JP5062398B2 - アキシャルエアギャップ型電動機およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ステータとロータとがロータ出力軸の軸線方向に沿って所定の空隙をもって対向的に配置されるアキシャルエアギャップ型電動機に関し、さらに詳しく言えば、固定子鉄心の外周を絶縁するインシュレータの構造に関する。

アキシャルエアギャップ型電動機は、ステータ（固定子）の一方または両方の側面にロータ（回転子）を所定の空隙をもって対向的に配置してなる電動機であって、インナーロータ型などのラジアルギャップ型電動機に比べて回転軸方向の厚さを薄くする、すなわち扁平にすることができるという特徴がある。

ところで、アキシャルエアギャップ型電動機は、特許文献１ではステータが扇状のコアメンバーを複数個環状につなぎ合わせることにより形成されている。これによれば、１つのコアメンバーに巻線を予め巻回しておき、それらを環状につなぎ合わせて結線するだけで簡単にステータを形成することができる。

各コアメンバーは、固定子鉄心と、同固定子鉄心の外周をティース面を残して絶縁被覆するインシュレータとを備えており、インシュレータを介して固定子鉄心の巻線部にコイルが多重に巻回されている。

この固定子鉄心は、一般的に電磁鋼板を半径方向に沿って台形状に積層した積層体からなり、その固定子鉄心の外周にインサート成型などによってインシュレータを一体的に設けるようにしている。

しかしながら、この電磁鋼板の積層体を固定子鉄心に用いたコアメンバーには、次のような問題があった。すなわち、アキシャルエアギャップ型電動機は、コイルの巻回部が断面三角形または台形であり、鋭角となる角部が存在するため、インシュレータにコイルを巻き付けた場合、コイルの巻き付け力が固定子鉄心の角部に応力集中する。

また、特許文献１のように、固定子鉄心のティース面の端部にスキューを設けたタイプでは、スキューを設けていないタイプと比べて、より鋭角となる角部を含む断面三角形となるため、この角部に特に大きな応力が集中する。これにより、角部に対向するインシュレータに亀裂などを生じるおそれがあった。さらには、高出力タイプの電動機には、太線のコイルが巻回されるこのため、角部における応力集中がより大きい。

また、従来より電磁鋼板の周縁には、切断時にバリが形成され、このバリを残した状態でインシュレータが一体形成されていることが多い。そのため、バリに応力集中することで、さらに亀裂などを生じやすかった。さらには、コイルに通電を繰り返すと、固定子鉄心は熱サイクルによって膨張収縮を繰り返すため、亀裂がより顕著に現れやすくなる。

そこで、角部に係る応力を効果的に分散させる方法として、例えば特許文献２に示すように、インシュレータの角部を円弧状に面取りする方法もある。しかしながら、特許文献２に記載の方法は、面取りの中心が固定子鉄心の角部にあるため、巻き付け力をある程度しか分散できず、バリに応力が集中するのを根本的に解決するには至らない。

特開２００７−６６９９号公報 特開２００６−２０３８７号公報

そこで、本発明は上述した課題を解決するため、固定子鉄心の角部にコイルの巻き付け力が集中しないインシュレータ構造を有するコアメンバーを環状に連結してなるステータを備えたアキシャルエアギャップ型電動機を提供することにある。

上述した課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、固定子鉄心の巻線部がインシュレータによって被覆された複数のコアメンバーを有し、上記各コアメンバーがロータ出力軸の軸線を中心に環状に配置されてなるステータを有するアキシャルエアギャップ型電動機において、上記固定子鉄心にはスキューが設けられており、上記インシュレータは、上記巻線部の外周を被覆する巻線被覆部のうち、半径方向の外周面側の上壁部の肉厚が、円周方向の両端側から中央に向かうにつれて漸次厚くなるように形成されており、上記上壁部の外周面は、その頂部が上記固定子鉄心の半径方向の最外層部の幅の１／２となる位置から上記スキューが設けられている側にずれて配置されていることを特徴としている。

