JP5306309B2 - 外転型の電動機 - Google Patents

Description

本発明は、電気自動車に搭載される外転型の電動機に関する。

外転型の電動機として、例えば特許文献１に記載の電動機が知られている。この特許文献１に記載の電動機には、図１０に示すように、レゾルバステータ１４５とレゾルバロータ１４６からなるレゾルバ１４７が、電動機ステータ１３４と電動機ロータ１３０の対向面から軸方向にオフセットした位置であって、電動機のステータコア１３７と径方向でオーバラップするように設けられている。

特許第３０５２５７３号公報

しかしながら、特許文献１の電動機では、レゾルバ１４７が電動機のステータコア１３７と径方向でオーバラップするように設けられているため必然的に軸心Ｏからの距離が長くなる。そのため電動機ロータ１３０に僅かな倒れが生じた場合でもレゾルバロータ１４６の変移量が大きくなり検出精度が悪化するおそれがあった。

本発明は、前述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、レゾルバによる検出精度を向上させることが可能な外転型の電動機を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、
周方向に所定の間隔で配置され放射状に突出する複数のティース（例えば、後述の実施形態におけるティース１１ｂ）を有するステータコア（例えば、後述の実施形態におけるステータコア１１）と、巻線（例えば、後述の実施形態における束線１４）を前記ティースの外周に巻回することで形成される複数のコイル（例えば、後述の実施形態におけるコイル１３）と、を有する電動機ステータ（例えば、後述の実施形態におけるステータ１０）と、前記ステータの径方向外側に配置される円環状の電動機ロータ（例えば、後述の実施形態におけるロータ６）と、レゾルバ（例えば、後述の実施形態におけるレゾルバ９）と、を備える外転型の電動機（例えば、後述の実施形態における電動機１）であって、
前記レゾルバは、前記電動機ステータ又はケース部材（例えば、後述の実施形態におけるモータハウジング２）に取り付けられるレゾルバステータ（例えば、後述の実施形態におけるレゾルバステータ９１）と、前記レゾルバステータと対向するように前記電動機ロータ又は前記電動機ロータを支持する支持部材（例えば、後述の実施形態における回転軸８）に取り付けられるレゾルバロータ（例えば、後述の実施形態におけるレゾルバロータ９２）と、を備え、前記ステータコアよりも径方向内側に配置され、
前記レゾルバステータは、レゾルバステータホルダ（例えば、後述の実施形態におけるレゾルバステータホルダ９５）に保持され、 前記レゾルバステータホルダは、前記ステータコアと共にケース部材（例えば、後述の実施形態におけるモータハウジング２）にボルト（例えば、後述の実施形態におけるボルト３）で共締めされることを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１の構成に加えて、
前記レゾルバステータホルダは、前記ステータコアの軸方向端面に当接するサイドプレート（例えば、後述の実施形態におけるサイドプレート９５ａ）と、前記サイドプレートから軸方向に沿って延出し、前記ステータコアの内周側に入り込むように配置されたインナープレート（例えば、後述の実施形態におけるインナープレート９５ｂ）と、を備え、
前記インナープレートの内周面に前記レゾルバステータが取り付けられ、
前記レゾルバステータとレゾルバロータの対向面は、軸方向において前記電動機ロータと前記電動機ステータの対向面内に位置することを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項１又は２の構成に加えて、
前記電動機ロータは、ロータアーム（例えば、後述の実施形態におけるアーム部材５）を介して前記ステータコアと同心の回転軸（例えば、後述の実施形態における回転軸８）に支持され、
前記レゾルバロータは、前記レゾルバステータと対向するように前記ロータアームの基端部（例えば、後述の実施形態における基端部５ｂ）より軸方向内側に突出して配置されていることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、レゾルバは、電動機のステータコアよりも径方向内側に配置されるので、例えば電動機ロータに僅かな倒れが生じた場合であってもレゾルバロータの変移量が小さく検出精度が悪化するのを抑制することができる。

