CN104081630A - 永久磁铁嵌入式电动机的转子、具有该转子的电动机、具有该电动机的压缩机、以及具有该压缩机的空调机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种能够抑制永久磁铁发生部分退磁并且进一步实现永久磁铁嵌入式电动机的低噪音化的转子、具有该转子的电动机、具有该电动机的压缩机以及具有该压缩机的空调机。上述转子具有缝隙孔（14），其沿着轴向形成在转子铁芯（6）的外周面与磁铁插入孔（9）之间的磁极两端部附近，并且以各磁极的中心线为基准沿着转子铁芯（6）的外周面形成大致八字形的对称形状，永久磁铁（10）的厚度（B）为气隙（A）的2倍以上（B＞2A），缝隙孔（14）与永久磁铁（10）之间的距离为最短的最短磁路（15）的宽度（C）为气隙（A）的2倍以上，缝隙孔（14）相对于与径向正交的永久磁铁（10）的宽度方向的倾角（θ）为0～30°的范围。

Description

永久磁铁嵌入式电动机的转子、具有该转子的电动机、具有该电动机的压缩机、以及具有该压缩机的空调机

技术领域

本发明涉及永久磁铁嵌入式电动机的转子、具有该转子的电动机、具有该电动机的压缩机、以及具有该压缩机的空调机。

背景技术

搭载在空调机的压缩机中的电动机不仅要求节能、低噪音，并且需要保证在150℃的高温环境中的使用。一般而言，Nd-Fe-B(钕-铁-硼)类的稀土类磁铁的残留磁通密度较高，所以适合使电动机小型化、高效率化，但是由于矫顽力随着温度升高而下降，所以在以相同电流进行比较的情况下，在越高温的环境中使用的电动机越容易退磁。因此，为了使稀土类磁铁不会在高温环境中退磁，通过添加例如Dy(镝)、Tb(铽)等重稀土类元素来提高矫顽力，以使其不会退磁而得以使用。然而，近年来，重稀土类元素稀少，其价格高涨，可采购性和价格升高的风险增大。反映上述形势，需求一种高效率且低噪音、并且即使是矫顽力较低的稀土类磁铁也不会被退磁而能够使用的抗退磁的电动机。

以往，例如公开了下述技术：一种永久磁铁电动机，包括：转子铁芯，其整体呈柱状地层叠钢板而成；永久磁铁收纳孔，其形成在该转子铁芯中与以该转子铁芯的轴心为中心的大致正多边形的各边对应的部位；永久磁铁，其分别被插入到该永久磁铁收纳孔中；以及4个以上的缝隙孔，其形成于永久磁铁收纳孔的外周部铁芯，在径向上呈细长形，并且沿着永久磁铁收纳孔彼此隔开地配置，通过使缝隙孔的径向外侧端的间距大致相等、径向内侧端的间距在永久磁铁的中央部较大且随着从中央部朝向端部而逐渐变小，由此能够减少电枢反应磁通并且改善外周部铁芯的磁通分布，从而得到噪音和振动较小的高效率永久磁铁电动机(例如专利文献1)。

专利文献1：日本专利第4248984号公报

发明内容

然而，在上述现有技术中，虽然通过在磁极表面的缝隙的配置和形状方面想办法能够有效地降低噪音，但并没有探讨关于退磁的影响。也就是说，在对转子施加退磁相位的磁动势时，磁通沿着缝隙流入磁铁，局部磁场集中于缝隙下方的永久磁铁，因此存在在磁铁的与缝隙相邻的部位、以及极间的磁铁端部容易产生部分退磁(初始退磁阶段)的问题。

本发明鉴于上述情况而完成，其目的在于提供一种能够抑制永久磁铁发生部分退磁并且进一步实现低噪音化的永久磁铁嵌入式电动机的转子、使用该转子的电动机、使用该电动机的压缩机、以及使用该压缩机的空调机。

