WO2014024288A1

WO2014024288A1 - 電動機

Info

Publication number: WO2014024288A1
Application number: PCT/JP2012/070325
Authority: WO
Inventors: 弘文土井
Original assignee: 三菱電機株式会社
Priority date: 2012-08-09
Filing date: 2012-08-09
Publication date: 2014-02-13
Also published as: JPWO2014024288A1; JP5885846B2; CN204231076U

Abstract

　ブラケット部２０の軸受け８を収容する軸穴２１より外周側に、ステータ部３のコイル１２を配電板１４側へ貫通させるコイル貫通穴２２を通る環状の溝２３，２４を形成して熱切りし、軸受け８への伝熱を抑制する。また、ブラケット部２０のコイル１２周辺を薄肉部２５にして、コイル１２の誘導加熱による発熱を低減する。

Description

電動機

　この発明は、ステータコイルおよび配電板の発する熱を放熱する構造を備えた電動機に関する。

　一般的な３相シンクロナス交流モータ（例えば、特許文献１参照）は、固定子の永久磁石により回転子に磁極を作り出し、固定子のステータティース間に配置されたコイルによりステータティースに磁極を作り出す。ステータティース間に配置された３相のコイルは配電板（バスバー）により通電方向が切り替えられ、Ｓ極とＮ極に切り替わる。３相のコイルの通電方向を順次切り替えることにより、各ステータティースの磁性が回転移動していき、磁気作用により回転子が回転する。

　本モータを駆動するためには、電流がコイルおよび配電板を流れることとなり、その発熱によってモータ各部の温度が上昇するため、許容温度を超えるような状況では、通電を止めてモータの駆動を停止しなければならず、必要な性能が得られない場合があった。そのような場合、コイルおよび配電板を可能な限り冷却するために、外部冷却により温度が比較的低いハウジングに、絶縁部材を介してコイルおよび配電板を接触させ、放熱する方法が取られていた（例えば、特許文献２参照）。

特開平８－２１４５１９号公報特開２０１０－１０４２１２号公報

　しかしながら、コイルおよび配電板を流れる電流は、前記の通り通電方向が切り替わるため、ハウジングをコイルおよび配電板に近づけすぎると誘導加熱によって金属製のハウジングの温度が上昇してしまう。

　他方、回転子を回転自在に保持する軸受けも、伝熱および摩擦による自己発熱により回転中に温度が上昇するため、軸受けもハウジングに放熱させて温度を下げることが、モータの寿命を確保する上では重要である。

　そこで、コイルおよび配電板の発熱を放熱させるために、コイルおよび配電板とハウジングとの距離を小さくする手段がとられるが、誘導加熱によるハウジングの温度上昇により、コイルおよび配電板の放熱効果が充分に得られないばかりか、軸受けの放熱効果も低下してしまうという課題があった。
　一方、誘導加熱によるハウジングの温度上昇を抑制するために、コイルおよび配電板との距離を離すと、コイルおよび配電板の温度が低下しないばかりか、コイルがハウジングを貫通しているために、ハウジングのコイル貫通部が大きくなることにより、中心側に設置された軸受けの発熱がハウジングに伝わっても充分な放熱効果が得られないという課題があった。

　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、ハウジングの温度上昇を抑制し、熱害による軸受け等の構成部品の劣化を抑制可能な電動機を提供することを目的とする。

　この発明の電動機は、通電によって磁界を発生するコイルを保持し、コイルが発生した磁界の磁路を構成するステータ部と、ステータ部の磁気吸引反発力によって回転するロータ部と、ステータ部の中心側でロータ部を回転自在に保持する軸受けと、ステータ部のコイルへ、ロータ部の回転位置に応じて配電する配電板と、ステータ部および配電板を軸方向に並べて保持するハウジングとを備え、ハウジングは、一方の面でステータ部を保持し、反対側の面で配電板を保持するブラケット部と、ブラケット部の中心に形成され軸受けを収容する軸穴と、ブラケット部の軸穴より外周側に形成され、ステータ部のコイルを配電板側へ軸方向に貫通させるコイル貫通穴と、ブラケット部の軸穴より外周側に、全周に亘って形成され、コイル貫通穴を通る環状の溝とを有するものである。

