JP6339103B2 - 永久磁石埋込型電動機、圧縮機及び冷凍空調装置 - Google Patents

Description

本発明は、永久磁石埋込型電動機、圧縮機及び冷凍空調装置に関するものである。

近年、省エネ意識の高まりから高効率な電動機が要求されるようになり、ロータに残留磁束密度及び保磁力の高い希土類磁石を用いることで高効率化を実現した永久磁石埋込型電動機が多く提案されている。さらに、磁石をロータ内部に埋め込んだ構造とすることで、マグネットトルクだけでなくリラクタンストルクを利用することができるため、高効率な電動機が構成可能となる。リラクタンストルクを向上させるためには、ｄ軸（永久磁石の中心軸）とｑ軸（隣り合う磁石の間を延びる軸であってｄ軸と電気角９０ｄｅｇをなす軸）とのインダクタンスの差に比例するため、一般的にはｑ軸磁束を通し易く、ｄ軸磁束を通しにくくした構造が望ましい。

例えば、特許文献１に開示の技術では、隣り合う平板状の磁石の間隔の最短距離を、隣り合うティース側面の最短距離よりも長くすることで、ｑ軸方向の磁束を増加させ、大きなリラクタンストルクを発生させている。

また、特許文献２に開示の技術では、平板状の磁石をＶ字状に配置することでリラクタンストルクを発生させている。

特許第４３９８９０６号 特許第４５８０６８３号

しかしながら、希土類磁石については、希土類磁石の主成分であるＮｄ（ネオジム）、Ｄｙ（ジスプロシウム）の価格高騰の問題や供給リスクの問題があり、希土類磁石を用いた電動機もまた、このようなコストアップの問題や供給リスクの問題の影響を受ける。

これに関しては、希土類磁石の代わりに、酸化鉄を主成分とした安価なフェライト磁石を用いる方策もある。しかし、フェライト磁石の残留磁束密度は、希土類磁石の残留磁束密度の約１／３であるため、磁石の磁力が約１／３となる。

また、永久磁石埋込型電動機の性能を最大限に引き出すためには、出力トルクが高いだけではなく、減磁耐力に優れていることが重要である。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、希土類磁石の高い残留磁束密度に依存することなく、出力トルクを高く維持し減磁耐力に優れている、永久磁石埋込型電動機を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するため、本発明は、ステータと、前記ステータに対向して回転可能に設けられたロータとを備え、前記ロータは、それぞれ対応する永久磁石が挿入される複数の磁石挿入孔が形成されたロータコアを有し、複数の前記永久磁石及び複数の前記磁石挿入孔は、前記ロータの中心側に凸となる向きの弧状に形成されている、永久磁石埋込型電動機であって、隣り合う前記磁石挿入孔同士の最短距離を、極間最短距離Ｌとしたとき、前記ロータの外径Ｄに対する前記極間最短距離Ｌの比は、０．０３５≦Ｌ／Ｄ≦０．０４５である。
また、好適には、永久磁石は、フェライト磁石である。
前記磁石挿入孔における径方向内側挿入孔外形面の円弧中心と、該磁石挿入孔における径方向外側挿入孔外形面の円弧中心とが同一であるように構成してもよい。
さらに、同目的を達成するための本発明に係る圧縮機は、密閉容器内に、電動機と、圧縮要素とを備え、当該電動機は、上述した本発明に係る永久磁石埋込型電動機である。
さらに、同目的を達成するための本発明に係る冷凍空調装置は、上記の本発明に係る圧縮機を、冷凍回路の構成要素として含むものである。

