JP6285019B2 - アキシャルギャップ型回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、アキシャルギャップ型の回転電機（モータ、発電機）に関する。

図１５に、アキシャルギャップ型の回転電機の概念図を示す。円盤状のロータ１の表面に永久磁石２が取り付けられ、軸方向のギャップ３を介してステータ４（コイルと鉄心）が配置される。ロータ１は、ロータ・シャフト６に取り付けられており、ベアリング５で支持されて、回転する。アキシャルギャップ型の回転電機は、ロータ１の外径を大きくすることで取り付ける磁石２の作用面積を増やすことができ、回転電機の軸方向の長さを増やさずに高い出力を得ることができる。このため、天井に配置されるファン用のモータや、タイヤの中に配置される自動車駆動用のディスクモータなど、薄さを要求される回転電機に活用されている。また、同一体積の回転電機において、磁石の作用面積をラジアルギャップ型の回転電機よりも大きく取れることから、磁力の低いフェライト磁石によって希土類磁石を用いたラジアルギャップ型の回転電機と同等以上の出力を得ることができる。このため、レアアースを用いない低コスト、高出力の回転電機として注目を集めている。なお、ロータ１に永久磁石を用いないSRモータ（発電機）や誘導モータ（発電機）でも同じことが言える。

ここで、従来のアキシャルギャップ型回転電機のステータ構造を説明する。図１６はステータの磁極となるティース９である。電磁鋼板をステータの径方向に積層し、断面形状が長方形、台形または扇形のブロックを構成する（図１６は断面形状が台形の例である）。図１６においては電磁鋼板の固定にはかしめ１０を用いているが、レーザ溶接や接着剤を用いて固定する場合もある。或いは、これらのティース９は、アモルファスの箔体を切断・積層したものでもよいし、表面に絶縁を施した磁性粉体を固めて構成してもよい。また、図１７はティース９の回りに装着されるボビン１１を示しており、このボビン１１の周囲にコイル７（図示せず）を配置することでティースとコイル間の絶縁を確保する。或いは、ボビンの代わりに絶縁紙や絶縁テープをティースの周囲に巻いたり、近年では電線の表面の絶縁皮膜（PPSなど）のみでティースとの絶縁を確保する場合がある。

図１８と図１９にティースの固定に樹脂モールドを用いた従来のアキシャルギャップ型回転電機の構造例を示す。先ず、図１８の構造では、図１７のボビン１１の周りにコイル７を巻き付けた後、図１６のティース９に組付ける。そして、コイル７を組付けたティース９を環状に並べて、回転電機のケース１２に挿入する。この後、ティース９とコイル７の軸方向、周方向の固定をするために、樹脂をケース１２内に注入して硬化させる。次に、図１９はティースの取り付け強度を考慮してバックヨーク１４を用いた構造である。先ず、ティース９をボビン１１の端面よりも突出した長さとする。また、ティース９の外周形状をした穴１３を周方向に並べて配置した一体型環状のバックヨーク１４を準備する。ここで、一般的にはバックヨーク１４は鋼板（非磁性体が好ましいが、磁性体でもよい）の打ち抜き積層によって構成するが、磁性粉体の成形品や金属材料を削り出して構成したものでもよい。そして、ボビン１１の端面から突出したティース９の一部をバックヨークの穴１３に挿入することで、ティース９を周方向に位置決めする。（特許文献１〜３参照）

特開２０１１−１８２５７６号公報 特開２０１１−９１９３３号公報 特許第４５１８９０３号公報

図１８の構造は周方向と回転軸方向に、図１９の構造は回転軸方向にティース９を固定する手段がないため、ケース１２内に樹脂を注入する必要がある。このため、出力が大きく反力を受ける強度が必要な回転電機や、厳しい使用環境（高温、温度変化大、高湿度など）で使用する回転電機には使用できないという欠点があった。

本発明は、樹脂モールドを用いずにティースの位置を固定できる構造により、強度が強く、磁気的性能が高いアキシャルギャップ型の回転電機を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は請求の範囲に記載の構成を採用する。

本発明は、上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、本発明のアキシャルギャップ型回転電機の一例を挙げるならば、ロータとステータのギャップ面が回転軸と直行するアキシャルギャップ型の回転電機であって、前記回転電機のステータは、磁性体からなる複数のティース、ティースの外周に組み付けられる複数のコイルおよびバックヨークで構成され、前記バックヨークの周方向に設けられた溝内に軸方向に前記ティースが挿入され、前記バックヨークは、薄肉部を備え、前記それぞれのティースの径方向に伸びた穴、もしくは凹みと前記バックヨークの薄肉部の変形部とを嵌合させて、前記ティースを軸方向に固定したことを特徴とするものである。

