JP5518253B2

JP5518253B2 - 電動機

Info

Publication number: JP5518253B2
Application number: JP2013506836A
Authority: JP
Inventors: 隆後藤
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2011-03-30
Filing date: 2011-03-30
Publication date: 2014-06-11
Anticipated expiration: 2031-03-30
Also published as: JPWO2012131775A1; WO2012131775A1

Description

この発明は、２つのステータコアの間に永久磁石を挟んだステータを有する電動機に関する。

従来の電動機（例えば、特許文献１参照）の断面構造を図１０に示す。電動機１００は、軸方向に着磁された永久磁石１０１の両側に電磁鋼板を積層してステータコア１０２，１０３を形成した突極性のステータ１０４と、このステータ１０４の中心部に回転自在に設置され電磁鋼板が積層されてなる突極性のロータ１０５とを有する。このロータ１０５は突極方向を電気角で９０度ひねった構造であり、シャフト１０７と一体化されている。ステータ１０４を組み付ける際には、ハウジング１０６の内周面にロータ着磁用の永久磁石１０１を接着し、永久磁石１０１の両側からステータコア１０２，１０３をそれぞれ圧入して永久磁石１０１を固定する。

また、ステータコア１０２，１０３をそれぞれ圧入する場合、ステータコア１０２，１０３同士の各ティースを位置決めする必要がある。そこで、図１１（ａ）および図１１（ｂ）に示すように、ハウジング１０６とステータ１０４との間に位置決めピン１１１を設け、組み付けの際に各ティース１０８を位置決めしていた。

上記組み付け方法の他にも、例えば図１２に示すように、ステータコア１０２，１０３をそれぞれ一方向からハウジング１０６に圧入する方法があった。この場合、ハウジング１０６へ圧入固定した後で２つのステータコア１０２，１０３が永久磁石１０１を挟持するように、ステータコア１０２の外径を大きくし、もう一方のステータコア１０３の外径を小さくし、これに合わせてハウジング１０６の内周面にも内径の大きい圧入部１１２と内径の小さい圧入部１１３を形成する。

特開平８−２１４５１９号公報

永久磁石１０１の両側からステータコア１０２，１０３を圧入する場合、ステータコア１０２，１０３と永久磁石１０１の間にクリアランス１０９，１１０（図１０に示す）が発生してしまい、ロータ着磁の際に減磁が生じてモータ特性（トルク）が減少してしまうという課題があった。また、クリアランス１０９，１１０を無くそうとすると、永久磁石１０１とステータコア１０２，１０３とを接触させる必要があり、ステータコア圧入の荷重が掛かって永久磁石１０１が損傷する可能性があった。

また、組み付けの際に位置決めピン１１１などを使用してステータコア１０２，１０３のティース１０８同士を位置決めする場合、組み付けに要するコストが増加するという課題があった。具体的には、位置決めピン１１１の部品点数増加、ステータコア１０２，１０３への位置決めピン１１１圧入用の凹部加工の追加、位置決めピン１１１の圧入作業工程の追加などがある。

さらに、同じ外径のステータコア１０２，１０３を二方向からハウジング１０６に圧入するため、作業性が悪化するという課題があった。
他方、異なる外径のステータコア１０２，１０３を一方向からハウジング１０６に圧入する場合は、ステータコアが二種類必要となるため、部品点数が増加し、かつ、ハウジング１０６に異なる内径の圧入部１１２，１１３を形成する必要があるため、ハウジング切削コストも増加する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、永久磁石とステータコアの間のクリアランスを無くし、かつ、永久磁石とステータコアをハウジングへ組み付けるために要するコストを削減することを目的とする。

この発明の電動機は、円筒状のハウジングと、ハウジングの中央部に回転自在に保持されるロータ部と、ハウジングのロータ部外周を囲う位置に圧入固定されるステータ部とを備え、ステータ部が、環状体および当該環状体の内周部から中心へ向かって突出する複数のティースが形成されたステータコアと、ロータ部を回転軸方向に着磁する環状のマグネット部と、マグネット部を両側に設けたステータコアで挟み込んで一体成形した樹脂部材から成り、マグネット部およびステータコアを少なくとも内周側で保持するモールド部とを有し、モールド部は、ステータコアのティース同士の隙間を塞ぐ形状であって、当該ティース先端面と面一にしたものである。

