JP2013090479A - 回転子、その回転子を備えた電動機、その電動機を備えた圧縮機、その圧縮機を備えた冷凍サイクル装置、およびその冷凍サイクル装置を備えた空気調和機 - Google Patents

Abstract

【課題】回転子鉄心の内部に埋め込まれた永久磁石の高温減磁の抑制効果を高めることが可能な回転子を得ること。
【解決手段】複数の磁石挿入孔６が周方向外周部に沿って等角度間隔で設けられた電磁鋼板を複数枚積層してなる回転子鉄心３と、隣り合う磁石挿入孔６に極性を交互にして挿入され磁極を形成する複数の永久磁石５と、を備え、複数の磁石挿入孔６は、永久磁石５を挿入した際に、磁石挿入孔６の周方向両端部６ａに空隙が生じるように形成され、永久磁石５は、空隙８に露出する周方向両端部５ａの横断面が波状の凹凸形状となるように、軸方向に平行な溝部が形成され、空隙８を冷媒が通流するための冷媒流路として用いる。
【選択図】図２

Description

本発明は、回転子、その回転子を備えた電動機、その電動機を備えた圧縮機、その圧縮機を備えた冷凍サイクル装置、およびその冷凍サイクル装置を備えた空気調和機に関する。

一般に、永久磁石は、高温状態で強い反磁界に曝されると、磁化方向が反転して、減磁、つまり、磁力が弱くなる現象が発生することが知られている。

回転子鉄心に永久磁石を組み込んだ永久磁石型電動機では、固定子の巻線電流の増加に伴い、永久磁石にかかる反磁界が大きくなり、巻線電流値がある値を超えると、急激に減磁率が上昇する。この現象は、永久磁石の温度が高いほど生じ易く、一旦減磁率が上昇した後に永久磁石の温度を常温に戻しても磁力が回復しない不可逆減磁が生じた場合には、電動機としての性能が著しく劣化することとなる。以下、この永久磁石の温度上昇により生じる減磁を「高温減磁」という。

従来、回転子鉄心の外周面に永久磁石を貼り付けた構造の表面磁石型電動機（ＳＰＭモータ：Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ Ｍｏｔｏｒ）において、永久磁石の外周面すなわち固定子に対向した面に一周に亘って形成された幅狭の溝部を回転軸方向に等間隔に複数本設け、この溝部によって永久磁石の表面積を大きくすることにより、永久磁石を冷却し易くし、永久磁石の温度上昇を抑制して、永久磁石の磁気特性の低下を抑制する、つまり、永久磁石の高温減磁を抑制する技術が開示されている（例えば、特許文献１）。

特開２００１−０７８４０１号公報

しかしながら、上記従来技術は、表面磁石型電動機に対する技術であり、回転子鉄心の内部に永久磁石を埋め込んだ構造の埋込磁石型電動機（ＩＰＭモータ：Ｉｎｔｅｒｉｏｒ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ Ｍｏｔｏｒ）を含む永久磁石型電動機に対する汎用的な技術ではない。また、永久磁石を冷却すべき流体は永久磁石の表面を軸方向に流れるのに対し、上記従来技術では、永久磁石の周方向に溝部が設けられているため、十分な冷却効果が得られず、永久磁石の高温減磁の抑制効果が小さい、という問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、回転子鉄心の内部に埋め込まれた永久磁石の高温減磁の抑制効果を高めることが可能な回転子を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明にかかる回転子は、複数の磁石挿入孔が周方向外周部に沿って等角度間隔で設けられた電磁鋼板を複数枚積層してなる回転子鉄心と、隣り合う前記磁石挿入孔に極性を交互にして挿入され磁極を形成する複数の永久磁石と、を備え、複数の前記磁石挿入孔は、前記永久磁石を挿入した際に、該磁石挿入孔の周方向両端部に空隙が生じるように形成され、前記永久磁石は、前記空隙に露出する周方向両端部の横断面が波状の凹凸形状となるように、軸方向に平行な溝部が形成され、前記空隙を冷媒が通流するための冷媒流路として用いることを特徴とする。

