JP6375370B2 - アキシャルエアギャップ型回転電機 - Google Patents

Description

本発明は，アキシャルギャップ型回転電機に係り、コアとコイルの間にボビンを有するアキシャルエア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は，円筒状の固定子と円盤状の回転子を，回転軸に対向して配置したものである。固定子は，周方向に複数配置したコアとこれに巻回された電機子巻線およびコアと巻線間を絶縁するボビン（インシュレータ）からなる。トルクを発生するギャップ面が，おおよそ径の２乗に比例して増加するため，薄型形状に好適な回転電機である。特に、２枚の回転子で１つの固定子を挟み込んだダブルロータ型のアキシャルギャップ型回転電機は，２倍のギャップ面積を確保することができることから、より優れた特性を得られる可能性がある構造として注目されている。

ダブルロータ型のアキシャルギャップ型回転電機では，固定子のコアが独立して配置されるため、コア、コイル及びボビンからなる複数のコアメンバを、環状に配列してモールド樹脂で保持することが多い。コアの位置は，回転電機内の磁束分布に影響し、位置決め精度が不十分な場合、トルクの低下やコギングトルクの増加，振動・騒音の増加などを引き起こす。そこで、コアの位置決めに関し，種々の検討がなされてきている。

特許文献１には、ボビンを用いたコアメンバの位置決め方法が開示されている。具体的には、ボビンの回転軸方向の表面に係止凸部を設け、連結具を介して隣接するコア同士で連結してボビンを環状に固定する方法やコアメンバの回転軸方向に凸部を設け、モールド金型にそれと嵌合する凹部を設けてコアを位置決めする方法を開示する。

特開２００６−６７６５０号公報

位置決め機能のために新たな部品を追加することは，コスト増加の原因となる。したがって、ボビンという形状自由度の大きい部品で、間接的にコアを位置決めするのは、製作面や位置決め精度の点で利点があると考えられる。
しかしながら、特許文献１のように、モールド型に凹凸部を設けて位置決めする方法は、位置決めを行う凹凸部にモールド樹脂が介入する恐れがある。樹脂が位置決め部の隙間に介入すると、成形体の離型性が悪化し，作業性の低下やモールド部の破損などの不良発生の原因となる。さらに、モールド金型に位置決めのための加工を加えると、スロット数やコア形状などの設計変更に同一のモールド型で対応することが困難になるという課題もある。
簡便且つ確実に位置決めができるボビンが望まれる。

上記課題を解決するために、例えば、特許請求の範囲に記載の構成を適用する。即ち概略柱体の鉄心と、鉄心の外周に巻き回されるコイルと、前記鉄心と前記コイルの間に配置されたボビンとからなる複数のステータコアメンバが、回転軸を中心に環状に配列され、一体的に樹脂モールド成形されてなるステータと、回転軸径方向に所定のエアギャップを介して、前記鉄心の端面と面対向する少なくとも１つのロータとを有するアキシャルエアギャップ型回転電機であって、前記ボビンが、前記鉄心外周を保持する筒部と、前記コイルが巻き回される外筒部とを備える筒形状を有するものであり、前記外筒部の両端部近傍に、該外筒部から鉛直方向に所定の長さ延伸する鍔部を有し、該鍔部の回転軸芯側の端面に、前記樹脂モールド成形時に前記固定子の軸心方向に配置される型と少なくとも一点で接触し、前記ステータコアメンバの回転軸芯方向の位置決めをする突き当て部を備えるものであるアキシャルエアギャップ型回転電機である。

本発明の一側面によれば、コアの径方向位置決めが容易となる。また、モールド型への凹凸といった加工を不要とし、所望の形状（例えば、平面）にステータコアの表面を成形することができる。
上記した以外の課題、構成および効果は、以下の記載から明らかになる。

本発明を適用した第１実施形態によるダブルロータ式アキシャルエアギャップ型回転電機の電機子構成を模式的に示す斜視図である。 第１実施形態によるコアメンバ（コイルを除く）の構成を模式的に示す斜視図である。 第１実施形態によるステータの樹脂モールドの様を模式的に示す側面図である。 第１実施形態によるコアメンバと、コア金型との関係を示す上面図である。 第１実施形態による樹脂モールド成形後のボビンとコア金型の関係を示す上面図である。 第２実施形態によるコアメンバとコア金型の関係を示す上面図である。 第２実施形態によるコアメンバの構成を示す斜視図である。 第２実施形態によるコアメンバの構成を示す斜視図である。 第３実施形態によるコアメンバの構成を示す斜視図である。 第４実施形態によるコアメンバの構成を示す斜視図である。

