JP5178371B2

JP5178371B2 - 電動機

Info

Publication number: JP5178371B2
Application number: JP2008191622A
Authority: JP
Inventors: 恵輔安部; 和雄佐藤; 将天池; 秀一高橋
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2008-07-25
Filing date: 2008-07-25
Publication date: 2013-04-10
Anticipated expiration: 2028-07-25
Also published as: JP2010035254A; CN101635478B; CN101635478A

Description

本発明は、電動機に関するものである。

電動機は駆動源として種々の用途に用いられており、様々な製品の内部に組み込まれて使用されることが多い。例えば、送風機、冷凍空調用の圧縮機、さらには、自動車のパワーウィンドウやワイパー等のいわゆる補機類等にも用いられている。このように、製品内部に組み込まれる電動機に関しては、高効率化だけではなく、小型化（薄型化）、あるいは組立性の向上が求められている。そして、高効率化、小型化、組立性の向上を図るためのロータあるいはステータの形状が検討されている。

特許文献１には、小型化や生産性の向上を図るためのステッピングモータの構成が開示され、特許文献２には、コアの回転方向の位置決めを行うために、コア平坦部の外周に位置決め用のＶ状溝を備えた構成が開示されている。また、特許文献３には、多相クローポール型モータが示され、磁性粉を圧縮成形することで製造の容易化を図りながらも複雑な形状の爪型磁極を得ることで、モータの高効率化を行っている。

特許文献４〜７には、コアの位置決めに関し、ボビンを用いた構成が開示されている。

特開2005-287288号公報特開平4-17538号公報特開2006-296188号公報特開平8-116659号公報特開2005-304164号公報特開平10-295070号公報特開平5-219705号公報

製造性を向上しつつも電動機の小型化及び高効率化を図るには、コアの位置決めが重要となる。特に、磁極を有するコアを対向して配置する構成においては、両コアの位置ずれが磁界形成に影響を与えるため、位置決めの容易化を図ることが必要となる。

特許文献１は金属板を同一形状に成形したものを一対のステータとして用い、これに位置決め孔及び貫通孔を形成して位置決めを行っている。また、特許文献２ではコア平坦部の外周にＶ状溝を有し、位置決め用のスライダを用いてコアの回転方向の位置決めを行っている。さらに、特許文献３では、コアに凸部及び凹溝を設けること、あるいは、嵌合突起と嵌合孔を設け（図１５〜図１８参照）、これによって位置決めを図っている。

これらの特許文献１〜３に示されるようにコアに位置決め構造を設ける場合には、十分なコア強度が要求される。特許文献１では、金属板を金型で成形したコアを用いているため、位置決め孔を容易に成形できると考えられるが、コア強度が低い場合には貫通孔を設けることでさらに強度が低下し、その後の製造工程における取扱性や信頼性の低下を招くことになる。

特に、特許文献３は、磁性粉を圧縮成形したコアを用い、磁極の成形をしやすくしているものの、コア自体は磁性粉を圧縮したものに過ぎず、十分な強度を確保することは容易ではない。したがって、貫通孔を設けずに凹凸形状による位置決めを採用しているが、形状の複雑化を招いてしまう。複雑な形状の爪型磁極が得られることが圧縮成形のメリットの一つであるが、位置決め構造は、爪型磁極と異なり、位置決めがなされた後の電動機としては高効率化に寄与しないため、強度の面では単純な形状が望ましい。

特許文献４〜６はボビンを用いて位置決めを行っているが、特許文献４では、ボビンの位置決め用突部とコア外周部に設けた切欠きとの嵌合を用いるものであり（段落００３７等参照）、コアに位置決め構造を有する点において特許文献１〜３と同様の課題が生じ得る。

特許文献５〜６は、ボビンの内周側に突出する位置決め部を備えた例が開示され、これによってコアの位置決めを図っているが、これらはいずれもロータが配置される内周側に突出する構成であるため、位置決め部の存在が磁極の形状や磁極間の距離に影響を与え、高効率化に制約が生じてしまうものであった。

