JP5256007B2 - 電機子並びにアキシャルギャップ型回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、電機子並びにアキシャルギャップ型回転電機に係り、特に磁束鎖交を大きくとることによるトルク出力密度の増大を図った電機子並びにアキシャルギャップ型回転電機に関する。

従来から、モータの回転軸方向の外形長さ寸法を短縮して薄型にするために、電機子とステータを平板状に形成し、これらを電機子の回転軸方向に相対させるように組み付けたいわゆるアキシャルギャップ型のモータが知られている。

交番磁界中を回転運動する回転電機の磁気回路部材において、回転運動にともなう磁束交番により、レンツの法則に従い、磁束交番を打ち消す磁界が生じるように渦電流が生じることで損失が発生することが広く知られている。このため、鋼板を磁束に対して直交させない方向に鋼板を積層させ、磁気回路を構成することで損失を低減させる手法をとることが一般的である。

円筒型ラジアルギャップ型回転電機においては磁力線が概平面状に分布するのに対して、アキシャルギャップ型回転電機においては、磁力線が３次元的な分布となり、鋼板積層による構成とした場合には、鋼板面に鎖交する磁力成分により渦電流損失が生じる懸念が大きい。このため、対策として圧粉磁心を用いた技術、電機子コアの積層方向に関する技術等、様々な改良が行なわれている。

圧粉磁心を用いた技術としては、特許文献１のような技術が知られており、この技術では、駆動コイル２５のロータマグネット３３側の端面の少なくとも一部を覆う磁束取込み部３６をコア３４に設けるとともに、この取込み部３６の総面積を空芯部２６の断面積よりも大きくした技術が開示されている。
また特許文献２では、ティース２４は、ティース用板材１２４の積層体からなり、前記ティース用板材１２４の重ね合せ面１２４ａを円周方向に配設した技術が開示されている。

実開平０６−０７０４７６号公報（請求項１、図２、図３） 特表２００３−０４７０７０号公報（第８頁、図１６）

特許文献１のような圧粉磁心ではなく、特許文献２のように、積層鋼板によって構成した技術の場合、磁力線方向と鋼板積層方向とが平行とすることにより損失発生が小さくなり、且つ鋼板形状にオーバーハングを形成することで、マグネットとコアとが相対する有効ギャップ面を広く取れるという利点がある。
しかし、径放射積層方向についてはティースの張り出しがなく、ギャップ面積を有効に得ているとはいえない技術となっている。

本発明の目的は、磁束鎖交を大きくとることによるトルク出力密度の増大を図った電機子並びにアキシャルギャップ型回転電機を提供することにある。
また本発明の目的は、モータの限られたスペース内にてマグネットと相対する電機子コア面積を拡大させ、磁束鎖交を大きくとることによるトルク出力密度の増大を得られると共に、磁束鎖交による損失増加を調整することが可能な電機子並びにアキシャルギャップ型回転電機を提供することにある。

前記課題は、本発明の電機子によれば、軸方向に延出する電機子コアと、該電機子コアに巻回するコイルと、前記電機子コアを固定する基台とを備えたアキシャルギャップ型回転電機に用いられる電機子であって、前記電機子コアは、前記基台側から離れた先端側が張り出して幅を拡大するよう拡大部を有して、前記基台の面に沿って配設したものであって、前記電機子コアのうち、少なくとも端部側に位置するコア部分が、他のコア部分よりも軸方向に長い形状をして、前記電機子コアの中心側から離間する方向に略直角に屈曲させて形成された延出バーを有してなり、該延出バーと前記基台との間に前記コイルを巻回させたこと、により解決される。