また、レゾルバステータを保持するレゾルバステータホルダとステータコアがケース部材にボルトで共締めされるので、レゾルバステータホルダがワッシャとして機能しステータコア表面の絶縁被膜がボルトの座面によって傷つけられることが抑制される。これにより軸力のばらつきを抑制できる。また、レゾルバ取付用のボルト及びケース部材のネジ穴を省略でき、製造コストを低減でき軽量化することができる。

請求項２及び３の発明によれば、軸方向距離を短くでき電動機を小型化することができる。

本発明の電動機の縦断面図である。 図１におけるステータの正面図である。 図１におけるステータの背面図である。 図１におけるステータの部分斜視図である。 ステータコアの正面図である。 インシュレータの斜視図である。 （ａ）はインシュレータに巻線が巻回された第１のコイルの斜視図であり、（ｂ）はインシュレータに巻線が巻回された第２のコイルの斜視図である。 コイル巻線の接合部を示す拡大斜視図である。 ボルトの締付トルクと軸力との関係を示すグラフであり、（ａ１）（ａ２）がそれぞれワッシャーありの場合の１回目と２回目のグラフであり、（ｂ１）（ｂ２）がそれぞれワッシャーなしの場合の１回目と２回目のグラフである。 従来の特許文献１に記載の突極集中巻きステータの縦断面図である。

以下、本発明の実施の形態を、添付図面に基づいて説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。

図１は本発明の電動機の縦断面図である。図１に示すように、本実施形態の電動機は、３相８極対の外転型電動機１であり、軸心Ｏを中心として、モータハウジング２にボルト３により固定されたステータ１０と、ステータ１０の径方向外側に僅かな隙間を介して配置される円環状のロータ６とを備える。

ロータ６は、電磁鋼板が積層されてなるロータコア６ａに磁石６ｂが埋め込まれてなり、略円環形状を有する。ロータ６は、縁付円盤状のアーム部材５の縁部内周面５ａに固定されており、モータハウジング２に内嵌する玉軸受７、７によって回転自在に支持された回転軸８に一体回転可能に固定されている。ロータ６は、ステータ１０に発生させる回転磁界によって回転駆動される。回転軸８とステータ１０の間には、回転軸８の磁極位置を検出するレゾルバ９が配設されている。

ステータ１０は、図２〜５に示すように、ステータコア１１と、複数（本実施形態では２４個）のコイル１３（１３ｕ、１３ｖ、１３ｗ）とを備える。ステータコア１１は、複数の電磁鋼板がステータ１０の軸方向、即ち、図５において紙面と垂直方向に積層されて構成され、円環部１１ａから半径方向外側に向かって放射状に突出形成され、周方向に並ぶ複数（２４個）のティース１１ｂを有し、全体として略円環形状を有する。ステータコア１１の円環部１１ａの内周側には、ボルト穴１７をそれぞれ有する複数（本実施形態では６個）の凸部１１ｃが形成されている。このボルト穴１７に挿通されるボルト３によりステータ１０がモータハウジング２に固定される（図１参照）。

コイル１３は、所定本数の導線からなる巻線（本実施形態では、２本の導線からなる束線（パラ巻線）であり、以下束線と呼ぶ。）１４を、絶縁特性を有する合成樹脂などで形成されたインシュレータ１２を介してステータコア１１のそれぞれのティース１１ｂの周囲に突極集中巻きによって巻回することで形成される。

コイル１３は、それぞれ８個ずつのＵ相、Ｖ相及びＷ相の３相のコイルからなり、Ｕ相コイル１３ｕ、Ｖ相コイル１３ｖ、及びＷ相コイル１３ｗが、時計方向にこの順で配置されてティース１１ｂに巻回されている。即ち、他相のコイル１３（例えば、Ｖ相コイル１３ｖ、及びＷ相コイル１３ｗ）を挟んで配置される同相のコイル１３（例えば、Ｕ相コイル１３ｕ）同士は、他相のコイル１３を跨いで配索される渡り部１４Ｔにより接続されている。

