JP5376028B1 - ステータ及び回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】隣り合うティース間の限られたスペースの中でコイルの占積率を向上させることのできるステータ及び回転電機を提供することを例示的課題とする。
【解決手段】ステータ４は、略円環状の外コア７と、外コア７の内側に配置される内コア８と、を有するステータコアＳ、及び、周囲に巻線９が巻回される筒体部１４と、その筒体部１４から立ち上がるように形成され、複数の屈曲部１５ａ〜１５ｃとエッジ部１５ｄとを有する鍔部１５と、を有するボビン１１、を有する。
【選択図】図３

Description

本発明は、ステータ及び回転電機に関する。

従来、電動機等の回転電機に用いられるステータには、複数のティースが設けられている。複数のティースには、各々巻線が巻回されたボビンが挿入される。ボビンへの巻線の巻回数（巻線数、ターン数ともいう。）を増やし、占積率を増加させることは、回転電機の特性向上に寄与する。例えば、平角状断面を持つ被覆電線を逆方向に巻いたコイルを２つ重ねて一組とすることで、占積率の向上を図った提案がされている（例えば、特許文献１を参照。）。

特開２００４−７２８２４号公報

ボビンに巻回された巻線は、隣り合うティース間のスペースに配置される。すなわち、隣り合うティース間のスペースが、巻線用のスペースとなる。近年では、ステータのスロット数を増大させた回転電機がある。スロット数が増大すると、隣接するティース間のスペースが小さくなる。その結果、巻線用のスペースが小さくなり、占積率を増大させることが難しくなる。

しかしながら、回転電機の特性向上のためには、占積率を増大させる必要がある。限られたスペースの中で、多くの巻線を配置することが望ましい。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、隣り合うティース間の限られたスペースの中でコイルの占積率を向上させることのできるステータ及び回転電機を提供することを例示的課題とする。

上記の課題を解決するために、本発明の例示的側面としてのステータは、略円環状の外コアと、外コアの内側に配置される内コアと、を有するステータコア、及び、周囲に巻線が巻回される筒体部と、その筒体部から立ち上がるように形成され、複数の屈曲部と自由端部とを有する鍔部と、を有するボビン、を有する。

内コアは、外コアの円中心から外側に向けて等ピッチで放射状に突出すると共にその外側端部が外コアの内周面に当接するティースを有し、筒体部は、鍔部が外向きとなるようにティースに挿入され、複数の屈曲部は、筒体部と鍔部との間に形成された第１屈曲部と、第１屈曲部より自由端部側に形成された第２屈曲部とを含み、外コアの内周面に、内側に突出する突起が形成され、突起が、ティースの外側端部の両側であって、ボビンの第１屈曲部と第２屈曲部との間に位置していてもよい。

第２屈曲部は、外コアに向かって屈曲していてもよい。

第２屈曲部におけるボビンの肉厚は、第１屈曲部におけるボビンの肉厚と略同じであってもよい。

鍔部には、第２屈曲部よりも自由端部側に第３屈曲部が形成されていてもよい。

第３屈曲部の屈曲方向は、第２屈曲部の屈曲方向と逆方向であってもよい。

第３屈曲部におけるボビンの肉厚は、第１屈曲部におけるボビンの肉厚と略同じであってもよい。

ボビンは、第３屈曲部よりも自由端部側において、ティースの外側端部よりも外コアの円中心から遠い側に位置していてもよい。

本発明の他の例示的側面としての回転電機は、上記のステータと、外コアの外側又は内コアの内側に配置され、円中心回りに回転可能なロータと、を有する。

本発明の更なる目的又はその他の特徴は、以下添付図面を参照して説明される好ましい実施の形態によって明らかにされるであろう。

本発明によれば、隣り合うティース間の限られたスペースの中でコイルの占積率を向上させることができる。その結果、回転電機の特性を向上させることができる。

実施形態１に係るモータの分解斜視図である。 図１に示すステータの軸直交平面による断面図である。 図２に示すステータの部分拡大断面図である。 外コアと内コアとを同一の板金材料からプレスする際の両者の位置関係を説明する説明図である。 従来のステータの軸直交平面による部分拡大断面図である。 従来の外コアと内コアとを同一の板金材料からプレスする際の両者の位置関係を説明する説明図である。

以下、実施形態に係る回転電機の一種としてのモータ（電動機）１につき図面を用いて説明する。図１は、実施形態に係るモータ１の分解斜視図である。このモータ１は、インナーロータ型のモータである。また、ロータ３に界磁としての永久磁石が用いられている。モータ１は、モータケース２、ロータ（回転子、インナーロータ）３、ベアリング１２、ステータ（固定子、アウタステータ）４を有している。

