JP6672638B2

JP6672638B2 - モータ

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Publication number: JP6672638B2
Application number: JP2015164886A
Authority: JP
Inventors: 家寧 ▲トウ▼
Original assignee: Suzuki Motor Co Ltd
Current assignee: Suzuki Motor Co Ltd
Priority date: 2015-08-24
Filing date: 2015-08-24
Publication date: 2020-03-25
Anticipated expiration: 2035-08-24
Also published as: CN106487115A; JP2017046381A; DE102016215661A1

Description

本発明は、円筒形状の内面側に形成される内向きのティースに、巻線を巻き付ける形態を採用するモータに関する。

モータは、ステータの電機子コイルに駆動電流を供給することにより、ロータを回転駆動させる。例えば、円筒形状のステータ内にロータを回転自在に収容する形態の場合、ステータの内面側に形成するステータティースに巻線を巻き付けて電機子コイルが形成されている。

例えば、図１０に示すように、この形態のステータ１１１０は、ステータティース１１１１間のステータスロット１１１３が内面側ほど狭くなる先細りのＶ字形状になる。このことから、このような形態のステータ１１１０では、ステータスロット１１１３の空間を無駄なく有効利用し、かつ、巻線を設置しやすくするために、バックヨーク１１１５を周方向に切り離すことにより、ステータティース１１１１毎の分割コア１１１０Ｓにして組み立てることが行われている（例えば、特許文献１を参照）。

しかしながら、図１０に示す分割コアタイプを採用するステータ１１１０では、磁束密度が高くなるバックヨーク１１１５が断面（境界面）を挟む分割領域を介して分割バックヨーク１１１５Ｓ同士が連結される構造となる。この構造では、分割バックヨーク１１１５Ｓ間に発生するエアギャップの透磁率が低くなることにより、駆動効率が低下（損失が増加）してしまうとともに、ロータを回転させるトルクの変動（トルクリップル）が増えてしまう。

さらに、このような構造のステータ１１１０では、分割コア１１１０Ｓを周方向に連結するにしても、高精度に組み付けることが難しいため、円筒形状の精度が確保できず、ステータ１１１０の中心が、回転軸の中心からずれてしまう。このため、このようなステータ１１１０のモータでは、ロータの外周面とステータの内周面との空隙が一定でないため、トルクの変動が増えてしまうとともに、装置本体側に設置する作業に手間が掛かってしまう。

特開平６−１０５４８７号公報

そこで、本発明は、ティースに巻線を設置しやすい構造を実現しつつ、モータの駆動効率の低下やトルク変動の増加を抑制できる構造を実現し、安価で高性能なモータを提供することを目的としている。

上記課題を解決するモータの発明の一態様は、通電により磁束を発生させる電機子コイルが巻き付けられているステータティースを有するステータと、前記磁束が前記ステータティースから鎖交するロータと、を備えるモータであって、前記ステータは、前記ステータティースよりも前記ロータの径方向の外側に位置して、連続する磁性体により形成されているバックヨークを有しており、前記ステータティースとして、前記バックヨークと一体に形成されている第１のティースと、前記バックヨークと係合可能な第２のティースと、を有し、前記第１のティースと前記第２のティースとが周方向において交互に配置され、前記バックヨークと前記第２のティースとの間に、互いに嵌め合う曲面からなる凸部と凹部とを有して係合可能なティース係合部を備えて、前記ティース係合部は前記凸部と前記凹部の一方が前記バックヨークに形成され、前記凸部と前記凹部の他方が前記第２のティースに形成され、前記電機子コイルは、前記第１のティースと前記第２のティースの個々に外装される絶縁体に巻線が巻き付けられて形成され、前記絶縁体の周方向両端部には、前記第１のティースに外装される絶縁体と前記第２のティースに外装される絶縁体とを互いに連結する連結部を有し、前記連結部は、前記巻線が巻き付けられる巻線領域よりも径方向外側と径方向内側とに設置され、前記ティース係合部は少なくとも周方向に曲面を有する。

このように本発明の一態様によれば、ティースに巻線を設置しやすい構造を実現しつつ、モータの駆動効率の低下やトルク変動の増加を抑制できる構造を実現し、安価で高性能なモータを提供することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係るモータを示す図であり、その概略全体構成を示す透視断面図である。図２は、ステータとロータにおける磁束密度を示す磁束線図である。図３は、誘導コイルと界磁コイルとをダイオードを介して接続する閉回路の回路構成図である。図４は、ステータの一部を拡大してバックヨークとステータティースの構造を示す拡大構造図である。図５は、図４と異なる構造の一例における課題を説明する一部拡大構造図である。図６は、電機子コイルを巻き付けるインシュレータをステータティースに取り付けた状態を示す図であり、（ａ）はその軸方向の一方から見た側面図、（ｂ）は（ａ）の反対側から見た側面図である。図７−１は、インシュレータの構造を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は側面図である。図７−２は、図７−１のインシュレータの構造を示す図であり、（ｃ）は平面図、（ｂ）は底面図である。図８−１は、第２のティースを取り付けていない状態で第１のティースにインシュレータを取り付ける際の作業を説明する平面図である。図８−２は、第１のティースにインシュレータを取り付けた後に、インシュレータを取り付けた第２のティースをバックヨークに係合させる際の作業を説明する斜視図である。図９は、電機子コイルを設置したインシュレータを取り付けた状態を示す図であり、（ａ）はその軸方向の一方から見た一部拡大側面図、（ｂ）は（ａ）の反対側から見た一部拡大側面図である。図１０は、分割コア構造のステータを示す図であり、（ａ）はその軸方向の一方から見た側面図、（ｂ）は（ａ）の反対側から見た側面図である。図１１は、図１０に示すステータのステータティースに取り付けるインシュレータの一例を示す分解斜視図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。図１〜図９は本発明の一実施形態に係るモータを示す図である。

図１において、モータ（回転電機）１００は、後述するように、外部からロータ１２１にエネルギー入力する必要のない構造を有しており、例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車に搭載するのに好適な性能を有している。

モータ１００は、概略円筒形状に形成されたステータ（固定子）１１と、駆動軸として回転するシャフト（回転軸）１０１に固定されてステータ１１内に収納されるロータ（回転子）１２１と、を備えている。これらステータ１１とロータ１２１とは、電磁鋼板（磁性体）を積層することにより作製されている。

