JP6689312B2 - アキシャルエアギャップ型電動機 - Google Patents

Description

本発明は、アキシャルエアギャップ型電動機に係り、ステータに積層型鉄心を用いるアキシャルエアギャップ型電動機に関する。

近年、電動機の高効率化を進めるにあたりＰＭ（Permanent Magnet）モータが普及している。マグネットとしてはネオジウムマグネットがより効率的であるものの希少金属（レアアース）であるが故にコスト等の問題がある。

希少金属を使用しないマグネットとしては、フェライトマグネットを利用することが一般的であるが、回転軸と同一方向にエアギャップを持つラジアルエアギャップ型電動機では、出力軸の回転方向に沿ってフェライトマグネットを配置しなければならない為、ネオジムマグネットと同一の性能を得るためには電動機を大きくしフェライトマグネットの体積を大きくする必要がある。即ち出力と機器のサイズがトレードオフになるという問題がある。

出力と機器のサイズとの関係を解決する電動機として、アキシャルエアギャップ型電動機が知られている。アキシャルエアギャップ型電動機は、例えば、インナーロータ型等のラジアルエアギャップ型電動機に比べて回転軸方向の厚さを薄くする、すなわち扁平にすることができるという特徴がある。

特許文献１は、回転軸の径方向に所定のエアギャップを介してステータと、ロータとが面対向するアキシャルエアギャップ型電動機を開示する。具体的には、複数のステータコアを、回転軸を中心として環状に配列してなるステータと、このステータの回転軸方向の両端部平面に対向する２つのロータとを備える。ステータコアメンバは、鉄心、インシュレータ（ボビン）及びコイルからなる。鉄心は、金属板状部材を回転軸径方向に積層した断面概略台形の形状を有する積層鉄心である。

特開２００４−２８２９８９号公報

ところで、アキシャルエアギャップ型電動機のステータに使用する積層鉄心を製作する場合、電磁鋼鈑やアモルファステープに代表される板状の磁性体であるコア部材には厚さ寸法にばらつき（板厚偏差）があり、一定の枚数を積層してもその積層寸法は一定とはならないという虞がある。

製作するステータコアが、柱体となった積層鉄心を筒状のボビンに挿入し、その後、ボビンの外周にコイルを巻き回す構成等である場合、鉄心の積層寸法が大となったときには、積層されたコア部材が座屈して正しく挿入できないという問題がある。他方、鉄心の積層寸法が小となれば、鉄心がボビンから脱落する等の課題もあり、アキシャルエアギャップ型電動機の生産性を損なう原因となり得る。

この点、アキシャルエアギャップ型電動機で利用する積層鉄心は、回転軸から回転軸径方向に向かうにつれて積層する金属板状部材の幅が変化する（例えば、積層によって概略台形断面となる）という特性がある。このため板厚偏差に合せて積層枚数を増減してしまうと、積層鉄心の形状が異なるものとなってしまう。変化する板厚寸法と鉄心形状を常に計算した切断幅で調整する必要があることから、常に使用する部材の板厚を測定しながら切断寸法および積層枚数を制御すると、生産性が極めて低くなるという課題がある。
積層鉄心における板厚偏差に効率的に対応することが望まれる。

上述した課題を解決するため、特許請求の範囲に記載の発明を適用する。即ち回転軸の径方向に金属板状部材を積層した柱体である積層鉄心と、該積層鉄心を挿入する内径を有する筒形状のボビンと、前記積層鉄心の外径延長上に巻き回されたコイルとからなるステータコアが、回転軸を中心に環状に配列してなるステータと、前記ステータの回転軸方向端部断面と所定のエアギャップを介して面対向する少なくとも１つのロータとを備えるアキシャルギャップ型電動機であって、前記積層鉄心が、回転軸心から径方向に向かうにつれて、前記回転軸の回転方向に幅が徐々に大となる金属板状部材を連続して積層した部分と、前記回転軸の回転方向に幅が概略同一となる金属板状部材を連続して積層した部分とからなるものであり、前記回転軸の回転方向に幅が概略同一となる金属板状部材を連続して積層した部分が、回転軸径方向の最も外側及びそれよりも回転軸側の位置にあり、前記最も外側に位置する部分が、前記回転軸の回転方向に幅が徐々に大となる金属板状部材を連続して積層した部分に積層する金属板状部材の回転方向幅の最大幅と同等の回転方向幅を有する金属板状部材からなるものであるアキシャルエアギャップ型電動機である。

