JP6420488B2 - 永久磁石式回転電動機およびこれを用いた圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、永久磁石式回転電動機およびこれを用いた圧縮機に関する。

永久磁石式回転電機およびこれを用いた圧縮機の従来技術としては、例えば特許文献１に記載のものがある。特許文献１に記載の永久磁石式回転電機では、回転子鉄心の永久磁石挿入孔の外側にスリットを複数個形成し、各スリット側面の延長線が固定子側の磁極中心線上の一点で交わるようにしている。これにより、モータ電流を安定させ、特に高速回転時の運転制御性を向上させ、効率改善、騒音低減にも効果が得られるとしている。

特許４３４０６３２号公報

しかし、永久磁石の界磁磁束を有効に使うため、永久磁石は可能な限り回転子外径部に近づけて配置される。このため、回転子鉄心のうち、永久磁石挿入孔より固定子側に位置する部分は、非常に小さくなる。このため、特許文献１に記載の効果を得るために、回転子鉄心のうち永久磁石挿入孔より固定子側に位置する部分に、複数個の小さなスリットを形成している。複数個の小さなスリットが形成された回転子鉄心をプレス機にて成形する際には、多くの精密刃具が必要となる。さらには刃具のメンテナンス周期を短くして精密成型を維持する必要がある。

そこで、本発明は、回転子鉄心の成形性を容易に維持しつつ、効率の向上、騒音および振動の低減を図った永久磁石式回転電動機およびこれを用いた圧縮機を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため本発明の永久磁石式回転電動機は、ヨークと、前記ヨークからその径方向の内方に向かって延び電機子巻線が巻回される複数のティースと、を有する固定子と、外周表面近傍に複数の磁石挿入孔が形成された回転子鉄心と、前記複数の磁石挿入孔に挿入される複数の板状の永久磁石とを備える回転子と、を備え、前記回転子鉄心は、各磁石挿入孔の外径側に位置する外側鉄心部を有し、前記回転子鉄心において、隣り合う前記磁石挿入孔の間には凹部が形成され、前記外側鉄心部は、前記永久磁石の幅方向の両端部の外径側に位置する端部と、前記端部の間に位置する中央部とを有し、各端部には、一つのスリットのみが形成され、中央部は中実に構成されている。

また、圧縮機は、上記の永久磁石式回転電動機と、前記永久磁石式回転電動機によって駆動される圧縮機構部と、を備える。

本発明によれば、回転子鉄心の成形性を容易に維持しつつ、効率の向上、騒音および振動の低減を図った永久磁石式回転電動機およびこれを用いた圧縮機を提供することができる。

本実施形態における永久磁石式回転電動機をその回転軸に直交する平面で切った断面図を示す。 本実施形態における回転子の外側鉄心部付近の拡大図を示す。 本実施形態における電動機のトルク波形と、従来の構成の電動機のトルク波形との比較を示す図である。 本実施形態における電動機を備える圧縮機の断面図を示す。

以下、本発明の実施の形態に係る永久磁石式回転電動機およびこれを用いた圧縮機について、図面を参照して説明する。

図１は、本実施形態における永久磁石式回転電動機１００（以下、単に電動機１００とする）をその回転軸に直交する平面で切った断面図を示している。図２は、回転子１０の外側鉄心部１３Ｄ付近の拡大図を示す。

図１に示すように、電動機１００は、固定子１と、回転子１０とを主に備える。固定子１は、円筒状のヨーク６と、複数のティース３を有し、複数のティース３により、複数のスロット部２が形成されている。図示せぬ電機子巻線が、各ティース３を取り囲むように巻回され、スロット部２内に配される。

回転子１０は、回転子鉄心１３と複数（本実施形態では６枚）の永久磁石１１とにより構成される。回転子鉄心１３の外周表面近傍には、複数の磁石挿入孔１３ｃが形成されている。各磁石挿入孔１３ｃに対し、板状の永久磁石１１が挿入されている。永久磁石１１により、磁極が構成される。回転子鉄心１３において、隣り合う永久磁石１１（磁石挿入孔１３ｃ）の間には、凹部１２が形成されている。

