JP2015002651A - 電動機及びそれを用いた圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】永久磁石が埋め込まれた回転子を有する電動機において、永久磁石の重稀土類元素の量を削減して低コスト化を図る。【解決手段】回転子（3）の永久磁石（5）は、固定子（2）のコイル（2b）の通電により永久磁石（5）に作用する逆磁界の強度に応じて強い側の中央部（5a）と弱い側の端部（5b）とに分けられ、端部（5b）にフェライト磁石を用い、中央部（5a）に希土類磁石を用いる。【選択図】図１

Description

本発明は、永久磁石が埋め込まれた回転子を有する電動機、及びそれを用いた圧縮機に関するものである。

従来より、複数の永久磁石が埋め込まれた回転子を有する電動機が知られている（例えば、特許文献１を参照）。

この電動機の運転中において、固定子のコイルの通電により、回転子の永久磁石には逆磁界が生じている。そこで、重希土類元素を含有した磁石を永久磁石として用いることにより、永久磁石が逆磁界によって減磁するのを抑制している。

特開２００８−１９９７９０号公報

しかしながら、重希土類元素を含有した磁石は高価であるため、何らの考慮もせずに、永久磁石の全体に重希土類元素を均一に含有させた磁石にしてしまうと、電動機の製造コストが高くなり好ましくない。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、永久磁石が埋め込まれた回転子を有する電動機において、永久磁石の重稀土類元素の量を削減して低コスト化を図ることにある。

第１の発明は、コイル（2b）が巻回された固定子（2）と、磁極（36）を形成する複数の永久磁石（5）が埋め込まれた回転子（3）とを備え、前記回転子（3）の永久磁石（5）は、前記固定子（2）のコイル（2b）の通電により前記永久磁石（5）に作用する逆磁界の強度に応じて強い側の第１部分（5a）と弱い側の第２部分（5b）とに分けられ、前記第２部分（5b）の保磁力が第１部分（5a）の保磁力よりも小さくなるように構成されている電動機である。

第１の発明では、回転子（3）の永久磁石（5）に作用する逆磁界の強さに応じて保磁力を部分的に異ならせている。回転子（3）の永久磁石（5）において、逆磁界の弱い部分（第２部分（5b））は逆磁界の強い部分（第１部分（5a））に比べて減磁しにくいので、逆磁界の弱い部分の保磁力を逆磁界の強い部分の保磁力よりも小さくしている。

第２の発明は、第１の発明において、前記回転子（3）の永久磁石（5）は、回転軸方向の端部が前記第２部分（5b）で構成され、前記第２部分（5b）以外の部分が第１部分（5a）で構成されている。

第２の発明では、回転子（3）の永久磁石（5）において、回転軸方向の端部が中央部に比べて洩れ磁束が大きく、この端部で逆磁界が弱く作用することから、この永久磁石（5）の端部の保磁力を他の部分よりも小さくしている。

第３の発明は、第１又は第２の発明において、前記回転子（3）の永久磁石（5）は、前記第１部分（5a）が第１磁石で構成され、前記第２部分（5b）が前記第１磁石よりもジスプロジウムが少ない第２磁石で構成されている。

第３の発明では、ジスプロジウムの量が異なる第１磁石及び第２磁石で回転子（3）の永久磁石（5）を構成するようにした。

第４の発明は、第３の発明において、前記回転子（3）の永久磁石（5）は、前記第１磁石が希土類磁石で構成され、前記第２磁石がフェライト磁石又はボンド磁石で構成されている。

第４の発明では、希土類磁石とフェライト磁石、又は希土類磁石とボンド磁石で回転子（3）の永久磁石（5）を構成するようにした。

第５の発明は、冷凍サイクルの冷媒回路に接続される圧縮機である。そして、前記圧縮機は、冷媒を圧縮する圧縮機構（30）と第１から第４の何れか１つの発明の電動機（1）とが駆動軸（23）で連結された状態でケーシング（11）内に収容されている。

第５の発明では、冷凍サイクルの冷媒回路に接続される圧縮機において、ケーシング（11）内に、冷媒を圧縮する圧縮機構（30）と第１から第４の何れか１つの発明に記載の電動機（1）とが駆動軸（23）で連結された状態で収容される。

本発明によれば、回転子（3）の永久磁石（5）の保磁力を部分的に異ならせるようにし、逆磁界の弱い部分の保磁力を逆磁界の強い部分の保磁力に比べて小さくしたので、永久磁石（5）の減磁量が全体に亘って均一の状態に近づけることができる。これにより、逆磁界の弱い部分、つまり減磁しにくい部分の保磁力を大きくしてさらに減磁しにくくするという無駄をなくすことができる。この結果、永久磁石（5）に保磁力の小さな部分を設けた分だけ、高価な重希土類元素を減らすことができ、電動機の低コスト化を図ることができる。