本発明によれば、回転子鉄心の内部に埋め込まれた永久磁石の高温減磁の抑制効果を高めることができる、という効果を奏する。

図１は、実施の形態にかかる回転子の側面図である。 図２は、実施の形態にかかる回転子の横断面図である。 図３は、実施の形態にかかる回転子の磁極部の拡大図である。 図４は、実施の形態におけるエンドプレートの一形状例を示す図である。 図５は、実施の形態にかかる回転子を軸方向に見た図である。 図６は、実施の形態にかかる圧縮機の縦断面図である。 図７は、実施の形態にかかる冷凍サイクル装置の一構成例を示す図である。

以下に添付図面を参照し、本発明の実施の形態にかかる回転子、その回転子を備えた電動機、その電動機を備えた圧縮機、その圧縮機を備えた冷凍サイクル装置、およびその冷凍サイクル装置を備えた空気調和機について説明する。なお、以下に示す実施の形態により本発明が限定されるものではない。

実施の形態．
図１は、実施の形態にかかる回転子の側面図である。また、図２は、実施の形態にかかる回転子の横断面図である。本実施の形態では、回転子鉄心の内部に永久磁石を埋め込んだ構造の埋込磁石型電動機（ＩＰＭモータ：Ｉｎｔｅｒｉｏｒ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ Ｍｏｔｏｒ）に適用可能な実施例について説明する。

図１および図２に示すように、実施の形態にかかる回転子１は、薄板（例えば、０．１〜１．０ｍｍ程度）の電磁鋼板を所定の形状に金型で打ち抜き、所定数（複数枚）積層して形成された回転子鉄心３の中心部にシャフト挿入孔２ａが設けられ、そのシャフト挿入孔２ａには、シャフト２が挿通固定されている。また、回転子鉄心３の外周側の軸方向には、周方向外周部に沿って等角度間隔で複数の磁石挿入孔６が設けられ、それらの各磁石挿入孔６には、隣り合う永久磁石５が極性を交互にして挿入されている。さらに、回転子鉄心３には、磁石挿入孔６よりも内側の軸方向には、主たる冷媒流路となる複数の貫通孔７が設けられている。また、回転子１は、固定子鉄心３を軸方向に挟み、永久磁石５を軸方向に固定するエンドプレート４を備えている。なお、貫通孔７の数、位置、および形状は、図２に示す態様以外であってもよい。

図３は、実施の形態にかかる回転子の磁極部の拡大図である。図３に示すように、磁石挿入孔６は、永久磁石５を挿入した際に、磁石挿入孔６の周方向両端部６ａに貫通孔７と同様に冷媒流路となる空隙８が生じるように形成されている。本実施の形態では、この空隙８を冷媒が通流するための冷媒流路として用いる。これにより、永久磁石５の周方向両端部５ａが空隙８に露出し、冷媒に直接接触する。この空隙８を低温の冷媒が通流することにより、永久磁石５が冷却される。

また、空隙８に露出する永久磁石５の周方向両端部５ａは、横断面が波状の凹凸形状となるように、軸方向に平行な溝部が形成されている。これにより、冷媒に接触する永久磁石５の周方向両端部５ａの表面積が増し、冷媒の通流を阻害することなく、より効率良く永久磁石５を冷却することができ、永久磁石５の高温減磁の抑制効果を高めることができる。

図４は、実施の形態におけるエンドプレートの一形状例を示す図である。また、図５は、実施の形態にかかる回転子を軸方向に見た図である。図４および図５に示すように、エンドプレート４は、回転子鉄心３に設けられた複数の各貫通孔７および各空隙８を塞がない形状に加工されている。図４および図５では、回転子鉄心３に設けられた複数の各貫通孔７に対応して穴１０を設け、隣り合う永久磁石５の周方向端部５ａを含む各磁極間部周辺位置に対応して切り欠き９を設けた例を示している。なお、図４および図５に示すように切り欠き９を設けるのではなく、各空隙８の位置に対応して、空隙８と同数の略同一形状の穴を設けるようにしてもよい。このようにすれば、永久磁石５が欠けた場合でも、その破片が飛散するのを防止することができる。

