JP7434089B2 - アキシャルギャップ型回転電機およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、アキシャルギャップ型回転電機およびその製造方法に関する。

空隙を介して回転軸の軸方向にロータとステータとが対向配置されたアキシャルギャップ型回転電機が知られている。ステータは、周方向に沿って配置された複数のステータコアと、各ステータコアの周囲に巻回された複数のコイルとを含む。ステータコアは、渦電流損を低減するために、電磁鋼板の積層体（特許文献１）、アモルファス金属箔の巻鉄心（特許文献２）、軟磁性線材の集合体（特許文献３）、磁性粒子のプレス成形品（特許文献４，５）などを用いて製作される。

特開２０１２－５０２７１号公報 特許第５５６７３１１号公報 特開２０１８－７３０４号公報 特開２０１２－５１８３７８号公報 特開２０１３－５３７７９７号公報

アキシャルギャップ型回転電機の出力は、ロータとステータ間の磁束量によって決まる。この磁束量は磁気抵抗が小さいほど大きくなる。そのためステータコアの磁気抵抗を小さくするための工夫が望まれる。

また、従来のステータコアでは、ロータからの磁束がステータコアだけでなく、ステータコアに巻線されたコイルにも侵入することが可能である。そのためコイルにおいて渦電流が発生し、損失が増大してしまう。

また、ステータコアを複数のコア部品で組み立てた場合、コア部品の接合面に空隙が生じることが避けられず、これにより磁気抵抗が増加してしまう。

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、その主たる目的は、優れた鉄損特性を有し、従来に比して高出力が得られるアキシャルギャップ型回転電機を提供することにある。また、本発明の他の目的は、こうしたアキシャルギャップ型回転電機を効率的に製造できる方法を提供することにある。

上述した課題を解決するために、本発明の一態様のアキシャルギャップ型回転電機は、
回転軸を中心として回転可能なロータと、
前記ロータに対して空隙を介して前記回転軸の軸方向に対向配置されたステータとを備え、
前記ロータは、前記回転軸の周方向に沿って異なる磁極が交互に並ぶように配置された複数の永久磁石を含み、
前記ステータは、前記回転軸の周方向に沿って配置された複数のステータコアと、各ステータコアの周囲に巻回された複数のコイルとを含み、
前記ステータコアは、軟磁性材料からなる複数の線材が前記回転軸の軸方向に沿って束ねられた束状コアと、複数の線材のうち少なくとも一部が該軸方向に対して傾斜し、線材側面が前記ロータに面している変形コアとを含む。

この態様において、アキシャルギャップ型回転電機は、前記ステータの両側に前記ロータがそれぞれ配置されたダブルロータ・シングルステータ型でもよい。

この態様において、アキシャルギャップ型回転電機は、前記ステータの片側に前記ロータが配置されたシングルロータ・シングルステータ型でもよい。

この態様において、アキシャルギャップ型回転電機は、前記ロータの両側に前記ステータがそれぞれ配置されたシングルロータ・ダブルステータ型でもよい。

この態様において、前記変形コアは、前記コイルの軸方向端面を部分的に覆う形状を有してもよい。

この態様において、前記変形コアは、線材が前記コイルから遠くなるほど、該線材の端面位置は前記ステータコアの中心に接近する段差構造を有してもよい。

この態様において、前記複数の線材は、円形、半円形、六角形、四角形または三角形の断面形状を有し、第１外径を有する第１線材グループと、円形、半円形、六角形、四角形または三角形の断面形状を有し、第１外径より小さい第２外径を有する第２線材グループとを含んでもよい。

この態様において、前記束状コアの外部には、複数の線材を束ねるための枠部材が設けられてもよい。

この態様において、前記ステータコアは、前記軟磁性材料からなる複数の線材に加えて、前記軟磁性材料よりも強度の高い材料からなる高強度線材を含んでもよい。

この態様において、前記複数の線材は、円形、半円形、六角形、四角形または三角形の断面形状を有する第１線材グループと、円形、半円形、六角形、四角形または三角形の断面形状を複数組み合わせた異形断面形状を有する第２線材グループとを含んでもよい。

前記複数の線材のうち第１線材の側面には、凹部及び／又は凸部が形成され、
前記複数の線材のうち、該第１線材に隣接する第２線材の側面には、該第１線材の凹部及び／又は凸部と嵌り合う凸部及び／又は凹部が形成されてもよい。

前記ロータの両側に前記ステータがそれぞれ配置され、
各ステータの背面側に、磁気回路の一部を構成するバックヨークがそれぞれ設置されたシングルロータ・ダブルステータ型であって、
該バックヨークは、前記ステータコアを構成する前記複数の線材と一体的に構成されてもよい。

上記のアキシャルギャップ型回転電機を製造する方法は、
軟磁性材料からなる複数の線材を束ねて、線材集合体を形成するステップと、
複数の線材のうち少なくとも一部を一端で折り曲げて、第１変形コアを形成するステップと、
前記線材集合体の周囲にコイルを設置するステップと、
前記複数の線材のうち少なくとも一部を他端で折り曲げて、第２変形コアを形成するステップとを含む。

上記のアキシャルギャップ型回転電機を製造する方法は、
軟磁性材料からなる複数の線材を束ねて、線材集合体を形成するステップと、
前記線材集合体の周囲にコイルを設置するステップと、
金型を用いて、複数の線材のうち少なくとも一部を両端において線材の長手方向に加圧して折り曲げ、第１変形コアおよび第２変形コアを形成するステップとを含む。

上記のアキシャルギャップ型回転電機を製造する方法は、
軟磁性材料からなる複数の線材を束ねて、線材集合体を形成するステップと、
前記線材集合体の周囲にコイルを設置するステップと、
金型を用いて、複数の線材のうち少なくとも一部を両端において線材の長手方向に加圧して潰し、第１変形コアおよび第２変形コアを形成するステップとを含む。

