JP2017103986A - 電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】ステータコイルの絶縁耐力を良好に維持しつつ、電動機のトルクや効率を向上させる。
【解決手段】電動機１のステータコア４１は、ロータ３の永久磁石３０の端面と当該ステータコア４１の軸方向に間隔をおいて対向するように当該ロータ３の中心軸３ｃに向けて径方向内側に突出する磁性体としての突出部４４ｐを有し、突出部４４ｐの先端４４ｅは、電動機１を軸方向から平面視した際に、永久磁石３０上の中心軸３ｃから最も遠い点Ｐ１の当該ロータ３が回転する際の軌跡Ｌ１と、永久磁石３０の磁極境界３０ｂ上の中心軸３ｃから最も遠い点Ｐ２のロータ３が回転する際の軌跡Ｌ２との間に位置する。
【選択図】図２

Description

本開示は、複数の磁石を保持するロータと、複数のティース部を有するステータコアおよび複数のティース部に巻回されたステータコイルを有するステータとを含む電動機に関する。

従来、円周方向に複数のスロットが形成されたステータコアおよびスロット内に巻装されたステータコイルを有するステータと、ステータにより形成される回転磁界によって軸のまわりに回転するロータとを含む電動機が知られている（例えば、特許文献１参照）。この電動機では、ステータコアの軸方向両外方に位置するステータコイルの両方のコイルエンドの少なくとも一方を、その先端がロータに近接するように曲げることで、コイルエンドをロータの軸方向端面に近接対向させ、それにより電動機の効率を向上させている。

特開２０００−２７８９０３号公報

しかしながら、ステータコイルのコイルエンドを先端がロータの軸方向端面と近接対向するように曲げた場合、折り曲げ部でステータコイルの絶縁被覆の耐力が低下してしまい、絶縁破壊が発生してしまうおそれがある。

そこで、本開示の発明は、ステータコイルの絶縁耐力を良好に維持しつつ、トルクや効率を向上させることができる電動機の提供を主目的とする。

本開示の電動機は、複数の磁石を保持するロータと、複数のティース部を有するステータコアおよび前記複数のティース部に巻回されたステータコイルを有するステータとを含む電動機において、前記ステータコアは、前記ロータの前記磁石の端面と該ステータコアの軸方向に間隔をおいて対向するように該ロータの中心軸に向けて突出する磁性体を有し、前記磁性体の先端は、前記電動機を前記軸方向から平面視した際に、前記磁石上の前記中心軸から最も遠い点の前記ロータが回転する際の軌跡と、前記磁石の磁極境界上の前記中心軸から最も遠い点の前記ロータが回転する際の軌跡との間に位置することを特徴とする。

この電動機では、ロータの複数の磁石の端面から漏れる磁束をステータコアの磁性体に吸引させてトルクを発生させる（増やす）ことが可能となる。また、ステータコイルのコイルエンドを折り曲げる必要がなくなるので、ステータコイルの絶縁耐力を良好に維持することができる。この結果、ステータコイルの絶縁耐力を良好に維持しつつ、電動機のトルクや効率を向上させることが可能となる。

本開示の一実施形態に係る電動機を示す概略構成図である。 図１の電動機の要部を示す模式図である。 図１の電動機のステータを構成する環状部材を示す要部拡大斜視図である。 図１の電動機の製造手順を示す概略構成図である。 図１の電動機の製造手順を示す概略構成図である。

次に、図面を参照しながら本開示の発明を実施するための形態について説明する。

図１は、本開示の一実施形態に係る電動機１を示す概略構成図であり、図２は、電動機１の要部を示す模式図である。これらの図面に示す電動機１は、電動機として作動すると共に発電機としても作動することができる同期発電電動機（三相交流電動機）として構成されており、例えばハイブリッド自動車や電気自動車等に搭載されるものである。電動機１は、図示するように、回転シャフト２に固定されるロータ３と、図示しないハウジングに固定されるステータ４とを含む。