ロータ１２１は、内筒（内周面１２１ａ）内にシャフト１０１を差し込んで固定するようになっている。このロータ１２１は、シャフト１０１の外周面の軸方向に連続するように形成されているキー溝１０６に、内周面１２１ａに形成されているキー突起１２６を嵌め込んで軸方向にスライドさせて位置決めすることにより、そのシャフト１０１に軸心を一致させて一体回転するように取り付けられている。

ステータ１１は、ステータティース（突極部）１２と、バックヨーク１５と、が一体に形成されている。ステータティース１２は、ロータ１２１のロータティース１２２の外周面１２２ａにエアギャップＧを介して内周面１２ａ側を近接対面させるように、径方向に延伸されて突極形状に形成されている。このステータティース１２は、複数本が周方向に均等配置されている。バックヨーク１５は、スタータティース１２の径方向の外側に位置して、磁路として機能するように連続する形態に作製されている。このバックヨーク１５は、内面側から突出する形状のステータティース１２が一体に形成されている。

このステータティース１２には、後述するように、隣接する側面１２ｂ間に形成される空間のステータスロット１３を利用して、相毎の３相巻線をそれぞれ個々に集中巻きすることにより電機子コイル１４が形成されている。ステータティース１２は、電機子コイル１４に３相交流の駆動電流を入力することにより、内部に対面収納されているロータ１２１を回転させる磁束を発生する電磁石として機能する。ここで、ステータティース１２は、後述するように、インシュレータ（絶縁体）３１が巻線との間に介在されて電機子コイル１４が形成されている。

これにより、ステータ１１は、ステータティース１２で発生させた磁束がバックヨーク１５側を磁路として利用しつつ、ロータ１２１側に鎖交することができる構造になっている。

ロータ１２１は、ロータティース（突極部）１２２と、バックヨーク１２４と、が一体に形成されている。ロータティース１２２は、ステータティース１２と同様に、径方向に延伸されて突極形状に形成されている。このロータティース１２２は、複数本が周方向に均等配置されている。バックヨーク１２４は、ロータティース１２２の径方向の内側（シャフト１０１側）に位置して、磁路として機能するように連続する形態に作製されている。このバックヨーク１２４は、外側からステータ１１に向かって突出する形状のロータティース１２２が一体に形成されている。

ロータティース１２２は、ステータティース１２と全周方向の本数を異ならせて、相対回転時に外周面１２２ａがステータティース１２の内周面１２ａに適宜近接対面するように形成されている。

これにより、モータ１００は、ステータ１１のステータスロット１３内の電機子コイル１４に通電されることにより磁束が発生し、その磁束をステータティース１２の内周面１２ａから対面するロータティース１２２の外周面１２２ａに鎖交させることができる。このモータ１００では、ステータティース１２との間で鎖交する磁束が通過する磁路を最短にしようとするリラクタンストルク（主回転力）によりロータ１２１を相対回転させる。この結果、モータ１００は、ステータ１１内において、ロータ１２１が軸心を一致させつつ回転することにより、そのロータ１２１と一体回転するシャフト１０１から通電入力する電気的エネルギーを機械的エネルギーとして出力することができる。すなわち、モータ１００は、リラクタンスモータとして構築されている。

このとき、モータ１００では、ステータティース１２の内周面１２ａからロータティース１２２の外周面１２２ａに鎖交する磁束には高調波成分が重畳している。このため、ロータ１２１側でも、ステータ１１側から鎖交する磁束の高調波成分の磁束密度の変化を利用して、内蔵するコイルに誘導電流（補助電流）を発生させ誘導起電力を得ることができる。

詳細には、ステータ１１の電機子コイル１４に基本周波数の駆動電力を供給するだけでは、ロータ１２１（ロータティース１２２）をその基本周波数で変動する主磁束で回転させるだけである。このことから、ロータ１２１側にコイルを単に配置しても、鎖交する磁束に変化はなく誘導電流が生じることはない。

その一方で、磁束には高調波成分が重畳しており、その高調波成分は基本周波数と異なる周期で時間的に変化しつつロータティース１２２に外周面１２２ａ側から鎖交する。このため、基本周波数の磁束に重畳する高調波成分は、ロータティース１２２の外周面１２２ａの近傍にコイルを設置することにより、効率よく誘導電流を発生させることができる。この結果、鉄損の原因となる高調波磁束を自己励磁するためのエネルギーとして回収することができる。

そこで、本実施形態のモータ１００では、ロータ１２１側において、補極コア材（補極部）１２５に集中巻した誘導コイル１２７をロータティース１２２間のロータスロット１２３内に収容するよう回転方向に並列に複数配置する。また、モータ１００は、集中巻して直列接続した界磁コイル１２８（１２８１、１２８２）がロータティース１２２の全体で１段（１固まり）となるように配置されている。

ここで、誘導コイル１２７と界磁コイル１２８は、電機子コイル１４と同様に、不図示のインシュレータ（絶縁体）が巻線との間に介在する状態でロータティース１２２や補極コア材１２５に巻き付けられて形成されている。なお、ロータティース１２２は、軸心から半径方向の外側に向かって延伸されている。このため、ロータティース１２２の間のロータスロット１２３は、半径方向の外側に向かって開くＶ字形状であることから巻線の巻き付け作業が、ロータティース１２２の干渉により難しくしてしまうことはない。そのインシュレータとしては、後述するステータティース１２用と同様に絶縁性の硬質材料により作製してもよく、また、絶縁性テープ状材料を巻き付けて設置しても良い。

補極コア材１２５は、ロータティース１２２の対面する両側面１２２ｂに脚部（支持部）１３５を支持させるようになっている。このようにして、補極コア材１２５は、誘導コイル１２７を巻き付けた本体部１３１をその脚部１３５で連結支持してロータティース１２２の側面１２２ｂ間のロータスロット１２３内に位置決め保持するようになっている。

補極コア材１２５の本体部１３１は、シャフト１０１と平行に延伸されつつ、ロータ１２１のロータティース１２２の両側面１２２ｂに対面する形態に作製されている。補極コア材１２５は、本体部１３１に誘導コイル１２７を巻き付け可能な板状になるように、電磁鋼板を積層することにより脚部１３５と一体に形成されている。

