JPWO2017221341A1 - コンシクエントポール型の回転子、電動機および空気調和機 - Google Patents

Abstract

コンシクエントポール型の回転子２０は、第１の挿入孔を有する第１の回転子コア５−１と、第２の挿入孔を有し、第１の回転子コア５−１に積層されることで、第１の挿入孔と前記第２の挿入孔がともに永久磁石を収納する空間を形成する第２の回転子コアと、を有し、第１の挿入孔は、第１の回転子コア５−１の第１の外周位置において開口を有し、第２の挿入孔は、少なくとも第２の回転子コアの第２の外周位置において閉塞しており、第２の外周位置は第１の外周位置に対応している。

Description

本発明は、コンシクエントポール型の回転子、電動機および空気調和機に関する。

従来、空気調和機の省エネ性を向上させるため、空気調和機の圧縮機に搭載される電動機の永久磁石には、ネオジウム焼結磁石のようなエネルギー密度の高い希土類磁石が一般に用いられている。また、空気調和機のファン用に、ネオジウム焼結磁石を用いた電動機が開発されている。

このような永久磁石は貴重なレアアース元素を含有しているため、高価である。そのため、永久磁石の使用量および加工費を低減してコストを下げたいという要求は強い。

永久磁石は一般に、ブロック状の塊を切削して指定の形状に加工する。そのため、電動機に使用される永久磁石の個数が多いほど、加工費が増加する。

電動機に使用される永久磁石の個数を削減する方法として、回転子をいわゆるコンシクエントポールで構成する方法がある。特許文献１に開示されるコンシクエントポール型の回転子では、永久磁石による磁石磁極と永久磁石によらずにコア材に形成される突極とが周方向に交互に配列される。従って、磁石磁極の個数と突極の個数はいずれも極数の半分の個数である。また、極数の半分の個数の磁石磁極は同一の極性を持ち、極数の半分の個数の突極は磁石磁極と異なる極性を持つ。このように、コンシクエントポール型の回転子では、永久磁石の個数は通常の半分の個数となる。しかしながらコンシクエントポール型の回転子では、磁石磁極と突極とでインダクタンスが異なり、このインダクタンスのアンバランスに起因して、振動および騒音が大きくなるという課題がある。

この課題に対して、特許文献１では、コンシクエントポール型の回転子において、永久磁石両端のフラックスバリア形状を工夫することによって、インダクタンスの非対称性を改善し、振動騒音の低減を図っている。フラックスバリアは、磁石挿入孔の周方向の両端に形成される空隙であり、永久磁石が磁石挿入孔に配置された状態で形成される。

特開２０１２−２４４７８３号公報

コンシクエントポール型の回転子は、全極数に対応する数の永久磁石を用いる通常のＩＰＭ型の回転子に比べて、磁石の数が半分である。そのためコンシクエントポール型の回転子は、隣接する永久磁石の間に存在するブリッジの周方向幅が相対的に広がり、当該ブリッジが磁束飽和し難くなる。従って当該ブリッジによる磁気抵抗は通常のＩＰＭ型の回転子に比べて小さくなる。これによりコンシクエントポール型の回転子では、永久磁石のＮ極またはＳ極の一方の極で発生した漏れ磁束が当該ブリッジを介して、当該永久磁石のＮ極またはＳ極の他方の極に流れてしまい、磁束漏れによる誘起電圧の低下を引き起こす。

このような問題を解決するためには、フラックスバリアと回転子コアの外周面との間に形成される薄肉ブリッジの径方向における厚みを薄くすることにより、当該薄肉ブリッジの磁気抵抗が高まり、磁束漏れを低減できる。しかし特許文献１に示す従来のコンシクエントポールの回転子では、コアプレスによって回転子コアを製造するため、磁束飽和がし易くなるように薄肉ブリッジの厚みを薄くするには限界があり、特に小型電動機では、薄肉ブリッジの厚みを薄くすることが困難であるため、磁束漏れ率が大きくなり効率が低下するという問題がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、製造コストを低減しながら、磁束漏れによる磁力の低下を抑制して効率を向上させるコンシクエントポール型の回転子を得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、本発明に係るコンシクエントポール型の回転子は、第１の挿入孔を有する第１の回転子コアと、第２の挿入孔を有し、第１の回転子コアに積層されることで、第１の挿入孔と第２の挿入孔がともに永久磁石を収納する空間を形成する第２の回転子コアと、を有し、第１の挿入孔は、第１の回転子コアの第１の外周位置において開口を有し、第２の挿入孔は、少なくとも第２の回転子コアの第２の外周位置において閉塞しており、第２の外周位置は第１の外周位置に対応している。

