JP2008172918A - アキシャルギャップ型モータおよび圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】特性を低下させることなく、簡単な構成でコギングトルクやトルクリプルを低減できるアキシャルギャップ型モータを提供する。
【解決手段】第１ステータ１０の三相のコイル１３と第２ステータ２０の三相のコイル２３は、周方向に順に各相が巻回された集中巻であって、ロータ側から見て同一方向に巻回される。第１ステータ１０においてＵ相とＶ相のコイル１３が巻回されたティース１２の中間に対応する部分に、第２ステータ２０のＷ相のコイル２３が巻回されたティース２２が配置され、第１ステータ１０においてＶ相とＷ相のコイル１３が巻回されたティース１２の中間に対応する部分に、第２ステータ２０のＵ相のコイル２３が巻回されたティース２２が配置され、第１ステータ１０においてＷ相とＵ相のコイル１３が巻回されたティース１２の中間に対応する部分に、第２ステータ２０のＶ相のコイル２３が巻回されたティース２２が配置される。
【選択図】図１

Description

この発明は、アキシャルギャップ型モータおよび圧縮機に関する。

従来、アキシャルギャップ型モータとしては、ロータと、上記ロータの軸方向にエアギャップを介して対向するステータとを備えたものがある。

上記従来のアキシャルギャップ型モータは、薄型化できる点や磁極面積を大きくすることによりトルク密度を向上できる点で望ましい。

また、上記アキシャルギャップ型モータでは、ロータにスラスト力が発生するが、例えば二つのロータを一つのステータに対して互いに反対側に設けたり、二つのステータを一つのロータに対して互いに反対側に設けたりして、アキシャルギャップ型モータに生じるストラス力を打ち消し合うことができる。

特に、一つのロータに対して二つのステータを設ける場合が望ましい。なぜなら、ロータが一つであるため、風損を低減できると共に、ロータを回転軸に対して保持することが容易であるためである。

なお、特許文献１(特開２００１−１３６７２１号公報)および特許文献２(特開２００６−２５４８６号公報)には、一つのロータに対して二つのステータを設けたアキシャルギャップ型モータが紹介されている。この特許文献１では、上記ロータは、互いに極性が異なる二つの磁極面を有する磁石の複数を有し、上記磁極面の一方がステータの一方に対向し、上記磁極面の他方がステータの他方に対向している。また、特許文献２では、２以上のステータの巻線方式が異なる。また、特許文献３(特開２００２−３６９４６７号公報)では、２つのステータをわずか周方向にずらすことで、いわゆるスキュー効果を実現している。

上述した特許文献１のアキシャルギャップ型モータにおいて、２面有する空隙のいずれもが、ロータの磁極とステータのティースとの位置関係が同一であり、コギングトルクやトルクリプルが増大する。

また、特許文献２は、２以上のステータが、少なくとも２つの異なる巻線方式を有している。例えばトロイダル巻と分布巻,といった組合せである。軸長を短くしようとすれば、集中巻かトロイダル巻が良いが、トロイダル巻は、集中巻に比べると、ヨーク部にコイルが巻回されるため、外径が大きくなってしまう。

また、特許文献３は、２つのステータを周方向にずらすことで、いわゆるスキュー効果により、コギングトルクやトルクリプルを低減しようというものである。しかし、例えば最大トルク制御をしようとした場合、スキューにより、いずれのステータにとっても、個々に最大トルク制御をした場合と比べ、起磁力は低下して、トルクが低下する。また、個々の最大トルク制御となるように制御するには、２つのインバータが必要となり構成が複雑となる。

このように、ロータの軸方向両側にステータを有するアキシャルギャップ型モータにおいて、特性を低下させることなく、コギングトルクやトルクリプルを低減することが容易にできないという問題がある。
特開２００１−１３６７２１号公報 特開２００６−２５４８６号公報 特開２００２−３６９４６７号公報

そこで、この発明の課題は、ロータの軸方向両側にステータを有するアキシャルギャップ型モータの特性を低下させることなく、簡単な構成でコギングトルクやトルクリプルを容易に低減できるアキシャルギャップ型モータおよびそれを用いた圧縮機を提供することにある。

上記課題を解決するため、この発明のアキシャルギャップ型モータは、
回転軸に固定されたロータと、上記ロータの軸方向両側にエアギャップを介して夫々対向する第１ステータおよび第２ステータとを備えたアキシャルギャップ型モータであって、
上記ロータは、軸方向両側に面する第１磁極面および第２磁極面が互いに異なる極性を呈する磁石を有し、
上記第１,第２ステータは、バックヨークと、上記バックヨークの上記ロータ側に軸方向に設けられた複数のティースと、上記複数のティースに巻回された三相のコイルとを有し、
上記第１ステータの上記コイルと上記第２ステータの上記コイルは、周方向に順に各相が巻回された集中巻であって、上記ロータ側から見て同一方向に巻回されており、
上記第１ステータにおいて第一の相と第二の相の上記コイルが巻回された上記ティースの中間に対応する部分に、上記第２ステータの第三の相の上記コイルが巻回された上記ティースが配置され、
上記第１ステータにおいて上記第二の相と第三の相の上記コイルが巻回された上記ティースの中間に対応する部分に、上記第２ステータの第一の相の上記コイルが巻回された上記ティースが配置され、
上記第１ステータにおいて上記第三の相と上記第一の相の上記コイルが巻回された上記ティースの中間に対応する部分に、上記第２ステータの第二の相の上記コイルが巻回された上記ティースが配置されていることを特徴とする。

ここで「同一方向に巻回される」とは、実際に巻線工程において、どの方向に向かって巻回されたかではなく、例えば、電源から中性点に向けて通電したとき、通電方向が同一になる場合をさす。

