JP2014075877A - アキシャルギャップ型回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】
アキシャルギャップ型回転電機の銅損低減、低価格化を図るとともに、耐久性、絶縁性、冷却性能を向上する。
【解決手段】
アキシャルギャップ型回転電機は、絶縁被覆導線を連続巻きした複数のコイルからなる連続巻コイル（１０ａ、１０ｄ、１０ｇ、１０ｊ）を、３相分重ね合わせて周方向に配置した固定子コアを備えている。各連続巻コイルは、コイルのそれぞれを放射状に配置した状態で、その内径側で渡り線（１５Ｕ２、１５Ｕ３、１５Ｕ４、１５Ｕ５）を介して隣接するコイルに絶縁被覆導線を連続巻きしたものであり、各コイルを垂直方向に折り曲げて、各相の連続巻きコイルを重ね合わることにより、渡り線の長さ（２×Ｌ_３＋Ｌ_２）を、固定子コアのコア積厚（Ｌ₁）にかかわらず調整できるようにした。
【選択図】 図４

Description

本発明は、モータや発電機などとして利用されるアキシャルギャップ型回転電機に関するものである。

近年、地球温暖化が深刻化する中で、電気機器に対する省エネルギー化の要求が高まっている。現在、国内の年間消費電力量の約５５％がモータによって消費されているため、モータの高効率化に対する注目は高い。これまでモータの高効率化には、高いエネルギー積を有する希土類磁石を用いた設計が採用されている。
しかし、希土類磁石の原料であるＮｄ（ネオジウム）やＤｙ（ディスプロシウム）は、最大産出国である中国の輸出枠規制により、近年価格が高騰している。中国の輸出枠規制の方針は、ＮｄやＤｙの採掘による環境破壊を防止するためのものであり、今後も希土類の価格高騰や供給難が続く可能性が高い。

このため、希土類磁石を使わず、フェライト磁石のみでモータの高効率化を実現できる手段の一つとして、アキシャルギャップ型モータが注目されている。アキシャルギャップ型モータは、従来のラジアルギャップ型よりも磁石面積を広くとることができるため、フェライト磁石に換えた場合の保持力の低下を補うことができ、効率を従来と同等以上にすることができる。
アキシャルギャップ型モータの構成としては、１ロータ−２ステータ型、２ロータ−１ステータ型、１ロータ−１ステータ型などの組み合わせがある。

下記特許文献１には、同相コイルを４連続巻線し、Ｙ結線でアキシャルギャップ型モータ（１ロータ−１ステータ型）を構成することが示されており、連続巻線で接続点数を減らすことにより、モータの低価格化を図っている。また、コイル間をつなぐ渡り線をコイルの内径側に集めることで、コイル外径側をフリースペースとし、コイル外径側とモータハウジングとを接触させることで、冷却性能を向上させている。

従来から行われている、１相分の４連続巻コイルを製造するため巻線装置を図９に示す。
この巻線装置では、４個の巻線用ボビンを横に一列に並べた状態にして、これらを前後に駆動する分割コア前後機構２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄに搭載する。図９では、３コアまでの巻線が終了し、４コア目の巻線を行う直前の状態を例にして説明する。

絶縁被覆導線を供給するノズル２４ａは、３軸方向の移動機構を有し、各コア間の渡り線を形成することができ、この例では、ノズル２４ａは固定とし、ワークを含めた巻線部全体を回転させることで巻線を行うものとする。もちろん、ノズルを回転させる方式でも同様の４連続コイルを形成することができる。

さて、３コア目の巻線終了後、図示されるように、分割コア前後機構２１ｃを後退させた後、空のボビンを搭載した分割コア前後機構２１ｄを、巻線軌道が確保できる距離まで前進させる。このとき渡り線２５Ｕ４は、固定ピン２２ｅ、２２ｆにより固定されるが、巻線軌道を確保するため、分割コア前後機構２１ｄが、各コアのコア積厚Ｌ_１以上のストロークで移動する必要があるため、渡り線２５Ｕ４の長さは、少なくとも、コア積厚Ｌ_１以上となる。
そして、渡り線２５Ｕ４が固定ピン２２ｅ、２２ｆにより固定されると、巻線部全体を分割コア前後機構２１ｄを中心に回転させることで、このボビンへの絶縁被覆導線を巻回することが可能となる。
巻線終了後は、巻き終わり端で切断し、分割コア前後機構２１ｄを元の位置に後退させて、巻線が完了する。このとき、渡り線２５Ｕ４は、渡り線２５Ｕ２、２５Ｕ３と同様に固定ピン２２ｅ、２２ｆから離れ、浮いた状態となる。

