JP5879121B2 - アキシャルギャップ回転電機 - Google Patents

Description

本発明は軸方向にギャップを有するアキシャルギャップモータの構造に関する。

近年、産業用機器や家電品，自動車部品などにおいて、省エネルギー化の必要性が重要視されるようになってきた。現在、国内の火力，水力，原子力，風力などの発電所において作られる電気のほとんどは、電磁応用製品である回転電機（発電機）によって作られている。また、国内で使用される電力使用量のうちの半分以上は、回転電機の駆動によって消費されている。これらの回転電機などの電磁応用製品では、鉄心部に軟磁性材料が用いられており、この鉄心部の損失を低減することが、これらの製品の高効率化を実現する手段となっている。また、別の効率向上策としては、磁力の高い永久磁石を用いることにより、所定電流当たりのマグネットトルクを増加させて必要トルクを低い電流で得られるようにして、電流による導体のジュール熱による損失（銅損）を低減する手段がある。

永久磁石モータの高効率化の方法として、特許文献１が挙げられている。特許文献１では、永久磁石モータに使用する軟磁性材料に低損失なアモルファスを用いるためにアキシャルギャップ型のモータとし、さらに、銅損を低減するために永久磁石のボリュームを増やす構造として、軸方向の２面を回転子とする構成のモータが提案されている。しかし、この構造は、回転子が固定子に対して軸方向の両側に存在するために、固定子が軸方向中央部に孤立して配置される構造となる。このため、固定子とその周囲に巻回された固定子コイルを樹脂などによってモールドすることによって固定している。この固定方法は、容量の小さいモータで実用化されているが、樹脂モールド時の固定子鉄心や固定子コイルのモールド金型内での位置決め精度を確保するのが困難なことや、樹脂自体の価格が高価であるため、モータの価格が割高になるなどの課題がある。また、固定子コイルや鉄心の熱による膨張収縮などによって樹脂にかかる応力により固定子保持の長期信頼性にも課題がある。

上記問題を解決するための方法として、特許文献２が提案されている。ここでは、アキシャルギャップモータの回転子を片側の１つだけとして、固定子胴部にバックヨークを追加して設け、その鉄心で構成されるバックヨークをハウジングと焼嵌めや圧入等の方法を用いて締結するものである。ただし、固定子鉄心とバックヨーク、固定子鉄心胴部とその周囲に巻回される固定子コイルの固定方法は、特許文献１と同様に樹脂によるモールドを採用することが望ましく、先に述べたコイルや鉄心の熱膨張，収縮による樹脂の信頼性に課題が残る。

特開２０１０−１１５０６９号公報 特開２０１０−０５１０７５号公報

上記２つの特許文献に開示されているような構造のモータでは、固定子鉄心と固定子コイルを樹脂で一体化することによる組立工数の増大と、樹脂部材追加によるその分の価格上昇と、熱膨張収縮などによる信頼性の低下等の課題を有している。

本発明の目的は、組立性を改善し、低コストで、高い信頼性を有するアキシャルギャップ型の回転電機を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明はアキシャル型モータの固定子鉄心を保持する機能と、その固定子鉄心の周囲に巻回する固定子コイルを鉄心部と絶縁を保って保持する機能とを備えた非導電性かつ非磁性の鉄心・コイル保持部材を周方向，軸方向とも位置決めし、かつ、モータハウジングへの固定を容易にする構造を提案する。

具体的な構造としては、軸方向両面に回転子を有するアキシャルギャップ回転電機において、非導電性、かつ、非磁性の材質で構成される固定子鉄心保持機能兼、コイル巻回機能を備えた鉄心とコイルとを保持する保持部材を、固定子のスロット数で等分した角度を有して周方向に複数個配置される構造とし、外周側の鍔部の肉厚をコア保持部分よりコイルが入る側と反対方向に厚くして強度を向上させて構成し、その厚くなった鍔部の軸方向片側面を、外周部と接触して保持するモータハウジングの段付き部に位置決めし、鍔部の軸方向反対側面を軸方向位置決めするためのハウジング内径に接触する径を有する円筒リング状の保持部材で軸方向を押さえつけて保持される構造とすることで、軸方向に固定を行う。

上記の構造とすることで、コイルを巻回した固定子鉄心，鉄心とコイルとを保持する保持部材や固定子コイルは樹脂モールドされずにハウジングに固定できるため、コイルの温度上昇によって熱膨張や収縮があった場合でも、ハウジングとの締結部に与える影響はほとんど無いと考えられる。また、樹脂モールドを行わないために、その組立（モールド）工程や、樹脂のコストを削減可能であり、上記の課題が解決でき、外観上通常のモータと同様の扱いが可能なモータ構成が可能とできる。