また、前記第２の発明によれば、回転子（3）の永久磁石（5）の端部、つまり回転子（3）の軸方向に沿う方向の端部の保磁力を他の部分よりも小さくしたので、永久磁石（5）の減磁量が全体に亘って均一の状態に近づけることができる。これにより、逆磁界の弱い部分、つまり減磁しにくい部分の保磁力を大きくしてさらに減磁しにくくするという無駄をなくすことができる。この結果、永久磁石（5）に保磁力の小さな部分を設けた分だけ、高価な重希土類元素を減らすことができ、電動機の低コスト化を図ることができる。

また、前記第３の発明によれば、互いにジスプロジウムの量が異なる磁石で回転子（3）の永久磁石（5）を構成するようにした場合でも、逆磁界の弱い部分の保磁力を他の部分に比べて小さくすることができ、永久磁石（5）の減磁量が全体に亘って均一の状態に近づけることができる。これにより、永久磁石（5）に保磁力の小さな部分を設けた分だけ、高価なジスプロジウム（重希土類元素）を減らすことができ、電動機の低コスト化を図ることができる。

また、前記第４の発明によれば、回転子（3）の永久磁石（5）において、逆磁界の弱い側にフェライト磁石又はボンド磁石を用い、逆磁界の強い部分に希土類磁石を用いるようにしたので、逆磁界の弱い部分の保磁力を逆磁界の強い部分に比べて小さくすることができ、永久磁石（5）の減磁量が全体に亘って均一の状態に近づけることができる。これにより、フェライト磁石又はボンド磁石を用いることができるので、高価な重希土類元素を減らすことができ、電動機の低コスト化を図ることができる。

また、前記第５の発明によれば、冷凍サイクルの冷媒回路に接続される圧縮機において、第１から第４の何れか１つの発明に記載の電動機（1）を用いるようにしたので、圧縮機の低コスト化を図ることができる。

図１は、本実施形態に係る電動機を適用した圧縮機の縦断面図である。 図２は、図１のII−II断面図である。 図３は、本実施形態に係る電動機の永久磁石の平面図である。 図４は、永久磁石の長さ方向に対する磁束密度の変化を示すグラフである。 図５は、本実施形態の変形例に係る永久磁石の平面図である。

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。

〈全体構成〉
図１は、本発明の実施形態に係る電動機（1）を適用した圧縮機（10）の縦断面図である。また、図２は、圧縮機（10）における電動機（1）付近の横断面図である。圧縮機（10）は、例えば空気調和機（図示は省略）に用いる。圧縮機（10）は、電動機（1）、圧縮機構（30）、及びケーシング（11）を備えている。この例では、電動機（1）と圧縮機構（30）とは、ケーシング（11）内に電動機（1）を上方とした縦向きに配置されている。

電動機（1）は、圧縮機構（30）を駆動する。電動機（1）は、ブラシレスＤＣ電動機である。より具体的には、電動機（1）は、回転子コア（3a）が固定子コア（2a）に直接対向する埋め込み磁石形電動機である。

圧縮機構（30）は、ロータリ型圧縮機構で構成され、圧縮機構（30）は、ケーシング（11）に収容されている。圧縮機構（30）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（30）は、フロントヘッド（34）、シリンダ（32）、及びリアヘッド（35）によって形成された空間内で、ピストン（40）が駆動軸（23）で回転駆動される。駆動軸（23）には、該駆動軸（23）の軸心に対して径方向に偏心したクランク部（25）が形成されており、ピストン（40）は、クランク部（25）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（34）やリアヘッド（35）は、クランク部（25）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（30）に採用したロータリ型圧縮機構（30）は例示であり、その他にもスクロール型圧縮機構（30）など各種のものであってもよい。

ケーシング（11）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（11）内には、圧縮機構（30）が圧縮した冷媒が吐出される。すなわち、圧縮機（10）は、いわゆる高圧ドーム型の圧縮機である。

〈電動機構造〉
電動機（1）は、図１に示すように、固定子（2）、回転子（3）、及び駆動軸（23）を備え、ケーシング（11）に収容されている。電動機（1）は、駆動軸（23）を介して圧縮機構（30）のピストン（40）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、電動機（1）の回転軸方向であって、駆動軸（23）の軸心の方向をいい、径方向とは、前記軸心と直交する方向をいう。また、外周側とは、前記軸心からより遠い側をいい、内周側とは、前記軸心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。

−固定子構造−
固定子（2）は、図２に示すように、固定子コア（2a）と、コイル（2b）とを備えている。

固定子コア（2a）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。固定子コア（2a）は、１つのバックヨーク部（4a）と、複数（この例では９つ）のティース部（4b）と、ツバ部（4c）とを備えている。

