JP2007014140A - スロットレスモータのコイル保持枠、ステータ、スロットレスモータ、コイル保持枠の製造方法及びステータの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】相間絶縁部の先端部に爪部を有するコイル保持枠、ステータ及びスロットレスモータを得ること。
【解決手段】光造形法により液状の光硬化樹脂を硬化積層させ、円筒部、相間絶縁部及び爪部を有する略円筒状に形成されたコイル保持枠と、前記コイル保持枠の前記相間絶縁部間に形成されたスロット部に挿入されて前記コイル保持枠に分布巻きされたコイルと、鋼板を積層して円筒状に形成され、前記コイルを巻装した前記コイル保持枠を嵌合させたコアバックと、前記コイルが挿入された前記スロット部に充填した前記液状の光硬化樹脂に前記積層造形装置によりレーザ光を照射して硬化させたスロット内モールド部と、前記光造形法により、前記コイルを巻装した前記コイル保持枠及び前記コアバックのコイルエンド部を、前記液状の光硬化樹脂を硬化積層させてリング状にモールドしたコイルエンドモールド部と、を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、高速回転に適するスロットレスモータ、そのステータ、コイル保持枠、コイル保持枠の製造方法及びステータの製造方法に関するものである。

従来のスロットレスモータとして、永久磁石製の磁極を有して真空状態の雰囲気内に配置される回転子と、磁極で生成された主磁束が鎖交されるように配置された電気子コイルを有するコアレス構造の固定子と、固定子を保持する固定子用構造体とを備えたコアレスモータ（スロットレスモータ）において、固定子が、ポリエステル樹脂などの電気絶縁材を用いて円筒状に形成されたコイル保持枠と、コイル保持枠の外周面に等間隔で形成された１２個の四角溝状のコイルスロットに装填された複数の電機子コイルを有しているものがある（例えば、特許文献１参照）。

特開２０００−２７０５０２号公報

しかしながら、上記従来の技術によれば、コイル保持枠を、非磁性体であるポリエステル樹脂材料等で形成するため、加工方法においてワイヤカット等を採用することができず、また、量産品でない限り金型による射出成型等も採用することができず、機械加工(フライス盤、旋盤等)に限られることから、コイル保持枠の形状には制約がある。

すなわち、特許文献１の図２及び図４に示されているように、コイルスロットは四角溝状とし、コイルスロット間の相間絶縁部は単純な凸形状とせざるを得ず、相間絶縁部の先端部にコイル抜け出し防止のための爪部（鉤部）を形成することができないという問題があった。また、機械加工時の切削力に耐える必要から相間絶縁部を厚くせざるを得ず、コイルの巻線占有率を高くすることができないという問題があった。

また、インナーロータ型のスロットレスモータのステータは、コイル保持枠と、コイル保持枠が嵌合される強磁性体の円筒状コアバックとから構成されるが、両者を結合させるため接着又はモールドする必要がある。接着のみで結合させると、強度不足、品質のバラツキ等の問題が生じるため、通常は、接着剤による接着後モールドを行い強度及び品質を向上させる。しかしながら、モールドを行うためには、モールド用の治具（金型）を製作する必要があり、また、作業工程時間が長く、作業効率が悪いという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、相間絶縁部の先端部に爪部（鉤部）を有するコイル保持枠、ステータ及びスロットレスモータを得ることを目的とする。また、モールド用の金型（治具）を用いないコイル保持枠の製造方法及びステータの製造方法を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明のスロットレスモータのコイル保持枠は、円筒部、相間絶縁部及び爪部を有する略円筒状に形成されたスロットレスモータのコイル保持枠であって、積層造形装置を用いる光造形法により液状の光硬化樹脂を硬化積層させることにより形成されることを特徴とする。

この発明によれば、金型を用いずに、円筒部、薄肉の相間絶縁部及び爪部を有する略円筒状に形成されたスロットレスモータのコイル保持枠が得られるという効果を奏する。

以下に、本発明にかかるスロットレスモータのコイル保持枠、ステータ、スロットレスモータ、コイル保持枠の製造方法及びステータの製造方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態
図１は、本発明にかかるインナーロータ型のスロットレスモータの実施の形態を示す一端を断面にした斜視図であり、図２−１は、樹脂製のコイル保持枠の斜視図であり、図２−２は、樹脂製のコイル保持枠の断面図であり、図３は、コイル保持枠に分布巻きされるコイルの斜視図であり、図４は、コイル保持枠を嵌合させる円筒状コアバックの斜視図であり、図５は、ロータの斜視図であり、図６は、積層造形装置の模式図であり、図７は、樹脂モールド前のステータの斜視図であり、図８は、樹脂モールド後のステータの斜視図である。

