JPWO2018011850A1 - ロータ、電動機、送風機、圧縮機および空気調和装置 - Google Patents

ロータ、電動機、送風機、圧縮機および空気調和装置 Download PDF

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Abstract

ロータは、軸線を中心とする円筒状の外周面を有し、軸線の方向の両端部である第1の端部と第2の端部とを有するロータコアと、ロータコアの第1の端部を含む領域に配置された第1の永久磁石と、ロータコアの第2の端部を含む領域に配置された第2の永久磁石とを備える。第1の永久磁石は、軸線から第1の永久磁石までの距離が、軸線の方向に沿って第1の端部に近づくほど増加するように傾斜している。第2の永久磁石は、軸線から当該第2の永久磁石までの距離が、軸線の方向に沿って第2の端部に近づくほど増加するように傾斜している。

Description

本発明は、ロータ、電動機、送風機、圧縮機および空気調和装置に関する。
近年、エネルギー消費量の低減のため、電動機の高効率化が求められている。そのため、インナーロータ型の電動機では、ロータの軸方向長さをステータの軸方向長さよりも長くしたものが提案されている(例えば、特許文献1参照)。ロータの軸方向長さを長くすることで、ロータに搭載する永久磁石を大きくすることができるため、より大きな磁力が得られる(例えば、特許文献1,2参照)。
特開2008−252968号公報(図2参照) 特開2014−204599号公報(図9参照)
しかしながら、この場合、永久磁石の軸方向端部からの磁束の一部がステータに入らずに漏れ磁束となり、有効磁束が減少するという問題がある。漏れ磁束は、電動機の高効率化の妨げになる。
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、漏れ磁束を抑制することにより電動機のエネルギー効率を向上することを目的とする。
本発明のロータは、軸線を中心とする円筒状の外周面を有し、軸線の方向の両端部である第1の端部と第2の端部とを有するロータコアと、ロータコアの第1の端部を含む領域に配置された第1の永久磁石と、ロータコアの第2の端部を含む領域に配置された第2の永久磁石とを備える。第1の永久磁石は、軸線から当該第1の永久磁石までの距離が、軸線の方向に沿って第1の端部に近づくほど増加するように傾斜している。第2の永久磁石は、軸線から当該第2の永久磁石までの距離が、軸線の方向に沿って第2の端部に近づくほど増加するように傾斜している。
本発明では、第1の永久磁石および第2の永久磁石が傾斜しているため、ロータコアの軸方向長さをステータコアの軸方向長さよりも長くした場合であっても、各永久磁石の端部からの磁束がステータに入り易くなり、その結果、漏れ磁束を抑制し、電動機のエネルギー効率を向上することができる。
実施の形態1の電動機を示す断面図である。 実施の形態1の電動機を示す側面図である。 実施の形態1の電動機を示す側断面図である。 実施の形態1のロータにおける第1の永久磁石および第2の永久磁石の配置を示す模式図である。 比較例のロータにおける永久磁石の配置を示す模式図である。 実施の形態1の第1の永久磁石および第2の永久磁石からの磁束の流れを説明するための模式図である。 実施の形態1のロータコア、ステータコア、第1の永久磁石および第2の永久磁石の配置を示す模式図である。 実施の形態1の渦電流損の抑制効果を説明するための模式図(A)、(B)である。 実施の形態1の渦電流損の抑制効果を説明するための模式図である。 実施の形態1のロータにおける第1の永久磁石および第2の永久磁石の配置を示す模式図(A)、(B)である。 実施の形態1のロータコアの構成例を示す模式図(A)、(B)である。 実施の形態1のロータの一構成例を示す模式図である。 実施の形態2のロータにおける第1の永久磁石、第2の永久磁石および第3の永久磁石の配置を示す模式図である。 実施の形態2の第1の永久磁石、第2の永久磁石および第3の永久磁石からの磁束の流れを説明するための模式図である。 実施の形態2のロータにおける第1の永久磁石、第2の永久磁石および第3の永久磁石の配置を示す模式図である。 実施の形態2のロータの一構成例を示す模式図である。 図16に示したロータの第1の永久磁石、第2の永久磁石および第3の永久磁石からの磁束の流れを説明するための模式図である。 実施の形態1の変形例の構成を示す模式図である。 各実施の形態の電動機を適用した送風機を備えた空気調和装置を示す図である。 各実施の形態の電動機を適用した圧縮機を示す図である。
以下、図面に沿って本発明の実施の形態について説明する。
実施の形態1.
