JP2008029095A - 永久磁石式回転電機及びそれを用いた圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】低振動・低騒音な永久磁石式回転電機及びそれを用いた圧縮機を提供する。
【解決手段】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を有し、回転子鉄心中の複数の永久磁石挿入孔に永久磁石を配置した回転子が、固定子の内周にギャップを介して回転軸により回転自在に支承された永久磁石式回転電機が、永久磁石の磁束軸をｄ軸、ｄ軸と電気角で９０度隔たった軸をｑ軸としたとき、回転子鉄心に設けた永久磁石挿入孔が軸方向同一位置に位置し、永久磁石挿入孔上部の磁極鉄心部に複数の磁極スリットを形成するとともに、永久磁石の磁束を集合させるためにｄ軸側のギャップ長よりｑ軸側のギャップ長を大きくした磁極鉄心を形成し、ｄ軸中心に対して磁極鉄心の円弧状部分を左右非対称に設けて磁極鉄心外周面に複数のギャップ面を設け、磁極鉄心の位置を軸方向に対しＶ字状にずらすように配置した。
【選択図】図１

Description

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、エアコン，冷蔵庫，冷凍庫、あるいはショーケースなどの圧縮機に使用される永久磁石式回転電機に関する。

従来、この種の永久磁石式回転電機においては、固定子巻線に集中巻が、界磁には希土類のネオジム永久磁石がそれぞれ採用され、高効率化を達成している。また、磁石材料の高磁界化に伴い、振動・騒音成分も顕在化しており、それに対して種々対策も講じられている。

例えば、特開２００４−４８９１２号公報に記載の永久磁石式回転電機においては、回転子の外周に複数のギャップ面を設けこのギャップ面を軸方向に段階的にずらして配置させる方法が提案されている。

また一方では、特開２００５−２７４２２号公報に記載の永久磁石式回転電機においては、回転子に埋設した永久磁石の外周側から回転子外周側へと伸びた複数のスリットを設けることが提案されている。

特開２００４−４８９１２号公報 特開２００５−２７４２２号公報

集中巻固定子の採用，高残留磁束密度磁石の採用により、永久磁石同期電動機の効率は飛躍的に向上した。その反面、分布巻固定子に対し集中巻固定子では、原理的に脈動磁束が増加することに加え、その脈動磁束を高残留磁束密度の永久磁石が助長する結果となる。つまり、モータそのものの振動や騒音も増加しており、特に、圧縮機に組み込んだ場合に最も耳障りとされている中域の周波数帯が顕在化する課題がある。

これに対し、特許文献１では、回転子の外周に複数のギャップ面を設けこのギャップ面を軸方向に段階的にずらして配置した、いわゆるスキュー構造とすることによって、ギャップ磁束密度の分布に軸方向に対して空間的な位相差を生じさせることができる。これにより、軸方向で見た磁束密度分布の脈動成分は相殺され、振動や騒音に起因する成分を低減することができる。

また、特許文献２では、回転子に埋設した永久磁石の外周側から回転子外周側へと伸びた複数のスリットを設けることによって、誘導起電力波形を正弦波化できる構造としている。これにより電機子電流を正弦波化でき、誘導起電力と電機子電流との相互作用によって生じる脈動トルクを低減させることができる。

しかしながら上記従来技術では、例えば特許文献１の方式では比較的高域の周波数帯が、また特許文献２の方式では比較的低域の周波数帯に生じている騒音を低減できるが、課題となる中域の周波数帯の騒音に対しては有効とは言えなかった。

この理由は、特許文献１の場合、波長の長い低次の高調波成分を打ち消すためには、スキューピッチを大きく取ることとなり、その結果特性が悪化してしまう。そのため、特性の維持を意識した場合、スキューピッチは自ずと小さくなり、波長の短い比較的高次の高調波成分のみの低減効果となる。

また、特許文献２では、スリットを設けることで略方形波となる磁石の起磁力分布を階段状に改善できる。しかしながら、スリットの数を増やして高次成分に対応させようとすると回転子の磁気抵抗が増えて特性低下を招く。そのため、回転子鉄心に配置できるスリットの数には限りがあり、結果として低次の高調波成分に対してのみ効果を有することとなる。

