JP2005027422A - 永久磁石式回転電機及びそれを用いた電動圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】永久磁石の有効磁束（基本波磁束）を損なわずに、誘導起電力波形を正弦波に近づけて高調波磁束を低減し、騒音問題を解決した永久磁石式回転電機を提供する。
【解決手段】集中巻の電機子巻線が施された固定子と、回転子鉄心に形成された複数の永久磁石挿入孔１３中に永久磁石１４が納められた回転子３とを有する永久磁石式回転電機において、回転子３に、永久磁石の外周側の回転子鉄心に回転子の内周側から外周側に伸びた複数のスリット１０ａ，１０ｂを形成し、スリットの周方向幅を、回転子鉄心の内周側Ｌ１より外周側Ｌ２を狭くするとともに、隣接するスリット間の距離を、回転子鉄心の内周側の距離θ２よりも外周側の距離θ１の方が狭くなるように配置し、回転子鉄心の磁極角度θ７が電気角で９０度から１２０度の範囲になるように回転子鉄心の外周面の極間に凹部１１を形成する。
【選択図】 図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、界磁用の永久磁石を回転子に備えている永久磁石式回転電機に関し、特に、空気調和機や冷蔵庫および冷凍庫の圧縮機などに搭載される永久磁石式回転電機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の永久磁石式回転電機においては、電機子反作用磁束を低減させるために、様々な方策が取られている。例えば、回転子鉄心の外周形状をシャフトに対して凸形状の非同心にすると共に、永久磁石上部の回転子鉄心中に複数の長孔部（略長方形状のスリット）を設け、ギャップ部の磁束密度分布を平滑化して高調波磁束（電機子反作用磁束）を低減させている。
【０００３】
すなわち、永久磁石式回転電機において、永久磁石の外周側の回転子鉄心に回転子の内周側から外周側に伸びた複数のスリットを形成すること、隣接するスリット間の距離が回転子鉄心の内周側よりも外周側の方が狭くなるように配置すること、スリットを回転子鉄心の磁極中心に対して対称に配置することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１１−２５２８４０号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術では、磁極が凸形状となるため等価ギャップが大きくなり、必要な出力を得るために電機子電流が増えて、高調波磁束が増加する。また、電機子反作用磁束を軽減するために複数のスリットを形成しているが、スリットを設けると誘導起電力波形にも影響を与える。つまり、回転子鉄心の磁極部に設けられたスリットには最適な形状や配置が存在する。
【０００６】
更に、永久磁石式回転電機の騒音を低減するためには、特に集中巻の場合、電機子巻線に流れる電流を正弦波に近づけて、発生する高調波磁束を低減することが重要である。したがって、１８０度通電インバータで駆動するのが良いが、電機子巻線に流れる電流は、永久磁石式回転電機に印加される電圧（インバータの出力電圧）と永久磁石式回転電機の誘導起電力の差電圧によって流れることから、インバータの出力電圧を正弦波にしても誘導起電力波形が正弦波でなければ、電機子電流に高調波成分が含まれ、高調波磁束が発生する。よって、高調波磁束を低減するためには、誘導起電力波形を正弦波に近づければ良い。
【０００７】
そして上記特許文献１には、スリットを配置することが記載されているが、永久磁石の有効磁束（基本波磁束）を損なわずに、さらに効率良く高調波を低減させるためにスリットの形状をどのようにするかは検討されていない。
【０００８】
本発明の目的は、永久磁石の有効磁束（基本波磁束）を損なわずに、誘導起電力波形を正弦波に近づけて高調波磁束を十分に低減し、騒音問題を解決できる永久磁石式回転電機を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、固定子鉄心に形成された複数のスロット内にティースを取り囲むように集中巻の電機子巻線が施された固定子と、回転子鉄心に形成された複数の永久磁石挿入孔中に永久磁石が納められた回転子が、固定子の内周にギャップを介して回転自在に支承された永久磁石式回転電機において、永久磁石の外周側の回転子鉄心に回転子の内周側から外周側に伸びた複数のスリットを形成し、回転子鉄心に設けた複数のスリットの周方向幅を、回転子の内周側から外周側にかけて徐々に狭くなるように構成したことを特徴とする永久磁石式回転電機を提案する。
