JP2016111795A - 巻線構造体及びこれを用いたモータ - Google Patents

Abstract

【課題】ワイヤを複数回巻いたとしてもコイル体の厚さを薄くするができる巻線構造体を提供する。【解決手段】断面形状が矩形状の平角ワイヤを複数回巻いて形成される複数のコイル体４ａ，４ｂ，６ａ，６ｂ，８ａ，８ｂを備えた巻線構造体である。コイル体４ａ（４ｂ・・・）は平角ワイヤを同一形状に複数回巻き且つ巻くときにその幅方向に位置をずらして巻いて形成され、１つ以上のコイル体４ａ，４ｂ（６ａ，６ｂ，８ａ，８ｂ）でもって１相が構成され、多相のコイル体４ａ，４ｂ，６ａ，６ｂ８ａ，８ｂが円筒状に周方向に等間隔で配設される。このとき、隣接して配置される一対のコイル体、例えばコイル体４ａ，６ａは、所定周方向に見て上流側に位置するコイル体４ａの下流側部が下流側に位置するコイル体６ａの上流側部の下側となるように径方向に重ねて配置されるのが好ましい。【選択図】図１

Description

本発明は、ワイヤを複数回巻いたコイル体を備えた巻線構造体及びこれを用いたモータに関する。

モータに適用した巻線構造体として、ワイヤを同心状に巻いたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。この巻線構造体におけるコイル体１０２は、図５に示す構造を有し、断面形状が円形状のワイヤ１０４を同心状に複数回巻いて形成され、図５（ｃ）で示すように、径方向の長さが拡径するコイル形状に形成される。このようなコイル体１０２は、図５（ａ）に示すように、適用されるモータの回転中心Ｏを中心とする円弧状に湾曲され、ロータマグネット（図示せず）の径方向外側（又は径方向内側）に周方向に間隔をおいて配設される。

また、この巻線構造体として、ワイヤを同周長にとなるように複数回巻いたものも知られている（例えば、特許文献２参照）。この巻線構造体におけるコイル体１１２は、図６に示す構造を有し、断面形状が円形状のワイヤ１１４を同周長となるように複数回巻いて筒状に形成され、図６（ａ）〜（ｃ）で示すように、複数回巻く際に巻いたコイル部の外幅毎に位置をずらして巻いてコイル形状に形成される。このようなコイル体１１２は、図６（ａ）で示すように、適用されるモータの回転中心Ｏを中心とする円弧状に湾曲され、ロータマグネット（図示せず）の径方向外側（又は径方向内側）に周方向に間隔をおいて配設される。

また、ワイヤを同周長に巻いた他の例として、複数回巻いたコイル部の外幅よりも大きく位置をずらしてコイル形状に形成したものも知られている（特許文献３参照）。

特許第４６７３８１７号公報 特許第２７９９３９５号公報 特許第４６９５７７４号公報

しかしながら、上述した従来技術には、次の通りの解決すべき問題がある。ワイヤを同心状に巻いたもの（特許文献１に開示されたもの）においては、コイル体１０２の厚さｔ１はある程度薄く、コイル体１０２の筒状外径Ｄ１と筒状内径ｄ１との差Δｄ１が小さく、小型のモータに適用可能であるが、図５（ｃ）から理解されるように、コイル体１０２におけるコイル部の周長が外側と内側とで異なり、それ故に、コイル部におけるマグネットと鎖交する部分の長さが変化し、このことに起因して、電磁コギングが発生し易い。また、コイル体１０２のコイル部の有効導体長Ｌ１が内側に向かうほど短くなる故に、発生トルクが小さくなり、モータに適用したときにモータ効率が悪くなる。

また、ワイヤを同周長に巻いたもの（特許文献２及び３に開示されたもの）においては、コイル体１１２のコイル部におけるマグネットと鎖交する部分の長さが同じであるので電磁コギングの発生が小さく、またこのコイル部の有効導体長Ｌ２が長いので発生トルクが大きくなるが、図６（ａ）及び（ｂ）から理解されるように、コイル体１１２の厚さｔ２及びコイル幅はワイヤ１１４の外径及び巻数に大きく依存し、モータに適用する場合に設計の選択余地が非常に小さい。また、ワイヤ１１４の巻数が多くなると、コイル体１１２の筒状外径Ｄ２と筒状内径ｄ２との差Δｄ２が大きくなる。このようにコイル体１１２の筒状外径Ｄ２と筒状内径Ｄ２との差Δｄ２が大きくなると、例えば特許文献３に示すように、コイル体の内側（又は外側）にモータハウジング（又はコア継鉄部）やロータマグネット（磁石）を挿入する際にコイル端部分を曲げたり、或いはコアを分割したりする必要がある。また、コアとロータマグネットとの間のエアーギャップは、ロータマグネットとコイル体とのギャップに加えてコイル体が厚くなった分大きくなり、このことに起因してモータ効率が悪くなる。

