WO2015162765A1 - アキシャルギャップ型回転電機のステータコイル、ステータ、それを用いた回転電機及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

　ステータコイルの接続点数を減少させ、口出し線、ジャンパー線、中性線の部分の軸方向寸法と径方向寸法の低減と、コスト低減を図ったアキシャルギャップ型回転電機のステータコイルを提供する。　ロータを回転させるアキシャルギャップ型回転電機のステータに配置されるステータコイルであって、前記ロータの回転軸の周方向に複数配置され、前記ステータの外径側もしくは内径側で隣接する接続端部同士が接続され、前記接続部は絶縁物で被覆された導体のコイルピースからなり、前記コイルピースの反接続側において回転軸方向に折り返した折り返し部を有し、前記コイルピースの端部を周方向あるいは軸方向に延伸させて、口出し部、ジャンパー線、中性線の少なくとも１つの異形コイルを形成し、前記異形コイル同士を軸方向に重ねて配置した。

Description

アキシャルギャップ型回転電機のステータコイル、ステータ、それを用いた回転電機及びその製造方法

　本発明は、コイルの接続点数を減少させ、寸法の小型化を図ったアキシャルギャップ型回転電機のステータコイルの構造に関するものである。

　アキシャルギャップ型回転電機は、ロータ（回転子）と、このロータの軸線方向の端面に空隙を挟んで対向配置させたステータ（固定子）との各表面で作用する磁力によって回転駆動力を得るものである。

　従来から、アキシャルギャップ型回転電機では、ステータに配置されるステータコイルの構造が提案されており、特許文献１には、複数のコイルピースを回転軸の周方向に接続してコイルループを形成するステータコイルが開示されている。すなわち、巻線密度を増大させることで駆動力を向上させ、かつ、ステータを構成する部材の省スペース化を実現するために、導電体からなる複数のコイルピースと、コイルピースを周方向に配列する円環状のベース部材と、を備え、複数のコイルピースは、コイルループを形成する第１コイルピースと、バスバーと接続するための、あるいは、電流の方向を切り換えるための第２コイルピースと、Ｎ周目終端とＮ＋１周目始端とを接続してコイルピースの配列をロータの回転軸Ａの周方向にずらすための第３コイルピースと、から構成されているステータコイルが開示されている（要約参照）。

特開２０１１－６１９３９号公報

　特許文献１に記載されたステータコイルにおいては、絶縁被覆付きの銅の平角線を用いて、口出し線、ジャンパー線、中性線をバスバーで作製し、アキシャルギャップ用コイルの内径側端部とバスバーとを接続している。その結果、接続後のステータの内径寸法が増大し、回転軸と干渉してしまう。また、内径側に設置するバスバーが必要であり、モータのコストが増加する。

　本発明は、内径側、外径側に関係なく、ステータコイルの接続点数を減少させ、口出し線、ジャンパー線、中性線の部分の軸方向寸法と径方向寸法の低減と、コスト低減を図ったステータコイルを提供することを目的とする。

　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採用する。

　本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、本発明のステータコイルの一例を挙げるならば、ロータを回転させるアキシャルギャップ型回転電機のステータに配置されるステータコイルであって、前記ロータの回転軸の周方向に複数配置され、前記ステータの外径側もしくは内径側で隣接する接続端部同士が接続され、前記接続部は絶縁物で被覆された導体のコイルピースからなり、前記コイルピースの反接続側において回転軸方向に折り返した折り返し部を有し、前記コイルピースの端部を周方向あるいは軸方向に延伸させて、口出し部、ジャンパー線、中性線の少なくとも１つの異形コイルを形成したことを特徴とするものである。

　また、本発明のステータの一例を挙げるならば、ロータを回転させるアキシャルギャップ型回転電機のステータであって、ステータコイルと当該ステータコイルを保持する保持部材を有し、前記保持部材は回転軸の周方向に複数配置されたコアとコアスロットを有し、前記ステータコイルは、前記ロータの回転軸の周方向に複数配置され、前記ステータの外径側もしくは内径側で隣接する接続端部同士が接続され、前記接続部は絶縁物で被覆された導体のコイルピースからなり、前記コイルピースの反接続側において回転軸方向に折り返した折り返し部を有し、前記コイルピースの端部を周方向もしくは軸方向に延伸させて、口出し部、ジャンパー線、中性線の少なくとも１つの異形コイルを形成したことを特徴とするものである。

