JP2020520213A - 加圧流体環境で使用するための電動モータ - Google Patents

Abstract

高圧流体にさらされるように構築された電気モータは、ロータとステータとの間に流体障壁を提供する単一金属スリーブが含まれている。オーバーモールドされた樹脂がステータの巻線を中に入れ、スリーブを補強して、高い流体圧力下でのスリーブの変形を最小限に抑える。オーバーモールドされた樹脂は、ステータの巻線に接続された圧接コネクタの位置の固定も行い、これにより圧接コネクタを所定の位置に保持するための機械的なブラケットや固定具を不要にする。【選択図】図２

Description

［０００１］ 本発明は、一般に電気モータに関し、より詳細には、高い内部流体圧力にさらされる電気モータに関する。

［０００２］ いくつかの用途では、電気モータの内部を高圧流体下にさらすことが望ましい。例えば、ショックアブソーバの分野では、流体はステータ巻線を損傷し、モータを誤動作させ、アクチュエータの作動に使用できる液圧流体の量が減ることによりアクチュエータの性能を低下させるため、液圧流体がステータへ漏れることなく、ロータにて最大１０，３４２ｋＰａ（１５００ＰＳＩ）までの高い流体圧力に耐えることができる電気モータを有する液圧アクチュエータを提供することが望ましい場合がある。

［０００３］ ステータをオーバーモールド樹脂で覆うことにより、電気モータのステータを流体による損傷から保護することが知られている。このアプローチは一般に、流体が比較的低い圧力である用途に効果的であるが、成形樹脂の孔を完全に除去することができず、漏れが発生することがあるため、より高い流体圧力を伴う用途には適していない。また、モータが広範囲の温度サイクル及び圧力サイクルにさらされると、成形樹脂とモータの外部ハウジングとの接着性が経時的に劣化する。オーバーモールド樹脂のみを使用して高圧流体の侵入からステータをシールすることは理論的には可能であるが、電動モータの大量生産のためにそのようにすることは非常に非実用的であり、樹脂が孔の無い表面仕上げと厳しい寸法公差とを有することを確実にする必要があるため非常に高価になってしまう。

［０００４］ 高い流体圧力、すなわち、最大約１０，３４２ｋＰａ（１５００ＰＳＩ）までの圧力に耐えることができ、確実に合理的なコストで大量生産できる電気モータが必要とされている。

［０００５］ 本発明は、モータが高い内部流体圧力にさらされる用途で使用するための電気モータを提供する。モータは一般に、回転軸を有するロータ、ロータを取り囲む巻線を有するステータ、単一金属スリーブ、複数の圧接コネクタ、および樹脂オーバーモールドを備えている。

［０００６］ 単一金属スリーブは、ロータとステータとの間に側部を含み、側部から半径方向外側に延びるフランジ部を含んでいてもよい。スリーブは、ロータとステータとの間に流体障壁を提供する。スリーブはまた、閉じた端部を含んでいてもよい。

［０００７］ 複数の圧接コネクタは、ステータの対応する巻線に接続されている。樹脂オーバーモールドは、ステータと各圧接コネクタの一部とを中に入れ、樹脂オーバーモールドはスリーブの側部とフランジ部とに係合する。樹脂オーバーモールドはスリーブを強化して、スリーブが高圧にさらされたときにスリーブの変形を最小限に抑える。樹脂オーバーモールドは、ハウジングに対する各圧接コネクタの位置も固定する。

［０００８］ モータは、ロータの回転軸に沿って整列した円筒形空洞を画定する少なくとも１つの側壁を含む単一金属ハウジングをさらに備え、ロータとステータとはハウジングの円筒形空洞内に受けられる。単一金属ハウジングは、少なくとも１つの側壁に隣接する端壁をさらに含むことができ、端壁は、それを通って延びて円筒形空洞と連通する複数の開口を有し、複数の圧接コネクタは、複数の開口を通って延びている。ハウジングの端壁は、凹部を含んでいてもよく、スリーブの閉じた端部は、ハウジングの端壁の凹部に突出するように配置されていてもよい。

［０００９］ モータはまた、ロータが占める領域とステータが占める領域との間に液密シールを形成するように配置された保持リングと弾性Ｏ（オー）リングとを備えていてもよい。