また、本発明の電機子によれば、軸方向に延出する電機子コアと、該電機子コアに巻回するコイルと、前記電機子コアを固定する基台とを備えたアキシャルギャップ型回転電機に用いられる電機子であって、前記電機子コアは、複数のコアブロックからなり、各コアブロックは、前記基台側から離れた先端側が張り出して幅を拡大するよう拡大部を有して、前記基台の面に沿って配設して一体化コアとしたものであって、前記電機子コアのうち、少なくとも端部側に位置するコアシートが他のコアシートよりも軸方向に長い形状をして、前記電機子コアの中心側から離間する方向に略直角に屈曲させて形成された延出バーを有してなり、該延出バーと前記基台との間に前記コイルを巻回させたこと、により解決される。

上記本発明の電機子によれば、コアブロックの積層方向により、径方向や周方向のどちらの方向へも大きな延出バーを電機子コアに設けることができ、これをアキシャルギャップ型回転電機に適用したときに、より効率的にマグネット体の磁束を吸収できる。このように本発明の電機子は、アキシャルギャップ型回転電機に好適に用いることができて、しかもモータの限られたスペース内にてマグネット体と相対する電機子コア面積を拡大し、磁束鎖交を大きくとることによるトルク出力密度の増大を図ることが可能となる。

このとき、前記電機子コアは、径方向に沿って階段状に積層し、外周側と外周側が屈曲して形成すると好適である。
このようにすると、アキシャルギャップ型回転電機に適用したときに、円形となっているマグネット体に合わせ、最外周を円弧にすることが容易になる。

また、前記コアブロックは、複数のコアシートを合わせ積層し、内周ほど小さな形状とすると好適である。このように構成すると、内周が狭く外周が広い扇形のコアを形成することが容易になる。

さらに、前記基台には、前記電機子コアのコアブロックの階段状の積層状態と一致する貫通孔が形成され、該貫通孔に前記コアの階段状の前記コアブロックを圧入して形成すると好適である。このように構成すると、コアと基台とが空隙なく固着され、アキシャルギャップ型回転電機に適用したときに、磁気抵抗が生じないようにすることができる。

また、前記延出バーは、内周側と外周側に形成され、外周側の延出バーには、スリットが径方向に沿って設けられていると好適である。このように構成することによって、アキシャルギャップ型回転電機に適用したときに、渦電流損を防止することが可能となる。

さらに、前記コアには、インシュレータが配設され、該インシュレータにより、前記階段状のコアを曲面に修正するように構成すると好適である。このように構成することにより、電機子コアにコイルを巻回して電機子を形成するときに、コイルに傷を付けずに巻回することが可能となる。

また、前記コアシート間には相互間を結合するカシメ構造を備えるように構成することができる。このように構成することにより、簡単な構造でコアシートを一体化することが可能で、電機子コアの製造が容易となる。

前記課題は、本発明のアキシャルギャップ型回転電機によれば、軸方向に延出した電機子コアを基台に固定しコイルを巻回してなる電機子と、該電機子コアと軸方向に対向するマグネット体と、を備えたアキシャルギャップ型回転電機において、前記電機子として、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の電機子を用いたこと、により解決される。
このように構成することにより、アキシャルギャップ型回転電機において、回転電機の限られたスペース内に、マグネット体と相対する電機子コア面積を拡大させ、磁束鎖交を大きくとることによるトルク出力密度の増大が得られる。また延出バーへの磁束鎖交による損失増加を調整することが可能となる。

上記本発明の電機子並びにアキシャルギャップ型回転電機によれば、コアブロックの積層方向により、径方向や周方向のどちらの方向へも大きな延出バーを電機子コアに設けることができ、これをアキシャルギャップ型回転電機に適用したときに、より効率的にマグネット体の磁束を吸収できる。この結果、本発明の電機子は、アキシャルギャップ型回転電機に好適に用いることができて、しかもモータの限られたスペース内にてマグネット体と相対する電機子コア面積を拡大し、磁束鎖交を大きくとることによるトルク出力密度の増大を図ることが可能となる。
また、コアと基台とが空隙なく固着され、アキシャルギャップ型回転電機に適用したときに、磁気抵抗が生じないようにすることができる。

