JP5144923B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

この発明は、例えば空調器用圧縮機に搭載される回転電機であって、特に、回転子の鉄心内部に永久磁石が装着された回転子の鉄心構造に関する。

従来の回転電機、特に分布巻の巻線を施した固定子を有するものにおいては、組込着磁の際の回転子の位置決めのために、固定子の巻線に直流電流を流して、回転子の連結部を通る磁路を形成し、固定子の突極と連結部との間に働く吸引力によって、回転子を着磁の位置に直接設定するものがあった（例えば特許文献１）。

すなわち、特許文献１では、ヨーク部の周囲に設けられた複数の永久磁石、これら永久磁石の周囲に設けられた外周リング、各永久磁石の境界位置に設けられてヨーク部と外周リングを連結する連結部を有する回転子と、複数の相巻線を有する固定子とからなる永久磁石回転機において、固定子の巻線に位置決め電流を流し、この位置決め電流によって生じる、固定子の突極と回転子の連結部との吸引作用により回転子を基準位置に回動させ、その後、固定子の巻線に着磁電流を流して各永久磁石を着磁することを特徴とする永久磁石回転機の着磁方法が開示されていた。

特開平６−２５３５０８号公報（段落［００１１］〜［００１６］、図５）

しかしながら、集中巻の巻線を施した固定子の場合、巻線の分布と磁石幅の関係で連結部を通る磁路が主磁路とはならず、回転子鉄心の磁石より外周側部分を通る磁路が主磁路となり、連結部での吸引力が他の位置に比べて大きくならない。そのため、連結部での位置決めができなかった。他の回転位置での位置決めが可能な形状のものもあったが、着磁の位置で直接位置決めできないため、位置決めの後、回転子をさらに着磁の位置に動かさなければならないという問題点があった。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、集中巻の巻線の施された固定子においても、固定子の巻線に直流電流を通電することにより、回転子を着磁の位置に直接位置決めすることができる回転電機を提供することを目的としている。

この発明に係る回転電機は、回転軸の周囲に設けられた鉄心内周部と、鉄心内周部の外周側に複数個設けられ永久磁石を装着する磁石挿入孔と、磁石挿入孔の外周側に設けられた鉄心外周部と、隣り合う磁石挿入孔の間にあって鉄心内周部と鉄心外周部とを磁気的に連結する連結部を有する回転子と、回転子の外周側に配置され、複数個の突極と、突極に巻回された集中巻かつ複数相の巻線を有する固定子とを備え、集中巻の巻線に直流を流して、回転子の連結部が、固定子の隣り合う突極の先端間のギャップの位置に来るように位置決めして後、固定子の隣り合う突極に巻回された２相の巻線に通電して永久磁石を着磁するものであって、回転子の連結部の幅を固定子の隣り合う突極の先端間のギャップより狭く構成するとともに、連結部の外周側に、固定子の隣り合う突極の先端間のギャップＷ１と同等か若しくは広い円周方向範囲Ｗ２で、半径方向の厚みを増した肉厚部分を設け、肉厚部分の円周方向両側に、肉厚部分より半径方向の厚みを相対的に薄くした肉薄部分を設け、回転子の半径をｒ、回転子の位置決めにおける角度誤差の許容値を±Θｒａｄｉａｎとしたとき、Ｗ２≦Ｗ１＋２ｒΘを満たすようにしたことを特徴とする。

この発明に係る回転電機によれば、回転子の鉄心内周側と鉄心外周側を結ぶ連結部の外周側に、固定子の隣り合う突極の先端間のギャップと同等か若しくは広い円周方向範囲で、半径方向の厚みを増した肉厚部分を設け、肉厚部分の円周方向両側に肉厚部分より半径方向の厚みを相対的に薄くした肉薄部分を設けたので、集中巻の巻線が施された固定子であっても、固定子の巻線へ直流電流を通電することにより、回転子の着磁位置での位置決めが可能となる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図に基づいて説明する。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による回転電機を示す断面図である。図２は図１の実施の形態１による回転電機の要部である連結部付近を拡大した図である。

図１において、固定子１にはその内周側に複数個（図１では９個）の突極２が設けられ、それら突極２の各々に対して巻回され、かつ突極２間のスロット３に納まるような集中巻かつ複数相の巻線（図示せず）が施されている。また、回転子１０は、その中心に位置する回転軸１１と、回転軸１１の周囲に設けられた鉄心内周部１２と、鉄心内周部１２の外周側に設けられた複数個（図１では６個）の磁石挿入孔１３と、磁石挿入孔１３の外周側に設けられた鉄心外周部１４と、隣り合う磁石挿入孔１３の間にあって鉄心内周部１２と鉄心外周部１４とを磁気的に連結する連結部１５が設けられている。

各磁石挿入孔１３には、それぞれ希土類永久磁石等の板状の永久磁石（図示せず）が挿入される。また、鉄心外周部１４には、誘起電圧波形の歪を調整するためのスリット１６が設けられている。

