JP7337249B2 - 送風機および空気調和装置 - Google Patents

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Description

本開示は、送風機および空気調和装置に関する。
送風機の騒音を抑制するため、羽根の枚数、並びに電動機の磁極数およびスロット数の様々な組み合わせが提案されている(例えば、特許文献1参照)。
国際公開WO2015/011892(段落0053~0054)
近年、磁石磁極と仮想磁極とを備えたコンシクエントポール型のロータが開発されている。コンシクエントポール型のロータでは、表面磁束に様々な高調波成分が含まれる。従来の技術では、コンシクエントポール型のロータの表面磁束に含まれる高調波成分を十分に低減することが難しく、送風機の騒音を十分に低減することができない。
本開示は、上記の課題を解決するためになされたものであり、コンシクエントポール型のロータを備えた送風機の騒音を十分に低減することを目的とする。
本開示の送風機は、シャフトと、シャフトの中心軸線を中心とする環状のロータコアと、ロータコアに取り付けられた永久磁石とを有するロータであって、永久磁石が磁石磁極を構成し、ロータコアの一部が仮想磁極を構成し、磁石磁極と仮想磁極とを合わせた磁極数がPであるロータと、中心軸線を中心とする径方向の外側からロータを囲むステータであって、中心軸線を中心とする周方向にS個のスロットを有し、前記スロットにコイルが収容されたステータと、シャフトに取り付けられて周方向に配列されたN枚の羽根とを備える。磁極数Pは8であり、スロットの数Sは9であるか、または、磁極数Pは14であり、スロットの数Sは12である。羽根の枚数Nは、2または3である。
本開示によれば、ロータの表面磁束に含まれる高調波成分を低減すると共に、ロータに作用する径方向加振力による振動の増加を抑えることができる。これにより、送風機の騒音を低減することができる。
実施の形態1の10極12スロットの電動機を示す断面図である。 図1の電動機のロータを示す断面図である。 実施の形態1の10極9スロットの電動機を示す断面図である。 実施の形態1の8極9スロットの電動機を示す断面図である。 実施の形態1の14極12スロットの電動機を示す断面図である。 実施の形態1の14極15スロットの電動機を示す断面図である。 実施の形態1の送風機を示す部分断面図である。 コンシクエントポール型の電動機および非コンシクエントポール型の電動機のそれぞれについて、ロータの表面磁束の5次成分および7次成分を示すグラフである。 2×M極、3×Mスロットの電動機における誘起電圧の高調波成分を示すグラフである。 4×M極、3×Mスロットの電動機における誘起電圧の高調波成分を示すグラフである。 8極9スロット、10極9スロット、10極12スロット、14極12スロットおよび14極15スロットの電動機における誘起電圧の高調波成分を示すグラフである。 10極12スロットの電動機と8極12スロットの電動機とで、誘起電圧波形を比較して示すグラフである。 10極12スロットの電動機に作用する径方向加振力を説明するための模式図である。 10極9スロットの電動機に作用する径方向加振力を説明するための模式図である。 8極9スロットの電動機に作用する径方向加振力を説明するための模式図である。 8極12スロットの電動機に作用する径方向加振力を説明するための模式図である。 10極15スロットの電動機に作用する径方向加振力を説明するための模式図である。 コンシクエントポール型の電動機および非コンシクエントポール型の電動機における径方向加振力の周波数成分を示すグラフである。 羽根の枚数と羽根の最大幅との関係を示すグラフである。 実施の形態1の2枚の羽根を有するファン部を示す模式図である。 実施の形態1の3枚の羽根を有するファン部を示す模式図である。 実施の形態1の4枚の羽根を有するファン部を示す模式図である。 実施の形態1の空気調和装置を示す模式図である。
実施の形態1.
<電動機>
図1は、実施の形態1の電動機11を示す断面図である。電動機11は、回転可能なロータ2と、ロータ2を囲むように設けられた環状のステータ5とを有する。ステータ5とロータ2との間には、例えば0.4mmのエアギャップGが設けられている。
以下では、ロータ2の回転中心を規定する軸線、すなわち後述するシャフト28の中心軸線を、軸線C1とする。軸線C1の方向を「軸方向」と称する。軸線C1を中心とする周方向を「周方向」と称し、図1等に矢印R1で示す。軸線C1を中心とする半径方向を「径方向」と称する。なお、図1は、ロータ2の軸線C1に直交する面における断面図である。
<ステータ>
ステータ5は、ステータコア50と、ステータコア50に巻き付けられたコイル55とを有する。ステータコア50は、複数の鋼板を軸方向に積層し、カシメ等により固定したものである。鋼板は、例えば電磁鋼板である。鋼板の板厚は、例えば0.2mm~0.5mmである。
ステータコア50は、軸線C1を中心とする環状のヨーク51と、ヨーク51から径方向内側に延在する複数のティース52とを有する。ティース52は、周方向に等間隔に配置されている。ティース52の数は、12である。隣り合うティース52の間には、コイル55を収容する空間であるスロット53が形成される。スロット53の数は、ティース52の数と同じ12である。
ティース52の径方向内側の先端部52aは、ティース52の他の部分よりも周方向の幅が広い。ティース52の先端部52aは、上述したエアギャップGを介してロータ2の外周に対向する。
ステータコア50には、絶縁部としてのインシュレータ54が設けられている。インシュレータ54は、例えば、ポリブチレンテレフタレート(PBT)、ポリフェニレンサルファイド(PPS)、液晶ポリマー(LCP)、またはポリエチレンテレフタレート(PET)等の絶縁性の樹脂で構成される。