以上のように、アキシャルギャップ型回転電機において、鋼板を積層することより成る電機子コア（コアティース）について、延出バーを設けたことにより、アキシャルギャップ型回転電機の限られたスペース内にてマグネット体と相対するコア面積を拡大させることができる。

以下、本発明の実施形態について、図を参照して説明する。なお、以下に説明する部材、配置等は、本発明を限定するものではなく、本発明の趣旨に沿って各種改変することができることは勿論である。また、本実施形態は、アキシャルギャップ型回転電機として、ブラシを用いた永久磁石式のモータＭを例として説明するが、インバータにより３相駆動される永久磁石式、若しくはリラクタンス式のブラシレス型電動機等であってもよい。

図は本発明の実施形態を示すものであり、図１はアキシャルギャップ型回転電機を説明する斜視図、図２は電機子の斜視図、図３は電機子コアを説明する斜視図、図４は電機子コアの斜視図、図５は電機子コアの側面図、図６は電機子コアの平面図、図７はインシュレータの斜視図、図８は電機子コアとインシュレータの組付けの説明図、図９は電機子コアとインシュレータの組付け状態の斜視図、図１０は図９に巻線をした状態の説明図、図１１は図１０の側面図、図１２は図１０の断面説明図である。

図１および図２に示すように、本実施形態のモータＭは、電機子２０と、ステータ３０と、整流子４０と、ブラシ５０等を主要構成要素としている。
本実施形態のモータＭは、８極用のアキシャルギャップ型のモータの例を示すものであり、出力軸であるシャフト６０の軸方向の外形厚み寸法が小さくなるように構成され、薄くてフラットな外形となっている。すなわち、本実施形態では、電機子２０とステータ３０の外形が概略円盤状となるように形成されており、これらがシャフト６０の軸方向に所定のエアギャップを介して対向するように組み付けられている。

巻線７０は、電機子コア１０の外周（軸方向からみて側面）に巻回されることにより薄型のコイル状に形成されている。また、巻線７０は複数相の励磁電流に対応して巻回されており、例えば、各相の巻線７０が複数の電機子コア１０に跨って巻回される分布巻の方法により巻回される。各相の巻線７０は、整流子４０と電気的に接続されている。

本実施形態のモータＭには電機子２０の位置検出を行うための図示しないセンサが設けられており、このセンサによる電機子２０の位置検出に基づいて、図示しない外部電源供給装置から巻線７０に励磁電流が供給される。これにより、電機子２０を安定して回転させるための回転磁界が発生する。

モータＭ（アキシャルギャップ型回転電機）のステータ３０は、図１に示すように、電機子２０の外形に対応する形状の板状のステータヨーク３１と、ステータヨーク３１の電機子２０側の板面に配設された複数のマグネット体３２と、ステータヨーク３１の中央に配設された軸受部３３と、を有して構成されている。ステータヨーク３１は、電機子２０の平面形状に対応して略円盤状に形成されており、その外周の所定位置には、モータＭを所定の取付部材に固定するためのヨークフランジ３１ａが径方向外側に延出形成されている。

マグネット体３２は薄板状に形成されており、板厚方向に磁束が向くように磁化されている。マグネット体３２は、ステータヨーク３１の板面上において、電機子と対向するように取り付けられており、磁束の向きが反対方向となる異なる極性の２種類のマグネット体３２が周方向に交互に配置されている。また、このマグネット体３２は、ステータ３０と電機子２０をシャフト６０に組み付けた状態において、電機子２０側の巻線７０の配置と対応するように配置されている。例えば、本実施形態では異なる極性のマグネット体を４５度ずつずれた位置に交互に配設しており、その磁極数は８極である。この磁極数は、電機子２０側における電機子コア１０の数および配置に対応するものとなっている。

