JP3568450B2 - ステータの巻回方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、モータ、特にスロットレス構造のモータにおいて、ステータコアに巻き線を巻回する巻回方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光学機器，電子機器などの各種の精密機器では、高精度，高密度，高集積化の伴って、これらの構成部品にはナノメーターオーダーの加工精度が要求されてきている。これら高精度の部品を加工する工作機械やステッパー、電子ビーム描写装置には、非常に高分解能の精度が要求される。一般に、これら加工装置や製造装置において、位置決めは位置決め装置によって行われる。この位置決め装置の位置制御は、ＣＮＣで制御される回転サーボモータやリニアモータによって行われることが多い。したがって、構成部品の加工精度を高めるためには、回転サーボモータやリニアモータを高精度に制御する必要がある。
【０００３】
図１０は通常のサーボモータの磁気回路を説明するための概略断面図である。一般に用いられるサーボモータはステータコア２１にスロット２４を備え、該スロット２４内に線材２２を巻回して形成される巻き線２３が埋め込まれている。この構成により形成される磁気回路では、磁力線２７はステータコア２１の歯部２６を通る。そのため、所定の巻き線を備えた巻き線２３であれば、該巻き線２３を整列巻きする必要はない。
【０００４】
しかしながら、通常、回転サーボモータやリニアモータはトルクリップルを有しているため、モータを高精度に制御するには、このトルクリップルを減少させる必要がある。
トルクリップルは、大別すると、機械構造的なトルクリップルと電磁気的なトルクリップルとに区分することができる。たとえば、回転サーボモータの場合では、ロータ軸のベアリング等に生じる摩擦抵抗は機械構造的なトルクリップルの要因となり。また、ロータとステータ間に生じる磁気的ひずみは電磁気的なトルクリップルの要因となる。
従来、機械構造的なトルクリップルを低減するために、軸受けを空気軸受けや磁気軸受け等によって、非接触な軸支持を行う等によって摩擦抵抗を減少させるものが提案されている。また、電磁気的なトルクリップルを低減するために、スロットレス構造のステータが提案されている。
【０００５】
通常、ステータに線材を巻回して巻き線を形成するために、前記図１０で示したように、ステータコアにスロットを設けている。このスロットはコギングトルクの要因となる。スロットを有したステータの場合には、ロータに対する電磁気的作用はスロットの形状で決定され、巻き線の巻回による影響は少ない。そのため、巻き線の巻き数のみが設定数と一致していればよく、巻き線の位置や形状はそれほど重要な要素ではない。
【０００６】
これに対して、スロットレス構造のステータコアの場合には、巻き線の位置精度や巻き線の形状は、ロータに対する電磁気的作用を決定する重要な要素となる。
図１１，１２はスロットレスモータの磁気回路を説明するための概略断面図、及び巻き線の位置誤差を説明するための概略断面図である。図１１において、リング状のステータコア３１のロータ３５と対向する内面に巻き線３３を張り付ける構成である。この構成のステータコア３１はスロット及び歯部を備えず、磁力線３７は巻き線３３に直接影響され、ステータコア３１に張り付けられる巻き線３３の設置の位置精度がそのままトルクリップルとなる。
図１２において、巻き線の位置誤差は、各巻き線のブロックにおいて、線材が、整列に巻回されていないために生じる位置誤差ａ、回転方向の張り付け誤差ｂ、法線方向の張り付け誤差ｃ等が存在する。これらの原因によるトルクリップルは、場合によってはスロットを有するモータよりも大きくなる。
【０００７】
従来、このスロットレスのステータコアに線材を巻回する方法が提案されている。図１３，１４はスロットレスのステータコアに線材を巻回して形成する構成例を説明するための図である。図１３，１４において、あらかじめ治具等を用いて線材を整列に巻回して単体のセグメント状の巻き線４２を用意しておき、このセグメント状の巻き線４２をステータコア５１に張り付け、その後、巻き線間を結線する。これによって、組立時の巻き線の位置精度を向上させる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
