JPH0779536A - 永久磁石形モータ及び冷凍装置用コンプレッサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 空隙磁束密度の高調波成分によって、固定子
鉄損が増加して効率が低下するのを防ぐと共に、コギン
グトルクの発生による振動騒音の増大を極力減少させ
る。 【構成】 ３ｎ相（ｎは自然数）の固定子コイルを有す
る固定子と、連続して交互にＮ極，Ｓ極となるように着
磁された円弧状の永久磁石を鉄心内部に有する回転子と
を備え、固定子コイルに順次通電させることにより回転
子を駆動する永久磁石形モータにおいて、永久磁石の残
留磁束密度をＢｒテスラとするとき、該永久磁石と空隙
を隔てる回転子鉄心の厚さｔ（mm）、隣接する永久磁石
を隔てる回転子鉄心の幅ｄ（mm）、前記永久磁石の平均
的な円周方向の幅寸法ｗ（mm）、永久磁石の平均厚ｌ
（mm）との関係を、ｌ≧５，ｄ≧１．８＊ｔ，０．０３
≦ｔ／（０．５＊Ｂｒ＊ｗ）≦０．２２となるように設
定することを特徴とするものである。これにより、空隙
高調波含有率を低下させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、冷蔵庫やエアコンのコ
ンプレッサ駆動用モータ等に使用される永久磁石形モー
タ及び冷凍装置用コンプレッサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、例えば冷蔵庫やエアコン等のコン
プレッサを駆動するモータとしては、図１２乃至図１４
に示すような回転数の制御が容易な永久磁石形モータが
用いられる場合がある。即ち、図１２において、固定子
２１の内周壁側には開口部２１ｂを有する１２個のスロ
ット２１ａが形成されており、これらのスロット２１ａ
には図示のように６個の固定子コイル２３ｕ，２３ｖ，
２３ｗ，２４ｕ，２４ｖ，２４ｗが収納されている。こ
の場合、２３ｕ乃至２４ｗの固定子コイルは可変電圧可
変周波数電源であるいわゆるインバータにより給電され
るもので、固定子コイル２３ｕ，２４ｕはＵ相、固定子
コイル２３ｖ，２４ｖはＶ相、固定子コイル２３ｗ，２
４ｗはＷ相に対応しているものである。

【０００３】２２は回転子で、図１３にも示すように、
回転子２２の内部にＮ極、Ｓ極に交互に着磁された永久
磁石２９，３０，３１，３２が鉄心部２５，２６，２
７，２８により空隙から隔てられている。３３は図示し
ない軸受けに支持された回転軸である。このような構成
の回転子の特徴は、互いに隣り合う永久磁石は、その間
にある鉄心で分離（本明細書ではこの部分を連結部と称
することにする。）されることであり、図１３で示され
た連結部の寸法ｄが高速回転用モータや高精度回転用な
ど用途に応じて種々用いられている。

【０００４】上記構成の固定子１の各固定子コイル２３
ｕ乃至２４ｗに対して図示しないインバータからＵ，
Ｖ，Ｗの各相に対して２相ずつ所定の順序で１２０°
（電気角）通電されると、これにより発生する磁気的な
吸引力および反発力により回転軸５が回転するものであ
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、このような
従来構成の永久磁石形モータにおいて、固定子コイルに
通電されると固定子コイルに電流が流れるが、上記して
いるように永久磁石の磁束との相互作用で回転子にトル
クが発生して回転する。しかし、周知のように、このと
きには電圧と電流の関係は、１相分を代表して記述する
と下記の（１）式のようになり、さらにモータ発生トル
クは（２）式で表わすことができる。 ｖ＝ｒ＊ｉ＋Ｌｄｉ／ｄｔ＋ｅ ……（１） ここで、ｒ：抵抗 Ｌ：インダクタンス ｅ：巻線誘起電圧（ｅ＝ｇ＊ｂ；ｂ＝空隙磁束密度，ｇ
＝コイル巻回数などに関係する定数） ｖ：コイル印加電圧 ｉ：巻線電流 Ｔ＝Ｑ−Ｇ ……（２） ここで、Ｔ：モータ発生トルク Ｑ＝Ｋ＊ｉ＊ｅ ：空隙の磁束密度とコイルに流れる電
流によって発生するトルク Ｋ：相数などに関する定数 Ｇ：固定子鉄損などの損失（損失に相当するトルク） これらの関係で示されているように、固定子鉄損などが
あるので、モータの発生トルクは、固定子コイルに流れ
る電流と永久磁石からでる磁束の積で求まるトルクから
固定子鉄損などの損失に相当するトルクＧを差し引いた
ものである。従って、固定子鉄損などの損失に相当する
トルクＧが大きくなると、負荷に必要となる所定のトル
クを得るためには、（２）式のＱを大きくすることが必
要で、より大きな電流が必要となる。しかし、大きな電
流が流れると、固定子コイルの抵抗による損失が増加し
てモータ駆動効率が低下したりする。その結果、必要な
トルクを得るために電源容量を大きくすることが必要と
なったり、モータを大きくしなければならないといった
ことも生じる。

