JP5729090B2 - ロータ及び回転電気機械 - Google Patents

Description

本発明は、軸方向に貫通する複数の空隙を有したロータコア（磁心）を備えたロータ、及びそれを用いた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用のロータは、磁石を装着したり磁路を形成したりするために、ロータコアを貫通する複数の空隙が設けられることがある。これらの空隙は、その端部がロータコアの外周に近接している場合があり、この場合には、その端部とロータの外周の間の部分（以下、ブリッジ部と呼ぶ）がきわめて狭くなる。ブリッジ部が狭いロータが高速回転すると、空隙の外周側に存在する磁心部分に作用する遠心力によって、ブリッジ部に大きな応力が発生することになる。この問題に対しては、積層された電磁鋼板の間に適当な間隔で固定板を配置し、この固定板で分割磁路を固定してロータ強度を向上させた例がある（例えば特許文献１を参照）。この例では、電磁鋼板には、該電磁鋼板を積層し固定するための凹凸部を設けるとともに、固定板にも上記凹凸部が設けられている。

特許第３４８６３００号公報

しかしながら、固定板に凹凸部を設けるには専用の金型が必要になり、コストアップに繋がる。また、固定板の厚みが増すと精度よく凹凸部を加工するのが困難になる。

本発明は上記の問題に着目してなされたものであり、ロータの遠心力に対する強度を容易に向上できるようにすることを目的としている。

上記の課題を解決するため、第１の発明は、
軸方向に貫通する複数の空隙（211）を有した磁心で形成されたロータコア（210）を備えたロータであって、
上記ロータコア（210）は、該ロータコア（210）の軸方向に、複数の分割ロータコア（240,250）に分割され、
隣接する上記分割ロータコア（240,250）の間には、間隔板（260）が設けられ、
上記空隙（211）の外周側に存在する外周側磁心部（210a）は、上記間隔板（260）に設けられた穴部（263）に挿入される突部（281a）を備え、
上記分割ロータコア（240,250）は、複数の電磁鋼板（P）が積層されて形成され、
隣接する上記電磁鋼板（P）同士は、互いに固定され、
上記間隔板（260）は、上記電磁鋼板（P）よりも厚いことを特徴とする。

この構成では、空隙（211）の両端とロータの外周の間の部分（ブリッジ部（211c））がきわめて狭くなる場合がある。ロータ（200）が高速回転すると、空隙（211）の外周側に存在する外周側磁心部（210a）には遠心力が作用する。しかしながら、外周側磁心部（210a）は、外周側磁心部（210a）に設けられた突部（281a）と、間隔板（260）の穴部（263）によって、外周側磁心部（210a）が間隔板（260）に固定されているので、ブリッジ部（211c）に作用する応力（歪み）が小さくなる。

また、この構成では、電磁鋼板（P）で構成されたロータコア（210）において、ブリッジ部（211c）の応力を低減できる。

また、この構成では、間隔板（260）が上記電磁鋼板（P）よりも厚いので、間隔板（260）の剛性を電磁鋼板（P）よりも大きくすることが可能になる。

また、第２の発明は、
第１の発明のロータにおいて、
上記間隔板（260）は、非磁性体で形成されていることを特徴とする。

この構成では、間隔板（260）が非磁性体で形成されているので、分割ロータコア（240,250）間で磁束が漏れないようにできる。

また、第３の発明は、
第１又は第３の発明のロータにおいて、
隣接する上記電磁鋼板（P）同士の固定は、カシメであることを特徴とする。

この構成では、電磁鋼板（P）同士をカシメによって容易に固定できる。

また、第４の発明は、
第１から第３の発明の何れかのロータにおいて、
上記空隙（211）には、磁石（220）が挿入されていることを特徴とする。

この構成では、空隙（211）には、磁石（220）が挿入されているので、外周側磁心部（210a）にはより大きな遠心力が作用する。しかしながら、この発明では、間隔板（260）の作用によって、ブリッジ部（211c）の応力を低減できるので、磁石（220）を有したロータ（200）において、ブリッジ部（211c）に作用する応力（歪み）を小さくできる。