モータケース２は、モータ１の外郭をなすケーシングであり、その上面に貫通孔２ａが開口されている。モータケース２内には、界磁としてのロータ３が配置されている。ロータ３は、シャフト５とロータコア６とを有している。モータケース２とロータ３との間に、ベアリング１２が配置されている。ロータ３は、交互に異極となるように列状に配置された複数個の永久磁石を有している。複数個の永久磁石は、ロータ３の円周面に沿って周状に配置されている。

シャフト５がベアリング１２の中心孔とモータケース２の貫通孔２ａとを貫通している。モータケース２にベアリング１２の外輪が連結され、ロータ３のシャフト５にベアリング１２の内輪が連結されることにより、ロータ３全体が、モータケース２に対してシャフト５の中心軸Ｘ回りに図中矢印α方向に回転可能とされている。シャフト５の中心軸Ｘは、平面視において、後述する外コア７の円中心と同じ位置である。したがって、平面視において、外コア７の円中心を中心軸と同じ符号Ｘで表す。

ベアリング１２がモータケース２やロータ３に結合されておらず、モータケース２とロータ３とでベアリング１２を挟み込むように構成されていてもよい。ロータ３の下方には、モータケース２の下面側を覆う下カバー１３が配置されている。ロータ３と下カバー１３との間にもベアリング１２が配置され、ロータ３を回転可能に支持している。

なお、本明細書内では、便宜的に、図１における上下方向をモータ１における上下方向と定義し、上面、下面等の名称を用いる。しかしながら、モータの使用姿勢に応じて上下方向は図１における上下方向に限定されないのはもちろんである。

モータケース２内部には、ロータ３の外側にロータ３を囲むように電機子としてのステータ４が配置されている。図２は、ステータ４の軸直交平面による断面図である。ステータ４は、全体として軸直交平面（中心軸Ｘを法線方向とする平面）による断面が円形状である。ステータ４は、ステータコアＳと複数のボビン１１とを有している。ステータコアＳは、外コア７と内コア８とを有して構成される。複数のボビン１１には、各々巻線（コイル）９が巻回され、電機子コイルを構成している。

外コア７は金属製の円環状部材であり、内コア８の外側を保持する。内コア８は、磁性材料で形成され、放射状に延びるティース１０を複数有している。なお、本実施形態では、外コア７と内コア８とは、同一の板金材料（磁性金属）からプレスにより型抜きされたものを、各々厚さ方向に積層して構成されている。ティース１０は、円周状に等ピッチで配置され、隣接するティース１０同士がその根元部分（円中心Ｘに近い側）で繋がっており、そこから外側に向けて突出している。内コア８は、ロータ３の永久磁石と一定の磁気的空隙を確保するように、ロータ３の周囲に配置されている。

ティース１０を囲むように、巻線９が巻回されている。具体的には、筒状のボビン１１に巻線９が巻回され、そのボビン１１がティース１０に挿入されている。このステータ４では、２４個のボビン１１が２４本のティース１０に各々挿入されて円周状に配置されている。したがって、隣接するティース１０同士の角度ピッチは、１５°である。

各々の巻線９は、２相、３相又はそれ以上の各相に対応する交流電源に接続されている。各相に異なる位相の電流が通電されると、電磁誘導作用によってロータ３が回転する。この実施形態では、隣接する２個ずつの巻線９が、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３相の交流電源に接続されている。

図３は、ステータ４の部分拡大断面図である。図３は、ティース１０近傍の軸直交平面による断面図であり、ティース１０にボビン１１が挿入された状態を示している。ボビン１１に巻線９が巻回され、そのボビン１１がティース１０に外側から挿入される。ボビン１１の挿入後に、外コア７に対して内コア８が焼き嵌めにより挿入され、外コア７の内側に内コア８が配置される。

外コア７の内周面には、当接面７ｂが形成されている。当接面７ｂは、内コア８のティース１０の先端（外側端部）１０ａが当接する面である。当接面７ｂの周方向両側には突起７ａが形成されている。突起７ａは、当接面７ｂよりも内周側に突出しており、ティース１０の左右両側に位置する。突起７ａは、ティース１０に挿入されたボビン１１の第１屈曲部１５ａと第２屈曲部１５ｂとの間に位置している。突起７ａは、外コア７と内コア８との相対的な周方向の回転を規制している。

