TWI583101B - Axial air gap type rotary motor - Google Patents

Description

軸向氣隙型旋轉電機

本發明係關於一種軸向間隙型旋轉電機，且係關於一種於芯體與線圈之間具有線圈架之軸向氣隙型旋轉電機。

軸向間隙型旋轉電機係使圓筒狀之定子與圓盤狀之轉子對向而配置於旋轉軸者。定子包含於圓周方向上配置有複數個之芯體、捲繞於該芯體之電樞捲線、及使芯體與捲線間絕緣之線圈架(絕緣體)。產生轉矩之間隙面大體與直徑之立方成比例地增加，因此係適合於薄型形狀之旋轉電機。特別地，利用2片轉子夾持1個定子之雙轉子型之軸向間隙型旋轉電機可確保2倍之間隙面積，因此作為有可能獲得更優異之特性之構造而備受關注。

於雙轉子型之軸向間隙型旋轉電機中，定子之芯體係獨立配置，因此多為呈環狀排列並藉由鑄模樹脂而保持包含芯體、線圈及線圈架之複數個核心元件。芯體之位置影響旋轉電機內之磁通分佈，於定位精度不充分之情形時，會引起轉矩之減小、齒槽轉矩之增加、或振動、噪音之增加等。因此，對於芯體之定位，一直在進行各種研究。

於專利文獻1中，揭示有一種使用線圈架之核心元件之定位方法。具體而言，揭示如下方法，即於線圈架之旋轉軸方向之表面設置卡止凸部，經由連結件將鄰接之芯體彼此連結而將線圈架固定成環狀；或者於核心元件之旋轉軸方向上設置凸部，於鑄模設置與該凸部 嵌合之凹部而對芯體進行定位。

先前技術文獻 專利文獻

專利文獻1：日本專利特開2006-67650號公報

為實現定位功能而添設新的零件成為成本增加之原因。因此，認為：利用線圈架之形狀自由度較大之零件而間接地對芯體進行定位於製作方面及定位精度之方面具有優點。

然而，如專利文獻1般，於鑄模設置凹凸部而進行定位之方法有鑄模樹脂介入至進行定位之凹凸部之虞。若樹脂介入至定位部之間隙，則成形體之脫模性惡化，成為作業性降低及鑄模部破損等故障產生之原因。進而，亦存在如下課題，即若對鑄模施以用於定位之加工，則難以利用同一個鑄模來應對槽數量及芯體形狀等之設計變更。

期待一種可簡便且確實地進行定位之線圈架。

為解決上述課題，例如應用申請專利範圍中所記載之構成。即，一種軸向氣隙型旋轉電機，其具有：定子，其中包含大致柱體之鐵芯、捲繞於鐵芯之外周之線圈、及配置於上述鐵芯與上述線圈之間之線圈架的複數個定子核心元件係以旋轉軸為中心呈環狀排列，並一體地由樹脂模鑄成形而成；及至少1個轉子，其於旋轉軸徑向上，介隔特定之氣隙而與上述鐵芯之端面面對向；且上述線圈架具有筒形狀，該筒形狀具備保持上述鐵芯外周之筒部、及供上述線圈捲繞之外筒部，於上述外筒部之兩端部附近，具有自該外筒部於鉛垂方向上延伸特定之長度之凸緣部，於該凸緣部之旋轉軸芯側之端面，具備頂接部，該頂接部至少於一點與於上述樹脂模鑄成形時配置於上述定子之 軸心方向上之模接觸，而進行上述定子核心元件之旋轉軸芯方向之定位。

根據本發明之一態樣，芯體之徑向定位變得容易。又，無需對鑄模實施凹凸之加工，可使定子芯體之表面成形為所期望之形狀(例如，平面)。

除上述以外之課題、構成及效果由以下之記載而明瞭。

1‧‧‧雙轉子型軸向間隙型永久磁鐵同步馬達(馬達)

10‧‧‧(內周)頂接部

11‧‧‧凸部(圓周方向頂接部)