また、第５の発明は、
第１から第４の発明の何れかのロータ（200）と、
コイル（120）が巻回されたステータコア（110）を有したステータ（100）とを備えたことを特徴とする回転電気機械である。

この構成では、上記のロータ（200）備えた回転電気機械（例えばモータ）において、ブリッジ部（211c）の応力を低減することができる。

第１の発明によれば、ブリッジ部（211c）に作用する応力（歪み）が小さくなるので、遠心力に対する強度を向上させることが可能になる。

また、電磁鋼板（P）で構成されたロータコア（210）において、遠心力に対する強度を向上させることが可能になる。

また、間隔板（260）の剛性を電磁鋼板（P）よりも大きくできるので、ブリッジ部（211c）に作用する応力（歪み）を従来のロータよりも低減させることが可能になる。

また、第２の発明によれば、分割ロータコア（240,250）間で磁束が漏れないので、所定の磁気的特性を維持しつつ上記効果を得ることが可能になる。

また、第３の発明によれば、電磁鋼板（P）同士を容易に固定できるので、製造コストの低減が可能になる。

また、第４の発明によれば、ブリッジ部（211c）の応力に関して条件がより厳しい、磁石（220）を有したロータ（200）において、遠心力に対する強度を向上させることが可能になる。

また、第５の発明によれば、ロータ（200）の遠心力に対する強度を向上させることができるので、回転電気機械（10）の耐久性を向上させ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の横断面図である。 図２は、ステータの斜視図である。 図３は、本実施形態のステータコアを内周側から見た、ティース部の断面図である。 図４は、ロータの斜視図である。 図５は、ロータの側面図である。 図６は、ロータコア用に打ち抜いた積層板の平面図である。 図７は、ロータコア板同士のカシメ状態を説明する断面図である。 図８は、カシメ部の他の構成例を示す断面図である。 図９は、カシメ部の平面形状の他の例である。 図１０は、間隔板の平面図である。 図１１は、間隔板の穴部を拡大した平面図である。 図１２の（Ａ）及び（Ｂ）は、間隔板の穴部の他の構成例を説明する断面図である。

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。

《発明の実施形態》
図１は、本発明の実施形態に係るモータ（10）の横断面図である。このモータ（10）は、例えば空気調和機の電動圧縮機（図示は省略）に用いる。

〈モータ（10）の構成〉
モータ（10）は、同図に示すように、ステータ（100）、ロータ（200）、及び駆動軸（300）を備え、上記電動圧縮機のケーシング（20）に収容されている。なお、以下の説明において、軸方向とは駆動軸（300）の軸心の方向をいい、径方向とは上記軸心と直交する方向をいう。また、外周側とは上記軸心からより遠い側をいい、内周側とは上記軸心により近い側をいう。

〈ステータ（100）〉
ステータ（100）は、図１に示すように、円筒状のステータコア（110）と、コイル（120）を備えている。

ステータコア（110）は、電磁鋼板（P）をプレス加工によって打ち抜いて積層板を作成し、複数の積層板を軸方向に積層した積層コアである。図２は、ステータ（100）の斜視図である。ステータコア（110）は、図１，２に示すように、１つのバックヨーク部（111）、それぞれ複数（この例では９つ）のティース部（112）、及びツバ部（113）を備えている。なお、図２には、１つのティース部（112）を主に描いてある。

それぞれのティース部（112）は、図１，２に示すように、ステータコア（110）において径方向に伸びる直方体状の部分である。各ティース部（112）の間の空間が、コイル（120）が収容されるスロット（114）である。

バックヨーク部（111）は、円環状をしている。バックヨーク部（111）は、各ティース部（112）を該ティース部（112）の外周側で連結している。

ツバ部（113）は、それぞれのティース部（112）の内周側に連なる部分である。ツバ部（113）は、ティース部（112）よりも幅（周方向の長さ）が大きく構成されている。ツバ部（113）は、内周側の面が円筒面である。その円筒面は、後述のロータコア（210）の外周面（円筒面）と所定の距離（エアギャップ（G））をもって対向している。

