JP2007097281A - 永久磁石電動機及び密閉型圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】 二つ以上の永久磁石により一つの磁極を形成する回転子を備える永久磁石電動機において、回転子と固定子との間の磁束密度分布を改善し、騒音や振動の発生を抑制して効率を向上させることである。
【解決手段】 永久磁石電動機において、回転子４は、回転子鉄心６と、回転子鉄心６の回転中心線回りの正多角形の各辺に対応する部位に形成された永久磁石収容穴８と、永久磁石収容穴８に収容され、隣合って位置する二つ以上により一つの磁極を形成する複数の永久磁石１０と、回転子鉄心６の永久磁石収容穴８より外側領域に位置して回転子鉄心６の径方向に細長く形成され、かつ、永久磁石収容穴８に収容される永久磁石１０に対向する径方向内側端のピッチが一つの磁極における中央位置から端部に向けて次第に小さく形成されるとともに径方向外側端が等ピッチに形成された複数のスリット穴１１と、を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、回転子鉄心の内部に複数の永久磁石を埋め込んで構成される回転子を備える永久磁石電動機及びこの永久磁石電動機を用いる密閉型圧縮機に関する。

例えば、下記特許文献１に記載されているように、回転子鉄心に形成した永久磁石収容穴に永久磁石を収容し、回転子鉄心の永久磁石収容穴より外側領域に位置して回転子鉄心の径方向に細長く形成された複数のスリットを有する永久磁石電動機が知られている。複数のスリットは、径方向外側端が等ピッチに形成され、永久磁石収容穴に収容された永久磁石に対向する径方向内側端のピッチが永久磁石の中央部から端部に向けて次第に小さく形成されている。

これにより、トルクを発生させる有効磁束を増大させることができ、鉄損を減少させ、コギングトルクを減少させて振動を抑制することができる。
特開２００５−９４９６８号公報

しかしながら、上述した特許文献１に記載された永久磁石電動機では、以下の点について配慮がなされていない。

上述した特許文献１では、回転子に設けた一つの永久磁石により一つの磁極を形成した場合についてのみ開示されている。そして、二つ以上の永久磁石により一つの磁極を形成する場合において、複数のスリットにおける永久磁石に対向する径方向内側端のピッチをどのようにすればよいのかという点についての開示はなされていない。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、二つ以上の永久磁石により一つの磁極を形成する回転子を備える永久磁石電動機において、回転子と固定子との間の磁束密度分布を改善し、騒音や振動の発生を抑制して効率を向上させることにある。

本発明の実施の形態に係る第１の特徴は、永久磁石電動機において、中央部に収容穴が形成されたドーナツ形状の固定子と、前記収容穴に回転可能に収容される回転子とを備え、前記回転子は、鋼板を柱状に積層して形成される回転子鉄心と、前記回転子鉄心の回転中心線回りの正多角形の各辺に対応する部位に形成された永久磁石収容穴と、前記永久磁石収容穴に収容され、隣合って位置する二つ以上により一つの磁極を形成する複数の永久磁石と、前記回転子鉄心の前記永久磁石収容穴より外側領域に位置して前記回転子鉄心の径方向に細長く形成され、かつ、前記永久磁石収容穴に収容される前記永久磁石に対向する径方向内側端のピッチが一つの磁極における中央位置から端部に向けて次第に小さく形成されるとともに径方向外側端が等ピッチに形成された複数のスリット穴と、を備えることである。

本発明の実施の形態に係る第２の特徴とは、密閉型圧縮機において、第１の特徴にかかる永久磁石電動機とこの永久磁石電動機により駆動される圧縮機構部とを密閉容器内に収納してなることである。

本発明によれば、二つ以上の永久磁石により一つの磁極を形成した回転子を備える永久磁石電動機において、回転子と固定子との間の磁束密度分布を正弦波状に改善し、騒音や振動の発生を抑制して効率を向上させることができる。

（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態に係る永久磁石電動機１は、図１に示すように、中央部に収容穴２が形成されたドーナツ形状の固定子３と、収容穴２に回転可能に収容される回転子４とにより構成されている。

