JP6809801B2 - ステータ、モータ、およびステータの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ステータ、モータ、およびステータの製造方法に関する。

モータは、ハウジング内で固定されるステータと、ステータに囲まれて回転するロータとを有する。交流モータのステータは、ロータに対向するように設けられた複数のティースと、ティースの周囲に配置されたコイルとを有し、コイルに電流を流すことでティースからロータへ向けてロータを回転させる磁界を発生させる。隣接する一対のティースの間にはスロットが設けられ、このスロットを通ってコイルの導線がティースの周りに配置される。

モータの回転軸に直交する断面において、スロットの面積のうちコイルの導線が占める割合をコイルの占有率と呼ぶ。コイルの占有率が大きくなると、コイルの抵抗が下がり、モータのジュール損失が小さくなって、モータの効率を向上できる。

特許文献１には、スロット内のコイルの占有率を向上できるステータのコイルの形成方法が示されている。この方法では、先ず、第一筐体の貫通孔に導電材料が流し込まれて直線状の複数の導線が形成され、第二筐体の貫通孔に導電材料が流し込まれてＵ字状の複数の導線が形成される。その後、ティースの間のスロットに配置された第一筐体に第二筐体が重ねられ、これらの接続部位が高周波加熱により加熱処理される。これにより、第一筐体の導線と第二筐体の導線とが一体化されて、これらの導線によりティースの周りにコイルが形成される。

特開２００６−０８１２５２号公報

コイルの導線を太くして、スロット内のコイルの占有率が上がると、モータの効率が向上して有利である。コイルの導線を太くすることで、コイルの巻き数が少なくなり、コイルに流す電流が大きくなったとしても、モータの効率の向上を期待できる。しかしながら、太い導線を用いると、ステータの製造工程において、巻き上がったコイルをコアのスロットに組み付けるか、或いは、ティースに導線を巻き付ける際の作業性が著しく悪化する。このため、コイルに太い導線を用いると、ステータの生産効率が著しく低下するか、或いは、製造困難になるという課題が生じる。

特許文献１のコイルの形成方法は、コイルの製造工程に多くの工程を有するため、生産効率の向上は期待できない。

本発明は、コイルの占有率の高いステータを高い効率で生産できるステータ、モータ、およびステータの製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係るステータは、
モータを構成するステータであって、
複数のスロットを有するコアと、
前記複数のスロット内に配置された鋳型部と、
一体的に鋳造された金属であり、前記スロットに沿う方向に前記鋳型部を貫通する複数の第１導線と、軸方向における前記コアの両端部の各々で前記複数の第１導線を連結する複数の第２導線とを有するコイルと、
を備え、
軸方向における前記コアの端面及び前記鋳型部の端面とが同一面であり、
前記第２導線が、前記コアの前記端面に沿って設けられ、かつ、前記コアの前記端面に設けられた絶縁性の層を介して前記コアの前記端面に位置している。

本発明に係るモータは、上記ステータを有するモータである。

本発明に係るステータの製造方法は、
モータを構成するステータの製造方法であって、
コアの複数のスロット内に、前記スロットに沿った方向に延びる複数の貫通孔を有する鋳型部を設け、
軸方向における前記コアの両方の端部の各々に前記複数の貫通孔の端部を結ぶ複数の溶湯流路を有する末端鋳型を設け、
前記溶湯流路は前記コア又は前記鋳型部の端面が一方を仕切る構成であり、
互いに連通する前記末端鋳型の前記溶湯流路と前記鋳型部の前記貫通孔とに前記溶融金属を流し込んでコイルを一体的に鋳造し、
前記コイルが鋳造された後、前記溶湯流路に形成された前記コイルの導線を残して前記末端鋳型を前記コアから外す。

本発明によれば、コイルの占有率の高いステータを効率良く生産することができる。

本発明の第１実施の形態のステータを示す斜視図である。 図１のステータの軸方向の一方から見た正面図である。 図１のステータの軸方向の他方から見た背面図である。 コイルの第２導線の型を有する末端鋳型を示す斜視図である。 ステータのコアに鋳型部と末端鋳型とを装着した状態を示す断面図である。 図５のＢ−Ｂ線断面図である。 本発明の第２実施の形態のステータの製造過程の状態を示す断面図である。 図７のＣ−Ｃ線断面図である。 図８のＤ−Ｄ線断面図である。 図９のＥ−Ｅ線断面図である。

