JP4993177B2 - 電機子、電機子の製造方法、コアレスモータ及びブラシレス発電機 - Google Patents

Description

本発明は、耐電圧に優れた電機子、その電機子の製造方法、その電機子をロータとして用いたコアレスモータ、その電機子をステータとして用いたブラシレス発電機に関する。

特許文献１には、円筒形状のコイル体の一端側の内周面にホイールを固定したロータ（電機子）が開示されている。この特許文献１には、コイル体とホイールとの接合や耐電圧構造について詳しく開示されていないが、一般的には、アルミニウム製のホイールに酸化皮膜を形成する酸化皮膜処理をした後、コイル体に絶縁性接着剤で接着固定して、ホイールとコイル体との間の絶縁（耐電圧）を図っていた。

また、ホイールとコイル体との間の絶縁を高める為、ホイールに絶縁性接着剤を貼着したテープを巻いてコイル体に固定することが公知である。

特開２００１−２７５２９５号公報

近年、コアレスモータ用ロータにおいて、従来の絶縁では十分でなく、ホイールとコイル体との間の絶縁に高い耐電圧が要求されることがある。更に、絶縁性接着剤テープをホイールに巻き付ける従来技術では、テープの接着剤が経年劣化して剥離するため、長期使用に耐えられないという問題があった。

そこで、本発明は、高い耐電圧を有すると共に長期使用が可能な電機子、電機子の製造方法、コアレスモータ及びブラシレス発電機の提供を目的とする。

前記課題を解決するために、請求項１に記載された発明は、円筒形状のコイル体と、外周面がコイル体の内周面に固定されたホイールとを備える電機子において、ホイールの外周面には線状絶縁材を巻いて外周面を覆った線材層と、線材層の外周側を絶縁性接着剤で覆った接着剤層とを形成してあり、ホイールの外周にコイル体を配置した後にホイールの絶縁性接着剤と同種の接着剤をコイル体の外周面に塗布してあり、ホイールの外周面にはその両端部に各々面取りした傾斜面が形成してあり、前記接着剤層はホイールの外周面及び前記傾斜面を覆うと共にホイールの両端面側でホイールの厚みよりも食み出して形成してあることを特徴とする。

本明細書において、「電機子」とは、モータや発電機におけるコイルと、コイル支持体で構成されるものを意味し、コイル体にはコイル線やコイル線に相当する回路を金属板にエッチングして形成したものを含む意味である。

請求項２に記載された発明は、請求項１に記載の電機子の製造方法であって、ホイールの外周面にはその両端部に各々面取りした傾斜面が形成してあり、ホイールの外周面に線状絶縁材を巻き付けて外周面に線材層を形成する第１線材層形成工程と、線材層の外側に絶縁性熱硬化接着剤を塗布して熱硬化する接着剤層形成工程と、接着剤層の外周に線状絶縁材を巻き付けて第２の線材層を形成する第２線材層形成工程と、ホイールの外周に円筒形状のコイル体を配置した後、コイル体の外周面全面にホイールの絶縁性熱硬化接着剤と同種の絶縁性熱硬化接着剤を塗布して熱硬化するコイル体固定工程とをこの順序で備え、前記接着剤層形成工程は、アルミホイールの一端面に一方マンドレルの端面を当接し、アルミホイールの他端面に他方のマンドレルの端面を当接して、一方及び他方のマンドレルでアルミホイールを挟み込んでアルミホイールの外周面に絶縁性熱硬化接着剤を塗布しており、一方及び他方のマンドレルは、アルミホイールとの当接端側の外周縁を切除してあり、絶縁性熱硬化接着剤を切除部に入り込ませて熱硬化することを特徴とする電機子の製造方法である。

請求項３に記載された発明は、請求項１に記載の電機子をコアレスモータのロータとして用い、ロータに固定した回転軸と、ロータのコイル体の内側に配置されたマグネットと、ロータのコイル体に接続した整流子と、整流子に接触するブラシとをハウジング内に備え、ブラシに給電することによりロータを回転することを特徴とするコアレスモータである。

請求項４に記載された発明は、請求項１に記載の電機子のコイル体には複数のコイル回路が形成してあり、この電機子をブラシレス発電機のステータとして用いており、ステータのコイル体に対向配置されたマグネットを有しコイル体の周囲に沿って回転するロータとを備え、ロータの回転によりコイル体のコイル回路に生じる電磁誘導電流を導出することを特徴とするブラシレス発電機である。

