JP2012105410A - Electric motor and compressor - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、電動機に関する。詳しくは、特に回転子の構造に関する。また、その電動機を搭載した圧縮機に関する。 The present invention relates to an electric motor. Specifically, it relates to the structure of the rotor. Moreover, it is related with the compressor carrying the electric motor.
最近の永久磁石埋込型電動機は、小型高効率化が強く求められ、それに加えて振動、騒音を低減したいという課題がある。また、昨今の環境への意識の高まりから空気調和機の圧縮機、電気自動車、ハイブリッド自動車および燃料電池自動車に搭載される電動機においても、振動、騒音の低減のためトルク脈動を低減することは有効である。 Recent permanent magnet embedded motors are strongly required to be small and highly efficient, and in addition, there is a problem of reducing vibration and noise. In addition, due to the recent increase in environmental awareness, it is effective to reduce torque pulsation in order to reduce vibration and noise in motors installed in air conditioner compressors, electric vehicles, hybrid vehicles, and fuel cell vehicles. It is.
従来、回転子の磁石収納孔の外周部にスリット孔を設けることにより、電機子反作用磁束を軽減すると共に、外周部鉄心の磁束分布を改善することにより、騒音や振動の少ない高効率な永久磁石電動機が提案されている(例えば、特許文献1参照)。 Conventionally, a slit hole is provided in the outer periphery of the magnet housing hole of the rotor to reduce the armature reaction magnetic flux, and improve the magnetic flux distribution of the outer peripheral core, thereby reducing the noise and vibration. An electric motor has been proposed (see, for example, Patent Document 1).
しかしながら、上記特許文献1記載のものは、スリット孔の効果を有効に利用するために、打ち抜き部を回転子表面付近に配置することが必要であり、回転子外周部に鉄心の磁路が狭い薄肉部が存在し、回転時の遠心力に対する強度が低下する課題がある。
However, in order to effectively use the effect of the slit hole, the one described in
また、磁極表面(磁石収納孔の外周部)の鉄心は、面積が小さいため、打ち抜きによる幅、形状等の設計自由度は低い。かつ、打ち抜きプレスの加工精度の制約が大きく、磁束分布の改善に対する制約は大きいと言える。 Further, since the iron core on the magnetic pole surface (the outer peripheral portion of the magnet housing hole) has a small area, the degree of freedom in designing the width, shape, etc. by punching is low. Moreover, it can be said that there are large restrictions on the processing accuracy of the punching press, and there are great restrictions on the improvement of the magnetic flux distribution.
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、磁極表面に板厚を薄くして構成した磁束制御部を設けることで、回転子表面の磁束分布を正弦波化し、振動の原因となるトルク脈動を抑制すると共に、従来の打ち抜きスリットに比べ、遠心力、及び電磁加振力に対する機械的強度が向上する電動機及びその電動機を用いる圧縮機を提供する。 The present invention has been made to solve the above-described problems. By providing a magnetic flux control unit configured with a thin plate thickness on the magnetic pole surface, the magnetic flux distribution on the rotor surface is converted into a sine wave, and vibration is generated. An electric motor that suppresses the torque pulsation that causes the above-described problem and has improved mechanical strength against centrifugal force and electromagnetic excitation force as compared with a conventional punching slit, and a compressor that uses the electric motor.
この発明に係る電動機は、固定子と、永久磁石埋込型の回転子とを備える電動機であって、
回転子は、
外周縁に沿って複数の磁石挿入孔が形成された回転子鉄心と、
磁石挿入孔に挿入される複数の永久磁石と、を備え、
回転子鉄心は、磁石挿入孔の外側の外周鉄心部、並びに極間部に、板厚を薄くして構成される磁束制御部が形成された電磁鋼板を所定の枚数積層して形成されることを特徴とする。
An electric motor according to the present invention is an electric motor including a stator and a permanent magnet embedded rotor,
The rotor is
A rotor core in which a plurality of magnet insertion holes are formed along the outer periphery;
A plurality of permanent magnets inserted into the magnet insertion holes,
The rotor core is formed by laminating a predetermined number of magnetic steel sheets each having a magnetic flux control unit formed by reducing the plate thickness at the outer peripheral core part outside the magnet insertion hole and between the poles. It is characterized by.
この発明に係る電動機は、回転子鉄心が、磁石挿入孔の外側の外周鉄心部、並びに極間部に、板厚を薄くして構成される磁束制御部が形成された電磁鋼板を所定の枚数積層して形成されることにより、回転子表面の磁束分布を正弦波化し、振動の原因となるトルク脈動を抑制すると共に、従来の打ち抜きスリットに比べ、遠心力、及び電磁加振力に対する機械的強度が向上する効果がある。 In the electric motor according to the present invention, the rotor core has a predetermined number of electromagnetic steel plates in which a magnetic flux control unit configured by thinning the plate thickness is formed on the outer peripheral core part outside the magnet insertion hole and the inter-pole part. By forming the laminated structure, the magnetic flux distribution on the rotor surface is made sinusoidal, and the torque pulsation that causes vibration is suppressed, and mechanical force against centrifugal force and electromagnetic excitation force is compared to conventional punch slits. There is an effect of improving the strength.
実施の形態1.
