JP6192795B2 - ブラシレスモータ - Google Patents

Description

本発明は、ブラシレスモータのロータ構造に関し、特に、マグネット埋め込み式のモータ（ＩＰＭモータ：Interior Permanent Magnet Motor）のロータ構造に関する。

近年、ロータ内部に磁石を埋め込み、マグネットの磁力によるトルクと、ロータの磁化によるリラクタンストルクの両方によってロータを回転させるマグネット埋め込み式のブラシレスモータ（ＩＰＭモータ）の利用が拡大している。ＩＰＭモータは、マグネットトルクに加えてリラクタンストルクを活用できるため、高効率で高トルクなモータとして、ハイブリッド自動車やエアコン等への使用が増加している。

このようなＩＰＭモータでは、ロータ内部に磁石を埋め込むに当たり、電磁鋼板を積層して形成したロータコアにマグネット取付用の孔を設け、その中にマグネットを収容固定する。このマグネット収容孔は、ロータコアを軸方向に貫通する形で形成され、その内にマグネットが収容される。その際、マグネットの固定には一般に接着剤が使用されており、マグネットを取付孔内に挿入した後でそこに接着剤を注入したり、予めマグネットの側面に接着剤を塗布した後に収容孔に挿入したりすることにより、マグネットを取付孔に収容固定している。

特開２００３−３７９５５公報 特表２００６−５０９４８３公報

しかしながら、接着剤をロータコアに注入したり、接着剤塗布済みのマグネットをマグネット収容孔に挿入したりする際、余分な接着剤がコア端面に残ってしまう場合がある。このような接着剤の残余分がロータコアから剥がれると、モータ内に異物が発生してしまうことになり、モータ動作に支障を来すおそれがある。特に、ＩＰＭモータは、ロータコア表面にマグネットを配したＳＰＭモータに比して、ロータとステータとの間の隙間が小さく、そこに剥がれた接着剤の粒などが入り込むと、モータ故障の原因となるおそれがあった。また、接着剤が硬化するまである程度の時間がかかるため、それまではマグネットの位置ずれや脱落を防ぐために、マグネット収容孔内にマグネットを押さえておかなければならず、加工性にも課題があった。

本発明の目的は、ＩＰＭモータにおけるマグネット固定用の接着剤を封止することにより、残余分の剥がれによるモータ故障を防止し、モータの信頼性向上を図ることにある。

本発明のブラシレスモータは、モータケースと、前記モータケースに固定されたステータと、前記モータケースに回転自在に支持されたロータシャフトと、前記ステータの内側に配置され前記ロータシャフトに固定されたロータと、を備えてなるブラシレスモータであって、前記ロータは、磁性材料にて形成されたロータコアと、前記ロータコア内に周方向に沿って等間隔に配置された複数個のマグネット収容孔と、前記マグネット収容孔に収容され接着剤にて固定された複数個のマグネットと、前記ロータコアの端面に装着されるキャップ部材と、を有し、前記キャップ部材は、前記接着剤の残余分を封止する接着剤回避部を有し、前記接着剤回避部は、前記マグネット収容孔に臨んで該マグネット収容孔を塞ぐ状態で設けられ、前記接着剤の残余分が溜まる周方向に沿って延びる周回溝状の凹部を有してなることを特徴とするブラシレスモータ。

前記ブラシレスモータにおいて、前記ロータの回転角度検出手段としてレゾルバを設けるとともに、前記キャップ部材の前記凹部とは反対側の端面に、前記レゾルバのロータと接続されるレゾルバロータ取付部を設けても良い。

また、前記キャップ部材の前記レゾルバロータ取付部とは反対側の端面に、前記レゾルバとの位置決めをするための突起部を設けるとともに、前記ロータコアに、前記突起が嵌合する嵌合孔を設け、前記レゾルバロータ取付部を、前記突起と前記嵌合孔とが嵌合した状態にて、前記ロータコアと所定の角度位置関係に配置しても良く、これにより、キャップ部材によってレゾルバロータとマグネットの位置関係が機械的に設定され、治具等を用いることなく、両者の位置決めを行うことができる。

