JP5743947B2

JP5743947B2 - 電動機、その電動機を備えた圧縮機および送風機、それら圧縮機あるいは送風機を備えた冷凍空調装置

Info

Publication number: JP5743947B2
Application number: JP2012091095A
Authority: JP
Inventors: 浩二矢部; 直弘桶谷; 馬場　和彦; 和彦馬場
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-04-12
Filing date: 2012-04-12
Publication date: 2015-07-01
Anticipated expiration: 2032-04-12
Also published as: JP2013220000A

Description

本発明は、回転子、その回転子を備えた電動機、その電動機を備えた圧縮機および送風機、それら圧縮機あるいは送風機を備えた冷凍空調装置に関する。

一般に、永久磁石埋込型電動機では、例えば、ホールＩＣ等の磁気検出素子により回転子の位置を検出して駆動制御を行う。このような磁気検出素子を用いて回転子の位置を検出する技術として、例えば、互いに隣接して回転子鉄心内にハの字状に埋め込まれた永久磁石の周方向に対向する面の略中央を通る同一の円周上を通る位置に磁気検出素子を取り付けることにより、磁気検出素子の感度ばらつきによる回転子の位置検出のばらつきを低減する技術が開示されている（例えば、特許文献１）。

特開２００５−１６８１１６号公報

しかしながら、上記従来技術では、磁気検出素子の取り付け位置にばらつきが生じることを考慮していないため、回転子の位置検出のばらつきを十分に低減することができず、効率や騒音の悪化を招く、という問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、磁気検出素子の取り付け位置のばらつきによる回転子の位置検出のばらつきを抑制し、回転子の位置情報の精度を向上させ、永久磁石埋込型電動機の効率低下および騒音を抑制することが可能な回転子を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明にかかる電動機は、複数の磁石挿入孔が周方向に沿って等角度間隔で設けられた電磁鋼板を複数枚積層して構成される回転子鉄心、および、隣り合う前記磁石挿入孔に極性を交互にして挿入され磁極を形成する複数の永久磁石を有する回転子と、前記永久磁石の軸方向漏れ磁束を検出し、前記回転子の位置検出情報を出力する磁気検出素子と、を備え、前記磁気検出素子は、前記回転子鉄心の軸方向端面上における前記各磁石挿入孔間の近接部の径方向幅の中心から前記各磁石挿入孔間の近接部の径方向外側端部までの範囲内において、回転軸からの径方向距離最大位置と径方向距離最小位置とが規定された径方向取り付け位置のばらつき許容範囲内に配置されており、前記回転子鉄心は、前記径方向距離最大位置における前記各磁石挿入孔間の近接部の周方向幅ｔ１と、前記径方向距離最小位置における前記各磁石挿入孔間の近接部の周方向幅ｔ２とが、ｔ１≧ｔ２を満たすことを特徴とする。

本発明によれば、磁気検出素子の取り付け位置のばらつきによる回転子の位置検出のばらつきを抑制し、回転子の位置情報の精度を向上させ、永久磁石埋込型電動機の効率低下および騒音を抑制することができる、という効果を奏する。

図１は、実施の形態にかかる回転子を適用した電動機の縦断面図である。図２は、実施の形態にかかる回転子の横断面図である。図３は、実施の形態にかかる回転子の極間部の拡大図である。図４は、実施の形態にかかる回転子における図２に付したＢ−Ｂ線に沿う矢視縦断面図である。図５は、実施の形態にかかる回転子の第１変形例を示す横断面図である。図６は、実施の形態にかかる回転子の第２変形例を示す横断面図である。図７は、実施の形態にかかる回転子の第３変形例を示す横断面図である。図８は、実施の形態にかかる回転子の第４変形例を示す横断面図である。

