WO2022014455A1 - 回転電機 - Google Patents

Abstract

回転電機（３０）は、複数のティース（５６）を有するステータコア（３２）と、ティース（５６）の周りに巻かれてなるコイル（７１）を有する複数相の巻線（３３）と、巻線（３３）に接続された巻線接続部（８４）を有する複数のコイルターミナル（８１）と、回転電機（３０）の回転位置を検出する素子（５８）を実装した制御基板（５９）とを備える。コイル（７１）およびコイルターミナル（８１）は、巻線１相あたり２つ以上設けられている。巻線接続部（８４）および制御基板（５９）は、コイル（７１）よりも径方向内側に配置されている。制御基板（５９）は、ステータ（３１）の軸方向範囲（Ｘ）内に配置されている。

Description

回転電機 関連出願の相互参照

　本出願は、２０２０年７月１４日に出願された特許出願番号２０２０－１２０６２４号に基づくものであり、ここにその記載内容を援用する。

　本開示は、回転電機に関する。

　従来、特許文献１に開示されているようなインナーロータ型の回転電機では、ハウジングの外部接続ターミナルと、バスバーと、コイルターミナルと、ステータの巻線とが電気的に接続されている。コイルターミナルは、回転電機の回転軸心に平行な軸方向において、外部接続ターミナルから離間して配置される。バスバーおよび制御基板は、外部接続ターミナルとコイルターミナルとの間の軸方向スペースに配置される。

特開２０１０－１９３６５３号公報

　制御基板を性能向上のために大きくする場合、その配置スペースの確保が難しい。制御基板の配置スペース確保のために、コイルターミナルを含むステータ全体を外部接続ターミナルから軸方向に離して設ける場合、回転電機の軸方向体格が大きくなる。本開示の目的は、制御基板の配置スペースを確保しつつ小型化された回転電機を提供することである。

　本開示は、インナーロータ型の回転電機であって、複数のティースを有するステータコアと、ティースの周りに巻かれてなるコイルを有する複数相の巻線と、巻線に接続された巻線接続部を有する複数のコイルターミナルと、回転電機の回転位置を検出する素子を実装した制御基板とを備える。コイルおよびコイルターミナルは、巻線１相あたり２つ以上設けられている。回転電機の回転軸心に直交する方向を径方向と定義すると、巻線接続部および制御基板は、コイルよりも径方向内側に配置されている。回転軸心に平行な方向を軸方向と定義すると、制御基板は、ステータコアと巻線とコイルターミナルとを含んでなるステータの軸方向範囲内に配置されている。

　これによりコイルの径方向内側のスペースを利用して巻線接続部および制御基板を配置できる。また、従来のように外部接続ターミナルとコイルターミナルとの間の軸方向スペースに制御基板を配置していた形態に対して、ステータを外部接続ターミナル側に寄せて配置できる。したがって、制御基板の配置スペースを確保しつつ回転電機を小型化できる。

　本開示についての上記目的及びその他の目的、特徴や利点は、添付の図面を参照しながら下記の詳細な記述により、より明確になる。その図面は、
図１は、一実施形態のモータを備える回転式アクチュエータが適用されたシフトバイワイヤシステムを説明する模式図であり、 図２は、図１の回転式アクチュエータの断面図であり、 図３は、図２のステータおよび制御基板を矢印ＩＩＩ方向から見た図であり、 図４は、図２のステータの要部拡大図であり、 図５は、図４のステータを矢印Ｖ方向から見た図であり、 図６は、図３の巻線およびコイルターミナルを模式的に示す図であり、 図７は、図２のステータ、モータターミナルおよびセンサターミナルを矢印ＶＩＩ方向から見た図である。

　以下、回転電機としてのモータの一実施形態を図面に基づき説明する。

　［一実施形態］
　図１に示すように、一実施形態のインナーロータ型回転電機としてのモータ３０は、回転式アクチュエータ（以下、アクチュエータ）１０に備えられる。アクチュエータ１０は、車両用変速機１１のケース１２の外壁に固定され、シフトバイワイヤシステム１３の動力源として用いられる。シフトバイワイヤシステム１３は、制御装置１５がシフト操作装置１４からの指令信号に応じてアクチュエータ１０を制御することにより、変速機１１のシフトレンジ切替機構１６を作動させてシフトレンジを切り替える。

