JP5567311B2 - アキシャルギャップモータ、圧縮機、モータシステム、および発電機 - Google Patents

Description

本発明は、軸方向にギャップを有するアキシャルギャップモータに係わり、特にアキシャルギャップモータの固定子の構造に関する。また、このアキシャルギャップモータを使用する電磁応用製品に関する。

近年、産業用機器や家電品、自動車部品などにおいて、省エネルギー化の必要性が重要視されるようになってきた。現在、国内の火力、水力、原子力、風力などの発電所において作られる電気のほとんどは、電磁応用製品である回転電機（発電機）を用いて作られている。また、国内で使用される電力使用量のうちの半分以上は、回転電機の駆動によって消費されている。これらの電磁応用製品は、鉄心部に軟磁性材料が用いられており、この鉄心部の損失を低減することで、高効率化が実現可能になる。また、上記の電磁応用製品には、高効率化と同時に低コスト化も求められている。

回転電機の基本的構造は、軟磁性材料による鉄心と、コイルと、永久磁石などから構成されている。そして、この回転電機の損失は、鉄損と銅損に大別される。鉄損は、軟磁性材料の特性によって決まる。銅損は、コイルの抵抗値、すなわち占積率によって決まり、巻線をコンパクトな構造にすればするほど、損失を小さくすることができる。効率を高めるのは、これらの損失を小さくするように回転電機の形状や寸法などを設計することによって達成されるが、材料の特性を変更することでも、高効率化に寄与できる。

アモルファス金属は、軟磁性材料の中でもトップクラスの低鉄損特性を有している。しかし、アモルファス金属は、急速冷却して非晶質体を形成する方法で製造されるために、薄い箔帯（リボン状）の形態でしか構成できない。このため、鉄心として形状をなすことが困難であり、これまでは上述のような電磁応用製品に採用されていなかった。

アモルファスを鉄心として利用する一例として、巻鉄心がある。巻鉄心は、箔帯を巻き取るだけで構成できるので、アモルファスの加工性の悪さや、薄くて扱いにくいなどの欠点を補うことが可能である。巻鉄心を切断して分割せずに、そのままの形状でモータに利用する場合には、アキシャルギャップモータ（アキシャルギャップ型回転電機）のような構成が適している。

アキシャルギャップ型回転電機の基本的な構造には、特許文献１に示されるような構造がある。この構造は、ティース部と継鉄部を有しており、軸方向に一箇所しかトルク出力に寄与する対向面を持たない。また、ティースから、継鉄部に磁束を流す構造であるため、３次元的に磁束が流れることを考慮した軟磁性材料を用いる必要がある。これらの要求を満たすためには、圧粉磁心など、磁気特性が３次元的に等方性を有する材料を利用する必要があるが、これらの材料は、一般的に使用される珪素鋼板などに比べて透磁率が低いことや、鉄損が大きいことから、小形化が困難という問題がある。

上記問題を解決するための方法として、軸方向に２面の対向面を設けて、鉄心をアモルファスで構成する技術がある。この技術には、巻取り軸に対して垂直な面における鉄心の断面積は、軸方向のどの断面でも一定である（すなわち、鉄心の太さは一定である）ために、ギャップを介して対向する磁石の表面から得られる磁束を有効に鉄心に集めることが出来ないという課題がある。また、コイルを巻くスペースを大きく取った場合には、コイル領域が大きくなってティース間距離も大きくなり、トルク脈動が大きくなったり、誘起電圧が正弦波から外れて矩形波のような形状になったりしてしまうという課題もある。従って、コイルを巻くスペースに制限があり、設計自由度には制約がある。

特開２００５−２８７２１２号公報

本発明は、ギャップを介して対向する磁石から得られる磁束を有効に鉄心に集めて、上記の従来技術の課題点であるトルク脈動の低減と誘起電圧の正弦波化を図り、かつ設計自由度の向上を満足するアキシャルギャップモータを提供することを目的とする。また、良質な軟磁性鉄心が適材適所に配置され、低鉄損（高効率）で、低コストなアキシャルギャップモータと電磁応用製品を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明によるアキシャルギャップモータは、基本的には次のような特徴を有する。

固定子と回転子とを有し、前記固定子の軸方向において前記固定子と前記回転子とが間隙を設けて対向配置されるアキシャルギャップモータにおいて、前記固定子を構成する固定子ティースは、固定子ティース胴部と、前記固定子ティース胴部と組み合わされて前記固定子ティース胴部の少なくとも軸方向の一端に接合される固定子ティース端部と、前記固定子ティース胴部の周囲に配置される固定子コイルとを備える。前記固定子ティース胴部は、アモルファス箔帯を巻き取って積層した巻鉄心で構成される。前記固定子ティース端部は、圧粉磁心の成形体で構成され、前記回転子と対向する対向面を有し、前記アモルファス箔帯の巻取り軸に対して垂直な面における断面積が前記固定子ティース胴部の前記アモルファス箔帯の巻取り軸に対して垂直な面における断面積よりも大きい。

