JP2019083593A - アキシャルギャップ型回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】低コストかつ汎用性のあるアキシャルギャップ型回転電機のロータ、配線間の干渉抑制手段を提供すること。【解決手段】鉄心及びその外周に巻き回されたコイルを有する複数のコアメンバを、シャフトを中心に、磁力線が該シャフトと並行になる向きで、環状に配列してなるステータと、該ステータと径方向に内周面が対向するハウジングと、シャフト軸方向から所定のエアギャップを介して前記ステータに対向するように配置されたロータと、前記ハウジングの端面に配置され、軸受を介し前記シャフトを保持するブラケットと、を備えたアキシャルギャップ型回転電機であって、前記ステータから前記ブラケット側に引き出された配線と、前記配線を前記ロータから離間して保持する配線保持機構を前記ブラケットまたは前記ハウジングに設けた。【選択図】 図１（ａ）

Description

本発明は、アキシャルギャップ型回転電機に係り、特に、複数のステータコアからなるステータを有するアキシャルギャップ型回転電機に関する。

制御装置を回転電機の回転軸方向に一体化した制御装置一体回転電機において、制御装置は、回転電機を格納するハウジングの中、または、回転電機のブラケットを隔てて設けられた制御装置室の中に配置される。電力線や信号線などの配線類も、ハウジングや制御装置室の内部で、制御装置と回転電機をつなぐように配設する。ここで、ラジアルギャップ型の回転電機の場合、同心円状のロータとステータが所定のエアギャップを介して対向して配置されているため、ステータのコイルがロータよりも回転軸方向に突出している。このため、コイルから引出された引出線を回転軸方向に制御装置まで配線するための十分な空間を容易に確保することができる（例えば、特許文献１）。一方、アキシャルギャップ型回転電機の場合、回転軸方向に所定のエアギャップを介してステータと、ロータとが面対向するため、配線が円盤状のロータとハウジングとの間に配置され、十分な空間を確保することが困難である。アキシャルギャップ型回転電機は径を拡大すると、体格あたりのステータとロータの対向面積が径のおよそ２乗に比例して増加するため、高出力密度化や高効率化を図り易くなる。また、同じ出力や効率を得るために必要な回転電機の軸長が縮小するため、回転電機を薄型化することができる。このため、回転電機の特性を高めようとすると、一層、配線の配置空間が狭くなり、ロータと配線との干渉が課題になる。

従来、この対策として、ステータと一体で配線を保持する方法が知られている（例えば、特許文献１、特許文献２）。

特許文献１では、コイルから引出された渡り線および渡り線の先端に接続したコネクタをコイルやコアとともに樹脂でモールドする方法が開示されている。特許文献２では、接続端子を備えた導体バーを樹脂モールドした結線体を使用する方法が開示されている。導体バーが渡り線の役割を果たしており、動かないように樹脂で固定されている。いずれも、コイルから制御装置までの配線を完全に固定することで、配線とロータとの干渉を抑制するものである。

ＷＯ２０１５／１７３８５５Ａ１ （ラジアル型／三菱電機） 特開２００８‐１３１６８３号公報 （アキシャル型／富士通ゼネラル）

しかしながら、上記従来技術には以下の課題がある。（１）コイルと制御装置間の距離が大きい場合、配線長の増加に伴い固定用のモールド樹脂の使用量、または、結線体の大型化を招く。一例として、ロータにフェライト磁石のような保磁力が小さい永久磁石を用いる場合、減磁耐力を向上する目的で磁石厚みを増加することでロータが厚肉化することがある。（２）ステータや結線体のモールド部は、金型で製作するため、配線の引出し位置、線径や本数などの仕様変更が困難であり、汎用性が低い。制御装置の設置面を回転軸方向端面からハウジングの側面に移動する場合および回転電機とは別体で配置する場合、配線をハウジング側面から引出す必要が生じる。しかしながら、配線を完全に固定する場合、レイアウトに応じモールド構造や結線体構造が一意に決まるため、モールド型や結線体の流用が困難である。さらに、回転電機自体も専用化するため在庫管理等のコストアップにつながる。（３）結線体が不要な構成においては、さらなるコストアップにつながる。結線体は、コイル間の結線を簡略化、小型化する目的で使用するものであるが、直列のスター結線のように同相コイルを直列で接続する場合、コイルを連続巻すると結線部が存在しない。このような構成においては、結線体を用いない方が、材料費や組立時間の低減に有利な場合がある。また、生産台数が少ない多品種少量生産の回転電機では、金型への設備投資が必要となる結線体を用いるよりも、コイルまたはこれに接続した絶縁被覆電線を直接引出した方がコスト的に有利な場合がある。