本発明に係るコンシクエントポール型の回転子は、製造コストを低減しながら、磁束漏れによる磁力の低下を抑制して効率を向上させることができるという効果を奏する。

実施の形態１に係る電動機の側面断面図 図１に示すモールド固定子の側面断面図 図２に示すモールド固定子に回転子が挿入された状態を示す側面断面図 図１に示すブラケットの側面断面図 複数の分割コア部で構成され帯状に展開された固定子コアの構成図 図５に示す展開された固定子コアを折り曲げて環状に構成した状態を示す図 全ての磁極が永久磁石で構成される回転子の断面図 図７に示す回転子の部分拡大図 一般的なコンシクエントポール型の回転子の断面図 図９に示す回転子の部分拡大図 実施の形態１に係るコンシクエントポール型の回転子の第１の断面図 実施の形態１に係るコンシクエントポール型の回転子の第２の断面図 図１１に示す第１の回転子コアと図１２に示す第２の回転子コアとを交互に軸方向に積層して構成された回転子コアの斜視図 図１３に示す回転子コアの側面図 図１１に示す第１の回転子コアを軸方向に複数枚積層した第１の回転子コアブロックと、図１２に示す第２の回転子コアを軸方向に複数枚積層した第２の回転子コアブロックとを交互に軸方向に積層して構成された回転子コアの斜視図 図１５に示す回転子コアの側面図 図１１に示す第１の回転子コアを軸方向に複数枚積層した第１の回転子コアブロックと、図１２に示す第２の回転子コアを軸方向に複数枚積層した第２の回転子コアブロックとを軸方向に積層して構成された回転子コアの斜視図 図１７に示す回転子コアの側面図 図１３、図１５または図１７に示す回転子コアに樹脂を施した状態を示す図 図１９に示す回転子コアの部分拡大図 実施の形態２に係る空気調和機の構成の一例を示す図

以下に、本発明の実施の形態に係るコンシクエントポール型の回転子、電動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は実施の形態１に係る電動機の側面断面図である。図１に示される電動機１００は、モールド固定子１０と、回転子２０と、モールド固定子１０の軸方向一端部に取り付けられる金属製のブラケット３０とを備える。電動機１００は、回転子２０に永久磁石を有し、インバータで駆動されるブラシレスＤＣモータである。回転子２０は内部磁石型でありかつコンシクエントポール型である。

モールド固定子１０は、固定子４０と固定子４０を覆うモールド樹脂５０とを備え、モールド固定子１０の軸方向は回転子２０のシャフト２３の軸方向と一致している。なお、詳細は順次説明するが、図１では、固定子４０の構成要素として、固定子コア４１と、固定子コア４１に巻回されたコイル４２と、固定子コア４１に設けられた絶縁部４３と、絶縁部４３に設けられた中性点端子４４ｂとが示されている。

また図１では、絶縁部４３に取り付けられた基板４５と、基板４５に組み付けられたリード線口出し部品４６と、リード線口出し部品４６から口出しされるリード線４７と、基板４５上に実装されたＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）４９ａと、基板４５の回転子２０側の面上に実装されたホールＩＣ４９ｂとが示されている。

また回転子２０は、シャフト組立２７と、回転子２０本体とシャフト組立２７とを一体にする樹脂部２４と、シャフト２３に取り付けられると共にモールド固定子１０の軸受支持部１１により支持された負荷側転がり軸受２１ａと、シャフト２３に取り付けられると共にブラケット３０により支持された反負荷側転がり軸受２１ｂとを備える。負荷側１１０は、電動機１００の両端面の内、シャフト２３が突き出ている端面側を表し、反負荷側１２０は、ブラケット３０が設けられている端面側を表す。

シャフト組立２７は、一対の絶縁スリーブ２６−１，２６−２から成る絶縁スリーブ２６を備え、反負荷側転がり軸受２１ｂとシャフト２３との間に絶縁スリーブ２６が配置される。

図２は図１に示すモールド固定子の側面断面図である。図２では、図１と同一の構成要素に同一の符号を付している。モールド固定子１０には、モールド固定子１０の軸方向一端部に開口部１０ｂが形成され、回転子２０がこの開口部１０ｂに挿入される。開口部１０ｂに挿入された回転子２０の負荷側転がり軸受２１ａが嵌合されるモールド固定子１０の軸方向端部には、図１に示す回転子２０のシャフト組立２７の径より大きい孔１１ａが開けられている。モールド固定子１０のその他の構成については後述する。

図３は図２に示すモールド固定子に回転子が挿入された状態を示す側面断面図である。図３では、図１と同一の構成要素に同一の符号を付している。図２に示すモールド固定子１０の開口部１０ｂから挿入された回転子２０は、シャフト組立２７の負荷側が図２に示す孔１１ａを貫通して、モールド固定子１０の外部に引き出されるよう配置される。この際、シャフト２３に取り付けられた負荷側転がり軸受２１ａは、モールド固定子１０の軸受支持部１１に当接するまで押し込まれて、軸受支持部１１により支持される。軸受支持部１１は、モールド固定子１０の軸方向端部であり、かつ、開口部１０ｂの反対側に設けられている。

シャフト組立２７の反負荷側には、反負荷側転がり軸受２１ｂが取り付けられている。反負荷側転がり軸受２１ｂの取付けは一般的には圧入による。なお、詳細は後述するが、反負荷側転がり軸受２１ｂとシャフト２３の反負荷側との間には、シャフト２３に一体成形し形成された絶縁スリーブ２６が設けられる。

図４は図１に示すブラケットの側面断面図である。ブラケット３０は、モールド固定子１０の開口部１０ｂを閉塞すると共に、反負荷側転がり軸受２１ｂを支持するものであり、モールド固定子１０に圧入される。ブラケット３０は、軸受支持部３０ａと、軸受支持部３０ａと一体に形成された圧入部３０ｂとを備える。軸受支持部３０ａは、反負荷側転がり軸受２１ｂを支持する。圧入部３０ｂはリング形状である。

モールド固定子１０へのブラケット３０の取付けは、圧入部３０ｂを、モールド固定子１０の内周部１０ａの開口部１０ｂ側に圧入することでなされる。圧入部３０ｂの外径は、モールド固定子１０の内周部１０ａの内径よりも、圧入代の分だけ大きい。ブラケット３０は、導電性を有する金属製であり、例えば亜鉛メッキ鋼板から形成される。ただしブラケット３０は亜鉛メッキ鋼板以外の材料から形成することもできる。ブラケット３０の材料としては、アルミニウム合金、オーステナイト系ステンレス合金、銅合金、鋳鉄、鋼または鉄合金を例示できる。

