JP6764921B2

JP6764921B2 - ３相モータの電機子構造

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Publication number: JP6764921B2
Application number: JP2018240710A
Authority: JP
Inventors: 堀内　学; 学堀内; 弘樹相良; 純北島; 麻衣清水
Original assignee: Sanyo Denki Co Ltd
Current assignee: Sanyo Denki Co Ltd
Priority date: 2018-12-25
Filing date: 2018-12-25
Publication date: 2020-10-07
Anticipated expiration: 2038-12-25
Also published as: CN111384793A; TW202101858A; KR20200079431A; US11218035B2; US20200204015A1; EP3675327A1; JP2020102984A

Description

本発明は、３相モータの電機子構造に関する。

従来から、永久磁石を備えた３相同期モータにおいて、例えば、特許文献１に示すように、スロット数が６Ｎ(Ｎ: 自然数)で、１相あたりのコイル数が３Ｎの３相モータの構造が示されている。

また、特許文献２においては、巻線されていない補助磁極を途中から主磁極と平行に傾斜した肩部を設けることで穴のスペースを確保している。

特開平１１−２３４９９０号公報特許第５２５３７８９号公報

しかしながら、特許文献１に記載の構造によれば、コイルの形状については円弧状のスロット底部に対して沿うように巻線され、補助磁極と巻線は平行になるまでは巻線されていない。

従って、巻線スペースを有効に活用できておらず、巻線占積率が低下し、モータの性能向上への巻線の寄与が少ない。

また、特許文献２によれば、巻線はスロット内に隙間なく充填されており、巻線占積率は高いが、樹脂成型の流路を確保しておらず、樹脂の充填性能を向上させることができない。また、隙間を埋めるほどの巻線を巻いてしまうと、トルク向上にはつながらない上に、巻線が軸方向に盛り上がりモータの全長を長くしてしまうという問題がある。

本発明は、上記の課題を解決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の３相モータにおいて、３Ｎ個のコイルが巻きつけられた巻線ボビンが挿入されている主磁極と、コイルが巻き付けられていない補助磁極とが交互に配置されている３相モータの電機子構造であって、前記巻線ボビンは、前記スロット内で前記主磁極の周方向側面に当接する胴体部と、前記スロット内で前記スロットの第１の外周側底部に沿って前記胴体部から立ち上がる外周側の鍔部と、を有し、前記スロット内において、前記補助磁極の周方向側面と前記巻線ボビンに巻かれたコイルの外周面と前記スロットの前記第１の外周側底部に続く前記第１の外周側底部と交差する方向に延在する第２の外周側底部とにより画定される、コイルが充填されていない隙間領域が設けられていることを特徴とする、３相モータの電機子構造が提供される。

このようにすることで、樹脂によるモールド成型を行う場合に、コイルと補助磁極と間に形成された隙間を通って反対側のコイルエンド方向まで樹脂を通す流路となるため、樹脂充填性を向上させることができる。

前記主磁極と前記補助磁極とのコアシートの内周側端部は、少なくとも軸方向端部に位置するコアシートが連結部を有することが好ましい。

前記主磁極および前記補助磁極の内周面に位置する磁極先端部の円弧の長さは、鉄心の外周円の円周長さに対して所定比率の円周長さを有する同心円の円弧の一部をなす形状に形成され、かつ、前記主磁極又は前記補助磁極のうちの一方の先端部は、円周上で両側に延びる鍔形状部を有し、前記主磁極又は前記補助磁極のうちの他方の先端部の円弧の長さは、前記主磁極端又は前記補助磁極端のうちの一方の前記鍔形状部の円弧長さと相応して、その円弧長さが前記主磁極又は前記補助磁極のうちの他方の先端部以外の部分の円周方向幅より小となる先細のテーパ形状部として形成されていることが好ましい。

コイルの起磁力が集中する主磁極と、補助磁極とで区別される場合において、主磁極、補助磁極のうちの少なくともいずれか一方の先端を磁極よりも狭くすることで、漏れ磁束を有効に抑制することができる。

本発明によれば、３相モータにおいて、巻線の占積率を向上させることができる。また、巻線の温度上昇を抑制することができる。
また、隙間を確保することで巻線の軸方向の盛り上がりを最小限に抑え、モータの全長を短くすることができる。
さらに、コイルエンドはモータのトルクには寄与しないため、隙間に巻線を巻かないことによるトルクへの悪影響は無い。すなわち、トルク向上とコギングトルクの低減が可能である。

