JP5232147B2 - 駆動モータ用のステータ - Google Patents

Description

本発明は、スロットによって分離された複数のステータ歯と多相巻線とを有する駆動モータ用のステータに関し、該ステータでは１つの相巻線は複数のコイルを含み、個々のコイルはそれぞれ複数の歯を包括する。前記多相巻線はとりわけ多相電流巻線である。複数の対称的なステータ歯と多相電流巻線とを有しスロットを設けられた駆動モータ用ステータが公知である。

ＤＥ１９８３８３３５Ａ１に、公知のステータの一例が記載されている。上記の公報に記載されたステータでは、スロットによって分離された複数のステータ歯と多相巻線とが示されており、該多相巻線はとりわけ多相電流巻線として形成することができる。ここでは１つの相巻線は複数のコイルを含み、個々のコイルはそれぞれ複数の歯を包括し、それぞれ複数のステータ歯がまとめられて、複数の歯先を有する１つのステータ歯が得られる。

公知であるように、ステータの効率は基本的にスロット充填率によって、すなわち、該ステータの全面積に対する全導線断面積によって決定される。

本発明の利点
駆動モータ用の本発明によるステータでは、スロットによって分離された複数のステータ歯を開示する。ここでは、ステータ歯に多相巻線が巻回されている。１つの相巻線は複数のコイルを含み、個々のコイルはそれぞれ複数の歯を包括する。ここでは、それぞれ２つの歯が歯ネック部の高さで組み合わされて、まとめられたステータ歯が得られる。本発明による構成の利点は、ステータ歯の上記の構成で得られる巻線スペースの新規の配置により、本発明によるステータの巻きやすさを維持しながら、既存の巻線技術（フライヤ巻線技術、引込み（Einzug）巻線技術、バー巻線技術ないしはニードル巻線技術）を使用して構成体積をより良好に利用できることである。このような構成により、本発明によるステータが設けられたモータの出力が上昇され、ないしは該モータが小型化され、材料削減とより良好な出力密度／コスト比とを実現することができる。

本発明による有利な実施形態では、各ステータ歯に巻回されており、かつ／または、歯元にも歯先にも巻回されている。

さらに、コイルがそれぞれ、隣接する歯の２つの歯先を包括し、各１つの歯元が別のコイルに包括されていると有利である。ここでは、歯元に巻回されたコイルと歯先に巻回されたコイルとは似たようなパラメータを示すように、たとえば似たような鎖交磁束を示すように、ステータ歯を形成するのが有利であることが判明した。

本発明の別の有利な実施形態では、ステータ周縁には、まとめられた歯のみが設けられている。

本発明の別の実施形態では、１つの相で、同時に通電される隣接する歯のコイルには、逆方向に巻回される。

ステータ周縁上に、第１の幾何的形状を有するステータ歯と第２の幾何的形状を有するステータ歯とを交互に配置して、ステータ歯間に非対称的なスロットを形成すると、本発明のステータの巻きやすさを向上することができる。この場合にはさらに、両幾何的形状うち一方の幾何的形状の歯元にコイルを巻回しないことが有利であることが判明している。

本発明の別の有利な実施形態では、巻線のすべての相巻線に、歯元でも歯先でも巻回することにより、該相巻線が対称的に振舞うようにされる。その際には、すべてのコイルの歯先ないしは歯元に同一方向に巻回することができる。

以下で、図面に基づいて本発明の実施例の原理を説明する。

本発明によるステータの第１の実施形態の概略図である。 外側にあるコイル５に通電された場合の磁束路を磁界線で示す図である。 内側にあるコイル６に通電された場合の磁束路を磁界線で示す図である。 ステータ歯の形状および配置が巻きやすさに関して最適化された、本発明によるステータの１つの実施形態のジオメトリを示す。 本発明によるステータを駆動制御するためのＭ４回路を示す。 本発明によるステータを駆動制御するための２Ｈ回路を示す。 多相モータ用の本発明のステータの巻き方の１つの実施形態を示す。 図７に示された実施形態で現れる磁束路を示す。

