JP5512142B2 - 電気モータのための固定子 - Google Patents

Description

本発明は、電気モータに係り、より詳細には、電気モータ、特に、サーボモータのための固定子に係る。

サーボモータは、突極巻線型固定子を有するモータの一例である。通常、その見掛けから歯として知られている固定子極は、半径方向に延び、極面を形成する半径方向内面は、小さなエアギャップを横切って回転子に直面する不連続な円筒面である。サーボモータは、通常、制御信号に応答して角度変位又は角速度を与えるために電子的コントローラと共に使用される。サーボモータは、体積が小さく、軽量で、出力パワー及びトルクが高く、制御し易いという利点を有している。

図１は、典型的なサーボモータの積層型固定子コアの平面図である。この固定子コアは、複数の固定子薄板（ラミネーション）を積み重ねることで形成される。各固定子薄板は、丸いヨーク１と、このヨーク１から半径方向内方に延びて均一に分布された複数の歯３とを含む。歯３の周りに固定子巻線（図示せず）が巻かれる。上述した固定子では、ヨーク１と歯３との間の材料を使用することができず、従って、材料利用比率が低くなる。歯の周りに巻線のワイヤを巻き付ける間には、巻き付けツールをギャップ５においてヨーク１と歯３との間で連続的に往復させる必要があり、ギャップ５の制限のために、巻き付けは、非常に不便で且つ時間がかかる。更に、巻き付けツールをギャップに通すには、２つの隣接する歯３に巻き付けられた巻線間に比較的大きなギャップを残さねばならない。巻線間に設けられる比較的大きなギャップは、巻線のスロットコイル比を制限し、従って、モータの効率が最大より低くなる。又、巻き付けツールを通せるようにするため、２つの隣接する歯３の端と端との間に比較的大きな間隙７も設けなければならないが、この間隙７が大きいほど、モータトルクの変動（コッギングトルク）が大きくなる。

上述した固定子薄板構造の欠点を克服するために、分割型固定子薄板、例えば、米国特許第５，７２９，０７２号に開示されたＴ字型薄板ユニットから形成された固定子薄板を使用することが提案されている。しかしながら、このようなＴ字型薄板ユニットにより形成される固定子コアには、依然、巻き付け方法が不便で、材料利用比率が低い、等の欠点がある。

従って、良好な充填比率及び材料利用率を有する固定子が要望される。

これは、本発明においては、個別の歯及びヨークを有する固定子コアを使用して、巻き付けツールのためのスペースの必要性を排除することにより、達成される。巻き付けボビンの使用は、組み立て効率と、高電圧用途の場合に重要な巻線と固定子コアとの間の絶縁定格とを改善する。

従って、本発明は、その１つの態様において、複数の積み重ねられた固定子薄板より成るモータ用の積層型固定子コアにおいて、この固定子コアは、固定子コアの半径方向外側部分の周囲に分布された複数のヨークと、内側部分から固定子コアの外側部分へ半径方向に延びる複数の歯とを備え、これらヨーク及び歯は、各ヨークがヨーク薄板の積み重ねであり且つ各歯が歯薄板の積み重ねであるように別々に形成され、そして各歯は、２つの隣接するヨーク間でその外端に固定されるようにした、積層型固定子コアを提供する。

又、本発明は、その第２の態様によれば、複数の半径方向に延びる歯を形成する複数の積み重ねられた固定子薄板を有する積層型固定子コアと、前記歯の周りに配設されたコイルにより形成される固定子巻線とを備えたモータ用の固定子において、固定子コアは、その固定子コアの半径方向外側部分の周囲に分布された複数のヨークと、内側部分から固定子コアの外側部分へ半径方向に延びる複数の歯とを備え、固定子薄板は、ヨーク薄板及び歯薄板を含み、これらヨーク及び歯は、各ヨークがヨーク薄板の積み重ねであり且つ各歯が歯薄板の積み重ねであるように別々に形成され、各歯は、２つの隣接するヨーク間でその外端に固定され、そして各コイルは、各歯を受け入れるボビンの周りに巻かれるようにした、固定子を提供する。

