JP2011188696A - ステータのコイル構造 - Google Patents

Abstract

【課題】励磁コイルを今までにない高いコイル占積率でティースに集中巻きできる画期的なステータのコイル構造を提供する。
【解決手段】丸線のコイルより占積率が高い平角線コイルによりステータ４の各ティース４２に集中巻きされる励磁コイル４３を形成し、その際、平角線コイルを、ティース４２の対向する２側面４２ａ、４２ｂのいずれか一方では平角線の幅の広い面がティース４２の側面に平行なフラット巻きになって他方では平角線の幅の狭い面がティース４２の側面に平行なエッジワイズ巻きになるようにひねりを加えてティース４２に巻回し、励磁コイル４３の幅と高さをティース４２の側面４２ａ、４２ｂによって異ならせ、スペースの有効利用を図って励磁コイル４３の占積率を高くする。
【選択図】図３

Description

本発明は、ステータのコイル構造に関し、詳しくは、ステータの各ティースに集中巻きされる励磁コイルの新規な構造に関する。

従来、アキシャルギャップモータにおいて、ステータの各磁極のティースに集中巻きされる励磁コイルの構造を工夫してモータの小型化等を図ることが提案されている（例えば、特許文献１（段落［００１２］−［００１９］、図１、図２、図３等）参照）。

図７（ａ）、（ｂ）は特許文献１に記載のアキシャルギャップモータのステータ１２１のティース１００の平面図、正面図であり、ティース１００は、ロータに近い第１のティース部分１０１−１と、その下側の内径側を斜めに切断した形状の第２のティース部分１０１−２とから構成され、励磁コイルとして、第１、第２のコイル１０２−１、１０２−２が巻回されている。第１のコイル１０２−１は第１のティース部分１０１−１の周囲に巻かれている。第２のコイル１０２−２は、モータ軸に近い内径側が第２のティース部分１０１−２の切断した斜辺部分１０３に巻かれ、外径側が第１のコイル１０２−１に重なるように第１のティース部分１０１−１に巻かれている。そのため、ティース１００は、内径側に第１、第２のコイル１０２−１、１０２−２が単層に巻回されて外径側に第１、第２のコイル１０２−１、１０２−２が重ね巻きされている。

図８は複数のティース１００が周方向に配設されたステータ１２１の一部の斜視図であり、ステータ１２１は、内径側が外径側より薄くなるように斜面を形成した環状のヨーク１１１を備え、前記斜面に周方向に各ティース１００が配設される。

このように形成されたステータ１２１は、ティース１００の外径側のコイル厚さが内径側よりも厚くなるように第１、第２のコイル１０２−１、１０２−２が巻かれる。

特開２００５−２８７２１６号公報

図７、図８に示した従来例のステータ１２１のコイル構造の場合、（１）第１、第２のコイル１０２−１、１０２−２が、一般的な励磁コイルと同様の断面円形の丸線のコイルで形成されるのであれば、ステータ１２１の励磁コイルの占積率は極めて低い。なお、第１、第２のコイル１０２−１、１０２−２を丸線のコイルで形成する際には、その丸線（エナメル線）を周知のノズル巻きで各ティース１００に巻きつけるため、各ティース１００間にノズル巻きの装置のノズルが入る隙間を設けなければならず、その点でも無駄な空きスペースが生じてステータ１２１の励磁コイルの占積率が低くなる。

（２）ティース１００の斜辺部分１０３は、他の直線的な部分よりも径方向の幅が縮まって短くなっているので、第２のコイル１０２−２を第１のコイル１０２−１と同じ量巻くため、第２のコイル１０２−２は、外径側で第１のコイル１０２−１の外側に重ねて巻かれ、その分ステータ１２１の外径方向に突き出るようになり、無駄な空きスペースが生じてステータ１２１の励磁コイルの占積率が低下する。

（３）第１、第２のコイル１０２−１、１０２−２を、それぞれ予めコイルボビンに巻いてカセット式に形成し、そのカセットをティース１００に装着して組み付け性の向上を図る場合にも、斜辺部分１０３に装着される第２のコイル１０２−２のカセットは、外径側が第１のコイル１０２−１のカセットの外側に装着されるので外径側が張り出してさらに無駄なスペースが大きくなり、ステータ１２１の励磁コイルの占積率が低下する。