この本体部１３１は、ロータティース１２２間のロータスロット１２３内で、軸心からロータ１２１の径方向外方に延伸することにより、誘導コイル１２７を容易に巻き付けて、その径方向外端部１３２の外端面１３２ａがステータ１１のステータティース１２の内周面１２ａに対面するように、ロータ１２１に組み付けられている。

なお、この補極コア材１２５の本体部１３１は、ロータ１２１の外周面側の外端部１３２がロータ１２１の軸心側よりも厚くなるように形成されており、巻き付けた誘導コイル１２７が回転時の遠心力でずれてしまうことを抑制するようになっている。ここで、ロータ１２１の径方向外方とは、軸心を通る直線上において軸心から外周面の外側に向かう方向を意味する。

補極コア材１２５の脚部１３５は、本体部１３１のロータ１２１の径方向内方端部１３１ｉからロータティース１２２の両側面１２２ｂに向かって延伸された板状になるように形成されている。また、この脚部１３５は、先端部１３６を、ロータティース１２２の両側面１２２ｂに形成されている支持溝１３９内に嵌め込むことにより組み付けて（連結させて）本体部１３１を支持するようになっている。これにより、補極コア材１２５は、脚部１３５の先端部１３６をロータティース１２２の支持溝１３９内に回転軸方向の端面側から嵌め込んでスライドさせることにより組み付けるようになっている。ここで、ロータ１２１の径方向内方とは、軸心を通る直線上において外周面から軸心側に向かう方向を意味する。

この補極コア材１２５の脚部１３５は、本体部１３１を支持する十分な強度を確保し、幅をできるだけ狭く形成した電磁鋼板を積層して形成され、例えば、積層する電磁鋼板の２枚分の厚さ以下の幅で回転軸方向に延伸される形状に形成されている。すなわち、この脚部１３５は、本体部１３１とロータティース１２２との間を通過する磁束量をできるだけ制限するように断面積の小さな板状にして、補極コア材１２５の本体部１３１が、ロータティース１２２とは別個の磁極（補極）として機能するように、磁気的に独立した形態で支持するように形成されている。

これにより、ロータ１２１は、補極コア材１２５の脚部１３５を通過する磁束量が制限され、通過しようとする磁束線が直ちに密になるため、簡単に磁気飽和する。このような構造から、補極コア材１２５とロータティース１２２との磁気結合を抑制することができ、補極コア材１２５をロータティース１２２から磁気的に十分に独立した状態で支持することができる。このため、ロータティース１２２と補極コア材１２５のそれぞれに鎖交する磁束が干渉しあって誘導電流や磁界の発生効率を低下させてしまうことを回避することができ、ロータ１２１を大トルクで高効率回転させることができる。

また、この構造により、ロータ１２１は、補極コア材１２５をロータティース１２２に支持させる前に、そのロータティース１２２の軸心側内方またはロータティース１２２の全体に、界磁コイル１２８の一部または全部を巻き付けることができ、この後に、補極コア材１２５の脚部１３５をロータティース１２２の支持溝１３９に嵌め込んで支持させることができる。

このとき、誘導コイル１２７は、ロータティース１２２に補極コア材１２５の脚部１３５を支持させる前に、あるいは、支持させた後に、本体部１３１に巻き付ければよい。また、界磁コイル１２８は、補極コア材１２５の脚部１３５よりも径方向内方の第１の界磁コイル１２８１と、補極コア材１２５の脚部１３５よりも径方向外方の第２の界磁コイル１２８２とに分割した状態でロータティース１２２に巻き付けられている。この第１、第２の界磁コイル１２８１、１２８２は、直列接続されて界磁コイル１２８を構成している。

このように補極コア材１２５の脚部１３５によって支持させることで、ロータ１２１は、誘導コイル１２７を補極コア材１２５の本体部１３１に巻き付けてロータ１２１の外周面側に位置させることができる。また、補極コア材１２５の脚部１３５をロータティース１２２の支持溝１３９に嵌め込んで支持させるため、その補極コア材１２５の脚部１３５に妨げられることなく、界磁コイル１２８の第１、第２の界磁コイル１２８１、１２８２をロータティース１２２の全体に巻き付けることができる。本発明に係る実施形態によれば、このような構成により、ロータスロット１２３内の空間を有効利用して、効率よく誘導コイル１２７で誘導電流を発生させ、また、その誘導電流を界磁コイル１２８に供給して効果的に磁界を発生させることができる。

なお、界磁コイル１２８の第１、第２の界磁コイル１２８１、１２８２は、ロータティース１２２の全体（径方向内方と径方向外方の両側）に一工程で巻き付ける際には、補極コア材１２５の脚部１３５がロータスロット１２３内をスライドする空間を残した状態で巻き付ければよい。また、ロータティース１２２に補極コア材１２５を支持させる前後に第１、第２の界磁コイル１２８１、１２８２をそれぞれ巻き付ける際には、そのロータティース１２２の軸心側内方（径方向内方）に第１の界磁コイル１２８１を巻き付けた後に、補極コア材１２５の本体部１３１に誘導コイル１２７を巻き付ける前に、あるいは、その本体部１３１に誘導コイル１２７が巻き付けられた状態で、そのロータティース１２２の外周側外方（径方向外方）に第２の界磁コイル１２８２を巻き付ければよい。

そして、誘導コイル１２７は、電磁鋼（磁性体）からなる補極コア材１２５に巻き付けられることにより、透磁率を高めて磁束を高密度に鎖交可能にしている。また、誘導コイル１２７は、ステータティース１２の内周面１２ａに極力小さなエアギャップＧを介して対面する磁路上に位置されることで、より多くの高調波磁束を鎖交できるようになっている。この誘導コイル１２７は、ステータティース１２の内周面１２ａからロータティース１２２の外周面１２２ａ側に鎖交する磁束の第３次の時間高調波成分を有効利用するように磁界解析を行って高調波磁路を確認することにより、効率よく誘導電流を発生させることができるように設置している。なお、誘導コイル１２７は、界磁コイル１２８との間に必要十分な空隙を確保するようにロータティース１２２の間に位置するように配置されている。

