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JP5714116B2 - 電動機 - Google Patents

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JP5714116B2
JP5714116B2 JP2013537328A JP2013537328A JP5714116B2 JP 5714116 B2 JP5714116 B2 JP 5714116B2 JP 2013537328 A JP2013537328 A JP 2013537328A JP 2013537328 A JP2013537328 A JP 2013537328A JP 5714116 B2 JP5714116 B2 JP 5714116B2
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Description

この発明は、電動機において、特に固定子鉄心(ステータコア)をハウジングに保持し固定する構造に関するものである。
従来、電動機(モータ)の特にインナーロータタイプにおいては、固定子と回転子を有し、固定子は固定子鉄心に複数のコイルが巻回され、回転子(ロータ)がこの固定子鉄心の内部で回転するものである。そのため回転子のみならず固定子鉄心も所定位置に正確に保持されていなければならない。両者を固定するためにハウジングが存在し、固定子鉄心とハウジングが共に同種の鉄系で製造されている場合は、固定子鉄心をハウジングに圧入又は嵌合することにより、固定子鉄心のハウジングへの固定は簡単に実現できた。しかし、両者が異種、例えば、鉄とアルミニウムのように異なる材質では、使用環境のみならず、自己発熱の影響を考慮した嵌合構造が必要である。
特開2004−112988号公報
特許文献1の固定子鉄心とハウジングは、両者の材質の差異により熱膨張率が異なるために発生する可能性のあるビビ割れ(クラック)等の不具合を防止する目的で、ハウジングを真円ではなく、ハウジングと固定子鉄心との空隙が種々に変化するような凹凸形状にしたものであった。
この凹凸形状によってできる空隙により、熱膨張率の差異に対して、凸部を弾性変形させて吸収するものであった。つまり径方向の熱膨張率に対応するものであり、軸方向の線膨張係数の差異に対応したものではなかった。この従来装置であってもハウジングと固定子鉄心との間に空隙が存在するため、軸方向の線膨張係数の差異もある程度は対応していると考えられるが、軸方向の位置決めはなかった。そこでこの発明は、ハウジングと固定子鉄心との材質差に対応でき、ハウジング内で固定子鉄心の保持固定を確実にする電動機を提供することを目的とする。
この発明の電動機は、コイルが巻回された固定子鉄心を有する環状の固定子と、軸を有し前記固定子の中央に回転自在に装着された回転子とを備える電動機において、前記回転子の軸方向に分割して対向させ、前記固定子と前記回転子を収納する第1,第2ハウジングを有し、前記固定子鉄心と前記ハウジングは異種の材質であり、前記固定子鉄心の軸方向一端部と前記第1ハウジングとが当接し、前記固定子鉄心の軸方向他端部と前記第2ハウジングとが当接し、前記第1ハウジングが前記固定子鉄心に当接した当接部近傍と、前記第2ハウジングが前記固定子鉄心に当接した当接部近傍とを、前記固定子鉄心と同種の材質である軸方向結合部材により結合して前記両ハウジング同士を結合し、前記第1ハウジングが前記固定子鉄心に当接した前記当接部近傍から延長され前記固定子鉄心を囲む前記第1ハウジングの周壁部と、前記第2ハウジングとを空隙を介して対向させたものである。
また、この発明の電動機は、コイルが巻回された固定子鉄心を有する環状の固定子と、軸を有し前記固定子の中央に回転自在に装着された回転子とを備える電動機において、前記固定子鉄心の軸方向一端部と当接した当接部とこの当接部近傍から延長され前記固定子鉄心を囲む周壁部とを有し、前記固定子鉄心とは異種の材質であるハウジング、前記固定子鉄心の軸方向他端部と当接した当接部を有する保持具、及び、前記固定子鉄心と同種の材質であり、前記ハウジングが前記固定子鉄心の一端部に当接した前記当接部近傍と、前記保持具が前記固定子鉄心の他端部に当接した前記当接部近傍とを結合する軸方向結合部材とを備え、前記ハウジングの前記当接部近傍と、前記保持具の前記当接部近傍とを、前記軸方向結合部材により結合して、前記ハウジングと前記固定子鉄心と前記保持具とを結合し、前記保持具は、その径方向外周面と前記ハウジングの周壁部内周面が当接して前記ハウジングに支持されると共に、前記保持具の軸方向で対向する前記ハウジングの周壁部との間に空隙を介在させたものである。
