JP3587246B2 - 電気モータ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、ハウジングに回転可能に組付けられるロータと、このロータに対して同軸的に配置され前記ハウジングに回転不能に組付けられるステータを備えた電気モータに関する。
【0002】
【従来の技術】
特開平9−215230号公報には、ステータがロータの回転軸心を中心として放射状に配置された複数のティースと、これら各ティースの径方向端部を連結する円形のヨークと、前記各ティース間に形成されるスロットにて前記各ティースに巻回された複数のコイルを有する電気モータ(電動機)が示されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
上記した公報に示されているステータにおいては、複数のティースがヨークとは別個に構成されていて、各ティースにコイルを巻線した後に、各ティースをヨークに固定する構成が採用されている。このため、各ティースの特性にばらつきが生じやすくて、コギングトルクの増大を招きやすく、モータ性能を低下させるおそれがある。また、各ティースをヨークにそれぞれ固定する必要があり、組付性に改善の余地がある。したがって、本発明は、電気モータにおいて、モータ性能の向上を図ること、或いは組付性の向上を図ることを課題とするものである。
【0004】
【課題を解決するための手段】
上記した課題を達成するために、本発明においては、ハウジングに回転可能に組付けられるロータと、このロータに対して同軸的に配置され前記ハウジングに回転不能に組付けられるステータを備え、前記ステータが前記ロータの回転軸心を中心として放射状に配置された複数のティースと、これら各ティースの径方向端部を連結する円形のヨークと、前記各ティース間に形成されるスロットにて前記各ティースに巻回された複数のコイルを有する電気モータにおいて、前記ティースの3個にコイルを連続して巻回するに際して、一側のティースの外周から内周に巻いた後に、中央のティースの内周から外周に巻いて、最後に他側のティースの内周から外周に巻いたことに特徴がある。
【0005】
【発明の作用・効果】
本発明による電気モータにおいては、ティースの3個にコイルを連続して巻回するに際して、一側のティースの外周から内周に巻いた後に、中央のティースの内周から外周に巻いて、最後に他側のティースの内周から外周に巻いたため、ティース間の外周側部位(内周側部位に比してスペースが大きい)を有効に活用して、コイルの巻数を多くすることが可能であり、モータ性能の向上を図ることができる。
【0006】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図1及び図2は本発明による電気モータを車両用のステアリング装置に採用した実施形態を示している。この実施形態の電気モータは、ハウジング10にボール軸受91,92を介して回転可能かつ軸方向へ移動不能に組付けた筒状のロータ20と、このロータ20の外周に同軸的に配置されハウジング10のモータハウジング11に対して回転不能(一体的)に組付けられたステータ30と、ロータ20の回転位相を検出するセンサ40を備えていて、その回転出力を周知の操舵トルクセンサ(図示省略)やセンサ40等からの検出信号に基づいて制御装置(図示省略)によって制御されるようになっている。
【0007】
ハウジング10は、モータハウジング11とギヤハウジング12によって構成されていて、ギヤハウジング12には図示省略のピニオン軸と操舵ラック軸が支持されるようになっている。なお、操舵ラック軸は、ロータ20内にボールスクリュー機構(図示省略)を介して同軸的に組付けられるようになっていて、ロータ20の回転によって軸方向の操舵助勢力が付与されるようになっている。
【0008】
ロータ20は、図1及び図3に示したように、磁性材によって段付円筒状に形成した軸本体21と、この軸本体21の外周に等間隔にて配置されて固着された16個の永久磁石22と、これら永久磁石22を外周から覆う薄肉パイプ23(ステンレスやアルミ等の非磁性材)と、軸本体21の外周に固着されて薄肉パイプ23を抜け止めする段付円筒状のパイプストッパ24(素材は金属、非金属、磁性材、非磁性材を問わない)によって構成されている。なお、パイプストッパ24は、センサ40のロータ側部材42の一部を延在させて兼用(代用)することも可能であり、この場合には部品点数の削減が可能である。
