JP2018068100A - ブラシレス型モータ及びモータ用回転子 - Google Patents

Abstract

【課題】軸受の高さを低くすることなく圧縮機の高さを望ましい程度に下げる、及び慣性モーメントを増大させるモータを提供する。【解決手段】表面磁石３を備えたブラシレス型モータ用の回転子２に関する。回転子は軸方向への延長部を有し、その内部にシャフトが挿入されていて、軸方向への延長部の高さは固定子パッケージの高さよりも大きく、軸方向への延長部はまた、磁石の底面内へ向かう半径方向の延長部９を有する。半径方向への延長部の外側の半径は、軸方向への延長部の半径以上であるが、磁石の外側の半径以下である。軸方向及び半径方向への延長部はシャフトを固定し、慣性モーメントを増大させ、磁石によって生じる磁束を増大させるために用いられ、かつ磁石の組み立て時の基準部にもなっている。【選択図】図４

Description

本発明は、冷凍用の可変容量密閉圧縮機に用いるブラシレス型モータ用に設計された回転子を有するモータに関する。他の種類のモータ、例えばリラクタンスモータや回転子ケージを必要としない他の任意のモータも本発明の利点を享受できる。

可変容量密閉圧縮機には通常、偏心ピンによりシャフトに接続された機械接続ロッド−ピストン型システムが用いられる。通常、このような機構を動作させるには、多くの場合固定子及び回転子からなるブラシレス型モータが使用される。回転子は積層電磁鋼からなるコア及び表面磁石からなる（磁石が内部に挿入された形式の回転子も見られるが）。固定子は通常、ネジによりクランクケースに固定されており、更に懸架ばねに固定されている。一方、回転子は組み立て工程中、機械的干渉により偏心シャフトに固定されている。

ブラシレスモータは、ブラシ付きモータとは異なり、回転子に固定された永久磁石を有する。回転子は一般に、周縁に４個の磁石を有し、ブラシレスモータの固定子は通常、互いに６０°の角度をなす６個のコイルから構成される。ブラシレスモータの主な利点は、回転子が永久磁石を含むことにより電力を必要とせず、従って回転子の接続を必要としない点であると考えられる。このような特徴はブラシ付きモータに対する優位性をもたらす。とりわけ、ブラシの摩耗がなく、スイッチのイオン化がないことから、信頼性の高さ、ノイズの少なさ、有効寿命の長さが顕著である。また、ブラシレスモータはエネルギー消費量の点においてより高効率である。

冷凍用の密閉圧縮機は、冷凍庫、冷蔵庫、噴水式水飲み器、エアコンその他の用途に用いられている。圧縮機の重要な特徴は、圧縮機自体の大きさである。その理由は、圧縮機が適用されるシステム内のスペースが限られていることから、より小さな圧縮機ほど、適用できる冷蔵システムの範囲が広がるためである。

このように、圧縮機の大きさ、特に高さは、できる限り小さいことが望ましい。その理由は、冷蔵システム内で製品の利用を最大化するためである。

圧縮機の高さは、主に、クランクケースの最上部と懸架ばねの下部との間の距離によって規定される。従って、圧縮機全体の高さを低くするためにも当該距離が短縮されるか否かが関心事である。

クランクケースと懸架ばねの最下部との間の距離を短縮するには、ラジアル軸受（シャフトとクランクケースの間の軸受）の全高が低くなることも必要である。しかし、このように高さを下げると軸受表面全体が小さくなり、またシャフト摩耗の問題もより深刻になる。

ブラシレス型モータに関する別の問題は、回転子及びシャフトアセンブリの慣性モーメントの低下である。磁石の密度が電磁鋼の密度よりも顕著に低いため、ブラシレス型モータの回転子では高負荷及び／又は低回転速度での動作に関して問題が生じる場合がある。すなわち、負荷のピーク時に、速度が大幅に低下して圧縮機の動作が停止する場合がある。

また、この種のモータに関連する別の問題は、回転子を組み立てる際の磁石の軸方向の位置決めである。圧縮機の動作中における摩耗及びノイズに関連する問題を回避するためには、磁石の正確な軸方向の位置決めが必須である。その理由は、磁石が正しく配置されていなければ磁気的不均衡が生じ、高周波軸力を発生させるため、望ましくない振動が生じるからである。

この種のモータの望ましい特徴は、磁石によって生じる磁束の最大化である。その理由は、生じる流れが大きいほどトルク生成に必要な電流が少なく、モータの効率を高めるからである。従って、モータの効率を最大化するためには低磁気抵抗路が望ましい。

