JP5394058B2 - 電動機の電機子および電動機 - Google Patents

Description

本発明は、電動機の電機子および電動機に関する。

一般に、電動機の電機子は、コアと、このコアに巻回された巻線とを備えている。巻線は、複数本の素線が束ねられて構成されており、コイル状に形成された複数のコイル部と、コイル部同士の間を渡る連結部とを有している。コアには、複数のスロットが設けられており、コイル部のコイル辺がスロットに埋め込まれている。

上記のような電機子の製造方法として、例えば、特許文献１に開示されているものがある。

まず、巻線を巻枠に巻きつけることにより１つのコイル部が形成される。ここでは、図８に示すように、複数の素線Ｗからなる巻線１１０を案内するフライヤ１２０が巻枠１３０の周りを回ることによって、巻線１１０が巻枠１３０に巻回される。これにより、コイル部１００は、帯状の複数の素線Ｗが螺旋状に巻回された形状に成形される。次に、コイル部１００は、巻枠１３０から下方に押し出され、トランスファツール１４０に移される。このトランスファツール１４０は、巻線１１０をコア１５０（図１１参照）に組み付けるための部材であり、複数のコイル部１００〜１０７を円形に配列して保持することができる（図９および図１０参照）。

上記のコイル部１００がトランスファツール１４０に移された後、次のコイル部１０１を巻回するまでの間に、連結部１１１が形成される。連結部１１１は、上記のコイル部１００を形成した巻線１１０から続けて形成され、隣り合うコイル部１００を渡る部分である。連結部１１１は、トランスファツール１４０あるいは巻枠１３０がトランスファツール１４０の軸線周りに回転移動することによって形成される。その後、さらに同じ巻線１１０から次のコイル部１０２が形成され、トランスファツール１４０に移される。

上記の動作が繰り返されて、所要数のコイル部１００〜１０７および連結部１１１〜１１７の形成およびトランスファツール１４０への移送が完了すると、図９に示す状態となる。ここでは、複数のコイル部１００〜１０７が、上面視において、トランスファツール１４０のストリッパ１４１の周囲に円形に配列されている。なお、隣接するコイル部１００〜１０７同士は、巻回方向が互いに逆向きになるように形成される。

次に、図１０に示すように、トランスファツール１４０の上方にコア１５０が配置される。なお、図１０は、図９におけるＸ−Ｘ断面図である。コア１５０は、内周面に複数のスロットが形成されている（図２参照）。そして、ストリッパ１４１が上昇することにより、コイル部１００〜１０７が上方に持ち上げられる。これにより、図１１に示すように、各コイル部１００〜１０７のコイル辺が、それぞれ対応するスロットに挿入される。なお、図１１では、コイル部１００のコイル辺１２１（図９参照）がコア１５０のスロットＳ１００に挿入され、コイル部１０３のコイル辺１２２（図９参照）がスロットＳ１０３に挿入された状態を示している。
特開２００５−１１０３４２号公報

しかし、上記のような手法では、複数のコイル部１００〜１０７がトランスファツール１４０上に保持された状態では、複数のコイル部１００〜１０７に渡って巻線１１０の巻き始めから巻き終わりまで、複数の素線Ｗの相対的な配置が維持されている。例えば、図１０において、あるコイル部１００のあるターンの部分のなかで最も上方に位置する素線Ｗ１は、同じコイル部１００の他のターンの部分においても、最も上方に位置している。また、この素線Ｗ１は、他のコイル部１０１〜１０７のいずれのターンの部分においても、最も上方に位置することになる。このように、１本の巻線１１０に含まれる第１素線Ｗ１から第Ｎ素線ＷｎまでのＮ本の素線について、全てのコイル部１００〜１０７の各ターンの部分において、第１素線Ｗ１から第Ｎ素線Ｗｎの相対的な配置が概ね維持されることになる。

