JP5583954B2

JP5583954B2 - 永久磁石モータおよびエアコンディショナ

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Publication number: JP5583954B2
Application number: JP2009250722A
Authority: JP
Inventors: 勇新田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2009-10-30
Filing date: 2009-10-30
Publication date: 2014-09-03
Anticipated expiration: 2029-10-30
Also published as: JP2011097773A

Description

本発明は、保磁力の異なる複数の永久磁石を有する永久磁石モータおよびこの永久磁石モータを用いたエアコンディショナに関する。

この種の永久磁石モータでは、当該永久磁石モータにより駆動する運転条件に応じて、固定子巻線に鎖交する永久磁石の磁束量（鎖交磁束量）を適正に調整することが望まれている。

従来、この種の永久磁石モータとして、同一磁極内に保磁力の異なる複数の永久磁石を埋設し、周方向に隣接する磁石は同一磁石となるように配置されており、それら永久磁石を埋設した軟磁性体は軸方向に分離するものがあった（例えば、特許文献１参照）。

軟磁性体を分離した理由は、同一磁極内のそれぞれの磁石に別磁石からの逆磁界が作用するのを妨げるためである。

この逆磁界が作用すると、保磁力の小さい磁石が減磁しやすくなる。したがって、保磁力の小さい磁石といえども、その逆磁界に耐えるだけの保磁力が必要であるため、比較的保磁力を大きくする必要があった。また、増磁を行う磁化のための磁界は保磁力の大きい磁石に偏るため、磁化電流が大きくなってしまう欠点があった。そこで、上記従来技術では、この逆磁界が作用しないようにするためには、軟磁性体を軸方向に分離する必要があった。

特開２００５−３０４２０４号公報

しかし、逆磁界が作用しないようにするためには、軟磁性体を分離する距離は少なくとも径方向空隙長の数倍以上必要であり、回転子および固定子の全体の軸方向寸法が長くなるという課題があると共に、固定子に巻装される巻線長が長くなるため、銅損が増大するという課題があった。

本発明は、構造を大型化せずに、保磁力の小さい永久磁石に対して保磁力の大きい永久磁石からかかる逆磁界の影響を抑制することが可能な永久磁石モータおよびエアコンディショナを提供することを目的とする。

本発明によると、回転子の周方向に複数の磁極が形成された永久磁石モータにおいて、保磁力の異なる永久磁石が軸方向に並んで配設された複数の第１の磁極と、前記第１の磁極に対して周方向に隣り合い、前記第１の磁極の保磁力の小さい永久磁石に対して周方向に隣り合う部分のうち少なくとも一部に保磁力の大きい永久磁石が配設された第２の磁極とを有することを特徴とする永久磁石モータが提供される。

本発明によれば、構造を大型化せずに、保磁力の小さい永久磁石に対して保磁力の大きい磁石からかかる逆磁界の影響を抑制することが可能な永久磁石モータおよびエアコンディショナを提供できる。

本発明の第１の実施例に係る永久磁石モータの断面図。本発明の第１の実施例に係る回転子の斜視図。本発明の第１の実施例に係る接続回路を示す模式図。本発明の第２の実施例に係る回転子の斜視図。本発明の第３の実施例に係るエアコンディショナの冷凍サイクルの概略構成図。

（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態について、図１ないし図３を参照して説明する。

図１は、第１の実施例の永久磁石モータ１の回転軸２に平行な断面図である。図２は、永久磁石モータ１の回転子６の斜視図を示す。永久磁石モータ１は、図中左右から挟むことにより全体を支えるハウジング３、４と、ハウジング３、４により挟み込まれ固着された固定子５と、固定子５の内周に配置された回転子６とから構成されている。

ハウジング３、４は、例えばアルミで形成されている。

固定子５は、例えば珪素鋼板を打ち抜き、積層固着し、さらに表面を絶縁処理した固定子コア７と、固定子コア７の内周側に設けられた６個の突極部に３相で集中巻した巻線８とから構成されている。

回転子６は、例えば珪素鋼板を打ち抜き、積層して形成した回転子コア９と、回転子コア９を貫通して固着されたステンレス鋼製の回転軸２と、回転軸２とハウジング３、４に嵌合して回転子コア９を回転自在に支持するベアリング１０ａ、１０ｂとから構成されている。

