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1. (WO2019008930) STATOR AND MOTOR
Document

明 細 書

発明の名称 ステータおよびモータ

技術分野

0001  

背景技術

0002  

発明の概要

発明が解決しようとする課題

0003   0004  

課題を解決するための手段

0005  

発明の効果

0006  

図面の簡単な説明

0007  

発明を実施するための形態

0008   0009   0010   0011   0012   0013   0014   0015   0016   0017   0018   0019   0020   0021   0022   0023   0024   0025   0026   0027   0028   0029   0030   0031   0032   0033   0034   0035   0036   0037   0038   0039   0040   0041   0042   0043   0044   0045   0046   0047   0048   0049  

産業上の利用可能性

0050  

符号の説明

0051  

請求の範囲

1   2   3   4   5   6   7   8  

図面

1   2   3   4   5   6   7   8   9   10  

明 細 書

発明の名称 : ステータおよびモータ

技術分野

[0001]
 本発明は、ステータおよびモータに関する。

背景技術

[0002]
 特開2002-101583号公報には、ロータコアの位置を検出する電動機が開示されている。当該公報に記載の電動機は、ロータの軸方向に対向する位置に、位置検出素子を配置し、位置検出素子に、ロータのマグネットからの磁束を通過させて、位置検出している。そして、位置検出素子への磁束量を増加させるために、回転軸の軸方向におけるマグネットの長さを長くした構造としている。
特許文献1 : 特開2002-101583号公報

発明の概要

発明が解決しようとする課題

[0003]
 特開2002-101583号公報に記載の構造の電動機において、マグネットからの磁束をステータコアにより多く取り込むことができれば、ステータコアを有効活用できる。その結果、電動機の入力電力に対する出力トルクの比率を高めることができ、モータの効率を向上させることができる。このため、ステータコアへ取り込む磁束をより多くすることが望まれる。
[0004]
 本発明の目的は、ステータコアの積厚長さを厚くすることなく、ステータコアへマグネットからの磁束をより多く取り込むことができるステータコアおよびモータを提供することである。

課題を解決するための手段

[0005]
 本願の例示的な発明は、モータのステータであって、上下に延びる中心軸を取り囲む環状のコアバックと、前記コアバックから径方向に延びた複数のティースと、を有する磁性体のステータコアと、少なくとも前記ティースの一部を覆う樹脂製のインシュレータと、前記インシュレータを介して前記ティースに巻かれた導線からなるコイルと、を備え、前記ステータコアは、非磁性かつ電気的絶縁である絶縁体が介在することで、軸方向において複数の領域に分割される。

発明の効果

[0006]
 本願の例示的な発明によれば、ステータコアの積厚長さが同じである条件において、ステータコアを非磁性材料で分割しない構造と比べて、マグネットからの磁束をより多く取り込むことができる。これにより、ステータコアを磁路として有効に用いることができる。この結果、ステータコアの積厚長さを増加させる、つまり、より多くのステータコアを軸方向に増やさなくとも、モータの入力電力に対する出力電力の比率を高めることができ、モータの効率を向上させることができる。

図面の簡単な説明

[0007]
[図1] 図1は、モータの縦断面図である。
[図2] 図2は、ステータが有するステータコアの斜視図である。
[図3] 図3は、ステータコアを通る磁束を説明するための図である。
[図4] 図4は、ステータコアの磁束分布を示す図である。
[図5] 図5は、非磁性層を設けないステータコアを通る磁束を説明するための図である。
[図6] 図6は、ステータコアの磁束分布を示す図である。
[図7] 図7は、ステータコアに磁束が流れ込むことで生じる誘起電圧の波形を示す図である。
[図8] 図8は、2つの非磁性層により、磁性領域を3つに分割したステータコアを通る磁束を説明するための図である。
[図9] 図9は、非磁性層の数の違いによる、ステータコアの誘起電圧の波形を示す図である。
[図10] 図10は、分離可能なステータコアを示す図である。