以上より、低コストかつ汎用性のあるアキシャルギャップ型回転電機のロータ、配線間の干渉抑制手段を提供することが望まれる。

上記課題を解決するために、特許請求の範囲に記載の発明を適用する。即ち鉄心及びその外周に巻き回されたコイルを少なくとも有する複数のコアメンバを、シャフトを中心に、磁力線が該シャフトと並行になる向きで、環状に配列してなるステータと、該ステータと径方向に内周面が対向するハウジングと、シャフト軸方向から所定のエアギャップを介して前記ステータを挟み込むように配置されたロータと、前記ハウジングの端面に配置され、軸受を介し前記シャフトを保持するブラケットを備えたアキシャルギャップ型回転電機であって、前記ステータから前記ブラケット側に引き出された配線と、前記配線を前記ロータから離間して保持する配線保持機構を前記ブラケットに設けたことを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機である。

本発明の一側面によれば、低コスト性と汎用性を確保しつつ、アキシャルギャップ型回転電機のロータと配線の干渉を抑制する効果がある。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の記載から明らかとなる。

図１（ａ）は、本発明を適用した第１実施形態のモータの縦断面図である。 図１（ｂ）は、本発明を適用した第１実施形態のモータの横断面図である。 図２（ａ）は、本発明を適用した第２実施形態のモータの縦断面図である。 図２（ｂ）は、本発明を適用した第２実施形態のモータの横断面図である。 図３（ａ）は、本発明を適用した第３実施形態のモータの縦断面図である。 図３（ｂ）は、本発明を適用した第３実施形態のモータの横断面図である。 図４は、本発明を適用した第４実施形態のモータの縦断面図である。 図５は、本発明を適用した第５実施形態のモータの縦断面図である。

〔第１実施形態〕
以下、本発明を実施するための形態を説明する。図１（ａ）に、本発明を適用した一例である第１実施形態のアキシャルギャップ型モータの構成を表わす縦断面図を示す。

図１（ａ）に示すように、モータ１０００は、概略円環状のドーナツ形状を有するステータ１００を、ディスク形状の２つのロータ２００がシャフト方向から挟むように面対向して配置された所謂ダブルロータ型のモータ１０００である。ステータ１００は、複数のコアメンバがシャフト５００を中心として環状に配列して構成される。コアメンバは、両端部の側面が概略台形若しくは扇形を有する柱体の鉄心１１０と、鉄心１１０の外筒部に巻き回されたコイル１２０から構成される。

図示しないが、鉄心１１０とコイル１２０の間には、両者を電気的に絶縁するための絶縁材として樹脂製のボビン１３０が配置されている。各コイル１２０からは、電線が回転軸方向に引き出され、ハウジング３００の内周を周方向に這い回された渡り部１２１を形成し、周方向の一ヶ所から回転軸方向に引き出され、ハウジング３００の一部に設けられたた口出し部３１０からハウジング外に設けられた端子台７１０に接続されている。コア１１０、コイル１２０、ボビン１３０、渡り部１２１は、ハウジング３００の内周面と一体で樹脂１４０によりモールドされステータ１００を形成している。ハウジング３００の回転軸方向端面には、ブラケット４００が設けられている。

ロータ２００は、鉄心１１０の端部側面に対向する永久磁石２１０と、その背面に配置され、シャフト５００と共回りするように結合するバックヨーク２２０からなる。シャフト５００は、軸受６００を介して回転自在にブラケット４００に結合される。ハウジング３００の外周側面には、端子台７１０を保護するための端子箱７００が設けられている。

ここで、片側のブラケット４００にはステータ方向に突出した配線保持機構４１０が形成されている。図１（ｂ）には、ロータ２００と配線保持機構４１０を回転軸方向からみた投影図を模式的に示す。本図のように、コイル１２０から引出された配線は、配線保持機構４１０とハウジング３００との間に配置されている。

このような構成を有するモータ１０００は、以下のように動作する。端子台７１０の１次側に制御装置の出力線が接続され、コイル１２０に交流電流を通電する。これにより、ステータには回転磁界が形成され、永久磁石２１０によりロータ２００に形成された直流磁界と吸引反発して回転する。なお、制御装置は、コイル１２０に交流電流を給電し、モータ１０００の回転制御などを行う。

本配線保持機構４１０により、モータ自体の振動や外力により配線が動いてもロータ２００と配線とが干渉することを抑制できる。このため、ロータ径拡大による、モータ効率、出力の向上、薄型化などを図りやすくなる。また、ステータ１００を保持している樹脂１４０を、ハウジングの開口近くまで拡大する必要がないため、樹脂量の低減やモールド型の簡略化が可能となる。ロータ２００の軸長の増加やハウジング軸長の増加などにより配線の長さが変化した場合にも、モールド型を変更することなく、配線保持機構の変更のみで対応できる。さらに、ブラケット４００と配線保持機構４１０を別体で構成することで、配線保持機構４１０の採否や配線保持機構４１０の形状を自由に変更することができる。配線の引出し位置や巻線の仕様などを用途に応じ変更する場合、汎用性の高い配線保持機構４１０を適用することで、コスト低減が可能となる。