回転子コア９は、全体としてほぼ環状に構成されており、打ち抜き形成した軟磁性体で
ある珪素鋼板を多数枚積層し且つかしめることによって構成したものである。回転子コア
９は、当該回転子コア９の円環状部分を構成するヨーク部１１と、このヨーク部１１の外
周側に円弧状に突出する複数の磁石保持部１２とを有する。これら磁石保持部１２は、当
該磁石保持部１２に配置される永久磁石によって磁極が形成される部分である。即ち、１
つの磁石保持部１２あたり１磁極が形成される。

磁石保持部１２は、磁石保持部１２の中央部において回転子コア９の軸方向（ケイ素鋼板の積層方向）に貫通して形成された磁石挿入口１３を有している。この磁石挿入口１３は、回転子コア９において、永久磁石モータ１（回転子コア９）の周方向に沿って環状に並んで配置された構成となっている。なお、磁石挿入口１３の形状は、適宜変更して設定することができる。この磁石挿入口１３は、周方向に４箇所形成されており、この磁石挿入口１３に永久磁石が挿入されている。各磁石挿入口１３に永久磁石が内側外側に向けて交互に磁化されており、磁極が形成される。つまり、本実施例では、４磁極６コイル構成のモータとなっている。なお、本実施例では、対向する２つの磁極を第１の磁極１４、第１の磁極１４に隣り合う２つの磁極は第２の磁極１５と称する。

第１の磁極１４の磁石挿入口１３の内部には、保磁力が大きい磁石１４ａ（以下、高保磁力磁石１４ａと称す）と、保磁力の小さい磁石１４ｂ（以下、低保磁力磁石１４ｂと称す。）が軸方向に並んで固着されている。高保磁力磁石１４ａとして、例えば保磁力が８００ｋA／ｍ程度のネオジム−鉄−ボロン系磁石（以下、ネオジム磁石と称す。）が挙げられる。低保磁力磁石１４ｂとして、例えば保磁力を２００ｋA／ｍ程度に低減したサマリウム−コバルト系磁石（以下、サマコバ磁石と称す。）が挙げられる。この第１の磁極１４の高保磁力磁石１４ａは、回転子コア９の積層厚の３／４相当の厚さを有し、低保磁力磁石１４ｂは、回転子コア９の積層厚の１／４相当の厚さを有する。また、それぞれの第１の磁極１４の低保磁力磁石１４ｂは、回転子コア９の一方の端部側に揃って配置されている。

第２の磁極１５の磁石挿入口１３の内部には、高保磁力磁石１５ａが固着されている。高保磁力磁石１５ａとしては、例えば保磁力が８００ｋA／ｍ程度のネオジム磁石が挙げられる。この第２の磁極１５は、第１の磁極１４と異なり、高保磁力磁石１５ａのみが固着されている。これにより、回転子コア９の一方の端部側を回転軸２に垂直な面で見ると、低保磁力磁石１４ｂと高保磁力磁石１５ａが周方向に交互に配置されている状態となる。また、回転子コア９の他端部側を回転軸２に垂直な面で見ると、高保磁力磁石１４ａと高保磁力磁石１５ａが周方向に交互に配置されている状態となる。

なお、ネオジム磁石１４ａが高保磁力であり、サマコバ磁石１４ｂが低保磁力であると
いうのは、巻線８から電機子反作用による外部磁界（巻線８を流れる電流によって発生す
る磁界）を作用させた場合に、サマコバ磁石の着磁量を変化させることができる程度の電
流ではネオジム磁石の着磁量が変化しないという基準において、前者を高保磁力，後者を
低保磁力と称している。

図３は、永久磁石モータ１、電源１６、制御回路部１７およびインバータ回路１８の構
成を模式的に示している。永久磁石モータ１において永久磁石に対向する部分には、当該
永久磁石の磁気を検出する磁気センサ１９が配置されている。この磁気センサ１９は、固
定子５側に取り付けられた回路基板（図示せず）に実装されている。図３に示すように、
制御回路部１７は、この磁気センサ１９からの検出信号に基づいて回転子６の回転位置を
演算する。そして、この演算結果に応じたゲート駆動信号Ｇによって、６個のＩＧＢＴ１
８ａ（図３では２個のみ図示）を三相ブリッジ接続してなるインバータ回路１８を駆動す
ることにより、巻線８の通電を制御しながら回転子６を回転させるようになっている。

