JP6591076B2 - 電動機及び空気調和機 - Google Patents

Description

本発明は、コアに形成された孔にマグネットが挿入された電動機及びそれを備える空気調和機に関する。

従来、コアに形成された穴にマグネットが挿入された電動機が用いられている。特許文献１に開示された電動機では、結合材及び磁石粉末を主とするボンド磁石部でマグネットを形成し、結合材及び軟磁性粉末を主とする軟磁性部でコアを形成することで、マグネットとコアとのエアギャップの削減が図られている。

特開２００５−０２０９９１号公報

しかしながら、特許文献１に開示された電動機では、マグネットの端部で隣り合う磁極側への磁束の漏れが発生することで主磁束が減少し、電動機の効率が低下することが課題となる。マグネットの外周側のコアにスリットを設けて、磁束の漏れを抑制することが可能だが、スリットによって軟磁性部であるコアの強度が低下する。また、磁極間部の磁気アンバランスが大きくなり、コギングトルクやトルクリップルの悪化による振動・騒音の要因となり、品質低下が懸念される。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、コアの強度を維持しつつ効率の向上及び品質の向上を図ることができる電動機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、本発明に係る電動機は、環状のコアと、コアの周方向に沿って並べて配置され、コアの中心軸に沿って延びる複数の挿入孔と、複数の挿入孔に挿入されたマグネットと、を備え、コアは、軟磁性体を含有する樹脂材料で形成され、マグネットの周方向における中央部分が磁極の中心となる磁場配向となっている。

本発明に係る電動機は、コアの強度を維持しつつ効率の向上及び品質の向上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に係る電動機の概略構成を示す断面図 実施の形態１において基板を組付けた固定子組立部の斜視図 実施の形態１における固定子組立部を中心軸に沿って見た図 実施の形態１における回転子組立を負荷側から見た図 図４に示すＡ−Ａ線に沿って回転子組立を切断した断面図 実施の形態１における回転子組立を反負荷側から見た図 実施の形態１におけるコアを負荷側から見た図 図７に示すＢ−Ｂ線に沿ってコアを切断した断面図 実施の形態１における回転子組立を反負荷側から見た図 実施の形態１におけるコアの斜視図 実施の形態１におけるマグネットがコアに成形された回転子を負荷側から見た図 図１１に示すＣ−Ｃ線でマグネットがコアに成形された回転子を切断した断面図 実施の形態１におけるマグネットがコアに成形された回転子を反負荷側から見た図 実施の形態１におけるマグネットがコアに成形された回転子の斜視図 実施の形態１における回転子組立の製造工程を示すフローチャート 実施の形態１の変形例に係る電動機が備えるコアを負荷側から見た図 実施の形態１に係る電動機を備える空気調和機の概略構成を示す図

以下に、本発明の実施の形態に係る電動機及び空気調和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に係る電動機の概略構成を示す断面図である。図２は、実施の形態１において基板を組付けた固定子組立部の斜視図である。図３は、実施の形態１における固定子組立部を中心軸に沿って見た図である。図４は、実施の形態１における回転子組立を負荷側から見た図である。図５は、図４に示すＡ−Ａ線に沿って回転子組立を切断した断面図である。図６は、実施の形態１における回転子組立を反負荷側から見た図である。

図１に示す電動機１００は、モールド固定子４０と、モールド固定子４０の内側に配置される回転子組立３と、モールド固定子４０の軸方向の一端部に取付けられる金属製のブラケット３１とを備える。電動機１００は、ブラシレスＤＣモータ又はステッピングモータである。

モールド固定子４０は、固定子４２と、固定子４２と同軸に固定子４２と対向して配置される基板４６と、固定子４２に基板４６を組付けた図２に示す固定子組立部５０を覆う樹脂部４１とを備える。すなわちモールド固定子４０は、樹脂部４１の材料である樹脂で固定子組立部５０を覆って一体とすることで形成される。