また、本発明のアキシャルギャップ型回転電機の他の一例を挙げるならば、ロータとステータのギャップ面が回転軸と直行するアキシャルギャップ型の回転電機であって、前記回転電機のステータは、磁性体からなる複数のティース、ティースの外周に組み付けられる複数のコイルおよびバックヨークで構成され、前記バックヨークの周方向に前記複数のティースが配置され、前記それぞれのティースの径方向に伸びた穴にバックヨークの一部を通過させ、前記ティースを軸方向に固定したことを特徴とするものである。

また、本発明のアキシャルギャップ型回転電機の他の一例を挙げるならば、ロータとステータのギャップ面が回転軸と直行するアキシャルギャップ型の回転電機であって、前記回転電機のステータは、磁性体からなる複数のティース、ティースの外周に組み付けられる複数のコイルおよびバックヨークで構成され、前記バックヨークは、径方向に伸びる溝を、周方向に複数備え、前記ティースの側面に溝部を設け、前記バックヨークに設けられた溝内に径方向に前記それぞれのティースが挿入され、前記ティースの側面の溝部と前記バックヨークの突出部を嵌合させて、前記ティースを軸方向に固定し、前記ティースを挟み込むバックヨークの突出部の先端を前記ティースの径方向端部上に広げて、前記ティースを径方向に固定したことを特徴とするものである。

本発明によれば、ティースとバックヨークの嵌合によってティースの位置を固定するため、樹脂を用いずに強固にティースを固定することができ、トルク反力が大きく、厳しい環境（高温、温度変化大、高湿度など）で活用できるアキシャルギャップ型回転電機を得ることができる。

また、ティースに圧力がかからず、歪による鉄損の増加をおこさないため、出力や効率の大きなアキシャルギャップ型の回転電機を得ることができる。

本発明の実施例１のステータを、ティースの穴を通り回転軸と直行する面で切断した断面図である。 本発明の実施例１で用いる穴（もしくは凹部）を有するティースを示す図である。 本発明の実施例１のステータの構造図である。 本発明の実施例１において、バックヨークの外周部（薄肉部）に隙間を設けて渦電流損を防いだ構造例を示す図である。 本発明の実施例１において、バックヨークの内周部に隙間を設けて渦電流損を防いだ構造例を示す図である。 本発明の実施例２で用いる補助突出部を有するバックヨークを示す図である。 本発明の実施例２で用いる補助突出部を有するバックヨークの全体図である。 本発明の実施例２のステータの構造図である。 本発明の実施例２において、バックヨークにティース挿入用の溝を設けない構造例を示す図である。 本発明の実施例２で用いるティース挿入用の溝を設けないバックヨークの全体図である。 本発明の実施例３で用いる突出部の先端に変形部を有するバックヨークを示す図である。 本発明の実施例３で用いるバックヨークの全体図である。 本発明の実施例３で用いる径方向の側面に溝を有するティースを示す図である。 本発明の実施例３のステータの構造図である。 アキシャルギャップ型の回転電機の構造図である。 アキシャルギャップ型回転電機のティースを示す図である。 アキシャルギャップ型回転電機のボビンを示す図である。 ティースの固定に樹脂モールドを用いた従来型のアキシャルギャップ型回転電機のステータを示す図である。 ティースの固定に樹脂モールドとバックヨークを用いたアキシャルギャップ型回転電機のステータを示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。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。

本発明の実施例１のアキシャルギャップ型回転電機を図１〜図５を用いて説明する。実施例１のアキシャルギャップ型回転電機のステータでは、図２に示すように、ティース９の積層方向に伸びた穴（もしくは凹部）１７を設ける。そして、図３に示すようにティース９の周囲にボビン１１、コイル７を取り付けた状態で、ティース９の突出部をバックヨーク１４の溝に差し込む。ここで、前述のティースに設けた穴（もしくは凹部）１７はティース９の突出部側に設けておく。また、バックヨーク１４には外周側に薄肉部１８を設け、ティースの穴（もしくは凹部）１７と径方向、軸方向の位置を合わせて外周側から半球状のパンチを押し付ける。その結果、バックヨーク１４の変形部１８とティースの穴（もしくは凹部）１７が嵌合し、ティース９が軸方向に固定される。そして最後に、ケース１２にバックヨーク１４を圧入する。図１は、ティース９とバックヨーク１４を穴（もしくは凹部）１７とバックヨークの変形部１９で嵌合した状態を、穴（もしくは凹部）１７を通り、回転軸と垂直な平面で切った断面図である。