ロータ３は、それぞれ本実施形態では矩形状の断面形状を有する複数の永久磁石３０と、複数の磁極を構成するように複数の永久磁石３０を保持するロータコア３１とを有する。永久磁石３０は、略直方体状に形成されており、図２に示すように、Ｎ極３０ｎ、Ｓ極３０ｓ、および当該永久磁石３０の断面の長手方向に延びるＮ極３０ｎとＳ極３０ｓとの磁極境界（磁極反転部）３０ｂとを含む。また、ロータ３を構成するロータコア３１は、図１に示すように、互いに積層されると共に積層方向に連結される複数のコアプレート（環状板）３２により構成される。

各コアプレート３２は、例えばプレス加工により概ね円環状に形成された電磁鋼板であり、互いに重なり合ったコアプレート３２同士を積層方向に連結するための複数のカシメ部（図示省略）と、回転シャフト２が挿入・固定される中心孔と、それぞれ永久磁石３０を保持するように形成された例えば長孔状の孔部である複数の磁石保持孔とを有する。複数の磁石保持孔は、２つずつ所定間隔で当該コアプレート３２に配設され、対をなす２つの磁石保持孔は、ロータ中心側からロータ外周側に向かうほど互いに離間するように（略Ｖ字状をなすように）形成される（図２参照）。複数のコアプレート３２の磁石保持孔により画成される一連の孔部のそれぞれには、Ｎ極３０ｎがＳ極３０ｓよりもロータ外周側に位置すると共に磁石保持孔と磁極境界３０ｂとが平行をなすように永久磁石３０が挿入・固定される。これにより、略Ｖ字状をなすように延在する２つの永久磁石３０によって１つの磁極が構成される。

ステータ４は、環状のステータコア４１と、当該ステータコア４１に巻回された複数のステータコイル５０とを有する。ステータコア４１は、互いに積層されると共に積層方向に連結される複数の環状板４２と、環状板４２の積層体の積層方向における両端面に樹脂４３を介して固定された磁性端部４４ａおよび４４ｂとを含む。また、複数のステータコイル５０には、Ｕ相コイル、Ｖ相コイルおよびＷ相コイルが含まれる。

本実施形態において、各環状板４２は、例えばプレス加工により概ね円環状に形成された電磁鋼板である。各環状板４２には、互いに重なり合った環状板４２同士を積層方向に連結するための複数のカシメ部（図示省略）が周方向に間隔をおいて配設されている。また、各環状板４２の外周部には、径方向外側に張り出した図示しない張出部が周方向に間隔をおいて（等間隔に）複数（例えば３つ）形成されており、各張出部には、貫通孔が形成されている。更に、各環状板４２の内周部には、それぞれ環状板４２の中心孔で開口すると共に当該中心孔の径方向に延びる複数の有端スリットが周方向に間隔をおいて形成されている。

複数の環状板４２は、張出部の貫通孔や複数の有端スリットが積層方向（ステータコア４１の軸方向）において連通するように重ね合わされ、対応するカシメ部同士を嵌め合わせることにより積層方向に連結される。更に、各環状板４２の張出部および貫通孔により、それぞれボルト孔を有する複数のボルト挿通部が周方向に間隔をおいて形成される。各ボルト挿通部のボルト孔には、図示しないボルトが挿通され、各ボルトの先端部は、図示しない電動機のハウジングに形成されたネジ穴に螺合される。これにより、ステータコア４１すなわちステータ４がハウジングに固定（締結）される。