好ましくは、各歯には、隣接するヨークの内面に対して横たわる半径方向の位置付け面が設けられる。

好ましくは、ヨークに対する歯の半径方向の移動を制限するために歯とヨークの各界面に止め構造体が設けられる。

好ましくは、止め構造体は、歯とヨークの一方に形成されたくぼみと、歯とヨークの他方に形成された突出部とを含み、突出部がくぼみにインターロックされて、ヨークに対する歯の半径方向移動を制限する。

好ましくは、各ヨークは、細長いもので、２つの端を有し、各端は接続点を有し、そして接続点は、隣接する歯の端に溶接される。

好ましくは、２つの隣接するヨークの接続点は、含まれる歯の端に単一の溶接により接続される。

又、本発明は、第３の態様によれば、積層型固定子コアと、該固定子コアの歯の周りに配設されたコイルにより形成される固定子巻線とを有するモータ用の固定子を形成する方法において、１）ワイヤボビンの周りに各コイルを巻くことで固定子巻線を形成するステップと、２）複数の歯薄板を一緒に積み重ねることにより固定子コアの歯を形成し、そして各々の巻かれたボビンに歯を挿入するステップと、３）歯及びボビンを、歯が半径方向に延びるような円筒形状へと配列するステップと、４）複数のヨーク薄板を一緒に積み重ねることにより複数のヨークを形成し、そして隣接する歯の外端間にヨークを各々入れて、歯とヨークを交互に伴う固定子コアの外側部分を形成するステップと、５）ヨーク上の接続点を隣接する歯の端に溶接することによりヨークに歯を固定するステップと、を備えた方法を提供する。

好ましくは、２つのヨークは、単一の含まれた歯の半径方向外端に単一の溶接によって接合される。

好ましくは、前記方法は、歯の半径方向外端に隣接して各歯に半径方向位置付け面を形成し、そして隣接するヨークを歯に溶接する間にその半径方向位置付け面を隣接するヨークの内面に接触状態に保持するステップを更に備える。

好ましくは、前記方法は、各歯と各隣接ヨークとの間にくぼみ及び突出部の形態で止め構成体を形成し、くぼみと突出部を係合して、歯の半径方向位置をヨークに対して固定するステップを更に備える。

本発明は、組み立ての前に巻き付けボビンにコイルを巻くことができるようにし、従って、隣接するヨーク及び歯が各コイルの巻き付け動作の邪魔にならないという点で巻き付けが便利に行われる。巻き付けツールのために隣接するコイル間に比較的大きなギャップを保持する必要がなく、従って、巻き付けスロットコイル比率及びモータの効率を高めることができる。巻き付けツールを通すために隣接する歯の内端の間に比較的大きな間隙を保持する必要がなく、従って、コッギングトルクを減少することができる。歯とヨークを分離することにより、ブランクのレイアウトを非常にコンパクトにして、材料利用比率を高くすることができる。

以下、添付図面を参照して、本発明の好ましい実施形態を一例として詳細に説明する。これらの図面において、２つ以上の図面に現れる同一の構造体、要素又は部分は、一般的に、それらが現れる全ての図面において同じ参照番号で示される。図示されたコンポーネント及び特徴部の寸法は、一般的に、便宜上及び表現を明瞭にするために選択されたもので、必ずしも、正しいスケールで示されていない。

従来技術によるサーボモータ用の積層型固定子コアの平面図である。 本発明の好ましい実施形態によるサーボモータ用の積層型固定子コアを示す平面図である。 本発明の好ましい実施形態によるサーボモータ用の固定子を形成するステップを示す概略図である。 本発明の好ましい実施形態によるサーボモータ用の固定子を形成するステップを示す概略図である。 本発明の好ましい実施形態によるサーボモータ用の固定子を形成するステップを示す概略図である。 本発明の好ましい実施形態によるサーボモータ用の固定子を形成するステップを示す概略図である。 本発明の好ましい実施形態によるサーボモータ用の固定子を形成するステップを示す概略図である。 本発明の好ましい実施形態によるサーボモータ用の固定子を形成するステップを示す概略図である。 歯及びヨークのブランクレイアウトを示す概略図である。 歯及びヨークのブランクレイアウトを示す概略図である。