この発明によれば、マグネット部とその両側のステータコアとを一体成形してステータ部にすることにより、マグネット部とステータコアとの間のクリアランスを無くしてモータ特性を向上させることができる。また、一体成形したステータ部を一方向からハウジングへ圧入して組み付けできるので、組み付けに要するコストを削減することができる。

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に係る電動機の構成を示す分解斜視図である。実施の形態１に係る電動機のステータＡＳＳＹの構成を示し、図３（ａ）は外観斜視図、図３（ｂ）は側面図である。実施の形態１に係る電動機のステータＡＳＳＹを、図３（ｂ）のＡＡ線に沿って切断した断面図である。実施の形態１に係る電動機のステータコアの構成を示す平面図である。図１に示す電動機のステータＡＳＳＹ圧入部分を拡大した図である。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に係る電動機のステータＡＳＳＹを一体成形する金型の断面図である。実施の形態１に係る電動機のステータコアと永久磁石の位置決め部分を拡大した図である。従来の電動機の構成例を示す断面図である。従来の電動機の別の構成例を示す図であり、図１１（ａ）は断面図、図１１（ｂ）は平面図である。従来の電動機の別の構成例を示す断面図である。

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および図２に示す電動機１は三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に圧入固定されたステータＡＳＳＹ（ステータ部）３と、図示しないシャフトを回転させるロータ（ロータ部）９とを備える。ロータ９は、径方向外側に突出する突部を１８０度間隔に２箇所形成し、回転軸方向Ｘの途中で突部を９０度ずらした状態にする（突部９ａ，９ｂ）。ロータ９を永久磁石で構成してもよいが、電動機１が高温に晒される場合には磁気特性が低下するので、例えば電磁鋼板を突状に打ち抜いて回転軸方向Ｘに積層して構成するほうが好ましい。積層鋼板でロータ９を構成する場合も、回転軸方向Ｘの途中で突部を９０度ずらした状態にする（突部９ａ，９ｂ）。
このロータ９にシャフトを固着して、ロータ９と一体にシャフトを回転させることにより、ロータ９に発生した回転力を外部出力する。電動機１を自動車用ターボチャージャおよび電動コンプレッサ等に適用する場合、ロータ９に固着したシャフトをタービン（いわゆるインペラ）の回転軸に連結して、電動機１によりタービンを回転駆動する。

図３（ａ）は、ステータＡＳＳＹ３の構成を示す外観斜視図であり、図３（ｂ）に側面図を示す。また、図３（ｂ）のステータＡＳＳＹ３をＡＡ線に沿って切断した断面図を図４に示す。ステータＡＳＳＹ３は、２個のステータコア４，５と、このステータコア４，５の間に配置されたマグネット部６と、これらを一体化するモールド部７とから構成される。

図５にステータコア４の平面図を示す。ステータコア４は電磁鋼板をロータ９の回転軸方向Ｘに積層して構成する。このステータコア４は環状体と、この環状体の内周部から中心に向かって突出する６個の突部（以下、ティース４ａ）とからなる。ティース４ａの各々にはＵ字コイル８が装着されることになる。
図示例では、電磁鋼板を打ち抜いて突状のティース４ａを円周方向に６０度間隔で６個設け、さらに、ティース４ａと互い違いに出来た６箇所の凹部それぞれにかしめ用の突起４ｂを６０度間隔で設ける。また、電磁鋼板の外周部には位置決め凹部４ｃを複数設ける。この電磁鋼板を複数積層し、各々の突起４ｂをかしめて結束してステータコア４にする。同様にしてステータコア５も形成する。

マグネット部６は環状であり、複数の永久磁石を組み合わせて構成する。図４の例では、中心角６０度の扇形をした永久磁石を、ティース４ａと同一数である６個用いている。永久磁石の配置例として、図５に示すように１個の永久磁石６ａの外周部６ｂがステータコア４（ステータコア５でも同様）のティース４ａ形成部分に相当する径方向外側を覆うように配置する。図５に示す永久磁石６ａと同じように６個の永久磁石それぞれを配置したのが、図４に示す状態である。各永久磁石は、内周側の両端部分がステータコア４，５の各突起４ａに当接して位置決めされている。この配置例の場合、回転軸方向Ｘから見て各永久磁石の分割部分がティース４ａに重ならないので、磁気特性を向上できる。