バックヨーク部（4a）は、固定子コア（2a）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（4a）の外周がケーシング（11）の内面に固定されている。

ティース部（4b）は、バックヨーク部（4a）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（4b）の間には、コイル（2b）が収容されるコイル用スロット（4d）が形成されている。ティース部（4b）には、いわゆる集中巻方式で、コイル（2b）が巻回されている。すなわち、１つのティース部（4b）ごとにコイル（2b）が巻回され、巻回されたコイル（2b）はコイル用スロット（4d）内に収容されている。これにより各ティース部（4b）において電磁石が形成される。ツバ部（4c）は、それぞれのティース部（4b）の内周側に連続形成されている。ツバ部（4c）は、ティース部（4b）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（4c）の円筒面は、回転子（3）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。

−回転子構造−
電動機（1）の回転子（3）は、回転子コア（3a）、複数の永久磁石（5）、及び２つの端板（6）を備えている。回転子（3）は、６極構造に構成されている。回転子コア（3a）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。回転子コア（3a）には、中央部に駆動軸（23）を取り付ける軸穴（2d）が形成されている。

また、回転子コア（3a）には、軸穴（2d）の外側に６つの磁石用スロット（2c）が形成されている。磁石用スロット（2c）は、軸心回りに６０°ピッチで形成されている。磁石用スロット（2c）の横断面形状は、回転子コア（3a）の外周側に開いた略Ｖ字状である。回転子（3）の永久磁石（5）は、各磁石用スロット（2c）の略Ｖ字の各辺に対応する部分にそれぞれ軸方向へ挿入されている。磁石用スロット（2c）の一対の永久磁石（5）によって、回転子コア（3a）の磁極（36）が形成される。本実施形態では、回転子コア（3a）に６つの磁極（36）が形成される。６つの磁極（36）は周方向に配置される。これらの磁石用スロット（2c）は、永久磁石（5）が挿入された後に、回転子コア（3a）の軸方向両端に固定された端板（6）で塞がれている。圧縮機（10）では、永久磁石（5）が、固定子（2）で発生した回転磁界に応じて、固定子（2）との間で吸引力及び反発力を発生し、それにより回転子（3）が回転する。

−永久磁石−
回転子（3）の永久磁石（5）は、図３に示すように、この実施形態では、平面視が矩形状の平板で形成されている。この永久磁石（5）は、長手方向の両方の端部（5b）の保磁力が中央部（5a）の保磁力よりも小さくなっている。永久磁石（5）の端部（5b）が、本発明の第２部分を構成し、永久磁石（5）の中央部（5a）が、本発明の第１部分を構成する。本実施形態では、永久磁石（5）の長手方向の長さが７０ｍｍに対し、永久磁石（5）の端部（5b）の長さ（図３、図４のａ１、ａ２）は２ｍｍである。ここで、この端部（5b）の長さは、例示である。尚、端部（5b）の長さは、固定子（2）と回転子（3）との間のエアギャップ（G）の距離も考慮して設定されている。このエアギャップ（G）の距離が長くなるほど、端部（5b）の長さは長く設定される。これは、エアギャップ（G）の距離が長くなることで、永久磁石（5）の洩れ磁束が大きくなって、逆磁界が作用しにくくなる領域が増えるからである。

また、本実施形態では、永久磁石（5）が２つの異なる磁石が接合されてなる。永久磁石（5）の端部（5b）にフェライト磁石が用いられ、永久磁石（5）の中央部（5a）に希土類磁石が用いられている。ここで、フェライト磁石が本発明の第２磁石を構成し、希土類磁石が本発明の第１磁石を構成する。これにより、永久磁石（5）において、中央部（5a）よりも両方の端部（5b）のジスプロジウムの量が少なくなっている。

前記のように構成された永久磁石（5）は、第２部分（5b）、第１部分（5a）、及び第２部分（5b）が、この順に軸方向に並ぶように磁石用スロット（2c）に挿入される（図１参照）。すなわち、永久磁石（5）は、回転軸方向の端部が第２部分（5b）であり、第２部分（5b）以外の部分が第１部分（5a）である。

なお、電動機（1）は、回転子コア（3a）の端面が固定子（2）の端面よりも軸方向に突出するように構成される場合があるが、その場合には、永久磁石（5）の突出部分に対応する部分も第２部分（5b）として構成できる。突出部分は、漏れ磁束がより小さいからである。