図1は比較のために示す図で、一般的な電動機600の横断面図である。図1に示す一般的な電動機600は、例えばブラシレスDCモータである。電動機600は、固定子610と、この固定子610の内側に空隙640を介して配置される回転子620とを備える。
FIG. 1 is a cross-sectional view of a general
図2は比較のために示す図で、一般的な電動機600の固定子610の横断面図である。固定子610は、少なくとも固定子鉄心611と、巻線612(図示しない絶縁部材で固定子鉄心611と絶縁される)とを備える。巻線612は、ティース613に巻回される集中巻であるが、分布巻の場合もある。巻線612は、三相巻線であり、結線方式はY結線(星形結線、スター結線)である。但し、結線方式は、三角結線の場合もある。
FIG. 2 is a view for comparison, and is a cross-sectional view of a
図3は比較のために示す図で、一般的な電動機600の固定子鉄心611の横断面図である。固定子鉄心611は略リング状で、外周側にリング状のコアバック615が形成されている。ティース613が、コアバック615から回転子620側に放射状に9個形成される。9個のティース613は、周方向に略等間隔に配置される。ティース613の周方向の幅は、径方向に略一定である。
FIG. 3 is a view for comparison, and is a cross-sectional view of a
隣接するティース613の間の空間をスロット614と呼ぶ。スロット614の数も、ティース613の数と同じ9個である。ティース613の周方向の幅は、径方向に略一定であるので、スロット614の周方向の幅は、内側から外側(コアバック615側)に向かって徐々に大きくなる構成である。スロット614は、スロット開口部614aで回転子620側に開口している。
A space between
固定子鉄心611は、厚さ0.7mm以下の薄い電磁鋼板を所定の形状に形成されて、所定の枚数を積層することで構成される。
The
図4は比較のために示す図で、一般的な電動機600の回転子620の横断面図である。回転子620は永久磁石埋込型であり、少なくとも回転子鉄心621と、回転子鉄心621の磁石挿入孔623に挿入される、平板形状の永久磁石622を備える。
FIG. 4 is a view for comparison, and is a cross-sectional view of a
6個の永久磁石622は、回転子鉄心621の外周縁に沿って形成された磁石挿入孔623に挿入され、6極の回転子620を構成する。
The six
回転子620の永久磁石622は、Nd−Fe−B(ネオジウム ・鉄・ボロン)を主成分とするネオジウム希土類磁石を搭載しており、厚さ2mm程度の平板形状である。
The
図5は比較のために示す図で、一般的な電動機600の回転子鉄心621の横断面図である。回転子鉄心621は、略円柱状であり、外周縁に沿って断面形状が略長方形の磁石挿入孔623が、6個形成されている。横断面において、6個の磁石挿入孔623で略六角形を形成している。回転子鉄心621の略中心部に、回転軸(図示せず)が挿入される軸孔624を備える。
FIG. 5 is a view for comparison, and is a cross-sectional view of a
回転子鉄心621も、固定子鉄心611と同様に、厚さ0.7mm以下の薄い電磁鋼板を所定の形状に形成されて、所定の枚数を積層することで構成される。
Similarly to the
上記のように構成された一般的な電動機600の回転子620は、磁石挿入孔623の外側の外周鉄心部の影響により、回転子620の表面の磁束密度が正弦波に近い波形になりにくい、また固定子610の巻線612に電流が流れることにより生じる磁束(電機子反作用磁束)が磁石挿入孔623の外側の外周鉄心部に周り込むという課題があった。
In the
その対策として、磁石挿入孔の外側の外周鉄心部にスリットを設けるのが一般的である。図6乃至図8は比較のために示す図で、図6はスリット725を有する一般的な回転子720の部分横断面図、図7は図6の拡大図、図8は一般的な回転子鉄心721の部分横断面図である。例えば、図6に示すように、別の一般的な回転子720の回転子鉄心721には、永久磁石722が挿入される磁石挿入孔723の外側の外周鉄心部に、複数のスリット725が形成されている。
As a countermeasure, it is common to provide a slit in the outer peripheral core part outside the magnet insertion hole. 6 to 8 are views for comparison, FIG. 6 is a partial cross-sectional view of a
詳細には、図7に示すように、一磁極において、磁石挿入孔723の外側の外周鉄心部に、略長穴形状のスリット725a〜725dが形成されている。スリット725aは、磁極中心線上に位置し、スリット725aを中心にしてその左右の極間までの間に、スリット725b〜725dが順に形成されている。スリット725b〜725dは、その外側への延長線が、回転子720の外部において磁極中心線に交わる方向に向いている。スリット725a〜725dにより、永久磁石722の磁束は、上記のように制御されるため、回転子720の表面の磁束密度が正弦波に近い波形になる。
Specifically, as shown in FIG. 7, in one magnetic pole, slits 725 a to 725 d having substantially elongated holes are formed in the outer peripheral core portion outside the
但し、一般的な回転子720に設けられる長円穴形状のスリット725a〜725dは、回転子鉄心721が電磁鋼板(0.7mm以下)を所定の形状に打ち抜き、所定枚数を積層して形成される際に、同時に打ち抜きにより形成される。
However, the oblong hole-shaped
スリット725a〜725dの効果を有効に利用するために、打ち抜き部であるスリット725a〜725dを回転子720の表面付近に配置することが必要であり、回転子外周部に鉄心の磁路が狭い薄肉部(Ta〜Td、T、図8参照)が存在し、回転時の遠心力に対する強度が低下する課題がある。薄肉部(Ta〜Td、T)の最小寸法は、電磁鋼板の板厚(0.7mm以下)程度である。
In order to effectively use the effects of the
本実施の形態は、打ち抜き部で構成されるスリット725a〜725dを有する一般的な回転子720の上記課題(強度不足)を解決するものである。
The present embodiment solves the above-described problem (insufficient strength) of a
本実施の形態は、一般的な回転子720のように、完全に打ち抜かれたスリット725a〜725dではなく、スリット725a〜725dに相当する部分を、板厚を薄くして構成した磁束制御部とし、永久磁石の磁束を制御する機能を有するとともに、回転時の遠心力に対する強度が低下することのない優れた回転子を提供する。尚、本実施の形態は、極間部にも磁石挿入孔外周部に板厚を薄くした磁束制御部が形成されている。
In the present embodiment, unlike a
図9乃至図16は実施の形態1を示す図で、図9は電動機100の横断面図、図10は電動機100の回転子20の横断面図、図11は電動機100の回転子鉄心21の横断面図、図12は図10の部分拡大図、図13は図11の部分拡大図、図14は図12のA−A断面図、図15は図12の部分拡大図、図16は図15のB−B断面図である。
9 to 16 are diagrams showing the first embodiment. FIG. 9 is a transverse sectional view of the
