JP4838347B2 - 永久磁石同期電動機及び密閉型圧縮機 - Google Patents

Description

この発明は、主に密閉型圧縮機等に搭載される永久磁石同期電動機に関するものである。

電流位相制御困難な永久磁石埋め込みロータにおいて、トルクリップルを低減するために、略円筒形ロータコア内部に、長手方向に永久磁石を埋設してなる永久磁石埋め込み型ロータであって、各極の永久磁石のロータコア外周側付近からロータ表面付近に伸びる、複数のスリットを有する永久磁石埋め込み型ロータが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、電機子反作用磁束を軽減すると共に、外周部鉄心の磁束分布を改善することにより、騒音や振動の少ない高効率な永久磁石電動機を提供するために、回転子鉄心中にその軸心を中心とする略正多角形の各辺に対応する部位に形成された永久磁石収容孔と、この磁石収容孔にそれぞれ挿入された永久磁石と、永久磁石収容孔の外周鉄心に形成され、径方向に細長く、かつ、永久磁石収容孔に沿って離隔配置された４個以上のスリット孔とを備え、スリット孔の径方向外側端のピッチを略等しくし、径方向内側端のピッチを永久磁石の中央部を大きくし、中央部から端部に離れるに従って小さくした永久磁石電動機が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
特開平１１−１８７５９７号公報 特開２００５−９４９６８号公報

しかしながら、前記特許文献１の永久磁石埋め込み型ロータでは、固定子巻線に誘起される電圧は高調波を多く含んだ波形となり、振動・騒音の増大を招くと共に、鉄損の増加による効率低下をもたらす課題があった。

また、前記特許文献２の永久磁石電動機では、固定子巻線に誘起される電圧の高調波は低減しているが、スリット孔の形状が複雑となり加工費が増加する。また永久磁石端部の磁束を効果的に利用することができず、効率低下を招くという課題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、高効率で、低振動・低騒音な永久磁石同期電動機及び密閉型圧縮機を提供することを目的とする。

この発明に係る永久磁石同期電動機は、固定子と、回転子とを備え、
固定子は、複数枚の電磁鋼板を積層して形成され、隣接するスロット間に形成された磁極歯部を備えた固定子鉄心と、固定子鉄心のスロットに配置される固定子巻線とを有し、
回転子は、固定子の磁極歯部の内側に空隙を介して設けられ、複数枚の電磁鋼板を積層して形成される回転子鉄心と、回転子鉄心内部の外周部近傍に設けられた複数の磁石挿入孔と、磁石挿入孔に挿入される永久磁石と、磁石挿入孔の外周側の回転子鉄心に形成され、永久磁石付近から回転子鉄心の外周表面付近に延びる複数のスリットとを有し、
スリットの内、回転子鉄心の磁極中心付近の複数のスリットは、永久磁石から発する磁束が回転子鉄心の外側で収束する方向に向くように配置されると共に、回転子鉄心の極間部付近のスリットは、回転子鉄心の磁極中心付近の複数のスリットと異なる方向に向くように配置されることを特徴とする。

固定子は、磁極歯部に固定子巻線が直接巻装された集中巻線方式であることを特徴とする。

回転子鉄心の磁極中心付近の複数のスリットは、磁極歯部の回転子鉄心に対向する空隙側の幅内に設けられることを特徴とする。

固定子鉄心は、磁極歯部毎に分割されていることを特徴とする。

回転子極間部付近のスリットで、回転子極間部に近く、磁石挿入孔の周方向両端部に位置するスリットの磁石挿入孔側で、かつ、回転子極間部側の両端間の距離を、空隙に面する磁極歯部の幅よりも大きくしたことを特徴とする。

回転子極間部付近の磁石挿入孔の外周側の鉄心部である極間外周薄肉部の径方向寸法を、極間部付近のスリットの外周側の鉄心部である外周薄肉部の径方向寸法より大きくしたことを特徴とする。

