JP2014011829A - 密閉型電動圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】モータの磁力を確保しつつ、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系焼結磁石の保持力を向上させる。
【解決手段】冷媒を圧縮する圧縮機構部と、圧縮機構部を駆動する電動機と、を備え、電動機は、コイルを有する固定子と、鉄芯及び永久磁石を有する回転子と、で構成され、永久磁石は、中重希土類元素が添加されたＮｄ−Ｆｅ−Ｂ化合物から構成され、冷媒はＲ３２であり、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ化合物の母相粒の粒界から５nmにおける単位体積あたりの中重希土類元素の量は、母相粒の粒界から５nmより内部における単位体積あたりの中重希土類元素の量よりも多い。
【選択図】 図４

Description

本発明は冷凍空調機器等に用いられる密閉型電動圧縮機に関する。

従来、冷凍機、空調機、冷蔵庫等には、冷媒としてＲ−１３４ａ、Ｒ４１０Ａ、Ｒ４０７Ｃなどの水素含有フロンが使用されている。これらの冷媒は、オゾン層を破壊しないものの地球温暖化係数が大きい。

一方、Ｒ３２はオゾン層を破壊することなく、且つ、Ｒ４１０Ａと比較すると地球温暖化係数は１／３程度である。

しかし、冷媒としてＲ３２を採用した場合、Ｒ−１３４ａ、Ｒ４１０ＡやＲ４０７Ｃに比べて圧縮機吐出温度が高く、圧縮機のモータに使用される永久磁石が減磁するおそれがある。

特許文献１には、冷媒としてＲ３２を用いた場合において、モータに使用する希土類磁石の厚みを増すことで高温減磁に対する耐久性を高めることが記載されている。

また、特許文献２には、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系焼結磁石のＮｄの一部をＤｙで置換することで、耐熱性が改善することが記載されている。

特開２００１−１１５９６３号公報 特開２００８−８６１２８号公報

しかし、特許文献１の圧縮機は、希土類磁石の厚みを増加させた分だけ電磁鋼板から構成される磁石コア部の寸法が制約される。そのため、磁石増加分だけ電磁鋼板のコア体積は減少し、モータの磁力を確保できないという課題がある。

また、特許文献２の回転電機は、飽和磁気分極が減少し、必要な残留磁束密度を確保できず、モータの磁力を確保できないという課題がある。

本発明は、モータの磁力を確保しつつ、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系焼結磁石の保持力を向上させて高温減磁に対する耐久性を高めた密閉型電動圧縮機を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の密閉型電動圧縮機は、冷媒を圧縮する圧縮機構部と、圧縮機構部を駆動する電動機と、を備え、電動機は、コイルを有する固定子と、鉄芯及び永久磁石を有する回転子と、で構成され、永久磁石は、中重希土類元素が添加されたＮｄ−Ｆｅ−Ｂ化合物から構成され、冷媒はＲ３２であり、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ化合物の母相粒の粒界から５nmにおける単位体積あたりの中重希土類元素の量は、母相粒の粒界から５nmより内部における単位体積あたりの中重希土類元素の量よりも多い。

本発明によれば、モータの磁力を確保しつつ、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系焼結磁石の保持力を向上させることができる。

密閉型電動圧縮機の縦断面図である。 回転子の部分断面を示した斜視図である。 永久磁石収容部と永久磁石の数を示した図である。 Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ化合物の母相粒内の金属分布図である。 永久磁石収容部と永久磁石を示した１極分の部分断面図である。 磁石の温度と減磁開始電流との関係図である。

本実施形態における密閉型電動圧縮機５０の全体の構成、動作、機能などに関して、図１〜図３を参照しながら説明する。

図１は密閉型電動圧縮機の縦断面図である。密閉型電動圧縮機５０は、冷凍空調装置（例えば、空気調和機、冷蔵庫、冷凍庫、冷蔵・冷凍ショーケースなど）やヒートポンプ式給湯装置などの冷凍サイクルの構成機器として用いられ、密閉容器１、圧縮機構２及び電動機７を主要構成要素として備えている。

