JP2016167927A - ステータ及び回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】スロットの断面積の減少を抑制することの可能なステータを提供する。【解決手段】ステータ２０は、バックヨーク２５、第１ティース２１、第２ティース２２、コイル２４、溝部２６および突起部２７を備える。円環状のバックヨーク２５から径内方向に延びる第１ティース２１と第２ティース２２は、バックヨーク２５の周方向に交互に設けられる。コイル２４は、第１ティース２１に巻かれる。溝部２６は、第２ティース２２の周方向の両側に隣接して設けられ、バックヨーク２５の内壁から径外方向へ延びる。突起部２７は、溝部２６を挟んで第２ティース２２と周方向に向き合う位置でバックヨーク２５の内壁から径内方向に延び、第２ティース２２に当接する。これにより、第１ティース２１の数と第２ティース２２の数との和と、突起部２７の数とを同一にすることが可能である。【選択図】図１

Description

本発明は、ステータ及びそれを用いた回転電機に関する。

従来、回転電機に用いられるステータにおいて、バックヨークを直線状に展開した状態でそのバックヨークから延びる複数のティースにコイルを巻き、その後、バックヨークを円環状に丸めて構成したものが知られている。
特許文献１に記載のステータは、バックヨークの内壁のうち複数のティースとティースとの間に位置する箇所に溝を備えている。また、このステータは、その溝の周方向の両側に、バックヨークの内壁から径内方向へ延びる突起を備えている。これにより、ステータは、溝によりバックヨークを円環状に容易に丸めることが可能である。また、このステータは、バックヨークを円環状に丸めた際、溝の周方向の両側に設けた２個の突起同士が当接することにより、バックヨークの磁気抵抗が溝部によって大きくなることを防いでいる。

特開２０１２−３４５１２号公報

しかしながら、特許文献１に記載のステータは、ティースの数に対し、２倍の数の突起を備えている。そのため、ステータの軸に対し垂直なスロットの断面積（以下、単に「スロットの断面積」という）が小さくなる。したがって、このステータを使用したモータは、出力が低下することが懸念される。
本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、スロットの断面積の減少を抑制することの可能なステータ、及び、そのステータを用いた回転電機を提供することを目的とする。

第１発明の回転電機のステータは、バックヨーク、複数の第１ティース、複数の第２ティース、コイル、溝部および突起部を備える。複数の第１ティースは、バックヨークから径内方向に延びる。複数の第２ティースは、第１ティースと第１ティースとの間でバックヨークから径内方向に延びる。コイルは、第１ティースに巻かれる。溝部は、第２ティースの周方向の両側に隣接して設けられ、バックヨークの内壁から径外方向へ延びる。突起部は、溝部を挟んで第２ティースと周方向に向き合う位置でバックヨークの内壁から径内方向に延び、第２ティースに当接する。
これにより、第１ティースの数と第２ティースの数との和と、突起部の数とが同一になる。そのため、ステータは、スロットの断面積が突起部によって減少することを抑制することが可能である。

第２発明は、回転電機の発明である。回転電機は、第１発明のステータと、そのステータの径方向内側にステータに対して相対回転可能に設けられたロータを備える。
これにより、回転電機は、ステータのコイルの巻き数等を増やすことで、モータとしての出力トルクを増加し、または、発電機としての発電量を増加することが可能である。

本発明の第１実施形態による回転電機の模式図である。 ステータの一部拡大図である。 ステータコアを直線状に展開した状態の一部拡大図である。 図３のＩＶ方向の矢視図である。 ステータを直線状に展開した模式図である。 本発明の第２実施形態によるステータの一部拡大図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下に説明する実施形態は、本発明の一例を示したものであり、本発明を限定するものではない。また、図において、実質的に同一の構成が複数箇所に記載されている場合は、その一部にのみ符号を付すものとする。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態を図１から図５に示す。本実施形態では、回転電機１の一例として、ロータ１０が１２極であり、ステータ２０が有するティース２１，２２が１８本の三相交流ブラシレスモータについて説明する。

