JP2013074728A - 電動機、電動機の製造方法及びコイルユニットの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】低損失の電動機を実現する。
【解決手段】電動機１０は、回転子２０と、回転子２０を空隙を有して内挿する円筒形状のコイルユニット５０と、コイルユニット５０を内挿する円筒形状のバックヨーク４０と、を有し、コイルユニット５０は、半径方向に第１層コイル６０と第２層コイル７０の２層構造を有し、外周側の第１層コイル６０は、複数の扁平に巻回された空芯の個片のコイル６１〜６６の一つ一つが円周方向に所与の間隙を有して整列配置されており、内周側の第２層コイル７０は、第１層コイル６０と同数の扁平に巻回された空芯の個片のコイル７１〜７６の一つ一つが円周方向に所与の間隙を有し、第１層コイル６０とは１／２ピッチ位相をずらして配置されており、第１層コイル６０と第２層コイル７０とが、軟磁性粉と樹脂との混合材８０によってインサートモールドされている。
【選択図】図２

Description

本発明は、電動機、電動機の製造方法、及びこの電動機に用いられるコイルユニットの製造方法に関する。

従来、環状のバックヨーク部の半径方向に突出する複数のティース部を有し、このティース部を圧粉磁心材料と樹脂との混合材の成形体で構成して、ティース部に巻線を巻回した電動機が知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、複数のティース部に巻線を巻回する固定子において、コアバック部とティース部を含む固定子のコアを軟磁性粉末材料と樹脂との混合材料を射出成形した成形体で構成した電動機がある（例えば、特許文献２参照）。

また、回転子を周回するように配置された複数の集中巻コイルの中央位置の穴部に、軟磁性粉末を樹脂で成形した成形材を勘合させた電動機も知られている（例えば、特許文献３参照）。

特開２００８−１８２７８２号公報 特開２００５−８０４３２号公報 特開２００７−５３８６７号公報

上述した特許文献１や特許文献２では、ティース部を軟磁性粉と樹脂との混合材で成形し、このティース部に巻線を巻回して固定子を構成している。このような構造では、コイルスペースがそのまま回転子とのギャップとなり、界磁用磁石（永久磁石）に対する磁路抵抗が大きくなることから、永久磁石からなる回転子−バックヨーク間のギャップ磁束密度が低く、所望の電動機特性を得るためには巻線の巻線数を増加させなければならない。その結果、銅損が増加してしまうという課題があった。さらに、コギングトルクが大きくなるというような課題を有していた。

また、特許文献３では、集中巻コイルの中央位置の穴部に軟磁性粉末を樹脂で成形した成形材を勘合させて磁路の一部とすることで、ギャップ磁束密度の低下を抑制しようとするものであるが、集中巻コイル間の円周方向の間隙はエアギャップまたは樹脂充填部であることから、それらの部分では磁路抵抗が大きくなってしまうという課題を有している。
さらに、エアギャップまたは単に樹脂充填部では熱伝導率が低く、コイルからの発熱の冷却性能が悪いという課題もある。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。

［適用例１］本適用例に係る電動機は、回転子と、前記回転子を空隙を有して内挿する円筒形状のコイルユニットと、前記コイルユニットを内挿する円筒形状のバックヨークと、を有し、前記コイルユニットは、半径方向に第１層コイルと第２層コイルの２層構造を有し、外周側の前記第１層コイルは、複数の扁平に巻回された空芯の個片のコイル一つ一つが円周方向に所与の間隙を有して整列配置されており、内周側の前記第２層コイルは、前記第１層コイルと同数の扁平に巻回された空芯の個片のコイル一つ一つが円周方向に所与の間隙を有して前記第１層コイルとは１／２ピッチ位相をずらして整列配置されており、前記第１層コイルと前記第２層コイルとが、軟磁性粉と樹脂との混合材によってインサートモールドされている、ことを特徴とする。
ここで、回転子は界磁用磁石（永久磁石）からなるローターである。

本適用例によれば、軟磁性粉と樹脂の混合材によって第１層コイル及び第２層コイルの空芯部を含む周囲を充填することによって、回転子からバックヨークに向かう磁束数は、これらの間隙が空隙（空気層）または樹脂のみの場合に比べて非常に多くなる。このため、ギャップ磁束密度が高くなり、高トルク・低損失の電動機を実現できる。

また、軟磁性粉は、熱伝導率が空気や樹脂と比べて高いことから、銅損によって発熱したコイルの冷却性能が向上するという効果がある。

また、コイルユニットの内周面にも軟磁性粉成形層を構成することによって、コギングトルクを下げることができる。
さらに、本適用例のように、個片の各コイルを円周方向に２層構造で周回配置させることによって、前述した従来技術のようにティースを構成できないような小径のコイルユニット構造にも適用できる。

［適用例２］上記適用例に係る電動機において、前記軟磁性粉と樹脂の混合材の比透磁率μが、μ≧１００であること、が好ましい。

詳しくは、実施の形態で説明するが、軟磁性粉と樹脂の混合材の比透磁率μを１００以上にすれば、コギングトルクを０．４Ｎｍ以下に低減することができる。

［適用例３］上記適用例に係る電動機において、前記軟磁性粉の粒度分布が２０μｍ〜１００μｍの範囲であって、平均粒径が５０μｍであること、が好ましい。

軟磁性粉と樹脂の混合材をモールドする際、軟磁性粉の粒径が５０μｍ以下の場合は充填しやすいが混合比を高くすることが困難であり、５０μｍ以上の場合は、粒径が大きくなるに従い徐々に充填しにくくなる傾向がある。このことから、軟磁性粉の粒径を２０μｍ〜１００μｍ、且つ平均粒径を５０μｍ程度にすれば、充填性を確保しつつ混合比を高くすることができる。