図1は、実施の形態1の電動機100を示す断面図である。図1に示す電動機100は、ステータ5と、ステータ5の内側に回転可能に設けられたロータ1とを備えている。ステータ5とロータ1との間には、エアギャップ16が設けられている。
ロータ1は、複数の磁石挿入孔11を備えたロータコア10と、それぞれの磁石挿入孔11に配置された永久磁石2とを有している。ロータコア10は、回転中心である軸線CLを中心とする円筒状の外周面を有している。ロータコア10の径方向の中心には、シャフト孔15が形成されている。シャフト孔15には、回転軸であるシャフト4が圧入によって固定されている。
以下では、ロータコア10の外周(円周)に沿った方向を、「周方向」と称する。また、ロータコア10の軸方向(すなわち軸線CLの方向)を、「軸方向」と称する。また、ロータコア10の半径方向を、「径方向」と称する。
磁石挿入孔11は、ロータコア10を軸方向に貫通している。また、磁石挿入孔11は、ロータコア10の周方向に等間隔に複数(ここでは6個)形成されている。磁石挿入孔11は、軸方向に直交する面内において、直線状に延在する溝である。磁石挿入孔11は、ロータコア10の外周面にできるだけ近い位置に配置されている。
磁石挿入孔11の内部には、永久磁石2が配置されている。永久磁石2はロータ1の磁極を構成しており、周方向における永久磁石2の数はロータ1の極数と同じである。すなわち、ここででは、ロータ1の極数は6極である。但し、ロータ1の極数は6極に限定されるものではなく、2極以上であればよい。
永久磁石2は、ネオジウム(Nd)、鉄(Fe)およびボロン(B)を主成分とする希土類磁石、または酸化鉄を主成分とするフェライト焼結磁石で構成される。希土類焼結磁石は、残留磁束密度および保磁力が高いため、電動機100の高効率化と減磁耐力の向上を実現することができる。フェライト焼結磁石は保磁力が高く、また供給が安定しているため、電動機100の製造コストの低減と減磁耐力の向上を実現することができる。
永久磁石2は、ロータコア10の径方向外側と径方向内側とで異なる磁極を有するように着磁されている。また、周方向に隣り合う永久磁石2は、着磁方向が逆になっている。例えば、ある永久磁石2が、径方向外側がN極で径方向内側がS極となるように着磁されている場合、周方向に隣接する永久磁石2は、径方向外側がS極で径方向内側がN極となるように着磁されている。
磁石挿入孔11の周方向の両端には、フラックスバリア14がそれぞれ形成されている。フラックスバリア14は、磁石挿入孔11の周方向端部からロータコア10の外周に向けて径方向に延在する空隙である。フラックスバリア14は、隣り合う磁極間の漏れ磁束(すなわち極間を通って流れる磁束)を抑制するために設けられる。
ステータ5は、ステータコア50と、ステータコア50に巻回された巻線6とを備えている。ステータコア50は、例えば厚さ0.1〜0.7mmの電磁鋼板を軸方向に積層し、カシメ等により締結したものである。
ステータコア50は、円環状のヨーク部51と、ヨーク部51から径方向内側に突出する複数(ここでは18個)のティース52とを有している。ステータコア50のティース52には、巻線6が巻回される。周方向に隣り合うティース52の間には、巻線6を収容するためのスロット53が形成される。
巻線6の巻き方は、複数のティース52に跨って巻回される分布巻であってもよく、あるいは、1つのティース52毎に巻回される集中巻であってもよい。なお、図1では、1つの磁石挿入孔11に3つのスロット53が対向しているが、このような構成に限定されるものではない。
図2および図3は、電動機100の側面図および側断面図である。図2に示すように、電動機100は、ロータ1の軸方向(矢印Aで示す)の長さが、ステータ5の軸方向の長さよりも長く構成されている。すなわち、電動機100は、ロータ1がオーバーハングされた構成を有している。このように構成すれば、ロータ1に取り付ける永久磁石2を軸方向に大きくすることができるため、より大きな磁力を得ることができる。
一方、図3に示すように、永久磁石2の軸方向端部は、ステータ5よりも軸方向外側に突出する。そのため、永久磁石2の軸方向端部から出た磁束の一部が、ステータ5に入らずに漏れ磁束となる。漏れ磁束が発生すると、駆動力の発生に寄与する有効磁束が減少する。そのため、電動機100の高効率化(すなわちエネルギー効率の向上)のためには漏れ磁束を低減する必要がある。
そこで、この実施の形態1では、永久磁石2を第1の永久磁石21と第2の永久磁石22とに軸方向に2分割し、第1の永久磁石21および第2の永久磁石22をロータ1の軸方向(軸線CL)に対して傾斜して配置している。第1の永久磁石21および第2の永久磁石22は、いずれも、ロータコア10の軸方向端部に近づくほど軸線CLからの距離が増加する(すなわちロータ1の外周面までの距離が減少する)ように傾斜している。
図4は、ロータ1における第1の永久磁石21および第2の永久磁石22の配置を示す図である。なお、図4は、ロータ1のうち軸線CLを中心とした角度60度の範囲を示している。また、永久磁石21,22は実線で示されている。ロータコア10は、軸方向の一端部である第1の端部10aと、他端部である第2の端部10bとを有している。
第1の永久磁石21および第2の永久磁石22は、いずれも平板形状を有している。第1の永久磁石21は、ロータコア10の第1の端部10aを含む領域に配置されている。また、第1の永久磁石21は、軸線CLから第1の永久磁石21までの距離が、ロータコア10の軸方向(軸線CLの方向)に沿って第1の端部10aに近づくほど増加するように傾斜している。
第2の永久磁石22は、ロータコア10の第2の端部10bを含む領域に配置されている。また、第2の永久磁石22は、軸線CLから第2の永久磁石22までの距離が、ロータコア10の軸方向に沿って第2の端部10bに近づくほど増加するように傾斜している。
第1の永久磁石21と第2の永久磁石22との境界23は、ロータコア10の軸方向中央部に位置している。この第1の永久磁石21と第2の永久磁石22との境界23には、絶縁層を設けることが望ましい。また、第1の永久磁石21と第2の永久磁石22とを離間させてもよい。
