JP6071275B2 - 永久磁石モータおよび永久磁石モータの製造方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、永久磁石モータおよび永久磁石モータの製造方法に関する。

固定子コアおよび固定子コアに巻装されたコイルを有する固定子と、永久磁石を有する回転子とからなる永久磁石モータにおいて、固定子コアに圧紛鉄心（圧粉磁心）を用いる構成が考案されている。圧紛鉄心は、磁性粉末を個々に絶縁し、それを加圧成形した材料であり、成形の自由度が高く小型化が容易といったメリットを有する。しかし、一般に、圧紛鉄心は、従来から固定子コアに用いられているケイ素鋼板などに比べ磁気抵抗が大きい。従って、磁気回路の長い経路部分に使用すると鎖交磁束量が低下する。このようなことから、固定子コアに圧紛鉄心を用いる構成によって、損失（鉄損および銅損）を効果的に低減するのは困難であった。

特開２００７−１１０８６２号公報 特開２００８−２４５３６２号公報

そこで、固定子コアに圧粉鉄心を用いる構成を採用しつつ、損失を低減することができる永久磁石モータおよび永久磁石モータの製造方法を提供する。

本実施形態の永久磁石モータは、軟磁性体で形成された固定子コアおよび固定子コアに巻装されたコイルを有する固定子と、永久磁石を有する回転子とを備える。固定子コアは、単体で絶縁されるとともに回転軸方向に積層し固着された鋼板からなるコア部と、圧粉鉄心からなるチップ部とを備える。コア部は、環状の経路部と、経路部により磁気的に経路され経路部から回転軸方向と直交する径方向に延びる複数の突極部とを備える。チップ部は、突極部の先端に取り付けられるものであって、その回転軸方向の少なくとも一方の端部が突極部の回転軸方向の端部より回転軸方向に突き出る形状であり、周方向に延びる１つまたは複数の凸部を有する。突極部は、先端側の面にチップ部の凸部を嵌合可能な凹部が形成されている。チップ部の凸部が突極部の凹部に嵌合されることにより、コア部にチップ部が取り付けられている。チップ部の回転軸方向の長さは、永久磁石の回転軸方向の長さと同一になるように設定されている。

第１の実施形態を示すもので、コンプレッサの一部断面とした側面図 コンプレッサの上面から見た平面図 モータの固定子の一部を示す斜視図 第２の実施形態を示す図１相当図 第３の実施形態を示す図３相当図

以下、コンプレッサの複数の実施形態について図面を参照して説明する。なお、各実施形態において実質的に同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。また、図１における上下方向が回転軸方向（軸方向）に相当し、左右方向が周方向（径方向）に相当する。

（第１の実施形態）
以下、第１の実施形態について図１〜図３を参照しながら説明する。
図１および図２に示すコンプレッサ１は、エアコンディショナ（以下、エアコンとも称す）用であり、容器２、蓋３、脚部４などを備えている。なお、図１では、コンプレッサ１の一部分について、回転軸方向に平行な断面図となるように切り欠いて示している。

容器２は、鉄板を深絞りして筒状に形成されたものであり、上部には開口が存在する。蓋３は、容器２と同様に形成されたものであり、容器２の上部開口を塞ぐように取り付けられている。脚部４は、ほぼ三角形の板状をなすものであり、３つのゴム製の設置部４ａ〜４ｃを含んでいる。脚部４は、容器２の下端部に、例えば溶接により固着されている。蓋３の上部中央付近には、冷媒の流入口５が設けられている。また、容器２の胴下部には、冷媒の吐出口６が設けられている。コンプレッサ１を含む各部品がエアコンとして組み立てられた（完成した）時点において、流入口５および吐出口６には配管が成され、密閉空間が形成される。