以下に添付図面を参照し、本発明の実施の形態にかかる永久磁石埋込型電動機の回転子、その回転子を備えた電動機、その電動機を備えた圧縮機および送風機、それら圧縮機あるいは送風機を備えた冷凍空調装置について説明する。なお、以下に示す実施の形態により本発明が限定されるものではない。なお、以下の説明では、永久磁石埋込型電動機を、単に「電動機」と呼び、この電動機の回転子を、単に「回転子」と呼ぶ。

実施の形態．
図１は、実施の形態にかかる回転子を適用した電動機の縦断面図である。また、図２は、実施の形態にかかる回転子の横断面図である。本実施の形態では、回転子鉄心の内部に永久磁石を埋め込んだ構造の永久磁石埋込型電動機（ＩＰＭモータ：ＩｎｔｅｒｉｏｒＰｅｒｍａｎｅｎｔＭａｇｎｅｔＭｏｔｏｒ）に適用可能な実施例について説明する。

図１に示すように、電動機１は、固定子２および実施の形態にかかる回転子３を含み構成され、回転子３を構成する回転子鉄心４の軸方向端面に軸方向の漏れ磁束を検出する磁気検出素子５(例えばホールＩＣ)を備えている。磁気検出素子５はセンサ基板６により固定されている。電動機１は、磁気検出素子５により検出された回転子３の位置情報に基づいて駆動制御される。

固定子２は、固定子鉄心７に固定子巻線８が巻回されて構成され、実施の形態にかかる回転子３は、図２に示すように、上述した回転子鉄心４の中心部に設けられたシャフト挿入孔９にシャフト１０が挿通固定され、回転子鉄心４の外周側の軸方向に周方向外周部に沿って等角度間隔で設けられた複数の磁石挿入孔１１に永久磁石１２が極性を交互にして挿入されて構成されている。

回転子鉄心４は、薄板（例えば、０．１〜１．０ｍｍ程度）の電磁鋼板を上述したシャフト挿入孔９および複数の磁石挿入孔１１が設けられた所定の形状に金型で打ち抜き（以下、「プレス加工」という）、所定数（複数枚）積層して形成される。なお、図２に示す例では、磁石挿入孔１１が４つ、つまり、４つの永久磁石１２により４つの磁極を形成する例を示しているが、磁極の数はこれに限らず、６つあるいはそれ以上の磁極を形成する構成であってもよいことは言うまでもない。

本実施の形態では、回転子鉄心４には、磁気検出素子５の径方向距離最大位置と径方向距離最小位置とが規定されている。これら磁気検出素子５の径方向距離最大位置および径方向距離最小位置は、回転子鉄心４の端面上における磁気検出素子５の径方向取り付け位置のばらつきの許容範囲を規定したものである。

一般に、磁気検出素子により回転子の位置を検出し、回転子の位置情報に基づいて駆動制御される同期電動機では、磁極毎に反転する磁束の切り替わりを検出して回転子の位置検出を行うが、この磁気検出素子による回転子の位置情報のばらつきが大きい場合、電動機の駆動制御に悪影響を及ぼし、効率低下や騒音増大の要因となる。したがって、電動機の高効率化や低騒音化を図るためには、磁気検出素子による回転子の位置検出精度を向上させる必要がある。

本実施の形態では、回転子鉄心４の端面上における磁気検出素子５の径方向取り付け位置のばらつきの許容範囲を規定し、この許容範囲内における回転子３の位置検出精度を向上させることにより、磁気検出素子５の取り付け位置のばらつきによる回転子３の位置検出のばらつきを抑制し、この回転子３を適用した電動機１の効率低下および騒音を抑制する。

図３は、実施の形態にかかる回転子の極間部の拡大図である。図３では、図２中の一点鎖線で囲む極間部周辺を拡大して図示している。また、図４は、実施の形態にかかる回転子における図２に付したＢ−Ｂ線に沿う矢視縦断面図である。