高速回転仕様のモータは、高速回転域において、電気角周波数の上昇、及び、駆動ドライバのスイッチング動作に伴う高調波電流等の影響により、高調波損失が大幅に増加するため、モータの効率が低下するという問題がある。高速回転域でのモータ効率を向上させるため、高調波損失のうちの高調波鉄損の低減を目的として、モータを図１に示すようなスロットレスモータ３０としている。

図１〜図５に示すように、スロットレスモータ３０は、コイル１１を巻装した略円筒状の樹脂製のコイル保持枠１２を円筒状のコアバック１３に嵌合させて形成したステータ１０と、中心部に回転軸２３を嵌合させた円筒状のロータコア２２の外周部に８枚の矩形板状の永久磁石２１を略リング状に埋設して形成したロータ２０とを備えている。

コアバック１３及びロータコア２２は電磁鋼板を積層して円筒状に形成されている。ロータ２０は、回転軸２３が図示しないフレームの軸受に支持されることにより、ステータ１０内に回転自在に支持され、コイル１１が発生する磁束により回転駆動される。スロットレスモータ３０には、コイル１１が巻装される強磁性体のティース部が存在しないので、ステータ１０を鎖交する磁束量が低減され、高速域における高調波鉄損が大幅に低減されている。

図２−１及び図２−２に示すように、コイル保持枠１２は、ステータ１０の内周部となる円筒部１２ａと、円筒部１２ａから外側へ放射状に配置される薄肉の相間絶縁部１２ｂと、相間絶縁部１２ｂとＴ字を形成するように先端部に設けられた爪部１２ｃとを有し、相間絶縁部１２ｂ、１２ｂ間には、図３に示すコイル１１が挿入されるスロット部１２ｄが形成される。

次に、図６に示す積層造形装置４０を参照し、コイル保持枠１２の光造形法による製造方法を説明する。積層造形装置４０は、レーザ光学系５０と造形ステージ６０とを備えている。レーザ光学系５０は、レーザ光としての紫外線レーザビーム５２を発射するレーザ光源５１と、紫外線レーザビーム５２の強度を調節する音響光学素子５３と、紫外線レーザビーム５２の進路を変換するミラー５４、５５と、紫外線レーザビーム５２を造形ステージ６０の所定のＺ軸位置に集光させるＺ軸焦点レンズ５６と、紫外線レーザビーム５２を造形物（コイル保持枠）１２の断面形状を塗りつぶすように走査させるＸＹスキャナ５７と、を備えている。

造形ステージ６０は、液体の光硬化樹脂としての紫外線硬化樹脂６１を貯留するタンク６２と、タンク６２内で造形物１２を載置する造形テーブル６３と、アーム６４ａを介して造形テーブル６３をＺ軸方向（上下方向）に変位させるＺ軸駆動装置６４と、を備えている。

コイル保持枠１２は、図２−１及び図２−２に示すコイル保持枠１２の３次元形状データを積層造形装置４０の図示しない制御装置に入力することにより、積層造形装置４０により製造される。

まず、第１のステップとして、制御装置により、コイル保持枠１２の断面の算出を行い、輪郭線からなるスライスデータを作成し、このスライスデータに基づいて、輪郭線内部を塗りつぶすように走査するレーザスポットの軌跡を計算し、コイル保持枠のレーザ走査軌跡データを作成する。

第２のステップとして、タンク６２内の紫外線硬化樹脂６１の液面上に上昇させて位置させた造形テーブル６３上に、一層の厚さの紫外線硬化樹脂６１を塗る。レーザ光学系５０を作動させ、コイル保持枠１２のレーザ走査軌跡データに基づいて造形テーブル６３上でレーザビーム５２を走査し、コイル保持枠１２の断面形状に紫外線硬化樹脂６１を硬化させ硬化造形物（コイル保持枠）１２を形成する。

第３のステップとして、造形テーブル６３を降下させ、紫外線硬化樹脂６１の液面下に造形テーブル６３を沈め、次の層を造形するための一層の厚さの液体紫外線硬化樹脂６１が液面と硬化造形物１２上面との間に挟まれるように造形テーブル６３を位置させる。