上記のアキシャルギャップ型回転電機を製造する方法は、
軟磁性材料からなる複数の線材を束ねて、線材集合体を形成するステップと、
前記線材集合体の周囲にコイルを設置するステップと、
複数の線材のうち少なくとも一部を両端において１本ずつ折り曲げて、第１変形コアおよび第２変形コアを形成するステップとを含む。

軟磁性材料からなる複数の線材を束ねて、線材集合体を形成する上記ステップは、
枠部材を用いて複数の線材を束ねるステップと、
束ねた複数の線材を接着するステップと、
接着した複数の線材から前記枠部材を取り外すステップとを含んでもよい。

なお、コイルは、第１変形コアおよび第２変形コアを形成した後に線材集合体の周囲に巻線することによって製作することも可能である。

本発明によれば、優れた鉄損特性を有し、従来に比して高出力が得られるアキシャルギャップ型回転電機を提供できる。
また本発明によれば、こうしたアキシャルギャップ型回転電機を効率的に製造できる。

本実施形態に係るアキシャルギャップ型回転電機の構成の一例を示す縦断面図。 ダブルロータ・シングルステータ型のアキシャルギャップ型回転電機の概略構成を示す斜視図。 シングルロータ・シングルステータ型のアキシャルギャップ型回転電機の概略構成を示す斜視図。 シングルロータ・ダブルステータ型のアキシャルギャップ型回転電機の概略構成を示す斜視図。 ロータに設置される永久磁石の配置の一例を示す平面図。 ステータに設置されるステータコアおよびコイルの配置の一例を示す平面図。 ステータコアおよびコイルの形状の一例を示す斜視図。 コイルなし状態でのステータコアの形状の一例を示す斜視図。 ステータコアおよびコイルの形状の一例を示す平面図。 コイルなし状態でのステータコアの形状の一例を示す側面図。 ステータコアおよびコイルの形状の他の例を示す斜視図。 コイルなし状態でのステータコアの形状のさらに他の例を示す斜視図。 コイルなし状態でのステータコアの形状のさらに他の例を示す斜視図。 図１４（Ａ）は、異なる直径を有する円形断面の線材を束ねたコアを示す平面図。図１４（Ｂ）は、異なる直径を有する六角形断面および円形断面の線材を束ねたコアを示す平面図。 図１５（Ａ）～（Ｄ）は、変形コアの機能を示す説明図。 本実施形態に係るアキシャルギャップ型回転電機の製造方法の一例を示すフローチャート。 製造方法の一例を示す説明図。 本実施形態に係るアキシャルギャップ型回転電機の製造方法の他の例を示すフローチャート。 製造方法の他の例を示す説明図。 本実施形態に係るアキシャルギャップ型回転電機の製造方法のさらに他の例を示すフローチャート。 本実施形態に係るアキシャルギャップ型回転電機の製造方法のさらに他の例を示すフローチャート。 製造方法のさらに他の例を示す説明図。 線材集合体を形成するステップの具体例を示す説明図。 ステータコアおよびコイルの形状のさらに他の例を示す斜視図。 ステータコアに引張荷重が作用する状態を示す説明図。 複数の線材に引張荷重が作用する状態を示すモデル図。 ステータコアが異形断面形状を有する線材を含む状態を示す斜視図。 線材の側面に凹部及び／又は凸部が形成された状態の一例を示す断面図。 線材の側面に凹部及び／又は凸部が形成された状態の他の例を示す断面図。 複数の線材が図２８に示す凹凸配列パターンで配置された状態を示す斜視図。 シングルロータ・ダブルステータ型のアキシャルギャップ型回転電機においてバックヨークを複数の線材で構成した例を示す斜視図。 図３２（Ａ）は、ステータユニットをロータユニット側から見た部分斜視図。図３２（Ｂ）は、ステータユニットの部分側面図。図３２（Ｃ）は、ステータユニットのバックヨークを示す部分斜視図である。

以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。

（実施形態１）
図１は、本実施形態に係るアキシャルギャップ型回転電機の構成の一例を示す縦断面図であり、部分的に側面図を含む。なお、「回転電機」とは、回転部を有する電気機械であり、電動機、発電機、電動機兼発電機を含む総称である。

アキシャルギャップ型回転電機１は、回転軸１０を中心として回転可能なロータ２０と、ロータ２０に対して空隙を介して回転軸１０の軸方向Ｚに対向配置されたステータ４０とを備える。

図１では、ステータ４０を含むステータユニットＳＡの両側に、ロータ２０を含むロータユニットＲＡ，ＲＢがそれぞれ配置されたダブルロータ・シングルステータ型のアキシャルギャップ型回転電機を例示しており、図２は、その概略構成を示す斜視図である。

図３は、ステータ４０を含むステータユニットＳＡの片側に、ロータ２０を含むロータユニットＲＡが配置されたシングルロータ・シングルステータ型のアキシャルギャップ型回転電機の概略構成を示す斜視図である。ステータユニットＳＡの背面側には、磁気回路の一部を構成する円板状のバックヨーク６１が設置される。こうしたバックヨーク６１には、細線を巻回した巻きコア、電磁鋼板の巻きコア、磁性鉄粉を用いたコアなどが使用できる。

図４は、積層された２つのロータ２０を含むロータユニットＲＡの両側に、ステータ４０を含むステータユニットＳＡ，ＳＢがそれぞれ配置されたシングルロータ・ダブルステータ型のアキシャルギャップ型回転電機の概略構成を示す斜視図である。ステータユニットＳＡ，ＳＢの背面側には、磁気回路の一部を構成する円板状のバックヨーク６１がそれぞれ設置される。