【０００６】従来の回転子においては、回転子鉄心が固
定子鉄心と微小な寸法に設定された空隙を介して対向し
ているが、一般に空隙の磁束密度は方形波状や、例えば
図１４のような台形波状に分布する。このような分布を
する場合には、よく知られているように、空隙磁束密度
には基本波成分の他に、第３次、第５次、第７次、第９
次、第１１次、第１３次、第１５次など第３高調波成分
を始めとする多くの高調波成分が含まれる。

【０００７】周知のように、例えば固定子コイルをＹ結
線、Δ結線のいずれで構成しても、３ｎ相（ｎ：自然
数）のコイルを有するものにおいては、第３次、第９
次、第１５次…（第３＊ｋ次：ｋは１，３，５，７，
…）などの成分はモータの（２）式のコイル電流との相
互作用によって発生するトルクに全く無関係である。し
かし、これらの成分が空隙に存在すると、空隙から固定
子鉄心に流れ、固定子鉄心の磁束密度が高くなる。そう
すると、固定子鉄心の鉄損も、その不必要な磁束がある
分増加することになるので、（２）式の損失に相当する
トルクも増大することになって、さらにモータ駆動効率
が低下することになる。

【０００８】加えて、空隙磁束密度の第３次、第９次、
第１５次…などはモータのトルクには寄与しないが、固
定子の内周壁側にある開口部との相互作用でいわゆるコ
ギングトルクの原因となるので、モータの振動・騒音が
増大するといった影響も与えることになる。

【０００９】本発明は上記事情に鑑みてなされたもので
あり、その目的は、空隙中に含まれる第３次、第９次…
などの空隙磁束密度の高調波成分によって固定子鉄損が
増加して効率が低下するのを防ぐと共に、コギングトル
クの発生による振動騒音の増大を極力減少させることが
できる永久磁石形モータ及び冷凍装置用コンプレッサを
提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
するための手段として、３ｎ相（ｎは自然数）の固定子
コイルを有する固定子と、連続して交互にＮ極，Ｓ極と
なるように着磁された円弧状の永久磁石を鉄心内部に有
する回転子とを備え、固定子コイルに順次通電させるこ
とにより回転子を駆動する永久磁石形モータにおいて、
永久磁石の残留磁束密度をＢｒテスラとするとき、該永
久磁石と空隙を隔てる回転子鉄心の厚さｔ（mm）、隣接
する永久磁石を隔てる回転子鉄心の幅ｄ（mm），前記永
久磁石の円周方向の平均的な幅寸法ｗ（mm）、永久磁石
の平均厚（mm）との関係で、概略、１≧５、ｄ≧１．８
＊ｔかつ０．０３≦ｔ／（０．５＊Ｂｒ＊ｗ）≦０．２
２となるように設定することを特徴とするものである。

【００１１】

【作用】上記構成の永久磁石形モータ及び冷凍装置用コ
ンプレッサによれば、隣接する永久磁石を隔てる回転子
鉄心に流れる磁束が少くなり、空隙中に含まれる第３
次、第９次…などの磁束密度が低下する。

【００１２】

【実施例】以下、本発明を３相４極Ｙ結線の永久磁石形
モータに適用した実施例について図１乃至図１１を参照
しながら説明する。

【００１３】先ず、全体構成の断面を示す図１におい
て、１は固定子であり、この内周壁側には例えば１２個
の半閉形スロット１ａが形成され、これらのスロット１
ａには図示のように６個の固定子コイル３ｕ，３ｖ，３
ｗ，４ｕ，４ｖ，４ｗが所定の位置に収納されている。
この場合、固定子コイル３ｕ，４ｕはＵ相に、固定子コ
イル３ｖ，４ｖはＶ相に、固定子コイル３ｗ，４ｗはＷ
相に対応している。また、２は回転子で、図示しない軸
受けに支持された回転軸５を有している。

