JP2014007781A - 電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】平板状のコイル同士の溶接性を向上させた電動機を提供する。
【解決手段】配電部１０には、ステータ部３のステータ側コイル７を貫通させる貫通孔１０ａが形成され、この貫通孔１０ａに配電側コイル１１が配設されると共に弾性変形部１４が形成される。弾性変形部１４の弾性変形により、ステータ側コイル７が配電側コイル１１の方向へ押圧接触した状態で、両コイルが溶接される。
【選択図】図４

Description

この発明は、平板状の配電側コイルと、平板状のステータ側コイルとを溶接した電動機に関するものである。

三相シンクロナス交流モータ等の電動機は、ステータ側の永久磁石によりロータに磁極を作り出し、ステータティース間に配置されたステータ側コイルによりステータティースに磁極を作り出す。そして、外部電源に接続した配電部がステータ側コイルへの通電を切り替えて、ステータティースのＳ極とＮ極を切り替えることにより、回転トルクを生じさせるようにしていた。

この電動機に通電される電流は２５０Ａｒｍｓ（最大５００Ａ）のような大電流になるので、ステータ側コイルおよび配電側コイルには平板状の銅板材（いわゆる平角線）が採用されている（例えば、特許文献１，２参照）。平角線は偏素線に比べ、部品製造コストが安価であり、組み付けも簡略化できるメリットがある。

平板状のステータ側コイルと配電側コイルを電気的に接続する際には、一般的な金属部材間の結合方法である溶接（例えば、Ｔｕｎｇｓｔｅｎ Ｉｎｅｒｔ Ｇａｓ；ＴＩＧ溶接）が用いられる。
ここで、図８を参照して、ＴＩＧ溶接の概要を説明する。図８（ａ）に示すように、平板状のステータ側コイル１００と、同じく平板状の配電側コイル１０１とを並列に配置して、両コイルの端部をＴＩＧ溶接する。図８（ｂ），図８（ｃ）は溶接成功時、図８（ｄ）〜図８（ｆ）は溶接失敗時を示すＤ矢視図である。

図８（ｂ）のように、ステータ側コイル１００と配電側コイル１０１との間に隙間が無い場合、溶接機１０２で溶接することにより、図８（ｃ）に示すように両コイルの先端部全体が溶解して溶接部１０３が形成され、溶け込み代も十分に確保できる。従って、コイル間の抵抗が小さく、良好に通電することができる。

一方、図８（ｄ）のように、ステータ側コイル１００と配電側コイル１０１との間に隙間が発生した場合、ＴＩＧ溶接性が不安定となり、図８（ｅ）に示すように片方のコイルのみ溶解した状態の片側溶接が発生したり、図８（ｆ）に示すように溶け込み不良が発生したりする。図８（ｅ）の片側溶接では、コイル間が接続されていないので通電できない。図８（ｆ）の溶け込み不良では、溶け込み代が少ないため、通電部分の断面積が小さくなる。そのため、コイル間の抵抗が増加して通電不良が発生したり、局部的発熱が増加して、モータ効率の低下または溶接部１０３の溶断が発生したりする。

特開２００８−７９４６６号公報 特開２００２−１８６２３４号公報

上記特許文献１の電動機は、平板状のコイル同士の溶接を行う際、第１のコイルの一端部が配設された開口部に、第２のコイルの一端部を挿通することにより、両コイルを並列に対向させていた。この構成の場合、各部品のばらつき具合によっては、コイル間に隙間が発生し、溶接性が不安定になるという課題があった。

上記特許文献２の電動機は、平板状のコイル同士を溶接して電気的に接続する構成ではなく、一方のコイルをもう一方のコイルに押圧して電気的な接続を確保する構成であった。具体的には、第１のコイルを封止した樹脂に第１のコイルの一端部が露出する接続開口を形成すると共に、接続開口に第１のコイルの一端部とこれに対向する接続開口の樹脂面とによって第２のコイルの一端部が挿入接続される雌部を形成し、第２のコイルの一端部が挿入された場合にこの第２のコイルが第１のコイルの一端部と接続開口の樹脂面とによって挟持されるようにしていた。この構成の場合、第１のコイルが第２のコイルに対して斜めに接触するので、接触面積が小さく、溶接性が不安定になるという課題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、平板状のコイル同士の溶接性を向上させた電動機を提供することを目的とする。

この発明に係る電動機は、シャフトに一体化したロータ部と、ロータ部の外周を囲う位置に固定され、平板状のステータ側コイルがシャフトの軸方向と平行に配設されたステータ部と、ステータ側コイルの端部を貫通させる貫通孔、および貫通孔に軸方向と平行に配設されて貫通孔開口から露出し、貫通孔を貫通したステータ側コイルと溶接された平板状の配電側コイルを有し、当該配電側コイルを介してステータ部に電力供給する配電部と、貫通孔内に設けられ、弾性変形して、ステータ側コイルと配電側コイルとを押圧接触させる弾性変形部とを備えるものである。

