JP5791800B2

JP5791800B2 - 電動機

Info

Publication number: JP5791800B2
Application number: JP2014521165A
Authority: JP
Inventors: 後藤　隆; 隆後藤
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-06-21
Filing date: 2012-06-21
Publication date: 2015-10-07
Anticipated expiration: 2032-06-21
Also published as: WO2013190677A1; CN204334191U; JPWO2013190677A1

Description

この発明は、平板状の配電側コイルと、平板状のステータ側コイルとを溶接した電動機に関するものである。

三相シンクロナス交流モータ等の電動機は、ステータ側の永久磁石によりロータに磁極を作り出し、ステータティース間に配置されたステータ側コイルによりステータティースに磁極を作り出す。そして、外部電源に接続した配電部がステータ側コイルへの通電を切り替えて、ステータティースのＳ極とＮ極を切り替えることにより、回転トルクを生じさせるようにしていた。

この電動機に通電される電流は２５０Ａｒｍｓ（最大５００Ａ）のような大電流になるので、ステータ側コイルおよび配電側コイルには平板状の銅板材（いわゆる平角線）が採用されている（例えば、特許文献１，２参照）。平角線は偏素線に比べ、部品製造コストが安価であり、組み付けも簡略化できるメリットがある。

平板状のステータ側コイルと配電側コイルを電気的に接続する際には、一般的な金属部材間の結合方法である溶接（例えば、ＴｕｎｇｓｔｅｎＩｎｅｒｔＧａｓ；ＴＩＧ溶接）が用いられる。
ここで、図１２を参照して、ＴＩＧ溶接の概要を説明する。図１２（ａ）に示すように、平板状のステータ側コイル１００と、同じく平板状の配電側コイル１０１とを並列に配置して、両コイルの端部をＴＩＧ溶接する。図１２（ｂ），図１２（ｃ）は溶接成功時、図１２（ｄ）〜図１２（ｆ）は溶接失敗時を示すＤ矢視図である。

図１２（ｂ）のように、ステータ側コイル１００と配電側コイル１０１との間に隙間が無い場合、溶接機１０２で溶接することにより、図１２（ｃ）に示すように両コイルの先端部全体が溶解して溶接部１０３が形成され、溶け込み代も十分に確保できる。従って、コイル間の抵抗が小さく、良好に通電することができる。

一方、図１２（ｄ）のように、ステータ側コイル１００と配電側コイル１０１との間に隙間が発生した場合、ＴＩＧ溶接性が不安定となり、図１２（ｅ）に示すように片方のコイルのみ溶解した状態の片側溶接が発生したり、図１２（ｆ）に示すように溶け込み不良が発生したりする。図１２（ｅ）の片側溶接では、コイル間が接続されていないので通電できない。図１２（ｆ）の溶け込み不良では、溶け込み代が少ないため、通電部分の断面積が小さくなる。そのため、コイル間の抵抗が増加して通電不良が発生したり、局部的発熱が増加して、モータ効率の低下または溶接部１０３の溶断が発生したりする。

特開２００８−７９４６６号公報特開２００２−１８６２３４号公報

上記特許文献１の電動機は、平板状のコイル同士の溶接を行う際、第１のコイルの一端部が配設された開口部に、第２のコイルの一端部を挿通することにより、両コイルを並列に対向させていた。この構成の場合、各部品のばらつき具合によっては、コイル間に隙間が発生し、溶接性が不安定になるという課題があった。

上記特許文献２の電動機は、平板状のコイル同士を溶接して電気的に接続する構成ではなく、一方のコイルをもう一方のコイルに押圧して電気的な接続を確保する構成であった。具体的には、第１のコイルを封止した樹脂に第１のコイルの一端部が露出する接続開口を形成すると共に、接続開口に第１のコイルの一端部とこれに対向する接続開口の樹脂面とによって第２のコイルの一端部が挿入接続される雌部を形成し、第２のコイルの一端部が挿入された場合にこの第２のコイルが第１のコイルの一端部と接続開口の樹脂面とによって挟持されるようにしていた。この構成の場合、第１のコイルが第２のコイルに対して斜めに接触するので、接触面積が小さく、溶接性が不安定になるという課題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、平板状のコイル同士の溶接性を向上させた電動機を提供することを目的とする。

