JP2020156219A - モータ及び電動圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】磁石の回転方向の側方に空隙を形成しても、隣り合う磁石挿入孔を連結するブリッジ部に発生する応力を小さくする。【解決手段】モータは、回転駆動力を伝達する駆動軸と、駆動軸と一体的に回転するロータ４４０と、ロータ４４０の外周に配置されるステータと、を備え、ロータ４４０の外周部において周方向に複数の磁石４８０が埋め込まれ、磁石４８０の回転方向の両側方に空隙４４４が形成されている。ロータ４４０の半径外方に位置する空隙４４４は、ロータ４４０の横断面において、ロータ４４０の回転中心からの距離が、その回転中心から磁石４８０の半径外方に位置する角部４８０Ａまでの距離より小さい複数の点を通る曲線、具体的には、第１の円弧４４４Ａにより区画されている。そして、隣り合う磁石挿入孔４４２を連結するブリッジ部に発生する遠心力を小さくすることで、そこに発生する応力を小さくする。【選択図】図４

Description

本発明は、流体を圧縮する圧縮機などに使用されるモータ、及びこのモータを搭載した電動圧縮機に関する。

ロータの内部に磁石を埋め込んだ埋込磁石形のモータでは、磁石挿入孔に作用する応力集中を緩和するために、特開２０１５−１６２９８０号公報（特許文献１）に記載されるように、磁石挿入孔に挿入された磁石の回転方向の両側方に空隙（エアギャップ）を形成する技術が提案されている。

特開２０１５−１６２９８０号公報

しかしながら、磁石の両側方に空隙を形成すると、隣り合う磁石挿入孔を連結するブリッジ部の回転中心からの半径が大きくなるため、同一の回転数であっても遠心力が大きくなってしまう。このため、モータをさらに高速で回転させようとした場合、ロータの回転中心からの半径が最も大きいブリッジ部の遠心力が過度に大きくなり、弾性限度を超えて塑性変形してしまうおそれがある。

そこで、本発明は、磁石の回転方向の両側方に空隙を形成しても、隣り合う磁石挿入孔を連結するブリッジ部に発生する応力を小さくすることができるモータ、及びこのモータを搭載した電動圧縮機を提供することを目的とする。

このため、モータは、回転駆動力を伝達する駆動軸と、駆動軸と一体的に回転するロータと、ロータの外周に配置されるステータと、を備え、ロータの外周部において周方向に複数の磁石が埋め込まれ、磁石の回転方向の両側方に空隙が形成されている。そして、ロータの半径外方に位置する空隙は、ロータの横断面において、ロータの回転中心からの距離が、その回転中心から磁石の半径外方に位置する角部までの距離より小さい複数の点を通る曲線により区画されている。また、電動圧縮機は、このように構成されたモータを搭載している。

本発明によれば、磁石の回転方向の両側方に空隙を形成しても、隣り合う磁石挿入孔を連結するブリッジ部に発生する応力を小さくすることができる。

スクロール型圧縮機の一例を示す縦断面図である。 気体冷媒及び潤滑油の流れを説明するブロック図である。 モータの一例を示す部分断面図である。 ロータの一例を示す部分断面図である。 従来技術におけるロータの磁石挿入孔に発生する応力の説明図である。 一実施形態におけるロータの磁石挿入孔に発生する応力の説明図である。 ロータの他の例を示す部分断面図である。 他の実施形態におけるロータの磁石挿入孔に発生する応力の説明図である。 一実施形態により発生する可能性があるトルク変動の説明図である。 他の実施形態により低減されたトルク変動の説明図である。

以下、添付された図面を参照し、本発明を実施するための実施形態について詳述する。
図１は、本実施形態に係るモータが組み込まれた、スクロール型圧縮機１００の一例を示している。ここで、スクロール型圧縮機１００が、電動圧縮機の一例として挙げられる。

