JP2020184820A - 固定子及び固定子を備えた電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】 コイルの放熱性を確保しながらコギングトルクの悪化を抑えることができる電動機の固定子が望まれている。【解決手段】 電動機の固定子１は、円筒形状の固定子鉄心３を有する。固定子鉄心３の内周面には周方向に沿って、第１、第２のコア歯５、６が交互に配列される。第２のコア歯６は固定子鉄心３の中心軸に垂直な断面形状が第１のコア歯５の断面形状と異なる。第１のコア歯５にはコイル９が組み付けられる。第１のコア歯５と第２のコア歯６の一方にはコイル９が組み付けられる。第２のコア歯６の幅は先端部分とそれより後方の部分との境界で段差又は曲面をもって狭められている。【選択図】 図２

Description

本発明は、固定子及び固定子を備えた電動機に関する。

モータやジェネレータなどの電動機には回転磁界を発生させて回転子を回転させる固定子が設けられている。例えば図８に示すように固定子１０１は略円筒形状の固定子鉄心１０３を有する。固定子鉄心１０３の内周面には周方向に沿って例えば長方形のコア歯１０５が配列される。隣り合うコア歯１０５の間のスロット１０７にコイル１０９が挿入され、コア歯１０５に組み付けられる。

このコイル１０９に電流が流れるとその抵抗に応じて発熱し、コイル１０９の温度が上昇する。コイル１０９の温度が過度に上昇すると、コイル被膜が破壊され、ショートおよび発熱等の不具合が生じる恐れがある。そのためにコイル１０９を冷却する必要がある。コイル１０９の冷却の一部はコア歯１０５を通じて固定子鉄心１０３へ放熱することにより行われている。

図８に示すように固定子鉄心１０３の中心軸に垂直な断面形状が長方形であるコア歯１０５が一様に配列される構造では、コイル１０９はその内側においてコア歯１０５に接するので放熱性は高いものの、コイル１０９の外側においてはコア歯１０５との間に隙間が生じるので放熱性は低下してしまう。

図９に示すように固定子鉄心１０３の内周面に周方向に沿って断面形状が長方形のコア歯１０５と、断面形状が台形のコア歯１０６とが交互に配列される構造もある（例えば特許文献１参照）。この構造ではコイル１０９の両側においてコア歯１０５に接するので高い放熱性が確保され得る。

放熱性の観点では図９に示した長方形コア歯１０５と台形コア歯１０６との交互配列構造が、図８に示した長方形コア歯１０５の一様配列構造に比べて有利である。図１０に示すように、回転子１２０の永久磁石１２１と台形コア歯１０６の側面との間の距離が、永久磁石１２１と長方形コア歯１０５の側面との間の距離よりも近くなるため、回転子１２０の永久磁石１２１から台形コア歯１０６が受ける磁気吸引力Ｆ２は、長方形コア歯１０５が回転子１２０の永久磁石１２１から受ける磁気吸引力Ｆ１よりも強くなる。したがって図１１に示すように、長方形コア歯１０５と台形コア歯１０６との交互配列構造は長方形コア歯１０５の一様配列構造に比べてコギングトルクが悪化する反面性がある。
電動機の固定子においてはコイル放熱性能とコギングトルクとはトレードオフの関係にあった。

特表２００９-５２８８１１号公報

コイルの放熱性を確保しながらコギングトルクの悪化を抑えることができる電動機の固定子が望まれている。

本開示の一態様に係る電動機の固定子は、円筒形状の固定子鉄心を有する。固定子鉄心の内周面には周方向に沿って第１のコア歯が配列される。固定子鉄心の内周面には周方向に沿って第１コア歯と交互に第２のコア歯が配列される。第２のコア歯は、固定子鉄心の中心軸に垂直な断面形状が第１のコア歯の断面形状と異なる。第１のコア歯と第２のコア歯の一方にはコイルが組み付けられる。第２のコア歯の幅は先端部分とそれより後方の部分との境界で段差又は曲面をもって狭められる。

