TWI583110B

TWI583110B - Axial air gap type rotary motor

Info

Publication number: TWI583110B
Application number: TW104103620A
Authority: TW
Inventors: Hirooki Tokoi; Daisuke Kitajima; Tomonori KAWAGOE; Katsuyuki Yamazaki; Toru Sakai; Shuuichi Takahashi; Toshifumi Suzuki; Norihisa Iwasaki; Ryousou Masaki; Yuji Enomoto
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2014-04-14
Filing date: 2015-02-03
Publication date: 2017-05-11
Also published as: EP3133722A1; JPWO2015159329A1; TW201539945A; JP6294469B2; US20170093244A1; US10763716B2; EP3133722B1; CN106464111B; CN106464111A; EP3133722A4; WO2015159329A1

Description

軸向氣隙型旋轉電機

本發明係關於一種軸向氣隙型旋轉電機，且係關於包含定子繞線管(絕緣體)之軸向氣隙型旋轉電機。

軸向氣隙型旋轉電機作為於薄型旋轉電機之小型、高效率化方面有效之構造而廣受關注。本旋轉電機具有將圓筒狀之定子與圓盤狀之轉子於旋轉軸徑向上介隔特定之氣隙以面對向之方式而配置之構造。已知包含於圓周方向上配置有複數個之鐵芯、捲繞於其上之線圈、及使鐵芯與線圈間絕緣之繞線管(絕緣體)者(芯元件)。

此處，繞線管係由供線圈捲繞之筒部、及位於筒部之兩端部且朝外周側突出之凸緣部而形成。繞線管形狀對旋轉電機之特性或作業性有較大影響，因而有各種技術。

例如，專利文獻1中揭示有一種芯元件，其係軸向氣隙型馬達，其包含將線圈向絕緣體之凸緣(凸緣部)引出之缺口或凹槽，自該等缺口或凹槽向周圍引出線圈。

又，例如，專利文獻2中揭示有一種軸向氣隙型馬達，其將安裝有鐵芯之絕緣體串聯配置，且連續地捲繞線圈。專利文獻2之絕緣體於繞組時，於線圈橫跨鄰接之絕緣體時，為防止鐵芯之邊緣損傷線圈，於鐵芯外周面之端面設置有薄板狀之肋，使邊緣與線圈不會直接接觸。

先前技術文獻專利文獻

專利文獻1：日本專利特開2008-118833號公報

專利文獻2：日本專利特開2007-14146號公報

且說，於旋轉電機中，有時對同一線圈配置空間配置線徑或圈數不同之線圈。該情形時，於偶數層圈與奇數層圈之線圈中，捲繞始端與捲繞終端之位置相對於捲繞軸成相反方向。又，將同相線圈串聯配置且連續捲繞之情形時，連續之線圈間之距離或捲繞方向根據槽組合而不同。

專利文獻1中，在設置於絕緣體(繞線管)之兩端部之凸緣(凸緣狀之突出部)之僅一側設置有引出線部，因此於特定之芯元件之捲繞終端成為與引出線部相反之方向之情形時，必須橫跨鄰接之芯元件線圈外周而跨接至引出線部。該構成顯著影響多餘之跨接線之成本損失或生產性。

再者，專利文獻2中，於將芯元件排列成環狀時，關於自各芯元件引出之線圈之引出線部並未揭示。

期望可靈活地應對繞組規格之變更且有助於生產性提高、成本降低、性能提高之繞線管。

為解決上述問題，使用例如申請專利範圍中記載之發明。即，一種軸向氣隙型旋轉電機，其包含：定子，其係將複數個定子芯以旋轉軸為中心排列成環狀而成，該複數個定子芯包括：具有包含端面與外周面之大致柱體之形狀之鐵芯，捲繞於該外周面之線圈，及配置於上述鐵芯及線圈之間之繞線管；及至少一個轉子，其介隔旋轉軸徑向之特定之氣隙而與上述端面以面對向之方式配設；上述繞線管包含具有與上述鐵芯之外周形狀大體一致之內周形狀之筒形狀，且包含自該繞線管之兩開口部附近朝外周側以特定之長度延伸之凸緣部，一上述凸緣部包含2個第1缺口部，另一上述凸緣部包含至少1個第2缺口部，鄰接之上述定子芯之線圈捲繞始端與捲繞終端之軸心方向之位置相同且包含已將上述線圈引出之上述缺口部之凸緣為同一開口部側。