本発明によれば、希土類磁石の高い残留磁束密度に依存することなく、出力トルクを高く維持し減磁耐力に優れている、永久磁石埋込型電動機を提供することができる。

本発明の実施の形態１に係る永久磁石埋込型電動機の回転中心線と直交する断面を示す図である。 図１におけるロータ単体を拡大して示す図である。 ロータコアの外径を示す図である。 隣り合う磁石挿入孔の最短距離を示す図である。 磁石挿入孔の湾曲態様を示す図である。 Ｌ／Ｄをパラメータとしたときのモータ出力トルクの変化を示したモータ特性を表すグラフである。 Ｌ／Ｄをパラメータとしたときのマグネットトルク及びリラクタンストルクの変化を示すグラフである。 Ｌ／Ｄをパラメータとしたときのトルクリプルの変化を示すグラフである。 Ｌ／Ｄをパラメータとしたときの減磁率を表したものである。 永久磁石埋込型電動機を搭載した本発明の実施の形態２に係るロータリ圧縮機の縦断面図である。

以下、本発明の実施の形態について添付図面に基づいて説明する。なお、図中、同一符号は同一又は対応部分を示すものとする。なお、図２〜図５は何れも、図１に示すような全体構成の一部に相当する図であるが、図の明瞭性を優先し、ハッチングは省略する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る永久磁石埋込型電動機の回転中心線と直交する断面を示す図である。図２は、図１におけるロータ単体を拡大して示す図である。

永久磁石埋込型電動機１は、ステータ３と、ステータ３に対向して回転可能に設けられたロータ５とを備える。ステータ３は、複数のティース部７を有している。複数のティース部７はそれぞれ、対応するスロット部９を介して別のティース部７と隣り合っている。複数のティース部７と複数のスロット部９とは、周方向に交互に且つ等間隔で並ぶように配置されている。

複数のティース部７には、それぞれ、ステータ巻線３ａが、いわゆる分布巻方式で巻かれている。分布巻方式は、ステータ３の複数のティース部７に渡って分布して巻線が施されている巻き方である。この分布巻方式は、集中巻方式と比較し、リラクタンストルクの利用に優れる特徴を持っている。

ロータ５は、ロータコア１１と、シャフト１３とを有している。シャフト１３は、ロータコア１１の軸心部に、焼嵌、圧入等により連結されており、ロータコア１１に回転エネルギーを伝達する。ロータ５の外周面と、ステータ３の内周面との間には、エアギャップ１５が確保されている。

このような構成において、ロータ５は、エアギャップ１５を介したステータ３の内側で、回転中心線ＣＬ（ロータの回転中心、シャフトの軸線）を中心に回転自在に保持されている。具体的には、ステータ３に、指令回転数に同期した周波数の電流を通電することにより、回転磁界を発生させ、ロータ５を回転させる。

ステータ３と、ロータ５との構成を詳細に説明する。ステータ３は、ステータコア１７を有する。ステータコア１７は、電磁鋼板を所定の形状に打ち抜き、所定枚数の電磁鋼板をカシメで締結しながら積層して構成される。

ステータ３の中心付近には、回転可能に保持されたシャフト１３が配置されている。そして、そのシャフト１３にロータ５が嵌合されている。ロータ５は、ロータコア１１を有しており、そのロータコア１１もまた、ステータコア１７同様、電磁鋼板を所定の形状に打ち抜き、所定枚数の電磁鋼板をカシメで締結しながら積層して構成される。

ロータ外周面２５と後述する側端挿入孔外形面５７との間は、一様な肉厚の極間薄肉部１８（図４参照）が存在する。これらの極間薄肉部１８はそれぞれ、隣接する磁極間での漏れ磁束の経路となるため、できるだけ薄いことが好ましい。

ロータコア１１の内部には、Ｎ極とＳ極とが交互になるように着磁された複数の永久磁石１９が設けられている。永久磁石１９はそれぞれ、焼結フェライト磁石から構成されており、図１においてみて、弧状に湾曲しており、その弧形状の凸部側がロータ５の中心側に向くように配置されている。より詳細には、ロータコア１１には、複数の永久磁石１９に対応した数の磁石挿入孔２１が形成されており、複数の磁石挿入孔２１にはそれぞれ、対応する永久磁石１９が挿入されている。

