JP2020191715A - ステータアセンブリ、及び、モータ - Google Patents

Abstract

【課題】ステータとハウジングとの締まり嵌めによるハウジング外周応力を周方向において均一に近づけるステータアセンブリを提供する。【解決手段】各ステータコアは、周方向の少なくとも一部分がハウジング３０の内壁に当接する複数の突起部４１、及び、突起部４１よりも径方向に小さく、ハウジング３０の内壁との間に隙間を有する複数の凹部４２が外周の周方向に周期的に設けられている。複数のステータコアは、一つ以上の突起部４１と一つ以上の凹部４２とからなる「周期ユニット」が軸方向において互い違いに現れるよう、隣接するステータコア同士が周方向に所定のシフト角θだけずれて積層されている。複数の突起部４１は、ハウジング３０の内壁に当接する部位の曲率半径Ｒ１が外接円の半径Ｒよりも小さい。【選択図】図２

Description

本発明は、ステータアセンブリ、及び、モータに関する。

従来、筒状のハウジングの内壁に、焼き嵌め等の締まり嵌めによってステータを組み付けるモータ構造が知られている。

例えば特許文献１に開示されたステータ（特許文献１では「固定子」）は、ハウジング（特許文献１では「密閉容器」）の内周面と接触する接触領域と、内周面と接触しない非接触領域とが外周の周方向に交互に設けられている。これにより、圧縮応力に起因する磁気特性劣化の緩和や鉄損の低減が図られている。

特開２００８−１９３７７８号公報

本明細書では、特許文献１の接触領域に相当する部分を「突起部」と言う。特許文献１の従来技術では、突起部が接触する部分においてハウジングの径方向に生じる引っ張り応力であるハウジング外周応力が高くなり、ハウジングの割れに至るおそれがある。

本発明はこのような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、ステータとハウジングとの締まり嵌めによるハウジング外周応力を周方向において均一に近づけるステータアセンブリ、及び、それを備えるモータを提供することにある。

本発明のステータアセンブリは、筒状のハウジング（３０）と、ハウジングの内壁に締まり嵌めで固定されたステータ（４０）と、を備える。ステータは、複数枚の環状のステータコア（４０１−４０６）が軸方向に積層され、又は、軸方向に積層されてなる分割式のステータコアが周方向に複数連結されている。

なお、「締まり嵌め」には、圧入、焼き嵌め、又は、冷やし嵌めが含まれる。当業者は完成状態のステータアセンブリを観察又は分析することで、ステータが締まり嵌めでハウジングに固定されていることを特定可能である。したがって、上記構成の記載は、単にステータアセンブリの状態を示すことにより構造を特定するものであり、完成品であるステータアセンブリを製造方法によって特定するものではない。

各ステータコアは、周方向の少なくとも一部分がハウジングの内壁に当接する複数の突起部（４１）、及び、突起部よりも径方向に小さい複数の凹部（４２）が外周の周方向に周期的に設けられている。凹部は、ハウジングの内壁との間に隙間を有する。

複数のステータコアは、一つ以上の突起部と一つ以上の凹部とからなる「周期ユニット」が軸方向において互い違いに現れるよう、隣接するステータコア同士が周方向に所定のシフト角（θ）だけずれて積層されている。このとき、シフトさせるステータコアの軸方向積厚は問わず、ステータコアのシート１枚毎にシフトさせてもよく、ステータコアのシート複数枚毎にシフトさせてもよい。

本発明では、複数の突起部は、ハウジングの内壁に当接する部位の曲率半径（Ｒ１）が外接円の半径（Ｒ）よりも小さい。突起部の曲率半径が外接円の半径以上である場合、突起部の周方向端部が中央部よりも強くハウジングの内壁に当接し、突起間のハウジング外周応力が突起部のハウジング外周応力よりも大きくなる。そこで、突起間のハウジング外周応力が突起部のハウジング外周応力と同等となるように、突起部の曲率半径を外接円の半径よりも小さく設定することで、ハウジング外周応力を周方向において均一に近づけることができる。

具体的な実施例において、一組の周期ユニットにおける突起部及び凹部の合計数である「ユニット要素数」をｍと表し、３６０°範囲における周期ユニットの数をＮと表すと、シフト角は、３６０×ｎ／（ｍ×Ｎ）［°］（ｎはｍ以外の自然数）で算出される。

また、本発明のモータは、上記のステータアセンブリと、ステータコアに形成された複数の磁極ティースに巻回されたコイル（５５）と、ステータに対し径方向内側に空隙を介して回転可能に設けられたロータ（６０）と、を備える。

一実施形態によるステータアセンブリが適用されるモータの軸方向断面図。 図１のＩＩ−ＩＩ線でのステータアセンブリの径方向断面図。 ハウジングに締まり嵌めされる前のステータの部分拡大図。 （ａ）図３のＩＶａ−ＩＶａ線、（ｂ）ＩＶｂ−ＩＶｂ線での模式断面図。 ステータをハウジングに締まり嵌めした状態での径方向変形を示す図。 ハウジング及びステータの線膨張係数の違いを説明する図。 締まり嵌めに伴う磁極ティースの周方向変形を示す図。 締まり嵌めに伴う磁極ティースの径方向変形を示す図。 （Ｒ１／Ｒ）（突起部半径比）＝０．８７、０．９４、１．０のとき突起部及び突起間（凹部）に作用するハウジング外周応力の分布図。 （ａ）締め代とハウジング外周応力との関係、（ｂ）締め代とステータ反力との関係を示す図。 （ａ）Ｎ（周期ユニット数）＝１８、θ（シフト角）＝１０°、（ｂ）Ｎ＝１５、θ＝１２°、（ｃ）Ｎ＝１２、θ＝１５°のときの突起部半径比と各比較パラメータとの関係を示す図。 （ａ）Ｎ＝１０、θ＝１８°、（ｂ）Ｎ＝９、θ＝２０°、（ｃ）Ｎ＝８、θ＝２２．５°のときの突起部半径比と各比較パラメータとの関係を示す図。 （ａ）Ｎ＝６、θ＝３０°、（ｂ）Ｎ＝５、θ＝３６°、（ｃ）Ｎ＝４、θ＝４５°のときの突起部半径比と各比較パラメータとの関係を示す図。 （ａ）Ｎ＝３、θ＝６０°、（ｂ）Ｎ＝２、θ＝９０°のときの突起部半径比と各比較パラメータとの関係を示す図。 突起部半径比の最適値、一次適正範囲及び二次適正範囲を示す図。 その他の実施形態によるステータコアの図。 （ａ）図１６のＸＶＩＩａ−ＸＶＩＩａ線、（ｂ）ＸＶＩＩｂ−ＸＶＩＩｂ線、（ｃ）ＸＶＩＩｃ−ＸＶＩＩｃ線での模式断面図。 ユニット要素数及び周期ユニット数とシフト角との関係を示す図。

