JP2020039218A - モータのステータ構造及びモータ - Google Patents

Abstract

【課題】シートを積層させたステータであっても、組み立て作業が容易で、巻線スペースを確保できる、モータのステータ構造、及び、それを用いたモータを提供する。【解決手段】軸方向に積み重なった複数のシートを有するステータコア２と、ステータコア２を保持する保持体３と、保持体３を覆う蓋体４と、を備え、ステータコア２は、環状部２１と、環状部２１の内側に向けて延びた複数の突出部２２と、を備え、保持体３は、周方向において、突出部２２の外面に対向する２つの壁と、軸方向において、ステータコア２に接する底部３３ａと、を備え、蓋体４は、軸方向において、ステータコア２の突出部２２に重なる張出部４２と、ステータコア２の環状部２１に重なる環状部４１と、を備え、周方向において、前記２つの壁と前記張出部とが、並んで配置されている、モータのステータ構造である。【選択図】図１

Description

本発明は、モータのステータ構造及びモータに関する。

モータのステータ材料には、磁化の変化しやすい珪素鋼板などの軟磁性材料が用いられる。かかる材料は、電気伝導性を示し、渦電流を生ずる可能性があるので、通常厚さ０．５〜０．１ｍｍ程度のシートを積層して用いることで渦電流を抑制している。しかしながら、高周波領域で駆動する高速モータ等においては、このように積層して用いても渦電流による効率低下が無視できない。また、近年ではモータの高効率化の要求がより高まっており、低損失なステータ材料が求められている。

この解決案として、例えば厚さ２５μｍ程度の超薄帯のシートを積層させたステータが提案されている。シート１枚当たりの厚みを薄くすることで、渦電流が小さくなり、損失抑制が期待される。しかし、このシートは、厚みが薄いため剛性に乏しく、積層体を加締め等により結合することができないため、積層体として維持させるのが、比較的難しい。接着剤で結合しようとした場合、積層枚数が多いため、層間に入り込む接着剤の量も多くなり、軟磁性材料の占積率が低下してしまう。

上下一対のインシュレータを用い、一方のインシュレータ内にシートを積層させた後、他方のインシュレータを噛み合わせ、側面を溶着することにより積層状態を保持させることが考えられる。このように上下一対のインシュレータを噛み合わせた構造をとると、この噛み合わせて溶着する部分において、インシュレータが重なるため場所をとり、巻線スペースが減少してしまう。すると、多スロット化が困難、巻線回数を多くできない、巻線作業がしづらい等の不具合の懸念がある。

特開２００９−２４０１３５号公報

したがって、本発明は、以上の背景に鑑みてなされたものであり、例えば、シートを積層させたステータであっても、組み立て作業が容易であって、巻線スペースを確保することができる、モータのステータ構造、及び、それを用いたモータを提供することを目的とする。

上記課題は、以下の本発明により解決される。即ち、本発明のモータのステータ構造は、積み重なった複数のシートを有するステータコアと、前記ステータコアを保持する保持体と、前記保持体を覆う蓋体と、を備え、前記ステータコアは、環状部と、該環状部の内側に向けて延びた複数の突出部と、を備え、前記保持体は、周方向において、前記突出部の外面に対向する２つの壁と、軸方向において、前記ステータコアに接する底部と、を備え、前記蓋体は、軸方向において、前記ステータコアの前記突出部に重なる張出部と、前記ステータコアの環状部に重なる環状部と、を備え、周方向において、前記２つの壁と前記張出部とが、並んで配置されている。

本発明において、前記保持体が、前記ステータコアの環状部の外周部を取り囲む外壁部を有することが好ましい。
このとき、前記蓋体の環状部の外周部と、前記外壁部と、の全部または一部が、接着または溶着により固定されていることが好ましい。

本発明において、前記保持体が、径方向において前記突出部の端部に対向する壁を有することが好ましい。
このとき、径方向において、前記張出部の端部と、前記保持体における前記突出部の端部に対向する壁と、の全部または一部が、接着または溶着により固定されていることが好ましい。

