JP2000312449A - ステータの巻回方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 スロットレスのステータコアの巻き線におい
て、均一な磁場を得ることができる線材の巻回方法を提
供する。 【解決手段】 モータのスロットレスのステータコアに
線材をトロイダル状に巻回してコアの軸方向に巻き線を
形成していく巻回方法において、各巻き線部分は、隣接
する層間において交差部分と非交差部分を区分し、かつ
互いに隣接して整列するように、線材を多層に重ねて巻
回し、非交差部分はステータコアのロータと対向する面
に形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、モータ、特にスロ
ットレス構造のモータにおいて、ステータコアに巻き線
を巻回する巻回方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】光学機器，電子機器などの各種の精密機
器では、高精度，高密度，高集積化の伴って、これらの
構成部品にはナノメーターオーダーの加工精度が要求さ
れてきている。これら高精度の部品を加工する工作機械
やステッパー、電子ビーム描写装置には、非常に高分解
能の精度が要求される。一般に、これら加工装置や製造
装置において、位置決めは位置決め装置によって行われ
る。この位置決め装置の位置制御は、ＣＮＣで制御され
る回転サーボモータやリニアモータによって行われるこ
とが多い。したがって、構成部品の加工精度を高めるた
めには、回転サーボモータやリニアモータを高精度に制
御する必要がある。

【０００３】図１０は通常のサーボモータの磁気回路を
説明するための概略断面図である。一般に用いられるサ
ーボモータはステータコア２１にスロット２４を備え、
該スロット２４内に線材２２を巻回して形成される巻き
線２３が埋め込まれている。この構成により形成される
磁気回路では、磁力線２７はステータコア２１の歯部２
６を通る。そのため、所定の巻き線を備えた巻き線２３
であれば、該巻き線２３を整列巻きする必要はない。

【０００４】しかしながら、通常、回転サーボモータや
リニアモータはトルクリップルを有しているため、モー
タを高精度に制御するには、このトルクリップルを減少
させる必要がある。トルクリップルは、大別すると、機
械構造的なトルクリップルと電磁気的なトルクリップル
とに区分することができる。たとえば、回転サーボモー
タの場合では、ロータ軸のベアリング等に生じる摩擦抵
抗は機械構造的なトルクリップルの要因となり。また、
ロータとステータ間に生じる磁気的ひずみは電磁気的な
トルクリップルの要因となる。従来、機械構造的なトル
クリップルを低減するために、軸受けを空気軸受けや磁
気軸受け等によって、非接触な軸支持を行う等によって
摩擦抵抗を減少させるものが提案されている。また、電
磁気的なトルクリップルを低減するために、スロットレ
ス構造のステータが提案されている。

【０００５】通常、ステータに線材を巻回して巻き線を
形成するために、前記図１０で示したように、ステータ
コアにスロットを設けている。このスロットはコギング
トルクの要因となる。スロットを有したステータの場合
には、ロータに対する電磁気的作用はスロットの形状で
決定され、巻き線の巻回による影響は少ない。そのた
め、巻き線の巻き数のみが設定数と一致していればよ
く、巻き線の位置や形状はそれほど重要な要素ではな
い。

【０００６】これに対して、スロットレス構造のステー
タコアの場合には、巻き線の位置精度や巻き線の形状
は、ロータに対する電磁気的作用を決定する重要な要素
となる。図１１，１２はスロットレスモータの磁気回路
を説明するための概略断面図、及び巻き線の位置誤差を
説明するための概略断面図である。図１１において、リ
ング状のステータコア３１のロータ３５と対向する内面
に巻き線３３を張り付ける構成である。この構成のステ
ータコア３１はスロット及び歯部を備えず、磁力線３７
は巻き線３３に直接影響され、ステータコア３１に張り
付けられる巻き線３３の設置の位置精度がそのままトル
クリップルとなる。図１２において、巻き線の位置誤差
は、各巻き線のブロックにおいて、線材が、整列に巻回
されていないために生じる位置誤差ａ、回転方向の張り
付け誤差ｂ、法線方向の張り付け誤差ｃ等が存在する。
これらの原因によるトルクリップルは、場合によっては
スロットを有するモータよりも大きくなる。