本発明のブラシレスモータによれば、ロータコアの端面にキャップ部材を装着し、このキャップ部材にマグネット収容孔に臨んで凹部を設けたので、マグネット固定用の接着剤がマグネット収容孔内からはみ出ても凹部内に封止される。従って、接着剤の残余分がロータコアから剥がれ落ちて、モータ内に異物が発生してしまうことがない。このため、異物によるモータ故障を防止することができ、モータの信頼性向上を図ることが可能となる。

本発明の一実施形態であるブラシレスモータの断面図である。 ロータコアの構成を示す分解斜視図である。 図１のモータにおけるマグネットの収容構造を示す説明図である。 オーバーハングの有無によるトルクと回転数及び電流値との関係を示したグラフである。 本発明の変形例を示す説明図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態である電動パワーステアリング装置用モータの断面図である。図１のモータ１は、例えば、コラムアシスト式ＥＰＳの動力源として使用され、自動車のステアリングシャフトに対し動作補助力を付与する。モータ１は、図１に示すように、外側にステータ（固定子）２、内側にロータ（回転子）３を配したインナーロータ型のブラシレスモータである。モータ１は、ステアリングシャフトに設けられた図示しない減速機構部に取り付けられ、モータ１の回転は、この減速機構部によってステアリングシャフトに減速されて伝達される。

ステータ２は、有底円筒形状のハウジング４と、ステータコア５、後述するステータコア５のティースに巻装された界磁コイル６（以下、コイル６と略記する）及びステータコア５に取り付けられるバスバーユニット７とから構成されている。ハウジング４は、鉄等にて有底円筒状に形成されており、モータヨークを兼ねている。ハウジング４の開口部には、固定ネジ１０によって合成樹脂製のブラケット８が取り付けられる。ステータコア５には合成樹脂製のインシュレータ１１が取り付けられており、インシュレータ１１の外側にはコイル６が巻装されている。ステータコア５の一端側には、コイル６の端部６ａが引き出されている。

ステータコア５には、径方向に沿って中心方向に延びるティースが周方向に沿って複数個形成されている。各ティースの間には、ティースに巻装されたコイル６が収容される。ステータコア５の一端側には、コイル６と電気的に接続されるバスバーユニット７が取り付けられている。バスバーユニット７は、合成樹脂製の本体部内に銅製のバスバー９がインサート成形された構成となっている。バスバー９には複数個の給電用端子１２が径方向に突設されており、バスバーユニット７の周囲にはこの給電用端子１２が放射状に突出している。

一方、バスバー９の端部は、バスバーユニット７の端面から軸方向に延出され、バスバー端子３３を形成している。バスバーユニット７の取り付けに際し、コイル端部６ａは給電用端子１２と溶接される。バスバーユニット７では、バスバー９は、モータ１の相数に対応した個数（ここでは、Ｕ相,Ｖ相,Ｗ相分の３個と各相同士の接続用の１個の計４個）設けられており、各コイル６は、その相に対応した給電用端子１２と電気的に接続される。ステータコア５は、バスバーユニット７を取り付けた後、ハウジング４内に圧入固定される。

ステータ２の内側にはロータ３が挿入されている。ロータ３は、モータ回転軸となるシャフト１３を有している。シャフト１３は、ボールベアリング（以下、ベアリングと略記する）１４ａ,１４ｂによって回転自在に支持されている。リヤ側のベアリング１４ａは、ハウジング４の底部中央に形成されたベアリング収容部４ａに圧入固定されている。フロント側のベアリング１４ｂは、金属製のベアリングホルダ１５によって、ブラケット８の中央部に固定されている。

シャフト１３には、電磁鋼板を積層して形成したロータコア１６（１６ａ,１６ｂ）が固定されている。図２は、ロータコア１６の構成を示す分解斜視図である。モータ１はＩＰＭ型の構成となっており、ロータコア１６には、周方向に沿ってマグネット収容孔１７（１７ａ,１７ｂ）が複数個等分に形成されている。各マグネット収容孔１７内には、セグメント型のマグネット（永久磁石）１８が収容固定されている。マグネット１８は、前述同様、マグネット収容孔１７内に接着剤にて固定される。

