JP6505865B2

JP6505865B2 - 電動機

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Publication number: JP6505865B2
Application number: JP2017552382A
Authority: JP
Inventors: 旭藤原; 中山　賢治; 賢治中山; 省三川崎; 金澤　宏至; 宏至金澤; 昌宏細谷
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Engineering Co Ltd
Current assignee: Hitachi Automotive Systems Engineering Co Ltd
Priority date: 2015-11-26
Filing date: 2016-11-18
Publication date: 2019-04-24
Anticipated expiration: 2036-11-18
Also published as: JPWO2017090513A1; US20180367006A1; CN108352748A; CN108352748B; WO2017090513A1

Description

本発明は電動機に係り、特に巻線が分割コアに巻回された電動機に関するものである。

一般に、永久磁石が設けられているロータと、巻線が巻回された電磁巻線を備えたステータとにより構成されているブラシレス方式の電動機においては、そのステータのティースに巻回されている巻線の密度（占積率）が高いほど性能を高めることができる。例えば、特開２０１４−１６６１０２号公報（特許文献1）においては、平角線一本分の空間が形成されるように、平角線を多層に巻回して電磁巻線を形成することが記載されている。

この特許文献１では、奇数層の平角線は、コアバックから鍔部に向かって巻回されると共に、偶数層の平角線は、鍔部からコアバックに向かって巻回され、各層のスロットへ平角線が巻き始められる位置をそれぞれ始線位置とし、各層の巻胴部を中心にして始線位置とは線対称の位置をそれぞれ終線位置としたとき、奇数層の終線位置に平角線一本分の空きスペースが形成されるように、平角線を多層に巻回して電磁巻線を形成するものである。

特開２０１４−１６６１０２号公報

上述した特許文献１においては、ステータのティースに巻回されている巻線の密度を高めるために、各層のスロットへ平角線が巻き始められる位置をそれぞれ始線位置とし、各層の巻胴部を中心にして始線位置とは線対称の位置をそれぞれ終線位置としたとき、奇数層の終線位置に平角線一本分の空きスペースが形成されるように、平角線を多層に巻回するものである。

ところで、平角線に限らず丸線を用いた電磁巻線を備えたステータにおいても、ステータのティース間の断面形状（スロット形状）が扇形状をしているため、巻線の密度を高めて巻線すると、１つのティースの内周側の巻線が、隣接するティースに巻回された巻線と接近するため、電気的絶縁状態を良好に保つのが困難であるという課題がある。例えば、ティース間で隣接する巻線が接触し、振動によって擦れることで巻線の絶縁被膜が損傷して短絡することも想定されるものである。尚、これらの課題の詳細については供述する。

本発明の目的は、隣接するティース間の内周側の巻線の電気的絶縁性能を向上することができる新規な電動機を提供することにある。

本発明の特徴は、少なくとも３層に亘って巻線がティースに巻回され、第１巻線層の巻線がコアバックから鍔部に向かって巻回され、第２巻線層の前記巻線が前記第１巻線層の上で鍔部からコアバックに向かって巻回されていると共に、ティースに巻回される第1巻線層の巻線の始端を、第２巻線層のコアバック側に配置し、第1巻線層の巻線の終端付近を、第２巻線層の巻線の始端が配置される第２巻線層始端配置空間を形成するように第１巻線層の鍔部側に配置し、第２巻線層の巻線の始端を、第１巻線層の鍔部側に位置する第２巻線層始端配置空間に配置し、第２巻線層の巻線の終端をコアバック側に配置する、ところにある。

本発明によれば、隣接するティースの内周側に巻回された巻線間に巻線１本分の絶縁空間を設けることができ、これによって巻線間の距離を長くして電気的絶縁性能を向上することができるようになる。

本発明が適用される電動機の構成を説明する断面図である。図１に示す電動機のロータとステータを抜き出した斜視図である。本発明の実施形態になるティースと巻線の構造を説明する断面図である。図３に示す隣接するティースと巻線の関係を説明する断面図である。第１層の巻線の始端を第２層の位置に規定する構成の断面図である。図５の変形例の構成を説明する断面図である。従来のティースと巻線の巻線構造を説明する断面図である。従来の隣接するティースと巻線の関係を説明する断面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて詳細に説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されることなく、本発明の技術的な概念の中で種々の変形例や応用例をもその範囲に含むものである。

本発明の実施形態を説明する前に、本発明が適用される電動機の構成について図１、図２を用いて簡単に説明する。また、その後に従来のティースと巻線の巻線構造の構成と、本実施形態になるティースと巻線の巻線構造の構成を説明する。

