JP6612215B2 - ロータ、永久磁石埋込型電動機および圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、ロータ、永久磁石埋込型電動機および圧縮機に関するものである。

従来の永久磁石埋込型電動機として、特許文献１には、ロータにおいて磁石挿入孔よりも径方向外側に複数のスリットを設けた永久磁石埋込型電動機が開示されている。かかる永久磁石埋込型電動機では、スリットの作用により、磁束密度波形の高調波成分が低減し、誘起電圧の高調波、コギングトルクが低減し、騒音及び振動の低減を図ることが期待できる。

特開２００５−２４５１４８号公報

しかしながら、特許文献１に開示の構成では、スリットの一部を磁石挿入孔と連結させ、スリットの連結部は、ロータ外周部へ向かうにつれ徐々に幅が大きくなっている。よって、連結部の磁石表面側は、空気領域となるので、その分、磁石から発する磁束の利用効率が低下する恐れがある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、磁石から発する磁束のロスを低減しながら、騒音及び振動の低減を図ることができる、ロータ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の本発明は、ロータコアと、シャフトと、複数の永久磁石とを備えたロータであって、前記ロータコアは、複数の鋼板を積層して構成されており、前記ロータコアは、複数の磁石挿入孔が設けられており、前記コア外周面と、少なくとも一つの前記磁石挿入孔の外側ラインとの間には、少なくとも一つのスリットが設けられており、回転中心線を垂線とする面でみて、前記スリットの磁石挿入孔側の端部形状は、三角形であり、前記三角形は、前記磁石挿入孔側に向けて突出しており、前記スリットのスリット内側ラインは、前記三角形の頂点と、該頂点を挟む前記三角形の２辺と、それら２辺それぞれにおける前記頂点との逆端部となる一対のサイド端部とを含んでおり、前記スリットの前記一対のサイド端部のそれぞれと前記磁石挿入孔との間隔は、前記スリットの前記頂点と前記磁石挿入孔との間隔よりも大きく、前記頂点と前記磁石挿入孔との前記間隔は、前記ロータコアを構成する前記鋼板の板厚よりも大きい。
さらに、同目的を達成するための本発明の永久磁石埋込型電動機は、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上述した本発明のロータとを備える。
さらに、同目的を達成するための本発明の圧縮機は、密閉容器内に、上述した本発明の永久磁石埋込型電動機と、圧縮要素とを備える。

本発明によれば、磁石から発する磁束のロスを低減しながら、騒音及び振動の低減を図ることができる。

本発明の実施の形態１の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の永久磁石埋込型電動機におけるロータを示す図である。 図２のロータにおける一つの永久磁石の周囲部を拡大して示す図である。 図３の複数のスリットを拡大して示す図である。 スリットの磁石挿入孔側の端部と磁石挿入孔との間隔が一定である場合の磁束の流れを模式的に示す図である。 スリットの磁石挿入孔側の端部形状が三角形である場合の磁束の流れを模式的に示す図である。 スリットの磁石挿入孔側の端部形状が円弧である場合の磁束の流れを模式的に示す図である。 図６のスリットの端部形状と図７のスリットの端部形状とを比較する図であり、スリット端部の開き角が小さい場合の例を示す図である。 図６のスリットの端部形状と図７のスリットの端部形状とを比較する図であり、スリット端部の開き角が大きい場合の例を示す図である。 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。

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。

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の永久磁石埋込型電動機におけるロータを示す図である。図３は、図２のロータにおける一つの永久磁石の周囲部を拡大して示す図である。図４は、図３の複数のスリット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、図示省略する公知のステータ巻線が公知の態様で巻回されている。

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のコア外周面２５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。

次に、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、比較的薄い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。

ステータコア１７には、その内径側に周方向に略等間隔に９個のスロット部９が放射状に形成されている。そして、ステータコア１７において隣接するスロット部９の間の領域をティース部７と称する。ティース部７はそれぞれ、径方向を延びており、回転中心線ＣＬに向けて突出する。また、ティース部７の大部分は、径方向外側から径方向内側にかけて略等しい周方向の幅を有しているが、ティース部７の最も径方向内側となる先端部には、ティース歯先部７ａを有している。ティース歯先部７ａはそれぞれ、その両側部が周方向に広がる傘状の形状に形成されている。

