JP7357296B2 - モータ及びそれに用いられるコイル - Google Patents

Description

本発明はモータ及びそれに用いられるコイルに関する。

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、モータの小型化、効率向上が要望されている。

モータの体積増加を抑制しつつ効率を向上させる手法の一つとして、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１参照）。また、この構成では、占積率を向上させるため、コイルの断面を四角形とし、かつその線径を太くしている。

独国特許出願公開第１０２０１２２１２６３７号明細書

ところで、モータ内に配設された複数のコイル間を電気的に接続するために、従来、コイルの軸方向端部、具体的には、スロットからモータの出力軸方向にはみ出た部分（以下、コイルエンドという）の上側あるいは下側に渡り線やバスバー等の配線部材を設けていた。

一方、近年、車両や産業機器等に使用されるモータの個数が増大しており、個々のモータにおいてさらなる小型化が要求されている。

しかし、特許文献１に開示される従来の構成では、コイルエンドに前述の配線部材を設けると、ステータが出力軸方向に高くなってしまい、モータを十分に小型化できないことがあった。

本発明はかかる点に鑑みてなされたもので、その目的は、コイルエンドに配線部材が設けられたモータの小型化を図ることにある。

上記目的を達成するために、本発明に係るモータは、ステータと、前記ステータと所定の間隔をあけて設けられたロータと、を少なくとも備えたモータであって、前記ステータは、環状のヨークと、該ヨークの内周に接続された複数のティースと、前記複数のティースのそれぞれに巻回された複数のコイルと、を少なくとも有し、前記コイルは、前記モータの出力軸の延びる方向である軸方向の端部のそれぞれにコイルエンドを有し、前記コイルエンドの軸方向端面には、前記ステータの径方向に延びる第１凹部が少なくとも１つ設けられ、前記複数のコイルのうち２つ以上のコイルを互いに接続する第１配線部材が前記第１凹部に収容されていることを特徴とする。

この構成によれば、ステータの軸方向の高さを低くすることができ、モータの小型化が図れる。

本発明に係るコイルは、モータのステータに設けられたティースに巻回されるコイルであって、前記コイルは、前記モータの出力軸方向の端部のそれぞれにコイルエンドを有し、前記コイルエンドの軸方向端面には、前記ステータの径方向に延びる第１凹部が少なくとも１つ以上設けられていることを特徴とする。

この構成によれば、第１凹部に配線部材を収容することができ、ステータの軸方向の高さを低くできる。

本発明のモータによれば、ステータを低くすることができ、モータの小型化が図れる。また、本発明のコイルによれば、第１凹部に配線部材を収容することができ、ステータを低くできる。

図１は、本発明の実施形態１に係るモータの断面図である。 図２は、実施形態１に係るコイルの斜視図である。 図３は、変形例１に係るコイルの上面図である。 図４は、変形例２に係るコイルの斜視図である。 図５は、本発明の実施形態２に係るコイルの斜視図である。 図６は、変形例３に係るコイルの上面図である。 図７は、本発明の実施形態３に係るコイルの斜視図である。 図８は、変形例４に係るコイルの斜視図である。

以下、本発明の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１）
［モータの構成］
図１は、本実施形態に係るモータの断面図を示す。なお、以降の説明において、モータ１０００の半径方向を「径方向」と、外周方向を「周方向」と、モータ１０００の出力軸２１０の延びる方向（図１における紙面と垂直な方向）を「軸方向」とそれぞれ呼ぶことがある。また、径方向において、モータ１０００の中心側を径方向内側と、外周側を径方向外側と呼ぶことがある。

モータ１０００は、ステータ１００とロータ２００とを有している。なお、モータ１０００は、これら以外の構成部品、例えば、モータケースや出力軸を軸支する軸受等の部品を有しているが、説明の便宜上、その図示及び説明を省略する。

ステータ１００は、円環状のヨーク２０と、ヨーク２０の内周に接続され、当該内周に沿って等間隔に設けられた複数のティース１０と、周方向に隣り合うティース１０の間にそれぞれ設けられたスロット３０と、スロット３０内に収容されたコイル４０とを有しており、ロータ２００の径方向外側に、ロータ２００と一定の間隔をあけて配置されている。

