JP7314985B2 - ステータおよび回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、コイルボビンを備えるステータおよび回転電機に関する。

回転電機は、例えば、鉄心にコイルを巻装したステータと、永久磁石を周方向に配置したロータを備え、磁気的作用を利用してステータに対してロータを回転させる。ここで、ステータの鉄心にコイルを巻装する際には、コイルの導線と鉄心の確実な絶縁と、導線の巻回を容易にするために、絶縁体で形成された筒状のコイルボビンを使用することがある。

コイルボビンを備える回転電機の製造では、鉄心のティース部にコイルボビンを差し込んだだけではステータの鉄心からコイルボビンが脱落する可能性がある。そのため、鉄心を隔てて内向きに対向配置された爪部をコイルボビンに形成し、鉄心の厚さ方向（回転電機の軸方向）の両側から鉄心を爪部で挟み込んでコイルボビンを抜け止めする構造が提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。

特開２０１２－１０５３７２号公報 特開２０１７－１６３７５５号公報

しかしながら、鉄心の厚さ方向の両側にそれぞれコイルボビンを抜け止めする爪部が配置されると、ステータの軸方向端面をフレームに当接させてステータを固定する場合、コイルボビンの爪部がステータを保持するフレームと干渉してしまう。

上記の場合には、コイルボビンの爪部を逃がすための溝などをフレーム側に加工する必要が生じるので、その分回転電機の製造コストが増加してしまう。また、ステータとフレームを熱的に接続してステータの放熱を行う場合、フレーム側に上記の溝などを形成すると、ステータとフレームの接触面積が少なくなるのでステータの放熱もしにくくなる。

本発明は、上記の状況に鑑みてなされたものであって、ステータの軸方向端面に取り付けられる保持部材との干渉を抑制しつつ、組立時にコイルボビンを抜け止めできる構造を提供する。

本発明の一態様は、回転電機に適用されるステータであって、ヨーク部と、ヨーク部から回転電機の径方向に突出して延びるティース部とを有し、回転電機の軸方向一端側に臨む第１面が保持部材に接触して取り付けられるステータコアと、ティース部に挿入されて装着されるコイルボビンと、コイルボビンに巻回される導線と、を備える。ステータコアの第１面とは反対側の第２面には、ヨーク部に爪受け部が形成される。コイルボビンは、径方向に延びるとともに第２面に沿って並んで配置された複数のフックを有する。ステータコアの第１面では、ヨーク部が露出し、ステータコアの第２面では、フックと爪受け部の係合による複数の抜け止め部がヨーク部に形成される。ヨーク部には、ティース部の長手方向軸線と重なる位置に、保持部材への固定用ボルトを挿通するボルト穴が形成される。爪受け部は、ティース部の長手方向軸線に対して線対称に配置され、ステータコアの軸方向に沿って形成された穴または切り欠きであり、ボルト穴とは別にヨーク部に形成されている。

上記のステータにおいて、導線およびコイルボビンはワニスに含浸されていてもよい。

本発明の他の態様の回転電機は、上記のステータと、ロータと、を備える。上記の回転電機は、ヨーク部の第１面と接触した状態でステータを保持する保持部材をさらに備えていてもよい。

本発明の一態様のステータは、ステータの軸方向端面に取り付けられる保持部材との干渉を抑制しつつ、組立時にコイルボビンを抜け止めできる。

本実施形態の回転電機の一例を示す正面図である。 本実施形態のコイルセグメントとティース部との分解斜視図である。 コイルボビンとステータコアの組立状態を示す平面図である。 ステータとフレームとの組立状態を示す縦断面図である。 本実施形態の第１の変形例を示す図である。 本実施形態の第２の変形例を示す図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
実施形態では説明を分かり易くするため、本発明の主要部以外の構造や要素については、簡略化または省略して説明する。また、図面において、同じ要素には同じ符号を付す。なお、図面に示す各要素の形状、寸法などは模式的に示したもので、実際の形状、寸法などを示すものではない。

図面においては、必要に応じて回転電機の回転軸を符号ＡＸで示す。また、以下の説明では、回転軸ＡＸを中心とする周方向を単に周方向と称し、回転軸ＡＸを中心とする径方向を単に径方向と称する。

図１は、本実施形態の回転電機１０の一例を示す正面図である。本実施形態の回転電機１０は、インナーロータ型モータであって、ロータ１１と、ステータ１２とを備えている。図１において、回転電機１０の回転軸ＡＸの延長方向（軸方向）は紙面垂直方向である。

