JP2005210826A - 電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】回転子のブリッジ部から対向する固定子を介して発生する漏れ磁束を低減させることにより、この漏れ磁束によるコギングトルクを低減させ、結果的に騒音を低減させる回転子形状を備えた電動機を提供する。
【解決手段】 回転子８を薄い磁性鋼板を積層して６極の回転子鉄心に形成し、ほぼ円筒状の回転子８の内部に板状の永久磁石３１を埋込状に設けている。
また、各永久磁石３１の外側に位置する磁性体部３３の外端部同志を連結し、かつ非磁性部３２の外側に位置する橋絡部であり、磁性体からなるブリッジ部３４を設ける。そして、固定子内周面と隙間を隔てて対向し、非磁性部３２と対応する回転子８の外周面に切欠部３７を設ける。また、突極角を約４０°となるように形成する。
【選択図】図３

Description

本発明は、回転子の形状に係わり、より詳細には、インナーロータ型の回転子鉄心の形状を特定し、コギングトルクを減少させて騒音を軽減した電動機に関する。

従来、インナーロータ型の電動機は一例として図７に示すように固定子の内周部に回転子を備えた構造であり、環状の固定子７１は、固定子鉄心７１ｃと６組の固定子コイル７３ｕ，７３ｖ，７３ｗ及び７４ｕ，７４ｖ，７４ｗとにより構成されている。固定子鉄心７１ｃは略環状をなしており、この固定子鉄心７１ｃの内周面側には開孔部７１ｂを有する半閉形スロット７１ａが、１２個等間隔となるように円周状に形成されている。

そして、この半閉形スロット７１ａには、６組の固定子コイル７３ｕ，７３ｖ，７３ｗ及び７４ｕ，７４ｖ，７４ｗをそれぞれ所定の半閉形スロット７１ａに巻回収納されて配置している。これら各固定子コイル７３ｕ乃至７４ｗには、三相の直流励磁電流が夫々供給されるように構成されている。

また、固定子７１の同心円内周部には、固定子７１の内周面との間に若干の空隙部分８０を均一となるように回転子８２が配置されている。この回転子８２は、図８においても示しているように、略円環状の薄板状の珪素鋼板を多数積層してなる回転子鉄心８２ｃと、この回転子鉄心８２ｃの中心位置に嵌着されている回転軸８５、及びフェライト製の４つの界磁用永久磁石８６，８７，８８及び８９により構成されている。

界磁用永久磁石８６乃至８９は、ほぼ正方形状をなし直交する位置で、かつ中心位置において回転軸８５を包囲するように配置固定されている。これら４本の界磁用永久磁石８６乃至８９のうち、互いに対向している位置に配置された一対の界磁用永久磁石８６及び８８は、回転子８２の外周面がＮ極となるように着磁されており、もう一方の対をなす界磁用永久磁石８７及び８９は、逆にＳ極に着磁されている。

界磁用永久磁石８６の半径方向外周側の面と、上記空隙部分８０とに挟まれた回転子鉄心２ｃ部分においては、上述のように固定子コイル１相分の通電区間が１２０度の場合、電気角にして３０度乃至１５０度に相当する部分、機械角にすると１５度乃至７５度に相当する中心角が６０度の部分に円弧状の突起部分６ａを形成している。

界磁用永久磁石８７，８８及び８９についてもそれぞれの半径方向外周側には、突起部分８６ａと同様、１極分の電気角にして３０度乃至１５０度に相当する部分、機械角にして１５度乃至７５度に相当する中心角６０度の部分に円弧状の突起部分８７ａ，８８ａ及び８９ａが夫々形成されている。つまり、機械角にして７５度乃至１０５度，１６５度乃至１９５度，２５５度乃至２８５度，３４５度乃至１５度に相当する部分に切り欠きからなる空隙部分８０を設けた構成である。これら突起部分８６ａ乃至８９ａは、固定子コイル７３ｕ乃至７４ｗに通電した場合、１相分の通電角に相当する電気角の位置、つまり電気角にして１２０度に相当する位置に設けられている。

