JP4253574B2 - 永久磁石式回転電機及びそれを用いた圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、界磁用の永久磁石を回転子に備えている永久磁石式回転電機に関し、特に、エアコン，冷蔵庫，冷凍庫、あるいはショーケースなどに設けられた冷却装置を構成する電動圧縮機に関する。

従来、この種の永久磁石式回転電機においては、固定子巻線に集中巻が採用され、界磁には希土類のネオジウム永久磁石が採用されつつあり、この結果としてこれを用いた圧縮機などは騒音が大きくなる問題があった。この騒音対策として、例えば、特開２００１−３４２９５４号公報（特許文献１）に記載の電動圧縮機においては、圧縮機の密閉容器の内壁とこの内壁と当接する固定子鉄心外周部の軸方向の一部を切り欠くことが提案されている。

特開２００１−３４２９５４号公報

上記従来技術では、固定子鉄心の最外径の外周形状が２種類となり、ホローダイを用いたＨＡＣによる加締（凹凸の結合）を用いた型内積層によって固定子鉄心を形成する場合、圧力容器の内壁と当接する固定子鉄心の型内積層は行えるが、当接しない固定子鉄心については基準位置がなく型内積層が行えない問題がある。

なお、型内積層は、固定子鉄心を形成する固定子鉄板の外周を基準位置にして位置ずれが生じないように積重ねて積層するものである。

本発明の目的は、固定子鉄心の型内積層による組み立てができ、騒音問題を解決できる永久磁石式回転電機および電動圧縮機を提供することにある。

本発明は、フレーム内に嵌め込まれて支持される固定子と、この固定子の内側に回転自在に備わる回転子と、この回転子に設けられる永久磁石と、前記固定子を形成する固定子鉄心と、この固定子鉄心に巻装される固定子巻線と、前記固定子鉄心を形成するところの積層された多数の固定子鉄板とを有し、前記当接部の前記当接面積は、積層方向の中間位置で大きく、積層方向の両端側位置で小さく、前記積層方向の両端側位置の当接部の周方向幅を固定子外周長の１％未満とすることを特徴とする。

各固定子鉄板は、固定子鉄板の積層方向（軸方向）の位置によって、当接面積の違う当接部を有するので、回転電機から生ずる騒音を低減できる。また何れの固定子鉄板も外周に当接部を有するので、固定子鉄心の型内積層による組み立てができるのである。

以上に述べたように発明によれば、固定子鉄心の型内積層による組み立てができ、かつ騒音の少ない永久磁石式回転電機および電動圧縮機を提供することができた。

以下、本発明の実施例を図１〜図６を用いて詳細に説明する。各図中において、共通する符号は同一物を示す。また、ここでは４極の永久磁石式回転電機について示し、回転子の極数と固定子のスロット数との比を２：３とした。

まず、本発明の実施形態１について述べる。

図１は本発明の実施形態１に係る永久磁石式回転電機を示すもので、径方向断面形状を示し、図２は本発明の実施形態１に係る永久磁石式回転電機を示すもので、主として軸方向断面形状を示し、図３は本発明の実施形態１に係る永久磁石式回転電機を搭載した電動圧縮機の軸方向断面形状を示している。

そして、図１の（ａ）は径が大きいところの固定子鉄心の径方向断面形状、図１の(ｂ)は径が小さいところの固定子鉄心（外周に突起を有する）の径方向断面形状を示す。図１の（ａ）と図１の（ｂ）との違いは、固定子鉄心の外周形状にある。

図１の（ａ）に示されるように、永久磁石式回転電機１は固定子２と回転子３から構成される。固定子２はティース４とコアバック５からなる固定子鉄心６と、ティース４間のスロット７内にはティース４を取り囲むように巻装された集中巻の固定子巻線８（三相巻線のＵ相巻線８ａ，Ｖ相巻線８ｂ，Ｗ相巻線８ｃからなる）から構成される。ティース４が位置するところの固定子鉄心６の外周には半円形状の凹部８０が設けられている。

ここで、永久磁石式回転電機１は４極６スロットであるから、スロットピッチは電気角で１２０度である。回転子３は回転軸（図示せず）が挿入される回転軸孔９を形成した回転子鉄心１０の外周表面近傍に永久磁石挿入孔１１を形成し、永久磁石挿入孔１１中に希土類のネオジウムで作られた永久磁石１２を固定している。１３は固定子鉄心の最外周であり、回転軸と同心円形状となる。

