WO2021010386A1 - 電動機とその製造方法および車両用装置 - Google Patents

電動機とその製造方法および車両用装置 Download PDF

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    • H02K3/04Windings characterised by the conductor shape, form or construction, e.g. with bar conductors
    • H02K3/28Layout of windings or of connections between windings

Definitions

  • An object of the present invention is for electric motors, vehicle power units, generators, wheels with generators, which can provide a fractional groove configuration, reduce manufacturing manpower, and reduce coil connection space. It is to provide a method of manufacturing a bearing and an electric motor.
  • the vehicle power device of the present invention has a fixed wheel and a hub flange, and has a rotating wheel that is rotatably supported by the fixed wheel via a rolling element and to which a vehicle wheel and a brake rotor are attached to the hub flange.
  • a wheel bearing and an electric motor according to any one of the above inventions attached to the wheel bearing are provided, the stator is attached to the fixed wheel, and the rotor is attached to the rotating wheel.
  • coils having the same phase adjacent to each other in the circumferential direction are composed of one strand and are configured to have opposite polarities to each other, so that they are adjacent to each other in the circumferential direction.
  • the portion where the matching in-phase coils are connected in series can be omitted. Therefore, the manufacturing man-hours can be reduced.
  • the stator core has an assembly structure in which a plurality of tooth parts divided for each tooth are assembled in an annular shape, it is possible to easily wind a coil around each tooth in a state where each tooth is divided. .. After winding this coil, a plurality of tooth parts can be assembled in an annular shape. As a result, the coil connection space can be reduced even in a generator having a fractional groove configuration.
  • FIG. 1 It is a figure which enlarges and shows the teeth of the outer rotor type electric motor which concerns on 3rd Embodiment of this invention. It is a figure explaining the step-up of the coil of the electric motor of FIG. It is a figure which shows the example of how to wind the coil of the electric motor. It is a perspective view of the assembly of the electric motor. It is a front view of the assembly of the electric motor. It is a partially enlarged view of FIG. It is a partially enlarged sectional view of the assembly of the electric motor. It is sectional drawing of the power unit for a vehicle provided with an outer rotor type electric motor. It is a figure which shows an example of the winding distribution of a three-phase synchronous motor.
  • the coil winding manufactured by the present embodiment is characterized in that it is composed of a continuous coil 5a composed of one wire in order to omit the connection step of the coils 5a that are in phase and adjacent to each other in the circumferential direction. To do. Therefore, the manufacturing man-hours can be reduced and the connection space can be omitted.
  • the continuous coil 5a does not include a coil in which the ends of the coils are connected to each other by welding or a connector or the like, and a coil 5a made of one wire is used with a required coil length.
  • the electric motor can be manufactured at low cost.
  • the protruding portions 4ac protruding in an arc shape from the tip of the teeth 4a on both sides in the circumferential direction are provided, the flow of magnetic flux is optimized, the output of the electric motor can be improved, and cogging is achieved. The torque can be reduced.
  • both ends Sb and Sc of the coil wire S in the longitudinal direction are rotated relative to the teeth 4a and 4a, and the coil wire S is rotated in the longitudinal direction. While rotating the other end Sc of the coil strand S in the longitudinal direction with respect to one end Sb, the coil strand S is moved to the axial root side of each tooth 4a to form a winding.
  • the two tooth parts 6 and 6 are opened at a desired angle, assembled and fixed in an annular shape, and the unconnected coil ends are connected to the desired circuit.
  • the stator 2 is completed by connecting to. That is, each tooth 4a is fixed in the shape of the stator 2 and connected.
  • the motor 1 is completed by combining the rotor 3 (FIG. 1) and the stator 2. D2 at the bottom of FIG. 7 shows the direction of the obtained current.
  • a winding machine that ejects a coil wire with a nozzle (not shown) is used, but in the embodiment of the present invention, it is not necessary to use the nozzle, and the coil wire diameter is used in the coil winding process. And there is no effect of nozzle diameter.
  • the coil is passed through a gap between adjacent coils in the circumferential direction. Therefore, there is a risk of damaging adjacent coils, and it is difficult to maximize the space factor of the coils.
  • the stator since the stator is assembled in the assembly process after the coil winding process, winding can be performed up to the upper limit of the range not in contact with the adjacent coils. Further, since the nozzle is not used, a coil having an arbitrary cross-sectional shape can be freely wound.
  • the coils 5a having the same phase adjacent to each other in the circumferential direction are composed of one wire S and are configured to have opposite polarities. Therefore, it is possible to omit the portion in which the coils 5a having the same phase adjacent to each other in the circumferential direction are connected in series. Therefore, the manufacturing man-hours can be reduced. Further, since the stator core 4 has an assembly structure in which a plurality of tooth parts 6 divided for each tooth 4a are assembled in an annular shape, the coil 5a can be easily wound around each tooth 4a in a state where each tooth 4a is divided. It becomes possible to do. After winding this coil, a plurality of tooth parts 6 can be assembled in an annular shape. As a result, the connection space of the coil 5a can be reduced even in an electric motor having a fractional groove configuration.
  • the tooth parts 6 having the same shape can be combined to form the annular portion 8 of the stator core 4.
  • the ring portion 8 of the stator core 4 can be formed by combining the tooth parts 6 having the same shape. According to this configuration, it is possible to reduce the types of molds at the time of manufacturing the stator, and it is possible to reduce the manufacturing cost. Since the rotor 3 is an inner rotor type motor in which the rotor 3 is located inward in the radial direction of the stator 2, the electric motor 1 has a lower moment of inertia of the rotor 3 than an outer rotor type motor of the same size, and is suitable for high-speed rotation. Can be done.
  • the stator core 4 has a structure including a plurality of teeth 4a and an annular portion 8 for fixing the root portions of the plurality of teeth 4a to the inner circumference.
  • the structure may be such that only the teeth portion is divided.
  • a plurality of engaged portions 8a are provided on the inner circumference of the annular portion 8 at regular intervals in the circumferential direction, and the root portion of the teeth 4a can be engaged with each of the engaged portions 8a.