固定子３は、鋼板を柱状に積層して形成され、収容穴２の周縁部には複数の歯部５が形成されている。これらの歯部５には巻線（図示せず）が巻かれている。

回転子４は、外形形状が円形の鋼板を積層して柱状に形成された回転子鉄心６を有し、その中央部には回転軸（図示せず）が嵌合される嵌合穴７が形成されている。

回転子鉄心６には、回転子鉄心６の回転中心線（回転軸の回転中心線）回りの正方形の４辺に対応する部位に４つの永久磁石収容穴８が形成されている。各永久磁石収容穴８は、回転子鉄心６の回転中心線と平行に延出する向きに形成されている。隣合う永久磁石収容穴８の端部の間には、回転子鉄心６における永久磁石収容穴８の内側領域と外側領域とを繋ぐ繋ぎ部９ａ、９ｂが形成されている。

各永久磁石収容穴８には永久磁石１０が収容されている。各永久磁石１０は、平板形状であって同じサイズに形成されている。隣合う二つの永久磁石１０はＮ極を外側に向けて収容され、隣合う他の二つの永久磁石１０はＳ極を外側に向けて収容されている。外側に向けた極が同極である二つの永久磁石１０により一つの磁極が形成されている。すなわち、この回転子４には、二つの磁極が形成されている。

回転子鉄心６における永久磁石収容穴８より外側領域には、複数のスリット穴１１が形成されている。各スリット穴１１は、回転子鉄心６の回転中心線と平行に延出する向きに形成されている。各スリット穴１１は、回転子鉄心６の径方向に細長く形成され、かつ、径方向外側端が等ピッチに形成され、永久磁石収容穴８に収容された永久磁石１０に対向する径方向内側端のピッチが一つの磁極における中央位置から端部に向けて次第に小さく形成されている。

一つの磁極における複数のスリット穴１１は、図２に示すように配置されている。二つの永久磁石収容穴８に収容された一つの磁極を形成する二つの永久磁石１０に対向する径方向内側端のピッチが、中央位置から端部に向けて次第に小さく形成されるとともに、径方向外側端が等ピッチに形成されている。つまり、スリット穴１１の径方向外側端のピッチ“Ｐ”は等しく形成されている。一方、二つの永久磁石１０に対向するスリット穴１１の径方向内側端のピッチは、（Ｐ１ａ＋Ｐ１ｂ）＞Ｐ２＞Ｐ３＞Ｐ４＞Ｐ５＞Ｐ６とされている。

これらの（Ｐ１ａ＋Ｐ１ｂ）、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５、Ｐ６の寸法は、図３に示すように、電気角の１８０度区間に対応させた正弦波（半波）の底辺を二つの永久磁石１０の長さWに対応させ、この正弦波を電気角方向に１１等分した場合における等分された各領域の中央部の高さ寸法の比に応じて配分されている。

このような構成において、スリット穴１１間の回転子鉄心６を通る永久磁石１０の磁束は、スリット穴１１の永久磁石１０に対向しているピッチに略比例する。

このため、一つの磁極における二つの永久磁石１０に対向するスリット穴１１の径方向内側端のピッチを、（Ｐ１ａ＋Ｐ１ｂ）＞Ｐ２＞Ｐ３＞Ｐ４＞Ｐ５＞Ｐ６とすることにより、回転子４と固定子３との間の空隙の磁束密度は、磁極の中央部（隣合って位置する二つの永久磁石１０の間の部分）で最も高くなり、その中央部から離れるにつれて磁束密度が低くなる。

この結果、永久磁石１０による回転子４と固定子３との間の磁束の流れは図４に示すように、磁極の中心（図の上下方向）で多く、磁極の端部（図の左右方向）で少なくなり、回転子４を回転させるための有効磁束が多くなってトルクが増大し、永久磁石電動機１の効率が向上する。

また、スリット穴１１の径方向内側端のピッチを、図３で説明したように正弦波状とすることにより、回転子４と固定子３との間の空隙の磁束分布が正弦波に近くなり、誘起電圧が正弦波に近くなり、３相正弦波電流で駆動するのに最適となる。また、回転子４と固定子３との間の空隙の磁束分布が正弦波に近くなり、誘起電圧が正弦波に近くなることにより、コギングトルクやトルクリップルが減少し、騒音や振動が低減される。

