(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のコアスロットを有するアーマチュアコアにワイヤを巻回させてなる回転電機の電機子であって、
前記ワイヤを異なる前記コアスロット同士間に巻装して形成した主巻線と、
前記主巻線とは前記ワイヤが巻装される前記コアスロットの少なくとも一方を異にし、前記主巻線よりも前記ワイヤの巻回数が少ない副巻線とを有し、
前記主巻線と前記副巻線とにより１相分のコイルが形成され、
前記主巻線のコイル面が前記アーマチュアコアの外側に配設された磁極と対向位置にある場合に、前記副巻線のコイル面が前記磁極による磁界の影響を受けない位置になるように前記副巻線を形成することを特徴とする回転電機の電機子。
【請求項２】
請求項１記載の回転電機の電機子において、前記主巻線が前記アーマチュアコアの外側に配設された磁極と対向位置にある場合に、前記磁極間に位置する前記コアスロット間に前記副巻線を形成することを特徴とする回転電機の電機子。
【請求項３】
請求項１記載の回転電機の電機子において、前記主巻線が前記アーマチュアコアの外側に配設された磁極と対向位置にある場合に、前記副巻線のコイル面が前記磁極同士の中間位置に対向するように前記副巻線を形成することを特徴とする回転電機の電機子。
【請求項４】
請求項１記載の回転電機の電機子において、前記主巻線が前記アーマチュアコアの外側に配設された磁極と対向位置にある場合に、前記副巻線のコイル面と前記磁極による磁界との交差角度が、前記主巻線のコイル面と前記磁界との交差角度よりも小さな角度となることを特徴とする回転電機の電機子。
【請求項５】
複数のコアスロットを有するアーマチュアコアにワイヤを巻回させてなる電機子の巻線方法であって、
前記ワイヤを異なる前記コアスロット同士間に巻装して第１の巻線を形成し、
前記第１の巻線を形成した後、前記第１の巻線とは前記ワイヤが巻装される前記コアスロットの少なくとも一方を異にし、前記第１の巻線よりも前記ワイヤの巻回数が多く、かつ前記第１の巻線とにより１相分のコイルをなす第２の巻線を形成し、
前記第２の巻線のコイル面が前記アーマチュアコアの外側に配設された磁極と対向位置にある場合に、前記第１の巻線のコイル面が前記磁極による磁界の影響を受けない位置になるように前記第１の巻線を形成することを特徴とする電機子の巻線方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、モータ等の回転電機に使用される電機子に関し、特に、電機子の巻線方式に関する。
【０００２】
【従来の技術】
モータや発電機等の回転電機では、アーマチュアコアのコアスロットに銅線等のワイヤを巻回して電機子（アーマチュア）を形成している。この場合、ワイヤは、コンミテータの或るセグメントからコアスロット間の同一部分に数回巻き付けられ、次のセグメントに接続される。例えば、図５に示すように、８番のセグメントから、コアティース２，３番間のコアスロットと６，８番間のコアスロットとの間でｎ回巻回され（ｎｔ）、その後９番のセグメントに戻るようにワイヤが巻装される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、自動車などに搭載されるモータでは、電流容量などの関係から、ロック時における電流値を制限される場合がある。その一方、モータに対しては回転数やトルクの増加も求められる。この場合、ワイヤの巻回数を減らせば回転数は上がるものの、ワイヤ長が減少した分抵抗値が下がりロック電流が増大する。また、ワイヤ径を太くすればトルクは上昇するものの、線径が増加した分抵抗値が下がりロック電流が増大する。すなわち、回転数やトルクの増加とロック電流値の制限とは二律背反の関係にある。このため、モータロック時の電流要件が課せられている場合、巻数やワイヤ径を求められる特性に応じて適宜変更できず、モータの出力特性に制約が生じてしまうという問題があった。