請求項２に記載の発明は、上記請求項１において、上記インシュレータはさらに、上記上壁部と側壁部の角部の外周を覆う部分が円弧状に形成されていることを特徴としている。

本発明には、請求項３に記載の製造方法も含まれる。すなわち、固定子鉄心の巻線部がインシュレータによって被覆された複数のコアメンバーを有し、上記各コアメンバーがロータ出力軸の軸線を中心に環状に配置されるアキシャルエアギャップ型電動機の製造方法において、上記インシュレータは、上記固定子鉄心のティース面を残すように、その外周に金型内での樹脂流し込みによるインサート成型によって一体的に形成されており、上記インサート成型時に溶融樹脂を金型内に流し込むゲート位置が上記固定子鉄心の半径方向の内側に設けられていることを特徴としている。

本発明によれば、巻線部の外周を被覆する被覆面のうち、半径方向の外周面側の上壁部の肉厚を円周方向の両端側から中央に向かうにつれて漸次厚くしたことにより、コイルの角部に係る応力集中する位置を固定子鉄心の角部からずらすことができ、バリなどがあってもインシュレータに亀裂が生じるのを効果的に抑えることができる。

次に、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の一実施形態に係るアキシャルエアギャップ型電動機を模式的に示した断面図であり、図２はステータコアを連結した状態の正面図である。

図１に示すように、このアキシャルエアギャップ型電動機１は、円盤状に形成されたステータ２と、同ステータ２の両側面に所定の空隙（ギャップ）をもって対向的に配置される一対のロータ３，３とを備えている。各ロータ３，３は回転駆動力を出力するロータ出力軸４に同軸的に固定されている。

なお、ステータ２およびロータ３はブラケット内に収納されている。この例において、ステータ２の外周面に一体成型された合成樹脂材６がブラケットの外周壁を兼ねており、その両端に図示しない蓋部材が取り付けられている。なお、蓋部材を用いずにロータ３，３を直にファンなどに取り付けるようにしてもよい。

本発明において、ロータ３，３はステータ２を挟んで左右両側に配置されているが、いずれか一方のみであってもよく、本発明においてロータの構成はアキシャルエアギャップ型電動機１を構成するのに必要な機能を備えていればよく、仕様に応じて任意に変更可能である。

ステータ２の中心部には軸受部５が配置されている。この例において、軸受部５は一対のラジアルボールベアリング５ａ，５ｂを有し、その内輪はロータ出力軸４に圧入嵌めされ、外輪側はステータ２の合成樹脂材６の中央に形成された凹部に埋設されている。本発明において軸受部５の構成は任意であってよい。

また、各ロータ３，３は同一のロータ出力軸４を共有しているが、各ロータ３，３毎にロータ出力軸を有する２出力軸タイプであってもよい。さらには、ロータ出力軸４を持たずにステータ２に対してロータ３，３をラジアルボールベアリングを介して直に支持させるシャフトレス型としてもよい。

図２に示すように、ステータ２にはロータ出力軸４の回転軸線を中心軸として環状に配置された複数個（この例では９個（９スロット））のコアメンバー２１ａ〜２１ｉが含まれている。各コアメンバー２１ａ〜２１ｉは同一構成のため、ここではコアメンバー２１ａを例にとって説明する。

図３を併せて参照して、コアメンバー２１ａは、半径方向から見てＨ字状に形成された複数枚の電磁鋼板を半径方向に沿って積層してなる積層体からなり、半径方向の内側から外側に向かうにつれて円周方向の幅が漸次広くなる立体台形状に形成されている。

これにより、コアメンバー２１ａは、左右一対のフランジ状のティース面２２，２２を有するボビン状に形成され、中央に形成された固定子鉄心２３の巻線部２４にコイル（図示しない）が巻回される。

固定子鉄心２３は、絶縁樹脂からなるインシュレータ３０によってティース面２２，２２を残して全体が覆われている。インシュレータ３０は、ティース面２２，２２に沿って半径方向に延びる巻枠板としてのフランジ部３１，３１と、固定子鉄心２３の巻線部２４を覆う巻線被覆部３２と備えている。

この例において、固定子鉄心２３のティース面２２の両端には、図２に示すように、コギングトルクを低減するため、それぞれ円周方向の端面には所定角度傾けられたスキューが形成されている。

