JP6692896B2 - 電動機、送風機、圧縮機および空気調和装置 - Google Patents

Description

本発明は、電動機、送風機、圧縮機および空気調和装置に関する。

近年、電動機の製造コストを低減するため、ステータに巻回される巻線を、一般に用いられている銅線からアルミニウム線に変更することが検討されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０−１６６６４３号公報（要約）

しかしながら、アルミニウム線は銅線よりも電気抵抗が高い。例えば、同一線径で比較すると、アルミニウム線の電気抵抗は銅線の電気抵抗の１．６倍になる。そのため、巻線の電気抵抗によって発生する損失（いわゆる銅損）が増加するという問題がある。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、製造コストを低減しつつ、電気抵抗による損失を抑制することができる電動機を提供することを目的とする。

本発明の電動機は、ステータと、ステータの内側に配置されたロータとを備える。ステータは、ステータコアと、ステータコアに分布巻で巻回され、アルミニウムで形成された巻線とを備える。ロータは、ロータコアと、ロータコアに取り付けられた第１の数の永久磁石とを備える。第１の数の永久磁石よりもロータコアの径方向内側に、ロータコアを軸方向に貫通する貫通孔が設けられ、貫通孔は圧縮機の冷媒を通過させる。ステータの巻線は、ワニスで覆われている。第１の数は、６以上、１０以下である。ロータの第１の数の永久磁石のそれぞれは、ネオジウム、鉄、ボロンおよびディスプロシウムを含有し、ディスプロシウムの含有量は０〜４重量％である。第１の数の永久磁石のそれぞれの残留磁束密度は、１．３２Ｔ以上、１．３９Ｔ以下である。

本発明では、アルミニウムで形成された巻線を用いることにより、製造コストを低減することができる。また、永久磁石の数（第１の数）を６以上とすることにより、永久磁石の減磁が発生しにくくなる。また、ディスプロシウムの含有量を０〜４重量％とすることにより、残留磁束密度が高くなり、目標とする出力を得るために必要な電流値が小さくなるため、電気抵抗による損失（銅損）を低減することができる。また、巻線を分布巻で巻回し、ワニスで覆うことにより、アルミニウムの強度を補うことができる。

実施の形態１の第１の構成例による電動機を示す断面図（Ａ）および電動機のスロットを示す拡大図（Ｂ）である。 図１の電動機の巻線の巻きパターンを模式的に示す平面図である。 図１の電動機の巻線の巻きパターンを模式的に示す斜視図である。 実施の形態１の第２の構成例による電動機を示す断面図である。 実施の形態１の第３の構成例による電動機を示す断面図である。 比較例の電動機の構成を示す断面図である。 ディスプロシウムの含有量と、保磁力（Ａ）および残留磁束密度（Ｂ）との関係を示すグラフである。 永久磁石の数とロータ内径側面積との関係を説明するための模式図（Ａ）、（Ｂ）である。 永久磁石の数とロータ内径側面積との関係を示すグラフある。 実施の形態１の電動機において、ロータに貫通孔を設けた構成を示す断面図である。 ティースの断面積と巻線の周長との関係を説明するための模式図（Ａ）、（Ｂ）である。 永久磁石の数と巻線の周長との関係を示すグラフである。 実施の形態２の電動機の第１の構成例によるロータを示す断面図である。 実施の形態２の電動機の第２の構成例によるロータを示す断面図である。 ロータにスリットを設けない電動機における極間の磁束のシミュレーション結果を表す図である。 ロータにスリットを設けた電動機における極間の磁束のシミュレーション結果を表す図である。 ロータにスリットを設けない場合、第１のスリットを設けた場合、並びに第１および第２のスリットを設けた場合のそれぞれにおけるトルク変動の数値解析結果を示すグラフである。 ロータにスリットを設けない場合、第１のスリットを設けた場合、並びに第１および第２のスリットを設けた場合のそれぞれにおけるトルクリップルの値を示すグラフである。 各実施の形態の電動機を適用した送風機を備えた空気調和装置を示す図である。 各実施の形態の電動機を適用した圧縮機を示す図である。

以下、図面に沿って本発明の実施の形態について説明する。
実施の形態１．
図１（Ａ）は、実施の形態１の第１の構成例による電動機１００を示す断面図である。図１（Ａ）に示す電動機１００は、ステータ１と、ステータ１の内側に回転可能に設けられたロータ３とを備えている。ステータ１とロータ３との間には、エアギャップ１８が設けられている。

ロータ３は、複数の磁石挿入孔３２を備えた円筒状のロータコア３１と、それぞれの磁石挿入孔３２に配置された永久磁石３３とを有している。ロータコア３１は、例えば厚さ０．１〜０．７ｍｍの電磁鋼板を回転軸の方向に積層し、カシメ等により締結したものである。ロータコア３１の径方向の中心には、円形のシャフト孔が形成されている。シャフト孔には、回転軸であるシャフト３７が圧入によって固定されている。シャフト３７の中心軸Ａｘは、ロータ３の回転軸をなしている。

