WO2019202943A1

WO2019202943A1 - モータ

Info

Publication number: WO2019202943A1
Application number: PCT/JP2019/013714
Authority: WO
Inventors: 樹山本; 宏北垣; 彰太川島
Original assignee: 日本電産株式会社
Priority date: 2018-04-18
Filing date: 2019-03-28
Publication date: 2019-10-24
Also published as: JPWO2019202943A1

Abstract

モータは、上下方向に延びる中心軸を中心として回転するロータと、前記ロータと隙間を介して径方向に対向するステータと、を備える。前記ロータは、ロータコアと、複数のマグネットと、を有し、前記ロータコアは、周方向に間隔をあけて配置され、前記マグネットを収容する複数のマグネット挿入孔と、周方向に隣り合う前記マグネット挿入孔の間に位置するブリッジ部と、前記ロータコアの外側面から径方向内側に向かって凹み、前記ブリッジ部の周方向両側にそれぞれ位置する凹部と、を有し、前記ブリッジ部の径方向外側の端部は、前記凹部よりも径方向外側に突出し、前記ロータにおける磁極の数をｐとしたときに、前記ブリッジ部の径方向外側の端部の周方向の幅ｘ[度]は、１０／ｐ≦ｘ≦４５／ｐで表される。

Description

モータ

　本発明は、モータに関する。

従来、コンプレッサ用モータなどでは、埋め込み磁石型モータ（ＩＰＭ）が用いられる。ＩＰＭでは、ロータコアに貫通孔が設けられ、軸方向に延びるマグネットが挿入される（例えば、特許文献１）。

特開２０１３－２２００００号公報

このようなモータを高速にて駆動することにより、高出力を達成している。しかし、高速でモータを駆動させる場合には、逆起電圧が増大し、モータに電流を流すことができず、回転数を上げることができなくなってしまう。そのため、モータを高速領域にて駆動させる場合には、弱め磁束制御にて、モータを駆動させる方法が知られている。

従来は、ロータのｄ軸上に磁路を設ける等により、弱め界磁制御をより効果的に行い、高速回転時の逆起電圧を抑制していた。

しかし、弱め界磁制御を考慮してロータの形状やフラックスバリアの形状が決定される場合には、マグネットの磁束に起因するトルクが低下してしまう場合がある。そこで、本発明は、上記の点に鑑みてモータから生じるトルクの減少を抑制しつつ、弱め界磁制御を行いやすいロータ、および、当該ロータを有するモータを得ることを目的の一つとする。

　本発明の例示的な一実施形態におけるモータは、上下方向に延びる中心軸を中心として回転するロータと、前記ロータと隙間を介して径方向に対向するステータと、を備え、前記ロータは、ロータコアと、複数のマグネットと、を有し、前記ロータコアは、周方向に間隔をあけて配置され、前記マグネットを収容する複数のマグネット挿入孔と、周方向に隣り合う前記マグネット挿入孔の間に位置するブリッジ部と、前記ロータコアの外側面から径方向内側に向かって凹み、前記ブリッジ部の周方向両側にそれぞれ位置する凹部と、を有し、前記ブリッジ部の径方向外側の端部は、前記凹部よりも径方向外側に突出し、前記ロータにおける磁極の数をｐとしたときに、前記ブリッジ部の径方向外側の端部の周方向の幅ｘ[度]は、１０／ｐ≦ｘ≦４５／ｐで表される。

　本発明の例示的なモータによれば、マグネットの磁束をより有効活用することが可能である。

図１は、本発明の第１実施形態に係るモータの平面図である。図２は、本発明の第１実施形態に係るモータの部分拡大図である。図３は、本発明の第１実施形態にかかるブリッジ部の幅とトルクとの関係を示す図である。図４は、本発明にかかる圧縮機の概要図である。

　以下、本発明の例示的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。本明細書では、ロータの中心軸Ｊが延びる方向を単に「軸方向」と呼び、モータ１の中心軸Ｊを中心として中心軸Ｊと直交する方向を単に「径方向」と呼び、モータ１の回転軸を中心とする円弧に沿う方向を単に「周方向」と呼ぶ。ロータコア３２の中心軸は、モータ１の回転軸に一致する。