次に、本実施例の永久磁石モータ１の永久磁石の磁束変化の動作について説明する。

制御回路部１７がインバータ回路１８を介して巻線５に通電すると、電機子反作用によ
る外部磁界（巻線８を流れる電流により発生する磁界）が、回転子６の永久磁石１４ａ、
１４ｂ、１５ａに作用するようになる。そして、これら永久磁石１４ａ、１４ｂ、１５ａ
のうち、保磁力が小さいサマコバ磁石１４ｂの磁化状態が、この電機子反作用による外部
磁界により減磁または増磁され、これにより、巻線８に鎖交する磁束量（鎖交磁束量）を
増減することができる。そこで、本実施形態では、制御回路部１７は、巻線８の通電を制
御することにより、サマコバ磁石１４ｂの磁化状態を運転条件に応じて切り換えて実行す
るようになっている。

以上に説明したように本実施形態の永久磁石モータ１によれば、保磁力が異なる２種類の永久磁石１４ａ、１４ｂのうち保磁力が小さい低保磁力磁石１４ｂの磁化状態を、電機子反作用による外部磁界により減磁または増磁することで、駆動する運転条件に応じた永久磁石の磁束量の調整が可能となる。これにより、永久磁石の磁束量が常に一定となることがなく、高速回転時の絶縁破壊や低速回転時の出力低下などを防止できる。

回転子コア９の第１の磁極１４内では、高保磁力磁石１４ａと低保磁力磁石１４ｂを軸方向に隣接して配置し、回転子コア９の一方の端部側では、低保磁力磁石１４ｂと高保磁力磁石１５ａが周方向に交互に配置されている状態としている。これにより、図２に示すように、低保磁力磁石１４ｂに対して、軸方向に隣接する高保磁力磁石１４ａから逆方向の磁界が作用し（図２の実線）、周方向に隣接する高保磁力磁石１５ａから正方向の磁界が作用し（図２の破線）、低保磁力磁石１４ｂに作用する磁界が相殺される。ゆえに、保磁力の小さい磁石を使用しても、隣接する高保磁力磁石からの磁界の影響で低保磁力磁石の磁束が変化してしまうことがない。よって、保磁力の小さい磁石を使用することができるようになり、低保磁力磁石を増磁および減磁する場合の磁化電流を小さくすることができるため、消費電力を低減することができる。なお、ここで言う正方向の磁界とは、低保磁力磁石の磁界の向きと同じ向きの磁界を指し、逆方向の磁界とは、低保磁力磁石の磁界の向きと反対向きの磁界を指す。また、図２の実線は、回転子コア９の永久磁石より外側を通る磁束を示し、破線は、回転子コア９の永久磁石より内側を通る磁束を示している。

また、保磁力の小さい磁石を使用することができるようになることにより、永久磁石モータ１の磁束の可変幅を大きくとることが可能となる。

また、特許文献１に開示された技術とは異なり、回転子コア９を形成する軟磁性体を軸方向に分離する必要がないので、永久磁石モータ１の構造を小型なものとすることができる。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について図４を参照しながら説明する。なお、上述した第１の実施形態と同一部分については説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。本実施形態は、第１の実施形態で示した第２の磁極１５に挿入する磁石が異なる。

第２の磁極１５の磁石挿入口１３の内部には、高保磁力磁石１５ｃと低保磁力磁石１５ｄが軸方向に並んで固着されている。この第２の磁極１５の高保磁力磁石１５ｃは、回転子コア９の積層厚の３／４相当の厚さを有し、低保磁力磁石１５ｄは、回転子コア９の積層厚の１／４相当の厚さを有する。また、それぞれの第１の磁極１４の低保磁力磁石１４ｂは、回転子コア９の一方の端部側に揃って配置されているのに対し、それぞれの第２の磁極１５の低保磁力磁石１５ｄは、回転子コア９の他方の端部側に揃って配置されている。これにより、回転子コア９の一方の端部側を回転軸２に垂直な面で見ると、第１の磁極１４の低保磁力磁石１４ｂと第２の磁極１５の高保磁力磁石１５ｃが周方向に交互に配置されている状態となる。また、回転子コア９の他端部側を回転軸２に垂直な面で見ると、第１の磁極１４の高保磁力磁石１４ａと第２の磁極１５の低保磁力磁石１５ｄが周方向に交互に配置されている状態となる。