この発明によれば、弾性変形部がステータ側コイルと配電側コイルを押圧接触させるようにしたので、両コイルが隙間無く密着した状態で溶接できるようになり、溶接性を向上させた電動機を提供することができる。

この発明の実施の形態１に係る電動機の構成を示す断面図である。 実施の形態１に係る電動機のうち、ステータ部と配電部の斜視図である。 実施の形態１に係る電動機の回転動作を説明する図である。 実施の形態１の配電部の貫通孔周辺を、図２のＣＣ線に沿って切断した断面図である。 図４に示す配電部の貫通孔周辺の構成の変形例を示す断面図である。 図４に示す配電部の貫通孔周辺の構成の変形例を示す断面図である。 図４に示す配電部の貫通孔周辺の構成の変形例を示す断面図である。 ＴＩＧ溶接の概要を説明する図であり、図８（ｂ），（ｃ）は溶接成功時、図８（ｄ）〜（ｆ）は溶接失敗時の例である。

実施の形態１．
図１および図２に示す電動機１は、三相交流シンクロナスモータを構成し、円筒状のハウジング２と、ハウジング２の内部に固定されたステータ部３および配電部１０と、図示しないシャフトを回転させるロータ部９とを備える。

ロータ部９は、周方向外側に突出する突部を１８０度間隔に２箇所形成し、回転軸方向Ｘの途中で突部を９０度ずらした状態にする（突部９ａ，９ｂ）。ロータ部９を永久磁石で構成してもよいが、電動機１が高温に晒される場合には磁気特性が低下するので、例えば電磁鋼板を突状に打ち抜いて回転軸方向Ｘの途中で突部を９０度ずらした状態にする（突部９ａ，９ｂ）。

このロータ部９にシャフトを固着して、ロータ部９と一体にシャフトを回転させることにより、ロータ部９に発生した回転力を外部出力する。電動機１を自動車用ターボチャージャおよび電動コンプレッサ等に適用する場合、ロータ部９に固着したシャフトをタービン（いわゆるインペラ）の回転軸に連結して、電動機１によりタービンを回転駆動する。

ステータ部３は、２個のステータコア４，５と、このステータコア４，５の間に配置されたマグネット６と、６個のＵ字状のステータ側コイル７と、これらを一体化するモールド部８とから構成される。ステータコア４，５はそれぞれ、電磁鋼板を回転軸方向Ｘに積層して構成する。図２に示すように、このステータコア５は、環状体５ａと、この環状体５ａの内周部から中心に向かって突出する６個の突部（以下、ティース５ｂ）とからなる。なお、図１および図２では隠れて見えないが、ステータコア４も環状体４ａと６個のティース４ｂとからなる。また、マグネット６は環状体４ａ，５ａと略同形状である。

ステータ側コイル７は、銅板をＵ字に折り曲げた１回巻のコイルである。回転軸方向Ｘに対向する１組のティース４ｂ，５ｂに対して１個のステータ側コイル７が装着される。モールド部８は、ステータコア４，５、マグネット６およびステータ側コイル７を一体成形する樹脂部材で構成される。各ティース４ｂ，５ｂに装着されモールドされた各ステータ側コイル７は、モールド部８を回転軸方向Ｘに貫通して、折り曲げ部分がステータコア４側に、先端部分がステータコア５側に突出している。ステータ部３を一体成形する際に、各ステータ側コイル７の先端部分を金型の内壁に当接させて高さ方向の位置合わせをすることにより、ステータ側コイル７同士の先端部分の高さ方向のずれを抑制している。

配電部１０は、銅板の配電側コイル１１を一体成形する樹脂部材で構成される。この配電側コイル１１は、シャフトの周方向に沿って環状に配置されて、一方の端部がステータ側コイル７に接続され、他方の端部が不図示のインバータ基板に接続される。配電部１０には、ステータ側コイル７の先端部分を貫通させるための貫通孔１０ａが形成されており、貫通孔１０ａを貫通したステータ側コイル７は、貫通孔１０ａの内部から開口に向かって配設された配電側コイル１１と並列に対向する。この貫通孔１０ａの詳細は後述する。

配電側コイル１１に接続するインバータ基板は、外部電源を交流電流に変換し、位置検出センサ１２から入力される位置信号に基づいて配電側コイル１１のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の三相を順次切り替えて配電側コイル１１からステータ側コイル７へ電流を流す。また、配電部１０の中央には位置検出センサ１２が設置されている。この位置検出センサ１２は、シャフトに固定されたターゲットの位置を検出して、シャフトの回転位置を示す位置信号を出力する。

