JP2016072994A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】一体化された環状のヨーク部を有するステータを用いた場合でも、簡便な構成で鎖交磁束量の増大や騒音の低減を図ることのできる回転電機を提供する。
【解決手段】回転軸芯Ｘ周りに回転するロータ３と、回転軸芯Ｘを中心とする環状のヨーク部４１と、ヨーク部４１から径方向に突出する複数のティース部４２と、複数のティース部４２の突出端において回転軸芯Ｘを中心として周方向に沿って形成されるフランジ部４３とを有し、ロータ３に対して磁束を発生させるステータ４と、フランジ部４３に装着され、ロータ３の表面に対するステータ４の形状を調整する調整部材８とを備えている。
【選択図】図２

Description

本発明は、ロータと、複数のティース部を有するステータとを備えた回転電機に関する。

従来、永久磁石を埋設したロータと、一体化された環状のヨーク部から径内方向に突出する複数のティース部を有する磁性鋼板を積層して構成されるステータと、を備えた永久磁石型回転電機が知られている（例えば、特許文献１−２参照）。

特許文献１に記載の回転電機は、エッチング加工を施した磁性鋼板を積層した後、ティース部にコイルを集中巻するものである。また、特許文献１には、ティース部の突出端に形成されるフランジ部にスリットを設けて磁気抵抗を増大させ、フランジ部の隘路に磁束が集中するのを防止すると記載されている。

ところで、一体化された環状のヨーク部から突出するティース部にコイルを集中巻する際、各フランジ部どうしの隙間からノズルを挿入し、コイル素線を送り出す制御が実行される。つまり、各フランジ部どうしの間隔は、ノズルの挿入を許容できる寸法に限定される。

特許文献２に記載の回転電機は、各フランジ部どうしの間隔をロータとステータとの間隔に対して２倍より大きく設定した上で、フランジ部の形状寸法を所定の範囲に設定している。その結果、漏れ磁束を低減してステータとロータとの間の鎖交磁束量を増大させつつ、ロータとステータとの間の磁気吸引力の変化に起因するコギングトルクを減少させて騒音を低減できると記載されている。

特開２０１２−２９５５８号公報 特開２００９−１７６６９号公報

しかしながら、従来の回転電機にあっては、各フランジ部どうしの間隔をノズルの寸法以下に縮小することができない。このため、鎖交磁束量の増大を図りつつコギングトルクを低減するようにフランジ部の形状を設定する際の自由度が低い。しかも、特許文献１のようにエッチング加工によりスリットを設けた場合、加工に手間を要するばかりか、磁気抵抗が増大して鎖交磁束量の低下を招くおそれがある。

また、従来の回転電機において、例えばロータの外径寸法を縮小した場合、ロータとステータとの間隔を狭めるために、磁性鋼板自体を製作し直す必要があり、加工コストの増大を招いてしまう。

そこで、本発明は、一体化された環状のヨーク部を有するステータを用いた場合でも、簡便な構成で鎖交磁束量の増大や騒音の低減を図ることのできる回転電機を提供することを目的とする。

本発明に係る回転電機の特徴構成は、永久磁石が埋設され、回転軸芯周りに回転するロータと、前記回転軸芯を中心とする環状のヨーク部と、当該ヨーク部から径方向に突出する複数のティース部と、当該複数のティース部の突出端において前記回転軸芯を中心として周方向に沿って形成されるフランジ部とを有し、前記ロータに対して磁束を発生させるステータと、前記フランジ部に装着され、前記ロータの表面に対する前記ステータの形状を調整する調整部材とを備えている点にある。

上述したように、例えば、一体化された環状のヨーク部から径方向に突出するティース部にコイルを集中巻する際、各フランジ部どうしの間隔は、ノズルの外径寸法以下に設定することができない。その結果、フランジ部のうちロータと対向する面の面積が制限され、鎖交磁束量の増大を図る上で限界がある。また、各フランジ部どうしの間隔が大きい場合は、この間隔の磁束密度が疎となるため、ロータとステータとの間の磁気吸引力の変化が大きくなり、コギングトルクが増大し、騒音が発生し易い。