永久磁石１９は、フェライト磁石で構成されている。フェライト磁石は、酸化鉄（Ｆｅ₂Ｏ₃）を主成分とするため、一般的な永久磁石埋込型電動機に用いられる希土類磁石よりも安価であり、供給性が安定している。またフェライト磁石は、円弧形状の磁石を形成し易いため、本実施の形態のような逆円弧態様の磁石挿入孔にも挿入可能な磁石が構成できる。

複数の永久磁石１９及び複数の磁石挿入孔２１は共に、ロータ外周面２５の円弧と径方向の内外方向でみて逆向きとなる逆円弧態様に構成されている。すなわち、複数の永久磁石１９及び複数の磁石挿入孔２１はロータ５の中心側に凸となる向き（径方向外側すなわちロータ外周面２５側に凹となる向き）の弧状に形成されている。また、図１に示されているように、一つの磁石挿入孔２１につき一つの永久磁石１９が挿入されている。

ロータ５の磁極数は、２極以上であればいくつでもよい。本説明では、一例として６極の構成を示しており、図１及び図２に示されているように、ロータ５には、６つの磁石挿入孔２１が等角度間隔で離隔するように設けられている。すなわち、６つの磁石挿入孔２１は、それぞれが、６０度の角度間隔で隣り合う磁石挿入孔２１と離隔しているように配置されている。また、６つの永久磁石１９は、径方向の磁極の向きに関し、ロータ周方向に沿ってＮ極とＳ極とが交互に入れ替わるように配置されている。

次に、永久磁石及び磁石挿入孔の詳細について説明する。図３は、ロータコアの外径を示す図であり、図４は、隣り合う磁石挿入孔の最短距離を示す図であり、図５は、磁石挿入孔の湾曲態様を示す図である。

永久磁石１９はそれぞれ、径方向内側磁石外形面４３と、径方向外側磁石外形面４５と、一対の側端磁石外形面４７とを有している。また、磁石挿入孔２１はそれぞれ、径方向内側挿入孔外形面５３と、径方向外側挿入孔外形面５５と、一対の側端挿入孔外形面５７とを有している。

図２に示されるように、永久磁石１９が対応する磁石挿入孔２１に挿入された状態では、側端磁石外形面４７と側端挿入孔外形面５７との間には空隙部６１が形成され、径方向外側磁石外形面４５と径方向外側挿入孔外形面５５とが接触し、径方向内側磁石外形面４３と径方向内側挿入孔外形面５３とが接触する。

径方向外側挿入孔外形面５５は、第１円弧半径Ａ１による第１円弧面によって構成されている。一方、径方向内側挿入孔外形面５３は、第２円弧半径Ａ２による第２円弧面によって構成されている。

第１円弧半径Ａ１と、第２円弧半径Ａ２とは、共通の半径中心ＡＣを有しており、その共通の半径中心は、磁石挿入孔２１よりも径方向外側に在り、且つ、対応する磁極中心線ＭＬ上に在る。換言すると、径方向内側挿入孔外形面５３と、径方向外側挿入孔外形面５５とは、同心円状に構成されている。このように、径方向内側挿入孔外形面５３の円弧中心と、径方向外側挿入孔外形面５５の円弧中心とが同一であることにより、ロータコア１１及びそれに挿入する永久磁石１９の生産性が向上している。

また、ロータ５の回転中心線ＣＬを垂線とする断面においてみて、永久磁石１９及び磁石挿入孔２１は、対応する磁極中心線ＭＬによる線対称に形成されている。

ここで、隣り合う磁石挿入孔２１同士の間の磁路を極間と称し、隣り合う磁石挿入孔２１同士の最短距離を、極間最短距離Ｌと称する。本例では、極間最短距離Ｌは、隣り合う磁石挿入孔２１の径方向内側挿入孔外形面５３の間の最短距離となる。そして、本実施の形態１では、ロータ外径Ｄに対する極間最短距離Ｌの比は、０．０３５≦Ｌ／Ｄ≦０．０４５となる。このような構成に基づく、本実施の形態１の永久磁石埋込型電動機１の特性について、以下にさらに説明する。

