WO2018168058A1 - アキシャルギャップ型回転電機 - Google Patents

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WO2018168058A1
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stator
axial
gap type
coil
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榎本　裕治
博洋 床井
見多 出口
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株式会社日立製作所
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    • H02K2205/12—Machines characterised by means for reducing windage losses or windage noise

Definitions

  • the present invention relates to a housing material and structure of an axial gap type rotating electrical machine, and a stator holding structure.
  • an axial gap type rotating electrical machine As a rotating electrical machine used as a power source for industrial machines, an axial gap type rotating electrical machine is used for various applications because it has features such as a thinner motor portion, higher inertia, and higher efficiency.
  • the axial gap type rotating electrical machine has a structure having a disk-shaped rotor having a relatively large diameter as compared to a general radial type rotating electrical machine. For this reason, when the motor is to be configured within a predetermined diameter, the diameter of the disk can be increased, so that a larger torque can be obtained compared to the radial type motor.
  • an axial gap type rotating electrical machine having a structure having two rotors in the axial direction can be configured for one stator. In this method, since many permanent magnets as field sources can be arranged on the disk, it is possible to increase the amount of magnetic flux that contributes to torque generation.
  • Patent Document 1 proposes a method for improving the efficiency of an axial gap motor having one stator and two rotors.
  • an iron core made of low-loss amorphous metal foil strip for the stator core and using a low-loss material such as eddy current loss for the rotor magnet the generated loss can be suppressed. It has been proposed as a structure that can increase the efficiency of the system.
  • Patent Document 2 proposes a structure that reduces the attractive force acting on the gap portion.
  • a structure has been proposed in which one side of the stator is simplified as a yoke part. Thereby, the suction force of the gap portion can be balanced.
  • the axial gap type stator coil has a coil shape in which the coil is wound on a plane perpendicular to the axial direction so as to generate the main magnetic flux in the rotational axis direction. ing. A plurality of these coils are arranged in the circumferential direction so as to surround the periphery of the shaft with respect to the rotation shaft, and are configured to be fixed integrally with the stator core. Further, a housing is disposed on the outer peripheral side of the stator for the purpose of protecting a portion where the rotor disk rotates. In addition to preventing the rotor from being caught in the rotating body, the housing also serves as a radiation fin to radiate heat from the motor stator from the housing surface.
  • Patent Documents 3 and 4 discuss the design of a heat dissipation path for heat generated in a stator coil of an axial gap type motor having two rotors.
  • a conductive and high thermal conductivity member is provided between the stator coil and the housing, and a path for conducting Joule heat generated in the coil to the aluminum housing is provided.
  • Patent Document 4 discusses a method in which a water passage through which water circulates heat generated in a coil is formed in a housing, and heat is released from the inside of the motor machine by cooling water.
  • the axial gap type rotating electrical machine shown in Patent Document 1 and the like is characterized in that the torque output is increased by having two disk-shaped rotor magnets having a large diameter, while the stator is disposed in the central portion in the axial direction.
  • the stator core and the coil have a structure that is arranged independently for each pole. For this reason, it is necessary to fix and hold these stator cores and coils so as to withstand the torque reaction force of the motor.
  • the rotor is disposed on both sides in the axial direction via a narrow gap, the radial direction (outside or inside) portion of the central portion in the axial direction is fixed.
  • the fixing member needs to be non-conductive and non-magnetic, a structure in which it is molded with a resin material is generally employed.
  • the heat conductivity of the resin is extremely low, so that the heat dissipation of the motor is extremely deteriorated.
  • Resin material has high thermal conductivity of about 1 W / m ⁇ K, which is lower than that of aluminum 230, copper 400 and iron 70 W / m ⁇ K.
  • the housing is mostly made of a metal material and has a casing ground, an insulation distance from the ground portion is required.
  • An object of the present invention is to obtain a structure capable of improving heat dissipation and improving efficiency of an axial gap type rotating electrical machine.
  • the present invention provides an axial gap type rotating electrical machine having a structure in which a disk-shaped rotor in which permanent magnets are arranged is arranged in the axial direction, and a stator is arranged at the center in the axial direction.
  • the outer periphery of the stator winding is in close contact with the inner diameter of the housing, the housing and the stator core, the stator coil and the housing are connected to the housing by filling a mold resin, and the housing is nonmagnetic and non-magnetic. It is made of a conductive material.
  • the present invention it is possible to conduct heat from the coil to the housing without going through the resin, so that the heat generation of the motor can be reduced. For this reason, since coil temperature and magnet temperature can be reduced and the resistance value of a coil can be reduced, it becomes possible to reduce the copper loss (joule loss) of a coil.
  • FIG. 2 is a perspective view and a cross-sectional view showing a positional relationship between a coil and a housing in a stator of an axial gap type rotating electric machine according to an embodiment of the present invention. It is a figure which shows the state which fixed the coil of the stator of the axial gap type rotary electric machine which concerns on one Embodiment of this invention shown in FIG. 1, a core, and a housing with mold resin.
  • FIG. 2 is a structural comparison diagram comparing an axial gap type motor using a rotor of the present invention and a general radial gap type motor. It is a figure which shows the axial gap type rotary electric machine structure which concerns on one Embodiment of this invention.
  • an axial gap type rotating electric machine such as a two-rotor one-stator type having a structure in which two disk-shaped rotors each having a permanent magnet are arranged in the axial direction and a stator is arranged at the center in the axial direction.
  • the outer periphery of the stator winding is shaped to be the same arc as the inner diameter arc of the housing, and is arranged so as to be in close contact with the inner periphery of the housing.
  • the coil is embedded with a mold resin so as to be integrated.
  • the housing is made of a material that is nonmagnetic and nonconductive.
