JP6654551B2

JP6654551B2 - 電動機

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Publication number: JP6654551B2
Application number: JP2016230474A
Authority: JP
Inventors: 俊平林
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2016-11-28
Filing date: 2016-11-28
Publication date: 2020-02-26
Anticipated expiration: 2036-11-28
Also published as: JP2018088749A

Description

本発明は、界磁子及び電機子を備える電動機に関し、特にコイルが巻回される電動機ティースの形状に関する。

電動機は、永久磁石を有する界磁子と、電磁石を形成するコイルを有する電機子とを備える。回転電動機では、界磁子と電機子とが同心状に配置される。例えば、ブラシレス型の同期電動機のような回転電動機では、界磁子が回転子となり、電機子が固定子となる。インナーロータ型の場合、一般に前記電機子の鉄心は、円筒型のバックヨークと、該バックヨークから径方向内側へ突設され前記バックヨークの周方向に配列された複数のティースとを備える。これらティースに、各々励磁用のコイルが巻回される。

一方、直動電動機（リニアモータ）では、固定子として複数個の電機子（コイル）が直線状に配列され、可動子としての界磁子が直線配列されたコイル上を移動する。直動電動機の中にも、高推力化のために、界磁子と電機子とが同心状に配置される円筒型のものが存在する（例えば特許文献１参照）。円筒型の直動電動機では、上述のインナーロータ型回転電動機と同様な電機子鉄心が、可動子の移動軸方向に複数個配列される。

特表２０１４−５０４１２９号公報

電動機の設計においては、コイルの配置スペースの確保が重要となる。配置スペースが広く確保できると、コイル用導体として断面積の大きい導体を選択でき、これによりジュール損失を低減させて大電流を流すことが可能となる。また、コイルのターン数を増加させることができ、コイルが発生する磁束量を多くして電動機出力を向上させることができる。しかし、一般にコイル配置スペースの拡大は電動機の大型化に繋がるため、電動機の小型化の要請がある場合は、広いコイル配置スペースの確保は難しい。

直動電動機において、より高い推力を得るには、単位長あたりの電機子の配列数を増加させることが有効である。しかし、電機子鉄心を密に配列する場合、自ずとコイル配置スペースも小さくなることから、推力向上にも限界がある。電機子鉄心（ティース）を薄肉化することも考えられるが、この場合磁気飽和が生じ、推力の低下や損失増加を招来する。すなわち、適正なティースの大きさを確保しながら、広いコイル配置スペースを確保することは難しい。

本発明の目的は、電動機を大型化させることなく、可及的に広いコイル配置スペースを確保可能な電機子ティース形状を備えた電動機を提供することにある。

本発明の一局面に係る電動機は、永久磁石を備えた界磁子と、円筒型のバックヨークと、該バックヨークから径方向内側へ突設され前記バックヨークの周方向に配列された複数のティースと、前記ティースの各々に巻回される複数のコイルと、を含む電機子と、を備え、前記ティースは、前記バックヨーク付近の根元部分と、突出端部付近の先端部分とを備え、前記根元部分の断面積と前記先端部分の断面積とは略同一である一方、前記根元部分は、前記先端部分に比較して、前記バックヨークの周方向に沿った前記コイルの内径を増加させ、前記バックヨークの軸方向に沿った前記コイルの内径を減少させる形状を有する電動機であって、前記ティースは、前記バックヨークの周方向に沿った周方向幅と、前記バックヨークの軸方向に沿った軸方向幅とを有し、前記周方向幅は、前記根元部分が前記先端部分よりも幅広とされ、前記軸方向幅は、前記根元部分が前記先端部分よりも幅狭とされている電動機において、周方向に配列された複数のティース間に配置され、前記コイルが巻回されない非巻回ティースをさらに備え、前記非巻回ティースの前記周方向幅は、前記根元部分が前記先端部分よりも幅狭とされ、前記非巻回ティースの前記軸方向幅は、前記根元部分が前記先端部分よりも幅広とされていることを特徴とする。

円筒型のバックヨークから径方向内側へティースが突設される鉄心構造において、ティースの断面形状が径方向で一定である場合を想定する。この場合、隣接するティース間のスペース、すなわちコイル配置スペースは、ティースの先端部分同士の間よりも、根元部分間の方が広くなる。従って、根元部分間にコイルによって占有されないデッドスペースが生じ易い。前記デッドスペースを埋めるようにコイルを巻回すると、コイルエンド（コイルの外周面）が根元部分間において膨出する形状となり、軸方向のスペースを余分に占有することになる。また、電機子鉄心が移動軸方向に密に配列される直動電動機では、軸方向にコイルが膨出する形態は採用できない。

しかし、上記の電動機によれば、ティースの根元部分の断面積と先端部分の断面積とは略同一であるので、磁気飽和が生じないような断面積を当該ティースの全長において確保することが可能となる。そして、前記先端部分に比較して前記根元部分は、コイルの内径を、前記バックヨークの周方向には増加させ、軸方向には減少させる形状を有する。このようなコイル内径を設定できるティースを具備させることで、隣接するティースの根元部分間に生じる前記デッドスペースを小さくすることができる。また、根元部分においてコイルエンドが軸方向に突出しないようにすることができる。