以下、本発明の各実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

（第１実施の形態）
図１は、本発明の第１実施の形態のステータを示す斜視図である。

本発明の実施の形態のステータ１００は、モータの構成要素である。ステータ１００は、図１に示すように、磁性体から構成されるコア１０と、鋳型部２０と、電流を流して磁界を発生するコイル３０とを有する。

本発明の実施の形態のモータは、図示を省略するが、ハウジングと、ハウジング内に固定されるステータ１００と、出力軸と一体化されてステータ１００の中央の貫通孔１１に回転可能に収容されるロータとを有する。モータは、同期モータ或いは誘導モータなどの交流モータである。ステータ１００は、コイル３０に電流が流れることでロータに向けて磁界を発生させ、ロータはこの磁界を受けて回転する。

本明細書においては、軸方向と言ったときはモータの出力軸の軸方向を表わし、周方向と言ったときはモータの出力軸の周方向を表わし、径方向と言ったときはモータの出力軸の径方向を表わす。

コア１０は、中央に軸方向に延びる貫通孔１１を有する。さらに、コア１０は、貫通孔１１に面して周方向に並ぶように設けられた複数のティース１２を有する。隣接する一対のティース１２の間にスロット１３が設けられている。図１では、鋳型部２０が収容された状態のスロット１３が描かれている。各ティース１２と各スロット１３とは、コア１０の軸方向の一端から他端にわたって設けられている。複数のティース１２と複数のスロット１３とは、周方向に交互に隣接するように設けられている。

鋳型部２０は、コイル３０の第１導線３１を鋳造する型であり、また、スロット１３内で第１導線３１を保持する部材でもある。鋳型部２０は各スロット１３に収容される。鋳型部２０には、コイル３０の第１導線３１が貫通する貫通孔２１（図５を参照）が設けられている。図１では、この貫通孔２１が第１導線３１に塞がれた状態が描かれている。鋳型部２０は、絶縁性を有し、１つのスロット１３に複数の第１導線３１が設けられる場合に、これらを電気的に絶縁する。また、鋳型部２０は、第１導線３１とコア１０とを電気的に絶縁する。

鋳型部２０は、コイル３０がアルミであれば、例えば二酸化ケイ素系の材料から構成できる。また、鋳型部２０は、コイル３０が銅であれば、例えば二酸化ジルコニュウム系の材料から構成できる。

コイル３０は、一体鋳造された金属から構成される。コイル３０は、スロット１３を通過する部分である第１導線３１と、コア１０の端部に設けられる第２導線３２（一般に「コイルエンド」と呼ばれる）とを有する。コイル３０を構成する金属としては、例えばアルミ又は銅などを採用できる。第１導線３１と第２導線３２とは一体的に鋳造される。

第１導線３１と第２導線３２とが一体的に鋳造されたことは、第１導線３１を構成する金属の酸化率と、第２導線３２を構成する金属の酸化率とが、コイル３０の経路に沿って連続していることにより確認できる。また、両者が一体的に鋳造されているので、第１導線３１を構成する金属の組成と、第２導線３２を構成する金属の組成は同じになる。

第１導線３１は、鋳型部２０を貫通して、コア１０の軸方向の一端部から他端部まで延設される。第１導線３１の形状は鋳型部２０の型の形状によって決まり、その設計の自由度は高い。図では、第１導線３１の形状を簡略化して描いているが、実際の第１導線３１の形状は、スロット１３のコイル３０の占有率が高く、且つ、第１導線３１の軸方向に垂直な断面積が何れの箇所でも同じになるような形状となる。

図２は、図１のステータの軸方向の一方から見た正面図である。図３は、図１のステータの軸方向の他方から見た背面図である。図２と図３においては、６つのティース１２に識別用の番号「１」〜「６」を付している。

第２導線３２は、複数の第１導線３１を結ぶ結線部と、電流の入力と出力とを行う電極部（平面円形の部分）と、第１導線３１と電極部とを結ぶ結線部とを含む。本実施の形態では、コイル３０は３相の交流電流を流すので、第２導線３２は図２および図３のような経路で形成される。図２および図３の例では、各スロット１３に２つの第１導線３１しか含まれないので、第２導線３２は交差することなくコア１０の端面に沿って設けることができる。第２導線３２が設けられるコア１０の端面には絶縁性の層が形成され、第２導線３２とコア１０とは絶縁されている。

