JP6365516B2 - ステータおよびこのステータを備えた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回転電機（モータ、又は発電機、又はモータ兼発電機）に関するものである。

従来から、ロータ軸方向にエアギャップを介してステータとロータとが対向するように配置され、これらステータ及びロータが中空円筒状のケース内に収容された構造を有するアキシャルギャップ型回転電機（以下、回転電機と略す）が公知である。

この種の回転電機において、例えば特許文献１には、ステータとして、周方向に配置された複数のステータコアと各ステータコアの周囲に各々巻回されたコイルとを含みかつこれらステータコア及びコイルが樹脂によって一体にモールドされたステータを備えたものがある。この構成によれば、複数のステータコアとコイルとが一体にモールドされているので構造的安定性が良好で、回転電機の生産性向上に寄与するという有利がある。

特開２０１４−１７９１５号公報

しかし、樹脂の伝熱性は必ずしも良いとは言えず、ステータコアとコイルとが一体に樹脂でモールドされた特許文献１のような構造では、コイルの放熱性を含む、ステータの冷却性能が悪く、この点に改善の余地がある。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、アキシャルギャップ型回転電機のステータに関し、回転電機の生産性向上に寄与しつつ冷却性能を向上させることができる技術を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明は、アキシャルギャップ型回転電機のステータであって、回転軸を中心として周方向に並ぶ複数のステータコアと、電気絶縁性を有する樹脂材料から形成され、前記複数のステータコアを一体に保持する保持部材と、前記複数のステータコアそれぞれに装着されたコイルとを含み、前記保持部材は、周方向に並んだ前記複数のステータコアの内側に位置する内筒部と、前記複数のステータコアの外側に位置する外筒部と、前記回転軸の軸方向における前記ステータコアの端部を露出させた状態で当該ステータコアの外周面上に形成されて当該ステータコアを保持するボビン部と、前記軸方向における前記ボビン部、前記内筒部および前記外筒部の一方側の端部に繋がって、これらボビン部、内筒部および外筒部の間に溝部を形成する端面部とを含み、前記複数のステータコアと共に一体成型されており、前記コイルは、前記ボビン部の外側から前記ステータコアに装着されており、当該ステータは、さらに前記溝部を塞ぐように前記保持部材に固定されることによって当該保持部材と共に前記コイルが収容される閉空間を形成する蓋部材を含み、前記保持部材には、前記閉空間に冷却液を給排可能な冷却液給排部が設けられているものである。

このようなステータによれば、複数のステータコアが保持部材により一体に保持されているので、回転電機の生産性向上に寄与することができ、しかも、コイルは、ボビン部の外側から各ステータコアに装着されているので、コイルの放熱性能も確保される。そのため、アキシャルギャップ型回転電機の生産性向上に寄与しつつステータの冷却性能を向上させることが可能となる。

また、冷却液給排部を通じてステータの内部（閉空間）に冷却液を循環させることが可能となるため、コイルやステータコアの冷却性能を高めることが可能となる。しかも、冷却液が供給される閉空間は、保持部材に形成された溝部を塞ぐように当該保持部材に蓋部材が固定されることにより形成されているので、保持部材と蓋部材との当接面以外に液漏れが生じ得る部位が無く、液密性が高い。そのため、冷却液の液漏れを良好に防止することが可能となる。

この場合、前記蓋部材は、前記保持部材に対して超音波振動溶着されているのが好適である。

この構成によれば、蓋部材と保持部材とを隙間無く密着した状態で固定することが可能となるため、別途、蓋部材と保持部材との間にシール部材を介在させることなく、高度な液密性を確保することが可能となる。

また、上記ステータは、前記内筒部の内側にその内周面に当接する状態で設けられて前記保持部材を補強する内筒部材と、前記外筒部の外側にその外周面に当接する状態で設けられて前記保持部材を補強する外筒部材とを備えているのが好適である。

