JP2009100489A - スロットレス形回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】この発明は、ボビンを不要とし、銅損の低減および部品点数の削減によるコスト低減を図るとともに、集中巻きコイルを正確に位置決めできるスロットレス形回転電機を得る。
【解決手段】空芯部位置決め突起３が、集中巻きコイル５の空芯部の周方向両側の内側壁面に接し、かつ集中巻きコイル５の径方向高さより低い高さで、固定子鉄心２の内周面に固定子鉄心２と一体に突設され、コイル間位置決め突起４が、集中巻きコイル５の周方向両側の外側壁面に接し、かつ集中巻きコイル５の径方向高さより低い高さで、固定子鉄心２の内周面の周方向に隣り合う空芯部位置決め突起３間の中央位置に固定子鉄心２と一体に突設されている。集中巻きコイル５がその内側壁面と外側壁面とを空芯部位置決め突起３とコイル間位置決め突起４とにより挟持されて位置決めされている。
【選択図】図２

Description

この発明は、集中巻きコイルがスロットレス形の円筒状の固定子鉄心の内周面に等間隔に配設された固定子を用いたスロットレス形回転電機に関する。

従来のスロットレス形ブラシレスＤＣモータは、固定子鉄心と回転子鉄心とが同心状に所定の空隙を持って配置され、集中巻きコイルがボビンにプレワインディングされて空隙に面する固定子鉄心周面上に等間隔に固着され、永久磁石が所定の磁極を構成するように回転子鉄心の空隙面に等間隔に配設されている。そして、固定子鉄心は、積層鋼板によって円筒形状に形成され、コイル内径側に突出しない高さを有する軟磁性体の突起が固定子鉄心空隙面の全ての集中巻きコイルの空芯部に固定子鉄心と一体に形成され、位置決め穴がボビンに設けられ、位置決め穴を突起と嵌め合わせることで、集中巻きコイルを位置決めしている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３−９４９１号公報

従来のスロットレス形ブラシレスＤＣモータにおいては、ボビンに設けられた位置決め穴を固定子鉄心空隙面に形成された突起に嵌め合わせて集中巻きコイルを位置決めしていたので、ボビンが集中巻きコイルの巻線スペースの一部を使用することになり、コイル断面積が減少する。そこで、例えば、同一巻き数の場合で比較すれば、ボビンの使用により銅線断面積が小さくなり、銅損（ジュール損）が大きくなるという課題がある。また、ボビンの作製が必要となり、その分コスト増となるという課題もある。さらに、集中巻きコイルの位置決め用の突起を設けることに起因するコギングトルクを低減するために、突起の間隔を不均一にした場合には、ボビンに設けられる位置決め穴の位置を各突起の位置に合わせる必要があり、位置決め穴位置の異なるボビンを突起の数分用意しなければならない。

この発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、集中巻きコイルの内側壁面と外側壁面とを挟持して集中巻きコイルを位置決めする突起を固定子鉄心空隙面に固定子鉄心と一体に形成して、ボビンを不要とし、銅損の低減および部品点数の削減によるコスト低減を図るとともに、集中巻きコイルを正確に位置決めできるスロットレス形回転電機を得ることを目的とする。

この発明によるスロットレス形回転電機は、円筒状のスロットレス形の固定子鉄心および該固定子鉄心の内周面上に等角ピッチで配列して配設された集中巻きコイルを有する固定子と、上記固定子鉄心と所定の空隙を持って同心状に配設され、外周面に所定の磁極を構成する回転子と、を備えている。そして、空芯部位置決め突起が、上記集中巻きコイルの空芯部の周方向両側の内側壁面に接し、かつ上記集中巻きコイルの径方向高さより低い高さで、上記固定子鉄心の内周面に該固定子鉄心と一体に突設され、コイル間位置決め突起が、周方向に隣り合う上記集中巻きコイルの相対する外側壁面に接し、かつ上記集中巻きコイルの径方向高さより低い高さで、上記固定子鉄心の内周面に該固定子鉄心と一体に突設され、上記集中巻きコイルがその内側壁面と外側壁面とを上記空芯部位置決め突起と上記コイル間位置決め突起とにより挟持されて位置決めされている。