以下にモールド固定子１０の構成を説明する。図２に示されるモールド固定子１０は、固定子４０と、モールド成形用のモールド樹脂５０とを備える。モールド樹脂５０には不飽和ポリエステル樹脂を使用する。特に不飽和ポリエステル樹脂に各種の添加剤が加えられた塊粘土状の熱硬化性樹脂（Ｂｕｌｋ Ｍｏｌｄｉｎｇ Ｃｏｍｐｏｕｎｄ：ＢＭＣ）が電動機用として望ましい。例えばポリブチレンテレフタレート（ＰｏｌｙＢｕｔｙｌｅｎｅ Ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ：ＰＢＴ）、ポリフェニレンサルファイド（Ｐｏｌｙ Ｐｈｅｎｙｌｅｎｅ Ｓｕｌｆｉｄｅ：ＰＰＳ）といった熱可塑性樹脂の方が、成形時のランナーをリサイクルできるため良い面もある。

しかしながら不飽和ポリエステル樹脂およびＢＭＣは、線膨張係数が固定子コア４１、負荷側転がり軸受２１ａおよび反負荷側転がり軸受２１ｂといった鉄系材料の線膨張係数に近く、熱収縮率が熱可塑性樹脂の１／１０以下であることにより、寸法精度を出すのに優れている。

また鉄およびアルミといった金属で電動機１００の外郭を形成した場合に比べて、不飽和ポリエステル樹脂およびＢＭＣで電動機１００の外郭を形成した場合、放熱性が優れる。また金属で電動機１００の外郭を形成した場合、絶縁性の問題により、電動機１００の外郭を形成する金属を、コイル４２と基板４５とから離して構成される。これに対して不飽和ポリエステル樹脂およびＢＭＣは絶縁物であるため、コイル４２と基板４５を覆っても絶縁性の問題がなく、熱伝導率も高いことから放熱性に優れ、電動機１００の高出力化に貢献する。

負荷側転がり軸受２１ａは、モールド樹脂５０で形成された軸受支持部１１で支持され、反負荷側転がり軸受２１ｂおよびブラケット３０は、モールド樹脂５０で形成された内周部１０ａで支持される。そのためモールド樹脂５０の寸法精度が悪い場合、回転子２０の軸心と固定子４０の軸心とがずれて振動および騒音の発生要因となる。しかしながら熱収縮率の小さな不飽和ポリエステル樹脂およびＢＭＣを使用することによって、モールド成形後の寸法精度を確保しやすくなる。

また線膨張係数が大きな樹脂を使用した場合、電動機１００が高温になった際、軸受のがたつきが問題となる場合がある。不飽和ポリエステル樹脂およびＢＭＣは、線膨張係数が固定子コア４１、負荷側転がり軸受２１ａおよび反負荷側転がり軸受２１ｂといった鉄系材料の線膨張係数に近いため、電動機１００の温度によらず、回転子２０の軸心と固定子４０の軸心とのずれを抑制できる。

また不飽和ポリエステル樹脂およびＢＭＣは、硬化した際に固定子４０を拘束するため、電動機１００の加振力に伴う固定子４０の変形を抑制でき、また振動および騒音を抑制できる。

図５は複数の分割コア部で構成され帯状に展開された固定子コアの構成図である。図５に示す固定子コア４１は、複数の分割コア部４００を、複数の分割コア部４００のそれぞれが複数の分割コア部４００の内の他の隣接する１つと接するように配列したものである。複数の分割コア部４００は、それぞれがバックヨーク４０１とバックヨーク４０１から突出するティース４０２とを有する。隣接するバックヨーク４０１の間には、バックヨーク４０１同士を連結する薄肉部４０３が設けられている。

図６は図５に示す展開された固定子コアを折り曲げて環状に構成した状態を示す図である。図６に示す環状の固定子コア４１は、図５に示す複数のティース４０２のそれぞれに図１のコイル４２が施された後、帯状の分割コア部４００群を薄肉部４０３で折り曲げて環状に形成したものである。

図５および図６のように複数の分割コア部４００で構成された固定子コア４１は、帯状に展開した状態でコイル４２を巻くことができるため、コイル４２の高密度化が可能となり高効率化に有効である。しかしながら分割コア部４００が薄肉部４０３で連結されているため、環状に形成したときの固定子コア４１の剛性が弱く、コンシクエントポール型の電動機１００のように加振力が大きなものは、不飽和ポリエステル樹脂で固定子コア４１をモールドすること、すなわち不飽和ポリエステル樹脂で固定子コア４１を覆うことが有効となる。

なお複数の分割コア部４００で構成される固定子コア４１は、図５のように隣接するバックヨーク４０１同士が薄肉部４０３で連結されている構造以外にも、バックヨーク４０１の端部に凹凸状のダボを形成して、ダボを相互に連結する構造のものでもよいし、それぞれが分離された複数のバックヨーク４０１同士を溶接または嵌めあいで固定した構造のものでもよい。このように構成した固定子コアを不飽和ポリエステル樹脂で覆うことで、振動および騒音を低減可能である。