請求項１に記載の発明によれば、ホイールの外周面には接着剤層の下に線状絶縁材を巻いた線材層を形成しているので、絶縁性接着剤の定着性が良い。これにより、絶縁性接着剤の厚さがコイル体の圧力により一定以上薄くなることを防ぎ高い電圧を保つことが可能である。また、経年劣化し難く長期使用が可能であり、特に、高温環境化での長期使用が可能である。

絶縁性接着剤の定着性が良いのは、線状絶縁材を巻くことにより線材間に絶縁性接着剤が入り込むと共に接着面積が増加する為と考えられる。

絶縁性接着剤はコイル体の外周面に塗布する絶縁性接着剤と同種にしているので、相溶性が良くホイールとコイル体との接着性に優れる。

ホイールとコイル体との間に線材層と接着剤層との少なくとも２つの絶縁層を形成しているので、絶縁性が高く耐電圧に優れる。

接着剤層がホイールの外周部において外周面と両端面との３面に跨っているので、更にホイールとコイル体との間の耐電圧に優れる。

請求項２に記載された発明によれば、請求項１に記載の接着剤層の食み出しを容易に形成することができる。

請求項３に記載された発明によれば、請求項１に記載の発明と同様の効果を奏することができるコアレスモータを提供することができる。

請求項４に記載された発明によれば、請求項１に記載の発明と同様の効果を奏することができるブラシレス発電機を提供することができる。

以下に、添付図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は本実施の形態に係るコアレスモータ用ロータの図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）に示すＡ部の断面図であり、図２は図１に示すロータの製造工程を示す図であり、図３は接着剤層形成工程を説明する図であり、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は（ａ）示すＢ部の断面図であり、図４は図３に示すホイール挟持用治具をホイールと共に示す分解斜視図であり、図５は接着剤層形成工程における接着剤の塗布と温度との関係を示すグラフであり、図６は本実施の形態に係るコアレスモータの縦断面図であり、図７は図６のＡ−Ａ断面図である。

本実施の形態に係るコアレスモータ１は、電動機械の動力源に用いられるモータであり、図６及び図７に示すように、ハウジング３と、回転軸５と、ロータ（電機子）６、マグネット９と、マグネットホルダ１１とを備えている。

ハウジング３は有底円筒形状に形成されており、開口側（ヘッド側）にはヘッドカバーアッセンブリ１３が取付けられている。ヘッドカバーアッセンブリ１３には、ヘッド側軸受け１５及び給電端子１７が取付けられている。

回転軸５はボトム１９側に設けたボトム側軸受け２３とヘッド側に設けたヘッド側軸受け１５とにより回転自在に保持されている。回転軸５のヘッド側端にはアダプタ２５が取付けられており、アダプタ２５から回転出力が外部機構に伝達される。

ロータ６は、図１（ａ）及び図６に示すように、円筒形状のコイル体７と、コイル体７の内側に嵌合固定されたホイール８とから構成されており、コイル体７にはブラシ２８から整流子２４を経て給電されるようになっている。

コイル体７は、銅板をエッチングして形成されており、マグネット９の外周側にマグネット９と隙間をあけて配置されている。

ホイール８は、回転軸５に固定してあり、回転軸５と共に回転するようになっている。このホイール８はアルミニウム製であるが酸化皮膜処理されていない。

マグネット９はマグネットホルダ１１の外周に固定されており、マグネットホルダ１１は、ハウジング３のボトム１９に嵌合固定されている。

ここで、ロータ６の絶縁構造について説明する。図１（ｂ）に示すように、ホイール８の外周面には線状絶縁材３１が巻かれて外周面を覆った線材層３３と、線材層３３の外側を絶縁性接着剤３５で覆った接着剤層３７と、更にその外周に線状絶縁材３１を巻いて覆った第２の線材層５０を形成してある。コイル体７にはホイール８の絶縁性接着剤３５と同種の接着剤３９をコイル体７の外周面に塗布して製造してあり、絶縁性接着剤３５及び３９によりコイル体７とホイール８とを接着固定している。

