JPWO2014061156A1 - 電動機および製造方法 - Google Patents

Abstract

回転軸３に同軸に固着された回転子４と、内径側に回転子４を囲繞する円筒状の固定子１と、固定子１と同軸にかつ当該固定子１の各端面に一体に設けられて、回転軸３の軸受け５ａ，５ｂを両持ち保持する軸受け保持部２ａ，２ｂとを備える。

Description

この発明は、回転軸を軸受けで両持ち支持する電動機およびその製造方法に関する。

例えば、特許文献１には、液圧ポンプと、これを駆動するモータ（電動機）とを備えて構成された電動ポンプが開示されている。このモータは、通常の永久磁石界磁直流モータであり、永久磁石を固定した円筒状の固定子に回転子が囲繞された構造を有する。

特開２０００−３３３４０１号公報

従来の電動機では、回転軸を両持ち支持する軸受けを互いに異なる部材で保持している。例えば、特許文献１においては、固定子および回転子を収容する筐体に一方の軸受けが保持され、もう一方の軸受けは、この筐体に組み付けられる蓋状部材の平板部に保持されている。このように、回転子の回転軸の両端の軸受けを互いに異なる部材で保持する構成では、各部材の保持部位の寸法精度のばらつきなどから、回転子の軸心と固定子の軸心との間に不可避的に同軸ずれが発生する。このため、電動機を設計する際に同軸ずれを考慮して、回転子の外周面と固定子の内周面との間にエアギャップを設ける必要がある。

回転子と固定子との間のエアギャップが大きくなると、これに伴って磁気抵抗が大きくなり、電動機の出力性能が著しく低下する。
また、回転子と固定子との同軸ずれは、軸回転時の軸受けの径方向の負荷を増大させるため、軸受けの摺動抵抗が大きくなる。これにより、電動機自体の機械的な損失が大きくなって出力性能が低下する。この摺動抵抗の増加は、軸受けの短命化の要因にもなる。
さらに、同軸ずれ量が増加した場合、高回転時に回転子が固定子に接触する軸触れ量が増加するため、回転軸が損傷する可能性もある。

従って、上記不具合を防ぎ、電動機の出力性能を向上させるためには、回転子と固定子との同軸ずれを極力少なくしてエアギャップを小さくする必要がある。
しかしながら、従来のように回転軸の軸受けをそれぞれ別の部材で保持する構成では、互いが同軸になるように、高い寸法精度の加工が必要となる。
例えば、軸受けとなるベアリングの一方を筐体に嵌合保持する場合、もう一方のベアリングの保持部との同軸を考慮しながら、嵌合箇所を高精度の切削加工で作成しなければならない。

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、回転子と固定子との同軸ずれが抑制されて、出力性能を向上させることができる電動機およびその製造方法を得ることを目的とする。

この発明に係る電動機は、回転軸に同軸に固着された回転子と、内径側に回転子を囲繞する円筒状の固定子と、固定子と同軸にかつ当該固定子の各端面に一体に設けられて、回転軸の軸受けを両持ち保持する軸受け保持部とを備える。

この発明によれば、回転子と固定子との同軸ずれが抑制されて、出力性能を向上させることができるという効果がある。

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に係る電動機における固定子の構成を示す図である。 実施の形態１に係る電動機の固定子の製造方法を説明する図である。 実施の形態１に係る電動機における軸受け保持部の保持構造を示す図である。 実施の形態１に係る電動機の構成（固定子にマグネットを設けた構成）と従来の構成との磁束の流れを説明する図である。

以下、この発明をより詳細に説明するため、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は、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って、軸方向に沿った断面を示している。図１に示す電動機は、固定子１、軸受け保持部２ａ，２ｂ、回転軸３、回転軸３に同軸に固着された回転子４、回転軸３の各端部に固着された軸受け５ａ，５ｂ、バネワッシャ６、これらの構成を収容するハウジング７およびその開口部を覆うプレート８を備えて構成される。