密閉容器１は、円筒状の筒部１ａと筒部１ａの上下に溶着された蓋部１ｂ及び底部１ｃとから構成され、内部を密閉空間としている。密閉容器１は、圧縮機構２及び電動機７を収納し、底部１ｃにエーテル系又はエステル系冷凍機油で構成される潤滑油８を貯留している。潤滑油８の油面は副軸受１５の上方に位置するよう設定されている。

密閉容器１の蓋部１ｂを貫通する吸込パイプ１１と、密閉容器１の筒部１ａを貫通する吐出パイプ２２が設けられている。吐出パイプ２２は、フレーム５の直下に位置して、密閉容器１内の中心方向に突出して設けられている。吐出パイプ２２の先端はコイルエンド１７の外周面より中心側まで突出して開口されている。

圧縮機構２は、Ｒ３２の冷媒ガスを圧縮して密閉容器１内に吐出するものであり、密閉容器１内の上部に設置されている。圧縮機構２は、固定スクロール３、旋回スクロール４、フレーム５及びオルダムリング１０を主要構成要素として備えている。

固定スクロール３は、端板上に渦巻状のラップを立設して構成され、フレーム５上にボルト止めされている。固定スクロール３の周縁部には吸込口１２が設けられ、中央部には吐出口１４が設けられている。吸込口１２には吸込パイプ１１が連通している。吐出口１４は密閉容器１内の圧縮機構２の上方空間に連通されている。

旋回スクロール４は、端板上に渦巻状のラップを立設して構成され、旋回スクロール４は固定スクロール３とフレーム５との間に挟み込まれている。旋回スクロール４と固定スクロール３を噛み合わせて圧縮室を形成する。旋回スクロール４の反固定スクロール側には旋回軸受が組み込まれるボス部が設けられている。旋回軸受には旋回スクロール４を偏心駆動させるために偏心ピン部６ａが嵌合されている。

オルダムリング１０は、旋回スクロール４の自転規制機構を構成するものであり、旋回スクロール４とフレーム５との間に設置され、旋回スクロール４が自転するのを防止して円軌道運動を行わせる。

フレーム５は、密閉容器１に溶接で固定され、固定スクロール３、オルダムリング１０及び旋回スクロール４を支持している。フレーム５の中央には下方に突出する筒部が設けられている。この筒部内には、シャフト６を軸支する主軸受５ａが設けられている。

固定スクロール３及びフレーム５の外周部には、固定スクロール３の上方空間とフレーム５の下方空間とを連通する複数の吐出ガス通路１８ａが形成されている。

電動機７は、回転子７ａ、固定子７ｂ、シャフト６及びバランスウェイト１６を主要構成要素として備える。

固定子７ｂは、電流を流して回転磁界を発生させる複数の導体を有するコイル２４と、回転磁界を効率よく伝達するための鉄芯２３とを主要構成要素として備えている。

鉄芯２３は密閉容器１に焼き嵌めして固定されている。この固定子７ｂの外周には全周にわたって多数の切欠きが形成され、この切欠きと密閉容器１との間に吐出ガス通路１８ｂが形成されている。

図２は回転子の部分断面を示した斜視図である。回転子７ａは、鉄芯２５と鉄芯２５に内蔵された永久磁石３３とを主要構成要素として備え、固定子７ｂからの回転磁界を回転運動に変換しシャフト６を中心に回転される。回転子７ａは、固定子７ｂの鉄芯２３の中央穴に回転可能に配置されている。

シャフト６は、回転子７ａの中央穴に嵌合されて回転子７ａと一体化されている。シャフト６の一側（図示例では上側）は、回転子７ａより突出して圧縮機構２に係合され、圧縮機構２の圧縮動作により偏心力が加えられる。本実施形態では、シャフト６は、その両側が回転子７ａの両側より突出され、回転子７ａの両側で主軸受５ａ及び副軸受１５により軸支され、安定的に回転することができる。副軸受１５は、密閉容器１に溶接して固定された支持部材により支持されると共に、潤滑油８に浸漬されている。