この第２の実施形態の永久磁石モータ１によれば、第１の実施形態の永久磁石モータ１と同様、保磁力が異なる２種類の永久磁石１４ａ、１４ｂ、１５ｃ、１５ｄのうち保磁力が小さい低保磁力磁石１４ｂ、１５ｄの磁化状態を、電機子反作用による外部磁界により減磁または増磁することで、駆動する運転条件に応じた永久磁石の磁束量の調整が可能となる。これにより、永久磁石の磁束量が常に一定となることがなく、高速回転時の絶縁破壊や低速回転時の出力低下などを防止できる。

回転子コア９の第１の磁極１４内および第２の磁極１５内では、高保磁力磁石と低保磁力磁石を軸方向に隣接して配置し、回転子コア９の両端部側では、低保磁力磁石と高保磁力磁石が周方向に交互に配置されている状態としている。これにより、低保磁力磁石に対して、軸方向に隣接する高保磁力磁石から逆方向の磁界が作用し、周方向に隣接する高保磁力磁石から正方向の磁界が作用し、低保磁力磁石に作用する磁界が相殺される。ゆえに、保磁力の小さい磁石を使用しても、隣接する高保磁力磁石からの磁界の影響で低保磁力磁石の磁束が変化してしまうことがない。よって、保磁力の小さい磁石を使用することができるようになり、低保磁力磁石を増磁および減磁する場合の磁化電流を小さくすることができるため、消費電力を低減することができる。なお、ここで言う正方向の磁界とは、低保磁力磁石の磁界の向きと同じ向きの磁界を指し、逆方向の磁界とは、低保磁力磁石の磁界の向きと反対向きの磁界を指す。また、図４の実線は、回転子コア９の永久磁石より外側を通る磁束を示し、破線は、回転子コア９の永久磁石より内側を通る磁束を示している。

また、保磁力の小さい磁石を使用することで、永久磁石モータ１の磁束の可変幅を大きくとることが可能となる。

さらに、低保磁力磁石の割合を増やすことで、永久磁石モータ１全体の磁束量の変化幅が２０％程度広がり、運転条件に対する出力特性をより適正化することができる。

また、全ての磁極で、同一磁極内に配置されている磁石が高保磁力磁石と低保磁力磁石を有することとなるので、各磁極からでる磁束量が同程度となり、コギングトルクを低減することができる。

（第３の実施形態）
図５は、エアコンディショナの冷凍サイクルの概略構成を示している。図５に示すように、エアコンディショナＥのヒートポンプ２０を構成するコンプレッサ２１（負荷に相当）は、圧縮部２２と永久磁石モータ１とを同一の鉄製密閉容器２３内に収容して構成され、永久磁石モータ１の回転軸２が圧縮部２２に連結されている。コンプレッサ２１、四方弁２５、室内側熱交換器２６、減圧装置２７および室外側熱交換器２８は、冷媒通路であるパイプにより閉ループを構成するように接続されている。なお、コンプレッサ２１は、例えばロータリ型のコンプレッサであり、永久磁石モータ１は、上記実施例で示した永久磁石モータ１である。

暖房時には、四方弁２５は実線で示す状態となっている。このため、コンプレッサ２１の圧縮部２２で圧縮された高温冷媒は、四方弁２５から室内側熱交換器２６に供給されて凝縮し、その後、減圧装置２７で減圧され、低温となって室外側熱交換器２８に流れ、そこで蒸発してコンプレッサ２１へと戻る。一方、冷房時には、四方弁２５は破線で示す状態に切り替えられる。このため、コンプレッサ２１の圧縮部２２で圧縮された高温冷媒は、四方弁２５から室外側熱交換器２８に供給されて凝縮し、その後、減圧装置２７で減圧され、低温となって室内側熱交換器２６に流れ、そこで蒸発してコンプレッサ２１へと戻る。室内側熱交換器２６および室外側熱交換器２８には、それぞれファン２９および３０により送風が行われるようになっている。この送風により、室内側熱交換器２６および室外側熱交換器２８と、室内空気および室外空気との熱交換が効率良く行われるように構成されている。

このようなエアコンディショナにおいて、永久磁石モータ１を用いて、保磁力が異なる２種類の永久磁石のうち保磁力が小さい低保磁力磁石の磁化状態を、電機子反作用による外部磁界により減磁または増磁することで、駆動する運転条件に応じた永久磁石の磁束量の調整が可能となる。これにより、永久磁石１にかかる負荷条件に応じた駆動を可能とし、出力効率の良いエアコンディショナを提供することができる。