  • the material is preferably a fine ceramic material such as alumina (aluminum oxide: Al 2 O 3 ), silicon nitride: Si 3 N 4 , silicon carbide: SiC, aluminum nitride: AlN, zirconia (zirconium oxide: ZrO 2 ). .
  • alumina aluminum oxide: Al 2 O 3
  • silicon nitride Si 3 N 4
  • silicon carbide SiC
  • aluminum nitride AlN
  • zirconia zirconium oxide: ZrO 2
  • the mold resin on the inner peripheral side of the housing has a structure in which the resin is adhered by overhanging both sides with respect to the length in which the stator is disposed in the axial direction.
  • the purpose of this is to protect the inner part from impacts such as component interference during the assembly of the motor, since ceramic materials are generally vulnerable to impacts.
  • the coil since the coil is molded in close contact with the housing, the resin and coil holding strength in the coil portion is insufficient.
  • the magnet temperature can be reduced and the residual magnetic flux density (Br value) of the magnet can be increased, so that the amount of magnetic flux can be increased and the current value when the same torque is output is reduced. Can do.
  • This effect can also reduce copper loss (joule loss).
  • An axial type motor can be configured to be thin and can be configured by incorporating these features into a machine. Therefore, a small and high output machine can be configured.
  • FIG. 1 shows a stator structure of an axial gap type rotating electrical machine according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1A is a perspective view showing the positional relationship between the stator core 2, the stator coil 3 wound around the stator core 2, and the housing 1.
  • 12 core and coil pairs are arranged at equal intervals in the circumferential direction on the inner peripheral portion of the cylindrical housing 1.
  • FIG. 1B shows a front view and a cross-sectional view thereof.
  • the stator core and the stator coil are arranged in the vicinity of the central portion in the axial direction of the cylindrical housing, and are arranged so that the outer peripheral side of the coil is in contact with the inner peripheral surface of the housing.
  • This dimension is a median value of the design, and is usually designed by setting an assembly tolerance. Manufacturing variations are manufactured to be within this dimensional tolerance.
  • the coil and housing designed with this design median value can be assembled so that the coil is in close contact with the inner peripheral surface of the housing by placing the coil while pressing the coil from the inner periphery to the outer periphery during assembly.
  • the coil is usually formed by winding an enameled wire a plurality of times. Since the enamel coating is usually a thin film of several tens of microns, it is necessary to avoid contact with the metal portion of the conductor in order to maintain insulation.
  • the housing since the housing and the coil are in close contact with each other as described above, the housing needs to be a non-conductor.
  • the housing is made of ceramic (alumina (aluminum oxide: Al 2 O 3 ), silicon nitride: Si 3 N 4 , silicon carbide: SiC, aluminum nitride: AlN, zirconia (zirconium oxide: ZrO 2 )). It is characterized by that.
  • An organic material (resin material) is also non-conductive, but it is not preferable in view of retention strength with respect to weight, deterioration over time when used outdoors, and the like.
  • FIG. 2 shows the shape of the resin mold 4 that integrates these members while maintaining the positional relationship between the stator core 2, the stator coil 3, and the housing 1 of the present embodiment shown in FIG. 1.
  • the winding method of the stator coil 3 is devised to reduce the number of windings on both sides in the axial direction of the outer peripheral surface, and a resin is applied to the interface between the housing 1 and the stator coil 3. To enter.
  • the resin is arranged on the inner peripheral portion of the housing at both axial sides where no stator is arranged.
  • the resin on the inner peripheral side is provided with a taper taper of about 1.5 degrees for pulling out a mold when molding.
  • the resin is arranged up to the axial end portion of the ceramic housing 1, and the fitting portion for positioning when assembling as a motor is the outer notch structure 10.
  • This outer notch structure has this structure on both sides, and it is also intended to increase the processing accuracy such as the coaxiality by processing without re-attaching the chuck when processing with a lathe. Ceramic materials are difficult to process after firing, and fixing ceramic materials to a lathe and preventing defects such as cracks and chips during processing are also one of the purposes.
  • the cylindrical ceramic housing is used on the outer peripheral surface and the inner peripheral surface without any processing after molding and firing, and the portion (notch 10) and shaft that fit into the motor bracket Only the direction length is processed.
  • FIG. 3 is a perspective view showing a structural comparison between a general radial gap rotating electrical machine and an axial gap rotating electrical machine.
  • 3A shows a radial gap type rotating electric machine
  • FIG. 3B shows an axial gap type rotating electric machine.
  • both are illustrated assuming that they are mounted on the same housing 11.
  • a stator core 32 in which electromagnetic steel plates having grooves for mounting windings (coils) 33 called slots are laminated in the axial direction is formed in the inner diameter portion of the housing 11.
  • the rotor which mounted the permanent magnet 35 on the rotating shaft 7 is comprised in the inner part.
  • the opposing area of the rotor and the stator is determined by the diameter ⁇ d of the rotor and the axial length L, and the size is ⁇ ⁇ d ⁇ L. Since the rotor diameter is inside the stator with respect to the housing diameter, d is smaller.
  • the axial gap type rotating electrical machine shown in FIG. 3B is provided with a rotor 6 on which two permanent magnets are mounted.
  • the opposing area of the rotor magnet 5 and the stator core 2 is large because the rotor diameter ⁇ D can be used up to the full inner diameter of the housing.
  • the facing area is ⁇ / 4 ⁇ D 2 ⁇ 2 times.
  • the magnetic flux generated in the coil is structured to be converted into torque between the rotor and the gap via the stator core. Further, it can be seen that Joule heat generated in the coil is transmitted to the stator core by heat conduction, and the heat is further transferred to the housing by heat conduction.
  • the thermal conductivity of the coil (copper) is usually 400 W / m ⁇ K
  • the thermal conductivity of the stator core (iron) is 70 W / m ⁇ K
  • the housing is usually aluminum or the like. Because it is made of a material with relatively high thermal conductivity such as m ⁇ K, heat dissipation is high.
