JP2014075922A - 電動機のステータ及び電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】占積率を保持しつつ、基板上ＩＣとコイルとの干渉を防ぐ。
【解決手段】複数のティースを有するステータコアと、ティースのそれぞれに巻線されたコイルと、電動機を駆動するためのＩＣが搭載され、コイルとの間に隙間を介して組み付けられる基板と、を備えた電動機のステータであって、コイルは、横断面形状が略長方形に形成されるもの９１と、横断面形状が略台形に形成されるもの９３と、で構成されており、ステータコアをティースが内側となるように円環状に形成した状態において、横断面形状が略長方形に形成されるコイル９１と、横断面形状が略台形に形成されるコイル９３と、が周方向に交互に配置され、横断面形状が略台形に形成されるコイル９３は、外周側の辺を内周側の辺よりも長くしており、ＩＣは、基板が組み付けられた際に横断面形状が略長方形に形成されるコイル９１上に位置するものである。
【選択図】図１１

Description

本発明は、電動機のステータ及び電動機に関し、特にそのコイル形状に関するものである。

一般に、電動機のステータは、低損失化と小型化のため、コイルを収容する巻線スロットの占積率を高めることが望ましい。このような観点から、従来の技術として、隣り合うコイル形状を変更し、コイル同士の干渉を防ぎつつ、隙間がなるべくできないように特定箇所に多く巻線し、巻線スロットの占積率を高める技術がある（特許文献１〜７参照）。

特開２００５−１１７８２１号公報（たとえば、［０００９］、［００１０］、図１参照） 特開平０３−３６２５号公報（たとえば、第２頁、第３頁、図１〜図５参照） 特開平１０−１７４３３１号公報（たとえば、［００３０］〜［００３２］、図１参照） 特開平１１−０３２４５７号公報（たとえば、［００１４］〜［００１８］、図１、図２参照） 特開平１０−１７４３３１号公報（たとえば、［００１５］〜［００２３］、図１参照） 特開平０４−１５０７４９号公報（たとえば、第３頁、図１参照） ＷＯ２００７／１４１８３０号（たとえば、［００１０］〜［００１４］、図１、図２参照）

しかし、特許文献１〜７に記載の技術では、隣り合うコイル同士は干渉しないようなコイル形状となっているが、ステータ上に組み付けられる基板上に搭載されたＩＣとコイルとの干渉は考慮されていない。そのため、上記のように１つの巻線コイルにおいて特定箇所に多く巻線していると、その箇所においてステータの周方向だけでなく、ステータ上の基板方向にもコイルが膨れ上がる。その結果、ワイヤの線径が太く巻数も多いコイルになると、コイルと基板との隙間がなくなり、コイルが基板上に搭載されたＩＣと干渉してしまうという課題があった。

本発明は、以上のような課題を解決するためになされたもので、巻線スロットの占積率を保持しつつ、ステータ上に組み付けられる基板上に搭載されたＩＣとステータに巻線されたコイルとの干渉を防ぐことのできるコイル形状を有する電動機のステータ及び電動機を提供することを目的としている。

本発明に係る電動機のステータは、複数のティースを有するステータコアと、ティースのそれぞれに巻線されたコイルと、電動機を駆動するためのＩＣが搭載され、コイルとの間に隙間を介して組み付けられる基板と、を備えた電動機のステータであって、コイルは、横断面形状が略長方形に形成されるものと、横断面形状が略台形に形成されるものと、で構成されており、ステータコアをティースが内側となるように円環状に形成した状態において、横断面形状が略長方形に形成されるコイルと、横断面形状が略台形に形成されるコイルと、が周方向に交互に配置され、横断面形状が略台形に形成されるコイルは、外周側の辺を内周側の辺よりも長くしており、ＩＣは、基板が組み付けられた際に横断面形状が略長方形に形成されるコイル上に位置するものである。

本発明に係る電動機のステータによれば、巻線スロットの占積率を保持しつつ、ステータ上に組み付けられる基板上に搭載されたＩＣとステータに巻線されたコイルとの干渉を防ぐことができる。