前記したスロットレスのステータコアに線材を巻回する方法は、巻き線をステータコアの片側にのみに張り付ける構成であるため、充分な強度を得ることが難しく、全体をモールドした場合、モールド剤の硬化収縮によってはがれるという問題がある。
【０００９】
また、各セグメント状の巻き線は重なり合う部分があるため、巻き線の形状は複雑な三次元形状とする必要がある。図１３において、各セグメントは、互い違いに重なりあって張り付けるため、磁石に作用する直線部分の法線方向の高さを一定にするために、巻き線セグメント５２に曲げ部５３を設けている。この曲げ部５３は最も線材の被覆が破壊されやすい部分であり、この位置はステータコア５１のエッジ部であるため、線間のショートや地絡が発生しやすい場所となる。そのため、線材に大きな曲がりストレスが発生し、被覆の破損して線間でショートしたり、地絡事故を招くおそれがあるという問題がある。また、各セグメントごとについて形状や寸法の違いによる位置誤差や、接着による法線方向の位置誤差等によって、高い位置精度で配置することも困難であるという問題もある。
【００１０】
また、ステータには、通常図１５に示すように、巻き線の耳５８と呼ばれるモータの軸方向にステータコアから突出した巻き線部分が存在する。この部分は、電磁気的にロータに寄与しない部分である。そのため、巻き数が多くなるとモータの大きさが大きくなり、小型化に支障が生じるという問題がある。図１６において、ステータ等を支持する支持部材側のハウジング５７において、突出した巻き線部分に対応する部分を削ってザグリ溝５９を形成し、これによって小型化を行うと、モータの機械的剛性が低下するという問題が生じることになる。
【００１１】
そこで、本発明は従来の問題点を解決し、スロットレスのステータコアの巻き線において、均一な磁場を得ることができる線材の巻回方法、及び均一な磁場を得ることができるスロットレスのステータコアの巻き線を提供することを第１の目的とし、スロットレスのステータコアの巻き線において、高い位置精度で巻き線を配置することができる線材の巻回方法、及び高い位置精度で巻き線を配置したスロットレスのステータコアの巻き線を提供することを第２の目的とし、また、モータの軸方向にステータコアから突出した巻き線部分を減少させることができる線材の巻回方法、及びモータの軸方向にステータコアから突出した巻き線部分が少ないスロットレスのステータコアの巻き線を提供することを第３の目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、モータのステータコアに線材を巻回して巻き線を形成する巻回方法において、スロットレスの環状のステータコアの周方向に多層に重ねて、線材を一定の巻回ピッチでトロイダル状に重ねて巻回して巻き線を形成するものであり、第一層のトロイダル巻を終了した後、巻終わり端から第一層巻始め端位置まで線材を持っていく箇所を、環状ステータコアのロータに面している面以外の面で行うようにしたものである。
【００１３】
ここで、トロイダル状の巻回は、線材をらせん状に回転させながら巻回する場合に、該巻回動作によって巻き線が形成されていく一方向において、巻回した線材に交差部分がなく巻回することであり、これによって、ステータコアの面に対して接線方向の巻き線の位置精度を高めることができる。
また、整列巻きの巻回は、巻き線を層単位に形成し、形成した各層を積み重ねて巻回することであり、これによって、ステータコアの面に対して法線方向の巻き線の位置精度を高めることができる。この法線方向の巻き線の位置精度を高めることによって、巻き線全体の厚みの均一なものとすることができる。
【００１４】
したがって、スロットレスのステータコアに、線材をトロイダル状、かつ整列巻きで巻回することによって、ステータコアの面に対して接線方向及び法線方向の両方向について、巻き線の位置精度を高めることができる。そして、この両方向について高い位置精度で巻き線の形成することによって、巻き線の電気抵抗やインダクタンスを均一なものとすることができ、均一な磁場を形成することができる。