ティース１０とヨーク２０は、それぞれ、例えば、ケイ素等を含有した電磁鋼板を積層後に打ち抜き加工して形成される。コイル４０は、断面が四角形の銅等からなる導線がｎターン（ｎは２以上の整数）巻回されてなる部品であり、図示しないインシュレータを挟んで複数のティース１０のそれぞれに装着されて、スロット３０内に収容されている。また、コイル４０を構成する導線の表面には図示しない絶縁皮膜が設けられている。なお、本実施形態では、コイル４０に流れる電流の位相に応じて、コイル４０をコイルＵ１～Ｕ４，Ｖ１～Ｖ４，Ｗ１～Ｗ４とそれぞれ呼ぶことがある。また、コイル４０の軸方向上側には、コイルＵ１～Ｕ４，Ｖ１～Ｖ４，Ｗ１～Ｗ４のうち２つ以上を電気的に接続する第１配線部材５０（図２の（ｂ）図参照）や第２配線部材６０（図７の（ｂ）図参照）が配置されている。

ロータ２００は、軸心に配置された出力軸２１０と、ステータ１００に対向してＮ極、Ｓ極が出力軸の外周方向に沿って交互に配置された磁石２２０とを有している。なお、磁石２２０の材料や形状や材質については、モータ１０００の出力等に応じて適宜変更しうる。

コイルＵ１～Ｕ４，Ｖ１～Ｖ４，Ｗ１～Ｗ４はそれぞれ直列に接続されており、互いに電気角で１２０°の位相差を有するＵ，Ｖ，Ｗ相の３相の電流がそれぞれコイルＵ１～Ｕ４，Ｖ１～Ｖ４，Ｗ１～Ｗ４に供給されて励磁され、ステータ１００に回転磁界が発生する。この回転磁界と、ロータ２００に設けられた磁石２２０が発生する磁界との間で相互作用を生じてトルクが発生し、出力軸２１０が図示しない軸受に支持されて回転する。

［コイルの構成］
図２は、本実施形態に係るコイルの斜視図を示し、（ａ）図は第１配線部材が配設されていないコイルの斜視図を、（ｂ）図は第１配線部材が配設されたコイルの斜視図をそれぞれ示す。

図２に示すように、コイル４０は、第１端部４１と第２端部４２とコイルエンド４３と軸方向延在部４４とを有しており、コイル４０がティース１０に装着されたとき、コイルエンド４３はティース１０の軸方向端面に沿って配置され、軸方向延在部４４はティース１０の周方向端面に沿って配置される。軸方向延在部４４はスロット３０内に収容され、ステータ１００内を通過する回転磁界の発生に寄与する。

また、コイルエンド４３には、径方向に沿って延びるように第１凹部４５が設けられており、図２の（ｂ）図に示すように、第１凹部４５内に第１配線部材５０が収容されるとともに、第１端部４１に第１配線部材５０が接合されて、コイル４０と第１配線部材５０とが電気的に接続される。第１配線部材５０は、断面が四角形の導体である。なお、第２端部４２には、図示しない別の配線部材が接続される。

また、コイル４０の各々のターンにおいて、コイルエンド４３の軸方向の高さＡが略等しくなるように構成されており、第１凹部４５を除いて、コイルエンド４３の軸方向端面が略面一となっている。なお、本願明細書において、「略」とは構成部材の製造公差や部品間の組立公差を含む意味であり、例えば、「略等しい」とは、比較される複数の対象が厳密に等しいことを意味するものではない。

なお、高さＡは、コイル４０がティース１０に装着されたときの、ティース１０の軸方向端面からコイルエンド４３の軸方向端面までの距離をいう。また、ティース１０の軸方向端面から第１凹部４５の底面までの距離である高さＢは、コイル４０に許容される抵抗値、別の見方をすると、コイル４０に所定の電流を流したときに許容される発熱量に応じて適宜決められる。なお、実際には、図示しないインシュレータを挟んでティース１０にコイル４０が装着されているため、高さＡ，Ｂの基準面はインシュレータの表面である。

