JP2022051033A - ステータ、及びモータ - Google Patents

Abstract

【課題】エネルギー効率の低下を抑制する。【解決手段】ステータ４は、円筒状のヨーク４１ａと、ヨーク４１ａの内周面から突出したティース４１ｂと、を有するステータコア４１と、ティース４１ｂに装着されたコイル４２と、を備える。コイル４２は、ヨーク４１ａ側の外周部４３と、外周部４３に対してヨーク４１ａとは反対側の内周部４４と、を有する。外周部４３は、第１部分５１を含み、内周部４４は、第２部分５２を含む。第２部分５２の電気抵抗値は、第１部分５１の電気抵抗値よりも大きい。【選択図】図３

Description

本開示は、ステータ、及びモータに関する。

ステータとロータとを備えるモータに関する技術が知られている（例えば、特許文献１等を参照）。このようなモータのステータは、複数のティースを有するステータコアと、ティースのそれぞれに装着されたコイルとを備える。

特開昭６２‐２０３５２７号公報

上述したようなモータでは、小型化かつ大出力化が求められている。そのため、モータのエネルギー効率を高めることが重要である。しかしながら、このようなモータでは、ロータが回転したときに永久磁石等からの磁束がコイルを通過すると、平角コイルでの渦電流損が大きくなり、モータのエネルギー効率が低下するおそれがある。

本開示は、エネルギー効率の低下を抑制することができるステータ、及びモータを開示する。

本開示の一態様であるステータは、磁石を有するロータと組み合わされてモータを構成するステータであって、円筒状のヨークと、ヨークの内周面から突出したティースと、を有するステータコアと、ティースに装着されたコイルと、を備え、コイルは、ヨーク側の外周部と、外周部に対してヨークとは反対側の内周部と、を有し、外周部は、第１部分を含み、内周部は、第２部分を含み、第２部分の電気抵抗値は、第１部分の電気抵抗値よりも大きい。

このステータにおいては、ロータが回転した場合、ロータの磁石からの磁束がティースを通過する。ティースにおいては、磁束が飽和した結果、磁束漏れが発生する場合がある。当該磁束漏れは、ティースにおける内周側に生じやすい。つまり、磁束漏れは、コイルの外周部よりも内周部を通過しやすい。その結果、内周部においては、磁束漏れに起因する渦電流が発生するおそれがある。そこで、内周部の第２部分の電気抵抗値は、外周部の第１部分の電気抵抗値よりも大きい。電気抵抗値が大きい部分では、電流が流れ難くなる。そのため、内周部において渦電流が発生し難くなる。これにより、渦電流損を抑制することができる。また、渦電流の発生を抑制するために、例えば、コイル全体の電気抵抗値を大きくする場合に比べて、銅損の増加を抑制することができる。したがって、このステータによれば、エネルギー効率の低下を抑制することができる。

上記の形態において、内周部は、ロータの回転方向における上流側の内周上流部と、ロータの回転方向における下流側の内周下流部と、を有し、内周上流部及び内周下流部は、第２部分によって構成されていてもよい。この構成によれば、例えば、内周上流部及び内周下流部のいずれか一方のみが第２部分を含んでいる場合に比べて、コイルを製造し易くなる。その結果、製造コストの上昇を抑制することができる。

上記の形態において、内周部は、ロータの回転方向における上流側の内周上流部と、ロータの回転方向における下流側の内周下流部と、を有し、内周上流部は、第２部分を含み、内周下流部は、第３部分を含み、第２部分の電気抵抗値は、第３部分の電気抵抗値よりも大きくてもよい。ロータが、コイルの内周上流部及び内周下流部をこの順に経過するように回転した場合、ティースにおける内周上流部の近傍において磁束漏れが発生しやすい。その結果、内周上流部においては、渦電流が発生するおそれがある。そこで、内周上流部の第２部分の電気抵抗値は、内周下流部の第３部分の電気抵抗値よりも大きい。そのため、内周上流部において渦電流が発生し難くなる。また、渦電流の発生を抑制するために、例えば、内周部全体の電気抵抗値を大きくする場合に比べて、銅損が大きくなることを抑制することができる。したがって、エネルギー効率の低下をより一層抑制することができる。