スクロール型圧縮機１００は、例えば、車両用空調機器の冷媒回路に組み込まれ、冷媒回路の低圧側から吸入した気体冷媒（流体）を圧縮して吐出する。スクロール型圧縮機１００は、ハウジング２００と、低圧の気体冷媒を圧縮するスクロールユニット３００と、スクロールユニット３００を駆動するモータ４００と、モータ４００を制御するインバータ５００と、モータ４００の駆動軸４２０の一端部を回転自由に支持する支持部材６００と、を備えている。ここで、冷媒回路の冷媒としては、例えば、ＣＯ_２（二酸化炭素）冷媒を使用することができる。また、スクロール型圧縮機１００としては、インバータ一体型を一例として挙げるが、インバータ別体型であってもよい。

ハウジング２００は、スクロールユニット３００、モータ４００、インバータ５００及び支持部材６００を収容するフロントケーシング２２０と、フロントケーシング２２０の一端側に締結されるリアハウジング２４０と、フロントケーシング２２０の他端側に締結されるインバータカバー２６０と、を含んで構成されている。そして、フロントケーシング２２０、リアハウジング２４０及びインバータカバー２６０は、例えば、ボルト及びワッシャを含む、複数の締結具７００によって一体的に締結されることで、スクロール型圧縮機１００のハウジング２００が構成されている。

フロントケーシング２２０は、円筒形状の周壁部２２２と、周壁部２２２の内部空間を軸方向に２つに仕切る円板形状の仕切壁部２２４と、を含んで構成されている。ここで、円筒形状とは、見た目で円筒形状であると認識できる程度でよく、例えば、その外周面に補強用のリブ、取付用のボスなどが形成されていてもよい（形状については以下同様）。フロントケーシング２２０の内部空間は、仕切壁部２２４により、スクロールユニット３００、モータ４００及び支持部材６００を収容する第１の空間２２０Ａと、インバータ５００を収容する第２の空間２２０Ｂと、に仕切られる。

周壁部２２２の一端側の開口は、円板形状のリアハウジング２４０によって閉塞される。また、周壁部２２２の他端側の開口は、インバータカバー２６０によって閉塞される。仕切壁部２２４の一面の中央部には、ここから周壁部２２２の一端部へと向かって延びる、円筒形状の支持部２２４Ａが形成されている。そして、支持部２２４Ａには、その内周面に圧入されたベアリング７２０を介して、モータ４００の駆動軸４２０の他端部が回転自由に支持されている。

また、周壁部２２２には、気体冷媒の吸入ポートＰ１が形成されている。冷媒回路の低圧側からの気体冷媒は、吸入ポートＰ１を介してフロントケーシング２２０の第１の空間２２０Ａへと吸入される。従って、フロントケーシング２２０の第１の空間２２０Ａは、気体冷媒の吸入室Ｈ１として機能する。なお、吸入室Ｈ１において、気体冷媒がモータ４００の周囲を流通することにより、モータ４００が冷却される。そして、モータ４００の軸方向の一方に位置する第１の空間２２０Ａは、その他方に位置する第１の空間２２０Ａと連通して１つの吸入室Ｈ１を構成している。吸入室Ｈ１においては、気体冷媒は、微量の潤滑油を含む混合流体として流れている。

リアハウジング２４０は、複数の締結具７００によって、フロントケーシング２２０の周壁部２２２の一端側に位置する開口端に締結されている。そして、リアハウジング２４０は、フロントケーシング２２０の一端側の開口を閉塞する。また、リアハウジング２４０には、スクロールユニット３００で圧縮された気体冷媒を冷媒回路の高圧側へと吐出する吐出ポートＰ２が形成されている。なお、リアハウジング２４０の内部には、スクロールユニット３００で圧縮された気体冷媒から潤滑油を分離するオイルセパレータ７４０が組み込まれている。オイルセパレータ７４０によって潤滑油が分離された気体冷媒（微量の潤滑油が残存する気体冷媒も含む）は、吐出ポートＰ２を介して冷媒回路の高圧側へと吐出される。一方、オイルセパレータ７４０により分離された潤滑油は、詳細を後述する、背圧供給通路Ｌ１へと導かれる。