根據本發明，可利用同一繞線管使各繞組之圈數相同且連續繞組間之跨接線最少，且具有不損及旋轉電機之特性且藉由繞組規格變更而縮短製作期間或降低製作成本之效果。

本發明之其他課題及效果根據以下之記載而明瞭。

1‧‧‧雙轉子型之軸向氣隙型永久磁鐵同步馬達

10a‧‧‧缺口部

10b‧‧‧缺口部

10c‧‧‧缺口部

10d‧‧‧缺口部

11‧‧‧R

12‧‧‧突出部

13‧‧‧隔板部

19‧‧‧定子

20‧‧‧定子芯

21‧‧‧鐵芯

22‧‧‧線圈

22a‧‧‧引出部

22b‧‧‧跨接部

23‧‧‧繞線管

23a‧‧‧筒部

23b‧‧‧凸緣部

30‧‧‧轉子

31‧‧‧永久磁鐵

32‧‧‧磁軛

40‧‧‧殼體

50‧‧‧導電構件

50a‧‧‧開口部

50b‧‧‧缺口

50c‧‧‧突出部

60‧‧‧緊固構件

A‧‧‧軸方向

D‧‧‧捲繞方向

U1+‧‧‧線圈

U2+‧‧‧線圈

U3+‧‧‧線圈

U4+‧‧‧線圈

U1-‧‧‧線圈

U2-‧‧‧線圈

V1+‧‧‧線圈

V2+‧‧‧線圈

V3+‧‧‧線圈

V4+‧‧‧線圈

V1-‧‧‧線圈

V2-‧‧‧線圈

W1+‧‧‧線圈

W2+‧‧‧線圈

W3+‧‧‧線圈

W4+‧‧‧線圈

W1-‧‧‧線圈

W2-‧‧‧線圈

圖1係表示應用有本發明之第1實施形態之軸向氣隙型馬達之電樞要部構成之立體圖。

圖2係表示第1實施形態之繞線管之個性之立體圖。

圖3係表示圖2所示之繞線管之一端部之圖。

圖4(a)及(b)係表示第1實施形態之10極12槽馬達之接線之狀況之模式圖。

圖5(a)係表示第1實施形態之繞線管之連續繞組之狀況之模式圖。圖5(b)係表示線圈繞組後之線圈跨接線部之狀況之模式圖。

圖6(a)係表示第1實施形態之繞線管之另一連續繞組之狀況之模式圖。圖6(b)係表示線圈繞組後之線圈跨接線部之狀況之模式圖。

圖7係表示第2實施形態之定子與殼體之配置關係之立體圖。

圖8係表示第2實施形態之定子芯之構成之立體圖。

圖9係表示第2實施形態之定子芯之構成之立體圖(無導電構件)。

圖10係表示第2實施形態之定子芯之另一構成之立體圖(無導電構件)。

圖11(a)係本實施形態之另一例，其係8極12槽馬達之定子剖面圖。圖11(b)係表示其接線關係之模式圖。

以下，使用圖式，對用以實施本發明之形態進行說明。

[第1實施形態]

圖1中表示應用有本發明之雙轉子型之軸向氣隙型永久磁鐵同步馬達1(以下，僅稱為「馬達1」)之電樞部分之要部構成。

馬達1具有如下之構成：以旋轉軸為中心而將複數個定子芯20排列成環狀所成之定子19、及與定子19之軸方向兩端面分別面對向之2個轉子30於旋轉軸徑向上介隔特定之氣隙配設而成。定子19固定於包含筒形狀之內筒之殼體40之內周面。於殼體40之兩開口側連接有端部支架，經由軸承(未圖示)而可旋轉地支持固定有轉子30之軸(未圖示)。

定子芯20至少包含：積層鐵芯21，其具有端面為大致梯形或扇形之形狀；繞線管23，其具有與鐵芯21大致相同之內筒形狀；及線圈22，其捲繞於繞線管23之外筒部。鐵芯21係將含有磁體(本例中設為非晶)之較薄之板狀之構件以寬度隨著自軸徑向朝殼體側而變大之方式切斷且將該等積層而獲得者。亦可為壓粉鐵芯或鑄造物。

再者，雖未特別圖示，但定子芯20藉由樹脂鑄模而與殼體40一體成形，與此同時固定於殼體40內。再者，亦可利用環構件等將各定子40連接成圓環狀，且利用螺栓等與殼體固定，還可為僅將定子20彼此利用樹脂鑄模而一體成形，且與殼體40螺栓固定之構成。於將所有進行樹脂鑄模之情形時，可期待強度或耐久性之提高。