本発明は、１つ以上のロータユニットおよび１つ以上のステータユニットが交互に配置された構成を有するアキシャルギャップ型回転電機に適用可能である。

図１に戻って、ロータ２０は、円板状のロータ基板２１を含み、ロータ基板２１の内側表面には複数の永久磁石２２が設置される。ロータ基板２１は、バルクの軟磁性材料で形成される。ロータ基板２１は、回転軸１０に対して、例えば、焼きばめ、溶接、接着などで固定され、回転軸１０と一体的に回転する。永久磁石２２は、板状の強磁性材料で形成され、厚さ方向に着磁されており、例えば、ネオジウム磁石、サマリウムコバルト磁石等の希土類磁石、フェライト磁石等が使用できる。

図５は、ロータ２０に設置される永久磁石２２の配置の一例を示す平面図である。図５では、複数（例えば、１０個）の永久磁石２２が回転軸１０の周方向θに沿って異なる磁極Ｎ，Ｓが交互に並ぶように配列される。永久磁石２２は、ロータ基板２１に対して、例えば、接着、圧入、圧着、取付け部材またはこれらの併用などで固定される。なお、永久磁石２２の平面形状は、図５では円環扇形、即ち、扇形の中心側部分が円弧状に欠落したような形状を例示したが、他の任意の形状でもよく、例えば、円形、台形、三角形、多角形などでも構わない。また、永久磁石２２の数も、２～８個または１２個以上の偶数でも構わない。

図１に戻って、ステータ４０は、円板状のステータ基板４１を含み、ステータ基板４１には、周方向θに沿って配置された複数のステータコア５０が設置される。各ステータコア５０の周囲には、枠部材６０が設けられる。枠部材６０は、非磁性材料、例えば、フッ素樹脂などの合成樹脂、例えば、熱収縮チューブ、あるいはステンレス鋼（ＳＵＳ）などで形成できる。枠部材６０を電気絶縁性材料で形成した場合、渦電流が流れるのを防止できるため、低損失化できる。こうした枠部材６０は、必要に応じて省略することも可能である。各ステータコア５０の周囲には、コイル４３がそれぞれ巻回される。

ステータ基板４１は、非磁性材料、例えば、合成樹脂、炭素繊維、ガラス繊維、炭素繊維又はガラス繊維と合成樹脂の母材とを組み合わせた複合材料、オーステナイト系ステンレス鋼、銅、アルミニウム等で形成される。なお、「非磁性」とは、実質的に磁化されない性質をいい、永久磁石に吸着しない程度に微弱に磁化される場合を含む。

ステータ基板４１は、回転電機のハウジング（不図示）に固定される。ステータ基板４１の中央には、ベアリング１１を介して回転軸１０が装着される。こうして上側のロータ２０および下側のロータ２０は、回転軸１０と共に、ステータ４０に対して相対的に回転可能になる。

図６は、ステータ４０に設置されるステータコア５０およびコイル４３の配置の一例を示す平面図である。図６では、複数（例えば、１２個）のステータコア５０およびコイル４３が回転軸１０の周方向θに沿って等間隔で配列される。ステータコア５０は、ステータ基板４１に対して、例えば、溶接、ロウ付け、接着、圧入、圧着、取付け部材またはこれらの併用などで固定される。なお、ステータコア５０およびコイル４３の平面形状は、図６では永久磁石２２と同様に円環扇形を例示したが、他の任意の形状でもよく、例えば、円形、台形、三角形、多角形などでも構わない。また、ステータコア５０およびコイル４３の数も、三相交流で駆動する場合、３～９個または１５個以上の３の倍数でも構わない。

図１に戻って、回転軸１０の中心からロータ２０に設置される永久磁石２２までの径方向Ｒに沿った距離は、回転軸１０の中心からステータコア５０までの径方向Ｒに沿った距離と同じである。これによりステータコア５０と永久磁石２２とが正対可能になる。また、ステータコア５０の上側端面と上側のロータ２０に設置される永久磁石２２の表面までの間隔は、ステータコア５０の下側端面と下側のロータ２０に設置される永久磁石２２の表面までの間隔と同じである。

次に、ステータコア５０について詳細に説明する。
図７は、ステータコア５０およびコイル４３の形状の一例を示す斜視図である。図８は、コイルなし状態でのステータコア５０の形状の一例を示す斜視図である。図９は、ステータコア５０およびコイル４３の形状の一例を示す平面図である。図１０は、コイルなし状態でのステータコア５０の形状の一例を示す側面図である。

ステータコア５０は、軟磁性材料からなる複数の線材５１を束ねた線材集合体によって構成され、複数の線材５１が軸方向Ｚに沿って束ねられた束状コア５３と、複数の線材５１のうち少なくとも一部が軸方向Ｚに対して傾斜し、線材側面がロータ２０に面している変形コア５５とを含む。

図７～図１０に示すように、変形コア５５は、一例として、線材集合体の外側から１層～２層に位置する線材５１が軸方向Ｚに対して約９０度の方向に折り曲げられ、コイル４３の軸方向端面を部分的に覆うような形状を有する。こうした形状は、鍔（つば）形状、フランジ形状、またはカラー（襟）形状とも称してもよい。

束状コア５３は、線材集合体の外側から１層～２層に位置する線材５１のうちの非変形部分、および線材集合体の内部に位置する直線状の線材５１で構成される。直線状の線材５１の長さは、折り曲げられた線材５１の外寸法と略一致するように設計される。また、線材５１の断面形状は、ここでは円形を例示したが、三角形、四角形、五角形、六角形などの多角形、半円形、扇形、楕円形、星形などの異形断面でも構わない。

図１１は、ステータコア５０およびコイル４３の形状の他の例を示す斜視図である。ここでは、線材集合体の外側から１層～５層に位置する線材５１が軸方向Ｚに対して約９０度の方向に折り曲げられている。

こうした変形コア５５を設けることによって、ロータ２０とステータコア５０との間の対向面積が大幅に増加するようになり、磁気抵抗が減少する。その結果、ロータ２０とステータコア５０との間の磁束量が増大し、回転電機の出力を高めることができる。