回転子鉄心１３は、磁石挿入孔１３ｃ（永久磁石１１）の外径側に位置する外側鉄心部１３Ｄを有する。外側鉄心部１３Ｄにおいて、永久磁石１１の幅方向両端部の外径側に位置する端部１３Ｄ１（図２）に、一対のスリット１３ａが形成されている。すなわち、各端部１３Ｄ１に一つのスリット１３ａのみが形成されている。また、外側鉄心部１３Ｄにおいて、一対の端部１３Ｄ１の間に位置する中央部１３Ｄ２（図２）は中実に構成されている。

図１、図２に示すように、ティース３は、ヨーク６から径方向の内方に向かって延びるティース基部７と、ティース基部７の先端側に設けられ、円周方向に沿って延びるティース円弧部４とを備える。ティース円弧部４は、内周面が円弧状をなすティース中央部８と、一対のティース拡大部５を備える。一対のティース拡大部５は、ティース中央部８の円周方向の両端に位置している。各ティース拡大部５と外側鉄心部１３Ｄとの距離は、ティース中央部８と外側鉄心部１３Ｄとの距離よりも大きく構成されている。本実施の形態では、ティース拡大部５の内面は、円周方向の外方に向かうにつれて、外側鉄心部１３Ｄからの距離が大きくなるように構成されている。換言すれば、ティース拡大部５の内面は、ティース中央部８の内面よりも径方向において外側に位置している。

ティース３と外側鉄心部１３Ｄとが径方向に並んだ状態において、ティース円弧部４の一方のティース拡大部５が、外側鉄心部１３Ｄの一方のスリット１３ａに対向し、ティース円弧部４の他方のティース拡大部５が、外側鉄心部１３Ｄの他方のスリット１３ａに対向するように構成されている。

回転子１０の外側鉄心部１３Ｄは、径方向の外端部に、ロータ円弧部１４と、一対のロータ拡大部１５とを有する。ロータ円弧部１４は、ティース３に対向する外周面が円弧状をなしている。各ロータ拡大部１５は、スリット１３ａと凹部１２との間に位置している。各ロータ拡大部１５とティース円弧部４との距離は、ロータ円弧部１４とティース円弧部４との距離よりも大きく構成されている。本実施の形態では、ロータ拡大部１５の外面は、円周方向の外方に向かうにつれて、ティース円弧部４からの距離が大きくなるように構成されている。換言すれば、ロータ拡大部１５の外面は、ロータ円弧部１４の外面よりも径方向において内側に位置している。

以上のように、回転子鉄心１３において、隣り合う永久磁石１１（磁極）の間に、凹部１２が形成されているので、隣り合う永久磁石１１間での界磁磁束の短絡を防止することができる。回転子１０の外側鉄心部１３Ｄには、永久磁石１１の幅方向両端部に対応する端部１３Ｄ１に、一対のスリット１３ａが形成されている。外側鉄心部１３Ｄにおいて、一対のスリット１３ａの間に位置する中央部１３Ｄ２は中実に構成されている。これにより、界磁磁束の短絡をさらに防止できるとともに、磁束分布の円滑化を図ることができ、電機子反作用の低減を図ることができる。その結果、電動機１００の効率向上が可能となる。

また、回転子１０の外側鉄心部１３Ｄには、一対のスリット１３ａが形成され、一対のスリット１３ａの間に位置する中央部１３Ｄ２は中実に構成されている。よって、回転子鉄心１３の製造時に多くの精密刃具を必要とせず、回転子鉄心１３の成形性を容易に維持することができる。