本発明によれば、前述した公知文献のようにコイルを巻回した固定子鉄心，鉄心とコイルとを保持する保持部材や固定子コイルを樹脂モールドしないでハウジングに固定できるため、コイルの温度上昇によって熱膨張や収縮があった場合でも、ハウジングとの締結部に与える影響はほとんど無く、また、樹脂モールドを行わないために、その組立（モールド）工程や、樹脂のコストを削減可能である。

本発明のアキシャルギャップモータの固定子鉄心保持機能兼コイル保持機能を備えた鉄心・コイル保持部材１の斜視図である。 鉄心・コイル保持部材１にコイルを巻回して、鉄心を保持した状態でモータハウジングに組立を行った状態を中央部の断面を含んで示した斜視図である。 本発明の鉄心・コイル保持部材１と鉄心の保持構造について説明する図である。 本発明の鉄心・コイル保持部材１の保持強度向上のための各種パターンを示す図である。 本発明の鉄心・コイル保持部材１の保持強度向上のための各種パターンでの軸方向固定の構成例を示す図である。 本発明の第２の実施例の鉄心・コイル保持部材１を斜視図によって示す図である。 本発明の鉄心・コイル保持部材１を用いた固定子を用いたアキシャルギャップモータの構成を斜視図で示した図である。 鉄心の構造を示す図である。

以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。

以下、本発明の第１の実施例について図１及び図２を用いて説明する。
図１に本発明のアキシャルギャップモータの固定子鉄心保持機能兼コイル保持機能を備えた鉄心・コイル保持部材（鉄心とコイルとを保持する保持部材）１の斜視図を示す。この鉄心・コイル保持部材１は、非導電性でかつ、非磁性の材料で構成される。この鉄心・コイル保持部材１の開き角度θは、３６０度をモータの固定子１００のスロット数で割った角度（この場合は４０度）となるように構成する。また、中央の扇型形状の孔４は貫通孔であり、ここに固定子鉄心が配置されるものである。この固定子鉄心の周方向には、鉄心とコイルが電気的に絶縁されるように鉄心・コイル保持部材１の胴部３にコイルを巻回し、軸方向（紙面上下方向）にはみ出さないように保持するための鍔部２，２′を有している。この鍔部２の外周側の一部には、強度を高めるために、一部の厚みをコイル巻回部分よりも厚く構成している箇所６（厚肉部）を周方向に設けている。鍔部２に設けた厚肉部６は、鍔部２′の最外径よりもさらに径が大きくなる部分に設けられており、鍔部２′の最外周に対して径方向外側に寸法ｄ₁だけ突き出すように設けられている。これは、通常はコイルを巻回する部分の鍔部や胴部の肉厚が薄いほど、この領域に配置する導電材料（コイル）の断面積を大きくでき、コイルからの損失を小さくできるためである。また、固定子１００の軸方向両面には、狭ギャップを介して回転子が配置されるため、固定子鉄心とその周囲に巻回したコイルの領域の軸方向両端部には構造物を突出させられないためである。また、鍔部２，２′の周方向端部に切り欠き８を設けた構造とした。切り欠き８は、径方向において、ほぼ胴部３が設けられる範囲全体に渡って設けられている。これは、コイルを巻回した後に、隣合うコイルとの間に相間絶縁のための部材を保持するための位置決めのための溝である。さらに図１には、内径側の鍔部２に、軸方向の段付き部５を形成した。この段付き部５により、内周側に配置する部品の軸方向位置決めを行うことが目的である。また、鍔部２，２′の少なくともいずれか一方の一部にはコイルの端末線を引き出すための切り欠き７を少なくとも一か所以上設けることも必要である。

図２は、９スロットの固定子鉄心を持つアキシャルギャップ構造のモータ固定子を示している。図１に示した鉄心・コイル保持部材１にコイルを巻回して、鉄心を保持した状態でモータハウジングに組立を行った状態を中央部の断面を含んで示した斜視図である。鉄心・コイル保持部材１の中央部貫通孔には、固定子鉄心１１が配置されている。固定子鉄心１１と電気的に絶縁されて鉄心・コイル保持部材１の周囲をコイル１２が巻回されている。巻回されたコイル１２の端末線は、３つのコイルが連続で巻回されてつながっており、３つずつのコイルの最終端が、ひとつにまとめて接続されており、モータ固定子１００の外部には、３本の端末線１３ｕ，１３ｖ，１３ｗが出力される。コイル１２と固定子鉄心１１が保持された鉄心・コイル保持部材１は、周方向に接触して配置され、９個で３６０度となって周方向に位置決めされる。この状態で、モータ固定子ハウジング１４に圧入，焼嵌め固定で挿入されて、軸方向は、鍔部２の厚肉部６の端面を、ハウジング内径を異ならせることで構成される段付き構造部１４ａに接触固定することで、位置決めされる構造となっている。また、その厚めとなった鍔部２の厚肉部６のもう片方の端面をハウジングの内径部に圧入する外径を有した円筒状リングのカラー１５によって押さえる構造として、鉄心・コイル保持部材１を軸方向に固定する構造とした。

