JPWO2016147358A1 - 永久磁石埋込型電動機、送風機および冷凍空調機 - Google Patents

Abstract

永久磁石埋込型電動機３０は、ヨーク１ａおよびヨーク１ａから径方向内向きに突出する複数個のティース３を備えた固定子コア１と、固定子コア１の内側に配置され、周方向に等間隔で形成された複数個の磁石挿入穴１１を有する回転子コア７と、複数個の磁石挿入穴１１にそれぞれ挿入され、各々が回転子コア７の径方向を短手方向とし当該径方向と直交する方向を長手方向として配置された複数個の永久磁石８と、を備える。前記複数個の永久磁石の各々の前記長手方向における両端部は、それぞれ、当該永久磁石が挿入された前記磁石挿入穴の一部を成す空間部に隣接する。ティース３の基部３ａの幅をＳ１、ティース３の先端部３ｂの幅をＳ２、長手方向における永久磁石８の幅をＲ１、磁石挿入穴１１の延伸方向の幅をＲ２としたとき、Ｓ１≦Ｒ１＜Ｓ２かつＳ１≦Ｒ２−Ｒ１が成り立つ。

Description

本発明は、回転子に埋め込まれた永久磁石による磁界と固定子に巻回されたコイルに流れる電流による磁界とを利用して回転子を回転させる永久磁石埋込型電動機、送風機および冷凍空調機に関する。

特許文献１では、集中巻が施された１０極１２スロットの永久磁石埋込型電動機が開示されている。この永久磁石埋込型電動機の固定子コアは、ヨークから径方向の内向きに突出する複数個のティースを備え、各ティースは、先端部に周方向に広がるつば部を備えている。つば部のうち回転子の回転方向前方側を回転方向前方側つば部、つば部のうち回転子の回転方向後方側を回転方向後方側つば部と呼ぶとき、回転方向後方側つば部は、回転方向前方側つば部と比べて、軸方向の一部に非磁性体部をより多く含むように構成される。このような構成により、磁気飽和が生じやすい回転方向後方側つば部の鉄損を大きく低減している。

特開２０１０−１１４９５２号公報

しかしながら、特許文献１に記載された永久磁石埋込型電動機では、軸方向の一部に非磁性体部をより多く含む回転方向後方側つば部によって、永久磁石の端部が減磁し易いという課題があった。また、特許文献１に記載された永久磁石埋込型電動機では、永久磁石の使用量が多く、コスト高となっていた。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、減磁耐力が向上し、永久磁石の使用量が抑制さ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。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る永久磁石埋込型電動機は、環状のヨークと、前記ヨークの内側で前記ヨークの周方向に等間隔で配列され、各々が前記ヨークから前記ヨークの径方向の内向きに突出する複数個のティースと、を備えた固定子コアと、前記固定子コアの内側に配置され、周方向に等間隔で形成された複数個の磁石挿入穴を有する環状の回転子コアと、前記複数個の磁石挿入穴にそれぞれ挿入され、前記磁石挿入穴の個数と同じ角数の仮想的な正多角形の辺に対応する位置にそれぞれ配置され、各々が前記回転子コアの径方向を短手方向とし当該径方向と直交する方向を長手方向として配置された複数個の永久磁石と、を備え、前記複数個のティースの各々は、前記ヨークから前記ヨークの径方向内向きに突出すると共に前記ヨークの径方向と直交する方向における幅が一定である基部と、前記基部の内側に設けられ、前記ヨークの径方向と直交する方向における幅が前記基部の幅よりも広い先端部と、を備え、前記複数個の永久磁石の各々の前記長手方向における両端部は、それぞれ、当該永久磁石が挿入された前記磁石挿入穴の一部を成す空間部に隣接し、前記基部の幅をＳ１、前記先端部の幅をＳ２、前記長手方向における前記永久磁石の幅をＲ１、前記磁石挿入穴の延伸方向に沿った前記磁石挿入穴の幅をＲ２としたとき、Ｓ１≦Ｒ１＜Ｓ２かつＳ１≦Ｒ２−Ｒ１の関係が満たされる。

本発明によれば、減磁耐力が向上し、永久磁石の使用量が抑制される、という効果を奏する。

実施の形態１に係る永久磁石埋込型電動機の構成を示す断面図 実施の形態１における図１の部分拡大図 実施の形態２における回転子の部分拡大図 実施の形態３に係る冷凍空調機の構成を示す図

