CN106464111B - 轴向气隙型旋转电机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种轴向气隙型旋转电机，无论绕组(22)的连续卷绕数量或卷绕方向和层数的奇偶如何，都使用同一绕线架(23)使各绕组的匝数相同并且使连续绕组之间的跨接线最小。绕线架(23)形成为与铁芯(21)的外周形状大致一致的筒形，具有从绕线架(23)的两个开口部附近向外周侧延伸的凸缘部(23b)，一方的凸缘部(23b)具有2个第1缺口部(10a、10b)，另一方的凸缘部(23b)具有至少1个第2缺口部(10c)，相邻的定子铁心(20)的线圈(22)卷绕起点和卷绕终点的轴心方向的位置相同并且具有引出线圈(22)的缺口部的凸缘处于相同的开口部侧。

Description

轴向气隙型旋转电机
技术领域
本发明涉及轴向气隙型旋转电机，涉及具有定子绕线架(绝缘子)的轴向气隙型旋转电机。
背景技术
轴向气隙型旋转电机作为对于薄型旋转电机的小型、高效率化有效的结构受到了关注。该旋转电机具有使圆筒状的定子与圆盘状的转子在旋转轴径向上隔开规定的气隙面相对地配置的结构。已知由在周向上配置了多个的铁芯、在其上卷绕的线圈、和使铁芯与线圈之间绝缘的绕线架(绝缘子)构成的结构(芯构件)。
此处，绕线架由卷绕线圈的筒部、和位于筒部的两端部的向外周侧突出的凸缘部形成。绕线架形状对旋转电机的特性和作业效率有较大影响，所以存在各种技术。
例如，专利文献1公开了一种轴向气隙型的电动机，在绝缘子的凸缘(凸缘部)包括引出线圈的缺口和槽，从它们向周围引出线圈的芯构件。
另外，例如专利文献2公开了一种串联配置安装了铁芯的绝缘子、连续地卷绕线圈的轴向气隙型电动机。专利文献2的绝缘子，在绕线时，为了防止线圈跨越相邻的绝缘子时铁芯的边缘损伤线圈，而在铁芯外周面的端面设置有薄板状的肋，使边缘与线圈不会直接接触。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2008-118833号公报
专利文献2：日本特开2007-14146号公报
发明内容
发明要解决的课题
然而，旋转电机中，存在在相同的线圈配置空间中配置线径和匝数不同的线圈的情况。该情况下，偶数层卷绕和奇数层卷绕的线圈中，卷绕起点和卷绕终点的位置相对于卷绕轴是相反方向。另外，使同相线圈串联配置连续卷绕的情况下，连续的线圈之间的距离和卷绕方向因槽组合而不同。
专利文献1中，因为仅在绝缘子(绕线架)的两端部设置的凸缘(凸缘状的突出部)的一方设置引出线部，所以特定的芯构件的卷绕终点与引处线部方向相反的情况下，需要横跨相邻的芯构件线圈外周地跳接至引出线部。该结构显著地影响多余的跨接线的成本损失和生产效率。
另外，专利文献2中，对于在环状排列芯构件时，从各芯构件引出的线圈的引出线部没有公开。
要求能够灵活地应对绕组规格的变更并且有助于提高生产效率、降低成本、提高性能的绕线架。
用于解决课题的方法
为了解决上述课题，例如应用权利要求书中记载的发明。即，一种轴向气隙型旋转电机，其包括：多个定子铁心以旋转轴为中心环状排列而成的定子，其中，上述定子铁心包括：具有端面和外周面的大致柱体形状的铁芯、卷绕在该外周面上的线圈、和配置在上述铁芯与线圈之间的绕线架；和在旋转轴径向上隔开规定气隙地与上述端面面相对地配置的至少一个转子，其特征在于：上述绕线架形成为具有与上述铁芯的外周形状大致一致的内周形状的筒形，并具有从该绕线架的两个开口部附近向外周侧延伸规定长度的凸缘部，一方的上述凸缘部具有2个第1缺口部，另一方的上述凸缘部具有至少1个第2缺口部，相邻的上述定子铁心的线圈卷绕起点和卷绕终点的轴心方向的位置相同，并且具有引出上述线圈的上述缺口部的凸缘处于相同的开口部侧。