为了解决上述课题而实现发明目的，本发明涉及的永久磁铁嵌入式电动机的转子隔着气隙旋转自如地被保持于定子的内周面，该定子上隔着槽部以轴心为中心等角度间隔地配置有多个齿部，上述永久磁铁嵌入式电动机的转子包括：转子铁芯，其层叠多片电磁钢板而形成；多个磁铁插入孔，其沿着上述转子铁芯的周向外周部以轴心为中心等角度间隔地在轴向上形成；永久磁铁，其呈平板状，每一极1个且极性交替地插入在上述多个磁铁插入孔中而构成多个磁极；以及缝隙孔，其沿着轴向形成在上述转子铁芯的外周面与上述磁铁插入孔之间的上述磁极的两端部附近，以上述各磁极的中心线为基准沿着上述转子铁芯的外周面形成大致八字形的对称形状，上述永久磁铁的厚度为上述气隙的2倍以上，上述缝隙孔与上述永久磁铁之间的距离为最短的最短磁路的宽度为上述气隙的2倍以上，上述缝隙孔相对于与径向正交的上述永久磁铁的宽度方向的倾角为0～30°的范围。

根据本发明，起到能够抑制永久磁铁发生部分退磁并且使永久磁铁嵌入型电动机进一步实现低噪音化的效果。

附图说明

图1是应用了实施方式涉及的转子的电动机的横截面图。

图2是实施方式涉及的转子的横截面图。

图3是磁铁插入孔的周向两端部附近的放大图。

图4是用于说明缝隙孔相对于与径向正交的永久磁铁的宽度方向的倾角的图。

图5是表示以往的电动机的转子的一个示例的图。

图6是表示在以往转子中从定子施加退磁相位的磁动势(退磁磁通)的情况下的磁通的流向的图。

图7是表示在实施方式涉及的转子中从定子施加退磁相位的磁动势(退磁磁通)的情况下的磁通的流向的图。

图8是表示搭载有实施方式涉及的转子的电动机、以及搭载有图5所示的以往转子的电动机在产生相同转矩时的转矩脉动的比较结果的图。

图9是表示在搭载有实施方式涉及的转子的电动机、以及搭载有图5所示的以往转子的电动机中当对转子施加定子的退磁相位的磁动势(退磁磁通)时、具有相同矫顽力的永久磁铁的退磁率的比较结果的图。

符号说明

1 电动机(永久磁铁嵌入式电动机)

2 定子

3 转子

4 齿部

5 槽部

6 转子铁芯

7 轴

9 磁铁插入孔

10 永久磁铁(稀土类磁铁)

11 贯通孔

12 空隙

13 极间薄壁部

14 缝隙孔

15 最短磁路

具体实施方式

下面，参照附图，对本发明的实施方式涉及的永久磁铁嵌入式电动机的转子、具有该转子的电动机、具有该电动机的压缩机、以及具有该压缩机的空调机进行说明。此外，本发明并非由以下所示的实施方式限定。此外，在以下的说明中，将永久磁铁嵌入式电动机简称为“电动机”，将该电动机的转子简称为“转子”。

实施方式

图1是应用了实施方式涉及的转子的电动机的横截面图。此外，图2是实施方式涉及的转子的横截面图。

如图1所示，电动机1包括：定子2，其中隔着槽部5以轴心为中心等角度间隔地沿周向配置有多个齿部4，该齿部上卷绕有定子绕组(未图示)；以及转子3，其通过热装、压入等方式在转子铁芯6的轴心连结有用于传递旋转能的轴7，并且以轴心为中心隔着转子铁芯6的外周面与定子2的内周面之间的气隙A旋转自如地被保持。

此外，如图2所示，在转子铁芯6的轴向上，沿着周向外周部以轴心为中心等角度间隔地形成有多个磁铁插入孔9。厚度为2mm左右且呈平板状的例如由Nd-Fe-B(钕-铁-硼)类的稀土类磁铁构成的永久磁铁10，每一极1个地在厚度方向上被平行地磁化并且极性交替地插入在该磁铁插入孔9中，构成各个磁极。另外，转子3的磁极数可以是2极以上的任意数量，在图2中例示了转子3的磁极数为4极的情况。此外，这里，使用Nd-Fe-B(钕-铁-硼)类的稀土类磁铁作为永久磁铁10，但是永久磁铁10的种类不限于此。