　この発明によれば、ブラケット部の軸穴より外周側に環状の溝を形成することにより、この溝で熱切りして軸受けへの伝熱を抑制することができる。また、溝を形成してブラケット部の厚みを一部薄くすることにより、コイルの誘導加熱による発熱を低減し、不要なハウジングの温度上昇を抑制することができる。よって、熱害による軸受け等の構成部品の劣化を抑制可能な電動機を提供することができる。

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に係る電動機の回転動作を説明する図である。実施の形態１に係る電動機のハウジングの構造を示し、図３（ａ）は配電板側から見た平面図、図３（ｂ）はＡＡ線に沿って切断した断面図である。従来構造のハウジングを示し、図４（ａ）は配電板側から見た平面図、図４（ｂ）はＢＢ線に沿って切断した断面図である。実施の形態１に係る電動機における薄肉部と配電板の位置関係を説明する断面図である。実施の形態１に係る電動機のハウジング変形例であって、薄肉部と配電板の位置関係を説明する断面図である。この発明の実施の形態２に係る電動機のうちのハウジングの構造を示し、図７（ａ）は配電板側から見た平面図、図７（ｂ）はＣＣ線に沿って切断した断面図である。実施の形態２に係る電動機のハウジング変形例であって、図８（ａ）は配電板側から見た平面図、図８（ｂ）はＥＥ線に沿って切断した断面図である。実施の形態２に係る電動機のハウジング変形例を示す、配電板側から見た平面図である。

　以下、この発明をより詳細に説明するために、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に示す電動機１は、３相交流シンクロナスモータを構成し、主に、円筒状のハウジング２と、ハウジング２の内部に固定されたステータ部３と、シャフト４を回転させるロータ部５と、ステータ部３の一方端面側に配置された配電板（バスバー）１４とを備える。図２に、配電板１４側から見たステータ部３とロータ部５の平面図を示す。ただし、ハウジング２およびコイル１２等は図示を省略する。

　ロータ部５は、電磁鋼板を積層して構成され、周方向外側に突出する突部を１８０度間隔に２箇所形成し、シャフト４の軸方向の途中で突部を９０度ずらした状態にする（突部５ａ，５ｂ）。シャフト４は、ハウジング２に固定された軸受け７，８によって回転自在に支持されている。このシャフト４にロータ部５が固定され、ロータ部５と一体にシャフト４を回転させることにより、ロータ部５に発生した回転力を外部出力する。

　ステータ部３は、２個のステータコア９，１０と、このステータコア９，１０の間に配置されたマグネット１１とから構成される。ステータコア９，１０は、それぞれ、電磁鋼板をシャフト４の軸方向に積層して構成する。このステータコア９，１０それぞれには、外側から中央のシャフト４側へ突出するティース９ａ，１０ａが複数形成され、シャフト４の軸方向に重なる１組のティース９ａ，１０ａに１個のＵ字状のコイル１２が装着される。このステータ部３は、ハウジング２の開口端部から圧入され、その開口端部を塞ぐカバー１９とハウジング２の内周面に突設されたブラケット部２０（詳細は後述する）とに挟持された状態で固定されている。

　各ティース９ａ，１０ａに装着された各コイル１２の先端部は、ハウジング２のブラケット部２０に形成されたコイル貫通穴２２、および絶縁部材６に形成された貫通穴（不図示）を貫通してインバータ基板１３側へ突出しており、この突出部分が配電板１４（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）に溶接等によって接続されている。配電板１４は、絶縁性樹脂等の絶縁部材６と一体成形されてアルミ等の金属製ハウジング２から絶縁された導電部材であり、シャフト４の周方向に沿って環状に配置されて一端部がインバータ基板１３に、他端部がコイル１２に接続されている。配電板１４を内包した絶縁部材６は、ハウジング２の開口端部（ステータ部３の圧入側とは反対側）から圧入され、その開口端部に取り付けられたカバーハウジング１７とブラケット部２０とに挟持された状態で固定されている。