図２は、サーボモータ用の固定子コア薄板の平面図である。固定子コア１０は、積層型構造で、固定子薄板の各層は、複数の歯薄板１４と、その隣接する歯薄板１４間に延びる複数のヨーク薄板１２とを含む。図３ｅに示すように、各ヨーク５０は、複数のヨーク薄板１２を一緒に積み重ねることにより形成され、又、図３ｂに示すように、各歯４０は、複数の歯薄板１４を一緒に積み重ねることにより形成される。ヨーク薄板１２は、細長いもので、固定子コア１０の周囲方向に延び、コアの半径方向外側部分を形成する。歯薄板１４は、半径方向に延びる。従って、ヨーク５０及び歯４０は、別々に形成される。組み立てられると、ヨークは、歯を支持し、又、歯と歯の間の磁束路を形成する。１つのヨーク５０が各対の隣接する歯４０の間に延び、そして１つの歯４０が各対の隣接するヨーク５０の間に配置される。各歯薄板１４は、内端１４２及び外端１４４を含む。内端１４２は、極面、即ち回転子に直面する不連続な円筒状の面を形成する。各歯薄板１４の外端１４４は、２つの隣接するヨーク薄板１２間のギャップに固定される。各外端１４４には、２つの隣接するヨーク１２の内側面に対して横たわる半径方向位置付け面１４４ｂが設けられる。歯とヨークとの間のこの当接は、歯４０の半径方向位置をセットする。歯／ヨークの各界面には、止め構造体が形成される。この止め構造体は、歯又はヨークのいずれかに形成されるくぼみ１２ｃ又は１４４ｃと、歯又はヨークの他方に形成される一致する突出部１４４ｄ又は１２ｂとを含む（図４ａ及び４ｂに明確に示されている）。この止め構造体は、歯とヨークとの間の移動、特に、ヨークに対する歯の半径方向移動を限定することにより、固定子の組み立て中に、歯とヨークを一緒に一時的に保持するのに使用される。次いで、固定子が最終的に組み立てられ、歯が、好ましくは、溶接によりヨークに固定される。このため、各ヨーク薄板は、各端においてその外縁に小さな突出部１２ａを有する。これらの突出部１２ａは、歯の半径方向外端における小さな突出部に接触又は直面する接続点を形成する。接続点及び突出部は、２つのヨーク及びそれに含まれる歯を単一の溶接で一緒に固定できるゾーンを形成する。

固定子巻線は、多数の個々のコイルを一緒に接続することにより形成される。各コイルは、各コイルボビン３０に巻き付けられる。ボビン３０は、任意であるが、プラスチック材料の射出成型部品であり、従って、固定子コアからのコイルの絶縁を更に高める。ボビンは、１つの歯４０が延びる通路を有する。従って、各ボビン３０に１つの歯４０が取り付けられて、固定子極を形成する。

図３ａ−３ｆを参照し、固定子を組み立てる方法について説明する。先ず、図３ａに示すように、ボビン３０の周りにマグネットワイヤを巻いてコイル２０を形成する。図３ｂに示す歯薄板１４の積み重ねである歯４０をボビン３０に挿入して、図３ｃに示す巻線型の歯の組合体を形成する。

複数の巻線型の歯の組合体を、図３ｄに示すように、円筒形状に配列する。図３ｅに示すヨーク薄板１２の積み重ねであるヨーク５０を、隣接する歯４０の外端間のギャップへ挿入するか又はくさび留めする。ヨークは、半径方向制限面に対してプレスされ、止め構造体の突出部及びくぼみをインターロックして、固定子コアを一緒に保持し、歯とヨークとの間の、特に半径方向の移動を防止する。図３ｆに示すように、全てのヨーク５０が歯４０に取り付けられると、接続点に沿った溶接によりヨークを歯に永久的に固定する。

図４ａ及び４ｂは、歯薄板１４及びヨーク薄板１２のブランクレイアウト概略図である。歯薄板１４のブランクレイアウト概略図である図４ａに示すように、隣接する歯薄板１４は、逆に配列され、即ち各歯薄板１４の内端１４２は、隣接する歯薄板１４の外端１４４に接近している。図４ｂに示すように、ヨーク薄板１２は、横に並んで配置される。図４ａ及び４ｂから明らかなように、このレイアウトは、コンパクトで、薄板間の浪費材料が僅かであり、材料利用比率が高い。ここに述べる実施形態では、固定子薄板の材料利用比率は、６３％以上である。

