JP7523095B2 - ステータ及びそれを用いたモータ - Google Patents

Description

本発明は、ステータ及びそれを用いたモータに関する。

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、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に示された従来の構成では、コイルの占積率を向上させるため、コイルの線径を太くしている。このため、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）の高さも高くなってしまい、コイル、ひいてはモータを十分に小型化することは難しかった。

本発明はかかる点に鑑みてなされたもので、その目的は、コイルエンドの高さを低減したステータ及びそれを用いたモータを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明に係るステータは、環状のヨークと、該ヨークと接続するティースと、板状の導線からなり、前記ティースに装着されたコイルと、を少なくとも備えたステータであって、該コイルは、第１端子部と、前記第１端子部と電気的に接続する巻線部と、前記第１端子部よりも前記ティースの先端の近くに位置し、前記巻線部と電気的に接続する第２端子部と、を有し、前記巻線部は前記ティースにｎターン（ｎは２以上の整数）巻回されており、前記コイルの第ｋターン（ｋは整数で１≦ｋ≦ｎ）において、前記ティースの軸方向端面に沿った第１部分の軸方向の高さをＡｋとし、前記第１端子部から前記第２端子部に向かって前記第１部分の隣に位置し前記第１部分の端部から延びて前記ティースの周方向端面に沿った第２部分の周方向の幅をＢｋとした場合、Ａｋ＜Ｂｋの関係をＡｋ＜Ｂｋの関係を満たし、前記第１部分の軸方向の高さは、第１ターンから第ｎターンに向かうにつれて低くなり、前記第１部分の径方向の厚さは、前記第１ターンから前記第ｎターンに向かうにつれて厚くなっていることを特徴とする。

この構成によれば、コイルエンドに相当する第１部分の軸方向の高さを低くすることができ、ステータを小型化することができる。また、コイルからの放熱量が低減せず、ステータの放熱性能を維持できる。

本発明に係るモータは、前記ステータと、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ことを特徴とする。

この構成によれば、ステータの高さを低減でき、モータの小型化が図れる。

本発明のステータによれば、コイルエンドの高さを低くでき、ステータの小型化が図れる。また、ステータの放熱性能を維持できる。本発明のモータによれば、ステータの高さを低減でき、モータの小型化が図れる。

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、コイルの第ｋターンを径方向から見た模式図である。 図３Ａは、ティースに巻回されたコイルの斜視図である。 図３Ｂは、図３ＡのＩＩＩＢ－ＩＩＩＢ線での断面図である。 図３Ｃは、図３ＡのＩＩＩＣ－ＩＩＩＣ線での断面図である。 図４Ａは、本発明の実施形態２に係るティースに巻回されたコイルの斜視図である。 図４Ｂは、図４ＡのＩＶＢ－ＩＶＢ線での断面図である。 図４Ｃは、図４ＡのＩＶＣ－ＩＶＣ線での断面図である。 図５は、変形例に係るコイルエンドの断面模式図である。

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板状の導線が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。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はティース１０に対して集中巻きされている。

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２１０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が発生する磁界とが相互作用して、ロータ２００にトルクが発生し、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第ｋターンを径方向から見た模式図を示す。また、図３Ａは、ティースに巻回されたコイルの斜視図を、図３Ｂは、図３ＡのＩＩＩＢ－ＩＩＩＢ線での断面図を、図３Ｃは、図３ＡのＩＩＩＣ－ＩＩＩＣ線での断面図をそれぞれ示す。

図３Ａ～図３Ｃに示すように、コイル４０は、板状の導線がｎターン（ｎは２以上の整数）巻回されてなる部品であり、第１端子部４１と第２端子部４２と巻線部４３とを有している。また、コイル４０の表面には絶縁被膜（図示せず）が設けられている。また、巻線部４３のうち、ティース１０の軸方向端面に沿って延びる部分がコイルエンド４４に相当する。

コイル４０がティース１０に装着されたとき、第１端子部４１はティース１０の基端側に位置しており、第２端子部４２はティース１０の先端側、つまり、第１端子部４１よりもティース１０の先端の近くに位置している。また、巻線部４３は第１接続部位４１ａで第１端子部４１に接続され、第２接続部位４２ａで第２端子部４２に接続されている。つまり、巻線部４３は第１端子部４１及び第２端子部４２と電気的に接続されている。また、巻線部４３は、第１接続部位４１ａから第２接続部位４２ａにかけてティース１０にｎターン巻回されている。