また、本明細書では、説明の便宜上、軸方向を上下方向とし、図１の紙面奥行き方向をロータコア３２、ロータ３、モータ１の上下方向として各部の形状や位置関係を説明する。なお、この上下方向の定義がモータ１の使用時の向きを限定するものではない。また、本明細書では、軸方向に平行な端面図を「縦端面図」と呼ぶ。また、本書で用いる「平行」、「垂直」は、厳密な意味で平行、垂直を表すものではなく、略平行、略垂直を含む。

モータ１は、ロータ３と、ステータ２と、を有する。本実施形態において、モータ１は、例えば、コンプレッサの圧縮機構の駆動として用いられる。ロータ３は、中心軸Jを中心として、ステータ２に対して相対的に回転可能である。本実施形態において、モータ１は、いわゆるインナーロータ型のモータである。ステータ２は、ロータ３を囲う略環状である。

ステータ２は、ステータコア２２と、コイル（図示省略）と、を有する。本実施形態において、ステータコア２２は、電磁鋼板を軸方向に複数積層された積層鋼板である。ステータコア２２は、コアバック２２２と、複数のティース２２４と、を有する。

コアバック２２２は、略環状である。コアバック２２２は、複数のコアピース２２６が環状に配置されることにより構成される。すなわち、本実施形態において、ステータコア２２は、いわゆる分割コアである。周方向に隣り合うコアピース２２６同士は、例えば、かしめや圧入などにより、互いに固定される。本実施形態では、コアピース２２６の数は、１５個である。

なお、コアピース２２６の数は、１５個に限られない。ステータコア２２は、複数のコアピース２２６から構成される分割コアではなく、単一の部材であってもよい。

各コアピース２２６は、コアピース２２６の内側面から径方向内側に向かって延びるティース２２４を有する。言い換えると、各ティース２２４は、コアバック２２２の内側面から径方向内側に向かって延びる。各ティース２２４は、コアバック２２２の内側面において、周方向に間隔を空けて配置される。本実施形態では、１つのコアピースが１つのティースを有する。そのため、コアピース２２６の数が１５であることから、ティース２２４の数も１５である。ティース２２４は、ロータ３（後述するロータコア３２）と、間隙を介して径方向に対向する。なお、上述のように、ティースの数の数は１５に限られず、他の数であってもよい。言い換えると、周方向に隣り合うティース２２４間に構成されるスロットの数は、１５に限られるものではなく、他の個数であってもよい。

図示は省略するが、各ティース２２４には、インシュレータを介してコイルが配置される。インシュレータの材料は、樹脂などの絶縁材料である。コイルは、インシュレータを介して、例えば、ティース２２４の周囲に導線を巻きまわすことにより、構成される。すなわち、各コアピース２２６には、それぞれ、コイルが取り付けられる。コイルには、外部電源（図示省略）等から、回路基板（図示省略）や制御基板（図示省略）等を介して、電流が流される。これにより、コイルが励磁され、後述するロータ３のマグネット４との間に生じる磁気的相互作用により、トルクが発生する。その結果、ロータ３が、ステータ２に対して周方向に回転することができる。

ロータ３は、ロータコア３２と、複数のマグネット４、シャフト（図示省略）と、を有する。本実施形態において、ロータコア３２は、電磁鋼板を軸方向に複数積層された積層鋼板である。ロータコア３２は、複数のマグネット挿入孔３６と、シャフト挿入孔３３と、を有する。本実施形態では、ロータコア３２は、さらに、複数の第１内側貫通孔３４と、複数の第２内側貫通孔３５と、を有する。

シャフト（図示省略）は、軸方向に沿って延びる棒状の部材である。シャフト挿入孔３３は、ロータコア３２を軸方向に貫通する。軸方向から見たときに、シャフト挿入孔３３は、ロータコア３２の略中央に位置する。シャフトは、シャフト挿入孔内３３に挿入され、例えば、圧入などにより、固定される。なお、シャフトは、樹脂部材や金属部材などの他の部材を介して、間接的にシャフト挿入孔３３に固定されてもよい。すなわち、シャフトは、ロータコア３２に対して、直接または間接的に固定される。