ティース部には、回転磁界を発生させるコイル（図示せず）を構成するステータ巻線（図示せず）が巻かれている。コイルは、マグネットワイヤーを、絶縁体を介して磁極ティースに直接巻き付けて形成される。この巻線方式を、集中巻線という。そして、コイルは、３相Ｙ結線に結線される。コイルのターン数や線径は、要求される特性（回転数やトルク等）、電圧仕様、スロットの断面積に応じて定まる。ここでは、巻線し易いように分割ティースを帯状に展開し、適当な線径のマグネットワイヤーを各磁極ティースに所定ターン巻き付け、巻線後、分割ティースを環状に丸め、溶接してステータを構成している。

ロータコア１１もまた、ステータコア１７の場合と同様、比較的薄い（例えばステータコア１７の電磁鋼板と同程度の厚さの）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（本具体例では６個の）の永久磁石１９が設けられている。永久磁石１９はそれぞれ、図１および図２に示されるように、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。

より詳細に説明すると、ロータコア１１には、複数（６つ）の永久磁石１９に対応した数（６つ）の磁石挿入孔２１が形成されており、複数の磁石挿入孔２１のそれぞれに、対応する永久磁石１９が挿入されている。つまり、複数の永久磁石１９及び複数の磁石挿入孔２１が共に、ロータ５の中心側に凸となる向きの弧状に形成されている。また、図１および図２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。なお、ロータ５の磁極数は、２極以上であればいくつでもよいが、本例では、６極の場合を例示している。

本発明では、ロータ５におけるコア外周面２５と、磁石挿入孔２１それぞれの後述する孔外側ラインとの間に、少なくとも一つのスリットが形成されていることを要するが、本実施の形態１では、その一例として、６極の磁極それぞれに関して、複数のスリット（より具体的には４つのスリット）が形成されている。

次に、主に図３に基づいて、永久磁石及び磁石挿入孔の詳細について説明する。永久磁石１９はそれぞれ、回転中心線ＣＬを垂線とする面でみて、内側外面４３と、外側外面４５と、一対のサイド外面４７とを有している。なお、内側外面および外側外面における外側および内側は、回転中心線ＣＬを垂線とする面でみて、相対的な比較で径方向の内側および外側の何れであるかを示しているものとする。

また、磁石挿入孔２１はそれぞれ、回転中心線ＣＬを垂線とする面でみて、孔の輪郭として、孔内側ライン５３と、孔外側ライン５５と、一対の孔サイドライン５７とを有している。なお、孔内側ラインおよび孔外側ラインにおける外側および内側もまた、回転中心線ＣＬを垂線とする面でみて、相対的な比較で径方向の内側および外側の何れであるかを示しているものとする。

孔外側ライン５５は、第１円弧半径による第１円弧によって構成されている。孔内側ライン５３は、第１円弧半径よりも大きい第２円弧半径による第２円弧によって構成されている。第１円弧半径と、第２円弧半径とは、共通の半径中心を有しており、その共通の半径中心は、永久磁石１９及び磁石挿入孔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、孔内側ライン５３と、孔外側ライン５５とは、同心円状に構成され、第１円弧の中心と第２円弧の中心は、永久磁石の配向中心（配向焦点）に一致している。

また、一対のサイド外面４７はそれぞれ、図３においてみて、内側外面４３及び外側外面４５の対応する端部同士を結んでおり、一対の孔サイドライン５７はそれぞれ、図３においてみて、孔内側ライン５３及び孔外側ライン５５の対応する端部同士を結んでいる。

ロータコア１１における、コア外周面２５と磁石挿入孔２１それぞれの孔サイドライン５７との間の部分は、一様な肉厚の極間薄肉部３５である。これらの極間薄肉部３５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。ここでは一例としてプレス可能な最小幅として電磁鋼板の板厚程度に設定している。

次に、図３及び図４に基づいて、スリットの詳細について説明する。４つのスリット７２ａ、７２ｂ、７２ｃおよび７２ｄは何れも、対応する磁極中心線ＭＬと平行な方向に延びており、ロータコア１１を回転中心線ＣＬ方向に貫通する孔である。

回転中心線ＣＬを垂線とする面でみて、スリット７２ａ、７２ｂ、７２ｃおよび７２ｄそれぞれは、スリットの輪郭として、スリット内側ライン７３と、スリット外側ライン７５と、一対のスリットサイドライン７７とを有している。なお、スリット内側ラインおよびスリット外側ラインにおける外側および内側もまた、回転中心線ＣＬを垂線とする面でみて、相対的な比較で径方向の内側および外側の何れであるかを示しているものとする。