【０００７】従来、このスロットレスのステータコアに
線材を巻回する方法が提案されている。図１３，１４は
スロットレスのステータコアに線材を巻回して形成する
構成例を説明するための図である。図１３，１４におい
て、あらかじめ治具等を用いて線材を整列に巻回して単
体のセグメント状の巻き線４２を用意しておき、このセ
グメント状の巻き線４２をステータコア５１に張り付
け、その後、巻き線間を結線する。これによって、組立
時の巻き線の位置精度を向上させる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】前記したスロットレス
のステータコアに線材を巻回する方法は、巻き線をステ
ータコアの片側にのみに張り付ける構成であるため、充
分な強度を得ることが難しく、全体をモールドした場
合、モールド剤の硬化収縮によってはがれるという問題
がある。

【０００９】また、各セグメント状の巻き線は重なり合
う部分があるため、巻き線の形状は複雑な三次元形状と
する必要がある。図１３において、各セグメントは、互
い違いに重なりあって張り付けるため、磁石に作用する
直線部分の法線方向の高さを一定にするために、巻き線
セグメント５２に曲げ部５３を設けている。この曲げ部
５３は最も線材の被覆が破壊されやすい部分であり、こ
の位置はステータコア５１のエッジ部であるため、線間
のショートや地絡が発生しやすい場所となる。そのた
め、線材に大きな曲がりストレスが発生し、被覆の破損
して線間でショートしたり、地絡事故を招くおそれがあ
るという問題がある。また、各セグメントごとについて
形状や寸法の違いによる位置誤差や、接着による法線方
向の位置誤差等によって、高い位置精度で配置すること
も困難であるという問題もある。

【００１０】また、ステータには、通常図１５に示すよ
うに、巻き線の耳５８と呼ばれるモータの軸方向にステ
ータコアから突出した巻き線部分が存在する。この部分
は、電磁気的にロータに寄与しない部分である。そのた
め、巻き数が多くなるとモータの大きさが大きくなり、
小型化に支障が生じるという問題がある。図１６におい
て、ステータ等を支持する支持部材側のハウジング５７
において、突出した巻き線部分に対応する部分を削って
ザグリ溝５９を形成し、これによって小型化を行うと、
モータの機械的剛性が低下するという問題が生じること
になる。

【００１１】そこで、本発明は従来の問題点を解決し、
スロットレスのステータコアの巻き線において、均一な
磁場を得ることができる線材の巻回方法、及び均一な磁
場を得ることができるスロットレスのステータコアの巻
き線を提供することを第１の目的とし、スロットレスの
ステータコアの巻き線において、高い位置精度で巻き線
を配置することができる線材の巻回方法、及び高い位置
精度で巻き線を配置したスロットレスのステータコアの
巻き線を提供することを第２の目的とし、また、モータ
の軸方向にステータコアから突出した巻き線部分を減少
させることができる線材の巻回方法、及びモータの軸方
向にステータコアから突出した巻き線部分が少ないスロ
ットレスのステータコアの巻き線を提供することを第３
の目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、モータのステ
ータコアに線材を巻回して巻き線を形成する巻回方法に
おいて、スロットレスのステータコアに、線材を一定の
巻回ピッチでトロイダル状に重ねて巻回して巻き線を形
成するものであり、モータのスロットレスのステータコ
アに線材をトロイダル状に巻回してコアの軸方向に巻き
線を形成していく巻回方法において、各巻き線部分は、
隣接する層間において交差部分と非交差部分を区分し、
かつ互いに隣接して整列するように、線材を多層に重ね
て巻回し、前記非交差部分はステータコアのロータと対
向する面に形成するものである。

【００１３】ここで、トロイダル状の巻回は、線材をら
せん状に回転させながら巻回する場合に、該巻回動作に
よって巻き線が形成されていく一方向において、巻回し
た線材に交差部分がなく巻回することであり、これによ
って、ステータコアの面に対して接線方向の巻き線の位
置精度を高めることができる。また、整列巻きの巻回
は、巻き線を層単位に形成し、形成した各層を積み重ね
て巻回することであり、これによって、ステータコアの
面に対して法線方向の巻き線の位置精度を高めることが
できる。この法線方向の巻き線の位置精度を高めること
によって、巻き線全体の厚みの均一なものとすることが
できる。

