JP6895326B2 - 三相モータの結線構造、結線方法及び三相モータ - Google Patents

三相モータの結線構造、結線方法及び三相モータ Download PDF

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Description

本発明は、三相モータの固定子におけるコイルの結線構造及び結線方法と、そのような結線構造を有する三相モータとに関する。
誘導モータ、同期モータ及びブラシレスモータを含む三相モータでは、その固定子において、各相(U相、V相及びW相)に例えば鉄心からなる凸極の周りに導線を巻回してコイルを形成している。通常は、各相の凸極数を複数とし、円周方向に等間隔となるようにU相の凸極→V相の凸極→W相の凸極→…というように各相の凸極を配置している。凸極に巻回されるコイルは、相ごとに、電気的には直列に接続される。各相のコイルの相互接続の方法としては、Δ結線とY結線(スター結線とも呼ぶ)とがある。三相モータをサーボモータなどとして用いるときにはY結線を用いることが多い。
図4(a)は相ごとに2個の凸極を有する場合、すなわち、相ごとに2つのコイルを有する場合のY結線の等価回路図である。例えばU相では、2つの凸極U1,U2のコイルが電気的に直列に接続するとともに、この直列接続の一方の端部には外部接続端子Usが設けられ、他方の端部は中性点Nに接続している。同様にV相において、2つの凸極V1,V2のコイルが直列接続してその直列接続の一端に外部接続端子Vsが設けられ他端は中性点Nに接続し、W相においても2つの凸極W1,W2のコイルが直列接続してその直列接続の一端に外部接続端子Wsが設けられ他端は中性点Nに接続している。固定子を一体コアとして構成する場合であれば、各相に1本の導線を用い、複数の凸極に対してこの導線を順番に巻回する。順番に巻回する際には異なる凸極のコイル間を接続する渡り線も同一の導線によって形成される。このように各相に1本の導線を用いることにより、導線相互の接続箇所を減らすことができてコイル形成の生産性を向上させることができる。なお、外部接続端子Us,Vs,Wsは、三相モータを外部のドライバ回路などに接続するために用いられる端子である。
中性点Nは、U相のコイルとV相のコイルとW相のコイルとを相互に電気的に接続する位置であり、各コイルとの電気的な接続を行なうための短絡端子として構成される。図4(b)は、図4(a)に示す等価回路図で表わされる三相モータにおいて、短絡端子として形成された中性点Nに対して各相のコイルをどのように接続するかを示している。図4(b)において太線で連続して描かれている部分は、単一の導線から形成されている部分を示している。なお、特許文献1は、分割コア構成の固定子において、短絡端子である中性点Nを、分割コアの連結に用いる連結部材により構成し、各相のコイルの端部をこの短絡端子に接続することを開示している。
特開2016−178845号公報
Y結線の三相モータでは、中性点を構成するための短絡端子に対し、U相、V相、W相のコイルの各々の一端を接続している。したがって中性点を構成する短絡端子において3箇所での接続作業を行なう必要があり、接続加工の工数が多くなる。また、中性点を構成する短絡端子は、各相の外部接続端子とは異なって外部回路への接続に用いられる端子ではないので、小さく構成できることが好ましいが、3つの相の各々にコイルが接続される場合には形状が大きくなってしまう。
本発明の課題は、短絡端子の寸法を小さくすることが可能な三相モータの結線構造、接続加工の工数を低減することが可能なコイルの結線方法、および、そのような結線構造を有する固定子を備えた三相モータとを提供することにある。