図9乃至図16を参照しながら電動機100の構成を説明する。図9に示す電動機100も、例えばブラシレスDCモータである。電動機100は、固定子10と、この固定子10の内側に空隙40を介して配置される回転子20とを備える。
The configuration of the
固定子10の構成は、一般的な電動機600の固定子610と同様であるので、説明は省略する。
Since the configuration of the
図10に示すように、回転子20は永久磁石埋込型であり、少なくとも回転子鉄心21と、回転子鉄心21の磁石挿入孔23に挿入される、平板形状の永久磁石22を備える。本実施の形態は、回転子鉄心21の構成に特徴がある。
As shown in FIG. 10, the
6個の永久磁石22は、回転子鉄心21の外周縁に沿って形成された磁石挿入孔23にされ、6極の回転子20を構成する。
The six
回転子20の永久磁石22は、Nd−Fe−B(ネオジウム ・鉄・ボロン)を主成分とするネオジウム希土類磁石を搭載しており、厚さ2mm程度の平板形状である。
The
図11に示すように、回転子鉄心21は、略円柱状であり、外周縁に沿って断面形状が略長方形の磁石挿入孔23が、6個形成されている。横断面において、6個の磁石挿入孔23で略六角形を形成している。回転子鉄心21の略中心部に、回転軸(図示せず)が挿入される軸孔24を備える。
As shown in FIG. 11, the
回転子鉄心21は、厚さ0.7mm以下の薄い電磁鋼板を所定の形状に形成されて、所定の枚数を積層することで構成される。
The
回転子鉄心21は、各磁石挿入孔23の外側の外周鉄心部及び極間部に、永久磁石22の磁束を制御する(回転子20表面の磁束密度が正弦波になるように)磁束制御部30が形成されている。磁束制御部30は、回転子鉄心21を構成する各電磁鋼板に夫々設けられる。
The
図12に示すように、磁束制御部30は、各磁石挿入孔23の外側の外周鉄心部に形成され、平面視で長穴形状の複数の磁束制御部30a〜30dと、磁石挿入孔23の端部に接続して極間部に形成され、平面視で多角形状の磁束制御部30eとで構成される。
As shown in FIG. 12, the magnetic
磁束制御部30aは、磁極中心線上に位置し、磁束制御部30aを中心にしてその左右の極間までの間に、磁束制御部30b〜30dが順に形成されている。磁束制御部30b〜30dは、その外側への延長線が、回転子20の外部において磁極中心線に交わる方向に向いている。磁束制御部30a〜30dにより、永久磁石22の磁束は、上記のように制御されるため、回転子20の表面の磁束密度が正弦波に近い波形になる。尚、磁束制御部30a〜30dの周方向幅は、例えば、2mm程度である。
The magnetic
極間部の磁束制御部30eは、極間における永久磁石22の磁束の漏れを抑制する。
The inter-pole magnetic
図13に示すように、磁束制御部30a〜30eと回転子鉄心21の外周部との夫々の最小寸法Ta1、Tb1、Tc1、Td1、Te1は、電磁鋼板の板厚(0.7mm以下)程度である。
As shown in FIG. 13, the minimum dimensions Ta1, Tb1, Tc1, Td1, and Te1 of the magnetic
また、磁束制御部30a〜30dと磁石挿入孔23との最小寸法Ta2、Tb2、Tc2、Td2も、電磁鋼板の板厚(0.7mm以下)程度である。
Further, the minimum dimensions Ta2, Tb2, Tc2, and Td2 between the magnetic
図14、図16に示すように、回転子鉄心21を構成する電磁鋼板21aの厚さW0は、例えば0.35mmで構成されており、磁束制御部30a〜30eの厚さW1は、例えば0.1mmで構成されている。一枚一枚の電磁鋼板21aに、磁束制御部30a〜30eは構成され、本実施の形態の回転子鉄心21は、電磁鋼板21aをカシメにより位相を固定し、軸方向に積層している。
As shown in FIGS. 14 and 16, the thickness W0 of the
本実施の形態では、エッチングにより電磁鋼板21aの板厚を薄く加工して磁束制御部30a〜30eを形成する。その他、プレス等により電磁鋼板21aの板厚を薄く加工しても同様の効果がある。
In the present embodiment, the magnetic
次に、磁束制御部30a〜30eを形成する基本プロセスであるエッチング加工について説明する。
Next, the etching process which is a basic process for forming the magnetic
電磁鋼板に前処理を施し、レジストを塗布する。このレジストに対してマスクを用いて、磁束制御部30a〜30eを露光し、それぞれ現像する。この形状に基づきレジストを除去し、エッチング液により加工する。
A pretreatment is applied to the electrical steel sheet, and a resist is applied. Using this mask, the magnetic
エッチング液による加工後、残ったレジストを除去すれば、所望の磁束制御部30a〜30eを有する電磁鋼板21aが形成できる。こうした製造には、例えばフォトエッチング加工が有効であり、金属マスクを用いた微細孔を精密に加工する方法を使用することも有効である。
If the remaining resist is removed after the processing with the etching solution, the
エッチング加工を用いれば、磁束制御部30a〜30eを極めて高い加工精度、例えば、誤差として±10μm以下、好ましくは±5μm以下で形成することが可能である。
If etching is used, the
本実施の形態では、各磁極の永久磁石22の外側の外周鉄心部に、7個の長穴形状の磁束制御部30a〜30d(1個の磁束制御部30a、2個づつの磁束制御部30b〜30d)が、磁束制御部30aが磁極中心に配置され、磁束制御部30aの左右に磁束制御部30b〜30dが対称に順に配置されている。さらに、7個の長穴形状の磁束制御部30a〜30dは、磁極中心部に向くように形成されている。このように構成することで、永久磁石22の磁束を磁極中心部に集中させ、磁極中心部から、磁束密度分布がなだらかに正弦波状になるように調整されている。
In the present embodiment, seven long hole-shaped magnetic
厚さW1が、例えば0.1mmに加工された磁束制御部30a〜30dは、磁路が狭いため、透磁率が低く磁束が流れにくくなる。磁束制御部30a〜30dを適切に配置することで磁束の流れを制御し、回転子20表面の磁束密度分布を正弦波状にすることが可能となる。
Since the magnetic
図17乃至図19は実施の形態1を示す図で、図17は回転子20の磁束制御部なしの場合に、固定子10の巻線に誘起される誘起電圧の波形を示す図、図18は回転子20の磁束制御部ありの場合に、固定子10の巻線に誘起される誘起電圧の波形を示す図、図19は固定子10の巻線に誘起される誘起電圧の高調波成分含有率を、磁束制御部なしと磁束制御部ありとで比較した図である。
17 to 19 are diagrams showing the first embodiment, and FIG. 17 is a diagram showing a waveform of an induced voltage induced in the winding of the
回転子20に磁束制御部30a〜30dがないときの、固定子10の巻線に誘起される誘起電圧の波形は、図17に示すような波形であった。また、回転子20に磁束制御部30a〜30dがあるときの、固定子10の巻線に誘起される誘起電圧の波形は、図18に示すような波形であった。これらの波形の周波数分析を行い、誘起電圧の高調波成分含有率(高調波成分の振幅の二乗和の平方根を基本波成分の振幅で割った値)を比較したところ、図19に示すように、磁束制御部なしが7.6%に対し、磁束制御部ありが3.6%と半減する結果であった。