前記複数のシートそれぞれの厚みは、前記蓋体の厚みより小さいことが好ましく、２５μｍ以下であることが好ましい。また、前記複数のシートそれぞれは平板であることが好ましい。

接着または溶着による前記蓋体と前記保持体との固定領域は、径方向において、前記張出部の端部と当該張出部の端部に対向する前記保持体の壁の内面であることが好ましい。
このとき、接着または溶着による前記蓋体と前記保持体との非固定箇所は、周方向において、前記張出部の外縁と当該張出部の外縁に対向する前記２つの壁の内面であることが好ましい。

一方、本発明のモータは、上記本発明のモータのステータ構造と、シャフトと、前記シャフトに固定されたロータと、前記ステータコアに巻き回されたコイルと、ハウジングと、を備えているものである。

本発明の一例である実施形態にかかるステータの分解斜視図である。 本発明の一例である実施形態にかかるステータの軸を含む平面で切断した断面図である。 本発明の一例である実施形態にかかるステータに用いられたシートの平面図である。 本発明の一例である実施形態にかかるステータに用いられた収容体の斜視図である。 本発明の一例である実施形態にかかるステータに用いられた蓋体の斜視図である。 本発明の一例である実施形態にかかるステータを用いたモータの斜視図である。 図６のモータの軸を含む平面で切断した断面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の一例である実施形態にかかるステータ１の分解斜視図であり、図２は、ステータ１の中心軸Ｘを含む平面で切断した断面図である。

ステータ１は、ステータコア２と、ステータコア２を保持する収容体（保持体）３と、収容体（保持体）３を覆う蓋体４を備えてなる。図１及び図２に示されるように、これらは全て円環状部分を有し、同軸（中心軸Ｘ）上に位置している。これらの内、収容体３及び蓋体４は、両者合わせて、いわゆる「インシュレータ」を構成する。

以降の説明において、図１及び図２における上側（蓋体４側）を上側乃至上方向と、下側（収容体３側）を下側乃至下方向と、便宜上それぞれ表現するが、これらは勿論、重力方向における上下関係を表すものではない。
ステータコア２は、超薄帯（本実施形態では、厚さ２５μｍ）のシート５を複数枚（本実施形態では、４００枚）積み重ねたものである。

図３に、シート５の平面図を示す。図３に示されるように、シート５は、円環部（以下、「シート円環部」と称する。）５１と、シート円環部５１から中心軸Ｘに向けて延伸する６つの突片５２と、からなる。突片５２は、等間隔で円対称（１／６回対称）の位置に配されている。シート５は、収容体３に４００枚重ねて収容させ、蓋体４で押さえ付けつつ蓋をすることで、全体として、厚さ１ｃｍのステータコア２となる。即ち、シート５は、積み重ねられてステータコア２になり、シート円環部５１は、ステータコア２の環状部２１に、突片５２は、ステータコア２の磁極部を形成する突出部であるティース２２に、それぞれなる。

ステータ１には、その外周に６つの切り欠き６が等間隔で形成されている。この切り欠き６は、環状部２１を挟んでその内周側がティース２２の端部となる位置に対応して、ティース２２と同数、設けられている。この切り欠き６は、モータの組み立て時に利用されるものである。この切り欠き６に対応して、ステータコア２、収容体３、蓋体４及びシート５にもそれぞれ同じ位置に切り欠きが形成されているが、以降の説明においては、特に必要が無い限り、その説明を省略する。

シート５の材質としては、通常ステータの部材として用いられる磁性体がそのまま利用可能であるが、電磁気特性に優れる珪素鋼板などの電磁鋼板、アモルファス合金、ナノ結晶合金等を用いることが好ましい。
シート５の厚みとしては、渦電流がほとんど生じない程度の厚みが望ましく、蓋体４の厚みより小さいことが好ましく、具体的には、１００μｍ以下が好ましく、２５μｍ以下がより好ましい。取り扱い性と電磁気特性の双方を考慮すると、本実施形態の２５μｍが最も好ましい。
複数のシート５は平板であり、複数のシート５が積み重ねられる方向において、複数のシート５がそれぞれ互いに対向し合う面は平面となっている。

