JP6328342B2 - ロータ、電動機、圧縮機および冷凍空調機 - Google Patents

Description

本発明は、鉄心に永久磁石が差し込まれたロータ、電動機、圧縮機および冷凍空調機に関する。

近年、省エネルギー化への意識の高まりから、電動機の効率の向上が要求される傾向にある。そこで、永久磁石が鉄心に差し込まれたロータを用いることで、効率の向上を図った電動機が提案されている。

このような電動機では、差し込まれた永久磁石よりも外周側の鉄心部分の影響によって、運転中のトルクリプルおよび径方向加振力が増大する場合がある。トルクリプルとは、運転中のトルクの挙動が変動することで発生する脈動である。トルクリプルは振動および騒音の原因となるため、効率の向上と併せてトルクリプルを低減することも必要となる。特許文献１では、差し込まれた永久磁石よりも外周側の鉄心部分に複数の空隙であるスリットを配置することで、トルクリプルの低減が図られている。

特許第５４１４９００号公報

しかしながら、スリットの配置によって磁力が低下し、トルクが低下することでモータ効率が悪化する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、空隙の形成によってトルクリプルの低減を図りつつ、トルクの低下の抑制を図ることのできるロータを得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、本発明にかかるロータは、円筒状または円柱状を呈する鉄心と、鉄心の中心軸に対して円周方向に等間隔に配置されて鉄心に嵌め込まれた複数の磁石と、を備え、鉄心は、鉄心の第１の端面を含む第１の端面部と、第１の端面の反対側となる第２の端面を含む第２の端面部と、第１の端面部と第２の端面部との間に設けられた中央部と、を有し、複数の磁石のそれぞれは、第１の端面部、第２の端面部、および中央部に貫通され、第１の端面部、第２の端面部、および中央部のそれぞれには、複数の磁石よりも鉄心の中心軸から離れた位置に、少なくとも１つの空隙が形成され、第１の端面部は、鉄心の中心軸に対して垂直な平面となる第１の断面積を有し、第２の端面部は、鉄心の中心軸に対して垂直な平面となる第２の断面積を有し、中央部は、鉄心の中心軸に対して垂直な平面となる第３の断面積を有し、第３の断面積は、第１の断面積および第２の断面積よりも大きい。

本発明にかかるロータは、空隙の形成によってトルクリプルの抑制を図りつつ、トルクの低下の抑制を図ることができるという効果を奏する。

本発明の実施の形態１にかかる電動機の概略構成を示す斜視図 実施の形態１にかかる電動機を中心軸に垂直となる面で切断した断面図 実施の形態１におけるロータを中心軸に垂直となる面で切断した断面図 実施の形態１におけるロータの断面図であって、図３に示すＡ−Ａ線に沿って見た矢視断面図 実施の形態１におけるロータの断面図であって、図４に示すＢ−Ｂ線に沿って見た矢視断面図 実施の形態１におけるロータの断面図であって、図４に示すＣ−Ｃ線に沿って見た矢視断面図 実施の形態１におけるロータの断面図であって、図４に示すＤ−Ｄ線に沿って見た矢視断面図 実施の形態１にかかる電動機において、縦軸を出力トルクとし、横軸をＸｒｃ／Ｘｒとした時の関係を示す図 実施の形態１にかかる電動機において、縦軸をトルクリプルとし、横軸をＸｒｃ／Ｘｒとした時の関係を示す図 実施の形態１にかかる電動機を用いた圧縮機の断面図 実施の形態１における圧縮機を用いて構成された冷凍空調機の構成図

以下に、本発明の実施の形態にかかるロータ、電動機、圧縮機および冷凍空調機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１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかる電動機の概略構成を示す斜視図である。電動機５１は、筒状形状を呈するステータ１と、ステータ１の内側に設けられてステータ１の中心軸Ｃを中心に回転するロータ３と、を備える。

図２は、実施の形態１にかかる電動機５１を中心軸Ｃに垂直となる面で切断した断面図である。ステータ１は、内側に向けて突出された複数のティース１ａに対して、巻線２が巻き付けられて構成される。ロータ３は、中心軸Ｃに沿って延びる円筒形状または円柱形状を呈している。ロータ３は、ステータ１との間に隙間を設けて配置される。