〔第１実施形態〕
以下、図面を用いて本発明を実施するための形態を説明する。図１に、本発明を適用したダブルロータ型のアキシャルエアギャップ型永久磁石同期モータ１（以下、「モータ１」という場合がある。）の概要構成を示す。

モータ１は、円筒状の１つの固定子１９と，円盤状の２枚の回転子３０とが回転軸方向Ａに対向したものである。固定子１９は、１スロット分をなす複数のコアメンバ２０が回転軸を中心に環状に配列された概略円筒形の形状を有する。固定子１９は、コアメンバ２０同士及びハウジング４０の内周が、樹脂モールドによって一体に成形されるようになっている。なお、本実施形態では、樹脂モールドによってコアメンバ２０をハウジング４０内周で一体に成形するものとするが、本発明はこれに限るものではなく、コアメンバ２０同士を樹脂モールドによって一体成形した後、ハウジング４０とボルト等で固定してもよい。

回転子３０は、コア２１端面と対向する永久磁石３１と、永久磁石３１を保持するヨーク３２とからなる。ディスク状のヨーク３２に、交互に磁極の異なる永久磁石３１が配置される。なお、永久磁石３１とヨーク３２との間にバックヨークを配設してもよい。図示しないが、ヨーク３２はシャフト（回転軸）に結合されており、軸受を介して回転自在な状態でエンドブラケットに保持される。エンドブラケットは、ハウジング４０と機械的に接続される。ハウジング４０の外周側面には端子箱が設けられ、１次側の電線と２次側の電線が端子台を介し電気的に接続される。２次側には、コイルから引き出された渡り線が接続される。

図２に、コアメンバ２０の構成を示す。なお、本図ではコイル２３を省略している。コアメンバ２０は、コア２１と、ボビン２２と、コイル２３とを有する。コア２１は、端面が概略台形の形状となる柱体形状を有する。コア２１は、所定幅で切断された薄い磁性体材料を含有する板状部材を、回転軸径方向に積層してなる。本実施形態では、回転軸心方向からハウジング４０側に向かうにつれて幅が徐々に大となる板状部材を積層するようになっている。磁性体材料としては、アモルファスを用いるものとするが、これに限るものではない。

ボビン２２は、樹脂等の絶縁部材からなる。ボビン２２は、コア２１の外径と概略一致する内径を有する筒部２２ａと、該筒部の両端開口部近傍から鉛直方向の全周に渡って所定の幅延伸する鍔部２２ｂとを有する。筒部２２ａの外筒部で、２つの鍔部２２ｂ間をコイル２３が巻き回されるようになっている。

また、ボビン筒部２２ａの回転軸芯側の端面は、突き当て部１０を備える。突き当て部１０は、コアメンバ２２を環状に配列して樹脂モールド成形する際、環の中心に配置される円筒形のモールド型と接触し、各コアメンバ２０の径方向位置決めを行うようになっている。第１実施形態において、突き当て部１０は、モールド型の中心からの径方向直線に対して直交する水平平面の形状となる。即ち突き当て部１０は、円筒形モールド型外周と、水平面である突き当て部１０の概略一点（厚みがあるので回転軸方向の線であるとも言える）と接触することで、径方向の位置決めを行うものである。なお、本実施形態では、上下の鍔部２２ｂに突き当て部１０を設ける構成としたが、何れか一方でもよい。

図３に、モータ１を樹脂モールドする際の側面方向の様を模式的に示す。モールド型は、ハウジング４０の内周形状とほぼ一致した外周形状を有する下型５２、円筒状のコア金型５１及びハウジングの他方開口から挿入される図示しない上型とからなる。固定子１９の底面は下型５２により、上面は上型により、内周面はコア金型５１により形成される。コアメンバ２０は、ボビン鍔部２２ｂの内周突き当て面１０と、コア金型５１とを合わせることにより、径方向の所定位置に配置される（図４参照）。図３及び図４の状態で上型が降ろされ、コアメンバ２０が挟み込まれて固定される。その後、各コアメンバ２０間、ハウジング４０との間、コア金型５１との間を始め、ステータ１９の略全体に樹脂が注入されるようになっている。

