JP2012254019A - 電動機及び送風機及び圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】固定子形状と回転子形状の関係を明確にして、コギングトルクを低減することができる電動機を提供する。
【解決手段】この発明に係る電動機１００は、複数のティース１２を有する固定子鉄心１１と、固定子鉄心１１の内側に配置される回転子鉄心２１と、回転子鉄心２１の外周縁に沿って周方向に形成される磁石挿入穴と、磁石挿入穴に挿入される永久磁石２２と、磁石挿入穴の外側において、磁石挿入穴の周方向端部から極中心に向かって周方向に延びる空隙とを備え、極間を間にして隣接する二つの磁石挿入穴の互いに近接する側の二つの空隙の極中心側端部と回転子鉄心２１の中心とを結ぶ二つの直線のなす角度をθ１、ティース１２の両端の周方向先端部１２ｂと固定子鉄心１１の中心点とを結ぶ二つの直線のなす角度をθ４とするとき、θ４＜θ１の関係を満たすものである。
【選択図】図７

Description

この発明は、電動機に関する。具体的には、永久磁石埋込型電動機の回転子の永久磁石端部空隙及びスリット並びに固定子の形状に関する。また、その電動機を用いる送風機及び圧縮機に関する。

一般にブラシレスＤＣモータの低速時のトルクリプルは、回転子に設けられた磁石が発生する界磁磁束に起因したコギングトルクが支配的である。

コギングトルクは、ブラシレスＤＣモータの回転子の一回転当たり、回転子の極数と固定子のスロット数との最小公倍数で変動する基本波成分を有する。また、コギングトルクは更に高次の周波数成分も有する。

従来、回転子の界磁磁石の中央部へと向かって延びる空隙の先端の周方向に拡がる角度を所定の角度とすることにより、コギングトルクを低減する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００８−６１４４４号公報 国際公開第２００８／１０５０４９号 特開平１１−４６４６４号公報 米国特許第６７１７３１４号明細書 特開２００４−１８０４６０号公報 特開２００２−３６９４８１号公報 特開２００４−２３６４３１号公報

コギングトルクは回転子の形状と固定子の形状から発生するものであり、前記特許文献１に記載された回転子の形状では、固定子形状との関係が示されておらず、固定子形状が変化した時の回転子の適正な形状が示されていなかった。

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、固定子形状と回転子形状の関係を明確にして、コギングトルクを低減することができる電動機及びその電動機を用いる送風機及び圧縮機を提供する。

この発明に係る電動機は、
所定の形状に打ち抜いた電磁鋼板を所定枚数積層して構成され、外周のコアバックから内側に向かって放射状に略等間隔に延びる複数のティースを有する固定子鉄心と、
前記固定子鉄心の内側に配置され、所定の形状に打ち抜いた電磁鋼板を所定枚数積層して構成される回転子鉄心であって、外周縁に沿って周方向に複数の磁石挿入穴が形成された回転子鉄心と、
各磁石挿入穴に１個ずつ挿入される８個以上の永久磁石とを備え、
各磁石挿入穴の外側において、各磁石挿入穴の周方向両端部から極中心に向かって周方向に延びる空隙が設けられ、
極間を間にして隣接する各二つの磁石挿入穴の互いに近接する側の二つの空隙の極中心側端部と前記回転子鉄心の中心とを結ぶ二つの直線のなす角度をθ１、各ティースの両端の周方向先端部と前記固定子鉄心の中心点とを結ぶ二つの直線のなす角度をθ４とするとき、
θ４＜θ１
の関係を満たし、
前記固定子鉄心が有するティースの数が、極数×３個である。

この発明に係る電動機は、極間を間にして隣接する二つの磁石挿入穴の互いに近接する側の二つの空隙の極中心側端部と回転子鉄心の中心とを結ぶ二つの直線のなす角度をθ１、ティース１２の両端の周方向先端部１２ｂと固定子鉄心１１の中心点（回転子鉄心２１の中心と一致する）とを結ぶ二つの直線のなす角度をθ４とするとき、θ４＜θ１の関係を満たすことにより、永久磁石から発生した磁束は、固定子のティースの先端部から隣接する永久磁石に入り込む漏れ磁束を防ぐ効果がある。それにより有効に使用できる磁束が増え、誘起電圧が向上しトルク向上につなげることができる。