【0009】
軸本体21は、モータハウジング11の左端から軸方向に所定量突出していて、同突出部21aに設けた切欠部21bにて試験装置(図示省略のモータ性能評価試験装置)の回転軸にトルク伝達可能に接続されるように構成されている。なお、図1に示した電気モータの試験装置への取付面は、モータハウジング11の図1左端面である。
【0010】
各永久磁石22は、軸方向に長い形状であって、内周側(一つ飛びにS極とされている)を内周に向けて凸となる弧形状に形成され、また外周側(一つ飛びにN極とされている)をロータ20の回転中心を中心とする円弧形状に形成されている。薄肉パイプ23は、磁石飛散防止用のパイプであり、各永久磁石22間に一部をカシメ込むことにより永久磁石22の外周に密着固定されている。なお、薄肉パイプ23とパイプストッパ24は、樹脂でモールドされる一体構成としてもよい。
【0011】
ステータ30は、図1及び図4に示したように、円筒状のコア31と、このコア31に巻き付けた複数(18個)のコイル32と、コア31とコイル32間に介装したインシュレータ33と、各コイル32の端部を結線するコイル結線具(バスバー)34と、このコイル結線具34に接続される通電端子35を備えていて、モータハウジング11に接着性及び電気絶縁性を有する樹脂36にてモールドされて一体化されている。
【0012】
コア31は、図5〜図7に示したように、電磁鋼板を所定形状(図5に示した形状)に打ち抜いた後に軸方向にて積層して一体的に構成したものであり、ロータ20の回転軸心を中心として放射状に配置された18個のティース31aと、これら各ティース31aの径方向外端を連結する円形のヨーク31bを備えていて、各ティース31aとヨーク31bが一体的に形成されている。各ティース31aは、内周側に周方向に延びる磁極部31a1を有していて、コイル32を巻き付けるための軸方向に延びるスロットSを形成している。なお、各ティース31aの基端と先端部には、円形の凹凸嵌合部31c,31dが形成されていて、これらを嵌合することにより電磁鋼板が一体的に積層されるようになっている。
【0013】
コイル32は、図8〜図11に示したように、周方向に連続する3個が一コイルユニット(U1相,V1相,W1相,U2相,V2相,W2相)として1本のコイル線で連続して形成されていて、18個のコイル32が6本のコイル線で構成されている。なお、各コイル線の先端は、コア31およびコイル結線具34への巻線性、組付性、信頼性を高めるために細く尖らせるのが望ましく、その際に専用治具を用いて細く尖らせてもよく、またコイル線を軸方向に引っ張ることで細くした後に切断して細く尖らせてもよい。
【0014】
各コイルユニットは、図11に例示したように、左側のティース31aの外周から内周に1〜8の順に巻いた後に、中央のティース31aの内周から外周に9〜15の順に巻いて、最後に右側のティース31aの内周から外周に16〜24の順に巻いて形成されている。なお、仮に中央のティース31aの外周15から右側のティース31aの外周24に巻線すると、次に右側のティース31aの外周22に巻線することができなくて、コイル32の巻数を少なくしてしまう。
【0015】
インシュレータ33は、図8と図12〜図16に示したように、コア31の軸方向端部に組付けた一対の端部インシュレータ33aと、これら端部インシュレータ33a内に両端部にて嵌合される中間インシュレータ33bからなり、モータ軸線方向にて3分割で形成されている。各端部インシュレータ33aは、図12〜図15に示したように、コイル線が挿通される通孔33a1と、コア31の端部に形成した切欠31eに嵌合される突起33a2と、各コイル32をガイドする案内溝33a3と、3個の切欠33a4が形成されるとともに、通孔33a1に対応して筒部33a5が形成されている。中間インシュレータ33bは、図16に示したように、弾性変形可能で薄板状のインシュレータ素材をスロットSの形状(コイル線が挿通される形状)に折り曲げて筒状に形成したものであり、重ね合わせ部はスロットSの外周側中央とされている。
【0016】
コイル結線具34は、図1、図4、図8および図9に示したように、絶縁樹脂からなるホルダ34aと、各コイルユニットの端部を接続する各接続片34bからなり、ホルダ34aには端部インシュレータ33aの切欠33a4に嵌合する脚部34a1が形成され、各接続片34bには通電端子35の各接続片35aが接続される平板部34b1が形成されている。なお、各接続片34bの平板部34b1と通電端子35の各接続片35aは、樹脂36にてモールドされる前に抵抗溶接によって接合されるようになっている。