また、トロイダル状の巻回において、線材を一定の巻回ピッチで重ねて巻回すると、ステータコアの面に対して接線方向及び法線方向の両方向について、巻き線の位置精度を高めることができる。これによって、均一な磁場を形成することができる。
【００１５】
また、トロイダル状で巻回する場合、巻回動作によって巻き線が形成されていく一方向の各層内では、巻回した線材が交差する部分は形成されないが、巻回動作を折り返して次の層を巻回する場合には、隣接する層間で巻き線が交差する部分が発生する。この巻き線が交差する部分を、ステータにおいて、ステータにより形成される磁場のうちロータの回転に影響が少ない磁場位置側に配置する。この巻き線の交差する部分の配置によって、交差部分で発生する磁場の不均一性によるトルクリップルへの影響を少なくすることができる。この巻き線の交差する部分の配置位置として、たとえば、ステータの軸方向の端面やステータのロータ側と反対側の外周面とすることができる。
【００１６】
また、リング状のステータコアにトロイダル状に線材を巻回する場合には、ステータコアの内径と外径の寸法差によって、外径側の線材間に隙間が生じる。しかしながら、通常、ロータはステータの内径側に配置して使用するため、外径側の線材間に形成される隙間によって磁場に不均一性が発生したとしても、ロータの回転には影響しない。
また、本発明は、巻き線を形成する線材を平角線とし、巻回により隣接する平角線は、隣接する辺が平行となるように巻回する。線材を数段重ねて巻回すると、線材の断面が円形のである丸線を用いた場合には、整列巻きであっても、巻き線の折り返し部分である端部では、いわゆる「俵積み」状態となり、磁場に不均一性が発生する要因となりうる。本発明の線材を平角線とし、巻回により隣接する平角線の隣接辺が平行となるように巻回すると、巻き線の折り返し部分の端部においても、均一な磁場を形成することができる。
【００１７】
また、このとき平角線の断面の各辺の縦横比を適宜定めることによって、巻き線全体のサイズの拡大を抑制することができる。
また、本発明は、極数に応じて定まる各相の巻き線間を、ステータコアの端面に配置したプリント基板に形成した配線を介して結線することにより電気的接続を行って、巻き線を形成する巻回方法とするものである。
また、本発明は、ステータコアの一つの端面あるいは対向する二つの端面にプリント基板を密着させ、該プリント基板とステータコアの一体として、その周囲に線材を巻回して、巻き線を形成する巻回方法とするものである。
【００１８】
多極モータを互いに相がずれた複数相でモータ駆動を行う場合、ステータはモータの極数及び相数に対応して複数個の巻き線が形成されるされる。たとえば、８極の３相ＡＣサーボモータのステータの場合には、スロットレスコアの１５度の範囲内にトロイダル状で整列巻きの巻き線、及び一定の巻回ピッチでトロイダル状に重ねて巻回した巻き線を単位として（以下、一単位の巻き線をセグメントという）、８極×３相＝２４個所にセグメントを設置する。なお、このセグメントの設置において、隣接する各セグメントは逆巻きに巻回され、３セグメントごとに同相で逆巻きとなる。
【００１９】
各セグメントの結線は、ステータコアの一つの端面あるいは対向する二つの端面にプリント基板を密着させ、このプリント基板を用いて行う。また、線材をステータコアに巻回する場合、このプリント基板とステータコアの一体として、その周囲に線材を巻回する。この構成によって、各セグメント間の結線が容易となる。また、いわゆる巻き線の耳と呼ばれる突出部分の突出量が減少し、モータの小型化が容易となる。また、線材がステータコアとトロイダル状プリント基板とを一体にして固定するため、線材のはがれやずれが少ない構造とすることができる。また、ステータコアのエッジ部分はプリント基板でカバーされるため、線材の曲げ応力や絶縁被覆のはがれを抑制することができる。このプリント基板の作用は、プリント基板のエッジ部分の断面形状を丸く形成することによってより高めることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図を参照しながら詳細に説明する。
