JP5286121B2 - トロイダル巻線モータ - Google Patents

Description

本発明は、トロイダル巻線モータに関するものである。

従来から、軸線周りに回転自在に支持されるとともに、永久磁石が配設されたロータと、ロータの周囲に対向配置されるとともに、コイル（巻線）が巻回されたステータとを備えたモータを有する車両用モータユニットが知られている。
また、コイルの巻回方法としては、分布巻き、集中巻きおよびトロイダル巻きが知られている。

ステータにコイルを分布巻きで巻回すると、コイルの重なり合う部分が多く、ステータのスロット間を架け渡す渡り部の高さが高くなり、軸方向に長くなってしまう。なお、分布巻きでは、ステータコア内のｑ軸磁束分布が均等になり、トルクリップルおよび振動を低減することができる。

また、ステータにコイルを集中巻きで巻回すると、渡り部の高さは低く抑えることができるが、ｑ軸磁束分布が不均一になり、振動を低減することができない。

一方、ステータにコイルをトロイダル巻きで巻回すると、渡り部の高さは集中巻きと略同一の高さに抑えることができ、ｑ軸磁束分布は分布巻きと同様に均等にすることができる。しかしながら、トロイダル巻きでは、ステータを構成するステータコアを平板鋼板を積層して形成し、ステータにおけるティース部の先端面（ロータとの対向面）の軸方向の長さがロータの軸方向の長さと略同一になるように構成すると、コイルの周長が長くなってしまう。

そこで、特許文献１では、コイルが巻回される環状コア部が、対向コア部と部分積層コアとの合計の厚さよりも薄くなるように構成することで、ロータとの対向面積を確保しつつ、コイルの周長を短くして、モータの効率を向上したものが提案されている。

特開平１１−３１８０４７号公報

ところで、上述した特許文献１では、対向コア部および部分積層コアにおける径方向外側にコイルの径方向外側端部よりも突出した張出コア部が形成されている。この張出コア部は、磁気回路としては無駄な部分であるとともに、その分重量が増加するとともに、ステータの径方向の大きさが大きくなるため、モータが大型化してしまうという問題がある。

そこで、本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、モータを小型軽量化することができるとともに、高効率化を図ることができるトロイダル巻線モータを提供するものである。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、ティース部（例えば、実施形態におけるティース３２）とヨーク部とを有する分割コア片（例えば、実施形態における分割コア片５０）を複数連結して円環状にすることで形成されるステータコア（例えば、実施形態におけるステータコア４１）と、該ステータコアに対してトロイダル状に巻き回された巻線（例えば、実施形態におけるコイル１７）と、を備えたステータ（例えば、実施形態におけるステータ２１）を有するトロイダル巻線モータ（例えば、実施形態におけるモータ２３）であって、前記分割コア片は、軸方向両端部に配される部分鉄心部（例えば、実施形態における部分鉄心５２）と、両端の該部分鉄心部の間に配される主鉄心部（例えば、実施形態における主鉄心部５１）と、該主鉄心部から周方向に延出し、かつ隣接する分割コア片と当接する延出鉄心部（例えば、実施形態における延出鉄心部５４）と、を備え、該延出鉄心部は、前記分割コア片が連結された状態において、前記部分鉄心部の外周縁（例えば、実施形態における外側端部７４）より径方向外側に膨出された膨出部（例えば、実施形態における膨出部８１）が形成され、該膨出部に前記巻線が巻き回されていることを特徴としている。

請求項２に記載した発明は、前記分割コア片が連結された状態において、前記ステータコアの外周縁側における隣接する前記延出鉄心部間に溝部（例えば、実施形態における溝部７５）が形成されていることを特徴としている。

請求項３に記載した発明は、前記延出鉄芯部における隣接する前記分割コア片との当接部（例えば、実施形態における凹陥部６３）が、軸方向両端に配された前記部分鉄心部に挟持された位置に形成されていることを特徴としている。

請求項４に記載した発明は、前記ステータコアの軸方向の長さが、前記ステータに対して対向配置されるロータ（例えば、実施形態におけるロータ２２）の軸方向の長さと略同一であることを特徴としている。

請求項５に記載した発明は、前記主鉄心部および前記延出鉄心部の軸方向の長さが、前記ロータの軸方向の長さよりも短いことを特徴としている。

請求項１に記載した発明によれば、延出鉄心部に巻線が巻回され、延出鉄心部が形成された主鉄心部の軸方向両側に部分鉄心部が設けられているため、延出鉄心部に巻回された巻線の軸方向両側に突出する部分の高さを部分鉄心部の軸方向長さで相殺することができる。したがって、ステータの軸方向の長さを短くすることができる。つまり、ステータにおけるロータとの対向面積を減少させることなく、またヨーク部を通過する磁束量を飽和させず、さらに巻線の周長を短くすることができるため、モータの高効率化を図ることができる。
また、延出鉄心部に膨出部が形成されているため、ステータの径方向外周縁には巻線が位置しており、ステータコアは位置することがない。したがって、ステータコアの無駄な部分を形成せずに済むため、ステータの小型軽量化を図ることができる。