したがって、図７、図８のステータ１２１のコイル構造では、無駄な空きスペースが多く発生し、励磁コイルの占積率を十分に高くすることができず、アキシャルギャップモータの十分な小型化等を図ることができない。

そして、ラジアルギャップモータの場合にも、ステータの各ティースに励磁コイルを集中巻きする際には、ティース間のスペース（スロット）を極力有効に利用し、高いコイル占積率で励磁コイルを巻くようにコイル構造を工夫することが望まれるが、そのための具体的なステータのコイル構造は提案されていない。

本発明は、励磁コイルを今までにない高い占積率でティースに集中巻きできる画期的なステータのコイル構造を提供することを目的とする。

上記した目的を達成するために、本発明のステータのコイル構造は、ステータの各ティースに集中巻きされる励磁コイルが平角線コイルにより形成され、前記平角線コイルが、前記ティースの対向する側面のいずれか一方では平角線の幅の広い面が前記ティースの側面に平行なフラット巻きになって前記側面の他方では平角線の幅の狭い面が前記ティースの側面に平行なエッジワイズ巻きになるようにひねりを加えて形成されることを特徴としている（請求項１）。

請求項１に係る本発明のステータのコイル構造の場合、まず、丸線のコイルより占積率が高い平角線コイルにより、集中巻きの励磁コイルが形成される。そして、アキシャルギャップモータのステータであれば、対向する側面をティースの内径側、外径側の側面とすることにより、平角線コイルで形成された励磁コイルは、内径側と外径側とで幅と高さが異なり、励磁コイルの装着に利用可能なスペースがモータ軸等で径方向に制約される内径側では平角線の幅の広い面がティースの側面に平行なフラット巻きになってスペースの有効利用が図られ、励磁コイルの装着に利用可能なスペースがティースの厚み（高さ）によってモータ軸方向に制約される外径側では平角線の幅の狭い面がティースの側面に平行なエッジワイズ巻きになってスペースの有効利用が図られる。また、ラジアルギャップモータのステータであれば、対向する側面をティースの周方向の２側面とすることにより、隣り合うティースの励磁コイルの巻き方が、隣り合うティースの対向する２側面の一方では同様のフラット巻きに、他方では同様のエッジワイズ巻きになり、平角線コイルで形成された励磁コイルが、互いに接触しないように高い占積率でティース間のスペースを有効に利用して巻回される。そのため、極力有効にスペースを利用して高いコイル占積率でステータの励磁コイルをティースに集中巻きすることができる。

そのため、励磁コイルを今までにない高い占積率でティースに集中巻きできる画期的なステータのコイル構造を提供することができる。

本発明の一実施形態のアキシャルギャップモータの組み付け状態の断面図である。 図１のアキシャルギャップモータのロータ、ステータの磁極配置を示し、（ａ）はロータの磁極面の平面図、（ｂ）はステータの磁極面の平面図である。 図２のステータの一部を示し、（ａ）は磁極面の平面図、（ｂ）はそのａ−ａ線の左側断面図である。 図１の励磁コイルを示し、（ａ）は内径側と外形側の断面形状を示す透視図、（ｂ）は断面図である。 ステータへのカセット式の励磁コイルの装着を示す斜視図である。 本発明の他の実施形態のラジアルギャップモータの組み付け状態の断面図である。 従来例のティースに巻回される励磁コイルの構造を示し、（ａ）はティースの平面図、（ｂ）はその正面図である。 図７のティースが配設された従来例のステータの構成を示す斜視図である。

つぎに、本発明をより詳細に説明するため、実施形態について、図１〜図６を参照して詳述する。なお、それらの図面においては、モータ軸等は適宜省略している。

（一実施形態）
まず、アキシャルギャップモータのステータの巻き線構造に適用した一実施形態について、図１〜図５を参照して説明する。

図１は本実施形態のアキシャルギャップモータ１ａを示し、アキシャルギャップモータ１ａは、概略、モータ軸２に軸支されて回転するロータ３と、ギャップ（間隔）を設けてロータ３に対向するように設けられたステータ４とを備える。なお、ステータ４は中心の開口にモータ軸２が遊挿される。