図６は、Ｌ／Ｄをパラメータとしたときのモータ出力トルクの変化を示したモータ特性を表すグラフであり、図７は、Ｌ／Ｄをパラメータとしたときのマグネットトルク及びリラクタンストルクの変化を示すグラフである。図８は、Ｌ／Ｄをパラメータとしたときのトルクリプルの変化を示すグラフである。図９は、Ｌ／Ｄをパラメータとしたときの減磁率を表したものである。

図６のモータ出力トルクは、図７のマグネットトルク及びリラクタンストルクに分離して考えることができる。また、図６のトルクは、同一電流値における電動機の出力トルクを表したものである。出力トルクが大きい程、目的のトルクを発生させるための電流を小さくできるため、銅損を低減させることができる。そのため、トルクの値は、大きい方が望ましい。図６に示されるように、Ｌ／Ｄに対してモータ出力トルクは極値を有していることが分かる。モータ出力トルクが極値を有していることは、図７に示されたマグネットトルク及びリラクタンストルクのそれぞれの特性から理解できる。図７に示されるように、Ｌ／Ｄを大きくするとマグネットトルクは減少傾向にあるのに対し、リラクタンストルクは増加傾向にある。これより、極間最短距離Ｌを広げたことによるマグネットトルクの低下をリラクタンストルクの増加により補える。より詳細に説明する。極間最短距離Ｌを広げることで、ｑ軸方向の磁束が通り易くなり、ｑ軸インダクタンスの増加に伴いリラクタンストルクを向上させることができる。しかしながらその一方で、極間最短距離Ｌを広げると極間の磁気抵抗が小さくなるため、磁石からの磁束がステータを通らずにロータ薄肉部を介して極間に流れ易くなるため、漏れ磁束が発生し、磁石磁束に起因するマグネットトルクが低減してしまう。このような現象に対して、本実施の形態１では、０．０３５≦Ｌ／Ｄ≦０．０５を満たすように構成することで、マグネットトルクの低減をリラクタンストルクで補い、最終的に、合成トルクを高く維持することが可能となっている。また、Ｌ／Ｄ＝０．０５においては、大きなリラクタンストルクを得られることに加え、極間最短距離Ｌが大きくなることで磁石を小型化することができ、磁石コストの低減効果も得られる利点がある。

また、図８のトルクリプルは、回転中のトルク変動を表す指標である。トルクリプルが大きいと、運転中の騒音・振動の要因となるため、トルクリプルは、小さい方が望ましい。さらに、図９の減磁率は、減磁電流を流した時に磁石から発生する磁束量が低減する割合を表す。つまり、減磁率の絶対値が小さい（図９のグラフでは縦軸の上方向）と、減磁耐力に優れているため望ましい。図６と図９とをみると分かるように、トルクが最大となるポイントはＬ／Ｄ＝０．０４４の時であり、減磁率（絶対値）が最小となるポイントはＬ／Ｄ＝０．０３９の時である。図９の減磁率では、Ｌ／Ｄが０．０３５以下の場合に減磁率特性の傾きが大きくなり、Ｌ／Ｄがこの値よりも小さいと減磁耐力が悪化して品質を悪化させる恐れがある。同様に、Ｌ／Ｄが０．０４５以上の場合に減磁率特性の傾きが大きくなり、Ｌ／Ｄがこの値よりも大きいと減磁耐力が悪化する。以上より、Ｌ／Ｄの範囲を０．０３５≦Ｌ／Ｄ≦０．０４５とすることで、高トルク化と減磁耐力改善の両方を満足し、本発明の永久磁石埋込型電動機の性能を最大限に引き出すことが出来る。