【００１４】したがって、スロットレスのステータコア
に、線材をトロイダル状、かつ整列巻きで巻回すること
によって、ステータコアの面に対して接線方向及び法線
方向の両方向について、巻き線の位置精度を高めること
ができる。そして、この両方向について高い位置精度で
巻き線の形成することによって、巻き線の電気抵抗やイ
ンダクタンスを均一なものとすることができ、均一な磁
場を形成することができる。また、トロイダル状の巻回
において、線材を一定の巻回ピッチで重ねて巻回する
と、ステータコアの面に対して接線方向及び法線方向の
両方向について、巻き線の位置精度を高めることができ
る。これによって、均一な磁場を形成することができ
る。

【００１５】また、トロイダル状で巻回する場合、巻回
動作によって巻き線が形成されていく一方向の各層内で
は、巻回した線材が交差する部分は形成されないが、巻
回動作を折り返して次の層を巻回する場合には、隣接す
る層間で巻き線が交差する部分が発生する。この巻き線
が交差する部分を、ステータにおいて、ステータにより
形成される磁場のうちロータの回転に影響が少ない磁場
位置側に配置する。この巻き線の交差する部分の配置に
よって、交差部分で発生する磁場の不均一性によるトル
クリップルへの影響を少なくすることができる。この巻
き線の交差する部分の配置位置として、たとえば、ステ
ータの軸方向の端面やステータのロータ側と反対側の外
周面とすることができる。

【００１６】また、リング状のステータコアにトロイダ
ル状に線材を巻回する場合には、ステータコアの内径と
外径の寸法差によって、外径側の線材間に隙間が生じ
る。しかしながら、通常、ロータはステータの内径側に
配置して使用するため、外径側の線材間に形成される隙
間によって磁場に不均一性が発生したとしても、ロータ
の回転には影響しない。また、本発明は、巻き線を形成
する線材を平角線とし、巻回により隣接する平角線は、
隣接する辺が平行となるように巻回する。線材を数段重
ねて巻回すると、線材の断面が円形のである丸線を用い
た場合には、整列巻きであっても、巻き線の折り返し部
分である端部では、いわゆる「俵積み」状態となり、磁
場に不均一性が発生する要因となりうる。本発明の線材
を平角線とし、巻回により隣接する平角線の隣接辺が平
行となるように巻回すると、巻き線の折り返し部分の端
部においても、均一な磁場を形成することができる。

【００１７】また、このとき平角線の断面の各辺の縦横
比を適宜定めることによって、巻き線全体のサイズの拡
大を抑制することができる。また、本発明は、極数に応
じて定まる各相の巻き線間を、ステータコアの端面に配
置したプリント基板に形成した配線を介して結線するこ
とにより電気的接続を行って、巻き線を形成する巻回方
法とするものである。また、本発明は、ステータコアの
一つの端面あるいは対向する二つの端面にプリント基板
を密着させ、該プリント基板とステータコアの一体とし
て、その周囲に線材を巻回して、巻き線を形成する巻回
方法とするものである。

【００１８】多極モータを互いに相がずれた複数相でモ
ータ駆動を行う場合、ステータはモータの極数及び相数
に対応して複数個の巻き線が形成されるされる。たとえ
ば、８極の３相ＡＣサーボモータのステータの場合に
は、スロットレスコアの１５度の範囲内にトロイダル状
で整列巻きの巻き線、及び一定の巻回ピッチでトロイダ
ル状に重ねて巻回した巻き線を単位として（以下、一単
位の巻き線をセグメントという）、８極×３相＝２４個
所にセグメントを設置する。なお、このセグメントの設
置において、隣接する各セグメントは逆巻きに巻回さ
れ、３セグメントごとに同相で逆巻きとなる。

【００１９】各セグメントの結線は、ステータコアの一
つの端面あるいは対向する二つの端面にプリント基板を
密着させ、このプリント基板を用いて行う。また、線材
をステータコアに巻回する場合、このプリント基板とス
テータコアの一体として、その周囲に線材を巻回する。
この構成によって、各セグメント間の結線が容易とな
る。また、いわゆる巻き線の耳と呼ばれる突出部分の突
出量が減少し、モータの小型化が容易となる。また、線
材がステータコアとトロイダル状プリント基板とを一体
にして固定するため、線材のはがれやずれが少ない構造
とすることができる。また、ステータコアのエッジ部分
はプリント基板でカバーされるため、線材の曲げ応力や
絶縁被覆のはがれを抑制することができる。このプリン
ト基板の作用は、プリント基板のエッジ部分の断面形状
を丸く形成することによってより高めることができる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図を
参照しながら詳細に説明する。図１〜図９は、本発明の
巻回方法を三相ＡＣサーボモータのステータに適用した
場合の例である。図１〜図４は、巻き線１をロータ側か
ら見た図であり、図１は斜視図、図２はロータ側から見
た平面図、図３，４はＡ−Ａの断面図である。また、図
５〜図９は、巻き線１をステータ側から見た図であり、
図５は斜視図、図６はステータ側から見た平面図、図
７，８はＢ−Ｂの断面図であり、図９はモータの断面図
である。

