JP2010141954A - モータ - Google Patents

Abstract

【課題】ステータおよびその内側のロータの両方に突極が形成された構造のモータにおいて、出力特性を損ねることなくステータを飛躍的に薄くして小型化できる新規な構造を提供する。
【解決手段】ステータ２を軸方向の例えば２個のステータ部２１、２２により形成し、ロータ３を軸方向の例えば２個のロータ部３１、３２により形成し、一方のステータ部２１の内周面の各突極６はＮ磁極に励磁されるようにコイル８を巻回し、他方のステータ部２２の各突極６はＳ磁極に励磁されるようにコイル８を巻回し、両ステータ部３１、３２を軸方向からみたときに同じ相の突極６間に他の相の突極６が位置するように円周方向にずらして連結し、両ロータ部３１、３２は両ステータ部２１、２２のずれに合わせて円周方向にずらして連結する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ステータおよびその内側のロータの両方に突極が形成された構造のモータに関し、詳しくは、その小型化に関する。

従来、電気自動車の駆動モータ等は、多くの場合、ステータの内部にロータを備え、ロータに永久磁石を設け、ステータに複数のコイルを巻回した構造に形成される。そして、ステータの各コイルの順次通電により発生する磁極とロータの永久磁石の磁極との関係に基づいてロータが回転する（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、上記のようにロータに永久磁石を設ける構造では低コスト化を図ることが容易でない。

そこで、近年は、スイッチドリラクタンスモータ等のロータに永久磁石を設けないようにしたモータが種々提案されている。これらのモータは、ステータおよびその内側のロータを軟磁性体（珪素鋼鈑等）で形成し、ステータの内周面に半径方向内向きの複数の突極対を円周方向に配置し、また、ロータの周面にも半径方向外向きの複数個の突極を円周方向に配設し、ステータの各突極に各相のコイルを順に集中巻きした構造であり、ロータに永久磁石を設けないことから、低コストであり、また、集中コイルで磁束を突極の磁極部分に集約するため、小型が可能になる。
特開２００８−２２５９３号公報

前記スイッチドリラクタンスモータ等のステータおよびその内側のロータの両方に突極が形成された構造の従来提案のモータは、ステータからロータを通ってステータに戻る磁路をほぼ軸断面の平面上にのみ形成するため、とくにステータは相当の厚みに形成する必要があり、ステータを薄くしてモータを一層小型化したいという要望に応えられない問題がある。なお、ステータを厚くすると、その分ステータの内径が小さくなって発生トルクが少なくなり、モータの出力特性を損ねる不都合が生じる。

本発明は、ステータおよびその内側のロータの両方に突極が形成された構造のモータにおいて、出力特性を損ねることなくステータを飛躍的に薄くして小型化できる新規な構造を提供することを目的とする。

上記した目的を達成するために、本発明のモータは、軟磁性体のステータの内周面に半径方向内向きの複数の突極を円周方向に配置し、前記ステータの内側に同軸状に設けられた軟磁性体のロータの外周面に半径方向外向きの複数の突極を円周方向に配設し、前記ステータの各突極に各相のコイルを順に集中巻きした構造のモータであって、前記ステータは軸方向の複数個のステータ部により形成され、前記ロータは軸方向の複数個のロータ部により形成され、一方の前記ステータ部の内周面の各突極はＮ磁極に励磁されるようにコイルが巻回され、他方の前記ステータ部の各突極はＳ磁極に励磁されるようにコイルが巻回され、前記一方のステータ部と前記他方のステータ部とは軸方向からみたときに同じ相の突極間に他の相の突極が位置するように円周方向にずらして連結され、前記両ロータ部は前記両ステータ部のずれに合わせて円周方向にずらして連結されていることを特徴としている（請求項１）。

