JP4699961B2 - 回転電機用コイルとその製造方法、並びに回転電機とその製造方法 - Google Patents

回転電機用コイルとその製造方法、並びに回転電機とその製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、回転電機用コイルとその製造方法、並びに回転電機とその製造方法に関し、特にアキシャル型の回転電機用コイルおよび回転電機とそれらの製造方法に関する。

従来、ディスク状の回転電機子コイル等を備えたアキシャル型の回転電機(電動機/発電機)が知られている。アキシャル型の回転電機は、ラジアル型(径方向空隙)の回転電機に比して軸方向の長さを短くすることができるため、オーディオ機器、ビデオレコーダ、コンピュータのディスクドライブ、自動車用ラジエータファン、ウィンドーリフト等、軸方向長さを抑制する必要のある用途で広く使用されている。

ところで、従来のアキシャル型回転電機に用いられるコイルとして、板状の導電材料(銅やアルミニウム)に、プレス等によってコイルパターンを形成し、そのコイルパターンを絶縁シート等に固定した上で、異なるコイルパターン同士をハンダ付けや溶接によって接続したディスク状コイルが知られている。このようなディスク状コイルの従来例としては、特許文献1〜3に記載されたものが知られている。

また、アキシャル型回転電機に用いられる別のタイプのコイルとして、マグネットワイヤを巻回した成形コイルユニットを周方向に必要数配設してディスク状コイルとする方法が知られている。

ここで、回転電機用コイル等やこれに関連する先行技術の公知文献として、以下の特許文献1〜10を挙げる。
米国特許第3090880号公報 米国特許第3189770号公報 米国特許第3144574号公報 米国特許第3944857号公報 米国特許第6411002号公報 特開昭59−165935号公報 米国特許第3488539号公報 特公昭48−442号公報 米国特許第3790835号公報 米国特許第5744896号公報

特許文献1〜3に記載されたディスク状コイルは、プリント基板の製造技術を応用して形成されるものであり、絶縁基板上に固定されるコイルパターンは非常に薄いものなので、必然的にコイルに流せる電流量が制限されてしまう。このため、特許文献1〜3に記載のコイルでは、数百W〜数kW程度の小出力の回転電機への適用に限られていた。

回転電機用コイルを高出力/高トルク用のものにするには、コイル断面積を増やしてその電流容量を高める必要がある。そこで、特許文献4〜6のように、プリント基板を多段に積層し、スルーホール等を介して異なるコイルパターン同士を電気的に結合させる方法も知られている。このようなコイルでは、プリント基板の多段化に伴ってコイル厚みが比例的に増加し電流容量が増加するが、同時にプリント基板の絶縁層部も多段化されるため、磁気的なギャップ量が増加し、磁束量の低下や回転電機の出力減少を招く。

特許文献7,8のように、曲げや抜き打ち等の機械加工を行って必要な断面積を備えたバー状のハーフコイル導体を2層用意し、その間に絶縁基材を備えたコイルも知られている。2層のハーフコイル導体の端部は、コイルループを形成するように、溶接等で接合することでディスク状コイルが形成される。しかし、このようなコイルにおいて、渦電流損低減や高電圧化等の目的で磁束と直交するハーフコイルの導体幅を細くし、導体本数を多くすると、ハーフコイル導体の剛性が低下し、ハーフコイル導体の形状を高精度に加工することや2層のハーフコイルを接続する際の位置合わせが困難になる。またハーフコイルの接続部幅は小さくなり、接続部の数も増えるため、溶接等の接合処理も難しくなる。

特許文献9および10に記載の構成では、コイルユニットにおいてトルクに有効となるストレート状の2辺を、他のコイルユニットの2辺と相互に隣合うように配置させて、磁石と対向するコイル部の厚さを、コイルエンド渡り部の厚さよりも薄く保つことで、磁気的なエアギャップの増加による磁束量の低下を抑制している。このような構成では、コイルユニットが重なるコイルエンド渡り部を、磁石との対向領域外に配置させるために、コイルエンド渡り部を磁石対向面よりも内周側および外周側に余分に張出させる必要がある。この結果、コイルループの経路長が長くなり、コイルの抵抗値が増加する。

コイルエンド渡り部の径方向長さを抑制するため、コイルエンド渡り部を曲げ起こしたり、他のコイルユニットのコイルエンド渡り部と共に所望の形状に成形する等の処置がされるものもある。しかし、コイルユニットは、複数の素線が束ねられた構成のため、上述の成形を行うと、使用可能なコイルユニット用の素線径は制限されてしまう。すなわち、大電流に対応するために素線径を太くすると、コイルエンド渡り部の曲げや成形が困難になり、逆に細線を束ねて多数の素線を並列に接続して必要な胴体断面積を確保する構成にすると、個々の素線同士の電気的な接続が必要であり、素線数が増えるほど電気的接続部の信頼性は低くなる。また、通常用いられるマグネットワイヤは丸線であり整列巻が困難なため、特許文献9,10の構成では、コイルにおける導体占積率が低くなってしまう。

特に、コイルがスロットレスやコアレス等の構成で使用される場合、コイルが占めるスペースは磁気回路のエアギャップ中となり、コイル厚さの増加はエアギャップの増加となって磁束量の低下を招くため、回転電機の出力およびトルクの低下につながる。この出力およびトルクの低下を抑えるためには、エアギャップ中の磁束量を増加させる必要があるが、磁束を増やすために磁石使用量を増やすと、回転電機の大型化や重量増、コストアップを生じさせてしまう。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、高い導体占積率と形状精度を備え、製作容易かつ大電流使用が可能な回転電機用コイルとその製造方法、並びに回転電機とその製造方法を提供することを目的とする。

本発明の回転電機用コイルは、回転電機のステータに用いられる回転電機用コイルであって、回転電機用コイルは、それぞれにスリットによって配線パターンが形成された、少なくとも2層の、所定の径方向幅を有する環状のコイルプレート要素を有し、異なるコイルプレート要素同士は、中間部において離間しつつ内周部および外周部において接合されることで、コイル巻線パターンを形成するための前記配線パターンを有するコイルプレートを構成するものであってコイルプレート要素は、エッチングによってスリットおよび配線パターンが形成された、所定数の薄型金属板を積層接合することで形成され、配線パターンは、周方向に等間隔で配列された複数の折れ線状コイルセグメントで構成され、対向して設けられた異なる前記コイルプレート要素の前記配線パターン同士は反転状態で接合される。

上記の回転電機用コイルでは、絶縁性と加工性を考慮した上で極力細い幅のスリットを形成することによって導体占積率が高められるため、コイルの低抵抗化が可能となる。また、ステータコイルを薄型プレートで製作することで、回転電機自体が非常に薄いアキシャルディスク型回転電機を実現する。

さらに、上記の回転電機用コイルでは、コイルプレート要素を層構造に接合するため、コイル全体形状をコンパクトにすることができる。本発明の回転電機を例えば、インホール型モータに適用する場合、モータがホイール内で占める軸方向サイズを抑えることができ、ブレーキやサスペンション、支持構造部材等、ホイール周りのレイアウトの自由度を高めることができる。

本発明に係る回転電機用コイルによれば、高い導体占積率と形状精度が実現でき、製造が容易であって大電流の使用も可能である。

以下に、本発明の好適な実施形態(実施例)を添付図面に基づいて説明する。

本発明の回転電機用コイルは、電動機(モータ)および発電機の両方に使用することが可能であるが、以下の実施形態では、電動機(モータ)に適用した例を説明する。

最初に、図1〜図5を参照して、本発明に係る回転電機用コイルが適用されたアキシャル型モータの一例の全体構成を説明する。この実施形態では、モータ10は、車両に装備される複数のホイール(車輪)の各々の内部に完全に収納されて各ホイールを直接に回転駆動するインホイール型の車両駆動用回転電機の例を示している。

なお本発明に係る回転電機用コイルは、インホイールモータには限定されず、同様な構造・形状を有するモータに一般的に適用できるのは勿論である。

図1はモータ10の縦断面図を示し、図2はインナー側のモータ側面の外観斜視図を示し、図3はアウター側のモータ側面の外観斜視図を示し、図4はモータ10の回転系部分を取り出した縦断面図を示し、図5はモータ10の分解組立て図を示している。

