JP2005237086A - アキシャルモータ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】磁心を設け、効率及び出力等の向上が図れるアキシャルモータ及びその製造方法を提供する。
【解決手段】このアキシャルモータは、ステータ１とロータ３とが軸方向に対向して配置された３相集中巻き永久磁石モータである。ステータ１は、略円盤状のステータ本体７と、駆動用の複数の集中巻きコイル９と、コイル９と同数の固定子磁心１１とを備えており、固定部（ケーシング等）に固定される。ロータ３は、略円盤状のロータ本体１３と、コイル９の数（スロット数）に応じた数（極数）の永久磁石１５とを備えており、回転軸５に固定される。固定子磁心１１は、金属磁性粉末、又は所定の被膜で覆った金属磁性粉末を樹脂で結合した圧粉磁心により形成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、アキシャルモータ及びその製造方法に関する。

従来のアキシャルモータでは、磁心を設けないコアレス構造が採用されている。これは、珪素鋼板等を用いた一般的な磁心作成手法が、アキシャルモータの磁気回路の構成に適さないこと等が原因となっている。すなわち、ロータとステータとが軸方向に対向しいるアキシャルモータでは、ロータとステータ間に磁気回路を効率よく形成するためには、珪素鋼板を径方向に積層する必要があり、磁心の形成が困難である。

しかし、コアレスのアキシャルモータでは、効率及び出力等の点で改善の余地がある。

そこで、本発明の解決すべき課題は、磁心を設け、効率及び出力等の向上が図れるアキシャルモータ及びその製造方法を提供することである。

前記課題を解決するための手段は、ロータとステータとが軸方向に対向して配置されたアキシャルモータであって、前記ステータ側の固定子磁心及び前記ロータ側の回転子磁心の少なくともいずれか一方が、金属磁性粉末、又は所定の被膜で覆った金属磁性粉末を樹脂で結合した圧粉磁心により形成される。

好ましくは、前記ステータは、前記圧粉磁心により略円盤状に形成され、前記ロータとの対向面にコイル挿入用の溝が設けられ、前記固定子磁心としての機能を有するステータ本体と、前記ステータ本体の前記溝に挿入された駆動用のコイルと、を備えるのがよい。

また、好ましくは、前記ロータは、前記圧粉磁心により形成され、前記ステータとの対向面にリラクタンストルクを発生するための凹凸構造が設けられるのがよい。

さらに、好ましくは、前記アキシャルモータは、インダクションモータであり、前記ロータは、導電性金属により略円盤状に形成され、前記ステータとの対向面に前記回転子磁心を埋め込むための埋め込み部が設けられたロータ本体と、前記圧粉磁心により形成され、前記ロータ本体の前記埋め込み部に埋め込まれる前記回転子磁心と、を備えるのがよい。

また、好ましくは、前記アキシャルモータは、自動車の車輪を駆動する車輪駆動用モータであり、前記ステータは、前記車輪の車軸側に設けられ、前記ロータは、前記車輪のホイール部に設けられるのがよい。

さらに、前記課題を解決するための手段は、請求項２に記載のアキシャルモータの製造方法であって、所定の型を用いて圧粉磁心材料を成型し、これによって前記溝を有する前記ステータ本体を形成する工程と、前記ステータ本体の前記溝に前記コイルを挿入する工程と、を備える。

また、前記課題を解決するための手段は、請求項４に記載のアキシャルモータの製造方法であって、前記導電性金属により前記埋め込み部を有する前記ロータ本体を形成する工程と、前記ロータ本体の前記埋め込み部に圧粉磁心材料を充填し、前記埋め込み部を型として用いて前記圧粉磁心材料を成型することにより、前記回転子磁心を形成する工程と、を備える。

請求項１に記載の発明によれば、圧粉磁心は、優れた磁気特性を有するとともに、鉄損が小さく、金型による形状形成が容易であり、また磁気特性が等方的であるため、アキシャルモータの固定子磁心及び回転子磁心の少なくともいずれか一方を容易に形成することができ、この圧粉磁心を用いることによって、ステータとロータ間に磁気回路を効率よく形成することができ、アキシャルモータの効率及び出力等の向上が図れる。