【０００４】
本発明の目的は、ロック電流の上昇を抑えつつモータ出力特性の変更が可能な回転電機の電機子および電機子巻線方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の回転電機の電機子は、複数のコアスロットを有するアーマチュアコアにワイヤを巻回させてなる回転電機の電機子であって、前記ワイヤを異なる前記コアスロット同士間に巻装して形成した主巻線と、前記主巻線とは前記ワイヤが巻装される前記コアスロットの少なくとも一方を異にし、前記主巻線よりも前記ワイヤの巻回数が少ない副巻線とを有し、前記主巻線と前記副巻線とにより１相分のコイルが形成され、前記主巻線のコイル面が前記アーマチュアコアの外側に配設された磁極と対向位置にある場合に、前記副巻線のコイル面が前記磁極による磁界の影響を受けない位置になるように前記副巻線を形成することを特徴とする。
【０００６】
本発明にあっては、電機子に主巻線に加えて副巻線を形成したので、その分、巻線長を長く取ることができ、電機子の内部抵抗を増加させることができる。従って、所定の抵抗値を確保しつつ線径や巻数を変更でき、ロック電流値の上昇を抑えながら回転数やトルクを増加させることが可能となる。
【０００７】
なお、主巻線と副巻線とは、それらが形成されるコアスロットの少なくとも一方を異にして形成されていれば良く、従って、両巻線のコアスロットのうちの１つが共通であっても良く、また、主巻線と副巻線とが全く別のスロットに個々に形成されていても良い。
【０００８】
前記電機子において、前記副巻線を、前記主巻線が前記アーマチュアコアの外側に配設された磁極と対向位置にある場合に、前記磁極による磁界の影響を受けない位置に形成形成するようにしても良い。これにより、主巻線による回転電機の特性を損なうことなく巻線長を長くすることができ、副巻線形成による影響を最小限に抑えつつ、内部抵抗の増加を図ることが可能となる。
【０００９】
また、前記副巻線を、前記主巻線が前記アーマチュアコアの外側に配設された磁極と対向位置にある場合に、前記磁極間に位置する前記コアスロット間に形成するようにしても良い。
【００１０】
さらに、前記副巻線を、前記主巻線が前記アーマチュアコアの外側に配設された磁極と対向位置にある場合に、そのコイル面が前記磁極同士の中間位置に対向するように形成しても良い。なお、この場合、副巻線は磁極間にそのコイル面が向いていれば良く、必ずしも磁極の中間位置がワイヤ巻回方向と直角方向になくとも良い。
【００１１】
加えて、前記主巻線が前記アーマチュアコアの外側に配設された磁極と対向位置にある場合に、前記副巻線のコイル面と前記磁極による磁界との交差角度が、前記主巻線のコイル面と前記磁界との交差角度よりも小さな角度となるように前記副巻線を形成しても良い。
【００１２】
そして、副巻線をこのような形態にて形成することにより、磁界の影響を受けにくく回転電機の動作への影響が少ない位置に副巻線を形成することができる。従って、主巻線による回転電機の特性を損なうことなく巻線長を長くすることができ、副巻線形成による影響を最小限に抑えつつ、内部抵抗の増加を図ることが可能となる。
【００１３】
一方、本発明の電機子の巻線方法は、複数のコアスロットを有するアーマチュアコアにワイヤを巻回させてなる電機子の巻線方法であって、前記ワイヤを異なる前記コアスロット同士間に巻装して第１の巻線を形成し、前記第１の巻線を形成した後、前記第１の巻線とは前記ワイヤが巻装される前記コアスロットの少なくとも一方を異にし、前記第１の巻線よりも前記ワイヤの巻回数が多く、かつ前記第１の巻線とにより１相分のコイルをなす第２の巻線を形成し、前記第２の巻線のコイル面が前記アーマチュアコアの外側に配設された磁極と対向位置にある場合に、前記第１の巻線のコイル面が前記磁極による磁界の影響を受けない位置になるように前記第１の巻線を形成することを特徴とする。
【００１４】
