JP5311877B2 - ステータのコイル及び回転機器のステータコア - Google Patents

Description

本発明は、発電機や永久磁石同期モータなどの回転機器に好適に用いることができるステータのコイル及び回転機器のステータコアに関するものである。

従来、環状のヨークと、ヨークに設けた複数のティースと、ヨークにトロイダル巻きを施した複数のコイルとを備える電動機用ステータが知られている（例えば特許文献１）。このステータにおいては、コイルは、隣接するティース間に存在するヨーク部分に巻かれるものである。コイルは、三相スターもしくはデルタ状に結線してある。
特開２００１‐３７１３３号公報

ところで、このようなトロイダル巻きによるコイルの場合、断面形状が正方形又は長方形ステータコアを使用すると、ステータコアの径方向の外側に突出するコイル端部が大きくなることが考えられる。また、コイルを巻芯に巻く場合、電線を巻芯に沿って往復しながら巻くものが一般的である。

ところが、上述したように、コイル端部がステータコアの径方向の外側に突出すると、ステータコアとコイルとで構成されるステータの外径が大きくなり、小型化を妨げるものとなった。また、電線を巻芯に沿って往復するコイルにあっては、電線の巻順いわゆるターンがかけ離れた状態で電線が重なることになるため、サージ電圧が印加された場合に、各ターンの分担電圧差が大きくなり部分放電が発生する可能性がある。このような不具合を防ぐためには、電線を厚いエナメル塗膜で被覆するか、電線の層間に絶縁シート（紙）を挟むかして、絶縁性を高くする対策が必要となる。したがって、このようなコイルであると、モータを小型化すること、及び軽量化することが困難であった。

そこで本発明は、このような不具合を解消することを目的としている。

すなわち、本発明のステータのコイルは、ヨークと、ヨークの内周側から内側に向かって突出し周方向に所定間隔をあけて設けられる複数のティースとを備えるステータコアの、隣接したティースに挟まれたヨークが巻芯となるステータのコイルであって、ヨークの外周側での巻幅がヨークの内周側での巻幅よりも広く、かつヨークの外周側での巻厚みがヨークの内周側での巻厚みよりも薄く、ヨークの外周側では重ね合わされることなく巻かれ、ヨークの内周側では幅方向の一方の端部から他方の端部に向かって同一方向に巻かれるとともに、他方の端部まで巻き着いた後は改めて一方の端部に戻って重ねて巻かれることにより、ヨークの外周側及び内周側で巻方向が一方向であることを特徴とする。

このような構成によれば、ヨークの外周側での巻幅がヨークの内周側での巻幅よりも広いので、外周側にあっては幅方向に多数の電線を並べることが可能になる。そして、ヨークの外周側での巻厚みがヨークの内周側での巻厚みよりも薄いため、ヨークの外周側では、電線の重なり段数を低減することが可能になる。その結果、ステータコアの外側に突出するコイル部分が小さくなり、ステータの外径を小さくすることが可能になる。また、従来と同一外径のステータとすると、ステータコアの材料を減量することが可能になり、軽量化を実現することが可能になる。さらに、ヨークの外周側における巻幅を広くして巻厚みを薄くすることで、放熱性を向上させることができる。

巻方向が一方向であれば、サージ電圧が加わった場合の、各ターンの分担電圧差を小さくすることができる。

上述した本発明のステータのコイルを用いてステータを作製する場合のステータコアは、ヨークと、ヨークの内周側から内側に向かって突出し周方向に所定間隔をあけて設けられる複数のティースとを備え、隣接したティースに挟まれるヨークがステータのコイルの巻芯となるステータコアであって、請求項１に記載のステータコイルが設けられるヨークは、内周側の奥行き寸法が外周側の奥行き寸法よりも小であることを特徴とするものが好適である。

本発明は、以上説明したような構成であり、外周側にあっては幅方向に多数の電線を並べることができ、またヨークの外周側では、電線の重なり段数を低減することができる。したがって、ステータコアの外側に突出するコイル部分が小さくすることができ、ステータの外径を小さくすることができる。しかも、従来と同一外径のステータとすると、ステータコアの材料を減量することができ、軽量化を実現することができる。さらに、ヨークの外周側における巻幅を広くして巻厚みを薄くすることで、放熱性を向上させることができる。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。