特許文献７はボビンに設けた位置決め片及び位置決め孔によって積層されるコイル及び磁極板同士の位置決めを図った構成が開示されているが、磁極板にも位置決め孔が必要な構成となっている。したがって、位置決め孔を磁気特性に影響を与えない位置に設けるためには円環状の磁極板の円環幅を大きくとらなければならない。また、磁極板に開口部を設けるには、磁極板自体に加工性に優れた材料を用いる必要がある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、生産性の向上と高効率化を図りながらも小型、薄型の電動機を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、円環形状の基部とこの基部から突出して周方向に複数形成される爪型磁極とを有する成形体を、磁性粉を圧縮して成形し、この成形体が対向して配置される単相ステータを備え、一の成形体の爪型磁極の間に他の成形体の爪型磁極が位置するように構成した電動機において、本発明は、対向して配置される成形体の間であって前記爪型磁極よりも外周側に、コイルが巻き回されるボビンを備え、
前記ボビンは両面に複数の突起を備え、前記突起に凸部及び凹部を有し、
前記単相ステータは三相積層され、第一の単相ステータの凸部と、これと隣接する第二の単相ステータの凹部とが、係合することで位置決めされることを特徴とする電動機。

上記の本発明の構成において、さらに好ましい具体的態様は、下記の通りである。
（１）前記成形体は前記基部の内周側であって前記爪型磁極の間に複数の凹状を有し、前記突起が前記凹状内に位置すること。
（２）前記凸部及び前記凹部が係合することで、前記突起が前記ボビンの両側において互い違いに突出すること。
（３）一の成形体における爪型磁極間の距離Ｌ１は前記爪型磁極の幅Ｌ２よりも大きく、前記成形体と前記ボビンとを組み合わせた状態で前記凹状の幅と前記突起の幅とが等しいこと。
（４）前記突起は、前記凹状内で、前記凹状の底部と前記爪型磁極の先端部との間に位置し、一の爪型磁極とこの爪型磁極と隣り合う爪型磁極との間の距離Ｌ４が、前記爪型磁極の先端部と前記凹状の底部との距離Ｌ５よりも小さいこと。
（５）前記単相ステータ、前記ボビン及び前記コイルを３相分積層して組み立てられたステータと、前記ステータを挟むように取り付けられたブラケットと、前記ブラケットに設けられた軸受により支持され回転軸を中心に回転するロータとを有すること。

本発明によれば、生産性の向上と高効率化を図りながらも小型、薄型の電動機を提供することができる。

以下、図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。本欄では、ステータのコアに磁性粉を圧縮した成形体を対向して配置したものを用い、この圧粉磁心からなる成形体に特別な凹凸を付けずに位置決めをする構成を説明する。まず、図１から図５を用いて本実施形態の電動機の構成を説明する。

図１は本実施形態の電動機に用いられるステータの１相分（符号３：単相ステータ）の分解斜視図である。図１に示すように、上下コアは、磁性粉を圧縮して成形された圧粉コア２を対向したものが用いられ、これによって単相ステータを構成している。すなわち、本実施形態では、同一形状の圧粉コア２を対向配置することで１相分の上下コアを構成している。

圧粉コア２には爪型磁極２ａが複数形成されており、一方の圧粉コア２の爪型磁極２ａと他方の圧粉コア２の爪型磁極２ａとが互いに干渉しないように、上下コアが組み合わされる。したがって、本実施形態に示す例では、一側のコア２に１２の爪型磁極２ａが存在するため、上下コア合わせて２４の爪型磁極がステータの内周面に隣り合って配置されることになる。

これらの対向配置される圧粉コア２に挟まれてボビン１が挟持されている。ボビン１にはコイルが巻き回され、このコイルに電流を流すことによって電動機が回転する。また、ボビン１にはコア位置決め用の突起１ａを備えている。また、突起１ａの表面には凸部１ｂと凹部１ｃが設けられている。突起１ａ、凸部１ｂ及び凹部１ｃの作用効果については後述する。