図１〜図９は、本発明の巻回方法を三相ＡＣサーボモータのステータに適用した場合の例である。図１〜図４は、巻き線１をロータ側から見た図であり、図１は斜視図、図２はロータ側から見た平面図、図３，４はＡ−Ａの断面図である。また、図５〜図９は、巻き線１をステータ側から見た図であり、図５は斜視図、図６はステータ側から見た平面図、図７，８はＢ−Ｂの断面図であり、図９はモータの断面図である。
【００２１】
ステータコア１１の軸方向の両端面にプリント基板１２，１３を密着させた配置し、該プリント基板１２，１３とステータコア１１との周囲に、これらを一体にとして包むように線材２を巻回する。
この線材２の巻回において、トロイダル状で整列巻きを行う。線材２をステータコア１１及びプリント基板１２，１３に対してトロイダル状に巻回するには、線材２をステータコア１１及びプリント基板１２，１３の軸方向に向かってらせん状に回転させながら巻回する。巻回動作によって巻き線が形成されていく一層分については、トロイダル状とすることによって、図２に示すように、線材２は互いに交差することなく巻回される。
【００２２】
線材２をステータコア１１及びプリント基板１２，１３の軸方向に向かって一層分の巻回を終了した後、端部で折り返し、前回の巻回で形成した層の上に重ねて巻回を行う。次層においても、前回と同様にトロイダル状に巻回を行う。これによって、巻き線を層単位に形成し、形成した各層を積み重ねて巻回する整列巻きを行う。図３，４はこの整列巻きを説明するための図である。図３は、断面形状が円形の線材２ａの場合であり、トロイダル状に巻回される線材２ａは各層間で線材２ａの間に配置され、各層は順に法線方向に積み重ねられる。図４は、断面形状が矩形の平角線の線材２ｂの場合であり、トロイダル状に巻回される線材２ｂは各層を形成し、該層は順に法線方向に積み重ねられる。この巻回において、隣接する線材２ｂの隣接する平角線の隣接辺が平行となるように巻回すると、巻き線の折り返し部分の端部においても、均一な磁場を形成することができる。
【００２３】
また、このとき平角線の断面の各辺の縦横比を適宜定めることによって、巻き線全体のサイズの拡大を抑制することができる。たとえば、短い辺が法線方向となるように平角線を積層することによって、全体の法線方向の厚さを薄く構成することができる。
また、トロイダル状で巻回する場合、巻回動作によって巻き線が形成されていく一方向の各層内では、巻回した線材が交差する部分は形成されないが、巻回動作を折り返して次の層を巻回する場合には、隣接する層間で巻き線が交差する部分が発生する。この巻き線が交差する部分を、図５に示すように、ステータにおいて、ステータにより形成される磁場のうちロータの回転に影響が少ない磁場位置側に配置する。図５では、交差部分をロータと反対側に配置する。また、ステータの軸方向の端面側に配置することもできる。
【００２４】
図６は巻き線の交差部分をステータ側から見た図を示しており、巻き線のステータコアの軸方向に対する角度は、隣接する層間で異なることになる。
図７，８はこの整列巻きの状態を説明するための図である。図７は、断面形状が円形の線材２ａの場合であり、トロイダル状に巻回される線材２ａは各層間で互いに線材２ａ上に配置され、各層は順に法線方向に積み重ねられる。図８は、断面形状が矩形の平角線の線材２ｂの場合であり、トロイダル状に巻回される線材２ｂは各層を形成し、該層は順に法線方向に積み重ねられる。
【００２５】
本発明の巻回方法によれば、従来の巻き線に形成された耳部が形成されず、モータの軸方向の長さを抑えることができ、小型化を行うことができる。また、図９に示すように、ハウジング１７にザグリ溝を形成することなく、巻き線セグメント３をモータ内に収納することができる。