線状絶縁材３１は、径が約２０μｍのグラスファイバーであり、ホイール８の外周面８ａに密着して一列に巻かれている。

ホイール８の絶縁性接着剤３５は、絶縁性熱硬化樹脂であり、具体的にはポリイミドである。絶縁性接着剤３５はホイール８の外周面８ａからホイール８の両側端面８ｂ、８ｃに食み出して形成しており、ホイール８の外周部では、外周面８ａ、両側端面８ｂ、８ｃとの三面を覆っている。コイル体７の外周面に塗布する絶縁性接着剤３９もポリイミドである。

次に、図２〜図４を参照して、ロータ６の製造方法について説明する。まず、図２（ａ）に示すように、ホイール８の外周面８ａにグラスファイバー（線状絶縁材）３１を巻きつけて外周面を覆って線材層３３を形成する（線材層形成工程）。尚、ホイール８において外周面８ａの端面８ｂ、８ｃ側の縁部は切除（面取り）されている。

続いて、図２（ｂ）に示すように、線材層３３の外周側に熱硬化性の絶縁性接着剤３５を塗布した後に加熱して熱硬化させる（接着剤層形成工程）。この接着剤層形成工程では、線材層３３を形成した後のホイール８を図３（ａ）に示すように、一方のマンドレル４１及び他方のマンドレル４３（塗布用治具）で挟持して貫通するボルトで締め上げ、ホイール８の外周面をローラ４５に接触させながら、絶縁性接着剤３５を塗布して、接着剤層を所定の厚みに形成する。

一方及び他方のマンドレル４１、４３は、図３（ｂ）及び図４に示すように、各々円柱形状を成してあり、一方及び他方のマンドレル４１、４３にはホイール側端面の周縁を切除した切除部４７が形成されている。このように切除部４７を形成することにより、図２（ｂ）に示すように、ホイール８の外周面８ａに形成する接着剤層３７に端面側に突出した食み出し部３７ａを形成することができる。マンドレルに切除部４７を形成することによりホイール８に形成する接着剤層３７の食み出し部３７ａを容易に形成する。

接着剤層形成工程では、絶縁性接着剤３５の塗布と熱硬化とを複数回繰り返して、接着剤層３７を形成する。接着剤層３７は絶縁性接着剤３５の塗布と加熱硬化を複数回繰り返して形成することにより絶縁性接着剤３５中の気化成分が蒸散して気泡を低減できるので、絶縁性を高め、耐電圧に優れる。絶縁性接着剤３５の塗布と温度との関係は図５のグラフに示すように、絶縁性接着剤３５を塗布した後、所定温度（熱硬化温度よりも少し低い温度）まで加熱して絶縁性接着剤３５を再度塗布し、更に温度を上昇させた後に絶縁性接着剤３５を塗布することを３〜５回繰り返して所定の厚みにした後、熱硬化温度を十分に越える温度まで上昇させ、その後にクールダウンする。そして、接着剤層３７の外周に線状絶縁材３１を巻き付けて第２の線材層５０を形成する。

次に、図２（ｃ）に示すように、ホイール８の外周にコイル体７を巻いた後、コイル体７の外周面全面に、ホイール８の接着剤層３７の絶縁性接着剤３５と同種の絶縁性接着剤３９を塗布して熱硬化する（コイル体固定工程）。コイル体７の外周面に塗布した絶縁性接着剤３９は、コイル体７においてはエッチングで形成した隙間を通って、ホイール８の接着剤層３７の接着剤３５と融合して熱硬化する。これにより、図１（ｂ）に示すように、ホイール８の外周部では、接着剤層３７が外周面８ａと両端面８ｂ、８ｃとを覆うように形成される。

次に、本発明にかかるコアレスモータの作用効果について説明する。

コアレスモータの駆動は、ブラシ２８に電流を給電すると、ブラシ２８に摺接する整流子２４からコイル体７に給電され、マグネット９とコイル体７との間に生じる電磁力によりコイル体７が回転軸５と共に回転する。

本実施の形態に係るコアレスモータ１によれば、ホイール８の外周面８ａには接着剤層３７の下に線状絶縁材３１を巻いた線材層３３を形成しているので、接着剤層３７の定着性が良い。これにより、高い耐電圧を得ることができると共に経年劣化し難く長期使用が可能である。

