JP2017118727A - モータおよびステータの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】スロット内のコイルの占有率を高めたモータを提供する。【解決手段】ステータコア１０は、円環状ヨーク１２および円環状ヨーク１２から径方向内周側に突起した複数のティース１４を有し、複数のティース１４の間に複数のスロットが形成される。複数のレーストラック型のコイル３０は、それぞれが規則的に整列して巻回された巻線３２を有する。複数のレーストラック型コイル３０はそれぞれ、外周側の１辺と内周側の１辺とが異なるスロットに挿入される分布巻の形態で、巻線の規則的な整列を維持したまま複数のスロットに収容される。【選択図】図４

Description

本発明は、モータに関する。

インナーロータ型のモータ（回転電動機）は、インナーロータ（回転子）とアウターステータ（固定子）を備える。アウターステータは、ステータコアと巻線（コイル）を有する。ステータコアは、円環状のヨークと、ヨークから径方向内周側に突起した複数のティース（磁極歯）を有する。複数のティースの間には、複数のスロットが形成されており、コイルは、スロットに埋め込まれた形態で、ティースに巻装される。コイルの形態は大きく集中巻と分巻に分類される。集中巻では、ティースごとにコイルが集中して巻装される。一方、分布巻では、複数のティースを跨いでコイルが巻装され、コイルエンドにおいて異相または同相のコイル同士が隣接し、あるいは重なりあっている。集中巻のステータは、分布巻のそれと比べてコイルエンドを小さくでき、モータの小型化、高効率化に有利である。一方、分布巻のステータは、ステータの内周に形成される回転磁界を正弦波に近づけることができ、したがって集中巻に比べて高出力を得やすく、また騒音を低減しやすいという利点がある。

特開２０１３−５６８３号公報 特開２０１１−８６７３６号公報

さらなるモータの高出力化のためには、ステータコアのスロット内のコイル占有率を高めるのが有効である。コイル占有率を高める手段として、略矩形の断面形状を有する素線銅線（平角線）をコイルとして用いる方法がある。平角線はその形状の特徴から、丸線と比較して巻線間の隙間を小さくできる。平角線は丸線に比べて剛性が高く、柔軟性に劣る。したがって平角線を用いたモータは、コイルエンドの高さが高くなり、小型化が難しいという問題がある。またコイルと鉄心の間の絶縁破壊を防止するために、平角線とティースとの間に絶縁紙が挿入される場合がある。このようなモータにおいて、コイルエンドにおいて平角線が押しつぶされると、平角線の剛性の高さから、絶縁紙にダメージを与えるおそれがある。

かかる事情から、巻線として平角線を用いずに、丸線を用いてステータを形成したい場合がある。集中巻のステータでは、丸線の巻線をスロット内において整列した状態で巻装することにより、占有率を高めるというアプローチが採り得る。一方、分布巻のステータに丸線を採用する場合には、占有率を高めることが難しかった。

本発明は係る課題に鑑みてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、スロット内のコイルの占有率を高めたモータの提供にある。

本発明のある態様は、円環状ヨークおよび円環状ヨークから径方向内周側に突起した複数のティースを有し、複数のティースの間に複数のスロットが形成されるステータコアと、複数のレーストラック型コイルと、を備える。レーストラック型コイルは、規則的に整列して巻回された巻線を有する。複数のレーストラック型コイルはそれぞれ、外周側の１辺と内周側の１辺が異なるスロットに挿入される分布巻の形態で、巻線の規則的な整列を維持したまま複数のスロットに収容されている。

この態様によると、スロット内のコイルの占有率を高めることができる。

各レーストラック型コイルの外周側の１辺は、対応するスロット内に軸方向に挿入されていてもよい。
レーストラック型コイルを軸方向に挿入することにより、挿入時に整列を乱す方向に力を受けにくくなり、巻線の規則的な整列を維持することができる。

各レーストラック型コイルのコイルエンドの幅は、スロットの開口幅より狭くてもよい。これにより、レーストラック型コイルのコイルエンド部分の変形を抑制することができ、コイルエンド部分の巻線の規則的な整列を維持することができる。

各レーストラック型コイルの内周側の１辺は、対応するスロット内に径方向に挿入されていてもよい。
径方向に挿入する際に、内周側の１辺は、外周側の１辺に比べて、挿入の距離（深さ）が短く済む。したがって内周側の１辺は径方向に挿入したとしても、その過程において変形しにくいと言え、元の規則的な整列を維持することができる。