本発明の説明及び特許請求の範囲において、各動詞「備える(comprise)」、「含む(include)」、「収容する(contain)」及び「有する(have)」並びにその変化は、包括的な意味で、そこに述べた品目の存在を特定するのに使用されるもので、付加的な品目の存在を除外するものではない。

１つ以上の好ましい実施形態を参照して本発明を説明したが、当業者であれば、種々の変更がなされ得ることが明らかであろう。それ故、本発明の範囲は、特許請求の範囲によって限定される。

１：ヨーク
３：歯
５：ギャップ
７：間隙
１０：固定子コア
１２：ヨーク薄板
１２ａ：突出部
１２ｃ、１４４ｃ：くぼみ
１２ｂ、１４４ｄ：突出部
１４：歯薄板
３０：ボビン
４０：歯
５０：ヨーク
１４２：内端
１４４：外端
１４４ｂ：半径方向位置付け面

Claims (16)

1. 複数の積み重ねられた固定子薄板より成るモータ用の積層型固定子コアにおいて、この固定子コアは、固定子コアの半径方向外側部分の周囲に分布された複数のヨークと、内側部分から固定子コアの外側部分へ半径方向に延びる複数の歯とを備え、これらヨーク及び歯は、各ヨークがヨーク薄板の積み重ねであり且つ各歯が歯薄板の積み重ねであるように別々に形成され、そして各歯は、２つの隣接するヨーク間でその外端に固定され、各歯は、前記隣接するヨークの内面に対して横たわる半径方向の位置付け面と、該半径方向の位置付け面から外方向へ延びる外端とを有し、前記外端は、２つの側縁と該２つの側縁を接続する外縁とを有し、前記２つの隣接するヨークは、対応する歯の前記２つの側縁とそれぞれ接触しており、各歯は、さらに前記外端の外縁から外方向に延びる先端部を有し、該先端部の周方向幅は、前記外端の周方向幅よりも小さくなっている、積層型固定子コア。
2. 前記先端部の幅は、前記外端から遠ざかる方向へ次第に小さくなっている、請求項１に記載の積層型固定子コア。
3. ヨークに対する歯の半径方向の移動を制限するために歯とヨークの各界面に止め構造体が設けられる、請求項１に記載の積層型固定子コア。
4. 前記止め構造体は、歯とヨークの一方に形成されたくぼみと、歯とヨークの他方に形成された突出部とを含み、突出部がくぼみにインターロックされて、ヨークに対する歯の半径方向移動を制限する、請求項３に記載の積層型固定子コア。
5. 各ヨークは、細長いもので、２つの端を有し、各端は突出部を有し、そして突出部は、隣接する歯の前記先端部に溶接される、請求項１から４のいずれかに記載の積層型固定子コア。
6. 複数の積み重ねられた固定子薄板より成るモータ用の積層型固定子コアにおいて、この固定子コアは、固定子コアの半径方向外側部分の周囲に分布された複数のヨークと、内側部分から固定子コアの外側部分へ半径方向に延びる複数の歯とを備え、これらヨーク及び歯は、各ヨークがヨーク薄板の積み重ねであり且つ各歯が歯薄板の積み重ねであるように別々に形成され、そして各歯は、２つの隣接するヨーク間でその外端に固定され、各ヨークは、細長いもので、２つの端を有し、各端は接続点を有し、そして接続点は、隣接する歯の端に溶接され、前記２つの隣接するヨークの接続点は、含まれる歯の端に単一の溶接で接続される、積層型固定子コア。
7. 複数の半径方向に延びる歯を形成する複数の積み重ねられた固定子薄板を有する積層型固定子コアと、前記歯の周りに配設されたコイルにより形成される固定子巻線とを備えたモータ用の固定子において、前記固定子コアは、固定子コアの半径方向外側部分の周囲に分布された複数のヨークと、内側部分から固定子コアの外側部分へ半径方向に延びる複数の歯とを備え、前記固定子薄板は、ヨーク薄板及び歯薄板を含み、これらヨーク及び歯は、各ヨークがヨーク薄板の積み重ねであり且つ各歯が歯薄板の積み重ねであるように別々に形成され、各歯は、２つの隣接するヨーク間でその外端に固定され、そして各コイルは、各歯を受け入れるボビンの周りに巻かれ、各歯は、前記隣接するヨークの内面に対して横たわる半径方向の位置付け面と、該半径方向の位置付け面から外方向へ延びる外端とを有し、前記外端は、２つの側縁と該２つの側縁を接続する外縁とを有し、前記２つの隣接するヨークは、対応する歯の前記２つの側縁とそれぞれ接触しており、各歯は、さらに前記外端の外縁から外方向に延びる先端部を有し、該先端部の周方向幅は、前記外端の周方向幅よりも小さくなっている、固定子。