【0017】
通電端子35は、ハウジング10に予めビス止め固定(図2参照)されていて、ステータ30のコア31、コイル32、インシュレータ33およびコイル結線具34が図8〜図10に示した状態で図4に示したようにモータハウジング11に組み込まれることにより、通電端子35の各接続片35aにコイル結線具34の各平板部34b1が接触するようになっている。この際に、ステータ30のモータハウジング11に対する位置決め(周方向の位置決め)のために図1に仮想線にて示したキー50が用いられる。このキー50は、センサ40のハウジング側部材41(図1および図17参照)をモータハウジング11に組付ける際の基準とすることができる。また、このようにしてステータ30とセンサ40のハウジング側部材41のモータハウジング11に対する位置決めを行うときには、センサ40のロータ側部材42のロータ20に対する位置決めをロータ20に組付けた非磁性のキー(図示省略)によって同様に行うのが望ましい。
【0018】
樹脂36は、図18に示したように、ステータ30の内周にモールド成形用の型60が嵌め込まれた状態で充填固化されるようになっていて、モールド成形後には図4に示したように、ステータ30がモータハウジング11に一体化される。モールド成形用の型60は、インシュレータ33の軸方向両端部、すなわち端部インシュレータ33aの端部内周に係合する部位にテーパー面61を有していて、モールド成形時に樹脂36が端部インシュレータ33aの内周側に洩れることを防止している。なお、樹脂36の注入口(図示省略のゲート)は、成形の圧力がコア31にまともに作用しない位置に配設するのが望ましく、スロットSの略中央で樹脂注入をコイル32に邪魔されない位置が望ましい。
【0019】
センサ40は、モータハウジング11に位置決め固定されるハウジング側部材41と、ロータ20に位置決め固定されるロータ側部材42によって構成されていて、モータハウジング11に組付けたロータ20とステータ30の位相(ステータ30に対するロータ20の回転位相)を検出するようになっていて、検出信号は制御装置(図示省略)に出力されるようになっている。
【0020】
なお、センサ40のモータ部とのオフセット値を予め検出しておいて、これをセンサ40にトリミング抵抗等の形で書き込みをしておけば、センサ40から電圧レベルでオフセット値を制御装置(図示省略)に出力させることができる。この場合には、制御装置(図示省略)にオフセット値を書き込みする必要がなく、制御装置(図示省略)が変わっても、オフセット値が正確に制御装置(図示省略)に送られ、所定のトルクを発生させることができる。
【0021】
上記のように構成した電気モータは、以下に説明する各工程、すなわち各コイル32のコア31への巻き付け工程、コイル結線具34の各コイル32への組付け工程、ステータ30のモータハウジング11へのモールド成形工程、センサ40におけるハウジング側部材41のモータハウジング11への組付け工程、ロータ20のハウジング10への組付け工程等を経て、製作されている。
【0022】
各コイル32のコア31への巻き付け工程では、各コイル32の巻き付けに先立って、コア31の軸方向両端部に各端部インシュレータ33aがそれぞれ組付けられ、その後に各中間インシュレータ33bの両端部が各端部インシュレータ33aの筒部33a5に嵌合するようにして18個の各中間インシュレータ33bが組付けられ、その後に各コイル32が図11に示した順序で順次巻き付けられて、コイルユニットが形成される。
【0023】
コイル結線具34の各コイル32への組付け工程では、コア31に巻き付けられた各コイルユニットに合わせてコイル結線具34がその各脚部34a1を端部インシュレータ33aの各切欠33a4に嵌合することにより軸方向にて組付けられ、各接続片34bの対応部位に各コイルユニットの端部(コイル線)がそれぞれカシメ固定されて、図8〜図10に示したステータサブアッシィが形成される。
【0024】
ステータ30のモータハウジング11へのモールド成形工程では、モールド成形に先立って、図8〜図10に示したステータサブアッシィがキー50を用いてモータハウジング11に位置決め固定されるとともに、通電端子35がモータハウジング11に外周から組付けられ、その後にコイル結線具34における各接続片34bの平板部34b1と通電端子35の各接続片35aが抵抗溶接によって接合され、その後にモールド成形用の型60にセットされて樹脂36にてモールドされる。なお、樹脂36の注入は、図1の右側から左側に向けて、しかも内周から外周に向けて行われる。
