WO2018128006A1 - 永久磁石式回転電機、及び、それを用いた圧縮機 - Google Patents

永久磁石式回転電機、及び、それを用いた圧縮機 Download PDF

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Abstract

弱め界磁領域におけるトルク特性を低下させることなく、永久磁石の表面積を拡大でき、小形・高効率な永久磁石式回転電機及びそれを用いた圧縮機を提供することにある。そのため、外周側に配置され、固定子鉄心の内周面に形成された複数のティース4に電機子巻線8を巻装した固定子2と、該固定子の内周側に配置され、回転子鉄心12に形成された複数の永久磁石挿入孔13に永久磁石を収納する回転子3と、を備えた永久磁石式回転電機1であって、前記永久磁石の磁束軸をd軸、前記d軸と電気角で直交する軸をq軸とする場合、前記回転子の外周面には、前記q軸上に内周側に凹む切り欠き部11を有し、前記永久磁石挿入孔は、前記回転子の内周面に向けて凸となる円弧状の中央部40と、該中央部の両端に接続され、前記回転子の外周面に向けて延伸する略直線状の側部41と、を繋いた略U字状の形状であり、前記永久磁石は、一体成型されたボンド磁石14である永久磁石式回転電機とした。

Description

永久磁石式回転電機、及び、それを用いた圧縮機
 本発明は、界磁用の永久磁石を回転子に備えている永久磁石式回転電機に係り、特に、エアコン、冷蔵庫、冷凍庫、あるいはショーケースなどの圧縮機に使用される永久磁石式回転電機に関する。
 従来、この種の永久磁石式回転電機においては、固定子巻線に集中巻が、界磁には永久磁石がそれぞれ採用され、小形・高効率化を達成している。永久磁石式回転電機の小形・高効率化の方法として、永久磁石の表面積(軸方向に対する二次元断面積:横断面図)を拡大し、永久磁石の磁束量を増やすことが挙げられる。回転子の断面において、永久磁石の磁束量を増やすためには、永久磁石の形状・配置を工夫する必要がある。
 永久磁石の形状・配置を工夫するものとして、例えば、特許文献1が提案されている。特許文献1では、回転子に埋設した永久磁石の形状を、径方向内側に凸となる略バスタブ状としたものが開示されている。具体的には、同文献の図2等に示されるように、回転子の横断面において、磁化方向に対し垂直に伸びる中央部と、この中央部の周方向両端部から極の端部側へ向けて伸びる2つの側部と、を有する略バスタブ状の永久磁石としている。
特開2013-255371号公報
 しかしながら、特許文献1では、永久磁石の中央部外周面と側部外周面は、ともに直線状に形成されているため、永久磁石の中央部と側部を繋ぐ屈曲点の近傍では、永久磁石の磁化方向が急激に変化している。このため、屈曲点近傍では所望の磁力が得られず、永久磁石の表面積拡大による磁束量の増加について改善の余地がある。
 また、弱め界磁領域において負荷トルクが大きい場合、電機子反作用の影響により、回転子外周側に位置する永久磁石の側部の先端が減磁し易いという問題がある。その結果、永久磁石のトルク特性の低下を招く恐れがある。
 そこで本発明は、弱め界磁領域におけるトルク特性を低下させることなく、永久磁石の表面積を拡大できる、小形・高効率な永久磁石式回転電機、及び、それを用いた圧縮機を提供することを目的とする。
 上記課題を解決するため、本発明の永久磁石式回転電機では、外周側に配置され、固定子鉄心の内周面に形成された複数のティースに電機子巻線を巻装した固定子と、該固定子の内周側に配置され、回転子鉄心に形成された複数の永久磁石挿入孔に永久磁石を収納する回転子と、を備えた永久磁石式回転電機であって、前記永久磁石の磁束軸をd軸、前記d軸と電気角で直交する軸をq軸とする場合、前記回転子の外周面には、前記q軸上に内周側に凹む切り欠き部を有し、前記永久磁石挿入孔は、前記回転子の内周面に向けて凸となる円弧状の中央部と、該中央部の両端に接続され、前記回転子の外周面に向けて延伸する略直線状の側部と、を繋いた略U字状の形状であり、前記永久磁石は、一体成型されたボンド磁石とした。