固定子１は、内径側に回転子４を囲繞する円筒状の固定子であり、その各端面に軸受け保持部２ａ，２ｂが一体に設けられる。固定子１は、例えば、図２（ａ）に示すように、内周部に複数のティース部１ｂが形成されたリング状の磁性鋼板１ａを積層一体化して構成される。また、積層されたティース部１ｂには、図２（ｂ）に示すように、導電線が巻回されて固定子コイル１ｃが形成される。なお、図５で後述するように、磁性鋼板１ａとマグネット（永久磁石）とを積層一体化して固定子１を構成してもよい。

回転子４は、固定子１とのエアギャップを介してマグネットの磁束とコイルの回転磁束とが連結して回転軸３周りに回転する。例えば、周方向に複数のマグネットを配置して極を形成した回転子とする。または、回転子４を、回転子鉄心と、この回転子鉄心に導電線を巻回した回転子コイルとで構成する。

軸受け保持部２ａ，２ｂは、固定子１の端面に固着されるフランジ部から軸受け５ａ，５ｂが嵌合される円筒部へ外径が徐々に窄まる、いわゆるラッパ形状の部材である。
なお、ラッパ形状の軸受け保持部２ａ，２ｂは、例えば、固定子１に使用される磁性鋼板を絞り加工して作成するか、一般の磁性鋼材を切削加工して作成する。
軸受け５ａ，５ｂは、回転軸３を両持ち支持する軸受けであって、例えば、図１に示すようにベアリングで実現される。なお、この発明において、軸受け保持部２ａ，２ｂは、ラッパ形状に限定されるものではなく、固定子１に同軸で一体に設けられて軸受け５ａ，５ｂを保持できる構造を有していればよい。

軸受け保持部２ａ，２ｂによる軸受け５ａ，５ｂの保持において、軸受け５ａを軸受け保持部２ａに圧入嵌合した場合、軸受け５ｂは軸受け保持部２ｂの円筒部に遊嵌される。反対に、軸受け５ｂを軸受け保持部２ｂに圧入嵌合した場合には、軸受け５ａは、軸受け保持部２ａの円筒部に遊嵌される。
なお、軸受け保持部に軸受けが遊嵌される場合は、軸受けの外周と軸受け保持部の内周との間にダンパを設けてもよい。

バネワッシャ６は、ハウジング７の軸受け５ａに対向する内面に設けた段差部に配設されて、軸受け５ａを軸受け５ｂの方向に与圧する。また、バネワッシャ６のばね力による負荷は、軸受け５ｂを介してプレート８が受けている。

次に、固定子１の製造方法について説明する。
図３は、実施の形態１に係る電動機の固定子の製造方法を説明する図である。図３（ａ）に示すように、円柱状の芯出し部材９に、軸受け保持部２ａ、固定子１、軸受け保持部２ｂを順に通して芯出しを行う。なお、芯出し部材９の端面径は、例えば固定子１の内径に略等しい。

また、固定子１は、図３（ｂ）に示すように、磁性鋼板１ａを円筒状に積層一体化して構成してもよい。この場合、各磁性鋼板１ａの積層面の一部をへこませて凸部１０および凹部１１を形成しておき、凹部１１に凸部１０を重ね合わせて積層してかしめ、凸部１０の外周と凹部１１の内周との摩擦により結束する。

次に、芯出し部材９に通して芯出しを行った軸受け保持部２ａ、固定子１および軸受け保持部２ｂを一体に接続する。軸受け保持部２ａ，２ｂのフランジ部と固定子１の各端面とは、例えば、上述した凹部と凸部を形成してかしめにより接続する。なお、溶接または接着で接続してもよい。

軸受け保持部２ａ，２ｂを形成する磁性鋼板の厚みｔ２は、軸受け５ａ，５ｂを保持する強度を確保するため、少なくとも固定子１の磁性鋼板１ａの厚みｔ１以上とする（ｔ１≦ｔ２）。なお、固定子１を形成する磁性鋼板１ａに一定のばね定数を有する鋼板を使用することにより、積層された磁性鋼板１ａがダンパとして働くため、特定の動作周波数帯における回転軸３の振幅を抑制する減衰構造とすることができる。
また、軸受け保持部２ａ，２ｂを板材から形成したラッパ形状とすることで、固定子１の端面に固着されるフランジ部が、動作中に回転軸３に発生する振れ量を吸収するダンパとして働き、回転軸３自体の振れを抑制する減衰構造となる。