また、ティース円弧部４は、ティース中央部８と、ティース中央部８の円周方向の両端に位置する一対のティース拡大部５とを有し、各ティース拡大部５と外側鉄心１３Ｄ部との距離は、ティース中央部８と外側鉄心部１３Ｄとの距離よりも大きく構成されている。ティース３と外側鉄心部１３Ｄとが径方向に並んだ状態において、ティース円弧部４の一方のティース拡大部５が、外側鉄心部１３Ｄの一方のスリット１３ａに対向し、ティース円弧部４の他方のティース拡大部５が、外側鉄心部１３Ｄの他方のスリット１３ａに対向するように構成されている。

これにより、ティース円弧部４の円周方向の端部に界磁磁束が集中することを防止することができるので、磁束分布の円滑化を図ることができ、トルク変動も低く抑えることが可能である。すなわち、凹部１２とスリット１３ａとの組み合わせのみでは、界磁磁束がティース円弧部４の円周方向の端部に集中することで、磁束分布が円滑に変化し難くなってしまい、トルク変動が大きくなってしまう可能性があるが、これを防止することができる。

また、外側鉄心部１３Ｄは、径方向の外端部に、ロータ円弧部１４と、ロータ円弧部１４の円周方向の両端に位置する一対のロータ拡大部１５と、を有し、 各ロータ拡大部１５は、スリット１３ａと凹部１２との間に位置し、各ロータ拡大部１５とティース円弧部４との距離は、ロータ円弧部１４とティース円弧部４との距離よりも大きく構成されている。このため、さらに磁束分布の円滑化を図ることができ，トルク変動を低く抑えることができる。

図３は、本実施形態における電動機１００のトルク波形と、従来の構成（スリット１３ａ、凹部１２等が形成されていない）の永久磁石式回転電動機のトルク波形との比較を示す図である。図３では、所定の運転条件（回転数、軸出力）におけるトルク変動を示しており、横軸が時間、縦軸がトルクを示している。図３において、実線１０１は、本実施形態における電動機１００のトルク波形を示し、点線１０２は、従来の構成の電動機のトルク波形を示している。

図３に示すように、本実施形態における電動機１００のトルク波形の方が、トルク変動の振幅が小さくなり、かつ波形のひずみが小さくなっている。よって、本実施形態の電動機１００によれば、トルク変動に起因する振動や騒音を低減させることができる。

図４は、電動機１００を備える圧縮機２００の断面図を示している。

圧縮機２００は、圧力容器を兼ねた筒状のケース２０３と、電動機１００と、駆動軸２０２と、圧縮機構部２０１とを備える。

固定子１は、ケース２０３に支持されている。回転子１０には駆動軸２０２が取り付けられている。駆動軸２０２はケース２０３に回転可能に支持されている。圧縮機構部２０１は、スクロール式の圧縮機構部である。圧縮機２００では、回転子１０の回転が駆動軸２０２を介して、圧縮機構部２０１に伝達され、圧縮機構部２０１でガスが圧縮され、圧縮ガスはケース２０３外に排出される。

このように、電動機１００のトルクは、駆動軸２０２を介して圧縮機構部２０１に直接伝達されるため、電動機１００のトルク変動は、圧縮機２００全体の振動および騒音の原因となる。しかし、圧縮機２００が本実施形態のトルク変動を低減した電動機１００を備え、圧縮機構部２０１を電動機１００により駆動することにより、圧縮機２００において、効率を向上させ、振動および騒音を低減させることができる。

なお、本発明は、上述した実施例に限定されない。当業者であれば、本発明の範囲内で、種々の追加や変更等を行うことができる。

例えば、上記の実施形態において、電動機１００は、６極、９スロットであったが、磁極の数およびスロット数はこれに限らない。また、ティース拡大部５の内面は、円周方向の外方に向かうにつれて、外側鉄心部１３Ｄからの距離が大きくなるように構成されていた。しかし、各ティース拡大部５と外側鉄心部１３Ｄとの距離が、ティース中央部８と外側鉄心部１３Ｄとの距離よりも大きく構成されていれば良く、ティース拡大部５の内面は、円周方向に沿って、外側鉄心部１３Ｄとの距離が一定であっても良い。