　インバータ基板１３は、外部電源（不図示）を交流電流に変換し、センサ１５から入力される位置信号に基づいて配電板１４のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の３相を順次切り替えて配電板１４に電流を流す。このインバータ基板１３は、カバーハウジング１７の内部に取り付けられ、カバー１８に被覆されている。

　センサ１５は、絶縁部材６の内周側空間に設置され、シャフト４と一体に回転するセンサターゲット１６の位置を検出することによりシャフト４の回転位置を検知して、インバータ基板１３へ位置信号を出力する。

　ここで、電動機１の動作概略を説明する。
　軸方向に着磁されたマグネット１１による磁束は、マグネット１１のＮ極側に配置されたステータコア９のティース９ａからロータ部５の突部５ａへ流れ出て、ロータ部５を軸方向に進んでＳ極側にある突部５ｂから出て、ロータ部５のＳ極側に配置されたステータコア１０のティース１０ａへ流れ入る界磁磁束となる。このように、マグネット１１の界磁起磁力がロータ部５に作用することで、マグネット１１のＮ極側に対面するロータ部５の突部５ａをＮ極に着磁し、マグネット１１のＳ極側に対面するロータ部５の突部５ｂをＳ極に着磁する。配電板１４を経由してＵ字のコイル１２に電流が流れると、流れた電流の向きに応じてステータコア９，１０の各ティース９ａ，１０ａが着磁して回転磁界が生じ、トルクが発生する。コイル１２に流す電流の向きを順次切り替えることにより、図２（ａ）～図２（ｃ）のように各ティース９ａ，１０ａのＮＳ各極性が回転移動していき、磁気吸引反発力によりロータ部５が回転する。

　次に、ハウジング２のブラケット部２０の形状を説明する。
　図３は、本実施の形態１に係る電動機１のハウジング２の構造を示し、図３（ａ）はハウジング２を配電板１４側から見た平面図、図３（ｂ）はハウジング２をＡＡ線に沿って切断した断面図である。
　ブラケット部２０の中心に軸穴２１を形成して、軸受け８を設置する。また、ブラケット部２０に、コイル１２が貫通するコイル貫通穴２２をコイル１２の端子数分形成して、コイル１２をステータ部３側から配電板１４側へ挿通する。この電動機１では、ステータ部３のティース９ａ，１０ａを６極設けたので、Ｕ字のコイル１２も６本必要になり、コイル貫通穴２２も６箇所必要になる。そして、図３（ａ）に二点鎖線で示すように、隣り合うコイル１２の先端部同士を１個のコイル貫通穴２２に挿通している。

　また、ブラケット部２０の配電板１４を向く面に、コイル貫通穴２２を通るように環状の溝２３を形成する。同様に、ブラケット部２０のステータ部３を向く面にも、コイル貫通穴２２を通るように環状の溝２４を形成する。これにより、ブラケット部２０の軸方向の厚みＤ１に比べ、溝２３，２４を形成した部分の厚みＤ２が薄い薄肉部２５が形成される。

　以下、薄肉部２５を形成した場合と形成しない場合の放熱効果の違いを説明する。
　図４に、薄肉部２５を形成しない、従来構造のハウジング１０２を示す。図４（ａ）は、ハウジング１０２を配電板１４側から見た平面図、図４（ｂ）はハウジング１０２をＢＢ線に沿って切断した断面図である。

　ステータ部３に設置されたコイル１２は、配電板１４と電気的に接合する必要があるため、ハウジング２，１０２のブラケット部２０を貫通させなければならず、ブラケット部２０にはコイル貫通穴２２を形成してコイル１２を通さなければならない。そのため、ブラケット部２０およびハウジング２，１０２には、電流が流れることによるコイル１２の発熱が伝わる（図３（ｂ）および図４（ｂ）の矢印Ｈ１）。

