JP6688068B2 - 電気モータ - Google Patents

Description

本発明は、電気モータに関し、具体的には、内側ロータ式モータの巻線形ステータの構造に関する。

電気モータは、ロータと呼ばれる可動部と、ステータと呼ばれる静止部とを有する。ロータは、モータによって動かされる負荷に接続される。一般に、ロータは、ステータに対して回転するように構成される。ロータとステータは、電磁相互作用を起こしてロータを動かし、これによって負荷を駆動する。モータは、ロータとステータの位置関係に応じて内側ロータ式と外側ロータ式とに分類される。内側ロータ式モータでは、その名の通りに、ロータがステータの内側に配置される。すなわち、ステータは、ロータのコアの外側周囲に配置される。

永久磁石ロータを有する既知の内側ロータ式ブラシレスＤＣモータでは、ステータが、円筒形の外側ハウジングに取り付けられたステータコアに巻き回されたステータ巻線を有する。ハウジングとステータコアを強く接続するために、コアは、接着剤又は締り嵌めを用いてハウジングに固定することができる。しかしながら、接着剤は、時間と共に劣化することがある。強い締り嵌めを確実にするには、ハウジングを加熱して熱膨張を引き起こし、その後にコアをハウジングに圧入する。これによって強い接続は生じるが、生産が容易でなく、またステータコア及びハウジングのサイズを正確に制御するのは困難であるため、ハウジングの内面に引っ掻き傷が付いてハウジングの内部に剥離物が残り、これがモータの動作に影響を及ぼすことがある。

従って、ステータコアとハウジングとの間に剥離物が形成される可能性を低下させる改善された構造を有する、内側ロータと巻線形ステータとを備えたタイプの電気モータに対する要望がある。

従って、本発明は、その１つの態様において、ロータと、ロータの周囲に配置された巻線形ステータ構造とを備えた電気モータであって、ステータ構造が、円筒形の内壁を有するハウジングと、ハウジング内に取り付けられたステータコアと、ステータコアに巻き回されたステータ巻線とを含み、ステータコアが、円周方向に延びる環状ヨークと、該ヨークから内向きに延びる歯部とを有し、ステータコアが、複数の積層体を積み重ねることによって形成され、各積層体が、ヨークを形成する環状本体と、歯部を形成する複数の歯とを有し、積層体の環状本体の外縁上に突出部及び凹部が形成されて、ヨークの半径方向外面上にギザギザ形状を形成し、突出部が、ハウジングの内壁と接触し、ステータ構造の軸方向において、突出部と凹部とが介在し合って突出部が軸方向に変形できるようにすることにより、ヨークが、離散的位置においてハウジングの内壁に接触するようにした、電気モータを提供する。

積層体の本体の外縁には、複数の突出部及び複数の凹部が形成されることが好ましい。

各積層体の突出部及び凹部は、円周方向に交互に分布することが好ましい。

２つの隣接する積層体のうちの一方の積層体の突出部は、２つの隣接する積層体のうちの他方の積層体の凹部と位置合わせされることが好ましい。

或いは、積層体は、複数の第１の積層体と複数の第２の積層体とを含み、各第１の積層体の環状本体の外縁に複数の凹部が形成され、各第２の積層体の環状本体の外縁に複数の突出部が形成され、第１の積層体と第２の積層体は介在し合う。

積層体は、交互に積み重ねられ、少なくとも１つの第２の積層体が、隣接する２つの第１の積層体の間に配置され、第１の積層体の凹部は、第２の積層体の突出部と軸方向に位置合わせされることが好ましい。

各１対の隣接する第２の積層体間に１つの第１の積層体が配置され、各１対の隣接する第１の積層体間に１つの第２の積層体が配置されることが好ましい。

或いは、少なくとも１対の隣接する第１の積層体間に複数の第２の積層体が配置される。

ステータコアにはコア絶縁体が取り付けられ、巻線は、コア絶縁体に巻き回され、コア絶縁体は、巻線をステータコアから電気的に絶縁することが好ましい。

端子ホルダによって端子が支持され、各端子の一端は巻線のうちの対応する１つの巻線に接続され、各端子の他端は外部電源に接続するように構成されることが好ましい。

突出部及び凹部は、モータの半径方向における歯の位置に対応することが好ましい。

ロータは、シャフトと、シャフトに固定された永久磁石とを含むことが好ましい。

永久磁石は、透磁性のロータコアによってシャフトに固定された複数の永久磁石を含むことが好ましい。

従来のステータ構造と比べ、ステータコアのヨーク部の外周上に突出部及び凹部が形成される。突出部及び凹部は、ステータコアの軸方向に交互に配置される。突出部は、ステータコアをハウジング本体内に組み立てる際に凹部内に変形し、これによってハウジング本体に引っ掻き傷を付けるのを避ける。先行技術の組み立て方法で用いられる高温加熱ステップは不要であり、接着剤を用いてステータコアをハウジングに固定することも避けられる。従って、製造工程を短縮することができ、このため素早いモータの組み立てを実現することができる。