コンプレッサ１には、インナーロータ型（内転型）の永久磁石モータであるモータ７が内包されている。モータ７は、回転子８の外周側および固定子９の内周側の間に空隙（ギャップ）が存在するラジアルギャップモータである。モータ７の回転子８は、回転軸１０、冷媒よけ部材１１、回転子コア１２、永久磁石１３、回転子上蓋１４、回転子下蓋１５などから構成される。回転軸１０は、鉄製であり、モータ７の中央に位置する。回転軸１０は、容器２内のコンプレッサ機構（図示せず）に回転自在に支持されている。回転軸１０の上端には、冷媒よけ部材１１が嵌合固着されている。冷媒よけ部材１１の存在により、流入口５から流入した冷媒が外周部に分岐される。

回転子コア１２は、ケイ素鋼板を積層固着して形成されている。回転子コア１２は、円筒状をなしており、その中央には円形の孔が形成されている。回転子コア１２の上記孔には、回転軸１０が挿入されて固着されている。また、図２に示すように、回転子コア１２には、４つの永久磁石１３をそれぞれ挿入するための４つの孔１６が形成されている。なお、図２では、蓋３、冷媒よけ部材１１および回転子上蓋１４の図示を省略している。回転子コア１２に形成された孔１６は、断面がＣ字状であり、その凸面が回転軸１０に対向するように位置している。

永久磁石１３は、例えばストロンチウムフェライトからなり、その断面は、孔１６と同様の形状（Ｃ形）となっている。４つの永久磁石１３は、それぞれ４つの孔１６に挿入されている。つまり、４つの永久磁石１３は、凸面が回転軸１０に対向するように配置されている（逆円弧配置）。４つの永久磁石１３は、Ｃ形の凸面および凹面が互いに異なる磁極となっており、且つ、周方向において隣接する磁石同士で逆極となるように配置される。回転子コア１２の軸方向の両端には、円盤状をなす黄銅製の回転子上蓋１４および回転子下蓋１５がそれぞれ固着されている。回転子上蓋１４および回転子下蓋１５の存在により、永久磁石１３の脱落が防止される。

モータ７の固定子９は、固定子コア１７、ボビン１８、コイル１９などから構成される。固定子コア１７は、積層コア２０（コア部に相当）および６つのチップ部２１を有する。積層コア２０は、ケイ素鋼板（鋼板に相当）を積層固着して形成されている。積層コア２０は、固定子コア１７の外周部分を形成するものであり、容器２の内面に沿うように設けられる。積層コア２０は、その内周側に位置する６つのティース２２（突極部に相当）と、その外周側に位置するものであって各ティース２２を磁気的に経路する環状のヨーク２３（経路部に相当）とを備えている。ティース２２は、ヨーク２３の内周面から回転子８に向けて放射状に延びる形状となっている。本実施形態では、各ティース２２は、互いに周方向に等角度間隔に配置されている。ティース２２の先端（回転子８側の端）には、それぞれチップ部２１が嵌合固着されている。チップ部２１は、圧紛鉄心により形成されている。

図１に示すように、ティース２２の先端部分（チップ部２１と接触する部分）における軸方向長さｈａは、チップ部２１の内周の空隙面における軸方向長さｈｂに対して短くなるように設定されている。また、チップ部２１の軸方向長さｈｂは、回転子８の永久磁石１３の軸方向長さｈｃと同一になるように設定されている。すなわち、軸方向長さｈａ、ｈｂおよびｈｃには、下記（１）式に示すような関係がある。
ｈａ＜ｈｂ＝ｈｃ …（１）
そして、チップ部２１は、その軸方向の両端がティース２２の軸方向の各端部よりも軸方向に突き出るようにして、ティース２２の先端に取り付けられている。

ティース２２には、ＰＥＴ樹脂により形成された６つのボビン１８がそれぞれ嵌合されている。ボビン１８には、それぞれコイル１９が巻装される。コイル１９は、例えば、絶縁被覆を有する銅線により構成されている。コイル１９は、対角のコイル同士（回転軸１０を介して対向するコイル同士）が同相となるように、三相結線がなされている。