【００１０】
前述のように、本発明では、固定子に流れ込む永久磁石の磁束を有効磁束（基本波磁束）を損なわないようｄ軸側に集中させるための回転子鉄心の磁極部に複数のスリットを形成し、複数のスリットの周方向幅を、回転子鉄心の内周側から外周側にかけて徐々に狭くしている。よって、電機子巻線に鎖交する磁束が正弦波に近づき、誘導起電力も正弦波に近づくため、高調波磁束が低減して、騒音問題の小さな永久磁石式回転電機を提供できる。
【００１１】
【発明の実施形態】
以下、本発明の実施例を、図１〜図８を用いて詳細に説明する。各図中において、共通する符号は同一物を示す。また、ここでは４極の永久磁石式回転電機について示し、回転子の極数とスロット数との比を２：３とした。
【００１２】
（実施形態１）
図１に本発明による永久磁石式回転電機の実施形態１の径方向断面形状、図２に本発明による実施形態１の回転子の径方向断面形状を拡大した図を示す。
【００１３】
図１、図２において、永久磁石式回転電機１は、固定子２と回転子３から構成される。
【００１４】
固定子２は、ティース４とコアバック５からなる固定子鉄心６と、ティース４間のスロット７内にティース４を取り囲むように巻装された集中巻の電機子巻線８（三相巻線のＵ相巻線８Ａ、Ｖ相巻線８Ｂ、Ｗ相巻線８Ｃからなる）で構成される。ここでは、永久磁石式回転電機１は、４極６スロットであるから、スロットピッチは電気角で１２０度である。
【００１５】
回転子３は、回転子鉄心１２に形成した一文字状の永久磁石挿入孔１３中に永久磁石１４が納められ、シャフト（図示せず）と嵌合するためのシャフト孔１５からなる。ここで、回転子３の磁極中心方向に延びる軸をｄ軸、磁極中心方向と電気角で９０度隔てた磁極間方向に延びる軸をｑ軸としたとき、回転子鉄心１２の外周面に極間のｑ軸側に直線状にカットした略Ｖ字状を２つ組み合わせた形状の凹部１１を設けることにより、永久磁石１４の磁束を集合させる役目をなす磁極鉄心を形成する。ここで、固定子２の内周面と同心円弧である磁極角度θ７はスロットピッチと略等しくしている。
【００１６】
また、凹部１１によって回転子鉄心１２の磁極部に集合させた永久磁石１４の磁束を、更にｄ軸側に集合させるため、回転子鉄心１２の磁極部に内周側から外周側に向かうスリット１０を設けている。このスリット１０（１０ａ、１０ｂからなる）はｄ軸に対して対称に配置すると共に、有効磁束（基本波磁束）を損なわないようｄ軸側に磁束を集合させるために設けているので、スリット１０の周方向幅を、回転子鉄心１２の内周側より外周側を狭くしている。
【００１７】
ここで、回転子鉄心１２に設けた複数のスリット１０ａ、１０ｂの周方向幅を、回転子鉄心１２の内周側よりの周方向幅をＬ１、回転子鉄心１２の外周側よりの周方向幅をＬ２、永久磁石１４の周方向長さをＬ３、回転子鉄心１２の外周面の極間に設けた凹部１１間長さをＬ４としたとき、
Ｌ１／Ｌ２＝Ｌ３／Ｌ４……（１）
の関係となるように配置している。
【００１８】
また、スリット１０ａとスリット１０ｂ間の距離を内周側（永久磁石１４側：θ２）よりも外周側（固定子２側：θ１）を狭くしている。ここで、スリット１０ａとスリット１０ｂ間から固定子２に流入する磁束を非常に大きくできるが、永久磁石１４の磁束はティース４から固定子２に流入するため、ティース４部での飽和を緩和して、永久磁石１４の磁束を有効利用した方がよい。したがって、ティース先端部２５の端部は飽和しやすいため、スリット１０ａとスリット１０ｂ間の外周側（固定子２側）の距離（θ１）をティース４の幅以下（θ３以下）に設定する。
【００１９】
さらに、スリット１０と磁極鉄心の端部までの部位から固定子２側に流入する磁束を確保する（ｑ軸側からｄ軸側に近づくに従って段階的に磁束を大きくする）ため、スリット１０ａとスリット１０ｂ間の内周側（永久磁石１４側）の距離（θ２）が永久磁石１４の幅（θ９）よりも狭くなるようにしている。
【００２０】
ところで、本発明の対象とする圧縮機駆動用の永久磁石式回転電機１では、騒音がしばしば問題となる。永久磁石式回転電機１の騒音を大きくする要因として脈動トルクがあるが、脈動トルクは単純にギャップ長を大きくし、ギャップの磁束密度を小さくすれば良い。しかし、ギャップ長を広げてギャップの磁束密度を小さくすると、その分だけ出力が小さくなるので、結果的に同一出力を維持するのには体格を大きくする必要がある。そこで、マグネットトルクに寄与する永久磁石１４の磁束は低減せずに脈動トルクを小さくするには、電機子磁束の高調波成分を小さくすれば良い。