この発明の電動機によれば、固定子鉄心の軸方向一端部と第1ハウジングとが当接し、固定子鉄心の軸方向他端部と第2ハウジングとが当接し、第1ハウジングが固定子鉄心に当接した当接部近傍と、第2ハウジングが固定子鉄心に当接した当接部近傍とを、固定子鉄心と同種の材質である軸方向結合部材により結合して両ハウジング同士を結合し、前記第1ハウジングが前記固定子鉄心に当接した前記当接部近傍から延長され前記固定子鉄心を囲む前記第1ハウジングの周壁部と、前記第2ハウジングとを空隙を介して対向させたので、ハウジングと固定子鉄心の材質の違いによる線膨張係数の差に対応でき、固定子鉄心の保持固定が確実な電動機を実現できる。
この発明の電動機によれば、ハウジングの当接部近傍と、保持具の当接部近傍とを、軸方向結合部材により結合して、ハウジングと固定子鉄心と保持具とを結合し、保持具は、その径方向外周面とハウジングの周壁部内周面が当接してハウジングに支持されると共に、保持具の軸方向で対向するハウジングの周壁部との間に空隙を介在させたので、ハウジングと固定子鉄心の材質の違いによる線膨張係数の差に対応でき、固定子鉄心の保持固定が確実な電動機を実現できる。
この発明の前記以外の目的、特徴、観点及び効果は、図面を参照する以下のこの発明の詳細な説明から、さらに明らかになるであろう。
この発明の実施の形態1による電動機を示す縦断面図である。 実施の形態2による電動機の要部を示す部分平面図である。 実施の形態2による電動機の要部を示す部分縦断面図である。 実施の形態2による電動機に用いられる保持具を示す斜視図である。 実施の形態3による電動機を示す縦断面図である。 実施の形態4における電動機の一部を示す縦断面図である。
実施の形態1.
この発明の実施の形態1を図に基づいて説明する。図1はこの発明の実施の形態1による電動機(モータ)10を示す縦断面図である。環状の固定子の固定子鉄心(ステータコア)1は複数の電磁鋼板が積層され、かつコイル巻線3がボビン4に巻回されている。またコイル巻線3の終端部はターミナル9により所定の結線がなされる。一方、回転子(ロータ)2は固定子鉄心1の中心軸と同軸に、固定子鉄心1の中央に配置され、固定子鉄心1と回転子2の間には隙間が存在し、2つの軸受12、13により保持され、自在に回転できる。また回転子2は、複数の永久磁石(図示せず)が規則正しく配置される。
固定子鉄心1の周囲はアルミニウム製のハウジング5,6で囲われる。ハウジング5,6に固定子鉄心1を収納することにより、固定子鉄心1の位置決め、固定が実現される。回転子2の軸11の出力側をフロント(図1では下方向)、逆方向をリアと呼ぶことにする。ハウジング5,6はフロントハウジング5とリアハウジング6の2つから成り立ち、両者で固定子、回転子2を囲っている。両ハウジング5,6には、種々の部品、例えば図1においては、軸受12、13の他、コイル巻線3に電流を供給する制御部(図示せず)が搭載されており、そのためにハウジングは多様の形状が要求される。そこでアルミニウム製として形成の容易性を確保している。さらに電動機10を駆動すると、コイル巻線3に電流が流れることにより発熱も多く、放熱性のよいものが望まれるために、両ハウジング5,6は固定子鉄心1の鉄系材料(鉄系合金)とは異種の材質である熱伝導性のよいアルミニウム(又はアルミ二ウム合金)製のものを使用している。
フロントハウジング5の一部(当接部)14と固定子鉄心1の軸方向一端部が当接し、リアハウジング6の一部(当接部)15と固定子鉄心1の軸方向他端部が当接する。リアハウジング6は、固定子鉄心1の軸方向他端部と当接した当接部15(又は当接部近傍)から複数の鍔部16(例えば3〜4個)を径方向に延出して配設している。鍔部16には通しボルト7用の孔が設けられている。一方、フロントハウジング5の当接部14(又は当接部近傍)には、通しボルト7用のネジ穴5aが設けられている。