上記構成のアキシャルギャップ型モータによれば、上記第１,第２ステータのコイルに通電される電流により発生する磁界は、２つの第１,第２ステータで１８０°位相がずれることなり、対向するロータの位相が１８０°ずれるので、同一トルク、同一スラスト力を発生する。また、ティースは、２つの第１,第２ステータで、ティースピッチの１／２ずれるため、コギングトルクやトルクリプルも低減される。したがって、同時に最大トルク制御を行うことができるために特性の低下がなく、コギングトルクやトルクリプルを低減する。このように、ロータの軸方向両側にステータを有するアキシャルギャップ型モータの特性を低下させることなく、簡単な構成でコギングトルクやトルクリプルを容易に低減できる。

また、一実施形態のアキシャルギャップ型モータでは、
上記ロータは、多極着磁された１つの上記磁石を軸方向に１層だけ設け、
上記１つの磁石の上記同一極の軸方向に面する両面が、互いに異なる極性を呈する上記第１磁極面および上記第２磁極面である。

上記実施形態によれば、多極着磁された１つの磁石が軸方向に１層だけ設けられ、上記１つの磁石の同一極の軸方向に面する両面を、互いに異なる極性を呈する第１磁極面および第２磁極面とすることによって、磁石量を低減でき、生産性を更に向上させることができると共に、２つのステータに略同一量の磁束を鎖交させることができる。

また、一実施形態のアキシャルギャップ型モータでは、
上記ロータは、周方向に配置された複数の上記磁石を軸方向に１層だけ設け、
上記各磁石の軸方向に面する両面が、互いに異なる極性を呈する上記第１磁極面および上記第２磁極面である。

上記実施形態によれば、周方向に配置された複数の磁石が軸方向に１層だけ設けられ、各磁石の軸方向に面する両面を、互いに異なる極性を呈する第１磁極面および第２磁極面とすることによって、磁石量を低減でき、生産性を更に向上させることができると共に、２つのステータに略同一量の磁束を鎖交させることができる。

また、一実施形態のアキシャルギャップ型モータでは、上記磁石の両面に、磁極毎に磁気的に分離された磁性体鉄心を設けた。

上記実施形態によれば、上記磁石の両面に、磁極毎に磁気的に分離された磁性体鉄心を設けることによって、磁石の減磁をより効率良く防止できる。

また、一実施形態のアキシャルギャップ型モータでは、上記ロータの周方向に隣接する上記磁石の間に、磁気的に隔てられて、上記ロータの両側に磁性体を設けた。

上記実施形態によれば、上記ロータの周方向に隣接する上記磁石の間に、磁気的に隔てられて、ロータの両側に設けられた磁性体は、ｑ軸にロータを貫通する磁路を作るためのいわゆるq軸磁束磁路を形成する。これによって、ｑ軸インダクタンスが高くなり、q軸インダクタンスとｄ軸インダクタンスの差に比例して発生するリラクタンストルクを利用することができる。

また、一実施形態のアキシャルギャップ型モータでは、上記第１ステータと上記第２ステータとは、略同一形状である。

上記実施形態によれば、上記第１ステータと第２ステータが略同一形状(巻線仕様も同一)であることによって、２つのステータの磁気抵抗を略同一にすることができ、２つのステータに略同一量の磁束を鎖交させることができる。

また、一実施形態のアキシャルギャップ型モータでは、上記第１,第２ステータの上記ティースの先端に少なくとも周方向に幅広とした幅広部を設けた。

上記実施形態によれば、上記ステータのティースの先端に少なくとも周方向に幅広とした幅広部を設けることによって、ロータの磁束をより多く第１,第２ステータに鎖交させることができる。

また、一実施形態のアキシャルギャップ型モータでは、上記第１ステータの上記ティースと上記第２ステータの上記ティースの軸方向に投影した部分は、少なくとも周方向全周にわたって存在する。

上記実施形態によれば、上記第１ステータのティースと第２ステータのティースを軸方向に投影した部分が、少なくとも周方向全周にわたって存在するようにしたことによって、コギングトルクを更に低減でき、また、磁石の動作点磁束密度を向上できる。

また、一実施形態のアキシャルギャップ型モータでは、上記ステータの上記バックヨークに位置決め手段を有する。

上記実施形態によれば、上記第１,第２ステータのバックヨークに位置決め手段を設けることによって、２つのステータの位置決めが容易にでき、信頼性が高い。また、位置決め手段としてバックヨークに外周カットや穴を設けた場合、このアキシャルギャップ型モータを圧縮機に搭載した場合、バックヨークに外周カットや穴を油戻り通路として利用することができる。

また、この発明の圧縮機では、上記のいずれか１つのアキシャルギャップ型モータを搭載したことを特徴とする。

上記構成によれば、ロータの軸方向両側に第１,第２ステータを有するアキシャルギャップ型モータの特性を低下させることなく、簡単な構成でコギングトルクやトルクリプルを容易に低減できるアキシャルギャップ型モータを搭載することにより、高性能な圧縮機を実現できる。

以上より明らかなように、この発明のアキシャルギャップ型モータによれば、ロータの軸方向両側にステータを有するアキシャルギャップ型モータの特性を低下させることなく、簡単な構成でコギングトルクやトルクリプルを容易に低減できるアキシャルギャップ型モータを実現することができる。

また、一実施形態のアキシャルギャップ型モータによれば、多極着磁された１つの磁石が軸方向に１層だけ設けられ、上記１つの磁石の同一極の軸方向に面する両面を、互いに異なる極性を呈する第１磁極面および第２磁極面とすることによって、磁石量を低減でき、生産性を更に向上させることができると共に、２つのステータに略同一量の磁束を鎖交させることができる。

また、一実施形態のアキシャルギャップ型モータによれば、周方向に配置された複数の磁石が軸方向に１層だけ設けられたロータにおいて、各磁石の軸方向に面する両面を、互いに異なる極性を呈する第１磁極面および第２磁極面とすることによって、磁石量を低減でき、生産性を更に向上させることができると共に、２つのステータに略同一量の磁束を鎖交させることができる。

また、一実施形態のアキシャルギャップ型モータによれば、上記ロータの磁石の両面に、磁極毎に磁気的に分離された磁性体鉄心を設けることによって、磁石の減磁をより効率良く防止することができる。