先行技術文献においては、回転子を圧縮機のシャフトに固定する方法が既に提案されている。例えば特許文献１では、回転子は、形鋼の構造との干渉により固定される。引用した特許発明の構造は、回転子を積層パッケージによって製造する必要がないモータに有用である。

米国特許第９１８８３７０号明細書

高効率モータの場合、積層パッケージの使用が必須であるため、特許文献１に記載された方法を用いることはできない。特許文献１に記載された方法に関する別の問題は挿入高さであり、特にこの高さが低い場合に問題である。この場合、固定のための総面積は、回転子を確実に支持するには十分でなく、圧縮機に信頼性の問題を引き起こす恐れがある。更に、特許文献１に記載された方法の他の不都合は、アセンブリの慣性が低下することである。形鋼の構造の大部分がシャフトに近接しているため、回転子の慣性は極めて低く、圧縮機の起動時及び高負荷になった状態の両方で望ましくない影響を引き起こす恐れがある。

本発明の一の目的は、軸受の高さを低くすることなく圧縮機の高さを望ましい程度に下げるという課題を解決することである。

本発明の他の目的は、回転子及びシャフトアセンブリの慣性モーメントを増大させることである。

本発明の更に他の目的は、組み立ての際に、磁石の正しい位置合わせを容易にすることである。

本発明の目的はまた、磁石により生じる磁束を最大化することである。

本発明は、以下に詳述するように、上記及び他の不都合を解決することを目的とする。

本発明はブラシレス型モータ及び回転子に関する。ブラシレス型モータは表面磁石を含み、回転子はシャフトの結合部とは反対側の終端に向かって延びる軸方向への延長部を含む。軸方向への延長部の高さは固定子のリミッタの高さよりも大きく、軸方向への延長部は、磁石の底面に隣接して突出する半径方向への延長部を更に備え、半径方向への延長部の外面の半径は、磁石の内面に隣接する回転子の外面の半径よりも大きいが、磁石の外面の半径以下である。なお、組み立ての際、磁石の軸方向の配置の基準部となるように、回転子の軸方向への延長部が磁石の底面を越えて延び、半径方向への延長部は磁石の底面に隣接して延びている。

軸方向及び半径方向への延長部は積層電磁鋼からなる。しかし、当該延長部は、更なる中実（非積層）部品、好ましくは強磁性材料からなる中実部品であってもよい。すなわち、軸方向への延長部及び／又は半径方向への延長部は着脱可能な中実部品を更に含んでもよい。

図１は、密閉圧縮機用途で昨今最もよく用いられている概念の一例を示す機械式アセンブリ及び電気モータの一部の断面図である。 図２は、図１と同一の機械式アセンブリ及び電気モータであるが、ラジアル軸受が短縮されている例の断面図である。 図３は、本発明で提案する解決手段の一部の断面図である。 図４は、回転子のブレードパッケージ下部の半径方向への延長部を用いることからなる、追加的な変更例を示す断面図である。 図５は、圧縮機部品の寸法を示す断面図である。 図６は、磁石の１個が軸方向に整列していない回転子の例を示す図である。 図７は、延長部分が追加部品を含む回転子の延長部の代替的な構成を示す図である。

本発明について、図面の形式で示す例を用いて以下に詳述する。本発明の態様に関しては、以下の点に注意されたい。

本発明の好適な実施形態は、隣接して配置され、従来の方式（接着又は干渉）により固定される回転子及びシャフトアセンブリに関する。ブレードパッケージ（回転子のコア）の軸方向への延長部を長くすることで、クランクケースの高さを低くし、かつ回転子の外側の表面に隣接した磁石の内側の表面を越えるように、回転子の下側領域での外面の半径を増大させることができる。これにより、回転子及びシャフトアセンブリの慣性を増大させることができる。好適な実施形態においては、請求項に規定されているように、延長部の最も外側の半径が磁石の外側の半径を越える程度には拡大しないことに注意することが重要である。しかし、延長部の最も外側の半径の、磁石の外側の半径を超えた拡大は、モータの動作を阻害しない長さで起こり得る。すなわち、固定子を適切に固定することにより、上述のように延長部の最も外側の半径を拡大させることができ、モータの動作を阻害せずに慣性を向上させることができる。