上記のように、トランスファツール１４０にセットされているコイル部１００〜１０７が、ストリッパ１４１を用いてスロット内に挿入されると、複数の素線Ｗ１〜Ｗｎは、必ずトランスファツール１４０の上部側に位置する素線Ｗ１から順番にスロットに挿入されて行く。このため、スロット内においても第１素線Ｗ１から第Ｎ素線Ｗｎまでが奥側からほぼ順序通りに収められて行く。

従って、上記のような従来の手法によって製造された電動機の電機子では、巻線の各ターンの部分において、複数の素線は、概ね挿入の順序にしたがって奥側から順にスロット内に詰め込まれることになる。

この結果、図１２に示すように、スロット内に収まった各素線のうち、第１素線Ｗ１は常に他の素線よりもスロット奥側を通りながらコイル部１００〜１０７を形成し、第N素線Ｗｎは常に他の素線よりもスロット手前側を通りながらコイル部１００〜１０７を形成する。このため、図１３に示すように、各素線で形成されるコイル部のインダクタンスが第１素線Ｗ１で最も大きく、第N素線Ｗｎ（図１３のＷ１５）で最も小さくなる。このような、素線ごとのインダクタンスのばらつきは、コイルの効率を低下させ、モータ効率を低下させる要因となる。

本発明の課題は、モータ効率を向上させることができる電動機の電機子および電動機を提供することにある。

第１発明に係る電動機の電機子は、コアと、巻線とを備える。コアは、複数のスロットと、スロットの間に形成される複数のティースとを有する。巻線は、複数本の素線からなる。また、巻線は、コイル部と、連結部とを有する。コイル部は、スロットに挿入され、複数のティースに渡って分布巻きによって複数回巻回される。連結部は、コイル部同士を連結する。そして、巻線は、連結部において捻られた形状を有する。

この電動機の電機子では、いわゆる分布巻きのコイル構造において、巻線が連結部において捻られた形状を有することにより、巻線内の複数の素線の相対的な配置が変化する。このため、素線ごとのコイルのインダクタンスのばらつきが低減される。これにより、モータ効率を向上させることができる。

第２発明に係る電動機の電機子は、第１発明の電動機の電機子であって、連結部は、ティースの歯先側から歯元側に渡って設けられる。

この電動機の電機子では、製造時において、連結部で連結された複数のコイル部を予め形成しておき、複数のコイル部をまとめてコアに取り付ける際の作業が容易になる。このため、製造工程を容易に自動化することができる。

第３発明に係る電動機の電機子は、第１発明または第２発明の電動機の電機子であって、巻線の連結部における捻り角度は１８０度である。

この電動機の電機子では、捻り部分の前後において、素線の配置が反対になる。例えば、ある素線は、捻り部分の前後において、ティースの最も歯先側の位置と、ティースの最も歯元側の位置とに入れ替わる。これにより、素線ごとのコイルのインダクタンスのばらつきがさらに低減される。

第４発明に係る電動機は、請求項１から３のいずれかに記載の電機子をステータとして備える。

この電動機では、ステータとしての電機子の効率を向上させることができる。

本発明では、巻線において素線ごとのコイルのインダクタンスのばらつきが低減される。これにより、モータ効率を向上させることができる。

＜構成＞
本発明の一実施形態に係る電動機１を図１に示す。この電動機１は、例えば埋め込み磁石式モータなどの三相同期モータであり、ロータ２とステータ３とを備える。

ロータ２は、８極の永久磁石ロータである。ロータ２は、ロータ本体２１と、複数の永久磁石２２とを有する。ロータ本体２１は、円筒形状を有し、回転軸を中心に、図示しない本体ケーシングに対して、回転可能に設けられている。永久磁石２２は、ロータ本体２１に取り付けられている。なお、図１では一部の永久磁石にのみ符号を付し、他は省略している。

ステータ３は、３相４８スロットの、いわゆる分布巻きステータである。ステータ３は、コア３１と、巻線４〜６とを有する。

図２に示すように、コア３１は、概ね円筒形の外形を有しており、中心軸に沿って延びる貫通孔３２が設けられている。コア３１の内周面には、複数のスロットＳ１〜Ｓ４８が設けられている。スロットＳ１〜Ｓ４８は、それぞれ中心軸に平行な方向に沿って延びている。スロットＳ１〜Ｓ４８の間にはティースＴ１〜Ｔ４８が形成されている。ここでは、４８個のスロットＳ１〜Ｓ４８およびティースＴ１〜Ｔ４８が設けられている。なお、図２では、一部のスロットおよびティースにのみ符号を付し、他は省略している。