　本発明によれば、ステータコイルの接続点数を減少させることができ、口出し線、ジャンパー線、中性線の部分の軸方向寸法と径方向寸法を短縮して寸法の小型化を図ることができ、コスト低減を図ることができる。

本発明の実施例１のアキシャルギャップ型回転電機の概略図である。 本発明の実施例１のアキシャルギャップ型回転電機の側面図である。 本発明の実施例１の回転電機のステータを説明する斜視図である。 コイルピースの一例を示す斜視図である。 図３のステータを側面から見た概略図である。 同ステータを正面（口出し線側）から見た概略図である。 同ステータを正面（反口出し線側）から見た概略図である。 同ステータを側面（ジャンパー線側）から見た概略図である。 本発明の実施例２のステータのステータコイル（口出し線側）を説明する斜視図である。 本発明の実施例２のステータの保持部材とコアとスロットの構成を説明する概略図である。 本発明の実施例２のステータのステータコイル（反口出し線側）を説明する斜視図である。 本発明の実施例３のコアと保持部材の両面にステータコイルを組み立てる状態の説明図である。 本発明の実施例３のステータコイルをコアと保持部材に位置決め固定した状態の正面図である。

　以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、実施の形態を説明するための各図において、同一の機能を有する要素には同一の名称、符号を付して、その繰り返しの説明を省略する。

　本実施例では、ステータコイル（口出し線、ジャンパー線、中性線を対象）の接続点数を減少させ、寸法を小型化（ステータコイルの軸方向寸法と径方向寸法の短縮）するとともにコストを低減させている。

　図１は、本実施例の４８個のスロットを持つアキシャルギャップ型回転電機の概略図で、図２はその側面図である。アキシャルギャップ型回転電機１００では、例えば、ケイ素鋼板を積層して形成した矩形のコアを円環状に多数配置し、保持部材４に固定してステータ１を構成する。コア５は後述の図１０に示すように、保持部材４の内径側から挿入されて上下両面に突出するように円環状に配置され、隣接するコア５によってコアスロット１１が形成される。

　保持部材４の上下両面のコア５で形成されるコアスロット１１に、エナメル等で絶縁被覆された銅の平角線の導体（矩形導体）からなる円環状のステータコイル１０ａ、１０ｂを配置して、円盤状のステータ１を構成する。１０ａ、１０ｂはそれぞれ、ステータ１の上下の両面に配置されたステータコイルである。ステータ１は後述するように複数のコイルピース６を接合して円環状に構成される。上述したコア５は、図から明らかなように、その断面形状を四角形として示されているが、本発明はこれに限定されることなく、その他、例えば、断面形状を台形や三角形等の角形に適宜変更可能である。また、導体についても、その断面は矩形に限定されることなく、例えば断面形状を円、楕円、三角形、六角形等に適宜変更可能である。

　また、ステータ１の上下の両面に対向して、回転可能に２個のロータ２ａ、２ｂを配置する。上下のロータ２ａ、２ｂは、回転電機の中心に配置される回転軸３０で連結されており、ステータ１の両面に対向して、一定の空隙（ギャップ）を介して配置される。図２において、２５はアキシャルギャップ型回転電機１００のケーシングで、ステータ１の保持部材４を固定すると共に、回転軸３０を回転可能に支えている。

　本実施例のアキシャルギャップ型回転電機１００において、ステータ１の上下両面と対向するように、ロータ２の面には、複数のマグネット（図示せず。本実施例ではフェライト磁石）のＮ極とＳ極が周方向に交互に配置されている。なお、以下で説明するアキシャルギャップ型回転電機１００は一例であって、回転電機の極数とコアスロット数は、適宜、変更可能である。