このように、集中巻構造を採用することにより、誘導コイル１２７や界磁コイル１２８では、複数スロットをまたいで巻き付ける必要がなく、小型化することができる。また、誘導コイル１２７では、１次側での銅損損失を低減しつつ、回転座標（ｄｑ軸）における第３次の時間高調波磁束の鎖交による誘導電流を効率よく発生させて、界磁エネルギーを得ることができる。
ここで、回転座標（ｄｑ軸）における第３次の時間高調波は、静止座標においては第２次の空間高調波である。

このように、誘導コイル１２７および界磁コイル１２８は、磁束経路が干渉し合わないように、ロータティース１２２と補極コア材１２５とに分離して巻き付けられているので、磁気的な干渉を抑制しつつ、効率よく誘導電流を発生させることができる。

そして、モータ１００は、回転座標における３ｆ次の時間高調波磁束（ｆ＝１、２、３・・・）を主に利用する構造として、「ロータ１２１側の突極部（ロータティース１２２）の数Ｐ：ステータ１１側のステータスロット１３の数Ｓ」が「２：３」になる構造に作製されている。例えば、３次の時間高調波磁束は、電機子コイル１４に入力する基本周波数よりも周波数が高いために短周期で脈動する。このため、ロータ１２１は、ロータティース１２２間の誘導コイル１２７に鎖交する磁束強度が変化することにより、効率的に誘導電流を発生させることができ、基本周波数の磁束に重畳する高調波成分を界磁エネルギー源として効率よく回収して回転することができる。

また、このように、モータ１００は、ロータ１２１側とステータ１１側の間での相対的な磁気的作用の品質を決定する構造として、「ロータティース突極数Ｐとステータスロット数Ｓの比としてＰ（１２）／Ｓ（１８）＝２／３」を採用するのは、電磁振動を低減して電磁騒音の小さな回転を実現するためである。

詳細には、ステータ１１とロータ１２１の磁性体内における磁束密度分布の磁界解析をすると、図２の磁束線図に示すように、ロータティース突極数Ｐとステータスロット数Ｓの比に応じて、機械角３６０度内の周方向に磁束密度分布も分散化されるため、ステータ１１に働く電磁力分布にも偏在が認められることになる。

これに対して、モータ１００では、「ロータティース突極数Ｐ（１２）／ステータスロット数Ｓ（１８）＝２／３」となる構造を採用することにより、機械角３６０度の全周に亘って均等な密度分布となる磁束を鎖交させることができ、ロータ１２１をステータ１１内で高品質に回転させることができる。

これにより、モータ１００では、高調波磁束成分を界磁エネルギー源として効率よく回収しながらも、電磁振動を抑制して静寂性高く回転させることができる。

このように、モータ１００は、ロータ１２１側のｑ軸に配置する誘導コイル１２７に誘導電流を効率よく発生させて、ｄ軸に配置する界磁コイル１２８に界磁電流として供給し、自己励磁電磁石として機能させることができる。このため、モータ１００は、電機子コイル１４への電力供給によって発生される主回転力を補助する補助回転力を得て高効率回転させることができる。すなわち、このモータ１００では、ｑ軸の高調波磁束も界磁エネルギー源として利用できるようにしており、ｑ軸に補極を配置しない構造よりも相互インダクタンス係数を高くして自励によるマグネットトルク密度を向上させることができる。

そして、誘導コイル１２７は、ロータ１２１の径方向に対して同一の周回巻線となる集中巻に形成されて、ロータ１２１の周方向に配列されて並列接続されている。また、界磁コイル１２８１、１２８２が直列接続されて１段にされている界磁コイル１２８は、ロータ１２１の径方向に対して隣同士が逆向きの周回巻線となる集中巻に形成されて、直列接続されている界磁コイル１２８１、１２８２の両端部がさらにロータ１２１の周方向の外周側と軸心側とを直列接続されている。

これら誘導コイル１２７と界磁コイル１２８は、隣接位置のロータティース１２２とロータスロット１２３との２組を１セットとして、ダイオード（整流素子）１２９Ａ、１２９Ｂと共に閉回路１３０（図３を参照）を構成している。

閉回路１３０は、図３に示すように、逆向きの周回方向に集中巻きされて直列接続されている２つの界磁コイル１２８Ａ、１２８Ｂ（２組の界磁コイル１２８１、１２８２）の両端部が、並列接続されている２つの誘導コイル１２７Ａ、１２７Ｂの両端部にそれぞれダイオード１２９Ａ、１２９Ｂを介して接続されている。

具体的に、閉回路１３０は、直列接続されている２つの界磁コイル１２８Ａ、１２８Ｂの一端側端部が２つの誘導コイル１２７Ａ、１２７Ｂのそれぞれの一端側端部に共通接続されて、その界磁コイル１２８Ａ、１２８Ｂの他端側端部がダイオード１２９Ａ、１２９Ｂの共通接続されているカソード側接続ピン１２９ｃに接続されている。また、閉回路１３０は、並列接続される２つの誘導コイル１２７Ａ、１２７Ｂのそれぞれの他端側端部がダイオード１２９Ａ、１２９Ｂ毎のアノード側接続ピン１２９ｃに共通接続されている。すなわち、ダイオード１２９Ａ、１２９Ｂは、それぞれのカソード側の接続ピン１２９ｃ同士を接続してケース１２９Ｄの外部に露出させるとともに、それぞれのアノード側の接続ピン１２９ｃをそのままケース１２９Ｄの外部に露出させるカソードコモン型にパッケージ化されている。

このダイオード１２９Ａ、１２９Ｂは、それぞれ１８０度位相差になるように結線して、一方の誘導電流を反転させて半波整流出力を合算する中性点クランプ型の全波整流回路を形成している。

これにより、モータ１００では、誘導コイル１２７Ａ、１２７Ｂの巻かれた透磁率の高い電磁鋼の補極コア材１２５に、ステータティース１２の内周面１２ａからロータティース１２２の外周面１２２ａ側に鎖交する磁束に重畳している高調波成分を通過させることにより、誘導電流を効率よく発生させることができる。誘導コイル１２７Ａ、１２７Ｂの個々に発生する交流の誘導電流は、ダイオード１２９Ａ、１２９Ｂで整流させた後に合流させて、直列接続させている界磁コイル１２８Ａ、１２８Ｂに直流の界磁電流として流すことができる。このようにして、界磁コイル１２８Ａ、１２８Ｂを効果的に自己励磁させて磁界を発生させることができる。

