JP2021141763A - スロットレスモータ - Google Patents

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Abstract

【課題】少なくとも最後の1つのコイル(第一コイル)を径方向内側から組付けることができる構造を有するスロットレスモータを提供する。【解決手段】スロットレスモータ100は、ロータ300と、複数のコイル210,220が組み合わされたコイルアセンブリ230を有するステータ200と、を備える。コイル210,220は、一対の有効コイル部214,224と、一対のコイルエンド部211と、を有する空芯コイルである。コイルアセンブリ230は、一のコイル210,220の有効コイル部214,224が、隣り合うコイル210,220の空芯部213,223に配置されるように、有効コイル部214,224が周方向に並んで配置される。コイルエンド部211が径方向内側に位置する第一コイル210の中心線L1と、第一コイル210のコイル外郭線L2と、の間に隣り合う第一コイル210が介在しない。【選択図】図3

Description

本発明は、スロットレスモータに関する。
特許文献1に開示されたスロットレスモータは、複数のコイルが組み合わされたコイルアセンブリを有するステータを備えている。そして、コイルアセンブリを構成する複数のコイルは、すべて、軸方向に直交する断面形状が扇形とされている。コイルアセンブリを組み立てる際には、コイルを軸方向に相対的に移動させて組み付けることでコイル同士の干渉を防止して組付を可能としている。
国際公開第2018/139245号
しかしながら、上記特許文献1の技術では、コイルアセンブリを構成する複数のコイルのうち最後に残ったコイルを径方向内側から組付けようとしても、既に配置された複数のコイルが最後のコイルに干渉してしまうため、組付が不可能である。
本発明は上記事実を考慮し、少なくとも最後の1つのコイル(第一コイル)を径方向内側から組付けることができる構造を有するスロットレスモータを提供する。
上記課題を解決するスロットレスモータは、永久磁石(320)を有し、回転軸(C)周りに回転するロータ(300)と、複数のコイル(210,220)が組み合わされたコイルアセンブリ(230)を有するステータ(200)と、を備えるスロットレスモータ(100)であって、前記コイルは、一対の有効コイル部(214,224)と、前記一対の有効コイル部の軸方向両側に形成された一対のコイルエンド部(211,221)と、を有する空芯コイルであり、前記コイルアセンブリは、前記複数のコイルの前記有効コイル部が周方向に並んで配置されており、前記複数のコイルの中には、前記ステータの中心と当該コイルの中心とを結ぶコイル中心線(L1)と、前記コイル中心線と平行であり当該コイルの前記有効コイル部の周方向外側端部を通るコイル外郭線(L2)と、の間に他のコイルが介在しないコイルである第一コイル(210)が存在する、スロットレスモータである。
また、上記課題を解決する他のスロットレスモータは、永久磁石(320)を有し、回転軸(C)周りに回転するロータ(300)と、複数のコイル(210,220)が組み合わされたコイルアセンブリ(230)を有するステータ(200)と、を備えるスロットレスモータ(100)であって、前記コイルは、一対の有効コイル部(214,224)と、前記一対の有効コイル部の軸方向両側に形成された一対のコイルエンド部(211,221)と、を有する空芯コイルであり、前記コイルアセンブリは、一の前記コイルの前記有効コイル部が隣り合う前記コイルの空芯部に配置されるように前記有効コイル部が周方向に並んで配置され、前記一のコイルと前記隣り合うコイルとで前記コイルエンド部が径方向にオフセットされており、前記コイルエンド部が径方向内側に位置する前記コイルを第一コイル、径方向外側に位置する前記コイルを第二コイルとし、前記第二コイルの径方向外側にバックヨークが配置される場合、前記ステータの中心と前記第一コイルの中心とを結ぶ第一コイル中心線(L1)と、前記第一コイル中心線と平行であり前記有効コイル部の周方向外側端部を通るコイル外郭線(L2)と、の間に隣り合う前記第一コイルが介在しない、スロットレスモータである。
