JP2020137177A - ステータ - Google Patents

Abstract

【課題】径方向に小型化可能なステータの提供。【解決手段】ステータ２は、ステータコアと、インシュレータと、コイル５と、を備える。前記ステータコアは、上下に延びる中心軸周りに配列される複数のアンブレラ部３１と、前記アンブレラ部３１よりも径方向外方に配置され、径方向と略直交する第１方向に延びる第１コア部と、前記アンブレラ部３１と前記第１コア部とを接続する第２コア部と、を備える。前記インシュレータは、前記第１コア部の少なくとも一部を覆う。前記コイル５は、前記インシュレータを介して前記第１コア部に導線が巻かれることによって形成されている。【選択図】図２

Description

本発明は、ステータに関する。

従来のステータは、特許文献１に開示されている。特許文献１のステータは、磁性材料によって形成される。

特許文献１のステータは、リング状のバックコア部と、バックコア部から径方向内側に向かって突出形成された複数個のティースと、ティース間に形成され、ティースに巻装された巻線が収容されるスロットと、を備える。

特許文献１のステータは上記の構成を有するため、最大トルクと出力のバランスが良く、小型化・高出力化が可能なブラシレスモータを提供できると主張している。

特開２０１６−０５２１９９号公報

しかしながら、特許文献１のステータにおいては、ステータを径方向に小型化することが困難である。

上記課題に鑑み、本発明は、径方向に小型化可能なステータを提供することを目的とする。

本発明の例示的な実施形態に係るステータは、ステータコアと、インシュレータと、コイルと、を備える。前記ステータコアは、上下に延びる中心軸周りに配列される複数のアンブレラ部と、前記アンブレラ部よりも径方向外方に配置され、径方向と略直交する第１方向に延びる第１コア部と、前記アンブレラ部と前記第１コア部とを接続する第２コア部と、を備える。前記インシュレータは、前記第１コア部の少なくとも一部を覆う。前記コイルは、前記インシュレータを介して前記第１コア部に導線が巻かれることによって形成されている。

本発明の例示的なステータによれば、ステータを径方向に小型化できる。

図１は、本発明の例示的な実施形態に係るステータとその周辺を示す斜視図である。 図２は、本発明の例示的な実施形態に係るステータとその周辺を示す平面図である。 図３は、本発明の例示的な実施形態に係るステータコアを示す斜視図である。 図４は、本発明の例示的な実施形態に係るステータコアを示す平面図である。 図５は、本発明の例示的な実施形態の第１変形例に係るステータを示す横断面図である。 図６は、本発明の例示的な実施形態の第２変形例に係るステータコアを示す平面図である。 図７は、本発明の例示的な実施形態の第３変形例に係るステータコアを示す平面図である。 図８は、本発明の例示的な実施形態の第４変形例に係るステータを示す横断面図である。

以下、本発明の例示的な実施形態について図面を参照しつつ説明する。なお、本明細書では、ロータの中心軸が延びる方向を「軸方向」、ステータにおいて中心軸に直交する方向を「径方向」、ステータにおいて中心軸を中心とする円弧に沿う方向を「周方向」とそれぞれ称する。また、上記中心軸は「上下方向」に延びるものとし、本明細書では、図１の紙面上方を「上側」として、各部の形状および位置関係を説明する。但し、上記の「上下方向」は、実際にステータが機器に組み込まれる際の位置関係および方向を限定しない。

図１は、本発明の例示的な実施形態に係るステータ２とその周辺を示す斜視図である。図２は、本発明の例示的な実施形態に係るステータ２とその周辺を示す平面図である。図３は、本発明の例示的な実施形態に係るステータコア３を示す斜視図である。図４は、本発明の例示的な実施形態に係るステータコア３を示す平面図である。

図１及び図２には、ロータ１と、ステータ２と、が記載されている。ロータ１は、シャフト１１と、マグネット１２と、を備える。シャフト１１は、上下に延びる中心軸Ｊに沿って配置されている。シャフト１１は、軸受（不図示）によってステータ２に対して中心軸Ｊ回りに回転可能に支持される。マグネット１２は、シャフト１１の径方向外面に固定される円筒状の部材である。マグネット１２の径方向外面は、後述するアンブレラ部３１の径方向内面３１１と径方向に間隙を介して対向する。なお、マグネットは、シャフト１１に固定されるロータコアに固定されていてもよい。