モータ１では、マグネット１８は、周方向に沿って６個×軸方向に２列（マグネット１８ａ,１８ｂ）配置されている。モータ１では、マグネット１８ａと１８ｂは周方向に所定角度ずれた形で配置されており、ロータ３はステップスキュー構造となっている。また、ロータコア１６の軸方向長Ｌｃは、マグネット１８の軸方向長Ｌｍよりも長くなっている。マグネット１８をマグネット収容孔１７内に収容すると、マグネット１８の両端にはオーバーハング部１９による空隙部２０が形成される。

ロータコア１６の軸方向端部には、非磁性体（例えば、合成樹脂製）のロータキャップ（キャップ部材）４１,４２が取り付けられている。また、ロータコア１６ａと１６ｂの間にも、同じく非磁性体のコアスペーサ（スペーサ部材）４３が介装されている。ロータキャップ４１の図２において左端側には、ロータ３の回転角度検出手段であるレゾルバ２１のロータ（レゾルバロータ）２２が取り付けられる。ロータキャップ４１の端部にはレゾルバロータ取付片（レゾルバロータ取付部）４４が突設されており、レゾルバロータ２２は、このレゾルバロータ取付片４４に装着される。

これに対し、レゾルバ２１のステータ（レゾルバステータ）２３は、金属製のレゾルバホルダ２４内に圧入され、合成樹脂製のブラケットホルダ２５に収容されている。レゾルバホルダ２４は有底円筒形状に形成されており、ブラケット８の中央部に設けられたリブ２６の端部外周に軽圧入される。ブラケットホルダ２５は、後述するレゾルバ固定ネジ２８によって、ブラケット８の内側に固定される。

ブラケットホルダ２５とブラケット８は、両者間にレゾルバホルダ２４のフランジ部２４ａを介在させた形で、レゾルバ固定ネジ２８にて固定される。なお、フランジ部２４ａは、ブラケットホルダ２５とブラケット８との間にて、周方向に若干移動可能に取り付けられており、レゾルバホルダ２４は、ステータ２３の位置調整後、前述のレゾルバ固定ネジ２８によってブラケットホルダ２５に固定される。図１に示すように、ブラケットホルダ２５には、金属製のレゾルバ固定ナット２７が取り付けられている。レゾルバ固定ナット２７には、ブラケット８の外側からレゾルバ固定ネジ２８がねじ込まれ、ベアリングホルダ１５とレゾルバホルダ２４がブラケット８に共締めされる。これにより、レゾルバホルダ２４は、周方向の位置が調整された状態でブラケット８の内側に固定される。

ブラケット８にはまた、パワーターミナル３１がインサート成形されている。パワーターミナル３１はＵ,Ｖ,Ｗの各相ごとに設けられ、その一端側３１ａが開口部３２内に配置されている。パワーターミナル３１の他端側３１ｂは、パワーコネクタ３４内に配置されている。ブラケット８をハウジング４に組み付けると、バスバーユニット７から軸方向に延びるバスバー端子３３がパワーターミナル３１と並列に対向する。モータ１では、ハウジング４にブラケット８を取り付けた後、開口部３２内にてバスバー端子３３とパワーターミナル３１を溶接固定する。

ここで、ロータキャップ４１の図２において右端側には、各マグネット収容孔１７に嵌合する複数の突起部４５が突設されている。また、ロータキャップ４２の図２において左端側にも、同様の複数の突起部４６が突設されている。ロータキャップ４１では、突起部４５とレゾルバロータ取付片４４は、所定の角度位置関係に配置されている。従って、各突起部４５を対応するマグネット収容孔１７に嵌合させることにより、レゾルバロータ２２とマグネット１８との位置関係が機械的に設定され、治具等を用いることなく、両者の位置決めを行うことが可能となる。

