JP2015002650A - モータ及びそれを用いた圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】コスト増大を抑えつつ、所定のマグネットプルフォースを発生できるようにする。【解決手段】ロータコア（210）は、回転軸方向の一端側にステータコア（110）に対向しない非対向部（210a）が形成されるように、一端側の端面をステータコア（110）に対して回転軸方向にオフセットさせる。それぞれの磁極は、回転軸方向に並んだ複数の永久磁石（220）で形成する。各磁極を構成する複数の永久磁石（220）のうち、非対向部（210a）側の永久磁石（220-1）は、他の永久磁石（220-2）よりも保磁力（Hc）を小さくする。【選択図】図３

Description

本発明は、ロータに磁石が埋め込まれたモータ、及びそれを用いた圧縮機に関するものである。

回転式圧縮機には、圧縮機構（例えばロータリ型圧縮機構）とモータとを、密閉容器内にモータを上方とした縦向きに配置したものがある。この構造では、圧縮機構とモータとの間の空間に圧縮されたガスが吐出されると、圧縮機構とモータとの間の空間とモータ上方の空間とに差圧を生ずる。一般的に回転式圧縮機では、周期的に吐出が行われるので、吐出ガスは脈動し、前記差圧も脈動することになる。

このような差圧の脈動は、モータのロータを上下に振動させる可能性がある。そして、ロータの上下振動は、圧縮機構内のクランク軸（駆動軸）の上下の振動を生じさせるので、異音発生の原因になりえる。この異音に対しては、ロータをステータコアに対して上方へずらすことで、いわゆるマグネットプルフォースを発生させ、ロータを介してクランク軸を下側へ付勢することで対策した例がある（例えば特許文献１を参照）。

特開平１０-０８９２５２号公報

しかしながら、ロータ内の永久磁石でマグネットプルフォースを発生させるということは、トルク発生に寄与しない余分な永久磁石が必要になるということであり、希土類磁石が用いられるモータでは製造コストの観点から好ましくない。

本発明は前記の問題に着目してなされたものであり、コストの増大を抑えつつ、所定のマグネットプルフォースを発生できるようにすることを目的としている。

前記の課題を解決するため、第１の発明は、
ステータコア（110）にコイル（120）が巻回されて形成されたステータ（100）と、
ロータコア（210）に複数の永久磁石（220）が埋め込まれて複数の磁極が形成されたロータ（200）と、を備え、
前記ロータコア（210）は、回転軸方向の一端側に前記ステータコア（110）に対向しない非対向部（210a）が形成されるように、前記一端側の端面が前記ステータコア（110）に対して回転軸方向にオフセットし、
それぞれの磁極は、前記回転軸方向に並んだ複数の前記永久磁石（220）で形成され、
各磁極において、前記非対向部（210a）側の永久磁石（220-1）は、他の永久磁石（220-2）よりも保磁力（Hc）が小さいことを特徴とする。

この構成では、前記オフセットを設けたことにより、非対向部（210a）側の永久磁石（220-1）は、マグネットプルフォースを発生させる。

また、第２の発明は、
第１の発明のモータにおいて、
前記非対向部（210a）側の永久磁石（220-1）は、全体が前記非対向部（210a）に含まれていることを特徴とする。

この構成では、非対向部（210a）側の永久磁石（220-1）は逆磁界が作用し難い。

また、第３の発明は、
第１又は第２の発明のモータ（10）と、
流体を圧縮する圧縮機構（20）と、
密閉容器で構成され、前記モータ（10）及び前記圧縮機構（20）を収容するとともに、前記圧縮機構（20）によって圧縮された前記流体が内部の空間（S1）に吐出されるケーシング（30）と、
を備えたことを特徴とする。

この構成では、圧縮機においてモータ（10）がマグネットプルフォースを発生させる。

一般的に永久磁石の保磁力（Hc）を高めるためには、希土類磁石のような高価な磁石材料を用いたり、さらに高価な重希土類元素を添加する必要がある。換言すれば、永久磁石は、保磁力（Hc）が小さいほどコストが低い傾向にあると言える。すなわち、第１の発明によれば、マグネットプルフォース発生用の永久磁石（220-1）の保磁力（Hc）をより小さくしたことにより、マグネットプルフォース発生用磁石のコスト低減が可能になる。