図１及び図２に示す通り、ステータ２は、ステータコア３と、インシュレータ４と、コイル５と、を備える。ステータコア３は、磁性材料で形成された複数の鋼板が、軸方向に積層されることによって形成されている。インシュレータ４は、ステータコア３の少なくとも一部を覆う。コイル５は、インシュレータ４を介してステータコア３に導線が巻かれることによって形成される。本実施形態においては、ステータ２は、三相モータにおいて利用される。

図１から図４に示す通り、ステータコア３は、複数のアンブレラ部３１と、第１コア部３２と、第２コア部３３と、を備える。複数のアンブレラ部３１は、上下に延びる中心軸Ｊ回りに配列される。換言すると、複数のアンブレラ部３１は、周方向に配列される。本実施形態においては、アンブレラ部３１は、３個である。

第１コア部３２は、アンブレラ部３１よりも径方向外方に配置される。第１コア部３２は、径方向と略直交する第１方向ｄ１に延びる。第１方向ｄ１は、径方向と直交する方向でもよいし、径方向と直交する方向に対して少し傾いていてもよい。

第２コア部３３は、アンブレラ部３１と第１コア部３２とを接続する。すなわち、アンブレラ部３１の径方向外端部３１２は、第２コア部３３によって第１コア部３２と接続されている。より詳細に述べると、第２コア部３３は、アンブレラ部３１の径方向外端部３１２から、中心軸Ｊから離れ、かつ、アンブレラ部３１の周方向両方に延びる。つまり、第２コア部３３は、アンブレラ部３１の径方向外端部３１２から２方向に分かれて延びる部位である。２方向に分かれた各々の第２コア部３３は、中心軸Ｊから離れる方向に延び、第１コア部３２に接続する。これにより、ステータコア３を軽量化することができる。すなわち、ステータが、アンブレラ部３１の径方向外端部３１２から径方向外方に延びるティース部を有し、ティース部の径方向外端部から周方向に延びる部位を有する場合に比べて、アンブレラ部３１の径方向外端部３１２と第１コア部３２とを短い距離で接続できる。よって、ステータコア３の体積を小さくすることができるため、ステータコア３を軽量化できる。なお、本実施形態においては、アンブレラ部３１と第１コア部３２は、それぞれ３か所形成され、第２コア部３３は、６か所形成される。

図４を参照して、第１コア部３２の第１方向長さＬ３１は、第２コア部３３の長手方向長さＬ３２よりも長い。ここで、第２コア部３３の長手方向ｄ２は、第２コア部３３が延びる方向である。換言すると、第２コア部３３の長手方向ｄ２は、アンブレラ部３１の径方向外端部３１２と第１コア部３２とを接続する方向である。これにより、ステータコア３の重量を低減することができる。すなわち、第２コア部３３の長手方向長さＬ３２が長い場合に比べて、ステータコア３が軽くなる。また、第２コア部３３の長手方向長さＬ３２が第１コア部３２の第１方向長さＬ３１よりも長い場合に比べて、ステータ２が径方向に大きくなることを抑制できる。なお、第１方向ｄ１と第２方向ｄ２とは、それぞれ、第１コア部３２が延びる方向における第１コア部３２の中心線、及び、第２コア部３３が延びる方向における第２コア部３３の中心線が延びる方向である。

中心軸Ｊと略直交する断面において、第２コア部３３は、第１方向ｄ１と略直交する方向に延びる。すなわち、第２コア部３３が延びる方向と第１方向ｄ１とは、直角に交わる。これにより、第２コア部３３の一部が第１コア部３２の第１方向ｄ１両端よりも第１方向ｄ１内側に延びないため、コイル５を構成する空間領域を確保しつつ、ステータコア３を軽量化できる。つまり、第１コア部３２と第２コア部３３とが鋭角を成すように接続する場合は、第１コア部３２と第２コア部３３との間にコイル５を形成する十分なスペースが確保できない可能性がある。また、第１コア部３２と第２コア部３３とが鈍角を成すように接続する場合は、第２コア部３２とアンブレラ部３１を構成する部材の長さが長くなるため、コア材料が増加してステータコア３の重量が増加する可能性がある。一方で、本実施形態においては、コイル５を形成するスペースを確保しつつ、ステータコア３の重量増加を抑制できる。