モータ10は上記の通りホイールに直接に組み込まれるモータである。従って図1において、線L1を境界線としてみなすと、境界線L1の右側が車両の車体側になり、左側がホイール側になる。車両の車体を基準にして考えると、図1中、境界線L1の右側がインナー側となり、その左側がアウター側となる。

モータ10は、その構成要素を大きく分けると、車体側に固定される円柱形状を有するシャフト状センター部100と、当該シャフト状センター部100の周囲に固定される略円板形状のステータ200と、ステータ200の両側からステータ200を覆うごとく配置されかつ上記シャフト状センター部100の周囲に回転自在に設けられる略円板形状のロータ300とから構成されている。

シャフト状センター部100とステータ200には、冷却システム400と給電システム500が組み付けられている。ステータ200は、後述するごとく、その周囲環状領域に設けたステータコイル201を備える。さらにステータ200は、その中央部にステータホルダアッセンブリ202が付設される。

上記のシャフト状センター部100とステータ200は、図示しない車両の車体に固定される。シャフト状センター部100とステータ200は静止系を構成している。

ロータ300は、ステータ200を基準にして、車体側に位置するインナーロータ301と、ホイール側に位置するアウターロータ302とから構成される。ステータ200は、インナーロータ301とアウターロータ302により、両側面側から挟まれる位置関係にて配置されている。インナーロータ301は、インナー用シール付ボールベアリング軸受構造303によりシャフト状センター部100の周りに回転自在に取り付けられている。アウターロータ302は、アウター用シール付ボールベアリング軸受構造304によりシャフト状センター部100の周りに回転自在に取り付けられている。インナー用シール付ボールベアリング軸受構造303およびアウター用シール付ボールベアリング軸受構造304は、いずれも、その内輪部は固定静止され、かつその外輪部が回転するタイプの軸受構造である。

インナーロータ301とアウターロータ302は、その外周縁の円周部で嵌合されており、かつ結合されている。インナーロータ301とアウターロータ302は一体となってロータ300として回転するように構成されている。インナーロータ301とアウターロータ302から成るロータ300は、図示しないホイールに連結されている。

さらにインナーロータ301とアウターロータ302は、いずれも、上記ステータ200のステータコイル201が設置された領域に対向する領域に、円周方向に配列させた複数の磁石305a,305bを備えている。磁石305a,305bはいわゆるハルバッハ配列構造で配列されている。この結果、漏れ磁束が最小化されるのと同時に、ヨーク無しによる軽量化も図られている。なお磁石305a,305bの材質は、例えばNd−Fe−Bである。さらにインナーロータ301とアウターロータ302の材質には、その剛性および軽量化のため、アルミニウム合金(A2017)を使用している。

ステータ200のステータコイル201に対して各相(U,V,W)の電流を給電すると、ステータ200のステータコイル201と、インナーロータ301およびアウターロータ302の各磁石305a,305bとの間に電磁誘導作用が生じ、ロータ300が回転動作する。ロータ300が回転すると、これに結合されたホイールが回転することになる。

図2や図3に示されるごとく、モータ10は全体として薄い円盤の形状を有するように形成される。

特に図2に示されるごとく、モータ10の中心部に位置する静止系のシャフト状センター部100を利用して、冷却システム400と給電システム500の各インターフェイス部分(冷却液供給管401と冷却液排出管402、給電用端子部材511a等)を集約して設けている。図2に示されるように、モータ10の車体側の側面の中央部、すなわちインナーロータ301側のシャフト状センター部100の端面部には、それぞれ1本の冷却液供給管401と冷却液排出管402が突出しており、さらに6つの給電端子511aが設けられている。なお図2で、符号510は給電バスバーモジュールを示している。

また図1において、符号511はインターフェイスバスバーを示し、符号512は絶縁カラーを示している。

図4において、ボールベアリング軸受構造303,304はボールベアリング303a,304aと外輪部303b,304bのみを示している。アウター用のボールベアリング軸受構造304では、組合せアンギュラ玉軸受を背面合わせで用いた軸受構造が設けられている。

さらに図4において、インナーロータ301はハウジング301Aを有する。ハウジング301Aは全体が略円板状形態を有し、中央筒部301A−1は外方に突出している。中央筒部301A−1の端部内側に上記外輪部303bが締結具311で結合されている。ハウジング301Aの周囲リング状領域部301A−2の内側面には上記の磁石305aが円周方向に所定数固定して配置されている。アウターロータ302も同様にハウジング302Aを有している。ハウジング302Aは略円板状形態を有し、中央筒部302A−1の内周部には上記外輪部304bが締結具312より結合されている。ハウジング302Aの周囲リング状領域部302A−2の内側面には上記の磁石305bが円周方向に所定数固定して配置されている。

図4において、313はインナーロータ301のハウジング301Aとアウターロータ302のハウジング302Aとの間の突合せ嵌合部である。突合せ嵌合部313は全周囲に渡って形成されている。

次に、図5を参照してモータ10の分解組立て構造を説明する。中心軸部にシャフト状センター部100が組み付けられたステータ200が配置され、そのインナー側にインナーロータ301が配置され、そのアウター側にアウターロータ302が配置される。ステータ200のインナー側には、シャフト状センター部100の右端部をインナーロータ301のボールベアリング軸受構造303の内輪部303cの孔に固定することによりインナーロータ301を装着する。ステータ200のアウター側には、シャフト状センター部100の左端部をアウターロータ302のボールベアリング軸受構造304の内輪部304cの孔に固定することによりアウターロータ302を装着する。この時、インナーロータ301のハウジング301Aとアウターロータ302のハウジング302Aとの間の周縁突合せ部を突き合せて上記突合せ嵌合部313を形成し、インナーロータ301とアウターロータ302を結合する。突合せ嵌合部313におけるハウジング301Aとハウジング302Aとの嵌め合せ構造と、磁石305a,305bの間の吸引力を利用することで、ハウジング301A,302Aの接続に関してボルトレス化を図っている。

上記において、ステータ200とインナーロータ301とアウターロータ302のそれぞれは、予めモジュール化して組み立てられている。

上記の組付け状態において、インナーロータ301からさらにインナー側に突き出たシャフト状センター部100の右端部には軸受構造脱落防止部材314が固定される。またアウターロータ302からさらにアウター側に突き出たシャフト状センター部100の左端部には、雌ネジ部315にリング部材316を介してナット317を螺着することにより、アウターロータ302がシャフト状センター部100に回転可能に固定される。

なお図5において、インナーロータ301のアウター側の最外面部には実際には磁石飛散防止カバーが付設されているが、説明の便宜上、磁石305aの配列が見え易いように取り外して示している。

以上のごとく、本実施形態に係るモータ10は、非常に薄いステータ200(コイルプレート211)、インナーロータ301およびアウターロータ302から成るアキシャルディスク型モータである。本実施形態のモータ10では、ステータ200のコイルホルダ212等のホルダアッセンブリをGFRPで構成することにより、ホルダ部材における磁石の渦損や循環損をゼロにすると共にステータ200の軽量化を図っている。

次に、図6と図7に従ってステータ200の構成を詳述する。図6はアウター側から見たステータ200の全体の分解組立て図を示し、図7はインナー側から見たステータ200の要部の分解組立て図を示す。

図6に示すごとく、全体として中央孔部を有する円板または円盤の形状をなすステータ200は、軸210上で中央位置に存在する円板形状のコイルプレート211と、コイルプレート211のインナー側(図6中奥側、図7中手前側)に位置する円板形状のコイルホルダプレート212と、コイルプレート211のアウター側(図6中手前側)に位置する円板形状のコイルカバープレート213とを備えている。コイルホルダプレート212はコイルプレート211を保持する。この保持状態において、コイルカバープレート213をコイルホルダプレート212に締結具(図示せず)で取り付けることにより、コイルカバープレート213がコイルプレート211をカバーし、固定する。上記の構成において、さらに、コイルホルダプレート212のインナー側には円板形状のインナーカバープレート214が設けられ、コイルカバープレート213のアウター側にはアウターカバープレート215が設けられている。