この発明に係る電動機は、シャフトに一体化したロータ部と、ロータ部の外周を囲う位置に固定され、平板状のステータ側コイルがシャフトの軸方向と平行に配設されたステータ部と、ステータ側コイルの端部を貫通させる貫通孔、および、貫通孔に軸方向と平行に配設されて貫通孔開口から露出し、貫通孔を貫通したステータ側コイルと溶接された平板状の配電側コイルを有し、当該配電側コイルを介してステータ部に電力供給する配電部と、貫通孔開口から露出した配電側コイルとステータ側コイルとを押圧接触させる押圧部材とを備え、押圧部材は、配電部の貫通孔開口から露出した配電側コイルとステータ側コイルを貫通させる開口部を複数有する板状の部材であり、開口部は、配電側コイルとステータ側コイルの入口側の開口面積に比べて出口側の開口面積が狭く、配電側コイルとステータ側コイルとを押圧接触させる形状である。

この発明によれば、押圧部材が、貫通孔開口から露出した配電側コイルとステータ側コイルを押圧接触させるようにしたので、両コイルが隙間無く密着した状態で溶接できるようになり、溶接性を向上させた電動機を提供することができる。

この発明の実施の形態１に係る電動機の構成を示す断面図である。実施の形態１に係る電動機のうち、ステータ部と配電部の斜視図である。実施の形態１に係る電動機の回転動作を説明する図である。実施の形態１の配電部の貫通孔周辺を、図２に示すＣＣ線に沿って切断した断面図である。この発明の実施の形態２に係る電動機の構成を示す断面図である。実施の形態２に係る電動機のうち、押圧部材の構成を示す図である。実施の形態２の配電部の貫通孔周辺を、図２に示すＣＣ線に相当する位置で切断した断面図である。この発明の実施の形態３に係る電動機の構成を示す断面図である。実施の形態３の配電部の貫通孔周辺を、図２に示すＣＣ線に相当する位置で切断した断面図である。実施の形態３に係る電動機のうち、配電側コイル先端を拡大した斜視図である。実施の形態３に係る電動機の変形例を示し、配電側コイル先端を拡大した平面図である。ＴＩＧ溶接の概要を説明する図であり、図１２（ｂ），（ｃ）は溶接成功時、図１２（ｄ）〜（ｆ）は溶接失敗時の例である。

以下、この発明をより詳細に説明するために、この発明を実施するための形態について、添付の図面に従って説明する。
実施の形態１．
図１および図２に示す電動機１は、三相交流シンクロナスモータを構成し、円筒状のハウジング２と、ハウジング２の内部に固定されたステータ部３および配電部１０と、図示しないシャフトを回転させるロータ部９と、押圧部材１４とを備える。

ロータ部９は、周方向外側に突出する突部を１８０度間隔に２箇所形成し、回転軸方向Ｘの途中で突部を９０度ずらした状態にする（突部９ａ，９ｂ）。ロータ部９を永久磁石で構成してもよいが、電動機１が高温に晒される場合には磁気特性が低下するので、例えば電磁鋼板を突状に打ち抜いて回転軸方向Ｘの途中で突部を９０度ずらした状態にする（突部９ａ，９ｂ）。

このロータ部９にシャフトを固着して、ロータ部９と一体にシャフトを回転させることにより、ロータ部９に発生した回転力を外部出力する。電動機１を自動車用ターボチャージャおよび電動コンプレッサ等に適用する場合、ロータ部９に固着したシャフトをタービン（いわゆるインペラ）の回転軸に連結して、電動機１によりタービンを回転駆動する。

ステータ部３は、２個のステータコア４，５と、このステータコア４，５の間に配置されたマグネット６と、６個のＵ字状のステータ側コイル７と、これらを一体化するモールド部８とから構成される。ステータコア４，５はそれぞれ、電磁鋼板を回転軸方向Ｘに積層して構成する。図２に示すように、このステータコア５は、環状体５ａと、この環状体５ａの内周部から中心に向かって突出する６個の突部（以下、ティース５ｂ）とからなる。なお、図１および図２では隠れて見えないが、ステータコア４も環状体４ａと６個のティース４ｂとからなる。また、マグネット６は環状体４ａ，５ａと略同形状である。