そこで、本構成では、ロータの表面に対するステータの形状を調整する調整部材を、フランジ部に装着する。つまり、この調整部材は、ティース部にコイルを巻いた後でフランジ部に装着することができる。よって、ノズルの外径寸法以上となる各フランジ部の間隔を、ノズルの外径寸法以下に設定することが可能となるので、鎖交磁束量の増大やコギングトルクの低減を図ることができる。

また、本構成の調整部材は、ロータの外形寸法が異なる様々な回転電機に対して、ロータとステータとの間隔を調整することができる。例えば、ロータとステータとの間隔が大きい場合でも、調整部材をフランジ部に装着すれば、ロータとステータとの間隔を狭めて磁気抵抗を減少させることができる。よって、所望の鎖交磁束量を発生させるためにステータを新たに製作する必要がなく、加工コストを節約することができる。

このように、本構成の回転電機は、一体化された環状のヨーク部を有するステータを用いた場合でも、簡便な構成で鎖交磁束量の増大や騒音の低減を図ることができるものである。

他の特徴構成は、前記調整部材は、前記フランジ部の前記ロータと対向する面に装着され、前記フランジ部より前記周方向に延出して形成される点にある。

本構成によれば、ロータとステータとの間隔を狭めつつ、各フランジ部どうしの間隔を狭めることができる。よって、磁気抵抗が大きい空隙をより一層少なくして、鎖交磁束量の増大とコギングトルクの低減とを確実に実現することができる。

他の特徴構成は、前記調整部材は、前記回転軸芯に沿う方向における前記フランジ部の上面又は下面に当接する当接部を有し、前記フランジ部に接着固定される点にある。

本構成のように、調整部材の当接部をフランジ部の上面又は下面に当接させながらステータに接着固定すれば、調整部材の装着姿勢を安定させることができる。よって、調整部材のステータに対する装着が容易である。

他の特徴構成は、前記フランジ部の前記ロータと対向する面に溝部を形成し、前記調整部材の前記フランジ部と対向する面に、前記溝部に圧入される凸部を形成してある点にある。

本構成のように、フランジ部に形成した溝部に調整部材の凸部を圧入させながら装着すれば、調整部材のステータに対する位置決めが確実なものとなる。よって、調整部材をフランジ部に対して位置ずれさせることなく確実に装着することができる。

ウォータポンプの断面図である。 ステータおよび調整部材の断面図である。 ティース部にコイル素線を巻き付ける状態を示す斜視図である。 ステータおよび調整部材の斜視図である。 別実施形態に係るステータおよび調整部材の斜視図である。 別実施形態に係るステータおよび調整部材の斜視図である。 別実施形態に係るステータおよび調整部材の断面図である。

以下に、本実施形態に係る回転電機について、図面に基づいて説明する。本実施形態では、回転電機の一例として、冷却水を循環させる車両用のウォータポンプＰに用いられる電動モータＭとして説明する。ただし、以下の実施形態に限定されることなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の変形が可能である。

図１に示すように、ウォータポンプＰは、樹脂製のケーシング１と、ケーシング１に固定された支持シャフト２と、支持シャフト２に外嵌する状態で回転自在である筒状のロータ３と、ロータ３の外側に配置される筒状のステータ４と、ロータ３の一端に固定されるインペラ５とを備えている。このインペラ５をポンプハウジング６に収容することにより、例えば、インバータに冷却水を循環させたり、エンジンとラジエータとの間で冷却水を循環させたりするウォータポンプＰが構成される。