发明的效果
根据本发明，能够利用相同的绕线架使各绕组的匝数相同并且使连续绕组之间的跨接线最小，具有不妨碍旋转电机的特性地缩短因绕组规格变更产生的制造时间和降低制造成本的效果。
本发明的其他课题和效果将通过以下记载说明。
附图说明
图1是表示应用了本发明的第1实施方式的轴向气隙型电动机的电枢主要部分结构的立体图。
图2是表示第1实施方式的绕线架的结构的立体图。
图3是表示图2所示的绕线架的一方端部的图。
图4(a)和(b)是表示第1实施方式的10极12槽电动机的接线状况的示意图。
图5(a)是表示第1实施方式的绕线架的连续绕组的状况的示意图。图5(b)是表示线圈绕线后的线圈跨接线部的状况的示意图。
图6(a)是表示第1实施方式的绕线架的其他连续绕组的状况的示意图。图6(b)是表示线圈绕线后的线圈跨接线部的状况的示意图。
图7是表示第2实施方式的定子和壳体的配置关系的立体图。
图8是表示第2实施方式的定子铁心的结构的立体图。
图9是表示第2实施方式的定子铁心的结构的立体图(无导电部件)。
图10是表示第2实施方式的定子铁心的其他结构的立体图(无导电部件)。
图11(a)是本实施方式的其他例子的8极12槽电动机的定子截面图。图11(b)是表示其接线关系的示意图。
具体实施方式
以下用附图说明本发明的实施方式。
(第1实施方式)
在图1中示出应用了本发明的双转子型的轴向气隙型永磁铁同步电动机1(以下简称为“电动机1”)的电枢部分的主要部分结构。
电动机1具有使多个定子铁心20以旋转轴为中心环状排列而成的定子19、和与定子19的轴方向两端面分别面相对的2个转子30在旋转轴径向上隔开规定气隙地配置而成的结构。定子19被固定于具有筒形的内筒的壳体40的内周面。在壳体40的两个开口侧，连接有端部支架，通过轴承(未图示)以固定了转子30的轴可旋转的方式支承固定了转子30的轴(未图示)。
定子铁心20至少包括：具有端面为大致梯形或扇形的形状的层叠铁芯21；具有与铁芯21大致相同的内筒形的绕线架(bobbin)23；和在绕线架23的外筒部上卷绕的线圈22。铁芯21是将含有磁性体(本例中为非晶体)的薄板状的部件，以随着从轴径方向向壳体一侧去而宽度增大的方式切断，将其层叠而得到的。也可以是压粉铁芯或铸造品。
其中，虽然没有特别图示，但定子铁心20与壳体40通过树脂模塑一体地成形，与此同时在壳体40内固定。另外，也可以用环状部件等将各定子40圆环状地连接，用螺栓等与壳体固定，也可以是仅使定子20用树脂模塑一体成形，与壳体40螺栓固定的结构。全部进行树脂模塑的情况下，能够期待强度和耐久性提高。
转子30是在轭32上使大致扇形的不同磁极的永磁铁31在旋转方向上交替配置而构成的。其中，本实施方式中，以双转子型为例，但本发明不限于此，也可以是单转子型、三转子型等。另外，在壳体40的侧面设置了端子箱，一次侧的电线和二次侧的电线经由端子台电连接。在二次侧，连接有从绕组22引出的跨接线。
在图2和图3中示出绕线架23的结构。如图2所示，绕线架23具有卷绕线圈22的筒部23a、和位于筒部23a的端部并向外周侧突出规定宽度的凸缘部23b。在图中上侧的凸缘部外径侧(即壳体40一侧)设置了第1缺口部10a、10b，在下侧的凸缘部外径侧设置了第2缺口部10c。
