JP5367352B2 - コイル付きステータコア - Google Patents

Description

本発明は、モータ等の回転電機に用いられるステータコア及び該ステータコアにコイルを挿入してなるコイル付きステータコアに関する。

従来より、モータを小型化しつつ、能力をより高めるために、ステータコアに挿入されるコイルのコア端面から突出する部分（コイルエンド）をできるだけコンパクトにして、モータのトルク発生に寄与する磁束密度を増大させる種々の工夫がなされている。

このような工夫の一つとして、下記特許文献１には、複数の電磁鋼板を積層して構成されたステータコア（固定子）であって、ティースを構成する鉄心部の周方向に沿った幅が端面方向に向かうにつれて減少し、ティースの両肩部が丸みを帯びた形状のステータコアが提案されている。そして、このステータコアを用いると、巻線や巻線の絶縁被覆層が損傷してしまうことを防止しつつ、ステータコアと巻線渡り部との間に形成される空間を小さくして、モータのトルク発生に寄与する磁束密度を増大させることができると記載されている。

一方、下記特許文献２には、固定子コアのスロットに各相のコイルを波巻で挿入する多相回転機の固定子巻線方法において、前記各相のコイルを構成する導体を夫々複数に分けて分束コイルを形成し、これらの分束コイルを各相並行に順次前記スロットに挿入して成形することを特徴とする多相回転機の固定子巻線方法が開示されている。このような波巻でコイルが巻かれたモータは、ループ状のコイルを挿入した重ね巻のモータに比べて、インダクタンスが小さく、駆動電流の変化に対するモータの出力の応答性がよく、電流変動が小さいなどの利点があるとされている。

また、下記特許文献３、４には、上記のような波巻コイルをステータコアに挿入するコイル挿入装置が開示されている。コイル巻線及び挿入操作においても、波巻コイルは、複数極を同時に巻け、ループ状コイルどうしを連結するような渡り線がいらないという優れた特徴を有している。
特開２００５−３４８５５３号公報 特開平７−１６３０７４号公報 特許第２５１３３５１号公報 特許第２５４１３８１号公報

上記特許文献１に記載のステータコアにおいては、ティースの両肩部が丸みを帯びた形状をなすので、コイルとティースの両肩部との接触部における密着性は改善されるが、ステータコアの半径方向に重なり合うコイルエンドどうしをコンパクトな形状にすることは難しかった。特に、上記特許文献２〜４に記載されたような波巻のコイルを挿入する場合は、コイルエンドどうしのばらつきによって性能が低下するので、コイルエンドをステータコアに密着させて均一に形成することが要求されていた。

したがって、本発明の目的は、コイルエンドをよりコンパクトな形状にすることができるステータコア及び該ステータコアにコイルを挿入してなるコイル付きステータコアを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明のコイル付きステータコアは、複数の電磁鋼板を積層して形成された筒状壁部と、該筒状壁部の内周又は外周から所定間隔で突設された複数のティースと、これらのティースの間に形成されたスロットとを有するステータコアのスロット内周に絶縁層が設けられ、この絶縁層を介して前記スロットにコイルが挿入されたコイル付きステータコアにおいて、前記ステータコアは、前記ティースの両側端面角部及び前記スロットの奥方端面角部が、スロットの端面側開口部に向けて前記電磁鋼板の幅を徐々に減少させて積層することにより、曲面状又はテーパ状に面取りされた形状をなし、前記絶縁層は、前記ティースの両側端面角部及び前記スロットの奥方端面角部の曲面状又はテーパ状に面取りされた形状に沿って形成されており、前記コイルは、前記ステータコアの端面方向から見て、各コイルのコイルエンドが螺旋状に重なるように、前記スロットに挿入されていることを特徴とする。