外コア７の内周面には、退避面７ｃが形成されている。退避面７ｃは、突起７ａから見て当接面７ｂと反対側に位置している。退避面７ｃは、外コア７の半径方向において、当接面７ｂよりも外側（円中心Ｘから遠い側）に位置している。退避面７ｃが半径方向の外側に退避しているので、退避面７ｃとボビン１１の鍔部１５（特に、第３屈曲部１５ｃ及びエッジ部１５ｄ）との干渉が防止されている。退避面７ｃとティース１０の側面とで囲まれた空間部分にボビン１１及び巻線９が位置する。

後述するように、本実施形態では、外コア７と内コア８とは同一材料からのプレスにより形成される。プレス工程に際しては、ティース１０の先端１０ａと退避面７ｃとが対向している。したがって、退避面７ｃは、外コア７の半径方向において、先端１０ａよりも外側（円中心Ｘから遠い側）に位置している。退避面７ｃの周方向に沿った長さ（Ｌ７）は、ティース１０の周方向に沿った幅（すなわち、先端１０ａの周方向に沿った長さ）Ｌ１０以上の長さである。

ボビン１１は、全体的に四角筒形状又は円筒形状を呈しており、樹脂成形により形成されている。その中空内部がティース１０に挿入されるようになっている。図３は、ボビン１１の略中央を通る軸直交平面で切断している。ボビン１１は、筒体部１４と鍔部１５とを有している。筒体部１４は、ボビン１１の本体部分であり、巻線９が巻回される部分である。筒体部１４の中空内部をティース１０が貫通する。

鍔部１５は、筒体部１４の外側に位置し、筒体部１４から立ち上がるように形成されている。鍔部１５は、巻線９の側方を支持して積層状態の巻線９が崩れないようにしている。鍔部１５は、複数（本実施の形態では３つ）の屈曲部１５ａ〜１５ｃとエッジ部（自由端部）１５ｄとを有する。

第１屈曲部１５ａは、筒体部１４と鍔部１５との間に形成されている。すなわち、筒体部１４と鍔部１５との接続部分が第１屈曲部１５ａである。第１屈曲部１５ａにおいては、筒体部１４と鍔部１５とが略９０°に屈曲しており、鍔部１５が外コア７の略周方向に沿って延びている。第１屈曲部１５ａは、筒体部１４が挿入されたティース１０から鍔部１５が遠ざかる方向に屈曲している。

第２屈曲部１５ｂは、第１屈曲部１５ａよりも鍔部１５の先端（終端）であるエッジ部１５ｄ側に形成されている。第２屈曲部１５ｂは、それよりエッジ部１５ｄ側の鍔部１５を外周側（すなわち、円中心Ｘから遠ざかる方向）に向けるように、すなわち外コア７に向かって屈曲しており、屈曲方向が第１屈曲部１５ａと逆向きである。第２屈曲部１５ｂが鍔部１５を外周側に向けて屈曲しているので、ボビン１１の巻線スペースが増大する。したがって、より多くの巻線９をボビン１１に巻回することができる。

外コア７の突起７ａは、第１屈曲部１５ａと第２屈曲部１５ｂとの間に位置しており、ボビン１１の鍔部１５に対向している。つまり、鍔部１５は、第１屈曲部１５ａで屈曲することにより突起７ａとの干渉を避け、第２屈曲部１５ｂで屈曲することにより、巻線スペースの増大を図っている。

第３屈曲部１５ｃは、第２屈曲部１５ｂよりも鍔部１５の先端（終端）であるエッジ部１５ｄ側に形成されている。第３屈曲部１５ｃは、それよりエッジ部１５ｄ側の鍔部１５が周方向に沿う方向となるように、すなわち外コア７の内周に沿う方向に屈曲しており、屈曲方向が第２屈曲部１５ｂと逆向きである。第３屈曲部１５ｃが鍔部１５を周方向に沿うように屈曲しているので、第２屈曲部１５ｂによる巻線スペース増大の効果を得つつ、ボビン１１の小型化を実現している。ステータ４の半径方向にボビン１１が大型化することが抑制されているので、ステータ４の半径方向サイズの小型化が図られている。

ボビン１１においては、鍔部１５全体としての肉厚が略均等肉厚とされている。すなわち、第１屈曲部１５ａ、第２屈曲部１５ｂ、第３屈曲部１５ｃにおける肉厚、第１屈曲部１５ａ−第２屈曲部１５ｂ間における肉厚、第２屈曲部１５ｂ−第３屈曲部１５ｃ間における肉厚、第３屈曲部１５ｃ−エッジ部１５ｄ間における肉厚が略一定である。したがって、鍔部１５の外コア７側に対向する面の屈曲形状と巻線９側に対向する屈曲形状とが略同じである。肉厚を一定とすることにより、ボビン１１の成形を良好とすることができる。肉厚を略均一として第１屈曲部１５ａ、第２屈曲部１５ｂ、第３屈曲部１５ｃを形成することにより、突起７ａとの干渉を避けつつ巻線スペースを増大し、ボビン１１全体の小型化を実現している。