【００２１】ステータコア１１の軸方向の両端面にプリ
ント基板１２，１３を密着させた配置し、該プリント基
板１２，１３とステータコア１１との周囲に、これらを
一体にとして包むように線材２を巻回する。この線材２
の巻回において、トロイダル状で整列巻きを行う。線材
２をステータコア１１及びプリント基板１２，１３に対
してトロイダル状に巻回するには、線材２をステータコ
ア１１及びプリント基板１２，１３の軸方向に向かって
らせん状に回転させながら巻回する。巻回動作によって
巻き線が形成されていく一層分については、トロイダル
状とすることによって、図２に示すように、線材２は互
いに交差することなく巻回される。

【００２２】線材２をステータコア１１及びプリント基
板１２，１３の軸方向に向かって一層分の巻回を終了し
た後、端部で折り返し、前回の巻回で形成した層の上に
重ねて巻回を行う。次層においても、前回と同様にトロ
イダル状に巻回を行う。これによって、巻き線を層単位
に形成し、形成した各層を積み重ねて巻回する整列巻き
を行う。図３，４はこの整列巻きを説明するための図で
ある。図３は、断面形状が円形の線材２ａの場合であ
り、トロイダル状に巻回される線材２ａは各層間で線材
２ａの間に配置され、各層は順に法線方向に積み重ねら
れる。図４は、断面形状が矩形の平角線の線材２ｂの場
合であり、トロイダル状に巻回される線材２ｂは各層を
形成し、該層は順に法線方向に積み重ねられる。この巻
回において、隣接する線材２ｂの隣接する平角線の隣接
辺が平行となるように巻回すると、巻き線の折り返し部
分の端部においても、均一な磁場を形成することができ
る。

【００２３】また、このとき平角線の断面の各辺の縦横
比を適宜定めることによって、巻き線全体のサイズの拡
大を抑制することができる。たとえば、短い辺が法線方
向となるように平角線を積層することによって、全体の
法線方向の厚さを薄く構成することができる。また、ト
ロイダル状で巻回する場合、巻回動作によって巻き線が
形成されていく一方向の各層内では、巻回した線材が交
差する部分は形成されないが、巻回動作を折り返して次
の層を巻回する場合には、隣接する層間で巻き線が交差
する部分が発生する。この巻き線が交差する部分を、図
５に示すように、ステータにおいて、ステータにより形
成される磁場のうちロータの回転に影響が少ない磁場位
置側に配置する。図５では、交差部分をロータと反対側
に配置する。また、ステータの軸方向の端面側に配置す
ることもできる。

【００２４】図６は巻き線の交差部分をステータ側から
見た図を示しており、巻き線のステータコアの軸方向に
対する角度は、隣接する層間で異なることになる。図
７，８はこの整列巻きの状態を説明するための図であ
る。図７は、断面形状が円形の線材２ａの場合であり、
トロイダル状に巻回される線材２ａは各層間で互いに線
材２ａ上に配置され、各層は順に法線方向に積み重ねら
れる。図８は、断面形状が矩形の平角線の線材２ｂの場
合であり、トロイダル状に巻回される線材２ｂは各層を
形成し、該層は順に法線方向に積み重ねられる。

【００２５】本発明の巻回方法によれば、従来の巻き線
に形成された耳部が形成されず、モータの軸方向の長さ
を抑えることができ、小型化を行うことができる。ま
た、図９に示すように、ハウジング１７にザグリ溝を形
成することなく、巻き線セグメント３をモータ内に収納
することができる。なお、前記形態では回転サーボモー
タの場合について説明しているが、本発明はリニアモー
タについても同様に適用することができる。