また、詳しくは、後述する実施の形態で説明するが、第１層コイルと第２層コイルとの半径方向の間隙は概ね７０μｍであって、隣り合う第１層コイル間の間隙及び隣り合う第２層コイル間の間隙は０．５ｍｍ〜１．０ｍｍ程度、それぞれのコイルの空芯部は幅３ｍｍ程度の空間があるため、粒径が２０μｍ〜１００μｍの範囲で、狭い間隙部には粒径が小さい軟磁性粉を、広い間隙・空間には粒径が大きい軟磁性粉を充填させることが可能となる。

［適用例４］上記適用例に係る電動機において、前記軟磁性粉の材質は、磁束密度が１．８Ｔ（Ｔ：テスラ）以上のＦｅ−Ｓｉ系材料であること、が好ましい。
ここで、軟磁性材料としては、例えば、ＦｅＳｉＢＰＣｕ組織の微結晶処理をした粉末、ＦｅＳｉＢＰＣｕ系のアモルファス粉末等を用いることができる。

このような軟磁性粉を用いることによって、軟磁性粉が充填された間隙や空間のギャップ磁束密度が高くなり、高トルク・低損失の電動機を実現できる。

［適用例５］上記適用例に係る電動機において、前記軟磁性粉が、混合材全重量に対する重量比で９０％ないし９５％含まれていること、が好ましい。

前述した材質の軟磁性粉を用いた場合、軟磁性粉を重量比で９０％ないし９５％混合した場合に、比透磁率μを１００以上にすることが可能で、比透磁率μを１００以上にすればコギングトルクを０．４Ｎｍ以下に低減することができる。

［適用例６］上記適用例に係る電動機において、前記軟磁性粉の表面に絶縁皮膜が形成されていること、が好ましい。

軟磁性粉の表面に絶縁層を形成することによって、軟磁性粉間の電気抵抗を大きくして渦電流損を低減することができる。

［適用例７］本適用例に係る電動機の製造方法は、上記各適用例に記載の電動機の製造方法であって、回転子を半径方向に所与の空隙を有して円筒形状のコイルユニットに内挿する工程と、円筒形状のバックヨークに前記コイルユニットを内挿する工程と、を有し、前記コイルユニットは、前記コイルユニットの半径方向に第１層コイルと第２層コイルの２層構造を有し、外周側の前記第１層コイルは、複数の扁平に巻回された空芯の個片のコイル一つ一つを円周方向に所与の間隙を有して整列配置する工程と、内周側の前記第２層コイルは、前記第１層コイルと同数の扁平に巻回された空芯の個片のコイル一つ一つを円周方向に所与の間隙を有して前記第１層コイルとは１／２ピッチ位相をずらして整列配置する工程と、前記第１層コイルと前記第２層コイルとを、軟磁性粉と樹脂との混合材によってインサートモールドする工程と、を含むことを特徴とする。

本適用例によれば、軟磁性粉と樹脂の混合材によって第１層コイル及び第２層コイルの空芯部を含む周囲を充填することによって、回転子からバックヨークに向かう磁束数は、これらの間隙が空隙（空気層）または樹脂のみの場合に比べて非常に多くなる。このため、ギャップ磁束密度が高くなり、高トルク・低損失の電動機を実現できる。

また、軟磁性粉は、熱伝導率が空気や樹脂と比べて高いことから、銅損によって発熱したコイルの冷却性能が向上するという効果がある。
また、コイルユニットの内周面にも軟磁性粉成形層を形成することによって、コギングトルクを下げることができる。
さらに、本適用例のように、個片の各コイルを軟磁性粉と樹脂の混合材によってインサートモールドで一体化することから、前述した従来技術のようにティースにコイル線を巻回する構造に対し、小径のコイルユニット構造にも適用でき、回転子とコイルユニット、及びバックヨークとコイルユニット間の半径方向とアキシャル方向の位置精度を高めることができる。このことからも、高トルク・低損失の電動機を実現できる。

［適用例８］本適用例に係るコイルユニットの製造方法は、上記各適用例に記載の電動機に用いられるコイルユニットの製造方法であって、扁平に巻回された第１層コイルの個片のコイル一つ一つを円周方向に所与の間隙を有してモールド型内に整列配置する工程と、扁平に巻回された第２層コイルの個片のコイル一つ一つを円周方向に所与の間隙を有し、且つ前記第一層コイルの内周側に整列配置する工程と、軟磁性粉と樹脂との混合材によって、前記第１層コイルと前記第２層コイルとを、インサートモールドする工程と、を含むことを特徴とする。

本適用例によれば、モールド型に第１層コイルを同心円で周回するようにセットし、続いて、すでにセットした第１層コイルの内周側に第２層コイルを同心円で周回するようにセットした後、軟磁性粉と樹脂との混合材によってモールドすれば、２層構造のコイルユニットを精度よく容易に製造することができる。なお、第１層コイルと第２層コイルを配置する順番は入れ替えてもよい。

