JP6283778B2 - ステーターの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、自動車あるいはロボットなどの各種の産業用機械に使用される発電機およびモーターの構成部材であるステーターの製造方法に関するものである。

例えば、自動車にはバッテリー充電用や電装用として小型の発電機が搭載されている。この発電機は、エンジン等からの外力によって回転するローターと、このローターを囲むようにして固定状態で設けられたステーターとで構成されている。

また、この発電機は一般に、ローターに固定した磁石とステーターに設けた電磁コイルを対向して配置し、ローターを回転させてステーターの電磁コイルに電気を発生させている（例えば、特許文献１参照）。

しかし、こうした構成の従来の発電機において、発電能力を向上させるためにはローターの回転数を上げる必要があるものの、その回転数には自ずと限界があるため発電能力にも限界がある。

本発明者は、こうした点に鑑み、先に、ステーターのみでなくローターをも回転させて、発電能力を高めた発電機のステーターの改良に関するものである（特許文献３参照）。

特許第４２５２６１３号公報 特許第５０８６４９８号公報 特許第５６４２８４０号公報

本発明者が先に創案した発電機におけるステーターは、放射状に配置した複数の電磁コイルの全体を樹脂材中に埋設して固定している。これにより、当該ステーターが回転した際に、電磁コイルが離脱しないという極めて優れた効果を発揮する。

本発明者は、このステーターの機能等をさらに高めるために開発を進め、より優れた機能を備えるステーターの製造方法を創案にするに至った。

ここに、本発明は、発電機あるいはモーターに使用され、ローターに対向して設けられるステーターにおいて、さらに高い機能を備えた製品の製造方法を提供することを課題とする。

本発明は、主として三相交流式の同期発電機又は同期モーターにおいて、ステーターの耐久性を向上させる製造方法に関するものである。

図１乃至図１０を参照して説明する。本発明の製造方法に係るステーター３０は、発電機やモーターに、ローター６に対向して設けられるものであり、樹脂材Ｒに磁性粉末Ｐを混入して形成され、中心部に空洞部３２ａを有する平面円形状の磁粉樹脂部材３１と、磁粉樹脂部材３１の上面部分に放射状に配置され、少なくとも一部が露出する露出部３４ａを形成した状態で不動に固定された複数の電磁コイル３４とを備える。また、磁粉樹脂部材３１の空洞部３２ａに嵌入する内周リング３５と、磁粉樹脂部材３１の外周面に嵌入する外周リング３６とを併せて備える。

請求項１に記載のステーター製造方法は、発電機やモーターに、ローター６に対向して設けられるステーター３０を製造する方法であり、樹脂材Ｒに磁性粉末Ｐを混入して、中心部に空洞部３２ａを有する平面円形状のコア部３２を形成する第一工程と、コア部３２に複数の電磁コイル３４を放射状に上載する第二工程と、コア部３２の空洞部３２ａに内周リング３５を配置すると共に、コア部３２の外周側に外周リング３６を配置すると第三工程と、コア部３２と、内周リング３５および外周リング３６との間に、磁性粉末Ｐを混入した樹脂材Ｒを充填し硬化させて充填部３３を形成し、その充填部３３とコア部３２とによって複数の電磁コイル３４を、少なくともその一部が露出する露出部３４ａを形成した状態で固定する第四工程とを備える。

請求項１に記載のステーター製造方法は、第一工程で形成したコア部３２に、複数の電磁コイル３４を第二工程で上載し、内周リング３５および外周リング３６を第三工程で配置した後、充填部３３を第四工程で形成することによって、複数の電磁コイル３４を固定するので、ステーター３０を容易に製造することができる。

また、第四工程では、電磁コイル３４を少なくともその一部に露出部３４ａを形成した状態で固定し、さらに、第一工程におけるコア部３２および第四工程における充填部３３を、樹脂材Ｒと磁性粉末Ｐとの混合物によって形成しているので、当該製造方法で製造したステーター３０の機能を高めることができる。