本発明の一側面によれば、積層鉄心を構成する金属板状部材が持つ板厚寸法のばらつきに合せて、容易に一定の積層寸法を得られるという効果を奏する。更に、積層鉄心の外径形状の維持も確保できるという効果を奏する。
本発明の他の課題及び効果は、以下の記載から更に明らかとなる。

図１（ａ）は、本発明を適用した第１実施形態であるアキシャルエアギャップ型電動機の全体構成を示す模式的に示す側面図である。図１（ｂ）は、第１実施形態のアキシャルエアギャップ型電動機の要部を模式的に示した縦断面斜視図である。 図２（ａ）は、第１実施形態のアキシャルエアギャップ型電動機のステータコアを模式的に示す斜視図である。図２（ｂ）は、同ステータコアを構成するボビンを模式的に示す斜視図である。図２（ｃ）は、同ステータコアから構成されるステータを模式的に示す正面図である。 第１実施形態の積層鉄心を模式的に示す斜視図及びその一部の部分拡大図である。 第１実施形態の積層鉄心の端部断面図である。 第２実施形態であるアキシャルエアギャップ型電動機の積層鉄心の端部断面図である。 第３実施形態であるアキシャルエアギャップ型電動機の積層鉄心の端部断面図である。 図（ａ）〜（ｄ）は、第１〜第３実施形態の積層鉄心の要部を組み合わせた応用例を模式的に示す端部断面図である。

以下、図面を用いて本発明を実施するための形態について詳細に説明する。
〔第１実施形態〕
図１（ａ）に、本発明を適用した第１実施形態であるアキシャルエアギャップ型電動機１の全体構成を示し、図１（ｂ）に要部の断面図を示す。アキシャルエアギャップ型電動機１は、概略筒形状のハウジング５内部にステータ２、回転軸４に固定されて共回りするロータ３、軸受を介して回転軸４と接続された出力側及び反出力側のエンドブラケット、反出力軸側のエンドブラケットを貫通した回転軸４の端部に接続されて共回りする冷却ファン及び冷却ファンの生成する冷却風をハウジング５の外周側に案内するファンカバーを備える。

図１（ｂ）に示すように、アキシャルエアギャップ型電動機１は、回転軸方向の磁束を有する円環形状のステータ２が、出力軸側及び反出力軸側に設けられた２つのロータ３と所定のエアギャップを介して平面対向する２ロータ式の電機子構成である。なお、本発明はこれに限定されず、シングルロータ式、複数のステータと複数のロータとからなる形式など、種々の形式に適用することができる。

ステータ２は、複数の（本例では１２個）ステータコア６が、回転軸方向を中心に環状に配列され、それらの外周が樹脂モールド成形（不図示）によってハウジン５に直接固定するようになっている。なお、ステータ２を別に樹脂モールド成形などで強度部材として固形化された状態を製作し、ボルト等でモータハウジング５に固定してもよい。

図２（ａ）、（ｂ）に、ステータコア６及びそれを構成するボビン７を示す。ステータコア６は、積層鉄心８、ボビン７及びコイル９から構成される。ボビン７は、概略台形の内径及び外径を有する筒部７ａと、筒部７ａの両端部付近外周から鉛直方向に向かって所定幅延伸する鍔部７ｂと、鍔部７ｂのハウジン５側部分に一つ又は複数設けられたコイル引出し口７ｃを有する。即ち積層鉄心８がボビン７の筒部７ａの内径に挿入され、ボビン７の筒部７ａの外径にコイルが複数段巻き回されるようになっている。

積層鉄心８は、板状の金属磁性体（コア部材）を回転軸４の径方向（回転軸４側からハウジング５側）に積層してなり、断面が概略台形の柱体形状を有する。板状の金属磁性体としてはアモルファスを含有した薄板（テープ）を適用するものとするが、これに限るものではない。
図２（ｃ）に示す様に、このようにして構成されたステータコア６を環状に配列することでステータ２を得るようになっている。