この発明によれば、集中巻きコイルがその内側壁面と外側壁面とを空芯部位置決め突起とコイル間位置決め突起とにより挟持されて位置決めされているので、集中巻きコイルをプレワインディングするボビンが不要となる。そこで、ボビンが不要となる分、銅線断面積が増大し、銅損の低減が図られると共に、部品点数の削減によるコスト低減が図られる。また、空芯部位置決め突起およびコイル間位置決め突起が固定子鉄心と一体に作製されるので、空芯部位置決め突起およびコイル間位置決め突起の形状精度および位置精度が高くなり、集中巻きコイルを正確に位置決めできる。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係るスロットレス形回転電機の構成を模式的に示す断面図、図２はこの発明の実施の形態１に係るスロットレス形回転電機における固定子の要部を示す拡大断面図である。

図１および図２において、固定子１は、スロットレス形の固定子鉄心２と、固定子鉄心２の内周面上に等角ピッチで配列、固着された集中巻きコイル５と、を備えている。
固定子鉄心２は、所定枚の電磁鋼板を積層一体化し、その後ワイヤカットにより所望の形状に加工して作製されている。この固定子鉄心２は、円筒状をなし、空芯部位置決め突起３とコイル間位置決め突起４とが固定子鉄心２の内周面に固定子鉄心２と一体に突設されている。空芯部位置決め突起３は、周方向に等角ピッチで配列して例えば２４個突設されており、コイル間位置決め突起４は、周方向に隣り合う空芯部位置決め突起３間の中央位置にそれぞれ突設されている。

集中巻きコイル５は、素線を環状に所定回巻回し、その後固定子鉄心２の内周面形状に沿うように円弧状に曲げ成形して作製され、素線同士が自己融着、或いは接着剤により固着されている。集中巻きコイル５は、その空芯部を各空芯部位置決め突起３に外嵌状態に嵌合させ、固定子鉄心２の内周面に等角ピッチで配設される。このとき、空芯部位置決め突起３が集中巻きコイル５の空芯部側壁面（内側壁面）に係合し、コイル間位置決め突起４が集中巻きコイル５の反空芯部側壁面（外側壁面）に係合し、集中巻きコイル５が空芯部位置決め突起３とコイル間位置決め突起４とにより挟持されて仮固定されると共に、位置決めされる。そして、集中巻きコイル５は、所定の磁極を構成するように結線され、モールドや樹脂含浸により固定子鉄心２に固着される。ここで、空芯部位置決め突起３およびコイル間位置決め突起４の固定子鉄心２の内周面からの突出高さは、集中巻きコイル５から内径側に突出しない高さになっている。

回転子６は、軟磁性体で作製された回転子鉄心７と、回転子鉄心７の外周面に周方向に隣り合う磁極が互いに異なるように交互に固着された永久磁石８と、を備えている。さらに、回転子６は、回転子鉄心７の軸心位置に挿通された回転軸９に固着されている。
スロットレス形回転電機は、固定子鉄心２の内周面上に配設された集中巻きコイル５と空隙１０を介して相対するように回転子６を配設し、回転軸９を図示しない軸受により回転自在に支持されて構成されている。

このように構成されたスロットレス形回転電機においては、空芯部位置決め突起３とコイル間位置決め突起４とが固定子鉄心２の内周面に一体に形成されているので、空芯部位置決め突起３およびコイル間位置決め突起４は固定子鉄心２の作製過程で同時に形成され、その形状精度および形成位置精度が高められる。そして、空芯部位置決め突起３とコイル間位置決め突起４とが、集中巻きコイル５の空芯部側と外側とから集中巻きコイル５を当接、挟持しているので、ボビンを用いることなく、集中巻きコイル５を固定子鉄心２の内周面上に高精度に、簡易に位置決め固定できる。

このように、集中巻きコイル５が空芯部位置決め突起３とコイル間位置決め突起４とにより直接位置決めされているので、ボビンを用いることに起因する銅線断面積の減少が抑えられ、銅損を低減でき、トルクを増大することができる。また、ボビンが不要となるので、部品点数が削減され、低コスト化が図られる。