本発明の目的は、モータ効率などの性能を低下させることなく、低振動・低騒音な永久磁石式回転電機及びそれを用いた圧縮機を提供することにある。

本発明の永久磁石式回転電機は、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を有し、回転子鉄心中の複数の永久磁石挿入孔に永久磁石を配置した回転子が、固定子の内周にギャップを介して回転軸により回転自在に支承された永久磁石式回転電機において、永久磁石の磁束軸をｄ軸、ｄ軸と電気角で９０度隔たった軸をｑ軸としたとき、回転子鉄心に設けた永久磁石挿入孔が軸方向同一位置に位置し、永久磁石挿入孔上部の磁極鉄心部に複数の磁極スリットを形成するとともに、永久磁石の磁束を集合させるためにｄ軸側のギャップ長よりｑ軸側のギャップ長を大きくした磁極鉄心を形成し、ｄ軸中心に対して磁極鉄心の円弧状部分を左右非対称に設けて磁極鉄心外周面に複数のギャップ面を設け、磁極鉄心の位置を軸方向に対しＶ字状にずらすように配置したものである。

本発明によれば、中域の周波数帯にある高調波成分を低減し、聴感が改善する永久磁石式回転電機を提供できる。

以下、本発明の実施例を図１〜図９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、回転子の極数と固定子のスロット数との比を２：３としたが、他の極数，スロット数との比でもほぼ同様の効果を得ることができる。

図１は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、図２，図３は本発明による永久磁石式回転電機の実施形態１の回転子鉄心形状を示す断面図を示す。また、図４には本発明による永久磁石式回転電機の実施形態１の回転子鉄心形状を示す図を示し、さらに図９には本発明に係わる圧縮機の断面構造を、表１には各種回転子構造における圧縮機の聴感試験結果をそれぞれ示した。

図１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。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内にはティース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）から構成される。ここで、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。

図２において、回転子３はシャフト孔１５を形成した回転子鉄心１２の外周表面近傍に一文字形状の永久磁石挿入孔１３を形成し、永久磁石挿入孔１３中に希土類のネオジム永久磁石１４を固定している。永久磁石１４の磁束軸がｄ軸となり、電気角で９０°隔てられた磁極間に位置する軸がｑ軸となる。ここで、ｑ軸上の磁極間には凹部１１が設けられている。

図２（ａ）（ｂ），図４において、回転子鉄心１２は、図２（ａ）に示す断面Ａと図２（ｂ）に示す断面Ｂとが図４のように周方向に対し階段状にＶ字をなすように積層されている。ここで、回転子鉄心１２の外周形状はギャップ面をｇ１，ｇ２のように複数有する構成となっている。

ここで、図２（ａ）に示した断面Ａはギャップ面ｇ１を形成する部位において、θ１とθ２とがｄ軸を規準にθ１＞θ２となり、θ１とθ２との和が電気角で９０°〜１２０°となるように構成されている。また、図２（ｂ）に示した断面Ｂはθ１とθ２との関係をｄ軸を規準にθ１＜θ２としている。

図２（ａ）（ｂ），図３において、永久磁石１４の外周側にはスリット１０（１０ａ〜１０ｄ）がｄ軸をはさむように具備されており、図３に示すようにスリット１０の各々の傾きはｄ軸上の一点Ｐにて交わるように配置されている。

図９において、円筒状の圧縮容器６９内には、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、永久磁石式回転電機１により旋回スクロール部材６３がクランク軸７２を介して旋回運動させることによって圧縮動作を行う。

固定スクロール部材６０およ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６３，６０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およびフレーム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から電動圧縮機外に排出される。

また、電動圧縮機を駆動する永久磁石式回転電機１は、別置のインバータ（図示せず）によって制御され、圧縮動作に適した回転速度で回転する。ここで、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、回転子３に設けられるクランク軸７２は、上側がクランク軸になっている。クランク軸７２の内部には、油孔７４が形成され、クランク軸７２の回転によって圧縮容器６９の下部にある油溜め部７３の潤滑油が油孔７４を介して滑り軸受７５に供給される。