ティース部（112）には、いわゆる集中巻方式で、コイル（120）が巻回されている。すなわち、１つのティース部（112）ごとにコイル（120）が巻回され、巻回されたコイル（120）はスロット（114）内に収容されている。図３は、本実施形態のステータコア（110）を内周側から見た、ティース部（112）の断面図である。同図に示すように、ティース部（112）の軸方向の両端面側からインシュレータ（161）が設けられるとともに、コイル（120）とティース部（112）の間には、絶縁フィルム（160）が設けられている。この例では、絶縁フィルム（160）は、ポリエチレンテレフタレートのフィルムである。

〈ロータ（200）〉
図４は、ロータ（200）の斜視図である。また、図５は、ロータ（200）の側面図である。ロータ（200）は、ロータコア（210）、複数の磁石（220）（永久磁石）、及び２つの端板（230）を備え、円筒状の形態である。この例では、ロータ（200）は、６つの磁石（220）を備えている。なお、図４では、端板（230）の図示を省略してある。図５でも、一方の端板（230）の図示を省略してある。

ロータコア（210）は、電磁鋼板（P）をプレス加工によって打ち抜いて積層板を作成し、複数の積層板を軸方向に積層した積層コアである。図６は、ロータコア（210）用に打ち抜いた積層板（P）の平面図である。以下では、ロータコア（210）用に打ち抜いた積層板（P）をロータコア板（280）と呼ぶことにする。

図１，４，６に示すように、ロータコア（210）には、磁石（220）をそれぞれ装着する、複数の磁石用スロット（211）が形成されている。磁石用スロット（211）は、本発明の空隙の一例である。それぞれの磁石用スロット（211）は、ロータコア（210）の軸心回りに６０°ピッチで配置されている。それぞれの磁石用スロット（211）は、軸方向から見て概ねＵ字状の形状を有し、ロータコア（210）を軸方向に貫通している。詳しくは、図６に示すように、それぞれの磁石用スロット（211）は、ロータコア（210）の半径と直交する磁石挿入部（211a）と、該磁石挿入部（211a）から外周側に延びる２つのバリア部（211b）とで構成されている。磁石挿入部（211a）は、図６における平面視が長方形であり、該磁石挿入部（211a）に磁石（220）が挿入される。磁石用スロット（211）（空隙）は、両端部（バリア部（211b））がロータコア（210）の外周に近接している。そのため、バリア部（211b）の外周部とロータコア（210）の外周の間の部分（以下、ブリッジ部（211c）と呼ぶ）がきわめて狭くなる。

ロータコア（210）は、磁石用スロット（211）に磁石（220）が挿入された後に、軸方向の両端面から、端板（230）がそれぞれ取り付けられ、各磁石用スロット（211）が塞がれている。端板（230）は、円板状の形態を有し、例えばステンレスなどの非磁性金属で形成されている。ロータコア（210）には、軸方向に貫通するボルト穴（213）が６つ形成されている。同様に、端板（230）にも、ロータコア（210）と重ね合わせた状態で、ロータコア（210）のボルト穴（213）と対応する位置にボルト穴（図示は省略）が６つ形成されている。端板（230）とロータコア（210）は、ボルト穴（213）に通した６つのボルト（270）で固定する（図１等参照）。また、ロータコア（210）の中心には、軸穴（212）を形成してある。この軸穴（212）には、鉄などの金属で構成された駆動軸（300）を焼き嵌めする。駆動軸（300）は、上記電動圧縮機内の圧縮機構（図示は省略）を駆動するためのものである。

このロータコア（210）は、後に詳述するように、上記軸方向に２分割されている。具体的には、ロータコア（210）は、第１ロータコア（240）と、第２ロータコア（250）とに、軸方向に２分割されている（図４，５を参照）。なお、以下では、第１ロータコア（240）や第２ロータコア（250）を分割ロータコア（240,250）とも呼ぶ。この例では、第１及び第２ロータコア（240,250）の高さ（上記軸方向の長さ）は同じである。

それぞれの分割ロータコア（240,250）は、電磁鋼板（P）（積層板）同士が互いに固定されている。この例では、隣接した電磁鋼板（P）同士は、カシメによって互いに固定されている。図６に示すように、それぞれのロータコア板（280）には、カシメ部（281）が６箇所設けられている。それぞれのカシメ部（281）は、軸方向から見た平面形状が長方形で、その長手方向が、分割ロータコア（240,250）の半径と直交する方向を向いている。

