JPWO2017126053A1 - 永久磁石同期電動機、圧縮機および空気調和機 - Google Patents

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Abstract

電動機1は、固定子コア4と、固定子コア4の内側に配置されるとともに、周方向に配列された複数の磁石孔13を有する回転子コア10と、複数の磁石孔13内にそれぞれ配置された複数の永久磁石11とを備える。固定子コア4は、第1の磁性材料から形成された第1の厚さの複数の板材から構成される。回転子コア10は、第2の磁性材料から形成された第2の厚さの複数の板材から構成される。第1の厚さは第2の厚さよりも小さく、第1の軟磁性材料のケイ素含有率は第2の軟磁性材料のケイ素含有率よりも大きい。

Description

本発明は、内部に永久磁石が埋め込まれた回転子を備えた永久磁石同期電動機、この永久磁石同期電動機を備えた圧縮機、およびこの圧縮機を備えた空気調和機に関する。
電動機を構成する回転子コアは、回転子コアの形状に応じて電磁鋼板を打ち抜き、打ち抜かれた電磁鋼板を積層して構成することが一般的である。同様に、電動機を構成する固定子コアは、固定子コアの形状に応じて電磁鋼板を打ち抜き、打ち抜かれた電磁鋼板を積層して構成することが一般的である。また、回転子コアを構成する電磁鋼板の板厚は、固定子コアを構成する電磁鋼板の板厚と同一に設定することが一般的である。
このような電動機では、固定子コアの鉄損が回転子コアの鉄損よりも大きいことが知られている。固定子コアの鉄損が回転子コアの鉄損よりも大きいと、電動機の放熱性が低下し、電動機の温度上昇を招く。
電動機が永久磁石同期電動機の場合、すなわち、回転子の内部に永久磁石が埋め込まれた電動機の場合は、電動機の温度上昇は、永久磁石の温度上昇につながる。永久磁石の温度が上昇すると、永久磁石の残留磁束密度が低下し、電動機の効率の低下につながり、さらには永久磁石が減磁する可能性がある。
このように従来の永久磁石同期電動機では、固定子コアの鉄損が回転子コアの鉄損よりも大きいという鉄損分布のアンバランスが存在することにより、永久磁石が減磁し易い構成となっている。
ところで、鉄損は、電磁鋼板に流れる渦電流による損失、すなわち渦電流損に起因する。渦電流損は電磁鋼板の板厚が小さいほど小さくなるので、鉄損を抑制するには、電磁鋼板を薄くすることが有効である。ただし、板厚をあまり小さくすると、電磁鋼板の加工性が低下し、また電磁鋼板の積層枚数も増大するので、結果として製造コストの増大につながる。
そこで、特許文献1では、渦電流損の低減と製造コストの抑制を目的として、固定子コアを構成する電磁鋼板の板厚を回転子コアを構成する電磁鋼板の板厚よりも小さく設定することが記載されている。具体的には、回転子コアを構成する電磁鋼板の板厚を0.5mmとし、固定子コアを構成する電磁鋼板の板厚を0.1mm以上でかつ0.5mm未満とすることが記載されている。
特開2010−45870号公報
特許文献1に記載されているように固定子コアを構成する電磁鋼板の板厚を回転子コアを構成する電磁鋼板の板厚よりも小さく設定する場合でも、固定子コアの鉄損が回転子コアの鉄損よりも大きいという鉄損分布のアンバランスを抑制するためには、固定子コアを構成する電磁鋼板の板厚を可能な限り小さく設定する必要がある。