つぎに、本実施の形態にかかる圧縮機の構成について説明する。図６は、実施の形態にかかる密閉型圧縮機の縦断面図である。図６に示すように、実施の形態にかかる圧縮機１１は、有底円筒状で上部開口部が蓋体によって閉塞された密閉容器１９の内部に、電動機２１と、この電動機２１により駆動される圧縮機構２０とが設置されており、密閉容器１９内の底部には、主として圧縮機構２０の摺動部（図示せず）を潤滑する冷凍機油（図示せず）が貯留されている。

電動機２１は、密閉容器２の上部に固定された固定子２２と、中心部にシャフト２が挿通固定され、固定子２２の内周面に回転自在に配置された実施の形態にかかる回転子１とを備えている。

つぎに、本実施の形態にかかる冷凍サイクル装置の構成および動作について説明する。図７は、実施の形態にかかる冷凍サイクル装置の一構成例を示す図である。なお、図７に示す本実施の形態にかかる冷凍サイクル装置は、例えば、空気調和機に用いて好適である。

図７に示すように、実施の形態にかかる冷凍サイクル装置は、実施の形態にかかる圧縮機１１、凝縮器１２、減圧装置１３、蒸発器１４、温度センサ１５、バイパス回路（液インジェクション回路）１６、および制御回路２５を備えている。バイパス回路１６は、凝縮器１２の液冷媒吐出口と密閉型圧縮機１１のガス吸入口との間に減圧装置１７と開閉弁１８とが直列に接続され構成されている。温度センサ１５は、圧縮機１１のガス吐出口付近に設けられ、ガス吐出口に流れる冷媒の温度を検出する。また、制御回路２５は、温度センサ１５の検出結果に基づいて、開閉弁１８を制御する。

まず、実施の形態にかかる冷凍サイクル装置の通常の運転時における動作について、図２、図３、図６および図７を参照して説明する。冷凍サイクル装置の通常の運転時では、図６に示すように、圧縮機１１、凝縮器１２、減圧装置１３、蒸発器１４の順に冷媒が循環し、再び圧縮機１１に戻る冷凍サイクルを行う。

圧縮機１１において圧縮された高温高圧の冷媒ガスは、凝縮器１２において空気と熱交換して凝縮して液冷媒となる。液冷媒は、減圧装置１３において膨張して低温低圧の冷媒ガスとなり、蒸発器１４において空気と熱交換して蒸発して再び圧縮機１１において圧縮され、高温高圧の冷媒ガスとなる。

圧縮機１１内部において、冷媒ガスは、図６中の点線矢印で示す経路で流れる。冷媒吸入管２３を介して圧縮機１１のガス吸入口から吸入された低温低圧の冷媒ガスは、電動機２１により駆動される圧縮機構２０により圧縮される。こうして高温高圧となった冷媒ガスは、図２および図３において説明した回転子鉄心３の複数の各貫通孔７および各空隙８を通過して、ガス吐出口から冷媒吐出管２４を介して吐出される。

つぎに、何らかの要因により圧縮機１１のガス吐出口から吐出される冷媒ガスの温度が異常上昇した場合の動作について、図２、図３、図６および図７を参照して説明する。この場合には、バイパス回路１６により凝縮器１２の液冷媒吐出口と圧縮機１１のガス吸入口との間をバイパスさせ、図６中の実線矢印で示す経路で冷媒を循環させることにより、低温の液冷媒を圧縮機１１に直接注入させる。これにより、圧縮機１１内部の冷媒温度が急激に低下し、その温度が低下した冷媒が回転子鉄心３の複数の貫通孔７および空隙８を通過する。本実施の形態では、温度が低下した冷媒が空隙８を通過する際に、空隙８に露出した永久磁石５に直接接触するため、効率良く永久磁石５を冷却することができる。