次に、本実施形態の特徴の一つである、積層鉄心８について詳述する。
図３に、積層鉄心８の構成を示す。積層コア８のハウジング５側には、回転軸４の回転方向への幅が略同一のコア部材１０ａが少なくとも２枚以上連続積層され、回転軸側には、回転軸からハウジング５方向（回転軸径方向）に近づくのに応じて、回転軸４の回転方向への幅が徐々に大となるコア部材１０ｂが少なくとも２枚以上連続積層されるようになっている。図４に示す様に、積層鉄心８の断面が、コア部材１０ｂによる台形部分と、コア部材１０ａによる長方形部分とからなる概略ホームベース形状となる。

積層鉄心８は、高い精度でボビン７に挿入・配置される必要があることから、積層鉄心の外径が、ボビン７の内径と略一致（或いは若干ボビン７の内径が大。）する必要がある。しかしながら、積層鉄心８の積厚が必ずしも一律ではないこともある。例えば、板（テープ含む）を切断してなるコア部材は、板厚寸法が必ずしも一律でない場合も考えられるし、また例えば、切断面の微弱な反り等を完全になくすことも困難で有る場合もある。即ち所定枚数のコア部材を積層しても積厚が一定とならない場合もあることから、積厚の調整を行う必要がある。

本実施形態は、概略台形を成す積層コア形状の主に斜辺部に積層されるコア部材１０ｂが持つ板厚寸法のばらつきに合せて、図３及び図４に示すように、回転軸４に対して外周側、即ち積層コアの切断幅の広い側に所定の積層枚数を増減するための直線部（コア部材１０ａ）を形成したものである。

本実施形態によれば、コア部材１０ａの積層枚数を増減することで積層鉄心８の積厚の調整を容易に行うことができ、アキシャルエアギャップ型電動機において、精度の高いステータを得ることができ、また性能を確保することができる。

〔第２実施形態〕
次いで、第２実施形態について説明する。図５に、第２実施形態の積層鉄心８の端部断面を示す。本実施形態では、板状になったコア部材１０ａの切断、積層方向に合せて直線状に積層されたコア部材１０ａをアキシャルエアギャップ型電動機１の回転軸４に対して内周即ち積層鉄心８の切断幅の狭い側（回転軸側）に所定の積層枚数を増減するための直線部（コア部材１０ａ）を形成するようになっている。

かかる構成であっても、コア部材１０ａの積層枚数を増減することで積層鉄心８の積厚の調整を容易に行うことができ、アキシャルエアギャップ型電動機において、精度の高いステータを得ることができ、また性能を確保することができる。

次いで、第３実施形態について説明する。図６に、第３実施形態の積層鉄心８の端部断面を示す。本実施形態では、コア部材１０ａをアキシャルエアギャップ型電動機１の回転軸４に対して鉛直方向の中央付近即ち積層鉄心８の積層方向中央付近に所定の積層枚数を増減するための直線部（コア部材１０ａ）を形成したものである。

かかる構成であっても、コア部材１０ａの積層枚数を増減することで積層鉄心８の積厚の調整を容易に行うことができ、アキシャルエアギャップ型電動機において、精度の高いステータを得ることができ、また性能を確保することができる。

〔応用例〕
最後に、第１〜第３実施形態を組み合わせた応用例について説明する。図７（ａ）〜（ｄ）に、積層鉄心８の応用例における端部断面を示す。図中、丸点線で示した部分は、積厚調整用の直線部（コア部材１０ａ）を示す。

図７（ａ）は、直線状に積層されたコア部材１０ａをアキシャルエアギャップ型電動機１の回転軸４に対して外周側即ちコア部材の切断幅の広い側と、回転軸４に対して内周側即ちコア部材の切断幅の狭い側との双方端部に設ける構成である。

同様に、図７（ｂ）は、直線状に積層されたコア部材１０ａをアキシャルエアギャップ型電動機1の回転軸４に対して外周側即ちコア部材の切断幅の広い側と、回転軸４に対して鉛直方向の中央付近即ち積層鉄心８の斜辺部の中央付近との双方に設ける構成である。