以下、添付図面の図を参照しながら、本発明の好ましい実施形態をほんの一例として説明する。図では、複数の図に出現する同一の構造、要素又は部品には、一般にこれらが出現する全ての図において同じ参照番号を付している。一般に、図に示す構成要素及び特徴部の寸法は、表現の便宜上明瞭にするために選択したものであり、必ずしも縮尺通りではない。以下、各図を列挙する。

本発明の好ましい実施形態による電気モータを示す図である。 図１のモータの断面図である。 図１のモータの分解図である。 図１のモータのステータの部分的分解図である。 図４のステータのステータコアの正面図である。 図４のステータの正面図である。 図４のステータの側面図である。 ハウジングに挿入されたステータの正面図である。 別の実施形態によるステータの部分的分解図である。 図９のステータの正面図である。 図９のステータの側面図である。

図１〜図８に、本発明の第１の例示的な実施形態によるステータ構造を組み込んだ電気モータを示す。図示のモータは、内側ロータ式ＢＬＤＣモータであり、ステータ構造３０及びロータ５０を含む。ステータ構造は、ハウジング１０に取り付けられた巻線形ステータ３１を含む。ステータ３１は、積層ステータコア３５と、ステータコアの歯に巻き回されたステータ巻線３７とを含む。ロータは永久磁石ロータであり、シャフト５２と、シャフトに固定（接着剤の使用を避けるために締り嵌めとすることが好ましい）されたロータコア５３と、ロータコアに取り付けられた１又はそれ以上の永久磁石５４とを有する。この実施形態では、４つの磁石と、磁石の軸端を覆う２つのロータキャップ５５とが存在し、ロータコアは、磁石によって生じる磁界の磁路と、磁石をシャフト５２に接続する手段とを提供するように複数の電気鋼積層体を積み重ねることによって作製された積層コアである。ロータは、ステータコアがロータコアを取り囲むようにしてステータ構造に回転自在に取り付けられる。この実施形態では、ロータが、ハウジングによって支持される軸受１６内に軸支される。

後述するように、ステータコアは、ステータがハウジングに対して回転しないことを確実にするように締り嵌めによってハウジングに取り付けられる。

ハウジング１０は、ハウジング本体１２と、ハウジング本体１２に接続されたエンドキャップ１４とを含む。ハウジング本体１２は、開放端及び閉鎖端を有する円筒形である。エンドカバー１４は、開放端を閉じる。エンドキャップ１４の中心は、軸方向外向きに突出して、軸受１６の一方を支持する軸受ボス１５を形成する。ハウジング本体の閉鎖端にも、他方の軸受１６を支持する同様の軸受ボス１３が形成される。この実施形態では、２つのボス１３、１５及び軸受穴の構造、形状及びサイズが同じであるが、他の実施形態では、これらが異なっていてもよい。２つの軸受１６は、同じものであっても、又は異なるものであってもよく、玉軸受、セラミック軸受及び油軸受などとすることができる。この実施形態では、２つの軸受１６がいずれも玉軸受である。

シャフト５２の一端は、負荷に係合するためにハウジングを貫通して延び、この例ではエンドキャップ１４を貫通する。負荷への係合方法の例として、シャフトの端部に取り付けられたピニオン５６を示す。代替例として、磁石５４をシャフト５２に直接固定することもできると理解されたい。

ステータコア３５は、所定の空隙を挟んで磁石に直面するように、ロータ５０の磁石５４の位置に対応する軸方向位置においてハウジング本体１２内に固定される。図３に示すように、ステータ３１の一端には、ステータ巻線に電気的に接続された複数の端子３３を支持する端子ホルダ３２が取り付けられる。これらの端子は、エンドキャップを通過して外部電源に接続される。ステータコア３５は、電気鋼又はシリコン鋼などの透磁性材料で作製された複数の積層体３４を積み重ねることによって形成される。ステータコア３５は、円周方向に延びるヨーク部と、ヨーク部から内向きに延びる歯部とを含む。ステータコア３５の歯部の周囲には、コア絶縁体３６としても知られている絶縁フレームを取り付けて巻線３７をステータコア３５から絶縁する。従って、巻線は、巻線の端部を端子に接続するようにも誘導するコア絶縁体３６上に直接巻かれる。