次いで、一体に接続された軸受け保持部２ａ，２ｂと固定子１とからなるユニット（以下、固定子ユニットと呼ぶ）を、電動機のハウジング７に組み付ける。この後、回転軸３、軸受け５ａ，５ｂおよび回転軸３に同軸に固着された回転子４からなるユニット（以下、回転子ユニットと呼ぶ）を、固定子ユニットに通して、軸受け保持部２ａ，２ｂにより回転軸３の軸受け５ａ，５ｂを両持ち保持する。

なお、図３では、固定子１を積層鋼板で構成する場合を示したが、軸受け保持部２ａ、固定子１および軸受け保持部２ｂを一体化した構造を、磁性鋼材から切削加工により形成してもよい。また、固定子ユニットをハウジング７に組み付ける前に、回転子ユニットを固定子ユニットに組み付けてもよい。

電動機の内部での固定子ユニットの組み付けは、回転軸３の回転による軸受け保持部の振れを抑制するため、図４のように構成することも可能である。
図４は、実施の形態１に係る電動機における軸受け保持部の保持構造を示す図である。図４（ａ）では、符号Ａで示すように、固定子ユニットの軸受け保持部２ａを、ハウジング７内に形成した嵌合凹部７ａに嵌合している。この構成において、回転軸３の回転による軸受け保持部２ａの振れがなくなるように、軸受け保持部２ａの外周と嵌合凹部７ａの内周とのクリアランス量を調整しておく。例えば、動作中に軸受け保持部の外周部が嵌合凹部の内周部に当接して振れ量が許容範囲となるクリアランス量とする。

また、図４（ｂ）では、符号Ｂで示すように、固定子ユニットの軸受け保持部２ｂを、プレート８内に形成した嵌合凹部８ａに嵌合している。この構成においても、回転軸３の回転による軸受け保持部２ｂの振れがなくなるように、軸受け保持部２ｂの外周と嵌合凹部８ａの内周とのクリアランス量を調整しておく。

さらに、図４（ｃ）に示すように、固定子ユニットの軸受け保持部２ａを、ハウジング７内に形成した嵌合凹部７ａに嵌合し、固定子ユニットの軸受け保持部２ｂを、プレート８内に形成した嵌合凹部８ａに嵌合してもよい。この構成においても、回転軸３の回転による軸受け保持部２ａの振れがなくなるように、軸受け保持部２ａの外周と嵌合凹部７ａの内周とのクリアランス量を調整し、回転軸３の回転による軸受け保持部２ｂの振れがなくなるように、軸受け保持部２ｂの外周と嵌合凹部８ａの内周とのクリアランス量を調整しておく。

一般的に、軸受けは、軸または筐体（ハウジング）に設置する前に、内輪または外輪のいずれかを固定し、固定されていない軌道輪を径方向又は軸方向に移動させたときの軌道輪の移動量（以下、内部隙間σと呼ぶ）が設定される。この内部隙間σは、内輪、外輪およびボールの熱膨張または嵌め合いを考慮して設定しなければならない。
また、内部隙間σが小さ過ぎる場合には、軸、筐体（ハウジング）、内輪、外輪およびボールの熱膨張によって内部隙間σが減少する。このため、実使用時に軸受けの発熱および摺動抵抗の増加からモータ性能が悪化し、異常発熱によって軸受け寿命が低下する。
一方、内部隙間σを大きく設定した場合は、上述した不具合は解消するが、軸の傾きによる振れ量が大きくなり、振動および回転音の増大が発生する。
なお、軸受けの使用温度範囲が大きい場合（自動車エンジン室内では、例えば−４０℃から１５０℃までが使用温度範囲となる）は、内部隙間σを大きくすると、上述のような不具合が発生する要因となるため、できる限り内部隙間σを小さく設定することが好ましい。

