JP5957544B2

JP5957544B2 - アキシャルギャップ型回転電機

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Publication number: JP5957544B2
Application number: JP2014558324A
Authority: JP
Inventors: 榎本　裕治; 裕治榎本; 博洋床井; 見多出口
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2013-01-23
Filing date: 2013-01-23
Publication date: 2016-07-27
Anticipated expiration: 2033-01-23
Also published as: JPWO2014115255A1; WO2014115255A1; US20150380992A1

Description

本発明は、回転電機に係り、特に、軸方向の中心部に固定子が樹脂モールドで保持され、その軸方向両側に回転子を有するアキシャルギャップ型回転電機に関する。

アキシャルギャップ型回転電機には、回転電機の回転軸方向に一対の円板形状の回転子を対向するように配置し、この一対の回転子の間に所定のギャップを介して固定子を挟み込んだ構造を有する２ロータ１ステータ型のアキシャルギャップ型回転電機がある。回転子は、回転子コアと、周方向に１つまたは複数個配置された磁石とから構成され、固定子は、周方向に配置される複数の固定子コアと、固定子コアの周囲に巻回されるコイルとから構成される。このようなアキシャルギャップ型回転電機としては、例えば、特許文献１に記載されている。

一方、固定子がモールド樹脂で保持されている場合、軸受電食が問題となる。即ち、固定子コアがモールド樹脂で電気的に絶縁され浮遊電位となっているため、回転子と固定子間の静電容量により固定子と回転子との間に電圧が発生する。この電圧が軸受の油膜の放電開始電圧と比較して大きい場合、軸受内で放電が発生し、軸受の寿命が低下する。軸受電食の対策として、固定子コアをアースする方法が知られている（例えば、特許文献２）。

特許文献１に記載の固定子は、軸線方向にみて扇形の鉄心（固定子コア）の回りにコイルを巻き付けたものを所期の極数分だけ周方向に並べて全体として円環状とされ、板状の支持部材を介してケースに取り付け支持した構成となっている。このため、固定子コアが樹脂モールドされても、板状の支持部材を導電性の材料で構成することによって、ケースを介してアースすることができる。

しかし、特許文献１に記載の２ロータ1ステータ型のアキシャルギャップ型回転電機では、固定子は、板状の支持部材によってコイルが板状の支持部材に両側に分割されているため、コイルの結線が複雑化し、また接続に伴う部品点数の増加や作業工数が増加する。

特許文献２には、ラジアルギャップ型のモールドモータにおいて、固定子コアの外周部に鉄心接続端子を固定して、鉄心接続端子をモータフレームに設けた導電層と接触させることで、固定子コアとモータフレームの導電層とを電気的に導通させて固定子コアをアースする方法が開示されている。しかし、特許文献２に記載のアース方法は、アキシャルギャップ型回転電機（特に２ロータ１ステータ型のアキシャルギャップ型回転電機）には適用できない。即ち、アキシャルギャップ型回転電機の固定子コアにおいては、特許文献１に記載のような分割構造でない場合には、全周にコイルが巻回されているために固定子コア外周部に鉄心接続端子を設けることができない。

また、固定子コアが露出しているギャップ面において固定子コアと鉄心接続端子とを接触させる場合、コイルから生ずる磁束が鉄心接続端子に作用して損失が発生する問題や、鉄心接続端子が挿入されることでギャップ長が増加してしまう問題もある。

さらには、複数の固定子コアが周方向に配置されたアキシャルギャップ型回転電機では、周方向に配置された複数の固定子コアを全て同時にアースするためには、一体構造の部品でそれらのコアをつなぐ必要があるが、構造が複雑になり、また、部品としては円盤状の中空リングになるため、材料の利用率が悪くコスト高になる。

特開2005ー269778号公報特開2009ー118628号公報

本発明に係る課題は、固定子が樹脂モールドで保持されているアキシャルギャップ型回転電機において、安価な構造を有し、信頼性高く固定子コアのアースを実現することにある。