  • the shape error of the annular portion 8 is smaller than that of the split structure on the circumference, the assembling property when assembling the annular portion 8 of the stator 2 to other parts can be improved. Further, since the magnetic path is not interrupted at the annular portion 8 of the stator core 4 as compared with the divided structure on the circumference, the loss of the stator 2 can be reduced, that is, the magnetic flux density can be increased. Further, since the shape of the teeth 4a can be made linear as compared with the split structure on the circumference, the teeth 4a can be easily held by the winding machine and there is no portion that interferes with the winding portion. Winding around 4a becomes easy, and the space factor of the coil 5a can be improved.
  • one coil wire S is prepared with the coil length required for winding two teeth.
  • both ends BE of the coil wire S in the longitudinal direction to the roots of the two teeth 4a and 4a and winding the central portion Sa of the coil wire S in the longitudinal direction around the two teeth 4a and 4a at the same time.
  • the step-up of the coil 5a on the tip side of the teeth can be easily constructed. Further, the same winding can be formed by rotating the tooth component 6 in the axial direction of the tooth 4a while fixing the coil wire S.
  • the electric motor 1 is an outer rotor type electric motor.
  • bus bars 11, 12, 13 and neutral point bus bars 14 of each phase are provided on the inner diameter side of the stator core 4, and teeth adjacent to each other in the circumferential direction of the same phase are wound by a continuous coil 5a composed of one strand.
  • the power lines of each phase are omitted.
  • the bus bar may be provided on the coil end instead of on the inner diameter side of the stator core 4. In this case, it becomes easy to fix the stator with the annular portion of the electric motor.
  • FIG. 17 shows a partially enlarged cross-sectional view of the assembly of the electric motor 1.
  • a resin bobbin 9 can be applied as an insulating member between the stator 2 and the coil 5a.
  • insulating paper or insulating coating on a stator can also be applied. Since the coil 5a has a round cross section shown in FIG. 17 to allow the coil 5a to be twisted during the coil winding process, the productivity of the electric motor 1 is improved.
  • the coil may have a rectangular cross section (not shown). In this case, the contact area between the coils is larger than that of the coil having a round cross section, and the thermal conductivity of the coil is improved.
  • the electric motor according to any one of the first to third embodiments may be mounted on the vehicle power unit.
  • the outer rotor type electric motor 1 is attached to the wheel bearing 15.
  • the vehicle power unit includes a wheel bearing 15 and an electric motor 1 attached to the wheel bearing 15.
  • the brake rotor 20 and the wheel 21a of the wheel 21 which is the driving wheel are attached to the side surface of the hub flange 18a on the outboard side by the hub bolt 22 in a state where they overlap in the axial direction.
  • the tire 21b of the wheel 21 is attached to the outer circumference of the wheel 21a.