上述した本実施の形態１によれば、希土類磁石の高い残留磁束密度に依存することなく、出力トルクを高く維持し減磁耐力に優れている、永久磁石埋込型電動機を提供することができる。

実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２として、上述した実施の形態１の永久磁石埋込型電動機を搭載したロータリ圧縮機について説明する。なお、本発明は、上述した実施の形態１の永久磁石埋込型電動機を搭載した圧縮機を含むものであるが、圧縮機の種別は、ロータリ圧縮機に限定されるものではない。

図８は、永久磁石埋込型電動機を搭載したロータリ圧縮機の縦断面図である。ロータリ圧縮機１００は、密閉容器１０１内に、永久磁石埋込型電動機１（電動要素）と、圧縮要素１０３とを備えている。図示はしないが、密閉容器１０１の底部に、圧縮要素１０３の各摺動部を潤滑する冷凍機油が貯留されている。

圧縮要素１０３は、主な要素として、上下積層状態に設けられたシリンダ１０５と、永久磁石埋込型電動機１により回転するシャフトである回転軸１０７と、回転軸１０７に嵌挿されるピストン１０９と、シリンダ１０５内を吸入側と圧縮側に分けるベーン（図示せず）と、回転軸１０７が回転自在に嵌挿され、シリンダ１０５の軸方向端面を閉塞する上下一対の上部フレーム１１１及び下部フレーム１１３と、上部フレーム１１１及び下部フレーム１１３にそれぞれ装着されたマフラ１１５とを含んでいる。

永久磁石埋込型電動機１のステータ３は、密閉容器１０１に焼嵌または溶接等の方法により直接取り付けられ保持されている。ステータ３のコイルには、密閉容器１０１に固定されるガラス端子から電力が供給される。

ロータ５は、ステータ３の内径側に、空隙を介して配置されており、ロータ５の中心部の回転軸１０７（シャフト１３）を介して圧縮要素１０３の軸受け部（上部フレーム１１１及び下部フレーム１１３）により回転自在な状態で保持されている。

次に、かかるロータリ圧縮機１００の動作について説明する。アキュムレータ１１７から供給された冷媒ガスは、密閉容器１０１に固定された吸入パイプ１１９よりシリンダ１０５内へ吸入される。インバータの通電によって永久磁石埋込型電動機１が回転されていることで、回転軸１０７に嵌合されたピストン１０９がシリンダ１０５内で回転される。それにより、シリンダ１０５内では冷媒の圧縮が行われる。冷媒は、マフラ１１５を経た後、密閉容器１０１内を上昇する。このとき、圧縮された冷媒には冷凍機油が混入している。この冷媒と冷凍機油との混合物は、ロータコア１１に設けた風穴７１を通過する際に、冷媒と冷凍機油との分離を促進され、冷凍機油が吐出パイプ１２１へ流入するのを防止できる。このようにして、圧縮された冷媒が、密閉容器１０１に設けられた吐出パイプ１２１を通って冷凍サイクルの高圧側へと供給される。

尚、ロータリ圧縮機１００の冷媒には、従来からあるＲ４１０Ａ、Ｒ４０７Ｃ、Ｒ２２等を用いてもよいが、低ＧＷＰ（地球温暖化係数）の冷媒等などいかなる冷媒も適用できる。地球温暖化防止の観点からは、低ＧＷＰ冷媒が望まれている。低ＧＷＰ冷媒の代表例として、以下の冷媒がある。
（１）組成中に炭素の二重結合を有するハロゲン化炭化水素：例えば、ＨＦＯ−１２３４ｙｆ（ＣＦ３ＣＦ＝ＣＨ２）である。ＨＦＯは、Ｈｙｄｒｏ−Ｆｌｕｏｒｏ−Ｏｌｅｆｉｎの略で、Ｏｌｅｆｉｎは、二重結合を一つ持つ不飽和炭化水素のことである。尚、ＨＦＯ−１２３４ｙｆのＧＷＰは４である。
（２）組成中に炭素の二重結合を有する炭化水素：例えば、Ｒ１２７０（プロピレン）である。尚、ＧＷＰは３で、ＨＦＯ−１２３４ｙｆより小さいが、可燃性はＨＦＯ−１２３４ｙｆより大きい。
（３）組成中に炭素の二重結合を有するハロゲン化炭化水素または組成中に炭素の二重結合を有する炭化水素の少なくともいずれかを含む混合物：例えば、ＨＦＯ−１２３４ｙｆとＲ３２との混合物等である。ＨＦＯ−１２３４ｙｆは、低圧冷媒のため圧損が大きくなり、冷凍サイクル（特に、蒸発器において）の性能が低下しやすい。そのため、ＨＦＯ−１２３４ｙｆより高圧冷媒であるＲ３２又はＲ４１等との混合物が実用上は有力になる。