以下に説明する実施形態の回転機器であるモータ１００は、図１に示すように、三相交流用の分数スロット多極モータであり、ステータ１と、ステータ１の内部に回転可能に配置され、Ｓ磁極とＮ磁極とを交互に周方向に配置し、かつその極数をステータ１のティース２の数の２／３より大きい数としたロータ３とを備える構成である。この実施形態では、ステータ１のティース２の数を１２とし、ロータ３の極数を１４とするものである。ロータ３は、ロータ鉄心４と、そのロータ鉄心４の表面に固定される磁極となる永久磁石５とからなるものである。

ステータ１は、ステータコア６とステータコア６に巻かれるコイル７とを備えている。なお、図１において、コイル７は、模式的に図示するもので、詳細については、図２に示す。ステータコア６は、環状のヨーク８と、ヨーク８の内周側からヨーク８の中心部すなわち内側に向かって集中するように突出し周方向に所定間隔をあけて設けられる複数のティース２と、隣接したティース２に挟まれたヨーク８の内周側に設けられる内周側スロット９と、内周側スロット９に対応してヨーク８の外周側に設けられる外周側スロット１０と、径方向に設けられる磁路遮断部としてのスリット１１とを備えている。ヨーク８とそれぞれのティース２とは、一体に形成されるものである。それぞれのティース２は、そのヨーク８とは反対側のロータ３に対向する端部すなわちロータ側端部２ａにおいて、隣接するティース２を接続するティースフランジ２ｂを備えている。外周側スロット１０は、正面から見た場合のティース２の幅方向のほぼ中央位置から延長した線分の間におけるヨーク８の外周部に、コイル７を構成する電線１２の直径とほぼ同じ深さを有して形成される。

この実施形態のステータ１にあっては、それぞれのスリット１１は中空であり、正面から見た場合のティース２の幅方向のほぼ中央位置において、ティース２の先端つまりロータ側端部２ａ近傍から、ヨーク８の外周近傍に延びる長さを有して設けてある。すなわち、スリット１１は、ティース２及びヨーク８を介して短絡する磁路が形成されないように、隣接するコイル７の間に位置するように設けられるものである。

コイル７が巻かれるヨーク８は、図３に示すように、コイル７の電線１２を巻く方向の断面形状を、逆台形形状にしてある。すなわちヨーク８の外周部分の奥行き寸法（モータ１００の回転軸方向の寸法）がその内周部分の奥行き寸法より大きくなっている。このヨーク８の断面形状は、ステータ１の正面側と背面側とにおいて、ヨーク８に巻かれたコイル７の外面がほぼ平坦になるように形成してある。つまり、コイル７を構成する電線１２は、内周側スロット９で重なるとともに、内周側スロット９と外周側スロット１０との間の正面側と背面側とにおいて重なることになる。このような電線１２の重なり具合を考慮して、ステータ１のヨーク８の内周側スロット９側の奥行き寸法は、例えば電線１２が三本重なった状態でコイル７の外形が形成されるように設定し、又外周側スロット１０の奥行き寸法は、電線１２一本の状態でコイル７の外側が形成されるように設定される。

コイル７は、内周側スロット９と外周側スロット１０との間でヨーク８の周りに巻かれ、複数位相の交流における同相で異極性のものを隣接して配置するものである。すなわち、コイル７は、三相交流のＵ＋相とＵ−相とが隣接して対をなして配置され、同様にして、Ｖ＋相とＶ−相とが隣接して対をなし、さらにＷ＋相とＷ−相とが隣接して対をなして、それぞれ配置されるものである。図１において、反時計方向にロータ３が回るものである場合、その回転方向に、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の順でそれぞれのコイル７が配置されるものである。それぞれのコイル７は、図２に示すように、ヨーク８の外周側つまり外周側スロット１０内での巻幅が、ヨーク８の内周側つまり内周側スロット９内での巻幅より広く、かつ外周側スロット１０での巻厚さが、内周側スロット９での巻厚みよりも薄いものである。

このような構成において、ステータ１を構成するステータコア６は、例えば不飽和ポリエステルや二液混合式エポキシ樹脂などの合成樹脂に、鉄、ケイ素鋼、パーマロイなどの軟質磁性体の粉体を混合させた流動体１３をステータ成形用型枠１４内に流し込み、硬化させて形成するものである（図４）。なお、図４及び図５においては、流動体１３が硬化した後のステータコア６に対応する部位の符号を、括弧を付して示している。ステータ成形用型枠１４は、例えば厚み方向に二分割可能な型枠で、ステータコア６の内周側スロット９及びスリット１１を形成するための引き抜き型部分を備えて、ほぼ円環状形状をするものである。