固定子組立部５０を覆う樹脂には、不飽和ポリエステルである熱硬化性樹脂が用いられる。基板４６は、一般に強度的に弱い構造であるため、固定子組立部５０を樹脂で覆って樹脂部４１を成形する工程は低圧成形で行われることが望ましい。そのため、樹脂部４１には不飽和ポリエステル樹脂のような熱硬化性樹脂が用いられる。

図２及び図３に示す固定子組立部５０は、環状の固定子４２と、固定子４２の軸方向の一端に組付けられた基板４６と、基板４６に組付けられ、基板４６のうち固定子４２側の反対側となる面を押える基板押え部品５１とを備える。

基板押え部品５１は、固定子組立部５０を図示しないモールド金型に挿入して金型を閉じたとき、モールド金型に当接する。このように基板押え部品５１がモールド金型に当接することにより、樹脂成形の圧力による基板４６の変形が抑制される。これにより、基板４６の変形に起因した基板４６上の半田接合部における剥離を防止することができ、品質の向上が図れる。

固定子４２は、電磁鋼板を積層した固定子コア４３と、固定子コア４３に施された絶縁部４４と、絶縁部４４に巻付けられたコイル４５とを備える。

絶縁部４４は、熱可塑性樹脂で固定子コア４３に一体成形されるか、又は熱可塑性樹脂で成形された別体の成形品を固定子コア４３に組付けることで形成される。熱可塑性樹脂は例えばポリブチレンテレフタレートである。

絶縁部４４には、基板４６を組付ける突起５２が複数設けられる。突起５２を熱溶着で変形させることにより、基板４６が絶縁部４４に組付けられる。また絶縁部４４には、コイル４５と電気的に接続された複数の端子５４が設けられる。

基板４６は、基板４６の外周部に形成され複数の端子挿入穴５５と、基板４６の外周部に形成されて絶縁部４４に設けられた複数の突起５２に勘合する複数の穴５３とを備える。

図２に示すように、複数の端子５４は、各々が端子挿入穴５５に挿入されて半田付けされることにより、基板４６と電気的に接続される。また複数の穴５３の各々に挿入された突起５２の先端を変形させて熱融着することにより、基板４６が絶縁部４４に組付けられる。

基板４６には磁気センサ４７が設置される。磁気センサ４７は回転子組立３の回転位置を検出するセンサ回路を構成する。磁気センサ４７は図１に示すセンサマグネット２１と対向して基板４６上に設置される。

磁気センサ４７は、センサマグネット２１から発生する磁気、すなわち磁束のＮＳの切り替わりを検出することで、回転子組立３の周方向における位置、すなわち回転子２０の周方向における位置を特定し、検出信号を出力する。

検出信号は、電動機１００の外部、又は基板４６に設けられた図示しない駆動回路に入力される。電動機１００がブラシレスＤＣモータである場合、駆動回路は、検出信号を利用して、固定子４２に対する回転子２０の相対的な位置に応じてコイル４５への通電制御を行う。これにより電動機１００の高効率で低騒音な駆動を行うことができる。

図１及び図４から図６に示すように、回転子組立３には、シャフト１が一体に設けられる。すなわち、回転子組立３の軸孔１３にシャフト１が挿通されている。シャフト１には一対の軸受５ａ，５ｂが組付けられる。モールド固定子４０に設けられた中空部４９には、軸受５ａ，５ｂが組付けられた回転子組立３が挿入される。

軸受５ａは、回転子組立３の反負荷側に配置され、樹脂部４１によって支持される。軸受５ｂは、回転子組立３の負荷側に配置され、ブラケット３１によって支持される。

回転子組立３は、回転子２０と、回転子２０の軸方向の一端部である反負荷側に配置されたセンサマグネット２１と、回転子２０を軸方向に貫通するシャフト１と、回転子２０、センサマグネット２１及びシャフト１を一体に成形する樹脂部２２とを備える。基板４６に実装された磁気センサ４７は、センサマグネット２１の磁極を検出することで、回転子組立３の回転位置を検出する。回転子２０は、コア２３とマグネット２４とを有する。