スクロールユニット３００は、フロントケーシング２２０の一端側に収容されている。具体的には、スクロールユニット３００は、リアハウジング２４０の一面に固定される固定スクロール３２０と、固定スクロール３２０を挟んでリアハウジング２４０の反対側に配置される旋回スクロール３４０と、を含んで構成されている。

固定スクロール３２０は、リアハウジング２４０の一面に固定される円板形状の底板３２２と、底板３２２の一面から旋回スクロール３４０に向かって延びる、インボリュート曲線のラップ（渦巻き形状の羽根）３２４と、を含んで構成されている。旋回スクロール３４０は、固定スクロール３２０の底板３２２と対面するように配置される円板形状の底板３４２と、底板３４２の一面から固定スクロール３２０に向かって延びる、インボリュート曲線のラップ３４４と、を含んで構成されている。

そして、固定スクロール３２０及び旋回スクロール３４０は、ラップ３２４及び３４４の周方向の角度が互いにずれた状態で、ラップ３２４及び３４４の側壁が互いに部分的に接触するように噛み合わされる。従って、スクロールユニット３００では、固定スクロール３２０と旋回スクロール３４０との間に、三日月形状の密閉空間、即ち、気体冷媒を圧縮する圧縮室Ｈ２が区画される。

固定スクロール３２０の底板３２２の中心部には、圧縮室Ｈ２により圧縮された気体冷媒を吐出する吐出通路Ｌ２が形成されている。また、底板３２２の他面の中心部には、吐出通路Ｌ２を介して圧縮室Ｈ２から吐出された気体冷媒を一時的に貯留する、円柱形状の凹部からなる吐出室Ｈ３が形成されている。さらに、底板３２２の他面には、圧縮室Ｈ２から吐出室Ｈ３への気体冷媒の流れを許容する一方、吐出室Ｈ３から圧縮室Ｈ２への気体冷媒の流れを阻止する、例えば、リードバルブからなる一方向弁３２６が取り付けられている。

モータ４００は、例えば、三相交流モータからなり、駆動軸４２０と、ロータ４４０と、ロータ４４０の径方向外側に配置されるステータ４６０と、を含んで構成されている。そして、車両のバッテリ（図示せず）からの直流電流が、インバータ５００によって交流電流に変換され、モータ４００のステータ４６０に給電される。

駆動軸４２０は、後述するクランク機構を介して旋回スクロール３４０に連結され、モータ４００の回転駆動力を旋回スクロール３４０に伝達する。駆動軸４２０の一端部、即ち、旋回スクロール３４０側端部は、支持部材６００に形成された貫通孔６００Ａを貫通して、支持部材６００に固定されたベアリング７６０に回転自由に支持されている。駆動軸４２０の他端部は、上述したように、フロントケーシング２２０の支持部２２４Ａに圧入されたベアリング７２０に回転自由に支持されている。

ロータ４４０は、その径方向中心に形成された軸孔に嵌合（例えば圧入）される駆動軸４２０を介して、ステータ４６０の径方向内側に回転自由に支持されている。インバータ５００からの給電によってステータ４６０に磁界が発生すると、ロータ４４０に回転力が作用して駆動軸４２０が回転駆動される。

支持部材６００は、固定スクロール３２０の底板３２２と同一外径の有底円筒形状をなし、その開口側から奥部に向かうにつれて２段階に縮径する段付円柱形状の内周面を有している。そして、スクロールユニット３００の旋回スクロール３４０が、支持部材６００の大径側の内周面によって区画される空間内に収容される。支持部材６００の開口端面は、例えば、図示しない締結具によって、固定スクロール３２０の底板３２２の一面に締結される。従って、支持部材６００の開口は、固定スクロール３２０によって閉塞され、旋回スクロール３４０を固定スクロール３２０に押し付ける背圧室Ｈ４が区画される。

また、支持部材６００の小径側の内周面には、モータ４００の駆動軸４２０の一端部を回転自由に支持するベアリング７６０が嵌合されている。さらに、支持部材６００の最奥部に位置する底壁の径方向中央部には、駆動軸４２０の一端部を貫通させる貫通孔６００Ａが形成されている。ベアリング７６０と底壁との間にはシール部材７８０が配設され、背圧室Ｈ４の気密性が確保されている。