【００２１】
したがって、１８０度通電インバータで駆動するのがよいが、電機子巻線８に流れる電流は永久磁石式回転電機１に印加される電圧（インバータの出力電圧）と永久磁石式回転電機１の誘導起電力の差電圧によって流れることから、インバータの出力電圧を正弦波にしても誘導起電力波形が正弦波でなければ、電機子電流に高調波成分が含まれ、高調波磁束が発生する。よって、脈動トルクを低減するためには、誘導起電力波形を正弦波に近づければ良いことになる。
【００２２】
図３に本発明による実施形態１の誘導起電力波形（ａ）とその高調波分析結果（ｂ）を示す。図３に示したように、本発明での誘導起電力波形は正弦波に著しく近づいており（５次成分：約６．１％、７次成分：約１．９％）、波形ひずみ率は約７．２％である。
【００２３】
以上より、本発明では、回転子鉄心１２の外周形状および回転子鉄心１２の磁極部に設けたスリット１０の形状や配置によって有効磁束（基本波磁束）を損なわずにｄ軸側に永久磁石１４の磁束を集めることができるため、誘導起電力波形が正弦波に近づき、運転時の脈動トルクが小さくなって低騒音化が図れる。
【００２４】
ここで、磁極角度θ７（同心円弧）はスロットピッチ（１２０度）と略等しくしたが、θ７の最適値はティース４の形状や幅などによって異なり、９０度から１２０度の範囲内で最適値がある。
【００２５】
（実施形態２）
図４は、本発明による永久磁石式回転電機の実施形態２の回転子鉄心形状を示す断面図である。
【００２６】
図４において、図２と異なるのは、回転子鉄心１２の磁極部にスリット１０ａ、スリット１０ｂの他にスリット１０ｃとスリット１０ｄを設けたことである。このスリット１０ｃと１０ｄはｄ軸に対して対称に配置すると共に、回転子鉄心１２の外周側の磁気飽和による有効磁束（基本波磁束）の減少を抑えつつｄ軸側に磁束を集合させるために設けているので、スリット１０の周方向幅を、回転子鉄心１２の内周側より外周側を狭くしている。ここで、回転子鉄心１２に設けた複数のスリット１０ｃの周方向幅を、回転子鉄心１２の内周側よりの周方向幅をＬ５、回転子鉄心１２の外周側よりの周方向幅をＬ６、永久磁石１４の周方向長さをＬ３、回転子鉄心１２の外周面の極間に設けた凹部１１間長さをＬ４としたとき、
Ｌ５／Ｌ６＝Ｌ３／Ｌ４……（２）
の関係となるように配置している。このように構成すると、永久磁石の磁束は更に高調波成分のみ低減され、基本波磁束が損なわれないのである。
【００２７】
また、スリット１０ｃとスリット１０ｄ間の距離を内周側（永久磁石１４側）の距離（θ６）よりも外周側（固定子２側）の距離（θ５）を狭くしている。スリット１０と磁極鉄心の端部までの部位から固定子２側に流入する磁束を更に確保する（ｑ軸側からｄ軸側に近づくに従って更に段階的に磁束を大きくする）ため、スリット１０ｃとスリット１０ｄ間の内周側（永久磁石１４側）の距離（θ６）をティース４の幅以下（θ３以下）にしている。
【００２８】
図５は、本発明による実施形態２の誘導起電力波形（ａ）とその高調波分析結果（ｂ）を示す。図５に示したように、誘導起電力波形は正弦波に近づいており（５次成分：約４．３％、７次成分：約１．０％）、波形ひずみ率は約４．９％と、図２の実施形態１よりも更に高調波成分が低減されているのがわかる。
【００２９】
したがって、本発明による実施形態２は、回転子鉄心１２の外周形状および回転子鉄心１２の磁極部に設けたスリット１０の形状や配置によって、有効磁束（基本波磁束）を損なわずにｄ軸側に永久磁石１４の磁束を集めることができるため、誘導起電力波形もより正弦波に近づくので、図２に示した実施形態１と同様以上の効果が得られるのは言うまでもない。
【００３０】
（実施形態３）
図６は、本発明による永久磁石式回転電機の実施形態３の回転子鉄心形状を示す断面図である。
【００３１】
図６において、図２と異なるのは、スリット１０ａと１０ｂの配置は同様であるが、回転子鉄心１２に形成された永久磁石挿入孔１３を回転子３の軸に対して凸のＶ字状にし、回転子鉄心１２の外周面の極間（ｑ軸）側に直線状にカットした略Ｖ字状の凹部１６を形成したことである。ここで、凹部１６は図２が示すように略Ｖ字状の２つを組み合わせた形状の凹部１１とは形状が異なるが、回転子３の軸に対して凸のＶ字状に配置された永久磁石１４の磁石角度θ９をスロットピッチ（１２０度）と略等しくしているため、凹部１１同様に永久磁石１４の磁束を集合させる役目をなす磁極鉄心を形成している。