さらに、コアスペーサ４３の軸方向両端面にも、複数の突起部４７ａ,４７ｂが突設されている。これらの各突起部４７ａ,４７ｂも、ロータコア１６の対応するマグネット収容孔１７に嵌合する。突起部４７ａ,４７ｂは、所定の角度位置関係にて配置されている。従って、突起部４７ａ,４７ｂを１７ａ,１７ｂにそれぞれ嵌合させることにより、マグネット１８ａ,１８ｂの位置関係が機械的に設定される。これにより、ロータ３は、所定のスキュー角を有するステップスキュー構造となる。

一方、前述のように、マグネット収容孔１７内では、マグネット１８の両端にはロータコア１６のオーバーハング部１９によって空隙部２０が形成されている。図３は、モータ１におけるマグネット１８の収容構造を示す説明図である。図３に示すように、ロータキャップ４１,４２の突起部４５,４６や、コアスペーサ４３の突起部４７ａ,４７ｂは、このオーバーハング部１９による空隙部２０内に挿入される。モータ１においても、マグネット１８は、接着剤４０にてマグネット収容孔１７内に固定され、前述のように、余分な接着剤がマグネット１８の軸方向端部から溢れ出てしまう場合がある。

これに対し、当該モータ１では、空隙部２０が設けられているため、その中に接着剤の残余分４０ａが溜まる。また、ロータコア１６の端部には、ロータキャップ４１,４２やコアスペーサ４３が取り付けられ、それらの突起部４５,４６,４７ａ,４７ｂが空隙部２０を塞ぐように嵌合する。このため、接着剤４０は、マグネット収容孔１７内に封止される形となり、その残余分４０ａもロータコア１６の外部には現れない。従って、接着剤の残余分がロータコアから剥がれ落ちて、モータ内に異物が発生してしまうことがなく、異物によるモータ故障を防止することができ、モータの信頼性向上を図ることが可能となる。

さらに、当該モータ１では、ロータキャップ４１,４２とコアスペーサ４３の各突起部４５,４６,４７ａ,４７ｂによって、マグネット収容孔１７内にマグネット１８が軸方向においてある程度位置決めされるため、接着剤４０の接着強度不足によるマグネット１８の不用意な移動や脱落も防止でき、加工時間の短縮が可能となり、生産性を向上させることができる。

また、図４は、オーバーハングの有無によるトルクと回転数及び電流値との関係を示したグラフであり、発明者らの実験によれば、同一マグネットを用いてオーバーハング部１９を片側１.５ｍｍずつ設けた場合、モータトルクが約７％向上した。これは、オーバーハング部１９を設けることにより、マグネット端部の磁束を有効活用できたためと考えられる。

本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
例えば、前述の実施形態では、回転角度検出手段としてレゾルバを用いた構成を示したが、回転角度検出手段はレゾルバには限定されず、ホールセンサ等の他の回転角度検出手段を用いても良い。その際、ステップ角のみを設定する仕様であれば、片側のみ（コアスペーサ側のみ）を接着剤封止仕様としても良い。この場合、ロータコア両端にはロータキャップは設けず、マグネット収容孔は開放仕様となるので、コアスペーサ側に接着剤を押し込むような設定とすることが好ましい。一方、ステップスキュー仕様ではない場合には、片側のみ（ロータキャップ４１側のみ）を接着剤封止仕様とすることも可能である。この場合も、ロータコアの他端側にはロータキャップを設けず開放仕様となるため、ロータキャップ４１側に接着剤を押し込むような設定とすることが好ましい。