磁気検出素子５による回転子３の位置検出精度は、極間部において隣り合う磁石挿入孔１１の近接部の周方向幅に依存する。つまり、この各磁石挿入孔１１間の近接部の周方向幅が小さいほど、極間部において反転する磁束の切り替わりの傾きが大きくなり、回転子３の位置検出精度が向上する。

また、磁気検出素子５による回転子３の位置検出精度は、磁気検出素子５の径方向位置が回転子３の外周面に近い、すなわち磁気検出素子５の径方向距離が大きいほど、回転子３の位置検出精度が向上する。

つまり、磁気検出素子５の径方向取り付け位置のばらつきの許容範囲内における回転子３の位置検出精度のばらつきを抑制するためには、磁気検出素子５の径方向距離最小位置において、各磁石挿入孔１１間の近接部の周方向幅を最も小さくし、磁気検出素子５の径方向距離最大位置において、磁気検出素子５の径方向距離最小位置における位置検出精度と同等となるようにすればよい。

磁気検出素子５の径方向距離最小位置における位置検出精度と磁気検出素子の径方向距離最大位置における位置検出精度とを同等とするためには、極間部において反転する磁束の切り替わりの傾きが同等となるようにすればよい。このためには、磁気検出素子５の径方向距離最小位置において、各磁石挿入孔１１間の近接部の周方向幅ｔ２と回転子３の軸心とによりなす角度と、磁気検出素子５の径方向距離最大位置において、各磁石挿入孔１１間の近接部の周方向幅ｔ１と回転子３の軸心とによりなす角度とが同等となるのが望ましい。つまり、ｔ１＞ｔ２となるようにすればよい。

ここで、ｔ１およびｔ２は、回転子３の軸心から外周面までの半径に対して十分に小さく、θ１およびθ２も十分に小さいため、ｔ１＝ｔ２であっても誤差は十分に小さいと見做せる。

したがって、本実施の形態では、図３に示すように、磁気検出素子５の径方向距離最大位置における各磁石挿入孔１１間の近接部の周方向幅ｔ１と、磁気検出素子５の径方向距離最小位置における各磁石挿入孔１１間の近接部の周方向幅ｔ２とが、ｔ１≧ｔ２を満たすように、各磁石挿入孔１１を形成している。これにより、磁気検出素子５の径方向取り付け位置のばらつきの許容範囲内における回転子３の位置検出精度のばらつきを抑制することができる。

一方、ｔ１がｔ２に対して大き過ぎる場合には、回転子３の位置検出精度のばらつきが大きくなる。したがって、本実施の形態では、２×ｔ２≧ｔ１≧ｔ２を満たすように、各磁石挿入孔１１を形成するのがより望ましい。

また、磁気検出素子５は、図４に示す回転子鉄心４の端面の漏れ磁束を検出するが、この漏れ磁束の軸方向成分を多く含む方がより検出し易い。つまり、各磁石挿入孔１１間の近接部の径方向幅の中心よりも径方向外側あるいは径方向内側の方がより位置検出精度が向上する。

また、上述したように、磁気検出素子５による回転子３の位置検出精度は、磁気検出素子５の径方向位置が回転子３の外周面に近い、すなわち磁気検出素子５の径方向距離が大きいほど、回転子３の位置検出精度が向上する。

したがって、本実施の形態では、図４に示すように、磁気検出素子５の径方向距離最小位置が各磁石挿入孔１１間の近接部の径方向幅の中心よりも径方向外側となるようにしている。これにより、磁気検出素子５による回転子３の位置検出精度をより向上させることができる。

また、上述したように、磁気検出素子５による回転子３の位置検出精度は、各磁石挿入孔１１間の近接部の周方向幅に依存し、この各磁石挿入孔１１間の近接部の周方向幅が小さいほど、極間部において反転する磁束の切り替わりの傾きが大きくなり、回転子３の位置検出精度が向上する。

