JP5855680B2 - 電動機を搭載した電気機器 - Google Patents

Description

本発明は、電動機の回転子に関する。

永久磁石埋込型の電動機の回転子は、永久磁石が回転子内部に埋込まれた形状であり、永久磁石端部に空隙を設けることで永久磁石からの漏れ磁束を抑制している。この構成では、回転子外周と空隙との間に存在する薄肉部の径方向幅が小さいほど漏れ磁束が低減されることから、薄肉部の径方向幅をできる限り小さくするよう設計することが多い。

また、永久磁石は回転子表面に存在すると永久磁石内部に発生する渦電流が大きくなり、損失が増加することから、回転子内周側に埋込む場合がある。この場合は、薄肉部の径方向幅を小さくするために、空隙は永久磁石端部から回転子外周方向に向かって延びる形状となる。

また、特許文献１では、永久磁石埋込型電動機の回転子において、永久磁石端部の空隙を回転子内周方向に屈曲させることで、回転時の遠心力による応力集中を低減している。

特開２０１０−０８８２１９号公報

しかしながら、上記永久磁石埋込型の電動機の回転子において、薄肉部の径方向幅を小さくした場合、電動機の運転中の電磁加振力および遠心力に対する強度が弱くなるなど、その強度が弱くなるという課題がある。

また、永久磁石を回転子内周側に埋込む構成とした場合、永久磁石よりも外周側に存在する回転子コアの量が大きくなることから、遠心力が大きくなり、薄肉部に掛かる応力が大きくなり、強度が弱くなってしまうという課題がある。

また、特許文献１に記載の永久磁石埋込型電動機の回転子では、回転時の遠心力による応力集中は低減されるが、永久磁石の両端部の空隙が回転子中心に向かって屈曲させているため、空隙と回転子外周との間にある薄肉部の径方向幅が大きくなり、漏れ磁束が大きくなるという課題がある。

この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、永久磁石端部の空隙と回転子外周との間の薄肉部に発生する応力を緩和し、薄肉部の強度を向上させることが可能な永久磁石埋込型の電動機の回転子を備えた電動機を搭載した電気機器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に、本発明に係る電動機を搭載した電気機器は、回転子鉄心と、前記回転子鉄心の外周部に周方向に沿って複数個形成され、それぞれ永久磁石が挿入された状態で両端部に外周方向に向かって延びる永久磁石端部空隙が形成される永久磁石挿入穴と、前記各永久磁石挿入穴にそれぞれ挿入された永久磁石と、を備え、前記永久磁石端部空隙と前記回転子鉄心の外周との間に薄肉部が形成され、前記永久磁石端部空隙には、外周側の二か所に丸みを帯びた一対の角部が形成され、前記一対の角部のいずれか一方の曲率半径が前記永久磁石端部空隙の周方向幅の半分以上であり、前記永久磁石の厚さは、前記永久磁石端部空隙の周方向幅よりも大きい。

本発明によれば、永久磁石端部の空隙と回転子外周との間の薄肉部に発生する応力を緩和し、薄肉部の強度を向上させることができる、という効果を奏する。

図１は、実施の形態に係る永久磁石埋込型の電動機の回転子の横断面図である。 図２は、図１の磁極部の拡大図である。 図３は、磁極部と固定子ティースの一部を示した拡大図である。 図４は、実施の形態の変形例に係る永久磁石埋込型の電動機の回転子の横断面図である。

以下に、本発明の実施の形態に係る電動機の回転子を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態．
図１は、本実施の形態に係る永久磁石埋込型の電動機の回転子１の横断面図、図２は、図１の磁極部の拡大図である。以下、図１および図２を参照して、回転子１の構成について説明する。

回転子１は、回転子鉄心２と、回転子鉄心２に埋め込まれた永久磁石４とを備えている。回転子１は、図示しない固定子の内側に回転自在に配置されている。

回転子鉄心２は、横断面形状が略円形である。回転子鉄心２は、例えば薄板の電磁鋼板を金型で打ち抜き、この電磁鋼板を複数枚積層して形成することができる。

回転子鉄心２の外周部には、周方向に沿って例えば略等間隔で複数個（例えば６個）の永久磁石挿入穴３が形成されている。永久磁石挿入穴３には、永久磁石４が挿入される。永久磁石４は例えば平板状であり、永久磁石挿入穴３の横断面形状も永久磁石４の形状に応じた形となっている。永久磁石４はＮ極とＳ極とが周方向に交互になるように配置されており、これにより６極の回転子１を構成している。

永久磁石挿入穴３よりも外周側の回転子鉄心２には、複数個のスリット６が周方向に所定の間隔で形成されている。スリット６は、磁極ごとに、磁極中心８に対して例えば左右対称に３個ずつ形成されている。なお、磁極中心８は、永久磁石４の磁極の周方向の中心、または、永久磁石挿入穴３の周方向の中心を表す。極間９は、隣り合う永久磁石４の磁極間、または、隣り合う永久磁石挿入穴３間を表す。