如图10c所示，各缺口部优选对边缘(内缘角)倒角加工。本例中，以成为比线圈线径大的R(圆角)11的方式成形。如图3所示，3处缺口设置在从铁芯21的底边部分两端(与筒部23a的下底部分两端大致一致)向壳体部40一侧的延长线上附近。换言之，位于将缺口10a等投影至铁芯21的线上。更优选缺口部10a、10b、10c的内缘外侧位于该延长线上。这是为了将线圈22自然地引导至起点位置。
在图4(a)和(b)中示意性地示出电动机1的线圈结构。此处，举出10极12槽的三相结构为例进行说明。
线圈22是双线的二串二并的三角形接线，使连续的同相绕组串联连接。其中，对于绕线方法，示出了层数为奇数层、偶数层的两种情况。此处，各图的正、负表示线圈的卷绕方向。如图4(b)所示，在10极12槽的电动机中，卷绕方向不同的同相绕组相邻配置。另外，如图4(b)所示，使相邻的同相绕组串联，使由U1+至W1-的6个线圈构成的三角形接线、与由U2-至W2+构成的三角形接线并联连接。
接着，说明线圈22的卷绕方法。在图5中示出线圈22是双线、奇数层卷绕的例子。这些线在端部并联连接。双线与单线相比具有能够维持相同的直流电阻同时缩小线径的优点。由此，电线的集肤效应的影响减小，所以能够降低对于交流成分的电阻。虽然未图示，但在卷绕时，将绕线架23固定于卷绕治具上。此时，以缺口的形状相同的凸缘部23b的端面在轴方向上相对的方式配置。即，在将图中左侧的线圈端部系在卷绕治具等上固定的状态下使绕线架在卷绕方向上旋转。同时，使支承线圈的喷嘴在水平方向上移动，从而将线圈卷绕在筒部。
本例中，使喷嘴在凸缘部23c之间往返2N-1(N：整数)次之后，使线圈22通过缺口10c，通过相对的绕线架的同一缺口10c。对于右侧的绕线架，也使绕线架旋转并卷绕2N-1(N：整数)次，通过与卷绕起点位置对应的缺口10b，向绕线架23的外部引出。如图5(b)所示，在卷绕后，使连续绕组之间的跨接部22b脱离缺口10c，使两个绕线架旋转以使跨接部22b通过左侧绕线架的绕组的外径侧。由此，卷绕方向D不同的连续线圈完成。
接着，用图6(a)、(b)示出双线偶数层卷绕的例子。该情况下，以具有2处缺口10a和10b的凸缘部23b相对的方式配置绕线架23。在该状态下从图中左侧的绕线架的缺口10b开始卷绕。因为是偶数层，所以支承线圈的喷嘴在最后一层卷绕结束的阶段位于卷绕起始侧。从另一方的缺口10a向相邻绕线架的对应缺口10a引出绕组，同样地卷绕。卷绕之后，使线圈22脱离各缺口10b，使绕线架旋转以使连续绕组之间的跨接部22b通过右侧的线圈的外周。由此，如图6(b)所示的卷绕方向D相互不同的连续绕组完成。
根据第1实施方式，能够使用相同的绕线架卷绕不同卷绕方向的连续绕组。并且，在线圈的层数是奇数或偶数的情况下，都能够用相同的绕线架卷绕。进而，相邻的线圈22彼此之间，卷绕起点和卷绕终点的旋转轴方向的水平位置是相同位置，从各定子铁心20引出线圈的位置也能够是同一位置的缺口部。
另外，连续绕组的卷绕方向相同的情况下，能够通过在第一个绕线架和第二个绕线架中改变卷绕方向而同样地绕线。
另外，卷绕起点和卷绕终点在2个绕线架中一致，匝数没有差异。从而，不会发生匝数差异导致的电磁不均衡。通过使相对的两个绕线架的凸缘部23之间的距离适当，能够以必要最小限度的长度形成连续绕组之间的跨接部22b。因此，不用担心多余的跨接线22c引起的电阻增加和松弛的跨接线22c接近壳体40而短路。
另外，缺口部10a～10c存在于筒部23a的脚的延长线上，所以在使跨接线22b绕过缺口部10a～10c等时，不用使跨接线22c勉强地变形。在这一点上，向图中倾斜引出的连续绕组之间的跨接部的形状也具有同样的效果。