この様に構成することで、少なくとも最後の1つのコイル(第一コイル)を径方向内側から組付けることができる。
第一実施形態のスロットレスモータの模式的な断面図である。 第一実施形態のコイルアセンブリを示す斜視図である。 第一実施形態のコイルアセンブリの拡大断面図(軸方向に直交する断面図)である。 第一形状コイルの斜視図である。 第二形状コイルの斜視図である。 第一形状コイルの有効コイル部の断面におけるコイル用導線の配列を示す図である。 第二形状コイルの有効コイル部の断面におけるコイル用導線の配列を示す図である。 第二実施形態のスロットレスモータにおけるステータを示す斜視図である。 第二実施形態のスロットレスモータにおけるステータを軸方向から見た図である。 図8においてハウジングを省略した斜視図である。 図10に示すハウジングを省略したステータの断面図(軸方向に直交する断面図)である。
〔第1実施形態〕
以下、本発明の第1実施形態に係るスロットレスモータ100について説明する。
図1は、スロットレスモータ100の構成要素の模式的な配置関係を示す断面図である。
図1に示すように、スロットレスモータ100は、ケース110と、ステータ200と、ロータ300と、を有する。スロットレスモータ100は、ラジアルギャップ構造のインナーローター型モータである。
なお、以下の説明では、軸方向とは、ロータ300の中心軸Cに平行な方向を意味し、径方向とは、ロータ300の中心軸Cに垂直な方向であって、中心軸Cから外側に放射状に延びる方向を意味し、周方向とは、ロータ300の中心軸Cを中心とした円周方向を意味する。
ロータ300は、中心軸Cの回りに回転するローター軸310と、ローター軸310の外側に設けられた永久磁石320とを有する。ローター軸310の両端部は、ケース110によって回転可能に支持されている。
ステータ200は、ケース110に収容されている。ステータ200は、コイルバックヨーク250と、複数のコイル210,220が組み合わされて構成されたコイルアセンブリ230と、を有する。コイルバックヨーク250は、磁性体材料で形成されており、円筒形状を有している。コイルアセンブリ230は、コイルバックヨーク250の内側に固定されている。
(コイルアセンブリ230)
図2は、コイルアセンブリ230の斜視図である。
コイルアセンブリ230を構成する複数のコイル210,220は、N個の第一形状コイル210と、N個の第二形状コイル220と、を含んでいる。Nは、2以上の整数であり、図面に示した本実施形態では6である。第一形状コイル210と第二形状コイル220は、互いに異なる形状を有している。第一形状コイル210と第二形状コイル220は、熱伝導性、絶縁性、及び剛性に優れた樹脂によりモールドされている。コイル210,220を構成するコイル用導線は、図示しない結線用基板にそれぞれ接続されている。
第一形状コイル210が第一コイルに相当し、第二形状コイル220が第二コイルに相当する。
図4、図5に示すように、第一形状コイル210及び第二形状コイル220は、共に、空芯部213,223を有する空芯コイルである。
具体的には、第一形状コイル210及び第二形状コイル220は、共に、互いに平行な一対の有効コイル部214,224と、一対の有効コイル部214,224の両側にある一対のコイルエンド部211,221と、を有する。一対の有効コイル部214,224は、軸方向に延びる2本の平行なコイル部分である。一対の有効コイル部214,224の間には、空間である空芯部213,223が形成されている。なお、コイルバックヨーク250は、軸方向で、有効コイル部214,224に対応する位置に設けられる。
第一形状コイル210と第二形状コイル220とは、一対のコイルエンド部211,221の構成が互いに異なっている。具体的には、第一形状コイル210の一対のコイルエンド部211は、有効コイル部214と径方向で同じ位置に位置する。他方、第二形状コイル220の一対のコイルエンド部221は、有効コイル部224よりも径方向外側の位置に位置する。このため、第二形状コイル220では、有効コイル部224とコイルエンド部221との間に屈曲部225が形成されている。他方、第一形状コイル210では、有効コイル部214とコイルエンド部211との間に屈曲部が形成されていない。