前記固定子ティース端部は、前記断面積が前記固定子ティース胴部との接合部から前記対向面に向かうに従って大きくなるのが好ましい。

また、本発明によるアキシャルギャップモータは、基本的には次のような特徴を有する。

固定子と回転子とを有し、前記固定子の軸方向において前記固定子と前記回転子とが間隙を設けて対向配置されるアキシャルギャップモータにおいて、前記固定子を構成する固定子ティースは、固定子ティース胴部と、前記固定子ティース胴部と組み合わされて前記固定子ティース胴部の少なくとも軸方向の一端に接合される固定子ティース端部と、前記固定子ティース胴部の周囲に配置される固定子コイルとを備える。前記固定子ティース胴部は、圧粉磁心の成形体で構成される。前記固定子ティース端部は、前記回転子と対向する対向面を有し、前記対向面を含む部分がアモルファス箔帯を巻き取って積層した巻鉄心を配置して構成され、前記固定子ティース胴部と接合する部分が圧粉磁心の成形体で構成され、前記アモルファス箔帯の巻取り軸に対して垂直な面における断面積が前記固定子ティース胴部の前記アモルファス箔帯の巻取り軸に対して垂直な面における断面積よりも大きい。

前記固定子ティース端部のうち前記圧粉磁心の成形体で構成される部分は、前記断面積が前記固定子ティース胴部との接合部から前記対向面に向かうに従って大きくなるのが好ましい。

また、本発明によるエアコン用の圧縮機、自動車駆動用のモータシステム、および風力発電機の発電機は、それぞれ上述のアキシャルギャップモータを用いる圧縮機、モータシステム、および発電機である。

本発明によれば、アモルファス金属を巻き取って積層した鉄心を固定子鉄心として採用するため、鉄損値を大幅に低減することができ、モータ（回転電機）の高効率化と低価格化を同時に満足することができる。

また、本発明によれば、アモルファス金属の高透磁率特性を有効に利用することが可能であるため、回転電機の性能の向上が期待でき、従来のアモルファスを用いたアキシャルギャップモータでは実現困難であったトルク脈動の低減、誘起電圧の正弦波化、設計自由度の向上が可能となる。これにより、高性能で経済的な電磁応用製品を低コストで提供することが可能となる。

本発明の実施例１に関わるアキシャルギャップモータの固定子ティースの構造を示す分解図である。 本発明の実施例１に関わるアキシャルギャップモータの固定子ティースの構造を示す組立図である。 本発明の実施例１に関わるアキシャルギャップモータの固定子を示す図である。 本発明の実施例１に関わるアキシャルギャップモータの固定子を樹脂モールドによって保持、固定する構造を示す図である。 本発明の実施例１に関わるアキシャルギャップモータの固定子を樹脂モールドによって保持、固定する構造の断面図である。 本発明の実施例１に関わるアキシャルギャップモータの固定子の構造を示す図である。 本発明の実施例１に関わるアキシャルギャップモータの構造を示す図である。 本発明の実施例１に関わるアキシャルギャップモータの外観図である。 本発明の実施例１に関わるアキシャルギャップモータの断面図である。 本発明の実施例２に関わるアキシャルギャップモータの固定子の構造を示す図である。 本発明の実施例２に関わるアキシャルギャップモータの固定子を示す図である。 本発明の実施例３に関わるアキシャルギャップモータの先端つなぎ部（固定子ティース端部の一部と固定子ティース胴部）の構造を示す図である。 本発明の実施例３に関わるアキシャルギャップモータの先端つなぎ部を図６（ａ）の上下逆方向から見た図である。 本発明の実施例３に関わるアキシャルギャップモータの固定子ティース端部のうち、回転子と対向する部分の構造を示す図である。 本発明の実施例３に関わるアキシャルギャップモータの固定子の構造を示す図である。 本発明の実施例３に関わるアキシャルギャップモータの固定子を示す図である。 本発明の実施例３に関わるアキシャルギャップモータの構造を示す図である。 本発明の実施例４に関わるアキシャルギャップモータのアモルファス箔帯巻鉄心の積層構造を示す図である。 本発明の実施例４に関わるアキシャルギャップモータのアモルファス箔帯巻鉄心の部分拡大図である。 本発明の実施例４に関わるアキシャルギャップモータのアモルファス箔帯巻鉄心の製造方法を説明する図である。 本発明の実施例５に関わるアキシャルギャップモータのアモルファス箔帯を巻いて作成した巻鉄心を示す図である。 図１１（ａ）の巻鉄心を切断して作成した鉄心を示す図である。 本発明の実施例５に関わるアキシャルギャップモータの固定子ティース端部の形状を示す図である。 本発明の実施例５に関わるアキシャルギャップモータの固定子鉄心を示す図である。 本発明によるアキシャルギャップモータを用いた家電用の圧縮機を示す図である。 本発明によるアキシャルギャップモータを用いた自動車駆動用のモータシステムを示す図である。 本発明によるアキシャルギャップモータを用いた風力発電機用の発電機を示す図である。