また、前記ティースは、前記バックヨークの周方向に沿った周方向幅と、前記バックヨークの軸方向に沿った軸方向幅とを有し、前記周方向幅は、前記根元部分が前記先端部分よりも幅広とされ、前記軸方向幅は、前記根元部分が前記先端部分よりも幅狭とされている。さらに、周方向に配列された複数のティース間に配置され、前記コイルが巻回されない非巻回ティースをさらに備え、前記非巻回ティースの前記周方向幅は、前記根元部分が前記先端部分よりも幅狭とされ、前記非巻回ティースの前記軸方向幅は、前記根元部分が前記先端部分よりも幅広とされている。

この電動機によれば、上記の通りティースの周方向幅及び軸方向幅を設定することで、自ずと前記根元部分のコイルの内径を、バックヨークの周方向には増加させ、軸方向には減少させることができる。さらに、ある種の電機子では、全てのティースにコイルを巻回するのではなく、通常のティース間にコイルが巻回されない非巻回ティースが配置される場合がある。これにより、コイル間の絶縁のために要するスペースを削減できると共に、コイルの巻回工数を低減できるメリットがある。このようなティース構造が採用される場合において、非巻回ティースの周方向幅及び軸方向幅を上記の通りとすることで、通常ティースと非巻回ティースとの間のコイル配置スペースを増加させることができる。

この場合、前記周方向幅は、バックヨークに近づくほど幅広とされ、前記軸方向幅は前記バックヨークに近づくほど幅狭とされていることがより望ましい。

この電動機によれば、前記周方向幅をバックヨークに近づくほど幅広とすることで、根元部分に向かうに連れて拡大するティース間のスペースを、コイル配置スペースとして有効活用することができる。また、前記軸方向幅を前記バックヨークに近づくほど幅狭とすることで、コイルエンドの平坦化を図り易くすることができる。

上記の電動機において、前記バックヨークは、複数の周方向分割片の組合せによって前記円筒型を形成するものであって、各周方向分割片は前記ティースの一部を一体的に備え、前記周方向分割片の各々は、さらに前記軸方向に分割された第１片、第２片及び第３片の組合せからなり、前記第１片と前記第２片との間に前記第３片が配置され、前記第１片及び前記第２片は、前記軸方向幅が、前記根元部分が前記先端部分よりも幅狭である形状を有し、前記第３片は、前記軸方向幅が、前記根元部分から前記先端部分まで一定である形状を有することが望ましい。

この電動機によれば、ティースへのコイルの組み付け作業において、根元部分と先端部分とで異形の形状を有する前記第１片と前記第２片とを隣接させた中間組立体にコイルを挿入し、しかる後、前記中間組立体へ前記第３片を割り入れるという作業が可能となる。従って、コイル内径がバックヨーク付近の根元部分側において小さくなっているコイルであっても、ティースへコイルを簡単に組み付けることができる。

上記の電動機において、前記電動機が、固定子としての前記電機子が、可動子としての前記界磁子の可動軸方向に複数個配列されてなる直動電動機であることが望ましい。

この電動機によれば、適正なティースの断面積を確保しながら、広いコイル配置スペースを確保できるので、単位長あたりの電機子の配列数を増加させることが可能となる。従って、高い推力を発生する直動電動機を提供することができる。

上記の電動機において、前記電動機が回転電動機であることが望ましい。

この電動機によれば、コイルの巻回量を根元部分で多くした場合でも、コイルエンドが根元部分において膨出しない形状とすることが可能となるので、軸方向のサイズを小型化できる回転電動機を提供することができる。

本発明に係る電動機によれば、電動機を大型化させることなく、広いコイル配置スペースを確保可能な電機子ティース形状を備えた電動機を提供することができる。

図１は、一般的なブラシレス型の回転電動機の一例を示す断面図である。図２は、直動電動機の一例を簡略的に示す図である。図３（Ａ）は、図１の要部拡大図である。図４（Ａ）は、デッドスペースを埋めるようにコイルが巻回された場合の要部拡大図、図４（Ｂ）は、図４（Ａ）の軸方向断面を模式的に示す図である。図５は、本発明の実施形態に係る電動機の電機子鉄心を示す斜視図である。図６は、本発明の実施形態に係る電機子を示す斜視図であって、図４の電機子鉄心のティースにコイルが巻回された状態を示す斜視図である。図７（Ａ）は、図５に示す電機子鉄心のティースの軸方向視の平面図、図７（Ｂ）は、前記ティースの側面図である。図８（Ａ）は、前記ティースにコイルが巻回された状態の軸方向視の平面図、図８（Ｂ）は、その側面図である。図９（Ａ）は、実施形態に係る電動機の軸方向断面を模式的に示す図、図９（Ｂ）は、図９（Ａ）のＩＸＢ−ＩＸＢ線断面図、図９（Ｃ）は、図９（Ａ）のＩＸＣ−ＩＸＣ線断面図である。図１０は、電機子鉄心を構成する鉄心ピースの一つを示す図である。図１１は、前記鉄心ピースが複数の分割片で構成される場合の、当該鉄心ピースの分解斜視図である。図１２（Ａ）〜（Ｃ）は、前記鉄心ピースへのコイルの組み付け手順を示す図である。図１３は、変形実施形態に係る電動機の電機子鉄心を示す斜視図である。図１４は、変形実施形態に係る電機子を示す斜視図であって、図１３の電機子鉄心のティースにコイルが巻回された状態を示す平面図である。