実施の形態１を示す図で、電動機１００の横断面図。 実施の形態１を示す図で、固定子１０の横断面図。 図２の部分拡大図。 実施の形態１を示す図で、回転子２０の横断面図。 図４の部分拡大図。 図５から永久磁石２２を省いた部分拡大図。 実施の形態１を示す図で、各部の角度を定義した電動機１００の横断面図。 実施の形態１を示す図で、変形例の電動機２００の横断面図。 実施の形態１を示す図で、変形例の電動機２００の回転子３０の横断面図。 図９の部分拡大図。 図１０から永久磁石２２を省いた部分拡大図。 比較のために示す図で、空隙のない電動機３００の横断面図。 比較のために示す図で、空隙のない電動機３００の回転子４０の横断面図。 図１３の部分拡大図。 図１４から永久磁石２２を省いた部分拡大図。

実施の形態１．
図１乃至図１１は実施の形態１を示す図で、図１は電動機１００の横断面図、図２は固定子１０の横断面図、図３は図２の部分拡大図、図４は回転子２０の横断面図、図５は図４の部分拡大図、図６は永久磁石２２を省いた回転子２０の部分拡大図、図７は各部の角度を定義した電動機１００の横断面図、図８は変形例の電動機２００の横断面図、図９は変形例の電動機２００の回転子３０の横断面図、図１０は図９の部分拡大図、図１１は図１０から永久磁石２２を省いた部分拡大図である。

図１２乃至図１５は比較のために示す図で、図１２は空隙のない電動機３００の横断面図、図１３は空隙のない電動機３００の回転子４０の横断面図、図１４は図１３の部分拡大図、図１５は図１４から永久磁石２２を省いた部分拡大図である。

図１を参照しながら、永久磁石埋込型電動機を例に電動機１００の構成を説明する。

電動機１００は、固定子１０と、回転子２０とを備える。

図２にも参照しながら、固定子１０の構成を説明する。固定子１０は、少なくとも固定子鉄心１１と固定子巻線（図示せず）とを備える。

固定子鉄心１１は、厚さ０．１〜１．０ｍｍ程度の薄い電磁鋼板を一枚一枚所定の形状に打ち抜いて、所定の枚数を積層することで構成される。

固定子鉄心１１は、略肉厚の円筒形である。外周にリング状のコアバック１４を有し、このコアバック１４から内側に向かって放射状にティース１２が円周方向に略等間隔に延びている。ティース１２の幅（円周方向）は、略同等である。ここでは、１２個のティース１２の例を示す。但し、ティース１２の数は、１２個に限定されない。

ティース１２の先端部１２ａ（回転子２０側）は、その両端が円周方向に傘状に延びている。ティース１２の先端部１２ａの円周方向の両端部を、周方向先端部１２ｂと呼ぶ。

固定子鉄心１１の中心点と、ティース１２の両端の周方向先端部１２ｂとを結ぶ二つの直線のなす角度をθ４とする。

ティース１２の間の空間をスロット１３と呼ぶ。スロット１３の数は、ティース１２の数と同じ１２個である。ティース１２の幅（円周方向）が略同等であるから、スロット１３の幅は、コアバック１４に向かって徐々に大きくなっている。

スロット１３の内径には、開口部となるスロットオープニング１５が設けられる。このスロットオープニング１５から巻線がスロット１３に挿入される。

スロットオープニング１５は隣接するティース１２の周方向先端部１２ｂの間の部分である。

通常、三相の巻線が、集中巻又は分布巻で絶縁部材（図示せず）を介して施される。

図１、図４〜図６を参照しながら、回転子２０の構成を説明する。回転子２０は、少なくとも回転子鉄心２１と永久磁石２２とを備える。

回転子２０は、円筒状で中央部に軸孔（図示せず）を有する回転子鉄心２１、永久磁石２２及び永久磁石２２の抜け止め用の端板（図示せず）等で構成される。永久磁石２２を挿入した回転子鉄心２１の軸方向両端に端板を配置し、全体を例えばリベット（図示せず）等により固定する。