When the
回転子20を駆動するトルクは、固定子10の巻線の誘起電圧と巻線を流れる電流との積に比例するため、回転子20に磁束制御部30a〜30dを設けることで、発生トルクの高調波成分を低減でき、低振動で高効率な電動機100が得られる。
The torque for driving the
また、電磁鋼板の極間部の板厚を薄くして形成される磁束制御部30eは、隣接する極性の異なる磁極間で短絡する磁束を、磁気抵抗を大きくすることで流れにくくし、固定子10側に流れるように制御する働きを持つ。磁極間で短絡する短絡磁束を低減し、永久磁石22の磁束を固定子10に鎖交させることで、固定子10が発生するマグネットトルクが向上し、低電流で駆動できる高効率な電動機100が得られる。
Further, the magnetic
上記のような磁束制御は磁束制御部を打ち抜くことでも可能であったが、その場合、磁束制御部の効果を有効に利用するために、打ち抜き部を回転子表面付近に配置することが必要であり、回転子外周部に鉄心の磁路が狭い薄肉部が存在し、回転時の遠心力に対する強度の低下が課題となっていた。 The magnetic flux control as described above was possible by punching out the magnetic flux control unit, but in that case, in order to effectively use the effect of the magnetic flux control unit, it is necessary to arrange the punched part near the rotor surface. In addition, there is a thin-walled portion where the magnetic path of the iron core is narrow on the outer periphery of the rotor, and the reduction in strength against centrifugal force during rotation has been a problem.
図20乃至図22は実施の形態1を示す図で、図20は回転子20の磁束制御部を打ち抜いた場合の遠心力に対する変形の解析結果を示す図、図21は回転子20の磁束制御部の板厚を薄くした場合の遠心力に対する変形の解析結果を示す図、図22は回転子20の磁束制御部を打ち抜いた場合と磁束制御部の板厚を薄くした場合の応力の解析結果を示す図である。
20 to 22 are diagrams showing the first embodiment. FIG. 20 is a diagram showing an analysis result of deformation with respect to centrifugal force when the magnetic flux control unit of the
図20、図21は、回転子20を100rpm(回転毎分 (rotation per minute))で回転させたときの遠心力に対する変形(2000倍に拡大したもの)で、図20は回転子20の磁束制御部を打ち抜いた場合の変形、図21は回転子20の磁束制御部の板厚を薄くした場合の変形を示す。
20 and 21 are deformations (enlarged 2000 times) against centrifugal force when the
図20と図21とを比較すると、磁束制御部30a〜30eを打ち抜きから、板厚を薄くして(例えば、厚さ0.35mmの電磁鋼板に対して、板厚を0.1mmに薄くする)、構成することにより、回転子20の外周付近の強度が大幅に向上し、永久磁石22に働く遠心力による各磁極部の変形が著しく小さくなっていることがわかる。
20 is compared with FIG. 21, after punching out the magnetic
また、図22に示すように、回転数を変化したときの磁束制御部の外側の外周鉄心部のミーゼス応力(ミーゼス応力の概念を簡単に言うと、多方向から複合的に荷重が加わるような応力場において、1軸の引張り又は圧縮応力へ投影した値をいう)は、磁束制御部30a〜30eを打ち抜きから、板厚を薄くして(例えば、厚さ0.35mmの電磁鋼板に対して、板厚を0.1mmに薄くする)、構成することにより、約1/3以下に低減することができる。
Further, as shown in FIG. 22, the Mises stress of the outer peripheral core part outside the magnetic flux controller when the rotational speed is changed (simply speaking, the concept of Mises stress is such that a complex load is applied from multiple directions. In the stress field, the value projected on the uniaxial tensile or compressive stress is obtained by punching out the magnetic
本実施の形態は、低振動で高効率な電動機100が得られると共に、遠心力に対する機械的強度が上した信頼性の高い電動機100が得られるものである。
In the present embodiment, the highly efficient
図23、図24は実施の形態1を示す図で、図23は変形例1の回転子120の部分横断面図、図24は図23の拡大図である。図23に示すように、変形例1の回転子120は、回転子鉄心121の各磁石挿入孔123の外側の外周鉄心部及び極間部に、永久磁石122の磁束を制御する(回転子120表面の磁束密度が正弦波になるように)、もしくは極間における永久磁石122の漏れを抑制する磁束制御部130が形成されている。磁束制御部130は、回転子鉄心121を構成する各電磁鋼板に夫々設けられる。
23 and 24 are diagrams showing the first embodiment. FIG. 23 is a partial cross-sectional view of the
図24に示すように、磁束制御部130は、各磁石挿入孔123の外側の外周鉄心部に形成され、平面視で長穴形状の複数の磁束制御部130a〜130dと、磁石挿入孔123の端部に接続して極間部に形成され、平面視で多角形状の磁束制御部130eとで構成される。
As shown in FIG. 24, the magnetic
磁束制御部130a〜130eが、図12に示す磁束制御部30a〜30eと異なる点は、磁束制御部130a〜130dが、回転子120の外周及び磁石挿入孔123に接していること、及び磁束制御部130eが回転子120の外周に接していることである。
The
磁束制御部130aは、磁極中心線上に位置し、磁束制御部130aを中心にしてその左右の極間までの間に、磁束制御部130b〜130dが順に形成されている。磁束制御部130b〜130dは、その外側への延長線が、回転子20の外部において磁極中心線に交わる方向に向いている。磁束制御部130a〜130dにより、永久磁石122の磁束は、上記のように制御されるため、回転子120の表面の磁束密度が正弦波に近い波形になる。尚、磁束制御部130a〜130dの周方向幅は、例えば、2mm程度である。
The magnetic
極間部の磁束制御部130eは、極間における永久磁石122の磁束の漏れを抑制する。
The inter-pole magnetic
図12に示す回転子20と比較すると、変形例1の回転子120は機械低強度はやや低下するが、磁束制御部130a〜130dが磁石挿入孔123、及び回転子120の外周部に接する。そのため、永久磁石122の磁束の流れの制御性が向上し、回転子120の表面の磁束密度分布を正弦波状に適正化することが可能となる。また、極間部の磁石挿入孔123の外周の磁束制御部130eも回転子120の外周部に接することで、極間の漏れ磁束が低減され、マグネットトルクが向上した高効率な電動機を構成することが可能となる。