両ハウジング5,6は、前記鍔部16の孔とネジ穴5aに、通しボルト7(軸方向結合部材)を挿入し締付けることにより結合される。換言すれば、フロントハウジング5が固定子鉄心1に当接した当接部近傍と、リアハウジング6が固定子鉄心1に当接した当接部近傍とを、軸方向結合部材により結合して両ハウジング5,6を結合する。通しボルト7は固定子鉄心1の軸方向長以上の長さを有している。軸方向結合部材は、固定子鉄心1と同種の材質である鉄系材料(鉄系合金)で形成されている。この構成により固定子鉄心1は両ハウジング5,6により位置決め、固定される。軸方向結合部材は、通しボルトの他、背丈の長いクリップ状のもの(図6(b)参照)でもよい。
前記のようなブラシレスモータにおいて、鉄系固定子鉄心(例えば、径90mm、積層鋼板高さ65mm)とアルミニウム製ハウジング5,6の膨張量を比べる。鉄系の線膨張係数は1.2×10-5/℃、アルミニウム系の線膨張係数は2.1×10-5/℃とし、環境温度は、常温25度に対して、発熱も加味して高温125度、低温−40度とすると、
軸方向の膨張量は、
65×(125−25)×2.1×10-5=0.137mm
65×(125−25)×1.2×10-5=0.078mm
65×(25――40)×2.1×10-5=0.089mm
65×(25――40)×1.2×10-5=0.051mm
径方向の膨張量は、
90×(125−25)×2.1×10-5=0.189mm
90×(125−25)×1.2×10-5=0.108mm
90×(25――40)×2.1×10-5=0.123mm
90×(25――40)×1.2×10-5=0.070mm
その結果、軸方向では約0.06mm、径方向では約0.08mm以上の差が生じる。そのため、アルミニウムの強度、特に図1におけるネジ山(通しボルト7が挿入されるフロントハウジング5のネジ穴5aのネジ山)の強度が問題となり、使用状態によっては通しボルト7が緩む可能性がある。そこで両ハウジング5,6の対向部を当接させないようにわずかな空隙8を設けている。図1では、フロントハウジング5の当接部14(又は当接部近傍)から延長され固定子鉄心1を囲むフロントハウジング5の周壁部5bと、リアハウジング6の鍔部16とを空隙8を介して対向させている。
通しボルト7と固定子鉄心1は、同種の材質であり、例えば、鉄系部材であり、同等の線膨張係数を有している。フロントハウジング5は熱により膨張し鉄系より多く膨張する。そのためハウジング5,6対向部同士が当接していると、計算上0.06mmのずれが生ずる。ここで空隙8を設けることにより、アルミニウム製のフロントハウジング5の膨張を許容するものであり、前記寸法のステータクラスであれば空隙8は0.1mm程度でよい。
また、径方向においても、同様に膨張量差が発生し、高温時はハウジングの周壁部5bの内周面と固定子鉄心1の外周面間により広い隙間ができ、低温時はハウジングが固定子鉄心1により押し広げられる可能性がある。そのため基本的にはハウジングの内径は、固定子鉄心1の外径より0.06mm程度大きく設定することが望ましい。ただし、径方向の固定子鉄心1の位置づれを考慮すると、部分的にハウジング内径=固定子鉄心外径の箇所を複数作っておくことが望ましい。この複数個所には突起、又は周方向ひだ17を設けておくとよい。この突起は、ハウジング内周面側、固定子鉄心外周面側のどちらに設けてもかまわない。また、低温時においてもハウジングの強度が問題ない条件で使用する場合は、周壁面の内周面と固定子鉄心の外周面を当接させてもかまわない。
図1では、フロントハウジング5が固定子鉄心1の一端と軸方向外周を囲み、リアハウジング6が固定子鉄心1の他端を囲んでいるが、逆にリアハウジング6が固定子鉄心1の軸方向外周も囲み、フロントハウジング5がリアハウジング6のような形状であってもよい。この場合は、通しボルト7はフロントハウジング5側からリアハウジング6に向かって通され、空隙8もフロントハウジング5の鍔部に設ける。どちらの構造を採用するかは、制御部との位置関係、コイル巻線の端部の出力方向、又は電動機10の組み立て性等々を考慮して決定すればよい。また、図1のハウジング構造であれば、リアハウジング6のみはアルミニウム製でなく、鉄系であってもよい。