請求項２に記載の発明によれば、圧粉磁心は形状形成が容易なため、コイル挿入用の溝を有するステータ本体を、圧粉磁心材料を用いた金型形成により容易に形成することができる。また、このステータ本体の溝にコイルを挿入することにより、モータの組立を容易に行うことができる。

請求項３に記載の発明によれば、圧粉磁心は形状形成が容易なため、リラクタンストルク発生用の凹凸構造を有するロータを、圧粉磁心材料を用いた金型形成により容易に形成することができる。

請求項４に記載の発明によれば、ロータ本体の埋め込み部に圧粉磁心材料を充填して加圧等することにより、その埋め込み部を成型用の型として用いて回転子磁心の成型を行うことができ、その結果、モータ製造工程の簡略化が図れる。

請求項５に記載の発明によれば、請求項１ないし４のいずれかに記載の発明に係るアキシャルモータのステータを車軸側に設け、ロータを車輪のホイール部に設ける構成であるため、車輪の軸部回りの空間を有効に利用してアキシャルモータを設けることができるとともに、小型で高出力の車輪駆動機構を実現できる。

請求項６に記載の発明によれば、圧粉磁心は形状形成が容易なため、コイル挿入用の溝を有するステータ本体を、圧粉磁心材料を用いた金型形成により容易に形成することができる。また、コイルのステータ本体への装着を容易に行えることができ、モータの組立を容易に行うことができる。

請求項７に記載の発明によれば、ロータ本体の埋め込み部を成型用の型として用いて回転子磁心の成型を行うことにより、モータ製造工程の簡略化が図れる。

＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態に係るアキシャルモータの要部構成を模式的に示す軸平行断面図である。このアキシャルモータは、図１に示すように、ステータ１とロータ３とが軸方向に対向して配置された３相集中巻き永久磁石モータである。本実施形態では、２つのロータ３がステータ１を両側から挟み込むようにして設けられている。なお、図１中の符号５は、回転軸を示している。

ステータ１は、図２に示すように、略円盤状のステータ本体７と、駆動用の複数の集中巻きコイル９と、コイル９と同数の固定子磁心１１とを備えており、図示しない固定部（ケーシング等）に固定される。ロータ３は、図３に示すように、略円盤状のロータ本体１３と、コイル９の数（スロット数）に応じた数（極数）の永久磁石１５とを備えており、回転軸５に固定される。

ステータ本体７には、コイル９及び固定子磁心１１の挿入用の複数の挿入孔７ａが周方向に間隔をあけて軸方向に貫通するように設けられている。ステータ本体７の中央部には、回転軸５が遊挿される貫通孔７ｂが設けられている。コイル９は、図４に示すように、断面平角形の細長い銅板２１がエッチワイズに集中巻きされて構成されている。巻回されて積層された銅板２１間は、絶縁フィルム等で絶縁されている。また、このように構成されたコイル９は、絶縁コート等の絶縁処理が施される。このようなコイル９は、電気接合部の引き出しが容易であるとともに、細線巻きのコイルに比して放熱効率がよいという利点がある。

固定子磁心１１は、金属磁性粉末（例えば、鉄粉）、又は所定の被膜（例えば、燐酸化合物被膜）で覆った金属磁性粉末（例えば、鉄粉）を樹脂で結合した圧粉磁心により形成されている。圧粉磁心の結合用樹脂としては、例えばポリフェニレンサルファイド、可溶性ポリイミド若しくはさらに他の樹脂、又はこれらの混合物などが用いられる。固定子磁心１１の形成は、圧粉磁心材料を所定の成型用の型に充填して加圧、圧縮した後、加熱処理することにより行われる。