Compared with the
回転子鉄心121の打ち抜き時には、構成上必ず回転子120の表面に鉄心部を配置する必要があり、回転子120の表面の鉄心部で磁束が短絡しやすいという課題があったため、回転子20よりも変形例1の回転子120の方が、永久磁石122の磁束の制御性が改善できる。
When the
また、磁束制御部130の板厚が薄い部分が回転子120の外周部に接していることは次のような効果もある。一般に鉄心は外部変動磁界に対し、磁束の変動を打ち消す方向に鉄心内に渦電流が流れ、この渦電流によって渦電流損失を発生する。このため、電動機の鉄心は固有抵抗が高くなるように断面積の小さい、薄い電磁鋼板を積層して構成される。また、回転子鉄心の渦電流損は、磁気変動の大きい回転子表面で発生しやすい。図23の構成では、磁束制御部130が回転子鉄心121の表面の板厚を局所的に薄くしているため、回転子鉄心121の表面の固有抵抗が大きくなり、渦電流が流れにくくなり、渦電流損を低減できる。
In addition, the fact that the thin part of the magnetic
図25乃至図29は実施の形態1を示す図で、図25は変形例2の回転子220の部分横断面図、図26は図25の拡大図、図27は図26のC−C断面図、図28は図26の部分拡大図、図29は図28のD−D断面図である。
FIGS. 25 to 29 are diagrams showing the first embodiment. FIG. 25 is a partial cross-sectional view of a
変形例2の回転子220の長穴形状の磁束制御部230は、板厚の異なる複数の磁束制御部で構成される点に特徴がある。
The long hole-shaped magnetic
図25に示すように、変形例2の回転子220は、回転子鉄心221の各磁石挿入孔223の外側の外周鉄心部及び極間部に、永久磁石222の磁束を制御する(回転子220表面の磁束密度が正弦波になるように)、もしくは極間における永久磁石222の漏れを抑制する磁束制御部230が形成されている。磁束制御部230は、回転子鉄心221を構成する各電磁鋼板に夫々設けられる。
As illustrated in FIG. 25, the
図26に示すように、磁束制御部230は、各磁石挿入孔223の外側の外周鉄心部に形成され、平面視で長穴形状の複数の磁束制御部230a〜230dと、磁石挿入孔223の端部に接続して極間部に形成され、平面視で多角形状の磁束制御部230eとで構成される。
As shown in FIG. 26, the magnetic
磁束制御部230a〜230eが、図12に示す磁束制御部30a〜30eと異なるのは、磁束制御部230a〜230dの板厚が異なり、磁極中心から極間に向かうほど、磁束制御部の厚さが薄くなっている点である。
The magnetic
図27に示すように、磁極中心線上に位置する磁束制御部230aの厚さが最大で、磁束制御部230b〜230dの順に徐々に厚さが小さくなっている。磁束制御部230dは、厚さがゼロ、即ちスリットになっている。
As shown in FIG. 27, the thickness of the magnetic
磁束制御部230aは、磁極中心線上に位置し、磁束制御部230aを中心にしてその左右の極間までの間に、磁束制御部230b〜230dが順に形成されている。磁束制御部230b〜230dは、その外側への延長線が、回転子220の外部において磁極中心線に交わる方向に向いている。磁束制御部230a〜230dにより、永久磁石222の磁束は、上記のように制御されるため、回転子220の表面の磁束密度が正弦波に近い波形になる。尚、磁束制御部230a〜230dの周方向幅は、例えば、2mm程度である。
The magnetic
極間部の磁束制御部230eは、極間における永久磁石222の磁束の漏れを抑制する。図9に示すように、ここでは、磁束制御部230eの厚さは、磁束制御部230aの厚さと同じにしている。
The inter-pole magnetic
回転子20、変形例1の回転子120では、磁束制御のための長穴形状の磁束制御部30,130を、向き、幅、長さ等をパラメータとして磁路の最適形状を検討した。変形例2の回転子220では、磁束制御部230の板厚による磁路設計を追加することにより、磁路の設計尤度が向上し、より回転子220の表面の磁束密度分布を正弦波状に適正化することが可能となる。
In the
図30乃至図33は実施の形態1を示す図で、図30は変形例3の回転子320の部分横断面図、図31は図30の拡大図、図32は図31のE部拡大図、図33は図32のF−F断面図である。
30 to 33 are diagrams showing the first embodiment. FIG. 30 is a partial cross-sectional view of a
変形例3の回転子320の長穴形状の磁束制御部330は、磁束制御部330の夫々が板厚ゼロの領域と薄肉部とで構成される点に特徴がある。
The long hole-shaped magnetic
図30に示すように、変形例3の回転子320は、回転子鉄心321の各磁石挿入孔323の外側の外周鉄心部及び極間部に、永久磁石322の磁束を制御する(回転子320表面の磁束密度が正弦波になるように)、もしくは極間における永久磁石322の漏れを抑制する磁束制御部330が形成されている。磁束制御部330は、回転子鉄心321を構成する各電磁鋼板に夫々設けられる。
As illustrated in FIG. 30, the
図31に示すように、磁束制御部330は、各磁石挿入孔323の外側の外周鉄心部に形成され、平面視で長穴形状の複数の磁束制御部330a〜330dと、磁石挿入孔323の端部に接続して極間部に形成され、平面視で多角形状の磁束制御部330eとで構成される。
As shown in FIG. 31, the magnetic
磁束制御部330a〜330eが、図12に示す磁束制御部30a〜30eと異なるのは、磁束制御部330a〜330eの夫々が板厚ゼロの領域と薄肉部とで構成される点である。さらに、薄肉部が、磁束制御部330a〜330eの回転子320の外周側に配置される。磁束制御部330a〜330eは、薄肉部の内側が、板厚ゼロの領域になっている。
The magnetic
磁束制御部330aは、磁極中心線上に位置し、磁束制御部330aを中心にしてその左右の極間までの間に、磁束制御部330b〜330dが順に形成されている。磁束制御部330b〜330dは、その外側への延長線が、回転子320の外部において磁極中心線に交わる方向に向いている。磁束制御部330a〜330dにより、永久磁石322の磁束は、上記のように制御されるため、回転子320の表面の磁束密度が正弦波に近い波形になる。尚、磁束制御部330a〜330dの周方向幅は、例えば、2mm程度である。
The magnetic
磁束制御部330aを例として、さらに構成を説明する。図32、図33に示すように、磁束制御部330aは、薄肉部330a−1と、打ち抜き部330a−2(板厚ゼロの領域)とで構成される。
The configuration will be further described by taking the
磁束を流れにくくする効果は、板厚が薄いほど効果があるが、打ち抜きだと機械的強度が低下するため、強度の弱い打ち抜き部330a−2の回転子320表面側を薄い板厚の薄肉部330a−1で構成することで、回転子320の強度低下を抑制することができる。
The effect of making the magnetic flux difficult to flow is more effective as the plate thickness is thinner. However, since the mechanical strength decreases when punched, the surface portion of the
実施の形態2.
