JP2013118749A - 電動機の固定子および永久磁石式回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】沿面距離が確保でき、小型モータへの適用が可能な固定子および永久磁石式回転電機を提供すること。
【解決手段】ヨークコアと、該コアの径方向に延びた複数のティースコアを備えた電動機の固定子において、前記ティースコアに装着され、絶縁材からなる複数のボビンを設け、前記ボビンは、前記固定子の励磁巻線が巻装される本体部と、該本体部の両端部に形成された鍔部からなり、前記鍔部の内径側の鍔部の周方向の端面に、隣り合うボビン同士の鍔部の凹凸を嵌合し、前記複数のボビン同士を周方向に連結する嵌合部を設けた電動機の固定子。
【選択図】図１

Description

本発明は電動機の固定子および該固定子を搭載した永久磁石式回転電機に関する。

電動機として、例えばサーボモータの如く、機械や電子機器に組み込まれるものにあっては、限りなく小型化が要求されている。

モータを小型化する手段としては、一般的にコイルの巻回数を増やし、コイル巻線密度を高めることが有効である。

その一手段として、固定子（ステータ）を構成するティースコアを分割して複数の分割コアとし、該分割コアごとにコイル（巻線）を所定回数巻回して巻装した後、これらを必要なスロット数だけ組み立てて一つの円環状の固定子とした固定子構造とする方法がある。

しかし、係る固定子構造にあっては、各分割コアのティースコアに施すコイル巻線絶縁物の表面は、絶縁能力上、沿面となり、ここに２つの導電性部分間の、絶縁物の表面に沿った最短距離の沿面距離が存在することになる。

一般に、モータを制御する制御機器や装置を取り扱う場合、安全上および動作上、絶縁空間距離、沿面距離、温度上昇などが規定されている。

沿面距離は例えば２００Ｖ級のモータでは２〜３ｍｍが要求される。

従って、モータにあっては、この沿面による絶縁距離（絶縁空間距離、沿面距離など）の低下が問題になる。特に、モータを小型化する場合、モータ内部の高密度化が要求され、これに伴って２つの導電性部分の絶縁距離も小さくなり、安全上および動作上、必要とされる絶縁性能が得にくいと言う大きな課題があった。

従来技術として、以下のような電動機の固定子構造が提案されている。

すなわち、一つは、固定子（ステータ）に絶縁ボビンを介してコイルを巻回（励磁巻線）するステータ巻線構造において、絶縁ボビンの側部の両端に一体形成された弾性舌片を設け、該舌片を各コイル巻線間に位置するように構成し、該舌片によりコイル巻線とステータ間の電気的導通を防止可能とし、コイル巻線の絶縁を向上させてなる回転電機のステータ巻線構造である（特許文献１）。

また、他の一つは、固定子鉄心のティース部を含むコア本体の内側に装着され、コイル収容部と内壁部を有する２つのインシュレータ（絶縁材）を備え、該内壁部の周方向の端面に互い違いの段差状の連結部を設け、該連結部により複数のインシュレータを組み合わせ円環状の固定子構造を構成した電動機のインシュレータである（特許文献２）。

また、さらに従来として、Ｈ字状の固定子鉄心の内周面を覆うように両側から嵌め込むように構成され、かつ固定子鉄心のコイル巻線部のティース面側を残して固定子鉄心の外周を覆うインシュレータを含み、該インシュレータのフランジ部の円周方向の端部に、ヨーク部およびティース部を含むコアメンバー同士を周方向に相互に連結するための２つの連結手段、つまり各コアメンバー同士を、ロータ出力軸を中心に環状に連結するためのフック部と、同フック部が係止される係止軸を設け、かつインシュレータを、ティース面およびヨーク部片に沿って平行な一対のフランジ部を有するボビン状に形成し、ティース面側のフランジを、ティース面側よりも軸線方向に低くなるように形成し、ティース面が最も高い位置とすることにより、ロータとの間のギャップを小さくし、幅方向寸法を小さくしてなるアキュシャルギャップ型電動機が提案されている（特許文献３，４，５，６参照）。

