JP2006304421A - アキシャルギャップ型回転電機のステータ構造 - Google Patents

Abstract

【課題】モールド樹脂による突極の支持剛性を高めて、ステータ全体の剛性を高めることができるアキシャルギャップ型回転電機のステータ構造を提供する。
【解決手段】コイルを巻装した突極１１を周方向に複数個並列して樹脂モールドして一体成型してなるステータと周方向に複数個の永久磁石を設けたロータが回転軸に沿って対向して配置されるアキシャルギャップ型回転電機のステータ構造において、前記突極１１のいずれかの面に凹凸部３１を設ける。
【選択図】図６

Description

本発明は、回転軸に沿ってステータとロータとが対向して配置されるアキシャルギャップ型回転電機のステータ構造に関するものである。

ロータに永久磁石を設けた回転電機は、損失が少なくかつ効率がよく、出力が大きい等の理由により自動車もしくは産業用機械に数多く使用されている。なかでも、回転軸に沿ってステータとディスク状のロータとが対向して配置されるアキシャルギャップ型回転電機は、回転電機自体の軸方向の薄型化が可能であるため、特許文献１に記載されているように、レイアウト上の制約がある場合により多く用いられており、ステータは突極を周方向に並列して、その全体を樹脂モールドにより一体成型して形成されている。
特開２００３−３２９７９号公報

ところが、このような形態のステータの構造では、突極とモールド樹脂との界面が、ステータの中心軸線方向に沿って平坦な形状であるため、突極とモールド樹脂との間には界面による剪断力しか作用しないため、モールド樹脂による突極の、ステータの軸方向の支持剛性を高めることができず、ステータ全体の剛性を高めることが出来ないという問題点があった。

本発明は上述したところの課題を解決することを目的とするものであり、その目的は、モールド樹脂による突極の支持剛性を高めて、ステータ全体の剛性を高めることができるアキシャルギャップ型回転電機のステータ構造を提供することにある。

請求項１に係るアキシャルギャップ型回転電機のステータ構造は、コイルを巻装した突極を周方向に複数個並列して樹脂モールドして一体成型してなるステータと周方向に複数個の永久磁石を設けたロータが回転軸に沿って対向して配置されるアキシャルギャップ型回転電機のステータ構造において、前記突極のいずれかの面に凹凸部を設けることを特徴とする。

これによれば、前記突極に凹凸部を設けることにより、樹脂モールドにより一体成型すると、当該モールド樹脂が凹凸部に入り込み、入り込んだモールド樹脂と突極の凹凸部とが相互に拘束しあって、従来技術においては、突極とモールド樹脂との界面の剪断力のみによってモールド樹脂が突極を支持していたのに対して、モールド樹脂が突極を、界面の剪断力に加えて、曲げ変形に起因する力を持って、強固に支持するため、モールド樹脂の突極に対する支持剛性を高めることができる。これにより、ステータ全体の剛性および強度をも高めることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１はアキシャルギャップ型回転電機のステータ構造の一実施形態を示す模式断面図である。図１（ｂ）は図１（ａ）のＺＺ断面を示す。
図２はアキシャルギャップ型回転電機の中心軸線を含んで示す模式断面図である。
また、図３はアキシャルギャップ型回転電機のステータ構造を、三方向から視て示す模式断面図である。図中左上は、ギャップ側から見た図を、右上は周方向から見た図を、左下は外周側から見た図を示す。

図１に示すように、アキシャルギャップ型回転電機のステータは、一般に、周囲にコイル１５が巻装された突極１１を、その中心軸線から放射状に延びる爪状のプレートをなす、複数のバックヨーク１２間に挟み込み、前記バックヨーク１２をバックプレート１３に対してボルトや接着剤等で固定したものを、モールド樹脂１４によって樹脂モールドして一体成型することによって、構成される。なお当該ステータには後述するロータのシャフトが貫通することとなるが、ここでは説明の便宜上、図示は省略する。

図２にアキシャルギャップ型回転電機全体の構成を示す。前記ステータ２１は、回転体であり永久磁石を回転軸に対し周方向に等間隔に具えるロータ２２を軸方向両側から挟み込む用に、ロータ２２の軸方向両側に位置するように固定され、前記ロータ２２はその内周側に回転中心軸としてのシャフト２３を具え、シャフト２３はここでは図示しない軸受を介して、これも図示しないケースに回転自在に支持される。前記シャフト２３内には、図示しないオイルポンプにより供給される潤滑油を、ロータ２２とステータ２１間に供給するための油穴２５が設けられている。ロータ２２とステータ２１の間には、少量の隙間（ギャップ２４）が設けられている。

