JP2009044798A - モータ - Google Patents

Abstract

【課題】コイルの占積率を高めることができるモータを提供する。
【解決手段】ステータ４は、周方向Ｚ２にスロットＳを挟んで配置された複数のティース１２を有する環状のステータコアと、各ティース１２に複数層に巻回されたコイル１０とを備えている。各ティース１２に巻かれたコイル１０は隣接する層間で交差部２８を含み、その交差部２８は、周方向Ｚ２に対向するティース１２の一対の側面２６，２６の一方のみに対向して配置されている。各ティース１２に巻かれたコイル１０は、一対の側面２６，２６の他方側から圧縮されており、これによって、コイル１０の巻き膨れが抑制されている。
【選択図】図６

Description

この発明は、モータに関するものである。

モータには、複数のティースを有する環状のステータコアと、各ティースの外周に複数層をなして巻回された複数のコイルとを備えるものがある（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−４０９４８号公報

ティースに巻回されたコイルには、通常、巻き膨れが生じる。しかし、コイルに巻き膨れが生じたままであると、ステータコアの所定の断面においてコイルが占める面積の割合（以下、「コイルの占積率」という。）を高めることができないので、モータの出力を向上できない。そこで、例えばティースに巻回された層状のコイルを圧縮し、当該コイルを塑性変形させることでコイルの巻き膨れを抑えることが考えられる。

一方、コイルは、通常、ティースの一端から他端の間で複数回往復するようにティースに巻回される。このとき、ティースに巻回されたコイルの隣接する層間には、必ず交差部が形成される。しかし、このような交差部があると上記のような圧縮が行えない。これは、交差部を圧縮するとコイルに傷が生じるからである。したがって、上記交差部があるとコイルの占積率を高めることが困難である。

この発明は、かかる背景のもとになされたものであり、コイルの占積率を高めることができるモータを提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明は、互いに対向するステータ（４）およびロータ（３）を備え、上記ステータは、周方向（Ｚ２）にスロット（Ｓ）を挟んで配置された複数のティース（１２）を有する環状のステータコア（９）と、各ティースに複数層に巻回されたコイル（１０）とを含み、各ティースに巻かれたコイルは隣接する層間で交差部（２８）を含み、その交差部は、ステータコアの周方向に対向する、ティースの一対の側面（２６）の一方のみに対向して配置されていることを特徴とするモータ（１）である。

本発明によれば、コイルの交差部をティースの一方の側面のみに対向して配置させ、ティースの他方の側面に対向して配置されたコイルの一部を圧縮する。これにより、コイルの巻き膨れが抑制され、コイルの占積率が高められる。本発明によれば、コイルの交差部が圧縮されないので、コイルに傷が生じることはない。
また、上記交差部が対向して配置される各ティースの側面は、ステータコアの周方向に関して同側に配置されている場合がある。この場合、各ティースに巻回されたコイルを同側から圧縮することができるので、上記圧縮のための装置や工程を簡素化することができる。

なお、上記において、括弧内の英数字は、後述の実施形態における対応構成要素の参照符号を表すものであるが、これらの参照符号により特許請求の範囲を限定する趣旨ではない。

以下には、図面を参照して、この発明の実施形態について具体的に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るモータ１の図解的な断面図である。また、図２は、図１におけるＩＩ−ＩＩ線に沿うモータ１の図解的な断面図である。また、図３および図４は、それぞれ、図２の一部を拡大した図である。以下では、モータ１が、インナーロータ型のブラシレスモータである場合について説明する。