本発明の三相モータの結線構造は、第1の相、第2の相及び第3の相のそれぞれの凸極を有する三相モータにおける各凸極に巻回されるコイルの結線構造であって、第1の相、第2の相及び第3の相のうちのいずれか2つの相に属する凸極のコイルが単一の連続した第1の導線によって構成され、第1の相、第2の相及び第3の相のうちの残りの1つの相に属する凸極のコイルが第1の導線とは異なる単一の連続した第2の導線によって構成され、第1の導線によって構成される凸極のコイルは、第1の凸極のコイルと第2の凸極のコイルと第3の凸極のコイルと第4の凸極のコイルとを含み、第1の導線は、第1の凸極のコイル、第2の凸極のコイル、第3の凸極のコイル、第4の凸極のコイルに順番に巻回され、第2の導線によって構成される凸極のコイルは、第5の凸極のコイルと第6の凸極コイルとを含み、第2の導線は、第5の凸極、第6の凸極に順番に巻回され、第1乃至第6の凸極は、第1の凸極、第5の凸極、第4の凸極、第2の凸極、第6の凸極、第3の凸極の順で円周方向に等間隔に配置され、第1の導線の中間点が第1の導線を切断することなく中性点の短絡端子に電気的に接続し、短絡端子は、U字断面の溝状の形状の2つの接続部を備え、短絡端子の一方の接続部に第2の導線が差し込まれ、短絡端子の他方の接続部に第1の導線が溝状の接続部の一端側から他端側に通過するように挟み込まれている。
本発明によれば、2つの相の凸極のコイルを単一の連続した第1の導線で構成するので、接続加工を行なう箇所も減り、短絡端子の寸法を小さくすることができる。
本発明の三相モータの結線方法は、第1の相、第2の相及び第3の相のそれぞれの凸極を有する三相モータにおける各凸極に巻回されるコイルの結線方法であって、単一の連続した第1の導線を用い、第1の相、第2の相及び第3の相のうちのいずれか2つの相に属する凸極のコイルを連続して巻回する第1の工程と、第1の導線とは異なる単一の連続した第2の導線を用い、第1の相、第2の相及び第3の相のうちの残りの1つの相に属する凸極のコイルを巻回する第2の工程と、を有し、第1の導線によって構成される凸極のコイルは、第1の凸極のコイル、第2の凸極のコイル、第3の凸極のコイル及び第4の凸極のコイルであって、第1の工程において、第1の導線を切断することなく第1の導線によって、第1の凸極のコイル、第2の凸極のコイル、第3の凸極のコイル及び第4の凸極のコイルをこの順番で連続的に巻回し、第2の導線によって構成される凸極のコイルは、第5の凸極のコイル及び第6の凸極コイルであって、第2の工程において、第2の導線を切断することなく第2の導線によって第5の凸極のコイル及び第6の凸極のコイルをこの順番で連続的に巻回し、三相モータにおいて、第1乃至第6の凸極のコイルは、第1の凸極、第5の凸極、第4の凸極、第2の凸極、第6の凸極、第3の凸極の順で円周方向に等間隔に配置され、第1の導線の中間点が中性点の短絡端子に電気的に接続し、短絡端子は、U字断面の溝状の形状の2つの接続部を備え、短絡端子の一方の接続部に第2の導線が差し込まれ、短絡端子の他方の接続部に第1の導線が溝状の接続部の一端側から他端側に通過するように挟み込まれている。本発明においては、第1の工程と第2の工程とは、第1の導線と第2の導線との間の干渉が生じない限り、どちらを先に実施してもかまわない。
本発明によれば、単一の第1の導線を用い、2つの相の凸極のコイルを連続して巻回するので、接続加工の工数を低減することができる。
本発明の三相モータは、本発明の結線構造を有する固定子を備える。これにより、短絡端子の寸法を小さくすることができ、固定子の軽量化を図ることができる。
本発明では、第1の導線の一方の端部が2つの相の一方に対応する外部接続端子に電気的に接続し、第1の導線の他方の端部が2つの相の他方に対応する外部接続端子に電気的に接続し、第2の導線の一方の端部が残りの1つの相に対応する外部接続端子に電気的に接続し、第2の導線の他方の端部が短絡端子に電気的に接続するようにしてもよい。この構成によれば、中性点の短絡端子に対する接続加工を行なう箇所を低減でき、短絡端子の寸法を小さくすることができる。さらに本発明では、各相の凸極の数を複数個とすることができ、これにより、凸極数が多い三相モータにおいても接続加工を行なう箇所を低減することができる。この場合、第1の導線の一方の端部と中間点との間の区間で第1の導線は2つの相の一方に対応する複数の凸極に巻回され、中間点と第1の導線の他方の端部との間の区間で第1の導線は2つの相の他方に対応する複数の凸極に巻回されるようにする。