また、内径部は、この例では、すべり軸受け部１６の段付き部を鉄心・コイル保持部材１の内周側に設けられた段付き部５に組み合わせることによって、鉄心・コイル保持部材１の集合体である固定子１００と軸受け部１６の同軸度を保証する構成としている。また、軸方向反対側についても同様に、鉄心・コイル保持部材１の内周側に設けられた段付き部５に組み合わせ可能なリング形状のカラー１７を軸受け部１６の外周部に圧入して固定して、鉄心・コイル保持部材１の集合体である固定子が周方向、および、軸方向に拘束される構造としている。

次に図３を用いて、鉄心・コイル保持部材１と鉄心の保持構造について説明する。図３（ａ）から（ｄ）にはそれぞれ別の方法による鉄心の保持方法をそれぞれ斜視図で示している。まず図３（ａ）は、鉄心・コイル保持部材１に鉄心を圧入固定する方法である。図示のように、鉄心・コイル保持部材１に鉄心を挿入して組立を行う方法であるが、鉄心の寸法を、鉄心・コイル保持部材１の貫通孔４よりも若干大きくして挿入することにより、その圧力（摩擦）によって固定子鉄心を保持することが可能である。また、圧入で無く、隙間嵌め公差での挿入組立の場合は、接着材の塗布などによる固定も可能である。

図３（ｂ）には、固定子鉄心１１を鉄心・コイル保持部材１の貫通孔４に挿入後、絶縁部材でテーピングする方法を示している。この場合には、巻き線（コイル）を巻回してからの固定が有効と考えられる。固定子鉄心１１、を挿入，巻回したコイルを包むように、鍔部に設けられた切り欠き８に合わせた幅の薄手の絶縁テープによって固定する方法である。この場合、この絶縁テープによって、固定子１００として周方向に配置した時にコイルの隣合うコイル間に絶縁がなされるので、信頼性が高い固定子が得られる。絶縁テープの材質は、各種の材料が利用できるものと考えられ、ＰＰ，ＰＰＳ，ポリイミド，ノーメックス，アラミド紙など、絶縁等級に相応しい材料を選定することが望ましい。

図３（ｃ）は、（ｂ）図に示す絶縁テープと同様の効果を熱収縮材料によって構成する例である。先に示したテープ巻付けは、一つ一つに巻く作業が必要となり、製造工数が増加する。このため、あらかじめ挿入し易い寸法に成形された熱収縮チューブなどの部材を挿入し、ドライヤー乾燥などにより収縮させて構成することで工程の簡素化が図れるものである。

図３（ｄ）は、固定子鉄心１１を金型内に配置して、その表面に射出成形によって鉄心・コイル保持部材１を一体化する手法である。（ａ）図から（ｃ）図までの方法に比べて部品化するため扱いやすく、強度も高いなどの利点があると考えられる。この場合には、コイルは、固定子鉄心１１と鉄心・コイル保持部材１が一体になった後に巻回する必要があり、先に述べたような隣合うコイルとの相間絶縁は、別途設けなければならない。

図４には、鉄心・コイル保持部材１の保持強度向上のための各種パターンを示す。（ａ）図はこれまで述べてきた鉄心・コイル保持部材１を示しており、外周方向鍔部の一か所のみに厚肉部６が設けられている例である。（ｂ）図は、厚肉部６が、軸方向両側の鍔部２，２′に構成される例を示す。（ｃ）図は、内周方向も強固に軸方向を固定する場合の例を示しており、内周部にも厚肉部６を１か所設けている例である。（ｄ）図は鍔部２，２′の内周側にそれぞれ厚肉部６を設けている例を示す。