また、一実施形態のアキシャルギャップ型モータによれば、上記ロータの周方向に隣接する磁石の間に、かつ、ロータの両側に磁気的に隔てられて設けられた磁性体は、ｑ軸にロータを貫通する磁路を作るためのいわゆるq軸磁束磁路を形成するので、ｑ軸インダクタンスが高くなり、q軸インダクタンスとｄ軸インダクタンスの差に比例して発生するリラクタンストルクを利用することができる。

また、一実施形態のアキシャルギャップ型モータによれば、上記第１ステータと第２ステータが略同一形状(巻線仕様も同一)であることによって、２つのステータに略同一量の磁束を鎖交させることができる。

また、一実施形態のアキシャルギャップ型モータによれば、上記ステータのティースの先端に少なくとも周方向に幅広とした幅広部を設けることによって、ロータの磁束をより多く第１,第２ステータに鎖交させることができる。

また、一実施形態のアキシャルギャップ型モータによれば、上記第１ステータのティースを軸方向に投影した部分と第２ステータのティースを軸方向に投影した部分が、少なくとも周方向全周にわたって存在することによって、コギングトルクを更に低減できると共に、磁石の動作点磁束密度を向上できる。

また、一実施形態のアキシャルギャップ型モータによれば、上記第１,第２ステータのバックヨークに位置決め手段を設けることによって、２つのステータの位置決めが容易にでき、信頼性を向上できる。

また、この発明の圧縮機によれば、特性を低下させることなく、簡単な構成でコギングトルクやトルクリプルを容易に低減できるアキシャルギャップ型モータを搭載することにより、高性能な圧縮機を実現することができる。

以下、この発明のアキシャルギャップ型モータおよび圧縮機を図示の実施の形態により詳細に説明する。

〔第１実施形態〕
図１はこの発明の第１実施形態のアキシャルギャップ型モータの第１,第２ステータを展開してロータ側から見た平面図を示している。この第１実施形態のアキシャルギャップ型モータは、回転軸(図示せず)に固定されたロータ３０(図２に示す)と、上記ロータ３０の軸方向両側にエアギャップを介して夫々対向する第１ステータ１０および第２ステータ２０とを備えている。図１に示すように、第１ステータ１０は、円板形状のバックヨーク１１と、そのバックヨーク１１のロータ側に立設されたティース１２と、上記ティース１２に巻回された三相のコイル１３とを有している。また、第２ステータ２０は、円板形状のバックヨーク２１と、そのバックヨーク２１のロータ側に立設されたティース２２と、上記ティース２２に巻回された三相のコイル２３とを有している。なお、図１は、第１ステータ１０と第２ステータ２０の間の折り曲げ線(一点鎖線)を基準にして、第１ステータ１０と第２ステータ２０を展開した図である。また、図１において、第１ステータ１０のコイルＵ１とコイルＶ１との間の部分が第２ステータ２０のコイルＷ４とが対向し、第１コイルＵ１とコイルＶ１との間の部分から時計回りにコイルＶ１とコイルＷ１との間の部分, コイルＷ１とコイルＵ２との間の部分,…の順に、第２ステータ２０のコイルＷ４から反時計回りに各相のコイルが対向している。

上記第１ステータ１０のコイル１３と第２ステータ２０のコイル２３は、周方向に順に各相が巻回された集中巻であって、第１,第２ステータ１０,２０に軸方向両側から挟まれるロータ３０(図２に示す)側から見て同一方向に巻回されている。上記第１ステータ１０のコイル１３の巻き始め(または巻き終わり)を中性点側(図１の１５に示す)とし、第２ステータ２０のコイル２３の巻き始め(または巻き終わり)が中性点側(図１の２５に示す)とし、第１,第２ステータ１０,２０の巻線仕様を同一としている。

また、図２は上記アキシャルギャップ型モータのロータ３０の分解斜視図を示している。ロータ３０は、界磁部３１と連結部３５とを備え、回転軸(図示せず)を中心として回転可能である。なお、図２では、界磁部３１と連結部３５とが回転軸に沿ってずれて示されている。実際には、ロータ３０は、軸方向両側から図１に示す第１ステータ１０と第２ステータ２０により挟まれた状態で配置される。

上記界磁部３１は、磁石３２と、上記磁石３２を軸方向両側から挟む磁性体鉄心の一例としての磁性体板３３,３４とを有する。上記磁石３２は、軸方向両側に互いに異なる極性を呈する第１磁極面および第２磁極面を有する。例えば、第１磁極面はＮ極を呈し、第２磁極面はＳ極を呈する。

上記磁石３２には、磁束密度が大きくするため、焼結された希土類磁石を採用することが望ましい。この場合、希土類磁石、特に焼結した磁石は導電率が高く、渦電流損が生じやすいが、後述する磁性体板３３,３４に、希土類磁石に比べて導電率の小さい磁性材を用いることで、渦電流損の発生を抑制することができる。

また、上記磁性体板３３,３４はそれぞれ、磁石３２の第１磁極面および第２磁極面に設けられる。このとき、磁性体板３３,３４は、接着剤等を用いて磁石３２に固定する。

上記磁性体板３３,３４の軸方向の厚みを、接着剤の分だけ小さくすることで、界磁部３１の軸方向の厚みの増加が回避できる。しかし、磁性体板３３,３４の厚みが減少した分だけ、磁気特性が低下する恐れがあるので、接着剤には、磁性材から成るものを採用することが望ましい。磁性材からなる接着剤を用いることにより、磁性体板３３,３４の厚みを減少したことによる磁気特性の低下を補うことができる。

磁性体板３３,３４には、磁気的に等方性を有する圧粉磁心を採用すること、特に圧粉鉄心を採用することにより、磁性体板３３,３４で渦電流損が生じにくくできる。

上記界磁部３１は、回転軸の周りで周方向に沿って環状に配置され、周方向に沿って互いに離間している。このとき、磁石３２についてみれば、磁石３２も回転軸の周りで周方向に沿って環状に配置される。