なお、本実施形態では、ダブルロータ型のモータを例として説明したが、１ロータ、１ステータ型のアキシャルギャップ型モータにも適用することができる。また、永久磁石を備えない、シンクロナスリラクタンスモータやスイッチトリラクタンスモータ又は誘導モータであってもよい。更には、モータではなく発電機であってもよい。配線保持機構は、ブラケットに固定する例を示したがハウジングに固定してもよい。渡り部１２１には、結線体を用いてもよい。配線保持機構によりロータとの干渉を抑制する配線は、電力配線に限らない。ステータ側から引出されロータの側面に配置されるものであればよい。

〔第２実施形態〕
図２（ａ）に、第２実施形態のアキシャルギャップ型モータの縦断面図を示す。

本図のアキシャルギャップ型モータ１０００は、ステータ１００内に図示しないセンサ１６０が格納されている。コイル１２０の端部にはコア１１０とハウジング３００間に導電性の遮蔽材１５０が配置されている。遮蔽材１５０はコア１１０と電気的に接続されている。配線保持機構４１０は、回転軸を中心としたリング状に形成されておりブラケット４００に固定されている。その外径は、ステータ１００側に近づくにつれ徐々に拡大するテーパ状をなしている。ブラケット４００の一部には開口４２０が設けられており、渡り部１２１からの電力配線が、開口４２０を通しブラケット４００の外部に引き出されている。ブラケットには、第２の開口４２０が設けられており、ステータ１００内に格納されたセンサ１６０の信号線が配線されている。さらに、ブラケットには第３の開口４２０が設けられており、遮蔽材１５０に接続された接地線１５１が配線されている。図２（ｂ）に、ロータ２００と配線保持機構４１０を回転軸方向からみた投影図を模式的に示す。本図のように、各種配線は、配線保持機構４１０とハウジング３００との間に配置されている。

ここで、遮蔽材１５０は、コイル１２０とロータ間の静電結合により制御装置で発生したコモンモード電圧がロータに静電結合することにより発生する軸受内外輪間の電位差、即ち軸電圧を抑制し、軸受寿命の長寿命化を図るものである。センサ１６０は、熱電対や歪ゲージ、振動センサなどであり、ステータの温度、圧力、振動等に応じ、モータの出力制御や異常監視、巻線や樹脂の余寿命を予測するためのものである。

本実施形態では、配線保持機構をリング状に形成しているため、配線の引き出し位置によらず、回転子との干渉を抑制することができる。複数の配線が存在する場合には、構造を複雑化せず容易に干渉を抑制することができる。また、配線保持機構の加工が容易であるため、ブラケットと一体で形成することも可能である。

なお、本実施形態では、リング状に全周が連続した配線保持機構を示したが、必ずしも全周で連続している必要はない。また、第１実施形態のように配線保持機構が回転子の外周側面まで突出していてもよい。

〔第３実施形態〕
図３（ａ）に、第３実施形態のアキシャルギャップ型モータの縦断面図を示す。

本図のアキシャルギャップ型モータは、ブラケット４００の反ステータ側に制御装置室が設けられた制御装置一体アキシャルギャップ型モータ３０００である。制御装置室は、側面カバー２２００と端部カバー２３００とから形成されている。端部カバー２３００には、制御基板２１００から半導体モジュール２１１０が接続されている。図示しないが、端部カバーの反半導体モジュール側には、放熱面積を増加するためのフィンや強制空冷のためのファンが設けられている。図３（ｂ）には、ロータと配線保持機構を回転軸方向からみた投影図を模式的に示す。ブラケットには、３つの開口４２０が設けられており、コイル１２０から引出された３相の電力配線が１相ずつ開口を通し、制御装基板に接続されている。図３（ａ）では１相分のみ記載している。ブラケットのステータ１００側面には、開口に連続した筒状の配線保持機構４１０が設けられている。制御基板２１００には、制御装置室の側面カバーに取り付けられた端子台に接続された入力用の電力線も接続されている。ここでは、３相に対応した３極の端子台７１０が用いられている。