本発明によるアキシャルギャップモータでは、低鉄損特性を有するアモルファス箔帯を巻いて構成した巻鉄心を、固定子ティースに適用する。アモルファス巻鉄心は、巻取り軸に対して垂直な面における断面の形状がどの断面でも一定である。そこで、固定子ティースのうち、巻取り軸に対して垂直な面における断面の形状が一定である部分にアモルファス巻鉄心を適用する。固定子ティースのうち、この面における断面の形状が一定でない部分は、圧粉磁心を用いて作成する。なお、アモルファス巻鉄心の形状は、円形に限らず、略円形、多角形、楕円形などであってもよい。また、アモルファス箔帯の材質には、鉄基またはコバルト基のアモルファスを用いる。

以下の説明において、軸方向とは、アモルファス巻鉄心の巻取り軸に平行な方向である。

固定子鉄心（固定子ティースの鉄心部分）は、固定子ティース胴部と固定子ティース端部とから構成される。固定子ティース胴部は、固定子ティースのうち、その周囲に固定子コイルが配置される部分であり、鉄心の軸方向に対して垂直な面における断面の形状や面積が一定である。固定子ティース端部は、固定子ティース胴部の軸方向の上端と下端のどちらか一方または両方に配置され、固定子ティース胴部と組み合わされる。上記のアモルファス箔帯を巻いて構成した巻鉄心は、固定子ティース胴部または固定子ティース端部に適用される。

このように構成された固定子鉄心がアキシャルギャップモータの固定子に用いられたとき、固定子ティース端部が回転子の磁石と対向する。本発明においては、固定子鉄心の軸方向に対して垂直な面における断面積は、固定子ティース端部での断面積の方が、固定子ティース胴部での断面積よりも大きい。従って、ギャップを介して対向する磁石から得られる磁束を有効に鉄心に集めることができる。これにより、トルク脈動の低減と誘起電圧の正弦波化が可能になる。また、コイルを巻くスペースを大きく取ってコイル領域が大きくなっても、固定子ティース端部の断面積が大きいため、やはり磁石からの磁束を有効に鉄心に集めることができる。このため、設計の自由度を向上することもできる。固定子ティース端部の形状については、後で詳細に述べる。

本発明は、上述の固定子ティース胴部と固定子ティース端部、および固定子コイルを組み合わせてアキシャルギャップモータの固定子ティースを構成することで、トルク脈動の低減、誘起電圧定数の向上、誘起電圧の正弦波化などのモータ諸特性を改善する。

本発明では、アモルファス箔帯を巻き取って巻鉄心として構成し、この巻鉄心をアキシャルギャップモータの固定子ティース胴部や固定子ティース端部の軸方向に対して垂直な面での断面形状が一定である部分に用いる。アモルファスの巻取り時には、絶縁樹脂を挟み込みながら、アモルファス箔帯の層間で完全に電気的絶縁が取れるように巻き取ることが望ましい。

例えば、固定子ティース胴部をアモルファスの巻鉄心で構成する場合には、固定子ティース端部を、軸方向に対して垂直な面における断面積が固定子ティース胴部の断面積よりも大きくなるように、圧粉磁心を用いて形成する。両側回転子タイプのアキシャルギャップモータの場合には、固定子ティース端部を固定子ティース胴部の両端に配置して、固定子ティースとする。片面回転子タイプの場合には、固定子ティース端部を固定子ティース胴部の一端に配置し、もう一端には、圧粉磁心で構成され、固定子ティース胴部のアモルファス鉄心と組み合わせ可能なアキシャルギャップモータ固定子ヨーク（固定子継鉄部）を組み合わせて固定子とする構造を採用する。

また、固定子ティース端部のうち前述の断面形状が一定である部分をアモルファスの巻鉄心で構成し、固定子ティース端部のうち前述の断面形状が一定でない部分と固定子ティース胴部とを圧粉磁心で構成することも可能である。この場合、鉄損が大きくなる部分である固定子ティース端部は、鉄損の非常に小さいアモルファスで構成されているので、モータ効率を大幅に向上することができる。

