JP2006191792A - 電気機械のステータ構造 - Google Patents

Abstract

【課題】簡素に構成され、少ない裁断屑で製造して、問題なく相巻線を巻回して束ねることが可能な電気機械、特にアウターロータ型モータのステータ構造を提供する。
【解決手段】本発明は、内側円周において閉じられていて外側円周にステータ極を有するステータリングを備える、電気機械のステータ構造に関するものであり、上記ステータリングは、実質的に同一の多数のＴ字型部品により構成されており、上記Ｔ字型部品は、頭部及び基部を有する主脚部と、上記主脚部の上記頭部から側方へ突出する二つの腕部とを備え、上記Ｔ字型部品の上記主脚部は、半径方向を向いており、上記Ｔ字型部品は、上記主脚部の上記頭部と上記基部との向きを交互に変えながら、これらが補い合ってステータリングを形成するように相並んで配置されている。
【選択図】図１ａ

Description

本発明は、電気機械のステータ構造に関するものである。

本発明の主要な適用分野は、アウターロータ型モータとして設計されたブラシレス直流モータ及びその他の電気モータ、例えば永久磁石モータである。

しかしながら、本発明は、これに限定されるものではなく、一般に、多くの種類の電気モータや発電機に適用可能である。

アウターロータ型の構成を有する電気モータは、環状のステータ保磁子と、このステータ保磁子から外方に向かって突出するステータ歯とを形成する、例えば打ち抜かれた複数の金属板が積層されたステータ構造を有している。ステータ歯には、相巻線が巻回されている。ステータ構造は、ロータ構造に同軸に挿入されている。ロータ構造は、通常、保磁子リングを備えており、その内側円周には一つ又は複数の磁石が装着されている。これらの磁石はロータ本体に埋設されていてもよい。

インナーロータ型モータ又はアウターロータ型モータのステータ構造を、打ち抜かれた複数の金属板を積層して製造すると、常にある程度の材料屑が生じ、電磁的に利用される面積は未加工品の面積よりも明らかに少なくなる。この問題は、直径の大きいアウターロータ型モータの場合には特別に重大である。なぜならステータリングが比較的大きな内側円周を有しているのが通例であり、これに呼応する薄板裁断部の内側円が利用されなくなるからである。ステータの内部中心が打ち抜かれないと、それはモータの著しい重量増加につながり、このことはやはり望ましくない。

従来の技術では、多部分からなるステータ本体を備えるステータ構造が開発されている。各々のステータ歯が個々の構成部品を形成し、それぞれのステータ歯が直接、又は、別個のリングを介して、相互に連結されているステータ本体が知られている。個々のステータ歯は、例えばさねはぎ継手のような形態で相互に差し込まれ、プレス嵌合（圧入）によって束ねられる。個々のステータ歯をステータ保磁子リングに差し込むことも公知である。このような多部分からなるステータの例は、米国特許第ＵＳ６，３５９，３３５号公報（特許文献１）、国際公開第ＷＯ０２／４７２３８号パンフレット（特許文献２）、米国特許第ＵＳ５，７８６，６５１号公報（特許文献３）、ドイツ特許第ＤＥ１９８４２９４８号公報（特許文献４）、欧州特許第ＥＰ０９１５５５３号公報（特許文献５）、米国特許第ＵＳ６，０４９，１５３号公報（特許文献６）、米国特許第ＵＳ５，７９６，１９５号公報（特許文献７）、欧州特許第ＥＰ１０１４５３６号公報（特許文献８）、国際公開第ＷＯ０２／４７２４０号パンフレット（特許文献９）、米国特許第ＵＳ６，５５５，９４２号公報（特許文献１０）及びドイツ特許第ＤＥ１０１４３８７０号公報（特許文献１１）に記載されている。このような多部分からなるステータでは、各々のステータ歯又は磁極片が別々に巻回され、次いで他のステータ歯と連結される。多部分からなるステータ本体の利点は、個々の部分を少ない裁断屑で製作できることである。さらに、特に各々の部分が磁極片を含んでいる場合には、予め製作されたコイル（相巻線）を収容するように各々の磁極片を構成することができる。各磁極片にコイルが装着された後、それぞれのステータ部分が互いに連結され、ステータ保磁子リングとともに完全なステータを形成するように配置される。前掲の特許文献は、大部分がインナーロータ型モータに関わるものである。