［適用例９］上記適用例に係るコイルユニットの製造方法において、前記第１層コイル及び前記第２層コイルの個片のコイルの一つ一つの半径方向位置と周方向位置を規制する案内部が、前記モールド型に設けられていること、が好ましい。

このようにすれば、コイル一つ一つの円周方向位置と、半径方向位置を正確に規制することができる。このことによって、円周方向のコイル間距離、回転子やバックヨークとコイルユニットとの半径方向の距離を正確に規制できるので、磁気特性のばらつきが小さい電動機を提供できる。

［適用例１０］上記適用例に係るコイルユニットの製造方法において、前記第１層コイルの外周に対して半径方向に所与の間隙を有して、バックヨークをさらに外挿するよう前記モールド型内に配置する工程を有すること、が好ましい。

このようにすれば、コイルユニットとバックヨークとを軟磁性粉と樹脂との混合材によって一体化することが可能で、コイルユニットの外周とバックヨークとの半径方向の間隙にも軟磁性粉を充填できることからコイルユニット−バックヨーク間のギャップ磁束密度の低下を防止することができる。

電動機の構成を示す断面図であって、軸方向に切断した状態（図２のＡ−Ａ切断面）。 電動機を図１のＢ−Ｂ切断面を表す断面図。 第１層コイルのうちの個片のコイルの構成を例示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図。 第２層コイルのうちの個片のコイルの構成を例示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図。 コイルユニットの構成を軸方向に視認した状態を示す説明図。 コギングトルクと比透磁率の関係を表すグラフ。 軟磁性粉混合比と比透磁率の関係を表すグラフ。 コイルユニットの製造方法の１例を示し、（ａ）は、個片のコイルをモールド型にセットした状態を軸方向に視認した正面図、（ｂ）は個片のコイルを軟磁性粉と樹脂との混合材でインサートモールドした状態の一部を示す断面図、（ｃ）はコイル線端末部を示す部分断面図、（ｄ）は、モールドゲートの位置の１例を示す側面図の一部。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
なお、以下の説明で参照する図は、各部材を認識可能な大きさとするため、各部材ないし部分の縦横の縮尺は実際のものとは異なる模式図である。
（電動機）

まず、電動機１０の構成について説明する。
図１は、電動機１０の構成を示す断面図であって、軸方向に切断した状態（図２のＡ−Ａ切断面）を表し、図２は、電動機１０を図１のＢ−Ｂ切断面を表す断面図である。電動機１０は、円筒形状の回転子２０と、回転子２０の外周に対して所与の空隙を有して回転子２０を内挿する円筒形状のコイルユニット５０と、コイルユニット５０を内挿するバックヨーク４０とから構成されている。

回転子２０は、本実施形態では円周方向に６極に着磁された界磁磁石（永久磁石）であって、シャフト３０に軸止されており、シャフト３０を回転軸として円周方向に回転可能である。

バックヨーク４０は、珪素鋼板等の薄板をアキシャル方向に複数枚積層して構成され、回転子２０−コイルユニット５０−バックヨーク４０間で磁路を形成する。

コイルユニット５０は、半径方向に２層構造を有して構成されている。２層構造のうちの外周側に周回するように配置された個片のコイル群を第１層コイル６０、内周側に周回するように配置された個片のコイル群を第２層コイル７０とする。そして、第１層コイル６０と第２層コイル７０とは、インサートモールドによって互いの間隙や周囲を軟磁性粉と樹脂との混合材８０によって充填、被覆されて円筒形状のコイルユニット５０を構成している。

続いて、回転子２０とコイルユニット５０とバックヨーク４０との相互関係について図２を参照して説明する。第１層コイル６０は、回転子２０の極数と同数の個片のコイル６１〜６６によって構成されている。コイル６１〜６６は、コイル線が扁平な長円形状に空芯部を有して巻回されている。コイル６１〜６６の各々は、長円形状の短辺方向を円周方向に周回するように所与の間隙を有して整列配置されている。回転子２０と第１層コイル６０とは同心円の関係にある。

第２層コイル７０は、第１層コイル６０の内周側に配置されており、第１層コイル６０と同数の個片のコイル７１〜７６によって構成されている。コイル７１〜７６は、コイル線が扁平な長円形状に空芯部を有して巻回されている。コイル７１〜７６の各々は、第１層コイル６０とは円周方向に１／２ピッチ位相をずらし、長円形状の短辺方向を円周方向に周回するように所与の間隙を有して整列配置されている。回転子２０と第２層コイル７０とは同心円の関係にある。なお、１／２ピッチ位相をずらすとは、本実施形態の回転子２０が６極構成のため、角度で３０度位相をずらすことである。

第１層コイル６０と第２層コイル７０とは、半径方向に所与の間隙を有しており、この間隙は軟磁性粉と樹脂との混合材８０によって充填されている。また、第１層コイル６０及び第２層コイル７０の各個片の空芯部にも軟磁性粉と樹脂との混合材８０が充填されている。

続いて、第１層コイル６０及び第２層コイル７０の個片の各コイルの構成について図面を参照して説明する。なお、第１層コイル６０における個片の各コイルの構成は同じであって、第２層コイル７０における個片の各コイルの構成も同じである。よって、各々の一つを例示して説明する。