上記の形態において、第１部分は、第１抵抗率を有する第１材料によって構成され、第２部分は、第２抵抗率を有する第２材料によって構成され、第２抵抗率は、第１抵抗率よりも大きくてもよい。この構成によれば、抵抗率が大きい材料を選択することによって、第２部分の電気抵抗値を第１部分の電気抵抗値よりも容易に大きくすることができる。

本開示の一態様であるモータは、上記のステータと、ステータの内側に配置され、ステータの軸線を中心として回転可能なロータと、を備える。

このモータにおいては、ロータが回転した場合、ロータの磁石からの磁束がティースを通過する。ティースにおいては、磁束が飽和した結果、磁束漏れが発生する場合がある。当該磁束漏れは、ティースにおける内周側に生じやすい。つまり、磁束漏れは、コイルの外周部よりも内周部を通過しやすい。その結果、コイルの内周部においては、渦電流が発生するおそれがある。そこで、内周部の第２部分の電気抵抗値が、外周部の第１部分の電気抵抗値よりも大きい。電気抵抗値が大きい部分では、電流が流れ難くなる。そのため、内周部において渦電流が発生し難くなる。これにより、渦電流損が大きくなることを抑制することができる。また、渦電流の発生を抑制するために、例えば、コイル全体の電気抵抗値を大きくする場合に比べて、銅損が大きくなることを抑制することができる。したがって、このモータによれば、エネルギー効率の低下を抑制することができる。

本開示のステータ、及びモータによれば、エネルギー効率の低下を抑制することができる。

図１は、本開示のモータの構成を示す図である。 図２は、図１のII－II線に沿っての断面の一部を拡大して示す図である。 図３は、図２の部分拡大図である。 図４は、図３のIV－IV線に沿っての断面図である。 図５は、図３の径方向から見た場合におけるコイルの底面図である。 図６は、変形例のコイルの構成を示す図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明を実施するための形態を詳細に説明する。図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１に示されるように、モータ１は、燃料ポンプのインペラ（不図示）が連結されたシャフト２と、ロータ３と、ステータ４と、ケース５と、を備えている。モータ１は、例えば自動車等の分野や航空宇宙の分野に適用される。

シャフト２は、モータ１の回転軸線（以下、「軸線Ａｘ」という。）に沿って延在している。シャフト２は、一対の軸受６によって軸線Ａｘまわりに回転可能に保持されている。ロータ３は、円筒状を呈している。ロータ３の内周面は、一対の軸受６の間においてシャフト２の外周面に固定されている。ロータ３は、シャフト２とともに軸線Ａｘを中心として回転可能である。ロータ３は、永久磁石を有している。

ステータ４は、ロータ３と組み合わされてモータ１を構成する。ステータ４は、ロータ３の外周面を囲んでいる。つまり、ロータ３は、ステータ４の内側に配置されている。ステータ４は、ロータ３を回転させるための回転磁界を発生する。具体的には、モータ１において、ステータ４に交流電流が提供されると、ステータ４による回転磁界によってロータ３にトルクが発生し、ロータ３とともにシャフト２が回転する。なお、ステータ４の詳細については後述する。

ケース５は、ロータ３及びステータ４等を内部に収容する。ケース５は、例えば円筒状を呈している。ケース５の内周面には、ステータ４が固定されている。ケース５の軸線Ａｘに沿う方向の両端には、上記軸受６が取り付けられている。ケース５は、軸受６を介してシャフト２を外部に突出させている。なお、ケース５の内部には、ステータ４を冷却するための冷却ジャケット（不図示）等がさらに収容されていてもよい。この場合、冷却ジャケットがステータ４を囲む円筒状を呈し、ケース５の内周面には、冷却ジャケットが固定されていてもよい。

