JP6807846B2 - 軸方向磁束機械の製造 - Google Patents

Description

本発明は、軸方向磁束永久磁石機械のステータのハウジングの製造方法、及びこの方法によって製造されたハウジング、及び当該ハウジングを組み込んでいる機械に関する。

この明細書では、我々は、特に、軸方向磁束永久磁石機械を製造する方法に関心がある。プラスチックを接合するための既知の製造技術の1つは、レーザプラスチック溶接である。これは、以前には、ローテクの大量生産部品の製造に使用されてきた。例えば、特許文献１（US2008/0261065）は、圧力センサの気密ハウジングを製造するのに、この技術を使用することを記載している。例えば、特許文献２（JP2002/337236）の要約に示されているような技術のいくつかの実施形態では、溶接されるべきアイテムの一方が（IR）レーザ光を送信し、他方がレーザ光を吸収してレーザが接合部に到達する。接合部は、溶接前に、一方又は他方のアイテムに形成されたリブを備えていてもよい。非特許文献１（LPKF Laser＆Electronics 2011、 "Quality Control"（http://www.laserplasticwelding.com/quality_control_impossibly_consistent.pdfからダウンロード）に記載されているように、このようなリブの崩壊を測定することによって、溶接の品質を測定することが知られている。

軸方向磁束永久磁石機械は、モータ又は発電機のいずれか、又はその両方として（異なる時に）機能することができる。広義には、これらは、軸(axis)の周りに配置される円板状又はリング状のロータ及びステータ構造を有している。典型的には、ステータは、各々が軸に平行である1組のコイルを備え、ロータは1組の永久磁石を担持し、そしてステータコイルからの磁界によって駆動されて軸の周りに回転できるようにベアリングに取り付けられている。図1aは、簡単な構造ではロータの1つを省くことができるが、ステータSの両側に一対のロータR1、R2を有している軸方向磁束機械の一般的な構成を示している。図示されているように、ロータとステータとの間には空隙Gが存在し、軸方向磁束機械では、この空隙を通る磁束の方向が実質的に軸方向である。

ロータのN極とS極の配置に依存して、軸方向磁束永久磁石機械の様々な構成が存在する。図1bは、Torus NS機械、Torus NN機械（これは、NN磁極配置がヨークの厚みを通って流れる磁束を必要とするのでより厚いヨークを有している）、及びヨークレスセグメント化アーマチュア（YASA：Yokeless and Segmented Armature）トポロジを図解している。YASAトポロジの図は、2つのコイルの断面を示しており、クロスハッチングの領域は各コイルの周りの巻線を示している。理解されるように、ステータヨークを省略することは、重量及び鉄損の実質的な節約を提供するが、ステータヨークを除去することの欠点は、a）コンパクトなデザインであるYASAトポロジは非常に大きな応力を生じさせる可能性があるので強度について潜在的に増加される要求があるにしても、（鉄がもたらしていた）ステータへの構造的強度が欠損すること、及び、b）ステータコイルから熱が逃げる経路が失われることである。両方の問題、すなわち、YASAデザインの高いトルク密度及び相当量の熱の発生に対処するために、ステータのためのハウジングが、トルク要求に対処するために大きな強度と剛性を提供しなければならず、またこの機械に対して冷却剤が供給され得るチャンバを画定すべきである。図1bから、効率的な運転（高抵抗の空隙における最小損失）のためには、ロータとステータとの間の隙間はできるだけ小さくすべきであることがさらに理解されよう。

ロータとステータとの間の隙間が非常に小さい場合、ステータハウジングの寸法、特に、ステータハウジングの半径方向の端壁の間の間隔及び平行度には非常に厳しい公差が課される。公差の要件は、ステータの片側に１つで2つのロータが存在する場合により高くなり、そして公差及び位置合わせの問題は、後述する2ロータのデザインのいくつかにおいて、特に深刻である。

米国特許出願公開第2008/0261065号明細書（US2008/0261065） 特開2002−337236号公報 国際公開第2012/022974号（WO2012/022974）

LPKF Laser＆Electronics 2011、 "Quality Control"（http://www.laserplasticwelding.com/quality_control_impossibly_consistent.pdfからダウンロード）

一般に、軸方向磁束永久磁石機械の性能を向上させることが望まれている。非常に小さな、ロータとステータとの隙間を有する軸方向磁束永久磁石機械を信頼性よく製造することができることが、特に、望まれている。

本発明の第1の態様によれば、軸方向磁束永久磁石機械のステータを製造する方法であって、機械は、各ステータバーに巻かれ機械の軸の周りに間隔をおいて周方向に配置されたコイルの組を備えるチャンバを画成するステータハウジングを備えるステータと、永久磁石の組を支持し前記軸の回りに回転するように取付られているロータと、を有し、そして、前記ロータ及びステータは、それらの間に機械における磁束が概ね軸方向である隙間を画定するように前記軸に沿って離間されており、前記方法は、前記ステータハウジングのための第1の半径方向の壁及び第2の半径方向の壁を設けることと、前記ステータハウジングのための内側の側壁及び外側側壁を設けることと、前記第1及び第2の半径方向の壁、及び前記内側及び外側の側壁を、前記コイルの組の周りに組み立ててステータ組立体を形成することと、を備え、前記組み立てることは、前記両側壁と前記第1及び第2の半径方向の壁の１つ又は両方との間に1つ又は複数の折り畳み可能な要素を設けることと、前記側壁を前記第1及び第2の半径方向の壁に取り付けることと、をさらに備え、前記取り付けることは、前記1つ又は複数の折り畳み可能な要素の崩壊を制御することによって、前記第1及び第2の半径方向の壁の間隔及び平行度の一方又は両方を制御することを含むことを特徴とする方法が提供される。

概して言えば、この方法の実施形態は、半径方向の端部壁の間隔及び平行度を極めて正確に制御することができるように、1つ又は各半径方向（端部）壁と（ほぼ円筒形の）側壁との間の折り畳み可能な要素の崩壊を制御する。

いくつかの実施形態では、1つ又は複数の折り畳み可能な要素の制御可能な軸方向崩壊が、1つ又は複数の停止部（ストッパ）を使用することによって達成される。したがって、ハウジングの端壁は、実施形態では（レーザ）溶接を使用する組立中に軸方向圧力下に置かれ得る。特に、停止部は、例えば、ステータのそれぞれの端壁に取り付けられたポールピースによって形成される自然停止部である内部停止部であってもよい（後で説明するように、必ずしも必要ではないが、ポールピースはポールピースシューを備えている）。