モールド部７は、ステータコア４，５およびマグネット部６を一体成形する樹脂部材で構成される。一体成形の手順は後述する。図３（ａ）および図４に示すように、モールド部７にはＵ字コイル８を挿通するためのコイル挿通孔７ａが１個のＵ字コイル８につき２個、合計１２個形成されている。
Ｕ字コイル８は、銅板をＵ字に折り曲げた１回巻きのコイルであり、図１および図２に示すようにコイル挿通孔７ａを回転軸方向Ｘに貫通して、折り曲げ部分がステータコア４側に、先端部分がステータコア５側に突出している。

モールド部７のコイル挿通孔７ａに挿通されたＵ字コイル８の一端部は、図１に示すように、結線板ＡＳＳＹ１０を貫通して制御回路基板１２側へ突出しており、この結線板ＡＳＳＹ１０にモールドされた通電部材である銅板コイル１１（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）に接続されている。この銅板コイル１１は制御回路基板１２に接続されている。
制御回路基板１２はインバータを有し、コネクタ部１４から入力される外部電源（不図示）を交流電流に変換し、位置検出センサ１５から入力される位置信号に基づいて銅板コイル１１のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の三相を順次切り替えてＵ字コイル８に電流を流す。なお、Ｕ字コイル８とステータコア４，５とはモールド部７により隔絶されて絶縁される。

位置検出センサ１５は、ロータ９と一体に回転するセンサターゲット１６（例えば磁石）の位置を検出するホール素子ＩＣ（ＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔ）などで構成される。この位置検出センサ１５は、センサターゲット１６の位置を検出することによりロータ９の回転位置を検知して、制御回路基板１２へ位置信号を出力する。
なお、ハウジング２の制御回路基板１２側の開口面をカバー１３で覆い、制御回路基板１２および位置検出センサ１５などを保護する。また、ハウジング２とステータＡＳＳＹ３の圧入部分にＯリング１７を設けてシールする。

ここで、電動機１の動作概略を説明する。
図６は、図１に示す電動機１のステータＡＳＳＹ３圧入部分を拡大した図である。回転軸方向Ｘに着磁されたマグネット部６による磁束（マグネット磁束）は、マグネット部６のＮ極側に配置されたステータコア４のティース４ａからロータ９の突部へ流れ出て、ロータ９の回転軸方向Ｘに進んでマグネット部６のＳ極側にある突部から出て、マグネット部６のＳ極側に配置されたステータコア５のティース４ａへ流れ入る界磁磁束となる。このように、マグネット部６の界磁磁気力がロータ９に作用することで、マグネット部６のＮ極側に対面するロータ９の突部をＮ極に着磁し、マグネット部６のＳ極側に対面するロータ９の突部をＳ極に着磁する。
図７は、図１に示す電動機１を図面紙上左側から見た平面図である。ただし、ハウジング２およびＵ字コイル８は図示を省略する。銅板コイル１１を経由してＵ字コイル８に電流が流れると、流れた電流の向きに応じてステータＡＳＳＹ３の各ティースが着磁して回転磁界が生じ、トルクが発生する。Ｕ字コイル８に流す電流の向きを順次切り替えることにより、図７（ａ）〜図７（ｃ）のように各ティースのＮＳ各極性が回転移動していき、磁気作用によりロータ９が回転する。

次に、ステータＡＳＳＹ３の組み立て手順を説明する。
図８は、ステータＡＳＳＹ３を成形する金型の断面図である。金型は、上金型２０、下金型２１および中軸２２を組み合わせて成り、内部にステータコア４，５およびマグネット部６を設置する空隙２３と、樹脂を注入してモールド部７を成形する空隙２４とが同心円状に設けられている。上金型２０と下金型２１のパーティションは任意でよい。中軸２２はロータ９を配置するための空間を形成する金型であり、中軸２２の外周面がステータコア４，５の各ティース４ａ先端部分に当接する形状である。なお、図８に示すステータＡＳＳＹ３の断面は、図３（ｂ）のＢＢ線に沿って切断した断面に相当する。

下金型２１の空隙２３の壁面には中軸２２の軸方向と同一方向の位置決め凸部（不図示）が複数形成されており、この位置決め凸部がステータコア５の位置決め凹部４ｃに係合するように、空隙２３にステータコア５を設置する。続いて、ステータコア５の上側にマグネット部６を配置する。上述したように６個の永久磁石を環状に配置することになるが、ステータコア５には６０度毎にかしめ用の突起４ｂが突出しているので各突起４ｂを目安に配置する。図９（ａ）にステータコア５の内周部に設けた突起４ｂと永久磁石６ａの分割部分を拡大した側面図を示し、その平面図を図９（ｂ）に示す。図示するように、各永久磁石６ａはかしめ用の突起４ｂに当接して位置決めされる。
続いて、ステータコア４の位置決め凹部４ｃが空隙２３の位置決め凸部と係合するように、マグネット部６の上側にステータコア４を設置する。これにより、ステータコア４，５の各ティース４ａの位相合わせが容易にできる。