このように不飽和ポリエステル樹脂で固定子コアを完全に覆うことが望ましいが、図２に示すように固定子コア４１の外周部４１−１から不飽和ポリエステル樹脂の外周部１０−１までの厚みをＴ１とし、固定子コア４１の内周部４１−２から不飽和ポリエステル樹脂の内周部１０−２までの厚みをＴ２としたとき、モールド固定子１０は、Ｔ１＞Ｔ２の関係が満たされるように構成することが望ましい。

厚みＴ２をあまり大きくすると、回転子２０の直径を小さくしなければならず、固定子コア４１と回転子２０との間の磁気的な隙間が大きくなり、電動機特性が悪化する。そこで本実施の形態に係るモールド固定子１０では、厚みＴ１を厚みＴ２よりも大きくすることにより、径方向外側の厚みＴ１の剛性を大きくしている。「径方向」は回転子２０の径方向を示す。

なお回転子２０の軸心と固定子４０の軸心とがずれて、固定子コア４１と回転子２０との間の隙間にアンバランスが生じると、偏心による加振力が重畳されるため、偏心を極力小さく組み付けなければならない。厚みＴ２が大きくなるとその分だけ上記の隙間にアンバランスが生じやすくなるため、厚みＴ２をゼロにすることも有効である、ただし、その場合には固定子コア４１の隣接するティース４０２の間の空間をティース先端まで不飽和ポリエステル樹脂で埋めるようにする。加振力としては、ティース先端を左右に揺らす力もあり、ティースの間の空間を完全に埋めることがこの力の影響を抑制することに繋がる。

また図５および図６に示す固定子コア４１の場合、隣接する分割コア部４００の間の分割面４０４に不飽和ポリエステル樹脂を設けることにより、ティース４０２に働く加振力の影響を抑制できる。

そこで固定子コア４１には、図６に示す環状の固定子コア４１の分割面４０４に孔４０５が形成される。この孔４０５は、隣接するバックヨーク４０１の間に溝または切り欠きを設けることにより形成される。環状の固定子コア４１に不飽和ポリエステルをモールド成形する際、孔４０５に不飽和ポリエステル樹脂が充填される。孔４０５には、固定子コア４１の軸方向の一端面から他端面までの全ての領域に不飽和ポリエステルを充填する必要はなく、固定子コア４１の軸方向の一端面から僅かに充填されていればよく、この場合でも振動を減衰する効果が期待できる。充填量を多くするために孔４０５を大きくするほど磁気的には悪影響を及ぼすので、充填量は適宜決定される。なお分割面４０４の孔４０５は、固定子コア４１の外周面に開口する溝形状、またはスロット４０６側に開口する溝形形状でも、同様の効果を得ることができる。

次に回転子の構成について説明する。以下では図７および図８を用いて全ての磁極が永久磁石で構成される回転子の構成を説明し、図９および図１０を用いて一般的なコンシクエントポール型の回転子を説明する。

図７は全ての磁極が永久磁石で構成される回転子の断面図である。図８は図７に示す回転子の部分拡大図である。図７に示す回転子２０Ａは、環状の回転子コア５Ａと、回転子コア５Ａの周方向に形成された１０個の磁石挿入孔２Ａと、１０個の磁石挿入孔２Ａに各々に配置された１０個の永久磁石１Ａとを備える。「周方向」は回転子２０Ａの周方向を示す。

回転子コア５Ａは、軟磁性材であるコア材から構成され、複数枚の電磁鋼板を積層して構成される。永久磁石１Ａは、断面が矩形の平板状の希土類磁石であり、Ｎｄ（ネオジム）−Ｆｅ（鉄）−Ｂ（ホウ素）を主成分とするネオジム焼結磁石である。

磁石挿入孔２Ａは、永久磁石１Ａが挿入される矩形状の第１の領域３Ａと、永久磁石１Ａが挿入されない２つの第２の領域３Ｂとで構成され、第２の領域３Ｂは、第１の領域３Ａの長手方向の両端に１カ所ずつ形成されている。第２の領域３Ｂは、第１の領域３Ａに挿入された永久磁石１Ａに対して漏れ磁束を抑制するフラックスバリアの働きを有しており、回転子コア５Ａの外周面５１の磁束密度分布を正弦波に近づけ、隣接する磁石挿入孔２Ａに挿入されている永久磁石１Ａの磁束を回転子コア５Ａを介して短絡させる働きを有している。

１０個の磁石挿入孔２Ａは回転子コア５Ａの周方向に等間隔で配列され、回転軸６から等距離で配置される。隣接する磁石挿入孔２Ａは互いに離間している。回転軸６は回転子コア５Ａの軸に一致している。磁石挿入孔２Ａは、回転子コア５Ａの外周面５１寄りに形成され、回転子コア５Ａの軸方向に貫通している。

回転子コア５Ａはブリッジ４Ａ１およびブリッジ４Ａ２を有する。ブリッジ４Ａ１は磁石挿入孔２Ａの第２の領域３Ｂの径方向外側と回転子コア５Ａの外周面５１との間に形成され、ブリッジ４Ａ２は磁石挿入孔２Ａの第２の領域３Ｂと、隣接する磁石挿入孔２Ａの第２の領域３Ｂとの間に形成される。回転子コア５Ａは、中心部にシャフト挿入孔７を有する。

図８に示すように回転子コア５Ａでは、ブリッジ４Ａ２の径方向における厚みｔ１は、ブリッジ４Ａ１の周方向における厚みｔ２と同一であり、またはブリッジ４Ａ１の周方向における厚みｔ２よりも僅かに厚い。