【００３２】
したがって、本発明による実施形態３における回転子鉄心１２の外周形状および回転子鉄心１２の磁極部に設けたスリット１０の形状や配置によって、有効磁束（基本波磁束）を損なわずにｄ軸側に永久磁石１４の磁束を集合させているので、図２に示した実施形態１と同様の効果が得られるのは言うまでもない。
【００３３】
（実施形態４）
図７は、本発明による永久磁石式回転電機の実施形態４の断面図である。
【００３４】
図７において、回転子３の構造は図１と同じであるが、固定子２の構造が異なっている。すなわち、図１と異なるのは、固定子ティース先端部２５の中央は回転子鉄心１２と同心円弧状とし、ティース先端部２５の両端を直線状、つまり回転子３から遠ざける構造としたことである。
【００３５】
このように構成した場合、固定子２も誘導起電力波形を正弦波に近づける構造となるため、図１の場合より誘導起電力波形が更に正弦波に近づき、電機子電流の高調波成分が小さくなり、高調波磁束が減少する。よって、脈動トルクも小さくなるため、著しく騒音を低減できる。
【００３６】
（実施形態５）
図８は本発明に関わる圧縮機の断面構造である。
【００３７】
圧縮機は、固定スクロール部材６０の端板６１に直立する渦巻状ラップ６２と、旋回スクロール部材６３の端板６４に直立する渦巻状ラップ６５とを噛み合わせて形成し、旋回スクロール部材６３をクランクシャフト７２によって旋回運動させることで圧縮動作を行う。固定スクロール部材６０及び旋回スクロール部材６３によって形成される圧縮室６６（６６ａ、６６ｂ、…）のうち、最も外径側に位置している圧縮室は、旋回運動に伴って両スクロール部材６０、６３の中心に向かって移動し、容積が次第に縮小する。圧縮室６６ａ、６６ｂが両スクロール部材６０、６３の中心近傍に達すると、両圧縮室６６内の圧縮ガスは圧縮室６６と連通した吐出口６７から吐出される。吐出された圧縮ガスは、固定スクロール部材６０及びフレーム６８に設けられたガス通路（図示せず）を通ってフレーム６８下部の圧縮容器６９内に至り、圧縮容器６９の側壁に設けられた吐出パイプ７０から圧縮機外に排出される。
【００３８】
また、本圧縮機では、圧力容器６９内に、駆動用電動機１が内封されており、別置のインバータ（図示せず）によって制御された回転速度で回転し、圧縮動作を行う。ここで、駆動用電動機１は、固定子２と回転子３とで構成される永久磁石式回転電機１である。図８において、８は電機子巻線、１２は回転子鉄心、７３は油溜め部、７４は油孔、７５は滑り軸受である。
【００３９】
このように、永久磁石式回転電機１を、圧縮機等の駆動用電動機１として用いる場合、制御装置（インバータ）によって運転制御される。前述のように、電機子電流の波形は、永久磁石式回転電機１に印加される電圧（制御装置の出力電圧）波形と、永久磁石式回転電機１の誘導起電力波形の差電圧によって決まるため、誘導起電力波形を正弦波に近づけることで電機子電流の高調波成分が小さくなるが、出力電圧の波形が正弦波となる制御装置で永久磁石式回転電機１を運転すれば、更に電機子電流の高調波成分を小さくできる。よって、本発明で示した永久磁石式回転電機１と出力電圧の波形が正弦波となる制御装置を組み合わせれば、著しく騒音を低減できる。
【００４０】
【発明の効果】
本発明によれば、永久磁石の有効磁束（基本波磁束）を損なわずに、誘導起電力波形を正弦波にできる。したがって、高調波磁束を十分に低減し、騒音問題を解決できる永久磁石式回転電機を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による永久磁石式回転電機の実施形態１の断面図を示す図。
【図２】図１の回転子鉄心形状を示す断面図。
【図３】図１の誘導起電力波形とその高調波分析結果を示す図。
【図４】本発明による永久磁石式回転電機の実施形態２の回転子鉄心形状を示す断面図。
【図５】図４の誘導起電力波形とその高調波分析結果を示す図。
【図６】本発明による永久磁石式回転電機の実施形態３の回転子鉄心形状を示す断面図。
【図７】本発明による永久磁石式回転電機の実施形態４の断面図を示す図。
【図８】本発明に係わる圧縮機の断面構造を示す図。
【符号の説明】