回転子鉄心２１も、固定子鉄心１１と同様、厚さ０．１〜１．０ｍｍ程度の薄い電磁鋼板を一枚一枚所定の形状に打ち抜いて、所定の枚数を積層することで構成される。

回転子２０は、永久磁石２２を４個備える４極のものである。回転子鉄心２１の外周縁に沿って円周方向に長く形成される磁石挿入穴２３（特に図６を参照）を永久磁石２２の数（４個）だけ備える。

永久磁石２２は、断面が長方形の平板形状のものである。磁石挿入穴２３の周方向の長さは、永久磁石２２の周方向の長さよりも長い。そのため、永久磁石２２を磁石挿入穴２３に挿入すると、永久磁石２２の周方向両側に空隙が残る。この部分を、漏れ磁束抑制穴２３ａと定義する（図６参照）。

磁石挿入穴２３の漏れ磁束抑制穴２３ａは、極間における永久磁石２２の漏れ磁束を抑制するために設けられる。

尚、参考のため図６では、永久磁石２２を破線で示している。

回転子鉄心２１は、さらに以下に示す要素を備える。
（１）磁石挿入穴２３の漏れ磁束抑制穴２３ａから、磁石挿入穴２３の外側において極中心に向かって周方向に延びる空隙２４（長穴形状）；
（２）永久磁石２２の外側の鉄心部分に、略径方向に形成される複数のスリット２５（ここでは、１極当たり２個）。スリット２５は、極中心に対して対称に設けられる。但し、スリット２５は、極中心に対して対称でなくてもよい。

図５、図６に示す例では、磁石挿入穴２３の漏れ磁束抑制穴２３ａは、極中心に向かって周方向に延びる空隙２４の一部と定義する。

次に、図７を用いて、各部の角度の定義を行う。
（１）極間を間にして隣接する二つの磁石挿入穴２３の互いに近接する側の二つの空隙２４の極中心側端部２４ａ（図６参照）と回転子鉄心２１の中心とを結ぶ二つの直線のなす角度をθ１とする；
（２）それぞれの極において、空隙２４の極中心側端部２４ａと近接するスリット２５の該空隙２４側の外側の端部２５ａと回転子鉄心２１の中心とを結ぶ二つの直線のなす角度をθ２とする；
（３）磁石挿入穴２３の両端部に存在する空隙２４の周方向両端部と回転子鉄心２１の中心とを結ぶ二つの直線のなす角度をθ３とする；
（４）ティース１２の両端の周方向先端部１２ｂと固定子鉄心１１の中心点（回転子鉄心２１の中心と一致する）とを結ぶ二つの直線のなす角度をθ４とする。

θ４＜θ１、θ４＞θ２とすることによりコギングトルクの低減と誘起電圧の向上が可能である。これについて、以下詳しく説明する。

或る永久磁石２２から発生する磁束は、固定子１０を通って隣接する極の永久磁石２２を通り、もとの磁束を発生した永久磁石２２に戻るようなループを形成している。

また、永久磁石２２から発生する有効な磁束は、固定子１０を通って巻線（図示せず）に鎖交する磁束であり、固定子１０の巻線に鎖交しない磁束は電動機１００が発生するトルクには寄与しない。つまり、永久磁石２２の磁束を有効に使用するためには、できるだけ固定子１０の巻線に永久磁石２２の磁束が鎖交するような回転子２０形状が必要である。

θ４＜θ１の関係にすることにより、永久磁石２２から発生した磁束は、固定子１０のティース１２の先端部１２ａから隣接する永久磁石２２に入り込む漏れ磁束を防ぐ効果がある。

磁石挿入穴２３の漏れ磁束抑制穴２３ａを含む空隙２４を設け、θ４＜θ１の関係にすることにより、有効に使用できる磁束が増え、誘起電圧が向上し、トルク向上につなげることができる。