また、このモータ１００では、隣接する誘導コイル１２７Ａ、１２７Ｂと界磁コイル１２８Ａ、１２８Ｂの２組ずつとダイオード１２９Ａ、１２９Ｂとの１セットで閉回路１３０を構成している。すなわち、図３に示す閉回路１３０の６セットが、ロータ１２１の周方向に均等間隔で並列するように配置されている。そして、このモータ１００は、閉回路１３０における誘導コイル１２７Ａ、１２７Ｂは同一の周回方向に巻かれる集中巻きにされて並列されているとともに、界磁コイル１２８Ａ、１２８Ｂはロータ１２１の全周方向に向かって巻かれる周回方向が交互になるように巻き付けられている。

このため、モータ１００では、界磁電流の通電により界磁コイル１２８Ａ、１２８Ｂで発生する電磁石の磁化方向は周方向において交互にされ、ステータ１１のステータティース１２に対してＮ極とＳ極とが交互に対面するようになっている。この結果、モータ１００は、励起用と界磁用とで分離されているため、誘導コイル１２７Ａ、１２７Ｂおよび界磁コイル１２８Ａ、１２８Ｂで互いに干渉して磁界を弱め合ってしまうことを回避し、効率よく界磁エネルギーとして回収することができる。

また、このモータ１００は、「ロータティース突極数Ｐ（１２）／ステータスロット数Ｓ（１８）＝２／３」となる構造を採用することにより、それぞれの閉回路１３０の誘導コイル１２７Ａ、１２７Ｂに鎖交する高調波磁束の波形を共通にすることができる。このため、位相差なく誘導コイル１２７Ａ、１２７Ｂで発生させる誘導電流は、ダイオード１２９Ａ、１２９Ｂで整流した同程度の界磁電流として界磁コイル１２８Ａ、１２８Ｂに供給することができ、ロータ１２１を効率よくかつ高品質に回転駆動させることができる。

そして、図１に戻って、モータ１００は、このようなロータ１２１の構造に対して、ステータ１１も容易かつ高品質に組み立てることができる構造が採用されており、周方向に均等配置されているステータティース１２が１本おきにバックヨーク１５に着脱可能な構造に作製されている。

具体的には、ステータティース１２は、第１のティース１２Ｆと第２のティース１２Ｍとを備えて、それぞれが周方向に交互になるように配置されている。

第１のティース１２Ｆは、連続する磁性体により、バックヨーク１５と一体に形成されている。

第２のティース１２Ｍは、バックヨーク１５とは別体の、係合可能な磁性体により構成されている。すなわち、第２のティース１２Ｍは、バックヨーク１５とは別体の状態から一体に係合させて、ステータティース１２として機能させることができるようになっている。

このステータティース１２の第２のティース１２Ｍは、シャフト１０１と平行に延長されてバックヨーク１５から分割可能なブロック形状に形成されている。この第２のティース１２Ｍは、内周面１２ａの背面１２ｈ側からバックヨーク１５内に延長される係合突起部２１が分割不能な一体形状に形成されている。これに対して、バックヨーク１５は、その係合突起部２１を嵌め込む係合溝部２２がステータティース１２の第２のティース１２Ｍを着脱する内面１５ｉ側の内部に形成されている。これら係合突起部２１と係合溝部２２は、シャフト１０１と平行に延長されている。

係合突起部２１は、第２のティース１２Ｍの背面１２ｈの中心付近から径方向外側に向かって突出する胴部２１ａと、その胴部２１ａの先端側に形成されて胴部２１ａの厚さよりも大きな直径の断面円形となる円柱形状に形成されている頭部２１ｂと、が連続する磁性体により一体形状に形成されている。

係合溝部２２は、バックヨーク１５内において、係合突起部２１の胴部２１ａと略同一幅に形成されている胴溝２２ａと、係合突起部２１の頭部２１ｂと略同様な直径の断面円形となる空間形状に形成されている円形部２２ｂと、が連続する空間として開口するように形成されている。

これにより、ステータ１１は、係合突起部２１の一端部をシャフト１０１の軸方向の他端側から係合溝部２２内に嵌め込むように差し込んでスライドさせることにより互いに嵌め合わせて一体に組み付けることができ、バックヨーク１５の内側でステータティース１２の第１のティース１２Ｆと第２のティース１２Ｍとが周方向に均等間隔に連続する状態に容易に組み立てることができる。

ここで、ステータ１１は、図２に示す磁束線図から磁束線密度分布を確認すると、ステータティース１２を中心にしてバックヨーク１５の両側に分岐する磁路が形成されていることが認められる。このために、ステータ１１は、ステータティース１２の内周面１２ａの背面側に位置するバックヨーク１５の分岐領域１５Ｂの磁束密度がステータティース１２間のバックヨーク１５の迂回領域１５Ａの磁束密度よりも低くなる傾向にある。

このことから、ステータ１１は、第１のティース１２Ｆの間のバックヨーク１５の係合溝部２２に、第２のティース１２Ｍの係合突起部２１を嵌め合わせることにより、ステータティース１２を組み立てる構造になっている。これによって、図１０に示すようにバックヨーク１１１５を周方向に分割する構造にする場合よりも、通過する磁束が磁気飽和してしまうまでに余裕のある分割構造にされている。

すなわち、係合突起部２１および係合溝部２２がステータティース１２の第２のティース１２Ｍとバックヨーク１５との間において（後述のインシュレータ３１よりも径方向の外側において）、バックヨーク１５の内面１５ｉ側に形成されて分割可能に係合するティース係合部を構成している。係合突起部２１の頭部２１ｂが凸部に対応して、係合溝部２２の円形部２２ｂが凹部に対応し、頭部２１ｂの外面と円形部２２ｂの内面の曲面同士が互いに密接する状態で嵌め合うことにより、ステータ１１は、ステータティース１２の第２のティース１２Ｍとバックヨーク１５との間を磁束が磁気飽和により制限されることなく通過することのできる磁路が形成されるようになっている。