本実施の形態にかかるロータ６おいて、ホイール８の接着剤層３７は絶縁性接着剤３５を３〜５回塗布と熱硬化を繰り返して５０μｍ〜８０μｍの厚みとしたもの（実施例品）と、酸化皮膜処理したアルミニウム製ホイールを接着剤でコイル体に接着固定したもの(従来品)とについて、コイル体とホイールとの間に電圧を印加して、耐電圧を測定したところ、実施例品は７００Ｖ〜１０００Ｖの電圧でも１ｍＡ以下の電流であったが、従来品では３００Ｖで１ｍＡの電流を越えた。更に、本発明品では厚みを厚くしたものは、最大２５００Ｖの電圧でも１ｍＡ以下であった。尚、耐電圧測定機としては、シャンハイ・ステ・エレクトリック・コーポレイション（Ｓｈａｎｇｈａｉ ＳｕＴｅ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏ．，Ｌｔｄ）製のＺＨＺ８を用いた。また、実施例品は接着材層の厚みを５０、６０、７０、８０μｍのものを各々製造して耐電圧を測定した。

絶縁性接着剤３５の定着性が良いのは、線状絶縁材３１をホイール８に巻くことにより線材３１間に絶縁性接着剤３５が入り込むと共に接着面積が増加する為と考えられる。更に、絶縁性接着剤３５はコイル体７の外周面に塗布する絶縁性接着剤３９と同種にしているので、コイル体７の絶縁性接着剤３９との相溶性が良くホイール８とコイル体７との接着性に優れる。

アルミニウム製ホイール８に酸化皮膜処理をすることなく使用できるので、製造が容易である。

線状絶縁材３１をグラスファイバーとしてあるので、絶縁性接着剤として熱硬化樹脂を用いて加熱硬化した場合にも、加熱による溶融や変性の影響を受けないで済む。

絶縁性接着剤層３７がホイール８の外周部において外周面８ａと両端面８ｂ，８ｃとの３面に跨っているので、更に耐電圧に優れる。

本発明は上述した実施の形態に限定されず、その要旨を逸脱しない範囲で種々変形可能である。

図８に示すように、絶縁性接着剤層形成工程では、図８（ｂ）に示すような中間マンドレル（中間治具）４９を用いて、図８（ａ）に示すように、線材層３３を形成後のホイール８を複数個同時に一方のマンドレル４１及び他方のマンドレル４３で挟持して、全体を貫通するボルトで締め上げ、絶縁性接着剤３５を塗布するものであっても良い。複数のホイール８に同時に接着剤層３７を形成できるので、製造効率が良い。

熱硬化性接着材は、二液性硬化接着剤であっても良い。

また、図９に示すように、ホイール８には第２の線材層５０を形成しないで、線材層３３と接着剤層３７のみとしても良い。

図１０及び図１１を参照して第２実施の形態について説明するが、以下の説明では上述した実施の形態と同一の作用効果を奏する部分には同一の符号を付することにより、その部分の詳細な説明を省略し、上述した実施の形態と主に異なる点を説明する。尚、図１０は図１１（ａ）に示すＥ―Ｅ断面図であり、図１１は風力発電装置の図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。

第２実施の形態に係るブラシレス発電機６１は、風力発電装置６３に用いられるものであり、風を受ける羽根６５に回転軸５が固定されており、回転軸５に固定されたロータ６７には、マグネット９が周方向に配置固定されている。この実施の形態では、電機子をステータ６９として用いており、ステータ（電機子）６９のコイル体７の外周にロータ６７のマグネット９が対向配置されており、ロータ６７はコイル体７の周囲に沿って回転し、ロータ６７の回転によりコイル体７に形成されている複数のコイル回路に生じる電磁誘導電流を導出するようになっている。

コイル体７の内周にはホイール８が固定されており、コイル体７とホイール８との固定部分は第１実施の形態と同様に絶縁処理されている。

この第２実施の形態に係るブラシレス発電機６１によれば、図１及び図２に示す第１実施の形態及び図９に示す他の実施の形態と同様に、ホイール８の外周面８ａには接着剤層３７の下に線状絶縁材３１を巻いた線材層３３を形成しているので、接着剤層３７の定着性が良く、高い耐電圧を得ることができると共に経年劣化し難く長期使用が可能である。

さらに、ブラシレス発電機６１は、コギングトルクがなく起動抵抗が小さいので、風力発電装置６３は、微風から風車を回すことができる。また、ブラシレス発電機は鉄損がないので発電機効率がよい。さらに、ブラシレス発電機６１は鉄心が無いので、発電機６１の重量が軽く、軽量な発電システムを構築することができる。