図３は、第１層コイル６０のうちの個片のコイル６１の構成を例示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。コイル６１は、コイル線６１ａが扁平な長円形状に空芯部６１ｂを有して巻回されており、空芯部６１ｂの端部からコイル線端末部６１ｃ（巻回開始端末部）が外側に延在されている。また、長円形状の一方の側面からはコイル線端末部６１ｄ（巻回終了端末部）がコイル線端末部６１ｃと同じ方向に延在されている。
コイル６１は、図３（ｂ）に示すように湾曲されており、コイル６１〜６６を周回するように配置したときに回転子２０及びバックヨーク４０と同心円となる。

図４は、第２層コイル７０のうちの個片のコイル７１の構成を例示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。コイル７１は、コイル線７１ａが扁平な長円形状に空芯部７１ｂを有して巻回されており、空芯部７１ｂの端部からコイル線端末部７１ｃ（巻回開始端末部）が外側に延在されている。また、長円形状の一方の側面からはコイル線端末部７１ｄ（巻回終了端末部）がコイル線端末部７１ｃと同じ方向に延在されている。
コイル７１は、図４（ｂ）に示すように湾曲されており、コイル７１〜７６を周回するように配置したときに回転子２０、第１層コイル６０及びバックヨーク４０と同心円となる。

続いて、コイルユニット５０の構成に付いて、さらに詳細に説明する。
図５は、コイルユニット５０の構成を軸方向に視認した状態を示す説明図である。前述したように、第１層コイル６０は、個片のコイル６１〜６６が円周方向に６０度ピッチで配置されている。また、第２層コイル７０は、個片のコイル７１〜７６が円周方向に６０度ピッチで配置されている。そして、第１層コイル６０と第２層コイル７０の一つ一つのコイルは、１／２ピッチ（つまり、３０度）位相がずれている。

従って、図示するように第１層コイル６０を構成するコイル６１の空芯部６１ｂと、第２層コイル７０のコイル７１とコイル７６との円周方向の間隙Ｓ２は、固定子回転中心Ｐからの延長線上に位置する。他の第１層コイル６０と第２層コイル７０も同様な関係にある。例えば、第２層コイル７０のコイル７６の空芯部７６ｂと、第１層コイル６０のコイル６１とコイル６６との円周方向の間隙Ｓ１は固定子回転中心Ｐの延長線上に位置し、第２層コイル７０のコイル７１の空芯部７１ｂと、第１層コイル６０のコイル６１とコイル６２との円周方向の間隙Ｓ１は固定子回転中心Ｐからの延長線上に位置する。

なお、図３及び図４に示したように、各コイルにはコイル線の巻回開始端末と巻回終了端末が延在されている。図５に示すように、第１層コイル６０のコイル６１の空芯部６１ｂにはコイル線端末部６１ｃが配置され、第２層コイル７０のコイル７１とコイル７６との円周方向の間隙Ｓ２にはコイル７１のコイル線端末部７１ｄが配置されている。

他の第１層コイル６０と第２層コイル７０の各コイル線端末部も同様に配置されている。例えば、第２層コイル７０のコイル７６の空芯部７６ｂにはコイル線端末部７６ｃが配置され、第１層コイル６０のコイル６１とコイル６６との円周方向の間隙Ｓ１にはコイル６１のコイル線端末部６１ｄが配置されている。同様に、第２層コイル７０のコイル７１の空芯部７１ｂにはコイル線端末部７１ｃが配置され、第１層コイル６０のコイル６１とコイル６２との円周方向の間隙Ｓ１にはコイル６２のコイル線端末部６２ｄが配置されている。

上述したように構成される第１層コイル６０は、各個片のコイル６１〜６６がコイル線端末部で電気的に並列接続され、第２層コイル７０も各個片のコイル７１〜７６がコイル線端末部で電気的に並列接続される。

なお、第１層コイル６０の各個片のコイルと、第２層コイル７０の各個片のコイルとは、回転子２０からの半径方向の距離が異なることから、各々の回転子２０に対するコイルの起磁力を合わせるために、コイル線の断面積（直径）及び巻数を設定する。

本実施形態の１例では、第１層コイル６０及び第２層コイル７０の各個片コイルの空芯部の円周方向の幅を３ｍｍ、各個片コイル間の円周方向の間隙を０．５ｍｍ〜１．０ｍｍ、第１層コイル６０とバックヨーク４０との半径方向の間隙を１５０μｍ、第１層コイル６０と第２層コイル７０との半径方向の間隙を５０μｍ〜７０μｍとしている。これらの間隙及び空間には、軟磁性粉と樹脂との混合材８０が充填されている。なお、第２層コイル７０の内周面に設けられる軟磁性粉と樹脂の混合材８０の層厚みは５０μｍ〜７０μｍとした。

続いて、軟磁性粉と樹脂の混合材８０について説明する。まず、軟磁性粉の材質について説明する。軟磁性粉の材質は、磁束密度が１．８Ｔ（Ｔ：テスラ）以上のＦｅ−３．５％Ｓｉ系材料であって、具体的な例としては、例えばＦｅＳｉＢＰＣｕ組織の微結晶処理をした粉末、水アトマイズ法によって形成されるＦｅＳｉＢＰＣｕ系のアモルファス粉末等を用いる。また、バインダーとしての樹脂は、耐熱性及びモールド成形性に優れたエポキシ系樹脂を用いる。