なお、第１配線部材５０の厚さ、言い換えると、第１配線部材５０の軸方向の高さは、第１凹部４５の深さと略等しくなるように設定されているが、特にこれに限定されず、例えば、第１配線部材５０の厚さが第１凹部４５の深さよりも厚くてもよい。

［効果等］
以上説明したように、本実施形態に係るモータ１０００は、ステータ１００と、ステータ１００と所定の間隔をあけて設けられたロータ２００と、を少なくとも備えている。また、ステータ１００は、環状のヨーク２０と、ヨーク２０の内周に接続された複数のティース１０と、複数のティース１０のそれぞれに巻回された複数のコイル４０と、を少なくとも有している。

コイル４０は、モータ１０００の出力軸２１０の延びる方向である軸方向の端部のそれぞれにコイルエンド４３を有し、コイルエンド４３の軸方向端面には、ステータ１００の径方向に延びる第１凹部４５が設けられ、複数のコイル４０のうち２つ以上のコイルを互いに接続する第１配線部材５０が第１凹部４５に収容されている。

本実施形態によれば、コイルエンド４３に径方向に延びる第１凹部４５を設け、その中に第１配線部材５０を収容するため、第１凹部５０を設けない場合、例えば、特許文献１に開示される従来の構成に比べて、ステータ１００の軸方向の高さを低くすることができる。このことにより、モータ１０００の小型化が図れる。特に複数の配線部材を軸方向に重ねてコイルエンド４３に配置する場合、配線部材の積層枚数を実質的に１枚減らすことができる。

また、コイル４０の各々のターンにおいて、コイルエンド４３の軸方向の高さＡが略等しくなるようにし、コイルエンド４３の軸方向端面を略面一となるようにしているため、第１凹部４５を径方向にわたって同じ深さに設定するのが容易となる。このため、第１凹部４５の底面から浮いたりすることなく、第１配線部材５０を第１凹部４５に収容でき、第１配線部材５０を含めたコイル４０の高さが増加するのを防止して、モータ１０００の小型化が図れる。

また、本実施形態に係るコイル４０は、モータ１０００のステータ１００に設けられたティース１０に巻回され、軸方向、つまり、モータ１０００の出力軸２１０の延びる方向の端部のそれぞれにコイルエンド４３を有している。コイルエンド４３の軸方向端面には、ステータ１００の径方向に延びる第１凹部４５が設けられている。

コイル４０をこのように構成することで、第１凹部４５に第１配線部材５０を収容することができる。このことにより、ステータ１００の軸方向の高さを低くすることができ、モータ１０００の小型化が図れる。

＜変形例１＞
図３は、本変形例に係るコイルの上面図を示す。なお、図３において、実施形態１と同様の箇所については同一の符号を付し詳細な説明を省略する。

本変形例に係る構成と図２に示す構成とでは、第１凹部４５ａの延在方向が異なる。具体的には、本変形例に示す第１凹部４５ａは、上面視で、周方向に対して所定の角度θ１で傾斜してコイルエンド４３の軸方向端面に設けられている。

第１凹部４５ａをこのように設けることで、第１配線部材５０の配設位置に関する自由度を高めることができる。また、実施形態１に示すのと同様の効果を奏することができる。

＜変形例２＞
図４は、本変形例に係るコイルの斜視図を示し、（ａ）図は、第１配線部材が配設されていないコイルの斜視図を（ｂ）図は、第１配線部材が配設されたコイルの斜視図をそれぞれ示す。なお、図４において、実施形態１と同様の箇所については同一の符号を付し詳細な説明を省略する。

実施形態１に示す構成では、コイルエンド４３の周方向中央部分に第１凹部４５が設けられているのに対し、本変形例に係る構成では、周方向に隣り合うコイル４０において、対向するコイルエンド４３の角部をそれぞれ径方向に沿って切り欠くことで第１凹部４５ｂが設けられている点で異なる。

第１凹部４５ｂをこのように設けることで、第１配線部材５０の配設位置に関する自由度を高めることができる。また、実施形態１に示すのと同様の効果を奏することができる。また、図２の（ｂ）図に示す構成では、コイル４０の第１端部４１との接続のために第１配線部材５０の形状が複雑になっていたが、本変形例によれば、第１配線部材５０の形状を単純化でき、その加工工数やコストを低減できる。