具体的には、モータ１００のロータ３に対応する大きさの磁界印加装置１５を、ステータ成形用型枠１４の内部に配置する。この磁界印加装置１５は、第一磁界印加手段としてのステータ１のティース数に一致して交互に反対極性となる複数の磁界印加用コイル１６と、ティース２のロータ側端部２ａのティースフランジ２ｂ間に中立部分２ｃを形成する第二磁界印加手段を構成する反対極性の一対の中立部磁石１７と、それぞれの磁界印加用コイル１６に電力を供給して第一磁界印加手段の一部として機能する電源（図示しない）とを備えるものである。この後、ステータ成形用型枠１４内に流動体１３を流し込む。そして、流動体１３の流し込みが完了した時点から流動体１３が硬化するまでの間、それぞれの磁界印加用コイル１６に電源から電力を供給して、磁界を発生させる。この磁界は流動体内の軟質磁性粉体を整列させるものであり、隣接する磁界印加用コイル１６はそれぞれ、逆極性にするものである。磁界印加用コイル１６に印加する電力は、所定時間だけもしくはインパルス状の直流である。なお、図５においては、中立部磁石１７の位置を容易に把握し得るように図示している。又、磁界印加装置１５の磁界印加用コイル１６は、永久磁石により構成するものであってもよい。この場合、上記電源は不要である。又、中立部磁石１７をコイルすなわち電磁石で構成するものであってもよい。

このように磁界印加用コイル１６に通電している間、硬化後にティース２及びヨーク８となる未硬化の流動体１３内において軟質磁性粉体が磁界印加用コイル１６により形成される磁界の方向に整列する。磁界は、ティース２となる部分の幅よりも大なる幅で、かつティース２となる部分の間が内周部分で磁気的には短絡しない幅に形成するものである（図５中、点線にて磁界を示す）。ただし、中立部磁石１７に対応するティースフランジ２ｂ間部分の未硬化の流動体１３内では、中立部磁石１７が磁界印加用コイル１６により形成される磁界とは反対の磁界を形成していることにより、軟質磁性粉体は整列されない。これにより、モータ１００を運転する場合に、隣接するティースフランジ２ｂ間において磁束が通過しにくくなり、磁束の短絡が発生しない。

このように、磁界印加手段１５を使用して未硬化の流動体１３に磁界を印加する場合に、中立部磁石を設けているので、ティースフランジ２ｂ間に軟質磁性粉体を整列させない中立部分２ｃを形成することができる。このような中立部分２ｃをティースフランジ２ｂに設けることにより、モータ１００が動作した場合に、ティースフランジ２ｂ間での短絡磁路が生じることを防止することができる。よって、漏れインダクタンスによるモータ１００の特性が低下することを抑制することができる。しかも、ティースフランジ２ｂによりロータ磁束を集めて、有効にコイル７に鎖交させることができ、モータ出力を向上させることができる。このような電気的特性の改良に加え、隣接するティース２のロータ側端部２ａがティースフランジ２ｂと中立部分２ｃとにより接続してあることにより、それぞれのティース２が分離した状態にならないため、ステータ１の強度を高くすることができ、流動体１３の硬化後の機械加工を容易にするものである。

この後、流動体１３が硬化した時点で、磁界印加用コイル１６への通電を停止し、硬化した流動体１３すなわち成形されたステータコア６をステータ成形用型枠１４から取り出す。この後、ステータコア６のそれぞれの内周側スロット９と外周側スロット１０とで挟まれる部分のヨーク８に、コイル７を形成する。それぞれのコイル７は、所定太さの電線１２を、所定回数巻いて形成するものである。コイル７の巻き方はトロイダル巻きであり、内周側スロット９及び外周側スロット１０内に電線１２を納めて、ティース２の周りに巻くのではなくヨーク８の周りに電線１２を巻くものである。

この場合、図２に示すように、内周側スロット９は外周側スロット１０に対してその内側の幅が小さいので、内周側スロット９内では電線１２が重ね合わされて巻かれるとともに、外周側スロット１０内では電線１２は重ね合わされることなく巻かれるものである。電線１２は、内周側スロット９の幅方向の一方の端部（以下、巻き始め側と称する）から他方の端部（以下、巻き終わり側と称する）に向かって、同一方向（図において矢印で示す）すなわち巻き始め側から巻き終わり側に向かって巻くものである。そして、内周側スロット８において巻き終わり側まで巻き着いた後は、電線１２は、改めて巻き始め側に戻って重ねて巻くものである。したがって、巻き始め側には、その段における巻き順の早いものが重なるものとなる。