［本発明が適用可能な電動機の例］
以下、図面に基づいて本発明の実施形態を詳細に説明する。先ずは、本発明が適用可能な電動機の例について説明する。図１は、一般的なブラシレス型の回転電動機１００の一例を示す断面図である。回転電動機１００は、同心状に配置された界磁子１１０と電機子１２０とを備える。界磁子１１０が回転子であり、電機子１２０が固定子であって、円筒型の電機子１２０の内部に界磁子１１０が回転自在に収容されている。

界磁子１１０は、回転電動機１００の出力軸方向（ｚ方向）に延びるシャフト１１１と、このシャフト１１１に取り付けられた円筒状のロータコア１１２とを備えている。ロータコア１１２の外周部付近には、複数の永久磁石１１３が周方向（θ方向）に配列されている。複数の永久磁石１１３は、ロータコア１１２の外周部に磁極を形成するものであり、θ方向に交互に極性が異なるように配列されている。

電機子１２０は、電機子鉄心１２１とコイル１２４とを備える。電機子鉄心１２１は、円筒型のバックヨーク１２２と、コイル１２４が巻回される複数のティース１２３とを含む。複数のティース１２３は、バックヨーク１２２の内周壁から径方向（ｒ方向）の内側へ各々突設され、バックヨーク１２２の周方向に一定ピッチで配列されている。コイル１２４を形成する絶縁導体は、各々のティース１２３を巻芯とし、ティース１２３の外周にｒ方向と直交する方向に巻回されている。各コイル１２４に励磁電流が通電されることにより回転磁界が形成され、永久磁石１１３が引き寄せられることによって、界磁子１１０がシャフト１１１回りに回転する。

電機子鉄心１２１は、一般に複数枚の電磁鋼板の積層体によって形成される。このような積層コアは、渦電流の抑制の点で有利である。この他、電機子鉄心１２１は、圧粉鉄心とすることができる。圧粉鉄心は、等方的な磁気特性を有する磁性鉄粉が強固に押し固められることによって形成されたコアである。圧粉鉄心は、前記積層コアに比べて気密性が高く、また成型の自由度も高いという利点がある。また、磁束の流れにおいても、前記積層コアでは積層部分に空隙が存在することから２次元的な磁束の流れしか形成できないが、圧粉鉄心ならば鉄心形状を工夫することで、３次元的な磁束の流れを形成することが可能である。

図２は、直動電動機（リニアモータ）２００の一例を簡略的に示す図である。ここでは、三相交流で駆動される直動電動機２００を示す。直動電動機２００は、予め設定された直線的な可動軸（ｚ方向）に沿って移動する可動子としての界磁子２１０と、固定子としての電機子２２０とを備える。界磁子２１０は、ｚ方向に延びるシャフト２１１と、このシャフト２１１に取り付けられた可動子コア２１２とを備えている。可動子コア２１２には、複数の永久磁石２１３が取り付けられている。複数の永久磁石２１３は、ｚ方向に交互に極性が異なるように配列されている。

電機子２２０は、少なくとも３つの電機子ユニット２２０Ｕ、２２０Ｖ、２２０Ｗが、ｚ方向に配列されてなる。各電機子ユニット２２０Ｕ、２２０Ｖ、２２０Ｗは、上述の電機子１２０と同様な構成であり、バックヨーク２２２及びティース２２３を有する電機子鉄心２２１と、ティース２２３に巻回されるコイル２２４とを備える。各コイル２２４に三相交流の励磁電流が通電されることにより、界磁子２１０にはｚ方向に進行する推力が与えられる。

図３は、図１に示されたティース１２３の拡大図である。ティース１２３は、バックヨーク１２２からの立ち上がり部分付近の根元部分１２３Ａと、ティース１２３の突出端部付近の先端部分１２３Ｂと、コイル１２４の抜け止めのための先端鍔部１２３Ｃとを備える。従来の一般的なティース１２３は、断面矩形状であり、根元部分１２３Ａから先端部分１２３Ｂに亘って同じ形状を有する。すなわちティース１２３は、先端鍔部１２３Ｃを除いて、ｒ方向（径方向）の全長に亘って、θ方向幅（周方向幅）及びｚ方向幅（軸方向幅）が同一である。コイル１２４は、根元部分１２３Ａから先端部分１２３Ｂに亘って巻回されている。

複数のティース１２３は、ｚ軸からｒ方向に放射状に配列される形態である。隣接するティース１２３間の空隙は、コイル１２４を収容するためのコイル配置スペース（スロット）となる。ｒ方向に断面形状が同一であるティース１２３の場合、隣接するティース１２３同士のθ方向の間隔は、根元部分１２３Ａの方が先端部分１２３Ｂよりも広くなる。このため、コイル１２４の巻回厚さをｒ方向で一定とした場合、隣接する根元部分１２３Ａには、コイル１２４によって占有されないデッドスペースＤＳが、比較的広く形成されてしまう。

図４（Ａ）は、図３に示したデッドスペースＤＳを埋めるように、コイル１２４が巻回された場合の要部拡大図である。コイル１２４は、デッドスペースＤＳを利用した増設コイル部１２４Ｅを備える。増設コイル部１２４Ｅは、ティース１２３のｒ方向外側に向かうに連れてコイルターン数を増加させることによって形成されている。なお、図中では、図３に比較して増加された部分の識別を容易とするために増設コイル部１２４Ｅを表示しているが、実際の増設コイル部１２４Ｅは、１本の絶縁電線に巻回によって形成されるコイル１２４の一部である。