線材５１は、磁気特性に優れた軟磁性材料、例えば、純鉄系、低炭素鋼、Ｓｉ添加鋼などで形成されることが好ましい。磁気特性に優れる材料として電磁ステンレス鋼も使用可能であるが、合金成分量が多く、硬く成型しにくい特性がある。具体的には、線材は、主成分の鉄（Ｆｅ）に、０．００１質量％以上、０．０１質量％以下の炭素（Ｃ）、０より多く、２．０質量％以下のシリコン（Ｓｉ）、０．１質量％以上、０．５質量％以下のマンガン（Ｍｎ）、０より多く、０．０３質量％以下のリン（Ｐ）、０より多く、０．０２質量％以下の硫黄（Ｓ）、０より多く、０．１質量％以下の銅（Ｃｕ）、０より多く、０．１質量％以下のニッケル（Ｎｉ）、０より多く、０．０４質量％以下のアルミニウム（Ａｌ）、及び、０より多く、０．００７質量％以下の窒素（Ｎ）の各成分を含有することが好ましい。かかる線材５１のミクロ組織は、フェライト結晶粒の大きさがフェライト結晶粒度番号で２以上、６以下であることが好ましい。

次に、動作について説明する。各コイル４３に交流電流が流れると、ロータ２０に向けて交流磁界が発生する。例えば、アキシャルギャップ型回転電機１が三相モータである場合、各コイル４３には位相が互いに１２０°異なる三相交流が供給される。

各コイル４３によって磁界が発生すると、各コイル４３と各永久磁石２２との間で吸引力または反発力が生じ、ステータ４０に対してロータ２０が回転する。このとき永久磁石２２からステータコア５０に向けて磁束が生じる。この磁束はステータコア５０に入る。磁束の時間変化によって電磁誘導が生じ、各線材５１の内部に渦電流が誘起される。このときステータコア５０が複数の線材５１で分割されているため、渦電流の経路が分割されることになり、渦電流の経路が分割されていない場合、例えば、単一コアの場合と比べて抵抗値が増大する。このため、誘起される渦電流が減少し、ジュール損が減少する。

また、アキシャルギャップ型回転電機をモータとして使用する場合、駆動周波数が高くなると鉄損における渦電流損の割合が大きくなるため、周波数が高い場合は線材５１の線径を小さくすることが有効である。また、線径が大きすぎると交流磁界を印加した際に表皮効果によって磁束が内部まで浸透せず、トルク不足になったり、渦電流損が増加して効率が低下したりするおそれがある。このため、線材の線径（断面が六角形の場合は対角長。断面が円形の場合は直径。）の上限は２．０ｍｍがよく、好ましくは１．８ｍｍ、さらに好ましくは１．６ｍｍとする。他方、線径が小さすぎると、線材における絶縁皮膜の占める割合が相対的に大きくなり、磁束密度の減少及びトルクの減少の原因となる。このような理由から線材５１の線径の下限は０．３ｍｍとするのがよく、好ましくは０．５ｍｍ、さらに好ましくは０．７ｍｍ以上とする。このように、線材５１の線径はモータの駆動条件（駆動周波数、必要トルク、効率）に応じて適切な範囲を選択する必要がある。

また、磁気抵抗は透磁率に反比例するため、ステータコア５０と永久磁石２２との間の空隙の磁気抵抗は大きくなる。そのため永久磁石２２に対向する面に鍔形状のような変形コア５５を設けることによって、ステータコア５０と永久磁石２２との対向面積が大きくなる。そのため磁気抵抗が減少し、磁気特性を向上できる。また、変形コア５５に軸方向Ｚに高さが変化する段差構造を設けることによって、対向面積を増加させることが可能である。

また、線材５１と線材５１の間には接触抵抗があるため、必ずしも絶縁皮膜を設ける必要はない。しかし、各線材５１の表面を絶縁皮膜でコーティングし、線材間の電気抵抗を増加させることによって、各線材５１に発生する渦電流を低減でき、渦電流損をさらに低減できる。絶縁皮膜を設けた場合、渦電流損の低減効果が大きくなるが、製造工程が増えてしまう。そのため、線材５１の伸線加工時に使用した潤滑皮膜をそのまま残し、絶縁皮膜として利用することによって、製造工程を増やすことなく、電気絶縁効果を高めることができる。この潤滑皮膜として、電気絶縁性が高い被膜、例えば、リン酸系ボンデ被膜などが望ましい。

また、線材５１は、メッキまたは合成樹脂コーティングなどで防さび処理を施すことも好ましく、これによりさびの発生を抑制できる。

図１２は、コイルなし状態でのステータコア５０の形状のさらに他の例を示す斜視図である。線材集合体の外側から１層～２層に位置する線材５１が軸方向Ｚに対して約９０度の方向に折り曲げられて、変形コア５５が形成される。ここでは、四角形の断面形状を有する線材５１を使用しているため、線材５１間の隙間が小さくなり、最密充填に近い構造が得られる。その結果、ステータコア５０の充填率が高くなり、磁気抵抗が減少する。

図１３は、コイルなし状態でのステータコア５０の形状のさらに他の例を示す斜視図である。線材集合体の外側から１層～２層に位置する線材５１がプレス加工などによって潰されて、軸方向Ｚに対して約９０度の方向に延出して、変形コア５５が形成される。ここでは、四角形の断面形状を有する線材５１を使用し、さらにプレス加工の際に線材５１間の隙間がより小さくなり、最密充填に近い構造が得られる。その結果、ステータコア５０の充填率が高くなり、磁気抵抗が減少する。

図１４（Ａ）は、異なる直径を有する円形断面の線材５１を束ねたコアを示す平面図であり、図１４（Ｂ）は、異なる直径を有する六角形断面および円形断面の線材５１を束ねたコアを示す平面図である。複数の線材５１を束ねるための枠部材６０が使用される。

