(57)【要約】【課題】ロータとステータの間にいわゆる立体ギャップ構造をもつ回転電気機械において、損失の低減を図る。【解決手段】円環状のコアバック（13）の内周に添って複数のティース（14）が配置されたステータコア（11）を設ける。ステータコア（11）との間に径方向のギャップ（G1）のみをもってステータコア（11）と対向し、磁石（22）が埋め込まれた第１コア（25）と、ステータコア（11）との間に径方向及び軸方向のギャップ（G1,G2）を形成する突条（28）が設けられて磁石（22）を有さない第２コア（26）とが軸方向に並んで配置されたロータコア（21）を設ける。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
円環状のコアバック（13）の内周に添って複数のティース（14）が配置されたステータコア（11）と、
磁石（22）が埋め込まれ、前記ステータコア（11）との間に径方向のギャップ（G1）のみをもって前記ステータコア（11）と対向する第１コア（25）と、磁石（22）を有さず、前記ステータコア（11）との間に径方向及び軸方向のギャップ（G1,G2）を形成する突条（28）が設けられた第２コア（26）とが軸方向に並んで配置されたロータコア（21）と、
を備えたことを特徴とする回転電気機械。
【請求項２】
請求項１の回転電気機械において、
前記ロータコア（21）は、前記第１コア（25）が、前記軸方向両側から前記第２コア（26）で挟み込まれて形成されていることを特徴とする回転電気機械。
【請求項３】
請求項２の回転電気機械において、
前記突条（28）は、前記第１コア（25）側の側面（28f）のみが、前記軸方向のギャップ（G2）をもって、前記ステータコア（11）と前記軸方向で対向することを特徴とする回転電気機械。
【請求項４】
請求項１の回転電気機械において、
前記ロータコア（21）は、前記第２コア（26）が、前記軸方向両側から前記第１コア（25）で挟み込まれて形成されていることを特徴とする回転電気機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁石が挿入されたロータを備えた回転電気機械に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、ステータ及びロータが互いに対向して径方向及び軸方向のギャップが形成された構造（以下、立体ギャップ構造）を有したモータが知られている（例えば特許文献１を参照）。このような立体ギャップ構造を採用することで、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（いわゆる等価狭ギャップ効果）を期待できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−２１７４５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、立体ギャップ構造を採用したモータでは、ロータとステータが軸方向で対向する面において、磁石の磁束が軸方向に漏れ、それが損失となって予定したトルクを得られない場合があることを本願発明者は見出した。
【０００５】
本発明は前記の問題に着目してなされたものであり、ロータとステータの間にいわゆる立体ギャップ構造をもつ回転電気機械において、損失の低減を図ることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記の課題を解決するため、第１の発明は、
円環状のコアバック（13）の内周に添って複数のティース（14）が配置されたステータコア（11）と、
磁石（22）が埋め込まれ、前記ステータコア（11）との間に径方向のギャップ（G1）のみをもって前記ステータコア（11）と対向する第１コア（25）と、磁石（22）を有さず、前記ステータコア（11）との間に径方向及び軸方向のギャップ（G1,G2）を形成する突条（28）が設けられた第２コア（26）とが軸方向に並んで配置されたロータコア（21）と、
を備えたことを特徴とする回転電気機械である。
【０００７】
この構成では、第１コア（25）には磁石トルクが作用し、第２コア（26）にはリラクタンストルクが作用する。第１コア（25）とステータコア（11）との間は径方向のギャップ（G1）のみなので、磁石（22）の磁束が３次元的に漏れることがなく、磁石磁束を有効利用して磁石トルクを発生できる。また、径方向及び軸方向のギャップ（G1,G2）が形成された部分（後述の立体ギャップの部分）では、ギャップ対向面積が大きくなるので、その部分ではリラクタンストルクを有効に発生させることができる。
【０００８】
また、第２の発明は、
第１の発明の回転電気機械において、
前記ロータコア（21）は、前記第１コア（25）が、前記軸方向両側から前記第２コア（26）で挟み込まれて形成されていることを特徴とする。
【０００９】