図５は、その軸方向固定の構成例を示す。（ａ）図は、図２で示したとおり、厚めに構成された鍔部６をハウジング１４の段付き構造部１４ａと、カラー１５による抑えにより軸方向に固定する構造を示す。（ｂ）図は、図４（ｂ）に示したように、軸方向両側の鍔部２，２′に厚肉部６が構成される例を示しており、この場合には、ハウジング１４の段付き構造１４ａと紙面で図示する上側の厚肉部６を、非磁性、かつ、非導電性のカラー１８を挟み、軸方向端部下側からさらに円筒リング形状のカラー１５で押さえる構造となる。このとき、軸方向中央部に位置するカラー１８は、セラミクス等の材質などが考えられ、強度を保つ以外に、コイルから発生するジュール熱をハウジング１４に伝熱させる目的で、熱伝導率の高い材質とすることが有効である。また、熱伝導ジェル等の接着剤系の部材１６を挿入し、軸方向の固定は、鉄心・コイル保持部材１の剛性で保つという方法も考えられる。

続いて、本発明の第２の実施例について図６を用いて説明する。
第１の実施例では、鉄心・コイル保持部材１の鍔部２，２′に厚みをもたせる、すなわち厚肉部６を設けることにより軸方向固定する強度を保つ例を示した。第２の実施例では、別の方法によって鉄心・コイル保持部材１の鍔部２，２′の剛性等の機械的強度を向上し、軸方向の固定を行う方法を説明する。

図６は、第２の実施例の鉄心・コイル保持部材１を斜視図によって示している。図６（ａ）には、鉄心・コイル保持部材１の中に挿入する金属製のフレーム２６の形状を示す。フレーム２６は、外周部の鍔部を構成する部分２６ａと、径方向のコイル巻回部分の鍔部を構成する部分２６ｂとを有する形状となっている。この材質は、アキシャルギャップモータの磁石回転子からの磁束を遮ることが無いように非磁性金属である必要がある。また、導電性金属の場合は、固定子鉄心を囲むように構成すると、その周囲に渦電流が発生するため、周方向の一部がつながらないことが重要である。この例では、内周側がつながらないように構成している。セラミクスなどの部材で構成する場合には、そのような考慮は不要である。この厚みは、鉄心・コイル保持部材１の鍔部の厚みの半分程度とすることが望ましい。あまり厚いとコイルの占積率が低下して損失増加につながるためである。このフレーム２６をインサート成形して鉄心・コイル保持部材１と一体化した形状を図６（ｃ）に示す。図１で示した鉄心・コイル保持部材１のように、鍔部を厚めにしなくとも、金属製のフレーム（骨格）で強度が向上されているため、このままの厚みで固定することが可能となる。コイルが巻かれる面は、絶縁物（樹脂）で構成され、それ以外の部分で強度向上のための金属骨格が表面に出ている構造となる。完全に樹脂の中に埋め込まれる構造でも問題はない。

尚、フレーム部分２６ａ，２６ｂは、鍔部２，２′のいずれか一方に設けてもよく、また両方に設けても良い。

図６（ｂ）には、軸方向にも強度を向上した金属骨格（フレーム２７）の例を示す。フレーム２７は、（ａ）図の鍔部２，２′の一部を構成する部分２６ａ，２６ｂと同様に、鍔部２，２′の一部を構成する部分２７ａ，２７ｂを有しているが、軸方向にもフレーム部分２７ｃを構成し、上下の鍔部２，２′を高強度化する構成である。これを内蔵した鉄心・コイル保持部材１を図６（ｄ）に示す。これにより、軸方向両側の鍔部２，２′とそれを支える強度が向上できるため、図５（ｂ）に示した方法により軸方向の固定が可能となる。

図６（ｅ）には、樹脂に炭素繊維，アラミド繊維，ナノフィラー叉はコアシェル型の粒子などのＧＦ（グラスファイバー）を含有した樹脂による高強度化を加えた鉄心・コイル保持部材１を示す。これによって、鍔部２，２′の厚みによる強度向上と、樹脂本来の強度向上によって保持強度の向上がはかれるものである。

上記のほか、鉄心・コイル保持部材１を、金属製の保持部材を非導電性部材でコーティングして構成しても良い。

続いて、本発明の第３の実施例について図７を用いて説明する。
図７は、これまで説明してきた鉄心・コイル保持部材１を用いた固定子１００を用いたアキシャルギャップモータの構成を斜視図で示したものである。回転子ヨーク３１とそれに貼り付けられた永久磁石３２と永久磁石間スペーサ３３とで構成される回転子２００ａ，２００ｂが、図２に示した固定子１００に対して軸方向両側に設けられている。固定子１００に対して軸方向両側に設けられる２つの回転子２００ａ，２００ｂは、シャフト３４を介して連結されており、すべり軸受け１６によって固定子１００に対して回転可能に構成されている。回転子２００ａ，２００ｂは、コイル電流によってトルクを発生し、モータとして動作する。固定子１００には、そのトルクの反力による回転力がかかるのと、磁石による吸引力で軸方向への力が加わることになる。これまで述べてきたようにこれらの力に対して、軸方向の固定、及び、回転方向の固定が必要であり、鉄心・コイル保持部材１の鍔部２，２′によって充分な固定を行う構造となっている。