なお、前記形態では回転サーボモータの場合について説明しているが、本発明はリニアモータについても同様に適用することができる。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、スロットレスのステータコアの巻き線において、均一な磁場を得ることができる線材の巻回方法、及び均一な磁場を得ることができるスロットレスのステータコアの巻き線を提供することができ、また、スロットレスのステータコアの巻き線において、高い位置精度で巻き線を配置することができる線材の巻回方法、及び高い位置精度で巻き線を配置したスロットレスのステータコアの巻き線を提供することができ、さらに、モータの軸方向にステータコアから突出した巻き線部分を減少させることができる線材の巻回方法、及びモータの軸方向にステータコアから突出した巻き線部分が少ないスロットレスのステータコアの巻き線を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の巻回方法を三相ＡＣサーボモータのステータに適用した場合の巻き線をロータ側から見た斜視図である。
【図２】本発明の巻回方法を三相ＡＣサーボモータのステータに適用した場合の巻き線をロータ側から見た平面図である。
【図３】本発明の巻回方法を三相ＡＣサーボモータのステータに適用した場合の巻き線のＡ−Ａ断面図である。
【図４】本発明の巻回方法を三相ＡＣサーボモータのステータに適用した場合の巻き線のＡ−Ａ断面図である。
【図５】本発明の巻回方法を三相ＡＣサーボモータのステータに適用した場合の巻き線をステータ側から見た斜視図である。
【図６】本発明の巻回方法を三相ＡＣサーボモータのステータに適用した場合の巻き線をステータ側から見た平面図である。
【図７】本発明の巻回方法を三相ＡＣサーボモータのステータに適用した場合の巻き線のＢ−Ｂ断面図である。
【図８】本発明の巻回方法を三相ＡＣサーボモータのステータに適用した場合の巻き線のＢ−Ｂ断面図である。
【図９】本発明の巻回方法を三相ＡＣサーボモータのステータに適用した場合のモータ断面図である。
【図１０】通常のサーボモータの磁気回路を説明するための概略断面図である。
【図１１】スロットレスモータの磁気回路を説明するための概略断面図である。
【図１２】巻き線の位置誤差を説明するための概略断面図である。
【図１３】スロットレスのステータコアに線材を巻回して形成する構成例を説明するための図である。
【図１４】スロットレスのステータコアに線材を巻回して形成する構成例を説明するための図である。
【図１５】巻き線の耳を説明するための概略断面図である。
【図１６】巻き線の耳を収納するザグリ溝を説明するための概略断面図である。
【符号の説明】
１，２３，３３，５４，５５，５６ 巻き線
２，２ａ，２ｂ，２２ 線材
３ 巻き線セグメント
４ 巻回開始接点
５ 巻回終了接点
６ 配線
１０，２０，３０ ステータ
１１，２１，３１，５１ ステータコア
１２，１３ プリント基板
１５，２５，３５ ロータ
１６，２６，５６ シャフト
１７，２７，５７ ハウジング
２４ スロット
２６ 歯
２７，３７ 磁力線
５２ 巻き線セグメント
５３ 曲がり部
５８ 巻き線の耳
５９ ザグリ溝

Claims (4)

1. モータのスロットレスの環状のステータコアに線材をトロイダル状に巻回してコアの周方向に多層に重ねて巻き線を形成していく巻回方法において、
   第一層のトロイダル巻を終了した後、巻終わり端から第一層巻始め端位置まで線材を持っていく箇所を、環状ステータコアのロータに面している面以外の面で行うことを特徴とする、ステータの巻回方法。
2. 前記線材は平角線であり、同一層で隣接する平角線はコアの軸方向で隣接する辺を平行に配置する、請求項１記載のステータの巻回方法。
3. 極数に応じて定まる各相の巻き線間を、ステータコアの端面に配置したプリント基板に形成した配線を介して結線することにより電気的接続を行う、請求項１，又は２記載のステータの巻回方法。
4. ステータコアの一つの端面あるいは対向する二つの端面にプリント基板を密着させ、該プリント基板とステータコアを一体として、その周囲に線材を巻回し、前記各相の巻線間の結線を該プリント基板で行う、請求項３記載のステータの巻回方法。

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