JP6824334B2 - ステータ及び電動機 - Google Patents

Description

本発明は、ステータ及び電動機に関する。

一般に、電動機のステータへの巻線の巻回を容易にするため、複数の分割コアで構成されたステータコアが用いられている。ステータへの巻線の巻回が容易になると、ステータコイルの密度を高めることができ、モータ効率が向上する。例えば、特許文献１に開示された電動機では、ステータコアが１２個のコア構成体に分割されており、このため、この電動機は、１２個のティース部を有する。

特開２００５−１１７８４４号公報

しかしながら、通常、電動機の磁極の数及びステータのティース部の数が増加するほど、電動機に入力される電流の電気周波数が増加する。これにより、電動機に入力される電流の波形が荒くなり、電動機の制御性（例えば、ロータの回転制御）が悪化する。したがって、例えば、１万ｒｐｍ以上の高回転での電動機の制御性を高めるためには、磁極の数及びティース部の数はできるだけ少なくすることが望ましい。そのため、磁極の数及びティース部の数が少ない電動機であって、なお且つステータへの巻線の巻回が容易な分割コアを備えた電動機が求められている。

本発明の目的は、巻線の巻回が容易なステータを提供すること、又はステータへの巻線の巻回を容易にし、且つ制御性の高い電動機を提供することである。

本発明の電動機は、分割コアを有するステータと、前記ステータの内側に配置され、磁極を持つロータとを備え、前記分割コアは、ティース部と、前記ティース部から前記ステータの径方向外側に向けて長さを持つ継手部と前記継手部から前記ステータの径方向内側に向けて長さを持つバックヨーク部とを有するヨーク部と、前記ステータの周方向における端部に形成された分割面とを有し、前記分割面の前記径方向内側の端部は、前記ヨーク部と前記ティース部との境界よりも前記径方向外側に位置し、前記ティース部の側面と前記ステータの径方向内側における前記ヨーク部の側面とが成す角度θ１［度］は、９０度≦θ１＜１８０度を満たす。

本発明によれば、巻線の巻回が容易なステータを提供すること、又はステータへの巻線の巻回を容易にし、且つ制御性の高い電動機を提供することができる。

本発明の実施の形態に係る電動機の構造を概略的に示す平面図である。 分割コアの構造を概略的に示す平面図である。 分割コアの構造を概略的に示す平面図である。 分割コアの構造を概略的に示す平面図である。 カシメで固定されたステータを有する電動機の構造を概略的に示す平面図である。 カシメで固定されたステータコアを有する分割コアの構造を概略的に示す平面図である。 ロータの磁極数ごとの、電動機の回転数［ｒｐｓ］と電動機に入力される電流の電気周波数［Ｈｚ］との関係を示す図である。 本実施の形態に係る電動機に入力される電流の波形を示す図である。 比較例としての８個の磁極を持つ電動機に入力される電流の波形を示す図である。 比較例１としての電動機の構造を概略的に示す平面図である。 比較例１としての電動機の分割コアの構造を概略的に示す平面図である。 比較例１としての電動機の分割コアに巻線を巻回する工程の一例を示す図である。 比較例２としての電動機の構造を概略的に示す平面図である。 比較例２としての電動機の分割コアの構造を概略的に示す平面図である。 比較例３としての電動機の構造を概略的に示す平面図である。 比較例３としての電動機の分割コアの構造を概略的に示す平面図である。 フレーム内に配置された比較例３に係る電動機を示す平面図である。 フレーム内に配置された本実施の形態に係る電動機を示す平面図である。

実施の形態．
図１は、本発明の実施の形態に係る電動機１の構造を概略的に示す平面図である。
図２から４は、分割コア２０の構造を概略的に示す平面図である。

電動機１は、ステータ２と、ロータ３と、位置センサ４とを有する。電動機１は、例えば、永久磁石同期モータである。

電動機１は、例えば、単相インバータで駆動される。電動機１が単相インバータで駆動する場合、例えば、３相インバータに比べてスイッチング回数を減らすことができ、高速回転時のスイッチングロスを減らすことができる。高速回転時では電気周波数が上がり、スイッチング回数が増えるため、特に高速回転時では単相インバータを用いる利点が得られる。

