JP7050234B2

JP7050234B2 - モータ

Info

Publication number: JP7050234B2
Application number: JP2019501081A
Authority: JP
Inventors: 康司加藤; 祐一吉川; 弘和山内; 慶一郎額田; 光起菱田
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2017-02-21
Filing date: 2017-12-20
Publication date: 2022-04-08
Anticipated expiration: 2037-12-20
Also published as: US20200235628A1; WO2018154943A1; JPWO2018154943A1; EP3588744A4; EP3588744A1; CN110291699A; EP3588744B1; US11070103B2

Description

ここに開示する技術は、モータにおけるコイルの構造に関する。

近年、産業、車載用途で、モータの需要は高まっている。その中で、モータの効率向上、低コスト化が要望されている。

モータの効率向上の一つの手法として、ステータのスロット内に配置されるコイルの占積率を向上させることが知られている。コイルの占積率を向上させることで、モータの駆動時に、コイルに流れる電流に起因する損失を抑制することができる。

コイルの占積率を向上させる手法として、銅材を用いた鋳造コイルをスロット内に配置する構成が提案されている（例えば特許文献１を参照）。

従来、鋳造または成形などによってコイルを形成する場合、コイルの断面積は、抵抗均一化のために、均一にされていた。一方、モータ効率を低下させる要因の１つに熱があり、ジュール熱の発生により、コイルに熱が溜まりやすい。また、コイルで発生した熱の放散経路は、コイルに近接する部材の配置または冷媒の流路等により異なるため、コイル内での熱分布は一様ではない。ところが、コイルの断面積は均一であったので、コイルによる放熱効果はその断面積に律束されていた。

独国特許出願公開第１０２０１２２１２６３７号明細書

ここに開示する技術は、かかる点に鑑みてなされたもので、その目的は、コイルによる
放熱効果をより高めて、高効率のモータを実現することにある。

上記の目的を達成するために、ここに開示する技術のモータは、ステータコアと、ステータコアから所定の突出方向に突出したティースとを有するステータと、ティースにｎ（ｎは２以上の整数）ターン巻回された第１～第ｎターンからなるコイルとを備える。ティースが突出方向において、ティースにコイルが巻回された範囲のモータの中心側にコイルの第１ターンが位置し、モータの中心と反対側に、コイルの第ｋ（ｋは整数であり、１＜ｋ≦ｎ）ターンが位置している。コイルをティースの突出方向に沿って切断したときの第１ターンにおける断面積は、第ｋターン及び第ｎターンにおける断面積よりも大きい。

この構成によれば、コイルにおいて、モータの中心側に位置する部分の断面積が大きいので、モータの中心側を流れる冷媒またはモータの中心側の空間等に対してのコイルの放熱効果をより高めることによって、高効率のモータを実現することができる。

また、モータにおいて、ｎは３以上の整数で、ｋはｎよりも小さい整数であり、コイルの第ｋターンにおける断面積は、第ｎターンにおける断面積よりも大きい、としてもよい。

また、モータにおいて、コイルの第１ターンにおける断面積は、第１～第ｎターンにおける断面積の中で最大であり、第１ターンから第ｎターンにかけて、断面積は徐々に小さくなっている、としてもよい。

本開示によれば、コイルによる放熱効果をより高めて、高効率のモータを実現することができる。

実施形態に係るモータを示す上面図である。実施形態に係るモータを示す側面図である。図１Ｂにおける１Ｃ－１Ｃ線での断面図である。図１Ｃの部分拡大図である。ティースとコイルの別の構成を示す断面図である。

以下、実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものでは全くない。

（実施形態）
（モータ構造）
図１Ａは、実施形態に係るモータ１を示す上面図である。図１Ｂは、実施形態に係るモータ１を示す側面図である。図１Ｃは、図１Ｂにおける１Ｃ－１Ｃ線での断面図である。ただし、いずれにおいても、カバーケース等は図示していない。なお、図１Ｃにおいては、要部の断面のみをハッチングで示す。モータ１は、カバーケース（図示せず）の内部に、シャフト２と、ロータ３と、ステータ４と、コイルＵ１１～Ｕ４１、Ｖ１２～Ｖ４２、Ｗ１１～Ｗ４１と、バスバー５１～５４と、を備えている。

ここで、シャフト２の長手方向（図１Ａ紙面に対して垂直な方向）をＺ軸方向と呼ぶ。これに直交する方向（図１Ａ紙面に対して平行な方向）をＸ軸方向、Ｙ軸方向と呼ぶ。Ｘ軸方向とＹ軸方向は直交する。

