(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
等間隔に１０極着磁された磁石型ロータと、
１２個のコアピースを有し、前記コアピースの全てが、同一巻き方向に集中巻回された巻線を有するとともに環状配置し、かつ前記ロータに対向配設するステータと、
前記巻線を３相Ｙ結線するための多層プリント配線基板を含み、
隣り合う同相巻線は電流の向きが逆向きに、隣り合う異相巻線は電流の向きが同じ向きになるようにし、さらに、前記隣り合う同相巻線を直列に接続した回路を２回路並列に接続するように、多層プリント配線基板の多層に形成された配線パターンを介して結線したことを特徴とする１０極１２スロットの３相マグネットモータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はモータとそのモータに使用されるステータの製造方法に関する。特に、１０極着磁されたロータと、１２突極とその各突極に巻回される巻線を有するステータとから構成されるモータと、そのモータに使用されるステータの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、産業機器の高性能化や高機能化達成のため、駆動システムであるサーボシステムにおいて、メンテナンスフリー、高速応答化、デジタル化に加え、高精度化、小型化および省配線化が実現されてきた。
【０００３】
サーボモータにおいて、ステータは、巻線作業が容易な分割コアに集中巻回を施すことで巻線のスロット占積率を向上させている。ロータには希土類磁石を採用して小型化を実現している。そして、集中巻回した巻線の結線処理に、多層プリント配線基板を用いる技術が、例えば日本特許出願特開２０００−１２５４９５号公報に開示されている。
【０００４】
近年、更なる機器の小型高性能化、高精度化および低騒音化を実現するため、サーボモータには更なる小型高出力化、高回転精度化および低コスト化が求められている。
【０００５】
そのような要望に対応して、高出力、低振動および低騒音を実現するため、１０極（または１４極）着磁のロータに対して、１２個の突極コアからなるステータを組合せることでコギングトルクを抑制する技術が、例えば日本特許出願特公平８−８７６４号公報に開示されている。この公報に開示されている技術は、コギングトルクを抑制して、高出力、低振動および低騒音を実現できるものである。
【０００６】
しかしながら、集中巻回した３相巻線を次のように配置する必要がある。すなわち、機械角１８０度の位置に配置される第一巻線と同相の第二巻線とは互いに異極となるように異方向に巻回して配置し、円周方向に隣接する上記第一巻線と同相の第三巻線とは互いに異極となるように異方向に巻回して配置する必要がある。さらに、同円周方向に隣接する異相の巻線は上記第三巻線と同方向に巻回して配置する必要がある。このように、巻線あるいは結線処理が煩雑となる。
【０００７】
解決しようとする問題点は、３相巻線の巻回方向が、同相巻線で互いに逆方向となる組合せの繰り返し、かつ、隣り合う異相巻線は同極となるように配置する必要があり、巻線作業が非常に煩雑となり自動化が困難な点である。このため、従来のステータの製造用設備が共用できず、新たな設備投資あるいは巻線設備の改造などが必要となり、コスト面で問題がある。
【０００８】
また、同相巻線を直列接続のみで構成する３相Ｙ結線においては、同相巻線を切断することなく渡り線を介在させながら連続して集中巻回させると、結線処理作業が容易になる。しかしながら、高出力を得るための巻線作業に課題が発生する。すなわち、線径の太い巻線を採用しなければならず、巻き方向を変更しながら集中巻回するのが困難であり、その結果、巻線のスロット占積率が低下して効率も低下する。
【０００９】