続いて、固定子９の磁気回路について図３を参照しながら説明する。チップ部２１には、その外周面から外周方向に向けて延びるものであって且つ軸方向に直線状に延びる凸部２４が形成されている。凸部２４は、内周側の断面が矩形状をなし、外周側の断面が円形状をなしている。凸部２４は、積層コア２０のティース２２と接触する部位（接触部分）に設けられている。すなわち、チップ部２１において、ティース２２よりも軸方向に突き出した部分には、凸部２４は存在しない。積層コア２０のティース２２の先端（内周側の端）側の面には、軸方向に延びる溝状の凹部２５が形成されている。凹部２５は、チップ部２１の凸部２４と同様の断面形状となっている。凸部２４が凹部２５に嵌合して固着されることにより、積層コア２０のティース２２の先端にチップ部２１が取り付けられている。

ティース２２にチップ部２１を取り付ける方法（製造方法）としては、例えば次のような方法を採用することができる。すなわち、チップ部２１となる圧粉鉄心を加圧成形する際に、積層コア２０のうち少なくともティース２２の一部を、その圧粉鉄心の成形型の内部に入れて、一体成形する。これにより、積層コア２０のティース２２にチップ部２１が固着される。

なお、凸部２４および凹部２５が上述したような形状となっているのは、チップ部２１およびティース２２の結合を強くし、チップ部２１の抜けを防止するためである。従って、抜け止め防止の効果が得られる形状であれば、凸部２４および凹部２５の形状は、適宜変更することができる。例えば、外周側の断面形状としては、内周側の断面形状よりも大きい矩形状や、逆テーパー形状（台形状）などでもよい。さらに、例えば、他の部分の構成により抜け止め防止の効果が得られる場合などには、外周側の断面形状を、内周側の断面形状と同一の矩形状にしてもよい。

上記構成によれば、次のような作用および効果が得られる。
コンプレッサ１としては、冷媒の流れる経路が次のようになる。すなわち、流入口５から流れ込むエアコンの冷媒は、回転子コア１２と固定子コア１７（積層コア２０またはチップ部２１）との間を抜けて下部に至り、回転子８の回転により圧縮力が形成されたコンプレッサ機構を通過して吐出口６から流れ出していくといった経路を辿ることになる。

所定の永久磁石１３から発生して所定のチップ部２１により軸方向に収束された磁束は、そのチップ部２１と固着されているティース２２、ヨーク２３および他のティース２２を通過し、他の永久磁石１３に戻る。このような磁気回路の構成において、永久磁石１３の軸方向長さｈｃに対し、積層コア２０のコイル１９が巻装される部分（ティース２２）における軸方向長さｈａが短くなっているため、コイル１９を構成する銅線の周長が短くなる。また、ティース２２の先端に取り付けられたチップ部２１の軸方向長さｈｂは、永久磁石１３の軸方向長さｈａと同一になっている。そして、永久磁石１３から発生する磁束は、空間に対して無方向性な圧紛鉄心からなるチップ部２１により軸方向に収束される。そのため、永久磁石１３から発生する磁束は、おおきく漏れることなく収束して、積層コア２０側に流入し、コイル１９に鎖交するようになる。従って、本実施形態によれば、コイル１９における銅損および積層コア２０の鉄損が低減される、つまりモータ７における損失が低減されるという効果が得られる。

チップ部２１に形成された凸部２４をティース２２に形成された凹部２５に嵌合することにより、チップ部２１およびティース２２が固着されている。つまり、チップ部２１およびティース２２の境界（接触部分）は、チップ部２１側が凸となるように形成されている。そのため、チップ部２１の軸方向断面を見ると、チップ部２１からティース２２に向けて凸状になっている。このような構成によれば、チップ部２１およびティース２２の境界をチップ部２１側が凹となるように形成された構成に比べると、軸方向の断面積が大きくなる。軸方向の断面積が大きくなることにより、チップ部２１において磁気飽和が発生し難くなり、モータ７のトルクの源泉となる鎖交磁束量が多くなる。また、チップ部２１およびティース２２の接触部分の断面積が大きくなるため、接着面積の拡大または摩擦力の向上により、固着力が強くなるという効果が得られる。