図１に示すように、巻線４〜６には、Ｕ相巻線４、Ｖ相巻線５、Ｗ相巻線６の３つの巻線がある。Ｕ相巻線４の一端にはＵ相端子４０が設けられている。Ｖ相巻線５の一端にはＶ相端子５０が設けられている。Ｗ相巻線６の一端にはＷ相端子６０が設けられている。また、Ｕ相巻線４、Ｖ相巻線５、Ｗ相巻線６の各他端は、中性点１０によって終端されている。これらの巻線４は、挿入されるスロット３３が異なることを除いて概ね同様の構造であるため、以下、Ｕ相巻線４についてのみ説明する。

Ｕ相巻線４は、図３に示すように、第１巻線１１と第２巻線１２とを有する。第１巻線１１と第２巻線１２とは、それぞれ複数本の素線Ｗが束ねられて構成されており（図６参照）、例えば、１５本の素線Ｗからなる。図１および図３に示すように、Ｕ相巻線４は、８個のコイル部４ａ〜４ｈと、６個の連結部４ｐ〜４ｕとを有する。なお、図３は、Ｕ相巻線４の展開図である。Ｕ相巻線４において第１巻線１１と第２巻線１２とは並列に連結されており、第１巻線１１の一端と第２巻線１２の一端とはＵ相端子４０に連結され、第１巻線１１の他端と第２巻線１２の他端とは中性点１０に連結されている。上記のコイル部４ａ〜４ｈのうち、コイル部４ａ〜４ｄは第１巻線１１に設けられており、それぞれ直列に連結されている。また、コイル部４ｅ〜４ｈは第２巻線１２に設けられており、それぞれ直列に連結されている。

コイル部４ａ〜４ｄは、巻線４がコイル状に形成された部分である。以下の説明において、第１巻線１１の４個のコイル部４ａ〜４ｄを、Ｕ相端子４０側から順に、第１コイル部４ａ〜第４コイル部４ｄと呼ぶものとする。また、第２巻線１１の４個のコイル部４ｅ〜４ｈをＵ相端子４０側から順に、第５コイル部４ｅ〜第８コイル部４ｈと呼ぶものとする。各コイル部４ａ〜４ｈは、複数のティースに渡って巻回されている。例えば、図２において、第１コイル部４ａは、第１ティースＴ１から第５ティースＴ５に渡って巻回されている。なお、４８個のスロットＳ１〜Ｓ４８のうち、第１コイル部４ａの入力線Ｉｎが挿入されるスロットを第１スロットＳ１として、図２において第１スロットＳ１から左回りに順に第２スロットＳ２〜第４８スロットＳ４８と呼ぶものとする。また、第１スロットＳ１と第２スロットＳ２の間に位置するティースを第１ティースＴ１として、図２において第１ティースＴ１から左回りに順に第２ティースＴ２〜第４８ティースＴ４８と呼ぶものとする。また、各スロットＳ１〜Ｓ４８および各ティースＴ１〜Ｔ４８において、径方向内側を「歯先側」と呼び、径方向外側を「歯元側」と呼ぶものとする。なお、図１および図２では、各コイル部４ａ〜４ｈの巻回方向を「ドット（・印）」と「クロス（×印）」で示している。ドット（・印）は、紙面手前側から奥側に向かう方向に電流が流れることを示している。クロス（×印）は、紙面奥側から手前側に向かう方向に電流が流れることを示している。