しかしながら、固定子コアの加工性および製造コストを考慮すると、固定子コアを構成する電磁鋼板の板厚は下限が制限されるので、固定子コアを構成する電磁鋼板の板厚を可能な限り小さくするだけでは、上記した鉄損分布のアンバランスの抑制は困難である。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、固定子コアの鉄損を回転子コアの鉄損よりも抑制することで、放熱性を改善し、永久磁石の温度上昇を抑制して、永久磁石の減磁を抑制することが可能な永久磁石同期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同期電動機は、環状の固定子コアと、前記固定子コアの内側で前記固定子コアと同軸的に配置されるとともに、周方向に配列された複数の磁石孔を有する環状の回転子コアと、前記複数の磁石孔内にそれぞれ配置された複数の永久磁石と、を備え、前記固定子コアは、鉄およびケイ素を含む第1の軟磁性材料から形成され、当該固定子コアの軸方向に積層されるとともに、各々が第1の厚さを持つ複数の板材を有し、前記回転子コアは、鉄およびケイ素を含む第2の軟磁性材料から形成され、当該回転子コアの軸方向に積層されるとともに、各々が第2の厚さを持つ複数の板材を有し、前記第1の厚さは前記第2の厚さよりも小さく、前記第1の軟磁性材料のケイ素含有率は前記第2の軟磁性材料のケイ素含有率よりも大きい。
本発明によれば、固定子コアの鉄損を回転子コアの鉄損よりも抑制することで、放熱性を改善し、永久磁石の温度上昇を抑制して、永久磁石の減磁を抑制することが可能になる、という効果を奏する。
実施の形態1に係る永久磁石同期電動機の構成を示す断面図 実施の形態1における固定子コアおよび回転子コアの部分拡大断面図 実施の形態1において固定子コアの鉄損と回転子コアでの鉄損との関係を示す図 実施の形態1における固定子コアを帯状に展開した状態を示す図 実施の形態2に係る圧縮機の構成を示す縦断面図 実施の形態3に係る空気調和機の構成を示す図
以下に、本発明の実施の形態に係る永久磁石同期電動機、圧縮機および空気調和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同期電動機の構成を示す断面図である。なお、図1は、永久磁石同期電動機の回転軸と直交する面による断面図である。
電動機1は、本実施の形態に係る永久磁石同期電動機である。電動機1は、環状の固定子2と、固定子2の内側に配置された回転子3とを備える。固定子2は、環状の固定子コア4と、固定子コア4に巻回されたコイル5とを備える。回転子3は、環状の回転子コア10と、回転子コア10の内部に埋め込まれた複数の永久磁石11とを備える。回転子コア10は、固定子コア4と同軸的に配置される。
固定子コア4は、環状のヨーク6と、ヨーク6から突出する複数のティース7とを備える。ここで、ティース7は、ヨーク6の径方向の内向きに突出する。また、複数のティース7は、ヨーク6の周方向に等間隔で配列される。隣り合うティース7間には、スロット8が形成される。図示例では、ティース7の個数は9個であり、スロット8の個数も9個である。固定子コア4の軸は、固定子2の軸であり、電動機1の回転軸に一致している。
コイル5は、ティース7に巻回されている。コイル5は、例えば集中巻方式で巻回されている。コイル5は、銅線またはアルミニウム線で構成することが一般的である。なお、図1では、コイル5の断面の図示を省略し、コイル5を模式的に描いている。
固定子コア4の内側には、空隙9を介して、回転子コア10が配置される。空隙9は、0.1mmから2mmが一般的である。回転子コア10の軸は、回転子3の軸であり、電動機1の回転軸に一致している。
回転子コア10は、中央部に軸孔12を有している。また、回転子コア10は、複数の永久磁石11がそれぞれ挿入される複数の磁石孔13を有している。複数の磁石孔13は、周方向に等間隔で配列され、磁石孔13の個数と同じ角数の正多角形の辺に対応する部位に配置されている。ここで、周方向は回転子コア10の周方向である。図示例では、磁石孔13の個数は6個である。
磁石孔13は、内部に永久磁石11が配置された状態で、周方向の両側に空間部14を有する。空間部14は、空気層により、永久磁石11間に生ずる漏れ磁束を抑制する。なお、空間部14は、非磁性材で埋設してもよい。