【００１４】図２に示しているように、回転子２の鉄心
はけい素鋼板を積層して構成するとともに、Ｎ極、Ｓ極
に交互に着磁された４個の円弧状のフェライトの界磁用
永久磁石６，７，８，９を用い、これらの永久磁石の残
留磁束密度をＢｒテスラとするとき、該永久磁石と空隙
を隔てる回転子鉄心の厚さｔ（mm）（ここではブリッジ
部寸法と称する。）、隣接する永久磁石を隔てる回転子
鉄心の幅ｄ（mm）、前記永久磁石の平均的な円周方向の
幅寸法ｗ（mm）、永久磁石平均厚ｌ（mm）との関係で、
概略、１≦５，ｄ≧１．８＊ｔ，０．０３≦ｔ／（０．
５＊Ｂｒ＊ｗ）≦０．２２を満足する構成となってい
る。

【００１５】図３はモータ駆動用として用いられるイン
バータ電源である。１１は直流電源であり、この直流電
源１１にはスイッチング主回路１２が接続されている。
このスイッチング主回路１２では６個のトランジスタ１
３及び還流ダイオード１４は３相ブリッジ接続されるも
ので、３相アーム部１２ｕ，１２ｖ及び１２ｗのそれぞ
れが有するトランジスタ１３の共通接点は、それぞれ対
応するモータへの出力線Ｕ，Ｖ，Ｗに接続されている。
この出力線Ｕ，Ｖ，Ｗは、固定子コイル３ｕ，４ｕと３
ｖ，４ｖ及び３ｗ，４ｗをＹ結線した各端子に接続され
ている。１５はスイッチング主回路２５に配置されてい
る各トランジスタ１３に制御信号を与える制御回路であ
り、固定子コイル３ｕ，４ｕと３ｖ，４ｖ及び３ｗ，４
ｗの隣接する２相分の固定子コイルに対応して、１２０
°（電気角）ずつ位相をずらして通電するように構成さ
れている。また、この制御回路１５は出力線Ｕ，Ｖ，Ｗ
にも接続されており、回転子２の回転により固定子コイ
ル３ｕ乃至４ｗに誘起される電圧を検出して、回転子２
の回転位置に応じたモータ駆動信号を得られるようにな
っている。

【００１６】以下、本実施例の作用について述べる。先
ず、インバータ電源により固定子コイルに通電されると
固定子１による回転磁界が発生し、回転子２は磁気吸引
力及び反発力により回転するようになる。このとき、回
転子にある永久磁石から磁束が永久磁石を覆う鉄心から
空隙に分布することになるが、本発明の回転子鉄心にお
いては、前述しているような構成としているので、永久
磁石から発生する磁束は永久磁石を覆う鉄心部からこの
連結部を通り空隙に出ていかない磁束がある。ところ
が、このブリッジ部から連結部に流れる磁束空隙中の極
の端の方で（連結部中の）磁束が少なくなると、第３高
調波が特に減少する傾向となるので、空隙磁束密度とし
て高調波成分が少ないものが得られる。

【００１７】以下、このような作用につて更に詳細に説
明する。空隙磁束分布は永久磁石から発生する磁束量と
ブリッジ部分を通過する磁束量に関係するので、永久磁
石から得られる磁束量について述べる。図４は永久磁石
の厚さを変えて永久磁石から得られる磁束量を、永久磁
石厚さ１（mm）の場合を基準として正規化（この場合に
得られる磁束量を“１”とする。）して表現したもので
ある。これは永久磁石を厚くすることにより永久磁石の
磁束は増加傾向になるが、徐々に永久磁石の磁気抵抗も
増加する傾向が現れ相殺される状況となる。従って、厚
さｌ≧５以上で概略一定の磁束量が得られるようにな
る。このような条件下では空隙磁束は永久磁石の円周方
向の幅（図２のｗ）が基本になる。