実施例の説明
図１は、本発明によるステータ１の第１の実施形態の概略図である。この実施形態では、ステータ１は外周に、まとめられたステータ歯４′を有し、該ステータ歯４′はそれぞれ２つの歯先２と１つの歯元３とから成る。図１から、ステータ１の図中の断片は、内側にあるコイル６の磁束に対しても外側にあるコイル５の磁束に対しても、空隙に同等のステータ歯を形成することが明らかである。コイル５ないしは６をそれぞれ巻くことにより、該コイルないしは６が包囲するステータの部分が着磁される。その際には、内側コイル６と外側コイル５との間に鎖交磁束の差が僅かに生じる場合には、この差を巻数によって補償することができる。また、上方の磁束路の磁気抵抗と、歯元３と内側のヨークとにわたる下方の磁束路の磁気抵抗との差が僅かになるように、ステータ１のジオメトリを選定することも有利である。上方の磁束路とはここでは、外側コイル５に通電される場合に生じる磁束路を指す。このことに相応して、下方の磁束路とはここでは、内側コイル６に通電される場合に生じる磁束路を指す。図２ないしは３に、相応の磁束路が磁界線で示されている。図２には、外側コイル５に通電されるケースが示されており、図３には、内側コイル６に通電されるケースが示されている。

上記の図１〜３からはさらに、本発明のステータ１の幾何的構成によって、巻線スペースを制限する補助歯が不要になるステータ幾何的構成が実現されることが明らかである。このような補助歯は、存在するというだけでも使用可能な巻線スペースを制限し、かつ薄板による空隙の被覆部分が小さくなるという欠点を有する。このことは、巻線技術によって最小幅が決定されるスロットの数が増大することに起因する。スロット数が増加するとこれは、スロットが補助歯によって形成されるかまたはメインの歯によって形成されるかにかかわらず、薄板から逸脱する。２つの歯先２のみを有する本発明のステータ歯の構成も、同様の作用を有する。

図１からはさらに、１つの相ないしは該相に対して逆相の同時に通電されるコイルが、隣接するステータ歯のコイルに対して常に逆方向に巻回されるのが理解できる。この作用は択一的に、コイル５ないしは６を同一方向に巻回して、該コイル５ないしは６の結線を適切に選択すれば、逆方向の通電によっても実現される。図２に示された巻線は、Ｍ４結線の場合には、相互に逆相の相に対する層を含むので、少なくとも２層に構成されている。２Ｈ回路の場合にはこれを使用しなくてもよい。というのも、逆相を巻回する必要がないからである。巻線をステータ１の内側領域にも外側領域にも分布させることにより、巻線適合を良好に行うことができる。このことにより、長時間を要する別の巻回位置への係止工程ないしは移動工程（Verfahrvorgang）および配設工程による歯の内側の並列接続を効果的に抑えることができる。

（逆相を有さない）単純な巻き方の場合、同じ構成を２Ｈ回路でも作動させることができる。

図４に本発明のステータ１の幾何的構成の１つの実施形態が示されている。この実施形態では、フライヤ巻線技術による巻きやすさが改善され、ひいては巻回時のサイクル時間が短縮されるように、ステータ歯４の形状および配置が最適化されている。ステータ歯４の幾何的構成は、それぞれ異なる形状のステータ歯４および４′がステータ１の周縁に交互に設けられるように選択される。上記の実施例では、２番目ごとのステータ歯のみに内側コイル６が設けられる。この内側コイル６は、外側コイル５の約２倍の巻数で形成される。図４には、歯先２の領域において近似的に３角形のステータ歯４が示されており、このステータ歯４には歯元３の領域には、内側コイル６は巻回されない。ステータ歯４および４′の幾何的形状が交互に異なることによって、ステータ歯４および４′の間に形成されるスロット７が非対称的になることにより、とりわけ近似的な３角形でない歯先２を有するステータ歯４′の歯元３に、上記のフライヤ巻線技術によって内側コイル６を良好に巻回することができる。スロット７のこのような選択された幾何的形状により、ステータ１の周縁から見て、歯元３に巻回されたステータ歯４′から後方のカットが外部に出ることがなくなる。

