JP2017093277A - 装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電動機要素を含む機器や装置は、地球環境の保護の観点で、エネルギー損失の低減、高効率化が希求されている。【解決手段】電動機要素１４は、略円筒状の固定子１と、固定子１の内側に回転自在に保持される回転子２とを有している。回転子２の中心にはシャフト孔３が設けられ、シャフト孔３にシャフト（図示せず）が挿通された状態で回転子２と前記シャフトとが固定されている。固定子１は、略円筒状のヨーク部４と、ヨーク部４の内側に延出するティース部５とを有する固定子の磁心７と、ティース部５の各々に絶縁電線を巻装して設ける巻装体６とを有している。ティース部５と巻装体６との間には、両者を電気的に絶縁するインシュレータ８が設けられている。また、回転子２は、円筒状の回転子コア９と、回転子２の周方向に複数形成された空孔に埋設される永久磁石１０とを有している。【選択図】図１

Description

本発明は、電動機要素を含む装置に関する。

各種電気機器に搭載される電動機要素は、回転磁界を発生する略円筒状の固定子と、固定子の内側又は外側に回転自在に設けられている回転子とで構成されている。一般的に、固定子の磁心及び回転子の磁心は軟磁性材料である電磁鋼板で構成されている。また、電磁鋼板は、圧延により薄板状に形成されているため、固定子の磁心及び回転子の磁心は、薄板状の電磁鋼板を金型で打抜いた鉄心片を電動機要素の出力軸の軸方向に積層し、この電磁鋼板の積層体を、かしめ等の方法で一体化することでブロック状に成形した様態を採用することが一般的である。

ここで、電動機要素の損失は、コアを磁化した時の損失を示す鉄損と、励磁時における巻線の電気抵抗に起因する銅損とに分けられる。このうちの鉄損は、コアの磁気特性（ヒステリシスループの面積）に起因するヒステリシス損とコア内部の電磁誘導による渦電流損との和である。

従来から電動機要素の磁心に用いる電磁鋼板は、省電力化の観点では、鉄損が大きいことが課題であった。そこで鉄損を低減するために非晶質高透磁率合金（アモルファス合金）が開発されている。非晶質高透磁率合金は、磁界の強さに対して磁束密度の応答が電磁鋼鈑と比較して高速であるため、磁化曲線のヒステリシスループの面積が小さく、低鉄損となることが知られている。一方、非晶質高透磁率合金は電磁鋼板に比べて占積率が低く、また、飽和磁束密度が従来の電磁鋼板と比べて同程度か下回るものが多かった。そこで、非晶質高透磁率合金の占積率を向上させ、また高い磁束密度を維持するために、特許文献１などには、Ｆｅ−Ｂ−Ｓｉ系非晶質高透磁率合金薄帯の組成にＣ（炭素）を加えるなどの技術思想が記されている。

また、電動機要素の駆動は、インバータ回路による駆動が採用されることが多い。近年、このインバータ回路の駆動素子のスイッチング損失の低減を図るために、ＳｉＣ素子やＧａＮ素子が実用化されつつある。例えば、特許文献３には、駆動素子にＳｉＣ素子を用いることが記されている。

また、周知の技術思想として、電動機要素においては、高速定出力運転に適したものとして、回転トルクの成分に、マグネットトルク成分に加えてリラクタンストルク成分を含む電動機要素（リラクタンスモータ）が良く知られている。なお、この技術思想については、電動機分野の論文等や、特許文献等に散見されるものである。

国際公開第２０１３／１３７１１８号 特開昭５８−０３４１６２号公報 特開２００５−１１３６９５号公報

電動機要素を含む機器や装置は、地球環境の保護の観点で、エネルギー損失の低減、つまり、高効率化が課題である。

そこで、本発明は、マグネットトルク成分に加えてリラクタンストルク成分を含む電動機要素と、非晶質高透磁率合金と、ＳｉＣ素子やＧａＮ素子などの駆動素子とを含む装置において、高効率化の観点で好適な構成の新規な装置を提案することを目的とする。