支持部材６００の大径側の内周面によって区画される空間内であって、小径部及び大径部の段部と旋回スクロール３４０の底板３４２との間には、環状のスラストプレート８００が配置される。支持部材６００の段部は、スラストプレート８００を介して、旋回スクロール３４０からのスラスト力を受ける。支持部材６００の段部及び旋回スクロール３４０の底板３４２のスラストプレート８００と当接する部位には、背圧室Ｈ４の気密性を確保するシール部材８２０が夫々配設されている。

リアハウジング２４０、固定スクロール３２０及び支持部材６００には、リアハウジング２４０に組み込まれたオイルセパレータ７４０によって分離された潤滑油を、支持部材６００によって区画される背圧室Ｈ４へと供給する背圧供給通路Ｌ１が形成されている。従って、オイルセパレータ７４０から背圧室Ｈ４へと供給された潤滑油は、旋回スクロール３４０を固定スクロール３２０に押し付ける背圧として利用される。背圧供給通路Ｌ１の途上には、潤滑油の流量を制限するオリフィス８４０が配設されている。

支持部材６００の小径部には、背圧室Ｈ４の背圧Ｐｍと吸入室Ｈ１の吸入圧Ｐｓとに応じて作動し、背圧室Ｈ４の背圧Ｐｍを調整する背圧制御弁８６０が取り付けられている。即ち、背圧制御弁８６０は、背圧室Ｈ４の背圧Ｐｍが目標圧より上昇すると開弁し、背圧室Ｈ４の潤滑油を吸入室Ｈ１へと排出することで、背圧室Ｈ４の背圧Ｐｍを低下させる。一方、背圧制御弁８６０は、背圧室Ｈ４の背圧Ｐｍが目標圧より低下すると閉弁し、背圧室Ｈ４から吸入室Ｈ１への潤滑油の排出を中止することで、背圧室Ｈ４の背圧Ｐｍを上昇させる。このようにして、背圧制御弁８６０は、背圧室Ｈ４の背圧Ｐｍを目標圧に調整する。

フロントケーシング２２０の周壁部２２２の内周面と支持部材６００の外周面との間には、吸入室Ｈ１とスクロールユニット３００の外周部に位置する空間Ｈ５とを連通し、吸入室Ｈ１から空間Ｈ５へと気体冷媒を導入する冷媒導入通路Ｌ３が形成されている。このため、空間Ｈ５の圧力は、吸入室Ｈ１の圧力と等しくなっている。

クランク機構は、旋回スクロール３４０の底板３４２の他面に突出形成された円筒形状のボス部８８０と、駆動軸４２０の一端面に偏心状態で立設されたクランクピン８８２と、クランクピン８８２に偏心状態で取り付けられた偏心ブッシュ８８４と、ボス部８８０に嵌合されるすべり軸受け８８６と、を含んで構成されている。そして、偏心ブッシュ８８４は、すべり軸受け８８６を介して、ボス部８８０に相対回転可能に支持されている。なお、駆動軸４２０の一端部には、旋回スクロール３４０の遠心力に対抗するバランサウェイト８８８が取り付けられている。また、図示を省略するが、旋回スクロール３４０の自転を阻止する自転阻止機構が備えられている。従って、旋回スクロール３４０は、その自転が阻止された状態で、クランク機構を介して、固定スクロール３２０の軸心周りに公転旋回運動可能となっている。

図２は、気体冷媒及び潤滑油の流れを説明するブロック図である。
冷媒回路の低圧側からの気体冷媒は、吸入ポートＰ１を介して吸入室Ｈ１に導入され、その後、冷媒導入通路Ｌ３を介してスクロールユニット３００の外周部に位置する空間Ｈ５へと導かれる。そして、空間Ｈ５へと導かれた気体冷媒は、スクロールユニット３００の圧縮室Ｈ２へと取り込まれ、圧縮室Ｈ２の容積変化によって圧縮される。圧縮室Ｈ２で圧縮された気体冷媒は、吐出通路Ｌ２及び一方向弁３２６を介して吐出室Ｈ３へと吐出され、その後、オイルセパレータ７４０へと導かれる。オイルセパレータ７４０で潤滑油が分離された気体冷媒は、吐出ポートＰ２を介して冷媒回路の高圧側へと吐出される。また、オイルセパレータ７４０で分離された潤滑油は、オリフィス８４０により流量が制限された状態で、背圧供給通路Ｌ１を介して背圧室Ｈ４へと供給される。背圧室Ｈ４へと供給された潤滑油は、背圧制御弁８６０を介して吸入室Ｈ１へと排出される。