上記発明によれば、ティースの両側端面角部だけでなく、スロットの奥方端面角部においても、曲面状又はテーパ状に面取りされた形状をなしているので、コイルエンドどうしがステータコアの半径方向に重なり合う場合、外側のコイルエンドをスロットの奥方端面角部に形成された曲面状又はテーパ状に面取りされた部分に沿って、ステータコアの端面に密着する状態で外方に寄せることができるので、コイルエンドをよりコンパクトな形状にすることができる。また、ステータコアの端面方向から見て、各コイルのコイルエンドが螺旋状に重なるように、スロットに挿入されているので、コイルエンドがよりコンパクトとなると共に、各相における特性のばらつきがなくなり、優れた特性のモータを作ることができる。

本発明のコイル付きステータコアの１つの態様においては、スロットの一方の端面から挿入されて他方の端面から挿出され、次いで極数に応じて定められる数だけ先のスロットの他方の端面から挿入されて一方の端面から挿出されることを繰り返すことにより、波形をなして進行する３相のコイルが、前記スロットに挿入されていることが好ましい。

上記態様によれば、いわゆる波巻のコイルを挿入することができるので、インダクタンスが小さいモータを得ることができる。

本発明のコイル付きステータコアの別の態様においては、前記コイルは、各極毎に形成されたループ状をなす３相のコイルからなり、各コイルの両側が所定のスロット間に挿入されていることが好ましい。

この態様においても、ステータコアが前述した形状をなすことにより、コイルエンドをコンパクトな形状にすることができる。

本発明の更に好ましい態様においては、前記コイルは、複数本の導線を並列させて進行するコイルからなる。

上記態様によれば、並列した複数本の導線を通して電流を流すことによって抵抗値を小さくすることができるので、比較的低電圧の電源でも、大電流を流すことによって高い出力を得ることができる。

本発明のステータコアによれば、ティースの両側端面角部だけでなく、スロットの奥方端面角部においても、曲面状又はテーパ状に面取りされた形状をなしているので、コイルエンドをよりコンパクトな形状にすることができる。

また、本発明のコイル付きステータコアによれば、コイルエンドがステータコアに密着してコンパクトとなるので、優れた特性のモータを製造することが可能となる。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。

図１〜５には、本発明によるステータコアの一実施形態が示されている。図１に示すように、このステータコア１０は、筒状をなす本体１１の内周に、複数、この実施形態の場合３６個のティース（歯）１２が形成され、これらのティース１２どうしの間には、コイルを挿入するためのスロット１３が形成されている。なお、図２におけるＳは、コイルが挿入される空間を示し、１５はコイルが挿入された後にティース１２どうしの内周側開口部を塞ぐようにスロット１３に挿入されるウェッジ（絶縁シート）を示している。

図２〜５に示すように、このステータコア１０は、複数枚の電磁鋼板１４を積層して形成されている。この場合、ティース１２の両側端面角部１２ａにおいては、スロット１３の端面側開口部に向けて前記電磁鋼板１４の幅を徐々に減少させて積層することにより、曲面状又はテーパ状に面取りされた形状をなしている（図３参照）。

また、スロット１３の奥方端面角部１１ａにおいても、スロット１３の端面側開口部に向けて前記電磁鋼板１４の半径方向の幅を徐々に減少させて積層することにより、同じく曲面状又はテーパ状に面取りされた形状をなしている（図４参照）。

その結果、スロット１３の端面側開口部内周は、ティース１２の両側端面角部１２ａ及びスロット１３の奥方端面角部１１ａのいずれの箇所も、曲面状又はテーパ状に面取りされた形状をなしている（図５参照）。

図６〜８には、上記ステータコア１０に３相の波巻コイルＣＵ、ＣＶ、ＣＷを挿入してなる、本発明のコイル付きステータコアの一実施形態が示されている。なお、図６において、各スロットに付された番号は、便宜的に付与したスロットの順番を示す番号である。本明細書中では、各部材を示す番号と混同しないように、上記スロットの番号を括弧書きで記載することとする。

なお、ステータコア１０のスロット１３の内周面には、図示しない絶縁層が予め形成される。この絶縁層としては、絶縁性のある樹脂材料からなる塗料を塗布して形成した絶縁塗膜や、スロット１３の内周面及びティース１２の軸方向端面を覆うように被せられた樹脂製又は紙製の絶縁カバーなどを使用することができる。ただし、ティース１２の両側端面角部１２ａ及びスロット１３の奥方端面角部１１ａに形成された曲面状又はテーパ状に面取りされた形状に沿って、絶縁層が形成されることが好ましい。