上記構成において接触面には微小な隙間が空きやすいことが考えられる。しかし、本実施形態によれば、凸部２４の軸方向端面が露出していることから、金型で直接加圧することができる。そのため、密度が向上し易くなり、隙間の形成が抑制される。また、接触面の拡大により、磁気抵抗の増加が抑制され、鎖交磁束量が低下する事態を防止することができる。加えて、磁気歪みを緩和するため、加圧成型後に例えば６００℃程度での熱処理が実施されることがある。このような場合、僅かではあるものの、凸部２４が収縮する。この際、上記構成によれば、凹部２５において加圧時に広がったものが弾性変形によって戻ることにより、接触面の固着力が維持されるという効果が得られる。このように、本実施形態の構成によれば、接触部分における確実な固着力を確保することができるとともに、鎖交磁束量を多くすることができるため、前述したモータ７における損失低減の効果を確実に得ることができる。

一般に、圧紛鉄心は、ケイ素鋼板に比べ、そのコスト（価格）が高い。従って、固定子コア１７の一部分に圧粉鉄心からなるチップ部２１を設けた上記構成によれば、固定子コア１７の全てを圧粉鉄心により構成したものに比べると、固定子コア１７の製造コストを低く抑えることができる。ちなみに、固定子コア１７の全てを圧粉鉄心により構成した場合には、背景技術の欄で述べたように圧粉鉄心による磁気回路が長くなり、その結果、鎖交磁束量が低下するが、本実施形態の構成によれば、その問題の発生も抑制される。

チップ部２１となる圧粉鉄心を加圧成形する際に、積層コア２０のうち少なくともティース２２の一部を、その圧粉鉄心の成形型の内部に入れて一体成形することにより、ティース２２にチップ部２１を固着する。つまり、圧粉鉄心からなるチップ部２１を成形する工程と、チップ部２１をティース２２に嵌合して取り付ける工程とを同時に行う。これにより、モータ７を製造する際における工程が削減され、製造コストの低減に寄与することができるという効果が得られる。

（第２の実施形態）
以下、第２の実施形態について図４を参照しながら説明する。
図４に示す本実施形態のコンプレッサ３１が備えるモータ３２（永久磁石モータに相当）は、図１に示した第１の実施形態のモータ７に対し、固定子の構成が異なる。モータ３２の固定子３３は、モータ７の固定子９に対し、固定子コア１７とコイル１９との間を絶縁するための絶縁材料として、ボビン１８に代えて樹脂モールド３４（樹脂に相当）を用いる点が異なっている。

本実施形態では、積層コア２０のティース２２にチップ部２１が取り付けられた状態（凹部２５に凸部２４が嵌合した状態）において、それらティース２２およびチップ部２１を樹脂モールド３４により一体成形することにより、積層コア２０のティース２２の先端にチップ部２１が固着される。コイル１９は、樹脂モールド３４を介してティース２２に巻装される。このような構成によれば、ティース２２にボビンなどの絶縁材料を取り付ける工程が必要なくなる分だけ、モータ３２を製造する際における工数が削減され、製造コストの低減に寄与することができるという効果が得られる。

（第３の実施形態）
以下、第３の実施形態について図５を参照しながら説明する。
図５に示す本実施形態の固定子コア４２は、いわゆる分割コアとなっている。すなわち、固定子コア４２は、積層コア４３（コア部に相当）と、６つのチップ部２１とを有する。積層コア４３は、図３などに示した積層コア２０と同様、その内周側に位置する６つのティース４４（突極部に相当）と、その外周側に位置するものであって各ティース４４を磁気的に経路する環状のヨーク４５（経路部に相当）とを備えている。ただし、ティース４４およびヨーク４５は、分離可能であり、互いに別々に（別体として）構成されている。

