JP2016144394A - 電気モータ - Google Patents
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Abstract
【課題】材料利用率が高いステータを有するモータを提供する。【解決手段】電気モータが、支持シートと、ステータと、ロータとを有する。ロータは、支持シート上に回転自在に取り付けられる。ステータは、磁心と、コアを覆う巻線フレームと、巻線フレームに巻き回された巻線とを含む。コアは、リング状のヨークと、ヨークから外向きに延びる複数の歯とを含む。巻線フレームは、コアの周囲を覆う絶縁部分と、支持シートに固定接続するための、絶縁部分内の接続部分とを含む。コアは、巻線フレームによって支持シートに固定され、これによって材料が節約されるとともに、ステータ及びモータの重量が減少する。【選択図】図3
Description
本発明は、電気モータに関し、特に巻線形ステータコアを有する電気モータに関する。
電気モータは、扇風機、洗濯機、送水ポンプなどの様々な用途及び装置において使用される一般的な機械的動力源である。一般に、モータは、2つの部品、すなわちロータ及びステータで構成される。1つのタイプのモータでは、ステータが、巻線を巻き回した磁心で構成される。ロータは、永久磁石を有することができる。通電時には、ステータの巻線が磁場を生じ、この磁場がロータの磁場と相互作用してロータを回転させることによって負荷を駆動する。
既知の巻線形ステータの磁心は、一般に複数のケイ素鋼板又は積層体を積み重ねることによって形成される。各ケイ素鋼板は、薄いシート材料を直接打ち抜くことによって形成される。各ケイ素鋼板は、環状のヨークと、ヨーク部分から放射状に広がる歯とを含む。外側ロータ式モータで使用するステータでは、歯がヨークから外向きに広がる。ヨークの中心領域には、環状の支持部分が形成される。支持部分は、ステータを他の構成部品に固定して接続するために使用される。巻線は、歯に巻き回される。既存のステータのステータコアの製造手順は単純であるが、ステータ積層体を形成するために用いられる打抜工程では大量の廃材が発生し、コスト高を招く。
従って、材料利用率が高いステータを有するモータが望まれている。
従って、本発明は、その1つの態様において、支持シートと、ステータ構造と、ロータとを備えたモータであって、ロータは、支持シート上に回転自在に取り付けられ、ステータ構造は、コアと、コアを覆う巻線フレームと、巻線フレームに巻き回された巻線とを含み、コアは、リング状のヨークと、ヨークから外向きに延びる複数の歯とを含み、巻線フレームは、コアを覆う絶縁部分と、支持シートに固定接続するための、絶縁部分内の接続部分とを含むモータを提供する。
各歯は、ヨークに接続された巻き付け部分と、巻き付け部分の遠位端に形成された先端部とを含み、巻線は、巻き付け部分に巻き回され、先端部と巻き付け部分との間の接続領域には切り込みが形成され、先端部は、巻き付けの完了前には部分的に外側に傾けられ、巻き付けの完了後には内向きに押されて巻き付け部分と接触するように曲げられることが好ましい。
コアは、材料ストリップを曲げることによって形成され、コアのヨークは貫通穴を有し、この貫通穴に締結部材が挿入されて材料ストリップが互いに固定されることが好ましい。
コアは、材料ストリップを曲げることによって形成され、コアの先端部が溶接されてストリップが互いに固定されることが好ましい。
支持シートは、熱伝導性材料から形成されることが好ましい。
支持シートのステータ構造に面する側には、冷却フィンが設けられることが好ましい。
支持シートのステータ構造から離れた側の側面には、収容キャビティが形成され、この収容キャビティ内に回路基板が収容されることが好ましい。
接続部は、絶縁部分から一体的に半径方向内向きに延びるリング状のベースプレートと、ベースプレートの内縁部から一体的に軸方向に延びる中空シリンダと、中空シリンダの外壁面と絶縁部分の内壁面との間に接続された複数のリブとを含むことが好ましい。
巻線フレームのベースプレートは、貫通穴を有し、支持シートは、貫通穴に対応する固定ポストを有し、貫通穴を固定部材が通過して固定ポストに締結されることが好ましい。