外周薄肉部の径方向寸法と、極間部付近のスリットと磁石挿入孔との間の鉄心部である内周薄肉部の径方向寸法との和を、極間外周薄肉部の径方向寸法よりも大きくしたことを特徴とする。

永久磁石同期電動機を備えたことを特徴とする。

この発明に係る永久磁石同期電動機は、上記構成により、永久磁石の磁束を有効利用することで、高効率な永久磁石同期電動機が得られると共に、電動機の発生する振動・騒音を抑制した低振動・低騒音な永久磁石同期電動機が得られる。

実施の形態１．
図１乃至図３は実施の形態１を示す図で、図１は永久磁石同期電動機１００の横断面図、図２は永久磁石同期電動機１００の回転子４０の一部を示す図、図３は永久磁石同期電動機１００の固定子３０および回転子４０の一部を示す図である。

図１において、永久磁石同期電動機１００は、固定子３０と、回転子４０とを備える。固定子３０は、固定子鉄心１と、固定子巻線４とを有する。固定子鉄心１には、内周面付近に軸方向へ延びる９個のスロット３が設けられる。固定子鉄心１は、板厚０．１〜１ｍｍ程度の電磁鋼板を複数枚積層することで構成されている。隣接するスロット３の間には、９個の磁極歯部２が形成されている。磁極歯部２は外周側から内周側にかけて略平行の形状を有しており、外周側および内周側共、周方向（円弧状）に広がるような構造となっている。

固定子鉄心１は、磁極歯部２毎に分割されており、９個の分割された磁極歯部２から構成されている。

固定子巻線４は、分割された磁極歯部２に所定の巻数を直接巻き付けてなる集中巻線方式で巻線されている。固定子巻線４は、例えば銅線やアルミ線で構成されている。固定子巻線４の巻数や銅線の線径などは、永久磁石同期電動機１００として要求される所望のトルク、回転数、電動機に印加される電圧およびスロット３の断面積などに応じて決定される。

固定子巻線４を分割された磁極歯部２に施した後、分割された磁極歯部２を溶接や圧入などの加工を行うことで円形の固定子３０が形成される。分割された磁極歯部２を圧入加工する際は、隣り合う磁極歯部２の接合部を凹凸形状に構成する必要がある。

固定子３０の内周側には、０．１〜２ｍｍ程度の空隙を介して回転子４０が設けられる。回転子４０は、回転子鉄心５と、永久磁石７とを備える。回転子鉄心５も、固定子鉄心１と同様に板厚０．１〜１ｍｍ程度の電磁鋼板を複数枚積層することで構成されている。

回転子鉄心５には、その軸心を中心とする略正六角形の各辺に対応する部位に、６個の磁石挿入孔８が設けられている。そして、Ｎ極とＳ極とが周方向に交互に配置されるように、６枚の永久磁石７が磁石挿入孔８に挿入されている。永久磁石７は平板形状構造であり、ネオジウム、鉄、ボロンを主成分とする希土類磁石である。

磁石挿入孔８の外側の回転子鉄心５に、径方向に細長く延びる複数個のスリット６が、磁石挿入孔８に沿って離隔配置される。図１の例では、１極の永久磁石７（１個の磁石挿入孔８）に対して７本のスリット６が設けられている。

磁石挿入孔８（永久磁石７）の中心を、回転子磁極中心とする。また、隣接する磁石挿入孔８（永久磁石７）の間を、回転子極間部とする。

図２は永久磁石同期電動機１００の回転子４０の一極分を示す。図２において、一極分のスリット６は、７本のスリット６１、スリット６２、スリット６３、スリット６４（回転子磁極中心上に配置される）、スリット６５、スリット６６、スリット６７で構成される。

７本のスリット６１、スリット６２、スリット６３、スリット６４（回転子磁極中心上に配置される）、スリット６５、スリット６６、スリット６７が回転子磁極中心に対して対称に、磁石挿入孔８に沿って、この順に磁石挿入孔８の端から離隔配置される。

