JP6694500B1 - 電機子のボビン構造 - Google Patents

Abstract

【課題】絶縁性を向上させた電機子のボビン構造を提供する。【解決手段】モータ電機子のスロット数が６Ｎ(Ｎは自然数)であり、１相あたりのコイル数が３Ｎである３相モータにおいて、コイルが巻回された巻線ボビンが挿入される主磁極とコイルが巻回されない空ボビンが挿入された補助磁極とが前記円筒の円周方向に交互に配置されている電機子のボビン構造であって、前記主磁極と前記補助磁極との間に形成されるスロットの外周側と内周側には、それぞれ前記空ボビンと前記巻線ボビンとが接する当接部が形成されている、ことを特徴とする電機子のボビン構造。【選択図】図２

Description

本発明は、電機子のボビン構造に関する。

図１に示すように、従来から、集中巻の電機子２００において、コイル２３０とコア２１０との間の電気絶縁のために、コイルボビン（巻線ボビン）２２０，２５０を用いる技術がある。例えば、下記特許文献１においては、図１のようにコイルボビン２２０，２５０の底部において両ボビン２２０，２５０をオーバーラップさせて鍔部２２５を配置している。これにより、コイルボビン２２０，２５０を有する集中巻の回転電機子２００のステータにおいて、コイル２３０とコア２１０の絶縁距離が長くなる。重なり合う鍔部２２５近傍においてもステータコイル２３９を巻くことができるため、スロット２５０内部のコイル２３０の占有率を向上させることができる。このように、特許文献１の技術では、スロット２５０の空間にコイル２３０を配置できるようにして空間効率良くコイル２３０を配置することができる。

特開２０１５−２１１５６３号公報

しかしながら、図１に示すように巻線ボビンのみを配置すると、隣接するコイル間の絶縁性が劣化することがある。
本発明は、絶縁性を向上させた電機子のボビン構造を提供することを目的とする。

本発明の一観点によれば、モータ電機子のスロット数が６Ｎ(Ｎは自然数)であり、１相あたりのコイル数が３Ｎである３相モータにおいて、コイルが巻回された巻線ボビンが挿入される主磁極とコイルが巻回されない空ボビンが挿入された補助磁極とが回転軸に対して円周方向に配置されている電機子のボビン構造であって、前記主磁極と前記補助磁極との間に形成されるスロットの外周側と内周側には、それぞれ前記空ボビンと前記巻線ボビンとが接する当接部が形成されている、ことを特徴とする電機子のボビン構造が提供される。

前記空ボビンと前記巻線ボビンとが接する当接部が形成されることで、空ボビンで巻線ボビンを覆うことができ、巻線の絶縁特性を向上させることができる。

前記スロットの外周側の当接部は、前記空ボビンと前記巻線ボビンとが少なくとも一部で凹凸嵌合しており、かつ、開口部を有していることが好ましい。

少なくとも一部で凹凸嵌合することにより、前記空ボビンと前記巻線ボビンとの回転軸の延在する方向の移動を規制することができる。また、開口部を有していることで、コイルから鉄心への伝熱特性を改善することができる。

前記空ボビンの外周側には、溝又は穴が形成されていることが好ましい。
これにより、モールド樹脂をコイルまで到達できるようにして樹脂成型を行うことができる。また、モータにおける放熱効果を向上させることができる。

前記空ボビンの回転軸方向の一側面から突出し、プリント基板の内径端部又は外径端部を設置する設置面を有する台座を端部に備えた台座部を有することが好ましい。

ドーナツ形状のプリント基板の内径端部又は外径端部を設置する台座を端部に備えた台座部を設けることで、プリント基板の位置決めをすることができる。

前記台座部の前記設置面と反対側の面に、回転軸方向の外方に向けて前記台座部が先細になるテーパ形状としたテーパ形状部を有することが好ましい。

このようにすると、前記プリント基板と前記台座部とを有する前記電機子を樹脂により一体モールドされた場合に、モールド樹脂の前記プリント基板の内周側をテーパ形状とすることができる。従って、テーパ形状を形成することで空いた空間に部品等を配置することができる。