複数の第１内側貫通孔３４は、シャフト挿入孔３３の径方向外側において、周方向に間隔をあけて配置される。本実施形態では、第１内側貫通孔３４の数は５つである。各第１内側貫通孔３４は、周方向に等間隔に配置される。軸方向から見たときに、第１内側貫通孔３４の開口は、周方向に延びる形状である。第１内側貫通孔３４は、マグネット挿入孔３６の径方向内側に位置する。第１内側貫通孔３４の内側面は、径方向内側に向かって突出する第１内壁突出部３４１を有する。第１内壁突出部は、第１内側貫通孔３４の内側面において、径方向外側かつ周方向の略中央に位置する。すなわち、第１内壁突出部３４１は、第１内側貫通孔３４の内側面において、径方向内側に向かって突出する。

ロータコア３２が第１内側貫通孔３４を有することにより、ロータコア３２の重量を小さくすることができる。その結果、ロータのイナーシャを小さくすることができ、モータの駆動時により高速にロータ３を回転させやすくなるとともに、モータ１を制御する際の応答性を上げることができる。

本実施形態では、平面視において、第２内側３５の開口は、略円形である。第２内側貫通孔３５は、周方向に間隔をかけて配置される。各第２内側貫通孔３５は、それぞれ、各第１内側貫通孔３４の径方向外側に位置する。第２内側貫通孔３５は、マグネット挿入孔３６の径方向内側に位置する。周方向において、第２内側貫通孔３５には、隣り合う第１内側貫通孔３４の間に配置されるものと、第１内側貫通孔３４と径方向に隣り合うものと、がある。第１内側貫通孔３４と径方向に隣り合う第２内側貫通孔３５においては、軸方向から見たときに、当該第２内側貫通孔３５は、第１内壁突出部の径方向外側に位置する。平面視において、第１内側貫通孔３４の開口の一部は、当該第２内側貫通孔３５の開口の一部と、周方向および径方向に重なる。

図示は省略するが、少なくとも１つの第２内側貫通孔３５には、バランスウェイト（錘）を取り付けることができる、これにより、モータの駆動時において、ロータ３を高速にて回転させる場合においても、ロータ３の回転を安定したものとすることができる。

各マグネット挿入孔３６は、ロータコア３２を軸方向に貫通する。軸方向から見たときに、マグネット挿入孔３６の開口は、径方向に対して略垂直な方向に延びる略矩形である。マグネット挿入孔３６の開口の周方向一方側には、さらに周方向一方側に延びる第１貫通延伸部３６１を有する。同様に、マグネット挿入孔３６の開口の周方向他方側には、さらに周方向他方側に延びる第１貫通延伸部３６１を有する。第１貫通延伸部３６１は、マグネット挿入孔３６の一部であり、軸方向に貫通する貫通孔である。

マグネット挿入孔３６の内側面において、周方向一方側かつ径方向内側に位置する部位には、径方向内側に向かって凹む第２貫通延伸部３６２を有する。同様に、マグネット挿入孔３６の内側面において、周方向他方側かつ径方向内側に位置する部位には、径方向内側に向かって凹む第２貫通延伸部３６２を有する。第２貫通延伸部３６２は、第１貫通延伸部３６１よりも径方向内側に位置する。第２貫通延伸部３６２は、第１貫通延伸部３６１と、径方向に隣り合う。

本実施形態において、マグネット４は、略板状である。各マグネット挿入孔３６に、マグネット４が挿入される。マグネット４の径方向内側かつ周方向両側の角部の少なくとも一部は、それぞれ、周方向両側に位置する第２貫通延伸部３６２内に収容される。マグネット４の周方向両側の側面と、第１貫通延伸部３６１を構成する内側面を含むマグネット挿入孔３６の内側面との間には、周方向において、間隙が構成される。当該間隙、第１貫通延伸部３６１、および、第２貫通延伸部３６２には、例えば、接着剤などの樹脂材料が充填されるのが望ましい。これにより、マグネット４が、マグネット挿入孔３６内において、がたつくことが防止される。