図５に、樹脂モールド後のステータ１９の上面図を示す（簡単のため、樹脂は一部省略して表わしている。）。ステータ１９の回転軸側の内周側面は、円柱状のコア金型の外周面に対応した円筒形となる。この円筒型の空間を回転軸が貫通することになる。

このような第１実施形態によれば、コアメンバ２０を径方向の所定位置に容易に配置することができる。また、モールド型に凸部や凹部を設ける必要がないため、樹脂と金型の接触面が最小となり、離型性に優れる。以上より，位置決め作業やモールド作業の作業時間の短縮及びモールド作業の歩留りが向上する。更に、モータ１は、ボビン鍔部２２ｂの軸心側に突き当て面１０を設けたものであり、位置決めのための追加部品を伴わないことから、コスト面にも優れる。

以上、第１実施形態について説明したが、突き当て部１０の態様はこれに限定されるものではない。例えば、 図６に示すように、突き当て部が平面状であってもよい。この場合、コア金型を概略正多角形（１２角形）の形状となるように形成してもよい。
更には、突き当て部１０の平面２箇所に、径方向に同一長さ突出する突起を設けてもよい。何れも径方向のみならず、コアメンバ２２を周方向にも位置決めすることができる。
〔第２実施形態〕
第２実施形態のモータ１は、隣接するボビンとの対向部に凸部１１（「周方向突き当て部」ともいう。）を更に備える点を特徴の一つとする。
図７に、第２実施形態のコアメンバ２０をモールド型に配置したときの様を示す。なお、第１実施形態と同一の箇所に関しては同一符号を用い、説明を省略する。

凸部１１は、鍔部２２ｂの回転軸回転方向の左右側面端部の一部に設けられ、回転軸回転方向に更に延伸するものである。凸部１１は、モールド型にコアメンバ２０を配列した際、隣接するコアメンバ２０の周方向突き当て部１１と接触し、コアメンバ２０の周方向の位置決めを行う機能を有する。隣接するコアメンバ２０同士は、凸部１１を介して接触するようになっており、換言すると、コアメンバ２０の鍔部２２同士は、凸部１１とのみ接触して隣接する関係にあるといえる。なお、凸部１１は、軸回転方向の一方の鍔部２２にのみ設けられ、隣接するコアメンバ１１の他方側鍔部２２と接触する構成でもよい。或いは、左右の凸部１１が回転軸心方向にずらして設けられてもよいし、複数の凸部が設けられてもよい。

図８に、第２実施形態の固定子１９の斜視図を示す。凸部１１は、更に、回転軸方向に突出しており、鍔部２２よりも厚みが大となっている。また、突き当て部１０も、凸部１１と同様に、回転軸方向に突出する。この突出により、コア型５１との接触が更に安定する。例えば、ボビンの製作交差や、コア２１の挿入や巻線工程におけるボビンの変形に伴い、突き当て部１０が軸方向にわずかにずれた場合においても，コアメンバの位置決め機能が低下することなく，所定の位置に配置することができる。

また、凸部１１は，回転軸から放射状に配置されているため、コアメンバ２０を下型５２上で径方向にスライドさせることで所定の位置に配置することができ、組立の作業性に優れる。凸部１１により、コア間の周方向寸法の精度が飛躍的に向上する。
〔第３実施形態〕
第３実施形態は、鍔部２２ｂの面上に第１の導電部材６０を有する点を特徴の一つとする。

図９に、第３実施形態の固定子１９の斜視図を示す。なお、上記他の実施形態と同一の箇所に関しては同一符号を用い，説明を省略する。

本実施形態のコアメンバ２０は、ボビン鍔部２２ｂの出力軸側表面であって、ハウジング４０よりの面上に、第１導電部材６０を備える。第１導電部材６０は、薄板状であって、鍔部２２ｂの突起２３ｂに係止する穴部６０ａ、隣接するコアメンバ２０の第１の導電部材６０の端部同士を接続する締結部７０を備える。締結部７０は、ブラインドリベット等により締結するようになっている。ブラインドリベットは、回転子３０側からのみの作業で締結できるため作業性を向上することができるが、締結部７０は、ネジやボルトなどで締結されてもよい。