回転子コア５Ａでは、隣接する永久磁石１Ａのそれぞれの径方向外側、すなわち外周面５１側にＮ極とＳ極の磁極が並んでいる。そのため一方のＮ極から他方のＳ極に向かって漏れ磁束ａが流れる。このとき回転子２０Ａでは、ブリッジ４Ａ１およびブリッジ４Ａ２が磁気抵抗となるため漏れ磁束量が抑えられる。

図９は一般的なコンシクエントポール型の回転子の断面図である。図１０は図９に示す回転子の部分拡大図である。図９に示す回転子２０Ｂは、環状の回転子コア５Ｂと、周方向に配列された５個の磁石挿入孔２Ｂとを有する。磁石挿入孔２Ｂの個数は回転子２０Ｂの極数の半分である。５個の磁石挿入孔２Ｂは周方向に等間隔で配列される。５個の磁石挿入孔２Ｂは、回転軸６から等距離で配置される。回転軸６は回転子コア５Ｂの軸に一致している。５個の磁石挿入孔２Ｂは、回転子コア５Ｂの軸方向に貫通している。磁石挿入孔２Ｂは、回転子コア５Ｂの外周面５１寄りに形成され、周方向に延伸している。隣接する磁石挿入孔２Ｂ間は離間している。回転子コア５Ｂは、中心部にシャフト挿入孔７を有する。

回転子コア５Ｂは、軟磁性材であるコア材から構成され、具体的には複数枚の電磁鋼板を積層して構成される。電磁鋼板の板厚は０．１ｍｍから０．７ｍｍが一般的である。

５個の磁石挿入孔２Ｂには、それぞれ５個の永久磁石１Ｂが挿入されている。永久磁石１Ｂは、断面が例えば矩形の平板状である。永久磁石１Ｂの板厚は、例えば２ｍｍである。永久磁石１Ｂは、希土類磁石であり、Ｎｄ（ネオジム）−Ｆｅ（鉄）−Ｂ（ホウ素）を主成分とするネオジム焼結磁石である。

磁石挿入孔２Ｂは、永久磁石１Ｂが挿入される矩形状の第１の領域３Ａと、永久磁石１Ｂが挿入されない２つの第２の領域３Ｂとで構成され、第２の領域３Ｂは、第１の領域３Ａの長手方向の両端に１カ所ずつ形成されている。第２の領域３Ｂは、第１の領域３Ａに挿入された永久磁石１Ｂに対して漏れ磁束ａを抑制するフラックスバリアの働きを有しており、回転子コア５Ｂの外周面５１の磁束密度分布を正弦波に近づけ、隣接した磁石挿入孔２Ｂに挿入されている永久磁石１Ｂの磁束を回転子コア５Ｂを介して短絡させる働きを有している。

回転子２０Ｂは、回転子コア５Ｂの外周面５１に周方向に極性が交互となるようにして配列される１０個の磁極を有する。詳細には、回転子２０Ｂは、５個の永久磁石１Ｂによりそれぞれ形成され同一の極性を持つ５個の第１の磁極と、各々が互いに隣接する永久磁石１Ｂ間の回転子コア５Ｂに形成され第１の磁極と異なる極性を持つ５個の第２の磁極とを有する。図示例では、第１の磁極はＮ極、第２の磁極はＳ極としているが、逆にしてもよい。回転子２０Ｂの１０個の磁極は、極ピッチを３６０度／１０＝３６度として、周方向に等角度間隔で配置される。

このようにコンシクエントポール型の回転子２０Ｂは、極数の半分の５個の永久磁石１Ｂがそれぞれ５個の第１の磁極を与える。さらに極数の半分の５個の第２の磁極のそれぞれは、互いに隣接する永久磁石１Ｂ間において回転子コア５Ｂのコア材に形成される。第２の磁極はいわゆる突極であり、回転子２０Ｂを着磁することにより形成される。

従って、回転子２０Ｂでは、永久磁石１Ｂを含む磁石磁極部でありかつ第１の磁極を有する第１の磁極部６０と、永久磁石１Ｂを含まないコア磁極部でありかつ第２の磁極を有する第２の磁極部６１とが、回転子２０Ｂの周方向に交互に配列される。コンシクエントポール型の回転子２０Ｂでは、極数は４以上の偶数となる。

回転子コア５Ｂの外形はいわゆる花丸形状である。花丸形状とは、回転子コア５Ｂの外径が極中心６２，６３で最大となり、極間６４で最小となる形状であって、極中心６２，６３から極間６４までが弧状となる形状である。極中心６２は第１の磁極の極中心、極中心６３は第２の磁極の極中心である。図示例では、花丸形状は、１０枚の同形同サイズの花弁が均等角度で配置された形状である。従って、極中心６２での回転子コア５Ｂの外径は、極中心６３での回転子コア５Ｂの外径に等しい。なお、磁石挿入孔２Ｂの周方向の幅は極ピッチよりも広い。

また、回転子コア５Ｂはブリッジ５Ｂ１およびブリッジ５Ｂ２を有する。ブリッジ５Ｂ１は、磁石挿入孔２Ｂの第２の領域３Ｂの径方向外側と回転子コア５Ｂの外周面５１との間に形成され、ブリッジ５Ｂ２は、磁石挿入孔２Ｂの第２の領域３Ｂと、隣接する磁石挿入孔２Ｂの第２の領域３Ｂの間に形成される。