以上に構成された本実施の形態２に係るロータリ圧縮機においても、上述した実施の形態１と同様な利点を有する。

実施の形態３．
また、本発明は、上述した実施の形態２の圧縮機を冷凍回路の構成要素として含む、冷凍空調装置として実施することも可能である。なお、冷凍空調装置の冷凍回路における、圧縮機以外の構成要素の構成は、特に、限定されるものではない。

本実施の形態３によれば、上記実施の形態１の利点に加え、次のような利点も得られる。冷凍空調用圧縮機は、低温から高温まで用いられるため、温度依存性を持つマグネットトルクを重視した電動機は、温度に対する耐久性が低いといえる。しかし、本実施の形態３における電動機は、温度依存性を持たないリラクタンストルクの利用率が大きくなっているので、その分、温度に対する耐久性が向上している。よって、本実施の形態３の冷凍空調用圧縮機は、運転中の温度耐久性が優れている。

以上、好ましい実施の形態を参照して本発明の内容を具体的に説明したが、本発明の基本的技術思想及び教示に基づいて、当業者であれば、種々の改変態様を採り得ることは自明である。

１ 永久磁石埋込型電動機、３ ステータ、５ ロータ、１１ ロータコア、１９ 永久磁石、２１ 磁石挿入孔、５３ 径方向内側挿入孔外形面、５５ 径方向外側挿入孔外形面、１００ ロータリ圧縮機、１０１ 密閉容器、１０３ 圧縮要素。

Claims (4)

1. ステータと、
   前記ステータに対向して回転可能に設けられたロータとを備え、
   前記ステータは、１８個のティース部を有しており、
   隣り合う前記ティース部間には、それぞれスロット部が設けられており、
   前記複数のティース部には、ステータ巻線が分布巻方式で巻かれており、
   前記ロータは、それぞれ対応する永久磁石が挿入される複数の磁石挿入孔が形成されたロータコアを有し、
   前記ロータの磁極数は６極であり、
   前記永久磁石は、フェライト磁石であり、
   複数の前記永久磁石及び複数の前記磁石挿入孔は、前記ロータの中心側に凸となる向きの弧状に形成されている、永久磁石埋込型電動機であって、
   隣り合う前記磁石挿入孔同士の最短距離を、極間最短距離Ｌとしたとき、前記ロータの外径Ｄに対する前記極間最短距離Ｌの比は、０．０３５≦Ｌ／Ｄ≦０．０４５である、
   永久磁石埋込型電動機。
2. 前記磁石挿入孔における径方向内側挿入孔外形面の円弧中心と、該磁石挿入孔における径方向外側挿入孔外形面の円弧中心とが同一である、
   請求項１の永久磁石埋込型電動機。
3. 密閉容器内に、電動機と、圧縮要素とを備えた圧縮機であって、
   前記電動機は、請求項１又は２の永久磁石埋込型電動機である、
   圧縮機。
4. 請求項３の圧縮機を冷凍回路の構成要素として含む、冷凍空調装置。

Images