特開 2024-19974 電動モータ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024019974

(43)【公開日】2024-02-14

(54)【発明の名称】電動モータ

(51)【国際特許分類】

   H02K 5/16 20060101AFI20240206BHJP

   H02K 9/19 20060101ALI20240206BHJP

【ＦＩ】

H02K5/16 A

H02K9/19 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022122787

(22)【出願日】2022-08-01

(71)【出願人】

【識別番号】000005348

【氏名又は名称】株式会社ＳＵＢＡＲＵ

(74)【代理人】

【識別番号】110000419

【氏名又は名称】弁理士法人太田特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】生方 瑞城

(72)【発明者】

【氏名】勝目 彬人

【テーマコード（参考）】

5H605

5H609

【Ｆターム（参考）】

5H605AA12

5H605BB05

5H605CC04

5H605CC05

5H605DD13

5H605EB10

5H605EB21

5H609BB03

5H609PP02

5H609QQ05

5H609QQ08

5H609RR28

5H609RR36

(57)【要約】

【課題】集中巻線型の電動モータにおいて、構成部品の大幅な変更を伴わずにロータシャフトに発生する軸方向電位に起因した軸受の電食を抑制する。
【解決手段】集中巻線型の電動モータにおいて、ロータの回転軸は、回転軸の内部に形成された軸方向油路と、軸方向油路と回転軸の外周部とを連通して軸受に潤滑油を供給する連通油路と、を有し、連通油路の外周部側の開口部は、回転軸にスラスト荷重が発生していない状態では開放される一方、回転軸にスラスト荷重が発生したときに回転軸がスラスト移動して軸受により閉じられる。
【選択図】図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

軸受に軸支された回転軸を有するロータと、前記ロータの外周に設けられたステータと、を備え、前記ステータに設けられた複数のティースのうち周方向に隣り合うティース同士で異なる相の巻線が巻き付けられた集中巻線型の電動モータであって、
前記回転軸は、
前記回転軸の内部に形成された軸方向油路と、
前記軸方向油路と前記回転軸の外周部とを連通して前記軸受に潤滑油を供給する連通油路と、を有し、
前記連通油路の前記外周部側の開口部は、
前記回転軸にスラスト荷重が発生していない状態では開放される一方、前記回転軸にスラスト荷重が発生したときに前記回転軸がスラスト移動して前記軸受により閉じられる、
電動モータ。

【請求項2】

前記連通油路の前記外周部側の開口部は、前記回転軸の外周面に開口し、
前記スラスト荷重が発生していない状態で前記連通油路の前記外周部側の開口部の位置と前記軸受の位置とが前記回転軸の軸方向にずれていることで前記連通油路が開放され、前記回転軸にスラスト荷重が発生したときに前記回転軸がスラスト移動して前記連通油路の前記外周部側の開口部が前記軸受の内周面に対向することで前記連通油路が閉じられる、
請求項１に記載の電動モータ。

【請求項3】

前記回転軸は、前記軸受に軸支される小径部と、前記小径部よりも直径が大きい大径部と、を有し、
前記連通油路の前記外周部側の開口部は、前記小径部と前記大径部との境界に形成される段差部の、前記軸受に対向する対向面に開口し、
前記回転軸に前記スラスト荷重が発生していない状態で前記対向面が前記軸受と離間していることで前記連通油路が開放され、前記回転軸にスラスト荷重が発生したときに前記回転軸がスラスト移動して前記対向面が前記軸受に当接することで前記連通油路が閉じられる、
請求項１に記載の電動モータ。

【請求項4】

前記回転軸は、軸方向の端部にヘリカルギヤが設けられた回転軸である、
請求項１に記載の電動モータ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、集中巻線型の電動モータに関する。

【背景技術】

【0002】

ステータ及びロータを備えた電動モータでは、ロータシャフトを回動可能に支持する軸受に対しても潤滑油が供給されるように構成され、軸受の潤滑性や冷却性能が確保されている（例えば特許文献１を参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１１－２０５７５９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

電動モータにおいて、ロータシャフトに対して軸方向の荷重が加えられることがある。例えばロータシャフトがヘリカルギヤを介して出力軸に接続されている場合、電動モータから出力される回転トルクが出力軸に伝達される際に、ロータシャフトに対して軸方向の荷重が加えられる場合がある。上記のとおり、軸受には潤滑油が供給され、軸受を構成する転動体と、内輪及び外輪二つの軌道輪との間には油膜が形成されるが、軸方向の荷重によりロータシャフトが軸方向にスラスト移動して軸受に対しても荷重が加えられると、転動体と軌道輪との間に形成された油膜が薄くなることがある。