  • the entire wheel bearing 15 is contained within the axial width of the wheel 21a.
  • the entire motor 1 has a smaller diameter than the outer peripheral portion of the brake rotor 20. Further, the entire motor 1 except for the attachment portion to the hub flange 18a is located in the axial range between the vehicle body attachment surface on the inboard side of the wheel bearing 15 and the hub flange 18a. Therefore, when the electric motor 1 is supported by the wheel bearing 15, it is not necessary to change the structure of the damping device or the like around the wheel 21. Further, as for the wheel bearing 15, existing products can be used for the components such as the inner ring 18 other than the outer ring.
  • this vehicle power unit it is possible to omit a portion in which coils of the same phase adjacent to each other in the circumferential direction are connected in series, so that the stator axial dimension required for the connection can be shortened. Therefore, the axial dimension of the electric motor 1 can be increased within the limited dimensions, and the output of the electric motor 1 can be improved.

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Abstract

分数溝の構成を備えると共に、製造工数の削減を図ることができ、またコイルの結線スペースを低減することができる電動機、車両用動力装置、発電機、発電機付車輪用軸受および電動機の製造方法を提供する。電動機(1)は、ステータコア(4)および各ティース(4a)に巻回された複数のコイル(5a)を含むステータコイル(5)を有するステータ(2)と、ステータ(2)に対し半径方向に対向して位置するロータ(3)とを備える。電動機1は、ロータ(3)の極対数をNとし、ステータ(2)における一相あたりのティース(4a)の数をPとしたとき、P/3Nが整数でない電動機である。ステータコア(4)は、少なくともティース毎に分割された複数のティース部品(6)が円環状に組み立てられた組立構造であり、各コイル(5a)のうち同相のコイル(5a)が直列回路を成し、前記同相のコイルのうちの円周方向に隣り合うコイル(5a)が1本の素線から成り互いに逆向きの極性に構成されている。

Description

電動機とその製造方法および車両用装置 関連出願
 本出願は、2019年7月18日出願の特願2019-132491の優先権を主張するものであり、その全体を参照により本願の一部をなすものとして引用する。
 この発明は、電動機、車両用動力装置、発電機、発電機付車輪用軸受および電動機の製造方法に関し、分数溝モータの結線工程等を簡単化し、製造を容易にすることができる技術に関する。
 一般的なラジアル構造の三相同期モータ(以下、モータと称す)は、ステータコア構造として、環状の部材にティースが等配された構造を持つ。ティースにはコイルが巻かれ、コイルは三相の動力線を結線して構成されている(例えば、特許文献1,2)。
 モータにおいて、一相あたりのスロット数を総極数で除した数が分数になるモータを分数溝モータと称す(例えば、特許文献3,4)。三相同期モータにおいては、ロータの極対数をNとし、一相あたりのスロット数(=ティースの数)をPとしたとき、P/3Nが分数となるモータを指す。分数溝モータは、駆動時のトルクの発生位置がモータ全周に分散するため、低振動、低トルクリップルである。またステータティースの先端と磁石が最接近する位置がモータ全周で分散するため、磁石の吸引力が分散し、低コギングトルクであることを特徴とする。
 しかし、コイルの回路構成が大きな周期性を持つため、コイルの回路を製造することが難しい。分数溝モータの構成の中にロータの極対数N=5、一相あたりのスロット数P=4とした5:4の比率、すなわち三相モータであれば総極数2N:総スロット数3P=10:12の比率のモータの場合、各ティースにおける相の位置と巻線の方向は図19Bのようになる。これは同相で隣り合うティース50の極性が互いに逆となり、隣り合うティース50,50で直列回路を形成する場合、同じ方向に巻線をしているならば、互いのコイル51の巻き始めと巻き終わりを接続しなければならず、隣り合うコイル同士を接続するための結線工程が必要となる。
 図19Aに示す一般的な整数溝モータは、隣り合うコイル51の巻線の方向が一定であり、その極性も同じ方向のため、例えば中性点の結線を一様なコイル端に対して施工することができ、分数溝モータと比較して製造が容易である。
 図19A,図19Bにおいて、各ティース50に示したアルファベットは駆動時に流す電流の相を表し、+-の記号は回路構成時の巻線の向きを示している。同相のコイル51は直列または並列に接続され、同相の交流電流が+-の記号の向きに正負を逆転して流れる。
 図20A,図20Bに巻線の向きを示す。図20A,図20Bは同じ内容であり、図20Bはコイルを簡略に示している。右ネジの法則に従い、ティース先端方向に磁束が流れる向きの符号を+としている。また、コイル断面に対して電流の向きが紙面奥向きとなる場合を×印、電流の向きが紙面手前向きとなる場合を丸印で表す。図20A,図20Bにおいて、A1は「磁束の向き」、A2は「電流の入口」、A3は「電流の出口」を表す。これらは各ティースのコイル接続方向の関係を示したものであり、本発明におけるモータの運転に用いられる電流は交流電流のため、運転中の電流および磁束の向きは随時入れ替わる。ステータの別の模式図を図21Aおよび図21Bに示す。このステータは、図21Aに示すように、円環部EkとティースTsとを備える。図21Aは4極12スロットのコイル分布を示し、図21Bは10極12スロットのコイル分布を示す。各相のコイルは目的に応じて全て直列もしくは全て並列、またはその両方を組み合わせた回路構成が採られる。
特許第5847543号公報 特許第6139723号公報 特許第6095267号公報 特許第6430570号公報