図４及び図５に示すように、積層体３４は、同じ構造を有する。各積層体３４は、ほぼ環状の本体３８と、本体３８の内縁から半径方向内向きに延びる複数の歯３９とを含む。積み重ねた積層体３４の環状本体３８は、ステータコア３５のヨーク部を形成し、積層体３４の歯３９は、ステータコア３５の歯部を形成する。コア絶縁フレーム３６は、ステータコア３５の歯部、及びヨーク部の内縁を覆う。巻線３７は、短絡を避けるようにステータコア３５から巻線を電気的に絶縁するコア絶縁体３６に巻き回される。通電時には、ステータ構造３０の巻線３７が、ロータ５０の磁石５４と相互作用してロータ５０を回転させる磁場を発生する。ロータ５０は、ピニオン５６を駆動し、この結果、ピニオン５６に接続された負荷を動かす。

各積層体３４の本体３８の外縁は、歯３９と半径方向に対応する位置において内向きに窪んで凹部３８１を形成し、又は外向きに突出して突出部３８２を形成する。この実施形態では、突出部３８２と凹部３８１が各積層体３４の円周方向に交互に配置され、突出部３８２の半径方向外端は、各積層体３４の本体３８の外周面をわずかに越えて突出する。すなわち、突出部３８２の外端面が位置する円の直径は、各積層体３４の本体３８の外縁が位置する円の直径よりもわずかに大きい。本体３８には、各突出部３８２の２つの側面が本体３８から分離されて各突出部３８２の半径方向長さが増すように、各突出部３８２の円周方向両側に切り込み３８３が形成される。従って、各突出部３８２は、モータの軸方向に圧迫又は加圧されるような外部干渉を受けた際に容易に変形することができる。

図５〜図８に示すように、積層体３４をモータの軸方向に積み重ねる際には、隣接する次の積層体３４を前の積層体３４に対して予め設定された角度だけ回転させ、組み立てられた２つの隣接する積層体３４の一方における突出部３８２が、組み立てられた２つの積層体３４の他方における凹部３８１と位置合わせされるようにする。この予め設定される角度は、歯３９の数によって決定され、２つの隣接する歯３９間の円弧角に等しい。

この実施形態では、各積層体３４の歯３９の数が６であるため、２つの隣接する歯３９間の円弧は円の６分の１を占め、すなわち組み立て中の隣接する積層体３４の回転角は６０度である。他の実施形態では、組み立て中の積層体３４の回転角が、歯３９の数の変化によって変化することができる。例えば、歯３９の数が８である場合、回転角は円の８分の１、すなわち４５度に一致するはずである。また、突出部３８２と凹部３８１は、各積層体３４の外縁に交互に分布する。従って、積層体３４の組み立て後には、３つの隣接する積層体３４のうちの外側の２つの積層体３４が完全に重なり、外側の２つの積層体３４の凹部３８１と突出部３８２とが同じ位置に存在し、３つの隣接する積層体３４のうちの中央の積層体３４の凹部３８１が外側の２つの積層体３４の突出部３８２と位置合わせされ、中央の積層体３４の突出部３８２が外側の２つの積層体３４の凹部３８１と位置合わせされる。すなわち、ステータ構造３０の軸方向では、凹部３８１と突出部３８２とを交互に分布させ、隣接する突出部３８２が間隔を置いて配置されるようにし、各突出部３８２の軸方向における上側と下側を凹部３８１にして、突出部３８２が変形できるための空間を提供する。

本発明によって提供するステータ構造３０の積層体３４を積み重ねてステータコア３５を形成した後には、わずかに突出する突出部３８２及び窪んだ凹部３８１が、ステータコア３５のヨーク部の半径方向外縁に配置される。ステータ構造３０の軸方向では、突出部３８２と凹部３８１とが交互に配置され、２つの隣接する突出部３８２が１つの凹部３８１によって分離され、突出部３８２と凹部３８１は、ステータコア３５の外周面にギザギザ状の構造を形成する。本発明の各積層体３４は、従来の内側ロータ式モータのステータ構造に比べて環状本体３８の外径をわずかに小さくなるように設計して、公差の存在下であっても環状本体３８とハウジング本体１２が干渉を生じないことを確実にできる一方で、各突出部３８２のサイズをわずかに大きくなるように設計することができる。