図２（ａ）はロータ３の磁極面を示し、ロータ３は円板状のヨーク３１の周方向に例えば８個のロータ磁極のポール３２が等間隔に配設される。

図２（ｂ）はステータ４の磁極面を示し、アキシャルギャップモータ１ａがＡ、Ｂ、Ｃの３相駆動で各相のステータ磁極を９０度間隔で４個ずつ励磁する構成の場合、ステータ４は円板状のヨーク４１の周方向に１２個のステータ磁極のティース４２が等間隔に配設され、各ティース４２には励磁コイル４３が集中巻きされる。

なお、ヨーク３１、４１およびポール３２、ティース４２は磁性体（例えば圧粉磁心）で形成されている。

そして、ステータ４の各ステータ磁極は、図２（ｂ）に示すように相順に配設され、同相の９０度毎の４磁極の励磁コイル４３が同時に通電されてＮ極、Ｓ極に交互に励磁されることにより、励磁されたステータ磁極とロータ磁極との電磁的な吸引作用でロータ３が回転してアキシャルギャップモータ１ａが駆動される。

つぎに、ステータ４の構造について、さらに説明する。

ステータ４のヨーク４１は、励磁コイル４３をカセット式にした場合の装着のし易さ等考慮して、図１からも明らかなように外径側が内径側より肉厚に形成され、ロータ３に対向する磁極面の内径側が所定の傾きで窪んでいる。

ステータ４の各ティース４１は、回転角度に対するステータ４とロータ３の磁極対向部分の面積増分を一定にしてモータトルクの変動（トルクリップル）を低減するため、図２（ｂ）に示すように平面視が扇形であり、内径側は外径側より周方向に短い。また、ステータ４の磁極面を平坦にしてロータ３とステータ４の磁極面の対向距離を一定に保ち、トルクリップルを低減するため、ヨーク４１の厚みに合わせて内径側は外径側より肉厚である。図１のｈａ、ｈｂは各ティース４２の内径側、外径側の厚み(高さ）を示す（ｈａ＞ｈｂ）。

この場合、ステータ４の内径側は、モータ軸２等によって、励磁コイル４３の装着に利用可能なスペースが径方向に制約され、ステータ４の外径側は、厚みｈｂが内径側の厚みｈａより薄いので、励磁コイル４３の装着に利用可能なスペースがモータ軸方向に制約される。

そして、各ティース４２は、内径側の側面４２ａ、外径側の側面４２ｂが本発明の２側面を形成する。

つぎに、各ティース４２に集中巻きされる励磁コイル４３は、コイル占積率を高めるため、周知の平角線を巻回した平角線コイル５により形成され、しかも、その巻き方が画期的である。

図３（ａ）はステータ４の磁極面の一部を示し、同図（ｂ）はその磁極面の励磁コイル４３のａ−ａ線の断面を示す。それらの図面から明らかなように、励磁コイル４３を形成する平角線コイル５は、例えばエナメル線からなる周知の平角線を、ティース４２の左右の長手方向の２側面４２ｃ、４２ｄそれぞれで９０度ずつ同方向または逆方向に緩やかにひねり、内径側の側面４２ａでは平角線の幅の広い面が側面４２ａに平行なフラット巻きになり、外径側の側面４２ｂでは平角線の幅の狭い面が外径側の側面４２ｂに平行なエッジワイズ巻きになるように巻回する。なお、フラット巻きの部分では、励磁コイル４３としての必要な巻き数や、励磁コイル４３の装着に利用可能なスペースのモータ軸方向の長さ（厚みｈａ）等から、径方向１段分の巻き数が決まり、必要に応じて複数段に巻き重ねられる。その際、各１段の巻き数は同じであっても異なっていてもよい。また、前記ひねりによって生じるくびれ部分は、コイルの膨らみを少なくするため、例えば一巻毎に径方向にずらされる。

このように平角線コイルのエッジワイズ巻き（またはフラット巻き）の一部をフラット巻き（またはエッジワイズ巻き）にすることにより、励磁コイル４３は、ティース４２の側面４２ａ、４２ｂによって幅と高さが異なり、励磁コイル４３の装着に利用可能なスペースが径方向に制約される内径側では、平角線の幅の広い面が側面４２ａに平行なフラット巻きになってスペースが有効に利用され、励磁コイル４３の装着に利用可能なスペースがモータ軸方向に制約される外径側では、平角線の幅の狭い面が外径側の側面４２ｂに平行な側面４２ｂに平行なエッジワイズ巻きになってスペースが有効に利用され、無駄な空きスペースがほとんど生じない。