上記課題を解決するために本発明に係るアキシャルギャップ型回転電機は、固定子コアを有する固定子と、前記固定子を貫通する軸と、前記軸の方向に対して前記固定子と隙間を介して配置される回転子と、前記固定子を収納するハウジングと、前記固定子コアと前記ハウジングと接続する第１接続部材と、前記固定子を前記ハウジングの内壁に固定する樹脂材料と、を備え、前記第１接続部材は、前記固定子コアと接続する第１接続部と、前記ハウジングの内壁と接続する第２接続部と、前記第１接続部と前記第２接続部との間に塑性変形部と、を設ける。

本発明によれば、安価な構造により、信頼性高く固定子コアのアースを実現することができる。

上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の実施例１のアキシャルギャップモータ固定子のモールド金型内状態図。本発明の実施例１のアキシャルギャップモータ固定子上側モールド金型のゲート上面構造を示す斜視図。本発明の実施例１のアキシャルギャップモータ固定子上側モールド金型のゲート下面構造を示す斜視図。本発明の実施例１のアキシャルギャップモータ固定子モールド金型の下面突起とアース接続板の導入孔の位置関係を示す断面図。本発明の実施例１のアキシャルギャップモータ固定子モールド金型の下面突起がアース接続板の導入孔に加圧された状態を示す断面図。本発明の実施例１のアース接続板構造を示す斜視図。本発明の実施例１のアキシャルギャップモータ固定子とハウジングと金型との位置関係を説明するための組立状態を示す斜視図。本発明の実施例１のアキシャルギャップモータ固定子コアとコイル巻線用ボビンとの関係を説明するための組立状態を示す斜視図。本発明の実施例１のアキシャルギャップモータ固定子コアとコイル巻線用ボビンとアース接続板の組立位置関係を説明するための斜視図。本発明の実施例１のアキシャルギャップモータ固定子コアとコイル巻線用ボビンとアース接続板の位置と、導入孔の位置関係を説明するための斜視図。本発明の実施例２におけるアース接続板の構造を示す斜視図。本発明の実施例２のアース接続板を下側モールド金型に位置決め組立する構造を示す斜視図。本発明の実施例２のアース接続板と巻線ボビンを下側モールド金型に位置決め組立する構造を示す斜視図。本発明の実施例２のアース接続板と巻線ボビンおよび、上部アース接続板を位置決め組立する構造を示す斜視図。本発明の実施例１の固定子を用いたアキシャルギャップモータの構成を示す斜視図。図７（ａ）の面Ｂに沿って切断された、本発明の一実施例のアキシャルギャップモータの構造を示す断面図

以下、本発明の実施例を説明する。以下の説明では、アキシャルギャップ型回転電機の一例として、２ロータ１ステータ型のアキシャルギャップモータに本発明を適用した場合について説明する。２ロータ１ステータ型のアキシャルギャップ型回転電機では、２枚の回転子を有するため、１ロータ型のアキシャルギャップ型回転電機と比較し、より多くの磁石磁束を利用できる。そのため、高効率化・高出力密度化の点で有利である。

図７（ａ）と図７（ｂ）を用いて本実施形態に適用される２ロータ1ステータ型のアキシャルギャップモータの概略構造を説明する。図７(ａ)は、本発明の一実施例である２ロータ１ステータ型のアキシャルギャップモータの構造を示す斜視図、図７(ｂ)は、図７（ａ）の面Ｂに沿って切断された、本発明の一実施例のアキシャルギャップモータの構造を示す断面図である。

２ロータ１ステータ型のアキシャルギャップモータは、図７(ａ)に示すように、回転軸方向に一対の円板形状の回転子２０ａと回転子２０ｂが対向するように配置される。固定子１００が、一対の回転子２０ａ及び回転子２０ｂの間に所定のギャップを介して挟み込まれている。

回転子２０ｂは、回転子ヨーク２１ｂを介して回転軸２４に取り付けられる。固定子１００はモールド樹脂（不図示）によって金属製のハウジング８に支持されている。ハウジング８の中央部には軸受け２５がモールド樹脂によって支持される構造となっており、回転子シャフト２４を回転可能に支持する構造となっている。