轉子30係於磁軛32上，將大致扇形之不同磁極之永久磁鐵31於旋轉方向上交替配設而構成。再者，本實施形態中以雙轉子型為例，但本發明並不限於此，亦可為單轉子型、三轉子型等。又，於殼體40 之側面設置有接線盒，一次側之電線與二次側之電線經由接線板而電性連接。於二次側，連接有自繞組22引出之跨接線。

圖2及圖3中表示繞線管23之構成。如圖2所示，繞線管23包含捲繞線圈22之筒部23a、及位於筒部23a之端且朝外周側以特定寬度突出之凸緣部23b。於圖上之上側之凸緣部外徑側(亦為殼體40側)設置有第1缺口部10a、10b，於下側之凸緣部外徑側設置有第2缺口部10c。

如圖10c所示，各缺口較佳為對邊緣(內緣角)實施倒角。本例中，以成為較線圈線徑大之R11之方式成形。如圖3所示，3處缺口設置於自鐵芯21之下底部分兩端(與筒部23a之下底部分兩端大體一致)朝殼體部40側之延長線上附近。換言之，位於自缺口部10a等投影鐵芯21之線上。更佳為，缺口部10a、10b、10c之內緣外側位於該延長線上即可。其目的在於將線圈22合理地引導至起始位置。

圖4(a)及(b)中模式性表示馬達1之線圈構成。此處，舉出10極12槽之3相構成作為一例進行說明。

線圈22設為2捲之2串聯2並聯之三角形接線，將連續之同相繞組以串聯方式連接。再者，關於繞組方法，就層數為奇數層、偶數層之2種而表示。此處，各圖之正、負表示線圈之捲繞方向。如圖4(b)所示，於10極12槽之馬達中，將捲繞方向不同之同相繞組鄰接而配置。又，如圖4(b)所示，將鄰接之同相繞組設為串聯，將由自U1+至W1-之6個線圈所構成之三角形接線、與由自U2-至W2+所構成之三角形接線並聯連接。

其次，對線圈22之捲繞方法進行說明。圖5中表示線圈22為2捲、奇數層圈之例。該等線於端部並聯連接。2捲較1捲具有可維持相同之直流電阻並且縮小線徑之優點。藉此電線之集膚效應之影響變小，因而可降低對交流成分之阻力。雖未圖示，但於捲繞時，將繞線管23固定於繞線治具。此時，缺口之形狀成為相同之凸緣部23b之端面以於軸方向上對向之方式配置。即，於將圖中左側之線圈端部利用繞線治具等捆住而固定之狀態下使繞線管沿捲繞方向旋轉。同時，使支持線圈之噴嘴於水平方向移動，藉此將線圈捲繞於筒部。

本例中，使噴嘴於凸緣部23c間往復2N-1(N：整數)次之後，使線圈22通過缺口10c，且通過對向之繞線管之相同之缺口10c。對於右側之繞線管，亦使繞線管旋轉且捲繞2N-1(N：整數)次，通過與捲繞始端位置對應之缺口10b而引出至繞線管23之外部。如圖5(b)所示，於捲繞後，將連續繞組間之跨接部22b自缺口10c卸下，以使跨接部22b通過左側繞線管之繞組之外徑側之方式使兩繞線管旋轉。藉此，完成捲繞方向D不同之連續線圈。

其次，使用圖6(a)、(b)而表示2捲偶數層圈之例。該情形時，以使包含2處之缺口10a及10b之凸緣部23b對向之方式配置繞線管23。於該狀態下自圖中左側之繞線管之缺口10b開始捲繞。由於為偶數層，因而支持線圈之噴嘴於最終層捲繞結束之階段位於捲繞始端側。自另一缺口10a將繞組引出至鄰接繞線管之對應之缺口10a，且同樣地進行捲繞。於捲繞後，將線圈22自各者之缺口10b卸下，以使連續繞組間之跨接部22b通過右側線圈之外周之方式使繞線管旋轉。藉此，完成如圖6(b)所示之捲繞方向D彼此不同之連續繞組。

根據第1實施形態，可使用同一繞線管將捲繞方向不同之連續繞組捲繞。而且，無論線圈之層數為奇數或偶數，均可利用相同之繞線管進行捲繞。進而，可形成如下缺口部，即，使鄰接之線圈22彼此之捲繞始端與捲繞終端之旋轉軸方向之水平位置為相同位置，且自各定子芯20引出線圈之線圈引出位置亦為同一位置。