このような構造による固定子鉄心は、アモルファスと圧粉磁心とのハイブリッド構造であるので、３次元的に磁束が流れ、鉄損を小さくすることができる。このハイブリッド構造は、電磁鋼板など他の材料を用いての構成は困難である。

以下、本発明によるアキシャルギャップモータ、圧縮機、モータシステム、および発電機の実施例を、図面を用いて説明する。

以下、本発明によるアキシャルギャップモータの第１の実施例について、図１から図４を用いて説明する。

図１（ａ）、図１（ｂ）は、本発明によるアキシャルギャップモータの固定子ティースの構成を示す図である。固定子ティース１０は、固定子鉄心と固定子鉄心の周囲に配置された固定子コイル２とから構成される。各固定子鉄心は、固定子ティース胴部１０１と固定子ティース端部１０２とから構成され、アモルファス巻鉄心と圧粉磁心の成形体とを利用して作成される。本実施例では、固定子ティース端部１０２は、固定子ティース胴部１０１の両端に配置される。また、本実施例では、固定子ティース胴部１０１に、アモルファス巻鉄心を採用する。アモルファス巻鉄心は、巻取り軸に対して垂直な面における断面の形状が一定であるので、固定子ティース胴部１０１も、軸方向に対して垂直な面における断面の形状や面積が一定である。

通常、アモルファス箔帯は、厚さが２５μｍと非常に薄い。これは、アモルファスが急冷法で製造されるために、厚い材料ができないことが原因である。例えば、磁性材料として使用される鉄基のアモルファス金属は、溶けた鉄を高速で回転するロール上に落として、急速に冷却された状態とし、薄い箔帯状にして巻き取る方法で製造される。これによって出来たアモルファス箔帯は、一方の面が、非常に面粗さが細かい鏡面状の面となる。この鏡面状の面を表面として、内側より占積率を高めて所定の形状に巻き取って、アモルファス巻鉄心からなる固定子ティース胴部１０１を得る。

次に、固定子ティース胴部１０１の周囲に、固定子コイル２を配置する。固定子コイル２は、あらかじめ巻き線しておいてから固定子ティース胴部１０１と組み立てる方法や、固定子ティース胴部１０１の巻鉄心に直接巻いていく方法により、配置可能である。実際には、固定子コイル２の電線に絶縁被膜付きのマグネットワイヤを用い、２次絶縁として、テーピング処理や、プラスチックボビンへの巻き線が有効である。

固定子ティース端部１０２は、圧粉磁心を圧縮成形した成形体を用いて構成する。図１（ａ）、図１（ｂ）に示したように、固定子ティース端部１０２は、固定子ティースの軸方向に対して垂直な面における断面積が、固定子ティース胴部１０１の断面積よりも大きく、固定子ティース１０の軸方向の端部に向かって大きくなるような形状を有する。

また、固定子ティース端部１０２には、固定子ティース胴部１０１と接合するための嵌合部である突起１１０が設けられている。固定子ティース端部１０２とアモルファス箔帯の巻鉄心からなる固定子ティース胴部１０１とを組み立てるときには、固定子ティース胴部１０１の巻鉄心の巻き始め穴である凹部に、突起１１０を組み合わせる。

さらに、各固定子ティース端部１０２は、固定子ティースの軸方向の端部に、回転子と対向する面であるギャップ対向面１１１を有する。ギャップ対向面１１１は、平坦面であり、できるだけ広い面積を有するように構成する。ギャップ対向面１１１は、球状のような曲面からなる３次元構造でも良い。

固定子ティース端部１０２は、軸方向に対して垂直な面における断面積が、固定子ティース胴部１０１への接合部からギャップ対向面１１１に至るにつれて、徐々に大きくなる形状を有する。固定子ティース端部１０２と固定子ティース胴部１０１との接合部の形状は、テーパ形状やフィレット形状（曲率を有するコーナーＲ形状）とすることができる。

図１（ｃ）には、図１（ｂ）に示した固定子ティース１０を複数個組み立てて作成した固定子の例を示す。この例では、固定子ティース１０の１極分を９個周方向に配置して、３相モータの固定子１を構成した例を示している。図１（ｃ）に示した例は、Ｕ相固定子１０−Ｕ、Ｖ相固定子１０−Ｖ、およびＷ相固定子１０−Ｗを、電気角で１２０度ピッチに配置した構成である。

図２（ａ）、図２（ｂ）は、固定子１を樹脂モールドにより保持し固定した図である。図２（ａ）には、樹脂５で固定子１の周囲を固めた形状を示している。固定子１を図１（ｃ）のようにならべた状態で金型などに配置して、樹脂を射出成形などによって注入し、図２（ａ）に示したような構造を作成する。