図４は、アキシャルギャップ型回転電機の磁束の流れを示す模式図である。
図４に示すように、突極aに巻かれたコイルは、突極内に磁束Φを発生させ、突極a内を通過した後、ギャップを介してロータの永久磁石ｂを通過し、更に反対側のギャップを通過した後、発生した突極と反対側の突極ｃに入る。続いて磁束は突極cと接触しているバックヨークｄ及び隣接する突極ｅを通過し、再びギャップ及びロータを介して突極ｇ及びバックヨークhを通過し、元の突極aへと循環する。

この磁束Φの循環の中において、ステータからロータへと通過する磁束Φはロータ内に設けてある永久磁石が突極の正面に位置する様に、永久磁石を引張る力を発生させる。この力を回転軸周方向に設置してある各突極において、ロータの回転と同期させる事によって、ロータには常に突極から発生する磁束に引張られる様に回転駆動力が与えられる。

図５は、アキシャルギャップ型回転電機の磁束の流れと引張力との関係を示す模式図である。
図５に示すように、前記引張力Ｆは、ロータ２２に対し周方向のみならず、軸方向にも働くため、ステータ２１の突極１１にはギャップ方向つまりはステータの中心軸線方向へ抜け出る力が発生するため、突極１１に対するモールド樹脂１４の支持剛性を高める必要が生じる。

図６は、本発明に係るアキシャルギャップ型回転電機のステータ構造の一実施形態を示す模式断面図である。
なお、図６（ａ）（ｂ）は当該ステータ構造を三角法的に示したものであり、図中、左上が突極をギャップ側から見た図を、右上が突極の周方向から見た図を、左下が突極を外周側から見た図を示す。

図６（ａ）に示すように、従来平面であった突極１１とモールド樹脂１４の界面に凹凸部３１を設ける（請求項１に相当）事によって、モールド樹脂１４による突極１１に対する支持剛性を高めることができる。これは、突極１１に引張力が働いた際に、従来技術ではモールド樹脂１４と突極１１間の界面に働く剪断力のみで突極１１を支持していたことに対し、凹凸部３１を設けることによって、モールド樹脂１４の曲げ剛性による力及び剪断力によって、前記引張力を支持することができるためである。

また、バックヨーク１３と突極１１の接触面では、高密度の磁束を効率良く流すため、突極１１を平坦な形状とし、前記凹凸部３１を突極１１の外周面と内周面の少なくとも一方ここでは両方に設ける（請求項２に相当）ことによって、磁束密度の高い突極の周方向端面は平坦形状に形成することができ、これにより、磁束を突極１１の背面側（ギャップと反対側）に効率的に流すことができ、加えて、磁束密度の小さい突極１１の内周面及び外周面においては、モールド樹脂１４の突極１１に対する支持剛性を高めることができる。

また、図６（ｂ）に示すように、突極１１の凹凸部３２をテーパ形状とすることによって、凹凸部３２角部の応力集中を低減する事ができる。
この場合、突極１１内の磁束の流れは凹凸部３２によって阻害されることがないため、突極１１とバックヨーク１３との接触面もテーパ形状にすることができ、これによりバックヨーク１２によっても突極１１を支持させて、突極１１の支持剛性をさらに高めることができる。

図７は、本発明に係るアキシャルギャップ型回転電機のステータ構造の他の実施形態を示す模式断面図である。
図７（ａ）〜（ｄ）とも、上は突極を外周側から見た図を、下は突極をギャップ側から見た図を示す。

同期型回転電機では、ロータの永久磁石が突極の正面に位置する様、引張力を発生させる事により、駆動力が発生するが、突極と永久磁石が回転方向にオフセットしている状態において、突極から発生する磁束が永久磁石に到達すると、永久磁石は周方向に加速し、オフセット量が少なくなると、加速度は減少する。この加減速は回転軸にコギングトルクを発生させる事となる。
従来技術においては、突極のギャップ付近の周方向端面が平坦形状であったため、密度の高い磁束が永久磁石に到達すると、永久磁石は急加速を行い、コギングトルクの増大につながっていた。

そこで、図７（ａ）〜（ｄ）に示すように、突極１１のギャップ側に周方向に突出する鍔部１６を設ける（請求項４に相当）。これによれば、磁束が永久磁石に到達し始める時の磁束密度を低減させ、突極と永久磁石のオフセット量が小さくなるにつれ、序々に磁束密度を増大させることによって、コギングトルクを低減させることができる。
さらに鍔部１６に凹凸部としての切り欠き溝１７ａを設けることによって、モールド樹脂１４の突極１１に対する支持剛性を、ギャップ面近傍においても向上させることができる。

