JP2007209139A - モータ - Google Patents

Abstract

【課題】モータの製造を容易にする。
【解決手段】ロータ１０は、その上下端に外方に向けて突出する突極を有している。ステータ１６は、各相毎のステータコア１２に分割されており、各ステータコア１２は上下端に内側に突出するティースを有する。ステータコア１２の２つのティース間にコイルバネ状のステータコイル１４が圧縮収容される。ロータ１０内およびステータコア１２内の磁束は軸方向になる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ロータの周囲に円周状にステータコイルが巻回されたステータコアを配置するコイルに関する。

従来より、各種のモータが知られており、ステータコイルへの電流供給を制御して回転磁界を形成し、これによって磁性体からなるロータを回転させる誘導モータも広く利用されている。

このようなモータは、ステータに設けたティースにコイルを巻回し、各相のステータコイルを形成する。このコイルの巻回作業は、機械化することが比較的難しく、モータ製造工程の効率化の弊害となっていた。

ここで、特許文献１には、断面コ字型のステータコアをバックヨークで上下２分割しておき、バックヨークをコイルに差し込む構造が示されている。この構成によれば、コイルを別途形成しておくことができ、モータ製造の効率化を図ることができる。

特開２００３−２４４９２３号公報

ここで、モータの製造をさらに簡略化して、製造を容易に機械化することが望まれており、またその際にもモータ性能を十分なものに維持することが要求される。

本発明は、ロータと、このロータの周囲に円周状に配置された複数のステータコアと、各ステータコアに巻回されたステータコイルと、を有し、前記ステータコイルは、コイルバネとして形成され、前記ステータコアに設けられた一対のストッパ部間に圧縮して収容保持されることを特徴とする。

また、前記ステータコアはモータ駆動電流の相毎に設けられていることが好適である。

また、前記ステータコアは、ロータ回転軸と平行な方向に伸び、その周囲を巻回してロータ回転軸と平行な方向の磁界を生成するステータコイルが配置され、ロータおよびステータコアにロータ回転軸と平行な方向の磁路が形成されることが好適である。

また、前記ステータコアのロータ回転軸に平行な方向の両端部分がロータ側に突出しており、この突出した部分がステータコアとロータを結ぶ磁路となると共に前記ステータコイルを保持するための前記ストッパ部となることが好適である。

また、前記ロータは、その回転軸方向に伸びる圧粉磁心と、この圧粉磁心の周囲を部分的に覆って形成される電磁鋼板を含むことが好適である。

また、前記ステータコイルは、少なくともロータ回転軸方向における両端面が平面である線を利用して形成されることが好適である。

また、本発明は、ロータと、このロータの周囲に円周状に配置された複数のステータコアと、このステータコアに巻回されたステータコイルと、を有するモータの製造方法であって、前記ステータコイルを、コイルバネとして形成する工程と、形成されたステータコイルを、前記別途形成されたステータコアに設けられた一対のストッパ部間に圧縮して収容する工程と、を含むことを特徴とする。

また、前記複数のステータコアは、それぞれ前記ロータの回転軸に平行な方向において分割されており、ステータコイルに分割されたステータコアを差し込み接続することでステータコイルをステータコアの周囲に配置することが好適である。

本発明によれば、コイルバネ状のステータコイルをステータコアの一対のストッパによって保持する構成としたため、その製造を容易に行えるとともに、ステータコイルとステータコアの接触を確実に行え、ステータコイルからの熱拡散を効率的に行える。

また、ステータコアを複数に分割しておき、これを別に作製したステータコアに差し込み固定することでステータコイルをステータコアに巻回する必要がなくなり、製造が容易になる。

以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。

「モータの全体構成」
図１は、本発明の一実施形態に係るモータの要部構成を示す図である。図１（Ａ）は、斜視図、図１（Ｂ）は断面模式図である。ロータ１０は円柱状の磁性体からなり、軸方向の上下端部には、外方に向けて突出する突極が一対ずつ設けられている。なお、突極の設けられる円周方向の位置（位相）は、上下端部で同一となっており一対の突極は互いに１８０°位相がずれて対向配置されている。なお、ロータ１０の具体的構成については後述する。