図34乃至図37は実施の形態2を示す図で、図34は回転子420の横断面図、図35は回転子鉄心421の横断面図、図36は図34の部分拡大図、図37は図36のG−G断面図である。
34 to 37 show the second embodiment. FIG. 34 is a transverse sectional view of the
図34に示すように、回転子420は永久磁石埋込型であり、少なくとも回転子鉄心421と、回転子鉄心421の磁石挿入孔423に挿入される、平板形状の永久磁石422を備える。
As shown in FIG. 34, the
6個の永久磁石422は、回転子鉄心421の外周縁に沿って形成された磁石挿入孔423に挿入され、6極の回転子420を構成する。
The six
回転子420の永久磁石422は、Nd−Fe−B(ネオジウム ・鉄・ボロン)を主成分とするネオジウム希土類磁石を搭載しており、厚さ2mm程度の平板形状である。
The
図35に示すように、回転子鉄心421は、略円柱状であり、外周縁に沿って断面形状が略長方形の磁石挿入孔423が、6個形成されている。横断面において、6個の磁石挿入孔423で略六角形を形成している。回転子鉄心421の略中心部に、回転軸(図示せず)が挿入される軸孔424を備える。
As shown in FIG. 35, the
回転子鉄心421は、厚さ0.7mm以下の薄い電磁鋼板を所定の形状に形成されて、所定の枚数を積層することで構成される。
The
回転子鉄心421は、各磁石挿入孔423の外側の外周鉄心部及び極間部に、永久磁石422の磁束を制御する(回転子420表面の磁束密度が正弦波になるように)磁束制御部430が形成されている。板厚を薄くした磁束制御部430は、回転子鉄心421を構成する各電磁鋼板に夫々設けられる。
The
磁束制御部430は、磁極中心部から極間部に向けてなだらかに径方向の幅が広がるように構成される。具体的には、磁束制御部430の内周は、磁極部が外側に凸、極間部が外側に凹とするような略正弦波状の花びら形状である(例えば、図36の拡大図参照)。
The
図37に示すように、回転子鉄心421を構成する電磁鋼板421aの厚さW0は、例えば0.35mmで構成されており、磁束制御部430の厚さW1は、例えば0.1mmで構成されている。一枚一枚の電磁鋼板421aに、磁束制御部430は構成され、本実施の形態の回転子鉄心421は、電磁鋼板421aをカシメにより位相を固定し、軸方向に積層している。
As shown in FIG. 37, the thickness W0 of the
磁束制御部430は、板厚が薄いため(例えば0.1mm)磁束が通りにくい。そのため、磁極部で磁束密度が高く、極間部で磁束密度が低い構成にでき、回転子420の表面の磁束密度分布を正弦波化する効果がある。
Since the magnetic
図38、図39は実施の形態2を示す図で、図38は回転子420の磁束制御部ありの場合に、固定子の巻線に誘起される誘起電圧の波形を示す図、図39は固定子の巻線に誘起される誘起電圧の高調波成分含有率を、磁束制御部なしと磁束制御部ありとで比較した図である。
38 and 39 are diagrams showing the second embodiment. FIG. 38 is a diagram showing a waveform of an induced voltage induced in the stator winding when the magnetic flux control unit of the
図38に示すように、回転子420の磁束制御部430ありの場合、固定子の巻線に誘起される誘起電圧の波形は、正弦波に可なり近い波形である。
As shown in FIG. 38, in the case where the magnetic
図39に示すように、誘起電圧の高調波含有率(高調波成分の振幅の二乗和の平方根を基本波成分の振幅で割った値)は、磁束制御部430なしが7.6%に対し、磁束制御部430ありが2.6%と約1/3まで低減している。
As shown in FIG. 39, the harmonic content of the induced voltage (the value obtained by dividing the square root of the square sum of the amplitudes of the harmonic components by the amplitude of the fundamental component) is 7.6% without the magnetic
上記のように構成することで、発生トルクの高調波成分を低減でき、低振動で高効率な電動機を構成することが可能となる。また、磁束密度の高調波成分が低減するため、高調波成分の磁気変動によって発生する鉄損を低減することが可能となり、高効率な電動機を構成することができる。 By configuring as described above, it is possible to reduce the harmonic component of the generated torque, and it is possible to configure a motor with low vibration and high efficiency. Further, since the harmonic component of the magnetic flux density is reduced, it is possible to reduce the iron loss caused by the magnetic fluctuation of the harmonic component, and it is possible to configure a highly efficient electric motor.
また、永久磁石電動機は、固定子と回転子間に磁気吸引力が働くため、偏心等による製造ばらつきにより振動が発生しやすく、エアギャップの管理を行っている。上記の構成を打ち抜きにより実施した場合、つまり磁束制御部430を打ち抜いた場合、固定子と回転子420の間のエアギャップが不均一となるため、偏心を調べるエアギャップ管理が困難となるが、本実施の形態では回転子420外周は真円であるため、エアギャップは一定となり、ギャップ管理が行いやすいという利点がある。
In addition, since a magnetic attraction force acts between the stator and the rotor in the permanent magnet motor, vibration is likely to occur due to manufacturing variations due to eccentricity or the like, and the air gap is managed. When the above configuration is performed by punching, that is, when the magnetic
実施の形態3.