また、軟磁性粉の粒度分布は２０μｍ〜１００μｍの範囲とし、平均粒径が５０μｍであること、がより好ましい。回転子２０からバックヨーク４０に向かう磁束数を、前述した第１層コイル６０及び第２層コイル７０間の間隙が空隙または樹脂のみの場合に比べ多くし、ギャップ磁束密度を高くするという意味では、軟磁性粉の粒径は大きいほどよいと考えられるが、軟磁性粉の充填性を考慮すると粒度分布は２０μｍ〜１００μｍの範囲がよく、平均粒径は５０μｍ程度とすることがより好ましい。

さらに、軟磁性粉の表面は酸化膜等の絶縁皮膜が形成されている。この絶縁皮膜は、格別に絶縁層形成工程や装置を用いることなく、軟磁性粉の表面が空気中の水分によって形成される酸化膜や、後述するインサートモールド工程において加熱されることによって形成される酸化膜でよい。

なお、電動機１０の性能において、コギングトルクの低減は重要なファクターの一つである。そして、コギングトルクは、磁路の比透磁率μに影響される。このことについて説明する。
図６は、コギングトルクと比透磁率の関係を表すグラフである。横軸に比透磁率μ、縦軸に電動機１０のコギングトルク（Ｎｍ）を表している。ここで、コギングトルクは０．０４（Ｎｍ）以下に抑制することが好ましく、図６に示すように、コギングトルクを０．０４（Ｎｍ）以下にするためには比透磁率μは１００以上必要であることが分かる。

さらに、軟磁性粉と樹脂との混合材８０の比透磁率μは、軟磁性粉の混合比に影響される。このことについて図７を参照して説明する。
図７は、軟磁性粉混合比と比透磁率μの関係を表すグラフである。横軸に混合材の全重量に対する軟磁性粉の重量比（ｗｔ％）、縦軸に比透磁率μを表している。なお、軟磁性粉の材質として、アモルファス粉（水アトマイズ法によって形成されたＦｅＳｉＢＰＣｕ系アモルファス粉）と、Ｆｅ−３．５％Ｓｉ粉（ＦｅＳｉＢＰＣｕ組織の微結晶処理をした粉末）とを、比較している。

図７に示すように、比透磁率μが１００以上となる混合比（重量比ｗｔ％）は、アモルファス粉で９５％以上、Ｆｅ−３．５％Ｓｉ粉で９０％以上が必要となる。しかし、軟磁性粉と樹脂との混合材８０を用いてコイルユニット５０をインサートモールドする場合、混合材の流動性、充填性を確保するためには、アモルファス粉で９５％±３％程度、Ｆｅ−３．５％Ｓｉ粉で９０％±３％程度の重量比に抑えることが望ましい。
（電動機の製造方法）

次に、図１、図２を参照して電動機１０の製造方法について説明する。コイルユニット５０は、コイルユニット５０の半径方向に第１層コイル６０と第２層コイル７０の２層構造を有する。外周側の第１層コイル６０は、扁平に巻回された空芯の個片のコイル６１〜６６の一つ一つを円周方向に所与の間隙を有してモールド型内に整列配置し、内周側の前記第２層コイル７０は、第１層コイル６０と同数の扁平に巻回された空芯の個片のコイル７１〜７６の一つ一つを円周方向に所与の間隙を有して第１層コイル６０とは１／２ピッチ位相をずらしてモールド型内に整列配置した後、第１層コイル６０と第２層コイル７０とを、軟磁性粉と樹脂との混合材８０によってインサートモールドして一体化する。
なお、コイルユニット５０の詳細な製造方法は、図８を参照して後述する。

電動機１０は、界磁用磁石からなる回転子２０を半径方向に所与の空隙を有して円筒形状のコイルユニット５０に内挿し、さらに、円筒形状のバックヨーク４０にコイルユニット５０を内挿して組み立てる。回転子２０は、シャフト３０の両端部を支持枠（図示せず）によって軸支する。支持枠を、図示左側を第１支持枠、図示右側を第２支持枠とすると、第１支持枠に回転子２０のシャフト３０を挿通した後、コイルユニット５０、バックヨーク４０の順に組み込み、第２支持枠をシャフト３０を挿通させつつ第１支持枠に装着する。

第１支持枠及び第２支持枠には、コイルユニット５０、バックヨーク４０の半径方向及びアキシャル方向の位置を規制するための案内部が突出されているため、回転子２０、コイルユニット５０、バックヨーク４０は、それぞれの所与の相対位置で規制される。

このような製造方法によれば、軟磁性粉と樹脂の混合材８０によって第１層コイル６０及び第２層コイル８０それぞれの空芯部を含む周囲を充填することによって、回転子２０からバックヨーク４０に向かう磁束数は、これらの間隙が空隙（空気層）または樹脂のみの場合に比べて非常に多くなる。このため、ギャップ磁束密度が高くなり、高トルク・低損失の電動機１０を実現できる。

また、軟磁性粉は、熱伝導率が空気や樹脂と比べて高いことから、銅損によって発熱したコイルの冷却性能が向上するという効果がある。
また、コイルユニット５０の内周面にも軟磁性粉成形層を形成することによって、コギングトルクを下げることができる。
さらに、本適用例のように、個片の各コイルを軟磁性粉と樹脂の混合材によってインサートモールドで一体化する。従って、前述した従来技術のようにティースにコイル線を巻回する構造に対し、小径のコイルユニット構造にも適用でき、回転子とコイルユニット、及びバックヨークとコイルユニット間の半径方向とアキシャル方向の位置精度を高めることができる。このことからも、高トルク・低損失の電動機を実現できる。
続いて、コイルユニット５０の製造方法について説明する。
（コイルユニットの製造方法）