　（アクチュエータ）
　先ず、アクチュエータ１０の全体構成について図２を参照して説明する。アクチュエータ１０は、ハウジング２０、モータ３０および減速機４０を備える。

　ハウジング２０は、カップ状のフロントハウジング２１およびリアハウジング２２を有する。フロントハウジング２１およびリアハウジング２２は、開口部同士が組み合わされてボルト２３により互いに締結されている。フロントハウジング２１には、有底筒状の金属プレート２４がインサートされている。リアハウジング２２は、フロントハウジング２１とは反対側に突き出す筒状突出部２８を有する。リアハウジング２２の外壁にはブラケット２９が固定されている。アクチュエータ１０は、ブラケット２９を用いて変速機１１のケース１２（図１参照）に固定される。

　モータ３０は、ステータ３１およびロータ３４を有する。ステータ３１は、金属プレート２４に例えば圧入等により固定されたステータコア３２と、ステータコア３２に設けられた巻線３３とを有する。ロータ３４は、モータ側軸受３５および減速機側軸受３６により回転軸心ＡＸ１まわりに回転可能に支持された回転軸３７と、回転軸３７の外側に嵌合して固定されたロータコア３８とを有する。モータ側軸受３５は、金属プレート２４に設けられている。減速機側軸受３６は、後述の出力部材４４に設けられている。

　減速機４０は、偏心軸４１、リングギア４２、偏心ギア４３、出力部材４４および伝達機構４５を備える。偏心軸４１は、回転軸心ＡＸ１に対して偏心する偏心軸心ＡＸ２上に設けられ、回転軸３７と一体に形成されている。リングギア４２は、回転軸心ＡＸ１と同軸上に設けられ、リアハウジング２２に固定されている。偏心ギア４３は、リングギア４２の内歯部４６と噛み合う外歯部４７を有し、偏心軸４１に設けられた軸受４８により遊星運動可能に支持されている。遊星運動とは、偏心軸心ＡＸ２まわりに自転しつつ回転軸心ＡＸ１まわりに公転する運動のことである。遊星運動時の偏心ギア４３の自転速度は、回転軸３７の回転速度に対して変速させられる。

　出力部材４４は、回転軸心ＡＸ１と同軸上に設けられ、リアハウジング２２に設けられた軸受４９により回転可能に支持されている。伝達機構４５は、偏心ギア４３に形成された係合突起５１と、出力部材４４に形成され、係合突起５１が挿入された係合孔５２とから構成され、偏心ギア４３の偏心軸心ＡＸ２まわりの回転を出力部材４４に伝達する。

　アクチュエータ１０では、巻線３３の通電相が切り替えられることにより回転磁界が発生し、この回転磁界により生じる磁気的吸引力または反発力を受けてロータ３４が回転する。ロータ３４と共に偏心軸４１が回転軸心ＡＸ１まわりに回転すると偏心ギア４３が遊星運動し、ロータ３４の回転に対して減速させられた偏心ギア４３の回転が出力部材４４から出力される。

　（ステータ）
　次に、ステータ３１およびその配線について図２～図７を参照して説明する。以下の説明において、回転軸心ＡＸ１に平行な方向のことを単に「軸方向」と記載し、回転軸心ＡＸ１まわりの方向のことを単に「周方向」と記載し、回転軸心ＡＸ１に直交する方向のことを単に「径方向」と記載する。また、アクチュエータ１０の構成要素に対して外側の部分のことを「外部」と記載する。

　図２および図３に示すように、ステータ３１は、ステータコア３２と、複数の巻線３３と、ステータコア３２と巻線３３との間に介在するインシュレータ６１と、巻線３３に接続された複数のコイルターミナル８１とを備える。

　ステータコア３２は、軸方向に積層された複数枚の金属板から構成されている。ステータコア３２は、フロントハウジング２１の筒部２５の内壁に固定された環状のヨーク５５と、ヨーク５５から径方向内側に突き出すように形成された複数のティース５６とを有する。

