JP2010213493A - ステータおよびモータ - Google Patents

Abstract

【課題】共通するスロット内に異相コイルの一部がそれぞれ挿通されるステータにおいて、製造効率と製造歩留まりに優れ、しかも、コイル占積率が極めて高いステータと、このステータを具備するモータを提供する。
【解決手段】平面視が略環状のヨーク１１と、該ヨーク１１から径方向内側に突出するティース１２Ａ，１２Ｂと、からなり、隣接するティース１２Ａとティース１２Ｂの間にスロット１３Ａを具備するステータ１であって、隣接するティース１２Ａとティース１２Ｂにはそれぞれ、異相の第１のコイル３Ａと第２のコイル３Ｂが形成されており、共通するスロット１３Ａにおいて、第１のコイル３Ａがヨーク１１側に形成されており、第２のコイル３Ｂが該第１のコイル３Ａに対してティースの径方向内側に段状に積み重なるようにして形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ティース周りに形成されるコイルに特徴を有するステータと、該ステータを具備するモータに関するものである。

モータを構成するステータのティースのまわりに形成されるコイルは、分布巻き方式と集中巻き方式のいずれかによって形成されている。ここで、分布巻き方式とは、複数のティースを跨いだ状態でコイルを形成する方法であり、予め所望の形状に巻き回されたコイルをインサータ等の専用押し込み機を使用して、複数のティースのまわりにコイルを押し込みながら設置するものである。ティースのまわりにコイルが設置された後、コイルエンドがモータ内に収容されるように上下からコイルエンドを押し潰し、レーシング後にワニスを含浸させることでコイルが成形される。一方、集中巻き方式とは、ティースごとに該ティースのまわりにコイルを形成する方法である。

ところで、モータには、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３相コイルが上記分布巻き方式や集中巻き方式にてティース周りに形成された３相交流モータや、Ｕ相、Ｖ相の２相コイルが上記集中巻き方式にてティース周りに形成された２相交流モータなどが存在している。

これらの３相交流モータや２相交流モータにおいては、隣接するティースとティースの間に画成されたスロット内において、たとえば、一方のＵ相コイルの一部と他方のＶ相コイルの一部、あるいは、一方のＶ相コイルの一部と他方のＷ相コイルの一部が挿通されている。通常は、これらのコイルがコイルボビン周りに形成され、このコイルボビンがそれぞれのティースに嵌め込まれてコアとコイルとの絶縁が補償され、共通するスロット内で隣接するＵ相コイルとＶ相コイルの間、Ｖ相コイルとＷ相コイルの間は、相間絶縁紙や、コイルがその周囲に形成されたコイルボビン等にて相間絶縁が補償されている。

しかし、図４ａで示すように、従来のステータＳでは、隣接するティースＴ，Ｔとその間のスロットＳＬに関し、占積率を高めるべく、スロット形状に適応した形状のコイルボビンＢ１，Ｂ２を用意し、Ｕ相コイルＣ１が形成されたコイルボビンＢ１を先行してティースＴ１に嵌め込み、次いで、Ｖ相コイルＣ２が形成されたコイルボビンＢ２を隣接ティースＴ２に嵌め込もうとすると、コイルボビンＢ１，Ｂ２の隅角部Ｂ１’、Ｂ２’同士が干渉してしまい、コイルボビンＢ２の嵌め込みができないという課題が生じていた。そのため、図４ｂで示すように、この干渉を回避するべく、より小寸法のコイルボビンＢ３，Ｂ４を用意し、ティースＴ１，Ｔ２周りにＵ相コイルＣ１，Ｖ相コイルＣ２を形成している。しかし、この場合に、同図からも明らかなように、スロットＳＬ内には、コイルＣ１，Ｃ２が存在しないギャップＧの面積が広くなってしまうことは必至であり、コイル占積率の低下は避けられない。なお、コイルボビンを具備しない場合においても、あるいは、図示例と異なり、ティースの幅がその径方向先端からヨーク側端部に亘って一定の場合においても、この課題は同様にして生じるものである。

ところで、特許文献１においては、上記する２相コイルを具備するモータの絶縁構造に関する技術が開示されている。この絶縁構造は、第１、第２絶縁紙によって二重絶縁とし、相絶縁紙を一部二重状とすることによって、絶縁耐力の向上を図るようにしたものである。しかし、この絶縁構造は、スロット内で、平面視形状が異なるようにして異相コイルを形成するものであり、絶縁紙の線形も複雑であり、製造効率、製造歩留まりの観点からすれば、明らかに現実的とは言い難く、特に、絶縁性確保といった製品品質の面で信頼性が乏しいと言わざるを得ない。