ロータコア10の磁石挿入孔11は、第1の永久磁石21を配置する第1の磁石挿入孔101と、第2の永久磁石22を配置する第2の磁石挿入孔102とに2分割されている。第1の磁石挿入孔101は、ロータコア10の第1の端部10aを含む領域に配置されている。また、第1の磁石挿入孔101は、軸線CLから第1の磁石挿入孔101までの距離が、ロータコア10の軸方向に沿って第1の端部10aに近づくほど増加するように傾斜している。
第2の磁石挿入孔102は、ロータコア10の第2の端部10bを含む領域に配置されている。また、第2の磁石挿入孔102は、軸線CLから第2の磁石挿入孔102までの距離が、ロータコア10の軸方向に沿って第2の端部10bに近づくほど増加するように傾斜している。第1の磁石挿入孔101と第2の磁石挿入孔102とは、ロータコア10の軸方向の中央部で連続している。
第1の磁石挿入孔101は、第1の永久磁石21の周方向両側にフラックスバリア14(図1)をそれぞれ有し、各フラックスバリア14はロータコア10の外周面に向けて径方向外側に延在している。同様に、第2の磁石挿入孔102は、第2の永久磁石22の周方向両側にフラックスバリア14をそれぞれ有し、各フラックスバリア14はロータコア10の外周面に向けて径方向外側に延在している。
フラックスバリア14は、図4に示すように、ロータコア10の軸方向中央部に近づくほど長さが長くなるように形成されている。但し、このような構成に限らず、ロータコア10の軸方向の全域において、フラックスバリア14が一定の長さを有していてもよい。
第1の永久磁石21は、ロータコア10の第1の端部10aにおける周方向長さW1が、ロータコア10の軸方向中央部における周方向長さW0よりも長い、台形形状を有している。同様に、第2の永久磁石22は、ロータコア10の第2の端部10bにおける周方向長さW2が、ロータコア10の軸方向中央部における周方向長さW0よりも長い、台形形状を有している。
但し、第1の永久磁石21および第2の永久磁石22は、台形形状に限定されるものではなく、長方形形状であってもよい。すなわち、第1の永久磁石21は、第1の端部10aにおける周方向長さW1と軸方向中央部における周方向長さW0とが同じでもよい。同様に、第2の永久磁石22は、第2の端部10bにおける周方向長さW2と軸方向中央部における周方向長さW0とが同じでもよい。
図5は、比較例のロータにおける永久磁石2Dの配置を示す図である。図5では、説明の便宜上、実施の形態1と同一の符号を用いている。比較例のロータは、軸方向に分割されていない1枚の平板状の永久磁石2Dを有している。永久磁石2Dは、ロータの軸方向に対して平行に延在している。
図6は、第1の永久磁石21および第2の永久磁石22からの磁束の流れを説明するための模式図である。第1の永久磁石21および第2の永久磁石22は、それぞれの軸方向端部が、ステータコア50の軸方向の端部50a,50bよりも軸方向外側に突出している。さらに、第1の永久磁石21および第2の永久磁石22は、ロータコア10の軸方向(軸線CLの方向)に対してそれぞれ傾き角度θだけ傾斜している。
第1の永久磁石21の傾斜の方向は、上記の通り、軸線CLから第1の永久磁石21までの距離が、ロータコア10の軸方向に沿って第1の端部10aに近づくほど増加する方向である。第2の永久磁石22の傾斜の方向は、上記の通り、軸線CLから第2の永久磁石22までの距離が、ロータコア10の軸方向に沿って第2の端部10bに近づくほど増加する方向である。
第1の永久磁石21および第2の永久磁石22の磁化方向は、いずれも厚さ方向である。そのため、第1の永久磁石21および第2の永久磁石22のそれぞれの表面から、各表面に垂直な方向に磁束が出る。第1の永久磁石21および第2の永久磁石22が上記のように傾斜しているため、第1の永久磁石21および第2の永久磁石22の各端部から出た磁束は、ステータコア50の内周面50cに入り易い。そのため、漏れ磁束が抑制され、有効磁束が増加する。
第1の永久磁石21および第2の永久磁石22の傾き角度θは、0よりも大きければ効果があるが、傾き角度θが大きすぎると、ロータコア10の軸方向中央部において、第1の永久磁石21および第2の永久磁石22からステータコア50の内周面50cまでの距離が遠くなるため、ステータコア50に入る有効磁束が減少する可能性がある。
そのため、第1の永久磁石21および第2の永久磁石22の軸方向(軸線CLの方向)に対する傾き角度θの好ましい範囲を、以下の式(1)で表される範囲とする。
Figure 2018011850
図7に示すように、gはロータコア10とステータコア50との隙間である。hは、ロータコア10の外周面から第1の永久磁石21および第2の永久磁石22までの最小距離である。Zはロータコア10の軸方向長さ(積層厚さ)であり、Zはステータコア50の軸方向長さ(積層厚さ)である。ΔZは、ロータコア10の軸方向長さZとステータコア50の軸方向長さZとの差を2で除した値(Z−Z)/2である。
式(1)における傾き角度θの上限を、θmaxと表す。この上限θmaxは、以下のようにして求める。図7に示すように、第1の永久磁石21および第2の永久磁石22の各端部から出て、ステータコア50の内周面50cの両端部50d,50eに入る磁束のベクトルを考えると、以下の式(2)が得られる。
Figure 2018011850
また、三角関数の対称性から、以下の式(3)の関係が成立する。
Figure 2018011850
式(3)を式(2)に当てはめると、以下の式(4)が得られ、さらに式(5)が得られる。
Figure 2018011850
Figure 2018011850
この式(5)から、第1の永久磁石21および第2の永久磁石22のロータコア10の軸方向に対する角度θの上限θmaxが求められる。
傾き角度θが大きいと、第1の永久磁石21および第2の永久磁石22から出た磁束のうち、ステータコア50の内周面50cに入る磁束が増加し、従って有効磁束が増加する。但し、傾き角度θが上限θmaxを超えると、有効磁束の増加は横ばいとなり、その一方で、傾き角度θが大きくなるほど、第1の永久磁石21および第2の永久磁石22のステータコア50からの離間量が大きくなるため、有効磁束が減少する可能性がある。
そのため、第1の永久磁石21および第2の永久磁石22の軸方向に対する傾き角度θは、上限θmax以下であること、すなわち上記の式(1)の範囲内にあることが望ましい。