図７は、ロータコア板（280）同士のカシメ状態を説明する断面図である。図７では、代表で数枚のロータコア板（280）を図示してある。それぞれのカシメ部（281）は、一方の積層面から反対側の積層面に突出する突部（281a）と、該突部（281a）の裏側に形成された凹部（281b）を有している。突部（281a）は、ロータコア板（280）の１／２以上の高さを有している。突部（281a）と凹部（281b）とは、ロータコア板（280）を重ね合わせると、互いに重なり合うようになっている（図７を参照）。そして、ロータコア板（280）を重ねた状態で、これらを軸方向に加圧すると、重なり合った突部（281a）と凹部（281b）とがカシメられ、各ロータコア板（280）同士が一体化された分割ロータコア（240,250）が形成される。

カシメ部（281）には、種々の構造を採用できる。例えば、図８は、カシメ部（281）の他の構成例を示す断面図である。また、図９は、カシメ部（281）の平面形状の他の例である。図９に示した例では、カシメ部（281）（突部（281a））を軸方向から見た平面形状が円形である。

第１ロータコア（240）と第２ロータコア（250）の間には、所定の剛性を有した間隔板（260）が設けられている。すなわち、第１ロータコア（240）と第１及び第２ロータコア（240,250）とで間隔板（260）を挟み込んでいる（図５等参照）。

図１０は、間隔板（260）の平面図である。間隔板（260）は、同図に示すように、円盤状の形態を有し、非磁性体（例えばステンレス）である。この例では、間隔板（260）は、磁石用スロット（211）に相当する穴がない。間隔板（260）は、電磁鋼板（P）よりも板厚が厚い板材で形成され、その外径は、ロータコア（210）と同じである。間隔板（260）の中心には、駆動軸（300）用の軸孔（261）が形成されている。また、間隔板（260）にも、ボルト（270）用に６つのボルト穴（262）が形成されている。

分割ロータコア（240,250）において、磁石用スロット（211）の外周側に存在する外周側磁心部（210a）（図４を参照）は、間隔板（260）と固定されている。具体的には、図１０に示すように、間隔板（260）には、カシメ部（281）の突部（281a）と対向する位置に、該間隔板（260）を板厚方向に貫通する穴部（263）が設けられている。この例では、カシメ部（281）が６箇所設けられているので、穴部（263）も６つある。図１１は、間隔板（260）の穴部（263）を拡大した平面図である。それぞれの穴部（263）は、上記突部（281a）が入り込む大きさを有している。図１１に示すように、穴部（263）は、軸方向から見た平面形状が長方形で、その長手方向が、分割ロータコア（240,250）半径と直交する方向を向いている。

この構成により、図７に示すように、間隔板（260）を分割ロータコア（240,250）で挟み込むと、外周側磁心部（210a）に遠心力が作用しても、該外周側磁心部（210a）の変位が、間隔板（260）によって規制されることになる。ただし、図７は、間隔板（260）と分割ロータコア（240,250）とが完全に重なる前の状態を図示している。

なお、外周側磁心部（210a）と間隔板（260）の固定位置（カシメ部（281）の位置）は、外周に近い方が応力低減の効果（後述）がより大きい。また、分割ロータコア（240,250）の軸方向端のロータコア板（280）からは、突部（281a）が端板（230）側に突出するので、端板（230）にも、間隔板（260）の穴部（263）と同様に穴部（231）を設けておく。図７の例では、上側（図７における上側）の端板（230）に近い側のロータコア板（280）は、端板（230）側が突部（281a）となるように表裏が揃えられ、間隔板（260）に近い側のロータコア板（280）は、該間隔板（260）側が突部（281a）となるように表裏が揃えられている。

また、間隔板（260）の穴部（263）形状には種々のバリエーションを採用できる。図１２の（Ａ）及び（Ｂ）は、間隔板（260）の穴部（263）の他の構成例を説明する断面図である。同図に示すように、必ずしも穴部（263）は、間隔板（260）を貫通している必要はない。なお、図１２（Ｂ）は、端板（230）に設ける穴の形状にも適用できると考えられる。