 図19Bに示すように、三相交流モータにおいて総極数:総スロット数が10:12の比率の分数溝モータは、ティース12個でコイルの回路周期性をもち、隣り合うティースで電流の向きが逆方向になる、もしくは相が異なる。一方で整数溝の場合はティース3個の周期となっており、かつ、ティースの極性も一定である場合が大半である。そのため整数溝モータと比較して分数溝モータはコイル巻きおよびコイルの回路の製造が難しい。極対数:一相あたりのスロット数が5:4の比率の分数溝モータで、コイルの接続回路に直列接続を持つ場合、同相で隣り合うコイルの巻き始めと巻き終わりを接続する必要があり、コイル接続のための工程および接続スペースが必要となる。
 この発明の目的は、分数溝の構成を備えると共に、製造工数の削減を図ることができ、またコイルの結線スペースを低減することができる電動機、車両用動力装置、発電機、発電機付車輪用軸受および電動機の製造方法を提供することである。
 この発明の電動機は、ステータコアおよびこのステータコアの円周方向に並ぶ各ティースに巻回された複数のコイルを含むステータコイルを有するステータと、このステータに対し半径方向に対向して位置するロータとを備え、前記ロータの極対数をNとし、前記ステータにおける一相あたりのティースの数をPとしたとき、P/3Nが整数でない電動機であって、
 前記ステータコアは、少なくとも前記ティース毎に分割された複数のティース部品が円環状に組み立てられた組立構造であり、前記各コイルのうち同相のコイルが直列回路を成し、前記同相のコイルのうちの円周方向に隣り合うコイルが1本の素線から成り互いに逆向きの極性に構成されている。
 この構成によると、分数溝の構成を備えた電動機において、円周方向に隣り合う同相のコイルが1本の素線から成り互いに逆向きの極性に構成されているため、円周方向に隣り合う同相のコイルを直列に結線する部分を省略することができる。したがって、製造工数の削減を図ることができる。またステータコアは、ティース毎に分割された複数のティース部品が円環状に組み立てられた組立構造であるため、各ティースが分割された状態で各ティースにコイルを容易に巻回することが可能となる。このコイル巻回後、複数のティース部品を円環状に組み立てることができる。これにより、分数溝の構成を備えた電動機であっても、コイルの結線スペースを低減することができる。
 前記各ティース部品は、前記ティースと、このティースの根本部から円周方向に延びる連結部とを有し、前記ステータコアは、複数の前記連結部が円環状に組み立てられていてもよい。この場合、複数のティース部品を組み合わせてステータコアの円環部を構成することができる。この場合において、同一形状のティース部品を組み合わせてステータコアの円環部を構成してもよい。この構成によると、ステータ製造時の金型の種類を減らすことができ、製造コストの低減を図ることが可能となる。
 前記ステータコアは、円環部と、この円環部の内周または外周に前記各ティースの根本部が固定される複数のティースとを備えてもよい。この場合、円周上の分割構造と比較して円環部の形状誤差が少なくなるため、ステータの前記円環部を他部品に組み付ける際の組付け性をよくすることができる。さらに円周上の分割構造と比較してステータコアの円環部で磁路が途切れることがないため、ステータの損失を低くつまり磁束密度を高くすることができる。また、円周上の分割構造と比較してティースの形状を直線形状とすることができることから、巻線機によるティースの保持が容易で、巻線部分に干渉する部分がないため、ティースへの巻線が容易となり、コイルの占積率を向上することができる。
 前記電動機は、前記ロータが前記ステータの半径方向内方に位置するインナーロータ型であってもよい。この場合、同一サイズのアウターロータ型の電動機よりもロータの慣性モーメントが低いため、高速回転向きの電動機とすることができる。
 前記電動機は、前記ロータが前記ステータの半径方向外方に位置するアウターロータ型であってもよい。この場合、同一サイズのインナーロータ型の電動機よりもロータとステータとが対向する面積を増やすことができる。これにより、限られた空間内で出力トルクを最大化することが可能となる。
 前記ティースは、このティースの先端部に、円周方向両側に円弧状に突出する突出部分が設けられている突出部分付き形状、または前記先端部に前記突出部分が設けられていない形状である非突出形状であってもよい。コイルとステータコアとの間に絶縁用部材であるボビンを介在させる場合に、先端部に前記突出部分が設けられていない形状である非突出形状のティースを適用すると、ティースの先端側から前記ボビンを挿通することができ、ボビンを分割構造にする必要がなくなるため、電動機を安価に製造することができる。突出部分付き形状のティースを適用すると、磁束の流れが最適化され、電動機の出力向上を図れ、且つコギングトルクを低減し得る。
 前記電動機は、前記ロータの極対数をNとし、前記ステータにおける一相あたりのティースの数をPとしたとき、N:P=5:4の比となる分数溝モータであってもよい。電動機をこのような分数溝モータに適用することで、コギングトルクの低減を図り、トルク密度の向上を図ることができる。トルク密度の向上を図れるためモータ出力を大きくすることが可能となる。
 この発明の車両用動力装置は、固定輪、およびハブフランジを有し前記固定輪に転動体を介して回転自在に支持されて前記ハブフランジに車両の車輪およびブレーキロータが取付けられる回転輪を有する車輪用軸受と、この車輪用軸受に取付けられた前記いずれかに記載の発明の電動機と、を備え、前記固定輪に前記ステータが取付けられ、前記回転輪に前記ロータが取付けられている。
 この構成によると、円周方向に隣り合う同相のコイルを直列に結線する部分を省略することができるため、結線に必要なステータ軸方向寸法を短縮することができる。したがって、限られた寸法内で電動機の軸方向寸法を大きくすることができ、電動機の出力を向上させることができる。
 この発明の発電機は、ステータコアおよびこのステータコアの円周方向に並ぶ各ティースに巻回された複数のコイルを含むステータコイルを有するステータと、このステータに対し半径方向に対向して位置するロータとを備え、前記ロータの極対数をNとし、前記ステータにおける一相あたりのティースの数をPとしたとき、P/3Nが整数でない発電機であって、
 前記ステータコアは、少なくとも前記ティース毎に分割された複数のティース部品が円環状に組み立てられた組立構造であり、前記各コイルのうち同相のコイルが直列回路を成し、前記同相のコイルのうちの円周方向に隣り合うコイルが1本の素線から成り互いに逆向きの極性に構成されている。
 この構成によると、分数溝の構成を備えた発電機において、円周方向に隣り合う同相のコイルが1本の素線から成り互いに逆向きの極性に構成されているため、円周方向に隣り合う同相のコイルを直列に結線する部分を省略することができる。したがって、製造工数の削減を図ることができる。またステータコアは、ティース毎に分割された複数のティース部品が円環状に組み立てられた組立構造であるため、各ティースが分割された状態で各ティースにコイルを容易に巻回することが可能となる。このコイル巻回後、複数のティース部品を円環状に組み立てることができる。これにより、分数溝の構成を備えた発電機であっても、コイルの結線スペースを低減することができる。
 この発明の発電機付車輪用軸受は、固定輪、およびハブフランジを有し前記固定輪に転動体を介して回転自在に支持されて前記ハブフランジに車両の車輪およびブレーキロータが取付けられる回転輪を有する車輪用軸受と、この車輪用軸受に取付けられた前記に記載の発明の発電機と、を備え、前記固定輪に前記ステータが取付けられ、前記回転輪に前記ロータが取付けられている。