図１及び図２に示す通り、インシュレータ４は、第１コア部３２の少なくとも一部を覆う。より詳細には、インシュレータ４は、上下に分かれる１対の樹脂部材で構成される。上方に配置される上インシュレータ４１と下方に配置される下インシュレータ４２は、それぞれが第１コア部３２を軸方向に挟むように配置される。つまり、上インシュレータ４１は、第１コア部３２の上面の少なくとも一部を覆う。下インシュレータ４２は、第１コア部３２の下面の少なくとも一部を覆う。上インシュレータ４１と下インシュレータ４２とは、上下方向に略対称な形状である。コイル５は、インシュレータ４を介して第１コア部３２に導線が巻かれることによって形成されている。つまり、ステータ２においては、第１コア部３２において、コイル５が第１方向ｄ１に沿って形成される。これにより、ステータ２が径方向に小型化される。つまり、ステータが、アンブレラ部の径方向外端部から径方向外方に延びるティース部を有し、ティース部に沿って径方向に長手方向を有するコイルが形成される場合に比べて、ステータを径方向に小型化できる。

また、本実施形態のステータ２においては、コイル５の冷却特性が向上する。例えば、ステータが、アンブレラ部と、アンブレラ部の径方向外端部から径方向外方に延び、コイルが形成されるティース部と、周方向に隣接するティース部を接続するコアバック部を有する場合を考える。この場合、コイルは、周方向に延びるコアバック部と周方向に配列されるティース部によって囲まれるため、コイルの周辺には空気が流れるスペースが狭くなるので、コイルを効率良く冷却することが困難になる可能性がある。しかしながら、本実施形態のステータ２においては、コイル５の径方向外側が、ステータコア３の径方向外方に露出するため、ステータコア３の径方向外方を流れる空気がコイル５に当たり、コイル５を効率良く冷却できる。すなわち、本実施形態のステータ２においては、ステータコア３を径方向に小型化した場合においてもコイル５を効率良く冷却できる。

インシュレータ４は、第１インシュレータ部４１１と、第２インシュレータ部４１２、４２２と、壁部４１３、４２３と、を備える。第１インシュレータ部４１１は、第１コア部３２の少なくとも一部を覆う。第２インシュレータ部４１２、４２２は、第２コア部３３の少なくとも一部を覆う。壁部４１３、４２３は、第１インシュレータ部４１１の第１方向ｄ１の両端部から、第１方向ｄ１と略直交する方向に広がる壁状の部位である。壁部４１３、４２３が形成されることによって、第１方向ｄ１に沿って形成されるコイル５が第１方向ｄ１の少なくとも一方側に巻き崩れることを抑制できる。

コイル５の第１方向長さＬ５１は、中心軸Ｊからアンブレラ部３１の径方向内面３１１までの長さＬ３よりも長い。すなわち、コイル５の第１方向長さＬ５１は、アンブレラ部３１の内径の半分の長さよりも長い。ここで、コイル５の第１方向長さＬ５１は、コイル５の第１方向一方端５１から第１方向他方端５２までの長さである。これにより、ステータ２の径方向サイズが大きくなることを抑制しつつ、できるだけコイル５を長く形成することができるため、コイル５によって発生する磁束密度が増加する。よって、ステータ２の磁気特性が向上する。

コイル５の第１方向長さＬ５１は、コイル５の第１方向ｄ１と直交する断面におけるコイル５の径方向内端５３から径方向外端５４までの長さＬ５２よりも長い。つまり、例えばインシュレータ４に巻線を複数回巻くことで略円筒状のコイル５が形成される場合においては、コイル５の第１方向長さＬ５１は、コイル５が形成される第１コア部３２を中心としてコイル５の最も外側に巻かれている巻線によって構成される円の直径よりも長い。これにより、コイル５のインダクタンスを増加させることができるため、コイル５の磁気特性を向上できる。