本発明の結線方法では、このように中性点の短絡端子を設ける場合、例えば、第1の工程において、第1の導線の始端を2つの相の一方に対応する外部接続端子の位置に引き出し、その後、始端の位置を保ったまま2つの相の一方に対応する凸極に第1の導線を巻回して中性点の短絡端子の位置に引き出す中性点引き出し工程と、中性点引き出し工程の後、短絡端子の位置に引き出された状態を保ったまま、2つの相の他方に対応する凸極に第1の導線を巻回して第1の導線の終端を2つの相の他方に対応する外部接続端子の位置に配置する工程と、を設け、第2の工程において、第2の導線の一方の端部を残りの1つの相に対応する外部接続端子の位置に配置し、第2の導線の他方の端部を短絡端子の位置に配置し、さらに、第1の導線の始端を2つの相の一方に対応する外部接続端子に電気的に接続し、短絡端子の位置で短絡端子の他方の接続部に対して第1の導線をその接続部の一端側から他端側に通過するように挟み込むことによって短絡端子に電気的に接続し、第1の導線の終端を2つの相の他方に対応する外部接続端子に電気的に接続し、第2の導線の一方の端部を残りの1つの相に対応する外部接続端子に電気的に接続し、第2の導線の他方の端部を短絡端子の一方の接続部に差し込むことによって短絡端子に電気的に接続する第3の工程を設ける。
本発明の結線構造によれば、2つの相の凸極のコイルを単一の連続した第1の導線で構成するので、接続加工を行なう箇所も減り、短絡端子の寸法を小さくすることができる。また、本発明の結線方法によれば、単一の第1の導線を用い、2つの相の凸極のコイルを連続して巻回するので、接続加工の工数を低減することができる。
三相モータの固定子の構成の一例を示す斜視図である。 本発明の実施の一形態の結線構造を説明する図である。 コイルの結線構造を説明する、固定子の概略平面図である。 (a)はY結線を示す等価回路図であり、(b)は三相モータにおける従来の結線構造を説明する図である。
(三相モータの固定子の構造)
本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照して説明する。図1は、本発明の実施の一形態の結線構造が適用される三相モータの固定子の構成の一例を示している。図示される固定子10は、図4(a)に示す等価回路を有するインナーロータ型の三相モータに用いられるものであって、略円筒形に形成されている。円筒内面には、鉄心によって形成された6個の凸極12が円周方向に沿って等間隔に配置している。この固定子10を用いてモータを組み立てるときには各凸極12には導線が巻回されてコイルを構成するが、説明のため、図1においては導線は示していない。6個の凸極12は、図2及び図3に示すように、U相についての2つの凸極U1,U2と、V相についての2つの凸極V1,V2と、W相についての2つの凸極W1,W2とからなっており、凸極U1→凸極V1→凸極W1→凸極U2→凸極V2→凸極W2の順で円周方向に等間隔に配置している。
固定子10の上端面には、U相、V相及びW相にそれぞれ対応する金属製の3個の外部接続端子Us,Vs,Wsと、金属製の短絡端子として形成された中性点Nとが、固定子10の上端面から上方に延びるように設けられている。外部接続端子Us,Vs,Wsは、外部のドライバ回路などとの電気的接続に用いられるものであるので、固定子10の上端面からのその突出長さは大きいが、中性点Nは、外部回路との接続には用いられないので、突出長さは小さい。外部接続端子Us,Vs,Wsの各々には、U字の断面を有して導線を受け入れることができる接続部18が1つずつ形成されている。中性点Nには、同様の接続部18が2つ形成されている。固定子10の円筒外側面には、コイル間の渡り線部分となる導線を受け入れる複数の溝14が相互に平行に設けられている。この溝14内を配置された導線を凸極12の位置に引き出すために、固定子10の上端部には複数の切込み部16が形成されている。
(結線構造)