  • the coil and the housing are filled with resin.
  • the insulation performance is satisfied, in the case of a 200V motor, 2.4 mm, 400V In the case of a motor, it is necessary to take an insulation distance of about 6.5 mm.
  • the mold resin is filled slightly more than this distance, and the heat conductivity of the resin is as low as 0.6 W / m ⁇ K, so that the heat of the coil is not easily transmitted to the housing. End up.
  • the resistance value increases due to the temperature rise of the coil, increasing the copper loss (joule loss), or increasing the magnet temperature of the rotor side magnet to increase the motor current. This causes a significant reduction in motor efficiency.
  • FIG. 4 shows an exploded perspective view of the assembly structure of the axial gap type rotating electrical machine.
  • the stator core 2 and the stator coil 3 are integrated with the housing 11 by resin molding.
  • the rotor 6 is arrange
  • Permanent magnets 5 are equally divided in the circumferential direction on the surface of the rotor 6, and 8 poles are configured in the drawing of this embodiment.
  • the two disks are structured to be fastened by a shaft 7 and can rotate together with the shaft.
  • the shaft has a structure that is rotatably held via a bearing 15 that is held by front and rear end brackets 19 or 20, and the end bracket has a structure that can be combined with the end face of the housing while maintaining coaxiality.
  • FIG. 5 shows the detailed structure of the stator coil.
  • FIG. 5A is a diagram showing the positional relationship between the stator core 2 and the winding bobbin 8.
  • the stator core 2 has a substantially triangular prism shape and can be inserted into the hole portion of the winding bobbin in the axial direction.
  • FIG. 5B shows a state where the stator core 2 is inserted into the winding bobbin.
  • FIG.5 (c) shows the state which wound the winding on it. A winding is wound in a direction surrounding the stator core 2, and terminal wires at the beginning and end of winding are arranged in the axial direction from a groove cut and written at the end of the winding bobbin 8.
  • FIG. 6A shows a coiled bulge after winding a coil.
  • the coil is viewed from the upper part in the axial direction, there are 3b and 3c when the coil protrudes from the flange portion of the winding bobbin 8 due to winding swelling.
  • FIG. 6B is a diagram of a mold for shaping the coil. The dimensions are adjusted by pressing a die, which is the same as the final finished dimension of the coil, or slightly smaller in consideration of the spring back, using a pressing device such as a press. At this time, the dimension of the surface in contact with the housing at the outer peripheral portion is made the same as the inner diameter dimension of the housing as described above. At this time, R is 130 mm, and a dimensional tolerance of -0.05 to -0.1 mm is set so that assembly is possible.
  • FIG. 7 shows a cross-sectional comparison between the housing and the coil position.
  • FIG. 7A shows the case of a conventional aluminum housing. The end face of the coil and the inner diameter of the housing must be spaced apart by a distance D. This is a dimension determined to maintain the insulation performance.
  • FIG. 7B shows an embodiment of the present invention. Since ceramic is an insulator, there is no problem with the contact with the coil. For this reason, it can contact and arrange. In the case of an aluminum housing, heat radiating fins are formed on the outer surface because this can be made relatively easily by molding using an aluminum casting or die casting. In the case of ceramic, since it is difficult to process, it is difficult to make a complicated shape at present, and in this embodiment, a simple cylindrical shape is used.
  • FIG. 8 shows a configuration example of a mold at the time of molding.
  • a lower mold 41 is disposed with respect to the housing 1 of the present embodiment. This positioning is performed with reference to the outer notch 10 of the ceramic housing.
  • a shaft mold 42 is disposed at the center of the lower mold so that the inner peripheral mold part can be formed.
  • the upper mold is arranged with the axis as a reference to form a gap in the mold part, and the mold resin 4 is poured into the gap to be molded. At this time, the point is that there is no point where the mold comes into contact on the inner peripheral surface side of the housing.
  • the temperature is increased and the resin is cured. The object is to prevent the housing from cracking due to expansion of the mold.
  • a ceramic material has a low coefficient of linear expansion and does not expand much with temperature.
  • the resin material to be used is one that matches the linear expansion coefficient of the housing, but the mold is a metal material and expands by 15 to 20 ppm. There is.
  • the reason why the notch 10 of the housing for fitting is outside is that even if the mold die expands, it spreads outward and a gap is formed, and the housing can be prevented from cracking.
  • FIG.8 (b) shows the stator cross section of the state which removed the metal mold
  • FIG. 9 is a view showing an assembly structure of an axial gap type motor using the ceramic housing of the present invention.
  • FIG. 9A shows an assembled state of the output bracket end bracket 19 and the housing 1.
  • the output shaft side end bracket is provided with an inner notch 28 so that it can be combined with the outer notch structure 10 on the housing side.
  • Both ends in the axial direction of the housing have an outer notched structure, so that the heat of the coil can be transferred from the coil to the housing by heat conduction, and large heat is transferred from the housing to the end bracket. Or it can be transported to the mounting base.
  • the inner peripheral cutout portion 28 on the output shaft side end bracket side is not located on the entire circumference, but only on the projections provided at four locations in the circumferential direction.
  • FIG. 9B shows a cross-sectional view of the motor assembly structure.
  • the end bracket 19 holds the shaft 7 coupled with the rotor 6 via a bearing 15.
  • the opposite end bracket 20 also has an inner notch that mates with the outer notch 10 of the housing, and is structured to be held in combination.
  • Both end brackets are structured to be coupled by a stepped shaft 9, and both ends of the stepped shaft 9 are male threads, and the end brackets are held by friction by tightening with nuts. It has become. At this time, when the nut is closed, stress is applied to the stepped portion of the stepped shaft 9 so that a large concentrated stress is not applied to the end face of the ceramic housing.
  • FIG. 10 shows an external view of a state assembled as a motor.
