JP7841165B1 - 永久磁石式回転電動機及びこれを用いた圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】電動機の性能を確保しつつ原価低減を図ると共に笛吹き現象による騒音の発生を抑制可能な永久磁石式回転電動機及びこれを用いた圧縮機を提供する。
【解決手段】永久磁石式回転電動機１００は、複数の磁石挿入孔１３ｃを有する回転子鉄心１３と永久磁石１１と磁性材料製の一対の端板１６とを有する回転子１０を備え、回転子鉄心１３は、隣接する２つの磁石挿入孔１３ｃの間に設けられる凹部１２と、磁石挿入孔１３ｃの径方向外側において周方向に離間して設けられる一対のスリット１３ａ,１３ａと、を備え、一対の端板１６のうち少なくとも一方の端板１６は、凹部１２及び一対のスリット１３ａ,１３ａの各軸方向外側端を覆うカバー部１６ａと、一対のスリット１３ａ,１３ａの間に配置される切欠部１６ｂと、を備え、切欠部１６ｂは、軸方向視において、少なくとも永久磁石１１と重なる位置まで延びている。
【選択図】図４

Description

本開示は、永久磁石式回転電動機及びこれを用いた圧縮機に関する。

近年、地球規模での急激な気候変動に伴い、環境負荷の低減が強く求められており、産業分野においても消費エネルギーの削減が重要な課題となっている。特に、冷凍サイクル装置に用いられる圧縮機においては、駆動源である電動機の高効率化が強く推進されており、消費電力の低減要求は年々高まっている。

このような状況下において、製品の競争力を維持するためには、原価低減も並行して求められる。電動機の原価低減手段としては、構成材料の見直しや部品仕様の簡素化などが挙げられるが、これらの変更により圧縮機の性能が低下することは許容されない。

このような背景のもと、電動機の性能を維持しつつ原価低減を図るための技術として、回転子の構造に工夫を加える試みがなされている。例えば、特許文献１には、軸方向に貫通する貫通孔、又は、切欠きで構成される磁石収容部を有する円筒型の磁性材料で形成された回転子鉄心と、該回転子鉄心の軸方向端部に設けられる端板とを含む回転子が開示されている。端板は、磁性材料で形成されている。これにより、端板を磁性材料にすることによって原価低減を図っている。

また、特許文献１の回転子は、回転子鉄心が磁石収容部に近接し、軸方向に貫通する貫通孔又は切欠きで構成される非磁性空間を備え、端板は、軸方向において非磁性空間に重なる開口部を備えている。これにより、回転子鉄心及び端板に設けられた非磁性空間によって、隣接する磁極への磁束の漏れを抑制することができ、回転子の磁気特性の向上が図られている。その結果、電動機の効率を維持しつつ原価低減を図ることができる。

特開２０２２－１５０４５８号公報

しかしながら、電動機の駆動により回転子が高速回転すると共に圧縮機内部の圧縮流体が軸方向に高速で移動すると、軸方向に貫通する貫通孔又は切欠きで構成される非磁性空間を圧縮流体が通過することによって、笛吹き現象による騒音が発生する恐れがある。

本開示の目的は、電動機の性能を確保しつつ原価低減を図ると共に笛吹き現象による騒音の発生を抑制可能な永久磁石式回転電動機及びこれを用いた圧縮機を提供することにある。

本開示のスクロール圧縮機は、
ヨークと、前記ヨークからその径方向の内側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を有する回転子鉄心と、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、前記回転子鉄心の軸方向両外側に設けられる磁性材料製の一対の端板と、を有する回転子と、を備え、
前記回転子鉄心は、隣接する２つの前記磁石挿入孔の間に設けられる凹部と、前記磁石挿入孔の径方向外側において周方向に離間して設けられる一対のスリットと、を備え、
前記一対の端板のうち少なくとも一方の端板は、前記凹部及び前記一対のスリットの各軸方向外側端を覆うカバー部と、前記一対のスリットの間に配置される切欠部と、を備え、
前記切欠部は、軸方向視において、少なくとも前記永久磁石と重なる位置まで延びている。

一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 図１における回転子の外側鉄心部付近を示す拡大図 同実施形態における永久磁石式回転電動機の端板を示す平面図 同実施形態における永久磁石式回転電動機を示す平面図 同実施形態における永久磁石式回転電動機を備える圧縮機の断面図 他の実施形態における永久磁石式回転電動機を示す平面図