図2は、本実施形態の結線構造を説明する図である。ここでは、固定子10を構成するためのコイルを第1の導線21及び第2の導線22の2本の導線で構成する。第1の導線21はU相及びW相のコイルに用いられるものであり、第2の導線22はV相のコイルに用いられるものである。第1の導線21は、U相用の外部接続端子Usを始点として、凸極U1のコイル、凸極U1と凸極U2の間の渡り線、凸極U2のコイル、凸極U2と凸極W2の間の渡り線、凸極W2のコイル、凸極W2と凸極W1の間の渡り線、及び凸極W1のコイルをこの順で連続した単一の導線として構成し、最後にW相用の外部接続端子Wsに接続している。特に第1の導線21は、凸極U2と凸極W2の間の渡り線の区間で、導線として切断されることなく、中性点Nである短絡端子に電気的に接続している。中性点Nとの接続の位置は、第1の導線21における中間点の位置となる。一方、第2の導線22は、V相用の外部接続端子Vsを始点として、凸極V1のコイル、凸極V1と凸極V2の間の渡り線、及び凸極V2のコイルをこの順で連続した単一の導線として構成し、最後に中性点Nである短絡端子に接続している。
この結線構造において、中性点Nに対して接続されるのは、第1の導線21の中間部と第2の導線22の端部であり、中性点Nを構成する短絡端子において2箇所で接続作業を行なえばよいことになる。したがって、図4を用いて説明した従来の結線構造に比べて接続加工を行なう箇所を減らすことができ、中性点Nを構成する短絡端子も小型化することができる。さらに、本形態の三相モータにおいて、中性点Nを構成する短絡端子の寸法を小さくすることができ、固定子10の軽量化を図ることができる。
(結線方法)
次に、図3を用いて、各凸極に対するコイルの形成手順を説明する。図3は固定子10をその上方から見た平面図である。図3では、第1の導線21を太実線で示し、第2の導線22を太破線で示している。また、各凸極において導線は一般に多層巻きとされるが、ここでは説明のため、1層巻きで導線を示している。渡り線となる部分では導線21,22は実際には固定子10の円筒外側面に形成された溝14の中に収容されるが、導線21,22の配置状況を明確にするために、図3では固定子10の外側の位置において導線21,22を示している。
まず、巻線機を使用して、第2の導線22を配置する。巻線機から引き出した第2の導線22の始端を外部接続端子VsのU字断面の接続部18に差し込み、その状態を保ったまま、凸極V1の周りに第2の導線22を巻回して凸極V1のコイルを形成し、次に、切込み部16を介して第2の導線22を固定子10の外周側に引き出し、溝14内に布設する。その後、別の切込み部16から固定子10の内側に第2の導線22を引き込み、凸極V2の周りに巻回して凸極V2のコイルを形成する。そして、中性点Nの一方の接続部18に第2の導線22を差し込み、巻線機側の位置で第2の導線22を切断する。これにより、V相用の外部接続端子Vsを始点として、凸極V1のコイル、凸極V1と凸極V2の間の渡り線、及び凸極V2のコイルを経て中性点Nに至るまでが、1本の第2の導線22によって形成されることになる。
次に、同様に巻線機を使用して、第1の導線21を配置する。巻線機から引き出した第1の導線21の始端を外部接続端子UsのU字断面の接続部18に差し込み、凸極U1の周りに第1の導線21を巻回して凸極U1のコイルを形成し、固定子10の円筒外側面の溝14に第1の導線21を布設する。次に凸極U2のコイルを形成する。凸極U2のコイルを形成した後、中性点Nの他方の接続部18に第1の導線21を挟み込み、さらに第1の導線21を凸極W2に対応する位置まで溝14内に布設する。その後、U相の場合と同様に凸極W2のコイルを形成し、引き続いて凸極W1のコイルを形成する。中性点Nの接続部18は、U字断面の溝状の形状となっているから、その溝状の接続部18の一端側から他端側に向けて接続部18の上に第1の導線21を配置する。その後、接続部18内に第1の導線21を押し込むことによって、第1の導線21を切断することなく、接続部18の一端側から他端側に通過するように第1の導線21を接続部21に挟み込むことができる。第1の導線21によって凸極W1のコイルを形成した後、第1の導線を外部接続端子Wsの接続部18に差し込み、巻線機側の位置で第2の導線22を切断する。これにより、U相用の外部接続端子Usを始点として、凸極U1のコイル、凸極U1と凸極U2の間の渡り線、凸極U2のコイル、中性点N、中性点Nと凸極W2の間の渡り線、凸極W2のコイル、凸極W2と凸極W1の渡り線、及び凸極W1のコイルを経てW相用の外部接続端子Wsに至るまでが、1本の第1の導線21によって形成されることになる。