なお、マグネット４の種類は、特に限定されるものではなく、例えば、ネオジマグネットやフェライトマグネットなどであってもよい。

ロータコア３２の外周面は、径方向内側に凹む複数の凹部３６４を有する。各凹部３６４は、マグネット挿入孔３６の貫通延伸部の径方向外側に位置する。１つのマグネット挿入孔３６の径方向外側には、２つの凹部３６４が位置する。軸方向から見たときに、凹部３６４の径方向における深さは、周方向において後述するブリッジ部３６３に近づくにつれて大きくなる。ブリッジ部３６３側に凹部３６４を構成する内側面のうち径方向内側の部位と第１貫通延伸部３６１を構成する内側面のうち径方向外側の部位との間の厚みは、ロータコア３２の外側面とマグネット挿入孔３６を構成する内側面のうち周方向の略中央かつ径方向外側の部位との間の厚みよりも、薄い。軸方向から見たときに、凹部３６４を構成する内側面の一部は、第１貫通延伸部３６１を構成する内側面の一部と、略平行である。

ロータコア３２は、周方向に隣り合うマグネット挿入孔３６の間に、ブリッジ部３６３を有する。軸方向から見たときに、ブリッジ部３６３は、周方向一方側に位置する第１貫通延伸部３６１と周方向他方側に位置する第１貫通延伸部３６１の間に位置する。ブリッジ部３６３は、周方向一方側に位置する第２貫通延伸部３６２と周方向他方側に位置する第２貫通延伸部３６２の間に位置する。

周方向一方側に位置する第１貫通延伸部３６１と周方向他方側に位置する第１貫通延伸部３６１の間において、ブリッジ部３６３の周方向の幅は、径方向内側から径方向外側へ向かうにつれて、徐々に大きくなる。

ブリッジ部３６３の径方向外側の部位は、周方向一方側に位置する凹部３６４と周方向他方側に位置する凹部３６４との間に位置する。ブリッジ部３６３の径方向外側の部位は、凹部３６４を構成する内側面の一部である。中心軸からブリッジ部３６３の径方向外側の部位の外側面までの距離は、中心軸Jからマグネット挿入孔３６の径方向外側に位置するロータコア３２の外側面までの距離と、等しい。言い換えると、ブリッジ部３６３の径方向外側の端部は、ブリッジ部３６３の周方向両側に位置する凹部３６４よりも、径方向外側に突出する。

ここで、磁極がつくる磁束の方向（マグネット４の中心軸）をｄ軸とし、ｄ軸と電気的および磁気的に直交する軸（隣り合うマグネット４同士の間の軸）をｑ軸とした、いわゆるｄｑ座標系を考える。

本実施形態のロータ３においては、ｑ軸が、周方向に隣り合う磁極（マグネット４）の間にあるブリッジ部３６３を通る。上述のように、ブリッジ部３６３の径方向外側の端部は、ブリッジ部３６３の周方向両側に位置する凹部３６４よりも、径方向外側に突出する。のため、ブリッジ部３６３が突出していない場合と比較して、ステータ２およびマグネット４との間を流れる磁束の一部が、ブリッジ部３６３を介して、ステータ２およびマグネット４の間を流れやすい。その結果、モータ１を高速領域にて駆動させ、かつ、逆起電圧の影響を抑制するために弱め界磁制御を行う場合において、弱め界磁制御によって発生させた、マグネット４から生じる磁束とは逆向きの磁束も、ブリッジ部３６３を介して、ロータ３およびステータ２間に流れやすくなる。すなわち、ブリッジ部３６３が上述の構造であるために、弱め界磁制御を行った場合において、より逆起電圧の発生を抑制することができ、モータ１をより高速領域にて駆動させることができる。言い換えれば、ロータ３とステータ２との間における磁束の流れをより有効活用することができる。

本実施形態においては、ロータコア３２の外径は、５９．２ｍｍである。ブリッジ部３６３の径方向外側の端部の周方向の幅ｘ[度]は、式（１）に示す範囲となるが望ましい。
１０／ｐ　≦　ｘ　≦　４５／ｐ　　・・・式（１）
ここで、ｐは、ロータ３における磁極の数である。本実施形態では、マグネット４の数が１０個であることから、ｐ＝１０となる。すなわち、本実施形態では、ブリッジ部３６３の周方向の幅ｘ[度]が、１度≦ｘ≦４．５度の範囲となる。また、本実施形態では、ロータコア３２の半径ｒは、ｒ＝２９．６ｍｍである。そのため、本実施形態では、ブリッジ部３６３の周方向の幅ｘについて、長さ［ｍｍ］で表すと、０．５２ｍｍ≦ｘ≦２．３２ｍｍとなる。