　図３～図５に示すように、インシュレータ６１は、ヨーク５５の軸方向両端および径方向内側の内壁に設けられたヨーク絶縁部６２と、ティース５６の周りの部分（すなわちティース５６の先端面以外の部分）に設けられたティース絶縁部６３と、ティース絶縁部６３のうちティース先端側から軸方向および周方向に突き出すように設けられたフランジ部６４とを有し、ステータコア３２に組み付けられている。

　図３および図６に示すように、複数の巻線３３は、Ｕ相巻線３３ｕ、Ｖ相巻線３３ｖ、およびＷ相巻線３３ｗを含む。以下、各巻線を区別しない場合、単に「巻線３３」と記載する。

　巻線３３は、ティース５６の周り、すなわちインシュレータ６１のティース絶縁部６３に巻かれてなるコイル７１を有する。１つの巻線３３は、１本の電線からなり、その一端部７２から他端部７３までの間に４つのコイル７１を有する。各コイル７１間には渡り線７４が設けられている。つまり、１つの巻線３３が４つのティース５６に渡って設けられている。

　Ｕ相巻線３３ｕはコイル７１ｕ１１、７１ｕ１２、７１ｕ２１、７１ｕ２２を有する。Ｖ相巻線３３ｖはコイル７１ｖ１１、７１ｖ１２、７１ｖ２１、７１ｖ２２を有する。Ｗ相巻線３３ｗはコイル７１ｗ１１、７１ｗ１２、７１ｗ２１、７１ｗ２２を有する。Ｕ相巻線３３ｕにおいて、一端部７２から中間部７４ｃまでのコイル７１ｕ１１、７１ｕ１２と、中間部７４ｃから他端部７３までの７１ｕ２１、７１ｕ２２とが並列に配置されている。Ｖ相巻線３３ｖおよびＷ相巻線３３ｗにおいても同様に、第１コイル郡と第２コイル郡とが並列に配置されている。本実施形態では、ティース５６が１２個設けられており、ティース５６毎に１つのコイル７１が設けられている。１つの巻線３３が１相分のコイル７１を持っている。

　図２～図４に示すように、ヨーク絶縁部６２は、フロントハウジング２１の底部２６側に突き出す突起状の係止部６５を有する。係止部６５は、渡り線７４を係止している。本実施形態では、係止部６５はインシュレータ６１に一体に設けられている。

　図２および図３に示すように、アクチュエータ１０は、ロータコア３８に設けられた磁石５７と、ロータ３４の回転位置を検出する素子であって、磁石５７の磁気を検出する磁気センサ５８と、磁気センサ５８を実装した制御基板５９とを備える。

　図２に示すように、フロントハウジング２１は、樹脂製の本体部を構成する底部２６、筒部２５およびコネクタ部２７を有する。コネクタ部２７は、筒部２５の外側に形成されている。コネクタ部２７には、外部コネクタ１７が着脱可能に接続される。外部コネクタ１７は、電源端子１８および信号端子１９を保持している。

　図２、図４、図５および図７に示すように、フロントハウジング２１は、コイルターミナル８１に接続され、外部の電源端子１８に直接接続可能な外部接続ターミナルとしての複数のモータターミナル９１と、制御基板５９に接続され、外部の信号端子１９に接続可能な複数のセンサターミナル９５とを有する。モータターミナル９１およびセンサターミナル９５は、フロントハウジング２１の本体部にインサートされており、底部２６から筒部２５を通ってコネクタ部２７まで延びている。本実施形態では、モータターミナル９１およびセンサターミナル９５は、一次成形体９９に保持された状態でフロントハウジング２１にインサートされる。

　図２～図５に示すように、フランジ部６４のうちフロントハウジング２１の底部２６側には、コイルターミナル８１を保持するターミナル保持部６７が設けられている。本実施形態では、ターミナル保持部６７はインシュレータ６１に一体に設けられている。