図７は、実施の形態１におけるコアを負荷側から見た図である。図８は、図７に示すＢ−Ｂ線に沿ってコアを切断した断面図である。図９は、実施の形態１における回転子組立を反負荷側から見た図である。図１０は、実施の形態１におけるコアの斜視図である。なお、図７に示す破線は、磁場配向を示している。

コア２３は、環状形状であり、中心軸に沿って延びる複数の挿入孔２５が形成されている。複数の挿入孔２５は、環状のコア２３の周方向に沿って並べて配置される。したがって、複数の挿入孔２５は、コア２３の中心軸を中心に放射上に配置される。

マグネット２４は、挿入孔２５に挿入される。回転子２０は、第１の磁極であるＮ極とこれと異なる第２の磁極であるＳ極とが周方向に交互に配置されてなる複数個の磁極を有する。周方向に隣り合う磁極の間がそれぞれ磁極間となる。本実施の形態では、回転子２０の磁極数は８個とする。すなわち、回転子組立３の磁極数は８個であり、回転子組立３は８極となるように着磁されている。

図４から図６に戻って、樹脂部２２は、内筒部２２ａと、内筒部２２ａの外側に配置される外筒部２２ｃと、内筒部２２ａと外筒部２２ｃとを連結する８個のリブ２２ｂとを備えている。樹脂部２２は、例えばポリブチレンテレフタレートである熱可塑性樹脂を成形して形成される。内筒部２２ａにはシャフト１が貫通する。８個のリブ２２ｂは、回転子組立３の周方向に等間隔で配置され、シャフト１の軸を中心に放射状に伸びている。なお、リブ２２ｂの本数は８個に限定されない。また、隣り合うリブ２２ｂ間には挿入孔２５が形成される。

外筒部２２ｃは回転子２０の両端面を覆うように形成され、回転子２０が軸方向に抜け止めされ、挿入孔２５に設けられたマグネット２４の脱落が防止される。また、回転子２０のコア２３の凹部２８及び台座３０（図７から図９も参照）の周囲に樹脂が入り込み、回転子２０がまわり止めされる。

シャフト１には、ローレット２が形成される。ローレット２は、内筒部２２ａの内面と接触し、シャフト１の滑り止めとして機能する。

図７から図１０に示すコア２３は、軟磁性体（粉末）を含む熱可塑性樹脂を成形して形成される。軟磁性体は、例えば鉄である。熱可塑性樹脂は、例えばポリアミドである。なお、コア２３に熱可塑性ではない樹脂、例えば熱硬化性樹脂を使用することも可能である。コア２３は極異方に配向された金型で成形される。これにより、図７の破線で示すように、金型の配向に沿って軟磁性体が極異方に分布されて、コア２３の磁場配向が極異方性配向となる。コア２３の磁場配向における磁極の中心は、コア２３の周方向におけるマグネット２４の中央部分となる。

マグネット２４の磁束が、軟磁性体が極異方に配向されたコア２３を通ることで、マグネット２４よりも外側のコア２３で、隣り合うマグネット２４の磁束の漏れが抑制される。これにより、主磁束の減少を低減し、電動機１００の効率の向上が図られる。また、回転子２０の表面磁束分布を正弦波状にすることができ、電動機１００の効率が向上するだけでなく、低騒音化を図ることができる。

コア２３は、環状である。また、コア２３は、軸方向に互いに対向する第１及び第２の端面を有する。ここで、軸方向は、回転子２０の軸方向である。以下では、第１及び第２の端面は、それぞれ負荷側及び反負荷側の端面である。

コア２３の負荷側の端面には、周方向に等間隔で８個の凹部２８が形成される。凹部２８は、周方向において磁極間に配置される。凹部２８には、コア２３の材料となる熱可塑性樹脂を注入するための図示しないゲート口が設けられる。凹部２８の深さは、コア２３の負荷側の端面から図示しないゲート処理跡が突出しないように設定される。なお、凹部２８を磁極間に配置するとしたが、磁極の中心としてもよい。