また、この実施形態では、波巻コイルＣＵ，ＣＶ，ＣＷとして、複数本の導線を並列させて巻いたコイル（パラ巻コイル）が使用されている。

そして、このコイル付きステータコア２０においては、図６に示すように、例えばＵ相のコイルを形成する波巻コイルＣＵは、スロット（３３）の一方の端面（図６の紙面に対して裏側方向に位置する端面）から挿入され、他方の端面（図６の紙面に対して表側方向に位置する端面）から挿出された後、３つ先のスロット（３６）の他方の端面から挿入され、一方の端面から挿出される。更に、３つ先のスロット（３）の一方の端面から挿入され、他方の端面から挿出され、このように３つずつ先のスロットに順次挿入されて、最後にスロット（３０）の一方の端面から取出される。

同様に、Ｖ相のコイルを形成する波巻コイルＣＶは、スロット（３５）の一方の端面から挿入され他方の端面から挿出された後、３つ先のスロット（２）の他方の端面から挿入され、一方の端面から挿出される。更に、３つ先のスロット（５）の一方の端面から挿入され、他方の端面から挿出され、このように３つずつ先のスロットに順次挿入されて、最後にスロット（３２）の一方の端面から取出される。

同様に、Ｗ相のコイルを形成する波巻コイルＣＷは、スロット（１）の一方の端面から挿入され他方の端面から挿出された後、３つ先のスロット（４）の他方の端面から挿入され、一方の端面から挿出される。波巻コイルＣＷは、更に３つ先のスロット（７）の一方の端面から挿入され、他方の端面から挿出され、このように３つずつ先のスロットに順次挿入されて、最後にスロット（３４）の一方の端面から取出される。

そして、本発明においては、上記波巻コイルＣＵ，ＣＶ，ＣＷのステータコア１０の両端面から突出するコイルエンドの形状が、図６，７に示すように、螺旋状に重なるように形成されている。すなわち、例えば図６の紙面側の端面から見たとき、波巻コイルＣＵが所定のスロットから挿出されるとき、波巻コイルＣＶのコイルエンドの外周側から引出され、３つ先のスロットに挿入されるとき、波巻コイルＣＷのコイルエンドの内周側に挿入される。同様に、波巻コイルＣＶが所定のスロットから挿出されるとき、波巻コイルＣＷのコイルエンドの外周側から引出され、３つ先のスロットに挿入されるとき、波巻コイルＣＵのコイルエンドの内周側に挿入される。同様に、波巻コイルＣＷが所定のスロットから挿出されるとき、波巻コイルＣＵのコイルエンドの外周側から引出され、３つ先のスロットに挿入されるとき、波巻コイルＣＶのコイルエンドの内周側に挿入される。

なお、この実施形態では、各波巻コイルＣＵ，ＣＶ，ＣＷが、３つずつ先のスロットに順次挿入されるようになっているが、いくつ先のスロットに挿入するかは、極数に応じて設定されることとなり、例えば２層６極モータの場合には、５つずつ先のスロットに順次挿入されることになる。

こうして螺旋状をなす各相の波巻コイルＣＵ，ＣＶ，ＣＷのコイルエンドは、図６〜８に示すように、それぞれ外径側に寄せられ、しかもステータコア１０の端面にできるだけ密接するように成形される。このとき、本発明では、前述したように、ティース１２の両側端面角部１２ａ及びスロット１３の奥方端面角部１１ａが曲面状又はテーパ状に面取りされた形状をなしているので、コイルが上記角部１２ａ，１１ａに接触して損傷することが防止され、かつ、コイルエンドがステータコア１０の端面に、より密接するように成形することができる。

なお、ティース１２の両側端面角部１２ａ及びスロット１３の奥方端面角部１１ａが曲面状又はテーパ状に面取りされた形状をなしているので、ステータコア１０のスロットに挿入する際のコイルのループも比較的短くすることができ、それによってコイルエンドがステータコア１０の端面により密接する。