（一実施形態）
以下、ステータアセンブリを含むモータの一実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態のモータは、例えば電動パワーステアリング装置の操舵アシストトルクモータとして用いられる。

最初に図１を参照し、軸方向断面でのモータ８０の全体構成について説明する。図１に示すモータ８０は、軸方向の一方側にＥＣＵ（すなわち制御装置）１０が一体に設けられた機電一体式モータとして構成されている。ただし他の実施形態では、ＥＣＵが別体に設けられた機電別体式モータとして構成されてもよい。図１の下側に示されるモータ８０の出力軸側を「フロント側」といい、図１の上側に示されるカバー１４側を「リア側」という。また、モータ８０の回転軸をＯと記す。

モータ８０は多相ブラシレスモータであって、ハウジング３０、ステータ４０及びロータ６０等を備えている。ステータ４０は、筒状のハウジング３０の内壁に「締まり嵌め」で固定される。締まり嵌めには、焼き嵌め以外に圧入や冷やし嵌めが含まれるが、以下では主に焼き嵌めを想定して記載する。また、製造段階でハウジング３０にステータ４０が締まり嵌めされた状態のサブアセンブリを、本明細書では「ステータアセンブリ５０」という。

一実施形態のハウジング３０の材質は、アルミニウム合金、具体的にはダイカスト用合金であるＡＤＣ１２である。ＡＤＣ１２の０．２％耐力は約１５０［ＭＰａ］であり、一般の金属に比べて比較的低い。機械的強度の比較的低い金属がハウジング３０の材質として用いられるステータアセンブリ５０では本実施形態の技術的意義はより大きくなる。

ハウジング３０は、筒部３２及び底部３４を含む有底筒状を呈している。筒部３２の内壁３３は、開口側から順に内径が段階的に小さくなるように形成されている。端面３１に近いヒートシンク受け段部３３１は、ヒートシンク２０の本体部２１の鍔部２１１を受ける。ヒートシンク固定部３３２は、ヒートシンク２０の固定部外壁２８が固定される。ステータ固定部３３４は、ステータ４０の外壁４４が締まり嵌めで固定される。ステータ受け段部３３５は、ステータ４０のフロント側端面の外縁を受ける。

ハウジング３０の底部３４には、フロント軸受６１の外輪を保持するフロント軸受収容部３５が設けられている。フロント軸受６１は、軸方向のフロント側においてシャフト６３を回転可能に支持する。筒部３２の外側におけるフロント側には、取付用のステー部３７が設けられている。

ヒートシンク２０は、ハウジング３０の底部３４とは反対側の開口部においてステータ４０及びロータ６０のリア側端面と対向するように設けられている。ヒートシンク２０は、径方向中央部にシャフト穴２５が形成された厚肉板状の本体部２１、及び、リア軸受６２の外輪を保持するリア軸受収容部２３等を有する。リア軸受６２は、軸方向のリア側においてシャフト６３を回転可能に支持する。

一実施形態のステータ４０の材質は、鉄合金、具体的には電磁鋼板である。このステータ４０は、環状、すなわち周方向に一体に形成された複数枚のステータコアが軸方向に積層されて構成されている。なお、その他の実施形態の欄で後述するように、環状のステータコアが軸方向に積層される構成に代えて、周方向に分割された積層ステータコアが周方向に連結される構成としてもよい。ステータ４０には、通電により磁界を形成するコイル５５が巻回されている。

ロータ６０は、ステータ４０に対し径方向内側に空隙を介して回転可能に設けられている。図１の例のロータ６０は、ステータ４０と同様に複数の薄板状ロータコアが軸方向に積層されて構成されている。ロータ６０は、外周に沿って複数の永久磁石（図示しない）を有し、コイル５５への通電によってステータ４０に形成される回転磁界により、シャフト６３を軸として回転する。

ロータ６０の中心に固定されたシャフト６３は、ハウジング底部３４に保持されたフロント軸受６１、及び、ヒートシンク２０に保持されたリア軸受６２により回転可能に支持されている。シャフト６３のフロント側の端部には、回転を伝達するジョイント６７が設けられている。シャフト６３のリア側の端部には、回転角検出用のセンサマグネット６８が設けられている。

ＥＣＵ１０は、ヒートシンク２０に固定されている基板１５と、基板１５に実装された各種の電子部品とを含む。通電により電子部品が発生した熱はヒートシンク２０に放出される。カバー１４は、端面がヒートシンク２０の鍔部２１１に当接するように設置されている。

次に図２〜図４を参照し、ステータアセンブリ５０の詳細な構成について説明する。図２には、ステータ４０がハウジング３０に締まり嵌めされた後のステータアセンブリ５０を示し、図３、図４には、締まり嵌め前の単体のステータ４０を示す。上述の通り、ステータ４０は複数枚のステータコアが積層されて構成されている。図２、図３の断面における最上層のステータコアを第１層のステータコア４０１といい、その下の層のステータコアを順に第２層、第３層・・・のステータコア４０２、４０３・・・という。図４には、説明のための例として、６枚の積層ステータコア４０１−４０６が図示されている。