ケース５は、モータ１の外形を構成する。本実施形態において、モータ１は、円柱状を呈している。以下の説明においては、モータ１の中心軸線（すなわち、軸線Ａｘ）に沿う軸方向Ｄａ、モータ１の径方向Ｄｂ、及びモータ１の周方向Ｄｃ（図２参照）を用いる。

以降、ステータ４について、詳細に説明する。図２に示されるように、ステータ４は、ステータコア４１と、コイル４２と、を備えている。ステータコア４１は、円筒状を呈している。ステータコア４１の中心軸線は、軸線Ａｘと一致する。また、ステータコア４１の軸方向、径方向及び周方向は、軸方向Ｄａ、径方向Ｄｂ、周方向Ｄｃとそれぞれ一致する。したがって、以下では、ステータコア４１の中心軸線を「軸線Ａｘ」、ステータコア４１の中心軸線に沿った方向を「軸方向Ｄａ」、ステータコア４１の径方向を「径方向Ｄｂ」、ステータコア４１の周方向を「周方向Ｄｃ」という場合がある。

ステータコア４１は、ロータ３を囲んで軸方向Ｄａに沿って延びる円筒状のヨーク４１ａと、周方向Ｄｃに沿って並ぶ複数（例えば９個）のティース４１ｂと、を有している。各ティース４１ｂは、ヨーク４１ａの内周面から径方向Ｄｂに突出している。周方向Ｄｃに沿って互いに隣り合うティース４１ｂの間には、スロット４１ｃが形成されている。

ステータコア４１は、軟磁性材料であり、例えば積層鉄心もしくは圧粉鉄心等を用いる。また、ステータコア４１は、一体的に形成されていてもよいが、各部ごとに分割されて形成されていてもよい。本実施形態では、ヨーク４１ａ及びティース４１ｂが分割されて互いに別体として形成されている。具体的には、ティース４１ｂに、コイル４２等が装着された後、ヨーク４１ａとティース４１ｂとが互いに組み付けられて、ステータコア４１が形成されている（所謂、あり溝分割方式）。なお、ステータコア４１の分割方式としては、公知の種々の方式を採用してよい。

コイル４２は、ステータコア４１に装着されている。コイル４２は、ティース４１ｂを囲んでいる。コイル４２は、各ティース４１ｂに巻回されてスロット４１ｃに配置されている。コイル４２は、巻回されたコイル導体によって構成されている。コイル導体には、巻回された状態で表面に絶縁塗膜が施されている。なお、各図においては、絶縁塗膜の図示を省略している。コイル４２は、複数のコイル導体が積層されつつ端部同士が接合されて形成されている。コイル４２は、例えば、特開２０１５－１３５９５５号公報に記載された製造方法によって形成されてもよい。

コイル導体としては、例えば平角線状のものが挙げられる。コイル導体は、長尺状を呈する。コイル導体は、平面視で矩形環状を呈する。また、コイル導体の材軸方向に交差（例えば直交）する断面は矩形状を呈する。本実施形態におけるコイル導体は、その厚みよりも幅が大きい平板状を呈する。ただし、コイル導体は、角線状のものであってもよい。換言すると、コイル導体は、コイル導体の材軸方向に交差（例えば直交）する断面がスクエア状を呈するものであってもよい。コイル４２は、平角コイルとも呼ばれ、一例としてエッジワイズコイルであってもよい。このような平角コイルは、いわゆる占積率を高めることができるので、回転電機であるモータ１のエネルギー効率の向上に寄与する。

図３に示されるように、コイル４２は、外周部４３と、内周部４４と、を有している。外周部４３は、コイル４２のうちヨーク４１ａ側の部分である。内周部４４は、コイル４２のうちロータ３側の部分である。内周部４４は、コイル４２のうち外周部４３に対してヨーク４１ａとは反対側の部分である。すなわち、外周部４３は、コイル４２のうち内周部４４に比べてヨーク４１ａと接近している部分であり、内周部４４は、コイル４２のうち外周部４３に比べてヨーク４１ａと離れている部分（ロータ３と接近した部分）である。内周部４４は、外周部４３に比べて、後述する磁束漏れが発生する位置と近い部分である。内周部４４は、外周部４３に比べて、当該磁束漏れの影響を受けやすい。