インシュレータ54は、樹脂をステータコア50と一体に成形するか、または別部品として成形した樹脂成形体をステータコア50に組み付けることで形成される。インシュレータ54は、ステータコア50とコイル55との間に介在し、ステータコア50とコイル55とを互いに絶縁する。
コイル55は、インシュレータ54を介してティース52に巻き付けられる。コイル55は、銅またはアルミニウムで構成されている。コイル55は、ティース52毎に集中巻で巻き付けられている。
コイル55のうち、各ティース52に巻き付けられた部分を、巻線部55aと称する。コイル55は3相コイルであり、U相の巻線部55aと、V相の巻線部55aと、W相の巻線部55aとを有する。
<ロータ>
図2は、ロータ2を示す断面図である。図2に示すように、ロータ2は、回転軸であるシャフト28と、シャフト28の径方向外側に設けられた環状のロータコア20とを有する。
ロータコア20は、複数の鋼板を軸方向に積層し、カシメ等によって固定したものである。鋼板は例えば電磁鋼板である。鋼板の板厚は、例えば0.2mm~0.5mmである。
ロータコア20は、複数の磁石挿入孔21を有する。磁石挿入孔21は、周方向に等間隔で、且つ軸線C1から等距離に配置されている。磁石挿入孔21の数は5個である。
磁石挿入孔21は、その周方向中心を通る径方向の直線(磁極中心線)に直交する方向に直線状に延在している。但し、磁石挿入孔21は、このような形状に限定されるものではなく、例えば、V字状に延在していてもよい。
磁石挿入孔21の周方向の両側には、穴部であるフラックスバリア22が形成されている。フラックスバリア22とロータコア20の外周との間の鉄心部分は、薄肉部となっている。隣り合う磁極間の漏れ磁束を抑制するため、薄肉部の厚さは、ロータコア20を構成する鋼板の板厚と同じであることが望ましい。
各磁石挿入孔21には、平板状の永久磁石25が挿入されている。永久磁石25の軸方向に直交する断面形状は、矩形状である。永久磁石25は、例えば、ネオジウム(Nd)、鉄(Fe)およびホウ素(B)を含む希土類磁石、サマリウム(Sm)、鉄および窒素(N)を含む希土類磁石、または、フェライト磁石で構成される。
5つの永久磁石25は、径方向外側に互いに同一の磁極(例えばN極)を有する。ロータコア20において、周方向に隣り合う永久磁石25の間には、上記磁極とは反対の磁極(例えばS極)が形成される。
そのため、ロータ2は、永久磁石25で構成される5つの磁石磁極P1と、ロータコア20で構成される5つの仮想磁極P2とを有する。このような構成を、コンシクエントポール型と称する。以下では、単に「磁極」という場合、磁石磁極P1と仮想磁極P2の両方を含むものとする。ロータ2の磁極数Pは10である。
磁石磁極P1および仮想磁極P2の何れも、周方向中心が極中心となる。ロータコア20の外周は、軸方向に直交する断面において、いわゆる花丸形状を有する。より具体的には、ロータコア20の外周は、磁極P1,P2のそれぞれの極中心で外径が最大となり、極間で外径が最小となり、極中心から極間までが弧状となる形状を有する。但し、ロータコア20の外周は、花丸形状に限らず、円形状であってもよい。
ここでは1つの磁石挿入孔21に1つの永久磁石25を配置しているが、1つの磁石挿入孔21に2つ以上の永久磁石25を配置してもよい。また、磁石磁極P1をS極とし、仮想磁極P2をN極としてもよい。
シャフト28とロータコア20との間には、非磁性の樹脂部26が設けられている。樹脂部26は、シャフト28とロータコア20とを連結する。樹脂部26は、例えば、PBT等の熱可塑性樹脂で形成される。
樹脂部26は、シャフト28の外周に接する環状の内筒部26aと、ロータコア20の内周に接する環状の外筒部26cと、内筒部26aと外筒部26cとを連結する複数のリブ26bとを有する。
樹脂部26の内筒部26aには、シャフト28が軸方向に貫通している。リブ26bは、周方向に等間隔で配置され、内筒部26aから径方向外側に放射状に延在している。リブ26bの数は磁極数Pの半分であり、それぞれのリブ26bの周方向位置が仮想磁極P2の極中心と一致している。但し、リブ26bの数および配置は、ここで説明した例に限定されるものではない。
ロータコア20は、仮想磁極P2に、径方向に延在する少なくとも一つのスリット23を有する。スリット23は、仮想磁極P2を通過する磁束の流れを整流する作用を有する。ここでは、仮想磁極P2の極中心に対して対称に、4つのスリット23を有する。但し、スリット23の数は任意である。また、仮想磁極P2には、必ずしもスリット23を形成しなくてもよい。
ロータコア20は、磁石挿入孔21の径方向内側に、円形の空隙部24を有する。ロータコア20の内周において、空隙部24の形成された部分には、径方向内側に突出する突出部分20aが形成されている。突出部分20aは、樹脂部26に対するロータコア20の回転止めとして機能する。但し、ロータコア20の内周には、必ずしも突出部分20aを形成しなくてもよい。
なお、ここではロータコア20とシャフト28との間に樹脂部26を設けたが、樹脂部26を設けずに、ロータコア20の中心孔にシャフト28を嵌合させてもよい。
以上説明した電動機11は、ロータ2の磁極数Pが10であり、スロット数Sが12である。すなわち、電動機11は、10極12スロットである。
この実施の形態1の電動機は、10極12スロットの電動機11に限定されるものではない。以下では、10極9スロットの電動機12と、8極9スロットの電動機13と、14極12スロットの電動機14と、14極15スロットの電動機15とについて、順に説明する。
<10極9スロットの電動機>
