JP4993883B2 - 回転電機及び電動車椅子 - Google Patents

Description

この発明は、ステータのティースを改良することにより、誘導電流による損失が抑制された回転電機及び、この回転電機が装備された電動車椅子に関するものである。

従来からこの種の回転電機としては、アキシャルギャップ型のものがあり、この回転電機は、図１６乃至図１９に示すように、ティース２が設けられたステータ３と、図示していないが複数のマグネット（永久磁石）を有するロータとが回転軸心方向に間隙を介して配置されている。

詳しくは、そのティース２は、鉄損対策のため、鋼板２ａが複数枚径方向に積層して成り、円板状（略リング状）のステータヨークコア６の周方向に所定間隔に並んで複数配置固定されている。これら複数のティース２には、図では詳細は省略されているが、絶縁材(ボビン)を介してコイルが巻回されている。そして、これらティース２、ステータヨークコア６、コイルは、図１７に示すように組み立てられている。更に、図１６に示すように、これらティース２のロータに対する対向面２ｂが露出するように、モールド樹脂７により一体にモールド固定されている。

そのティース２の鋼板２ａは、分離された状態でステータヨークコア６に組付け後モールドされてモールド樹脂７により一体に固定される。しかし、分離された鋼板２ａを組み立てるのは煩雑であり工程コストの増加を招いていた。

このため、製造や組み立ての手間を少なくするため、一般に各鋼板２ａはハーフピアス部等のカシメ手段によって事前に固定されている。

なお、この種のものとしては、例えば特許文献１に記載されたようなものがある。この特許文献１では、ティースの鋼板に相当する突極用コア積層板に、これらを相互に積層固定するために用いる穴が形成されている。段落番号［００１５］によれば、「その穴は、プレス抜きされて形成されており、」と記載されており、又、段落番号［００１４］によれば、「図２において、プレス抜きされた板片を各プレスステージにおける圧延鋼板の上側の位置に描いてある。」と記載され、図２においては、圧延鋼板の上側の位置に、穴を打ち抜いた円形の板片が描かれている。してみれば、その穴は貫通穴であることは明白である。
特開平１１−３１８０５９号公報。

しかしながら、ハーフピアス部により各鋼板２ａを固定する場合、一箇所のみでは十分な強度が得られず組み立て中に分離してしまう虞がある。このため、製造や搬送に十分耐えられるカシメ強度を得るには複数箇所でのカシメが必要となると共に、それら鋼板２ａは絶縁膜により絶縁されているが、ハーブピアス部によってその絶縁膜が破られてショートし、各鋼板２ａは電気的に接続された状態となるため、ハーフピアス部が複数箇所あると、それらハーフピアス部を介して閉回路が形成されるため、この閉回路を磁束が横切ることにより、誘導電流が流れ、エネルギー損失の原因となる虞がある。

よって、ハーフピアス部を形成することなく、高効率化(誘導電流損低減)のために組み立てコストがアップすることを受け入れるか(許容するか)、コスト低減のため、ある程度の効率ダウンを受け入れるかの何れかである。

なお、特許文献１において、ティースの鋼板に相当する突極用コア積層板には、これらを相互に積層固定するために用いる穴が形成されているが、この穴は貫通穴であるため、誘導電流が発生するものではない。

そこで、この発明は、ティースを嵌合部を用いて固定した場合でも、嵌合部を介しての誘導電流損失を最小限に抑えることができる回転電機及び、この回転電機が装備された電動車椅子を提供することを課題とする。

