WO2018135094A1 - モータ - Google Patents

Abstract

モータは、ステータコアと、ステータコアから突出したティースとを有するステータと、ティースにｎ（ｎは３以上の整数）ターン巻回されたコイルとを備える。ティースがステータコアから突出する方向である第１方向に沿った断面において、第１方向における、ティースにコイルが巻回された範囲の中央に、コイルの第ｋ（ｋは整数であり、１＜ｋ＜ｎ）ターンが位置しており、コイルの第ｋターンにおける断面積は、第１ターンおよび第ｎターンにおける断面積よりも大きい。

Description

モータ

　本開示は、モータに関する。特に、モータにおけるコイルの構造に関する。

　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、モータの効率向上、低コスト化が要望されている。

　モータの効率向上の手法の一つとして、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を参照）。

　従来、鋳造または成形などによってコイルを形成する場合、コイルの断面積は、抵抗均一化のために、均一にされていた。一方、モータ効率を低下させる要因の１つが熱である。コイルが巻回されるティースでは、ティースの中心に熱が溜まりやすい。ところが、コイルの断面積は均一であったので、コイルによる放熱効果はその断面積に律束されていた。

独国特許出願公開第１０２０１２２１２６３７号明細書

　本開示は、かかる点に鑑みてなされたもので、その目的は、コイルによる放熱効果をより高めて、高効率のモータを実現することである。

　上記の目的を達成するために、本開示のモータは、ステータコアと、ステータコアから突出したティースとを有するステータと、ティースにｎ（ｎは３以上の整数）ターン巻回されたコイルとを備える。ティースがステータコアから突出する方向である第１方向に沿った断面において、第１方向における、ティースにコイルが巻回された範囲の中央に、コイルの第ｋ（ｋは整数であり、１＜ｋ＜ｎ）ターンが位置しており、コイルの第ｋターンにおける断面積は、第１ターンおよび第ｎターンにおける断面積よりも大きい。

　この構成によれば、ティースの熱が溜まりやすい中央部分におけるコイルの断面積が大きいので、コイルで熱効率を平均化させることができる。よって、コイルによる放熱効果をより高めることができる。したがって、高効率のモータを実現することができる。

　また、本開示のモータにおいて、コイルの第ｋターンにおける断面積は、第１～第ｎターンにおける断面積の中で最大であり、第ｋターンから第１ターンにかけて、断面積は徐々に小さくなっており、かつ、第ｋターンから第ｎターンにかけて、断面積は徐々に小さくなっている、としてもよい。

　また、本開示の別のモータは、ステータコアと、ステータコアから突出したティースとを有するステータと、ティースにｍ（ｍは４以上の偶数）ターン巻回されたコイルとを備える。ティースがステータコアから突出する方向である第１方向に沿った断面において、コイルの第ｊおよび第（ｊ＋１）ターン（ｊは整数であり、１＜ｊ＜ｍ－１）が、第１方向における、ティースにコイルが巻回された範囲の中央に最も近くに位置する２つのターンであり、第ｊターンおよび第（ｊ＋１）ターンにおける断面積は、第（ｊ－１）ターンおよび第（ｊ＋２）ターンにおける断面積よりも大きい。

　この構成によれば、ティースの熱が溜まりやすい中央部分におけるコイルの断面積が大きいので、コイルで熱効率を平均化させることができる。よって、コイルによる放熱効果をより高めることができる。したがって、高効率のモータを実現することができる。

　本開示によれば、コイルによる放熱効果をより高めて、高効率のモータを実現することができる。

実施形態に係るモータを示す上面図である。 実施形態に係るモータを示す側面図である。 図１Ｂにおける１Ｃ－１Ｃ線での断面図である。 図１Ｃの部分拡大図である。 図２において、コイルのターン数を変えた例を示す断面図である。 図２において、コイルのターン数を偶数に変えた例を示す断面図である。