  • FIG. 10A shows the appearance of the structure shown in FIG.
  • the motor has a flange mounting type motor structure, and the ceramic housing portion is not subjected to stress or impact for mounting on the machine side at the flange mounting portion.
  • FIG. 10B shows an example of a leg-mounted structure. Similar to the flange mounting type, the front and rear end brackets 19b and 20b and the stepped shaft 9 hold the ceramic housing part including the stator. However, like a normal motor, legs may be formed on the housing part. Since this is not possible, a leg portion is provided in a part of the end bracket, and a hole 46 for supporting the weight of the motor in that portion and attaching to the machine side is provided.

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Abstract

アキシャルギャップ型回転電機の放熱性の向上と、効率の向上を実現することができる構造を得ることにある。このため、永久磁石が配置された円盤状の回転子を軸方向に有し、前記軸方向の中央部に固定子を配置する構造のアキシャルギャップ型回転電機であって、固定子巻き線の外周側がハウジングの内径に密着し、前記ハウジングと固定子コア、固定子コイルとハウジングとはモールド樹脂を埋めてハウジングと接続しており、前記ハウジングは、非磁性、かつ、非導電性である材料からなるアキシャルギャップ型回転電機とした。

Description

アキシャルギャップ型回転電機
　本発明は、アキシャルギャップ型の回転電機のハウジング材質および構造と、固定子保持構造に関する。
　産業機械の動力源として用いられる回転電機として、アキシャルギャップ型回転電機はモータ部分の薄型化や高イナーシャ化、高効率化などの特徴があるため、各種の用途に用いられている。アキシャルギャップ型回転電機は、一般的なラジアル型回転電機に比べて、比較的大きな径を持つディスク状の回転子を有する構造となっている。このため、決められた径の中にモータを構成しようとするとき、ディスクの径を大きくできるので、ラジアル型モータに比べて大きなトルクが得られるといった特徴を持っている。さらに大きなトルクを期待する場合に、一つの固定子に対して、軸方向に２つの回転子を有する構造のアキシャルギャップ型回転電機を構成することができる。この方式は、ディスク上に多くの界磁源である永久磁石を配置できるため、トルク発生に寄与する磁束量を増加させることが可能となる。
　特許文献１では、１つの固定子と２つの回転子を有するアキシャルギャップ型モータの高効率化に関する方法が提案されている。固定子の鉄心部分に、損失の低いアモルファス金属箔帯で構成した鉄心を用い、回転子磁石に渦電流損失などの損失の少ない材料を用いることにより、発生する損失を抑えることができるので、モータの効率を高めることができる構造として提案されている。
　一方、アキシャルギャップ型のモータにおいて、ひとつの回転子に対して２つの固定子を有するものも検討されている。この構造は、固定子のバックヨーク部分の面がハウジングやエンドブラケットなどの筐体部分にネジ締結などの方法を用いて締結できるため、機械的な強度が高められる利点がある。しかし、巻線されたコイルや絶縁物などで構成される複雑な固定子部分が２つとなることで、システム全体の構造が複雑になることが懸念される。システムの簡素化の方法として、１つの固定子と、１つの回転子を有するアキシャルギャップ型モータがある。このモータ構造は、ギャップ部で発生する磁気吸引力が常に片側方向に働き続ける構造となり、ベアリングに大きなスラスト力をかけ続けることになるため、寿命の観点から産業用機械での適用は進んでいない。特許文献２では、このギャップ部に働く吸引力を緩和する構造が提案されている。２つの固定子を有するアキシャルギャップモータとして、固定子の片側を継鉄部として簡素化する構造が提案されている。これによって、ギャップ部の吸引力をバランスさせることができるとしている。
　上記のいずれの例においても、アキシャルギャップ型の固定子コイルは、回転軸方向に主磁束を発生させるように、軸方向に対して垂直な面にコイルが巻かれるようなコイルの形状を有している。それらのコイルは、回転軸に対して、軸の周囲をとり囲むように、周方向に複数個配置され、固定子コアと一体で固定されるように構成されている。また、固定子の外周側には、回転子円盤が回転する部分を保護することを目的として、ハウジングが配置される。このハウジングは、回転体への巻き込み防止のほかに、放熱フィンとして、ハウジング表面からモータの固定子の熱を放熱する役割も担っている。特許文献３，および特許文献４では、２つの回転子を有するアキシャルギャップ型のモータの、固定子コイルに発生する熱の放熱経路設計に関して検討されている。特許文献３では、固定子コイルとハウジングの間に導電性，高熱伝導部材を設け、コイルで発生したジュール熱をアルミ製のハウジングへ熱伝導させる経路を設けている。また、特許文献４では、コイルで発生する熱を水が循環する水路をハウジングに構成し、冷却水によってモータ機内から外へ熱を逃がす方式が検討されている。
特許第５６３５９２１号公報 特開２００８－１９９８１１号公報 特開２０１４－１７９１５号公報 特開２００８－９２７３５号公報