かかる課題を達成するために、請求項１に記載の発明は、コイルを巻回した複数のティース及び該各ティース間を繋ぐステータヨークコアを有するステータと、前記ティースに間隙を介して対向して配置されるマグネットを有するロータとを備え、前記ティースと前記マグネットとは、回転軸心方向に間隙を介して対向して配置された回転電機において、前記ティースは、複数の磁性鋼板が積層されることにより略Ｔ字状に形成され、前記マグネットに対向する幅広の部分である前記Ｔ字の頭部と、前記コイルが巻回される略一定幅の部分である前記Ｔ字の脚部の巻回部と、前記ステータヨークコアに挿入される部分である前記Ｔ字の脚部の挿入部とを有し、前記略一定幅の部分の巻回部には、互いに積層される磁性鋼板を固定する複数の嵌合部が設けられ、該複数の嵌合部は、前記略一定幅の巻回部の中心線と同方向に並んで設けられ、前記ステータヨークコアの、前記ティースの挿入部が挿入される側の面は、前記回転電機の軸心に直交しており、前記ティースに設けられた前記巻回部の前記中心線は、前記軸心と平行であり、前記ステータヨークコアの前記面に最も近接する当該嵌合部が当該面から所定距離以上離間するように、前記複数の嵌合部が前記巻回部の前記中心線と略平行な領域内に配置され、前記複数の嵌合部は、前記頭部及び前記挿入部から、前記巻回部の幅の１／２以上離れた領域に設けられた回転電機としたことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の構成に加え、前記磁性鋼板は、両側面に絶縁膜が形成され、前記嵌合部において前記絶縁膜が破断されて、該嵌合部を介して複数の磁性鋼板の間に閉回路が構成されたことを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の構成に加え、前記各磁性鋼板に形成された前記各嵌合部は、互いに同方向に突出する凸形状を呈し、該各嵌合部が互いに凹凸嵌合されることにより、前記各磁性鋼板が積層されたことを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３の何れか一つに記載の回転電機が駆動輪に連結されて、前記回転電機の駆動力が前記駆動輪に伝達されるように構成された電動車椅子としたことを特徴とする。

上記請求項１に記載の発明によれば、ティースの巻回部に設けられた複数の嵌合部は、その略一定幅の巻回部の中心線と同方向に並んで設けられたため、この巻回部では、特に高磁束密度時において、磁束が略中心線と同方向に流れていることから、複数の嵌合部を中心線と同方向に並んで設けることで、嵌合部の間に形成される閉回路を流れる磁束の変化量を小さく抑えることができ、エネルギー損失を低く抑えることができる。さらに、請求項１に記載の発明によれば、複数の嵌合部を、前記マグネットと前記ステータヨークコアとの間に生成される磁束が前記巻回部の前記中心線と平行になる領域に配置したので、回転電機の回転によって磁束が乱れない領域に複数の嵌合部を配置することができ、これによりエネルギー損失をより一層抑えることができる。また、複数の嵌合部により、組立て性を向上させることができると共に、製造や搬送に十分耐えられる組立て強度を得ることができる。
さらに、請求項１に記載の発明によれば、アキシャルギャップ型の回転電機とすることで、小型／偏平、軽量で嵌合部による損失の小さい高効率の回転電機を提供できる。
加えて、請求項１に記載の発明によれば、嵌合部は、頭部及び前記挿入部から、巻回部の幅の１／２以上離れた領域に設けられたため、頭部及びステータヨークコアおよびヨーク挿入部付近での磁束の乱れによる影響が抑えられ、更に損失を低く抑えることができる。

請求項３に記載の発明によれば、各磁性鋼板に形成された各嵌合部は、互いに同方向に突出する凸形状を呈し、各嵌合部が互いに凹凸嵌合されることにより、各磁性鋼板が積層されたため、凹凸嵌合させるだけで各磁性鋼板を容易に積層できる。

請求項４に記載の発明によれば、回転電機は損失を低減できることから、小型で、高出力の回転電機を搭載した電動車椅子を提供できる。

以下、この発明の実施の形態について説明する。
［発明の実施の形態１］

図１乃至図１２には、この発明の実施の形態１を示す。

まず構成を説明すると、図１中符号１１は、この発明に係る「回転電機」である電動モータ１２（図２参照）が装備された電動車椅子で、その電動モータ１２の駆動力により走行されるようになっている。