スリット７２ａ、７２ｂ、７２ｃおよび７２ｄそれぞれの磁石挿入孔側の端部形状は、三角形である。すなわち、スリット７２ａ、７２ｂ、７２ｃおよび７２ｄそれぞれのスリット内側ライン７３は、磁石挿入孔２１側に向けて凸となる三角形の頂点７３ａと、その頂点７３ａを挟む三角形の２辺と、それら２辺それぞれの頂点との逆端部となる一対のサイド端部７３ｂ、７３ｃとを含んでいる。また、一例であるが、実施の形態１では、上記三角形は二等辺三角形であり、スリット内側ライン７３は、対応する磁極中心線ＭＬと平行に延び且つ頂点７３ａを通る仮想線を中心とした線対称に形成されている。

スリット外側ライン７５は、コア外周面２５にほぼ沿って延びている。また、一対のスリットサイドライン７７は、対応する磁極中心線ＭＬに沿って延びている。そして、これら一対のスリットサイドライン７７に接続するスリット内側ライン７３の端部が、上述した一対のサイド端部７３ｂ、７３ｃである。

すなわち、スリット７２ａ、７２ｂ、７２ｃおよび７２ｄそれぞれの磁石挿入孔側の端部は、頂点７３ａと、一対のサイド端部７３ｂ、７３ｃとを有しており、回転中心線ＣＬを垂線とする面でみて、スリット７２ａ、７２ｂ、７２ｃおよび７２ｄそれぞれの一対のサイド端部７３ｂ、７３ｃと、磁石挿入孔２１の孔外側ライン５５との、間隔（対応する磁極中心線ＭＬの方向の間隔）Ｔ２、Ｔ３は、頂点７３ａと、磁石挿入孔２１の孔外側ライン５５との、間隔（対応する磁極中心線ＭＬの方向の間隔）Ｔ１よりも大きい（Ｔ１＜Ｔ２かつＴ１＜Ｔ３）。さらに、スリット７２ａ、７２ｂ、７２ｃおよび７２ｄそれぞれの頂点７３ａと、磁石挿入孔２１の孔外側ライン５５との、間隔Ｔ１は、ロータコア１１を構成する電磁鋼板の板厚よりも大きい。

次に、上述したスリットを含むことによる本実施の形態１の作用について、図５〜図９を用いながら説明する。

まず、本実施の形態の作用について簡易的に説明するために、図５に、磁石挿入孔とスリット内側ラインとの間の間隔が一定な態様を示す。騒音低減を目的としたスリットを配置した場合、スリット端部側の磁束は、スリットを避けるようにロータコアを通過するが、スリット中央部の磁束もスリットを避けて通過する為、磁石挿入孔とスリットとの間の肉厚が薄いと磁気飽和を起こし磁束のロスが発生してしまう。

そこで、図６のようにスリットの磁石挿入孔側の端部形状を三角形にすることで、スリットの磁石挿入孔側の端部と磁石挿入孔との間隔が、スリット幅方向（対応する磁極中心線ＭＬと直交する方向）の中央部から端部へ向けて大きくなり、スリット幅方向中央部に面した磁石から発生する磁束を低ロスで効率的にロータコアへ取り込むことが可能となる。

なお、図７のように、スリットの端部形状を円弧にすることでも、スリットの端部と磁石挿入孔との間隔を、スリット幅方向中央部から幅方向端部へ向けて大きくすることが可能であるが、図６の三角形と図７の円弧とでは、次のような差異が生じる。すなわち、図８に示すように、図６の三角形と図７の円弧とでは、ロータコアにおいてスリットが占める範囲について、符号Ａで示した斜線のエリアの差異が生じる。この斜線のエリアは、スリット端部の開き角α（０°＜α＜１８０°）の大きさに関わらず生じるものである。図８には、例として、開き角αを大きくした態様を示すが、この場合においても、少なからず斜線のエリアが生じる。そして、スリット幅方向中央部の磁石の磁束は、スリット幅方向中央側の薄肉部Ｂ（図６参照）からコアへ流入し、スリット幅方向端部側へ通過する経路を通る為、スリット幅方向中央部の肉厚（スリットの磁石挿入孔側の端部と磁石挿入孔との、対応する磁極中心線の方向の間隔）は重要であり、スリットの端部形状を直線で構成される三角形にすることが有用なことが分かる。この端部形状は、直線で構成されることが重要であり、必ずしも二等辺三角形である必要はない。つまり、スリット幅方向中央部の幅方向両側において、肉厚の変化態様が対称的であることに限定されるものではない。