再者，於連續繞組之捲繞方向相同之情形時，藉由改變第1個繞線管與第2個繞線管上之捲繞方向而可同樣地進行繞組。

又，捲繞始端及捲繞終端於2個繞線管中一致，圈數上並無差異。因此，不會產生由圈數差所導致之電磁不平衡。藉由使對向之兩繞線管之凸緣部23間之距離適當，能夠以必要最低限度之長度形成連續繞組間之跨接部22b。因此，不存在由多餘之跨接線22c導致之電阻之增加或鬆馳之跨接線22c接近殼體40而短路之虞。

又，缺口部10a~10c存在於筒部23a之腳之延長線上，因此於將跨接線22b引繞於缺口部10a~10c等時，不會使跨接線22c不合理地變形。於該方面，向圖傾斜而引出之連續繞組間之跨接部之形狀亦具有相同之效果。

又，缺口部10a~10c之邊緣藉由R11而實施倒角，因此可抑制線圈以較線徑小之R彎曲，且可抑制線圈表面之絕緣層之缺損。較佳為，藉由設置線徑之約2倍之R而使上述效果更充分。進而，繞組機只要至少包含使繞線管旋轉之1軸之旋轉機構、使線圈於水平方向移動之噴嘴機構、及此時對線圈施加張力之拉伸機構即可，從而能以簡易之繞組機進行製造，因此可降低製造成本。

[第2實施形態]

第2實施形態之馬達1之特徵之一在於，於繞線管凸緣部23c上具有導電構件50。以下，使用圖式進行說明，但關於與第1實施形態相同之部位使用同一符號，省略說明。

圖7中表示將藉由於凸緣部23c配設有導電構件50之定子芯20構成之定子19配設於殼體40之狀況。如圖8所示，導電性構件包含配置於凸緣部23c上之殼體40側、且具有板狀之形狀之金屬等構件。導電性構件50之旋轉軸旋轉方向之端部具有較凸緣部23c之殼體側長度更突出之長度。於突出之部分具有開口部50a。以藉由鉚釘等緊固構件60而與鄰接之定子芯20之導電性構件之一端部之開口部50a可連結地連接之方式而構成。再者，亦可作為凹部、凸部之構造關係而接著等。

又，如圖所示，導電構件與頭頂部自繞線管23突出之鐵芯21之殼體側外周面接觸，並且與該接觸面相反側之端面與殼體40之內周面接觸。導電構件具有如下功能：使轉子30與定子19之間之靜電電容接地，使軸承周邊之軸電壓降低，從而防止軸電蝕。進而，亦作為鐵芯等冷卻板而發揮功能。

又，導電性構件於與繞線管23之缺口部10a、10b、10c對向之部分具有缺口50b(2處)，且在配置於凸緣部23c時並不覆蓋缺口部10a等。

圖9中表示自第2實施形態之定子芯20卸除導電構件50之狀況。第2實施形態中，繞線管之凸緣部23c之缺口部10a~10e之內緣包含於軸方向A以特定距離延伸之突出部50c。該突出部50c之外周與導電性構件之缺口50之內緣嵌合。

根據第2實施形態，導電構件50與繞線管23之突出部12嵌合且將12個導電構件緊固，因而可進行繞線管23之定位。即，因牢固地固定於圓周方向、徑向上，故由樹脂鑄模一體成形時，可防止由樹脂之注入壓力而引起之位置偏移。又，導電構件50具有樹脂材料之數10倍至數100倍之熱導率，因而亦有助於冷卻。

又，藉由使繞線管23之缺口部10a等之內緣朝旋轉軸方向突出，可同時實現由缺口部10等之側面、與面向線圈之凸緣部23c之底面所形成之角部之R11之放大及凸緣部之厚度變薄(例如，R11之1/2左右之厚度)。藉由使凸緣部23c之厚度變薄，可縮短定子芯20之軸長。一般而言，於軸向氣隙型旋轉電機中，芯軸長之縮短使得磁電阻之降低或損失源之減少且為馬達特性提高之方向。亦使得材料費之削減。突出部50b亦有助於確保導電構件50與跨接線22b之沿面距離。

再者，第2實施形態中，表示使缺口部10a等之內緣之突出部與導電構件50之缺口部嵌合之例，但亦可設置具有兩者之定位功能之其他機構。例如，亦可於缺口部10a等之間設置圓筒狀之突出部，且與以與此對應之方式設置之導電構件50之開口部定位。

又，繞線管凸緣部23c之缺口部形狀亦可為其他形狀。

圖10中表示將凸緣部23a之缺口部藉由隔板部13而區分為2個區域之形狀。藉由設置與線圈之捲數一致之缺口部10a等而容易保持線圈22之整齊排列性，且作業性提高。

[繞線管之製造方法]