【００１８】まず、永久磁石から磁束は発生する。図５
はこれらの様子を概略図で示したものであるが、ブリッ
ジ部５１から連結部５２を通過して空隙に至らない漏れ
磁束と、空隙から固定子へ流れる磁束となる空隙磁束に
分けられる。よって、連結部寸法ｄとブリッジ部寸法ｔ
の間に、ブリッジ部寸法の概略２倍程度、実際にはｄ≧
１．８＊ｔの関係があればブリッジ部５１を通る磁束は
連結部５２をほぼ通過するので、永久磁石から出た磁束
からブリッジ部５１を通過する磁束を除いて考えればよ
い。

【００１９】本発明では、ブリッジ部５１から連結部５
２を流れる磁束を調節し、連結部５２に流れ空隙に至ら
ない磁束を利用するようにしている。従って、空隙磁束
分布としては極の端の方から徐々に磁束密度が低下する
傾向となり、主として第３次の高調波磁束密度の低減効
果が現れることになる。

【００２０】そこで、ブリッジ部５１を通過する磁束量
と空隙磁束密度について説明する。永久磁石から発生す
る磁束の５０％は、永久磁石の残留磁束密度Ｂｒと永久
磁石の円周方向の幅ｗ、回転子鉄心の軸方向長さをＬ
（ｍ）として次の（３）式のように表せる。 Φ＝０．５＊Ｂｒ＊ｗ＊０．００１＊Ｌ ……（３） Φ：ｌ極の半分の磁束量（Ｗｂ） Ｌ：回転子鉄心の軸方向長さ 一方、回転子鉄心をけい素鋼板で構成した場合、けい素
鋼板の飽和磁束密度Ｂｉｓとすると、ブリッジ部分を通
過できる磁束量は次の（４）式のようになる。

【００２１】 Ψ＝Ｂｉｓ＊ｔ＊０．００１＊Ｌ ……（４） Ψ：ブリッジ部の磁束量（Ｗｂ） Ｂｉｓ：飽和磁束密度（テスラ） 従って、次の（５）式で表現される、永久磁石から出る
磁束とブリッジ部５１を通る磁束の比Ｓによって空隙磁
束密度分布が変わり、空隙磁束密度の高調波成分も種々
変化することになる。 Ｓ＝Ｂｉｓ＊ｔ／（０．５＊Ｂｒ＊ｗ） ……（５） （５）式は永久磁石からでる磁束とブリッジ部５１を通
過する磁束の割合を示したものであるが、このＳとｌ極
中の３＊ｋ（ここで、ｋは１，３，５，７，…）の高調
波磁束量と基本波成分に対する含有率の絶対値の変化を
図６に示した。なお、図６は（５）式に１００を掛け、
けい素鋼板の飽和磁束密度としてＢｉｓ＝１．６（テス
ラ）を用いて若干、式の変形を行って、示したものであ
る。このようにＳを適切にしておけば、空隙高調波含有
率を低下させることができる。Ｓを大きくすると、逆
に、高調波磁束密度は増加傾向に転ずるが、これは、極
の端の方の磁束密度が減少し過ぎて、空隙磁束密度が歪
んでくる影響が生じるためである。図７は本実施例によ
る場合であり、図８は本実施例を満足しない場合であ
る。ここで、図７，図８は図９の表１で示した数値例の
それぞれ例−１，例−２の場合である。

【００２２】一方、Ｓを小さくすると高調波磁束密度割
合はあまり顕著ではなくなり、効果が現れないような寸
法関係となるので、本発明の関係を満足しておけばよ
い。

【００２３】以上本発明のような構成にすると、モータ
性能に関係する磁束だけを利用できるようになるので、
固定子の鉄損も減少してモータのトルク損失が低減さ
れ、モータ発生トルクが低下せず、モータ効率向上、モ
ータ小形化、電源容量の小形化、さらには、コギングト
ルクも減少して低騒音、低振動などの効果が得られる。

【００２４】なお、本実施例では、永久磁石としてフェ
ライトの場合を示したが、希土類磁石やネオジ磁石な
ど、また磁気的な配向も半方方向の異方性すなわちラジ
アル異方性のものや、磁極中心軸に平行な方向の異方性
すなわち磁極軸方向異方性のものなど、磁気配向の向き
には関係なく適用でき、どのような永久磁石を用いても
差支えないことは勿論である。駆動の通電方式としても
１２０°に限定することなく例えば１８０°通電のよう
な方式でも、さらに回転子位置検出器によって回転子位
置を検出する方式を用いてもよい。