以下では、ロータコア３１の外周（円周）に沿った方向を、「周方向」と称する。また、ロータコア３１の軸方向（すなわちシャフト３７の中心軸Ａｘの方向）を、「軸方向」と称する。また、ロータコア３１の半径方向を、「径方向」と称する。

磁石挿入孔３２は、ロータコア３１の周方向に等間隔に複数（ここでは６個）形成されている。磁石挿入孔３２は、軸方向に直交する面内において、直線状に延在する溝である。１つの磁石挿入孔３２は、ステータコア１Ａに形成されたスロット１２（後述）のうちの３個のスロット１２に対向している。また、磁石挿入孔３２は、ロータコア３１の外周面にできるだけ近い位置に配置されている。

磁石挿入孔３２の内部には、永久磁石３３が配置されている。永久磁石３３は、軸方向に長さを有し、周方向（より具体的には、径方向に直交する方向）に幅を有し、径方向に厚さを有する平板状の部材である。ロータ３における永久磁石３３の数を、第１の数とする。

図１（Ａ）に示した電動機１００では、６個の磁石挿入孔３２のそれぞれに、１つずつ永久磁石３３が配置されている。永久磁石３３は、ロータ３の磁極を構成しており、永久磁石３３の数（第１の数）はロータ３の極数と同じである。すなわち、図１（Ａ）では、ロータ３の極数は６極である。但し、ロータ３の極数は６極に限らず、６〜１０極であればよい。これについては後述する。

永久磁石３３は、ネオジウム（Ｎｄ）、鉄（Ｆｅ）およびボロン（Ｂ）を主成分とする希土類磁石で構成され、０〜４重量％のディスプロシウム（Ｄｙ）を含有している。ディスプロシウムを含有するのは、永久磁石３３の保磁力を高めるためである。

永久磁石３３は、ロータコア３１の径方向外側と径方向内側とで異なる磁極を有するように着磁されている。また、周方向に隣り合う永久磁石３３は、着磁方向が逆になっている。例えば、ある永久磁石３３が、径方向外側がＮ極で径方向内側がＳ極となるように着磁されている場合、周方向に隣り合う永久磁石３３は、径方向外側がＳ極で径方向内側がＮ極となるように着磁されている。

磁石挿入孔３２の周方向の両端には、フラックスバリア３４がそれぞれ形成されている。フラックスバリア３４は、磁石挿入孔３２の周方向端部からロータコア３１の外周に向けて径方向に延在する空隙である。フラックスバリア３４は、隣り合う磁極間の漏れ磁束（すなわち極間を通って流れる磁束）を抑制するために設けられる。

ステータ１は、ステータコア１Ａと、ステータコア１Ａに分布巻で巻回された巻線２とを備えている。ステータコア１Ａは、例えば厚さ０．１〜０．７ｍｍの電磁鋼板を軸方向に積層し、カシメ等により締結したものである。

ステータコア１Ａは、環状のヨーク部１１と、ヨーク部１１から径方向内側に突出する複数（ここでは１８個）のティース１０とを有している。これらのティース１０には、アルミニウム線で形成された複数（ここでは９個）の巻線２が巻回される。

ティース１０は、一定の幅Ｗ（周方向の長さ）を有して径方向に延在し、その先端に幅広の先端部１５（図１（Ｂ））を有している。隣り合うティース１０の間には、スロット１２が形成されている。スロット１２の数は、ティース１０と同じ（ここでは１８個）である。

図１（Ｂ）は、隣り合うティース１０の間のスロット１２を拡大して示す図である。スロット１２には、ティース１０に巻回される巻線２が収容される。隣り合うティース１０の先端部１５の間には、スロット１２の入口である開口１２ａが形成されている。

次に、巻線２について説明する。巻線２は、アルミニウム線で形成されている。アルミニウム線の単位重量当たりの価格は、一般的に用いられる銅線と同等であるが、アルミニウム線の比重は銅線の１／３程度であるため、同一の使用量でコストが１／３程度となる。すなわち、アルミニウム線で構成された巻線２を用いることで、製造コストを低減することができる。

一方、アルミニウム線の電気抵抗率は、銅線の１．６倍である。そのため、巻線２をアルミニウム線で構成した場合には、電気抵抗による損失（いわゆる銅損）の低減が課題となる。

図２および図３は、ステータ１に対する巻線２の巻きパターンを模式的に示す平面図および斜視図である。図２および図３では、１８個のティース１０に、それぞれ符号１０１〜１１８を付す。また、９個の巻線２に、それぞれ巻線２１〜２９を付す。

巻線２１〜２９は、各相（Ｕ相、Ｖ相およびＷ相）３個ずつ設けられている。巻線２１〜２３は例えばＵ相巻線であり、巻線２４〜２６は例えばＶ相巻線であり、巻線２７〜２９は例えばＷ相巻線である。また、巻線２１〜２９は、それぞれ３個のティース１０を跨ぐように巻回されている。