このウォータポンプＰに用いられる電動モータＭは、回転軸芯Ｘ周りに回転するロータ３と、ロータ３に対して磁束を発生させるステータ４とを備えた３相ブラシレスモータで構成されている。なお、この電動モータＭは、ロータ３を回転させることにより発電機として機能させることも可能である。

ロータ３は、複数の磁性鋼板を積層して形成されるロータコア３１と、ロータコア３１に埋設された複数の永久磁石３１ａとを備え、ロータコア３１と永久磁石３１ａとが樹脂によりインサート成形され、一体化されている。図２に示すように、永久磁石３１ａは、４極で構成され、４極３相６スロットルの電動モータＭとしている。なお、永久磁石３１ａは４極に限定されず、２極以上の偶数極で構成しても良い。

図１，図２に示すように、ステータ４は、回転軸芯Ｘを中心とする環状領域に一体で形成されるヨーク部４１と、ヨーク部４１から径内方向に突出するティース部４２と、複数のティース部４２の突出端において回転軸芯Ｘを中心として周方向に配置される複数のフランジ部４３とで構成されるステータコアＳを備えている。つまり、本実施形態におけるステータコアＳは、一体コアで構成されている。各ティース部４２は、回転軸芯Ｘを中心とする放射状（径方向）に延出し、周方向に沿って互いに等間隔に６箇所形成されている。このようなステータコアＳは、磁性鋼板を積層して形成されている。

図３，図４に示すように、ステータ４は、ステータコアＳに樹脂製のインシュレータ４４を外嵌した状態で、インシュレータ４４の外面にコイル素線４５を巻き付けてコイルＢが形成される。コイルＢが巻かれた状態のステータ４は、樹脂でインサート成形される。インシュレータ４４は、ステータコアＳとコイルＢとの絶縁のために設けられ、ティース部４２の外面とヨーク部４１およびフランジ部４３の内面とを覆っている。また、コイル素線４５は、断面形状が円形となる銅線の表面にポリウレタン等の樹脂を被覆している。

図３に示すように、ステータコアＳにコイルＢを装着する方法は、専用の巻付装置（不図示）を用いて、この巻付装置のノズル７の先端からコイル素線４５を送り出し、ノズル７を各ティース部４２に対して相対移動させることで、複数層に亘って密巻状態（所謂、集中巻）とする。このノズル７は各フランジ部４３の間から挿入されるため、各フランジ部４３どうしの間隔４３Ｕは、ノズル７の外形寸法以上に設定される。つまり、フランジ部４３のうちロータ３と対向するフランジ外面４３Ｆの面積が制限される。その結果、コイルＢへの通電に伴って発生する磁束が、ステータ４とロータ３との間で鎖交する鎖交磁束量の増大を図る上で限界がある。また、各フランジ部４３どうしの間隔４３Ｕが大きい場合、この間隔４３Ｕの磁束密度が疎となるため、ステータ４とロータ３との間で発生する引力および斥力（磁気吸引力）の変化が大きくなり、コギングトルクが増大してしまう。

そこで、本実施形態の電動モータＭは、フランジ部４３のフランジ外面４３Ｆに装着される調整部材８を備えている。この調整部材８によってロータ３の表面に対するステータ４の形状が調整される。つまり、ロータ３とステータ４との間隔Ｋや各フランジ部４３どうしの間隔４３Ｕが調整される。なお、調整部材８は、ステータコアＳと同様の磁性体で構成されることが好ましいが、空気より透磁率の高い樹脂材などで構成しても良い。

本実施形態における調整部材８は、図２，図４に示すように、本体部８１と、本体部８１の一端から径方向に延出して形成され、フランジ部４３の回転軸芯Ｘに沿う方向におけるフランジ上面４３Ｔに当接して保持される当接部８２とを備えている。この本体部８１は、フランジ部４３より周方向に延出して形成され、フランジ外面４３Ｆに沿った曲面で形成される内面８１ａと、ロータ３との径方向の間隔Ｋが周方向に一定となる曲面で形成される外面８１ｂとを有している。