　以下、本開示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、本開示、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）
　（モータ構造）
　図１Ａは、実施形態に係るモータを示す上面図である。図１Ｂは、実施形態に係るモータを示す側面図である。図１Ｃは、図１Ｂにおける１Ｃ－１Ｃ線での断面図である。ただし、いずれの図においても、カバーケース等は図示していない。モータ１は、カバーケース（図示せず）の内部に、シャフト２と、ロータ３と、ステータ４と、コイルＵ１１～Ｕ４１、Ｖ１２～Ｖ４２、Ｗ１１～Ｗ４１と、バスバー５１～５４と、を備えている。

　ここで、シャフト２の長手方向（図１Ａの紙面に対して垂直な方向）をＺ軸方向と呼び、これに直交する方向（図１Ａの紙面に対して平行な方向）をＸ軸方向、Ｙ軸方向と呼ぶことがある。Ｘ軸方向とＹ軸方向は直交する。

　「一体」あるいは「一体化」とは、複数の部品が、ボルト締め、または、かしめ等の機械的に接続されているだけでなく、共有結合、イオン結合、金属結合などの材料結合によって、部品が電気的に接続された１つの物体、または部品全体が溶融などによって材料結合され、電気的に接続された１つの物体の状態をいう。

　ロータ３は、シャフト２の外周に接して設けられている。ロータ３は、ステータ４に対向して、Ｎ極、Ｓ極がシャフト２の外周方向に沿って交互に配置された磁石３１を含んでいる。本実施形態で、ロータ３に用いられる磁石３１として、ネオジム磁石を使用しているが、磁石３１の材料、形状、および材質については、モータの出力等に応じて適宜変更しうる。

　ステータ４は、実質的に円環状のステータコア４１と、ステータコア４１の内周に沿って等間隔に設けられた複数のティース４２と、ティース４２間にそれぞれ設けられたスロット４３とを有している。ステータ４は、Ｚ軸方向から見て、ロータ３の外側に、ロータ３と一定の間隔を持って離間して配置されている。

　ステータコア４１は、例えば、ケイ素等を含有した電磁鋼板を積層した後に打ち抜き加工して形成される。

　なお、本実施形態において、ロータ３の磁極数は、ステータ４に対向するＮ極が５個、Ｓ極が５個の計１０極である。スロット４３の数は１２個である。しかし、ロータ３の磁極数とスロット４３の数は、特にこれらに限定されるものではなく、その他の磁極数とスロット数との組合せについても適用できる。

　ステータ４は１２個のコイルＵ１１～Ｕ４１、Ｖ１２～Ｖ４２、Ｗ１１～Ｗ４１を有している。コイルＵ１１～Ｕ４１、Ｖ１２～Ｖ４２、Ｗ１１～Ｗ４１の各々は、対応するティース４２に対して装着されて、Ｚ軸方向から見て、対応するスロット４３内に配置されている。つまり、コイルＵ１１～Ｕ４１、Ｖ１２～Ｖ４２、Ｗ１１～Ｗ４１はティース４２に対して集中巻になっている。さらに、コイルＵ１１～Ｕ４１がバスバー５１と、コイルＶ１２～Ｖ４２はバスバー５２と、コイルＷ１１～Ｗ４１はバスバー５３とそれぞれ一体化されて配置されている。

　ここで、コイルを表わす符号ＵＰＱ、ＶＰＱ、ＷＰＱのうち、最初の文字はモータ１の各相（本実施形態の場合は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）を表わす。２番目の文字は同相内のコイルの配列順を表わす。３番目の文字はコイルの巻回方向を表わし、本実施形態では、１は時計回り方向、２は反時計回り方向である。従って、コイルＵ１１は、Ｕ相の配列順が１番目のコイルで、巻回方向が時計回り方向であることを表わす。コイルＶ４２は、Ｖ相の配列順が４番目のコイルで、巻回方向が反時計回り方向であることを表わす。なお、時計回りとは、モータ１の中心から見て右回りをいい、「反時計回り」とはモータ１の中心から見て左回りをいう。

　厳密には、コイルＵ１１，Ｕ４１はＵ相のコイルであり、コイルＵ２２，Ｕ３２はＵバー相（Ｕ相のコイルと発生する磁界の向きが逆）のコイルである。しかし、以降の説明では、特に断らない限り、Ｕ相のコイルと総称する。コイルＶ１２～Ｖ４２およびコイルＷ１１～Ｗ４１についても同様に、Ｖ相のコイル、Ｗ相のコイルとそれぞれ総称する。