この構成では、ロータコア（21）の軸方向両端付近でリラクタンストルクが有効に発生し、ロータコア（21）の中央付近で磁石トルクが有効に発生する。
【００１０】
また、第３の発明は、
第２の発明の回転電気機械において、
前記突条（28）は、前記第１コア（25）側の側面（28f）のみが、前記軸方向のギャップ（G2）をもって、前記ステータコア（11）と前記軸方向で対向することを特徴とする。
【００１１】
この構成では、第２コア（26）の突条（28）が、第１コア（25）側の側面（28f）のみが、軸方向のギャップ（G2）をもって、ステータコア（11）と軸方向で対向するので、第２コア（26）を、ステータコア（11）に干渉することなく、該ステータコア（11）内の所定位置に軸方向から挿入できる。
【００１２】
また、第４の発明は、
第１の発明の回転電気機械において、
前記ロータコア（21）は、前記第２コア（26）が、前記軸方向両側から前記第１コア（25）で挟み込まれて形成されていることを特徴とする。
【００１３】
この構成では、ロータコア（21）の軸方向両端付近で磁石トルクが有効に発生し、ロータコア（21）の中央付近でリラクタンストルクが有効に発生する。
【発明の効果】
【００１４】
第１の発明によれば、磁石磁束の漏れが低減、すなわち損失が低減する。また、磁石トルクに加え、リラクタンストルクを有効に発生させることができ、トルクを増大させることが可能になる。
【００１５】
また、第３の発明によれば、第２コア（26）の挿入時に突条（28）がステータコア（11）に干渉することがないので、容易に組み立てができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、本発明の実施形態１に係るモータの構成を模式的に示す縦断面図である。
【図２】図２は、実施形態１に係るモータの横断面図である。
【図３】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】図４は、（Ａ）はロータの斜視図であり、（Ｂ）はロータの側面図である。
【図５】図５は、第１コアを軸方向から見た平面図である。
【図６】図６は、突条の断面の拡大図である。
【図７】図７は、本実施形態のモータの組み立て方法を説明する斜視図である。
【図８】図８は、実施形態１に係るステータとロータの間の磁束を説明する図である。
【図９】図９は、（Ａ）は実施形態１の変形例に係るロータの斜視図であり、（Ｂ）は、本変形例におけるロータの断面図である。
【図１０】図１０は、本変形例のモータの組み立て方法を説明する斜視図である。
【図１１】図１１は、本発明の実施形態２に係るモータの構成を模式的に示す縦断面図である。
【図１２】図１２は、実施形態２に係るロータの斜視図である。
【図１３】図１３は、実施形態２に係るステータとロータの間の磁束を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
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。
【００１８】
《発明の実施形態１》
《全体構造》
図１は、本発明の実施形態１に係るモータ（1）の構成を模式的に示す縦断面図である。モータ（1）は、例えば、空気調和機の電動圧縮機に用いられて圧縮機構を駆動する。このモータ（1）は、本発明の回転電気機械の一例であり、図１に示すように、ステータ（10）、ロータ（20）、駆動軸（30）、及びケーシング（40）を備えている。モータ（1）は、磁石埋込型モータの一種である。モータ（1）は、後に詳述するように、ロータ（20）とステータ（10）の間に、いわゆる立体ギャップが形成されている。なお、以下の説明において、軸方向とは駆動軸（30）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。
【００１９】
《ステータ（10）》
図２は、モータ（1）の横断面図である。図２に示すように、ステータ（10）は、ステータコア（11）、及びコイル（12）を備えている。本実施形態のステータコア（11）は、円環状のコアバック（13）の内周に添って複数のティース（14）が配置されている。コアバック（13）の外周は、円筒形のケーシング（40）の内面に固定されている。
【００２０】
この例では、ステータコア（11）は、３つの分割ステータコア（16）に分割されている。図３は、分割ステータコア（16）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（16）は、複数の電磁鋼板（積層板（P））を軸方向に積層した積層コアである。それぞれの分割ステータコア（16）では、積層板（P）同士が、例えばカシメなどによって互いに固定されている。
【００２１】
