JP2018026929A - 電動モータ - Google Patents

Abstract

【課題】分割ステータどうしの接合によってステータの真円度を低下させることなく、所望のモータ性能を発揮できる電動モータを提供する。【解決手段】電動モータは、回転軸芯Ｘを有するロータ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とを有するステータ４と、を備えている。ステータ４は、周方向に分割された複数の分割ヨーク部４１ａ〜４１ｉを含む分割ステータＳで構成されており、隣接する分割ヨーク部どうしが当接する当接部５１，５３と、隣接する分割ヨーク部どうしが互いに離間した状態で溶接された溶接部５２，５４と、を有している。【選択図】図２

Description

本発明は、ロータと分割ステータで構成されるステータとを備えた電動モータに関する。

従来より、ロータを取り囲む領域に設けられたステータが、周方向に分割した分割ステータで構成された電動モータが知られている（例えば、特許文献１〜２参照）。このように、ステータを分割ステータで構成すれば、ステータにコイルを整列巻きし易くなり、巻線の高密度化が図られ、電動モータがコンパクトなものとなる。

特許文献１の分割ステータは、分割ヨーク部と該分割ヨーク部から径内方向に突出するティース部とを備え、隣接する分割ヨーク部の端面どうしに凸部と凹部とを形成している。これら凸部と凹部とを嵌合させた状態で、隣接する分割ヨーク部の嵌合部分よりも外周側をレーザ溶接により接合している。また、特許文献１には、凹部と凸部との接合面形状を外側と内側とで異ならせることで、がた付きを減らして熱収縮に伴う変形量を小さくすることが記載されている。

特許文献２の分割ステータは、分割ヨーク部と該分割ヨーク部から径内方向に突出するティース部とを備え、隣接する分割ヨーク部の端面どうしに凸部と凹部とを形成している。これら凸部と凹部とを嵌合させると共に、径方向に伸縮可能なリング状の治具を用いて夫々の分割ステータを径内方向に押圧した状態で、分割ステータに通電し拡散接合させている。

特開２００２−９５１９２号公報 特開２０１５−６５７４１号公報

しかしながら、従来の電動モータは、隣接する分割ヨーク部の端面どうしの凸部と凹部とを嵌合させた状態でレーザ溶接又は拡散接合させているので、熱応力による歪みが凸部と凹部とで不均一になり易い。その結果、ステータの内周面の真円度が低下し、ステータとロータとの間隔が周方向に不均一となってモータ性能の低下を招いてしまう。特に、特許文献１のように、分割ヨーク部の接合部分の外周側をレーザ溶接する場合、局部的に加熱されるのでステータの内周面の真円度が低下し易い。

また、特許文献２のように拡散接合する場合、ステータ全体を加熱するため、消費電力が大きくなり、分割ヨーク部どうしを接合するための温度条件や通電時間の調整が必要となり、煩雑である。さらに、電流が凸部に集中してしまい、熱応力による歪みが過大になるおそれがある。

そこで、分割ステータどうしの接合によってステータの真円度を低下させることなく、所望のモータ性能を発揮できる電動モータが望まれている。

電動モータの特徴構成は、回転軸芯を有するロータと、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を有するステータと、を備え、前記ステータは、周方向に分割された複数の分割ヨーク部を含む分割ステータで構成されており、夫々の前記分割ステータは、前記ロータに近い側に、隣接する前記分割ヨーク部どうしが当接する当接部と、前記当接部よりも前記ロータに遠い側に、隣接する前記分割ヨーク部どうしが離間した状態で溶接された溶接部と、を有している点にある。

本構成では、例えばレーザ溶接される溶接部として、隣接する分割ヨーク部を互いに離間させて構成し、溶接部よりもロータに近い側に隣接する分割ヨーク部どうしが当接する当接部を形成している。このため、溶接熱による歪みを溶接部で受止め、当接部まで溶接熱が伝播することが抑制される。その結果、ロータに近い側に形成された当接部が熱応力によって歪み難く、ロータに対向するステータの真円度が確保されるので、所望のモータ性能を発揮することができる。

また、溶接部が加熱されることで生成される溶融物が、溶接部に設けられた隙間に現出することで、隣接する分割ヨーク部どうしが強固に固定される。その結果、強固に固定された溶接部と当接部とによって、分割ヨーク部が互いに相対移動することなく、例えば樹脂でインサート成形した際でも、ステータの真円度を持続させることができる。