アンブレラ部３１の周方向側面３１３は、第１方向ｄ１に延びる。すなわち、図４において、アンブレラ部３１の径方向内面３１１の周方向両端部から第２コア部３３に接続する部位の側面は、第１方向ｄ１に延びる。換言すると、アンブレラ部３１の周方向側面３１３は、第１コア部３２と平行に延びる。これにより、アンブレラ部３１と第１コア部３２との距離が一定になり、コイル５を形成するスペースをより広げられる。すなわち、ステータ２が径方向に大きくなることを抑制しつつ、コイル５を形成するスペースを確保できる。

次に、本実施形態のステータ２の変形例について説明する。変形例の説明においては、上述の実施形態の説明と重複する内容を省略することがある。また、変形例の説明においても、上述の実施形態と同一の部位には同一の符号を付すことがある。

図５は、本発明の例示的な実施形態の第１変形例に係るステータ２Ａを示す横断面図である。図５に示す通り、ステータ２Ａは、ステータコア３Ａと、インシュレータ４Ａと、コイル５Ａと、を備える。ステータコア３Ａは、一体の部材ではなく、複数のコア片３０Ａを有することが好ましい。すなわち、ステータコア３Ａは、周方向に配列される複数のコア片３０Ａを備えることが好ましい。複数のコア片３０Ａは、各々がアンブレラ部３１Ａと、第１コア部３２Ａと、第２コア部３３Ａと、を備える。本実施形態においては、コア片３０Ａは、周方向に３個配列されている。

ステータ２Ａにおいては、隣接するコア片３０Ａにおいて、一方のコア片３０Ａの第１コア部３２Ａと他方のコア片３０Ａの第２コア部３３Ａとの間に、コア片３０Ａの接続面ＰＡがある。つまり、コア片３０Ａの第１コア部３２Ａにおける周方向一方側の端部３２１Ａは、当該コア片３０Ａの周方向一方側に配置される他のコア片３０Ａにおける周方向他方側の第２コア部３３Ａと接続されている。例えば、図５の紙面下方に配置されているコア片３０Ａに注目すると、コア片３０Ａの第１コア部３２Ａにおける紙面右側の端部は、紙面右上に配置されるコア片３０Ａにおける紙面下方に配置される第２コア部３３Ａと接続されている。これにより、ステータ２Ａの量産効率が向上する。つまり、インシュレータ４Ａをステータコア３Ａに組み付ける前にインシュレータ４Ａの周りに巻線を巻いてコイル５Ａを形成し、当該コイル５Ａをコア片３０Ａの第１コア部３２Ａに挿入する。その後、第２コア部３３Ａを有するコア片３０Ａをコイル５Ａが挿入された後の第１コア部３２Ａに接続することによって、簡易な工程によってコイル５Ａを有するステータ２Ａを形成することができる。

また、ステータ２Ａにおいては、平面視において、コア片３０Ａの接続面ＰＡが露出している。つまり、コア片３０Ａの接続面ＰＡとインシュレータ４Ａとが、軸方向に重ならない。よって、複数のコア片３０Ａを接続した後で各々の接続面ＰＡを溶接等の手段で固定することが容易である。なお、本実施形態においては、接続面ＰＡは、第１方向ｄ１に沿って形成される。しかし、接続面ＰＡは、第２方向ｄ２と平行であってもよいし、径方向に拡がっていてもよい。

図６は、本発明の例示的な実施形態の第２変形例に係るステータコア３Ｂを示す平面図である。図６に示す通り、ステータコア３Ｂは、周方向に配列される複数のコア片３０Ｂを備える。ステータコア３Ｂは、アンブレラ部３１Ｂと、第１コア部３２Ｂと、第２コア部３３Ｂと、を備える。ステータコア３Ｂにおいては、コア片３０Ｂの接続面ＰＢの配置が、ステータコア３Ａにおける接続面ＰＡの配置と異なる。すなわち、コア片３０Ｂの第２コア部３３Ｂにおける周方向一方側の端部３３１Ｂは、当該コア片３０Ｂの周方向一方側に配置される他のコア片３０Ｂにおけるアンブレラ部３１Ｂの周方向他方側の側面３１３Ｂと接続されている。すなわち、隣接するコア片３０Ｂの接続面ＰＢをアンブレラ部３１Ｂの周方向の側面３１３Ｂに配置することによって、例えば、コア片３０Ｂの第２コア部３３Ｂに接続面を配置する場合に比べて、鋼板からコア片３０Ｂを形成する際の材料歩留まりが向上する。また、ステータコア３Ｂが複数のコア片３０Ｂを備えることによって、コイル５を形成する際の作業性が向上する。