このような構成の圧縮機に種々の回転子形状を有する永久磁石式回転電機を組み込み、騒音の聴感試験を行った。その結果を表１に示す。

表１において、耳障りな騒音の周波数帯域としては、低域，中域，高域の３つに大別され、特に中域の成分がより顕著に現れることが分かった。

これら騒音の周波数帯域と各種回転子構造との関係を分析すると、特許文献１に類似した回転子構造（いわゆる略スキュー構造）では、高域の騒音成分に対しては低減効果を有するが、低・中域ではほとんど聴感に変化は無かった。また、特許文献２に類似した回転子構造（回転子外周に複数のスリットを有する）では、低域の騒音成分を低減できるが、中・高域に対しては大差無いことが分かった。一方、本発明の構造の場合、低・高域の騒音成分が特許文献１，２に類似したそれと大差ない効果を有しているのに加え、中域の騒音成分が大きく低減されることを確認した。

そこで、騒音の発生要因を分析したところ、基本波磁束と高調波磁束との乗算で生じる、いわゆる電磁加振力によって発生していることが分かった。ここで、特許文献１に類似した回転子構造では、高調波磁束成分として２５次や２７次成分といった比較的高次の成分が、特許文献２に類似した回転子構造では、５次，７次といった低次の高調波磁束が大きく低減されていることが観測された。また本発明の構造の場合、１１次成分や１３，
１５，１７次成分といった比較的中域の電磁加振力を構成していると考えられる高調波磁束成分が大きく低減されていることが明らかとなった。

以上より、前述の永久磁石式回転電機を空調用などの各種圧縮機に適用すれば、低振動，低騒音な圧縮機を提供できる。

図５に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を示し、図１〜図４と同一物には同一符号を付してある。図において、図１〜図４と異なる部分は、スリット１０（１０ａ〜１０ｄ）各々の間隔Ａ，Ｂ，Ｃが不等ピッチとなっている点にある。このように構成すれば、断面Ａ，Ｂでの磁気的なスキュー角を調整できるなど、より細かく磁束分布を調整することができる。

図６に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を示し、図５と同一物には同一符号を付してある。図において、図５と異なる部分は、ｄ軸をはさむように形成したスリット１０を、一方では１本、他方では２本となるように形成している点にある。このように構成すれば図６に近い効果を簡便に得ることができる。

図７には本発明による永久磁石式回転電機の実施形態４の回転子鉄心形状を示す図を示し、図４と同一物には同一符号を付してある。図において、図４と異なる部分は、断面ＡとＢとの軸方向に積層する構成数を変え、Ｗ字状に構成したものである。このように構成しても、軸方向のスラスト力を抑制できる。また、断面Ａ−Ｂ間での軸方向における磁気的結合が大きくなるため、見かけ上のスキューピッチを小さくできるなど、同じ断面形状を用いたままスキューピッチを任意に調整ができる。

図８には本発明による永久磁石式回転電機の実施形態５の回転子鉄心形状を示す断面図を示し、図２と同一物には同一符号を付してある。図において、図２と異なる部分は、永久磁石１４が一極あたり２枚具備され、かつシャフト孔１５に対して凸のＶ字配置となっている。このように配置しても、図２と同様の効果を得ることができる。

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。 本発明による永久磁石式回転電機の実施形態１の回転子鉄心形状を示す断面図。 本発明による永久磁石式回転電機の実施形態１の回転子鉄心形状を示す断面図。 本発明による永久磁石式回転電機の実施形態１の回転子鉄心形状を示す断面図。 本発明による永久磁石式回転電機の実施形態１の回転子鉄心形状を示す図。 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。 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。 本発明による永久磁石式回転電機の実施形態４の回転子鉄心形状を示す図。 本発明による永久磁石式回転電機の実施形態５の回転子鉄心形状を示す断面図。 本発明による永久磁石式回転電機の実施形態５の回転子鉄心形状を示す断面図。 本発明に係わる圧縮機の断面構造。

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、６０…固定スクロール部材、６１，６４…端板、６２，６５…渦巻状ラップ、６３…旋回スクロール部材、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…クランク軸、７３…油留め部、７４…油孔、７５…すべり軸受け。

Claims (14)