　特許文献１などに示されるアキシャルギャップ型回転電機は、大きな径の円盤状回転子磁石を２枚有することによってトルク出力を大きくすることが特徴である一方、固定子が軸方向中央部に配置され、また、その固定子コアとコイルは、極ごとに独立して配置される構造となっている。このため、これらの固定子コアとコイルをモータのトルク反力に耐えられるように固定して保持する必要がある。しかも、軸方向両側には回転子が、狭小なギャップを介して配置されているため、軸方向中央部の径方向（外側または内側）部分を固定する構造となる。また、その固定用部材は、非導電性で、かつ、非磁性部材である必要があるため、樹脂材料でモールドする構造が一般的に採用されている。
　固定子コアとコイルを樹脂で鋳込むモールド構造では、樹脂の熱伝導率が非常に低いために、モータの放熱性が極端に悪くなってしまう。樹脂材料の熱伝導率は、高いものでも1W/m・K程度であり、金属材料であるアルミニウムの230や，銅の400，鉄の70W/m・Kに比べて低いために、モータの許容温度が決められた場合に放熱性能で発熱量が制限されてしまい、体格あたりのモータ容量が大きくとれないことになってしまう。また、ハウジングは、金属材料で構成され、筐体アースとなっている構造がほとんどであるため、アース部分からの絶縁距離を必要とする。200Vの機械の場合は、2.4mm以上、400Vであれば6.5mm以上の絶縁物を介さなければならないため、発熱源であるコイルとハウジングまでに、熱伝導率が1W/m・Ｋの樹脂層が入ることによって、非常に熱抵抗が高い部分ができることで、放熱性が悪くなってしまうことになる。そこで、特許文献３では、熱伝導率の高い部材を固定子内部に放熱経路として挿入することで、軸方向の２面と限られた小さな断面積の部材ではあるが、金属材料の高熱伝導性能を利用して放熱性能を向上することが検討されている。しかし、この方法は高熱伝導部材を挿入するスペースを大きく取れないこと、また、そのスペースを大きくするとモータの体格が軸方向に大きくなってしまう問題がある。また、特許文献４のように、コイルの側面部分に導電性の部材を配置すると、絶縁距離を必要とするため、有効な断面積に配置するコイルのボリュームが少なくなってしまい、モータの効率を損なう恐れがある。また、放熱部材の部分にコイル電流や磁石磁束による渦電流損失が発生し、さらに効率を低下させる恐れもある。また、コイルの電流や、磁石の漏れ磁束による渦電流損失は、金属部材であるハウジングにおいても発生する。アキシャルギャップモータの場合には、コイルの外周側部分の外に磁性体が配置されない構造となるため、コイル電流による漏れ磁束によるハウジングの渦電流損失は発熱や、効率低下などの深刻な問題を引き起こす。
　本発明は、アキシャルギャップ型回転電機の放熱性の向上と、効率の向上を実現することができる構造を得ることを目的とする。
　上記課題を解決するため、本発明は、永久磁石が配置された円盤状の回転子を軸方向に有し、前記軸方向の中央部に固定子を配置する構造のアキシャルギャップ型回転電機において、固定子巻き線の外周側がハウジングの内径に密着し、前記ハウジングと固定子コア、固定子コイルとハウジングとはモールド樹脂を埋めてハウジングと接続しており、前記ハウジングは、非磁性、かつ、非導電性である材料からなる。
　本発明により、コイルから樹脂を介さずにハウジングに熱伝導させることが可能となるため、モータの発熱を低減することができる。このため、コイル温度や磁石温度を低減でき、コイルの抵抗値を低減させることができるため、コイルの銅損（ジュール損失）を低減することが可能となる。
本発明の一実施形態に係るアキシャルギャップ型回転電機の固定子において、コイルとハウジングの位置関係を示す斜視図、および断面図である。 図１で示した本発明の一実施形態に係るアキシャルギャップ型回転電機の固定子のコイルとコア、ハウジングをモールド樹脂で固定された状態を示す図である。 本発明の回転子を用いたアキシャルギャップ型モータと一般的なラジアルギャップ型モータを比較する構造比較図である。 本発明の一実施形態に係るアキシャルギャップ型回転電機構造を示す図である。 本発明の一実施形態に係るアキシャルギャップ型回転電機の固定子コアとコイルボビン、コイルの位置関係を示す図面である。 図５で示したコイルの巻き上がり状態の寸法と、モータに組み立てする場合の寸法関係を示した図面である。 本発明の一実施形態に係るアキシャルギャップ型回転電機のコイルとハウジングの位置関係を、従来モータと比較する図面である。 本発明の一実施形態に係るアキシャルギャップ型回転電機の固定子を樹脂モールドするときの金型の配置例を示す図面である。 本発明の一実施形態に係るアキシャルギャップ型回転電機の構造を示す図である。 本発明の一実施形態に係るアキシャルギャップ型回転電機の外観構造を示す図である。
　以下、図面等を用いて、本発明の実施形態について説明する。以下の説明は本発明の内容の具体例を示すものであり、本発明がこれらの説明に限定されるものではなく、本明細書に開示される技術的思想の範囲内において当業者による様々な変更および修正が可能である。また、本発明を説明するための全図において、同一の機能を有するものは、同一の符号を付け、その繰り返しの説明は省略する場合がある。
　本実施例は、永久磁石が配置された円盤状の回転子を軸方向に２つ有し、その軸方向中央部に固定子を配置する構造の２ロータ１ステータ型などのアキシャルギャップ型回転電機において、固定子巻き線の外周側形状をハウジングの内径円弧と同一の円弧になるように成形して、ハウジングの内周側に密着させるように配置した状態で、ハウジングと固定子コア、固定子コイルをモールド樹脂で埋め込んで一体にする構造とする。このとき、ハウジングの材質は、非磁性であり、非導電性である材料で構成する。その材料としては、たとえばアルミナ（酸化アルミニウム：Al2O3）、窒化珪素：Si3N4、炭化珪素：SiC、窒化アルミニウム：AlN、ジルコニア（酸化ジルコニウム：ZrO2）などのファインセラミクス材料が好ましい。特に産業用途のkWクラス以上のモータにおいては、固定子部材を構成する鉄心やコイルを保持するための強度が必要であり、プラスチック材料のように温度によってクリープが発生する材料でのモータ構成部品保持が困難なためである。