WO2023013663A1 - 回転電機 - Google Patents

Abstract

回転電機（２０）は、筒状のステータ（２１）と、ステータ（２１）に対して軸方向の一方に配置された第１エンドフレーム（３３）と、ステータ（２１）に対して軸方向の他方に配置された第２エンドフレーム（３４）と、第１エンドフレーム（３３）と第２エンドフレーム（３４）とに挟まれ、ステータ（２１）が内側に固定された筒状のケース（３２）と、ケース（３２）に対して径方向外側で第１エンドフレーム（３３）と第２エンドフレーム（３４）とを締結しているスルーボルト（３８）とを備える。ケース（３２）は、軸方向において中間部に位置するステータ固定部（４５）と、第１フレームエンド（３３）に当接している第１端部（４６）と、第２フレームエンド（３４）に当接している第２端部（４７、４８）とを有する。当接端面（５１）の最外径位置は、ステータ固定部（４５）の最外径位置と比べて径方向の内側に位置する。

Description

回転電機 関連出願の相互参照

　本出願は、２０２１年８月５日に出願された日本出願番号２０２１－１２９１９４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。

　従来の回転電機として、例えば特許文献１に記載されたものが知られている。特許文献１に開示されたモータは、制御部と一体に設けられている。モータの外郭は、モータケース、フロントフレームエンドおよびリアフレームエンドから構成されている。フロントフレームエンドおよびリアフレームエンドは、モータケースを挟んだ状態でスルーボルトにより互いに締結されている。

特開２０１４－１３１４６３号公報

　スルーボルトの軸力により、リアフレームエンドのうちモータケースに対して径方向外側の部分がフロントフレームエンド側に倒れるようなモーメント力が発生する。そのため、モータケースのリアフレームエンドとの当接部分に圧縮応力がかかり、モータケースが変形する懸念がある。

　本開示の目的は、ケースの変形が抑制された回転電機を提供することである。

　本開示の回転電機は、筒状のステータと、ステータに対して軸方向の一方に配置された第１エンドフレームと、ステータに対して軸方向の他方に配置された第２エンドフレームと、第１エンドフレームと第２エンドフレームとに挟まれ、ステータが内側に固定された筒状のケースと、ケースに対して径方向外側で第１エンドフレームと第２エンドフレームとを締結しているスルーボルトとを備える。

　ケースは、軸方向において中間部に位置するステータ固定部と、第１エンドフレームに当接している第１端部と、第２エンドフレームに当接している第２端部とを有する。第２端部のうち第２エンドフレームに当接している端面のことを当接端面と定義すると、当接端面の最外径位置は、ステータ固定部の最外径位置と比べて径方向の内側に位置する。最外径位置とは、最も径方向外側の位置のことである。

　これにより、ケースの肉厚が一定であって当接端面の最外径位置とステータ固定部の最外径位置とが同じである従来形態と比較して、本開示では第２端部に作用する圧縮応力が小さくなる。そのため、ケースの変形を抑制することができる。

　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、第１実施形態のモータが適用された駆動装置の縦断面図であり、 図２は、図１のＩＩ－ＩＩ線断面図であり、 図３は、図１のフロントフレームエンドを矢印ＩＩＩ方向から見た図であり、 図４は、図１のフロントフレームエンドを矢印ＩＶ方向から見た図であり、 図５は、図１のＶ部拡大図であり、 図６は、第２実施形態のモータのうち、ケースの第２端部付近を拡大して示す図であって、第１実施形態の図５に相当する図である。

　［第１実施形態］
　複数の実施形態を図面に基づき説明する。実施形態同士で実質的に同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。図１に示すように駆動装置１０は、回転電機としてのモータ２０と、制御ユニット６０とが一体に設けられた機電一体型である。制御ユニット６０は、外部から入力される情報や制御ユニット６０内部で検出したモータ電流等の情報に基づき、モータ２０が所望のトルクを発生するように制御を行う。モータ２０のトルクは、回転軸２６の出力端から外部に出力される。

　以下、モータ２０の回転軸心Ｏに平行な方向を軸方向と記載する。また、回転軸心Ｏに直交する方向のことを径方向と記載する。また、回転軸心Ｏまわりの方向を周方向と記載する。