なお、本実施形態では、バックヨーク１５内に係合突起部２１および係合溝部２２が位置する構造に作製されているが、これに限るものではない。例えば、ステータティース１２の第２のティース１２Ｍ内に係合突起部および係合溝部が位置する構造に作製して、係合突起部（凸部）をバックヨーク１５側に形成するとともに係合溝部（凹部）をステータティース１２の第２のティース１２Ｍ側に形成しても良い。

また、ステータ１１は、図５に示すように、ステータティース１２の第２のティース１２Ｍとバックヨーク１５とに、ティース係合部として、断面三角形の係合突起部２１Ｔと係合溝部２２Ｔとをそれぞれ設けることも考えられる。この構造の場合、ステータティース１２に電機子コイル１４を取り付けてモータ１００を駆動させると、第２のティース１２Ｍは、ロータ１２１側との間の磁力による引き合いによって、シャフト１０１側に引かれるトルクＴや、周方向の正逆方向に向かうトルクＴが掛かる。

しかしながら、この構造では、角エッジＥｐと角溝Ｅｖとを隙間なく嵌め合わせることが難しく、対向面Ｓ同士が密接する状態で係合させることができずに、周方向の正逆方向にガタが生じてしまう。このため、この構造では、係合突起部２１Ｔと係合溝部２２Ｔとの間の隙間により透磁率が低くなることにより、ステータティース１２の第２のティース１２Ｍとバックヨーク１５との間の磁路が直ぐに磁気飽和して、ロータ１２１の回転効率が低下してしまう可能性がある。また、ロータ１２１の回転時に発生するトルクＴが第２のティース１２Ｍに掛かると、係合溝部２２Ｔの角溝Ｅｖに応力集中が発生して損傷し易くなってしまっている。

これに対して、本実施形態のステータ１１は、係合突起部２１を係合溝部２２に嵌め込んでステータティース１２の第２のティース１２Ｍをバックヨーク１５に係合するので、係合突起部２１と係合溝部２２の胴部２１ａ、２２ａ同士を密接する状態で嵌め合わせることができるとともに、頭部２１ｂを円形部２２ｂ内に密接する状態で嵌め込むことができる。

このため、ステータ１１は、図５に示す構造とは違って、第２のティース１２Ｍとバックヨーク１５との間の透磁率をできるだけ大きくしてロータ１２１を効率よく回転させることができる。また、ステータ１１は、係合突起部２１と係合溝部２２の周りで応力集中が発生してしまうことを避けて、ロータ１２１の回転に伴うトルクＴに対して必要な耐久性を確保することができる。

さらに、バックヨーク１５は、分割状態から連結して一体とする構造ではなく、分割部がない、連続する一体形状とした構造であることから、その外周面１５ｏを精度よく形成することができ、設置する部材に正確に取り付けて、モータ１００を高品質に回転駆動させることができる。

また、ステータ１１は、図６に示すように、ステータティース１２にインシュレータ３１が外装されている。このステータ１１は、インシュレータ３１に巻線が巻き付けられて電機子コイル１４が設置されている。

インシュレータ３１は、図７−１および図７−２に示すように、本体部３２と、内側鍔部３３と、外側鍔部３４と、外側延長部３５と、外側連結部３６と、を備える一体形状に形成されている。このインシュレータ３１は、例えば、非磁性の絶縁性樹脂材料を成形することにより作製されている。

本体部３２は、ステータティース１２の両側面１２ｂと、ステータティース１２のシャフト１０１の軸方向の両端面１２ｃと、に対面接触する枠形状に形成されて、電機子コイル１４の巻線が巻き付けられる巻線領域として機能する。本体部３２は、ステータティース１２の内周面１２ａが内側鍔部３３側の開口から露出するまで、ステータティース１２を内部に収容可能に形成されている。本体部３２は、外側鍔部３４がバックヨーク１５の内面１５ｉに接触する位置まで、ステータティース１２の第１のティース１２Ｆを内部に収容可能に形成されている。本体部３２は、ステータティース１２の第２のティース１２Ｍの背面１２ｈが外側鍔部３４側の開口から露出するまで、その第２のティース１２Ｍを内部に収容可能に形成されている。

内側鍔部３３は、ステータティース１２の両側面１２ｂと軸方向両端面１２ｃとの４面のそれぞれに対して直交方向外方に向かって張り出すフランジ形状に形成されている。この内側鍔部３３は、後述するように、図１０に示すステータティース１１１１の内周面側に鍔１１１２を設けることを不要にして、インシュレータ３１がステータティース１２に取り付けられたときに、本体部３２に巻き付けられている電機子コイル１４が内側に移動してしまうことを制限するようになっている。このため、内側鍔部３３は、電機子コイル１４がロータ１２１側に接触してしまうことを回避する機能も備える。

外側鍔部３４は、ステータティース１２の両側面１２ｂと軸方向片側端面１２ｃ１との３面のそれぞれに対して直交方向外方に向かって張り出すフランジ形状に形成されている。この外側鍔部３４は、インシュレータ３１がステータティース１２に取り付けられたときに、本体部３２に巻き付けられている電機子コイル１４が外側に移動してしまうことを制限するようになっている。このため、外側鍔部３４は、電機子コイル１４がバックヨーク１５に接触してしまうことを回避する機能も備える。

外側延長部３５は、外側鍔部３４が形成されていないステータティース１２の軸方向片側端面１２ｃ２と平行に本体部３２が外側に向かって延長されている形状に形成されている。この外側延長部３５は、インシュレータ３１がステータティース１２に取り付けられたときに、バックヨーク１５のシャフト１０１の軸方向片側端面１５ｃに対面接触する状態で取り付けられる。このため、外側延長部３５は、電機子コイル１４がバックヨーク１５に接触してしまうことを回避する機能も備える。

外側連結部３６は、本体部３２から離隔する外側延長部３５の端辺より直交方向外方に向かって張り出す形状に形成されている。この外側連結部３６は、インシュレータ３１の本体部３２に巻き付ける巻線（電機子コイル１４）の両端部１４ａを差し込んで一時的に保持する一対のスリット３６ｓが形成されている（図９（ａ）を参照）。このため、外側連結部３６は、電機子コイル１４の特に結線後の端部１４ａがバックヨーク１５に接触してしまうことを回避する機能も備える。

