JP2011217454A - 回転電気機械 - Google Patents

Abstract

【課題】ロータコアとステータコアとの間に立体ギャップを採用した回転電気機械において、渦電流損の増大を抑えつつ、積層構造のステータコアの、積層方向の磁気吸引力による積層板の剥離や変形を防止する。
【解決手段】ステータコア（30）及びロータコア（41）が、互いに対向して両コア（30,41）間に径方向及び軸方向のギャップ（G）を形成する凹凸部（38,46）をそれぞれ有した回転電気機械において、ステータコア（30）は、別体のステータ側凹凸部（38）が取り付けられた構造とする。ステータ側凹凸部（38）は、複数の積層板（33）が積層された積層構造とし、積層板（33）同士を互いに固定する溶接部（W）（固定部）を設ける。そして、溶接部（W）は、ロータ（40）との対向面を避けた位置とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、ステータコアが積層構造を有し、ステータコアとロータコア間に立体ギャップが形成された、モータ等の回転電気機械に関するものである。

モータなどの回転電気機械では、ロータとステータの間のギャップを、いわゆる立体ギャップ構造とすることで、等価的にギャップ長を短縮したのと同等の特性となる効果（等価狭ギャップ効果）を期待でき、この等価狭ギャップ効果によって、トルクを代表とする、モータの各種特性の改善を期待できることが知られている。（例えば非特許文献１を参照）。

真田雅之、伊藤圭祐、森本茂雄、"等価狭ギャップ効果の高い立体ギャップ構造の開発"、２００９年、電気学会論文誌Ｄ（産業応用部門誌）Ｖｏｌ．１２９ （２００９），Ｎｏ．１２ ｐ．１２２８-１２２９

しかしながら、回転電気機械のロータやステータを構成するコアには電磁鋼板を積層した積層構造を有しているものがあり、積層構造のコアに上記文献に記載されたような立体ギャップ構造を採用すると次の点が懸念される。すなわち、立体ギャップ構造では、電磁鋼板（積層板）の積層方向にロータとステータとが対向しあう部分があり、この対向部分では積層方向に磁気吸引力が作用する。そのため、この部分では電磁鋼板が剥離したり、変形したりする可能性がある。そして、その剥離や変形が大きくなると、回転時にロータとステータが互いに接触する可能も考えられる。これに対しては、コアを一体構造とすることも考えられるが、一体構造では渦電流損が増大する場合がある。

本発明は前記の点に着目してなされたものであり、ロータコアとステータコアとの間に立体ギャップを採用した回転電気機械において、渦電流損の増大を抑えつつ、積層構造のステータコアの、積層方向の磁気吸引力による積層板の剥離や変形を防止することを目的としている。

前記の課題を解決するため、第１の発明は、
ステータ（20）を形成するステータコア（30）及びロータ（40）を形成するロータコア（41）が、互いに対向して両コア（30,41）間に径方向及び軸方向のギャップ（G）を形成する凹凸部（38,46）をそれぞれ有した回転電気機械において、
前記ステータコア（30）は、別体の前記凹凸部（38）が取り付けられたものであり、
前記凹凸部（38）は、複数の積層板（33）が積層された積層構造で、該積層板（33）同士を互いに固定する固定部（W）を有し、
前記固定部（W）は、前記ロータ（40）との対向面を避けて設けられていることを特徴とする。

この構成では、積層板（33）同士を固定したので、軸方向のギャップ（G）部分で、軸方向の磁気吸引力が作用しても、積層板（33）の剥離や変形が起こらないようにすることが可能になる。また、固定部（W）は、上記のようにロータ（40）との対向面を避けて設けられているので、固定部（W）が積層板（33,43）同士を電気的に繋いだとしても、この電気的な接続による渦電流の増大を最小限にとどめることができる。

また、第２の発明は、
第１の発明の回転電気機械において、
前記固定部（W）は、前記ロータ（40）との対向面以外の面に設けられた溶接であることを特徴とする。

この構成では、積層板（33）同士を容易に固定できる。そして、その接続は積層板（33,43）同士を電気的に繋ぐことになるが、溶接が対向面以外の面に設けられているので、溶接が渦電流流路を形成せず、渦電流の発生はほとんど起こらない。