　図１および図２に示すように、制御ユニット６０は、回転軸心Ｏ上であってフロントフレームエンド３３に対してモータ２０のステータ２１とは反対側に配置された基板６１と、基板６１に実装された各種電子部品と、基板６１および各種電子部品を覆うように配置されたカバー６２とを有する。

　図示は省略するが、上記の各種電子部品には、例えば、回転軸２６の回転角を検出する回転角センサ、スイッチング動作してモータ２０の通電状態を切り替えるモータ駆動素子、および、外部や回転角センサ等からの情報に基づき演算を行ってモータ駆動素子等に指令する制御回路等が含まれる。

　モータ２０は、三相ブラシレスモータであって、ステータ２１、ロータ２５、およびそれらを収容するハウジング３１を備える。ステータ２１は、ハウジング３１に固定されたステータコア２２と、ステータコア２２に組み付けられた三相巻線組２３とを有する。三相巻線組２３は、バスバー２４を介して制御ユニット６０に接続されている。

　ロータ２５は、リア軸受３５およびフロント軸受３６により支持されている回転軸２６と、回転軸２６に固定されたロータコア２７とを有する。ロータ２５は、ステータ２１の内側に設けられており、ステータ２１に対して相対回転可能である。回転軸２６の一端には永久磁石３７が設けられている。

　ハウジング３１は、ケース３２と、ケース３２に対して軸方向の一方に配置された第１フレームエンドとしてのフロントフレームエンド３３と、ケース３２に対して軸方向の他方に配置された第２フレームエンドとしてのリアフレームエンド３４とを有する。

　ここで、例えば特許第５９５２５４２号公報に開示されているようにケースがフロント側に底部を有するカップ形状になっている第１比較形態について説明する。ケースがカップ形状になっていると、バスバー配置のためのスペースを確保することが難しくなる。上記スペース確保のためにステータコアの積厚を小さくするとモータ出力が不足する。また、バスバーを小さくすると発熱が大きくなる。また、駆動装置の全長を大きくすると車両搭載性が低下し、また重量増加により車両燃費が低下する。これに対して第１実施形態では、ケース３２はカップ形状ではなく、筒状になっている。底部がない分のスペースをバスバー配置のために利用している。

　図１～図５に示すように、第１実施形態では、ステータ２１は、焼嵌めによりケース３２の内側に固定されている。ケース３２は、フロントフレームエンド３３とリアフレームエンド３４とに挟まれている。フロントフレームエンド３３は、ケース３２よりも径方向外側に位置するフロント側締結部４１を有する。リアフレームエンド３４は、ケース３２よりも径方向外側に位置するリア側締結部４３を有する。スルーボルト３８は、ケース３２に対して径方向外側でフロント側締結部４１とリア側締結部４３とを締結している。

　スルーボルト３８は２本設けられている。リア側締結部４３は、スルーボルト３８を挿通する通孔４４を有する。フロント側締結部４１は、スルーボルト３８のねじ部が螺合したねじ孔４２を有する。２つのスルーボルト３８は周方向で等間隔に配置されている。

　ケース３２は、軸方向において中間部に位置するステータ固定部４５と、フロントフレームエンド３３に当接している第１端部４６と、リアフレームエンド３４に当接している第２端部４７とを有する。ステータ固定部４５は、ステータコア２２を焼嵌めするために所定以上の肉厚（すなわち径方向の厚さ）を有する必要がある。第２端部４７は、フランジ部がない形状になっている。これにより第２端部４７とスルーボルト３８との干渉が回避され、またケース３２が軽量化されている。

　以下、第２端部４７のうちリアフレームエンド３４に当接している端面のことを当接端面５１と記載する。リアフレームエンド３４のうち当接端面５１に当接している部分のことを被当接部５２と記載する。

　ここで、スルーボルト３８の軸力に起因する問題について説明する。スルーボルト３８の軸力がリアフレームエンド３４に作用すると、リア側締結部４３がフロントフレームエンド３３側に倒れるようなモーメント力が発生する。そのため、リアフレームエンド３４に当接する第２端部４７のうち特に径方向外側部分に圧縮応力がかかり、ケース３２が変形する懸念がある。