回転子２０ａは、周方向に１つまたは複数個配置された磁石２２ａとその磁石と磁石の間に配置されたスペーサ２３ａが回転子ヨーク２１ａに保持されて構成されている。回転子２０ｂは、周方向に１つまたは複数個配置された磁石２２ｂとその磁石と磁石の間に配置されたスペーサ２３ｂが回転子ヨーク２１ｂに保持されて構成されている。

なお、本発明において、回転子２０ａ及び回転子２０ｂは、図７(ａ)及び図７（ｂ）に示した構造に限定されるものではなく、具体的な形状については任意であってよい。例えば、回転子ヨーク２１ａまたは回転子ヨーク２１ｂの内部に渦電流を防止するための磁性材料を埋め込んだ構成にしても良い。

固定子は、周方向に配置される複数の固定子コア１と、各固定子コア１の周囲に巻回されるコイル２とから構成され、モールド樹脂によって一体化されてモールド樹脂を介してハウジング８に保持されている。コイル２は、絶縁性の巻き線用ボビン３に巻かれ、そのボビン３の内側部に固定子コア１が配置される構成となる。固定子コア１は、モールド樹脂によってモールドされているために、電気的に独立し絶縁されている。このため、アースを施さないと、固定子コア２１ａ及び固定子コア２１ｂが浮動電位となり、固定子と回転子との間に電位差が発生する。そして、軸受２５に軸電圧が発生し軸受電流が流れるために、軸受電食が生ずることになる。従って、固定子コア１が浮動電位となることを防止する固定子コアのアース構造が必要となる。

図１(a)は、本発明の実施例１のアキシャルギャップモータ固定子をモールドする時のモールド金型内の固定子部品状態図を示している。ただし、ここではモールド樹脂の図示は省略している。

本実施例では、下側モールド金型５に固定子部品を所定の位置に位置決めされて配置され、その周囲を覆うように金属製ハウジング８を配置する。金属製ハウジング８の内周側の軸方向には、段差部８ｂが形成され、下側モールド金型５との軸方向の位置が一意に決められる。

また、固定子は、固定子コア１とその周囲にはコイルの巻線用ボビン３の周囲に巻かれた固定子コイル２が周方向に複数配置される構造となる。固定子コア１は、軟磁性材料で構成され、最終的にモールド樹脂によって保持される構造となるため、金属製のハウジング８と電気的に接続することが必要となる。

そこで、アース接続板４ａ及びアース接続板４ｂが固定子コア１の外径方向と金属製ハウジング８の間に配置される。アース接続板４ａ及びアース接続板４ｂは、固定子コア１と金属製ハウジング８との電気的な接続部材として機能する。

固定子コア１の軸方向長は、巻線用ボビン３の軸方向長よりも長く形成され、固定子コア１の一部が軸方向（モータの回転軸方向）に突出する。アース接続板４ａ及びアース接続板４ｂは、固定子コア１の突出部の外周面とハウジング８の内周面との間に配置され、リング形状の非磁性（常磁性）の導電性材料により構造される。

アース接続板は、これらの内周側が抜けたリング状であるために、プレスなどの工法を使用して製作すると、材料の利用率が悪く材料費が高いものになってしまう恐れがある。このため、本実施形態のアース接続板４ａ及びアース接続板４ｂは、周方向に複数に分割される。

アース接続板４ａ及びアース接続板４ｂに用いられる非磁性の導電性部材としては例えばアルミ合金が用いられる。導電性部材として磁性材を用いても良いが、磁束を固定子コアに効果的に通すようにするために、非磁性の導電性部材を用いることが望ましい。

図１に示されるアース接続板４ａは、固定子コア１の軸方向両側に配置され、かつ、ハウジング８と固定子コア１の間に塑性変形パンチ９が挿入するための導入孔１０を有する。導入孔１０は、丸形、角型など種々の形状が考えられる。本実施例では代表例として丸形について図示、説明していくものとする。導入孔１０は、塑性変形部として機能する。