次に、永久磁石2を第1の永久磁石21と第2の永久磁石22とに分割することによる渦電流損の抑制作用について説明する。図8(A)は、比較例(図5)の永久磁石2Dの平面形状を示す模式図であり、図8(B)は、実施の形態1の永久磁石2(第1の永久磁石21および第2の永久磁石22)の平面形状を示す模式図である。
永久磁石2を希土類焼結磁石で構成する場合、ロータコア10とステータコア50とのギャップ16で生じる空間高調波によって、永久磁石2の内部に渦電流(図8に矢印ECで示す)が発生することが知られている。希土類焼結磁石は電気抵抗を有するため、渦電流が発生すると渦電流損が生じ、電動機100の効率が低下する。また、渦電流損は熱に変換されるため永久磁石2の熱減磁の原因となる。
図8(B)に示すように永久磁石2を軸方向に2つに分割することで、図8(A)に示すように分割されていない永久磁石2Dと比較して、渦電流の流れる経路が永久磁石2全体で長くなる。そのため、電気抵抗が増加し、渦電流を低減することができる。
図9は、分割されていない永久磁石2D(図8(A))および分割された永久磁石2(図8(B))の渦電流損のシミュレーション結果を示すグラフである。図9から、永久磁石2を軸方向に2つに分割することによって、渦電流損が低減されることが分かる。
なお、永久磁石2がフェライト焼結磁石で構成されている場合には、酸化鉄が主成分であるため電気抵抗が高く、渦電流損は小さい。
次に、第1の永久磁石21および第2の永久磁石22の寸法について説明する。第1の永久磁石21および第2の永久磁石22を軸方向に対して傾斜して配置する場合、周方向に隣り合う第1の永久磁石21同士および第2の永久磁石22同士が干渉しないようにする必要がある。ここでは、第1の永久磁石21および第2の永久磁石22がいずれも長方形形状を有している場合、すなわち図4に示した幅W1,W2と幅W0とが等しい場合について説明する。
図10(A)および(B)は、ロータ1において1つの永久磁石2が配置された領域を示す平面図および断面図である。永久磁石2(第1の永久磁石21および第2の永久磁石22)の軸方向の長さをZとし、幅(周方向長さ)をWとし、厚さをtとする。
まず、第1の永久磁石21および第2の永久磁石22をいずれも軸方向に平行に配置したと仮定すると、これらを合わせた平板状の永久磁石の体積は、以下の式(6)で表される。
Figure 2018011850
次に、第1の永久磁石21および第2の永久磁石22を軸方向に対して傾き角度θをなすように配置し、なお且つ周方向に隣接する第1の永久磁石21同士および第2の永久磁石22同士が干渉しないよう、幅WをΔWだけ短縮したものとする。この場合、第1の永久磁石21および第2の永久磁石22を合わせた体積は、以下の式(7)で表される。
Figure 2018011850
また、ロータコア10において、1つの永久磁石(第1永久磁石21および第2の永久磁石22)が配置される領域の軸線CLを中心とする角度範囲を2δとすると、短縮幅ΔWは、以下の式(8)で表すことができる。
Figure 2018011850
ここで、Δyは、図10(B)に示すように、第1の永久磁石21および第2の永久磁石22の傾き量であり、以下の式(9)で表される。
Figure 2018011850
式(9)を式(8)に代入し、得られたΔWを式(7)に代入し、δ=30度とすると、以下の式(10)が得られる。
Figure 2018011850
ここでは、第1の永久磁石21および第2の永久磁石22の傾き角度θに応じて、式(6)の体積Vと式(10)の体積Vとが同じになるように、永久磁石2(第1の永久磁石21および第2の永久磁石22)の長さZおよび幅Wを決定する。
第1の永久磁石21および第2の永久磁石22を軸方向と平行に配置した場合と同じ体積であれば(V=V)、厚さtは共通であるため、ステータコア50に対向する表面の面積も同じとなり、従って十分な有効磁束が得られる。これにより、第1の永久磁石21および第2の永久磁石22を効率よく配置することができる。
次に、ロータコア10の構成について説明する。図11(A)および(B)は、ロータコア10の断面形状を示す模式図である。図11(A)に示すように、ロータコア10は、例えば厚さ0.1〜0.7mmの電磁鋼板7を打ち抜き、軸方向に積層してカシメ等により締結することによって形成することができる。
電磁鋼板7を打ち抜く際には、それぞれの電磁鋼板7の磁石挿入孔71の位置を径方向にずらしながら打ち抜きを行う。このような打ち抜きは、例えばスライドプレスによって行うことができる。ロータコア10の軸方向端部に近い電磁鋼板7では、磁石挿入孔71を外周に近い位置に形成し、軸方向中央部に近い電磁鋼板7では、磁石挿入孔71を外周から離れた位置に形成する。これにより、ロータコア10に、軸方向に対して傾斜した磁石挿入孔71を形成することができる。
また、図11(B)に示すように、ロータコア10を、圧粉磁心8によって形成してもよい。圧粉磁心8は、粉末状の磁性材料をプレス成形することによって形成される。圧粉磁心8は、電磁鋼板の積層体よりも透磁率が低いが、渦電流が発生しにくいという特性を有するため、渦電流損を大幅に低減することができる。
また、圧粉磁心8は、プレス成形で形成されるため、軸方向に対して傾斜した磁石挿入孔11の形成が比較的容易である。例えば、プレス成形用の金型に磁石挿入孔81に対応する形状部分を設けることにより、磁石挿入孔81を形成することができる。
また、図12に示すように、ロータコア10において磁石挿入孔11の径方向外側に、スリット18を設けてもよい。ここでは、一対のスリット18が、磁石挿入孔11の周方向両端部に形成された2つのフラックスバリア14に対し、周方向に隣接した位置に配置される。スリット18は、永久磁石2の磁束が極間を超えて隣接する永久磁石2に流れること(すなわち、隣り合う磁極間の漏れ磁束)を抑制する作用を奏する。
以上説明したように、本発明の実施の形態1のロータ1は、ロータコア10の第1の端部10aを含む領域に配置された第1の永久磁石21と、第2の端部10bを含む領域に配置された第2の永久磁石22とを備える。さらに、第1の永久磁石21および第2の永久磁石22は、軸線CLからの距離が、ロータコア10の軸方向端部に近づくほど増加するように傾斜している。そのため、ロータコア10の軸方向長さをステータコア50よりも長くした場合であっても、第1の永久磁石21および第2の永久磁石22の各端部から出た磁束がステータコア50に入り易くなる。その結果、漏れ磁束を抑制し、電動機100のエネルギー効率を向上することができる。