ロータ１０の周囲には、ロータ１０の軸に平行な方向に伸びる３つのステータコア１２が等間隔（１２０度ずつ離れて）配置されている。各ステータコア１２には、それぞれステータコイル１４が巻回されている。従って、ステータコイル１４に電流を流すことによって、ステータコイル１４の軸方向（ロータ１０の回転軸に平行な方向）に磁路が形成される。また、この３つのステータコア１２およびステータコイル１４によって、ステータ１６が構成される。

ステータコア１２は、ロータを取り囲む一定の厚みの円筒を所定の角度の円弧状に切り取ったような形状であって、その上下端部には、ロータ１０側に向かって突出するティースが形成されている。

また、図１には、ブロック矢印で磁束の向きが示されており、この例では、ステータコア１２中では、磁束は下向きであり、ロータ１０中では磁束は上向きである。従って、図における上部において磁束はロータ１０の突極からステータコア１２のティースに向けて進み、下部では磁束は反対にステータコア１２のティースからロータ１０の突極に向けて進む。

ここで、ステータコア１２は、ロータ１０に向く側（内側）は、上下端部のティースで挟まれた中間部分が相対的に凹んで断面がコ字状になっている。また、ステータコア１２の外側は単に円筒面となっている。そして、ステータコイル１４は、ステータコア１２の中間部に巻回されており、内側部分はステータコア１２の凹んだ部分（凹部内）に収容されている。

一方、ロータ１０の上下端部には、上述のように、２つの対向する突極が設けられており、ステータコア１２のティースと位相があった場合に、ロータ１０の突極がステータコア１２のティースと対向する。

このため、ステータコイル１４に電流を流すと、ステータコア１２の両端のティースと、対応するロータ１０の突極間に磁路が形成され、従って、ロータ１０およびステータコア１２内を軸方向に伸び両端の突極、ティース間を通る磁路が形成される。

そして、３つのステータコイル１４にそれぞれ１２０度ずつ位相が異なる正弦波（または矩形波）の駆動電流を供給することによって、ロータ１０の突極が回転磁界に追従しロータ１０が駆動電流の周波数に応じて回転する。

「断面構成」
このように、本実施形態では、磁路はロータ１０，ステータコア１２内において軸方向に向いている。通常のモータの場合、ティースにコイルが巻回され、放射方向の磁界が形成される。従って、その磁路は、図２に示されるように、ステータ内を円周方向に伸び、ティース、突極間を伸びるラジアルタイプの磁路になる（この磁路の長さをＬ１とする）。一方、本実施形態では、上述のように、ロータ１０，ステータコア１２内では、磁路は軸方向タイプのものになる（この磁路の長さをＬ２とする）。

ロータ１０の直径や軸方向長さにもよるが、軸方向長さが短い場合には、磁路の長さはＬ１＞Ｌ２となり、本実施形態のモータの方が有利になる。

また、磁気抵抗は図３に示すように、従来のラジアル方向の磁路の場合、２つのティースと突極との間を通る磁路が形成される。従って、１２０度間隔で形成されるステータのティースと、ロータ１０の突極の間に磁路が形成されることになり、一方は磁気抵抗が大きくなる。これに対し、本実施形態では、１つのステータコア１２の１つの突極と対向するティース間において磁路が形成され、突極とティースが近づいている磁気抵抗の小さな相へ駆動電流を流すことができ、全体として磁気抵抗が小さくなり、効率的なモータの駆動が行える。

「ステータの形成」
次に、ステータ１６の形成について説明する。本実施形態では、ステータ１６は相毎、すなわち３つに分割されており、各相がステータコア１２およびステータコイル１４によって形成されている。そこで、まず１つのステータコア１２にステータコイル１４を巻回するが、本実施形態では、ステータコア１２が上下に２つに分割されて形成される。一方、ステータコイル１４は、ステータコア１２が挿入可能なように、ステータコア１２の中間部の外形に対応した空間を内側に形成してコイルバネ状に形成されている。

そこで、ステータコイル１４の内側空間に２つに分割されたステータコア１２を上下から挿入し、２つのステータコア１２を接着固定する。これによってステータコイル１４が巻回されたステータコア１２が形成される。

また、ステータコイル１４は、コイルバネであり、圧縮変形可能であり、ステータコア１２の上下両端には、内側に向けて突出するティースが形成されている。そこで、分割されたステータコア１２を上下から押しつけ接着することで、ステータコイル１４は、ティースによって圧縮変形してティース間に収容される。このため、ステータコイル１４はそのバネ力によって、ティースに対し強く押しつけられている。従って、実際に使用時において、ステータコイル１４に発生する熱がステータコア１２に容易に伝達でき、ステータコイル１４が過熱するのを効果的に防止することができる。