このように、分割ステータどうしの接合によってステータの真円度を低下させることなく、所望のモータ性能を発揮できる電動モータを提供できた。

他の特徴構成は、前記ステータは、前記ロータの外周を取り囲む領域に配置されており、 前記溶接部は、前記ヨーク部の径方向外側に位置している点にある。

本構成のように溶接部をヨーク部の径方向外側に位置させれば、ステータに干渉しないように溶接治具を配置し易いので、加工効率を高めることができる。

他の特徴構成は、隣接する前記分割ヨーク部の一方の前記溶接部は、前記回転軸芯を中心とする前記ヨーク部の仮想環状面に対して前記径方向に突出する第一突出部で構成され、隣接する前記分割ヨーク部の他方の前記溶接部は、前記仮想環状面に対して前記径方向に突出し、前記第一突出部に対向する第二突出部で構成されている点にある。

本構成のように、溶接部をヨーク部の径方向に突出させて構成すれば、ヨーク部の周方向に流れる磁束の流れが溶接部によって阻害されない。つまり、隣接する分割ヨーク部に磁束が円滑に流れるので、モータ性能をより高めることができる。

他の特徴構成は、隣接する前記分割ヨーク部の一方の前記溶接部は、隣接する前記分割ヨーク部の他方に向かって湾曲状に突出する湾曲凸部で構成され、前記他方の前記溶接部は、前記湾曲凸部に対向して湾曲状に窪んだ湾曲凹部で構成されている点にある。

本構成のように溶接部を湾曲形状に構成すれば、溶接による溶融物の流路長を十分確保することができるので、当接部に溶融物が流れて熱応力による歪みが発生するといった不都合が解消される。よって、当接部が熱応力の影響を受け難く、ロータに対向するステータの真円度を確実に確保することができる。

他の特徴構成は、夫々の前記分割ヨーク部には、前記周方向に沿った中央に前記ロータの側へ窪んだ溝部が形成され、前記溝部は、前記ステータを前記ロータの側に押圧する押圧部材の突起が係合可能に構成されている点にある。

本構成では、押圧部材でステータをロータの側に押圧した状態で、分割ヨーク部を溶接することが可能となるので、溶接時に分割ヨーク部がロータから離間する方向に位置ずれしない。このとき、本構成のように分割ヨーク部の周方向中央に押圧部材の突起が係合する溝部を設ければ、分割ヨーク部がバランスよく支持されると共に、押圧部材に干渉することなく溶接治具を操作できるので加工効率が高まる。よって、簡便な構成で、ロータに対向するステータの真円度を確実に確保することができる。

ウォータポンプの断面図である。 ステータの断面図である。 図２のＡ部分の拡大図である。 ステータを溶接する説明図である。 別実施形態１に係る溶接部の拡大図である。 別実施形態２に係る溶接部の拡大図である。

以下に、本実施形態に係る電動モータについて、図面に基づいて説明する。本実施形態の一例として、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に外嵌された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（ロータ３の外周を取り囲む領域）に配置される筒状のステータ４と、支持シャフト２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、支持シャフト２の回転軸芯Ｘ周りに回転するロータ３と、ロータ３に対して回転磁界を発生させる円環状のステータ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円環状のロータコア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。永久磁石３１ａは、６極で構成され、６極３相９スロットの電動モータＭとしている（図２参照）。なお、永久磁石３１ａは６極に限定されず、２極以上の偶数極で構成しても良い。

図２に示すように、ステータ４は、周方向に分割された複数（本実施形態では９個）の分割ステータＳと、分割ステータＳを覆う樹脂製のインシュレータ４４と、インシュレータ４４の外面に巻回されるコイルＣと、を備えている。

ステータ４は、回転軸芯Ｘを中心とする円環状に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複数のティース部４２（本実施形態では９個）と、複数のティース部４２の夫々の突出端において回転軸芯Ｘを中心として円弧状に配置されるフランジ部４３とで構成される。なお、本実施形態では、１つのティース部４２を１つの分割ステータＳに対応させて配置している。

ステータ４は、分割ステータＳに樹脂製のインシュレータ４４を外嵌した状態で、ティース部４２にコイルＣが巻回されている。コイルＣ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ている。インシュレータ４４は、分割ステータＳとコイルＣとの絶縁のために設けられ、少なくともティース部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Ｃの素線は、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構成されている。なお、分割ステータＳとコイルＣとの絶縁が適切に図られる場合は、コイルＣをティース部４２に直接巻き付けても良い。