図４（ａ）は励磁コイル４３の内径側と外形側の断面形状を示し、図中のｗａ、ｗｂは励磁コイル４３を形成する平角線コイル５の内径側、外形側の幅であり、ｗａ＜ｗｂである。そして、平角線コイル５の内径側、外形側は、厚み（高さ）がｈａ＞ｈｂ、幅がｗａ＜ｗｂになり、励磁コイル４３の幅と高さが内径側と外形側で異なる。

図４（ｂ）は励磁コイル４３の具体的な断面形状例を示し、この例の場合、励磁コイル４３はカセット式であり、励磁コイル４３を形成する平角線コイル５は、図３（ａ）のティース４２に外枠状に嵌め込まれる例えば樹脂製のコイルボビン５１に平角線を巻いて形成される。その際、コイルボビン５１は例えばティース４２の側面４２ａ、４２ｂの左右端部や中央部等の一または複数の個所において、ティース４２の内径側の側面４２ａの部分には段間に仕切りとなるガイド部５２が形成され、ティース４２の外径側の側面４２ｂの部分には巻き線間に仕切りとなるガイド部５３が形成され、エッジワイズ巻きからフラット巻き、その逆に巻き方を変える平角線を、保持ガイド部５２、５３によって確実に保持することができるとともに、その巻き崩れを防止することができる。

そして、励磁コイル４３は、カセット式であっても外径側や内径側に出っ張ったりすることがない。

図５はステータ４の各ティース４２へのカセット式の励磁コイル４３の装着方法を示し、コイルボビン５１に平角線を巻回して形成された励磁コイル４３は、内径側が外形側より高く、励磁コイル４３内径側からティース４２の上方にもってきて図中の矢印線に示すように上方からティース４２に被せて簡単に装着できる。

以上のように、本実施形態の場合、アキシャルギャップモータ１ａのステータ４のティース４２に、平角線コイル５で形成される集中巻きの励磁コイル４３を集中巻きして、ステータ磁極が形成される。この場合、励磁コイル４３は丸線のコイルで形成する場合より占積率が高くなる。

さらに、平角線コイル５で形成される励磁コイル４３は、内径側がフラット巻きで外径側がエッジワイズ巻きであり、励磁コイル４３の装着に利用可能なスペースに応じて幅と高さが異なり、極力有効に空いたスペースを利用してステータ４の各ティース４２に巻回できる。

したがって、励磁コイル４３を今までにない高い占積率でティース４２に集中巻きできる画期的なステータ４のコイル構造を提供することができ、アキシャルギャップモータ１ａの小型化等を図ることができる。

また、励磁コイル４３をカセット式に形成することにより、励磁コイル４３の各ティース４２への巻回が、励磁コイル４３のカセットを各ティース４２に嵌め付けて簡単に行なうことができ、アキシャルギャップモータ１ａの組み付け性が向上する利点もある。

また、ステータ４のヨーク４１の厚み（高さ）を外径側より内径側で薄くしているので、各励磁コイル４３が出っ張り等なくコンパクトに収納され、ステータ４が小型化できる利点もある。

ところで、励磁コイル４３はカセット式でなくてもよく、ステータ４のティース４２に平角線をひねりながら直接巻いて平角線コイル５と同様の平角線コイルを形成し、この平角線コイルによって励磁コイル４３を形成するようにしてもよい。

（他の実施形態）
つぎに、ラジアルギャップモータのステータの巻き線構造に適用した他の実施形態について、図６を参照して説明する。

図６は本実施形態のラジアルギャップモータ１ｂを示し、ラジアルギャップモータ１ｂはインナーロータタイプであり、概略、モータ軸（図示せず）に軸支されて回転する環状のロータ６と、ギャップ（間隔）を設けてロータ６の外径側に設けられた環状のステータ７とを備える。