そして、各相のコイルのコイルエンドが、ステータコアの端面方向から見て螺旋状に重なるように、スロット１３に挿入されているので、コイルエンドがよりコンパクトになると共に、各相における特性のばらつきが少なくなり、優れた特性のモータを作ることができる。

こうして得られたコイル付きステータコア２０を用いたモータ、発電機等の回転電機は、コイルエンドにおける磁気損失が少なくなり、優れた性能を発揮する。

図９、１０には、本発明によるステータコアの他の実施形態が示されている。なお、前記実施形態と実質的に同一部分には、同符号を付してその説明を簡略化することとする。

図９に示すように、この実施形態のステータコア１０ａは、本体１１の外周に、この実施形態の場合３６個のティース１２が形成され、これらのティース１２どうしの間には、コイルを挿入するためのスロット１３が形成されている。

図１０に示すように、このステータコア１０ａは、前記実施形態と同様に、複数枚の電磁鋼板１４を積層して形成されている。この場合、ティース１２の両側端面角部１２ａにおいては、スロット１３の端面側開口部に向けて前記電磁鋼板１４の幅を徐々に減少させて積層することにより、曲面状又はテーパ状に面取りされた形状をなしている。

また、スロット１３の奥方端面角部１１ａにおいても、スロット１３の端面側開口部に向けて前記電磁鋼板１４の半径方向の幅を徐々に減少させて積層することにより、同じく曲面状又はテーパ状に面取りされた形状をなしている。

その結果、スロット１３の端面側開口部内周は、ティース１２の両側端面角部１２ａ及びスロット１３の奥方端面角部１１ａのいずれの箇所も、曲面状又はテーパ状に面取りされた形状をなしている。

図１１には、上記ステータコア１０ａに３相の波巻コイルＣＵ、ＣＶ、ＣＷを挿入してなる、本発明のコイル付きステータコアの他の実施形態が示されている。なお、図１１において、各スロットに付された番号は、便宜的に付与したスロットの順番を示す番号である。本明細書中では、各部材を示す番号と混同しないように、上記スロットの番号を括弧書きで記載することとする。

なお、ステータコア１０ａのスロット１３の内周面には、前記実施形態と同様に、図示しない絶縁層が予め形成される。この絶縁層としては、前述した絶縁塗膜や、樹脂製又は紙製の絶縁カバーなどを使用することができる。また、ティース１２の両側端面角部１２ａ及びスロット１３の奥方端面角部１１ａに形成された曲面状又はテーパ状に面取りされた形状に沿って、絶縁層が形成されることが好ましい。

そして、このコイル付きステータコア２０においては、図１１に示すように、例えばＵ相のコイルを形成する波巻コイルＣＵは、スロット（３３）の一方の端面（図１１の紙面に対して裏側方向に位置する端面）から挿入され、他方の端面（図１１の紙面に対して表側方向に位置する端面）から挿出された後、３つ先のスロット（３６）の他方の端面から挿入され、一方の端面から挿出される。更に、３つ先のスロット（３）の一方の端面から挿入され、他方の端面から挿出され、このように３つずつ先のスロットに順次挿入されて、最後にスロット（３０）の一方の端面から取出される。

同様に、Ｖ相のコイルを形成する波巻コイルＣＶは、スロット（３５）の一方の端面から挿入され他方の端面から挿出された後、３つ先のスロット（２）の他方の端面から挿入され、一方の端面から挿出される。更に、３つ先のスロット（５）の一方の端面から挿入され、他方の端面から挿出され、このように３つずつ先のスロットに順次挿入されて、最後にスロット（３２）の一方の端面から取出される。

同様に、Ｗ相のコイルを形成する波巻コイルＣＷは、スロット（１）の一方の端面から挿入され他方の端面から挿出された後、３つ先のスロット（４）の他方の端面から挿入され、一方の端面から挿出される。波巻コイルＣＷは、更に３つ先のスロット（７）の一方の端面から挿入され、他方の端面から挿出され、このように３つずつ先のスロットに順次挿入されて、最後にスロット（３４）の一方の端面から取出される。