例えば、巻線２１は、ティース１０１〜１０３を跨ぐように巻回され、巻線２２は、ティース１０３〜１０５を跨ぐように巻回され、巻線２３は、ティース１０５〜１０７を跨ぐように巻回されている。

同様に、巻線２４は、ティース１０７〜１０９を跨ぐように巻回され、巻線２５は、ティース１０９〜１１１を跨ぐように巻回され、巻線２６は、ティース１１１〜１１３を跨ぐように巻回されている。巻線２７は、ティース１１３〜１１５を跨ぐように巻回され、巻線２８は、ティース１１５〜１１７を跨ぐように巻回され、巻線２９は、ティース１１７，１１８，１０１を跨ぐように巻回されている。

なお、巻線２の巻きパターンは、ここで説明した例に限定されるものではなく、分布巻であればどのような巻パターンであってもよい。

巻線２の軸方向端部（コイルエンド）は、ステータコア１Ａの軸方向端部から外側に突出している。巻線２に外力が加わった際の変形を抑制するため、巻線２にワニス（電気絶縁ワニス）を含浸させて補強する。

ワニスの含浸は、例えば、巻線２を巻回したステータコア１Ａを、ワニスの入った槽にどぶ付けすることによって行う。そのため、コイルエンドだけではなく、スロット１２内の巻線２にもワニスが含浸する。

巻線２を構成するアルミニウム線は、表面が酸化しやすいという特性を有しているが、上記のように巻線２がワニスによって被覆される（覆われる）ため、表面の酸化を防止することができる。

分布巻は、集中巻よりも、空間高調波を低減できるという特徴を有しており、ステータコア１Ａ内で発生する渦電流によるジュール損失（鉄損）を低減することができる。

また、分布巻を用いる場合には、集中巻を用いる場合よりも、磁路となるティース１０を分散して配置するため、ｑ軸磁束の磁路を確保しやすく、ｑ軸インダクタンスが大きくなる。そのため、集中巻よりもリラクタンストルクを発生させやすい。

ここで、電動機１００で発生するトルクＴは、以下の式（１）で表される。

Ｐ_ｎは極数、Ψ_ａは鎖交磁束、Ｌ_ｄはｄ軸インダクタンス、Ｌ_ｑはｑ軸インダクタンス、ｉ_ｄはｄ軸電流、ｉ_ｑはｑ軸電流である。

式（１）の第１項は、マグネットトルクを表す。マグネットトルクは、永久磁石による鎖交磁束Ψ_ａとｑ軸電流ｉ_ｑとの積である。第２項は、ステータコア１Ａとロータコア３１との吸引力によって発生するリラクタンストルクを表す。ｑ軸インダクタンスＬ_ｑとモータのｄ軸インダクタンスＬ_ｄとの差が大きいほど、リラクタンストルクも大きい。

上記のように、分布巻はリラクタンストルクを発生させやすいため、マグネットトルクおよびリラクタンストルクの両方を利用することができる。そのため、目標とする出力（トルク）を発生するために必要な磁力が少なくて済む。これにより、巻線２に流す電流値を小さく抑え、電気抵抗による損失（銅損）を低減することができる。

次に、電動機１００の極数について説明する。図４は、実施の形態１の第２の構成例による電動機１００を示す断面図である。図５は、実施の形態１の第３の構成例による電動機１００を示す断面図である。図６は、比較例の電動機を示す断面図である。

図４に示す第２の構成例では、ロータ３の極数が８である。すなわち、ロータ３に、８個の永久磁石３３を配設されている。具体的には、ロータコア３１は、周方向に等間隔に配置された８個の磁石挿入孔３２を有している。１つの磁石挿入孔３２は、ステータコア１Ａのスロット１２のうち、３個のスロット１２に対向している。

この第２の構成例では、図１（Ａ）に示した第１の構成例と比較して、磁石挿入孔３２の数が多いため、磁石挿入孔３２の周方向長さは短くなる。そのため、磁石挿入孔３２は、第１の構成例よりも、ロータコア３１の外周面に接近した位置に配置される。磁石挿入孔３２と同様に、永久磁石３３の周方向長さも、第１の構成例（図１（Ａ））より短くなる。

ステータコア１Ａは、極数の３倍である２４個のスロット１２を有している。そのため、ティース１０の幅は、図１（Ａ）に示した第１の構成例よりも狭い。巻線２は、分布巻で各ティース１０に巻回されており、ワニスが含浸している。

図５に示す第３の構成例では、ロータ３の極数が１０である。すなわち、ロータ３に、１０個の永久磁石３３が配設されている。具体的には、ロータコア３１は、周方向に等間隔に配置された１０個の磁石挿入孔３２を有している。１つの磁石挿入孔３２は、ステータコア１Ａのスロット１２のうち、３個のスロット１２に対向している。