図２、図３において第１層のステータコア４０１は実線で示され、第２層のステータコア４０２は、断面視で隠れているか否かにかかわらず破線で示される。以下の図でも同様とする。各ステータコア４０１、４０２・・・の構成は実質的に同一であるため、一つのステータコア４０１の構成については、代表として第１層のステータコア４０１の符号を用いて記載する。ステータコア４０１は、環状のバックヨーク部４５の外周の周方向に、複数の突起部４１及び複数の凹部４２が周期的に設けられている。

径方向構成の説明では、図１のモータ回転軸Ｏを「ステータ中心Ｏ」という。突起部４１は、ステータ中心Ｏを起点として突起部４１の周方向中央を通る仮想直線に対して対称である。この仮想直線を「突起部の対称軸」という。凹部４２についても同様とする。また、突起部４１及び凹部４２においてハウジング３０の内壁に当接又は対向する径方向外側の曲線を「外縁線」という。突起部４１の外縁線は、対称軸Ｓｙ１上に中心を有する曲率半径Ｒ１の円弧状である。また、「ステータ中心Ｏを中心として突起部４１の外縁線の周方向中央を結ぶ仮想円」は、突起部４１の外接円に相当する。突起部４１の外接円の半径をＲ、直径をＤ１（＝２Ｒ）と記す。

突起部４１は、周方向の少なくとも一部分がハウジング３０の内壁に当接する。本実施形態では、ハウジング３０の内壁に当接する部位の曲率半径Ｒ１は、突起部４１の外接円の半径Ｒよりも小さいため、周方向中央部分が「周方向の少なくとも一部分」としてハウジング３０の内壁に当接する。凹部４２は、突起部４１よりも径方向に小さく、ハウジング３０の内壁との間に隙間を有する。

図２、図３に示すように、第１層のステータコア４０１及び第２層のステータコア４０２は、突起部４１と凹部４２とが周方向に交互に、且つ、突起部４１の対称軸Ｓｙ１と凹部４２の対称軸Ｓｙ２とが一致するように配置されている。第３層ほか奇数番層のステータコアは第１層のステータコア４０１と同位相に設けられ、第４層ほか偶数番層のステータコアは第２層のステータコア４０２と同位相に設けられる。ここで、隣接する層のステータコア同士の位相差を「シフト角θ」という。

このように一実施形態のステータ４０は、一つの突起部４１と一つの凹部４２とが「突起部−凹部−突起部−凹部・・・」というように周期的に配置されている。この場合、一つの突起部４１と一つの凹部４２との組み合わせを「周期ユニット」という。図４に示すように、軸方向断面で視ると、ステータコア４０１−４０６は、一つの突起部４１と一つの凹部４２とからなる周期ユニットが軸方向において互い違いに現れるよう、隣接するステータコア同士が周方向に所定のシフト角θだけずれて積層されている。

詳しくは、図４（ａ）の断面には、第１、３、５層のステータコア４０１、４０３、４０５における突起部４１、及び、第２、４、６層のステータコア４０２、４０４、４０６における凹部４２が現れる。図４（ｂ）の断面には、第２、４、６層のステータコア４０２、４０４、４０６における突起部４１、及び、第１、３、５層のステータコア４０１、４０３、４０５における凹部４２が現れる。突起部４１の外接円の直径Ｄ１（＝２Ｒ）はハウジング３０の内径Ｄｈより大きく、その差が「締め代」となる。径方向の片側における一つの突起部４１あたりの圧縮量は、「締め代／２」に相当する。

ここで、一組の周期ユニットにおける突起部４１及び凹部４２の合計数である「ユニット要素数」をｍと表し、３６０°範囲における周期ユニットの数をＮと表すと、シフト角θは、「θ＝３６０×ｎ／（ｍ×Ｎ）［°］」（ｎはｍ以外の自然数）の式で算出される。図２、図３に示す構成では、ユニット要素数ｍ＝２、周期ユニット数Ｎ＝６であり、ｎ＝１の場合、シフト角θ＝３０°である。なお、本実施形態では基本的にｎ＝１として考えればよいが、例えばｎ＝３の場合を想定すると、シフト角θ＝９０°となる。

例えば３相モータの場合、３相の対称性を確保しようとすると、周期ユニット数Ｎは３の倍数となる。さらに３相巻線組を２組有するモータの場合、周期ユニット数Ｎは６の倍数となる。そして、周期ユニットの構成として最も単純な、一つの突起部４１と一つの凹部４２とからなる組合せを採用すると、ユニット要素数ｍは２となる。図２、図３に示す構成はこのような想定に基づくものである。ただし、これに限らず、交流の相数や巻線組の数等に応じて、ユニット要素数ｍ及び周期ユニット数Ｎは適宜設定されてよい。

次にステータ４０の内側の構成に着目する。ステータコア４０１は、環状のバックヨーク部４５から径内方向に突出する周方向に配置された複数の磁極ティース４７が形成されている。磁極ティース４７にはコイル５５が巻回される。コイル５５の巻回方法として、例えばセグメントコンダクタを用いた「ＳＣ巻き」が採用されてもよい。隣接する磁極ティース４７同士の間にはスロット４８が形成される。また、磁極ティース４７の先端に対し径方向内側に、空隙を介して回転可能にロータ６０が設けられている。図２において、コイル５５及びロータ６０は仮想線で示される。

図２、図３の例では、突起部４１及び凹部４２の合計数と同数（この例では１２個）の磁極ティース４７が形成されているが、各突起部４１及び各凹部４２あたり複数個の磁極ティース４７が形成されてもよい。また、バックヨーク部４５における突起部４１と凹部４２との境界に設けられた結合部４６については図５を参照して後述する。