シャフト６の下端は密閉容器１の底部の油溜９内に延びている。シャフト６には潤滑油８を各軸受部および各摺動面へ供給する貫通穴６ｂが設けられ、下端部の油溜９より潤滑油８を貫通穴６ｂから吸い上げられるようになっている。圧縮機構２にシャフト貫通穴を通して油溜９より吸い上げられた潤滑油８は、各軸受及び圧縮機構２の摺動部に供給される。圧縮機構２の摺動部に供給された潤滑油８は、冷媒ガスと共に固定スクロール３の中央部の吐出口１４から吐出される。

バランスウェイト１６は、回転子７ａの両側に設置された上バランスウェイト（圧縮機構側バランスウェイト）１６ａ及び下バランスウェイト（反圧縮機構側バランスウェイト）１６ｂから構成され、複数のリベット３０により回転子７ａに固定されている。

電動機７が通電されて回転子７ａが回転すると、これに伴いシャフト６も回転され、偏心ピン部６ａが偏心した回転運動をすることにより、旋回スクロール４が旋回駆動され、固定スクロール３と旋回スクロール４との間に形成される圧縮室が外周側から中央部に移動しながら小さくなる。これにより、密閉容器１の外部の冷凍サイクルに通じた吸込パイプ１１及び吸込口１２を通して冷媒ガスが吸入されて圧縮されて行き、圧縮された冷媒ガスは固定スクロール３の中央部の吐出口１４から密閉容器１内の上部空間に吐出される。これらの動作が繰り返される。

なお、固定子７ｂのコイル２４は集中巻方式で巻かれている。

図３は永久磁石収容部と永久磁石の数を示した図である。また、回転子７ａは複数の磁石収容部３１に挿入された永久磁石３３を備え、下バランスウェイト１６ｂなどにより磁石収容部３１の下面を塞ぎ、永久磁石３３が落下しないよう保持されている。

各磁石収容部３１に挿入されている永久磁石３３は、複数枚で構成され、下バランスウェイト１６ｂにより支持されている。このように永久磁石３３を複数枚に分割したことにより、次の効果が得られる。第１に、永久磁石単体のコストダウンを図ることができる。第２に、固定子７ｂからの磁界の影響により永久磁石３３には渦電流が発生するが、永久磁石３３を分割することにより渦電流損を低減させることができる。

なお、磁石収容部３１に挿入する永久磁石３３を１つの磁石で構成してもよい。

また、回転子７ａは、永久磁石が埋め込まれた極部５１と、極部５１の間に位置する極間部５２と、から構成される。極間部５２における径方向の長さＸを、極部５１における径方向の長さＹよりも短くすることで、漏れ磁束が通る鉄芯の幅を狭くすることができ、永久磁石３３の漏れ磁束を低減することができる。

図４はＮｄ−Ｆｅ−Ｂ化合物の母相粒内の金属分布図である。永久磁石３３はＮｄ₂Ｆｅ₁₄Ｂ化合物組成合金を主成分としており、磁石焼結時にＤｙに富む合金３６を混合することにより、その合金がＮｄ₂Ｆｅ₁₄Ｂ化合物３４を取り囲むように粒界３５近傍に拡散分布する。Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ磁石は、結晶粒界面で逆磁区の核により生成される外部磁界の大きさが保磁力となる。

逆磁区の核生成には結晶粒界面の構造が強く影響しており、界面近傍における結晶構造の乱れが磁気的な構造の乱れを招き、逆磁区の生成を助長する。一般的には、結晶界面から５nm程度の深さまでの磁気的構造が逆磁区の生成の助長に寄与していると考えられている。対して、粒界３５近傍にＤｙあるいはＴｂといった中重希土類元素３７を集中的に分布させることにより、ＤｙやＴｂなどの中重希土類元素３７を均一に分布する場合と比べて、保持力を高めることができる。ここで、粒界３５近傍とは、母相粒のうち結晶界面から５nm程度の深さをいう。