ステータ側コイル７は、銅板をＵ字に折り曲げた１回巻のコイルである。回転軸方向Ｘに対向する１組のティース４ｂ，５ｂに対して１個のステータ側コイル７が装着される。モールド部８は、ステータコア４，５、マグネット６およびステータ側コイル７を一体成形する樹脂部材で構成される。各ティース４ｂ，５ｂに装着されモールドされた各ステータ側コイル７は、モールド部８を回転軸方向Ｘに貫通して、折り曲げ部分がステータコア４側に、先端部分がステータコア５側に突出している。ステータ部３を一体成形する際に、各ステータ側コイル７の先端部分を金型の内壁に当接させて高さ方向の位置合わせをすることにより、ステータ側コイル７同士の先端部分の高さ方向のずれを抑制している。

配電部１０は、銅板の配電側コイル１１を一体成形する樹脂部材で構成される。この配電側コイル１１は、シャフトの周方向に沿って環状に配置されて、一方の端部がステータ側コイル７に接続され、他方の端部が不図示のインバータ基板に接続される。配電部１０には、ステータ側コイル７の先端部分を貫通させるための貫通孔１０ａが形成されており、貫通孔１０ａを貫通したステータ側コイル７は、貫通孔１０ａの内部から開口に向かって配設された配電側コイル１１と並列に対向する。

配電側コイル１１に接続するインバータ基板は、外部電源を交流電流に変換し、位置検出センサ１２から入力される位置信号に基づいて配電側コイル１１のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の三相を順次切り替えて配電側コイル１１からステータ側コイル７へ電流を流す。また、配電部１０の中央には位置検出センサ１２が設置されている。この位置検出センサ１２は、シャフトに固定されたターゲットの位置を検出して、シャフトの回転位置を示す位置信号を出力する。

押圧部材１４は、絶縁性の樹脂部材等を用いて円板状に形成され、配電側コイル１１およびステータ側コイル７の各先端部を貫通させる１２個の開口部１４ａが形成されている。１個の開口部１４ａに、ステータ側コイル７と配電側コイル１１がそれぞれ貫通し、この開口部１４ａの内壁面でステータ側コイル７と配電側コイル１１を押圧して密着状態に維持する。また、開口部１４ａから突出した両コイルの端部同士がＴＩＧ溶接されて電気的に接続する。この電動機１ではステータ側コイル７を６個使用するので、１個につき溶接部１３が２箇所、全部で１２箇所になる。

次に、電動機１の動作概略を説明する。
回転軸方向Ｘに着磁されたマグネット６による磁束は、マグネット６のＮ極側に配置されたステータコア４のティース４ｂからロータ部９の突部９ａに流れ出て、ロータ部９を回転軸方向Ｘに進んでＳ極側にある突部９ｂから出て、ロータ部９のＳ極側に配置されたステータコア５のティース５ｂへ流れ入る界磁磁束となる。このように、マグネット６の界磁起磁力がロータ部９に作用することで、マグネット６のＮ極側に対面するロータ部９の突部９ａをＮ極に着磁し、マグネット６のＳ極側に対面するロータ部９の突部９ｂをＳ極に着磁する。
図３は、配電部１０側から見たステータ部３とロータ部９の平面図である。ただし、ハウジング２およびステータ側コイル７等は図示を省略する。配電部１０の配電側コイル１１を経由してＵ字のステータ側コイル７に電流が流れると、流れた電流の向きに応じてステータコア４，５の各ティース４ｂ，５ｂが着磁して回転磁界が生じ、トルクが発生する。ステータ側コイル７に流す電流の向きを順次切り替えることにより、図３（ａ）〜図３（ｃ）のように各ティース４ｂ，５ｂのＮＳ各極性が回転移動していき、磁気作用によりロータ部９が回転する。