図８は、コイルユニット５０の製造方法の１例を示し、（ａ）は、個片の各コイルをモールド型にセットした状態を軸方向に視認した正面図、（ｂ）は個片のコイルを軟磁性粉と樹脂との混合材８０でインサートモールドした状態の一部を示す断面図、（ｃ）はコイル線端末部を示す部分断面図、（ｄ）は、モールドゲートの位置の１例を示す側面図の一部である。なお、（ｄ）は、（ｂ）のＣ−Ｃ面方向から視認した状態を展開図にして表している。

まず、モールド型の構造について説明する。モールド型１００は、コイルユニット５０の円筒形状の内周を形成する中型１０１と、外周を形成する外型１０２と、各個片のコイルの位置を規制する円筒形状の仕切型１０３と、コイルユニット５０の一方の端面を形成する上型１０４と、から構成されている。仕切型１０３は、本実施例では中型１０１に植え込まれている。

仕切型１０３は、第１層コイル６０及び第２層コイル７０の半径方向の位置を規制する仕切壁１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃ（図８（ｂ）参照）を有し、さらに、円周方向の位置を規制するための凹形状の案内部（図８（ｄ）参照）が設けられている。この案内部の形状について、コイル７６を例示して説明する。図８（ｄ）に示すように、案内部は、仕切壁１０３ａ，１０３ｂ，１０３ｃの上面から掘り下げられ、斜面１０３ｄ，１０３ｅ、底部１０３ｆを有して形成されている。これら斜面１０３ｄ，１０３ｅによってコイル６１の円周方向と高さ方向の位置が規制される。底部１０３ｆとコイル６１との間には空隙が設けられている。

上型１０４にも、仕切型１０３に対してほぼ対称となる凹形状の案内部が形成されている。上型１０４には、第１層コイル６０及び第２層コイル７０の半径方向の位置を規制する仕切壁１０４ａ，１０４ｂ，１０４ｃが形成されている（図８（ｂ）参照）。この案内部形状について、コイル７６を例示して説明する。図８（ｄ）に示すように、案内部は、仕切壁１０４ａ，１０４ｂ，１０４ｃの上面から掘り下げられ、斜面１０４ｄ，１０４ｅ、底部１０４ｆを有して形成されている。これら斜面１０４ｄ，１０４ｅによってコイル６１の円周方向と高さ方向の位置が規制される。底部１０４ｆとコイル６１とは空隙が設けられている。なお、斜面１０４ｄ，１０４ｅと、コイル６１の外周とは、若干の空隙が設けられるように寸法設定される。

また、上型１０４には、図８（ｃ）に示すように、各個片のコイルのコイル線端末部を挿通するコイル線挿通孔１０４ｇが開口されている。コイル線挿通孔１０４ｇは、コイル６１のコイル線端末部６１ｄと、コイル７６のコイル線端末部７６ｃとを挿通するというように円周方向に６箇所設けられる。
図示は省略するが、モールド型１００には、仕切型１０３の上型１０４とは反対側に、コイルユニット５０をモールド型１００から取り外すための、押し上げ軸が設けられている。

なお、モールド型の構造としては、図８に示した構造は一例であって、他の構造も可能である。例えば、仕切型１０３の斜面１０３ｄ，１０３ｅ及び上型１０４の斜面１０４ｄ，１０４ｅの形状は、図示したように直線で形成せずに、個片のコイルの外形に合わせた円弧形状にしてもよい。

また、モールド型１００を、中型１０１と外型１０２と仕切型１０３とを一体とし、上型１０４との２体構造としてもよく、外型１０２を半径方向に２分割した割型構造としてもよい。

次に、コイルユニット５０の製造方法について説明する。まず、図８（ａ）に示すように、第１層コイル６０の個片のコイル６１〜６６をモールド型１００にセットし、円周方向に整列配置する。続いて、第１層コイル６０の内周側に、第２層コイル７０の個片のコイル７１〜７６をモールド型１００にセットし、円周方向に並列配置する。

この際、第１層コイル６０及び第２層コイル７０の間隙は、仕切壁１０３ｂの厚み分、第１層コイル６０とコイルユニット５０の最外周の間隙は仕切壁１０３ｃの厚み分、第２層コイル７０とコイルユニット５０の最内周の間隙は仕切壁１０３ａの厚み分となる。
なお、第１層コイル６０と第２層コイル７０のセット順番は特に限定されない。

そして、上型１０４で中型１０１と外型１０２とで構成される開口部を封鎖する。このとき、各個片のコイル６１〜６６，７１〜７６のコイル線端末部を、所定の巻回開始端末部と巻回終了端末部の２本組み合わせて上型１０４のコイル線挿通孔１０４ｇに挿通しておく。このような工程を経て、軟磁性粉と樹脂の混合材８０を樹脂所定の温度で溶融し、第１層コイル６０と第２層コイル７０とをインサートモールドする。

そして、インサートモールド終了後、所定の温度に冷却した後に上型１０４を開放して、コイルユニット５０をモールド型から取り出す。そして、第１層コイル６０及び第２層コイル７０のそれぞれ所定のコイル線端末部どうしを接続する。