また、第３の発明は、
第１又は第２の発明の回転電気機械において、
前記ステータコア（30）は、コイル（32）がそれぞれ巻回される複数のティース部（34）を有し、互いに隣接するティース部（34）間を磁気的に接続する連結部（39）が設けられていることを特徴とする。

この構成では、隣接するティース部（34）が互いに磁気的に接続されるので、エアギャップのパーミアンスの変化をより小さくできる。

第１の発明によれば、渦電流損の増大を抑えつつ、積層方向の磁気吸引力による積層板の剥離や変形を防止することが可能になる。

また、第２の発明によれば、第１の発明と同様の効果を、容易に得ることが可能になる。

また、第３の発明によれば、エアギャップのパーミアンスの変化をより小さくできるので、トルクリプルをより小さくすることが可能になる。

図１は、本発明の実施形態に係るモータを適用した電動圧縮機の構成を模式的に示す縦断面図である。 図２は、本実施形態のロータ及びステータの構成を示す平面図である。 図３は、分割ステータコアの構成を示す斜視図である。 図４は、ステータ側凹凸部をティース部側から見た斜視図である。 図５は、ステータコアにおける溶接部の位置を示す平面である。 図６は、ロータの斜視図である。 図７は、ロータにおける磁石用スロット付近の平面図である。 図８は、ロータコアの側面図である。 図９は、ステータとロータとを組み合わせた状態の断面図である。 図１０は、ロータコアにおける磁気吸引力の作用部位を示す図である。 図１１は、分割ステータコアの他の分割例を示す図である。 図１２は、接続部分の形状の一例を示す平面図である。 図１３は、カシメ位置の一例を示すステータコアの平面である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。

《概要》
図１は、本発明の実施形態に係るモータ（1）を適用した電動圧縮機（100）の構成を模式的に示す縦断面図である。このモータ（1）は、同図に示すように、ステータ（20）、ロータ（40）、及び駆動軸（60）を備え、空気調和機に用いる電動圧縮機（100）のケーシング（70）に収容されている。モータ（1）は、いわゆるＩＰＭ（Interior Permanent Magnet）モータであり、この例では電動圧縮機（100）内の圧縮機構機（80）を駆動する。

なお、以下の説明において、軸方向とは駆動軸（60）の軸心の方向をいい、径方向とは前記軸心と直交する方向をいう。また、外周側とは前記軸心からより遠い側をいい、内周側とは前記軸心により近い側をいう。また、積層位置とは、積層板（後述）の軸方向の位置をいう。

《ステータ（20）》
図２は、本実施形態のロータ（40）及びステータ（20）の構成を示す平面図である。ステータ（20）は、図２に示すように、円筒状のステータコア（30）と、コイル（32）を備えている。本実施形態のステータコア（30）は、３つの分割ステータコア（31）で形成されている。図３は、分割ステータコア（31）の構成を示す斜視図である。それぞれの分割ステータコア（31）は、複数の電磁鋼板（積層板（33））を軸方向に積層した積層コアである。なお、この例では積層板（33）には、無方向性の電磁鋼板を使用している。

それぞれの分割ステータコア（31）は、図３に示すように、複数のティース部（34）、コアバック部（35）、歯先部（36）、及び連結部（39）を備えている。それぞれのティース部（34）は、分割ステータコア（31）において径方向に伸びる部分である。これらのティース部（34）には、コイル（32）が巻回される。また、コアバック部（35）は、円弧状をしていて、各ティース部（34）を該ティース部（34）の外周側で連結している。なお、各ティース部（34）の間の空間が、コイル（32）が収容されるコイル用スロット（37）である。この例では、１つの分割ステータコア（31）には、１２個のコイル用スロット（37）がある。

また、歯先部（36）は、それぞれのティース部（34）の内周側に連なる部分である。図４は、歯先部（36）をティース部（34）側から見た斜視図である。それぞれの歯先部（36）は、図４に一点鎖線で示した、ティース部（34）の内周寄りの部分である。これらの歯先部（36）は連結部（39）によって互いに連結されている。これにより、連結部（39）は、互いに隣接するティース部（34）間を磁気的に接続する。