周方向において互いに隣接する磁石３２は、軸方向両側において互いに異なる極性を呈する。つまり、隣接する一方の磁石３２が軸方向の一方の側に第１磁極面を向けている場合、隣接する他方の磁石３２は同じ軸方向の一方の側には第２磁極面を向けている。軸方向の他方側においても同様である。ただし、この発明はこれに限定されるものではない。

また、上記連結部３５は、非磁性体から成り、界磁部３１同士を連結する。上記連結部３５の非磁性体は、樹脂などの非金属であっても良いし、アルミやステンレスなどの金属であっても良い。上記連結部３５に非金属を採用すれば、連結部３５で渦電流損が生じない。他方、上記連結部３５に金属を採用すれば、連結部３５の強度が高まる。

なお、ロータは、軸方向両側に現れる磁極が逆になればよい。そのために、最小の構成は、軸方向における磁石の層数が１である。また、磁石両側にコア(磁性体板)が存在するのは、磁石内部の渦電流を低減するためである。特に、ＰＷＭ制御のキャリア成分の磁束の変化による渦電流損を低減できる。

図３Ａは上記アキシャルギャップ型モータに用いることができる他のロータ１３０の平面図を示し、図３Ｂは図３ＡのIIIB−IIIB線から見た断面図を示している。

図３Ａ,図３Ｂに示すように、ロータ１３０は、円筒形状の連結部１３５から半径方向外向に放射状に設けられた磁性体の一例としてのコア１３１と、上記コア１３１の間に周方向に配置された磁石１３２とを有している。また、磁石１３２の軸方向の両端にもコア１３１が配置される。コア１３１は、磁石に接する部分と、磁石間に半径方向に放射状に設けられる部分とは、磁束の漏洩を防止するため、スリット１３１aで隔てられる。上記磁石１３２の間にコア１３１を設けることによって、ｑ軸インダクタンスが高くなり、電流位相をｑ軸から所定角度進めることにより、q軸インダクタンスとｄ軸インダクタンスの差に比例して発生するリラクタンストルクを利用することができる。

また、図４は上記アキシャルギャップ型モータに用いることができる他のもう一つのロータ２３０の斜視図を示している。

図４に示すように、ロータ２３０は、１枚の磁石２３２を有し、その磁石２３２を周方向に多極着磁して利用する。この場合、磁石の内径を小さくして直接回転軸(図示せず)に勘合させても良いが、非磁性体の磁石ホルダー(図示せず)を介して回転軸に勘合させてもよい。

また、図５は上記アキシャルギャップ型モータに用いることができる他のもう一つのロータ３３０の斜視図を示している。

図５に示すように、ロータ３３０は、バックヨーク３３１と、そのバックヨーク３３１の軸方向両側に周方向に配置された複数の磁石３３２とを有している。この磁石３３２を軸方向に２層に設けているが、磁極の配置は上記図２のロータ３０と同一である。こうすることにより、バックヨーク３３１の厚みを小さくすることができる。バックヨーク３３１は、磁石３３２を保持し、かつ、内周に設けられた円穴３３１aに回転軸(図示せず)を勘合するために用いられる。例えば、周方向に隣接する磁極へ流れずに、軸方向に対向する磁石へ磁束が流れるためである。

上記ロータ３０(１３０,２３０,３３０)の軸方向の一方の側に、わずかな空隙(エアギャップ)を隔てて第１ステータ１０が対向すると共に、ロータ３０(１３０,２３０,３３０)の軸方向の他方の側に、わずかな空隙(エアギャップ)を隔てて第２ステータ２０が対向する。

この発明のアキシャルギャップ型モータの第１,第２ステータは、円盤状のバックヨークから、回転軸の周りで周方向に沿ってかつ互いに離間して配置された磁性体からなる複数のティースが設けられ、ティースに対してそれぞれ単独にコイルが巻回される集中巻である。

このアキシャルギャップ型モータのロータの極数と第１,第２ステータのティース数の関係は、回転磁界を発生してロータが回転する限りにおいて任意であるが、３相巻線が施される場合、２ｎ／３ｎ、８ｎ／９ｎ、１０ｎ／１２ｎ(ｎは自然数)等が考えられるが、この第１実施形態においては、ロータの極数と第１,第２ステータのティース数の関係は８／１２である。

この場合、ティースには、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の順に巻回される。それぞれの相は、通常スター結線、または、場合によってはデルタ結線され、その端子を、３相電源として機能するインバータ出力端子に接続される。

なお、同一ロータ内の同一相のコイルは、直列に接続してもよいし、並列に接続してもよい。

図６に示すように、同一相のコイルを並列に接続した場合、いずれのコイルも一方が直接電源側につながれ、他方が中性点側につながれる。すなわち、図６では、コイルＵ1,Ｕ2,Ｕ3,Ｕ4の一端が電源側に接続され、コイルＶ1,Ｖ2,Ｖ3,Ｖ4の一端が電源側に接続され、コイルＷ1,Ｗ2,Ｗ3,Ｗ4の一端が電源側に接続される一方、コイルＵ1,Ｕ2,Ｕ3,Ｕ4の他端とコイルＶ1,Ｖ2,Ｖ3,Ｖ4の他端とコイルＷ1,Ｗ2,Ｗ3,Ｗ4の他端が中性点側で接続されている。

一方、図７に示すように、同一相のコイルを直列に接続した場合、一のコイルの巻き始めが他のコイルの巻き終わりに接続される。すなわち、図７では、直列接続されたコイルＵ1,Ｕ2,Ｕ3,Ｕ4の一端が電源側に接続され、直列接続されたコイルＶ1,Ｖ2,Ｖ3,Ｖ4の一端が電源側に接続され、直列接続されたコイルＷ1,Ｗ2,Ｗ3,Ｗ4の一端が電源側に接続される一方、直列接続されたコイルＵ1,Ｕ2,Ｕ3,Ｕ4の他端と直列接続されたコイルＶ1,Ｖ2,Ｖ3,Ｖ4の他端と直列接続されたコイルＷ1,Ｗ2,Ｗ3,Ｗ4の他端が中性点側で接続されている。