図3は、実施の形態1の10極9スロットの電動機12を示す断面図である。電動機12は、磁極数Pが10、スロット数Sが9である。電動機12は、ロータ2と、ステータ5Aとを備える。ロータ2は、電動機11のロータ2(図1)と同様に構成されている。ステータ5Aは、電動機11のステータ5(図1)に対してスロット数Sが異なる。
ステータ5Aは、ステータコア50と、ステータコア50に巻き付けられたコイル55とを有する。ステータコア50は、環状のヨーク51と、ヨーク51から径方向内側に延在する複数のティース52とを有する。コイル55は、インシュレータ54を介してティース52に巻き付けられる。
隣り合うティース52の間には、コイル55を収容する空間であるスロット53が形成される。ティース52の数は9であり、従ってスロット数Sは9である。ステータ5Aは、スロット数Sを除き、電動機11のステータ5(図1)と同様に構成されている。
なお、図3では図示を省略するが、ロータ2のロータコア20の内周には、樹脂部26(図2)を介してシャフト28を取り付けてもよく、樹脂部26を設けずにシャフト28を嵌合させてもよい。以下で説明する電動機13~電動機15(図4~図6)においても同様である。
<8極9スロットの電動機>
図4は、実施の形態1の8極9スロットの電動機13を示す断面図である。電動機13は、磁極数Pが8、スロット数Sが9である。電動機13は、ロータ2Aと、ステータ5Aとを備える。ロータ2Aは、電動機11のロータ2(図1)に対して磁極数Pが異なる。ステータ5Aは、電動機12のステータ5A(図3)と同様に構成されている。
ロータ2Aはロータコア20を有し、ロータコア20は複数の磁石挿入孔21を有する。磁石挿入孔21は、周方向に等間隔で、且つ軸線C1から等距離に配置されている。磁石挿入孔21の数は4個である。各磁石挿入孔21の周方向の両側には、フラックスバリア22が形成されている。
各磁石挿入孔21には、永久磁石25が挿入されている。ロータ2Aは、永久磁石25で構成される4つの磁石磁極P1と、ロータコア20で構成される4つの仮想磁極P2とを有する。すなわち、ロータ2Aの磁極数Pは8である。ロータ2Aは、磁極数Pを除き、電動機11のロータ2(図2)と同様に構成されている。
<14極12スロットの電動機>
図5は、実施の形態1の14極12スロットの電動機14を示す断面図である。電動機14は、磁極数Pが14、スロット数Sが12である。電動機14は、ロータ2Bと、ステータ5とを備える。ロータ2Bは、電動機11のロータ2(図1)に対して磁極数Pが異なる。ステータ5は、電動機11のステータ5(図1)と同様に構成されている。
ロータ2Bはロータコア20を有し、ロータコア20は複数の磁石挿入孔21を有する。磁石挿入孔21は、周方向に等間隔で、且つ軸線C1から等距離に配置されている。磁石挿入孔21の数は7個である。各磁石挿入孔21の周方向の両側には、フラックスバリア22が形成されている。
各磁石挿入孔21には、永久磁石25が挿入されている。ロータ2Bは、永久磁石25で構成される7つの磁石磁極P1と、ロータコア20で構成される7つの仮想磁極P2とを有する。すなわち、ロータ2Bの磁極数Pは14である。ロータ2Bは、磁極数Pを除き、電動機11のロータ2(図2)と同様に構成されている。
<14極15スロットの電動機>
図6は、実施の形態1の14極15スロットの電動機15を示す断面図である。電動機15は、磁極数Pが14、スロット数Sが15である。電動機15は、ロータ2Bと、ステータ5Bとを備える。ロータ2Bは、電動機14のロータ2(図5)と同様に構成されている。ステータ5Bは、電動機11のステータ5(図1)に対してスロット数Sが異なる。
ステータ5Bは、ステータコア50と、ステータコア50に巻き付けられたコイル55とを有する。ステータコア50は、環状のヨーク51と、ヨーク51から径方向内側に延在する複数のティース52とを有する。コイル55は、インシュレータ54を介してティース52に巻き付けられる。
隣り合うティース52の間には、コイル55を収容する空間であるスロット53が形成される。ティース52の数は15であり、従ってスロット数Sは15である。ステータ5Bは、スロット数Sを除き、電動機11のステータ5(図1)と同様に構成されている。
以上説明した10極12スロットの電動機11(図1,2)、10極9スロットの電動機12(図)、8極9スロットの電動機13(図)、14極12スロットの電動機14(図)、および14極15スロットの電動機15(図6)を総称して、「電動機10」と称する。
<送風機>
次に、電動機10を適用した送風機1について説明する。図7は、電動機10を備えた送風機1を示す縦断面図である。電動機10は、上述した電動機11~15の何れであってもよい。
送風機1は、電動機10と、電動機10によって回転するファン部8とを有する。ファン部8は、電動機10のシャフト28に固定されている。
電動機10は、ステータ5を径方向外側から囲むモールド樹脂部60を有する。ステータ5とモールド樹脂部60とにより、モールドステータ6が構成される。モールド樹脂部60は、BMC(バルクモールディングコンパウンド)等の熱硬化性樹脂で形成される。
モールド樹脂部60は、軸方向の一方の側(図7では左側)に開口部61を有し、他方の側に軸受支持部62を有する。電動機10のロータ2は、開口部61からモールドステータ6の内部の中空部分に挿入される。
シャフト28は、モールドステータ6の開口部61から軸方向に突出している。シャフト28の先端部には、ファン部8が取り付けられる。そのため、シャフト28の突出側(図7における左側)を「負荷側」と称し、反対側を「反負荷側」と称する。
ファン部8は、シャフト28に取り付けられた有底円筒状のハブ82と、ハブ82の外周に設けられた複数の羽根81とを有する。ハブ82は、軸線C1を中心とする円筒壁82aと、円筒壁82aの軸方向端部に位置する円板部82bと、円筒部82aの内周側に形成された複数のリブ83とを有する。