［００１０］ 次に、本発明の性質および動作モードを、添付図面を参照して以下の本発明の詳細な説明でより完全に説明する。
［００１１］ 本発明の一実施形態に従って形成された電気モータを示す断面斜視図である。 ［００１２］ 図１に示す電気モータの詳細断面図である。 ［００１３］ 図１および図２に示す電気モータのスリーブの断面図である。 ［００１４］ 図１および図２に示す電気モータの底面図であり、モータハウジングの端壁を通って延びる開口を示している。 ［００１５］ 本発明の別の実施形態に従って形成された電気モータの詳細な断面図であり、電気モータのスリーブは、図１および図２に示す電気モータのスリーブとは異なる構成を有している。 ［００１６］ 図５に示す電気モータのスリーブの断面図である。 ［００１７］ 本発明のさらなる実施形態に従って形成された電気モータの詳細な断面図であり、電気モータのスリーブは、図１、２、及び５に示す電気モータのスリーブとは異なる構成を有している。 ［００１８］ 図７に示す電気モータのスリーブの断面図である。 ［００１９］ 本発明の別の実施形態に従って形成された電気モータの詳細な断面図であり、電気モータのスリーブは半径方向に延びるフランジ部を有していない。 ［００２０］ 図９に示す電気モータのスリーブの断面図である。

［００２１］ 本発明の第１の実施形態に従って形成された電気モータ１０を示す図１および図２を参照する。モータ１０は、周りのステータ１４に対して回転軸１３の周りを回転するロータ１２を備えている。図２に見られるように、ステータ１４は複数の巻線２２を含んでいる。モータ１０は、ロータ１２が約１０，３４２ｋＰａ（１５００ＰＳＩ）までの高圧の流体にさらされる用途で使用されることができる。例えば、電気モータ１０は、ロータ１２が約１０，３４２ｋＰａ（１５００ＰＳＩ）までの高い流体圧力に断続的に達する液圧流体にさらされる液圧アクチュエータを駆動することができる。以下で詳細に説明するように、ステータ１４は加圧流体の侵入から保護されているが、モータ１０は大量生産するのに費用効果が高く、適切な性能要件を満たしている。

［００２２］ ロータ１２およびステータ１４に加えて、モータ１０は、図３に単独で示された、単一金属スリーブ２４をさらに備え、加圧流体がステータ１４内に漏れるのを防ぐためにロータ１２とステータ１４との間に流体障壁を提供する。ここで使用する場合、「単一」という用語は、全体的に単一片の材料から形成されること、単一片の成形物または鋳造物として形成されること、または付加製造により単一片として形成されることを意味している。

［００２３］ スリーブ２４は、ロータ１２とステータ１４との間に側部２４Ａと、側部２４Ａから半径方向外向きに延びるフランジ部２４Ｃとを含んでいる。図示の実施形態では、側部２４Ａはその全体にわたって円筒形である。図１乃至３に示すように、フランジ部２４Ｃは、半径方向に延びる部分２７Ｂに移行する軸方向に延びる部分２７Ａを有する環状の段付きリム２７を含んでいてもよい。スリーブ２４は、閉端部２４Ｂをさらに含んでいてもよい。代替的に、フランジ部２４Ｃと反対側のスリーブ２４の端部は開いていてもよい。

［００２４］ モータ１０は、ステータ１４の対応する巻線２２に接続された複数の圧接コネクタも含んでいる。例えば、モータ１０は、Ｙ字形巻線構造および６つの圧接コネクタ２６を有し、三相の開始点のそれぞれに１つ、三相の終了点のそれぞれに１つであってもよい。

［００２５］ 上記の構造要素に加えて、モータ１０は、ステータ１４と各圧接コネクタ２６の一部とを中に入れる樹脂オーバーモールド２８を備えている。樹脂オーバーモールド２８は、スリーブ２４の側部２４Ａおよびフランジ部２４Ｃと係合し、それにより、加圧流体に対してスリーブ２４を安定させるとともに強化する。

［００２６］ 樹脂オーバーモールド２８はまた、各圧接コネクタ２６の一部を中に入れ、それによりステータ１４に対する各圧接コネクタ２６の位置を固定する。樹脂製オーバーモールド２８で圧接コネクタ２６の位置を設定することにより、機械的な固定具及びブラケットが除外され、圧接コネクタ２６の位置精度が非常に低コストで正確に制御される。この結果、ステータ巻線２２のプリント回路基板（図示せず）への非常に経済的で信頼性の高い接続を実現することができる。