本発明の一実施の形態による３相同期モータの電機子構造であって、鉄芯断面構造とコイルを示す軸方向断面図（図１（ａ））およびそのＩａ−Ｉｂ線に沿う断面図（図１（ｂ））である。図１Ａ（ａ）の変形例を示す図である。先端非対称構造の第１の実施例を示す断面図であり、図１Ｂに対応する図である。先端非対称構造の第２の実施例を示す図である。

本明細書においてボビンとは、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、電線を巻いていないボビンのことである。

また、回転軸Ｃに対して、放射方向に回転軸Ｃに近い方の周を内周、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。内径側の周を内周、外径側の周を外周と称する。以下において、位置関係は、モータの回転軸Ｃを基準として説明する。

以下に、本発明の一実施の形態による永久磁石を備えた３相同期モータの電機子構造について図面を参照しながら詳細に説明する。

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ため、熱設計が非常に重要なポイントとなる。

（第１の実施の形態）
図１Ａは、本実施の形態による３相同期モータの電機子構造Ｘであって、鉄芯断面構造とコイルを示す軸方向断面図（図１Ａ（ａ））およびそのＩａ−Ｉｂ線に沿う鉄心径方向断面構造を示す断面図（図１（ｂ））である。モータの電機子は、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１Ａ（ａ）に示すように、３相モータの電機子Ｘにおいて、鉄芯１はスロット数が６Ｎであるが、コイル数は３Ｎ(Ｎは自然数)であり、コイル数はスロット数の半分の数で例えば交互に配置されている。

鉄芯１は、スロットＳ内にコイル３が巻き付けられたボビン（巻線ボビン）２が挿入される主磁極１ａと、コイル３が巻かれていない補助磁極１ｂとに区別されている。主磁極１ａと補助磁極１ｂの根元部（外径側の端部）Ａと、主磁極１ａ、補助磁極１ｂ各々の側面Ｂ１，Ｂ２に対して垂直な線（仮想線、以下同様）Ｃ１（第１仮想線），Ｃ２（第２仮想線）によって、スロットＳの外周形状（底部）が画定されている。図１Ａ（ａ）では、回転軸の周方向に沿って隣り合う磁極の内周側先端部を連結する構造となっている。

より具体的に説明すると、ボビン２は、スロットＳ内で主磁極１ａに当接する胴体部２ａと、スロットＳ内でスロットＳの第１の外周側底部（Ｃ１に沿う底面）に沿って胴体部２ａから立ち上がる内周側の鍔部２ｂと、外周側の鍔部２ｃとを有する。胴体部２ａは線Ｂ１に沿って配置され、外周側の鍔部２ｃは、線Ｃ１に沿って配置されている。すなわち、スロットＳ内において、ボビン２は、外周側の鍔部２ｃが胴体部２ａに対して周方向に向けて略垂直に立設されている形状である。

さらに、スロットＳ内には、スロットＳの第１の外周側底部に続く第１の外周側底部と交差する方向に延在する第２の外周側底部（Ｃ２に沿う底面）が形成されている。

そして、スロットＳ内には、補助磁極１ｂの周方向側面（線Ｂ２に沿う側面）とボビン２に巻かれたコイル３の外周側面（線Ｄ１に沿う側面）と、第２の外周側底部（Ｃ２に沿う底面）とにより画定され、コイル３が充填されていない隙間領域４が形成されている。

以上の構成を図１Ａ（ａ）の断面構造を例にして説明すると、上記のボビン２の構成により、線Ｂ１と平行なコイルの外周に沿う線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、コイル３と補助磁極１ｂとの間に隙間４が形成される。

尚、補助磁極１ｂと、それに向き合うコイル３の外周面との間は、電気的に絶縁されていることが好ましい。例えば、補助磁極１ｂと、それに向き合うコイル３の外周面との間にインシュレータを挿入しても良いし、空間的に離しておくだけでも良いし、補助磁極１ｂに挿入する第２のボビン（巻線をしていない空ボビン）を設けても良い。

また、本実施の形態における隙間４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際に、例えばモールド金型において成型品に樹脂を流し込む入り口であるゲートを設けて図１Ａ（ｂ）の矢印６方向に樹脂を充填しようとした場合に、本実施の形態のコイル３と補助磁極１ｂと間に形成された適度な隙間４を通って反対側のコイルエンド方向まで樹脂を通す流路の役割を果たす。これにより、樹脂の充填性を向上させることができる。充填処理は、穴を形成しても良いが、樹脂が直接巻線に触れている点で異なり、巻線の熱を効率よく放熱させることができるという利点がある。