複数のスロットはそれぞれ、外周の幅が内周の幅より広く、各レーストラック型コイルの外周側の１辺は、内周側の１辺より太くてもよい。
このようなスロット形状、コイル形状を前提とした場合に、外周側の１辺を径方向に挿入すると、スロットの狭い内周部を通過する際に、規則的な整列が乱されることとなる。そこでこのようなスロット形状、コイル形状において、外周側の１辺を軸方向に挿入することにより、元の規則的な整列を維持することができる。

本発明の別の態様は、モータの製造方法に関する。この製造方法は、軸方向からみた断面がＨ型の巻枠に、巻線を規則的に整列して巻回し、レーストラック型コイルを形成するステップと、円環状ヨークおよび円環状ヨークから径方向内周側に突起した複数のティースを有し、複数のティースの間にスロットが形成されるステータコアに対して、複数のレーストラック型コイルを挿入するステップと、を備える。挿入するステップは、各レーストラック型コイルの外周側の１辺を、対応するスロットに軸方向に挿入するステップと、各レーストラック型コイルの内周側の１辺を、対応するスロットの位置まで周方向に移動させるステップと、各レーストラック型コイルの内周側の１辺を、対応するスロットに径方向に挿入するステップと、を備える。

この態様によると、スロット内のコイルの占有率を高めることができる。

巻枠の外周側の溝は、内周側の溝よりも幅が広くてもよい。

巻線のコイルエンドに対応する部分が巻回される巻枠の部分の幅は、スロットの開口幅より狭くてもよい。

本発明のさらに別の態様も、モータに関する。モータは、円環状ヨークおよび円環状ヨークから径方向内周側に突起した複数のティースを有し、複数のティースの間に複数のスロットが形成されるステータコアと、それぞれが規則的に整列して巻回された巻線を有する複数のレーストラック型コイルと、を備える。レーストラック型コイルを形成する巻線は、スロットへの挿入より前において、レーストラック型コイルの外周側の１辺および内周側の１辺の断面形状が、スロットの対応する部分の断面形状に適合するように、巻回されている。
この態様によれば、スロット内のコイルの占有率を高めることができる。

本発明のある態様によれば、スロット内のコイルの占有率を高めることができる。

図１（ａ）、（ｂ）は、実施の形態に係るモータのステータコアを示す図である。 図２（ａ）、（ｂ）は、実施の形態に係るステータを示す図である。 図３（ａ）〜（ｃ）は、カセットコイルを示す図である。 実施の形態に係るステータの一部の断面図である。 図５（ａ）〜（ｄ）は、ステータの製造工程の一部を示す図である。 図６（ａ）、（ｂ）は、コイルエンド部分とスロットの寸法の関係を示す図である。 図７（ａ）〜（ｃ）は、カセットコイルの形成に使用される巻枠を示す図である。 図８（ａ）〜（ｃ）は、比較技術に係るステータを示す図である。 図９（ａ）、（ｂ）は、比較技術に係るステータを示す図である。 変形例１に係るステータコアを示す図である。

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

図１（ａ）、（ｂ）は、実施の形態に係るモータのステータコアを示す図である。図１（ａ）には平面図が、図１（ｂ）には斜視図が示される。このモータは、アウターステータ、インナーロータ型であり、ステータコア１０は、円環状のヨーク１２と、ヨーク１２から径方向内周側に突起した複数のティース１４を有する。隣接する２つのティース１４の間には、コイルが巻装されるスロット１６が形成される。

図２（ａ）、（ｂ）は、実施の形態に係るステータ２を示す図である。図２（ａ）には、ステータ２全体が示され、図２（ｂ）には、コイルエンドの拡大図が示される。
ステータ２は、上述のステータコア１０と、複数のレーストラック型コイル（本明細書において、カセットコイルと称する）３０を備える。複数のカセットコイル３０は、分布巻の形態でスロット１６内に設けられる。なお本発明においてティース１４およびカセットコイル３０の本数は特に限定されず、またスロット１６に対するカセットコイル３０の巻装パターンも特に限定されない。