図８には、鉄心の構造が異なる実施例について示す。（ａ）図には、電磁鋼板、または鉄基アモルファス，ファインメット，ナノクリスタル材料などの箔帯を周方向に積層した構造の鉄心を示すこのような鉄心を扇型形状に構成した鉄心を利用する場合に本発明の鉄心・コイル保持部材１が有効である。また（ｂ）図は、圧粉磁心，フェライトなどの粉末を圧縮成形した鉄心を利用する例である。（ｃ）図は、電磁鋼板、または鉄基アモルファス，ファインメット，ナノクリスタル材料などの箔帯を周方向に積層した構造の鉄心を示すこのような鉄心を長方形断面として構成する例を示している。（ｄ）図は、（ａ）図から（ｃ）図に示した軟磁性材料の鉄心に方向性を付与した鉄心を示す。本発明のアキシャルギャップモータでは、軸方向にしか磁束の流れは無いために、この方向に異方性をつける構造としたものである。

本発明のアキシャル型構造のモータは小型，高効率，低騒音を目的とした幅広いモータに応用することができる。また、本発明のモータ構造を用いたシステムは小形化，高効率化可能であり、ファン，ポンプシステム，家電用モータ，自動車補機類の駆動用，小形風力発電等の一般的な回転機システムに幅広く応用することが可能である。

１ 鉄心・コイル保持部材
２ 鍔部
３ 胴部
４ 固定子鉄心保持用貫通孔
５ 内周側段付き部
６ 外周側肉厚構造鍔部
７ コイル端末引き出し用切り欠き部
８ 相間絶縁物位置決め用切り欠き部
１１ 固定子鉄心
１２ 固定子コイル
１３ｕ，１３ｖ，１３ｗ コイル端末線
１４ モータ固定子ハウジング
１５ 固定子軸方向保持用カラー
１６ 軸受け部
１７ 軸受け部固定用カラー
１８ 軸方向中央部カラー
２１ 絶縁テープ
２２ 熱収縮部材
２３ 射出成型用金型
２４ 鉄心・コイル保持部材成形用キャビティ
２５ 樹脂注入用スプール
２６ 板状フレーム
２７ 軸方向強度向上フレーム
３１ ロータヨーク
３２ 永久磁石
３３ 磁石間スペーサ
３４ シャフト

Claims (5)

1. ２つの回転子と、
   前記２つの回転子に挟まれた固定子と、
   前記２つの回転子と前記固定子を収納するハウンジングと、を備え、
   前記固定子は、固定子鉄心と、当該固定子鉄心を保持しかつ非導電性及び非磁性材料で構成された保持部材と、当該保持部材に巻回されたコイルと、当該保持部材の鍔部に固定された金属製のフレームと、を有し、
   前記ハウンジングは、内周部に段差を形成し、
   前記保持部材は、当該保持部材の鍔部が前記フレームを挟んだ状態で、前記段差と対向するように、前記ハウンジングの内周部に固定されるアキシャルギャップ回転電機。
2. 請求項１に記載のアキシャルギャップ回転電機において、
   前記鍔部は、前記段差と対向する第１鍔部と、前記段差と対向しない第２鍔部と、を有し、
   前記フレームは、前記第１鍔部と対向する第１フレーム部と、前記第２鍔部と対向する第２フレーム部と、を有するアキシャルギャップ回転電機。
3. 請求項１または２に記載のアキシャルギャップ回転電機において、
   前記保持部材は、前記固定子鉄心を収納する胴部を有し、
   前記フレームは、前記胴部と対向する第３フレーム部を有するアキシャルギャップ回転電機。
4. 請求項２に記載のアキシャルギャップ回転電機において、
   前記保持部材と固定子鉄心及びコイルとを絶縁テープによって固定することで、周方向の相間絶縁がなされていることを特徴とするアキシャルギャップ回転電機。
5. 請求項２に記載のアキシャルギャップ回転電機において、
   前記保持部材と固定子鉄心及びコイルとを熱収縮部材によって固定することで、周方向の相間絶縁がなされていることを特徴とするアキシャルギャップ回転電機。