コア２３の内周面には、周方向に等間隔で８個の切欠２９が設けられる。切欠２９は、コア２３の負荷側の端面から軸方向にテーパ状に切り欠かれる。切欠２９は、周方向において磁極中心に配置される。切欠２９は、マグネット２４の成形時に金型の凸部が嵌め合され、周方向の位置決めと同軸性の確保に利用される。なお、切欠２９を磁極中心に配置するとしたが、磁極間としてもよい。

コア２３の反負荷側の端面には、周方向に等間隔で８個の台座３０が形成される。台座３０は、周方向において磁極間に配置される。台座３０には、センサマグネット２１が設置される（図５も参照）。台座３０は、センサマグネット２１の径方向の位置ずれを抑制する突起３０ａを備える。なお、台座３０を磁極間に配置するとしたが、磁極中心としてもよい。

コア２３に形成された複数の挿入孔２５は、負荷側の端面から反負荷側の端面まで貫通する。複数の挿入孔２５は、放射上に配置される。挿入孔２５は互いに離間していて、挿入孔２５の中心位置が磁極中心に位置し、隣接する挿入孔２５同士の中心が磁極間となる。挿入孔２５は極数と等しい数で形成される。本実施の形態では、回転子２０が８極であるので、挿入孔２５は８個形成されている。また、挿入孔２５の形状は、横断面が内外円弧状である。ここで横断面は、コア２３の中心軸に直交する断面である。なお、挿入孔２５の形状を円弧状としたが、長方形等、円弧状でなくてもよい。挿入孔２５には、マグネット２４が配置される。

次に、回転子２０及びマグネット２４の詳細な構成について説明する。図１１は、実施の形態１におけるマグネットがコアに成形された回転子を負荷側から見た図である。図１２は、図１１に示すＣ−Ｃ線でマグネットがコアに成形された回転子を切断した断面図である。図１３は、実施の形態１におけるマグネットがコアに成形された回転子を反負荷側から見た図である。図１４は、実施の形態１におけるマグネットがコアに成形された回転子の斜視図である。図１１に示す破線は、コア２３及びマグネット２４の磁場配向を示している。

マグネット２４は、コア２３に形成された複数の挿入孔２５の内部に設けられる。コア２３に対して複数の挿入孔２５が周方向に互いに離間して配置されているので、マグネット２４も周方向に互いに離間して配置される。本実施の形態では、回転子２０が８極であるので、８個のマグネット２４が設けられる。８個のマグネット２４は、Ｎ極とＳ極とが周方向に交互に配列される。

マグネット２４は、例えば希土類磁石粉末を含む熱可塑性樹脂を用いて形成される。具体的には、マグネット２４は、希土類磁石粉末を含む熱可塑性樹脂を成形して形成される。すなわち、８個のマグネット２４は、希土類磁石粉末を含む熱可塑性樹脂を、コア２３の複数の挿入孔２５の内部で硬化させることでコア２３と一体に成形される。熱可塑性樹脂は、例えばポリアミドである。なお、マグネット２４の成形に熱可塑性ではない樹脂、例えば熱硬化性樹脂を使用することも可能である。

マグネット２４は、極異方に配向された金型にコア２３をセットして一体に成形され、図１１の破線に示す磁場配向となり、回転子２０の外周の磁束分布が正弦波状になる。磁束分布を正弦波状にすることで、電動機１００の効率が向上するだけでなく、低騒音化を図ることができる。また、複数の挿入孔２５の内部にコア２３と一体にマグネット２４を成形したので、マグネット２４の脱落が防止されるだけでなく、マグネット２４と挿入孔２５のクリアランスによるマグネット２４のがたつきが防止される。

８個のマグネット２４は、互いに同一の形状である。マグネット２４は、横断面が内外円弧状である。ここで横断面は、コア２３の中心軸に直交する断面である。なお、マグネット２４は、コア２３の中心軸を中心とする円周上に配置される。コア２３は、シャフト１と同軸であり、コア２３の中心軸は回転子２０の回転軸となる。マグネット２４の軸方向長は、コア２３の軸方向長に等しい。

次に、回転子組立３の製造方法について説明する。図１５は、実施の形態１における回転子組立の製造工程を示すフローチャートである。回転子組立３の製造方法は、以下のようなステップを含む。

