JPWO2016002002A1 - 永久磁石埋込型電動機、圧縮機及び冷凍空調装置 - Google Patents

Abstract

永久磁石埋込型電動機１は、ステータ３と、ロータ５とを備え、複数の磁石挿入孔２１のそれぞれのアウトラインは、径方向内側ライン５３と、径方向外側ライン５５と、一対のサイドライン５７と、一対の第１ラウンド部６１と、一対の第２ラウンド部６３とを有し、薄肉部１８が、ロータの外周面２５と、サイドラインのそれぞれとの間に形成されており、第１ラウンド部のそれぞれは、対応する径方向外側ラインの対応する端部と、対応するサイドラインの対応する端部との間に設けられ、第２ラウンド部のそれぞれは、対応する径方向内側ラインの対応する端部と、対応するサイドラインの対応する端部との間に設けられている。

Description

本発明は、永久磁石埋込型電動機、圧縮機及び冷凍空調装置に関するものである。

近年、省エネ意識の高まりから高効率な電動機が要求されるようになり、ロータに残留磁束密度及び保磁力の高い希土類磁石を用いることで高効率化を実現した永久磁石埋込型電動機が多く提案されている。さらに、磁石をロータ内部に埋め込んだ構造とすることで、マグネットトルクだけでなくリラクタンストルクを利用することができるため、高効率な電動機が構成可能となる。リラクタンストルクを向上させるためには、ｄ軸とｑ軸とのインダクタンスの差に比例するため、一般的にはｑ軸磁束を通し易く、ｄ軸磁束を通しにくくした構造が望ましい。

一方、マグネットトルクを向上させるためには、磁石の磁束を有効利用することができる構造が望ましく、漏れ磁束を低減する必要がある。永久磁石埋込型電動機の漏れ磁束低減の一手段として、磁石挿入孔の端部とロータ表面との間にある薄肉部の厚さを薄くし、薄肉部を通過する磁束を低減することが有効である。

例えば、特許文献１には、ロータの磁石挿入孔同士の間隔をステータの歯幅よりも大きくし、且つ、ロータ外表面における磁石挿入孔の端部近傍の凹部の幅を上記磁石挿入孔同士の間隔よりも大きくすることで、マグネットトルクとリラクタンストルクとの両方を狙った構成が開示されている。

特開２００５−１２４２８１号公報

しかしながら、ロータ外表面における磁石挿入孔の端部近傍の凹部の幅を大きくしていくことにより、磁石挿入孔の端部とロータ表面との間にある薄肉部の領域で、凹部が占めていく割合が増加し、薄肉部の厚さが過度に薄くなる恐れがある。そして、薄肉部の厚さが過度に薄くなると、ロータの回転中に作用する遠心力により薄肉部に発生する応力が増加し、規定された機械強度を確保できない問題につながる懸念がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、薄肉部を設けておりながら、運転中のロータ機械強度に優れた永久磁石埋込型電動機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、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ロータとを備え、前記ロータは、ロータコアを有し、複数の磁石挿入孔が前記ロータコアには形成されており、前記磁石挿入孔のそれぞれのアウトラインは、前記ロータの回転中心線を垂線とする面においてみて、径方向内側ラインと、径方向外側ラインと、一対のサイドラインと、一対の第１ラウンド部と、一対の第２ラウンド部とを有しており、薄肉部が、前記ロータの外周面と、前記サイドラインのそれぞれとの間に形成されており、前記第１ラウンド部のそれぞれは、対応する前記径方向外側ラインの対応する端部と、対応する前記サイドラインの対応する端部との間に、設けられ、前記第２ラウンド部のそれぞれは、対応する前記径方向内側ラインの対応する端部と、対応する前記サイドラインの対応する端部との間に、設けられている。
複数の切り欠きが、前記ロータの外周面に設けられており、対応する一対の前記切り欠きが、対応するｑ軸に線対称に設けられているように構成してもよい。
前記磁石挿入孔はそれぞれ、弧状に湾曲しており、その弧状の凸部側が、前記ロータの中心側であるように構成してもよい。
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、電動機と、圧縮要素とを備え、当該電動機は、上述した本発明の永久磁石埋込型電動機である。
さらに、同目的を達成するための本発明の冷凍空調装置は、上記の本発明の圧縮機を、冷凍回路の構成要素として含むものである。