特開２００８−１７２８５９号公報

ところで、４コア分の巻線が完了した後、図４を用いて後述するように、回転電機として組み立てた場合を想定すると、固定子コアのコア積厚Ｌ_１、渡り線の径方向長さＬ_３、周方向長さをＬ_２とした場合、理想的な渡り線の長さＬは、２×Ｌ_３＋Ｌ_２となる。
しかし、上述のように、渡り線の長さは、巻線装置における分割コア前後機構の最小限ストロークによって、不可避的にコア積厚Ｌ_１以上となるため、これが２×Ｌ_３＋Ｌ_２より長い場合、余剰分が発生して相互に干渉することになり、３相分の４連続巻コイルを組み立てることが困難であった。このことは、回転電機の高出力化を図る観点から、各コイルに高密度に巻線を行うことで占積率を高めるため、渡り線の径方向長さＬ_３、周方向長さをＬ_２をできるだけ短くしたり、コア積厚Ｌ_１を大きくした場合、渡り線の余剰分が顕著に増大し、連続巻コイルを作成して軸周りに組み立てる際、渡り線が干渉して、組立を著しく困難にしたり、耐久性、絶縁性が悪化するといった問題が発生した。

そこで、本発明の目的は、絶縁被覆導線を高密度に巻いた連続巻コイルを軸方向に簡単に組み立てることができ、しかも、渡り線の長さ、配置を最適化することで、回転電機の銅損低減、低価格化を図るとともに、耐久性、絶縁性の向上、さらには、冷却性能の向上を実現したアキシャルギャップ型回転電機を提供することにある。

この目的を達成するため、本発明のアキシャルギャップ型回転電機は、絶縁被覆導線を連続巻きした複数のコイルからなる連続巻コイルを、３相分重ね合わせて周方向に配置した固定子コアを備え、各連続巻コイルは、コイルのそれぞれを放射状に配置した状態で、その内径側で渡り線を介して隣接するコイルに絶縁被覆導線を連続巻きしたものであり、各コイルを垂直方向に折り曲げて、各相の連続巻きコイルを重ね合わせることにより、渡り線の長さを、固定子コアのコア積厚にかかわらず調整できるようにした。

各コイルを垂直方向に折り曲げて、各相の連続巻きコイルを重ね合わせたとき、各相における絶縁被覆導線の巻始め端である中性点が、固定子コアの内周において、互いに隣り合うように配置すれば、接続点数を１箇所に集約することができ、モータをさらに低価格化することができる。

また、渡り線の長さを、各コイルを放射状に保持する巻線治具に設けた固定ピンにより調節することで、最適な形状、長さを備えた渡り線を構成することができる。

各コイルを垂直方向に折り曲げて、各相の連続巻きコイルを重ね合わせる際、連続巻コイルの渡り線の周方向形状を円弧形状とすることで、ロータの回転シャフトと渡り線との間の径方向距離を一定に保ち、絶縁を一層向上することができる。

さらに、各コイルを垂直方向に折り曲げて、各相の連続巻きコイルを重ね合わせたとき、各相の渡り線が干渉しないように配置することで、空間絶縁距離を確保することができる。

以上のように、本発明によれば、回転電機の高出力化を図るため、巻線を高密度に巻いて占積率を高めるため、渡り線の径方向長さ、周方向長さをできるだけ短くしたり、コア積厚を大きくした場合でも、渡り線の長さを、固定子コアのコア積厚にかかわらず調整できるから、アキシャルギャップ型回転電機の低価格化、銅損低減、冷却性能を向上するとともに、耐久性、信頼性を格段に高めることができる。