実施形態では、目標の端壁間隔を達成するための制御された崩壊が、ステータ組立体を治具に保持することによって達成され得る。治具又はその一部は、半径方向の壁の間隔及び/又は平行度を画定することができる。1つ以上の折り畳み可能な要素を使用することは、組立体に小さな程度の調整を提供し、その結果、この間隔/平行度が非常に正確にかつ反復して画定され得る。これは、延いては、機械のロータとステータとの隙間を減少させることを促進し、機械の効率を高める。治具が再び使用される場合、1つ又は複数の停止部が使用されてもよい。例えば、治具の一部が治具の他の部分の停止部に対して近づけ、すなわち、移動されるときに、目標の間隔/平行度が自動的に達成されるように治具が構成されてもよい。あるいは、半径方向の壁の間隔及び/又は平行度が、任意の便利な手段、例えば、レーザ又はトランスデューサによって測定され、所望の許容範囲内に調整されてもよい。一般に、治具は、例えば、ボールねじアクチュエータと組み合わせたサーボモータを使用して、ステータハウジングの端壁の間に制御された距離を付与するために使用されてもよい。

この技術のいくつかの好ましい実施形態では、ステータハウジングの半径方向の（端部）壁の間隔及び/又は平行度を制御することは、まず、端壁を横切って内向きに加えられる印加力を制御し、その後、端部壁の間の距離を制御することを含んでいる。したがって、1つの手法では、閾値力より大きな力が加えられて、1つ又は複数の折り畳み可能な要素、例えばリブを崩壊させ、次いで、好ましくは、1つ又は複数の折り畳み可能な要素が完全には崩壊されないように、距離を制御することによって端壁間の間隔を制御し、例えば、約50μmのようなある程度の公差を提供する。好ましくは、1つ又は複数の折り畳み可能な要素は、端壁の各々と内側及び外側の円筒形ハウジング壁との間に設けられている。

初期の力は、溶接される部分が（完全な）接触に達するまで加えられ、距離制御は、好ましくは、力の監視との組み合わせで採用されてもよい。このような手法を適用して、各ステータハウジングの端壁を順次溶接することができる。

別の関連する手法では、第1の端壁を溶接するときに、1つ以上の折り畳み可能な要素の第1の組を実質的に完全に崩壊させるべく力が加えられてもよい（実施形態では、後述するように、端壁の平坦性の欠如のせいで完全な崩壊は達成されないが）。次いで、第2の端壁が組立体上に溶接され、そして、間隔/平行度は、第2の端壁と円筒壁との間の1つ以上の折り畳み可能な要素の第2の組の崩壊の程度を制御することによって制御される。

本明細書に記載された技術のいくつかの好ましい実施形態では、端壁が内側及び外側の側壁に同時に溶接される。これは、端壁の良好な平行度を有するハウジングの製造を容易にし、例えば、高速レーザ溶接によって達成することができる。

いくつかの実施形態では、半径方向及び/又は円筒状の壁は、金属、好ましくは、軽量化のためにアルミニウムで作られてもよい。この場合、1つ又は複数の折り畳み可能な要素は、金属を接着するための接着剤を備えることができる。しかしながら、より好ましくは、半径方向及び円筒状の壁は、ポリマー、より詳細には熱可塑性ポリマー、特に、高温熱可塑性ポリマー又は樹脂から成る。これに関連して、高温熱可塑性ポリマーとは、150℃よりも高く特定される連続使用温度（CST）を有するポリマーを意味する。そのような材料は、非常に剛性であり、溶接可能であり、そして驚くべきことに、射出成形と適合性がある（後述する理由のためにも有用である）。適切なポリマー材料の例は、PPS（ポリフェニレンスルフィド）、PPA（ポリフタルアミド）、PEEK（ポリエーテルエーテルケトン）、ABS（アクリロニトリルブタジエンスチレン）、及びPA（ポリアミド）を含む。ポリフタルアミドは特に好ましい材料である。一例は、DuPont（商標）社からのZytel（登録商標）である。

半径方向及び/又は円筒の壁がポリマーから成る場合、1つ又は複数の折り畳み可能な要素は、円筒壁及び半径方向の壁のいずれか又は両方に、1つ又は複数のリブ又は他の形成体を備えることができる。1つの好ましい実施形態では、円筒壁及び半径方向の壁は、レーザ溶接によって接合される。この場合、半径方向の壁は（IR）レーザ透過性であり、円筒壁は（IR）レーザ吸収性であってもよい。好ましい実施形態では、得られるステータハウジングが、オイルなどの冷却剤が循環することができる閉鎖されたチャンバ又はキャビティを画定する。必要に応じて、冷媒の外部循環を容易にするために、冷媒の入口及び/又は出口が設けられる。

1つの好ましい手法では、ステータハウジングのための半径方向の壁は、繊維強化樹脂の膜を射出成形機の型に入れ、熱可塑性ポリマーを使用して一組の補強の特徴部を膜に射出成形することによって製造される。熱可塑性ポリマーは、融解したとき、繊維強化樹脂と接合可能である。この方法の実施形態では、補強の特徴部が存在する場合（補強の特徴部は好ましいが必須ではない）、補強の特徴部を形成する前に、特にステータバーを加熱し、そしてこのバーを膜に押し込むことによって、ステータバーを膜に接合することができる。これは、ステータバーの端部（シュー）と空隙との間での膜の厚さの正確な制御を容易にし、空隙の全体的な制御をさらに容易にする。実施形態では、膜の厚さは1mm未満又は0.5mm未満であり、空隙は3mm未満、2mm未満、又は1mm未満であってもよい。膜上の補強の特徴部は、例えば「スパイダー」の形態の複数のリブを備えることができる。膜の上方のこれらの高さは3、ミリメートル以上であることが好ましい。