また、図１Ａ（ｂ）に示すようにコイルエンドの長さを抑えることにより、モータ全長５の長さを短く抑えることができる。

さらに、隙間４を確保することでコイル３の軸方向の盛り上がりを最小限に抑え、モータの全長を短くすることができる。すなわち、その構造は限定されない。本実施の形態の同期モータの電機子構造によれば、隙間４の部分までコイル３が巻かれている構造と比較して、主磁極１ａに巻かれたコイルの層数が少なくなり、コイルの長さを抑えることにより、モータ全長５を短くすることができる。

また、コイルエンドはモータのトルクには寄与しないため、隙間に巻線を巻かないことによるトルクへの悪影響は無い。すなわち、本実施の形態によれば、トルク向上とコギングトルクの低減が可能である。

鉄芯１は、例えば、積層コアシートにより形成されている。
すなわち、積層コアシートは、回転軸の周方向に沿って隣り合う磁極の内周側先端部を連結する連結部１ｃを有していても良く（構成１）、回転軸の周方向に沿って隣り合う磁極の内周側先端部が連結されていない非連結部１ｄとなっていても良い（構成２）。

或いは、連結部１ｃを有するコアシートと非連結部１ｄを有するコアシートの位置が重なるように位置合わせされ、両方のコアシートが積層されて鉄芯を形成するようにしても良い（構成３）。

少なくとも、主磁極１ａと補助磁極１ｂとのコアシートの内周側端部は、少なくとも軸方向端部に位置するコアシートが連結部を有していることが好ましい。

図１Ｂは、図１Ａ（ａ）の変形例を示す図である。図１Ｂと図１Ａ（ａ）との相違点は、図１Ａ（ａ）では、主磁極１ａと補助磁極１ｂとが、鉄芯１の内周側で繋がっているのに対して、図１Ｂでは、主磁極１ａと補助磁極１ｂとが、鉄芯１の内周側で連結されずに離れている点である。すなわち、図１Ｂでは、回転軸の周方向に沿って隣り合う磁極の内周側先端部は連結していない構造となっている。

尚、本発明においては、構成１）鉄芯１の内周側で繋がっている（連結している）構成、構成２）鉄芯１の内周側が離れている（非連結の）構成、構成３）構成１）と構成２）との両方から構成されている場合のいずれでも良く、本発明においては、構成１）から構成３）までのいずれかに限定されるものではない。

本実施の形態によれば、３相モータにおいて、巻線の占積率を向上させることができる。また、巻線の温度上昇を抑制することができる。
また、隙間を確保することで巻線の軸方向の盛り上がりを最小限に抑え、モータの全長を短くすることができる。
さらにコイルエンドはモータのトルクには寄与しないため、隙間に巻線を巻かないことによるトルクへの悪影響は無い。すなわち、トルク向上とコギングトルクの低減が可能である。

（第２の実施の形態）
第１の実施の形態による３相モータの電機子構造において、第２の実施の形態においては、さらに、磁極の根元部（外径側の端部）だけでなく、先端（内径側の端部）の形状を工夫することで、トルクの向上とコギングトルクの低減を両立させたものである。

以下においては、図１Ｂの構成を例にして説明するが、図１Ａ（ａ）の構成であっても良いことは言うまでも無い。すなわち、上記１）から３）のいずれでも良く、鉄芯１が内周側で繋がっているか離れているか否かには依存しない。

図２は、先端非対称構造の第１実施例を示す断面図であり、図１Ｂに対応する図である。図２に示すように、コイル３を巻きつけたボビン２を挿入する主磁極１ａと、コイルが巻き付けられていない補助磁極１ｂとを備えている。そして、主磁極１ａ、補助磁極１ｂ及び連結部の内周面に位置する磁極先端部は、鉄心の外周円の円周長さに対して所定比率の円周長さを有する同心円の円弧の一部をなす形状に形成されている。かつ、主磁極１ｂの先端部は、円周上で両側に延びる鍔形状部２１を有している。

補助磁極１ｂの先端部は、主磁極１ａ端の鍔形状部２１ｂの円弧長さと相応して、その円弧長さが補助磁極１ｂの先端部以外の部分の円周方向幅より小となる先細のテーパ形状部２３をとして形成されている。例えば、鍔形状部２１の周方向の幅Δｄ１は、テーパ形状部２３の周方向の幅Δｄ２と同じであっても良い。