分割ステータＳは、磁性鋼板を積層して構成されており、複数の分割ステータＳを円環状に組み合わせてステータ４が形成されている。また、複数のティース部４２は、夫々の分割ステータＳに形成された分割ヨーク部４１ａ〜４１ｉから回転軸芯Ｘを中心とする放射状（径方向内側）に延出し、周方向に沿って等間隔に９箇所形成されている。つまり、複数の分割ヨーク部４１ａ〜４１ｉは各別にティース部４２を備えている。なお、１つの分割ヨーク部４１ａ〜４１ｉに２つ以上のティース部４２を設けても良いし、２つ以上の分割ヨーク部４１ａ〜４１ｉに１つのティース部４２を設けても良く特に限定されない。

図２のＡ部分を拡大した図３に示すように、分割ヨーク部４１ａ，４１ｂの径方向に平行な端面５ａ，５ｂには、隣接する分割ヨーク部４１ａ，４１ｂどうしが当接する当接部５１，５３と、隣接する分割ヨーク部４１ａ，４１ｂどうしが離間した状態で溶接される溶接部５２，５４とを有している。同様に、全ての分割ヨーク部４１ａ〜４１ｉの周方向の端面にも当接部５１，５３や溶接部５２，５４が形成される。以降、第一分割ヨーク部４１ａおよび第二分割ヨーク部４１ｂの端面５ａ，５ｂを代表して説明する。

第一分割ヨーク部４１ａは、第一当接部５１が端面５ａの径方向内側（ロータ３に近い側）の領域で直線状に形成されており、第一溶接部５２（第一突出部の一例）がヨーク部４１の回転軸芯Ｘを中心とする仮想環状面Ｔに対して径方向外側（ロータ３に遠い側）の領域に突出している。この第一溶接部５２は、円弧状の外面５２ａと直線状の内面５２ｂとで構成されている。

第二分割ヨーク部４１ｂは、第二当接部５３が端面５ｂの径方向内側（ロータ３に近い側）の領域で直線状に形成されており、第一分割ヨーク部４１ａの第一当接部５１と等しい勾配で全領域が当接している。また、第二溶接部５４（第二突出部の一例）は、ヨーク部４１の回転軸芯Ｘを中心とする仮想環状面Ｔに対して径方向外側（ロータ３から遠い側）の領域に突出しており、外面が円弧状の第一部分５４ａと直線状の第二部分５４ｂとで構成されている。なお、第一分割ヨーク部４１ａの端面５ａと反対側の端面は、第二分割ヨーク部４１ｂの端面５ｂと同様の構成であり、第二分割ヨーク部４１ｂの端面５ｂと反対側の端面は、第一分割ヨーク部４１ａの端面５ａと同様の構成である。

第一溶接部５２と第二溶接部５４とは対向して配置されており、第一溶接部５２の直線状の内面５２ｂと第二溶接部５４の直線状の第二部分５４ｂとは、溶接される前は離間している（図３の上図参照）。一方、回転軸芯Ｘ方向に沿って溶接されることによって第一溶接部５２および第二溶接部５４が溶融し、第一溶接部５２の直線状の内面５２ｂと第二溶接部５４の直線状の第二部分５４ｂとの隙間に溶融物Ｙが現出する（図３の下図参照）。これによって、隣接する第一分割ヨーク部４１ａと第二分割ヨーク部４１ｂとが強固に固定される。なお、第一分割ヨーク部４１ａの第一当接部５１と第二分割ヨーク部４１ｂの第二当接部５３とは当接しているのみであり、溶接されていない。

図２，図４に示すように、夫々の分割ヨーク部４１ａ〜４１ｉには、周方向に沿った中央の領域に、径方向内側（ロータ３の側）へ窪んだ溝部５５が形成されている。この溝部５５は、ステータ４を径方向内側（ロータ３の側）に押圧する第一押圧治具７（押圧部材の一例）の突起７１が係合可能に構成されている。また、ステータ４のフランジ部４３を径方向外側に押圧する円柱状の第二押圧治具８が、ステータ４の内側に配置されている。この第二押圧治具８は、例えば９分割された扇状部材８１の集合体であり、夫々の扇状部材８１が径方向外側に移動できるように構成されている。なお、溝部５５を省略して、第一押圧治具７の端面を分割ヨーク部４１ａ〜４１ｉの外面に沿った円弧状に形成しても良い。

続いて、分割ステータＳを円環状に固定する方法を説明する。

まず、図４に示すように、コイルＣがティース部４２に巻き付けられた複数の分割ステータＳは、分割ヨーク部４１ａ，４１ｂどうしの当接部５１，５３が当接するように、全ての分割ステータＳが、第一押圧治具７と第二押圧治具８との間で円環状に配列される。このとき、図示しない把持治具を用いて、溶接部５２，５４をクランプしながら配列させても良い。