　コイルターミナル８１は、ターミナル保持部６７に保持された被保持部８２と、巻線３３の一端部７２および他端部７３を保持可能な巻線保持部８３と、巻線３３に電気的に接続された巻線接続部８４と、モータターミナル９１に当接して電気的に接続された当接部８５とを有する。本実施形態では、巻線保持部８３はコイルターミナル８１に一体に設けられている。

　複数のコイルターミナル８１は、一端部７２および他端部７３に接続された第１巻線接続部８４１を有する第１コイルターミナル８１１と、１つの巻線３３に含まれる２つのコイル７１間の中間部７４ｃに接続された第２巻線接続部８４２を有する第２コイルターミナル８１２とを含む。本実施形態では、第１コイルターミナル８１１の形状と第２コイルターミナル８１２の形状は同じである。以下、各コイルターミナルを区別しない場合、単に「コイルターミナル８１」と記載する。また、各巻線接続部を区別しない場合、単に「巻線接続部８４」と記載する。

　コイルターミナル８１は、６個のティース５６にそれぞれ１つずつ設けられている。６個のコイルターミナル８１のうち、３個の第１コイルターミナル８１１には一端部７２および他端部７３が接続され、３個の第２コイルターミナル８１２には中間部７４ｃが接続されている。１つの巻線３３に含まれる一端部７２および他端部７３は、同一の第１巻線接続部８４１に接続されている。

　コイルターミナル８１は、巻線３３の端部と中間部７４ｃとにそれぞれ設けられており、巻線１相あたり２つ設けられている。巻線３３の巻始め部分である一端部７２は、巻線保持部８３から第１巻線接続部８４１を通ってティース５６まで延びている。巻線３３の巻終わり部分である他端部７３は、ティース５６から第１巻線接続部８４１を通って巻線保持部８３まで延びている。

　モータターミナル９１は、軸方向に垂直な方向に延びつつコイルターミナル８１の当接部８５に軸方向に当接された被当接部９２を有する。コイルターミナル８１は、バスバー等の結線部品を介すことなくモータターミナル９１に直接結合している。本実施形態では、当接部８５と被当接部９２とは溶接により結合されている。以下、当接部８５と被当接部９２との結合部のことを「溶接部」と記載する。

　巻線保持部８３、巻線接続部８４および制御基板５９はコイル７１よりも径方向内側に配置されており、溶接部はステータコア３２のティース先端よりも径方向内側に配置されている。具体的には、図４および図５に示すように、巻線保持部８３および巻線接続部８４は、被保持部８２から軸方向において底部２６側に延びるように形成されている。当接部８５は、巻線保持部８３の先端から径方向内側に延びるように形成されている。本実施形態では、巻線保持部８３と巻線接続部８４は、被保持部８２からそれぞれ分岐して設けられている。

　ステータ３１の軸方向一方から軸方向他方の範囲、すなわち、コイルターミナル８１の当接部８５の先端からインシュレータ６１の減速機４０側の端までの軸方向範囲を、ステータ３１の軸方向範囲Ｘ（図２、図４参照）と定義すると、制御基板５９は、軸方向においてステータ３１の軸方向範囲Ｘ内に配置されている。

　巻線３３はノズル巻きで製造されている。具体的には、電線を第１コイルターミナル８１１の巻線保持部８３に絡げて第１巻線接続部８４１に通した後、１つ目のティース絶縁部６３に巻き付ける。続いて、１つ目のティース絶縁部６３から引き出した電線を係止部６５に係止させた後、２つ目のティース絶縁部６３に巻き付ける。続いて、２つ目のティース絶縁部６３から引き出した電線を第２コイルターミナル８１２の第２巻線接続部８４２に通し、係止部６５に係止させた後、３つ目のティース絶縁部６３に巻き付ける。続いて、３つ目のティース絶縁部６３から引き出した電線を係止部６５に係止させた後、４つ目のティース絶縁部６３に巻き付ける。最後、４つ目のティース絶縁部６３から引き出した電線を最初の第１巻線接続部８４１に通した後、最初の第１巻線保持部８３１に絡げる。第１巻線接続部８４１と一端部７２および他端部７３は、例えばヒュージング等により接続される。第２巻線接続部８４２と中間部７４ｃも同様に、例えばヒュージング等により接続される。