进而，在转子铁芯6中，在比磁铁插入孔9靠内侧处沿轴向设置有多个作为制冷剂流路的贯通孔11。另外，贯通孔11的数量、位置和形状也可以是图2所示的方式以外的方式。

定子2的铁芯和转子铁芯6是通过将厚度为0.35mm左右的较薄的电磁钢板形成为规定形状并层叠规定片数而构成的。

通过隔着绝缘材绕线于定子2的铁芯的槽部5，使其流通频率与指令转速同步的电流,从而定子2产生旋转磁场。

磁铁插入孔9形成为在插入永久磁铁10时在磁铁插入孔9的周向两端部9a产生空隙12。此外，磁铁插入孔9的离心方向外侧和内侧的内表面由与永久磁铁10的表面相应的平面形成。另外，这里虽然未图示，但是为了将永久磁铁10配置于磁铁插入孔9的磁极中心而不使永久磁铁10在周向上移动，可以在磁铁插入孔9的内周面设置作为止动部的突起，或者也可以使用粘接、压入等方法。

在相邻的磁铁插入孔9之间、即极间，在相邻的空隙12之间形成有极间薄壁部13，并且将磁路设计得较窄，以使磁通不会在相邻磁铁间短路。这里，该极间薄壁部13的宽度与构成定子2的铁芯或转子铁芯6的电磁钢板的厚度为同等程度，即0.35mm左右。

此外，在转子铁芯6中，在转子铁芯6的外周面与磁铁插入孔9之间的磁极两端部附近，沿轴向形成有大致呈细长的长方形、宽度(较薄的方向)为1～2mm左右的缝隙孔14，其以各磁极的中心线为基准沿着转子铁芯6的外周面形成大致八字形的对称形状。另外，缝隙孔14的形状不限于此，也可以是细长的跑道(track)形状。

图3是磁铁插入孔的周向两端部附近的放大图。此外，图4是用于说明缝隙孔相对于与径向正交的永久磁铁的宽度方向的倾角的图。

在本实施方式中，如图3所示，永久磁铁10的厚度B为气隙A的2倍以上(B＞2A)，缝隙孔14与永久磁铁10之间的距离为最短的最短磁路15的宽度C为气隙A的2倍以上(C＞2A)。

此外，在本实施方式中，如图4所示，缝隙孔14相对于与径向正交的永久磁铁10的宽度方向的倾角θ为0～30°的范围。

进而，在本实施方式中，如图3所示，空隙12在与径向正交的永久磁铁10的宽度方向上的宽度D为气隙A的2倍以上(D＞2A)。

接着，参照图3、图5～图7，对本实施方式涉及的转子的作用进行说明。

图5是表示以往的永久磁铁嵌入式电动机的转子的一个示例的图。其中，示出了在图5所示的以往转子3中，缝隙孔14沿着相对于与径向正交的永久磁铁10的宽度方向大致垂直的方向设置的示例。此外，图6是表示在以往转子中从定子施加退磁相位的磁动势(退磁磁通)的情况下的磁通的流向的图。另外，退磁相位表示以与转子3的磁极朝向相反的朝向产生磁场的定子的通电相位。

如图6所示，由定子施加的退磁磁通沿着缝隙孔14流入永久磁铁10，穿过缝隙孔14与永久磁铁10之间，并穿过磁铁插入孔9的周向两端部9a附近的极间部后，同样地穿过相邻的磁极的表面，回归定子。图5所示的以往转子3的结构是由图6的虚线圆圈包围的永久磁铁10与缝隙孔14之间、以及磁铁插入孔9的周向两端部9a附近的极间部容易发生部分退磁(初始退磁阶段)的结构。

图7是表示在从定子施加退磁相位的磁动势(退磁磁通)的情况下的、实施方式涉及的转子中的磁通的流向的图。在本实施方式中，如图3所示那样，使永久磁铁10的厚度B为气隙A的2倍以上(B＞2A)，永久磁铁10在厚度方向上的磁阻为气隙的磁阻的2倍以上。因此，如图7所示，穿过最短磁路15的退磁磁通不会穿过永久磁铁10，而容易经由气隙穿至相邻的磁极的表面。