以下に、本発明の実施の形態に係る永久磁石埋込型電動機、送風機および冷凍空調機を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本実施の形態に係る永久磁石埋込型電動機の構成を示す断面図、図２は、図１の部分拡大図である。なお、図１は、回転子９の回転軸６と直交する断面である。

永久磁石埋込型電動機３０は、環状の固定子５と、固定子５の内側に隙間１０を介して配置される回転子９とを備える。固定子５は、環状の固定子コア１と、固定子コア１に巻回されたコイル４とを備える。回転子９は、回転軸６に固定された環状の回転子コア７と、回転子コア７に埋め込まれた１０個の永久磁石８とを備える。

固定子コア１は、電磁鋼板を一枚一枚打ち抜いた後、打ち抜かれた電磁鋼板を複数枚積層することで構成されている。電磁鋼板の厚さは、０．２ｍｍから０．５ｍｍが典型的である。固定子コア１は、環状のヨーク１ａと、ヨーク１ａの内側でヨーク１ａの周方向に等間隔で配列され、ヨーク１ａからヨーク１ａの径方向の内向きに突出する１２個のティース３とを備えている。ヨーク１ａの周方向に隣接するティース３間には、隣接するティース３とヨーク１ａとで区画された空間であるスロット２が形成される。スロット２の個数は、１２個である。

ティース３は、ヨーク１ａからヨーク１ａの径方向の内向きに突出すると共にヨーク１ａの径方向と直交する方向における幅が一定である基部３ａと、基部３ａの内側に設けられ、ヨーク１ａの径方向と直交する方向における幅が基部３ａの幅よりも広い先端部３ｂとを備える。すなわち、基部３ａは、ヨーク１ａ径方向に延伸し、その幅は径方向に一定である。他方、先端部３ｂは、つば状または傘状であり、ヨーク１ａの周方向における先端部３ｂの両側は基部３ａに対して周方向に突出する。なお、先端部３ｂは周方向に対称な形状である。このように、先端部３ｂをつば状または傘状とすることで、回転子９に埋め込まれた永久磁石８の磁力を有効にティース３に鎖交させ、トルクを向上可能な構造となっている。

コイル４は、ティース３に巻回される。コイル４は、巻線を集中巻したものである。すなわち、コイル４は、ティース３の基部３ａに巻線が直接巻き付けられて構成される。また、コイル４の巻線の結線は、３相のデルタ結線である。なお、図１では、個々の巻線の断面は省略してコイル４を一体的に描いている。また、図２では、コイル４の図示は省略している。

回転軸６は、固定子５の軸線上に配置される。回転軸６には回転子９が固定されている。回転子９と固定子５との間には、隙間１０が設けられ、回転子９が回転軸６を中心に回転可能な構造となっている。隙間１０は、０．３ｍｍから１ｍｍが典型的である。

回転子コア７は、固定子コア１と同様に、電磁鋼板を一枚一枚打ち抜いた後、打ち抜かれた電磁鋼板を複数枚積層することで構成されている。電磁鋼板の厚さは、０．２ｍｍから０．５ｍｍが典型的である。回転子コア７には、１０個の磁石挿入穴１１が回転子コア７の周方向に等間隔で形成されている。１０個の磁石挿入穴１１の各々は、磁石挿入穴１１の個数と同じ角数の仮想的な正多角形である正１０角形の各辺に対応する位置に配置される。すなわち、磁石挿入穴１１は、短手方向を回転子コア７の径方向とし長手方向を回転子コア７の径方向と直交する方向とする形状である。磁石挿入穴１１は、回転子コア７の外周縁部に形成される。１０個の磁石挿入穴１１には、それぞれ１０個の永久磁石８が挿入される。従って、１０個の永久磁石８の各々は、磁石挿入穴１１の個数と同じ角数の仮想的な正多角形である正１０角形の各辺に対応する位置に配置される。永久磁石８は、磁石挿入穴１１に圧入されることにより、あるいは、接着剤が塗布されることにより、回転子コア７に固定される。

