JP4541977B2 - 電機子及びブラシレスモータ - Google Patents

Description

本発明は、複数のティースにコイルが巻回された電機子及びブラシレスモータに関するものである。

従来、モータ等のステータやロータ等の電機子は、コアに設けられた複数のティースに、エナメル等で被覆されたコイルが巻き付けられている。例えば、図４（ａ）〜図４（ｃ）に示すように、電機子の各ティース１０１には、周方向両側に同じように複数層をなすようにコイル１０２が整列され集中巻きされる。このとき、図４（ａ），（ｃ）に示すように、コイル１０２が供給される側（巻線機が配設された側）から順に整列されて積層されていると（径方向外側に向けて広がるように積層されていると）、ある程度コイルが巻回されると隣り合うティース間でコイルが接触してしまい、それ以上コイルを巻回することができない。また、例えばティースの周方向両側に、コイルがティースに沿った形状となるように巻回されていると、ある程度コイルを巻回するとスロット内において径方向内側でコイルが接触してしまう。このように、ティースの周方向両側に同じ形状となるようにコイルを巻回すると、スロット内の高占積化の上で効率が悪いという問題があった。

そこで、周方向に隣り合うティースの間のスロットスペースに１本でも多くのコイルを巻装するために、コイルの配列が工夫されている。例えば特許文献１には、コイルの２種類の配列パターンが、ティースごとに周方向に交互に配置された電機子が提案されている。この電機子では、図５（ａ）〜（ｃ）に示すように、径方向外側に向けて幅広となる配列パターンと、図５（ｄ）〜（ｆ）に示すように、径方向にティース１０１に沿った略一定幅となる配列パターンとが、ティースごとに周方向に交互に配置されている。このように構成すると、隣り合うティース１０１の間のスロットにおけるコイル１０２同士の干渉が低減され、どちらの配列パターンも９ターン目まで巻回することができる。このため、より多くのコイル１０２を巻装することができる。
特開平１１−３２４５７号公報

しかしながら、上記従来の構成であると、コイルの配列パターンが２種類となるため、巻線プログラムや巻線機の構造が複雑となり、生産性が悪いという問題があった。即ち、周方向に配置されたティースに対して交互に巻線方法を変更する、或いは、所定のティースに１種類目の配列パターンでコイルを巻回した後、残りのティースに２種類目の配列パターンでコイルを巻回するために巻線機を変更する必要があるが、何れの場合も製造工程が煩雑となり生産性が悪かった。

本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、コイルの高占積化を実現するとともに生産性を向上することができる電機子及びブラシレスモータを提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、径方向に沿って延びる複数のティースを備えたコアと、前記ティースに複数層をなすように整列され集中巻きされたコイルと、を備え、前記複数層をなす各層のコイルは前記ティースの軸方向に隣接して配列され、前記複数層をなす前記コイルのそれぞれの層は下層のコイルの上に俵積み状となるように巻回され、前記コイルは前記ティースの周方向一方側の第１側面及び周方向他方側の第２側面において同一数とされた電機子であって、前記コイルは、前記ティースに、隣接する他のティースに巻回されたコイルと干渉しないように、周方向非対称形状に巻回され、該コイルの周方向非対称形状は、前記ティースに巻回されたコイルが前記ティースの前記第１側面において該ティースに沿った略一定幅となるように配列されるとともに、前記ティースの前記第２側面において径方向外側に向けて幅広となるように配列されることで形成されており、前記複数層をなす各層のコイルは、前記ティースにおける電機子の軸方向のいずれか一方端面で径方向のいずれ一方側に向けて前記コイルの直径分の列替えが行われるとともに、下層とそれに隣接する上層とにおいて前記列替えの行われる前記ティースの端面及び前記列替えの方向が異なるように構成され、前記複数層のうち最上層とその下層側に隣接する第１下層とにおいて、該第１下層では、前記ティースの一方の前記端面において径方向外側に向けて前記列替えが行われ、前記ティースの軸方向一端側である径方向内側において前記第１側面の該第１下層のコイル端部の位置が前記第２側面の該第１下層のコイル端部の位置よりも前記コイルの直径分だけ径方向内側にずれることにより、前記第１側面における該第１下層のコイル数が前記第２側面における該第１下層のコイル数よりも１コイル数分多くなるように構成されるとともに、前記最上層では、前記ティースの軸方向他端側である径方向外側において前記コイルが１回巻回され該コイルが前記ティースの他方の前記端面において径方向内側に向けて前記列替えが行われることにより、前記第１側面における該最上層のコイル数を前記第２側面における該最上層のコイル数よりも１コイル数分少なくしたことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の電機子において、前記ティースには、前記コイルが３層をなすように集中巻きされていることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の電機子を備えたことを特徴とするブラシレスモータである。