インバータにおけるスイッチング回数が少ない場合、電動機１に入力される電流の波形が歪み、その電流の高調波成分によってステータ２における鉄損が大きくなる。そのため、ステータ２のステータコア２１の材料として、電磁鋼板の代わりにアモルファス金属などの材料を用いることが望ましい。これにより、ステータ２における鉄損の発生を低減し、モータ効率の悪化を抑制することができる。

ステータ２は、ステータコア２１と、絶縁部２２と、複数の分割面２３とを有する。ロータ３は、エアギャップを介してステータ２の内側に配置されている。絶縁部２２は、ステータコア２１を絶縁する。ステータコア２１には、絶縁部２２を介して巻線が巻回される。

ステータコア２１は、複数のヨーク部２１ａと、複数のティース部２１ｂとを有する。ステータコア２１は、例えば、複数のアモルファス金属又は複数の電磁鋼板が積層されることにより形成される。

絶縁部２２は、互いに隣接する２つのティース部２１ｂ間に形成された領域であるスロット部に配置されている。具体的には、絶縁部２２は、ステータコア２１の側面に固定されている。絶縁部２２は、例えば、絶縁性樹脂で形成されている。

ステータコア２１の外周面２４は円弧状に形成されている。具体的には、外周面２４は、径方向における最も外側に形成されているヨーク部２１ａの外周面である。

ロータ３は、複数の永久磁石を有し、複数の磁極を形成する。本実施の形態では、ロータ３は、４つ磁極を持つ。

位置センサ４は、例えば、ロータ３からの磁界を検出するホール素子を有する。位置センサ４は、ティース部２１ｂの周方向における隣において絶縁部２２で固定されている。具体的には、位置センサ４は、互いに隣り合う２つのティース部２１ｂの間において、絶縁部２２で固定されている。これにより、電動機１のサイズを小型化することができる。

位置センサ４を用いてロータ３からの磁界を検出し、ロータの回転位置（位相）を検出することにより、電動機１の制御を容易にすることができる。さらに、位置センサ４は、２つのティース部２１ｂの間に固定されているので、電動機１のサイズが大きくなることを抑制し、電動機１のサイズを小型にすることができる。

分割コア２０の構造について以下に説明する。
図２から４に示される矢印Ｄ１は、ステータ２、ステータコア２１、及びロータ３の周方向（以下、単に「周方向」ともいう）を示す。図２から４に示される矢印Ｄ２は、ステータ２、ステータコア２１、及びロータ３の径方向（以下、単に「径方向」ともいう）を示す。図２から４に示される矢印Ｄ２１は径方向内側を示し、矢印Ｄ２２は径方向外側を示す。

ステータ２は、複数の分割コア２０を有する。本実施の形態では、ステータ２は、４つの分割コア２０によって形成されている。

ステータ２は、ティース部２１ｂの数と同じ数（すなわち、４つの分割コア２０）に分割されている。したがって、ステータ２は、４つのヨーク部２１ａと、４つのティース部２１ｂとを有する。

各分割コア２０は、ステータコア２１と、絶縁部２２とを有する。各ステータコア２１は、１つのヨーク部２１ａと、１つのティース部２１ｂと、２つの分割面２３とを有する。各分割面２３は、各ステータコア２１の各ヨーク部２１ａの周方向における端部に形成されている。分割端部２３ａは、各分割面２３の径方向内側の端部である。

各ヨーク部２１ａは、バックヨーク部２１１と継手部２１２とから形成されている。継手部２１２は、ティース部２１ｂから径方向外側に向けて長さを持ち、バックヨーク部２１１は、継手部２１２から径方向内側に向けて長さを持つ。ティース部２１ｂは、径方向内側に向けて延在している。

ティース部２１ｂの側面２１ｃと径方向内側におけるヨーク部２１ａの側面２１ｄとが成す角度θ１［度］は、９０度≦θ１＜１８０度を満たす。図２に示される例では、ティース部２１ｂの側面２１ｃは、径方向に延在する面であり、言い換えると、径方向に直交する方向におけるティース部２１ｂの両側の面である。ヨーク部２１ａの側面２１ｄは、ティース部２１ｂの側面２１ｃに隣接している。

さらに、図３に示されるように、角度θ１［度］は、９０度＜θ１＜１８０度を満たすことが望ましい。これにより、ティース部２１ｂへの巻線の巻回を容易にすることができる。

同様に、図３に示されるように、ティース部２１ｂに固定された絶縁部２２の側面２２ａとヨーク部２１ａに固定された絶縁部２２の側面２２ｂとが成す角度θ２［度］は、９０度≦θ２＜１８０度を満たす。側面２２ｂは、側面２２ａに隣接している。