次に図５を参照し、締まり嵌めに伴うステータ４０の変形作用について説明する。実線のブロック矢印は、第１層のステータコア４０１の変形を表し、破線のブロック矢印は、第２層のステータコア４０２の変形を表す。本実施形態では、突起部４１におけるハウジング３０の内壁に当接する部位の曲率半径Ｒ１が外接円の半径Ｒよりも小さく設定されているため、締まり嵌めによりバックヨーク部４５が変形しやすくなる。つまり、突起部４１は径内方向に変形し、凹部４２は径外方向に変形すると考えられる。

このように本実施形態では、突起部４１と凹部４２とからなる周期ユニットが軸方向において互い違いに現れるよう、隣接するステータコア同士が周方向に所定のシフト角θだけずれて積層されており、突起部４１の曲率半径Ｒ１が突起部４１の外接円半径Ｒよりも小さい。この構成により突起部４１及び凹部４２が互いに径方向の反対方向に変形することで、締まり嵌めにおけるハウジング外周応力を周方向において均一に近づけるという効果の実現を図っている。

ところで、積層された複数のステータコア４０１、４０２等は、軸方向の結合部４６で加締めや溶接等の固定方法により結合される。好ましくは、各ステータコア４０１、４０２等の結合部４６は、バックヨーク部４５における変形量が最小となると考えられる突起部４１と凹部４２との境界に設けられる。つまり、結合部４６は、バックヨーク部４５における各突起部４１の周方向中央からシフト角θの２分の１ずれた位置を基準として、シフト角θ（この例では３０°）おきに配置される。

仮に結合部４６が他の位置に配置されるとステータ４０の変形を制限することとなり、突起部４１の変形を利用してハウジング外周応力の均一化を図る本実施形態の効果を減少させるおそれがある。そこで、上記の位置に結合部４６が配置されることで、本実施形態の効果が有効に発揮される。

次に図６を参照し、焼き嵌めにおける温度とステータ外径及びハウジング内径との関係について説明する。一実施形態のハウジング３０の材質であるＡＤＣ１２の線膨張係数は約２１×１０^-6であり、ステータ４０の材質である電磁鋼板の線膨張係数は約１３×１０^-6である。つまり、ハウジング３０の材質とステータ４０の材質とは線膨張係数が異なる。具体的には、ハウジング３０の材質の線膨張係数は、ステータ４０の材質の線膨張係数より大きい。

図６の横軸には温度を示し、縦軸には各部材の径を示す。転換温度Ｔｘは、実使用範囲の上限より高い温度である。高温側から、転換温度Ｔｘを超える領域を＜１＞、転換温度Ｔｘ以下の領域を＜２＞と記す。温度領域＜２＞において、ハウジング内径Ｄｈの破線、及び、ステータの突起部外径Ｄ１（＝２Ｒ）の二点鎖線は、部材単体での仮想の径寸法を示す。実線は、焼き嵌め状態における径寸法を示す。温度領域＜２＞では、高温側ほどハウジング３０とステータ４０との締め代が相対的に小さくなる。

高温側の領域から順に説明する。領域＜１＞では、ハウジング３０と突起部４１とは非接触である。領域＜２＞では、ハウジング３０と突起部４１とが当接する。温度が下がるに従って突起部４１は径内方向に変形する。この時、ハウジング内径も広がるため、締まり嵌め状態での径（実線）は、ハウジング単体での内径（破線）とステータ単体での突起部外径（二点鎖線）との間になる。

なお、他の実施形態では、ハウジングの材質の線膨張係数がステータの材質の線膨張係数より小さい構成とし、例えば冷やし嵌めによって締まり嵌めされるようにしてもよい。その場合、ハウジング３０とステータ４０との寸法関係は、図６とは逆の関係になり、実使用範囲の下限より低い温度に転換温度が設定される。

次に図７、図８を参照し、ステータコアにおいて複数の磁極ティース４７が形成される位置に関して説明する。図７、図８には結合部４６の図示を省略する。ステータ４０を締まり嵌めしたとき、環状のバックヨーク部４５が変形すると共に、バックヨーク部４５から径内方向に突出する磁極ティース４７が変形する。実線は、ステータ４０がハウジング３０に締まり嵌めされる前の状態における磁極ティース４７の位置を表し、二点鎖線は締まり嵌め後の位置を表す。

図７に示すように、突起部４１と凹部４２との境界部に磁極ティース４７が設けられる構成では、締まり嵌めにより、突起部４１の周方向中央を基準として両側の磁極ティース４７の間隔、すなわちスロット４８の周方向の幅が広がる。すると、分布巻き、特にＳＣ巻きの構成では、振動等によってコイル５５が緩むおそれがある。一方、凹部４２の周方向中央を基準とすると、締まり嵌めにより、両側の磁極ティース４７の間隔、すなわちスロット４８の周方向の幅が狭まる。すると、分布巻き、特にＳＣ巻きの構成では、コイル５５に負荷がかかるおそれがある。

そこで、締まり嵌め前の状態において、複数の磁極ティース４７は、締まり嵌め後における狙いの周方向位置に対し、締まり嵌めに伴う周方向の変形方向とは逆方向にずらした周方向位置に形成されることが好ましい。つまり、ステータコア単体では実線で示す位置に磁極ティース４７が形成されることで、締まり嵌めによる変形後、二点鎖線で示す狙い位置に磁極ティース４７が移動する。磁極ティース４７の位置をずらす量は、締まり嵌め後のスロット４８の幅が適正値となるように調整されるとよい。これにより、コイル５５に負荷がかかることやコイル５５が緩むことを防止することができる。なお、被疑製品の判定時には、ハウジングからステータを分解した状態で観察すれば判定可能である。

図８に示すように、突起部４１及び凹部４２の周方向中央に磁極ティース４７が設けられる構成では、周方向の変形が小さい代わりに径方向の変形が大きくなる。、突起部４１の周方向中央に設けられた磁極ティース４７は、締まり嵌めによって径内方向に変形し、凹部４２の周方向中央に設けられた磁極ティース４７は、径外方向に変形する。特に径内方向に変形すると、磁極ティース４７の先端とロータ６０との隙間が狭くなり、接触リスクが増加する。