 本発明によれば、弱め界磁領域におけるトルク特性を低下させることなく、永久磁石の表面積を拡大できる、小形・高効率な永久磁石式回転電機、及び、それを用いた圧縮機を提供することが可能となる。
 例えば、弱め界磁領域において、高負荷、ならびに電機子巻線を増加して高インダクタンスとなる場合であっても、電機子反作用による機内磁束の高調波成分を低減し、力率改善による高トルク化が図られる。また、永久磁石の減磁による磁束量の低下を抑制できる。
 上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
実施例1の永久磁石式回転電機の横断面図。 図1に示す回転子形状を示す横断面図。 図2に示す回転子の1極分を示す拡大横断面図 比較例の回転子の1極分を示す拡大横断面図。 実施例1と比較例のトルク特性(弱め界磁領域)を示す図。 実施例2の圧縮機の縦断面図。
 以下、図面を用いて、本発明の実施例を説明する。
 実施例1では、6極の回転子と、9スロットの固定子から構成される永久磁石式回転電機、すなわち、回転子の極数と固定子のスロット数の比を、2:3とする永久磁石式回転電機を例に説明するが、回転子の極数及び固定子のスロット数は、これに限られない。他の極数、スロット数との比による永久磁石式回転電機でも同様の効果を得ることができるものである。また、回転子の極数は、例えば、4極あるいは8極等としても良い。
 また、本実施例では、「軸方向」とは回転子の軸方向を示し、「径方向」とは回転子の径方向を示し、「周方向」とは回転子の周方向を示すものとする。
 以下、図1から図5を用いて、本発明の実施例1の詳細を説明する。
 図1は、実施例1の永久磁石式回転電機の横断面図である。ここに示すように、永久磁石式回転電機1は、固定子2と、回転子3から構成されており、図示しないシャフトで軸支された回転子3が固定子2内で回転自在に配置されている。固定子2は、ティース4とコアバック5からなる固定子鉄心6、周方向に隣接するティース4間のスロット7内であってティース4を取り囲むように巻装された集中巻の電機子巻線8より構成される。すなわち、電機子巻線8は、径方向に放射状に配されるティース4の軸心周りに巻装され、周方向に、三相巻線のU相巻線8u、V相巻線8v、W相巻線8wが相互に空隙を介して配される。ここで、永久磁石式回転電機1は、回転子3の極数が6極、固定子2のスロット数が9スロットであるから、スロットピッチは電気角で120度である。また、回転子3の中心に、円柱状のシャフト(図示せず)を収容するシャフト孔15が形成されている。
 図2は、固定子2のティース4のうち1本と、ティース4の内周側に設けられた回転子3の配置を示す横断面図である。ここに示すように、回転子3は、回転子鉄心12と、その中心のシャフト孔15を囲むように均等配置した横断面略U字形状の永久磁石挿入孔13と、各々の永久磁石挿入孔13内に収納されたボンド磁石14と、から構成されている。本実施例では、均等配置した6個の永久磁石挿入孔13の夫々にボンド磁石14を固定することで、6極の磁極を構成した。なお、ボンド磁石14は、ネオジム、鉄、ホウ素などを練り込んだプラスチックやゴムなどの樹脂を、永久磁石挿入孔13に注入して射出成型した後に磁化した一体成型の永久磁石であり、永久磁石挿入孔13の形状に応じた、複雑な形状を採ることができる。
 ここで、図2の上方のボンド磁石14で例示するように、各磁極の磁束軸がd軸となり、d軸と電気角で90°隔てられた磁極間に位置する軸がq軸となる。そして、回転子鉄心12の外周面には、q軸上に内周側に凹む凹部(以下、「切り欠き部11」と称する)が設けられている。この切り欠き部11は、後述するように、電機子反作用の影響によってq軸磁束を抑制する。