周方向に複数配置されるアース接続板４ａ及びアース接続板４ｂは、複数の固定子コア１とハウジング８を信頼性高く電気的に接続する必要がある。モールド時にハウジング８とアース接続板４ａ及びアース接続板４ｂとの間に樹脂が流入し、固定子コア１の位置決め精度のばらつきなどによりアース接続板４ａと完全に接触しない場合が考えられる。

このためアース接続板４ａ及びアース接続板４ｂは、組立可能で、かつ、容易に電気接続を行える必要がある。そこで、モールドする時に、上側モールド金型６を型締めする場合に、上側モールド金型６の周方向位置で、かつ、アース接続板４ａの導入孔１０に塑性変形パンチ９を配置し、型締め時に導入孔１０を塑性変形させて、変形させてアース接続板４ａとハウジング８の電気的接続を信頼性高く行う構造とする。具体的には、アース接続板４ａは、固定子コア１と接続する第１接続部４１と、ハウジング８の内壁と接続する第２接続部４２とを形成する。そして導入孔１０は、第１接続部４１と第２接続部４２との間に形成される。

この時、図１の軸方向上部から、塑性変形パンチ９は軸方向の下に向かって応力を加えるため、その応力でアース接続板４ａの位置が移動しないようにハウジングの段差８ａによって受ける構造とする。これにより、ハウジング８とアース接続板４ａはカシメられ、高強度に電気的接続ができる。特に軸方向Ａから投影した場合に、アース接続板４ａ、導入孔１０の射影部が段差８ａの射影部と重なるように形成される。これにより、さらに高強度に電気的接続ができる。

なお、アース接続板４ｂも、アース接続板４ａと同様に、固定子コア１を接続する第３接続部４３と、ハウジング８の内壁と接続する第４接続部４４と、第３接続部４３と第４接続部４４との間に塑性変形部として機能する導入孔（不図示）と、を形成する。これにより、２つの回転子を有するアキシャルギャップ型回転電機において、固定子コア１の一方の電位差と固定子コア１の他方の電位差のバランスをとり、軸受電食の偏在を低減することができる。

図２（ａ）は、本発明の実施例１の上側モールド金型６のゲート上面構造の斜視図を示す。本実施例では、円柱状の金型の中央部３カ所にピンゲート７を３カ所設けられる。

図２（ｂ）は、上側モールド金型６を裏面から見た斜視図を示す。上側モールド金型６の周方向の外周に近い部分には、塑性変形パンチ９が突起状となって構成されている。

図２（ｃ）は、塑性変形パンチ９の詳細形状の横断面図をアース接続板４ａのパンチ導入孔１０との型締め前（塑性変形前）の位置関係を示している。アース接続板４ａの導入孔１０の径は、塑性変形パンチ９の最外径よりも小さく設定され、また、塑性変形パンチ９の突起量ｔ１は、アース接続板４ａの厚み、すなわち導入孔１０の深さｔ２よりも小さく設定されるものとする。

図２（ｄ）は、型締め後（塑性変形後）の塑性変形パンチ９と導入孔１０との関係を示している。小さい径を有する導入孔１０に、大きい径の塑性変形パンチ９を挿入するため、導入孔１０の周囲の材料はパンチ９の挿入によって塑性変形して周囲に流れ、ハウジング８と固定子コア１の間に突っ張って膨らんだ状態となる。その状態を示しているのが図２（ｅ）である。もともと図２（ｅ）の左側に示すように外周方向は円弧状であったアース接続板４ａは、塑性変形パンチ９の挿入によって、その周囲が塑性変形して、導入孔１０が図２（ｅ）の右側に示すように膨らむ状態となる。

図２（ｅ）ではハウジング８を示していないため、アース接続板４ａが膨らんで示されているが、ハウジング８の中で塑性変形パンチ９により塑性変形されたアース接続板４ａは、ハウジング８との間で突っ張って電気的に確実に接続することができる。従って、工程を増加することなく、そして、単純な構造で、固定子に複数配置されている固定子コアを信頼性高くアースすることができる。

また本実施例では、アース接続板４ａは、固定子コア１とハウジング８との間の放熱路としても作用するため、この結合度が強いほど熱伝導率を高めて固定子コア１の温度上昇を抑制することができる。