そこで、締まり嵌め前の状態において、複数の磁極ティース４７は、締まり嵌め後における狙いの径方向位置に対し、締まり嵌めに伴う径方向の変形方向とは逆方向にずらした径方向位置に形成されることが好ましい。つまり、ステータコア単体では実線で示す位置に磁極ティース４７が形成されることで、締まり嵌めによる変形後、二点鎖線で示す狙い位置に磁極ティース４７が移動する。これにより、磁極ティース４７とロータ６０との接触リスクを回避することができる。周方向位置と同様に、被疑製品の判定時には、ハウジングからステータを分解した状態で観察すれば判定可能である。

次に、突起部４１の曲率半径Ｒ１の最適化について説明する。ここで、「突起部４１の外接円の半径Ｒに対する、突起部４１のハウジング３０に当接する部位の曲率半径Ｒ１の比」を「突起部半径比（Ｒ１／Ｒ）」と定義する。以下、「突起部４１のハウジング３０に当接する部位の曲率半径Ｒ１」を「突起部４１の曲率半径Ｒ１」と省略する。本実施形態の前提として、突起部４１の曲率半径Ｒ１は、外接円の半径Ｒよりも小さく設定されている、すなわち「（Ｒ１／Ｒ）＜１」である。また、曲率半径Ｒ１が存在する以上、「０＜（Ｒ１／Ｒ）」であることは自明である。

そこで、０＜（Ｒ１／Ｒ）＜１の範囲における、突起部半径比（Ｒ１／Ｒ）の値による締まり嵌め品質への影響について評価する。締まり嵌め品質の指標としては、ステータ４０がハウジング３０に締まり嵌めされたときハウジング３０に作用する「ハウジング外周応力」、及び、ステータ４０がハウジング３０に与える「ステータ反力」に着目する。

図９には、締まり嵌め時に突起部４１及び突起間に作用するハウジング外周応力の分布を示す。「突起間」とは第１層突起部４１と第２層突起部４１との間であり、図３において、対称軸Ｓｙ１からシフト角θの２分の１（すなわち１５°）ずれた位置に相当する。図示のハッチングが密であるほどハウジング外周応力が高く、粗であるほどハウジング外周応力が低いことを意味する。以下、突起部や凹部の符号の記載を適宜省略する。

図９には、ステータ４０の外径が８７［ｍｍ］、すなわち、突起部４１の外接円の半径Ｒが４３．５［ｍｍ］であり、突起部４１の曲率半径Ｒ１が３８．０、４１.０、４３．５［ｍｍ］である場合のハウジング外周応力分布を、それぞれ上段、中段、下段に示す。突起部半径比（Ｒ１／Ｒ）は、それぞれ、０．８７、０．９４、１．０である。

上段に示すように、突起部半径比（Ｒ１／Ｒ）が０．８７で比較的小さい場合、突起部でのハウジング外周応力が高くなる。逆に下段に示すように、突起部半径比（Ｒ１／Ｒ）が１．０で比較的大きい場合、突起間でのハウジング外周応力が高くなる。それに対し、中段に示すように、突起部半径比（Ｒ１／Ｒ）が０．９４付近の場合、突起部と突起間とのハウジング外周応力の差が比較的小さくなり、外周応力が均一に近づく。突起部半径比（Ｒ１／Ｒ）の設定の詳細は、図１１〜図１５を参照して後述する。

図１０（ａ）に締め代とハウジング外周応力σｈとの関係を示し、図１０（ｂ）に締め代とステータ反力Ｆｓとの関係を示す。ここで、図４に示すように、締め代は、突起部４１の外接円の直径Ｄ１（＝２Ｒ）とハウジング３０の内径Ｄｈとの差と定義される。径方向の片側における突起部４１の圧縮量は、締め代の２分の１に相当する。

図１０（ａ）、（ｂ）には、突起部半径比（Ｒ１／Ｒ）が０．９１、０．９４、１．０の場合の本実施形態、及び、比較例として外周に突起部を有しない真円形状のステータコア（以下、「真円コア」）についての値を示す。横軸には、技術常識として想定される範囲の締め代の数値例を記す。縦軸のハウジング外周応力σｈ及びステータ反力Ｆｓについては、具体的な数値を記載しない。

締め代の上限は、図１０（ａ）において、ハウジング割れを防ぐためのハウジング外周応力σｈの上限から決定される。本実施形態ではハウジング３０の材質であるＡＤＣ１２の０．２％耐力が１５０［ＭＰａ］であるため、１５０［ＭＰａ］に安全率を考慮した値がハウジング外周応力σｈの上限とされる。真円コア、及び（Ｒ１／Ｒ）＝１．０の場合、締め代の上限は約０．２［ｍｍ］である。締め代の上限は突起部半径比（Ｒ１／Ｒ）が小さくなるほど大きくなり、（Ｒ１／Ｒ）＝０．９１の場合、約０．７［ｍｍ］となる。

締め代の下限は、図１０（ｂ）において、締結力（又は締結強度）を満たすためのステータ反力Ｆｓの下限から決定される。締結力は、径方向のステータ反力Ｆｓに摩擦係数を乗じた値に相当する。例えばステータ反力Ｆｓは、衝撃荷重に耐え得る値として設定される。締め代の下限は、真円コア、及び（Ｒ１／Ｒ）＝１．０の場合、約０．０３［ｍｍ］であり、（Ｒ１／Ｒ）＝０．９１の場合、約０．０９［ｍｍ］となる。

この結果から、上限と下限との差である締め代レンジは、真円コア、及び（Ｒ１／Ｒ）＝１．０の場合の約０．１７［ｍｍ］に対し、（Ｒ１／Ｒ）＝０．９１の場合、約０．６１［ｍｍ］に増加する。これは、突起部半径比（Ｒ１／Ｒ）を１よりも小さくするとステータ４０が変形しやすくなり、ハウジング外周応力σｈやステータ反力Ｆｓの感度が下がることに起因する。有効な締め代レンジが広がることで、設計公差を緩和し生産性を向上させることができる。