機械の好ましい実施形態は、ステータのいずれかの側に１つで、2つのロータを備えている。我々が記載した技術は、機械内の特に高い公差に対する要求を課す、1つのロータが他方に取り付けられている、特定のタイプの2ロータ軸方向磁束機械の製造を容易にする。我々が記載する軸方向磁束装置の実施形態では、ロータは、ステータとのラビリンスシールが設けられてもよい。より詳細には、後述する一実施形態では、当該シールがロータとステータのフランジとの間に形成されている。このラビリンスシールは、ロータ/ステータの一方に、ロータ/ステータの他方の1つ又は複数の対応する突起によって（接触することなく）係合される1つ又は複数の溝を備えることができる。そのようなシールの使用は、非常に狭い公差の制約を課すが、我々が記載する技術の実施形態は、そのようなシールの使用を可能にする。これは、特に、機械が雨などの水が存在する屋外で使用されるべき場合に特に役立つ。

我々は、半径方向（端部）の壁が、ほぼ円筒形の側壁に取り付けられる製造技術を説明してきた。例えば、一対の半径方向の壁が、それらの間に環状空間を画定するために、各端部で1つずつ（円筒形の）側壁に取り付けられ得る。代替的には、1つの半径方向の壁が内側及び外側の側壁に取り付けられ、次に第2の半径方向の壁が、前述したように、1つ又は複数の折り畳み可能な要素を使用して、この組立体に取り付けられ得る。

さらに別の手法では、ステータハウジングは、各々が半径方向の壁と少なくとも円筒壁の一部と、を備える一対のクラムシェル(clamshell)によって提供されてもよい。例えば、各クラムシェルは、半径方向の壁、及び円筒形の壁の約半分の長さを備えることができる。あるいは、一方のクラムシェルは、半径方向の壁と内側円筒壁、例えば内側壁の1つとを備え、そして他方のクラムシェルが、第2の半径方向の壁及び他の円筒壁、例えば、外側壁を備えてもよい。当業者は、これらの手法のバリエーションが可能であることを認識するであろう。

したがって、関連する態様では、本発明は、軸方向磁束永久磁石機械のステータを製造する方法を提供し、機械は、各ステータバーに巻かれ機械の軸の周りに間隔をおいて周方向に配置されたコイルの組を備えるチャンバを画成するステータハウジングを備えるステータと、永久磁石の組を支持し前記軸の回りに回転するように取付られているロータと、を有し、そして、前記ロータ及びステータは、それらの間に機械における磁束が概ね軸方向である隙間を画定するように前記軸に沿って離間されており、前記方法は、各々がステータハウジングのための半径方向の壁とステータハウジングのための側壁の少なくとも一部とを備えている、第1及び第2のステータハウジングクラムシェルを設けることと、前記第1及び第2のステータハウジングクラムシェルを前記コイルの組の周りに組み立ててステータ組立体を形成し、前記第1及び第2のステータハウジングクラムシェルが共に前記コイルの組を囲む環状チャンバを画定することと、を備え、前記組み立てることは、前記第1及び第2のステータハウジングクラムシェルの間に1つ又は複数の折り畳み可能な要素を設けることと、前記第1及び第2のステータハウジングクラムシェルを取り付けることと、をさらに備え、前記取り付けることは、前記1つ又は複数の折り畳み可能な要素の崩壊を制御することによって、前記第1及び第2の半径方向の壁の間隔及び平行度の一方又は両方を制御することを含むことを特徴とする。

当業者は、本発明の前述の態様の好ましい特徴が、ステータハウジングを製造するためのこのクラムシェルに基づく手法に等しく適用され得ることを認識するであろう。

より一般的には、本発明は、軸方向磁束永久磁石機械のステータを製造する方法を提供し、当該機械は、それぞれのステータバーに巻かれ機械の軸の周りに間隔をおいて周方向に配置される一組のコイルを備えるチャンバを画定するステータハウジングを備えるステータ、及び一組の永久磁石を支持し前記軸の回りに回転するように取り付けられるロータを有しており、前記ロータ及びステータは、前記ロータとステータとの間に隙間を画定するべく前記軸に沿って離間され、前記機械内の磁束は概ね軸方向にあり、当該方法は、前記ステータハウジングの端壁間の間隔を制御するために、前記ハウジングの製造中、特に、レーザ溶接中に、前記ステータハウジングの1つ又は複数の折り畳み可能な要素の軸方向への圧縮を制御することを含むことを特徴とする。

当業者は、本発明のこの態様の実施形態が、本発明の第1の態様に関して上述した好ましい特徴のいずれかを組み込むことができることを理解するであろう。

本発明はまた、軸方向磁束永久磁石機械を提供し、当該機械は、それぞれのステータバーに巻かれ機械の軸の周りに間隔をおいて周方向に配置される一組のコイルを備えるチャンバを画定するステータハウジングを備えるステータ、及び一組の永久磁石を支持し前記軸の回りに回転するように取り付けられる少なくとも１つのロータを有しており、前記ロータ及びステータは、前記ロータとステータとの間に隙間を画定するべく前記軸に沿って離間され、前記機械内の磁束は概ね軸方向にあり、前記ステータハウジングは、1つ又は複数の折り畳まれた要素をさらに備え、且つ、前記1つ又は複数の折り畳まれた要素は、折り畳まれたポリマーの形成体から成っていることを特徴とする。

本発明の方法及び装置の実施形態において、我々は、機械がモータ又は発電機であってもよいことを表明する。我々が記述する技術の好ましい実施形態は、ステータの正確な製造を容易にするので、ヨークレスでセグメント化されたアーマチュア機械で使用される。これは、ヨークがない場合において、特に機械に負荷がかかる場合に特に重要である。

以下、添付の図面を参照しながら、本発明のこれらの及び他の態様を例としてのみさらに説明する。
図１aは、２ロータ軸方向磁束機械の概略構成を示している。 図１bは、軸方向磁束永久磁石機械のための例示的なトポロジ、及びヨークレス及びセグメント化されたアーマチュア（YASA）機械の概略側面図をそれぞれ示している。 図１cは、ヨークレス及びセグメント化されたアーマチュア（YASA）機械の概略側面図を示している。 図2は、図1cのYASA機械の斜視図を示している。 図3は、YASA機械のためのステータ及びステータハウジングの斜視分解図を示している。 図4は、本発明の一実施形態による方法を使用して製造可能な、カップ状ロータの軸方向磁束永久磁石機械の分解図を示している。 図5aは、本発明の実施形態による軸方向磁束永久磁石機械のステータハウジングを製造する方法を概略的に示す図である。 図5bは、本発明の実施形態による軸方向磁束永久磁石機械のステータハウジングを製造する方法を概略的に示す図である。 図5cは、本発明の実施形態による軸方向磁束永久磁石機械のステータハウジングを製造する方法を概略的に示す図である。 図5dは、本発明の実施形態による軸方向磁束永久磁石機械のステータハウジングを製造する方法を概略的に示す図である。 図6aは、本発明の一実施形態によるステータハウジングの環状半径方向の壁の上方からの図である。 図6bは、本発明の一実施形態によるステータハウジングの環状半径方向の壁の垂直断面図である。 図7は、本発明の実施形態で使用するための治具の概略図を示している。