各フランジ部３１，３１には、各コアメンバー２１ａ〜２１ｉ同士を相互に連結するための連結手段が設けられている。連結手段として、フランジ部３１，３１の円周方向の一方の上端部には、各コアメンバー２１ａ〜２１ｉ同士をロータ出力軸４の軸線を中心として環状に連結するためのフック部４１，４１が設けられ、他方の上端部には、同フック４１，４１が係止される係止軸４２，４２が設けられている。

また、フランジ部３１，３１の円周方向の他方の下端部には、各コアメンバー２１ａ〜２１ｉ同士をより確実に環状に連結するための連結ガイド手段としての係止凸部４３が設けられ、他方の下端部には係止凸部４３の受け手側としての係止凹部４４が設けられている。

連結手段としてのフック部４１および係止軸４２や、連結ガイド手段としての係止凸部４３および係止凹部４４は、本発明においてあくまで任意的事項であり、その位置や形状は、仕様に応じて任意に変更可能である。

図４（ａ）に示すように、インシュレータ３０は、金型内でのインサート成型により固定子鉄心２３の外周に一体形成されており、その巻線被覆部３２は、固定子鉄心２３の巻線部２４の外周を覆うように、この例では断面三角形状に形成されている。

この巻線被覆部３２は、固定子鉄心２３の巻線部の各角部２４ａ〜２４ｃに対向する面が、それぞれ円弧状に面取りされていることが好ましい。これによれば、コイルを角部２４ａ〜２４ｃにフィットさせて巻回することにより、応力集中を緩和することができる。

巻線被覆部３２のうち、半径方向の外側面の上壁部３３は、その肉厚が他の巻線被覆部３２の肉厚よりも厚く形成されており、かつ、円周方向の両端側から中央に向かうにつれて漸次厚くなるように形成されている。

これによれば、上壁部３３の肉厚を厚くし、かつ、中央に向かってその厚みが増すように形成したことにより、図５に示すように、巻付応力Ｆのベクトル成分Ｆ１，Ｆ２のうち、ベクトル成分Ｆ１の向きを外周側に向けることができるため、巻付応力Ｆを小さくできるとともに、巻付応力Ｆの向きを固定子鉄心２３の巻線部２４の角部２４ａから遠ざけることができる。

巻付応力Ｆを角部２４ａから遠ざけることにより、インシュレータ３０が固定子鉄心２３の鋭角部分に押し付けられる力を小さくすることができる。したがって、インシュレータ３０に亀裂が生じることを防止できる。

本実施例のように、固定子鉄心２３にスキューが設けられている場合、より好ましい態様として、頂部Ｔは、幅Ｗの１／２となる位置とスキューが設けられている側の角部（この例では角部２４ａ）との間にずれて配置されていることが好ましい。これによれば、スキューが設けられている側のより鋭角の角部２４ａに係る応力をより小さくすることができる。

なお、本実施例において、固定子鉄心２３は、複数枚の電磁鋼板をＨ字状に打ち抜き積層しているため、電磁鋼板の縁に打抜方向にバリを生じることが考えられるが、仮に固定子鉄心２３にバリが残ったままインシュレータ３０を一体成型しても、インシュレータ３０に亀裂などが発生することを防止できる。

なお、図示しないが、固定子鉄心２３にスキューが設けられていない場合には、角部２４ａと角部２４ｂは同じ角度となるため、頂部Ｔの位置が固定子鉄心２３の半径方向の最外層部の幅Ｗの１／２となる位置（Ｗ／２）に設けられていることが好ましい。

この例において、上壁部３３は円弧面状に形成されているが、これ以外に凸部を形成するだけでもよく、また、図４（ｂ）に示すように、上壁部３３の一部に一対の凸部３４，３４を設けてもよく、同様にコイルの巻き付け力を分散させる効果が得られる。

ここで、各凸部３４，３４は、固定子鉄心２３の半径方向の最外層部の中央を挟んで左右対称となる位置に配置しても、左右非対称となる位置に配置してもよい。これにより、円弧面とした時と同じ作用効果が奏される。