第１コイル部４ａは、第１スロットＳ１と第６スロットＳ６に挿入されている。図２に示すように、第１コイル部４ａの複数のコイル辺のうち最もＵ相端子４０側のコイル辺４１ａは、第１スロットＳ１内のコイル辺のなかで最も歯先側に位置している。また、第１コイル部４ａの複数のコイル辺のうち最も終端側のコイル辺４２ａは、第６スロットＳ６内のコイル辺のなかで最も歯元側に位置している。なお、「コイル辺」とは、各コイル部４ａ〜４ｈのうちスロットＳ１〜Ｓ４８内に挿入されておりスロットＳ１〜Ｓ４８に沿って（図２の紙面に垂直な方向に）延びる部分を意味する。

第２コイル部４ｂは、第７スロットＳ７と第１２スロットＳ１２に挿入されている。第２コイル部４ｂの複数のコイル辺のうち最もＵ相端子４０側のコイル辺４１ｂは、第１２スロットＳ１２内のコイル辺のなかで最も歯先側に位置している。また、第２コイル部４ｂの複数のコイル辺のうち最も終端側のコイル辺４２ｂは、第７スロットＳ７内のコイル辺のなかで最も歯元側に位置している。そして、第２コイル部４ｂの巻回方向は、第１コイル部４ａの巻回方向と逆になっている。

第３コイル部４ｃは、第１３スロットＳ１３と第１８スロットＳ１８に挿入されている。第３コイル部４ｃの複数のコイル辺のうち最もＵ相端子４０側のコイル辺４１ｃは、第１３スロットＳ１３内のコイル辺のなかで最も歯先側に位置している。また、第３コイル部４ｃの複数のコイル辺のうち最も終端側のコイル辺４２ｃは、第１８スロットＳ１８内のコイル辺のなかで最も歯元側に位置している。そして、第３コイル部４ｃの巻回方向は、第１コイル部４ａの巻回方向と同じであり、第２コイル部４ｂの巻回方向と逆になっている。

第４コイル部４ｄは、第１９スロットＳ１９と第２４スロットＳ２４に挿入されている。第４コイル部４ｄの複数のコイル辺のうち最もＵ相端子４０側のコイル辺４１ｄは、第２４スロットＳ２４内のコイル辺のなかで最も歯先側に位置している。また、第４コイル部４ｄの複数のコイル辺のうち最も終端側のコイル辺４２ｄは、第１９スロットＳ１９内のコイル辺のなかで最も歯元側に位置している。そして、第４コイル部４ｄの巻回方向は、第２コイル部４ｂの巻回方向と同じであり、第１コイル部４ａ及び第３コイル部４ｃの巻回方向と逆になっている。

第５コイル部４ｅから第８コイル部４ｈ（図１参照）についても、上記の第１コイル部４ａから第４コイル部４ｄの構造と同様である。すなわち、第５コイル部４ｅ、第７コイル部４ｇの巻回方向は、第１コイル部４ａの巻回方向と同じであり、第６コイル部４ｆ、第８コイル部４ｈの巻回方向は、第２コイル部４ｂの巻回方向と同じである。すなわち、Ｕ相巻線４の８個のコイル部４ａ〜４ｈは、巻回方向が交互に逆向きになっている。

図１に示す連結部４ｐ〜４ｕは、巻線４のうちコイル部４ａ〜４ｄおよびコイル部４ｅ〜４ｈ同士の間を渡っている部分である。上述したように、各コイル部４ａ〜４ｈのコイル辺のうち最もＵ相端子４０側のコイル辺（例えば、図２に示すコイル辺４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｄ）は、各スロットＳ１〜Ｓ４８の歯先側に位置しており、最も中性点１０側のコイル辺（例えば、図２に示すコイル辺４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄ）は、各スロットＳ１〜Ｓ４８の歯元側に位置している。このため、図２に示すように、連結部４ｐ〜４ｒは、コイル部４ａ〜４ｄ同士の間を歯先側から歯元側に渡って設けられている。図示していないが連結部４ｅ〜４ｈも同様である。以下、図３に示すように、第１巻線１１において第１コイル部４ａと第２コイル部４ｂとを繋ぐ連結部を第１連結部４ｐと呼び、以下、第３コイル部４ｃと第４コイル部４ｄとを繋ぐ連結部までを順に第２連結部４ｑ、第３連結部４ｒと呼ぶ。また、第２巻線１２についても同様に、第５コイル部４ｅと第６コイル部４ｆとを繋ぐ連結部から第７コイル部４ｇと第８コイル部４ｈとを繋ぐ連結部までを順に第４連結部４ｓから第６連結部４ｕと呼ぶ。