図６に示すように、インシュレータ１２は、束線１４が巻回される胴部２４と、該胴部２４の径方向両端部に設けられた外周側鍔部２５及び内周側鍔部２６と、を有する。胴部２４は、ステータ１０の軸方向に向いて対向する壁２０，２１及びステータ１０の周方向に向いて対向する壁２２、２３によって、径方向に貫通する角穴２４ａを有して断面矩形の筒状に形成される。角穴２４ａの大きさは、ステータコア１１のティース１１ｂより僅かに大きく、ティース１１ｂが挿通可能である。壁２２、２３には、束線１４を巻回する際、束線１４を位置決めするための複数の凹溝２７が、角穴２４ａの軸芯に対して直交する方向に設けられている。

外周側鍔部２５の壁２０側の端部には、周方向に離間して一対の略Ｕ字型の溝２８、２９が形成されている。また、内周側鍔部２６の軸方向一端側部分（壁２０側）は、軸方向から見て、周方向中間部から周方向両端面に向かって徐々に肉厚に形成されている。内周側鍔部２６の周方向両端面と径方向外側面との隅部には、軸方向一端側に突出する略三角柱状の内側巻線支持部３１、３２が設けられている。また、内周側鍔部２６の軸方向一端側部分には、周方向中間部から周方向両端面に向かうにつれて径方向内側に傾斜する傾斜面３３、３４が形成されており、この傾斜面３３、３４は、内側巻線支持部３１、３２の径方向内向き傾斜面３１ａ、３２ａと対向して溝部３５、３６を形成する。

さらに、内周側鍔部２６の軸方向一端側部分と、壁２０との境界部分には、周方向他端面側（図６において右側端面）から周方向一端面側（図６において左側端面）へと壁２０に沿って最初に巻回される束線１４を案内する、壁２０に対して傾斜した案内部３７が形成されており、また、案内部３７には、溝部３５から胴部２４へ向かう束線１４を軸方向に案内する段部３７ａが形成される。

コイル１３は、インシュレータ１２の胴部２４の周囲に束線１４が複数回に亘って巻回されて形成される。なお、本実施形態ではインシュレータ１２への巻き方が異なる２種類のコイル１３を有する。コイル１３は、図７（ａ）及び（ｂ）に示すように、インシュレータ１２の胴部２４に巻回されたコイル１３の第１巻き端４１が、胴部２４の径方向外側寄りに位置し、第２巻き端４２が胴部２４の径方向内側から異相となるコイル１３を跨いで径方向外側に延びる。第１のコイル１３は、図７（ａ）に示すように、第１巻き端４１が、図中左側の溝２９に挿入され、その端部４１ａが外周側鍔部２５から径方向外側に僅かに突出するようにその長さが設定される。また、第１のコイル１３は、第２巻き端４２が、径方向内向き傾斜面３３に軸方向に並ぶようにして溝部３５を斜め右下方に通過し内側巻線支持部３１に係止される。この内側巻線支持部３１から先は、図２に示すように径方向外側に延びてその端部４２ａが周方向に隣り合う同相のコイル１３の第１巻き端４１の端部４１ａに接合されるため、異相となるコイル１３を跨ぐ渡り部１４Ｔ分に加えて端部４２ａが外周側鍔部２５から径方向外側に僅かに突出するようにその長さが設定される。

また、図７（ｂ）に示すように、第２のコイル１３は、第１巻き端４１が、図中右側の溝２８に挿入され、その端部４１ａが外周側鍔部２５から径方向外側に僅かに突出するようにその長さが設定される。また、第２のコイル１３は、第２巻き端４２が、内側巻線支持部３２に巻き掛けられて径方向内向き傾斜面３４に軸方向に並ぶようにして溝部３６を斜め左下方に延びる。この内側巻線支持部３２から先は、図２に示すように径方向外側に延びてその端部４２ａが周方向に隣り合う同相のコイル１３の第１巻き端４１の端部４１ａに接合されるため、異相となるコイル１３を跨ぐ渡り部１４Ｔ分に加えて端部４２ａが外周側鍔部２５から径方向外側に僅かに突出するようにその長さが設定される。