また、第1の永久磁石21および第2の永久磁石22が、ネオジウム、鉄、ボロンおよびディスプロシウムを含有する希土類磁石、または酸化鉄を含有するフェライト焼結磁石で構成されているため、これらの高い保磁力により、電動機100の運転時に作用する反磁界および熱に対して、第1の永久磁石21および第2の永久磁石22の減磁が抑制される。すなわち、安価で減磁耐性の優れた電動機100を得ることができる。
また、第1の永久磁石21および第2の永久磁石22は、いずれも台形形状(周方向長さがロータコア10の軸方向端部よりも中央部で短い形状)を有しているため、できるだけ周方向長さが長い第1の永久磁石21および第2の永久磁石22を、周方向に干渉し合わないようにそれぞれ複数配置することができる。
また、ロータコア10を圧粉磁心8で構成することにより、渦電流損を低減することができ、また、傾斜した磁石挿入孔11を容易に形成することができる。
また、ロータコア10を積層した電磁鋼板7で構成することにより、電磁鋼板7の高い透磁率によって電動機100の高効率化を図ることができる。また、各電磁鋼板7に形成する磁石挿入孔71の位置を少しずつずらすことによって、傾斜した磁石挿入孔11を形成することができる。
また、第1の磁石挿入孔101および第2の磁石挿入孔102が、第1の永久磁石21および第2の永久磁石22のそれぞれ周方向両側にフラックスバリア14(空隙)を有するため、ロータ1において周方向に隣り合う磁極間の漏れ磁束を抑制することができる。
また、第1の永久磁石21と第2の永久磁石22との境界23が、ロータコア10の軸方向中央部に位置しているため、第1の永久磁石21および第2の永久磁石22を配置する磁石挿入孔11が、ロータコア10の軸方向中央部を頂点とするV字形状となる。そのため、第1の永久磁石21および第2の永久磁石22を磁石挿入孔11に装着し易い。
また、ロータコア10の軸方向長さがステータコア50の軸方向長さよりも長いため、第1の永久磁石21および第2の永久磁石22の軸方向長さを長くし、第1の永久磁石21および第2の永久磁石22の磁力を増加させることができる。
また、第1の永久磁石21および第2の永久磁石22の軸方向(軸線CLの方向)に対する傾き角度θが上述した式(1)の範囲内にあるため、第1の永久磁石21および第2の永久磁石22からステータコア50までの距離の増加を抑制し、ステータコア50に入る有効磁束を増加させることができる。
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。実施の形態2では、ロータ1Aに配置される永久磁石2Aが、第1の永久磁石201および第2の永久磁石202に加え、さらに第3の永久磁石203を有している。
図13は、実施の形態2のロータ1Aにおける第1の永久磁石201、第2の永久磁石202および第3の永久磁石203の配置を示す図である。なお、図13は、ロータ1Aのうち、軸線CLを中心とした角度60度の範囲を示している。また、永久磁石2A(第1の永久磁石201、第2の永久磁石202および第3の永久磁石203)は実線で示している。ロータ1Aのロータコア10は、軸方向(軸線CLの方向)の一端部である第1の端部10aと、他端部である第2の端部10bとを有している。
図13に示すように、第1の永久磁石201、第2の永久磁石202および第3の永久磁石203は、いずれも平板形状を有している。
第1の永久磁石201は、ロータコア10の第1の端部10aを含む領域に配置されている。また、第1の永久磁石201は、軸線CLから第1の永久磁石201までの距離が、ロータコア10の軸方向(軸線CLの方向)に沿って第1の端部10aに近づくほど増加するように傾斜している。
第2の永久磁石202は、ロータコア10の第2の端部10bを含む領域に配置されている。また、第2の永久磁石202は、軸線CLから第2の永久磁石202の距離が、ロータコア10の軸方向に沿って第2の端部10bに近づくほど増加するように傾斜している。
第3の永久磁石203は、第1の永久磁石201と第2の永久磁石202との間、すなわちロータコア10の軸方向の中央領域に、軸方向に対して平行に配置されている。図13では、第3の永久磁石203の軸方向長さは、第1の永久磁石201および第2の永久磁石202の各軸方向長さよりも長いが、これらよりも短くてもよい。
第1の永久磁石201と第3の永久磁石203との境界204には、絶縁層を設けることが望ましい。また、第1の永久磁石201と第3の永久磁石203とを離間させてもよい。同様に、第2の永久磁石202と第3の永久磁石203との境界205には、絶縁層を設けることが望ましい。また、第2の永久磁石202と第3の永久磁石203とを離間させてもよい。
第1の永久磁石201は、実施の形態1の第1の永久磁石21と同様に、台形形状または長方形形状を有している。第2の永久磁石202は、実施の形態1の第2の永久磁石22と同様に、台形形状または長方形形状を有している。第3の永久磁石203は、長方形形状を有している。
ロータコア10の磁石挿入孔11Aは、第1の永久磁石201を配置する第1の磁石挿入孔111と、第2の永久磁石202を配置する第2の磁石挿入孔112と、第3の永久磁石203を配置する第3の磁石挿入孔113とに分割されている。
第1の磁石挿入孔111は、ロータコア10の第1の端部10aを含む領域に配置されている。第1の磁石挿入孔111は、軸線CLから第1の磁石挿入孔111までの距離が、ロータコア10の軸方向に沿って第1の端部10aに近づくほど増加するように傾斜している。
第2の磁石挿入孔112は、ロータコア10の第2の端部10bを含む領域に配置されている。第2の磁石挿入孔112は、軸線CLから第2の磁石挿入孔112までの距離が、ロータコア10の軸方向に沿って第2の端部10bに近づくほど増加するように傾斜している。
第3の磁石挿入孔113は、第1の磁石挿入孔111と第2の磁石挿入孔112との間に配置され、軸方向と平行に延在している。