このような変更例、すなわち軸方向及び半径方向への延長部により、回転子及び固定子のアセンブリ全体をクランクケースに接近するまで移動させることが可能である。

第２の実施形態においては、シャフトの挿入に十分な剛性を有する任意の材料で作られた、追加部品によって形成された軸方向及び半径方向への延長部を用いてよい。このような部品は、回転子及びシャフトアセンブリが変位可能になるように、各種の方法（鋲、接着剤、ネジ等）で回転子の下部に固定される。

従って、回転子の延長部によって、軸受の高さが維持される。これにより、起こり得るシャフト摩耗の問題を回避することが可能である。

このようにして、慣性モーメントに関する問題は、回転子の軸方向への延長部と、ブレードパッケージ下部の半径方向への延長部を用いることとによって解決される。

ブレードパッケージ下部の半径方向への延長部はまた、磁気回路の全抵抗を減らすので、磁石が発生する全磁束の観点から利点がある。

ブレードパッケージ下部の半径方向への延長部はまた、組み立ての際の磁石の軸方向の位置合わせの問題を解決する。前記延長部は、そのような組み立ての確実な基準部を提供するからである。

図１は、機械式アセンブリ及び電気モータの一部を示す断面図である。同図では、密閉圧縮機用途で昨今最もよく用いられている概念の一例が示されている。同図において、アセンブリは、リミッタ１．１を有する固定子１を含んでいる。固定子１は、上部がクランクケース４に固定されており、下部は懸架ばね７により固定されている。回転子は、積層電磁鋼からなるコア２及び主にフェライトからなる磁石３を含んでいる。回転子のコア２はシャフト５に固定されており、ラジアル軸受６を介してクランクケース４に接している。アセンブリの通常の高さは、図１では符号Ａで示されている。

図２では、同一の機械式アセンブリ及び電気モータを見ることができる。本例では、回転子のコア２及び固定子１を、符号Ｂで示されているアセンブリの全高を下げるために上方に移動可能とすべく、ラジアル軸受６が縮小されている。回転子のコア２及び固定子１を上方に移動した場合、実際には、圧縮機の高さが小さくなる。しかし、このような方式によると、シャフト５の過度な摩耗、圧縮機消費の増大、及び極端な場合は機構が完全にロックする等、望ましくない結果がもたらされる恐れがある。図２では、軸受を短くし過ぎた状態を見ることができ、軸受部が符号Ｃで示されている。

図３は、本発明が提案する解決手段の一部を示している。本解決手段は、摩擦による摩耗を減らしてアセンブリの高さＢを維持するために、固定子１のリミッタ１．１を越える回転子のコア２の軸方向への延長部８を用いて、ラジアル軸受６の高さをさらに延ばすことからなる。このように、回転子のコア２はシャフト５の下部に近い位置に挿入されている。また、回転子のコア２の当該延長部は、回転アセンブリの慣性モーメントを増大させて、より効果的な起動及びより安定した動作を保証する。軸方向への延長部の長さは、シャフトの寸法に応じて変更可能である。

図４には、やはりアセンブリの高さＢが維持された状態のモータが示されている。図４では、回転子のブレードパッケージ２（軸方向への延長部８）下部の半径方向への伸長部／延長部９からなる更なる特徴を見ることができる。これらの延長部は、固定子１の高さ１１を越えて延伸し、回転アセンブリ（回転子とシャフト）の慣性モーメントを更に増大させる。加えて、磁石によって生じる全磁束を増大させることにより、モータの効率を高めることに寄与する。従って、軸方向への延長部８は、磁石３の底面３．１に隣接して突出する半径方向への延長部９を更に有する。半径方向への延長部９の外側の半径１４（図５に示す）は、回転子のコア２の通常の半径１３より大きいが、できれば図５に示すように磁石３の外面の半径１５以下であることが望ましい。

図５からは、本発明が提案する解決手段では、延長された回転子のコア２の高さ１２が、固定子１の高さ１１よりも著しく大きいことが分かる。また、延長された回転子の下部の好適な半径１４が、回転子のパッケージの半径１３と磁石の外側の半径１５との中間であることも分かる。

半径１４及び延長部９の値は固定されていない。これらの値は、所望のアセンブリの全高の低減と、加えて、増大すべき慣性モーメント及び磁束とによって変化する。

図６において、符号Ｆは、回転子のコア２を構成する磁石３のうち、軸方向の位置がずれてしまっている磁石のひとつを示している。このような問題は、回転子のブレードパッケージ下部の半径方向への延長部９を用いれば、当該延長部が組み立ての際に磁石３の軸方向の完璧な配置を可能にする基準部となるため、回避できる。