比較のために、図１２乃至図１５に空隙２４がなくθ４≧θ１の関係にある電動機３００及び回転子４０を示す。

図１２乃至図１５に示す電動機３００は、図１乃至図７に示す電動機１００のように磁石挿入穴２３の漏れ磁束抑制穴２３ａから、極中心に向かって周方向に延びる空隙２４（長穴形状）を持たない。

電動機３００の固定子１０は、図１に示すものと同じであるが、回転子４０が異なる。回転子４０は、磁石挿入穴２３の漏れ磁束抑制穴２３ａから、極中心に向かって周方向に延びる空隙２４（長穴形状）を持たない。

回転子４０の場合のθ１（図１３）は、極間を間にして隣接する二つの磁石挿入穴２３の互いに近接する側の二つの磁石挿入穴２３の漏れ磁束抑制穴２３ａの永久磁石２２側の外側の端部２３ｂ（図１５参照）と回転子４０の中心とを通る二つの直線のなす角度となる。

ティース１２の両端の周方向先端部１２ｂと固定子鉄心１１の中心点（回転子鉄心２１の中心と一致する）とを結ぶ二つの直線のなす角度θ４とθ１との関係は、回転子４０の場合は、θ４≧θ１となる。

そのため、永久磁石２２から発生した磁束は、図１２の矢印で示すように流れる。即ち、永久磁石２２から発生した磁束は、固定子１０のティース１２の先端部１２ａに入り込み、隣り合う永久磁石２２に戻る経路が存在する。このように、回転子４０が、磁石挿入穴２３の漏れ磁束抑制穴２３ａから、極中心に向かって周方向に延びる空隙２４（長穴形状）を持たないため、固定子１０のティース１２の先端部１２ａから隣接する永久磁石２２に漏れる磁束が増えるため、永久磁石２２の磁束を有効に使用することができない。

それに対し、図１乃至図７に示す電動機１００は、回転子４０が磁石挿入穴２３の漏れ磁束抑制穴２３ａから、極中心に向かって周方向に延びる空隙２４（長穴形状）を有し、且つ極間を間にして隣接する二つの磁石挿入穴２３の互いに近接する側の二つの空隙２４の極中心側端部２４ａ（図６参照）と回転子鉄心２１の中心とを結ぶ二つの直線のなす角度をθ１、ティース１２の両端の周方向先端部１２ｂと固定子鉄心１１の中心点（回転子鉄心２１の中心と一致する）とを結ぶ二つの直線のなす角度をθ４とするとき、θ４＜θ１の関係を満たすことにより、固定子１０のティース１２の先端部１２ａを経由して隣り合う永久磁石２２に漏れる磁束が少なくなるため、有効に永久磁石２２の磁束を使用することが可能となる。

また、空隙２４の極中心側端部２４ａと近接するスリット２５の該空隙２４側の外側の端部２５ａと回転子鉄心２１の中心とを結ぶ二つの直線のなす角度θ２と、ティース１２の両端の周方向先端部１２ｂと固定子鉄心１１の中心点（回転子鉄心２１の中心と一致する）とを結ぶ二つの直線のなす角度θ４との関係を、θ４＞θ２とすることにより、以下に示す効果がある。

即ち、永久磁石２２から発生する磁束を、固定子１０のティース１２の先端部１２ａより小さい部分に集約することができる。

さらに、スリット２５が複数あるため、永久磁石２２から発生する磁束が集中する部分が複数存在することになる。この結果、仮想的に永久磁石２２の数が多くなったことになり、コギングトルクの周波数成分を高次に移行することができる。

コギングトルクの周波数成分が高次に移行され、さらに永久磁石２２からの磁束が分散されて集中するため、脈動が小さくなり、コギングトルクの低減が可能である。

図１の電動機１００の場合、４極１２スロットであるから、コギングトルクは１２次の成分が支配的となる。しかし、θ４＞θ２とすることによりコギングトルクが高次に移行され、２４次の成分が大きくなり、脈動が小さくなる。