「一体」あるいは「一体化」とは、複数の部品が、ボルト締め、または、かしめ等の機械的に接続されているだけでなく、共有結合、イオン結合、または、金属結合などの材料結合によって、部品が電気的に接続された１つの物体、または部品全体が溶融などによって材料結合され、電気的に接続された１つの物体の状態をいう。

シャフト２は、Ｚ軸方向に延びる中空部２ａを内部に有している。シャフト２の側面には、複数の貫通孔２ｂが設けられている。中空部２ａは、モータ１の内部を冷却するための冷媒Ｃの通路である。冷媒Ｃは、中空部２ａ内をＺ軸方向に沿って流れている。外部に設けられたポンプ等（図示せず）により、冷媒Ｃは循環して、モータ１の内部を流れている。また、中空部２ａ内を流れる冷媒Ｃの一部は、複数の貫通孔２ｂから流れ出て、モータ１の中心側から外側、つまりロータ３からステータ４のある方向に向けても流れ、ロータ３及びステータ４を冷却する。

ロータ３は、シャフト２の外周に接して設けられている。ロータ３は、ステータ４に対向して、Ｎ極、Ｓ極がシャフト２の外周方向に沿って交互に配置された磁石３１を含んでいる。本実施形態で、ロータ３に用いられる磁石３１として、ネオジム磁石を使用しているが、磁石３１の材料、形状、及び材質については、モータの出力等に応じて、適宜変更しうる。

ステータ４は、実質的に円環状のステータコア４１と、ステータコア４１の内周に沿って等間隔に設けられた複数のティース４２と、ティース４２間にそれぞれ設けられたスロット４３とを有している。ステータ４は、Ｚ軸方向から見て、ロータ３の外側に、ロータ３と一定の間隔を持って、離間して配置されている。

ステータコア４１は、例えば、ケイ素等を含有した電磁鋼板を積層した後に、打ち抜き加工して形成される。

本実施形態において、ロータ３の磁極数は、ステータ４に対向するＮ極が５個、Ｓ極が５個の計１０極である。スロット４３の数は１２個である。しかし、ロータ３の磁極数とスロット４３の数は、特にこれに限定されるものではなく、その他の磁極数とスロット数との組合せについても適用される。

ステータ４は、１２個のコイルＵ１１～Ｕ４１、Ｖ１２～Ｖ４２、Ｗ１１～Ｗ４１を有している。コイルＵ１１～Ｕ４１、Ｖ１２～Ｖ４２、Ｗ１１～Ｗ４１の各々は、対応するティース４２に対して装着されて、Ｚ軸方向から見て、各スロット４３内に配置されている。つまり、コイルＵ１１～Ｕ４１、Ｖ１２～Ｖ４２、Ｗ１１～Ｗ４１はティース４２に対して集中巻になっている。さらに、コイルＵ１１～Ｕ４１がバスバー５１と、コイルＶ１２～Ｖ４２はバスバー５２と、コイルＷ１１～Ｗ４１はバスバー５３と、それぞれ一体化されて配置されている。

ここで、コイルを表わす符号ＵＰＱ、ＶＰＱ、ＷＰＱのうち、最初の文字はモータ１の各相（本実施形態の場合は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）を表わす。２番目の文字は同相内のコイルの配列順を表わす。３番目の文字はコイルの巻回方向を表わし、本実施形態では、１は時計回り方向、２は反時計回り方向である。従って、コイルＵ１１は、Ｕ相の配列順が１番目のコイルで、巻回方向が時計回り方向であることを表わす。コイルＶ４２は、Ｖ相の配列順が４番目のコイルで、巻回方向が反時計回り方向であることを表わす。なお、時計回りとは、モータ１の中心から見て右回りをいい、「反時計回り」とはモータ１の中心から見て左回りをいう。

厳密には、コイルＵ１１，Ｕ４１はＵ相のコイルであり、コイルＵ２２，Ｕ３２はＵバ
ー相（Ｕ相のコイルと発生する磁界の向きが逆）のコイルである。しかし、以降の説明では、特に断らない限り、Ｕ相のコイルと総称する。コイルＶ１２～Ｖ４２及びコイルＷ１１～Ｗ４１についても同様に、Ｖ相のコイル、Ｗ相のコイルとそれぞれ総称する。