　一方、電流が流れることによるコイル１２および配電板１４の発熱をブラケット部２０とハウジング２，１０２に伝えて放熱させるためには、コイル貫通穴２２の内壁面とコイル１２との距離、および配電板１４とブラケット部２０との距離を極力近づけなければならない。

　しかし、コイル１２とブラケット部２０とを近づけすぎると、コイル１２に流れる交流電流によって誘導加熱が発生し、ブラケット部２０およびハウジング２，１０２が熱せられてしまうため、コイル１２および配電板１４が充分に放熱できなくなる。
　また、誘導加熱によるブラケット部２０およびハウジング２，１０２の発熱が伝わり（図３（ｂ）および図４（ｂ）の矢印Ｈ２）、軸穴２１に設置された軸受け８が不要に温度上昇してしまう。

　そこで、本実施の形態１のハウジング２においては、図３に示すようにブラケット部２０の軸穴２１の外周側に、コイル貫通穴２２を通る環状の溝２３，２４を設けて薄肉部２５を形成し、誘導加熱により発熱する部位を小さくする。これにより、少なくともコイル１２の誘導加熱による発熱を低減させて、ブラケット部２０およびハウジング２の不要な温度上昇を抑制することを可能とした。そのため、軸受け８への伝熱（図３（ｂ）の矢印Ｈ２）を抑制でき、軸受け８が不要に加熱されることを防ぐことが可能になると共に、軸受け８の摩擦による自己発熱をブラケット部２０およびハウジング２に放熱させて温度を下げることができる。また、溝２３，２４を形成することにより、ブラケット部２０から軸受け８への伝熱を熱切りできる。よって、熱害による軸受け８の劣化を抑制可能となる。

　図５は、本実施の形態１に係る電動機１における薄肉部２５と配電板１４の位置関係を説明する断面図である。図中、ステータ部３、コイル１２等は省略している。
　ブラケット部２０の一方側には、絶縁部材６を介して配電板１４を当接させて、電流が流れることによる配電板１４の発熱をブラケット部２０およびハウジング２に伝えて放熱し、温度上昇を抑制している。このとき、ブラケット部２０の環状の溝２３よりも外周側に、絶縁部材６を介して配電板１４を配置することにより、溝２３によって空気の層を形成して熱切りし、軸受け８への伝熱を抑制する。また、配電板１４の発熱は、配電板１４とブラケット部２０の接触面２６から薄肉部２５を通って軸受け８へ伝わるようになり、矢印Ｈ３の放熱経路が構成される。よって、軸受け８が不要に加熱されることを防ぐことが可能になる。

　また、コイル１２の発熱によりステータ部３も温度上昇するが、このステータ部３に当接するブラケット部２０に溝２４を形成することにより、軸受け８への伝熱を抑制することができる。

　図３および図５では、ブラケット部２０の両面に環状の溝２３，２４を形成したが、いずれか一方でもよい。ステータ部３より絶縁部材６の方が温度が上昇するので、少なくとも配電板１４側に溝２３を形成することが望ましい。
　さらに、溝２３を深くして、配電板１４から軸受け８への伝熱をより抑制可能な構成にしてもよい。この構成例を図６に示す。

　この図６は、本実施の形態１に係る電動機１におけるブラケット部２０の変形例を説明する断面図である。図中、ステータ部３、コイル１２等は省略している。
　この変形例では、ブラケット部２０の配電板１４を向く面に深い溝２３を形成して、配電板１４から薄肉部２５までの軸方向の距離を長くしている。そのため、図６に矢印Ｈ３で示した放熱経路が、図５に矢印Ｈ３で示した放熱経路より延長され、ブラケット部２０とハウジング２の外周面からの放熱が増え、配電板１４から軸受け８への伝熱をより抑制することが可能となる。