また、分割型ステータコアのＩ形状の分割コアの外周部に沿って囲まれたボビンを備え、該ボビンの内部フランジに結合溝と結合突起を形成し、外部フランジに円周形成面を設け、分割コアとボビンの間の組み立てを、熱硬化型樹脂を使用したインサートモールディング方式などで一体成形したスリム型ステータが提案されている（特許文献７，８参照）。

特開２０００−１７５３９３号公報 特開２００７−２５２０３１号公報 特開２００８−１１８８３３号公報 特開２００８−１２５２７８号公報 特開２０１０−８８１６６号公報 特開２０１１−１１４９９３号公報 特開２０１０−１５４７４０号公報 特開２０１０−１５４７４１号公報

特許文献１に記載された発明は、絶縁物の形状を工夫したものであり、コイル巻線全体を包み込む形状、つまり絶縁物として絶縁ボビンを利用したものである。

しかし、この絶縁ボビンは、その側部の両端に一体形成された弾性舌片を設け、該舌片を各巻線間に位置しているため、その分コイル巻線の密度が制約され、モータの性能を向上することができない課題がある。

また、特許文献２に記載された発明は、円周方向に組み立てられた外側インシュレータおよび内側インシュレータの２つのインシュレータにより、コイル収容部を挟み込むようにして構成し、かつ該インシュレータのコイル収容部内の収容されたコイル収容部に対してコーティング剤を射出し、コイル巻線部全体にコーティング剤をコーティングするように構成されたものである。

従って、コーティング剤を射出するとき、コーティング剤がインシュレータの外部に漏れないように工夫する必要があり、このため、上述したインシュレータの内壁部の周方向の端面に互い違いの段差状の連結部を設けたものであり、その構成が複雑な構成となっている。

換言すれば、形状の異なる２種類のインシュレータの端部に形成された互い違いの段差状の連結部は、このコーティング剤が硬化する前に、該コーティング剤が該コイル収容部内から流れ出すことを抑えることを目的として形成したものであって、インシュレータの連結部の連結により、一見沿面距離を増大させる形状であるかのように見えるが、インシュレータの連結部には、界面が存在していることに相違ない。

従って、その結果として、沿面距離は、何ら改善されているとは言えず、従来と同様に沿面距離に基づく上述した課題は残り、該課題を是正する技術とはなり得ていない。

また、内側のインシュレータと外側のインシュレータをもってコイル線を挟み込む構成としているため、それらの組み立てが容易でなく、モータの小型化には適しているとは言い難い。

のみならず、コイル巻線の絶縁のためのコーティング剤を射出するものにあっては、コーティング剤は勿論、その射出手段、手間を要し、コスト的にも不利である。

また、特許文献３−６に記載された発明は、ステータのティース面とロータのマグネット面との隙間に基づく磁気損失を防止することを目的とするものであり、特許文献７−８に記載された発明は、ロータとステータの間のエアギャップ誤差に起因して発生する振動を軽減することを目的とするものであって、これらには、分割ティースコアとコイル間の沿面距離を大きくとることまでは考慮されていないのみならず、Ｈ字状の固定子鉄心の内周面を覆うように両側から嵌め込むように構成され、かつ固定子鉄心のコイル巻線部のティース面側を残して固定子鉄心の外周を覆うインシュレータであって、連結手段がフック部と係止軸、また突起や溝からなるフランジ形状にあっては、沿面距離を長くし、電動機をより小型化することは期待できない。

本発明はかかる課題に鑑みてなされ、その目的は、電動機（モータ）の小型化に対応可能であって、安全上および動作上、必要とされる沿面距離が確保でき、小型モータへの適用が可能な固定子構造を備えた電動機および永久磁石式回転電機を提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明は、例えば電動機の固定子において、分割された複数のティースコアと、該ティースコアの先端部が挿入される複数の凹部を内周面にかつ軸方向に形成したヨークコアと、コイルが巻装される絶縁材からなる複数のボビンとを備え、前記ボビンは、前記コイルが巻装され、前記ティースコアが装着される貫通孔を有するボビン本体部と、該ボビン本体部の外径側の端部に形成された鍔部と、該ボビン本体部の内径側の端部に形成された鍔部を含み、前記内径側端部の鍔部は、前記ボビンを前記ヨークコアに装着し、隣り合うボビン同士を組み立てたとき、嵌合する凹凸部が形成された内側面を有し、周方向に延び、かつ軸方向に延びた板状の突出片を形成し、該突出片をもって、前記コイルと前記ティースコア間の沿面距離を長く確保可能な構成とした電動機の固定子である。