上記課題を解決する高効率化の観点で好適な装置の構成として、電動機要素における鉄損の主な発生箇所である固定子の磁心を非晶質高透磁率合金の薄帯にて構成するものである。具体的には、以下の様態を構成する。

第一の発明の装置は、固定子巻線を含む固定子と、前記固定子と回転子とを含む電動機要素と、前記固定子巻線への通電電流を供給する駆動回路とを含む装置において、前記回転子は磁気的突極性を有する構成を含み、前記磁気的突極性を有する構成には、前記固定子からの回転磁界によって発生する回転トルクの成分のうちのマグネットトルクを発生させるための複数のｄ軸磁束通路構成部と、前記回転トルクの成分のうちのリラクタンストルクを発生させるための複数のｑ軸磁束通路構成部とを含むとともに、前記ｄ軸磁束通路構成部各々の一部に磁石部を含み且つ前記ｑ軸磁束通路構成部各々の部分に前記磁石部又は／及び前記磁石部とは別の磁石部と接する隣接部を含み、且つ、前記駆動回路に前記固定子巻線への通電電流を供給する駆動素子を含み、更に、前記電動機要素の前記固定子の構成要素に、非晶質高透磁率合金の薄帯を含む。

第二の発明の装置は、第一の発明の装置において、電動機要素の固定子の構成要素に、飽和磁束密度の値が１．０Ｔから１．５７Ｔの範囲であり、かつ、初透磁率の値が２５００であり、そして最大透磁率の値が３０００００であり、さらに、磁束密度が１．５Ｔであり周波数５０Ｈｚのときの鉄損の値の上限値が０．３Ｗ／ｋｇである磁気特性を有する非晶質高透磁率合金の薄帯を含む。

第三の発明の装置は、第一の発明の装置において、駆動回路の駆動素子には、ＭＯＳＦＥＴ素子、ＳｉＣ（炭化珪素）素子又はＧａＮ（窒化ガリウム）素子のいずれかを含む。

第四の発明の装置は、第一の発明の装置において、固定子の構成要素の非晶質高透磁率合金の薄帯に、円環状の様態を含む。

第五の発明の装置は、第一の発明の装置において、固定子の構成要素に、円環状の形状の非晶質高透磁率合金の薄帯を積層した積層体を含む。

第六の発明の装置は、第一の発明の装置において、固定子の構成要素に、扇状の形状の非晶質高透磁率合金の薄帯を積層したセグメントコアと、このセグメントコアを円環状に連結した様態とを含む。

第七の発明の装置は、第一の発明の装置において、固定子の構成要素に、帯状の形状の非晶質高透磁率合金の薄帯を螺旋状に積層した円環状積層体を含む。いずれかの磁石を具備する。

第十一発明の装置は、第一の発明の装置において、固定子の固定子巻線には絶縁電線を含み、その絶縁電線の芯線の材質には、不可避不純物と、銅、銅合金、アルミニウム又はアルミニウム合金のいずれかを含む。

本発明によれば、装置における電動機要素の磁束密度が飽和に至らない負荷領域におい
て、非晶質高透磁率合金の磁気特性によって、電動機要素の固定子の磁心で生じる鉄損を抑制することができることから、固定子巻線に通電される固定子電流を抑えることができる。そのため、電動機要素の固定子巻線の銅損も抑制可能であり、装置の省電力化に寄与する。

また、本発明は、上述のとおり、電動機要素における鉄損の主な発生箇所である固定子の磁心に、非晶質高透磁率合金を用いる構成であるため、この点でも装置の省電力化に寄与することは、いうまでも無い。

また、本発明の装置に含む固定子の磁心は、非晶質高透磁率合金の薄帯を積層して、一体化する構造体であるため機械強度も向上し、固定子の磁心は、外力に対して堅牢なものとなる。非晶質高透磁率合金の薄帯を積層して、一体化する構造体は、従来から多用される電磁鋼板の積層体と同様の製造方法及び製造装置の転用が容易であり、産業的価値の大いなるものである。