調整部材８は、当接部８２をフランジ上面４３Ｔに当接させた状態で、フランジ部４３に接着固定される。その後、ステータ４と調整部材８とは、樹脂でインサート成形することで、強固に一体化される。なお、調整部材８の当接部８２は、フランジ部４３の下面に当接するように構成しても良い。つまり、調整部材８の当接部８２を、フランジ部４３の上面又は下面に当接させながらステータ４に接着固定すれば、調整部材８の装着姿勢を安定させることができる。

このように、本実施形態における調整部材８は、ステータ４のティース部４２にコイルＢが巻き付けられた後で、フランジ部４３に装着することができる。よって、ノズル７の外径寸法以上となる各フランジ部４３どうしの間隔４３Ｕを、ノズル７の外形寸法以下に設定することが可能となるので、鎖交磁束量の増大やコギングトルクの低減を図ることができる。

しかも、電動モータＭの使用形態によってロータ３の外径寸法が小さく形成される場合でも、調整部材８によってロータ３とステータ４との間隔Ｋを狭めることができる。つまり、ロータ３とステータ４とのエアギャップを小さくして磁気抵抗を減少させ、電動モータＭの回転トルクを増大させることが可能となる。

［別実施形態］
基本構成は、上述した実施形態と同様であるため、異なる構成についてのみ図面を用いて説明する。なお、図面の理解を容易にするため、上述した実施形態と同じ部材名称及び符号を用いて説明する。

図５に示すように、調整部材８は、本体部８１において、回転軸芯Ｘ方向に沿う方向の両端から径方向に延出する当接部８２を形成しても良い。この当接部８２をフランジ部４３のフランジ上面４３Ｔおよびフランジ下面４３Ｂに当接させた状態で、調整部材８がフランジ部４３に接着される。このような構成であれば、調整部材８の姿勢をより安定させた状態でフランジ部４３に装着することができる。なお、本実施形態では、両当接部８２がフランジ部４３を挟み込む状態となるので、接着せずに仮固定状態とし、ステータ４と調整部材８とを樹脂でインサート成形しても良い。

図６に示すように、フランジ部４３のロータ３と対向するフランジ外面４３Ｆに溝部４６を形成し、調整部材８のフランジ部４３と対向する内面８１ａに、溝部４６に圧入される凸部８３を形成しても良い。この溝部４６は、既製のステータコアＳを打ち抜き加工などして形成することができるので、新たにステータコアＳを製作し直す必要がない。なお、本実施形態において、溝部４６と凸部８３とを圧入せずに、凸部８３を溝部４６に係入した状態で双方を接着しても良い。

このような構成であれば、調整部材８のステータ４に対する位置決めが確実なものとなる。また、ステータコアＳの各磁性鋼板が互いに位置ずれするのを防止することができる。なお、溝部４６および凸部８３の配置は、図６に示すように、フランジ部４３および調整部材８の回転軸芯Ｘに沿った方向に亘って縦長に形成しても良いし、フランジ部４３および調整部材８の回転軸芯Ｘに沿った方向の一部に形成しても良い。また、溝部４６および凸部８３の形状を横長に形成したり、複数の溝部４６および凸部８３を分離して配置したりしても良く、特に限定されない。

図７に示すように、調整部材８を、回転軸芯Ｘを中心とする周方向のフランジ部４３の両端面に分割して設けても良い。例えば、ロータ３とステータ４との間のエアギャップを調整する必要がない場合に、本実施形態のような調整部材８を採用することが可能となる。その結果、調整部材８のロータ３と対向する面積を大きく確保して鎖交磁束量を増大させると共に、各フランジ部４３どうしの間隔４３Ｕを狭めてコギングトルクを低減することが可能となる。なお、調整部材８とフランジ部４３との固定方法は、上述した実施形態と同様の方法を採用することができる。