なお、第１の実施の形態では、二つの永久磁石１０に対向するスリット穴１１の径方向内側端のピッチ（Ｐ１ａ＋Ｐ１ｂ）、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５、Ｐ６を、図３に示すように、電気角の１８０度区間に対応させた正弦波（半波）に近似して配分した場合を例に挙げて説明したが、必ずしも正弦波に近似して配分する必要はなく、（Ｐ１ａ＋Ｐ１ｂ）＞Ｐ２＞Ｐ３＞Ｐ４＞Ｐ５＞Ｐ６の関係を維持できればよい。

さらに、二つの永久磁石１０に対向するスリット穴１１の径方向内側端のピッチ（Ｐ１ａ＋Ｐ１ｂ）、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５、Ｐ６を、図５に示すように、磁極の中心方向に圧縮した正弦波に近似した寸法に配分してもよい。なお、この図５に示す破線の波形は、図３に示した波形である。

（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態を図６及び図７に基づいて説明する。なお、第２の実施の形態及び他の実施の形態において、第１の実施の形態において説明した構成要素と同じ構成要素には同じ符号を付し、重複する説明は省略する。

第２の実施の形態の永久磁石電動機の基本的な構造は第１の実施の形態の永久磁石電動機１と同じである。第２の実施の形態が第１の実施の形態と異なる点は、同じ磁極内の二つの永久磁石収容穴８の隣合う一端側に、収容されている永久磁石１０と同じ極性の永久磁石１０ａが追加収容された点である。これにより、繋ぎ部９ａを挟む二つのスリット穴１１の永久磁石１０、１０ａに対向する径方向内側端のピッチ（Ｐ１ａ＋Ｐ０＋Ｐ１ｂ＋Ｐ０）が、正弦波の高さ寸法に対応する配分（Ｐ１ａ＋Ｐ１ｂ）より大きく配分されている。追加収容された永久磁石１０ａは、スリット穴１１の径方向内側端のピッチ方向の幅寸法が“Ｐ０”とされている。

このような構成において、回転子鉄心６の繋ぎ部９ａが存在することにより、図７に示すように、この繋ぎ部９ａを通して短絡する磁束が発生し、この繋ぎ部９ａと対向する固定子３の歯部５（図１参照）との間の磁束が減少する。

そこで、この繋ぎ部９ａが存在する領域において、スリット穴１１の永久磁石１０、１０ａに対向する径方向内側端のピッチの配分を（Ｐ０＋Ｐ０）分大きくすることにより、繋ぎ部９ａが存在するために発生する短絡によって減少する磁束を補填している。これにより、磁極の中心における磁束を最も多い状態に維持することができ、回転子４を回転させるための有効磁束を多くしてトルクを増大させることができ、永久磁石電動機１の効率を向上させることができかる。

さらに、繋ぎ部９ａが存在するために発生する短絡により磁束が減少しても、永久磁石１０ａを追加することにより、回転子４と固定子３との間の空隙の磁束分布を正弦波に近い状態に維持することができ、コギングトルクやトルクリップルを減少させて騒音や振動を低減することができる。

なお、繋ぎ部９ａ、９ｂは、回転子鉄心６における永久磁石収容穴８より外側領域が遠心力と飛び出さないように回転子鉄心６における永久磁石収容穴８より内側領域に繋ぐための部材であり、隣合う永久磁石１０の間に必ずしも必要なものではない。

また、第２の実施の形態では、永久磁石１０が収容されている永久磁石収容穴８に永久磁石１０ａを追加した場合を例に挙げて説明したが、永久磁石１０と永久磁石１０ａとを合体させた寸法の大型の永久磁石を永久磁石収容穴８に収容してもよい。

（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施の形態を図８に基づいて説明する。

第３の実施の形態の永久磁石電動機の基本的な構造は第１の実施の形態の永久磁石電動機１と同じである。第３の実施の形態が第１の実施の形態と異なる点は、スリット穴１１の永久磁石１０に対向する径方向内側端と永久磁石収容穴８とが連通穴１２により連通されている点である。