多部分からなるステータ構造への相巻線の巻回は、アウターロータ型モータ用又はインナーロータ型モータ用の従来の一体的なステータ構造への巻回に比べて容易である。予め製作されたコイルを追加の作業ステップで装着して接続しなければならないものの、それでも、予め製作されたコイルを利用することが可能なので、ステータへの巻回は全体として容易かつ迅速になる。特に、多部分からなるステータ構造で磁極の隙間が狭い場合、太いコイル線材を使用するのが容易になる。

多部分からなるステータ構造を製造するときは、個々のステータ歯を適当な方法により相互に連結し、束ねなくてはならないという問題が生じる。これは従来の技術では、通常、ステータ歯が一貫したステータリングに取り付けられることによって解決されている。別の公知例では、ステータ歯は、さねはぎ継手を介して、又は、これに類似する方法により、それぞれ連結される。
米国特許第ＵＳ６，３５９，３３５号公報 国際公開第ＷＯ０２／４７２３８号パンフレット 米国特許第ＵＳ５，７８６，６５１号公報 ドイツ特許第ＤＥ１９８４２９４８号公報 欧州特許第ＥＰ０９１５５５３号公報 米国特許第ＵＳ６，０４９，１５３号公報 米国特許第ＵＳ５，７９６，１９５号公報 欧州特許第ＥＰ１０１４５３６号公報 国際公開第ＷＯ０２／４７２４０号パンフレット 米国特許第ＵＳ６，５５５，９４２号公報 ドイツ特許第ＤＥ１０１４３８７０号公報

本発明の課題は、簡素に構成され、少ない裁断屑で製造して、問題なく相巻線を巻回して束ねることが可能な電気機械、特にアウターロータ型モータのステータ構造を提供することである。

この課題は、請求項１の構成要件を備えるステータ構造によって解決される。

本発明は、内側円周において閉じられていて外側円周にステータ極を有するステータリングを備える、電気機械のステータ構造を意図している。ステータリングは、実質的に同じ多数のＴ字型部品により構成されており、Ｔ字型部品は、頭部及び基部を有する主脚部と、主脚部の頭部から側方へ突出する二つの腕部とを備えている。ステータリングの内部では、Ｔ字型部品の主脚部は半径方向を向いており、これらのＴ字型部品は、主脚部の頭部及び基部の向きを交互に変えながら、これらが補い合ってステータリングを形成するように相並んで配置されている。本発明は、最小限の裁断屑で薄板から打ち抜くことができる多数の同形の構成部品により、アウターロータ型モータのステータを構成することを可能にする。ステータ構造の基本要素はＴ字型である。複数の「Ｔ」が交互に逆向きに配置され、一つおきにＴの腕部がステータ構造の内側円に位置し、そこで他のＴの基部とともに閉じた保磁子を形成するようになっており、他の「Ｔ」の腕部はステータ構造の外側円にそれぞれ位置し、そこでステータ極を形成するようになっている。多数の同形の部品によりステータ構造を構成することにより、ステータ薄板の製造時の裁断屑を明らかに低減し、それに伴ってコストも明らかに低減することができる。

さらに、本発明に係るステータ構造は、異なる極数及び直径を有するステータを、実質的に同じＴ字型部品から製造するのにも適している。ステータ構造の極数又は直径を変更するには、程度の差こそあれ多数のＴ字型部品を組み合わせて一つのステータリングにするだけでよく、Ｔ字型部品の腕部と基部との接触面は、ステータ構造のその都度の曲率半径に合わせるのが好ましい。

本発明の設計形態により、コイル（相巻線）をステータ極に装着するのが格別に容易である。相巻線を別個のＴ字型部品に容易に巻回することができ、この場合、コイルをＴ字型部品へ直接巻回するか、又は、予め製作されたコイルが押し込まれる。次いで、Ｔ字型部品を組み合わせてステータリングにし、Ｔ字型部品の半径方向外側に位置する腕部が磁極片を形成する。これらの部品にだけ相巻線が装着されるのが好ましい。

