JPWO2018025407A1 - 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

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 Download PDF

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Abstract

コンシクエントポール型の回転子は、外周面71において極中心62および極中心63を有する第1のコアとを備え、第1のコアは、外周面71において極中心62と極中心63との間に配置された極間64と、永久磁石が挿入され、極間64に開口部73を有する磁石挿入孔2Bと、極中心62と極間64との間に形成された第1の端部74a1と、極間64と開口部73との間に形成された第2の端部74a2とを備えることにより、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。

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型の回転子では、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、永久磁石と、外周面において第1の突部および第2の突部を有する第1のコアとを備え、第1のコアは、外周面において第1の突部と第2の突部との間に形成されたくぼみと、永久磁石が挿入され、くぼみに連通する開口部を有する挿入孔と、第1の突部とくぼみとの間に形成された第1の端部と、くぼみと開口部との間に形成された第2の端部とを備える。
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のコアと図12に示す第2の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のコアを軸方向に複数枚積層した第1のコアブロックと、図12に示す第2のコアを軸方向に複数枚積層した第2の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のコアを軸方向に複数枚積層した第1のコアブロックと、図12に示す第2のコアを軸方向に複数枚積層した第2の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 図13、図15または図17に示す回転子コアに切り欠き部を形成した状態を示す図 図21に示す回転子コアの部分拡大図 図22に示す回転子コアの開口部、第1の切り欠き部および第2の切り欠き部が樹脂で覆われた状態を示す図 図23に示す回転子コアの部分拡大図 図24に示す回転子コアの外周面に形成された段差を説明するための図 図25に示す閉塞樹脂の樹脂外周面と閉塞樹脂の周方向端面との間の角部がR形状または面取形状に形成された状態を示す図 図25に示す段差を無くすように閉塞樹脂の樹脂外周面を形成した例を示す図 本実施の形態に係る回転子コアの外周面を半径方向から抑える金型を示す図 図13、図15または図17に示す回転子コアに樹脂を施した後の回転子の斜視図 図29に示す回転子の側面図 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のコアと図12に示す第2の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のコアを軸方向に複数枚積層した第1のコアブロックと、図12に示す第2のコアを軸方向に複数枚積層した第2の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のコアを軸方向に複数枚積層した第1のコアブロックと、図12に示す第2のコアを軸方向に複数枚積層した第2の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のコア5−1と第2のコア5−2とを有する。図11には第1のコア5−1の断面図が示され、図12には第2のコア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のコア5−1を介して短絡させる働きを有している。
第1のコア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のコア5−2は、第1のコア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のコア5−2を介して短絡させる働きを有している。
第2のコア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のコア5−1と第2のコア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のコア5−1を軸方向に複数枚積層した第1のコアブロック5−11と、図12に示す第2のコア5−2を軸方向に複数枚積層した第2のコアブロック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のコアブロック5−11と第2のコアブロック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のコア5−1と磁石挿入孔の他方が開口された第2のコア5−2とを交互に積み重ねている。すなわち、第1のコア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のコア5−1に重なる第2のコア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のコア5−1と第2のコア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のコア5−1および第2のコア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のコア5−1と第2のコア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は円形状に突部を複数有した花丸形状であり、回転子コア5Bの第1の突部にあたる第1の磁極部60の極中心62と回転子コア5Bの第2の突部にあたる第2の磁極部61の極中心63との間に、くぼみにあたる極間64を設けている。回転子コア5はこの花丸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、花丸のくぼみにあたる極間64を樹脂で覆い、磁石挿入孔の第2の領域3Bを樹脂で覆い、さらに磁石挿入孔の第2の領域3Bに形成された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および第2の領域3CB1が樹脂72で覆われている。また第2の領域3CB1に形成された開口部73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。
ここで、図19および図20に示すように各部を樹脂72で覆う場合、回転子コア5の外周面71の内、最も外径が大きくなる部分である第1の磁極部60および第2の磁極部61の外周面71を覆う樹脂72の厚みが薄くなり、バリが発生する場合がある。またこれにより、回転子コア5から樹脂72が剥離する場合がある。このような問題を解消するための構成例を以下に説明する。
図21は図13、図15または図17に示す回転子コアに切り欠き部を形成した状態を示す図である。図22は図21に示す回転子コアの部分拡大図である。図23は図22に示す回転子コアの開口部、第1の切り欠き部および第2の切り欠き部が樹脂で覆われた状態を示す図である。図24は図23に示す回転子コアの部分拡大図である。