　上述のように複数のスロット間を跨いで巻回作業が行われる。ステータ３１の外周部に配置された係止部６５と、内周部に配置された巻線保持部８３および巻線接続部８４とを用いる場合、ティース絶縁部６３への電線の巻き層数を奇数にすることで、完全整列巻きが実現する。巻線３３の一層目と三層目は径方向内側から外側に向かって巻き付けられ、二層目は径方向外側から内側に向かって巻き付けられる。

　（効果）
　以上説明したように本実施形態では、モータ３０は、複数のティース５６を有するステータコア３２と、ティース５６の周りに巻かれてなるコイル７１を有する複数相の巻線３３と、巻線３３に接続された巻線接続部８４を有する複数のコイルターミナル８１と、モータ３０の回転位置を検出する磁気センサ５８を実装した制御基板５９とを備える。コイル７１およびコイルターミナル８１は、巻線１相あたり２つ以上設けられている。巻線接続部８４および制御基板５９は、コイル７１よりも径方向内側に配置されている。制御基板５９は、ステータ３１の軸方向範囲Ｘ内に配置されている。これによりコイル７１の径方向内側のスペースを利用して巻線接続部８４および制御基板５９を配置できる。また、従来のようにモータターミナルとコイルターミナルとの間の軸方向スペースに制御基板を配置していた形態に対して、ステータ３１をモータターミナル９１側に寄せて配置できる。したがって、制御基板５９の配置スペースを確保しつつモータ３０を小型化できる。

　また、本実施形態では、巻線３３は、インシュレータ６１のティース絶縁部６３に巻かれた２つ以上のコイル７１、および、各コイル７１間をつなぐ渡り線７４を有する。インシュレータ６１には、渡り線７４を係止する係止部６５が一体に設けられている。これにより、係止部６５を用いて、１つの巻線３３を複数のスロット間に跨がるように巻回するノズル巻きを実施できる。そのため、従来のようにティース毎に２つのコイルターミナルを設ける必要がなく、コイルターミナルの数および巻線の端末処理の回数が減る。そのため、部品点数および製造工数を低減できる。

　また、本実施形態では、複数のコイルターミナル８１は、一端部７２および他端部７３に接続された第１巻線接続部８４１を有する第１コイルターミナル８１１と、１つの巻線３３に含まれる２つのコイル７１間の中間部７４ｃに接続された第２巻線接続部８４２を有する第２コイルターミナル８１２とを含む。これにより第１コイルターミナル８１１と第２コイルターミナル８１２との間において、１つの巻線３３の一端部７２から中間部７４ｃまでのコイル７１と、中間部７４ｃから他端部７３までのコイル７１とが並列に配置される。そのため、巻線を直列に巻回する場合と同様に、巻線３３の巻き始めから巻き終わりまでの間に２つ以上のティース５６に連続して巻回するノズル巻きを実施しつつ、その途中で巻線３３を第２コイルターミナル８１２に通すことで、並列回路を構築できる。また、従来のように直列に巻回された２つの巻線の両端にコイルターミナルを設ける形態に対して、２つのコイルターミナルを１つの第２コイルターミナル８１２に置き代えることができるとともに、巻線３３の端末処理の回数を少なくできる。そのため、部品点数および製造工数を低減できる。

　また、本実施形態では、フロントハウジング２１は、外部の電源端子１８に直接接続可能な外部接続ターミナルとしての複数のモータターミナル９１を有する。コイルターミナル８１は、モータターミナル９１に直接結合している。これにより、巻線３３外で各巻線３３を並列接続するための例えばバスバー等の結線部品が不要になり、部品点数を低減できる。また、結線部品が廃止された分、ステータ３１をモータターミナル９１側に寄せて配置して、モータ３０をさらに小型化できる。

　［他の実施形態］
　他の実施形態では、第１コイルターミナルの形状と第２コイルターミナルの形状とが異なっていてもよい。例えば、第１巻線接続部の形状と第２巻線接続部の形状とが異なっていてもよい。また、第２コイルターミナルには巻線保持部が設けられなくてもよい。