8. 各歯には、隣接するヨークの内面に対して横たわる半径方向の位置付け面が設けられる、請求項７に記載の固定子。
9. ヨークに対する歯の半径方向の移動を制限するために歯とヨークの各界面に止め構造体が設けられる、請求項７に記載の固定子。
10. 前記止め構造体は、歯とヨークの一方に形成されたくぼみと、歯とヨークの他方に形成された突出部とを含み、突出部がくぼみにインターロックされて、ヨークに対する歯の半径方向移動を制限する、請求項９に記載の固定子。
11. 各ヨークは、細長いもので、２つの端を有し、各端は接続点を有し、そして接続点は、隣接する歯の端に溶接される、請求項７、８又は９に記載の固定子。
12. 複数の半径方向に延びる歯を形成する複数の積み重ねられた固定子薄板を有する積層型固定子コアと、前記歯の周りに配設されたコイルにより形成される固定子巻線とを備えたモータ用の固定子において、前記固定子コアは、固定子コアの半径方向外側部分の周囲に分布された複数のヨークと、内側部分から固定子コアの外側部分へ半径方向に延びる複数の歯とを備え、前記固定子薄板は、ヨーク薄板及び歯薄板を含み、これらヨーク及び歯は、各ヨークがヨーク薄板の積み重ねであり且つ各歯が歯薄板の積み重ねであるように別々に形成され、各歯は、２つの隣接するヨーク間でその外端に固定され、そして各コイルは、各歯を受け入れるボビンの周りに巻かれ、各ヨークは、細長いもので、２つの端を有し、各端は接続点を有し、そして接続点は、隣接する歯の端に溶接され、前記２つの隣接するヨークの接続点は、含まれる歯の端に単一の溶接で接続される、固定子。
13. 積層型固定子コアと、該固定子コアの歯の周りに配設されたコイルにより形成される固定子巻線とを有するモータ用の固定子を形成する方法において、
    １）ワイヤボビンの周りに各コイルを巻くことで固定子巻線を形成するステップと、
    ２）複数の歯薄板を形成するステップであって、各歯薄板が、半径方向の位置付け面と、該半径方向の位置付け面から外方向へ延び且つ２つの側縁と該２つの側縁を接続する外縁とを有する外端と、前記外端の外縁から外方向に延びる先端部とを有するものであるステップと、
    ３）前記複数の歯薄板を一緒に積み重ねることにより固定子コアの歯を形成しそして各々の巻かれたボビンに歯を挿入するステップと、
    ４）前記歯及びボビンを、歯が半径方向に延びるような円筒形状へと配列するステップと、
    ５）複数のヨーク薄板を形成するステップであって、各ヨーク薄板が、両端にそれぞれ形成された一対の突出部を有するものであるステップと、
    ６）前記複数のヨーク薄板を一緒に積み重ねることにより複数のヨークを形成しそして隣接する歯の外端間にヨークを各々入れて、歯とヨークを交互に伴う固定子コアの外側部分を形成するステップと、
    ７）ヨーク上の突出部を隣接する歯の先端部に溶接することによりヨークに歯を固定するステップと、
    を備えた方法。
14. ２つのヨークは、単一の含まれた歯の半径方向外端に単一の溶接によって接合される、請求項１３に記載の方法。
15. 歯の半径方向外端に隣接して各歯に半径方向位置付け面を形成し、そして隣接するヨークを歯に溶接する間にその半径方向位置付け面を隣接するヨークの内面に接触状態に保持するステップを更に備えた、請求項１３に記載の方法。
16. 各歯と各隣接ヨークとの間にくぼみ及び突出部の形態で止め構成体を形成し、くぼみと突出部を係合して、歯の半径方向位置をヨークに対して固定するステップを更に備えた、請求項１３、１４又は１５に記載の方法。

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