モータ４００のロータ４４０は、図３に示すように、ステータ４６０の内周面と対面する外周部において周方向に複数の磁石（永久磁石）４８０が埋め込まれている。磁石４８０は、直方体形状をなし、ロータ４４０の軸方向の一面から他面にかけて貫通する磁石挿入孔４４２に挿入されている。従って、モータ４００の回転中にも、遠心力でロータ４４０から磁石４８０が飛び出すことがなく、機械的な安全性を確保することができる。なお、図示の例では、ロータ４４０の外周部に８個の磁石４８０が埋め込まれているが、その個数は任意である。

また、磁石挿入孔４４２に作用する応力集中を緩和するために、磁石４８０の回転方向の両側方、即ち、ロータ４４０の外周面に沿って磁石挿入孔４４２が延びる両側方に空隙４４４が夫々形成されている。ロータ４４０の半径外方に位置する空隙４４４は、ロータ４４０の横断面において、ロータ４４０の回転中心（即ち、駆動軸４２０の回転軸）からの距離が、その回転中心から磁石４８０の半径外方に位置する角部４８０Ａまでの距離より小さい複数の点を通る曲線により区画されている。

具体的には、ロータ４４０の半径外方に位置する曲線は、図４に示すように、磁石４８０の角部４８０Ａから始まる第１の円弧４４４Ａからなる。第１の円弧４４４Ａは、磁石４８０の回転方向の側方に向かって突出する円弧であって、隣り合う磁石挿入孔４４２の中間点とロータ４４０の回転中心とを通る線分４４４Ｂに滑らかに連接されている。従って、第１の円弧４４４Ａは、半径外方に位置する磁石挿入孔４４２の長辺と線分４４４Ｂとに接触する半径を有している。また、この線分４４４Ｂは、半径内方に位置する磁石挿入孔４４２の近くまで延び、その端部が滑らかな円弧を介して磁石挿入孔４４２に連接されている。

かかるモータ４００によれば、磁石４８０の回転方向の両側方に形成された空隙４４４の半径外方に位置する部分は、ロータ４４０の回転中心からの距離が、その回転中心から磁石４８０の角部４８０Ａまでの距離より小さい複数の点を通る第１の円弧４４４Ａにより区画されているため、隣り合う磁石挿入孔４４２を連結するブリッジ部に作用する遠心力が小さくなる。このため、同一回転数であればブリッジ部の応力が小さくなり、また、同一材料であればロータ４４０の回転数を上昇させることができる。

従来技術によるロータ４４０のブリッジ部に発生する応力をシミュレーションすると、所定条件下で、図５に示すように、ロータ４４０の回転中心から最も遠い部位に最大応力２１０ＭＰａが発生した。一方、半径外方に位置する空隙４４４の形状を第１の円弧４４４Ａとした場合には、同一の所定条件下で、図６に示すように、ロータ４４０の回転中心から最も遠い部位に最大応力１４４ＭＰａが発生した。従って、半径外方に位置する空隙４４４の形状を見直すことで、ブリッジ部に作用する最大応力を２１０ＭＰａから１４４ＭＰａへと約３１％低減することが確認できた。

ところで、半径外方に位置する空隙４４４の形状によっては、ロータ４４０の慣性モーメントが小さくなって、ロータ４４０の回転速度を安定させるフライホイール効果が弱くなり、モータ４００の出力トルクが変動するおそれがある。そして、モータ４００の出力トルクが変動すると、詳細を後述するように、出力トルクの一部に突極が現れてしまう。