上記において、コイルホルダプレート212、コイルカバープレート213、インナーカバープレート214、アウターカバープレート215の材質は絶縁体でありかつ非磁性体である材質、好ましくはGFRP(ガラス繊維樹脂)である。

図6と図7に示されるように、コイルホルダプレート212のインナー側の側面部、およびコイルカバープレート213のアウタ側の側面部には、それぞれ、冷却流路構造221,222が形成されている。

コイルホルダプレート212の冷却流路構造221は、円周方向に配列された例えば12個の単位冷却流路221aによって形成される。これらの12個の単位冷却流路221aから成る冷却流路構造221は、コイルホルダプレート212のインナー側の側面部に凹凸を形成することによって形成される。12個の単位冷却流路221aの各々は、円板形状のコイルホルダプレート212の内周縁側から外周縁側に到り、再び内周縁側に戻ってくる流路形状を有している。従って12個の単位冷却流路221aの各々は、コイルホルダプレート212の内周縁側に冷却液供給孔221a−1と冷却液排出孔221a−2を有している。

コイルカバープレート213の冷却流路構造222の構造も、上記冷却流路構造221と基本的には同じである。冷却流路構造222は、円周方向に配列された例えば12個の単位冷却流路222aによって形成される。これらの12個の単位冷却流路222aから成る冷却流路構造222は、コイルカバープレート213のアウター側の側面部に凹凸を形成することによって形成される。12個の単位冷却流路222aの各々は、円板形状のコイルカバープレート213の内周縁側から外周縁側に到り、再び内周縁側に戻ってくる流路形状を有している。12個の単位冷却流路222aの各々は、コイルカバープレート213の内周縁側に冷却液供給孔222a−1と冷却液排出孔222a−2を有している。

図6において、コイルプレート211では円周方向に多数のコイル巻線パターン211aが形成されている。これらのコイル巻線パターン211aは例えば銅で形成され、3相(U相、V相、W相)の各巻線に分類される。コイル巻線パターン211a内において隣り合う巻線同士は絶縁されている。コイル巻線パターン211aは、後述するようにエッチング技術と拡散接合技術等によって形成される。なお、銅の代わりにアルミニウムでコイル巻線パターン211aを形成してもよい。

図6で示されたコイルプレート211、コイルホルダプレート212、コイルカバープレート213、インナーカバープレート214、アウターカバープレート215は、重ね合わせて組み付けられ、全体として厚みの薄い環状のステータ200が作られる。ステータ200におけるコイルプレート211の上記コイル巻線パターン211aの部分が、前述したステータコイル201に相当している。ステータ200の当該組付け状態において、さらに、前述したステータホルダアッセンブリ202とシャフト状センター部100が組み付けられる。

図6において、さらに、多数のボルト223は、コイルカバープレート213の冷却流路構造222の各単位冷却流路222aに対して冷却液を流通させるための貫通ボルトである。これらの貫通ボルト223は、供給ラインにおいてはコイルホルダプレート212の冷却液排出孔221a−2からコイルカバープレート213の冷却液供給孔222a−1へ冷却液を流通させ、排出ラインにおいてはコイルカバープレート213の冷却液排出孔222a−2からコイルホルダプレート212の冷却液供給孔221a−1へ冷却液を流通させる。これらの多数の貫通ボルト223は、コイルカバープレート213の内周縁側に形成された冷却液供給孔222a−1と冷却液排出孔222a−2のそれぞれに対応して設けられ、これらの冷却液供給孔222a−1と冷却液排出孔222a−2のそれぞれに螺着される。すなわち、貫通ボルト223は、コイルプレート211を収納するコイルホルダ212とコイルカバープレート213とを結合する結合手段であると共に、その軸部に形成された冷却液流通孔によって冷却系セパレータ411とコイルカバープレート213の冷却流路構造222との間において冷却液の供給・排出(戻り)の流通路を形成する。

冷却液の流路は、コイルカバープレート212,213に凹凸を形成することによって形成される。モータ10の組み立て完成時には、冷却流路構造221の凸部が対向するインナーカバープレート214に密着することで冷却流路221aの密閉性が確保される。また、冷却流路構造221の凸部の形状は、冷却流路221a内の冷却液が滞留することなくスムーズに流れるような配置および形状とされている。なお、冷却流路構造221の凹部の深さ(本実施形態では約1mm)は、コイルホルダプレート212の厚みや冷却液の材質、モータ10のサイズや出力等に応じて適宜決定される。

冷却液(例えば、水)は、モータ10の外部からポンプ等によって供給され、シャフト状センター部100の401→411(図1に図示)→221→411→401の順で流れることで、コイルプレート211を内部から冷却する。また、冷却液は401→411→211a−2→222a−1→223→222→223→222a−2→221a−1→411→401の順に流れることで、コイルプレート211を外側から冷却する。図1に示す冷却系セパレータ411は、シャフト状センター部100やステータ200と共に静止系を構成する。この冷却系セパレータ411は、上述の流れが実現するように冷却液供給流通路を分配する。

本実施形態では、インナーロータ301およびアウターロータ302でステータ200を挟み込む構造のため、ロータ内部空間を全閉構造とすることができ、外部からの粉塵等の侵入を防ぐことが可能となっている。またステータ200の冷却構造については、シャフト状センター部100を介してすべての冷却液供給流通路が静止部品内に形成されており、上記のロータ内部空間の全閉化と合わせて、非常に高い防塵性を備えている。またコイルプレート211を両側から冷却する構造のため、主発熱部材であるコイルプレート211を効果的に冷却することができるようになっている。

通常のモータのように、外付けの複数のホースや配管等で冷却液供給流通路を構成する場合、振動により締結部の緩みや配管に亀裂が生じる等の不具合が生じるおそれがある。そして、このような不具合を回避するために、配管や締結部の強度を高めると重量が増加してしまう。これに対して、シャフト状センター部100に冷却液供給流通路を集約した本発明の構造は、よりシンプルかつ高剛性であり、振動、粉塵等に対する強い耐性を備える。

次に、図8〜図10を参照して、上記ステータ200におけるステータコイル201についてさらに詳述する。図8はステータコイル201を構成するコイルプレート211のみの斜視図を示し、図9は正面図を示し、図10は図9におけるA−A線断面図を模式的に示している。図10は第1および第2のコイルプレート要素211−1,211−2間のスペース234の位置関係の理解を容易にするため、スペース234およびコイルプレート211の厚みを誇張して図示している。図8等では、説明の便宜上、ステータコイル201の外周縁部および内周縁部に取り付けられる後述のインシュレータは取り外されている。

コイルプレート211は、所定の径方向幅を有する環状(リング状)の形状を有している。内周縁部には、U相、V相、W相の各相に対応した給電端子を構成する2本ペアのコイルバスバー231が、径方向に中心に向けて3セット設けられている。ただし、図8等に示すコイルバスバー231の配置は、これに限定されない。

なお、モータ10には、前述の通り、ステータ200のステータコイル201に対して三相交流を供給するための給電システム500が付設される。給電システム500の主要部はシャフト状センター部100を利用してその内部に配置されている。外部の電源から供給される電流は、上記の給電バスバーモジュール510の外側の給電端子511aに供給される。給電バスバーモジュールの内側の6つの接続端子は、シャフト状センター部100の内側端子部に設けられている。これら6つの接続端子は、それぞれ、前述した6本のコイルバスバー231に接続される。以上の配線構造によって、ステータコイル201に対して磁界を発生させるための三相交流が供給される。給電システム500の配線構造はシャフト状センター部100の内部スペースを利用して設けられるため、モータ10の給電システム500を小型かつコンパクトな構成にすることができる。

コイルプレート211で形成されるステータコイル201は、コイル巻線パターン211aを備えているが、既存のコイルの形状とは全く異なり、通常の意味での「巻線部材」ではない。詳細は後述する。本実施形態のステータコイル201は、銅等の導電性金属板材を使用している。使用される金属板材としては例えば、C1020(無酸素銅)やC1100(タフピッチ銅)等の純銅系材料であり、より高い強度が必要な場合には、半導体リードフレーム等に用いられる高導電性銅合金、例えばCu−Cr系、Cu−Zr系、Cu−Ag系、Cu−Fe系、Cu−Fe−P系、Cu−Ni−Si系銅合金等を使用することもできる。またアルミニウムやアルミニウム合金(ジュラルミン等)でステータコイル201を構成してもよい。