なお、コイル線挿通孔１０４ｇに挿通する２本のコイル線端末部を予め、細管等に挿通しておいてもよい。また、接着剤等によって、各個片のコイル線の端末部をコイル本体部に仮固定しておけば、作業性が向上する。

インサートモールド工程の際、第１層コイル６０及び第２層コイル７０の間隙、第１層コイル６０と外型１０２との間隙、第２層コイル７０とコイルユニット５０の最内周の間隙は概ね５０〜７０μｍ、各個片コイル間の円周方向の間隙は０．５ｍｍ〜１．０ｍｍ、各個片のコイルの空芯部（コイル６１の場合には空芯部６１ｂ）の円周方向幅は３ｍｍである。従って、５０〜７０μｍの狭い間隙領域には粒径の小さい軟磁性粉が充填され、１５０μｍ以上の広い間隙領域には粒径が大きい軟磁性粉が充填される。

なお、インサートモールドの際に湯口としてのゲート位置１０５は、図８（ｄ）に示すように、第２層コイル７０の個片のコイル間（図示では、コイル７１とコイル７６の間）に設ければよく、ゲート位置１０５の数は適切な複数個所に配置させることができる。例えば、個片の各コイルの空芯部の幾つかに設けることができる。

なお、以上の説明では、コイルユニット５０を単独に形成した例示したが、コイルユニット５０とバックヨーク４０とを、軟磁性粉と樹脂の混合材８０でインサートモールドして一体化することも可能である。例えば、図示は省略するが、外型１０２内周と第１層コイル６０との間に、バックヨーク４０を挿入し、インサートモールドすることでコイルユニット５０とバックヨーク４０とを一体化することが可能である。このような構成では、バックヨーク４０と第１層コイル６０との間隙は１５０μｍ程度とする。

このような製造方法では、第１層コイル６０のうち、バックヨーク４０との交差範囲以外の外型１０２の間隙にも軟磁性粉と樹脂の混合材８０が付着することになるが、電動機特性には影響しない。

以上説明した電動機１０によれば、軟磁性粉と樹脂との混合材８０によって第１層コイル６０及び第２層コイル７０の空芯部を含む周囲を覆うことによって、回転子２０からバックヨーク４０に向かう磁束数は、これら間隙が空隙（空気層）または樹脂のみの場合に比べて非常に多くなる。このため、ギャップ磁束密度が高くなり高トルク、低損失の電動機を実現できる。

また、軟磁性粉は、熱伝導率が空気や樹脂と比べて高いことから、銅損によって発熱したコイルの冷却性能が向上するという効果がある。

また、コイルユニット５０の内周面にも軟磁性粉の層を構成することによって、コギングトルクを下げることができる。
さらに、本適用例のように、個片の各コイルを半径方向の２層構造で周回配置させることによって、前述した従来技術のようにティースを構成できないような小径のコイルユニット構造にも適用できる。

また、本実施形態では、軟磁性粉と樹脂の混合材８０の比透磁率μを１００以上にしている。このようにすれば、コギングトルクを０．４Ｎｍ以下に低減することができ、電動機特性を向上させることができる。

なお、比透磁率μを１００以上にするための軟磁性粉の材質は、磁束密度が１．８Ｔ（Ｔ：テスラ）以上のＦｅＳｉＢＰＣｕ組織の微結晶処理をした粉末、ＦｅＳｉＢＰＣｕ系のアモルファス粉末等のＦｅ−３．５％Ｓｉ系材料を用いている。さらに、軟磁性粉の混合比が全重量に対する重量比で９０％ないし９５％としている。このようにすれば、比透磁率μを１００以上にすることができる。
従って、このような軟磁性粉を用いることによって、充填された間隙や空間のギャップ磁束密度が高くなり、高トルク、低損失の電動機を実現できる。

さらに、本実施形態では、軟磁性粉の粒度分布を２０μｍ〜１００μｍの範囲、且つ、平均粒径を５０μｍとしている。軟磁性粉と樹脂の混合材８０をモールドする際、軟磁性粉の粒径が２０μｍ以下の場合は充填しやすいが混合比を高くしにくくなり、５０μｍ以上の場合は、粒径が大きくなるに従い徐々に充填しにくくなる傾向がある。このことから、軟磁性粉の粒径を２０μｍ〜１００μｍ、且つ平均粒径を５０μｍ程度にすれば、充填性を確保しつつ混合比を高くすることができる。

また、第１層コイル６０と第２層コイル７０との半径方向の間隙は概ね７０μｍであって、隣り合う第１層コイル６０の各コイル間の間隙、及び隣り合う第２層コイル７０の各コイル間の間隙は０．５ｍｍ〜１．０ｍｍ程度、それぞれのコイルの空芯部は３ｍｍ程度の空間があるため、粒径が２０μｍ〜１００μｍの範囲で、狭い間隙部には粒径が小さい軟磁性粉を、広い間隙・空間には粒径が大きい軟磁性粉を充填させることが可能となる。

また、軟磁性粉の表面には、絶縁皮膜を形成することによって、軟磁性粉間の電気抵抗を大きくし、渦電流損を低減できるという効果を奏する。

また、前述した電動機１０に用いられるコイルユニット５０の製造方法によれば、モールド型１００に第１層コイル６０を周回するようにセットし、続いて、すでにセットした第１層コイル６０の内周側に第２層コイル７０を周回するようにセットした後、軟磁性粉と樹脂との混合材８０によってインサートモールドすれば、２層構造のコイルユニットを容易に製造することができる。なお、第１層コイル６０と第２層コイル７０を配置する順番は入れ替えてもよい。