そして、ステータコイル１４を巻回したステータコア１２を３つ１２０度ずつ離して配置してステータが形成される。なお、図においては、ステータコイル１４を巻回していないステータコア１２についての１相分の形状および配列状態についても示してある。

また、この例では、２つに分割したステータコア１２の形状は同一であり、これを作製するための金型は、１つでよく、効率的な製造が行える。

図５には、ステータの他の構成例が示されている。この例では、ステータコア１２は、軸方向において３つに分割されている。すなわち、ティースが形成される上下の部分とティースのない胴部と、に分割されている。そして、ステータコア１２の胴部をまずステータコイル１４の内部空間に挿入する。次に、ステータコア１２の上下端にあたるティースを胴部に接着する。このとき、ティースによってステータコイル１４を圧縮して胴部とティースを接着する。これによっても図４と同様のステータが形成できる。

なお、この例では、３つに分割したステータコア１２の形状は２種類であり、これらを作製するための金型は２つとなる。

また、図４，５のいずれの場合においても、ステータコア１２は、圧粉磁心を用いた成形により製造される。この圧粉磁心とは、電気絶縁被覆処理した鉄粉の圧粉成形体である。この圧粉磁心は、三次元的に絶縁されており、磁気的に等方であるため、磁束方向を選ばず自由な磁気回路設計が可能であり、電気抵抗が高く、渦電流の発生が少ないため、高い周波数での鉄損を低減できるというメリットを有している。

また、接着剤としては、エポキシ系のコーティング剤等が利用でき、例えば２液タイプ（混合比１０：４）、使用温度範囲−６０°Ｃ〜１８０°Ｃ程度のものが好適である。

「ロータの形成」
次に、ロータ１０の構成について図６に基づいて説明する。まず、シャフトは出力軸として機能し、通常の鉄系のシャフト材が用いられる。このシャフトの周囲には、軸方向の磁路を形成するための磁性体が配置される。

バリエーション１としては、円筒状の圧粉磁心がシャフトを覆って形成され、その周囲に強度を補強するための円筒形の構造材が配置される。この構造材としては強度のある樹脂材や、グラスファイバ材などが用いられる。

また、バリエーション２としては、圧粉磁心材料は、上部と下部が円筒材であり、中間部分は磁路を形成する２つの軸方向部分のみを圧粉磁心材料で形成しており、上部と下部の円筒材を２つの軸方向部分で接続する形になっている。そして、構造材が圧粉磁心を全体として覆うと共に中間部分の軸方向部分以外の部分を埋める形になっている。このような構造材によってロータ１０の強度を十分なものにできる。

また、シャフト、圧粉磁心材料および構造材によって円柱状の部材が構成され、この上下端部分に電磁鋼板による一対の円筒材が取り付けられる。この円筒材は、互いに１８０°離れた対向する２つの部分が突極になっており、この突極がバリエーション２における軸方向部分に対応して配置される。このように、電磁鋼板により突極を形成することで十分なモータ特性を維持することができる。

このようにしてロータ１０が形成される。なお、実施のモータでは、シャフトが両端部分から突出して出力軸とされる。また、各部材間における回転方向の滑りの発生を防止するため、キーおよびキー溝などを形成することが好適である。

「ステータコアの他の構成例」
また、ステータコア１２の他の構成例を図７に示す。上述の例では、上下端に形成するティースは、端に放射方向に伸びる突出部であったが、この例では、内側端において鈎形に伸びる耳部を有している。すなわち、この耳部において、ステータコア１２を内側から押さえられるようになっている。この構成によって、ステータコア１２がステータコイル１４をより確実に保持することができる。また、ステータコア１２は図４，５に示すように、ステータコイル１４を両端方向から押さえるようにして接着して一体化するものであり、耳部があってもステータコイル１４の収容に問題はない。

図８には、ステータコア１２によりコイルバネ状のステータコイル１４を押さえつけることについての説明図が示されている。ステータコイル１４は、バネ特性を有するコイルであり、ステータコア１２のティースによって押しつけることによって圧縮変形する。従って、ステータコイル１４はステータコア１２のティースによって確実に押しつけ固定される。