より詳細には、図３に示すようなセミオープンスロットの分割コアティースでは、ティース本体４１ｂ１と接続されているティース先端４１ｂ２の基端４１ｂ３において磁束の飽和が生じ易い。そこで、基端４１ｂ３の近傍に配置されているコイル４２の一部である内周上流部４４ａにおいて、渦電流を抑制するために電気抵抗値を高める。

電気抵抗値を高めることは、いわゆる銅損の増加を招く。しかし、モータ１のエネルギー効率は、渦電流損と銅損とを加味して評価される。電気抵抗値を高めた場合に、銅損の増加よりも、渦電流損の低下が大きければ、全体としてモータ１のエネルギー効率は、向上する。

図４に示されるように、外周部４３は、第１部分５１を含んでいる。第１部分５１は、外周部４３のコイル辺である。外周部４３のコイル導体は、第１抵抗率を有する第１材料によって構成されている。つまり、第１部分５１は、第１材料によって構成されている。第１材料は、例えば銅である。

図５に示されるように、コイル４２の内周部４４は、内周上流部４４ａと、内周下流部４４ｂと、を有している。内周上流部４４ａは、径方向Ｄｂから見た場合に、内周部４４のうち、軸方向Ｄａに沿った仮想線Ｘに対してロータ３の回転方向Ｒ（周方向Ｄｃに沿った方向、図３参照）における上流側（図示右側）の部分である。内周下流部４４ｂは、径方向Ｄｂから見た場合に、内周部４４のうち、仮想線Ｘに対してロータ３の回転方向Ｒにおける下流側（図示左側）の部分である。つまり、ロータ３が軸線Ａｘを中心軸として回転方向Ｒに回転するとき、ロータ３の外周面における点は、内周上流部４４ａ及び内周下流部４４ｂをこの順に経過する。

内周上流部４４ａは、第２部分５２を含んでいる。第２部分５２は、内周上流部４４ａにおけるコイル辺である。第２部分５２は、内周部４４のうちティース４１ｂに対して回転方向Ｒにおける上流側の部分である。第２部分５２の電気抵抗値は、第１部分５１の電気抵抗値よりも大きい。第２部分５２は、第２抵抗率を有する第２材料によって構成されている。第２抵抗率は、第１抵抗率よりも大きい。第２材料は、例えばアルミニウムである。

内周下流部４４ｂは、第３部分５３を含んでいる。第３部分５３は、内周下流部４４ｂにおけるコイル辺である。第３部分５３は、内周部４４のうちティース４１ｂに対して回転方向Ｒにおける下流側の部分である。第２部分５２の電気抵抗値は、第３部分５３の電気抵抗値よりも大きい。第３部分５３は、第３抵抗率を有する第３材料によって構成されている。第２抵抗率は、第３抵抗率よりも大きい。第３材料は、例えば銅である。

つまり、コイル４２は、銅及びアルミニウムという異種金属によって構成されている。銅と、銅とは異なる種類の金属との接合に、溶接やボルト締結を採用してよい。

なお、コイル辺とは、コイル導体のうち、スロット４１ｃに挿入している部分を指し。一方、コイルエンドとは、コイル導体のうち、スロット４１ｃ外にある部分を指す。

ところで、平角コイルを用いた電動機では、平角コイルの表面積が大きい。そのため、ロータ３が回転したときに永久磁石等からの磁束が直接に平角コイルを通過する場合があり得る。その結果、鎖交した個所で渦電流が発生し、渦電流損よって電動機のエネルギー効率を低下させる場合がある。