〔回転電機の構成〕
まず、回転電機１の構成を説明する。
図１に示すように、回転電機１は、ステータ２０と、そのステータ２０の径方向内側に設けられたロータ１０とを備える。
ロータ１０は、ステータ２０に対し相対回転可能に設けられている。ロータ１０は、磁性体からなる円柱状のロータコア１１と、そのロータコア１１の径外側に固定された磁石１２とを有する。磁石１２は、周方向にＮ極とＳ極が交互に等間隔で設けられている。

ステータ２０は、ステータコア２３とコイル２４を備える。
ステータコア２３は、複数の第１ティース２１、複数の第２ティース２２、バックヨーク２５、溝部２６および突起部２７を一体に有する板状の磁性体２８（図４参照）を積層して構成されたものである。
ステータ２０は、プレス加工等により直線状に形成された板状の磁性体２８が円環状に丸められて構成されたものである。なお、ステータ２０の製造方法については後述する。

複数の第１ティース２１は、周方向に等間隔で、バックヨーク２５から径内方向に延びている。複数の第２ティース２２は、第１ティース２１と第１ティース２１との間で、バックヨーク２５から径内方向に延びている。第１ティース２１と第２ティース２２とは、周方向に１本ずつ交互に設けられている。なお、本実施形態において、隣り合う１個の第１ティース２１と１個の第２ティース２２とを合わせた電気角は略２４０°である。
コイル２４は、第１ティース２１のみに集中巻きされ、第２ティース２２には巻かれていない。複数の第１ティース２１に巻かれたコイル２４は、周方向に順にＵ相、Ｖ相、Ｗ相を構成している。
なお、各図面に示した第１ティース２１を渡る２本の太線とその両端の黒丸は、第１ティース２１にコイル２４の線材が集中巻きれていることを模式的に示したものである。

図１および図２の破線Ｍは、ロータコア１１、磁石１２、第１ティース２１、バックヨーク２５及び第２ティース２２を流れる磁束の一部のみを模式的に示したものである。即ち、破線Ｍは、磁石１２のＮ極から第１ティース２１に流れた磁束が、バックヨーク２５から第２ティース２２を通り、磁石１２のＳ極からＮ極に戻ることを示している。
ここで、第１ティース２１の周方向の角度をθ１とし、第２ティース２２の周方向の角度をθ２とする。本実施形態では、第１ティース２１と第２ティース２２は、θ１＞θ２＞０となるように設定されている。これにより、第１ティース２１の電気角が１２０°より大きく、２４０°より小さくなる。なお、好ましくは、図１に示すように、第１ティース２１の電気角を１８０°に近づけることで、磁石１２から第１ティース２１に流れる磁束量を増加させることが可能である。

第２ティース２２の周方向の両側には、第２ティース２２に隣接して、バックヨーク２５の内壁から径外方向へ延びる溝部２６が設けられている。この溝部２６は、直線状に形成されたバックヨーク２５を円環状に丸めやすくするものである。
突起部２７は、溝部２６を挟んで第２ティース２２と周方向に向き合う位置に設けられ、バックヨーク２５の内壁から径内方向に延びている。突起部２７の第２ティース２２側の面は、第２ティース２２に当接している。この突起部２７は、溝部２６によってバックヨーク２５の磁気抵抗が大きくなることを防ぐものである。

〔溝部と突起部について〕
次に、溝部２６の大きさと、突起部２７の大きさについて説明する。
図２に示すように、溝部２６の径方向外側に位置するバックヨーク２５の径方向の幅をＡ、溝が設けられていない位置のバックヨーク２５の径方向の幅をＢ、突起部２７と第２ティース２２との当接面２９（以下単に「当接面２９」という）の径方向の幅をＣとする。
このとき、Ａ＋Ｃ≧Ｂの関係にある。
第１ティース２１から溝が設けられていない位置のバックヨーク２５を流れる磁束は、主に、溝部２６の径方向外側に位置するバックヨーク２５と、突起部２７と第２ティース２２との当接面２９とに分かれた後、主に第２ティース２２へ流れる。ここで、当接面２９の所定面積における磁気抵抗は、バックヨーク２５が磁性体で一体成形されている箇所の所定面積における磁気抵抗と比べて大きい。そのため、溝部２６の径方向外側に位置するバックヨーク２５の幅Ａと、当接面２９の幅Ｃとの和を、溝が設けられていない位置のバックヨーク２５の幅Ｂ以上とすることで、バックヨーク２５から第２ティース２２へ流れる磁束量が溝部２６によって低減することを抑制できる。