請求項２に記載した発明によれば、ステータコアにおける磁気回路として機能しない部分を溝部にすることで、ステータコアの軽量化を図ることができる。したがって、モータの軽量化を図ることができる。

請求項３に記載した発明によれば、隣接する分割コア片の当接部を部分鉄心部で挟持することにより、当接部において分割コア片同士がずれるのを防止することができる。したがって、ステータコアの所望の強度を確保することができる。

請求項４に記載した発明によれば、ステータとロータとの対向面積を最大限に確保することができるため、モータの高効率化を図ることができる。

請求項５に記載した発明によれば、延出鉄心部に巻回される巻線がロータの軸方向の両端から突出する高さを抑制することができる。したがって、モータの軸方向の長さを短くすることができるため、モータの小型化を図ることができる。

本発明の実施形態における車両用モータユニットの概略縦断面図である。 本発明の実施形態におけるステータの斜視図である。 本発明の実施形態におけるステータの正面図である。 図１のＡ部拡大図である。 本発明の実施形態における分割コア片の分解斜視図である。 本発明の実施形態における分割コア片にコイルを巻回した状態を示す斜視図である。 本発明の実施形態における分割コア片の斜視図である。 本発明の実施形態におけるステータの製造方法を説明する図であり、分割コア片同士の連結方法を示す正面断面図である。 本発明の実施形態における分割コア片同士の連結方法の別の態様を示す正面断面図である。

次に、本発明の実施形態を図１〜図９に基づいて説明する。なお、本実施形態における各装置の取付方向や位置を示す定義は、車両進行方向を前方とし、車両進行方向に向かって左右方向および上下方向を定義するものとする。
図１は車両用モータユニットの概略構成断面図である。図１に示すように、車両用モータユニット（以下、モータユニットという。）１０は、ステータ２１およびロータ２２を備えたモータ２３を収容するモータハウジング１１と、モータハウジング１１の一方側に締結され、モータ２３の出力軸２４からの動力を伝達する動力伝達部（不図示）を収容するミッションハウジング１２と、モータハウジング１１の他方側に締結され、モータ２３の回転センサ２５を収容するセンサハウジング１３と、を備えている。

モータハウジング１１の内部はモータ室３６として、ミッションハウジング１２の内部はミッション室３７として、センサハウジング１３の内部はセンサ室３８として、それぞれ構成されている。

モータハウジング１１は、モータ２３全体を覆うような略円筒形状で形成されている。モータハウジング１１とミッションハウジング１２との境界部のミッションハウジング１２側には、モータ２３の出力軸２４の一端を回転自在に支持するベアリング２６が設けられ、モータハウジング１１とセンサハウジング１３との境界部のセンサハウジング１３側には、モータ２３の出力軸２４の他端を回転自在に支持するベアリング２７が設けられている。また、出力軸２４に連接されたロータ２２の外周面には磁石２９が取り付けられている。

図２、図３に示すように、ステータ２１は、円環状に形成され、複数のティース３２を有するステータコア４１と、隣接するティース３２，３２間に形成されるスロット２８に巻回されたコイル１７と、を備えている。
具体的には、コイル１７は、スロット２８の径方向外側に形成された延出鉄心部５４を中心にして巻回されている。なお、延出鉄心部５４とコイル１７との間には樹脂などの絶縁部材で形成されたインシュレータ４３が介装されている。つまり、リング状に形成されたコイル１７がスロット２８ごとに設けられた、所謂トロイダル巻線モータを構成している。また、このように構成することで、延出鉄心部５４がステータ２１のヨーク部としての機能を有している。

図４に示すように、コイル１７が巻回されることにより、ステータコア４１の軸方向両端面４１ａ，４１ｂから軸方向外方へ突出した側面突出部１８が形成されるとともに、ステータコア４１の外周面４１ｃから径方向外方へ突出した周面突出部１９が形成される。

本実施形態では、分割コア片５０を円環状に連結してステータコア４１を形成する構成を用い、さらに分割コア片５０は主鉄心５１と部分鉄心５２とを連結して構成するようにした。

図５に示すように、分割コア片５０は、コイル１７が巻回される延出鉄心部５４を有する主鉄心５１と、主鉄心５１の軸方向両側に連結可能に構成された部分鉄心５２と、を有している。