上述のように第1及び第2の導線21,22を配置した後、フュージングあるいはロウ付けにより、接続部18に差し込まれた導線21,22をその接続部に電気的に接続する。これにより、第1の導線21は、その一端において外部接続端子Usに電気的に接続し、中間部分において中性点Nの短絡端子に電気的に接続し、他端において外部接続端子Wsに電気的に接続することになる。第2の導線22は、その一端において外部接続端子Vsに電気的に接続し、他端において中性点Nの短絡端子に電気的に接続することになる。したがって、図4(a)の等価回路図で示される固定子10が、2本の導線21,22で完成したことになる。
(他の実施形態)
上述した形態は、本発明の好適な形態の一例ではあるが、これに限定されるものではなく本発明の要旨を変更しない範囲において種々変形実施が可能である。以上の説明では、各相の凸極数が2である場合を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、相ごとの凸極の数は1であっても3以上であってもよい。相ごとの凸極の数が例えばn(nは3以上の整数)である場合には、1本の導線を用い、U相のn個の凸極のコイルを連続して巻回し、次にその導線を中性点を経由して引き回し、その後、W相のn個の凸極のコイルを連続して巻回するようにすればよい。V相については別の1本の導線を用いてそのn個の凸極のコイルを連続して巻回し、その後、中性点にその導線を接続するようにすればよい。また、上記の説明では、U相とW相の凸極のコイルを単一の第1の導線21で構成しているが、単一の第1の導線でコイルが巻回される相の組み合わせはU相とW相との組み合わせに限定されるものではなく、U相とV相との組み合わせであってもよく、V相とW相との組み合わせであってもよい。
N…中性点、U1,U2,V1,V2,W1,W2…凸極、Us,Vs,Ws…外部接続端子、10…固定子、12…凸極、14…溝、16…切込み部、18…接続部、20,21…導線。

Claims (7)

  1. 第1の相、第2の相及び第3の相のそれぞれの凸極を有する三相モータにおける各凸極に巻回されるコイルの結線構造であって、
    前記第1の相、前記第2の相及び前記第3の相のうちのいずれか2つの相に属する凸極のコイルが単一の連続した第1の導線によって構成され、
    前記第1の相、前記第2の相及び前記第3の相のうちの残りの1つの相に属する凸極のコイルが前記第1の導線とは異なる単一の連続した第2の導線によって構成され
    前記第1の導線によって構成される凸極のコイルは、第1の凸極のコイルと第2の凸極のコイルと第3の凸極のコイルと第4の凸極のコイルとを含み、前記第1の導線は、前記第1の凸極のコイル、前記第2の凸極のコイル、前記第3の凸極のコイル、前記第4の凸極のコイルに順番に巻回され、
    前記第2の導線によって構成される凸極のコイルは、第5の凸極のコイルと第6の凸極コイルとを含み、前記第2の導線は、前記第5の凸極、前記第6の凸極に順番に巻回され、
    前記第1乃至第6の凸極は、前記第1の凸極、前記第5の凸極、前記第4の凸極、前記第2の凸極、前記第6の凸極、前記第3の凸極の順で円周方向に等間隔に配置され、
    前記第1の導線の中間点が前記第1の導線を切断することなく中性点の短絡端子に電気的に接続し、
    前記短絡端子は、U字断面の溝状の形状の2つの接続部を備え、前記短絡端子の一方の接続部に前記第2の導線が差し込まれ、前記短絡端子の他方の接続部に前記第1の導線が溝状の前記接続部の一端側から他端側に通過するように挟み込まれていることを特徴とする結線構造。
  2. 前記第1の導線の一方の端部が前記2つの相の一方に対応する外部接続端子に電気的に接続し、前記第1の導線の他方の端部が前記2つの相の他方に対応する外部接続端子に電気的に接続し