本発明の実施例１の装置に搭載される電動機要素の回転軸に対して垂直な断面を示す断面図 本発明の実施例１の装置に搭載される電動機要素の回転軸を含む平面の断面を示す断面図 円環状のコアシートを示す図 扇状のコアシートを示す図 円環状のコアシートを示す図 複数の扇形状子片を連結した帯状子片の様態のコアシートを示す図 セグメントコアの連結体を示す図 帯状長尺片を屈曲させて螺旋状に複数回巻き回した積層体を示す図 本発明の装置を示すブロック図

以下、本発明について、図面及び表を参照しながら説明する。なお、以下の実施の形態又は実施例によって本発明が限定されるものではない。

（実施例１）
図１は、本発明の第１の実施例の装置に搭載する電動機要素の一構造例を示す断面図である。図２は、本実施例における電動機要素を、回転軸を含む面の断面を示す断面図である。なお、本実施例における電動機要素の極数とスロット数の組み合わせは、所謂、６極９スロットの集中巻の構成であり、９つのティース部に集中巻の巻装体を具備する固定子と、磁気的突極性を有する６つの磁極部を具備する回転子とを有する。

なお、本発明の装置における電動機要素の構成は、これに限定されない。例えば、１０極９スロットの集中巻の構成、１０極１２スロットの集中巻の構成、１２極９スロットの集中巻の構成、１４極１２スロットの集中巻の構成、４極２４スロットの分布巻の構成、４極３６スロットの分布巻の構成、６極３６スロットの分布巻の構成、８極４８スロットの分布巻の構成、４極１２スロットの波巻の構成、４極１２スロットの波巻の構成、６極１８スロットの波巻の構成などの周知の極数とスロット数の組み合わせのいずれにも適用可能である。

図１に示すように、本実施例に示す電動機要素１４は、略円筒状の固定子１と、固定子１の内側に回転自在に保持される回転子２とを有している。回転子２の中心にはシャフト孔３が設けられ、シャフト孔３にシャフト（図示せず）が挿通された状態で回転子２と前
記シャフトとが固定されている。

固定子１は、略円筒状のヨーク部４と、ヨーク部４の内側に延出するティース部５とを有する固定子の磁心７と、ティース部５の各々に絶縁電線を巻装して設ける巻装体６とを有している。ティース部５と巻装体６との間には、両者を電気的に絶縁するインシュレータ８が設けられている。また、回転子２は、円筒状の回転子コア９と、回転子２の周方向に複数（本実施例においては６つ）形成された空孔に埋設される永久磁石１０とを有している。

なお、巻装体６を構成する絶縁電線の芯線の材質には、不可避不純物と、銅、銅合金、アルミニウム又はアルミニウム合金のいずれかを含むものを用いる。

また、永久磁石１０には、希土類磁石、ボンド磁石又フェライト磁石のいずれかの磁石を用いる。

また、本実施例の装置における電動機要素においては、回転子は磁気的突極性を有しており、図１に示すように、矢印１２の横切る回転子の部位は、ｄ軸磁束通路構成部であり、固定子からの回転磁界によって発生する回転トルクの成分のうちのマグネットトルクを発生させる。また、矢印１３の横切る回転子の部位は、ｑ軸磁束通路構成部であり、固定子からの回転磁界によって発生する回転トルクの成分のうちのリラクタンストルクを発生させる。

なお、本実施例においては、１つのティース部５に巻線を巻いた集中巻による巻装体６を例示しているが、本発明はこれに限らない。例えば、複数のティース部５に渡って巻線を巻装する分布巻または波巻など種々の巻線の様態を採用可能である。