　他の実施形態では、１つの巻線に含まれる一端部および他端部は、別々の第１巻線接続部に接続されてもよい。例えば、３つの巻線が設けられる形態において、一端部が接続される第１コイルターミナルが３個設けられ、中間部が接続される第２コイルターミナルが３個設けられ、他端部が接続される第１コイルターミナルが３個設けられてもよい。それでも、従来のように直列に巻回された２つの巻線の両端にコイルターミナルを設ける形態に対して、コイルターミナルの数および巻線の端末処理の回数を少なくできる。

　他の実施形態では、巻線は２つ以上のコイルを有しつつも、各コイルが並列に配置されずに直列に配置されてもよい。すなわち、１つの巻線で並列回路を構成せず、巻線の一端部と他端部にそれぞれコイルターミナルが設けられてもよい。

　他の実施形態では、巻線保持部は、コイルターミナルの一部に限らず、例えばインシュレータまたはその他の部材の一部であってもよい。また、巻線保持部の延出方向は、軸方向に限らず、径方向、周方向、またはそれ以外の方向であってもよい。

　他の実施形態では、コイルターミナルとモータターミナルとの接合は、溶接に限らず、圧接またははんだ等の他の方法で行われてもよい。他の実施形態では、フロントハウジングのコネクタ部は２つ以上に分かれていてもよい。

　他の実施形態では、ティースの数は、１２個に限らず、それ以外の数であってもよい。他の実施形態では、巻線相数は、３相に限らず、それ以外の相数であってもよい。他の実施形態では、ステータは、モータに限らず、発電機に適用されてもよい。

　本開示は、上述した実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の形態で実施可能である。

　本開示は、実施形態に準拠して記述された。しかしながら、本開示は当該実施形態および構造に限定されるものではない。本開示は、様々な変形例および均等の範囲内の変形をも包含する。また、様々な組み合わせおよび形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせおよび形態も、本開示の範疇および思想範囲に入るものである。

Claims (4)

1. 　インナーロータ型の回転電機（３０）であって、
   　複数のティース（５６）を有するステータコア（３２）と、
   　前記ティースの周りに巻かれてなるコイル（７１）を有する複数相の巻線（３３）と、
   　前記巻線に接続された巻線接続部（８４）を有する複数のコイルターミナル（８１）と、
   　前記回転電機の回転位置を検出する素子（５８）を実装した制御基板（５９）と、
   　を備え、
   　前記コイルおよび前記コイルターミナルは、巻線１相あたり２つ以上設けられ、
   　前記回転電機の回転軸心（ＡＸ１）に直交する方向を径方向と定義し、前記回転軸心に平行な方向を軸方向と定義すると、
   　前記巻線接続部および前記制御基板は、前記コイルよりも径方向内側に配置され、
   　前記制御基板は、前記ステータコアと前記巻線と前記コイルターミナルとを含んでなるステータ（３１）の軸方向範囲（Ｘ）内に配置されている、回転電機。
2. 　前記回転電機は、前記ステータコアと前記巻線との間に介在するインシュレータ（６１）をさらに備え、
   　前記巻線は、前記インシュレータのティース絶縁部（６３）に巻かれた２つ以上の前記コイル、および、各前記コイル間をつなぐ渡り線（７４）を有し、
   　前記インシュレータには、前記渡り線を係止する係止部（６５）が一体に設けられている、請求項１に記載の回転電機。
3. 　複数の前記コイルターミナルは、前記巻線の一端部（７２）または他端部（７３）に接続された第１コイルターミナル（８１１）と、１つの前記巻線に含まれる２つの前記コイル間の中間部（７４ｃ）に接続された第２コイルターミナル（８１２）とを含む、請求項１または２に記載の回転電機。
4. 　前記回転電機は、前記ステータを収容するハウジング（２０）をさらに備え、
   　前記ハウジングは、外部の電源端子（１８）に接続可能な外部接続ターミナル（９１）を有し、
   　前記コイルターミナルは、前記外部接続ターミナルに直接結合している、請求項１～３のいずれか一項に記載の回転電機。

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