この構成によれば、ステータの構造的安定性を高めることができ、ひいてはアキシャルギャップ型回転電機の構造的安定性を高めることが可能となる。

この場合、前記内筒部材および前記外筒部材は金属材料により形成され、前記内筒部材、前記外筒部材、前記複数のステータコアおよび前記保持部材が一体成型されているのが好適である。

この構成によれば、ステータの製造工程において、内筒部材および外筒部材を別途組み込む作業が不要となる分、ステータの生産性が向上する。

また、上記ステータにおいて、前記ステータコアと前記保持部材とは同等の線膨張係数を有するのが好適である。

この構成によれば、ステータコアと保持部材との熱変形量の差による保持部材の破損などのトラブルを抑制することが可能となる。

一方、本発明のアキシャルギャップ型回転電機は、回転軸及びこの回転軸と共に回転するロータ本体を備えるロータと、前記ロータ本体に対して前記回転軸の軸方向に所定間隔を隔てて配置された、上記何れかのステータとを備えているものである。

このアキシャルギャップ型回転電機によれば、上記のようなステータを備えているので、生産性の向上と冷却性能の向上とを共に達成することが可能となる。

以上説明したように、本発明によれば、アキシャルギャップ型回転電機の生産性向上に寄与しつつ冷却性能を向上させることが可能となる。

本発明に係るアキシャルギャップ型回転電機の分解斜視図である。 上記アキシャルギャップ型回転電機の要部断面図である。 ステータの断面図（図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図）である。 ケースとステータとの固定構造を示す上記アキシャルギャップ型回転電機の要部断面図である。 ステータコア組立体を示す斜視図である。 ステータコア組立体を示す平面図である。 ステータコア組立体を示す断面図（図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線断面図）である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の好ましい実施の一形態について詳述する。

図１は、本発明に係るアキシャルギャップ型回転電機（本発明のステータが適用されたアキシャルギャップ型回転電機）の分解斜視図であり、図２は、アキシャルギャップ型回転電機の要部断面図である。

同図に示すように、アキシャルギャップ型回転電機１（以下、回転電機１と略す）は、回転軸１０を中心に備えるロータ２と、当該ロータ２の後記ロータ本体１２Ａ、１２Ｂの間に介在し、ロータ本体１２Ａ、１２Ｂに対して回転軸１０の軸方向に所定間隔を隔てて対向するステータ４と、一対のケース６とを備えている。

なお、以下の説明では、回転軸１０と平行な方向を「軸方向」、回転軸１０と直交する方向を「径方向」、回転軸１０（ロータ２）の回転方向を「周方向」と称す。

前記ロータ２は、所定間隔を隔てて対向配置される円盤状の一対のロータ本体１２Ａ、１２Ｂと、これらロータ本体１２Ａ、１２Ｂの中心を貫通する回転軸１０とを含む。各ロータ本体１２Ａ、１２Ｂは、回転軸１０に固定されており、回転軸１０は、後記ベアリング７を介してケース６に支持されている。

前記ロータ本体１２Ａ、１２Ｂは、それぞれ、バックヨークを兼ねるロータ円盤１４と、周方向に並んだ状態で、ロータ円盤１４に固定される複数の永久磁石１６とを備えている。各永久磁石１６は板状の磁石であり、ロータ円盤１４のうち、ステータ４に対向する面に固定されている。一方側のロータ本体１２Ａの永久磁石１６と他方側のロータ本体１２Ｂの永久磁石１６とは鏡面対称な形状とされており、当例では、コギングトルク低減等の目的から、平面視でやや菱形に近い形状を有している。なお、各ロータ本体１２Ａ、１２Ｂにおける永久磁石１６の数および配置は同じである。

前記ステータ４は、ロータ２のロータ本体１２Ａ、１２Ｂの間に配置されている。ステータ４は、図１に示すように、ステータ本体２０と、その内側（後記ステータコア組立体３０）に配置されて当該ステータ本体２０を内側から補強する内筒部材２４と、ステータ本体２０（後記ステータコア組立体３０）の外側に配置されて当該ステータ本体２０（後記ステータコア組立体３０）を外側から補強する外筒部材２６と、軸方向の両側からステータ本体２０を支持する一対の支持部材２２とを含む。