（作用）
各請求項に記載の発明によれば、電機子のコイルは、ティースに、隣接する他のティースに巻回されたコイルと干渉しないように、周方向非対称形状に巻回されている。このため、ティースの周方向一方側の面に形成されたコイルの形状と、ティースの周方向に他方側に形成されたコイルの形状とが、互いに干渉しないように周方向に交互に配置される。従って、ティースの周方向両側においてコイルが同じ形状に巻回されている場合と比較して、コイルの高占積化を図ることができる。

また、コイルの配列パターンは１種類とされるため、電機子の製造に必要な巻線機の巻線プログラムや巻線治具等を１種類とすることができる。このため、配列パターンが複数種類となる場合と比較して、電機子の製造の簡易化を図ることができる。従って、電機子の生産性を向上することができる。

また、ティースの周方向両側両面においてコイルが同一数とされているため、電機子において電磁気的アンバランスが生じない。
また、電機子のコイルは、各ティースにおいて、周方向一方側の第１側面ではティースに沿った略一定幅となるように配列され、周方向他方側の第２側面では径方向外側に向けて幅広となるように配列されている。このため、径方向に沿って延びるティースの間の空間（スロット）において、ティースに沿って延びるように巻回されたコイルと、径方向外側に向けて幅広となるように巻回されたコイルとが効率よく配置され、この空間におけるコイルの高占積化を図ることができる。

また、コイルの整列巻きを維持しつつ、高占積率を得る好ましい周方向非対称形状を形成することができる。

また、ティースの複数層をなすように配置されたコイルのそれぞれの層は、下層のコイルの上に俵積み状となるように巻回されている。このため、積層されたコイルは周方向に密着した状態とされて高密度で配置される。従って、コイルの高占積化を図ることができる。

請求項３に記載の発明によれば、隣接するティースの間にコイルが高密度で配置されているため、ブラシレスモータは小型化・高性能化される。

本発明によれば、コイルの高占積化を実現しながら、生産性を向上する電機子及びブラシレスモータを提供することができる。

以下、本発明を具体化した一実施の形態を図面に従って説明する。
図１に示すように、電動機としてのブラシレスモータ１は、電機子としてのステータ２と、ステータ２と対向配置されるマグネット（図示略）を有したロータ３（図中、一点鎖線で示す）とを備えている。

ステータ２は、略円筒状のハウジング４内に配設された、環状部５と該環状部５から径方向に沿って内側に向けて延びる複数のティース６とを有するコアとしてのステータコア７と、各ティース６に複数層をなすように整列され集中巻きされたコイル８とを備えている。なお、本実施の形態では、ティース６は等角度（３０度）間隔に形成され、ステータコア７は１２個のティース６を有している。また、コイル８は、エナメル等の絶縁材で表面を被覆されている。

図２（ａ）〜（ｃ）に示すように、各ティース６には、コイル８が複数層をなすように整列状で集中巻きされている。コイル８は、ティース６に、隣接する他のティース６に巻回されたコイル８と干渉しないように、周方向非対称形状に巻回されている。また、コイル８は、ティース６の周方向両側面において同一数（本実施の形態では９）とされている。また、本実施の形態では、各ティース６に巻回されたコイル８は、ティース６の周方向一方側の第１側面６Ｘではティース６に沿った略一定幅となるように配列され、周方向他方側の第２側面６Ｙでは径方向外側に向けて幅広となるように配列されている。なお、図２（ａ），（ｂ）に示すように、コイル８は、前記ブラシレスモータ１の軸方向に一端側において、第１側面６Ｘ側から巻き始め端部として供給され、第２側面６Ｙ側から巻き終わり端部として引き出されている。

上述した各ティース６におけるコイル８の周方向非対称形状は、複数層の一部の層のコイル数を周方向両側において１コイル数分ずつ異ならせることにより形成されている。また、コイル８の周方向非対称形状は、ティース６の軸方向両端面においてコイル８の直径分（図２（ｃ）に示すピッチＰ）の列替えを行うことにより、複数層をなす各層のコイル数を、ティース６の周方向両側で異ならせることにより形成されている。