さらに、角度θ２［度］は、９０度＜θ１＜１８０度を満たすことが望ましい。これにより、ティース部２１ｂへの巻線の巻回を容易にすることができる。

図４に示されるように、分割端部２３ａは、直線Ｌ１よりも径方向外側に位置する。直線Ｌ１は、ヨーク部２１ａとティース部２１ｂとの境界である。すなわち、直線Ｌ１は、ヨーク部２１ａの側面２１ｄとティース部２１ｂの側面２１ｃとの境界である。

同様に、周方向における絶縁部２２の端部である端部２２ｃは、直線Ｌ１よりも径方向外側に位置する。これにより、巻線の巻回を容易にするという利点を得ることができ、ステータコイルの密度を高めることができる。

図５は、カシメ２５で固定されたステータ２を有する電動機１の構造を概略的に示す平面図である。
図６は、カシメ２５で固定されたステータコア２１を有する分割コア２０の構造を概略的に示す平面図である。

図５及び図６に示されるように、ステータコア２１を形成する複数のアモルファス金属又は複数の電磁鋼板は、カシメ２５によって固定されてもよい。図５に示される電動機１及び図６に示される分割コア２０において、カシメ２５以外の構造は、図１から図４に示される電動機１及び分割コア２０とそれぞれ同じである。

カシメ２５を用いることにより、ステータコア２１の形状が安定し、分割面２３の形状を安定させることができる。これにより、例えば、焼き嵌めによって電動機１にフレーム５（図１８）を嵌めるときに、分割面２３で分割コア２０がばらけることを防止することができる。

実施の形態に係る電動機１の効果について以下に説明する。
図７は、ロータの磁極数ごとの、電動機の回転数［ｒｐｓ］と電動機に入力される電流の電気周波数［Ｈｚ］との関係を示す図である。具体的には、図７は、電動機の磁極の数を変更した場合における、電動機の回転数と電気周波数との関係を示す図である。図７において、ｆ１は、本実施の形態に係る電動機１における回転数と電気周波数との関係を示す。ｆ２は、６個の磁極及び６個のティース部を持つ電動機における回転数と電気周波数との関係を示す。ｆ３は、８個の磁極及び８個のティース部を持つ電動機における回転数と電気周波数との関係を示す。ｆ４は、１０個の磁極及び１０個のティース部を持つ電動機における回転数と電気周波数との関係を示す。

図８は、本実施の形態に係る電動機１に入力される電流の波形を示す図である。
図９は、比較例としての８個の磁極を持つ電動機に入力される電流の波形を示す図である。図８及び図９に示される波形は、ロータ３が１回転する間に電動機１に入力される電流の波形であり、これらの波形のキャリア周波数は互いに同じである。

図７に示されるように、電動機に入力される電流の電気周波数は、磁極の数が増えるほど増加する。例えば、磁極の数が４個から８個になると、電気周波数が２倍になる。したがって、図９に示されるように、キャリア周波数を一定にしたとき、４磁極を持つ電動機１（図８）に対して、８磁極を持つ電動機に入力される電流の波形が荒くなる。電流の波形が荒くなるほど電動機の制御性（例えば、ロータの回転制御）が悪化する。したがって、例えば、１万ｒｐｍ以上の高回転で電動機を駆動させるためには、磁極の数はできるだけ少なくし、且つ電気周波数を下げることが望ましい。これにより、電動機の制御性が改善される。

上述のように、電動機１の制御性を改善するため、本実施の形態に係る電動機１では、ロータ３は４つの磁極を持ち、ステータ２は４つのティース部２１ｂを持つ。これにより、６極以上の磁極を持つ電動機に比べて、１万ｒｐｍ以上で駆動する場合でも制御性を高めることができる。

さらに、電動機１が単相インバータで駆動する場合、例えば、３相インバータに比べてスイッチング回数を減らすことができ、高速回転時のスイッチングロスを減らすことができる。

各ヨーク部２１ａは、バックヨーク部２１１と継手部２１２とから形成されている。継手部２１２は、ティース部２１ｂから径方向外側に向けて長さを持ち、バックヨーク部２１１は、継手部２１２から径方向内側に向けて長さを持つ。これにより、巻線によってステータコイルを形成する領域を広くすることができる。