【0005】

ここで、電動モータのステータに備えられる巻線の構成を、分布巻線型又は集中巻線型とすることが知られている。このうち、集中巻線型は、周方向に隣り合うティースで異なる相の巻線を巻き付けて構成され、分布巻線型に比べて巻線が単純になり、コイルエンドを小さくすることができる等の利点がある。しかしながら、集中巻線型の構成とした場合、それぞれの巻線で生じる磁界の変化によりステータ全体として周方向の磁束変動が生じるため、ロータシャフトに軸方向電位が発生する。

【0006】

軸受の転動体と軌道輪との間の油膜の膜厚が所定以上であり、軸受の耐電圧が軸方向電位を上回っている間は軸受において電気的絶縁性が確保されるものの、軸受の転動体と軌道輪との間の油膜が薄くなると、軸方向電位が軸受の耐電圧を上回り、軸受の転動体と軌道輪との間に電流が流れてスパークが発生するおそれがある。このようなスパークが発生すると、転動体あるいは軌道輪の表面が溶融する電食により、軸受の耐久性が低下したり、電動モータの振騒が悪化したりするおそれがある。

【0007】

軸受を電流が流れないようにするには、例えば通電経路の一部を絶縁材料を用いて構成したり、ブラシアースを追加して軸受以外に電流が流れるようにしたりすることも考えられる。しかしながら、いずれも電動モータの構成部品の変更あるいは追加を伴うため、生産コストが増加するおそれがある。

【0008】

本開示は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本開示の目的とするところは、集中巻線型の電動モータにおいて、構成部品の大幅な変更を伴わずにロータシャフトに発生する軸方向電位に起因した軸受の電食を抑制可能な電動モータを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記課題を解決するために、本開示のある観点によれば、
軸受に軸支された回転軸を有するロータと、前記ロータの外周に設けられたステータと、を備え、前記ステータに設けられた複数のティースのうち周方向に隣り合うティース同士で異なる相の巻線が巻き付けられた集中巻線型の電動モータであって、
前記回転軸は、
前記回転軸の内部に形成された軸方向油路と、
前記軸方向油路と前記回転軸の外周部とを連通して前記軸受に潤滑油を供給する連通油路と、を有し、
前記連通油路の前記外周部側の開口部は、
前記回転軸にスラスト荷重が発生していない状態では開放される一方、前記回転軸にスラスト荷重が発生したときに前記回転軸がスラスト移動して前記軸受により閉じられる、
電動モータが提供される。

【発明の効果】

【0010】

以上説明したように本開示によれば、集中巻線型の電動モータにおいて、構成部品の大幅な変更を伴わずにロータシャフトに発生する軸方向電位に起因した軸受の電食を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本開示の一実施形態に係る電動モータの基本構成を示す断面図である。

【図2】図１のＩ－Ｉ断面の矢視図である。

【図3】同実施形態に係る電動モータの構成を示す断面図である。

【図4】同実施形態に係る電動モータの作用を示す断面図である。

【図5】同実施形態に係る電動モータの連通油路が開放された状態での転動体と内輪側軌道輪との接触部を示す説明図である。

【図6】同実施形態に係る電動モータの連通油路が閉じられた状態での転動体と内輪側軌道輪との接触部を示す説明図である。

【図7】比較例に係る電動モータの構成を示す断面図である。

【図8】比較例に係る電動モータの作用を示す断面図である。

【図9】比較例に係る電動モータのロータシャフトにスラスト荷重が発生した状態での転動体と内輪側軌道輪との接触部を示す説明図である。

【図10】本実施形態に係る電動モータの第１の変形例を示す説明図である。

【図11】第１の変形例に係る電動モータの連通油路が閉じられた状態での転動体と内輪側軌道輪との接触部を示す説明図である。

【図12】本実施形態に係る電動モータの第２の変形例を示す説明図である。

【図13】第２の変形例に係る電動モータの連通油路が閉じられた状態での転動体と内輪側軌道輪との接触部を示す説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、添付図面を参照しながら、本開示の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