第４のステップとして、コイル保護枠のレーザ走査軌跡データに基づいて硬化造形物１２上でレーザビーム５２を走査し、硬化造形物１２上に同一断面形状の硬化層を結合させて積層し次の硬化造形物１２を形成する。

第５のステップとして、第３、第４のステップを繰り返して最終層まで紫外線硬化樹脂６１を硬化させ、円筒部１２ａと相間絶縁部１２ｂと爪部１２ｃとを有し硬化造形物の複数層分からなるコイル保持枠１２を形成する。

第１のステップ〜第５のステップの光造形法によりコイル保持枠１２を製作することにより、金型を用いずに、爪部１２ｃと薄肉の相間絶縁部１２ｂとを有し、巻線占有率を向上させ、モータ効率を向上させることができるコイル保持枠１２が得られる。

次に、第６のステップとして、図２−１及び図２−２に示す形に造形されたコイル保持枠１２のスロット部１２ｄに、図３に示すコイル１１を、図示しないコイル挿入装置を用いて挿入し、コイル保持枠１２にコイル１１を分布巻きする。続いて、コイル１１を巻装したコイル保持枠１２の爪部１２ｃ及び／又はコアバック１３の内周部に接着剤を塗布し、コイル保持枠１２をコアバック１３内に挿入して両者を接着し、図７に示すステータ１０を製作する。ステータ１０は、両端にコイルエンド部１１ａが突出している。

次に、積層造形装置４０を用いた光造形法によるステータ１０の樹脂モールド方法を説明する。ステータ１０の樹脂モールドは、コイル保持枠１２のスロット部１２ｄ内の樹脂モールドと、コイルエンド部１１ａの樹脂モールドとに分けて行なう。まず、スロット部１２ｄ内の樹脂モールドについて説明する。

第７−１のステップとして、制御装置により、コイル保持枠１２の断面の算出を行い、コイル保持枠１２のスロット部１２ｄの輪郭線からなるスライスデータを作成し、このスライスデータに基づいて、輪郭線内部を塗りつぶすように走査するレーザスポットの軌跡を計算し、スロット部１２ｄのレーザ走査軌跡データを作成する。

第７−２のステップとして、造形テーブル６３上に、軸方向を上下方向（Ｚ軸方向）に向けて、図７に示すステータ１０を位置決め載置し、タンク６２内に降下させ、コイル保持枠１２及びコアバック１３の上端部まで紫外線硬化樹脂６１の液面下に沈め、スロット部１２ｄ内のコイル１１の隙間に紫外線硬化樹脂６１を浸透・充填させる。高速回転仕様のモータでは、巻線占積率が７０％〜８０％で比較的低いため、スロット部１２ｄには隙間があり、紫外線硬化樹脂６１を浸透させること及びレーザビーム５２を照射することは容易である。

第７−３のステップとして、レーザ光学系５０を作動させ、スロット部１２ｄのレーザ走査軌跡データに基づいてレーザビーム５２を走査し、コイルエンド部１１ａ及びスロット部１２ｄのコイル１１の隙間を通してレーザビーム５２をスロット部１２ｄ内に照射し、スロット部１２ｄ内の紫外線硬化樹脂６１を、少なくともスロット部１２ｄの全長の半分の深さまで硬化させる。紫外線硬化樹脂６１は硬化しても透明であるものを用い、レーザビーム５２のビーム径を絞らないようにして全長の半分の深さまでを一様に硬化させる。レーザビーム５２を走査し、全てのスロット部１２ｄ内の紫外線硬化樹脂６１を少なくともスロット部１２ｄの全長の半分の深さまで硬化させる。レーザビーム５２は、音響光学素子５３によりコイル１１を損傷させない強度に調節しておく。

第７−４のステップとして、ステータ１０を造形テーブル６３上で反転させ、続いて、第７−２及び第７−３のステップを実施し、全てのスロット部１２ｄ内全長の樹脂モールドを行ない、スロット部１２ｄ内にスロット内モールド部を形成する。