    記第2の導線の一方の端部が前記残りの1つの相に対応する外部接続端子に電気的に接続し、前記第2の導線の他方の端部が前記短絡端子に電気的に接続することを特徴とする請求項1に記載の結線構造。
  3. 各相の凸極の数が複数個であり、前記第1の導線の一方の端部と前記中間点との間の区間で前記第1の導線は前記2つの相の一方に対応する複数の凸極に巻回され、前記中間点と前記第1の導線の他方の端部との間の区間で前記第1の導線は前記2つの相の他方に対応する複数の凸極に巻回されていることを特徴とする請求項2に記載の結線構造。
  4. 第1の相、第2の相及び第3の相のそれぞれの凸極を有する三相モータにおける各凸極に巻回されるコイルの結線方法であって、
    単一の連続した第1の導線を用い、前記第1の相、前記第2の相及び前記第3の相のうちのいずれか2つの相に属する凸極のコイルを連続して巻回する第1の工程と、
    前記第1の導線とは異なる単一の連続した第2の導線を用い、前記第1の相、前記第2の相及び前記第3の相のうちの残りの1つの相に属する凸極のコイルを巻回する第2の工程と、
    を有し、
    前記第1の導線によって構成される凸極のコイルは、第1の凸極のコイル、第2の凸極のコイル、第3の凸極のコイル及び第4の凸極のコイルであって、前記第1の工程において、前記第1の導線を切断することなく前記第1の導線によって、前記第1の凸極のコイル、前記第2の凸極のコイル、前記第3の凸極のコイル及び前記第4の凸極のコイルをこの順番で連続的に巻回し、
    前記第2の導線によって構成される凸極のコイルは、第5の凸極のコイル及び第6の凸極コイルであって、前記第2の工程において、前記第2の導線を切断することなく前記第2の導線によって前記第5の凸極のコイル及び前記第6の凸極のコイルをこの順番で連続的に巻回し、
    前記三相モータにおいて、前記第1乃至第6の凸極は、前記第1の凸極、前記第5の凸極、前記第4の凸極、前記第2の凸極、前記第6の凸極、前記第3の凸極の順で円周方向に等間隔に配置され、前記第1の導線の中間点が中性点の短絡端子に電気的に接続し、前記短絡端子は、U字断面の溝状の形状の2つの接続部を備え、前記短絡端子の一方の接続部に前記第2の導線が差し込まれ、前記短絡端子の他方の接続部に前記第1の導線が溝状の前記接続部の一端側から他端側に通過するように挟み込まれている、結線方法。
  5. 前記第1の工程は、
    前記第1の導線の始端を前記2つの相の一方に対応する外部接続端子の位置に引き出し、その後、前記始端の位置を保ったまま前記2つの相の一方に対応する凸極に前記第1の導線を巻回して前記中性点の前記短絡端子の位置に引き出す中性点引き出し工程と、
    前記中性点引き出し工程の後、前記短絡端子の位置に引き出された状態を保ったまま、前記2つの相の他方に対応する凸極に前記第1の導線を巻回して前記第1の導線の終端を前記2つの相の他方に対応する外部接続端子の位置に配置する工程と、
    を有し、
    前記第2の工程において、前記第2の導線の一方の端部を前記残りの1つの相に対応する外部接続端子の位置に配置し、前記第2の導線の他方の端部を前記短絡端子の位置に配置し、
    さらに、前記第1の導線の始端を前記2つの相の一方に対応する外部接続端子に電気的に接続し、前記短絡端子の位置で前記短絡端子の前記他方の接続部に対して前記第1の導線を当該接続部の一端側から他端側に通過するように挟み込むことによって前記短絡端子に電気的に接続し、前記第1の導線の終端を前記2つの相の他方に対応する外部接続端子に電気的に接続し、前記第2の導線の一方の端部を前記残りの1つの相に対応する外部接続端子に電気的に接続し、前記第2の導線の他方の端部を前記短絡端子の前記一方の接続部に差し込むことによって前記短絡端子に電気的に接続する第3の工程を有することを特徴とする請求項4に記載の結線方法。
  6. 各相の凸極の数が複数個であることを特徴とする請求項5に記載の結線方法。
  7. 請求項1乃至3のいずれか1項に記載された結線構造を有する固定子を備えることを特徴とする三相モータ。
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