巻線フレームは、オーバモールドされた集積構造であり、固定部材は、巻線フレームを形成する過程において巻線フレームの貫通穴に一体的に固定され、支持シートを固定部材の遠位端が通過して、ステータ構造を支持シートに接続することが好ましい。
支持シートは、位置決めポストを有し、位置決めポストの上端部には段部が形成され、ベースプレートは、位置決めポストに対応する位置決め穴を有し、位置決めポストの上端部は、位置決め穴に挿入され、ステータ構造は、位置決めポストの段部上に配置されることが好ましい。
巻線フレームの中空シリンダの内壁面、及び支持シートのスリーブの外壁面の一方には突出部が形成され、他方には、突出部に係合してステータ構造を円周方向に位置付けるための凹部が形成されることが好ましい。
絶縁部分はリング状であり、接続部は、リング状の絶縁部分から内向きに延びる複数の接続ラグを含み、接続ラグの各々には貫通穴が形成され、支持シートには、巻線フレームの貫通穴に対応する複数の固定穴が形成され、貫通穴を固定部材が通過し、固定穴にそれぞれ締結されてステータを支持シートに固定することが好ましい。
コアは、リング状のヨークから内向きに延びる接続アームをさらに含み、巻線フレームの接続部は、絶縁部分から内向きに延びる接続ラグを含み、接続ラグ及び接続アームは、それぞれ対応して同軸上の貫通穴を形成し、支持シートは、複数の固定穴を形成し、貫通穴を固定部材が通過して支持シートの固定穴にそれぞれ締結されることが好ましい。
本発明の巻線フレームは、従来の磁心に比べ、接続部をコア内に一体的に形成して支持シートに固定して接続し、これによって材料を節約するとともにステータ構造及びモータの重量を減少させる。
以下、添付図面の図を参照しながら、本発明の好ましい実施形態をほんの一例として説明する。図では、複数の図に出現する同一の構造、要素又は部品には、一般にこれらが出現する全ての図において同じ参照番号を付している。一般に、図に示す構成要素及び特徴部の寸法は、表現の利便性及び明瞭性のために選択したものであり、必ずしも縮尺通りではない。以下、各図を列挙する。
図1〜図5を参照すると、本発明の一実施形態によるモータは、支持シート10と、支持シート10に取り付けられたステータ構造20を有するステータと、ステータ構造20を取り囲むロータ60(図5)とを含む。
支持シート10の中心は、軸方向上向きに突出して中空のスリーブ12を形成し、この中空のスリーブ12は、ロータの回転を支持する軸受などを支持するために使用される。スリーブ12の上部の外壁面は外向きに突出し、ステータ構造20に係合して円周方向に位置付ける突出部14を形成する。突出部14は、円筒形であることが好ましい。支持シート10は、固定ポスト16及び位置決めポスト18をさらに含む。この実施形態では、2つの固定ポスト16及び2つの位置決めポスト18が存在し、これらはスリーブ12を取り囲み、スリーブ12の円周方向に交互に配置される。各固定ポスト16には、固定穴17が形成される。固定穴17は、ステータ構造20に固定して接続するための丸穴又はねじ穴とすることができる。各位置決めポスト18の上端には、ステータ構造20を軸方向に予備配置するための段部19が形成される。位置決めポスト18は、固定ポスト16よりもわずかに高く、段部19と固定ポスト16の上面は、実質的に同じ高さに位置することが好ましい。
ステータ構造20は、軟質磁性材料で作製されたコア22と、コア22を覆う絶縁用巻線フレーム24と、コア22に巻き回された巻線25とを含む。
この実施形態では、コア22が、ストリップ材料を螺旋状に積み重ねて巻くことによって形成された(すなわち、ストリップ材料を連続して螺旋状に巻くことによって形成された)集積構造であり、環状のヨーク26と、ヨーク26の外縁部から半径方向外向きに延びる複数の歯28とを含む。ヨーク26は、ストリップ材料を螺旋状に巻くことによって形成された中空の円筒構造である。歯28は、ヨーク26の円周方向に間隔を置いて均一に(実施形態によっては不均一に)配置される。従来の円形の打ち抜きシート構造に比べ、螺旋状に積み重ねて巻いたコア22では、廃材の発生が大幅に減少し、これによって原料の利用率が改善される。