また、第一形状コイル210と第二形状コイル220とは、有効コイル部214,224の断面形状(具体的には軸方向に直交する断面形状)が互いに異なっている。この点については後述する。
コイルアセンブリ230は、まず、N個の第二形状コイル220を配置し、次に、配置されたN個の第二形状コイル220に対しその径方向内側から第一形状コイル210を組み付けることで製作できる。なお、複数のコイル210,220を配置する際には、円筒形状のコイルバックヨーク250の径方向内側面に、コイル210,220の有効コイル部214,224の径方向外面を接着固定するようにして配置する。
図3は、コイルアセンブリ230の断面図であり、具体的には、軸方向において有効コイル部214,224に対応する位置における拡大断面図である。図3に示すように、コイルアセンブリ230の状態では、第一形状コイル210の空芯部213(図4)に第二形状コイル220の有効コイル部224が収容されており、第二形状コイル220の空芯部223(図5)に第一形状コイル210の有効コイル部214が収容されている。これにより、第一形状コイル210の有効コイル部214と、第二形状コイル220の有効コイル部224とが、周方向に並んで配列されている。このため、第一形状コイル210と第二形状コイル220の有効コイル部224は径方向に重なっていない。
他方、図2に示すように、第一形状コイル210のコイルエンド部211は、第二形状コイル220のコイルエンド部221と径方向に重なっている。第二形状コイル220のコイルエンド部211は、第一形状コイル210のコイルエンド部211に対して径方向外側に配置されている。
(有効コイル部の断面形状)
図3に示すように、第一形状コイル210の有効コイル部214は、平行四辺形の断面形状を有しており、第二形状コイル220の有効コイル部224は、長方形の断面形状を有している。これにより、一の第一形状コイル210の一対の有効コイル部214,214と、当該一の第一形状コイル210の空芯部213に配置された第二形状コイル220の有効コイル部224との4つの有効コイル部214,224,224,214は、互いの周方向の隙間が小さくなっている。
具体的には、第一形状コイル210の有効コイル部214の側面214sは、当該第一形状コイル210のコイル中心線L1に略平行に形成されている。ここで、コイル中心線L1とは、ステータ200の中心(回転軸Cと一致)とコイル210,220の中心とを結ぶ直線を意味する。
(本実施形態の作用並びに効果)
次に、本実施形態の作用並びに効果について説明する。
本実施形態では、スロットレスモータ100は、ロータ300と、ステータ200と、を備える。ロータ300は、永久磁石320を有し、回転軸C周りに回転する。ステータ200は、複数のコイル210,220が組み合わされたコイルアセンブリ230を有する。複数のコイル210,220の各々は、一対の有効コイル部214,224と、一対の有効コイル部214,224の軸方向両側に形成された一対のコイルエンド部211,221と、を有する空芯コイルである。一のコイル210,220の有効コイル部214,224が、隣り合うコイル210,220の空芯部213,223に配置されるように、有効コイル部214,224が周方向に並んで配置されている。また、一のコイル210,220と隣り合うコイル210,220とでコイルエンド部211,221が径方向にオフセットされている。
ここで、コイルエンド部211が径方向内側に位置するコイルである第一形状コイル210を第一コイル210、径方向外側に位置するコイルである第二形状コイル220を第二コイル220とすると、一の第一コイル210のコイル中心線L1と、コイル外郭線L2と、の間に隣り合う他の第一コイル210が介在しない。なお、コイル外郭線L2とは、コイル中心線L1と平行であり有効コイル部214,224の周方向外側端部を通る直線を意味する。