ここで、回転子鉄心４を構成する電磁鋼板において、一般的にプレス加工が可能な最小幅は、電磁鋼板の厚さ（例えば、０．１〜１．０ｍｍ程度）からその２倍程度である。

したがって、本実施の形態では、回転子鉄心４を構成する電磁鋼板の厚さＸと、径方向距離最小位置における各磁石挿入孔１１間の近接部の周方向幅ｔ２とが、２×Ｘ≧ｔ２≧Ｘを満たすように、各磁石挿入孔１１を形成する。これにより、磁気検出素子５による回転子３の位置検出精度をより向上させることができる。

また、回転子鉄心４を構成する電磁鋼板は、プレス加工の際の応力により生じる磁気特性の悪化や鉄損の悪化を改善するために、焼鈍処理（所定の高温環境下で一定時間置いておく処理）を実施するのが一般的であるが、本実施の形態に示したように、回転子鉄心４の端面の漏れ磁束により回転子３の位置検出を実施する場合には、極間部の磁気特性は悪い方が好ましい。なぜなら、極間部の磁気特性が悪い場合には、等価的に各磁石挿入孔１１間の近接部の周方向幅が実際よりも小さいと見做せるためである。

一方、本実施の形態に示したように、磁気検出素子５により回転子３の位置を検出し、その回転子３の位置情報に基づいて駆動制御される同期電動機では、回転子３の鉄損による影響が小さく、電磁鋼板の焼鈍処理による効果が小さい。

したがって、本実施の形態では、焼鈍処理を実施していない電磁鋼板を用いて回転子鉄心４を構成する。これにより、磁気検出素子５による回転子３の位置検出精度をさらに向上させることができる。

なお、本実施の形態にかかる回転子３において、磁石挿入孔１１および永久磁石１２の形状は、図２に示す態様以外の態様であってもよい。図５は、実施の形態にかかる回転子の第１変形例を示す横断面図である。また、図６は、実施の形態にかかる回転子の第２変形例を示す横断面図である。また、図７は、実施の形態にかかる回転子の第３変形例を示す横断面図である。また、図８は、実施の形態にかかる回転子の第４変形例を示す横断面図である。

本実施の形態では、磁石挿入孔１１および永久磁石１２の形状が図５乃至図８に示す態様である場合でも、磁気検出素子５の径方向取り付け位置のばらつきの許容範囲を規定した磁気検出素子５の径方向距離最大位置および径方向距離最小位置と、その磁気検出素子５の径方向距離最大位置および径方向距離最小位置における各磁石挿入孔１１間の近接部の周方向幅との関係が上述した条件を満たせば、同様の効果を得ることが可能である。

上述した本実施の形態にかかる回転子３を電動機１に適用すれば、磁気検出素子５の取り付け位置のばらつきによる回転子３の位置検出のばらつきを抑制することができ、電動機１の効率低下および騒音を抑制することができる。

また、上記の電動機１を圧縮機や送風機に適用すれば、これら圧縮機や送風機の効率低下および騒音を抑制することができ、さらに、これらの圧縮機や送風機を冷凍空調装置に適用すれば、この冷凍空調装置の効率低下および騒音を抑制することが可能となり、要求の製品負荷条件に合わせた高効率且つ低騒音な運転を行うことが可能となる。

以上説明したように、実施の形態の回転子、その回転子を備えた電動機、その電動機を備えた圧縮機および送風機、それら圧縮機あるいは送風機を備えた冷凍空調装置によれば、回転子鉄心の端面上における磁気検出素子の径方向取り付け位置のばらつきの許容範囲を規定し、磁気検出素子の径方向距離最大位置における各磁石挿入孔間の近接部の周方向幅ｔ１と、磁気検出素子の径方向距離最小位置における各磁石挿入孔間の近接部の周方向幅ｔ２とが、ｔ１≧ｔ２を満たすように、各磁石挿入孔を形成することにより、磁気検出素子の径方向取り付け位置のばらつきの許容範囲内における回転子の位置検出精度のばらつきを抑制することができ、その回転子を備えた電動機、その電動機を備えた圧縮機および送風機、それら圧縮機あるいは送風機を備えた冷凍空調装置の効率低下および騒音を抑制することが可能となる。