それぞれのティース（14）は、ステータコア（11）において径方向に伸びる直方体状の部分であり、コアバック（13）と一体形成されている。各ティース（14）は、コアバック（13）の内周に沿って等ピッチに配置されている。各ティース（14）の間の空間が、コイル（12）が収容されるコイル用スロット（17）である。この例では、１つの分割ステータコア（16）には、１２個のコイル用スロット（17）がある。これらのティース（14）には、コイル（12）が巻回される。
【００２２】
歯先部（15）は、それぞれのティース（14）の内周側に連なる部分である。それぞれの歯先部（15）は、平面視が四辺形であり、ティース（14）よりも幅が広い。これらの歯先部（15）は、図３に示すように、断面が凹凸構造（詳しくは後述）を有している。このような凹凸構造は、積層板（P）の積層位置に応じて、積層板（P）の歯先部（15）の形状（径方向の長さ）を変化させることで形成できる。
【００２３】
コイル（12）は、いわゆる分布巻方式により、各ティース（14）に巻回されている（図２を参照）。巻回されたコイル（12）は、コイル用スロット（17）に収容される。このコイル（12）に所定の電力を供給することで、ステータ（10）に回転磁界を発生させることができる。なお、コイル（12）の巻回方式は分布巻方式には限定されない。
【００２４】
《ロータ（20）》
図４は、（Ａ）はロータ（20）の斜視図であり、（Ｂ）はロータ（20）の側面図である。図１、及び図４に示すように、ロータ（20）は、ロータコア（21）、複数の磁石（22）（この例では６つ）、及び２つの端板（23）を備えている。なお、図４では端板（23）の記載を省略してある。ロータコア（21）の中心には、駆動軸（30）を挿入する軸穴（24）が形成されている。このロータコア（21）は、図１に示すように、ひとつの第１コア（25）と、２つの第２コア（26）を備え、第１コア（25）が、軸方向両側から第２コア（26）で挟み込まれて形成されている。第１及び第２コア（25,26）は何れも、複数の電磁鋼板（積層板（P））を軸方向に積層した積層コアである。
【００２５】
−第１コア（25）−
第１コア（25）は、円柱状の形態を有し、図１に示すように、径方向のギャップ（G1）のみをもってステータコア（11）と対向する。図５は、第１コア（25）を軸方向から見た平面図である。第１コア（25）には、磁石（22）が埋め込まれる。そのため、第１コア（25）には、磁石（22）を収容する複数の磁石用スロット（27）が形成されている。それぞれの磁石用スロット（27）は、軸穴（24）の中心回りに６０°ピッチで配置されている。
【００２６】
それぞれの磁石用スロット（27）は、軸方向から見て概ねＵ字状の穴形状を有し、第１コア（25）を軸方向に貫通している。詳しくは、図５に示すように、それぞれの磁石用スロット（27）は、第１コア（25）の半径と直交する磁石挿入部（27a）と、該磁石挿入部（27a）から外周側に延びる２つのバリア部（27b）とで構成されている。磁石挿入部（27a）は、図５における平面視が長方形であり、当該磁石挿入部（27a）に磁石（22）が挿入される。磁石（22）の軸方向の全長は、第１コア（25）の軸方向の全長と概ね同じである。磁石（22）には、種々の永久磁石を用いることができる。具体的には、例えばＮｄ−Ｆ−Ｂ系の希土類焼結磁石やフェライト磁石等の採用が考えられる。
【００２７】
−第２コア（26）−
第２コア（26）は、図１、及び図４に示すように、ステータコア（11）との間で、径方向のギャップ（G1）及び軸方向のギャップ（G2）を形成する突条（28）が２つ設けられている。第２コア（26）は、磁石（22）を備えていない。なお、以下では説明の便宜のため、径方向及び軸方向の両方のギャップ（G1,G2）を形成する構造を立体ギャップ構造と呼ぶ。
【００２８】
図６は、突条（28）の断面の拡大図である。それぞれの突条（28）は、図６に示すように、２段の階段状の断面形状を有している。詳しくは、それぞれの突条（28）は、図６に示すように、軸方向に平行な２つの面（頂面（28a,28b）と呼ぶ）と、径方向に平行な４つの面（側面（28c,28c,28d,28d）と呼ぶ）とを有している。このような突条（28）は、積層板（P）の積層位置に応じて、積層板（P）の形状（直径）を変化させることで形成できる。
【００２９】
突条（28）と歯先部（15）のそれぞれに形成された凹凸構造は、互いに対向するようになっている。突条（28）の頂面（28a,28b）は、歯先部（15）に設けられた回転軸に平行な面とギャップ（G1）をもって対向し、突条（28）の側面（28c,28d）は、歯先部（15）に設けられた径方向に平行な面とギャップ（G2）をもって対向している。
【００３０】
第２コア（26）には、複数のフラックスバリア（29）が形成されている。それぞれのフラックスバリア（29）は、軸穴（24）の軸心回りに６０°ピッチで配置された貫通孔である。それぞれのフラックスバリア（29）は、第１コア（25）の磁石用スロット（27）と同じ断面形状を有している。
【００３１】
