JP2014107993A - 電動アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】
従来の特許文献には隣同士が同相巻線で構成できるスロットコンビネーションにおいて、相間の渡り線を最短距離で構成した場合、渡り線の長さによってコア同士のズレの抑制と組立性の２点を同時に対応できる構造がなされていなかった。
【解決手段】
連続巻きで構成されるコア同士の接合面のみ軸方向に複数の凹凸の段差を設け、他の相との接合面には軸方向には同じ形状としたことを特徴とする。
【選択図】 図８

Description

本発明は、モータに用いられるステータコア部の構造に関するものである。

本技術分野の背景技術として、特許文献１がある。この公報には、分割コアの突合せ面に嵌合部を軸方向に同一形状で形成したものが開示されている。また、特許文献２がある。この公報には、分割コアの連結部に関する構造が開示されており、ティースの左右形状が同じ構成となっておりまた、片側のティースに連結用の凹凸部が設けられている。また、特許文献３には、分割コアのティース同士の締結部をかぎ形としたものが開示されている。また、特許文献４には、分割コアの突合せ面が軸方向に対して凹凸部を左右交互に嵌合できるようにしたものが開示されている。また、特許文献５においては、特許文献１に記載された軸方向に同一形状で分割コア嵌合部を設け、ティース先端部分にスキューを設けた構造が開示されている。 これらの分割コアのティース同士の連結構造は、ティース１個単位での構造に関するものである。

一方、同相コイルが連続して配置される、８極９スロット、１０極１２スロット、１４極１２スロット、２０極１８スロット、１４極１５スロット、１６極１５スロットの整数倍で構成されるモータには、隣り合う同相の巻線が、隣り合うティースに連続して巻かれる連続巻線で構成される特有の構造がある。

特開平8-205434号公報 特開2011−87374号公報 特許第3005293号公報 特開2008-113529号公報 再公表特許WO2007/086312号公報

隣り合う同相巻線が連続巻線で構成されるモータでは、連続巻線を行なう隣り合うティース間において、隣り合うティースを跨ぐ巻線（渡り線）の突っ張りにより、ティース同士が軸方向にずれるという課題がある。

本発明は、連続巻線で構成される複数個の分割コアの渡り線が構成される部分のコア突合せ部に軸方向に複数個の凹凸部を設けてコアが軸方向にずれが生じないようにする。好ましくは、他の相との嵌合部分には凹部または凸部のいずれかを形成することで、軸方向からの組立を可能にして分割コアの円環組立の組みやすさを改善したものである。

本発明は、複数のティースからなる分割コアで構成されるモータのコアにおいて、連続巻きで連結すべき同相同士のティースの接触面に軸方向に複数の凹凸部を設け、巻線の渡り線による突っ張り力でコア同士が軸方向にずれないようにすることで、ティース同士のズレによるコギングトルクやトルクリプル等の特性の悪化を改善できる。また、他の相のティース同士の接触部分には、凹部または凸部のみを形成する場合には、複数のティースからなる分割コアを円環に組み立てる作業性を向上させることができる。

機電一体構造の電動パワーステアリングモータの全体構成を示す斜視図 モータ部分の外観を示した斜視図 モータ部分の断面を示した断面図 分割コアを円筒型に組み合わせたときの斜視図 分割コアで構成されたコアの配置パターン。(a)上面図、(b)裏面 分割コアのコア１枚毎の形状を示した平面図 ２連巻き用分割コアのブクミ図 ２連巻きで巻線が巻かれた場合のコアの最小単位の斜視図 分割コアの組み立て時の上面図（コイルは図示せず） ティース形状を説明する上面図 第２の実施例のコアの構成図 単体コアを粘着テープで連結固定した説明図 粘着テープで固定した連結コアの巻線施工時を説明する説明図 分割コアを跨る渡り線の曲げ部を説明する図 分割コアを跨る渡り線の曲げ部を説明する図

以下、実施例を図面１から図面１３を用いて説明する。

本実施例では、電動パワーステアリングモータのモータと制御部が一体構造で構成される機電一体型電動パワーステアリング（ＥＰＳと略す）モータ構造について説明する。

図１は、本実施例の電動パワーステアリングモータの構造を説明する実施例の一例である。機電一体ＥＰＳモータ１はモータ部１００と制御部２００から構成されている。制御部２００にはコネクタ２０１が設けられており電源が供給されるようになっている。制御部２００にはモータを駆動するためのインバータや制御基板が実装されている。モータ部１００は前記、制御部２００から３相の駆動電源が供給される構造となっている。図示しないが、モータ部１００の右側にはモータのトルクを出力できる出力軸が設けられている。