モータでは、一般的に磁極の先端が磁極の幅に対して広がることで、回転子により効率的に磁束を伝え、大きなトルクを引き出すことができる。但し、鉄芯断面の設計によっては、隣り合う磁極との距離が近くなり、電機子の磁束が磁極間で短絡してしまう「漏れ磁束」が発生し、トルクに寄与しない場合がある。

こうした場合は、磁極先端の広がりを狭くする方向に設計した方がトルク向上する場合があるが、特に本実施の形態のようにコイルの起磁力が集中する主磁極１ａと、補助磁極１ｂとで区別される場合には、主磁極１ａの先端を磁極よりも狭くすることで、漏れ磁束を有効に抑制することができる。

加えて、隣り合う磁極先端の広がり角度で決定されるコギングトルクについても、上記と同様のテ−パ形状とすることで、コギングトルクを抑えることが可能である。

このように、テ−パ型磁極とすることによるコギングトルク抑制の効果は、鉄芯の外周と内周との寸法比が内周／外周≦０．５５の場合に、より良い効果を発揮することがわかった。

図３は、先端非対称構造の第２の実施例を示す図である。図３に示すように、図２の構造と反対に、コイル３を巻きつけた巻線ボビン２を挿入する主磁極１ａと、コイルが巻かれていない補助磁極１ｂとを備えており、主磁極１ａの先端が鍔形状部３１になっており、補助磁極１ｂの先端が磁極の幅に対して狭めるようにテ−パ形状部３３になっていても良い。

このような構造においても、図２の構造と同様の効果が得られる。

以上のように、本実施の形態によれば、永久磁石を備えた同期モータにおいて、電機子スロット形状を非対称にすることで、巻線の占積率を向上させるとともに注型樹脂の流路を設けて、巻線の温度低減を実現することができる。さらに磁極先端形状も非対称としてトルク向上とコギングトルクを低減させることができる。

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、同期モータの電機子構造に利用可能である。

Ｓスロット
Ｘ３相モータの電機子
Ｃ１，Ｃ２第１仮想線，第２仮想線
１鉄芯
１ａ主磁極
１ｂ補助磁極
１ｃ連結部
１ｄ非連結部
２ボビン（巻線ボビン）
２ａ胴体部
２ｂ内周側の鍔部
２ｃ外周側の鍔部
３コイル
４隙間（隙間領域）
３１鍔形状部
３３テ−パ形状部

Claims

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の３相モータにおいて、３Ｎ個のコイルが巻きつけられた巻線ボビンが挿入されている主磁極と、コイルが巻き付けられていない補助磁極とが交互に配置されている３相モータの電機子構造であって、
前記巻線ボビンは、前記スロット内で前記主磁極の周方向側面に当接する胴体部と、前記スロット内で前記スロットの第１の外周側底部に沿って形成され前記胴体部から立ち上がる外周側の鍔部と、を有し、
前記スロット内において、前記補助磁極の周方向側面と前記巻線ボビンに巻かれたコイルの外周面と前記スロットの前記第１の外周側底部に続く前記第１の外周側底部と交差する方向に延在する第２の外周側底部とにより画定され、中心軸に向けて幅が狭くなる略三角形の断面形状を有し、コイルが充填されていない隙間領域が設けられ、前記隙間領域に樹脂が充填されていることを特徴とする、
３相モータの電機子構造。
前記主磁極と前記補助磁極との内周側端部は、連結部を有する第１のコアシートと非連結部を有する第２のコアシートの位置が重なるように位置合わせされて形成された鉄芯のうち前記連結部が少なくとも軸方向端部に位置することを特徴とする請求項１に記載の３相モータの電機子構造。
前記主磁極および前記補助磁極の内周面に位置する磁極先端部の円弧の長さは、鉄心の外周円の円周長さに対して所定比率の円周長さを有する同心円の円弧の一部をなす形状に形成され、かつ、前記主磁極又は前記補助磁極のうちの一方の先端部は、円周上で両側に延びる鍔形状部を有し、
前記主磁極又は前記補助磁極のうちの他方の先端部の円弧の長さは、前記主磁極端又は前記補助磁極端のうちの一方の前記鍔形状部の円弧長さと相応して、その円弧長さが前記主磁極又は前記補助磁極のうちの他方の先端部以外の部分の円周方向幅より小となる先細のテーパ形状部として形成されている、請求項１又は２に記載の３相モータの電機子構造。