図１０は、比較例１としての電動機１ａの構造を概略的に示す平面図である。
図１１は、比較例１としての電動機１ａの分割コア２０ａの構造を概略的に示す平面図である。
図１２は、分割コア２０ａに巻線７を巻回する工程の一例を示す図である。

比較例１に係る電動機１ａは、本実施の形態に係る電動機１と同様に４つの磁極を持ち、４つのティース部１２１ｂを持つ。電動機１ａは、４つの分割コア２０ａを有する。ティース部１２１ｂは、電動機１のティース部２１ｂに対応し、ティース部２１ｂと同じ構造を持つ。電動機１ａにおいて、ヨーク部１２１ａの構造が実施の形態に係る電動機１のヨーク部２１ａと異なる。具体的には、ティース部１２１ｂの側面１２１ｃと径方向内側におけるヨーク部１２１ａの側面１２１ｄとが成す最大角度θ３は、９０度よりも小さい。

ティース部には、通常、ノズルを用いて巻線を巻回する。ステータが複数のコアに分割されていない場合、ステータコイルの密度が高くなるように巻線を巻回することが困難である。一方、本実施の形態では、ステータ２が複数のコアに分割されているので、ノズルを用いて各ティース部２１ｂに巻線を容易に巻回することができ、ステータコイルの密度を高めることができる。ただし、位置センサ４の位置ずれを防ぐため、位置センサ４の近くには巻線を巻回しない方が望ましい。

しかしながら、図１０及び図１１に示される電動機１ａでは、最大角度θ３は、９０度よりも小さいので、図１２に示されるように、分割端部２３ａが直線Ｌ１よりも径方向内側に位置する。これにより、ノズル６の動作をヨーク部１２１ａが阻害し、特にティース部１２１ｂの径方向外側の部分に巻線７を巻回することが困難である。これに対し、本実施の形態に係る電動機１では、角度θ１［度］は、９０度≦θ１＜１８０度を満たす。これにより、本実施の形態に係る電動機１では、分割端部２３ａが、直線Ｌ１よりも径方向外側に位置するように分割コア２０を形成することができ、巻線の巻回を容易にするという利点が得られる。

図１３は、比較例２としての電動機１ｂの構造を概略的に示す平面図である。
図１４は、比較例２としての電動機１ｂの分割コア２０ｂの構造を概略的に示す平面図である。
比較例２に係る電動機１ｂは、２つの磁極を持ち、２つのティース部２２１ｂを持つ。電動機１ｂは、２つの分割コア２０ｂを有する。電動機１ｂにおいて、ヨーク部２２１ａの構造が実施の形態に係る電動機１のヨーク部２１ａと異なる。具体的には、ティース部２２１ｂの側面２２１ｃと径方向内側におけるヨーク部２２１ａの側面２２１ｄとが成す最大角度θ４は、９０度よりも小さい。

したがって、比較例１に係る電動機１ａと同様に、電動機１ｂでも最大角度θ４は、９０度よりも小さいので、巻線の巻回を行う際に、ノズル６の動作をヨーク部２２１ａが阻害し、特にティース部２２１ｂの径方向外側の部分に巻線を巻回することが困難である。

図７に基づいて説明したように、電動機１の制御性を考慮すると、磁極及びティース部の数は小さい方が望ましいが、巻線の巻回を考慮すると、磁極の数及びティース部の数はそれぞれ４つであることが望ましい。磁極の数及びティース部の数がそれぞれ４つの場合でも、比較例１に係る電動機１ａのように、最大角度θ３が９０度よりも小さい場合、巻線の巻回を困難にする。

そこで、本実施の形態では、電動機１は、４つの磁極を持ち、４つのティース部２１ｂを持ち、且つ、角度θ１［度］は、９０度≦θ１＜１８０度を満たす。これにより、電動機１の制御性を高めることができ、巻線の巻回を容易にするという利点を得ることができ、ステータコイルの密度を高めることができる。

さらに、本実施の形態では、ヨーク部２１ａは、継手部２１２は、ティース部２１ｂから径方向外側に向けて長さを持ち、バックヨーク部２１１は、継手部２１２から径方向内側に向けて長さを持つ。これにより、分割端部２３ａが、直線Ｌ１よりも径方向外側に位置するように分割コア２０を形成することができるので、巻線の巻回を容易にすることができる。