一実施形態に係る永久磁石式回転電動機１００（以下、単に電動機１００とする）について、図１～図５を参照しながら説明する。なお、各図（図６も同様）において、図面の寸法比と実際の寸法比とは、必ずしも一致しておらず、また、各図面の間での寸法比も、必ずしも一致していない。図１は、電動機１００をその回転軸に直交する平面で切った断面図である。図２は、図１における回転子１０の外側鉄心部１３Ｄ付近を示す拡大図である。

図１に示すように、電動機１００は、固定子１と回転子１０とを備える。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。不図示の電機子巻線が、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（例えば６枚）の永久磁石１１とにより構成される。回転子鉄心１３は、複数の磁石挿入孔１３ｃを備える。磁石挿入孔１３ｃは、回転子鉄心１３の外周表面近傍に形成され、回転子鉄心１３を軸方向に貫通している。外周表面近傍とは、例えば、回転子鉄心１３の外径の７０％よりも径方向外側に位置していることを示す。回転子鉄心１３の軸方向視において、磁石挿入孔１３ｃは、周方向に沿って直線状に延びている。複数の磁石挿入孔１３ｃは、周方向に沿ってそれぞれ等間隔に配置されている。

各磁石挿入孔１３ｃには、それぞれ板状の永久磁石１１が挿入されている。例えば、１つの磁石挿入孔１３ｃに対して１枚の永久磁石１１が挿入されている。回転子１０の磁極は、永久磁石１１によって形成されている。

回転子鉄心１３は、隣接する２つの磁石挿入孔１３ｃ（永久磁石１１）の間に設けられる凹部１２を備える。凹部１２は、回転子鉄心１３の外周表面から、隣接する２つの磁石挿入孔１３ｃ（永久磁石１１）を繋ぐ仮想直線まで凹んでいる。これにより、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。仮想直線は、隣接する２つの磁石挿入孔１３ｃの各内周面を結ぶ直線であることが好ましい。

回転子鉄心１３には、凹部１２が少なくとも１つ以上（例えば６つ）設けられている。凹部１２は、回転子鉄心１３の軸方向に沿って延びている。凹部１２は、磁石挿入孔１３ｃ（永久磁石１１）と同数設けられていることが好ましい。凹部１２は、軸方向において回転子鉄心１３を貫通している。

回転子鉄心１３は、磁石挿入孔１３ｃ（永久磁石１１）の径方向外側に設けられる一対のスリット１３ａ,１３ａを備える。一対のスリット１３ａ,１３ａ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に設けられている。スリット１３ａは、回転子鉄心１３の軸方向に沿って延びている。スリット１３ａは、軸方向において回転子鉄心１３を貫通している。

一対のスリット１３ａ,１３ａは、それぞれ周方向に離間して配置され、例えば、永久磁石１１の幅方向両端部の外径側に位置する外側鉄心部１３Ｄの各端部１３Ｄ１（図２参照）にそれぞれ設けられている。各端部１３Ｄ１には、１つのスリット１３ａのみが形成されている。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２参照）は中実である。これにより、界磁磁束の短絡をさらに防止できると共に、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、簡易な構成にすることによって回転子鉄心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。

図１及び図２に示すように、ティース３は、ヨーク６から径方向の内側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。本実施形態においては、ティース拡大部５の内面は、円周方向の外側に向かうにつれて、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。即ち、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。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。即ち、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。

図２に示すように、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。これにより、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。本実施形態においては、ロータ拡大部１５の外面は、円周方向の外側に向かうにつれて、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。即ち、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。

図３は、電動機１００が備える端板１６を示す平面であり、図４は、電動機１００を示す平面図である。図３及び図４に示すように、電動機１００は、回転子鉄心１３の軸方向両外側に設けられる磁性材料製の一対の端板１６を備える。端板１６を磁性材料で形成することによって、ＳＵＳ３００系やアルミニウムなどの非磁性材料で形成した場合と比べ、原価低減を図ることができる。磁性材料は、例えば、鉄やケイ素鋼、フェライトなどである。端板１６は、回転子鉄心１３と同じ材料で形成されていてもよく、回転子鉄心１３と異なる材料で形成されていてもよい。

端板１６は、回転子鉄心１３の軸方向外側端と接触し、一対の端板１６は、回転子鉄心１３を挟むように設けられている。一対の端板１６によって、磁石挿入孔１３ｃに挿入された永久磁石１１が保持されている。