これに対して、線径の細い巻線を採用して、同相巻線を直列接続のみならず並列接続も含む３相Ｙ結線すれば、スロット占積率の低下は防止できるものの、結線処理作業が煩雑になる。
【発明の開示】
【００１０】
本発明のモータは、等間隔に１０極着磁されたロータと、１２個のコアピースを有し、コアピースの全てが、同一巻き方向に集中巻回された巻線を有するとともに環状配置し、かつロータに対向配設するステータと、巻線をＵ相、Ｖ相、Ｗ相からなる３相結線する配線基板を含む。隣り合う同相巻線は電流の向きが逆向きに、隣り合う異相巻線は電流の向きが同じになるように、配線基板を介して結線する。
【００１１】
この構成により、巻線のスロット占積率が高く、高出力、高効率で、コギングトルクの小さなモータが得られる。
【００１２】
また、本発明のステータの製造方法は、１２個のコアピースを横に並べ、コアピースの全てに対して巻線を連続的に同一巻き方向に集中巻回するステップと、巻線が施された１２個のコアピースを環状配置するステップと、巻線を連続的に巻回することに伴い各コアピース間で繋がった渡り線を切断するステップと、渡り線の切断に伴い生じた各巻線端部を、隣り合う同相巻線は電流の向きが逆向きに、隣り合う異相巻線は電流の向きが同じになるように、配線基板を介して３相結線するステップを含む。
【００１３】
この方法によって製造したステータを１０極着磁したロータと組合せることにより、巻線のスロット占積率が高く、高出力、高効率で、コギングトルクの小さなモータが得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。図１は本発明の実施の形態におけるモータの要部説明図、図２は図１に示すモータのステータにおける３相巻線の結線図、図３は図１に示すモータの多層プリント配線基板における中性点（４層目）のパターン図、図４は図１に示すモータの多層プリント配線基板における１層目のパターン図、図５は図１に示すモータの多層プリント配線基板における２層目のパターン図であり、図６は図１に示すモータの多層プリント配線基板における３層目のパターン図である。
【００１５】
図１から図６において、本実施の形態のモータは、ロータ１と、ステータ４と、多層プリント配線基板９１、９２、９３および９４からなる。ロータ１は、等間隔に１０極（Ｎ極とＳ極で一対であり、５対）着磁されている。ステータ４は、１２個のコアピース６を有し、コアピース６の全てが、同一巻き方向に集中巻回された集中巻線５を有するとともに環状配置する。ステータ４は、空隙を介してロータ１に対向配設する。多層プリント配線基板９１、９２、９３および９４を介して、１２個のコアピース６に巻回した集中巻線５をＵ相、Ｖ相およびＷ相からなる３相結線する。ここで、隣り合う同相巻線は電流の向きが逆向き、隣り合う異相巻線は電流の向きが同じになるように、多層プリント配線基板９１、９２、９３および９４を介して結線する。
【００１６】
図１に示す実施の形態のモータは、図２に示すように、隣り合う同相巻線を直列接続した回路を２回路並列接続して構成した１相分の巻線群を、３相分Ｙ結線したものである。
【００１７】
ここで、本発明の実施の形態のステータ４の製造方法は次のステップを含む。すなわち、１２個のコアピース６を横に並べ、コアピース６の全てに対して巻線を連続的に同一巻き方向に集中巻回するステップと、巻線が施された１２個のコアピース６を環状配置するステップと、巻線を連続的に巻回することに伴い、各コアピース間で繋がった渡り線を切断するステップと、渡り線の切断に伴い生じた各巻線端部を、隣り合う同相巻線は電流の向きが逆向き、隣り合う異相巻線は電流の向きが同じになるように、多層プリント配線基板９１、９２、９３および９４を介して３相結線するステップを含む。
【００１８】