収容体３及び蓋体４は、絶縁性を有する部材であれば問題なく使用可能であり、通常インシュレータとして用いられる公知の樹脂材料（塊状、板状、フィルム状の何れも含む。）が、そのまま好適に用いられる。
図４に、収容体３の上方向から見た斜視図を、図５に蓋体４の下方向から見た斜視図を、それぞれ示す。

収容体３は、平面形状がシート５とおよそ同じ形状の環状の底部３３と、ステータコア２の環状部２１の外周部をおおよそ取り囲む外壁部３４と、環状部２１の内周部（後述する環状内壁部３５ｂ）、及び、ステータコア２の内面を形成するとティース２２を、その外面に沿って取り囲む内壁部３５と、から構成される。底部３３のうちのティース２２と接触する突出底部３３ｂ、及び、内壁部３５のうちの対向する２つの壁３５ｃの、ステータコア２のティース２２を取り囲む３つの面で形成された溝を、以下「樋部３２」と称する。

また、底部３３、外壁部３４及び内壁部３５のうちの環状内壁部３５ｂで囲われる、樋部３２以外の環状の溝を「環状溝部３１」と称し、その内の底部３３の部分を特に「環状底部３３ａ」と称する。さらに、内壁部３５の内、樋部３２の先端部（端部）に位置する、ティース２２の先端部（端部、突片５２の端部５２ａに対応）に対向する壁を「先端壁３５ａ」と称する。また、径方向において、先端壁３５ａは、突片５２の端部５２ａと対向している。突片５２の端部５２ａは、ステータコア２のティース２２の先端部（端部）を形成している。

なお、環状溝部３１（環状底部３３ａ）はシート５のシート円環部５１より内径が狭く外径が広くなっており、樋部３２はシート５の突片５２より(周方向における)幅が広く（径方向における）長さが長くなっている。即ち、収容体３の環状溝部３１及び樋部３２からなるシート５の収容箇所は、シート５よりも一回りサイズが大きくなっている。全体の大きさにもよるが、収容体３とシート５との間の間隙が、２００μｍ以下となるように設計することが望ましい。

一方、蓋体４は、１枚の板状の部材で形成されており、円環状の円環部４１と、収容体３の内壁部３５の内側に位置する複数の張出部４２と、を備える。複数の張出部４２は６つあり、円環部４１から中心軸Ｘに向けて延びている。周方向において、張出部４２と収容体３の２つの壁３５ｃは並んで配置される。円環部４１は、ステータコア２の環状部２１に積み重なっている。また、環状板部４１は、収容体３の環状溝部３１より内径が広く外径が狭くなっており、張出部４２は収容体３の樋部３２（の開口）より幅が狭く長さが短くなっている。即ち、収容体３の環状溝部３１及び樋部３２からなる開口（以下、「上部開口」と称する。）は、蓋体４よりも一回りサイズが大きくなっている。

蓋体４の環状板部４１の外周部と、収容体３の外壁部３４の全部又は一部は、接着又は溶着により固定されている。詳細には、径方向において、張出部４２の端部（先端部４２ａ）と内壁部３５の先端壁３５ａとの全部又は一部が、接着または溶着により固定されている。なお、後述するように、収容体３の上部開口と蓋体４との間は、接着または溶着できるように間隙が設けられていることが望まれるので、両者間の間隙が、２００μｍ以下となるように設計することが望ましい。