また、回転子コア10は、磁石孔13の外側に配置された複数のスリット15を有する。複数のスリット15は、径方向に細長く伸びる。ここで、径方向は回転子コア10の径方向である。また、複数のスリット15は、周方向に互いに離間して配置される。スリット15は、永久磁石11からの磁束の流れを規制し、トルク脈動を抑制する。図示例では、各磁石孔13に対して7個のスリット15が設けられている。
永久磁石11は、例えば厚さが一定の平板状である。永久磁石11は、磁石孔13内に配置され、接着または圧入により回転子コア10に固定される。複数の永久磁石11は、外周側の磁極の極性が周方向に交互となるように配置される。
永久磁石11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、鉄、ネオジウム、ボロンおよび4重量%以下のディスプロシウムを含むものである。この場合、ディスプロシウムは含まなくてもよい。すなわち、希土類磁石は、鉄、ネオジウムおよびボロンを含むものとしてもよい。
次に、固定子コア4および回転子コア10のそれぞれの鉄心部の構成について説明する。図2は、固定子コア4および回転子コア10の部分拡大断面図である。なお、図2は、電動機1の回転軸を含む面による断面図である。
まず、固定子コア4の構成について説明する。固定子コア4は、複数の板材4aを固定子コア4の軸方向に積層して構成される。複数の板材4aは、例えばかしめまたは接着により一体にされる。板材4aは、第1の軟磁性材料から形成され、第1の厚さである板厚d1を持つ。ここで、第1の軟磁性材料は、鉄およびケイ素を含む軟磁性材料である。具体的には、第1の軟磁性材料のケイ素含有率は、重量含有率で、4重量%以上かつ6.5重量%以下とすることができる。また、板厚d1は、0.02mm以上かつ0.25mm未満とすることができる。
より具体的には、板材4aとして、例えば以下の(a)から(c)が挙げられる。
(a)鉄、ケイ素およびボロンを主成分として含み、ケイ素含有量が4重量%以上かつ5重量%以下であり、板厚d1が0.02mm以上かつ0.03mm以下であるアモルファス材。
(b)鉄、ケイ素およびボロンを主成分として含み、銅およびニオブを微量成分として含み、ケイ素含有量が4重量%以上かつ5重量%以下であり、板厚d1が0.02mm以上かつ0.03mm以下のナノ結晶材。
(c)鉄およびケイ素を主成分として含み、ケイ素含有量が4重量%以上かつ6.5重量%以下であり、板厚d1が0.1mm以上かつ0.25mm未満の無方向性または方向性の電磁鋼板。
なお、(b)のナノ結晶材は、熱処理を加えることでナノ結晶化される。熱処理は、400℃から600℃までの窒素またはアルゴン雰囲気中で0.5時間から3時間実施される。この熱処理により、粒径が例えば10nmの均一微細なナノ結晶粒が形成される。板材4aにナノ結晶材を用いる場合は、板材4aを加工し、板材4aを複数積層して固定子コア4を形成した後に、固定子コア4に熱処理を施す。ナノ結晶材は加熱すると脆くなるため、板材4aの加工後に熱処理を施すことで、固定子コア4の生産性が向上する。
次に、回転子コア10の構成について説明する。回転子コア10は、複数の板材10aを回転子コア10の軸方向に積層して構成される。複数の板材10aは、例えばかしめまたは接着により一体にされる。板材10aは、第2の軟磁性材料から形成され、第2の厚さである板厚d2を持つ。ここで、第2の軟磁性材料は、鉄およびケイ素を含む軟磁性材料である。
第2の軟磁性材料のケイ素含有率は、第1の軟磁性材料のケイ素含有率よりも小さい。また、板厚d2は、板厚d1よりも大きい。具体的には、第2の軟磁性材料のケイ素含有率は、3重量%以上かつ3.5重量%以下とすることができる。また、板厚d2は、0.25mm以上かつ1mm以下とすることができる。板材10aは、無方向性または方向性の電磁鋼板から形成することができる。
このように、本実施の形態では、固定子コア4を構成する板材4aの板厚d1を回転子コア10を構成する板材10aの板厚d2よりも小さくし、板材4aの材料である第1の軟磁性材料のケイ素含有率を板材10aの材料である第2の軟磁性材料のケイ素含有率よりも大きくしている。