図１は、電動機と制御装置が一体に構成される機電一体型の電動パワーステアリング装置の電動機の構成を示したものである。また、図２は、電動機からステータとロータを抜き出した構成を示している。

図１、図２おいて、電動機Ｍは、基本的にはハウジング２の中に収納されたステータＳとロータＲとから構成されている。電動機ＭのロータＲを構成する出力軸６にはプーリ1が固定されており、図示しないベルトを介してパワーステアリング装置のギアを駆動するようにしている。

また、図示していない制御装置が図１の右側に配置されており、電動機Ｍに電力を供給している。制御装置から電動機Ｍへの電力は、電動機Ｍ側に設けた３相ターミナル２０ｕ、２０ｖ、２０ｗを介して電動機Ｍの巻線に供給されている。また、電動機ＭのロータＲの出力軸６の端部（プーリ１とは反対側）にはロータＲの磁極位置を検出するための磁極センサ用磁石1４が設けられている。

この磁極センサ用磁石1４に対応するように、制御装置側にはＧＭＲセンサ素子よりなる検出部が設けられている。磁極センサは磁極センサ用磁石1４とＧＭＲセンサ素子によりロータＲの磁極位置を検出できるようになっている。

ロータＲの中心部には出力軸６が配置され、出力軸６には前側ロータコア１２と後側ロータコア１３が固定されている。夫々のロータコア１２，１３には前側永久磁石１３ａと、後側永久磁石１３ｂが取り付けられ、その外周部をマグネットカバーで覆われている。

ロータＲの出力軸６の一端部は、ハウジング２に固定された前側ベアリング７で支持され、出力軸６の他端部は、ハウジング２に取り付けられたベアリングケース９に固定された後側ベアリング８を介して支持されている。ベアリングケース９は、ハウジング２に対してベベル型止輪１０でハウジング２に取り付けられている。

また、ハウジング２の内部にはステータコア４に巻線５が巻装されており、巻線５は３相巻線で構成されている。この巻線５の入力端は３相ターミナ２０ｕ、２０ｖ、２０ｗに電気的に繋がっている。

図２に示すように、ステータＳの最外周にはステータコア４が配置されている。ステータコア４は「Ｔ」字形状の分割コアで構成されており、隣接する２つのティースに1つの相の巻線５が集中的に巻回される集中巻き構造となっている。各ステータコア４は、周方向に沿って延在するコアバックを有し、コアバックの外周部で溶接、またはハウジング２に焼嵌めにより固定されるものである。

尚、１個のステータコア４（単位ステータコア）は、内周側に鍔部を備え、外周側にコアバックを備えており、鍔部とコアバックはティースによって接続されている。また、ティースの外周面とコアバックの内周面には、合成樹脂製のボビン３が設けられており、巻線５とステータコア４が電気的に絶縁されるように構成されている。

以上のような構成の電動機は既に良く知られているので、これ以上の説明は省略する。

ところで、上述した通りステータコアのティース間の断面形状（スロット形状）が扇形状をしているため、巻線の密度を高めるように巻線を巻回すると、ティースの内周側の巻線が、隣接するティースに巻回された巻線と接近するため、良好な電気的絶縁状態を保つのが困難であるという課題がある。このような課題について図７、図８を用いて説明する。

図７において、単位ステータコア４は、内周側に鍔部４Ａが形成され、外周側にコアバック４Ｂが形成されている。鍔部４Ａは周方向に沿った形状に形成されている。そして、鍔部４Ａとコアバック４Ｂとの間はティース４Ｃが形成されており、全体的な断面形状は「Ｔ」字形状になっている。ティース４Ｃの外周面と、ティース４Ｃに繋がるコアバック４Ｂの内側面には合成樹脂製のボビン３が設けられている。ボビン３は、周知の通り単位ステータコア４と巻線の電気的な絶縁を図る機能を備えている。

ボビン３の外周には巻線が複数層に亘って巻回されており、図７においては、少なくとも３層に亘って巻線が巻回されている。第１巻線層Ｌ１は、コアバック４Ｂ側から鍔部４Ａ側に向かって巻き付けられており、第１巻線層Ｌ１は、ボビン３の表面に密着するように巻かれている。したがって、第１巻線層Ｌ１の始端２０１ａは、巻線の積層方向で見て、第１巻線層Ｌ１の位置で、ティース４Ｃとコアバック４Ｂの連結領域に位置している。