以上のように構成された電動機要素の固定子の磁心は、非晶質高透磁率合金の薄帯の積層する積層体を一体化して構成される。この非晶質高透磁率合金の薄帯は、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｂ系、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｂ−Ｃ系等の非晶質高透磁率合金薄帯を用いることができる。商用に供されているものとして、例えば日立金属株式会社製のＭｅｔｇｌａｓ（登録商標）と呼称される製品番号２６０５ＳＡ１という合金材料などである。また、非晶質高透磁率合金の溶湯を急冷し、これを加熱することで結晶粒を形成して得られる、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｂ−Ｃｕ系、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｂ−Ｃｕ−Ｎｂ系等の組成を有するナノ結晶軟磁性合金薄帯を用いることができる。例えば、日立金属株式会社製のファインメット（登録商標）と呼称される合金材料などを用いることができる。

引用文献２等に示されるとおり、非晶質高透磁率合金の薄帯は、電動機要素に使用される一般的な軟磁性材料である電磁鋼板に比べて遥かに低鉄損である。したがって、電動機要素の主な鉄損の発生個所である固定子の磁心に非晶質高透磁率合金の薄帯を用いることで、電磁鋼板に比べて低鉄損となる。また、磁束密度が飽和しない領域（例えば、磁束密度１．０〜１．５７Ｔ）では電磁鋼鈑に比べて低鉄損であることから、固定子巻線に通電される固定子電流を抑えることができる。したがって、銅損の増加も抑制可能である。このように、本発明の構成によって、電動機要素に生じる鉄損及び銅損のいずれをも低減可能であり、高効率な電動機要素を提供可能である。

本実施例における電動機要素は、図３に示すように、固定子の磁心７は、非晶質高透磁率合金の薄帯を、シャフトの回転軸方向に積層して一体化している。一般的に、電磁鋼板を使用した電動機要素のコア（固定子の磁心、回転子コアともに）の製造方法は、金属材料等の製造メーカから供給されたロール状の電磁鋼板を、巻き出し機によってプレス機へ送り、プレス機に設置された金型によって所定の軸方向断面形状のコアシートに打ち抜か
れ、このコアシートを積層して一体化することでコアが形成される。非晶質高透磁率合金の薄帯を電磁鋼板に換えて採用する場合においても、この薄帯を回転軸方向に積層して一体化することでコアを形成する。このようにして、電磁鋼板を使用した電動機要素の製造設備を非晶質高透磁率合金の薄帯の積層工程などに流用することによって、新規設備の投資を抑制し製造コストの増加を抑制することが可能である。

また、この薄帯によるコアシートを積層して一体化することによってコアの構造的強度を高めているため、電動機要素の製造の際や搬送中や機器の駆動中に固定子に外力が印加されても、固定子の磁心の破損を抑制され、固定子の磁心の外観形状に関しての不良品の発生も抑制可能である。

なお、コアシートの形状や、コアシートの積層方法は、多様な様態があり、好適な様態を適宜選択可能とする。例えば、図３に示すような、円環状のコアシート１５を複数枚用意し、これを重ねて円筒状に積層して、さらに、カシメ等の加工を施し一体化して、固定子の磁心７を構成する。

また、例えば、図４に示すような、扇形状のコアシート１６を複数枚用意し、これを重ねて扇形の柱状に積層して、さらに、カシメ等の加工を施し一体化する。そして、更に、この扇形の柱状の扇形積層体１７の複数個（図では３個）を円環状の様態に組み合わせて、一体化して固定子の磁心７を構成する。

また、例えば、図５に示すような、ティース毎の扇形状子片を複数個を連結した帯状子片の様態のコアシート１８を扇形に屈曲させて、これを更に積層して、カシメ等の加工を施し一体化して、扇形の柱状の扇形積層体１９を構成する。そして、更に、この扇形の柱状の積層体の複数個（図では３個）を円環状の様態に組み合わせて、一体化して固定子の磁心７を構成する。

また、例えば、図６に示すような、ティース毎の扇形状子片を複数枚用意し、これを重ねて、カシメ等の加工を施し一体化して、ティース毎のセグメントコア２０を構成する。なお、このセグメントコア２０には、セグメントコア２０同士を互いに係合させ、且つ、可動可能な蝶番部を具備する様態である。そして、このセグメントコア２０を複数個用意して、蝶番部同士を互いに係合させて、セグメントコアの連結体２１を構成し、更には、このセグメントコアの連結体を屈曲させて円環状の様態に一体化して固定子の磁心７を構成する。