このように切り欠きからなる空隙部分８０を設けた回転子の構造となっているため、固定子コイル８３ｕ乃至８４ｗに通電した場合、空隙部分８０における磁束分布は磁気的に突状となっていて、この部分の磁束密度は強められるようになり、１極分の磁束密度は１極分の電気角にして３０度〜１５０度に相当する位置の磁束は多くなるので、１相分におけるトルクも大きくなり、従って、３相分の合成トルクも大きくなるようにした構造である（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、図８の回転子形状では、個々の永久磁石の両端が近接して配置され、また、永久磁石の両端に磁束の短絡を防止する手段がないため、隣接する永久磁石に漏れ磁束が発生するという問題点がある。これを解決する従来技術としては、図９に示す回転子の構造が開示されている。

図９の回転子は、ブラシレスＤＣモータなどの永久磁石モータに適用される回転子であり、ほぼ円筒状の回転子１の内部に板状の永久磁石９２を埋込状に設けている。なお、９６は回転子９１の中心を軸方向に貫通する回転軸部材である。
そして、各永久磁石９２の周方向の端部に、永久磁石９２の厚み（永久磁石９２の半径方向の長さ）よりも大きい周方向長さを有し、かつ永久磁石装着位置から回転子外周に向かって延びる空間からなる扇状の非磁性部９３を設けている。

また、各永久磁石９２の外側に位置する磁性体部９１ａの外端部どうしを連結し、かつ非磁性部９３の外側に位置する、磁性体からなるブリッジ部９４を設けているとともに、非磁性部９３どうしの間に位置して半径方向に延びる、磁性体からなる補強リブ部９５を設けている。

このような構造は、個々の永久磁石の両端に磁束の短絡を防止することにより、永久磁石９２に起因する磁束の流れを磁性体部９１ａに集中させるものである（例えば、特許文献２参照）。

しかしながら、図９の回転子形状では、個々の永久磁石の両端に磁束の短絡を防止する非磁性部が設けられているが、ブリッジ部から対向する固定子を介して隣接する磁性体部に漏れ磁束が発生し、この漏れ磁束によりコギングトルクが増加し、結果的に騒音が増加するという問題があった。

特開平５−２３６６８８号公報（第３−４頁、図１）

特開２００２−４４８８８号公報（第５頁、図１）

本発明は以上述べた問題点を解決し、回転子のブリッジ部から対向する固定子を介して発生する漏れ磁束を低減させることにより、この漏れ磁束によるコギングトルクを低減させ、結果的に騒音を低減させる回転子形状を備えた電動機を提供することを目的とする。

本発明は上述の課題を解決するため、固定子と、同固定子内周面と隙間を隔てて対向し、鉄心内部に複数個の永久磁石が配設され、同永久磁石の周方向の端部に連続させて、表面近傍まで延びる複数の非磁性部を備えた回転子とで構成されてなる電動機において、
前記非磁性部に対応する前記回転子の外周面に、磁束漏れを軽減する切欠部を設ける。

また、前記切欠部の深さ寸法は、前記隙間と前記非磁性部との間が厚みとなる前記回転子鉄心からなる橋絡部の厚み寸法より大きくする。

また、前記回転子の極数を６極としてなり、前記切欠部の形成により前記回転子の外周面に形成される円弧状の突極部の外周幅を規定する回転中心からの角度である突極角を約４０°とする。

または、前記回転子の極数を６極としてなり、前記切欠部の形成により前記回転子の外周面に形成される円弧状の突極部の外周幅を規定する回転中心からの角度である突極角を３７°から４０．５°の角度範囲とする。

本発明による電動機によれば、
請求項１に係わる発明は、非磁性部と対応する回転子の外周面に、磁束漏れを軽減するための切欠部を設けることにより、
固定子内周面と回転子の橋絡部であるブリッジ部との隙間を広げて磁束漏れを軽減させるため、ブリッジ部により回転子の強度を保ちつつ、コギングトルクによる騒音を低減させることができる。
また、この切欠部を設けることにより、回転子と固定子との隙間全体を広げることなく、固定子を介しての漏れ磁束を軽減させると共に、結果的に磁性体部に形成される円弧状の突極部により、永久磁石から発生する磁力をこの突極部に集中させて電動機の効率を高める構造とすることができる。