第１端子部４１及び第２端子部４２は、それぞれ図示しない外部からの電源線か、または中性線か、あるいは渡し線やバスバー等を介して他のコイル４０の端子部に接続されている。なお、コイル４０が１本の導線を巻回してなる場合は、第１及び第２端子部４１，４２は、巻線部４３の両端がそれぞれ延長された部分に相当する。ただし、第１及び第２端子部４１，４２を巻線部４３の両端、この場合は第１接続部位４１ａ及び第２接続部位４２ａにそれぞれ溶接等して取付けるようにしてもよい。

また、図２及び図３Ａ～図３Ｃに示すように、コイル４０の第ｋターン（ｋは整数で１≦ｋ≦ｎ）は、ティース１０の軸方向端面に沿って配置された第１部分ｋ１と、第１端子部４１から第２端子部４２に向かって第１部分ｋ１の隣に位置し、第１部分ｋ１の端部から延びてティースの周方向端面に沿って配置された第２部分ｋ２とを有しており、第１部分ｋ１がコイルエンド４４の一部に相当する。また、第１部分ｋ１は、ティース１０と軸方向で向かい合う領域に位置し、第２部分ｋ２は、ティース１０と軸方向に直交する方向で向かい合う領域に少なくとも位置している。

第１部分ｋ１におけるティース１０の軸方向の高さをＡｋとし、第２部分ｋ２におけるティース１０の周方向の幅をＢｋとそれぞれしたとき、高さＡｋと幅Ｂｋとが、Ａｋ＜Ｂｋの関係を満たすようにコイル４０は構成されている。また、図３Ｂに示すように、第１～第ｎターンにおいて、高さＡ１～Ａｎがそれぞれ同じ値、この場合はＡとなるようにコイル４０が構成されている。一方、第１～第ｎターンにおいて、コイル４０の幅Ｂ１～Ｂｎは、図３Ｃに示すように、径方向内側、つまり、ティース１０の先端側に位置するにつれて狭くなっている。

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Ａ１～Ａｎ（＝Ａ）はインシュレータの表面から第１部分ｋ１の軸方向端面までの距離であり、幅Ｂ１～Ｂｎはインシュレータの表面から第２部分ｋ２の周方向外側面までの距離である。

［効果等］
本実施形態に係るステータ１００は、環状のヨーク２０と、ヨーク２０と接続するティース１０と、板状の導線からなり、ティース１０に装着されたコイル４０と、を少なくとも備えている。コイル４０は、第１端子部４１と、第１端子部４１と電気的に接続する巻線部４３と、第１端子部４１よりもティース１０の先端の近くに位置し、巻線部４３と電気的に接続する第２端子部４２と、を有し、巻線部４３はティースにｎターン（ｎは２以上の整数）巻回されている。

巻線部４３は、コイル４０の第ｋターン（ｋは整数で１≦ｋ≦ｎ）において、ティース１０の軸方向端面に沿った第１部分ｋ１の軸方向の高さをＡｋとし、第１端子部４１から第２端子部４２に向かって第１部分ｋ１の隣に位置し第１部分ｋ１の端部から延びてティース１０の周方向端面に沿った第２部分ｋ２の周方向の幅をＢｋとした場合、Ａｋ＜Ｂｋの関係を満たしている。

コイル４０をこのように構成することで、コイルエンド４４に相当する第１部分ｋ１の高さＡｋを低くでき、ステータ１００を小型化することができる。なお、第１部分ｋ１は、ティース１０と軸方向で向かい合う領域に位置し、第２部分ｋ２は、ティース１０と軸方向に直交する方向で向かい合う領域に少なくとも位置している。

また、第１～第ｎターンにおいて、ティース１０の先端側に位置するにつれて幅Ｂ１～Ｂｎが狭くなるようにすることで、スロット３０内に収容されるコイル４０の占積率を高めることができる。

また、本実施形態によれば、コイル４０の放熱性能を大きく低減させずにコイル４０を小型化することができる。このことについてさらに説明する。スロット３０内に収容されたコイル４０で発生した熱は、主としてティース１０に伝搬し、また、ティース１０を介してヨーク２０に伝搬する。さらに、図示しないモータのハウジング等から大気中あるいは別途設けられた放熱部材に放熱される。

一方、スロット３０からはみ出た部分であるコイルエンド４４では、ティース１０やヨーク２０への熱伝搬が起こりにくく、大気中に直接、熱が放散される。しかし、大気は、ティース１０やヨーク２０を構成する電磁鋼板や、ティース１０に装着され、樹脂からなる図示しないインシュレータ等と比べて熱伝導率が小さいため、コイルエンド４４には熱が溜まりやすい。