図３は、本発明におけるブリッジ部の幅ｘと出力トルクとの関係を示す図である。図３は、横軸をブリッジ部３６３の周方向の幅ｘとし、縦軸をモータ１において生じるトルク[Ｎ・ｍ]としたグラフである。ただし、横軸は、幅ｘの単位を[度]から[ｍｍ]に変換している。かつ、図４では、電流進角βを２０度から７０度まで変化させたときにおける各トルクの変化を示している。ここで、電流進角βは、モータ１における相電圧の位相に対する駆動電流の位相のずれ（進角）のことである。

　図３に示すように、電流進角βが、β＝３０度、４０度、５０度、６０度、７０度の場合におけるトルクは、０．５２≦ｘ≦２．３２の範囲内において、上に凸となっており、極大値を有する。すなわち、０．５２≦ｘ≦２．３２の範囲内において、モータ１において発生するトルクが最も高い値となっている。それに対して、ｘ＜０．５２の範囲および２．３＜ｘの範囲では、トルクの値が極大値と比べて小さくなっている。

上述のように、本実施形態におけるモータ１は、コンプレッサ用モータとして用いられる。コンプレッサに用いられる場合、モータは高速回転領域での駆動が特に求められる。そのため、モータは高速回転時においても、電流の値に応じて、トルクが高くなる範囲において駆動する必要がある。よって、本実施形態では、高いトルクを得るためには、ブリッジ部３６３の幅ｘは、０．５２≦ｘ≦２．３２となることが望ましい。すなわち、本実施形態のモータにおいて、発生するトルクを最大化するためには、ブリッジ部３６３の幅ｘは、式（１）にて表される範囲であることが望ましいといえる。

　さらに、図３に示すように、電流進角βが、２０度、３０度、および４０度の値をとる場合と、５０度以上（５０度、６０度、および７０度）の値をとる場合を比較すると、電流進角βが、２０度、３０度、および４０度の値をとる場合のほうが、トルクの値が高い。したがって、本実施形態において、高いトルクを得るためには、電流進角βが、２０度≦β≦４０度であることが望ましい。

　なお、本実施形態においては、磁極の数ｐは、ｐ＝１０である。しかしながら、磁極の数ｐは上記に限られず、例えば、ｐ＝８、１２、１４などであってもよい。

　図４は、本実施形態のモータ１が設けられた圧縮機（コンプレッサ）１００の概略図である。本実施形態の圧縮機１００は、モータ１と、モータ１の下側に位置する圧縮機構部１０１と、ケース１０９と、アキュムレータ１０８と、を備える。

　圧縮機構部１０１は、偏心ロータ１０３と、偏心ロータ１０３を囲むシリンダ１０２と、を有する。偏心ロータ１０３は、モータ１のシャフト１１と接続されてモータ１の駆動に伴い回転する。

　ケース１０９は、モータ１と圧縮機構部１０１とを収容する。ケース１０９には、吸入管１０４および吐出管１０５が接続される。ケース１０９の内部の潤滑油溜め１０７には、潤滑油が供給され、圧縮機構部１０１の動作を円滑にする。

　アキュムレータ１０８には、冷媒（冷却ガス）と潤滑油とが分離された状態で貯留される。アキュムレータ１０８において分離された冷媒は、吸入管１０４を介してケース１０９内部の圧縮機構部１０１に供給される。

　圧縮機１００は、モータ１の駆動に伴い圧縮機構部１０１の偏心ロータ１０３を回転させる。これにより、圧縮機１００は、圧縮機構部１０１において、冷媒を吸入管１０４からシリンダ１０２内に吸入して圧縮する。圧縮された冷媒は、モータ１の周囲および内側
を通過して、ケース１０９の上部に設けられた吐出管１０５から吐出される。

　以上に、本発明の実施形態および変形例を説明したが、実施形態における各構成およびそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換およびその他の変更が可能である。また、本発明は実施形態によって限定されることはない。

　本発明は、コンプレッサ、自動車、掃除機、ドライヤ、シーリングファン、洗濯機、冷蔵庫および電動パワーステアリング装置などの、各種モータを備える多様な機器に幅広く利用され得る。