図４に示したように軸受け保持部を嵌合凹部に圧入嵌合しないようにすることで、内部隙間σを小さく設定することができる。
例えば、軸受けの内輪側を挿入(圧入しない嵌合）、外輪側を挿入した場合（条件１）において、この軸受けの内部隙間をσ１とし、軸受けの内輪側を挿入、外輪側を圧入（圧入する嵌合）した場合（条件２）において、この軸受けの内部隙間をσ２とする。
また、軸受けの内輪側を圧入し、外輪側を挿入した場合（条件３）において、この軸受けの内部隙間をσ３とし、軸受けの内輪側および外輪側の双方を圧入した場合（条件４）において、この軸受けの内部隙間をσ４とする。
条件１〜４の軸受けを使用した際の内部隙間の大小関係は、σ１＞σ２＝σ３＞σ４となる。なお、熱膨張を考慮すると内部隙間σが大きいほど、自動車エンジン室内のように使用温度範囲が大きい環境においても軸受けを使用することができる。

そこで、軸受け保持部を嵌合凹部に圧入嵌合せず、軸受けの内輪側および外輪側(軸受け保持部に保持された場合の軸受け保持部の外周側）を圧入しない使用条件（条件１）とすれば、使用温度範囲を大きく設定することが可能となる。
なお、軸受けの内部隙間が大きくなると、上述した軸の振れによる不具合が発生する可能性があるが、図４に示したように、動作中に軸受け保持部の外周部が嵌合凹部の内周部に当接して振れ量が許容範囲となるクリアランス量とすることにより、振れ量を抑制することができる。

上述までの説明では、固定子コイルを有する固定子１を例に挙げたが、この発明に係る電動機は、固定子コアにマグネット（永久磁石）を設け、このマグネットの磁束で回転子コアを磁化させる電動機としてもよい。この構成において、軸受け保持部２ａ，２ｂ、回転軸３、回転子４および軸受け５ａ，５ｂを磁性体とすることで、漏れ磁束を低減させることが可能である。

図５は、実施の形態１に係る電動機の構成（固定子にマグネットを設けた構成）と従来の構成との磁束の流れを説明する図である。図５（ａ）に示す構成は、軸受け保持部２ａ，２ｂを有しない従来の電動機である。固定子１は、マグネット１Ａが配設されており、回転子４との間で、この回転子４を磁化させる磁束回路ａを構成している（磁束量Ａ）。
しかしながら、図５（ａ）に示すように、マグネット１Ａは、電動機の構造上、回転子４を経由せず、回転子４の磁化に寄与しない磁束回路ｂを形成する（磁束量Ｂ）。
すなわち、マグネット１Ａは、自身が発生する磁束の全てで回転子４を磁化するのではなく、その総磁束量Ｚは、磁束回路ａの磁束量Ａと磁束回路ｂの磁束量Ｂとの和となる。
このような磁束回路ｂにおける漏れ磁束は、ノイズとなって周辺電子部品１２の動作に影響を与える。

そこで、固定子コアにマグネット１Ａを配設した電動機において、この発明では、軸受け保持部２ａ，２ｂ、回転軸３、回転子４および軸受け５ａ，５ｂを磁性体で構成する。
これにより、図５（ｂ）に示すように、マグネット１Ａの磁束によって、マグネット１Ａから、軸受け保持部２ｂ、軸受け５ｂ、回転軸３、回転子４、軸受け５ａ、軸受け保持部２ｂの順で、マグネット１Ａに戻る磁束回路ｃを形成することができる（磁束量Ｃ）。
この構成では、磁束回路ａの磁束量Ａは変化せず、磁束回路ｃによって漏れ磁束が低減して、磁束回路ｂ１となる（磁束量Ｂ１＜磁束量Ｂ）。すなわち、磁束回路マグネット１Ａの総磁束量Ｚは、磁束回路ａの磁束量Ａと、磁束回路ｂ１の磁束量Ｂ１と、磁束回路ｃの磁束量Ｃとの和となる。従って、周辺電子部品１２のノイズとなる漏れ磁束を低減することができる。