この説明では、より電源側に近いか、中性点側に近いかで、「電源側」「中性点側」という表現を用いる。

この発明のアキシャルギャップ型モータの第１ステータと第２ステータとの結線も、同一相のコイルを直列に接続してもよいし、同一相のコイルを並列に接続してもよい。並列の場合、第１ステータと第２ステータとは単独に中性点接続ができる。

上記第１ステータも、ロータ側から見て、所定の巻回方向に巻回されたコイルを有し、第１ステータにおいて第一の相と第二の相のコイルが巻回されるティースの中間に対応する部分に、第２ステータの第三の相のコイルが所定の巻回方向と同一方向に巻回される。また、第１ステータにおいて第二の相と第三の相のコイルが巻回されるティースの中間に対応する部分に、第２ステータの第一の相のコイルが所定の巻回方向と同一方向に巻回される。さらに、第１ステータにおいて第三の相と第一の相のコイルが巻回されるティースの中間に対応する部分に、第２ステータの第二の相のコイルが所定の巻回方向と同一方向に巻回される。

具体的には、図１に示すように、第１ステータのＵ相のコイルＵ１とＶ相のコイルＶ１が巻回されるティースの間に対応する位置において、第２ステータでは、Ｗ相のコイルＷ４が巻回されるティースを有する。例えば、第１ステータのＵ相のコイルとＶ相のコイルの合成磁界は、３相平衡である限り、Ｕ＋Ｖ＋Ｗ＝０であるため、Ｕ＋Ｖ＝−Ｗとなる。つまり、第１ステータのＵ相のコイルとＶ相のコイルの間は、−Ｗと等価となる。

一方、これに対向する第２ステータは、Ｗ相のコイルの巻回されたティースがあり、−Ｗ相のからＷ相に、対向するロータの磁極との関係において、２つの第１,第２ステータは、ロータに対して、同一の回転磁界を発生するとみることができる。

このとき、ティースに対する巻回方向、すなわち、現にどこから巻き始めてどちらの方向に巻回したかは重要ではなく、例えば、電源から中性点に向けて通電したとき、通電方向が同一になる場合をさす。すなわち、結線との関係で、どちら向きに電流が流れるような状態かをいう。ただし、製造の面からは、コイルを単体で同一方向に巻回したものを、それぞれのステータに設けることを考えると、実際の巻回方向も同一であることが望ましい。

これにより、ステータの突極性を除けば、ステータのコイルに通電される電流により発生する磁界は、２つの第１,第２ステータで１８０°位相がずれることなり、対向するロータの位相が１８０°ずれるので、同一トルク、同一スラスト力を発生することは明らかである。また、ティースは、２つの第１,第２ステータで、１５°ずれて設けられているため、コギングトルクやトルクリプルにとっては、低減される方向となる。したがって、同時に最大トルク制御を行うことができるために特性の低下がなく、コギングトルクやトルクリプルを低減することができる。

２つの第１,第２ステータのコイル端を結線する場合は、少なくともロータの外周を通っていくしかない。そこで、ティースの外周側で結線するのがより好適であるが、ティースの外周側ほど周長が長くなるため、ティースもできるだけ外周部に配置させたい。そうすると、結線を内周に持ってくる方が、特性の面からは望ましい。

図９は、上記ステータと置き換え可能なステータ１１０の鉄心形状を示す。図９に示すステータの鉄心形状は、バックヨーク１１１と、バックヨーク１１１に立設されたティース１１２と、そのティース１１２の先端に配置された幅広コア１１３を有する。上記ステータ１１０は、この発明の第１,第２ステータである。

また、図１０は図９に示す幅広コア１１３の平面図を示している。図１０に示すように、幅広コア１１３を設けることによって、空隙面積が増大し、ロータの磁束をより多くステータに鎖交させることができる。この幅広コア１１３は、隣接する幅広コア１１３間を、短絡しない程度に離す必要がある。例えば、隣接する幅広コアの間隔は、ロータと幅広コアとの間の空隙長の２倍を超えることが望ましい。ただし、第１ステータのティースと、第２ステータのティースとは、軸方向に投影すると、少なくとも周方向全周にわたって存在することが望ましい。つまり、ロータの磁極面は、２つのステータに対向するいずれかの面において、ステータ鉄心が近接していれば、磁気抵抗が高い部分が発生しにくくなり、磁石全体の動作点磁束密度が上がり、また、パーミアンス係数が高くなり、減磁にも有利である。

また、図１１は、図９における幅広コアの別の形態を示している。図１１に示すように、幅広コア２１３は、外周および内周において薄肉部２１３aで連結されることにより一体として扱うことができる。また、この場合、ロータと幅広コアとの間の空隙面の精度も良好である。なお、薄肉で連結された部分は、ロータの磁極と対向しない方が良い。

図１２〜図１５は、図２に示すロータ３０(コアを除く)と図１に示す第１,第２ステータ１０,２０を、磁石を含む円筒面で切断した部分を展開した断面図である。図８はこの発明のアキシャルギャップ型モータの通電状態の三相電流波形を示しており、Ａ点は図１２の状態、Ｂ点は図１３の状態、Ｃ点は図１４の状態、Ｄ点は図１５の状態を示している。

なお、図１２〜図１５において、「○」印の中に「・」のある記号は、紙面の裏面から表面に向かって電流が流れている状態を示し、「○」印の中に「×」のある記号は、紙面の表面から裏面に向かって電流が流れている状態を示す。図１２〜図１５中の矢印は、巻き線電流による磁束の方向を示している。図より、２つのステータが発生する起磁力は同一であることがわかる。

図１２〜図１５に示すように、磁気回路としては、第１ステータ１０からロータ３０を貫通して第２ステータ２０に渡るという磁路を通ることになる。第１ステータ１０と第２ステータ２０を同一形状、また、同一巻数、同一電流を流すことで、２面の空隙にほぼ同一のトルクが働くと共に、スラスト力が働く。この第１ステータ１０と第２ステータ２０の磁気力によるスラスト力は軸方向逆向きであるので、両者は互い打ち消し合ってキャンセルされる。