図１４（Ａ）において、線材５１として、直径Ｄａを有する円形断面の線材５１ａと、直径Ｄａより小さい直径Ｄｂを有する円形断面の線材５１ｂとを使用している。主要な線材５１ａは、２つの枠部材６０の間の空間に正三角格子として配置される。そして線材５１ａ同士の隙間および線材５１ａと枠部材６０との隙間に、細い線材５１ｂが配置される。さらに、残留する隙間を充填するために、線材５１ｂより細い他の線材を使用してもよい。

図１４（Ｂ）において、線材５１として、外接円直径Ｄａを有する六角形断面の線材５１ａと、直径Ｄａより小さい直径Ｄｂを有する円形断面の線材５１ｂとを使用している。主要な線材５１ａは、２つの枠部材６０の間の空間に正三角格子として配置され、いわゆるハニカム構造を形成する。そして線材５１ａ同士の隙間および線材５１ａと枠部材６０との隙間に、細い線材５１ｂが配置される。さらに、残留する隙間を充填するために、線材５１ｂより細い他の線材を使用してもよい。

一般に、複数の線材５１は、円形、半円形、六角形、四角形または三角形の断面形状を有し、直径Ｄａを有する線材５１ａからなる第１線材グループと、円形、半円形、六角形、四角形または三角形の断面形状を有し、直径Ｄａより小さい直径Ｄｂを有する線材５１ｂからなる第２線材グループとを含む。

このように異なる直径を有する線材を使用することによって、最密充填に近い構造が得られる。その結果、ステータコア５０の充填率が高くなり、磁気抵抗が減少する。

図１５（Ａ）～（Ｄ）は、変形コア５５の機能を示す説明図である。磁束Φは、ロータ２０の永久磁石２２とステータコア５０との間で相互作用する。例えば、電動機として使用する場合、コイル４３に流れる電流の大きさおよび向きを制御することによって、ロータ２０に作用するトルクが制御される。

図１５（Ａ）において、ステータコア５０は、束状コア５３だけで構成され、上述したような変形コア５５は形成されていない。この場合、ロータ２０からの磁束Φは、ステータコア５０だけでなくコイル４３にも流入するようになる。その結果、コイル４３において渦電流損が発生してしまう。

次に図１５（Ｂ）において、ステータコア５０は、束状コア５３と、外側１層に位置する線材５１で形成された変形コア５５とを備える。変形コア５５は、コイル４３の軸方向端面を部分的に覆うような形状を有する。この場合、ロータ２０からの磁束Φの大部分は、変形コア５５を通過するようになり、コイル４３には殆ど流入しなくなる。その結果、コイル４３での渦電流損が減少し、モータトルクの改善が図られる。

次に図１５（Ｃ）において、ステータコア５０は、束状コア５３と、外側の複数層（例えば、３層）に位置する線材５１で形成された変形コア５５とを備える。変形コア５５は、コイル４３の軸方向端面を部分的に覆うような形状を有し、さらに外側３層に位置する線材５１の端面位置が径方向Ｒで一致している。この場合、ロータ２０からの磁束Φの大部分は、変形コア５５を通過するようになるが、外側第１層に位置する線材５１に集中するようになり、磁気飽和が生じる可能性がある。

次に図１５（Ｄ）において、ステータコア５０は、束状コア５３と、外側の複数層（例えば、３層）に位置する線材５１で形成された変形コア５５とを備える。変形コア５５は、コイル４３の軸方向端面を部分的に覆うような形状を有し、さらに線材５１がコイル４３から遠くなるほど、線材５１の端面位置はステータコア５０の中心に接近する段差構造ＴＲを有する。この場合、ロータ２０からの磁束Φは、外側第１層だけでなく、外側第２層、第３層に位置する線材５１も通過するようになる。その結果、外側第１層に位置する線材５１での磁気飽和を防止できる。

（実施形態２）
次に、アキシャルギャップ型回転電機を製造する方法について詳細に説明する。従来のようにステータコアとして、電磁鋼板などの板状材料または鉄粉成形体を用いて鍔形状コアを製造した場合、コイル巻線を鍔形状コアに挿入しようとすると、コイル内径より大きい外径を有する鍔が障害となり、コイルをそのまま挿入することができない。そこで、予めステータコアを中間で２つに分割し、２つの分割コアの間にコイルを挟み込み、その後に分割コアを接合することになる。そのため分割コア間に空隙が生じることが避けられず、磁気抵抗の増加をもたらすことになる。

これに対して本発明のようにステータコア５０を複数の線材５１で束ねた線材集合体で構成した場合、ステータコア５０にコイル４３を挿入した後、線材５１に加工を施すことによって鍔形状コアを形成できる。例えば、ステータコア５０の形状よりも若干大きい形状のボビンに銅線を所定回数巻回してコイル４３を製作し、得られたコイル４３をステータコア５０に装着し、その後に鍔形状コアを形成することができる。これによりステータコアの分割工程が不要になり、分割による磁気抵抗の増加（空隙の出現）を防止することができ、回転電機の出力を向上させることができる。

図１６は、本実施形態に係るアキシャルギャップ型回転電機の製造方法の一例を示すフローチャートであり、図１７は、その説明図である。まずステップＳ１１において、図１７（Ａ）に示すように、軟磁性材料からなる複数の線材５１を束ねて、線材集合体５７を形成する。線材集合体５７は、最終的に束状コア５３となる線材５１よりも変形コア５５を構成する線材５１の方がより長くなるように設計される。

次にステップＳ１２において、図１７（Ｂ）に示すように、複数の線材５１の一部を一端で折り曲げて、第１変形コア５５を形成する。次にステップＳ１３において、図１７（Ｃ）に示すように、線材集合体５７の周囲にコイル４３を設置する。

次にステップＳ１４において、図１７（Ｄ）に示すように、上述した複数の線材５１の一部を他端で折り曲げて、第２変形コア５５を形成する。こうして複数の線材５１が軸方向Ｚに沿って束ねられた束状コア５３と、複数の線材５１の一部が軸方向Ｚに対して傾斜した変形コア５５とを含むステータコア５０が得られる。