図４（Ｂ）は、図４（Ａ）の軸方向断面を模式的に示す図である。デッドスペースＤＳを埋めるべく、増設コイル部１２４Ｅを備えるように巻回されたコイル１２４とすると、コイル１２４のｚ方向に向かい合う外周面であるコイルエンド１２５が、根元部分１２３Ａにおいて膨出する形状となる。このため、コイル１２４がｚ方向のスペースを余分に占有することになる。

このことは、図１に示す回転電動機１００の場合、ｚ方向長さが増加することから、当該回転電動機１００の小型化を阻害することになる。一方、図２に示す直動電動機２００の場合は、電機子ユニット２２０Ｕ、２２０Ｖ、２２０Ｗ相互間において、コイルエンド１２５同士がｚ方向（可動軸方向）に隣接する態様となる。この場合、電機子鉄心２２１をｚ方向へ密に配列させる必要があるので、ｚ方向に増設コイル部１２４Ｅが膨出するような巻回態様のコイル１２４は採用することができない。

［本発明の実施形態に係る電機子］
上記の問題に鑑み、本実施形態では、電動機を大型化させることなく、且つ、適正なティースの大きさを確保しつつ、広いコイル配置スペースを確保できるティース形状を備えた電動機を例示する。図５は、本発明の実施形態に係る電動機の電機子鉄心２１を示す斜視図である。図６は、図５の電機子鉄心２１のティース２３にコイル２４が巻回された状態を示す斜視図である。ここでの電動機は、図１に示す回転電動機１００、図２に示す直動電動機２００のいずれであっても良い。従って電機子鉄心２１は、回転電動機１００の電機子鉄心１２１若しくは直動電動機２００の電機子鉄心２２１に対応する部材である。なお、回転電動機１００は、モータ及び発電機の双方を含む。

電機子鉄心２１は、バックヨーク２２と、コイル２４が巻回される複数のティース２３とを含む。電機子鉄心２１は、磁性鉄粉を押し固めて成型された圧粉鉄心からなる。バックヨーク２２は、環状の内周壁２２Ａと外周壁２２Ｂとを有する円筒型の部材である。複数のティース２３は、バックヨーク２２の内周壁２２Ａから径方向（ｒ方向）の内側へ各々突設され、バックヨーク２２の周方向（θ方向）に一定ピッチで配列されている。図５では、８個のティース２３がθ方向に等ピッチで配列されている例を示している。

バックヨーク２２のｒ方向の幅は、θ方向において一定である。バックヨーク２２の軸方向（ｚ方向）の厚さは、ティース２３のｚ方向厚さよりも厚く、ティース２３はバックヨーク２２のｚ方向の中央付近からｒ方向の内側へ突設されている。また、バックヨーク２２は、各ティース２３の配置位置に対応して、導線引き出し部２２Ｃを備えている。導線引き出し部２２Ｃは、バックヨーク２２の一部が切り欠かれた凹部であり、コイル２４を形成する絶縁導体のコイル始端又は終端が引き出される部分である。

ティース２３は、バックヨーク２２からのｒ方向内側への立ち上がり部分付近の根元部分２３Ａと、ティース２３の突出端部付近の先端部分２３Ｂと、前記突出端部である頂部２３Ｃとを備える。頂部２３Ｃの内側には略円柱型の空間が存在する。この空間には界磁子１０が挿通される（図９（Ａ）参照）。すなわち、頂部２３Ｃは、界磁子１０のロータコア１２の外周面と対向する。

図６は、本実施形態の電機子２０を示す。電機子２０は、上述の電機子鉄心２１と、複数のコイル２４とを備える。複数のコイル２４は、８本のティース２３に各々巻回されている。コイル２４を形成する絶縁導体は、各々のティース２３を巻芯とし、ティース２３の外周にｒ方向と直交する方向に巻回されている。コイル２４が巻回されるのは、根元部分２３Ａから先端部分２３Ｂの間であり、頂部２３Ｃはコイル２４のｒ方向内側端面から突出している。各コイル２４に励磁電流が通電されることにより回転磁界が形成され、ロータコア１２が備える永久磁石１３が引き寄せられることによって、界磁子１０がシャフト１１回りに回転する。

［ティース形状の詳細］
ティース２３の形状について詳述する。図７（Ａ）は、ティース２３のｚ方向視の平面図、図７（Ｂ）は、ティース２３の側面図である。本実施形態のティース２３は、θ方向の断面が矩形状であるが、ｒ方向において異なる断面形状、つまり根元部分２３Ａと先端部分２３Ｂとで異なる断面形状を有している。ティース２３の根元部分２３Ａは、θ方向に沿った周方向幅θ１と、ｚ方向に沿った軸方向幅ｚ１とを有する。同様に、先端部分２３Ｂは、θ方向に沿った周方向幅θ２と、ｚ方向に沿った軸方向幅ｚ２とを有する。