その電動車椅子１１は、車両の骨格であるフレーム１３に、使用者が着座するシート部１４と、後述の電動モータ１２が内蔵された一対の駆動輪ユニット１５が配設され、操作部１７を操作することにより、その電動モータ１２を介して駆動輪１６が所定量駆動されるようになっている。その両駆動輪１６は各々独立して駆動されるようになっており、操作部１７の操作により、任意に方向転換及び速度調整されるように構成されている。

その駆動輪ユニット１５は、電動モータ１２，駆動系、駆動輪１６等をユニット化したもので、図１に示すフレーム１３に、図２に示すボルト１９とナット１９ａにより固定されている。

その電動モータ１２は、アキシャルギャップ型のもので、ステータ２１とロータ２２とを有し、これらがケース２３とカバー２４により形成された空間に収容されている。前述のボルト１９は、カバー２４に植設されている。

そのステータ２１はケース２３にボルト５１で固定される一方、ロータ２２は、ケース２３側に軸受け２７,２７を介して回転自在に配設されたロータ軸３０にセレーション嵌合されてナット３１により固定されている。

このロータ２２は、図２乃至図４に示すように、略円板形状のロータヨーク３３を有し、このロータヨーク３３の中心部が前記ロータ軸３０にセレーション嵌合される一方、このロータヨーク３３の周縁部の片面側に、長方形の複数のマグネット３４が一定間隔で周方向に沿って接着固定されている。そして、このマグネット３４がステータ２１と回転中心方向に間隙Ｃ（図２参照）を介して対向するように配置されている。

これらマグネット３４は、Ｎ極とＳ極とが交互に隣接して配設され、略円形状にロータヨーク３３に接着固定されている。

また、そのロータヨーク３３は、図２及び図３に示すように、中心部側が凹状にプレス加工されており、凹部３３ａには、カバー２４に固定された電磁ブレーキ３６が収容されている。この電磁ブレーキ３６によって回転が停止される環状回転体３６ａとロータ２２はピン３７を介して回転方向に固定されている。さらに、その凹部３３ａの反対側にはセンサーマグネット３８が接着固定され、このセンサーマグネット３８に対向する磁極位置センサー（ホールＩＣ）４０がケース２３に固定され、この磁極位置センサー４０がコントローラ３９に電気的に接続され、この磁極位置センサー４０によってロータ２２の磁極位置を検出している。

さらに、ロータ軸３０にはサンギヤ３０ａが形成されており、２段の遊星減速機４２のプラネタリギヤ４２ａと噛み合っている。その遊星減速機４２はロータ２２の回転を減速してハブ４４に伝達し、このハブ４４の回転により駆動輪１６が回転されるように構成されている。

一方、ステータ２１は、略円板（リング）形状のステータヨークコア４７と、このステータヨークコア４７の円周方向に所定間隔で配設された複数のティース４８と、これら各ティース４８の周囲にボビン４９を介して巻回されたコイル５０とを有し、これらがモールド樹脂５２で一体にモールド固定されている。このときステータ２１の周囲には、複数のカラー５３がインサートされることにより取付フランジ５２ａも同時に成形される。

そして、これら複数の取付フランジ５２ａがボルト５１を介してケース２３に固定されるようになっている。

また、コイル５０はＵ、Ｖ、Ｗ相毎に連結され、各連結コイルの一方は電気的に接続されており（中性点）、他方はドライバと接続するためモールド外部に引き出される。

より詳しくは、ステータヨークコア４７は、図８に示すように、同形状の鋼板５４が複数枚積層されて形成され、前記ティース４８が挿入される嵌合孔４７ａが形成されている。

また、ティース４８は、複数の磁性鋼板５７が積層されることにより略Ｔ字状に形成され、マグネット３４に対向する幅広の部分であるＴ字の頭部４８ａと、前記コイル５０が巻回される略一定幅の部分であるＴ字の脚部４８ｂの巻回部４８ｃと、前記ステータヨークコア４７の嵌合孔４７ａに挿入される部分であるＴ字の脚部４８ｂの挿入部４８ｄとを有している。