このため、コイルアセンブリ230を組み立てる際、他の第一コイル210がすべて配置された状態においても、一の第一コイル210を径方向内側から組付けることができる。なぜなら、一の第一コイル210をそのコイル中心線L1に沿って径方向内側から組み付ける際に、他の第一コイル210が干渉しないように配置されているからである。
また、本実施形態では、有効コイル部214,224の断面形状が平行四辺形であるので、整列巻線がしやすく高占積率を実現可能である。なぜなら、断面形状が平行四辺形であれば、コイル210,220を構成するコイル用導線をコイル断面内に均一に配列することが可能だからである。図6、図7を用いて説明すると、図における左右方向に延びる辺に沿って所定本数(5本)のコイル用導線が配置すると共に、図における上下方向に延びる辺に沿って所定本数(9本)のコイル用導線が配置する際に、コイル断面が平行四辺形であれば、コイル用導線をコイル断面内に均一に配列することができる。
なお、本開示における「平行四辺形」とは、長方形を含む概念である。
また、本実施形態では、第一形状コイル210の有効コイル部214の断面形状が、第二形状コイル220の有効コイル部224の断面形状よりも、深い角度の平行四辺形である。このため、第一形状コイル210の有効コイル部214と、第二形状コイル220の有効コイル部224とが周方向に対向する部分での隙間を小さくすることができる。なお、深い角度の平行四辺形とは、平行四辺形の内角の角度をθとしたとき、(90°−θ)の絶対値が大きい平行四辺形を意味する。
(第一実施形態の補足説明)
なお、上述の第一実施形態では、第二形状コイル220の有効コイル部224が、長方形の断面形状を有する例を説明したが、第二形状コイル220の有効コイル部224は、これに限定されず、長方形ではない平行四辺形の形状を有してもよいし、台形の形状を有してもよい。
例えば、第一形状コイル210の空芯部213に収容される第二形状コイル220の有効コイル部224の側面224sは、この第一形状コイル210のコイル中心線L1に平行に形成されてもよい。
更に言うと、第一形状コイル210の有効コイル部214の側面214sと、この第一形状コイル210の空芯部213に配置される第二形状コイル220の有効コイル部224の側面224sとの全てが、この第一形状コイル210のコイル中心線L1の平行に形成されてもよい。
〔第2実施形態〕
次に、図8〜図11を用いて、本発明の第2実施形態に係るスロットレスモータについて説明する。
コイルアセンブリ230を構成する複数のコイル210,220は、N個の第一形状コイル210と、N個の第二形状コイル220と、を含んでいる。Nは、2以上の整数であり、図面に示した本実施形態では6である。第一形状コイル210と第二形状コイル220は、互いに異なる形状を有している。
第一形状コイル210が第一コイルに相当し、第二形状コイル220が第二コイルに相当する。
第一形状コイル210及び第二形状コイル220は、共に、互いに平行な一対の有効コイル部214,224と、一対の有効コイル部214,224の両側にある一対のコイルエンド部211,221と、を有する。有効コイル部214,224は、ロータ300の中心軸Cと平行な方向に延びる2本の平行なコイル部分である。一対の有効コイル部214,224の間には、空間(空芯部213,223という。)が形成されている。
第一形状コイル210及び第二形状コイル220は、共に、合成樹脂等で形成されたハウジング410,420にコイル用導線が巻き回されることで形成されている。
ハウジング410,420は、内側板411,421と、外側板412,422と、コイル用巻線が巻き回されるボビン部413,423と、を有する。内側板411,421及び外側板412,422は、軸方向から見てステータ200の中心軸Cを中心とする円弧状の面を形成している。ボビン部413,423は、内側板411,421と外側板412,422とを連結している。ボビン部413,423は、空芯部213,223に位置している。
また、ハウジング410,420は、外側板412,422から径方向外側へ突出する突出部414,424を有する。突出部414,424は、軸方向に並んで一対設けられ、一対の突出部414,424の間には、コイルバックヨーク250が配置される。