図10に示すごとく、コイルプレート211は、第1コイルプレート要素211−1と第2コイルプレート要素211−2を拡散接合することにより形成されている。線233は接合面を示す。第1コイルプレート要素211−1と第2コイルプレート要素211−2は略同形である。第1コイルプレート要素211−1と第2コイルプレート要素211−2を拡散接合技術で接合して形成されたコイルプレート211では、その厚み方向の中間部に、所定の径方向幅を備えたスペース234が形成されている。第1コイルプレート要素211−1と第2コイルプレート211−2のそれぞれは、コイルプレート211のコイル巻線パターン211aを形成するための配線パターンを有している。この実施形態では、第1と第2の2つのコイルプレート要素211−1,211−2を用いたが、コイルプレート要素の数は、配線パターンの接続関係を工夫することにより3以上であってもかまわない。

図10において、コイルプレート211の厚みD1は例えば7.8mmであり、第1および第2のコイルプレート要素211−1,211−2の厚みD2は3.7mmである。従って上記スペースの厚みは0.4mm程度になる。

図8および図9で、コイルプレート211の表面に径方向で折れ線状態で示された多数の細かい線、すなわち前述のコイル巻線パターン211aは、コイル巻線に相当するコイル配線の配列状態を示している。

次に、上記コイルプレート211の製作方法を説明し、さらにコイルプレート211のコイル巻線パターン211a等について詳細な構造を説明する。

図11は、コイルプレート211の製作工程の全体を4つの工程(1)〜(4)に分解して示している。

第1工程(1)は、第1コイルプレート要素211−1と、第2コイルプレート要素211−2とを製造する工程である。両コイルプレート要素の製造には、好ましくは銅またはアルミニウムの板材が利用される。第1および第2コイルプレート要素211−1,211−2には、それぞれの銅板材に対してエッチング等が施されて配線パターン241が刻設されている。第1および第2のコイルプレート要素211−1,211−2は略同形状であり、配線パターン241がほぼ裏返しの関係となっている。

第2工程(2)は、第1および第2のコイルプレート要素211−1,211−2を接合する工程である。第1および第2のコイルプレート要素211−1,211−2を対向させ、互いの配線パターン241が対応する位相関係を保った状態で拡散接合等を用いて接合することで、所定のコイル巻線パターン211a(コイルループ)を実現している。以下、第1および第2のコイルプレート要素211−1,211−2が接合された直後のものを基礎コイルプレート211’と称す。第1及び第2のコイルプレート要素211−1,211−2の製作においてエッチング処理を用いることで、コイルプレート211の高精度な加工と大量生産が可能となり、安価で高占積率のコイルプレート211が実現した。

第3工程(3)は、基礎コイルプレート211’に対して絶縁処理を施す工程である。図11(3)に示した細かい点々は、基礎コイルプレート211’の表面に施工された絶縁コーティングのイメージを示している。

第4工程(4)は、絶縁処理が施された基礎コイルプレート211’のコイル束支持部分を切除し、コイルプレート211を完成させる工程である。コイル束支持部材とは、具体的には、基礎コイルプレート211’の外周縁支持部材235と内周縁支持部材236である。銅材またはアルミニウム製のコイルバスバー231は別に用意され、コイルプレート要素211−1,211−2が接合された後、6本のコイルバスバー231が所定の位置に拡散接合、熱圧着、ロウ付け等で接合されて図11の(2)の状態になる。その後、第3工程(3)の絶縁処理、第4工程(4)の支持部材切除処理が行われる。

次に、上記の第1から第4の工程(1)〜(4)の各々の内容を詳述する。

先ず、図12と図13を参照して、第1および第2のコイルプレート要素211−1,211−2について説明する。第1コイルプレート要素211−1と第2コイルプレート要素211−2は互いに裏返しの関係となっているが、略同形・同構造であるので、第1コイルプレート要素211−1についてのみ説明する。

図12は、第1コイルプレート要素211−1の正面形状を示し、図13は、図12における矩形領域Aを拡大して示した図である。図12および図13では、比較的精密に第1コイルプレート要素211−1の形状および構造を示している。

図12に示すごとく、第1コイルプレート要素211−1は、環状の平面形状を有する。第1コイルプレート要素211−1の板厚は、例えば3.7mmである。第1コイルプレート要素211−1の外周縁および内周縁には、それぞれ外周縁支持部材235と内周縁支持部材236が形成されている。外周縁支持部材235、内周縁支持部材236は、それぞれ外周縁側と内周縁側で配線パターン241を支持する。

拡大図である図13に示されるごとく、配線パターン241が形成されている環状領域には、全域にわたって多数の折れ線状コイルセグメント241aが形成されている。折れ線状コイルセグメント241a全体でコイル束となっている。折れ線状コイルセグメント241aの各々は、外周縁支持部材235と内周縁支持部材236に支持されている。隣接する折れ線状コイルセグメント241aの間にはスリット242が形成されている。スリット242の幅は例えば0.2mmである。

本実施形態では、スリット242の幅は一定である。これを実現するために、折れ線状コイルセグメント241aの周方向幅は、外周側では太く、内周側では細くなっている。エッチング処理やワイヤカット等によって、銅板から第1および第2のコイルパターン要素211−1,211−2を製造する場合、スリット242の幅が一定である方が加工が容易である。但し、折れ線状コイルセグメント241aの幅を一定にして、スリット242の周方向幅が外周側で太く、内周側で細くなるように構成してもよい。

導体である折れ線状コイルセグメント241aの周方向幅を一定にした場合、折れ線状コイルセグメント241aの径方向位置に拘わらず、折れ線状コイルセグメント241aの導体断面積が一定になるので抵抗値のむらによる部分的な発熱のばらつきが回避される。

図13に示すごとく、折れ線状コイルセグメント241aは、第1コイルプレート要素211−1の中心方向を向いた状態で配列された接合部241b、中心方向直線部241d、接合部241fと、斜め方向に配列された斜め方向部241c,241eとからなる。

第1コイルプレート要素211−1の接合部241b,241fは、第2コイルプレート要素211−2の対応する接合部241b,241fと接合される部分であり、比較的に短くても接続可能な長さだけ確保すれば十分である。

斜め方向部241c,241eは、接合部241b,241fが接合されたときにコイルループとなるように、中心方向から所定角度で傾いた斜め方向に配列されている。中心方向直線部241d(中間部)は、コイルプレート211に生じる磁束と直交し、モータ10のトルク発生に主として貢献する部分なので、可能な限り長くなるように構成することが望ましい。斜め方向部241c、241e、中心方向直線部241dの長さは、コイルプレート211のサイズ、折れ線状コイルセグメント241aの数、相数などに応じて適宜決定される。

コイル束支持部分である外周縁支持部材235と内周縁支持部材236の形状は、図12と図13に示されたものに限定されず、任意の形状に形成することができる。

第1工程(1)では、第1および第2のコイルプレート要素211−1,211−2を製造する。第1コイルプレート要素211−1は、厚み3.7mmの銅板状態となっているが、これは、より薄い銅板に対して例えば、エッチングと拡散接合を施すことで形成されたものである。本実施形態では、厚み0.1mmの非常に薄い銅板に対してエッチング処理を施して、配線パターン241を備えた基礎部材221−1’(請求項の薄型金属板に相当)を作り、この基礎部材211−1’を37枚重ねて拡散接合で一体化し、第1コイルプレート要素211−1とした。配線パターン241間のスリット幅は小さいほどコイルプレート211の導体占積率(=コイルプレート211の体積中において銅材が占める割合)が高くなり、ステータスコイル201の抵抗値を低減させることができる。しかし、スリット幅が小さいと銅板の深さ方向へのエッチングの量も小さくなってしまい、その分多数の薄い銅板を重ねなくてはならなくなる。すなわち、重ねる銅板の枚数は、エッチング技術、スリット幅および最終的な1枚のコイルプレート211の厚み等を考慮して決められる。なお拡散接合の代わりに熱圧着などの他の接合方法を利用してもよい。