另外，缺口部10a～10c的边缘按R11倒角，所以能够抑制线圈以小于线径的R弯曲，抑制线圈表面的绝缘层破损。优选通过设置线径的约2倍的R而使上述效果更充分。进而，绕线机至少包括使绕线架旋转的单轴的旋转机构、使线圈在水平方向移动的喷嘴机构、和此时对线圈施加张力的拉紧机构即可，能够用简易的绕线机制造所以能够降低制造成本。
[第2实施方式]
第2实施方式的电动机1特征之一在于在绕线架凸缘部23c上具有导电部件50这一点。以下用附图进行说明，但对于与第1实施方式相同的场所使用相同符号，省略说明。
在图7中，示出由在凸缘部23c上配置了导电部件50的定子铁心20构成的定子19配置在壳体40上的状况。如图8所示，导电性部件配置在凸缘部23c上的壳体40一侧，由具有板状形状的金属等的部件构成。导电性部件50的旋转轴旋转方向的端部，具有比凸缘部23c的壳体侧长度更突出的长度。在突出的部分具有开口部50a。构成为与相邻的定子铁心20的导电性部件的一方端部的开口部50a能够用铆钉等紧固部件60连接。另外，也可以用凹部、凸部的结构关系接合等。
另外，如图所示，导电部件与顶部从绕线架23突出的铁芯21的壳体侧外周面接触，并且该接触面相反一侧的端面与壳体40的内周面接触。这具有使转子30与定子19之间的静电电容接地，降低轴承周边的轴电压，防止轴电蚀的功能。进而，也起到铁芯等的冷却板的作用。
另外，导电性部件在与绕线架23的缺口部10a、10b、10c相对的部分具有缺口50b(2处)，在凸缘部23c上配置时，不会覆盖缺口部10a等。
在图9中示出从第2实施方式的定子铁心20中拆除导电部件50后的状况。第2实施方式中，绕线架的凸缘部23的缺口部10a～10e的内缘具有在轴方向A延伸规定距离的突出部50c。该突出部50c的外周与导电性部件的缺口50的内缘嵌合。
根据第2实施方式，导电部件50与绕线架23的突出部12嵌合并且12个导电部件固接，所以能够进行绕线架23的定位。即，在周向、径向牢固地固定，所以能够防止用树脂模塑一体成形时树脂的注入压力导致的错位。另外，导电部件50具有树脂材料的数十倍至数百倍的热传导率，所以也有助于冷却。
另外，通过使绕线架23的缺口部10a等的内缘向旋转轴方向突出，能够兼顾由缺口部10等的侧面与面向线圈的凸缘部23c的底面形成的角部的R11增大和凸缘部的变薄(例如R11的1/2程度的厚度)。通过使凸缘部23c变薄，能够缩短定子铁心20的轴长度。一般而言，轴向气隙型旋转电机中，芯轴长度的缩短关系到磁阻降低和损失源减少，处于提高电动机特性的方向。这也关系到材料费的削减。突出部50b也有助于确保导电部件50与跨接线22b的沿面距离。
另外，第2实施方式中，示出了使缺口部10a等的内缘的突出部与导电部件50的缺口部嵌合的例子，但也可以设置具有两者的定位功能的其他机构。例如，也可以在缺口部10a等之间，设置圆筒状的突出部，跟与其对应地设置的导电部件50的开口部进行定位。
另外，绕线架凸缘部23c的缺口部形状也可以是其他形状。
在图10中示出凸缘部23a的缺口部被分隔部13划分为2个区域的形状。通过设置与线圈的数量相应的缺口部10a等而易于保持线圈22的排列性而提高作业效率。
[绕线架的制造方法]
本实施方式的绕线架23c由具有绝缘性的树脂形成，用树脂成形制造。但是，本发明不限定于此，也能够用以下所示的3D打印机等制造。即，不仅能够用3D打印机制造绕线架本身，也能够用3D打印机层叠造型、或者用切削RP装置切削加工得到树脂成形用的模具而制造，从而得到绕线架23。