ハブ82の円板部82bは、シャフト28の先端部に形成されたネジ部29を通過させる貫通穴を有する。円筒部82aの内周側の複数のリブ83は、周方向に等間隔に形成されている。各リブ83は、シャフト28に取り付けられたリング28aに当接する。シャフト28のネジ部29に固定ネジ85をねじ込むことにより、ハブ82がシャフト28に固定される。
羽根81は、ハブ82の外周に、周方向に等間隔に設けられている。羽根81の枚数Nについては、後述する。
モールド樹脂部60の開口部61には、金属製のブラケット43が取り付けられている。ブラケット43は、亜鉛メッキ鋼板等の導電性を有する金属で形成される。ブラケット43には、シャフト28を支持する一方の軸受41が保持される。
ブラケット43の外側には、キャップ44が取り付けられている。キャップ44は、軸受41への水等の侵入を防止する。モールド樹脂部60の軸受支持部62には、シャフト28を支持するもう一方の軸受42が保持される。
モールド樹脂部60において、ステータ5の反負荷側には、回路基板7が保持されている。回路基板7は、電動機10を駆動するためのパワートランジスタ等の駆動回路72が実装されたプリント基板であり、リード線73が配線されている。
回路基板7のリード線73は、モールド樹脂部60の外周部分に取り付けられたリード線口出し部品74から、電動機10の外部に引き出される。回路基板7のステータ5側の面に、ロータ2の回転位置を検出するための磁気センサ71を設けてもよい。
ここではステータ5をモールド樹脂部60で覆っているが、モールド樹脂部60の代わりに金属製のハウジングでステータ5を覆ってもよい。
<誘起電圧における高調波成分の低減作用>
次に、誘起電圧の高調波成分の低減作用について説明する。ロータ2の表面から出る磁束は、後述する図12に示すように正弦波状の分布を有するが、高調波成分を含む場合がある。ステータ5のコイル55には、ロータ2から出る磁束によって電圧(誘起電圧と称する)が誘起される。誘起電圧波形に高調波成分が含まれると、騒音の原因となる。
図8は、コンシクエントポール型のロータと非コンシクエントポール型のロータとで、ロータの表面磁束をFFT(高速フーリエ変換)解析した結果を示すグラフである。ここでは、ロータの表面磁束のうち、騒音への影響が最も大きい5次成分と7次成分とを示す。なお、電気角の360度周期を1次とする。
図8から、非コンシクエントポール型のロータの表面磁束よりも、コンシクエントポール型のロータ2の表面磁束の方が、5次成分および7次成分を多く含むことが分かる。これは、コンシクエントポール型のロータ2が磁石磁極P1と仮想磁極P2とを有し、これらが非対称であることに起因する。
一方、ロータ2の表面磁束の高調波成分の全てが誘起電圧に反映されるわけではなく、磁極数Pおよびスロット数Sに応じて、誘起電圧の高調波成分が低減される。
以下では、磁極数Pおよびスロット数Sを異ならせた場合の誘起電圧の高調波成分の変化について説明する。
図9は、2×M極、3×Mスロット(Mは自然数)のコンシクエントポール型の電動機における誘起電圧の高調波成分を示すグラフである。具体的には、2極3スロット、4極6スロット、6極9スロット、8極12スロット、10極15スロットおよび12極18スロットの電動機における誘起電圧の高調波成分を示す。
高調波成分は、巻線係数Kwで評価する。巻線係数Kwは、ロータ2からの磁束がステータ5にどの程度有効に鎖交するかを示す指標である。巻線係数Kwは、短節巻係数Kpと分布巻係数Kdとの積で求められる。
短節巻係数Kpは、以下の式(1)で表される。分布巻係数Kdは、以下の式(2)で表される。
Kp=sin(K×β×π/2)…(1)
Kd=sin(K×π/6)/(q×sin(K×π/6N)) …(2)
βは、磁極ピッチに対する巻線ピッチである。Kは、次数である。qは、毎極毎相スロット数である。
例えば、2次の巻線係数Kwの値は、上記式(1),(2)でK=2とした場合の巻線係数Kwの値である。巻線係数Kwの値が小さいほど、その高周波成分が低減されていることになる。
図9に示されているように、2×M極、3×Mスロットの電動機は、2次、4次、5次、7次、8次の各成分の巻線係数Kwが何れも大きく、且つ同じ値である。この結果から、2×M極、3×Mスロットの電動機では、Mの値に関わらず、誘起電圧の高調波成分が低減されないことが分かる。
図10は、4×M極、3×Mスロットのコンシクエントポール型の電動機における誘起電圧の高調波成分を示すグラフである。具体的には、4極3スロット、8極6スロット、12極9スロット、および16極12スロットの電動機における誘起電圧の高調波成分を示す。
図10に示されているように、4×M極、3×Mスロットの電動機は、2次、4次、5次、7次、8次の各成分の巻線係数Kwが何れも大きく、且つ同じ値である。この結果から、4×M極、3×Mスロットの電動機では、Mの値に関わらず、誘起電圧の高調波成分が低減されないことが分かる。
図11は、8極9スロット、10極9スロット、10極12スロット、14極12スロットおよび14極15スロットのコンシクエントポール型の電動機10における誘起電圧の高調波成分を示すグラフである。これらの電動機10は、上述した2×M極、3×Mスロットおよび4×M極、3×Mスロットの何れにも該当しない。
また、図11には、2×M極、3×Mスロットの電動機(図9)および4×M極、3×Mスロットのコンシクエントポール型の電動機(図10)における誘起電圧の高調波成分も併せて示す。
図11に示されているように、2×M極、3×Mスロットの電動機および4×M極、3×Mスロットの電動機と比較して、8極9スロット、10極9スロット、10極12スロット、14極12スロットおよび14極15スロットの電動機10では、3次成分以外の高調波成分が低減されている。