第一形状コイル210に対応するハウジング(第一ハウジング410)と、第二形状コイル220に対応するハウジング(第二ハウジング420)とは、互いに異なる形状とされている。これにより、第一形状コイル210と第二形状コイル220とは、有効コイル部214,224の断面形状(具体的には軸方向に直交する断面形状)が互いに異なっている。この点については後述する。
(コイルアセンブリ230)
コイルアセンブリ230は、まず、N個の第二形状コイル220を配置し、次に、N個の第二形状コイル220の径方向内側から第一形状コイル210を組み付けることで製作できる。第一形状コイル210と第二形状コイル220とは、周方向に沿って交互に配置されている。なお、N個のコイル210,220が配置される際には、円筒形状のコイルバックヨーク250の径方向内側に、コイル210,220が配置される。
(有効コイル部の断面形状)
図11に示すように、第一形状コイル210の有効コイル部214と、第二形状コイル220の有効コイル部224とは、共に、平行四辺形の断面形状を有する。
第一形状コイル210の有効コイル部214の側面214sは、当該第一形状コイル210のコイル中心線L1に平行に形成されている。他方、第二形状コイル220の有効コイル部224の側面224sは、当該第二コイル220と隣り合う第一コイル210のコイル中心線L1に平行に形成されている。
その結果、第二形状コイル220の有効コイル部224の断面形状は、第一形状コイル210の有効コイル部214の断面形状よりも、深い角度の平行四辺形となっている。
(本実施形態の作用並びに効果)
次に、本実施形態の作用並びに効果について説明する。
本実施形態では、コイルアセンブリ230を構成する複数のコイル210,220の各々は、一対の有効コイル部214,224と、一対の有効コイル部214,224の軸方向両側に形成された一対のコイルエンド部と、を有する空芯コイルである。コイルアセンブリ230では、複数のコイル210,220の有効コイル部214,224が周方向に並んで配置されている。
ここで、複数のコイル210,220の数を2Nとした場合、ステータ200の中心Cとコイル210,220の中心とを結ぶN本の等分線L1と、等分線L1と平行であり有効コイル部214,224の周方向外側端部を通るコイル外郭線L2(図11参照)と、の間に他のコイル210,220が介在しないコイル(第一形状コイル210)が複数のコイル210,220の中に存在する。
このため、コイルアセンブリ230を組み立てる際、他のコイル210,220がすべて配置された状態においても、一の第一コイル210を径方向内側から組付けることができる。なぜなら、一の第一コイル210をそのコイル中心線L1に沿って径方向内側から組み付ける際に、他のコイル210,220が干渉しないように配置されているからである。
また、本実施形態では、有効コイル部214,224の断面形状が平行四辺形であるので、整列巻線がしやすく高占積率を実現可能である。
また、本実施形態では、第二形状コイル220の有効コイル部224の断面形状が、第一形状コイル210の有効コイル部214の断面形状よりも、深い角度の平行四辺形である。このため、第一形状コイル210の有効コイル部214と、第二形状コイル220の有効コイル部224,224とが周方向に対向する部分での隙間を小さくすることができる。なお、深い角度の平行四辺形とは、平行四辺形の内角の角度をθとしたとき、(90°−θ)の絶対値が大きい平行四辺形を意味する。
特に、本実施形態では、第一形状コイル210の有効コイル部214と、第二形状コイル220の有効コイル部224とが周方向に対向する面が互いに平行であるので、両者の隙間を小さくするのに有利である。
また、本実施形態では、第一形状コイル210の有効コイル部214の側面214sと第二形状コイル220の有効コイル部224の側面224sとが、共に、当該第一形状コイル210のコイル中心線L1と平行に形成されているので、第一形状コイル210と第二形状コイル220との隙間を小さくできると共に、各有効コイル部214,224の断面形状である平行四辺形の角度が深くなりすぎるのを抑制できる。
(第二実施形態の補足説明)