図14は、第1の永久磁石201、第2の永久磁石202および第3の永久磁石203からの磁束の流れを説明するための模式図である。第1の永久磁石201および第2の永久磁石202から当該表面に対して垂直に出た磁束は、ステータコア50の内周面50c(より具体的には、両端部50d,50eよりも軸方向の内側の領域)に入る。また、第3の永久磁石203の表面から当該表面に対して垂直に出た磁束は、ステータコア50の内周面に50cに入る。
このように、第1の永久磁石201および第2の永久磁石202が軸方向に対して傾斜しているため、実施の形態1と同様、漏れ磁束を抑制することができる。また、実施の形態2では、第1の永久磁石201と第2の永久磁石202との間に、軸方向と平行な第3の永久磁石203を配置するため、実施の形態1と比較して、永久磁石2A(第1の永久磁石201、第2の永久磁石202および第3の永久磁石203)からステータコア50までの距離を短くすることができる。そのため、ステータコア50に入る有効磁束を増加させることができる。
次に、第1の永久磁石201、第2の永久磁石202および第3の永久磁石203の寸法について説明する。第1の永久磁石201、第2の永久磁石202および第3の永久磁石203を軸方向に対して傾斜して配置する場合、周方向に隣り合う第1の永久磁石201同士、第2の永久磁石202同士および第3の永久磁石203同士が干渉しないようにする必要がある。ここでは、第1の永久磁石201、第2の永久磁石202および第3の永久磁石203がいずれも長方形状を有している場合について説明する。
図15は、ロータ1Aにおいて1つの永久磁石2Aが配置された領域を示す断面図である。永久磁石2A(第1の永久磁石201、第2の永久磁石202および第3の永久磁石203)の軸方向の長さをZとし、幅をW(図10(A))とし、厚さをtとする。また、永久磁石2Aの長さZに対する第3の永久磁石203の長さの割合を、xとする。
まず、第1の永久磁石201、第2の永久磁石202および第3の永久磁石203を全て軸方向に平行に配置したと仮定すると、これらを合わせた平板状の永久磁石の体積は、以下の式(11)で表される。
Figure 2018011850
次に、第1の永久磁石201および第2の永久磁石202を軸方向に対して傾き角度θをなすように配置し、第3の永久磁石203のみ軸方向に平行に配置し、上記の幅WをΔWだけ短縮したものとする。この場合、第1の永久磁石201、第2の永久磁石202および第3の永久磁石203を合わせた体積は、以下の式(12)で表される。
Figure 2018011850
また、ロータコア10において、第1の永久磁石201、第2の永久磁石202および第3の永久磁石203がそれぞれ一つずつ配置される領域の軸線CLを中心とする角度範囲をδ(図10(A))とすると、短縮幅ΔWは、以下の式(13)で表すことができる。
Figure 2018011850
ここで、Δyは、図15に示すように、第1の永久磁石201および第2の永久磁石202の傾き量であり、以下の式(14)で表される。
Figure 2018011850
式(14)を式(13)に代入し、得られたΔWを式(12)に代入し、δ=30度とすると、以下の式(15)が得られる。
Figure 2018011850
ここでは、第1の永久磁石201および第2の永久磁石202の軸方向に対する傾き角度θに応じて、式(11)の体積Vと式(15)の体積Vとが同じになるように、永久磁石2A(第1の永久磁石201、第2の永久磁石202および第3の永久磁石203)の軸方向の長さZおよび幅Wを決定し、また、長さZに対する第3の永久磁石203の長さの割合xを決定する。
第1の永久磁石201、第2の永久磁石202および第3の永久磁石203を全て軸方向と平行に配置した場合と同じ体積であれば(V=V)、厚さtは共通であるため、ステータコア50に対向する表面の面積も同じとなり、従って十分な有効磁束が得られる。これにより、第1の永久磁石201、第2の永久磁石202および第3の永久磁石203を効率よく配置することができる。
第1の永久磁石201、第2の永久磁石202および第3の永久磁石203は、実施の形態1と同様、ネオジウム、鉄およびボロンを主成分とする希土類磁石、または酸化鉄を主成分するフェライト焼結磁石で構成される。
実施の形態2のロータコア10は、電磁鋼板を積層して一体化(例えばカシメで締結)することにより構成される。具体的には、まず、第3の磁石挿入孔113を形成した電磁鋼板を積層し一体化することによりロータコア10の軸方向中央部を形成したのち、第3の磁石挿入孔113に第3の永久磁石203を挿入する。
次に、このロータコア10の中央部に対して軸方向両側に、第1の磁石挿入孔111を形成した電磁鋼板と、第2の磁石挿入孔112を形成した電磁鋼板とをそれぞれ積層して一体化する。その後、第1の磁石挿入孔111および第2の磁石挿入孔112に、第1の永久磁石201および第2の永久磁石202をそれぞれ挿入する。
図16は、実施の形態2のロータ1Aの一構成例を示す模式図である。図17は、図16のロータ1Aとステータ5との関係を示す模式図である。図16に示した構成例では、第3の永久磁石203が、ステータコア50の内周面50cの両端部50d,50eに対向するように、第1の永久磁石201および第2の永久磁石202が配置されている。
図16の構成では、第3の永久磁石203が永久磁石2Aの大部分を占める。より具体的には、第3の永久磁石203の軸方向長さは、第1の永久磁石201の軸方向長さと第2の永久磁石202の軸方向長さの合計よりも長い。そのため、永久磁石2Aからステータコア50までの距離をさらに短くすることができ、これにより、ステータコア50に入る有効磁束をさらに増加させることができる。
以上説明したように、本発明の実施の形態2では、第1の永久磁石201と第2の永久磁石202との間に、軸方向と平行な第3の永久磁石203を設けたことにより、第1の永久磁石201および第2の永久磁石202の各端部からの漏れ磁束を抑制すると共に、永久磁石2Aからステータコア50までの距離を短くして、有効磁束を増加させることができる。そのため、電動機100のエネルギー効率をさらに向上することができる。
また、第3の永久磁石203の軸方向長さを、第1の永久磁石201および第2の永久磁石202の軸方向長さの合計よりも長くすることにより、永久磁石2Aからステータコア50までの距離をさらに短くし、有効磁束をさらに増加させることができる。