発明を実施するための形態

[0008]
 以下、本発明の例示的な実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本願では、モータの中心軸と平行な方向を「軸方向」、モータの中心軸に直交する方向を「径方向」、モータの中心軸を中心とする円弧に沿う方向を「周方向」、とそれぞれ称する。また、本願では、軸方向を上下方向として、各部の形状や位置関係を説明する。ただし、この上下方向の定義により、本発明に係るモータの製造時および使用時の向きを限定する意図はない。
[0009]
 <1.モータの全体構成>
 図1は、モータ1の縦断面図である。モータ1は、空調機等の家電製品に使用される。ただし、モータ1は、家電製品以外の用途に使用されるものであってもよい。例えば、モータ1は、自動車または鉄道等の輸送機器、OA機器、医療機器、工具、産業用の大型設備等に搭載されて、種々の駆動力を発生させるものであってもよい。
[0010]
 モータ1は、静止部2と回転部3とを備えている。静止部2は、家電製品の枠体に固定される。回転部3は、静止部2に対して回転可能に支持されている。
[0011]
 静止部2は、ステータ21、回路基板22、樹脂ケーシング23、下軸受部24、および上軸受部25を有している。
[0012]
 ステータ21は、駆動電流に応じて磁束を発生させる電機子である。ステータ21は、ステータコア211、インシュレータ212、および複数のコイル213を有している。
[0013]
 図2は、ステータ21が有するステータコア211の斜視図である。図2に示すステータコア211は、中心軸9を含む断面で切断した状態を示す。図2では、インシュレータ212およびコイル213の図示は省略している。
[0014]
 ステータコア211は、複数の分割コア40により構成されている。複数の分割コア40は、周方向に配列されている。各分割コア40は、コアバック41とティース42とを有している。複数のコアバック41は、互いに接触することにより、全体として、中心軸9を中心とする円環状となる。ティース42は、コアバック41から径方向内側へ向けて延びている。
[0015]
 分割コア40は、軸方向に、磁性層40Aと、非磁性層40Bと、磁性層40Cとが積層されて構成されている。磁性層40A、40Cは、例えば、電磁鋼板が積層されてなる。非磁性層40Bは、例えば、非磁性かつ電気的絶縁である樹脂材料からなる絶縁体である。磁性層40Aは、非磁性層40Bの軸方向上側に積層され、磁性層40Cは、非磁性層40Bの軸方向下側に積層されている。つまり、分割コア40の磁性領域は、非磁性層40Bが介在することで、軸方向において複数の領域に分割されている。なお、ステータコア211は、一繋がりの円環状のコアでもあってもよい。
[0016]
 本実施形態では、非磁性層40Bは、分割コア40の磁性領域を均等に分割している。したがって、2つの磁性層40A、40Cの軸方向の長さは同じである。そして、非磁性層40Bは、ティース42の軸方向の中央に配置されている。
[0017]
 インシュレータ212は、ステータコア211に取り付けられている。インシュレータ212の材料には、絶縁体である樹脂が用いられている。インシュレータ212は、各ティース42の軸方向の両端面および周方向の両面を覆うティース絶縁部51を有している。コイル213は、ティース絶縁部51に巻かれた導線からなっている。すなわち、コイル213を構成する導線は、インシュレータ212のティース絶縁部51を介してティース42に巻かれている。
[0018]
 インシュレータ212は、上側壁部52を有している。上側壁部52は、ティース絶縁部51の径方向内側および外側の両端部から、軸方向上側および周方向の両側へ向けて広がっている。また、インシュレータ212は、下側壁部53を有している。下側壁部53は、ティース絶縁部51の径方向内側および外側の両端部から、軸方向下側および周方向の両側へ向けて広がっている。上側壁部52および下側壁部53は、コイル213の巻き崩れを抑制し、コイル213を構成する導線が径方向内側および外側へはみ出すことを防止する。
[0019]
 インシュレータ212は、非磁性層40Bと同一部材であってもよいし、非磁性層40Bと別部材であってもよい。
[0020]
 回路基板22は、ステータ21の軸方向上側に位置し、中心軸9に対して略垂直に配置されている。回路基板22は、インシュレータ212の上端部に、例えば溶着により固定されている。回路基板22には、コイル213に駆動電流を供給するための電気回路が搭載されている。コイル213を構成している導線の端部は、回路基板22上の電気回路と電気的に接続されている。外部電源から供給される電流は、回路基板22を介してコイル213へ流れる。