図１および図２を参照して、モータ１は、回転軸２に同行回転可能に連結された環状のロータ３と、ロータ３の周囲を取り囲む環状のステータ４と、ロータ３およびステータ４を収容する筒状のフレーム５とを備えている。
ロータ３は、回転軸２に同軸的に連結された環状のロータコア６と、このロータコア６の外周に貼り付けられた複数枚（例えば８枚）のセグメント磁石７とを備えている。各セグメント磁石７は、同一の形状であり、図２に示すように、ロータコア６の周方向Ｚ１に等間隔を隔てて並べられている。ロータコア６の周方向Ｚ１に隣接するセグメント磁石７の外面は、互いに異なる磁極に着磁されている。したがって、ロータ３の外周面の磁極は、Ｎ極およびＳ極がロータコア６の周方向Ｚ１に交互に入れ替わっている。

各セグメント磁石７は、図２に示すように、厚みが連続的に変化している。各セグメント磁石７がロータコア６に貼り付けられた状態で、ロータコア６の中心Ｏ１から各セグメント磁石７の外面までの長さは、ロータコア６の周方向Ｚ１に関する各セグメント磁石７の中央部で最も大きく、ロータコア６の周方向Ｚ１に関する各セグメント磁石７の両端で最も小さくなっている。

また、ロータ３の外周には、セグメント磁石７の飛散防止のための保護管８が固定されている。保護管８は、例えばステンレス鋼などの金属によって形成された円筒状の部材である。保護管８は、ロータ３の外周全域を取り囲んでいる。
図３を参照して、保護管８の内周にロータ３が嵌合していない状態、つまり、自由状態における保護管８の内周寸法（周長）は、ロータコア６の中心Ｏ１を中心とし、ロータコア６の周方向Ｚ１に関する各セグメント磁石７の中央部の外面を通る円Ｃ１の周長と、ロータコア６の中心Ｏ１を中心とし、ロータコア６の周方向Ｚ１に関する各セグメント磁石７の両端を通る円Ｃ２の周長との和を２で割った値にほぼ等しい値に設定されている。

すなわち、上記「各セグメント磁石７の中央部の外面を通る円Ｃ１」の半径をＲ１とし、上記「各セグメント磁石７の両端を通る円」の半径をＲ２とすると、自由状態における保護管８の内周寸法（周長）は、（２π×Ｒ１＋２π×Ｒ２）／２にほぼ等しい値に設定されている。
保護管８の内周にロータ３が嵌合している状態において、保護管８は、ロータ３によって押し広げられており、ロータコア６の径方向Ｙ１外方に弾性変形している。そして、この弾性変形により生じる弾性反力によって、保護管８はロータ３を締め付けている。これにより、ロータ３と保護管８とが強固に固定されている。

図１および図２を参照して、ステータ４は、環状のステータコア９と、このステータコア９に巻回された複数のコイル１０とを含む。ステータコア９は、例えば、軟磁性材料を含む粉末材料によって形成された圧粉磁心である。軟磁性材料としては、鉄、フェライト、センダスト、パーマロイ、パーメンジュールを例示することができる。
ステータコア９は、環状のヨーク１１と、このヨーク１１の内周からステータコア９の径方向Ｙ２内方に向けて突出形成された複数のティース１２とを含む。本実施形態では、例えば１２個のティース１２が設けられている。

図２に示すように、ステータコア９は、複数の分割コア１３が環状に組み合わされることにより構成されている。すなわち、ヨーク１１は、１２個の分割ヨーク１４が環状に組み合わされることにより構成されている。また、ティース１２は、分割ヨーク１４ごとに設けられている。
図４を参照して、複数のティース１２は、ステータコア９の周方向Ｚ２に等間隔を隔てて環状に配置されている。隣接するティース１２の間には、スロットＳが形成されている。本実施形態では、ティース１２が１２個設けられているので、スロット数は１２である。すなわち、モータ１は、８極１２スロットのモータである。