本発明の目的は、ワイヤを複数回巻いたとしてもコイル体の厚さを薄くするができる巻線構造体を提供することである。

また、本発明の他の目的は、発生トルクを大きくしてモータ効率を高め、小型のものに好適であるモータを適用することである。

本発明の請求項１に記載の巻線構造体は、ワイヤを複数回巻いたコイル体を周方向に配設した巻線構造体であって、
前記ワイヤは断面形状が矩形状の平角ワイヤであり、前記コイル体は前記平角ワイヤを同一形状に複数回巻き且つ巻くときにその幅方向に位置をずらして巻いて形成され、１つ以上の前記コイル体でもって１相が構成され、多相の前記コイル体が円筒状に周方向に等間隔で配設されていることを特徴とする。

また、本発明の請求項２に巻線構造体では、隣接して配置される一対のコイル体は、所定周方向に見て上流側に位置するコイル体の下流側部が下流側に位置するコイル体の上流側部の下側となるように径方向に重ねて配置されていることを特徴とする。

また、本発明の請求項３に記載の巻線構造体では、前記平角ワイヤは、ワイヤ部の厚さｔ０が０．０１５〜２．０ｍｍであり、前記ワイヤ部の肉厚ｔ０に対するその幅Ｗ０の比（Ｗ０／ｔ０）が１．５〜４０であることを特徴とする。

また、本発明の請求項４に記載の巻線構造体では、前記平角ワイヤとして絶縁層の上に熱又は溶剤により活性化する融着層が塗布された自己融着タイプのものが用いられることを特徴とする。

更に、本発明の請求項５に記載のモータは、請求項１〜４のいずれかに記載の巻線構造体を備え、前記巻線構造体の径方向内側又は外側にロータマグネットが回転自在に配設されることを特徴とする。

本発明の請求項１に記載の巻線構造体によれば、ワイヤとして断面形状が矩形状の平角ワイヤを用いているので、ワイヤの占積率（単位面積当たりに対するワイヤの占める断面積）を大きくすることができる。また、この平角ワイヤを同一形状に複数回巻き、このときその幅方向の位置をずらして巻いてコイル体を形成しているので、コイル体の導体断面積を大きくすることができ、モータに適用した場合にモータ効率を高めることができる。更に、コイル体の各コイル部は同一形状であるので、モータに適用した場合に各コイル部におけるマグネットと鎖交する部分の長さが同じとなり、これにより、電磁コギングがほとんど発生せず、滑らかな回転が得られる。

また、本発明の請求項２に巻線構造体によれば、隣接して配置される一対のコイル体は、所定周方向に見て上流側に位置するコイル体の下流側部が下流側に位置するコイル体の上流側部の下側となるように径方向に重ねて配置されているので、各コイル体を周方向に太鼓橋状に湾曲させて配置することができ、これによって、多相のコイル体を周方向にコンパクトに配設してモータの小型化を図ることができる。

また、本発明の請求項３に記載の巻線構造体によれば、平角ワイヤは、ワイヤ部の肉厚ｔ０が０．０１５〜２．０ｍｍであり、ワイヤ部の肉厚ｔ０に対するその幅Ｗ０の比（Ｗ０／ｔ０）が１．５〜４０であるので、コイル体全体の厚さを薄くすることができるとともに、発生トルクも大きくすることができ、小型のモータに最適な巻線構造体を提供することができる。

また、本発明の請求項４に記載の巻線構造体によれば、熱又は溶剤により活性化する融着層が塗布された自己融着タイプの平角ワイヤを用いるので、巻線構造体の製作が容易になる。

更に、本発明の請求項５に記載のモータによれば、請求項１〜４のいずれかに記載の巻構造体を備えているので、電磁コギングがほとんど発生せず、また厚さの薄いコイル体でもって大きなトルクを発生させてモータ効率を高めることができる。