図７（ａ）に示すように、突極１１のギャップ面に周方向に突出する鍔部１６を設け、前記鍔部１６に凹凸部としても切欠き溝１７ａを設ける。これにより、コギングトルクを低減することができる。さらに、鍔部１６に設けられた切り欠き溝１７ａにモールド樹脂１４が入り込むため、鍔部１６は前述した凹凸部と同様の機能をも果たすことになり、モールド樹脂１４の突極１１に対する支持剛性を高めることができる。図７（ａ）に示す形態のステータ構造では、鍔部１６を大きく形成することができるが、鍔部１６の軸方向の寸法が増大する。

この鍔部１６は図７（ｂ）に示す形態とすることもできる。ここでも、突極１１のギャップ側に周方向に突出する鍔部１６を設けている。ここでは鍔部１６をギャップ面よりも背面側にずらせて設けることによって、鍔部１６とギャップ面との間の領域１７ｂにモールド樹脂が入り込み、鍔部１６は前記凹凸部としても機能して、モールド樹脂１４による突極１１の支持剛性を高めることができる。この場合、鍔部１６の厚みは少なくなるが、モールド樹脂１４の層を厚く設けることができる。

さらに鍔部１６は図７（ｃ）に示す形態とすることもできる。ここでも、突極１１のギャップ側に周方向に突出する鍔部１６を設けている。ギャップ面での突極１１の外周側から見た形状を円弧状に設けたものである。これにより、磁束密度の変化はより滑らかになり、コギングトルクより効果的に低減することが出来る。加えて、突極１１を円弧状とすることにより、鍔部１６の軸方向前後にモールド樹脂１４が入り込み、鍔部１６は凹凸部としても機能して、モールド樹脂１４の突極１１に対する支持剛性を高めることができる。ただしこの形態のステータ構造においては、突極１１の周方向中央部のモールド樹脂１４の層が薄くなるため、モールド樹脂１４による突極１１の支持剛性を高める上では、図７（ａ）（ｂ）に示した形態のステータ構造の方が有利となる。

さらに突極１１のギャップ面を図７（ｄ）に示す形態とすることもできる。ここでも、突極１１のギャップ側に周方向に突出する鍔部１６を設けている。図７（ａ）に示した構成に加えて、凹凸部としての溝部１７ｃを突極１１のギャップ面に設け、ギャップ面の周方向中央部分には凸部を位置させる。（請求項３に相当）これにより、ギャップ面にてモールド樹脂１４が介在する量を増大させる事ができるため、モールド樹脂１４による突極１１の支持剛性をさらに高めることができる。ただし、この形態のステータ構造では、突極１１のギャップ面の、磁束密度の高い中央付近にモールド樹脂１４を介在させることになるため、永久磁石に通過する磁束密度を確保する上では、図７（ａ）（ｂ）（ｃ）に示した形態のステータ構造の方が有利となる。

更に、突極１１のギャップ面の周方向中央部では、突極１１の表面が凸部となる様に設ける事により、磁束密度が高い突極１１の周方向中央部にて、効率良く磁束を流す事ができる。

図８は本発明に係るアキシャルギャップ型回転電機のステータ構造のさらに他の実施形態を示す模式図である。
図８の上は突極をギャップ側から見た図を、下は内周側から見た図を示す。
ここでも、突極１１のギャップ側に周方向に突出する鍔部１６を設けている。（請求項４に相当）これにより、前述したものと同様にコギングトルクを低減することが出来る。さらに、凹凸部としての溝部８１を突極１１のギャップ面に設け、ギャップ面の周方向中央部分には凸部を位置させる。（請求項３に相当）突極１１のギャップ面に設けられた凹凸部としての溝部８１にはモールド樹脂を充填しないように樹脂モールドによる一体成型を行っている。（請求項５に相当）

鍔部１６を設けることにより、コギングトルクを低減し、突極１１のモールド樹脂１４による支持剛性を高めることができる。さらに、突極１１の周方向中央部Ｃを凸形状とすることにより、磁束密度が高い突極１１の周方向中央部Ｃにて、効率良く磁束を流す事ができる。

ところで、突極１１はコイルによって発生された磁束を常時流すため、鉄損による発熱が発生し、かつ、アキシャルギャップ型回転電機においては、冷却媒体を通過させるスペースが少ないため、ギャップ面での油冷は効果的となる。
そこで、請求項５に相当する構成として、ステータを樹脂モールドにより一体成型するに当たり、突極１１のギャップ面に設けられた放射状の油溝８１に熱伝達率の低いモールド樹脂を充填しないことにより、図２に示した記載のシャフト２３から供給される冷却油を前記溝部８１に通過させることができ、効率良く突極１１を冷却することができる。