本発明の実施の形態に係る電動機のステータコアに巻線した後に正曲げしたステータを示す斜視図である。 本発明の実施の形態に係る電動機のステータコアを逆曲げして巻線したステータを示す斜視図である。 本発明の実施の形態に係る電動機の帯状ステータコアの斜視図である。 本発明の実施の形態に係る電動機のステータを用いる１２スロット／８極の同期電動機（ブラシレスＤＣモータ）の横断面図である。 本発明の実施の形態に係る電動機のステータ巻線の結線図である。 本発明の実施の形態に係る逆曲げした巻線前の電動機のステータコアを示す図である。 本発明の実施の形態に係る電動機のステータコアに巻線する巻線機を示す図である。 本発明の実施の形態に係る電動機のステータコアに巻線されたコイル形状をステータ側面から見た概略図である。 本発明の実施の形態に係る電動機のステータにおいて、正曲げした後で基板が組み付けられた状態を示す側面図である。 本発明の実施の形態に係る電動機のステータの、隣り合うコイル同士の干渉を示す横断面図である。 本発明の実施の形態に係る電動機のステータの、隣り合うコイル同士の干渉を解消したコイル形状とその配置を示す横断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
実施の形態．
図１は、本発明の実施の形態に係る電動機のステータコアに巻線した後に正曲げしたステータを示す斜視図、図２は、本発明の実施の形態に係る電動機のステータコアを逆曲げして巻線したステータを示す斜視図、図３は、本発明の実施の形態に係る電動機の帯状ステータコアの斜視図である。なお、正曲げとはティース１ａが内側となるようにステータ１００を曲げることであり、逆曲げとはティース１ａが外側となるようにステータ１００を曲げることである。
本実施の形態に係る電動機のステータ１００は、永久磁石を用いるロータと組み合わされて同期電動機（ブラシレスＤＣモータ）を構成する。

ステータ１００は、ステータコア１にコイル２を巻線したものであり、図１のようにステータコア１の薄肉連結部１ｃを曲げ、ステータコア突合せ部６３を溶接して溶接部６４で固定し、円環状に形成されている。コアバック１ｂからはそれぞれ内側に向かって半径方向に延びるティース１ａが設けられている。ティース１ａの先端部両側には周方向に延びた先端部１ａ−１を有しており、コアバック１ｂとティース１ａと先端部１ａ−１とで囲まれた部分で巻線スロット１ｅを形成している。巻線スロット１ｅの内面を覆うように絶縁部３が一体成形され、この絶縁部３を介してコイル２をティース１ａに巻線してステータ１００を構成している。

本実施の形態では、１２スロット／８極の電動機のステータ１００について説明する。この電動機のステータ１００は、以下に示す点に特徴がある。尚、各符号については、後述する。
（１）ステータコア１のスロット数が１２である（ステータコア１は、１２個のティース１ａを有する）。
（２）コイル２は、三相のシングルＹ結線で、極数は８極である。コイル２は、１２個のティース１ａの夫々に巻回される集中巻方式である。
（３）ステータコア１は、厚さが０．１〜０．７ｍｍ程度の電磁鋼板を帯状に打ち抜き、これらをかしめ、溶接、接着等で積層して形成される。帯状のステータコア１は、１２個のティース１ａを有する。
（４）帯状のステータコア１に、コイル２とステータコア１との間の絶縁となる絶縁部３が施される。絶縁部３は、例えば、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）等の熱可塑性樹脂を用いて、ステータコア１と一体に成形される。絶縁部３は、ティース１ａ毎に設けられる。従って、ここでは、１２個の絶縁部３を備えることになる。
（５）帯状のステータコア１に絶縁部３を施したら、次に絶縁部３の一方の軸方向端部（結線側）の所定の箇所に、三個の電源端子４と、一個の中性点端子５を挿入する。
（６）帯状のステータコア１を完成後の電動機のステータ１００と逆方向に曲げて、ティース１ａ同士の間の開口部が広くなるようにする。それにより、ティース１ａにコイル２を巻回しやすくなる。
（７）ステータコア１を巻線後にティース１ａが内側になるように正曲げする（所定の方向に曲げられて略ドーナツ状となる）。
（８）ステータコア１のステータコア突合せ部６３を溶接して、溶接部６４で固定する。（９）電源端子４、中性点端子５はヒュージングされている。
（１０）さらに電動機のステータ１００に外部と接続される結線部品４１を組付け、機械的に、且つ電気的に接合する。

図２のようにステータコア１のティース１ａが外側となるように薄肉連結部１ｃを曲げ、コアバック１ｂとティース１ａと先端部１ａ−１とで囲まれた巻線スロット１ｅ空間を広く形成した状態で、コイル２がティース１ａに巻き付けられる。