また、更に本発明は、例えば前述した電動機の固定子を搭載した永久磁石式回転電機である。

本発明によれば、従来の課題を是正することができ、コイル巻線部の絶縁物であるボビンの沿面距離を低下することなく、安全上および動作上、必要な沿面距離が確保可能な電動機の固定子構造を得ることができる。これにより、電圧仕様を変えることなく、小型モータへの適用も可能である。

また、本発明によれば、固定子の（ティースコア）の内径と固定子のスロット数が決められていて、その内径を大きくしたり、そのスリット数を増やしたり、あるいは一つのティースコアに割り振られ周方向の長さが変更できないような場合であっても、安全上および動作上、必要な沿面距離が確保でき、より小型化したいモータに対しても、適用可能な電動機の固定子を得ることができる。

これらにより、小型で高性能な回転電機を提供できる。

図１は本発明の電動機の固定子の概略構造を示す構成図である。 図２は本発明の固定子のティースコアに装着された絶縁部材であるボビンの構造を拡大して示す構成図である。 図３は図２のボビンを複数個組み合わせたときの拡大図である。 図４は本発明の固定子のヨークコアとティースコアとボビンの要部を示す分解斜視図である。 図５は本発明の固定子のヨークコアとティースコアとボビンの組み立てを説明するための分解斜視図である。 従来の沿面距離を模式的に示した図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

図１は本発明に関する電動機の固定子を構成する主要部品の固定子構造を示す構成図、図２は図１のボビンの一部（単体）を拡大してボビンの構造を示す構成図、図３は複数のボビンを組み合わせて隣り合うボビン同士の組合せについて説明するための構成図、図４および図５は本発明の固定子のヨークコアとティースコアとボビンの要部および組み立てを示す分解斜視図である。

同図において、１は電動機の回転子（図示せず）と相互作用して回転モーメントを発生する固定子（ステータ）を示し、該固定子は、円筒状のヨークコア（ヨーク鉄心）１１と、該ヨークコアの円筒内側に配設され、複数の分割コアからなるＴ字状のティースコア１２と、該複数のティースコアが挿入される貫通孔を有する絶縁材からなる複数のボビン１３と、該複数のボビンにそれぞれ巻回、巻装されるコイル巻線（励磁巻線）１４を含んでいる。

固定子１に分割されたティースコア１２を採用することにより、固定子に一体化されたコアを採用するものに比べて整列させて銅線を巻き付けることが可能となる。

すなわち高密度にコイルを巻けるので、エネルギー変換の効率低下を招く原因となる「銅損」を抑えることが可能であり、モータの性能を向上させることができる。

本実施例では、ティースコア１１とコイル１４は、そのスロット数が１２個の場合である。なお、ボビン１３の内側には、図示していないが、回転軸に軸受を介して取り付けされた回転子（ロータ）が配置されるが、本実施例では省略してある。

ボビン１３は、図２に示すように複数のティースコア１２を個別に覆うように装着され、コイル１４が巻回、巻装される筒状のボビン本体部１３１と、該ボビン本体部１３１のヨークコア側（外径側）の一端部に軸方向に延びた一体形成された板状の鍔部１３２（図４参照）と、該ボビン本体１３１の回転子側（内径側）に軸方向に延びた一体形成された板状の鍔部１３３（図４参照）から構成されている。