また、突起部２７の周方向の幅をＨとする。このとき、当接面２９の径方向の幅Ｃと、突起部２７の周方向の幅Ｈとは同一の関係にある。
なお、ここでいう同一とは、完全同一、及び製造公差を含む同一に加え、当接面２９を流れる磁束の磁束密度と、突起部２７を流れる磁束の磁束密度とが釣り合う程度に、両者の幅が同一であることを含むものとする。これにより、当接面２９を流れる磁束の磁束密度と、突起部２７を流れる磁束の磁束密度とが釣り合うので、バックヨーク２５から突起部２７を通り当接面２９を経由して第２ティース２２へ流れる磁束量が低減することを防ぐことが可能である。

図２及び図３に示すように、溝部２６の周方向の最大幅をＤとする。なお、図３は、プレス加工などにより形成されたステータコア２３が直線状に展開されている状態を示したものである。すなわち、溝部２６の周方向の最大幅Ｄは、ステータコア２３をプレス加工する際、溝部２６を形成するプレスの刃の幅に相当する。
また、図４に示すように、ステータコア２３を形成する板状の磁性体２８の一枚の板厚をＴとする。このとき、溝部２６の周方向の最大幅Ｄと、磁性体の一枚の板厚Ｔとは同一の関係、又は、Ｄ≦Ｔ の関係にある。
なお、ここでいう同一とは、完全同一に加え、製造公差の範囲を含むものである。ステータコア２３をプレス加工する際、溝部２６を形成するプレスの刃の幅と、磁性体の一枚の板厚Ｔとをほぼ同一にすることで、プレス加工により溝部２６を容易に形成することができる。
また、溝部２６の周方向の最大幅Ｄを小さくすることで、溝部２６による磁気ギャップを小さくすることが可能である。

図２及び図４に示すように、溝部２６の径方向外側に位置するバックヨーク２５の径方向の幅Ａと、磁性体の一枚の板厚Ｔとは、同一の関係にある。ここでいう同一とは、完全同一に加え、製造公差の範囲を含むものである。これにより、プレス加工により溝部２６を形成する際、溝部２６の径方向外側に位置するバックヨーク２５の破損が抑制される。また、ステータコア２３を円環状に丸める際、溝部２６の径方向外側に位置するバックヨーク２５が板厚方向に湾曲することが抑制される。

〔ステータの製造方法〕
続いて、ステータ２０の製造方法について説明する。
ステータコア２３は、磁性体からなるワークがプレス加工機により所定の形状に裁断されることにより形成される。これにより、バックヨーク２５、複数の第１ティース２１、複数の第２ティース２２、溝部２６および突起部２７を一体に有する板状の磁性体２８が形成される。
図３及び図４に示すように、ステータコア２３は、複数枚の板状の磁性体２８が板厚方向に積層されて形成される。この状態で、バックヨーク２５は直線状に展開されており、突起部２７と第２ティース２２とは離れている。

次に、図５に示すように、ステータコア２３の第１ティース２１のみにコイル２４を集中巻きする。ステータコア２３が直線状に展開された状態でコイル２４を巻くことにより、第１ティース２１に線材を巻く作業性を向上し、コイル２４の占積率を高めることが可能である。
続いて、バックヨーク２５を円環状に丸める。このとき、バックヨーク２５に溝部２６が設けられていることで、バックヨーク２５を丸める作業を容易に行うことが可能である。バックヨーク２５が円環状になると、溝部２６の空隙が小さくなり、突起部２７と第２ティース２２とが当接する。これにより、ステータ２０が製造される。その後、ステータ２０の径内側にロータ１０を取り付けることで、回転電機１が完成する。