いくつかの実施形態では、ストリップ材料を曲げて円形シートを形成し、この円形シートをモータの軸方向に積み重ねてコア22を形成することもでき、これによっても廃材の発生が実質的に減少する。この実施形態では、ヨーク26に複数の貫通穴27が形成される。貫通穴27は、ストリップ材料の小さな穴を積み重ねることによって形成することができ、ヨーク26の円周方向に均一に(実施形態によっては不均一に)配置される。各貫通穴27は、ヨーク26を軸方向に貫通し、この貫通穴27にリベット30などの締結部材を通してコア22を成形する。いくつかの実施形態では、コア22を、例えば積み重ねた歯14の先端部34を溶接によって固定接続することなどの他の方法で成形することもできる。
各歯28は、ヨーク26に接続された巻き付け部分32と、巻き付け部分32の遠位端に形成された先端部34とを含む。先端部34は、モータの円周方向に延びる。隣接する巻き付け部分32間には巻き付けスロット36が形成され、隣接する先端部34間にはスロット開口部38が形成され、巻線は、巻き付け部分32に巻き回されて巻き付けスロット36内に配置される。先端部34と巻き付け部分32との接続領域には、切り込み33が形成されることが好ましい。形成前には、先端部34を部分的に外側に傾けて、隣接する先端部34間のスロット開口部38が、巻き付けを容易にする大きなサイズを有するようにする。巻き付けの完了後には、先端部34の傾斜部分を押して塑性変形を生じさせ、先端部34の根本が巻き付け部分32としっかり接触するように内向きに曲げ、隣接する先端部34間に狭いスロット開口部を形成してモータのコギングトルクを低下させる。この実施形態では、先端部34と巻き付け部分32の片側との間の接続領域のみに切り込み33が形成されている。当然ながら、他の実施形態では、先端部34と巻き付け部分32の両側との間の接続領域に切り込み33を形成することもできる。
図3及び図4を参照して分かるように、巻線フレーム24は、プラスチックなどの絶縁材料からコア22上に直接成型された集積構造である。巻線フレーム24は、組み立てのための接続部分40と、接続部分40を取り囲む絶縁部分42とを含む。絶縁部分42とコア22は、輪郭が一致する。図5に示すように、絶縁部分42は、先端部34の外周面35を除いてコア22の全ての外面を覆い、これによってその後にコア22に巻線を巻き回す際に巻線とコア22の間の絶縁を確実にし、従って巻線の短絡を回避することが好ましい。接続部分40は、支持シート10との固定接続に使用され、絶縁部分42の下端部の内縁から内向きに延びるベースプレート44と、ベースプレート44上に形成された中空シリンダ46と、中空シリンダ46と絶縁部分42との間に延びる複数のリブ48とを含む。
ベースプレート44は、円環形状である。図4に示すように、ベースプレート44は、支持シート10の固定ポスト16及び位置決めポスト18にそれぞれ対応する貫通穴45及び位置決め穴43を形成する。この実施形態では、貫通穴45及び位置決め穴43が、全てベースプレート44の外縁部、すなわちベースプレート44と絶縁部分42との間の接続領域に向かって位置し、ステータコア22の内縁部と整列している。貫通穴45は円形であり、固定ポスト17の固定穴17の直径とほぼ同じ直径を有する。位置決め穴43は半円形であり、位置決めポスト18とほぼ同じ直径を有する。中空シリンダ46は、ベースプレート44の内縁部から軸方向に延び、支持シート10のスリーブ12の外径よりもわずかに大きくてもよい内径を有する。図3に示すように、中空シリンダ46の上端部の内壁面には、スリーブ12の突出部14に係合するための凹部47が形成される。突出部14を中空シリンダ46の内壁面に形成することも、凹部47をスリーブ12の外壁面に形成することも、或いはこれらの両方を行うこともできると理解されたい。リブ48は、中空シリンダ46の外壁面と絶縁部分42の内壁面との間に一体的に接続され、円周方向に均一に配置される。リブ48の下縁部は、ベースプレート44に一体的に接続される。