ステーターの一例を示す平面図である。 図１のＸ−Ｘ線断面図である。 図１に示すステーターの正面図である。 本発明に係るステーター製造方法の実施形態を示す正面断面図であり、（ａ）は第一工程、（ｂ）は第二工程、（ｃ）は第三工程、（ｄ）は第四工程をそれぞれ示す。 ステーター製造方法の第二工程を示す一部拡大平面図である。 本発明に係るステーターの製造方法により出来たステーターを発電機に使用した形態を示す正面断面図である。 本発明に係るステーターの製造方法により出来たステーターの他の使用形態を示す概略正面断面構成図である。 本発明に係るステーターの製造方法により出来たステーターの他の使用形態を示す概略正面断面構成図である。 本発明に係るステーターの製造方法により出来たステーターのさらに他の使用形態を示す概略正面断面構成図である。 電磁コイルと磁石配列の一例を示す概略図である。 電磁コイルと磁石配列の他の一例を示す概略図である。 ステーターに形成した入力部と出力部を示す概略図である。 各磁石の正面図である。 各磁石の平面図である。 各磁石の端面図である。 図７における如く一つのローターと一つのステーターを組み合わせた場合の磁石の配置と電磁コイルの位置図である。 図８における如く二つのローターと一つのステーターを組み合わせた場合の磁石の配置と電磁コイルの位置図である。

本発明の実施形態に係るステーター３０を図１乃至図３に示す。このステーター３０は、本発明に係る製造方法によって形成されたものである。まず、その製造方法について説明する。

この製造方法は、第一工程、第二工程、第三工程および第四工程を備える。
第一工程（図４（ａ）参照）では、樹脂材Ｒに磁性粉末Ｐを混入して、中心部に空洞部３２ａを有する平面円形状のコア部３２を、例えば、金型を使用して形成する。このコア部３２は、中心部分に位置する肉厚部３２ｂと、肉厚部３２ｂの下部外周端に周設された肉薄部３２ｃとで構成している。

第二工程（図４（ｂ）、図５参照）では、コア部３２の上面に複数の電磁コイル３４を放射状に上載する。なお、肉厚部３２ｂの上面に、電磁コイル３４を上載するための溝部３２ｄを形成しておくことにより、当該電磁コイル３４を正確な位置に配置することができる。

第三工程（図４（ｃ））では、コア部３２の空洞部３２ａに内周リング３５を配置すると共に、外周側に外周リング３６を配置する。内周リング３５の外径は空洞部３２ａの径よりも小さく、また、外周リング３６の外径は肉薄部の外径とほぼ等しく設定している。これにより、コア部３２と内周リング３５との間に内側空間部Ｇ１を形成し、コア部３２と外周リング３６との間に外側空間部Ｇ２を形成する。

第四工程（図４（ｄ））では、内側空間部Ｇ１と外側空間部Ｇ２のそれぞれに、磁性粉末Ｐを混入した流動状態にある樹脂材Ｒを充填して硬化させ、充填部３３を形成する。この充填部３３とコア部３２とによって複数の電磁コイル３４を、少なくともその一部（上面部分）が露出した部分である露出部３４ａを形成した状態で固定する。同時に、内周リング３５と外周リング３６も一体的に固定する。

なお、充填部３３を形成する樹脂材Ｒと、コア部３２を形成する樹脂材Ｒは同一の樹脂材を使用し、流動状態にあり充填部３３を形成する樹脂材を充填することによって、コア部３２を形成する樹脂材と融合させる。コア部３２の表面は薄く樹脂で被膜されている。

本実施形態においては、第一工程乃至第四工程によってステーター３０を製造するので、製造が容易であり、また、均一な形状のステーター３０を安定して製造することができる。従って、廉価でメンテナンスが容易なステーターを提供することができる。