次に図１１〜図１５を参照し、突起部半径比（Ｒ１／Ｒ）の最適範囲の検討について説明する。図１１〜図１４には、１０°から９０°までの１１通りのシフト角θについて、突起部半径比（Ｒ１／Ｒ）が０．８４〜１．０の範囲における突起部半径比（Ｒ１／Ｒ）と以下の３つの比較パラメータとの関係を示す。以下に各比較パラメータの名称及び技術的意義等を記す。＜ ＞内には図中で用いる記号を示す。

［１］突起部と突起間とのハウジング外周応力の差分（Δσｈ）＜四角印−破線＞
適宜、「突起部と突起間との」を省略し、「ハウジング外周応力の差分Δσｈ」と記す。図９（ｂ）に示すように、ハウジング外周応力の差分Δσｈが０に近いほどハウジング外周応力σｈは均一化され、局所的な応力の増大が防がれる。

［２］ハウジング外周応力の最大値（σｈ＿ｍａｘ）＜三角印−一点鎖線＞
ハウジング外周応力の最大値σｈ＿ｍａｘが高くなるとハウジング割れが生じるおそれがあるため、低い方が好ましい。ハウジング外周応力の最大値σｈ＿ｍａｘは、ハウジング外周応力の差分Δσｈが正（Δσｈ＞０）の範囲では突起部の値となり、ハウジング外周応力の差分Δσｈが負（Δσｈ＜０）の範囲では突起間の値となる。

［３］締結効率指数（τ（＝Ｆｓ／σｈ＿ｍａｘ））＜丸印−実線＞
ステータ反力Ｆｓをハウジング外周応力の最大値σｈ＿ｍａｘで除した値を、ステータとハウジングとの締まり嵌めの効率を表す指数として「締結効率指数τ」と定義する。以下、「締結効率」とは、ステータとハウジングとの締まり嵌めの効率を意味する。上述の通り、径方向のステータ反力Ｆｓに一定の摩擦係数を乗じた値が締結力に相当する。締結効率指数τが大きいほど、同じハウジング割れのリスクに対して得られる締結力が高くなり、効率的な締まり嵌めが実現される。

図１１〜図１４の各図において、横軸（無次元）は突起部半径比（Ｒ１／Ｒ）を表す。左側縦軸（単位：［ＭＰａ］）はハウジング外周応力の差分Δσｈ及び最大値σｈ＿ｍａｘを表し、右側縦軸（単位：［Ｎ／ＭＰａ］）は、締結効率指数τを表す。横軸及び左側縦軸については各図の目盛範囲を統一する。右側縦軸については、便宜上、図１１（ａ）、（ｂ）では５３０〜５８０、図１１（ｃ）、図１２では２００〜７００、図１３では１００〜６００、図１４では０〜５００の範囲で目盛を付す。なお、軸の数値は一例の仕様のステータアセンブリにおける値であって絶対的な意味を持つものではないが、各図を比較する上での目印として記載する。

各図に示される周期ユニット数Ｎ及びシフト角θの条件は、以下の通りである。なお、ユニット要素数ｍ＝２、ｎ＝１とする。図１１（ａ）：Ｎ＝１８、θ＝１０°、同（ｂ）：Ｎ＝１５、θ＝１２°、同（ｃ）：Ｎ＝１２、θ＝１５°、図１２（ａ）：Ｎ＝１０、θ＝１８°、同（ｂ）：Ｎ＝９、θ＝２０°、同（ｃ）：Ｎ＝８、θ＝２２．５°、図１３（ａ）：Ｎ＝６、θ＝３０°、同（ｂ）：Ｎ＝５、θ＝３６°、同（ｃ）：Ｎ＝４、θ＝４５°、図１４（ａ）：Ｎ＝３、θ＝６０°、同（ｂ）：Ｎ＝２、θ＝９０°。

１１通りのうちθ＝１０°、１２°を除く９通りのシフト角では、ハウジング外周応力の差分Δσｈは、突起部半径比（Ｒ１／Ｒ）が大きくなるにつれて、正から負に減少し、ゼロクロスする。すなわち、ゼロクロス付近の突起部半径比（Ｒ１／Ｒ）で、ハウジング外周応力σｈが均一化されている。

ハウジング外周応力の差分Δσｈがゼロクロスする突起部半径比（Ｒ１／Ｒ）の付近ではハウジング外周応力の最大値σｈ＿ｍａｘが小さくなる傾向がある。また、０＜（Ｒ１／Ｒ）＜１の領域において締結効率指数の極大値τ＿ｐｅａｋが存在する。締結効率指数の極大値τ＿ｐｅａｋ付近では効率的な締まり嵌めが実現される。つまり、締結効率指数が極大値τ＿ｐｅａｋとなるとき、突起部半径比（Ｒ１／Ｒ）が最適値となる。この最適値を「ＳＳ」と記す。

シフト角θ＝１０°、１２°の場合、突起部半径比（Ｒ１／Ｒ）が０．９４〜１．０の範囲においてハウジング外周応力の差分Δσｈは常に正でありゼロクロスしない。また、締結効率指数τは右上がりに単調増加し、０＜（Ｒ１／Ｒ）＜１の領域において極大値τ＿ｐｅａｋが存在しない。この場合、締結効率指数τは、（Ｒ１／Ｒ）＝１に相当する真円コアで最大となり、「突起部４１の曲率半径Ｒ１が外接円の半径Ｒよりも小さく設定される」という本実施形態の構成によるメリットが得られない。

要するに、本実施形態の構成を採用するにあたり、シフト角θは、「０＜（Ｒ１／Ｒ）＜１の領域において締結効率指数の極大値τ＿ｐｅａｋが存在する角度」であることが前提条件となる。つまり、図１１〜図１４の例では、シフト角θは１５°以上に設定されることが好ましい。