次いで、第一押圧治具７で分割ステータＳを径方向内側に押圧すると共に、第二押圧治具８で分割ステータＳを径方向外側に押圧する。これによって、分割ヨーク部４１ａ，４１ｂの夫々の当接部５１，５３の当接状態が良好に維持される。この状態では、第一溶接部５２の直線状の内面５２ｂと第二溶接部５４の直線状の第二部分５４ｂとは離間している（図３の上図参照）。次いで、溶接治具Ｚを用いて、第一溶接部５２および第二溶接部５４を回転軸芯Ｘ方向に沿ってレーザ溶接する。その結果、第一溶接部５２の直線状の内面５２ｂと第二溶接部５４の直線状の第二部分５４ｂとが溶融されて隙間がなくなり、分割ヨーク部４１ａ，４１ｂどうしが固定される（図３の下図参照）。なお、溶接部５２，５４の溶接は、レーザ溶接に限定されず、アーク溶接やスポット溶接などであっても良い。

同様に、全ての分割ヨーク部４１ａ〜４１ｉの隣接する分割ヨーク部どうしを溶接して、円環状に連結されたステータ４を形成する。その後、ステータ４をインサート成形する。

本実施形態では、レーザ溶接される溶接部５２，５４として、隣接する分割ヨーク部を互いに離間させて構成し、溶接部５２，５４よりもロータ３に近い側に、隣接する分割ヨーク部どうしが当接する当接部５１，５３を形成している。このため、溶接熱による歪みを溶接部５２，５４で受止め、当接部５１，５３まで溶接熱が伝播することが抑制される。その結果、ロータ３の側に形成された当接部５１，５３が熱応力によって歪み難く、ロータ３に対向するステータ４の内周面の真円度が確保されるので、所望のモータ性能を発揮することができる。

また、溶接部５２，５４が加熱されることで生成される溶融物Ｙが、第一溶接部５２の直線状の内面５２ｂと第二溶接部５４の直線状の第二部分５４ｂとの隙間に現出することで、隣接する分割ヨーク部どうしが強固に固定される。その結果、強固に固定された溶接部５２，５４と当接部５１，５３とによって、分割ヨーク部４１ａ〜４１ｉが互いに相対移動することなく、樹脂でインサート成形した際でも、ステータ４の内周面の真円度を持続させることができる。しかも、第二溶接部５４には、外面が円弧状の第一部分５４ａを設けているので、溶接容積が大きく、溶融物Ｙを多く確保することが可能となり、隣接する分割ヨーク部どうしがより強固に固定される。

本実施形態のように溶接部５２，５４をヨーク部４１の径方向外側に位置させれば、ステータ４に干渉しないように溶接治具Ｚを配置し易いので、加工効率を高めることができる。

本実施形態のように、溶接部５２，５４をヨーク部４１の径方向外側に突出させて構成すれば、ヨーク部４１の周方向に流れる磁束の流れが溶接部５２，５４によって阻害されない。つまり、隣接する分割ヨーク部の当接部５１，５３に磁束が円滑に流れるので、モータ性能をより高めることができる。

本実施形態では、第一押圧治具７および第二押圧治具８でステータ４を押圧保持した状態で、分割ヨーク部４１ａ〜４１ｉを溶接しているので、溶接時に分割ヨーク部４１ａ〜４１ｉがロータ３から離間する方向に位置ずれしない。このとき、本実施形態のように分割ヨーク部４１ａ〜４１ｉの周方向中央に第一押圧治具７の突起７１が係合する溝部５５を設ければ、分割ヨーク部４１ａ〜４１ｉがバランスよく支持されると共に、第一押圧治具７に干渉することなく溶接治具Ｚを操作できるので加工効率が高まる。よって、簡便な構成で、ロータ３に対向するステータ４の真円度を確実に確保することができる。

［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、第一分割ヨーク部４１ａの第一溶接部５２は、第二分割ヨーク部４１ｂに向かって湾曲状に突出する湾曲凸部５６で構成され、第二分割ヨーク部４１ｂの第二溶接部５４は、湾曲凸部５６に対向して湾曲状に窪んだ湾曲凹部５７で構成されても良い。また、本実施形態では、溶接部５２，５４を、仮想環状面Ｔに対して径方向外側の領域に突出させずに、湾曲凸部５６と湾曲凹部５７とを周方向に離間させている。