以上のように、この実施の形態１によれば、回転軸３に同軸に固着された回転子４と、内径側に回転子４を囲繞する円筒状の固定子１と、固定子１と同軸にかつ当該固定子１の各端面に一体に設けられて、回転軸３の軸受け５ａ，５ｂを両持ち保持する軸受け保持部２ａ，２ｂとを備える。このように、固定子１と同軸にかつ当該固定子１の各端面に一体に設けられた軸受け保持部２ａ，２ｂによって、回転子４と固定子１との同軸ずれが抑制されることから、回転子４と固定子１とのエアギャップを小さくすることが可能となる。これにより、この実施の形態１に係る電動機の出力性能を向上させることができる。

また、この実施の形態１によれば、軸受け保持部２ａ，２ｂが、外径が徐々に窄まるラッパ形状を有し、内径側で回転軸３の軸受け５ａ，５ｂを保持するので、固定子１の端面に固着されるフランジ部が、動作中に回転軸３に発生する振れ量を吸収するダンパとして働き、回転軸３自体の振れを抑制することが可能である。

さらに、この実施の形態１に係る電動機の製造方法において、円柱状の芯出し部材９に、一方の軸受け保持部２ａ、固定子１、もう一方の軸受け保持部２ｂを順に通して芯出しを行い、芯出し部材９に通して芯出しを行った軸受け保持部２ａ，２ｂと固定子１とを一体に接続し、回転子ユニットを固定子ユニットに通して、軸受け保持部２ａ，２ｂにより回転軸３の軸受け５ａ，５ｂを両持ち保持する。このようにすることで、芯出し部材９によって、軸受け保持部２ａ，２ｂと固定子１の芯出しを容易に行うことができる。これにより、電動機の製造の簡易化を図ることが可能である。

さらに、この実施の形態１によれば、固定子１が、磁性鋼板１ａを積層一体化して形成した固定子であり、軸受け保持部２ａ，２ｂを形成する磁性鋼板が、固定子１の磁性鋼板１ａの厚さｔ１以上の厚さｔ２を有する。このように構成することで、軸受け５ａ，５ｂを保持する強度を確保することができる。

さらに、この実施の形態１によれば、回転子４および固定子１を収容するハウジング７と、ハウジング７の開口を覆うプレート８とを備え、軸受け保持部２ａ，２ｂのいずれか一方を、ハウジング７またはプレート８の内部に形成した嵌合凹部７ａ，８ａに嵌合固定する、あるいは、軸受け保持部２ａを、ハウジング７の内部に形成した嵌合凹部７ａに嵌合固定し、軸受け保持部２ｂを、プレート８の内部に形成した嵌合凹部８ａに嵌合固定する。このように構成することで、回転軸３の回転による軸受け保持部２ａ，２ｂの振れを抑制することが可能である。

さらに、この実施の形態１によれば、固定子１にマグネット１Ａが配設されており、軸受け保持部２ａ，２ｂ、軸受け５ａ，５ｂ、回転軸３および回転子４を磁性体で構成することで、マグネット１Ａの磁束で軸受け保持部２ａ，２ｂを介した新たな磁束回路を形成することができ、周辺電子部品１２のノイズとなる漏れ磁束を低減することができる。

なお、本発明はその発明の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。

この発明に係る電動機は、回転子と固定子との同軸ずれが抑制されて、出力性能を向上させることができるので、例えば、同期型電動機など、様々な電動機に適用可能である。

１ 固定子、１ａ 磁性鋼板、１ｂ ティース部、１ｃ 固定子コイル、１Ａ マグネット、２ａ，２ｂ 軸受け保持部、３ 回転軸、４ 回転子、５ａ，５ｂ 軸受け、６ バネワッシャ、７ ハウジング、７ａ，８ａ 嵌合凹部、８ プレート、９ 芯出し部材、１０ 凸部、１１ 凹部、１２ 周辺電子部品。