また、例えば、図７に示すような、ティース毎の扇形状子片を複数個を連結した帯状長尺片２２を屈曲させて環状の様態を形成し、この環状の様態を螺旋状に複数回巻き回しつつ積層して、カシメ等の加工を施し一体化して、固定子の磁心７を構成する。

また、図８は、本発明の装置の電動機要素について、電動機要素の固定子１を収容する固定子枠体２３を具備する構成である。

（実施例２）
図９は、本実施例の電動機要素１４を搭載する装置２４を示すブロック図である。図９に示すように、本実施例における装置２４は、上述の実施例１における電動機要素１４と、ＭＯＳＦＥＴ素子、ＳｉＣ素子又はＧａＮ素子等のパワーデバイスを採用する駆動回路２６とから構成されている。なお、装置２４は、外部電源２５に接続されて給電される。

周知のとおり、ＳｉＣ素子又はＧａＮ素子等のパワーデバイスは、従来のＳｉ半導体素子に比べて、導通時のオン抵抗が小さく、２００℃以上の高温での動作が可能であり、ま
たＳｉ半導体素子の数倍の高速動作も可能である。当然、電動機要素の駆動回路に適用した場合には、電力損失の低減、素子の冷却機構の小型化、周辺部品の小型化等が可能となる。このため、駆動システム全体の電力変換効率の向上による省エネ性能の向上や、電力変換器の小型化による機器全体の省スペース化も可能である。

一方で、コアで発生するヒステリシス損Ｗｈと渦電流損Ｗｃは、周知のとおり、各々、式（１）、式（２）にて算出される。ここで、式（１）、式（２）の右辺に、真空の透磁率μ、周波数ｆ、磁束密度振幅Ｂｍ、板厚ｔ、電気抵抗率ρ、密度ｄの各値を代入する。

上記の式（１）、式（２）から、ヒステリシス損Ｗｈと渦電流損Ｗｃは周波数ｆに比例して増加することが分かる。

そして、電動機要素の固定子には、回転数に応じた基本周波数と駆動回路をスイッチングする際に使用する周波数（以下、単にスイッチング周波数という）が重畳した固定子電流の通電によって励磁されて、回転磁界を発生し回転子が回転する。

なお、ＳｉＣ素子又はＧａＮ素子によるパワーデバイスによって、駆動回路の高速化が可能となり、スイッチング周波数の高周波化が促進される。しかし、電動機要素の磁心に、従来の電磁鋼板を用いたままでは、電動機要素の磁心のヒステリシス損及び渦電流損は増加の一途を辿る。このため、電動機要素の磁心で生じる損失の増加は、駆動回路のパワーデバイスをＳｉＣ素子又はＧａＮ素子として駆動回路の低損失化を図っても、この駆動回路の低損失化を電磁鋼板の磁心で生じる損失の増加が打ち消してしまい、装置の省電力化には寄与しない。

ここで、電動機要素の固定子の磁心に非晶質高透磁率合金の薄帯を用いる場合は、ＳｉＣ素子又はＧａＮ素子によるパワーデバイスによって、駆動回路の高速化によるスイッチング周波数の増加があっても、鉄損の増加は抑制されているため、駆動回路の低損失化が打ち消されてしまうことも無く、電動機要素の低損失化と駆動回路の低損失化とが共に有効に発揮され、装置の省電力化は実現可能である。

なお、本実施例においては、ティース部の数を９つと、永久磁石の数を６つとしているが、ティース部の数や永久磁石の数などは適宜好適に設定される。

また、本発明の実施例においては、略円弧状の永久磁石を回転子の内部に埋設する永久磁石埋め込み（ＩＰＭ：Ｉｎｔｅｒｉｏｒ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ）型の回転子を例示しているが、本発明はこれに限らない。例えば、板状の永久磁石を回転子内部に埋設する埋め込み磁石形の回転子や、永久磁石を回転子外周部に設置する表面磁石（Ｓ
ＰＭ：Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ）型の回転子を採用可能である。