そして、本発明においては、上記波巻コイルＣＵ，ＣＶ，ＣＷのステータコア１０ａの両端面から突出するコイルエンドの形状が、図１１に示すように、螺旋状に重なるように形成されている。すなわち、例えば図１１の紙面側の端面から見たとき、波巻コイルＣＵが所定のスロットから挿出されるとき、波巻コイルＣＷのコイルエンドの内周側から引出され、３つ先のスロットに挿入されるとき、波巻コイルＣＶのコイルエンドの外周側に挿入される。同様に、波巻コイルＣＶが所定のスロットから挿出されるとき、波巻コイルＣＵのコイルエンドの内周側から引出され、３つ先のスロットに挿入されるとき、波巻コイルＣＷのコイルエンドの外周側に挿入される。同様に、波巻コイルＣＷが所定のスロットから挿出されるとき、波巻コイルＣＶのコイルエンドの内周側から引出され、３つ先のスロットに挿入されるとき、波巻コイルＣＵのコイルエンドの外周側に挿入される。

なお、各波巻コイルＣＵ，ＣＶ，ＣＷをいくつ先のスロットに順次挿入するかは、前述したように、極数に応じて定められる。

こうして螺旋状をなす各相の波巻コイルＣＵ，ＣＶ，ＣＷのコイルエンドは、図１１に示すように、それぞれ外径側に寄せられ、しかもステータコア１０の端面にできるだけ密接するように成形される。このとき、本発明では、前述したように、ティース１２の両側端面角部１２ａ及びスロット１３の奥方端面角部１１ａが曲面状又はテーパ状に面取りされた形状をなしているので、コイルが上記角部１２ａ，１１ａに接触して損傷することが防止され、かつ、コイルエンドがステータコア１０の端面に、より密接するように成形することができる。

なお、ティース１２の両側端面角部１２ａ及びスロット１３の奥方端面角部１１ａが曲面状又はテーパ状に面取りされた形状をなしているので、ステータコア１０のスロットに挿入する際のコイルのループも比較的短くすることができ、それによってコイルエンドがステータコア１０の端面により密接する。

こうして得られたコイル付きステータコア２０ａを用いたモータ、発電機等の回転電機は、コイルエンドにおける磁気損失が少なくなり、優れた性能を発揮する。

図６〜１１に示した上記各実施形態は、波巻コイルに適用されたものであるが、本発明のステータコアは、通常のループ巻きコイルにも適用することができる。以下の各実施形態における図１〜５に示したステータコアと同様であるのでその説明を省略し、ループ巻きコイルを挿入した状態だけを説明することにする。

図１２に示すコイル付きステータコアは、図１〜５に示したステータコア１０に、ループ巻きされた三相コイルを通常の方法で挿入したものである。図１２において、Ｕ１〜Ｕ６はＵ相のコイル、Ｗ１〜Ｗ６はＷ相のコイル、Ｖ１〜Ｖ６はＶ相のコイルを表し、半径方向に見て、Ｕ相のコイルは外周に、Ｗ相のコイルは中間にＶ相のコイルは内周に配置されている。

このようなループ巻きされたコイルを通常の方法で挿入した場合でも、ステータコア１０として、図１〜５に示したものを用いることにより、コイルエンドがステータコアに密着してコンパクトとなり、各相のコイルエンドの配置がほぼ完全に均一となるので、優れた特性のモータを製造することが可能となる。

図１３，１４に示すコイル付きステータコアは、図１〜５に示したステータコア１０に、ループ巻きされた三相コイルを、コイルエンドが螺旋状に重なるように挿入したものである。