 この構成によると、円周方向に隣り合う同相のコイルを直列に結線する部分を省略することができるため、結線に必要なステータ軸方向寸法を短縮することができる。したがって、限られた寸法内で発電機の軸方向寸法を大きくすることができ、発電機の出力を向上させることができる。
 この発明の電動機の製造方法は、ステータコアおよびこのステータコアの円周方向に並ぶ各ティースに巻回された複数のコイルを含むステータコイルを有するステータと、このステータに対し半径方向に対向して位置するロータとを備え、前記ロータの極対数をNとし、前記ステータにおける一相あたりのティースの数をPとしたとき、P/3Nが整数でない電動機の製造方法であって、
 前記ステータコアは、少なくとも前記ティース毎に分割された複数のティース部品を有し、
 前記各コイルのうち直列回路を成す同相のコイルが巻回される2個のティース部品を、それぞれ先端部が互いに対向するように配置し、前記2個のティース部品に巻かれて2個の前記コイルとなる1本の素線の一部を固定するコイル巻線準備過程と、
 このコイル巻線準備過程の後、前記対向させた2個のティース部品の各ティースに対し、互いに逆向きの極性となるように、前記素線を相対的に巻回するコイル巻線過程と、
 このコイル巻線過程の後、前記2個のティース部品を所望の角度に開き円環状に組み立てる組立過程と、を有する。
 コイル巻線準備過程では、2個のティース部品を、それぞれ先端部が互いに対向するように配置し、1本の素線の一部を固定する。コイル巻線過程では、対向させた2個のティース部品の各ティースに対し、互いに逆向きの極性となるように、前記素線を相対的に巻回する。その後組立過程において、前記2個のティース部品を所望の角度に開き円環状に組み立てる。このように複数のティース部品を円環状に組み立てる前に、対向させた2個のティース部品の各ティースに対し、互いに逆向きの極性となるように、素線を相対的に巻回するため、分割されていない円環状のステータコアに巻線をするよりも、各ティースにコイルを容易に巻回することが可能となる。また各ティースに対し、互いに逆向きの極性となるように、1本の素線を相対的に巻回するため、円周方向に隣り合う同相のコイルを直列に結線する部分を省略することができる。
 前記コイル巻線過程の後、前記組立過程の前に、前記各ティースに巻回された前記コイルを型で押圧する押圧過程を有してもよい。この場合、コイルの占積率を向上し、コイル同士およびコイルとステータコアの密着性を向上することができる。前記コイルの占積率を向上することで、電動機の出力を向上することが期待できる。前記コイルの密着性を向上することで、コイルの電流による発熱をステータコアに効率的に伝えることができ、コイルに流せる電流量を向上することができる。
 請求の範囲および/または明細書および/または図面に開示された少なくとも2つの構成のどのような組合せも、この発明に含まれる。特に、請求の範囲の各請求項の2つ以上のどのような組合せも、この発明に含まれる。
 この発明は、添付の図面を参考にした以下の好適な実施形態の説明から、より明瞭に理解されるであろう。しかしながら、実施形態および図面は単なる図示および説明のためのものであり、この発明の範囲を定めるために利用されるべきものではない。この発明の範囲は添付の請求の範囲によって定まる。添付図面において、複数の図面における同一の符号は、同一または相当する部分を示す。
この発明の第1の実施形態に係る電動機の断面図である。 インナーロータ型の同電動機のティース等を拡大して示す図である。 同電動機のコイルの段上がりを説明する図である。 同ティースの先端の形状の一例を示す図である。 図1のティースの先端の形状の他の例を示す図である。 同電動機の製造方法を段階的に示す図である。 図5の製造方法で複数のティースを円環状に組み立てた状態を示す図である。 同電動機の他の製造方法を段階的に示す図である。 図7の製造方法で複数のティースを円環状に組み立てた状態を示す図である。 同電動機のさらに他の製造方法を示す図である。 この発明の第2の実施形態に係る電動機の断面図である。 この発明の第3の実施形態に係るアウターロータ型の電動機のティース等を拡大して示す図である。 図11の電動機のコイルの段上がりを説明する図である。 同電動機のコイルの巻き方例を示す図である。 同電動機の組立品の斜視図である。 同電動機の組立品の正面図である。 図15の部分拡大図である。 同電動機の組立品の部分拡大断面図である。 アウターロータ型の電動機を備えた車両用動力装置の断面図である。 三相同期モータの巻線分布の一例を示す図である。 三相同期モータの別の巻線分布の一例を示す図である。 コイルの巻線方向の一例を示す図である。 コイルの巻線方向の一例を簡略に示す図である。 ステータの一例を模式的に示す図である。 ステータの他の例を模式的に示す別の図である。
 以下の実施形態では、電動機または発電機のような電気回転機と、これを用いた車両用動力装置または車輪用軸受のような車両用装置および電動機の製造方法について説明する。
 [第1の実施形態]
 この発明の第1の実施形態に係る電動機を図1ないし図9と共に説明する。
 図1に示すように、この実施形態に係る電動機1は、後述する分割コア構造を持つ環状のステータ2と、このステータ2に対し半径方向内方に位置するロータ3とを備えたインナーロータ型の表面磁石型永久磁石電動機である。但し、電動機1は、後述するアウターロータ型にも適用することができる。ステータ2は、ステータコア4と、このステータコア4の円周方向に並ぶ各ティース4aに巻回された複数のコイル5aを含むステータコイル5とを有する。
 <分数溝構成例>
 この電動機1は、ステータ2における一相あたりのティース4aの数を、ロータ3の総極数で除した数が分数となるいわゆる分数溝モータである。一例として、ロータ3の極対数をNとし、ステータ2の一相あたりのティース4aの数をPとしたとき、N:P=5:4の倍数の電動機に適している。すなわち三相同期電動機の場合には、2N:3P=10:12、20:24、30:36、…の極数・スロット数の電動機に適用し得る。その他の分数溝モータにおいても、円周方向に隣り合う同相のティース4aの巻線が逆巻きとなる構成に適用できる。
 そのコイル5aの接続回路に一つ以上の直列回路を有する電動機であれば、円周方向に隣り合うティース4aが同相かつ逆向きの極性を持つコイル5aの直列回路部分を容易に製造し得る。すなわち本実施形態により製造されるコイル巻線は、同相で円周方向に隣り合うコイル5aの接続工程を省略するため、1本の素線から成る連続したコイル5aで構成されることを特徴とする。そのため、製造工数の削減を図り結線スペースを省略することができる。前記連続したコイル5aとは、コイルの端部同士を溶接またはコネクタ等で接続したコイルを含まず、1本の素線から成るコイル5aを必要なコイル長にして用いたものである。
 その他の分数溝構成例として、2N:3P=14:12、14:15の比率の電動機は、円周方向に隣り合う同相のティースの巻線が逆巻きとなるため、容易に適用でき、その他の分数溝モータにも適用し得る。なお、本実施形態では三相モータを例とするが、任意の相数に適用可能である。例えば、五相モータとすると、総極数・総スロット数が2N:5P=10:20、20:40、…に適する。
 <ステータコア4の分割構成例>