一般に、鉄損の原因である渦電流損は、板材の板厚を小さくするほど抑制される。また、渦電流損は、板材に用いられる軟磁性材料のケイ素含有率が大きいほど抑制される。
従って、本実施の形態によれば、板材4aの板厚d1を板材10aの板厚d2よりも小さくすることで、回転子コア10に比べて鉄損比率の大きい固定子コア4の鉄損をより抑制するとともに、板材4aの第1の軟磁性材料のケイ素含有率を板材10aの第2の軟磁性材料のケイ素含有率よりも大きくすることで、固定子コア4の鉄損をより一層抑制している。
これにより、固定子コア4の鉄損が回転子コア10の鉄損よりも大きいという鉄損分布のアンバランスが抑制され、電動機1の発熱が抑制されるとともに、電動機1の放熱性が改善される。電動機1の放熱性が改善されると、回転子コア10の温度上昇が抑制されるので、永久磁石11の温度上昇が抑制されて、永久磁石11の減磁を抑制することが可能になる。また、永久磁石11の温度上昇が抑制されると、永久磁石11の磁束を有効利用することができるので、電動機1の効率が向上する。また、電動機1の放熱性が改善されると、電動機1の小型化が可能になる。
本実施の形態では、板材4aの板厚d1を0.02mm以上かつ0.25mm未満とし、板材10aの板厚d2を0.25mm以上かつ1mm以下とすることで、上記した鉄損分布のアンバランスが抑制される。さらに、板材4aの第1の軟磁性材料のケイ素含有率を4重量%以上かつ6.5重量%以下とし、板材10aの第2の軟磁性材料のケイ素含有率を3重量%以上かつ3.5重量%以下とすることで、上記した鉄損分布のアンバランスがより一層抑制される。
図3は、固定子コア4の鉄損と回転子コア10の鉄損との関係を示す図である。横軸はケイ素含有量[重量%]、縦軸は鉄損[W]である。L1は固定子コア4での鉄損を示し、L2は回転子コア10での鉄損を示す。図3は、板材4aの板厚d1を0.02mm以上かつ0.25mm未満とし、板材10aの板厚d2を0.25mm以上かつ1mm以下とした場合の鉄損の一般的な特性を示している。
図3に示すように、固定子コア4の板材4aの第1の軟磁性材料のケイ素含有率を4重量%以上とし、回転子コア10の板材10aの第2の軟磁性材料のケイ素含有率を3.5重量%以下とすることで、上記した鉄損分布のアンバランスの抑制効果が顕著であることがわかる。
本実施の形態では、永久磁石11は、鉄、ネオジウムおよびボロンを含む希土類磁石、または鉄、ネオジウム、ボロンおよび4重量%以下のディスプロシウムを含む希土類磁石である。一般に、ディスプロシウムは、固定子2からの反磁界に対して永久磁石11の減磁耐力を向上させるために用いられる。ここで、4重量%以下のディスプロシウムは、減磁を抑制する目的からは低い率である。
上記したように、本実施の形態では、固定子コア4の鉄損が抑制され、その結果、永久磁石11の温度上昇が抑制される。従って、ディスプロシウムの含有率を4重量%以下とした場合でも、永久磁石11の減磁を抑制することができる。また、永久磁石11は温度が低いほど残留磁束密度が高いので、永久磁石11の使用量を少なくして電動機1の小型化を図りつつ高効率な電動機1を得ることができる。
なお、永久磁石11は、上記以外の希土類磁石またはフェライト磁石としてもよい。
また、固定子コア4は、いわゆる分割鉄心構造とすることができる。すなわち、固定子コア4は、複数のコア片を環状にして構成することができる。
図4は、固定子コアを帯状に展開した状態を示す図である。図4では、図1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。図4では、9個のコア片20が連結部21を介して帯状に連結されている。ここで、コア片20は、ヨーク片6aと、ヨーク片6aから突出する1個のティース7とを備える。コア片20のティース7にはコイル5が巻回されている。固定子コア4は、このように直列に連結されたコア片20を環状にし、端部22,23を連結することで構成される。なお、コア片20は、同形状の板材4aを積層して構成されている。