各ティース１２は、概ね断面Ｔ字形形状をなしている。各ティース１２は、ヨーク１１の内周からステータコア９の径方向Ｙ２内方に延びる径方向延伸部１５と、この径方向延伸部１５に連結され、ヨーク１１と同心をなす円の周方向に沿って延びる周方向延伸部１６とを含む。
図１を参照して、ステータコア９の径方向Ｙ２に関する各ティース１２の先端部には、ステータコア９の軸方向Ｘ２外方に延設された軸方向延設部１７が設けられている。すなわち、各ティース１２の周方向延伸部１６が上記「各ティース１２の先端部」を構成しており、ステータコア９の軸方向Ｘ２に関する各周方向延伸部１６の端部が、それぞれ、ステータコア９の軸方向Ｘ２外方に延設され、軸方向延設部１７を構成している。

また、本実施形態では、ステータコア９の軸方向Ｘ２に関するヨーク１１の端部も、それぞれ、ステータコア９の軸方向Ｘ２外方に延設されており、軸方向延設部１８を構成している。各ティース１２の軸方向延設部１７とヨーク１１の軸方向延設部１８とは、ステータコア９の径方向Ｙ２に間隔を隔てて対向している。
図１および図２を参照して、フレーム５は、筒状部１９と、筒状部１９の端部に配置された一対の端壁２０，２１とを含む。ステータコア９は、例えば圧入嵌合によって筒状部１９の内周に固定されている。一対の端壁２０，２１には、回転軸２が挿通する挿通孔２２がそれぞれ形成されている。各挿通孔２２には、軸受２４を保持する軸受保持部２３が形成されている。回転軸２は、各軸受保持部２３に保持された軸受２４を介してフレーム５に回転可能に支持されている。

図５は、ステータコア９の軸方向Ｘ２に直交する平面で切断した分割コア１３の図解的な断面図である。
図５を参照して、コイル１０は、ティース１２の径方向延伸部１５に複数層をなして巻回されている。具体的には、コイル１０は、径方向延伸部１５の一端１５ａから他端１５ｂの間を複数回往復するように径方向延伸部１５に巻回されている。コイル１０は、例えば断面円形であり、径方向延伸部１５に整列巻きされている。すなわち、コイル１０は、規則正しく並んで径方向延伸部１５に巻回されている。

一方、各分割ヨーク１４は、ステータコア９の軸方向Ｘ２（図５では紙面に垂直な方向）に平行であり、且つ、平坦な内面２５を有している。また、各ティース１２の径方向延伸部１５は、ステータコア９の周方向Ｚ２に対向する一対の側面２６，２６を有している。また、各ティース１２の周方向延伸部１６は、対応する分割ヨーク１４の内面２５に概ね対向する一対の外面２７，２７を有している。

各ティース１２の径方向延伸部１５は、対応する分割ヨーク１４の内面２５からほぼ垂直に突出しており、各径方向延伸部１５の各側面２６は、対応する分割ヨーク１４の内面２５と直交している。また、各径方向延伸部１５の各側面２６は、対応する周方向延伸部１６の外面２７と例えば１２０°で交差している。
各径方向延伸部１５の各側面２６と、対応する分割ヨーク１４の内面２５とを直交させることにより、各ティース１２の径方向延伸部１５に対してコイル１０を整列巻きすることができる。また、各径方向延伸部１５の各側面２６と、対応する周方向延伸部１６の外面２７とを１２０°で交差させることにより、各ティース１２の径方向延伸部１５に対してコイル１０を整列巻きすることができる。

すなわち、各径方向延伸部１５の各側面２６と、対応する分割ヨーク１４の内面２５とを直交させることにより、各ティース１２の径方向延伸部１５にコイル１０が巻回された状態において、コイル１０の各層の端部（図５では、各層の上端部）が、一層置きに分割ヨーク１４の内面２５に接するようになっており、コイル１０が分割ヨーク１４の内面２５に支えられて規則正しく整列されている。

また、各径方向延伸部１５の各側面２６と、対応する周方向延伸部１６の外面２７とを１２０°で交差させることにより、各ティース１２の径方向延伸部１５にコイル１０が巻回された状態において、コイル１０の各層の端部（図５では、各層の下端部）が、周方向延伸部１６の外面２７に接するようになっており、コイル１０が周方向延伸部１６の外面２７に支えられて規則正しく整列されている。