従って、粒界３５近傍におけるＮｄに対する中重希土類元素３７の割合を、粒界３５近傍より内部における中重希土類元素３７に対する割合に比べて大きくすることで、保磁力を高めることができる。

さらに、母相粒の粒界近傍における中重希土類元素３７の量は、母相粒の粒界近傍より内部における中重希土類元素３７の量よりも多くする。このような構成によれば、母相粒の粒界近傍より内部において、磁力の向上に寄与しない中重希土類元素３７の量を減らすことができ、永久磁石３３の残留磁束密度を向上させることができる。

母相粒の平均粒径は０.５〜２０μｍ程度であり、上述したように粒界３５近傍とは母相粒のうち結晶界面から５nm程度の深さをいう。つまり、粒界近傍における中重希土類元素３７の量を母相粒の粒界近傍より内部における中重希土類元素３７の量よりも多くすると、母相粒の粒界近傍より内部における中重希土類元素３７が薄く分布することになる。従って、永久磁石３３の残留磁束密度を大きく向上させることができる。また、中重希土類元素３７の総量を減らすことができ、永久磁石３３の原価を抑えることができる。

なお、本発明の永久磁石３３は残留磁束密度が増大する分、圧縮機の製造時において、永久磁石３３を着磁させづらいので、永久磁石３３への着磁電圧を高めて着磁させている。

図５は永久磁石収容部と永久磁石を示した１極分の部分断面図である。永久磁石３３を磁石収容部３１に収納している。永久磁石３３は直方体であり、永久磁石３３の磁化方向における面の面積は永久磁石３３の磁化方向に対して垂直方向における面の面積よりも大きい。

粒界近傍にＤｙあるいはＴｂといった中重希土類元素３７を偏在させると、分散強化によりすべり変形に拘束がかかり、モーメントに対して強くなる。しかし、粒界近傍にＤｙあるいはＴｂといった中重希土類元素３７を偏在させると、脆性は悪化する。

永久磁石３３は磁力による力が大きいため、磁石収容部３１で移動することは考えづらいが、回転子７ａの加速や減速に伴う慣性力や遠心力が永久磁石３３に加わり、永久磁石３３が磁石収容部３１内で移動する可能性はある。そのため、仮に永久磁石３３が磁石収容部３１内で移動したとしても、脆性が悪化した永久磁石３３が磁石収容部３１に衝突して粒界割れが起きる可能性を減らす必要がある。特に、永久磁石３３の磁化方向に対して垂直方向で、且つ、極部５１から極間部５２への方向（以下「永久磁石３３の磁化方向に対して垂直方向」という。）における面の面積は小さいため、応力が集中して粒界割れが起きやすい。

一方、永久磁石３３を磁石収容部３１に挿入するには隙間が必要である。特に、永久磁石３３の寸法誤差に対応するために、所定の隙間を設け、永久磁石３３が磁石収容部３１に挿入できるようにしておく必要がある。

図５に示すように、本発明の密閉型電動圧縮機は、永久磁石３３の磁化方向に対して垂直方向における永久磁石３３と磁石収容部３１との間の隙間Ｐを、永久磁石３３の磁化方向における永久磁石３３と磁石収容部３１との間の隙間Ｑより狭くしている。

このような構成によれば、隙間Ｑを設けることで磁石収容部３１内に所定の空間を設け、永久磁石３３の寸法誤差に対応することができる。また、隙間Ｐが隙間Ｑより狭いので、永久磁石３３が磁化方向に対して垂直方向に移動するのを防ぎ、永久磁石３３の極間側端部に応力が集中するのを避けることができる。従って、永久磁石３３の極間側端部で粒界割れが起きる可能性を減らすことができる。

なお、永久磁石３３の形状が直方体とは、面を有している形状を意味しており、直方体の角が削れている場合が含まれる。

また、磁石収容部３１に収容される永久磁石３３を永久磁石３３の磁化方向に対して垂直方向に複数に分割してもよい。磁石収容部３１が永久磁石３３の磁化方向に対して垂直方向に複数の永久磁石３３を収容することで、永久磁石３３の磁化方向に対して垂直方向における永久磁石３３の面積が増えるため、応力集中を避けることができる。