また、コイルエンド４３の角部は他の部分よりも断面積が大きいため、角部を切り欠いても、当該部分での電流密度が、他の部分に比べて極端に高くなることがない。このため、コイルエンド４３の角部での局所的発熱を抑制でき、コイル４０の信頼性を高められるとともにモータ１０００の効率を向上できる。

なお、本変形例では、対向するコイルエンド４３の角部をそれぞれ切り欠くことで第１凹部４５ｂを設けるようにしたが、一方の角部のみを切り欠いて第１凹部４５ｂを設けるようにしてもよい。

（実施形態２）
図５は、本実施形態に係るコイルの斜視図を示し、（ａ）図は第２配線部材が配設されていないコイルの斜視図を、（ｂ）図は第２配線部材が配設されたコイルの斜視図をそれぞれ示す。なお、図５において、実施形態１と同様の箇所については同一の符号を付し詳細な説明を省略する。

実施形態１に示す構成では、コイルエンド４３の軸方向端面に径方向に沿って第１凹部４５が設けられているのに対し、本実施形態に係る構成では、コイルエンド４３の軸方向端面に周方向に沿って第２凹部４６が設けられている点で異なる。つまり、コイル４０は、軸方向端部のそれぞれにコイルエンド４３を有し、コイルエンド４３の軸方向端面には、ステータ１００の周方向に沿って延びる第２凹部４６が設けられ、複数のコイル４０のうち２つ以上のコイルを互いに接続する第２配線部材６０が第２凹部４６に収容されている。なお、第２凹部４６は、コイルエンド４３を周方向に切り欠くことで形成されている。

第２凹部４６をこのように設けることで、第２配線部材６０の配設位置に関する自由度を高めることができる。また、第２凹部４６を設けることで、周方向で離間したコイル４０の間を電気的に接続することが容易となり、例えば、コイルＵ１～Ｕ４を直列接続するとともに、それぞれ直列接続されたコイルＶ１～Ｖ４とコイルＷ１～Ｗ４との間をより少ない配線部材を用いて結線することができる。

また、コイルエンド４３の軸方向端面は略面一になっており、実施形態１に示すのと同様に、第２配線部材６０を含めたコイル４０の高さが増加するのを防止して、モータ１０００の小型化が図れる。

＜変形例３＞
図６は、本変形例に係るコイルの上面図を示す。なお、図６において、実施形態２と同様の箇所については同一の符号を付し詳細な説明を省略する。

本変形例に係る構成と図５に示す構成とでは、第２凹部４６ａの延在方向が異なる。具体的には、本変形例に示す第２凹部４６ａは、上面視で、周方向に対して所定の角度θ２で傾斜してコイルエンド４３の軸方向端面に設けられている。

第２凹部４６ａをこのように設けることで、第２配線部材６０の配設位置に関する自由度を高めることができる。また、実施形態２に示すのと同様の効果を奏することができる。

（実施形態３）
図７は、本実施形態に係るコイルの斜視図を示し、（ａ）図は第１及び第２配線部材が配設されていないコイルの斜視図を、（ｂ）図は第１及び第２配線部材が配設されたコイルの斜視図をそれぞれ示す。なお、図７において、実施形態１，２と同様の箇所については同一の符号を付し詳細な説明を省略する。

実施形態１または２に示す構成では、コイルエンド４３の軸方向端面に径方向に沿って第１凹部４５が設けられているか、またはコイルエンド４３の軸方向端面に周方向に沿って第２凹部４６が設けられているのに対し、本実施形態に係る構成では、コイルエンド４３の軸方向端面に径方向に沿って第１凹部４５が、周方向に沿って第２凹部４６がそれぞれ設けられている点で異なる。また、第１凹部４５に収容された第１配線部材５０と交差するように第２凹部４６に収容された第２配線部材６０が配置されるとともに、第１配線部材５０と第２配線部材６０との間が電気的に分離されている点で異なる。なお、当該分離のために、第１配線部材５０及び第２配線部材６０のそれぞれの表面に絶縁被膜（図示せず）が設けられている。また、第２配線部材６０は、第１配線部材５０と同様に、断面が四角形の導体である。