図３は、実施の形態１におけるロータ３を中心軸Ｃに垂直となる面で切断した断面図である。ロータ３は、複数の電磁鋼板を中心軸Ｃに沿った方向に積層して形成された鉄心４を備える。鉄心４は、円筒形状または円柱形状を呈して、ロータ３の外郭を構成する。鉄心４には、中心軸Ｃに沿った方向に延びる磁石挿入穴６が形成される。磁石挿入穴６には、磁石５が挿入されて嵌め込まれる。磁石５は、ネオジムおよびジスプロシウムを主成分とした希土類磁石である。希土類磁石を用いることで、高い残留磁束密度と保磁力を有するため、希土類磁石を用いることで高効率及び減磁耐力に優れた永久磁石埋込型電動機を構成できる。

電動機５１の極数と同じ数の磁石挿入穴６が形成されており、本実施の形態１では６個の磁石挿入穴６が形成されている。磁石挿入穴６は、図３に示すように、中心軸Ｃに沿って見た場合の鉄心４の外周の形状、すなわち円形形状における弦と重なるように形成されており、６個の磁石挿入穴６全体で正六角形形状を呈するように配置される。すなわち、磁石挿入穴６は、中心軸Ｃに対して円周方向に等間隔に形成される。これにより、磁石５が、中心軸Ｃに対して等間隔に配置される。

鉄心４のうち、磁石挿入穴６よりも外周側、すなわち磁石５よりも中心軸Ｃから離れた位置には、少なくとも１つの空隙７が形成されている。本実施の形態１では、複数の空隙７が形成された例を示す。図４は、実施の形態１におけるロータ３の断面図であって、図３に示すＡ−Ａ線に沿って見た矢視断面図である。図４に示すように、空隙７は、中心軸Ｃに沿った鉄心４の第１の端面４ａ側から第２の端面４ｂ側に至る複数の第１の空隙７ａと、鉄心４の第１の端面４ａ側から第２の端面４ｂ側に向けて延びる複数の第２の空隙７ｂと、鉄心４の第２の端面４ｂ側から第１の端面４ａ側に向けて延びる複数の第３の空隙７ｃとを有する。第２の空隙７ｂの本数と、第３の空隙７ｃの本数は等しい。また、第２の空隙７ｂおよび第３の空隙７ｃは、第１の空隙７ａの間に形成される。なお、以下の説明で用いる空隙の本数とは、１極あたりに形成された空隙の本数を意味する。

鉄心４は、中心軸Ｃに沿って第１の端面部４１と第２の端面部４２と中央部４３とに分けられる。第１の端面部４１は、第１の端面４ａを含む領域であって、第１の空隙７ａと第２の空隙７ｂとが形成された領域である。第２の端面部４２は、第２の端面４ｂを含む領域であって、第１の空隙７ａと第３の空隙７ｃとが形成された領域である。中央部４３は、第１の端面部４１と第２の端面部４２の間に設けられた領域であって、第１の空隙７ａのみが形成された領域である。

図５は、実施の形態１におけるロータ４の断面図であって、図４に示すＢ−Ｂ線に沿って見た矢視断面図である。図６は、実施の形態１におけるロータ４の断面図であって、図４に示すＣ−Ｃ線に沿って見た矢視断面図である。図７は、実施の形態１におけるロータ４の断面図であって、図４に示すＤ−Ｄ線に沿って見た矢視断面図である。図５では、第１の端面部４１の断面形状が示されている。図６では、第２の端面部４２の断面形状が示されている。図７では、中央部４３の断面形状が示されている。なお、図５から図７では、１つの磁石５が含まれる領域を抜き出して示している。また、図５から図７で示される断面は、中心軸Ｃに垂直な平面である。第１の端面部４１に形成される空隙７の本数をＳ_１とし、第２の端面部４２に形成される空隙７の本数をＳ_２とし、中央部４３に形成される空隙７の本数をＳ_３とすると、Ｓ_３＜Ｓ_１およびＳ_３＜Ｓ_２の関係が成立する。特に、本実施の形態１では、Ｓ₃＜Ｓ_１＝Ｓ_２となっている。すなわち、中央部４３の両側に、中央部４３よりも多くの空隙７が形成された、第１の端面部４１および第２の端面部４２が設けられている。本実施の形態１では、第１の端面部４１では、第１の空隙７ａの間に第２の空隙７ｂが形成されている。第２の端面部４２では、第１の空隙７ａの間に第３の空隙７ｃが形成されている。

また、中心軸Ｃに沿った方向において、第１の端面部４１の長さをＸｒ１とし、第２の端面部４２の長さをＸｒ２とし、中央部４３の長さをＸｒｃとし、ロータ３の厚さすなわち鉄心４の積層厚さをＸｒとすると、Ｘｒ＝Ｘｒ１＋Ｘｒ２＋Ｘｒｃとなる。そして、中央部４３が設けられるためには、Ｘｒ＞Ｘｒ１＋Ｘｒ２の関係が成立する必要がある。