ところで、突起部半径比（Ｒ１／Ｒ）の最適値ＳＳはピンポイントの値であるため、製造上のばらつきを考慮し、最適値ＳＳを含む突起部半径比（Ｒ１／Ｒ）の適正範囲を検討する。ここで、（Ｒ１／Ｒ）＝１のときの締結効率指数τの値を「限界値τ＿ｌｉｍ」と定義する。締結効率指数τが限界値τ＿ｌｉｍ以下の場合、締結効率は真円コアと同等以下となり、本実施形態の構成を採用するメリットが得られない。

したがって、締結効率の観点から真円コアに対する優位性が最低限確保される突起部半径比（Ｒ１／Ｒ）の一次適正範囲は、「締結効率指数τが限界値τ＿ｌｉｍを上回る範囲」に設定される。そこで、シフト角θ＝１５°〜９０°の各図において、一次適正範囲の下限となる突起部半径比（Ｒ１／Ｒ）の値を「Ａ１Ｌ」と記す。なお、一次適正範囲の上限となる突起部半径比（Ｒ１／Ｒ）の値は１．０である。

さらに、限界値τ＿ｌｉｍと極大値τ＿ｐｅａｋとの平均値を「中間限界値τ＿ｍｉｄ」と定義し、「締結効率指数τが中間限界値τ＿ｍｉｄを上回る範囲」を二次適正範囲とする。シフト角θ＝１５°〜９０°の各図において、二次適正範囲の下限及び上限となる突起部半径比（Ｒ１／Ｒ）の値をそれぞれ「Ａ２Ｌ」、「Ａ２Ｈ」と記す。二次適正範囲は、一次適正範囲に比べ締結効率がより良い範囲である。

なお、二次適正範囲を規定する締結効率指数τの境界として、「限界値τ＿ｌｉｍと極大値τ＿ｐｅａｋとの平均値」は、「限界値τ＿ｌｉｍと極大値値τ＿ｐｅａｋとの差を１００％としたときの、限界値τ＿ｌｉｍから５０％に相当する値」と言い換えられる。この５０％という値に代えて、或いは加えて、７０％、９０％等の値を締結効率指数τの境界として適正範囲を設定してもよい。

図１５に、シフト角θ＝１５°〜９０°における突起部半径比（Ｒ１／Ｒ）最適値ＳＳ、一次適正範囲の下限値Ａ１Ｌ、二次適正範囲の下限値Ａ２Ｌ及び上限値Ａ２Ｈを示す。例えばシフト角θ＝３０°のとき、最適値ＳＳは約０．９２、一次適正範囲は約０．８４〜１．０、二次適正範囲は約０．８７〜０．９５となる。２０°≦θ≦３６°の範囲では適正範囲を比較的広く設定することができるため、製造上有利である。

（その他の実施形態）
（ａ）上記実施形態の図２には、周方向に突起部４１と凹部４２とが一つずつ交互に配置され、ユニット要素数ｍ＝２、周期ユニット数Ｎ＝６、シフト角θ＝３０°であるステータ４０の例が示される。この例に限らず本発明では、適宜、ユニット要素数ｍ及び周期ユニット数Ｎに応じて、「θ＝３６０×ｎ／（ｍ×Ｎ）［°］」（ｎはｍ以外の自然数）の関係に基づき、ステータ４０のシフト角θが設定される。

例えば図１６に示すように、一つの突起部４１と二つの凹部４２とが「突起部−凹部−凹部−突起部−凹部−凹部・・・」というように配置されて周期ユニットが構成されてもよい。図１６において第１層のステータコア４０１は実線で示され、第２、第３層のステータコア４０２、４０３は破線で示される。なお、第２、第３層の磁極ティース４７の図示を省略する。図１６の例では、ユニット要素数ｍ＝３、周期ユニット数Ｎ＝６であり、ｎ＝１の場合、シフト角θ＝２０°となる。なお、ｎ＝２の場合、シフト角θ＝４０°となり、ｎ＝４の場合、シフト角θ＝８０°となる。この場合、軸方向の結合部４６は、バックヨーク部４５における各突起部４１の周方向中央からシフト角θの２分の１ずれた位置を基準として、シフト角θ（この例では２０°）おきに配置される。

ユニット要素数ｍ＝３の場合、例えば６枚の積層ステータコアにおいて、図１７（ａ）の断面には、第１、４層のステータコア４０１、４０４における突起部４１、及び、第２、３、５、６層のステータコア４０２、４０３、４０５、４０６における凹部４２が現れる。図１７（ｂ）の断面には、第２、５層のステータコア４０２、４０５における突起部４１、及び、第１、３、４、６層のステータコア４０１、４０３、４０４、４０６における凹部４２が現れる。図１７（ｃ）の断面には、第３、６層のステータコア４０３、４０６における突起部４１、及び、第１、２、４、５層のステータコア４０１、４０２、４０４、４０５における凹部４２が現れる。

なお、ユニット要素数ｍ＝３の場合、二つの突起部４１と一つの凹部４２とにより周期ユニットが構成されてもよい。ユニット要素数ｍ＝４の場合、「突起部−凹部−凹部−凹部」、「突起部−突起部−凹部−凹部」、「突起部−突起部−突起部−凹部」のパターンがある。このように、周期ユニットは、一つ以上の突起部４１と一つ以上の凹部４２とが周期的に組み合わせて構成される。

図１８に、ｎ＝１の場合の代表的なユニット要素数ｍ及び周期ユニット数Ｎとシフト角θとの関係を示す。なお、Ｎ＝１の場合、一つのステータコアについて突起部４１が一カ所しかなく、径方向に過大な荷重が生じるため成立しない。したがって、ｍ、Ｎはいずれも２以上の自然数となる。

（ｂ）複数枚の環状のステータコアが軸方向に積層された上記実施形態のステータ４０に対し、他の実施形態のステータは、軸方向に積層されてなる分割式のステータコアが周方向に複数連結されてもよい。なお、分割式ステータコアの分割数と周期ユニット数との関係は任意に設定してよい。