　これに対して第１実施形態では、当接端面５１の最外径位置は、ステータ固定部４５の最外径位置と比べて径方向の内側に位置している。具体的には、第２端部４７およびステータ固定部４５の内径は同じでありつつ、第２端部４７はステータ固定部４５と比べて薄肉に形成されている。これにより、ケースの肉厚が一定であって当接端面の最外径位置とステータ固定部の最外径位置とが同じである第２比較形態と比較して、第１実施形態では第２端部４７に作用する圧縮応力が小さくなる。

　上記のように第２端部４７を薄肉にして当接端面５１を小さくすると、ケース３２の座屈および第２端部４７の被当接部５２への陥没が懸念される。これに対して第１実施形態では、当接端面５１の径方向幅ｔは、次式（１）を満たすように設定されている。式（１）において、σは被当接部５２にかかる応力である。Ｓは被当接部５２の面積である。Ｆはスルーボルト３８の軸力である。ｄは当接端面５１の内径である。σ_cyはリアフレームエンド３４の圧縮降伏点の応力である。ケース３２の材料は例えば冷間圧延鋼板であり、また、リアフレームエンド３４の材料はアルミニウム合金である。軸力Ｆは、スルーボルト３８が破断しない範囲で最大とする。
　σ＝２Ｆ／Ｓ
　　＝２Ｆ／［π｛((ｄ＋２ｔ)／２)²－(ｄ／２)²｝］
　　＜σ_cy　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・（１）

　フロントフレームエンド３３は、円筒面を有する嵌合部５３を外側に有する。嵌合部５３は他の部材に嵌合される。回転軸心Ｏを挟んだ２箇所のスルーボルト３８の軸力がフロントフレームエンド３３に作用すると、嵌合部５３が楕円に変形することが懸念される。これに対して第１実施形態では、第１端部は、径方向外側に延出しつつフロントフレームエンド３３に軸方向に当接するフランジ部５４を有する。フランジ部５４の外径はフロントフレームエンド３３の外径と略同じになっている。フランジ部５４は、フロントフレームエンド３３の変形に対する抵抗部分となる。

　フランジ部５４は、径方向外側に突出する凸部５５に設けられた位置決め穴５６を有する。位置決め穴５６は、モータ組付け時の周方向の位置決めに用いられる。フロントフレームエンド３３には、位置決め穴５６に対応する位置に位置決め部５７を有する。凸部５５は、フランジ部５４の縁部のバリとフロント側締結部４１との干渉をできるだけ避けるべく、各フロント側締結部４１に対応する位置にも設けられている。

　２つのフロント側締結部４１に対応する位置にそれぞれ凸部５５が設けられ、また、周方向で２つのフロント側締結部４１の中間付近に対応する位置に凸部５５および位置決め穴５６が設けられる。凸部５５がフランジ部５４に１つだけ或いは周方向に偏って設けられると、ケース３２の内径精度の低下が懸念される。内径精度を確保するためには、周方向で略等間隔に配置された３つ以上の凸部５５を設けることが有効である。第１実施形態では、回転軸心Ｏを挟んで位置決め穴５６とは反対側にも凸部５５を設けている。フランジ部５４は、周方向で略等間隔に配置された４つの凸部５５を有する。略等間隔とは、ある程度の間隔差が許容されることを意味する。

　フランジ部５４は、スルーボルト３８が通るとともに周方向で略等間隔に配置された２つの切欠き穴５８を有する。切欠き穴５８は、フロント側締結部４１に対応する位置の凸部５５に設けられている。

　（効果）
　以上説明したように、第１実施形態では、ケース３２は、軸方向において中間部に位置するステータ固定部４５と、フロントフレームエンド３３に当接している第１端部４６と、リアフレームエンド３４に当接している第２端部４７とを有する。当接端面５１の最外径位置は、ステータ固定部４５の最外径位置と比べて径方向の内側に位置する。これにより、ケースの肉厚が一定であって当接端面の最外径位置とステータ固定部の最外径位置とが同じである第１比較形態と比較して、第１実施形態では第２端部４７に作用する圧縮応力が小さくなる。そのため、ケース３２の変形を抑制することができる。

　第１実施形態では、第２端部４７は、ステータ固定部４５と比べて薄肉に形成されている。これにより、第２端部４７に作用する圧縮応力を小さくすることができる。

　第１実施形態では、当接端面５１の径方向幅ｔは前記式（１）を満たすように設定されている。これにより、ケース３２のリアフレームエンド３４への陥没を抑制することができる。