図１（ｂ）において、１４は固定子鉄心の外周であり、固定子鉄心の最外周１３より若干径を小さく設定している。つまり、固定子鉄心の最外周１３のところは外径が大きく、固定子鉄心の外周１４のところは外径が小さく形成されている。

固定子鉄心の外周１４を小さくしすぎると、永久磁石式回転電機１の磁気特性を悪化させることになるため、１３と１４の径の偏差は１mm以内に設定した。

固定子鉄心の外周１４の外側には１５ａと１５ｂからなる二つの突起１５を形成し、突起１５の外周面が固定子鉄心の最外周１３と同一の径になるように設定している。ここでは、突起１５を各スロット４の外周上（凹部８０の間の外周）に２つ設けたが、１つでも良く、任意の個数を設けることができる。

固定子鉄心の最外周１３と外周１４に関し、図２を加えてさらに詳しく述べる。

図２の（ａ）は図１の永久磁石式回転電機１の固定子鉄心最外周１３と固定子鉄心の外周１４を併記したものであり、図２の（ｂ）は図２の（ａ）のＡ−Ａ′軸方向断面形状、図２の（ｃ）は図２の（ａ）のＢ−Ｂ′軸方向断面形状の半断面を示したものである。Ａ−Ａ′はティース４中央部での断面であり、Ｂ−Ｂ′がスロット７中央部での断面である。

図２の（ｂ）において、回転子３の回転子鉄心１０は回転軸１６に焼き嵌めされて固定され、固定子２の固定子鉄心の最外周１３はフレーム３０（図３参照）に焼き嵌め固定されている。

これに対し、図２の（ｃ）においては固定子２の固定子鉄心の最外周１３がフレーム
３０に軸方向長さＬａだけ焼き嵌め固定され、フレーム３０に突起１５が焼き嵌め固定される結果（図示せず）、軸方向長さ（Ｌｂ−Ｌａ）だけ、固定子鉄心の外周１４がフレーム３０から浮いた状態となる。つまり、固定子鉄心の最外周１３のところは、凹部８０を除いてフレーム３０の内周面に焼き嵌めによる当接が行われる。これに対し、固定子鉄心の外周１４のところは、突起１５だけがフレーム３０の内周面に焼き嵌めによる当接が行われ、他はフレーム３０から浮いた状態になる。

言い換えると、固定子鉄心１０は、多数の固定子鉄板が積み重なって形成されるのであるが、何れの固定子鉄板も外周はフレーム３０の内周面に当接するのである。但し、フレーム３０の内周面に当接するところの当接部の当接面積が積み重なる積層方向（軸方向）の位置によって異なっている。固定子鉄心の最外周１３のところでは凹部８０を除いて当接が行われるので、当接部の当接面積は大きく、逆に固定子鉄心の外周１４のところでは突起１５（突起状の当接部）だけしか当接が行われないので、当接部の当接面積は小さいのである。

つまり、何れの固定子鉄板も外周は前記フレームの内周に当接するが、その当接部の当接面積は、固定子鉄板の積層方向（軸方向）の位置で異なる（大きい／小さい）構成になっている。図１，図２に示す実施形態１では、固定子鉄板の積層方向（軸方向）の中間位置で当接部の当接面積が大きく、積層方向（軸方向）の両端側で当接部の当接面積が小さくなっている。

図３は、上述した本発明の永久磁石式回転電機１を組み込んだ電動圧縮機の断面形状を示す。

図３において、電動圧縮機４０は、外観がケースで形成されている。ケースは、円筒状のフレーム３０と上端側の上蓋３１と下端側の下蓋３２から構成される。フレーム３０は密封の容器になっている。

このフレーム３０内には、永久磁石式回転電機１である電動要素とスクロール圧縮機と呼称される圧縮要素５０が収納されている。

フレーム３０は、板状の鋼板を円筒状に折り曲げて形成される。このフレーム３０の上下端を上蓋３１および下蓋３２で閉じて密封の容器にする。上蓋３１および下蓋３２はフレーム３０に溶接することで、密閉構造としている。