図5に示すように、ステータ構造20を支持シート10に取り付ける際には、巻線フレーム24の凹部47と支持シート10の突出部14とを位置合わせすることにより、ステータ構造20と支持シート10を互いに対して円周方向に位置付ける。次に、ステータ構造20にスリーブ12を軸方向に挿入する。位置決めポスト18の上端を位置決め穴43に挿入し、貫通穴45を固定ポスト16と位置合わせし、巻線フレーム24の下面を位置決めポスト18の段部19及び固定ポスト16の位置決め面上に配置することにより、ステータ構造20が軸方向に位置決めされる。最後に、ベースプレート44の貫通穴45に固定部材50を通し、その後に支持シート10の固定ポスト16の固定穴17に締結することにより、ステータ構造20が支持シート10に固定接続されるようになる。
固定部材50は、ねじ、リベットなどとすることができる。固定部材50がリベットである場合、巻線フレーム24を形成する過程において固定部材50を巻線フレーム24上に一体的に固定することができ、固定穴17は、固定ポスト16を通過する丸穴である。組み立て時には、固定部材50の遠位端を固定ポスト16に通した後に変形させ、ステータ構造20を支持シート10に固定接続する。固定部材50がねじである場合には、巻線フレーム24の組み立て時に各貫通穴45に金属スリーブなどの金属片を配置し、これによって組み立て中に巻線フレーム24が損傷するのを防ぐことができる。
図5を参照すると、ロータ60は、シャフト62と、回転シャフト62に固定されたハウジング64と、ハウジング64の側壁の内面に取り付けられた永久磁石66とを含む。永久磁石66は、コア22の歯28の外面と向かい合い、これらの間には空隙が形成される。永久磁石は、単一片の磁石とすることも、或いは複数の磁石セグメント又は磁石片で構成することもできる。回転シャフト62は、軸受68を通じて支持スリーブ10のスリーブ12内に取り付けられる。ハウジング64の端壁には、モータの内部に空気を流せるように換気孔65が形成される。
支持シート10は、アルミニウムなどの熱伝導性材料で形成することができる。従って、支持シート10は、放熱機能を提供することもできる。ステータ構造をスリーブ12に取り付けた後、スリーブ12の自由端は、中空シリンダ46の自由端を越えて外向きに延びる。その後、スリーブ12の自由端が外向きの塑性変形を生じてステータ構造とのリベット接続部を形成するように、円弧状の機械加工面を有するツールによってスリーブ12の自由端を密封する。すなわち、スリーブ12の自由端の外面を変形させてステータ構造の中空シリンダ46の縁部に押し付け、中空シリンダ46がスリーブ12の自由端から外れるのを防ぐ。従って、固定部材50を省くことができる。
図6〜図9に、本発明の別の実施形態によるモータを示す。この実施形態では、支持シート10の外面に複数の冷却フィン15が配置される。冷却フィン15は、実質的に放射状に分布して、中心から周囲への熱の放散を容易にすることが好ましい。支持シート10のステータから離れた側の側面は、窪んで収容チャンバ70を形成する。モータは、収容チャンバ70に収容された回路基板72をさらに含む。巻線フレーム24は、プラスチックなどの絶縁材料からステータコア22上に直接成型された集積構造である。巻線フレーム24は、組み立てのための接続部分40と、絶縁部分42とを含む。絶縁部分42とコア22は、輪郭が一致する。絶縁部分42は、リング状であり、接続部分40は、絶縁部分42から内向きに延びる複数の接続ラグを含むことが好ましい。各接続ラグは、貫通穴45を有する。支持シート10は、各々がねじ穴などの固定穴17を定める複数の固定ポスト16を有する。巻線フレーム24の接続部分40の貫通穴45にねじなどの固定部材50を通し、その後にステータ構造を支持シート10に固定するように、支持シート10の固定穴17に締結する。この実施形態では、支持シート10にモータシャフト13が固定され、シャフト13には、軸受68を介してロータ60が回転自在に取り付けられる。この実施形態では、巻線フレーム24の接続部分40が、絶縁部分42の内側の接続ラグとして実装される。接続ラグの長さは、必要に応じて調整することができる。例えば、モータのステータスロットの数が12スロットから18スロットに増加した場合、通常は磁心22のヨーク26の内径及び巻線フレーム24の絶縁部分42も増加する。この場合、接続部分40のサイズを拡大することにより、接続部分を元々の支持シート10と一致したままにすることができる。この実施形態のコアは、前の実施形態において説明した巻き付け方法で形成することができる。