次にステップＳ１５において、得られたステータコア５０を用いて、図１に示すようなステータ４０を製作する。次にステップＳ１６において、得られたステータ４０および、図１に示すような別途製作したロータ２０を用いて、アキシャルギャップ型回転電機１を組み立てる。

図１８は、本実施形態に係るアキシャルギャップ型回転電機の製造方法の他の例を示すフローチャートであり、図１９は、その説明図である。まずステップＳ２１において、図１９（Ａ）に示すように、軟磁性材料からなる複数の線材５１を束ねて、線材集合体５７を形成する。線材集合体５７は、最終的に束状コア５３となる線材５１よりも変形コア５５を構成する線材５１の方がより長くなるように設計される。

次にステップＳ２２において、図１９（Ｂ）に示すように、線材集合体５７の周囲にコイル４３を設置する。

次にステップＳ２３において、図１９（Ｃ）に示すように、円錐台形状の２つの金型ＤＡを用いて、より長い方の線材５１を両端において線材５１の長手方向に加圧して折り曲げ、軸方向Ｚに対して約３０度～６０度傾斜させる。続いて図１９（Ｄ）に示すように、円板形状の２つの金型ＤＢを用いて、折り曲げた複数の線材５１を両端において線材５１の長手方向に加圧してさらに折り曲げて、軸方向Ｚに対して約９０度傾斜させる。こうして第１変形コア５５および第２変形コア５５を形成する。ステップＳ２４，Ｓ２５は、上述したステップＳ１５，Ｓ１６と同様である。

この方法によれば、複数の線材５１を同時に加工できるため、製造効率が優れている。

図２０は、本実施形態に係るアキシャルギャップ型回転電機の製造方法のさらに他の例を示すフローチャートである。その説明図は、図１９のものと同様である。まずステップＳ３１において、図１９（Ａ）に示すように、軟磁性材料からなる複数の線材５１を束ねて、線材集合体５７を形成する。線材集合体５７は、最終的に束状コア５３となる線材５１よりも変形コア５５を構成する線材５１の方がより長くなるように設計される。

次にステップＳ３２において、図１９（Ｂ）に示すように、線材集合体５７の周囲にコイル４３を設置する。

次にステップＳ３３において、図１９（Ｃ）に示すように、円錐台形状の２つの金型ＤＡを用いて、より長い方の線材５１を両端において線材５１の長手方向に加圧して折り曲げ、軸方向Ｚに対して約３０度～６０度傾斜させる。続いて図１９（Ｄ）に示すように、円板形状の２つの金型ＤＢを用いて、折り曲げた複数の線材５１を両端において線材５１の長手方向に加圧して潰して、軸方向Ｚに対して約９０度傾斜させる。こうして第１変形コア５５および第２変形コア５５を形成する。線材５１の先端部分が潰れた状態は、一例として図１３に示している。ステップＳ３４，Ｓ３５は、上述したステップＳ１５，Ｓ１６と同様である。

この方法によれば、複数の線材５１を同時に加工できるため、製造効率が優れている。

図２１は、本実施形態に係るアキシャルギャップ型回転電機の製造方法のさらに他の例を示すフローチャートであり、図２２は、その説明図である。まずステップＳ４１において、図２２（Ａ）に示すように、軟磁性材料からなる複数の線材５１を束ねて、線材集合体５７を形成する。線材集合体５７は、最終的に束状コア５３となる線材５１よりも変形コア５５を構成する線材５１の方がより長くなるように設計される。

次にステップＳ４２において、図２２（Ｂ）に示すように、線材集合体５７の周囲にコイル４３を設置する。

次にステップＳ４３において、図２２（Ｃ）に示すように、手作業またはロボットハンドを用いて、より長い方の線材５１を両端において外側から１本ずつ折り曲げて、軸方向Ｚに対して約９０度傾斜させる。最終的に図２２（Ｄ）に示すように、より長い方の線材５１を全て折り曲げて、第１変形コア５５および第２変形コア５５を形成する。ステップＳ４４，Ｓ４５は、上述したステップＳ１５，Ｓ１６と同様である。

この方法によれば、複数の線材５１を個別に加工できるため、加工精度が優れている。

図２３は、線材集合体５７を形成するステップＳ１１，Ｓ２１，Ｓ３１，Ｓ４１の具体例を示す説明図である。まず図２３（Ａ）に示すように、枠部材６０を用いて複数の線材５１を束ねる。枠部材６０は、剥離性の良い材料、例えば、例えば、フッ素樹脂などの合成樹脂で形成される。次に図２３（Ｂ）に示すように、束ねた複数の線材５１の隙間に接着剤を注入して線材同士を接着して固化する。線材５１と枠部材６０は接着しない。次に図２３（Ｃ）に示すように、接着した複数の線材５１から枠部材６０を取り外す。こうして枠部材６０なしの線材集合体５７が得られる。図２３（Ｄ）は、線材集合体５７の概略断面図を示す。

この方法によれば、線材集合体５７の周囲にコイル４３を設置する際、枠部材６０を省略できるため、空間利用効率が高くなり、ステータコアの小型化、磁気抵抗の低減化が図られる。

なお、コイル４３は、第１変形コア５５および第２変形コア５５を形成した後に線材集合体５７の周囲に巻線することによって製作することも可能である。また、線材集合体５７は、接着せずに、枠部材６０で束ねた状態で使用することも可能である。

（実施形態３）
図２４は、ステータコア５０およびコイル４３の形状のさらに他の例を示す斜視図である。図７～図１０に示したものと同様に、ステータコア５０は、軟磁性材料からなる複数の線材５１を束ねた線材集合体によって構成され、複数の線材５１が軸方向Ｚに沿って束ねられた束状コア５３と、複数の線材５１のうち少なくとも一部が軸方向Ｚに対して傾斜した変形コア５５とを含む。