第１巻線層Ｌ１の巻線は、始端２０１ａから巻き始められ、２０１ｂ⇒２０１ｃ⇒２０１ｄ⇒２０１ｅ⇒２０１ｆ⇒２０１ｇ⇒２０１ｈ⇒２０１ｉ⇒２０１ｊと巻かれている。ここで、巻線２０１ｇと２０１ｉ、及び巻線２０１ｈと２０１ｊの間にある、鍔部４Ａ側に近接して形成されたボビン３の突状部３Ａは、巻線２０１ｉ、巻線２０１ｊが巻線２０１ｇ、２０１ｈ側に向かって移動するのを防止する機能を備えている。したがって、この突状部３Ａによって形成される空間に、第２巻線層Ｌ２の始端を確実に配置することができる。

第２巻線層Ｌ２は、鍔部４Ａ側からコアバック４Ｂ側に向かって巻き付けられており、第１巻線層Ｌ１の上に重なるようにして巻かれている。したがって、第２巻線層Ｌ２の始端２０２ａは鍔部４Ａに近接する領域に位置している。そして、第２巻線層Ｌ２の巻線は、突状部３Ａ付近に位置する始端２０２ａから巻き始められ、第１巻線層Ｌ１の上に重ね合わされて、２０２ｂ⇒２０２ｃ⇒２０２ｄ⇒２０２ｅ⇒２０２ｆ⇒２０２ｇ⇒２０２ｈと巻かれている。そして、第２巻線層Ｌ２の巻線の終端２０２ｈは、第２巻線層Ｌ２の上に重なるようにして巻かれて第３巻線層Ｌ３とされ、その終端２０３はステータコ４の外部に引き出されるものである。

このように、第１巻線層Ｌ１の巻線２０１ａの始端は、第１巻線層Ｌ１の位置でティース４Ｃとコアバック４Ｂの連結領域部３Ｂに位置しているので、第２巻線層Ｌ２の始端２０２ａは、鍔部４Ａに近接する領域に位置する突状部３Ａ付近から巻き始められ、第１巻線層Ｌ１の上に重ね合わされてコアバック４Ｂ側に向けて巻回されている。

したがって、図８のＰ部に示しているように、ティース４Ｃの内周側の隣り合う第２巻線層Ｌ２の巻線２０２ａと巻線２０２ｂとが接近するため、電気的絶縁状態を良好に保つのが困難となる。

そこで、本発明の実施形態では、ティース４Ｃの内周側の隣り合う第２巻線層Ｌ２の巻線２０２ａと巻線２０２ｂとの間の電気的絶縁状態を良好に保つ構造を提案するものである。

本実施形態では、ティースに巻回される第1巻線層の巻線の始端を、第２巻線層のコアバック側に配置し、第1巻線層の巻線の終端付近を、第２巻線層の巻線の始端が配置される第２巻線層始端配置空間を形成するように第１巻線層の鍔部側に配置し、第２巻線層の巻線の始端を、第１巻線層の鍔部側に位置する第２巻線層始端配置空間に配置し、第２巻線層の終端をコアバック側に配置する構成とした、ものである。

この構成によれば、隣接するティースの内周側に巻回された巻線間に巻線１本分の絶縁空間を設けることができ、これによって巻線間の距離を長くして電気的絶縁性能を向上することができるようになる。

以下、本発明の実施形態を図３乃至図６を用いて詳細に説明する。ここで、図７、図８に示す参照番号と同じ参照番号は、同一機能、或いは類似の機能を備えた部品、或いは構成要素であり、重複した説明になるので必要ない場合は省略することもある。尚、本実施形態で使用されるステータコア４は分割コアであり、巻線は集中巻によってステータコア４のティース４Ｃに巻回されて電磁巻線とされているものである。

ステータコア４には、軸方向よりボビン３が挿入された状態で配置されている。ティース４Ｃにはボビン３を介して巻線が集中巻きにより巻回されている。ティース４Ｃに最も近い側に配置された巻線を第1巻線層Ｌ１と定義し、第１巻線層Ｌ１よりも外側の巻線を第２巻線層Ｌ２と定義し、更に第２巻線層Ｌ２よりも外側の巻線を第３巻線層（最終巻線層）Ｌ３と定義する。

図７と同様に、第１巻線層Ｌ１は、コアバック４Ｂ側から鍔部４Ａ側に向かって巻き付けられており、第１巻線層Ｌ１は、ボビン３の表面に密着するように巻かれている。そして、巻線の積層方向で見て、第１巻線層Ｌ１の始端２０１ａは、第２巻線層Ｌ２の位置で、ティース４Ｃとコアバック４Ｂの連結領域部３Ｂに位置している。