請求項１に係る本発明のモータの場合、（１）ステータが２個のステータ部をモータの軸方向に連結して形成され、ロータも２個のステータ部をモータの軸方向に連結して形成されるので、モータがいわゆるタンデム構造となる。また、一方のステータ部の突極はＮ磁極に励磁され、他方のステータ部の突極はＳ磁極に励磁される。モータを軸方向から見ると、等価的にステータの突極数（磁極数）が増えた状態になり、その分、ステータを周方向に横切る磁束は減少する。すなわち、一方のステータの励磁相のＮ磁極（突極）からロータを通って他方のステータの同じ励磁相のＳ磁極（突極）に至る磁路は、ステータ部およびロータ部の軸方向の長さがそれぞれを１個とする場合の２倍になるので周方向には断面積が概ね２倍になる。また、両ステータ部の励磁相の突極部分だけでなく両隣の非励磁の他の相のヨーク部分も磁路として使えるので、軸方向には概ね３倍になる。そのため、両ステータ部の磁路となるヨーク部分を使用できる範囲が軸方向および周方向に広がり、その分、両ステータヨーク部分は厚みを薄くすることができる。そして、両ステータヨーク部分の厚みを薄くすると、ステータの外径が小さくなってモータを小型化することができ、また、ステータの内径を大きくして発生するトルクを増大し、モータの出力特性を向上することができる。（２）両ステータ部は軸方向からみたときに同じ相の突極間に他の相の突極が存在するように突極配置を円周方向にずらして連結される。励磁相のＮ極の突極とＳ極の突極との間に非励磁の他の相の突極が存在するので、励磁相の突極間の漏れ磁束も抑制される。そのため、高速回転時の電流の立上りを損なう原因となるインダクタンスを小さくできるので、出力特性を向上することができる。

したがって、請求項１に係る本発明は、ステータおよびその内側のロータの両方に突極が形成された構造のモータにおいて、出力特性を損ねることなくステータの厚みを薄くして小型化することができる。

つぎに、本発明をより詳細に説明するため、実施形態について、図１〜図１０参照して詳述する。なお、それらの図面においては、モータ軸等は省略している。

（第１の実施形態）
第１の実施形態について、図１〜図７を参照して説明する。

図１は本実施形態のモータ１の概略の構成を示す透視斜視図である。図２は図１の軸方向（モータ軸αの方向）に連結された２個のユニット１１、１２を紙面左から見た断面を示し、（ａ）はユニット１１の断面、（ｂ）はユニット１２の断面である。

図３はユニット１１、１２のステータ部２１、２２が形成するステータ２の斜視図、図４はユニット１１、１２のロータ部３１、３２が形成するロータ３の斜視図、図５〜図７はモータ１の磁路の説明図である。

図１に示すように、本実施形態のモータ１は２個のユニット１１、１２を軸方向に連結したタンデム構造に形成される。

ユニット１１、１２は図３に示す円筒状のステータ部２１、２２の内側に図４に示すロータ部３１、３２を同軸状に設けた同一要素構成であり、ステータ部２１、２２は図１に示す環状の連結ヨーク４を介して連結され、モータ１のステータ２を形成する。ロータ部３１、３２も図４に示す同様の連結ヨーク５を介して連結され、モータ１のロータ３を形成する。なお、ステータ部２１、２２、ロータ部３１、３２および連結ヨーク４、５は、例えば軟磁性体である珪素鋼板等を軸方向に重ねた積層鋼板や、圧粉鉄心により形成されている。また、ステータ部２１、２２の連結、ロータ部３１、３２の連結に連結ヨーク４、５が介在するのは、ステータ部２１、２２の後述する各突極６に巻回されるコイル８の厚み等を考慮したものである。

つぎに、本実施形態においては、モータ１をステータ２およびロータ３の両方に突極が形成された構造であって、Ｕ、Ｖ、Ｗの３相駆動とするため、ステータ部２１、２２にはそれぞれ内周面に半径方向内向きの１２個の突極６が一体に形成されて円周方向に３０度の等間隔に配設されている。突極６は９０度離れた対称位置の各４個が反時計回りにＵ、Ｖ、Ｗの順の３組の突極（磁極）を形成する。また、ロータ部３１、３２にはそれぞれ外周面に半径方向外向きの８個の突極７が一体に形成されて円周方向に４５度の等間隔に配設されている。なお、ステータ部２１、２２の突極６よりロータ部３１、３２の突極７の個数が少ないのは、周知のスイッチドリラクタンスモータ等と同様、ステータ部２１、２２の突極６とロータ部３１、３２の突極７との位置関係をずらし、ステータ部２１、２２の突極６の励磁によってロータ部３１、３２を回転するためである。