この第３の構成例では、図４に示した第２の構成例と比較して、磁石挿入孔３２の数がさらに多いため、磁石挿入孔３２の周方向長さはさらに短くなる。そのため、磁石挿入孔３２は、第２の構成例よりも、ロータコア３１の外周面にさらに接近した位置に配置される。磁石挿入孔３２と同様に、永久磁石３３の周方向長さも、第２の構成例（図４）より短くなる。

ステータコア１Ａは、極数の３倍である３０個のスロット１２を有している。そのため、ティース１０の幅は、図４に示した第２の構成例よりもさらに狭い。巻線２は、分布巻で各ティース１０に巻回されており、ワニスが含浸している。

図６に示す比較例では、ロータ３の極数が４である。すなわち、ロータ３に、４個の永久磁石３３が配設されている。具体的には、ロータコア３１は、周方向に等間隔に配置された４個の磁石挿入孔３２を有している。１つの磁石挿入孔３２は、ステータコア１Ａのスロット１２のうち、３個のスロット１２に対向している。

この比較例では、図１（Ａ）に示した第１の構成例と比較して、磁石挿入孔３２の数が少ないため、磁石挿入孔３２の周方向長さは長い。そのため、磁石挿入孔３２は、第１の構成例よりも、ロータコア３１の外周面から離れた位置に配置される。磁石挿入孔３２と同様に、永久磁石３３の周方向長さも、第１の構成例（図１（Ａ））より長い。

ステータコア１Ａは、極数の３倍である１２個のスロット１２を有している。そのため、ティース１０の幅は、図１（Ａ）に示した第１の構成例よりも太い。巻線２は、分布巻で各ティース１０に巻回されており、ワニスが含浸している。

ロータ３の極数を６極以上にすると、極数を４極とした場合よりも、永久磁石３３の減磁が生じにくくなる。これは、極数の増加によって、１つの永久磁石３３に及ぶ減磁磁束（巻線２の電流によって発生し、永久磁石３３の減磁を生じる磁束）が少なくなるためである。このように、極数の増加によって減磁が生じにくくなるため、保磁力を高める目的で添加するディスプロシウムの含有量を減少させることができる。

図７（Ａ）は、ディスプロシウムの含有量と保磁力との関係を示すグラフである。なお、この図７（Ａ）では、ディスプロシウムの含有量に対する保磁力の変化の傾向のみを示している。図７（Ｂ）は、ディスプロシウムの含有量と残留磁束密度との関係を示すグラフである。なお、残留磁束密度の値は、あくまでも一例である。

図７（Ａ）および（Ｂ）から、ディスプロシウムの含有量が増加すると、保磁力がほぼ比例して増加するのに対し、残留磁束密度は低下することが分かる。例えば、ディスプロシウムの含有量が０重量％から６重量％まで増加すると、残留磁束密度は１．３９Ｔ（テスラ）から１．２４Ｔまで減少する。

このように、ディスプロシウムは、保磁力を高める一方、残留磁束密度を低下させる。そのため、ディスプロシウムの含有量を減少させることにより、残留磁束密度を高めることができる。その結果、目標とする出力を得るために必要な電流値が小さくて済み、電気抵抗による損失（銅損）を低減することができる。

本実施の形態では、永久磁石３３を構成する希土類磁石におけるディスプロシウムの含有量を０〜４重量％（最も望ましくは、０％）としている。ディスプロシウムの含有量を０〜４重量％としたときの残留磁束密度は、図７（Ｂ）から、１．３２Ｔ〜１．３９Ｔの範囲に相当する。

ディスプロシウムは供給が不安定であるため、ディスプロシウムの含有量が多いと、製造コストの上昇の原因となりやすい。従って、ディスプロシウムの含有量を減少させることは、製造コストの低減につながる。

さらに、ロータ３の極数を６極以上とすることで、極数を４極とした比較例（図６）よりも、永久磁石３３をロータコア３１の外周側に配置することができる。その結果、永久磁石３３よりも径方向内側の領域を広く確保することができる。

図８（Ａ）および（Ｂ）は、図６に示した比較例のロータ３（４極）と、図４に示した第２の構成例のロータ３（８極）とで、永久磁石３３よりも径方向内側の面積を比較した図である。図８（Ａ）に示したように、４極のロータ３では、永久磁石３３よりも径方向内側に正方形の領域が確保される。この領域の面積を、ロータ内径側面積Ａ１とする。図８（Ｂ）に示したように、８極のロータ３では、永久磁石３３よりも径方向内側に八角形の領域が確保される。この領域の面積を、ロータ内径側面積Ａ２とする。

図８（Ａ）と（Ｂ）とを比較すると、４極のロータ３のロータ内径側面積Ａ１よりも、８極のロータ３のロータ内径側面積Ａ２が大きいことが分かる。

図９は、ロータ３の極数と、ロータ内径側面積との関係を示すグラフである。ロータ内径側面積は、極数の増加と共に単調に増加するのではなく、８極をピークとして、その後は減少に転じる。すなわち、ロータ３が１０極の場合には、８極の場合よりもロータ内径側面積が減少する。そのため、ロータ内径側面積を大きく確保する上では、６極以上で、１０極以下であることが望ましい。