このように構成されたコンシクエントポール型の回転子２０Ｂは、隣接する永久磁石１Ｂのそれぞれの外側の磁極がＮ極とＮ極であり、隣接する永久磁石１Ｂの間のブリッジ５Ｂ２の周方向幅が、図８に示す回転子２０Ａに形成されたブリッジ４Ａ２の周方向幅よりも広くなる。従ってブリッジ５Ｂ２を介して隣接するブリッジ５Ｂ１間の距離が広がり、一方のブリッジ５Ｂ１から漏れた漏れ磁束ａの経路が隣接する他方のブリッジ５Ｂ１に到達しないので、漏れ磁束ａは一方のブリッジ５Ｂ１のみを通って永久磁石１ＢのＳ極に漏れてしまう。

すなわち回転子コア５Ｂでは、ブリッジ５Ｂ１による磁気抵抗が通常のＩＰＭに比べ小さいので、隣接する永久磁石１Ｂの内、一方の永久磁石１ＢのＮ極で発生した磁束が、当該一方の永久磁石１ＢのＳ極に漏れて、磁束のショートループが形成されることによって、漏洩磁束が大きくなってしまう。

また、ブリッジ５Ｂ１の厚みは、回転子コア５Ｂを構成するコア片の製造時における加工の都合上、薄くすることには限度があるので、電動機のサイズが小さくなるほど、回転子のサイズおよび永久磁石のサイズに対するブリッジ５Ｂ１のサイズの比率が大きくなり、漏れ磁束ａの影響が更に大きくなる。漏れ磁束ａが大きくなると電動機のトルクを出すための電流が大きくなり、電動機効率の低下を招く。

このような問題を解決するために本実施の形態に係る回転子は以下のように構成されている。図１１は実施の形態１に係るコンシクエントポール型の回転子の第１の断面図である。図１２は実施の形態１に係るコンシクエントポール型の回転子の第２の断面図である。図１３は図１１に示す第１の回転子コアと図１２に示す第２の回転子コアとを交互に軸方向に積層して構成された回転子コアの斜視図である。図１４は図１３に示す回転子コアの側面図である。図１５は図１１に示す第１の回転子コアを軸方向に複数枚積層した第１の回転子コアブロックと、図１２に示す第２の回転子コアを軸方向に複数枚積層した第２の回転子コアブロックとを交互に軸方向に積層して構成された回転子コアの斜視図である。図１６は図１５に示す回転子コアの側面図である。図１７は図１１に示す第１の回転子コアを軸方向に複数枚積層した第１の回転子コアブロックと、図１２に示す第２の回転子コアを軸方向に複数枚積層した第２の回転子コアブロックとを軸方向に積層して構成された回転子コアの斜視図である。図１８は図１７に示す回転子コアの側面図である。

本実施の形態に係る回転子２０の回転子コア５は、回転子コア５の軸方向に積層された第１の回転子コア５−１および第２の回転子コア５−２を有する。図１１には第１の回転子コア５−１の断面図が示され、図１２には第２の回転子コア５−２の断面図が示される。以下では図９に示す回転子２０Ｂとの相違点を説明し、回転子２０Ｂと同一の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

第１の回転子コア５−１は、周方向に配列された５個の第１の挿入孔である磁石挿入孔１Ｃと、磁石挿入孔１Ｃの径方向外側と第１の回転子コア５−１の外周面５１との間のコア部に形成されたカシメ８とを有する。そして、第１の回転子コア５−１の磁石挿入孔１Ｃは、永久磁石１Ｂが挿入される矩形状の第１の領域３ＣＡと、永久磁石１Ｂが挿入されない２つの第２の領域３ＣＢとで構成され、第２の領域３ＣＢは、第１の領域３ＣＡの長手方向の両端に１カ所ずつ形成されている。第２の領域３ＣＢは、第１の領域３ＣＡに挿入された永久磁石１Ｂに対して漏れ磁束を抑制するフラックスバリアの働きを有しており、第１の回転子コア５−１の外周面５１の磁束密度分布を正弦波に近づけ、隣接する磁石挿入孔１Ｃに挿入されている永久磁石１Ｂの磁束を第１の回転子コア５−１を介して短絡させる働きを有している。

第１の回転子コア５−１の磁石挿入孔１Ｃの２つの第２の領域３ＣＢのうち、一方の第２の領域３ＣＢ１は、回転子コア５の外周面５１に開口し、他方の第１の回転子コア５−１の第２の領域３ＣＢ２は、回転子コア５の外周面５１に開口せず、周方向に閉塞している。第２の領域３ＣＢ１は回転子コア５の外周面５１に開口することで、閉塞している第２の領域３ＣＢ２に比べ磁気抵抗が大きいため、第２の領域が２つとも閉塞している回転子コアに比べ漏洩磁束を小さくすることができる。

第２の回転子コア５−２は、第１の回転子コア５−１と同様に、周方向に配列された５個の第２の挿入孔である磁石挿入孔１Ｄと、磁石挿入孔１Ｄの径方向外側と第２の回転子コア５−２の外周面５１との間のコア部に形成されたカシメ８とを有する。第２の回転子コア５−２の磁石挿入孔１Ｄは、永久磁石１Ｂが挿入される矩形状の第１の領域３ＤＡと、永久磁石１Ｂが挿入されない２つの第２の領域３ＤＢとで構成され、第２の領域３ＤＢは、第１の領域３ＤＡの長手方向の両端に１カ所ずつ形成されている。第２の領域３ＤＢは、第１の領域３ＤＡに挿入された永久磁石１Ｂに対して漏れ磁束を抑制するフラックスバリアの働きを有しており、第２の回転子コア５−２の外周面５１の磁束密度分布を正弦波に近づけ、隣接する磁石挿入孔１Ｄに挿入されている永久磁石１Ｂの磁束を第２の回転子コア５−２を介して短絡させる働きを有している。