なお、コイル保持枠１２を透明樹脂で成型しておけば、コイル保持枠１２の内周側からスロット部１２ｄ内へレーザビーム５２を照射することができるので、第７のステップとして、スロット部１２ｄ内へ紫外線硬化樹脂６１を充填させた状態で、ステータ１０をタンク６２内の紫外線硬化樹脂６１の液面上に上昇させ、レーザビーム５２をコイル保持枠１２の内周側から竜巻状（コイルばね状）に全長に亘って走査することにより、第７−１のステップ〜第７−４のステップによる樹脂モールドと同等以上の樹脂モールドを行なうことができ、スロット部１２ｄ内にスロット内モールド部を形成することができる。

次に、コイルエンド部１１ａの樹脂モールドについて説明する。第８のステップとして、制御装置により、コイル保持枠１２の内周とコアバック１３の外周とに囲まれる断面の算出を行い、輪郭線からなるスライスデータを作成し、このスライスデータに基づいて、輪郭線内部を塗りつぶすように走査するレーザスポットの軌跡を計算し、コイルエンド部１１ａのレーザ走査軌跡データを作成する。

第９のステップとして、造形テーブル６３上に、軸方向を上下方向（Ｚ軸方向）に向けて、ステータ１０を位置決め載置し、タンク６２内に降下させ、紫外線硬化樹脂６１の液面下にコイル保持枠１２及びコアバック１３の上端部を沈め、モールド層を形成するための一層の厚さの液体紫外線硬化樹脂６１が液面と上端部との間に挟まれるように造形テーブル６３を位置させる。

第１０のステップとして、コイルエンド部１１ａのレーザ走査軌跡データに基づいてコイル保持枠１２及びコアバック１３の上端部上でレーザビーム５２を走査し、上端部上のコイルエンド部１１ａが存在しない部分に硬化層を結合させる。

第１１のステップとして、第９、第１０のステップを繰り返してコイルエンド部１１ａを覆う最終層まで紫外線硬化樹脂６１を積層させ、一方のコイルエンド部１１ａの樹脂モールドを行ない、コイルエンドモールド部１０ａを形成する。

第１２のステップとして、ステータ１０を造形テーブル６３上で反転させ、続いて、第９、第１０のステップを繰り返して他方のコイルエンド部１１ａを覆う最終層まで紫外線硬化樹脂６１を積層させ、他方のコイルエンド部１１ａの樹脂モールドを行ない、他方のコイルエンドモールド部１０ａを形成し、図８に示すような、両端のコイルエンド部１１ａを樹脂モールドしてリング状のコイルエンドモールド部１０ａを形成したステータ１０を製作する。コイルエンドモールド部１０ａがステータ１０の両端に形成されるので、コイル保持枠１２とコアバック１３とは軸方向に堅固に固定される。

第６のステップ〜第１２のステップの光造形法により、モールド金型が不要で、作業工程時間を低減した低コストのステータ１０の製造方法が得られる。また、この製造方法により、スロット部１２ｄ内に紫外線硬化樹脂６１を充填・硬化させ、放熱性能及び剛性の高いステータ１０が得られる。

ステータ１０は、図示しないフレーム内に焼嵌めされ、ロータ２０は、回転軸２３がフレームに保持された軸受に支持されることにより、ステータ１０内に回転自在に設置され、スロットレスモータ３０となる。

スロットレスモータ３０に、所定の相の交流電圧を印加すると、コイル１１に電流が流れ、流れる電流と永久磁石２１が発生する磁束とによって生じる永久磁石界磁トルクと、コイル１１に流れる電流によって生じる磁束が磁気的に安定した位置に移動しようとするリラクタンストルクが発生してロータ２０が回転する。

以上のように、本発明にかかるスロットレスモータのコイル保持枠、ステータ、スロットレスモータ、コイル保持枠の製造方法及びステータの製造方法は、非量産のスロットレスモータに適している。

本発明にかかるスロットレスモータの実施の形態を示す斜視図である。 樹脂製のコイル保持枠の斜視図である。 樹脂製のコイル保持枠の断面図である。 コイル保持枠に分布巻きされるコイルの斜視図である。 コイル保持枠を嵌合させる円筒状のコアバックの斜視図である。 ロータの斜視図である。 積層造形装置の模式図である。 樹脂モールド前のステータの斜視図である。 樹脂モールド後のステータの斜視図である。

符号の説明

１０ ステータ
１０ａ コイルエンドモールド部
１１ コイル
１１ａ コイルエンド部
１２ コイル保持枠（硬化造形物）
１２ａ 円筒部
１２ｂ 相間絶縁部
１２ｃ 爪部
１２ｄ スロット部
１３ コアバック
２０ ロータ
４０ 積層造形装置
５２ レーザビーム
６１ 紫外線硬化樹脂（光硬化樹脂）
６２ タンク
６３ 造形テーブル