【0025】
センサ40におけるハウジング側部材41のモータハウジング11への組付け工程では、ステータサブアッシィをモータハウジング11に位置決めしたキー50(図1の仮想線参照)を基準として、ハウジング側部材41がモータハウジング11に位置決めされて組付けられる。なお、この工程の前または後において、モータハウジング11にボール軸受91が組付けられる。
【0026】
ロータ20のハウジング10への組付け工程では、ロータ20の右端部にセンサ40のロータ側部材42を位置決めして組付けるとともにボール軸受92を組付けた状態で、ロータ20をボール軸受92を介してギヤハウジング12に組付け、その後にステータ30等を組付けたモータハウジング11をロータ20の左方から右方に差し込んでモータハウジング11とギヤハウジング12をボルト(図示省略)を用いて連結する。
【0027】
このようにして製作された本実施形態の電気モータにおいては、各ティース31aがヨーク31bと一体的に形成されているため、各ティース31aの特性にばらつきが生じ難く、コギングトルクの増大を抑制することができて、モータ性能の向上を図ることができる。
【0028】
また、各スロットS内に配設されて各ティース31aと各コイル32間に介装したインシュレータ33が、コア31の両端部に組付けられる一対の端部インシュレータ33aと、各スロットS内に組付けられる18個の中間インシュレータ33bによって構成されていて、モータ軸線方向にて分割形成されているため、各スロットS内へのインシュレータ33の組付を容易とすることができる。
【0029】
また、各コイル32等を樹脂36でモールドする際には、モールド成形圧により中間インシュレータ33bの両端部が弾性変形して端部インシュレータ33aの内面に圧接密着して、樹脂の洩れを防止する。これにより、樹脂36がステータ30の内周面に洩れ出ることがなく、ロータ20とステータ30間のギャップを狭く設定することができて、モータ性能の向上を図ることができる。なお、中間インシュレータ33bの重ね合わせ部においても、モールド成形圧により互いに圧接密着して、樹脂の洩れを防止する。
【0030】
また、本実施形態の電気モータにおいては、各スロットSに組付けられるインシュレータ33の端部インシュレータ33aにコイル32をガイドする案内溝33a3を形成したため、コイル32の安定した巻回を行うことができて、組付性を改善することができる。また、インシュレータ33の軸方向両端部にモールド成形用の型60に係合する係合部を形成したため、モールド成形時に樹脂36がインシュレータ33とモールド成形用の型60間を通して内周側に洩れることを防止することができて、ロータ20とステータ30間のギャップを狭く設定することができ、モータ性能の向上を図ることができる。
【0031】
また、本実施形態の電気モータにおいては、3個のティース31aにコイル32を連続して巻回するに際して、図11に示したように、一側のティース31aの外周から内周に巻いた後に、中央のティース31aの内周から外周に巻いて、最後に他側のティース31aの内周から外周に巻いたため、ティース31a間の外周側部位(内周側部位に比してスペースが大きい)を有効に活用して、コイル32の巻数を多くすることが可能であり、モータ性能の向上を図ることができる。
【0032】
また、本実施形態の電気モータにおいては、ロータ20の外周面に組付けられる複数の永久磁石22表面を覆う薄肉パイプ23を磁石間に一部をカシメ込むことにより固定したため、ロータ20の径寸法管理を永久磁石22の厚みと薄肉パイプ23の厚みで容易に行うことができて、ロータ20とステータ30間のギャップを容易に管理することができ、モータ性能の安定化を図ることができる。
【0033】
また、本実施形態の電気モータにおいては、モータハウジング11とステータ30をキー50により回転不能に位置決めし、モータハウジング11に組付けられてステータ30に対するロータ20の回転位相を検出するセンサ40のハウジング側部材41をキー50により位置決めしたため、モータハウジング11に対してステータ30をキー50により回転不能に位置決め固定することができるとともに、キー50を用いてセンサ40のハウジング側部材41をモータハウジング11に対して位置決め固定することができる。したがって、ステータ30に対してセンサ40を容易かつ安価にしかも精度よく位置決めすることができて、ステータ30に対するロータ20の回転位相を精度よく検出することができ、モータ性能を十分に発揮させることが可能である。