複数の永久磁石３３を磁石収容部３１に収容する場合、永久磁石３３の寸法誤差に、収容する永久磁石３３の数を乗じた値に対応する必要がある。そこで、隙間Ｐを隙間Ｑに永久磁石３３の数を乗じた値以下とする。

このような構成によれば、隙間Ｐ及び隙間Ｑを設けることで磁石収容部３１内に所定の空間を設け、永久磁石３３の寸法誤差に対応することができる。また、永久磁石３３の磁化方向に対して垂直方向に移動する長さを減らすことで、永久磁石３３の極間側端部に応力が集中するのを避けることができる。

なお、本実施例では隙間Ｑを０.１mmとしている。隙間Ｑが広いとその分、磁化方向における永久磁石３３と鉄芯２５の間の空気層ができ、磁力の低下につながるため、隙間Ｑを所定の長さとしている。

図６は、磁石の温度と減磁開始電流との関係図である。本発明の効果概念図として、永久磁石３３の組成別の温度と減磁開始電流値の関係、冷媒の種類による温度使用域、圧縮機の制御電流の関係について示す。

Ｒ４１０Ａを使用した場合と比べ、Ｒ３２を使用した場合は吐出ガス温度の上昇により、密閉容器１内の雰囲気温度も上昇し、永久磁石３３の温度も上昇する。そのため、従来磁石材を用いた場合、制御電流が減磁開始電流を上回り、残留磁束密度の低下により性能低下を招く。

これに対し、本発明によれば、同一温度において従来磁石材に比べて保磁力を高め、減磁開始電流を制御電流以上に引き上げることが可能となる。よって、熱耐久性の高い圧縮機を提供することができる。

また、ＤｙあるいはＴｂといった中重希土類元素３７を、粒子の表面に集中させて分布させることから、粒子全体の置換と比べてＤｙやＴｂといった中重希土類元素３７の添加量を抑制することができ、その分だけＮｄ₂Ｆｅ₁₄Ｂ化合物の割合を増やすことができるため、残留磁束密度を高めることができる。

以上の説明した通り、本発明の密閉型圧縮機は、冷媒を圧縮する圧縮機構２と、圧縮機構２を駆動する電動機７と、を備え、電動機７は、コイルを有する固定子７ｂと、鉄芯２５及び永久磁石３３を有する回転子７ａと、を有し、永久磁石３３は、中重希土類元素３７が添加されたＮｄ−Ｆｅ−Ｂ化合物から構成され、冷媒はＲ３２であり、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ化合物の母相粒の粒界から５nmにおける単位体積あたりの中重希土類元素の量は、母相粒の粒界から５nmより内部における単位体積あたりの中重希土類元素の量よりも多い。

また、本発明の密閉型圧縮機は、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ化合物の母相粒の粒界３５から５nmにおける中重希土類元素３７の量は、母相粒の粒界３５から５nmより内部における中重希土類元素３７の量よりも多い。

本発明の密閉型圧縮機は、回転子７ａは、永久磁石３３を収容する磁石収容部３１を有し、永久磁石３３は直方体であり、永久磁石３３の磁化方向における面の面積は永久磁石３３の磁化方向に対して垂直方向における面の面積よりも大きく、永久磁石３３の磁化方向に対して垂直方向における永久磁石３３と磁石収容部３１との間の隙間Ｐは、永久磁石３３の磁化方向における永久磁石３３と磁石収容部３１との間の隙間Ｑより狭い。

本発明の密閉型圧縮機は、磁石収容部３１は、永久磁石３３の磁化方向に対して垂直方向に複数の永久磁石３３を収容する。

本発明の密閉型圧縮機は、永久磁石３３の極間側端部における複数の永久磁石３３と磁石収容部３１との間の隙間は、永久磁石３３の磁化方向における永久磁石３３と磁石収容部３１との間の隙間に磁石収容部３１に収容される永久磁石３３の数を乗じた値より狭い。