図４および図５に、実施例１のアキシャルギャップ型回転電機の変形例を示す。バックヨーク１４が導電性の材料で、ティース９の外周に連続していると、大きな渦電流が流れて回転電機の効率が悪化することもある。そのため、図４に示すように、外周の薄肉部１８で軸方向にバックヨークに隙間２０を設けておいてもよい。また、図５に示すように、バックヨーク内周側の薄肉部１８の間に隙間２０を設けた構造をとってもよい。

本実施例によれば、ティース９の穴（もしくは凹部）１７とバックヨーク１４の変形部１９とを嵌合させることにより、樹脂モールドを用いず、かつティース９に応力をかけずに、ティースを軸方向に固定することができる（径方向はバックヨーク１４の溝により固定される。）。なお、バックヨーク１４は変形によって歪が生じるが、磁束の通る磁気回路として用いてはおらず、電磁気的な特性には影響しない。

本発明の実施例２のアキシャルギャップ型回転電機を図６〜図９を用いて説明する。実施例２のアキシャルギャップ型回転電機のステータでは、先ず図６に示すように、バックヨーク１４に内外周のどちらかに開放された溝１６を設ける。そして、溝１６の中央部分に突出部２１を設ける。そして、突出部２１の先端に変形部２２を設け、左右に開いて成形ができるような形状にしておく。図７は、図６に示されるバークヨーク１４の全体構造を示す平面図である。次に、図８に示すように、ティース９に穴１７を設け、穴１７にバックヨーク１４の突出部２１を通して、ティース９をバックヨーク１４に径方向に組み付ける。そして、ティース９の先端の変形部２２を開くように変形させることでティース９の径方向への脱落を防止する。最後に、ティース９の周囲にコイルを配置することでステータが構成される。なお、コイルの周囲はボビン、絶縁紙、絶縁テープなどで保護してもよいし、電線の絶縁皮膜のみで絶縁性能を確保してもよい。図６ではバックヨーク１４の溝１６内の突出部２１の先端に変形部２２を設けたが、バックヨーク１４の溝１６の脇の突出部２３の先端に変形部２２を設けてもよい。

図９および図１０に、実施例２のアキシャルギャップ型回転電機の変形例を示す。この変形例では、図９に示すように、ティース９の両脇に位置するバックヨーク１４の突出部２３をなくし、ティース９の穴１７を通す突出部２１のみを残す。図１０は、図９に示されるバークヨーク１４の全体構造を示す平面図である。そして、ティース９の穴１７にバックヨーク１４の突出部２１を通して、ティース９をバックヨーク１４に径方向に組み付ける。そして、ティース９の先端の変形部２２を開くように変形させる。

本実施例によれば、ティース９の穴１７にバックヨーク１４の突出部２１を通して、ティース９をバックヨーク１４に組み付けることにより、樹脂モールドを用いず、かつティース９に応力をかけずに、ティースを軸方向、径方向に固定することができる。

本発明の実施例３のアキシャルギャップ型回転電機を図１１〜図１４を用いて説明する。実施例３のアキシャルギャップ型回転電機のステータでは、図１１に示すように、バックヨーク１４に内外周のどちらかに開放された溝１６を設ける。そして、溝１６の脇の突出部２３の先端に変形部２２を設け、左右に開いて成形ができるような形状にしておく。図１２は、図１１に示されるバークヨーク１４の全体構造を示す平面図である。更に、図１３に示すように、ティース９の径方向の側面に溝２４を設ける。そして、図１４に示すように、ティース９を径方向からバックヨーク１４の溝１６内に組み付ける。ここで、ティース側面の溝２４の軸方向高さｈ２をバックヨークの突出部２３の軸方向高さｈ１より僅かに大きくしておく。また、ティース９の突出部の幅Ｗ３はバックヨーク１４の溝の幅Ｗ１よりも大きく、ティース９の溝２４部の幅Ｗ２はバックヨーク１４の溝の幅Ｗ１よりも小さくする。これにより、ティース９の側面溝２４とバックヨーク１４の突出部２３を嵌合させることで、ティース９を軸方向に固定することができる。そして、ティース９を溝１６に挿入後、バックヨーク１４の突出部２３の先端の変形部２２を左右に広げて成形することで、ティース９が径方向に固定される。最後に、ティース９の周囲にコイルを配置することでステータが構成される。なお、コイルの周囲はボビン、絶縁紙、絶縁テープなどで保護してもよいし、電線の絶縁皮膜のみで絶縁性能を確保してもよい。