本発明の実施の形態におけるモータについて、さらに詳細に説明する。図１において、ロータ１は、ロータ鉄心２と磁石３で構成される。ロータ鉄心２の外壁に磁石３が接着剤で固着されている。磁石３はラジアル方向にＮ極とＳ極を交互に１０極着磁を施している。ステータ４は、集中巻線５を備えた１２個のコアピース６を環状に配置した後、後述する多層プリント配線基板で３相Ｙ結線する。ロータ１が空隙を介してステータ４の内側に配設され、本発明の実施の形態に係るモータが構成されている。
【００１９】
ここで、コアピース６について、もう少し詳しく説明する。まず、コアピース６はティース単位に分割した鉄心を所定数積層し、積層両端部を絶縁板７にて絶縁処理した後、同一方向に集中巻回した集中巻線５の巻き始めと巻き終りを端子ピン８にハンダ付けする。例えば、一方の端子ピンに巻き始め（図１に符号Ｓにて示す）、他方の端子ピンには巻き終り（図１に符号Ｅにて示す）を接続する。両方の端子ピン８は、絶縁板７の結線処理する側に設ければよい。集中巻線５を同じ方向に集中巻回した１２個のコアピース６を環状に配置して、そのコアピース６の互いの分割面を接合固定する。
【００２０】
図１に示した集中巻線５を有するコアピース６は、同じ方向に集中巻回された集中巻線５を端子ピン８に接続しただけの状態、すなわち３相結線前の状態であり、１２個の相配列も電流の向きも未決定である。
【００２１】
ここでは、後述する回路結線図および多層プリント配線基板との位置関係が明確になるように、１２個のコアピース６のそれぞれに対して、Ｕ相、Ｖ相またはＷ相の区別と、反時計回り方向に１番から１２番までの連番で巻線番号を付記する。さらに、相電流の向きの違いを巻線番号の後に符号“Ｆ”または“Ｒ”を付記して区別する。例えば、Ｕ１ＦとＵ８Ｆは同極、Ｕ２ＲとＵ７ＲはＵ１ＦとＵ８Ｆに対して異極となるよう励磁されることを表わしている。Ｖ４ＦとＶ９Ｆは同極、Ｖ３ＲとＶ１０ＲはＶ４ＦとＶ９Ｆに対して異極となるよう励磁されることを表わしている。Ｗ５ＦとＷ１２Ｆは同極、Ｗ６ＲとＷ１１ＲはＷ５ＦとＷ１２Ｆに対して異極となるよう励磁されることを表わしている。
【００２２】
図１では、１番目のＵ相をＵ１Ｆとし、隣の２番目のＵ相をＵ２Ｒと表示し、以降、反時計回りに３番目のＶ相をＶ３Ｒ、４番目のＶ相をＶ４Ｆ、５番目のＷ相をＷ５Ｆ、６番目のＷ相をＷ６Ｒ、７番目のＵ相をＵ７Ｒ、８番目のＵ相をＵ８Ｆ、９番目のＶ相をＶ９Ｆ、１０番目のＶ相をＶ１０Ｒ、１１番目のＷ相をＷ１１Ｒ、１２番目のＷ相をＷ１２Ｆと配置する。これにより、隣り合う同相巻線は電流の向きが逆、かつ、隣り合う異相巻線は電流の向きを同じにする。
【００２３】
次に、図２を用いて３相Ｙ結線について説明する。図２に示すように、隣り合う同相巻線を直列接続した回路を２回路並列接続して構成した１相分の巻線群を、３相分Ｙ結線している。すなわち、隣り合うＵ相巻線Ｕ１ＦとＵ２Ｒの直列回路と、隣り合うＵ相巻線Ｕ７ＲとＵ８Ｆの直列回路とを並列に接続することにより、Ｕ相巻線全体を構成している。また、隣り合うＶ相巻線Ｖ３ＲとＶ４Ｆの直列回路と、隣り合うＶ相巻線Ｖ９ＦとＶ１０Ｒの直列回路とを並列に接続することにより、Ｖ相巻線全体を構成している。また、隣り合うＷ相巻線Ｗ５ＦとＷ６Ｒの直列回路と、隣り合うＷ相巻線Ｗ１１ＲとＷ１２Ｆの直列回路とを並列に接続することにより、Ｗ相巻線全体を構成している。
【００２４】
そして、Ｕ相巻線全体、Ｖ相巻線全体およびＷ相巻線全体を３相Ｙ結線している。このような結線によって、線径の細い巻線を巻回して高出力を得るのに適している。
【００２５】
繰り返しになるが、隣り合う同相巻線を直列に接続する対象巻線とは、Ｕ１ＦとＵ２Ｒ、Ｖ３ＲとＶ４Ｆ、Ｗ５ＦとＷ６Ｒ、Ｕ７ＲとＵ８Ｆ、Ｖ９ＦとＶ１０Ｒ、Ｗ１１ＲとＷ１２Ｆの６回路である。さらに、その６回路の内、上記の同相の直列回路同士を並列接続した状態が図２である。なお、各巻線の巻き始めには“Ｓ”を、巻き終わりには“Ｅ”を付している。また、３相Ｙ結線の中性点には“Ｎ”を付している。