さらに、２×ｔ２≧ｔ１≧ｔ２を満たすように、各磁石挿入孔を形成するのがより望ましく、より一層磁気検出素子による回転子の位置検出精度のばらつきを抑制することができる。

また、回転子鉄心を構成する電磁鋼板の厚さＸと、径方向距離最小位置における各磁石挿入孔間の近接部の周方向幅ｔ２とが、２×Ｘ≧ｔ２≧Ｘを満たすように、各磁石挿入孔を形成することにより、磁気検出素子による回転子の位置検出精度をより向上させることができる。

さらに、焼鈍処理を実施していない電磁鋼板を用いて回転子鉄心４を構成することにより、等価的に各磁石挿入孔間の近接部の周方向幅が実際よりも小さいと見做せるため、磁気検出素子による回転子の位置検出精度をさらに向上させることができる。

なお、上述した実施の形態にかかる回転子、その回転子を備えた電動機、その電動機を備えた圧縮機および送風機、それら圧縮機あるいは送風機を備えた冷凍空調装置における効果は、固定子２巻線方式、スロット数、あるいは回転子の極数等によらず奏することができる。

また、以上の実施の形態に示した構成は、本発明の構成の一例であり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、一部を省略する等、変更して構成することも可能であることは言うまでもない。

１電動機
２固定子
３回転子
４回転子鉄心
５磁気検出素子（ホールＩＣ）
６センサ基板
７固定子鉄心
８固定子巻線
９シャフト挿入孔
１０シャフト
１１磁石挿入孔
１２永久磁石

Claims

複数の磁石挿入孔が周方向に沿って等角度間隔で設けられた電磁鋼板を複数枚積層して構成される回転子鉄心、および、隣り合う前記磁石挿入孔に極性を交互にして挿入され磁極を形成する複数の永久磁石を有する回転子と、
前記永久磁石の軸方向漏れ磁束を検出し、前記回転子の位置検出情報を出力する磁気検出素子と、
を備え、
前記磁気検出素子は、前記回転子鉄心の軸方向端面上における前記各磁石挿入孔間の近接部の径方向幅の中心から前記各磁石挿入孔間の近接部の径方向外側端部までの範囲内において、回転軸からの径方向距離最大位置と径方向距離最小位置とが規定された径方向取り付け位置のばらつき許容範囲内に配置されており、
前記回転子鉄心は、前記径方向距離最大位置における前記各磁石挿入孔間の近接部の周方向幅ｔ１と、前記径方向距離最小位置における前記各磁石挿入孔間の近接部の周方向幅ｔ２とが、ｔ１≧ｔ２を満たす
ことを特徴とする電動機。
前記回転子鉄心は、前記径方向距離最大位置における前記各磁石挿入孔間の近接部の周方向幅ｔ１と、前記径方向距離最小位置における前記各磁石挿入孔間の近接部の周方向幅ｔ２とが、２×ｔ２≧ｔ１をさらに満たすことを特徴とする請求項１に記載の電動機。
前記回転子鉄心は、該回転子鉄心を構成する電磁鋼板の厚さＸと、前記径方向距離最小位置における前記各磁石挿入孔間の近接部の周方向幅ｔ２とが、２×Ｘ≧ｔ２≧Ｘを満たすことを特徴とする請求項１または２に記載の電動機。
前記回転子鉄心は、焼鈍処理を実施していない電磁鋼板を用いて構成されたことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の電動機。
請求項１から４のいずれか一項に記載の電動機を備えたことを特徴とする圧縮機。
請求項１から４のいずれか一項に記載の電動機を備えたことを特徴とする送風機。
請求項５に記載の圧縮機あるいは請求項６に記載の送風機のうちの少なくとも一方を備えたことを特徴とする冷凍空調装置。