つぎに、空芯部位置決め突起３の突出高さとコギングトルクとの関係を有限要素法で解析計算した結果を図３に示す。なお、図３では、集中巻きコイル５の径方向高さｄに対する空芯部位置決め突起３の突出高さｈの割合（ｈ／ｄ）を変えて、コギングトルク、リップル、およびトルク（回転電機の出力）を解析計算した結果を示している。また、コイル間位置決め突起４の突出高さは、空芯部位置決め突起３の突出高さと同じである。

図３から、ｈ／ｄが６０％以下の領域では、コギングトルクおよびリップルはほぼ一定の値を示し、ｈ／ｄが６０％を超えると、コギングトルクおよびリップルは徐々に大きくなり、ｈ／ｄが８０％を超えると、コギングトルクおよびリップルが急激に大きくなることがわかる。一方、ｈ／ｄを大きくすると、トルクはほぼ一定の割合で大きくなることがわかる。

このことから、コギングトルク及びリップルの増大を抑制する観点から、ｈ／ｄを８０％以下とすることが好ましい。なお、ｈ／ｄの下限については、空芯部位置決め突起３およびコイル間位置決め突起４が集中巻きコイル５に嵌合して位置決めできる最小高さからｈ／ｄを２０％以上にすることが望ましい。

なお、上記実施の形態１では、空芯部位置決め突起３とコイル間位置決め突起４との突出高さを同じくするものとしているが、空芯部位置決め突起３とコイル間位置決め突起４との突出高さは集中巻きコイル５の内径側に突出しない高さ、即ち集中巻きコイル５の径方向高さより低ければよく、必ずしも同じにする必要はない。

実施の形態２．
図４はこの発明の実施の形態２に係るスロットレス形回転電機における固定子を示す打面図、図５はこの発明の実施の形態２に係るスロットレス形回転電機における固定子の要部を示す拡大断面図である。

図４および図５において、固定子鉄心２Ａの内周面に形成されている空芯部位置決め突起が、集中巻きコイル５の空芯部の周方向一側の内側壁面に当接して位置決めする第１空芯部位置決め突起３１と、集中巻きコイル５の空芯部の周方向他側の内側壁面に当接して位置決めする第２空芯部位置決め突起３２とに分割構成されている。第１および第２空芯部位置決め突起３１，３２は同一形状に形成されている。
なお、他の構成は上記実施の形態１と同様に構成されている。

この実施の形態２では、集中巻きコイル５は、その空芯部を第１および第２空芯部位置決め突起３１，３２に外嵌状態に嵌合させ、固定子鉄心２Ａの内周面に等角ピッチで配設される。このとき、第１空芯部位置決め突起３１が集中巻きコイル５の空芯部の周方向一側の内側壁面に係合し、コイル間位置決め突起４が集中巻きコイル５の外側壁面に係合する。また、第２空芯部位置決め突起３２が集中巻きコイル５の空芯部の周方向他側の内側壁面に係合し、コイル間位置決め突起４が集中巻きコイル５の外側壁面に係合する。これにより、集中巻きコイル５が第１および第２空芯部位置決め突起３１，３２とコイル間位置決め突起４とにより挟持されて仮固定されると共に、位置決めされる。

この実施の形態２によれば、第１および第２空芯部位置決め突起３１，３２が各集中巻きコイル５の空芯部内に配設されている。そこで、集中巻きコイル５の空芯部内に位置する突起に起因して発生するコギングトルクは、位相の異なる２つに分けられる。つまり、第１および第２空芯部位置決め突起３１，３２の突起中心間の間隔により決定される位相差を有する２つのコギングトルクが発生する。これにより、第１および第２空芯部位置決め突起３１，３２の存在に起因して発生する２つのコギングトルクが部分的に相殺され、空芯部位置決め突起により発生されるコギングトルクを全体として低減できる。