圧縮要素５０は、固定スクロール部材５１の端板５２に直立する渦巻状ラップ５３と、旋回スクロール部材５４の端板５５に直立する渦巻状ラップ５６とを噛み合わせて形成し、旋回スクロール部材５４をクランク回転軸１６によって旋回運動させることによって圧縮動作を行う。

固定スクロール部材５１及び旋回スクロール部材５４によって形成される圧縮室５７
（５７ａ，５７ｂ，…）のうち、最も外径側に位置している圧縮室は、旋回運動に伴って両スクロール部材５１，５４の中心に向かって移動し、容積が次第に縮小する。圧縮室
５７ａ，５７ｂが両スクロール部材５１，５４の中心近傍に達すると、両圧縮室５７内の吸入パイプ５８から圧縮ガスは圧縮室５８と連通した吐出口５９から吐出される。

吐出された圧縮ガスは固定スクロール部材５１及び固定部材６０に設けられたガス通路（図示せず）を通って固定部材６０下部のフレーム３０内に至り、フレーム３０の側壁に設けられた吐出パイプ６１から電動圧縮機４０外に排出される。

また、電動圧縮機４０を構成する永久磁石式回転電機１（電動要素）は、別置のインバータ（図示せず）によって制御され、圧縮動作に適した回転速度で回転する。ここで、永久磁石式回転電機１は固定子２と回転子３から構成される。回転子３に設けられる回転軸１６は、上側がクランク軸になっている。回転軸１６の内部には、油孔６２が形成され、回転軸１６の回転によってフレーム３０の下部にある油溜め部６３の潤滑油が油孔６２を介して滑り軸受タイプの上側軸受部６４，ボール軸受タイプの下側軸受部６５に供給される。また、６６はターミナルであり、インバータからの電力を固定子巻線８に供給するものである。６７は台座である。

ここで、フレーム３０は板状の鋼板を折り曲げて円筒状に形成している関係上、内周の円径寸法精度は緩く、通常、径寸法で±２０ミクロンｍは変動している。この結果、フレーム３０内に焼嵌め嵌合する固定子２の固定子鉄心６は、どこでフレーム３０の内周と固定子鉄心６の外周が接触しているか規定できていない。このため、図３の図示には、図２の（ｃ）に示した永久磁石式回転電機１の径断面形状を示したが、フレーム３０と接するのは固定子鉄心の最外周１３（外径が大きい）であり、固定子鉄心の外周１４（外径が小さい）はフレーム３０と接触していない。なお、固定子鉄心の外周１４の外周には突起
１５があり、この突起１５の外周は固定子鉄心の最外周１３と同じ径にしているので、フレーム３０の内周と接触する。このため、固定子鉄心６を構成する何れの固定子鉄板も、フレーム３０の内周に接触（当接）するのである。但し、固定子鉄板の積層方向(軸方向)の中間位置で当接部の当接面積が大きく、積層方向（軸方向）の両端側で当接部の当接面積が小さくなっているのである。

図４は、上記の電動圧縮機４０について測定した騒音をグラフで示したものである。この電動圧縮機４０は冷暖房能力が公称２.２ｋＷ から２.８ｋＷ であり、冷媒として
Ｒ４１０Ａを封入して動作させた。測定マイクは永久磁石式回転電機１の軸方向中央部の位置で、１ｍ離して測定した。

図４は、横軸に周波数成分、縦軸に騒音を取り、従来の電動圧縮機と本発明の電動圧縮機の測定データを併せて示した。なお、従来の電動圧縮機は、固定鉄心の外周が積層方向（軸方向）の亘り、一様に接触しているものを用いた。

図４に示されているように、２００Ｈｚ，２５０Ｈｚ成分については本発明の電動圧縮機の騒音が従来より大きくなっているが、それ以上の周波数成分については本発明の電動圧縮機の騒音が従来より小さくなっている。図５には騒音のオーバーオール（ＯＡ）値を示した。図５に示されているように、本発明の電動圧縮機の騒音は、従来より１.７ｄＢ低減されている。

この騒音低減は、固定子鉄板の積層方向（軸方向）の中間位置で当接部の当接面積を大きく、積層方向（軸方向）の両端側で当接部の当接面積を小さくしたことによるものであるが、この当接部について固定子鉄心６の組み立ての面から説明する。