図６は、図４におけるＶＩ−ＶＩ線に沿うステータ４の図解的な断面図である。この図６では、理解を容易にするため、コイル１０の線径を太く示し、かつ、径方向延伸部１５に対して２層目の途中までコイル１０が巻回された状態を示している。
図５および図６を参照して、コイル１０は、上述のように、各ティース１２の径方向延伸部１５の一端１５ａから他端１５ｂの間を複数回往復するように径方向延伸部１５に巻回されている。このとき、各ティース１２に巻回されたコイル１０の隣接する層間には、交差部２８が形成されている。本実施形態では、径方向延伸部１５の一対の側面２６の一方のみ、より具体的には、ステータコア９の周方向Ｚ２に関して、同側の側面２６（図６においては、左側の側面２６）のみに、コイル１０の交差部２８が対向して配置されるように、コイル１０が対応する径方向延伸部１５に巻回されている。

一方、各ティース１２の径方向延伸部１５にコイル１０が巻回されると、コイル１０には、巻き膨れが生じる。すなわち、各径方向延伸部１５に巻回されたコイル１０が、当該径方向延伸部１５から離れる方向に膨らんで、ステータコア９の軸方向Ｘ２における径方向延伸部１５の中間部において、コイル１０と径方向延伸部１５との間に隙間が生じてしまう。しかし、コイル１０に巻き膨れが生じたままであると、コイル１０の占積率を高めることができない。本実施形態では、コイル１０が圧縮されており、これによって、コイル１０の巻き膨れが抑制されている。

具体的には、図６において矢印で示すように、上記同側の側面２６と反対側の側面２６（図６においては、右側の側面２６）側から当該反対側の側面２６に向けてコイル１０が圧縮されている。これにより、コイル１０に塑性変形が生じて、ステータコア９の周方向Ｚ２に関する一方側（図６では右側）に生じたコイル１０の巻き膨れが抑制されている。
すなわち、本実施形態では、コイル１０の交差部２８を各径方向延伸部１５の一方の側面２６のみに対向して配置させ、当該一方の側面２６と反対側の側面２６に対向して配置されたコイル１０の一部を圧縮するようになっているので、コイル１０を傷つけることなくコイル１０の巻き膨れを抑制することができる。これにより、コイル１０の占積率が高められ、モータ１の出力が向上される。

また、コイル１０の交差部２８は、各径方向延伸部１５の同側の側面２６に対向して配置されているので、各径方向延伸部１５に巻回されたコイル１０を同側から圧縮することができる。したがって、コイル１０を圧縮するための装置や工程を簡素化することができる。図示はしないが、コイル１０の圧縮は、例えば、径方向延伸部１５にコイル１０が巻回された分割コア１３を保持部材に保持させた後、押圧部材によってコイル１０を押圧することにより達成される。

図７は、本発明の他の実施形態に係る分割コア１１３の図解的な断面図である。また、図８は、本発明の他の実施形態に係る分割コア１１３の径方向延伸部１５に対してコイル１０を巻回するときの工程図である。図８において、（ａ）は、径方向延伸部１５にコイル１０の１層目が巻回されている状態を示しており、（ｂ）は、径方向延伸部１５にコイル１０の１層目が巻回された状態を示している。また、この図７および図８において、上述の図１〜図６に示された各部と同等の構成部分については、図１〜図６と同一の参照符号を付してその説明を省略する。

図７を参照して、本実施形態が上述の実施形態と主に相違するのは、分割ヨーク１４と径方向延伸部１５との連結部に対応する分割ヨーク１４の一部に、分割ヨーク１４の内面２５に対して直交する方向に凹む一対の凹部２９が形成されており、各径方向延伸部１５に巻回されたコイル１０の１層目の一部（具体的には、後述の１回目のコイル１０）が当該凹部２９に入り込んでいることにある。