【0034】
また、本実施形態の電気モータにおいては、ロータ20の一端部をハウジング10から軸方向に所定量突出させて、同突出部21aに設けた切欠部21bにて試験装置の回転軸にトルク伝達可能に接続されるように構成したため、モータ単体での性能評価が可能であり、ハウジング10に組付けられてステータ30に対するロータ20の回転位相を検出するセンサ40のオフセット調整等をモータ単体で容易に行うことができ、モータ性能のばらつきを抑えることができる。
【0035】
上記実施形態においては、図5および図7にて示したように、各ティース31aの先端(内周端)が周方向にて不連続に形成されていて、各スロットSが内周側にて連続的に開口しているが、図7に仮想線で示したように、各ティース31aの先端を周方向にて連続的に連結する連結部31a2を所定の軸方向間隔毎に設けた場合(所定の枚数毎に積層される電磁鋼板に連結部31a2を設けた場合)には、各ティース31aと各コイル32間に介装した中間インシュレータ33bの径方向への飛び出し(各ティース31aの先端間に形成される隙間を通しての径内方への飛び出し)を防止することができて、ロータ20とステータ30間のギャップを狭く設定することができ、モータ性能の向上を図ることができる。
【0036】
また、上記実施形態においては、インシュレータ33を、コア31の両端部に組付けられる一対の端部インシュレータ33aと、各スロットS内に組付けられる18個の中間インシュレータ33bによって構成(2種20個で構成)したが、図19にて示したように、端部インシュレータ33aの筒部33a5を軸方向に所定量長く形成(コア31の軸方向長さの略半分の長さに形成)するとともに、先端部を交互に径方向で斜めの実線形状、仮想線形状(交互に周方向で斜めの形状でも実施可能)として実施することも可能である。この場合には、一対の端部インシュレータ33aをコア31に組付ける際に、上下で位相を1スロット分ずらすことにより、インシュレータ33を1種2個で構成することができるため、部品点数が削減され、低コスト化、生産性向上を図ることができる。
【0037】
また、上記実施形態においては、各コイル32の端部と通電端子35の各接続片35aを接続するために、コイル接続具34を用いているが、図20に示したように、各コイル32の端部にターミナル端子39を直接接続して、このターミナル端子39が通電端子35の各接続片35aに接続されるようにして実施することも可能である。この場合には、コイル32の端部を曲げることにより、ターミナル端子39の位置を任意に変更することが可能であり、ターミナル端子39の設定自由度を向上することができ、組付性を向上させることができる。
【0038】
また、本発明の実施に際して、各相(U1相,V1相,W1相,U2相,V2相,W2相)のコイルユニットの境界部(図10のC1,C2,C3,C4,C5,C6)、すなわち磁束変化が少なくて逆起電圧の小さい部位においてティース31aの先端部を連結した場合には、逆起電圧によるノイズの発生を抑えることができるとともに、コギングトルクの低減を図ることができて、モータ性能の向上を図ることができる。
【0039】
また、本発明の実施に際して、センサ40に加えて、当該電気モータの逆起電圧を検出する逆起電圧センサ(図示省略)と、これら両センサからの出力に基づいてオフセット量を演算する演算手段(図示省略)を設けた場合には、センサ40のオフセットを電気的に容易に求めることができて、これに基づいてセンサ40の検出値を電気的に補正することができる。したがって、この場合には、センサ40をモータハウジング11に対して機械的にオフセット調整する必要がなくて、組立作業性を改善することができる。
【0040】
また、本発明の実施に際して、センサ40に代えて、図21〜図23に示した磁気式エンコーダ140を採用して実施することも可能である。このエンコーダ140は、モータハウジング11に組付けられるハウジング側部材141と、ロータ20側に組付けられるロータ側部材142(ドラム142aとマグネット142bからなる)によって構成されていて、ロータ側部材142のマグネット142bには、図23に展開して示したように、インクリメンタル相(N、S極各108極のINC相)と、アブソリュート相(N、S極各8極/相のU相、V相、W相)が軸方向に変位してそれぞれ着磁されている。