より具体的には、回転子１に埋設された永久磁石５の温度と、圧縮機１１のガス吐出口付近に設けられた温度センサ１５で検出される冷媒ガスの温度との間には相関関係があるので、温度センサ１５による検出温度に対して、あらかじめ永久磁石５が高温減磁しない上限温度よりも低い所定温度を閾値として設定しておき、温度センサ１５による検出温度がその所定の閾値を超えないように、制御回路２５が開閉弁１８を制御するようにすればよい。あるいは、温度センサ１５で検出される冷媒ガスの温度が上述した所定温度を超えた場合に、開閉弁１８を開制御するようにしてもよい。

以上説明したように、実施の形態の回転子、その回転子を備えた電動機、その電動機を備えた圧縮機、その圧縮機を備えた冷凍サイクル装置、およびその冷凍サイクル装置を備えた空気調和機によれば、磁石挿入孔に永久磁石を挿入した際に、磁石挿入孔の周方向両端部に空隙が生じるように磁石挿入孔を形成し、その空隙を冷媒が通流するための冷媒流路として用いるようにしたので、冷凍サイクル装置に凝縮器の液冷媒吐出口と圧縮機のガス吸入口との間をバイパスするバイパス回路を設け、永久磁石の温度が異常上昇した場合に、バイパス回路により低温の液冷媒を圧縮機に直接注入することにより、磁石挿入孔の周方向両端部に生じた空隙を通り、その空隙に露出した永久磁石の表面に直接接触するため、効率良く永久磁石を冷却することができ、永久磁石の高温減磁の抑制効果を高めることができる。また、回転子鉄心の内部に永久磁石を埋め込んだ構造の埋込磁石型電動機（ＩＰＭモータ：Ｉｎｔｅｒｉｏｒ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ Ｍｏｔｏｒ）に適用することができる。

また、空隙に露出する永久磁石の周方向両端部の横断面が波状の凹凸形状となるように、軸方向に平行な溝部を形成したので、冷媒に接触する永久磁石の表面積が増し、冷媒の通流を阻害することなく、より効率良く永久磁石を冷却することができる。

また、回転子鉄心に設けられた複数の各貫通孔および各空隙を塞がないように、隣り合う永久磁石の周方向端部を含む各磁極間部周辺位置に対応して切り欠かれた形状に加工され、回転子鉄心を軸方向に挟むエンドプレートを備えることにより、貫通孔および空隙に流れる冷媒の流れを妨げることなく、回転子鉄心に埋設された永久磁石が軸方向に動くのを防止することができる。

あるいは、回転子鉄心に設けられた複数の各貫通孔および各空隙の位置に対応して、貫通孔および空隙の形状と略同一形状の穴をエンドプレートに設けることにより、永久磁石が欠けた場合でも、その破片が飛散するのを防止することができる。

また、永久磁石の高温減磁の抑制効果を高めることにより、固定子の巻線電流をより増加させることが可能となるので、電動機の高出力化を図ることができる。

また、従来の電動機と同等な出力を得る場合には、保磁力のより小さい永久磁石を採用する、あるいは、永久磁石をより薄く設計することにより、コストの低減を図ることが可能となる。

なお、上述した実施の形態では、永久磁石の周方向両端部に形成する溝部の具体的位置、横断面形状、および寸法等の詳細仕様は、電動機の性能に与える影響や、生産性、コスト、強度等を総合的に判断して決めればよい。図３において説明した例では、空隙に露出する永久磁石の周方向両端部に溝部を形成するものとして説明したが、空隙に露出する永久磁石の周方向両端部の一部あるいは全部に溝部を形成してもよい。例えば、永久磁石の磁界に対して垂直な面、つまり、軸側の面あるいは外周側の面は空隙に露出させず、隣接する永久磁石に対向する面のみ空隙に露出するように磁石挿入孔を形成して、その隣接する永久磁石に対向する面のみに溝部を形成するようにしてもよい。このようにすれば、永久磁石により電動機に発生するトルク力への影響を小さくすることができる。