請求項２に係わる発明は、切欠部の深さ寸法が、隙間と非磁性部との間が厚みとなる回転子鉄心からなる橋絡部の厚み寸法より大きくすることにより、
ブリッジ部厚みが厚くて漏れ磁束が大きい場合でも、この影響をブリッジ部厚みに比例して低減させることができる。

請求項３に係わる発明は、回転子の極数を６極とし、切欠部の形成により回転子の外周面に形成される円弧状の突極部の外周幅を規定する回転中心からの角度である突極角を約４０°とすることにより、コギングトルクによる騒音を最も低減させることができる。

請求項４に係わる発明は、回転子の極数を６極とし、切欠部の形成により回転子の外周面に形成される円弧状の突極部の外周幅を規定する回転中心からの角度である突極角を３７°から４０．５°の角度範囲とすることにより、コギングトルクによる騒音を低減させることができる。

以下、本発明の実施の形態を、添付図面に基づいた実施例として詳細に説明する。なお、背景技術で説明したブリッジ部は、隣接する磁性体部の外端部どうしを連結する橋絡部であるが、理解を容易とするため以下の実施例においても、この橋絡部をブリッジ部と呼称する。

図１は本発明による電動機を搭載した密閉型スクロール圧縮機の側面の断面図である。
この圧縮機は、密閉容器１内をメインフレーム２により圧縮機室３と電動機室４とに区画すると共に、同電動機室４の下部にサブフレーム５により区画された油溜室６を設けている。
電動機室４には固定子４７と回転子８と旋回軸９を有するクランクシャフト１０とを備える電動機部１１を設けている。
圧縮機室３の上部には吐出室１２、下部にスクロール式の圧縮部１３を設け、スクロール式の圧縮部１３は、固定スクロール１４、旋回スクロール１５に備える各ラップ１４ａ、１５ａ間に形成される圧縮空間１６を有し、クランクシャフト１０の回転に伴いオルダムリング１７の働きにより旋回スクロール１５を旋回駆動して、吸入管１８から冷媒ガスを吸入して圧縮し、吐出孔１９から吐出室１２に吐出している。
この吐出室１２に吐出された高圧冷媒ガスは第１冷媒通路２０を通して電動機室４の上部に導かれ、同電動機室４の上部に備える吐出管２１から図示しない冷凍サイクルに導出されるようになっている。

また、両側に樹脂からなるインシュレータ４７ａを備えた固定子４７と密閉容器１との間には第２冷媒通路２２が設けられるとともに、第１冷媒通路２０と第２冷媒通路２２を繋ぐ断面円弧状の排油ガイド３０が密閉容器１の内周面に備えられている。
そして、吐出室１２に吐出された高圧冷媒ガスが図１の矢印で示すように、第１冷媒通路２０、排油ガイド３０、第２冷媒通路２２をそれぞれ通過して、電動機室４の下部および油溜室６にも充満され、同高圧冷媒ガスにより電動機部１１を冷却するようになっている。

そして、油溜室６に充満している高圧冷媒ガスは、図１の矢印で示すように油溜室６から固定子４７と回転子８との間を通過しながら冷却し、電動機室４の上部に備える吐出管２１から図示しない冷凍サイクルに導出されるようになっている。

図２は図１の電動機室４を上方（軸方向）から見た断面図である。
円筒状の密閉容器１の内周には、それぞれ円筒状の固定子４７、回転子８、クランクシャフト１０が、それぞれ順に配設されている。
固定子４７は薄い磁性鋼板を積層し、さらに巻線を巻回して形成されており、その外周面には切欠による第２冷媒通路２２が等間隔に設けられ、また、中央部には複数の巻線４７ｂがそれぞれ備えられている。
一方、回転子８の両側面には、円弧状のバランスウエイト２５が固定用リベットを用いて固定され、外周面には切欠部３７が等間隔に設けられている。なお、図２は回転子８の側板の一部を切り欠いて、回転子８の鉄心が見えるように図示している。