　第１実施形態では、第１端部４６は、径方向外側に延出しつつフロントフレームエンド３３に軸方向に当接するフランジ部５４を有する。これによりフランジ部５４がフロントフレームエンド３３の変形に抗するので、フロントフレームエンド３３の変形を抑制することができる。さらに、フランジ部５４は、径方向外側に突出するとともに周方向で略等間隔に配置された４つの凸部５５を有する。これにより、凸部５５を１つだけ設けることによるケース３２の内径精度の低下を抑制することができる。

　第１実施形態では、フランジ部５４は、スルーボルト３８が通るとともに周方向で略等間隔に配置された複数の切欠き穴５８を有する。これにより、２つのスルーボルト３８のピッチを極力小さくしてケース３２の変形を抑制することができる。

　［第２実施形態］
　図６に示すように、第２実施形態では、第１実施形態と同様に当接端面５１の最外径位置は、ステータ固定部４５の最外径位置と比べて径方向の内側に位置している。具体的には、第２端部４８およびステータ固定部４５の内径は同じでありつつ、第２端部４８はステータ固定部４５側から当接端面５１に向けて肉厚が徐々に薄くなるように形成されている。第２端部４８の外壁面はテーパ面になっている。これにより、第１実施形態と同様に第２端部４８に作用する圧縮応力が小さくなる。

　［他の実施形態］
　他の実施形態では、当接端面の最外径位置をステータ固定部の最外径位置よりも径方向内側に位置するために、例えば第２端部の径方向外側の角に大きく面取り部又は丸み部を設けてもよい。

　他の実施形態では、スルーボルト３８は２本限らず、３本以上であってもよい。

　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 (6)

1. 　筒状のステータ（２１）と、
   　前記ステータに対して軸方向の一方に配置された第１エンドフレーム（３３）と、
   　前記ステータに対して軸方向の他方に配置された第２エンドフレーム（３４）と、
   　前記第１エンドフレームと前記第２エンドフレームとに挟まれ、前記ステータが内側に固定された筒状のケース（３２）と、
   　前記ケースに対して径方向外側で前記第１エンドフレームと前記第２エンドフレームとを締結しているスルーボルト（３８）と、
   　を備え、
   　前記ケースは、軸方向において中間部に位置するステータ固定部（４５）と、前記第１エンドフレームに当接している第１端部（４６）と、前記第２エンドフレームに当接している第２端部（４７、４８）とを有し、
   　前記第２端部のうち前記第２エンドフレームに当接している端面のことを当接端面（５１）と定義すると、
   　前記当接端面の最外径位置は、前記ステータ固定部の最外径位置と比べて径方向の内側に位置する、回転電機。
2. 　前記第２端部（４７）は、前記ステータ固定部と比べて薄肉に形成されている、請求項１に記載の回転電機。
3. 　前記第２端部（４８）は、前記ステータ固定部側から前記当接端面に向けて肉厚が徐々に薄くなるように形成されている、請求項１に記載の回転電機。
4. 　前記第２エンドフレームのうち前記当接端面に当接している部分のことを被当接部（５２）と定義すると、
   　前記被当接部にかかる応力をσとし、前記被当接部の面積をＳとし、前記スルーボルトの軸力をＦとし、前記当接端面の内径をｄとし、前記当接端面の径方向幅をｔとし、前記第２フレームエンドの圧縮降伏点の応力をσ_cyとすると、
   　前記径方向幅ｔは、
   　σ＝２Ｆ／Ｓ
   　　＝２Ｆ／［π｛((ｄ＋２ｔ)／２)²－(ｄ／２)²｝］
   　　＜σ_cy
   　を満たすように設定されている、請求項１～３のいずれか一項に記載の回転電機。
5. 　前記第１端部は、径方向外側に延出しつつ前記第１フレームエンドに軸方向に当接するフランジ部（５４）を有し、
   　前記フランジ部は、径方向外側に突出するとともに周方向で略等間隔に配置された３つ以上の凸部（５５）を有する、請求項１～４のいずれか一項に記載の回転電機。
6. 　前記フランジ部は、前記スルーボルトが通るとともに周方向で略等間隔に配置された複数の切欠き穴（５８）を有する、請求項５に記載の回転電機。

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