ボビン１３のボビン本体部１３１は、図４に示すように軸方向に延びており、その内部には、ティースコア１２の一部１２１が挿入される貫通孔１３１１が設けられている。また、ボビン本体部１３へのコイル１４の巻装を可能とするため、該ボビン本体部１３１と該ボビン本体の両側の鍔部１３２、１３３により囲まれているコイル巻線空間部６が設けられている。

ボビン１３の鍔部１３２、１３３は、隣り合うボビン１３のボビン本体１３１の端部におけるコイル巻線の端部とティースコア１２内径側の端部１２２間の絶縁（沿面距離Ｌ）や組み立て後の強度確保が可能なように形成されている。

すなわち、鍔部１３２、１３３は、それぞれ軸方向に延び、かつ円周方向に延びた板状（突出片）となっており、この突出片とボビン本体部とをもって上記コイル巻線空間部６が構成されるようにボビン本体部１３１よりも軸方向および円周方向に大きく構成されている。

このようにボビン本体部１３１の両端に一体的に形成された鍔部１３２、１３３の形状を軸方向とともに円周方向に延設し、突出ように構成することにより、ボビン本体部１３１に巻回されるコイル巻線１４と、ボビン本体部の貫通孔１３１１に装着されるティースコア１２の内径側の一端部１２２間の沿面距離Ｌ（図３参照）を長く確保することが可能となる。ボビン同士の組合せは後述する。

また、ボビン１３の外径側の鍔部１３２の時計方向および反時計方向の両端面１３２１、１３２２は、複数のボビン同士を組み立てたとき、例えば図３に示すように隣り合うボビンの鍔部同士の両端面と対向し、かつ密接するように互いに内側に傾斜した傾斜面となっている。

ボビン１３の内径側の鍔部１３３は、ボビン本体１３１との接合面に対して多少湾曲Ｒするように周方向に延びた厚みが異なる板状に形成されている。つまり、図示のように反時計方向側の板状には、時計側の板状に対して、段差が付くように形成されている。

これは、ボビン同士を組み合わせたとき、鍔部１３３の組合せが良好にするとともにこの接合面による沿面距離を確保するためでもある。

また、その内周面側には、隣り合うボビン同士を組み合わせたとき、例えば図３に示すように両ボビン同士が互いに密接するように嵌合する凹凸部が形成されている。また、これらの凹凸部は、図４に示すように鍔部１３３の内周面に軸方向全面に沿って延びるように形成されている。

すなわち、鍔部１３３の湾曲面Ｒを含む板状の一端部には、隣り合うボビンの鍔部の端部と対向する凹凸部１３３１，１３３２，１３３３が形成され、その一方の凸部（図面上、右側の周方向に配置されるボビンの凸部１３３４）が他方の凹部１３３１に嵌合するように構成されている。

詳述すれば、鍔部１３３の凸部１３３２、１３３３は、凹部１３３１を囲むように周方向に延びている。該凹部１３３１は、隣り合うボビンと組み合わせたとき、図３に示すように隣り合うボビンの鍔部の一端部に形成された凸部１３３４が嵌合される。

凸部１３３２は、図示上、隣り合う右側ボビンと組み合わせたとき、図３に示すように隣り合うボビン１３の鍔部１３３の凸部１３３４の上面に重なるように構成されている。またその先端部が隣り合うボビンのボビン本体部１３１の側面に接するほどの長さを有している。

このように形成することで、より沿面距離を大きくすることが可能であるが、重要なことは図４に示すように鍔部１３３の軸方向の全面に亘って凹凸が延びていることである。換言すれば、ボビン本体部全体、つまりボビン本体部１３１の端部だけでなく、中央部を含め、ボビン本体部１３３の両側から全体的に囲むように鍔部１３３を大きく構成した点にある。

このように鍔部１３３の突出片１３３２、１３３４を、ボビン本体１３３１の端部のみでなく、中央部を含む、軸方向に延びるように構成することにより、図６に示すボビン本体の端部のみに鍔部を形成したボビンを使用した場合のボビン同士の結合部における沿面距離Ｌ’に比べて、その突出片分だけ沿面距離を確保することが可能にできる。ここで、図６の沿面距離Ｌ’は、例えば引用文献２に示す如く、単にボビン本体の端部のみに凹凸結合部を有するボビン形状における場合である。その結果、同じ沿面距離による性能仕様で比較すれば、その距離分だけ、固定子を小型化、軽量化が可能となる。