本発明によれば、薄肉部を設けておりながら、運転中のロータ機械強度に優れた永久磁石埋込型電動機を提供することができる。

本発明の実施の形態１の永久磁石埋込型電動機を、回転中心線と直交する面で示す図である。 実施の形態１に関し、ロータにおける一つの磁石挿入孔周辺を示す図である。 実施の形態２に関する、図２と同態様の図である。 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、本実施の形態１の永久磁石埋込型電動機を、回転中心線と直交する面で示す図である。図２は、ロータにおける一つの磁石挿入孔周辺を示す図である。

永久磁石埋込型電動機１は、ステータ３と、ステータ３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、ステータ巻線３ａが、いわゆる分布巻方式で巻かれている。分布巻方式は、ステータ３の複数のティース部７に渡って分布して巻線が施されている巻き方である。この分布巻方式は、集中巻方式と比較し、リラクタンストルクの利用に優れる特徴を持っている。

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の外周面と、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（ロータの回転中心、シャフトの軸線）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。

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、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３の中心付近には、回転可能に保持されたシャフト１３が配置されている。そして、そのシャフト１３にロータ５が嵌合されている。ロータ５は、ロータコア１１を有しており、そのロータコア１１もまた、ステータコア１７と同様、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。

ロータ外周面２５と、後述するサイドライン５７との間は、一様な肉厚の薄肉部１８が存在する。これらの薄肉部１８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。

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永久磁石１９が設けられている。永久磁石１９はそれぞれ、焼結フェライト磁石から構成されており、図１においてみて、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。より詳細には、ロータコア１１には、複数の永久磁石１９に対応した数の磁石挿入孔２１が形成されており、複数の磁石挿入孔２１にはそれぞれ、対応する永久磁石１９が挿入されている。

永久磁石１９は、フェライト磁石で構成されている。フェライト磁石は、酸化鉄（Ｆｅ₂Ｏ₃）を主成分とするため、一般的な永久磁石埋込型電動機に用いられる希土類磁石よりも安価であり、供給性が安定している。またフェライト磁石は、円弧形状の磁石を形成し易いため、本実施の形態のような逆円弧態様の磁石挿入孔にも挿入可能な磁石が構成できる。

複数の永久磁石１９及び複数の磁石挿入孔２１は共に、ロータ外周面２５の円弧と径方向の内外方向でみて逆向きとなる逆円弧態様に構成されている。すなわち、複数の永久磁石１９及び複数の磁石挿入孔２１はロータ５の中心側に凸となる向き（径方向外側すなわちロータ外周面２５側に凹となる向き）の弧状に形成されている。また、図１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。

ロータ５の磁極数は、２極以上であればいくつでもよい。本説明では、一例として６極であるものとする。なお、図１には、その一極分を、点線で示している。ロータ５には、６つの磁石挿入孔２１が等角度間隔で離隔するように設けられている。すなわち、６つの磁石挿入孔２１は、それぞれが、６０度の角度間隔で隣り合う磁石挿入孔２１と離隔しているように配置されている。また、６つの永久磁石１９は、径方向の磁極の向きに関し、ロータ周方向に沿ってＮ極とＳ極とが交互に入れ替わるように配置されている。

次に、磁石挿入孔の詳細について説明する。ロータ５の回転中心線ＣＬを垂線とする面においてみて、磁石挿入孔２１のそれぞれのアウトライン（輪郭）は、径方向内側ライン５３と、径方向外側ライン５５と、一対のサイドライン５７とを有している。

図２に示されるように、径方向外側ライン５５は、第１円弧面によって構成され、径方向内側ライン５３は、第２円弧面によって構成されており、第１円弧面の円弧と、第２円弧面の円弧とは、共通の半径中心を有しており、その共通の半径中心は、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、径方向内側ライン５３と、径方向外側ライン５５とは、同心円状に構成されている。このように、径方向内側ライン５３の円弧中心と、径方向外側ライン５５の円弧中心とが同一であることにより、ロータコア１１及びそれに挿入する永久磁石１９の生産性が向上している。

また、ロータ５の回転中心線ＣＬを垂線とする面においてみて、永久磁石１９及び磁石挿入孔２１は、対応する磁極中心線ＭＬによる線対称に形成されている。

また、本実施の形態１では、磁石挿入孔２１のそれぞれのアウトラインは、一つの磁石挿入孔２１につき、４つのラウンド部、すなわち一対の第１ラウンド部６１および一対の第２ラウンド部６３を有している。