次に、ステータ１の作製手順について説明する。
シート５のシート円環部５１が環状溝部３１内に、突片５２が樋部３２に、それぞれ位置するように、所定枚数のシート５を順次積み重ねて、収容体３内に配置して行く。このとき、収容体３の外周部に設けられた切り欠き６に図示しない治具の突出部を挿入して位置決めすることにより、容易にシートを収容体３内に配置することができる。なお、収容体３におけるシート５の収容領域がシート５の外形よりも大きい、いわゆる隙間嵌めになっているので、シート５に傷が付きにくい。

全てのシート５を収容体３に収容し終えた後、今度は、蓋体４の円環部４１が環状溝部３１の開口に、張出部４２が樋部３２の開口に、それぞれ位置するように、蓋体４をシート５の積層体に押し付けながら、収容体３に被せる。この際も、蓋体４の外周部に設けられた切り欠きに図示しない治具の突出部を挿入することで、容易に蓋体４を収容体２に位置決めすることができる。

収容体３における上部（シート５を積み重ねる方向において、一方の端部側）の開口が蓋体４の外形よりも大きい、いわゆる隙間嵌めになっている。蓋体４に所定の荷重をかけつつ、所定の箇所を接着剤で接着して固定する。なお、蓋体４は隙間嵌めされることに限定はされず、収容体３に圧入されて固定されても構わない。

接着する箇所は、（１）収容体３の先端壁３５ａと蓋体４の張出部４２の先端部４２ａ、（２）収容体３の外壁部３４と蓋体４の（円環部４１の）外周４１ａ、（３）収容体３の環状溝部３１を形成する環状内壁部３５ｂの内面と蓋体４の円環部４１を形成する内周部４１ｂ、の３か所が望ましい。これら３か所を固定すれば、強度的には十分である。モータのハウジング（図７を用いて後述する。）との接触面や、巻き線領域となる樋部３２及び張出部４２は、非固定領域としても構わない。これは、これらの箇所を接着領域とした場合に、接着行為によって寸法精度に影響を及ぼす、あるいは、巻線スペースが減少する懸念があるためである。

よって、接着または溶着によるシート５と収容体３との固定領域は、径方向において、張出部４２の端部４２ａと当該張出部４２の端部４２ａに対向する保持体３の先端壁３５ａであってもよく、接着または溶着によるシート５と収容体３との非固定領域は、周方向において、張出部４２の外縁４２ｃと張出部４２の外縁４２ｃに対向する２つの壁３５ｃであってもよい。

用いる接着剤としては、特に制限はなく、収容体３及び蓋体４の材料の接着に適した接着剤を用いればよい。なお、両者の固定は、接着剤を用いる方法に限定されず、例えば、両者の樹脂材料を熱で溶融させ、一体化させたのちに冷却して冷やして固定する、溶着によっても構わない。

接着領域は、平面かつ表面で完結するため、紫外線（ＵＶ）硬化型の接着剤を用い、ＵＶ照射により接着するのに適している。そのため、本実施形態のモータのステータ構造によれば、生産性の向上を期待することができる。また、他の接着方法あるいは溶着方法により固定する場合にも、平面かつ表面で完結するため、接着剤の塗布作業や対象箇所の加熱作業等の作業がし易く、作業性に優れている。

以上のようにして、本実施形態のステータ１が作製される。
本実施形態のステータ１は、樋部３２の開口に位置する張出部４２の幅が、樋部３２の開口よりも狭くなっているので、樋部３２と張出部４２との間は、離間している、あるいは、線接触状態になっている。両者間が完全には平行になっていない場合（寸法公差、ずれ、傾きの何れの場合も含む。）には、点接触状態になっていることもある。

なお、樋部３２と張出部４２との間の接触部分が長尺状で、これら部材の厚み程度の幅を有していても、それは勿論、「線接触状態」の範疇に含まれる。同様に、両者間の接触部分の幅が微小な面積を有していて、その最大長さがこれら部材の厚み程度であれば、それは勿論、「点接触状態」の範疇に含まれる。