永久磁石挿入穴３の両端部には、永久磁石４が永久磁石挿入穴３に挿入された状態で、空隙５がそれぞれ形成されている。すなわち、空隙５は、永久磁石挿入穴３の一部であり、永久磁石端部空隙を構成する。空隙５は、永久磁石４の端部から回転子外周方向に向かって延びており、周方向幅は略一定（幅ｔ２）である。ここで、回転子外周方向は、回転子鉄心２の外周方向（外径方向）である。このように、空隙５は、永久磁石挿入穴３のうち永久磁石４が挿入される部分に対して、回転子鉄心２の外周側（外径側）に向かって折れ曲がり、回転子鉄心２の径方向に沿って外側に向かって延びている。空隙５は、永久磁石４からの漏れ磁束を抑制する。回転子鉄心２の外周と空隙５との間には、薄肉部７が形成される。

空隙５は、上記のように回転子外周方向に向かって延びており、外周側の二か所に丸みを帯びた角部Ｐ１，Ｐ２を有する。角部Ｐ１は曲率半径Ｒ１の丸取りされた形状であり、角部Ｐ２は曲率半径Ｒ２の丸取りされた形状である。角部Ｐ１，Ｐ２は、薄肉部７の角部でもある。本実施の形態では、角部Ｐ１，Ｐ２に対して、Ｒ１≧ｔ２／２またはＲ２≧ｔ２／２とする。ここで、ｔ２は空隙５の周方向幅である。図示例では、例えば、Ｒ１＞ｔ２／２としている。これにより、角部Ｐ１では、薄肉部７の径方向幅が他の箇所よりも大きくなっている。

回転子１が回転すると、遠心力が働き、回転子鉄心２の外周部に存在する薄肉部７に応力が発生する。その応力は薄肉部７の一点に集中するため、角部Ｐ１，Ｐ２のうち応力が集中する部分に近い方の曲率半径を大きくすることで薄肉部７の径方向幅が大きくなり、薄肉部７に発生する応力を緩和し、その強度を改善することができる。また、応力が薄肉部７の集中部分が薄肉部７の中心であるｔ２／２の位置まで広がる場合がある。この時は薄肉部７の中心も応力緩和する必要がある。そのため、角部Ｐ１，Ｐ２に対して、Ｒ１＞ｔ２／２またはＲ２＞ｔ２／２とすることで角部Ｐ１と角部Ｐ２との間における空隙５の中心側の形状も円弧で形成でき、中心側まで広がる薄肉部７に発生する応力を緩和することができる。

また、本実施の形態では、極間９により近い角部Ｐ１と磁極中心８により近い角部Ｐ２とに対し、Ｒ１＞Ｒ２としている。すなわち、極間９により近い方の角部Ｐ１の曲率半径Ｒ１をより大きくしている。薄肉部７の応力が集中する箇所は、極間部に近い部分に発生することが多く、そのような回転子においては、Ｒ２＜Ｒ１とすることで応力緩和が可能となる。

また、角部Ｐ１と角部Ｐ２との間における空隙５の形状は、例えば曲線とすることができる。角部Ｐ１と角部Ｐ２との間における当該曲線上の任意の点をＰ３とし、点Ｐ３における曲線の曲率半径をＲ３としたときに、例えば、Ｒ２＜Ｒ３かつＲ１＜Ｒ３とすることができる。Ｒ１，Ｒ２に対してＲ３を最も大きくすることで、薄肉部７の径方向幅の変化が小さくなる。その結果、永久磁石４から薄肉部７を通って漏れる漏れ磁束が小さくなり、磁束を有効に使用することができる。

なお、角部Ｐ１と角部Ｐ２との間における空隙５の形状を直線とすることもできる。この場合は、曲線の場合と比べて、回転子鉄心２の製造に用いる金型の摩耗が小さくなり、金型の寿命を延ばすことができる。

また、角部Ｐ１と角部Ｐ２との間における空隙５の形状を曲線とした場合において、薄肉部７の径方向幅が周方向に略一定となる領域を設けるようにすることもできる。薄肉部７の径方向の寸法が略一定である領域を設けることで、漏れ磁束を低減することができ、磁束を有効に利用することができる。

また、回転子鉄心２の（最大）半径Ｒに対して、永久磁石４の埋込深さＬ１が０．１×Ｒ≦Ｌ１の関係を満たすものとすることができる。ここで、永久磁石４の埋込深さＬ１は、磁極中心８において、回転子鉄心２の外周面から永久磁石４に至る距離である。永久磁石４の埋込深さＬ１が大きいと、永久磁石４の外周側鉄心が大きくなり、薄肉部７にかかる応力が大きくなるため、本実施の形態をより効果的に適用することができる。

また、永久磁石４の厚さｔ１に対して、空隙５の周方向幅ｔ２がｔ１＞ｔ２の関係を満たすものとすることができる。ｔ２が大きいと薄肉部７が大きくなり、応力が集中するため、ｔ２の寸法を永久磁石４の厚さｔ１よりも小さくすることが望ましい。