特に、8極9スロット、10極9スロット、10極12スロットおよび14極12スロットおよび14極15スロットの電動機10では、騒音の原因となる5次成分と7次成分が低減されている。
すなわち、2×M極、3×Mスロットおよび4×M極、3×Mスロットの何れにも該当しない電動機10を用いることにより、誘起電圧における高調波成分を低減することができる。
図12は、10極12スロットのコンシクエントポール型の電動機11と、8極12スロット(すなわち2×M極、3×Mスロット)のコンシクエントポール型の電動機とで、誘起電圧波形を比較して示すグラフである。図12から明らかなように、8極12スロットの電動機と比較して、10極12スロットの電動機11では、高調波成分が低減され、誘起電圧波形が正弦波状になっている。
電動機10のトルクTは、ロータ2の磁束がコイル55に鎖交して発生する誘起電圧Vと、コイル55に流れる電流Iとの積(V×I)に比例する。そのため、誘起電圧の高調波成分が減少すると、トルクの脈動が減少する。これにより、電動機10の騒音を低減することができる。
電動機10のトルク脈動のうち、最も騒音増加につながる成分は、6次成分である。このトルク脈動の6次成分には、誘起電圧の5次成分および7次成分が最も大きく影響する。そのため、誘起電圧の5次成分および7次成分を効果的に低減することが課題となる。
8極9スロット、10極9スロット、10極12スロット、および14極12スロットの電動機10は、誘起電圧の5次成分と7次成分の低減効果が大きいため、電動機10の騒音低減効果が特に大きい。
一方、2×M極、3×Mスロットおよび4×M極、3×Mスロットの何れにも該当しない電動機10を用いる場合には、ロータ2に作用する径方向加振力が大きくなりやすいという課題がある。以下では、ロータ2に作用する径方向加振力について説明する。
<径方向加振力>
図13は、10極12スロットの電動機11のロータ2(図1)に作用する径方向加振力を説明するための模式図である。12本のティース52のうち、隣り合う2つのティース52に巻かれた巻線部55aには、同一相の電流が、互いに逆向きの磁界を生じるように流れる。
U相電流が流れる巻線部55aのうち、ロータ2側から見て反時計回りに巻かれた巻線部55aをU相とし、時計回りに巻かれた巻線部55aをUバー相とする。U相の巻線部55aとUバー相の巻線部55aには、逆位相の(電気的に位相が180度ずれた)電流が流れる。
同様に、V相電流が流れる巻線部55aのうち、ロータ2側から見て反時計回りに巻かれた巻線部55aをV相とし、時計回りに巻かれた巻線部55aをVバー相とする。V相の巻線部55aとVバー相の巻線部55aには、逆位相の電流が流れる。
W相電流が流れる巻線部55aのうち、ロータ2側から見て反時計回りに巻かれた巻線部55aをW相とし、時計回りに巻かれた巻線部55aをWバー相とする。W相の巻線部55aとWバー相の巻線部55aには、逆位相の電流が流れる。
U相、V相、W相の巻線部55aには、位相が電気的に120度ずれた電流が流れる。ここでは、12本のティース52に、図中時計回りに、Uバー相、U相、W相、Wバー相、V相、Vバー相、U相、Uバー相、Wバー相、W相、V相、Vバー相の巻線部55aが巻かれている。
巻線部55aにU相の電流が流れると、磁気的吸引力により、ロータ2に矢印Fで示す径方向の力が作用する。U相の電流が流れる巻線部55aが、軸線C1を挟んだ両側にあるため、ロータ2に作用する径方向の力は互いに相殺される。すなわち、ロータ2を径方向に振動させる径方向加振力は比較的小さい。V相の電流およびW相の電流についても、同じことが言える。
図14は、10極9スロットの電動機12のロータ2に作用する径方向加振力を説明するための模式図である。9本のティース52には、図中時計回りに、U相、Uバー相、U相、V相、Vバー相、V相、W相、Wバー相、W相の巻線部55aが巻かれている。
U相、Uバー相、V相、Vバー相、W相、Wバー相の巻線部55aの巻き方向は、図13を参照して説明した通りである。各相の巻線部55aに流れる電流の位相も、図13を参照して説明した通りである。
巻線部55aにU相の電流が流れると、磁気的吸引力により、ロータ2に矢印Fで示す径方向の力が作用する。U相の電流が流れる巻線部55aが、軸線C1に対して一方の側にあるため、径方向加振力は比較的大きい。V相およびW相の電流についても、同じことが言える。
図15は、8極9スロットの電動機13のロータ2Aに作用する径方向加振力を説明するための模式図である。9本のティース52には、図中時計回りに、U相、Uバー相、U相、W相、Wバー相、W相、V相、Vバー相、V相の巻線部55aが巻かれている。
U相、Uバー相、V相、Vバー相、W相、Wバー相の巻線部55aの巻き方向は、図13を参照して説明した通りである。各相の巻線部55aに流れる電流の位相も、図13を参照して説明した通りである。
巻線部55aにU相の電流が流れると、ロータ2Aに矢印Fで示す径方向の力が作用する。U相の電流が流れる巻線部55aが、軸線C1に対して一方の側にあるため、径方向加振力は比較的大きい。V相およびW相の電流についても、同じことが言える。
一方、上述した2×M極、3×Mスロットの電動機、および、4×M極、3×Mスロットの電動機では、径方向加振力が小さくなる傾向がある。
図16は、8極12スロットの電動機16のロータ2Aに作用する径方向加振力を説明するための模式図である。電動機16は、図4を参照して説明した8極のロータ2Aと、図1を参照して説明した12スロットのステータ5とを有する。
電動機16の12本のティース52には、図中時計回りに、U相、W相、V相、U相、W相、V相、U相、W相、V相、U相、W相、V相の巻線部55aが巻かれている。U相、V相、W相の巻線部55aの巻き方向は、図13を参照して説明した通りである。各相の巻線部55aに流れる電流の位相も、図13を参照して説明した通りである。