[0021]
 樹脂ケーシング23は、ステータ21および回路基板22を保持する樹脂製の部材である。樹脂ケーシング23は、ステータ21および回路基板22が収容された金型内の空洞に、樹脂を流し込むことにより得られる。すなわち、樹脂ケーシング23は、ステータ21および回路基板22をインサート部品とする樹脂成型品である。したがって、ステータ21および回路基板22は、少なくとも部分的に、樹脂ケーシング23に覆われている。
[0022]
 樹脂ケーシング23は、円筒部231および天板部232を有している。円筒部231は、軸方向に略円筒状に延びている。ステータ21の少なくともコアバック41は、円筒部231を構成する樹脂に覆われている。また、円筒部231の径方向内側には、後述するロータ32が配置されている。天板部232は、ステータコア211およびロータ32よりも軸方向上側において、円筒部231から径方向内側へ広がる。天板部232の中央には、後述するシャフト31を通すための円孔233が設けられている。
[0023]
 下軸受部24は、ロータ32よりも軸方向下側において、シャフト31を回転可能に支持している。上軸受部25は、ロータ32よりも軸方向上側において、シャフト31を回転可能に支持している。下軸受部24および上軸受部25には、内輪と外輪との間に複数の球体が介在するボールベアリングが、使用されている。下軸受部24の外輪は、金属製の下カバー部材241を介して、樹脂ケーシング23の円筒部231に固定されている。上軸受部25の外輪は、金属製の上カバー部材251を介して、樹脂ケーシング23の天板部232に固定されている。ただし、ボールベアリングに代えて、すべり軸受または流体軸受等の他方式の軸受が、使用されていてもよい。
[0024]
 回転部3は、シャフト31およびロータ32を有している。シャフト31は、軸方向に延びる円柱状の部材である。シャフト31は、下軸受部24および上軸受部25に支持され、中心軸9を中心として回転する。シャフト31の上端部は、樹脂ケーシング23の上面よりも軸方向上側へ突出している。シャフト31の上端部には、例えば、空調機用のファンが取り付けられる。ただし、シャフト31は、ギア等の動力伝達機構を介して、ファン以外の駆動部に連結されるものであってもよい。
[0025]
 なお、本実施形態のシャフト31は、樹脂ケーシング23の軸方向上側へ突出しているが、これに限定されない。シャフト31は、樹脂ケーシング23の軸方向下側へ突出し、その下端部が駆動部と連結されるようになっていてもよい。また、シャフト31は、樹脂ケーシング23の軸方向上側および軸方向下側の双方に突出し、その上端部および下端部の双方が、それぞれ駆動部に連結されるようになっていてもよい。
[0026]
 ロータ32は、シャフト31に固定されていて、シャフト31とともに回転する。ロータ32は、ロータコア321および複数のマグネット322を有している。ロータコア321は、磁性体である電磁鋼板が軸方向に積層された積層鋼板からなる。複数のマグネット322は、ロータコア321の外周面に配置されている。各マグネット322の径方向外側の面は、ティース42の径方向内側の端面と径方向に対向する磁極面となる。複数のマグネット322は、N極の磁極面とS極の磁極面とが交互に並び、周方向に等間隔に配列されている。
[0027]
 また、マグネット322の軸方向の長さは、少なくとも、ステータコア211の軸方向の長さよりも長い。そして、マグネット322の軸方向の上側端部は、ステータコア211の軸方向の上側端部よりも上側に位置している。また、マグネット322の軸方向の下側端部は、ステータコア211の軸方向の下側端部よりも下側に位置している。マグネット322の長さをステータコア211よりも長くすることで、ステータコア211には、より多くの磁束が取り込まれるようになり、モータ1の効率を高めることができる。また、この場合において、ステータコア211の上側端部から、マグネット322の上側端部までの長さ、および、ステータコア211の下側端部から、マグネット322の下側端部までの長さの少なくとも一方は、非磁性層40Bの厚さよりも長い。
[0028]