図２は３相クローティース電動機の分解図である。ステータ１０は、図１に示す上下コア２、ボビン１及びコイルを３相積層したものであり、このステータ１０の中心に、シャフトとロータコアとマグネットを組み合わせて構成したロータ１１が挿入される。ステータ１０の両側はブラケットが配置され、図２ではステータ１０の両端面が、負荷側ブラケット１２ａと反負荷側ブラケット１２ｂとで挟まれている。ロータ１１はベアリング１３にて支持され、これらの積層構造を形成するため、貫通ねじ１４によって各構成が固定される。

図３は図２に示したステータ１０の断面を示す図であり、図４はステータ１０内部の３相分のステータ形状を示す外観斜視図である。図５は、図４の３相からなるステータ１０のうち、１相分の単相ステータ３を分解して示した図であり、２つの対向する圧粉コア２の間に、絶縁用ボビン１に銅線を巻き回して製作したコイル４を挟み込んでいることを示している。

また、圧粉コア２の外周側面には巻き線の引出し用凹部２ｃが設けられている。上下コアを組み合わせることによって、この引出し用凹部２ｃが開口部となり、ここから巻き線が引き出される。３相積層の際には、この巻き線引出し部も３箇所になるが、これらを近づけて配置することで、簡易な構成で電動機を構成することができる。具体的には、本実施形態では、ボビン１の突起１ａに凸部１ｂ及び凹部１ｃを設けており、隣接する単相ステータ３に設けられるボビンの凹部１ｃ及び凸部１ｂがそれぞれ係合することによって、３相の各コアに設けられる引出し用凹部２ｃの位置が近づけて配置できるようにしている。

また、引出し用凹部２ｃによって形成される開口部内には、ボビン１から巻き線の引出し部１ｄが位置し、この引出し部１ｄからコイルが引き出されることによって通電を可能としている。

なお、これらの構成から明らかなように、この引出し用凹部２ｃ及び引出し部１ｄも上下コア間及び相間コアの位置決めに寄与している。

図１〜図５に示すように、圧粉コア２に設けられた爪型磁極２ａは、ステータ１０の内周面、すなわち、ロータ１１と向かい合う部分に隣り合って配置され、コイル４に電流が流れることによって、互いに隣り合う磁極間に磁束が発生する。これによってロータ１１に回転力が生じて電動機として機能することになる。

図１に示すように、上下コアに磁性粉の成形体からなる圧粉コア２を対向したものが用いられ、圧粉コア２に設けられた爪型磁極２ａが隣り合って配置される。また、ボビン１はコア位置決め用の突起１ａを複数備えている。突起１ａは、ボビン１を挟む圧粉コア２に向かって上下両側に突出しており、この突起１ａが圧粉コア２の爪型磁極２ａの間に挿入される。なお、図１及び図５に示すように、上下両側に突出する突起１ａは、上下で互い違いに突出しており、後述する凹状２ｂ内への挿入が行いやすくなっている。

また、突起１ａには凸部１ｂと凹部１ｃが存在しており、これによって相間の位置決めが可能となっている。

圧粉コア２及びボビン１には円環形状のものを用い、図１に示すように、一方の圧粉コア２の爪型磁極２ａと他方の圧粉コア２の爪型磁極２ａとが互い違いに並ぶように、両コアが組み合わされる。このとき、上下コアが組み合わされた状態で互いに隣り合う爪型磁極２ａ間の距離をＬ４とする。

このように上下コアが組み合わされるため、ステータ１０の内周面を構成する爪型磁極２ａは、円周方向の幅Ｌ２が、爪型磁極２ａ間の距離Ｌ１よりも小さくなっている。

また、円環状の圧粉コア２は平面形状の基部２’において、爪型磁極２ａ間に凹状２ｂを備えている。この凹状２ｂは、図に示すとおり、爪型磁極２ａの間において、基部２’の円環面において凹み形状となっているものであり、基部２’の円環面に切り欠き等のような特別の凹凸形状を設けることなく形成される。