これにより、電機子に、第１の巻線と、これより巻数の多い第２の巻線とを別個に形成できるので、その分、巻線長を長く取ることができ、電機子の内部抵抗を増加させることができる。従って、所定の抵抗値を確保しつつ線径や巻数を変更でき、ロック電流値の上昇を抑えながら回転数やトルクを増加させることが可能となる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明の一実施の形態であるアーマチュア（電機子）を用いたモータ（回転電機）の要部の構成を示す説明図である。当該実施の形態のモータでは、アーマチュア１は、アーマチュアシャフト２と、これに固定されたアーマチュアコア３と、アーマチュアコア３から軸方向に離れてアーマチュアシャフト２に設けられたコンミテータ４とを備えた構成となっている。アーマチュアコア３のコアスロット５にはワイヤ６が巻き付けられ、これによりアーマチュアコイル７が形成される。
【００１６】
アーマチュア１の外側には、界磁装置としてマグネット８が配設されている。マグネット８は、ヨークを兼ねたハウジング９に取り付けられている。当該実施の形態では、マグネット８は図１において上下に２個設けられており、図１のモータは２極モータとなっている。
【００１７】
図２は、図１におけるＡ−Ａ断面の概略図である。なお、ワイヤ６は１相分のみ示されている。アーマチュアコア３は、全体的に円筒形状となっており、放射状に延びて径方向外方が開口された１０個のコアスロット５を有している。各コアスロット５は、軸方向に延びて形成され、アーマチュアコア３の両端面の間を貫通している。相互に隣接し合うコアスロット５の間は、歯部つまりコアティース１０となっている。コアティース１０の径方向の先端部には円周方向両側に突出した鍔部分が設けられ、各コアティース１０は断面がＴ字形状となっている。コアスロット５およびコアティース１０は、図１の下半分の部分に示されるように、一端から他端に向けて、僅かに円周方向に傾斜している。
【００１８】
コンミテータ４は、図１に示すように、コアスロット５の数に対応させて１０個のセグメント１１からなる。各セグメント１１には、ワイヤ６の各端部を接続するための係合爪１２が形成されている。
【００１９】
ここで、本発明によるアーマチュア１では、図２に示すように、アーマチュアコイル７が主巻線（第２の巻線）７ａと、主巻線７ａよりも巻数の少ない少数巻線の副巻線（第１の巻線）７ｂとに分けて巻装されている。図３は、アーマチュアコイル７の結線状態を示す展開図である。図３に示すように、あるセグメント１１を発したワイヤ６は、まず副巻線７ｂを形成した後、主巻線７ａを形成し、隣接するセグメント１１に戻る。
【００２０】
例えば、７番のセグメント１１を発したワイヤ６は、まず、２，３番のコアティース１０間のコアスロット５ａ（以下、「ｘ，ｙ番ティース間のスロット５ｎ」と略記する）と、８，９番ティース間のスロット５ｂとの間でａ回（ａｔ）巻回され副巻線７ｂが形成される。その後、４，５番ティース間のスロット５ｃと、１，１０番ティース間のスロット５ｄとの間でｎ回（ｎｔ）巻回され主巻線７ａを形成する。そして、主巻線７ａ形成後、６番のセグメント１１に戻り１相分のアーマチュアコイル７が形成される。
【００２１】
この場合、副巻線７ｂは、主巻線７ａよりもワイヤ６の巻回数が少なく設定されており、ここでは主巻線１３回に対し副巻線１回となっている。また、副巻線７ｂは、主巻線７ａのコイル面１３がマグネット８に対向位置にあるとき、マグネット８によって形成される磁界Ｅから影響を受けにくい位置に形成されている。すなわち、図２のように、マグネット８が主巻線７ａのワイヤ巻回方向と直角方向の位置（対向位置）にある場合、副巻線７ｂのコイル面１４が、マグネット８同士の中間位置に形成された間隙Ｓに対向するよう形成されている。
【００２２】