また、固定子ティースの先端と回転子１との間に存在する空隙の径方向寸法をＧとしたとき、１．５×Ｇ≦ｔ２とすることができる。ｔ２が小さいと、磁束漏れが発生するため、ｔ２を空隙の例えば１．５倍以上の大きくすることで磁束漏れを抑制することができる。なお、図３は、磁極部と固定子ティースの一部を示した拡大図である。図３では、図２で示した構成に加えて、固定子ティース１０の一部と空隙の径方向寸法Ｇを示している。

図４は、本実施の形態の変形例に係る永久磁石埋込型の電動機の回転子１の横断面図である。なお、図４では、図２と同一の構成要素には同一の符号を付している。図４に示すように、本変形例では、空隙５が回転子外周に向かって広がっている形状である。すなわち、空隙５は、磁極中心８側および極間９側の各形状が略直線状であり、かつ、周方向幅が回転子外周に向かって増大している。また、空隙５は、角部Ｐ１と角部Ｐ２との間の形状が略直線状である。このような形状においては、空隙５の極間９側の直線および磁極中心８側の直線の各延長線と、角部Ｐ１と角部Ｐ２との間に存在する直線の延長線との交点間の周方向幅をｔ２とする。なお、角部Ｐ１と角部Ｐ２との間の形状が略円弧状である場合は、空隙５の極間９側の直線および磁極中心８側の直線の各延長線と、角部Ｐ１と角部Ｐ２との間に存在する円弧の延長線との交点間の周方向幅をｔ２とする。また、空隙５の極間９側または磁極中心８側の形状がすべて円弧などで形成される場合には、空隙５の周方向の最大幅をｔ２とする。また、空隙５の回転子外周側に存在する形状は、例えば３つ以上の曲線または１つの直線を含む２つ以上の曲線で構成される。

以上のように、本実施の形態によれば、薄肉部７に発生する応力を緩和し、薄肉部７の強度を向上させることが可能な回転子１を得ることができる。

また、本実施の形態によれば、回転子１を備えた電動機、およびこの電動機を搭載した電気機器（例えば、冷凍サイクル装置の圧縮機、空気調和機の送風機等）を得ることができる。

なお、本実施の形態では、回転子１の形状を円形状としたが、これに限定されず、例えば楕円形状とすることもできる。また、極数は６極以外でもよい。いずれの場合も、本実施の形態と同様の効果を奏する。

また、本実施の形態では、永久磁石４の外周側に複数個のスリット６を設けている。スリット６は、誘起電圧の高調波低減、およびトルクリップル低減に用いられる。このように、回転子鉄心２の外周部にスリット６を設けることで更に効果的である。すなわち、スリット６は空隙であることから、回転子鉄心２よりも軽く、遠心力の影響を低減することができる。

本実施の形態のその他の効果は既に説明したとおりである。

以上のように、本発明は、永久磁石埋込型の電動機の回転子として有用である。

１ 回転子、２ 回転子鉄心、３ 永久磁石挿入穴、４ 永久磁石、５ 空隙、６ スリット、７ 薄肉部、８ 磁極中心、９ 極間、１０ 固定子ティース。

Claims (7)

1. 回転子鉄心と、
   前記回転子鉄心の外周部に周方向に沿って複数個形成され、それぞれ永久磁石が挿入された状態で両端部に外周方向に向かって延びる永久磁石端部空隙が形成される永久磁石挿入穴と、
   前記各永久磁石挿入穴にそれぞれ挿入された永久磁石と、
   を備え、
   前記永久磁石端部空隙と前記回転子鉄心の外周との間に薄肉部が形成され、
   前記永久磁石端部空隙には、外周側の二か所に丸みを帯びた一対の角部が形成され、
   前記一対の角部のいずれか一方の曲率半径が前記永久磁石端部空隙の周方向幅の半分以上であり、
   前記永久磁石の厚さは、前記永久磁石端部空隙の周方向幅よりも大きい電動機を搭載した電気機器。
2. 前記一対の角部のうち極間により近い方の曲率半径が、前記一対の角部のうち磁極中心により近い方の曲率半径よりも大きい請求項１に記載の電動機を搭載した電気機器。
3. 前記一対の角部間における前記永久磁石端部空隙の形状は曲線であり、
   前記一対の角部間における前記曲線の曲率半径は、前記一対の角部のいずれの曲率半径よりも大きい請求項１または２に記載の電動機を搭載した電気機器。
4. 前記一対の角部間における前記永久磁石端部空隙の形状は直線である請求項１から３のいずれか１項に記載の電動機を搭載した電気機器。
5. 前記薄肉部は、径方向幅が周方向に一定の領域を含む請求項１から４のいずれか１項に記載の電動機を搭載した電気機器。
6. 前記永久磁石の埋込深さは、前記回転子鉄心の最大半径の０．１倍以上である請求項１から５のいずれか１項に記載の電動機を搭載した電気機器。
7. 前記永久磁石端部空隙の周方向幅は、固定子ティースの先端と前記回転子鉄心との間に存在する空隙の径方向寸法の１．５倍以上である請求項１から６のいずれか１項に記載の電動機を搭載した電気機器。

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