19‧‧‧定子

20‧‧‧核心元件

21‧‧‧芯體

22‧‧‧線圈架

22a‧‧‧筒部

22b‧‧‧凸緣部

23‧‧‧線圈

23b‧‧‧突起

23c‧‧‧突起部

24‧‧‧鑄模樹脂

25‧‧‧核心元件

30‧‧‧轉子

31‧‧‧永久磁鐵

32‧‧‧磁軛

40‧‧‧外罩

51‧‧‧芯模

52‧‧‧下模

60‧‧‧第1導電構件

60a‧‧‧孔部

70‧‧‧緊固構件

80‧‧‧第2導電構件

A‧‧‧旋轉軸

圖1係模式性表示應用本發明之第1實施形態之雙轉子式軸向氣隙型旋轉電機之電樞構成之立體圖。

圖2係模式性表示第1實施形態之核心元件(除線圈以外)之構成之立體圖。

圖3係模式性表示第1實施形態之定子之樹脂模鑄之樣態之側視圖。

圖4係表示第1實施形態之核心元件與芯模之關係之俯視圖。

圖5係表示第1實施形態之樹脂模鑄成形後之線圈架與芯模之關係之俯視圖。

圖6係表示第2實施形態之核心元件與芯模之關係之俯視圖。

圖7係表示第2實施形態之核心元件之構成之立體圖。

圖8係表示第2實施形態之核心元件之構成之立體圖。

圖9係表示第3實施形態之核心元件之構成之立體圖。

圖10係表示第4實施形態之核心元件之構成之立體圖。

[第1實施形態]

以下，使用圖式對用以實施本發明之形態進行說明。圖1表示應用本發明之雙轉子型之軸向氣隙型永久磁鐵同步馬達1(以下，存在稱 為「馬達1」之情形)之概要構成。

馬達1係圓筒狀之1個定子19與圓盤狀之2片轉子30於旋轉軸方向A上對向者。定子19具有形成1槽量之複數個核心元件20以旋轉軸為中心呈環狀排列而成之大致圓筒形之形狀。定子19係核心元件20彼此及外罩40之內周藉由樹脂模鑄而一體成形。再者，於本實施形態中，雖設定為藉由樹脂模鑄將核心元件20一體成形於外罩40內周，但本發明並不限於此，亦可為於藉由樹脂模鑄使核心元件20彼此一體成形之後，利用螺栓等與外罩40固定。

轉子30包含與芯體21端面對向之永久磁鐵31、及保持永久磁鐵31之磁軛32。於碟片狀之磁軛32，交替地配置有磁極不同之永久磁鐵31。再者，亦可於永久磁鐵31與磁軛32之間配設背磁軛(back yoke)。雖未圖示，但磁軛32結合於軸(旋轉軸)，經由軸承以旋轉自由之狀態保持於端托架(end bracket)。端托架與外罩40機械連接。於外罩40之外周側面設置有端子箱，1次側之電線與2次側之電線經由端子台而電性連接。於2次側，連接有自線圈引出之連接線。

圖2表示核心元件20之構成。再者，於本圖中，省略線圈23。核心元件20具有芯體21、線圈架22、及線圈23。芯體21具有端面成為大致梯形之形狀之柱體形狀。芯體21係於旋轉軸徑向上積層以特定寬度切斷之較薄的含有磁性體材料之板狀構件而形成。於本實施形態中，積層有寬度伴隨自旋轉軸心方向朝向外罩40側而逐漸變大之板狀構件。設定為使用非晶質作為磁性體材料，但並不限於此。

線圈架22包含樹脂等絕緣構件。線圈架22具有：筒部22a，其具有與芯體21之外徑大致一致之內徑；及凸緣部22b，其自該筒部之兩端開口部附近遍及鉛垂方向之全周延伸特定之寬度。線圈23捲繞於筒部22a之外筒部且2個凸緣部22b間。

又，線圈架筒部22a之旋轉軸芯側之端面具備頂接部10。頂接部 10於使核心元件20呈環狀排列而進行樹脂模鑄成形時，與配置於環之中心之圓筒形之鑄模接觸，而進行各核心元件20之徑向定位。於第1實施形態中，頂接部10成為相對於自鑄模之中心之徑向直線而正交之水平平面之形狀。即，頂接部10藉由圓筒形鑄模外周與為水平面之頂接部10之大致一點(因存在厚度，故亦可謂之為旋轉軸方向之線)接觸，而進行徑向之定位。再者，於本實施形態中，設定為將頂接部10設置於上下之凸緣部22b之構成，但亦可將頂接部10設置於上下之凸緣部22b之任一者。