ハウジング内周側のモールド樹脂は、固定子が軸方向に配置される長さに対して、両側ともオーバーハングさせて樹脂を付着させる構造とする。これは、セラミクス材料が一般的に衝撃に対して弱いため、この内側部分をモータ組み立て時の部品干渉などの衝撃から保護することを目的とする。また、コイルをハウジングに密着させてモールドするため、コイル部分における樹脂とコイルの保持強度が不足することを補うためでもある。本実施例では、磁石温度の低減でき、磁石の残留磁束密度（Br値）を大きくすることができるため、磁束量を増加させることができ、同一トルクを出力する場合の電流値を低減することができる。この効果によっても、銅損（ジュール損失）を低減することができる。さらに、これまで、コイルの電流や、磁石からの漏れ磁束からによってハウジング部分で発生していた渦電流を発生させることが無いため、この部分の損失も低減でき、総合的にモータの効率を向上させることができる。アキシャル型モータは薄型に構成することが可能であり、それらの特長を機械に組み込んで構成することが可能となるので、小形で高出力の機械が構成できることになる。
　図１は、本発明の一実施形態に係るアキシャルギャップ型回転電機の固定子構造を示したものである。
　図１（ａ）には、固定子コア２とその周囲に巻かれた固定子コイル３とハウジング１の位置関係を斜視図で示す。ここに示す例では円筒形状のハウジング１の内周部分に周方向に12個のコアとコイルの組が等間隔に配置されている。図１（ｂ）には、その正面図と横断面図を示している。横断面図に示しているとおり、固定子コアと固定子コイルは、円筒状のハウジングの軸方向の中央部付近に配置され、コイルの外周側がハウジングの内周面と接触するように配置する。本実施例では、コイルの外周側の円弧面の円弧は、ｒ＝130mmとしている。一方、ハウジングの内周側の円弧は、R=130mmであり、設計値では双方が同一の寸法となるようにしている。この寸法は、設計の中央値であり、通常は組立ての公差などを設定して設計される。製造上のばらつきは、この寸法公差内になるように製造される。この設計中央値で設計されたコイルとハウジングは、組立て時に内周から外周方向にコイルを押し付けながら配置することで、ハウジングの内周表面にコイルが密着するように組立てすることができる。コイルは通常はエナメル線を複数回巻回して形成される。エネメル被覆は、通常数十ミクロンと薄い皮膜であるため、絶縁性を保つために導電体の金属部分との接触を避ける必要がある。本発明では、上述したようにハウジングとコイルを密着させる構造のため、ハウジングは非導電体とする必要がある。本実施例では、ハウジングをセラミック（アルミナ（酸化アルミニウム：Al2O3）、窒化珪素：Si3N4、炭化珪素：SiC、窒化アルミニウム：AlN、ジルコニア（酸化ジルコニウム：ZrO2））で構成することを特徴としている。有機材料（樹脂材料）も非導電性ではあるが、重量に対する保持強度、屋外で使用される場合の経年劣化などを考慮すると好ましくない。
　図２には、図１で示した本実施例の固定子コア２と固定子コイル３、ハウジング１との位置関係を保った状態でそれらの部材を一体化する樹脂モールド４の形状を示した図面である。本実施例では、固定子コイル３の外周面が、ハウジング１の内周面に密着した状態で樹脂モールドするため、固定子コイル３や固定子コア２とハウジング１を接着面が大きく取れないことになってしまう。このため、本図に示したように、固定子コイル３の巻き方を、工夫して、外周面の軸方向両脇の巻き数を少なくして、ハウジング１と固定子コイル３の界面に樹脂が入るようにした。さらに、固定子の配置されていない軸方向の両側部分にも樹脂をハウジングの内周部に配置する構造とした。その内周側の樹脂は、モールドするときの金型を抜くための抜きテーパを1.5度程度設けている。本実施例では、樹脂をセラミックハウジング１の軸方向端部まで配置する構造としており、モータとして組立てる場合の位置決めのための嵌合部を外側切り欠き構造１０としている。この外側切り欠き構造は、両側ともにこの構造としており、旋盤による加工時に、チャックのくわえなおしをしないで加工することで、同軸度などの加工精度を上げる目的もある。セラミック材料は、焼成した後での加工が困難であり、旋盤にセラミック材料を固定したり、加工時に割れや欠けなどの不具合を防止することも目的のひとつである。本実施の形態では円筒状のセラミックハウジングは、外周面、内周面とも成型、焼成後の加工はなしとして使用することを想定しており、モータのブラケットと勘合する部分（切り欠き１０）と軸方向長のみを加工する構造としている。
　次いで、アキシャルギャップモータとラジアルギャップモータの違いを、図３を用いて説明する。図３には、一般的なラジアルギャップ回転電機とアキシャルギャップ型回転電機の構造比較をそれぞれ斜視図で示している。図３（ａ）図は、ラジアルギャップ型回転電機を示し、図３（ｂ）は、アキシャルギャップ型回転電機を示している。本比較例では、どちらも同一のハウジング１１に実装される場合を想定して図示している。このとき、ラジアルギャップ型回転電機は、スロットと呼ばれる巻線（コイル）３３を実装するための溝を有する電磁鋼板を軸方向に積層した固定子鉄心３２をハウジング１１の内径部に構成する。さらに、その内側部分には、永久磁石３５を回転軸７上に実装した回転子が構成されている。このとき、回転子と固定子の対向面積は、回転子の径φｄと軸長Ｌで決まり、その大きさは、π×ｄ×Lとなる。ハウジングの径に対して回転子径は固定子の内側となるため、ｄは小さめである。一方、図３（ｂ）に示すアキシャルギャップ型回転電機は、2枚の永久磁石を実装した回転子６を備えるものを図示している。こちらの構造では、回転子磁石５と固定子コア２の対向面積は、回転子径φＤがハウジングの内径いっぱいまで使用することができるために、大きな面積となる。図示したモデルでは、対向面積は、π/4×Ｄ2×2倍となる。この値は、先に示したラジアルギャップ型回転電機に比べてこのモデルでは約３倍となっている。このことから、アキシャルギャップ型回転電機は同一径のハウジング内に実装する場合には、ラジアルギャップ型回転電機に比べて大きなトルクが得られる利点があることがわかる。