また、第２の発明によれば、非対向部（210a）側の永久磁石（220-1）を、減磁から容易に保護できる。

また、第３の発明によれば、圧縮機においてマグネットプルフォースを発生させる場合に前記効果を得ることができる。

図１は、本発明の実施形態１に係るモータを適用した電動圧縮機の構成を模式的に示す縦断面図である。 図２は、電動圧縮機におけるモータ付近の横断面図である。 図３は、ステータ及びロータの縦断面図である。 図４は、ロータコアを軸方向から見た平面図である。 図５は、磁石の残留磁束密度と保磁力の関係を説明する図である。 図６は、本発明の実施形態２に係るモータの構成を模式的に示す縦断面図である。 図７は、本発明の実施形態３に係るモータの構成を模式的に示す縦断面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。

《発明の実施形態１》
〈全体構成〉
図１は、本発明の実施形態１に係るモータ（10）を適用した電動圧縮機（1）の構成を模式的に示す縦断面図である。また、図２は、電動圧縮機（1）におけるモータ（10）付近の横断面図である。電動圧縮機（1）は、例えば空気調和機（図示は省略）に用いる。電動圧縮機（1）は、モータ（10）、圧縮機構（20）、及びケーシング（30）を備えている。この例では、モータ（10）と圧縮機構（20）とは、ケーシング（30）内にモータ（10）を上方とした縦向きに配置されている。

モータ（10）は、圧縮機構（20）を駆動する。モータ（10）は、ブラシレスＤＣモータである。より具体的には、モータ（10）は、ロータコアがステータコアに直接対向する埋め込み磁石形モータである。

圧縮機構（20）は、ロータリ型圧縮機構で構成され、圧縮機構（20）は、ケーシング（30）に収容されている。圧縮機構（20）は、前記空気調和機の冷媒回路（図示は省略）に接続されて冷媒を圧縮する。

圧縮機構（20）は、フロントヘッド（21）、シリンダ（22）、及びリアヘッド（23）によって形成された空間内で、ピストン（24）が駆動軸（300）で回転駆動される。駆動軸（300）には、該駆動軸（300）の軸心（O）に対して径方向に偏心したクランク部（301）が形成されており、ピストン（24）は、クランク部（301）によって偏心回転するようになっている。フロントヘッド（21）やリアヘッド（23）は、クランク部（301）との間に、前記偏心回転を実現するために所定のクリアランスが存在する。

なお、圧縮機構（20）に採用したロータリ型圧縮機構は例示であり、その他にもスクロール型圧縮機構など各種のものであってもよい。

ケーシング（30）は、鉄などの金属で構成された円筒状の密閉容器である。ケーシング（30）内には、圧縮機構（20）が圧縮した冷媒が吐出される。すなわち、電動圧縮機（1）は、いわゆる高圧ドーム型の圧縮機である。

〈モータ構造〉
モータ（10）は、図１に示すように、ステータ（100）、ロータ（200）、及び駆動軸（300）を備え、ケーシング（30）に収容されている。モータ（10）は、駆動軸（300）を介して圧縮機構（20）のピストン（24）を駆動するように構成されている。なお、以下の説明において、軸方向とは、モータ（10）の回転軸方向であって、駆動軸（300）の軸心（O）の方向をいい、径方向とは、前記軸心（O）と直交する方向をいう。また、外周側とは、前記軸心（O）からより遠い側をいい、内周側とは、前記軸心（O）により近い側をいう。また、上下の向きは図１における上下を言うものとする。

−ステータ構造−
ステータ（100）は、図２に示すように、円筒状のステータコア（110）と、コイル（120）とを備えている。

ステータコア（110）は、電磁鋼板をプレス加工によって打ち抜いて図２の平面形状の積層板を作成し、多数枚の積層板を軸方向に積層した積層コアである。ステータコア（110）は、１つのバックヨーク部（111）と、複数（この例では６つ）のティース部（112）と、ツバ部（113）とを備えている。