詳しくは、図２（ａ）〜（ｃ）に示すように、ティース６の第１側面６Ｘの１層目のコイル８の巻回数、及び、ティース６の第２側面６Ｙの１層目のコイル８の巻回数は４とされている。そして、ティース６の第２側面６Ｙの２層目のコイル８の巻回数は、第１側面６Ｘの２層目のコイル８の巻回数４に対して、１つ少ない３とされている。すなわち、図２（ａ）で示される軸方向端面においては、１層目のコイル８がピッチＰだけ径方向内側に向けて列替えされている。また、これとは逆に、図２（ｃ）で示される軸方向端面では、２層目のコイル８がピッチＰだけ径方向外側に向けて列替えされている。このように、２層目を１層目と逆側の軸方向端面で列替えを行うことにより、ティース６の第２側面６Ｙの２層目のコイル８の巻き始め端部８ｂの位置は、第１側面６Ｘの２層目のコイル８の巻き始め端部８ａの位置よりも、前記ブラシレスモータ１の径方向にピッチＰだけ外側にずれる。その結果、コイル８の第１側面６Ｘの２層目のコイル数が、第２側面６Ｙのコイル数よりも１コイル数だけ多いものとされている。

そして、図２（a）で示されるティース６の軸方向端面において列替えを行うことにより、ティース６の第１側面６Ｘの３層目のコイル８の巻回数が１とされ、ティース６の第２側面６Ｙの３層目のコイル８の巻回数が２とされている。このように、ティース６の周方向両側のコイル８の巻回数は合計９とされている。

また、各ティース６の複数層をなすように配置されたコイル８のそれぞれの層は、下層のコイル８の上に俵積み状となるように巻回されている。詳しくは、ティース６の周方向両側において、１層目の径方向に隣接するコイル８の中間位置に、２層目のコイル８が配置されている。同様に、２層目の径方向に隣接するコイル８の中間位置に、３層目のコイル８が配置されている。

次に、上述したステータ２の巻線方法について説明する。
図１において、上記ステータコア７は、ティース６ごとに分割されており、これらのティース６は環状部５で連結されている。そして、隣り合うティース６の先端（内周側の先端）同士の間隔が広げられた状態で、各ティース６にコイル８が巻回される。

図２（ａ）に示すように、コイル８は、ティース６の第１側面６Ｘ側に径方向外側から供給され、環状部５に接する位置を巻き始めとして、ティース６の周方向両側（第１側面６Ｘ及び第２側面６Ｙ）に複数層をなすように整列され集中巻きされる。このとき、第１側面６Ｘ及び第２側面６Ｙには、コイル８が４回巻回される。また、コイル８は、ピッチＰだけ径方向内側に向けて列替えされて巻回される。

そして、ティース６の第１側面６Ｘの２層目の巻き始め端部８ａが巻回された後、ティース６の軸方向端面においてコイル８の列替えが行われ、ティース６の第２側面６Ｙの２層目の巻き始め端部８ｂが巻回されるとき、巻き始め端部８ｂの位置は巻き始め端部８ａの位置に対して径方向外側に前記ピッチＰ（コイル８の直径）分だけずれる。そして、ティース６の第１側面６Ｘには巻き始め端部８ａから整列状にコイル８が４回巻回され、第２側面６Ｙには巻き始め端部８ｂから整列状にコイル８が３回巻回される。このとき、第１側面６Ｘ及び第２側面６Ｙにおいて、２層目のコイル８は、径方向に１層目のコイル８の中間位置に配置される。つまり、２層目のコイル８は１層目（下層）のコイル８に対して俵積み状に配列される。

その後、ティース６の第１側面６Ｘには、径方向外側に（環状部５に接するように）３層目のコイル８が１回巻回される。その後、ティース６の軸方向端面においてコイル８の列替えが行われ、ティース６の第２側面６Ｙに３層目のコイル８が２回巻回される。そして、ティース６の第２側面６Ｙの３層目の巻き終わり端部が、コイル８の巻き終わり端部として引き出される。

このように、全ティース６にコイル８が巻回される。そして、ステータコア７が閉じた状態、即ち、ティース６の先端同士が接触した状態とされ、この部分が溶接（例えばレーザ溶接）されることで、ステータコア７が形成される。