図２４の構成では、ステータコア５０は、軟磁性材料からなる複数の線材５１に加えて、該軟磁性材料よりも強度の高い材料からなる高強度線材５１Ｈを含む。こうした高強度線材５１Ｈとして、炭素鋼、特殊鋼(ニッケルクロム鋼、ニッケルクロムモリブデン鋼、クロム鋼、クロムモリブデン鋼、マンガン鋼など)、炭素繊維などが使用できる。

こうして線材５１の一部を高強度線材５１Ｈに置換することによって、ステータコア５０の機械的強度を増強できる。

図２５は、ステータコア５０に引張荷重が作用する状態を示す説明図である。ステータコア５０には、ロータとの吸引力によって軸方向Ｚと平行な方向に引張荷重が作用する。線材５１同士は樹脂モールドで一体化されているため、線材５１に作用する引張強度は、図２６に示すように、複数のばね（ばね定数ｋ_１～ｋ_ｎ）を並列接続した場合と同様に考えられる。ここで、Ｆは荷重（Ｎ）、Ｘは伸び（ｍ）である。

複数のばねのうちi番目のばねに作用する荷重Ｆ_ｉは、下記の式で求められる。

上記の式を用いて算出された各線材５１に作用する荷重と、線材５１の材料に応じたヤング率と、設計時に予め設定する安全率とから、ステータコア５０における高強度線材５１Ｈの使用割合を決定できる。

（実施形態４）
図２７は、ステータコア５０が異形断面形状を有する線材５１Ｄを含む状態を示す斜視図である。ここでは、線材５１は、六角形断面を有し、線材５１Ｄは、７つの六角形断面を最密で一体化した異形断面形状を有する場合を例示している。

一般に、複数の線材は、円形、半円形、六角形、四角形または三角形の断面形状を有する第１線材グループと、円形、半円形、六角形、四角形または三角形の断面形状を複数組み合わせた異形断面形状を有する第２線材グループとを含んでもよい。

これにより線材同士の隙間が異形断面形状によってさらに充填できるようになり、コアの占積率を高めることができる。また、線材の直径、断面形状を適切に変更することにより、ステータコアの機械的強度、磁気特性なども変更することが可能になる。

（実施形態５）
図２８は、線材５１の側面に凹部及び／又は凸部が形成された状態の一例を示す断面図である。ここでは、線材５１が六角形断面を有し、周方向に順に並んだ第１側面～第６側面のうち第１側面、第３側面、第５側面の各中央付近に微小な三角形断面の凸部ＰＡが形成され、第２側面、第４側面、第６側面の各中央付近に微小な三角形断面の凹部ＰＢが形成された場合を例示する（凹凸交互モデル）。一方の線材５１の側面に形成された凹部ＰＢと凸部ＰＡは、隣接する他方の線材５１の側面に形成された凸部ＰＡと凹部ＰＢと嵌め合い可能であり、これにより線材同士の密着度を高めることができる。

図２９は、線材５１の側面に凹部及び／又は凸部が形成された状態の他の例を示す断面図である。ここでは、線材５１が六角形断面を有し、周方向に順に並んだ第１側面～第６側面のうち第１側面、第２側面、第３側面の各中央付近に微小な三角形断面の凸部ＰＡが形成され、第４側面、第５側面、第６側面の各中央付近に微小な三角形断面の凹部ＰＢが形成された場合を例示する（１８０度交互モデル）。一方の線材５１の側面に形成された凹部ＰＢと凸部ＰＡは、隣接する他方の線材５１の側面に形成された凸部ＰＡと凹部ＰＢと嵌め合い可能であり、これにより線材同士の密着度を高めることができる。

図３０は、複数の線材５１が図２８に示す凹凸配列パターンで配置された状態を示す斜視図である。図３０と同様に、複数の線材５１を図２９に示す凹凸配列パターンで配置することも可能である。

このように各線材の側面に互いに嵌め合い可能な凸部ＰＡと凹部ＰＢを形成することによって、ステータコア５０の組立ての際に線材同士の密着度が高くなり、作業性が改善できる。例えば、線材５１を押出し成形で製造する場合、単一の金型だけで図２８および図２９に示すような凹凸配列パターンが得られる。

（実施形態６）
図３１は、シングルロータ・ダブルステータ型のアキシャルギャップ型回転電機においてバックヨークを複数の線材で構成した例を示す斜視図である。図３２（Ａ）は、ステータユニットＳＡ，ＳＢをロータユニットＲＡ側から見た部分斜視図である。図３２（Ｂ）は、ステータユニットＳＡ，ＳＢの部分側面図である。図３２（Ｃ）は、ステータユニットＳＡ，ＳＢのバックヨーク６１を示す部分斜視図である。

図４では、ステータユニットＳＡ，ＳＢの背面側に円板状のバックヨーク６１がそれぞれ設置される場合を例示したが、本実施形態では、バックヨーク６１は、ステータコアを構成する複数の線材５１と一体的に構成される。

図４の構成では、ステータユニットＳＡ，ＳＢとバックヨーク６１との間に空隙(エアギャップ)が少なからず存在している。これに対して本実施形態の構成によれば、ステータユニットＳＡ，ＳＢ内のステータコア５０とバックヨーク６１とが一体化されるため、空隙が解消される。その結果、ステータコア５０とバックヨーク６１を含む磁気回路の磁気抵抗を低減できる。

なお、本実施形態に係る構成は、図３に示すシングルロータ・シングルステータ型のアキシャルギャップ型回転電機におけるバックヨーク６１も同様に適用できる。

本発明に係るアキシャルギャップ型回転電機およびその製造方法は、高出力が得られる点で産業上極めて有用である。

１ アキシャルギャップ型回転電機
１０ 回転軸
１１ ベアリング
２０ ロータ
２１ ロータ基板
２２ 永久磁石
４０ ステータ
４１ ステータ基板
４３ コイル
５０ ステータコア
５１，５１ａ，５１ｂ 線材
５１Ｄ 異形断面線材
５１Ｈ 高強度線材
５３ 束状コア
５５ 変形コア
５７ 線材集合体
６０ 枠部材
６１ バックヨーク
ＰＡ 凸部
ＰＢ 凹部
ＳＡ，ＳＢ ステータユニット
ＲＡ，ＲＢ ロータユニット
Φ 磁束