なお、鍔部16の下には空隙があるため、鍔部16自体の強度も必要となる。そのため鍔部16の厚みで強度を確保するが、必要な厚みが確保できない場合、鍔部の径方向外周面をフロントハウジング5の内周面18に当接させるように、各ハウジングの寸法を決めるとよい。図1では、フロントハウジング5の周壁部5bの先端側(リアハウジング6側)に切欠を設けて、切欠の内周面18と鍔部16の外周面とを当接させている。鍔部16以外においても、フロントハウジング5とリアハウジング6の軸方向重なり部において、リアハウジング6の外周面にフロントハウジング5の内周面が当接している。
また、電動機10の制御部、例えばインバータ回路等は、リアハウジング6の図中上部へ搭載することも、フロントハウジング5の図中下部へ搭載することも可能である。この搭載性を容易にするためにもハウジングはアルミニウム製として、任意形状の形成性、制御部の放熱性を向上させることができる。
実施の形態2.
次に、実施の形態2について説明する。図2は実施の形態2による電動機の要部を示す部分平面図で、図3の上から下方を見たときの図である。図3は、実施の形態2による電動機の要部を示す部分縦断面図である。図4は実施の形態2による電動機に用いられる保持具を示す斜視図である。フロントハウジング5は、固定子鉄心1の軸方向一端部と当接した当接部14とこの当接部近傍から延長され固定子鉄心1と回転子とを囲む周壁部5bとを有し、固定子鉄心1とは異種の材質であるアルミニウム(又はアルミニウム合金)で形成されている。保持具20は固定子鉄心1の軸方向他端部と当接した当接部202,203を有し、固定子鉄心1若しくはハウジング5と同種の材質又は合成樹脂材で形成されている。
ハウジング5の周壁部5bの先端側(保持具20側)には、固定子鉄心1の周方向で均等割した複数位置(例えば3箇所)に、径方向に延出した突出部19を設けている。その突出部19の内周側を切欠いて保持具20を収容している。保持具20は、壁205を有しその径方向外周面206と周壁部5bの突出部19の内周面181が当接して、ハウジング5の周壁部5bの突出部19に支持されると共に、保持具20の軸方向で対向するハウジング5の周壁部5bとの間に空隙8を介在させている。
通しボルト7(軸方向結合部材)は、固定子鉄心1と同種の材質である。ハウジング5が固定子鉄心1の一端部に当接した当接部14(又は当接部近傍)には、通しボルト7用のネジ穴5aが形成されている。保持具20が固定子鉄心1の他端部に当接した当接部202(又は当接部近傍)の座201には、通しボルト7用の孔204が形成されている。ハウジング5の当接部近傍と、保持具20の当接部近傍とは、孔204とネジ穴5aに、通しボルト7を挿入し締付けることにより結合され、ハウジング5と固定子鉄心1と保持具20が結合される。
このように、リアハウジング61と別体である保持具20を複数個使用して、固定子鉄心1をフロントハウジング5に固定する場合であっても、保持具20の軸方向で対向するハウジング5の周壁部5bとの間に空隙8を介在させているので、実施の形態1と同様に、熱による周壁部5bの膨張、収縮をこの空隙8で緩和できる。また保持具20は、フロントハウジング5の突出部19へ収容することにより、通しボルト7で締付けるまでの位置決めができ、さらに、通しボルト7の締付け時の回転防止の役目も果たすことができる。また、突出部19の内周面181と保持具20の径方向外周面206との接触面積を稼ぐために、保持具20には壁205が設けられている。従って保持具20の外周面206の当接面積が、保持具20の軸方向厚みで確保できるのであれば、壁205は必要でない。
また、保持具20における固定子鉄心1との当接部203(径方向内周面)の寸法精度は不要である。この当接部203の角部は保持具20をフロントハウジング5に締付けるまでの位置決め用であって、通しボルト7が締付けられると固定子鉄心1の外周面と接する必要はない。リアハウジング61は、保持具20付近以外は、円筒形であり、保持具20の付近は通しボルト7の頭部71に対して遊びを有するように一部直線状62となっている。リアハウジング61は、フロントハウジング5、又は固定子鉄心1に固定されており、熱による膨張・収縮にほとんど無関係に固定できるため、従来の方法、例えば嵌合、ボルト締め等で構成可能である。
実施の形態3.