図１０は、図１（Ａ）に示した電動機１００のロータ３において、永久磁石３３よりも径方向内側の領域に貫通孔３８を設けた構成を示す断面図である。電動機１００を冷凍サイクルの圧縮機（図２０参照）として使用する場合、冷媒の流路として、ロータコア３１を軸方向に貫通する貫通孔３８を設ける。貫通孔３８の総面積が大きいほど、貫通孔３８を通る冷媒の流量が増加するため、圧縮効率が高まり、冷凍サイクルを高効率化することができる。そのため、ロータ内径側面積（すなわち、貫通孔３８を形成可能な領域の面積）が大きいほど、冷凍サイクルを高効率化する上で有利である。

この実施の形態１では、ロータ３における永久磁石３３の数（第１の数）を６〜１０（６〜１０極）とすることで、ロータ内径側面積を大きく確保している。これにより、電動機１００を圧縮機として用いた場合の圧縮効率を高め、冷凍サイクルを高効率化している。

さらに、ロータ３を６極以上とすることにより、ロータ３を４極とした場合よりも、巻線２の周長を短縮することができる。なお、巻線２の周長とは、巻線２のティース１０に巻回される長さを言う。巻線２の周長の短縮は、巻線２での電気抵抗によって生じる損失（銅損）の低減に寄与する。以下では、巻線２の周長について説明する。

図１１（Ａ）は、ロータ３が４極の場合（図６）にティース１０に巻回された１つの巻線２の周長を説明するための模式図である。図１１（Ｂ）は、ロータ３が６極の場合（図１）にティース１０に巻回された１つの巻線２の周長を説明するための模式図である。

図１１（Ａ）に示すように、ロータ３が４極の場合のティース１０の断面を、幅すなわち周方向長さが「ａ」、軸方向長さが「ｂ」の長方形とする。ロータ３が６極の場合には、ティース１０の数が１２から１８に（すなわち極数に比例して）増加する。そのため、図１１（Ｂ）に示すように、１つのティース１０の周方向長さ（スロットピッチ）は４／６倍となる。一方、ティース１０の軸方向長さ（ｂ）は、極数に関わらず一定である。

ティース１０の磁束密度を一定にするためには、１つのティース１０を通過する磁束量を、極数に反比例させる必要がある。磁束量は、１つの巻線２の巻数に比例するため、１つの巻線２の巻数は、極数に反比例することになる。そのため、ロータ３が４極の場合の１つの巻線２の巻き数をＮとすると、ロータ３が６極の場合には、１つの巻線２の巻き数は（４／６）×Ｎとなる。

ロータ３が４極の場合の１つの巻線２の周長をＬ_４とすると、この周長Ｌ_４は、次式（２）で表される。

同様に、ロータ３が６極の場合には、ティース１０の周方向長さは（４／６）ａ、軸方向長さはｂ、巻き数は（４／６）Ｎであるため、１つの巻線２の周長Ｌ_６は、次式（３）で表される。

また、ロータ３の極数をｐで表すと、ティース１０の周方向長さは（４／ｐ）ａ、軸方向長さはｂ、巻き数は（４／ｐ）Ｎであるため、１つの巻線２の周長Ｌ_ｐは、次式（４）で表される。

式（２）〜（４）から、極数ｐが増加するにつれて、巻線２の周長Ｌ_ｐが短くなることが分かる。

図１２は、極数を２極から１２極まで変化させた場合の、巻線２の周長Ｌ_ｐの算出結果を示すグラフである。ここでは、ロータ３が４極の場合のティース１０の周方向長さａを６０ｍｍとし、軸方向長さｂを６０ｍｍとし、巻き数Ｎを３０とした。

図１２から、ロータ３の極数を４極から６極に増加させると、１つの巻線２の周長を１６．７％低減できることが分かる。また、極数が１０極を超えると、極数の増加に対する巻線２の周長の減少が横ばいになり、飽和状態となることが分かる。

この結果から、ロータ３の極数を６極〜１０極の範囲とする（すなわち永久磁石３３の数を６〜１０とする）ことで、巻線２の周長を短くし、これにより、巻線２の電気抵抗によって生じる損失（銅損）を低減できることが分かる。

なお、実施の形態１の上述した各構成例では、永久磁石３３の数（第１の数）と磁石挿入孔３２の数（第２の数）とは同じである。但し、１つの磁石挿入孔３２に２つ以上の永久磁石３３を挿入する構成も可能であるため、磁石挿入孔３２の数（第２の数）が永久磁石３３の数（第１の数）よりも少ない場合もある。

以上説明したように、本発明の実施の形態１の電動機１００では、アルミニウムで形成された巻線２がステータコア１Ａに分布巻で巻回され、ワニスで覆われている。ロータ３の永久磁石３３の数（第１の数）は、６以上、１０以下であり、永久磁石３３は、ネオジウム、鉄、ボロンおよびディスプロシウムを含有し、ディスプロシウムの含有量は０〜４重量％である。