７本のスリット６１、スリット６２、スリット６３、スリット６４、スリット６５、スリット６６、スリット６７の内、回転子磁極中心側の５本のスリット６２、スリット６３、スリット６４、スリット６５、スリット６６は、永久磁石７が発する磁束が回転子磁極中心に集中するように、回転子４０の外側で略収束する方向に配置されている。図２に示す回転子４０の外側のＸ点に、５本のスリット６２、スリット６３、スリット６４、スリット６５、スリット６６の中心線が収束するのが、最も好ましい。但し、Ｘ点に、これらの中心線が略収束すれば同等の特性が得られる。Ｘ点は、固定子鉄心１の外周より内側にあるのが好ましい。

また、回転子極間部に近い２本のスリット６１およびスリット６７は、回転子磁極中心の５本のスリット６２、スリット６３、スリット６４、スリット６５、スリット６６とは異なる方向に向けて配置されている。例えば、回転子極間部に近い２本のスリット６１およびスリット６７は、永久磁石７（磁石挿入孔８）に対して直角方向に配置されている。

固定子鉄心１の磁極数（スロット数）が９個であるのに対して、回転子の極数が６極である。そのため、固定子３０の磁極歯部２の磁極幅に対して、永久磁石７の幅が大きくなっている。しかし、回転子磁極中心に近い５本のスリット６２、スリット６３、スリット６４、スリット６５、スリット６６の配置（向き）を永久磁石７の磁束が回転子４０の外側で略収束するように設けられている。そのため、集中巻線方式の固定子３０に対して、永久磁石７の磁束を効果的に利用することができる。

更に回転子極間部に近いスリット６１およびスリット６７は、永久磁石７に対して直角方向に配置されている。回転子極間部のスリット６１およびスリット６７も、回転子磁極中心側のスリット６２、スリット６３、スリット６４、スリット６５、スリット６６と同様に磁束が収束する方向に配置することで、磁束を有効利用することは可能である。しかし、回転子極間部においては、永久磁石７の磁束の向きに対して、スリット６１およびスリット６７の傾きが大きくなるため、永久磁石７の端部の磁束を遮断してしまう場合がある。回転子極間部のスリット６１およびスリット６７の向きを、他の回転子磁極中心側のスリット６２、スリット６３、スリット６４、スリット６５、スリット６６の向きと異なるようにすることで（例えば、永久磁石７に対して直角方向に配置）、永久磁石７の中心部の磁束のみならず永久磁石７の端部の磁束を効果的に利用することができる。

永久磁石７の磁束を有効利用することにより、固定子巻線４に流す電流を一定にした場合は、永久磁石同期電動機１００の発生するトルクが大きくなる。またトルク一定の場合は、固定子巻線４に流す電流を小さくすることができる。そのため、銅損を低減させた高効率な永久磁石同期電動機１００を得ることができる。

更にトルク一定および電流一定の場合では、永久磁石７の体積を小さくすることが可能である。それにより、安価な永久磁石同期電動機１００を得ることもできる。

また、図３は永久磁石同期電動機の固定子鉄心１の９個の磁極歯部２の中の１個分と、６極の回転子鉄心５の１極分を示した断面図である。図３において、磁極歯部２の回転子鉄心５に対向する空隙側の幅寸法をＡとする。また、磁束が収束する方向に向いたスリット６２、スリット６３、スリット６４、スリット６５、スリット６６の中、最も回転子磁極中心から離れたスリット６２およびスリット６６間の磁石挿入孔８側の距離をＢとする（スリット６２およびスリット６６の回転子極間部側の端部を基準）。そして、Ａ＞Ｂの関係を満たすように構成されている。