図40は実施の形態3を示す図で、ロータリ圧縮機500の縦断面図である。例えば、実施の形態1の回転子20,120,220,320、実施の形態2の回転子420を用いるブラシレスDCモータを、冷凍空調用圧縮機に搭載する。当該ブラシレスDCモータは、低振動で高効率な電動機を構成すると共に、遠心力に対する機械的強度を向上した信頼性の高い電動機であるため、優れた圧縮機が得られる。
Embodiment 3 FIG.
FIG. 40 is a longitudinal sectional view of the
以下、図40を参照しながら、実施の形態1の電動機100を搭載したロータリ圧縮機500(圧縮機の一例)について説明する。但し、実施の形態1の回転子120,220,320、実施の形態2の回転子420を用いる電動機(ブラシレスDCモータ)でもよい。
Hereinafter, a rotary compressor 500 (an example of a compressor) equipped with the
図40に示すロータリ圧縮機500の一例は、密閉容器70内が高圧の縦型のものである。密閉容器70内の下部に圧縮要素501が収納される。密閉容器70内の上部で、圧縮要素501の上方に圧縮要素501を駆動する電動要素である電動機100(図9参照)が収納される。
An example of the
密閉容器70内の底部に、圧縮要素501の各摺動部を潤滑する冷凍機油90が貯留されている。
Refrigerating
先ず、圧縮要素501の構成を説明する。内部に圧縮室が形成されるシリンダ1は、外周が平面視略円形で、内部に平面視略円形の空間であるシリンダ室(図示せず)を備える。シリンダ室は、軸方向両端が開口している。シリンダ1は、側面視で所定の軸方向の高さを持つ。
First, the configuration of the
シリンダ1の略円形の空間であるシリンダ室に連通し、半径方向に延びる平行なベーン溝(図示せず)が軸方向に貫通して設けられる。
Parallel vane grooves (not shown) that communicate with a cylinder chamber that is a substantially circular space of the
また、ベーン溝の背面(外側)に、ベーン溝に連通する平面視略円形の空間である背面室(図示せず)が設けられる。 A back chamber (not shown), which is a substantially circular space in plan view, communicates with the vane groove is provided on the back surface (outside) of the vane groove.
シリンダ1には、冷凍サイクルからの吸入ガスが通る吸入ポート(図示せず)が、シリンダ1の外周面からシリンダ室に貫通している。
An intake port (not shown) through which intake gas from the refrigeration cycle passes through the
シリンダ1には、略円形の空間であるシリンダ室を形成する円の縁部付近(電動機100側の端面)を切り欠いた吐出ポート(図示せず)が設けられる。
The
シリンダ1の材質は、ねずみ鋳鉄、焼結、炭素鋼等である。
The material of the
ローリングピストン2が、シリンダ室内を偏心回転する。ローリングピストン2はリング状で、ローリングピストン2の内周が回転軸50の偏心軸部50aに摺動自在に嵌合する。
The rolling
ローリングピストン2の外周と、シリンダ1のシリンダ室の内壁との間は、常に一定の隙間があるように組立られる。
It is assembled so that there is always a constant gap between the outer periphery of the
ローリングピストン2の材質は、クロム等を含有した合金鋼等である。
The material of the
ベーン3がシリンダ1のベーン溝内に収納され、背圧室に設けられるベーンスプリング8でベーン3が常にローリングピストン2に押し付けられている。ロータリ圧縮機500は、密閉容器70内が高圧であるから、運転を開始するとベーン3の背面(背圧室側)に密閉容器70内の高圧とシリンダ室の圧力との差圧による力が作用するので、ベーンスプリング8は主にロータリ圧縮機500の起動時(密閉容器70内とシリンダ室の圧力に差がない状態)に、ベーン3をローリングピストン2に押し付ける目的で使用される。
The vane 3 is accommodated in the vane groove of the
ベーン3の形状は、平たい(周方向の厚さが、径方向及び軸方向の長さよりも小さい)略直方体である。 The shape of the vane 3 is a flat shape (the thickness in the circumferential direction is smaller than the length in the radial direction and the axial direction).
ベーン3の材料には、高速度工具鋼が主に用いられている。 High-speed tool steel is mainly used as the material of the vane 3.
主軸受け4は、回転軸50の主軸部50b(偏心軸部50aより上の部分で、回転子20に嵌合する部分)に摺動自在に嵌合するとともに、シリンダ1のシリンダ室(ベーン溝も含む)の一方の端面(電動機100側)を閉塞する。
The
主軸受け4は、吐出弁(図示せず)を備える。但し、主軸受け4、副軸受け5のいずれか一方、または、両方に付く場合もある。
The
主軸受け4は、側面視略逆T字状である。
The
副軸受け5が、回転軸50の副軸部50c(偏心軸部50aより下の部分)に摺動自在に嵌合するとともに、シリンダ1のシリンダ室(ベーン溝も含む)の他方の端面(冷凍機油90側)を閉塞する。
The sub-bearing 5 is slidably fitted to the
副軸受け5は、側面視略T字状である。 The secondary bearing 5 is substantially T-shaped in a side view.