第１連結部４ｐは、第６スロットＳ６の歯元側から第１２スロットＳ１２の歯先側に渡って設けられている。第２連結部４ｑは、第７スロットＳ７の歯元側から第１３スロットＳ１３の歯先側に渡って設けられている。第３連結部４ｒは、第１８スロットＳ１８の歯元側から第２４スロットＳ２４の歯先側に渡って設けられている。第４連結部４ｓは、第１９スロットＳ１９の歯元側から第２５スロット（図示せず）の歯先側とに渡って設けられている。第５連結部４ｔ〜第６連結部４ｕについては、第１連結部４ｐ〜第３連結部４ｒと同様の構成であるため、説明を省略する。

第１連結部４ｐでは、図４および図５に示すように、巻線４が１８０度捻られた形状となっている。このため、図６に示すように、第６スロットＳ６の最も歯元側のコイル辺４２ａにおいて、複数の素線Ｗのなかで最も歯元側に位置している第１素線Ｗ１は、第１２スロットＳ１２の最も歯先側のコイル辺４１ｂにおいて、複数の素線Ｗのなかで最も歯先側に位置している。また、第６スロットＳ６の最も歯元側のコイル辺４２ａにおいて、最も歯先側に位置している第１５素線Ｗ１５は、第１２スロットＳ１２の最も歯先側のコイル辺４１ｂにおいて、最も歯元側に位置している。従って、図５に示すように、第１素線Ｗ１は、第６スロットＳ６の各コイル辺では最も歯元側に位置しているが、第１２スロットＳ１２の各コイル辺では最も歯先側に位置している。また、第１５素線Ｗ１５は、第６スロットＳ６の各コイル辺では最も歯先側に位置しているが、第１２スロットＳ１２の各コイル辺では最も歯元側に位置している。なお、図５において、白抜きの丸印は全て第１素線Ｗ１を示しており、ハッチングを施した丸印は全て第１５素線Ｗ１５を示している。

他の素線Ｗについても、第６スロットＳ６の各コイル辺と第１２スロットＳ１２の各コイル辺とでは、歯先側と歯元側とで位置が入れ替わっている。

第２連結部４ｑ〜第６連結部４ｕにおいても、第１連結部４ｐと同様に、巻線４が１８０度捻られた形状となっている。

＜特徴＞
上記のステータコイルのインダクタンスの実測データを図７に示す。このデータは、本実施形態に係るステータ３の第１素線Ｗ１から第１５素線Ｗ１５のインダクタンスと、従来の電動機が備えるステータの素線Ｗ１〜Ｗ１５のインダクタンスとを、第１巻線１１の４個のコイル部の両端部で実測したものである。図７において、ラインＬ１は、本実施形態にかかる電動機１における各素線Ｗ１〜Ｗ１５のインダクタンスを示している。ラインＬ２は、従来の電動機における各素線Ｗ１〜Ｗ１５のインダクタンスを示している。

従来のステータでは、素線Ｗ１から素線Ｗ１５にかけてインダクタンスが著しく低下しているのに対し、本実施形態にかかるステータ３では、素線Ｗ１から素線Ｗ１５に渡ってインダクタンスの低下が、かなり抑制されている。

従来のステータでは、素線ごとのインダクタンスの大きさのばらつきが大きいため、素線Ｗの束に一斉に同じ交番電圧がかかった場合、インダクタンスの小さい素線Ｗにより多くの電流が流れ、コイルの全体効率を引き下げる。一方、本実施形態にかかるステータ３によれば、素線Ｗ間のインダクタンスのばらつきが抑えられているため、全体的な効率の低下が抑制され、結果として従来の電動機よりも高いコイル効率を得ることができる。