主鉄心５１は、例えば、平板鋼板が積層されて形成されており、ティース部６１と、ティース部６１の径方向外側端部６２より周方向および径方向に突出形成された延出鉄心部５４と、を有している。図６に示すように、ティース部６１の径方向外側端部６２は、部分鉄心５２が連結された状態において、隣接する延出鉄心部５４が連結される凹陥部６３の一部として構成される。

延出鉄心部５４は、スロット２８の径方向外側に位置し、コイル１７が巻回されるコイル巻回部６５と、コイル巻回部６５に連接されて、隣接する主鉄心５１の凹陥部６３に嵌合される嵌合突起部６７と、を備えている。なお、コイル巻回部６５の径方向外側端部６６は、ティース部６１の径方向外側端部６２よりも径方向外側に突出した位置になるように形成されている。

部分鉄心５２は、例えば、平板鋼板が積層されて形成されており、主鉄心５１のティース部６１と略同一形状のティース部７１と、ティース部７１の径方向外側に延出形成され、主鉄心５１と連結されることで凹陥部６３の一部を構成する延出部７３と、を備えている。ここで、延出部７３の径方向外側端部７４は、コイル巻回部６５の径方向外側端部６６よりも径方向内側に位置している。つまり、主鉄心５１と部分鉄心５２とを連結した状態で、部分鉄心５２の径方向外側端部７４よりも突出している延出鉄心部５４の領域が膨出部８１として構成される。

主鉄心５１と、主鉄心５１の軸方向両側に部分鉄心５２がそれぞれ連結された状態で、ティース部６１と、ティース部６１の軸方向両側に連結されたティース部７１とで形成されるティース３２の軸方向の長さは、ロータ２２の軸方向の長さと略同一の長さになるように構成されている。

また、分割コア片５０を円環状に連結した状態で、隣接する延出鉄心部５４，５４同士の間には、凹状の溝部７５が形成される（図８参照）。溝部７５は、ステータコア４１において磁気回路として機能しない領域を削り取って形成されたものであり、ステータコア４１の軽量化にも貢献している。

次に、このように構成されたステータ２１の製造方法について説明する。
まず、分割コア片５０を製造する。具体的には、平板鋼板を積層して所望の形状を有する主鉄心５１および部分鉄心５２をそれぞれ複数製造する。そして、主鉄心５１の軸方向両側に部分鉄心５２を接着剤やカシメなどの方法により連結する。このようにすることで、図７に示す分割コア片５０が形成される。この分割コア片５０を複数個（本実施形態では２４個）製造する。

次に、分割コア片５０にコイル１７を巻回する。具体的には、分割コア片５０の延出鉄心部５４にインシュレータ４３を取り付けた後に、コイル１７をトロイダル状に巻回する。

各分割コア片５０にコイル１７が巻回されたら、分割コア片５０同士を連結して円環状にする。具体的には、図８に示すように、隣接する一方の分割コア片５０の嵌合突起部６７を他方の分割コア片５０の凹陥部６３に嵌め合わせるようにして連結させる。全ての分割コア片５０を連結すると図２に示すステータ２１が製造される。

そして、ステータ２１をモータハウジング１１内に配置するとともに、ステータ２１の内周側にロータ２２および出力軸２４を配置することで、モータ２３を製造することができる。なお、ステータ２１やモータハウジング１１に切欠きを設けるか、ノックピンなどを利用してステータ２１の位置決めをするように構成してもよい。

本実施形態によれば、延出鉄心部５４にコイル１７が巻回され、延出鉄心部５４が形成された主鉄心５１の軸方向両側に部分鉄心５２，５２が設けられているため、延出鉄心部５４に巻回されたコイル１７の軸方向両側に突出する部分の高さを部分鉄心５２の軸方向長さで相殺することができる。したがって、ステータ２１の軸方向の長さを短くすることができる。つまり、ステータ２１におけるロータ２２との対向面積を減少させることなく、また延出鉄心部５４を通過する磁束量を飽和させず、さらにコイル１７の周長を短くすることができるため、モータ２３の高効率化を図ることができる。

また、延出鉄心部５４に膨出部８１が形成されているため、ステータ２１の径方向外周縁にはコイル１７が位置しており、ステータコア４１は位置していない。したがって、ステータコア４１の無駄な部分を形成せずに済むため、ステータ２１の小型軽量化を図ることができる。

また、ステータコア４１における磁気回路として機能しない部分を溝部７５にすることで、ステータコア４１の軽量化を図ることができる。したがって、モータ２３の軽量化を図ることができる。