図７では、回転子のコア２の延長部の代替的な構成を見ることができる。本構成では、軸方向及び／又は半径方向への延長部分が好ましくは強磁性体からなり、かつ変形に対する耐性に優れた、追加的な部品１６を含んでいる。部品１６の材料は回転子のコアの材料と異なっていても同一であってもよい。しかし、その材料は、回転子のコアに着脱可能に、又は固定的に結合可能な任意の材料であり得ることが重要である。この結合は、シャフト５が不安定にならず、かつ効率損失がないように、接着剤により、又は図示する鋲１７又は他の種類の留め具（ネジ、クランプ等）の装置固定手段により行うことができる。この追加的な部品１６の発想は、従来型の回転子に、本発明の好適な実施形態における回転子と同じ利点（慣性モーメントの増大、及び磁石３の基準部）をもたらす。追加部品１６は、好適実施例にあっては固有の材料で製作される。

以上、好適な実施形態の例について述べた。しかし、当然ながら、本発明の範囲には他の可能な変形例が含まれる。本発明の範囲は、考え得る等価物を含む、添付した特許請求の範囲に記載された内容によってのみ限定される。

Claims (12)

1. 表面磁石（３）を含む回転子を備えたブラシレス型モータであって、前記回転子のコア（２）は、シャフト（５）の結合部とは反対側の終端に向かって延びる軸方向への延長部（８）を含み、前記軸方向への延長部（８）の高さは固定子（１）のリミッタ（１．１）の高さよりも大きく、前記軸方向への延長部（８）は前記磁石（３）の底面（３．１）に隣接して突出する半径方向への延長部（９）を更に有し、前記半径方向への延長部（９）の外側の半径（１４）は、前記磁石（３）の内面に隣接する回転子の外面の半径（１３）よりも大きく、前記磁石（３）の外面の半径（１５）以下であることを特徴とするブラシレス型モータ。
2. 前記回転子のコア（２）の前記軸方向への延長部（８）は、前記磁石（３）の前記底面（３．１）を越えて延びていることを特徴とする、請求項１に記載のモータ。
3. 前記半径方向への延長部（９）は前記磁石の前記底面（３．１）に隣接して延び、前記磁石の軸方向の配置における基準部となることを特徴とする、請求項１に記載のモータ。
4. 前記軸方向への延長部（８）及び半径方向への延長部（９）は積層電磁鋼からなることを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項に記載のモータ。
5. 前記軸方向への延長部（８）及び／又は半径方向への延長部（９）は、中実部品（１６）、好ましくは強磁性材料からなる中実部品（１６）を更に含んでいることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項に記載のモータ。
6. 前記軸方向への延長部（８）及び／又は半径方向への延長部（９）は、着脱可能な中実部品（１６）を更に含んでいることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項に記載のモータ。
7. モータに用いられる、表面磁石（３）を含む回転子であって、シャフト（５）の結合部とは反対側の終端に向かって延びる軸方向への延長部（８）を含み、前記軸方向への延長部（８）の高さは固定子（１）のリミッタ（１．１）の高さよりも大きく、前記軸方向への延長部（８）は前記磁石（３）の底面（３．１）に隣接して突出する半径方向への延長部（９）を更に有し、前記半径方向への延長部（９）の外側の半径（１４）は、前記磁石（３）の内面に隣接する回転子面の半径（１３）よりも大きく、前記磁石（３）の外面の半径（１５）以下であることを特徴とする回転子。
8. 前記軸方向への延長部（８）は、前記磁石（３）の底面（３．１）を越えて延びていることを特徴とする、請求項７に記載の回転子。
9. 前記半径方向への延長部（９）は、組み立ての際に前記磁石の軸方向の配置における基準部となるように、前記磁石の底面（３．１）に隣接して延びていることを特徴とする、請求項７に記載の回転子。
10. 前記軸方向への延長部（８）及び半径方向への延長部（９）は積層電磁鋼からなることを特徴とする、請求項７から９までのいずれか１項に記載の回転子。
11. 前記軸方向への延長部（８）及び／又は半径方向への延長部（９）は、中実部品（１６）をさらに含み、前記中実部品（１６）は、好ましくは強磁性材料からなることを特徴とする、請求項７から１０までのいずれか１項に記載の回転子。
12. 前記軸方向への延長部（８）及び／又は半径方向への延長部（９）は、着脱可能な中実部品（１６）を更に含んでいることを特徴とする、請求項７から１０までのいずれか１項に記載の回転子。