上記製造方法によって製造した本発明の実施形態に係るステーター３０は、従って、磁性樹脂部材（コア部３２と充填部３３）３１、複数の電磁コイル３４、内周リング３５、外周リング３６および所定の配線３７を備える。

磁粉樹脂部材３１は、樹脂材Ｒに磁性粉末Ｐを混入して形成したものであり、その中心部に空洞部３２ａを有する平面円形状（いわゆるドーナッツ状）の略円盤状である。また、複数の電磁コイル３４は、磁粉樹脂部材３１の上面部分に放射状に配置され、少なくとも一部（上面部分）が露出する露出部３４ａを形成した状態で不動に固定される。

内周リング３５は、磁性樹脂部材３１の空洞部３２ａに沿って配置され、当該磁粉樹脂部材３１の内周面を補強する役目を担う。外周リング３６は、磁性樹脂部材３１の外周面に沿って設けられ、当該磁粉樹脂部材３１の外周面を補強する。内周リング３５と外周リング３６の形成材料は限定されないが、例えば、金属（アルミニウムなど）や硬質樹脂材で形成することができる。

本実施形態に係るステーター３０は、発電機やモーターに組み込んで使用することができ、例えば、図６に示すような発電機１に使用することができる。この発電機１は、自動車に搭載してバッテリー充電用や電装用として使用する４極三相交流発電機であり、当該ステーター３０を、磁石を備え一方向に回転するローター６と逆の方向に回転するように取付けている。当該発電機１は、本実施形態に係るステーター３０の他に、主軸２、主歯車３、ローター６、中間歯車９、スリップリング１０、ブラシ１１などを備える。

主軸２は、水平方向に配置され、外力であるエンジンによって回転する。この主軸２の一端部には、エンジンからの回転力を受けるプーリー２ａを備えている。主歯車３は、主軸２の一端部側にキー１９によって同心状に固定され、その主軸２と共に同一方向に回転する。

ステーター３０は、主軸２のほぼ中間部分に同心状にキー１９によって固定される略円盤状であり、複数の電磁コイル３４を放射状に備え、主軸２と共に同一方向に回転する。

ローター６は、主軸２の主歯車３とステーター３０との間に同心状かつ回転自在に設けられた円板体であり、電磁コイル３４の前面側に近接して対向する磁石７を備える。また、このローター６は、主軸２の一端部側に同心状に配置され主歯車３より大径の内歯車８を一体的に備える。この内歯車８は、主歯車３の外周側に位置する。

中間歯車９は、主歯車３と内歯車８との間に複数設けられると共に、その主歯車３と内歯車８の双方に噛み合い、ローター６をステーター３０と逆の方向に回転させる。スリップリング１０は三つ設けられ、それぞれが主軸２の他端部側に同心状に固定された円板体であり、電磁コイル３４にリード２０によって電気的に接続されている。また、ブラシ１１も三つ設けられ、それぞれが対応するスリップリング１０の外周面に摺接する状態で固定されている。

なお、この発電機１は箱体１５を備えており、主軸２の一端部側と他端部側のそれぞれが第一軸受１６ａを介して当該箱体１５に回転自在に取付けられている。また、ローター６は、第二軸受１６ｂを介して主軸２に回転自在に取付けられている。さらに、中間歯車９は、箱体１５に水平方向に固定した支持軸９ａに、第三軸受１６ｃを介して回転自在に取付けられている。

当該発電機１は次のように作動する。まず、エンジンからの回転力がベルトなどを介してプーリー２ａに伝達されると、それによって主軸２が回転する。この主軸２の回転に伴い、主歯車３とステーター３０とスリップリング１０が同時に同一方向に回転する。

また、主歯車３が回転することによって、中間歯車９を介して、内歯車８およびそれが一体的に設けられているローター６がステーター３０と逆の方向に回転する。これにより、ローター６とステーター３０が相互逆方向に回転するので、ローター６の回転数が実質的に増加する。