 なお、複数のマグネット322に代えて、単一の円環状のマグネットが使用されていてもよい。円環状のマグネットを使用する場合には、マグネットの外周面に、N極とS極とが、周方向に交互に着磁されていればよい。また、マグネットの一部は、ロータコアの内部に埋め込まれていてもよい。また、マグネットは、磁性体粉を配合した樹脂で成型され、シャフト31に連結されていてもよい。
[0029]
 モータ1の駆動時には、回路基板22を介してコイル213に駆動電流が供給される。そうすると、ステータコア211の複数のティース42に、磁束が生じる。そして、ティース42とマグネット322との間の磁束が及ぼす作用により、周方向のトルクが発生する。その結果、中心軸9を中心として回転部3が回転する。
[0030]
 <2.ステータコアの磁束について>
 上記のように、本実施形態では、ステータコア211、詳しくは、複数の分割コア40それぞれの磁性領域を、非磁性層40Bで軸方向に分割している。この場合、ステータコア211の磁性領域の軸方向の長さが同じである条件において、ステータコア211を非磁性層40Bで分割しない構造と比べて、マグネット322からの磁束をステータコア211へより多く取り込むことができる。以下、マグネット322からステータコア211への磁束について説明する。
[0031]
 図3は、ステータコア211を通る磁束を説明するための図である。図3では、磁束を破線矢印で示している。また、図3に示す、コアバック41およびティース42等は、簡略化して示している。図4は、ステータコア211の磁束分布を示す図である。
[0032]
 前記のように、マグネット322は、軸方向において、ティース42よりも軸方向上下に突出している。以下、軸方向において、ティース42よりも上側に突出したマグネット322の部分を、上側オーバーハング部322Aと称する。また、ティース42よりも下側に突出したマグネット322の部分を、下側オーバーハング部322Bと称する。また、非磁性層40Bと径方向に対向するマグネット322の部分を、中央部322Cと称する。
[0033]
 磁性層40A全体には、径方向に対向するマグネット322から径方向に沿った磁束が流れ込む。また、磁性層40Aの軸方向の上側端部には、上側オーバーハング部322Aから、径方向外向きかつ下向きに傾斜する方向に沿った磁束が流れ込む。さらに、磁性層40Aの軸方向の下側端部は、中央部322Cから、径方向外向きかつ上向きに傾斜する方向に沿った磁束が流れ込む。
[0034]
 同様に、磁性層40C全体には、径方向に対向するマグネット322から径方向に沿った磁束が流れ込む。また、磁性層40Cの軸方向の上側端部には、中央部322Cから、径方向外向きかつ下向きに傾斜する方向に沿った磁束が流れ込む。さらに、磁性層40Cの軸方向の下側端部は、下側オーバーハング部322Bから、径方向外向きかつ上向きに傾斜する方向に沿った磁束が流れ込む。
[0035]
 なお、以下、磁性層40Aの軸方向の下側端部、および磁性層40Cの軸方向の上側端部を、ステータコア211の中央部と称する。
[0036]
 このように、軸方向において、ステータコア211の上側端部、下側端部、および中央部には、径方向以外の方向(径方向に傾斜する方向)からの磁束が流れ込む。これにより、ステータコア211の上側端部、下側端部、および中央部に流れ込む磁束の磁束量は、略同じになる。その結果、図4に示すように、軸方向において、ステータコア211の磁束密度は、非磁性層40Bを除く領域で、略均等となる。
[0037]
 以下に、本実施形態との対比のために、非磁性層40Bを設けない場合の、ステータコア211の磁束密度について説明する。
[0038]
 図5は、非磁性層を設けないステータコア211Aを通る磁束を説明するための図である。図6は、ステータコア211Aの磁束分布を示す図である。なお、図5に示すステータコア211Aの磁性領域の軸方向の長さは、本実施形態のステータコア211の磁性領域と同じである。
[0039]
 ステータコア211A全体には、径方向に対向するマグネット322から径方向に沿った磁束が流れ込む。また、ステータコア211Aの軸方向の上側端部には、上側オーバーハング部322Aから、径方向外向きかつ下向きに傾斜する方向に沿った磁束が流れ込む。さらに、ステータコア211Aの軸方向の下側端部は、下側オーバーハング部322Bから、径方向外向きかつ上向きに傾斜する方向に沿った磁束が流れ込む。これにより、ステータコア211Aの上側端部および下側端部に流れ込む磁束の磁束量は、略同じになる。一方で、ステータコア211Aの中央部に流れ込む磁束の磁束量は、ステータコア211Aの上側端部および下側端部よりも少ない。その結果、図6に示すように、ステータコア211Aの磁束密度は、軸方向に偏りが生じる。