　（コイル断面の特徴）
　図２は、図１Ｃの部分拡大図である。図２は、ステータコア４１から突出したティース４２と、ティース４２に巻回されたコイル５Ａとを示している。ステータコア４１はモータ外側であり、ティース４２はモータ中心側である。コイル５Ａは、図１Ｃに示したコイルＵ１１～Ｕ４１、Ｖ１２～Ｖ４２、Ｗ１１～Ｗ４１のいずれかに対応する。コイル５Ａは、例えば、銅、アルミニウム、亜鉛、マグネシウム、真鍮、鉄、およびＳＵＳ（Ｓｔｅｅｌ　Ｕｓｅ　Ｓｔａｉｎｌｅｓｓ）などのいずれかを主たる材料として形成されている。

　ここでは、ティース４２がステータコア４１から突出する方向をＲ方向とする。図２は、Ｒ方向に沿った断面を示している。図２では、コイル５Ａは、ティース４２に５ターン巻回されている。Ａ１～Ａ５はそれぞれ、第１ターンから第５ターンにおけるコイル５Ａの断面を示している。また、符号Ａ１～Ａ５はそれぞれ、当該断面Ａ１～Ａ５の断面積を表す場合もある。

　本実施形態では、コイル５Ａの各ターンにおける断面積は均一ではなく、異なっている。Ｒ方向において、ティース４２にコイル５Ａが巻回された範囲を範囲Ｗとする。ここでは、範囲Ｗの中央にコイル５Ａの第３ターンの断面Ａ３が位置している。コイル５Ａの第３ターンにおける断面Ａ３は、範囲Ｗの両端に位置している、第１ターンにおける断面Ａ１および第５ターンにおける断面Ａ５よりも、面積が大きい。

　図２の構成では、コイル５Ａの第３ターンにおける断面Ａ３は、第１～第５ターンにおける断面Ａ１～Ａ５の中で、面積が最大である。第３ターンから第１ターンにかけて、断面積は徐々に小さくなっている（Ａ３＞Ａ２＞Ａ１）。第３ターンから第５ターンにかけて、断面積は徐々に小さくなっている（Ａ３＞Ａ４＞Ａ５）。言い換えると、コイル５Ａの断面積は、範囲Ｗにおいて中央から両端にかけて徐々に小さくなっている。

　このように、ティース４２の熱が溜まりやすい中央部分におけるコイル５Ａの断面積を大きくすることによって、コイル５Ａ内で熱効率を平均化させることができる。

　本実施形態において、コイルのターン数を５としたが、特にこれに限定されるものではない。コイルのターン数は、モータ１のサイズまたは性能等によって適宜変更しうる。

　図３は、図２において、コイルのターン数を変えた例を示す断面図である。図３は、コイルのターン数を７とした場合の構成を示す。図３は、図２と同様に、ステータコア４１から突出したティース４２と、ティース４２に巻回されたコイル５Ｂとを示している。コイル５Ｂは、コイル５Ａと同様に、図１Ｃに示したコイルＵ１１～Ｕ４１、Ｖ１２～Ｖ４２、Ｗ１１～Ｗ４１のいずれかに対応する。コイル５Ｂは、例えば、銅、アルミニウム、亜鉛、マグネシウム、真鍮、鉄、およびＳＵＳなどのいずれかを主たる材料として形成されている。

　コイル５Ｂは、ティース４２に７ターン巻回されている。Ｂ１～Ｂ７はそれぞれ、第１ターンから第７ターンにおけるコイル５Ｂの断面を示している。また、符号Ｂ１～Ｂ７はそれぞれ、当該断面Ｂ１～Ｂ７の断面積を表す場合もある。