また、Ｔ字型部品が結合された後で初めて、ステータ支持体を介して相巻線を配線するのも目的に適っている。

本発明に係るステータ構造は、構成がフレキシブルであることに加え、個々のリング部品を、一体的に構成されたステータよりも少ない裁断屑で製作することができ、また、保磁子リングとこれに取り付けられた個々のステータ歯とを備える公知のステータ構造よりも少ない裁断屑で製作できるという利点を備えている。さらにリング部品は、総て等しい磁化容易方向を有するようにステータ薄板から打ち抜くことができ、それによって電気機械の磁気特性が向上する。

本発明の有利な実施の形態では、ステータリングはその内側円周において、クランプスリーブとクランプリングとからなる複合体により束ねられる。クランプスリーブは、ステータ構造の一方の端面からその中央の開口部に挿入されて、ステータリングの内側円周に当接する。クランプリングは、これと対向する端面からクランプスリーブに押し被せられて、両者を束ねる。クランプスリーブ及び／又はクランプリングは、クランプスリーブとクランプリングとをステータリングに対して相対的に位置決めして固定するために、Ｔ字型部品と協働する位置決め手段を有しているのが好ましい。例えば、クランプスリーブ及び／又はクランプリングのそれぞれステータ構造の方を向いている面に、Ｔ字型部品の対応するかしめ点に係合する位置決め突起が構成されることが意図されていてもよい。

これに加えて、ステータリングはその外側円周において、少なくとも一つのテンションリング又はテンションスリーブによって束ねることができる。テンションリング又はテンションスリーブは、組み立てが完成した電気機械では、ステータとロータとの間の作用空隙に位置することになるので、可能な限り薄く、強磁性かつ伝導率の低い材料からできているものとするとよい。

本発明は、以上に説明した種類のステータ構造の製造方法も意図している。本発明によれば、一つおきのＴ字型部品に相巻線を装着し、その後、主脚部の頭部及び基部の向きを交互に変えながら、Ｔ字型部品を相並んで配置する。相巻線を支持するＴ字型部品では、主脚部の頭部は半径方向外側を向いており、その他のＴ字型部品では、主脚部の頭部は半径方向内側を向いている。それにより、巻回されたＴ字型部品が、磁極片を備えるステータ歯の形状を有していることが実現される。それぞれ二つの巻回されたステータ歯の間には一つのＴ字型部品があり、その自由端は磁極片状の拡張部を有しておらず、異なる相の巻線の間にそれぞれ配置される。

Ｔ字型部品は、機械的な連結手段によって、即ち、例えば接着、かしめ、溶接等によって、互いに恒久的に結合することができる。

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１ａは、３０個の磁極との関連において３６個の溝を備える、電気機械のステータ構造の６０°の部分を模式的な平面図により示している。全体として符号１０が付されているステータ構造は多数のＴ字型部品１２，１４を備えており、Ｔ字型部品１２，１４の個数は電気機械の溝の個数と一致する。Ｔ字型部品１２，１４は少なくとも近似的に同一、好ましくは完全に同一の幾何学的形状である。各々のＴ字型部品は、基部１８及び頭部２０を有する主脚部１６を備えている。頭部２０には、側方に二つの腕部２２，２４が突出している。主脚部１６と腕部２２，２４との間の角度は、絶対にというわけではないが９０°であるのが好ましい。Ｔ字型部品１２，１４の主脚部１６は半径方向に向いており、それぞれの間においてステータ構造１０の溝２６を仕切っている。Ｔ字型部品１２，１４は、主脚部の頭部２０及び基部１８の向きを交互に変えながら相並んで配置されており、その結果、一つおきのＴ字型部品１２の腕部がステータ構造１０の外側円周に位置するとともに、その間に位置するＴ字型部品１４の腕部がステータ構造１０の内側円周に位置するようになっている。Ｔ字型部品１４の腕部は、Ｔ字型部品１２の基部１８とともに、ステータ構造１０の内側円周を区切る閉じたリングを形成する。腕部２２，２４が半径方向外側に位置するＴ字型部材１２の主脚部１６には、相巻線２８，３０が装着されている。これに付属する、半径方向外側に位置する腕部２２，２４は、ロータ磁石３２の磁束を受容する磁極片を形成する。