特開２００４−３５０４３４号公報

本発明は、上記する問題に鑑みてなされたものであり、共通するスロット内に異相コイルの一部がそれぞれ挿通されるステータにおいて、製造効率と製造歩留まりに優れ、しかも、コイル占積率が極めて高いステータと、このステータを具備するモータを提供することを目的とする。

前記目的を達成すべく、本発明によるステータは、平面視が略環状のヨークと、該ヨークから径方向内側に突出するティースと、からなり、隣接するティースとティースの間にスロットを具備するとともに該スロットを含むティース周りにコイルが形成されたステータであって、隣接するティースとティースにはそれぞれ、異相の第１のコイルと第２のコイルが形成されており、共通するスロットにおいて、前記第１のコイルがヨーク側に形成されており、前記第２のコイルが該第１のコイルに対して前記径方向内側に段状に積み重なるようにして形成されているものである。

本発明のステータは、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の異相コイルを有する３相交流モータ、Ｕ相、Ｖ相の異相コイルを有する２相交流モータの双方を対象とするものであり、少なくとも、一つのスロット内に、異相コイル（第１のコイル（たとえばＵ相コイル）と、第２のコイル（たとえばＶ相コイル））のそれぞれ一部が挿通されるものである。

また、ステータを構成するティースは、その径方向先端からヨークと接合する根元までの平面視における幅が一定のもの、径方向の先端からヨーク側に向かって、平面視におけるティース幅が大きくなっているもの、の双方を包含するものである。

さらに、ティースのスロットに対向する側面とコイルとの間に絶縁紙等のインシュレータを介してコイルとのスロット絶縁を形成するもの、異相コイル間に相間絶縁紙等のインシュレータが介在されるもの、絶縁素材のボビン（もしくはコイルカセット）の外周にコイルが巻装され、このボビンがティース外周に嵌め込まれるもの、など、従来公知のすべての絶縁形態を包含するものである。

本発明のステータでは、共通するスロットにおいて、異相コイルの一方の第１のコイルがヨーク側に形成され、他方の第２のコイルが該第１のコイルに対してティースの径方向内側に、段状に積み重なるようにして形成されている。

この構成により、上記するティースの平面視形状や、コイルボビンの有無等に関わらず、スロット内に異相コイルを構成する第１、第２のコイルを可及的に高い占積率で挿通することが可能となる。

しかも、これら異相コイルをティース外周に形成するに際し（たとえばボビン外周にコイルが形成されたものをティース外周に挿通する場合）、たとえば、一方のコイルに対応するボビンを先行してティース外周に嵌め合し、次いで、他方のコイルに対応するボビンをティース外周に嵌め合いするものであることより、先行して嵌め合いされているボビンが後で嵌め合いされるボビンと干渉して、当該後で嵌め合いされるボビンの嵌め合い加工効率を低下させる等の問題は生じ得ない。

したがって、高いコイル占積率と、ティース外周に対するコイルの形成（加工）効率性に優れたステータとなり得る。

なお、上記するステータ（コア）は、電磁鋼板を積層してなる鋼板積層体のほか、鉄、鉄−シリコン系合金、鉄−窒素系合金、鉄−ニッケル系合金、鉄−炭素系合金、鉄−ホウ素系合金、鉄−コバルト系合金、鉄−リン系合金、鉄−ニッケル−コバルト系合金および鉄−アルミニウム−シリコン系合金などの軟磁性金属粉末、もしくは軟磁性金属酸化物粉末がシリコーン樹脂等の樹脂バインダーで被覆された磁性粉末などからなる圧粉磁心、高密度圧粉磁心（ＨＤＭＣ）などから成形できる。

本発明者等の解析によれば、本発明のごとく、共通するスロット内でティースの径方向に異相コイルが段積みされたステータを具備するモータと、従来構造のごとく、スロット内でステータの周方向に異相コイルが隣接する形態のステータを具備するモータに関し、仮に、双方のコイルの占積率が同程度であると仮定した際の磁束密度やトルク性能には、ほとんど差異が生じないとの知見が得られている。