ステータコア１に一体成形された絶縁部３の一端（軸方向上側）には、三個の電源端子４（Ｕ端子、Ｖ端子、Ｗ端子）と一個の中性点端子５とがそれぞれ図２のような箇所に挿入され、ヒュージングされている。なお、ヒュージングとは加熱によりコイル２の皮膜を溶かし、その溶かした端部と端子４、５とをかしめる方法で機械的及び電気的に接続することである。

また、中性点端子５が挿入されている絶縁部３の一端（軸方向上側）には、中性点端子５の引き回し用突起７が設けられている。

さらに、絶縁部３の一端（軸方向上側）に、各相の渡り線を、ステータコア１の軸方向端面からの高さを所定の位置に保持する突起８を備える。

本実施に係る電動機のステータ１００は１２スロットであるから、ティース１ａも１２個である。

ステータコア１は、厚さが０．１〜０．７ｍｍ程度の電磁鋼板が帯状に打ち抜かれ、これらをかしめ、溶接、接着等で積層して形成される。
ステータコア１は、図３に示すようにティース１ａ、先端部１ａ−１、コアバック１ｂ、薄肉連結部１ｃ、コア端面１ｄ、巻線スロット１ｅで構成されている。

コアバック１ｂからはそれぞれ内側に向かって半径方向に延びるティース１ａが設けられており、コアバック１ｂとティース１ａとで平面視すると略Ｔ字形状をしている。また、ティース１ａの先端部には先端部１ａ−１を有しており、正面視すると略四角形である。隣接するコアバック１ｂ同士は、薄肉連結部１ｃを介して計１２個連結されている。そのため、ステータコア１は、逆曲げや正曲げを自在に行うことができる。
両端のコアバック１ｂにおいて、他のコアバック１ｂと隣接していない側の端面にコア端面１ｄが設けられている。

コアバック１ｂとティース１ａと先端部１ａ−１とで囲まれた部分で巻線スロット１ｅを形成しており、両端のコア端面１ｄ同士を連結した際、１２個の巻線スロット１ｅを有する。また、絶縁部３は巻線スロット１ｅの内面を覆うように成形される。このとき、図示しないがロータと電動機のステータ１００との間は、径方向の寸法が１ｍｍ以下の空隙とする必要があるため、先端部１ａ−１には絶縁部３を設けない。

図４は、本発明の実施の形態に係る電動機のステータを用いる１２スロット／８極の同期電動機（ブラシレスＤＣモータ）の横断面図である。
図４に示すように、本実施の形態に係る同期電動機（ブラシレスＤＣモータ）は１２スロット／８極であり、ティース１ａの数とロータの磁極の数の比が３：２である。
このステータ１００のコイルの配置は、各相の巻線をＵ、Ｖ、Ｗの順番に並べて配置し、それぞれ１２０°位相のずれた交流電流を流すことにより、同期電動機（ブラシレスＤＣモータ）を駆動する。

Ｕ相のコイルは、コイルＵ１、コイルＵ２、コイルＵ３、コイルＵ４で構成される。コイルＵ１の巻き始めは、電源端子４の一つであるＵ端子４ａに接続される。そしてコイルＵ４の巻き終わりは、中性点端子５に接続される。

Ｖ相のコイルは、コイルＶ１、コイルＶ２、コイルＶ３、コイルＶ４で構成される。コイルＶ１の巻き始めは、電源端子４の一つであるＶ端子４ｂに接続される。そしてコイルＶ４の巻き終わりは、中性点端子５に接続される。Ｖ端子は図１に示すように、Ｕ端子が設けられているコアバック１ｂの隣のコアバック１ｂ上に成形された絶縁部３の一端（軸方向上側）に設けられている。

Ｗ相のコイルは、コイルＷ１、コイルＷ２、コイルＷ３、コイルＷ４で構成される。コイルＷ１の巻き始めは、電源端子４の一つであるＷ端子４ｃに接続される。そしてコイルＷ４の巻き終わりは、中性点端子５に接続される。Ｗ端子は図１に示すように、Ｖ端子が設けられているコアバック１ｂの隣のコアバック１ｂ上に成形された絶縁部３の一端（軸方向上側）に設けられている。