１…永久磁石式回転電機（駆動用電動機）、２…固定子、３…回転子、４…ティース、５…コアバック、６…固定子鉄心、７…スロット、８…電機子巻線、１０…スリット、１１…凹部、１２…回転子鉄心、１３…永久磁石挿入孔、１４…永久磁石、１５…シャフト孔、１６…凹部、１７…長孔部（スリット）、２５…ティース先端部、６０…固定スクロール部材、６１…端板、６２…ラップ、６３…旋回スクロール部材、６４…端板、６５…ラップ、６６…圧縮室、６７…吐出口、６８…フレーム、６９…圧縮容器、７０…吐出パイプ、７２…シャフト、７３…油溜め部、７４…油孔、７５…滑り軸受け。

Claims (10)

1. 固定子鉄心に形成された複数のスロット内にティースを取り囲むように集中巻の電機子巻線が施された固定子と、回転子鉄心に形成された複数の永久磁石挿入孔中に永久磁石が納められた回転子が、該固定子の内周にギャップを介して回転自在に支承された永久磁石式回転電機において、
   前記永久磁石の外周側の前記回転子鉄心に前記回転子の内周側から外周側に伸びた複数のスリットを形成し、該回転子鉄心に設けた複数のスリットの周方向幅を、該回転子鉄心の内周側より外周側を狭くしたことを特徴とする永久磁石式回転電機。
2. 請求項１に記載の永久磁石式回転電機において、前記回転子鉄心に設けた複数のスリットを、隣接するスリット間の距離が該回転子鉄心の内周側よりも外周側の方が狭くなるように配置したことを特徴とする永久磁石式回転電機。
3. 請求項１または請求項２に記載の永久磁石式回転電機において、前記回転子鉄心に設けた複数のスリットが該回転子鉄心の磁極中心に対して対称に配置されていることを特徴とする永久磁石式回転電機。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の永久磁石式回転電機において、前記回転子鉄心の磁極角度が電気角で９０度から１２０度の範囲になるように該回転子鉄心の外周面の極間に凹部を形成したことを特徴とする永久磁石式回転電機。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の永久磁石式回転電機において、前記回転子鉄心に設けた複数のスリットの周方向幅を、該回転子鉄心の内周側よりの１番広くなる周方向幅をＬ１、該回転子鉄心の外周側よりの１番狭くなる周方向幅をＬ２、前記永久磁石の周方向長さをＬ３、該回転子鉄心の外周面の極間に設けた凹部間の距離をＬ４としたとき、
   Ｌ１／Ｌ２＝Ｌ３／Ｌ４
   なる関係に構成したことを特徴とする永久磁石式回転電機。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の永久磁石式回転電機において、前記永久磁石の磁束軸をｄ軸、前記ｄ軸と電気角で直交する軸をｑ軸としたとき、前記ｑ軸最寄に設けたスリット間の距離が、前記回転子鉄心の外周側で、前記固定子鉄心のティース幅以下となるように形成したことを特徴とする永久磁石式回転電機。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の永久磁石式回転電機において、前記永久磁石の磁束軸をｄ軸、前記ｄ軸と電気角で直交する軸をｑ軸としたとき、前記ｑ軸最寄に設けたスリット間の距離が、前記回転子鉄心の内周側で、前記永久磁石の幅よりも狭くなるように配置したことを特徴とする永久磁石式回転電機。
8. 請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の永久磁石式回転電機において、前記回転子鉄心に埋設される永久磁石の形状が、前記回転子の軸に対して一文字状であるか、もしくは該回転子の軸に対して凸のＶ字形状であることを特徴とする永久磁石式回転電機。
9. 請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の永久磁石式回転電機において、前記回転子鉄心のティース内周面にギャップ長の異なる２種類以上のギャップ面を形成し、該ティース先端の中央部より端部のギャップ長が大きくなるようにしたことを特徴とする永久磁石式回転電機。
10. 請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載の永久磁石式回転電機を駆動源とした圧縮機。

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