本実施形態において、ステータコイル１４は、断面がほぼ長方形の平角線を用いており、４面が平面である。従って、ティースの平らな面によって、確実に押さえることができ、また接触面積も十分大きくとれる。例えば、幅５．０ｍｍ×厚み２．６ｍｍであって、銅製の平角線などを用いることが好適である。また、このようなステータコイル１４は、ステータコア１２とは別に作製でき、その形も単純である。そこで、ステータコイル１４を機械によって容易に作製できる。

図９には、ステータコア１２の押さえ部材１８を設けたモータの全体構成が示してある。押さえ部材１８は、ドーナツ状の板材を軸方向の板材によって接続した構成を有しており、ステータコア１２の両端が、ドーナツ状の板材によって軸方向の外方から保持される。また接続する板材は円筒材の一部をなすように円弧状の形状を有しておりステータコア１２およびステータコイル１４を外方から支えるようになっている。

このようなモータは、難しいティースへのコイルの巻回作業などがなく、各作業が比較的簡単である。従って、製造工程を容易に機械化できる。

そして、ステータコイル１４は、それぞれＵ相、Ｖ相、Ｗ相のコイルになっており、図１０に示すように、各相のステータコイル１４に１２０°ずつ位相の異なる駆動電流であって、ロータ回転電気角の３６０°分が１周期となる電流が供給される。駆動波形は正弦波形でもよいが、この例では立ち上がり、立ち下がりが若干なだらかになっているが矩形波に近い波形となっている。各相の駆動波形によって各ステータコア１２と、ロータ１０のティースの間で順次磁路が形成され、これが回転力となり、ロータ１０が駆動波形の周波数で回転される。

実施形態に係るモータの構造を示す図である。 磁路の長さを説明する図である。 磁気抵抗の大きさを説明する図である。 ステータの成型方法の一例を示す図である。 ステータの成型方法の他の例を示す図である。 ロータの成型方法の一例を示す図である。 ステータコイルを押さえるティースの耳を示す図である。 ステータコイルのバネ力を説明する図である。 モータの全体構成を示す図である。 モータの駆動波形を示す図である。

符号の説明

１０ ロータ、１２ ステータコア、１４ ステータコイル、１６ ステータ、１８ 押さえ部材。

Claims (8)

1. ロータと、
   このロータの周囲に円周状に配置された複数のステータコアと、
   各ステータコアに巻回されたステータコイルと、
   を有し、
   前記ステータコイルは、コイルバネとして形成され、前記ステータコアに設けられた一対のストッパ部間に圧縮して収容保持されることを特徴とするモータ。
2. 請求項１に記載のモータにおいて、
   前記ステータコアはモータ駆動電流の相毎に設けられていることを特徴とするモータ。
3. 請求項２に記載のモータにおいて、
   前記ステータコアは、ロータ回転軸と平行な方向に伸び、その周囲を巻回してロータ回転軸と平行な方向の磁界を生成するステータコイルが配置され、
   ロータおよびステータコアにロータ回転軸と平行な方向の磁路が形成されることを特徴とするモータ。
4. 請求項３に記載のモータにおいて、
   前記ステータコアのロータ回転軸に平行な方向の両端部分がロータ側に突出しており、この突出した部分がステータコアとロータを結ぶ磁路となると共に前記ステータコイルを保持するための前記ストッパ部となることを特徴とするモータ。
5. 請求項１〜４のいずれか１つに記載のモータにおいて、
   前記ロータは、その回転軸方向に伸びる圧粉磁心と、この圧粉磁心の周囲を部分的に覆って形成される電磁鋼板を含むことを特徴とするモータ。
6. 前記ステータコイルは、少なくともロータ回転軸方向における両端面が平面である線を利用して形成されることを特徴とするモータ。
7. ロータと、このロータの周囲に円周状に配置された複数のステータコアと、このステータコアに巻回されたステータコイルと、を有するモータの製造方法であって、
   前記ステータコイルを、コイルバネとして形成する工程と、
   形成されたステータコイルを、前記別途形成されたステータコアに設けられた一対のストッパ部間に圧縮して収容する工程と、
   を含むことを特徴とするモータの製造方法。
8. 請求項７に記載のモータの製造方法において、
   前記複数のステータコアは、それぞれ前記ロータの回転軸に平行な方向において分割されており、ステータコイルに分割されたステータコアを差し込み接続することでステータコイルをステータコアの周囲に配置することを特徴とするモータの製造方法。
   

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