図２は、図１の回転子１０の位置決め部分が拡大表示されている。図２において、回転子１の連結部１５の外周側に、隣り合う突極２の先端間のギャップ４（距離Ｗ１）より同等か若しくは広い円周方向範囲で、半径方向の厚みを増した肉厚部分２０（幅Ｗ２）を設け、肉厚部分２０の円周方向両側に、半径方向の厚みを肉厚部分２０より相対的に薄くした肉薄部分２１（肉厚部分２０を含んだ幅Ｗ３）を設けている。なお、肉厚部分２０は、連結部１５の円周方向中央位置から円周方向両側にかけて同じ幅を有することが好ましく、また、円周方向中央位置から円周方向両側にかけて左右対称な形状であることが好ましい。さらには、肉薄部２１に関しても、左右対称な形状であることが望ましい。

このような構成によれば、例えば、図２における突極２Ａに巻回したＵ相巻線（図示せず）と突極２Ｂに巻回したＶ相巻線（図示せず）に位置決め電流（直流電流）を流すと、Ｕ相巻線の突極２Ａから発生した磁束が、回転子１０の肉厚部分２０を通って、Ｖ相巻線の突極２Ｂに流れる磁路Ｍ１が形成される。その際に、回転子１０の位置が左右のいずれかにずれると、相対的に厚みの薄い肉薄部分２１が磁路の一部になるため、磁気抵抗が増して吸引力が減少することになり、元の位置に戻ろうとする復元力が働く。すなわち、回転子１０は図２に示す回転位置に落ち着くように吸引力が働く。

なお、回転子１０の位置決めにおける角度誤差の許容値を±Θｒａｄｉａｎ、回転子の半径をｒとすると、Ｗ２≦Ｗ１＋２ｒΘとすると良い。また、Ｗ３は広いほうが望ましいが、Ｗ３≧Ｗ２＋２ｒΘであればよい。

上記のように回転子１０が位置決めされた後、そのままの位置で１回目の着磁を行う。すなわち、例えば、集中巻における２相通電着磁の場合、図２に示す位置でＵ相巻線、Ｖ相巻線による１回目の着磁を施し、磁石挿入孔１３に設けた永久磁石（図示せず）の半分を着磁した後、回転子１０を６０°回転し、Ｕ相巻線、Ｖ相巻線の電圧印加の極性を反転して２回目の着磁を行うことで永久磁石全体の着磁が完了する。

なお、図２に示すような回転子１０の位置決め（本実施の形態の位置決め）のほか、たとえば図６に示すような回転子１０の位置など、複数の異なる位置での位置決めの可能性が考えられる。すなわち、図６において、Ｕ相巻線及びＶ相巻線に位置決め電流を流し、連結部１５を介して流れる磁路Ｍ２を利用して、磁石挿入孔１３内の永久磁石の円周方向中心ＯがＵ相巻線の突極２ＡとＶ相巻線の突極２Ｂの略中間に位置するように、回転子１０の位置決めを行う。しかしながら、この位置決めの場合、着磁の位置まで回転させる必要がある以外に、連結部１５の幅が狭いことから、磁束Ｍ３や磁束Ｍ４のように、磁石挿入孔１３を通って流れる漏れ磁束が僅かながら存在する。そのため、磁石挿入孔１３内に挿入された板状の永久磁石（図示せず）の両端部側で異なる方向の磁界が印加されることになる。未着磁の磁石は、着磁の方向と逆向きの磁界が僅かでも印加されると、逆向きに着磁され、本来の向きに着磁されにくくなることがわかっている。そのため、図６のような回転子１０の位置決めでは、位置決め精度が向上できたとしても、逆向きの着磁の影響により本来の着磁電流を大きくせざるを得ず、位置決め精度の向上による着磁電流低減効果が半減若しくは相殺されてしまう。

そのため、できるだけ回転子１０の位置決め位置と着磁の位置が同じで、かつ位置決め電流の向きと着磁電流の向きを同じに揃えることが望ましい。具体的には、図２のような回転子位置（本実施の形態の回転子位置）で位置決めできることが望ましい。その際、機械的な位置調整（粗調）で逆磁界がかからない位置まで回転子１０の位置を調整して後、電流による位置決め（微調）をすることが望ましい。

実施の形態２．
上記実施の形態１において、連結部１５の外周側の肉厚部分２０と肉薄部分２１の半径方向厚みの変化は、位置決め優先で考えると急激に変化することが望ましい。従って、この実施の形態では肉厚部分２０と肉薄部分２１の境界を段差形状にしている。

このように、回転子１０の連結部１５の外周側に位置する肉厚部分２０と肉薄部分２１の境界を段差形状としたので、回転子１０に働く吸引力の強い範囲（肉厚部分２０）と弱い範囲（肉薄部分２１）の落差が大きくなり、位置決め精度が向上する。

なお、位置決めのためには段差は大きいほど良いが、永久磁石の異なる極間で磁束の短絡が生じると特性劣化につながるため、両者（位置決め精度と短絡による特性劣化）のバランスを考え、肉厚部分２０の半径方向厚みと肉薄部分２１の半径方向厚みの比は１．５〜３程度が実用的である。