以上の構成によるモータ１００は、ステータ１にトロイダル巻きによりコイル７が設けられているので、従来のティース２にコイル７を巻く構造に比較して、内周側スロット９の径方向長を短くすることができる。この結果、ヨーク径、ひいてはステータ１の径を小さくすることができ、モータ１００を小型化することができ、ヨーク径が小さくなることでステータコア６の材料を減量することができ、よって軽量化することができる。

又、コイル７をトロイダル巻きすることにより、コイル７の一部がステータ１の外周部分に露出するものとなる。この場合に、この実施形態にあっては、コイル７は、外周側スロット１０において、電線１２が径方向に重なりあうことがないので、ステータ１の外径を小さくすることに貢献している。このため、コイル７を構成する電線１２と空気との接触面積が増え、放熱をより効率よくすることができる。このように、コイル７を放熱により温度上昇を抑えることで、モータ出力を向上させることができる。

加えて、コイル７は、電線１２をヨーク８に巻く場合に、巻き始め側から巻き終わる側の一方向に向かって巻くので、電線１２は巻き順の近いものが重なり合っている。このため、モータ１００を作動させた場合に、コイル７にサージ電圧がかかっても、それぞれの電線１２つまり各ターンを構成する電圧間の分担電圧差を小さくすることができる。このため、このような電圧差に起因するコイル７内での部分放電を抑制することができ、コイル７の絶縁性能を向上させることができる。さらに、上述したように、ヨーク８の断面が、逆台形をしているので、ヨーク８とコイル７との接触面積を大きくすることができ、コイル７の放熱効果を向上させることができる。しかも、ヨーク８が外周部分において、奥行き寸法が大きくしてあるので、ステータコア６の外径を小さくすることができる。また、ヨーク８の断面を逆台形にしていることで、ステータコア６の前後端面（モータ１００の回転軸方向の端面）からコイル７の突出を最小限に抑えることができ、よってステータ１を小型化することができる。

このように、コイル７の絶縁性能を、電線１２の巻き方により向上させることで、コイル７を構成する電線１２の被覆、具体的にはエナメルやポリアミドイミドなどの皮膜を薄くすることが可能になり、電線１２のコストを低減することができる。加えて、重ね合わせる電線１２間（巻線層間）に絶縁シート（絶縁紙）を挟み込む必要がなくなる。したがって、従来のコイルに比べて、それぞれのコイル７自体の重量を低減することができ、ひいてはステータ１を軽量化することができるものである。

このようなコイル７に対して、ステータコア６は、それぞれの相のコイル７の間にスリット１１を備えているので、それぞれのコイル７に通電した場合に生じる磁界は、スリット１１により短絡することがない。したがって、短絡磁路による磁力の低下がないため、モータ出力を向上させることができる。又、それに伴って、振動を抑制することができる。

なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではない。

上述の実施形態では、磁路遮断部たるスリット１１を、ティース２毎に設けるものを説明したが、スリット１１は、少なくともいずれか一つのティース２に設けるものであってよい。すなわち、コイル７に通電した場合に、ヨーク８の周回方向に発生する磁路を遮断してヨーク８を短絡する磁路の発生を防ぐ位置に、少なくとも一つのスリット１１を設ければ、その数は限定されない。また、スリット１１は、必ずしも中空である必要はなく、空気と同等の透磁率を有する非磁性体をスリット１１に充填するものであってもよい。

ステータコア６は、非磁性体に圧力を加えて成形する圧粉磁心や例えばケイ素鋼板などの鋼板を重ね合わせて形成するものであってもよい。また、ステータコアは、上述の実施形態におけるスリット１１間の部分を単位となるコアとして、それらの単位となるコアを複数、連結することにより環状のステータコアに形成するものであってもよい。この場合、単位となるコア間にはスリットが形成されるようにしてもよいし、非磁性体を挟み込むものであってもよい。

上述の実施形態におけるモータ１００では、表面に磁極が設けられたロータ３を説明したが、磁極がロータ３を構成するロータコアに埋め込まれる永久磁石埋込型のロータであってもよい。