【００２５】また、図１０は連結部を台形状としたもの
であるが、このようなものにおいても、空隙側の寸法ｄ
を連結部の寸法と考えて回転子を構成してもよい。さら
に、図１１のように永久磁石を不均一の厚さをした蒲鉾
状のものを用いても、永久磁石の厚さｌを平均化して考
えても性能向上は可能である。

【００２６】

【発明の効果】以上のように、本発明の永久磁石形モー
タによれば、３ｎ相（ｎは自然数）の固定子コイルを有
する固定子と、連続して交互にＮ極、Ｓ極となるように
着磁された円弧状の永久磁石を鉄心内部に有する回転子
とを備え、固定子コイルに順次通電させることにより回
転駆動する永久磁石形モータで、永久磁石の残留磁束密
度をＢｒテスラとするとき、該永久磁石と空隙を隔てる
回転子鉄心の厚さｔ（mm）、隣接する永久磁石を隔てる
回転子鉄心の幅ｄ（mm），前記永久磁石の平均的な円周
方向の幅寸法ｗ（mm）、永久磁石の平均厚ｌ（mm）との
関係を、ｌ≧５，ｄ≧１．８＊ｔ，３≦ｔ／（０．５＊
Ｂｒ＊ｗ）≦２２となるようにしたので、効率向上、モ
ータ小形化が図られ、また振動騒音が低減するなどの優
れた効果を奏する。

【００２７】そして、本発明の永久磁石形モータを、冷
凍装置のコンプレッサ駆動用モータとして用いれば、装
置全体の小型化に寄与することができると共に、運転効
率の向上、及び振動騒音の低減を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係る永久磁石形モータを示す
横断面図。

【図２】本発明の実施例の要部である、図１の一部につ
いての部分拡大図。

【図３】図１のモータを制御装置に接続した例を示す電
気的接続図。

【図４】図１のモータの作用を説明するための特性図。

【図５】図１のモータの作用を説明するための説明図。

【図６】図１のモータの作用を説明するための特性図。

【図７】図１のモータの作用を説明するための特性図。

【図８】図１のモータの作用を説明するための特性図。

【図９】本発明の実施例の各寸法についての数値例を示
した表。

【図１０】本発明の他の実施例の要部を示す説明図。

【図１１】本発明の他の実施例の要部を示す説明図。

【図１２】従来例に係る永久磁石形モータを示す横断面
図。

【図１３】図１２の一部についての部分拡大図。

【図１４】従来例の作用を説明するための特性図。

【符号の説明】

１ 固定子 ２ 回転子 ６，７，８，９ 永久磁石 ｄ 隣接する永久磁石の距離（連結部の寸法） ｌ 永久磁石の厚さ ｔ 永久磁石と空隙を隔てる鉄心寸法 ｗ 円弧状永久磁石の円周方向寸法 Ｂｒ 永久磁石の残留磁束密度

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 谷 本 茂 也 愛知県名古屋市西区葭原町４−21 株式会 社東芝名古屋工場内 (72)発明者 楚 まゆみ 愛知県名古屋市西区葭原町４−21 株式会 社東芝名古屋工場内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】３ｎ相（ｎは自然数）の固定子コイルを有
   する固定子と、連続して交互にＮ極，Ｓ極となるように
   着磁された円弧状の永久磁石を鉄心内部に有する回転子
   とを備え、固定子コイルに順次通電させることにより回
   転子を駆動する永久磁石形モータにおいて、永久磁石の
   残留磁束密度をＢｒテスラとするとき、該永久磁石と空
   隙を隔てる回転子鉄心の厚さｔ（mm），隣接する永久磁
   石を隔てる回転子鉄心の幅ｄ（mm），前記永久磁石の平
   均的な円周方向の幅寸法ｗ（mm），永久磁石の平均厚ｌ
   （mm）との関係を、ｌ≧５，ｄ≧１．８＊ｔ，０．０３
   ≦ｔ／（０．５＊Ｂｒ＊ｗ）≦０．２２となるように設
   定することを特徴とする永久磁石形モータ。
2. 【請求項２】請求項１記載の永久磁石形モータを備えた
   冷凍装置用コンプレッサ。