外側コイル５の巻き方は、図１に記載されたステータの幾何的構成と同様に変更なしで、歯およびスロットのジオメトリを変えずに実施される。

この場合にも、モータの出力パラメータには、スロット７あたりの巻数と、それによって得られる起磁力の合計とが重要である。図１に示されたステータの幾何的構成では、内側コイル６は常に交互の巻き方向で巻回されるか、ないしは通電される。このことにより、隣接するステータ歯４の同一のスロット７にある内側コイルの起磁力が加算される。このことは、図４に示されたステータの幾何的構成では実現されない。内側コイル５はすべて、（相互に逆相の相に対して２層に形成されていても）同一方向に形成されるので、ステータ周縁から見てスロット起磁力は変化しない。ここで図１および４を参照されたい。上記のステータ幾何的構成は、上記の巻き方を使用する場合、とりわけ図５に示されたいわゆるＭ４回路によって駆動制御することができる。内側コイル６はここではたとえば相Ｕ１および逆相Ｕ２に相応する。したがって外側コイルは相Ｖ１およびＶ２に相応する。ここでは、相互に逆相の相線の巻き方向が逆であることにより、異なる通電方向が得られる。

（逆相を有さない）単純な巻線の場合、同じ構成は、図６に示された２Ｈ回路によって作動させることができる。内側の巻線はたとえば相Ｕに相応し、外側の巻線は相Ｖに相応する。異なる通電方向はフルブリッジ接続によって実現され、Ｍ４回路の場合であってその他の点は同一の構成の場合のような逆相を巻回する必要はない。

図５および６は、２相巻線モータの考察される回路技術的構成を示す。図５は、中心点接続を２相巻線で示している。この２相巻線はそれぞれ相互に逆相の相を有するので、この接続はＭ４接続とも称される。図６に、２つのフルブリッジないしはＨブリッジを有する回路が示されている。これは、銅で形成された逆相を有さない。

図７は、本発明によるステータの巻線の１つの実施形態を示す。このようなステータにより、本発明による構成の利点が多相モータにも生かされる。

この実施形態でも、本発明の重要な利点は、空隙において歯数を効率的に２倍にでき、かつ、空隙中でステータ歯４の半分のみが、ステータ軸に向いているスロット７の領域内にステータ歯４として有効に引き出されることである。図１ないしは図４に示されたステータ幾何的構成と異なり、図７に示された実施形態によるステータ幾何的構成は、Ｎ相となるための要件に適合されている。さらに、２相モータの場合に斜行を大きくすることによってコギングトルクとノイズ励起とを回避しなければならない場合には、異なるスロット／極歯比が有利である。このことにより、改善された出力密度は部分的に補償される。この実施例でも有利には、分布巻によって巻線端部が減少する。すなわち、コイルの未使用割合が小さくなる。極数は、永久磁石励磁ＥＣモータと同様に２倍の歯数に選択される。

上記で示された実施形態との重要な相違点は、図７に示された実施例では文字ａ〜ｃで示された３つの相巻線すべてがそれぞれ、内側コイル６にも外側コイル５にも外側に分布されていることである。図１ないしは４に示された実施例と同様に、このケースでも巻線は単歯巻線として形成されており、巻線端部はそれぞれ、各スロット歯４を介して同一の文字ａ〜ｃで示されたスロット７の領域内で終端する。さらに、すべての巻線は同一方向に巻回される。このことにより、適切な結線を行うと、図１ないしは図４に示されたステータ１を有する２相モータの場合に内側の相と外側の相との間に生じる非対称性を回避することができる。