Ｊ・・・中心軸、１・・・モータ、２・・・ステータ、２２・・・ステータコア、２２２・・コアバック、２２４・・・ティース、２２６・・・コアピース、３・・・ロータ、３２・・・ロータコア、３３・・・シャフト挿入孔、３４・・・第１内側貫通孔、３５・・・第２内側貫通孔、３６・・・マグネット挿入孔、３６１・・・第１貫通延伸部、３６２・・・第２貫通延伸部、３６３・・・ブリッジ部、３６４・・・凹部、４・・・マグネット、１０１・・・圧縮機構部、１０２・・・シリンダ、１０３・・・偏心ロータ、１０４・・・吸入管、１０５・・・吐出管、１０７・・・潤滑油溜め、１０８・・・アキュムレータ、１０９・・・ケース

Claims

　上下方向に延びる中心軸を中心として回転可能なロータと、
前記ロータと隙間を介して径方向に対向するステータと、
を備え、
　前記ロータは、
　　ロータコアと
　　複数のマグネットと、
を有し、
　前記ロータコアは、
　　周方向に間隔をあけて配置され、前記マグネットを収容する複数のマグネット挿入孔と、
　　周方向に隣り合う前記マグネット挿入孔の間に位置するブリッジ部と、
　　前記ロータコアの外側面から径方向内側に向かって凹み、前記ブリッジ部の周方向両側にそれぞれ位置する凹部と、
　を有し、
　前記ブリッジ部の径方向外側の端部は、前記凹部よりも径方向外側に突出し、
前記ロータにおける磁極の数をｐとしたときに、前記ブリッジ部の径方向外側の端部の周方向の幅ｘ[度]は、
１０／ｐ≦ｘ≦４５／ｐ
で表されるモータ。
前記磁極の数ｐは、８、１０、１２、１４のいずれかである、請求項１に記載のモータ。
前記モータの駆動時において、前記ステータの相電圧の位相に対する前記ステータを流れる駆動電流の位相のずれである電流進角βは、２０度≦β≦４０度の範囲内である、
請求項１または請求項２に記載のモータ。
前記マグネット挿入孔の周方向両側には、第１貫通延伸部がそれぞれ形成され、
前記ブリッジ部の一部は、周方向一方側に位置する前記マグネット挿入孔の前記第１貫通延伸部と周方向他方側に位置する前記マグネット挿入孔の前記第１貫通延伸部との間に位置し、
前記ブリッジ部の一部の周方向の幅は、径方向内側から径方向外側に向かうにつれて徐々に大きくなる、
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のモータ。
前記マグネット挿入孔の内側面は、前記マグネット挿入孔の周方向両側かつ前記第１貫通延伸部の径方向内側に、径方向内側に向かって凹む第２貫通延伸部を有し、
前記マグネットの径方向内側の角部の少なくとも一部は、前記第２貫通延伸部内に収容される、
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のモータ。
前記マグネット挿入孔の内側面と前記マグネットの側面との間には空隙が構成され、
前記空隙には、樹脂が充填される、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のモータ。
前記ロータは、軸方向に沿って延びるシャフトを有し、
前記ロータコアは、
前記シャフトが直接または間接的に固定されるシャフト挿入孔と、
　前記シャフト挿入孔の径方向外側に位置し、周方向に間隔をあけて配置される第１内側貫通孔と、
を有する、
請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のモータ。
前記ロータコアは、前記第１内側貫通孔の径方向外側に配置される複数の第２内側貫通孔を有し、
複数の前記第２内側貫通孔のうちの一部は、前記第１内側貫通孔の径方向外側に位置し、
複数の前記第２内側貫通孔のうちの一部は、周方向に隣り合う前記第１貫通孔部の間に位置する、
請求項７に記載のモータ。
前記ロータコアの少なくとも軸方向一方側の端面にはバランスウェイトが取り付けられ、
前記バランスウェイトの少なくとも一部は、前記第２内側貫通孔内に収容される、
請求項８に記載のモータ。
請求項１から請求項９のいずれか一項に記載のモータと、
前記モータによって駆動される圧縮機構と、
を有するコンプレッサ。