図１において下側に位置する磁性端部４４ａは、それぞれ例えば電磁鋼板により形成された複数の環状板４５を積層・連結することにより構成される。また、図１において上側に位置する磁性端部４４ｂは、磁性体により形成された複数の環状部材４６を積層・連結することにより構成される。磁性端部４４ａ，４４ｂは、環状の外周部と、当該外周部から周方向に間隔をおいて径方向内側に突出するように形成された複数の突出部４４ｐとをそれぞれ有する。各突出部４４ｐは、先端４４ｅがロータ３の複数の永久磁石３０の端面とステータコア４１の軸方向に間隔をおいて対向するように折り曲げられている。そして、各突出部４４ｐの先端４４ｅは、電動機１を軸方向から平面視した際に、図２に示すように、永久磁石３０上のロータ３の中心軸３ｃから最も遠い点Ｐ１のロータ３が回転する際の軌跡Ｌ１と、永久磁石３０の磁極境界３０ｂ上の中心軸３ｃから最も遠い点Ｐ２のロータ３が回転する際の軌跡Ｌ２との径方向における間に位置する。本実施形態において、軌跡Ｌ１は、中心軸３ｃから点Ｐ１までの長さを半径Ｒ１とする円周であり、軌跡Ｌ２は、中心軸３ｃから点Ｐ２までの長さを半径Ｒ２とする円周である。

磁性端部４４ａを構成する環状板４５は、例えばプレス加工により概ね円環状に形成された電磁鋼板であり、上記環状板４２の中心孔よりも小径の中心孔と、当該中心孔で開口すると共に径方向に延びるように周方向に間隔をおいて形成された複数の有端スリットを有するものである。すなわち、環状板４５の隣り合う有端スリット間の突出部は、環状板４２の隣り合う有端スリット間の突出部よりも長い径方向長さを有する。複数の環状板４５は、複数の有端スリットが積層方向において連通するように重ね合わされ、例えば図示しないカシメ部同士を嵌め合わせることにより積層方向に連結される。

一方、磁性端部４４ｂを構成する各環状部材４６は、図３に示すように、環状のフランジ部４６０と、当該フランジ部４６０の内周から周方向に間隔をおいて軸方向に延出された複数の延出部４６１とを有する。フランジ部４６０の内周部には、隣り合う延出部４６１間の隙間に連通すると共に、フランジ部４６０の外周に向けて径方向に延びる複数の有端スリット４６２が周方向に間隔をおいて形成されている。これにより、隣り合う有端スリット４６２の間には、環状部材４６の径方向に延びる突出部４６３が形成され、各延出部４６１は、対応する突出部４６３の先端から略垂直に延在する。有端スリット４６２は、上記環状板４２の有端スリットと同一の形状（寸法）を有するものである。複数の環状部材４６は、対応する延出部４６１同士が重なり合うと共に有端スリット４６２が積層方向において連通するように重ね合わされ、例えば図示しないカシメ部同士を嵌め合わせることにより積層方向に連結される。

次に、図４を参照しながら、電動機１の製造手順について説明する。

電動機１の製造に際しては、図４に示すように、複数の環状板４２を積層・連結すると共に、環状板４５の積層体と環状部材４６の積層体とを環状板４２の積層体の対応する端面に樹脂４３を介して固定してステータコア４１を形成する。これにより、ステータコア４１には、各環状板４２の隣り合う有端スリット間の突出部、各環状板４５の隣り合う有端スリット間の突出部、各環状部材４６の突出部４６３、および樹脂４３により、環状の外周部（ヨーク部）から周方向に間隔をおいて径方向内側に突出する複数のティース部４１ｔが形成される。また、樹脂４３には、各環状板４２の有端スリット、各環状板４５の有端スリット、および各環状部材４６の有端スリット４６２に連通するように複数の有端スリットが形成される。これにより、互いに隣り合うティース部４１ｔの間に位置するように複数のスロットが形成される。