このように永久磁石３３の数を６〜１０個（６〜１０極）とすることにより、永久磁石の減磁を生じにくくし、ディスプロシウムの含有量を０〜４重量％と少なくすることができる。ディスプロシウムの含有量を少なくすることで、永久磁石３３の残留磁束密度が高くなるため、目標とする出力を得るために必要な電流値が小さくなる。その結果、電気抵抗による損失、すなわち銅損を低減することができる。

また、極数を増加させることで巻線２の周長が短くなるため、巻線２の電気抵抗が減少し、銅損をさらに低減することができる。

また、永久磁石３３の数を６〜１０個とすることにより、ロータ３の永久磁石３３よりも径方向内側に広い領域を確保することができる。そのため、ロータ３の当該領域に設ける貫通孔３８を大きくし、電動機１００を用いた圧縮機の圧縮効率を高めることができる。

また、巻線２を分布巻で巻回し、ワニスを含浸する（ワニスで覆う）ことにより、アルミニウム線の強度を補い、また表面の酸化を抑制することができる。

また、ロータ３の磁石挿入孔３２が、ロータコア３１の軸方向に直交する面内において直線的に延在しているため、磁石挿入孔３２よりも径方向内側に広い領域を確保しやすくなる。

また、ロータ３の磁石挿入孔３２の周方向における端部に、ロータコア３１の外周面に向かって延在するフラックスバリア３４（空隙部）を有しているため、隣り合う磁極間の漏れ磁束を抑制することができる。

実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２について説明する。この実施の形態２では、ロータコア３１の磁石挿入孔３２よりも径方向外側に、周方向に延在するスリット３５（第１のスリット）を設けることにより、漏れ磁束の抑制を図っている。また、ロータコア３１の磁石挿入孔３２よりも径方向外側に、径方向に延在するスリット３６（第２のスリット）を設けることにより、トルクリップルの抑制を図っている。

図１３は、実施の形態２の第１の構成例による電動機のロータ３の一部を拡大して示す断面図である。スリット３５は、ロータコア３１の磁石挿入孔３２よりも径方向外側に設けられている。スリット３５は、磁束の流れを抑制し、磁気抵抗を大きくするものである。スリット３５は、ロータコア３１の周方向に長い形状を有している。スリット３５は、空隙であるが、非磁性体を充填してもよい。

スリット３５は、磁石挿入孔３２の周方向両端部に対向するように、それぞれ１つずつ配置されている。スリット３５は、また、磁石挿入孔３２の周方向両端部に連続して形成された２つのフラックスバリア３４に対し、周方向の内側に隣接した位置に配置されている。

このようにスリット３５を設けることにより、永久磁石から発生した磁束が極間を超えて隣接する永久磁石３３に流れること（隣り合う磁極間の漏れ磁束）を抑制することができる。

図１３には、ロータ３の一部のみ示しているが、このロータ３の永久磁石３３の数（すなわち磁石挿入孔３２の数）は、６個以上、１０個以下であればよい。ロータコア３１において磁石挿入孔３２よりも径方向内側には、実施の形態１で説明した貫通孔３８が設けられている。ロータ３の他の構成、およびステータの構成は、実施の形態１と同様である。

図１４は、実施の形態２の第２の構成例による電動機のロータ３を拡大して示す断面図である。図１４に示した第２の構成例では、ロータコア３１の磁石挿入孔３２よりも径方向外側に、上述したスリット３５に加えて、径方向に長い複数のスリット３６（第２のスリット）を設けている。

ここでは、１つの磁石挿入孔３２に対して、複数（例えば８つ）のスリット３６が形成されている。スリット３６は、磁石挿入孔３２の周方向両端に配置された２つのスリット３５の間に配置されている。スリット３６は、磁束の流れを抑制し、磁気抵抗を大きくするものである。

スリット３６を設けることにより、トルクリップルを抑制することができる。また、スリット３６を設けることにより、巻線２の電流によって生じる磁束がロータコア３１を吸引する力が減少するため、径方向加振力を抑制することができる。

アルミニウム線は、比重が銅線の１／３程度と軽いため、上述したように巻線２をアルミニウム線で構成すると、電動機の重量は軽くなる。そのため、トルクリップルが振動および騒音の原因となりやすい。この実施の形態２では、スリット３６を設けることにより、トルクリップルを低減し、電動機の振動および騒音を抑制している。

また、スリット３５，３６を設けることで、ロータ３に発生する径方向加振力（径方向の電磁加振力）も低減することができる。径方向加振力は、組み立てばらつきなどの要因によりロータ３の軸が偏心している場合に、ステータ１の巻線２の電流によって生じる磁束がロータコア３１を吸引することで生じる。スリット３５，３６を設けると、巻線２の電流によって生じる磁束がロータコア３１を吸引する力が減少するため、径方向加振力を抑制することができる。そのため、電動機の振動および騒音をさらに抑制することができる。