永久磁石８は、厚さが一定の平板状である。永久磁石８の断面は、長方形状である。この場合の断面は回転子コア７の軸方向と直交する断面である。なお、回転子コア７の軸方向と直交する断面は、ヨーク１ａの軸方向と直交する断面であり、回転子９の回転軸６と直交する断面である。永久磁石８は、回転子コア７の径方向を短手方向とし当該径方向と直交する方向を長手方向として配置されている。すなわち、永久磁石８が磁石挿入穴１１内に挿入された状態で、永久磁石８の短手方向が回転子コア７の径方向となり、当該短手方向に直交する方向が永久磁石８の長手方向となる。なお、この場合の回転子コア７の径方向は、永久磁石８の磁極中心において定義される。磁石挿入穴１１は、永久磁石８の長手方向に直線的に延伸している。１０個の永久磁石８は、回転子コア７の周方向にＮ極とＳ極が交互となるように着磁されている。このようにして、１０極の回転子９が構成され、よって１０極１２スロットの電動機が構成される。永久磁石８は、希土類磁石またはフェライト磁石である。ここで、希土類磁石は、例えばネオジウム、鉄またはボロンを主成分とするものである。

永久磁石８の長手方向における永久磁石８の両端部は、それぞれ１対の空間部１２に隣接する。ここで、空間部１２は、磁石挿入穴１１に永久磁石８が挿入された状態で、永久磁石８の長手方向の両側に形成される空間であり、磁石挿入穴１１の一部を成す。すなわち、１対の空間部１２は、磁石挿入穴１１の両端部である。また、空間部１２は、永久磁石８の長手方向と同方向に延伸する。フラックスバリア部である空間部１２は、非磁性である空気層により、磁束の流れを規制する。なお、空間部１２は、例えば樹脂である非磁性材で埋めることもできる。これにより、永久磁石８の位置決め固定を確実に行うことができる。

図１および図２に示すように、本実施の形態は、ティース３の基部３ａの幅をＳ１、ティース３の先端部３ｂの幅をＳ２、永久磁石８の長手方向における永久磁石８の幅をＲ１、磁石挿入穴１１の延伸方向に沿った磁石挿入穴１１の幅をＲ２としたとき、Ｓ１≦Ｒ１＜Ｓ２かつＳ１≦Ｒ２−Ｒ１の関係が満たされるように構成されている。ここで、ティース３の基部３ａの幅は、ヨーク１ａの径方向と直交する方向の幅である。同様に、ティース３の先端部３ｂの幅は、ヨーク１ａの径方向と直交する方向の幅である。また、磁石挿入穴１１の幅Ｒ２は、１対の空間部１２の一方から他方までの磁石挿入穴１１の延伸方向に沿った磁石挿入穴１１の幅である。磁石挿入穴１１の延伸方向は、磁石挿入穴１１の長手方向でもある。なお、図示例では、磁石挿入穴１１の幅Ｒ２は、永久磁石８の長手方向における磁石挿入穴１１の幅である。

上記のように、本実施の形態では、永久磁石埋込型電動機３０は、Ｓ１≦Ｒ１＜Ｓ２かつＳ１≦Ｒ２−Ｒ１となるように構成され、特に、１対の空間部１２の幅の和である（Ｒ２−Ｒ１）がティース３の基部３ａの幅であるＳ１以上とされるので、固定子５の作る反磁界が回転子９に印加された場合であっても、反磁界が永久磁石８の端部に印加されることが１対の空間部１２によって抑制され、永久磁石８の端部の減磁が抑制され、従って電動機の減磁耐力が向上する。つまり、１対のフラックスバリアである１対の空間部１２の幅の和を、反磁界の広がりの目安を与える基部３ａの幅以上とすることで、減磁を抑制している。

また、上記のように構成することで、従来に比べて空間部１２の幅が増大するので、永久磁石８の漏れ磁束が抑制される一方で、永久磁石８の使用量が抑制される。永久磁石８の使用量が抑制されるので、永久磁石８を希土類磁石とした場合には、コストが低減され、安価な永久磁石埋込型電動機３０を提供することができる。

さらにまた、上記のように構成することで、永久磁石８の磁束がティース３の基部３ａに集中し易くなり、これによりコイル４に発生する誘起電圧が基本波に近づくので、誘起電圧の高調波成分を抑制することができる。誘起電圧の高調波成分が抑制されると、電磁加振力が小さくなり、振動および騒音が抑制され、さらに高調波成分による鉄損が抑制される。