同様に、図７（ｃ）は、直線状に積層されたコア部材１０ａをアキシャルエアギャップ型電動機１の回転軸４に対して鉛直方向の中央付近即ち積層鉄心８の斜辺部の中央付近と、回転軸４に対して内周側即ちコア部材の切断幅の狭い側との双方に設ける構成である。

さらに、図７（ｄ）は、第１〜第３実施形態の全てを同時に設ける構成である。なお、図７（ａ）〜（ｄ）において、各直線部（コア部材１０ａ）の積層方向の厚さは必ずしも一律でなくてもよい。例えば、直線部に必要な積厚をＮとした場合に、直線部が２箇所であれば、夫々１/２Ｎの積厚でもよいし、それぞれが不等となる比をもって積厚を変更してもよい。

応用例によれば、直線状に積層されたコア部材１０ａの配置が複数箇所に分散されることから、夫々の調整箇所で増減するコア部材１０ａの枚数を減らすことができ、更には、調整による積層鉄心８の全体的な形状も均一化できる。即ち直線部の長さを短くすることで、より台形に近似した積層コア形状を維持することで、ボビン７に挿入、配置されたときの位置を安定させることができる。

以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明は上記種々の例に限定 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こと は言うまでもない。例えば、積層するコア部材１０ａ、１０ｂは、必ずしも直線（水平） で有る必要はなく、回転軸回転方向に円弧形状であってもよい（積層鉄心８の端部断面が 扇形の形状になる等）。
〈付記〉
本実施形態の一態様は、回転軸の径方向に金属板状部材を積層した柱体である積層鉄心と、該積層鉄心を挿入する内径を有する筒形状のボビンと、前記積層鉄心の外径延長上に巻き回されたコイルとからなるステータコアが、回転軸を中心に環状に配列してなるステータと、前記ステータの回転軸方向端部断面と所定のエアギャップを介して面対向する少なくとも１つのロータとを備えるアキシャルギャップ型電動機であって、前記積層鉄心が、回転軸心から径方向に向かうにつれて、前記回転軸の回転方向に幅が徐々に大となる金属板状部材を連続して積層した部分と、前記回転軸の回転方向に幅が概略同一となる金属板状部材を連続して積層した部分とからなるものであり、前記回転軸の回転方向に幅が概略同一となる金属板状部材を連続して積層した部分が、前記回転軸の回転方向に幅が徐々に大となる金属板状部材を連続して積層した部分に積層する金属板状部材の回転方向幅の最大幅と同等の回転方向幅を有する金属板状部材からなり且つ回転軸径方向で最も外側であるアキシャルエアギャップ型電動機である。

１…アキシャルエアギャップ型電動機、２…ステータ、３…ロータ、４…回転軸、５…ハウジング、６…ステータコア、７…ボビン、７ａ…筒部、７ｂ…鍔部、７ｃ…引出し口、８…積層鉄心、９…コイル、１０ａ・１０ｂ…コア部材

Claims (1)

1. 回転軸の径方向に金属板状部材を積層した柱体である積層鉄心と、該積層鉄心を挿入する内径を有する筒形状のボビンと、前記積層鉄心の外径延長上に巻き回されたコイルとからなるステータコアが、回転軸を中心に環状に配列してなるステータと、前記ステータの回転軸方向端部断面と所定のエアギャップを介して面対向する少なくとも１つのロータとを備えるアキシャルギャップ型電動機であって、
   前記積層鉄心が、
   回転軸心から径方向に向かうにつれて、前記回転軸の回転方向に幅が徐々に大となる金属板状部材を連続して積層した部分と、
   前記回転軸の回転方向に幅が概略同一となる金属板状部材を連続して積層した部分とからなるものであり、
   前記回転軸の回転方向に幅が概略同一となる金属板状部材を連続して積層した部分が、回転軸径方向の最も外側及びそれよりも回転軸側の位置にあり、前記最も外側に位置する部分が、前記回転軸の回転方向に幅が徐々に大となる金属板状部材を連続して積層した部分に積層する金属板状部材の回転方向幅の最大幅と同等の回転方向幅を有する金属板状部材からなるものであるアキシャルエアギャップ型電動機。

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