図21および図22では、磁石挿入孔2Bの右側にブリッジ5B1が形成され、磁石挿入孔2Bの左側に開口部73が形成されている。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に、第1の切り欠き部74および第2の切り欠き部75が形成されている。
具体的には、回転子コア5は、周方向における磁石挿入孔2Bの一端において、第1の磁極部60の極中心62と第2の磁極部61の極中心63との間にブリッジ5B1を有し、ブリッジ5B1の周方向の一端側に第1の切り欠き部74が形成され、ブリッジ5B1の周方向の他端側に第2の切り欠き部75が形成される。
また回転子コア5は、周方向における磁石挿入孔2Bの他端において、第1の突部にあたる第1の磁極部60の極中心62と回転子コア5Bの第2の突部にあたる第2の磁極部61の極中心63との間のくぼみにあたる極間64に、当該くぼみと連通する開口部73を有し、開口部73の周方向の一端側に第1の切り欠き部74が形成され、開口部73の他端側に第2の切り欠き部75が形成される。第1の切り欠き部74および第2の切り欠き部75は、その径方向外側の面が、回転子コア5の仮想的な外周面71−1から径方向内側に向かって凸形状である。
周方向における磁石挿入孔2Bの一端において、第1の切り欠き部74は、第1の突部である極中心62とくぼみである極間64との間に形成された第1の端部74a1を有すると共に、くぼみである極間64とブリッジ5B1との間に形成された第2の端部74a2を有する。周方向における磁石挿入孔2Bの他端において、第1の切り欠き部74は、第1の突部である極中心62とくぼみである極間64との間に形成された第1の端部74b1を有すると共に、くぼみである極間64と磁石挿入孔2Bの開口部73との間に形成された第2の端部74b2を有する。
第1の切り欠き部74、第2の切り欠き部75および開口部73にモールド樹脂が注入されることにより、図23および図24に示すように回転子コア5の第1の切り欠き部74、第2の切り欠き部75および開口部73が樹脂72で覆われる。これにより開口部73を覆う樹脂72の径方向幅を相対的に厚くすることができる。そのため前述したバリの発生を抑制でき、さらに回転子コア5からの樹脂72の剥離を抑制できる。その結果、回転子コア5の品質が向上する。
さらに樹脂72で覆うことによって遠心力耐力をアシストできるため、遠心力耐力をよりいっそう向上することができる。また永久磁石を樹脂72で覆うことで永久磁石に酸素および水分が接触せず、永久磁石の腐食による磁力の経年劣化を防止できる。
図25は図24に示す回転子コアの外周面に形成された段差を説明するための図である。図25に示すように回転子コア5は、開口部73を閉塞する閉塞樹脂72−1の樹脂外周面71−3における半径RBが、回転子コア5の外径が最も大きくなる部分に形成された樹脂72の樹脂外周面71−2における半径RAよりも大きい。従って、樹脂外周面71−3と樹脂外周面71−2との間には段差76がある。
段差76は、第1の切り欠き部74側と第2の切り欠き部75側にそれぞれ形成される。第1の切り欠き部74側の段差76は、第1の切り欠き部74の周方向における端面74−1と開口部73に形成された閉塞樹脂72−1とが接する位置よりも、周方向における開口部73の中心73a側に位置する。第2の切り欠き部75側の段差76は、第2の切り欠き部75の周方向における端面75−1と開口部73に形成された閉塞樹脂72−1とが接する位置よりも、周方向における開口部73の中心73a側に位置する。
図26は図25に示す閉塞樹脂の樹脂外周面と閉塞樹脂の周方向端面との間の角部がR形状または面取形状に形成された状態を示す図である。図26に示すように閉塞樹脂72−1の樹脂外周面71−3と閉塞樹脂72−1の周方向端面71−4との間の角部71−5をR形状または面取形状にすることにより、回転子コア5の外周面を半径方向から抑える金型にエッジ部を設ける必要がなく、金型の摩耗強度が向上し、回転子の品質が向上する。なお金型のエッジ部は後述する。
図27は図25に示す段差を無くすように閉塞樹脂の樹脂外周面を形成した例を示す図である。図26に示す角部71−5をR形状または面取形状にする際、閉塞樹脂72−1は、図25に示す段差76が無くなるように、樹脂外周面71−3に樹脂外周面71−2と連続した円弧面71−31を有する。
図28は本実施の形態に係る回転子コアの外周面を半径方向から抑える金型を示す図である。図28には、閉塞樹脂72−1の樹脂外周面71−3と閉塞樹脂72−1の周方向端面71−4との間の角部71−5をR形状または面取形状にする前の状態と、当該角部71−5をR形状または面取形状にした後の状態とが示される。角部71−5をR形状または面取形状にすることにより、金型80にエッジ部81を設ける代わりに、金型80にR形状または面取形状の当接面81aを設けることができる。これにより金型80の摩耗強度が向上し、回転子の品質が向上する。なお回転子コア5では、樹脂72の厚みを一定値以上、例えば0.5mm以上確保できるように第1の切り欠き部74および第2の切り欠き部75の形状が適宜決定され、さらに樹脂外周面71−2の角部71−5の形状が適宜決定される。
図29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後の回転子の斜視図である。図30は図29に示す回転子の側面図である。本実施の形態に係る回転子20によれば、樹脂72の充填時に金型により回転子コア5の外周面を半径方向から抑えるとき、回転子コア5の外周面への樹脂漏れを抑制するため、アンギュラ構造を用いたスライド金型を使用し、品質の向上を図ることも可能である。また樹脂72の注入の際、樹脂注入用のゲートをブリッジ5B1の内径側に位置させることにより、樹脂注入部への樹脂注入圧を高めることができ、安定的に製品を製造できる。
回転子20を構成する回転子コア5の軸中心Aから回転子コア5が外径が大きくなる樹脂外周面71−2までの距離をXとし、回転子コア5の軸中心Aから閉塞樹脂72−1の樹脂外周面71−3までの距離をYとしたとき、XとYはX≧Yの関係性を有する。これにより回転子20で発生する磁力を最大限に利用することができる。
実施の形態2.
図31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のコア、5−11 第1のコアブロック、5−2 第2のコア、5−21 第2のコアブロック、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,73 開口部、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、26,26−1,26−2 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、60 第1の磁極部、61 第2の磁極部、62,63 極中心、64 極間、51,71,71−1 外周面、71−2,71−3 樹脂外周面、71−31 円弧面、71−4 周方向端面、71−5 角部、72 樹脂、72−1 閉塞樹脂、73a 中心、74 第1の切り欠き部、74−1 端面、74a1,74b1 第1の端部、74a2,74b2 第2の端部、75 第2の切り欠き部、75−1 端面、76 段差、80 金型、81 エッジ部、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。