このような構成において、連通穴１２が形成されることにより、スリット穴１１の径方向内側端と永久磁石収容穴８との間に存在する狭小部を通って磁束が隣接するスリット穴１１間のピッチへ漏れることを防止することができる。これにより、回転子４と固定子３との間の磁束の分布を、スリット穴１１の径方向内側端のピッチに対応させることができ、磁極の中心における磁束を最も多い状態に維持することができる。

（第４の実施の形態）
本発明の第４の実施の形態を図９に基づいて説明する。

第４の実施の形態の密閉型圧縮機１３は、第１〜第３の実施の形態で説明したいずれかの永久磁石電動機１とこの永久磁石電動機１により駆動される圧縮機構部１４とが密閉容器１５内に収納され、凝縮器１６と膨張装置１７と蒸発器１８とを介してアキュムレータ１９に接続されている。

この密閉型圧縮機１３によれば、第１〜第３の実施の形態で説明したいずれかの永久磁石電動機１を備えることにより、回転子４を回転させるための有効磁束が多くなってトルクが増大することにより密閉型圧縮機１３の効率を向上させることができ、さらに、コギングトルクやトルクリップルを減少させて騒音や振動を低減することができる。

本発明の第１の実施の形態の永久磁石電動機を示す平面図である。 図１の永久磁石電動機の一部を拡大して示す平面図である。 スリット穴の径方向内側端のピッチを決定するための波形図である。 永久磁石による回転子と固定子との間の磁束の流れを示す模式図である。 スリット穴の径方向内側端のピッチの決定するための第２の波形図である。 本発明の第２の実施の形態の永久磁石電動機の一部を示す平面図である。 永久磁石挿入穴の間の繋ぎ部で発生する磁束の短絡について説明する平面図である。 本発明の第３の実施の形態の永久磁石電動機の一部を示す平面図である。 本発明の第４の実施の形態の密閉型圧縮機を一部を断面にして示す概略図である。

符号の説明

１ 永久磁石電動機
２ 収容穴
３ 固定子
４ 回転子
６ 回転子鉄心
８ 永久磁石収容穴
９ａ 繋ぎ部
１０ 永久磁石
１１ スリット穴
１４ 圧縮機構部
１５ 密閉容器

Claims (4)

1. 中央部に収容穴が形成されたドーナツ形状の固定子と、
   前記収容穴に回転可能に収容される回転子とを備え、
   前記回転子は、
   鋼板を柱状に積層して形成される回転子鉄心と、
   前記回転子鉄心の回転中心線回りの正多角形の各辺に対応する部位に形成された永久磁石収容穴と、
   前記永久磁石収容穴に収容され、隣合って位置する二つ以上により一つの磁極を形成する複数の永久磁石と、
   前記回転子鉄心の前記永久磁石収容穴より外側領域に位置して前記回転子鉄心の径方向に細長く形成され、かつ、前記永久磁石収容穴に収容される前記永久磁石に対向する径方向内側端のピッチが一つの磁極における中央位置から端部に向けて次第に小さく形成されるとともに径方向外側端が等ピッチに形成された複数のスリット穴と、
   を備えることを特徴とする永久磁石電動機。
2. 一つの磁極ごとの前記スリット穴の径方向内側端のピッチが、正弦波の高さ寸法に対応して配分されていることを特徴とする請求項１記載の永久磁石電動機。
3. 一つの磁極を形成する隣合う二つの前記永久磁石の間に前記回転子鉄心における前記永久磁石収容穴の内側領域と外側領域とを繋ぐ繋ぎ部が形成され、前記繋ぎ部を間に挟む二つの前記スリット穴の前記永久磁石に対向する径方向内側端のピッチが正弦波の高さ寸法に対応する配分より大きく配分されていることを特徴とする請求項２記載の永久磁石電動機。
4. 請求項１ないし３のいずれか一記載の永久磁石電動機とこの永久磁石電動機により駆動される圧縮機構部とを密閉容器内に収納してなることを特徴とする密閉型圧縮機。

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