図２（ｂ）は、図２（ａ）に示した固定子１の軸方向に対して平行な面での断面図である。固定子ティース胴部１０１、固定子ティース端部１０２、および固定子コイル２は、図１（ｂ）で示した構成で樹脂５の中に配置されている。

樹脂の種類については、流れ性の良い樹脂なら何でもよいが、強度を確保するために、熱可塑性であれば、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＣ（ポリカーボネート）、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＯＭ（ポリオキシメチレン）、ＰＰ（ポリプロピレン）、ＰＥＥＫ（ポリエテルエーテルケトン）、ＬＣＰ（液晶ポリマ）などのエンジニアリングプラスチックが望ましい。また、流れ性に問題は残るが、これらにフィラーを入れたグレードなどで強度を増す方法も考えられる。熱硬化性樹脂であれば、エポキシや不飽和ポリエステルなどが適している。これらは流れ性が良いため、０．２ｍｍの隙間にも低圧力で含浸することが可能である。さらに、熱の伝達を良くするために、シリカやアルミナを含んだ樹脂を使用することも効果的である。

図３（ａ）と図３（ｂ）に、図２（ａ）に示したアモルファス箔帯と圧粉磁心成形体とのハイブリッド鉄心からなる固定子を用いたアキシャルギャップモータの構成の一例を示す。この例では、アキシャルギャップモータの固定子ティースに、図２（ａ）に示した固定子１を用いる構造を示しており、前述したように固定子磁極は９個である。また、磁石極は６極である。すなわち、図３（ｂ）に示すように、回転子３は６個の磁石１７を備える。

固定子１は、図３（ａ）に示すように、周方向に９個配置された固定子ティース１０からなるが、中央部分には、軸受け（ベアリング）を保持するための部材であるベアリング保持部１２がモールドで形成されている。固定子１の外側には、ハウジング１４が配置される。

回転子は、図３（ｂ）に示すように、６個の磁石１７を、回転する磁性体の円盤１８の片面に等間隔にＳ極とＮ極とが交互に並ぶように配置し、接着などの方法によって固定する。回転子３は、２個作成し、固定子１の上下に配置する。一方の回転子の円盤１８は、中央部にシャフト１５が圧入、焼嵌め、接着などの方法によって固定されており、シャフト１５が固定された面の内側部（中央付近）に、ベアリング１６が配置される。

図３（ａ）と図３（ｂ）では、ベアリング保持部１２は、固定子鉄心を保持する固定子鉄心保持部と一体の構造として示している。すなわち、ベアリング保持部１２は、固定子鉄心保持部を兼ねている。ベアリング保持部１２は、アキシャルギャップモータのベアリング１６を配置可能である。ベアリング保持部１２の軸方向中央部に保持部材が配置されていて、この保持部材の軸方向両側にベアリング１６が配置される。

本実施例では、このベアリング保持部１２と固定子鉄心保持部とを一体の構成で示したが、個別に製造したベアリング保持部と固定子鉄心保持部とを組み合わせて、このような構成にすることも可能である。例えば、円筒状のベアリング保持部と、中空の円盤状で内径が円形である固定子鉄心保持部とを、圧入、焼嵌め、隙間嵌めなどの手段を用いて組み立てて、上述の構成とすることができる。

最後に、固定子１の軸方向の両端に固定子ティース端部１０２に対向して２個の回転子３を組み入れる。まず、シャフト１５が固定されている回転子の円盤１８に配置されたベアリング１６を、固定子のベアリング保持部１２に組み込む。次に、ベアリング保持部１２の、回転子を組み込んだ側と反対側に、別のベアリング１６を組み付ける。最後に、もう１個の回転子を、先に組み込んだ回転子のシャフト１５に組み込み、圧入、焼嵌め、接着などの方法によって固定する。このような方法で組み立てて、両側回転子タイプのアキシャルギャップモータを得る。アモルファスで構成された固定子鉄心は、高透磁率、低鉄損特性を有するので、非常に効率の良いモータを得ることができる。

図４（ａ）は、アキシャルギャップモータ２０の外観を示す図であり、図４（ｂ）は、アキシャルギャップモータ２０のシャフト１５に平行な面での断面を示す図である。アキシャルギャップモータ２０は、外観上は、回転子３に連結されたシャフト１５が外側に出力を伝える構造となるので、通常のラジアルギャップタイプのモータと同様の形状となる。