以上説明した電動機５１では、ロータ３に空隙７が形成されることで、トルクリプルを低減させて、振動および騒音の発生を抑えることができる。また、中央部４３よりも多くの空隙７が形成されたロータ３の両端部、すなわち第１の端面部４１および第２の端面部４２では磁気抵抗が大きくなり、磁石５から発生する磁束がステータコアに集中しやすくなる。これは、ロータ３の両端部の磁気抵抗を大きくしたことでロータ３の両端部に漏れる磁束を抑えて、磁束の有効活用が図られていると換言することができる。ロータ３の両端部に漏れる磁束を抑えて、磁束の有効活用を図ることで、電動機５１のトルクの低下を抑えることができる。なお、ロータ３の両端部からの磁束の漏れを抑えるためには、図７に示した中央部４３の断面積（第３の断面積）が、図５に示した第１の端面部４１の断面積（第１の断面積）および図６に示した第２の端面部４２の断面積（第２の断面積）よりも大きい必要がある。中央部４３の断面積、第１の端面部４１の断面積および第２の端面部４２の断面積は、磁石挿入穴６と空隙７を除いた鉄心４の断面積である。

次に、電動機５１におけるトルクリプルの抑制およびトルクの低下の抑制の観点から、ＸｒｃとＸｒとのより好ましい関係について説明する。図８は、実施の形態１にかかる電動機５１において、縦軸を出力トルクとし、横軸をＸｒｃ／Ｘｒとした時の関係を示す図である。図９は、実施の形態１にかかる電動機５１において、縦軸をトルクリプルとし、横軸をＸｒｃ／Ｘｒとした時の関係を示す図である。

図８によれば、Ｘｒｃ／Ｘｒ＝０．８８の付近で出力トルクが最大化されることが分かる。図９によれば、Ｘｒｃ／Ｘｒを大きくするとトルクリプルが増加する傾向にあることが分かる。トルクリプルを低減させる観点からは、Ｘｒｃ／Ｘｒが小さい方が望ましい。ただし、図８からも分かるように、Ｘｒｃ／Ｘｒを小さくすると出力トルクが低減する。そのため、図８および図９に示した関係から、０．８２≦Ｘｒｃ／Ｘｒ≦０．９の関係性を満たすことが好ましいといえる。

なお、上記説明において、鉄心４の積層厚さＸｒは、第１の空隙７ａの長さと読み替えてもよい。また、第１の端面部４１の長さＸｒ１は、第２の空隙７ｂの長さと読み替えてもよい。また、第２の端面部４２の長さＸｒ２は、第３の空隙７ｃの長さと読み替えてもよい。また、中央部４３の長さＸｒｃは、第１の空隙７ａの長さから、第２の空隙７ｂの長さおよび第３の空隙の長さ７ｃを差し引いた長さと読み替えてもよい。

次に、電動機５１を用いた圧縮機について説明する。図１０は、実施の形態１にかかる電動機５１を用いた圧縮機の断面図である。圧縮機２００の密閉容器１６は、鋼板を絞り加工して円筒形状に形成したものである。密閉容器１６には、電動機５１と圧縮部６０とが設けられ、密閉容器１６の底部には、圧縮部６０の摺動部を潤滑する冷凍機油が貯留されている。圧縮部６０には、スクロール、ロータリ、またはレシプロといった機構が用いられる。

ステータ１は、焼き嵌め、冷し嵌め、または圧入で密閉容器１６の内周部に保持される。ステータ１に巻かれた巻線２には密閉容器１６に固定されるガラス端子１４からの電力が供給される。

ロータ３は、ロータ３から延びる軸部３ａが、軸受け部である上部フレーム６６および下部フレーム６５に保持されて、回転自在な状態となっている。

圧縮部６０は、上下積層状態に設けられたシリンダ６２と、軸部３ａが挿入されるピストン６３と、軸部３ａが挿入されシリンダ６２の軸方向端面を閉塞する上下一対の上部フレーム６６および下部フレーム６５と、上部フレーム６６に装着された上部吐出マフラ６１と、下部フレーム６５に装着された下部吐出マフラ６４と、シリンダ６２内を吸入側と圧縮側に分ける図示しないベーンとを有する。