なお、各ティース１ａに巻かれるコイル２の巻き方向は、全て同じ方向である。

図５は、本発明の実施の形態に係る電動機のステータ巻線の結線図である。
図５に示すように、電動機のステータ１００のステータ巻線は、シングルＹに結線される。即ち、Ｕ相のコイルＵ１（＋）、コイルＵ２（−）、コイルＵ３（−）、コイルＵ４（＋）が直列に接続される。また、Ｖ相のコイルＶ１（−）、コイルＶ２（＋）、コイルＶ３（＋）、コイルＶ４（−）が直列に接続される。さらに、Ｗ相のコイルＷ１（＋）、コイルＷ２（−）、コイルＷ３（−）、コイルＷ４（＋）が直列に接続される。そして、コイルＵ４（＋）、コイルＶ４（−）、コイルＷ４（＋）の巻き終わりが中性点Ｎに接続される。

図６は、本発明の実施の形態に係る逆曲げした巻線前の電動機のステータコアを示す図、図７は、本発明の実施の形態に係る電動機のステータコアに巻線する巻線機を示す図である。
電動機のステータコア１への巻線は巻線機により行われる。図７において、巻線機は、ノズル７１、フライヤ７２、フォーマ７３、ガイド７４、シャフト７６、支柱７５を備える。

ノズル７１は、フライヤ７２に装着される。ノズル７１は中空の筒状に形成され、ワイヤ７０を繰り出すものである。フライヤ７２は、回転方向７７に動作できる。フォーマ７３は、フライヤ７２の回転軸上に配置された支柱７５の上に設けられる。フォーマ７３は、ガイド７４及びシャフト７６により、フライヤ７２の送り方向（回転軸上）７８に移動できる。このフォーマ７３は、送り方向７８にワイヤ７０を押圧して、巻線位置の位置決めを行うものである。

次に電動機のステータコア１への巻線動作について説明する。
ワイヤ７０の巻線は、ティース１ａの軸回りに回転するフライヤ７２から供給されるワイヤ７０を、送り方向７８に移動するフォーマ７３により導いて巻線する。
フォーマ７３は、送り方向７８、即ちステータコア１の渡り線側の方向に向かって、ワイヤ７０を押圧することにより、巻線位置の位置決めを行う。
そして、フライヤ７２が回転して、絶縁部３を介してティース１ａにノズル７１から繰り出されるワイヤ７０が巻き付く。

このとき、隣り合うティース１ａの先端部１ａ−１間の距離８１はフライヤ７２の幅より狭く、フライヤ７２が送り方向７８に向かうとき、ティース１ａの奥まで入っていくことができない。そのため、隣り合うティース１ａの先端部１ａ−１間の距離８１であっても入っていくことができる寸法で作られたフォーマ７３がフライヤ７２に設けられている。このフォーマ７３がフライヤ７２の代わりにティース１ａの奥まで入っていくことにより、ノズル７１から供給されるワイヤ７０がフォーマ７３の側面に沿ってティース１ａの奥まで到達することができるので、ティース１ａの奥まで巻線することができるようになっている。
なお、フライヤ７２の送り方向７８の動作の際、フライヤ７２とフォーマ７３との相互の位置関係は変わらない。また、巻線時にフライヤ７２は回転動作するがフォーマ７３は回転動作しない。

以上のように、フライヤ７２の回転方向７７の動作及びフライヤ７２とフォーマ７３との送り方向７８の動作を繰り返すことにより、ティース１ａに巻線したコイル２を得ることができる。

図８は、本発明の実施の形態に係る電動機のステータコアに巻線されたコイル形状をステータ側面から見た概略図、図９は、本発明の実施の形態に係る電動機のステータにおいて、正曲げした後で基板が組み付けられた状態を示す側面図である。
巻線機にて電動機のステータ巻線が行われた後、図９のようにステータ１００を正曲げし、その軸方向上側から基板８７を組み付ける。このとき巻線は、ステータ１００側の基板８７上に搭載されたＩＣ８８とステータ１００のティース１ａに巻線されたコイル２とが互いに干渉しないよう、図８のように両者の間に隙間８６ができるように行われる。
ただし、巻線スロット１ｅの占積率を保持するため、コイル２の巻数は減らさずＩＣ８８と干渉する部分に巻線してあるワイヤ７０を、スペースに余裕がある部分へ持って行くことで干渉を解消する。
上記のように巻線して形成されるのが、後述の図１０に示す横断面形状が略長方形のコイルＡ９１であり、その上にＩＣ８８を位置させることにより、両者の干渉を防ぐことができる。