本実施形態によれば、コイルエンド４３の軸方向端面に第１及び第２凹部４５，４６を設けることで、延在方向の異なる第１配線部材５０と第２配線部材６０の配設位置に関する自由度を高めることができる。特に、第１配線部材５０及び第２配線部材６０のそれぞれの表面に絶縁被膜を設けて、両者を電気的に分離することにより、第１配線部材５０と第２配線部材６０と交差して配置することができる。つまり、第１配線部材５０と第２配線部材６０の配設位置に関する自由度をさらに高めることができる。

また、本実施形態によれば、実施形態１，２に示すのと同様の効果を奏することができる。

＜変形例４＞
図８は、本変形例に係るコイルの斜視図を示し、（ａ）図は第１及び第２配線部材が配設されていないコイルの斜視図を、（ｂ）図は第１及び第２配線部材が配設されたコイルの斜視図をそれぞれ示す。なお、図８において、実施形態３と同様の箇所については同一の符号を付し詳細な説明を省略する。

実施形態３に示す構成では、コイルエンド４３の周方向中央部分に第１凹部４５が設けられているのに対し、本変形例に係る構成では、周方向に隣り合うコイル４０において、対向するコイルエンド４３の角部をそれぞれ径方向に沿って切り欠くことで第１凹部４５ｂが設けられている点で異なる。

第１凹部４５ｂをこのように設けることで、第１配線部材５０の配設位置に関する自由度を高めることができる。また、実施形態３や変形例２に示すのと同様の効果を奏することができる。

なお、変形例２に示すように、対向するコイルエンド４３の一方の角部のみを切り欠いて第１凹部４５ｂを設けるようにしてもよい。

（その他の実施形態）
なお、第１凹部４５，４５ａ，４５ｂは１つのコイル４０に複数設けられていてもよい。第２凹部４６，４６ａも１つのコイル４０に複数設けられていてもよい。また、１つのコイル４０に第１凹部４５，４５ａまたは４５ｂのみが設けられていてもよいし、第２凹部４６または４６ａのみが設けられていてもよい。１つのコイル４０に第１凹部４５，４５ａまたは４５ｂと第２凹部４６または４６ａがそれぞれ１つ以上設けられていてもよい。

また、実施形態１～３において、１つのコイル４０において、軸方向上側のコイルエンド４３のみに、第１凹部４５または第２凹部４６を設ける例を示しているが、軸方向下側のコイルエンド４３に第１凹部４５または第２凹部４６を設けるようにしてもよい。この場合、第１配線部材５０または第２配線部材６０は、軸方向下側のコイルエンド４３に設けられた第１凹部４５または第２凹部４６に収容される。あるいは、軸方向上側及び下側のコイルエンド４３の両方に第１凹部４５または第２凹部４６を設けるようにしてもよい。この場合、第１配線部材５０または第２配線部材６０は、軸方向両側のコイルエンド４３に設けられた第１凹部４５または第２凹部４６に収容されていてもよいし、軸方向上側及び下側のいずれか一方のコイルエンド４３に第１凹部４５または第２凹部４６に収容されていてもよい。

また、第１配線部材５０は第１凹部４５に収容されて径方向に延びる部分を有するとともに第２凹部４６に収容されて周方向に延びる部分を有していてもよい。

第１配線部材５０をこのように構成することで、例えば、第１配線部材５０をモータ１０００の中性線とすることができ、また、複数の配線部材が設けられたコイル４０を軸方向で低くすることができる。このことにより、モータ１０００を小型化できる。

同様に、第２配線部材６０は第２凹部４６に収容されて周方向に延びる部分を有するとともに第１凹部４５に収容されて径方向に延びる部分を有していてもよい。

また、図７，８の（ｂ）図にそれぞれ示す構成において、第１配線部材５０及び第２配線部材６０のそれぞれの表面に絶縁被膜を設ける代わりに、第１配線部材５０と第２配線部材６０とが交差する箇所に図示しない絶縁スペーサを配設して、第１配線部材５０と第２配線部材６０とを電気的に分離するようにしてもよい。