本発明の一実施形態である１２スロットのモータの各相コイルの渡り線の配置を示す模式図。 本発明の一実施形態である１２スロットのモータの各相コイルの結線図。 本発明の一実施形態であるＵ相の４連続巻コイルの配置を示す模式図。 本発明の一実施形態であるＵ相の４連続巻コイルの配置を示す斜視図。 本発明の一実施形態であるコア積厚が渡り線の長さよりも長くなった場合のＵ相の４連続巻コイルの配置を示す斜視図。 本発明の一実施形態であるコア積厚が渡り線の長さよりも長くなった場合にも対応した１相分の４連続巻コイルを製造する巻線装置の構成を示す斜視図。 本発明の一実施形態である１相分の４連続巻コイルの各コイルを、渡り線を基準にして径方向の垂直面内で９０°垂直に折り返した状態を示す図。 本発明の一実施形態である２相分の連続巻コイルの渡り線を事前に軸方向に異なる角度で傾けて、３相分の４連続巻コイルを軸方向に組み立てた状態を示す、巻き始め第一番目のコイルの一断面図。 １相分の４連続巻コイルを製造する従来の巻線装置を示す斜視図。

以下、実施例を図面を用いて説明する。

図１に本発明の一実施形態である１２スロットのモータの各相コイルの渡り線の配置を模式的に表したものを示す。ここで渡り線とは、連続巻されたコイル（図１は４連続巻コイル）の、隣り合うコイルとコイルとを繋ぐ絶縁被覆導線部分の名称として定義する。
アキシャルギャップ型モータ１００は、鉄心３の周りに、絶縁被覆導線を連続巻した4個のコイルを環状に配置して、ステータとなる固定子コア１を構成し、この固定子コア１の上下もしくは一方にロータ２を配置する。ロータ２は中心に配置された回転シャフト（図示せず）と連結されており、固定子コア１とは一定のギャップを設けて配置されている。また、ロータ２の固定子コア側には、図示していないが、マグネットが周方向にＮ極とＳ極を交互に配置している。なお、以下で説明するアキシャルギャップ型モータ１００は一例であって、各相のコイル数、すなわち、スロット数を適宜変更できることはもちろんである。

図１の実施例では、Ｕ相の４個のコイル１０ａ、１０ｄ、１０ｇ、１０ｊは、図６を用いて後述する巻線装置により、渡り線を介して連続巻線される。なお、コイルの巻回方向はすべて同一方向であり、渡り線はすべてコイルの内径側に集約されている。
Ｖ相の４個のコイル１０ｂ、１０ｅ、１０ｈ、１０ｋと、Ｗ相の４個のコイル１０ｃ、１０ｆ、１０ｉ、１０ｌについても、連続巻線の巻回方向や渡り線の配置は同様である。
そして、Ｕ相の４連続巻コイル、Ｖ相の４連続巻コイル、Ｗ相の４連続巻コイルの巻始め端である端末線を互いに隣り合う位置に配置して、これら３相の端末線を接続端子もしくは溶接で接続することにより、中性点５として機能させることができる。

この結果、接続点数を１箇所に集約することができ、モータの低価格化を実現できる。
また、渡り線をすべてコイル内径側に集約することで、コイル外径側はフリースペースとなり、例えば、コイル外径側とモータハウジングとを接触させることにより、モータの冷却性能向上を図ることが可能となる。さらに、Ｕ相の４連続巻コイル、Ｖ相の４連続巻コイル、Ｗ相の４連続巻コイルの各入力線４を、必然的に隣り合う位置に配置することができるため、これらをロータ２に接触させないように這い回し、モータケースより引き出すことで、固定子コア１をステータとして機能させることができる。

図２は、本実施例のアキシャルギャップ型モータ１００における固定子コア１の結線図を示す。
Ｕ相のコイル１０Ｕは、入力線１５Ｕ１、コイル１０ａ、渡り線１５Ｕ２、コイル１０ｄ、渡り線１５Ｕ３、コイル１０ｇ、渡り線１５Ｕ４、コイル１０ｊ、端末線１５Ｕ５を連結して構成する。コイルの巻回方向はすべて同一方向である。また、Ｖ相のコイル１０Ｖ、Ｗ相のコイル１０Ｗの構成もコイルの巻回方向を含め、同一である。
すなわち、本実施例のアキシャルギャップ型モータ１００は、４連続巻コイルを３組使用した４直列のＹ結線で構成されている。そして、前述のように、Ｕ相のコイル１０Ｕ、Ｖ相のコイル１０Ｖ、Ｗ相のコイル１０Ｗの中心部（Ｎ）を中性点接続することにより、ステータとして機能する。