各凹部２９は、ステータコア９の軸方向Ｘ２（図７では紙面に垂直な方向）に延びている。また、各凹部２９の幅（径方向延伸部１５の各側面２６に直交する方向の長さ。図７では、左右方向の長さ。）は、コイル１０の直径よりも大きくされている。
図７および図８を参照して、コイル１０の１層目は、径方向延伸部１５に対して、当該径方向延伸部１５の一端１５ａから他端１５ｂに向かって複数回（本実施形態では、８回）巻回されており、当該径方向延伸部１５に沿って一直線上に並んでいる。

図８（ａ）では、径方向延伸部１５に対して、１回目から７回目までのコイル１０が隙間なく一直線上に並んで巻回されており、８回目のコイル１０が巻回される状態を示している。この図８（ａ）において、１回目のコイル１０（図８（ａ）において一直線上に並んだコイル１０の上端）は、分割ヨーク１４と径方向延伸部１５との連結部付近において径方向延伸部１５に巻回されており、各凹部２９に入り込んでいない。

また、図８（ａ）において、７回目のコイル１０（図８（ａ）において一直線上に並んだコイル１０の下端）は、径方向延伸部１５と周方向延伸部１６との連結部付近において径方向延伸部１５に巻回されている。したがって、１層目の１回目から７回目までのコイル１０が径方向延伸部１５に巻回された状態において、径方向延伸部１５の各側面２６は１回目から７回目までのコイル１０によって殆ど覆われており、径方向延伸部１５に沿って８回目のコイル１０を巻回できないようになっている。

図８（ａ）に示すように、８回目のコイル１０は７回目のコイル１０に沿って巻回されている。このとき、８回目のコイル１０を巻回する力Ｆ１が、１回目から７回目までのコイル１０に伝達される。これにより、１回目から７回目までのコイル１０と、径方向延伸部１５との間に滑りが生じて、当該１回目から７回目までのコイル１０が、図８（ａ）において矢印Ａ１で示すように、径方向延伸部１５に沿って分割ヨーク１４側に移動する。そして、図８（ｂ）に示すように、１回目のコイル１０の一部が各凹部２９に入り込む。

また、１回目から７回目までのコイル１０が移動することにより、８回目のコイル１０が径方向延伸部１５に沿って巻回される。これにより、図８（ｂ）に示すように、１回目から８回目までのコイル１０が、一直線上に並んだ状態で径方向延伸部１５に巻回されるようになっている。
図７に示すように、コイル１０の２層目は、コイル１０の１層目に沿って整列巻きされおり、コイル１０の２層目の端部（図７では、２層目の上端部）は、分割ヨーク１４の内面２５に沿っている。また、コイル１０の３層目以降は、上述の実施形態と同様に、径方向延伸部１５の周囲で整列巻きされている。

以上のように本実施形態では、各分割ヨーク１４に一対の凹部２９を形成することにより、ステータコア９の磁気特性に影響を及ぼすことなくコイル１０の巻回数を増やすことができる。
すなわち、本実施形態では、各分割ヨーク１４に形成された一対の凹部２９にコイル１０の一部を入り込ませており、これによって、コイル１０の巻回数を増加させている。具体的には、図１〜図６において示した実施形態では、コイル１０の１層目を７回しか巻回できないが、本実施形態では、コイル１０の１層目を８回巻回できるようになっている（図５および図７参照）。

また、図７において網掛けされた領域Ｔ１は、ステータコア９の磁気特性面において、磁気的に無駄な領域になっており、一対の凹部２９はこの領域Ｔ１に形成されているので、一対の凹部２９が各分割ヨーク１４に形成されることでステータコア９の磁気特性が低下することはない。
図９は、参考例に係る分割コア１３の図解的な断面図である。また、図１０は、図９において分割コア１３に巻回されているコイル１１０の図解的な正面図である。この図９および図１０において、上述の図１〜図６に示された各部と同等の構成部分については、図１〜図６と同一の参照符号を付してその説明を省略する。