第２導線３２を鋳造する際に使用される後述の鋳型（「末端鋳型５０」と呼ぶ）は、製造工程においてコア１０から取り外される。しかしながら、製造完了後も、第２導線３２の鋳型の一部または全部がコア１０の端部に残る構成としてもよい。この場合、鋳型の一部を挟んで第２導線３２の一部をコア１０の端面から離間して設けることができる。さらに、この場合、第２導線３２の２つの結線部を軸方向に離間させて複数の層に設けることで、２つの導線部を接点なく交差させるように形成することもできる。

続いて、ステータ１００の製造方法について説明する。

図４は、コイルの第２導線を形成する末端鋳型を示す斜視図である。図５は、ステータのコアに鋳型部と末端鋳型とを装着した状態を示す断面図である。図５は、図２のＡ−Ａ線に対応する位置の断面の概略を示している。図６は、図５のＢ−Ｂ線断面図を示している。図５には、図２と対応するようにコア１０の６つのティース１２に識別用の番号を付している。

製造工程においては、予め複数のティース１２および複数のスロット１３が設けられたコア１０と、複数の貫通孔２１（図５を参照）を有する鋳型部２０と、末端鋳型５０とが用意される。

末端鋳型５０は、図４に示すように、溶融金属を流し込む流入口５１と、コア１０の端部を覆う枠部５２とを有する。枠部５２の片側（図４の下側）にはコイル３０の第２導線３２に対応する溶湯流路５３（図５、図６を参照）が形成されている。溶湯流路５３は、枠部５２の内部で流入口５１に連結されている。溶湯流路５３とは、溶融金属が流れ又は充填される部分を指す。末端鋳型５０は、コア１０の軸方向の一方の端部で第２導線３２を形成するものと、コア１０の軸方向の他方の端部で第２導線３２を形成するものと、２種類が用意される。２種類の末端鋳型５０は、異なる形状の溶湯流路５３を有する。

末端鋳型５０は、コイル３０がアルミであれば、例えば二酸化ケイ素系の材料から構成できる。また、末端鋳型５０は、コイル３０が銅であれば、例えば二酸化ジルコニュウム系の材料から構成できる。

なお、末端鋳型５０は、図示された形態に限られない。例えば、２種類の末端鋳型５０には、複数の流入口５１が設けられ、複数の溶湯流路５３に複数の流入口５１から溶融金属を流し込んでもよい。また、末端鋳型５０には、溶湯流路５３の空気又は溢れた溶融金属を排出する排出口が設けられていてもよい。また、２種類の末端鋳型５０のうち一方にのみ溶融金属の流入口５１又は排出口が設けられていてもよい。

製造工程の第１工程においては、コア１０の各スロット１３に鋳型部２０が挿入される。鋳型部２０の軸方向の端面はコア１０の端面と同一面になるように位置が調整される。

第２工程においては、コア１０の軸方向の一方と他方とに末端鋳型５０が固定される。末端鋳型５０は、溶湯流路５３と鋳型部２０の貫通孔２１との位置が合うように、コア１０に対して周方向の位置が調整される。この工程により、図５および図６に示すように、２つの末端鋳型５０の溶湯流路５３が、コア１０に装着された鋳型部２０の貫通孔２１を通して連通する。

第３工程においては、末端鋳型５０の流入口５１から溶融金属が投入される。溶融金属は、流入口５１から、これに連通する溶湯流路５３、鋳型部２０の貫通孔２１、および他方の末端鋳型５０の溶湯流路５３に流れ、且つ、コイル３０を形成する部分に充填される。続いて、溶融金属が冷却されて、金属が固まる。この工程により、コイル３０の複数の第１導線３１と複数の第２導線３２とが一体的に鋳造される。

第４工程においては、コア１０から２つの末端鋳型５０が外される。図５および図６に示すように、末端鋳型５０の溶湯流路５３は、コア１０又は鋳型部２０の端面が一方を仕切るように設けられている。よって、コア１０の端部に第２導線３２が形成された状態で、末端鋳型５０を外すことができる。なお、コア１０の端面は、絶縁部材が積層されており、コア１０とコイル３０の第２導線３２とは絶縁される。この工程により、コア１０にコイル３０が設けられたステータ１００の製造が完了する。

