JP6079062B2 - 回転機 - Google Patents

Description

本発明は、ステータの内側でロータが回転するインナーロータ型の回転機に関する。

電動機や発電機等の回転機のステータにおいて、ステータコアに巻回されるステータコイルは、ステータコアの端面に形成したスロットからロータの回転中心軸方向外側に導出されるコイルエンド部を有している。そして、コイルエンドに対する配線は、円筒状のケーシングとその両端の端部部材による回転機のハウジングを、ロータの回転中心軸方向又はこれと直交する径方向に貫通し、ハウジングの外側に直接引き出されるのが一般的である。

ところが、コイルエンドからの配線を回転機のハウジングの外側に直接引き出すと、配線が貫通するケーシングや端部部材に、コネクタを兼ねた配線補強部材を設ける必要があり、ロータの回転軸中心方向や径方向に回転機が大型化する要因となってしまう。

そこで、ステータの外側でロータが回転するアウターロータ型の回転機については、ステータの中心を貫通する固定軸の内部にコイルエンドからの配線を引き込んで、固定軸の端部から固定軸の外側に配線を引き出すことが提案されている（例えば、特許文献１）。このような構成とすれば、配線を引き出すための構造をハウジングに設けなくても、回転機の外側に露出した固定軸の端面から配線を容易に外側に引き出すことができる。

特開平５−８３９１２号公報

コイルエンドからの配線を上述したように引き出す構成は、ステータコアが固定軸に直接取り付けられるアウターロータ型の回転機では容易に実現できる。しかし、ステータコアがロータの径方向外側に配置されたインナーロータ型の回転機では、ロータを跨いでコイルエンドから回転機の中心軸（回転軸又は固定軸）に配線を引き回す必要があり、ロータとの干渉を避けるための工夫が必要となる。

本発明は前記事情に鑑みなされたもので、本発明の目的は、ステータの内側でロータが回転するインナーロータ型の回転機において、コイルエンドからの配線を含む電気回路による大型化を防止することができる回転機を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１に記載した本発明の回転機は、
ハウジングの内部に収容した筒状のステータコアの内側でロータが回転する回転機において、
前記ロータの回転中心軸方向における前記ハウジングの端部で固定支持された軸であって、該軸の外周面上の軸受により前記軸の外側に配置した前記ロータを回転可能に支持する固定軸と、
前記ステータコアのコイルエンドから前記回転中心軸方向における前記ロータの側方を経て前記固定軸に至り、さらに、該固定軸の内部を通過して、前記ハウジングの外部に露出した前記固定軸の前記回転中心軸方向における端部に至るように配置された電気回路と、
を備えることを特徴とする。

請求項１に記載した本発明の回転機によれば、コイルエンドから固定軸までの電気回路部分を、ロータの回転中心軸方向におけるロータの側方に配置することで、電気回路とロータとの干渉を防ぐことができる。そして、固定軸の内部を経てハウジングの外部に露出した固定軸の端部に電気回路を配置することで、電気回路を引き出すための構造をハウジングに設けなくてもハウジングの外方に電気回路を引き出すことができる。

したがって、ステータの内側でロータが回転するインナーロータ型の回転機において、コイルエンド空の配線を含む電気回路のハウジングから外側への引き出しによる回転機の大型化を防止することができる。

また、請求項２に記載した本発明の回転機は、請求項１に記載した本発明の回転機において、前記回転中心軸方向における前記ハウジングの一端を貫通して該ハウジングの内部から外部に延出し、前記回転中心軸を回転中心として前記ロータと一体に回転する回転軸をさらに備えており、前記固定軸が、前記回転中心軸方向における前記ハウジングの他端から突設されて前記ハウジングの前記一端側を自由端としており、前記ロータが、前記回転軸を介して前記固定軸の前記自由端側に支持されており、前記電気回路の前記コイルエンドから前記固定軸までの部分が、前記回転中心軸方向における前記ハウジングの他端側において前記ロータの側方に配置され、前記電気回路の他の部分が、前記ハウジングの前記他端において該ハウジングの外部に露出した前記固定軸の前記端部に至るように配置されていることを特徴とする。

請求項２に記載した本発明の回転機によれば、請求項１に記載した本発明の回転機において、ロータの回転中心軸方向におけるハウジングの一端側では、ロータと一体の回転軸を回転可能に支持するために、固定軸が自由端とされており、ハウジングの一端に固定軸が達していない。したがって、固定軸の自由端からは固定軸の内部の電気回路をハウジングの外方に引き出すことができない。

一方、ロータの回転中心軸方向におけるハウジングの他端側では、固定軸がハウジングの他端から突設されていることから、固定軸の内部の電気回路をハウジングの外方に引き出すことができる。したがって、ハウジングの他端側に電気回路を配置することで、ロータと干渉させずに電気回路を、固定軸の内部を経てハウジングの外方に引き出すことができる。