ステータ構造１０は、ロータ保磁子３６、及び、ロータ保磁子３６が結合されたロータ磁石３２を備えるロータ構造３４に同軸に挿入されている。ロータ磁石３２は、ロータ本体３８に埋設されているか、又は、その内側円周に装着されているものとするとよい。

図１ａでは、ロータ磁石の磁化方向が矢印により図示されており、相巻線２８，３０の通電方向が

により図示されている。

図１ｂは、図１ａと同様の図であるが、磁束線４０の経路が描き込まれている。対応する部品には同じ符号が付されており、再度の説明はしない。

図２は、本発明に係るステータ構造の一例としての実施の形態の模式的な分解斜視図を示している。図１ａと対応する部品には同じ符号が付されており、あらためて個々に説明はしない。図１ａを参照して説明したように、ステータ構造は、交互の向きに組み合わせられて一つのステータリングをなす多数のＴ字型部品１２，１４を備えている。ステータリングは、ロータ保磁子３６とロータ磁石３２とを有するロータ構造３４により取り囲まれている。相巻線は、図２には示していない。しかし、図面から見てとれるように、これらの相巻線は、別々のＴ字型部品１２に簡単な方法により装着することができ、これらのＴ字型部品１２の腕部が磁極片４２を形成して、磁束のできるだけ多くの割合を検出する。相巻線は、Ｔ字型部品１２の主脚部に巻回することができ、又は、完成したコイルを、場合によりコイル支持体と組み合わせて、部品に押し被せることができる。相巻線の配線は、ステータ構造が組み立てられた後で、ステータリング１０の一方の端面に配置された別個のステータ支持体（図示せず）を介して行うのが好都合である。

ステータ構造は、次のようにして製造することができる。Ｔ字型部品を、位置決め工具を用いて図２に示すように組み合わせる。このとき、腕部が半径方向外側に位置するＴ字型部品１２は、希望する巻線型式に応じて相巻線を支持する。位置決め工具は、例えばステータリング１０の内側円周と外側円周とに圧着される中空円筒の形状を有しているものとするとよい。図示したステータ構造の実施の形態においては、予め位置決めされたステータリング１０の内側円に、ステータリング１０の内側円周に当接するクランプスリーブ４４を差し込む。ステータリング１０の反対側の端面において、クランプスリーブ４４をクランプリング４６と結合することができ、それによってステータリング１０をクランプスリーブ４４及びクランプリング４６の間で位置決めし、堅固に挟み込む。

個々のＴ字型部品１２，１４は、ステータ積層板を結合するかしめ点４８を有する、積み重ねられた積層薄板として構成されるのが好ましい。しかしながら、相応の金属粉から押し固められたＴ字型部品も考えられる。このかしめ点４８は、クランプスリーブ４４の付加部５２に構成された相応の位置決め突起５０と協働することができ、それにより、クランプスリーブ４４をステータリング１０に対して相対的に位置決めして固定する。

クランプリング４６は、クランプスリーブ４４と、例えば、ネジ止め、レーザ溶接、接着、かしめ、又は、これらに類似する方法で堅固に結合される。クランプリングは、任意選択により、同じく位置決め突起を有していてもよい。

クランプスリーブの追加又は代替として、テンションスリーブ５４、又は、一つ若しくは複数のテンションリングをステータ構造１０の外側円周の周囲に設けることができ、それによってステータ構造に追加の保持部を与える。テンションスリーブ５４は、ステータ構造１０とロータ構造３４との間の空隙に位置することになるので、可能な限り薄く、強磁性かつ伝導率の低い材料からできているものとするとよい。

以上の説明、請求項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で具現化するために有意義であり得る。

本発明に係る電気機械を示す模式的な６０°の部分図である。 図１ａと同様の図であるが、磁束線が描き込まれている図である。 本発明に係る電気機械を示す模式的な分解斜視図である。