本實施形態之繞線管23c係由具有絕緣性之樹脂而形成者，且係藉由樹脂成形而製造者。然而，本發明並不限定於此，亦可藉由以下所示之立體造形機等而製造。即，不僅藉由立體造形機製造繞線管本身，而且可藉由利用立體造形機將樹脂成形用之模具積層造形、或利用切削RP(Rapid prototyping，快速原型設計)裝置進行切削加工來製造，由此亦可獲得繞線管23。

作為積層造形，可使用光造形方式、粉末燒結積層造形方式、噴墨方式、樹脂熔解積層方式、石膏粉方式、板材成形方式、膜轉印影像積層方式及金屬光造形複合加工方式等。

上述積層造形或切削加工用之資料係藉由利用CAM(Computer Aided Manufacturing，電腦輔助製造)將由CAD(Computer Aided Design，電腦輔助設計)或CG(Computer Graphics，電腦圖形)軟體或3D掃描器所生成之3D資料加工成NC(Numerical Control，數位控制)資料而生成。藉由將該資料輸入至立體造形機或切削RP裝置中而進行立體造形。再者，亦可藉由CAD/CAM軟體而由3D資料直接生成NC資料。

又，作為獲得繞線管23或其樹脂射出成型用模具之方法，亦可為如下：製作3D資料或NC資料之資料提供者或服務者可經由網際網路等通信線而以特定之檔案形式發送，使用者將該資料下載至立體造形機或控制其之電腦等中或作為雲型伺服器而存取，且利用立體造形機成形輸出而製造繞線管7。再者，亦可為如下方法：資料提供者將3D資料或NC資料記錄於非揮發性之記錄媒體中，且提供給使用者。

表示以此種製造方法製造之本實施形態之繞線管23之一態樣，其係一種繞線管之製造方法，該繞線管配置於具有包含端面與外周面之大致柱體之形狀之鐵芯、與捲繞於該外周面之線圈之間，根據三維體資料且利用立體造形機而製造上述繞線管，該繞線管包含：具有與上述鐵芯之外周形狀大體一致之內周形狀之內筒部；捲繞上述線圈之外筒部；自上述外筒部之兩開口部之附近朝與該筒部鉛垂之方向進行特定處理之延伸之凸緣部；設置於一上述凸緣部之2個第1缺口部；及設置於另一上述凸緣部且與上述第1缺口部之一者對向之至少1個第2缺口部。

進而，表示以此種製造方法製造之繞線管23之另一態樣，其係一種繞線管之製造方法，該繞線管配置於具有包含端面與外周面之大致柱體之形狀之鐵芯、與捲繞於該外周面之線圈之間，將繞線管之立體造形機用資料經由通信線而傳輸、發送，上述繞線管包含：具有與上述鐵芯之外周形狀大體一致之內周形狀之內筒部；捲繞上述線圈之外筒部；自上述外筒部之兩開口部之附近朝與該筒部鉛垂之方向進行特定處理之延伸之凸緣部；設置於一上述凸緣部之2個第1缺口部；及設置於另一上述凸緣部且與上述第1缺口部之一者對向之至少1個第2缺口部。

以上，對用以實施本發明之實施形態進行了說明，但本發明並不限定於此。例如，上述實施形態中，亦可設為自於同一面具有2處之缺口部之凸緣部23b之1個部位引出繞組之構造。藉此，於上下之凸緣部23b，逐一部位地形成不存在跨接線22b之缺口部。藉此，於進行樹脂鑄模時，可形成樹脂於軸方向上移動之路徑。亦可於該位置設置樹脂之注入口。

又，將雙轉子型之軸向氣隙型馬達作為示例，但亦可為不包含永久磁鐵之同步磁阻馬達(Sychronous Reluctance Motor)或開關磁阻馬達(Switched Reluctance Motor)、感應馬達等。進而，亦可為發電機而並非馬達。進而，於轉子中，亦可於永久磁鐵與磁軛之間設置背部磁軛。

繞組規格亦並不限定於上述構成。圖11(a)、(b)中表示假定8極12槽之接線圖。此處，表示將4個線圈串聯星形接線之例。該情形時，線圈之捲繞方向全部相同。因此，藉由將4個繞線管於軸方向上串聯配置，且使捲繞方向交替反轉而可製作4連續線圈。捲數亦為任意。

缺口部之形狀亦並不限定於本實施例。只要具有如上所述之至少3個缺口即可，亦可為3個缺口以上。缺口部之形狀亦可並非如本實施例般與梯形狀之芯之下底為平行之長方形狀，而是與徑向平行之長方形狀、或梯形狀、半圓狀等。