図３（ａ）〜（ｃ）は、カセットコイル３０を示す図である。図３（ａ）は、カセットコイル３０の外観斜視図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＡ−Ａ’線の斜視断面図であり、図３（ｃ）は、図３（ａ）のＡ−Ａ’線の断面図である。カセットコイル３０は、ステータコア１０へ組み込む前に、スロット１６内であるべき姿となるように、あらかじめ規則的に整列して巻回された巻線３２で形成されている。巻線３２は、たとえば丸型の導線（丸線）である。複数のカセットコイル３０は、同じ構成を有している。図３（ａ）〜（ｃ）において、Ｅ１は、カセットコイル３０がステータコア１０に組み込まれた状態において、外周側に嵌め込まれる１辺（下口コイルともいう）であり、Ｅ２は、カセットコイル３０がステータコア１０に組み込まれた状態において、内周側に嵌め込まれる１辺（上口コイルともいう）である。Ｅ３はコイルエンドに対応する部分となる。

図４は、実施の形態に係るステータ２の一部の断面図である。複数のカセットコイル３０（ここではｉ番目のカセットコイル３０_ｉ〜ｉ＋３番目のカセットコイル３０_ｉ＋３）を示している。各カセットコイル３０は、あらかじめ形成された巻線３２の規則的な整列を維持したまま、複数のスロット１６に収容されている。なお、カセットコイル３０とティース１４の間には絶縁紙が挿入される場合があるが、本明細書では省略する。

実施の形態に係るモータは、このステータ２に、ロータを組み付けることで構成されるが、ロータに関しては本発明の特徴と関係がないため、説明を省略する。以上が実施の形態に係るモータの構成である。

本実施の形態では、あらかじめスロット１６の断面形状にフィットするようにして巻線３２を巻回してカセットコイル３０を形成し、カセットコイル３０をスロット１６内に収容することとした。すなわちカセットコイル３０を形成する巻線３２は、スロット１６への挿入より前において、下口コイルＥ１および上口コイルＥ２それぞれの断面形状が、スロット１６の対応する部分の断面形状に適合するように、あらかじめ巻回されている。これによりスロット内のコイルの占有率を高めることができる。このステータコア１０を用いたモータによれば、高出力、低騒音という分布巻の利点を有しつつ、さらにコイルの占有率が高まることによる高出力化という利点を得ることができる。

本発明は、上述の説明から導かれるさまざまな装置、製造方法に及ぶものであり、特定の構成や方法に限定されるものではない。以下、本発明の範囲を狭めるためではなく、発明の本質の理解を助け、またそれらを明確化するために、具体的な態様について説明する。

図５（ａ）〜（ｄ）は、ステータ２の製造工程の一部を示す図である。図５（ａ）に示すように、複数のカセットコイル３０の外周側の１辺（下口コイル）Ｅ１それぞれが、対応するスロット１６に挿入される。好ましくはカセットコイル３０の１辺Ｅ１は、軸方向（高さ方向）に挿入される。図５（ｂ）には、いくつかのカセットコイル３０それぞれの１辺Ｅ１のスロット１６への挿入が完了した状態が示される。続いて、図５（ｃ）に示すように、複数のカセットコイル３０それぞれの内周側の１辺（上口コイル）Ｅ２が、対応するスロット１６の位置まで周方向（図中矢印）に移動させられる。たとえばｉ番目のカセットコイル３０_ｉの上口コイルＥ２は、対応するスロット１６_ｉの位置に移動する。そして図５（ｄ）に示すように、各上口コイルＥ２は、径方向外側に向かって、対応するスロット１６に挿入される。

仮にカセットコイル３０の外周側の１辺（下口コイル）Ｅ１を、径方向に挿入することとすれば、その挿入距離（深さ）が長いため、挿入の過程において、規則的な整列が乱される可能性が高くなる。特に、本実施の形態では、複数のスロット１６はそれぞれ、外周の幅が内周の幅より広く形成されている。それに関連して、下口コイルＥ１の周方向の幅は、上口コイルＥ２の周方向の幅より広い。このようなスロット形状およびコイル形状の場合には、下口コイルＥ１を径方向に挿入すると、狭い内周側のスロットを通過させる際に、変形することとなる。これに対して、図５（ａ）に示したように、下口コイルＥ１をスロット１６に対して、径方向ではなく、軸方向に挿入することにより、挿入時に整列を乱す方向に力を受けにくくなり、規則的な整列を維持することができる。