第１導電部材６０は、そのコア側端面と、ハウジング４０側端面とが、夫々コア２１或いはハウジング４０の内周と接触しており、電気的に接続される。また、第１導電部材６０は、コアの冷却板としての機能も有する。

本実施形態のモータ１では、ボビンの内周突き当て面１０と、凸部１１により各コアメンバ２０を位置決めした後、第１導電部材６０同士を締結することで、コアメンバ２０を機械的に接続するようになっている。このため、コアメンバ２０上へのモールド上型の載置工程及びモールド樹脂の注入工程において、コアメンバ２０の位置ずれを防止できる。その結果、コア２１の位置精度が高まり、モータ１のトルク向上、コギングトルクの低減及び振動・騒音の低減を図ることができる。

同時に、ハウジング４０に導通した第１導電部材６０は、コイル２３と回転子３０間の静電容量を低減し、軸電圧による軸受電食の発生を抑制することができる。更に、第１導電部材６０は、アルミや鉄などの金属材料で形成され、モールド樹脂の数１０から数１００倍の導電率を有するため、固定子１９の冷却能力を向上する効果も有する。

固定子１９が樹脂で保持されるモータ１では、主要な熱源となるコイル２３と、ハウジング４０との熱抵抗の低減が放熱性の向上に有効である。第１導電部材を外周に配置することで、第１導電部材を介しコイルの熱がハウジング４０に伝達する。一方、第１導電部材６０に漏れ磁束が鎖交すると渦電流が発生する場合がある。このため冷却性能を高め、同時に渦電流損失を低減するためには、第１導電部材７０としてアルミのような非磁性かつ高熱伝導率の金属材料を使用することが望ましい。

なお，第１導電部材６０の形状や、導電部材とボビンの係止構造及び第１導電部材６０同士の締結構造は本実施形態に限定されない。本実施形態では，固定子の両面（出力軸側及び反出力軸側の表面）に第１導電部材６０を形成したが、片面のみに設置してもよい。別途、コア２１と、ハウジング４０との導通及び第１導電部材６０で覆われていないコイル２３と回転子３０間の遮蔽を実施することで、軸受電食の更なる抑制が可能になる。

〔第４実施形態〕
第４実施形態は、鍔部２２ｂの面上に第２導電部材８０を有する点を特徴の一つとする。
図１０に、コアメンバ２０をモールド型に配置したときの平面図を示す。なお、上記他の実施形態と同一の箇所に関しては同一符号を用い，説明を省略する。

モータ１は、固定子１９の回転軸芯中央の内周にハウジング４０と電気的に接続された円筒状の第２導電部材８０を有する。即ち一方端部が、第２導電部材８０の外周と接続され、他方端部がハウジング４０内周或いは第１導電部材と接続されたリード線等の接続手段を有する。第２導電部材８０は、円筒状のコア金型５１の外周に配置され，ボビンの内周突き当て面１０は、第２導電部材８０に突き当てるように配置されている。そして、第２導電部材の外周は、各コアメンバ２０の回転軸芯方向の部分と、樹脂モールドによって固定され一体となるようになっている。

第４実施形態によれば、樹脂モールド後に、コア金型５１を容易に抜くことができ、樹脂の剥離を考慮する必要がない。また、第２導電部材８０により、コイル２２と、シャフトとの間の静電容量が低減するため，軸電圧による軸受電食の発生を抑制することができる。

なお、第２導電部材８０を１枚の薄板で構成し、コア金型５１に巻き付けた状態で内周突き当て面１０を押し当てることで保持してもよい。この場合，第２導電部材を安価に構成することができる。
なお、間隙の数や位置は本実施形態に限定されない。

本実施例では，ダブルロータ型のアキシャルギャップ型永久磁石同期モータの例を説明したが，他の形態のアキシャルギャップ型永久磁石同期モータであってもよい。また，永久磁石を備えていない，シンクロナスリラクタンスモータやスイッチトリラクタンスモータ，誘導モータなどであってもよい。さらには，モータではなく発電機であってもよい。