本発明によれば、絶縁性を向上させた電機子のボビン構造を提供することができる。

特許文献１に記載された電機子のボビン構造の一例を示す図である。 本発明の実施の形態による電機子の回転軸方向の断面構造の一例を示す図であり、併せて、コイルを示した図である。 図３Ａ（ａ）は、本実施の形態による空ボビン斜視図であり、図３Ａ（ｂ）は、空ボビンの側面図である。 図３Ｂ（ａ）から図３Ｂ（ｃ）までは、空ボビンに溝又は穴を形成した構造の一例を示す側面図である。 図４（ａ）は鉄芯の斜視図であり、図４Ａ（ｂ）は、本実施の形態による電機子組立構造の一例を示す斜視図である。 図５は、本実施の形態による電機子ヨーク組立構造の一例を示す斜視図である。 図６（ａ）は、本実施の形態による電機子ヨーク組立構造において、プリント基板を組み立てたプリント基板組立構造の斜視図であり、図６（ｂ）は断面図である。 図７（ａ），（ｂ）は、台座部をヨークに取り付けた構成を示す側面図である。 図７（ａ）の状態から、モールド成型をした構造の断面図である。

発明者が絶縁性の劣化について検討したところ、巻線後に注型や射出成形などの樹脂による巻線モールドを施した際に、導体の一部が樹脂の注入圧力によって押し出され、巻き乱れた箇所から電線が崩れ落ち、電機子のコアと接触して地絡するなど、絶縁性が劣化することがあることが一因になっていると考えられる。

このように、回転機においては巻線占積率の向上と注型や射出成形などの樹脂による巻線モールドは、電機子の温度を低減させ、出力の向上につながる。
しかしながら、絶縁性能を確保するためには、樹脂を十分に充填する必要がある。

上記の点を考慮し、以下に、本発明の一実施の形態による電機子のボビン構造について、図面を参照しながら詳細に説明する。

尚、（巻線）ボビンとは、電線を巻いてコイルを作る筒のことであり、絶縁性の材料により作ることができる。また、空ボビンとは、電線（コイル）を巻いていないボビンのことである。

また、モータの回転軸Ｃに対して、近い方の周を内周、遠い方の周を外周と称する。回転軸に沿った方向を回転軸方向、回転軸を中心として放射状に延びる方向を径方向と称する。また、回転軸を中心として回転する方向を周方向と称する。回転軸を中心として回転軸に近い方を内周側、回転軸から遠い方を外周側と称する。このように、位置関係を、回転軸を基準として説明する。

（第１の実施の形態）
以下に本発明の第１の実施の形態について説明する。
本実施の形態では、巻線されていない空ボビンの部分に機能をもたせることでこの空ボビンを活用して、上記の課題の解決を図っている。

図２は、モータの電機子Ｘの回転軸を法線とする面に沿って切った断面構造の一例を示す図であり、併せて、コイルを示した図である。符号Ｃはモータの回転軸である。モータの電機子Ｘは、例えば、その内周側に回転する回転子（可動子）を配置する円筒状の電機子である。

図２に示す例においては、鉄芯１に設けられたスロット（Ｓ）の数は６Ｎ（Ｎは自然数）であり、コイル（３）数は３Ｎであり、コイル数はスロット数の半分の数である。これにより、鉄芯１においては、コイル３が巻き付けられた巻線ボビン２が挿入される主磁極１ａと、コイル３が巻き付けられていない空ボビン４が挿入される補助磁極１ｂと、が交互に配置されている。図３Ａ（ａ）は、本実施の形態による空ボビン斜視図であり、図３Ａ（ｂ）は、空ボビンの側面図である。

図２，図３Ａに例示されている構成では、主磁極１ａと補助磁極１ｂの根元部（外周側の端部）Ａと、図２の断面図において、主磁極１ａ、補助磁極１ｂ各々の側面を示す線Ｂ１，Ｂ２に対して略周方向に沿って垂直な線（仮想線、以下同様）Ｃ１，Ｃ２によって、スロットの外周形状（底部）が画定されている。