このような圧粉磁心は、優れた磁気特性を有するとともに、鉄損が小さく、金型による成型が容易であり、また磁気特性が等方的であるという有利な特性を有している。このため、コイル９の形状及び寸法に応じた形状等を有する固定子磁心１１を容易に形成できる。

ステータ１の組み立ては、ステータ本体７の各挿入孔７ａに予め形成されたコイル９及び固定子磁心１１を軸方向から嵌め込んで固定することにより行われる。このとき、固定子磁心１１は、コイル９の内周側の空洞内にぴったりと嵌まり込む。

コイル９及び固定子磁心１１のステータ本体７への固定後、コイル９間等の電気接合及びその接合部の絶縁処理（半導電層処理を含む）等が行われる。このとき、コイル９間を電気接続する渡り線（図示せず）及び駆動回路（図せず）は、ステータ本体７におけるコイル９の内周側に設けられる。このため、ステータ本体７の外周部をコイル９の配置スペースとして有効に利用することができ、モータ出力を維持しつつモータの小型化が図れる。

各ロータ３のロータ本体１３におけるステータ１との対向面には、図３に示すように、永久磁石１５の埋め込み用の複数の凹部（貫通孔でもよい）１３ａが周方向に間隔をあけて設けられている。ロータ本体１３の中央部には、回転軸５が挿入固定される貫通孔１３ｂが設けられている。永久磁石１５は、凹部１３ａに嵌め込まれて固定される。

モータ全体の組み立ては、ステータ１及びロータ３ごとの組み立てが実質的に完了した状態で行われる。

以上の本実施形態によれば、上述のような圧粉磁心を用いて固定子磁心１１を形成することにより、ステータ１とロータ３間に磁気回路を効率よく形成することができ、アキシャル型の３相集中巻き永久磁石モータの効率及び出力等の向上が図れる。

特に、圧粉磁心は金型による成型が容易であるため、コイル９の形状及びサイズ等に応じた固定子磁心１１を容易に形成することができる。

＜第２実施形態＞
図５は、本発明の第２実施形態に係るアキシャルモータの要部構成を模式的に示す軸平行断面図である。このアキシャルモータは、図５に示すように、ステータ３１とロータ３３とが軸方向に対向して配置された３相波巻き永久磁石モータである。本実施形態では、２つのロータ３３がステータ３１を両側から挟み込むようにして設けられている。なお、図５中の符号３５は、回転軸を示している。

ステータ３１は、図６に示すように、略円盤状のステータ本体３７と、駆動用の３相分の波巻きコイル３９とを備えており、図示しない固定部（ケーシング等）に固定される。ロータ３３は、図５に示すように、略円盤状のロータ本体４１と、各相のコイル３９の配設形態に応じた数（極数）の永久磁石４３とを備えており、回転軸３５に固定される。

ステータ本体３７のロータ３３と対向する両対向面には、各相のコイル３９が挿入される溝３７ａが設けられている。溝３７ａは、一筆書き状に形成される各相のコイル３９の配設形態に対応した形態で設けられている。ステータ本体３７の中央部には、回転軸３５が遊挿される貫通孔３７ｂが設けられている。このようなステータ本体３７は、一体的に設けられたその一部分が固定子磁心として機能するようになっており、その全体が、上述の第１実施形態に係る固定子磁心１１を構成する圧粉磁心とほぼ同様な組成の圧粉磁心材料を用いて、ほぼ同様な手法により金型成型されている。

各相のコイル３９は、例えば、断面平角形の細長い銅板４３がエッチワイズに一筆書き状に波巻きされて構成されている。波巻きされて積層された銅板４３間は、絶縁フィルム等で絶縁されている。また、このように構成されたコイル３９は、絶縁コート等の絶縁処理が施される。このような波巻きコイル３９は、電気接続部の数を削減する効果がある。