 ステータコア4は、少なくともティース4a毎に分割された複数のティース部品6が円環状に組み立てられた組立構造である。各ティース部品6は、ティース4aと、このティース4aの根本部から円周方向両側に延びる連結部7とを有し、ステータコア4は、複数の連結部7が円環状に組み立てられたものである。換言すれば、ステータコア4は、円環部8で円周方向に分割された構成である。
 各ティース部品6は、例えば、薄板状の複数の電磁鋼板が軸方向に積層されて固定されたものが適用される。各ティース部品6における円周方向両側の連結部7に、隣接する連結部7と嵌合される嵌合部7aが設けられている。嵌合部7aは、円周方向に隣接するティース部品6同士の当接面が凹凸形状となる凹凸部分を有し、円周方向に隣接する前記凹凸部分が互いに嵌め合わされて円環部8を構成する。ティース部品6は、例えば、左右非対称の一枚の電磁鋼板が表裏逆転させて積層されたものである。
 この例の電磁鋼板は、正面視において、ティース4aを中心として、円環部8の一部を成す円周方向一方の連結部7が他方の連結部7よりも短く形成されることで左右非対称の電磁鋼板を構成する。各ティース部品6につき、左右非対称の一枚の電磁鋼板を一定の積厚で表裏を逆転させて順次積層することで、前記凹凸部分が形成される。所望の積厚に積層された電磁鋼板は、加締めまたは接着により相互に接合されている。なお各ティース部品6は、一体成形された圧粉磁心等から成るものでもよい。
 <コイル5aの段上がりについて>
 図2および図3(インナーロータ形状例)に示すように、インナーロータ型の電動機1の場合、ティース先端側(図3下側)よりもティース根本側(図3上側)で隣り合うコイル5aとの空間が広く空くため、ティース根本側でコイル5aの段上がり(重ねて巻く部分)が構築されることが望ましい。後述する巻線施工例のようにコイル5aを巻回することでティース根本側でのコイル5aの段上がりが容易になる。またコイル5aを固定したままティース部品6を回転させることで、同様の巻線を構成することができる。図3の各二重丸はコイル1本の断面を表す。
 <ティース先端の形状例>
 図4Aに示すように、ティース4aは、このティース4aの根本部4aaから先端部4abにストレート形状つまり直線状に延びる非突出形状であってもよく、または図4Bに示すように、先端部4abに円周方向両側に円弧状に突出する突出部分4acが設けられている突出部分付き形状であってもよい。コイルとステータコアとの間に絶縁用部材であるボビン9(図3)を介在させる場合に、図4Aに示すストレート形状のティース4aを適用すると、ティース4aの先端側から前記ボビンを挿通することができ、ボビンを分割構造にする必要がなくなるため、電動機を安価に製造し得る。図4Bに示すように、ティース4aの先端部から円周方向両側に円弧状に突出する突出部分4acが設けられている場合、磁束の流れが最適化され、電動機の出力向上を図れ、且つコギングトルクを低減し得る。
 <巻線施工例>
 図5はこの電動機の製造方法を段階的に示す図であり、図6は、同製造方法で複数のティース4aを円環状に組み立てた状態を示す図である。この電動機の製造方法は、順次、コイル巻線準備過程と、コイル巻線過程と、組立過程とを有する。コイル巻線準備過程では、図5上部に示すように、各コイルのうち直列回路を成す同相のコイルが巻回される2個のティース部品6,6を、それぞれ先端部が所定間隔を空けて互いに対向するように配置し、これらのティース分の巻線に必要なコイル長で1本の素線Sを用意する。このコイル素線Sの長手方向中央部Saを図示外の作業台等に固定し、コイル素線Sの長手方向一端部Sbを一方(図5上部右側)のティース4aの根本部RTに固定する。図5のD1は目的とする電流の向きを示す。
 次に、コイル巻線過程では、図5中部に示すように、対向させた2個のティース部品6,6の各ティース4aに対し、互いに逆向きの極性となるように、前記コイル素線Sを相対的に巻回する。具体的には、コイル素線Sの長手方向他端部Scを、他方(図5上部左側)のティース4aに対して相対的に回転させながら、このティース4aの軸方向根本側に移動させる。またコイル素線Sの長手方向中央部Saが固定された状態で、コイル素線Sの長手方向一端部Sbが固定された一方(図5上部右側)のティース4aを、このティース4aの軸方向回りに回転させることで、両側のティース4a,4aに同一方向の巻線を形成する。
 その後、組立過程では、図5下部および図6に示すように、2個のティース部品6,6を所望の角度に開き円環状に組み立てて固定し、接続されていないコイル端部を所望の回路に結線してステータ2が完成する。その後ロータ3(図1)とステータ2を組み合わせて電動機1が完成する。図5下部のD2は得られる電流の向きを示す。
 図7および図8に示すように電動機を製造してもよい。
 図7上部に示すコイル巻線準備過程では、同相のコイルが巻回される2個のティース部品6,6を、それぞれ先端部TPが所定間隔を空けて互いに対向するように配置し、これらのティース分の巻線に必要なコイル長で1本の素線Sを用意する。このコイル素線Sの長手方向中央部Saを図示外の作業台等に固定する。図7において、D1は目的とする電流の向きを示し、FPは巻線固定部を示す。
 次に、コイル巻線過程では、図7中部に示すように、コイル素線Sの長手方向両端部Sb,Scをティース4a,4aに対して相対的に回転させ、コイル素線Sの長手方向一端部Sbに対しコイル素線Sの長手方向他端部Scを逆回転させながら、各ティース4aの軸方向根本側に移動させ、巻線を形成する。
 その後、組立過程では、図7下部および図8に示すように、2個のティース部品6,6を所望の角度に開き円環状に組み立てて固定し、接続されていないコイル端部を所望の回路に結線してステータ2が完成する。つまりそれぞれのティース4aをステータ2の形状に固定し、結線する。その後ロータ3(図1)とステータ2を組み合わせて電動機1が完成する。図7下部のD2は得られる電流の向きを示す。
 一般的なモータ巻線工程では、コイル素線を図示外のノズルで射出する巻線機を用いるが、この発明の実施形態では前記ノズルを使用する必要はなく、コイル巻線過程においてコイル線径およびノズル径の影響がない。従来の分割されていない円環状のステータに巻線をする場合、円周方向に隣り合うコイルとのすきまにコイルを通して巻線する。このため、隣り合うコイルを傷つける恐れがあり、コイルの占積率を極限まで高めることが難しい。
 本実施形態においては、コイル巻線過程の後、組立過程においてステータを組み立てるため、隣り合うコイルと接触しない範囲の上限まで巻線を施すことができる。また、前記ノズルを用いないため、任意の断面形状のコイルを自由に巻くことができる。
 図9に示すように、コイル巻線過程の後、組立過程の前に、各ティース4aに巻回されたコイル5aを型10で押圧する押圧過程を有してもよい。本実施形態による巻線は、コイル巻線後にティース4aおよびコイル5aを型10で押圧することが容易である。このように押圧することで、コイル5aの占積率を向上し、コイル同士およびコイル5aとステータコアの密着性を向上することができる。前記コイル5aの占積率を向上することで、電動機の出力を向上することが期待できる。前記コイル5aの密着性を向上することで、コイル5aの電流による発熱をステータコアに効率的に伝えることができ、コイル5aに流せる電流量を向上することができる。
 <作用効果>