第２の回転子コア５−２の磁石挿入孔１Ｄの２つの第２の領域３ＤＢのうち、一方の第２の領域３ＤＢ１は、回転子コア５の外周面５１に開口せず、周方向に閉塞し、他方の第２の領域３ＤＢ２は、回転子コア５の外周面５１に開口せず、周方向に閉塞している。第２の領域３ＤＢ１は回転子コア５の外周面５１に開口することで、閉塞している第２の領域３ＤＢ２に比べ磁気抵抗が大きいため、第２の領域が２つとも閉塞している回転子コアに比べ漏洩磁束を小さくすることができる。

図１３および図１４に示す回転子コア５は、第１の回転子コア５−１と第２の回転子コア５−２とが交互に軸方向に積層して構成されている。図１５および図１６に示す回転子コア５は、図１１に示す第１の回転子コア５−１を軸方向に複数枚積層した第１の回転子コアブロック５−１１と、図１２に示す第２の回転子コア５−２を軸方向に複数枚積層した第２の回転子コアブロック５−２１とを交互に軸方向に積層して構成されている。図１７および図１８に示す回転子コア５は、第１の回転子コアブロック５−１１と第２の回転子コアブロック５−２１とを軸方向に積層して構成されている。

本実施の形態に係る回転子コア５では、図１０および図１１に示す永久磁石１Ｂの両側に存在する２つのブリッジ５Ｂ１の内、片側のブリッジ５Ｂ１が省かれるため、回転子コア５は、図９に示す回転子コア５に比べて磁気抵抗が大きくなる。

ここで永久磁石１Ｂの両側を開口した場合、永久磁石１Ｂの径方向外側を支えることができず、永久磁石１Ｂを保持できなくなるため、接着剤を含む固定部品が必要となる。固定部品を用いることにより磁石挿入孔の一方が開口されている場合でも、磁石挿入孔の他方側に残されたブリッジが永久磁石１Ｂの保持部として機能する。

しかしながら、回転子２０の回転速度が速くなるに従い、遠心力のモーメントが大きくなるため、片側のブリッジだけでは当該モーメントに対する強度が不足する。本実施の形態に係る回転子コア５は、この強度不足を解消するため、磁石挿入孔の一方が開口された第１の回転子コア５−１と磁石挿入孔の他方が開口された第２の回転子コア５−２とを交互に積み重ねている。すなわち、第１の回転子コア５−１の外周において磁石挿入孔の開口が形成された範囲を第１の外周位置とし、第１の回転子コア５−１に重なる第２の回転子コア５−２の外周において、第１の外周位置と重なる範囲を第２の外周位置とした場合、第２の外周位置には開口が形成されていない。よって、第１の回転子コア５−１と第２の回転子コア５−２とで開口範囲が重ならない位置が存在するため、強度不足を解消することができる。

また本実施の形態に係る回転子コア５は、軸方向に積層される複数のコアを相互に締結するカシメ８を設けることで、複数のコア部９が一体になり、回転による遠心力を永久磁石１Ｂの外側に保持することができる。

第１の回転子コア５−１および第２の回転子コア５−２のそれぞれの積層数は、１つでもよいし複数枚でもよく、回転子コア５に要求される強度および回転子コア５の生産性により適宜決定される。

またカシメ８を設けても強度不足になる場合、本実施の形態に係る回転子コア５は、回転子コア５の軸方向に、第１の回転子コア５−１と第２の回転子コア５−２と開口を有さない１枚または複数枚の第３のコアとを積層して構成される。この構成により強度が増加するが、第３のコアの比率が多くなるほど漏れ磁束が増加するため、遠心力耐力と漏れ磁束の影響とを考慮して、第３のコアの挿入枚数が決定される。

回転子コア５の外周面５１は花丸形状をしているが、この形状により電動機の組立がし難くなる。また花丸形状では、回転子を固定子に精度よく入れるための治具構造が複雑になる。また固定子と回転子との間の隙間をギャップゲージでチェックする際、固定子コアのスロットオープンと花丸形状の出っ張り部と引っ込み部とがどのように対向するかでエアギャップが変わるため、回転子の位置を変えながらチェックしていかなければならない。従って生産上は回転子の外径は真円に近い方が好ましい。

そこで本実施の形態に係る回転子コア５は、回転子コア５の外周面５１の内、花丸の凹み部分を樹脂で覆い、磁石挿入孔の第２の領域を樹脂で覆い、さらに磁石挿入孔の第２の領域の開口部を樹脂で覆う構成とする。

図１９は図１３、図１５または図１７に示す回転子コアに樹脂を施した状態を示す図である。図２０は図１９に示す回転子コアの部分拡大図である。図１９および図２０に示すように回転子コア５は、その外周面７１の内、第１の磁極部６０と第２の磁極部６１との間の極間６４が樹脂７２で覆われ、磁石挿入孔の第２の領域３ＣＢ２が樹脂７２で覆われている。また第２の領域３ＣＢ１が樹脂７２で覆われている。なお図示を省略しているが、図１２に示す第２の領域３ＤＢ２は樹脂７２で覆われ、第２の領域３ＤＢ１は樹脂７２で覆われる。