実施の形態3について、図5を使用し、特に実施の形態1の図1との差異について説明する。図5は実施の形態3による電動機を示す縦断面図である。電動機30はアルミニウム製ハウジング6,32により囲われ、さらに、固定子鉄心1の一部はヨーク31aで覆われている。ヨーク31aと固定子鉄心1は同種の材質であり、例えば、鉄系部材であり、同等の線膨張係数を有している。この鉄製ヨーク31aは両端が開口された筒状であり、前記固定鉄心の軸方向一端部には複数個所の鍔部31c(図5では1箇所のみ記載)を有している。ヨーク31aと固定子鉄心1は例えば圧入により密着されて固定されている。
また、フロントハウジング32にも鍔部32aを有し、ヨーク31aの鍔部31cと当接できる位置関係にある。両鍔部31c,32aを、実施の形態1に比べて短い、固定子鉄心の軸方向長より短いボルト33で締つけて固定している。ヨークの他端部31bは固定子鉄心1の他端の外周面より中心軸側に延出しているが、フロントハウジング32の底部とは当接していない。これにより、フロントハウジング32の底部とヨークの他端部31bとの熱膨張差を許容できる。ヨーク31aの外周面とフロントハウジング32の内周面は、大半がわずかな空隙を介して対向しており、一部のみで当接している。これにより、ヨーク31aの外周面とフロントハウジング32の内周面は線膨張係数差による膨張収縮に対して比較的にずれ易い。
ヨーク31aとフロントハウジング32の当接部分は、鍔部31c,32aと、ヨーク31aの外周面の一部(当接部)34のみである。また、フロントハウジング32の内周面とヨーク31aの外周面の当接部(当接位置)34と、ヨーク31aと固定子鉄心1の密着位置38は、軸方向において、重なっている。言い換えれば、前記当接部34は、軸方向において、ヨーク31aと固定子鉄心1が密着している場所に設けるのが望ましい。それにより、強度が向上する。できれば、積層された電磁鋼板の数枚以上の幅を有してヨーク31aと固定子鉄心1を密着させ、その部分に当接部34を設けると耐久面でよい。このような構造を採用することにより、それぞれを確実に保持することができる。
以上のように、鉄系材料製のヨーク31aを固定子鉄心1とフロントハウジング32の間に挿入し、固定子鉄心1の軸方向一端部で、ヨーク31aとフロントハウジング32は結合し固定され、軸方向において、一部のみ当接することにより、鉄系部材とアルムニウムの線膨張係数差に対応することができる。また、リアハウジング6については、アルムニウム製としているが、この実施の形態3においては鉄製であってもよい。リアハウジング6の固定子鉄心1との固定は、図5のようにヨーク31aの内周面にリアハウジング6の外周面を密着させて固定する。又は、ヨーク31aの鍔部31cと同様な鍔部を設けて固定してもよい。また、電動機30の制御部の搭載は、実施の形態1と同様に両ハウジングのどちら側でも可能である。
実施の形態4.