巻線の積層方向で第２巻線層Ｌ２の位置から、第１巻線層Ｌ１の巻線は始端２０１ａからボビン３に巻き付けられ、積層方向で第１巻線層Ｌ１の位置にある巻線２０１ｂのように巻かれ、その後２０１ｃ⇒２０１ｄ⇒２０１ｅ⇒２０１ｆ⇒２０１ｇ⇒２０１ｈへと巻かれていく。更に、巻線２０１ｈは突状部３Ａを超えて鍔部４Ａと突状部３Ａの間に巻き付けられ、巻線は２０１ｉ⇒２０１ｊと巻かれ、巻線２０１ｊが第１巻線層Ｌ１の終端となっている。

ここで重要なことは、巻線２０１ｇと突状部３Ａの間には、第１巻線層Ｌ１の巻線が巻き付けられず、第２巻線層Ｌ２の巻線の始端２０２ａが配置される、第２巻線層始端配置空間ＳＰｃｏが形成されていることである。

したがって、第１巻線層Ｌ１の巻線の終端２０１ｊは、これに続いて第２巻線層Ｌ２を形成するわけであるが、第２巻線層Ｌ２の始端は、上述したように第１巻線層Ｌ１が存在する第２巻線層始端配置空間ＳＰｃｏに配置されるように巻き付けられる。

そして、第２巻線層Ｌ２は、鍔部４Ａ側からコアバック４Ｂ側に向かって巻き付けられており、第１巻線層Ｌ１の上に重なるようにして巻かれている。したがって、第２巻線層Ｌ２の始端２０２ａは、鍔部４Ａに近接する領域で、第１巻線層Ｌ１が存在する位置に配置されることになる。このように、第２巻線層Ｌ２の巻線は、第２巻線層始端配置空間ＳＰｃｏに配置された始端２０２ａから巻き始められ、第１巻線層Ｌ１の上に重ね合わされて、２０２ｂ⇒２０２ｃ⇒２０２ｄ⇒２０２ｅ⇒２０２ｆ⇒２０２ｇ⇒２０２ｈと巻かれていく。そして、第２巻線層Ｌ２の巻線の終端２０２ｈは、第２巻線層Ｌ２の上に重なるようにして巻かれて、第３巻線層Ｌ３となる巻線２０３となってステータコ４の外部に引き出されるものである。

このように、第１巻線層Ｌ１の巻線２０１ａの始端が、第２巻線層Ｌ２の位置でティース４Ｃとコアバック４Ｂの連結領域部３Ｂに位置しているので、第２巻線層Ｌ２の始端２０２ａは、鍔部４Ａに近接する領域で、第１巻線層Ｌ１の位置である第２巻線層始端配置空間ＳＰｃｏに配置される構成とされている。このため、第２巻線層Ｌ２の巻線の始端２０２ａが、第１巻線層Ｌ１に移動されることから、今まで第２巻線層Ｌ２の巻線の始端２０２ａが位置していた部分の空間が、巻線１本分の絶縁空間ＳＰｉｎｓとして形成されることになる。

したがって、図４に示しているように、ティース４Ｃの内周側の隣り合う第２巻線層Ｌ２の巻線２０２ａと巻線２０２ｂとの隙間が絶縁空間ＳＰｉｎｓによって広がるため、電気的絶縁性能を向上することが可能となるものである。

次に、第１巻線層Ｌ１の巻線の始端２０１ａを、第２巻線層Ｌ２の位置に保持しておく保持機構の構成を以下に説明する。

図５は、第１の保持機構を説明するための、コアバック４Ｂとティース４Ｃの連結領域の部分的な断面を示している。図５にあるように第１巻線層Ｌ１の巻線には、巻回作業による引張り力がティース４Ｃ側に作用している。したがって、コアバック４Ｂとティース４Ｃの連結領域に位置するボビン３の連結領域部３Ｂの半径が小さいと、第１巻線層Ｌ１の巻線の始端２０１ａは、ティース４Ｃ側に近づいて、図７に示すような巻回状態になる。

これに対して、コアバック４Ｂとティース４Ｃの連結領域に位置するボビン３の連結領域部３Ｂの半径が大きいと、第１巻線層Ｌ１の巻線の始端２０１ａは、ティース４Ｃ側に近づくことが抑制され、図３に示すような巻回状態にすることができる。望ましくは、本実施形態においては、第１巻線層Ｌ１の巻線の始端２０１ａの半径Ｒｃに比べて、ボビン３の連結領域部３Ｂの半径Ｒｂを大きく設定している。

これによって、第１巻線層Ｌ１の巻線の始端２０１ａを、第２巻線層Ｌ２の位置に保持することが可能となるものである。この構成によれば、ボビン３に付加的な構成を追加することが必要ないので、ボビン３の構成を簡略化できる効果がある。