此外，如果施加的退磁磁通增大而最短磁路15发生磁饱和，则退磁磁通要流向最短磁路15以外的部位。在本实施方式中，如图3所示那样，使最短磁路15的宽度C为气隙A的2倍以上(C＞2A)，以使退磁磁通难以穿过永久磁铁10。因此，在最短磁路15发生磁饱和的状态下，磁通经由气隙短路，或者从磁阻较小的转子3的外周侧穿至气隙A的2倍左右靠内侧的区域。也就是说，通过使最短磁路15的宽度C为气隙A的2倍以上(C＞2A)，使得在最短磁路15发生磁饱和时缝隙孔14与永久磁铁10之间的磁阻为气隙的磁阻的2倍以上。由此，实现即使最短磁路15发生磁饱和，永久磁铁10也难以发生退磁的结构。

另外，在本实施方式中，通过使退磁磁通穿过最短磁路15来抑制部分退磁的发生，但是在如图5所示的以往示例那样将缝隙孔14沿着相对于与径向正交的永久磁铁10的宽度方向大致垂直的方向设置的情况下，最短磁路15以外的退磁磁通的通路较少，退磁磁通局部地集中于最短磁路15，存在相邻的永久磁铁10发生退磁的可能性。

因此，在本实施方式中，如图3所示那样，使缝隙孔14相对于与径向正交的永久磁铁10的宽度方向的倾角θ为0～30°，如图6所示那样利用缝隙孔14与转子3的外周面之间的磁路以避开退磁磁通。

另外，为了抑制退磁的发生，优选缝隙孔14的倾角θ相对于与径向正交的永久磁铁10的宽度方向平行，但是为了减少由感应电压的谐波分量引起的转矩脉动、抑制因转矩脉动产生的噪音，优选是在磁极中心处磁通密度最大、磁通密度的变化量从磁极中心向极间部逐渐增大而在极间部磁通密度成为接近0T的值的正弦波形，并且为了使转子3的表面的磁通密度接近于正弦波，更优选缝隙孔14的倾角θ为稍微倾斜。因此，通过将缝隙的倾角θ设定为0～30°的范围，能够实现兼顾低噪音化和抑制退磁发生的设计。

另外，优选缝隙孔14的配置满足上述条件，并且配置在转子铁芯6的外周面与磁铁插入孔9之间的磁铁插入孔9的周向两端部9a附近。如上所述，转子3的表面的磁通密度优选呈以磁极中心为波峰的正弦波形分布，为此，若将缝隙孔14配置在磁铁插入孔9的周向两端部9a附近，则与配置在磁极中心相比更容易将转子3的表面的磁通密度控制成正弦波形。

此外，由于对于缝隙孔14与永久磁铁10之间的距离为最短的最短磁路15来说，使其尽可能地宽，就能够使更多的退磁磁通穿过而抑制永久磁铁10发生退磁，因此优选以使磁通密度分布接近于正弦波并且沿着转子3的外周的方式配置缝隙孔14。

此外，在本实施方式中，由于通过使退磁磁通穿过最短磁路15来抑制部分退磁，所以优选没有磁路局部变窄的部位的构造。因此，在本实施方式中，如图2所示那样，形成为磁铁插入孔9的离心方向外侧的内表面为与永久磁铁10的表面相应的平面。

此外，在本实施方式中，如上所述那样，通过使退磁磁通穿过最短磁路15来抑制部分退磁的发生。因此，在退磁磁通穿过极间部的转子3的外周时容易穿过极间薄壁部13，并容易交链于永久磁铁10。因此，在本实施方式中，如图2所示那样，使空隙12在与径向正交的永久磁铁10的宽度方向上的宽度D为气隙A的2倍以上(D＞2A)。由此，从磁铁插入孔9的周向两端部9a到永久磁铁10为止的磁阻成为气隙的磁阻的2倍以上，能够抑制退磁磁通在穿过极间部的转子3的外周时交链于永久磁铁10，能够进一步增大改善抗退磁力的效果。

接着，参照图8和图9，对图5所示的以往示例与使用本实施方式涉及的转子的情况的比较结果进行说明。

图8是表示搭载有实施方式涉及的转子的电动机、以及搭载有图5所示的以往转子的电动机在产生相同转矩时转矩脉动的比较结果的图。图9是表示在搭载有实施方式涉及的转子的电动机、以及搭载有图5所示的以往转子的电动机中，当对转子施加定子的退磁相位的磁动势时的具有相同矫顽力的永久磁铁的退磁率的比较结果的图。