【００２６】
次に、図２の３相Ｙ結線を行う多層（４層）プリント配線基板について、図３から図６を用いて説明する。
【００２７】
図３は中性点パターンレイアウト（４層目）の例である。プリント配線基板９４上に中性点パターン（ハッチング部分）が形成されている。各巻線番号、および各巻線の巻き始めＳと巻き終わりＥを図示する。巻線Ｕ２Ｒの巻き始めＳ、巻線Ｕ７Ｒの巻き始めＳ、巻線Ｖ３Ｒの巻き始めＳ、巻線Ｖ１０Ｒの巻き始めＳ、巻線Ｗ６Ｒの巻き始めＳ、巻線Ｗ１１Ｒの巻き始めＳのそれぞれが、中性点パターンに接続されている。こうして、図２に示す３相Ｙ結線の中性点Ｎを結線する。
【００２８】
図４は多層プリント配線基板における１層目のパターンレイアウトである。プリント配線基板９１上に１層目配線パターン（ハッチング部分）が形成されている。各巻線番号、および各巻線の巻き始めＳと巻き終わりＥを図示する。図１に示す２４本の端子ピン８が、多層プリント配線基板の１層目から４層目までのそれぞれの外周近傍を貫いている。多層プリント配線基板の１層目において、それら端子ピン８と、各巻線の巻き始めＳまたは巻き終わりＥとが、それぞれランドを介して電気的に接続されている。また、巻線Ｕ７Ｒの巻き終わりＥと巻線Ｕ８Ｆの巻き終わりＥが配線パターンにて接続されている。巻線Ｖ３Ｒの巻き終わりＥと巻線Ｖ４Ｆの巻き終わりＥが配線パターンにて接続されている。巻線Ｗ５Ｆの巻き終わりＥと巻線Ｗ６Ｒの巻き終わりＥが配線パターンにて接続されている。また、巻線Ｕ１Ｆの巻き始めＳと巻線Ｕ８Ｆの巻き始めＳが配線パターンにて接続されている。
【００２９】
図５は多層プリント配線基板における２層目のパターンレイアウトである。プリント配線基板９２上に２層目配線パターン（ハッチング部分）が形成されている。各巻線番号、および各巻線の巻き始めＳと巻き終わりＥを図示する。巻線Ｕ１Ｆの巻き終わりＥと巻線Ｕ２Ｒの巻き終わりＥが配線パターンにて接続されている。巻線Ｖ３Ｒの巻き終わりＥと巻線Ｖ４Ｆの巻き終わりＥが配線パターンにて接続されている。巻線Ｗ１１Ｒの巻き終わりＥと巻線Ｗ１２Ｆの巻き終わりＥが配線パターンにて接続されている。また、巻線Ｖ４Ｆの巻き始めＳと巻線Ｖ９Ｆの巻き始めＳが配線パターンにて接続されている。
【００３０】
図６は多層プリント配線基板における３層目のパターンレイアウトである。プリント配線基板９３上に３層目配線パターン（ハッチング部分）が形成されている。各巻線番号、および各巻線の巻き始めＳと巻き終わりＥを図示する。巻線Ｕ７Ｒの巻き終わりＥと巻線Ｕ８Ｆの巻き終わりＥが配線パターンにて接続されている。巻線Ｖ９Ｆの巻き終わりＥと巻線Ｖ１０Ｒの巻き終わりＥが配線パターンにて接続されている。また、巻線Ｗ５Ｆの巻き始めＳと巻線Ｗ１２Ｆの巻き始めＳが配線パターンにて接続されている。
【００３１】
図３から図６に示す各パターンは、スルーホールを介してＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各同相巻線が接続され、各プリント配線基板の円形部から方形部に設けた各相のランドに導出される。
【００３２】
上述した各端子ピン８を、この多層プリント配線基板９１から９４にてはんだ接続することで３相Ｙ結線が完了する。
【００３３】
なお、本実施の形態では、配線基板としてプリント配線基板を用いて説明したが、プリント配線基板に限定するものではない。例えば、配線基板として同様の銅板をプレス抜きして、各層間を絶縁しながら結線してもよく、あるいは、同心円上に配置して、各円間を絶縁しながら結線処理してもよい。
【００３４】
また、１２個に分割したティース単位のコアピースにそれぞれ個別に集中巻回して説明したが、これに限定するものではなく、ティース単位のコアピースが横に連接されたものでも各コアピースに対して同一の巻き方向で集中巻回して図１の状態を確保すれば同様に実施することができる。