本態様によれば、第１コア歯の側面にコイルを接することができるとともに、第２コア歯の先端部分はコイルとの間に間隙があけられて接することができないものの、先端部分より後方の部分においてはコイルを第２コア歯に接することができる。それにより第２コア歯のほぼ全域にわたってコイルとの間に隙間が生じる場合よりも、コイルの放熱性を向上させることができる。

また、第１のコア歯の先端の幅と第２のコア歯の先端の幅とは同一であり、第２のコア歯の先端部分が第１のコア歯の先端部分と同形状であるので、第２コア歯と回転子の磁石との間の磁気吸引力を、第１コア歯と回転子の磁石との間の磁気吸引力に近似させることができる。それによりコギングトルクの悪化を抑えることができる。

さらに単に第１、２コア歯の先端部分を同形状にしたのではなく、第２のコア歯の先端部分の側面がえぐることにより第２のコア歯の先端部分を第１のコア歯の先端部分と同形状にしたことにより、第２コア歯の先端部分は細くなり、それによりコイルの挿入作業性が向上する。

一実施形態に係る電動機の固定子の一部分の斜視図である。 図１の電動機の一部分の断面図である。 図１の長方形コア歯と台形コア歯の拡大断面図である。 本実施形態に係る固定子のコイル放熱性に関する説明補足図である。 図１の台形コア歯、長方形コア歯それぞれの回転子の永久磁石から受ける磁気吸引力を示す図である。 本実施形態に係る固定子によるコギングトルクを示す図である。 図１の台形コア歯を被覆するキャップを示す図である。 従来の長方形コア歯の一様配列構造におけるコイルの放熱性に関する説明補足図である。 従来の長方形コア歯と台形コア歯との交互配列構造におけるコイルの放熱性に関する説明補足図である。 図９の台形コア歯と長方形コア歯それぞれと回転子の永久磁石との間の磁気吸引力を示す図である。 図９、図１０それぞれの固定子によるコギングトルクを示す図である。

以下、図面を参照しながら本実施形態に係る固定子及び該固定子を備える電動機を説明する。
図１、図２、図３に示すように、固定子１は永久磁石２１を備える回転子２とともに電動機を構成する。固定子１は、略円筒形状の固定子鉄心３を有し、その内側に回転子２が収容される。回転子２は、中心に回転軸が貫通された略円柱形の鉄心２０と、鉄心２０の周方向に沿って等間隔に配列される永久磁石２１とを備える。

固定子鉄心３の内周面には、固定子鉄心３の中心軸Ｒに垂直な断面形状が異なる複数種類、ここでは２種類の第１、第２のコア歯５，６が中心軸Ｒに向かって突設される。第１、第２のコア歯５，６は固定子鉄心３の周方向に沿って交互に配列される。第１のコア歯５と第２のコア歯６は、それぞれの中心線C１、Ｃ２は円筒半径に一致するように、固定子鉄心３の中心軸Ｒを中心として放射状に配列される。第１，第２のコア歯５，６の間の間隙（スロット）７にはコイル９が挿入され、第１のコア歯５に組み付けられる。コイル９は第２のコア歯６に組み付けられてもよい。

第１のコア歯５どうしは同形且つ同寸であり、第２のコア歯６どうしも同形且つ同寸である。第２のコア歯６は第１のコア歯５に対して異形である。典型的には第１のコア歯５の固定子鉄心３の中心軸Ｒに垂直な断面形状は長方形である。第１のコア歯５は、回転子２に対峙する先端の幅Ｗ１が半径外側方向（奥方向）に向かって一定である。