本発明によるアキシャルギャップモータの第２の実施例について、図５（ａ）、図５（ｂ）を用いて説明する。

第１の実施例では、アモルファス箔帯からなる固定子ティース胴部の軸方向の上端と下端の両方に、圧粉磁心成形体からなる固定子ティース端部を組み合わせた形状の固定子を用い、回転子を固定子の軸方向両側に配置する両側回転子タイプのアキシャルギャップモータの例を示した。本実施例では、図５（ａ）、図５（ｂ）に示すように、回転子を固定子の軸方向の片側だけに設ける片面回転子タイプのアキシャルギャップモータの例を示す。

図５（ａ）は、第１の実施例で示した固定子ティース胴部１０１と、１つの固定子ティース端部１０２と、固定子コイル２とからなる固定子ティースが、固定子継鉄部（アキシャルギャップモータ固定子ヨーク）６に組み合わされる図である。固定子ティース胴部１０１の軸方向の一端には、固定子ティース端部１０２が設けられ、もう一端には固定子継鉄部６が設けられる。

固定子継鉄部６は、固定子ティース端部１０２と同様に、圧粉磁心を用いて構成される。また、固定子継鉄部６は、固定子ティース胴部１０１と組み合わせ可能な突起１１２を、所定の個所に有する構造となっている。図５（ａ）では、突起１１２は、周方向に９か所設けられている。

図５（ｂ）は、固定子ティースを突起１１２と組み合わせて固定子継鉄部６の周方向９か所に配置し、固定子１を構成した例を示す。この構造でも、図２（ａ）で示したように、樹脂モールドによって固定子１を固定することが望ましい。

本発明によるアキシャルギャップモータの第３の実施例について、図６から図８を用いて説明する。

これまでの実施例では、固定子鉄心に対し、アモルファスの巻鉄心を固定子ティース胴部に利用する形態について述べた。本実施例は、固定子ティース端部にアモルファス巻鉄心を利用する固定子鉄心の例である。アモルファス巻鉄心は、先にも述べたとおり、巻取り軸に対して垂直な面における断面の形状がどの断面でも一定である。そこで、固定子ティース端部のうち、軸方向に対して垂直な面における断面形状が一定である薄い部分を薄幅のアモルファスの巻鉄心で構成し、固定子ティース端部の残りの部分（固定子ティース端部のうち固定子ティース胴部と接合する部分）と固定子ティース胴部とを圧粉磁心で形成する。

図６を用いて、固定子鉄心の具体的な形状例を説明する。図６（ａ）と図６（ｂ）は、先端つなぎ部１０３を示す。図６（ｂ）は、図６（ａ）に示した先端つなぎ部１０３を上下逆方向から見た図である。先端つなぎ部１０３は、固定子ティース端部の一部と固定子ティース胴部とからなり、圧粉磁心で形成される。ここで、固定子ティース端部の一部とは、固定子ティース端部のうち固定子ティース胴部と接合する部分であり、軸方向に対して垂直な面における断面形状が、断面の位置により異なる部分である。図６（ａ）、図６（ｂ）に示すように、先端つなぎ部１０３の軸方向の断面形状は、固定子ティース胴部では一定であるが、固定子ティース端部では端部（巻鉄心１０４を配置する部分、図６（ｃ）参照）に向かうに従い徐々に広がっていく形状を有する。

図６（ｃ）に示すように、固定子ティース端部のうち、回転子と対向する部分にはアモルファスの巻鉄心１０４を配置する。上述したように、この部分は、軸方向の断面形状が一定となっている薄い部分である。先端つなぎ部１０３のうち、巻鉄心１０４が配置される部分は、座面と突起１１３とを有する。突起１１３は、巻鉄心１０４を配置するための嵌合部であり、突起１１３により、図６（ｃ）に示すような形状の巻鉄心１０４と先端つなぎ部１０３とが組み合わされる。このようにして、固定子ティース端部のうち、回転子と対向する対向面を含む部分は、巻鉄心１０４により構成される。

図７に固定子の形状を示す。図７（ａ）は、巻鉄心１０４と先端つなぎ部１０３とを組み合わせた固定子鉄心と、コイル２とが、固定子継鉄部７に組み合わされる図である。

図７（ｂ）は、固定子継鉄部７に、固定子ティースを周方向９か所に配置し、アキシャルギャップモータの固定子１を構成した図である。図７（ｂ）では、固定子１が、第２の実施例で示したように、軸方向片側に回転子を有する片面回転子タイプのアキシャルギャップモータの固定子として構成されている例を示す。

図８には、この固定子１を２つ有する構造のアキシャルギャップモータの構成を示している。本実施例でのアキシャルギャップモータは、図７（ｂ）に示した固定子１が樹脂モールドによって保持、固定され、磁石を有する円盤状の回転子３の軸方向両側に配置される。固定子１は、回転子３と反対側にそれぞれベアリング１６が配置され、外側にハウジング１４が配置される。このような構成にすることで、磁石の量を抑えて出力を大きく取れるアキシャルギャップモータが構成可能である。