ティース４４には、その外周面から外周方向に向けて延びる凸部４６が形成されている。凸部４６は、チップ部２１の凸部２４と同様の形状をなしている。ヨーク４５の内周面には、凹部４７が形成されている。凹部４７は、ティース２２の凹部２５と同様の形状をなしている。凸部４６が凹部４７に嵌合して固着されることにより、積層コア４３が形成される。

上記構成の固定子コア４２の製造方法としては、例えば次のような方法を採用することができる。すなわち、まず、ヨーク４５と分離した状態の６つのティース４４と、６つのチップ部２１とを、それぞれ固着する。その後、固着された６組のティース４４およびチップ部２１を、ヨーク４５に固着することにより、固定子コア４２が形成される。このような分割コアの構成を採用した本実施形態によれば、コイル１９をティース４４に巻装し易くなるなど、生産効率が向上するという効果が得られる。

また、上記構成によれば、チップ部２１となる圧粉鉄心を加圧成形する際に、ティース４４の一部または全部だけを、その圧粉鉄心の成形型の内部に入れて一体成形してティース４４にチップ部２１を固着することが容易となる。これにより、積層コア４３のうち少なくともヨーク４５については、圧粉鉄心を成形する際における圧力が加わることがなくなり、それに伴う変形などの問題が生じるおそれがなくなる。

（その他の実施形態）
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これら実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。
本発明は、永久磁石を用いたラジアルギャップモータ全般に適用することができる。従って、モータとしては、インナーロータ型（内転型）に限らず、アウタロータ型（外転型）でもよい。また、モータの用途としては、エアコンのコンプレッサ用に限らず、例えば、冷蔵庫のコンプレッサ用や、洗濯機の駆動用などであってもよい。

チップ部２１において、ティース２２よりも軸方向（回転軸方向）に突き出した部分に凸部２４が存在する構成であってもよい。
チップ部２１は、その軸方向の少なくとも一方の端部がティース２２の軸方向の端部よりも軸方向に突き出るようにして、ティース２２の先端に取り付けられていてもよい。
チップ部２１に複数の凸部が形成されるとともに、ティース２２、４４に複数の凹部が形成され、各凸部が各凹部にそれぞれ嵌合して固着されることにより、ティース２２、４４の先端にチップ部２１が取り付けられる構成であってもよい。
これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

図面中、７、３２はモータ（永久磁石モータ）、８は回転子、９、３３は固定子、１３は永久磁石、１７、４２は固定子コア、１９はコイル、２０、４３は積層コア（コア部）、２１はチップ部、２２、４４はティース（突極部）、２３、４５はヨーク（経路部）、２４は凸部、２５は凹部、３４は樹脂モールド（樹脂）を示す。

Claims (4)