まず、特許文献３（PCT出願WO2012/022974）から得られた図1c、図2及び図3を参照すると、図1cは、ヨークレス及びセグメント化されたアーマチュア機械10の概略図を示している。

機械10は、ステータ12及び2つのロータ14a、14bを備えている。ステータ12は、ロータ14a、14bの回転軸20の周りに円周方向に間隔を置いて配置された別個のステータバー16の集まりである。各バー16は、それ自体の軸（図示せず）を有し、回転軸20に平行に配置されることが好ましいが、必須ではない。各ステータバーの各端部には、コイルスタック22を閉じ込めるための物理的な目的に役立つシュー18a、18bが設けられている。このコイルスタック22は、高い充填率（high fill factor）が達成されるように、好ましくは、正方形/矩形断面の絶縁ワイヤである。コイル22は、モータの場合には、コイルに流れる電流によって生成される合成磁場の極が隣接するステータコイル22において反対になるように、コイルを励磁する電気回路（図示せず）に接続されている。

2つのロータ14a、14bは、ステータコイル22を挟んで対向する永久磁石24a、24bを担持している（ステータバーが傾けられている（図示はされていない）場合には、磁石も同様である）。2つの空隙26a、26bは、それぞれ、シューと磁石の対18a / 24a、18b / 24bの間に配置されている。モータにおいては、コイル22は、異なる時にコイルを異なる磁石対と整列させるべく、その極性が交互に入れ替わるように励磁され、ロータとステータとの間にトルクを加えることになる。ロータ14a、14bは、一般に、（例えば、図示しないシャフトによって）互いに接続されており、ステータ12に対して軸20の回りに共に回転する。磁気回路30は、2つの隣接するステータバー16と2つの磁石対24a、24bとによって提供され、各ロータのバックアイアン32a、32bは、それぞれのコイル22から離れて面している各磁石24a、24bの後部間で磁束をリンクさせている。ステータコイルは、空隙26a、26bを通って延在して、冷却媒体が供給されるチャンバを画定するハウジング内に封入されている。

図3を参照するに、ステータコイルがプラスチック材料のクラムシェル42a、42bの間に配置されているステータ12aが示されている。これらのクラムシェルは、外側円筒壁44と、内側円筒壁46と、半径方向に配置された環状壁48とを有している。図3の従来技術の例では、半径方向の壁48は、ステータ12aの2つのクラムシェルハウジング42a、42bが一緒に組み立てられたときに、ステータバー16のシュー18a、18bを受け入れ、そしてステータコイル組立体16、22、18a、18bを配置するのに役立つ内側ポケット50を含んでいる。ステータハウジング42a、42bは、コイル22の内側に空間52を、コイル22の外側の周囲に空間54を画定し、そしてコイルの間には空間56が存している。空間52、54、56は、冷却チャンバを画定するように相互連結されている。図3には示されていないが、組み立てられたとき、ステータハウジング42a、42bには、オイルのような冷却媒体が空間52、54、56内にポンプ輸送されてコイルの回りを循環し、冷却するのを可能にするポートが設けられている。

我々が説明している機械では、コイルコアは、所望の磁束方向に平行な層内絶縁体を用いて積層されてもよい。しかしながら、コイルコアはまた、電気絶縁体で被覆され、所望の形状に成形された軟鉄粒子（軟磁性複合体-SMC）から形成されてもよく、絶縁マトリックスによって一緒に接合されている。例示的なSMCは、ガラス接合された鉄粒子、及び鉄粒子を相互に電気的に絶縁し、いくらかの残留気孔を残しているガラス接合の薄い層（典型的には、<10μm）を含むことができる。好都合には、シュー及びステータバーは、例えばSMCから別個に形成され、続いて組み立てられてもよい。

ここで図4を参照するに、これは、ステータ402及びロータ404a、404bを備えるYASA機械400の分解図を示している。ロータはカップ状のデザインを有し、すなわち、ステータ402は、ステータの側面の周り及びステータを覆って延在しているロータ404内に取囲まれている。従って、機械は、事実上、二重ロータ機械であるが、一方のロータのみがステータ内のベアリングユニット406（図4には簡略化して図示されている）に取り付けられ、第2のロータは第1のロータにボルト408によって取り付けられている。ステータ402及びベアリングユニット406は、機械を取り付けるために使用される隔壁410に取り付けられている。

ロータ404aは、発電機/モータの場合には、それぞれ、駆動入力/出力を提供する（ただし、簡略化のため、これは図4には示されていない）。

ステータ402は、第1及び第2の半径方向の壁422、424、及び概して円筒形の内側壁426及び外側壁428を備えるハウジング420を有し、これらは一緒になって冷媒が循環するチャンバ430を画定している。ハウジングは、一組のステータコイル432を囲んでいる。これらとの電気的接続は、簡略化のために示されていない。コイルは、後述するポールピース（図示せず）に巻かれている。

ロータ404はまた、一組の永久磁石442を取り付ける半径方向の壁440と、第2の円周（側面）壁部分446に取り付けられる第1の円周（側面）壁部分444と、を有している。第2の円周（側面）壁部分446は、第2の半径方向の壁448及び第2の組の永久磁石450を支持する。ステータ隔壁上のフランジ452aは、半径方向の壁448の内縁部の対応する溝452bに嵌合し、それによってロータとステータとの間にラビリンスシールを画定する。

ここで図5aを参照するに、これは、本発明の一実施形態によるステータを製造する方法を概略的に示している。図は、機械の軸線X-X 'を取り入れた面内におけるステータ組立体500の断面図を示しており、図4の要素と同様の要素は同様の参照番号で示されている。したがって、ステータ組立体の半径方向の端壁422、424は、ハブベアリングユニットが配置される隙間を有し、内側及び外側の円筒側壁426、428が、それぞれ、図の下半分及び上半分に現れている。図はまた、各半径方向の壁422、424に取り付けられた、ステータのポールピース432a、432bの概略図を含んでいる。