図２の断面図において、線Ｂ１と平行なコイルの外側に沿う線（空ボビン４を介する）Ｄ１と、線Ｂ２と、線Ｃ２とによって囲まれる領域において、線Ｄ１と、線Ｂ２と、線Ｃ２とがそれぞれ交差する角度を有しているため、空ボビン４を介するコイル３と補助磁極１ｂとの間に隙間５が形成される。

図３Ａに示すように、空ボビン４は補助磁極１ｂが挿入されてそれを収容する収容部４ａの両側に設けられた側壁部４ｂと、側壁部４ｂから回転軸Ｃに対して外周側に、例えば、次第に両者の間隔が大きくなる空ボビン側の第１の鍔部４ｃが形成されている。第１の鍔部４ｃと補助磁極１ｂとの間に上記の隙間５が形成される。

一方、図２に示すように、巻線ボビン２の鉄芯１の外周側には、コイル３を覆う巻線側の第１の鍔部２ａが形成されている。さらに、巻線ボビン２の鉄芯１の内周側にも、コイル３を覆う巻線側の第２の鍔部２ｂが形成されている。

このように、鉄芯１の外周側においては、空ボビン４側の第１の鍔部４ｃと巻線ボビン２の巻線側の第１の鍔部２ａとのそれぞれが、先端側で当接する第１の当接部を有する。

また、空ボビン４に、空ボビン４の側壁部４ｂから鉄芯１の内径側に向けて次第に幅が広くなる空ボビン側の第２の鍔部４ｄが形成されている。

そして、鉄芯１の内周側において、空ボビン４側の第２の鍔部４ｄと巻線ボビン２の巻線側の鍔部２ｂとのそれぞれを、それぞれの先端側で重なり合わせることで当接する第２の当接部を有しており、これにより、内周側においてもコイル間の絶縁性能の向上を図っている。

また、巻線ボビン２の巻線側の鍔部２ｂに対して、空ボビン４側の第２の鍔部４ｄを、より内周側に配置することで、コイル３内に空ボビン４側の第２の鍔部４ｄが入ってしまうことを防止することができる。

上記の構成において、コイル３は空ボビン４により補助磁極１ｂから十分な絶縁距離を確保しているため、コイル３が地絡することはない。
以上のように、本実施の形態によれば、コイル間の絶縁性能の向上が可能になる。

（第２の実施の形態）
以下に本発明の第２の実施の形態について説明する。
第１の実施の形態において、第１の鍔部４ｃを設けることで、完全に壁になってモータの内部が密閉されると、コイル３から発生する熱は、巻線ボビン２と空ボビン４の空間の中においてこもり続けてしまう。

図３Ａ（ａ）は、本実施の形態による空ボビン斜視図であり、図３Ａ（ｂ）は、空ボビンの側面図である。

また、図３Ｂ（ａ）から図３Ｂ（ｃ）までは、空ボビンに溝又は穴を形成した構造の一例を示す側面図である。

図３Ａ（ａ）、図３Ａ（ｂ）に示すように、本実施の形態では、空ボビン４の幅を広げながら空ボビン４の側壁４ｂから図２の断面の鉄芯１の外周側に延びる第１の鍔部４ｃの端部に、溝または穴（図３Ａ（ａ），（ｂ）では、凹凸４ｃ−１、４ｃ−２を設けた例を示している）を形成しておく。

図４（ａ）は鉄芯の斜視図であり、図４（ｂ）は、本実施の形態による電機子組立構造の一例を示す斜視図である。図４（ｂ）に示すように図４（ａ）に示す鉄芯１（１ａ，１ｂで示す）に対して、巻線が施された巻線ボビン２と空ボビン４とが交互に挿入されている。

巻線ボビン２の第１の鍔部２ａに形成した凹凸２ａ−１，２ａ−２と、空ボビン４の第１の鍔部４ｃの端部に、それぞれ、回転軸Ｃ方向に交互に凹部と凸部とを形成する。巻線ボビン２の第１の鍔部２ａと空ボビン４の第１の鍔部４ｃの凹凸構造４ｃ−１，４ｃ−２が外周側の当接部で凹凸嵌合することにより、コイル３を覆う。