位置センサ４は、互いに隣り合う２つのティース部２１ｂの間において、絶縁部２２で固定されている。これにより、電動機１のサイズを小型化することができる。

図１５は、比較例３としての電動機１ｃの構造を概略的に示す平面図である。
図１６は、比較例３としての電動機１ｃの分割コア２０ｃの構造を概略的に示す平面図である。
比較例３に係る電動機１ｃは、本実施の形態に係る電動機１と同様に、４つの磁極を持ち、４つのティース部３２１ｂを持つ。電動機１ｃは、４つの分割コア２０ｃを有する。電動機１ｃにおいて、ヨーク部３２１ａの構造が実施の形態に係る電動機１のヨーク部２１ａと異なる。具体的には、ヨーク部３２１ａが直線的に形成されている。電動機１ｃでは、ティース部３２１ｂの側面３２１ｃと径方向内側におけるヨーク部３２１ａの側面３２１ｄとが成す角度θ５は、９０度である。したがって、上述の実施の形態に係る電動機１と同様に、電動機１ｃの制御性を高めることができ、巻線の巻回を容易にするという利点を得ることができる。

図１７は、フレーム５内に配置された比較例３に係る電動機１ｃを示す平面図である。
図１８は、フレーム５内に配置された本実施の形態に係る電動機１を示す平面図である。

フレーム５は円筒形のフレームである。図１７に示されるように、電動機１ｃにおいて、フレーム５の内周面に接触する接触部分２４ｃが、点接触でフレーム５に接触する場合、フレーム５内においてステータ２ｃ（４つ分割コア２０ｃ）の固定が安定せず、ステータ２ｃの形状が維持されにくい。

図１８に示されるように、上述の実施の形態に係る電動機１では、フレーム５の内周面に接触する接触部分は、円弧状に形成されたヨーク部２１ａ（具体的には、バックヨーク部２１１）の外周面２４である。外周面２４は、円弧状に形成されているので、面接触でフレーム５に接触する。これにより、フレーム５内においてステータ２の固定が安定し、ステータ２の形状が維持されやすいという利点が得られる。

以上に説明した実施の形態における特徴及び各比較例における特徴は、互いに適宜組み合わせることができる。

１，１ａ，１ｂ，１ｃ 電動機、 ２ ステータ、 ３ ロータ、 ４ 位置センサ、 ５ フレーム、 ６ ノズル、 ７ 巻線、 ２０，２０ａ，２０ｂ，２０ｃ 分割コア、 ２１ ステータコア、 ２１ａ ヨーク部、 ２１ｂ ティース部、 ２１ｃ，２１ｄ，２２ａ，２２ｂ 側面、 ２２ 絶縁部、 ２２ｃ 端部、 ２３ 分割面、 ２３ａ 分割端部、 ２４ 外周面、 ２５ カシメ、 ２１１ バックヨーク部、 ２１２ 継手部。

Claims (8)

1. 分割コアを有するステータであって、
   前記分割コアは、
   ティース部と、
   前記ティース部から前記ステータの径方向外側に向けて長さを持つ継手部と前記継手部から前記ステータの径方向内側に向けて長さを持つバックヨーク部とを有するヨーク部と、
   前記ステータの周方向における端部に形成された分割面と
   を有し、
   前記分割面の前記径方向内側の端部は、前記ヨーク部と前記ティース部との境界よりも前記径方向外側に位置し、
   前記ティース部の側面と前記ステータの径方向内側における前記ヨーク部の側面とが成す角度θ１［度］は、
   ９０度≦θ１＜１８０度
   を満たすステータ。
2. 前記角度θ１［度］は、９０度＜θ１＜１８０度を満たす請求項１に記載のステータ。
3. 前記バックヨーク部の外周面は、円弧状に形成されている請求項１又は２に記載のステータ。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載のステータと、
   前記ステータの内側に配置されたロータと
   を有する電動機。
5. 前記ロータからの磁界を検出する位置センサをさらに有する請求項４に記載の電動機。
6. 前記ティース部を絶縁する絶縁部をさらに備え、
   前記位置センサは、前記ティース部の周方向における隣において前記絶縁部で固定されている
   請求項５に記載の電動機。
7. 前記電動機は、単相インバータで駆動される請求項４から６のいずれか１項に記載の電動機。
8. 前記電動機は、１万ｒｐｍ以上で駆動する請求項４から７のいずれか１項に記載の電動機。

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