1. 軟磁性体で形成された固定子コアおよび前記固定子コアに巻装されたコイルを有する固定子と、永久磁石を有する回転子とを備えた永久磁石モータにおいて、
   前記固定子コアは、単体で絶縁されるとともに回転軸方向に積層し固着された鋼板からなるコア部と、圧粉鉄心からなるチップ部とを備え、
   前記コア部は、環状の経路部と、前記経路部により磁気的に経路され前記経路部から回転軸方向と直交する周方向に延びる複数の突極部とを備え、
   前記チップ部は、前記突極部の先端に取り付けられるものであって、その回転軸方向の少なくとも一方の端部が前記突極部の回転軸方向の端部より回転軸方向に突き出る形状であり、周方向に延びる１つまたは複数の凸部を有し、
   前記突極部は、先端側の面に前記チップ部の凸部を嵌合可能な凹部が形成されており、
   前記チップ部の凸部が前記突極部の凹部に嵌合されることにより、前記コア部にチップ部が取り付けられており、
   前記チップ部の回転軸方向の長さは、前記永久磁石の回転軸方向の長さと同一になるように設定されていることを特徴とする永久磁石モータ。
2. 軟磁性体で形成された固定子コアおよび前記固定子コアに巻装されたコイルを有する固定子と、永久磁石を有する回転子とを備えた永久磁石モータを製造する方法であって、
   前記固定子コアは、単体で絶縁されるとともに回転軸方向に積層し固着された鋼板からなるコア部と、圧粉鉄心からなるチップ部とを備え、
   前記コア部は、環状の経路部と、前記経路部により磁気的に経路され前記経路部から回転軸方向と直交する周方向に延びる複数の突極部とを備え、
   前記チップ部は、前記突極部の先端に取り付けられるものであって、その回転軸方向の少なくとも一方の端部が前記突極部の回転軸方向の端部より回転軸方向に突き出る形状であり、周方向に延びる１つまたは複数の凸部を有し、
   前記突極部は、先端側の面に前記チップ部の凸部を嵌合可能な凹部が形成されており、
   前記チップ部の凸部が前記突極部の凹部に嵌合されることにより、前記コア部にチップ部が取り付けられており、
   前記チップ部の回転軸方向の長さは、前記永久磁石の回転軸方向の長さと同一になるように設定されており、
   前記チップ部となる圧粉鉄心を成形する際に前記コア部のうち少なくとも前記突極部の一部を当該成形型内に入れて一体成形することにより、前記コア部に前記チップ部を固着することを特徴とする永久磁石モータの製造方法。
3. 軟磁性体で形成された固定子コアおよび前記固定子コアに巻装されたコイルを有する固定子と、永久磁石を有する回転子とを備えた永久磁石モータを製造する方法であって、
   前記固定子コアは、単体で絶縁されるとともに回転軸方向に積層し固着された鋼板からなるコア部と、圧粉鉄心からなるチップ部とを備え、
   前記コア部は、環状の経路部と、前記経路部により磁気的に経路され前記経路部から回転軸方向と直交する周方向に延びる複数の突極部とを備え、
   前記チップ部は、前記突極部の先端に取り付けられるものであって、その回転軸方向の少なくとも一方の端部が前記突極部の回転軸方向の端部より回転軸方向に突き出る形状であり、周方向に延びる１つまたは複数の凸部を有し、
   前記突極部は、先端側の面に前記チップ部の凸部を嵌合可能な凹部が形成されており、
   前記チップ部の凸部が前記突極部の凹部に嵌合されることにより、前記コア部にチップ部が取り付けられており、
   前記チップ部の回転軸方向の長さは、前記永久磁石の回転軸方向の長さと同一になるように設定されており、
   前記突極部および前記チップ部を、前記固定子コアと前記コイルとの間を絶縁するための樹脂により一体成形することにより、前記コア部に前記チップ部を固着することを特徴とする永久磁石モータの製造方法。
4. 軟磁性体で形成された固定子コアおよび前記固定子コアに巻装されたコイルを有する固定子と、永久磁石を有する回転子とを備えた永久磁石モータを製造する方法であって、
   前記固定子コアは、単体で絶縁されるとともに回転軸方向に積層し固着された鋼板からなるコア部と、圧粉鉄心からなるチップ部とを備え、
   前記コア部は、環状の経路部と、前記経路部により磁気的に経路され前記経路部から回転軸方向と直交する周方向に延びる複数の突極部とを備え、
   前記チップ部は、前記突極部の先端に取り付けられるものであって、その回転軸方向の少なくとも一方の端部が前記突極部の回転軸方向の端部より回転軸方向に突き出る形状であり、周方向に延びる１つまたは複数の凸部を有し、
   前記突極部は、先端側の面に前記チップ部の凸部を嵌合可能な凹部が形成されており、
   前記チップ部の凸部が前記突極部の凹部に嵌合されることにより、前記コア部にチップ部が取り付けられており、
   前記チップ部の回転軸方向の長さは、前記永久磁石の回転軸方向の長さと同一になるように設定されており、
   前記経路部と分離した状態の前記突極部と前記チップ部とを固着する工程と、
   それら突極部を前記経路部に固着することにより、前記固定子コアを形成する工程と、
   を含むことを特徴とする永久磁石モータの製造方法。
   

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