磁界Ｅからの影響を考慮すると、図１，２のような２極のモータでは、副巻線７ｂのコイル面１４がワイヤ巻回方向が磁界Ｅの方向に対して略平行となるような位置、すなわち、主巻線７ａに対して９０度ずれた位置に副巻線７ｂが巻回されているのが理想的である。この際、副巻線７ｂのコイル面１４と磁界Ｅとの交差角度θｂは、主巻線７ａと磁界Ｅとの交差角度θａよりも小さいことになる。なお、当該実施の形態では、１０スロットのアーマチュアコア３に３スロットを空けてワイヤ６を巻回しているため、正確に９０度の位置には副巻線７ｂが形成できないため、主巻線７ａの出力特性を相殺しない方向（プラスの方向）のスロット位置に副巻線７ｂを形成している。
【００２３】
このように当該アーマチュア１では、主巻線７ａに加えて副巻線７ｂを形成したので、その分、巻線長を長く取ることができ、アーマチュアコイル７の内部抵抗を増加させることができる。従って、線径や巻数を変えても所定の抵抗値を確保でき、ロック電流値の上昇を抑えつつ回転数やトルクを増加させることが可能となる。
【００２４】
また、回転電機の動作に寄与する主巻線７ａとは別に、磁界の影響を受けにくく回転電機の動作への影響が少ない位置に副巻線７ｂが形成されているため、主巻線７ａによる特性を損なうことなく巻線長を長くすることができる。すなわち、副巻線形成によるモータ出力特性への影響を最小限に抑えつつ、内部抵抗の増加を図ることが可能となる。
【００２５】
従って、巻線長を変えることなく主巻線７ａの巻数を削減でき、ロック電流の上昇を抑えつつ、回転数を上げることが可能となる。また、主巻線の巻線数は変更せずに線径を太くしても、副巻線の分だけ巻線長を長く取れるため、内部抵抗を確保でき、ロック電流の上昇を抑えつつロックトルクを上げることが可能となる。よって、モータロック時の電流要件が課せられている場合であっても、巻数やワイヤ径を求められる特性に応じて適宜変更でき、所望のモータの出力特性を得ることが可能となる。
【００２６】
次に、このような副巻線を有するアーマチュアを用いたモータにつき、発明者らが行った実験の結果について説明する。図４はその実験結果を示す表である。
【００２７】
まず、線径０．４７ｍｍのワイヤを１４回ずつ巻回（以下、１４ターンと略記する）したアーマチュアについて、無負荷回転数、定格回転数、ロックトルク、ロック電流をそれぞれ測定した。これは、図５に示した従来のモータに該当する。
【００２８】
次に、比較例２として、ワイヤ線径はそのままに、主巻線を１３ターン、副巻線を１ターン形成したアーマチュアを形成して測定した。この場合、無負荷回転数や定格回転数がそれぞれ、１０３→１０８ｒｐｍ，６０→６４ｒｐｍに増加したのに対し、ロック電流の増加を０．４Ａ（１８．７→１９．１Ａ）に抑えることができた。なお、副巻線を形成せずに、単に１ターン減少させた場合のロック電流値は１９．７Ａであり（比較例１）、副巻線の形成により０．６Ａだけ電流値の上昇を抑えることができた。
【００２９】
一方、比較例３では、主巻線の巻数はそのままに（１４ターン）、線径を０．５ｍｍに増加した上で、副巻線を１ターン形成した。この場合、ロックトルクが８９２Ｎ・ｃｍ（９１ｋｇｆ・ｃｍ）→９６１Ｎ・ｃｍ（９８ｋｇｆ・ｃｍ）に増加したのに対し、ロック電流の増加を０．７Ａ（１８．７→１９．４Ａ）に抑えることができた。なお、副巻線を形成せずに、主巻線の巻数はそのままに単に線径を０．５ｍｍとした場合のロック電流値は２０．５Ａであり、副巻線の形成により０．９Ａだけ電流値の上昇を抑えることができた。また、無負荷回転数をほぼ変えることなく、定格回転数も６０→６６ｒｐｍに増加した。
【００３０】
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
【００３１】
例えば、前述の実施の形態では２極のモータを例にとって説明したが、磁極数は２個には限定されず、４極や６極モータ等にも適用可能である。なお、この場合も副巻線７ｂは、主巻線７ａがある磁極に対向したとき、磁極間の空隙のような磁界の中立位置に対向する部位に形成される。すなわち、４極モータでは主巻線７ａと約４５度の位置に、また、６極のモータでは約３０°の位置にそれぞれ副巻線７ｂを形成すれば良い。