更に、環状板４２の積層体の図４における下面に固定された環状板４５の積層体は、磁性端部４４ａを構成し、各環状板４５の隣り合う有端スリット間の突出部の内側端部により複数の突出部４４ｐが構成される。なお、突出部４４ｐの先端４４ｅが図４において上方を向くように、各環状板４５の隣り合う有端スリット間の突出部の先端を予め折り曲げておいてもよい。また、各突出部４４ｐの先端４４ｅは、環状板４５の積層体を環状板４２の積層体に固定して磁性端部４４ａを形成した後に折り曲げられてもよい。

次いで、絶縁被覆された電気導体を複数のティース部４１ｔに巻回することによりステータコア４１に複数のステータコイル５０を装着する。各ステータコイル５０は、ステータコア４１への装着に先立って予め巻回された複数のカセットコイルをティース部４１ｔに嵌め込んだ後、電気的に接続することにより構成されてもよく、例えば略Ｕ字状に成形された複数のセグメントコイルをスロットに挿入した後、曲げ工程および接合工程を施すことにより構成されてもよい。また、ステータコア４１の各スロット内には、図示しないインシュレータ（絶縁紙）が配置されてもよい。

ステータコア４１に複数のステータコイル５０が装着された後、図５に示すように、別途製造されたロータ３をステータコア４１内に組み付ける。この際、環状板４２の積層体の図５における上面に固定された各環状部材４６の複数の延出部４６１はステータコア４１の軸方向に延在しており、ロータ３の組み付けの妨げになることはない。ステータコア４１へのロータ３の組み付け後、各環状部材４６の各延出部４６１を、それぞれの先端が上記軌跡Ｌ１と軌跡Ｌ２との径方向における間に位置するようにロータ３に向けて折り曲げる（図５における二点鎖線参照）。これにより、環状部材４６の積層体により磁性端部４４ｂが構成されると共に、複数の延出部４６１により突出部４４ｐが構成される。そして、ステータコイル５０のコイルエンドを覆うように樹脂のモールド処理が実行されることで、ロータ３およびステータ４を有する電動機１が完成する。なお、ステータコア４１へのロータ３の組み付けや環状部材４６の曲げ加工は、ステータコア４１のハウジングの固定後に行われてもよく、固定前に行われてもよい。

上述のように製造される電動機１のステータコア４１は、ロータ３の永久磁石３０の端面と当該ステータコア４１の軸方向に間隔をおいて対向するように当該ロータ３の中心軸３ｃに向けて径方向内側に突出する磁性体としての複数の突出部４４ｐを有する。そして、各突出部４４ｐの先端４４ｅは、電動機１を軸方向から平面視した際に、永久磁石３０上のロータ３の中心軸３ｃから最も遠い点Ｐ１の当該ロータ３が回転する際の軌跡Ｌ１と、永久磁石３０の磁極境界３０ｂ上の中心軸３ｃから最も遠い点Ｐ２のロータ３が回転する際の軌跡Ｌ２との間に位置する。これにより、本実施形態の各突出部４４ｐの先端４４ｅは、永久磁石３０のＮ極３０ｎに近接することでＳ極に磁化することになる。そして、当該先端４４ｅを磁極境界３０ｂ上の点Ｐ２の軌跡Ｌ２よりも径方向内側に突出しないようにすることで、永久磁石３０と先端４４ｅとの間で反発力を生じさせることなく吸引力のみを発生させることができる。この結果、ロータ３の複数の永久磁石３０の端面から漏れる磁束をステータコア４１の各突出部４４ｐに吸引させてトルクを発生させる（増やす）ことが可能となる。

また、電動機１では、トルクを増加させるためにステータコイル５０のコイルエンドを折り曲げる必要がなくなるので、ステータコイル５０の絶縁耐力を良好に維持することができる。更に、電動機１のロータ３の一端側には、当該ロータ３の回転位置を検出する回転位置検出センサとしてのレゾルバ（図示省略）が配置されることになるが、ステータコア４１に上述のような複数の突出部４４ｐを設けることで、当該レゾルバがロータ３の各永久磁石３０からの漏れ磁束の影響を受けることにより回転位置の検出信号にノイズが重畳してしまうのを抑制することも可能となる。