【００３５】
例えば、本実施の形態と同様に端子ピンを設けた１２個のコアピースを横方向に並べ、端子ピンに絡げながら同一巻き方向で集中巻回し、隣のコアピースに渡り線を切断することなく連続して巻回し、１２個の巻線が完了後、コアピースを環状固定する。この後、コアピース間の渡り線を切断してもよく、１２個のコアピース間に形状差があっても環状に復元するのが容易になる。また、１２個のコアピースを横に展開した状態で、３相分の３つのコアピースに対して同時に同じ巻き方向に集中巻回、さらに、３つ飛ばして同様に巻線を繰り返してもよい。
【００３６】
このように、１０極ロータと組み合わせる１２突極用ステータを、配線基板を用いて３相Ｙ結線するため、全ての巻線を同一方向に集中巻回できる。このため、従来の巻線設備を用いた整列巻線が可能となり巻線終端を低くできる。これにより、巻線のスロット占積率が高く、小型で高効率のモータが得られる。
【００３７】
また、トルク発生に寄与する同相のコアピースが、機械角１８０度の間隔でバランスよく配置できるため、低コギングトルク化に加えて、低振動、低騒音化が可能となる。
【００３８】
なお、上記実施の形態のモータでは１０極着磁の表面磁石型（ＳＰＭ）ロータで説明したが、１０極着磁の磁石埋設型（ＩＰＭ）ロータであっても同様に実施できる。
【００３９】
上記から明らかなように、本発明のモータによれば、配線基板によって３相Ｙ結線するため、１２個のコアピースに対して同一方向に集中巻回することができ、整列巻線が容易なためコイルエンドを低くできる。また、従来と同じステータの部品および製造設備が利用でき、安価なモータが得られる。
【００４０】
上記に加えて、隣り合う同相巻線を直列に接続した回路を２回路並列に接続した３相Ｙ結線とすることで、高出力化に対応できる。
【００４１】
さらに、３相結線するための配線基板を取り付ける前までのステップは従来と同じでよく、配線パターンの異なる配線基板を組合せるだけで、例えば８極着磁ロータ用のステータを１０極または１４極着磁ロータ用のステータに変更できる。
【００４２】
このように、ステータの部品および製造設備を共用できるため低コスト化が図れ、１０極（または１４極）着磁したロータと組合せることで、コギングトルクが小さく、高出力高効率のモータが得られる。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明のモータは、高性能が要望されるサーボモータに最適であり、振動騒音を嫌う用途などにも有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の実施の形態におけるモータの要部説明図
【図２】図１に示すモータのステータにおける３相巻線の結線図
【図３】図１に示すモータの多層プリント配線基板における中性点（４層目）のパターン図
【図４】図１に示すモータの多層プリント配線基板における１層目のパターン図
【図５】図１に示すモータの多層プリント配線基板における２層目のパターン図
【図６】図１に示すモータの多層プリント配線基板における３層目のパターン図
【符号の説明】
【００４５】
１    ロータ
２    ロータ鉄心
３    磁石
４    ステータ
５    集中巻線
６    コアピース
７    絶縁板
８    端子ピン
９１    多層プリント配線基板（１層目）
９２    多層プリント配線基板（２層目）
９３    多層プリント配線基板（３層目）
９４    多層プリント配線基板（４層目）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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