さらに、請求項３に記載した本発明の回転機は、請求項１又は２に記載した本発明の回転機において、前記電気回路が、前記コイルエンドに電気的に接続されて電力の直交変換又は交直変換を行う電源回路を含んでおり、該電源回路が前記固定軸の内部に収容されていることを特徴とする。

請求項３に記載した本発明の回転機によれば、請求項２に記載した本発明の回転機において、電気回路がインバータ等の電力を直交変換又は交直変換する電源回路を固定軸の内部に収容することから、電気回路が電源回路を含む場合に電源回路の存在により回転機が大型化するのを防止することができる。

本発明によれば、ステータの内側でロータが回転するインナーロータ型の回転機において、コイルエンド空の配線を含む電気回路のハウジングから外側への引き出しによる回転機の大型化を防止することができる。

本発明の一実施形態に係る回転機の概略構成を示す説明図である。 集中巻きの場合における図１のステータコアの端面部分を拡大して示す説明図である。 分布巻きの場合における図１のステータコアの端面部分を拡大して示す説明図である。 図１のコイルエンド部の構成を拡大して示す断面図である。 （ａ），（ｂ）は本発明の他の実施形態に係る回転機の概略構成を示す説明図及び側面図である。 （ａ），（ｂ）は本発明のさらに他の実施形態に係る回転機の概略構成を示す説明図及び側面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は本発明の一実施形態に係る回転機を示す説明図である。本実施形態の回転機は、電動モータとしても使用でき、発電機としても使用できる。

そして、本実施形態の回転機は、円筒状のケーシング１の内部に円筒状のステータコア３を収容している。ステータコア３の内部には円筒状のロータ５が配置されており、このロータ５は、ステータコア３の内側に、必要なエアギャップを持たせて配置されている。ロータ５は、中空のシャフト７（請求項中の固定軸に相当）に軸受９を介して回転可能に支持されている。

ケーシング１の両開放端には側壁部材１１ａ，１１ｂがそれぞれ取り付けられており、ロータ５の回転中心軸方向におけるケーシング１の一端側の側壁部材１１ａにはギヤカバー１１ｃが外付けされていて、ケーシング１と側壁部材１１ａ，１１ｂとギヤカバー１１ｃとで回転機のハウジングを構成している。

ロータ５の回転中心軸方向におけるハウジングの一端側では、シャフト７の端部が側壁部材１１ａを貫通してギヤカバー１１ｃに固定され、シャフト７の中空部７ａがハウジングの外部に露出している。一方、ロータ５の回転中心軸方向におけるハウジングの他端側では、シャフト７の端部が側壁部材１１ｂに固定されて、シャフト７の中空部７ａがハウジングの外部に露出している。

ロータ５の回転中心軸方向における一端には円筒状のギヤ部材１３が連結されており、ギヤ部材１３の外歯ギヤ１３ａは、側壁部材１１ａを貫通してギヤカバー１１ｃの内部空間に配置されている。外歯ギヤ１３ａには出力ギヤ１５が噛合している。出力ギヤ１５に連結された出力軸１５ａは、ギヤカバー１１ｃに形成した開口部１１ｄから外部に突出させて、例えば電気自動車の差動機構に連結する。

ロータ５の回転中心軸方向におけるステータコア３の両端面は、図２の説明図に示すように、円環状を呈しており、各端面は、ステータコア３の周方向に等間隔をおいて複数のスロット３ａ，３ａ，…を有している。図２には集中巻きでステータコイルを巻回した場合の端面部分を拡大して示している。ステータコア３の各スロット３ａ，３ａ間のティース３ｂには、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の何れかのコイル１７が巻回されている。各コイル１７のコイルエンド１７ａからの配線１７ｂ（請求項中の電気回路に相当）は、ロータ５の回転方向に間隔をおいてシャフト７の周面に複数形成した貫通孔７ｂ，７ｂ，…を通してシャフト７の中空部７ａに引き込まれている。

図１に示すように、各コイルエンド１７ａの配線１７ｂは、シャフト７の径方向に延在し、ロータ５の回転中心軸方向における側壁部材１１ｂ側の側方を経てシャフト７の中空部７ａに至っている。シャフト７の中空部７ａ内で各配線１７ｂは、ギヤカバー１１ｃ側か側壁部材１１ｂ側のシャフト７の端部７ｃ，７ｄまで引き出され、端部７ｃ，７ｄに嵌合したコネクタ１９の端子（図示せず）に接続される。