各４連続巻の構造、配置を示すため、コイルＵ相を例にして、図３に模式図、図４に斜視図で示す。もちろん、Ｖ相のコイル１０Ｖ、Ｗ相のコイル１０Ｗとも同じ構造、配置である。
ここで固定子コア１のコア積厚Ｌ_１、渡り線の径方向長さＬ_３、周方向長さをＬ_２とし、中心に位置する回転電機の回転シャフトの外周に沿って渡り線の周方向を配置することを想定すると、理想的な渡り線の長さＬは、図４から明らかなように、２×Ｌ_３＋Ｌ_２となる。
そして、渡り線の周方向を事前に円弧状に成形することで、３相分の４連続巻コイルを垂直方向に折り曲げて、回転シャフト軸を中心に、軸方向に組み立てることが可能となる。
さらに、図１に示されるように、隣接するＵ相とＶ相間、Ｖ相とＷ相間、そしてＷ相とＵ相間で渡り線が交錯する部分では、図８に一例で示すように、各渡り線１５Ｕ２、１５Ｖ２、１５Ｗ２を、回転シャフト軸の軸方向に互い異なる角度（図８では、１５Ｕ２が水平、１５Ｖ２がφ１、１５Ｗ２がφ２）とすることで、渡り線交錯部における巻線の干渉が防止され、互いに接触することなく、巻線の短絡をより確実に防止することができる。

図６に、１相分の４連続巻コイルを作成する際、理想的な渡り線の長さを実現するための巻線装置の一例を示す。
４個の巻線用ボビンは、巻線治具３１に対し、周方向に略９０°間隔に配置する。また、巻線の回転中心軸と巻線治具３１の回転軸は、略直角とする。
なお、巻線用ボビンの数は４個に限られることなく、各相のコイル数に応じて変更でき、これに適合するよう周方向の角度間隔を設定すればよい。

ここでも、図９と同様、３コア目までの巻線が終了し、４コア目の巻線を行う際を例にして説明する。なお、この例では、絶縁被覆導線を供給するノズル２４ｂは、３軸方向の移動機構を有しており、次のボビンへの巻線を開始する際、任意の方向に渡り線を形成することができるようにしている。
３コア目の巻線終了後、巻線治具３１を垂直軸周りに９０度回転させ、空のボビンを巻線支持部３６の回転軸線上に突出させる。このとき渡り線３５Ｕ４は、ノズル２４ｂの移動により、固定ピン３２ｅ、３２ｆで固定され、巻線部全体を分割コア３０ｊを中心に回転させることで、４コア目の巻線が可能となる。巻線終了後は、巻き終わり線を切断し、巻線が完了する。このとき、渡り線３５Ｕ２、３５Ｕ３、３５Ｕ４は固定ピンから離れることなく、所望の形状を維持することが可能となる。

このように、巻線用ボビンが放射状に配置されているため、巻線時は、他の巻線用ボビンと干渉することなく、高密度の巻線が可能となり、しかも渡り線を隣り合う巻線用ボビンの根元間に形成することができるため、渡り線の長さＬが不可避的にコア積厚Ｌ_１以上とならざるを得ない従来技術とは異なり、固定子コアのコア積厚Ｌ_１に関係なく、渡り線の長さＬを短縮化することができる。

すなわち、固定ピン３２ｅ、３２ｆのピン形状とその配置位置を調整することにより、図４に示すように、渡り線の長さＬを、理想的な渡り線の長さ、２×Ｌ_３＋Ｌ_２に設定することができ、さらに、固定ピンを円周上に複数配置することで、渡り線の形状を円弧形状にすることも可能である。もちろん、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相毎に、ピンの形状や配置を変更した巻線装置を使用して、それぞれの渡り線の長さや形状をそれぞれに適したものに調整することも可能である。
渡り線を円弧形状にすれば、ロータ２の回転シャフトと渡り線との間の径方向距離を一定に保つことにより、絶縁を一層向上することができる。

こうして４連続コイルの巻線が終了したら、巻線治具から４連続コイルを取り外した後、図７に示すように、渡り線３５Ｕ２、３５Ｕ３、３５Ｕ４を基準にして、各コイルの径方向垂直面内で、各コイルが垂直方向を向くように９０度折り返すと、渡り線形状を所望の形状を維持したまま、図５に示すように、コア積厚Ｌ_１’が大きくても、これになんら影響されることなく、渡り線の長さＬを、例えば、２×Ｌ_３＋Ｌ_２として、軸方向に組立可能な４連続コイルを構成することが可能となる。