圖3模式性表示對馬達1進行樹脂模鑄時之側面方向之樣態。鑄模包含：下模52，其具有與外罩40之內周形狀大體一致之外周形狀；芯模51，其為圓筒狀；及上模，其自外罩之另一開口插入，且未圖示。定子19之底面係藉由下模52而形成，上表面係藉由上模而形成，內周面係藉由芯模51而形成。核心元件20藉由使線圈架凸緣部22b之內周頂接面10與芯模51合攏，而配置於徑向之特定位置(參照圖4)。於圖3及圖4之狀態下，使上模下降，夾持並固定核心元件20。其後，以各核心元件20間、與外罩40之間、與芯模51之間為首，向定子19之大致整體注入樹脂。

圖5表示樹脂模鑄後之定子19之俯視圖(為簡化，將樹脂省略一部分而表示)。定子19之旋轉軸側之內周側面成為與圓柱狀之芯模之外周面對應之圓筒形。旋轉軸貫通該圓筒形之空間。

根據此種第1實施形態，可容易地使核心元件20配置於徑向之特定位置。又，無需於鑄模設置凸部或凹部，因此樹脂與模具之接觸面最小，且脫模性優異。根據以上，定位作業及模鑄作業之作業時間縮短，且模鑄作業之良率提高。進而，馬達1於線圈架凸緣部22b之軸心側設置有頂接面10，不帶有用於定位之添設零件，故而於成本方面亦優異。

以上，對第1實施形態進行了說明，但頂接部10之態樣並不限定於此。例如，如圖6所示，頂接部亦可為平面狀。於該情形時，亦可以成為大致正多角形(12角形)之形狀之方式形成芯模。

進而，亦可於頂接部10之平面2個部位，設置於徑向上突出相同長度之突起。兩者均不僅可於徑向上，而且亦可於圓周方向上對核心元件20進行定位。

[第2實施形態]

第2實施形態之馬達1之特徵之一在於：於與鄰接之線圈架之對向部進而具備凸部11(亦稱為「圓周方向頂接部」)。

圖7表示將第2實施形態之核心元件20配置於鑄模時之樣態。再者，對於與第1實施形態相同之部位，使用相同符號，並省略說明。

凸部11設置於凸緣部22b之旋轉軸旋轉方向之左右側面端部之局部，且於旋轉軸旋轉方向上進而延伸。凸部11具有如下功能：於將核心元件20排列於鑄模時，與鄰接之核心元件20之圓周方向頂接部11接觸，而進行核心元件20之圓周方向之定位。鄰接之核心元件20彼此經由凸部11而接觸，換言之，可謂：核心元件20之凸緣部22b彼此處於僅與凸部11接觸而鄰接之關係。再者，凸部11亦可為僅設置於軸旋轉方向之一凸緣部22b，而與鄰接之核心元件11之另一側凸緣部22b接觸之構成。或者，亦可為於旋轉軸心方向上錯開而設置有左右之凸部11，或亦可設置有複數個凸部。

圖8表示第2實施形態之定子19之立體圖。凸部11進而於旋轉軸方向上突出，且厚度較凸緣部22b更大。又，頂接部10亦與凸部11同樣地，於旋轉軸方向上突出。藉由該突出，與芯模51之接觸更穩定。例如，即便於伴隨線圈架之製作交叉、芯體21之插入或捲線步驟中之線圈架之變形，頂接部10於軸向上略微偏移之情形時，核心元件之定位功能亦不會下降，而可配置於特定之位置。

又，凸部11因係自旋轉軸呈放射狀配置，故可藉由使核心元件20於下模52上沿徑向滑動，而配置於特定之位置，且組裝之作業性優異。藉由凸部11，芯體間之圓周方向尺寸之精度飛躍提高。