ステータ本体２０は、軸方向に貫通する貫通孔２０ａを中心に備えた略円環状（ドーナッツ型）の形状を有している。ステータ本体２０は、周方向に並ぶ複数のステータコアを備えたステータコア組立体３０と、各ステータコアに装着されたコイル３２と、前記ステータコア組立体３０に固定された蓋部材３４とを含む。

図５〜図７に示すように、ステータコア組立体３０は、周方向に等間隔で並ぶ複数のステータコア４０と、これらステータコア４０を保持するハウジング４２（本発明の保持部材に相当する）とを備えている。

ステータコア４０は、サイズの異なる複数枚の長方形の電磁鋼板４０ａが径方向に積層されたブロック状の構造を有する。各電磁鋼板４０ａは、径方向と直交する幅方向の寸法が互いに異なり、かつ径方向内側に位置する電磁鋼板４０ａよりも径方向外側に位置する電磁鋼板４０ａの方が前記幅方向の寸法が大きく設定されている。これにより、ステータコア４０は、図５に示すように、平面視で台形状に形成されている。なお、図２、図７では、電磁鋼板４０ａを省略し、ステータコア４０の輪郭のみ図示している。

各ステータコア４０は、前記ハウジング４２により一体に保持されている。すなわち、ハウジング４２は、電気絶縁性を有する樹脂材料により形成されており、当例では、各ステータコア４０を金属部品、ハウジング４２を樹脂部品とするインサート成型によってステータコア組立体３０が一体成型されている。これにより、各ステータコア４０が、前記ハウジング４２により一体に保持されている。なお、ハウジング４２を形成する上記樹脂材料には、例えばガラス繊維、炭素繊維、ウィスカ、タルク等のフィラーが含まれており、これにより、ハウジング４２の線膨張係数がステータコア４０の線膨張係数とほぼ同等となるように当該ハウジング４２が形成されている。

前記ハウジング４２は、ステータコア４０の両端（軸方向両端）を露出させた状態で当該ステータコア４０を包囲するようにその外周面上に形成されたボビン部４３ａと、各ボビン部４３ａの内側に間隔を隔てて形成された内筒部４３ｂと、各ボビン部４３ａの外側に間隔を隔てて形成された外筒部４３ｃと、ボビン部４３ａ、内筒部４３ｂおよび外筒部４３ｃの一方側の端部（図７では下端部）に繋がって、これらボビン部４３ａ、内筒部４３ｂおよび外筒部４３ｃの間に溝部４６を形成するあ端面部４３ｄとを有し、これらボビン部４３ａ、内筒部４３ｂ、外筒部４３ｃおよび端面部４３ｄが上記樹脂材料により一体に成型されている。

前記コイル３２は、集中巻きコイルであり、図２及び図３に示すように、ボビン部４３ａの外側からステータコア４０に装着（巻回）されている。詳しくは、コイル３２は、エッジワイズコイルであり、断面長方形の平角銅線がその短辺面を内径面としてステータコア４０（ボビン部４３ａ）に沿って巻回されている。なお、便宜上、図３では、隣接するコイル３２同士を繋ぐ渡り線の部分は省略している。

前記蓋部材３４は、前記ハウジング４２と同等の外径を有し、かつ前記ハウジング４２の内筒部４３ｂの内径と同径の貫通孔３４ａを中心に備えた円盤状の部材であり、ハウジング４２と同一の樹脂材料により形成されている。蓋部材３４は、上記溝部４６を塞ぐように、ハウジング４２の軸方向端部、詳しくは端面部４３ｄの側とは反対側の端部に固定されている。これにより、ステータ本体２０の内部に、上記コイル３２が収容される閉空間２１が形成されている。詳しく説明すると、蓋部材３４の中心の貫通孔３４ａの周囲には、前記ステータコア４０に対応する形状の複数の窓部３４ｂが形成されている。他方、各ステータコア４０の端部（軸方向端部）は、図５に示すように、ハウジング４２の端部から軸方向外側に突出しており、各ステータコア４０の端部が前記窓部３４ｂに嵌合するように、蓋部材３４がハウジング４２の端部に重ねられた状態で、蓋部材３４がハウジング４２に対して超音波振動溶着によって固定されている。