上記のエッチングによりスリットを形成する手法は、スリット幅が0.5mm以下の細いスリットを形成する場合に好適であるが、スリット幅が0.5mm〜1mm程度の広いスリットを形成する場合には、周知のワイヤカットやレーザカット、ノッチングプレス加工等を用いることも有効的である。この場合、上述のように薄い銅板から基礎部材211−1’を製造し、それらを複数枚積層して一枚のコイルプレート要素211−1を形成する必要はなく、最終的な厚さのコイルプレート要素211−1に対してそのまま加工することでスリット242(結果として配線パターン241)を形成することができる。

上記のようにして第1コイルプレート要素211−1が製造され、同様にして第2コイルプレート要素211−2が製造される。

次に、図14〜図18を参照して第2工程(2)を詳述する。
第2工程(2)では、互いに略同形で、ほぼ裏返しの関係の配線パターンを備えた第1および第2のコイルプレート要素211−1,211−2を重ね合わせて接合する。この際、各コイルプレート要素の配線パターン241が対応する位相関係を維持するように接合することで所定のコイルループを備えた基礎コイルプレート211’が完成する。図14は、第1および第2のコイルプレート要素211−1,211−2の接合直前の様子を示す斜視図である。

図14において、板状かつ環状の第1コイルプレート要素211−1と第2コイルプレート要素211−2は、位置決めして重ね合わせられ、拡散接合技術によって接合される。第1コイルプレート要素211−1と第2コイルプレート要素211−2との接合によって基礎コイルプレート211’が形成される。図15は、図14に示した第1および第2のコイルプレート要素211−1,211−2の接合後のB−B線断面図を模式的に示すものである。図15では、第1および第2のコイルプレート要素211−1,211−2をそれぞれ簡略化して図示している。(図16〜図18も同様)。図15では図10と同様に厚み方向(特にスペース234の厚み)を誇張して示している。なお図14〜図15では、2つの第1コイルプレート要素211−1、第2コイルプレート要素211−2の接合関係または接合構造を説明することが目的であるので、接合の関係および構造が理解できる程度に図示され、基礎部材自体の形状・構造は概略的に図示している。

図15において接合線233は拡散接合技術による接合部を示している。図10および図15において第1コイルプレート要素211−1と第2コイルプレート要素211−2との間にはスリット状スペース234が形成されている。これは、上記の第1工程(1)において、第1コイルプレート要素211−1と第2コイルプレート要素211−2のそれぞれに対して、接合時に対向面になる部分に凹部243が予め形成されているからである。この凹部243は例えば、第1および第2のコイルプレート要素211−1,211−2に対してエッチングや放電加工を施すことで形成できる。

第1および第2のコイルプレート要素211−1,211−2との接合は拡散接合に限らず、ろう付け等他の方法を用いてもよい。図16は、導電材である周知のろう材を利用して接合する実施例を示す。この実施例では、ろう材が接合部からスリット状スペース234内等に流れ込むことを防止するため、接合部の形状は図16に示すごとく変更するとよい。すなわち、第1コイルプレート要素211−1は凹部243が深くなるように形成され、他方の第2コイルプレート要素211−2は凹部234がなくなって全体としてフラットに形成されかつ接合部になる段差部244が形成される。図16の構造の場合、下側に位置する第2のコイルプレート要素211−2の段差部244および上側に位置する第1のコイルプレート要素211−1の凹部243は、例えば、厚みを有する1枚の銅板に対して直接エッチングや放電加工等を施して形成することができる。導電材料である「ろう」は、第1および第2のコイルプレート要素211−1,211−2の接合時にはある程度の流動性を有している。この「ろう」が第1および第2のコイルプレート要素211−1,211−2間のスペース234に入ってしまうと、隣接するコイル配線パターン間の絶縁性が維持されなくなってしまう。このような事態を防止するため、図16に示すごとく「ろう」がスリット状スペース234に流れ出さないようなインロー状の勘合構造とした。

第1および第2のコイルプレート要素211−1,211−2に対して図15に示す凹部243を形成せずに、中間プレートを介在させて接合することもできる。

図17は、中間プレート245,246を介在させて第1および第2のコイルプレート要素211−1,211−2を拡散接合した後の断面を簡略化して示すものである。中間プレート245,246によってスペース234が確保され、位置決めされた各部材間では拡散接合(または熱圧着)が行われる。最終的にコイル巻線パターン211a(コイルループ)が完成するように、中間プレート245,246についても第1および第2のコイルプレート要素211−1,211−2の配線パターン241に対応させたスリット242が形成されている。この中間プレート245,246の素材は第1および第2のコイルプレート要素211−1,211−2と同じものが用いられる。この構造を採用する場合には、凹部243を形成せず、第1および第2のコイルプレート要素211−1,211−2を構成する折れ線状コイルセグメント241aによって、コイル巻線パターン211aが完成するように、必要な箇所のみ拡散接合が行われる。

第1および第2のコイルプレート要素211−1,211−2を作製する第1工程(1)で「エッチング+拡散接合」が採用される場合には、通常では平板状のプレート部材しか作れないので、中間プレート245,246を利用する接合方法が採用される。

なお上記において、第1および第2のコイルプレート要素211−1,211−2を接合して一体化するとき、接合温度が高く、かつ材質も銅材であるので、上側に位置する第1コイルプレート要素211−1が自重等で若干落ち込み、スリット状スペース234の中央部等の間隔が狭くなる場合がある。そこで、この状態を避けるため、図18の(A)に示すごとく、2つのコイルプレート要素の間にセラミックシート247を設けたり、図18(B)に示すごとく、第1および第2のコイルプレート要素211−1,211−2の凹部243を形成する底面にセラミック溶射皮膜248を付設するようにしてもよい。

本実施形態では、給電用コイルバスバー231は、図11に示す第2工程(2)で別部材として付設される。ここで、第1工程(1)において、第1および第2のコイルプレート要素211−1,211−2と共にコイルバスバー231がパターニングによって同時に形成されるようにしてもよい。この場合、コイルバスバー231は、第2工程(2)において第1および第2のコイルプレート要素211−1,211−2と一緒に接合される。

また第1および第2のコイルプレート要素211−1,211−2のそれぞれには外周縁支持部材235と内周縁支持部材236(図13に示す)が接合される。これらの外周縁支持部材235と内周縁支持部材236は、接合処理後、それぞれ、基礎コイルプレート211’の外周縁支持部材235と内周縁支持部材236となる。外周縁支持部材235と内周縁支持部材236のそれぞれに形成される孔付き出っ張り部は、各プレート部材のエッチング処理や積層等を行う際の位置合せや把持に用いられる。

次に、図19A、図19B、図20を参照して第3工程(3)を説明する。図19Aは、図11の(3)に示した基礎コイルプレート211’の部分拡大図であり、図19Bは図19A中のC−C断面を拡大して模式的に示している。

なお図19Bでは、基礎コイルプレート211’の表面絶縁処理を説明することが目的であるので、その処理内容が理解できる程度に図示され、基礎コイルプレート211’自体の形状・構造は基本的要素のみを示し簡略化して図示している。

図19Bにおいて、上側層が第1コイルプレート要素211−1であり、下側層が第2コイルプレート211−2である。

上記構造を有する基礎コイルプレート211’において、その外側の全表面および内部の全表面には絶縁膜251によるコーティングが施される。この実施形態で、絶縁膜251は例えばポリイミド膜である。絶縁膜251は他の有機系あるいは無機系コーティング(例えばポリパラキシレン、DLC:ダイヤモンドライクカーボン等)でもよい。絶縁膜251による内部表面のコーティングは、スリット242からコーティング材が基礎コイルプレート211’の内部に入り込み、被膜を形成することで実現する。本実施形態ではスリット242の幅は0.2mm程度であるが、この程度のスリット幅があれば内部表面も十分にコーティングすることができる。