尤も、従来構造のステータに比して本発明のステータのコイル占積率が格段に高くなることに鑑みれば、本発明のステータを具備するモータは、従来のコイル構造を有するステータを具備するモータに比して、そのトルク性能、回転性能、回転効率に優れたモータとなり得る。

したがって、上記する本発明のステータを具備するモータ（たとえばＩＰＭモータ）は、近時その量産が盛んになっており、かつ高い出力性能が期待されるハイブリッド自動車や電気自動車の駆動用モータに好適である。

以上の説明から理解できるように、本発明のステータによれば、隣接するティースとティースにそれぞれ異相コイルが形成され、双方のティース間に画成された共通するスロットに当該異相コイルのそれぞれの一部が挿通されるステータにおいて、第１のコイルがヨーク側に形成され、第２のコイルが該第１のコイルに対してティースの径方向内側に段状に積み重なるようにして形成されていることにより、双方のコイルを隣接するティース周りに形成する際に、一方のコイルが他方のコイルと干渉することがないため、第１のコイルをティース外周に形成後に、このコイルと共通するスロットを使用しながら、第２のコイルをそのティースに隣接するティース外周に効率的に形成することができる。このように効率的なコイル形成に加えて、スロット面積に対する異相コイルの占有面積の比率からなるコイル占積率を高くすることができ、これに起因して、コイルに通電される電流値を一定とした場合に、従来構造のステータを具備するモータに比して、高いトルク性能と回転性能を有するモータが得られるものである。

本発明のステータの一部を取り出した横断面図である。 従来のステータと本発明のステータにおける占積率を試算するためのモデルを示した平面図である。 従来構造のステータ（比較例）と本発明のステータ（実施例）をそれぞれ具備するモータのトルク値に関する解析結果を示したグラフである。 （ａ）、（ｂ）はともに、従来構造のステータの一部を取り出した横断面図である。

図１は、Ｕ相コイル、Ｖ相コイル、Ｗ相コイルを具備する３相交流モータを構成する、本発明のステータの一部を取り出した横断面図である。
図１において、ステータ１を構成する環状のヨーク１１から径方向内側にティース１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，…が突出しており、ティース１２Ａとティース１２Ｂ等の間にはコイルが挿通されるスロット１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，…が画成されている。

このステータ１に対し、まず、コイル３Ａがその周囲に巻装されたコイルボビン２Ａをティース１２Ａに嵌め合いする。

ここで、コイルボビン２Ａの径方向長さ：Ｌ１は、ティース１２Ａのヨーク１１側端部からその径方向先端までの長さ：Ｌのおよそ半分程度に成形されている。

また、このコイルボビン２Ａと同様に、ティースのヨーク側端部に配設されるコイルボビンを先行して対応するティースに嵌め合いする。図では、コイルボビン２Ａと同時に、またはコイルボビン２Ａに続いて、ティース１２Ａに隣接するティース１２Ｂを超えて位置するティース１２Ｃに、コイル３Ｃをその周囲に具備するコイルボビン２Ｃを嵌め合いする。

ヨーク側端部に配設されるべきコイルボビンを対応するティースに嵌め合いした後に、ヨーク側端部に配設されているコイルボビンに対して、ティースの径方向で段積みされるようにして別途のコイルボビンをティースに嵌め合いする。

図では、ティース１２Ａ，１２Ｃの間に位置するティース１２Ｂに対して、その径方向先端側（の長さ：Ｌ１の領域）に、コイル３Ｂをその周囲に具備するコイルボビン２Ｂを嵌め合いする。なお、同図において、たとえば、コイル３Ａとティース１２Ｂの間の空間には、双方の絶縁を補償するべく、不図示のインシュレータ（絶縁紙など）が配設されるのが好ましい。また、必要に応じて、コイル３Ａとコイル３Ｂの間に相関絶縁紙等のインシュレータが配されてもよい。

コイルボビン２Ｂと同様にして、ティースの径方向先端側に配設されるべきコイルボビンを対応するティースに嵌め合いすることにより、円環状のヨークから径方向内側へ突出するすべてのティースに対して、３相異相コイルが配設されることになる。

図１と図４ａを比較するとより明瞭となるが、本発明のステータ１のように、共通するスロットにおいて、異相コイルの一方のコイルと他方のコイルが、ティースの径方向内側に段状に積み重なるようにして形成されていることにより、スロット内でコイルが存在しない空隙部分を可及的に低減でき、もってコイル占積率の高いステータを形成することができる。