円筒状の側壁426、428の縁部には、それぞれ、突起502、504が設けられており、図示の例では、鋭い縁部に先細になっている。好ましくは、必須ではないが、ステータが組み立てられたときに、冷却剤が循環され得るシールされた実質的に密閉されたチャンバを画定するように、これらは側壁の縁部の全周囲に延在している。

ステータを製造するためには、矢印506によって概略的に示されるように、端壁422、424に圧力が加えられ、そしてレーザ光が、突起502、504が端壁に接触する領域に向けられる。これは、レーザビーム508によって概略的に示されている。プラスチックの側壁はレーザビームを吸収し、そして側壁と端壁との間の界面で溶融し、溶接部を形成する。

プラスチックのレーザ溶接技術は、当業者には概ね知られている。図示の手法では、レーザビームが端壁を通って側壁に達し、そしてこの場合、好ましくは、端壁は（IR）レーザに対していくらか透過性であり、端壁はレーザをいくらか吸収する。しかしながら、これは必須ではなく、例えば、レーザは、軸方向ではなくむしろ半径方向内方に溶接される接合部に向けられてもよい。図示されているように、2つのレーザビームが各端壁溶接部に1つずつ使用されているが、これに代えて、溶接が順次に行われ得ることも理解されるであろう。動作中、レーザビーム508は端壁の周縁部の周りを移動して溶接を完了する。

溶接プロセスの間、圧力506が、完成された組立体510に見られるように、突起502を崩壊させる。崩壊の速度は、部分的に、加えられる圧力506に依存し、崩壊の程度は制御可能である。潜在的に、崩壊は、内部のポールピース432a、432bによって制御され、より具体的には停止され得るが、正確な高さを有するポールピースを使用するよりもむしろ、治具又はハウジングを端部停止部(stop)として使用することがより好ましい。ポールピースは、端部壁が目標の所望の間隔にあり互いに平行であるときに、ほぼ当接する。この隙間は接着剤で充填されてもよい。これらのような手法の実施形態では、端壁の間隔を100マイクロメートルよりも良好に制御することが可能である。これは、順繰りに、ステータとロータとの間の隙間の正確で再現可能な制御を可能にし、機械の全体的な効率に大きく貢献する。

図5aに示される手法は、治具又は内部の停止部としての内部構成要素を潜在的に使用するが、他の手法では、1つ又は複数の特徴部が、要素502の崩壊を制御するための停止部として作用すべく、ステータハウジング及び/又は組立体内に意図的にデザインされてもよい。

本方法のこれらの及び他の実施形態では、ステータ組立体が溶接前に、水平又は垂直のいずれかで治具に支持されてもよい。垂直の治具が使用される場合には、ステータ組立体の端壁が、ポールピースを使用して磁気的に定位置にクランプされ得る。このような手法では、治具には、溶接中の端部壁の間隔を制御するため、再度、目標の所望の間隔が達成されるように、1つ又は複数の停止部が設けられてもよい。

さらに別の手法では、特に治具が使用される場合には、半径方向の端壁の間の間隔が、例えば、レーザ又は線形変換器によって1つ以上の位置で測定され、溶接、特に圧力が、壁の目標間隔/平行度が所望の公差内で達成されるまで制御される。したがって、当業者であれば、製造プロセスにおいて1つ又は複数の停止部を使用することが必須ではないことを理解するであろう。

ある実施形態では、側壁は単一のプラスチック（ポリマー）材料で作られてもよいが、後述するように、端壁は、好ましくは、2つ（又はそれ以上）の異なるプラスチックから成っている。したがって、いくつかの好ましい端壁の実施形態は、フタルアミドベースの材料のような高融点材料の支持フレームワーク、すなわち、「スパイダー」に（射出成形によって）接合されている比較的低融点の材料の薄い壁を備えている。この場合、側壁426、428は、好ましくは、端壁自体ではなく、支持フレームワークに接合される。好ましくは、必須ではないが、ステータのポールピース432a、432bは、ハウジングの製造（溶接）に先立って半径方向の端壁に接合され、これにより内部構成要素の整列が容易になる。実施形態では、構造の全体的な強度及び剛性を高めるために、各端壁に取り付けられるポールピース432a、432bが、互いに接合されてもよい。

製造方法のいくつかの好ましい実施形態では、折り畳み可能な要素（突起502）及びそれが溶接されるべき端壁の一部分が、同じ材料、好ましくはフタルアミドベースの材料で作られる、これは非常に堅いためである。しかしながら、使用されるプラスチックがレーザ溶接に適合していれば、レーザ溶接接合のために、両方のワークピースについて同じ種類のプラスチックを使用することは必須ではない。適切な溶接パラメータの確立は日常的な問題である。典型的には、800nmより長いIR波長が使用され、好ましくは、固体レーザが使用される。ビームは連続的であってもパルスであってもよい。

一般に、プラスチックは赤外線に対して比較的透過性である。プラスチック材料の吸収体を作成するためには、例えば、約0.5％w/wのカーボンブラックでドープすればよい。実験では、レーザが端壁支持フレームワーク（スパイダー）を通過する場所で、少なくとも約30％の透過率が達成されることが実証されている。フレームワークはわずかに加熱されるが、側壁から熱が伝達される場所を除いては溶融せず、この点において、両方の表面が溶融し互いに混合して良好な接合を形成する。

使用される材料は「プラスチック」と記載されているが、一般に、純粋なプラスチックではない。いくつかの好ましい実施形態では、これらは、少なくとも25％、典型的には、約35％まで短いガラス繊維で充填されているガラスである。それに加えて又は代替的に、炭素繊維が使用されてもよい。ステンレス鋼のような金属に（ガラス/炭素繊維強化の）プラスチックを接合するためには、レーザ溶接を使用することもまた可能であり、この技術の実施形態は、プラスチックの端部/側部の壁を使用することに限定されない。

図5aは、端壁とステータハウジングの側壁との間の接合部を制御可能に崩壊させるためにレーザ溶接が採用される、好ましい手法を示している。しかしながら、この技法の実施形態はまた、例えば、折り畳み可能な要素として接着ビードを使用して、金属を金属に接合するために使用されてもよい。このようにして、側部及び端部の壁の両方が、例えば、アルミニウム又は鋼から製造されてもよい。