周方向幅については、根元部分２３Ａが先端部分２３Ｂよりも幅広である一方、軸方向幅については、根元部分２３Ａが先端部分２３Ｂよりも幅狭である。すなわちティース２３は、図７（Ａ）に示す通り、θ１＞θ２であり、図７（Ｂ）に示す通り、ｚ１＜ｚ２である形状を備えている。ティース２３のθ方向の幅は、バックヨーク２２に近づくほど幅広とされ、ｚ方向の幅はバックヨーク２２に近づくほど幅狭とされている。

このような形状とすることで、ティース２３の側面２３１（ｚ方向に延びる面）は、断面形状がｒ方向において一定である従来のティースに比べて、よりｒ方向に沿う傾きを持つようになる。このため、隣接するティース２３の側面２３１間の空隙（スロット）のθ方向幅に、根元部分２３Ａと先端部分２３Ｂとで大きな差が生じなくなる。本実施形態では、前記空隙の根元部分２３Ａにおける幅の方が、先端部分２３Ｂよりやや広くなっている。このことは、隣接する根元部分２３Ａ間に生じる、コイル２４によって占有されないデッドスペースＤＳ（図３参照）を小さくすることに貢献する。また、ティース２３の一対のエンド面２３２（ｒ方向に延びる面）は、先端部分２３Ｂから根元部分２３Ａに向けて徐々に幅狭となるテーパ面となる。従って、ｚ断面において、根元部分２３Ａにおけるコイル配置スペースが拡張されるようになる。

図８（Ａ）は、ティース２３にコイル２４が巻回された状態の軸方向視の平面図、図８（Ｂ）は、その側面図である。図８（Ａ）、（Ｂ）において、コイル２４は断面で描かれている。また、コイル２４の始端又は終端となるコイル端部導体２４１が、バックヨーク２２の導線引き出し部２２Ｃから引き出されている状態が示されている。図８（Ａ）に示す通り、上記のθ１＞θ２の形状的特徴を有するティース２３の各々にコイル２４が巻回されることにより、隣接するティース２３の根元部分２３Ａ間には大きなデッドスペースが生じていない。また、図８（Ｂ）に示す通り、上記のｚ１＜ｚ２の形状的特徴を有することで、コイル２４のｚ方向端面であるコイルエンド２４２が平坦となっている。

図９（Ａ）は、本実施形態に係る回転電動機１の軸方向断面を模式的に示す図、図９（Ｂ）は、図９（Ａ）のＩＸＢ−ＩＸＢ線断面図、図９（Ｃ）は、図９（Ａ）のＩＸＣ−ＩＸＣ線断面図である。回転電動機１は、同心状に配置された界磁子１０と上述の電機子２０とを備える。界磁子１０は、ｚ方向に延びるシャフト１１と、このシャフト１１に取り付けられた円筒状のロータコア１２とを備える。ロータコア１２の外周部付近には、複数の永久磁石１３が周方向に配列されている。電機子２０は、上述の通り電機子鉄心２１及びコイル２４を含み、ティース２３の頂部２３Ｃと永久磁石１３が埋め込まれたロータコア１２の外周面とが、ｒ方向に所定のギャップを隔てて対向するように配置されている。

図９（Ｂ）、（Ｃ）に示す通り、ティース２３の断面形状において、根元部分２３Ａは周方向幅θ１及び軸方向幅ｚ１を、先端部分２３Ｂは周方向幅θ２（θ１＞θ２）及び軸方向幅ｚ２（ｚ１＜ｚ２）を各々有し、両者は形状が相違している。しかし、根元部分２３Ａの断面積と先端部分２３Ｂの断面積とは略同一である。つまり、
根元部分２３Ａの断面積Ａ１＝θ１×ｚ１
先端部分２３Ｂの断面積Ａ２＝θ２×ｚ２
Ａ１≒Ａ２
の関係とされている。断面積Ａ１、Ａ２は、コイル２４への通電時に磁気飽和が生じないような断面積に選ばれている。なお、断面積Ａ１、Ａ２が略同一とは、両者が全く同一である場合は勿論、不可避的に生じる公差に基づく面積差が存在している場合や、磁気飽和特性の観点から実質的に同一とみなすことができる範囲の面積差が存在している場合等を含む概念である。

コイル２４の内径は、周方向幅θ１、θ２及び軸方向幅ｚ１、ｚ２に依存する。すなわち、ティース２３の根元部分２３Ａにおいて、コイル２４は周方向にθ１、軸方向にｚ１の内径を持つ。また、先端部分２３Ｂにおいて、コイル２４は周方向にθ２、軸方向にｚ２の内径を持つ。つまりティース２３は、根元部分２３Ａが、先端部分２３Ｂに比較して、バックヨーク２２のθ方向に沿ったコイル２４の内径を増加させ、ｚ方向に沿ったコイル２４の内径を減少させる形状を有している。

コイル２４は、先端部分２３Ｂよりも根元部分２３Ａの方が厚く巻回されている。すなわち、根元部分２３Ａにおけるティース２３上のコイル巻回厚ｔ１が、先端部分２３Ｂにおけるティース２３上のコイル巻回厚ｔ２よりも厚くなるよう（ｔ１＞ｔ２）、コイルターン数が設定されている。これは、先端部分２３Ｂよりも根元部分２３Ａの方がｒ方向外側に位置しており、上述のＡ１≒Ａ２の関係であれば根元部分２３Ａの方がコイル配置スペースを多く取れるからである。