一方、第２のコア歯６は、第２のコア歯６の側面とその隣の第１のコア歯５の側面とが平行になり、それらの間のスロット７が平行スロットをなすように、概略台形の断面形状を有している。その上底の幅Ｗ２は第１のコア歯５の先端の幅Ｗ１と同一に構成され、その下底から先端に向かって連続的に幅が狭く台形形状をなしているものの、その幅は途中で段差をもって幅Ｗ２に狭くなり、その幅Ｗ２が先端まで継続する。幅が段差をもって狭くなっている位置から先端までの部分を先端部分８という。換言すると、第２のコア歯６は、その先端の幅Ｗ２が所定の奥行き長までの範囲にわたって継続し、第２のコア歯６の先端部分８が第１のコア歯５の先端部分と同じ形状且つ同じ寸法になるように、その両側面が細く凹状にえぐられている。なお、第２のコア歯６の先端部分８とそれより後方の部分との境界は、段差をもって幅Ｗ２に狭くなると説明したが、曲面をもって緩やかに幅Ｗ２に狭くなるように形成されてもよい。

第１のコア歯５にはコイル９として長方形コイルが組み付けられる。第２のコア歯６に組付けられる場合、コイル９は台形コイルとされる。ここでは前者の例で説明する。いずれの場合であっても、コイル９の一方の側面が全域にわたって第１のコア歯５の側面に接し、一方、コイル９の他方の側面は先端部分８より後方の部分において第２のコア歯６の側面に接する。なお、実際にはコイル９と第１、第２のコア歯５，６との間には絶縁紙が介在される。

図４に示すように凹状にえぐられている先端部分８においては、コイル９との間に隙間が生じて接しないものの、先端部分８よりも半径外側（奥側）の部分においてはコイル９は第２のコア歯６の側面に接するので、図８に示したようなコイル９がその全域にわたって第２のコア歯６の側面と隙間が空いて接しない構造に比して、コイル９の放熱性は向上する。

また第１のコア歯５は断面形状が長方形であるのでその両側面が中心線Ｃ１と同じく円筒半径に対して平行を示しており、それと同様に第２のコア歯６は先端部分８に限りその両側面が円筒半径に対して平行になり、しかも両者の幅も等価に構成される。図５に示すように、第１のコア歯５の先端付近の側面上のある位置に着目すると、その着目位置と回転子２がある位相にあるときの永久磁石２１との間の最短距離Ｄ１に対して、第２のコア歯６の先端付近の側面上の着目位置に同じ位置と永久磁石２１との間の最短距離Ｄ２とは同一になる。この距離Ｄ２は、第２のコア歯６の先端部分８の両側面を凹状にえぐっていない図９の構造の場合のそれに比してえぐられた深度に応じて短くなる。従って第１のコア歯５の先端付近の側面上の着目位置と永久磁石２１との距離が回転子２の位相変位とともに変動するが、それに対して第２のコア歯６の先端付近の側面上の対応位置と永久磁石２１との距離の変動はほぼ等価になる。

磁気吸引力は距離も２乗に反比例するので、第２のコア歯６が永久磁石２１から受ける磁気吸引力Ｆ３は、第１のコア歯５が永久磁石２１から受ける磁気吸引力Ｆ１よりも大きいものの、図９の構造の場合の磁気吸引力Ｆ２より小さくなる。

従って図６に示すように本実施形態に係る長方形の第１のコア歯５と先端部分が断面長方形をなすよう凹状にえぐられた台形の第２のコア歯６とが交互配列された構造のコギングトルクは、図８に示した長方形コア歯が一様に配列された構造のコギングトルクより悪化するものの、図９に示した長方形コア歯と先端部分が凹状にえぐられていない台形コア歯との交互配列構造のコギングトルクより抑えられ得る。

なお、第２のコア歯６の先端部分８を長くすることによりコギングトルクの悪化はより効果的に抑えられ、長方形コア歯が一様に配列された構造のコギングトルクに近似するが、それに反して、コイル９が第２のコア歯６の先端部分８の側面に接する範囲が狭くなり、放熱性は低下する。第２のコア歯６の凹状にえぐられる先端部分８の長さＬは、コギングトルクと放熱性とのバランスを考慮して決定される。