そして、このように構成されたステータ本体２０に対して、上記一対の支持部材２２、内筒部材２４および外筒部材２６が組付けられている。具体的には、ステータ本体２０の内周面、つまり貫通孔２０ａの内側に内筒部材２４が内嵌される一方、ステータ本体２０の外周面に外筒部材２６が外嵌され、軸方向両側からステータ本体２０に対して支持部材２２がそれぞれ重ね合された状態で、各支持部材２２が内筒部材２４および外筒部材２６に固定されている。

各支持部材２２は、同一の構成を有しており、共に、非磁性材料（オーステナイト系ステンレス、アルミ等）により形成された、上記外筒部材２６と同等の外径寸法を有する円盤状の部材である。図１に示すように、支持部材２２の中心には内筒部材２４の内径と同径の貫通孔２２ａが形成され、この貫通孔２２ａの周囲には、ステータ本体２０の前記ステータコア４０に対応する形状の複数の窓部２２ｂが形成されている。そして、図２に示すように、各ステータコア４０の端部が前記窓部２２ｂに嵌合するように、各支持部材２２が軸方向両側からステータ本体２０に端部に重ねられた状態で、当該支持部材２２がそれぞれ内筒部材２４および外筒部材２６の端面にボルト（皿ねじ）Ｂ１で固定されている。これにより、各ステータコア４０の端面が軸方向両側に臨む状態で、ステータ本体２０の全体が内筒部材２４、外筒部材２６および支持部材２２によって覆われている。

なお、図３に示すように、外筒部材２６のうち、径方向の互いに反対側の位置には冷却液の導入用ポートＩＰと導出用ポートＯＰとが設けられており、上記閉空間２１に対してオイル等の冷却液の給排が可能となっている。つまり、この回転電機１では、導入用ポートＩＰからハウジング４２の開口部４５ａを通じて上記閉空間２１に冷却液を導入しつつ、ハウジング４２の開口部４５ｂを通じて導出用ポートＯＰから外部に冷却液を導出させることで冷却液を上記閉空間２１に対して循環させ、これによりコイル３２を冷却するように構成されている。当例では、ハウジング４２の開口部４５ａ、４５ｂおよび各ポートＩＰ、ＯＰが本発明の冷却液給排部に相当する。

上記ケース６は、図１に示すように、回転電機１の軸方向両側に一対設けられている。各ケース６は、同一構造であり、それぞれ、前記外筒部材２６と同等の厚みを有した周壁部５０とその片側を塞ぐ端面部５２とを備えた有底円筒状の形状を有している。各端面部５２の中央には軸孔５０ａが形成されている。

各ケース６は、周壁部５０の内側にロータ本体１２Ａ、１２Ｂを内包する状態で、それぞれ軸方向両側から上記ステータ４に組付けられている。詳しくは、図２に示すように、ロータ本体１２Ａ、１２Ｂがステータ本体２０の軸方向両側に位置し、かつ回転軸１０がステータ本体２０の貫通孔２０ａを貫通するように、ロータ２がステータ４に対して配置され、この状態で、回転軸１０の両端が前記軸孔５０ａを通じて外側に導出されるように、各ケース６が軸方向両側からステータ４に当接されている。そして、図２および図４に示すように、各ケース６の周壁部５０によってステータ４の外筒部材２６及び支持部材２２を軸方向両側から挟み込んだ状態で、当該周壁部５０が外筒部材２６にボルトＢ２で固定されている。これにより、各ケース６が、上記ロータ本体１２Ａ、１２Ｂを内包する状態でそれぞれステータ４に組付けられている。なお、各ケース６の端面部５２には、ベアリング７（図１参照）が保持されており、上記回転軸１０は、各ケース６のベアリング７に挿入されて抜け止めされている。これによりロータ２はケース６に回転自在に支持されている。