次に、電動機１の動作概略を説明する。
回転軸方向Ｘに着磁されたマグネット６による磁束は、マグネット６のＮ極側に配置されたステータコア４のティース４ｂからロータ部９の突部９ａに流れ出て、ロータ部９を回転軸方向Ｘに進んでＳ極側にある突部９ｂから出て、ロータ部９のＳ極側に配置されたステータコア５のティース５ｂへ流れ入る界磁磁束となる。このように、マグネット６の界磁起磁力がロータ部９に作用することで、マグネット６のＮ極側に対面するロータ部９の突部９ａをＮ極に着磁し、マグネット６のＳ極側に対面するロータ部９の突部９ｂをＳ極に着磁する。
図３は、配電部１０側から見たステータ部３とロータ部９の平面図である。ただし、ハウジング２およびステータ側コイル７等は図示を省略する。配電部１０の配電側コイル１１を経由してＵ字状のステータ側コイル７に電流が流れると、流れた電流の向きに応じてステータコア４，５の各ティース４ｂ，５ｂが着磁して回転磁界が生じ、トルクが発生する。ステータ側コイル７に流す電流の向きを順次切り替えることにより、図３（ａ）〜図３（ｃ）のように各ティース４ｂ，５ｂのＮＳ各極性が回転移動していき、磁気作用によりロータ部９が回転する。

次に、電動機１の組み立て手順を説明する。
図１に示すように、ハウジング２にはステータ部３の一端面に当接する当接部２ａと、配電部１０の一端面に当接する当接部２ｂが形成されている。一体成形したステータ部３をＡ方向よりハウジング２に圧入し、当接部２ａに当接させる。また、一体成形した配電部１０をＢ方向よりハウジング２に挿入し、当接部２ｂに当接させてネジ等で組み付ける。このとき、ステータ側コイル７の先端部分を配電部１０の貫通孔１０ａに貫通させて、ステータ側コイル７と配電側コイル１１とを並列に配し、ＴＩＧ溶接を実施して両コイルを電気的に接続する。この電動機１ではステータ側コイル７を６個使用するので、１個につき溶接部１３が２箇所、全部で１２箇所になる。

なお、上記説明では、ステータ側コイル７をモールドしたステータ部３をハウジング２に組み付けているが、この組み立て手順に限定されるものではない。例えば、ステータ部３を一体成形する際、ステータ側コイル７をモールドせず、代わりに、このステータ側コイル７を挿通するための挿通孔（不図示）をモールド部８に形成しておく。そして、ステータ部３をハウジング２に組み付けた後、挿通孔にステータ側コイル７をアウトサートする。

あるいは、ハウジング２に当接部２ａ，２ｂ等の段差が無い場合（不図示）には、ステータ部３と配電部１０を同一方向から組み付け可能である。その場合、先ずステータ部３を配電部１０に固定し、ステータ側コイル７の先端部分を配電部１０の貫通孔１０ａに貫通させ、ＴＩＧ溶接を実施してステータ側コイル７と配電側コイル１１を電気的に接続する。その後、ステータ部３と配電部１０を一方向からハウジング２に挿入して固定する。

次に、ステータ側コイル７と配電側コイル１１の溶接方法を説明する。
図４は、配電部１０の貫通孔１０ａ周辺を、図２のＣＣ線に沿って切断した断面図であり、図４（ａ）は貫通孔１０ａにステータ側コイル７を挿入する前の状態、図４（ｂ）は挿入した状態を示す。
貫通孔１０ａの壁面には、配電側コイル１１のＬ字に折れ曲がった一端部が回転軸方向Ｘに配設され、この配電側コイル１１の先端部分が貫通孔１０ａから突出している。また、この貫通孔１０ａの内部には、ステータ側コイル７を配電側コイル１１側へ押圧する弾性変形部１４が設けられている。この弾性変形部１４は、例えば、貫通孔１０ａと同時に一体成形した樹脂部材で構成されている。また、弾性の剛性を高める必要がある場合には、バネ性を持った金属板をインサート成形して弾性変形部１４を構成してもよい。

図４（ａ）に示すように、ステータ側コイル７はその先端部分で弾性変形部１４を弾性変形させながら、貫通孔１０ａに挿入される。そして、図４（ｂ）に示すように、弾性変形部１４が弾性変形することによって、弾性力Ｆでステータ側コイル７を配電側コイル１１側へ押圧し、ステータ側コイル７と配電側コイル１１とが隙間無く密着した状態が維持される。この状態でステータ側コイル７と配電側コイル１１の端部同士をＴＩＧ溶接し、溶接部１３とする。これにより、溶接部１３のＴＩＧ溶接性が安定し、片側溶接および溶け込み不良が発生せず、良好に通電可能となる。