但し、例えば図４Ａ（ｂ）に示すように、空ボビン４の第１の鍔部４ｃに形成した凹部４ｃ−１の凹みの深さを、巻線ボビン２の第１の鍔部２ａに形成した凸部２ａ−２の凸の突出長さよりも大きくすることで、図４（ｂ）に示すように、ボビンを組み立てた後において、開口部８が形成される状態とすることができる。

このように、主磁極１ａに挿入する巻線ボビン２と、補助磁極１ｂに挿入する空ボビン４の外周側とに、それぞれ凹凸形状を設けているが、巻線ボビン２と空ボビン４とを重ね合わせた状態では、図４（ｂ）に示すように、開口部８からコイルが見えている。この開口部８からモールドが入り込み、コイルに密着することで、熱特性を改善することができる。

従って、巻線ボビン２と空ボビン４の空間の中においてこもり続けてしまう熱が外部に逃げやすくすることができる。

また、本実施の形態では、巻線組立を行った後に、ワニス、樹脂などによる注型、射出成型などのモールド作業を行うことで、隙間５を流路として流れる樹脂組成物がコイル３にも補助磁極１ｂにも接触する。

従って、第１の鍔部４ｃに接触した樹脂から、補助磁極１ｂや鉄芯背部に向けて遮断物が無くなることにより、熱伝熱性（放熱性）を向上させることができる。
尚、開口部８の構造は、以下のようにしても良い。

図３Ｂ（ａ）から（ｃ）までは、空ボビンに溝又は穴を形成した構造の一例を示す側面図である。
１）空ボビン４側の凹部４ｃ−１ａを巻線ボビン２側の凸部よりも、より深くすることで開口部８を形成する（図３Ｂ（ａ））。
２）空ボビン４側の凹部４ｃ−１ｂを複数段の凹部として形成することで開口部８を形成する（図３Ｂ（ｂ））。
３）空ボビン４側の凹の下に窓形状にさらに穴部９を形成する（図３Ｂ（ｃ））。

以上に例示されるような構造には限定されないが、いずれの構造としても、空ボビン４の外周側には、溝又は穴が形成されている。或いは、外周側の巻線ボビン２と空ボビン４との当接部の「一部に溝または穴」が形成されている。

これにより、隙間５（図２）からこの開口部８を介して、モールド樹脂をコイル３まで到達できるようにして樹脂成型を行うことができる。また、放熱効果を向上させることができる。

加えて、回転軸Ｃ方向に沿って巻線ボビン２と空ボビン４との端部（当接部）を凹凸嵌合させることにより、巻線ボビン２と空ボビン４との回転軸Ｃ方向の移動を規制することができる。従って、巻線ボビン２と空ボビン４と回転軸方向において固定することができる。

図５は、本実施の形態による電機子ヨーク組立構造の一例を示す斜視図である。図５に示す構造は、図４に示す状態から、電機子ヨーク６に挿入し、電機子ステータを組立完了とした状態となる。

図６（ａ）は、本実施の形態による電機子ヨーク組立構造において、プリント基板を組み立てたプリント基板組立構造の斜視図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）のＶＩａ−ＶＩｂ線に沿う断面図である。

図６（ａ）に示す構造は、図５に示す構造において、プリント基板７を電機子ヨーク６の端面に取り付けた構造である。

以上のように、本実施の形態によれば、電機子ヨーク組立構造において、モールド樹脂をコイルまで到達できるようにして樹脂成型を行うことができる。また、開口部を設けることで、放熱効果を向上させることができる。加えて、巻線ボビンと空ボビンとの回転軸方向の移動を規制して固定することができる。

（第３の実施の形態）
以下に本発明の第３の実施の形態について説明する。
本発明の第３の実施の形態では、図３Ａ，図３Ｂに示すように、空ボビン４の回転軸Ｃ方向の一側面から鉄芯１の回転軸Ｃ方向の外方に向けて突出（延長）する台座部４ｅが形成されている。そして、台座部４ｅの回転軸Ｃ方向の先端側には、台座４ｇが形成されている。台座４ｇには、ドーナツ形状のプリント基板の内周側又は外周側の端部を突き合わせて載置することができる略平坦な設置面が設けられている。