[第3實施形態]

第3實施形態之特徵之一在於如下方面，即於凸緣部22b之面上具有第1導電構件60。

圖9表示第3實施形態之定子19之立體圖。再者，對於與上述其他實施形態相同之部位，使用相同符號，並省略說明。

本實施形態之核心元件20於線圈架凸緣部22b之輸出軸側表面且靠近外罩40之面上，具備第1導電構件60。第1導電構件60為薄板狀，且具備：孔部60a，其卡止於凸緣部22b之突起23b；及緊固部70，其將鄰接之核心元件20之第1導電構件60之端部彼此連接。緊固部70藉由盲鉚釘等而進行緊固。盲鉚釘藉由僅自轉子30側實施之作業便可進行緊固，故而可提高作業性，但緊固部70亦可藉由螺絲或螺栓等而進行緊固。

第1導電構件60係其芯體側端面及外罩40側端面分別與芯體21或外罩40之內周接觸，而電性連接。又，第1導電構件60亦具有作為芯體之冷卻板之功能。

於本實施形態之馬達1中，於藉由凸部11對各核心元件20進行定位之後，將第1導電構件60彼此緊固，藉此將核心元件20與線圈架之內周頂接面10機械地連接。因此，於向核心元件20上載置鑄模上模之步驟及注入鑄模樹脂之步驟中，可防止核心元件20之位置偏移。其結果，芯體21之位置精度提高，可謀求馬達1之轉矩之提高、齒槽轉矩之降低及振動、噪音之減少。

同時，與外罩40導通之第1導電構件60可降低線圈23與轉子30間之靜電電容，抑制因軸電壓而導致之軸承電蝕(galvanic corrosion)之 產生。進而，第1導電構件60因包含鋁或鐵等金屬材料，具有鑄模樹脂之數10至數100倍之導電率，故亦具有提高定子19之冷卻能力之效果。

於藉由樹脂保持定子19之馬達1中，成為主要熱源之線圈23及外罩40之熱阻之降低對散熱性之提高有效。藉由將第1導電構件配置於外周，而線圈之熱經由第1導電構件而傳遞至外罩40。另一方面，若漏磁通交鏈於第1導電構件60，則存在產生渦電流之情形。因此，為提高冷卻性能，同時降低渦電流損耗，較理想為使用如鋁般之非磁性且高熱導率之金屬材料作為第1導電構件60。

再者，第1導電構件60之形狀、導電構件與線圈架之卡止構造及第1導電構件60彼此之緊固構造並不限定於本實施形態。於本實施形態中，將第1導電構件60形成於定子之兩面(輸出軸側及反輸出軸側之表面)，但亦可僅設置於單面。另外，藉由實施芯體21與外罩40之導通及未被第1導電構件60覆蓋之線圈23與轉子30間之遮蔽，可進一步抑制軸承電蝕。

[第4實施形態]

第4實施形態之特徵之一在於如下方面，即於凸緣部22b之面上具有第2導電構件80。

圖10表示將核心元件20配置於鑄模時之俯視圖。再者，對於與上述其他實施形態相同之部份，使用相同符號，並省略說明。

馬達1於定子19之旋轉軸芯中央之內周具有與外罩40電性連接之圓筒狀之第2導電構件80。即，具有導線等連接機構，其一端部與第2導電構件80之外周連接，另一端部與外罩40內周或第1導電構件連接。第2導電構件80配置於圓筒狀之芯模51之外周，線圈架之內周頂接面10係以與第2導電構件80頂接之方式配置。而且，第2導電構件之外周藉由樹脂模鑄，而與各核心元件20之旋轉軸芯方向之部分固定而 成為一體。

根據第4實施形態，於樹脂模鑄後，可容易地將芯模51取下，而無需考慮樹脂之剝離。又，藉由第2導電構件80，線圈23與軸之間之靜電電容降低，因此可抑制因軸電壓而導致之軸承電蝕之產生。