そこで、渦電流損を低減させるために、セミオープンスロット型のコアを用いることがある。セミオープンスロット型のコアは、ティース先端４１ｂ２を磁路とすることで平角コイルを通過する磁束を抑制できる。しかしながら、ティース４１ｂの先端部が磁束飽和を起こすと漏れ磁束が発生し、この磁束がコイルを通過することで渦電流損が発生する。当該漏れた磁束は、コイル４２の外周部４３よりも内周部４４を通過しやすい。その結果、内周部４４においては、渦電流が発生するおそれがある。

以上のように構成されたステータ４においては、内周部４４の第２部分５２の電気抵抗値は、外周部４３の第１部分５１の電気抵抗値よりも大きい。電気抵抗値が大きい部分では、電流が流れ難くなる。そのため、内周部４４において渦電流が発生し難くなる。これにより、渦電流損が大きくなることを抑制することができる。また、渦電流の発生を抑制するために、例えば、コイル４２全体の電気抵抗値を大きくする場合に比べて、銅損が大きくなることを抑制することができる。したがって、ステータ４によれば、エネルギー効率の低下を抑制することができる。

つまり、ティース４１ｂの先端部の磁束飽和によって生じる漏れ磁束は、ティース４１ｂの先端側に近いほど磁束密度が高い。従って、コイル４２においてティース４１ｂの先端側に近い部分ほど渦電流による損失が大きくなる。その結果、渦電流が発生しやすい部分（内周上流部４４ａ）を銅材以外の電気抵抗の高い材料（例えばアルミニウム）で構成することにより渦電流の発生を抑制できる。

要するに、コイル４２を部分的に異種金属で構成する。その結果、電気抵抗値が比較的高い部分では、銅損が増加するものの、渦電流損は、低減される。そうすると、銅損と渦電流損とを含んで評価されるモータ１のエネルギー効率は、全体として向上する。

さらに、渦電流の発生が抑制されると、渦電流に起因する損失も抑制される。渦電流の発生が抑制される部分は、ステータコア４１から遠く冷却がし難い内周部４４である。従って、冷却がし難い部分において、損失が抑制されるので、モータ１の寿命の低下を抑制することができる。

また、内周部４４は、ロータ３の回転方向Ｒにおける上流側の内周上流部４４ａと、ロータ３の回転方向Ｒにおける下流側の内周下流部４４ｂと、を有している。内周上流部４４ａは、第２部分５２を含んでいる。内周下流部４４ｂは、第３部分５３を含んでいる。第２部分５２の電気抵抗値は、第３部分５３の電気抵抗値よりも大きい。ロータ３が軸線Ａｘを中心として、コイル４２の内周上流部４４ａ及び内周下流部４４ｂをこの順に経過するように回転した場合、ティース４１ｂにおける内周上流部４４ａの近傍において磁束漏れが発生しやすい。その結果、内周上流部４４ａにおいては、渦電流が発生するおそれがある。そこで、内周上流部４４ａの第２部分５２の電気抵抗値は、内周下流部４４ｂの第３部分５３の電気抵抗値よりも大きい。そのため、内周上流部４４ａにおいて渦電流が発生し難くなる。また、渦電流の発生を抑制するために、例えば、内周部４４全体の電気抵抗値を大きくする場合に比べて、銅損が大きくなることを抑制することができる。したがって、エネルギー効率の低下をより一層抑制することができる。

また、第１部分５１は、第１抵抗率を有する銅によって構成され、第２部分５２は、第２抵抗率を有するアルミニウムによって構成されている。第２抵抗率は、第１抵抗率よりも大きい。この構成によれば、抵抗率が大きい材料を選択することによって、第２部分５２の電気抵抗値を第１部分５１の電気抵抗値よりも容易に大きくすることができる。

また、モータ１によれば、ステータ４と同様に、エネルギー効率の低下を抑制することができる。

以上、本開示のモータ及びステータについて説明したが、本開示のモータ及びステータは上記に限定されない。

外周部４３は、コイル４２のうちヨーク４１ａ側の一部であって、内周部４４は、コイル４２のうち外周部４３に対してヨーク４１ａとは反対側の一部であればよい。例えば、外周部４３と内周部４４とは、互いに離れていてもよい。また、例えば、コイル４２の電気抵抗値は、径方向Ｄｂにおいてヨーク４１ａとは離れている側からヨーク４１ａと接近する側に向かって漸減していてもよい。