そして、その略一定幅の部分の巻回部４８ｃには、互いに重ね合わされる磁性鋼板５７が複数（２カ所）の「嵌合部」としてのハーフピアス部５７ａにより互いに固定され、これら２カ所のハーフピアス部５７ａは、この巻回部４８ｃの中心線Ｏ１と同方向に並んで設けられている。ここでは、中心線Ｏ１上に並んで設けられているが、中心線Ｏ１と平行な線上に並んで設けられていても良い。

この２カ所のハーフピアス部５７ａは、図１１に示すように、頭部４８ａ及び挿入部４８ｄから、巻回部４８ｃの幅Ｗの１／２以上離れた領域Ａ（ハッチング部分）に設けられている。

また、それらハーフピアス部５７ａは、図１０に示すように、側面視で略矩形の嵌合凸部５７ｂが隣接する磁性鋼板５７の嵌合凹部５７ｃに嵌合されるようになっている。この磁性鋼板５７は、両側面側に略全面に渡って絶縁膜５７ｄが形成されて絶縁されているが、ハーフピアス部５７ａを形成することにより、嵌合凸部５７ｂの側面部５７ｅ及び嵌合凹部５７ｃの側面部５７ｆには絶縁膜が存在しないことから、隣接する磁性鋼板５７同士が矢印に示すように、電気的に短絡することにより閉回路が形成される。

さらに、このティース４８には、挿入部４８ｄに、モールド樹脂５２が充填されて抜け止めが行われる樹脂充填溝４８ｆが形成されると共に、その頭部４８ａには、前記ロータ２２のマグネット３４に対向する対向面４８ｇが形成され、この対向面４８ｇには、ステータ周方向の略中心部に、径方向に延びる凸部４８ｈが形成されている。凸部４８ｈの高さ及び幅は全長に渡って同じである。また、この凸部４８ｈの両側の対向面４８ｇは、図５に示すように、モールド樹脂５２で埋設されている。

このティース４８の対向面４８ｇと、ロータ２２のマグネット３４とは、回転軸心方向に間隙Ｃを介して対向して配置されている。

なお、図２中符号５９はスポーク、符号６０はハンドリムである。

次に、作用について説明する。

電動モータ１２を駆動させるべく、コイル５０に通電されると、コイル５０による磁力とマグネット３４による磁力とが合成されて、ステータ２１とロータ２２との間に磁力が作用して、そのロータ２２が回転させられ、ロータ軸３０、ハブ４４等を介して駆動輪１６が駆動される。

この際には、図１２に示すように、ロータヨーク３３、マグネット３４、ティース４８及びステータヨークコア４７に、磁束が流れる。ティース４８においては、一定幅部分の巻回部４８ｃでは、その中心線Ｏ１（図１１、図１２参照）に対して磁束が平行に流れているが、他の部分である頭部４８ａ及び挿入部４８ｄでは、磁束の流れる方向は一定しない。

従って、その磁束が中心線Ｏ１に対して平行に流れている巻回部４８ｃに、複数のハーフピアス部５７ａを、その中心線Ｏ１に沿って形成することにより、そのハーフピアス部５７ａによる閉回路もその中心線Ｏ１に沿って形成されることから、閉回路を横切って流れる磁束の変化が低減され、その結果、閉回路を流れる誘導電流が低減されてエネルギー損失が小さく抑えられる。

これに対して、例えば図９中、一点鎖線Ｘに示すように、一対のハーフピアス部５７ａの位置が、中心線Ｏ１方向に対して傾いた方向にあると、ショートしたハーフピアス部５７ａで形成される閉回路と、中心線Ｏ１に対して平行に流れる磁束が鎖交する。すると、この磁束の変化により、その閉回路に鎖交磁束の微分の誘起電圧が発生し、この誘起電圧により、誘導電流が発生する。