在图8中，横轴表示电角，纵轴表示转矩。如图8所示，在搭载有本实施方式涉及的转子的电动机(图中的实线)中，与搭载有图5所示的以往转子的电动机(图中的虚线)相比，能够减少20％左右的转矩脉动，搭载有本实施方式涉及的转子的电动机能够进一步实现低振动化、低噪音化。

在图9中，横轴的退磁相位的磁动势以作为通电电流与相匝数之积的相磁动势为指标，纵轴的退磁率以施加磁动势前后的从转子产生的磁通量的变化为指标。

如果电动机退磁，则搭载该电动机的压缩机或使用该压缩机的空调机的性能会变动。此外，由于电动机产生的电压变化，所以电动机的控制性变差。为了满足制品的可靠性，需要将退磁率的降低抑制为1％左右。

如图9所示，在搭载有本实施方式涉及的转子的电动机(图中的实线)中，与搭载有图5所示的以往转子的电动机(图中的虚线)相比，能够将退磁1％的磁动势提高约30％。

也就是说，在使退磁1％的磁动势为相同程度的情况下，根据搭载有本实施方式涉及的转子的电动机，能够得到能耐得住在更高温环境下使用的电动机。

此外，在相同的电流范围、温度条件下使用时，搭载有本实施方式涉及的转子的电动机能够使用矫顽力更低的磁铁。即，能够削减用于提高矫顽力的稀土即Dy(镝)、Tb(铽)等重稀土类元素的添加量，能够实现电动机的低成本化。

另外，使用本实施方式涉及的转子的电动机，通过由驱动电路的逆变器进行的PWM控制来进行可变速驱动，能够进行符合制品负荷条件要求的高效率运转。

此外，如果例如将使用本实施方式涉及的转子的电动机搭载在空调机的压缩机中，则由于转子的永久磁铁难以发生退磁，所以能够得到能耐得住在高温环境下(例如100℃以上)使用的压缩机。

如以上说明那样，根据实施方式的永久磁铁嵌入式电动机的转子，在转子铁芯的外周面与磁铁插入孔之间的磁铁插入孔的周向两端部附近形成缝隙孔，该缝隙孔大致呈细长的长方形并且以各磁极的中心线为基准沿着转子铁芯的外周面形成大致八字形的对称形状，由此，能够抑制永久磁铁发生部分退磁而得到可靠性较高的电动机，并且能够抑制感应电压的谐波分量，减少电动机的转矩脉动，进一步实现低振动化、低噪音化。

更具体而言，使永久磁铁的厚度B为气隙A的2倍以上(B＞2A)，永久磁铁在厚度方向上的磁阻为气隙的磁阻的2倍以上，由此穿过缝隙孔与永久磁铁之间的距离为最短的最短磁路的退磁磁通不会穿过永久磁铁，而容易经由气隙穿至相邻的磁极的表面，从而永久磁铁难以发生退磁。

此外，使最短磁路的宽度C为气隙A的2倍以上(C＞2A)，在最短磁路发生磁饱和时缝隙孔与永久磁铁之间的磁阻为气隙的磁阻的2倍以上,由此，即使最短磁路发生磁饱和永久磁铁也难以发生退磁。

此外，优选磁通密度的变化量呈从磁极中心向极间部逐渐增大、在极间部磁通密度为接近0T的值的正弦波形，通过将缝隙孔相对于与径向正交的永久磁铁的宽度方向的倾角θ设定为0～30°的范围以使转子表面的磁通密度接近于正弦波，由此能够实现兼顾低噪音化和抑制退磁发生的设计。

此外，通过将磁铁插入孔的离心方向外侧的内表面形成为与永久磁铁的表面相应的平面，能够消除磁路局部变窄而发生部分退磁的部位。

进而，使空隙在与径向正交的永久磁铁的宽度方向上的宽度D为气隙A的2倍以上(D＞2A)，从磁铁插入孔的周向两端部到永久磁铁为止的磁阻为气隙的磁阻的2倍以上，由此，能够抑制退磁磁通在穿过极间部的转子的外周时交链于永久磁铁，能够进一步增大抗退磁力的改善效果。