ロータ１１は、例えば磁石埋込型または表面磁石型のロータであり、周方向に沿って等間隔に主磁極が構成されるように複数の永久磁石（不図示）が配置されている。また、ロータ１１の中心には、回転軸ＡＸに沿って鉄心を貫通するようにシャフト（不図示）が嵌入されている。ロータ１１のシャフトは、図示しない軸受により軸支されている。

ロータ１１の外周には、僅かなエアギャップを隔ててステータ１２が配置されている。ステータ１２は、ステータコア１３と、ステータコア１３に巻装されるコイルを有する。コイルは、複数のコイルセグメント１４が電気的に接続されることで構成される。なお、図１では、簡単のためコイルおよびコイルセグメント１４の図示は省略している。

回転電機１０においては、コイルの電流制御によりステータ１２の磁界を順番に切り替えることで、ロータ１１の磁界との吸引力または反発力が生じる。これにより、回転軸ＡＸを中心としてロータ１１が回転し、回転電機１０が駆動する。

ステータコア１３は、電磁鋼板などの金属板を軸方向に複数積層して構成され、円筒形のヨーク部１３ａと、ヨーク部１３ａから径方向内側に突出して延びるティース部１３ｂとを有する。ステータコア１３のティース部１３ｂは、ステータコア１３の周方向に等間隔をおいて複数設けられている。また、周方向に隣り合うティース部１３ｂの間にはコイルを配置するためのスロットが形成される。

ステータコア１３は、保持部材の一例である金属製のフレーム１５に取り付けられて支持される。図４に示すように、ステータコア１３は、軸方向一端側（図４の下側）に臨む第１面１３ｃと外周面の一部が、フレーム１５に形成された段差状の取り付け部と接触するようにフレーム１５に取り付けられる。

また、ステータコア１３のヨーク部１３ａには、フレーム１５への固定用ボルトを挿通するためのボルト穴１６と、後述するコイルボビン２１の爪部が係合される一対の爪受け穴１７とが複数組形成されている。爪受け穴１７は、爪受け部の一例である。ボルト穴１６と爪受け穴１７は、それぞれヨーク部１３ａを軸方向に貫通している。また、ボルト穴１６と一対の爪受け穴１７は、周方向において各ティース部１３ｂに対応する位置に１組ずつ配置され、回転軸ＡＸを中心として回転対称に配置されている。

また、図３に示すように、ボルト穴１６は、ヨーク部１３ａの外周近傍において、径方向に延びるティース部１３ｂの長手方向軸線Ｌと重なる位置にそれぞれ形成されている。また、一対の爪受け穴１７は、周方向においてボルト穴１６の両側に形成されている。一対の爪受け穴１７の形状および配置は、ティース部１３ｂの長手方向軸線Ｌに対して線対称をなしている。

図２は、本実施形態のコイルセグメント１４とティース部１３ｂとの分解斜視図である。図３は、コイルボビン２１とステータコア１３の組立状態を示す平面図である。図４は、ステータ１２とフレーム１５との組立状態を示す縦断面図である。

コイルセグメント１４は、ステータコア１３のティース部１３ｂに装着されるコイルボビン２１と、コイルボビン２１に巻回される導線２２とを有する。なお、図３、図４では導線２２の図示を省略している。

コイルボビン２１は、絶縁体の樹脂材料で形成され、ティース部１３ｂが挿通可能な挿通孔２１ｂが設けられた矩形筒状の本体部２１ａを備える。また、本体部２１ａにおける挿通孔２１ｂの各端部には、本体部２１ａの外周側に環状に張り出した第１フランジ部２１ｃおよび第２フランジ部２１ｄが形成されている。第１フランジ部２１ｃは、ステータ１２の内周側に臨む本体部２１ａの一方の端部に形成され、第２フランジ部２１ｄは、ステータ１２の外周側に臨む本体部２１ａの他方の端部に形成されている。

導線２２は、第１フランジ部２１ｃと第２フランジ部２１ｄの間の本体部２１ａの外周に巻回される。コイルセグメント１４をステータコア１３に取り付けた組立状態においては、導線２２が絶縁材のコイルボビン２１を介してティース部１３ｂに集中巻きで巻回された状態となる。そして、図示しない給電部から導線２２に電気が供給されることで、ステータ１２の磁界が形成される。