ここで図５（ａ）に示すように、カセットコイル３０を軸方向に沿って挿入する場合、一方のコイルエンドに対応する部分Ｅ３が、スロットを通過することになる。この通過に際して、コイルエンド部分Ｅ３が変形するのを抑制することが望ましい。図６（ａ）、（ｂ）は、コイルエンド部分Ｅ３とスロット１６の寸法の関係を示す図である。カセットコイル３０は、そのコイルエンド部分Ｅ３の周方向の幅ｄが、スロット１６の開口幅Ｌよりも短くなるように形成される。これにより、下口コイルＥ１に加えて、コイルエンド部分Ｅ３の変形を抑制することができ、コイルエンド部分Ｅ３の規則的な整列を維持することができる。

また、カセットコイル３０の上口コイルＥ２に関しては、対応するスロット１６に対して、径方向に挿入することとした。ここでコイルを径方向に挿入する際に、上口コイルＥ２の挿入距離（深さ）は、下口コイルＥ１の挿入距離よりも１／２程度に短くて済む。したがって上口コイルＥ２についてはスロット１６に対して径方向に挿入したとしても、その過程において変形しにくいと言え、元の規則的な整列を維持することができる。

また上述のスロット形状およびコイル形状の場合には、下口コイルＥ１内において横方向に並ぶ巻線３２の本数（本実施の形態ではたとえば４本）は、上口コイルＥ２内において横方向に並ぶ巻線３２の本数（たとえば３本）よりも多くなる。したがって仮に、下口コイルＥ１と上口コイルＥ２において同じ整列の乱れが生じたとしても、本数の少ない上口コイルＥ２側の方が、乱れにより生ずるエアギャップの体積は小さくて済む。このことからも、下口コイルＥ１を軸方向に挿入し、上口コイルＥ２を径方向に挿入するという製造方法は、全体としての占有率を高めることに大いに寄与している。

続いて、カセットコイル３０の形成方法を説明する。図７（ａ）〜（ｃ）は、カセットコイル３０の形成に使用される巻枠４０を示す図である。図７（ａ）は巻枠４０の斜視図を、図７（ｂ）は図７（ａ）の矢印Ａ方向に望んだ平面図を、図７（ｃ）は図７（ａ）の矢印Ｂ方向に望んだ平面図を示す。巻枠４０は、巻芯４２および巻芯４２を挟み込むようにして設けられた二枚の側板４４、４６を備える。巻枠４０は、図７（ｂ）に示すように、軸方向（Ａ方向）に望んだ断面がＨ型の形状を有している。このＨ型の巻枠４０の２つの凹部の形状は、スロットの形状に沿うように定められる。巻芯４２は直方体である。下口コイルＥ１が形成される領域における二枚の側板の間隔Ｗ１は、上口コイルＥ２が形成される領域における二枚の側板の幅Ｗ２よりも広くなっている。側板４４および４６は径方向に対してテーパーしていてもよい。

図７（ａ）には、巻線３２を形成する導体が、側板４４，４６にガイドされつつ巻芯４２に巻回される様子が矢印付きの破線で示される。このような巻枠４０に、巻線３２を規則的に整列して巻回すことにより、レーストラック型のカセットコイル３０を形成することができる。

実施の形態に係るステータ２の利点は、以下で説明する比較技術との対比によって一層明確となろう。なおこの比較技術を公知技術として認定してはならない。図８（ａ）〜（ｃ）は、比較技術に係るステータ２Ｒを示す図である。比較技術においては、径方向に実質的に均一な幅を有するレーストラック型のコイル３０Ｒが形成される。コイル３０Ｒは乱巻もしくは整列巻にて形成される。このコイル３０Ｒの外周側の下口コイルＥ１は、巻線３２の束を崩しながら１本ずつほぐしてステータコア１０の対応するスロットに径方向に挿入される。同様に内周側の上口コイルＥ２についても、巻線３２の束を崩しながら１本ずつほぐしてステータコア１０の対応する別のスロットに径方向に挿入される。その結果、図８（ｃ）に示すように、スロット１６内のエアポケット５０が多く発生することとなり、コイルの占有率が低下する。

翻って実施の形態に係るステータ２では、図８（ｃ）に見られるエアポケット５０を低減することができ、同じ形状、同じサイズのスロット１６内に収容される巻線３２の本数を増やすことができる。あるいは、同じ巻線３２の本数を収容するために必要なスロットの断面積を小さくでき、ステータ、ひいてはモータを小型化できる。