この構成は、先に示した実施例２の構造でも可能である。また、実施例１のように、固定子の軸方向の両側に回転子を配置した場合の構成も可能である。

本発明によるアキシャルギャップモータの第４の実施例について、図９、１０を用いて説明する。

図９は、本発明によるアキシャルギャップモータを構成する固定子ティース胴部１０１を示した図である。固定子ティース胴部１０１は、アモルファス箔帯を巻取りした巻鉄心により構成される。

図９（ａ）には、固定子ティース胴部１０１のアモルファス箔帯の巻き方向１１４を示す。アモルファス箔帯は、固定子ティース胴部１０１の周方向に沿って巻かれ、積層構造となって巻鉄心を構成している。

図９（ｂ）は、固定子ティース胴部１０１の軸方向に対して垂直な面での断面の一部を拡大し、詳細を示した図である。アモルファスは、先に述べたように、薄い箔体で供給され、一方の表面が細かく、もう一方の表面が粗い。固定子ティース胴部１０１の断面は、図９（ｂ）に示すように、厚さが２５μｍのアモルファス箔体３１の層間に絶縁接着剤からなる絶縁層３２が配置されている。この絶縁層３２の厚さは、最小部を１μｍ程度とし、アモルファス箔体３１の層が互いに電気的に絶縁されているように構成されていなければならない。理由は、磁束によって渦電流が発生するためである。

図１０を用いて、このような巻鉄心の製造方法の一例を説明する。アモルファス素材を供給するフープ材３３より、アモルファス箔体３１を、ダンサローラ８、ガイドローラなどのローラを介して位置決めしながら送り出す。抑えローラ９ａ、９ｂによってアモルファス箔体３１を位置決めした状態で、ディスペンサやロッドコーターなどの方法を用いて絶縁性接着剤３４を均一かつ薄くアモルファス箔体３１に塗布しながら巻き取る。このような方法により、図９に示した巻鉄心を製造することができる。

本発明によるアキシャルギャップモータの第５の実施例について、図１１を用いて説明する。

図１１は、アモルファス箔帯を巻取りした鉄心の、別の作成方法を示す図である。本実施例では、ロール状態で巻いた巻鉄心を切断して、所定形状の鉄心を作成し、固定子ティース胴部に用いる。

図１１（ａ）に、アモルファス箔帯３１をロール状態で巻いて作成した巻鉄心を示す。図１１（ｂ）に、図１１（ａ）の巻鉄心を点線に沿って切断して作成した鉄心１０５を示す。図１１（ｂ）に示した鉄心１０５は、６つの面（平面と曲面）を有する略六面体の形状である。鉄心１０５は、巻鉄心の周方向と軸方向にアモルファス箔帯３１が連続しているが、径方向にはアモルファス箔帯３１の積層構造となっており、アモルファス箔帯３１の層間には絶縁層が形成されているため、渦電流が流れにくい。

図１１（ｃ）には、圧粉磁心成形体で作成された固定子ティース端部の別の形状例を示す。この固定子ティース端部１０６は、図１１（ｂ）に示した構造の鉄心１０５と組み合わせるために、鉄心１０５を保持しやすい凹部１０７を有する。凹部１０７は、固定子ティース端部１０６とアモルファスの鉄心１０５とを接合するための嵌合部である。

図１１（ｄ）に示すように、固定子ティース端部１０６の凹部１０７をアモルファスの鉄心１０５と組み合わせて、固定子鉄心を作成することができる。このように作成した固定子鉄心でも、第１の実施例と同様の効果を得ることができる。

図１２には、本発明によるアキシャルギャップモータの応用例を示す。アキシャルギャップモータは、形状が扁平であり、大きいトルクを出力することができるという利点を持つ。アキシャルギャップモータに、アモルファスのような低鉄損材料と、圧粉磁心のような高周波特性の良い材料を使用することで、高効率かつ小型のモータを実現することができる。このようなアキシャルギャップモータの用途の例として、図１２（ａ）に高効率が必要なエアコンなどの家電用の圧縮機を、図１２（ｂ）に自動車駆動用のモータシステム（図ではホイールインモータ）を、図１２（ｃ）に風力発電機用の扁平で高効率な発電機を示した。これらの圧縮機、モータシステム、および発電機には、本発明によるアキシャルギャップモータ２０が使用されている。