Ａ＞Ｂにすることで、永久磁石７の磁束をより効果的に磁極歯部２に集中させることができる。それにより、高効率な永久磁石同期電動機を得ることができる。

また、回転子極間部に近いスリット６１およびスリット６７の磁石挿入孔８側で、かつ、回転子極間部側の両端間の距離をＣとする。そして、Ｃ＞Ａ＞Ｂにすることで、永久磁石７の端部の磁束を有効利用できる。また、固定子巻線４に誘起される電圧（以下、誘起電圧と称する）を正弦波状に近づけることができる。

誘起電圧の波形は、固定子鉄心１、永久磁石７、磁石挿入孔８及びスリット６の形状・配置によりほぼ決まる。特に、回転子極間部近傍のスリット６１およびスリット６７の形状は、誘起電圧の波形に大きく寄与している。

誘起電圧が正弦波に近づくこと、すなわち誘起電圧の高調波成分が少なくなることにより、永久磁石同期電動機１００を運転させたときの振動・騒音を抑制することができる。また、鉄損増加による効率低下を防止することができる。Ｃ＞Ａにすることで、回転子極間部の磁束の変化が滑らかになる。それにより、誘起電圧の波形を正弦波に近づけることができる。結果、低振動・低騒音な永久磁石同期電動機１００を得ることができる。更に永久磁石７の横幅よりもＣ寸法を小さくすることで、より一層の効果を得ることができる。

本実施の形態では、固定子３０の磁極歯部２の数が９個、回転子４０の磁極数が６極の場合について述べた。別の組合せ、例えば、固定子３０の磁極歯部２の数が１２個と回転子４０の磁極数が８極との組合せであっても同様の効果を得ることができる。さらに、固定子３０の磁極歯部２の数が１８個と回転子４０の磁極数が１２極との組合せであっても同様の効果を得ることができる。

また、スリット６の本数を７本の場合について述べたが、４本以上であれば効果を得ることができる。

実施の形態２．
図４は実施の形態２を示す図で、永久磁石同期電動機１００の回転子鉄心５の一部を示す図である。

図４において、極間部に近いスリット６７の外周側の鉄心部を外周薄肉部９とする。スリット６７と磁石挿入孔８との間の鉄心部を内周薄肉部１１とする。極間部付近の磁石挿入孔８の外周側の鉄心部を極間外周薄肉部１０とする。

本実施の形態では、外周薄肉部９の幅寸法（径方向寸法）をＤ１、極間外周薄肉部１０の幅寸法（径方向寸法）をＤ２とした場合、Ｄ１＜Ｄ２となるように構成されている。実施の形態１では、誘起電圧を正弦波に近づけるために、回転子極間部近傍のスリット６７の形状が大きく寄与することについて述べた。スリット６７の形状と同様に、極間外周薄肉部１０の形状・寸法も、誘起電圧を正弦波に近づけるために大きく寄与する。

Ｄ２≦Ｄ１であると、誘起電圧の電圧値としては大きくなる。しかし、誘起電圧波形は高調波成分を含む、歪んだ波形になる傾向がある。Ｄ２＞Ｄ１とすることで、誘起電圧を正弦波に近づけることが可能となる。但し、Ｄ２寸法を大きくしすぎると、永久磁石７の磁束が隣り合う極間外周薄肉部１０に漏れてしまうため、誘起電圧の電圧値が低くなり、永久磁石同期電動機の効率を悪化させてしまう。そのため、Ｄ２寸法は、Ｄ１の１．２〜３倍程度に設定することがより望ましい。また、Ｄ１寸法は回転子鉄心５を構成する電磁鋼板の１枚の板厚（０．１〜１ｍｍ程度）の１〜２倍程度が望ましい。

また、この永久磁石同期電動機１００が毎分７０００回転（ｒｐｍ）以上の高速で運転される場合、Ｄ２寸法を小さくしすぎると高速回転時の遠心力により極間外周薄肉部１０に応力が集中し、最悪の場合、極間外周薄肉部１０が破断・破壊する可能性がある。