各突出部３８２は突出構造であり、対応する突出部３８２の軸方向両側には凹部３８１が配置されるので、図８に示すようにステータ３１をハウジング本体１２に挿入した場合、たとえ突出部３８２のサイズがわずかに大きいことに起因して突出部３８２とハウジング本体１２が互いに干渉し合っても、ハウジング本体１２による加圧時に、突出部３８２が凹部３８１内に容易に変形することができる。従って、ステータ３１をハウジング本体１２にうまく挿入することができる。

本体の外周面がハウジング本体と直接干渉する従来のシリコン鋼板に比べ、本発明によって提供するステータ３１をハウジング本体１２に取り付けた後には、ヨーク部が突出部３８２の位置においてハウジング本体１２の内壁に接触するとともに、凹部３８１の位置においてハウジング本体１２から分離されることにより、ステータコア３５のヨーク部は、離散的位置においてハウジング本体１２の内壁に接触するようになる。突出部３８２とハウジング本体１２との間の接触面積は、各積層体３４の本体３８の外周面の面積よりもはるかに小さく、突出部３８２の両側の凹部３８１は、変形のための空間を提供する。従って、ステータ３１をハウジング本体１２内に取り付ける最中、すなわち組み立て中に突出部３８２がハウジング本体１２に引っ掻き傷を付けず、これらの間の干渉に起因するステータコア３５及びハウジング本体１２の損傷が避けられる。ステータ３１をハウジング本体１２内に取り付けた後、突出部３８２は、ハウジング本体１２との干渉によって弾性変形し、これによって対応する反力がハウジング本体１２に加わることにより、ステータコア３５がハウジング本体１２内に締り嵌めされるようになる。先行技術の組み立て法で用いられるような高温加熱ステップは不要であり、接着剤の使用も避けられる。従って、製造工程を短縮することができ、信頼性の高いモータの組み立てを実現することができる。

図９に、ステータ構造３０ａの別の実施形態を示す。この実施形態では、ステータ構造３０ａのステータコアが、複数の第１の積層体３４ａと複数の第２の積層体３４ｂとを交互に積み重ねることによって形成され、他の構成部品は第１の実施形態と同様に構築される。各第１の積層体３４ａの環状本体３８ａの外縁は、各歯３９ａに対応する位置に凹部３８１を有し、各第２の積層体３４ｂの本体３８ｂの外縁は、各歯３９ｂに対応する位置に突出部３８２を有する。第１の積層体３４ａと第２の積層体３４ｂとを交互に積み重ねると、歯３９ａと歯３９ｂが互いに位置合わせされる。図１０及び図１１に示すように、第１の積層体３４ａと第２の積層体３４ｂを軸方向に積み重ねた後には、第１の積層体３４ａの凹部３８１と第２の積層体３４ｂの突出部３８２とが交互に配置され、第１の実施形態のものと同じギザギザ形状を形成する。組み立てた第１の積層体３４ａ及び第２の積層体３４ｂをハウジング本体１２に挿入すると、第１の積層体３４ａの突出部３８２は、引っ掻き傷を付けるのを避けるように第２の積層体３４ｂの凹部３８１内に変形する。他の実施形態では、２つの隣接する第２の積層体３４ｂ間に２又はそれ以上の第１の積層体３４ａを配置することができ、すなわち各突出部３８２の両側に２又はそれ以上の凹部３８１を配置し、これによってギザギザ状を形成するとともに、第２の積層体３４ｂの突出部３８２の同様な変形によってハウジング本体１２に引っ掻き傷を付けるのを避けることができる。２つの隣接する第１の積層体３４ａ間に２又はそれ以上の第２の積層体３４ｂを配置することもできると理解されたい。

好適な電気モータの例としてＢＬＤＣモータを用いて本発明を説明したが、本発明は、例えば同期モータ及びスイッチ付きリラクタンスモータなどの、巻線形ステータを有する他のモータタイプにも適用可能である。

本出願の明細書及び特許請求の範囲では、記述する項目又は特徴の存在を明示する一方でさらなる項目又は特徴の存在を排除しないように、「備える、含む、有する（ｃｏｍｐｒｉｓｅ、ｉｎｃｌｕｄｅ、ｃｏｎｔａｉｎ及びｈａｖｅ）」という動詞、並びにその派生形の各々を包括的な意味で使用している。