固定子コア4を分割鉄心構造としない場合は、母材を環状に打ち抜いて板材4aを製造することとなり、材料歩留りが低くなる。しかし、固定子コア4を分割鉄心構造とした場合は、母材をコア片20と同形状に打ち抜くことになるので、母材の無駄を少なくすることができ、材料歩留りが高くなる。
なお、板材4aの板厚d1と板材10aの板厚d2とが等しい場合は、同一の製造工程で共通の母材から板材4a,10aを打ち抜くことで、材料歩留りを高くすることができる。しかし、本実施の形態では、板材4aの板厚d1と板材10aの板厚d2とが異なるので、固定子コア4の製造工程と回転子コア10の製造工程は別工程となる。従って、材料歩留りを高くするために、固定子コア4を分割鉄心構造とすることが有効である。
本実施の形態では、電動機1は、永久磁石11の個数が6個、スロット8の個数が9個の場合、すなわち、6極9スロットの電動機であるとしたが、これ以外の構成でもよい。
また、本実施の形態では、回転子コア10に空間部14およびスリット15が設けられる構成としたが、空間部14およびスリット15を設けない構成も可能である。
実施の形態2.
図5は、本実施の形態に係る圧縮機50の構成を示す縦断面図である。なお、図5では、図1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。
圧縮機50は、密閉容器51内に配置された圧縮機構部53と、密閉容器51内で圧縮機構部53の上方に配置された電動機1と、密閉容器51外に配置されたアキュムレータ54とを備える。ここで、圧縮機構部53は、密閉容器51に設けられた吸入口52を介して導入された冷媒ガスを圧縮する圧縮要素である。電動機1は、圧縮機構部53を駆動する駆動要素である。アキュムレータ54は、密閉容器51に設けられた吸入口52を介して圧縮機構部53に冷媒ガスを供給する。圧縮機50は、図示しない冷凍サイクルの構成要素である。
電動機1は、実施の形態1で説明した永久磁石同期電動機である。固定子2は、密閉容器51の内周面に溶接、焼嵌め、冷嵌め、または圧入により固定される。回転子3の上下端には、それぞれバランス部材55が取り付けられている。バランス部材55は、電動機1のトルク脈動を抑制する。回転子3にはシャフト56が貫通している。シャフト56は、圧縮機構部53内に配置される偏心部57を有する。偏心部57は、シャフト56の他の部分に対して軸心が偏っている。電動機1と圧縮機構部53はシャフト56によって互いに連結される。
圧縮機構部53は、内部に圧縮室63が形成される円筒状のシリンダ58と、シャフト56の偏心部57よりも上の部分を支持するとともにシリンダ58の上端を閉塞する軸受60と、シャフト56の偏心部57よりも下の部分を支持するとともにシリンダ58の基端を閉塞する軸受61と、シリンダ58内に配置される偏心部57に摺動自在に嵌合された環状のピストン62とを有する。シリンダ58は、密閉容器51の内周面に溶接、焼嵌め、冷嵌め、または圧入により固定される。
このように構成された圧縮機50では、電動機1が通電され、シャフト56が回転駆動されると、シャフト56に連動してピストン62がシリンダ58の内周面に沿って偏心回転する。これにより、吸入口52を介してシリンダ58内に導入された冷媒ガスは圧縮室63内で圧縮される。圧縮された冷媒ガスは、軸受60の図示しない孔を通過して密閉容器51内の空間に吐出された後、密閉容器51に設けられた吐出口65を介して密閉容器51外の冷凍サイクルの他の要素へ吐出される。
本実施の形態によれば、圧縮機50が実施の形態1に係る電動機1を備えているので、放熱性が良好で小型で高効率な圧縮機50を得ることができる。
実施の形態3.