プレスで打ち抜かれた固定子鉄板を積層して固定子鉄心６を作る分けであるが、この積層はホローダイトと称する積層型内で行われる。

固定子鉄心の最外周１３（外径が大きい）に対応する固定子鉄板は外径が積層型の内径に一致しているが、固定子鉄心の外周１４（外径が小さい）に対応する固定子鉄板は外径が小さいため、積層型の内周との間に遊びの隙間ができる。しかし、固定子鉄心の外周
１４（外径が小さい）に対応する固定子鉄板の外周には突起１５が設けられ、かつ突起
１５の外周が固定子鉄心の最外周１３（外径が大きい）と同径になっている。このため、外径が小さい固定子鉄板にもかかわらず、固定子鉄心の最外周１３（外径が大きい）に対応する固定子鉄板と同様に積層型で径方に位置ずれすることなく、積層方向（軸方向）に良く揃った状態で積層される。

したがって、騒音が少なく、しかもホローダイトと称する積層型を用いて、積層できる固定子鉄心を提供できる。

また、型内積層される固定子鉄板は、ＨＡＣによる加締（凹凸の結合）により一つを丈夫な結合体（固定子鉄心）に出来上がる。

固定子鉄心６に固定子巻線８を巻装して作った固定子２は、焼き嵌め嵌合により、フレーム３０内に固定される。固定子鉄心６の上下側も突起１５の焼き嵌め嵌合でフレーム
３０内に固定されるが、突起１５の当接面積が小さいので強い固定は期待できない。固定子鉄心６の積層方向（軸方向）の中間位置（固定子鉄心の最外周１３(外径が大きい)のところ）が実質的な固定に寄与することになる。固定子鉄心６の上下側がフレーム３０に強く固定されないにもかかわらず、固定子鉄板が一枚毎にばらばらにならないのは、ＨＡＣによる加締（凹凸の結合）により丈夫に結合されているからである。

次に本発明の実施形態２について述べる。

図６は本発明による実施形態２の永久磁石式回転電機１を示す。図６は図２の（ｃ）に示したのと同様な断面形状を示している。

図６において、固定子２の固定子鉄心最外周１３がフレーム３０の左端部に軸方向長さＬａだけ焼き嵌め固定され、フレーム３０に突起１５が焼き嵌め固定される結果（図示せず）、軸方向長さ（Ｌｂ−Ｌａ）だけ、固定子鉄心外周１４がフレーム３０から浮いた状態となる。これによっても図１と同様の効果が得られ、電動圧縮機の騒音を低減できる。

図６において、固定子２の固定子鉄心最外周１３がフレーム３０の左端に軸方向長さ
Ｌａだけ焼き嵌め固定されているが、これを右端に設けても同様な効果が得られる。ただし、固定子２の固定子鉄心最外周１３がフレーム３０の両サイドに配置した場合、中央部が固定子鉄心外周１４がフレーム３０から浮いた状態となる。これについては騒音低減の効果が確認できなかった。この理由については明確ではないが、板状から折り曲げて円筒状に形成したフレーム内に固定子を焼き嵌めている関係上、内周の円管の精度は緩く、通常、径で±２０μｍは変動している。この結果、フレーム３０内に焼き嵌めする固定子２は、どこでフレーム３０の内周と固定子鉄心６の外周が接触しているか規定できず、フレーム３０の軸方向両サイドで接触して騒音低減に至らなかったと推定する。

本発明の電動圧縮機に用いた永久磁石式回転電機１の固定子外径は１０５mm、積厚４５mm、Ｌａは２０mmであり、全突起１５の周方向幅は固定子外周長の１％未満で行った。圧縮機は落下試験があり、落下時の衝撃により固定子２がフレーム３０の焼き嵌め位置からずれると規格を満足しなくなる。このため、固定子の積厚を変化して落下試験の結果、積厚１５mm（全積厚の３３.３％）は合格できたが、積厚１３mm（全積厚の２８.９％）は不合格となった。また、騒音試験の結果、Ｌａが３０mm(全積厚の６６.７％) の場合は騒音低減効果が得られたが、Ｌａが３５mm(全積厚の７７.８％）の場合は騒音低減効果が得られなかった。したがって十分な強度と騒音低減効果を得るためのＬａは全積厚の３３％以上で６７％未満が最適となる。