同様に、ロータ拡大部１５の外面は、円周方向の外方に向かうにつれて、ティース円弧部４からの距離が大きくなるように構成されていた。しかし、各ロータ拡大部１５とティース円弧部４との距離は、ロータ円弧部１４とティース円弧部４との距離よりも大きく構成されていれば良く、ロータ拡大部１５の外面は、円周方向に沿って、ティース円弧部４との距離が一定であっても良い。

１ 固定子
３ ティース
４ ティース円弧部
５ ティース拡大部
６ ヨーク
７ ティース基部
８ ティース中央部
１０ 回転子
１２ 凹部
１１ 永久磁石
１３ 回転子鉄心
１３ａ スリット
１３ｃ 磁石挿入孔
１３Ｄ 外側鉄心部
１３Ｄ１ 端部
１３Ｄ２ 中央部
１４ ロータ円弧部
１５ ロータ拡大部
１００ 永久磁石式回転電動機
２００ 圧縮機
２０１ 圧縮機構部

Claims (4)

1. ヨークと、前記ヨークからその径方向の内方に向かって延び電機子巻線が巻回される複数のティースと、を有する固定子と、
   外周表面近傍に複数の磁石挿入孔が形成された回転子鉄心と、前記複数の磁石挿入孔に挿入される複数の板状の永久磁石とを備える回転子と、を備え、
   前記回転子鉄心は、各磁石挿入孔の外径側に位置する外側鉄心部を有し、
   前記回転子鉄心において、隣り合う前記磁石挿入孔の間には凹部が形成され、
   前記外側鉄心部は、前記永久磁石の幅方向の両端部の外径側に位置する端部と、前記端部の間に位置する中央部とを有し、
   各端部には、一つのスリットのみが形成され、中央部は中実に構成され、
   前記スリットは、前記永久磁石に対し垂直に延びている、永久磁石式回転電動機。
2. ヨークと、前記ヨークからその径方向の内方に向かって延び電機子巻線が巻回される複数のティースと、を有する固定子と、
   外周表面近傍に複数の磁石挿入孔が形成された回転子鉄心と、前記複数の磁石挿入孔に挿入される複数の板状の永久磁石とを備える回転子と、を備え、
   前記回転子鉄心は、各磁石挿入孔の外径側に位置する外側鉄心部を有し、
   前記回転子鉄心において、隣り合う前記磁石挿入孔の間には凹部が形成され、
   前記外側鉄心部は、前記永久磁石の幅方向の両端部の外径側に位置する端部と、前記端部の間に位置する中央部とを有し、
   各端部には、一つのスリットのみが形成され、中央部は中実に構成され、
   各ティースは、前記ヨークからその径方向の内方に向かって延びるティース基部と、前記ティース基部の先端側に設けられ、円周方向に沿って延びるティース円弧部と、を有し、
   前記ティース円弧部は、ティース中央部と、前記ティース中央部の前記円周方向の両端に位置する一対のティース拡大部と、を有し、
   各ティース拡大部と前記外側鉄心部との距離は、前記ティース中央部と前記外側鉄心部との距離よりも大きく構成され、
   前記ティースと前記外側鉄心部とが径方向に並んだ状態において、前記ティース円弧部の一方の前記ティース拡大部が、前記外側鉄心部の一方の前記スリットに対向し、前記ティース円弧部の他方の前記ティース拡大部が、前記外側鉄心部の他方の前記スリットに対向するように構成されている、永久磁石式回転電動機。
3. 前記外側鉄心部は、径方向の外端部に、ロータ円弧部と、前記ロータ円弧部の前記円周方向の両端に位置する一対のロータ拡大部と、を有し、
   各ロータ拡大部は、前記スリットと前記凹部との間に位置し、各ロータ拡大部と前記ティース円弧部との距離は、前記ロータ円弧部と前記ティース円弧部との距離よりも大きく構成されている、請求項２に記載の永久磁石式回転電動機。
4. 請求項１または請求項２に記載の永久磁石式回転電動機と、
   前記永久磁石式回転電動機によって駆動される圧縮機構部と、を備える、圧縮機。