［００２７］ モータ１０は、ロータ１２およびステータ１４を囲んでいる少なくとも１つの側壁１６Ａを含む単一金属ハウジング１６をさらに備えていてもよい。ハウジング１６は、端壁１６Ｂをさらに含んでいてもよい。理解されるように、１つ以上の側壁１６Ａおよび端壁１６Ｂは、端壁１６Ｂの反対側のハウジング１６の開放端１８を画定し、回転軸１３に沿って整列した円筒形空洞２０を画定するために協働する。端壁１６Ｂは、図２および４に見られるように、端壁を通って延び、円筒形空洞２０と連通する、複数の開口２１を有している。ハウジング１６は、開口端１８に隣接する内部の環状棚１９をさらに含んでいてもよい。ハウジング１６は、例えば、アルミニウムまたは別の適切な金属で形成されたダイカストユニットとして作られていてもよい。

［００２８］ モータ１０に単一金属ハウジング１６が設けられている場合、圧接コネクタ２６は、複数の開口２１を通って延びるように配置されることができる。スリーブ２４が閉端部２４Ｂを有する場合、閉端部２４Ｂは、ハウジング１６の端壁１６Ｂと係合するように配置されていてもよい。例えば、図２に示すように、閉端部２４Ｂは、ハウジング１６の端壁１６Ｂ内で、対応するように形成された内部凹部１７内に面対面で嵌る係合で受けられる、凸状楕円体として成形されていてもよい。樹脂オーバーモールド２８は、各ハウジング側壁１６Ａおよびハウジング端壁１６Ｂの内面と係合していてもよい。樹脂オーバーモールド２８はまた、各圧接コネクタ２６の一部を中に入れるように開口２１内の空間を埋めていてもよく、これにより、ハウジング１６及びステータ１４の両方に対する各圧接コネクタ２６の位置を固定する。機械的な固定具およびブラケットは除去され、ハウジング１６の外側に位置するプリント回路基板（図示せず）へのステータ巻線２２の非常に経済的で信頼性の高い接続を実現することができる。

［００２９］ 図５〜図１０は、スリーブ２４の形状が変更された代替的な実施形態を示している。図５および図６に示す代替的な実施形態では、端部２４Ｂの形状は楕円体に代わりに円錐台であり、凹部１７の形状は端部２４Ｂの円錐台形状に対応するように変更されている。端部２４Ｂの形状および凹部１７の形状は、図に示された形状に限定されない。端部２４Ｂおよび凹部１７には、側部２４Ａに対して半径が減少した円筒形などの他の形状が適用されていてもよい。

［００３０］ 図７および図８に示すように、スリーブ２４の側部２４Ａは、スリーブの端部２４Ｂに向かって先細になる半径縮小部２５を含んでいてもよい。例えば、側部２４Ａは、フランジ部２４Ｃから進むにつれて円筒形であってもよく、半径縮小部２５は、最初の円筒部から始まる円錐台形状を有していてもよい。半径縮小部は、端部２４Ｂの形状に関係なく側部２４Ａに設けられていてもよい。理解されるように、スリーブ２４は、図７および図８に示すような、半径縮小部２５を含んでおり、ステータ１２とスリーブ２４との間の空間は、ステータ巻線２２を中に入れるためにこの空間を占める樹脂が必要ではない場合でも、スリーブ２４の安定化補強を提供する樹脂で満たされている。

［００３１］ 図９および図１０は、半径方向に延びるフランジ部２４Ｃがスリーブ２４から省略されている別の実施形態を示している。
［００３２］ すべての実施形態において、スリーブ２４は、単一の金属の薄いシートから金属引き抜きプロセスによって成形されて製造されていてもよい。このようにして、材料の除去加工や継ぎ目を回避しながら、厳しい公差を実現することができる。非限定的な例として、スリーブ２４は、０．０２５４ｃｍ（０．０１０インチ）以上０．０５０８ｃｍ（０．０２０インチ）以下の範囲の厚さのチタンシートから得られてもよい。得られたスリーブからバリと鋭利な縁とを取り除いて、ＡＳＴＭＡ−９６７−オレルに従ってクエン酸表面安定化処理を使用して、得られたスリーブの表面仕上げを準備してもよい。スリーブ２４の材料を選択する際の２つの重要な考慮事項は、機械的強度と磁気特性とである。機械的強度は、高圧負荷下で形状を維持するために重要である。磁気特性はモータの性能に重要である。材料は非磁性である必要があり、変化する磁場にさらされたときに低い渦電流を有する必要がある。