図９は、本発明に係るアキシャルギャップ型回転電機のステータ構造のさらに他の実施形態を示す模式図である。
ここでは、図９（ａ）に示すように、隣接する突極１１の背面側を相互に磁気的に接続させるように、それぞれの突極１１の背面側に周方向に突出する突部９１を設けている。（請求項６に相当）
この突部９１は、前記凹凸部としても機能し、突極１１のモールド樹脂１４による支持剛性を高めるとともに、従来、隣接する突極１１をバックヨークにより磁気的に接続していたものを、図９（ｂ）に示すように、突極１１のみにて磁気的に接続することが出来るため、バックヨークを省略して、部品点数を削減することができ、アキシャルギャップ型回転電機のステータの製造コストを低減することができる。

図１０は、図９に示した本発明に係るアキシャルギャップ型回転電機のステータ構造を、中心軸線方向から見て示す模式図である。
周方向断面形状がＴ字状をなす突極１１の底面に位置決め用の図示しない穴を設け、バックプレート１３に設けられたこれも図示しない位置決めピンに挿入することによって、周方向に円弧を描く様に突極１１が配置される。ここで、隣り合う突極１１はその背面側にて磁気的に接続するように、位置決めピンが設けられる。さらに、突極１１とバックプレート１３はモールド樹脂１４によって一体成型されることによって固定される。
尚、全実施例において、突極を圧粉材料によって形成させる事によって、凹凸部や鍔部、突部等の複雑な形状を含む突極を、低コストに製造することが可能となる。（請求項７に相当）

なお、本発明は、上記実施の形態にのみ限定されるものではなく、幾多の変形または変更が可能である。上述したように、鍔部が凹凸部を兼ねる、あるいは、突部が凹凸部を兼ねる構成の他、鍔部と凹凸部をおのおの別個に設け、あるいは突部を凹凸部と別個に設けることも可能である。さらに、アキシャルギャップ型回転電機の形態としては、上述したような、一つのロータに二つのステータを対向させる形態としても良いし、一つのロータに対して、一つのステータを対向させる形態としても良い。

本発明は、アキシャルギャップ型回転電機に用いて好適なものであり、特にはステータ構造の剛性を高めることができるものである。

アキシャルギャップ型回転電機のステータ構造の一実施形態を示す模式断面図である。 アキシャルギャップ型回転電機の中心軸線を含んで示す模式断面図である。 アキシャルギャップ型回転電機のステータ構造を、三方向から視て示す模式断面図である。 アキシャルギャップ型回転電機の磁束の流れを示す模式図である。 アキシャルギャップ型回転電機の磁束の流れと引張力との関係を示す模式図である。 本発明に係るアキシャルギャップ型回転電機のステータ構造の、さらに他の実施形態を、図２のＡＡ断面において示す模式図である。 本発明に係るアキシャルギャップ型回転電機のステータ構造の他の実施形態を示す模式断面図である。 本発明に係るアキシャルギャップ型回転電機のステータ構造のさらに他の実施形態を示す模式図である。 本発明に係るアキシャルギャップ型回転電機のステータ構造のさらに他の実施形態を示す模式図である。 図９に示した本発明に係るアキシャルギャップ型回転電機のステータ構造を、中心軸線方向から見て示す模式図である。

符号の説明

１１ 突極
１２ バックヨーク
１３ バックプレート
１４ モールド樹脂
１５ コイル
１６ 鍔部
１７ 切り欠き
２１ ステータ
２２ ロータ
２３ シャフト
２４ ギャップ
３１ 凹凸部
８１ 溝部
９１ 突部

Claims (7)

1. コイルを巻装した突極を周方向に複数個並列して樹脂モールドして一体成型してなるステータと周方向に複数個の永久磁石を設けたロータが回転軸に沿って対向して配置されるアキシャルギャップ型回転電機のステータ構造において、前記突極のいずれかの面に凹凸部を設けることを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機のステータ構造。
2. 前記凹凸部を前記突極の外周面と内周面の少なくとも一方に設けることを特徴とする請求項１に記載のアキシャルギャップ型回転電機のステータ構造。
3. 前記凹凸部を前記突極のギャップ面に設け、当該ギャップ面の周方向中央部分には凸部を位置させることを特徴とする請求項１もしくは２に記載のアキシャルギャップ型回転電機のステータ構造。
4. 前記突極のギャップ側に周方向に突出する鍔部を設けることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のアキシャルギャップ型回転電機のステータ構造。
5. 前記突極のギャップ面に設けられた前記凹凸部にはモールド樹脂を充填しないことを特徴とする請求項３もしくは４に記載のアキシャルギャップ型回転電機のステータ構造。
6. 隣接する前記突極の背面側を相互に磁気的に接続させるように、それぞれの突極の背面側に周方向に突出する突部を設けることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のアキシャルギャップ型回転電機のステータ構造。
7. 前記突極を圧粉材料により形成することを特徴とする請求項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のステータ構造。

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