【0013】

＜１．電動モータの基本構成＞
図１は本開示の一実施形態に係る電動モータの基本構成を示す断面図であり、図２は図１のＩ－Ｉ断面におけるステータ及びロータシャフトの矢視図である。図示されるように、電動モータ１は、ステータ３及びロータ５を有する。ロータ５はロータシャフト（回転軸）７に取り付けられて回転する部分であり、ステータ３はロータ５の周りを囲むように、ハウジング等に固定された部分である。ロータシャフト７の両端側は、軸受１１，１３を介してハウジング等に回転可能に支持されている。なお、ステータ３、ロータ５及びロータシャフト７の以下で説明する構成以外の部分については公知の構成を利用可能であるため、詳細な説明は省略する。

【0014】

ロータ５は、積層鉄心で形成される本体に、図示しない複数の永久磁石が組み込まれて構成されている。永久磁石は、ロータ５の軸方向に沿った長手方向を有している。複数の永久磁石は、Ｎ極及びＳ極の磁石を含み、Ｎ極及びＳ極の磁石が周方向に交互に配置されている。ロータ５は、ロータシャフト７に同心状に固定されている。ロータシャフト７は、ロータ５が固定された大径部７ａと、それぞれ大径部７ａの両側に位置し、大径部７ａよりも小さい直径の小径部７ｂ，７ｃとを有する。ロータシャフト７は、それぞれの小径部７ｂ，７ｃにおいて軸受１１，１３を介してハウジング等に支持されている。

【0015】

ステータ３は、周方向に等間隔で設けられた複数のステータティース３ａを備えている。本実施形態に係る電動モータ１は、例えば車両の駆動力を生成する駆動モータとして利用される三相交流式のモータであり、図示しないｕ相、ｖ相及びｗ相の三相の巻線がステータティース３ａに巻き付けられる。本開示の実施の形態に係る電動モータ１は、隣り合うステータティース３ａ同士で異なる相の巻線が巻き付けられた集中巻線型のステータ３として構成されている。なお、図２に示した例では、ステータ３は９つのステータティース３ａを有し、ｕ相、ｖ相及びｗ相の三相の巻線が巻き付けられたステータティース３ａが周方向に沿って順に配置されるが、ステータティース３ａの数は、３の倍数であれば特に限定されない。

【0016】

かかる集中巻線型の電動モータ１において、それぞれの巻線に三相交流の電流を供給すると、それぞれ周方向に隣り合うステータティース３ａの間の巻線が配置された領域の周りに磁界ｍが発生する。集中巻線型の場合、それぞれ発生する磁界ｍは、ステータ３の外周側で周方向の同じ方向を向く磁界ｍとなり、ステータ３全体として周方向の磁束Ｍが発生する。このため、ロータシャフト７には軸方向電位Ｖａが発生する。このため、ロータシャフト７、軸受１１，１３、ハウジングが電気的に接続された状態になる場合、図１に示した循環電流Ｃが流れる回路が形成され得る。

【0017】

＜２．潤滑油路の構成＞
続いて、電動モータの潤滑油路について説明する。

【0018】

図３は、本実施形態に係る電動モータの構成を簡略化して示した模式図である。
上述したように、ロータシャフト７は、軸方向の中央部に位置する大径部７ａと、大径部７ａの両端側の小径部７ｂ，７ｃとを有している。また、ロータシャフト７の軸方向の一端側にはヘリカルギヤ９が設けられている。ロータシャフト７の内部には、軸方向に沿った軸方向油路８ａが設けられている。また、ロータシャフト７のそれぞれの小径部７ｂ，７ｃには、軸方向油路８ａと小径部７ｂ，７ｃの外周部とを連通する連通油路８ｂ，８ｃがそれぞれ設けられている。軸方向油路８ａには、図示の左側端部から潤滑油Ｌが導入され、当該潤滑油Ｌは、さらに連通油路８ｂ，８ｃを介してロータシャフト７の外周部へ導入される。

【0019】

潤滑油Ｌは、電動モータ１の摺動部の潤滑性を確保する機能と、電動モータ１の発熱を抑制する冷却性能を確保する機能を有する。当該潤滑油Ｌは、軸受１１，１３に対しても供給され、軸受１１，１３の潤滑性を確保する機能も有している。具体的に、軸受１１は、内輪側軌道輪２１ａと、外輪側軌道輪２１ｂと、内輪側軌道輪２１ａ及び外輪側軌道輪２１ｂに挟持された複数の転動体２３とを備えて構成されており、転動体２３と内輪側軌道輪２１ａとの間、及び、転動体２３と外輪側軌道輪２１ｂとの間に潤滑油の油膜が形成される。これにより、内輪側軌道輪２１ａ又は外輪側軌道輪２１ｂと転動体２３との摩擦による焼き付きが抑制される。