一対の第１ラウンド部６１はそれぞれ、対応する径方向外側ライン５５の対応する端部５５ａと、対応するサイドライン５７の対応する一端部とをつないでおり、一対の第２ラウンド部６３はそれぞれ、対応する径方向内側ライン５３の対応する端部５３ａと、対応するサイドライン５７の対応する他端部とをつないでいる。

本実施の形態１では、第１ラウンド部６１および第２ラウンド部６３は共に、弧状に湾曲しており、第１ラウンド部６１の曲率は、第２ラウンド部６３の曲率よりも小さい。さらに、本実施の形態１では、サイドライン５７も、弧状に湾曲しており、サイドライン５７の曲率は、第１ラウンド部６１の曲率および第２ラウンド部６３の曲率よりも小さい。

また、サイドライン５７、第１ラウンド部６１および第２ラウンド部６３が上記のように湾曲していることから、本実施の形態１では、ロータ５の回転中心線ＣＬを垂線とする面においてみて、径方向外側ライン５５の対応する端部５５ａと、径方向内側ライン５３の対応する端部５３ａとの間のアウトラインは、湾曲したラインだけで構成されている。

上述した本実施の形態１の永久磁石埋込型電動機によれば、次のような利点が得られる。

一般に、磁石からの磁束の一部は、ステータ巻線に鎖交せずに、磁石挿入孔の端部と、ロータ外周面との間のコア部分を通過して磁石に戻ってしまうため、当該コア部分は、漏れ磁束の経路となる。漏れ磁束が多いと磁石の磁束を有効利用できず、モータ効率の低下につながるため、漏れ磁束は少ない方が望ましい。すなわち、マグネットトルクを向上させるためには、漏れ磁束を低減する必要があり、磁石挿入孔の端部と、ロータ外周面との間のコア部分の肉厚が狭いほうが望ましい。

しかし、その一方で、磁石挿入孔の端部と、ロータ外周面との間のコア部分の肉厚が薄くなると、ロータの回転中に作用する遠心力により薄肉部に発生する応力が増加し、機械強度を確保できない恐れがある。ロータの回転による遠心力は、「ロータの質量」と、「ロータ半径」と、「回転角速度の２乗」との積で作用する。よって、電動機の使用用途における定格回転数時において、遠心力によってロータコアに発生する最大応力が、使用される電磁鋼板の疲労限界応力を超えてはならず、ロータコアに発生する応力が規定された最大応力よりも小さいことが必要である。また、遠心力によって薄肉部に発生する応力の分布が不均等となるため、局所的な部分に過大な応力が発生しやすくなる問題がある。

そこで、本実施の形態１では、サイドライン５７と、対応する径方向外側ライン５５および径方向内側ライン５３の端部との間に、第１ラウンド部６１および第２ラウンド部６３を設けたので、薄肉部１８を設けておりながらも、薄肉部１８に発生する応力分布を均等化させ、局所的な応力の発生を防ぐことができる。すなわち、薄肉厚さを薄くして薄肉の磁気抵抗を上げ、漏れ磁束を低減しつつ、薄肉部の応力分布を分散させ、局所的に発生する応力を緩和して、機械強度を確保することが可能となっている。

また、磁石挿入孔及び磁石形状を逆円弧形状とすることで、磁石の表面積が大きくなり磁力を稼ぐことができる。磁力が大きくなると、所定のトルクを発生させるために必要な電機子電流を低減できるため、銅損が低減しモータ効率向上が見込める。また、磁石挿入孔に挿入された磁石は、遠心力によって径方向に磁石が飛び出そうとする力が発生する。逆円弧形状は平板形状よりも磁石の質量が大きくなるため、ロータが同一回転数・同一外径の場合、逆円弧形状の方が遠心力による影響が大きくなる傾向にある。そのため、本実施の形態１のようにラウンド部を持たない場合、平板形状の磁石よりも逆円弧形状の磁石の方が、薄肉部に発生する応力が増加する。よって、本実施の形態１のようにラウンド部を有する態様は、逆円弧形状の磁石による銅損低減に起因したモータ効率の向上を図ることができる構成にこそ、より有効である。