なお、弾性変形部１４は、図４に示した形状に限定されるものではない。
例えば、図５に示す変形例のように、弾性変形部１４を根元から分岐させた形状であってもよい。この形状は、金属板をインサート成形して弾性変形部１４を形成する場合に適している。

ＴＩＧ溶接性は、コイル間に隙間が発生した場合だけでなく、コイル先端部の高さ方向のずれが発生した場合にも不安定となり、片側溶接または溶け込み不良が発生しやすくなる。
そこで、ステータ側コイル７と配電側コイル１１の高さ方向の位置ずれを防止するために、図６に示す変形例のように、ステータ側コイル７に、弾性変形部１４と係合するための切欠部７ａを形成してもよい。配電側コイル１１の先端から弾性変形部１４の先端までの長さに合わせた位置に、切欠部７ａを形成しておくことにより、ステータ側コイル７を貫通孔１０ａに挿入した際に自動的に高さ方向の位置決めができる。これにより、溶接部１３のＴＩＧ溶接性をより安定させることができる。
なお、切欠部７ａを形成していない図４および図５の場合でも、各部材の公差程度の位置ずれであれば、良好にＴＩＧ溶接可能である。

なお、図１〜図６の例では、弾性変形部１４が、ステータ側コイル７を配電側コイル１１側へ押圧する構成にしたが、反対に、配電側コイル１１をステータ側コイル７側へ押圧する構成にしてもよい。
例えば、図７に示す変形例のように、配電側コイル１１を、貫通孔１０ａを横断してＬ字に折れ曲がる形状にし、折れ曲がった先端側が弾性変形部１４に弾接するように配設する。また、配電側コイル１１の貫通孔１０ａを横断する部分に、ステータ側コイル７を挿通する開口部１１ａを形成し、貫通孔１０ａと開口部１１ａとを連通させる。ステータ側コイル７が貫通孔１０ａおよび開口部１１ａに挿通されると、弾性変形部１４が、弾性力Ｆで、配電側コイル１１をステータ側コイル７の方向へ押圧し、ステータ側コイル７と配電側コイル１１とが隙間無く密着した状態が維持される。

また、図１〜図７の例では、１つの貫通孔１０ａに２本のステータ側コイル７を貫通させる構成にしたが、これに限定されるものではなく、１つの貫通孔１０ａに１本のステータ側コイル７を貫通させる構成にして、弾性変形部１４を片方だけ形成するようにしてもよい。

以上より、実施の形態１によれば、電動機１は、シャフトに一体化したロータ部９と、ロータ部９の外周を囲う位置に固定され、平板状のステータ側コイル７がシャフトの回転軸方向Ｘと平行に配設されたステータ部３と、ステータ側コイル７の端部を貫通させる貫通孔１０ａ、および、貫通孔１０ａに回転軸方向Ｘと平行に配設されて貫通孔１０ａ開口から露出し、貫通孔１０ａを貫通したステータ側コイル７と溶接された平板状の配電側コイル１１を有し、この配電側コイル１１を介してステータ部３に電力供給する配電部１０と、貫通孔１０ａ内に設けられ、弾性変形して、ステータ側コイル７と配電側コイル１１とを押圧接触させる弾性変形部１４とを備えるように構成した。このため、ステータ側コイル７と配電側コイル１１が隙間無く密着した状態で溶接できるようになり、溶接性を向上させた電動機１を提供することができる。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。

１ 電動機、２ ハウジング、２ａ，２ｂ 当接部、３ ステータ部、４，５ ステータコア、４ａ，５ａ 環状体、４ｂ，５ｂ ティース、６ マグネット、７ ステータ側コイル、７ａ 切欠部、８ モールド部、９ ロータ部、９ａ，９ｂ 突極、１０ 配電部、１０ａ 貫通孔、１１ 配電側コイル、１１ａ 開口部、１２ 位置検出センサ、１３ 溶接部、１４ 弾性変形部、１００ ステータ側コイル、１０１ 配電側コイル、１０２ 溶接機、１０３ 溶接部。

Claims (1)

1. シャフトに一体化したロータ部と、
   前記ロータ部の外周を囲う位置に固定され、平板状のステータ側コイルが前記シャフトの軸方向と平行に配設されたステータ部と、
   前記ステータ側コイルの端部を貫通させる貫通孔、および、前記貫通孔に前記軸方向と平行に配設されて前記貫通孔開口から露出し、前記貫通孔を貫通した前記ステータ側コイルと溶接された平板状の配電側コイルを有し、当該配電側コイルを介して前記ステータ部に電力供給する配電部と、
   前記貫通孔内に設けられ、弾性変形して、前記ステータ側コイルと前記配電側コイルとを押圧接触させる弾性変形部とを備える電動機。

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