なお、上述の第二実施形態では、第二形状コイル220の有効コイル部224が、平行四辺形の断面形状を有する例を説明したが、第二形状コイル220の有効コイル部224は、これに限定されず、平行四辺形の断面形状でなく台形の断面形状を有していてもよい。
なお、上述した各実施形態では、コイルアセンブリの内側にローターが配置されるインナーローター構造の電気機械装置について説明したが、本発明は、コイルアセンブリの外側にローターが配置されるアウターローター構造の電気機械装置にも適用可能である。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記に限定されるものでなく、その主旨を逸脱しない範囲内において上記以外にも種々変形して実施することが可能であることは勿論である。
100 スロットレスモータ、200 ステータ、210,220 コイル、210 第一形状コイル(第一コイル)、220 第二形状コイル(第二コイル)、211,221 コイルエンド部、213,223 空芯部、214,224 有効コイル部、230 コイルアセンブリ、250 コイルバックヨーク、300 ロータ、320 永久磁石、C 中心軸、L1 コイル中心線(等分線)、L2 コイル外郭線

Claims (5)

  1. 永久磁石(320)を有し、回転軸(C)周りに回転するロータ(300)と、
    複数のコイル(210,220)が組み合わされたコイルアセンブリ(230)を有するステータ(200)と、を備えるスロットレスモータ(100)であって、
    前記コイルは、一対の有効コイル部(214,224)と、前記一対の有効コイル部の軸方向両側に形成された一対のコイルエンド部(211,221)と、を有する空芯コイルであり、
    前記コイルアセンブリは、前記複数のコイルの前記有効コイル部が周方向に並んで配置されており、
    前記複数のコイルの中には、
    前記ステータの中心と当該コイルの中心とを結ぶコイル中心線(L1)と、前記コイル中心線と平行であり当該コイルの前記有効コイル部の周方向外側端部を通るコイル外郭線(L2)と、の間に他のコイルが介在しないコイルである第一コイルが存在する、
    スロットレスモータ。
  2. 永久磁石(320)を有し、回転軸(C)周りに回転するロータ(300)と、
    複数のコイル(210,220)が組み合わされたコイルアセンブリ(230)を有するステータ(200)と、を備えるスロットレスモータ(100)であって、
    前記コイルは、一対の有効コイル部(214,224)と、前記一対の有効コイル部の軸方向両側に形成された一対のコイルエンド部(211,221)と、を有する空芯コイルであり、
    前記コイルアセンブリは、一の前記コイルの前記有効コイル部が隣り合う前記コイルの空芯部に配置されるように前記有効コイル部が周方向に並んで配置され、前記一のコイルと前記隣り合うコイルとで前記コイルエンド部が径方向にオフセットされており、
    前記コイルエンド部が径方向内側に位置する前記コイルを第一コイル、径方向外側に位置する前記コイルを第二コイルとし、前記第二コイルの径方向外側にバックヨークが配置される場合、前記ステータの中心と前記第一コイルの中心とを結ぶ第一コイル中心線(L1)と、前記第一コイル中心線と平行であり前記有効コイル部の周方向外側端部を通るコイル外郭線(L2)と、の間に隣り合う前記第一コイルが介在しない、
    スロットレスモータ。
  3. 前記有効コイル部の断面形状は、平行四辺形である、
    請求項1又は請求項2に記載のスロットレスモータ。
  4. 前記複数のコイルのうち前記第一コイルに隣り合う別のコイルである第二コイルの前記有効コイル部の断面形状は、前記第一コイルの前記有効コイル部の断面形状よりも、深い角度の平行四辺形である、
    請求項1に記載のスロットレスモータ。
  5. 前記第一コイルの前記有効コイル部の断面形状は、前記第二コイルの前記有効コイル部の断面形状よりも、深い角度の平行四辺形である、
    請求項2に記載のスロットレスモータ。

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