図９および図１０を参照して、本参考例が図１〜図６において示した実施形態と主に相違するのは、断面矩形のコイル１１０が用いられており、径方向延伸部１５に対してコイル１１０がエッジワイズ巻きされていることにある。
図１０に示す正面視におけるコイル１１０の幅は、コイル１１０の長手方向に沿って変化している（具体的には、図１０において、下方に行くにしたがってコイル１１０の幅が狭くなっている。）。また、コイル１１０の長手方向に直交する平面で切断したコイル１１０の断面は、コイル１１０の幅方向に長い長方形形状である。

コイル１１０は、径方向延伸部１５に沿って巻回されている。径方向延伸部１５に巻回されたコイル１１０の幅は、径方向延伸部１５の一端１５ａから他端１５ｂに向かうにしたがって狭くなっている。これにより、スロットＳ内におけるコイル１１０の占積率が大幅に高められており、モータ１の高出力化、小型化および高効率化が達成されている。
なお、本参考例では、コイル１１０をモータ１に用いる場合について説明したが、モータ１に限らず、ソレノイドやリレー等にコイル１１０を用いてもよい。

この発明は、以上の実施形態の内容に限定されるものではなく、請求項記載の範囲内において種々の変更が可能である。例えば、モータ１は、インナーロータ型のブラシレスモータに限らず、それ以外のモータであってもよい。
また、ステータコア９は、圧粉磁心に限らず、例えば、電磁鋼板を所定の形状に打ち抜いて形成された複数枚の薄板をステータコア９の軸方向Ｘ２に積層固定した積層体であってもよい。電磁鋼板としては、例えば表面に絶縁処理が施されたケイ素鋼板等を用いることができる。

また、上述の実施形態では、ステータコア９が複数の分割コア１３，１１３により構成されている例について説明したが、これに限らず、ステータコア９は、ステータコア９の周方向Ｚ２に分割されていない一体の部材であってもよい。
また、上述の実施形態では、ロータコア６に複数枚のセグメント磁石７が固定されている例について説明したが、ロータコア６に固定される磁石としては、リング磁石であってもよい。

本発明の一実施形態に係るモータの図解的な断面図である。 図１におけるＩＩ−ＩＩ線に沿うモータの図解的な断面図である。 図２の一部を拡大した図である。 図２の一部を拡大した図である。 ステータコアの軸方向に直交する平面で切断した分割コアの図解的な断面図である。 図４におけるＶＩ−ＶＩ線に沿うステータの図解的な断面図である。 本発明の他の実施形態に係る分割コアの図解的な断面図である。 本発明の他の実施形態に係る分割コアの径方向延伸部に対してコイルを巻回するときの工程図である。 参考例に係る分割コアの図解的な断面図である。 図９において分割コアに巻回されているコイルの図解的な正面図である。

符号の説明

１・・・モータ、３・・・ロータ、４・・・ステータ、９・・・ステータコア、１０・・・コイル、１２・・・ティース、２６・・・側面、２８・・・交差部、Ｓ・・・スロット、Ｚ２・・・周方向

Claims (2)

1. 互いに対向するステータおよびロータを備え、
   上記ステータは、周方向にスロットを挟んで配置された複数のティースを有する環状のステータコアと、各ティースに複数層に巻回されたコイルとを含み、
   各ティースに巻かれたコイルは隣接する層間で交差部を含み、その交差部は、ステータコアの周方向に対向する、ティースの一対の側面の一方のみに対向して配置されていることを特徴とするモータ。
2. 請求項１において、上記交差部が対向して配置される各ティースの側面は、ステータコアの周方向に関して同側に配置されていることを特徴とするモータ。

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