关于层叠造型，能够应用光造型方式、粉末烧结层叠造型方式、喷墨方式、树脂熔解层叠方式、石膏粉方式、片成形方式、膜转印成像方式和金属光造型复合加工方式等。
上述层叠造型和切削加工用的数据通过对用CAD或CG软件或者3D扫描仪生成的3D数据用CAM加工为NC数据而生成。通过将该数据输入3D打印机或切削RP装置而进行三维造型。另外，也可以用CAD/CAM软件根据3D数据直接生成NC数据。
另外，作为获得绕线架23及其树脂注塑成型用模具的方法，也能够由制作3D数据或NC数据的数据提供者或者服务商经由互联网等通信线路用规定的文件格式发布，用户将该数据下载至3D打印机或控制它的计算机等或者用云服务进行访问，用3D打印机成形输出而制造绕线架7。另外，也能够使用数据提供者在非易失性记录介质中记录3D数据或NC数据，并对用户提供的方法。
用这样的制造方法制造的本实施方式的绕线架23的一个方式，是一种在具有端面和外周面的大致柱体形状的铁芯、和在该外周面上卷绕的线圈之间配置的绕线架的制造方法，基于三维数据用3D打印机制造上述绕线架，上述绕线架具有：与上述铁芯的外周形状大致一致的内周形状的内筒部；卷绕上述线圈的外筒部；从上述外筒部的两个开口部附近向与该筒部垂直的方向延伸规定距离的凸缘部；在一方的上述凸缘部设置的2个第1缺口部；和在另一方的上述凸缘部上设置的、与上述第1缺口部中的一个相对的至少1个第2缺口部。
进而，用这样的制造方法制造的绕线架23的其他方式，是一种在具有端面和外周面的大致柱状的形状的铁芯、和在该外周面上卷绕的线圈之间配置的绕线架的制造方法，经由通信线路传输/发布绕线架的3D打印机用的数据，该绕线架具有：与上述铁芯的外周形状大致一致的内周形状的内筒部；卷绕上述线圈的外筒部；从上述外筒部的两个开口部附近向与该筒部垂直的方向延伸规定距离的凸缘部；在一方的上述凸缘部设置的2个第1缺口部；和在另一方的上述凸缘部上设置的、与上述第1缺口部中的一个相对的至少1个第2缺口部。
以上说明了本发明的实施方式，但本发明不限定于此。例如，上述实施方式中，采用了从在同一面具有2处缺口部的凸缘部23b的1处引出绕组的结构。由此，在上下的凸缘部23b中各形成1处不存在跨接线22b的缺口部。由此，在树脂模塑时，能够形成树脂在轴方向移动的路径。也能够在该位置设置树脂的注入口。
另外，用双转子型的轴向气隙型电动机作为了例子，但也可以是不包括永磁铁的同步磁阻电动机或开关磁阻电动机、感应电动机等。进而，也可以不是电动机而是发电机。进而，在转子中，也可以在永磁铁与轭之间设置背轭(back yoke)。
绕组规格也不限定于上述结构。在图11(a)(b)中示出设想为8极12槽的接线图。此处，示出将4个线圈串联的星形接线的例子。该情况下，线圈的卷绕方向全部相同。从而，将4个绕线架在轴方向串联地配置，使卷绕方向交替反转，从而能够制造4联线圈。数量也是任意的。
缺口部的形状也不限定于本实施例。具有如上所述的至少3个缺口即可，也可以在其以上。缺口部的形状也可以不是如本实施例所示的与梯形状芯的底边平行的长方形状，而是与径向平行的长方形状、或梯形状、半圆状等。
附图标记的说明
1…双转子型的轴向气隙型永磁铁同步电动机
10a、10b、10c、10d……缺口部
11…R
19…定子
20…定子铁心
21…铁芯
22…线圈
22a……引出部
22b……跨接部
23…绕线架
23a……筒部
23b……凸缘部
30…转子
31…永磁铁
32…轭
40…壳体
50…导电部件
50a……开口部