図３Ａ，図３Ｂに示すように、この際、プリント基板７は、図の空ボビンの台座部４ｅの端部に設けられた台座４ｇの設置面によって位置決めすることができる。このような台座部４ｅにより、ドーナツ形状のプリント基板７の内径位置又は外径位置を決めることができる。

そして、空ボビン４にプリント基板７の台座４ｇを備えた台座部４ｅを設けることで、図６（ａ）および図６（ｂ）の断面図に示すように、台座部４ｅの位置をラジアル方向外周側に設けることができる。

図７（ａ），（ｂ）は、台座部４ｅをヨーク６の片端に取り付けた構成を示す側面図である。図７（ａ）のように台座部４ｅをヨーク６に取り付けた状態においては、台座部４ｅの台座４ｇの位置をコアの内径Ｐ１よりも外周側に台座４ｇが配置されている。

このようにすることで、台座部４ｅの台座４ｇに取り付けた平板ドーナツ形状のプリント基板７の内径をコアの内径（コアの中心線を符号Ｃで、コアの内径をＰ１で示す。以下、同様である。）よりも大きくできるという利点がある。

以上のように構成することで、プリント基板７の内周Ｐ２をコアの内径Ｐ１よりも大きくすることができる。プリント基板７の内径Ｐ２をコアの内径Ｐ１よりも大きくすることにより、樹脂モールドの回転軸Ｃ方向の流路を十分に確保することができる。

コアの内径が大きい場合には、モールド樹脂部１１の下に部品（ブラケット、軸受けなど）を配置することで、モータの回転軸Ｃ方向の全長を短縮することができる。

一方、本実施の形態では、コアの内径Ｐ１を小さくすることができる。ところで、使用している軸受けサイズを同じとした場合に、本実施の形態のようにコアの内径Ｐ１を小さすると、ブラケットなどをモールド樹脂１１の下に配置することが難しくなる。

そこで、本実施の形態においては、図７（ａ），図８のように、台座部４ｅの台座４ｇの設置面と反対側に、回転軸Ｃ方向の外側に向けて台座部４ｅの径方向の幅が小さくなる（先細となる）ようにテーパ形状としたテーパ形状部４ｆを設けても良い。これにより、モールド樹脂１１にもテーパ形状部１５を形成することができる。

従って、ブラケットや軸受けなどの部品をテ−パ形状（部）１５の下部に配置することができ、ブラケットや軸受けなどの部品をモールド樹脂部１１の回転軸Ｃ方向の外側に配置する場合に比べて、モータの全長を短くすることができる。

巻線ボビン側に台座部を設ける構成にした場合、台座部がテーパ形状になっていると巻線可能な面積が小さくなる。巻線可能な面積が小さくなれば、その分巻線の重なる部分が増え、結果的にモータの全長が長くなってしまう。

巻線ボビンに台座部を設け、台座部をテーパ形状にしない場合はモールド工程でも真っ直ぐにモールドされるため、モールド樹脂にテーパ形状部が形成できず、ブラケットや軸受けなどの部品を巻線ボビンの外側に配置することになり、結果としてモータの全長が長くなってしまう。

一方、本実施の形態では、コイル３を巻かない空ボビン４に台座部４ｅを設けているため、どのような角度にでも台座部４ｅを延長させて形成することができる。

従って、本実施の形態のように台座部４ｅの鉄芯１内径側にテーパ形状部４ｆとして回転軸Ｃ方向外側に向けて延長させることで、モールド樹脂部１１の下部もテーパ形状を有するテーパ形状部１５となり、その下に部品等を配置することが可能となり、モータの全長が短くすることができる。

一方、図７（ｂ）に示すように、台座部４ｅを図７（ａ）と回転軸Ｃに沿う線を基準として線対象に取り付けると、台座４ｇに、ドーナツ上のプリント基板７の外周側の端部を配置することができる。また、テーパ形状部４ｆが鉄芯１の外径側に形成されるため、プリント基板７の外径をコアの外径よりも小さくすることができる。

加えて、台座部４ｅのテーパ形状部４ｆによりモールド樹脂にもテーパ形状部１５が形成されるため、台座部４ｅの回転軸Ｃ方向の外側に配置する部品のモールド樹脂部１１との干渉を抑制することができる。