本発明に従う巻線構造体の一実施形態を備えたモータの一部を簡略的に示す断面図。 図１の巻線構造体のコイル体を示す断面図。 図２のコイル体を巻いた状態を示す正面図。 図３におけるＩＶ−ＩＶ線による断面図。 図５（ａ）は、従来のコイル体の一例をモータに適用するように湾曲させた状態で示す平面図であり、図５（ｂ）は、コイル体を湾曲させる前の状態で示す平面図であり、図５（ｃ）は、コイル体を湾曲する前の状態で示す正面図。 図６（ａ）は、従来のコイル体の他の例をモータに適用するように湾曲させた状態で示す平面図であり、図６（ｂ）は、コイル体を湾曲させる前の状態で示す平面図であり、図６（ｃ）は、コイル体を湾曲する前の状態で示す正面図。

以下、図１〜図４を参照して、本発明に従う巻線構造体及びこれを用いたモータの一実施形態について説明する。図１において、図示の巻線構造体２は、周方向に間隔をおいて配設された６つのコイル体４ａ，４ｂ，６ａ，６ｂ，８ａ，８ｂを備え、これら６つのコイル体４ａ，４ｂ，６ａ，６ｂ，８ａ，８ｂが周方向に実質上等間隔をおいて配設されている。この巻線構造体２は、例えば三相コイルのモータに用いられ、一対のコイル体４ａ，４ｂが第一相のコイル体を構成し、一対のコイル体６ａ，６ｂが第二相のコイル体を構成し、また一対のコイル体８ａ，８ｂが第三相のコイル体を構成する。この形態では、各相を２つのコイル体４ａ，４ｂ（６ａ，６ｂ，８ａ，８ｂ）から構成しているが、１つのコイル体から構成してもよく、或いは３つ以上のコイル体から構成するようにしてもよい。

第一相（及び第二相、第三相）のコイル体４ａ，４ｂ（及び６ａ，６ｂ，８ａ，８ｂ）は実質上同一の構成であり、次に、それらの１つのコイル体４ａ（４ｂ，６ａ，６ｂ，８ａ，８ｂ）について説明する。図１とともに図２〜図４を参照して、図示のコイル体４ａ（４ｂ・・・）は、図２〜図４に示すように、断面形状が矩形状の平角ワイヤ１０を用いて形成され、この平角ワイヤ１０を同一形状に複数回巻いて形成される。そして、重ねて巻くときにはコイル体４ａ（４ｂ・・・）の幅方向に位置をずらし、巻いたコイル部１２の上側に幅方向にずれて次のコイル部１２が重なるように例えば樹脂などで仮融着させながら巻き、このようにしてコイル体４ａ（４ｂ・・・）が形成される。

具体的には、巻線治具（一般に、「マンドレル」と称される）に平角ワイヤ１０を１回巻き、次の二巻き目においては、一巻き目のコイル部１２に対してその幅方向片側（例えば、図３において左側）に所定量ずらして重なるように二巻き目を巻き、その次の三巻き目においては、二巻き目のコイル部１２に対して上述したと同様にその幅方向片側に所定量ずらして重なるように巻き、このように幅方向にずらして重なるように複数回巻くことにより、図２及び図３に示すコイル体４ａ（４ｂ・・・）が形成される。

このように形成したコイル体４ａ（４ｂ・・・）では、図２及び図３に示す通り、各コイル部１２の形状が同一となり、またその軸方向（モータに適用した場合における回転軸２４（図１参照）の軸方向）の部分１４（マグネット１６（図１参照）と鎖交する部分）の長さＬ３（図３参照）が等しく、このような構成によって、鎖交する磁束数に対する起磁力が等しくなり、これにより、電磁コギングを非常に少なく抑えることができる。また、平角ワイヤ１０を用いているので、複数回巻いてもコイル体４ａ（４ｂ・・・）の厚さｔを薄くすることができ、小型のモータに好都合に適用することができ、またその導体断面積を大きくすることが可能となり、モータに適用した場合におけるモータ効率を高めることができる。