［００３３］ 電気モータ１０は、ロータ１２が占める領域とステータ１４が占める領域との間に液密シールを形成するように配置された保持リング３０および弾性Ｏリング３２をさらに備えていてもよい。

［００３４］ 図１乃至８に示す実施形態では、保持リング３０および弾性Ｏリング３２は、スリーブ２４のフランジ部２４Ｃをハウジング１６の環状棚１９に対してシールするように配置および構成される。例えば、保持リング３０の外径は、棚１９に隣接するハウジング１６の内径と締まり嵌めとなる大きさであってもよく、保持リング３０は、強力な液密シールを形成するために、フランジ部２４ＣおよびＯリング３２の周辺領域に係合するようにハウジング１６内に圧入またはかしめられていてもよい。図１乃至６に示すように、段付きリム２７の軸方向に延びる部分２７Ａは、保持リング３０の内径に係合していてもよく、段付きリム２７の半径方向に延びる部分２７Ｂは、保持リング３０の端面によってハウジング１６の環状棚１９に固定されていてもよい。代替的に、図７及び８に示すように、フランジ部２４Ｃは、その周縁領域が保持リング３０の端面によってハウジング１６の環状棚１９に対して保持される平坦で半径方向に拡大されたフランジであってもよい。フランジ部２４Ｃの平坦な構成は、図１乃至６に示す前の実施形態で使用されてもよく、フランジ部２４Ｃの階段状の構成は、図７及び８の実施形態で使用されてもよい。

［００３５］ 図９および１０に示す実施形態では、保持リング３０の一部は、単一金属スリーブ２４の内径２９と対向する外径３１を有し、弾性Ｏリング３２は、外径３１と内径２９との間に配置されている。

［００３６］ モータ１０は、以下のステップを実行することにより組み立てられていてもよい。まず、ステータ１４は、積層体のスタックを絶縁することにより、例えば、スナップ止めされる樹脂製の絶縁体を取り付けるか、スタック上に絶縁体をオーバーモールドすることにより組み立てられる。絶縁スタックは、巻線機に挿入されてステータ巻線２２をスタックに付与し、巻線スタックは丸い形状に巻かれてステータ１４を形成する。絶縁変位コネクタ２６は、スタック絶縁体内のポケットに挿入され、対応する巻線２２に取り付けられて巻線と電気接続される。上述のように、合計で６つの圧接コネクタ２６を設けることができ、１つは各相の開始点に、１つは各相の終了点に対応する。巻線２２からの追加のワイヤが対応する圧接コネクタ２６を超えて延びている。ニュートラル（ｎｅｕｔｒａｌ）プリント回路基板が取り付けられて、三相端が接続され、Ｙモータの巻線構成のニュートラルを形成する。別々のハウジング１６が使用される場合、ハウジング１６を予熱し、ハウジングをステータ１４上に向けて密着した機械的嵌合を形成することにより、ステータ１４はハウジング１６に取り付けられる。単一金属スリーブ２４は、次に、ステータ１４の中央開口領域内に挿入され、アセンブリがオーバーモールドされて保護的かつ構造的な支持性を有する樹脂オーバーモールド２８が設けられる。アセンブリは、次に、スリーブ２４内にロータ１２を受け入れる準備ができている。

［００３７］ 例示的な実施形態に関連して本発明を説明したが、詳細な説明は、本発明の範囲を記載された特定の形態に限定することを意図したものではない。本発明は、特許請求の範囲内に含まれ得る、記載された実施形態のそのような代替物、改良物、および均等物を包含することを意図している。

Claims (16)