図２を用いてモータ部１００の構造について詳しく説明する。図２は先に説明した図１の制御部２００を取り除いた構造を示したものである。モータ部１００はアルミハウジング１７の内部に、モータを構成するためのステータ、ロータ、コイルから構成されている（図示せず）。制御部２００との電気的な接続点は３相巻線に接続されるＵ相端子１３ｕ、Ｖ相端子１３ｖ、Ｗ相端子１３ｗとリレー駆動用の電源端子１６である。端子基板１８は樹脂でモールドされて構成されており、この樹脂基板の上部には２個のリレー１１aとリレー１１ｂが実装されている。また、端子基板１８の中心部にはモータ用シャフト２に磁極検出用のレゾルバロータ１２が圧入されている。

図３を用いて、モータ部１００の断面構造について説明する。アルミハウジング１７にはステータコア４が焼嵌めで固定されている。このステータコア４には樹脂ボビン３１にコイル３０が巻装されている。ステータコア４の内周部にはシャフト２を基準にロータコア５が設けられており、そのロータコアの外周部には磁石６が配置されると共に、磁石６の外周部に磁石カバー７が設けられている。磁石カバー７は非磁性体の材料で構成されている。シャフト２の軸受けには出力軸側に配置されるＦベアリング９はアルミハウジング１７によって保持されている。また、出力軸の先端には動力伝達のためのギア３が設けられている。反出力側の軸受けには、Ｒベアリング８が設けられており、Ｒベアリング８の外輪はベアリングカバー１０により保持されている。このベアリングカバー１０は端子基板１８と同じネジ穴でアルミハウジング１７にネジ止め（図示せず）固定されている。端子基板１８には先にも述べたように、制御部２００に電気的に接続するための３相端子、Ｕ相端子１３ｕ〜Ｗ相端子１３ｗが設けられている。また、３相巻線の電気的な接続を切り替えるリレー１１ａとリレー１１ｂおよび、これらのリレーを制御するためのリレー電源端子が設けられている。

以上の構成において、ステータコア４に関して詳細に説明する。図４はステータコア４の全体構造を示したものである。本実施例のステータコア４は分割コアで構成されている。また、ステータコアは２種類のコアブクミ２５ａと２５ｂが交互に並んでおりトータルで１２個のコアブクミで構成されている。本実施例のモータはコイルが集中巻で構成されると共に、スロットコンビネーションは、１０極１２スロット、１４極１２スロット、１６極１８スロット、２０極１８スロット、１４極１５スロット、１６極１５スロット、８極９スロットである。これらの、スロットコンビネーションは同相のコイルが隣同士に配置される組み合わせを持つものである。例えば、１０極１２スロットではＵ相コイルが２個連続して並び巻き方向がそれぞれ逆向きとなって構成されている。

その様子を図５に示す。図５（ａ）はコアバック接触面が凸凸型コア２０と凹凹型コア２１を交互に円環状に並べたものを示す。軸方向のコアとの加締めに関しては、外径側ダボ部Ｄ１と内径側ダボ部Ｄ２の２つで固定されている。（ｂ）は凹凸型コア２２を連続的に円環に並べたものを示す。（ａ）と同様に軸方向の締結はダボ部Ｄ１とＤ２で行っている。図６にそれぞれのティース形状を示す。（ａ）が凸凸型のティース２０を示したもので、コアバックの隣のティースとの嵌合面にどちらも凸部が設けられている。（ｂ）に示した凹凹型のティース２１は嵌合面の形状が凹凹型となっている。（ｃ）は凹凸型ティース２２で片側の嵌合面が凹型でもう一方の形状が凸型となっている特徴を有している。

図７に先に説明した凹凹型ティース２１を複数枚軸方向に重ねた後、凹凸型ティース２２を重ね更に凹凹型ティース２１を重ね、更に凹凸型ティース２２を４段で重ねた構造を示す。この１つのティースをコアブクミ２５ａとして示す。一方、コアブクミ２５ｂは前面に凸凸型ティース２０を複数枚重ね、次に凹凸型ティース２２、その次に凸凸型ティース２０、凹凸型ティース２２の順に重ねたものを示す。それぞれの積枚数を合わせることで２つのコアの接触部が交互に嵌合できるようになっている。その結果、コアの端面を軸方向に一致させることが出来る。また、これらのコアブクミにおいては、コアブクミ２５ａは左側面の嵌合部は軸方向に凹部が連続して構成されることになっている。また、コアブクミ２５ｂの右側嵌合部は軸方向に連続した凸部を有している。この構造から、コアブクミ２５ａとコアブクミ２５ｂは軸方向にずれないように嵌合するが、コアブクミ２５ａと隣り合う他のコアブクミ２５ｂとは軸方向にスライドできる構造となる。