そして、最後に図８に示すように、Ｕ相コイル１０Ｕに対し、Ｖ相コイル１０Ｖ、Ｗ相コイル１０Ｗの渡り線１５Ｖ２、１５Ｗ２を軸方向に異なる角度φ１、φ２に傾くよう、事前に成形することで、３相分の４連続巻コイルを軸方向に組み立てることが可能となる。ここで、φ１の最小値はＵ相の基準コイル１０ＵとＶ相のコイル１０Ｖとの空間絶縁距離で定義され、同じくφ２の最小値は、Ｖ相のコイル１０ＶとＷ相のコイル１０Ｗとの空間絶縁距離で定義される。

これに換え、Ｕ相コイル１０Ｕ、Ｖ相コイル１０Ｖ、Ｗ相コイル１０Ｗの巻き終わり端位置を互いに相違させ、すべてのコイルが垂直方向を向くように９０度折り返した際、各渡り線の高さを相互に異なるようにしてもよい。

１ ステータ
２ ロータ
３ 鉄心
４ 入力線
５ 中性点
１０ａ〜１０ｌ コイル
１０Ｕ Ｕ相のコイル
１０Ｖ Ｖ相のコイル
１０Ｗ Ｗ相のコイル
１５Ｕ１ 入力線
１５Ｕ２，１５Ｕ３，１５Ｕ４ 渡り線
１５Ｕ５ 端末線
１５Ｖ１ 入力線
１５Ｖ２，１５Ｖ３，１５Ｖ４ 渡り線
１５Ｖ５ 端末線
１５Ｗ１ 入力線
１５Ｗ２，１５Ｗ３，１５Ｗ４ 渡り線
１５Ｗ５ 端末線
２０ａ，２０ｄ，２０ｇ，２０ｊ 分割コア
２１ａ〜２１ｄ 分割コア前後機構
２２ａ〜２２ｆ 固定ピン
２３ａ〜２３ｄ 巻線用ボビン固定部
２４ａ ノズル
２５Ｕ２，２５Ｕ３，２５Ｕ４ 渡り線
３０ａ，３０ｄ，３０ｇ，３０ｊ 分割コア
３１ 巻線治具
３２ａ〜３２ｆ 固定ピン
３３ｃ〜３３ｄ 巻線用ボビン固定部
３４ 巻線支持部
３６ 巻線支持部
２４ｂ ノズル
３５Ｕ２，３５Ｕ３，３５Ｕ４ 渡り線
１００ アキシャルギャップ型モータ

Claims (5)

1. 絶縁被覆導線を連続巻きした複数のコイルからなる連続巻コイルを、３相分重ね合わせて周方向に配置した固定子コアを備え、
   各連続巻コイルは、コイルのそれぞれを放射状に配置した状態で、その内径側で渡り線を介して隣接するコイルに前記絶縁被覆導線を連続巻きしたものであり、
   各コイルを垂直方向に折り曲げて、各相の連続巻きコイルを重ね合わせることにより、前記渡り線の長さを、前記固定子コアのコア積厚にかかわらず調整できるようにしたことを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機。
2. 各コイルを垂直方向に折り曲げて、各相の連続巻きコイルを重ね合わせたとき、各相における絶縁被覆導線の巻始め端である中性点が、前記固定子コアの内周において、互いに隣り合うように配置したことを特徴とする請求項１に記載のアキシャルギャップ型回転電機。
3. 前記渡り線の長さを、各コイルを放射状に保持する巻線治具に設けた固定ピンにより調節したことを特徴とする請求項１に記載のアキシャルギャップ型回転電機。
4. 各コイルを垂直方向に折り曲げて、各相の連続巻きコイルを重ね合わせる際、前記連続巻コイルの渡り線の周方向形状を円弧形状としたことを特徴とする請求項１に記載のアキシャルギャップ型回転電機。
5. 各コイルを垂直方向に折り曲げて、各相の連続巻きコイルを重ね合わせたとき、各相の渡り線が干渉しないように配置したことを特徴とする請求項１に記載のアキシャルギャップ型回転電機。

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