なお、図１４では、１つの磁石挿入孔３２に対して８つのスリット３６を設けているが、スリット３６の数は任意である。また、図１４では、ロータコア３１に、周方向に延在するスリット３５と、径方向に延在するスリット３６の両方を設けているが、径方向に延在するスリット３６のみを設けてもよい。

図１５および図１６は、スリット３５を有さないロータ３（図１（Ａ））と、スリット３５を有するロータ３（図１３）における、極間部での磁束の流れのシミュレーション結果を示す模式図である。図１５に示すように、スリット３５を有さないロータ３では、図中に丸Ｄで囲んだように、永久磁石３３から発生した磁束が、ロータコア３１の外周部分およびステータコア１Ａを通って、隣接する永久磁石３３に流れている。すなわち、極間を通って流れる漏れ磁束が発生している。この漏れ磁束は、電動機の駆動力の発生に寄与しない無駄な磁束である。

一方、図１６に示すように、スリット３５を有するロータ３（図１３）では、図中に丸Ｄで囲んだように、極間を通って流れる磁束が減少している。これは、磁石挿入孔３２の周方向端部に配置されたスリット３５が磁束の流れを妨げ、極間の磁気抵抗が増加したためである。このように、ロータコア３１の外周側にスリット３５を設けることにより、漏れ磁束を抑制し、電動機の駆動力の発生に寄与する有効な磁束を増加させることができる。そのため、目標とする出力を得るために必要な電流値を小さく抑え、銅損を低減することができる。

図１７は、ロータ３がスリットを有さない電動機（図１（Ａ））と、ロータ３がスリット３５を有する電動機（図１３）と、ロータ３がスリット３５およびスリット３６を有する電動機（図１４）のそれぞれにおける、トルク変動の数値解析結果を示すグラフである。図１７の縦軸はトルクであり、横軸はロータ３の回転角（電気角）である。

図１７において、曲線Ｃ１は、ロータ３がスリットを有さない電動機（図１（Ａ））におけるトルク変動を示す。曲線Ｃ２は、ロータ３がスリット３５を有する電動機（図１３）におけるトルク変動を示す。曲線Ｃ３は、ロータ３がスリット３５およびスリット３６を有する電動機（図１４）におけるトルク変動を示す。

図１８は、図１７に示した曲線Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３からそれぞれ算出したトルクリップルの値を示すグラフである。図１７および図１８から、ロータ３にスリット３５およびスリット３６を設けた電動機（曲線Ｃ３）では、トルクリップルが大きく減少していることが分かる。

以上説明したように、本発明の実施の形態２では、ロータコア３１の永久磁石３３の径方向外側（すなわち磁石挿入孔３２の径方向外側）に、周方向に延在するスリット３５を設けることにより、漏れ磁束の発生を抑制することができる。

特に、スリット３５を、永久磁石３３の周方向両端部に対向するように配置することで、漏れ磁束の発生を効果的に抑制することができる。

また、ロータコア３１の永久磁石３３の径方向外側に、径方向に延在するスリット３６を設けることにより、トルクリップルをさらに抑制することができる。巻線２をアルミニウム線で構成した場合、電動機の軽量化により、トルクリップルに起因して振動および騒音が発生しやすくなるが、この実施の形態２では、トルクリップルの抑制により、振動および騒音を抑制することができる。

＜空気調和装置＞
次に、上述した各実施の形態の電動機を用いた空気調和装置について説明する。図１９は、各実施の形態の電動機を用いた空気調和装置４００の構成を示す図である。空気調和装置４００は、室外機４０１と、室内機４０２と、これらを接続する冷媒配管４０３とを備える。

室外機４０１は、送風機としての室外送風機４０５を備えている。室内機４０２は、室内送風機４０７を備えている。図１９には、室外機４０１において冷媒を圧縮する圧縮機４０８も示されている。

室外機４０１の室外送風機４０５は、各実施の形態で説明した電動機が適用される電動機１００を備えている。電動機１００のシャフト３７（図１（Ａ））には、羽根４０６が取り付けられている。電動機１００のロータ３（図１（Ａ））が回転すると、シャフト３７に取り付けられた羽根４０６が回転し、室外に送風する。

空気調和装置４００が冷房運転を行う場合には、圧縮機４０８で圧縮された冷媒が凝縮器（図示せず）で凝縮する際に放出された熱を、室外送風機４０５の送風によって室外に放出する。

上記の通り、各実施の形態の電動機は、製造コストを低減し、銅損を抑制することができるため、空気調和装置４００の製造コストを低減し、また運転効率を向上することができる。また、実施の形態２で説明した電動機は、振動および騒音を抑制することができるため、空気調和装置４００の振動および騒音を基準値以下に抑制することができる。

なお、ここでは、室外機４０１の室外送風機４０５の電動機１００に、各実施の形態で説明した電動機を適用したが、室内機４０２の室内送風機４０７に各実施の形態の電動機を適用してもよい。

＜スクロール圧縮機＞
次に、上述した各実施の形態の電動機を用いたスクロール圧縮機について説明する。図２０は、上述した各実施の形態の電動機を用いたスクロール圧縮機５００の構成を示す断面図である。