符号の説明

１０ ステータ構造、ステータリング
１２，１４ Ｔ字型部品
１６ 主脚部
１８ 主脚部の基部
２０ 主脚部の頭部
２２，２４ 腕部
２６ 溝
２８，３０ 相巻線
３２ ロータ磁石
３４ ロータ構造
３６ ロータ保磁子
３８ ロータ本体
４０ 磁束線
４２ 磁極片
４４ クランプスリーブ
４６ クランプリング
４８ かしめ点
５０ 位置決め手段
５２ クランプスリーブの付加部
５４ テンションスリーブ

Claims (11)

1. 内側円周において閉じられていて外側円周にステータ極を有するステータリング（１０）を備える電気機械のステータ構造であって、
   前記ステータリング（１０）は、実質的に同一の多数のＴ字型部品（１２，１４）により構成されており、
   前記Ｔ字型部品（１２，１４）は、頭部（２０）及び基部（１８）を有する主脚部（１６）と、前記主脚部の前記頭部から側方へ突出する二つの腕部（２２，２４）とを備え、
   前記Ｔ字型部品（１２，１４）の前記主脚部（１６）は、半径方向を向いており、
   前記Ｔ字型部品（１２，１４）は、前記主脚部の前記頭部（２０）及び前記基部（１８）の向きを交互に変えながら、これらが補い合ってステータリング（１０）を形成するように相並んで配置されていることを特徴とする電気機械のステータ構造。
2. 前記ステータ構造の内側円周においてそれぞれ隣接する前記Ｔ字型部品（１２，１４）の前記主脚部（１６）の前記腕部（２２，２４）と前記基部（１８）とが補い合って閉じたリングを形成していることを特徴とする請求項１に記載のステータ構造。
3. 前記Ｔ字型部品（１２）の半径方向外側に位置する前記腕部（２２，２４）は、磁極片を形成することを特徴とする請求項１又は２に記載のステータ構造。
4. 前記腕部（２２，２４）が半径方向外側に位置する前記Ｔ字型部品（１２）の前記主脚部（１６）に、相巻線（２８，３０）が装着されていることを特徴とする請求項３に記載のステータ構造。
5. 前記相巻線（２８，３０）は、前記ステータリング（１０）の一方の端面に配置されたステータ支持体を介して相互に配線されていることを特徴とする請求項４に記載のステータ構造。
6. 前記ステータリング（１０）は、その内側円周において、クランプスリーブ（４４）とクランプリング（４６）との複合体により束ねられていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載のステータ構造。
7. 前記クランプスリーブ（４４）及び／又は前記クランプリング（４６）は、前記クランプスリーブ（４４）及び前記クランプリング（４６）を前記ステータリング（１０）に対して相対的に位置決めして固定するために、前記Ｔ字型部品（１２，１４）と協働する位置決め手段（５０）を有していることを特徴とする請求項６に記載のステータ構造。
8. 前記位置決め手段は、前記Ｔ字型部品（１２，１４）の対応するかしめ点（４８）に係合する突起（５０）を備えていることを特徴とする請求項７に記載のステータ構造。
9. 前記ステータリング（１０）は、その外側円周において少なくとも一つのテンションリング又はテンションスリーブ（５４）により束ねられていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載のステータ構造。
10. 請求項１乃至５のいずれか一項に記載のステータ構造の製造方法において、一つおきの前記Ｔ字型部品（１２）に相巻線（２８，３０）を装着し、前記主脚部の前記頭部と前記基部との向きが交互に変わるように前記Ｔ字型部品（１２，１４）を相並んで配置して、前記相巻線（２８，３０）を支持する前記Ｔ字型部品（１２）においては前記主脚部の前記頭部が半径方向外側を向くとともに、その他の前記Ｔ字型部品（１４）においては前記主脚部の前記頭部が半径方向内側を向くようにすることを特徴とするステータ構造の製造方法。
11. 前記Ｔ字型部品（１２，１４）は、互いに恒久的に結合されることを特徴とする請求項１０に記載の方法。

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