図１２（ａ）は、巻回部４８ｃの中心線Ｏ１と、マグネット３４の中心線Ｏ２とが略一致した位置での磁束の流れを示し、図１２（ｂ）は、中心線Ｏ１と中心線Ｏ２とが少しずれた位置での磁束の流れを示す。図１２（ｂ）に示すように、頭部４８ａ及び挿入部４８ｄ付近では磁束の流れが乱れているが、この２カ所のハーフピアス部５７ａを、図１１に示すように、頭部４８ａ及び挿入部４８ｄから、巻回部４８ｃの幅Ｗの１／２以上離れた領域Ａ(ハッチング部分)に設けることにより、この領域Ａにおいては、磁束は中心線Ｏ１に沿って流れているため、より一層、誘導電流の発生を抑制でき、エネルギー損失を抑えることができる。

また、図８に示すティース４８は、一種類の磁性鋼板５７を多数積層して形成しているため、加工費および金型費を抑えることができると共に、これら磁性鋼板５７は、ハーフピアス部５７ａによりカシメ固定されているため簡単に積層及び組立ができる。

さらに、ティース４８は、内部が広く形成された樹脂充填溝４８ｆが形成され、この樹脂充填溝４８ｆにモールド樹脂５２が充填されているため、ティース４８をステータヨークコア４７に強固に固定して抜け止めできる。

さらにまた、ティース４８の対向面４８ｇの凸部４８ｈ以外をモールド樹脂５２で覆うことでも、マグネット３４の吸引力に対する抜け止めとなる。

そして、この電動モータ１２はエネルギー損失を低減できることから、小型で、高出力の電動モータ１２を搭載した電動車椅子１１を提供できる。
［発明の実施の形態２］

図１３及び図１４には、この発明の実施の形態２を示す。

この実施の形態２は、「嵌合部」の構成が実施の形態１と相違している。実施の形態１では、正面から見て円形のハーフピアス部５７ａであったが、この実施の形態２では、正面から見て図１３に示すように、巻回部４８ｃの中心線Ｏ１方向に沿う長方形状を呈し、図１４に示す断面図のように略Ｖ字形状を呈するＶ字カシメ部５７ｆによって各磁性鋼板５７が互いにカシメ固定されている。

この２カ所のＶ字カシメ部５７ｆも、実施の形態１のハーフピアス部５７ａと同様、巻回部４８ｃの中心線Ｏ１上に沿って並んで形成されている。

他の構成及び作用は実施の形態１と同様であるので説明を省略する。

なお、上記各実施の形態では、嵌合部（ハーフピアス部５７ａ，Ｖ字カシメ部５７ｆ）は、各磁性鋼板５７のプレス抜き時に同時に形成され、続く工程で、複数枚重ねてプレスすることにより嵌合固定されて積層されるようにしているが、この発明はこの積層方法に限定されるものでない。

また、嵌合部の構造も各実施の形態のものに限定されることなく、磁性鋼板を互いに重ねて固定できる構造であれば、如何なる構造でも良い。

さらに、上記各実施の形態では、嵌合部（ハーフピアス部５７ａ，Ｖ字カシメ部５７ｆ）は２カ所形成されていたが、これに限らず、３カ所等でも良いし、中心線に平行に複数列形成しても良い。

さらにまた、上記各実施の形態では、ティース対向面４８ａの凸部４８ｈ以外の部分全面がモールド樹脂５２で覆われるようにしているが、これに限らず、図１５に示すように、凸部４８ｈ以外の部分の一部をモールド樹脂５２で覆うようにすることもできる。