スクロール圧縮機５００は、密閉容器５０２内に、圧縮機構５１０と、圧縮機構５１０を駆動する電動機１００と、圧縮機構５１０と電動機１００とを連結する主軸５０１と、主軸５０１の圧縮機構５１０の反対側の端部（副軸部）を支持するサブフレーム５０３と、密閉容器５０２の底部の油だめ５０５に貯留される冷凍機油５０４とを備える。

圧縮機構５１０は、それぞれの板状渦巻歯の間に圧縮室を形成するように組み合わされた固定スクロール５１１および揺動スクロール５１２と、オルダムリング５１３と、コンプライアントフレーム５１４と、ガイドフレーム５１５とを備える。

固定スクロール５１１には、密閉容器５０２を貫通した吸入管５０６が圧入されている。また、密閉容器５０２を貫通して、固定スクロール５１１の吐出ポートから吐出される高圧の冷媒ガスを外部（冷凍サイクル）に吐出する吐出管５０７が設けられている。

密閉容器５０２には、電動機１００のステータ１と駆動回路とを電気的に接続するためのガラス端子５０８が溶接により固定されている。電動機１００は、各実施の形態の電動機が適用される。

上記の通り、各実施の形態の電動機は、製造コストを低減し、銅損を抑制することができるため、スクロール圧縮機５００の製造コストを低減し、運転効率を向上することができる。また、実施の形態２で説明した電動機は、振動および騒音を抑制することができるため、スクロール圧縮機５００の振動および騒音を基準値以下に抑えることができる。

なお、ここでは、圧縮機の一例としてスクロール圧縮機５００について説明したが、各実施の形態の電動機は、スクロール圧縮機５００以外の圧縮機に適用してもよい。

以上、本発明の望ましい実施の形態について具体的に説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良または変形を行なうことができる。

１ ステータ、 １Ａ ステータコア、 １０ ティース、 １１ ヨーク部、 １２ スロット、 ２ コイル、 ３ ロータ、 ３１ ロータコア、 ３２ 磁石挿入孔、 ３３ 永久磁石、 ３４ フラックスバリア、 ３５ スリット（第１のスリット）、 ３６ スリット（第２のスリット）、 ３７ シャフト、 ３８ 貫通孔、 １００ 電動機、 ４００ 空気調和装置、 ４０１ 室外機、 ４０２ 室内機、 ４０３ 冷媒配管、 ４０５ 送風機、 ４０６ 羽根、 ５００ スクロール圧縮機（圧縮機）、 ５０１ 主軸、 ５０２ 密閉容器、 ５１０ 圧縮機構。

Claims (7)

1. ステータと、ステータの内側に配置されたロータとを備え、
   前記ステータは、
   ステータコアと、
   前記ステータコアに分布巻で巻回され、アルミニウムで形成された巻線と
   を備え、
   前記ロータは、
   ロータコアと、
   前記ロータコアに取り付けられた第１の数の永久磁石と
   を備え、
   前記第１の数の永久磁石よりも前記ロータコアの径方向内側に、前記ロータコアを軸方向に貫通する貫通孔が設けられ、前記貫通孔は圧縮機の冷媒を通過させ、
   前記ステータの前記巻線は、ワニスで覆われており、
   前記第１の数は、６以上、１０以下であり、
   前記ロータの前記第１の数の永久磁石のそれぞれは、ネオジウム、鉄、ボロンおよびディスプロシウムを含有し、ディスプロシウムの含有量は０〜４重量％であり、
   前記第１の数の永久磁石のそれぞれの残留磁束密度は、１．３２Ｔ以上、１．３９Ｔ以下である、
   電動機。
2. 前記ロータコアは、前記第１の数の永久磁石を挿入する第２の数の磁石挿入孔を有し、
   前記第２の数の磁石挿入孔は、いずれも、前記ロータコアの軸方向に直交する面内において、直線的に延在している、請求項１に記載の電動機。
3. 前記ロータコアは、前記ロータコアの周方向における前記第２の数の磁石挿入孔のそれぞれの端部に、空隙部を有している、請求項２に記載の電動機。
4. 前記ロータコアは、前記第１の数の永久磁石のそれぞれに対して前記ロータコアの径方向の外側に、前記ロータコアの周方向に延在する第１のスリットを有している、請求項１から３までの何れか１項に記載の電動機。
5. 前記第１のスリットは、前記第１の数の永久磁石のそれぞれの前記周方向の端部に対向するように配置されている、請求項４に記載の電動機。
6. 前記ロータコアは、前記第１の数の永久磁石のそれぞれに対して前記ロータコアの径方向の外側に、前記ロータコアの径方向に延在する第２のスリットを有している、請求項１から５までの何れか１項に記載の電動機。
7. 密閉容器と、前記密閉容器内に配置された圧縮機構と、前記圧縮機構を駆動する請求項１から６までの何れか１項に記載の電動機とを備えた圧縮機。

Images