ところで、巻線被覆部３２を含むインシュレータ３０は、金型内に樹脂の流し込んでインサート成型によって固定子鉄心２３に一体的に成型されている。そこで、本発明においては、インサート成型時に溶融樹脂を金型内に流し込むゲート位置が、固定子鉄心２３の半径方向の内側（上壁部３３とは逆方向）に設けられている。

この例において、ゲート位置は各フランジ部３１，３１の半径方向の内径寄りの中央から軸方向に向かって設けられており（図３の矢印Ａ１方向）、溶融樹脂は金型内のフランジ部３１，３１の内側から外側に向かって移動するようになっている。なお、ゲート位置はフランジ部３１に限らず、角部２４ｃの対向部（図３の矢印Ａ２）であってもよい。

巻線部２４において、溶融樹脂は、まず角部２４ｃを覆うように流れたのち、巻線部２４の側面に沿って外周側に向かって流れて行く。次に、溶融樹脂は、各角部２４ａ，２４ｂに沿って流れてゆきながら、巻線部２４の外側面を両側から進み、最後に頂部Ｔ近傍でぶつかり接合する。以上により、巻線被覆部３２が形成される。

これによれば、巻線被覆部３２の上壁部３３は、他の部分と比べて厚く、かつ、円弧状に形成するようになっているため、溶融樹脂が金型内を固定子鉄心２３の内径側から外径側に向かって移動してゆくにつれ、金型空間が広く、温度が落ち始めた溶融樹脂を確実に外側面側に移動させることができる。そして、二手に分かれた溶融樹脂の接合部を巻線被覆部３２の最も厚い上層部３３としたことにより、強度が不足するのを防止できる。

この例において、固定子鉄心２３は電磁鋼板の積層体からなるが、例えば鋳造品や粉体成型などによって一体成型されたものであってもよく、本発明のインシュレータ構造を採用することにより、コイルの巻き付け力を効果的に分散させることができ、ひいてはステータ２の安全性、信頼性向上に繋がる。

本発明の一実施形態に係るアキシャルエアギャップ型電動機の模式図。 ステータコアを環状に連結した状態の正面図。 上記ステータを構成するコアメンバーの斜視図。 （ａ）コアメンバーの中央横断面図，（ｂ）インシュレータの変形例を示す中央横断面図。 本発明のインシュレータの応力分散を示す模式図。

符号の説明

１ アキシャルエアギャップ型電動機
２ ステータ
３，３ ロータ
４ ロータ出力軸
２１ａ〜２１ｉ ステータコア
２２ ティース面
２３ 固定子鉄心
２４ 巻線部
２４ａ〜２４ｃ 角部
３０ インシュレータ
３１ フランジ部
３２ 巻線被覆部
３３ 外周面
３４ 凸部

Claims (3)

1. 固定子鉄心の巻線部がインシュレータによって被覆された複数のコアメンバーを有し、上記各コアメンバーがロータ出力軸の軸線を中心に環状に配置されてなるステータを有するアキシャルエアギャップ型電動機において、
   上記固定子鉄心にはスキューが設けられており、上記インシュレータは、上記巻線部の外周を被覆する巻線被覆部のうち、半径方向の外周面側の上壁部の肉厚が、円周方向の両端側から中央に向かうにつれて漸次厚くなるように形成されており、上記上壁部の外周面は、その頂部が上記固定子鉄心の半径方向の最外層部の幅の１／２となる位置から上記スキューが設けられている側にずれて配置されていることを特徴とするアキシャルエアギャップ型電動機。
2. 上記インシュレータはさらに、上記上壁部と側壁部の角部の外周を覆う部分が円弧状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のアキシャルエアギャップ型電動機。
3. 固定子鉄心の巻線部がインシュレータによって被覆された複数のコアメンバーを有し、上記各コアメンバーがロータ出力軸の軸線を中心に環状に配置されるアキシャルエアギャップ型電動機の製造方法において、
   上記インシュレータは、上記固定子鉄心のティース面を残すように、その外周に金型内での樹脂流し込みによるインサート成型によって一体的に形成されており、上記インサート成型時に溶融樹脂を金型内に流し込むゲート位置が上記固定子鉄心の半径方向の内側に設けられていることを特徴とするアキシャルエアギャップ型電動機の製造方法。

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