補足すると、上記実施形態において「シフト角」を「転積角」と言い換えてもよいが、分割式ステータコアによる製造工程では「転積」は実行されないため、「転積角」という用語が違和感を生じさせるおそれがある。そこで本明細書では、分割式ステータコアの構成を含め、隣接する突起部４１と凹部４２との間の角度について、「シフト角」の用語を用いている。

（ｃ）ロータ６０は、ＩＰＭ構造に限らず、ロータコア６４の表面に永久磁石６５が設けられたＳＰＭ構造で構成されてもよい。また、ロータ６０は積層構造に限らず、軸方向に一体のロータコアで形成されてもよい。

（ｄ）ハウジングの材質は、ＡＤＣ１２以外のアルミニウムもしくはアルミニウム合金、又は、マグネシウムもしくはマグネシウム合金であってもよい。特に、降伏点もしくは０．２％耐力が２００［ＭＰａ］以下である材質が用いられる場合、本実施形態によるハウジング外周応力均一化の効果が顕著に発揮される。

以上、本発明はこのような実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において、種々の形態で実施することができる。

３０ ・・・ハウジング、
４０ ・・・ステータ、
４１ ・・・突起部、 ４２ ・・・凹部、
５０ ・・・ステータアセンブリ、
５５ ・・・コイル、 ６０ ・・・ロータ、 ８０ ・・・モータ。

Claims (11)

1. 筒状のハウジング（３０）と、
   前記ハウジングの内壁に締まり嵌めで固定されており、複数枚の環状のステータコア（４０１−４０６）が軸方向に積層され、又は、軸方向に積層されてなる分割式のステータコアが周方向に複数連結されたステータ（４０）と、
   を備え、
   各前記ステータコアは、周方向の少なくとも一部分が前記ハウジングの内壁に当接する複数の突起部（４１）、及び、前記突起部よりも径方向に小さく、前記ハウジングの内壁との間に隙間を有する複数の凹部（４２）が外周の周方向に周期的に設けられており、
   複数の前記ステータコアは、一つ以上の前記突起部と一つ以上の前記凹部とからなる周期ユニットが軸方向において互い違いに現れるよう、隣接する前記ステータコア同士が周方向に所定のシフト角（θ）だけずれて積層されており、
   複数の前記突起部は、前記ハウジングの内壁に当接する部位の曲率半径（Ｒ１）が外接円の半径（Ｒ）よりも小さいステータアセンブリ。
2. 前記突起部の外接円の半径に対する、前記突起部の前記ハウジングに当接する部位の曲率半径の比を突起部半径比（Ｒ１／Ｒ）と定義し、
   前記ステータが前記ハウジングに締まり嵌めされたとき前記ステータが前記ハウジングに与えるステータ反力（Ｆｓ）を前記ハウジングに作用するハウジング外周応力の最大値（σｈ＿ｍａｘ）で除した値を、締まり嵌めの効率を表す指数として締結効率指数（τ）と定義すると、
   前記シフト角は、前記突起部半径比が０より大きく１より小さい領域において前記締結効率指数の極大値（τ＿ｐｅａｋ）が存在する角度に設定される請求項１に記載のステータアセンブリ。
3. 前記突起部半径比が１のときの前記締結効率指数の値を限界値（τ＿ｌｉｍ）と定義すると、
   前記突起部半径比は、前記締結効率指数が前記限界値を上回る範囲に設定される請求項２に記載のステータアセンブリ。
4. 前記突起部半径比は、前記締結効率指数が前記限界値と極大値との平均値である中間限界値（τ＿ｍｉｄ）を上回る範囲に設定される請求項３に記載のステータアセンブリ。
5. 前記ステータコアは、環状のバックヨーク部（４５）から径内方向に突出する周方向に配置された複数の磁極ティース（４７）が形成されており、
   前記ステータが前記ハウジングに締まり嵌めされる前の状態において、複数の前記磁極ティースは、締まり嵌め後における狙いの周方向位置に対し、締まり嵌めに伴う周方向の変形方向とは逆方向にずらした周方向位置に形成されている請求項１〜４のいずれか一項に記載のステータアセンブリ。
6. 前記ステータコアは、環状のバックヨーク部（４５）から径内方向に突出する周方向に配置された複数の磁極ティース（４７）が形成されており、
   前記ステータが前記ハウジングに締まり嵌めされる前の状態において、複数の前記磁極ティースは、締まり嵌め後における狙いの径方向位置に対し、締まり嵌めに伴う径方向の変形方向とは逆方向にずらした径方向位置に形成されている請求項１〜５のいずれか一項に記載のステータアセンブリ。
7. 前記ステータコアは、バックヨーク部（４５）における各前記突起部の周方向中央から前記シフト角の２分の１ずれた位置を基準として、前記シフト角おきに複数の軸方向の結合部（４６）を有する請求項１〜６のいずれか一項に記載のステータアセンブリ。
8. 前記ハウジングの材質と前記ステータの材質とは線膨張係数が異なる請求項１〜７のいずれか一項に記載のステータアセンブリ。
9. 前記ハウジングの材質は、アルミニウムもしくはアルミニウム合金、又は、マグネシウムもしくはマグネシウム合金である請求項１〜８のいずれか一項に記載のステータアセンブリ。
10. 一組の前記周期ユニットにおける前記突起部及び前記凹部の合計数であるユニット要素数をｍと表し、３６０°範囲における前記周期ユニットの数をＮと表すと、
    前記シフト角は、３６０×ｎ／（ｍ×Ｎ）［°］（ｎはｍ以外の自然数）で算出される請求項１〜９のいずれか一項に記載のステータアセンブリ。
11. 請求項１〜１０のいずれか一項に記載のステータアセンブリと、
    前記ステータコアに形成された複数の磁極ティースに巻回されたコイル（５５）と、
    前記ステータに対し径方向内側に、空隙を介して回転可能に設けられたロータ（６０）と、
    を備えるモータ。

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