　ここで、ラジアル型回転電機の場合、コイルで発生する磁束は、固定子コアを介して回転子とギャップ間でトルクに変換される構造となっていることがわかる。また、コイルで発生するジュール熱は、固定子コアに熱伝導で伝わり、その熱がさらに熱伝導でハウジングに伝わる構造となっていることがわかる。コイル（銅）の熱伝導率は、通常は４００W/m・K、固定子コア（鉄）の熱伝導率は７０W／ｍ・K、ハウジングは通常アルミニウムなどであり、その場合、１００～２００W/m・Kと比較的熱伝導率が高い材料で構成されているため、放熱性が高くなっている。（ｂ）に示すアキシャルギャップ型の場合は、コイルとハウジングの間は樹脂で埋められる構造となっており、通常は絶縁性能を満たす場合、２００V系のモータの場合は２．４ｍｍ、４００V系のモータの場合は６．５ｍｍ程度の絶縁距離をとる必要がある。このため、この距離よりも少し多めにモールド樹脂が充填される構造となり、かつ、樹脂の熱伝導率は、０．６W／ｍ・Kと非常に低いため、コイルの熱はハウジングに伝わりにくくなってしまう。コイルの放熱が悪い場合、コイルの温度上昇によって抵抗値が上昇して銅損（ジュール損失）を大きくしたり、回転子側の磁石の磁石温度を高くしてモータ電流を増加させたりすることで、モータの効率を大幅に引き下げる原因となる。
　図４には、アキシャルギャップ型回転電機の組立て構造を分解した斜視図で示す。固定子コア２、固定子コイル３は、ハウジング１１に樹脂モールドによって一体化されている。その両側には、回転子６が配置される。回転子６の表面には永久磁石５が周方向に等分されて配置されており、本実施例の図では、８極を構成している。この2枚の円盤は、シャフト７によって締結される構造となっており、シャフトと一体となって回転可能となっている。シャフトは、前後のエンドブラケット１９、または２０で保持されるベアリング１５を介して回転可能に保持される構造であり、エンドブラケットは、ハウジングの端面と同軸度を保って組み合わせられる構造となる。
　図５には、固定子コイルの詳細構造を示す。図５（ａ）図には、固定子コア２と巻き線ボビン８の位置関係を示した図である。固定子コア２は、略三角柱形状をしており、巻き線ボビンの孔部に軸方向に挿入可能な形状となっている。固定子コア２が巻き線ボビンに挿入された状態を図５（ｂ）に示す。図５（ｃ）には、その上に巻き線を巻き回した状態を示す。固定子コア２を囲む方向に巻き線を巻き回して、巻きはじめと巻き終わりの端末線を巻き線ボビン８の端部に切り書いた溝から、軸方向に向かって配置する。
　図６（ａ）は、コイルに巻き線を巻き回した後のコイルの巻きふくらみをあらわしている。コイルを軸方向上部より見ると、コイルは巻き膨らみによって巻き線ボビン８の鍔部よりはみ出している場合３ｂ、３ｃがある。この状態では、モータのハウジング内に配置することができないため、形を整えるための整形を行う。図６（ｂ）図には、コイルの整形を行うための金型の図を示している。コイルの最終仕上がり寸法と同一、またはスプリングバックを考慮して少々小さめに設定した金型にプレスなどの加圧装置を用いて押し付けることにより寸法を整える。このとき、外周部のハウジングと接触する面の寸法は、前述したとおり、ハウジングの内径寸法と同一にする。このときのＲは、130mmであり、組立て可能なように-0.05から-0.1mmの寸法公差を設定している。
　図７は、ハウジングとコイル位置の断面比較を示している。図７（ａ）は、従来のアルミニウムハウジングの場合を示す。コイルの端面とハウジングの内径は、距離Ｄを離して配置しなければならない。これは、絶縁性能を保つために決められている寸法である。図７（ｂ）は、本発明の実施の形態を示している。セラミックは絶縁体であるため、コイルとの接触はなんら問題が無い。このため、接触して配置が可能となっている。アルミニウムのハウジングの場合、外側表面に放熱フィンが形成されているが、これはアルミ鋳物や、ダイキャストなどによる成型で作成が比較的に容易にできるためである。セラミックの場合、加工が困難であるため、複雑な形状は現状では作りにくく、本実施の形態では単純な円筒形状としているのである。
　次いで、図８にはモールド時の金型の構成例を示す。本実施形態のハウジング１に対し、下金型４１を配置する。この位置決めは、セラミックハウジングの外側切り欠き部１０を基準に組立てを行う。下金型の中央部分には、軸金型４２を配置し、内周側のモールド部を形成できるようにする。その軸を基準として上金型を配置してモールド部の隙間を形成し、その隙間にモールド樹脂４を流し込んで成型する。このとき、ポイントとなるのは、ハウジング内周面側には金型が接触する点は無いことが特徴である。金型による樹脂モールド成型では、温度上昇させて樹脂硬化させるが、このときに金型の膨張によってハウジングが割れることを防止することを目的としている。通常、セラミック材料は線膨張係数が低く、温度によって膨張が少ない。使用する樹脂材料は、このハウジングの線膨張係数にあわせたものを使用するが、金型は、金属材料であり、１５から２０ｐｐｍの膨張をするため、金型の膨張時にハウジングの割れを引き起こす場合がある。嵌合のためのハウジングの切り欠き部１０を外側としているのも、モールド金型が膨張しても外側に広がって隙間が空く方向となり、ハウジングの割れを防止する方向とできるためである。図８（ｂ）は、金型をはずした状態の固定子断面を示す。金型は抜きテーパによって上下の金型とも容易に取り外すことができる。