第２のコア歯６の先端部分８を凹状にえぐることなく、第１のコア歯５の先端部分を台形状に幅広に拡張して、両者の先端形状を同形状且つ同寸法に構成する場合も、コギングトルクを抑えることができる。しかし、本実施形態では、第２のコア歯６の先端部分８を凹状にえぐって、第１のコア歯５の先端部分と同形状且つ同寸法に構成したことにより、コイル９の挿入作業を効率化することが可能となる。

図７に示すように、コイル９の脱落を防止するために第２のコア歯６の先端部分８をキャップ１１で被覆してもよい。キャップ１１の材料としてはコギングトルクに影響を与えないように非磁性体樹脂であり、より具体的にはAl2O3、AlN、BN、BeO等のフィラーを添加して熱伝導性を向上させたエポキシ樹脂、弾性を備えたＥＶＡ樹脂又はその他の樹脂が用いられる。前者であれば放熱性を向上させることができ、また後者であればコイル９の脱落を効果的に防止することができる。キャップ１１は第２のコア歯６の凹状にえぐった先端部分８とコイル９との間の隙間を埋めるよう角錐台の外形を備えた短筒体に予め成形して第２のコア歯６に被せた後にコイル９を挿入するようにしてもよいし、コイル９を第１のコア歯５に挿入した後に第２のコア歯６の凹状にえぐった先端部分８とコイル９との間の隙間に注入し、硬化するようにしてもよい。

本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することを意図したものではない。本実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１・・・固定子、２・・・回転子、３・・・固定子鉄心、５・・・第１のコア歯、６・・・第２のコア歯、７・・・スロット、９・・・コイル。

Claims (11)

1. 円筒形状の固定子鉄心と、
   前記固定子鉄心の内周面に周方向に沿って配列される第１のコア歯と、
   前記固定子鉄心の内周面に周方向に沿って前記第１のコア歯と交互に配列される、前記固定子鉄心の中心軸に垂直な断面形状が前記第１のコア歯の断面形状と異なる第２のコア歯と、
   前記第１のコア歯と前記第２のコア歯の一方に組み付けられるコイルとを具備し、
   前記第２のコア歯の幅は先端部分とそれより後方の部分との境界で段差又は曲面をもって狭められる、固定子。
2. 前記第２のコア歯の先端の幅は前記第１のコア歯の先端の幅と同一である、請求項１記載の固定子。
3. 前記第２のコア歯の先端部分は前記第１のコア歯の先端部分と同形状且つ同寸法である、請求項１又は２記載の固定子。
4. 前記第１のコア歯は長方形の断面形状を有し、前記第２のコア歯は台形の断面形状を有する、請求項１乃至３のいずれか一項記載の固定子。
5. 前記第２のコア歯の先端部分は前記第１のコア歯の先端部分と同じ幅であって、該幅が所定の奥行き長だけ継続する形状である、請求項４記載の固定子。
6. 前記第２のコア歯は、前記第１のコア歯と前記第２のコア歯との間のスロットが平行スロットになるように前記断面形状を有する、請求項１記載の固定子。
7. 前記第２のコア歯の先端部分は非磁性体のキャップで被覆される、請求項１乃至６のいずれか一項記載の固定子。
8. 前記キャップは特定材料のフィラーを添加して熱伝導性を向上させたエポキシ樹脂である、請求項７記載の固定子。
9. 前記キャップは弾性を有する、請求項７記載の固定子。
10. 請求項１乃至９のいずれか一項記載の固定子を備える電動機。
11. 円筒形状の固定子鉄心と、
    前記固定子鉄心の内周面に周方向に沿って配列される、前記固定子鉄心の中心軸に垂直な断面形状が異なる複数種類のコア歯と、
    前記コア歯に組み付けられるコイルとを具備し、
    前記複数種類のコア歯のうち特定種類のコア歯の先端部分の形状に対して他の種類のコア歯の先端部分が同形状且つ同寸法になるように前記他の種類のコア歯の幅は前記先端部分とそれより後方の部分との境界で段差又は曲面をもって狭められる、固定子。