《ブリッジ部（211c）の応力》
モータ（10）に所定の電力を供給すると、ロータ（200）が駆動軸（300）を中心に回転する。これにより、ロータコア（210）には、遠心力が作用し、その遠心力は、外周側磁心部（210a）が特に大きい。ロータ（200）の間隔板（260）は、磁石用スロット（211）に対応した位置に穴がなく、且つ電磁鋼板（P）よりも板厚が厚いので、ロータコア板（280）よりも剛性が大きい。そして、分割ロータコア（240,250）のそれぞれの外周側磁心部（210a）が間隔板（260）に固定されているので、ブリッジ部（211c）の歪は、間隔板（260）を有さないロータ（従来のロータ）と比べ、より小さくなる。すなわち、ブリッジ部（211c）に作用する応力が従来のロータと比べより小さくなるのである。したがって、本実施形態のロータ（200）は、従来のロータよりも遠心力に対する強度が向上する。

《本実施形態における効果》
本実施形態では、間隔板（260）の穴部（263）には、突部（281a）を嵌め込むだけなので、従来のロータのようなカシメ用の凹凸加工と比べれば、より容易である。また、間隔板（260）の板厚が増したとしても、穴部（263）の加工は、やはり容易である。すなわち、本実施形態によれば、遠心力に対する強度を、容易に向上させることが可能になる。

《その他の実施形態》
なお、間隔板（260）は、磁性体で構成することも可能である。この場合には、非磁性体の絶縁物を介在させるなど、分割ロータコア（240,250）間で磁束が漏れないようにするとよい。

また、ロータ（200）の分割数は例示であり、３分割以上としてもよい。

また、電磁鋼板（P）同士の固定は、カシメには限定されない。例えば、ピンを圧入するなどして固定することができる。この場合は、ピンを間隔板（260）側に突出させておくとよい。

また、本発明は、磁石（220）を備えていないロータを有したモータ、すなわち、いわゆるリラクタンスモータにも適用できる。要は、軸方向に貫通する複数の空隙を有したロータコア（磁心）を備えたロータであれば、上記効果を得ることが可能になる。

また、本発明のロータは、モータ（10）の他に、発電機にも適用できる。

本発明は、軸方向に貫通する複数の空隙を有したロータコア（磁心）を備えたロータ、及びそれを用いた回転電気機械として有用である。

１０ モータ（回転電気機械）
１００ ステータ
１１０ ステータコア
１２０ コイル
２００ ロータ
２１０ ロータコア
２１０ａ 外周側磁心部
２１１ 磁石用スロット（空隙）
２２０ 磁石
２４０ 第１ロータコア（分割ロータコア）
２５０ 第２ロータコア（分割ロータコア）
２６０ 間隔板
２６３ 穴部
２８１ａ 突部

Claims (5)

1. 軸方向に貫通する複数の空隙（211）を有した磁心で形成されたロータコア（210）を備えたロータであって、
   上記ロータコア（210）は、該ロータコア（210）の軸方向に、複数の分割ロータコア（240,250）に分割され、
   隣接する上記分割ロータコア（240,250）の間には、間隔板（260）が設けられ、
   上記空隙（211）の外周側に存在する外周側磁心部（210a）は、上記間隔板（260）に設けられた穴部（263）に挿入される突部（281a）を備え、
   上記分割ロータコア（240,250）は、複数の電磁鋼板（P）が積層されて形成され、
   隣接する上記電磁鋼板（P）同士は、互いに固定され、
   上記間隔板（260）は、上記電磁鋼板（P）よりも厚いことを特徴とするロータ。
2. 請求項１のロータにおいて、
   上記間隔板（260）は、非磁性体で形成されていることを特徴とするロータ。
3. 請求項１又は請求項２のロータにおいて、
   隣接する上記電磁鋼板（P）同士の固定は、カシメであることを特徴とするロータ。
4. 請求項１から請求項３の何れかのロータにおいて、
   上記空隙（211）には、磁石（220）が挿入されていることを特徴とするロータ。
5. 請求項１から請求項４の何れかのロータ（200）と、
   コイル（120）が巻回されたステータコア（110）を有したステータ（100）とを備えたことを特徴とする回転電気機械。

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