図5bは、図5aの尖った突起502、504の代わりに、方形端の突起520が使用される別の手法を示している。この例はまた、突起が側壁の両縁部に設けられるよりもむしろ、側壁の一方の縁部にのみ設けられている手法を示している。それにもかかわらず、円筒形の側壁の両縁部に沿って折り畳み可能な特徴部を設けることが好ましい。これは、より良好な接合部及び組立体の制御された崩壊によって後で補償され得る組立体の寸法における初期変動に対するより大きな公差を提供するからである。

図5cは、折り畳み可能な特徴部530が側壁ではなく、半径方向の端壁に設けられているさらなる変形例を示している。

図5dは、さらに別の変形例を示し、ここでは製造の前に、ハウジングが一対のクラムシェル540、542を備え、それぞれが、半径方向の端壁とハウジングの内側及び外側の側壁の一部とを備えている。クラムシェルの1つには、前述したように、1つ又は複数の折り畳み可能な特徴部546が設けられている。

ここで図6aを参照するに、これは、ステータハウジングの半径方向の壁100の上方からの図を概略的に示し、また、ハウジングの円筒壁152も示している。半径方向の壁は、熱可塑性材料からなる薄くて補強された膜を備え、その上に半径方向及び円周方向の補強リブ120の組が成形され、それらの間にポールピースのシューを受け入れるべく空洞115を残している。

図6bは、好ましくは、PPA又はPEEK、又は実施形態ではPA6及び/又はPA66のような、高温で比較的強い「エンジニアリングポリマー」の熱可塑性樹脂170が含浸された（平織りの）強化繊維160を備える繊維強化熱可塑性材料の膜を備える壁の断面を示している。半径方向の壁100を形成するプロセスは、膜を金型ツールに挿入し、好ましくは、少なくとも3mmの厚さの半径方向及び周方向のリブを形成するように、当該ツールを遮断することを含んでいる。これらは、熱可塑性薄膜の熱可塑性ポリマーと適合する熱可塑性ポリマーを使用して形成されてもよく、リブは射出成形プロセス中に膜に密接に接合される。当該ツールは、成形中に一時的に緩められて再度クランプされてもよく、膜がより平な面になるのを許容する。

ステータのポールピース180を取り付けるために、それは加熱され、そして薄い膜110内に圧入され、補強材（ガラス繊維）が停止部として作用する。製造プロセスにおいて、ポールピース/シューは、それらを所定の位置に保持するためにテンプレートを用いて、誘導によってSMCを加熱して、最初に膜に接合されてもよい。好ましい方法では、ステータバーを中央で分割するよりむしろ、ステータバーの一方の部分がポールピースとシューとを備え、そして他方の部分は、コイルがポールピースに配置された後にモータが組み立てられたときに、ポールピースに当接する他方の端部用のシューを備えている。結果として生じる全体の箱構造は、シューを膜に接合する非常に大きな表面積があるので、部分的に組み立てられたときに非常に強い。

薄い膜110内の比較的少量の熱可塑性ポリマー170は、SMCのポールピースとの非常に強い接合を形成するのに十分である。しかしながら、接合は、樹脂を膜から取除き繊維を見えるままにする。したがって、選択肢として、補助の熱可塑性ポリマーの膜175が含まれてもよい。この補助の膜175は、約0.25mm程度の厚さを有することができ、ポールピース180が加熱されて、そして薄い膜175及び110に圧入されるとき、基材180及び110とフラッシング(flashing)176との不均一性に対しての空間充填(filling)を提供する。このフラッシングは、ポールシューの接合を増強させるのに役立ち、また、リブ120とポールシュー185との間の公差隙間を埋める。

この技術は、ステータバーの端部（シュー）と空隙との間の膜の厚さの正確な制御を容易にする。加えて、得られる構造体は、非常に薄い半径方向の壁、オイルの完全性（oil integrity）、組み立て中にポールピースを正しい相対位置に保持する有用な機能を有し、そして、構造体が完全に組み立てられたとき、大きな強度をもたらす。クラムシェル型の手法が採用されている我々の特許文献３（WO2012 / 022974）に既に記載されているように、ステータバー/ポールピースは、1つのシュー/ステータバーがクラムシェル及びステータバーに接合する前に各クラムシェルに取り付けられるように、その長さに沿うある点で分割されていてもよい。あるいは、ステータバーが1つのクラムシェルに組み立てられ、そして次に、第1に連結された第２のクラムシェルがステータバーに同時に接合され、より強い構造のためにステータバーを分割する必要性を回避している。

選択肢として、補強の特徴部、すなわち、リブは、互いに接合するべく共に圧縮され加熱された複数の薄層(lamina)から、作製されてもよい。好ましくは、各薄層は、織りが実質的に半径方向の壁全体を通って、すなわち、膜とその補強材の両方を通って延在するように、繊維強化されている。選択肢として、織りの方向は、1枚の薄層から次の薄層で異なってもよい。

したがって、1つの例示的な手法では、本発明の一実施形態による軸方向機械のステータハウジングを製造する方法は、強化膜と共にフレームワーク又はスパイダーを射出成形することによって、ステータハウジングの半径方向の壁を形成することを含んでいる。この（非常に薄い）膜は、ポールピースに隣接する壁の部分を形成する。この方法は、好ましくは、熱と圧力の組み合わせを用いて、（シューの有無にかかわらず）ポールピースを膜に接合することを含んでいる。この方法はまた、カーボンブラックのような赤外線吸収材料をこれらに組み込むことにより、ステータハウジングのための内側壁及び外側壁を形成することを含んでもよい。この方法は、ポールピース/シューピースの合わせ面に、好ましくは、接着剤を用いて、側部壁及び端部壁をステータハウジング組立体に組み付けること、及び、好ましくは、溶接して、ハウジングの側部壁と端部壁を一緒に取り付けることを含んでいる。ステータハウジングの1つ又は複数の折り畳み可能な要素の軸方向の圧縮を制御し、それによって、ステータの外側壁の間隔（及び平行度）を、好ましくは、所定の製造公差内に制御するために、力が、好ましくは、取り付け/溶接中に加えられる。機械は、次に、ロータをステータに隣接して存するように組み立てることによって完成され得る。ステータの非常に正確で反復可能な軸方向の長さは、一方のロータがカップ付ロータの構成で他方のロータに取り付けられた機械の製造を容易にする。我々が記載した製造方法はまた、そうでなければ達成することが困難であったステータとロータとの間のラビリンスシールの使用を容易にする。