 以上説明した電動機1およびその製造方法によれば、分数溝の構成を備えた電動機において、円周方向に隣り合う同相のコイル5aが1本の素線Sから成り互いに逆向きの極性に構成されているため、円周方向に隣り合う同相のコイル5aを直列に結線する部分を省略することができる。したがって、製造工数の削減を図ることができる。またステータコア4は、ティース4a毎に分割された複数のティース部品6が円環状に組み立てられた組立構造であるため、各ティース4aが分割された状態で各ティース4aにコイル5aを容易に巻回することが可能となる。このコイル巻回後、複数のティース部品6を円環状に組み立てることができる。これにより、分数溝の構成を備えた電動機であっても、コイル5aの結線スペースを低減することができる。
 複数のティース部品6を組み合わせてステータコア4の円環部8を構成する場合に、同一形状のティース部品6を組み合わせてステータコア4の円環部8を構成することができる。この場合において、同一形状のティース部品6を組み合わせてステータコア4の円環部8を構成することができる。この構成によると、ステータ製造時の金型の種類を減らすことができ、製造コストの低減を図ることが可能となる。
 電動機1は、ロータ3がステータ2の半径方向内方に位置するインナーロータ型であるため、同一サイズのアウターロータ型の電動機よりもロータ3の慣性モーメントが低く、高速回転向きの電動機とすることができる。
 <他の実施形態について>
 以下の説明においては、各実施の形態で先行して説明している事項に対応している部分には同一の参照符号を付し、重複する説明を略する。構成の一部のみを説明している場合、構成の他の部分は、特に記載のない限り先行して説明している形態と同様とする。同一の構成から同一の作用効果を奏する。実施の各形態で具体的に説明している部分の組合せばかりではなく、特に組合せに支障が生じなければ、実施の形態同士を部分的に組合せることも可能である。
 第2の実施形態に係る電動機においては、図10に示すように、ステータコア4は、複数のティース4aと、これら複数のティース4aの根本部を内周に固定する円環部8とを備える構造、換言すれば、ティース部分のみを分割する構造としてもよい。円環部8の内周には、円周方向一定間隔おきに被係合部8aが複数設けられ、各被係合部8aにティース4aの根本部が係合可能に構成されている。
 この場合、円周上の分割構造と比較して円環部8の形状誤差が少なくなるため、ステータ2の前記円環部8を他部品に組み付ける際の組付け性をよくすることができる。さらに円周上の分割構造と比較してステータコア4の円環部8で磁路が途切れることがないため、ステータ2の損失を低くつまり磁束密度を高くすることができる。また、円周上の分割構造と比較してティース4aの形状を直線形状とすることができることから、巻線機によるティース4aの保持が容易で、巻線部分に干渉する部分がないため、ティース4aへの巻線が容易となり、コイル5aの占積率を向上することができる。
 第3の実施形態に係る電動機においては、図11および図12(アウターロータ形状例)に示すように、電動機1は、ロータ3がステータ2の半径方向外方に位置するアウターロータ型であってもよい。アウターロータ型の電動機1の場合、ティース根本側(図12下側)よりもティース先端側(図12上側)で隣り合うコイル5aとの空間が広くなるため、ティース先端側でコイル5aの段上がりが構築されることが望ましい。
 このため、図13のアウターロータ型の巻き方例に示すように、二つのティース分の巻線に必要なコイル長で1本のコイル素線Sを用意する。このコイル素線Sの長手方向両端部BEを二つのティース4a,4aの根本部に固定し、コイル素線Sの長手方向中央部Saを二つのティース4a,4aに同時に巻いていくことで、ティース先端側でのコイル5aの段上がりを容易に構築できる。また、コイル素線Sを固定したままティース部品6をティース4aの軸方向回りに回転させることで、同様の巻線を構成することができる。この場合、コイル素線Sの巻き始めを、コイル素線Sの長手方向中央部Saとコイル素線Sの長手方向両端部BEのいずれかにすることで、コイル5aの段上がりの位置を任意とすることができ、インナーロータ型、アウターロータ型のどちらにも対応することができる。図13のD1は目的とする電流の向きを示す。
 各実施形態におけるステータは、プレス加工、ワイヤーカット加工など製造方法を問わず種々の製造方法を用いて製造可能である。ステータと組み合わされるロータは、IPM、SPM、SRなどその形式を問わず適用可能である。
 図14~図16に、この実施形態で結線した電動機1の組立品を示す。この電動機1はアウターロータ型の電動機である。ステータコア4の内径側に各相のバスバー11,12,13および中性点バスバー14があり、同相の円周方向に隣り合うティースが1本の素線から成る連続したコイル5aにより巻回されている。図14~図16では各相の動力線は省略している。
 この電動機1によれば、ステータコア4の内径側にバスバー11~14を設けることで、ステータ幅を小さくすることができ、電動機1の収容スペースを確保することができる。図示しないが、バスバーを、ステータコア4の内径側ではなく、コイルエンド上に設けてもよい。この場合、ステータを電動機の円環部で固定することが容易となる。
 図17に、電動機1の組立品の部分拡大断面図を示す。ステータ2とコイル5a間の絶縁用部材として、例えば、樹脂製のボビン9を適用できる。その他、前記絶縁用部材として、絶縁紙またはステータへの絶縁塗装なども適用できる。コイル5aは図17に示す丸線断面とすることで、コイル巻線過程時のコイル5aのねじりを許容するため、電動機1の生産性が向上する。コイルは図示外の矩形断面でもよい。この場合、丸線断面のコイルよりも、コイル同士の接触面積が増加し、コイルの熱伝導性が良くなる。
 <車両用動力装置>
 第1から第3の実施形態のいずれかの電動機を車両用動力装置に搭載してもよい。
 図18の車両用動力装置では、アウターロータ型の電動機1が車輪用軸受15に取り付けられている。この車両用動力装置は、車輪用軸受15と、この車輪用軸受15に取り付けられた電動機1とを備える。
 車輪用軸受15は、固定輪である外輪16と、複列の転動体17と、回転輪である内輪18とを有する。外輪16に複列の転動体17を介して内輪18が回転自在に支持されている。内外輪18,16間の軸受空間には、グリースが封入されている。内輪18は、外輪16よりも軸方向のアウトボード側に突出した箇所にハブフランジ18aを有する。外輪16は、インボード側の端部において、ナックル等の足回りフレーム部品19にボルトで取付けられている。なおこの明細書において、車両用動力装置が車両に搭載された状態で車両の車幅方向の外側寄りとなる側をアウトボード側と呼び、車両の車幅方向の中央寄りとなる側をインボード側と呼ぶ。
 ハブフランジ18aのアウトボード側の側面には、ブレーキロータ20と従動輪である車輪21のホイール21aとが軸方向に重なった状態で、ハブボルト22により取り付けられている。ホイール21aの外周に、車輪21のタイヤ21bが取り付けられている。ホイール21aの軸方向幅内に、車輪用軸受15全体が収まっている。
 外輪16の外周面に、電動機1のステータ2が取り付けられ、このステータ2の外周側にロータ3が配置されている。ロータ3は、回転ケース23と、この回転ケース23の内周に設けられる磁性体24と、この磁性体24に設けられる永久磁石とを備え、回転ケース23がハブフランジ18aに取り付けられている。ハブフランジ18aの外周面に、例えば、嵌合、溶接、または接着等により、回転ケース23のアウトボード側の内周面が固定されている。この例の電動機1は、車輪21の回転で発電を行い、給電されることによって車輪21を回転駆動可能である。