このように、いわゆるインシュレータを構成する収容体３及び蓋体４において、樋部３２と張出部４２とが、離間している、あるいは、線接触または点接触しているので、両者が重なるような、例えば加締め等の固定機構を有する場合と異なり、ティース２２を囲う樋部３２及び張出部４２からなる角筒部の外形を小さく維持することができる。

樋部３２及び張出部４２からなる角筒部は、巻線がされてコイルを形成する箇所であり、この角筒部の周囲は巻線スペースとなる。即ち、本実施形態によれば、巻線スペースに余計な張り出しが生じないため、広い巻線スペースを確保することができる。したがって、多スロット化や巻線回数をより多くすることを実現可能にするとともに、巻線作業を容易にすることができる。

また、本実施形態によれば、収容体３が、ステータコア２の環状部２１の外周を取り囲む外壁部３４を有することから、巻線作業やその後のモータへの組み付け作業の際に、ステータ１を外周面から掴むことができ、これら作業の作業効率の向上を図ることができる。さらに、ステータコア２が外壁部３４で覆われていることから、ステータコア２の外周面を傷や汚れ等から保護することができる。

次に、本実施形態のステータ１をモータに組み込んだ構成例について、説明する。
ステータ１は、ブラシレスＤＣモータやステッピングモータに組み込んで使用することができる。
図６は、ステータ１を組み込んだモータ１０の斜視図であり、図７は、その軸（シャフト８１）を含む平面で切断した断面図である。このモータ１０は、ブラシレスＤＣモータである。

モータ１０は、ハウジング７内で、その内壁にステータ１外周が接触した状態で固定され、ロータ８がステータ１に同軸上で貫通した状態となって配置されてなる。ロータ８は、シャフト８１と、その周りに配され固定された永久磁石８２と、から構成されており、ハウジング７の上下対向する壁面に、軸受９を介して取り付けられている。したがって、ロータ８は、回転自在にハウジング７に固定されている。

ロータ８に設けられた永久磁石８２は、ステータ１における収容体３の先端壁３５ａを介して、６つのティース２２と対向した状態になっている。
図７において、ステータ１における巻き線領域（樋部３２及び張出部４２）には、巻き線が巻かれてコイル１１となっており、配線（不図示）がハウジング７の外部に導出されている。

不図示の制御装置により、制御された信号電圧が各コイルに印加されることで、永久磁石８２とコイルの電磁石との反発／吸引力が適宜生じて、ロータ８に回転駆動力が生じる。以上のようにして、シャフト８１が回転して、その回転力が適宜外部に伝達されるようになっている。

以上、本発明のモータのステータ構造、及び、それを用いたモータ（以下、単に「本発明のステータ構造及びモータ」と称する。）について、好ましい実施形態を挙げて説明したが、本発明のステータ構造及びモータは上記実施形態の構成に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、ステータコア２のティース２２の数が６個の例を挙げているが、ティース２２の数はこれに限定されない。これより少なくても多くても構わない。ただし、本発明のステータ構造によれば、巻線スペースを確保することが容易になるので、多スロット化するのに適している。したがって、ティースの数をより多くすることができる点で、本発明は優れている。

また、上記実施形態では、ステータコア２をすっぽり収容する収容体３を用いた例を挙げているが、本発明において、インシュレータの一部に相当するこの保持体は、樋部と環状底部とを少なくとも有し、蓋体が固定されて、ステータコアを保持できさえすれば、先端壁３５ａ、外壁部３４及び環状内壁部３５ｂの何れか、あるいは、これら全てが無くても構わない。全てが無い場合には、樋部３２と張出部４２とを接着あるいは溶着して、保持体と蓋体とを固定すればよい。

勿論、既述の通り、樋部３２と張出部４２とを接着あるいは溶着することは、好ましくないので、先端壁３５ａ、外壁３４及び環状内壁部３５ｂの何れかを有することが好ましい。これらの何れかを有することで、強固にシートを保持できる。特に、既述の通り、外壁３４を設けることで、巻線作業の容易化やステータ２外周の保護を実現できる。