さらに、ステータ部２１、２２の各突極６は図２（ａ）、（ｂ）に示すように、Ｕ、Ｖ、Ｗの各相のコイル８が順に集中巻きされている。ステータ部２１、２２の各突極６のコイル８は、ステータ部２１の各突極６を全てＮ磁極に励磁し、ステータ部２２の各突極６を全てＳ磁極に励磁するため、ステータ部２１の各突極６のコイル８に対して、ステータ部２２の各突極６のコイル８は逆巻きである。なお、図２（ａ）のＵ＋、Ｖ＋、Ｗ＋はＮ磁極の励磁を示し、図２（ｂ）のＵ−、Ｖ−、Ｗ−はＳ磁極の励磁を示す。

つぎに、ステータ部２１を本発明の一方のステータ部、ステータ部２２を本発明の他方のステータ部とすると、一方のステータ部２１と他方のステータ部２２とは、軸方向からみたときに同じ相の突極６間に他の相の突極６が位置するように円周方向にずらした状態に連結されている。ロータ部３１、３２も両ステータ部２１、２２のずれに合わせて円周方向に突極７の位置を同じ量だけずらして連結されている。ずらす量は、突極６の配置間隔を１ピッチとすると、例えば、ｍ／２ピッチ（ｍはモータ１の相数）であり、ｍ＝３の本実施例の場合、ステータ部２１、２２は、円周方向に図１の矢印線ａ、図２（ｂ）の矢印線ｂに示す４５度（＝３０×３／２）ずれて連結され、ロータ部３１、３２も、円周方向に図２（ｂ）の矢印線ｂに示す４５度ずれて連結されている。

なお、前記のずらす量が明瞭になるように、図２（ａ）、（ｂ）においては、ステータ部２１、２２のＵ相の特定の突極６に「６ｕ」を付番し、ロータ部３１、３２の対応する突極７に「７ｘ」を付番している。そして、本実施形態の場合、ロータ部３１、３２の突極７が４５度の間隔であるため、図２（ａ）、（ｂ）の比較からも明らかなように、ロータ部３１、３２が４５度（＝３０×３／２）ずれて連結されても、見た目にはロータ部３１とロータ部３２は突極７の配置が同じになるが、突極７の個数等によっては、ロータ部３１とロータ部３２の突極７の配置が突極６、６ｕのようにずれる。

そして、ステータ部２１、２２の各相の対の突極６のコイル８が相順に通電されることにより、ステータ部２１、２２の同相の対の突極６は、ステータ部２１のものがＮ磁極、ステータ部２２のものがＳ磁極に励磁される。さらに、ステータ部２１のＮ磁極、ステータ部２２のＳ磁極の磁力がそれらの近傍のロータ部３１、３２の突極７に加わる。これらの動作の相順のくり返しによりロータ３が回転する。

この場合、モータ１のステータ２が２個のステータ部２１、２２をモータ１の軸方向に連結して形成され、ロータ３も２個のステータ部２１、２２をモータ１の軸方向に連結して形成されるので、モータ１はいわゆるタンデム構造となる。また、ステータ部２１の突極６が全てＮ磁極に励磁され、ステータ部２２の突極６が全てＳ磁極に励磁される構成であるため、図５の破線矢印に示すように、ステータ部２１の励磁相のＮ磁極（突極６）からロータ部３１、３２（図５では省略）を通ってステータ部２２の同じ励磁相のＳ磁極（突極６）に至る磁路は、周知のスイッチドリラクタンスモータのように、例えばステータ部２１の各相の突極６の軸方向の一端側をＮ磁極、他端側をＳ磁極に励磁し、ユニット１１によって形成される構成のモータの場合に比して、周方向には断面積が概ね２倍以上に伸びる。また、図６の実線矢印ｃ０、ｃ１、ｃ２に示すように、ステータ部２１、２２の励磁相の突極部分（実線矢印ｃ０）だけでなく両隣の非励磁の他の相のヨーク部分（実線矢印ｃ１、ｃ２）も磁路として使えるので、軸方向には断面積が概ね３倍になる。なお、図６の（ｕ＋）、（ｖ＋）、（ｗ＋）はＮ磁極のＵ、Ｖ、Ｗの各相を示す。