ステータコア４，５およびマグネット部６を設置した後、上金型２０、下金型２１および中軸２２を嵌合し樹脂注入口２５から空隙２４へ樹脂を注入してステータＡＳＳＹ３を一体成形し、モールド部７を形成する。自動車用ターボチャージャに適用する等して電動機１が高温に晒されるような場合、モールド部７を形成する樹脂部材は少なくとも熱硬化性を有することが好ましく、例えばポリフェニレンサルファイド樹脂（ＰＰＳ）を使用する。
なお、マグネット部６の永久磁石間には設計上クリアランスが確保されているため、ステータＡＳＳＹ３のマグネット部６の外周側にも樹脂を流してモールド部７を延長することが可能である。また、モールド部７の内周面はティース４ａの先端面と面一になるので（即ち、モールド部７の内周径とティース４ａ先端部分を繋いだ形の径とが同じになるので）、樹脂のヒケおよびダレを防止できる。

一体成形したステータＡＳＳＹ３をハウジング２に設置する際には、図６に示すようにハウジング２の一端側から圧入して固定する。ハウジング２には内径を若干小さくした圧入部２ａが設けられており、この圧入部２ａが圧入されたステータコア５を保持する。その後、Ｕ字コイル８をモールド部７のコイル挿通孔７ａに挿入し、結線板ＡＳＳＹ１０を設置してコイル同士を接続する。また、ステータＡＳＳＹ３の中央開口部分に、シャフト（不図示）に固着したロータ９を挿入する。モールド部７の内周面とティース先端面とを面一にしたので、ステータＡＳＳＹ３の中央開口部分は凹凸がなくロータ９の挿入が容易である。

先立って説明した図１０では二方向からステータコア１０２，１０３を圧入するので永久磁石１０１との間にクリアランス１０９，１１０が必要であったが、本実施の形態１ではステータＡＳＳＹ３を一体成形するのでステータコア４，５とマグネット部６とのクリアランスを無くすことができる。また、圧入は一方向から行うので、二方向から圧入する場合に比べて作業性を向上できる。
また、先立って説明した図１２では外径の異なるステータコア１０２，１０３を内径の異なる圧入部１１２，１１３に圧入してそれぞれ保持する必要があったが、本実施の形態１では一方のステータコア４を一体成形した他方のステータコア５により保持するので、圧入部が増えず、ハウジング切削コストを削減できる。また、外径の異なるステータコアを用意するコストも削減できる。
さらに、先立って説明した図１１ではステータコア１０２，１０３のティースを位置決めするためにハウジング１０６に位置決めピン１１１を設置する必要があったが、本実施の形態１では一体成形時に金型を利用してステータコア４，５のティースを位置決めしてあるので、位置決めピン使用にかかるコストを削減できる。また、ステータコア４，５の各ティース４ａの位相合わせを一体成形と同時にすることができる。

以上より、実施の形態１によれば、電動機１のステータＡＳＳＹ３は、環状体およびこの環状体の内周部から中心へ向かって突出する６個のティース４ａが形成されたステータコア４，５と、ロータ９を回転軸方向Ｘに着磁する環状のマグネット部６と、マグネット部６を両側に設けたステータコア４，５で挟み込んで一体成形した樹脂部材から成り、マグネット部６およびステータコア４，５を少なくとも内周側で保持するモールド部７とを有する構成であり、円筒状のハウジング２のロータ９外周を囲う位置に圧入固定するようにした。このため、マグネット部６とステータコア４，５との間のクリアランスを無くすことができるようになり、クリアランスに起因する減磁の影響が無くなり、モータ特性（トルク）が向上する。また、ステータＡＳＳＹ３をハウジング２に圧入する際にクリアランスを無くすようにステータコア４，５でマグネット部６を押圧する必要がないので、マグネット部６が損傷することがない。また、ハウジング２への組み付けはステータＡＳＳＹ３を一方向から圧入するだけでよく、ティース４ａの位相合わせも不要のため、組み付けに要するコストを削減できる。