【0041】
このため、上記したエンコーダ140を採用して電気モータを構成する場合においては、アブソリュートセンサとして機能するアブソリュート相(U相、V相、W相)とインクリメンタルセンサとして機能するインクリメンタル相(INC相)が軸線方向にて略直線的に配置されているため、センサの検出感度の調整等を容易に行うことができる。
【0042】
また、本発明の実施に際して、図24に示したように、ティース31a間に位置するヨーク31bの一部をティース31aの延出方向(内周方向)に所定量突出させた場合には、巻き線のスペース減少(コイル32を巻き付けるためのスペースの減少)を抑えてヨーク31bの剛性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による電気モータの一実施形態を示す縦断面図である。
【図2】図1に示した電気モータの平面図である。
【図3】図1に示したロータの要部縦断側面図である。
【図4】図1に示したモータハウジングとステータの縦断面図である。
【図5】図1および図4に示したコア単体の正面図である。
【図6】図1および図4に示したコア単体の側面図である。
【図7】図2の一部を拡大して示した正面図である。
【図8】図1及び図4に示したステータにおけるコア、コイル、インシュレータおよびコイル結線具の関係を示す図9のA−A線に沿った断面図である。
【図9】図8に示した組立体の左側面図である。
【図10】図8に示した組立体のB−B線に沿った拡大断面図である。
【図11】図10に示したコイルの巻き順を示した拡大図である。
【図12】図8に示した端部インシュレータ単体の正面図である。
【図13】図8に示した端部インシュレータ単体の背面図である。
【図14】図12の一部を拡大して示した正面図である。
【図15】図13の一部を拡大して示した背面図である。
【図16】図8に示した両端部インシュレータ間に組付けられる中間インシュレータを示す図である。
【図17】図1に示したセンサ単体の正面図である。
【図18】モータハウジングにステータ構成部材を樹脂モールドする際の工程説明図である。
【図19】インシュレータの変形実施形態を示す部分断面図である。
【図20】コイルの端部にターミナル端子を直接接続した実施形態を示す図である。
【図21】図1に示したセンサに代えて採用し得る磁気式エンコーダの側面図である。
【図22】図21に示した磁気式エンコーダの平面図である。
【図23】図21に示した磁気式エンコーダのロータ側部材の外周面に施した着磁トラックの位置関係を示す図である。
【図24】コアにおけるヨークの変形実施形態を示す部分図である。
【符号の説明】
10…ハウジング、11…モータハウジング、12…ギヤハウジング、20…ロータ、21…軸本体、21a…突出部、21b…切欠部、22…永久磁石、23…薄肉パイプ、24…パイプストッパ、30…ステータ、31…コア、31a…ティース、31a2…ティースに設けた連結部、31b…ヨーク、32…コイル、33…インシュレータ、33a…端部インシュレータ、33a3…端部インシュレータに設けた案内溝、33b…中間インシュレータ、34…コイル結線具、35…通電端子、36…モールド用の樹脂、39…ターミナル端子、40…センサ、41…ハウジング側部材、42…ロータ側部材、50…キー、60…モールド成形用の型、91,92…ボール軸受、S…スロット。
Claims (1)
- ハウジングに回転可能に組付けられるロータと、このロータに対して同軸的に配置され前記ハウジングに回転不能に組付けられるステータを備え、前記ステータが前記ロータの回転軸心を中心として放射状に配置された複数のティースと、これら各ティースの径方向端部を連結する円形のヨークと、前記各ティース間に形成されるスロットにて前記各ティースに巻回された複数のコイルを有する電気モータにおいて、前記ティースの3個にコイルを連続して巻回するに際して、一側のティースの外周から内周に巻いた後に、中央のティースの内周から外周に巻いて、最後に他側のティースの内周から外周に巻いたことを特徴とする電気モータ。
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