以上に説明したように、本実施の形態によれば、コイルを巻きつけた巻線ボビンを挿入する主磁極とコイルが入らない補助磁極を有する電機子構造において、補助磁極に巻線を施さない空ボビンを挿入し、巻線ボビンと空ボビンの両方の鍔部をオーバーラップさせることで、電機子のボビン構造における絶縁性能の向上を図ることができる。さらに、空ボビンの一部に溝または穴を設けて、鉄芯と巻線とを樹脂により一体成形することで、コイルと磁極との間の絶縁距離を確保したまま、熱伝導性を改善することができる。

さらに、空ボビンをモータ回転軸方向に延長させた台座部を設けることで、基板を保持する構造とし、基板内径に自由度をもたせて、モールド流路を確保することができる。

上記の実施の形態において、図示されている構成等については、これらに限定されるものではなく、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更することが可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施することが可能である。

また、本発明の各構成要素は、任意に取捨選択することができ、取捨選択した構成を具備する発明も本発明に含まれるものである。

本発明は、電機子のボビン構造に利用可能である。

Ａ 根元
Ｃ 回転軸
Ｐ１ コア内径
Ｐ２ プリント基板の内径
Ｘ 電機子
Ｓ スロット
１ 鉄芯
１ａ 主磁極
１ｂ 補助磁極
２ 巻線ボビン
２ａ 巻線ボビンの第１の鍔部（外周側）
２ｂ 巻線ボビンの第２の鍔部（内周側）
１ａ−１，２ 巻線ボビンの鍔部に形成した凹凸
３ コイル
４ 空ボビン
４ａ 収容部
４ｂ 側壁部
４ｃ 空ボビンの第１の鍔部（外周側）
４ｄ 空ボビンの第２の鍔部（内周側）
４ｃ−１，２ 空ボビン４の第１の鍔部に形成した凹凸
４ｅ 台座部
４ｆ テーパ形状部（空ボビンの台座部）
４ｇ 台座
５ 隙間
６ ヨーク
７ プリント基板
８ 開口部
９ 穴部
１１ モールド樹脂成型部
１５ テーパ形状部（モールド樹脂）

Claims (5)

1. モータ電機子のスロット数が６Ｎ(Ｎは自然数)であり、１相あたりのコイル数が１Ｎである３相モータにおいて、コイルが巻回された巻線ボビンが挿入される主磁極とコイルが巻回されない空ボビンが挿入された補助磁極とが回転軸に対して円周方向に配置されている電機子のボビン構造であって、
   前記補助磁極と前記空ボビンとの間の隙間領域に充填された樹脂が配置され、
   前記主磁極と前記補助磁極との間に形成されるスロットの外周側と内周側には、それぞれ前記空ボビンと前記巻線ボビンとが接する当接部が形成されている
   ことを特徴とする電機子のボビン構造。
2. モータ電機子のスロット数が６Ｎ(Ｎは自然数)であり、１相あたりのコイル数が１Ｎである３相モータにおいて、コイルが巻回された巻線ボビンが挿入される主磁極とコイルが巻回されない空ボビンが挿入された補助磁極とが回転軸に対して円周方向に配置されている電機子のボビン構造であって、
   前記主磁極と前記補助磁極との間に形成されるスロットの外周側と内周側には、それぞれ前記空ボビンと前記巻線ボビンとが接する当接部が形成されており、
   前記スロットの外周側の当接部は、
   前記空ボビンと前記巻線ボビンとが少なくとも一部で凹凸嵌合しており、かつ、開口部を有している
   電機子のボビン構造。
3. 前記空ボビンの外周側には、溝又は穴が形成されている、
   請求項１又は２に記載の電機子のボビン構造。
4. 前記空ボビンの回転軸方向の一側面から突出し、プリント基板の内径端部又は外径端部を設置する設置面を有する台座を端部に備えた台座部を有することを特徴とする
   請求項１から３までのいずれか１項に記載の電機子のボビン構造。
5. 前記台座部の前記設置面と反対側の面に、回転軸方向の外側に向けて前記台座部が先細となるテーパ形状としたテーパ形状部を有する
   ことを特徴とする請求項４に記載の電機子のボビン構造。

Images