各ケース６を外筒部材２６に固定するボルトＢ２の位置と、ステータ４において各支持部材２２を外筒部材２６に固定するボルトＢ１の位置とは互いに周方向にオフセットされており、これにより、外筒部材２６に対して各ケース６および支持部材２２を共に軸方向に沿ってボルトＢ１，Ｂ２で締結可能となっている。

以上のような回転電機１のステータ４では、複数のステータコア４０とハウジング４２とがインサート成型により一体成型されたステータコア組立体３０が設けられ、コイル３２がハウジング４２の各ボビン部４３ａの外側からステータコア４０に装着（巻回）されている。このような構成によれば、複数のステータコア４０がハウジング４２により一体に保持されているので、構造的安定性が良好で、回転電機１の生産性向上に寄与するものとなる。しかも、コイル３２は、ボビン部４３ａの外側から各ステータコア４０に装着されているので、コイル３２の放熱性能も確保される。そのため、当該回転電機１によれば、アキシャルギャップ型回転電機の生産性向上に寄与しつつステータ４の冷却性能を向上させることが可能となる。

特に、上記ステータ４では、ステータ４の内部にコイル３２が収容される閉空間２１が形成され、この閉空間２１に対して冷却液を循環させる構成なので、コイル３２を効果的に冷却することができる。しかも、ステータコア４０とハウジング４２とがインサート成型により一体化成型され、ボビン部４３ａとステータコア４０とが隙間無く密着されているので、ステータコア４０からボビン部４３ａへの伝熱性が高く、ステータコア４０で発生した熱がボビン部４３ａ及びコイル３２を介して効率良く冷却液に放熱される。そのため、上記ステータ４によれば、ステータ４の発熱に伴う回転電機１の運転効率の低下を効果的に抑制することができる。

また、上記ステータ４によれば、溝部４６を塞ぐようにステータコア組立体３０に蓋部材３４が固定されることにより上記閉空間２１が形成されているので、冷却液の液漏れを良好に防止することができるという利点もある。すなわち、上記構成によれば、ハウジング４２と蓋部材３４との当接面以外に液漏れが生じる部位が無いが、当該当接面については、ハウジング４２と蓋部材３４とが超音波振動溶着さにより固定されることにより高度な液密性が確保される。従って、上記ステータ４によれば、冷却液の液漏れを高度に防止することが可能となる。

また、上記ステータ４によれば、ステータコア４０とハウジング４２とが一体成型されているので、ステータコア４０を構成する電磁鋼板４０ａ同士がいわゆるアンカ効果により強力結合される。そのため、接着剤やカシメ加工等の固定手段を用いることなく、電磁鋼板４０ａ同士を良好に結合して、ステータコア４０の構造的安定性を確保できるという利点もある。

また、上記ステータ４によれば、ステータコア４０の線膨張係数とこれを保持するハウジング４２の線膨張係数とがほぼ同等となるように当該ハウジング４２が形成されているので、ステータコア４０とハウジング４２との熱変形量のバランスが保たれる。従って、熱変形量の相違によりハウジング４２に亀裂が生じて液漏れを誘発したり、ステータコア４０とハウジング４２（ボビン部４３ａ）との間に隙間が生じてステータコア４０が位置ずれを起こす、といった不都合が生じることを抑制することができる。

また、上記ステータコア組立体３０を備えるステータ４によれば、ステータコア組立体３０の製造時に、ステータコア４０とハウジング４２とがインサート成型により一体化されるので、例えばステータコアの製造（電磁鋼板の一体化）、ボビンの製造、およびステータコアへのボビンの組付け等の作業を個別に行う場合に比べると、ステータ４の製造工数を大幅に削減することができる。従って、ステータ４の生産性、ひいては回転電機１の生産性を向上させることができるという利点もある。

以上、本発明の回転電機１（本発明のステータ４が適用された回転電機１）の実施形態について説明したが、上記回転電機１やステータ４は、本発明の好ましい実施形態の例示であって、その具体的な構成は、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