次に、電動機１の組み立て手順を説明する。
図１に示すように、ハウジング２にはステータ部３の一端面に当接する当接部２ａと、配電部１０の一端面に当接する当接部２ｂが形成されている。一体成形したステータ部３をＡ方向よりハウジング２に圧入し、当接部２ａに当接させる。また、一体成形した配電部１０をＢ方向よりハウジング２に挿入し、当接部２ｂに当接させてネジ等で組み付ける。このとき、ステータ側コイル７の先端部分を配電部１０の貫通孔１０ａに貫通させて、ステータ側コイル７と配電側コイル１１とを並列に配す。

図４は、配電部１０の貫通孔１０ａ周辺を、図２のＣＣ線に沿って切断した断面図であり、図４（ａ）は押圧部材１４の取り付け前の状態、図４（ｂ）は取り付け後の状態を示す。貫通孔１０ａの壁面には、配電側コイル１１のＬ字に折れ曲がった先端側が回転軸方向Ｘに配設され、貫通孔１０ａから突出している。この貫通孔１０ａにステータ側コイル７が挿入されると、ステータ側コイル７と配電側コイル１１の各先端部分が対向し並列になる。続いて、配電部１０のコイル突出側に押圧部材１４を取り付け、開口部１４ａにステータ側コイル７と配電側コイル１１の各先端部分を貫通させる。

押圧部材１４の開口部１４ａは、ステータ側コイル７と配電側コイル１１が挿入される入口側開口１４ａ−１の開口面積に比べて、出口側開口１４ａ−２の開口面積を狭くして、内壁面が入口側開口１４ａ−１から出口側開口１４ａ−２に向かってすぼまるテーパ形状にしている。よって、図４（ｂ）に示すように、開口部１４ａの内壁面が、押圧力Ｆで、ステータ側コイル７と配電側コイル１１を押圧接触させ、隙間無く密着した状態を維持する。この状態でステータ側コイル７と配電側コイル１１の端部同士をＴＩＧ溶接し、溶接部１３とする。これにより、溶接部１３のＴＩＧ溶接性が安定し、片側溶接および溶け込み不良が発生せず、良好に通電可能となる。

なお、上記説明では、ステータ側コイル７をモールドしたステータ部３をハウジング２に組み付けているが、この組み立て手順に限定されるものではない。例えば、ステータ部３を一体成形する際、ステータ側コイル７をモールドせず、代わりに、このステータ側コイル７を挿通するための挿通孔（不図示）をモールド部８に形成しておく。そして、ステータ部３をハウジング２に組み付けた後、挿通孔にステータ側コイル７をアウトサートし、配電部１０と押圧部材１４を取り付ける。

あるいは、ハウジング２に当接部２ａ，２ｂ等の段差が無い場合（不図示）には、ステータ部３と配電部１０を同一方向から組み付け可能である。その場合、先ずステータ部３を配電部１０に固定し、ステータ側コイル７の先端部分を配電部１０の貫通孔１０ａに貫通させ、押圧部材１４を取り付けてステータ側コイル７と配電側コイル１１の各先端部分を開口部１４ａに貫通させる。そして、開口部１４ａを貫通した両コイルの端部同士をＴＩＧ溶接して、ステータ側コイル７と配電側コイル１１を電気的に接続する。その後、ステータ部３、配電部１０および押圧部材１４を、一方向からハウジング２に挿入して固定する。

なお、図４に示す押圧部材１４は、開口部１４ａのステータ側コイル７に接する内壁面、および開口部１４ａの配電側コイル１１に接する内壁面をそれぞれテーパ形状にして、ステータ側コイル７と配電側コイル１１をそれぞれ押圧する構成にしたが、いずれか一方の内壁面だけをテーパ形状にして、一方のコイルを他方のコイル側へ押圧する構成にしてもよい。