ステップＳ１：シャフト１の加工をする。
ステップＳ２：コア２３の成形をする。具体的には、配向マグネットが設けられた成形金型を用いて成形することで、軟磁性体が所望の配向に沿って分布したコア２３が形成される。
ステップＳ３：マグネット２４を成形し、回転子２０を製作する。
ステップＳ４：回転子２０を脱磁する。
ステップＳ５：別工程（ステップＳ１１，Ｓ１２）で成形、脱磁したセンサマグネット２１と、回転子２０とシャフト１とを金型にセットする。
ステップＳ６：熱可塑性樹脂で一体成形して回転子組立３を形成する。
ステップＳ７：回転子組立３を着磁する。
ステップＳ８：回転子組立３に軸受５ａ，５ｂを組付ける。

以上に説明したように、本実施の形態では、コア２３は、軟磁性体を混合した熱可塑性樹脂を配向して成形されるとともに、マグネット２４が配置される挿入孔２５を複数（極数分）設けられて形成される。マグネット２４はコア２３の挿入孔２５の内部に配置される。

コア２３の磁場配向を極異方性配向としたので、コア２３の軟磁性体が配向に沿って極異方に分布される。マグネット２４の磁束が、軟磁性体が極異方に分布されたコア２３を通ることで、マグネット２４よりも外側のコア２３で、隣り合うマグネット２４の磁束の漏れが抑制される。これにより、主磁束の減少を低減し、電動機１００の効率の向上が図られる。また、回転子２０の表面磁束分布を正弦波状にすることができ、電動機１００の効率が向上するだけでなく、低騒音化を図ることができる。

このように、本実施の形態に係る電動機１００によれば、マグネット２４の外周側にスリットを設けずに、電動機１００の効率の向上及び品質の向上を図ることができる。すなわち、コア２３の強度を維持しつつ電動機１００の効率の向上及び品質の向上を図ることができる。

なお、本実施の形態では、マグネット２４を挿入孔２５の内部で硬化させてコア２３と一体成形する例を挙げたが、挿入孔２５の外部で硬化させてマグネット２４をコア２３とは別体に成形し、別体に形成されたマグネット２４を挿入孔２５に挿入してもよい。このように構成した場合であっても、樹脂部２２の外筒部２２ｃにより回転子２０の両端面が覆われているので、マグネット２４の脱落が防止される。また、マグネット２４と挿入孔２５のクリアランスに、樹脂部２２を形成する際に樹脂が入り込むことでマグネット２４のがたつきを防止することができる。

また、本実施の形態ではマグネット２４を希土類粉末又はフェライト粉末を含む熱可塑性樹脂で成形して形成するとしたが、マグネット２４は焼結磁石でもよい。さらに、１つのマグネットで１つの磁極としたが、２つのマグネットをＶ字状に配置し１つの磁極を形成する等してもよい。マグネットの形態によらず本実施の形態と同様、コア２３を配向して形成し、コア２３の挿入孔２５にマグネット２４を設ける構成とすることで、同様の効果が得られる。なお、極異方に配向したマグネット２４とすることで、回転子２０の外周の磁束分布を、精度を向上した正弦波状にすることができ、電動機１００の効率向上、低騒音化の効果をさらに高めることが図れる。

コア２３を極異方に配向するとしたが、マグネット２４よりも外周側のコア２３をラジアル配向、マグネット２４よりも内周側のコア２３を極異方に配向してもよい。ラジアル配向とした部分でも、磁極の中心はコア２３の周方向におけるマグネット２４の中央部分となる。マグネット２４よりも外周側のコア２３をラジアル配向にすることで、マグネット２４の端部等で、隣り合う磁極への磁束の漏れを抑制し主磁束減少を低減し、本実施の形態と同様に電動機１００の効率向上が図られる。また、マグネット２４よりも内周側のコア２３を極異方に配向することで、本実施の形態と同様、回転子２０の外周の磁束分布を正弦波状とすることができ、電動機１００の効率が向上するだけでなく、低騒音化を図ることができる。