〔製造方法〕
上記各実施形態のボビン２２は、絶縁性を有する樹脂から形成されるものであり、樹脂成形によって製造されるものである。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、以下に示す三次元造形機等によって、製造することも可能である。即ちボビン２２そのものを三次元造形機で製造するのみならず樹脂成形用の金型を、三次元造形機で積層造形したり、切削ＲＰ装置によって切削加工したりすることで得る製造することでもボビン２２を得ることができる。

積層造形としては、光造形方式、粉末焼結積層造形方式、インクジェット方式、樹脂溶解積層方式、石膏パウダー方式、シート成形方式、フィルム転写イメージ積層方式及び金属光造形複合加工方式等が適用できる。
上記積層造形や切削加工用のデータは、ＣＡＤやＣＧソフトウェア又は３Ｄスキャナで生成した３ＤデータをＣＡＭによってＮＣデータに加工することで生成される。該データを３次元造形機又は切削ＲＰ装置に入力することで三次元造形が行われる。なお、ＣＡＤ／ＣＡＭソフトウェアによって、３Ｄデータから直接ＮＣデータを生成してもよい。

また、ボビン２２やその樹脂射出成型用金型を得る方法として、３Ｄデータ又はＮＣデータを作成したデータ提供者やサービサーが、インターネット等の通信線を介して所定のファイル形式で配信可能とし、ユーザが当該データを３Ｄ造形機やそれを制御するコンピュータ等にダウンロード又はクラウド型サービスとしてアクセスし、３次元造形機で成形出力することでボビン７を製造することもできる。なお、データ提供者が３ＤデータやＮＣデータを不揮発性の記録媒体に記録して、ユーザに提供する方法も可能である。

このような製造方法による本実施形態のボビン２２の一態様を示せば、円筒形状に樹脂モールドされたステータ及びディスク状のロータが、回転軸方向に所定のエアギャップを介して面対向してなるアキシャルエアギャップ型回転電機の１スロット分のステータコアメンバに用いるボビンの製造方法であって、前記ボビンが、端面が概略台形の柱体からなるコアの外径と概略一致する内径を有する内筒部と、コイルが巻き回される外筒部とを備える概略断面台形の筒形状を有し、前記外筒部の両端部近傍に、該外筒部から鉛直方向の全周に渡って所定の長さ延伸する鍔部を有し、該鍔部の回転軸芯側の端面（上底側端面）が、前記固定子の樹脂モールド成形時に前記固定子の軸心方向に配置される型と少なくとも一点で接触するものである三次元データに基づいて三次元造形機で製造する方法である。

更に、このような製造方法によるボビン２２の他の態様を示せば、円筒形状に樹脂モールドされたステータ及びディスク状のロータが、回転軸方向に所定のエアギャップを介して面対向してなるアキシャルエアギャップ型回転電機の１スロット分のステータコアメンバに用いるボビンの三次元造形機用データの伝送・配信方法であって、端面が概略台形の柱体からなるコアの外径と概略一致する内径を有する内筒部と、コイルが巻き回される外筒部とを備える概略断面台形の筒形状を有し、前記外筒部の両端部近傍に、該外筒部から鉛直方向の全周に渡って所定の長さ延伸する鍔部を有し、該鍔部の回転軸芯側の端面（上底側端面）が、前記固定子の樹脂モールド成形時に前記固定子の軸心方向に配置される型と少なくとも一点で接触するものであるボビンの三次元造形機用データを、通信線を介して伝送・配信する方法である。

以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明は上記態様に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱することのない範囲で、種々の変更が可能である。例えば、コア金型５１は円筒形状以外にも、断面形状がスロット数に応じた多角形であってもよい。１スロット分のコアメンバ２０の配置領域が明確になるため，コアメンバ２０間の周方向の距離を所定の範囲に納めることが容易になる。１２スロットの固定子の場合、コア金型５１の断面を正１２角形で構成することで、コアメンバ２０を１スロット分の角度である３０°に収まるように配置することができる。なお、ハウジング４０と、固定子との周方向の位置関係を出す必要がある場合には、金型に基準位置の目印を設け、多角形のコア金型５１と、ハウジング４０との周方向の位置関係がでるようにするなどしてもよい。