Claims (8)

  1. 永久磁石と、
    外周面において第1の突部および第2の突部を有する第1のコアと
    を備え、
    前記第1のコアは、
    前記外周面において前記第1の突部と前記第2の突部との間に形成されたくぼみと、
    前記永久磁石が挿入され、前記くぼみに連通する開口部を有する挿入孔と、
    前記第1の突部と前記くぼみとの間に形成された第1の端部と、
    前記くぼみと前記開口部との間に形成された第2の端部と
    を備えるコンシクエントポール型の回転子。
  2. 前記第1のコアは、
    各々が複数の前記永久磁石により形成された複数個の第1の磁極と、
    各々が前記第1のコアの互いに隣り合う前記永久磁石間に形成され、前記第1の磁極の極性と異なる極性を持つ複数個の第2の磁極と、
    前記第1の磁極の極中心と前記第2の磁極の極中心との間に形成されたブリッジと、
    前記ブリッジの周方向の一端に形成される切り欠き部と、
    前記ブリッジの前記周方向の他端に形成される切り欠き部と、
    前記第1の磁極の極中心と前記第2の磁極の極中心との間に形成され前記第1のコアの外周面に開口する前記開口部と、
    前記開口部の前記周方向の一端に形成された切り欠き部と、
    前記開口部の他端に形成された切り欠き部と、
    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. 前記切り欠き部および前記開口部を覆う樹脂を備える請求項2に記載のコンシクエントポール型の回転子。
  4. 前記第1のコアは、
    前記第1の磁極の外周面を覆う樹脂の外周面と前記開口部を覆う樹脂の外周面との間に段差を有し、
    前記段差は、前記開口部の前記周方向の一端および他端に形成された切り欠き部に形成され、
    前記周方向における前記段差の位置は、当該切り欠き部の前記周方向における端面と前記開口部を覆う樹脂とが接する位置よりも、前記周方向における前記開口部の中心に位置する請求項2に記載のコンシクエントポール型の回転子。
  5. 前記開口部を覆う樹脂の外周面と前記開口部を覆う樹脂の前記周方向における端面との間の角部は、R形状または面取形状である請求項4に記載のコンシクエントポール型の回転子。
  6. 樹脂注入用のゲートは前記ブリッジの内径側に位置する請求項2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。
  7. 請求項1から請求項6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。
  8. 請求項7に記載の電動機を備えた空気調和機。
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