図８は２連巻きで構成される巻線構造を示したものである。この図では、１０極１２スロットや１４極１２スロットで採用される巻線を示したものである。コアブクミとしては図７で示したものと同様である。図７に示したコアブクミ２５ａと２５ｂにボビン３１を取り付け、そのボビン３１にコイル３０を巻きつけている。口出し線３０Ｘが巻き始めであり、口出し線３０Ｚが巻き終わりとなっている。この２つの巻線の接続は渡り線３０Ｙで接続されている。この口出し線３０Ｚはコア間の渡り線３０Ｙと交差する部分があるため、絶縁チューブを通すことが望ましい。巻線としては１本の連続巻線で構成されている。２つのコアの接触面に凹凸部が無い場合は、この渡り線の長さがばらついた場合にはコアブクミ同士が軸方向にずれてしまうため、モータとしてもコギングトルク特性が悪化する。しかし、今回の発明ではこの渡り線を若干長めに設定し、その渡り線３０Ｙの途中に電線に折り曲げ部を設け、凹凸形状の嵌合部で軸方向にコアブクミを位置決めすることでコアのズレ量を低減できコギングトルクの値を小さく出来る。コアのズレ分を補正することで、先に述べた渡り線３０Ｙに設けた折り曲げ部でコイルの余長が調整できるようにしたことが特徴である。

図１４、図１５は折り曲げ部を説明する図である。渡り線30Ｙは渡り線の途中が曲がった折り曲げ部を含んで構成されている。具体的には、コイルの軸端面内（スロット部）で点線が湾曲またはくの字型に形成されることにより、折り曲げ部を構成する。すなわち、直線ではなく直線よりも長くなるようにスロット部で電線に余裕が出来るように曲がっている。

図９に上記で説明した１相コアブクミ２５ｃを組み立てた場合、最後の１組を組み立てる場合に上部から各々のスライド挿入部２６に沿って１相コアブクミが組み立てられる様子を示したものである。（この説明図ではボビンとコイルは図示せず）コアブクミの全周に軸方向段差を設けない場合には、軸方向からの組立が可能になる。また、軸方向段差が２段の場合には、組み込むことが可能でありそれぞれのコアブクミ端面の位置合わせも可能である。

図１０にコア形状について説明する。本説明用モータは１０極１２スロット形状なので１２個のティースで構成されている。そのために、１個のティースにおいては中心点Ｐ０を基準とした機械角で３０度の開き角で構成している。ステータ外径はΦ８５程度で内径側はΦ４９程度である。ティース幅Ｗ１は６．０ｍｍ程度で、内径側のダボ締結部の径は１．５ｍｍ、ダボ加締め中心部のティース幅Ｗ２は図示したようにティース幅より広く構成されている。すなわち、ダボ加締め部Ｄ２部は磁気劣化を伴うためダボ加締め部のティース幅Ｗ２はＷ２≧Ｗ１＋Ｗ３としている。この構造を実現するためには、ティースの内周広がり部Ｐ点よりもダボ加締め部Ｄ２が内径側に配置され、ダボ加締め幅Ｗ３とティース幅Ｗ１の合計が少なくともＷ２に等しい必要がある。一方、ダボ加締め部の配置場所はダボ加締め部の最外径側の点をＰ２とした場合、ティース内径側開き部Ｐよりも内径側に存在する。ダボ加締め部は先にも述べたように打ち抜きひずみを受け磁気特性が劣化するため、ステータの内周側に近くない方がよい。この理由は、内径側にダボ加締め部を設けた場合、ティースの内周面に磁気的な劣化部分が発生することになり、コギングトルクが大きくなる問題点が発生する。上記の説明はコギングトルクについての影響について説明したが、実際のモータとしてはトルクリプルの低減も重要である。特に、使用される用途が電動パワーステアリングの場合には要求値が厳しく、一般的に電動パワーステアリングに要求されるトルクリプルは２％程度である。この値を満足させるためには、最大電流時のティースの局部磁気飽和が発生しない磁気回路構成とすることが重要である。今回の構造の場合、局部磁気飽和が発生しやすい場所は、ティースの内周側に示したＴ１の場所である。このティース先端部の磁束通過面積を確保しようとすると、ティース内周部の広がり部を徐々に広げた形状が有効である。本発明では、ティースの内周側広がり部の形状を円弧とし、その円弧の半径を約１２ｍｍとし、円弧もほぼ直線近似できる程度まで円弧半径を大きくした。その結果、円弧半径の中心点Ｐ１は１個のティースの開き角である３０度の外周側であり、更に、円弧半径の中心点Ｐ１はステータ最外周半径とステータ内周半径のほぼ中心部に配置することで、先に述べたコギングトルクとトルクリプルの両特性を最も良い条件で満足できる結果となった。