上下コアが組み合わされた状態では、他方の圧粉コア２の爪型磁極２ａの先端部が、凹状２ｂ内に位置するため、圧粉コア２の内周部における凹状２ｂの幅はＬ２よりも大となっている。また、この凹状２ｂの根元部には、ボビン１の突起１ａが挿入される。すなわち、凹状２ｂの底部と爪型磁極２ａの先端部との間にボビン１の突起１ａが位置することとなる。したがって、凹状２ｂの円周方向の幅Ｌ３は、圧粉コア２とボビン１とが組み合わされた状態でボビン１に設けられた突起１ａの幅Ｌ３と同じ幅となっている。

上記の構成を備えたことによって、ボビン１の突起１ａが圧粉コア２の凹状２ｂに挿入されて上下コアの位置決めがなされ、圧粉コア２が回転方向にずれることはない。また、突起１ａは内周側ではなく、各圧粉コア２側に突出しているため、ロータ１１側で隣り合う爪型磁極２ａの配置に影響を与えることはなく、隣り合う爪型磁極２ａ間の距離Ｌ４を所望の値に収めることができる。

また、爪型磁極２ａの先端部を、凹状２ｂ内に収めることによって、対向する圧粉コアの基部２’と干渉することなく、ロータ１１と向かい合う内周部に爪型磁極２ａを並べることができる。すなわち、爪型磁極２ａの先端部を、対向する圧粉コア２の基部２’の円環面まで延伸可能な構成となり、効果的な磁路形成が可能となる。

さらに、互いに対向する上下コアにおいては、隣り合う爪型磁極２ａ間で磁路が形成されるが、爪型磁極２ａの先端部と基部２’との間の距離Ｌ５を隣り合う爪型磁極２ａ間の距離Ｌ４よりも大きくするとともに、爪型磁極２ａの先端部と基部２’との間に絶縁材料からなるボビン１の突起１ａを位置させるため、磁束の漏れを抑制し、高効率な構成とすることができる。すなわち、互いに隣り合う爪型磁極間の距離Ｌ４が、爪型磁極２ａの先端部と凹状２ｂの底部（基部２’）との距離Ｌ５よりも小さいため、通電時に形成される磁束に及ぼす影響を低減できる。併せて、突起１ａの径方向の幅Ｌ６もＬ５とほぼ同一としているため、磁束漏れ低減に寄与している。

上記のように、ボビンを用いる場合には、ボビン１の両面にコア２と勘合するような突起１ａを設け、ボビン１とコア２を組み合わせることで、コア２を組み合わせて単相ステータを形成する際に、両者を必要な角度に位置決めすることができる。また、凹状２ｂ、突起１ａ、爪型磁極２ａの位置関係から、磁束の漏れの抑制が図られ、高効率化を図ることができる。

以上のように形成された一相分の単相ステータ（第一の単相ステータ）を三相分積層することで本実施形態の電動機が得られるが、次に、相間の位置決めについてより詳細に説明する。

ボビン１の突起１ａは圧粉コア２の基部２’の表面に向かって突出しており、上述したように、凸部１ｂが設けられている。この凸部１ｂは圧粉コア２の基部２’の表面よりもさらに突出し、図４に示すように一相分の単相ステータが形成された段階で、円環状のコア表面から凸部１ｂが突出した形状となる。一方、凹部１ｃが突起１ａの表面に設けられているため、一相分の単相ステータの表面には凹部１ｃが存在している。

また、第一の単相ステータと隣接して配置される単相ステータ（第二の単相ステータ）にも同様に、表面に凸部と凹部が存在する。したがって、隣接するコアの凸部と凹部を係合することによって、相間の位置決めが可能となる。

凸部及び凹部が形成される位置は、三相電流が流れることを考慮して各相が電気角で１２０度ずつずらされるように決定される。本実施形態では、機械的角度で所定角度だけずらして配置しているが、当該所定角度は、少なくとも第一の単相ステータの突起表面と、これと対向する第二の単相ステータの突起表面との関係で、凸部と凹部とが係合できる程度の範囲内としている。

本実施形態では、図５に示すように、ボビン１の設けられる突起１ａは、両面で互い違いに設けられる。また、突起１ａは前述のようにＬ３の幅を有しており、この幅の範囲内で凸部１ｂ及び凹部１ｃを設けられる。したがって、電気角１２０度をずらすための凸部１ｂ及び凹部１ｃの設置場所の自由度が高くなっている。加えて、相間コア及び上下コアの位置決めを圧粉コア２ではなくボビン１で全て行うことができ、個体ごとのバラツキも低減され、生産性の向上も図られる。