本実施の形態では、Ｄ２をＤ１より大きくすることで遠心力に対する強度が増加する。そのため、信頼性の高い永久磁石同期電動機１００を得ることができる。また、誘起電圧の高調波成分を少なくした低振動・低騒音な永久磁石同期電動機１００を得ることができる。

また、内周薄肉部１１の幅寸法をＤ３とする。そして、Ｄ２＜Ｄ１＋Ｄ３となるように構成されている。永久磁石７の磁束は、固定子３０の磁極歯部２に流れ、トルクに寄与する分と、隣り合う永久磁石７の方向に流れる漏れ磁束の分がある。漏れ磁束は、極間外周薄肉部１０を通るため、Ｄ２寸法が大きく寄与する。

また、スリット６７に対して回転子磁極中心に近い部分の永久磁石７の磁束は、外周薄肉部９（幅寸法Ｄ１）及び内周薄肉部１１（幅寸法Ｄ３）を通り、極間外周薄肉部１０（幅寸法Ｄ２）から磁束が隣接する永久磁石７へ漏れる。

ここでは、Ｄ２＜Ｄ１＋Ｄ３としているため、Ｄ１及びＤ３からの永久磁石７の漏れ磁束を、Ｄ２で抑制することができる。そのため、永久磁石７の磁束を効果的に利用することができる。結果、高効率な永久磁石同期電動機１００を得ることができる。

実施の形態３．
図５は実施の形態３を示す図で、回転式圧縮機２０（密閉型圧縮機の一例）の縦断面図である。図５において、回転式圧縮機２０の密閉容器２２の内部には、電動要素２１と圧縮要素２３とが収容されている。電動要素２１には、実施の形態１または実施の形態２に示した永久磁石同期電動機１００を使用する。

吸入管２４は冷凍サイクルの蒸発器（図示せず）と接続され、冷媒を圧縮要素２３に導く。吐出管２５は冷凍サイクルの凝縮器と接続され、密閉容器２２内の高圧冷媒を冷凍サイクルに送り出す。

実施の形態１または実施の形態２に示した永久磁石同期電動機１００を、回転式圧縮機２０に搭載した場合、搭載される永久磁石同期電動機１００が高効率であるため、高効率な回転式圧縮機２０を得ることができる。その回転式圧縮機２０を空気調和機や冷凍冷蔵庫に用いれば省エネ化を実現することができる。

実施の形態１を示す図で、永久磁石同期電動機１００の横断面図。 実施の形態１を示す図で、永久磁石同期電動機１００の回転子４０の一部を示す図。 実施の形態１を示す図で、永久磁石同期電動機１００の固定子３０および回転子４０の一部を示す図。 実施の形態２を示す図で、永久磁石同期電動機１００の回転子鉄心５の一部を示す図である。 実施の形態３を示す図で、回転式圧縮機２０の縦断面図である。

符号の説明

１ 固定子鉄心、２ 磁極歯部、３ スロット、４ 固定子巻線、５ 回転子鉄心、６ スリット、７ 永久磁石、８ 磁石挿入孔、９ 外周薄肉部、１０ 極間外周薄肉部、１１ 内周薄肉部、２０ 回転式圧縮機、２１ 電動要素、２２ 密閉容器、２３ 圧縮要素、２４ 吸入管、２５ 吐出管、３０ 固定子、４０ 回転子、６１ スリット、６２ スリット、６３ スリット、６４ スリット、６５ スリット、６６ スリット、６７ スリット、１００ 永久磁石同期電動機。

Claims (8)