　図３の構成では、範囲Ｗの中央に、コイル５Ｂの第４ターンの断面Ｂ４が位置している。コイル５Ｂの第４ターンにおける断面Ｂ４は、範囲Ｗの両端に位置している、第１ターンにおける断面Ｂ１および第７ターンにおける断面Ｂ７よりも、面積が大きい。図３の構成では、コイル５Ｂの第４ターンにおける断面Ｂ４は、第１～第７ターンにおける断面Ｂ１～Ｂ７の中で、面積が最大である。第４ターンから第１ターンにかけて、断面積は徐々に小さくなっている（Ｂ４＞Ｂ３＞Ｂ２＞Ｂ１）。第４ターンから第７ターンにかけて、断面積は徐々に小さくなっている（Ｂ４＞Ｂ５＞Ｂ６＞Ｂ７）。言い換えると、コイル５Ｂの断面積は、範囲Ｗにおいて中央から両端にかけて徐々に小さくなっている。

　コイルのターン数が５および７以外であっても、ここで説明したものと同様に構成すればよい。すなわち、ティースにコイルがｎ（ｎは３以上の整数）ターン巻回された範囲の中央に、コイルの第ｋ（ｋは整数であり、１＜ｋ＜ｎ）ターンが位置しているとき、コイルの第ｋターンにおける断面積を、第１ターンおよび第ｎターンにおける断面積よりも大きくすればよい。

　ターン数は偶数であってもよい。図４は、図２において、コイルのターン数を偶数に変えた例を示す断面図である。図４は、コイルのターン数を８とした場合の構成を示す。図４は、図２と同様に、ステータコア４１から突出したティース４２と、ティース４２に巻回されたコイル５Ｃとを示している。コイル５Ｃは、コイル５Ａ，５Ｂと同様に、図１Ｃに示したコイルＵ１１～Ｕ４１、Ｖ１２～Ｖ４２、Ｗ１１～Ｗ４１のいずれかに対応する。コイル５Ｃは、例えば、銅、アルミニウム、亜鉛、マグネシウム、真鍮、鉄、およびＳＵＳなどのいずれかを主たる材料として形成されている。

　コイル５Ｃは、ティース４２に８ターン巻回されている。Ｃ１～Ｃ８はそれぞれ、第１ターンから第８ターンにおけるコイル５Ｃの断面を示している。また、符号Ｃ１～Ｃ８はそれぞれ、当該断面Ｃ１～Ｃ８の断面積を表す場合もある。

　図４の構成では、範囲Ｗの中央に最も近く位置するコイル５Ｃの２つのターンは、第４および第５ターンである。すなわち、範囲Ｗの中央近くに、第４および第５ターンの断面Ｃ４，Ｃ５が位置している。第４および第５ターンにおける断面Ｃ４，Ｃ５は、それらの両側に位置している、第３ターンにおける断面Ｃ３および第６ターンにおける断面Ｃ６よりも、面積が大きい。なお、断面積Ｃ４，Ｃ５は、同じであってもよいし、いずれか一方が他方より大きくてもかまわない。

　このように、ティース４２の熱が溜まりやすい中央部分におけるコイル５Ｃの断面積を大きくすることによって、コイル５Ｃ内で熱効率を平均化させることができる。

　なお、コイルのターン数が８以外の偶数であっても、ここで説明したものと同様に構成すればよい。すなわち、ティースにコイルがｍ（ｍは４以上の偶数）ターン巻回された範囲の中央に最も近く、コイルの第ｊおよび（ｊ＋１）（ｊは整数であり、１＜ｊ＜ｍ－１）ターンが位置しているとき、コイルの第ｊターンおよび（ｊ＋１）ターンにおける断面積を、第（ｊ－１）ターンおよび第（ｊ＋２）ターンにおける断面積よりも大きくすればよい。

　以上のように、本実施形態のモータ１は、ステータコア４１と、ステータコア４１から突出したティース４２とを有するステータ４と、ティース４２にｎ（ｎは３以上の整数）ターン巻回されたコイル５Ａとを備える。ティース４２がステータコア４１から突出する方向である第１方向に沿った断面において、第１方向における、ティース４２にコイル５Ａが巻回された範囲の中央に、コイル５Ａの第ｋ（ｋは整数であり、１＜ｋ＜ｎ）ターンが位置しており、コイル５Ａの第ｋターンにおける断面積は、第１ターンおよび第ｎターンにおける断面積よりも大きい。