なお、以上の実施の形態に示した構成は、本発明の構成の一例であり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、一部を省略する等、変更して構成することも可能であることは言うまでもない。

１ 回転子
２ シャフト
２ａ シャフト挿入孔
３ 回転子鉄心
４ エンドプレート
５ 永久磁石
５ａ 永久磁石の周方向両端部
６ 磁石挿入孔
６ａ 磁石挿入孔の周方向両端部
７ 貫通孔
８ 空隙
９ 切り欠き
１０ 穴
１１ 圧縮機
１２ 凝縮器
１３ 減圧装置
１４ 蒸発器
１５ 温度センサ
１６ バイパス回路（液インジェクション回路）
１７ 減圧装置
１８ 開閉弁
１９ 密閉容器
２０ 圧縮機構
２１ 電動機
２２ 固定子
２３ 冷媒吸入管
２４ 冷媒吐出管
２５ 制御回路

Claims (11)

1. 複数の磁石挿入孔が周方向外周部に沿って等角度間隔で設けられた電磁鋼板を複数枚積層してなる回転子鉄心と、
   隣り合う前記磁石挿入孔に極性を交互にして挿入され磁極を形成する複数の永久磁石と、
   を備え、
   複数の前記磁石挿入孔は、前記永久磁石を挿入した際に、該磁石挿入孔の周方向両端部に空隙が生じるように形成され、
   前記永久磁石は、前記空隙に露出する周方向両端部の横断面が波状の凹凸形状となるように、軸方向に平行な溝部が形成され、
   前記空隙を冷媒が通流するための冷媒流路として用いることを特徴とする回転子。
2. 前記各空隙を塞がないように加工され、前記回転子鉄心を軸方向に挟むエンドプレートを備えることを特徴とする請求項１に記載の回転子。
3. 前記エンドプレートは、隣り合う前記永久磁石の周方向端部を含む各磁極間部周辺位置に対応して切り欠かれたことを特徴とする請求項２に記載の回転子。
4. 前記エンドプレートは、前記各空隙の位置に対応して、該各空隙と略同一形状の穴が設けられたことを特徴とする請求項２に記載の回転子。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の回転子を備えたことを特徴とする電動機。
6. 請求項５に記載の電動機と、
   該電動機により駆動される圧縮機構と、
   を備えることを特徴とする圧縮機。
7. 圧縮機、凝縮器、減圧装置、および蒸発器により冷凍サイクルを行う冷凍サイクル装置であって、
   請求項６に記載の圧縮機を備え、
   前記永久磁石の温度が異常上昇した場合に、前記凝縮器の液冷媒吐出口と前記密閉型圧縮機のガス吸入口との間をバイパスして低温の液冷媒を前記圧縮機に直接注入することを特徴とする冷凍サイクル装置。
8. 前記圧縮機のガス吐出口の温度を検出する温度センサと、
   前記凝縮器の液冷媒吐出口と前記密閉型圧縮機のガス吸入口との間に減圧装置と開閉弁とが直列に接続され構成されたバイパス回路と、
   前記温度センサの検出温度に基づいて、前記開閉弁を制御する制御回路と、
   を備えることを特徴とする請求項７に記載の冷凍サイクル装置。
9. 前記制御回路は、前記温度センサの検出温度があらかじめ設定した所定温度を超えないように、前記開閉弁を制御することを特徴とする請求項８に記載の冷凍サイクル装置。
10. 前記制御回路は、前記温度センサの検出温度があらかじめ設定した所定温度を超えた場合に、前記開閉弁を開状態に制御することを特徴とする請求項８に記載の冷凍サイクル装置。
11. 請求項７〜１０のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置を備えることを特徴とする空気調和機。

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