しかし、コイル巻回厚がｔ１＞ｔ２の関係であっても、ｚ方向に対向する一対のコイルエンド２４２間の厚さにおいては、根元部分２３Ａの厚さｔＡと先端部分２３Ｂの厚さｔＢとは略同一である（ｔＡ≒ｔＢ）。つまり、コイルエンド２４２はｒ方向に延びる平坦な面であり、鍔部の役目を果たすバックヨーク２２のｚ方向端面と略面一であって、図４（Ｂ）に示した比較例のようにｚ方向へコイルエンド２４２が大きく膨出することはない。すなわち、本実施形態では、先端部分２３Ｂから根元部分２３Ａに向かうに連れてコイルターン数は増えているものの、ティース２３の形状によってその増加分が吸収され、コイルエンド２４２には表出しない。これは、図９（Ａ）に模式的に示すように、コイルターン数の増加によって生じる増設コイル部２４Ｅは、ティース２３のエンド面２３２の先細りテーパ形状によって創出されるｚ方向のスペースに収容されるからである。

［電機子の製法例］
図５に示したような電機子鉄心２１は、全体を一体成型物として製造するのは難しい。好ましい製法は、バックヨーク２２を、複数の周方向分割片（円弧片）に分割し、これら分割片の組合せによって円筒型に形成する製法である。また、前記周方向分割片にティース２３の一部を一体的に形成することで、電機子鉄心２１自体を周方向に分割した鉄心ピースの形態とすることが望ましい。このような鉄心ピースを所要個数製作し、これらを円筒型に組み付けることで、電機子鉄心２１を製造することができる。

図１０は、電機子鉄心２１を構成する一つの鉄心ピース３０（周方向分割片）の一例を示す図である。鉄心ピース３０は、バックヨーク部３１と２つのティース部３２とを含む。バックヨーク部３１は、図５に示した電機子鉄心２１のバックヨーク２２をθ方向に８分割した長さを有する円弧片からなる。２つのティース部３２は、それぞれ１つのティース２３を周方向に２分割した形状を有している。ティース部３２は、バックヨーク部３１と一体的に形成される。このような鉄心ピース３０は、上述の圧粉鉄心にて形成されることが望ましい。

電機子鉄心２１の製造に際しては、図１０に示す鉄心ピース３０を８個準備する。これらを、隣り合う鉄心ピース３０において、バックヨーク部３１同士、及びティース部３２同士が接するように環状に配列する。この環状配列体を、回転電動機１が備える図略の支持板に固定する等して、電機子鉄心２１が組み立てられる。

電機子２０を製造するには、電機子鉄心２１のティース２３にコイル２４を巻回する必要がある。ここで、予めコイル２４を巻回しておき、これをティース２３に嵌め込む製法を採れば、製造効率を上げることができる。この場合、コイル２４は、ティース２３の頂部２３Ｃ側から嵌め込まれる。しかし、本実施形態のティース２３は、根元部分２３Ａと先端部分２３Ｂとが異形の形状を有し、ｚ方向のサイズにおいて根元部分２３Ａよりも先端部分２３Ｂが幅広である。そして、コイル２４は、内側に増設コイル部２４Ｅが突出する形態である（図９（Ａ）参照）。従って、コイル２４をティース２３に嵌め込むことができない。この問題は、鉄心ピース３０をさらに複数の分割片で構成することによって解決することができる。

図１１は、図１０に示す鉄心ピース３０が、さらにｚ方向に複数の分割片で構成される場合の、当該鉄心ピース３０の分解斜視図である。鉄心ピース３０の各々は、ｚ方向に分割された第１片４１、第２片４２及び第３片４３の組合せから構成される。第１片４１と第２片４２との間に、第３片４３が配置されている。ここでは、図１１の図示の状態に従って、第１片４１が上側、第２片４２が下側、第３片４３が中央と扱う。

第１片４１は、鉄心ピース３０のバックヨーク部３１の概ね上側３分の１を構成するバックヨーク片４１１と、一対のティース部３２の概ね上側３分の１を構成する一対のティース片４１２とを備える。ティース片４１２のｚ方向幅は、根元部分４１２Ａが先端部分４１２Ｂよりも幅狭である。このため、ティース片４１２の上面４１３は、ｒ方向外側に向かうに連れて下方に傾斜する傾斜面である。一方、ティース片４１２の下面４１４は、傾きなくｒ方向に延びる平面である。また、ティース片４１２のθ方向幅は、根元部分４１２Ａが先端部分４１２Ｂよりも幅広である。これらは、ティース２３の形状を反映したものである。

第２片４２は、バックヨーク部３１の概ね下側３分の１を構成するバックヨーク片４２１と、一対のティース部３２の概ね下側３分の１を構成する一対のティース片４２２とを備える。ティース片４２２のｚ方向幅は、根元部分４２２Ａが先端部分４２２Ｂよりも幅狭である。ティース片４２２の下面４２３は、ｒ方向外側に向かうに連れて上方に傾斜する傾斜面である。一方、ティース片４２２の上面４２４は、傾きなくｒ方向に延びる平面である。また、ティース片４２２のθ方向幅は、根元部分４２２Ａが先端部分４２２Ｂよりも幅広である。