凸部１３３３は、隣り合うボビンの鍔部の凸部１３３４の下側の位置で重なるように構成されている。また、隣り合うボビンの鍔部の側面に接し、かつ凸部１３３２よりも短い長さを有している。

鍔部１３３の他端部には、前記凸部１３３４が形成されているが、該凸部はボビン本体部１３１の端面位置より一段下がった位置に周方向に延びるように形成されている。

すなわち、ボビン１３の鍔部１３３の一方の端部（図２の右側）には、隣り合うボビンの鍔部の凸部１３３４が嵌合される凹部１３３１および該嵌合される凸部１３３４を上下より挟み込むように長さの異なる２つの凸部１３３２、１３３３が形成されている。

また、ボビン１３の鍔部１３３の他方の端部（図２の左側）には、隣り合うボビンの鍔部の凹部１３３１に嵌合される凸部１３３４および段差部１３３５、１３３６が形成されている。

要するに、鍔部１３３の両端部は、隣り合うボビン同士を組み合わせたとき、図３に示すように上下方向に重なり、かつ該両端部の両面が互いに密接するように組合せ可能な凹凸形状に形成されている。鍔部１３３の凹凸の各厚みは、それぞれ０．３ｍｍ程度に構成してある。鍔部１３３の周方向に延びた突出片の長さは１〜２ｍｍ程度に構成してある。

次に、ボビン等の組み立てについて図４、図５を参照して説明する。まず、ボビン１３のボビン本体部１３１にコイルを必要な回数巻き付ける。

その後、ボビン本体部１３１の貫通孔１３１１にＴ字状のティースコア１２の一部１２１を挿入する。図５にその状態を示してある。

しかるのち、ボビン１３の外径側面に突き出したティースコア１２の一部１２１の先端部を図５に示す位置からヨークコア１１に形成された軸方向に延設された凹部１１１に図面の上側から軸方向に沿って差し込むようにして順次装着する。

このとき、隣り合うボビン同士の鍔部１３３の一方の凸部１３３５が他方の凹部１３３４の一端面から他端面側に滑るようにスライドし、その結果として、鍔部１３３の一端面側の凹凸部１３３１−１３３３と他端面側の凹凸部１３３４−１３３６が嵌り合い、図３に示すような状態で結合される。

ここで、ティースコア１２とコイル巻線（励磁巻線）１４の各部は、ティースコア１２に装着されるボビン１３により、互いに絶縁される。このときに、コイル１４の巻回によるコイル巻線部１４からコイル巻線空間６およびコイル表面伝いにティースコア１２に至るまでの距離の内の最短の距離Ｌが沿面距離最小値として絶縁性能が決まる。

以上述べた本実施例では、そのコイル巻線表面伝いに至る表面経路において、ボビン１３の鍔部１３３の端部に設けた凹凸部の嵌合部が存在している。この凹凸部の嵌合により、かつボビンの一方の２つの凸をもって、隣り合うボビンの他方の凸を挟み込み、かつ覆うように重さなり、その表面経路が増す構成としていることから、沿面距離を長く確保することが可能となり、その結果として安全上および動作上、必要とされる沿面距離の規定値を満たすことができ、小型化が可能となる。

換言すれば、本実施例で言えば、鍔部１３３の上述した形状をもって、互いに隣り合うボビンの一方のボビン本体１３１と鍔部１３３の凸部１３３２の付け根部分から該凸部の表面、他方のボビンのボビン本体１３１の鍔部１３３、該他方のボビンの鍔部の凸部１３３４、さらに一方のボビンの鍔部１３３の凸部１３３３に亘る距離が、沿面距離Ｌとなるように構成し、その沿面距離を長く確保することが可能であることから、従来と同一条件の性能で対比すれば、その沿面距離を大きく確保できる分だけ、モータの小型化にも対応可能となる。