なお、ステータコア３のコイル１７が分散巻きの場合は、図３の説明図に示すように、３つおきの各スロット３ａに、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の何れかのコイル１７が挿通される。そして、各コイルエンド１７ａからの配線１７ｂは、ロータ５の回転方向に間隔をおいてシャフト７の周面に複数形成した貫通孔７ｂ，７ｂ，…を通してシャフト７の中空部７ａに引き込まれている。

ちなみに、図３では、隣り合う３つのスロット３ａからＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各コイルエンド１７ａからの配線１７ｂをシャフト７の中空部７ａに引き込んでいる。しかし、例えば、ほぼ１２０゜ずつ位相をずらした３箇所のスロット３ａからＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各コイルエンド１７ａからの配線１７ｂをシャフト７の中空部７ａに引き込む等、コイルエンド１７ａからの配線１７ｂをシャフト７の中空部７ａに引き込むスロット３ａの位置は任意である。

これに対し、従来の回転機では、図面を用いた説明を省略するが、ケーシング１の周面の１箇所や、スロット３ａからロータ５の回転中心軸方向に平行に位置をずらした側壁部材１１ａ，１１ｂ又はギヤカバー１１ｃの中心から偏心した１箇所で、３本のコイルエンド１７ａからの配線をまとめてハウジングの外方に引き出している。そのため、ステータコア３の端面の外側で、不図示の絶縁紙により相互に絶縁した状態でそれらのコイルエンド１７ａからの配線を束ねて、ステータコア３の端面に沿って延在する円環状のコイルエンド部を構成する必要がある。

このように各コイルエンド１７ａからの配線を束ねてコイルエンド部を構成することから、従来の回転機には、ロータ５の回転中心軸方向におけるステータコア３の外側にコイルエンド部の収容空間が必要であり、ハウジング、ひいては回転機が大型化してしまう。また、ケーシング１や側壁部材１１ａ，１１ｂ、あるいは、ギヤカバー１１ｃの、コイルエンド１７ａからの配線が貫通する部分に、補強部材を兼ねたコネクタ等を設けることでも、ハウジング、ひいては回転機が大型化してしまう。

一方、上述した構成の本実施形態に係る回転機では、図２の集中巻きや図３の分散巻きのいずれの場合にも、コイル１７のコイルエンド１７ａからの配線１７ｂをステータコア３の端面に沿って円環状に配線する必要がなく、シャフト７の中空部７ａに直接引き込む。このため、ロータ５の回転中心軸方向におけるステータコア３の外側にコイルエンド部の収容空間が必要なく、これにより、ハウジング、ひいては回転機が大型化するのを防ぐことができる。

そして、ロータ５の回転中心軸方向において回転機の大型化を防ぐことができるのは、回転機全長の短小化によるコストダウンを図る上で有利である。また、回転機が高速モータである場合は、モータ全長の短小化はロータダイナミクスの上でも有利になる。

また、本実施形態の回転機では、図１に示すように、ステータコア３からロータ５の側方を経てシャフト７の中空部７ａにコイルエンド１７ａからの配線１７ｂを引き込む。このため、ステータコア３の内側にロータ５が配置されるインナーロータ型であっても、ロータ５に干渉しないようにコイルエンド１７ａからの配線１７ｂを配置し、配線１７ｂの断線等を防ぐことができる。

なお、回転機を組み立てるために、回転機の各構成要素をロータ５の回転中心軸方向に挿入、嵌装する際に、上述したようにコイルエンド１７ａからの配線１７ｂを配置するのは困難を伴う可能性がある。そこで、図４の断面図に示すように、シャフト７の中空部７ａにおける配線１７ｂをバスバー２１化し、ロータ５と干渉しないシャフト７の周面箇所からシャフト７の外側に各バスバー２１の端子２１ａを突出させて、組み立ての際にコイルエンド１７ａからの配線１７ｂの端子１７ｃを、シャフト７側の端子２１ａに取り付けるようにしてもよい。

また、コイルエンド１７ａからの配線１７ｂもバスバーのようにリジットな部材で構成し、組み立ての過程で配線１７ｂの端子１７ｃがバスバー２１の端子２１ａに弾接又は嵌合（挟持）するように構成してもよい。

そのように構成する場合、バスバー２１やリジットな部材で構成した配線１７ｂも、請求項中の電気回路に相当することになる。

さらに、図５（ａ）の説明図に示すように、ロータ５の回転中心軸方向におけるハウジングの他端側の側壁部材１１ｂから突設した片持ちのシャフト２３に、その先端（自由端）側から嵌装したロータ５を軸受９を介して回転可能に支持する構成の回転機にも、先の実施形態で説明したコイルエンド１７ａの配線１７ｂの引き回しに関する構成を適用することができる。