１…ダブルロータ型アキシャルギャップ型永久磁石同期モータ（モータ）、１０…（内周）突き当て部、１１…凸部（周方向突き当て部）、１９…固定子、２０…コアメンバ、２１…コア、２２…ボビン、２３…コイル、２２ａ…筒部、２２ｂ…鍔部、２３ｃ…突起部、２４…モールド樹脂、２５…コアメンバ、３０…回転子、３１…永久磁石、３２…ヨーク、４０…ハウジング、５１…コア金型、５２…下金型、６０…第１導電部材、７０…締結部材、８０…第２導電部材、Ａ…回転軸

Claims (8)

1. 概略柱体の鉄心と、鉄心の外周に巻き回されるコイルと、前記鉄心と前記コイルの間に配置されたボビンとからなる複数のステータコアメンバが、回転軸を中心に環状に配列され、一体的に樹脂モールド成形されてなるステータと、回転軸径方向に所定のエアギャップを介して、前記鉄心の端面と面対向する少なくとも１つのロータとを有するアキシャルエアギャップ型回転電機であって、
   前記ボビンが、前記鉄心外周を保持する筒部と、前記コイルが巻き回される外筒部とを備える筒形状を有するものであり、
   前記外筒部の両端部近傍に、該外筒部から鉛直方向に所定の長さ延伸する鍔部を有し、
   前記鍔部の回転軸回転方向の左右端面の少なくとも一方に、水平方向に延伸する凸部を有し、
   前記凸部が、隣接するボビンの前記鍔部あるいは前記凸部の回転方向端部と接触し、隣接するボビンの前記鍔部間に空隙を形成し、
   該鍔部の回転軸芯側の端面に、前記樹脂モールド成形時に前記固定子の軸心方向に配置される型と少なくとも一点で接触し、前記ステータコアメンバの回転軸芯方向の位置決めをする突き当て部を備えるものであるアキシャルエアギャップ型回転電機。
2. 請求項１に記載のアキシャルエアギャップ型回転電機であって、
   前記突き当て部を含む前記ステータコアメンバの回転軸に沿った内側面が、前記ステータコアメンバの数に応じた多角形の形状に成形されたものであるアキシャルエアギャップ型回転電機。
3. 請求項１に記載のアキシャルエアギャップ型回転電機であって、
   隣接するボビンの前記凸部同士が接触して、前記複数のステータコアメンバの回転軸回転方向の位置決めを行うものであるアキシャルエアギャップ型回転電機。
4. 請求項１に記載のアキシャルエアギャップ型回転電機であって、
   隣接対向する鍔部の端面と前記凸部が接触して、前記複数のステータコアメンバの回転軸回転方向の位置決めを行うものであるアキシャルエアギャップ型回転電機。
5. 請求項３または４に記載のアキシャルエアギャップ型回転電機であって、
   前記突き当て部及び前記凸部の前記回転軸方向厚みが、前記鍔部の他の部分よりも大であるアキシャルエアギャップ型回転電機。
6. 請求項２〜４の何れか一項に記載のアキシャルエアギャップ型回転電機であって、
   前記ステータコアメンバが、前記鍔部の面うち回転軸径方向にあるハウジング内周側の表面部分に、前記ハウジング内周に沿って延伸すると共に前記ステータコアメンバ及び前記ハウジング内周面と接触する第１導電部材を有するものであり、
   該第１導電部材が、左右両方に隣接するステータコアメンバが有する第１導電部材と互いに接続されるものであるアキシャルエアギャップ型回転電機。
7. 請求項２〜４の何れか一項に記載のアキシャルエアギャップ型回転電機であって、
   前記ステータの回転軸に沿った内側面に、前記突き当て部と少なくとも一点で接触し、前記ステータコアメンバの回転軸方向幅と概略同一の回転軸方向幅を有する筒形状の部材を更に有するものであり、
   該部材の外周が、前記樹脂モールドによってステータコアと一体に成形されるものであるアキシャルエアギャップ型回転電機。
8. 請求項７に記載のアキシャルエアギャップ型回転電機であって、
   前記部材が、導電性の部材からなる第２導電部材であり、
   該第２導電部材が、前記ハウジング外周と電気的に接続された接続手段を有するものであるアキシャルエアギャップ型回転電機。

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