（その他の実施形態）
上記実施例では、第１の実施形態において、第１の磁極１４の高保磁力磁石１４ａと低保磁力磁石１４ｂの大きさを限定し、第２の磁極１５に高保磁力磁石１５ａのみを配置した構成を示したが、これに限られず、低保磁力磁石１４ｂの周方向に隣接する部分のうち少なくとも一部に高保磁力磁石１５ａがあれば上記の効果を得ることができ、多種の形状をとることができる。また、第２の実施形態において、第１の磁極１４の高保磁力磁石１４ａと低保磁力磁石１４ｂの大きさおよび第２の磁極１５の高保磁力磁石１５ｃと低保磁力磁石１５ｄの大きさを限定して記載したが、これに限られず、低保磁力磁石１４ｂの周方向に隣接する部分の少なくとも一部に高保磁力磁石１５ｃがあり、低保磁力磁石１５ｄの周方向に隣接する部分の少なくとも一部に高保磁力磁石１４ａがあれば上記の効果を得ることができ、多種の形状をとることができる。

上記実施例は４極６スロット構成の永久磁石モータ１を示したが、４極６スロットに限られず、低保磁力磁石の周方向に隣接する部分のうち少なくとも一部に高保磁力磁石があれば本発明の効果を得ることができ、多種の構成を採用することができる。また、上記実施例では、インナーロータ型の永久磁石モータ１を示したが、アウターロータ型の永久磁石モータとしてもよい。

高保磁力磁石は、ネオジム磁石以外の磁石でもよく、また、低保磁力磁石は、サマコバ磁石以外でもよい。高保磁力磁石の保磁力が低保磁力磁石の保磁力より大きければ良く、好ましくは保磁力が２倍以上異なるものを採用する。

１…永久磁石モータ、２…回転軸、５…固定子、６…回転子、７…固定子コア、８…巻線、９…回転子コア、１１…ヨーク部、１２…磁石保持部、１３…磁石挿入口、１４…第１の磁極、１４ａ…高保磁力磁石、１４ｂ…低保磁力磁石、１５…第２の磁極、１５ａ…高保磁力磁石、１５ｃ…高保磁力磁石、１５ｄ…低保磁力磁石、１６…電源、１７…制御回路、１８…インバータ回路、１９…磁気センサ、２０…ヒートポンプ、２１…コンプレッサ、２２…圧縮部、２３…密閉容器、２５…四方弁、２６…室内側熱交換器、２７…減圧装置、２８…室外側熱交換器

Claims

回転子の周方向に複数の磁極が形成された永久磁石モータにおいて、
前記回転子は、
軸方向に貫通する磁石挿入口が周方向に配置された回転子コアと、
１つの前記磁石挿入口内に保磁力の異なる永久磁石を軸方向に並んで配設した複数の第
１の磁極と、
前記第１の磁極を構成する前記１つの磁石挿入口に対して周方向に隣り合う１つの磁石
挿入口に、前記第１の磁極の保磁力の小さい永久磁石に対して周方向に隣り合う部分のう
ち少なくとも一部に保磁力の大きい永久磁石が配設された第２の磁極と、を有し、
前記第１の磁極の保磁力の小さい永久磁石の軸方向長さと、前記第２の磁極の保磁力の
大きい永久磁石の軸方向長さは等しくないことを特徴とする永久磁石モータ。
前記第２の磁極を構成する永久磁石は保磁力の大きい永久磁石のみであることを特徴と
する請求項１記載の永久磁石モータ。
前記第２の磁極は、軸方向に複数の保磁力の永久磁石が配設され、前記第１の磁極の保
磁力の大きい永久磁石に周方向で隣り合う部分のうち少なくとも一部に保磁力の小さい永
久磁石が配設されていることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石モータ。
前記第１の磁極と前記第２の磁極は周方向に交互に配置されていることを特徴とする請
求項１乃至３のいずれか一つに記載の永久磁石モータ。
前記保磁力の小さい永久磁石の磁化状態を電機子反作用磁界により調整する磁化状態調
整手段を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一つに記載の永久磁石モータ
。
請求項１乃至５のいずれか一つに記載の永久磁石モータと、
この永久磁石モータの駆動を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記永久磁石のうち相対的に保磁力が小さい永久磁石の磁化状態を切り
換えられるように構成したことを特徴とするエアコンディショナ。