また、積層鋼板のプレス時の最小肉厚は、積層鋼板の板厚とみることができるので、三角形状の頂点７３ａと磁石挿入孔２１との間の肉厚は、積層鋼板の板厚以上とする。なお、上記のように磁石（磁石挿入孔）に面したスリットの端部形状を構成することで、磁石形状そのものには関わらず、磁束ロスの低減効果が期待できる。

以上のように構成された本実施の形態１のロータおよびそれを備えた永久磁石埋込型電動機によれば、次のような優れた利点が得られる。コア外周面と磁石挿入孔の孔外側ラインとの間に、少なくとも一つのスリットが設けられているので、コア外周面の磁気吸引力により発生する振動・騒音を抑制できる。また、スリットの磁石挿入孔側の端部形状を三角形にしたので、スリットに面する部分から発生する磁石の磁束のロスを減らし、高磁力化を図ることができる。すなわち、磁石から発する磁束のロスを低減しながら、騒音及び振動の低減を図ることができる。さらに、上記のようにスリットの磁石挿入孔側の端部形状を三角形にしたうえで更に加えて、スリットの磁石挿入孔側の端部と磁石挿入孔とは空気領域でつながっていないので（スリットの磁石挿入孔側の端部と磁石挿入孔との間に、そのスリットの幅方向全体にわたってロータコアが存在するようにしたので）、ロータコアの剛性を確保することを促進し、且つ、スリットの磁石挿入孔側の端部と磁石挿入孔との間に空気領域が存在することによる磁束ロスの発生を回避している。

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１０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、上述した永久磁石埋込型電動機を用いれば、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、空調装置として実施することも可能である。なお、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。

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、１３ シャフト、１９ 永久磁石、２１ 磁石挿入孔、２５ コア外周面、５５ 孔外側ライン、７２ａ、７２ｂ、７２ｃおよび７２ｄ スリット、７３ スリット内側ライン、７３ａ 頂点、７３ｂ、７３ｃ サイド端部、１００ ロータリ圧縮機、１０１ 密閉容器、１０３ 圧縮要素、１０５ シリンダ、ＭＬ 磁極中心線。

Claims (6)

1. ロータコアと、複数の永久磁石とを備えたロータであって、
   前記ロータコアは、複数の鋼板を積層して構成されており、
   前記ロータコアは、複数の磁石挿入孔が設けられており、
   コア外周面と、前記複数の磁石挿入孔のそれぞれの外側ラインとの間には、複数のスリットが設けられており、
   回転中心線を垂線とする面でみて、前記スリットの磁石挿入孔側の端部形状は、三角形であり、かつ前記スリットの一対のスリットサイドラインは、対応する磁極中心線に沿って延びており、
   前記三角形は、前記磁石挿入孔側に向けて突出している、
   ロータ。
2. 前記スリットのスリット内側ラインは、前記三角形の頂点と、該頂点を挟む前記三角形の２辺と、それら２辺それぞれにおける前記頂点との逆端部となる一対のサイド端部とを含んでおり、
   前記スリットの前記一対のサイド端部のそれぞれと前記磁石挿入孔との間隔は、前記スリットの前記頂点と前記磁石挿入孔との間隔よりも大きく、
   前記頂点と前記磁石挿入孔との前記間隔は、前記ロータコアを構成する前記鋼板の板厚よりも大きい、
   請求項１のロータ。
3. 前記スリットの前記磁石挿入孔側の端部形状は、二等辺三角形である、
   請求項１または２のロータ。
4. 前記複数の永久磁石及び前記複数の磁石挿入孔は、共に、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、
   請求項１〜３の何れか一項のロータ。
5. 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、請求項１〜４の何れか一項のロータとを備えた、
   永久磁石埋込型電動機。
6. 密閉容器内に、請求項５の永久磁石埋込型電動機と、圧縮要素とを備えた、
   圧縮機。

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