以上のように、本実施の形態のステータ１００、モータおよびステータ１００の製造方法によれば、コイル３０の占有率が高いステータ１００を簡単な工程で製造することができる。よって、高効率なモータを実現するステータ１００およびそのモータを高い効率で生産することができる。

（第２実施の形態）
第２実施の形態は、巻き数の多いコイル３０を有するステータ１００Ａおよびその製造方法を示している。第２実施の形態は、鋳型部２０の貫通孔と、末端鋳型５０の溶湯流路とが、第１実施の形態と異なり、その他は、第１実施の形態と同様である。

図７は、本発明の第２実施の形態のステータの製造途中の状態を示す断面図である。図７は、コア１０の軸方向に垂直な断面を示している。図８は図７のＢ−Ｂ線断面図、図９は図８のＣ−Ｃ線断面図、図１０は図９のＤ−Ｄ線断面図である。

図７〜図１０は、コア１０に末端鋳型５０を装着して溶融金属を流した状態を示している。図７〜図１０では、鋳型部２０の貫通孔、および末端鋳型５０の溶湯流路の一部の符号を省略し、代わりにこれらに充填された第１導線１３１又は第２導線１３２、１３２ａの符号を付している。

第２実施の形態の鋳型部２０には、図７に示すように、１つのスロット中、周方向に２列、径方向に複数列（例えば４列と５列）に並んだ複数の貫通孔（第１導線１３１の部分）が設けられている。貫通孔の形状の設計自由度は高い。図７では、複数の貫通孔の形状を簡略化して描いているが、実際の貫通孔の形状は、スロット内の占有率が高く、且つ、軸方向に垂直な各断面積が同じになるように形成される。

コア１０の端部に装着される末端鋳型５０には、第１実施の形態と同様に、コア１０および鋳型部２０の端面に一方が仕切られる表層の溶湯流路が設けられている。この溶湯流路には、例えば、ティース１２を跨いで設けられた複数の溶湯流路（第２導線１３２の部分、図９を参照）と、コア１０の端面に沿って他のスロット１３に渡るように設けられた溶湯流路（第２導線１３２ａの部分、図９を参照）が含まれている。また、この表層の溶湯流路には、図示略の電極部を構成する溶湯流路が含まれていてもよい。

これらの溶湯流路のうち、ティース１２を跨いで設けられた複数の溶湯流路（第２導線１３２の部分）は、図９に示すように、ティース１２を挟んで一方と他方とに配置された複数の第１導線１３１を結ぶように設けられる。具体的には、これらの複数の溶湯流路は、ティース１２を挟んで一方に配置された１列４つの第１導線１３１と、他方に配置された一列５つの第１導線１３１のうち４つとを、それぞれ並列に結ぶように設けられる。コア１０の他端に装着される末端鋳型５０においても、同様に、ティース１２を挟んで一方に配置された１列４つの第１導線１３１と、他方に配置された一列５つの第１導線１３１のうち４つとを、それぞれ並列に結ぶ溶湯流路が設けられる。但し、コア１０の一端に装着される末端鋳型５０と、他端に装着される末端鋳型５０とで、第１導線１３１を並列に結ぶ溶湯流路の経路を変えている。これにより、１つのティース１２の周りを複数巻回されるコイル３０が実現されている。

末端鋳型５０は、さらに、複数の溶湯流路（第２導線１３２、１３２ａの部分）に溶融金属を導くための母管５４よび分岐流路５５（図８、図１０を参照）を有している。母管５４はコア１０の端面から離間した層に設けられ、複数の溶湯流路（第２導線１３２、１３２ａの部分）と分岐流路５５を介して連通される。コイル３０の一部を形成する複数の溶湯流路（第２導線１３２、１３２ａの部分）は、鋳型部２０の貫通孔を介してティース１２を巻回する経路で連通している。しかし、この経路は長く、この経路だけでは溶融金属が充填するように流し難い。このため、母管５４と分岐流路５５とにより溶融金属を流しやすくしている。