図４は、電動機（1）の運転中の永久磁石（5）の長さ方向に対する磁束密度の変化を示すグラフである。このグラフでは、固定子（2）のコイル（2b）の通電により前記永久磁石（5）に逆磁界が作用している状態の磁束密度を示している。図４からわかるように、永久磁石（5）において、中央部（5a）よりも両端部（5b）の磁束密度が高くなっている。永久磁石（5）の端部（5b）と中央部（5a）とを比較すると、端部（5b）の方が洩れ磁束が大きく逆磁界が作用しにくい。逆磁界が作用しにくくなると減磁も起きにくくなる。これにより、永久磁石（5）の両端部（5b）にフェライト磁石を用いているにもかかわらず、この端部（5b）の磁束密度が中央部（5a）の磁束密度よりも高くなっている。

−実施形態の効果−
本実施形態によれば、回転子（3）の永久磁石（5）の保磁力を部分的に異ならせるようにし、逆磁界の弱い部分の保磁力を逆磁界の強い部分の保磁力に比べて小さくしたので、永久磁石（5）の減磁量が全体に亘って均一の状態に近づけることができる。これにより、逆磁界の弱い部分、つまり減磁しにくい部分の保磁力を大きくしてさらに減磁しにくくするという無駄をなくすことができる。この結果、永久磁石（5）に保磁力の小さな部分を設けた分だけ、高価なジスプロジウム（重希土類元素）を減らすことができ、電動機の低コスト化を図ることができる。

−実施形態の変形例−
図５に示す実施形態の変形例の永久磁石（5）では、前記実施形態とは違い、永久磁石（5）の一方の端部（5b）のみにフェライト磁石を用いている。この場合であっても、高価なジスプロジウムを減らすことができ、電動機の低コスト化を図ることができる。

《その他の実施形態》
本実施形態では、永久磁石（5）を回転子コア（3a）に埋め込んだ回転子（3）であったが、これに限定されず、永久磁石（5）を回転子コア（3a）の外周面に取り付けた回転子（3）であっても、本発明と同様の効果を得ることができる。また、自己起動型の誘導電動機であっても、本発明と同様の効果を得ることができる。

また、本実施形態では、フェライト磁石と希土類磁石とを接合させて永久磁石（5）を構成したが、これに限定されず、これらの磁石を接合させることなく磁石用スロット（2c）へ挿入してもよい。この場合であっても、本発明と同様の効果を得ることができる。

また、本実施形態では、フェライト磁石と希土類磁石とを接合させて永久磁石（5）を構成したが、これに限定されず、ボンド磁石と希土類磁石とを接合させて永久磁石（5）を構成してもよい。

また、本実施形態では、種類の異なる磁石を用いて永久磁石（5）を構成したが、これに限定されず、１つの磁石において重希土類元素の含有量を部分的に少なくすることにより永久磁石（5）を構成してもよい。この場合であっても、本発明と同様の効果を得ることができる。

また、永久磁石（5）の形状（前記の例では平面視が矩形状の平板）は例示である。例えば、前記の例の他に、断面が弓型の永久磁石を用いるなど、種々の形態の永久磁石の採用が考えられる。

本発明は、永久磁石が埋め込まれた回転子を有する電動機、及びそれを用いた圧縮機について有用である。

１ 電動機
２ 固定子
３ 回転子
５ 永久磁石
５ａ 希土類磁石（第１磁石、第１部分）
５ｂ フェライト磁石（第２磁石、第２部分）
１０ 圧縮機
１１ ケーシング
３０ 圧縮機構

Claims (5)

1. コイル（2b）が巻回された固定子（2）と、磁極（36）を形成する複数の永久磁石（5）が埋め込まれた回転子（3）とを備え、
   前記回転子（3）の永久磁石（5）は、前記固定子（2）のコイル（2b）の通電により前記永久磁石（5）に作用する逆磁界の強度に応じて強い側の第１部分（5a）と弱い側の第２部分（5b）とに分けられ、前記第２部分（5b）の保磁力が第１部分（5a）の保磁力よりも小さくなるように構成されていることを特徴とする電動機。
2. 請求項１において、
   前記回転子（3）の永久磁石（5）は、回転軸方向の端部が前記第２部分（5b）で構成され、前記第２部分（5b）以外の部分が第１部分（5a）で構成されていることを特徴とする電動機。
3. 請求項１又は２において、
   前記回転子（3）の永久磁石（5）は、前記第１部分（5a）が第１磁石で構成され、前記第２部分（5b）が前記第１磁石よりもジスプロジウムが少ない第２磁石で構成されていることを特徴とする電動機。
4. 請求項３において、
   前記回転子（3）の永久磁石（5）は、前記第１磁石が希土類磁石で構成され、前記第２磁石がフェライト磁石又はボンド磁石で構成されていることを特徴とする電動機。
5. 冷凍サイクルの冷媒回路に接続される圧縮機であって、
   前記圧縮機は、冷媒を圧縮する圧縮機構（30）と請求項１から４の何れか１つに記載の電動機（1）とが駆動軸（23）で連結された状態でケーシング（11）内に収容されていることを特徴とする圧縮機。

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