ロータ６は環状のヨーク６１の外周面に例えば８個のロータ磁極の径方向に放射状に突出したロータ磁極のポール６２が等間隔に配設されている。

ステータ７は例えば１２個の分割コア７１を環状に繋いで形成され、各分割コア７１は、弧片状のヨーク７２の内径側に中心方向に向かって放射状に突出したステータ磁極のティース７３が配設され、各ティース７３に励磁コイル７４を集中巻きして形成される。このとき、ヨーク７２の内、外周面は平坦であり、各ティース７３の厚み（高さ）は一定である。

そして、各ティース７３の周方向の２側面７３ａ、７３ｂが本発明の対向する２側面である。

励磁コイル７４は、一実施形態の励磁コイル４３と同様に、平角線を巻回した平角線コイル８からなり、ティース７３の左右の２側面のいずれか一方、例えば側面７３ａではフラット巻きになって反対側の側面７３ｂではエッジワイズ巻きになるようにひねりを加えてティース７３に巻回される。このとき、各励磁コイル７４のフラット巻きの部分は、ティース７３間の利用可能なスペース（スロット）に隣のティース７３の励磁コイル７４のエッジワイズ巻きの部分と隣り合わせに収容されるので、その巻き重ねの段数および各１段分の巻き数が、コイル占積率が最も高くなるように設定される。なお、図６では１２時の位置の励磁コイル７４を除く各励磁コイル７４を断面で示している。

したがって、本実施形態の場合も、平角線コイル８が形成する集中巻きの励磁コイル７４は、丸線のコイルで形成する場合より高い占積率で形成される。

さらに、平角線コイル８で形成される励磁コイル７４は、周方向のいずれか一方の周面側がフラット巻きで他方の周面側がエッジワイズ巻きであり、励磁コイル７４の装着に利用可能なスペース（スロット）に応じて幅と高さが異なるため、スペースの有効利用を図ってステータ７の各ティース７３に巻回できる。

そのため、極力有効にスペースを利用して高い占積率で励磁コイル７４をティース７３に集中巻きした画期的な構成のステータ７のコイル構造を提供することができ、ラジアルギャップモータ１ｂの小型化等を図ることができる。

そして、本発明は上記した各実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行なうことが可能であり、例えば、前記一実施形態において、平角線コイル５の巻き線数によってはフラット巻きの段数に応じた高さとエッジワイズ巻きの巻き重ねの厚みの関係が逆する場合もあり、このような場合には、内径側の側面４２ａではエッジワイズ巻きになって外径側の側面４２ｂではフラット巻きになるように平角線を巻回すればよい。また、前記他の実施形態において、側面７３ａではエッジワイズ巻きになって反対側の側面７３ｂではフラット巻きになるように平角線を巻回してもよいのは勿論である。

つぎに、前記両実施形態のモータ１ａ、１ｂのロータ磁極、ステータ磁極の個数等はどのようであってもよく、また、アキシャルギャップモータのステータの励磁コイル構造に適用する場合、ステータが２枚のステータ４を背中合わせに貼り合わせた両面磁極構造であってもよい。さらには、本願出願人が既に出願している、両面磁極構造であって、一方の片面のステータ磁極が全てＳ極、他方の片面のステータ磁極が全てＮ極の立体磁路構成のアキシャルギャップモータ（特願２００９−０１１５２３２号）のステータの励磁コイル構造等にも同様に適用できる。

つぎに、励磁コイル４３、７４の平角線コイル５、８は、いずれも、ティース４２、７３に直接巻回して形成してもよく、カセット式であってもよい。

また、アウターロータのラジアルギャップモータのステータの励磁コイルについても、前記他の実施形態と同様にして本発明を適用できる。

そして、本発明は、電気自動車の駆動モータ等の種々の用途のアキシャルギャップモータ、ラジアルギャップモータのステータのコイル構造に適用することができる。

４、７ ステータ
５、８ 平角線コイル
４２、７３ ティース
４２ａ〜４２ｄ、７３ａ、７３ｂ ティースの側面
４３、７４ 励磁コイル

Claims (1)

1. ステータの各ティースに集中巻きされる励磁コイルが平角線コイルにより形成され、
   前記平角線コイルは、前記ティースの対向する側面のいずれか一方では平角線の幅の広い面が前記ティースの側面に平行なフラット巻きになって前記側面の他方では平角線の幅の狭い面が前記ティースの側面に平行なエッジワイズ巻きになるようにひねりを加えて形成されることを特徴とするステータのコイル構造。