1. 電気モータにおいて、
   回転軸を有するロータと、
   前記ロータを囲むステータであって、複数の巻線を含む、ステータと、
   前記ロータと前記ステータとの間に側部を含む単一金属スリーブであって、前記ロータと前記ステータとの間に流体障壁を提供する、単一金属スリーブと、
   前記ステータの対応する巻線に接続された複数の圧接コネクタと、
   前記ステータおよび各圧接コネクタの一部を中に入れる樹脂オーバーモールドであって、前記スリーブの前記側部に係合し、前記ステータに対して各圧接コネクタの前記位置を固定する、オーバーモールドと
   を備えた、電気モータ。
2. 請求項１に記載の電気モータにおいて、前記単一金属スリーブは、前記側部から半径方向外側に延びるフランジ部をさらに含み、前記樹脂オーバーモールドは、前記スリーブの前記フランジ部にさらに係合する、電気モータ。
3. 請求項１に記載の電気モータにおいて、前記ロータの前記回転軸に沿って整列した円筒形空洞を画定する少なくとも１つの側壁を含む単一金属ハウジングをさらに備え、前記ロータおよび前記ステータは、前記ハウジングの前記円筒形空洞内で受けられる、電気モータ。
4. 請求項３に記載の電気モータにおいて、前記単一金属ハウジングは、前記少なくとも１つの側壁に隣接する端壁をさらに含み、前記端壁は、前記端壁を通って延び、前記円筒形空洞と連通する複数の開口を有し、前記複数の圧接コネクタは、前記複数の開口を通って延びている、電気モータ。
5. 請求項４に記載の電気モータにおいて、前記ハウジングの前記端壁は凹部を含み、前記単一金属スリーブは、前記ハウジングの前記端壁の前記凹部内に突出する閉端部をさらに含む、電気モータ。
6. 請求項５に記載の電気モータにおいて、前記スリーブの前記端部と前記ハウジングの前記端壁の前記凹部とは、形状が対応しており、互いに対して面対面係合している、電気モータ。
7. 請求項６に記載の電気モータにおいて、前記スリーブの前記端部と前記ハウジングの前記端壁の前記凹部とは、楕円形状である、電気モータ。
8. 請求項６に記載の電気モータにおいて、前記スリーブの前記端部と前記ハウジングの前記端壁の前記凹部とは、円錐台形状である、電気モータ。
9. 請求項２に記載の電気モータにおいて、前記ハウジングは内部の環状棚を含み、前記スリーブの前記フランジ部は、軸方向に延びる部分および半径方向に延びる部分を有する環状の段付きリムを含み、前記段付きリムの前記半径方向に延びる部分は、前記ハウジングの前記環状棚と係合し、前記電気モータは、前記段付きリムの前記半径方向に延びる部分を前記ハウジングの前記環状棚に対して保持するように配置された保持リングと、前記保持リングと前記段付きリムの前記軸方向に延びる部分の外径との間に配置された弾性Ｏリングとをさらに備えた、電気モータ。
10. 請求項２に記載の電気モータにおいて、前記ハウジングは内部の環状棚を含み、前記スリーブの前記フランジ部は平坦であり、前記フランジ部の周辺領域は前記ハウジングの前記環状棚と係合し、前記電気モータは、前記フランジ部の前記周辺領域を前記ハウジングの前記環状棚に対して保持するように配置された保持リングと、前記保持リングと前記フランジ部との間に配置された弾性Ｏリングとをさらに備えた、電気モータ。
11. 請求項１に記載の電気モータにおいて、保持リングおよび弾性Ｏリングをさらに備え、前記保持リングは、前記単一金属スリーブの内径に対向する外径を有し、前記弾性Ｏリングは、前記保持リングの前記外径と前記単一金属スリーブの前記内径との間に配置された、電気モータ。
12. 請求項１に記載の電気モータにおいて、前記スリーブの前記側部は、前記フランジ部から離れる方向に先細りになる半径縮小部を含む、電気モータ。
13. 請求項１２に記載の電気モータにおいて、前記樹脂オーバーモールドは、前記スリーブの前記側部の前記半径縮小部と係合する、電気モータ。
14. 請求項１２に記載の電気モータにおいて、前記半径縮小部は、円錐台形状を有する、電気モータ。
15. 請求項１に記載の電気モータにおいて、前記ハウジングは、ダイカストハウジングである、電気モータ。
16. 請求項１に記載の電気モータにおいて、前記スリーブは、０．０２５４ｃｍ（０．０１０インチ）以上０．０５０８ｃｍ（０．０２０インチ）以下の範囲の厚さを有する単一のシート材料から得られる、電気モータ。
    

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