図６は、第２の保持機構を説明するための、コアバック４Ｂとティース４Ｃの連結領域の部分的な断面を示している。図６にあるように、コアバック４Ｂとティース４Ｃの連結領域に位置するボビン３の連結領域３Ｂには、位置決め突起部３Ｃが形成されている。この位置決め突起部３Ｃは、第１巻線層Ｌ１の巻線の始端２０１ａを受け止め、この置決め突起部３Ｃの位置に巻線の始端２０１ａを位置決めする機能を備えている。

このため、第１巻線層Ｌ１の巻線の始端２０１ａは、ティース４Ｃ側に近づくことが抑制され、図３に示すような巻回状態にすることができる。この構成よれば、第１巻線層Ｌ１の巻線の始端２０１ａの位置を確実に決定することができる効果がある。

このように、本発明においては、少なくとも３層に亘って巻線がティースに巻回され、第１巻線層の巻線がコアバックから鍔部に向かって巻回され、第２巻線層の巻線が鍔部からコアバックに向かって巻回されていると共に、ティースに巻回される第1巻線層の巻線の始端を、第２巻線層のコアバック側に配置し、第1巻線層の巻線の終端付近を、第２巻線層の巻線の始端が配置される第２巻線層始端配置空間を形成するように第１巻線層の鍔部側に配置し、第２巻線層の巻線の始端を、第１巻線層の鍔部側に位置する第２巻線層始端配置空間に配置し、第２巻線層の巻線の終端をコアバック側に配置する、構成とした。

尚、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。

１…プーリ、２…ハウジング、３…ボビン、３Ａ…突状部、３Ｂ…連結領域部、３Ｃ…位置決め突起部、４…ステータコア、４Ａ…鍔部、４Ｂ…コアバック、４Ｃ…ティース、５…巻線、６…出力軸、７…前側ベアリング、８…後側ベアリング、９…ベアリングケース、１０…ベベル型止輪、１２…ロータコア、１２ａ…前側ロータコア、１２ｂ…後側ロータコア、１３a…前側永久磁石、１３ｂ…後側永久磁石、１４…磁極センサの永久磁石
、２０ｕ２、２０ｖ、２０ｗ…三相ターミナル、２０１ａ〜２０１ｊ…第１巻線層の巻線
、２０２ａ〜２０２ｇ…第２巻線層の巻線、２０３…第３巻線層の巻線、Ｌ１…第１巻線層、Ｌ２…第２巻線層、Ｌ３…第３巻線層、ＳＰｃｏ…第２巻線層始端配置空間、ＳＰｉｎｓ…絶縁空間。

Claims

周方向に沿って延在するコアバックと、前記コアバックから径方向に内周側に向かって形成されたティースと、前記ティースの先端から周方向に沿って形成された鍔部とを備え、前記コアバックと前記ティースと前記鍔部とに囲まれて形成されるスロットに巻線を多層に巻回して電磁巻線が形成されている電動機において、
前記スロットは、前記鍔部から前記コアバックに向かうにしたがって、隣り合う前記ティースの間の距離が長くなる扇形状に形成されており、
前記電磁巻線は少なくとも３層に亘って巻線が前記ティースに巻回され、第１巻線層の前記巻線が前記コアバックから前記鍔部に向かって巻回され、第２巻線層の前記巻線が前記第１巻線層の上で前記鍔部から前記コアバックに向かって巻回されていると共に、
前記ティースに巻回される前記第1巻線層の前記巻線の始端を、前記第２巻線層が形成される位置で前記コアバック側に配置し、前記第1巻線層の前記巻線の終端付近を、前記第２巻線層の巻線の始端が配置される、前記第１巻線層が形成される位置で第２巻線層始端配置空間を形成するように第１巻線層の鍔部側に配置し、
前記第２巻線層の前記巻線の始端を、前記第１巻線層が形成される位置で前記鍔部側に位置する前記第２巻線層始端配置空間に配置し、前記第２巻線層の前記巻線の終端を前記コアバック側に配置することを特徴とする電動機。
請求項１に記載の電動機において、
前記ティースの外周面と前記コアバックの内側面には合成樹脂よりなるボビンが設けられており、前記ボビンの前記ティースと前記コアバックの連結領域部の半径Ｒｂが前記巻線の半径より大きく設定されていることを特徴とする電動機。
請求項１に記載の電動機において、
前記ティースの外周面と前記コアバックの内側面には合成樹脂よりなるボビンが設けられており、前記ボビンの前記ティースと前記コアバックの連結領域部の一部に、前記第１巻線層の前記巻線の始端位置を決める位置決め突起部が形成されていることを特徴とする電動機。