そこで、図７に示すように、ロータ４４０の半径内方に位置する第１の円弧４４４Ａの端部に、第１の円弧４４４Ａとは回転方向の反対側に突出、即ち、空隙４４４の内方に向かって突出する第２の円弧４４４Ｃを滑らかに連接するとよい。ここで、第２の円弧４４４Ｃは、第１の円弧４４４Ａより小さい半径を有している。このようにすれば、ロータ４４０の体積が大きくなって、ロータ４４０の慣性モーメントを大きくすることができる。そして、ロータ４４０の慣性モーメントが大きくなることから、ロータ４４０の回転速度を安定させるフライホイール効果が発揮され、モータ４００の出力トルクの変動を抑制することができる。

このようなモータ４００について、上記と同一条件下で、ロータ４４０のブリッジ部に発生する応力をシミュレーションすると、図８に示すように、ロータ４４０の回転中心から最も遠い部位に最大応力６７ＭＰａが発生した。従って、空隙４４４の形状を更に見直すことで、ブリッジ部に作用する最大応力を２１０ＭＰａから６７ＭＰａへと約６８％低減することが確認できた。この最大応力が大幅に低減した理由は、明らかではないが、第１の円弧４４４Ａに第２の円弧４４４Ｃを滑らかに連接したため、先の実施形態と第１の円弧４４４Ａの形状が微妙に変化したためであると推測することができる。

また、電磁解析ソフトウエアを使用して、先の実施形態からどのようにトルク変動が抑制されたかをシミュレーションすると、先の実施形態では、図９に示すように、トルク波形に大きな突極が見られた。これに対し、ロータ４４０の半径内方に位置する第１の円弧４４４Ａの端部に第２の円弧４４４Ｃを滑らかに連接すると、図１０に示すように、トルク波形に見られた突極が小さくなった。従って、空隙４４４の形状を更に見直すことで、トルク変動の抑制も期待できることが分かった。なお、実験やシミュレーションなどを通して、空隙４４４の細部形状を見直すことで、さらなるトルク抑制効果も得られるであろう。

以上、本発明を実施するための実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に制限されるものではなく、下記に一例を列挙するように、技術的思想に基づいて種々の変形及び変更が可能である。

電動圧縮機は、スクロール型圧縮機１００に限らず、例えば、遠心式圧縮機、軸流式圧縮機、レシプロ圧縮機、斜板式圧縮機、ダイアフラム式圧縮機、スクリュー圧縮機、ロータリー圧縮機、ロータリーピストン型圧縮機、スライドベーン型圧縮機などであってもよい。また、背圧制御弁８６０は、背圧室Ｈ４へと供給される潤滑油の流量を増減することで、背圧室Ｈ４の背圧Ｐｍを目標圧に調整するようにしてもよい。

１００ スクロール型圧縮機（電動圧縮機）
４００ モータ
４２０ 駆動軸
４４０ ロータ
４４４ 空隙
４４４Ａ 第１の円弧
４４４Ｃ 第２の円弧
４６０ ステータ
４８０ 磁石
４８０Ａ 角部

Claims (5)

1. 回転駆動力を伝達する駆動軸と、前記駆動軸と一体的に回転するロータと、前記ロータの外周に配置されるステータと、を備え、前記ロータの外周部において周方向に複数の磁石が埋め込まれ、前記磁石の回転方向の両側方に空隙が形成されたモータであって、
   前記ロータの半径外方に位置する空隙は、前記ロータの横断面において、前記ロータの回転中心からの距離が、当該回転中心から前記磁石の半径外方に位置する角部までの距離より小さい複数の点を通る曲線により画定された、
   モータ。
2. 前記ロータの半径外方に位置する前記曲線は、第１の円弧からなる、
   請求項１に記載のモータ。
3. 前記ロータの半径内方に位置する前記第１の円弧の端部には、当該第１の円弧とは回転方向の反対側に突出する第２の円弧が連接された、
   請求項２に記載のモータ。
4. 前記第２の円弧は、前記第１の円弧より小さい半径を有する、
   請求項３に記載のモータ。
5. 請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載のモータを搭載した電動圧縮機。