一対の端板１６のうち少なくとも一方の端板１６は、凹部１２及び一対のスリット１３ａの各軸方向外側端（貫通空間）を覆うカバー部１６ａを備えている。カバー部１６ａは、軸方向視において凹部１２及び一対のスリット１３ａと重なる位置に設けられている。これにより、圧縮流体が凹部１２及びスリット１３ａを通過することを妨げ、笛吹き現象による騒音を抑制できる。本実施形態においては、一対の端板１６のそれぞれにカバー部１６ａが設けられている。なお、カバー部１６ａは、他方の端板にのみ設けられていてもよい。一方の端板１６とは、後述する圧縮機２００に配置される上側の端板１６であってもよく、下側の端板１６であってもよい（図５参照）。

カバー部１６ａが凹部１２及び一対のスリット１３ａの各軸方向外側端（貫通空間）を覆うとは、カバー部１６ａが凹部１２及び一対のスリット１３ａを完全に覆っている場合のみを意味せず、各部が僅かに露出している場合も含まれる。本実施形態において、カバー部１６ａは、永久磁石１１の幅方向端部及び外側鉄心部１３Ｄの端部１３Ｄ１を覆っている。カバー部１６ａが永久磁石１１の幅方向端部を覆っていることによって、例えば、永久磁石１１の保持が可能になる。カバー部１６ａが外側鉄心部１３Ｄの端部１３Ｄ１を覆っていることによって、端板１６の強度を高めることができる。

一対の端板１６のうち少なくとも一方の端板１６は、一対のスリット１３ａの間に設けられる切欠部１６ｂを備える。切欠部１６ｂは、軸方向視において、少なくとも端板１６の外周縁から永久磁石１１と重なる位置まで延びている。これにより、永久磁石１１の一部を露出させることによって永久磁石１１と端板１６との接触部分を削減し、端板１６を経路として隣接した永久磁石１１に向かう漏洩磁束を抑制して、電動機１００の性能を高めることができる。これにより、電動機１００の性能を確保しつつ原価低減を図ると共に笛吹き現象による騒音の発生を抑制できる。本実施形態においては、一対の端板１６のそれぞれに切欠部１６ｂが設けられている。なお、切欠部１６ｂは、他方の端板にのみ設けられていてもよい。

切欠部１６ｂの周方向に沿った幅（最大幅）は、一対のスリット１３ａ,１３ａの離間幅よりも小さい。切欠部１６ｂの幅（最大幅）は、一対のスリット１３ａ,１３ａの離間幅の８０％以上であることが好ましく、９０％以上であることがより好ましい。切欠部１６ｂの周方向中央は、外側鉄心部１３Ｄの中央部１３Ｄ２の周方向中央と実質的に一致することが好ましい。

切欠部１６ｂは、軸方向視において矩形状（例えば長方形）に形成されていることが好ましい。なお、切欠部１６ｂは、軸方向視において三角形状や五角形状、六角形状などの多角形状、半円形状、長穴形状などに形成されていてもよい。

切欠部１６ｂは、永久磁石１１よりも径方向内側まで延びていることが好ましい。切欠部１６ｂによって永久磁石１１の外径側から内径側まで露出していることが好ましい。端板１６の中心から切欠部１６ｂまでの最小距離は、回転子鉄心１３の中心から永久磁石１１までの最小距離よりも小さいことが好ましい。斯かる構成によれば、永久磁石１１と端板１６との隣接部位をさらに削減し、端板１６を経路として隣接した永久磁石１１に向かう漏洩磁束及び永久磁石１１の表裏で生じる漏洩磁束を抑制して、電動機１００の性能をさらに高めることができる。本実施形態において、切欠部１６ｂは、磁石挿入孔１３ｃよりも径方向内側まで延びているが、これに限られない。

図５は、電動機１００を備える圧縮機２００の断面図を示している。図５に示すように、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全体の振動及び騒音の原因となる。しかしながら、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、振動及び騒音を低減させることができる。

（変形例）
上記実施形態において、電動機１００は、６極、９スロットであったが、磁極の数及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、円周方向の外側に向かうにつれて、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が、これに限られない。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。

上記実施形態において、ロータ拡大部１５の外面は、円周方向の外側に向かうにつれて、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が、これに限られない。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。

上記実施形態において、カバー部１６ａは、永久磁石１１の幅方向端部及び外側鉄心部１３Ｄの端部１３Ｄ１を覆っているが、これに限られない。例えば、図６に示すように、端板１６は、一対の第２切欠部１６ｃ,１６ｃを備え、永久磁石１１の幅方向端部及び外側鉄心部１３Ｄの端部１３Ｄ１が露出していてもよい。斯かる例によれば、永久磁石１１をさらに露出させることによって、端板１６を経路として隣接した永久磁石１１に向かう漏洩磁束を抑制して、電動機１００の性能を高めることができる。