この実施形態では、表面絶縁処理として「蒸着重合ポリイミドコーティング」法が採用された。表面絶縁処理として、電着によるコーティングを行うことも可能である。

第1および第2のコイルプレート要素211−1,211−2を製造する際にエッチング処理等を用いることで、微細かつ高精度にスリット242を形成することが可能であり、また複数の基礎部材211−1’,211−2’を積層した構造を採用したことにより、スリット242は非常に高いアスペクト比を備えている。すなわち、図19Bにおいて、b/aが非常に高い値(本実施形態では、20程度)となっている。このため、ステータコイル201の導体占積率が向上し、結果として抵抗値が低減し、ステータコイル201の銅損の低減やモータ10の出力効率の向上が実現する。

図20は、第3工程(3)の他の実施形態を説明するためのものであり、図19Bと同様に、基礎コイルプレート211’の部分断面を拡大した模式図である。図20において、図19Bで説明した要素と実質的に同一の要素には同一の符号を付し、説明を省略する。図20に示した実施形態で特徴的なことは、絶縁膜251がコーティングされた上に、残りのすべての隙間に充填絶縁材として絶縁性樹脂252を注入・含浸させ、モールドとして設けている点である。

なお、スリット242およびスペース234に対する充填処理に用いられる絶縁材には、充填時の流動性が高く、硬化時には十分な強度を持つ熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂、紫外線硬化樹脂等が使用される。例えば、エポキシ、フェノール、DAP(フタル酸ジアル)、ポリエステル、ポリイミド、ポリアミド、ポリアミドイミド、PBT(ポリブチレンテレフタート)、PET(ポリエチレンテレフタート)、PPS(ポリフェニルサルファイド)、LCP(液晶ポリマー)、シリコーン(珪素樹脂)等である。ここで、スリット242およびスペース234内へのこれらのモールド材(充填材)のみで十分な絶縁性が確保できる場合は、上述の絶縁膜251による表面コーティングは不要となる。

次に、図21を参照して第4工程(4)を説明する。図21は、基本的に図13と同様な図である。

図21において、基礎コイルプレート211’の外周縁支持部材235と内周縁支持部材236を切除するための切断線253,254が示されている。その他の細部の構成については、図13と同様である。

破線で示された外周縁側の切断線253で切断を行うことにより、コイル束を支持する外周縁支持部材235が取り除かれる。また破線で示された内周縁側の切断線254で切断を行うことにより、コイル束を支持する内周縁支持部材236が取り除かれる。これによってコイルプレート211が完成する。コイルプレート211が完成するとき、配線パターン241に存在する多数の折れ線状コイルセグメント241aの各々でコイルループが形成される。

また上記の切除を行う手段としては、例えばワイヤカット放電加工機、ウォータジェット加工機、コンタマシン等の切断加工機、プレス打ち抜き機等が使用される。

なお第4工程(4)の切断により、切断された部分で絶縁膜251が剥がれることになるが、後述するようにインシュレータ(絶縁枠体)を取り付けることにより絶縁状態は確保される。

次に図22A〜図24を参照して、上記のごとくして製作されたコイルプレート211におけるコイル巻線パターン211aの構造(コイル構造)について説明する。

図22Aは、完成したコイルプレート211の斜視図である。図22Bは、図22Aにおける四角枠部を拡大した斜視図である。図23Aは、コイルプレート211を構成する三相のコイルループ261,262,263の配列関係を示す平面図である。図8のコイル巻線パターン211aは、コイルループ261,262,263で構成されている。

図22Bでは、第1コイルプレート要素211−1と第2コイルプレート要素211−2の接続関係が理解しやすいように、図中右半分では第1コイルプレート要素211−1を除去した状態で示している。

図22Bに示すように、第1コイルプレート要素211−1の配線パターン241と第2コイルプレート211−2の配線パターン241は裏返しの関係になっている。各配線パターン241を構成する複数の折れ線状コイルセグメント241aは、コイルバスバー231と接続される給電端子部(後述)を除いて基本的に同一形状であり、周方向に同一間隔で配列されている。既述のごとく、隣接する折れ線状コイルセグメント241aは互いに絶縁されている。また、各折れ線状コイルセグメント241aは、対向面側の対応する折れ線状コイルセグメント241aと、内周縁側端部および外周縁側端部(図13の部分241b,241f)の接合面233において接合されている。図22Bでは、折れ線状コイルセグメント241a’の形態を代表させて明示している。なお図22Bにおいてハッチングで示した領域243は、図15で示した凹部243の形成領域である。

上述の折れ線状コイルセグメント241aの接合によって、第1コイルプレート211−1側と第2コイルプレート211−2側との間を交互に行き来する、扁平螺旋形のコイルループ261,262,263が完成する。

図23Aに示すように、同一の形状および構成を備えたU相コイルループ261、V相コイルループ262、およびW相コイルループ263は、周知の三相巻線と同様にロータ磁極1極対分を電気角2π(rad)として、各相コイルループ間は電気角(2/3)・π(rad)の位相差を備えるように配置されている。

図23Bは、ループ形態の理解を容易にするために、三相のコイルループのうちの一相分のU相コイルループ261のみを取り出して示した図である。図23Bではコイルバスバー231を除去した状態を示している。コイルループ261は、第1コイルループ要素261Aと第2コイルループ要素261Bの2つのコイルループ要素から成る。両コイルループ要素261A,261Bは同一形状であり、コイルループの1ピッチ分(図23B中の位相角θに相当)周方向に位相をずらした状態で配置されている。また、第1コイルループ要素261Aの4本の折れ線状コイルセグメント241aにおける中心方向直線部241dと、第2コイルループ要素261Bの4本の折れ線状コイルセグメント241aにおける中心方向直線部241dとは、正対した状態でスペース234を介して重なっている。

続いて、U相コイルループ261の詳細を述べる。
図24Aは、図23Bにおける四角枠部を拡大した斜視図である。また図24Bは、コイルループ261の一部正面図であり、ロータ側磁極面との関係を説明するための図である。

図24Aと図24Bでは、内周縁側に第1コイルループ要素261Aの給電端子271A、および第2コイルループ要素261Bの給電端子271Bも示している。また図24Bでは、コイルループ261に対して、図示しないロータ上に配置された永久磁石によって形成されるN極およびS極の磁極面が、最大限ラップした瞬間の位相関係を示している。

図24Aを参照して、給電端子271Aの端子A1に流れ込んだ電流i1の経路などを説明する。

先ず、端子A1を含む折れ線状コイルセグメント241a内を流れた電流i1は、外周側の接続部分241bを経て、4本並んでいる折れ線状コイルセグメント241aのうち、最初のターンを構成する最右列の折れ線状コイルセグメント241aR内を外周側から内周側に向かって流れる。そして内周側の接続部241fを経て、最右列の折れ線状コイルセグメント241aR内を内周側から外周側に向かって流れていく。このような経路で順次、内周側→外周側→内周側→外周側…と電流i1が流れ、第1コイルループ要素261A内を時計回りに一周すると、今度は、端子A1の左隣に位置する、2番目のターンを構成する右から2列目の折れ線状コイルセグメント241aへと電流i1が流れていく。2列目の折れ線状コイルセグメント241a内を上記と同様に周回した後は、3列目および4列目の折れ線状コイルセグメント241a内を周回し、最終的には給電端子271Aの端子A2から電流i1が流れ出す。

一方、給電端子271Bの端子B2に流れ込んだ電流i2は、外周側の接続部分241bを経て、最初のターンを構成する最左列の折れ線状コイルセグメント241aL内を外周側から内周側に向かって流れる。そして、内周側の接続部241fを経て、最左列の折れ線状コイルセグメント241aL内を内周側から外周側に向かって流れていく。このような経路で順次、内周側→外周側→内周側→外周側…と電流i2が流れ、第2コイルループ要素261B内を反時計回りに一周すると、今度は端子B2の右隣に位置する、2番目のターンを構成する左から2列目の折れ線状コイルセグメント241aへと電流i2が流れていく。2列目の折れ線状コイルセグメント241a内を上記と同様に周回した後は、3列目および4列目の折れ線状コイルセグメント241a内を周回し、最終的には給電端子271Bの端子B1から電流i2が流れ出す。