また、内周上流部４４ａは、内周部４４のうち、仮想線Ｘに対して回転方向Ｒにおける上流側の一部であって、内周下流部４４ｂは、内周部４４のうち、仮想線Ｘに対して回転方向Ｒにおける下流側の一部であればよい。例えば、内周上流部４４ａと内周下流部４４ｂとは、互いに離れていてもよい。また、例えば、内周部４４の電気抵抗値は、回転方向Ｒにおける上流側から下流側に向かって漸減していてもよい。

また、第１部分５１は、外周部４３の一部であればよく、第２部分５２は、内周上流部４４ａの一部であればよく、また、第３部分５３は、内周下流部４４ｂの一部であればよい。第１部分５１、第２部分５２、及び第３部分５３のそれぞれは、例えば、コイル辺に加え、コイルエンドの一部（例えば軸方向Ｄａにおいて辺部と重なっている部分）を含んでいてもよい。また、第１部分５１、第２部分５２、及び第３部分５３のそれぞれは、コイル辺の一部であってもよい。

また、図６に示されるように、内周上流部４４ａ及び内周下流部４４ｂは、ともに第２部分５２によって構成されていてもよい。つまり、内周部４４は、第２部分５２によって構成されていてもよい。内周部４４は、全体が第２材料によって構成されていてもよい。この構成によれば、例えば、内周上流部４４ａ及び内周下流部４４ｂのいずれか一方のみが第２部分５２を含んでいる場合に比べて、コイル４２を製造し易くなる。その結果、製造コストの上昇を抑制することができる。この点は、モータ１が、コストの抑制が求められている自動車の分野に適用される場合に、特に重要である。なお、この場合、外周部４３と内周部４４とは、溶接又はボルト締結によって互いに接合されている。

１ モータ
３ ロータ
４ ステータ
４１ ステータコア
４１ａ ヨーク
４１ｂ ティース
４２ コイル
４３ 外周部
４４ 内周部
４４ａ 内周上流部
４４ｂ 内周下流部
５１ 第１部分
５２ 第２部分
５３ 第３部分
Ａｘ 軸線
Ｒ 回転方向

Claims (5)

1. 磁石を有するロータと組み合わされてモータを構成するステータであって、
   円筒状のヨークと、前記ヨークの内周面から突出したティースと、を有するステータコアと、
   前記ティースに装着されたコイルと、を備え、
   前記コイルは、前記ヨーク側の外周部と、前記外周部に対して前記ヨークとは反対側の内周部と、を有し、
   前記外周部は、第１部分を含み、
   前記内周部は、第２部分を含み、
   前記第２部分の電気抵抗値は、前記第１部分の電気抵抗値よりも大きい、ステータ。
2. 前記内周部は、前記ロータの回転方向における上流側の内周上流部と、前記ロータの回転方向における下流側の内周下流部と、を有し、
   前記内周上流部及び前記内周下流部は、前記第２部分によって構成されている、請求項１に記載のステータ。
3. 前記内周部は、前記ロータの回転方向における上流側の内周上流部と、前記ロータの回転方向における下流側の内周下流部と、を有し、
   前記内周上流部は、前記第２部分を含み、
   前記内周下流部は、第３部分を含み、
   前記第２部分の電気抵抗値は、前記第３部分の電気抵抗値よりも大きい、請求項１に記載のステータ。
4. 前記第１部分は、第１抵抗率を有する第１材料によって構成され、
   前記第２部分は、第２抵抗率を有する第２材料によって構成され、
   前記第２抵抗率は、前記第１抵抗率よりも大きい、請求項１～３のいずれか一項に記載のステータ。
5. 請求項１～４のいずれか一項に記載のステータと、
   前記ステータの内側に配置され、前記ステータの軸線を中心として回転可能なロータと、を備える、モータ。

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