次に、本実施形態における巻線構造の特徴的な作用効果を記載する。
（１）ステータ２のコイル８は、ティース６に、隣接する他のティース６に巻回されたコイル８と干渉しないように、周方向非対称形状に巻回されている。このため、ティース６の周方向一方側の面に形成されたコイル８の形状と、ティース６の周方向に他方側に形成されたコイル８の形状とが、互いに干渉しないように周方向に交互に配置される。従って、ティース６の周方向両側においてコイル８が同じ形状に巻回されている場合と比較して、コイル８の高占積化を図ることができる。

（２）コイル８の配列パターンは１種類とされるため、ステータ２の製造に必要な巻線機の巻線プログラムや巻線治具等を１種類とすることができる。このため、配列パターンが複数種類となる場合と比較して、ステータ２の製造の簡易化を図ることができる。従って、ステータ２の生産性を向上することができる。

（３）ティース６の周方向両側両面においてコイル８が同一数とされているため、ステータ２において電磁気的アンバランスが生じない。
（４）ステータ２のコイル８は、各ティース６において、周方向一方側の第１側面６Ｘではティース６に沿った略一定幅となるように配列され、周方向他方側の第２側面６Ｙでは径方向外側に向けて幅広となるように配列されている。このため、径方向に沿って延びるティース６の間の空間（スロット）において、ティース６に沿って延びるように巻回されたコイル８と、径方向外側に向けて幅広となるように巻回されたコイル８とが効率よく配置され、この空間におけるコイル８の高占積化を図ることができる。

（５）コイル８の非対称形状は、複数層の一部の層（２層目及び３層目）のコイル数を周方向両側において１コイル数分ずつ異ならせることにより形成されている。このため、コイル８の整列巻きを維持しつつ、高占積率を得る好ましい周方向非対称形状を形成することができる。

（６）ティース６の軸方向両端面においてコイル８の直径分（ピッチＰ）の列替えを行うことにより、コイル８の複数層をなす各層（２層目及び３層目）のコイル数が周方向両側において異なることになる。このため、コイル８の整列巻きを維持しつつ、高占積率を得る好ましい周方向非対称形状を形成することができる。

（７）ティース６の複数層をなすように配置されたコイル８のそれぞれの層は、下層のコイルの上に俵積み状となるように巻回されている。このため、積層されたコイル８は周方向に密着した状態とされて高密度で配置される。従って、コイル８の高占積化を図ることができる。

尚、本発明の実施形態は、以下のように変更してもよい。
・上記実施の形態では、ティース６の複数層をなすように配置されたコイル８のそれぞれの層は、下層のコイル８の上に俵積み状となるように巻回されたものとしたが、それぞれの層を必ずしもこのように配置しなくてもよい。コイル８がティース６に、隣接する他のティース６に巻回されたコイル８と干渉しないように、周方向非対称形状に巻回されていれば、複数層をなす各層が俵積み状とされていなくてもよい。

・上記実施の形態では、コイル８はステータコア７の全ての各ティース６に対して、隣接する他のティース６に巻回されたコイル８と干渉しないように周方向非対称形状に巻回されたものとしたが、必ずしもステータコア７の全てのティース６にコイル８をこの形状で巻回しなくてもよい。

・上記実施の形態では、ティース６にティース６の周方向両側にコイル８が９本配置された場合について説明したが、ティース６の周方向両側に配置されるコイル８の本数はこれに限定されず、他の本数としてもよい。

また、上記実施形態では、ティース６の両側のコイル８の本数を同数としたが、異なる本数としてもよい。例えば、コイル８の巻き終わり終端（引き出し終端）を巻き始め先端（引き出し先端）が位置するティース６の同一側面側であってモータの軸方向に対向する位置に配置する場合などである。

・上記実施の形態では、ステータコア７はティース６ごとに分割され環状部５で連結されているものとしたが、ステータコア７はこの態様に限定されない。例えば、図３に示すように、ステータコアを、コアバック１１と複数のティース１２ａを有するティース部材１２とに分割された２分割コア１０としてもよい。この場合、各ティース１２ａに、周方向非対称形状に巻回（形成）されたコイルを挿入すればよい。また、各ティースに、周方向非対称となるように、直接コイルを巻回してもよい。

・上記実施の形態では、ティース６に表面が絶縁材で被覆されたコイル８が巻回されている場合について説明したが、インシュレータを介してティースにコイルが巻回されていてもよい。