図10及び図11に、本発明の別の実施形態によるモータを示す。この実施形態では、ステータコア22に打抜シートを使用し、すなわちコア22の各積層体を打抜加工によって形成し、これらの積層体を互いに積み重ねる。磁心22の各積層体のヨーク26は、内向きに延びる複数の接続アーム262を含み、各接続アーム262には貫通穴が形成される。絶縁用巻線フレーム24は、コア22を巻線25から絶縁するように、積み重なったコア22の上面及び下面をそれぞれ覆う上層及び下層を含む。絶縁用巻線フレーム24は、組み立てのための接続部分40と、絶縁部分42とを含む。絶縁部分42とコア22は、輪郭が一致する。絶縁部分42はリング状であり、接続部分40は、絶縁部分42から内向きに延びる複数の接続ラグを含むことが好ましい。各接続ラグ40は、貫通穴を有する。接続部分40の貫通穴を、コア22の1つの対応する接続アーム262の貫通穴及び支持シート10の固定穴と位置合わせする。それぞれの貫通穴に固定部材50を通し、その後に磁心22及び巻線フレーム24を支持シート10に固定するように、支持シート10の対応する固定穴に締結する。支持シート10は、アルミニウムなどの熱伝導性材料で形成することができる。従って、支持シート10は、放熱機能を提供することもできる。支持シート10の表面には、放熱表面積を増やすために冷却フィンを設けることができる。
本発明のステータ構造20では、ストリップ材料を曲げること又は巻くことによってステータコア22が形成され、これによって材料利用率が向上するとともにコギングトルクが低下し、従ってモータの動作安定性が改善される。また、オーバモールド工程によって一体的な巻線フレーム24を形成することにより、巻線フレーム24が、コア22内に中空シリンダ46を一体的に形成して支持シート10に接続する。本発明のコア22は、支持シート10に接続された中央接続部分を有する従来のステータコアに比べて材料を節約し、巻線フレーム24をプラスチックで形成して中空シリンダ46と絶縁部分42をリブ48で接続することによってステータ構造20及びモータの重量を減少させる。
本出願の明細書及び特許請求の範囲では、記述する項目又は特徴の存在を明示する一方でさらなる項目又は特徴の存在を排除しないように、「備える、含む、有する(comprise、include、contain及びhave)」という動詞、並びにその派生形の各々を包括的な意味で使用している。
明確化のために別個の実施形態の文脈で説明した本発明のいくつかの特徴は、単一の実施形態において組み合わせて提供することもできると理解されたい。これとは逆に、簡潔さを期すために単一の実施形態の文脈で説明した本発明の様々な特徴を別個に、又はいずれかの好適な下位の組み合わせで提供することもできる。
上述した実施形態はほんの一例にすぎず、当業者には、添付の特許請求の範囲によって規定される本発明の範囲から逸脱することなく、他の様々な修正が明らかになるであろう。
10 支持シート
12 スリーブ
14 突出部
16 固定ポスト
17 固定穴
18 位置決めポスト
19 段部
22 コア
24 巻線フレーム
26 ヨーク
27 貫通穴
28 歯
30 リベット
32 巻き付け部分
33 切り込み
34 先端部
35 外周面
36 巻き付けスロット
38 スロット開口部
40 接続部分
42 絶縁部分
44 ベースプレート
46 中空シリンダ
47 凹部
48 リブ
50 固定部材
12 スリーブ
14 突出部
16 固定ポスト
17 固定穴
18 位置決めポスト
19 段部
22 コア
24 巻線フレーム
26 ヨーク
27 貫通穴
28 歯
30 リベット
32 巻き付け部分
33 切り込み
34 先端部
35 外周面
36 巻き付けスロット
38 スロット開口部
40 接続部分
42 絶縁部分
44 ベースプレート
46 中空シリンダ
47 凹部
48 リブ
50 固定部材
Claims (14)
- 支持シートと、ステータ構造と、ロータとを備えたモータであって、
前記ロータは、前記支持シート上に回転自在に取り付けられ、