（コイル断面の特徴）
図２は、図１Ｃの部分拡大図である。図２は、ステータコア４１から突出したティース４２と、ティース４２に巻回されたコイル５Ａとを示している。ステータコア４１はモータ１の外側に位置し、ティース４２はモータ１の中心側に位置する。コイル５Ａは、図１Ｃに示したコイルＵ１１～Ｕ４１、Ｖ１２～Ｖ４２、Ｗ１１～Ｗ４１のいずれかに対応する。コイル５Ａは、例えば、銅、アルミニウム、亜鉛、マグネシウム、真鍮、鉄、及びＳＵＳ（ＳｔｅｅｌＵｓｅＳｔａｉｎｌｅｓｓ）などのいずれかを主たる材料として形成されている。

ここでは、ティース４２がステータコア４１から突出する方向をＲ方向とする。図２は、Ｒ方向に沿った断面を示している。図２では、コイル５Ａは、ティース４２に６ターン巻回されている。Ａ１～Ａ６はそれぞれ、第１ターンから第６ターンにおけるコイル５Ａを断面で示している。また、符号Ａ１～Ａ６はそれぞれ、当該ターンＡ１～Ａ６の断面積を表す場合もある。

本実施形態では、コイル５Ａの各ターンにおける断面積は均一ではなく、異なっている。Ｒ方向において、ティース４２にコイル５Ａが巻回された範囲を範囲Ｗとする。ここでは、範囲Ｗにおけるモータ１の中心側にコイル５Ａの第１ターンＡ１が位置している。

図２の構成では、コイル５Ａの第１ターンＡ１は、第１～第６ターンＡ１～Ａ６の中で、断面積が最大である。第１ターンから第６ターンにかけて、断面積は徐々に小さくなっている（Ａ１＞Ａ２＞Ａ３＞Ａ４＞Ａ５＞Ａ６）。言い換えると、コイル５Ａの断面積は、範囲Ｗにおいてモータ１の中心側から外側にかけて徐々に小さくなっている。

このように、コイル５Ａにおいて、モータ１の中心側に位置する部分の断面積を大きくすることによって、冷媒Ｃに対しての放熱量を増やし、コイル５Ａに熱が溜まることを防止することができる。

図２の構成において、コイル５Ａの第１ターンＡ１の断面積のみを他のターンにおける断面積より大きくしてもよいし（Ａ１＞Ａ２＝Ａ３＝Ａ４＝Ａ５＝Ａ６）、第１ターンから第６ターンにかけて段階的に断面積を小さくしてもよい（例えば、Ａ１＞Ａ２＝Ａ３＞Ａ４＝Ａ５＞Ａ６）。

また、実施形態において、コイルのターン数を６としたが、特にこれに限定されるものではなく、モータ１のサイズまたは性能等によって適宜変更しうる。

図３は、ティースとコイルとの別の構成を示す断面図である。コイル５Ｂのターン数は２である。図３は、図２と同様に、ステータコア４１から突出したティース４２と、ティース４２に巻回されたコイル５Ｂとを示している。コイル５Ｂは、コイル５Ａと同様に、図１Ｃに示したコイルＵ１１～Ｕ４１、Ｖ１２～Ｖ４２、Ｗ１１～Ｗ４１のいずれかに対応する。コイル５Ｂは、例えば、銅、アルミニウム、亜鉛、マグネシウム、真鍮、鉄、及びＳＵＳなどのいずれかを主たる材料として形成されている。

図３の構成においても、第１ターンＢ１の断面積を第２ターンＢ２の断面積よりも大きくすることで（Ｂ１＞Ｂ２）、冷媒Ｃに対しての放熱量を増やし、コイル５Ｂに熱が溜まるのを防止することができる。

コイルのターン数が２及び６以外であっても、ここで説明したものと同様に構成すればよく、ターン数は奇数であってもよい。すなわち、ティース４２にコイル５Ａまたはコイル５Ｂがｎ（ｎは２以上の整数）ターン巻回された範囲に、コイル５Ａまたはコイル５Ｂの第１ターンがモータ１の中心側に位置する。一方、モータ１の中心と反対側に、コイル５Ａまたはコイル５Ｂの第ｋ（ｋは整数であり、１＜ｋ≦ｎ）ターンが位置しているとき、コイル５Ａまたはコイル５Ｂをティース４２のステータコア４１からの突出方向に沿って切断したときの第１ターンにおける断面積を、第ｋターン及び第ｎターンにおける断面積よりも大きくすればよい。

実施形態において、コイルの断面形状を実質的な台形形状としたが、特にこれに限定されるものではなく、矩形状であってもよい。また、円形形状または多角形状、あるいは円形と多角形とを複合した形状であってもよい。