また、図１６は、図１２において図１に示す第１,第２ステータ１０,２０のティースの先端に幅広コアを設けた場合の断面図を示している。図１６において、１４,２４は幅広部の一例としての幅広コアである。

上記第１,第２ステータ１０,２０のティースの先端に少なくとも周方向に幅広とした幅広部である幅広コア１４,２４を設けることによって、ロータ３０の磁束をより多く第１,第２ステータ１０,２０に鎖交させることができる。

また、上記第１ステータ１０のティースを軸方向に投影した部分と第２ステータ２０のティースを軸方向に投影した部分が、少なくとも周方向全周にわたって存在することによって、コギングトルクを更に低減できると共に、磁石３２の動作点磁束密度を向上できる。さらに、隣接する幅広コア１４，２４間の隙間を、半径方向からずらせば、スキュー効果によるコギングトルクの更なる低減が可能となる。

上記第１実施形態のアキシャルギャップ型モータによれば、ロータ３０(１３０,２３０,３３０)の軸方向両側に第１,第２ステータ１０,２０を有するアキシャルギャップ型モータにおいて、特性を低下させることなく、コギングトルクやトルクリプルを低減できるアキシャルギャップ型モータを実現することができる。

また、図４に示すように、多極着磁された１つの磁石２３２が軸方向に１層だけ設けられ、その１つの磁石２３２の同一極の軸方向に面する両面を、互いに異なる極性を呈する第１磁極面および第２磁極面とすることによって、磁石量を低減でき、生産性を更に向上させることができると共に、２つのステータに略同一量の磁束を鎖交させることができる。

また、図２,図３Ａ,図３Ｂに示すように、周方向に配置された複数の磁石３２,１３２が軸方向に１層だけ設けられたロータ３０,１３０において、各磁石３２,１３２の軸方向に面する両面を、互いに異なる極性を呈する第１磁極面および第２磁極面とすることによって、磁石量を低減でき、生産性を更に向上させることができると共に、２つのステータに略同一量の磁束を鎖交させることができる。

また、図２に示すように、ロータ３０の磁石３２の両面に、磁極毎に磁気的に分離された磁性体鉄心である磁性体板３３,３４を設けることによって、磁石３２の減磁をより効率良く防止することができる。

また、図３Ａ,図３Ｂに示すロータ１３０の周方向に隣接する磁石１３２の間に、かつ、ロータ１３０の両側に磁気的に隔てられて設けられた磁性体の一例としてのコア１３１が、ｑ軸にロータ１３０を貫通する磁路を作るためのいわゆるq軸磁束磁路を形成する。これによって、ｑ軸インダクタンスが高くなり、q軸インダクタンスとｄ軸インダクタンスの差に比例して発生するリラクタンストルクを利用することができる。

また、上記第１ステータ１０と第２ステータ２０が略同一形状(巻線仕様も同一)で、さらに、２面の空隙長を略同一とすることで、２つのステータに略同一量の磁束を鎖交させることができる。

〔第２実施形態〕
図１７Ａはこの発明の第２実施形態のアキシャルギャップ型モータを搭載したロータリ圧縮機の縦断面図である。このロータリ圧縮機は、高圧ドーム型である。なお、この第２実施形態のロータリ圧縮機には、第１実施形態のアキシャルギャップ型モータを用いる。

この第２実施形態のロータリ圧縮機は、図１７Ａに示すように、密閉容器４０１と、上記密閉容器４０１内に配置された圧縮機構部４０２と、上記密閉容器４０１内かつ圧縮機構部４０２の上側に配置され、圧縮機構部４０２を回転軸４０４を介して駆動するアキシャルギャップ型モータ４０３とを備えている。上記密閉容器４０１の下側側方に、吸入管４４１を接続する一方、密閉容器４０１の上側に吐出管４４２を接続している。上記吸入管４４１から供給される冷媒ガスは、圧縮機構部４０２の吸込側に導かれる。

上記アキシャルギャップ型モータ４０３は、密閉容器４０１内側に外周側の一部が固定され、中央部を回転軸４０４が貫通する２つの上側の第１ステータ４１０,下側の第２ステータ４２０と、上記第１ステータ４１０, 第２ステータ４２０の軸方向の間に配置され、回転軸４０４に外嵌して固定されたロータ４３０を有する。上記ロータ４３０が固定された回転軸４０４の下端側を圧縮機構部２に連結している。

また、上記圧縮機構部４０２は、シリンダ状の本体部４４０と、この本体部４４０の上下の開口端のそれぞれに取り付けられた上端板４０８および下端板４０９とを備える。上記回転軸４０４は、上端板４０８および下端板４０９を貫通して、本体部４４０の内部に挿入されている。上記回転軸４０４は、圧縮機構部４０２の上端板４０８に設けられた軸受４５１と、圧縮機構部４０２の下端板４０９に設けられた軸受４５２により回転自在に支持されている。上記本体部４４０内の回転軸４０４にクランクピン４０５が設けられ、そのクランクピン４０５に嵌合され駆動されるピストン４０６とそれに対応するシリンダとの間に形成された圧縮室４０７により圧縮を行う。ピストン４０６は偏芯した状態で回転し、または、公転運動を行い、圧縮室４０７の容積を変化させる。

上記構成のロータリ圧縮機において、アキシャルギャップ型モータ４０３を回転させることにより圧縮機構部４０２を駆動すると、吸入管４４１から圧縮機構部４０２に冷媒ガスが供給され、圧縮機構部４０２で冷媒ガスを圧縮する。そうして圧縮機構部４０２で圧縮された高圧冷媒ガスは、圧縮機構部４０２の吐出ポート４２３より密閉容器４０１内に吐出され、回転軸４０４の周りに設けられた溝(図示せず)、第１ステータ４１０, 第２ステータ４２０およびロータ４３０の内部を軸方向に貫通する穴(図示せず)、第１ステータ４１０, 第２ステータ４２０およびロータ４３０の外周部と密閉容器４０１の内面との間の空間等を通ってアキシャルギャップ型モータ４０３の上部空間に運ばれた後、吐出管４４２を介して密閉容器４０１の外部に吐出される。