前記ステータ構造は、コアと、該コアを覆う巻線フレームと、該巻線フレームに巻き回された巻線とを含み、
前記コアは、リング状のヨークと、該ヨークから外向きに延びる複数の歯とを含み、前記巻線フレームは、前記コアを覆う絶縁部分と、前記支持シートに固定接続するための、前記絶縁部分内の接続部分とを含む、
ことを特徴とするモータ。 - 前記歯の各々は、前記ヨークに接続された巻き付け部分と、該巻き付け部分の遠位端に形成された先端部とを含み、前記巻線は、前記巻き付け部分に巻き回され、前記先端部と前記巻き付け部分との間の接続領域に切り込みが形成され、前記先端部は、前記巻き付けの完了前には部分的に外側に傾けられ、前記巻き付けの完了後には内向きに押されて前記巻き付け部分と接触するように曲げられる、
請求項1に記載のモータ。 - 前記コアは、材料ストリップを曲げることによって形成され、前記コアの前記ヨークは貫通穴を有し、該貫通穴に締結部材が挿入されて前記材料ストリップが互いに固定される、
請求項1に記載のモータ。 - 前記コアは、材料ストリップを曲げることによって形成され、前記コアの先端部が溶接されて前記ストリップが互いに固定される、
請求項1又は2に記載のモータ。 - 前記支持シートは、熱伝導性材料から形成される、
請求項1から4のいずれか1項に記載のモータ。 - 前記支持シートの前記ステータ構造に面する側に冷却フィンが設けられる、
請求項1から5のいずれか1項に記載のモータ。 - 前記支持シートの前記ステータ構造から離れた側の側面に収容キャビティが形成され、該収容キャビティ内に回路基板が収容される、
請求項1から6のいずれか1項に記載のモータ。 - 前記接続部は、前記絶縁部分から一体的に半径方向内向きに延びるリング状のベースプレートと、該ベースプレートの内縁部から一体的に軸方向に延びる中空シリンダと、該中空シリンダの外壁面と前記絶縁部分の内壁面との間に接続された複数のリブとを含む、
請求項1から7のいずれか1項に記載のモータ。 - 前記巻線フレームの前記ベースプレートは、貫通穴を有し、前記支持シートは、前記貫通穴に対応する固定ポストを有し、前記貫通穴を固定部材が通過して前記固定ポストに締結される、
請求項8に記載のモータ。 - 前記巻線フレームは、オーバモールドされた集積構造であり、前記固定部材は、前記巻線フレームを形成する過程において前記巻線フレームの前記貫通穴に一体的に固定され、前記支持シートを前記固定部材の遠位端が通過して、前記ステータ構造を前記支持シートに接続する、
請求項9に記載のモータ。 - 前記支持シートは、位置決めポストを有し、該位置決めポストの上端部に段部が形成され、前記ベースプレートは、前記位置決めポストに対応する位置決め穴を有し、前記位置決めポストの前記上端部は、前記位置決め穴に挿入され、前記ステータ構造は、前記位置決めポストの前記段部上に配置される、
請求項8又は9に記載のモータ。 - 前記巻線フレームの前記中空シリンダの内壁面、及び前記支持シートの前記スリーブの外壁面の一方に突出部が形成され、他方に、前記突出部に係合して前記ステータ構造を円周方向に位置付けるための凹部が形成される、
請求項8から11のいずれか1項に記載のモータ。 - 前記絶縁部分はリング状であり、前記接続部は、前記リング状の絶縁部分から内向きに延びる複数の接続ラグを含み、該接続ラグの各々には貫通穴が形成され、前記支持シートには、前記巻線フレームの前記貫通穴に対応する複数の固定穴が形成され、前記貫通穴を固定部材が通過し、前記固定穴にそれぞれ締結されて前記ステータを前記支持シートに固定する、
請求項1から7のいずれか1項に記載のモータ。 - 前記コアは、前記リング状のヨークから内向きに延びる接続アームをさらに含み、前記巻線フレームの前記接続部は、前記絶縁部分から内向きに延びる接続ラグを含み、該接続ラグ及び前記接続アームは、それぞれ対応して同軸上の貫通穴を形成し、前記支持シートは、複数の固定穴を形成し、前記貫通穴を固定部材が通過して前記支持シートの前記固定穴にそれぞれ締結される、
請求項1から7のいずれか1項に記載のモータ。
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