[0040]
 図7は、ステータコアに磁束が流れ込むことで生じる誘起電圧の波形を示す図である。図7では、非磁性層40Bを設けた、本実施形態のステータコア211の誘起電圧を実線で示し、非磁性層40Bを設けない図4のステータコア211Aの誘起電圧を破線で示す。
[0041]
 図7に示すように、非磁性層40Bを設けたステータコア211の誘起電圧は、非磁性層40Bを設けないステータコア211Aの誘起電圧よりも高い。つまり、ステータコア211に流れ込む磁束の磁束量は、ステータコア211Aよりも多い。
[0042]
 以上のように、ステータコアの磁性領域の積厚長さが同じである条件において、ステータコアの磁性領域を非磁性層40Bで分割した構造の方が、ステータコアの磁性領域を非磁性層40Bで分割しない構造と比べて、マグネット322からの磁束をより多く取り込むことができる。これにより、ステータコア211を磁路として有効に用いることができる。この結果、ステータコア211の磁性領域の積厚長さを増加させなくとも、モータ1の入力電力に対する出力電力の比率を高めることができ、モータ1の効率を向上させることができる。
[0043]
 また、ステータコア211へより多くの磁束を通し、誘起電圧を高くできることで、コイル213の巻き数を少なくすることができる。コイル213の巻き数を少なくすると、コイル213の導線の太さを太くできる。その結果、導線での銅損を低減でき、効率を向上させることができる。
[0044]
 <3.変形例>
 以上、本発明の例示的な実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態には限定されない。
[0045]
 上記の実施形態では、ステータコア211の磁性領域は、非磁性層40Bにより、二分されているが、図8に示すように、3つ以上領域に分割されていてもよい。図8は、2つの非磁性層40Bにより、磁性領域を3つに分割したステータコア211Bを通る磁束を説明するための図である。この場合、ステータコア211には、軸方向に磁束を取り込む面が増える。したがって、さらに多くの磁束を取り込むことができる。
[0046]
 図9は、非磁性層40Bの数の違いによる、ステータコアの誘起電圧の波形を示す図である。図9では、非磁性層40Bが2つのステータコア211Bの電圧波形を破線で示し、非磁性層40Bが1つのステータコア211の電圧波形を破線で示す。図9に示すように、非磁性層40Bの数が多く、ステータコアの磁性領域をより多く分割した構造の方が、高い誘起電圧を得ることができる。
[0047]
 また、上記実施形態では、非磁性層40Bは、ステータコア211の磁性領域を、軸方向に、二等分する位置に設けられているが、これに限定されない。例えば、磁性層40Aの軸方向の長さが、磁性層40Cの軸方向の長さよりも長くてもよいし、その逆であってもよい。ただし、磁性層40Aまたは磁性層40Cの軸方向の長さが小さ過ぎると、その磁性層内の磁路となる領域が狭くなって、磁束が流れにくくなる。このため、ステータコア211の複数の磁性層40A、40Cの少なくとも一つの軸方向の長さは、非磁性層40Bの厚さよりも長いことが好ましい。
[0048]
 上記実施形態では、ステータコア211の上側端部から、マグネット322の上側端部までの長さ、および、ステータコア211の下側端部から、マグネット322の下側端部までの長さの少なくとも一方は、非磁性層40Bの厚さよりも長い。これにより、ステータコア211の磁束密度をさらに高めることができる。しかしながら、非磁性層40Bの厚さは、これに限定されない。
[0049]
 また、ステータコア211は、軸方向に上下に分離可能な構造であってもよい。図10は、分離可能なステータコア211を示す図である。非磁性層40Bは、第1層40B1と、第2層40B2とが積層されてなる。そして、ステータコア211は、第1層40B1と、第2層40B2との間を境に、図9に示すように、軸方向に上下に分離可能となる。この構成において、上下に分離した2つのステータコアを取り付けると同時に、非磁性層を設ける方法の場合、金型または治具によるステータコアの位置決めが難しい。これに対し、図9に示すように、分離した2つのステータコアの双方に非磁性層を設けておくことで、2つのステータコアを取り付ければ非磁性層40Bが構成されるため、非磁性層40Bの形成時におけるステータコアの位置決めが容易となる。なお、分離した2つのステータコアが取り付けられた後に、ティース42に導線が巻かれて、コイル213が設けられる。