また、実施の形態１によれば、モールド部７の樹脂部材は熱硬化性を有するものにしたので、ステータＡＳＳＹ３の耐熱性が向上し、熱変形を抑制できる。このため、電動機１を自動車用部品等に用いて高温下で使用可能である。特に、樹脂部材として、耐熱性と耐水性に優れたＰＰＳが好適である。

また、実施の形態１によれば、モールド部７は、ステータコア４，５それぞれのティース４ａ同士の隙間を塞ぐ形状であって、ティース４ａ先端面と面一にしたので、一体成形した際の樹脂部材のヒケおよびダレを防止できる。

また、実施の形態１によれば、マグネット部６は、ステータコア４，５のティース４ａと同一数の扇形の永久磁石を環状に配置し、この永久磁石の外周部がステータコア４，５のティース４ａ形成部分に相当する径方向外側部分を覆うようにしたので、磁気特性を向上できる。

また、実施の形態１によれば、複数の鋼板をロータ９の回転軸方向Ｘに積層して互いにかしめてステータコア４，５を形成し、マグネット部６の各永久磁石は、ステータコア４，５のかしめた突起４ｂで位置決めされるようにしたので、マグネット部６の位置決めのために部品点数が増加することがない。また、永久磁石がずれることがないので良好な磁気特性を維持できる。

なお、図示例では、ステータコアの各ティースに巻回するコイルを１回巻きのＵ字コイルとしたが、これに限定されるものではない。また、ステータコアのティースをＵ相、Ｖ相およびＷ相それぞれ２個ずつ、合計６個設ける構成としたが、これに限定されるものではない。
これ以外にも、本願発明はその発明の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは実施の形態の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、永久磁石とステータコアを熱硬化性樹脂部材で一体成形するようにしたので、高温に晒される自動車用ターボチャージャおよび電動コンプレッサなどを回転駆動する電動機に用いるのに適している。

１電動機、２ハウジング、２ａ圧入部、３ステータ、４，５ステータコア、４ａティース、４ｂ突起、４ｃ位置決め凹部、６マグネット部、７モールド部、７ａコイル挿通孔、８Ｕ字コイル、９ロータ、９ａ，９ｂ突部、１０結線板ＡＳＳＹ、１１銅板コイル、１２制御回路基板、１３カバー、１４コネクタ部、１５位置検出センサ、１６センサターゲット、１７Ｏリング、２０上金型、２１下金型、２２中軸、２３，２４空隙、２５樹脂注入口、１００電動機、１０１永久磁石、１０２，１０３ステータコア、１０４ステータ、１０５ロータ、１０６ハウジング、１０７シャフト、１０８ティース、１０９，１１０クリアランス、１１１位置決めピン、１１２，１１３圧入部。

Claims

円筒状のハウジングと、
前記ハウジングの中央部に回転自在に保持されるロータ部と、
前記ハウジングの前記ロータ部外周を囲う位置に圧入固定されるステータ部とを備え、
前記ステータ部は、
環状体および当該環状体の内周部から中心へ向かって突出する複数のティースが形成されたステータコアと、
前記ロータ部を回転軸方向に着磁する環状のマグネット部と、
前記マグネット部を両側に設けた前記ステータコアで挟み込んで一体成形した樹脂部材から成り、前記マグネット部および前記ステータコアを少なくとも内周側で保持するモールド部とを有し、
前記モールド部は、前記ステータコアのティース同士の隙間を塞ぐ形状であって、当該ティース先端面と面一であることを特徴とする電動機。
円筒状のハウジングと、
前記ハウジングの中央部に回転自在に保持されるロータ部と、
前記ハウジングの前記ロータ部外周を囲う位置に圧入固定されるステータ部とを備え、
前記ステータ部は、
環状体および当該環状体の内周部から中心へ向かって突出する複数のティースが形成されたステータコアと、
前記ロータ部を回転軸方向に着磁する環状のマグネット部と、
前記マグネット部を両側に設けた前記ステータコアで挟み込んで一体成形した樹脂部材から成り、前記マグネット部および前記ステータコアを少なくとも内周側で保持するモールド部とを有し、
前記マグネット部は、前記ステータコアのティースと同一数の扇形の永久磁石を環状に配置して成り、当該各永久磁石の外周部が前記ステータコアのティース形成部分に相当する径方向外側部分を覆い、
前記ステータコアは、複数の鋼板を前記ロータ部の回転軸方向に積層して互いにかしめて成り、
前記マグネット部の各永久磁石は、前記ステータコアのかしめた突起で位置決めされることを特徴とする電動機。