Claims (5)

1. 円筒部、相間絶縁部及び爪部を有する略円筒状に形成されたスロットレスモータのコイル保持枠であって、
   積層造形装置を用いる光造形法により液状の光硬化樹脂を硬化積層させることにより形成されることを特徴とするスロットレスモータのコイル保持枠。
2. 請求項１に記載のコイル保持枠と、
   前記コイル保持枠の前記相間絶縁部間に形成されたスロット部に挿入されて前記コイル保持枠に分布巻きされたコイルと、
   鋼板を積層して円筒状に形成され、前記コイルを巻装した前記コイル保持枠を嵌合させたコアバックと、
   前記コイルが挿入された前記スロット部に充填した前記液状の光硬化樹脂に前記積層造形装置によりレーザ光を照射して硬化させたスロット内モールド部と、
   前記積層造形装置を用いる前記光造形法により、前記コイルを巻装した前記コイル保持枠及び前記コアバックのコイルエンド部を、前記液状の光硬化樹脂を硬化積層させてリング状にモールドしたコイルエンドモールド部と、
   を備えることを特徴とするスロットレスモータのステータ。
3. 請求項２に記載のステータと、
   前記ステータ内に回転自在に設置されたロータと、
   を備えることを特徴とするスロットレスモータ。
4. 円筒部、相間絶縁部及び爪部を有する略円筒状のコイル保持枠を製造するコイル保持枠の製造方法において、
   タンク内の光硬化樹脂の液面上に位置させた造形テーブル上に、一層の厚さの光硬化樹脂を塗り、前記造形テーブル上の光硬化樹脂に対してレーザビームを走査し、前記コイル保持枠の断面形状に前記光硬化樹脂を硬化させた硬化造形物を形成する第１の工程と、
   前記造形テーブルを降下させ、前記光硬化樹脂の液面下に前記造形テーブルを沈め、次の層を造形するための一層の厚さの前記液体の光硬化樹脂が前記液面と前記硬化造形物上面との間に挟まれるように前記造形テーブルを位置させる第２の工程と、
   前記硬化造形物上でレーザビームを走査し、前記硬化造形物上に同一断面形状の硬化層を結合・積層して次の硬化造形物を形成する第３の工程と、
   前記第２、第３の工程を繰返して前記硬化造形物の複数層分から成るコイル保持枠を形成する第４の工程と、
   を備えることを特徴とするスロットレスモータのコイル保持枠の製造方法。
5. 前記第４の工程で製造されたコイル保持枠のスロット部にコイルを挿入して前記コイル保持枠にコイルを分布巻きし、該コイルが巻かれたコイル保持枠をコアバック内に挿入して両端にコイルエンド部が突出したステータを形成する第５の工程と、
   前記スロット部内へ前記光硬化樹脂を充填させた状態で、レーザビームを前記スロット部内へ照射し、前記光硬化樹脂を硬化させて前記スロット部内にスロット内モールド部を形成する第６の工程と、
   前記造形テーブル上に、軸方向を上下方向に向けて、前記ステータを位置決め載置し、前記造形テーブルを降下させ、前記光硬化樹脂の液面下に前記コイル保持枠及び前記コアバックの上端部を沈め、モールド層を形成するための一層の厚さの前記液体の光硬化樹脂が液面と前記上端部との間に挟まれるように前記造形テーブルを位置させる第７の工程と、
   前記コイル保持枠及び前記コアバックの上端部上でレーザビームを走査し、該上端部上の前記コイルエンド部が存在しない部分に前記光硬化樹脂の硬化層を形成する第８の工程と、
   前記第７、第８の工程を繰り返して前記コイルエンド部を覆う最終層まで前記光硬化樹脂を硬化させ、一方のコイルエンド部の樹脂モールドを行ない、一方のコイルエンドモールド部を形成する第９のステップと、
   前記ステータを前記造形テーブル上で反転させ、続いて、前記第７、第８のステップを繰り返して他方のコイルエンド部を覆う最終層まで前記光硬化樹脂を硬化させ、他方のコイルエンド部の樹脂モールドを行ない、他方のコイルエンドモールド部を形成する第１０のステップと、
   を備えることを特徴とするスロットレスモータのステータの製造方法。
   
   

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