図１７Ｂは上記ロータリ圧縮機のアキシャルギャップ型モータのホルダーを用いたロータ構造を説明するための模式図である。図１７Ｂにおいて、右側が回転軸側、左側がロータ外周側である。図１７Ｂに示すロータ４３０の構造は、非磁性体からなるホルダー４３３に、軸方向両側から磁性体鉄心の一例としてのコア４３１,４３１に挟まれた磁石４３２が埋め込まれている。

また、図１７Ｃは上記ロータリ圧縮機のアキシャルギャップ型モータの樹脂モールドを用いたロータ構造を説明するための模式図である。図１７Ｃにおいて、右側が回転軸側、左側がロータ外周側である。図１７Ｃに示すロータ４４０の構造は、軸方向両側から磁性体鉄心の一例としてのコア４４１,４４１に挟まれた磁石４４２が樹脂４４３によりモールドされている。

上記第２実施形態のロータリ圧縮機において、アキシャルギャップ型モータ４０３の第１ステータ４１０,第２ステータ４２０は、位置合わせのための位置決め手段を設けると良い。

例えば、図１８に示すように、第１,第２ステータのバックヨーク５１１,５２１に位置決め手段の一例としての切り欠き５１１a,５２１aを夫々設け、切り欠き５１１a,５２１aの位置を合わせるように組み立てる等である。図１８において、ティースやコイルは省略し、バックヨークのみ示している。このステータのバックヨーク５１１,５２１の切り欠き５１１a,５２１aは、圧縮機に搭載した場合、冷凍機油を戻す通路としても用いられる。図１８において、５１２,５２２は結線板であり、実際はティースが貫通する孔や蒸着された配線パターンが設けられるが、図では省略し、バックヨークとの関係のみを示している。バックヨークと同じ位置に切り欠きを有し、位置合わせを行う。

なお、コイルとコアの絶縁物を２つのステータで変更する場合、それぞれ間違えないよう目印が必要である。

例えば、図１９に示すように、第１,第２ステータのバックヨーク６１１,６２１に、外周の切り欠き６１１a,６２１aと外周付近の穴６１１b,６２１bがあり、切り欠き６１１a,６２１aと穴６１１b,６２１bに対応した絶縁物を設ければ、取り違えがない。上記切り欠き６１１a,６２１aと穴６１１b,６２１bが位置決め手段である。

このように、第１,第２ステータのバックヨークに位置決め手段を設けることによって、２つのステータの位置決めが容易にでき、信頼性を向上できる。

上記第２実施形態のロータリ圧縮機によれば、ロータ４３０の軸方向両側に第１,第２ステータ４１０,４２０を有するアキシャルギャップ型モータの特性を低下させることなく、簡単な構成でコギングトルクやトルクリプルを容易に低減できるアキシャルギャップ型モータを搭載することにより、高性能な圧縮機を実現することができる。

上記第２実施形態では、ロータリ圧縮機について説明したが、スクロール圧縮機等の他の構成の圧縮機にこの発明を適用してもよい。

この発明の具体的な実施の形態について説明したが、この発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、この発明の範囲内で種々変更して実施することができる。

図１はこの発明の第１実施形態のアキシャルギャップ型モータの第１,第２ステータを展開してロータ側から見た平面図である。 図２は上記アキシャルギャップ型モータのロータの分解斜視図である。 図３Ａは上記アキシャルギャップ型モータの他のロータの平面図を示している。 図３Ｂは図３ＡのIIIB−IIIB線から見た断面図である。 図４は上記アキシャルギャップ型モータの他のもう一つのロータの斜視図を示している。 図５は上記アキシャルギャップ型モータの他のもう一つのロータの斜視図を示している。 図６は同一相のコイルが並列に接続された図である。 図７は同一相のコイルが直列に接続された図である。 図８はこの発明のアキシャルギャップ型モータの通電状態の三相電流波形を示す図である。 図９は上記ステータと置き換え可能なステータの鉄心形状を示す図である。 図１０は図９に示す幅広コアの平面図である。 図１１は図９に示す幅広コアの別の形態を示す図である。 図１２は図２に示すロータとステータを磁石を含む円筒面で切断した部分を展開した断面図である。 図１３は図３に示すロータとステータを磁石を含む円筒面で切断した部分を展開した断面図である。 図１４は図４に示すロータとステータを磁石を含む円筒面で切断した部分を展開した断面図である。 図１５は図５に示すロータとステータを磁石を含む円筒面で切断した部分を展開した断面図である。 図１６は図１２においてステータのティースの先端に幅広コアを設けた場合の断面図である。 図１７Ａは上記アキシャルギャップ型モータを搭載したロータリ圧縮機の縦断面図である。 図１７Ｂは上記ロータリ圧縮機のアキシャルギャップ型モータのホルダーを用いたロータ構造を説明するための模式図である。 図１７Ｃは上記ロータリ圧縮機のアキシャルギャップ型モータの樹脂モールドを用いたロータ構造を説明するための模式図である。 図１８は上記アキシャルギャップ型モータのロータの切り欠きによる位置を合わせについて説明するための斜視図である。 図１９は上記アキシャルギャップ型モータのロータの切り欠きと穴による位置を合わせについて説明するための斜視図である。

