記コイル素線の発熱を小さく構成したことを特徴とするモータ。
3. コアにコイル素線が巻回されたコイルにおいて、前記コイルからの放熱経路で放熱し易い部位の前記コイル素線の断面積を小さく、かつ、前記コイルからの放熱経路で放熱し難い部位の前記コイル素線の断面積を大きく構成したことを特徴とするモータ。
4. コアにコイル素線が巻回されたコイルにおいて、前記コイルからの放熱経路で放熱し易い部位の前記コイル素線を発熱量の多い材質にし、かつ、前記コイルからの放熱経路で放熱し難い部位の前記コイル素線を発熱量の少ない材質になるように構成したことを特徴とするモータ。
5. 前記コイル素線は、丸線又は平角線であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一に記載のモータ。

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