さらに、同じ電流を流しても、コイル効率が高いほど、すなわち、多くの磁束を生じさせるほど、大きなトルクを発生させることにつながるため、モータ効率も高くなる。このため、本実施形態にかかる電動機１では、従来の電動機よりもモータ効率を向上させることができる。また、従来よりもモータ効率が向上することにより、従来に比して、高出力化、小型化、軽量化を実現することができる。

＜他の実施形態＞
（ａ）
コアのスロットおよびティースの数、巻線を構成する素線の数、コイル部および連結部の数は、上記のものに限られず、異なる数のものが用いられてもよい。

（ｂ）
上記の実施形態では、本発明に係る電機子をステータとして備えた電動機について説明したが、本発明に係る電機子がロータとして電動機に備えられてもよい。

（ｃ）
上記の実施形態では、全ての連結部において巻線が捻られた形状となっているが、巻線が一部の連結部において捻られた形状となっていてもよい。例えば、第２，第５連結部４ｑ，４ｔにおいて捻られた形状であってもよい。この場合も上記と同様にインダクタンスの平均化が可能となり、上記と同様の効果が得られる。

（ｄ）
上記の実施形態では、Ｕ相巻線４は、並列に接続された第１巻線１１と第２巻線１２とを有しているが、全てのコイル部が直列に連結されたものであってもよい。例えば、上記の実施形態のような８個のコイル部が全て直列に連結されていてもよい。この場合も、全ての連結部において巻線が捻られた形状となってもよく、また、巻線が一部の連結部において捻られた形状となっていてもよい。

また、ねじりが形成される連結部の位置は、モータのロータ２の極数によって異なる。ステータの巻線におけるコイルの数は、モータのロータ２の極数に対応しており、例えば、モータのロータ２の極数が４個の場合、コイルの数も４個となる。この場合、連結部の数は３個となり、素線間のコイルインダクタンスを揃えるためには、２つ目の渡り線でのみ１８０°のねじれを形成するか、もしくは、全ての渡り線で１８０°のねじれを形成することが望ましい。

なお、多相モータの場合、各相のコイル状態をバランスさせるために、ねじりが形成される連結部の位置は、各相とも統一させることが望ましい。

本発明は、モータ効率を向上させることができる効果を有し、電動機の電機子および電動機として有用である。

第１実施形態にかかる電動機の構成を示す模式図。 第１実施形態にかかるステータの構成を示す模式図。 巻線の展開図。 巻線の連結部を示す図。 コイル部と連結部とを示す模式図。 コイル部における素線の位置を示す図。 素線のインダクタンスを示すグラフ。 従来のステータコイルの製造装置を示す図。 従来のステータコイルの製造装置を示す図。 従来のステータコイルの製造装置を示す図。 従来のステータコイルの製造装置を示す図。 従来のステータコイルにおけるコイル部と連結部とを示す模式図。 従来のステータコイルにおける素線Ｗのインダクタンスを示すグラフ。

符号の説明

１ 電動機
３ ステータ（電機子）
４ Ｕ相巻線（巻線）
４ａ〜４ｈ コイル部
４ｐ〜４ｕ 連結部
３１ コア
Ｓ１〜Ｓ４８ スロット
Ｔ１〜Ｔ４８ ティース
Ｗ 素線

Claims (4)

1. 複数のスロットと、前記スロットの間に形成される複数のティースとを有する鉄芯と、
   複数本の素線の束からなる巻線であって、前記スロットに挿入され複数の前記ティースに渡って分布巻きによって複数回巻回される複数のコイル部と、前記コイル部同士を連結する連結部と、を有し、前記連結部において捻られた形状を有する前記巻線と、
   を備える電動機の電機子。
2. 前記連結部は、前記ティースの歯先側から歯元側に渡って設けられる、
   請求項１に記載の電動機の電機子。
3. 前記巻線の前記連結部における捻り角度は１８０度である、
   請求項１または２に記載の電動機の電機子。
4. 請求項１から３のいずれかに記載の電機子をステータとして備える、
   電動機。

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