マグネット体３２は、ステータ３０と電機子２０をシャフト６０に組み付けた状態において、電機子２０側の巻線７０と、所定のギャップを隔てて対向するように配置されている。モータＭは、このギャップ等に応じてマグネット体３２から巻線７０に及ぼされる有効磁束と、巻線７０に流れる励磁電流によって与えられる回転磁界と、の相互作用によって誘起電力を発生させ、所定の出力トルクが得られるように構成されている。

本実施形態の電機子２０は、電機子コア１０と、電機子コア１０に巻回された巻線７０と、一端側がモータＭの出力軸となるシャフト６０（モータシャフト）と、を備えている。電機子２０は、シャフト６０によって相対回転可能に組み付けられ、この電機子２０と一体となって回転するように配設された整流子４０が、ステータ３０（界磁体）側のブラシ５０と摺接するように構成されている。

より具体的には、本実施形態の電機子２０は、図２、図３に示すように、円盤状の基台２１と、基台２１の板面上に設けられた複数の電機子コア１０と、各電機子コア１０に巻回された巻線７０と、を有して形成されている。

基台２１には、図１で示すように、極数に合わせて８箇所のコア配置孔２２が形成されている。このコア配置孔２２は、電機子コア１０及びインシュレータ８０（後述）の形状に合わせて形成されており、コア配置孔２２の径方向には、電機子コア１０を連結する連結部材２６（後述）のカシメた端部側を配置する凹部２３が形成されている。また各コア配置孔２２には、スリット２４が形成されている。

本実施形態では、基台２１の板面上に複数の電機子コア１０がシャフト６０を中心として放射状に配設されており、各電機子コア１０は、楔形の先端側が径方向内側を向くように基台２１に圧入して配設されている。

本実施形態の複数の電機子コア１０は、図３乃至６で示されるように、複数のコアブロック１１〜１７から構成されており、各コアブロック１１〜１７は、一枚或いは複数枚の鋼板からなるコアシートを積層して形成されている。そして、各コアブロック１１〜１７には、基台２１側から離れた先端側が、張り出して幅（周方向）を拡大するよう拡大部１１ｂ〜１７ｂとして形成されている。

つまり、各コアブロック１１〜１７は、巻線７０が巻回される下部側１１ａ〜１７ａと上面側（基台２１に配設するときに基台２１と反対側の面）の拡大部１１ｂ〜１７ｂとからなる概略Ｔ字状の形状を構成している。そして、各コアブロック１１〜１７の下部側１１ａ〜１７ａには、それぞれ貫通孔１１ｆ〜１７ｆが形成されている。コアシートは上記各コアブロック１１〜１７の大きさや形状に合わせて形成されている。

またコアシートは、各コアブロック１１〜１７の大きさや形状に合わせて、各コアブロック１１〜１７毎に大きさが異なったものを用いて形成されている。つまり、各コアブロック１１〜１７は、複数のコアシートを合わせ積層し、内周側のコアブロックほど小さな形状となって、扇形に近いコアとしている。そして基台２１の面に沿って一体化コアとして配設されるものである。各コアブロック１１〜１７の連結は、図１１及び図１２で示すように、各コアブロック１１〜１７の貫通孔１１ｆ〜１７ｆに連結部材２６を挿着して、連結部材２６の両端をカシメて一体に形成するものである。この連結部材２６の両側が、前述した基台２１の凹部２３に位置するように構成されている。

そして、各コアブロック１１〜１７は、径方向に沿って階段状に積層されるが、内周側のコアブロック１１と外周側のコアブロック１７には、延出バー１１ｅ、１７ｅが形成されている。この延出バー１１ｅ、１７ｅは、図３乃至図６で示すように、上記コアブロック１１、１７を形成するコアシートが、他のコアブロックを形成するコアシートよりも、軸方向（基台２１から離れる方向）に長い形状をしたものを用いており、各コアブロック１１〜１７を結合し一体化して電機子コア１０として形成したときに、中心側から離間する方向に略直角にコアシートを屈曲させて形成している。