【００３２】
さらに、前述の実験例はあくまでも一例であり、ワイヤの線径や巻数は前述のものに限定されないのは言うまでもない。また、副巻線の巻数も１巻には限定されず、主巻線よりも少ない巻数であればその回数は限定されない。但し、モータ特性への影響を考慮すれば、１〜３巻程度が好適である。なお、主巻線７ａと副巻線７ｂは何れを先に形成しても良い。
【００３３】
加えて、前述の実施の形態では、主巻線７ａと副巻線７ｂを全く異なるコアスロット５に形成した例を示したが、同じコアスロット５を共用して両巻線７ａ，７ｂを形成しても良い。
【００３４】
【発明の効果】
本発明によれば、電機子に主巻線およびこれより巻数の少ない副巻線とを形成したので、主巻線のみの場合に比して巻線長を長く取ることができ、電機子の内部抵抗を増加させることができる。従って、所定の抵抗値を確保しつつ線径や巻数を変更でき、ロック電流値の上昇を抑えながら回転数やトルクを増加させることが可能となる。よって、従来に比して少ない制約の中でモータの諸元を設定でき、ロック電流値に制限がある場合においても、モータ出力特性の設計自由度が拡大する。
【００３５】
また、副巻線を、主巻線が磁極と対向位置にある場合に、磁極による磁界の影響を受けない位置に形成形成するようにしても良い。これにより、主巻線による回転電機の特性を損なうことなく巻線長を長くすることができ、副巻線形成による影響を最小限に抑えつつ、内部抵抗の増加を図ることが可能となる。
【００３６】
さらに、磁極間に位置するコアスロット間に形成したり、磁極同士の中間位置に対向するように形成したり、磁極による磁界との交差角度が主巻線よりも小さな角度の位置に配設したりすることにより、磁界の影響を受けにくく回転電機の動作への影響が少ない位置に副巻線を形成することができる。従って、主巻線による回転電機の特性を損なうことなく巻線長を長くすることができ、副巻線形成による影響を最小限に抑えつつ、内部抵抗の増加を図ることが可能となる。
【００３７】
さらに、本発明の電機子の巻線方法によれば、第１の巻線を形成した後、第１の巻線よりも巻回数が多い第２の巻線を形成するので、電機子に、巻数の多い第２の巻線とは別に第１の巻線が形成され、その分、巻線長を長く取ることができ、電機子の内部抵抗を増加させることができる。従って、所定の抵抗値を確保しつつ線径や巻数を変更でき、ロック電流値の上昇を抑えながら回転数やトルクを増加させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態であるアーマチュアを用いたモータの要部の構成を示す説明図である。
【図２】図１におけるＡ−Ａ断面の概略図である。
【図３】アーマチュアコイルの結線状態を示す展開図である。
【図４】副巻線を有するアーマチュアを用いたモータにつき、発明者らが行った実験の結果を示す表である。
【図５】従来のモータの結線状態を示す展開図である。
【符号の説明】
１    アーマチュア
２    アーマチュアシャフト
３    アーマチュアコア
４    コンミテータ
５    コアスロット
５ａ〜５ｄ    コアスロット
６    ワイヤ
７    アーマチュアコイル
７ａ  主巻線（第２の巻線）
７ｂ  副巻線（第１の巻線）
８    マグネット
９    ハウジング
１０    コアティース
１１    セグメント
１２    係合爪
１３    コイル面
１４    コイル面
Ｅ      磁界
Ｓ      間隙
θａ，θｂ    交差角度
【図１】
0003545998.tif 000002
【図２】
0003545998.tif 000003
【図３】
0003545998.tif 000004
【図４】
0003545998.tif 000005
【図５】
0003545998.tif 000006