第３片４３は、バックヨーク部３１の概ね中央３分の１を構成するバックヨーク片４３１と、一対のティース部３２の概ね中央３分の１を構成する一対のティース片４３２を備える。ティース片４３２のｚ方向幅は、根元部分４３２Ａから先端部分４３２Ｂにかけて一定である。従って、ティース片４３２の上面４３３及び下面４３４は、いずれも傾きなうｒ方向に延びる平面であって、両者は平行である。一方、ティース片４３２のθ方向幅は、根元部分４３２Ａが先端部分４３２Ｂよりも幅広である。

図１２（Ａ）〜（Ｃ）は、鉄心ピース３０への予め巻回されたコイル２４を組み付ける作業手順を示す図である。コイル２４は、コイル内側に増設コイル部２４Ｅを備えた形態のものが予め準備される。図１２（Ａ）に示すように、先ず鉄心ピース３０の第１片４１と第２片４２との中間組立体が、先端部分４１２Ｂ、４２２Ｂの側からコイル２４に挿通される。この際、第１片４１の下面４１４と第２片４２の上面４２４とが突き合わせた状態とされる。この状態であれば、第３片４３が中抜きされている分、前記中間組立体の先端部分４１２Ｂ、４２２Ｂのｚ方向幅は、コイル２４の根元内径部２４Ａよりも小さくなる。従って、先端部分４１２Ｂ、４２２Ｂのコイル２４への挿入が可能となる。挿入後、コイル２４の根元内径部２４Ａは、第１片４１、第２片４２の根元部分４１２Ａ、４２２Ａと対峙し、先端内径部２４Ｂは先端部分４１２Ｂ、４２２Ｂと対峙することになる。

続いて、図１２（Ｂ）に示すように、コイル２４内へ挿入された状態の第１片４１と第２片４２との間が上下方向に拡開される。これにより、第１片４１の下面４１４と第２片４２の上面４２４との間には、空間Ｇが形成される。空間Ｇを区画する下面４１４と上面４２４とはｒ方向に平行な壁面であって、空間のｚ方向幅は第３片４３のｚ方向幅とほぼ同じである。この空間Ｇに、第３片４３が割り入れられる。第３片４３ティース片４３２のｚ方向幅は一定であるので、第３片４３を空間Ｇへ容易に挿入することができる。

その結果、図１２（Ｃ）に示すように、上から順に第１片４１、第３片４３及び第２片４２が並び、鉄心ピース３０の最終形が形成される。このとき、ティース片４３２の上面４３３は第１片４１の下面４１４と、下面４３４は第２片４２の上面４２４と、各々当接する。また、コイル２４が鉄心ピース３０に嵌め込まれた状態となる。

以上の製法によれば、ティース２３へのコイル２４の組み付け作業において、根元部分と先端部分とで異形の形状を有する第１片４１と第２片４２とを隣接させた中間組立体にコイル２４を挿入し、しかる後、前記中間組立体へ第３片４３を割り入れるという作業が可能となる。従って、コイル内径が根元部分２３Ａ側において小さくなっているコイル２４であっても、ティース２３へコイル２４を簡単に組み付けることができる。

［作用効果］
以上説明した本実施形態に係る電動機によれば、ティース２３の根元部分２３Ａの断面積Ａ１と先端部分２３Ｂの断面積Ａ２とは略同一とされる。断面積Ａ１、Ａ２を、コイル２４への通電時に磁気飽和が生じない値に設定することにより、適正な断面積をティース２３のｒ方向全長において確保することが可能となる。また、先端部分２３Ｂに比較して根元部分２３Ａは、コイル２４の内径を、θ方向には増加させ、ｚ方向には減少させる形状を有する。このようなコイル内径を設定できるティース２３を具備させることで、隣接するティース２３の根元部分２３Ａ間に生じるデッドスペースＤＳを小さくすることができる。また、根元部分２３Ａにおいてコイルエンド２４２がｚ方向に突出しないようにすることができる。

具体的には、ティース２３の断面形状において、根元部分２３Ａは周方向幅θ１及び軸方向幅ｚ１を、先端部分２３Ｂは周方向幅θ２及び軸方向幅ｚ２を各々有し、周方向幅についてはθ１＞θ２の関係とされ、軸方向幅についてはｚ１＜ｚ２の関係とされている。このようにティース２３の周方向幅及び軸方向幅を設定することで、自ずと根元部分２３Ａにおけるコイル２４の内径を、θ方向には増加させ、ｚ方向には減少させることができる。

また、θ方向幅は、バックヨーク２２に近づくほど幅広とされ、ｚ方向幅はバックヨーク２２に近づくほど幅狭とされている。これにより、根元部分２３Ａに向かうに連れて拡大するティース２３間のスペースを、コイル配置スペースとして有効活用することができる。また、ｚ方向幅が徐々に幅狭とされることで、コイルエンド２４２の平坦化を図り易くすることができる。

本発明を適用する電動機が、図１、図９（Ａ）に示したような回転電動機１００、１である場合、ｚ方向のサイズを小型化できる利点がある。すなわち、上記電動機によれば、コイル２４の巻回量を、ティース２３の根元部分２３Ａで多くした場合でも、コイルエンドが根元部分において膨出しない形状とすることができる。

また、本発明を適用する電動機が、図２に示したような直動電動機２００である場合、適正なティース２３の断面積Ａ１、Ａ２を確保しながら、広いコイル配置スペースを確保できる。これにより、単位長あたりの電機子２０の配列数を増加させることが可能となる。従って、高い推力を発生する直動電動機を提供することができる。