この延出バー１１ｅ、１７ｅは、鋼板であるコアシートの曲げ加工によって形成するものであり、折り曲げるときの折り代切欠部１１ｇ、１７ｇを形成し、この切欠部１１ｇ、１７ｇで折り曲げられている。この延出バー１１ｅ、１７ｅによって、モータ外径に対するコアの有効磁気ギャップ面を有効に活用することができる。

そして、上記延出バー１１ｅ、１７ｅは、内周側と外周側のコアブロック１１、１７として形成されるが、外周側のコアブロック１７の延出バー１７ｅは、外側が円弧状１７ｄとなっており、スリット１７ｃ（本実施形態では３本）が径方向に沿って設けられている。このスリット１７ｃは磁束鎖交による損失増加を抑制するためのものであり、本実施形態では３本であるが、１本以上設けることで、磁束鎖交による損失増加を抑制することが可能である。

本実施形態では内周側のコアブロック１１と外周側のコアブロック１７は、一枚のコアシートから形成された例を示しているが、複数枚のコアシートによって形成してもよい。
各コアブロック１１〜１７は、各コアシートを積層して形成しているが、各コアシート間には相互間を結合するカシメ構造（不図示）として形成している。また各コアブロック１１〜１７の結合についても、相互間を結合するカシメ構造とすることもできる。

上記電機子コア１０に巻線７０を巻回するが、この電機子コア１０には、インシュレータ８０が配設され、このインシュレータ８０により、階段状の電機子コア１０を曲面に修正している。
つまり、本実施形態のインシュレータ８０は、図７乃至図９で示すように、第１巻線規制部８１と第２巻線規制部８２と貫通孔８３と連結部８４とから構成されている。
第１巻線規制部８１は、電機子コア１０の拡大部１１ｂ〜１７ｂの下面の支持面８１ａ及び延出バー１１ｅ、１７ｅの下面と当接する支持面８１ｂが形成されており、外形は前述した電機子コアの拡大部１１ｂ〜１７ｂの外形と同様な形状としている。

また、第２巻線規制部８２は、上記第１巻線規制部８１から所定間隔をあけて巻線７０を規制する規制面８２ａが形成されている。規制面８２ａの延出バー１７ｅ側（外周側）の外周側形状は、第１巻線規制部８１と略同じ形状をしているが、規制面８２ａの延出バー１１ｅ側（内周側）及びは、各コアブロック１１〜１７へ連なる側面側は、第１巻線規制部８１より大きく形成されている。これにより、図２で示すように、各電機子コア１０が間隙を置いて組み付けられたときに、電機子２０の基台２１上に間隙をあけることなく配置できるように構成されている。

また、上記連結部８４は、第１巻線規制部８１と第２巻線規制部８２を連結すると共に、電機子コア１０の各コアブロック１１〜１７の下部側１１ａ〜１７ａを被覆するものである。そして、この連結部８４の内側が貫通孔８３となっているもので、図８及び図で示すように、貫通孔８３に、一体となった電機子コア１０の下部側１１ａ〜１７ａを嵌着するようになっている。そして、延出バー１１ｅ、１７ｅと基台２１との間に、インシュレータ８０を介して巻線７０を巻回させている。

また前記実施形態では、各コアブロック１１〜１７の拡大部を円周方向の拡大部としているが、径方向の拡大部とすることも可能である。つまり、各コアブロック１１〜１７の積層方向を径方向ではなく、周方向とし、径方向に前記した外周側のコアブロック１１と外周側のコアブロック１７に相当するコアブロックを配設する。この場合には、拡大部を有して、内周側から外周側へ拡大するようなコアシートを用いる。

アキシャルギャップ型回転電機を説明する斜視図である。 電機子の斜視図である。 電機子コアを説明する斜視図である。 電機子コアの斜視図である。 電機子コアの側面図である。 電機子コアの平面図である。 インシュレータの斜視図である。 電機子コアとインシュレータの組付けの説明図である。 電機子コアとインシュレータの組付け状態の斜視図である。 図９に巻線をした状態の説明図である。 図１０の側面図である。 図１０の断面説明図である。