　図３は、本実施例のアキシャルギャップ型回転電機１００における、ステータ１のみを示したものである。上述の通り、ステータ１は、上下の両面のコア５の周りに絶縁被覆された矩形導体からなる円環状のステータコイル１０ａ、１０ｂを、配置して構成される。各面に配置されるコイルピース６は、各コアスロット１１に回転軸方向に２段に重ねて配置される。なお、１ａと１ｂはそれぞれ、ステータ１の外径側（外周側）と内径側（内周側）、およびコアの外径側（外周側）と内径側（内周側）を示す。

　図４に、コイルピース６の一例を示す。図４は、２つのコイルピースを接続した図を示している。なお、図４のコイルピースは、接続端部の方向が図３とは異なる例である。

　コイルピース６は、中央部に回転軸方向に折り返した折り返し部を有し、その折り返し部をコア内径側に配置する。また、コイルピース６は、その両端部をコア外径側に配置する構成とし、隣接する複数のコイルピース６の端部同士を接続することで、円環状の電気回路を構成する。従って、ステータコイルの内径側（コア内径側）に接続部を設ける必要がないのでコイルの接続点数を減少させ、コイルの内径寸法を小さくすることができる。本実施例では、コイルピース６の折り返し部はコア内径側１ｂに配置したが、これに限定されることなく、コア外径側１ａに配置することもできる。また、円環状のステータコイル１０ａ、１０ｂも端部同士を接続することで、ステータコイル１０ａ、１０ｂを合わせて、円環状の電気回路を構成する。このとき、口出し線３は、図３に示すようにコア外径側１ａに配置することが可能である。

　図５は、本実施例のアキシャルギャップ型回転電機１００における、ステータ１を側面から見た概略図である。本発明では、これまで説明した図からも明らかなように導体には平角線を採用している。平角線は、コイル表面に平たい面が４箇所存在する。ここで、モータ駆動時はコイルが発熱するため、前述したコイル表面の平たい面を有効に活用したい。本実施例では、コイルピース６の平たい面を、コア５と保持部材４に接触するように配置している。これにより、コイルからの発熱は、コア５および保持部材４を介してハウジングに伝わり、コイルは冷却されることになる。ここで、ハウジングに冷却フィンや冷却パイプなどを配置すれば、さらにコイルの冷却性が向上するのはもちろんである。本発明ではステータコイル１０ａ、１０ｂを構成するコイルピース６の接続端部を回転軸方向、上下に立ち上げているため、接続端部同士をチャックする治具を配置することが可能であり、接続端部の上方に溶接トーチを配置して、溶接することが可能である。

　図６は、本実施例のアキシャルギャップ型回転電機１００における、ステータ１を正面（口出し線側）から見た概略図である。ステータ１を電気回路として構成するためには、口出し線３以外にも中性線７、中性線７’の異形コイルが必要である。ここで、中性線は、スター結線でコイルをひとまとめにした部分（中性点）に接続する線である。本実施例では、コイルピース６の外径側の片側端部を周方向に延伸させて、中性線を形成した。これにより、中性線用の異形コイルを準備する必要も無くなり、接続箇所も減少させることができる。また、中性線７’は、予め準備したターミナルコイルとして図示した。以上、端部を延伸させたコイル、通常のコイル、予め準備したターミナルコイルの３本を接続して、中性線を構成する場合を説明した。２本とも端部を延伸させたコイル、通常のコイルの組み合わせでもよいことはもちろんであり、そのように設計すれば、接続箇所をさらに減少させることができる。

　本実施例のもう一つの特徴として、中性線７、中性線７’の異形コイルが同一円周上（半径Ｒ１）に配置されていることである。このように配置すれば、中性線のコイルエンドからの外径側膨らみ寸法は最小となり、最終的にコイルの外径寸法を小さくすることができる。これは口出し線についても同様であり、口出し線３の異形コイルを同一円周上で周方向に引き回した後、軸方向に立ち上げてもよい。