ここで、特許文献１に示されるように、２種類の配列パターンでコイルを巻回する場合、コイルの配列パターンを設定する溝付きのインシュレータを用いるのであれば、２種類のインシュレータが必要となる。そうすると、インシュレータの種類の増加にともないステータコアの製造が複雑化する。

この点、上記実施形態のように、全ティース６に対して同じ配列パターンでコイルを巻回するのであれば、溝付きのインシュレータを設けるとしても、その種類を１種類とすることできる。このため、ステータの部品の種類の数を低減することができ、ステータの製造の簡易化を図ることができる。

・上記実施の形態では、電機子がブラシレスモータ１のステータ２である場合について説明したが、電機子をアーマチャに適用してもよい。また、本発明にかかる電機子を適用するものはブラシレスモータに限定されず、電機子をブラシレスモータ以外のモータ（例えば、直流モータ）に用いてもよい。

上記各実施の形態から把握できる技術的思想を以下に記載する。
（イ）前記ティースの前記第２側面の２層目のコイルは、巻き始め端部が前記ティースの前記第１側面の２層目の巻き始め端部に対して径方向外側に所定ピッチ分だけずれた位置とされるとともに、その巻回数が前記ティースの前記第１側面のコイルの巻回数よりも少なく設定されており、前記各ティースの周方向両側のコイルの巻回数は同数とされていることを特徴とする。

（ロ）前記第２側面のコイルの２層目以降の巻き始め端部が、その層の前記ティース側の層における巻き始め端部よりも所定ピッチずつ径方向外側となるように配置されていることを特徴とする。

ブラシレスモータの要部断面図。 （ａ）〜（ｃ）はステータの説明図。 変更例のステータの説明図。 （ａ）〜（ｃ）は従来のステータの説明図。 （ａ）〜（ｆ）は従来のステータの説明図。

符号の説明

１…ブラシレスモータ、２…電機子としてのステータ、５…環状部、６，１２ａ…ティース、６Ｘ…第１側面、６Ｙ…第２側面、７…コアとしてのステータコア、８…コイル。

Claims (3)

1. 径方向に沿って延びる複数のティースを備えたコアと、前記ティースに複数層をなすように整列され集中巻きされたコイルと、を備え、前記複数層をなす各層のコイルは前記ティースの軸方向に隣接して配列され、前記複数層をなす前記コイルのそれぞれの層は下層のコイルの上に俵積み状となるように巻回され、前記コイルは前記ティースの周方向一方側の第１側面及び周方向他方側の第２側面において同一数とされた電機子であって、
   前記コイルは、前記ティースに、隣接する他のティースに巻回されたコイルと干渉しないように、周方向非対称形状に巻回され、該コイルの周方向非対称形状は、前記ティースに巻回されたコイルが前記ティースの前記第１側面において該ティースに沿った略一定幅となるように配列されるとともに、前記ティースの前記第２側面において径方向外側に向けて幅広となるように配列されることで形成されており、
   前記複数層をなす各層のコイルは、前記ティースにおける電機子の軸方向のいずれか一方端面で径方向のいずれ一方側に向けて前記コイルの直径分の列替えが行われるとともに、下層とそれに隣接する上層とにおいて前記列替えの行われる前記ティースの端面及び前記列替えの方向が異なるように構成され、
   前記複数層のうち最上層とその下層側に隣接する第１下層とにおいて、
   該第１下層では、前記ティースの一方の前記端面において径方向外側に向けて前記列替えが行われ、前記ティースの軸方向一端側である径方向内側において前記第１側面の該第１下層のコイル端部の位置が前記第２側面の該第１下層のコイル端部の位置よりも前記コイルの直径分だけ径方向内側にずれることにより、前記第１側面における該第１下層のコイル数が前記第２側面における該第１下層のコイル数よりも１コイル数分多くなるように構成されるとともに、
   前記最上層では、前記ティースの軸方向他端側である径方向外側において前記コイルが１回巻回され該コイルが前記ティースの他方の前記端面において径方向内側に向けて前記列替えが行われることにより、前記第１側面における該最上層のコイル数を前記第２側面における該最上層のコイル数よりも１コイル数分少なくしたことを特徴とする電機子。
2. 請求項１に記載の電機子において、
   前記ティースには、前記コイルが３層をなすように集中巻きされていることを特徴とする電機子。
3. 請求項１又は２に記載の電機子を備えたことを特徴とするブラシレスモータ。

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