また、本実施の形態では、磁極数は例えば８極としたが、これに限定されるものではなく、任意の偶数であればよい。図に示すように、Ｎ極とＳ極が周方向に交互に配列される場合、マグネット２４の個数は磁極数と同じ個数となる。

また、同極のみを周方向に配列し、マグネット２４の個数を磁極数の１／２の個数としてもよい。図１６は、実施の形態１の変形例に係る電動機が備えるコアを負荷側から見た図である。図１６では、８極でＳ極（内周側Ｎ極）のみ周方向に配列した回転子を示している。この場合、マグネット２４の個数は磁極数の１／２の４個である。コア２３は８極で極異方に配向され、挿入孔２５も４個である。Ｓ極とＳ極の間にマグネット２４は配置されていないが、コア２３の極異方に配向された軟磁性体を磁束が通りＮ極が形成される。Ｎ極とＳ極が周方向に交互に配列される場合と同様、配向をかけない場合や電磁鋼板でコア２３を形成する場合に対してマグネット２４の外周側のコア２３での磁束の漏れが抑制される。これにより、主磁束の減少を低減し、電動機１００の効率の向上が図られる。また、回転子２０の表面磁束分布を正弦波状にすることができ、電動機１００の効率が向上するだけでなく、低騒音化を図ることができる。さらに、マグネット２４の個数が１／２になるので、製造コストの低減が図れる。

図１７は、実施の形態１に係る電動機を備える空気調和機の概略構成を示す図である。空気調和機３００は、室内機３１０と、室内機３１０に接続される室外機３２０とを備える。室内機３１０には図示しない室内機用送風機が搭載され、室外機３２０には室外機用送風機３３０が搭載されている。

室外機用送風機３３０及び室内機用送風機には、その駆動源として実施の形態１に係る電動機１００が使用されている。空気調和機３００の主用部品である室外機用送風機３３０及び室内機用送風機に電動機１００を用いることにより、性能と品質が向上した空気調和機３００を得ることが可能となる。

なお、空気調和機３００は、室内機３１０及び室外機３２０の少なくとも一方に電動機１００を備えるものとする。また、空気調和機以外の電気機器に電動機１００を搭載することもでき、この場合も、本実施の形態と同様の効果を得ることができる。

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 シャフト、２ ローレット、３ 回転子組立、５ａ，５ｂ 軸受、１３ 軸孔、２０ 回転子、２１ センサマグネット、２２ 樹脂部、２２ａ 内筒部、２２ｂ リブ、２２ｃ 外筒部、２３ コア、２４ マグネット、２５ 挿入孔、２８ 凹部、２９ 切欠、３０ 台座、３０ａ 突起、３１ ブラケット、４０ モールド固定子、４１ 樹脂部、４２ 固定子、４３ 固定子コア、４４ 絶縁部、４５ コイル、４６ 基板、４７ 磁気センサ、５０ 固定子組立部、５１ 基板押え部品、５２ 突起、５３ 穴、５４ 端子、５５ 端子挿入穴、１００ 電動機、３００ 空気調和機、３１０ 室内機、３２０ 室外機、３３０ 室外機用送風機。

Claims (5)

1. 環状のコアと、
   前記コアの周方向に沿って並べて配置され、前記コアの中心軸に沿って延びる複数の挿入孔と、
   複数の前記挿入孔に挿入されたマグネットと、を備え、
   前記コアは、軟磁性体を含有する樹脂材料で形成され、前記マグネットの前記周方向における中央部分が磁極の中心となる磁場配向となっており、
   前記コアの磁場配向は、前記マグネットよりも内周側が極異方性配向であり、前記マグネットよりも外周側がラジアル異方性配向である電動機。
2. 前記マグネットは、希土類磁石である請求項１に記載の電動機。
3. 前記マグネットは、フェライト磁石である請求項１に記載の電動機。
4. 前記マグネットの極性は同極で、極数が前記マグネットの個数の２倍である請求項１から３のいずれか１つに記載の電動機。
5. 請求項１から４のいずれか１つに記載の電動機を、室内機及び室外機の少なくとも一方に備える空気調和機。

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