図７に示されたケースでも、コギングトルクの最適化を行う際には、上方の磁束路の磁気抵抗と歯元および内側のヨークとを介する下方の磁束路の磁気抵抗との差が僅かになるように留意しなければならない。

図７に示されたステータ１を有する３相巻線機の場合に極数が異なると、発生する磁束路も異なるので、歯元３の断面を大きくしなければならない図１ないしは３に示された実施例より、歯元３の断面を縮小することができる。

図８に、図７に示された実施形態で現れる磁束路が示されている。このケースでは、２つの歯先からの磁束は２相機と同様に、歯元３では加算されない。磁束は、図８中の中間のステータ歯で見られるように上方の磁束路のみをとるか、または歯先２と内側のヨークとを介して隣接歯に向かって終端する。しかし、磁束路は空隙中では、完全な両歯先を介して集まらない。というのも、磁石角度はコイル／歯角度より小さいからである。そのため、歯元３は高い磁束ピークにさらされることはない。その他の点では、図１および４に示された単純なステータ幾何的構成は基本的に維持される。Ｎ相にするためには、ステータ歯４の数はＮで割り切れなければならず、ここでは一例として、Ｎ＝３として示されている。極数は、古典的な永久磁石励磁機と同様に選択され、まとめられたステータ歯は２つの従来の歯に匹敵する。

Claims (9)

1. スロットによって分離された複数のステータ歯を有する、駆動モータ用のステータであって、
   ステータ歯には複数の相巻線が巻回されており、
   １つの相巻線は複数のコイル（５，６）を有し、
   個々のコイル（５，６）はそれぞれ複数のステータ歯に巻回されており、
   ２つのステータ歯は歯ネック部の高さで組み合わされて、１つの歯元（３）と複数の歯先（２）とを有する１つのまとめられたステータ歯（４）が形成されているステータにおいて、
   各１つのコイル（５）はそれぞれ、隣接するステータ歯（４）の２つの歯先（２）を包括し、
   前記ステータの周縁上に、第１の幾何的形状を有するステータ歯（４）と第２の幾何的形状を有するステータ歯（４′）とが交互に配置されることにより、該ステータ歯（４，４′）間に非対称的なスロット（７）が形成されており、前記歯元（３）に巻回されたコイル（６）と前記歯先（２）に巻回されたコイル（５）とが同様の鎖交磁束を示すように、前記ステータ歯が設けられていることを特徴とするステータ。
2. 各ステータ歯（４）すべてに巻回されている、請求項１記載のステータ。
3. 前記歯元（３）にも前記歯先（２）にも巻回されている、請求項１または２記載のステータ。
4. 各１つの歯元（３）はそれぞれ別のコイル（６）に包括されている、請求項１から３までのいずれか１項記載のステータ。
5. 外側のコイル（５）に通電されたときに生じる上方の磁束路の磁気抵抗と、内側のコイル（６）に通電されたときに前記歯元（３）と内側のヨークとにわたって生じる下方の磁束路の磁気抵抗との差が僅かである、請求項１から４までのいずれか１項記載のステータ。
6. 前記ステータの周縁には、前記まとめられたステータ歯（４）のみが設けられている、請求項１から５までのいずれか１項記載のステータ。
7. １つの相ごとに、隣接するステータ（４）の同時に通電されるコイル（５，６）は逆方向に巻回されている、請求項１から６までのいずれか１項記載のステータ。
8. 両幾何的形状のうち一方の幾何的形状の前記歯元（３）にコイル（６）が巻回されていない、請求項１から７までのいずれか１項記載のステータ。
9. 前記内側コイル（６）の鎖交磁束と前記外側コイル（５）の鎖交磁束との差が生じた場合、該鎖交磁束の差は巻数によって補償される、請求項１から８までのいずれか１項記載のステータ。

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