＜外コアと内コアのプレス加工＞
図４は、外コア７と内コア８とを同一の板金材料Ｐからプレスする際の両者の位置関係を説明する説明図である。図４中のハッチング部分が、プレスの型抜きによって除去される部分である。板金材料Ｐからプレスする際には、内コア８のティース１０と外コア７の退避面７ｃとが対向する配置となっている。つまり、ステータ４における外コア７と内コア８との位置関係と、板金材料Ｐからプレスする際の外コア７と内コア８との位置関係とは、円中心Ｘを回転中心として７．５°ずれている。

板金材料Ｐから外コア７や内コア８をプレスにより型抜きする場合、一定幅以上の抜き代Ｃが必要となる。抜き代Ｃは、打抜き刃としてのプレス型の厚さに相当する寸法である。ステータ４における外コア７と内コア８との位置関係と同様に、ティース１０と当接面７ｂとを対向させた状態で、板金材料Ｐから両コア７，８をプレスすると、ティース１０の長さが抜き代Ｃの分短くなってしまう。そうすると、焼き嵌めによってティース１０と当接面７ｂとを当接させることができない。

退避面７ｃとティース１０とを対向させてプレスすることにより、抜き代Ｃがあってもティース１０の先端１０ａの半径方向位置を当接面７ｂの半径方向位置と略一致させることができる。退避面７ｃの半径方向位置は、ティース１０の先端１０ａよりも少なくとも抜き代Ｃの分、円中心Ｘから遠ざかる。ティース１０の先端１０ａの周方向寸法Ｌ１０は、外コア７の２つの突起７ａに挟まれた退避面７ｃの周方向寸法Ｌ７以下である。

＜従来のステータ＞
図５は、従来のステータ４０の軸直交平面による部分拡大断面図である。このステータ４０では、ティース１００の個数（スロット数）が９個である。したがって、隣接するティース１００同士の角度ピッチは４０°である。

外コア７０の内周面には、当接面７０ｂが形成され、当接面７０ｂの左右両側に突起７０ａが配置されている。突起７０ａから見て当接面７０ｂの反対側には略周方向に沿って延びる退避面７０ｃが形成されている。退避面７０ｃは、当接面７０ｂよりも円中心Ｘから遠くに位置している。突起７０ａと退避面７０ｃとは、なだらかに傾斜する傾斜面７０ｄによって接続されている。

ティース１００には、ボビン１１０が挿入されている。ボビン１１０は筒体部１４０と鍔部１５０との接続部において第１屈曲部１５０ａを有している。鍔部１５０は、第２屈曲部や第３屈曲部を有していない。第１屈曲部１５０ａからエッジ部１５０ｄまでは、外コア７０の傾斜面７０ｄに沿って略直線状とされている。

図６は、従来の外コア７０と内コア８０とを同一の板金材料Ｐからプレスする際の両者の位置関係を説明する説明図である。図６中のハッチング部分が、プレスの型抜きによって除去される部分である。板金材料Ｐからプレスする際には、内コア８０のティース１００と外コア７０の退避面７０ｃとが対向する配置となっている。つまり、ステータ４０における外コア７０と内コア８０との位置関係と、板金材料Ｐからプレスする際の外コア７０と内コア８０との位置関係とは、円中心Ｘを回転中心として２０°ずれている。

従来のステータ４０では、ティース１００同士の角度ピッチが４０°と比較的大きい。したがって、突起７０ａと退避面７０ｃとを傾斜面７０ｄで接続しても、退避面７０ｃの周方向長さを比較的長い寸法とすることができる。ティース１００の周方向における幅は、当接面７０ｂの周方向長さと略同じであり、また、ティース１００の先端１００ａの半径方向位置は当接面７０ｂの半径方向位置と略同じである。プレス型の抜き代を考慮すると、ティース１００の周方向の幅Ｌ１００は、図６中に示すように、２つの傾斜面７０ｄの途中部分（この途中部分は、当接面７０ｂの半径方向位置に対応している。）同士を結ぶ周長である。

スロット数を増加させると、傾斜面７０ｄの傾斜角度が一定である場合は、退避面７０ｃの周方向長さを短縮する必要がある。すると、ティース１００の周方向の幅Ｌ１００を当接面７０ｂの周方向長さと同じ長さに確保することができなくなってしまう。