図１０は、本発明の実施の形態に係る電動機のステータの、隣り合うコイル同士の干渉を示す横断面図、図１１は、本発明の実施の形態に係る電動機のステータの、隣り合うコイル同士の干渉を解消したコイル形状とその配置を示す横断面図である。
図１０に示すように、横断面形状が略長方形のコイルＡ９１とコイルと横断面形状が略台形のコイルＢ９２とは周方向に交互に配置されている。
横断面形状が略長方形のコイルＡ９１は、上記のようにＩＣ８８とは干渉しないが、図１０に示すようにコイル２の巻数を増やした干渉部分８９で、隣り合う横断面形状が略台形のコイルＢ９２と干渉してしまう。そこで、内周側にある干渉部分８９に巻線してある横断面形状が略台形のコイルＢ９２のワイヤ７０を、スペースに余裕がある外周側へ持っていくことで干渉を解消する。
そのときの横断面形状が略台形のコイルＢ９２は、図１１に示すように横断面形状が略台形のコイルＢ９３であり、外周側の辺が内周側の辺よりも、横断面形状が略台形のコイルＢ９２に比べ、より長い形状となる。

そうすることで、図１１に示すように横断面形状が略長方形のコイルＡ９１と横断面形状が略台形のコイルＢ９３とにおいて、互いに隣り合う辺がそれぞれ略平行となり、干渉が解消した部分９０で示すように横断面形状が略長方形のコイルＡ９１と横断面形状が略台形のコイルＢ９３との干渉を解消することができる。
なお、ここでいう辺とは、各ティース１ａに巻線したコイル２の横断面において、最も外側に巻線した部分同士を結んだ線のことであるから、厳密には直線ではない。
また、横断面形状が略台形のコイルＢ９３において外周側の巻数を、減らした内周側の巻数より増やすことで、巻線スロット１ｅの占積率を保持するだけでなく高めることができる。

以上より、巻線スロット１ｅの占積率を保持しつつ、ステータ上に組み付けられる基板８７上に搭載されたＩＣとステータに巻線されたコイルとの干渉を防ぐことのできるコイル形状を有する電動機のステータを得ることができる。
なお、本実施の形態では１２スロット／８極の電動機のステータ１００について説明したが、他のスロット数及び極数でもよい。

１ ステータコア、１ａ ティース、１ａ−１ 先端部、１ｂ コアバック、１ｃ 薄肉連結部、１ｄ コア端面、１ｅ 巻線スロット、２ コイル、３ 絶縁部、４ 電源端子、４ａ Ｕ端子、４ｂ Ｖ端子、４ｃ Ｗ端子、５ 中性点端子、７ 引き回し用突起、８ 突起、６３ ステータコア突合せ部、６４ 溶接部、７０ ワイヤ、７１ ノズル、７２ フライヤ、７３ フォーマ、７４ ガイド、７５ 支柱、７６ シャフト、７７ 回転方向、７８ 送り方向、８１ 隣り合うティースの先端部間の距離、８６ 隙間、８７ 基板、８８ ＩＣ、８９ 干渉部分、９０ 干渉が解消した部分、９１ 横断面形状が略長方形のコイルＡ、９２ 横断面形状が略台形のコイルＢ、９３ コイルＡとの干渉を解消した横断面形状が略台形のコイルＢ、１００ ステータ。

Claims (3)

1. 複数のティースを有するステータコアと、
   前記ティースのそれぞれに巻線されたコイルと、
   電動機を駆動するためのＩＣが搭載され、前記コイルとの間に隙間を介して組み付けられる基板と、を備えた電動機のステータであって、
   前記コイルは、
   横断面形状が略長方形に形成されるものと、横断面形状が略台形に形成されるものと、で構成されており、
   前記ステータコアを前記ティースが内側となるように円環状に形成した状態において、
   横断面形状が略長方形に形成されるコイルと、横断面形状が略台形に形成されるコイルと、が周方向に交互に配置され、
   前記横断面形状が略台形に形成されるコイルは、外周側の辺を内周側の辺よりも長くしており、
   前記ＩＣは、前記基板が組み付けられた際に前記横断面形状が略長方形に形成されるコイル上に位置する
   ことを特徴とする電動機のステータ。
2. 前記横断面形状が略長方形に形成されるコイルと、前記横断面形状が略台形に形成されるコイルと、において、
   互いに隣り合う辺がそれぞれ略平行である
   ことを特徴とする請求項１に記載の電動機のステータ。
3. 請求項１又は２に記載の電動機のステータを備えた
   ことを特徴とする電動機。

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