ここで図7を参照するに、これは、このような製造技術で使用され得る治具700の概略図を示している。治具は、ステータの端壁を支持する支持体702と、ステータの端壁を軸方向に整列させるための整列ツールとして作用する軸方向の突起704とを備えている。突起704はまた、内側の側壁を担持する。外側の端壁は、例えば、1つ又は複数の基準特徴部を使用して、側壁に位置合わせされてもよい。実施形態では、内側及び外側の側壁の一方又は両方の面（縁部）が、端壁までの距離又は端壁間の間隔を測定するために使用される基準面を画定している。

溶接の前に、下部ステータプレート組立体（下部壁）は、ステータバー、モータ巻線、及び一端のステータバーシュー（他端ではこれらは上部ステータプレート/壁に接合されている）を含んでいる。矢印706によって概略的に示されるように、組立体の端壁は、組立体を一緒に保持するようにクランプされている。実施形態においては、ステータバーは比較的大きな長さの公差を有しているので、好ましくは、これらはわずかに長さが短く、そして接着剤が、バーの端部とそれらが最終的に取り付けられるシューとの間の隙間を埋めるため、バーの端部に塗布されている。好ましくは、相対的に厚い接着剤が、それが流れ落ちないように使用される。接着剤は誘導硬化型であってもよい。

好ましくは、ステータの端部壁（「プレート」）は各々、剛性を提供するために、それらの内周縁及び外周縁の周りを巡るリブを有している。これは比較的低く、例えば、〜0.3mmである。ステータの壁は、例えば、0.2mmの平坦度公差内で平坦であってもよい。したがって、ステータの壁の位置を治具内に設定するとき、追加の0.5mmが許容される。より一般的には、治具が、ステータの壁の位置又は壁間の間隔を制御するために使用される場合には、好ましくは、ステータの端部壁の平坦度変動又は平坦度公差を補償するために、十分な公差が許容される。このようにして、構造体内に多少の位置ずれ又は平坦性の欠如があったとしても、それにもかかわらず、側壁は互いに実質的に平行に整列され得る。

図7に示されるように、治具の実施形態は、IR透過性の頂部プレート708と、これと上部のステータの壁/プレートとの間の機械的接続部710を備えることができる。このようにして、矢印712で示される締め付け力を組立体に加えることができる。これは、ステータの壁間の間隔を設定するのに、端壁と側壁との間で十分な接触が達成され、及びその後の（好ましくは、力の監視でもっての）距離制御まで力の制御を容易にする。

この技術の実施形態では、内側及び外側の側壁426、428は、矢印718で示される位置に溶接部716を形成するレーザビーム714によって示される、高速、多重パス、擬似同時溶接で同時に溶接される。1つの例示的な手法では、上部のステータの壁/プレートが溶接され、次に、ステータバー及びコイルを支持する下部のステータの壁/プレートを溶接するため、クランプされている構造体が反転される。上述したのと同じ溶接制御プロセスが、上部プレートと下部プレートの両方に対して使用されてもよい。

当然のことながら、当業者には他の多くの有効な代替案が生じるであろう。本発明は、記載された実施形態に限定されず、添付の特許請求の範囲内にある当業者に明らかな変更を包含することが理解されよう。

Claims (23)