ステータ３１の組み立ては、図６に示すように、予め形成されたステータ本体３７の溝３７ａに、予め形成されたコイル３９を軸方向から嵌め込んで固定して行われる。

各ロータ３３のロータ本体４１におけるステータ３１との対向面には、図５に示すように、永久磁石４３の埋め込み用の複数の凹部（貫通孔でもよい）３３ａが周方向に間隔をあけて設けられている。ロータ本体４１の中央部には、回転軸３５が挿入固定される貫通孔３３ｂが設けられている。このようなロータ本体４１は、上述の第１実施形態に係る固定子磁心１１を構成する圧粉磁心とほぼ同様な組成の圧粉磁心材料を用いて、ほぼ同様な手法により金型成型されている。永久磁石４３は、ロータ本体４１の凹部３３ａに嵌め込まれて固定される。

モータ全体の組み立ては、ステータ３１及びロータ３３ごとの組み立てが実質的に完了した状態で行われる。

以上のように、本実施形態によれば、ロータ本体４１及び固定子磁心としても機能するステータ本体３７が圧粉磁心を用いて形成されているため、ステータ３１とロータ３３間に磁気回路を効率よく形成することができ、アキシャル型の３相波巻き永久磁石モータの効率及び出力等の向上が図れ、また、複雑な形状のロータ本体４１及びステータ本体３７を金型成型により容易に形成することができる。

また、予め形成したコイル３９をステータ本体３７の溝３７ａに嵌め込む構成であるため、コイル３９のステータ３１への装着を容易に行うことができ、モータ製造工程を簡略化できる。

＜第３実施形態＞
図７は、本発明の第３実施形態に係るアキシャルモータの要部構成を模式的に示す軸平行断面図である。このアキシャルモータは、図７に示すように、ステータ５１とロータ５３とが軸方向に対向して配置された３相リラクタンスモータである。本実施形態では、２つのロータ５３がステータ５１を両側から挟み込むようにして設けられている。なお、図７中の符号５５は、回転軸を示している。

ステータ５１は、上述の第１実施形態に係るアキシャルモータのステータ１とほぼ同様な構成であり、対応する部分には同一の参照符号を付して説明を省略する。

ロータ５３は、上述の第１実施形態に係る固定子磁心１１を構成する圧粉磁心とほぼ同様な組成の圧粉磁心材料を用いて、ほぼ同様な手法により金型成型により一体に構成されている。ロータ５３は、略円盤状の形状を有し、ステータ５１との対向面に、リラクタンストルク発生用の凹凸構造が設けられている。この凹凸構造は、図８及び図９に示すように、周方向に交互に形成された凸部５３ａと凹部５３ｂとによって構成されており、その凸部５３ａ及び凹部５３ｂの配設形態は、ステータ７側のコイル９及び固定子磁心１１の配設形態に対応して所定のリラクタンストルクが発生するように設定されている。ロータ５３の中央部には、回転軸５５が挿入固定される貫通孔５３ｃが設けられている。

モータ全体の組み立ては、ステータ５１及びロータ５３ごとの組み立てが実質的に完了した状態で行われる。

以上のように、本実施形態によれば、固定子磁心１１及びロータ５３が圧粉磁心を用いて形成されているため、ステータ５１とロータ５３間に磁気回路を効率よく形成することができ、アキシャル型の３相リラクタンスモータの効率及び出力等の向上が図れ、また、複雑な形状の固定子磁心１１及びロータ５３を金型成型により容易に形成することができる。

＜第４実施形態＞
図１０は、本発明の第４実施形態に係るアキシャルモータの要部構成を模式的に示す軸平行断面図である。このアキシャルモータは、図１０に示すように、ステータ６１とロータ６３とが軸方向に対向して配置された３相インダクションモータである。本実施形態では、２つのロータ６３がステータ６１を両側から挟み込むようにして設けられている。なお、図１０中の符号６５は、回転軸を示している。