符号の説明

１０…第１ステータ
１１…バックヨーク
１２…ティース
１３…コイル
１４…幅広コア
２０…第２ステータ
２１…バックヨーク
２２…ティース
２３…コイル
２４…幅広コア
３０…ロータ
３１…界磁部
３５…連結部
３２…磁石
３３,３４…磁性体板
１１０…ステータ
１１１…バックヨーク
１１２…ティース
１１３…幅広コア
１３０…ロータ
１３１…コア
１３２…磁石
１３５…連結部
２３０…ロータ
２３１…幅広コア
２３１a…薄肉部
２３２…磁石
３３０…ロータ
３３１…バックヨーク
３３２…磁石
３３１a…円穴
４０１…密閉容器
４０２…圧縮機構部
４０３…アキシャルギャップ型モータ
４０４…回転軸
４０５…クランクピン
４０６…ピストン
４０７…圧縮室
４１０…第１ステータ
４１１…バックヨーク
４１２…ティース
４１３…コイル
４２０…第２ステータ
４２１…バックヨーク
４２２…ティース
４２３…コイル
４３０…ロータ
４０８…上端板
４０９…下端板
４４０…本体部
４４１…吸入管
４４２…吐出管
４５１,４５２…軸受
Ｕ1,Ｕ2,Ｕ3,Ｕ4,Ｖ1,Ｖ2,Ｖ3,Ｖ4,Ｗ1,Ｗ2,Ｗ3,Ｗ4…コイル
Ｌ１,Ｌ２…配線

Claims (10)

1. 回転軸に固定されたロータ(３０,１３０,２３０,３３０,４３０)と、上記ロータ(３０,１３０,２３０,３３０,４３０)の軸方向両側にエアギャップを介して夫々対向する第１ステータ(１０,４１０,７１０)および第２ステータ(２０,４２０,７２０)とを備えたアキシャルギャップ型モータであって、
   上記ロータ(３０,１３０,２３０,３３０,４３０)は、軸方向両側に面する第１磁極面および第２磁極面が互いに異なる極性を呈する磁石を有し、
   上記第１,第２ステータ(１０,４１０,７１０,２０,４２０,７２０)は、バックヨーク(１１,２１,７１１,７２１)と、上記バックヨーク(１１,２１,７１１,７２１)の上記ロータ(３０,１３０,２３０,３３０,４３０)側に軸方向に設けられた複数のティース(１２,２２,７１２,７２２)と、上記複数のティース(１２,２２,７１２,７２２)に巻回された三相のコイル(１３,２３,７１３,７２３)とを有し、
   上記第１ステータ(１０,４１０,７１０)の上記コイル(１３,７１３)と上記第２ステータ(２０,４２０,７２０)の上記コイル(２３,７２３)は、周方向に順に各相が巻回された集中巻であって、上記ロータ(３０,１３０,２３０,３３０,４３０)側から見て同一方向に巻回されており、
   上記第１ステータ(１０,４１０,７１０)において第一の相と第二の相の上記コイル(１３,７１３)が巻回された上記ティース(１２,７１２)の中間に対応する部分に、上記第２ステータ(２０,４２０,７２０)の第三の相の上記コイル(２３,７２３)が巻回された上記ティース(２２,７２２)が配置され、
   上記第１ステータ(１０,４１０,７１０)において上記第二の相と第三の相の上記コイル(１３,７１３)が巻回された上記ティース(１２,７１２)の中間に対応する部分に、上記第２ステータ(２０,４２０,７２０)の第一の相の上記コイル(２３,７２３)が巻回された上記ティース(２２,７２２)が配置され、
   上記第１ステータ(１０,４１０,７１０)において上記第三の相と上記第一の相の上記コイル(１３,７１３)が巻回された上記ティース(１２,７１２)の中間に対応する部分に、上記第２ステータ(２０,４２０,７２０)の第二の相の上記コイル(２３,７２３)が巻回された上記ティース(２２,７２２)が配置されていることを特徴とするアキシャルギャップ型モータ。
2. 請求項１に記載のアキシャルギャップ型モータにおいて、
   上記ロータ(２３０)は、多極着磁された１つの上記磁石(２３２)を軸方向に１層だけ設け、
   上記１つの磁石(２３２)の上記同一極の軸方向に面する両面が、互いに異なる極性を呈する上記第１磁極面および上記第２磁極面であることを特徴とするアキシャルギャップ型モータ。
3. 請求項１に記載のアキシャルギャップ型モータにおいて、
   上記ロータ(３０,１３０)は、周方向に配置された複数の上記磁石(３２,１３２)を軸方向に１層だけ設け、
   上記各磁石(３２,１３２)の軸方向に面する両面が、互いに異なる極性を呈する上記第１磁極面および上記第２磁極面であることを特徴とするアキシャルギャップ型モータ。
4. 請求項２または３に記載のアキシャルギャップ型モータにおいて、
   上記磁石(３２,４３２,４４２)の両面に、磁極毎に磁気的に分離された磁性体鉄心(３３,３４,４３１,４４１)を設けたことを特徴とするアキシャルギャップ型モータ。
5. 請求項２乃至４のいずれか１つに記載のアキシャルギャップ型モータにおいて、
   上記ロータの周方向に隣接する上記磁石の間に、磁気的に隔てられて、上記ロータの両側に磁性体を設けたことを特徴とするアキシャルギャップ型モータ。
6. 請求項１乃至５のいずれか１つに記載のアキシャルギャップ型モータにおいて、
   上記第１ステータ(１０,４１０,７１０)と上記第２ステータ(２０,４２０,７２０)とは、略同一形状であることを特徴とするアキシャルギャップ型モータ。
7. 請求項１乃至６のいずれか１つに記載のアキシャルギャップ型モータにおいて、
   上記第１,第２ステータ(１１０)の上記ティース(１１２)の先端に少なくとも周方向に幅広とした幅広部(１１３,２１３)を設けたことを特徴とするアキシャルギャップ型モータ。
8. 請求項１乃至７のいずれか１つに記載のアキシャルギャップ型モータにおいて、
   上記第１ステータの上記ティースと上記第２ステータの上記ティースの軸方向に投影した部分は、少なくとも周方向全周にわたって存在することを特徴とするアキシャルギャップ型モータ。
9. 請求項１乃至８のいずれか１つに記載のアキシャルギャップ型モータにおいて、
   上記ステータの上記バックヨークに位置決め手段を有することを特徴とするアキシャルギャップ型モータ。
10. 請求項１乃至９のいずれか１つに記載のアキシャルギャップ型モータ(４０３)を搭載したことを特徴とする圧縮機。

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