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
スロットレスのステータコアの巻き線において、均一な
磁場を得ることができる線材の巻回方法、及び均一な磁
場を得ることができるスロットレスのステータコアの巻
き線を提供することができ、また、スロットレスのステ
ータコアの巻き線において、高い位置精度で巻き線を配
置することができる線材の巻回方法、及び高い位置精度
で巻き線を配置したスロットレスのステータコアの巻き
線を提供することができ、さらに、モータの軸方向にス
テータコアから突出した巻き線部分を減少させることが
できる線材の巻回方法、及びモータの軸方向にステータ
コアから突出した巻き線部分が少ないスロットレスのス
テータコアの巻き線を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の巻回方法を三相ＡＣサーボモータのス
テータに適用した場合の巻き線をロータ側から見た斜視
図である。

【図２】本発明の巻回方法を三相ＡＣサーボモータのス
テータに適用した場合の巻き線をロータ側から見た平面
図である。

【図３】本発明の巻回方法を三相ＡＣサーボモータのス
テータに適用した場合の巻き線のＡ−Ａ断面図である。

【図４】本発明の巻回方法を三相ＡＣサーボモータのス
テータに適用した場合の巻き線のＡ−Ａ断面図である。

【図５】本発明の巻回方法を三相ＡＣサーボモータのス
テータに適用した場合の巻き線をステータ側から見た斜
視図である。

【図６】本発明の巻回方法を三相ＡＣサーボモータのス
テータに適用した場合の巻き線をステータ側から見た平
面図である。

【図７】本発明の巻回方法を三相ＡＣサーボモータのス
テータに適用した場合の巻き線のＢ−Ｂ断面図である。

【図８】本発明の巻回方法を三相ＡＣサーボモータのス
テータに適用した場合の巻き線のＢ−Ｂ断面図である。

【図９】本発明の巻回方法を三相ＡＣサーボモータのス
テータに適用した場合のモータ断面図である。

【図１０】通常のサーボモータの磁気回路を説明するた
めの概略断面図である。

【図１１】スロットレスモータの磁気回路を説明するた
めの概略断面図である。

【図１２】巻き線の位置誤差を説明するための概略断面
図である。

【図１３】スロットレスのステータコアに線材を巻回し
て形成する構成例を説明するための図である。

【図１４】スロットレスのステータコアに線材を巻回し
て形成する構成例を説明するための図である。

【図１５】巻き線の耳を説明するための概略断面図であ
る。

【図１６】巻き線の耳を収納するザグリ溝を説明するた
めの概略断面図である。

【符号の説明】

１，２３，３３，５４，５５，５６ 巻き線 ２，２ａ，２ｂ，２２ 線材 ３ 巻き線セグメント ４ 巻回開始接点 ５ 巻回終了接点 ６ 配線 １０，２０，３０ ステータ １１，２１，３１，５１ ステータコア １２，１３ プリント基板 １５，２５，３５ ロータ １６，２６，５６ シャフト １７，２７，５７ ハウジング ２４ スロット ２６ 歯 ２７，３７ 磁力線 ５２ 巻き線セグメント ５３ 曲がり部 ５８ 巻き線の耳 ５９ ザグリ溝

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鈴木 政紀 東京都練馬区関町東１−８−30 株式会社 アサヒ電気研究所内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 モータのスロットレスのステータコアに
   線材をトロイダル状に巻回してコアの軸方向に巻き線を
   形成していく巻回方法において、各巻き線部分は、隣接
   する層間において交差部分と非交差部分を区分し、かつ
   互いに隣接して整列するように、線材を多層に重ねて巻
   回し、前記非交差部分はステータコアのロータと対向す
   る面に形成することを特徴とする、ステータの巻回方
   法。
2. 【請求項２】 前記線材は平角線であり、隣接する平角
   線の隣接する辺を平行に配置する、請求項１記載のステ
   ータの巻回方法。
3. 【請求項３】 極数に応じて定まる各相の巻き線間を、
   ステータコアの端面に配置したプリント基板に形成した
   配線を介して結線することにより電気的接続を行う、請
   求項１，又は２記載のステータの巻回方法。
4. 【請求項４】 ステータコアの一つの端面あるいは対向
   する二つの端面にプリント基板を密着させ、該プリント
   基板とステータコアの一体として、その周囲に線材を巻
   回する、請求項３記載のステータの巻回方法。