本発明の密閉型圧縮機によれば、Ｒ３２の冷媒ガスを圧縮することにより吐出温度が上昇し、密閉容器１内を流れる吐出された冷媒ガスにより、回転子７ａに設置された永久磁石３３が加熱され高温減磁する課題に対して、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ化合物の母相粒内の粒界３５近傍に中重希土類元素３７であるＤｙを偏在させることにより、残留磁束密度の低下を抑制しつつ効果的に保磁力を増大できるため、高効率で耐久性を高めることができる。

１ 密閉容器
１ａ 筒部
１ｂ 蓋部
１ｃ 底部
２ 圧縮機構
３ 固定スクロール
４ 旋回スクロール
５ フレーム
５ａ 主軸受
６ シャフト
６ａ 偏心ピン部
６ｂ 貫通穴
７ 電動機
７ａ 回転子
７ｂ 固定子
８ 潤滑油
９ 油溜
１０ オルダムリング
１１ 吸込パイプ
１２ 吸込口
１４ 吐出口
１５ 副軸受
１６ バランスウェイト
１６ａ 上バランスウェイト
１６ｂ 下バランスウェイト
１７ コイルエンド
１８ａ、１８ｂ 吐出ガス通路
２０ 電動機の上方の空間
２１ 電動機の下方の空間
２２ 吐出パイプ
２３、２５ 鉄芯
２４ コイル
３０ リベット
３１ 磁石収容部
３３ 永久磁石
３４ Ｎｄ₂Ｆｅ₁₄Ｂ化合物
３５ 粒界
３６ Ｄｙに富む合金
３７ 中重希土類元素
５０ 密閉型電動圧縮機
５１ 極部
５２ 極間部

Claims (5)

1. 冷媒を圧縮する圧縮機構部と、前記圧縮機構部を駆動する電動機と、を備え、
   前記電動機は、コイルを有する固定子と、鉄芯及び永久磁石を有する回転子と、を有し、
   前記永久磁石は、中重希土類元素が添加されたＮｄ−Ｆｅ−Ｂ化合物から構成され、
   前記冷媒はＲ３２であり、
   前記Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ化合物の母相粒の粒界から５nmにおける単位体積あたりの前記中重希土類元素の量は、前記母相粒の粒界から５nmより内部における単位体積あたりの前記中重希土類元素の量よりも多い密閉型電動圧縮機。
2. 前記Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ化合物の母相粒の粒界から５nmにおける前記中重希土類元素の量は、前記母相粒の粒界から５nmより内部における前記中重希土類元素の量よりも多いことを特徴とする請求項１に記載の密閉型電動圧縮機。
3. 前記回転子は、前記永久磁石を収容する磁石収容部を有し、
   前記永久磁石は直方体であり、
   前記永久磁石の磁化方向における面の面積は前記永久磁石の磁化方向に対して垂直方向における面の面積よりも大きく、
   前記永久磁石の磁化方向に対して垂直方向における前記永久磁石と前記磁石収容部との間の隙間は、前記永久磁石の磁化方向における前記永久磁石と前記磁石収容部との間の隙間より狭いことを特徴とする請求項１又は２に記載の密閉型電動圧縮機。
4. 前記回転子は、前記永久磁石を収容する磁石収容部を有し、
   前記磁石収容部は、前記永久磁石の磁化方向に対して垂直方向に複数の前記永久磁石を収容し、
   前記永久磁石はそれぞれ直方体であり、
   前記永久磁石の磁化方向における面の面積は前記永久磁石の磁化方向に対して垂直方向における面の面積よりも大きいことを特徴とする請求項１又は２に記載の密閉型電動圧縮機。
5. 前記永久磁石の磁化方向に対して垂直方向における前記永久磁石と前記磁石収容部との間の隙間は、前記永久磁石の磁化方向における前記永久磁石と前記磁石収容部との間の隙間に前記磁石収容部に収容される前記永久磁石の数を乗じた値より狭いことを特徴とする請求項４に記載の密閉型電動圧縮機。