この発明に係る電動機は、回転軸に同軸に固着された回転子と、内径側に回転子を囲繞する円筒状の固定子と、固定子と同軸にかつ当該固定子の各端面に同時成形されることにより一体に設けられて、回転軸の軸受けを両持ち保持する軸受け保持部とを備える。

この発明に係る電動機は、回転軸に同軸に固着された回転子と、内径側に回転子を囲繞する円筒状の固定子と、固定子と同軸にかつ当該固定子の各端面に一体に設けられて、回転軸の軸受けを両持ち保持する軸受け保持部とを備え、固定子は、磁性鋼板を積層一体化して形成した固定子である。

この発明に係る電動機は、回転軸に同軸に固着された回転子と、内径側に回転子を囲繞する円筒状の固定子と、固定子と同軸にかつ当該固定子の各端面に一体に設けられて、回転軸の軸受けを両持ち保持する軸受け保持部とを備え、固定子は、磁性鋼板を積層一体化して形成した固定子であり、軸受け保持部の内径のうち軸受けを保持する部分の内径は、固定子の外径よりも大きいものである。

この発明に係る電動機は、回転軸に同軸に固着された回転子と、内径側に回転子を囲繞する円筒状の固定子と、固定子と同軸にかつ当該固定子の各端面に一体に設けられて、回転軸の軸受けを両持ち保持する軸受け保持部とを備え、固定子は、磁性鋼板を積層一体化して形成した固定子であり、軸受け保持部の内径のうち軸受けを保持する部分の内径は、回転子の外径よりも大きいものである。

Claims (6)

1. 回転軸に同軸に固着された回転子と、
   内径側に前記回転子を囲繞する円筒状の固定子と、
   前記固定子と同軸にかつ当該固定子の各端面に一体に設けられて、前記回転軸の軸受けを両持ち保持する軸受け保持部とを備える電動機。
2. 前記軸受け保持部は、外径が徐々に窄まるラッパ形状を有し、内径側で前記回転軸の軸受けを保持することを特徴とする請求項１記載の電動機。
3. 前記回転子および前記固定子を収容するハウジングと、
   前記ハウジングの開口を覆うプレートとを備え、
   前記軸受け保持部のいずれか一方を、前記ハウジングまたは前記プレートの内部に形成した嵌合凹部に嵌合固定する、あるいは、前記軸受け保持部の一方を、前記ハウジングの内部に形成した嵌合凹部に嵌合固定し、前記軸受け保持部のもう一方を、前記プレートの内部に形成した嵌合凹部に嵌合固定することを特徴とする請求項１記載の電動機。
4. 前記固定子は、磁性鋼板を積層一体化して形成した固定子であり、
   前記軸受け保持部を形成する磁性鋼板は、前記固定子の前記磁性鋼板の厚さ以上の厚さを有することを特徴とする請求項１記載の電動機。
5. 前記固定子は、永久磁石が配設されており、
   前記軸受け保持部、前記軸受け、前記回転軸および前記回転子は、磁性体で構成されていることを特徴とする請求項１記載の電動機。
6. 回転軸に同軸に固着された回転子と、
   内径側に前記回転子を囲繞する円筒状の固定子と、
   前記固定子と同軸にかつ当該固定子の各端面に一体に設けられて、前記回転軸の軸受けを両持ち保持する軸受け保持部とを備える電動機の製造方法において、
   円柱状の芯出し部材に、一方の前記軸受け保持部、前記固定子、もう一方の前記軸受け保持部を順に通して芯出しを行うステップと、
   前記芯出し部材に通して芯出しを行った前記軸受け保持部と前記固定子とを一体に接続するステップと、
   前記回転軸、前記軸受けおよび前記回転軸に同軸に固着された回転子からなるユニットを、一体に接続された前記軸受け保持部と前記固定子とからなるユニットに通して、前記軸受け保持部により前記回転軸の軸受けを両持ち保持するステップとを備えることを特徴とする電動機の製造方法。

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