Claims (17)

1. 回転軸を中心として回転可能なロータと、
   前記ロータに対して空隙を介して前記回転軸の軸方向に対向配置されたステータとを備え、
   前記ロータは、前記回転軸の周方向に沿って異なる磁極が交互に並ぶように配置された複数の永久磁石を含み、
   前記ステータは、前記回転軸の周方向に沿って配置された複数のステータコアと、各ステータコアの周囲に巻回された複数のコイルとを含み、
   前記ステータコアは、軟磁性材料からなる複数の線材が前記回転軸の軸方向に沿って束ねられた束状コアと、複数の線材のうち少なくとも一部が該軸方向に対して傾斜し、線材側面が前記ロータに面している変形コアとを含む、アキシャルギャップ型回転電機。
2. 前記ステータの両側に前記ロータがそれぞれ配置されたダブルロータ・シングルステータ型である請求項１に記載のアキシャルギャップ型回転電機。
3. 前記ステータの片側に前記ロータが配置されたシングルロータ・シングルステータ型である請求項１に記載のアキシャルギャップ型回転電機。
4. 前記ロータの両側に前記ステータがそれぞれ配置されたシングルロータ・ダブルステータ型である請求項１に記載のアキシャルギャップ型回転電機。
5. 前記変形コアは、前記コイルの軸方向端面を部分的に覆う形状を有する請求項１～４のいずれかに記載のアキシャルギャップ型回転電機。
6. 前記変形コアは、線材が前記コイルから遠くなるほど、該線材の端面位置は前記ステータコアの中心に接近する段差構造を有する請求項５に記載のアキシャルギャップ型回転電機。
7. 前記複数の線材は、円形、半円形、六角形、四角形または三角形の断面形状を有し、第１外径を有する第１線材グループと、円形、半円形、六角形、四角形または三角形の断面形状を有し、第１外径より小さい第２外径を有する第２線材グループとを含む請求項１～６のいずれかに記載のアキシャルギャップ型回転電機。
8. 前記束状コアの外部には、複数の線材を束ねるための枠部材が設けられる請求項１～６のいずれかに記載のアキシャルギャップ型回転電機。
9. 前記ステータコアは、前記軟磁性材料からなる複数の線材に加えて、前記軟磁性材料よりも強度の高い材料からなる高強度線材を含む請求項１に記載のアキシャルギャップ型回転電機。
10. 前記複数の線材は、円形、半円形、六角形、四角形または三角形の断面形状を有する第１線材グループと、円形、半円形、六角形、四角形または三角形の断面形状を複数組み合わせた異形断面形状を有する第２線材グループとを含む請求項１～６のいずれかに記載のアキシャルギャップ型回転電機。
11. 前記複数の線材のうち第１線材の側面には、凹部及び／又は凸部が形成され、
    前記複数の線材のうち、該第１線材に隣接する第２線材の側面には、該第１線材の凹部及び／又は凸部と嵌り合う凸部及び／又は凹部が形成される請求項１～６のいずれかに記載のアキシャルギャップ型回転電機。
12. 前記ロータの両側に前記ステータがそれぞれ配置され、
    各ステータの背面側に、磁気回路の一部を構成するバックヨークがそれぞれ設置されたシングルロータ型であって、
    該バックヨークは、前記ステータコアを構成する前記複数の線材と一体的に構成される請求項１に記載のアキシャルギャップ型回転電機。
13. 請求項１に記載のアキシャルギャップ型回転電機を製造する方法であって、
    軟磁性材料からなる複数の線材を束ねて、線材集合体を形成するステップと、
    複数の線材のうち少なくとも一部を一端で折り曲げて、第１変形コアを形成するステップと、
    前記線材集合体の周囲にコイルを設置するステップと、
    前記複数の線材のうち少なくとも一部を他端で折り曲げて、第２変形コアを形成するステップとを含む製造方法。
14. 請求項１に記載のアキシャルギャップ型回転電機を製造する方法であって、
    軟磁性材料からなる複数の線材を束ねて、線材集合体を形成するステップと、
    前記線材集合体の周囲にコイルを設置するステップと、
    金型を用いて、複数の線材のうち少なくとも一部を両端において線材の長手方向に加圧して折り曲げ、第１変形コアおよび第２変形コアを形成するステップとを含む製造方法。
15. 請求項１に記載のアキシャルギャップ型回転電機を製造する方法であって、
    軟磁性材料からなる複数の線材を束ねて、線材集合体を形成するステップと、
    前記線材集合体の周囲にコイルを設置するステップと、
    金型を用いて、複数の線材のうち少なくとも一部を両端において線材の長手方向に加圧して潰し、第１変形コアおよび第２変形コアを形成するステップとを含む製造方法。
16. 請求項１に記載のアキシャルギャップ型回転電機を製造する方法であって、
    軟磁性材料からなる複数の線材を束ねて、線材集合体を形成するステップと、
    前記線材集合体の周囲にコイルを設置するステップと、
    複数の線材のうち少なくとも一部を両端において１本ずつ折り曲げて、第１変形コアおよび第２変形コアを形成するステップとを含む製造方法。
17. 軟磁性材料からなる複数の線材を束ねて、線材集合体を形成するステップは、
    枠部材を用いて複数の線材を束ねるステップと、
    束ねた複数の線材を接着するステップと、
    接着した複数の線材から前記枠部材を取り外すステップとを含む請求項１３～１６のいずれかに記載のアキシャルギャップ型回転電機の製造方法。

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