再者，亦可利用1片薄板構成第2導電構件80，使該第2導電構件80以捲繞於芯模51之狀態抵壓內周頂接面10而得到保持。於該情形時，可低價地構成第2導電構件。

再者，間隙之數量及位置並不限定於本實施形態。

於本實施例中，對雙轉子型之軸向間隙型永久磁鐵同步馬達之例進行了說明，但亦可為其他形態之軸向間隙型永久磁鐵同步馬達。又，亦可為不具備永久磁鐵之同步磁阻馬達、開關磁阻馬達、或感應馬達等。進而，亦可非馬達，而為發電機。

[製造方法]

上述各實施形態之線圈架22係由具有絕緣性之樹脂形成，且係藉由樹脂成形而製造。然而，本發明並不限定於此，亦可藉由以下所示之立體造形機等而製造。即，不僅可利用立體造形機製造線圈架22本身，而且亦可利用立體造形機對樹脂成形用之模具進行積層造形、或利用切削RP(Rapid Prototype，快速成型)裝置對其進行切削加工，藉此進行製造，而獲得線圈架22。

作為積層造形，可應用光造形方式、粉末燒結積層造形方式、噴墨方式、樹脂溶解積層方式、石膏粉方式、片材成形方式、膜轉印影像積層方式及金屬光造形複合加工方式等。

上述積層造形及切削加工用之資料係藉由如下方式而產生，即，藉由CAM(Computer Aided Manufacturing，電腦輔助製造)將利用CAD(Computer Aided Design，電腦輔助設計)或CG(Computer Animation，電腦動畫)軟體或3D(3 Dimensions，三維)掃描儀而產生 之3D資料加工成NC(Numerical Control，數值控制)資料。將該資料輸入至立體造形機或切削RP裝置，藉此進行立體造形。再者，亦可藉由CAD/CAM軟體，自3D資料直接產生NC資料。

又，作為獲得線圈架22及其樹脂射出成型用模具之方法，亦可為：製作出3D資料或NC資料之資料提供者或服務提供商可經由網際網路等通信線，以特定之檔案形式發佈上述資料，使用者將該資料下載至3D造形機或控制該3D造形機之電腦等中，或作為雲型服務而對該資料進行存取，然後利用立體造形機進行成形輸出，藉此製造線圈架22。再者，亦可為資料提供者將3D資料或NC資料記錄於非揮發性之記錄媒體，並提供給使用者之方法。

若表示利用此種製造方法而製造之本實施形態之線圈架22之一態樣，則為一種線圈架之製造方法，其用於軸向氣隙型旋轉電機之1槽量之定子核心元件，該軸向氣隙型旋轉電機係被樹脂模鑄成圓筒形狀之定子及碟片狀之轉子於旋轉軸方向上，介隔特定之氣隙面對向而形成；上述方法基於如下之三維資料，利用立體造形機進行製造，即上述線圈架具有剖面呈大致梯形之筒形狀，該筒形狀包含：內筒部，其端面具有與包含大致梯形之柱體之芯體之外徑大致一致之內徑；及外筒部，其供線圈捲繞；於上述外筒部之兩端部附近，具有自該外筒部遍及鉛垂方向之全周延伸特定之長度之凸緣部，該凸緣部之旋轉軸芯側之端面(上底側端面)至少於一點與於上述定子之樹脂模鑄成形時配置於上述定子之軸心方向上之模具接觸。

進而，若表示利用此種製造方法而製造之線圈架22之另一態樣，則為一種線圈架之立體造形機用資料之傳輸、發佈方法，其用於軸向氣隙型旋轉電機之1槽量之定子核心元件，該軸向氣隙型旋轉電機係被樹脂模鑄成圓筒形狀之定子及碟片狀之轉子於旋轉軸方向上，介隔特定之氣隙面對向而形成；上述方法經由通信線，傳輸、發佈如 下之線圈架之立體造形機用資料，即該線圈架具有剖面呈大致梯形之筒形狀，該筒形狀包含：內筒部，其端面具有與包含大致梯形之柱體芯體之外徑大致一致之內徑；及外筒部，其供線圈捲繞；於上述外筒部之兩端部附近，具有自該外筒部遍及鉛垂方向之全周延伸特定之長度之凸緣部，該凸緣部之旋轉軸芯側之端面(上底側端面)至少於一點與於上述定子之樹脂模鑄成形時配置於上述定子之軸心方向上之模具接觸。