以上のような電流経路の説明で明らかなように、第1コイルループ要素261Aおよび第2コイルループ要素261Bは、平面的にはいわゆる波巻状のコイルパターンを有する。

図24A中の大矢印で示すように、第1コイルループ要素261Aに電流I1が通電され、第2コイルループ要素261Bに電流I2が通電されるとき、両コイルループを径方向に流れる電流I1,I2の向きは同一となる。この結果、同極性の磁界が両コイルループ要素により生成され、その合成磁界は足し合わされて強め合う。

端子A1を給電入力端子とし、端子A2と端子B2とをバスバー等により接続し、端子B1を給電出力端子とすれば、両コイルループ要素が直列に接続された状態のU相コイルループ261が実現する。V相コイルループ262、W相コイルループ263は、U相コイルループ261と同形状、同構成であり、コイルプレート211内での配置関係のみが異なるので、その詳細な説明を省略する。

ここで、位相角θについて説明する。

図23Bに示すように、第1コイルループ要素261Aと第2コイルループ261Bとの位相角θは、図示しないロータ上に配置された永久磁石が形成するS極磁極面351およびN極磁極面352がそれぞれ周方向に占める位相角と一致している。このため、第1コイルループ要素261AがS極と対向している瞬間には、第2コイルループ要素261BはN極と対向することになる。すなわち、両コイルループ要素261A,261Bは、互いに電気角でπ(rad)の位相差を持つ逆極性のコイルループ要素となっている。

また図24Bに示すように、U相コイルループ261が周方向に占める範囲は、磁極ピッチ角θの1/3の位相角範囲であり、残りの2/3の位相角範囲に、前述の図23Aで説明した配置関係でV相コイルループ262およびW相コイルループ263が配置され、全体としてコイルプレート211が形成されている。なお、図24Bはロータ側磁極面との関係を説明するためのものであるが、説明の便宜上、周方向の折れ線状コイルセグメント241aの幅や位相角の幅は簡略化あるいは誇張して図示している。

本実施形態においては、図24Bに示すように、1つのコイルループ要素は、一極対当たり4ターンを備えた波巻状の構成となっており、上述のように両コイルループが直列接続されることで、一相、一極当たり8ターンの構成となっている。なおターン数は、本発明のモータ10の出力、相電流値およびコイルの相抵抗値、有効磁束量のパラメータを考慮して、コイルに生じる銅損が最小値になり、かつコイルのターン数を大きくし過ぎることで電源電圧の上限を超える電圧が必要となってしまうことが無いように決定した。但し、トルクや回転数等の出力要求やモータ寸法等に対する要求パラメータが変更されれば、当然ながら最適なターン数等も変わってくる。また、本実施形態のコイルループ261A,261Bは、磁極面と対向した亀甲形状の領域265を形成するが、この領域内を通過する磁束がモータ出力に有効な磁束となる。従って、亀甲形状の領域265における種々のサイズや角度は、この領域内を通過する磁束量が極力多くなり、かつコイルの相抵抗が極力低い値に抑えられるように適宜決定されるのが望ましい。

最後に、図25と図26を参照して、完成したコイルプレート211の外周縁部および内周縁部に取り付けられるインシュレータについて説明する。図25はコイルプレート211の正面図を示し、図26は図25の一部を拡大して示した図である。

281はコイルプレート211の外周縁部に固定されたインシュレータであり、282はコイルプレート211の内周縁部に固定されたインシュレータである。1つのリング状部材になるよう形成されたインシュレータ281,282は、絶縁性を有する剛性部材(例えばガラスファイバー入りナイロン)で形成され、周縁部においてコイルプレート211としっかりと噛み合うように三角形状の凹凸が設けられている。ステータ内に設けられたコイルプレート211は、インシュレータ281,282によってホールドされ、ロータの磁石による反トルクに対抗して動かないように設けられている。

また、インシュレータ281,282は、取り付けられる箇所の形状に応じて湾曲形状に形成され、かつ外周縁および内周縁に形成されたコイル巻線パターン211aのギザギザ端部に嵌め込むように形成されている。コイルプレート211に上記インシュレータ281,282を固定することにより、コイルプレート211の外周縁部と内周縁部を保持し、その強度を高めることが可能となる。さらに、ステータコイル201の側には、大きなトルク反力を受けるが、上記の構成によって、大きなトルク反力にも耐えることができる。

上記のおいて、エッチングやワイヤカットなどで精度よくパターニングを行う本発明では、コイル10における無駄なスペースを最小にすることができ、この結果、コイルの占積率を最大化できる。さらにコイルには銅板を用いるため、通常、知られている巻線構造とは異なり、強度も高くすることができる。

以上の実施形態で説明された構成、形状、大きさおよび配置関係については本発明が理解・実施できる程度に概略的に示したものにすぎず、また数値および各構成の組成(材質)については例示にすぎない。従って本発明は、説明された実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示される技術的思想の範囲を逸脱しない限り様々な形態に変更することができる。

本発明は、車両のホイール等に組み込まれるインホイール型モータ等の回転電機用コイルとして利用される。

本発明に係る回転電機用コイルを内蔵する電動機(モータ)の実施形態を示す縦断面図である。 図1に示したモータのインナー側モータ側面を示す斜視図である。 図1に示したモータのアウター側モータ側面を示す斜視図である。 図1に示したモータの回転系部分を示す縦断面図である。 図1に示したモータの分解組立て図である。 アウター側から見たステータの全体の分解組立て図である。 インナー側から見たステータの要部の分解組立て図である。 ステータコイルの斜視図である。 ステータコイルの正面図である。 図9におけるA−A線断面図である。 本発明に係る回転電動用コイルの製造方法を示す工程図である。 第1工程における第1ステータコイルの基礎部材を示す正面図である。 図12における矩形領域Aを拡大して示す拡大図である。 第2工程で第1ステータコイルの基礎部材と第2ステータコイルの基礎部材を接合した状態を示す斜視図である。 図14におけるB−B線断面図である。 他の変形実施例を示す図15と同様な断面図である。 他の変形実施例を示す図15と同様な断面図である。 他の変形実施例を示す図15と同様な断面図である 第3工程を説明するためのステータコイル基礎部材の要部の拡大正面図である。 図19AにおけるC−C線縦断面図である。 第3工程でのステータコイル基礎部材の他の変形実施例を示す縦断面図である。 第4工程における切断線を示すステータコイル基礎部材の部分正面図である。 完成したステータコイルの斜視図である。 図22Aにおける四角枠部を拡大した斜視図である。 完成したステータコイルでの3つのコイルループの関係を示す正面図である。 完成したステータコイルでのU相コイルループのみを示す正面図である。 図23Bにおける四角枠部を拡大して示した斜視図である。 ロータ側磁極面との関係を説明するためのコイルループ(261)の一部正面図である。 インシュレータが取り付けられたステータコイルの正面図である。 図25における部分拡大図である。

符号の説明

10 モータ
100 シャフト状センター部
200 ステータ
201 ステータコイル
211 コイルプレート
211−1 第1コイルプレート要素
211−2 第2コイルプレート要素
211a コイル巻線パターン
234 スペース
235 外周縁支持部材
236 内周縁支持部材
241 折れ線状配線パターン
242 スリット
251 絶縁膜
281 インシュレータ
282 インシュレータ
300 ロータ
301 インナーロータ
302 アウターロータ
305a 磁石
305b 磁石
400 冷却システム
500 給電システム

Claims (31)