　さらに、図３、図５および図６において、ハウジング２の外周面にヒートシンク等の放熱部材を設置して、放熱効果を高めてもよい。

　以上より、実施の形態１によれば、電動機１は、通電によって磁界を発生するコイル１２を保持し、コイル１２が発生した磁界の磁路を構成するステータ部３と、ステータ部３の磁気吸引反発力によって回転するロータ部５と、ステータ部３の中心側で、ロータ部５に固定されたシャフト４を回転自在に保持する軸受け８と、ステータ部３のコイル１２へ、ロータ部５の回転位置に応じて配電する配電板１４と、ステータ部３および配電板１４を軸方向に並べて保持するハウジング２とを備え、このハウジング２は、一方の面でステータ部３を保持し、反対側の面で配電板１４を保持するブラケット部２０と、ブラケット部２０の中心に形成され軸受け８を収容する軸穴２１と、ブラケット部２０の軸穴２１より外周側に形成され、ステータ部３のコイル１２を配電板１４側へ軸方向に貫通させるコイル貫通穴２２と、ブラケット部２０の軸穴２１より外周側に、全周に亘って形成され、コイル貫通穴２２を通る環状の溝２３，２４とを有するように構成した。このため、ブラケット部２０の軸受け８より外周側の環状の溝２３，２４で熱切りして、軸受け８への伝熱を抑制することができる。また、溝２３，２４を形成してブラケット部２０の厚みを一部薄くすることにより、コイル１２の誘導加熱による発熱を低減して、不要なハウジング２の温度上昇を抑制することができ、軸受け８からハウジング２への放熱を阻害しない。よって、熱害による軸受け８等の構成部品の劣化を抑制することができる。

　また、実施の形態１によれば、環状の溝２３を、ブラケット部２０の配電板１４を保持する面に形成するようにしたので、配電板１４の発する熱を溝２３で熱切りし、配電板１４から軸受け８への伝熱を抑制することできる。

　また、実施の形態１によれば、配電板１４を、ブラケット部２０の環状の溝２３より外周側に、絶縁部材６を介して当接させるようにしたので、配電板１４とブラケット部２０の接触面２６からブラケット部２０外周側および薄肉部２５を通って軸受け８まで、放熱経路が構成される。このため、配電板１４の発する熱をブラケット部２０およびハウジング２で効率的に放熱できる。

実施の形態２．
　図７は、本実施の形態２に係る電動機１のうちのハウジング２の構成を示し、図７（ａ）はハウジング２を配電板１４側から見た平面図、図７（ｂ）はハウジング２をＣＣ線に沿って切断した断面図である。なお、本実施の形態２の電動機１において、ブラケット部２０以外の構成は図１と同様のため、以下では図１を援用する。

　図６に示したようにハウジング２のブラケット部２０に環状の溝２３を深く形成すると、軸穴２１の周辺の強度が低下する。そこで、本実施の形態２では、図７に示すように、溝２３に複数のリブ３０を設置して、ブラケット部２０の強度を向上させる。また、このリブ３０の厚みを薄くすることにより、誘導加熱によるリブ３０の温度上昇を抑制し、軸受け８が不要に加熱されることを防ぐ。さらに、絶縁部材６との接触面２６よりリブ３０の端面を一段低くし、リブ３０と絶縁部材６との間に隙間Ｄ３を開ける。これにより、配電板１４の発熱がリブ３０を介して軸受け８へ伝わることを防止している。

　また、図５に示したようにブラケット部２０の両面に溝２３，２４を形成した場合にも、リブ３０を設置可能である。一例として、図８（ａ）に、ハウジング２を配電板１４側から見た平面図を示し、図８（ｂ）に、ハウジング２をＥＥ線に沿って切断した断面図を示す。図８の例では、ブラケット部２０の配電板１４を向く面に溝２３を形成してリブ３０を設置すると共に、ブラケット部２０のステータ部３を向く面に溝２４を形成してリブ３１を設置する。これにより、ブラケット部２０の強度を向上させる。この構成の場合にも、リブ３０と絶縁部材６との間に隙間Ｄ３を形成して、配電板１４からの伝熱を防止する。また、リブ３１とステータ部３との間にも隙間を形成して、ステータ部３からの伝熱を防止することも可能である。なお、リブ３０，３１のいずれか一方側だけを設置することも可能である。