図３は、本実施形態に係るアキシャルギャップ型回転電機の組立順序の斜視図である。下側モールド金型５にアース接続板４ｂを周方向に配置した上に、固定子コア１の周囲にボビン３に巻線された固定子コイル２を周方向に等間隔に配置する。

さらに軸方向に段付き構造となったハウジング８を周方向にかぶせて配置したのちに、アース接続板４ａをハウジング８の段付き部８ａの上面と、ボビン３の上面が同一面となる位置に配置される。その上にゲート部７を有する上側モールド金型６を油圧などにより型締め組立し、樹脂をゲート部７から注入して樹脂成形して、ハウジング８と固定子コア1などの周方向配置された部品類を一体化する。

図４は、実施例２に係るアース接続板構造を示す。本実施例では、固定子コア１とアース接続板４ａの電気的な接続確保について説示する。

固定子コア1の寸法は、通常、巻線用ボビン３に組立可能とするために、巻線用ボビン３の内周側スロットの寸法よりも小さくして設計されることが多い。このような場合、前述のような方法では、固定子コア１の外周部にアース接続板４ａを配置しても内側に固定子コア１がずれるなどによって電気的な接続が外れてしまう場合が考えられる。

このような事象を防止するために、本発明の実施例２では、巻線用ボビン３の内側部と鍔部外側に、導電性塗料、導電性薄膜、導電性メッキなどの導電体を構成し、固定子コアとそれらの導電材との間の電気的導通を確実なものとし、その巻線用ボビンの鍔部表面の導電性材料とアース接続板4の電気的導通も確実なものにしようとするものである。

図４（ａ）には、巻線用ボビン３の鍔部の一部に導電性塗料を施した構造を斜視図にて図示している。内周部は、全てに導電性塗料を施しても良いし、図示のように所定の深さ分だけ施しても良い。その状態で、固定子コア１を挿入し、どこかの面、または点で、固定子コア１と導電性塗料の導通がとれる構造とする。図４（ｂ）では、図４（ａ）の状態のボビン３の外径部に、アース接続板４ａを配置した構造を示す。ボビン３の鍔部の導電性塗料１１の上にアース接続板４ａが配置されるので、導電性塗料とアース接続板４ａの導通の信頼性が向上する。

図４（ｃ）は、導入孔１０の位置を固定子コア1とハウジング８の間に配置する例を示している。このような位置に導入孔１０を配置することで、塑性変形した際に導入孔１０の周方向に広がる方向で応力がかかるため、ハウジング８とアース接続板４ａ、アース接続板４ａと固定子コア１、周方向に隣り合うアース接続板４ａ同士が強固に突っ張って接続される構造となる。

図５は、アース接続板の別の実施例を示す。本実施例のアース接続板は、位置決めのための位置決め用孔１２を有し、隣り合うアース接続板同士の接続を凹凸で接続する構造を持つことを特徴とする。

図６に本実施形態に係るアース接続板４０ａ及びアース接続板４０ｂの組立構造を示す。図６（ａ）は、下側モールド金型５とアース接続板４０ｂの組立工程を示す。本実施例の下側モールド金型５は、アース接続板４０ｂの位置決め用孔10にあわせた突起１５を有するものとし、その突起１５を基準にアース接続板４０ｂを組立する。その際に、隣り合うアース接続板４０ｂとも突起と凹部で組み合わさる構造とすることで、組立が容易になり、次の部品を組立する場合にずれることがないように保持することができる。

そして図６に示されるように、アース接続板４０ｂの位置決め用孔１２と嵌合する位置にボビン３側にも突起部１６を設ける構造とし、位置決め組立しやすい構造とする。

つぎにアース接続板４０ａの組立構造について図６（ｃ）に示す。ボビンを組立後、アース接続板４０ａも、アース接続板４０ｂと同様に、ボビン３の突起部１６に嵌合する位置決め用孔１２に組み立てることで、仮組状態で保持状態の良い組立が可能となる。その後、アース接続板４０ａでは使用していない位置決め用孔１０が、実施例１のパンチ挿入のための導入孔１０となり、モールド金型の塑性変形用パンチ９によって、ハウジング８と固定子コア１との電気的接続を確実なものとする。