上述した実施の形態1,2は、種々の変形が可能である。例えば、実施の形態1では、いずれも平板状の第1の永久磁石21と第2の永久磁石22について説明したが、図18に示す永久磁石2Bのように、湾曲形状の第1の永久磁石211と第2の永久磁石212とを用いてもよい。
図18に示した第1の永久磁石211および第2の永久磁石212は、軸方向に沿って第1の端部10aおよび第2の端部10bに近づくほど、軸線CLからの距離が増加する(ロータコア10の外周面までの距離が減少する)ように湾曲している。本明細書では、このような湾曲も、「傾斜」に含まれるものとする。また、第1の永久磁石211と第2の永久磁石212との間に、軸方向に対して平行な第3の永久磁石を設けてもよい。
また、実施の形態1,2では、ロータ1(1A)の極数を6極としたが、極数は6極に限らず、2極以上であればよい。
<空気調和装置>
次に、上述した各実施の形態の電動機を用いた空気調和装置について説明する。図19は、各実施の形態の電動機を用いた空気調和装置400の構成を示す図である。空気調和装置400は、室外機401と、室内機402と、これらを接続する冷媒配管403とを備える。
室外機401は、送風機としての室外送風機405を備えている。室内機402は、室内送風機407を備えている。図19には、室外機401において冷媒を圧縮する圧縮機408も示されている。
室外機401の室外送風機405は、各実施の形態で説明した電動機が適用される電動機100を備えている。電動機100のシャフト4(図1)には、羽根406が取り付けられている。電動機100のロータ1(図1)が回転すると、シャフト4に取り付けられた羽根406が回転し、室外に送風する。
空気調和装置400が冷房運転を行う場合には、圧縮機408で圧縮された冷媒が凝縮器(図示せず)で凝縮する際に放出された熱を、室外送風機405の送風によって室外に放出する。
上述した各実施の形態の電動機100は、漏れ磁束を低減することによりエネルギー効率を向上している。そのため、各実施の形態の電動機100を室外送風機405の動力源に用いることにより、室外送風機405のエネルギー効率を向上することができ、その結果、空気調和装置400の消費エネルギーを低減することができる。
なお、ここでは、室外機401の室外送風機405の電動機100に、各実施の形態で説明した電動機を適用したが、室内機402の室内送風機407に各実施の形態の電動機100を適用してもよい。
<スクロール圧縮機>
次に、上述した各実施の形態の電動機を用いたスクロール圧縮機について説明する。図20は、上述した各実施の形態の電動機を用いたスクロール圧縮機500の構成を示す断面図である。
スクロール圧縮機500は、密閉容器502内に、圧縮機構510と、圧縮機構510を駆動する電動機100と、圧縮機構510と電動機100とを連結する主軸501と、主軸501の圧縮機構510の反対側の端部(副軸部)を支持するサブフレーム503と、密閉容器502の底部の油だめ505に貯留される冷凍機油504とを備える。
圧縮機構510は、それぞれの板状渦巻歯の間に圧縮室を形成するように組み合わされた固定スクロール511および揺動スクロール512と、オルダムリング513と、コンプライアントフレーム514と、ガイドフレーム515とを備える。
固定スクロール511には、密閉容器502を貫通した吸入管506が圧入されている。また、密閉容器502を貫通して、固定スクロール511の吐出ポートから吐出される高圧の冷媒ガスを外部(冷凍サイクル)に吐出する吐出管507が設けられている。
密閉容器502には、電動機100のステータ5と駆動回路とを電気的に接続するためのガラス端子508が溶接により固定されている。電動機100は、各実施の形態の電動機が適用される。
上述した各実施の形態の電動機100は、漏れ磁束を低減することによりエネルギー効率を向上している。そのため、スクロール圧縮機500の動力源に電動機100を用いることで、スクロール圧縮機500の消費エネルギーを低減することができる。
なお、ここでは、圧縮機の一例としてスクロール圧縮機500について説明したが、各実施の形態の電動機は、スクロール圧縮機500以外の圧縮機に適用してもよい。
以上、本発明の望ましい実施の形態について具体的に説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改良または変形を行なうことができる。
1,1A,1B ロータ、 10 ロータコア、 10a 第1の端部、 10b 第2の端部、 11 磁石挿入孔、 101 第1の磁石挿入孔、 102 第2の磁石挿入孔、 14 フラックスバリア(空隙)、 15 中心孔、 16 エアギャップ(間隔)、 2 永久磁石、 21,201 第1の永久磁石、 22,202 第2の永久磁石、 23,204,205 境界、 203 第3の永久磁石、 5 ステータ、 50 ステータコア、 50c 内周面、 50d,50e 端面、 51 ヨーク、 52 ティース、 6 巻線、 7 電磁鋼板、 8 圧粉磁心、 100 電動機、 400 空気調和装置、 401 室外機、 402 室内機、 403 冷媒配管、 405 送風機、 406 羽根、 500 スクロール圧縮機(圧縮機)、 501 主軸、 502 密閉容器、 510 圧縮機構。

Claims (17)

  1. 軸線を中心とする円筒状の外周面を有し、前記軸線の方向の両端部である第1の端部と第2の端部とを有するロータコアと、
    前記ロータコアの前記第1の端部を含む領域に配置された第1の永久磁石と、
    前記ロータコアの前記第2の端部を含む領域に配置された第2の永久磁石と
    を備え、
    前記第1の永久磁石は、前記軸線から当該第1の永久磁石までの距離が、前記軸線の方向に沿って前記第1の端部に近づくほど増加するように傾斜し、
    前記第2の永久磁石は、前記軸線から当該第2の永久磁石までの距離が、前記軸線の方向に沿って前記第2の端部に近づくほど増加するように傾斜している、
    ロータ。
  2. 前記第1の永久磁石および前記第2の永久磁石は、いずれも、ネオジウム、鉄、ボロンおよびディスプロシウムを含有する希土類磁石、または酸化鉄を含有するフェライト焼結磁石で構成されている、請求項1に記載のロータ。