図５（ａ）の構成の回転機では、ロータ５の回転中心軸方向における一端には有底円筒状の出力部材２５が連結されている。出力部材２５の中心に突設した出力軸２５ａは、ロータ５の回転中心軸方向におけるハウジングの一端側の側壁部材１１ａを貫通してハウジングの外部に突出している。この回転機では、図１のギヤ部材１３等を省略しているので、ギヤカバー１１ｃも省略されている。なお、本実施形態では、出力部材２５及び出力軸２５ａが、請求項中の回転軸に相当している。

図５（ａ）の構成の回転機では、シャフト２３の中空部２３ａが外部に露出するのが側壁部材１１ｂに限られる。このため、シャフト２３の中空部２３ａに引き込まれたコイルエンド１７ａからの配線１７ｂは、シャフト２３の側壁部材１１ｂ側の端部２３ｃまで引き出され、端部２３ｃに嵌合したコネクタ１９の端子（図示せず）に接続される。このコネクタ１９は、図５（ｂ）に示すように、側壁部材１１ｂの中央に形成された凹部１１ｅに配置される。

また、図６（ａ）の説明図や図６（ｂ）の側面図に示すように、シャフト２３の中空部２３ａを拡張し、コイルエンド１７ａからの配線１７ｂに介設する電源回路２７を、緩衝材２９を介して中空部２３ａに収容してもよい。この電源回路２７は、回転機を電動モータとして使用する場合のインバータや、回転機を発電機として使用する場合の整流器（コンバータ）である。

なお、図６（ａ），（ｂ）ではコネクタを図示していないが、図５（ａ），（ｂ）の構成の回転機と同様に、シャフト２３の側壁部材１１ｂ側の端部２３ｃにコネクタを嵌合し、このコネクタの端子にコイルエンド１７ａからの配線１７ｂを接続してもよい。

図６（ａ），（ｂ）の回転機が、電源回路２７をシャフト２３の中空部２３ａに収容することから、コイル１７に連なる電気回路がコイルエンド１７ａと共に電源回路２７を含む場合に、電源回路２７の存在により回転機が大型化するのを防止することができる。

そして、上述した図５（ａ），（ｂ）や図６（ａ），（ｂ）の各実施形態の回転機でも、いずれも、図１の実施形態の回転機と同様に、ロータ５の回転中心軸方向におけるステータコア３の外側にコイルエンド部の収容空間が必要ない構成として、ハウジング、ひいては回転機が大型化するのを防ぐことができる。

１ ケーシング
１ａ 内周面
３ ステータコア
３ａ スロット
５ ロータ
７，２３ シャフト
７ａ，２３ａ 中空部
７ｂ 貫通孔
７ｃ，７ｄ，２３ｃ 端部
９，７Ａ 軸受
１１ａ，１１ｂ 側壁部材
１１ｃ ギヤカバー
１１ｄ 開口部
１１ｅ 凹部
１３ ギヤ部材
１３ａ 外歯ギヤ
１５ 出力ギヤ
１５ａ，２５ａ 出力軸
１７ コイル
１７ａ コイルエンド
１７ｂ 配線
１７ｃ，２１ａ 端子
１９ コネクタ
２１ バスバー
２５ 出力部材
２７ 電源回路
２９ 緩衝材

Claims (3)

1. ハウジングの内部に収容した筒状のステータコアの内側でロータが回転する回転機において、
   前記ロータの回転中心軸方向における前記ハウジングの端部で固定支持された軸であって、該軸の外周面上の軸受により軸受けして前記軸の外側に配置した前記ロータを回転可能に支持する固定軸と、
   前記ステータコアのコイルエンドから前記回転中心軸方向における前記ロータの側方を経て前記固定軸に至り、さらに、該固定軸の内部を通過して、前記ハウジングの外部に露出した前記固定軸の前記回転中心軸方向における端部に至るように配置された電気回路と、
   を備えることを特徴とする回転機。
2. 前記回転中心軸方向における前記ハウジングの一端を貫通して該ハウジングの内部から外部に延出し、前記回転中心軸を回転中心として前記ロータと一体に回転する回転軸をさらに備えており、前記固定軸は、前記回転中心軸方向における前記ハウジングの他端から突設されて前記ハウジングの前記一端側を自由端としており、前記ロータは、前記回転軸を介して前記固定軸の前記自由端側に支持されており、前記電気回路の前記コイルエンドから前記固定軸までの部分は、前記回転中心軸方向における前記ハウジングの他端側において前記ロータの側方に配置され、前記電気回路の他の部分は、前記ハウジングの前記他端において該ハウジングの外部に露出した前記固定軸の前記端部に至るように配置されていることを特徴とする請求項１記載の回転機。
3. 前記電気回路は、前記コイルエンドに電気的に接続されて電力の直交変換又は交直変換を行う電源回路を含んでおり、該電源回路は前記固定軸の内部に収容されていることを特徴とする請求項１又は２記載の回転機。

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