50b……缺口
50c……台阶部
60…紧固部件
D……卷绕方向。

Claims (10)

1.一种轴向气隙型旋转电机，其特征在于，包括：
多个定子铁心以旋转轴为中心环状排列而成的定子，其中，所述定子铁心包括：具有端面和外周面的大致柱体形状的铁芯、卷绕在该外周面上的线圈、和配置在所述铁芯与线圈之间的绕线架，所述铁芯的端面的所述旋转轴旋转方向的宽度随着向远离所述旋转轴的方向去而变大；和
在旋转轴方向上隔开规定气隙地与所述端面面相对地配置的至少一个转子，其中
所述绕线架形成为具有与所述铁芯的外周形状大致一致的内周形状的筒形，并具有从该绕线架的两个开口部附近向外周侧延伸规定长度的凸缘部，
一方的所述凸缘部具有2个第1缺口部，
另一方的所述凸缘部具有至少1个第2缺口部，
相邻的所述定子铁心的线圈卷绕起点和卷绕终点的旋转轴方向的位置相同，并且具有引出所述线圈的所述缺口部的凸缘处于相同的开口部侧，
所述第1缺口部中的1个和所述第2缺口部中的1个，配置在旋转轴方向上相对的位置，并且配置在从所述铁芯的旋转方向宽度最大的部分在径向延长的所述凸缘部上的位置。
2.一种轴向气隙型旋转电机，其特征在于，包括：
多个定子铁心以旋转轴为中心环状排列而成的定子，其中，所述定子铁心包括：具有端面和外周面的大致柱体形状的铁芯、卷绕在该外周面上的线圈、和配置在所述铁芯与线圈之间的绕线架，所述铁芯的端面具有梯形形状；和
在旋转轴方向上隔开规定气隙地与所述端面面相对地配置的至少一个转子，其中
所述绕线架形成为具有与所述铁芯的外周形状大致一致的内周形状的筒形，并具有从该绕线架的两个开口部附近向外周侧延伸规定长度的凸缘部，
一方的所述凸缘部具有2个第1缺口部，
另一方的所述凸缘部具有至少1个第2缺口部，
相邻的所述定子铁心的线圈卷绕起点和卷绕终点的旋转轴方向的位置相同，并且具有引出所述线圈的所述缺口部的凸缘处于相同的开口部侧，
所述第1缺口部中的1个和所述第2缺口部中的1个，配置在旋转轴方向上相对的位置，并且所述2个第1缺口部和所述第2缺口部向所述铁芯的投影面，与所述铁芯的下底部分端部大致一致。
3.如权利要求1或2所述的轴向气隙型旋转电机，其特征在于：
所述2个第1缺口部在所述凸缘部上，配置在相对于所述铁芯的沿旋转轴径向的中心线线对称的位置。
4.如权利要求1或2所述的轴向气隙型旋转电机，其特征在于：
所述线圈以奇数层卷绕的方式排列卷绕。
5.如权利要求1或2所述的轴向气隙型旋转电机，其特征在于：
所述线圈在旋转轴方向以偶数层卷绕的方式排列卷绕。
6.如权利要求1或2所述的轴向气隙型旋转电机，其特征在于：
所述第1和第2缺口部的内缘进行了倒角加工。
7.如权利要求6所述的轴向气隙型旋转电机，其特征在于：
所述倒角具有所述线圈的直径以上且该直径的2倍以下的R。
8.如权利要求1或2所述的轴向气隙型旋转电机，其特征在于：
所述第1和第2缺口部的内缘在与相对的凸缘部相反方向具有突出部。
9.如权利要求1或2所述的轴向气隙型旋转电机，其特征在于：
所述第1和第2缺口部的与另一方凸缘部相对一侧的内缘角具有所述线圈的直径以上且该直径的2倍以下的R，
与具有该R的内缘角相反的内缘角在相反方向具有突出部，
所述第1和第2凸缘部的厚度是所述R的1/2以下的厚度。
10.如权利要求1或2所述的轴向气隙型旋转电机，其特征在于：
所述第1和第2缺口部分别具有划分为与所述线圈的数量对应的数量的区域的分隔部。
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