そして、これらの歯先部（36）は、図３に示すように、軸方向断面が、３条の凹部（38d）を有した凹凸構造である。以下では分割ステータコア（31）の凹凸構造部分とティース部（34）とで構成された部分をステータ側凹凸部（38）と呼び、このステータ側凹凸部（38）の外面のうち、最も外周側の面を底面、その他の面を頂面と呼ぶ。具体的には、このステータ側凹凸部（38）は、第１頂面（38a）、第２頂面（38b）、及び底面（38c）を有している。このようなステータ側凹凸部（38）は、積層板（33）の積層位置に応じて、積層板（33）の歯先部（36）及び連結部（39）の形状（径方向の長さ）を変化させることで形成できる。

この分割ステータコア（31）では、ステータ側凹凸部（38）が、コアバック部（35）とは別体の部品として構成されている。具体的には、分割ステータコア（31）は、図３に示すように、コアバック部（35）と各ティース部（34）との間が直線的に分割されている。また、ステータ側凹凸部（38）は、積層板（33）同士を互いに固定する溶接部（W）を有している。この溶接部（W）は、本発明の固定部の一例である。本実施形態では、溶接部（W）は、ロータ（40）との対向面を避けて設けられている。図５は、ステータコア（30）における溶接部（W）の位置を示す平面である。この図５や図４に示すように、溶接部（W）は、ステータ側凹凸部（38）の裏面(すなわちロータコア（41）との対向面の裏側の面)に設けられている。

コイル（32）は、いわゆる分布巻きにより、各ティース部（34）に巻回されている（図２を参照）。このコイル（32）に所定の電力を供給することで、ステータ（20）に回転磁界を発生させることができる。

《ステータ（20）の製造工程の例》
ステータ（20）は、例えば次の工程で製造することができる。まず、電磁鋼板からコアバック部（35）を打ち抜き、積層する。また、電磁鋼板からステータ側凹凸部（38）を構成する部材を打ち抜く。本実施形態では、コイル用スロット（37）の相当する部分を打ち抜くことで、ティース部（34）、歯先部（36）、及び連結部（39）が一体的に形成される。このように打ち抜きで製造したステータ側凹凸部（38）用の部品を、内周側が凹凸構造となるよう積層して前記溶接部（W）で一体化し、ステータ側凹凸部（38）を形成する。このように、分割ステータコア（31）を電磁鋼板の積層構造とすることで、既存の打ち抜き設備を利用して安価にコアバック部（35）やステータ側凹凸部（38）を製造することが可能になる。

次に、分布巻コイル（32）をコアバック部（35）の内径側に配置し、ステータ側凹凸部（38）をコアバック部（35）の内径側からコイル（32）を通して挿入する。そして、コアバック部（35）とステータ側凹凸部（38）とを一体固着（例えば溶接）する。

《ロータ（40）》
図６は、ロータ（40）の斜視図である。このロータ（40）は、同図に示すように、ロータコア（41）と、複数の磁石（42）を備えている。ロータコア（41）は、複数の電磁鋼板（積層板（43））を軸方向に積層した積層コアであり、円筒状の形態を有している。なお、この例では積層板（43）には、無方向性の電磁鋼板を使用している。

このロータコア（41）の中心には、駆動軸（60）を挿入する軸穴（47）が形成されている。また、ロータコア（41）には、磁石（42）をそれぞれ収容する、複数の磁石用スロット（44）が形成されている。それぞれの磁石用スロット（44）は、軸穴（47）の軸心回りに６０°ピッチで配置されている。そして、それぞれの磁石用スロット（44）は、平面視（軸穴（47）の軸方向視）で略Ｕ字状をしていて、このロータコア（41）を軸方向に貫通している。また、それぞれの磁石用スロット（44）の両端は、ロータコア（41）の外周付近まで延びている。なお、ロータコア（41）では、磁石用スロット（44）の端の部分（外周で細くなった部分。図６参照）をブリッジ部（44a）と呼ぶことにする。

図７は、ロータ（40）における磁石用スロット（44）付近の平面図である。磁石（42）は、図７に示すように、磁石用スロット（44）の中央付近に保持されている。この磁石（42）の全長は、磁石用スロット（44）の全長よりも短く、各磁石用スロット（44）の両端部分には、磁石（42）を収容した状態で空隙（45）がそれぞれ形成されている。なお、図７に示した一転鎖線は、磁石（42）の磁極中心（L）を示すラインである。