一方、本実施形態によれば、第１部分ｋ１の高さＡｋを第２部分の幅Ｂｋよりも小さくすることで、コイルエンド４４の体積を低減して、コイルエンド４４に溜まる熱量を小さくできる。また、第１部分ｋ１の上面とティース１０との距離を短くして、コイルエンド４４からティース１０やヨーク２０への熱伝搬量を大きくすることができる。

また、スロット３０内に収容され、放熱に寄与する部分、つまり、第２部分ｋ２において、コイル４０の占積率を所定以上とするように周方向の幅Ｂｋを確保することで、例えば、特許文献１に開示される従来の構成と同等のコイル４０の放熱性能を実現できる。

また、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。

本実施形態によれば、コイル４０、ひいてはステータ１００の高さを低減でき、モータ１０００の小型化が図れる。また、従来の構成と同等のモータ１０００の放熱性能を実現できる。

（実施形態２）
図４Ａは、本実施形態に係るティースに巻回されたコイルの斜視図を、図４Ｂは、図４ＡのＩＶＢ－ＩＶＢ線での断面図を、図４Ｃは、図４ＡのＩＶＣ－ＩＶＣ線での断面図をそれぞれ示す。なお、図４Ａ～４Ｃ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。

本実施形態に示す構成と実施形態１に示す構成とでは、以下の点で異なる。まず、第１ターン～第ｎターンに向かうにつれて第１部分の高さＡ１～Ａｎが低くなるようにコイル４０が構成されている。

コイル４０をこのように構成することで、各ターンにおいて断面積の変化率、言い換えると電流密度の変化率を小さくすることができる。このようにすることで、異なるターンで発熱のばらつきを生じるのを抑制でき、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。

特に、第１～第ｎターンのそれぞれにおいて、高さＡｋと幅Ｂｋとの比が一定となるようにすると、各ターンにおいて断面積の変化率、言い換えると電流密度の変化率を一定にすることができ、コイル４０内での発熱ばらつきを抑制でき、コイル４０の信頼性及びモータ１０００の効率をさらに高められる。

次に、第１～第ｎターンでの高さＡ１～Ａｎのうちの最大値をＡｍａｘとし、幅Ｂ１～Ｂｎのうち第１～第ｎターンでの最小値をＢｍｉｎとしたとき、Ａｍａｘ＜Ｂｍｉｎの関係を満たすようにコイル４０が構成されている点で異なる。

コイル４０をこのように構成することで、コイル４０に流れる電流の電流密度を確保しつつコイルエンド４４を十分に低くできる。

なお、第１ターン～第ｎターンに向かうにつれて第１部分の高さＡ１～Ａｎが低くなるようにコイル４０を構成することと、Ａｍａｘ＜Ｂｍｉｎの関係を満たすこととを同時に満足しなくてもよい。いずれか一方の関係を満たすことで、それぞれの関係に対応した効果を奏することができる。

＜変形例＞
図５は、本変形例に係るコイルエンドの断面模式図を示す。なお、図５は、図３Ｂ，４Ｂに示す断面のうち軸方向上側に位置する第１部分ｋ１の断面にそれぞれ対応している。なお、図５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。

本変形例に示す構成と、実施形態１に示す構成とでは、第１～第ｎターンにおいてコイルエンド４４の高さが変化している点で異なる。また、実施形態２に示すような単調な変化ではなく、高さＡ１～Ａｎは、例えば、図５の（ａ）図に示すように変化してもよいし、（ｂ）図に示すように変化してもよい。あるいは、（ｃ）図に示すように変化してもよい。また、図示しないが、軸方向下側に位置するコイルエンド４４の形状を図５に示すようにしてもよい。なお、高さＡ１～Ａｎは第１～第ｎターンの中で図５に示す以外の変化をしてもよい。高さＡｈ（ｈは整数で２≦ｈ≦ｎ－１）が、第１～第（ｈ－１）ターンにおける第１部分の軸方向の高さＡ１～Ａｈ－１のうちのいずれか１つよりも高く、かつ第（ｈ＋１）～第ｎターンにおける第１部分の軸方向の高さＡｈ＋１～Ａｎのうちのいずれか１つよりも高くなるように、コイルエンド４４の高さが変化すればよい。あるいは、高さＡｈが、高さＡ１～Ａｈ－１のうちのいずれか１つよりも低く、かつ高さＡｈ＋１～Ａｎのうちのいずれか１つよりも低くなるように、コイルエンド４４の高さが変化すればよい。

前述したように、コイルエンド４４では主として、大気中に熱が放散される。一方、本変形例によれば、コイルエンド４４の高さが上記のように変化しているため、コイルエンド４４の表面積を、例えば、実施形態１，２に示す場合に比べて大きくすることができ、コイルエンド４４から大気中への熱放散量を大きくすることができる。