なお、本実施例では、対向する鍔部同士に設けた凹凸部によって嵌合する例が説明されているが、嵌合そのものが必要なわけではなく、ボビンの個数で全周３６０度を除した１ボビンあたりの割当角度を超える範囲までボビンの鍔部が延伸していることによって、対向するボビンの鍔部が半径方向に重なりを有していれば、その沿面距離を大きく確保できるので、同じ効果が得られる。

また、この重なりを形成する部分の絶縁物の肉厚であるが、仮にテーパがついた場合、素材特性ごとに定まる必要最小肉厚を切る部分は、絶縁物が存在するとは判定されなくなる。このため、本発明に限っていえば、絶縁物の端部にはテーパがつかないように形状を成形しなければならない。

上述した固定子構造を持つ永久磁石式回転電機に適用可能である。

１ 電動機の固定子
１１ ヨークコア（ヨーク鉄心）
１２ ティースコア
１３ 絶縁ボビン
１３１ ボビン本体部
１３２、１３３ 鍔部
１４ コイル（コイル巻線部）

Claims (5)

1. 電動機の固定子において、分割された複数のティースコアと、該ティースコアの先端部が挿入される複数の凹部を内周面にかつ軸方向に形成したヨークコアと、コイルが巻装される絶縁材からなる複数のボビンとを備え、
   前記ボビンは、前記コイルが巻装され、前記ティースコアが装着される貫通孔を有するボビン本体部と、該ボビン本体部の外径側の端部に形成された鍔部と、該ボビン本体部の内径側の端部に形成された鍔部を含み、
   前記内径側端部の鍔部は、前記ボビンを前記ヨークコアに装着し、隣り合うボビン同士を組み立てたとき、嵌合する凹凸部が形成された内側面を有し、周方向に延び、かつ軸方向に延びた板状の突出片を形成し、該突出片をもって、前記コイルと前記ティースコア間の沿面距離を長く確保可能な構成としたことを特徴とする電動機の固定子。
2. 請求項１に記載された前記電動機の固定子を搭載した永久磁石式回転電機。
3. 電動機の固定子において、分割された複数のティースコアと、該ティースコアの先端部が挿入される複数の凹部を内周面にかつ軸方向に形成したヨークコアと、コイルが巻装される絶縁材からなる複数のボビンとを備え、
   前記ボビンは、前記コイルが巻装され、前記ティースコアが装着される貫通孔を有するボビン本体部と、該ボビン本体部の外径側の端部に形成された鍔部と、該ボビン本体部の内径側の端部に形成された鍔部を含み、
   前記内径側端部の鍔部は、該ボビンの個数で全周３６０度を除した角度を超える範囲まで延伸していることを特徴とする電動機の固定子。
4. 電動機の固定子において、分割された複数のティースコアと、該ティースコアの先端部が挿入される複数の凹部を内周面にかつ軸方向に形成したヨークコアと、コイルが巻装される絶縁材からなる複数のボビンとを備え、
   前記ボビンは、前記コイルが巻装され、前記ティースコアが装着される貫通孔を有するボビン本体部と、該ボビン本体部の外径側の端部に形成された鍔部と、該ボビン本体部の内径側の端部に形成された鍔部を含み、
   前記外径側端部の鍔部は、該ボビンの個数で全周３６０度を除した角度を超える範囲まで延伸していることを特徴とする電動機の固定子。
5. 電動機の固定子において、分割された複数のティースコアと、該ティースコアの先端部が挿入される複数の凹部を内周面にかつ軸方向に形成したヨークコアと、コイルが巻装される絶縁材からなる複数のボビンとを備え、
   前記ボビンは、前記コイルが巻装され、前記ティースコアが装着される貫通孔を有するボビン本体部と、該ボビン本体部の外径側の端部に形成された鍔部と、該ボビン本体部の内径側の端部に形成された鍔部を含み、
   前記内径側端部及び外径側の端部の鍔部は、その先端部においても肉厚寸法が減少しない形状をもつことを特徴とする電動機の固定子。
   
   

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