〔作用効果〕
本実施形態は、次の作用効果を奏する。
（１）本実施形態のステータ２０は、コイル２４の巻かれない第２ティース２２の周方向の両側に隣接して溝部２６を配置している。溝部２６を挟んで第２ティース２２と周方向に向き合う位置に設けられた突起部２７は、バックヨーク２５の内壁から径内方向に延び、第２ティース２２に当接する。
これにより、第１ティース２１の数と第２ティース２２の数との和と、突起部２７の数とが同一になる。そのため、上述した特許文献１に記載の技術に対し、ステータ２０は、コイル２４を巻くためのスロットの断面積が突起部２７によって減少することを抑制し、コイル２４の巻き数を増加することが可能である。したがって、このステータ２０をモータ又は発電機に用いれば、モータとしての出力トルクを高め、又は、発電機としての発電量を増加することができる。

（２）また、本実施形態のステータ２０は、溝部２６を備えることにより、バックヨーク２５を直線状に展開した状態で複数の第１ティース２１にコイル２４を巻いた後、そのバックヨーク２５を容易に円環状に丸めることが可能である。
さらに、本実施形態のステータ２０は、円環状に丸めた際、第２ティース２２と突起部２７とが当接することにより、バックヨーク２５の磁気抵抗が溝部２６によって大きくなることを防ぐことができる。

（３）本実施形態のステータ２０は、溝部２６の径方向外側に位置するバックヨーク２５の径方向の幅Ａと、突起部２７と第２ティース２２との当接面２９の径方向の幅Ｃとの和が、溝が設けられていない位置のバックヨーク２５の径方向の幅Ｂ以上である。
これにより、バックヨーク２５の径方向の幅が溝部２６により減少した分、当接面２９に磁束を流すことが可能である。そのため、ステータ２０は、バックヨーク２５を流れる磁束量が溝部２６によって低減することを抑制できる。

（４）本実施形態のステータ２０は、当接面２９の径方向の幅Ｃと、突起部２７の周方向の幅Ｈとが同一である。
これにより、当接面２９の磁束密度と、突起部２７の磁束密度とが釣り合う。そのため、ステータ２０は、当接面２９または突起部２７のいずれか一方の磁気抵抗が大きくなることを防ぐことができる。

（５）本実施形態のステータ２０は、溝部２６の周方向の最大幅Ｄが、ステータコア２３を形成する磁性体の一枚の板厚Ｔ以下である。
これにより、ステータコア２３を形成する磁性体に対し、プレス加工により溝部２６を容易に形成することが可能である。また、溝部２６の周方向の最大幅Ｄを小さくすることで、バックヨーク２５を流れる磁束の溝部２６による磁気抵抗を低減することが可能である。

（６）本実施形態のステータ２０は、溝部２６の径方向外側に位置するバックヨーク２５の径方向の幅Ａと、ステータコア２３を形成する磁性体の一枚の板厚Ｔとが同一である。
これにより、プレス加工により溝部２６を形成する際、溝部２６の径方向外側に位置するバックヨーク２５の破損が抑制される。
また、ステータ２０を円環状に丸める際、溝部２６の径方向外側に位置するバックヨーク２５が板厚方向に湾曲することが抑制される。したがって、バックヨーク２５を容易に円環状に丸めてステータ２０を構成することが可能である。

（７）本実施形態のステータ２０は、第１ティース２１の周方向の角度θ１が、第２ティース２２の周方向の角度θ２より大きい。
これにより、第１ティース２１の周方向の幅を、ロータ１０の磁極の幅に近づけることが可能である。そのため、コイル２４に鎖交して第１ティース２１を流れる磁束量を増加することが可能である。なお、第１ティース２１の電気角を１８０°に近づけることが、第１ティース２１を流れる磁束量の増加に好ましい。