　図７は、本実施例のアキシャルギャップ型回転電機１００における、ステータ１を正面（反口出し線側）から見た概略図である。前述したように、ステータ１を電気回路として構成するためには、口出し線３、中性線７、中性線７’以外にもジャンパー線８のような異形コイルが必要である。ジャンパー線８も同様に、コイルピース６の外径側の片側端部を周方向に延伸させることにした。これにより、ジャンパー線用の異形コイルを準備する必要も無くなり、接続箇所も減少させることができる。以上、端部を延伸させたコイル、通常のコイルの２本を接続して、ジャンパー線を構成する場合を説明した。２本とも端部を延伸させたコイルとし、中央で接続してもよいことはもちろんである。本発明実施例のもう一つの特徴として、ジャンパー線８の異形コイルが同一円周上（半径Ｒ２）に配置されていることである。このように配置すれば、ジャンパー線のコイルエンドからの外径側膨らみ寸法は最小となり、最終的にコイルの外径寸法を小さくすることができる。本発明のもう一つの特徴であるジャンパー線同士を軸方向に重ねて配置されることについては、別の図を用いて説明する。

　図８は、本実施例のアキシャルギャップ型回転電機１００における、ステータ１を側面（ジャンパー線側）から見た概略図である。ジャンパー線８は、本実施例において、３種類あるジャンパー線のうち、第一のジャンパー線である。第一のジャンパー線８は、１つのステータコイル内で電気接続を行うジャンパー線である。第一のジャンパー線８は、図８に示すように、コイルピース６の外径側の片側端部を周方向に延伸させ、次のジャンパー線８の下に潜り込むように、階段状に移行する形状となっている。これにより、本発明のもう一つの特徴であるジャンパー線同士を軸方向に重ねて配置することが可能である。また、コイルピース６の延伸端部は保持部材４と接触させることで、コイルの冷却性も向上する。これは中性線７、中性線７’についても同様であり、軸方向の高さを小さくし、かつ保持部材と接触させるためには、例えば図８に示すように中性線７’は保持部材４と接触させ、中性線７は線１本分上に配置するようにすればよい。このように配置すれば、図８に示すように保持部材に対し、中性線７、中性線７’と、ジャンパー線８は、線２本分の配置高さｔとなり、スロット内のコイル寸法（線２本分）と同じ高さとなり、コイルの軸方向寸法の短縮を図ることができる。

　本実施例では、残り２種類のジャンパー線の構造について説明する。

　図９は、本実施例のステータ１における、ステータコイル１０ａのみを示したものである。上述した通り、ステータコイル１０ａには、第二のジャンパー線であるジャンパー線９が示されている。第二のジャンパー線９は、他のステータコイルと電気接続をおこなうものである。第二のジャンパー線９は、コイルピース６の外径側の片側端部を軸方向に延伸させることにした。これにより、第二のジャンパー線用の異形コイルを準備する必要も無くなり、接続箇所も減少させることができる。

　図１０は、本実施例のアキシャルギャップ型回転電機１００における、コア５と保持部材４とスロット１１の構成の概略図である。コア５は、前記のように、ケイ素鋼板を積層して形成され、保持部材４に対し、内径側から挿入して上下両面に突出するように円環状に組立てられ、図示していないが、例えば締結板などを用いて、保持部材４に機械的に固定される。保持部材は、非磁性の部材で、例えばアルミニウム等を使用するとよい。ここで、図から明らかなように、第二のジャンパー線９の軸方向延伸部は、保持部材４と干渉する位置に配置されている。そこで、図９に示すように保持部材４には、第二のジャンパー線９の軸方向延伸部が貫通するための貫通穴１２を配置した。貫通穴の形状は、図に示すように矩形導体の寸法とクリアランスを合計した寸法の矩形形状とした。ここで、この貫通穴の形状は一例であり、穴形状を円、三角形など適宜、変更可能であるのはもちろんである。

　図１１は本実施例のステータ１における、ステータコイル１０ｂのみを示したものである。上述した通り、ステータコイル１０ｂには、第三のジャンパー線であるジャンパー線１３が示されている。第三のジャンパー線１３は、第二のジャンパー線９と接続するためのものである。第三のジャンパー線１３は、コイルピース６の外径側の片側端部を軸方向に延伸させることにした。これにより、第三のジャンパー線１３用の異形コイルを準備する必要も無くなり、接続箇所も減少させることができる。
また、第三のジャンパー線１３は、前述した第二のジャンパー線９と接続して電気回路を構成するため、第三のジャンパー線１３および第二のジャンパー線９の軸方向の延伸端部は隣接配置されて接続されるため、接続箇所を減少させることができる。また、第三のジャンパー線１３および第二のジャンパー線９は、軸方向に最も短い距離で接続できることから、銅損を低下し、さらには径方向のコイルの膨らみを抑制し、最終的にはコイルの外径寸法を小さくすることができる。