また、図１および図２では、永久磁石埋込型電動機３０は、Ｓ２≦Ｒ２の関係が満たされるように構成されている。このような構成により、反磁界が永久磁石８の端部に印加されることがさらに抑制されることとなり、減磁耐力をさらに改善することができる。

本実施の形態では、コイル４の巻線の結線をデルタ結線としている。一般に、電動機の巻線をデルタ結線した場合、巻線をスター結線した場合と比べて、巻線の長さが√３倍となる。従って、巻線線占率が同一の条件では、デルタ結線がされたコイルでは、巻線の線径を小さくでき、巻線の巻付け作業性を改善できる。ただし、デルタ結線がされたコイルでは、デルタ状の電流経路により、誘起電圧の高調波成分による循環電流の影響を受けやすく、コイルの銅損が増加するという課題がある。これに対し、本実施の形態では、Ｓ１≦Ｒ１＜Ｓ２かつＳ１≦Ｒ２−Ｒ１となるよう構成することで、誘起電圧の高調波成分を抑制できるので、コイル４の巻線の結線をデルタ結線とした場合でも、循環電流によるコイル４の銅損を抑制しつつ、巻線の巻付け作業性を改善することができる。

本実施の形態では、永久磁石埋込型電動機３０は、１０極１２スロットとしている。これにより、極数およびスロット数の他の組み合わせに比べて、誘起電圧の高調波成分がより抑制され、振動および騒音がより抑制される。なお、本実施の形態は、１０極１２スロット以外の構成にも適用することができる。すなわち、永久磁石８および磁石挿入穴１１の個数は１０個に限定されず、複数個であればよい。また、ティース３およびスロット２の個数は１２個に限定されず、複数個であればよい。

実施の形態２．
実施の形態１では、永久磁石８と１対の空間部１２が同一直線上に配置される構成について説明したが、本実施の形態では、永久磁石８と１対の空間部１２が同一直線上に配置されない構成例について説明する。

図３は、本実施の形態における回転子９の部分拡大図である。なお、図３では、図１および図２に示す構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付している。空間部１２は、領域１２ａと、領域１２ａに連通する領域１２ｂとを備える。ここで、第１の領域である領域１２ａは、永久磁石８の長手方向と同方向に延伸する。すなわち、永久磁石８と１対の領域１２ａは同一直線上に配置される。これに対し、第２の領域である領域１２ｂは、回転子コア７の径方向の外向きに延伸する。すなわち、本実施の形態では、永久磁石８は、実施の形態１と比較して、回転子コア７の径方向内側に配置されると共に、空間部１２は磁極間で外向きに屈曲している。従って、磁石挿入穴１１は、永久磁石８と同方向に直線的に延伸する部分の両側に永久磁石８の長手方向に対して鈍角をなして回転子コア７の径方向の外向きに延伸する１対の領域１２ｂを備え、全体として、径方向の内向きに凸状となっている。また、長手方向における永久磁石８の両端部は、永久磁石８の長手方向と同方向に直線的に延伸する領域１２ａに隣接する。

領域１２ａの延伸方向の幅をＲ２ａ、領域１２ｂの延伸方向の幅をＲ２ｂとしたとき、磁石挿入穴１１の幅Ｒ２は、Ｒ２＝Ｒ１＋２×（Ｒ２ａ＋Ｒ２ｂ）で定義される。一般に、Ｒ２は、１対の空間部１２の一方から他方までの磁石挿入穴１１の延伸方向に沿った磁石挿入穴１１の幅である。Ｒ２は、磁石挿入穴１１の長手方向の幅でもある。

本実施の形態によれば、実施の形態１と比較して、永久磁石８を回転子コア７の径方向内側に配置させ、空間部１２を磁極間で回転子コア７の径方向の外向きに屈曲させることで、空間部１２の長さをより大きくとることができ、減磁耐力を更に改善することができる。本実施の形態のその他の構成、作用および効果は、実施の形態１と同様である。

なお、空間部１２の形状は、実施の形態１，２で示した形状以外の形状も可能である。例えば領域１２ａと領域１２ｂを滑らかに接続して空間部１２が円弧状となるようにしてもよい。また、磁石挿入穴１１が径方向の外向きに凸状となるように空間部１２を屈曲させる構成も可能である。