例えば、上記実施形態では、ステータコア組立体３０のハウジング４２と蓋部材３４とは超音波振動溶着により互いに固定されているが、その他の固定方法で固定されるものであってもよい。例えば、ハウジング４２と蓋部材３４との間にシール部材を介在させて両者をボルトで固定する構造であってもよい。

また、上記実施形態では、内筒部材２４および外筒部材２６は、ステータコア組立体３０とは別体に設けられているが、ステータコア組立体３０に一体に設けられていてもよい。すなわち、ステータコア組立体３０は、内筒部材２４、外筒部材２６およびステータコア４０を金属部品、ハウジング４２を樹脂部品とするインサート成型によって一体成型されたものであってもよい。この構成によれば、ステータ４の生産性、ひいては回転電機１の生産性をより一層高めることが可能となる。

また、上記実施形態では、１つのステータ４の両側に、２つのロータ本体１２Ａ、１２Ｂが設けられた２ロータ、１ステータ型の回転電機１に本発明が適用された例について説明したが、本発明は、１ロータ、１ステータ型の回転電機や、１ロータ、２ステータ型の回転電機についても適用可能である。

１ アキシャルギャップ型回転電機
２ ロータ
４ ステータ
１０ 回転軸
１２Ａ、１２Ｂ ロータ本体
２０ ステータ本体
３０ ステータコア組立体
３２ コイル
３４ 蓋部材
４２ ハウジング（保持部材）
４３ａ ボビン部
４３ｂ 内筒部
４３ｃ 外筒部
４３ｄ 端面部

Claims (6)

1. アキシャルギャップ型回転電機のステータであって、
   回転軸を中心として周方向に並ぶ複数のステータコアと、電気絶縁性を有する樹脂材料から形成され、前記複数のステータコアを一体に保持する保持部材と、前記複数のステータコアそれぞれに装着されたコイルとを含み、
   前記保持部材は、周方向に並んだ前記複数のステータコアの内側に位置する内筒部と、前記複数のステータコアの外側に位置する外筒部と、前記回転軸の軸方向における前記ステータコアの端部を露出させた状態で当該ステータコアの外周面上に形成されて当該ステータコアを保持するボビン部と、前記軸方向における前記ボビン部、前記内筒部および前記外筒部の一方側の端部に繋がって、これらボビン部、内筒部および外筒部の間に溝部を形成する端面部とを含み、前記複数のステータコアと共に一体成型されており、
   前記コイルは、前記ボビン部の外側から前記ステータコアに装着されており、
   当該ステータは、さらに前記溝部を塞ぐように前記保持部材に固定されることによって当該保持部材と共に前記コイルが収容される閉空間を形成する蓋部材を含み、
   前記保持部材には、前記閉空間に冷却液を給排可能な冷却液給排部が設けられている、ことを特徴とするステータ。
2. 請求項１に記載のステータにおいて、
   前記蓋部材は、前記保持部材に対して超音波振動溶着されている、ことを特徴とするステータ。
3. 請求項１に記載のステータにおいて、
   前記内筒部の内側にその内周面に当接する状態で設けられて前記保持部材を補強する内筒部材と、前記外筒部の外側にその外周面に当接する状態で設けられて前記保持部材を補強する外筒部材とを備えている、ことを特徴とするステータ。
4. 請求項３に記載のステータにおいて、
   前記内筒部材および前記外筒部材は金属材料により形成され、
   前記内筒部材、前記外筒部材、前記複数のステータコアおよび前記保持部材が一体成型されている、ことを特徴とするステータ。
5. 請求項１乃至４の何れか一項に記載のステータにおいて、
   前記ステータコアと前記保持部材とは同等の線膨張係数を有する、ことを特徴とするステータ。
6. 回転軸及びこの回転軸と共に回転するロータ本体を備えるロータと、
   前記ロータ本体に対して前記回転軸の軸方向に所定間隔を隔てて配置された、請求項１乃至５の何れか一項に記載のステータとを備えている、ことを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機。

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