［１］
以上のように、永久磁石式回転電動機１００は、ヨーク６と、ヨーク６からその径方向の内側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３と、を有する固定子１と、外周表面近傍に複数の磁石挿入孔１３ｃを有する回転子鉄心１３と、複数の磁石挿入孔１３ｃに挿入される複数の板状の永久磁石１１と、回転子鉄心１３の軸方向両外側に設けられる磁性材料製の一対の端板１６と、を有する回転子１０と、を備え、回転子鉄心１３は、隣接する２つの磁石挿入孔１３ｃの間に設けられる凹部１２と、磁石挿入孔１３ｃの径方向外側において周方向に離間して設けられる一対のスリット１３ａ,１３ａと、を備え、一対の端板１６のうち少なくとも一方の端板１６は、凹部１２及び一対のスリット１３ａ,１３ａの各軸方向外側端を覆うカバー部１６ａと、一対のスリット１３ａ,１３ａの間に配置される切欠部１６ｂと、を備え、切欠部１６ｂは、軸方向視において、少なくとも永久磁石１１と重なる位置まで延びている。

斯かる構成によれば、永久磁石１１の一部を露出させることによって、永久磁石１１と端板１６との接触部分を削減し、端板１６を経路として隣接した永久磁石１１に向かう漏洩磁束を抑制して、電動機１００の性能を高めることができる。また、端板１６を磁性材料で形成することによって原価低減を図ることができる。さらに、端板１６が凹部１２及び一対のスリット１３ａの各軸方向外側端を覆うカバー部１６ａを備えていることによって、圧縮流体が凹部１２及びスリット１３ａを通過することを妨げ、笛吹き現象による騒音を抑制できる。その結果、電動機１００の性能を確保しつつ原価低減を図ると共に笛吹き現象による騒音の発生を抑制できる。

［２］
上記［１］に記載の永久磁石式回転電動機１００において、切欠部１６ｂは、永久磁石１１よりも径方向内側まで延びている、という構成であることが好ましい。

斯かる構成によれば、永久磁石１１と端板１６との隣接部位をさらに削減し、端板１６を経路として隣接した永久磁石１１に向かう漏洩磁束及び永久磁石１１の表裏で生じる漏洩磁束を抑制して、電動機１００の性能をさらに高めることができる。

［３］
圧縮機２００は、上記［１］又は［２］に記載の永久磁石式回転電動機１００と、永久磁石式回転電動機１００によって駆動される圧縮機構部２０１と、を備える。

なお、永久磁石式回転電動機及び圧縮機は、上記した実施形態の構成に限定されるものではなく、また、上記した作用効果に限定されるものではない。また、永久磁石式回転電動機及び圧縮機は、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、上記した各種の変形例に係る構成や方法等を任意に一つ又は複数選択して、上記した実施形態に係る構成や方法等に採用してもよいことは勿論である。

１…固定子、２…スロット部、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、１１…永久磁石、１２…凹部、１３…回転子鉄心、１３Ｄ…外側鉄心部、１３Ｄ１…端部、１３Ｄ２…中央部、１３ａ…スリット、１３ｃ…磁石挿入孔、１４…ロータ円弧部、１５…ロータ拡大部、１６…端板、１６ａ…カバー部、１６ｂ…切欠部、１６ｃ…第２切欠部、１００…永久磁石式回転電動機（電動機）、２００…圧縮機、２０１…圧縮機構部、２０２…駆動軸、２０３…ケース

Claims (3)

1. ヨークと、前記ヨークからその径方向の内側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を有する回転子鉄心と、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、前記回転子鉄心の軸方向両外側に設けられる磁性材料製の一対の端板と、を有する回転子と、を備え、
   前記回転子鉄心は、隣接する２つの前記磁石挿入孔の間に設けられる凹部と、前記磁石挿入孔の径方向外側において周方向に離間して設けられる一対のスリットと、を備え、
   前記一対の端板のうち少なくとも一方の端板は、前記凹部及び前記一対のスリットの各軸方向外側端を覆うカバー部と、前記一対のスリットの間に配置される切欠部と、を備え、
   前記切欠部は、軸方向視において、少なくとも前記永久磁石と重なる位置まで延びている、永久磁石式回転電動機。
2. 前記切欠部は、前記永久磁石よりも径方向内側まで延びている、請求項１に記載の永久磁石式回転電動機。
3. 請求項１又は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。