また、ステータコア６を製造するに際して、あらかじめそれぞれのコイル７を作製しておき、上述したステータ成形用型枠１４内の所定場所に配置し、その状態で流動体１３をステータ成形用型枠１４内に流し込んで製造するものであってもよい。この場合、コイル７以外は、上述の実施形態において説明したものと同じであるので、それらについては、説明を省略する。

まず、上述のコイル７に相当する必要個数のコイルを製作しておき、ステータのヨークとなる部分に対応するステータ成形用型枠内の位置にコイルを配置する。そして、合成樹脂と軟質磁性粉体とを混合した流動体を、コイルを配置したステータ成形用型枠内にコイルが浸漬するまで流し込む。流動体が硬化するまでの間、磁束印加手段により磁束を印加して、軟質磁性粉体を整列させる。流動体が硬化した後、磁束印加手段の動作を停止し、ステータ成形用型枠を分解することにより、ステータが完成する。

コイルは、絶縁ワニス又は樹脂モールド材で固めて形成したもの、あるいは樹脂製ボビン内に収納したものであってよい。さらには、それぞれのコイルを機械的に結合して、流動体を流し込む以前に、相互の位置決めをあらかじめするものであってもよい。

このようなステータの製造方法において、磁路遮断部はスリット以外に、その位置に非磁性体をステータ成形用型枠内に配置しておき、流動体が硬化した時点で磁路遮断部がステータコア内に一体に形成するものであってよい。

このように、コイルをあらかじめ準備しておき、流動体が硬化することによりステータコアに埋め込まれるようにしてコイルがステータコアと一体になるので、コイルで発生した熱がステータコアに伝導しやすく、放熱性を向上させることができる。軟質磁性粉体を混合した合成樹脂からなる流動体によりステータコアを形成するので、高精度なプレス板金が不要であり、製造設備費を削減することができる。

なお、上述の実施形態及び製造方法の変形例におけるコイルは、断面形状が四角形の平角線を使用するものであってもよい。

その他、各部の具体的構成についても上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明の活用例として、永久磁石同期モータに活用することができる。

本発明の実施形態のモータを示す構成説明図。 同実施形態のコイルの巻状態を示す図。 同実施形態のヨークの断面図。 同実施形態のステータコアの製造装置を示す構成説明図。 同実施形態のステータコアの製造装置におけるティースフランジの対応部分を拡大して示す拡大構成説明図。

符号の説明

１…ステータ
２…ティース
２ｂ…ティースフランジ
３…ロータ
６…ステータコア
７…コイル
８…ヨーク
９…内周側スロット
１０…外周側スロット
１１…スリット
１２…電線
１３…流動体
１４…ステータ成形用型枠
１５…磁界印加装置

Claims (2)

1. ヨークと、ヨークの内周側から内側に向かって突出し周方向に所定間隔をあけて設けられる複数のティースとを備えるステータコアの、隣接したティースに挟まれたヨークが巻芯となるステータのコイルであって、
   ヨークの外周側での巻幅がヨークの内周側での巻幅よりも広く、かつヨークの外周側での巻厚みがヨークの内周側での巻厚みよりも薄く、
   ヨークの外周側では重ね合わされることなく巻かれ、
   ヨークの内周側では幅方向の一方の端部から他方の端部に向かって同一方向に巻かれるとともに、他方の端部まで巻き着いた後は改めて一方の端部に戻って重ねて巻かれることにより、
   ヨークの外周側及び内周側で巻方向が一方向であるステータのコイル。
2. 請求項１記載のステータコイルを作製するために用いられるものであって、
   ヨークと、ヨークの内周側から内側に向かって突出し周方向に所定間隔をあけて設けられる複数のティースとを備え、隣接したティースに挟まれるヨークがステータのコイルの巻芯となるステータコアであり、
   前記ステータコイルが設けられるヨークは、内周側の奥行き寸法が外周側の奥行き寸法よりも小であって、
   前記ステータコイルは、ヨークの外周側での巻幅がヨークの内周側での巻幅よりも広く、かつヨークの外周側での巻厚みがヨークの内周側での巻厚みよりも薄く、
   ヨークの外周側では重ね合わされることなく巻かれ、
   ヨークの内周側では幅方向の一方の端部から他方の端部に向かって同一方向に巻かれるとともに、他方の端部まで巻き着いた後は改めて一方の端部に戻って重ねて巻かれることにより、
   ヨークの外周側及び内周側で巻方向が一方向である、回転機器のステータコア。

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