バックヨーク部（111）は、ステータコア（110）の外周部に形成された円環状の部分である。バックヨーク部（111）の外周がケーシング（30）の内面に固定されている。バックヨーク部（111）には、図２に示すように、外周部を切り欠いてコアカット部（111a）が形成されている。ステータコア（110）をケーシング（30）に固定すると、ケーシング（30）の内周面とコアカット部（111a）とによって、ケーシング（30）におけるモータ（10）の下方空間（S1）と、モータ（10）の上方空間（S2）とをつなぐ貫通孔が形成される。この貫通孔は、圧縮機構（20）が圧縮して下方空間（S1）に吐出した冷媒を、下方空間（S1）から、モータ（10）の上方空間（S2）に移動させるため冷媒流路として使用される。下方空間（S1）と上方空間（S2）とには、圧縮機構（20）が吐出した冷媒（ガス）の脈動に応じて差圧を生ずる。なお、モータ（10）の上方空間（S2）に移動した冷媒は、ケーシング（30）の上方に設けられた吐出管（32）（図１参照）から吐出される。

ティース部（112）は、バックヨーク部（111）の内周面から径方向に伸びる直方体状に形成された部分である。各ティース部（112）の間には、コイル（120）が収容されるコイル用スロット（114）が形成されている。ティース部（112）には、いわゆる集中巻方式で、コイル（120）が巻回されている。すなわち、１つのティース部（112）ごとにコイル（120）が巻回され、巻回されたコイル（120）はコイル用スロット（114）内に収容されている。これにより各ティース部（112）において電磁石が形成される。ツバ部（113）は、それぞれのティース部（112）の内周側に連続形成されている。ツバ部（113）は、ティース部（112）よりも幅（周方向の長さ）が大きく構成され、内周側の面が円筒面に形成されている。ツバ部（113）の円筒面は、ロータ（200）の外周面（円筒面）と所定の距離（エアギャップ（G））をもって対向している。

−ロータ構造−
図３は、ステータ（100）及びロータ（200）の縦断面図である。図３は、図２のＡ-Ａ断面に相当する。図３に示すように、ロータ（200）は、ロータコア（210）、複数の永久磁石（220）、及び２つの端板（230）を備えている。ロータ（200）は、４極構造に構成されている。

図４は、ロータコア（210）を軸方向から見た平面図である。ロータコア（210）は、円盤状の電磁鋼板よりなる積層板を多数枚重ね合わせて構成され、多数枚の積層板は、例えばカシメによって互いに固定されている。ロータコア（210）には、中央部に駆動軸（300）を取り付ける軸穴（212）が形成されている。

また、ロータコア（210）には、縁部に４つの磁石用スロット（211）が形成されている（図２、図３、及び図４参照）。磁石用スロット（211）は、軸心回りに９０°ピッチで形成されている。それぞれの磁石用スロット（211）は、永久磁石（220）が挿入される直線状の磁石挿入空間（211a）と、磁石挿入空間（211a）の両端部に連続して形成され且つ磁石挿入空間（211a）からロータコア（210）の周縁に延びる磁束短絡防止用のバリア空間（211b）とによって構成されている。これらの磁石用スロット（211）は、磁石挿入空間（211a）に永久磁石（220）が挿入された後に、ロータコア（210）の軸方向両端から、端板（230）で塞がれている。これらの端板（230）は、ロータコア（210）のリベット穴（213）に通したリベット（図示は省略）によって固定されている。

ロータコア（210）は、図３に示すように、ステータコア（110）に対し、一端側の端面が軸方向上方に所定量だけオフセットして配置されている。そのため、ロータコア（210）には、ステータコア（110）に対向しない非対向部（210a）と、ステータコア（110）とエアギャップ（G）をもって対向する対向部（210b）とがある。非対向部（210a）は、上側のコイルエンド（120a）に対向することになる。以下では、ロータコア（210）のオフセット量（すなわち非対向部（210a）の軸方向長）をＬｒとする。

−永久磁石−
ロータ（200）では、図３に示すように、ひとつの磁石用スロット（211）に、軸方向に並ぶ２つの永久磁石（220）を挿入して、それぞれの磁極を構成している。以下では説明の便宜のため、非対向部（210a）側の永久磁石（220）を第１磁石（220-1）と呼び、対向部（210b）側の永久磁石（220）を第２磁石（220-2）と呼ぶことにする。