以上，對用以實施本發明之形態進行了說明，但本發明並不限定於上述態樣，而可於不脫離其主旨之範圍內，進行各種變更。例如，芯模51除圓筒形狀以外，亦可為剖面形狀係與槽數量相應之多角形。因1槽量之核心元件20之配置區域明確，故易於將核心元件20間之圓周方向之距離限制於特定之範圍內。於為12槽定子之情形時，可藉由以正12角形構成芯模51之剖面，而將核心元件20以限制於1槽量之角度即30°之方式進行配置。再者，於需要給出外罩40與定子之圓周方向之位置關係之情形時，亦可設定為於模具設置基準位置之標記，而標識多角形之芯模51與外罩40之圓周方向之位置關係。

10‧‧‧(內周)頂接部

21‧‧‧芯體(鐵芯)

23‧‧‧線圈

24‧‧‧鑄模樹脂

40‧‧‧外罩

51‧‧‧芯模

Claims (8)

1. 一種軸向氣隙型旋轉電機，其具有：定子，其中包含大致柱體之鐵芯、捲繞於鐵芯之外周之線圈、及配置於上述鐵芯與上述線圈之間之線圈架的複數個定子核心元件係以旋轉軸為中心呈環狀排列，並一體地由樹脂模鑄成形而成；及至少1個轉子，其於旋轉軸徑向上，介隔特定之氣隙而與上述鐵芯之端面作面對向；且上述線圈架具有筒形狀，該筒形狀具備保持上述鐵芯外周之筒部、及供上述線圈捲繞之外筒部，於上述外筒部之兩端部附近，具有自該外筒部於鉛垂方向上延伸特定之長度之凸緣部，於該凸緣部之旋轉軸芯側之端面，具備頂接部，該頂接部至少於一點與於上述樹脂模鑄成形時配置於上述定子之軸心方向上之模具接觸，而進行上述定子核心元件之旋轉軸芯方向之定位。
2. 如請求項1之軸向氣隙型旋轉電機，其中包含上述頂接部之上述定子核心元件之沿旋轉軸之內側面成形為與上述定子核心元件之數量相應之多角形之形狀。
3. 如請求項1之軸向氣隙型旋轉電機，其中上述線圈架於上述凸緣部之旋轉軸旋轉方向之左右兩端面，進而具有於水平方向上延伸之凸部，且鄰接之線圈架之凸部彼此接觸，而進行上述複數個定子芯體之旋轉軸旋轉方向之定位。
4. 如請求項1之軸向氣隙型旋轉電機，其中上述線圈架於上述凸緣部之旋轉軸旋轉方向之左右端面之至少一者，進而具有於水平 方向上延伸之凸部，且上述凸部與鄰接對向之凸緣部之端面接觸，而進行上述複數個定子芯體之旋轉軸旋轉方向之定位。
5. 如請求項2至4中任一項之軸向氣隙型旋轉電機，其中上述頂接部及上述凸部之上述旋轉軸方向厚度較上述凸緣部之其他部分大。
6. 如請求項2至4中任一項之軸向氣隙型旋轉電機，其中上述定子芯體於上述凸緣部之面中之處於旋轉軸徑向上之外罩內周側之表面部分，具有第1導電構件，該第1導電構件沿上述外罩內周延伸並且與上述芯體及上述外罩內周面接觸，且該第1導電構件與左右兩邊鄰接之定子芯體所具有之第1導電構件相互連接。
7. 如請求項2至4中任一項之軸向氣隙型旋轉電機，其中於上述定子之沿旋轉軸之內側面，進而具有筒形狀之構件，該構件至少於一點與上述頂接部接觸，並具有與上述定子核心元件之旋轉軸方向寬度大致相同之旋轉軸方向寬度，且該構件之外周藉由上述樹脂模鑄而與定子芯體一體成形。
8. 如請求項7之軸向氣隙型旋轉電機，其中上述構件係包含導電性之構件之第2導電構件，且該第2導電構件具有與上述外罩外周電性連接之連接機構。