また、図３に示した圧縮機はスクロール圧縮機と呼ばれ、これとは別に、電動要素が上側に、圧縮要素が下側に位置する構造のロータリ圧縮機がある。このロータリ圧縮機は上側には軸受けがない構造になっている。これは製造コストを安くするためである。なお、本発明の永久磁石式回転電機は、このロータリ圧縮機にも適用することが可能である。

すなわち、スクロール圧縮機やロータリ圧縮機などの密閉型電動圧縮機において、実質的な固定子鉄心６の固定に寄与する最外周１３の部分の積厚が、固定子鉄心６の積厚の
３３％以上で６７％未満である電動要素として本発明を適用することは可能である。また、固定子鉄心６の耐衝撃性を高めるために、タック溶接のようなフレーム３０と最外周部分１３とを一体化させたりフレーム３０を内側に凸とする固定構造の適用により、最外周１３の部分の積厚が固定子鉄心６の積厚の１２％以上で６７％未満の電動要素として密閉型電動圧縮機に適用しても、何ら本発明の範囲を越えるものではない。タック溶接などの固定構造をとった場合、安全の為にマージンを考慮すると、最外周１３の部分の積厚が固定子鉄心６の積厚の２０％以上で３０％以下の電動要素を備えた密閉型電動圧縮機が好ましい。このとき固定構造をどのくらい設けるかは、密閉型電動圧縮機に求められる強度を達成する必要最小限度の個数を備えていれば良い。

上記実施例によれば、当接部を突起部としたことにより騒音を低減させることが可能となる。また、当接部の周方向幅が固定子外周長の１％未満とすることで、騒音をさらに低減させることが可能となる。

本発明の実施形態１に係る永久磁石式回転電機を示すもので、径方向断面形状を示す断面図。 本発明の実施形態１に係る永久磁石式回転電機を示すもので、主として軸方向断面形状を説明するための断面図。 本発明の実施形態１に係る永久磁石式回転電機を搭載した電動圧縮機の軸方向断面形状を示す断面図。 本発明の実施形態１に係る永久磁石式回転電機を搭載した電動圧縮機の騒音測定結果を示す図。 本発明の実施形態１に係る永久磁石式回転電機を搭載した電動圧縮機の騒音のオーバーオール（ＯＡ）値を示す図。 本発明の実施形態２に係る永久磁石式回転電機１の径方向断面形状を示す断面図。

符号の説明

１…永久磁石式回転電機、２…固定子、３…回転子、４…ティース、５…コアバック、６…固定子鉄心、７…スロット、８…固定子巻線、９…回転軸孔、１０…回転子鉄心、
１１…永久磁石挿入孔、１２…ネオジウム永久磁石、１３…固定子鉄心最外周、１４…固定子鉄心外周、１５…突起、１６…回転軸、１７…当て板材、１８…周方向隙間、３０…フレーム、３１…上蓋、３２…下蓋、４０…圧縮機、５０…圧縮要素、５１…固定スクロール部材、５２，５５…端板、５３，５６…渦巻状ラップ、５４…旋回スクロール部材、５７…圧縮室、５８…吸入パイプ、５９…吐出口、６０…固定部材、６１…吐出パイプ、６２…油孔、６３…油溜め部、６４…上側軸受部、６５…下側軸受部、６６…ターミナル、６７…台座。

Claims (11)