また、本発明の装置は、具体的には家電機器では、エアコンなどの環境調和装置や、洗濯機、冷凍冷蔵機器などに適用可能である。また、車両などに搭載される２次電池の冷却システムなどに適用可能である。また、家屋や建築物などにおける送風システムなどに適用可能である。また、産業用の製造装置などに適用可能である。

以上のように、本発明にかかる装置における電動機要素は、電動機要素に生じる鉄損を低減して高効率な装置を得ることが可能となるので、この装置を家電機器や車載機器に搭載することで、機器の効率化・省電力化を図ることが可能であり、産業的価値の大いなるものである。

３ シャフト孔
４ ヨーク部
５ ティース部
６ 巻装体
８ インシュレータ
１０ 永久磁石
１４ 電動機要素
２５ 外部電源
２６ 駆動回路

Claims (11)

1. 固定子巻線を含む固定子と、前記固定子と回転子とを含む電動機要素と、前記固定子巻線への通電電流を供給する駆動回路とを含む装置において、
   前記回転子は磁気的突極性を有する構成を含み、前記磁気的突極性を有する構成には、前記固定子からの回転磁界によって発生する回転トルクの成分のうちのマグネットトルクを発生させるための複数のｄ軸磁束通路構成部と、前記回転トルクの成分のうちのリラクタンストルクを発生させるための複数のｑ軸磁束通路構成部とを含むとともに、前記ｄ軸磁束通路構成部各々の一部に磁石部を含み且つ前記ｑ軸磁束通路構成部各々の部分に前記磁石部または／及び前記磁石部とは別の磁石部と接する隣接部を含み、且つ、前記駆動回路に前記固定子巻線への通電電流を供給する駆動素子を含み、更に、前記電動機要素の前記固定子の構成要素に、非晶質高透磁率合金の薄帯を含む装置。
2. 請求項１記載の装置において、電動機要素の固定子の構成要素に、飽和磁束密度の値が１．０Ｔから１．５７Ｔの範囲であり、かつ、初透磁率の値が２５００であり、そして最大透磁率の値が３０００００であり、さらに、磁束密度が１．５Ｔであり周波数５０Ｈｚのときの鉄損の値の上限値が０．３Ｗ／ｋｇである磁気特性を有する非晶質高透磁率合金の薄帯を含む装置。
3. 請求項１記載の装置において、駆動回路の駆動素子には、ＭＯＳＦＥＴ素子、ＳｉＣ（炭化珪素）素子又はＧａＮ（窒化ガリウム）素子のいずれかを含む装置。
4. 請求項１記載の装置において、固定子の構成要素の非晶質高透磁率合金の薄帯に、円環状の様態を含む装置。
5. 請求項１記載の装置において、固定子の構成要素に、円環状の形状の非晶質高透磁率合金の薄帯を積層した積層体を含む装置。
6. 請求項１記載の装置において、固定子の構成要素に、扇状の形状の非晶質高透磁率合金の薄帯を積層したセグメントコアと、このセグメントコアを円環状に連結した様態とを含む装置。
7. 請求項１記載の装置において、固定子の構成要素に、帯状の形状の非晶質高透磁率合金の薄帯を螺旋状に積層した円環状積層体を含む装置。
8. 請求項１記載の装置において、固定子を収容する固定子枠体を含む装置。
9. 固定子巻線の様態には、分布巻、波巻又は集中巻のいずれかの巻線の様態を含む請求項１記載の装置。
10. 磁石部には、希土類磁石、ボンド磁石又フェライト磁石のいずれかの磁石を具備する請求項１記載の装置。
11. 固定子の固定子巻線には絶縁電線を含み、その絶縁電線の芯線の材質には、不可避不純物と、銅、銅合金、アルミニウム又はアルミニウム合金のいずれかを含む請求項１記載の装置。

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