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。図３は、実施の形態２に関する、図２と同態様の図である。なお、本実施の形態２は、以下に説明する部分を除いては、上述した実施の形態１と同様であるものとする。

本実施の形態２における、ロータ５’のロータ外周面２５’は、それぞれのサイドライン５７と対向する部分に、切り欠き７１を有している。切り欠き７１は、対応するｑ軸（隣り合う磁石の間を延びる軸（極間中心線）であってｄ軸（磁石の中心線、磁極中心線）と電気角９０ｄｅｇをなす軸）に線対称となるように設けられている。切り欠き７１は、サイドライン５７とほぼ平行に延びており、切り欠き７１とサイドライン５７との間の薄肉部１８’の肉厚は、ほぼ一定となっている。

また、ｑ軸の周方向両側に切り欠き７１が設けられることから、相対的な凹凸関係として、一対の切り欠き７１の間に、突起部７３が現われる。すなわち、ロータ外周面２５’におけるｑ軸上に、突起部７３が設けられることとなる。

以上のように構成された本実施の形態２の永久磁石埋込型電動機においても、上記実施の形態１と同様な利点が得られている。さらに、本実施の形態２では、切り欠き７１により薄肉部１８’の磁気抵抗を大きくし、漏れ磁束をより低減し、なおかつ、ｑ軸上の突起部７３によりｑ軸磁束の経路を確保することができる。すなわち、上記実施の形態１で述べた機械強度確保の特徴を活かしつつ、マグネットトルクとリラクタンストルクとの両方を有効に発生させることができる。

実施の形態３．
次に、本発明の実施の形態３として、上述した実施の形態１または実施の形態２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または実施の形態２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４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７１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。

以上のように構成された本実施の形態３のロータリ圧縮機においても、上述した実施の形態１または実施の形態２と同様な利点を有する。また、マグネットトルクとリラクタンストルクの両方を有効利用できるため、高効率な圧縮機を構成できる。

実施の形態４．
また、本発明は、上述した実施の形態３の圧縮機を冷凍回路の構成要素として含む、冷凍空調装置として実施することも可能である。なお、冷凍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。

以上のように構成された本実施の形態４の冷凍空調装置においても、上述した実施の形態３と同様な利点を有する。また、マグネットトルクとリラクタンストルクの両方を有効利用できるため、高効率な圧縮機を構成でき、それにより、省エネ基準の厳しい冷凍空調機器に用いることができる。

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、１８ 薄肉部、１９ 永久磁石、２１ 磁石挿入孔、５３ 径方向内側ライン、５５ 径方向外側ライン、６１ 第１ラウンド部、６３ 第２ラウンド部、１００ ロータリ圧縮機、１０１ 密閉容器、１０３ 圧縮要素。

Claims (5)

1. 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ロータとを備え、
   前記ロータは、ロータコアを有し、
   複数の磁石挿入孔が前記ロータコアには形成されており、
   前記磁石挿入孔のそれぞれのアウトラインは、前記ロータの回転中心線を垂線とする面においてみて、径方向内側ラインと、径方向外側ラインと、一対のサイドラインと、一対の第１ラウンド部と、一対の第２ラウンド部とを有しており、
   薄肉部が、前記ロータの外周面と、前記サイドラインのそれぞれとの間に形成されており、
   前記第１ラウンド部のそれぞれは、対応する前記径方向外側ラインの対応する端部と、対応する前記サイドラインの対応する端部との間に、設けられ、
   前記第２ラウンド部のそれぞれは、対応する前記径方向内側ラインの対応する端部と、対応する前記サイドラインの対応する端部との間に、設けられている、
   永久磁石埋込型電動機。
2. 複数の切り欠きが、前記ロータの外周面に設けられており、
   隣り合う二つの前記切り欠きは、対応するｑ軸に線対称に設けられている、
   請求項１の永久磁石埋込型電動機。
3. 前記磁石挿入孔はそれぞれ、弧状に湾曲しており、
   その弧状の凸部側が、前記ロータの中心側である、
   請求項１又は２の永久磁石埋込型電動機。
4. 密閉容器内に、電動機と、圧縮要素とを備えた圧縮機であって、
   前記電動機は、請求項１〜３の何れか一項の永久磁石埋込型電動機である、
   圧縮機。
5. 請求項４の圧縮機を冷凍回路の構成要素として含む、冷凍空調装置。

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