【0020】

ロータシャフト７に設けられたヘリカルギヤ９は、出力軸３３に設けられたヘリカルギヤ３１に噛み合っている。これにより、電動モータ１のロータシャフト７の回転トルクが出力軸３３に伝達される。ロータシャフト７と出力軸３３とがヘリカルギヤ９，３１を介して接続されていることから、電動モータ１がロータシャフト７を介してトルクを出力すると、出力軸３３のヘリカルギヤ３１から反力を受け、ロータシャフト７に対して図示の左方向へのスラスト荷重が生じる。電動モータ１が回生可能なシステムに適用されている場合、出力軸３３側からロータシャフト７へ回転トルクが入力される場合においても、ロータシャフト７に対して図示の左方向へスラスト荷重が生じる。

【0021】

図４は、ロータシャフト７にスラスト方向の荷重が生じた状態を示している。図３及び図４に示したように、本実施形態に係る電動モータ１では、連通油路８ｂ，８ｃのロータシャフト７の外周部側の開口部は、ロータシャフト７にスラスト荷重が発生していない状態では開放される一方、ロータシャフト７にスラスト荷重が発生したときにロータシャフト７がスラスト移動して軸受１１，１３により閉じられる位置に形成されている。

【0022】

具体的に、連通油路８ｂ，８ｃの外周部側の開口部は、ロータシャフト７の外周面に開口し、スラスト荷重が発生していない状態で連通油路８ｂ，８ｃの外周部側の開口部の位置と軸受１１，１３の位置とがロータシャフト７の軸方向にずれていることで連通油路８ｂ，８ｃが開放されている（図３を参照）。また、ロータシャフト７にスラスト荷重が発生したときにロータシャフト７がスラスト移動して連通油路８ｂ，８ｃの外周部側の開口部が軸受１１，１３の内周面に対向することで連通油路８ｂ，８ｃが閉じられている（図４を参照）。このため、電動モータ１に三相交流電流が供給されて電動モータ１がトルクを出力する際に、連通油路８ｂ，８ｃを介して軸受１１，１３に供給される潤滑油の流れが遮断される。

【0023】

図５及び図６は、軸受１１，１３の一部を拡大して示した模式図である。図５は、連通油路８ｂ，８ｃが開放された状態での転動体２３と内輪側軌道輪２１ａとの接触部を示し、図６は、連通油路８ｂ，８ｃが閉じられた状態での転動体２３と内輪側軌道輪２１ａとの接触部を示している。図示したように、連通油路８ｂ，８ｃが開放された状態では、軸受１１，１３に潤滑油Ｌが供給され、転動体２３と内輪側軌道輪２１ａとの接触部には所定の膜厚Ｄ１以上の潤滑油の油膜が形成される一方、連通油路８ｂ，８ｃが閉じられた状態では、潤滑油Ｌの供給が停止されて内輪側軌道輪２１ａの軌道面の油膜の膜厚が薄くなる。このため、ロータシャフト７にスラスト荷重が発生していることも相俟って、転動体２３と内輪側軌道輪２１ａとが直接接触する。

【0024】

図示しないが、転動体２３と外輪側軌道輪２１ｂとの接触部でも同様に、連通油路８ｂ，８ｃが開放された状態では所定の膜厚以上の潤滑油の油膜が形成される一方、連通油路８ｂ，８ｃが閉じられた状態では、当該油膜の膜厚が薄くなって、転動体２３と外輪側軌道輪２１ｂとが直接接触する。

【0025】

図７及び図８は、本実施形態の比較例に係る電動モータの構成を示す説明図である。
図示したように、比較例に係る電動モータでは、連通油路８ｂ，８ｃのロータシャフト７の外周部側の開口部は、ロータシャフト７にスラスト荷重が発生しているかいなかにかかわらず開放される位置に形成されている。このため、軸受１１，１３には常時潤滑油Ｌが供給される。ただし、ロータシャフト７にスラスト荷重が発生すると、内輪側軌道輪２１ａがロータシャフト７に押され、内輪側軌道輪２１ａと転動体２３との接触部の油膜が圧縮されて油膜の膜厚Ｄ２が薄くなる（図９を参照）。