 電動機1は、その全体が、ブレーキロータ20の外周部よりも小径である。さらに電動機1におけるハブフランジ18aへの取付部を除く全体が、車輪用軸受15のインボード側の車体取付面と、ハブフランジ18aとの間の軸方向範囲に位置する。このため、電動機1を車輪用軸受15に支持する際には、車輪21の周辺の減衰装置などの構造の変更が必要ない。さらに車輪用軸受15についても、外輪以外の、内輪18などの構成部品は既存品を流用できる。この車両用動力装置によると、円周方向に隣り合う同相のコイルを直列に結線する部分を省略することができるため、結線に必要なステータ軸方向寸法を短縮することができる。したがって、限られた寸法内で電動機1の軸方向寸法を大きくすることができ、電動機1の出力を向上させることができる。
 <発電機付車輪用軸受>
 車両に、発電を行う機能を有するが給電による回転駆動をしない発電機付車輪用軸受を搭載してもよい。この発電機付車輪用軸受は、モータを兼用しない発電機1Aと、車輪用軸受15とを備える。この発電機付車輪用軸受は、前述の車両用動力装置に対し、発電および回転駆動可能な電動機1を除き同一構成である。発電機付車輪用軸受が搭載される車両によれば、例えば、発電機1Aが発電した回生電力を用いて制動力を発生させることができる。
 電動機は、家庭用モータ、産業用モータ等にも適用可能である。発電機は、風力発電機または水力発電機の発電機に適用可能である。
 以上のとおり、図面を参照しながら好適な実施形態を説明したが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更、削除が可能である。したがって、そのようなものも本発明の範囲内に含まれる。
 1…電動機、1A…発電機、2…ステータ、3…ロータ、4…ステータコア、4a…ティース、4ac…突出部分、5…ステータコイル、5a…コイル、6…ティース部品、7…連結部、8…円環部、15…車輪用軸受、16…外輪(固定輪)、17…転動体、18…内輪(回転輪)、18a…ハブフランジ、20…ブレーキロータ、S…コイル素線(素線)

Claims (12)

  1.  ステータコアおよびこのステータコアの円周方向に並ぶ各ティースに巻回された複数のコイルを含むステータコイルを有するステータと、このステータに対し半径方向に対向して位置するロータとを備え、前記ロータの極対数をNとし、前記ステータにおける一相あたりのティースの数をPとしたとき、P/3Nが整数でない電動機であって、
     前記ステータコアは、少なくとも前記ティース毎に分割された複数のティース部品が円環状に組み立てられた組立構造であり、前記各コイルのうち同相のコイルが直列回路を成し、前記同相のコイルのうちの円周方向に隣り合うコイルが1本の素線から成り互いに逆向きの極性に構成されている電動機。
  2.  請求項1に記載の電動機において、前記各ティース部品は、前記ティースと、このティースの根本部から円周方向に延びる連結部とを有し、前記ステータコアは、複数の前記連結部が円環状に組み立てられている電動機。
  3.  請求項1に記載の電動機において、前記ステータコアは、円環部と、この円環部の内周または外周に前記各ティースの根本部が固定される複数のティースとを備える電動機。
  4.  請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の電動機において、前記電動機は、前記ロータが前記ステータの半径方向内方に位置するインナーロータ型である電動機。
  5.  請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の電動機において、前記電動機は、前記ロータが前記ステータの半径方向外方に位置するアウターロータ型である電動機。
  6.  請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載の電動機において、前記ティースは、このティースの先端部に、円周方向両側に円弧状に突出する突出部分が設けられている突出部分付き形状、または前記先端部に前記突出部分が設けられていない形状である非突出形状である電動機。
  7.  請求項1ないし請求項6のいずれか1項に記載の電動機において、前記電動機は、前記ロータの極対数をNとし、前記ステータにおける一相あたりのティースの数をPとしたとき、N:P=5:4の比となる分数溝モータである電動機。
  8.  固定輪、およびハブフランジを有し前記固定輪に転動体を介して回転自在に支持されて前記ハブフランジに車両の車輪およびブレーキロータが取付けられる回転輪を有する車輪用軸受と、この車輪用軸受に取付けられた請求項1ないし請求項7のいずれか1項に記載の電動機と、を備え、前記固定輪に前記ステータが取付けられ、前記回転輪に前記ロータが取付けられた車両用動力装置。
  9.  ステータコアおよびこのステータコアの円周方向に並ぶ各ティースに巻回された複数のコイルを含むステータコイルを有するステータと、このステータに対し半径方向に対向して位置するロータとを備え、前記ロータの極対数をNとし、前記ステータにおける一相あたりのティースの数をPとしたとき、P/3Nが整数でない発電機であって、
     前記ステータコアは、少なくとも前記ティース毎に分割された複数のティース部品が円環状に組み立てられた組立構造であり、前記各コイルのうち同相のコイルが直列回路を成し、前記同相のコイルのうちの円周方向に隣り合うコイルが1本の素線から成り互いに逆向きの極性に構成されている発電機。
  10.  固定輪、およびハブフランジを有し前記固定輪に転動体を介して回転自在に支持されて前記ハブフランジに車両の車輪およびブレーキロータが取付けられる回転輪を有する車輪用軸受と、この車輪用軸受に取付けられた請求項9に記載の発電機と、を備え、前記固定輪に前記ステータが取付けられ、前記回転輪に前記ロータが取付けられた発電機付車輪用軸受。
  11.  ステータコアおよびこのステータコアの円周方向に並ぶ各ティースに巻回された複数のコイルを含むステータコイルを有するステータと、このステータに対し半径方向に対向して位置するロータとを備え、前記ロータの極対数をNとし、前記ステータにおける一相あたりのティースの数をPとしたとき、P/3Nが整数でない電動機の製造方法であって、
     前記ステータコアは、少なくとも前記ティース毎に分割された複数のティース部品を有し、
     前記各コイルのうち直列回路を成す同相のコイルが巻回される2個のティース部品を、それぞれ先端部が互いに対向するように配置し、前記2個のティース部品に巻かれて2個の前記コイルとなる1本の素線の一部を固定するコイル巻線準備過程と、
     このコイル巻線準備過程の後、前記対向させた2個のティース部品の各ティースに対し、互いに逆向きの極性となるように、前記素線を相対的に巻回するコイル巻線過程と、
     このコイル巻線過程の後、前記2個のティース部品を所望の角度に開き円環状に組み立てる組立過程と、を有する電動機の製造方法。
  12.  請求項11に記載の電動機の製造方法において、前記コイル巻線過程の後、前記組立過程の前に、前記各ティースに巻回された前記コイルを型で押圧する押圧過程を有する電動機の製造方法。
PCT/JP2020/027329 2019-07-18 2020-07-14 電動機とその製造方法および車両用装置 WO2021010386A1 (ja)

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