以上より、実施の形態１によれば、電動機１は、シャフトに一体化したロータ部９と、ロータ部９の外周を囲う位置に固定され、平板状のステータ側コイル７がシャフトの回転軸方向Ｘと平行に配設されたステータ部３と、ステータ側コイル７の端部を貫通させる貫通孔１０ａ、および、貫通孔１０ａに回転軸方向Ｘと平行に配設されて貫通孔１０ａの開口から露出し、貫通孔１０ａを貫通したステータ側コイル７と溶接された平板状の配電側コイル１１を有し、この配電側コイル１１を介してステータ部３に電力供給する配電部１０と、貫通孔１０ａの開口から露出した配電側コイル１１とステータ側コイル７とを押圧接触させる押圧部材１４とを備え、押圧部材１４は、貫通孔１０ａの開口から露出した配電側コイル１１とステータ側コイル７を貫通させる開口部１４ａを有し、この開口部１４ａは、配電側コイル１１とステータ側コイル７の入口側開口１４ａ−１に比べて出口側開口１４ａ−２が狭く、配電側コイル１１とステータ側コイル７とを押圧接触させる形状になるよう構成した。このため、ステータ側コイル７と配電側コイル１１が隙間無く密着した状態で溶接できるようになり、溶接性を向上させた電動機１を提供することができる。

実施の形態２．
図５は、本実施の形態２に係る電動機１の構成を示す断面図であり、この電動機１に用いる押圧部材１５を図６に示す。図７は、配電部１０の貫通孔１０ａ周辺を、図２に示すＣＣ線に相当する位置で切断した断面図であり、図７（ａ）は押圧部材１５を取り付ける前の状態、図７（ｂ）は取り付けた後の状態を示す。なお、図５〜図７において、図１〜図４と同一または相当の部分については同一の符号を付し説明を省略する。

本実施の形態２では、上記実施の形態１の押圧部材１４に代えて、弾性体をクリップ状にした押圧部材１５を使用する。配電部１０の貫通孔１０ａから突出したステータ側コイル７と配電側コイル１１の各先端部分を間に挟み込むようにして押圧部材１５を取り付けることにより、ステータ側コイル７と配電側コイル１１とが押圧力Ｆで押圧され、隙間無く密着した状態が維持される。この押圧部材１５には、ステータ側コイル７と配電側コイル１１の先端を露出させる開口部１５ａが形成されているので、押圧部材１５を取り付けたまま、開口部１５ａから露出した両コイルの端部同士をＴＩＧ溶接し、溶接部１３とする。これにより、溶接部１３のＴＩＧ溶接性が安定し、片側溶接および溶け込み不良が発生せず、良好に通電可能となる。

この押圧部材１５は、樹脂部材、金属部材などの弾性を有する部材により構成されている。なお、構成部材が絶縁性の場合には、隣り合う押圧部材１５同士が接触していても構わないが、導電性の場合には、隣り合う押圧部材１５同士が接触しないようにする必要がある。

なお、図示例では、ステータ側コイル７と配電側コイル１１の各端部に対して、押圧部材１５を回転軸方向Ｘから取り付ける構成としたが、これに限定されるものではなく、押圧部材１５を回転軸方向Ｘに直交する方向から取り付けてもよい。直交方向から取り付ける場合には、押圧部材１５が溶接部１３を覆わないので、開口部１５ａは不要である。

以上より、実施の形態２によれば、電動機１は、押圧部材１５として、配電部１０の貫通孔１０ａの開口から露出した配電側コイル１１とステータ側コイル７を挟み込む弾性体を使用する構成にした。このため、ステータ側コイル７と配電側コイル１１が隙間無く密着した状態で溶接できるようになり、溶接性を向上させた電動機１を提供することができる。

実施の形態３．
図８は、本実施の形態３に係る電動機１の構成を示す断面図である。図９は、配電部１０の貫通孔１０ａ周辺を、図２に示すＣＣ線に相当する位置で切断した断面図であり、図９（ａ）はステータ側コイル７を挿入する前の状態、図９（ｂ）は挿入した状態を示す。また、図１０は配電側コイル１１の先端側を拡大した斜視図である。なお、図８〜図１０において、図１〜図４と同一または相当の部分については同一の符号を付し説明を省略する。