その結果、ローター６が備える磁石７とステーター３０が備える電磁コイル３４とで発生する電気の量が、ローター６のみが回転する場合と比較して大きく増加する。これにより、発電能力を大幅に高めることができる。

なお、ステーター３０に固定された複数の電磁コイル３４のそれぞれは、その一部（ローター側部分）が露出する露出部３４ａを形成しており、また、その電磁コイル３４を固定する磁粉樹脂部材３１には磁性粉末Ｐが混合されているので、電磁コイル３４の電流を、減衰させることなく、磁石７に効率的に作用させることができる。これにより発電機１の発電量をさらに向上させることができる。

なお、このステーター３０は、磁粉樹脂部材３１と電磁コイル３４とで構成されているので構成が極めて簡易である。従って、廉価かつ容易に製造することができる。また、構成が簡易なため、発電機１から容易に取り外すことができ、メンテナンスも容易である。さらに、軽量化および小型化を図ることができるので、その取扱いが容易である。

また、このステーター３０は、複数の電磁コイル３４を磁粉樹脂部材３１で固定しているので、ステーター３０が回転している際の遠心力によって電磁コイル３４が動いてその形状を崩すといったことがない。これにより、優れた発電能力を長期にわたって継続的に発揮することができる。

さらに、ステーター３０の内周面に内周リング３５を設けると共に、外周面に外周リング３６を設けることが出来るので、当該ステーター３０を効果的に補強することができる。これにより、優れた発電能力をさらに長期にわたって継続的に発揮することができる。

本発明に係るステーター３０は、ローター６とのあらゆる形態で組み合わせて使用することができる。例えば、図７乃至図９に示す通りであり、それらの形態について説明する。これらの形態は、発電機とモーターの双方に適用することができる。なお、ステーター３０およびローター６等を作動させる機構は上記の発電機１の場合と同様であるため、その説明は省略する。

図７に示す形態（例えば発電機１）は、一本の主軸２に、一つのローター６を固定すると共に、それに対向して一つのステーター３０を、軸受１６を介して回転自在に設けたものであり、ステーター３０の片面側に電磁コイル３４を固定し、その電磁コイル３４の露出部３４ａをローター６の磁石７に対向させている。ローター６は主軸２と共に回転し、ステーター３４は、逆方向に回転する。これにより、ローター６の実質的な回転数を上げて発電能力を高めている。

図８に示す形態（例えば発電機１）は、一本の主軸２に、一つのローター６を固定すると共に、それに対向して二つのステーター３０を、軸受１６を介して回転自在に設けたものであり、二つのステーター３０それぞれに電磁コイル３４を固定し、それらをローター６に対向させている。この形態では、磁石７の両面を有効に利用することができるという特長がある。

図９に示す形態（例えば発電機１）は、直線状に配置した二本の主軸２を使用し、それぞれの主軸２，２にそれぞれのローター６を隙間を設けて固定し、その隙間に、二本の主軸２，２にわたって一つのステーター３０を、軸受１６を介して回転自在に設けている。ステーター３０の両面にはそれぞれ別々の電磁コイル３４，３４が配置されている。この形態をモーターとして使用した場合には、二本の主軸２を相互逆方向に回転させて、正逆両方向の回転力を同時に供給することができるという利点がある。

このように、本発明に係るステーター３０は、ローター６とのあらゆる組み合わせによって多種にわたる形態の発電機やモーターを構成することができるので、極めて有用である。

なお、電磁コイル３４の配線および電磁コイル３４と磁石７の配列は、図１０乃至図１２に示すように設定することができる。Ｙはコイルの巻き始め、Ｚはコイルの巻き終わりである。これらは共に三相の４極交流結線を示すものであり、三相それぞれの電磁コイル３４（合計１２個）をそれぞれ時計回り方向に結線しており（図１０では一部省略）、二つ対向して設けたステーター３０の一方に三相の電磁コイル３４に対応する入力部３８を形成し、他方に出力部３９を形成している（図１１，図１２参照）。