図８は、ロータコア（41）の側面図である。ロータコア（41）には、図８に示すように、軸方向断面が、３条の凸部（46d）を有した凹凸構造である。以下ではロータコア（41）の凹凸構造部分をロータ側凹凸部（46）と呼び、このロータコア（41）の周方向側外面のうち、最も内周側の面を底面、その他の面を頂面と呼ぶ。具体的には、このロータ側凹凸部（46）は、図８に示すように、第１頂面（46a）、第２頂面（46b）、及び底面（46c）を有している。このような凹凸部（46）は、積層板（43）の積層位置に応じて、積層板（43）の形状（直径）を変化させることで形成できる。

このロータ側凹凸部（46）は、ロータ（40）をステータ（20）に組み合わせた際に、ステータ（20）のステータ側凹凸部（38）とそれぞれ対向するようになっている。図９は、ステータ（20）とロータ（40）とを組み合わせた状態の断面図である。図９に示すように、ロータコア（41）の第１頂面（46a）と分割ステータコア（31）の底面（38c）、ロータコア（41）の第２頂面（46b）と分割ステータコア（31）の第２頂面（38b）、ロータコア（41）の底面（46c）と分割ステータコア（31）の第１頂面（38a）がそれぞれ対向する。これにより、ステータ（20）（ステータコア（30））とロータ（40）（ロータコア（41））との間には、径方向及び軸方向のギャップ（立体ギャップ）が形成される。この例では、ギャップ（G）の大きさは、径方向、軸方向ともに０．３ｍｍである。

《本実施形態における効果》
このモータ（1）では、コイル（32）に電力を供給して運転状態にすると、ステータ（20）とロータ（40）との軸方向対向部分において、軸方向に磁気吸引力が発生する。これにより、モータ（1）では、分割ステータコア（31）の積層板（33）同士、及びロータコア（41）の積層板（43）同士を、それぞれ剥離もしくは変形させる方向に力が作用する。図１０は、ロータコア（41）における磁気吸引力の作用部位を示す図である。図１０において、ロータコア（41）には太線（F）で示した面に磁気吸引力が作用し、ステータコア（30）も太線（F）の部位に対応した面に磁気吸引力作用する。

しかしながら、本実施形態では、各分割ステータコア（31）は、歯先部（36）の裏面側を溶接してあるので、ステータ側凹凸部（38）の強度を高めることが可能になる。それゆえ、このモータ（1）では、軸方向に磁気吸引力が作用しても、ステータ（20）やロータ（40）において、積層板（33）の剥離や変形が起こらないようにすることが可能になる。しかも、本実施形態の溶接部（W）は、ロータコア（41）との対向面を避けて設けられているので、渦電流の発生はほとんど起こらない。

また、隣接するティース部（34）を互いに磁気的に接続してあるので、エアギャップのパーミアンスの変化をより小さくできる。これにより、トルクリプルをより小さくすることが可能になる。

また、従来のモータのようにティースの歯先部間を通してコイルを挿入する必要がないので、より容易に分布巻コイル（32）を配置することが可能になる。

《実施形態の変形例》
分割ステータコア（31）における凹凸部（38）の分割位置は例示である。図１１は、分割ステータコア（31）の他の分割例を示す図である。同図に示すように、凹凸構造部分は、例えば（１）のラインで分割したり、（２）のラインで分割したりすることができる。（１）のラインでの分割は、歯先部（36）と、他の部分が別体である。また、（２）のラインでの分割は、前記実施形態の例よりもやや外周側で、各ティース部（34）とコアバック部（35）とが分割され、ティース部（34）、歯先部（36）、及び連結部（39）でステータ側凹凸部（38）を構成している。

また、分割部分（接続部分）の形状も種々の形態を選択できる。図１２は、接続部分の形状の一例を示す平面図である。図１２の（Ａ）は、前記実施形態の分割例であり、直線的に分割している。一方、図１２（Ｂ）や（Ｅ）の例では、接続部分はくさび状であり、接続部分のより大きな強度を得ることが可能になる。また、図１２（Ｃ）は、接続部分部が角状であり、また、図１２（Ｄ）や（Ｆ）は接続部分が円弧状である。これらの例では、一直線で分割するよりも接触面積がより大きいので、磁気特性の低下を抑制することが可能になる。