以上の実施例では、本発明によるアキシャルギャップモータの固定子の構造として、巻鉄心としてはアモルファスに関して記載してきたが、薄い鉄板（冷間圧延鋼板や薄手の電磁鋼板）などでも同様の効果が期待できると考えられる。

また、本発明によるアキシャルギャップモータを用いると、高性能で経済的な電磁応用製品を得ることが可能となる。従って、本発明によるアキシャルギャップモータを、電気のほとんどを製造し、または消費する電磁応用製品に使用すると、大幅なＣＯ_２削減などの効果があり、地球環境問題対策にもなり得る。

本発明によるアキシャルギャップモータは、小型、高効率、低騒音を目的としたブラシレスモータに応用することができる。また、薄形、高効率のファンシステム、家電圧縮機用モータ、自動車駆動用、風力発電機等の一般的なモータシステムに広く応用することが可能である。

１…固定子、２…固定子コイル、３…回転子、５…樹脂、６，７…固定子継鉄部（アキシャルギャップモータ固定子ヨーク）、８…ダンサローラ、９ａ，９ｂ…抑えローラ、１０…固定子ティース、１０−Ｕ…Ｕ相固定子、１０−Ｖ…Ｖ相固定子、１０−Ｗ…Ｗ相固定子、１２…ベアリング保持部、１４…ハウジング、１５…シャフト、１６…ベアリング、１７…磁石、１８…円盤、２０…アキシャルギャップモータ、３１…アモルファス箔体、３２…絶縁層、３３…フープ材、３４…絶縁性接着剤、１０１…固定子ティース胴部、１０２…固定子ティース端部、１０３…先端つなぎ部、１０４…アモルファス巻鉄心、１０５…巻鉄心を切断して作成した鉄心、１０６…凹部を有する固定子ティース端部、１０７…凹部、１１０，１１２，１１３…突起、１１１…ギャップ対向面、１１４…巻き方向。

Claims (10)

1. 固定子と回転子とを有し、前記固定子の軸方向において前記固定子と前記回転子とが間隙を設けて対向配置されるアキシャルギャップモータにおいて、
   前記固定子を構成する固定子ティースは、固定子ティース胴部と、前記固定子ティース胴部と組み合わされて前記固定子ティース胴部の少なくとも軸方向の一端に接合される固定子ティース端部と、前記固定子ティース胴部の周囲に配置される固定子コイルとを備え、
   前記固定子ティース胴部は、アモルファス箔帯を巻き取って積層した巻鉄心を、前記巻鉄心の周方向と軸方向に前記アモルファス箔帯が連続し、径方向には前記アモルファス箔帯の積層構造となるように切断して得られた鉄心で構成され、
   前記固定子ティース端部は、圧粉磁心の成形体で構成され、前記回転子と対向する対向面を有し、前記アモルファス箔帯の巻取り軸に対して垂直な面における断面積が前記固定子ティース胴部の前記アモルファス箔帯の巻取り軸に対して垂直な面における断面積よりも大きく、
   前記固定子ティース端部は、凹部を有し、
   前記凹部は、前記鉄心を保持し、前記固定子ティース端部と前記鉄心とを接合するための嵌合部である、
   ことを特徴とするアキシャルギャップモータ。
2. 請求項１記載のアキシャルギャップモータにおいて、
   前記固定子ティース端部は、前記断面積が前記固定子ティース胴部との接合部から前記対向面に向かうに従って大きくなるアキシャルギャップモータ。
3. 請求項１記載のアキシャルギャップモータにおいて、
   前記巻鉄心は、前記アモルファス箔帯の積層間に絶縁層が形成されているアキシャルギャップモータ。
4. 請求項１記載のアキシャルギャップモータにおいて、
   前記固定子ティース端部と前記固定子ティース胴部との接合部の形状は、テーパ形状またはフィレット形状であるアキシャルギャップモータ。
5. 請求項１記載のアキシャルギャップモータにおいて、
   前記固定子ティース胴部と前記固定子ティース端部と前記固定子コイルとは、樹脂でモールド固定されるアキシャルギャップモータ。
6. 請求項１記載のアキシャルギャップモータにおいて、
   前記巻鉄心の形状は、円形、略円形、多角形、または楕円形であるアキシャルギャップモータ。
7. 請求項１記載のアキシャルギャップモータにおいて、
   前記アモルファス箔帯の材質は、鉄基またはコバルト基のアモルファスであるアキシャルギャップモータ。
8. 請求項１から７のいずれか１項記載のアキシャルギャップモータを用いるエアコン用の圧縮機。
9. 請求項１から７のいずれか１項記載のアキシャルギャップモータを用いる自動車駆動用のモータシステム。
10. 請求項１から７のいずれか１項記載のアキシャルギャップモータを用いる風力発電機の発電機。

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