つまり、θ４＜θ１、θ４＞θ２とすることにより、誘起電圧の向上によるトルク増大とコギングトルク低減が可能となる。

また、磁石挿入穴２３の外周側の鉄心に形成されるスリット２５の構成は、最も少ない本数は２本であり、スリット２５を２本の構成にすることにより最も簡素な形状となるため、生産性が向上する形状となる。

磁石挿入穴２３の外周側の鉄心に形成される２本のスリット２５間の幅をＡとし、Ａをスロットオープニング１５より大きくする。それにより、磁極中心がスロットオープニング１５と一致した時でもかならずティースが幅Ａ内に存在する。そのため、磁極中心がスロットオープニング１５と一致した時でも、永久磁石２２から２本のスリット２５間（幅Ａ）を通る磁束がティース１２に流れやすくなり、永久磁石２２の磁束を有効に使用することができる。

また、スリット２５の形状が極中心線に対して斜めであると、鋭角部分ができるため、金型の打ち抜き性が低下してしまう。そのため、２本のスリット２５を永久磁石２２に対して略垂直に配置することにより、スリット２５の鋭角部分がなくなり、金型の打ち抜き性が向上する。

さらに、磁石挿入穴２３の両端部に存在する空隙２４の周方向両端部と回転子鉄心２１の中心とを結ぶ二つの直線のなす角度θ３をスロットオープニング１５より大きくすることにより、スロットオープニング１５によるコギングトルクの脈動が抑えることが可能である。

コギングトルクはスロットオープニング１５が存在するために発生するので、磁束が弱いθ３部分をスロットオープニングより大きくすることにより、θ２部分から極間部分までの磁束の変化が段階的に変化し、磁束の急激な変化が小さくなるため、スロットオープニングによるコギングトルクの脈動を抑えることが可能である。

図８乃至図１１により、変形例の電動機２００について説明する。変形例の電動機２００の固定子１０は、図１乃至図７の電動機２００と同じである。

変形例の電動機２００の回転子３０は、図１乃至図７の電動機２００の回転子２０と異なる。変形例の電動機２００の回転子３０は、図１１に示すように、磁石挿入穴２３の漏れ磁束抑制穴２３ａから極中心に向かって周方向に延びる空隙２４が、磁石挿入穴２３の漏れ磁束抑制穴２３ａと分離して形成されている。

空隙２４と漏れ磁束抑制穴２３ａとを分離することにより、空隙２４部付近の回転子３０外周部の薄肉部２６が分断され，遠心力などに対する強度が向上する。

薄肉部２６の径方向の寸法は、漏れ磁束を防ぐため、強度が十分確保可能でできるだけ薄く構成されることが多い。従って、空隙２４と漏れ磁束抑制穴２３ａとを分離することにより、空隙２４部付近の回転子３０外周部の薄肉部２６が分断されて薄肉部２６の周方向の長さが短くなり強度が向上し、薄肉部２６の径方向寸法を更に小さくする事が可能であり、漏れ磁束を低減することが可能である。

図１の電動機１００及び図８の電動機２００は、１２スロット４極のものであるが、スロットと極数の関係に関係なく本実施の形態は適用可能である。

最も有効に効果を発揮できるのは、固定子１０のティース１２の数を、極数×３×ｎ（ｎ＝１、２、３・・・の自然数）とした時である。

本実施の形態で示した１２スロット４極の例は、ｎ＝１のときである。

固定子１０のティース１２の数を、極数×３×ｎ（ｎ＝１、２、３・・・の自然数）本とすると、回転子２０，３０の極間が固定子１０のティース１２と対向するときに、全ての極間がティース１２と対向する。従って、極間を間にして隣接する二つの磁石挿入穴２３の互いに近接する側の二つの空隙２４の極中心側端部２４ａ（図６参照）と回転子鉄心２１の中心とを結ぶ二つの直線のなす角度をθ１、ティース１２の両端の周方向先端部１２ｂと固定子鉄心１１の中心点（回転子鉄心２１の中心と一致する）とを結ぶ二つの直線のなす角度をθ４とするとき、θ４＜θ１とすることにより、永久磁石２２から発生した磁束に関し、固定子１０のティース１２の先端部１２ａから隣接する永久磁石２２に入り込む漏れ磁束を防ぐ効果がある。