明確化のために別個の実施形態の文脈で説明した本発明のいくつかの特徴は、単一の実施形態において組み合わせて提供することもできると理解されたい。これとは逆に、簡潔さを期すために単一の実施形態の文脈で説明した本発明の様々な特徴を別個に、又はいずれかの好適な下位の組み合わせで提供することもできる。

上述した実施形態はほんの一例にすぎず、当業者には、添付の特許請求の範囲によって規定される本発明の範囲から逸脱することなく、他の様々な修正が明らかになるであろう。

１２ ハウジング本体
３６ コア絶縁体
３７ 巻線
３８ 本体
３８１ 凹部
３８２ 突出部

Claims (13)

1. ロータと、該ロータの周囲に配置された巻線形ステータ構造とを備えた電気モータであって、前記ステータ構造は、
   円筒形の内壁を有するハウジングと、
   前記ハウジング内に取り付けられたステータコアと、
   前記ステータコアに巻き回されたステータ巻線と、
   を含み、前記ステータコアは、円周方向に延びる環状ヨークと、該ヨークから内向きに延びる歯部とを有し、前記ステータコアは、複数の積層体を積み重ねることによって形成され、各積層体は、前記ヨークを形成する環状本体と、前記歯部を形成する複数の歯とを有し、
   前記積層体の前記環状本体の外縁上に突出部及び凹部が形成されて、前記ヨークの半径方向外面上にギザギザ形状を形成し、前記突出部は、前記ハウジングの前記内壁と接触し、前記ステータ構造の軸方向において、前記突出部が軸方向に前記凹部に向かって変形し、前記ヨークが、離散的位置において前記ハウジングの前記内壁に接触し、
   前記積層体は、複数の第１の積層体と複数の第２の積層体とを含み、各第１の積層体の前記環状本体の外縁に複数の前記凹部が形成され、各第２の積層体の前記環状本体の前記外縁に複数の前記突出部が形成され、前記第１の積層体の凹部は、前記第２の積層体の前記突出部と軸方向において前記第２の積層体と位置合わせされている、
   ことを特徴とする電気モータ。
2. 各積層体の前記本体の外縁に、複数の前記突出部及び複数の前記凹部が形成される、
   請求項１に記載のモータ。
3. 各積層体の前記突出部及び前記凹部は、円周方向に交互に分布する、
   請求項２に記載のモータ。
4. ２つの隣接する積層体のうちの一方の積層体の前記突出部は、２つの隣接する積層体のうちの他方の積層体の前記凹部と位置合わせされる、
   請求項２又は３に記載のモータ。
5. 各第１の積層体の環状本体の外縁に複数の突出部がさらに形成され、各第２の積層体の環状本体の外縁に複数の凹部が形成され、前記第２の積層体の前記凹部もまた、軸方向において前記第１の積層体の前記突出部と位置合わせされている、
   請求項１に記載のモータ。
6. 少なくとも１つの第２の積層体が、隣接する２つの第１の積層体間に配置され、又は、少なくとも１つの第１の積層体が、隣接する２つの第２の積層体間に配置されている、
   請求項１に記載のモータ。
7. 各１対の隣接する第２の積層体間に１つの第１の積層体が配置され、各１対の隣接する第１の積層体間に１つの第２の積層体が配置される、
   請求項１又は６に記載のモータ。
8. 少なくとも１対の隣接する第１の積層体間に複数の前記第２の積層体が配置される、
   請求項１又は６に記載のモータ。
9. 前記ステータコアに取り付けられたコア絶縁体をさらに備え、前記巻線は、前記コア絶縁体に巻き回され、前記コア絶縁体は、前記巻線を前記ステータコアから電気的に絶縁する、
   請求項１から８のいずれか一項に記載のモータ。
10. 端子ホルダをさらに備え、該端子ホルダによって端子が支持され、各端子の一端は前記巻線のうちの対応する１つの巻線に接続され、各端子の他端は外部電源に接続するように構成される、
    請求項１から９のいずれか一項に記載のモータ。
11. 前記突出部及び前記凹部は、前記モータの半径方向における前記歯の位置に対応する、
    請求項１から１０のいずれか一項に記載のモータ。
12. 前記ロータは、シャフトと、該シャフトに固定された永久磁石とを含む、
    請求項１から１１のいずれか一項に記載のモータ。
13. 前記永久磁石は、透磁性のロータコアによって前記シャフトに固定された複数の永久磁石を含む、
    請求項１２に記載のモータ。