1. 円筒のフレームと、このフレーム内に嵌め込まれて支持される固定子と、この固定子の内側に回転自在に備わる回転子と、この回転子に設けられる永久磁石と、前記固定子を形成する固定子鉄心と、この固定子鉄心に巻装される固定子巻線と、前記固定子鉄心を形成するところの積層された多数の固定子鉄板とを有する永久磁石式回転電機にあって、
   前記各固定子鉄板は、外周に前記フレームの内周に当接する当接部を有し、
   前記当接部の前記当接面積は、積層方向の中間位置で大きく、積層方向の両端側位置で小さく、
   積層方向の両端側位置の前記当接部の周方向幅を固定子外周長の１％未満とすることを特徴とする永久磁石式回転電機。
2. 円筒のフレームと、このフレーム内に嵌め込まれて支持される固定子と、この固定子の内側に回転自在に備わる回転子と、この回転子に設けられる永久磁石と、前記固定子を形成する固定子鉄心と、この固定子鉄心に巻装される固定子巻線と、前記固定子鉄心を形成するところの積層された多数の固定子鉄板とを有する永久磁石式回転電機にあって、
   前記固定子鉄心は、前記各固定子鉄板を凹凸等の結合によって一つの結合体に形成され、
   前記固定子鉄心は、複数のティースと、このティースの両側に設けられる複数のスロットとを有し、このスロット内に位置する前記固定子巻線を前記ティースに巻装し、
   外径が大きい固定子鉄板の外周を前記フレームの内周に当接する当接部とし、
   外径が小さな固定子鉄板の外周には、前記フレームの内周に当接する突起状の当接部を設け、
   外径が大きい固定子鉄板の当接部の当接面積を大きく、突起状の当接部の当接面積を小さくするとともに、前記突起状の当接部の周方向幅を固定子外周長の１％未満とし、
   前記外径が大きい固定子鉄板は、積層方向の中間位置で配置し、前記外径が小さな固定子鉄板は、積層方向の両端側位置に配置したことを特徴とする永久磁石式回転電機。
3. 円筒のフレームと、このフレーム内に嵌め込まれて支持される固定子と、この固定子の内側に回転自在に備わる回転子と、この回転子に設けられる永久磁石と、前記固定子を形成する固定子鉄心と、この固定子鉄心に巻装される固定子巻線と、前記固定子鉄心を形成するところの積層された多数の固定子鉄板とを有する永久磁石式回転電機にあって、
   前記固定子鉄心は、前記各固定子鉄板を凹凸等の結合によって一つの結合体に形成され、
   前記固定子鉄心は、複数のティースと、このティースの両側に設けられる複数のスロットとを有し、このスロット内に位置する前記固定子巻線を前記ティースに巻装し、
   外径が大きい固定子鉄板の外周を前記フレームの内周に当接する当接部とし、
   外径が小さな固定子鉄板の外周には、前記フレームの内周に当接する突起状の当接部を設け、
   外径が大きい固定子鉄板の当接部の当接面積を大きく、突起状の当接部の当接面積を小さくするとともに、前記突起状の当接部の周方向幅を固定子外周長の１％未満とし、
   前記外径が大きい固定子鉄板は、積層方向の片側位置に配置し、前記外径が小さな固定子鉄板は、積層方向の反対位置に配置したことを特徴とする永久磁石式回転電機。
4. 請求項１から３の何れか一つに記載された永久磁石式回転電機において、
   前記固定子の固定子鉄心と前記フレームは焼嵌め嵌合されていることを特徴とする永久磁石式回転電機。
5. 請求項１から４の何れか一つに記載された永久磁石式回転電機において、
   前記フレームは、板状の鋼板を円筒に折り曲げ形成されていることを特徴とする永久磁石式回転電機。
6. 請求項１から５の何れか一つに記載された永久磁石式回転電機において、
   前記当接面積が大きい方の固定子鉄板の積厚は、固定子鉄心の全積厚の３３％〜６７％程度にしたことを特徴とする永久磁石式回転電機。
7. 請求項１から５の何れか一つに記載された永久磁石式回転電機において、
   前記当接面積が大きい方の固定子鉄板の積厚は、固定子鉄心の全積厚の１２％〜６７％程度としたことを特徴とする永久磁石式回転電機。
8. 請求項１から５の何れか一つに記載された永久磁石式回転電機において、
   前記当接面積が大きい方の固定子鉄板の積厚は、固定子鉄心の全積厚の２０％〜３０％程度としたことを特徴とする永久磁石式回転電機。
9. 請求項１から１０の何れか一つに記載された永久磁石式回転電機で圧縮要素を駆動する電動圧縮機。
10. 請求項１から１０の何れか一つに記載された永久磁石式回転電機と、前記フレーム内に備わる電動要素と、この電動要素に駆動される圧縮要素とを有する電動圧縮機。
11. 請求項１０に記載した電動圧縮機において、
    前記回転子に回転軸を設け、この回転軸の下側を回転自在に支持する下側軸受部を前記電動要素の下側に位置するように設けたことを特徴とする電動圧縮機。

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