  1. 回転電機のステータに用いられる回転電機用コイルであって、
    前記回転電機用コイルは、それぞれにスリットによって配線パターンが形成された、少なくとも2層の、所定の径方向幅を有する環状のコイルプレート要素を有し、
    異なる前記コイルプレート要素同士は、中間部において離間しつつ内周部および外周部において接合されることで、コイル巻線パターンを形成するための前記配線パターンを有するコイルプレートを構成するものであって、
    前記コイルプレート要素は、エッチングによって前記スリットおよび前記配線パターンが形成された、所定数の薄型金属板を積層接合することで形成され、
    前記配線パターンは、周方向に等間隔で配列された複数の折れ線状コイルセグメントで構成され、対向して設けられた異なる前記コイルプレート要素の前記配線パターン同士は反転状態で接合されることを特徴とする回転電機用コイル。
  2. さらに絶縁部を有し、前記絶縁部は、前記コイルプレート要素に被覆された絶縁コーティングと、前記コイルプレート要素の隙間に充填された充填絶縁材の少なくとも一方を含むことを特徴とする請求項1記載の回転電機用コイル。
  3. 前記絶縁コーティングの材料は、ポリイミド、ポリパラキシレン、DLC(ダイアモンドライクカーボン)のいずれかであることを特徴とする請求項2記載の回転電機用コイル。
  4. 前記充填絶縁材は、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂または紫外線硬化樹脂のいずれかであることを特徴とする請求項2または3記載の回転電機用コイル。
  5. 前記熱硬化性樹脂、前記熱可塑性樹脂または前記紫外線硬化樹脂は、エポキシ、フェノール、DPA(フタル酸ジアリル)、ポリエステル、ポリイミド、ポリアミドイミド、PBT(ポリブチレンテレフタレート)、PET(ポリエチレンテレフタレート)、PPS(ポリフェニルサルファイド)、LCP(液晶ポリマー)、シリコーン(珪素樹脂)のいずれかであることを特徴とする請求項4記載の回転電機用コイル。
  6. 前記コイルプレートは環状のプレート部材であり、前記コイルプレートの内周縁および外周縁をそれぞれ保持する内周縁インシュレータおよび外周縁インシュレータを有することを特徴とする請求項1記載の回転電機用コイル。
  7. 前記コイルプレートの内周縁側に通電用のコイルバスバーを設けた請求項1〜のいずれか1項記載の回転電機用コイル。
  8. 前記折れ線状コイルセグメントの周方向幅は内周側よりも外周側で大きくなっており、前記スリットの周方向幅は一定であることを特徴とする請求項1記載の回転電機用コイル。
  9. 前記スリットの周方向幅は内周側よりも外周側で大きくなっており、前記折れ線状コイルセグメントの周方向幅は一定であることを特徴とする請求項1記載の回転電機用コイル。
  10. 前記折れ線状コイルセグメントは、前記コイルプレートの中心を向いて設けられた中心方向直線部分と、斜め方向を向いて設けられた斜め方向直線部分と、内周部および外周部における接合部分とを有することを特徴とする請求項1、8、9のいずれか1項に記載の回転電機用コイル。
  11. 前記コイル巻線パターンは、2相以上のn相に対応した数のコイルループを備えていることを特徴とする請求項1〜10のいずれか1項に記載の回転電機用コイル。
  12. 前記コイルループのそれぞれが周方向に占める位相角範囲は、前記コイルプレートに対応して周方向に配列される磁石における極間隔1ピッチ分(磁極ピッチ角θ)の1/nであることを特徴とする請求項11記載の回転電機用コイル。
  13. 前記コイルループは、同一形状の第1および第2のコイルループ要素を備え、前記第1および第2のコイルループ要素は、前記極間隔1ピッチ分に相当する周方向位相差を有するように設けられていることを特徴とする請求項11または12記載の回転電機用コイル。
  14. 前記第1および第2のコイルループ要素は、それぞれ波巻状の形状を有し、前記第1および第2のコイルループ要素には互いに逆方向に周回電流が流れ、かつ、前記第1および第2のコイルループ要素が備える折れ線状コイルセグメントにおいて前記コイルプレートの中心を向いて設けられた中心方向直線部分は互いに対向して同方向に電流が流れるように配置されていることを特徴とする請求項13記載の回転電機用コイル。
  15. 少なくとも2層の前記コイルパターン要素同士は、拡散接合、熱圧着接合またはろう付け接合によって接合されていることを特徴とする請求項1〜14のいずれか1項に記載の回転電機用コイル。
  16. 少なくとも2層の前記コイルパターン要素の間の隙間にセラミックシートが設けられていることを特徴とする請求項1〜15のいずれか1項に記載の回転電機用コイル。
  17. 少なくとも2層の前記コイルパターン要素の各々で、それらの間の隙間に面する表面にセラミック溶射皮膜が設けられていることを特徴とする請求項1〜16のいずれか1項に記載の回転電機用コイル。
  18. ステータとロータを有し、前記ステータのコイルとして請求項1〜17のいずれかの回転電機用コイルを用いて構成されることを特徴とする回転電機。
  19. 前記ロータは前記ステータの片側または両側に配置され、全体がアキシャルディスク型の構造を有することを特徴とする請求項18記載の回転電機。
  20. 前記ステータの中心部と前記ロータの中心部に共通なシャフト状センター部が設けられ、当該シャフト状センター部に冷却系構成部と給電系構成部の少なくとも一方が集約して設けられていることを特徴とする請求項19記載の回転電機。
  21. 前記回転電機は、ホイールの内部に組み込まれ、当該ホイールを回転駆動するインホイル型モータであることを特徴とする請求項1820のいずれか1項記載の回転電機。
  22. 回転電機のステータに用いられる回転電機用コイルの製造方法であって、
    スリットによって所定の配線パターンが形成された、少なくとも2層の、所定の径方向幅を有する環状のコイルプレート要素を形成する工程と、
    異なる前記コイルプレート要素同士を、中間部において離間しつつ内周部および外周部において接合し、コイル巻線パターンを形成するための前記配線パターンを有するコイルプレートを形成する工程と、を有し、
    前記コイルプレート要素を形成する前記工程は、エッチングによって薄型金属板に前記スリットおよび前記配線パターンを形成する工程と、所定数の前記薄型金属板を積層接合する工程を含むことを特徴とする回転電機用コイルの製造方法。
  23. 前記コイルプレート要素に被覆された絶縁コーティングと、前記コイルプレート要素の隙間に充填された充填絶縁材の少なくとも一方とを含む絶縁部を形成する工程を有することを特徴とする請求項22記載の回転電機用コイルの製造方法。
  24. 前記絶縁コーティングの材料は、ポリイミド、ポリパラキシレン、DLC(ダイアモンドライクカーボン)のいずれかであることを特徴とする請求項23記載の回転電機用コイルの製造方法。
  25. 前記充填絶縁材は、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂または紫外線硬化樹脂のいずれかであることを特徴とする請求項23または24記載の回転電機用コイルの製造方法。
  26. 前記熱硬化性樹脂、前記熱可塑性樹脂または前記紫外線硬化樹脂は、エポキシ、フェノール、DPA(フタル酸ジアリル)、ポリエステル、ポリイミド、ポリアミドイミド、PBT(ポリブチレンテレフタレート)、PET(ポリエチレンテレフタレート)、PPS(ポリフェニルサルファイド)、LCP(液晶ポリマー)、シリコーン(珪素樹脂)のいずれかであることを特徴とする請求項25記載の回転電機用コイルの製造方法。
  27. 前記コイルプレートを形成する前記工程で、前記コイルプレートは環状のプレート部材として形成され、さらに前記コイルプレートを形成する前記工程は、前記コイルプレートの内周縁および外周縁に、それぞれを保持する内周縁インシュレータおよび外周縁インシュレータを取り付ける工程を含むことを特徴とする請求項2226のいずれか1項記載の回転電機用コイルの製造方法。
  28. 前記コイルプレートの内周縁側に通電用のコイルバスバーを設ける工程を有することを特徴とする請求項2227のいずれか1項に記載の回転電機用コイルの製造方法。
  29. 前記コイルプレートを形成する前記工程は、少なくとも2層の前記コイルパターン要素同士を、拡散接合、熱圧着接合またはろう付け接合によって接合する工程を含むことを特徴とする請求項2228のいずれか1項に記載の回転電機用コイルの製造方法。
  30. 前記コイルプレートを形成する前記工程は、少なくとも2層の前記コイルパターン要素の間の隙間にセラミックシートを設ける工程を含むことを特徴とする請求項2229のいずれか1項に記載の回転電機用コイルの製造方法。
  31. 少なくとも2層の前記コイルパターン要素の各々で、それらの間の隙間に面する表面にセラミック溶射皮膜を設ける工程を有することを特徴とする請求項2230のいずれか1項に記載の回転電機用コイルの製造方法。
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