（８）本実施形態の回転電機１は、上述したステータ２０とロータ１０を備える。
これにより、回転電機１は、ステータ２０のコイル２４の巻き数等を増やすことで、モータとしての出力トルクを増加し、または、発電機としての発電量を増加することが可能である。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態を図６に示す。第２実施形態では、ステータ２０は、第２ティース２２のバックヨーク２５側に、周方向に凹む凹部３０を有する。この凹部３０は、第２ティース２２が突起部２７に当接する箇所に設けられる。
これにより、第２実施形態のステータ２０は、コイル２４を巻くためのスロットの断面積が突起部２７によって減少することを抑制し、コイル２４の巻き数を増加することができる。

（他の実施形態）
（１）上述した実施形態では、回転電機１として、ロータ１０が１２極、ステータ２０が１８ティース、集中巻のコイル２４の数が９個の三相交流ブラシレスモータについて説明した。これに対し、他の実施形態では、回転電機は、ロータが４×ｎ極、ステータが６×ｎティース、コイルの数が３×ｎ個のブラシレスモータ又は発電機としてもよい。なお、ｎは１から始まる自然数である。

（２）上述した実施形態では、第１ティース２１の周方向の角度θ１が、第２ティース２２の周方向の角度θ２より大きいステータ２０について説明した。これに対し、他の実施形態では、ステータは、第１ティース２１の周方向の角度θ１と、第２ティースの周方向の角度θ２とが同一であってもよい。
このように、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の形態で実施することができる。

１ ・・・回転電機
２０・・・ステータ
２１・・・第１ティース
２２・・・第２ティース
２４・・・コイル
２５・・・バックヨーク
２６・・・溝部
２７・・・突起部

Claims (7)

1. 円環状のバックヨーク（２５）と、
   前記バックヨークから径内方向に延びる複数の第１ティース（２１）と、
   前記第１ティースと前記第１ティースとの間で前記バックヨークから径内方向に延びる複数の第２ティース（２２）と、
   前記第１ティースに巻かれるコイル（２４）と、
   前記第２ティースの周方向の両側に隣接して設けられ、前記バックヨークの内壁から径外方向へ延びる溝部（２６）と、
   前記溝部を挟んで前記第２ティースと周方向に向き合う位置で前記バックヨークの内壁から径内方向に延び、前記第２ティースに当接する突起部（２７）と、を備えることを特徴とする回転電機のステータ。
2. 前記溝部の径方向外側に位置する前記バックヨークの径方向の幅（Ａ）と、前記突起部と前記第２ティースとの当接面（２９）の径方向の幅（Ｃ）との和は、前記溝部が設けられていない位置の前記バックヨークの径方向の幅（Ｂ）以上であることを特徴とする請求項１に記載の回転電機のステータ。
3. 前記突起部と前記第２ティースとの当接面の径方向の幅（Ｃ）と、前記突起部の周方向の幅（Ｈ）とは同一であることを特徴とする請求項１または２に記載の回転電機のステータ。
4. 前記バックヨーク、前記第１ティース、前記第２ティース、前記溝部及び前記突起部を一体に有する板状の磁性体（２８）が積層されてステータコアを形成し、
   前記溝部の周方向の最大幅（Ｄ）は、前記ステータコアを形成する前記板状の磁性体の一枚の板厚（Ｔ）以下であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の回転電機のステータ。
5. 前記溝部の径方向外側に位置する前記バックヨークの径方向の幅（Ａ）と、前記ステータコアを形成する前記板状の磁性体の一枚の板厚（Ｔ）とは同一であることを特徴とする請求項４に記載の回転電機のステータ。
6. 前記第１ティースの周方向の角度（θ１）は、前記第２ティースの周方向の角度（θ２）より大きいことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の回転電機のステータ。
7. 請求項１から６のいずれか一項に記載の前記ステータと、
   前記ステータの径方向内側に、前記ステータに対し相対回転可能に設けられたロータ（１０）と、を備えた回転電機。

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