本実施の形態の電動機１００，２００は、コギングトルクが低減されて低振動化が可能なため経年変化が小さくなり、長寿命化が図れる。

また、実施の形態１電動機を、冷凍サイクル装置等の圧縮機、空気調和機等の送風機に搭載することにより、高効率で低コストで長寿命な圧縮機、送風機が得られる。

１０ 固定子、１１ 固定子鉄心、１２ ティース、１２ａ 先端部、１２ｂ 周方向先端部、１３ スロット、１４ コアバック、１５ スロットオープニング、２０ 回転子、２１ 回転子鉄心、２２ 永久磁石、２３ 磁石挿入穴、２３ａ 漏れ磁束抑制穴、２３ｂ 端部、２４ 空隙、２４ａ 極中心側端部、２５ スリット、２５ａ 端部、２６ 薄肉部、３０ 回転子、４０ 回転子、１００ 電動機、２００ 電動機、３００ 電動機。

Claims (11)

1. 所定の形状に打ち抜いた電磁鋼板を所定枚数積層して構成され、外周のコアバックから内側に向かって放射状に略等間隔に延びる複数のティースを有する固定子鉄心と、
   前記固定子鉄心の内側に配置され、所定の形状に打ち抜いた電磁鋼板を所定枚数積層して構成される回転子鉄心であって、外周縁に沿って周方向に複数の磁石挿入穴が形成された回転子鉄心と、
   各磁石挿入穴に１個ずつ挿入される８個以上の永久磁石とを備え、
   各磁石挿入穴の外側において、各磁石挿入穴の周方向両端部から極中心に向かって周方向に延びる空隙が設けられ、
   極間を間にして隣接する各二つの磁石挿入穴の互いに近接する側の二つの空隙の極中心側端部と前記回転子鉄心の中心とを結ぶ二つの直線のなす角度をθ１、各ティースの両端の周方向先端部と前記固定子鉄心の中心点とを結ぶ二つの直線のなす角度をθ４とするとき、
   θ４＜θ１
   の関係を満たし、
   前記固定子鉄心が有するティースの数が、極数×３個であることを特徴とする電動機。
2. 前記電動機が備える永久磁石の数が、８個であり、
   前記固定子鉄心が有するティースの数が、２４個であることを特徴とする請求項１記載の電動機。
3. 前記電動機が備える永久磁石の数が、１０個であり、
   前記固定子鉄心が有するティースの数が、３０個であることを特徴とする請求項１記載の電動機。
4. 各永久磁石の外側の鉄心部分に、略径方向に形成される複数のスリットが形成され、
   各磁石挿入穴の各空隙の極中心側端部及び各空隙に近接するスリットの各空隙側の外側の端部と前記回転子鉄心の中心とを結ぶ二つの直線のなす角度をθ２とするとき、
   θ４＞θ２
   の関係を満たすことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の電動機。
5. 各永久磁石の外側の鉄心部分に形成されるスリットの数が、２本であることを特徴とする請求項４記載の電動機。
6. 各永久磁石の外側の鉄心部分に形成されるスリットが、各永久磁石に対して略垂直に延びることを特徴とする請求項４又は請求項５記載の電動機。
7. 各磁石挿入穴の各空隙と、各磁石挿入穴とが分離していることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の電動機。
8. 前記固定子鉄心は、各ティースの間にスロットが形成され、各スロットの前記回転子鉄心に対向する内周に開口するスロットオープニングが設けられ、
   各永久磁石の外側の鉄心部分に形成されるスリットの間の幅をＡとするとき、Ａが各スロットオープニングより大きいことを特徴とする請求項５記載の電動機。
9. 各磁石挿入穴の各空隙の周方向両端部と前記回転子鉄心の中心とを結ぶ二つの直線のなす角度θ３が各スロットオープニングより大きいことを特徴とする請求項８記載の電動機。
10. 請求項１乃至９のいずれかに記載の電動機を備えたことを特徴とする送風機。
11. 請求項１乃至９のいずれかに記載の電動機を備えたことを特徴とする圧縮機。

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