図２に戻り、各相８個ずつのコイル１３（Ｕ相、Ｖ相及びＷ相コイル１３ｕ、１３ｖ、１３ｗ）は、それぞれステータコア１１の半周分に相当する４個ずつ、２つのコイル群１８（１８ｕ、１８ｖ、１８ｗ）に分けられている。即ち、ステータ１０に対して左方向回りに形成されるコイル群１８（図２中、境界線Ｐの左側に位置するコイル群）のコイル１３は、第１のコイル１３から構成され、ステータ１０に対して右回りに形成されるコイル群１８（図２中、境界線Ｐの右側に位置するコイル群）のコイル１３は、第２のコイル１３から構成されている。

但し、図２に示す実施形態においては、ステータ１０に対して右回りに形成されるコイル群１８の第２のコイル１３の内、後述する中性点に接続される３個のコイル１３（１３ｕ、１３ｖ、１３ｗ）は、中性点との接続を容易にするため、第１巻き端４１が、溝２９に挿入されてその端部４１ａが上方に導出している。仮にこの３個のコイル１３を第３のコイル１３と称する。なお、ステータ１０に対して右回りに形成されるコイル群１８の全てのコイル１３を、第２のコイル１３で構成するようにしてもよい。この場合、中性点との接続が僅かに異なる。

図２において、境界線Ｐの両側に最も近接して配置された同相の一対のコイル１３から導出される束線１４、具体的には、ステータ１０に対して左回りに形成されるＵ相コイル群１８ｕの第１のＵ相コイル１３ｕ、及びステータ１０に対して右回りに形成されるＵ相コイル群１８ｕの第２のＵ相コイル１３ｕの、それぞれの第２巻き端４２の端部４２ａが、Ｕ相接続端子１５ｕに接続されている。

同様に、境界線Ｐの両側に最も近接して配置された一対のＶ相コイル１３ｖの第２巻き端４２の端部４２ａがＶ相接続端子１５ｖに接続され、一対のＷ相コイル１３ｗの第２巻き端４２の端部４２ａがＷ相接続端子１５ｗに接続されている。

また、左方向回りに形成されるコイル群１８と右方向回りに形成されるコイル群１８とが出会う位置、即ち、各相の接続端子１５（Ｕ相、Ｖ相及びＷ相接続端子１５ｕ、１５ｖ、１５ｗ）の反対側で、境界線Ｐを挟んで両側に配置された各相一対、６個のコイル１３の第１巻き端４１の端部４１ａは、隣り合うコイル１３の端部４１ａ同士が、それぞれ接続線４０によって接続されて、中性点を構成する。

更に、左方向回りに形成されるコイル群１８の各第１のコイル１３の第２巻き端４２は、隣り合うコイル１３の溝部３６に挿入されて係止され、その端部４２ａが、周方向に隣り合う同相コイルの外周側鍔部２５の径方向外側に延びる第１巻き端４１の端部４１ａに接合されている。

また、右方向回りに形成されるコイル群１８のコイル１３も同様に、各第２のコイル１３の第２巻き端４２は、インシュレータ１２の溝部３６を通って隣り合うコイル１３の溝部３５に挿入されて係止され、その端部４２ａが、周方向に隣り合う同相コイルの外周側鍔部２５の径方向外側に延びる第１巻き端４１の端部４１ａに接合されている。図８も参照して、第１巻き端４１の端部４１ａと第２巻き端４２の端部４２ａの接合部１４ａは、絶縁材５０によって覆われてインシュレータ１２に固定されている。なお、接合処理は、超音波溶接装置や高周波溶接装置（図示せず）等により超音波又は高周波を印加することでなされ、絶縁処理は、絶縁材５０である粉末ワニスを固化させて接合部１４ａを覆い、インシュレータ１２の外周側鍔部２５に固定することでなされる。