符号の説明

１０‥電機子コア、１１〜１７‥コアブロック、１１ａ〜１７ａ‥下部側、１１ｂ〜１７ｂ‥拡大部、１７ｃ‥スリット、１７ｄ‥円弧状、１１ｅ、１７ｅ‥延出バー、１１ｆ〜１７ｆ‥貫通孔、１１ｇ、１７ｇ‥折り代切欠部、２０‥電機子、２１‥基台、２２‥コア配置孔、２３‥凹部、２４‥スリット、２６‥連結部材、３０‥ステータ、３１‥ステータヨーク、３１ａ‥ヨークフランジ、３２‥マグネット体、３３‥軸受部、４０‥整流子、５０‥ブラシ、６０‥シャフト、７０‥巻線、８０‥インシュレータ、８１ａ、８１ｂ‥支持面、８１‥第１巻線規制部、８２‥第２巻線規制部、８２ａ‥規制面、８３‥貫通孔、８４‥連結部、モータＭ

Claims (9)

1. 軸方向に延出する電機子コアと、該電機子コアに巻回するコイルと、前記電機子コアを固定する基台とを備えたアキシャルギャップ型回転電機に用いられる電機子であって、
   前記電機子コアは、前記基台側から離れた先端側が張り出して幅を拡大するよう拡大部を有して、前記基台の面に沿って配設したものであって、
   前記電機子コアのうち、少なくとも端部側に位置するコア部分が、他のコア部分よりも軸方向に長い形状をして、前記電機子コアの中心側から離間する方向に略直角に屈曲させて形成された延出バーを有してなり、
   該延出バーと前記基台との間に前記コイルを巻回させたことを特徴とする電機子。
2. 軸方向に延出する電機子コアと、該電機子コアに巻回するコイルと、前記電機子コアを固定する基台とを備えたアキシャルギャップ型回転電機に用いられる電機子であって、
   前記電機子コアは、複数のコアブロックからなり、各コアブロックは、前記基台側から離れた先端側が張り出して幅を拡大するよう拡大部を有して、前記基台の面に沿って配設して一体化コアとしたものであって、
   前記電機子コアのうち、少なくとも端部側に位置するコアシートが他のコアシートよりも軸方向に長い形状をして、前記電機子コアの中心側から離間する方向に略直角に屈曲させて形成された延出バーを有してなり、
   該延出バーと前記基台との間に前記コイルを巻回させたことを特徴とする電機子。
3. 前記電機子コアは、径方向に沿って階段状に積層し、外周側と外周側が屈曲していることを特徴とする請求項１又は２記載の電機子。
4. 前記コアブロックは、複数のコアシートを合わせ積層し、内周ほど小さな形状としてなることを特徴とする請求項２記載の電機子。
5. 前記基台には、前記電機子コアのコアブロックの階段状の積層状態と一致する貫通孔が形成され、該貫通孔に前記コアの階段状の前記コアブロックを圧入して形成されることを特徴とする請求項２又は４記載の電機子。
6. 前記延出バーは、内周側と外周側に形成され、外周側の延出バーには、スリットが径方向に沿って設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載の電機子。
7. 前記電機子コアには、インシュレータが配設され、該インシュレータにより、前記階段状の電機子コアを曲面に修正してなることを特徴とする請求項３又は５記載の電機子。
8. 前記コアシート間には相互間を結合するカシメ構造を備えることを特徴とする請求項２、３、４のいずれか１項に記載の電機子。
9. 軸方向に延出した電機子コアを基台に固定しコイルを巻回してなる電機子と、該電機子コアと軸方向に対向するマグネット体と、を備えたアキシャルギャップ型回転電機において、前記電機子として、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の電機子を用い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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