この発明の実施の形態１に係る電動車椅子の側面図である。 同実施の形態１に係る電動モータを示す断面図である。 同実施の形態１に係る電動モータのロータを示す斜視図である。 同実施の形態１に係る電動モータのロータを示す正面図である。 同実施の形態１に係る電動モータのステータを示す斜視図である。 同実施の形態１に係る電動モータのステータを示す裏面図である。 同実施の形態１に係る電動モータのステータのモールド前の状態を示す斜視図である。 同実施の形態１に係る電動モータのステータの一部を示す分解斜視図である。 同実施の形態１に係るステータのティースの正面図である。 同実施の形態１に係る図９のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 同実施の形態１に係るステータヨークコアとティースとを示す図である。 同実施の形態１に係る磁束を示す図で、（ａ）及び（ｂ）は、ロータの位置の異なるものを示す。 この発明の実施の形態２に係るティースを示す正面図である。 同実施の形態２に係る図１３のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。 この発明の実施の形態の変形例を示す、図５に相当する電動モータのステータを示す斜視図である。 従来例を示すステータの斜視図である。 同従来例を示すステータのステータヨークコア及びティースを示す斜視図である。 同従来例を示すティースの斜視図である。 同従来例を示すティースの正面図である。

符号の説明

11 電動車椅子
12 電動モータ（回転電機）
21 ステータ
30 ロータ軸
33 ロータヨーク
34 マグネット
47 ステータヨークコア
48 ティース
48a 対向面
48b 凸部
48c 巻回部
48d 挿入部
49 ボビン
50 コイル
52 モールド樹脂
57 鋼板
57a ハーフピアス部（嵌合部）
57d 絶縁膜
57f Ｖ字カシメ部（嵌合部）
Ｗ 巻回部の幅

Claims (4)

1. コイルを巻回した複数のティース及び該各ティース間を繋ぐステータヨークコアを有するステータと、
   前記ティースに間隙を介して対向して配置されるマグネットを有するロータとを備え、
   前記ティースと前記マグネットとは、回転軸心方向に間隙を介して対向して配置された回転電機において、
   前記ティースは、複数の磁性鋼板が積層されることにより略Ｔ字状に形成され、前記マグネットに対向する幅広の部分である前記Ｔ字の頭部と、前記コイルが巻回される略一定幅の部分である前記Ｔ字の脚部の巻回部と、前記ステータヨークコアに挿入される部分である前記Ｔ字の脚部の挿入部とを有し、
   前記略一定幅の部分の巻回部には、互いに積層される磁性鋼板を固定する複数の嵌合部が設けられ、該複数の嵌合部は、前記略一定幅の巻回部の中心線と同方向に並んで設けられ、
   前記ステータヨークコアの、前記ティースの挿入部が挿入される側の面は、前記回転電機の軸心に直交しており、
   前記ティースに設けられた前記巻回部の前記中心線は、前記軸心と平行であり、
   前記ステータヨークコアの前記面に最も近接する当該嵌合部が当該面から所定距離以上離間するように、前記複数の嵌合部が前記巻回部の前記中心線と略平行な領域内に配置され、
   前記複数の嵌合部は、前記頭部及び前記挿入部から、前記巻回部の幅の１／２以上離れた領域に設けられた、
   ことを特徴とする回転電機。
2. 前記磁性鋼板は、両側面に絶縁膜が形成され、前記嵌合部において前記絶縁膜が破断されて、該嵌合部を介して複数の磁性鋼板の間に閉回路が構成されたことを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
3. 前記各磁性鋼板に形成された前記各嵌合部は、互いに同方向に突出し、反対側に凹部が形成され、該各嵌合部が互いに凹凸嵌合されることにより、前記各磁性鋼板が積層されたことを特徴とする請求項１又は２に記載の回転電機。
4. 請求項１乃至３の何れか一つに記載の回転電機が駆動輪に連結されて、前記回転電機の駆動力が前記駆動輪に伝達されるように構成されたことを特徴とする電動車椅子。

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