図６は、上述の実施例で示した電動機を用いた一例を示す図であり、この例ではＦＦＵを示している。電動機２０の回転軸にはファン２１が取り付けられており、フィルタ２３と共に筐体２２に収められて、ファンフィルタユニット（ＦＦＵ）を構成している。筐体２２は上方に開口部を有しており、ファン２１が回転することによって開口部から空気が取り込まれる。すなわち、ファン２１の回転によって図中の上部から空気が吸い込まれ、ファン２１の下方に取り付けられたフィルタ２３を通過する。

したがって、フィルタ２３を通過する際に空気がろ過され、フィルタ２３の下流側（図中の下部）へは清浄な空気として排出される。ＦＦＵの運転中はクリーンルーム内に塵埃等が除去された空気を供給し続け、クリーンルーム内を清浄に保つことができる。

本実施形態のＦＦＵは、クリーンルームの天井部に取り付けられるため、薄型化の要求が強い。ＦＦＵは、筐体２２にフィルタ２３、電動機２０、ファン２１が取り付けられるため、電動機２０の小型化を図ることにより、ＦＦＵとしても薄型化が可能となる。

ステータの１相分（単相ステータ）の分解斜視図。３相クローティース電動機の分解図。ステータの断面を示す図。ステータ内部の３相分のステータ形状を示す外観斜視図。３相からなるステータのうち、１相分を分解して示した図。本実施形態のＦＦＵの構造を示す図。

符号の説明

１…ボビン、１ａ…突起、１ｂ…凸部、１ｃ…凹部、１ｄ…引出し部、２…圧粉コア、２’…基部、２ａ…爪型磁極、２ｂ…凹状、２ｃ…引出し用凹部、３…単相ステータ、４…コイル、５…金型、５ａ…突起、１０…ステータ、１１…ロータ、１２…ブラケット、１３…ベアリング、１４…貫通ねじ、２０…電動機、２１…ファン、２２…ＦＦＵ筐体、２３…フィルタ。

Claims

円環形状の基部とこの基部から突出して周方向に複数形成される爪型磁極とを有する成形体を磁性粉を圧縮して成形し、この成形体が対向して配置される単相ステータを備え、一の成形体の爪型磁極の間に他の成形体の爪型磁極が位置するように構成した電動機において、
対向して配置される成形体の間であって前記爪型磁極よりも外周側に、コイルが巻き回されるボビンを備え、
前記ボビンは両面に複数の突起を備え、前記突起に凸部及び凹部を有し、
前記単相ステータは三相積層され、第一の単相ステータの凸部と、これと隣接する第二の単相ステータの凹部とが、係合することで位置決めされることを特徴とする電動機。
前記成形体は前記基部の内周側であって前記爪型磁極の間に複数の凹状を有し、前記突起が前記凹状内に位置する請求項１記載の電動機。
前記突起が前記ボビンの両側において互い違いに突出することを特徴とする請求項１または２に記載の電動機。
一の成形体における爪型磁極間の距離Ｌ１は前記爪型磁極の幅Ｌ２よりも大きく、前記成形体と前記ボビンとを組み合わせた状態で前記凹状の幅と前記突起の幅とが等しいことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の電動機。
前記突起は、前記凹状内で、前記凹状の底部と前記爪型磁極の先端部との間に位置し、
一の爪型磁極とこの爪型磁極と隣り合う爪型磁極との間の距離Ｌ４が、前記爪型磁極の先端部と前記凹状の底部との距離Ｌ５よりも小さいことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の電動機。
前記単相ステータ、前記ボビン及び前記コイルを３相分積層して組み立てられたステータと、前記ステータを挟むように取り付けられたブラケットと、前記ブラケットに設けられた軸受により支持され回転軸を中心に回転するロータとを有する請求項１〜５のいずれかに記載の電動機。