図９（ａ）、（ｂ）は、比較技術に係るステータ２Ｒを示す図である。図９（ａ）には、ステータ２Ｒ全体が示され、図９（ｂ）には、コイルエンドの拡大図が示される。比較技術では、巻線３２がスロット１６に手作業で挿入されるため、スロット１６内の巻線３２の配列に規則性を見いだすことはできず、したがってコイルエンドにおける巻線の束も図９（ｂ）のように崩れている。これに対して実施の形態に係るステータ２では、図２（ｂ）に示すようにコイルエンドにおける巻線の束も規則的な配列が維持されており、この点においても比較技術に比べて優れている。

以上、本発明について、実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例について説明する。

（変形例１）
実施の形態では、スキュー無しのティース１４を有するステータコア１０について説明したが本発明はそれには限定されない。図１０は、変形例１に係るステータコア１０ａを示す図である。このステータコア１０ａのティース１４ａは軸方向に対して傾斜（スキュー）しており、したがってスロット１６ａも傾斜している。スキュー付きのステータコア１０ａに対しては、カセットコイル３０を傾斜したスロット１６ａに沿って挿入すればよい。

（変形例２）
スロット１６の幅は周方向に対して実質的に一定であってもよい。この場合、下口コイルＥ１の幅と、上口コイルＥ２の幅も、実質的に等しくてもよい。

（変形例３）
また変形例２において、巻線の配列が乱れない限りにおいて、下口コイルＥ１を、スロットに対して径方向に挿入してもよい。

以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。

２…ステータ、１０…ステータコア、１２…ヨーク、１４…ティース、１６…スロット、３０…カセットコイル、３２…巻線、４０…巻枠、４２…巻芯、４４，４６…側板。

Claims (9)

1. 円環状ヨークおよび前記円環状ヨークから径方向内周側に突起した複数のティースを有し、複数のティースの間に複数のスロットが形成されるステータコアと、
   それぞれが規則的に整列して巻回された巻線を有する複数のレーストラック型コイルと、
   を備え、
   前記複数のレーストラック型コイルはそれぞれ、外周側の１辺と内周側の１辺とが異なるスロットに挿入される分布巻の形態で、巻線の規則的な整列を維持したまま前記複数のスロットに収容された状態にあることを特徴とするモータ。
2. 各レーストラック型コイルの外周側の１辺は、対応する前記スロット内に軸方向に挿入されていることを特徴とする請求項１に記載のモータ。
3. 各レーストラック型コイルのコイルエンドの幅は、スロットの開口幅より狭いことを特徴とする請求項１または２に記載のモータ。
4. 各レーストラック型コイルの内周側の１辺は、対応する前記スロット内に径方向に挿入されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のモータ。
5. 前記複数のスロットはそれぞれ、外周の幅が内周の幅より広く、
   各レーストラック型コイルの外周側の１辺は、内周側の１辺より太いことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のモータ。
6. ステータの製造方法であって、
   軸方向からみた断面がＨ型の巻枠に、巻線を規則的に整列して巻回し、レーストラック型コイルを形成するステップと、
   円環状ヨークおよび前記円環状ヨークから径方向内周側に突起した複数のティースを有し、複数のティースの間にスロットが形成されるステータコアに対して、複数の前記レーストラック型コイルを挿入するステップと、
   を備え、
   前記挿入するステップは、
   各レーストラック型コイルの外周側の１辺を、対応するスロットに軸方向に挿入するステップと、
   各レーストラック型コイルの内周側の１辺を、対応するスロットの位置まで周方向に移動させるステップと、
   各レーストラック型コイルの前記内周側の１辺を、前記対応するスロットに径方向に挿入するステップと、
   を備えることを特徴とする製造方法。
7. 前記巻枠の外周側の溝は、内周側の溝よりも幅が広いことを特徴とする請求項６に記載の製造方法。
8. 前記巻線のコイルエンドに対応する部分が巻回される前記巻枠の部分の幅は、スロットの開口幅より狭いことを特徴とする請求項６または７に記載の製造方法。
9. 円環状ヨークおよび前記円環状ヨークから径方向内周側に突起した複数のティースを有し、複数のティースの間に複数のスロットが形成されるステータコアと、
   それぞれが規則的に整列して巻回された巻線を有する複数のレーストラック型コイルと、
   を備え、
   前記レーストラック型コイルを形成する前記巻線は、前記スロットへの挿入より前において、前記レーストラック型コイルの外周側の１辺および内周側の１辺それぞれの断面形状が、前記スロットの対応する部分の断面形状に適合するように、巻回されていることを特徴とするモータ。

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