1. 軸方向磁束永久磁石機械のステータを製造する方法であって、機械は、各ステータバーに巻かれ機械の軸の周りに間隔をおいて周方向に配置されたコイルの組を備えるチャンバを画成するステータハウジングを備えるステータと、永久磁石の組を支持し前記軸の回りに回転するように取付られているロータと、を有し、そして、前記ロータ及びステータは、それらの間に機械における磁束が概ね軸方向である隙間を画定するように前記軸に沿って離間されており、前記方法は、
   前記ステータハウジングのための第1及び第2の半径方向の壁を設けることと、
   前記ステータハウジングのための内側及び外側の側壁を設けることと、
   前記第1及び第2の半径方向の壁、及び前記内側及び外側の側壁を、前記コイルの組の周りに組み立ててステータ組立体を形成することと、を備え、
   前記組み立てることは、
   前記側壁と前記第1及び第2の半径方向の壁の１つ又は両方との間に1つ又は複数の折り畳み可能な要素を設けることと、
   前記側壁を前記第1及び第2の半径方向の壁に取り付けることと、をさらに備え、
   前記取り付けることは、
   前記1つ又は複数の折り畳み可能な要素の崩壊を制御することによって、前記第1及び第2の半径方向の壁の間隔及び平行度の一方又は両方を制御することを含み、
   前記半径方向の壁の一方又は両方及び前記側壁はポリマーから成り、前記折り畳み可能な要素が、前記半径方向の壁及び/又は前記側壁でのポリマー形成体を含むことを特徴とする方法。
2. 前記取り付けることは、前記半径方向の壁を前記側壁にレーザ溶接することから成ることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記半径方向の壁の一方又は両方及び前記側壁が、熱可塑性ポリマー、高温熱可塑性ポリマー、又はPPAから成ることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記折り畳み可能な要素は接着剤を備え、特に、前記半径方向の壁の一方又は両方及び前記側壁が金属製であることを特徴とする請求項1に記載の方法。
5. 軸方向磁束永久磁石機械のステータを製造する方法であって、機械は、各ステータバーに巻かれ機械の軸の周りに間隔をおいて周方向に配置されたコイルの組を備えるチャンバを画成するステータハウジングを備えるステータと、永久磁石の組を支持し前記軸の回りに回転するように取付られているロータと、を有し、そして、前記ロータ及びステータは、それらの間に機械における磁束が概ね軸方向である隙間を画定するように前記軸に沿って離間されており、前記方法は、
   各々がステータハウジングのための半径方向の壁とステータハウジングのための側壁の少なくとも一部とを備えている、第1及び第2のステータハウジングクラムシェルを設けることと、
   前記第1及び第2のステータハウジングクラムシェルを前記コイルの組の周りに組み立ててステータ組立体を形成し、前記第1及び第2のステータハウジングクラムシェルが共に前記コイルの組を囲む環状チャンバを画定することと、を備え、
   前記組み立てることは、
   前記第1及び第2のステータハウジングクラムシェルの間に1つ又は複数の折り畳み可能な要素を設けることと、
   前記第1及び第2のステータハウジングクラムシェルを取り付けることと、をさらに備え、
   前記取り付けることは、
   前記1つ又は複数の折り畳み可能な要素の崩壊を制御することによって、前記第1及び第2の半径方向の壁の間隔及び平行度の一方又は両方を制御することを含み、
   前記ステータハウジングクラムシェルの一方又は両方はポリマーから成り、前記折り畳み可能な要素は、前記ステータハウジングクラムシェルの一方又は両方での形成体を含むことを特徴とする方法。
6. 前記取り付けは、前記ステータハウジングクラムシェルを互いにレーザ溶接することから成ることを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 前記ステータハウジングクラムシェルの一方又は両方は、熱可塑性ポリマー、特に高温熱可塑性ポリマー、好ましくはPPAから成ることを特徴とする請求項５又は6に記載の方法。
8. 前記折り畳み可能な要素は接着剤を備え、特に、前記ステータハウジングクラムシェルの一方又は両方は金属製であることを特徴とする請求項５に記載の方法。
9. 前記崩壊の制御は、1つ又は複数の制御可能な要素が1つ又は複数の停止部によって停止されるまで、前記1つ又は複数の制御可能な要素を崩壊させることを含むことを特徴とする請求項1乃至８のいずれか一項に記載の方法。
10. 前記ステータ組立体の1つ又は複数の内部構成要素を、前記1つ又は複数の停止部として使用することをさらに含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. 前記崩壊の制御は、前記ステータ組立体を治具に取り付けること、及び前記治具を使用して前記崩壊を制御することを含むことを特徴とする請求項1乃至８のいずれか一項に記載の方法。
12. 前記制御することは、前記第1及び第2の半径方向の壁の前記間隔及び/又は平行度を測定することをさらに含むことを特徴とする請求項1乃至１１のいずれか一項に記載の方法。
13. 射出成形機の金型内に樹脂膜を配置することによって前記第1及び第2の半径方向の壁を製作すること、及び溶融されたとき前記膜の樹脂に接着可能な熱可塑性ポリマーを用いて前記膜に補強の特徴部の組を射出成形することをさらに含むことを特徴とする請求項1乃至１２のいずれか一項に記載の方法。
14. ポリマー材料の膜を設け、前記ポリマーが成形可能な間に前記ステータバーの前記組の少なくとも端部又はシューを前記ポリマーの膜にプレスし、前記ステータバーの前記端部又はシューは多孔質磁性材料から形成されており、前記ステータバーの組の前記端部又はシューをそれぞれの位置に保持するために前記ポリマーを固化させることによって前記第1及び第2の半径方向の壁を製造することをさらに備え、前記膜の前記ポリマーが前記プレス中に前記多孔質磁性材料と接合して前記一組のステータバーを前記ポリマーに接合させることを特徴とする請求項1乃至１３のいずれか一項に記載の方法。
15. 請求項1乃至１４のいずれかに記載のステータを製造し、次いで前記ステータを用いて前記軸方向磁束永久磁石機械を製造することを含むことを特徴とする軸方向磁束永久磁石機械を製造する方法。
16. 前記ステータのいずれかの側に一方で2つの前記ロータを有する前記軸方向磁束永久磁石機械を製造することを備え、前記方法は、前記ロータの一方を他方のロータに取り付けることをさらに含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
17. 前記軸方向磁束永久磁石機械は、ヨークレスでセグメント化されたアーマチュア機械であることを特徴とする請求項１５又は１６に記載の方法。
18. 軸方向磁束永久磁石機械であって、当該機械は、それぞれのステータバーに巻かれ機械の軸の周りに間隔をおいて円周方向に配置される一組のコイルを備えるチャンバを画定するステータハウジングを備えるステータ、及び一組の永久磁石を支持し前記軸の回りに回転するように取り付けられる少なくとも１つのロータを有しており、前記ロータ及びステータは、前記ロータとステータとの間に隙間を画定するべく前記軸に沿って離間され、前記機械内の磁束は概ね軸方向にあり、前記ステータハウジングは、1つ又は複数の折り畳まれた要素をさらに備え、且つ、前記1つ又は複数の折り畳まれた要素は、折り畳まれたポリマーの形成体を備えていることを特徴とする軸方向磁束永久磁石機械。
19. 前記折り畳まれた要素は、前記ステータハウジングの側部又は端部壁の軸方向に折り畳まれた部分を備えることを特徴とする請求項１８に記載の軸方向磁束永久磁石機械。
20. 当該機械は、各々が一組の永久磁石を支持する２つの前記ロータを備え、前記ロータ及びステータは、前記ロータとステータとの間に機械における磁束が概ね軸方向に存する隙間を画定すべく前記軸に沿って離間されており、前記ロータは前記ステータのいずれかの側に配置される一方であり、前記ロータの１つは他方の前記ロータに取り付けられていることを特徴とする請求項１８又は請求項１９に記載の軸方向磁束永久磁石機械。
21. 前記ステータとロータとの間にラビリンスシールをさらに備えることを特徴とする請求項１８、請求項１９又は請求項２０に記載の機械。
22. 軸方向磁束永久磁石機械のステータを製造する方法であって、当該機械は、それぞれのステータバーに巻かれ機械の軸の周りに間隔をおいて円周方向に配置される一組のコイルを備えるチャンバを画定するステータハウジングを備えるステータ、及び一組の永久磁石を支持し前記軸の回りに回転するように取り付けられるロータを有しており、前記ロータ及びステータは、前記ロータとステータとの間に隙間を画定するべく前記軸に沿って離間され、前記機械内の磁束は概ね軸方向にあり、当該方法は、前記ステータハウジングの端壁間の間隔を制御するために、前記ステータハウジングの製造中、特に、レーザ溶接中に、前記ステータハウジングの1つ又は複数の折り畳み可能な要素の軸方向への圧縮を制御することを含むことを特徴とする方法。
23. 請求項２２に記載のステータを製造し、次いで、前記ステータを用いて前記軸方向磁束永久磁石機械を製造することを含むことを特徴とする軸方向磁束永久磁石機械の製造方法。

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