第２実施の形態のステータ１００Ａの製造工程では、先ず、第１実施の形態と同様に、コア１０と鋳型部２０と２つの末端鋳型５０とが組み付けられる。次いで、一方の末端鋳型５０の流入口５１から溶融金属が投入されることで、一方の末端鋳型５０の母管５４から分岐流路５５を介して各溶湯流路に溶融金属が流れる。さらに、溶融金属は、鋳型部２０の複数の貫通孔（第１導線１３１の部分）にも流れ、他方の末端鋳型５０の溶湯流路へ送られる。続いて、他方の末端鋳型５０において、溶湯流路から母管５４へ分岐流路５５を介して溶融金属が流れる。これらの流路に溶融金属が充填されると、一部が流出口５６から流出されて充填されたことを確認できる。

溶融金属が充填されたら、冷却により溶湯流路および貫通孔の金属を固めることで、第１導線１３１、第２導線１３２、１３２ａが一体的に鋳造されたコイル３０が形成される。母管５４等の不要な箇所で固まった金属は、その後、除去される。

以上のように、第２実施の形態によれば、コイル３０の占有率が高く、且つ、各ティース１２に複数巻回されたコイル３０を有するステータ１００Ａを簡単な工程で製造することができる。よって、高効率なモータを実現するステータ１００Ａおよびそのモータを高い効率で生産することができる。

以上、本発明の各実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態に限られるものではない。例えば、上記実施の形態では、コア１０の端部に設けられた第２導線３２は、互いに交差する経路を持たない形態とした。しかしながら、複数の第２導線３２が接点を持たずに交差するような形態を適用してもよい。この場合、一方の第２導線３２を軸方向に離間させて、交差相手の結線部と異なる層に設けることで、接点を持たずに交差する形態を形成することができる。

また、図では、コイル３０の各部（第１導線３１、１３１および第２導線３２、１３２、１３２ａ）の形状を簡略化して描いているが、コイル３０の断面形状は、鋳型部２０の貫通孔２１および末端鋳型５０の溶湯流路５３の成形により、容易に設計変更可能である。コイル３０の各部の形状は、電流が流れる方向に垂直な断面積が何れの箇所でも略同一になるように設計するとよい。また、実施の形態では、コイルの第１導線と第２導線を一体的に鋳造する例を示したが、スロットに鋳型部を設けた後に溶融金属を流して第１導線の部分を先に鋳造した場合でも、占有率の高いコイルを良好な作業性で作成することができる。その他、実施の形態で示した細部は、発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

１０ コア
１１ 貫通孔
１２ ティース
１３ スロット
２０ 鋳型部
２１ 貫通孔
３０ コイル
３１、１３１ 第１導線
３２、１３２ 第２導線
５０ 末端鋳型
５１ 流入口
５２ 枠部
５３ 溶湯流路
５４ 母管
５５ 分岐流路
１００、１００Ａ ステータ

Claims (5)

1. モータを構成するステータであって、
   複数のスロットを有するコアと、
   前記複数のスロット内に配置された鋳型部と、
   一体的に鋳造された金属であり、前記スロットに沿う方向に前記鋳型部を貫通する複数の第１導線と、軸方向における前記コアの両方の端部の各々で前記複数の第１導線を連結する複数の第２導線とを有するコイルと、
   を備え、
   軸方向における前記コアの端面及び前記鋳型部の端面とが同一面であり、
   前記第２導線が、前記コアの前記端面に沿って設けられ、かつ、前記コアの前記端面に設けられた絶縁性の層を介して前記コアの前記端面に位置するステータ。
2. 前記第１導線を構成する金属の酸化率と前記第２導線を構成する金属の酸化率とが前記コイルの経路に沿って連続している請求項１記載のステータ。
3. 前記第１導線を構成する金属の組成と前記第２導線を構成する金属の組成とが同じである請求項１又は請求項２に記載のステータ。
4. 請求項１〜請求項３の何れか一項に記載のステータを有するモータ。
5. モータを構成するステータの製造方法であって、
   コアの複数のスロット内に、前記スロットに沿った方向に延びる複数の貫通孔を有する鋳型部を設け、
   軸方向における前記コアの両方の端部の各々に前記複数の貫通孔の端部を結ぶ複数の溶湯流路を有する末端鋳型を設け、
   前記溶湯流路は前記コア又は前記鋳型部の端面が一方を仕切る構成であり、
   互いに連通する前記末端鋳型の前記溶湯流路と前記鋳型部の前記貫通孔とに溶融金属を流し込んでコイルを一体的に鋳造し、
   前記コイルが鋳造された後、前記溶湯流路に形成された前記コイルの導線を残して前記末端鋳型を前記コアから外す、
   ステータの製造方法。

Images