巻線部55aにU相の電流が流れると、ロータ2Aに矢印Fで示す径方向の力が作用する。U相の電流が流れる巻線部55aが、軸線C1を中心として対称に配置されているため、径方向加振力は小さい。V相およびW相の電流についても、同じことが言える。
図17は、10極15スロットの電動機17のロータ2に作用する径方向加振力を説明するための模式図である。電動機17は、図1を参照して説明した10極のロータ2(図1)と、図6を参照して説明した15スロットのステータ5B(図1)とを有する。
電動機17の15本のティース52には、図中時計回りに、U相、W相、V相、U相、W相、V相、U相、W相、V相、U相、W相、V相、U相、W相、V相の巻線部55aが巻かれている。U相、V相、W相の巻線部55aの巻き方向は、図13を参照して説明した通りである。各相の巻線部55aに流れる電流の位相も、図13を参照して説明した通りである。
巻線部55aにU相の電流が流れると、ロータ2に矢印Fで示す径方向の力が作用する。U相の電流が流れる巻線部55aが、軸線C1を中心として対称に配置されているため、径方向加振力は小さい。V相およびW相の電流についても、同じことが言える。
図13~図17に示した5種類の電動機11~13,16,17のうち、最も径方向加振力が小さいのは、10極15スロットの電動機17(図17)であり、次に径方向加振力が小さいのは、8極12スロットの電動機16(図16)である。これらの電動機16,17は、2×M極、3×Mスロットの電動機に該当する。
逆に、最も径方向加振力が大きいのは、8極9スロットの電動機13(図4)であり、次に径方向加振力が大きいのは、10極9スロットの電動機12(図3)である。その次に径方向加振力が大きいのは、10極12スロットの電動機11(図1,2)である。
以下では、径方向加振力による騒音を抑制するための構成について説明する。送風機1の騒音は、ファン部8の羽根81の枚数Nの整数倍の周期で顕著に発生する。そのため、上述した電動機10の径方向加振力の周期が、送風機1の振動周期と一致しないようにする必要がある。
図18は、コンシクエントポール型の電動機10および非コンシクエントポール型の電動機における径方向加振力の周波数分析結果を示すグラフである。磁極数は、いずれも10である。周波数分析に際しては、径方向加振力が顕著に表れるよう、ロータ2を偏心させている。
図18から明らかなように、非コンシクエントポール型の電動機における径方向加振力は、磁極数である10の整数倍の周波数成分を有する。これに対し、コンシクエントポール型の電動機における径方向加振力は、磁極数の1/2である5の整数倍の周波数成分を有する。これは、以下の理由によるものである。
すなわち、非コンシクエントポール型の電動機では、N極の磁極とステータとの間に作用する力と、S極の磁極とステータとの間に作用する力とが同じであるため、各極の1回転毎に径方向加振力の変動が生じる。
これに対し、コンシクエントポール型の電動機では、N極の磁石磁極とステータとの間に作用する力と、S極の仮想磁極とステータとの間に作用する力とが異なるため、磁石磁極と仮想磁極とを合わせた部分の1回転毎に径方向加振力の変動が生じる。
この結果から、この実施の形態では、電動機10の径方向加振力の周期と、送風機1の振動周期とを一致させないよう、ファン部8の羽根81の枚数Nを、磁極数Pの1/2の整数倍以外の整数に設定する。
次に、羽根81の枚数Nの下限と上限について説明する。羽根81の枚数Nが1枚の場合、ファン部8の重心を軸線C1上に位置させることができず、ファン部8の回転時に騒音が発生する。そのため、羽根81の枚数Nの下限は2枚である。
また、羽根81の枚数Nが多くなるほど、シャフト28に取り付け可能な羽根81の幅が狭くなる。図19は、羽根81の枚数と、シャフト28に取り付け可能な羽根81の最大幅W(図20参照)との関係を示すグラフである。
ここでは、羽根81の外径D(図20参照)が200mm、400mm、550mmの場合の最大幅Wを示している。羽根81は、シャフト28に周方向に並んで取り付けるものとする。羽根81の最大幅W(図20参照)は、羽根81の周方向の最大長さである。
図19に示すように、羽根81の外径Dが200mm、400mm、550mmの何れの場合も、羽根81の枚数が10を超えると、羽根81の最大幅Wが極端に狭くなる。羽根81の幅が狭くなると、羽根81の回転時に発生する遠心力、あるいは羽根81に風が吹き付けられることによる外力に対して、十分な強度を保つことが難しい。
そのため、この実施の形態では、羽根81の十分な強度を確保するため、ファン部8の羽根81の枚数Nの上限を10枚とする。
以上から、この実施の形態では、ファン部8の羽根81の枚数Nを、磁極数Pの1/2の整数倍を除く、2以上、10以下の整数に設定する。
10極の電動機11,12(図1,3)を用いる場合には、ファン部8の羽根81の枚数Nを、磁極数の1/2である5の整数倍を除く、2以上、10以下の整数に設定する。
また、8極の電動機13(図4)を用いる場合には、ファン部8の羽根81の枚数Nを、磁極数の1/2である4の整数倍を除く、2以上、10以下の整数に設定する。
また、14極の電動機14,15(図5,6)を用いる場合には、ファン部8の羽根81の枚数Nを、磁極数の1/2である7の整数倍を除く、2以上、10以下の整数に設定する。
例えば、羽根81の枚数Nを2枚または3枚に設定すれば、極数Pが10極(図1,3)、8極(図4)、14極(図5,6)の何れも場合も、送風機1の騒音を抑制することができる。
図20は、2枚の羽根81を有するファン部8を示す図であり、軸方向において電動機10(図7)と反対側から見た図である。2つの羽根81は、軸線C1を中心として対称な2箇所に設けられている。