また、コイルエンド４３の軸方向の高さＡは各ターンで異なっていてもよい。ただし、その場合でも、コイル４０に流れる電流密度及びコイル４０の信頼性を確保するために、ティース１０の軸方向端面から第１凹部４５の底面までの高さＢは各ターンで所定値以上であることが好ましい。

なお、実施形態１では、円環状のヨーク２０に複数のティース１０が接続される構成を例に取って説明したが、特にこれに限定されず、周方向に分割された分割ヨークにそれぞれ１つずつティース１０を接続し、この状態で複数の分割ヨークを周方向に接続することでステータ１００を構成するようにしてもよい。

また、コイル４０の断面形状は台形でも長方形でも正方形でもよい。また、ｎ角形（ｎは４以上の整数）であってもよい。また、第１配線部材５０や第２配線部材６０の断面形状は四角形に特に限定されず、ｎ角形でも円形でも楕円形でもよい。また、第１配線部材５０や第２配線部材６０の断面形状に応じて、第１凹部４５または第２凹部４６の形状を変更するようにしてもよい。第１凹部４５または第２凹部４６に収容された第１配線部材５０または第２配線部材６０を安定してコイル５０に配置することができる。

本発明のモータは、コイルエンドに配線部材の収容部を設けることで小型化が図れるため、限定された空間に配置可能なモータとして各種電気機器や車両等に適用する上で有用である。

１０ ティース
２０ ヨーク
３０ スロット
４０ コイル
４３ コイルエンド
４４ 軸方向延在部
４５，４５ａ，４５ｂ 第１凹部
４６，４６ａ 第２凹部
５０ 第１配線部材
６０ 第２配線部材
１００ ステータ
２００ ロータ
２１０ 出力軸
２２０ 磁石
１０００ モータ

Claims (9)

1. ステータと、前記ステータと所定の間隔をあけて設けられたロータと、を少なくとも備えたモータであって、
   前記ステータは、環状のヨークと、該ヨークの内周に接続された複数のティースと、前記複数のティースのそれぞれに巻回された複数のコイルと、を少なくとも有し、
   前記コイルは、前記モータの出力軸の延びる方向である軸方向の端部のそれぞれにコイルエンドを有し、
   前記コイルエンドの軸方向端面には、前記ステータの径方向に延びる第１凹部が少なくとも１つ設けられ、前記複数のコイルのうち２つ以上のコイルを互いに接続する第１配線部材が前記第１凹部に収容されていることを特徴とするモータ。
2. 請求項１に記載のモータにおいて、
   上面視で、前記第１凹部は前記ステータの周方向に対して所定の角度で傾斜して設けられていることを特徴とするモータ。
3. 請求項１に記載のモータにおいて、
   前記第１凹部は、周方向に隣り合う２つのコイルに跨がって設けられていることを特徴とするモータ。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項に記載のモータにおいて、
   前記コイルエンドの軸方向端面には、前記ステータの周方向に延びる第２凹部が少なくとも１つ設けられており、
   前記第１配線部材または前記第１配線部材と異なる第２配線部材が前記第２凹部に収容されていることを特徴とするモータ。
5. 請求項４に記載のモータにおいて、
   上面視で、前記第２凹部は前記ステータの周方向に対して所定の角度で傾斜して設けられていることを特徴とするモータ。
6. 請求項４または５に記載のモータにおいて、
   前記第１配線部材と前記第２配線部材とは電気的に分離されていることを特徴とするモータ。
7. モータのステータに設けられたティースに巻回されるコイルであって、
   前記コイルは、前記モータの出力軸方向の端部のそれぞれにコイルエンドを有し、
   前記コイルエンドの軸方向端面には、前記ステータの径方向に延びる第１凹部が少なくとも１つ以上設けられ、
   上面視で、前記第１凹部は前記ステータの周方向に対して所定の角度で傾斜して設けられていることを特徴とするコイル。
8. 請求項７に記載のコイルにおいて、
   前記コイルエンドの軸方向端面には、前記ステータの周方向に延びる第２凹部が少なくとも１つ設けられていることを特徴とするコイル。
9. 請求項８に記載のコイルにおいて、
   上面視で、前記第２凹部は前記ステータの周方向に対して所定の角度で傾斜して設けられていることを特徴とするコイル。

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