また、前述の実施形態では、レゾルバとの位置決めやステップ角の設定のため、ロータキャップやコアスペーサに突起を設け、これを空隙部に嵌合させる構成としたが、接着剤の残余分をカバーしその飛散を防止するという趣旨であれば、ロータキャップ等に、マグネット収容孔１７に臨んで図５のような凹部（周回溝）４８を刻設し（接着剤回避部）、レゾルバとの位置決めやステップ角の設定を、例えば、ロータキャップに突起を設け、ロータコアにその突起が嵌合する嵌合孔を設けるようにして行っても良い。ロータキャップやコアスペーサにこのような凹部４８を設けることにより、マグネット固定用の接着剤４０がマグネット収容孔１７内からはみ出ても、それは凹部４８内に封止される。従って、接着剤の残余分がロータコアから剥がれ落ちて、モータ内に異物が発生してしまうことがなく、異物によるモータ故障を防止することができ、モータの信頼性向上を図ることが可能となる。

さらに、前述の実施形態では、本発明によるブラシレスモータを電動パワーステアリング装置の駆動源として使用した場合について説明したが、本発明は、他の車載電動装置や、ハイブリッド自動車、電気自動車、エアコン等の電気製品等に広く適用可能である。

１ モータ
２ ステータ
３ ロータ
４ ハウジング
４ａ ベアリング収容部
５ ステータコア
６ 界磁コイル
６ａ コイル端部
７ バスバーユニット
８ ブラケット
９ バスバー
１０ 固定ネジ
１１ インシュレータ
１２ 給電用端子
１３ シャフト
１４ａ,１４ｂ ベアリング
１５ ベアリングホルダ
１６ ロータコア
１６ａ,１６ａ ロータコア
１７ マグネット収容孔
１８ マグネット
１８ａ,１８ｂマグネット
１９ オーバーハング部
２０ 空隙部
２１ レゾルバ
２２ レゾルバロータ
２３ ステータ
２４ レゾルバホルダ
２４ａ フランジ部
２５ ブラケットホルダ
２６ リブ
２７ レゾルバ固定ナット
２８ レゾルバ固定ネジ
３１ パワーターミナル
３１ａ パワーターミナル一端側
３１ｂ パワーターミナル他端側
３２ 開口部
３３ バスバー端子
３４ パワーコネクタ
４０ 接着剤
４０ａ 残余分
４１ ロータキャップ（キャップ部材）
４２ ロータキャップ（キャップ部材）
４３ コアスペーサ（スペーサ部材）
４４ レゾルバロータ取付片
４５ 突起部
４６ 突起部
４７ａ,４７ｂ 突起部
４８ 凹部
Ｌｃ ロータコア軸方向長
Ｌｍ マグネット軸方向長

Claims (3)

1. モータケースと、前記モータケースに固定されたステータと、前記モータケースに回転自在に支持されたロータシャフトと、前記ステータの内側に配置され前記ロータシャフトに固定されたロータと、を備えてなるブラシレスモータであって、
   前記ロータは、磁性材料にて形成されたロータコアと、前記ロータコア内に周方向に沿って等間隔に配置された複数個のマグネット収容孔と、前記マグネット収容孔に収容され接着剤にて固定された複数個のマグネットと、前記ロータコアの端面に装着されるキャップ部材と、を有し、
   前記キャップ部材は、前記接着剤の残余分を封止する接着剤回避部を有し、
   前記接着剤回避部は、前記マグネット収容孔に臨んで該マグネット収容孔を塞ぐ状態で設けられ、前記接着剤の残余分が溜まる周方向に沿って延びる周回溝状の凹部を有してなることを特徴とするブラシレスモータ。
2. 請求項１記載のブラシレスモータにおいて、
   該ブラシレスモータは、前記ロータの回転角度検出手段としてレゾルバを備え、
   前記キャップ部材は、前記凹部とは反対側の端面に、前記レゾルバのロータと接続されるレゾルバロータ取付部を有することを特徴とするブラシレスモータ。
3. 請求項２記載のブラシレスモータにおいて、
   前記キャップ部材は、前記レゾルバロータ取付部とは反対側の端面に、前記レゾルバとの位置決めをするための突起を有し、
   前記ロータコアは、前記突起が嵌合する嵌合孔を有し、
   前記レゾルバロータ取付部は、前記突起部と前記嵌合孔とが嵌合した状態にて、前記ロータコアと所定の角度位置関係に配置されてなることを特徴とするブラシレスモータ。

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