なお、空芯部位置決め突起を周方向に２つに分割した場合、図６に示されるように、空芯部位置決め突起が１つの場合に比べ、コギングトルクを大きく低減できることが確認できた。このときの固定子鉄心２Ａは外径φ155.965mm、内径φ147.2mm、集中巻きコイルは、内幅7.3mm、外幅17.2mm、回転子は外径φ139.6mmのかまぼこ型セグメント磁石を採用した表面磁石型である。突起寸法は高さ1.09mmで、幅は１個の場合が7.3mm、２個の場合が幅1.9mmである。
また、上記実施の形態２では、空芯部位置決め突起を周方向に２つに分割するものとしているが、コイル間位置決め突起を周方向に２つに分割しても、同様の効果が得られる。

実施の形態３．
図７はこの発明の実施の形態３に係るスロットレス形回転電機における固定子の要部を示す拡大断面図である。

図７において、空芯部位置決め突起が、集中巻きコイル５の空芯部の周方向一側の内側壁面に当接して位置決めする第１空芯部位置決め突起３３と、集中巻きコイル５の空芯部の周方向他側の内側壁面に当接して位置決めする第２空芯部位置決め突起３４とに分割構成されている。そして、第１および第２空芯部位置決め突起３３，３４の周方向幅が異なっている。また、コイル間位置決め突起が、周方向に隣り合う一方の集中巻きコイル５の外側壁面に当接して位置決めする第１コイル間位置決め突起４１と、他方の集中巻きコイル５の外側壁面に当接して位置決めする第２コイル間位置決め突起４２とに分割構成されている。そして、第１および第２コイル間位置決め突起４１，４２の周方向幅が異なっている。
なお、他の構成は上記実施の形態１と同様に構成されている。

この実施の形態３では、集中巻きコイル５は、その空芯部を第１および第２空芯部位置決め突起３３，３４に外嵌状態に嵌合させ、固定子鉄心２Ｂの内周面に等角ピッチで配設される。このとき、第１空芯部位置決め突起３３が集中巻きコイル５の空芯部の周方向一側の内側壁面に係合し、第２コイル間位置決め突起４２が集中巻きコイル５の外側壁面に係合する。また、第２空芯部位置決め突起３４が集中巻きコイル５の空芯部の周方向他側の内側壁面に係合し、第１コイル間位置決め突起４１が集中巻きコイル５の外側壁面に係合する。これにより、集中巻きコイル５が第１および第２空芯部位置決め突起３３，３４と第１および第２コイル間位置決め突起４１，４２とにより挟持されて仮固定されると共に、位置決めされる。

この実施の形態３によれば、第１および第２空芯部位置決め突起３３，３４の周方向幅が異なっているので、第１および第２空芯部位置決め突起３３，３４の突起中心間の間隔によって決定する位相差を有する２つのコギングトルクが発生する。同様に、第１および第２コイル間位置決め突起４１，４２の周方向幅が異なっているので、第１および第２コイル間位置決め突起４１，４２の突起中心間の間隔によって決定する位相差を有する２つのコギングトルクが発生する。

従って、第１および第２空芯部位置決め突起３３，３４および第１および第２コイル間位置決め突起４１，４２の存在に起因して発生する４つのコギングトルクが部分的に互いに相殺し、空芯部位置決め突起およびコイル間位置決め突起により発生されるコギングトルクを全体として低減できる。このように、第１および第２空芯部位置決め突起３３，３４および第１および第２コイル間位置決め突起４１，４２の周方向幅を調整するという簡易な方法で、コギングトルク全体を低減できる。

ここで、第１および第２空芯部位置決め突起３３，３４および第１および第２コイル間位置決め突起４１，４２により発生するコギングトルクが互いに効果的に相殺するように、第１および第２空芯部位置決め突起３３，３４および第１および第２コイル間位置決め突起４１，４２の周方向幅を決定すればよい。例えば、突起３３、４１起因のコギングトルクの波の位相を１８０°ずらして突起３３起因のコギングトルクの山と突起４１起因のコギングトルクの谷が重なり平均化されるように突起幅を設定すればよい。突起３４と４２についても同様に行なえば全体でコギングトルクの低減ができる。