そのため、ステータ部２１、２２の磁路となるヨーク部分を使用できる範囲が軸方向および周方向に広がり、その分、両ステータ部２１、２２のヨーク部分の厚みを薄くすることができる。そして、両ステータ部２１、２２のヨーク部分の厚みを薄くすると、ステータ２の外径が小さくなってモータ１１を小型化することができ、また、ステータ２の内径を大きくして発生するトルクを増大し、モータ１の出力特性を向上することができる。

さらに、ステータ部２１、２２を軸方向からみると、図７に示すようにステータ部２１の突極６とステータ部２２の突極６とが交互にずれて重なり、突極数が２倍に増えた状態になる。このとき、励磁されたＮ磁極の突極６とＳ磁極の突極６との間に例えば図７の実線丸印で囲んだ非励磁の他の２相の突極６が存在するので、ステータ２を円周方向に横切る図７の破線ｄ等の磁束が減少し、また、図７の破線ｅ等の励磁相の磁極（突極６）間の漏れ磁束（歯端間の漏れ磁束）が抑制される。そのため、高速回転時の電流の立下りを損なう原因となるインダクタンスを小さくできるので出力特性を向上することができる。なお、図７の（ｕ＋）、（ｖ＋）、（ｗ＋）はステータ部２１のＮ磁極のＵ、Ｖ、Ｗの各相、（ｕ−）、（ｖ−）、（ｗ−）はステータ部２２のＳ磁極のＵ、Ｖ、Ｗの各相を示す。

したがって、ステータ２およびその内側のロータ３の両方に突極６、７が形成された構造のモータ１を、その出力特性を損ねることなくステータ２の厚みを薄くして小型化することができる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態について、図８、図９を参照して説明する。図８はモータ１の本実施形態のロータ部３１を軸方向から見た断面図、図９は本実施形態のステータ部２１の一部を軸方向から見た断面図である。

本実施形態が第１の実施形態と異なる点は、少なくともモータ１のロータ部３１、３２が、積層方向が軸方向に直交する積層鋼板により形成され、積層鋼板で形成されたロータ部３１、３２において、図８に示すように、各突起７が形成されるヨーク部分の内周面側（回転軸側）に、スリット状の開口部９ａを形成し、開口部９ａに、積層方向が軸方向に平行な積層鋼板または、圧粉鉄心の磁性コア１０ａを挿入した点である。

この場合、ロータ部３１、３２は、積層鋼板の積層方向に平行な円周方向には磁束をよく通すが、積層鋼板の積層方向に直交する回転軸方向には磁気抵抗が大きく、磁束の通りがそれ程よくないため、図６の矢印線ｃ０〜ｃ１の磁路を通る磁束が少なくなるおそれがあるが、磁性コア１０ａを挿入すると、軸方向に平行な積層鋼板または、圧粉鉄心により、磁気抵抗が小さくなって軸方向の磁束の通りがよくなり、矢印線ｃ０〜ｃ１の十分な磁路を確保することができる。

なお、開口部９ａがロータ部３１、３２の内周側に開放しているのは、仮にロータ部３１、３２に、磁性コア１０ａを挿入した開口部９ａを、その開口分部を塞ぐように埋め込むと、渦電流が発生するからである。

また、図８からも明らかなように開口部９ａは突起７の高さＬａの半分より内周側に形成することが好ましい。それより外周側まで開口部９ａを形成して磁性コア１０ａを挿入すると、ステータ部２１、２２で磁束が十分に広がらなくなるおそれがあるからである。

そして、ステータ部２１、２２についても、積層方向が軸方向に直交する積層鋼板により形成される場合は、図９のステータ部２１の一部の切断面に示すように、各突起６が形成されるヨーク部分の外周面側に、スリット状の開口部９ｂを形成し、開口部９ｂに、積層方向が軸方向に平行な積層鋼板または、圧粉鉄心の磁性コア１０ｂを挿入すればよい。このとき、磁束が十分に広がるように、開口部９ｂは突極６の半分の高さＬｂ／２の位置より外周面側に形成することが好ましい。