本実施形態では、円筒状の配線保持機構により、全周を覆うようにして配線を保持している。このため、配線をより確実に保持できる。

〔第４実施形態〕
図４に、第４実施形態のアキシャルギャップ型モータの縦断面図を示す。

本図のアキシャルギャップ型モータも、第３実施形態と同様の制御装置一体アキシャルギャップ型モータ３０００である。ここでは、ブラケット４００の開口部４２０をステータ１００側が制御装置側よりも外径側になるよう、回転軸に対し開口部を傾けて設けることで配線保持機構を形成している。開口径は、配線の外径と同等の大きさで設けられているため、配線の向きが開口の傾斜に沿って形作られている。配線には、その線径や硬さによる張力が働くため、ハウジング内では外径方向に押し付けられるようにロータと離間した状態で配置される。

本実施形態では、ブラケットの開口形状により配線保持機構を形成しているため、新たな部材を追加する必要がなくコストを低減できる。

〔第５実施形態〕
図５に、第５実施形態のアキシャルギャップ型モータの縦断面図を示す。

本図のアキシャルギャップ型モータも、第３実施形態と同様の制御装置一体アキシャルギャップ型モータ３０００である。ここでは、６極の端子台７１０を用い、制御基板２１００とコイル１２０を端子台７１０を経由して接続している。

本回転電機３０００は、制御基板を取り付けた端部カバーを側面カバーに設置したのちに、コイル１２０からの配線を端子台に接続する。

本実施形態では、制御装置室の取付後にモータ側の配線を端子台に接続するため、必要最小限の長さで配線することができる。これにより、配線の余長が減少し、ロータと干渉しにくくなり、配線保持機構を小型化、簡略化することができる。

1000 モータ
100 ステータ
110 コア
120 コイル
121 渡り部
130 ボビン
140 樹脂
150 遮蔽材
151 接地線
160 センサ
161 信号線
200 ロータ
210 永久磁石
220 バックヨーク
300 ハウジング
310 口出し部
400 ブラケット
410 配線保持機構
420 開口部
500 シャフト
600 軸受
700 端子箱
710 端子台
800 電力線
2000 制御装置
2100 制御基板
2110 半導体モジュール
2200 側面カバー
2300 端部カバー
3000 制御装置一体モータ

Claims (9)

1. 鉄心及びその外周に巻き回されたコイルを有する複数のコアメンバを、シャフトを中心に、磁力線が該シャフトと並行になる向きで、環状に配列してなるステータと、
   該ステータと径方向に内周面が対向するハウジングと、
   シャフト軸方向から所定のエアギャップを介して前記ステータに対向するように配置されたロータと、
   前記ハウジングの端面に配置され、軸受を介し前記シャフトを保持するブラケットと、を備えたアキシャルギャップ型回転電機であって、
   前記ステータから前記ブラケット側に引き出された配線と、前記配線を前記ロータから離間して保持する配線保持機構を前記ブラケットまたは前記ハウジングに設けたことを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機。
2. 請求項１に記載のアキシャルギャップ型回転電機であって、
   前記配線が前記コイルに給電するための電力線、前記ステータ内に配置されたセンサの信号線、前記ステータ内に配置された遮蔽材の接地線のいずれか、またはそれらの任意の組合せからなること
   を特徴とするアキシャルギャップ型回転電機。
3. 請求項１および請求項２に記載のアキシャルギャップ型回転電機であって、
   前記配線保持機構が、前記ブラケットのロータ対向面から、前記ロータ側に突出した突出形状からなることを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機。
4. 請求項３に記載のアキシャルギャップ型回転電機であって、
   前記配線保持機構が、前記ブラケットのロータ対向面から、前記ロータ側に突出した回転軸を中心とした円環状の突出形状からなることを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機。
5. 請求項１から請求項４に記載のアキシャルギャップ型回転電機であって、
   前記ブラケットは、前記回転軸方向に貫通した開口部を有し、前記配線は前記開口部から前記ブラケットの反ロータ側に引出されたことを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機。
6. 請求項５に記載のアキシャルギャップ型回転電機であって、
   前記配線保持機構が、前記開口部に連続し、前記ロータ側に突出した筒状であることを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機。
7. 請求項５に記載のアキシャルギャップ型回転電機であって、
   前記配線保持機構が、前記ブラケットの反ロータ側の開口位置が前記ブラケットの前記ロータ側の開口位置よりも外径側に位置するように構成した前記開口部からなることを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機。
8. 請求項５に記載のアキシャルギャップ型回転電機であって、
   前記配線が引き出された側のブラケットの反ロータ側に、前記コイルに交流電流を給電するための制御装置を備え、前記配線が前記コイルと前記制御装置を接続する電力線を含むことを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機。
9. 請求項８に記載のアキシャルギャップ型回転電機であって、
   前記ブラケットの前記制御装置側に端子台を設け、前記端子台で電源と前記制御装置の入力端子を接続し、前記制御装置からの出力端子と前記コイルから引出された電力線とを接続したことを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機。

Images