1. 固定子と、回転子とを備え、
   前記固定子は、
   複数枚の電磁鋼板を積層して形成され、隣接するスロット間に形成された磁極歯部を備えた固定子鉄心と、
   前記固定子鉄心の前記スロットに配置される固定子巻線とを有し、
   前記回転子は、
   前記固定子の前記磁極歯部の内側に空隙を介して設けられ、
   複数枚の電磁鋼板を積層して形成される回転子鉄心と、
   前記回転子鉄心内部の外周部近傍に設けられた複数の磁石挿入孔と、
   前記磁石挿入孔に挿入される永久磁石と、
   前記磁石挿入孔の外周側の前記回転子鉄心に形成され、前記永久磁石付近から前記回転子鉄心の外周表面付近に延びる複数のスリットとを有し、
   前記スリットの内、前記回転子鉄心の磁極中心付近の複数のスリットは、前記永久磁石から発する磁束が前記回転子鉄心の外側で収束する方向に向くように配置されると共に、前記回転子鉄心の極間部付近のスリットは、前記回転子鉄心の磁極中心付近の複数のスリットと異なる方向に向くように配置され、
   前記回転子鉄心の極間部付近の前記磁石挿入孔の外周側の鉄心部である極間外周薄肉部の径方向寸法が、前記回転子鉄心の極間部付近のスリットの外周側の鉄心部である外周薄肉部の径方向寸法より大きいことを特徴とする永久磁石同期電動機。
2. 固定子と、回転子とを備え、
   前記固定子は、
   複数枚の電磁鋼板を積層して形成され、隣接するスロット間に形成された磁極歯部を備えた固定子鉄心と、
   前記固定子鉄心の前記スロットに配置される固定子巻線とを有し、
   前記回転子は、
   前記固定子の前記磁極歯部の内側に空隙を介して設けられ、
   複数枚の電磁鋼板を積層して形成される回転子鉄心と、
   前記回転子鉄心内部の外周部近傍に設けられた複数の磁石挿入孔と、
   前記磁石挿入孔に挿入される永久磁石と、
   前記磁石挿入孔の外周側の前記回転子鉄心に形成され、前記永久磁石付近から前記回転子鉄心の外周表面付近に延びる複数のスリットとを有し、
   前記スリットの内、前記回転子鉄心の磁極中心付近の複数のスリットは、前記永久磁石から発する磁束が前記回転子鉄心の外側で収束する方向に向くように配置されると共に、前記回転子鉄心の極間部付近のスリットは、前記回転子鉄心の磁極中心付近の複数のスリットと異なる方向に向くように配置され、
   前記回転子鉄心の極間部付近のスリットの外周側の鉄心部である外周薄肉部の径方向寸法と、前記回転子鉄心の極間部付近のスリットと前記磁石挿入孔との間の鉄心部である内周薄肉部の径方向寸法との和が、前記回転子鉄心の極間部付近の前記磁石挿入孔の外周側の鉄心部である極間外周薄肉部の径方向寸法より大きいことを特徴とする永久磁石同期電動機。
3. 前記固定子は、前記磁極歯部に前記固定子巻線が直接巻装された集中巻線方式であることを特徴とする請求項１又は２記載の永久磁石同期電動機。
4. 前記回転子鉄心の磁極中心付近の複数のスリットは、前記磁極歯部の前記回転子鉄心に対向する空隙側の幅内に設けられることを特徴とする請求項３記載の永久磁石同期電動機。
5. 前記固定子鉄心は、前記磁極歯部毎に分割されていることを特徴とする請求項３記載の永久磁石同期電動機。
6. 前記回転子鉄心の極間部付近のスリットで、前記回転子鉄心の極間部に近く、前記磁石挿入孔の周方向両端部に位置するスリットの前記磁石挿入孔側で、かつ、前記回転子鉄心の極間部側の両端間の距離を、前記空隙に面する前記磁極歯部の幅よりも大きくしたことを特徴とする請求項３記載の永久磁石同期電動機。
7. 前記外周薄肉部の径方向寸法と、前記回転子鉄心の極間部付近のスリットと前記磁石挿入孔との間の鉄心部である内周薄肉部の径方向寸法との和が、前記極間外周薄肉部の径方向寸法より大きいことを特徴とする請求項１記載の永久磁石同期電動機。
8. 請求項１から７のいずれかに記載の永久磁石同期電動機を備えたことを特徴とする密閉型圧縮機。

Images