このように溶接部５２，５４を湾曲形状に構成すれば、溶接による溶融物Ｙの流路長を十分確保することができるので、当接部５１，５３に溶融物Ｙが流れて熱応力による歪みが発生するといった不都合が解消される。よって、当接部５１，５３が熱応力の影響を受け難く、ロータ３に対向するステータ４の真円度を確実に確保することができる。また、溶接部５２，５４が外部にはみ出さないので、ステータ４をコンパクトに構成できる。

図６に示すように、第一分割ヨーク部４１ａの第一溶接部５２は、仮想環状面Ｔに対して径方向外側の領域に突出した状態でＬ字状に屈曲させた屈曲部５８で構成され、第二分割ヨーク部４１ｂの第二溶接部５４は、仮想環状面Ｔに対して径方向外側の領域に矩形状又は台形状に突出した矩形部５９で構成されていても良い。この場合でも、溶接による溶融物Ｙの流路長を十分確保することができるので、当接部５１，５３に溶融物Ｙが流れて熱応力による歪みが発生するといった不都合が解消される。

［その他の実施形態］
（１）上述した実施形態における当接部５１，５３や溶接部５２，５４は、要旨を逸脱しない範囲で適宜変更しても良い。例えば、当接部５１，５３を直線状に形成せずに、曲線状に形成しても良い。また、溶接部５２，５４については、図３〜図６の構成を適宜組み合わせても良いし、溶接部５２，５４が互いに離間していればどのような形状であっても良い。例えば、図５の実施形態における溶接部５２，５４を、仮想環状面Ｔに対して径方向外側の領域に突出させても良いし、図５の実施形態における溶接部５２，５４を直線状に形成しても良い。
（２）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の径方向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から径方向外側に突出する複数のティース部４２と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では、隣接する分割ヨーク部どうしが当接する当接部５１，５３が径方向外側（ロータ３の側）に設けられ、隣接する分割ヨーク部どうしが離間した状態で溶接される溶接部５２，５４が径方向内側（ロータ３とは反対側）に設けられることとなる。この場合でも、上述した作用効果が期待できる。
（３）上述した実施形態における電動モータＭ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電動モータに利用可能である。

３ ロータ
４ ステータ
４１ ヨーク部
４１ａ〜４１ｉ 分割ヨーク部
４２ ティース部
５１ 第一当接部（当接部）
５２ 第一溶接部（溶接部、第一突出部）
５３ 第二当接部（当接部）
５４ 第二溶接部（溶接部、第二突出部）
５５ 溝部
５６ 湾曲凸部
５７ 湾曲凹部
７ 第一押圧治具（押圧治具）
７１ 突起
Ｍ 電動モータ
Ｓ 分割ステータ
Ｔ 仮想環状面
Ｘ 回転軸芯

Claims (5)

1. 回転軸芯を有するロータと、
   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を有するステータと、を備え、
   前記ステータは、周方向に分割された複数の分割ヨーク部を含む分割ステータで構成されており、
   夫々の前記分割ステータは、前記ロータに近い側に、隣接する前記分割ヨーク部どうしが当接する当接部と、前記当接部よりも前記ロータに遠い側に、隣接する前記分割ヨーク部どうしが離間した状態で溶接された溶接部と、を有している電動モータ。
2. 前記ステータは、前記ロータの外周を取り囲む領域に配置されており、
   前記溶接部は、前記ヨーク部の径方向外側に位置している請求項１に記載の電動モータ。
3. 隣接する前記分割ヨーク部の一方の前記溶接部は、前記ヨーク部の前記回転軸芯を中心とする仮想環状面に対して前記径方向に突出する第一突出部で構成され、
   隣接する前記分割ヨーク部の他方の前記溶接部は、前記仮想環状面に対して前記径方向に突出し、前記第一突出部に対向する第二突出部で構成されている請求項１又は２に記載の電動モータ。
4. 隣接する前記分割ヨーク部の一方の前記溶接部は、隣接する前記分割ヨーク部の他方に向かって湾曲状に突出する湾曲凸部で構成され、
   前記他方の前記溶接部は、前記湾曲凸部に対向して湾曲状に窪んだ湾曲凹部で構成されている請求項１から３のいずれか一項に記載の電動モータ。
5. 夫々の前記分割ヨーク部には、前記周方向に沿った中央に前記ロータの側へ窪んだ溝部が形成され、
   前記溝部は、前記ステータを前記ロータの側に押圧する押圧部材の突起が係合可能に構成されている請求項１から４のいずれか一項に記載の電動モータ。

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