ファン部8は、収容部9に収容されている。収容部9は、例えば、空気調和装置200の室外機201(図23)内に設けられた収容室である。収容部9は、軸方向に直交する面内において、四角形状を有する。より具体的には、収容部9は、ファン部8を四方から囲む4つの壁部91を有する。隣り合う壁部91の間には、角部92が形成される。
収容部9は、ファン部8のみを収容するものであってもよく、ファン部8と電動機10の両方を収容するものであってもよい。
ファン部8の2つの羽根81は、軸線C1を中心として対称な2箇所に配置されているため、ファン部8の重心は軸線C1上にある。そのため、ファン部8の回転時の騒音を抑制することができる。
上記の通り、羽根81の枚数Nが1枚の場合、ファン部8の重心を軸線C1上に位置させることはできないため、羽根81の枚数Nの下限は2枚である。羽根81の枚数Nを2枚とすることにより、羽根81の幅Wを最も広くすることができ、これにより羽根81の強度を高くすることができる。
図21は、3枚の羽根81を有するファン部8を示す図である。3つの羽根81は、軸線C1を中心として120度間隔で設けられている。ファン部8は、図20を参照して説明した収容部9に収容されている。
図11を参照して説明したように、8極9スロット、10極9スロット、10極12スロット、14極12スロットおよび14極15スロットの電動機10では、3次の巻線係数が比較的大きい。すなわち、誘起電圧に3次の高調波成分が生じる。
誘起電圧に3次の高調波成分が生じると、トルク脈動に2次成分または4次成分が発生する。騒音は羽根81の枚数Nの整数倍の周期で顕著に発生するため、羽根81の枚数を2の整数倍あるいは4の整数倍とすると、騒音が増加する可能性がある。
そのため、羽根81の枚数Nを、2の整数倍でも4の整数倍でもない3枚とすることにより、このような騒音の増加を抑制することができる。
また、2の整数倍でも4の整数倍でもない最小の整数は3である。そのため、羽根81の枚数を3枚とすることにより、羽根81の幅Wを最も広くし、これにより羽根81の強度を高くすることができる。
図22は、4枚の羽根81を有するファン部8を示す図である。4枚の羽根81は、軸線C1を中心として90度間隔で設けられている。ファン部8は、図20を参照して説明した収容部9に収容されている。
ファン部8が4枚の羽根81を有し、収容部9が4つの壁部91を有するため、図22に符号Aで示すように羽根81と壁部91とが最も接近するタイミングが、4つの羽根81の全てにおいて同じタイミングとなる。そのため、4つの羽根81の壁部91に対する位相が同じになり、騒音を増加させる可能性がある。
これに対し、図21に示した3枚の羽根81を有するファン部8では、1枚の羽根81が壁部91に最も接近していても(符号A)、他の羽根81は角部92に対向している(符号B)。3つの羽根81の壁部91に対する位相が異なるため、騒音の増加を抑制することができる。
<空気調和装置>
次に、実施の形態1の電動機10を適用した空気調和装置200について説明する。図23は、空気調和装置200の構成を示す図である。空気調和装置200は、室外機201と、室内機202と、これらを接続する冷媒配管203とを備える。
室外機201は、室外送風機としての送風機1を備える。送風機1の構成は、図7を参照して説明した通りである。なお、図23には、冷媒を圧縮する圧縮機207も示されている。
室内機202は、室内送風機204を備える。室内送風機204は、羽根205と、これを駆動する電動機206とを有する。室内送風機204は、例えばクロスフローファンである。
室外送風機としての送風機1では、電動機10のロータ2の回転により、羽根81が回転し、図示しない熱交換器に空気を送風する。空気調和装置200の冷房運転時には、圧縮機207で圧縮された冷媒が熱交換器(凝縮器)で凝縮する際に放出された熱を、送風機1の送風によって室外に放出する。
室内送風機204では、電動機206のロータの回転により、羽根205が回転し、室内に送風する。空気調和装置200の冷房運転時には、冷媒が蒸発器(図示せず)で蒸発する際に熱が奪われた空気を、室内送風機204の送風によって室内に送風する。
この実施の形態の電動機10は騒音が少ないため、送風機1を有する室外機201の静音性を向上し、これにより空気調和装置200の静音性を向上することができる。
ここでは、室外機201の室外送風機として送風機1(図7)を用いたが、室内機202の室内送風機204に送風機1を用いても良い。
<実施の形態の効果>
以上説明したように、実施の形態1の送風機1は、周方向に磁石磁極P1と仮想磁極P2とを有し、磁石磁極P1と仮想磁極P2とを合わせた磁極数がPであるロータ2と、径方向外側からロータ2を囲み、周方向にS個のスロットを有するステータ5と、ロータ2のシャフト28に取り付けられて周方向に配列されたN枚の羽根81とを備える。電動機10の磁極数Pとスロットの数Sとの組み合わせは、8極9スロット(P=8で且つS=9)、10極9スロット(P=10で且つS=9)、10極12スロット(P=10で且つS=12)、および14極12スロット(P=14で且つS=12)の何れかである。羽根81の枚数Nは、P/2の整数倍を除く、2以上、10以下の整数である。
電動機10が、8極9スロット、10極9スロット、10極12スロット、および14極12スロットの何れかであるため、2×M極、3×Mスロットの電動機、あるいは4×M極、3×Mスロットの電動機と比較して、誘起電圧の高調波成分を低減することができ、電動機10の騒音を低減することができる。また、羽根81の枚数Nが、P/2の整数倍を除く、2以上、10以下の整数であるため、電動機10の径方向加振力の周期と送風機1の振動周期とを一致させないようにし、羽根81の回転時の騒音を抑制することができる。