図７は、本発明の例示的な実施形態の第３変形例に係るステータコア３Ｃを示す平面図である。図７に示す通り、ステータコア３Ｃは、周方向に配列される複数のコア片３０Ｃを備える。ステータコア３Ｃにおいては、隣接するコア片３０Ｃの接続面ＰＣの配置が、ステータコア３Ａ、３Ｂと異なる。

各コア片３０Ｃは、アンブレラ部３１Ｃと、第１コア部３２Ｃと、第２コア部３３Ｃと、を備える。コア片３０Ｃのアンブレラ部３１Ｃにおける周方向一方側の側面３１３Ｃは、当該コア片３０Ｃの周方向一方側に配置される他のコア片３０Ｃにおけるアンブレラ部３１Ｃにおける周方向他方側の側面３１３Ｃと接続されている。つまり、ステータコア３Ｃのアンブレラ部３１Ｃは、周方向において２つのコア片３０Ｃに分割されており、各々のアンブレラ部３１Ｃの周方向の側面３１３Ｃが互いに接続されている。これにより、第１コア部３２Ｃから２コア部３３Ｃを介してアンブレラ部３１Ｃの径方向内面３１１Ｃに至るまでが一体の部材で形成される。よって、第１コア部３２Ｃに形成されるコイル（不図示）によって発生する磁束密度が、単一の磁性材料で形成されるコア片３０Ｃを介してアンブレラ部３１Ｃの径方向内面３１１Ｃに至るため、コア片３０が分断されることによって磁気抵抗が増大することを抑制できる。

図８は、本発明の例示的な実施形態の第４変形例に係るステータ２Ｄを示す横断面図である。ステータ２Ｄは、ステータコア３Ｄと、インシュレータ４Ｄと、コイル５Ｄと、を備える。図８に示す通り、ステータコア３Ｄは、周方向に配列される複数のコア片３０Ｄを備える。ステータ２Ｄにおいては、隣接するコア片３０Ｄの接続面ＰＤの配置が、ステータコア３Ａ、３Ｂ、３Ｃと、それぞれ異なる。ステータコア３Ｄは、アンブレラ部３１Ｄと、第１コア部３２Ｄと、第２コア部３３Ｄと、を備える。

コア片３０Ｄの第１コア部３２Ｄにおける第１方向一方側の端部３２１Ｄは、当該コア片３０Ｄの第１方向一方側に配置される他のコア片３０Ｄにおける第１方向ｄ１他方側の第１コア部３２Ｄの第１方向他方側の端部３２２Ｄと接続されている。つまり、ステータコア３Ｄにおいて、第１コア部３２Ｄは、第１方向ｄ１の両側に分割可能な２つのコア片３０Ｄによって構成されている。これにより、ステータ２Ｄの量産効率が向上する。つまり、インシュレータ４Ｄを第１コア部３２Ｄに組み付ける前にインシュレータ４Ｄの周りに巻線を巻いてコイル５Ｄを形成し、当該コイル５Ｄをコア片３０Ｄの第１コア部３２Ｄに挿入し、その後隣接するコア片３０Ｄの第１コア部３２Ｄをコイル５Ｄが挿入された後の第１コア部３２Ｄに接続することによって、簡易な工程によってコイル５Ｄを有するステータ２Ｄを形成することができる。

本明細書中に開示されている種々の技術的特徴は、その技術的創作の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることが可能である。また、本明細書中に示される複数の実施形
態及び変形例は可能な範囲で組み合わせてもよい。