第１磁石（220-1）は、その全体が非対向部（210a）に含まれるように軸方向長（L1）を定めてある。この例では、第１磁石（220-1）の軸方向長（L1）は、非対向部（210a）の軸方向長（Lr）と同じである。第１磁石（220-1）及び第２磁石（220-2）は、何れも希土類磁石である。具体的には、第１磁石（220-1）及び第２磁石（220-2）には、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系の希土類焼結磁石を採用している。ただし、各磁極を構成する永久磁石（220）のうち、非対向部（210a）側の永久磁石（第１磁石（220-1））の方が、他の永久磁石（第２磁石（220-2））よりも保磁力（Hc）が小さく構成されている。

図５は、永久磁石の残留磁束密度（Br）と保磁力（Hc）の関係を説明する図である。図５に示した保磁力(Hc1)を有する希土類磁石は、保磁力（Hc2）を有する磁石よりも重希土類元素の含有量が少ない。すなわち、希土類磁石の保磁力（Hc）は、重希土類元素の含有量によって調整することができる。本実施形態では、第１磁石（220-1）の方を、第２磁石（220-2）よりも重希土類元素の含有量が少なく構成してある。希土類焼結磁石では、ジスプロシウム（Dy）やテルビウム（Tb）等の含有量によって保磁力（Hc）を調整するのが一般的である。

〈各磁石が発生する力〉
電動圧縮機（1）では、第２磁石（220-2）は、ステータ（100）で発生した回転磁界に応じて、ステータ（100）との間で吸引力及び反発力を発生し、それによりロータ（200）が回転する。すなわち、第２磁石（220-2）は、モータ（10）におけるマグネットトルク発生を主に担う磁石である。

一方、非対向部（210a）側の第１磁石（220-1）は、ステータコア（110）を吸引する力(マグネットプルフォース)を発生する。ロータコア（210）は、ステータコア（110）に対し、端面が軸方向上方にオフセットしているので、ロータコア（210）に働くマグネットプルフォースは、下向きの力である。したがって、このマグネットプルフォースによって、駆動軸（300）のクランク部（301）は、下方のリアヘッド（23）側に付勢されることになる。これにより、この電動圧縮機（1）では、下方空間（S1）と上方空間（S2）の間に差圧が生じても、圧縮機構（20）における振動を抑制することが可能になる。また、マグネットプルフォースにより、圧縮機構（20）におけるシール性向上も可能になる。

〈本実施形態における効果〉
一般的に永久磁石の保磁力（Hc）を高めるためには、希土類磁石のような高価な磁石材料を用いたり、さらに高価な重希土類元素を添加する必要がある。換言すれば、永久磁石は、保磁力（Hc）が小さいほどコストが低い傾向にあると言える。本実施形態では、マグネットプルフォース発生用の第１磁石（220-1）の保磁力（Hc）を小さくするために、重希土類元素の含有量を減らしている。重希土類元素は比較的高価なので、それを低減することにより、マグネットプルフォース発生用磁石のコスト低減が可能になる。

また、永久磁石は、保磁力（Hc）が小さくなるほど、残留磁束密度（Br）は大きくなる傾向にある（図５参照）。本実施形態では、マグネットプルフォース発生用の第１磁石（220-1）の保磁力（Hc）を小さくしたことにより、マグネットプルフォースはより大きくなる。これにより、圧縮機構（20）の異音対策とシール性向上をより効果的に実現することができる。

なお、永久磁石は重希土類元素の含有量が少ないほど減磁耐力が小さくなる傾向がある。そのため、第１磁石（220-1）は、第２磁石（220-2）よりも減磁耐力が小さい。しかしながら、第１磁石（220-1）は非対向部（210a）に設けられているので逆磁界が作用し難く、重希土類元素の含有量を減らしても減磁の懸念はない。

《発明の実施形態２》
図６は、本発明の実施形態２に係るモータ（10）の構成を模式的に示す縦断面図である。同図に示すように、実施形態２のモータ（10）は、第１磁石（220-1）の軸方向長（L1）が、非対向部（210a）の軸方向長（Lr）よりも短く構成されている。一方、第２磁石（220-2）は、その先端が非対向部（210a）に入り込んでいる。この例でも、第１磁石（220-1）の重希土類元素の含有量を、第２磁石（220-2）よりも相対的に少なくすることで、第１磁石（220-1）の方が、第２磁石（220-2）よりも保磁力（Hc）が小さく構成されている。