実施の形態３．
図４は、本実施の形態に係る冷凍空調機の構成を示す図である。冷凍空調機２１０は、室内機２０１と、室内機２０１に接続される室外機２０２とを備える。室外機２０２は、送風機２００ａを備える。室内機２０１は、送風機２００ｂを備える。送風機２００ａ，２００ｂは、それぞれ、実施の形態１の永久磁石埋込型電動機３０を備える。

本実施の形態によれば、送風機２００ａ，２００ｂは、実施の形態１の永久磁石埋込型電動機３０を備えるので、低騒音で高効率となる。従って、冷凍空調機２１０は、低騒音で高効率となる。

なお、実施の形態１の永久磁石埋込型電動機３０は、空気調和機以外の電気機器に搭載することもでき、この場合も、本実施の形態と同様の効果を得ることができる。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１ 固定子コア、１ａ ヨーク、２ スロット、３ ティース、３ａ 基部、３ｂ 先端部、４ コイル、５ 固定子、６ 回転軸、７ 回転子コア、８ 永久磁石、９ 回転子、１０ 隙間、１１ 磁石挿入穴、１２ 空間部、１２ａ，１２ｂ 領域、３０ 永久磁石埋込型電動機、２００ａ，２００ｂ 送風機、２０１ 室内機、２０２ 室外機、２１０ 冷凍空調機。

Claims (9)

1. 環状のヨークと、前記ヨークの内側で前記ヨークの周方向に等間隔で配列され、各々が前記ヨークから前記ヨークの径方向の内向きに突出する複数個のティースと、を備えた固定子コアと、
   前記固定子コアの内側に配置され、周方向に等間隔で形成された複数個の磁石挿入穴を有する環状の回転子コアと、
   前記複数個の磁石挿入穴にそれぞれ挿入され、前記磁石挿入穴の個数と同じ角数の仮想的な正多角形の辺に対応する位置にそれぞれ配置され、各々が前記回転子コアの径方向を短手方向とし当該径方向と直交する方向を長手方向として配置された複数個の永久磁石と、
   を備え、
   前記複数個のティースの各々は、前記ヨークから前記ヨークの径方向内向きに突出すると共に前記ヨークの径方向と直交する方向における幅が一定である基部と、前記基部の内側に設けられ、前記ヨークの径方向と直交する方向における幅が前記基部の幅よりも広い先端部と、を備え、
   前記複数個の永久磁石の各々の前記長手方向における両端部は、それぞれ、当該永久磁石が挿入された前記磁石挿入穴の一部を成す空間部に隣接し、
   前記基部の幅をＳ１、前記先端部の幅をＳ２、前記長手方向における前記永久磁石の幅をＲ１、前記磁石挿入穴の延伸方向に沿った前記磁石挿入穴の幅をＲ２としたとき、Ｓ１≦Ｒ１＜Ｓ２かつＳ１≦Ｒ２−Ｒ１の関係が満たされる永久磁石埋込型電動機。
2. Ｓ２≦Ｒ２の関係が満たされる請求項１に記載の永久磁石埋込型電動機。
3. 前記複数個の永久磁石の各々は、希土類磁石である請求項１に記載の永久磁石埋込型電動機。
4. 前記永久磁石の個数は１０個であり、かつ、前記ヨークの周方向に隣接する前記ティースによって形成されるスロットの個数は１２個である請求項１に記載の永久磁石埋込型電動機。
5. 前記ティースに巻回されたコイルを備え、
   前記コイルの巻線の結線がデルタ結線である請求項１に記載の永久磁石埋込型電動機。
6. 前記空間部は、前記永久磁石の長手方向と同方向に延伸する請求項１に記載の永久磁石埋込型電動機。
7. 前記空間部は、前記永久磁石の長手方向と同方向に延伸する第１の領域と、前記第１の領域に連通し、前記回転子コアの径方向の外向きに延伸する第２の領域とを備える請求項１に記載の永久磁石埋込型電動機。
8. 請求項１から７のいずれか１つに記載された永久磁石埋込型電動機を備えた送風機。
9. 請求項８に記載された送風機を備えた冷凍空調機。

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