図6は、本実施の形態に係る空気調和機200の構成を示す図である。空気調和機200は、室内機210と、室内機210に接続された室外機220とを備える。室外機220は、実施の形態2に係る圧縮機50を備える。
本実施の形態によれば、空気調和機200が実施の形態2に係る圧縮機50を備えているので、放熱性が良好で小型で高効率な空気調和機200を得ることができる。
なお、実施の形態1の電動機1は、空気調和機200のファンに用いることもできる。さらに、実施の形態1の電動機1は、空気調和機200以外の電気機器に用いることもできる。この場合でも、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 電動機、2 固定子、3 回転子、4 固定子コア、4a,10a 板材、5 コイル、6 ヨーク、6a ヨーク片、7 ティース、8 スロット、9 空隙、10 回転子コア、11 永久磁石、12 軸孔、13 磁石孔、14 空間部、15 スリット、20 コア片、21 連結部、22,23 端部、50 圧縮機、51 密閉容器、52 吸入口、53 圧縮機構部、54 アキュムレータ、55 バランス部材、56 シャフト、57 偏心部、58 シリンダ、60,61 軸受、62 ピストン、63 圧縮室、65 吐出口、200 空気調和機、210 室内機、220 室外機。

Claims (11)

  1. 環状の固定子コアと、
    前記固定子コアの内側で前記固定子コアと同軸的に配置されるとともに、周方向に配列された複数の磁石孔を有する環状の回転子コアと、
    前記複数の磁石孔内にそれぞれ配置された複数の永久磁石と、
    を備え、
    前記固定子コアは、
    鉄およびケイ素を含む第1の軟磁性材料から形成され、当該固定子コアの軸方向に積層されるとともに、各々が第1の厚さを持つ複数の板材を有し、
    前記回転子コアは、
    鉄およびケイ素を含む第2の軟磁性材料から形成され、当該回転子コアの軸方向に積層されるとともに、各々が第2の厚さを持つ複数の板材を有し、
    前記第1の厚さは前記第2の厚さよりも小さく、
    前記第1の軟磁性材料のケイ素含有率は前記第2の軟磁性材料のケイ素含有率よりも大きい永久磁石同期電動機。
  2. 前記第1の軟磁性材料のケイ素含有率は、4重量%以上かつ6.5重量%以下であり、
    前記第2の軟磁性材料のケイ素含有率は、3重量%以上かつ3.5重量%以下である請求項1に記載の永久磁石同期電動機。
  3. 前記第1の厚さは、0.02mm以上かつ0.25mm未満であり、
    前記第2の厚さは、0.25mm以上かつ1mm以下である請求項2に記載の永久磁石同期電動機。
  4. 前記第1の厚さは、0.02mm以上かつ0.03mm以下であり、
    前記第1の軟磁性材料は、さらにボロンを含み、
    前記第1の軟磁性材料のケイ素含有率は、4重量%以上かつ5重量%以下であり、
    前記固定子コアが有する前記各板材は、アモルファス材である請求項3に記載の永久磁石同期電動機。
  5. 前記第1の厚さは、0.02mm以上かつ0.03mm以下であり、
    前記第1の軟磁性材料は、さらにボロン、銅およびニオブを含み、
    前記第1の軟磁性材料のケイ素含有率は、4重量%以上かつ5重量%以下であり、
    前記固定子コアが有する前記各板材は、ナノ結晶材である請求項3に記載の永久磁石同期電動機。
  6. 前記第1の厚さは、0.1mm以上かつ0.25mm未満であり、
    前記第1の軟磁性材料のケイ素含有率は、4重量%以上かつ6.5重量%以下であり、
    前記固定子コアが有する前記各板材は、電磁鋼板である請求項3に記載の永久磁石同期電動機。
  7. 前記各永久磁石は、鉄、ネオジウムおよびボロンを含む請求項1に記載の永久磁石同期電動機。
  8. 前記各永久磁石は、さらに4重量%以下のディスプロシウムを含む請求項7に記載の永久磁石同期電動機。
  9. 前記固定子コアは、環状に連結された複数のコア片を有する請求項1に記載の永久磁石同期電動機。
  10. 請求項1から9のいずれか1項に記載された永久磁石同期電動機を備えた圧縮機。
  11. 請求項10に記載された圧縮機を備えた空気調和機。
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