これにより電動機の組立が容易になり、また回転子の回転による遠心力に対する強度も向上する。また永久磁石が磁石挿入孔内で、固定子電流により動いてしまうことも防止できる。永久磁石が磁石挿入孔内で動くと、永久磁石が磁石挿入孔の壁に衝突する音が発生し、また永久磁石の位置が変わることにより磁気バランスが変わり回転子の振動および騒音が発生するが、それを防止できる。また樹脂で覆われた回転子コアの外周面は円形状である。これにより電動機の組立がし易くなり、生産効率が向上する。

実施の形態２．
図２１は実施の形態２に係る空気調和機の構成の一例を示す図である。空気調和機３００は、室内機３１０と、室内機３１０に接続される室外機３２０とを備える。室内機３１０には図示しない室内機用送風機が搭載され、室外機３２０には室外機用送風機３３０が搭載されている。また、室外機３２０には図示しない圧縮機が搭載されている。これらの送風機および圧縮機には、実施の形態１に係る電動機１００が使用されている。

このように、空気調和機３００の送風機および圧縮機の駆動源として実施の形態１に係る電動機１００を用いることにより、空気調和機３００の低コスト化、低振動化および低騒音化を図ることができる。

なお実施の形態１に係る電動機１００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。

１Ａ，１Ｂ 永久磁石、２Ａ，２Ｂ，１Ｃ，１Ｄ 磁石挿入孔、３Ａ，３ＣＡ，３ＤＡ 第１の領域、３Ｂ，３Ｂ１，３Ｂ２，３ＣＢ，３ＣＢ１，３ＣＢ２，３ＤＢ，３ＤＢ１，３ＤＢ２ 第２の領域、４Ａ１，４Ａ２，５Ｂ１，５Ｂ２ ブリッジ、５，５Ａ，５Ｂ 回転子コア、５−１ 第１の回転子コア、５−１１ 第１の回転子コアブロック、５−２ 第２の回転子コア、５−２１ 第２の回転子コアブロック、６ 回転軸、７ シャフト挿入孔、８ カシメ、９ コア部、１０ モールド固定子、１０−１，４１−１ 外周部、１０−２，１０ａ，４１−２ 内周部、１０ｂ，１１，３０ａ 軸受支持部、２０，２０Ａ，２０Ｂ 回転子、２１ａ 負荷側転がり軸受、２１ｂ 反負荷側転がり軸受、２３ シャフト、２４ 樹脂部、２６，２６−１ 絶縁スリーブ、２７ シャフト組立、３０ ブラケット、３０ｂ 圧入部、４０ 固定子、４１ 固定子コア、４２ コイル、４３ 絶縁部、４４ｂ 中性点端子、４５ 基板、４６ リード線口出し部品、４７ リード線、４９ｂ ホールＩＣ、５０ モールド樹脂、５１ 外周面、６０ 第１の磁極部、６１ 第２の磁極部、６２，６３ 極中心、６４ 極間、７１ 外周面、１００ 電動機、３００ 空気調和機、３１０ 室内機、３２０ 室外機、３３０ 室外機用送風機、４００ 分割コア部、４０１ バックヨーク、４０２ ティース、４０３ 薄肉部、４０４ 分割面、４０５ 孔、４０６ スロット。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るコンシクエントポール型の回転子は、第１の挿入孔を有する第１の回転子コアと、第２の挿入孔を有し、第１の回転子コアに積層されることで、第１の挿入孔と第２の挿入孔がともに永久磁石を収納する空間を形成する第２の回転子コアと、を有し、第１の挿入孔は、第１の回転子コアの第１の外周位置において開口を有し、第２の挿入孔は、少なくとも第２の回転子コアの第２の外周位置において閉塞しており、第２の外周位置は第１の外周位置に対応し、第１の回転子コアを軸方向に複数枚積層した第１の回転子コアブロックと、第２の回転子コアを軸方向に複数枚積層した第２の回転子コアブロックとが交互に軸方向に積層して構成されている。

Claims (7)

1. 第１の挿入孔を有する第１の回転子コアと、
   第２の挿入孔を有し、前記第１の回転子コアに積層されることで、前記第１の挿入孔と前記第２の挿入孔がともに永久磁石を収納する空間を形成する第２の回転子コアと、
   を有し、
   前記第１の挿入孔は、前記第１の回転子コアの第１の外周位置において開口を有し、
   前記第２の挿入孔は、少なくとも前記第２の回転子コアの第２の外周位置において閉塞しており、
   前記第２の外周位置は前記第１の外周位置に対応しているコンシクエントポール型の回転子。
2. 前記第１の回転子コアおよび第２の回転子コアは、前記永久磁石の径方向外側と、前記第１の回転子コアおよび第２の回転子コアの外周面との間のコア部に形成されるカシメを備える請求項１に記載のコンシクエントポール型の回転子。
3. 前記開口する部分、前記第１の挿入孔および前記第２の挿入孔は樹脂で覆われる請求項１または請求項２に記載のコンシクエントポール型の回転子。
4. 樹脂で覆われた前記第１の回転子コアおよび第２の回転子コアの外周面は円形状である請求項１から請求項３の何れか一項に記載のコンシクエントポール型の回転子。
5. 前記第１の回転子コアおよび第２の回転子コアは、前記第１の回転子コアおよび第２の回転子コアの軸方向に前記第１の回転子コアと前記第２の回転子コアと前記開口する部分を有さない第３のコアとを積層して構成される請求項１から請求項４の何れか一項に記載のコンシクエントポール型の回転子。
6. 請求項１から請求項５の何れか一項に記載のコンシクエントポール型の回転子と固定子とを備える電動機。
7. 請求項６に記載の電動機を備えた空気調和機。

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