本実施形態では、第１コア（25）を２つの第２コア（26）で挟み込んだ状態で、磁石用スロット（27）とフラックスバリア（29）とが、図２における平面視で重なるようにロータコア（21）は組み立てられる。こうすることで、第１及び第２コア（25,26）を積み重ねた後で、磁石（22）を磁石用スロット（27）に挿入することができる。なお、第１コア（25）と第２コア（26）とは、例えばカシメなどで互いに固定すればよい。
【００３２】
そして、ロータコア（21）は、磁石（22）を磁石用スロット（27）に挿入した後に、軸方向の両端面に、軸方向にステータコア（11）を貫通するボルト（図示は省略）などによって、端板（23）が取り付けられる。端板（23）は、円板状の形態を有し、例えばステンレスなど非磁性金属で形成されている。
【００３３】
〈モータ（1）の組み立て〉
図７は、本実施形態のモータ（1）の組み立て方法を説明する斜視図である。図７では、分割ステータコア（16）のコイル（12）の図示を省略してある。ロータ（20）を組み立てた後に、図７に示すように、３つの分割ステータコア（16）によって、当該ロータ（20）を周方向から挟み込む。３つの分割ステータコア（16）は、例えばレーザー溶接によって互いに固定する。このように、ステータ（10）とロータ（20）とを組み合わせた後に両者をケーシング（40）に収容する。
【００３４】
〈本実施形態における効果〉
本実施形態では、磁石（22）を有した第１コア（25）は、径方向のギャップ（G1）のみをもってステータ（10）と対向させるとともに、第１コア（25）の両端に、磁石（22）が未挿入で立体ギャップ構造を持つ第２コア（26）を積層した。こうすることで磁石（22）の磁束を３次元的に漏らすことなく、磁石磁束を有効利用できる。また、ロータ（20）の両端部に設けた立体ギャップ構造の部分では、ロータとステータ間に径方向のギャップのみを有する場合と比べ、ギャップ対向面積が大きくなるので、その部分ではリラクタンストルクを有効利用できる。これにより、本実施形態では、トルクを増大させることが可能になる。
【００３５】
また、モータ（1）では、突条（28）の側面（28c,28d）がステータコア（11）と対向しているので、ステータ（10）からロータ（20）に向かう磁束が作用した場合には、その磁束の一部は、突条（28）の側面（28c,28d）から第２コア（26）に向かう（図８の太線矢印を参照）。そのため、過大な磁束がステータ（10）からロータ（20）に作用しても、磁石（22）が減磁されにくくなる。すなわち、モータ（1）では磁石（22）の減磁耐力が向上する。
【００３６】
《実施形態1の変形例》
図９は、（Ａ）は実施形態１の変形例に係るロータ（20）の斜視図であり、（Ｂ）は、本変形例におけるロータ（20）の断面図である。図９（Ｂ）では、ステータ（10）の断面も図示してある。この例では、ステータ（10）、及び第２コア（26）の構成が実施形態１とは異なっている。本変形例の第２コア（26）は、ひとつの突条（28）を有している。この突条（28）は、図９（Ｂ）に示すとおり、階段状の断面形状を有し、頂面（28e）、及び２つの側面（28f,28g）を有している。頂面（28e）は、径方向のギャップ（G1）をもってステータコア（11）と対向している。また、第１コア（25）側の側面（28f）は、軸方向ギャップ（G2）をもってステータコア（11）の径方向に平行な面と対向している。軸方向端部側の側面（28g）は、ステータコア（11）とは対向していない。すなわち、突条（28）は、第１コア（25）側の面のみが、ステータコア（11）と軸方向で対向する。なお、本変形例のステータコア（11）は、実施形態１のようには分割されていない（図１０参照）。
【００３７】
〈本変形例におけるモータ（1）の組み立て〉
図１０は、本変形例のモータ（1）の組み立て方法を説明する斜視図である。図１０では、ステータ（10）のコイル（12）の図示を省略してある。この例では、まず、第１コア（25）とひとつの第２コア（26）とを一体化した形態（ここではサブアッセンブリー（50）と呼ぶ）に、電磁鋼板を積層する。このサブアッセンブリー（50）をステータ（10）にセットする。具体的には、サブアッセンブリー（50）の第１コア（25）側からステータ（10）に挿入する（図１０では、ステータ（10）の左側から挿入してある）。この例では、突条（28）がステータコア（11）と軸方向で対向するのは、第１コア（25）側の面のみなので、挿入時に第２コア（26）の突条（28）とステータコア（11）とが干渉することがなく、このような挿入が可能になる。その後、もうひとつの第２コア（26）をステータ（10）に挿入して、サブアッセンブリー（50）と一体化する。この場合も、第２コア（26）の突条（28）がステータコア（11）と軸方向で対向するのは、第１コア（25）側の面のみなので、第２コア（26）の挿入時に、突条（28）とステータコア（11）とが干渉することがなく、該第２コア（26）をステータ（10）に容易に挿入できる。