【0026】

したがって、軸受１１，１３の耐電圧が低下し、軸方向電位Ｖａが軸受１１，１３の耐電圧を超えたときに、転動体２３と内輪側軌道輪２１ａ又は外輪側軌道輪２１ｂとの間に電流が流れ、スパークが発生し得る。なお、「軸受の耐電圧」は、潤滑油の油膜により電気的に絶縁された転動体２３と内輪側軌道輪２１ａ又は外輪側軌道輪２１ｂとが通電状態となる電圧を示す。

【0027】

一方、本実施形態に係る電動モータ１では、電動モータ１がトルクを発生し、ロータシャフト７がスラスト移動することで軸受１１，１３への潤滑油の流れが遮断される。このため、ロータシャフト７に発生する軸方向電位Ｖａが所定以上に大きくなる前に転動体２３と内輪側軌道輪２１ａ又は外輪側軌道輪２１ｂとが直接接触し、通電状態となる。したがって、軸方向電位Ｖａが大きくなる前に通電状態となるため、スパークが発生するおそれが低減される。したがって、転動体２３あるいは内輪側軌道輪２１ａ又は外輪側軌道輪２１ｂの表面の電食により、軸受１１，１３の耐久性が低下したり、電動モータ１の振騒が悪化したりすることを防ぐことができる。

【0028】

また、本実施形態に係る電動モータ１は、軸方向油路８ａとロータシャフト７の外周部とを連通する連通油路８ｂの位置を変更するだけで容易に構成することができる。したがって、電動モータ１の構成部品の大幅な変更を伴わずに、転動体２３あるいは内輪側軌道輪２１ａ又は外輪側軌道輪２１ｂの表面の電食を抑制することができる。

【0029】

＜３．変形例＞
以下、上記で説明した一実施形態の変形例について説明する。

【0030】

図１０～図１１及び図１２～図１３は、変形例に係る電動モータの構成を示す説明図である。図１０～図１３は、いずれも図３に示した電動モータの構成のうちの図示の左側の軸受１１に支持されたロータシャフト７を示している。図１０及び図１２は、図３に対応する図を示し、図１１及び図１３は、図４に対応する図を示している。

【0031】

図１０及び図１２に示した変形例においては、いずれもロータシャフト７の外周部側に形成された連通油路８ｄ，８ｅの開口部は、ロータシャフト７の小径部７ｂと大径部７ａとの境界に形成される段差部の、軸受１１に対向する対向面に開口している。そして、ロータシャフト７にスラスト荷重が発生していない状態で対向面が軸受１１と離間していることで連通油路８ｄ，８ｅが開放され、ロータシャフト７にスラスト荷重が発生したときにロータシャフト７がスラスト移動して対向面が軸受１１に当接することで連通油路８ｄ，８ｅが閉じられる（図１１及び図１３を参照）。

【0032】

潤滑油Ｌが効率的に流れるようにするために、連通油路８ｂ，８ｃの直径は、例えば２ｍｍ程度に設計されるため、上述した一実施形態の場合、ロータシャフト７の軸方向の位置によって連通油路８ｂ，８ｃの開放又は閉塞が切り替わるにはロータシャフト７の軸方向のがたつきを連通油路８ｂ，８ｃの直径以上にすることが必要となる。これに対して、変形例に係る電動モータの構成では、ロータシャフト７の軸方向のがたつきを連通油路８ｂ，８ｃの直径よりも小さくした場合であっても潤滑油Ｌを効率的に流すことができる。

【0033】

以上、添付図面を参照しながら本開示の好適な実施形態について詳細に説明したが、本開示はかかる例に限定されない。本開示の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。

【符号の説明】

【0034】

１：電動モータ、３：ステータ、３ａ：ステータティース、５：ロータ、７：ロータシャフト（回転軸）、７ａ：大径部、７ｂ・７ｃ：小径部、８ａ：軸方向油路、８ｂ・８ｃ・８ｄ・８ｅ：連通油路、９：ヘリカルギヤ、１１・１３：軸受、２１ａ：内輪側軌道輪、２１ｂ：外輪側軌道輪、２３：転動体、３１：ヘリカルギヤ、３３：出力軸、Ｃ：循環電流、Ｌ：潤滑油、Ｖａ：軸方向電位

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】