主軸受け4、副軸受け5の材質は、シリンダ1の材質と同じで、ねずみ鋳鉄、焼結、炭素鋼等である。
The material of the
主軸受け4には、その外側(電動機100側)に吐出マフラ7が取り付けられる。主軸受け4の吐出弁から吐出される高温・高圧の吐出ガスは、一端吐出マフラ7に入り、その後吐出マフラ7から密閉容器70内に放出される。但し、副軸受け5側に吐出マフラ7を持つ場合もある。
A
密閉容器70の横に、冷凍サイクルからの低圧の冷媒ガスを吸入し、液冷媒が戻る場合に液冷媒が直接シリンダ1のシリンダ室に吸入されるのを抑制する吸入マフラ51が設けられる。吸入マフラ51は、シリンダ1の吸入ポートに吸入管52を介して接続する。吸入マフラ51本体は、溶接等により密閉容器70の側面に固定される。
A
密閉容器70には、電力の供給源である電源に接続する端子74(ガラス端子という)が、溶接により固定されている。図40の例では、密閉容器70の上面に端子74が設けられる。端子74には、電動要素である電動機100からのリード線73が接続される。
A terminal 74 (referred to as a glass terminal) connected to a power source that is a power supply source is fixed to the sealed
密閉容器70の上面に、両端が開口した吐出管75が嵌挿されている。圧縮要素501から吐出される吐出ガスは、密閉容器70内から吐出管75を通って外部の冷凍サイクルへ吐出される。
A
ロータリ圧縮機500の一般的な動作について説明する。端子74、リード線73から電動要素である電動機100の固定子10に電力が供給されることにより、回転子20が回転する。すると回転子20に固定された回転軸50が回転し、それに伴いローリングピストン2はシリンダ1のシリンダ室内で偏心回転する。シリンダ1のシリンダ室とローリングピストン2との間の空間は、ベーン3によって2分割されている。回転軸50の回転に伴い、それらの2つの空間の容積が変化し、片側はだんだん容積が広がることにより吸入マフラ51より冷媒を吸入し、他側は容積が除々に縮小することにより、中の冷媒ガスが圧縮される。圧縮された吐出ガスは、吐出マフラ7から密閉容器70内に一度吐出され、更に電動要素である電動機100を通過して密閉容器70の上面にある吐出管75より密閉容器70外へ吐出される。
A general operation of the
電動要素である電動機100を通過する吐出ガスは、例えば、図示しない電動機100の回転子20の風穴部(貫通孔)、固定子10のスロット開口部(図示せず)含む空隙40(図9参照)、固定子10の外周に配置された切欠き(図9参照)等を通る。
The discharge gas that passes through the
1 シリンダ、2 ローリングピストン、3 ベーン、4 主軸受け、5 副軸受け、7 吐出マフラ、8 ベーンスプリング、10 固定子、20 回転子、21 回転子鉄心、21a 電磁鋼板、22 永久磁石、23 磁石挿入孔、24 軸孔、30 磁束制御部、30a〜30e 磁束制御部、40 空隙、50 回転軸、50a 偏心軸部、50b 主軸部、50c 副軸部、51 吸入マフラ、52 吸入管、70 密閉容器、73 リード線、74 端子、75 吐出管、90 冷凍機油、100 電動機、120 回転子、121 回転子鉄心、122 永久磁石、123 磁石挿入孔、130 磁束制御部、130a〜130e 磁束制御部、220 回転子、221 回転子鉄心、222 永久磁石、223 磁石挿入孔、230 磁束制御部、230a〜230e 磁束制御部、320 回転子、321 回転子鉄心、322 永久磁石、323 磁石挿入孔、330 磁束制御部、330a 磁束制御部、330a−1 薄肉部、330a−2 打ち抜き部、330b〜330e 磁束制御部、420 回転子、421 回転子鉄心、422 永久磁石、423 磁石挿入孔、424 軸孔、430 磁束制御部、500 ロータリ圧縮機、501 圧縮要素、600 電動機、610 固定子、611 固定子鉄心、612 巻線、613 ティース、614 スロット、614a スロット開口部、615 コアバック、620 回転子、621 回転子鉄心、622 永久磁石、623 磁石挿入孔、624 軸孔、640 空隙、720 回転子、721 回転子鉄心、722 永久磁石、723 磁石挿入孔、725 スリット、725a〜725d スリット。 1 Cylinder, 2 Rolling piston, 3 Vane, 4 Main bearing, 5 Sub bearing, 7 Discharge muffler, 8 Vane spring, 10 Stator, 20 Rotor, 21 Rotor core, 21a Electrical steel plate, 22 Permanent magnet, 23 Magnet insertion Hole, 24 shaft hole, 30 magnetic flux control unit, 30a-30e magnetic flux control unit, 40 air gap, 50 rotating shaft, 50a eccentric shaft part, 50b main shaft part, 50c secondary shaft part, 51 suction muffler, 52 suction pipe, 70 airtight container 73 lead wire, 74 terminal, 75 discharge pipe, 90 refrigerating machine oil, 100 electric motor, 120 rotor, 121 rotor core, 122 permanent magnet, 123 magnet insertion hole, 130 magnetic flux control unit, 130a to 130e magnetic flux control unit, 220 Rotor, 221 Rotor core, 222 Permanent magnet, 223 Magnet insertion hole, 230 Magnetic flux controller, 2 0a to 230e Magnetic flux control unit, 320 rotor, 321 rotor core, 322 permanent magnet, 323 magnet insertion hole, 330 magnetic flux control unit, 330a magnetic flux control unit, 330a-1 thin portion, 330a-2 punching unit, 330b to 330e Magnetic flux control unit, 420 Rotor, 421 Rotor core, 422 Permanent magnet, 423 Magnet insertion hole, 424 Shaft hole, 430 Magnetic flux control unit, 500 Rotary compressor, 501 Compression element, 600 Electric motor, 610 Stator, 611 Stator Iron core, 612 winding, 613 teeth, 614 slot, 614a slot opening, 615 core back, 620 rotor, 621 rotor core, 622 permanent magnet, 623 magnet insertion hole, 624 shaft hole, 640 gap, 720 rotor, 721 Rotor core, 722 permanent magnet, 723 magnet Insertion hole, 725 slit, 725a to 725d slit.
Claims (8)
前記回転子は、
外周縁に沿って複数の磁石挿入孔が形成された回転子鉄心と、
前記磁石挿入孔に挿入される複数の永久磁石と、を備え、
前記回転子鉄心は、前記磁石挿入孔の外側の外周鉄心部、並びに極間部に、板厚を薄くして構成される磁束制御部が形成された電磁鋼板を所定の枚数積層して形成されることを特徴とする電動機。 An electric motor comprising a stator and a permanent magnet embedded rotor,
The rotor is
A rotor core in which a plurality of magnet insertion holes are formed along the outer periphery;
A plurality of permanent magnets inserted into the magnet insertion holes,
The rotor core is formed by laminating a predetermined number of electromagnetic steel plates each having a magnetic flux control unit formed by reducing the plate thickness at the outer peripheral core part outside the magnet insertion hole and between the poles. An electric motor characterized by that.
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