特に、10極12スロットの電動機11を用いることにより、誘起電圧の5次の高調波成分を最も効果的に低減することができる(図11参照)。これにより、電動機11のトルク脈動の6次成分を低減し、騒音低減効果を高めることができる。また、10極12スロットの電動機11では、同じ位相の電流が流れる巻線部55aを軸線C1に対して対称に配置できるため、径方向加振力を低減することができる。また、羽根81の枚数Nを、5の整数倍を除く、2以上、10以下の整数であるため、羽根81の回転時の騒音を抑制することができる。
また、10極9スロットの電動機12を用いることにより、誘起電圧の7次の高調波成分を最も効果的に低減することができる(図11参照)。これにより、電動機12のトルク脈動の6次成分を低減し、騒音低減効果を高めることができる。また、羽根81の枚数を、5の整数倍を除く、2以上、10以下の整数とすることにより、羽根81の回転時の騒音を抑制することができる。
また、8極9スロットの電動機13を用いることにより、誘起電圧の7次の高調波成分を最も効果的に低減することができる(図11参照)。これにより、電動機13のトルク脈動の6次成分を低減し、騒音低減効果を高めることができる。また、羽根81の枚数を4の整数倍を除く、2以上、10以下の整数とすることにより、羽根81の回転時の騒音を抑制することができる。
また、14極12スロットの電動機14を用いることにより、誘起電圧の5次の高調波成分を最も効果的に低減することができる(図11参照)。これにより、電動機14のトルク脈動の6次成分を低減し、騒音低減効果を高めることができる。また、羽根81の枚数を7の整数倍を除く、2以上、10以下の整数とすることにより、羽根81の回転時の騒音を抑制することができる。
また、羽根81の枚数Nを奇数とすることにより、誘起電圧の3次の高調波成分によってトルク脈動に2次あるいは4次成分が発生した場合であっても、騒音の増加を抑制することができる。
また、羽根81の枚数Nが、2枚または3枚であるため、騒音を低減すると共に、羽根81の周方向長さを確保して強度を向上することができる。
また、ファン部8が軸方向に直交する面内で四角形状の収容部9に収納されており、羽根81の枚数Nが、4の整数倍を除く、2以上、10以下の整数であるため、各羽根81と収容部9の壁部91との位相を異ならせることができ、騒音を低減することができる。
また、電動機10が、ステータ5を径方向外側から囲むモールド樹脂部60を有するため、電動機10自体の振動を抑制することができ、騒音をさらに低減することができる。
実施の形態1で説明した送風機1は、空気調和装置の送風機以外の電気機器、例えば換気扇に搭載することもできる。
ここで説明した電動機10は、ロータ2に永久磁石25を埋め込んだIPM(Inner Permanent Magnet)モータであるが、ロータ2の表面に永久磁石25を取り付けたSPM(Surface Permanent Magnet)モータであってもよい。
以上、本開示の望ましい実施の形態について具体的に説明したが、本開示は上記の実施の形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改良または変形を行なうことができる。
1 送風機、 2,2A,2B ロータ、 5,5A,5B ステータ、 6 モールドステータ、 7 回路基板、 8 ファン部、 9 収容部、 10,11,12,13,14,15 電動機、 20 ロータコア、 21 磁石挿入孔、 25 永久磁石、 28 シャフト、 29 ネジ部、 50 ステータコア、 51 ヨーク、 52 ティース、 53 スロット、 54 インシュレータ、 55 コイル、 55a 巻線部、 60 モールド樹脂部、 81 羽根、 82 ハブ、 83 リブ、 91 壁部、 92 角部、 200 空気調和装置、 201 室外機、 202 室内機、 203 冷媒配管、 205 羽根、 206 電動機、 207 圧縮機。

Claims (6)

  1. シャフトと、前記シャフトの中心軸線を中心とする環状のロータコアと、前記ロータコアに取り付けられた永久磁石とを有するロータであって、前記永久磁石が磁石磁極を構成し、前記ロータコアの一部が仮想磁極を構成し、前記磁石磁極と前記仮想磁極とを合わせた磁極数がPであるロータと、
    前記中心軸線を中心とする径方向の外側から前記ロータを囲むステータであって、前記中心軸線を中心とする周方向にS個のスロットを有し、前記スロットにコイルが収容されたステータと、
    前記シャフトに取り付けられて前記周方向に配列されたN枚の羽根と
    を備え、
    前記磁極数Pは8であり、前記スロットの数Sは9であるか、または、
    前記磁極数Pは14であり、前記スロットの数Sは12であり、
    前記羽根の枚数Nは、2または3である
    送風機。
  2. 前記羽根の枚数Nは、である
    請求項1に記載の送風機。
  3. 前記羽根は、前記中心軸線の方向に直交する面内で四角形状の収容部に収納されている
    請求項1または2に記載の送風機。
  4. 前記ロータコアは、磁石挿入孔を有し、
    前記永久磁石は、前記磁石挿入孔に挿入される
    請求項1からまでの何れか1項に記載の送風機。
  5. 前記ステータを前記径方向の外側から囲むモールド樹脂部を有する
    請求項1からまでの何れか1項に記載の送風機。
  6. 室外機と、前記室外機に冷媒配管により接続された室内機とを備え、
    前記室外機および前記室内機の少なくとも一方は、請求項1からまでの何れか1項に記載の送風機を有する
    空気調和装置。
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