【００３８】
このように、本変形例では、ステータコア（11）を分割することなく、それぞれ立体ギャップ構造を有したロータ（20）とステータ（10）とを組み立てることができる。すなわち、この例では分割ステータコア（16）同士を接合する工程が不要になる。
【００３９】
なお、第１コア（25）のみを先にステータ（10）内にセットしておいてから、２つの第２コア（26）を軸方向からそれぞれ挿入するようにしてもよい。
【００４０】
《発明の実施形態２》
図１１は、本発明の実施形態２に係るモータ（1）の構成を模式的に示す縦断面図である。また、図１２は、実施形態２に係るロータ（20）の斜視図である。本実施形態では、これらの図に示すように、ロータコア（21）は、２つの第１コア（25）と、ひとつの第２コア（26）を備え、ひとつの第２コア（26）が軸方向両側から第１コア（25）で挟み込まれて形成されている。
【００４１】
第１及び第２コア（25,26）は、実施形態１と同様の構成のものを用いている。すなわち、第１コア（25）は、円柱状の形態を有し、図１１に示すように、径方向のギャップ（G1）のみをもってステータコア（11）と対向する。また、第２コア（26）は、図１１に示すように、径方向のギャップ（G1）、及び軸方向のギャップ（G2）を形成する突条（28）が外周に２つ設けられている。この例でも、第２コア（26）は、磁石（22）を備えていない。
【００４２】
また、ステータコア（11）は、３つの分割ステータコア（16）で形成されている。それぞれの分割ステータコア（16）は、凹凸構造の設けられる位置が、実施形態１の例と異なっている。すなわち、この例では、突条（28）がロータ（20）の軸方向の中央付近に配置されるので、分割ステータコア（16）の凹凸構造もそれに対応した位置に設けられている。
【００４３】
本実施形態のロータ（20）とステータ（10）も実施形態1と同様の手順で組み立てることができる。そして、本実施形態でも、磁石（22）を有した第１コア（25）は、径方向のギャップ（G1）のみをもってステータ（10）と対向させ、第１コア（25）の両端に、磁石（22）を未挿入の立体ギャップ構造を持つ第２コア（26）を積層してある。そのため、この実施形態でも、磁石（22）の磁束を３次元的に漏らすことなく、磁石磁束を有効利用できる。また、立体ギャップ構造の部分では、実施形態１と同様にリラクタンストルクを有効利用できる。これにより、本実施形態でも、トルクを増大させることが可能になる。
【００４４】
また、本実施形態でも、突条（28）の側面（28c,28d）がステータコア（11）と対向しているので、ステータ（10）からロータ（20）に向かう磁束が作用した場合には、その磁束の一部は、突条（28）の側面（28c,28d）からロータコア（21）（詳しくは第２コア（26）側）に向かう（図１３の太線矢印を参照）。これにより、磁石（22）が減磁されにくくなる。すなわち、本実施形態でも磁石（22）の減磁耐力が向上する。
【００４５】
《その他の実施形態》
なお、ステータコア（11）やロータコア（21）は、圧粉で構成してもよい。また、ロータコア（21）については、第１及び第２コア（25,26）の一方を電磁鋼板で構成し、他方を圧粉で構成するなど、異種の材料を組み合わせてロータコア（21）を構成してもよい。
【００４６】
また、突条（28）の条数は例示である。また、突条（28）の形状も例示である。例えば、突条（28）は、段数を増やして３段以上の階段状とするなど種々の変形が考えられる。
【００４７】
また、第２コア（26）のフラックスバリア（29）の形状も例示であり、必ずしも磁石用スロット（27）と同じ断面形状にする必要はない。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明は、磁石が挿入されたロータを備えた回転電気機械として有用である。
【符号の説明】
【００４９】
１          モータ（回転電気機械）
１１        ステータコア
１３        コアバック
１４        ティース
２１        ロータコア
２２        磁石
２５        第１コア
２６        第２コア
２８        突条
Ｇ１，Ｇ２  ギャップ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図８】
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【図９】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図７】
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【図１０】
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