コイル体７には銅板をエッチングしてコイル回路を形成しているので、コイル回路を薄く精密に作ることができる。その結果、エアギャップが狭くなり、薄いマグネット９を用いてもエアギャップの磁束密度を高めることができ、マグネット重量を少なくできる。また、機械的に精密で強度の高いコイル体７の製作が可能であり、信頼性が高い。

本実施の形態に係るコアレスモータ用ロータの図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）に示すＡ部の断面図である。 図１に示すロータの製造工程を示す断面図である。 接着剤層形成工程を説明する図であり、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は（ａ）示すＢ部の断面図である。 ホイール挟持用治具をホイールと共に示す分解斜視図である。 接着剤層形成工程における接着剤の塗布と温度との関係を示すグラフである。 本実施の形態に係るコアレスモータの縦断面図である。 図６のＡ−Ａ断面図である。 他の実施の形態にかかる接着剤層形成工程を説明する図であり、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は（ａ）に示す中間マンドレルを抜き出して示す斜視図である。 他の実施の形態にかかるコアレスモータ用ロータ図であり、図１（ｂ）と同じ部位における断面図である。 第２実施の形態にかかるブラシレス発電機の図であり、図１１（ａ）に示すＥ―Ｅ断面図である。 第２実施の形態にかかるブラシレス発電機を用いた風力発電装置の図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。

１ コアレスモータ
３ ハウジング
５ 回転軸
６ ロータ（電機子）
７ コイル体
８ ホイール
３１ 線状絶縁材
３３ 線材層
３５ 絶縁性接着剤
３７ 接着剤層
３９ 絶縁性接着剤（コイル体の外周面に塗布する接着剤）
４１、４３ マンドレル
４７ 切除部
５０ 第２の線材層
６１ ブラシレス発電機
６７ ステータ（電機子）

Claims (4)

1. 円筒形状のコイル体と、外周面がコイル体の内周面に固定されたホイールとを備える電機子において、
   ホイールの外周面には線状絶縁材を巻いて外周面を覆った線材層と、線材層の外周側を絶縁性接着剤で覆った接着剤層とを形成してあり、ホイールの外周にコイル体を配置した後にホイールの絶縁性接着剤と同種の接着剤をコイル体の外周面に塗布してあり、ホイールの外周面にはその両端部に各々面取りした傾斜面が形成してあり、前記接着剤層はホイールの外周面及び前記傾斜面を覆うと共にホイールの両端面側でホイールの厚みよりも食み出して形成してあることを特徴とする電機子。
2. 請求項１に記載の電機子の製造方法であって、ホイールの外周面にはその両端部に各々面取りした傾斜面が形成してあり、ホイールの外周面に線状絶縁材を巻き付けて外周面に線材層を形成する第１線材層形成工程と、線材層の外側に絶縁性熱硬化接着剤を塗布して熱硬化する接着剤層形成工程と、接着剤層の外周に線状絶縁材を巻き付けて第２の線材層を形成する第２線材層形成工程と、ホイールの外周に円筒形状のコイル体を配置した後、コイル体の外周面全面にホイールの絶縁性熱硬化接着剤と同種の絶縁性熱硬化接着剤を塗布して熱硬化するコイル体固定工程とをこの順序で備え、前記接着剤層形成工程は、アルミホイールの一端面に一方マンドレルの端面を当接し、アルミホイールの他端面に他方のマンドレルの端面を当接して、一方及び他方のマンドレルでアルミホイールを挟み込んでアルミホイールの外周面に絶縁性熱硬化接着剤を塗布しており、一方及び他方のマンドレルは、アルミホイールとの当接端側の外周縁を切除してあり、絶縁性熱硬化接着剤を切除部に入り込ませて熱硬化することを特徴とする電機子の製造方法。
3. 請求項１に記載の電機子をコアレスモータのロータとして用い、ロータに固定した回転軸と、ロータのコイル体の内側に配置されたマグネットと、ロータのコイル体に接続した整流子と、整流子に接触するブラシとをハウジング内に備え、ブラシに給電することによりロータを回転することを特徴とするコアレスモータ。
4. 請求項１に記載の電機子のコイル体には複数のコイル回路が形成してあり、この電機子をブラシレス発電機のステータとして用いており、ステータのコイル体に対向配置されたマグネットを有すると共にコイル体の周囲に沿って回転するロータとを備え、ロータの回転によりコイル体のコイル回路に生じる電磁誘導電流を導出することを特徴とするブラシレス発電機。
   

Images