また、このようなコイル体４ａ（４ｂ・・・）においては、隣接するコイル部１２の幅方向のずれ量は、例えば、平角ワイヤ１０の肉厚程度にすることができ、このように設定することによって、幅方向に少しずつずれたコイル体４ａ（４ｂ・・・）とすることができる。尚、この幅方向のずれ量は、適宜に設定することができ、このずれ量を調整することによって、コイル体４ａ（４ｂ・・・）全体の厚みｔ及びコイル体４ａ（４ｂ・・・）におけるマグネット１６と鎖交する部分の巻数及び幅Ｗ１を調整してモータ特性を調整することができる。

このコイル体４ａ（４ｂ・・・）に用いる平角ワイヤ１０の断面形状は、図４に示すように、幅方向（図４において左右方向）に細長い矩形状であり、モータの大きさにもよるが、その幅Ｗ０は、例えば０．２〜４０ｍｍ程度であり、その肉厚ｔ０は、例えば０．０１５〜２．０ｍｍ程度であり、この平角ワイヤ１０における肉厚ｔ０に対するその幅Ｗ０の比（Ｗ０／ｔ０）は、モータに適用した場合におけるモータ効率などを考慮して１．５〜４０であるのが好ましい。平角ワイヤ１０の表面は電気的絶縁材料（図示せず）、例えばエナメルなどで被覆され、その被膜絶縁層の厚さは、例えば１．５〜３０μｍ程度となるように被覆される。尚、このような平角ワイヤ１０を用いる場合、その肉厚ｔ０及びその幅Ｗ０を変えることによって、コイル体４ａ（４ｂ・・・）の厚みｔやその全体の幅Ｗ２及び巻数を調整してモータ特性を最適にすることができる。

このような平角ワイヤとして、電気的絶縁層（即ち、被覆絶縁層）の上に熱（例えば、熱風など）や溶剤（例えば、アルコールなど）により活性化する融着層を塗布した自己融着タイプのものを用いることができ、このような自己融着タイプの平角ワイヤを使用すると、位置をずらして巻きながらコイル間を固定することができる。このようなコイル体４ａ（４ｂ・・・）を図１に示すモータのモータハウジング１８の内周面に取り付ける場合、図３に示す状態から図２に示す状態に湾曲される。モータハウジング（又はコア継鉄部）１８の内周面は円形状に形成されており、従って、コイル体４ａ（４ｂ・・・）は、このモータハウジング（又はコア継鉄部）１８の内周面の形状に略対応した円弧状に成形された後に取り付けられる。この取付けは、例えば樹脂などでもってモータハウジング（又はコア継鉄部）１８の内周面に溶着固定され、取り付けられた状態の巻線構造体２は、全体として中空円筒状となり、図１及び図２からも理解される如く、巻線構造体２（換言すると、コイル体４ａ，４ｂ，６ａ，６ｂ，８ａ，８ｂ）の円筒状外径Ｄとその円筒状内径ｄとの差Δｄ（即ち、コイル体４ａ・・・の厚さｔ）を薄くすることができる。このように上記差Δｄを薄くすることにより、ロータマグネット（磁石）とモータハウジング（又はコア継鉄部）との距離（所謂、エアーギャップ）が小さく（薄く）なり、モータ効率を改善することができる。また、このように薄くすることで巻線構造体の内周側や外周側にロータマグネットやモータハウジング（又はコア継鉄部）の組込みが容易となる。

巻線構造体２（即ち、コイル体４ａ，４ｂ，６ａ，６ｂ，８ａ，８ｂ）は、図１に示すように組み付けられる。第１相のコイル体４ａ，４ｂは略対向して配設され、矢印２０で示す所定周方向に見て、一方のコイル体４ａの上流側端に他方のコイル体４ｂの下流側端が位置し、この他方のコイル体４ｂの上流側端に一方のコイル体４ａの下流側端が位置する。また、第２相のコイル体６ａ，６ｂ（第３相のコイル体８ａ，８ｂ）は、第１相のコイル体４ａ，４ｂと同様に配置され、矢印２０で示す所定周方向に見て、一方のコイル体６ａ（８ａ）の上流側端に他方のコイル体６ｂ（８ｂ）の下流側端が位置し、この他方のコイル体６ｂ（８ｂ）の上流側端に一方のコイル体６ａ（８ａ）の下流側端が位置する。