また、コイルボビン２１の第２フランジ部２１ｄには、ステータコア１３にコイルセグメント１４を抜け止めするための２本のフック２３が形成されている。各々のフック２３は、第２フランジ部２１ｄから挿入方向（径方向）に延びる２本の延設体２３ａと、延設体２３ａの先端に形成された爪部２３ｂとを有している。フック２３の延設体２３ａは、ステータコア１３の第１面１３ｃの裏面である第２面１３ｄに沿うように、挿通孔２１ｂの外縁部の位置に並列に配置されている。また、フック２３の爪部２３ｂはステータコア１３の第２面１３ｄに向けて突出し、ヨーク部１３ａに形成された爪受け穴１７と係合する。

上記のコイルボビン２１のフック２３は、ステータコア１３の第２面１３ｄ側に形成され、ステータコア１３の第１面１３ｃ側には形成されていない。そのため、ステータコア１３の第１面１３ｃでは、ヨーク部１３ａがコイルボビン２１の要素に覆われずに露出する一方で、ステータコア１３の第２面１３ｄでは、フック２３と爪受け穴１７の係合による複数の抜け止め部がヨーク部１３ａに形成される。

ここで、本実施形態のステータ１２の組立手順について説明する。
まず、コイルボビン２１の本体部２１ａの外周に導線２２を巻回してコイルセグメント１４を所定数準備する。次に、ステータコア１３の各ティース部１３ｂにコイルセグメント１４をそれぞれ挿入し、ステータコア１３にコイルセグメント１４を装着する。このとき、ステータコア１３の第２面１３ｄでは、コイルボビン２１のフック２３の爪部２３ｂがヨーク部１３ａの爪受け穴１７に係合することで、コイルセグメント１４がステータコア１３に対して抜け止めされる。

その後、各コイルセグメント１４の導線２２を接続し、ステータ１２のコイルセグメント１４にワニスを含浸させて絶縁を行う。このとき、コイルボビン２１とステータコア１３のティース部１３ｂの固定がワニスによって補強され、コイルセグメント１４がティース部１３ｂからより脱落しにくくなる。

そして、ステータコア１３の第１面１３ｃをフレーム１５の取り付け部に設置し、ヨーク部１３ａのボルト穴１６にボルトを挿通して螺合することでステータ１２をフレーム１５に固定する。ステータコア１３の第１面１３ｃでは、ヨーク部１３ａがコイルボビン２１に覆われずに露出しているので、ステータ１２をフレーム１５に設置するときにコイルボビン２１のフック２３が干渉することはない。

上記のステータ１２を固定するボルトは所望の耐トルク性能を得る上で必要な本数だけ使用され、必ずしも全てのボルト穴１６にボルトが螺合されなくともよい。また、ステータコア１３はフレーム１５に圧入されてもよく、ステータコア１３に対してフレーム１５が焼き嵌めされてもよい。以上により、本実施形態のステータ１２を得ることができる。

以下、本実施形態の効果を説明する。
本実施形態において、ステータコア１３の第２面１３ｄには、ティース部１３ｂの長手方向軸線Ｌを隔てて配置された複数の爪受け穴１７がヨーク部１３ａに形成される。また、コイルボビン２１には、径方向に延びるとともにステータコア１３の第２面１３ｄに沿って並んで配置された複数のフック２３が形成されている。そして、ステータコア１３の第１面１３ｃでは、ヨーク部１３ａがコイルボビン２１に覆われずに露出し、ステータコア１３の第２面１３ｄでは、フック２３と爪受け穴１７の係合による複数の抜け止め部がヨーク部１３ａに形成される。そのため、ステータ１２の組立時にティース部１３ｂからコイルボビン２１を抜け止めできる。なお、ティース部１３ｂとコイルボビン２１の固定はワニスの含浸によって補強されるので、本実施形態の抜け止め部で組立時におけるコイルボビン２１の脱落が抑制できれば、実用上十分な抜け止めが実現できる。

また、本実施形態では、フレーム１５と接触するステータコア１３の第１面１３ｃにコイルボビン２１のフック２３が存在しないため、ステータ１２をフレーム１５に取り付けるときにフック２３が干渉しない。つまり、ステータ１２を受けるフレーム１５にフック２３との干渉を避ける溝などを設けなくて済み、フレーム１５の製造コストを抑制できる。また、本実施形態の構成では、フレーム１５にフック２３との干渉を避ける溝などを設けなくて済むので、ヨーク部１３ａの第１面１３ｃとステータ１２との接触面積を増加させることができる。そのため、フレーム１５とステータ１２の熱交換でステータ１２からの放熱を行う場合には、ステータ１２をより冷却しやすくなる。