［変形実施形態の説明］
図１３は、変形実施形態に係る電動機の電機子鉄心２１Ａを示す斜視図、図１４は、変形実施形態に係る電機子２０Ａを示す斜視図であって、電機子鉄心２１Ａのティース２３にコイル２４が巻回された状態を示す平面図である。電機子鉄心２１Ａは、θ方向に９０°ピッチで配列された４個のティース２３と、これらティース２３間に各々配置され、コイル２４が巻回されない４個の非巻回ティース２５とを備えている。ティース２３は、上記で説明したものと同様に、θ方向幅がバックヨーク２２に近づくほど幅広とされ、ｚ方向幅がバックヨーク２２に近づくほど幅狭とされる形状を有している。

ある種の電機子では、全てのティースにコイル２４を巻回するのではなく、通常のティース２３間にコイル２４が巻回されない非巻回ティース２５が配置される場合がある。図１４に示す通り、ティース２３にはコイル２４が巻回されているが、非巻回ティース２５にはコイル２４が巻回されていない。これにより、コイル２４間の絶縁のために要するスペースを削減できると共に、コイル２４の巻回工数を低減できるメリットがある。

このようなティース構造が採用される場合において、非巻回ティース２５のθ方向幅は、根元部分２５Ａが先端部分２５Ｂよりも幅狭とされている。また、非巻回ティース２５のｚ方向幅は、根元部分２５Ａが先端部分２５Ｂよりも幅広とされている。すなわち、非巻回ティース２５は、根元部分２５Ａにおいて周方向幅θ１１及び軸方向幅ｚ１１を有し、先端部分２５Ｂにおいて周方向幅θ１２及び軸方向幅ｚ１２を有し、θ１１＜θ１２、ｚ１１＞ｚ１２の関係を備えている。これは、コイル２４が巻回されるティース２３とは逆の関係である。

非巻回ティース２５の周方向幅及び軸方向幅を上記の通りとすることで、通常のティース２３と非巻回ティース２５との間のコイル配置スペースを増加させることができる。つまり、非巻回ティース２５の周方向幅を根元部分２５Ａに向かうほど幅狭とすることで、ティース２３と非巻回ティース２５との間の空間を広くすることができ、これをコイル２４を収容するスペースとして活用することができる。

１回転電動機
１０界磁子（ロータ）
１３永久磁石
２０、２０Ａ電機子
２１、２１Ａ電機子鉄心
２２バックヨーク
２３ティース
２３Ａ根元部分
２３Ｂ先端部分
２４コイル
２４２コイルエンド
２５非巻回ティース
３０鉄心ピース（周方向分割片）
４１、４２、４３第１片、第２片、第３片
Ａ１、Ａ２コイルの断面積
θ１、θ２周方向幅
ｚ１、ｚ２軸方向幅

Claims

永久磁石を備えた界磁子と、
円筒型のバックヨークと、該バックヨークから径方向内側へ突設され前記バックヨークの周方向に配列された複数のティースと、前記ティースの各々に巻回される複数のコイルと、を含む電機子と、を備え、
前記ティースは、
前記バックヨーク付近の根元部分と、突出端部付近の先端部分とを備え、
前記根元部分の断面積と前記先端部分の断面積とは略同一である一方、
前記根元部分は、前記先端部分に比較して、前記バックヨークの周方向に沿った前記コイルの内径を増加させ、前記バックヨークの軸方向に沿った前記コイルの内径を減少させる形状を有する電動機であって、
前記ティースは、前記バックヨークの周方向に沿った周方向幅と、前記バックヨークの軸方向に沿った軸方向幅とを有し、
前記周方向幅は、前記根元部分が前記先端部分よりも幅広とされ、前記軸方向幅は、前記根元部分が前記先端部分よりも幅狭とされている電動機において、
周方向に配列された複数のティース間に配置され、前記コイルが巻回されない非巻回ティースをさらに備え、
前記非巻回ティースの前記周方向幅は、前記根元部分が前記先端部分よりも幅狭とされ、前記非巻回ティースの前記軸方向幅は、前記根元部分が前記先端部分よりも幅広とされている、電動機。
請求項１に記載の電動機において、
前記周方向幅は、バックヨークに近づくほど幅広とされ、前記軸方向幅は前記バックヨークに近づくほど幅狭とされている、電動機。
請求項１又は２に記載の電動機において、
前記バックヨークは、複数の周方向分割片の組合せによって前記円筒型を形成するものであって、各周方向分割片は前記ティースの一部を一体的に備え、
前記周方向分割片の各々は、さらに前記軸方向に分割された第１片、第２片及び第３片の組合せからなり、前記第１片と前記第２片との間に前記第３片が配置され、
前記第１片及び前記第２片は、前記軸方向幅が、前記根元部分が前記先端部分よりも幅狭である形状を有し、
前記第３片は、前記軸方向幅が、前記根元部分から前記先端部分まで一定である形状を有する、電動機。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の電動機において、
前記電動機が、固定子としての前記電機子が、可動子としての前記界磁子の可動軸方向に複数個配列されてなる直動電動機である、電動機。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の電動機において、
前記電動機が回転電動機である、電動機。