また、隣接する分割コア片５０，５０の当接部となる嵌合突起部６７を部分鉄心５２，５２で挟持することにより、当接部において分割コア片５０，５０同士がずれるのを防止することができる。したがって、ステータコア４１の所望の強度を確保することができる。

さらに、ステータ２１のティース３２の軸方向長さが、ロータ２２の軸方向の長さと略同一になるように構成することで、ステータ２１とロータ２２との対向面積を最大限に確保することができる。したがって、モータ２３の高効率化を図ることができる。

そして、本実施形態におけるステータ２１においては、延出鉄心部５４に巻回されるコイル１７がロータ２２の軸方向の両端から突出する高さを低く抑えることができる。したがって、モータ２３の軸方向の長さを短くすることができるため、モータ２３の小型化を図ることができる。

尚、本発明は上述した実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。すなわち、実施形態で挙げた具体的な構造や形状などはほんの一例に過ぎず、適宜変更が可能である。
例えば、本実施形態においては、永久磁石式ブラシレスモータの場合を用いて説明したが、モータがトロイダル巻線であれば、インダクションモータやリラクタンスモータなどに適用してもよい。

また、本実施形態においては、主鉄心および部分鉄心は、平板鋼板が積層されて形成されている場合について説明したが、軟磁性圧粉材を用いて型成形してもよい。このとき、主鉄心と部分鉄心とは別の型で型成形して連結するようにしてもよいし、分割コア片を一つの型で一体的に型成形する構成にしてもよい。なお、軟磁性圧粉材とは、例えば鉄粉の周りが樹脂コーディングされた材料などのことをいい、この粉を型内に投入して成形する。

また、本実施形態においては、延出鉄心部の軸方向に沿った断面形状について特に触れていないが、平板鋼板を積層して分割コア片を製造する場合には、延出鉄心部の面積に対してコイルの周長が最も短くなる正方形にすることが望ましい。なお、上述した軟磁性圧粉材で分割コア片を型成形する際には、延出鉄心部の断面形状は、延出鉄心部の面積に対してコイルの周長が最も短くなる円形にすることが望ましい。

さらに、本実施形態においては、分割コア片の嵌合突起部を凹陥部に嵌め合わせることで隣接する分割コア片同士を連結する場合の説明をしたが、図９に示すように、嵌合突起部６７における周方向端面６８からさらに周方向外方へ突出した係合突起部６９を形成し、凹陥部６３の一部を構成する延出鉄心部５４の側面５８に係合凹部５９を形成して、嵌合突起部６７を凹陥部６３に嵌め合わせる際に、係合突起部６９が係合凹部５９に係合させるような構成にしてもよい。このようにすることで、隣接する分割コア片５０，５０同士の連結保持力を向上することができる。

１７…コイル（巻線） ２１…ステータ ２２…ロータ ２３…モータ（トロイダル巻線モータ） ３２…ティース（ティース部） ４１…ステータコア ５０…分割コア片 ５１…主鉄心（主鉄心部） ５２…部分鉄心（部分鉄心部） ５４…延出鉄心部 ６３…凹陥部（当接部） ７４…部分鉄心の外側端部（外周縁） ７５…溝部 ８１…膨出部

Claims (5)

1. ティース部とヨーク部とを有する分割コア片を複数連結して円環状にすることで形成されるステータコアと、該ステータコアに対してトロイダル状に巻き回された巻線と、を備えたステータを有するトロイダル巻線モータであって、
   前記分割コア片は、軸方向両端部に配される部分鉄心部と、両端の該部分鉄心部の間に配される主鉄心部と、該主鉄心部から周方向に延出し、かつ隣接する分割コア片と当接する延出鉄心部と、を備え、
   該延出鉄心部は、前記分割コア片が連結された状態において、前記部分鉄心部の外周縁より径方向外側に膨出された膨出部が形成され、該膨出部に前記巻線が巻き回されていることを特徴とするトロイダル巻線モータ。
2. 前記分割コア片が連結された状態において、前記ステータコアの外周縁側における隣接する前記延出鉄心部間に溝部が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のトロイダル巻線モータ。
3. 前記延出鉄芯部における隣接する前記分割コア片との当接部が、軸方向両端に配された前記部分鉄心部に挟持された位置に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のトロイダル巻線モータ。
4. 前記ステータコアの軸方向の長さが、前記ステータに対して対向配置されるロータの軸方向の長さと略同一であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のトロイダル巻線モータ。
5. 前記主鉄心部および前記延出鉄心部の軸方向の長さが、前記ロータの軸方向の長さよりも短いことを特徴とする請求項４に記載のトロイダル巻線モータ。

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