 また、回転子鉄心12は、切り欠き部11よりも外周側に位置し、固定子2のティース4とのギャップ長(隙間)が最短のg1となる最外周部と、ギャップ長がg1よりも長いg2となる外周部と、を有する。2つの切欠き部11で挟まれた、回転子3の最外周部は、その外周形状が円弧状、角度が電気角で90°~120°となるように構成される。
 図3は、回転子3の1極分を示す拡大横断面図である。ここに示すように、各々の永久磁石挿入孔13は、回転子3の内周面に向けて凸となる円弧状の中央部40と、この中央部40の両端に接続され、回転子3の径方向内側から径方向外側へ向かって伸びる2つの略直線状の側部41と、に3分割されている。すなわち、永久磁石挿入孔13は、所定の曲率で規定され、その略中心部が回転子内周面3aに対向する円弧状の中央部40の両端部に、略直線状の2つの側部41を接合することで形成されている。
 このような形状の永久磁石挿入孔13の内部に、それと同形状のボンド磁石14を形成することで、ボンド磁石14の表面積を拡大することができると共に、ボンド磁石14の径方向外側の回転子鉄心断面積が大きくなり、リラクタンストルクを積極的に活用することが可能となる。
 そして、ボンド磁石14の外周面を滑らかにすることで、図3中に白抜き矢印にて示す磁化方向16は、中央部外周面40bと、2つの側部外周面41bに亘り、連続して滑らかに変化する。特に、中央部外周面40bと側部外周面41bの境界領域において、急激な磁化方向16の変化は生じないため、ボンド磁石14の外周面前面に亘り確実に着磁することが可能となる。
 また、図3に示すように、d軸上における、中央部内周面40aと回転子内周面3aの距離をL1、中央部40の幅(磁石厚み)をL2、中央部外周面40bと回転子外周面3bの距離をL3としたとき、これらが、L1≦L2<L3の関係となるように、ボンド磁石14が構成される。
 これにより、電機子反作用による機内磁束の高調波成分が低減され、力率改善による高トルク化が図られ、小形・高効率な永久磁石式回転電機を実現できる。また、巻線着磁による磁束量の低下を抑制でき、小形・高効率な永久磁石式回転電機が実現される。
 なお、ボンド磁石14の中央部40の曲率については、回転子3の大きさ(直径)及び極数に応じて、適宜設定すれば良い。この場合においても、L1≦L2<L3の関係となるよう設定される。これにより、回転子3内におけるボンド磁石14の表面積(横断面における面積)を増大でき、小形且つ高効率の永久磁石式回転電機が実現できる。また、一般的に設定される回転子3の極数は、4極、6極あるいは8極であり、曲率半径が大きくなるに伴って、円弧状の中央部40の両端部に連続し、回転子3の径方向であって、当該回転子3の外周側に延伸する2つの側部41の開き角は大きくなる。従って、極数も考慮の上、中央部40の曲率半径が設定される。
 また、図3に示すように、回転子外周面3bには、ボンド磁石14の側部41の径方向外周側の側部端面41cと対向する位置に、側部端面41cと平行な切り欠き部11を形成している。この切り欠き部11は、回転子3の軸方向に延伸するよう形成されており、これにより、回転子外周面3bは、ティース4との空隙が、最小のギャップ長g1となる円弧状面と、最大のギャップ長g2となる略直線状面を組み合わせた構成となる。ここで、最大のギャップ長g2となる回転子外周面3bの位置は、少なくとも、各側部端面41cのうち周方向外側の端部を含み、更に周方向外側に位置する。すなわち、各切り欠き部11の周方向の長さは、各側部端面41cの周方向長さ以上となる。
 また、図3に示すように、ティース4の内周面との間にギャップ長g1の空隙を形成する回転子外周面3bの円弧状部は、θpが電気角で90°~120°となるように構成されている。
 本実施例によれば、切り欠き部11により、ボンド磁石14側部端面41cに対向する回転子外周面3bと、ティース4の内周面とで形成される空隙が最大ギャップ長g2に増大される。これにより、側部端面41c近傍での磁気抵抗が増大し、電機子反作用の更なる影響を抑制することが可能となり、減磁による機内磁束の低下を抑制できる。