また、先端壁３５ａを設けることで、巻線作業やその後のモータへの組み付け作業の際に、ティース２２の先端部を保護することができる。

なお、本実施形態においては、厚さ２５μｍ程度の超薄帯のシートを積層させたステータコアを例に挙げているが、本発明は、通常の厚さである０．５〜０．１ｍｍ程度やそれ以外の厚さのシートを積層させたステータコアに対しても適用することができる。その場合にも、組み立て作業が容易であって、巻線スペースを確保することができる。

その他、当業者は、従来公知の知見に従い、本発明の回転機器を適宜改変することができる。かかる改変によってもなお本発明の構成を具備する限り、勿論、本発明の範疇に含まれるものである。

１…ステータ、１１…コイル、２…ステータコア、２１…環状部、２２…ティース、３…収容体（保持体）、３１…環状溝部、３２…樋部、３３…底部、３３ａ…環状底部、３３ｂ…突出底部、３４…外壁、３５…内壁部、３５ａ…先端壁、３５ｂ…環状内壁部、３５ｃ…２つの壁、４…蓋体、４１…円環部、４１ａ…外周、４１ｂ…内周部、４２…張出部、４２ａ…先端部（端部）、４２ｃ…外縁、５…シート、５１…シート円環部、５２…突片、５２ａ…端部、６…切り欠き、７…ハウジング、８…ロータ、８１…シャフト、８２…永久磁石、９…軸受、１０モータ

Claims (11)

1. 軸方向に積み重なった複数のシートを有するステータコアと、
   前記ステータコアを保持する保持体と、
   前記保持体を覆う蓋体と、
   を備え、
   前記ステータコアは、環状部と、該環状部の内側に向けて延びた複数の突出部と、を備え、
   前記保持体は、周方向において、前記突出部の外面に対向する２つの壁と、軸方向において、前記ステータコアに接する底部と、を備え、
   前記蓋体は、軸方向において、前記ステータコアの前記突出部に重なる張出部と、前記ステータコアの環状部に重なる環状部と、を備え、
   周方向において、前記２つの壁と前記張出部とが、並んで配置されている、モータのステータ構造。
2. 前記保持体が、前記ステータコアの環状部の外周部を取り囲む外壁部を有する、請求項１に記載のモータのステータ構造。
3. 前記蓋体の環状部の外周部と、前記外壁部と、の全部または一部が、接着または溶着により固定されている、請求項２に記載のモータのステータ構造。
4. 前記保持体が、径方向において、前記突出部の端部に対向する壁を有する、請求項１〜３のいずれかに記載のモータのステータ構造。
5. 径方向において、前記張出部の端部と、前記保持体における前記突出部の端部に対向する壁と、の全部または一部が、接着または溶着により固定されている、請求項４に記載のモータのステータ構造。
6. 前記複数のシートそれぞれの厚みは、前記蓋体の厚みより小さい、請求項１〜５のいずれかに記載のモータのステータ構造。
7. 前記複数のシートそれぞれの厚みは、２５μｍ以下である、請求項１〜６のいずれかに記載のモータのステータ構造。
8. 前記複数のシートそれぞれは平板である、請求項１〜７のいずれかに記載のモータのステータ構造。
9. 接着または溶着による前記蓋体と前記保持体との固定領域は、径方向において、前記張出部の端部と当該張出部の端部に対向する前記保持体の壁の内面である、請求項１〜８のいずれかに記載のモータのステータ構造。
10. 接着または溶着による前記蓋体と前記保持体との非固定箇所は、周方向において、前記張出部の外縁と当該張出部の外縁に対向する前記２つの壁の内面である、請求項９に記載のモータのステータ構造。
11. 請求項１〜１０のいずれかに記載のステータ構造と、
    シャフトと、
    前記シャフトに固定されたロータと、
    前記ステータコアに巻き回されたコイルと、
    ハウジングと、を備えている、モータ。

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