　これにより、ティース４２の熱が溜まりやすい中央部分におけるコイル５Ａの断面積が大きいので、コイル５Ａで熱効率を平均化させることができる。よって、コイル５Ａによる放熱効果をより高めることができる。したがって、高効率のモータを実現することができる。

　また、モータ１において、コイル５Ａの第ｋターンにおける断面積は、第１～第ｎターンにおける断面積の中で最大であり、第ｋターンから第１ターンにかけて、断面積は徐々に小さくなっており、かつ、第ｋターンから第ｎターンにかけて、断面積は徐々に小さくなっている、としてもよい。

　また、本実施形態のモータ１は、ステータコア４１と、ステータコア４１から突出したティース４２とを有するステータ４と、ティース４２にｍ（ｍは４以上の偶数）ターン巻回されたコイル５Ｃとを備える。ティース４２がステータコア４１から突出する方向である第１方向に沿った断面において、コイル５Ｃの第ｊおよび第（ｊ＋１）ターン（ｊは整数であり、１＜ｊ＜ｍ－１）が、第１方向における、ティース４２にコイル５Ｃが巻回された範囲の中央に最も近くに位置する２つのターンであり、第ｊターンおよび第（ｊ＋１）ターンにおける断面積は、第（ｊ－１）ターンおよび第（ｊ＋２）ターンにおける断面積よりも大きい。

　これにより、ティース４２の熱が溜まりやすい中央部分におけるコイル５Ｃの断面積が大きいので、コイル５Ｃで熱効率を平均化させることができる。よって、コイル５Ｃによる放熱効果をより高めることができる。したがって、高効率のモータを実現することができる。

　本開示に係るモータは、コイルによる放熱効果をより高めることができる。したがって、高効率かつ低コストのモータを実現する上で有用である。

　１　　モータ
　２　　シャフト
　３　　ロータ
　４　　ステータ
　５Ａ，５Ｂ，５Ｃ　　コイル
　３１　　磁石
　４１　　ステータコア
　４２　　ティース
　４３　　スロット
　５１，５２，５３，５４　　バスバー
　Ａ１～Ａ５　　コイル５Ａの各ターンにおける断面
　Ｂ１～Ｂ７　　コイル５Ｂの各ターンにおける断面
　Ｃ１～Ｃ８　　コイル５Ｃの各ターンにおける断面
　Ｕ１１，Ｕ２２，Ｕ３２，Ｕ４１，Ｖ１２，Ｖ２１，Ｖ３１，Ｖ４２，Ｗ１１，Ｗ２２，Ｗ３２，Ｗ４１　　コイル

Claims (3)

1. ステータコアと、前記ステータコアから突出したティースとを有するステータと、
   前記ティースにｎ（ｎは３以上の整数）ターン巻回されたコイルとを備え、
   前記ティースが前記ステータコアから突出する方向である第１方向に沿った断面において、
   前記第１方向における、前記ティースに前記コイルが巻回された範囲の中央に、前記コイルの第ｋ（ｋは整数であり、１＜ｋ＜ｎ）ターンが位置しており、
   前記コイルの第ｋターンにおける断面積は、第１ターンおよび第ｎターンにおける断面積よりも大きいモータ。
2. 前記コイルの第ｋターンにおける前記断面積は、第１～第ｎターンにおける断面積の中で最大であり、
   第ｋターンから第１ターンにかけて、断面積は徐々に小さくなっており、かつ、第ｋターンから第ｎターンにかけて、断面積は徐々に小さくなっている請求項１記載のモータ。
3. ステータコアと、前記ステータコアから突出したティースとを有するステータと、
   前記ティースにｍ（ｍは４以上の偶数）ターン巻回されたコイルとを備え、
   前記ティースが前記ステータコアから突出する方向である第１方向に沿った断面において、
   前記コイルの第ｊおよび第（ｊ＋１）ターン（ｊは整数であり、１＜ｊ＜ｍ－１）が、前記第１方向における、前記ティースに前記コイルが巻回された範囲の中央に最も近くに位置する２つのターンであり、
   第ｊターンおよび第（ｊ＋１）ターンにおける断面積は、第（ｊ－１）ターンおよび第（ｊ＋２）ターンにおける断面積よりも大きいモータ。

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