ここで、本実施形態のレゾルバ９について図１〜図４を参照して詳細に説明する。
レゾルバ９は、レゾルバステータ９１とレゾルバロータ９２とから構成される。レゾルバステータ９１は、ステータコア１１の内周面から径方向内側に突出するようにレゾルバステータホルダ９５に保持され、レゾルバロータ９２は、アーム部材５の基端部５ｂより軸方向内側に突出するように回転軸８のフランジ部８ａに圧入された圧入リング４に支持され、レゾルバステータ９１とレゾルバロータ９２が径方向に対向するようにステータコア１１の径方向内側に配置される。また、レゾルバステータ９１とレゾルバロータ９２の対向面は、軸方向において電動機１のロータ６とステータ１０の対向面内に位置している。即ち、レゾルバ９は、径方向且つ軸方向においてステータコア１１の内側に位置している。なお、図中の符号９３は、レゾルバ９の出力端子である。

レゾルバステータホルダ９５は、背面（軸方向他端側）から見て略正六角形状のサイドプレート９５ａと、サイドプレート９５ａの下端からステータコア１１の内周面に沿うように正面（軸方向一端側）に向かって略中央部まで軸方向に延びるインナープレート９５ｂとが一体に形成される。インナープレート９５ｂにはその内周面にレゾルバステータ９１が取り付けられ、サイドプレート９５ａの各頂点にはステータコア１１に形成されたボルト穴１７と連通する締結穴９５ｃが形成されており、レゾルバステータ９１を保持するレゾルバステータホルダ９５が締結穴９５ｃを貫通する複数のボルト３によりステータコア１１と共にモータハウジング２に共締めされている。

このように配置されたレゾルバ９は、ステータコア１１の径方向内側に位置するため例えロータ６に倒れが生じた場合であっても、軸心Ｏからの距離が短いため変移量を小さくできレゾルバ９の検出精度の悪化を抑制することができる。また、レゾルバステータ９１とレゾルバロータ９２の対向面は、軸方向において電動機１のステータ１０とロータ６との対向面内に位置するため、電動機１の軸方向距離を短くできモータハウジング２を小型化することができる。

ここで、ステータコア１１と共締めされるレゾルバステータホルダ９５は、サイドプレート９５ａがステータコア１１とボルト３の座面に挟まれてワッシャーとして機能する。

図９は、ワッシャーを用いた場合とワッシャを用いない場合で２回づつ（１回目と２回目との間に一度ボルトを外して）測定したボルト締付トルクと軸力との関係を示す締付トルク−軸力線図であり、（ａ１）（ａ２）がそれぞれワッシャーありの場合の１回目と２回目のグラフであり、（ｂ１）（ｂ２）がそれぞれワッシャーなしの場合の１回目と２回目のグラフである。なお、各図中、珪素鋼板（電磁鋼板）の板厚を０．５ｍｍと０．３５ｍｍとした２通りのグラフを記載している。

図９（ａ１）（ａ２）と図９（ｂ１）（ｂ２）を比較すると、互いに１回目は締付トルクに対し同じような軸力特性を示したのに対し、２回目は、ワッシャーなし（図９（ｂ２））の方がワッシャーあり（図９（ａ２））に比べて締付トルクに対する軸力変動が大きいものであった。従って、レゾルバステータホルダ９５のサイドプレート９５ａをワッシャーとして機能させることで、レゾルバ９の交換時等にボルト３を一度外して再度締結する際にステータコア１１側の座面が荒れずに安定した軸力を得られる。また、ステータコア１１の絶縁被膜に生じる傷等が防止され、モータ特性の悪化が防止される。

上記したように、本実施形態の電動機１によれば、レゾルバ９がステータコア１１よりも径方向内側に配置されるので、例えばロータ６に僅かな倒れが生じた場合であってもレゾルバロータ９２の変移量が小さく検出精度が悪化するのを抑制することができる。