なお、上記各実施の形態では、固定子鉄心が所定枚の電磁鋼板を積層一体化し、その後ワイヤカットにより所望の形状に加工して作製されているものとしているが、固定子鉄心の作製方法はこれに限定されるものではなく、ワイヤカットやプレス加工により予め所望の形状に形成された所定枚の電磁鋼板を積層一体化してもよく、低炭素鋼などで冷間鍛造製法により作製してもよい。
また、上記各実施の形態では、スロットレス形回転電機として、回転子外周に所定の磁極を構成するように永久磁石を回転子鉄心の外周面に配設した永久磁石式回転電機に適用するものとしているが、界磁コイルにより回転子外周に所定の磁極を構成する巻線界磁式回転電機に適用しても、同様の効果が得られる。

この発明の実施の形態１に係るスロットレス形回転電機の構成を模式的に示す断面図である。 この発明の実施の形態１に係るスロットレス形回転電機における固定子の要部を示す拡大断面図である。 空芯部位置決め突起３の突出高さとコギングトルクとの関係を有限要素法で解析計算した結果を示す図である この発明の実施の形態２に係るスロットレス形回転電機における固定子を示す断面図である。 この発明の実施の形態２に係るスロットレス形回転電機における固定子の要部を示す拡大断面図である。 この発明の実施の形態２に係るスロットレス形回転電機におけるコギングトルクの測定結果を示す図である。 この発明の実施の形態３に係るスロットレス形回転電機における固定子の要部を示す拡大断面図である。

符号の説明

１固定子、２，２Ａ，２Ｂ 固定子鉄心、３ 空芯部位置決め突起、４ コイル間位置決め突起、５ 集中巻きコイル、６ 回転子、７ 回転子鉄心、８ 永久磁石、３１，３３ 第１空芯部位置決め突起、３２、３４ 第２空芯部位置決め突起、４１ 第１コイル間位置決め突起、４２ 第２コイル間位置決め突起。

Claims (6)

1. 円筒状のスロットレス形の固定子鉄心および該固定子鉄心の内周面上に等角ピッチで配列して配設された集中巻きコイルを有する固定子と、
   上記固定子鉄心と所定の空隙を持って同心状に配設され、外周面に所定の磁極を構成する回転子と、を備え、
   空芯部位置決め突起が、上記集中巻きコイルの空芯部の周方向両側の内側壁面に接し、かつ上記集中巻きコイルの径方向高さより低い高さで、上記固定子鉄心の内周面に該固定子鉄心と一体に突設され、
   コイル間位置決め突起が、周方向に隣り合う上記集中巻きコイルの相対する外側壁面に接し、かつ上記集中巻きコイルの径方向高さより低い高さで、上記固定子鉄心の内周面に該固定子鉄心と一体に突設され、
   上記集中巻きコイルがその内側壁面と外側壁面とを上記空芯部位置決め突起と上記コイル間位置決め突起とにより挟持されて位置決めされていることを特徴とするスロットレス形回転電機。
2. 上記空芯部位置決め突起が、上記集中巻きコイルの空芯部の周方向一側の内側壁面に接する第１空芯部位置決め突起と、上記集中巻きコイルの空芯部の周方向他側の内側壁面に接する第２空芯部位置決め突起とに分割構成されていることを特徴とする請求項１記載のスロットレス形回転電機。
3. 上記第１空芯部位置決め突起および上記第２空芯部位置決め突起の周方向幅が異なることを特徴とする請求項２記載のスロットレス形回転電機。
4. 上記コイル間位置決め突起が、周方向に隣り合う上記集中巻きコイルの周方向一側の集中巻きコイルの外側壁面に接する第１コイル間位置決め突起と、周方向に隣り合う上記集中巻きコイルの周方向他側の集中巻きコイルの外側壁面に接する第２コイル間位置決め突起とに分割構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のスロットレス形回転電機。
5. 上記第１コイル間位置決め突起および上記第２コイル間位置決め突起の周方向幅が異なることを特徴とする請求項４記載のスロットレス形回転電機。
6. 上記空芯部位置決め突起および上記コイル間位置決め突起の突出高さが上記集中巻きコイルの径方向高さの２０％以上、８０％以下に構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のスロットレス形回転電機。

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