 ここで、略バスタブ状の永久磁石を用いた、比較例の永久磁石式回転電機1’について図4を用いて説明する。図4は、比較例の回転子3’の1極分を示す拡大横断面図である。ここに示すように、比較例の回転子3’の永久磁石挿入孔13’には、周方向の両端に屈曲点42を有する直線状の中央部40’と、各屈曲点42より径方向外側へと延伸する略直線状の側部41’とから構成されるフェライト磁石14’が収納される。このような略バスタブ状のフェライト磁石14’を用いると、中央部40’と側部41’の直線状外周面(40b’、41b’)にはそれと垂直な磁化方向16’が与えられ、両外周面が交差する屈曲点42近傍では、磁化方向16’が急激に変化することになる。
 また、図4に示すように、d軸上における、中央部内周面40a’と回転子内周面3a’の距離をL1、中央部40’の幅(磁石厚み)をL2、中央部外周面40b’と回転子外周面3b’の距離をL3としたとき、これらが、L2<L1<L3の関係となるようにフェライト磁石14’が構成されている。
 このような比較例の構成では、仮に、フェライト磁石14’の中央部40’をより径方向内側(回転子内周面3a’側)に配置した場合、中央部40’と側部41’のなす角度が小さくなり、2箇所の屈曲点42では巻線着磁による磁束量の低下が生じる。すなわち、屈曲点42近傍では、磁化方向16’が混在するため、所望の通りに磁化されず、フェライト磁石14’の表面積を拡大したことによる磁束量の増加が図られない。また、仮に、フェライト磁石14’を略直線状の側部41’と、略直線状の中央部40’とに3分割された構造とした場合も同様であり、屈曲点42近傍では、磁化方向16’が混在するため、所望の通りに磁化されず、フェライト磁石14’の表面積を拡大したことによる磁束量の増加は図られない。
 次に、図5を用いて、本実施例の永久磁石式回転電機1と、比較例の永久磁石式回転電機1’のトルク特性について説明する。図5は、本実施例の永久磁石式回転電機1と比較例の永久磁石式回転電機1’の、弱め界磁領域におけるトルク特性を比較する図である。ここでは、本実施例の永久磁石式回転電機1の定格電流を、1P.U.(Per Unit)とするとともに、弱め界磁領域において、その定格電流を流した際のトルクを1P.U.として、規格化している。
 図5から明らかなように、同じ電気子電流を入力した場合、比較例の永久磁石式回転電機1’と比べて、本実施例の永久磁石式回転電機1のトルクが大きくなっているのが分かる。このことからも、本実施例の永久磁石式回転電機1によれば、電機子反作用の影響による力率低下ならびに減磁による磁束量の低下を改善することができ、トルクの低下を抑制し、小形・高効率な永久磁石式回転電機を実現できることが分かる。
 なお、本実施例では、図3のように、L1≦L2<L3の関係となるようボンド磁石14を構成し配する例を説明したがこれに限られるものではない。例えば、L1≦L2の関係が満たされるよう、ボンド磁石14を構成し、回転子鉄心12に配置しても良い。
 本実施例によれば、弱め界磁領域におけるトルク特性を低下させることなく、永久磁石の表面積を拡大でき、小形・高効率な永久磁石式回転電機を実現できる。
 また、本実施例によれば、弱め界磁領域において、高負荷、ならびに電機子巻線を増加して高インダクタンスとなる場合であっても、電機子反作用による機内磁束の高調波成分を低減し、力率改善による高トルク化が図られる。また、減磁による磁束量の低下を抑制できる。
 図6は、本発明の実施例2に係る圧縮機の縦断面図である。本実施例は、実施例1の永久磁石式回転電機1を圧縮機に適用したものであり、重複する説明は省略する。