このように構成しているので、図１に示す通り、例えば第１相のコイル体４ａ，４ｂ（第２相のコイル体６ａ、６ｂ、第３相のコイル体８ａ，８ｂ）について見ると、この第１相のコイル体４ａ（第２相のコイル体６ａ、第３相のコイル体８ａ）の内側に、第３相のコイル体８ｂ（第１相のコイル体４ａ、第２相のコイル体６ａ）の中間部及び下流側端部と、第２相のコイル体６ｂ（第３相のコイル体８ｂ、第１相のコイル体４ａ）の下流側端部とが、径方向内方に向けてこの順に位置し、また他方の第１相のコイル体４ｂ（第２相のコイル体６ｂ、第３相のコイル体８ｂ）の内側に、第３相のコイル体８ａ（第１相のコイル体４ｂ、第２相のコイル体６ｂ）の中間部及び下流側端部と、第２相のコイル体６ａ（第３相のコイル体８ａ、第１相のコイル体４ｂ）の下流側端部とが、径方向内方に向けてこの順に位置する。

従って、周方向に隣接する一対のコイル体、例えば第１相のコイル体４ａと第２相コイル体６ａとを見ると、矢印２０で示す周方向に見て、上流側に位置する第１相のコイル体４ａの下流側部が下流側に位置する第２相のコイル体６ａの上流側部の下側（即ち、径方向内側）に位置するように径方向に重ねて配置され、他の隣接する一対のコイル体も同様に重ねて配置されており、各コイル体４ａ（４ｂ，６ａ，６ｂ，８ａ，８ｂ）は、矢印２０で示す周方向に見てその上流側端部から下流側端部に向けて内径が漸減するように構成され、その形状が太鼓橋状になっている。このように構成することにより、三相のコイル体４ａ，４ｂ，６ａ，６ｂ，８ａ，８ｂからなる巻線構造体２をコンパクトにすることができる。

この形態では、巻線構造体２の径方向内側にロータマグネット１６が配設される。ロータマグネット１６には回転軸２４が取り付けられ、回転軸２４がモータハウジング（コア継鉄部）１８に回転自在に支持され、第１〜第３相のコイル体４ａ，４ｂ，６ａ，６ｂ，８ａ，８ｂに駆動電流を所要の通りに流すことにより、ロータマグネット１６が所定方向に回動される。

以上、本発明に従う巻線構造体及びこれを用いたモータの一実施形態について説明した、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変更乃至修正が可能である。

例えば、上述した実施形態では、三相６コイルのモータに適用して説明したが、これに限定されず三相で３の倍数コイル数のモータ、二相モータなどにも同様に適用することができる。

また、例えば、上述した実施形態では、巻線構造体２の径方向内側にロータマグネット１６が配設されるインナーロータ型のモータに適用して説明したが、これに限定されず、巻線構造体の径方向外側にロータマグネットが配設されるアウターロータ型のモータにも同様に適用することができる。

２ 巻線構造体
４ａ，４ｂ，６ａ，６ｂ，８ａ，８ｂ コイル体
１０ 平角ワイヤ
１２ コイル部
１６ ロータマグネット
１８ モータハウジング（又はコア継鉄部）

Claims (5)

1. ワイヤを複数回巻いたコイル体を周方向に配設した巻線構造体であって、
   前記ワイヤは断面形状が矩形状の平角ワイヤであり、前記コイル体は前記平角ワイヤを同一形状に複数回巻き且つ巻くときにその幅方向に位置をずらして巻いて形成され、１つ以上の前記コイル体でもって１相が構成され、多相の前記コイル体が円筒状に周方向に等間隔で配設されていることを特徴とする巻線構造体。
2. 隣接して配置される一対のコイル体は、所定周方向に見て上流側に位置するコイル体の下流側部が下流側に位置するコイル体の上流側部の下側となるように径方向に重ねて配置されていることを特徴とする請求項１に記載の巻線構造体。
3. 前記平角ワイヤは、ワイヤ部の肉厚ｔ０が０．０１５〜２．０ｍｍであり、前記ワイヤ部の肉厚ｔ０に対するその幅Ｗ０の比（Ｗ０／ｔ０）が１．５〜４０であることを特徴とする請求項１又は２に記載の巻線構造体。
4. 前記平角ワイヤとして絶縁層の上に熱又は溶剤により活性化する融着層が塗布された自己融着タイプのものが用いられることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の巻線構造体。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の巻線構造体を備え、前記巻線構造体の径方向内側又は外側にマグネットが回転自在に配設されることを特徴とするモータ。
   
   
   

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