　本実施例３では、コアと保持部材に対し、ステータコイルを取り付けてステータを組み立てる製造方法を説明する。

　図１２は、アキシャルギャップ型回転電機１００における、コア５と保持部材４に対し、ステータコイル１０ａ、１０ｂを取り付けてステータ１を組み立てる方法を示した概略図である。図１２に示すステータコイル１０ａ、１０ｂは、図示していないが、コイルのスロット部を把持することで、予め仮組み状態で組み立てておくこととする。そして、予め組立てられた前記ステータコイル１０ａ、１０ｂを、コア５と保持部材４に対し、矢印で示すように上下両面から挟み、両面のコアスロット１１に同軸上に配置する。次に、ピース状（略三角柱状）のコイル位置決め冶具１４（全ては図示せず）を、コアスロット１１のコイルを除いた空隙部に矢印方向に挿入する。これにより、コア５と保持部材４に対し、ステータコイル１０ａ、１０ｂの位置決めと固定が可能となる。ステータコイル１０ａ、１０ｂがコア５と保持部材４に固定された後で、前述したコイルスロット部の把持部（図示せず）を開放する。図１３にステータコイル１０ａをコア５と保持部材４に位置決め固定した状態の正面図を示す。ここで、ステータコイルの固定方法について説明する。一例として、コイルの絶縁被覆部をさらに接着層（例えば熱硬化性樹脂）で覆った矩形導体を用いることで、溶接前のステータコイル１０ａ、１０ｂと、コア５と保持部材４とを接着させることが可能である。前述した通り、ステータコイル１０ａ、１０ｂは、コイル位置決め冶具１４で固定した状態で、加熱炉に入れることで、コイル表面の接着層が反応し硬化することで、コア５と保持部材４に接着させることができる。ここでコイル位置決め冶具１４は、非接着部材（例えばテフロン（登録商標））で構成すれば、接着層が硬化した後でも、コイル位置決め冶具１４のみを取り外すことが可能である。なお、コイル位置決め治具１４は、判り易くするため、ピース状（略三角柱状）の構造物を複数使用する方法として説明したが、複数のピース状突起を有するフランジ状の一体構造物で構成しても問題ない。以上、説明した方法により、溶接前のステータコイル１０ａ、１０ｂと、コア５と保持部材４とを接着させ、ステータ１を組み立てることができる。そして、ステータコイル１０ａ、１０ｂの端末部同士と、第三のジャンパー線１３と、第二のジャンパー線９の軸方向の延伸端部同士を接続することで、図３に示すステータ１が電気回路として構成される。最後に接続部を樹脂（液体樹脂、粉体樹脂を問わず）で被覆することで、ステータ１が構成される。

　なお、実施例３の製造方法は、予めステータコイルを仮組みしておき、保持部材に固定して、最後に端末部を接続するものであるが、別の製造方法として、予めステータコイル１０ａ、１０ｂの端末部を接続しておき、保持部材に固定して、最後に必要部だけ接続するようにしてもよい。

１　ステータ
１ａ　ステータの外径側
１ｂ　ステータの内径側
２（２ａ，２ｂ）　ロータ
３　口出し線
４　保持部材
５　コア
６　コイルピース
７　中性線
８　第一のジャンパー線
９　第二のジャンパー線
１０（１０ａ，１０ｂ）　ステータコイル
１１　スロット
１２　貫通穴
１３　第三のジャンパー線
１４　コイル位置決め冶具
２５　ケーシング
３０　回転軸
１００　アキシャルギャップ型モータ

Claims (15)