しかしながら、本実施形態に係るステータ４は、この問題を解決している。すなわち、突起７ａの直後に退避面７ｃが位置するように外コア７を構成する。これにより、傾斜面がない状態又は傾斜面の傾斜角が急角度な状態となる。こうすると、退避面７ｃの周方向長さを長く確保することができ、スロット数の多いステータ４においても、ティース１０の周方向の幅Ｌ１０を当接面７ｂの周方向長さＬ７と略同じ長さとすることができる。

そして、突起７ａの両側に第１屈曲部１５ａと第２屈曲部１５ｂが位置し、更に第２屈曲部１５ｂとエッジ部１５ｄとの間に第３屈曲部１５ｃが位置するようにボビン１１を構成することにより、巻線スペースの増大も図ることができ、モータ１の特性向上に寄与することができる。

以上、本発明の好ましい実施の形態を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、その要旨の範囲内で様々な変形や変更が可能である。

上記実施形態においては、回転電機がモータ（電動機）１であるものとして説明したが、回転電機は、モータ１と同等の構成のロータ３及びステータ４を備える発電機であってもよい。また、ステータ４のスロット数（すなわち、ティース１０の数）が２４であるものとして説明したが、スロット数はこれに限定されず、他の数に適宜設定してもよい。モータとしては、実施形態で説明したアウタステータ（インナーロータ）型に限られない。インナーステータ（アウタロータ）型のモータであってもよい。

矢印：α
抜き代：Ｃ
退避面の周方向に沿った長さ：Ｌ７
ティースの周方向に沿った幅：Ｌ１０
従来のティースの周方向に沿った幅：Ｌ１００
板金材料：Ｐ
ステータコア：Ｓ
中心軸：Ｘ
モータ（回転電機）：１
モータケース：２
貫通孔：２ａ
ロータ（回転子、インナーロータ）：３
ステータ（固定子、アウタステータ）：４，４０
シャフト：５
ロータコア：６
外コア：７，７０
突起：７ａ，７０ａ
当接面：７ｂ，７０ｂ
退避面：７ｃ，７０ｃ
傾斜面：７０ｄ
内コア：８，８０
巻線（コイル）：９
ティース：１０，１００
先端（外側端部）：１０ａ，１００ａ
ボビン：１１，１１０
ベアリング１２
下カバー：１３
筒体部：１４，１４０
鍔部：１５，１５０
第１屈曲部：１５ａ，１５０ａ
第２屈曲部：１５ｂ
第３屈曲部：１５ｃ
エッジ部（自由端部）：１５ｄ，１５０ｄ

Claims (7)

1. 略円環状の外コアと、
   前記外コアの内側に配置される内コアと、を有するステータコア、及び、
   周囲に巻線が巻回される筒体部と、
   その筒体部から立ち上がるように形成され、複数の屈曲部と自由端部とを有する鍔部と、を有するボビン、
   を有し、
   前記内コアは、前記外コアの円中心から見て外側に向けて等ピッチで放射状に突出すると共にその外側端部が前記外コアの内周面に当接するティースを有し、
   前記筒体部は、前記鍔部が外向きとなるように前記ティースに挿入され、
   前記複数の屈曲部は、前記筒体部と前記鍔部との間に形成された第１屈曲部と、
   前記第１屈曲部より自由端部側に形成された第２屈曲部とを含み、
   前記外コアの内周面に、内側に突出する突起が形成され、
   前記突起が、前記ティースの外側端部の両側であって、前記ボビンの前記第１屈曲部と前記第２屈曲部との間に位置しており、
   前記第２屈曲部は、前記外コアに向かって屈曲しているステータ。
2. 前記第２屈曲部における前記ボビンの肉厚は、前記第１屈曲部における前記ボビンの肉厚と略同じである、請求項１に記載のステータ。
3. 前記鍔部には、前記第２屈曲部よりも前記自由端部側に第３屈曲部が形成されている、請求項１又は請求項２に記載のステータ。
4. 前記第３屈曲部の屈曲方向は、前記第２屈曲部の屈曲方向と逆方向である、請求項３に記載のステータ。
5. 前記第３屈曲部における前記ボビンの肉厚は、前記第１屈曲部における前記ボビンの肉厚と略同じである、請求項３又は請求項４に記載のステータ。
6. 前記ボビンは、前記第３屈曲部よりも前記自由端部側において、前記ティースの外側端部よりも前記外コアの円中心から遠い側に位置している、請求項３から請求項５のうちいずれか１項に記載のステータ。
7. 請求項１から請求項６のうちいずれか１項に記載のステータと、 前記外コアの外側又は前記内コアの内側に配置され、前記円中心回りに回転可能なロータと、 を有する回転電機。

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