本発明は、例えば、モータに利用することができる。

Ｊ 中心軸
ｄ１ 第１方向
ｄ２ 長手方向
Ｌ３ 長さ
Ｌ３１ 第１方向長さ
Ｌ３２ 長手方向長さ
Ｌ５１ 第１方向長さ
Ｌ５２ 長さ
ＰＡ、ＰＢ、ＰＣ、ＰＤ 接続面
１ ロータ
１１ シャフト
１２ マグネット
２、２Ａ、２Ｄ ステータ
３、３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ ステータコア
３１、３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃ、３１Ｄ アンブレラ部
３１１、３１１Ｃ 径方向内面
３１２ 径方向外端部
３１３ 側面
３２、３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃ、３２Ｄ 第１コア部
３２１Ａ 一方側の端部
３２２Ａ 他方側の端部
３３、３３Ａ、３３Ｂ、３３Ｃ、３３Ｄ 第２コア部
３３１Ｂ 一方側の端部
４ インシュレータ
４１ 上インシュレータ
４２ 下インシュレータ
４１１、４２１ 第１インシュレータ部
４１２、４２２ 第２インシュレータ部
４１３、４２３ 壁部
５ コイル
５１ 第１方向一方端
５２ 第１方向他方端
５３ 径方向内端
５４ 径方向外端

Claims (11)

1. ステータコアと、
   インシュレータと、
   コイルと、
   を備え、
   前記ステータコアは、
   上下に延びる中心軸周りに配列される複数のアンブレラ部と、
   前記アンブレラ部よりも径方向外方に配置され、径方向と略直交する第１方向に延びる第１コア部と、
   前記アンブレラ部と前記第１コア部とを接続する第２コア部と、
   を備え、
   前記インシュレータは、前記第１コア部の少なくとも一部を覆い、
   前記コイルは、前記インシュレータを介して前記第１コア部に導線が巻かれることによって形成されている、ステータ。
2. 前記コイルの前記第１方向長さは、前記中心軸から前記アンブレラ部の径方向内面までの長さよりも長い、請求項１に記載のステータ。
3. 前記コイルの前記第１方向長さは、前記コイルの前記第１方向と直交する断面における前記コイルの径方向内端から径方向外端までの長さよりも長い、請求項１又は請求項２に記載のステータ。
4. 前記アンブレラ部の周方向側面は、前記第１方向に延びる、請求項１から請求項３のいずれかに記載のステータ。
5. 前記第１コア部の前記第１方向長さは、前記第２コア部の長手方向長さよりも長い、請求項１から請求項４のいずれかに記載のステータ。
6. 前記中心軸と略直交する断面において、前記第２コア部は、前記第１方向と略直交する方向に延びる、請求項１から請求項５のいずれかに記載のステータ。
7. 前記第２コア部は、前記アンブレラ部の径方向外端部から、前記中心軸から離れ、かつ、前記アンブレラ部の周方向両方に延びる、請求項１から請求項６のいずれかに記載のステータ。
8. 前記ステータコアは、周方向に配列される複数のコア片を備え、
   前記コア片の前記第１コア部における周方向一方側の端部は、当該コア片の周方向一方側に配置される他の前記コア片における周方向他方側の前記第２コア部と接続されている、請求項１から請求項７のいずれかに記載のステータ。
9. 前記ステータコアは、周方向に配列される複数のコア片を備え、
   前記コア片の前記第２コア部における周方向一方側の端部は、当該コア片の周方向一方側に配置される他の前記コア片における前記アンブレラ部の周方向他方側の側面と接続されている、請求項１から請求項７のいずれかに記載のステータ。
10. 前記ステータコアは、周方向に配列される複数のコア片を備え、
    前記コア片の前記アンブレラ部における周方向一方側の側面は、当該コア片の周方向一方側に配置される他の前記コア片における前記アンブレラ部における周方向他方側の側面と接続されている、請求項１から請求項７のいずれかに記載のステータ。
11. 前記ステータコアは、周方向に配列される複数のコア片を備え、
    前記コア片の前記第１コア部における前記第１方向一方側の端部は、当該コア片の前記第１方向一方側に配置される他の前記コア片における前記第１方向他方側の第１コア部の前記第１方向他方側の端部と接続されている、請求項１から請求項７のいずれかに記載のステータ。

Images