　さらに、リブ３０，３１はコイル１２の本数の整数倍、つまりステータ部３の極数の整数倍とし、円周状に均等に配置することが望ましい。図７および図８の場合、ステータ部３のティース９ａ，１０ａは６極のため、その整数倍としてリブ３０，３１を６箇所に均等配置し、円周状に均等な応力分布となるようにしている。また、例えば図９に示すブラケット部２０の平面図のように、極数の２倍、つまり１２箇所にリブ３０を設置してもよい。

　以上より、実施の形態２によれば、電動機１は、環状の溝２３，２４内にリブ３０，３１を設置する構成にしたので、溝２３，２４の熱切り効果を維持しつつブラケット部２０の強度を向上させることができる。また、リブ３０，３１を薄くすることにより誘導加熱の増加を伴うこともない。

　また、実施の形態２によれば、リブ３０の端面を、ブラケット部２０の配電板１４を保持する面より低くするようにしたので、配電板１４からリブ３０を通した軸受け８への伝熱を防止することができる。同様に、リブ３１の端面を、ブラケット部２０のステータ部３を保持する面より低くするようにしたので、ステータ部３からリブ３０を通した軸受け８への伝熱を防止することができる。

　また、実施の形態２によれば、リブ３０，３１の設置数を、ステータ部３の極数の整数倍にするようにしたので、円周状に均等な応力分布になるように設置でき、ブラケット部２０の強度を向上させることができる。

　なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

　以上のように、この発明に係る電動機は、ハウジングのブラケット部を、熱切りおよび放熱に配慮しつつ誘導加熱による発熱を低減可能な形状にしたので、電動コンプレッサおよび電動アシストターボなどのタービンを高速で回転駆動する電動機などに用いるのに適している。

　１　電動機、２　ハウジング、３　ステータ部、４　シャフト、５　ロータ部、５ａ，５ｂ　突部、６　絶縁部材、７，８　軸受け、９，１０　ステータコア、９ａ，１０ａ　ティース、１１　マグネット、１２　コイル、１３　インバータ基板、１４　配電板、１５　センサ、１６　センサターゲット、１７　カバーハウジング、１８，１９　カバー、２０　ブラケット部、２１　軸穴、２２　コイル貫通穴、２３，２４　溝、２５　薄肉部、２６　接触面、３０，３１　リブ。

Claims

　通電によって磁界を発生するコイルを保持し、前記コイルが発生した磁界の磁路を構成するステータ部と、
　前記ステータ部の磁気吸引反発力によって回転するロータ部と、
　前記ステータ部の中心側で前記ロータ部を回転自在に保持する軸受けと、
　前記ステータ部の前記コイルへ、前記ロータ部の回転位置に応じて配電する配電板と、
　前記ステータ部および前記配電板を軸方向に並べて保持するハウジングとを備え、
　前記ハウジングは、
　一方の面で前記ステータ部を保持し、反対側の面で前記配電板を保持するブラケット部と、
　前記ブラケット部の中心に形成され前記軸受けを収容する軸穴と、
　前記ブラケット部の前記軸穴より外周側に形成され、前記ステータ部の前記コイルを前記配電板側へ前記軸方向に貫通させるコイル貫通穴と、
　前記ブラケット部の前記軸穴より外周側に、全周に亘って形成され、前記コイル貫通穴を通る環状の溝とを有することを特徴とする電動機。
　前記環状の溝は、前記ブラケット部の前記配電板を保持する面に形成したことを特徴とする請求項１記載の電動機。
　前記配電板は、前記ブラケット部の前記環状の溝より外周側に、絶縁部材を介して当接することを特徴とする請求項２記載の電動機。
　前記環状の溝内にリブを設置したことを特徴とする請求項１記載の電動機。
　前記リブの端面は、前記ブラケット部の前記配電板を保持する面または前記ステータ部を保持する面よりも低いことを特徴とする請求項４記載の電動機。
　前記リブの設置数は、前記ステータ部の極数の整数倍であることを特徴とする請求項４記載の電動機。