本実施の形態３では、貫通孔１０ａの開口から露出した配電側コイル１１の先端部分に、ステータ側コイル７を抱持する２個の腕部（押圧部材）１６が形成されている。図９（ａ）に示すように、貫通孔１０ａを貫通したステータ側コイル７は、その先端部分が配電側コイル１１と腕部１６との隙間に挿入される。そして、腕部１６をかしめることによって、図９（ｂ）に示すように、腕部１６が押圧力Ｆで、ステータ側コイル７を配電側コイル１１の方向へ押圧し、ステータ側コイル７と配電側コイル１１とが隙間無く密着した状態が維持される。この状態でステータ側コイル７と配電側コイル１１の端部同士をＴＩＧ溶接し、溶接部１３とする。これにより、溶接部１３のＴＩＧ溶接性が安定し、片側溶接および溶け込み不良が発生せず、良好に通電可能となる。

なお、腕部１６をかしめる以外の方法により、押圧力Ｆを発生させてもよい。一例として、弾性変形可能な腕部１６を説明する。図１１は、本実施の形態３の変形例を示し、配電側コイル１１の先端側を拡大した平面図である。図１１（ａ）は、ステータ側コイル７を挿入する前の状態、図１１（ｂ）は挿入した状態を示す。
図１１（ａ）に示すように、配電側コイル１１と腕部１６の先端部との間の距離Ｌ１を、ステータ側コイル７の厚みＬ２より小さくする。この腕部１６は、配電側コイル１１を構成する一枚の銅板を加工して形成しているので、弾性変形可能である。従って、ステータ側コイル７はその先端部分で腕部１６を弾性変形させながら、配電側コイル１１と腕部１６の隙間に挿入される。そして、図１１（ｂ）に示すように、腕部１６が弾性変形することによって、押圧力Ｆで、ステータ側コイル７を配電側コイル１１の方向へ押圧し、ステータ側コイル７と配電側コイル１１とが隙間無く密着した状態が維持される。

なお、図８〜図１１の例では、配電側コイル１１の両脇それぞれに腕部１６を形成したが、これに限定されるものではなく、いずれか一方を形成するなど、ステータ側コイル７を抱持できる形状であればよい。

以上より、実施の形態３によれば、電動機１は、押圧部材として、配電側コイル１１の１０ａ開口から露出した部分に形成され、ステータ側コイル７を抱持する腕部１６を有するように構成した。このため、ステータ側コイル７と配電側コイル１１が隙間無く密着した状態で溶接できるようになり、溶接性を向上させた電動機１を提供することができる。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

以上のように、この発明に係る電動機は、平板状のコイル同士の溶接性を向上させるようにしたので、自動車用ターボチャージャおよび電動コンプレッサ等に適用する比較的大きい電力を要する電動機に用いるのに適している。

１電動機、２ハウジング、２ａ，２ｂ当接部、３ステータ部、４，５ステータコア、４ａ，５ａ環状体、４ｂ，５ｂティース、６マグネット、７ステータ側コイル、８モールド部、９ロータ部、９ａ，９ｂ突極、１０配電部、１０ａ貫通孔、１１配電側コイル、１２位置検出センサ、１３溶接部、１４，１５押圧部材、１４ａ，１５ａ開口部、１４ａ−１入口側開口、１４ａ−２出口側開口、１６腕部（押圧部材）、１００ステータ側コイル、１０１配電側コイル、１０２溶接機、１０３溶接部。

Claims

シャフトに一体化したロータ部と、
前記ロータ部の外周を囲う位置に固定され、平板状のステータ側コイルが前記シャフトの軸方向と平行に配設されたステータ部と、
前記ステータ側コイルの端部を貫通させる貫通孔、および、前記貫通孔に前記軸方向と平行に配設されて前記貫通孔開口から露出し、前記貫通孔を貫通した前記ステータ側コイルと溶接された平板状の配電側コイルを有し、当該配電側コイルを介して前記ステータ部に電力供給する配電部と、
前記貫通孔開口から露出した前記配電側コイルと前記ステータ側コイルとを押圧接触させる押圧部材とを備え、
前記押圧部材は、前記配電部の前記貫通孔開口から露出した前記配電側コイルと前記ステータ側コイルを貫通させる開口部を複数有する板状の部材であり、前記開口部は、前記配電側コイルと前記ステータ側コイルの入口側の開口面積に比べて出口側の開口面積が狭く、前記配電側コイルと前記ステータ側コイルとを押圧接触させる形状であることを特徴とする電動機。