実施の形態３．
図３は、この発明の実施の形態３による回転電機の連結部付近を拡大した図である。本実施の形態では、図３に示すように、回転子１０の連結部１５の外周側に位置する肉厚部分２０Ａの形状を、回転子１０の外周から外側に飛び出す凸形状とした。

本実施の形態では、回転子１０の連結部１５の外周側に位置する肉厚部分２０Ａの形状を、回転子１０の外周から外側に飛び出す凸形状としたので、肉厚部分２０Ａと固定子１の突極２との距離が縮まるため、位置決めの際の吸引力が増す。そのため、少ない位置決め電流で回転子１０の位置決めが可能となる。

実施の形態４．
図４は、この発明の実施の形態４による回転電機の連結部付近を拡大した図である。本実施の形態では、図４に示すように、回転子１０の連結部１５の外周側に位置する肉薄部分２１Ｂの形状を、回転子１０の外周から内側に凹ませる凹形状とした。

本実施の形態では、回転子１０の連結部１５の外周側に位置する肉薄部分２１Ｂの形状を、回転子１０の外周から内側に凹ませる凹形状としたので、肉薄部２１Ｂと固定子１の突極２との距離が大きくなり磁気抵抗が増大するため、回転子１０の位置ずれの場合の吸引力の差が大きくでき、位置決め精度を向上することができる。

実施の形態５．
図５は、この発明の実施の形態５による回転電機の連結部付近を拡大した図である。本実施の形態では、回転子１０の位置決めよりも誘起電圧波形の歪を重視することを考慮して、図５に示すように、肉厚部分２０Ｃと肉薄部分２１Ｃの境界にテーパを設けて誘起電圧の変化を緩やかにしている。なお、テーパの代わりに多段の段差を設けても良い。

本実施の形態では、回転子１０の連結部１５の外周側に位置する肉厚部分２０Ｃと肉薄部分２１Ｃの境界をテーパ形状若しくは多段の段差形状としたので、誘起電圧の歪を抑えながら、位置決め精度を向上させることができる。

この発明の実施の形態１による回転電機を示す断面図である。 この発明の実施の形態１による回転電機の連結部付近を拡大した図である。 この発明の実施の形態３による回転電機の連結部付近を拡大した図である。 この発明の実施の形態４による回転電機の連結部付近を拡大した図である。 この発明の実施の形態５による回転電機の連結部付近を拡大した図である。 この発明と異なる回転電機の回転子の位置決めを示す連結部付近の拡大図である。

符号の説明

１ 固定子、２ 突極、３ スロット、４ ギャップ、１０ 回転子、１１ 回転軸、
１２ 鉄心内周部、１３ 磁石挿入孔、１４ 鉄心外周部、１５ 連結部、
２０，２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ 肉厚部分、２１，２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ 肉薄部分。

Claims (5)

1. 回転軸の周囲に設けられた鉄心内周部と、上記鉄心内周部の外周側に複数個設けられ永久磁石を装着する磁石挿入孔と、
   上記磁石挿入孔の外周側に設けられた鉄心外周部と、
   隣り合う上記磁石挿入孔の間にあって上記鉄心内周部と上記鉄心外周部とを磁気的に連結する連結部を有する回転子と、
   上記回転子の外周側に配置され、複数個の突極と、上記突極に巻回された集中巻かつ複数相の巻線を有する固定子とを備え、
   上記集中巻の巻線に直流を流して、上記回転子の連結部が、上記固定子の隣り合う突極の先端間のギャップの位置に来るように位置決めして後、上記固定子の隣り合う突極に巻回された２相の巻線に通電して上記永久磁石を着磁する回転電機において、
   上記回転子の連結部の幅を上記固定子の隣り合う突極の先端間のギャップより狭く構成するとともに、上記連結部の外周側に、上記固定子の隣り合う突極の先端間のギャップＷ１と同等か若しくは広い円周方向範囲Ｗ２で、半径方向の厚みを増した肉厚部分を設け、上記肉厚部分の円周方向両側に、上記肉厚部分より半径方向の厚みを相対的に薄くした肉薄部分を設け、
   上記回転子の半径をｒ、上記回転子の位置決めにおける角度誤差の許容値を±Θｒａｄｉａｎとしたとき、Ｗ２≦Ｗ１＋２ｒΘを満たすようにしたことを特徴とする回転電機。
2. 上記回転子の上記連結部の外周側に位置する上記肉厚部分と上記肉薄部分の境界を段差形状としたことを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
3. 上記回転子の上記連結部の外周側に位置する上記肉厚部分は、上記回転子の外周から外側に飛び出す凸形状であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の回転電機。
4. 上記回転子の上記連結部の外周側に位置する上記肉薄部分は、上記回転子の外周から内側に凹ませる凹形状であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の回転電機。
5. 上記回転子の上記連結部の外周側に位置する上記肉厚部分と上記肉薄部分の境界は、テーパ形状若しくは多段の段差形状となっていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の回転電機。

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