本実施例によれば、ティース９の側面溝２４とバックヨーク１４の突出部２３を嵌合させることで、樹脂モールドを用いず、かつティースに応力を加えることなくティースをステータの径方向、軸方向に固定することができる。従って、トルク反力が大きく、厳しい環境（高温、温度変化大、高湿度など）で活用できるアキシャルギャップ型回転電機を得ることができる。

１ ロータ
２ 永久磁石
３ ギャップ
４ ステータ
５ ベアリング
６ ロータ・シャフト
７ コイル
９ ティース
１０ かしめ
１１ ボビン
１２ ケース
１３ 一体型バックヨークの穴
１４ 一体型バックヨーク
１６ 一体型バックヨークの溝
１７ ティースに設けた穴（もしくは凹部）
１８ バックヨークの薄肉部
１９ バックヨークの変形部
２０ バックヨークの隙間
２１ バックヨークの溝内の突出部
２２ バックヨークの突出先端の変形部
２３ バックヨークの溝の脇の突出部
２４ ティース側面の溝

Claims (11)

1. ロータとステータのギャップ面が回転軸と直行するアキシャルギャップ型の回転電機であって、
   前記回転電機のステータは、磁性体からなる複数のティース、ティースの外周に組み付けられる複数のコイルおよびバックヨークで構成され、
   前記バックヨークの周方向に設けられた溝内に軸方向に前記ティースが挿入され、
   前記バックヨークは、薄肉部を備え、
   前記それぞれのティースの径方向に伸びた穴、もしくは凹みと前記バックヨークの薄肉部の変形部とを嵌合させて、前記ティースを軸方向に固定したことを特徴とする回転電機。
2. 請求項１に記載の回転電機において、
   前記バックヨークの薄肉部の変形部は、半球状のパンチを押し付けて形成したことを特徴とする回転電機。
3. 請求項１に記載の回転電機において、
   前記バックヨークの変形部は、前記バックヨークの外周側に形成したことを特徴とする回転電機。
4. 請求項１乃至請求項３の何れか１つに記載の回転電機において、
   前記バックヨークの外周側または内周側の薄肉部に、軸方向に隙間を設けたことを特徴とする回転電機。
5. ロータとステータのギャップ面が回転軸と直行するアキシャルギャップ型の回転電機であって、
   前記回転電機のステータは、磁性体からなる複数のティース、ティースの外周に組み付けられる複数のコイルおよびバックヨークで構成され、
   前記バックヨークの周方向に前記複数のティースが配置され、
   前記それぞれのティースの径方向に伸びた穴にバックヨークの一部を通過させ、前記ティースを軸方向に固定したことを特徴とする回転電機。
6. 請求項５に記載の回転電機において、
   前記バックヨークの周方向に設けられた複数の溝内に径方向に前記それぞれのティースが挿入され、
   前記バックヨークの溝内に、突出部を設け、
   前記ティースの径方向に伸びた穴に前記突出部を通過させて、前記ティースを軸方向に固定したことを特徴とする回転電機。
7. 請求項６に記載の回転電機において、
   前記ティースの穴から突出した前記突出部の先端を広げて、前記ティースを径方向に固定したことを特徴とする回転電機。
8. 請求項６に記載の回転電機において、
   前記ティースを挟み込む突出部の先端を前記ティースの径方向端部上に広げて、ティースを径方向に固定したことを特徴とする回転電機。
9. 請求項５に記載の回転電機において、
   前記バックヨークに、径方向に伸びる突出部を設け、
   前記ティースの径方向に伸びた穴に前記突出部を通過させて、前記ティースを軸方向に固定したことを特徴とする回転電機。
10. 請求項９に記載の回転電機において、
    前記ティースの穴から突出した前記突出部の先端を広げて、前記ティースを径方向に固定したことを特徴とする回転電機。
11. ロータとステータのギャップ面が回転軸と直行するアキシャルギャップ型の回転電機であって、
    前記回転電機のステータは、磁性体からなる複数のティース、ティースの外周に組み付けられる複数のコイルおよびバックヨークで構成され、
    前記バックヨークは、径方向に伸びる溝を、周方向に複数備え、
    前記ティースの側面に溝部を設け、
    前記バックヨークに設けられた溝内に径方向に前記それぞれのティースが挿入され、前記ティースの側面の溝部と前記バックヨークの突出部を嵌合させて、前記ティースを軸方向に固定し、
    前記ティースを挟み込むバックヨークの突出部の先端を前記ティースの径方向端部上に広げて、前記ティースを径方向に固定した
    ことを特徴とする回転電機。

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