以上のように、本実施形態においては、（１）モータ１の少なくともロータ部３１、３２を積層方向が軸方向に直交する積層鋼板により形成した場合に、積層方向が軸方向に平行な積層鋼板又は圧粉鉄心の磁性コア１０ａをロータ部３１、３２に組み込むことにより、ロータ部３１、３２の積層鋼板による軸方向の磁束の通りの悪さを、磁性コア１０ａにより改善し、モータ１の出力効率の低下を防止できる。なお、ステータ部２１、２２についても積層方向が軸方向に平行な積層鋼板又は圧粉鉄心の磁性コア１０ｂをステータ部２１、２２に組み込むことにより、同様の効果が得られる。（２）磁性コア１０ａが挿入される開口部９ａを、突起部７の高さＬａの半分Ｌａ／２より内周側に形成し、磁性コア１０ｂが挿入される開口部９ｂを、突起部６の高さＬｂの半分Ｌｂ／２より外周側に形成したため、ステータ部２１、２２での磁路の円周方向の広がりを妨げることがない。（３）開口部９ａ、９ｂがロータ部３１、３２の内周側、ステータ部２１、２２の外周側に開放して設けられるため、渦電流の発生を防止して効率の低下を防ぐことができる。

したがって、ロータ部３１、３２やステータ部２１、２２を積層鋼板で形成した場合の磁束の減少に伴うモータ１の出力効率の低下を防止することができる。

（第３の実施形態）
第３の実施形態について、図１０を参照して説明する。図１０はステータ部２１、２２の一部の平面図である。

本実施形態においては、図１のモータ１の端子構造およびステータ部２１、２２のコイル８の巻き方等を改善する。

モータ１においては、ステータ部２１、２２それぞれから、突極６に巻回されるコイル８の２端子（巻き始めの端子と巻き終わりの端子）が３相分（合計６端子）引き出される。そして、両ステータ部２１、２２の各相の全端子（合計１２端子）を、例えばステータ部２１に集約して引き出すとすれば、端子数が多く（１２端子）、大型の結線部品（バスリング等）が必要になる。しかも、エナメル線等の引き回も長くなる。そのため、モータ１が大型化する。

また、モータ１をさらに小型化するため、各突極６、７のコイル８は緩み等なく巻回することが望ましく、しかも、コイル８間の渡り部分の絶縁の確保や小型化も望まれる。

そこで、本実施形態においては、（１）図１０に示すように、モータ１のステータ部２１、２２の各相の突極６に巻回されたコイル８のエナメル線等の端子８１を、それぞれの軸方向の外側に振り分けて配置する。このようにすることで、例えば、一方のステータ部２１の軸方向の外側に全ての端子８１を配置する場合に比して、他方のステータ部２２の各相の突極６に巻回されたコイル８のエナメル線等をステータ部２１側まで引き出さなくてよく、その分エナメル線等の取り回しの長さが短くなり、取り回しのスペースも少なくなり、さらには、結線部品も小型化する。しかも、エナメル線等を取り回すための絶縁材（絶縁スリーブやガイド等）が少なくなる。したがって、モータ１の一層の小型化を図ることができる。

また、本実施形態においては、以下の（２）〜（４）の少なくともいずれか１つを実施する。

（２）ステータ部２１とステータ部２２の同相に励磁される突極６のコイルは、１本のエナメル線等を、途中で切断することなく、ステータ部２１からステータ部２２またはその逆に引き渡して両部２１、２２の突極６に巻回して形成する。このようにすると、例えば、ステータ部２１の突極６に巻回したエナメル線等と、ステータ部２２の突極６に巻回したエナメル線等とを繋ぐ場合に必要な接続部材を省略できる。