図１３に示すように、各スロット１３には、半径方向外方（奥方）と半径方向内方（手前）とに、それぞれ別のコイルの一側が挿入されている。例えば、１つのスロット１３ａには「Ｕ１Ｕ１２」と記載されているが、これは半径方向外方にＵ１のコイルの一側が挿入され、半径方向内方にＵ１２のコイルの一側が挿入されていることを意味している。そして、例えばＵ１のコイルについて見ると、Ｕ１のコイルの他側は、上記スロット１３ａに対して５つ離れたスロット１３ｂに「Ｖ２Ｕ１」として、すなわち該スロットの半径方向内方に挿入されている。このように、各コイルは、その一側をいずれかのスロット１３の半径方向外方に挿入され、他側をそれより５つ離れたスロットの半径方向内方に挿入されている。こうして、Ｕ相としてＵ１〜Ｕ１２、Ｖ相としてＶ１〜Ｖ１２、Ｗ相としてＷ１〜Ｗ１２のそれぞれ１２個ずつのコイルが挿入されている。

そして、各コイルのコイルエンドは、図１４に示すように、互いに螺旋状に重なるように形成されている。このコイル付きステータコアにおいても、ステータコア１０として、図１〜５に示したものを用いることにより、コイルエンドがステータコアに密着してコンパクトとなり、優れた特性のモータを製造することが可能となる。

本発明によるステータコアの一実施形態を示す平面図である。 同ステータコアの部分拡大平面図である。 図２におけるIII-III矢示線に沿った断面図である。 図４におけるIV-IV矢示線に沿った断面図である。 同ステータコアの部分拡大斜視図である。 本発明によるコイル付きステータコアの一実施形態を示す模式平面図である。 同コイル付きステータコアの斜視図である。 同コイル付きステータコアの正面図である。 本発明によるステータコアの他の実施形態を示す平面図である。 同ステータコアの部分拡大平面図である。 本発明によるコイル付きステータコアの他の実施形態を示す模式平面図である。 本発明によるコイル付きステータコアの他の実施形態を示す平面図である。 本発明によるコイル付きステータコアの他の実施形態を示す平面から見た説明図である。 同コイル付きステータコアの平面図である。

符号の説明

１０，１０ａ ステータコア
１１ 本体
１１ａ スロットの奥方端面角部
１２ ティース
１２ａ ティース１２の両側端面角部
１３ スロット
１４ 電磁鋼板
２０，２０ａ コイル付きステータコア
ＣＵ Ｕ相の波巻コイル
ＣＶ Ｖ相の波巻コイル
ＣＷ Ｗ相の波巻コイル
Ｕ１〜Ｕ１２ Ｕ相のコイル
Ｖ１〜Ｖ１２ Ｖ相のコイル
Ｗ１〜Ｗ１２ Ｗ相のコイル

Claims (4)

1. 複数の電磁鋼板を積層して形成された筒状壁部と、該筒状壁部の内周又は外周から所定間隔で突設された複数のティースと、これらのティースの間に形成されたスロットとを有するステータコアのスロット内周に絶縁層が設けられ、この絶縁層を介して前記スロットにコイルが挿入されたコイル付きステータコアにおいて、
   前記ステータコアは、前記ティースの両側端面角部及び前記スロットの奥方端面角部が、スロットの端面側開口部に向けて前記電磁鋼板の幅を徐々に減少させて積層することにより、曲面状又はテーパ状に面取りされた形状をなし、
   前記絶縁層は、前記ティースの両側端面角部及び前記スロットの奥方端面角部の曲面状又はテーパ状に面取りされた形状に沿って形成されており、
   前記コイルは、前記ステータコアの端面方向から見て、各コイルのコイルエンドが螺旋状に重なるように、前記スロットに挿入されていることを特徴とするコイル付きステータコア。
2. スロットの一方の端面から挿入されて他方の端面から挿出され、次いで極数に応じて定められる数だけ先のスロットの他方の端面から挿入されて一方の端面から挿出されることを繰り返すことにより、波形をなして進行する３相のコイルが、前記スロットに挿入されている請求項１記載のコイル付きステータコア。
3. 前記コイルは、各極毎に形成されたループ状をなす３相のコイルからなり、各コイルの両側が所定のスロット間に挿入されている請求項１記載のコイル付きステータコア。
4. 前記コイルは、複数本の導線を並列させて進行するコイルからなる請求項１〜３のいずれか１つに記載のコイル付きステータコア。