  3. 前記第1の永久磁石の前記ロータコアの周方向における長さは、前記第1の端部よりも前記ロータコアの前記軸線の方向の中央部で短く、
    前記第2の永久磁石の前記周方向における長さは、前記第2の端部よりも前記ロータコアの前記軸線の方向の中央部で短い、
    請求項1または2に記載のロータ。
  4. 前記ロータコアは、圧粉磁心により構成されている、請求項1から3までの何れか1項に記載のロータ。
  5. 前記ロータコアは、積層された鋼板により構成されている、請求項1から3までの何れか1項に記載のロータ。
  6. 前記ロータコアは、前記第1の永久磁石を配置する第1の磁石挿入孔と、前記第2の永久磁石を配置する第2の磁石挿入孔とを有する、請求項1から5までの何れか1項に記載のロータ。
  7. 前記第1の磁石挿入孔は、前記ロータコアの周方向において前記第1の永久磁石の両側に空隙を有し、前記第2の磁石挿入孔は、前記周方向において前記第2の永久磁石の両側に空隙を有する、
    請求項6に記載のロータ。
  8. 前記第1の永久磁石と前記第2の永久磁石との境界は、前記ロータコアの前記軸線の方向の中央部に位置している、請求項1から7までの何れか1項に記載のロータ。
  9. 前記ロータコアの内部に、前記軸線の方向において前記第1の永久磁石と前記第2の永久磁石との間に、第3の永久磁石を備える、請求項1から8までの何れか1項に記載のロータ。
  10. 前記第3の永久磁石は、前記軸線の方向と平行に延在している、請求項9に記載のロータ。
  11. 前記第3の永久磁石の前記軸線の方向の長さは、前記第1の永久磁石および前記第2の永久磁石の前記軸線の方向の長さの合計よりも長い、請求項9または10に記載のロータ。
  12. ステータと、前記ステータの内側に配置されたロータとを備え、
    前記ロータは、
    軸線を中心とする円筒状の外周面を有し、前記軸線の方向の両端部である第1の端部と第2の端部とを有するロータコアと、
    前記ロータコアの前記第1の端部を含む領域に配置された第1の永久磁石と、
    前記ロータコアの前記第2の端部を含む領域に配置された第2の永久磁石と
    を備え、
    前記第1の永久磁石は、前記軸線から当該第1の永久磁石までの距離が、前記軸線の方向に沿って前記第1の端部に近づくほど増加するように傾斜し、
    前記第2の永久磁石は、前記軸線から当該第2の永久磁石までの距離が、前記軸線の方向に沿って前記第2の端部に近づくほど増加するように傾斜している、
    電動機。
  13. 前記ステータは、ステータコアを有し、
    前記ロータコアの前記軸線の方向の長さは、前記ステータコアの前記軸線の方向の長さよりも長い、請求項12に記載の電動機。
  14. 前記ロータコアの前記長さをZとし、前記ステータコアの前記長さをZとし、前記ロータコアと前記ステータコアとの間隔をgとし、前記ロータコアの前記外周面から前記第1の永久磁石および前記第2の永久磁石までの最小距離をhとすると、前記第1の永久磁石および前記第2の永久磁石の前記軸線に対する傾き角度θは、
    Figure 2018011850
    の範囲にある、請求項13に記載の電動機。
  15. 羽根と、前記羽根を回転させる電動機とを備え、
    前記電動機は、ステータと、前記ステータの内側に配置されたロータとを備え、
    前記ロータは、
    軸線を中心とする円筒状の外周面を有し、前記軸線の方向の両端部である第1の端部と第2の端部とを有するロータコアと、
    前記ロータコアの前記第1の端部を含む領域に配置された第1の永久磁石と、
    前記ロータコアの前記第2の端部を含む領域に配置された第2の永久磁石と
    を備え、
    前記第1の永久磁石は、前記軸線から当該第1の永久磁石までの距離が、前記軸線の方向に沿って前記第1の端部に近づくほど増加するように傾斜し、
    前記第2の永久磁石は、前記軸線から当該第2の永久磁石までの距離が、前記軸線の方向に沿って前記第2の端部に近づくほど増加するように傾斜している、
    送風機。
  16. 室外機と、室内機と、前記室外機と前記室内機とを連結する冷媒配管とを備え、
    前記室外機および前記室内機の少なくとも一方は、送風機を備え、
    前記送風機は、羽根と、前記羽根を回転させる電動機とを備え、
    前記電動機は、ステータと、前記ステータの内側に配置されたロータとを備え、
    前記ロータは、
    軸線を中心とする円筒状の外周面を有し、前記軸線の方向の両端部である第1の端部と第2の端部とを有するロータコアと、
    前記ロータコアの前記第1の端部を含む領域に配置された第1の永久磁石と、
    前記ロータコアの前記第2の端部を含む領域に配置された第2の永久磁石と
    を備え、
    前記第1の永久磁石は、前記軸線から当該第1の永久磁石までの距離が、前記軸線の方向に沿って前記第1の端部に近づくほど増加するように傾斜し、
    前記第2の永久磁石は、前記軸線から当該第2の永久磁石までの距離が、前記軸線の方向に沿って前記第2の端部に近づくほど増加するように傾斜している、
    空気調和装置。
  17. 密閉容器と、前記密閉容器内に配置された圧縮機構と、前記圧縮機構を駆動する電動機とを備え、
    前記電動機は、ステータと、前記ステータの内側に配置されたロータとを備え、
    前記ロータは、
    軸線を中心とする円筒状の外周面を有し、前記軸線の方向の両端部である第1の端部と第2の端部とを有するロータコアと、
    前記ロータコアの前記第1の端部を含む領域に配置された第1の永久磁石と、
    前記ロータコアの前記第2の端部を含む領域に配置された第2の永久磁石と
    を備え、
    前記第1の永久磁石は、前記軸線から当該第1の永久磁石までの距離が、前記軸線の方向に沿って前記第1の端部に近づくほど増加するように傾斜し、
    前記第2の永久磁石は、前記軸線から当該第2の永久磁石までの距離が、前記軸線の方向に沿って前記第2の端部に近づくほど増加するように傾斜している、
    圧縮機。
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