ステータ６１は、上述の第１実施形態に係るアキシャルモータのステータ１とほぼ同様な構成であり、対応する部分には同一の参照符号を付して説明を省略する。

ロータ６３は、図１０に示すように、ロータ本体６７と、ロータ本体６７に埋め込まれた複数の回転子磁心６９とを備えており、回転軸６５に固定される。ロータ本体６７は、導電性金属（例えば、アルミニウム）により略円盤状に形成され、ステータ６１との対向面に、ステータ６１のコイル９の数（スロット数）に応じた数の枠状のリングコイル部６７ａが一体に形成されている。各リングコイル部６７ａは、その中央部に軸方向に貫通する埋め込み部６７ｂを有しており、その埋め込み部６７ｂ内に回転子磁心６９が埋め込まれている。ロータ本体６７の中央部には、回転軸６５が挿入固定される貫通孔６７ｃが設けられている。回転子磁心６９は、上述の第１実施形態に係る固定子磁心１１を構成する圧粉磁心とほぼ同様な組成の圧粉磁心材料を用いて形成されている。

ロータ６３の製造は、図１１に示すように、まず金型成型（例えば、鋳造）等によりロータ本体６７を形成しておき、続いて、図１２に示すように、そのロータ本体６７を成型用の型として用いて固定子磁心６９を形成して行われる。すなわち、固定子磁心６９の形成工程では、ロータ本体６７の各埋め込み部６７ｂ内に圧粉磁心材料７１を充填し、埋め込み部６７ｂを成型用の型として用いて、その圧粉磁心材料７１をプレス機構７３，７５で圧縮し、その後加熱処理することにより、埋め込み部６７ｂ内に埋め込まれた回転子磁心６９が形成される。

モータ全体の組み立ては、ステータ６１及びロータ６３ごとの組み立てが実質的に完了した状態で行われる。

以上のように、本実施形態によれば、固定子磁心１１及び回転子磁心６９が圧粉磁心を用いて形成されているため、ステータ６１とロータ６３間に磁気回路を効率よく形成することができ、アキシャル型の３相インダクションモータの効率及び出力等の向上が図れ、また、複雑な形状の固定子磁心１１及び回転子磁心６９を金型成型により容易に形成することができる。

特に、本実施形態では、ロータ本体６７の埋め込み部６７ｂを成型用の型として用いて回転子磁心６９の成型を行うことができ、その結果、モータ製造工程の簡略化が図れる。

＜適用例＞
図１３は、第１ないし第４実施形態のいずれかに係るアキシャルモータが適用された車輪駆動用モータの構成を模式的に示す軸平行断面図である。図１３の図示例では、上述の第１ないし第４の実施形態に係るアキシャルモータのうち、第１実施形態に係るアキシャルモータが代表例として用いられているが、他の実施形態に係るアキシャルモータであってもほぼ同様に適用できる。

本適用例に係る車輪駆動用モータは、図１３に示すように、自動車の車輪７１を直接駆動するホイールインモータであり、車輪７１のホイール部７３の内側内周部に設けられている。そして、このモータのステータ１が車輪７１の車軸７５に固定されており、ロータ３がホイール部７３の内側におけるステータ１との対向面に一体的に設けられている。

また、本適用例では、ステータ１が車軸７５とホイール部７３との間に介装されている。このため、ステータ１の外周にはベアリング７７が外嵌されている。そして、ホイール部７３が、ステータ１及びベアリング７７を介して車軸７５に回転自在に軸支されている。なお、図１３中の符号７９はタイヤを示している。また、図１３の構成では、ロータ３がステータ１の片側にのみ設けられている。

以上のように、本適用例によれば、第１ないし第４実施形態のいずれかに係るアキシャルモータを車輪７１のホイール部７３内に設け、そのステータ１を車軸７１側に設け、ロータ３をホイール部７３に一体的に設け、アキシャルモータにより車輪７１を直接駆動する構成であるため、車輪７１のホイール部７３の内側における軸部回りの空間を有効に利用してアキシャルモータを設けることができるとともに、小型で高出力の車輪駆動機構を実現できる。