[従来構造と本発明の構造のステータにおける占積率の試算とその結果]
本発明者等は、図２で示す形状のステータをコンピュータ内でモデル化し、図示形状の従来構造のコイルを具備するステータと、本発明のコイルを具備するステータそれぞれのコイル占積率を試算した。ここで、従来のステータは、図４ｂで示すごときコイル形態を有するものである。また、この試算におけるコイルの径はφ２ｍｍに設定されている。
試算の結果、従来構造のステータのコイル占積率が３７％であったのに対して、本発明のステータのコイル占積率は５７％となり、本発明のステータは従来のステータに対して占積率でおよそ２０％程度の向上が見込めることが実証された。

このことはすなわち、本発明のコイル構造を有するステータを具備するモータと従来のモータを比較した際に、コイルに通電される電流を一定とした場合に、形成される磁束密度は本発明のステータを具備するモータにおいて大幅に高くなり、これに伴い、トルク性能、回転性能、回転効率に優れたモータとなることを示すものである。

[従来構造のステータ（比較例）と本発明のステータ（実施例）をそれぞれ具備するモータのトルク値に関する解析とその結果]
上記占積率の試算より、本発明の（コイル形態を具備する）ステータにおいては、従来の（コイル形態を具備する）ステータに比して占積率が向上し、結果として、モータのトルク性能および回転性能の向上を図ることができる。ここで、本発明者等は、従来のステータと本発明のステータにおいて、仮に占積率を同程度と仮定した場合に、双方の磁束密度やトルクに変化が生じるか否かに関する解析を試みた。この解析は、本発明のステータの有する新規なコイル構造が、占積率向上を期待できる一方で、その構造上の何等かの理由から、占積率向上に応じた磁束密度の向上を見込むことができないものであるか否かを、確認的に検証するためにおこなったものである。

なお、解析モデルは、図４ｂで示すステータ構造（比較例）、図１で示すステータ構造（実施例）としてモデル化している。

回転角に応じたトルク値に関する解析結果を図３に示している。
図３より、実施例、比較例ともに回転角に応じたトルク値にその差異はほとんど生じないという解析結果が得られている。

また、トルク実効値に関しては、比較例に対して実施例は１．３９Ｎｍ小さくなり、その低減量は０．９７％に留まっているとの解析結果が得られている。
さらに、磁束密度に関しては、比較例に対して実施例は０．０３Ｔの低減に留まっている。したがって、本解析結果より、本発明のステータを構成するコイル構造を適用した場合であっても、その構造由来の磁束密度低下等の問題が生じないことが確認された。

以上、占積率に関する試算結果より、本発明のコイル構造を具備するステータを有するモータとすることで、占積率を大幅に向上させることができること、占積率が仮に同程度と仮定した際のトルク値、磁束密度の解析結果より、本発明のステータを構成するコイル構造を適用した場合でも、磁束密度やトルクの低減割合は微小であり、この構造形態がモータ性能にとって妥当な形態であること、が実証された。しかも、本発明のステータでは、コイル形成効率が極めて高いことから、ステータおよびモータの製造効率向上をも図ることができ、近時その量産が盛んになっている、ハイブリッド自動車や電気自動車の駆動用モータ用のステータに好適である。

以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。

１…ステータ、１１…ヨーク、１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ…ティース、１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ…スロット、２Ａ，２Ｂ，２Ｃ…コイルボビン、３Ａ，３Ｂ，３Ｃ…コイル、

Claims (4)

1. 平面視が略環状のヨークと、該ヨークから径方向内側に突出するティースと、からなり、隣接するティースとティースの間にスロットを具備するとともに該スロットを含むティース周りにコイルが形成されたステータであって、
   隣接するティースとティースにはそれぞれ、異相の第１のコイルと第２のコイルが形成されており、
   共通するスロットにおいて、前記第１のコイルがヨーク側に形成されており、前記第２のコイルが該第１のコイルに対して前記径方向内側に段状に積み重なるようにして形成されている、ステータ。
2. 前記第１のコイル、および前記第２のコイルがそれぞれ、コイルボビン周りに形成されるとともに、それぞれのコイルボビンが隣接するティースにそれぞれ嵌め込まれている、請求項１に記載のステータ。
3. 前記ティースは、前記径方向の先端からヨーク側に向かって、平面視におけるティース幅が大きくなっている、請求項２に記載のステータ。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載のステータと、ロータと、からなるモータ。

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