次に、実施の形態4について、図6を使用して説明する。図6は実施の形態4による電動機の一部を示す縦断面図で、その(a)が一例であり、その(b)が他例である。まず図6(a)においては、筒状のヨーク31fが固定子鉄心1に密着し固定され、固定子鉄心1の軸方向一端部において複数の鍔部31dを有している。フロントハウジング32も鍔部32bを有し、両者の鍔部31d,32bは当接している。ヨーク31fの鍔部31dの中央には孔が設けられ、この孔にはフロントハウジング32に形成された突起32cが挿入されている。この突起32cをカシめて、フロントハウジング32とヨーク31fを固定するものである。フロントハウジング32の内周面とヨーク31fの外周面は軸方向の一部において当接している。固定子鉄心1の外周面とフロントハウシング32の内周面とは、空隙を介して対向し、固定子鉄心1のひだ、又は突起17により一部で当接している。
図6(b)では、ヨーク31gの鍔部31eとフロントハウジング32の鍔部32eをクリップ35で固定するものである。他は、図6(a)と同様に構成されている。
以上のようにヨーク31f,31gは筒状であってもよく、来装置のように有底形状であってもよい。ヨーク31f,31gは、固定子鉄心1と密着し、ヨーク31f,31gにより固定子鉄心1を支持し固定できるものであれば、最低限の軸方向長でよい。また、ヨーク31f,31gとフロントハウジング32は軸方向一端部で固定され、軸方向の周面の一部で互いに当接することができる形状であればよい。
なお、この発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

Claims (5)

  1. コイルが巻回された固定子鉄心を有する環状の固定子と、軸を有し前記固定子の中央に回転自在に装着された回転子とを備える電動機において、
    前記回転子の軸方向に分割して対向させ、前記固定子と前記回転子を収納する第1,第2ハウジングを有し、
    前記固定子鉄心と前記ハウジングは異種の材質であり、前記固定子鉄心の軸方向一端部と前記第1ハウジングとが当接し、前記固定子鉄心の軸方向他端部と前記第2ハウジングとが当接し、
    前記第1ハウジングが前記固定子鉄心に当接した当接部近傍と、前記第2ハウジングが前記固定子鉄心に当接した当接部近傍とを、前記固定子鉄心と同種の材質である軸方向結合部材により結合して前記両ハウジング同士を結合し、
    前記第1ハウジングが前記固定子鉄心に当接した前記当接部近傍から延長され前記固定子鉄心を囲む前記第1ハウジングの周壁部と、前記第2ハウジングとを空隙を介して対向させたことを特徴とする電動機。
  2. 前記固定子鉄心の軸方向の前記他端部と当接した前記第2ハウジングの前記当接部近傍から複数の鍔部を径方向に延出し、
    前記第2ハウジングの前記鍔部と前記第1ハウジングの前記固定子鉄心に当接した前記当接部近傍とを、前記軸方向結合部材であるボルトで結合して前記両ハウジング同士を結合したことを特徴とする請求項1記載の電動機。
  3. 前記第2ハウジングの前記鍔部の外周面に、前記第1ハウジングの前記周壁部の内周面を当接させたことを特徴とする請求項2記載の電動機。
  4. コイルが巻回された固定子鉄心を有する環状の固定子と、軸を有し前記固定子の中央に回転自在に装着された回転子とを備える電動機において、
    前記固定子鉄心の軸方向一端部と当接した当接部とこの当接部近傍から延長され前記固定子鉄心を囲む周壁部とを有し、前記固定子鉄心とは異種の材質であるハウジング、
    前記固定子鉄心の軸方向他端部と当接した当接部を有する保持具、及び、
    前記固定子鉄心と同種の材質であり、前記ハウジングが前記固定子鉄心の一端部に当接した前記当接部近傍と、前記保持具が前記固定子鉄心の他端部に当接した前記当接部近傍とを結合する軸方向結合部材とを備え、
    前記ハウジングの前記当接部近傍と、前記保持具の前記当接部近傍とを、前記軸方向結合部材により結合して、前記ハウジングと前記固定子鉄心と前記保持具とを結合し、
    前記保持具は、その径方向外周面と前記ハウジングの周壁部内周面が当接して前記ハウジングに支持されると共に、前記保持具の軸方向で対向する前記ハウジングの周壁部との間に空隙を介在させたことを特徴とする電動機。
  5. 前記保持具は、前記ハウジングの周壁部に設けられた複数の突出部に収容され、前記保持具の径方向外周面と前記ハウジングの突出部の内周面とが当接し、前記ハウジングの前記当接部近傍と前記保持具とを前記軸方向結合部材であるボルトで結合して、前記ハウジングと前記固定子鉄心と前記保持具とを結合したことを特徴とする請求項4記載の電動機。
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