本発明の第１実施形態に係るアキシャルモータ（３相集中巻き永久磁石モータ）の要部構成を模式的に示す軸平行断面図である。 図１のアキシャルモータのステータの正面図である。 図１のアキシャルモータのロータの正面図である。 図１のアキシャルモータの駆動用のコイルの斜視図である。 本発明の第２実施形態に係るアキシャルモータ（３相波巻き永久磁石モータ）の要部構成を模式的に示す軸平行断面図である。 図５のアキシャルモータの製造工程を示す図である。 本発明の第３実施形態に係るアキシャルモータ（リラクタンスモータ）の要部構成を模式的に示す軸平行断面図である。 図７のアキシャルモータのロータの正面図である。 図８のロータ表面部のＡ−Ａ線に沿った断面図である。 本発明の第４実施形態に係るアキシャルモータ（インダクションモータ）の要部構成を模式的に示す軸平行断面図である。 図１０のアキシャルモータのロータ本体の軸平行断面図である。 図１０のアキシャルモータの製造工程を示す図である。 第１ないし第４実施形態のいずれかに係るアキシャルモータが適用された車輪駆動用モータ（ホイールインモータ）の構成を模式的に示す軸平行断面図である。

符号の説明

１，３１，５１，６１ ステータ
３，３３，５３，６３ ロータ
５，３５，５５，６５ 回転軸
７，３７ ステータ本体
９，３９ コイル
１１ 固定子磁心
１３，４１，６７ ロータ本体
１５，４３ 永久磁石
５３ａ 凸部
５３ｂ 凹部
６７ｂ 埋め込み部
６９ 回転子磁心
７１ 車輪
７３ ホイール部
７５ 車軸

Claims (7)

1. ロータとステータとが軸方向に対向して配置されたアキシャルモータであって、
   前記ステータ側の固定子磁心及び前記ロータ側の回転子磁心の少なくともいずれか一方が、金属磁性粉末、又は所定の被膜で覆った金属磁性粉末を樹脂で結合した圧粉磁心により形成される、アキシャルモータ。
2. 請求項１に記載のアキシャルモータにおいて、
   前記ステータは、
   前記圧粉磁心により略円盤状に形成され、前記ロータとの対向面にコイル挿入用の溝が設けられ、前記固定子磁心としての機能を有するステータ本体と、
   前記ステータ本体の前記溝に挿入された駆動用のコイルと、
   を備える、アキシャルモータ。
3. 請求項１に記載のアキシャルモータにおいて、
   前記ロータは、前記圧粉磁心により形成され、前記ステータとの対向面にリラクタンストルクを発生するための凹凸構造が設けられる、アキシャルモータ。
4. 請求項１に記載のアキシャルモータは、インダクションモータであり、
   前記ロータは、
   導電性金属により略円盤状に形成され、前記ステータとの対向面に前記回転子磁心を埋め込むための埋め込み部が設けられたロータ本体と、
   前記圧粉磁心により形成され、前記ロータ本体の前記埋め込み部に埋め込まれる前記回転子磁心と、
   を備える、アキシャルモータ。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載のアキシャルモータは、自動車の車輪を駆動する車輪駆動用モータであり、
   前記ステータは、前記車輪の車軸側に設けられ、
   前記ロータは、前記車輪のホイール部に設けられる、アキシャルモータ。
6. 請求項２に記載のアキシャルモータの製造方法であって、
   所定の型を用いて圧粉磁心材料を成型し、これによって前記溝を有する前記ステータ本体を形成する工程と、
   前記ステータ本体の前記溝に前記コイルを挿入する工程と、
   を備える、アキシャルモータの製造方法。
7. 請求項４に記載のアキシャルモータの製造方法であって、
   前記導電性金属により前記埋め込み部を有する前記ロータ本体を形成する工程と、
   前記ロータ本体の前記埋め込み部に圧粉磁心材料を充填し、前記埋め込み部を型として用いて前記圧粉磁心材料を成型することにより、前記回転子磁心を形成する工程と、
   を備える、アキシャルモータの製造方法。

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