1. 　ロータを回転させるアキシャルギャップ型回転電機のステータに配置されるステータコイルであって、
   　前記ロータの回転軸の周方向に複数配置され、前記ステータの外径側もしくは内径側で隣接する接続端部同士が接続され、前記接続部は絶縁物で被覆された導体のコイルピースからなり、
   　前記コイルピースの反接続側において回転軸方向に折り返した折り返し部を有し、
   　前記コイルピースの端部を周方向あるいは軸方向に延伸させて、口出し部、ジャンパー線、中性線の少なくとも１つの異形コイルを形成したことを特徴とするステータコイル。
2. 　請求項１に記載のステータコイルにおいて、
   　前記コイルピースの端部を周方向に延伸させて形成した前記異形コイルの配置位置が径方向で一致していることを特徴とするステータコイル。
3. 　請求項２に記載のステータコイルにおいて、
   　前記異形コイル同士を軸方向に少なくとも一部分重ねて配置したことを特徴とするステータコイル。
4. 　ロータを回転させるアキシャルギャップ型回転電機のステータであって、
   　ステータコイルと当該ステータコイルを保持する保持部材を有し、前記保持部材は回転軸の周方向に複数配置されたコアとコアスロットを有し、
   　前記ステータコイルは、
   　前記ロータの回転軸の周方向に複数配置され、前記ステータの外径側もしくは内径側で隣接する接続端部同士が接続され、前記接続部は絶縁物で被覆された導体のコイルピースからなり、
   　前記コイルピースの反接続側において回転軸方向に折り返した折り返し部を有し、
   　前記コイルピースの端部を周方向もしくは軸方向に延伸させて、口出し部、ジャンパー線、中性線の少なくとも１つの異形コイルを形成したことを特徴とするステータ。
5. 　請求項４に記載のステータにおいて、
   　前記コイルピースの端部を周方向に延伸させて形成した前記異形コイルの配置位置が径方向で一致していることを特徴とするステータ。
6. 　請求項５に記載のステータにおいて、
   　前記異形コイル同士を軸方向に少なくとも一部分重ねて配置したことを特徴とするステータ。
7. 　請求項６に記載のステータにおいて、
   　前記異形コイルの片側端部を周方向に延伸させ、次の異形コイルの下に潜り込むように、階段状に移行する形状としたことを特徴とするステータ。
8. 　請求項４に記載のステータにおいて、
   　前記コイルピースの端部を軸方向に延伸させて形成した前記異形コイルの延伸端部が、前記コイルピースを保持する前記保持部材に設けた貫通穴を貫通し、前記保持部材に対し、対向して配置されたコイルピースの端部と前記延伸端部が隣接配置され、かつ端部同士が接続されることを特徴とするステータ。
9. 　請求項４に記載のステータにおいて、
   　前記コイルピースの端部を周方向もしくは軸方向に延伸させて形成した、前記異形コイルの延伸部が前記保持部材に対し、対向して配置されることを特徴とするステータ。
10. 　請求項４に記載のステータにおいて、
    　前記コイルピースの端部を周方向に延伸させて形成した、前記異形コイルの延伸部の少なくとも一部が前記保持部材と接触していることを特徴とするステータ。
11. 　請求項４に記載のステータにおいて、
    　前記コイルピースは矩形導体からなり、前記異形コイルの延伸部において、前記矩形導体の対向面同士が接触して軸方向に重なることを特徴とするステータ。
12. 　請求項４に記載のステータにおいて、
    　前記コイルピースは矩形導体からなり、前記異形コイルの延伸部において、前記矩形導体の対向面同士が接触して軸方向に重なり、かつ前記保持部材とも接触するように配置することを特徴とするステータ。
13. 　請求項４～１２の何れか１つに記載のステータを備える回転電機。
14. 　請求項４～１２の何れか１つに記載のステータを備える回転電機の製造方法において、
    　予め組み立てられた前記ステータコイルを、前記保持部材のコアスロットに配置し、
    　前記コアスロットに設けた隙間にピース状位置決め治具を挿入して、前記ステータコイルを前記保持部材に位置決めして、組み立てることを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機の製造方法。
15. 　請求項４～１２の何れか１つに記載のステータを備える回転電機の製造方法において、
    　予め組み立てられた前記ステータコイルを、前記保持部材の両面を挟んでコアスロットに配置し、
    　前記コアスロットに設けた隙間にピース状位置決め治具を挿入して、前記ステータコイルを前記保持部材に位置決めして、組み立てることを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機の製造方法。

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