以上説明したように、電動機１は、複数の永久磁石３０を保持するロータ３と、複数のティース部４１ｔを有するステータコア４１および複数のティース部４１ｔに巻回されたステータコイル５０を有するステータ４とを含む。また、ステータコア４１は、ロータ３の永久磁石３０の端面と当該ステータコア４１の軸方向に間隔をおいて対向するように当該ロータ３の中心軸３ｃに向けて径方向内側に突出する磁性体としての複数の突出部４４ｐを有する。更に、各突出部４４ｐの先端４４ｅは、電動機１を軸方向から平面視した際に、永久磁石３０上のロータ３の中心軸３ｃから最も遠い点Ｐ１のロータ３が回転する際の軌跡Ｌ１と、永久磁石３０の磁極境界３０ｂ上の中心軸３ｃから最も遠い点Ｐ２のロータ３が回転する際の軌跡Ｌ２との間に位置する。これにより、ステータコイル５０の絶縁耐力を良好に維持しつつ、電動機１のトルクや効率を向上させることが可能となる。

また、それぞれ複数の突出部４４ｐを有する磁性端部４４ａ，４４ｂを環状板４２の積層体に対して樹脂４３を介して固定することで、ステータ４ひいては電動機１の軽量化を図りつつ、永久磁石３０の端面とステータコア４１の軸方向に間隔をおいて対向する突出部４４ｐを有する磁性端部４４ａ，４４ｂを環状板４２の積層体に容易かつ強固に固定することができる。ただし、電動機１において、樹脂４３を省略すると共に、環状板４２の枚数を適宜増やして、環状板４２の積層体の両端に磁性端部４４ａ，４４ｂを直接固定してもよい。更に、上記電動機１において、磁性端部４４ａ，４４ｂは、それぞれ複数の環状板４５または環状部材４６により構成されるが、これに限られるものではなく、単一の環状板４５または環状部材４６により構成されてもよい。また、上記環状板４５および環状部材４６には、ボルト挿通部を構成する張出部および貫通孔が形成されてもよい。

そして、本開示の発明は上記実施形態に何ら限定されるものではなく、本開示の外延の範囲内において様々な変更をなし得ることはいうまでもない。更に、上記実施形態は、あくまで発明の概要の欄に記載された発明の具体的な一形態に過ぎず、発明の概要の欄に記載された発明の要素を限定するものではない。

本開示の発明は、電動機の製造分野等において利用可能である。

１ 電動機、２ 回転シャフト、３ ロータ、３ｃ 中心軸、４ ステータ、３０ 永久磁石、３０ｂ 磁極境界、３０ｎ Ｎ極、３０ｓ Ｓ極、３１ ロータコア、３２ コアプレート、４１ ステータコア、４１ｔ ティース部、４２ 環状板、４３ 樹脂、４４ａ，４４ｂ 磁性端部、４４ｅ 先端、４４ｐ 突出部、４５ 環状板、４６ 環状部材、５０ ステータコイル、４６０ フランジ部、４６１ 延出部、４６２ 有端スリット、４６３ 突出部、Ｌ１，Ｌ２ 軌跡。

Claims (1)

1. 複数の磁石を保持するロータと、複数のティース部を有するステータコアおよび前記複数のティース部に巻回されたステータコイルを有するステータとを含む電動機において、
   前記ステータコアは、前記ロータの前記磁石の端面と該ステータコアの軸方向に間隔をおいて対向するように該ロータの中心軸に向けて突出する磁性体を有し、
   前記磁性体の先端は、前記電動機を前記軸方向から平面視した際に、前記磁石上の前記中心軸から最も遠い点の前記ロータが回転する際の軌跡と、前記磁石の磁極境界上の前記中心軸から最も遠い点の前記ロータが回転する際の軌跡との間に位置することを特徴とする電動機。

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