圧縮機２００の動作を説明する。アキュムレータ１２から供給された冷媒ガスは、密閉容器１６に固定された吸入パイプ１３よりシリンダ６２内へ吸入される。インバータの通電によりロータ３が回転することで、軸部３ａに嵌合されたピストン６３がシリンダ６２内で回転し、シリンダ６２内では冷媒の圧縮が行われる。圧縮された高温の冷媒は、上部吐出マフラ６１および下部吐出マフラ６４を経た後、ステータ１とロータ３との隙間、またはロータ３に形成された図示しない風穴を通って密閉容器１６内を上昇し、密閉容器１６に設けられた吐出パイプ１５を通って冷凍サイクルの高圧側へと供給される。

トルクリプルの低減によって騒音および振動の発生が抑えられるとともに磁束の有効活用によってトルクの低下が抑えられた電動機５１を用いることで、圧縮機２００の騒音および振動の抑制ならびに運転効率の向上を図ることができる。

次に、電動機５１を用いた冷凍空調機について説明する。図１１は、実施の形態１における圧縮機２００を用いて構成された冷凍空調機の構成図である。冷凍空調機３００は、電動機５１を備える圧縮機２００と、四方弁３５と、圧縮機２００において圧縮された高温高圧の冷媒ガスの熱を空気と熱交換して凝縮し液冷媒にする凝縮器３２と、液冷媒を膨張させて低温低圧の液冷媒にする膨張器３３と、低温低圧の液冷媒から吸熱して低温低圧のガス冷媒にする蒸発器３４と、圧縮機２００、膨張器３３、および四方弁３５を制御する制御部３６とで構成される。圧縮機２００、四方弁３５、凝縮器３２、膨張器３３、および蒸発器３４は、各々冷媒配管３１により接続され冷凍サイクルを構成する。圧縮機２００を用いることにより高効率で高出力な冷凍空調機３００を提供できる。

トルクリプルの低減によって騒音および振動の発生が抑えられるとともに磁束の有効活用によってトルクの低下が抑えられた電動機５１を用いることで、冷凍空調機３００の騒音および振動の抑制ならびに運転効率の向上を図ることができる。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、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、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１ ステータ、２ 巻線、３ ロータ、３ａ 軸部、４ 鉄心、４ａ 第１の端面、４ｂ 第２の端面、５ 磁石、６ 磁石挿入穴、７ 空隙、７ａ 第１の空隙、７ｂ 第２の空隙、７ｃ 第３の空隙、４１ 第１の端面部、４２ 第２の端面部、４３ 中央部、５１ 電動機、２００ 圧縮機、３００ 冷凍空調機。

Claims (8)

1. 円筒状または円柱状を呈する鉄心と、
   前記鉄心の中心軸に対して円周方向に等間隔に配置されて前記鉄心に嵌め込まれた複数の磁石と、を備え、
   前記鉄心は、前記鉄心の第１の端面を含む第１の端面部と、前記第１の端面の反対側となる第２の端面を含む第２の端面部と、前記第１の端面部と前記第２の端面部との間に設けられた中央部と、を有し、
   前記複数の磁石のそれぞれは、前記第１の端面部、前記第２の端面部、および前記中央部に貫通され、
   前記鉄心には、前記第１の端面部から前記第２の端面部に貫通する複数の第１の空隙と、前記第１の端面部から形成されて前記中央部に至らない複数の第２の空隙と、が形成され、
   前記第１の空隙と前記第２の空隙は交互に並べて形成されるロータ。
2. 前記鉄心には、前記第２の端面部から形成されて前記中央部に至らない複数の第３の空隙が形成され、
   前記第１の空隙と前記第３の空隙は交互に並べて形成される請求項１に記載のロータ。
3. 前記第２の空隙と前記第３の空隙は前記中央部を挟んで互いに対向する位置に形成される請求項２に記載のロータ。
4. 前記中心軸に沿った方向における、前記第１の端面部の長さと前記第２の端面部の長さと前記中央部の長さの和をＸｒとし、前記中央部の長さをＸｒｃとした場合に、
   ０．８２ ≦ Ｘｒｃ／Ｘｒ ≦ ０．９の関係を満たす請求項３に記載のロータ。
5. 前記磁石は、希土類磁石である請求項１に記載のロータ。
6. 筒状形状を呈するステータと、
   前記ステータの内側に前記鉄心の中心軸を中心に回転可能に設けられた請求項１に記載のロータと、を備える電動機。
7. 請求項６に記載の電動機を備える圧縮機。
8. 請求項７に記載の圧縮機を備える冷凍空調機。

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