《その他の実施形態》
なお、連結部（39）は、全ての積層板（33）に構成する必要はなく、一部の積層板（33）を用いて歯先部（36）同士を連結してもよい。具体的には、積層方向の端（積層表面）に位置する積層板（33）のみで連結部（39）を形成したり、第１頂面（38a）を構成する積層板（33）の何れかで連結部（39）を形成したり、ステータ側凹凸部（38）の各段の最内周部同士を連結したりするなど、種々の構成が可能である。

また、連結部（39）を省略することも可能である。この場合のステータ（20）の製造では、例えば、コアバック部（35）とステータ側凹凸部（38）を溶接した後に、分布巻コイル（32）を巻回し、ステータ（20）全体をモールドし、コアバック部（35）、ティース部（34）、及びコイル（32）を一体固着する。

また、溶接部（W）（固定部）の位置は例示である。渦電流を増大させないようにするという観点からは、既述の通り、ロータ（40）との対向面を避けるのが好ましい。

また、固定部は、溶接の他にも、接着で実現したり、カシメ構造を採用したりすることも可能である。図１３は、カシメ（38f）の位置の一例を示すステータコア（30）の平面である。この例ではカシメ（38f）は一箇所のみ図に現れているが、必要とする強度に応じて配置する数を適宜定めればよい。例えば、カシメ（38f）を各ティース部（34）に設ける場合もある。

また、積層板（33）には、いわゆるアモルファス鉄心を採用してもよい。このアモルファス鉄心は、一般的な電磁鋼板よりも厚さが薄く、立体ギャップ部分での渦電流の発生をより小さくすることが可能になる。

また、積層板（33,43）に用いる電磁鋼板には、いわゆる方向性電磁鋼板を採用してもよい。ティース部（34）の磁束の流れは、ティース部（34）に沿って両方向に流れる交番磁束である。そのため、圧延方向の透磁率が高い方向性電磁鋼板を用い、鋼板の圧延方向とティース部（34）の方向を合わせることで、高い磁気特性を得ることができる。これにより、最大トルクアップなどの性能向上を図ることが可能になる。

また、ギャップ（G）の大きさも例示である。また、ギャップ（G）は、軸方向と径方向が異なる大きさでもよい。

また、上記実施形態や変形例で説明したロータやステータの構造は、発電機に採用してもよい。

また、コイル（32）は集中巻きにしてもよい。

また、ステータ側凹凸部（38）を別体とする前記構造は、例えばリラクタンスモータに適用することも可能である。

本発明は、ステータコアが積層構造を有し、ステータコアとロータコア間に立体ギャップが形成された、モータ等の回転電気機械として有用である。

１ モータ（回転電気機械）
２０ ステータ
３０ ステータコア
３２ コイル
３３ 積層板
３４ ティース部
３８ ステータ側凹凸部(凹凸部)
３９ 連結部
４０ ロータ
４１ ロータコア

Claims (3)

1. ステータ（20）を形成するステータコア（30）及びロータ（40）を形成するロータコア（41）が、互いに対向して両コア（30,41）間に径方向及び軸方向のギャップ（G）を形成する凹凸部（38,46）をそれぞれ有した回転電気機械において、
   前記ステータコア（30）は、別体の前記凹凸部（38）が取り付けられたものであり、
   前記凹凸部（38）は、複数の積層板（33）が積層された積層構造で、該積層板（33）同士を互いに固定する固定部（W）を有し、
   前記固定部（W）は、前記ロータ（40）との対向面を避けて設けられていることを特徴とする回転電気機械。
2. 請求項１の回転電気機械において、
   前記固定部（W）は、前記ロータ（40）との対向面以外の面に設けられた溶接であることを特徴とする回転電気機械。
3. 請求項１又は請求項２の回転電気機械において、
   前記ステータコア（30）は、コイル（32）がそれぞれ巻回される複数のティース部（34）を有し、互いに隣接するティース部（34）間を磁気的に接続する連結部（39）が設けられていることを特徴とする回転電気機械。

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