　図９は、本発明のセラミックハウジングを用いたアキシャルギャップ型モータの組立て構造を示した図面である。図９（ａ）には、出力軸側のエンドブラケット１９とハウジング１との組み付け状態を示した。出力軸側エンドブラケットには、内側切り欠き部２８を設けて、ハウジング側の外側切り欠き構造１０と組み合わせ可能な構造となっている。ハウジングの軸方向の両端部は、外側インロー切欠き構造としたこととにより、コイルの熱は、熱伝導でコイルからハウジングに伝熱する構造とすることができ、大きな熱をハウジングから、エンドブラケットや、取り付けベースに輸送することができる。本実施例では、出力軸側エンドブラケット側の内周側きり欠き部２８は全周ではなく、周方向４箇所に設けた突起部の部分だけに存在する形となっている。これは、全周部にあることで組立て性が損なわれるのを防ぐためである。図９（ｂ）には、モータの組立て構造の横断面図を示す。エンドブラケット１９は、回転子６を結合したシャフト７を、ベアリング１５を介して保持している。反対側のエンドブラケット２０も、出力軸側と同様にハウジングの外側切り欠き部１０と合わさる内側切り欠き部を有しており、組み合わせて保持される構造となっている。両方のエンドブラケットは、段付きの軸９で結合される構造となっており、段付き軸９の両端には雄ネジとなり、ナットで締めこむことによりエンドブラケット同士が摩擦で保持される構造となっている。このとき、ナットで閉めこむ場合に段付き軸９の段付き部に応力がかかって保持されるため、セラミックハウジングの端面には大きな集中応力がかからないことになる。
　図１０には、モータとして組み立てた状態の外観図を示す。図９（ｂ）で示した構造の外観が図１０（ａ）である。フランジ取り付け型のモータ構造となっており、フランジ取り付け部で機械側に取り付けするためにセラミックハウジング部分には応力や衝撃がかからない構造になっている。図１０（ｂ）には脚取り付け型の構造例を示す。フランジ取り付け型と同様に前後のエンドブラケット１９ｂ、２０ｂと段付き軸９で固定子を含むセラミックハウジング部を保持する構造であるが、通常のモータのように、ハウジング部分に脚を形成することができないため、エンドブラケットの一部に脚部を設け、その部分でモータの自重を支え、機械側に取り付けするための孔４６を設けている。
１　　セラミックハウジング，２　　固定子コア，３　　固定子コイル，４　　モールド樹脂，５　　永久磁石，６　　回転子，７　　シャフト，８　　巻き線ボビン，９　　段付き軸，１０　ハウジング外側切り欠き部，１１　アルミダイキャストハウジング，１５　ベアリング，１９　出力軸側エンドブラケット，２０　反出力軸側エンドブラケット，２１　コイル成型金型（下型），２２　コイル成型金型（上型），４１　モールド金型（下），４２　モールド軸，４３　モールド金型（上），４４　樹脂容器

Claims (10)

  1. 　永久磁石が配置された円盤状の回転子を軸方向に有し、前記軸方向の中央部に固定子を配置する構造のアキシャルギャップ型回転電機において、固定子巻き線の外周側がハウジングの内径に密着し、前記ハウジングと固定子コア、固定子コイルとハウジングとはモールド樹脂を埋めてハウジングと接続しており、前記ハウジングは、非磁性、かつ、非導電性である材料からなることを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機。
  2. 請求項１において、前記ハウジングは、酸化アルミニウム、窒化珪素、炭化珪素、窒化アルミニウム、酸化ジルコニウムのいずれかからなることを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機。
  3. 　請求項２において、前記ハウジングと前記固定子コイル、前記固定子コアを接続する前記モールド樹脂を、前記軸方向の前記固定子が配置される部分以外の前記ハウジングの内側表面に設けたことを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機。
  4. 　請求項３において、前記モールド樹脂は、前記軸方向に角度をもって、厚みが変化することを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機。
  5. 　請求項１において、非磁性、かつ、非導電性の前記ハウジングは、円筒形状であり、その軸方向の両端面は、円形のブラケットと同軸上に組み合わせて配置可能な切欠きを有しており、前記切欠きは、前記ハウジングの外側面を切欠くことを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機。
  6. 　請求項１において、非磁性、かつ、非導電性の前記ハウジングは、円筒形状であり、内側面および、外側面は、焼成、成形後、切削を行わない表面状態としたことを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機。
  7. 　請求項１において、前記固定子コイルの巻き回後に、コイルの状態で巻き膨らみを変形し、外周側となるコイルエンド部分の形状を前記ハウジングの内径にあわせた形状としたことを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機。
  8. 　請求項１において、前記前記固定子を、前記軸方向の両端に配置されるエンドブラケットで挟み込む手段を有し、前記挟み込む手段は、両端に雄ネジが構成された長尺軸をブラケット間に通し、前記雄ネジの端部をナットで締め付けていくことにより、前記ハウジングと前記エンドブラケットの挟み込み摩擦で前記固定子を保持する構造を特徴とするアキシャルギャップ型回転電機。
  9. 　請求項１において、前記ハウジングがセラミック部材で構成されたアキシャルギャップ型モータの、前記固定子を軸方向両端に配置されるエンドブラケットで挟み込む手段を有し、前記挟み込む手段は、前記ハウジングの軸長と同一の平行部を持った段付構造で、両端に雄ネジが構成された段付長尺軸をブラケット間に通し、前記雄ネジの端部をナットで締め付けていくことにより、前記段付長尺軸の平行面および、前記ハウジングの端面と前記エンドブラケットの挟み込み摩擦で前記固定子を保持することを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機。
  10. 　請求項８、または９において、前記ハウジングがセラミクス材で構成され、かつ、前記ハウジングは円筒形状で、両端のエンドブラケットの一部に、モータの自重を支え、床面に取り付けるための穴を配置した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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