したがって、この実施形態においても、モータ（10）のコスト低減が可能になる。

《発明の実施形態３》
図７は、本発明の実施形態３に係るモータ（10）の構成を模式的に示す縦断面図である。同図に示すように、実施形態３のモータ（10）は、第１磁石（220-1）の軸方向長（L1）が、非対向部（210a）の軸方向長（Lr）よりも長く構成されている。この構成においても、第１磁石（220-1）は、非対向部（210a）内に含まれているので、マグネットプルフォースを発生させる。このように、本発明における「非対向部側の永久磁石」とは、必ずしも非対向部（210a）内のみに含まれる磁石を指すのではなく、対向部（210b）内にまで延びていてもよい。「非対向部側の永久磁石」とは、マグネットプルフォースを発生させる永久磁石である。

そして、第１磁石（220-1）の重希土類元素の含有量を、第２磁石（220-2）よりも相対的に少なくすることで、第１磁石（220-1）の方が、第２磁石（220-2）よりも保磁力（Hc）が小さく構成されている。そのため、本実施形態でも、実施形態１等と同様の効果を得ることが可能になる。特に、第１磁石（220-1）を対向部（210b）まで延ばしたことで、より大きなコスト低減効果を期待できる。

《実施形態１〜３の変形例》
なお、永久磁石（220）の保磁力（Hc）の調整は、重希土類元素の含有量を変更する他に、磁石の材料自体を変更してもよい。前記各実施形態において、例えば、第１磁石（220-1）をフェライト磁石(Ｂａ系やＳｒ系の磁石など)で構成し、第２磁石（220-2）を希土類磁石で構成することが考えられる。こうすることで、第１磁石（220-1）は、保磁力（Hc）がより小さくなるとともに、コストも低減する。

《その他の実施形態》
なお、ロータコア（210）のオフセット方向は逆でもよい。すなわち、電動圧縮機（1）側に向かってロータ（200）がオフセットするようにモータ（10）を構成してもよい。

また、１極あたりの第１磁石（220-1）及び第２磁石（220-2）の数は、例示である。例えば、非対向部（210a）内に第１磁石（220-1）を軸方向に２つ以上並べて設けたり、対向部（210b）内に第２磁石（220-2）を軸方向に２つ以上並べて設けたりするなど種々の変形が可能である。

また、ロータコア（210）やステータコア（110）は、圧粉磁心でも構成してもよい。

また、ロータ（200）やステータ（100）の磁極数は例示である。

また、コイル（120）は、分布巻で巻回してもよい。

また、電動圧縮機（1）は、縦置きには限定されない。

本発明は、ロータに磁石が埋め込まれたモータとして有用である。

１ 電動圧縮機
１０ モータ
２０ 圧縮機構
３０ ケーシング
１００ ステータ
１１０ ステータコア
１２０ コイル
２００ ロータ
２１０ ロータコア
２１０ａ 非対向部
２２０ 永久磁石

Claims (3)

1. ステータコア（110）にコイル（120）が巻回されて形成されたステータ（100）と、
   ロータコア（210）に複数の永久磁石（220）が埋め込まれて複数の磁極が形成されたロータ（200）と、を備え、
   前記ロータコア（210）は、回転軸方向の一端側に前記ステータコア（110）に対向しない非対向部（210a）が形成されるように、前記一端側の端面が前記ステータコア（110）に対して回転軸方向にオフセットし、
   それぞれの磁極は、前記回転軸方向に並んだ複数の前記永久磁石（220）で形成され、
   各磁極において、前記非対向部（210a）側の永久磁石（220-1）は、他の永久磁石（220-2）よりも保磁力（Hc）が小さいことを特徴とするモータ。
2. 請求項１のモータにおいて、
   前記非対向部（210a）側の永久磁石（220-1）は、全体が前記非対向部（210a）に含まれていることを特徴とするモータ。
3. 請求項１又は請求項２のモータ（10）と、
   流体を圧縮する圧縮機構（20）と、
   密閉容器で構成され、前記モータ（10）及び前記圧縮機構（20）を収容するとともに、前記圧縮機構（20）によって圧縮された前記流体が内部の空間（S1）に吐出されるケーシング（30）と、
   を備えたことを特徴とする圧縮機。

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