また、外側延長部３５と外側連結部３６は、隣接するインシュレータ３１の周方向一端側と周方向他端側を突き合わせる状態でステータティース１２に設置されるようになっている。この外側延長部３５と外側連結部３６は、周方向一端側で外側延長部３５と外側連結部３６の双方に跨るように連結凸形状部３７が一体的に形成されている。したがって、連結凸形状部３７がインシュレータ３１と同様に、例えば、非磁性の絶縁性樹脂材料によって形成されている。また、この外側延長部３５と外側連結部３６は、周方向他端側で外側延長部３５と外側連結部３６の双方に跨るように連結凹形状部３８が形成されている。すなわち、外側延長部３５と外側連結部３６は、巻線領域として機能する本体部３２よりも径方向外側に位置する連結領域として、シャフト１０１の軸方向（軸心の延長方向）の片側のバックヨーク１５の端面１５ｃ内に位置するように（端面１５ｃに重なるように）配置されている。この外側延長部３５および外側連結部３６のインシュレータ３１の周方向一端側の連結凸形状部３７と周方向他端側の連結凹形状部３８は、ステータティース１２に設置された状態で、その一対が互いに組み合って連結する絶縁体連結部として機能するようになっている。

連結凸形状部３７と連結凹形状部３８は、外側延長部３５と外側連結部３６の周方向一端側側面３５ａ、３６ａまたは周方向他端側側面３５ｂ、３６ｂに中心を一致させる仮想円柱形状Ｉ１の外周面Ｉ１ｓに外形が一致する形状に形成されている。

連結凸形状部３７は、外側延長部３５と外側連結部３６の周方向一端側側面３５ａ、３６ａを周方向外側に張り出して仮想円柱形状Ｉ１の外周面Ｉ１ｓに一致する外形を有する形状に形成されている。

連結凹形状部３８は、外側延長部３５と外側連結部３６の周方向他端側側面３５ｂ、３６ｂを周方向内側に窪ませて仮想円柱形状Ｉ１の外周面Ｉ１ｓに一致する外形を有する形状に形成されている。

また、内側鍔部３３は、隣接するインシュレータ３１の周方向一端側と周方向他端側を突き合わせる状態でステータティース１２に設置されるようになっている。この内側鍔部３３は、周方向一端側端面に連結凸形状部４７が一体的に形成され、周方向他端側端面に連結凹形状部４８が形成されている。したがって、連結凸形状部４７は、インシュレータ３１と同様に、例えば、非磁性の絶縁性樹脂材料によって形成されている。すなわち、インシュレータ３１の周方向一端側の連結凸形状部４７と周方向他端側の連結凹形状部４８は、外側の連結凸形状部３７と連結凹形状部３８と同様に、ステータティース１２に設置された状態で、その一対が互いに組み合って連結する状態を維持して、電機子コイル１４の内側への移動を制限する強度を高くするようになっている。

連結凸形状部４７と連結凹形状部４８は、内側鍔部３３の周方向一端側側面３３ａまたは周方向他端側側面３３ｂに中心を一致させる仮想円柱形状Ｉ２の外周面Ｉ２ｓに外形が一致する形状に形成されている。すなわち、連結凸形状部４７は、内側鍔部３３の周方向一端側側面３３ａに、シャフト１０１の軸方向の全長に亘って連続する畝形状に形成されている。連結凹形状部４８は、内側鍔部３３の周方向他端側側面３３ｂに、シャフト１０１の軸方向の全長に亘って連続する溝形状に形成されている。

連結凸形状部４７は、内側鍔部３３の周方向一端側側面３３ａを周方向外側に張り出して仮想円柱形状Ｉ２の外周面Ｉ２ｓに一致する外形を有する形状に形成されている。

連結凹形状部４８は、内側鍔部３３の周方向他端側側面３３ｂを周方向内側に窪ませて仮想円柱形状Ｉ２の外周面Ｉ１ｓに一致する外形を有する形状に形成されている。

このような構造により、インシュレータ３１は、本体部３２に電機子コイル１４の巻線を巻き付けて、その巻線端部１４ａを外側連結部３６のスリット３６ｓに差し込むことにより、電機子コイル１４を一時的に保持されている状態にして設置することができる。

そして、ステータティース１２の第１のティース１２Ｆは、図８−１に示すように、内周面１２ａ側から、電機子コイル１４が設置されているインシュレータ３１の本体部３２内に差し込むことにより、電機子コイル１４が巻き付けられている状態に取り付けることができる。

また、ステータティース１２の第２のティース１２Ｍは、内周面１２ａ側または背面１２ｈ側から、電機子コイル１４が設置されているインシュレータ３１の本体部３２内に差し込むことにより、電機子コイル１４が巻き付けられている状態に取り付けることができる。このステータティース１２の第２のティース１２Ｍは、図８−２に示すように、背面１２ｈ側の係合突起部２１をバックヨーク１５側の係合溝部２２内に嵌め込むようにシャフト１０１の軸方向にスライドさせることにより、第１のティース１２Ｆ間に位置するように容易に組み付けることができる。

このため、ステータ１１は、図１０に示すステータ１１１０と同様に、ステータティース１２間に形成される巻線用のステータスロット１３が内面側ほど狭くなる先細りのＶ字形状であっても、第１のティース１２Ｆと第２のティース１２Ｍとにそれぞれ容易にインシュレータ３１を簡易に設置して、ステータティース１２のそれぞれにステータスロット１３の空間占有率の高い状態に電機子コイル１４を容易に設置することができる。

このとき、図９に示すように、ステータ１１は、インシュレータ３１の周方向一端側の連結凸形状部３７と周方向他端側の連結凹形状部３８とが互いに組み合って、外側延長部３５と外側連結部３６とが連結する状態になり、互いに突き合ってインシュレータ３１自体が内側に移動しようとするのを制限することができる。また、ステータ１１は、同様に、インシュレータ３１の周方向一端側の連結凸形状部４７と周方向他端側の連結凹形状部４８とが互いに組み合って、内側鍔部３３同士が連結する状態になり、電機子コイル１４の内側への移動を信頼性高く制限することができる。この状態で、電機子コイル１４の巻線端部１４ａを外側連結部３６のスリット３６ｓから外して直列接続し、バッテリなどの外部電源に電力供給可能に接続することによりモータ１００として機能させることができる。