１・・・固定子コア、２・・・コイル、３・・・巻線用ボビン、４ａ・・・アース接続板、４ｂ・・・アース接続板、５・・・下側モールド金型、６・・・上側モールド金型・、７・・・ピンゲート、８ａ・・・段差、８ｂ・・・段差、９・・・塑性変形パンチ、１０・・・導入孔又は位置決め用孔、４１・・・第１接続部、４２・・・第２接続部、４３・・・第３接続部、４４・・・第４接続部

Claims

固定子コアを有する固定子と、
前記固定子を貫通する軸と、
前記軸の方向に対して前記固定子と隙間を介して配置される回転子と、
前記固定子を収納するハウジングと、
前記固定子コアと前記ハウジングと接続する第１接続部材と、
前記固定子を前記ハウジングの内壁に固定する樹脂材料と、を備え、
前記第１接続部材は、前記固定子コアと接続する第１接続部と、前記ハウジングの内壁と接続する第２接続部と、前記第１接続部と前記第２接続部との間に塑性変形部と、を設けるアキシャルギャップ型回転電機。
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、
前記ハウジングは、段差部を設け、
前記第１接続部材は、前記段差部に配置されるアキシャルギャップ型回転電機。
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、
前記軸の軸方向から投影した場合に、
前記第１接続部材は、前記塑性変形部の射影部が前記段差部の射影部と重なるように形成されるアキシャルギャップ型回転電機。
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、
前記第１接続部材は、複数設けられ、
複数の前記第１接続部材の一方は、凸部を形成し、
複数の前記第１接続部材の他方は、前記凸部に嵌め合う凹部を形成するアキシャルギャップ型回転電機。
請求項１ないし４に記載のいずれかのアキシャルギャップ型回転電機であって、
前記固定子コアと前記ハウジングを接続する第２接続部材と、を備え、
前記回転子は、前記固定子を挟んで対向する第１回転子と第２回転子を有し、
前記第１接続部材は、前記第１回転子に近い側の前記固定子の面に配置され、
前記第２接続部材は、前記第２回転子に近い側の前記固定子の面に配置され、
さらに前記第２接続部材は、前記固定子コアを接続する第３接続部と、前記ハウジングの内壁と接続する第４接続部と、当該第３接続部と当該第４接続部との間に第２塑性変形部と、を設けるアキシャルギャップ型回転電機。
請求項１ないし５に記載のアキシャルギャップ型回転電機であって、
前記固定子は、コアとボビンと当該ボビンに巻かれる巻線により構成される固定子ユニットを周方向に複数個設け、
前記ボビンは、前記コアを収納する筒部と、前記筒部と接続される鍔部と、により構成され、
前記第１接続部材は、導電性部材を介して前記鍔部に配置され、
前記導電性部材は、前記コアと前記第１接続部材と接触するアキシャルギャップ型回転電機。
請求項６に記載のアキシャルギャップ型回転電機であって、
前記導電性部材は、前記コアと前記筒部との間の空間まで形成され、
さらに前記導電性部材は、前記筒部と対向する前記コアの面と接触するアキシャルギャップ型回転電機。
請求項１ないし５に記載のアキシャルギャップ型回転電機であって、
前記固定子は、コアとボビンと当該ボビンに巻かれる巻線により構成される固定子ユニットを周方向に複数個設け、
前記ボビンは、前記コアを収納する筒部と、前記筒部と接続される鍔部と、により構成され、
前記鍔部は、鍔部側係止部を形成し、
前記第１接続部材は、隣り合う２つの前記固定子ユニットの一方の前記鍔部及び隣り合う２つの前記固定子ユニットの他方の前記鍔部と対向して配置され、
さらに前記第１接続部材は、隣り合う２つの前記固定子ユニットの一方の前記鍔部側係止部と接続する第１係止部と、前記隣り合う２つの前記固定子ユニットの他方の前記鍔部側係止部と接続する第２係止部と、を設けるアキシャルギャップ型回転電機。