また、本変形例によれば、コイルエンド４４の軸方向端面、つまり、上面または下面のうち少なくとも一方に凹部または凸部あるいはその両方が形成されるため、凸部の両側または凹部をステータ１００内に流れる冷媒の流路とすることができる。このことにより、コイル４０を含むステータ１００の冷却効率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、冷媒として、油や水等の液体を用いることができる。

なお、第１～第ｎターンにおける第１部分の軸方向の高さＡ１～Ａｎのうちの最小値Ａｍｉｎは、ジュール発熱によってコイル４０が断線したり、信頼性が低下したりしないように所定値以上に高くすることが好ましい。

（その他の実施形態）
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を構成する導線の断面形状は台形でも長方形でも正方形でもよく、ｎ角形（ｎは４以上の整数）であってもよい。

また、図３Ａ～図３Ｃ及び図４Ａ～図４Ｃにおいて、第１端子部４１がティース１０の基端側に、第２端子部４２がティース１０の先端側に位置するようにコイル４０がティース１０に装着されていたが、第１端子部４１及び第２端子部４２の位置は特にこれに限定されず、例えば、第２端子部４２が径方向外側に引き回されて、第１端子部４１及び第２端子部４２がともにティース１０の基端側に位置するようにしてもよい。なお、この場合も、第２接続部位４２ａはティース１０の先端側に位置している。

また、実施形態１，２において、軸方向上側及び下側に位置するコイルエンド４４において、第ｋターンの第１部分ｋ１の高さと第２部分ｋ２の幅との関係が、Ａｋ＜Ｂｋの関係を満たす例を示したが、必ずしも軸方向両側のコイルエンド４４でこの関係を満たす必要はなく、少なくとも一方のコイルエンド４４において、Ａｋ＜Ｂｋの関係を満たせばよい。

本発明のステータは、コイルエンドの高さを低くできるため、小型化が必要とされるモータ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
４１ 第１端子部
４２ 第２端子部
４３ 巻線部
４４ コイルエンド
１００ ステータ
２００ ロータ
２１０ 出力軸
２２０ 磁石
１０００ モータ
ｋ１ コイル４０の第ｋターンの第１部分
ｋ２ コイル４０の第ｋターンの第２部分
Ａｋ 第１部分ｋ１の軸方向の高さ
Ｂｋ 第２部分ｋ２の周方向の幅

Claims (4)

1. 環状のヨークと、該ヨークと接続するティースと、板状の導線からなり、前記ティースに装着されたコイルと、を少なくとも備えたステータであって、
   該コイルは、
   第１端子部と、
   前記第１端子部と電気的に接続する巻線部と、
   前記第１端子部よりも前記ティースの先端の近くに位置し、前記巻線部と電気的に接続する第２端子部と、
   を有し、
   前記巻線部は前記ティースにｎターン（ｎは２以上の整数）巻回されており、
   前記巻線部は、前記コイルの第ｋターン（ｋは整数で１≦ｋ≦ｎ）において、前記ティースの軸方向端面に沿った第１部分の軸方向の高さをＡｋとし、前記第１端子部から前記第２端子部に向かって前記第１部分の隣に位置し前記第１部分の端部から延びて前記ティースの周方向端面に沿った第２部分の周方向の幅をＢｋとした場合、Ａｋ＜Ｂｋの関係を満たし、
   前記第１部分の軸方向の高さは、第１ターンから第ｎターンに向かうにつれて低くなり、
   前記第１部分の径方向の厚さは、前記第１ターンから前記第ｎターンに向かうにつれて厚くなっており、
   前記第１～第ｎターンのそれぞれにおいて、前記高さＡｋと前記幅Ｂｋとの比が一定となるように構成されていることを特徴とするステータ。
2. 請求項１に記載のステータにおいて、
   第１～第ｎターンにおける前記第１部分の軸方向の高さのうち最大値をＡｍａｘとし、
   第１～第ｎターンにおける前記第２部分の周方向の幅のうち最小値をＢｍｉｎとしたとき、Ａｍａｘ＜Ｂｍｉｎの関係を満たすことを特徴とするステータ。
3. 請求項１または２に記載のステータにおいて、
   前記第１部分は、前記ティースと前記軸方向で向かい合う領域に位置し、
   前記第２部分は、前記ティースと前記軸方向に直交する方向で向かい合う領域に少なくとも位置することを特徴とするステータ。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項に記載のステータと、
   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ことを特徴とするモータ。

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