此外，由于永久磁铁难以发生退磁，所以能够使用矫顽力较低的永久磁铁，能够削减在高温使用的情况下为了提高永久磁铁的矫顽力而使用的重稀土类元素的添加量，能够实现电动机的低成本化。

进而，如果将本实施方式涉及的转子应用于电动机，则既能够通过抑制转子的永久磁铁发生退磁而提高可靠性，又能够实现低噪音化，并且通过由驱动电路的逆变器进行的PWM控制来进行可变速驱动，能够进行符合制品负荷条件要求的高效率运转。

此外，如果将上述电动机应用于压缩机，则既能够通过抑制转子的永久磁铁发生退磁而提高可靠性，又能够实现低噪音化，并且能够进行符合制品负荷条件要求的高效率运转。

此外，如果将上述压缩机应用于空调机，则既能够通过抑制转子的永久磁铁发生退磁而提高可靠性，又能够实现低噪音化，并且能够进行符合制品负荷条件要求的高效率运转。

另外，上述实施方式涉及的永久磁铁嵌入式电动机的转子、具有该转子的电动机、具有该电动机的压缩机、以及具有该压缩机的空调机能够不依赖于绕组方式、槽数、极数地发挥效果。

另外，以上实施方式所示的结构是本发明的结构的一个示例，当然也能够与其它公知的技术组合，也能够在不脱离本发明的要旨的范围内省略一部分等进行变更而构成。

Claims (11)

1. 一种永久磁铁嵌入式电动机的转子，其隔着气隙旋转自如地被保持于定子的内周面，该定子上隔着槽部以轴心为中心等角度间隔地配置有多个齿部，所述永久磁铁嵌入式电动机的转子的特征在于，包括：

转子铁芯，其层叠多片电磁钢板而形成；

多个磁铁插入孔，其沿着所述转子铁芯的周向外周部以轴心为中心等角度间隔地在轴向上形成；

永久磁铁，其呈平板状，每一极1个且极性交替地插入在所述多个磁铁插入孔中而构成多个磁极；以及

缝隙孔，其沿着轴向形成在所述转子铁芯的外周面与所述磁铁插入孔之间的所述磁极的两端部附近，以所述各磁极的中心线为基准沿着所述转子铁芯的外周面形成大致八字形的对称形状，

所述永久磁铁的厚度为所述气隙的2倍以上，所述缝隙孔与所述永久磁铁之间的距离为最短的最短磁路的宽度为所述气隙的2倍以上，所述缝隙孔相对于与径向正交的所述永久磁铁的宽度方向的倾角为0～30°的范围。

2. 根据权利要求1所述的永久磁铁嵌入式电动机的转子，其特征在于：

所述磁铁插入孔形成为在插入所述永久磁铁时在该磁铁插入孔的周向两端部产生空隙，

所述空隙在与径向正交的所述永久磁铁的宽度方向上的宽度为所述气隙的2倍以上。

3. 根据权利要求1所述的永久磁铁嵌入式电动机的转子，其特征在于：

所述永久磁铁是稀土类磁铁。

4. 根据权利要求2所述的永久磁铁嵌入式电动机的转子，其特征在于：

所述永久磁铁是稀土类磁铁。

5. 根据权利要求1所述的永久磁铁嵌入式电动机的转子，其特征在于：

所述磁铁插入孔形成为其离心方向外侧的内表面是与所述永久磁铁的表面相应的平面。

6. 根据权利要求2所述的永久磁铁嵌入式电动机的转子，其特征在于：

所述磁铁插入孔形成为其离心方向外侧的内表面是与所述永久磁铁的表面相应的平面。

7. 根据权利要求3所述的永久磁铁嵌入式电动机的转子，其特征在于：

所述磁铁插入孔形成为其离心方向外侧的内表面是与所述永久磁铁的表面相应的平面。

8. 根据权利要求4所述的永久磁铁嵌入式电动机的转子，其特征在于：

所述磁铁插入孔形成为其离心方向外侧的内表面是与所述永久磁铁的表面相应的平面。

9. 一种电动机，其特征在于：

具有权利要求1～8中任一项所述的永久磁铁嵌入式电动机的转子。

10. 一种压缩机，其特征在于：

具有权利要求9所述的电动机。

11. 一种空调机，其特征在于：

具有权利要求10所述的压缩机。