 図6に示すように、圧縮機50は、円筒状の圧縮容器69内に、固定スクロール部材60の端板61に直立する渦巻状ラップ62と、旋回スクロール部材63の端板64に直立する渦巻状ラップ65を備え、これら固定スクロール部材60の渦巻状ラップ62と旋回スクロール部材63の渦巻状ラップ65とが噛み合わされて形成される。また、圧縮機50は、圧縮容器69内に、クランク軸72を介して旋回スクロール部材63に旋回力を伝達する永久磁石式回転電機1を備える。永久磁石式回転電機1により、旋回スクロール部材63がクランク軸72を介して旋回運動することによって圧縮動作を行う。
 具体的には、固定スクロール部材60及び旋回スクロール部材63によって形成される圧縮室66a、66b、66c、66d、66eのうち、最も外径側に位置する圧縮室66a、66bが、旋回運動に伴って固定スクロール部材60及び旋回スクロール部材63の中心に向かって移動することにより、容積が次第に縮小し、圧縮動作が行われる。圧縮室66a、66bが固定スクロール部材60及び旋回スクロール部材63の中心近傍に達すると、吸込みパイプ71より供給された圧縮室66a、66b内の作動流体である圧縮ガス(気体)は、圧縮室66eと連通した吐出口67から圧縮容器69内に吐出される。吐出された圧縮ガスは、固定スクロール部材60及びフレーム68に設けられたガス通路(図示せず)を通ってフレーム68下部の圧縮容器69内に至り、圧縮容器69の側壁に設けられた吐出パイプ70から圧縮機50外に排出される。
 また、圧縮機50を駆動する永久磁石式回転電機1は、別置のインバータ(図示せず)によって制御され、圧縮動作に適した回転速度で回転する。ここで、永久磁石式回転電機1は、固定子2と回転子3から構成され、回転子3に設けられるクランク軸72は、上側がクランク軸になっている。クランク軸72の内部には、油孔74が形成され、クランク軸72の回転によって圧縮容器69の下部にある油溜め部73の潤滑油が油孔74を介して滑り軸受75へ供給される。このような構成の圧縮機50に、上述の実施例1から実施例3のうちいずれか1つの永久磁石式回転電機1を適用することより、圧縮機の効率向上が図られ、省エネ化が可能となる。
 ところで、現在の家庭用及び業務用のエアコンでは、圧縮容器69内にR410A冷媒が封入されているものが多く、永久磁石式回転電機1の周囲温度は80℃以上となることが多い。今後、地球温暖化係数がより小さいR32冷媒の採用が進むと周囲温度はさらに上昇する。特にボンド磁石14は、高温になることで磁石の残留磁束密度が低下し、同一出力を確保するために電機子電流が増加することから、前述の実施例1の永久磁石式回転電機1を適用することで、効率低下を補うことができる。なお、本実施例の圧縮機に上述の実施例1の永久磁石式回転電機1を適用するにあたり、冷媒の種類は制限されるものではない。なお、圧縮機の構成は、図6に示したスクロ-ル圧縮機に限らず、ロ-タリ圧縮機あるいは、その他の圧縮機構を有する圧縮機でも良い。
 また、本実施例によれば、小形・高効率な永久磁石式回転電機を適用することにより、省エネ化が可能な圧縮機を実現できる。また、実施例1の永久磁石式回転電機を適用することにより、高速運転が可能になるなど、圧縮機の運転範囲を広げることが可能となる。
 更に、HeやR32等の冷媒においては、R22、R407C、R410A等の冷媒と比べて、圧縮機は隙間からの漏れが大きく、特に低速運転時には循環量に対する漏れの比率が顕著に大きくなるため、効率の低下が大きい。低循環量(低速運転)時の効率向上のためには、圧縮機構部を小形化し、同じ循環量を得るために回転数を上げることで、漏れ損失を低減させることが有効となるが、最大循環量を確保するためには、最大回転数も上げる必要がある。上述の実施例1の永久磁石式回転電機1を圧縮機に備えることで、最大トルク及び最大回転数を大きくすることが可能となり、且つ弱め界磁領域での損失低減が可能となるため、HeやR32等の冷媒における効率向上に有効となり得る。
 以上のとおり、実施例1の永久磁石式回転電機1を、空調用、ならびに業務用などの各種圧縮機に適用すれば、高効率な圧縮機を実現でき、省エネ化が可能となる。
 なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の実施例の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
1…永久磁石式回転電機、
2…固定子、
3、3’…回転子、
3a、3a’…回転子内周面、
3b、3b’…回転子外周面、
4…ティース、
5…コアバック、
6…固定子鉄心、
7…スロット、
8…電機子巻線、
11…切り欠き部、
12、12’…回転子鉄心、
13、13’…永久磁石挿入孔、
14…ボンド磁石、
14’…フェライト磁石、
15…シャフト孔、
16、 16’…磁化方向、
40、40’…中央部、
40a、40a’…中央部内周面、
40b、40b’…中央部外周面、
41…側部、
41a…側部内周面、
41b…側部外周面、
41c…側部端面、42…屈曲点、
50…電動圧縮機、
60…固定スクロール部材、
61、64…端板、
62、65…渦巻状ラップ、
63…旋回スクロール部材、
66a、66b、66c、66d、66e…圧縮室、
67…吐出口、
68…フレーム、
69…圧縮容器、
70…突出パイプ、
71…吸込みパイプ、
72…クランク軸、
73…油留め部、
74…油孔、
75…すべり軸受

Claims (6)

  1.  外周側に配置され、固定子鉄心の内周面に形成された複数のティースに電機子巻線を巻装した固定子と、
     該固定子の内周側に配置され、回転子鉄心に形成された複数の永久磁石挿入孔に永久磁石を収納する回転子と、
     を備えた永久磁石式回転電機であって、
     前記永久磁石の磁束軸をd軸、前記d軸と電気角で直交する軸をq軸とする場合、前記回転子の外周面には、前記q軸上に内周側に凹む切り欠き部を有し、
     前記永久磁石挿入孔は、
     前記回転子の内周面に向けて凸となる円弧状の中央部と、
     該中央部の両端に接続され、前記回転子の外周面に向けて延伸する略直線状の側部と、
     を繋いた略U字状の形状であり、
     前記永久磁石は、一体成型されたボンド磁石であることを特徴とする永久磁石式回転電機。
  2.  請求項1に記載の永久磁石式回転電機において、
     前記d軸上における、前記永久磁石挿入孔の中央部内周面と前記回転子の内周面の距離をL1、前記中央部の幅をL2としたとき、L1≦L2であることを特徴とする永久磁石式回転電機。
  3.  請求項2に記載の永久磁石式回転電機において、
     前記永久磁石挿入孔の中央部外周面と前記回転子の外周面の距離をL3としたとき、
     L1≦L2<L3であることを特徴とする永久磁石式回転電機。
  4.  請求項2に記載の永久磁石式回転電機において、
     前記切り欠き部は、前記永久磁石挿入孔の側部の径方向端面と対向する位置に設けられた、該径方向端面と平行な切り欠き部であり、該切り欠き部は前記回転子の軸方向に延伸するように形成されることを特徴とする永久磁石式回転電機。
  5.  請求項4に記載の永久磁石式回転電機において、
     隣接する2つの切り欠き部の間に形成される、前記回転子の外周面の円弧状部の周方向両端部により規定される開度は、電気角で略90度から略120度の範囲内であることを特徴とする永久磁石式回転電機。
  6.  作動流体である気体を圧縮容器内に供給する吸込みパイプと、
     前記作動流体の容積を縮小する圧縮機構と、
     前記圧縮機構に駆動力を伝達する永久磁石式回転電機と、
     前記圧縮機構により圧縮された作動流体を前記圧縮容器外に排出する吐出パイプを有する圧縮機であって、
     前記永久磁石式回転電機は、請求項1から請求項5の何れか一項に記載の永久磁石回転電機であることを特徴とする圧縮機。
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