［その他の実施形態］
（１）調整部材８の形状は、上述した実施形態に限定されず、ステータ４のフランジ部４３に装着され、ステータ４の形状を調整するものであればどのようなものであっても良い。例えば、図４に示すような調整部材８において、回転軸芯Ｘを中心とする周方向の両端部を、図７に示すような調整部材８の形状に構成しても良い。
（２）調整部材８をフランジ部４３に固定する方法は、上述した実施形態に限定されない。例えば、調整部材９の端部に係止突起を設けてフランジ部４３に引っ掛けても良い。この場合でも、ステータ４と調整部材８とを樹脂でインサート成形すれば、双方が強固に固定できる。
（３）上述した実施形態における電動モータＭは、ロータ３をステータ４の内側に配置するインナーロータ形式としたが、ロータ３をステータ４の外側に配置するアウターロータ形式としても良い。アウターロータ形式の場合、ステータ４は、回転軸芯Ｘを中心とする環状のヨーク部４１と、ヨーク部４１から径外方向突出する複数のティース部４２と、ティース部４２の突出端において回転軸芯Ｘを中心として周方向に沿って形成されるフランジ部４３を有することとなる。このアウターロータ形式の電動モータＭでも、ステータ４のフランジ部４３に調整部材８を装着することで、上述した作用効果が期待できる。
（４）上述した実施形態のステータコアＳは、ヨーク部４１が一体形成された一体コアで構成したが、ステータコアＳを分割コアで構成し、これら分割コアを互いに連結しても良い。この場合においても、コイルＢが巻き付けられたステータコアＳを組付けた後で、フランジ部４３に調整部材８を装着することが可能となる。よって、ロータ３の形状やフランジ部４３どうしの間隔４３Ｕが異なる電動モータＭごとに、異なるステータコアＳを製作する必要がないので利便性が高い。
（５）上述した実施形態における回転電機が用いられる機器は、エンジンの冷却水を循環させるウォータポンプＰに限定されず、エンジンオイルを循環させるポンプでも良いし、車両以外の用途に使用される機器であっても良い。また、電動モータＭの駆動方式は、交番磁界を発生させる３相ブラシレスモータに限定されず、ブラシ付きモータを使用しても良い。

本発明は、車両用ウォータポンプなど様々な機器に用いられる回転電機に利用可能である。

３ ロータ
３１ａ 永久磁石
４ ステータ
４１ ヨーク部
４２ ティース部
４３ フランジ部
４３Ｂ フランジ下面
４３Ｆ フランジ外面（ロータと対向する面）
４３Ｔ フランジ上面
４６ 溝部
８ 調整部材
８１ａ 内面（フランジ部と対向する面）
８２ 当接部
８３ 凸部
Ｍ 電動モータ（回転電機）
Ｘ 回転軸芯

Claims (4)

1. 永久磁石が埋設され、回転軸芯周りに回転するロータと、
   前記回転軸芯を中心とする環状のヨーク部と、当該ヨーク部から径方向に突出する複数のティース部と、当該複数のティース部の突出端において前記回転軸芯を中心として周方向に沿って形成されるフランジ部とを有し、前記ロータに対して磁束を発生させるステータと、
   前記フランジ部に装着され、前記ロータの表面に対する前記ステータの形状を調整する調整部材とを備えている回転電機。
2. 前記調整部材は、前記フランジ部の前記ロータと対向する面に装着され、前記フランジ部より前記周方向に延出して形成される請求項１に記載の回転電機。
3. 前記調整部材は、前記回転軸芯に沿う方向における前記フランジ部の上面又は下面に当接する当接部を有し、前記フランジ部に接着固定される請求項１又は２に記載の回転電機。
4. 前記フランジ部の前記ロータと対向する面に溝部を形成し、
   前記調整部材の前記フランジ部と対向する面に、前記溝部に圧入される凸部を形成してある請求項１又は２に記載の回転電機。

Images