ここで、図１０に示す分割コアタイプを採用する場合には、電機子コイルの巻線を巻き付けるための図１１に示す巻線ボビン（インシュレータ）１２３０がステータティース１１１１から抜けてしまわないように、そのステータティース１１１１の内面１１１１ａの両側方に張り出す鍔１１１２が形成されている。

この巻線ボビン１２３０は、鍔１１１２を避けて設置するために、図１１に示すように、ステータティース１１１１の長手方向に分割する２部品にして、ステータティース１１１１の長手方向からそれぞれ外装させて設置した後に、巻線を巻き付ける作業を行っていた。

しかしながら、この形態のステータ１１１０用の巻線ボビン１２３０では、２部品の連結板部１２３１を重ねる構造にすることから、その連結板部１２３１同士が重なることになって、接着などの連結作業が余分に掛かるとともに、巻線を巻き付ける空間を無駄に使ってしまうことになって、巻き数を増加させる際の妨げになってしまう。

また、この形態のステータ１１１０のステータティース１１１１に形成する鍔１１１２は、ロータとの対面面積を拡大することができる反面、例えば、ロータ側に巻線を設置する巻線界磁モータの場合には、ステータティース１１１１の突極比が低くなってしまい、モータ性能を低下させてしまう。

これに対して、ステータ１１は、インシュレータ３１の内側鍔部３３が電機子コイル１４の内側への移動を信頼性高く制限するので、ステータティース１２に鍔を形成する必要がなく、ステータティース１１１１の鍔１１１２のように磁束の通過する磁路として機能させしまうことがない。このため、ステータティース１２は、突極比が低くなってしまうことがなく、高性能にモータ１００を駆動させることができる。

このように、本実施形態のステータ１１は、連続したバックヨーク１５に、ステータティース１２として、第１のティース１２Ｆを一体形成するとともに、第２のティース１２Ｍをティース係合部（係合突起部２１と係合溝部２２）により係合可能にして一体に取り付ける構造にされている。

これにより、第２のティース１２Ｍを外した状態で、電機子コイル１４を巻き付けた状態のインシュレータ３１を第１のティース１２Ｆに取り付けた後に、同様のインシュレータ３１を取り付けた第２のティース１２Ｍをバックヨーク１５に取り付けることができ、ステータ１１を容易に組み立てることができる。

また、インシュレータ３１は、外側延長部３５と外側連結部３６の周方向両端側の連結凸形状部３７と連結凹形状部３８とが互いに組み合って、また、内側鍔部３３の周方向両端側の連結凸形状部４７と連結凹形状部４８とが互いに組み合って連結する状態にすることができる。このため、インシュレータ３１は、自身が内側にずれてしまうことを制限することができ、また、電機子コイル１４が内側に移動しようとすることも制限することができる。

したがって、バックヨーク１５を分割することなく、ステータスロット１３の空間を有効利用し、かつ、ステータティース１２に電機子コイル１４を容易に設置することのできる、安価で高性能なモータ１００を提供することができる。

ここで、本実施形態では、ステータ１１内にロータ１２１を回転自在に収容する構造のモータ１００を一例として説明するが、これに限るものではない。例えば、ステータ周りにロータを回転自在に設置する構造に適用することもできる。この場合には、ステータティースとロータティースとを入れ換えて、ロータティースを第１のティースと第２のティースとで構成すればよい。

本発明の実施形態を開示したが、当業者によっては本発明の範囲を逸脱することなく変更が加えられうることは明白である。すべてのこのような修正及び等価物が次の請求項に含まれることが意図されている。

１１ステータ
１２ステータティース
１２Ｆ第１のティース
１２Ｍ第２のティース
１３ステータスロット
１４電機子コイル
１５バックヨーク
１５Ａ迂回領域
１５Ｂ分岐領域
２１係合突起部（凸部、ティース係合部）
２２係合溝部（凹部、ティース係合部）
３１インシュレータ（絶縁体）
３２本体部（巻線領域）
３３内側鍔部
３４外側鍔部
３５外側延長部（連結領域）
３６外側連結部（連結領域）
３７連結凸形状部（絶縁体連結部）
３８連結凹形状部（絶縁体連結部）
４７連結凸形状部
４８連結凹形状部
１００モータ
１２１ロータ
１２２ロータティース

Claims

通電により磁束を発生させる電機子コイルが巻き付けられているステータティースを有するステータと、前記磁束が前記ステータティースから鎖交するロータと、を備えるモータであって、
前記ステータは、
前記ステータティースよりも前記ロータの径方向の外側に位置して、連続する磁性体により形成されているバックヨークを有しており、
前記ステータティースとして、
前記バックヨークと一体に形成されている第１のティースと、
前記バックヨークと係合可能な第２のティースと、を有し、
前記第１のティースと前記第２のティースとが周方向において交互に配置され、
前記バックヨークと前記第２のティースとの間に、互いに嵌め合う曲面からなる凸部と凹部とを有して係合可能なティース係合部を備えて、前記ティース係合部は前記凸部と前記凹部の一方が前記バックヨークに形成され、前記凸部と前記凹部の他方が前記第２のティースに形成され、
前記電機子コイルは、前記第１のティースと前記第２のティースの個々に外装される絶縁体に巻線が巻き付けられて形成され、
前記絶縁体の周方向両端部には、前記第１のティースに外装される絶縁体と前記第２のティースに外装される絶縁体とを互いに連結する連結部を有し、
前記連結部は、前記巻線が巻き付けられる巻線領域よりも径方向外側と径方向内側とに設置され、
前記ティース係合部は少なくとも周方向に曲面を有する、モータ。
前記ティース係合部は、前記ロータの軸方向に直交する方向の断面形状が円形状からなる、請求項１に記載のモータ。
前記ティース係合部は、前記絶縁体よりも径方向の外側に位置する前記バックヨークの内面側に形成されている、請求項１又は請求項２に記載のモータ。
前記絶縁体は、前記連結部が軸心の延長方向の片側において、前記バックヨークの端面に重なるように配置されている、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のモータ。