モールド型１００の仕切型１０３には、第１層コイル６０の個片のコイル６１〜６６の一つ一つの半径方向位置と周方向位置とを規制する案内部と、第２層コイル７０の半径方向位置と円周方向位置とを規制する案内部と、が設けられている。このようにすれば、コイル一つ一つの円周方向位置と、半径方向位置を正確に規制することができる。このことによって、円周方向のコイル間距離、回転子２０やバックヨーク４０とコイルユニット５０との半径方向の距離を正確に規制できるので、磁気特性のばらつきが小さい電動機を提供できる。

また、第１層コイル６０の外周に対して半径方向に所与の間隙を有して、バックヨーク４０をさらに外挿するようモールド型１００にセットする方法によれば、コイルユニット５０とバックヨーク４０とを別の固定工程を経ずに一体化できる。そのことによって、バックヨーク４０とコイルユニット５０との半径方向の位置、アキシャル方向位置を正確に管理できる他、第１層コイル６０とバックヨーク４０との半径方向の間隙も、別々に組み合わせる場合に比べて、適切な寸法に固定化することが可能となる。

１０…電動機、２０…回転子、４０…バックヨーク、５０…コイルユニット、６０…第１層コイル、６１〜６６…個片のコイル、７０…第２層コイル、７１〜７６…個片のコイル、８０…軟磁性粉と樹脂との混合材。

Claims (10)

1. 回転子と、
   前記回転子を空隙を有して内挿する円筒形状のコイルユニットと、
   前記コイルユニットを内挿する円筒形状のバックヨークと、
   を有し、
   前記コイルユニットは、前記コイルユニットの半径方向に第１層コイルと第２層コイルの２層構造を有し、
   外周側の前記第１層コイルは、複数の扁平に巻回された空芯の個片のコイル一つ一つが円周方向に所与の間隙を有して整列配置されており、
   内周側の前記第２層コイルは、前記第１層コイルと同数の扁平に巻回された空芯の個片のコイル一つ一つが円周方向に所与の間隙を有して前記第１層コイルとは１／２ピッチ位相をずらして整列配置されており、
   前記第１層コイルと前記第２層コイルとが、軟磁性粉と樹脂との混合材によってインサートモールドされている、
   ことを特徴とする電動機。
2. 前記軟磁性粉と樹脂の混合材の比透磁率μが、μ≧１００であること、
   を特徴とする請求項１に記載の電動機。
3. 前記軟磁性粉の粒度分布が２０μｍ〜１００μｍの範囲であって、平均粒径が５０μｍであること、
   を特徴とする請求項１または請求項２に記載の電動機。
4. 前記軟磁性粉の材質は、磁束密度が１．８Ｔ（Ｔ：テスラ）以上のＦｅ−Ｓｉ系材料であること、
   を特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の電動機。
5. 前記軟磁性粉が、前記軟磁性粉と樹脂との混合材の全重量に対する重量比で９０％ないし９５％含まれていること、
   を特徴とする請求項４に記載の電動機。
6. 前記軟磁性粉の表面に絶縁皮膜が形成されていること、
   を特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の電動機。
7. 請求項１ないし請求項６に記載の電動機の製造方法であって、
   回転子を半径方向に所与の空隙を有して円筒形状のコイルユニットに内挿する工程と、
   円筒形状のバックヨークに前記コイルユニットを内挿する工程と、を有し、
   前記コイルユニットは、前記コイルユニットの半径方向に第１層コイルと第２層コイルの２層構造を有し、
   外周側の前記第１層コイルは、複数の扁平に巻回された空芯の個片のコイル一つ一つを円周方向に所与の間隙を有して整列配置する工程と、
   内周側の前記第２層コイルは、前記第１層コイルと同数の扁平に巻回された空芯の個片のコイル一つ一つを円周方向に所与の間隙を有して前記第１層コイルとは１／２ピッチ位相をずらして整列配置する工程と、
   前記第１層コイルと前記第２層コイルとを、軟磁性粉と樹脂との混合材によってインサートモールドする工程と、
   を含むことを特徴とする電動機の製造方法。
8. 請求項１ないし請求項６に記載の電動機に用いられるコイルユニットの製造方法であって、
   扁平に巻回された第１層コイルの個片のコイル一つ一つを円周方向に所与の間隙を有してモールド型内に整列配置する工程と、
   扁平に巻回された第２層コイルの個片のコイル一つ一つを円周方向に所与の間隙を有し、且つ前記第１層コイルの内周側に整列配置する工程と、
   軟磁性粉と樹脂との混合材によって、前記第１層コイルと前記第２層コイルとを、インサートモールドする工程と、
   を含むことを特徴とするコイルユニットの製造方法。
9. 前記第１層コイル及び第２層コイルの個片のコイル一つ一つの半径方向位置と周方向位置とを規制する案内部が、前記モールド型に設けられていること、
   を特徴とする請求項８に記載のコイルユニットの製造方法。
10. 前記第１層コイルの外周に対して半径方向に所与の間隙を有して、バックヨークをさらに外挿するよう前記モールド型内に配置する工程を有すること、
    を特徴とする請求項８に記載のコイルユニットの製造方法。

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