なお、二つ設けたステーター３０において、その一方のステーター３０の電磁コイル３４の巻方向を時計回り方向に設定した場合、他方のステーター３０の電磁コイル３４の巻方向は、その逆に、反時計回り方向に設定する。

磁石７は各ローター６に、Ｎ極とＳ極を交互に等間隔（２２．５°間隔）で１６個設けている。各磁石７の大きさは限定されないが、本実施形態では２０φ×１９ｍｍのものを使用している。各磁石７は、５２５ガウスの磁力を備えている。

なお、三相の電磁コイル３４には巻初め側と巻終わり側があるが、発電機として使用する場合は巻初め側が出力側となり、巻終わり側が入力側となる。また、モーターとして使用する場合は、その逆となる。

三相交流の発電又はモーターの出力の回路について説明する。図１３〜図１５に示す如く、永久磁石７は四角柱状で、その半径方向中立面Ｍ−Ｍの一方側がＮ極で、他方側がＳ極となっている。主軸２と平行な方向から見た場合、ローター６の同一面側の永久磁石においては一つ置きにＮ極とＳ極が同一面側となるように配置されている。

図９の実施例においては、２つのローター６，６の各磁石７，７は図１７に示す如く互いに向かい合う面がＳ極とＮ極になるようにしてある。

図６・図７の実施例の磁石を半径方向から見たとき、隣り合う磁石間に、図１６に示すような磁力線Ｌを生じ、磁力線の方向は一つ置きに逆方向になっており、電磁コイル３４には、隣り合う磁石７を通過するたびに逆方向の電流を生じる。

図９の実施例の磁石を回転方向に沿った円筒面で切断したときには、図１７に示す如く磁力線を生じ、向かい合う磁石間を通過するたびに逆方向の電流を生じる。

本発明により製造したステーターは、産業用のロボットや機械に組み込まれる発電機やモーターに有効に使用することができる。

１ 発電機／モーター
２ 主軸
２ａ プーリー
３ 主歯車
６ ローター
７ 磁石
８ 内歯車
９ 中間歯車
９ａ 支持軸
１０ スリップリング
１１ ブラシ
１２ 配線
１５ 箱体
１６ 軸受
１６ａ 第一軸受
１６ｂ 第二軸受
１６ｃ 第三軸受
１９ キー
２０ リード
３０ ステーター
３１ 磁粉樹脂部材
３２ コア部
３２ａ 空洞部
３２ｂ 肉厚部
３２ｃ 肉薄部
３２ｄ 溝部
３３ 充填部
３４ 電磁コイル
３４ａ 露出部
３５ 内周リング
３６ 外周リング
３７ 配線
３８ 入力部
３９ 出力部
Ｇ１ 内側空間部
Ｇ２ 外側空間部
Ｐ 磁性粉末
Ｒ 樹脂材

Claims (1)

1. 発電機やモーターに，ローターに対向して設けられるステーター（３０）を製造する方法であって、
   樹脂材（Ｒ）に磁性粉末（Ｐ）を混入して，中心部に空洞部（３２ａ）を有する平面円形状のコア部（３２）を形成する第一工程と、
   前記コア部に複数の電磁コイル（３４）を放射状に上載する第二工程と、
   前記コア部の空洞部に内周リング（３５）を配置すると共に，前記コア部の外周側に外周リング（３６）を配置すると第三工程と、
   前記コア部と，前記内周リングおよび前記外周リングとの間に，磁性粉末を混入した樹脂材を充填し硬化させて充填部（３３）を形成し，該充填部と前記コア部とによって前記複数の電磁コイルを，少なくともその一部が露出する露出部（３４ａ）を形成した状態で固定する第四工程と、を備えることを特徴とするステーター製造方法。

Images