また、本実施形態の電動機１によれば、レゾルバステータ９１はレゾルバステータホルダ９５に保持され、レゾルバステータホルダ９５は、ステータコア１１と共にモータハウジング２にボルト３で共締めされるので、レゾルバステータホルダ９５がワッシャとして機能しステータコア１１表面の絶縁被膜がボルト３の座面によって傷つけられることが抑制される。これにより軸力のばらつきを抑制できる。また、レゾルバ取付用のボルト及びモータハウジング２のネジ穴を省略でき、製造コストを低減でき軽量化することができる。

また、本実施形態の電動機１によれば、ロータ６は、アーム部材５を介してステータコア１１と同心の回転軸８に支持され、レゾルバロータ９２は、レゾルバステータ９１と対向するようにアーム部材５の基端部５ｂより軸方向内側に突出して配置されているので、軸方向距離を短くでき電動機１を小型化することができる。

また、本実施形態の電動機１によれば、レゾルバステータ９１とレゾルバロータ９２の対向面は、軸方向においてロータ６とステータ１０の対向面内に位置するので、軸方向距離を短くでき電動機１を小型化することができる。

尚、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。上記説明では、突極集中巻きステータを有する外転型の電動機について説明したが、本発明はこれに限定されるものでなく、分布巻き等他の巻き方で巻回されたステータを有する外転型電動機にも適用することができる。また、インシュレータ１２の代わりに絶縁紙などを介在させてもよい。

また、レゾルバステータ９１はステータコア１１に取り付ける代わりにモータハウジング２に直接取り付けてもよく、レゾルバロータ９２は回転軸８に取り付ける代わりにロータ６、例えばアーム部材５等に直接取り付けてもよい。

１ 電動機
２ モータハウジング（ケース部材）
３ ボルト（締結部材）
５ アーム部材（ロータアーム）
５ｂ 基端部
６ ロータ
９ レゾルバ
８ 回転軸（支持部材）
１０ ステータ
１１ ステータコア
１１ｂ ティース
１３ コイル
１４ 束線（巻線）
１４ａ 接合部
１４ｂ 先端（非接合部）
２４ 胴部
２５ 外周側鍔部（鍔部）
２８、２９ 溝
４１ 第１巻き端
４１ａ 端部
４２ 第２巻き端
４２ａ 端部
５０ 絶縁材
９１ レゾルバステータ
９２ レゾルバロータ
９５ レゾルバステータホルダ

Claims (3)

1. 周方向に所定の間隔で配置され放射状に突出する複数のティースを有するステータコアと、巻線を前記ティースの外周に巻回することで形成される複数のコイルと、を有する電動機ステータと、前記ステータの径方向外側に配置される円環状の電動機ロータと、レゾルバと、を備える外転型の電動機であって、
   前記レゾルバは、前記電動機ステータ又はケース部材に取り付けられるレゾルバステータと、前記レゾルバステータと対向するように前記電動機ロータ又は前記電動機ロータを支持する支持部材に取り付けられるレゾルバロータと、を備え、前記ステータコアよりも径方向内側に配置され、
   前記レゾルバステータは、レゾルバステータホルダに保持され、
   前記レゾルバステータホルダは、前記ステータコアと共にケース部材にボルトで共締めされることを特徴とする外転型の電動機。
2. 前記レゾルバステータホルダは、前記ステータコアの軸方向端面に当接するサイドプレートと、前記サイドプレートから軸方向に沿って延出し、前記ステータコアの内周側に入り込むように配置されたインナープレートと、を備え、
   前記インナープレートの内周面に前記レゾルバステータが取り付けられ、
   前記レゾルバステータとレゾルバロータの対向面は、軸方向において前記電動機ロータと前記電動機ステータの対向面内に位置することを特徴とする請求項１に記載の外転型の電動機。
3. 前記電動機ロータは、ロータアームを介して前記ステータコアと同心の回転軸に支持され、
   前記レゾルバロータは、前記レゾルバステータと対向するように前記ロータアームの基端部より軸方向内側に突出して配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の外転型の電動機。

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