（３）ステータ部２１とステータ部２２の同相に励磁される突極６のコイルを１本のエナメル線等で形成する場合、ステータ部２１側が巻き始め側でステータ部２２側が巻き終わり側であれば、巻き始め側（ステータ部２１側）のコイル８と、巻き終り側（ステータ部２２側）のコイル８の巻き方向は、図１０に示すように、巻き始め側のコイル８の巻き終り部と、巻き終り側のコイル８の巻き始め部とが、それぞれのコイル８のモータ１の内側の対面する端面部になるように、巻き始め側のコイル８の巻き終り部と、巻き終り側のコイル８の巻き始め部を図中の矢印線８ｓ、８ｅのように設定する。このようにすると、巻き始め側のコイル８および巻き終り側のコイル８が緊張した状態を保って巻回され、両コイル８が緩みによって崩れたりすることなく巻回される。

（４）ステータ部２１のコイル８からステータ部２２のコイル８への渡り部分にはエナメル線等を絶縁保護する渡り線ガイド部１１を設け、渡り線ガイド部１１を両ステータ部部２１、２２のコイル８のボビン等に固定する。このようにすることで、渡り部分の絶縁を確保することができ、また、ステータ部２１のコイル８とステータ部２２のコイル８とが別々のエナメル線等で巻回されて渡り部分で繋がれるようなときにもコイル８の緩みによる崩れ等を防止できる。

さらに、上記（４）を実施する際、必要に応じてつぎの（５）も実施する。

（５）渡り線ガイド部１１はステータ部２１のコイル８とステータ部２２のコイル８との直線的な最短の渡り部を形成するように、図１０に示す斜めに傾けて配置することが好ましい。このようにすると、他相の渡り線ガイド部１１との干渉等も生じることがない。

したがって、本実施形態の場合は、モータ１の端子構造およびステータ部２１、２２のコイル８の巻き方等を改善し、一層の小型化や絶縁性の向上等図ることができる。

そして、本発明は上記した各実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行なうことが可能であり、例えば、モータ１は４相以上の多相駆動される構成であってもよいのは勿論である。またステータ部２１、２２の突極６の個数および、ロータ部３１、３２の突極７の個数は、上記実施形態のものに限るものではない。さらに、ステータ部２１、２２の連結のずれ量はｍ／２ピッチに限るものではない。また、ロータ部とステータ部の数は、軸方向に２個でなくても３個以上でもよい。

そして、本発明は、ステータおよびその内側のロータの両方に突極が形成された構造の種々のモータに適用することができ、そのモータの用途も電気自動車の駆動モータ等に限るものではない。

本発明の第１の実施形態のモータの一部を省略した透視斜視図である。 図１のモータの軸方向に垂直な断面を示し、（ａ）は一方のユニット側の断面図、（ｂ）は他方のユニット側の断面図である。 図１のステータ部の斜視図である。 図１のロータ部の斜視図である。 図１のモータの磁路の説明図である。 図１のモータのステータ部の磁路の説明図である。 図１のモータの漏れ磁束等の説明図である。 第２の実施形態のロータ部の断面図である。 第２の実施形態のステータ部の一部の断面図である。 第３の実施形態の要部の平面図である。

符号の説明

１ モータ
２ ステータ
３ ロータ
６、７ 突極
８ コイル
２１、２２ ステータ部
３１、３２ ロータ部

Claims (1)

1. 軟磁性体のステータの内周面に半径方向内向きの複数の突極を円周方向に配置し、
   前記ステータの内側に同軸状に設けられた軟磁性体のロータの外周面に半径方向外向きの複数の突極を円周方向に配設し、
   前記ステータの各突極に各相のコイルを順に集中巻きした構造のモータであって、
   前記ステータは軸方向の複数個のステータ部により形成され、
   前記ロータは軸方向の複数個のロータ部により形成され、
   一方の前記ステータ部の内周面の各突極はＮ磁極に励磁されるようにコイルが巻回され、
   他方の前記ステータ部の各突極はＳ磁極に励磁されるようにコイルが巻回され、
   前記一方のステータ部と前記他方のステータ部とは軸方向からみたときに同じ相の突極間に他の相の突極が位置するように円周方向にずらして連結され、
   前記両ロータ部は前記両ステータ部のずれに合わせて円周方向にずらして連結されていることを特徴とするモータ。

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