産業上の利用可能性

[0050]
 本発明は、ステータおよびモータに利用できる。

符号の説明

[0051]
1    :モータ
2    :静止部
3    :回転部
9    :中心軸
21   :ステータコア
22   :回路基板
23   :樹脂ケーシング
24   :下軸受部
25   :上軸受部
31   :シャフト
32   :ロータ
40   :分割コア
40A  :磁性層
40B  :非磁性層
40B1 :第1層
40B2 :第2層
40C  :磁性層
41   :コアバック
42   :ティース
51   :ティース絶縁部
52   :上側壁部
53   :下側壁部
211  :ステータコア
211A :ステータコア
211B :ステータコア
212  :インシュレータ
213  :コイル
231  :円筒部
232  :天板部
233  :円孔
241  :下カバー部材
251  :上カバー部材
321  :ロータコア
322  :マグネット
322A :上側オーバーハング部
322B :下側オーバーハング部
322C :中央部


請求の範囲

[請求項1]
 モータのステータであって、
 上下に延びる中心軸を取り囲む環状のコアバックと、前記コアバックから径方向に延びた複数のティースと、を有する磁性体のステータコアと、
 少なくとも前記ティースの一部を覆う樹脂製のインシュレータと、
 前記インシュレータを介して前記ティースに巻かれた導線からなるコイルと、
を備え、
 前記ステータコアは、
  非磁性かつ電気的絶縁である絶縁体が介在することで、軸方向において複数の領域に分割される、
 ステータ。
[請求項2]
 請求項1に記載のステータであって、
 前記絶縁体は樹脂材料である、
 ステータ。
[請求項3]
 請求項1または請求項2に記載のステータであって、
 前記ステータコアは、複数の前記絶縁体を有し、複数の前記絶縁体により、三つ以上の領域に分割されている、
 ステータ。
[請求項4]
 請求項1から請求項3に記載のステータを有するモータであって、
 中心軸を中心に回転するロータ、を備え、
 前記ロータは、前記ステータコアと対向する位置にマグネットを有し、
 前記マグネットの軸方向長さは、前記ステータコアの軸方向の長さよりも長く、
 前記マグネットの軸方向の上側端部は、前記ステータコアの軸方向の上側端部よりも上側に位置し、
 前記マグネットの軸方向の下側端部は、前記ステータコアの軸方向の下側端部よりも下側に位置している、
 モータ。
[請求項5]
 請求項4に記載のモータであって、
 前記ステータコアの前記上側端部から、前記マグネットの前記上側端部までの長さ、および、前記ステータコアの前記下側端部から、前記マグネットの前記下側端部までの長さの少なくとも一方は、前記絶縁体の厚さよりも長い、
 モータ。
[請求項6]
 請求項4または請求項5に記載のモータであって、
 前記ステータコアの複数の領域の少なくとも一つの前記軸方向の長さは、前記絶縁体の厚さよりも長い、
 モータ。
[請求項7]
 請求項4から請求項6までのいずれか一つに記載のモータであって、
 前記インシュレータと、前記絶縁体とは、同一部材である、
 モータ。
[請求項8]
 請求項7に記載のモータであって、
 前記絶縁体は、前記軸方向に延びる、第1層と第2層とを有し、
 前記ステータコアは、
 前記第1層と前記第2層との間を境に、前記軸方向に分離する、
 モータ。

図面

[ 図 1]

[ 図 2]

[ 図 3]

[ 図 4]

[ 図 5]

[ 図 6]

[ 図 7]

[ 図 8]

[ 図 9]

[ 図 10]