実施形態において、コイルＵ１１～Ｕ４１がバスバー５１と、コイルＶ１２～Ｖ４２はバスバー５２と、コイルＷ１１～Ｗ４１はバスバー５３とそれぞれ一体化されている例を示した。しかし、各々のコイル形状に対応する様に、ヒュージングまたは溶接処理等により、バスバーに取り付けられていてもよい。

実施形態において、冷媒Ｃがシャフト２内の中空部２ａを流れる構成とした。しかし、例えば、冷媒Ｃがロータ３とステータ４との間の空間を循環して流れるようにしてもよい。冷媒Ｃとして、例えば油等の液体、または空気等の気体を用いることができる。また、モータ１の仕様等によっては、モータ１の内部は自然空冷される構成であってもよい。この場合においても、ロータ３とステータ４との間の空間に、コイル５Ａ，５Ｂの第１ターンから放熱されるため、この部分の断面積を大きくすることで、コイル５Ａ，５Ｂによる放熱効果を高めることができる。

以上のように、本実施形態のモータ１は、ステータコア４１と、ステータコア４１から突出したティース４２とを有するステータ４と、ティース４２にｎ（ｎは２以上の整数）ターン巻回された第１～第ｎターンからなるコイル５Ａとを備える。ティース４２がステータコア４１から突出する方向において、ティース４２にコイル５Ａが巻回された範囲のモータ１の中心側にコイル５Ａの第１ターンが位置し、モータ１の中心と反対側に、コイル５Ａの第ｋ（ｋは整数であり、１＜ｋ≦ｎ）ターンが位置している。コイル５Ａをティース４２のステータコア４１からの突出方向に沿って切断したときの第１ターンにおける断面積は、第ｋターン及び第ｎターンにおける断面積よりも大きい。

これにより、コイル５Ａにおいて、モータ１の中心側に位置する部分の断面積が大きいので、モータ１の中心側を流れる冷媒またはモータ１の中心側の空間等に対してのコイル５Ａの放熱効果をより高めることによって、高効率のモータ１を実現することができる。

また、モータ１において、ｎは３以上の整数で、ｋはｎよりも小さい整数であり、コイル５Ａの第ｋターンにおける断面積は、第ｎターンにおける断面積よりも大きい、としてもよい。

また、モータ１において、コイル５Ａの第１ターンにおける断面積は、第１～第ｎターンにおける断面積の中で最大であり、第１ターンから第ｎターンにかけて、断面積は徐々に小さくなっている、としてもよい。

本開示に係るモータは、コイルによる放熱効果をより高めるので、高効率かつ低コスト
のモータを実現する上で、有用である。

１モータ
２シャフト
２ａ中空部
２ｂ貫通孔
３ロータ
４ステータ
５Ａ，５Ｂコイル
３１磁石
４１ステータコア
４２ティース
４３スロット
５１～５４バスバー
Ａ１～Ａ６コイル５Ａの各ターンにおける断面
Ｂ１，Ｂ２コイル５Ｂの各ターンにおける断面
Ｃ冷媒
Ｕ１１，Ｕ２２，Ｕ３２，Ｕ４１，Ｖ１２，Ｖ２１，Ｖ３１，Ｖ４２，Ｗ１１，Ｗ２２，Ｗ３２，Ｗ４１コイル

Claims

ステータコアと、前記ステータコアから所定の突出方向に突出したティースとを有するステータと、
前記ティースにｎ（ｎは２以上の整数）ターン巻回された第１～第ｎターンからなるコイルと、
シャフトの外周に接して設けられたロータを備えたモータであって、
前記ステータは、前記シャフトの長手方向から見て、前記ロータの外側に、前記ロータと一定の間隔を持って離間して配置され、
前記ティースが前記突出方向において、前記ティースに前記コイルが巻回された範囲の前記モータの中心側に前記コイルの第１ターンが位置し、前記モータの中心と反対側に、前記コイルの第ｋ（ｋは整数であり、１＜ｋ≦ｎ）ターンが位置しており、
前記コイルを前記突出方向に沿って前記ティースを含めて切断したときの前記第１ターンにおける断面積は、第ｋターン及び第ｎターンにおける断面積よりも大きく、
前記コイルの第１ターンにおける前記断面積は、第１～第ｎターンにおける断面積の中で最大であり、第１ターンから第ｎターンにかけて、断面積は徐々に小さくなり、隣り合うターン同士の断面積は異なるモータ。
ｎは３以上の整数で、ｋはｎよりも小さい整数であり、前記コイルの第ｋターンにおける前記断面積は、第ｎターンにおける前記断面積よりも大きい請求項１記載のモータ。