また、本実施形態のフック２３はヨーク部１３ａに設けられた爪受け穴１７と係合し、ステータ１２の外周面にフック２３で覆われる部位がない。そのため、ステータ１２のフレーム１５への圧入や、フレーム１５の焼き嵌めによる取付にも容易に対応できる。また、ヨーク部１３ａの外周面とフレーム１５を接触させて放熱を行う場合に、第２面１３ｄ側のフックがフレーム１５と干渉することを抑制できる。

また、本実施形態のステータ１２では、ヨーク部１３ａの外周近傍においてティース部１３ｂの長手方向軸線Ｌと重なる位置にフレーム１５への固定用ボルトが挿通されている。例えば、ヨーク部１３ａにおいてスロットの対応位置にボルトを配置した場合にはヨーク部１３ａを流れる磁束が妨げられる。しかしながら、本実施形態ではティース部１３ｂから両側のヨーク部１３ａへ磁束が分岐して生じるデットスペースにボルトが配置されるので、ステータコア１３を流れる磁束がボルトで遮られにくくなり、回転電機１０の磁気特性の劣化が抑制される。

本発明は、上記実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の改良並びに設計の変更を行ってもよい。

上記実施形態では、回転電機１０の一例としてモータの構成例を説明したが、本発明の回転電機１０は、発電機に適用することも可能である。また、上記実施形態では、インナーロータ型の回転電機１０の構成例を説明したが、本発明はアウターロータ型の回転電機に適用されてもよい。

また、本発明の抜け止め部の構成は上記実施形態に限定されない。例えば、図５に示すように、爪受け穴とボルト穴を繋げた形状の開口部１８をヨーク部１３ａに形成し、ステータコア１３の加工性を高めてもよい。また、図６に示すように、爪受け穴１７の代わりに、ヨーク部１３ａの外周部にフック２３の寸法に対応する爪受け用の切り欠き１９を軸方向に沿って形成し、ヨーク部１３ａの切り欠き１９とフック２３の係合により抜け止め部を形成してもよい。

また、本発明の爪受け部は、上記実施形態のようにステータコア１３を軸方向に貫通する爪受け穴１７に限定されない。爪受け部は、ヨーク部１３ａの第２面１３ｄにおいてフック２３の爪部２３ｂが係合できるものであればよく、例えば、ヨーク部１３ａの第２面１３ｄに形成された溝などであってもよい。

加えて、今回開示された実施形態は、全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

１０…回転電機、１１…ロータ、１２…ステータ、１３…ステータコア、１３ａ…ヨーク部、１３ｂ…ティース部、１３ｃ…第１面、１３ｄ…第２面、１５…フレーム、１６…ボルト穴、１７…爪受け穴、２１…コイルボビン、２３…フック

Claims (4)

1. 回転電機に適用されるステータであって、
   ヨーク部と、ヨーク部から前記回転電機の径方向に突出して延びるティース部とを有し、前記回転電機の軸方向一端側に臨む第１面が保持部材に接触して取り付けられるステータコアと、
   前記ティース部に挿入されて装着されるコイルボビンと、
   前記コイルボビンに巻回される導線と、を備え、
   前記ステータコアの前記第１面とは反対側の第２面には、前記ヨーク部に爪受け部が形成され、
   前記コイルボビンは、前記径方向に延びるとともに前記第２面に沿って並んで配置された複数のフックを有し、
   前記ステータコアの前記第１面では、前記ヨーク部が露出し、
   前記ステータコアの前記第２面では、前記フックと前記爪受け部の係合による複数の抜け止め部が前記ヨーク部に形成され、
   前記ヨーク部には、前記ティース部の長手方向軸線と重なる位置に、前記保持部材への固定用ボルトを挿通するボルト穴が形成され、
   前記爪受け部は、前記ティース部の長手方向軸線に対して線対称に配置され、前記ステータコアの軸方向に沿って形成された穴または切り欠きであり、前記ボルト穴とは別に前記ヨーク部に形成されている
   ことを特徴とするステータ。
2. 前記導線および前記コイルボビンはワニスに含浸されている
   請求項１に記載のステータ。
3. 請求項１または請求項２に記載のステータと、
   ロータと、
   を備える回転電機。
4. 前記ヨーク部の前記第１面と接触した状態で前記ステータを保持する保持部材をさらに備える
   請求項３に記載の回転電機。