図１１は本発明の第二の実施例を示したコア構造の説明図である。
コアブクミ２５ａはティースのコアバック部が両側とも凹凹型の形状で構成されたものを複数枚軸方向に重ね、次にコアバック突合せ部が凸凸型形状、その次に凹凹型の形状、その次に凸凸型形状と重なったものである。コアブクミ２５ｂはその反対で凸凸型形状から始まり凹凹型形状、凸凸型形状、凹凹型形状となっている。これらの、２種類のコアでコアブクミ２５ａと２５ｂが連結し、１相用のコアブクミ２５ｃを形成している。図面にはコイルやボビンの表示は省略しているが、実際にはボビンが取り付けられておりその外周部にコイルが集中巻で巻かれている。本発明では、１０極１２スロットの図を示しているため、コイルの巻き方向はコアブクミ２５ａが右巻きの場合、コアブクミ２５ｂは逆の左巻きとする必要がある。１本のコイルで連続して２個のコアブクミに巻線を巻き場合には、コアブクミを跨ぐ渡り線が必要で、その渡り線が太い場合にはコアのズレが修正できなくなる。そこで、前述したように渡り線の途中に電線に湾曲部を設けその部分で電線のたるみを調整ができるようにした。本発明では、１０極１２スロットや１４極１２スロット等の隣り合うティースが同相で構成されたものや隣り合うティースに巻かれるコイルが直列に接続したい場合の巻線において、各々のティースを跨る渡り線によるティースのズレ分を、先に述べてきた凹凸部の形状で軸方向に拘束することで、磁気的なズレをなくし、先に述べたようなコギングトルクの発生やトルクリプルの発生を抑制するものである。また、この第二の実施例ではティースの左右形状が常に等しいため、コア全体をハウジングに圧入する場合、押し力に対するコアの圧入方向が同軸方向に働くため、コアの捻れの発生を抑制できるため先にも述べた、コギングトルクの発生とトルクリプルの発生を抑制できる。

図１２は上記で説明してきたコアに対して巻線時の方式について説明する。円筒状に一体型に構成されたコア単体の状態でコア外周部に内周面に粘着層を持つテープ３５を円筒形状が崩れないように貼り付ける。巻き始めのテープの位置は３５ａで示したようにコアの端部に隙間を設けて貼り付ける。巻き終わりに関しても図示した３５ｂに示した位置までとする。この状態で、粘着テープ３５は分割コアの連結部となりコア間の関節と同じ動作を実現できる。全てのコアブクミ２５ａと２５ｂを直線状に広げた状態を示している。

図１３は実際に巻線作業をするときのコア全体の形状を示したものである。巻線を施すティースに対して、ボビンを挿入し巻線を施し巻線が終了すれば図の左側に送っていく。
この図では、巻線が終了した左側のボビンとコイルは省略している。また、巻線はノズルを用いたノズル巻線工法が適している。以上の粘着テープ２５を用いた巻線終了時に再度全周を丸め、ハウジングに焼嵌めを施す。ステータコアの外周部にほぼ均一的に巻かれた粘着テープ層がハウジングの内周面に均一に設けられるため、モータのロータに対するステータ内周の真円度は小さく出来る。それにより、モータのコギングトルクとトルクリプルを小さく抑制することが出来る。更に、ステータコアとハウジングの間に一定の緩衝材として作用するため、ステータコアの磁気的な振動をハウジングに伝え難いような効果が得られるため、モータの騒音を小さくすることが出来る。よって、粘着テープによる関節接続は巻線のし易さ向上に加え、真円度の向上によるコギングトルクとトルクリプル低減、更には磁気音の低減が実現できる。