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を有し、回転子鉄心中の複数の永久磁石挿入孔に永久磁石を配置した回転子が、該固定子の内周にギャップを介して回転軸により回転自在に支承された永久磁石式回転電機において、前記永久磁石の磁束軸をｄ軸、該ｄ軸と電気角で９０度隔たった軸をｑ軸としたとき、前記回転子鉄心に設けた前記永久磁石挿入孔が軸方向同一位置に位置し、該永久磁石挿入孔上部の磁極鉄心部に複数の磁極スリットを形成するとともに、該永久磁石の磁束を集合させるために該ｄ軸側の前記ギャップ長より該ｑ軸側の該ギャップ長を大きくした磁極鉄心を形成し、該ｄ軸中心に対して該磁極鉄心の円弧状部分を左右非対称に設けて該磁極鉄心外周面に複数のギャップ面を設け、該磁極鉄心の位置を軸方向に対しＶ字状にずらすように配置したことを特徴とする永久磁石式回転電機。
2. 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を有し、回転子鉄心中の複数の永久磁石挿入孔に永久磁石を配置した回転子が、該固定子の内周にギャップを介して回転軸により回転自在に支承された永久磁石式回転電機において、前記永久磁石の磁束軸をｄ軸、該ｄ軸と電気角で９０度隔たった軸をｑ軸としたとき、前記回転子鉄心に設けた前記永久磁石挿入孔が軸方向同一位置に位置し、該永久磁石挿入孔上部の磁極鉄心部に複数の磁極スリットを形成するとともに、該永久磁石の磁束を集合させるために該ｄ軸側の前記ギャップ長より該ｑ軸側の該ギャップ長を大きくした磁極鉄心を形成し、該ｄ軸中心に対して該磁極鉄心の円弧状部分を左右非対称に設けて該磁極鉄心外周面に複数のギャップ面を設け、該磁極鉄心の位置を軸方向に対しＷ字状にずらす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. 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を有し、回転子鉄心中の複数の永久磁石挿入孔に永久磁石を配置した回転子が、該固定子の内周にギャップを介して回転軸により回転自在に支承された永久磁石式回転電機において、前記永久磁石の磁束軸をｄ軸、該ｄ軸と電気角で９０度隔たった軸をｑ軸としたとき、前記回転子鉄心に設けた前記永久磁石挿入孔が軸方向同一位置に位置し、該永久磁石挿入孔上部の磁極鉄心部に複数の磁極スリットを形成するとともに、該永久磁石の磁束を集合させるために該ｄ軸側の前記ギャップ長より該ｑ軸側の該ギャップ長を大きくした磁極鉄心を形成し、該ｄ軸中心に対して該磁極鉄心の円弧状部分を左右非対称に設けて該磁極鉄心外周面に複数のギャップ面を設け、該磁極鉄心の位置を軸方向に対し階段状にずらすとともに、該磁極鉄心の軸方向上下部が同一形状であ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に記載の永久磁石式回転電機において、前記永久磁石挿入孔間を略Ｖ字状にカット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に記載の永久磁石式回転電機において、前記永久磁石挿入孔上部に形成した該磁極スリットを傾斜させ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４に記載の永久磁石式回転電機において、前記永久磁石挿入孔上部に形成した該磁極スリットを傾斜させ、かつ不等ピッチで配置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４に記載の永久磁石式回転電機において、前記永久磁石挿入孔上部に形成した該磁極スリットを傾斜させ、かつ各該磁極スリットの側面の延長線が磁極中心線上近傍で交わるように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に記載の永久磁石式回転電機において、前記永久磁石挿入孔上部に形成した該磁極スリットを磁極中心線に対して対称に設けた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に記載の永久磁石式回転電機において、前記ギャップ長の小さな該磁極鉄心の開度を電気角で略９０度から略１２０度の範囲内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に記載の永久磁石式回転電機において、前記回転子の極数と前記固定子のスロット数との比が２：３であることを特徴とする永久磁石式回転電機。
11. 請求項１ないし請求項１０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。
12. 請求項１ないし請求項１１に記載の永久磁石式回転電機において、前記回転子鉄心の外周面にカット形状を施して磁極面を形成するとともに、該カット形状が略直線状カットと略円弧状カットを組み合せたものであることを特徴とする永久磁石式回転電機。
13. 請求項１ないし請求項１１に記載の永久磁石式回転電機において、前記回転子鉄心の外周面にカット形状を施して磁極面を形成するとともに、該カット形状が略Ｖ字形状を複数個組み合せた凹部と一つの略円弧状凹部とを有するものであることを特徴とする永久磁石式回転電機。
14. 請求項１ないし請求項１３に記載の永久磁石式回転電機のいずれかを搭載した圧縮機。
    

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