１…EPSモータ、１００…モータ部、２００…制御部、２０１…コネクタ、２…シャフト、３…ギア、４…ステータコア、５…ロータコア、６…磁石、７…磁石カバー、８…Ｒベアリング、９…Ｆベアリング、１０…ベアリングカバー、１１ａ…リレー、１１ｂ…リレー、１２…レゾルバロータ、１３ｕ…Ｕ相端子、１３ｖ…Ｖ相端子、１３ｗ…Ｗ相端子、１６…電源端子、１７…アルミハウジング、１８…端子基板、２０…凸凸型ティース、２１…凹凹型ティース、２２…凹凸型ティース、２５ａ、２５ｂ…コアブクミ、２５ｃ…２連巻き１相コアブクミ、２６…スライド挿入部、３０…コイル、３０Ｘ…口出し線、３０Ｙ…渡り線、３０Ｚ…口出し線、３１…ボビン、３５…粘着テープ

Claims (14)

1. 隣り合ったティースに一本の巻線が連続して巻かれる連続巻線を含む複数個のティースを円環状のステータコアに構成するモータにおいて、
   前記連続巻線で連なったティース間の突合せ部に、軸方向の凹凸形状の段付き部を設け、該凹凸形状を嵌合させて、前記スタータコアを構成することを特徴とする電動アクチュエータ。
   
2. ２つのティースに一本の巻線が連続で巻かれる１０極１２スロット、１４極１２スロットおよびその整数倍で構成されることを特徴とする請求項1記載の電動アクチュエータ。
   
3. ３つのティースに一本の巻線が連続で巻かれる１６極１８スロット、２０極１８スロットおよびその整数倍で構成されることを特徴とする請求項1記載の電動アクチュエータ。
   
4. ５つのティースに一本の巻線が連続で巻かれる１４極１５スロット、１６極１５スロットおよびその整数倍で構成されることを特徴とする請求項1記載の電動アクチュエータ。
   
5. 同相巻線の渡り線が跨るティース同士の突合せ部には軸方向に交互に凹凸形状の段付き部を設け、他の相のティース同士の突合せ部には軸方向に対して凹形状または凸形状のいずれかを形成して、互いに嵌合することにより前記ステータコアを構成することを特徴とする請求項1-4記載の電動アクチュエータ。
   
6. １本の連続した線で全てのティースが連続して巻かれる巻線構造で、分割コアから構成されるステータコアにおいて、コイルの渡り線が跨るティース間の接触面に凸型形状で構成されるコアバック接触面と、凹型形状を構成したコアバック接触面が軸方向に交互に配置されていることを特徴とする電動アクチュエータ。
   
7. 請求項６に記載のステータとロータの関係は、８極９スロットの整数倍で構成されるコンビネーションであり、更に３相巻線が△結線で接続されていることを特徴とする電動アクチュエータ。
   
8. 請求項１〜請求項７において、軸方向に締結しているダボ加締めがティース部に２ヶ所設けられており、その内周側に配置されたダボ加締め部はティースの最小幅部よりも内径側に設けられており、ティース最小幅部から内径側に広がる略円弧状の形状を成し、前記円弧中心は分割コアの開き角の外側にあることを特徴とする電動アクチュエータ。
   
9. 請求項１〜請求項８において、分割コアを円環状に組み立ててハウジングに挿入する場合、コア同士は溶接されない状態で組み立てられていることを特徴とする電動アクチュエータ。
   
10. 請求項１〜請求項９において、ステータコアは３種類ティース形状で構成されていることを特徴とする電動アクチュエータ。
    
11. 集中巻で構成される分割コアで凹凹型ティースと凸凸型ティースが交互に軸方向に並んで１つのコアブクミを構成し、隣り合うコアブクミは同様に凹凹型と凸凸型で構成され、２つのコアの接触面が合致するように並び順を逆として構成したことを特徴とする電動アクチュエータ。
    
12. 分割コアで構成されるステータコアの全コアバック接触面は、断面及び軸方向部の形状が全て異なっており、定まった位置でのみ嵌合が成り立つような形状としたことを特徴とする電動アクチュエータ。
    
13. 請求項１〜請求項１２において、ステータコアの外周面に粘着テープを設け、焼嵌めによりハウジングに組み込まれたことを特徴とする電動アクチュエータ。
    
14. 請求項１-１３において、一本の巻線が連続してまかれるとなりあったティース間の渡り線に折り曲げ部を設けたことを特徴とする電動アクチュエータ