図３は回転子８の軸方向から見た断面図である。
この回転子８は薄い磁性鋼板を積層して６極の回転子鉄心が形成されており、ほぼ円筒状の回転子８の内部に板状の永久磁石３１を埋込状に設けている。また、回転子８の中心を軸方向に貫通する回転軸部材であるクランクシャフト１０が備えられている。
そして、各永久磁石３１の周方向の端部に、永久磁石装着位置から回転子外周に向かって延びる空間からなる非磁性部３２を設けている。
この実施例では圧縮機の電動機として説明しているため、回転子８の中心にクランクシャフト１０を配置しているが、通常の電動機であれば回転軸が回転子８の中心に配置される。また、永久磁石３１の形状は長方形である。

また、各永久磁石３１の外側に位置する磁性体部３３の外端部同志を連結し、かつ非磁性部３２の外側に位置する磁性体からなるブリッジ部３４を設けているとともに、非磁性部３２同志の間に位置して半径方向に延びる、磁性体からなる補強リブ部３５を設けている。なお、磁性体部３３やブリッジ部３４、補強リブ部３５は、磁性鋼板を回転子８の形状にプレス成形する際、同時に打ち抜かれて形成される。さらに、磁性体部３３のほぼ中心には孔３６が備えられており、図２で説明したバランスウエイト２５を固定すると共に、積層された鋼板を固定するリベットが挿通される構造となっている。

背景技術の項で説明したように、このような回転子形状では隣接する永久磁石３１が近接している場合に、永久磁石どうしが直接磁束漏れを引き起こすが、本発明では隣接する永久磁石３１を出来るだけ離間した構造となっている。
また、従来の回転子形状では、個々の永久磁石３１の両端に磁束の短絡を防止する非磁性部３２が設けられているが、磁性体からなるブリッジ部３４から対向する固定子（図示せず）を介して漏れ磁束が発生し、この漏れ磁束によるコギングトルクが増加するという問題があった。

このため本発明では、図３に示すように固定子内周面と隙間を隔てて対向し、非磁性部３２と対応する回転子８の外周面に切欠部３７を設けることにより、固定子内周面とブリッジ部３４との隙間を広げて磁束漏れを軽減させ、コギングトルクによる騒音を低減させたことが特徴である。
また、この切欠部３７を設けることにより、固定子を介しての漏れ磁束を軽減させると共に、結果的に磁性体部３３に形成される円弧状の突極部３３ａにより、永久磁石３１から発生する磁力をこの突極部３３ａに集中させて電動機の効率を高める構造としている。

この切欠部３７のコギングトルク減少効果を確認するため、以下の６つの形状の回転子を作成し、これらと１種類の固定子とを組み合わせて電動機を構成し、それぞれの回転子を別の駆動手段を用いて回転させ、固定子の巻線に発生する誘起電圧と、コギングトルクの値とを測定した。

図４は４つの回転子形状を示す図であり、（Ａ）は切欠部及び突極部がない形状（特開２００２−４４８８８号公報の考え方に基づく形状）であり、（Ｂ）〜（Ｆ）は、切欠部による突極部を設け、突極部の外周幅を規定する回転中心からの角度（突極角度）をそれぞれ３５°、３７．５°、４０°、４２、５°、４５°とした形状である。なお、（Ａ）〜（Ｆ）の回転子は、それぞれモデルＮｏ．１〜６と呼称する。

またいずれの回転子も、最大直径は６８．８ｍｍであり、回転軸部分の孔径は２６ｍｍとなっている、また、（Ｂ）〜（Ｆ）の回転子の切欠部の深さ（突極部の高さ）はそれぞれ１．４ｍｍである。また、永久磁石については図示していないが、実際の測定においては、永久磁石が装着された回転子を使用する。

なお、図３に示すように、少なくともブリッジ部３４（橋絡部）の厚さ寸法（非磁性部３２と切欠部３７との間）ａよりも回転子の切欠部３７の深さ寸法ｂ（最大の深さ）が大きくなるように回転子の構造を決定する。これは、磁性体からなるブリッジ部３４の磁束の大きさが、円周方向の長さが一定とすると、その幅に比例して大きくなるため、この影響を低減させるためには、固定子（図示せず）の内周面との距離、つまり、切欠部３７の深さ寸法ｂをブリッジ部３４の厚さ寸法に比例して広げなければならないからである。
本実施例では、ブリッジ部３４の厚さ寸法ａを０．５ｍｍに、切欠部３７の深さ寸法ｂを１．４ｍｍとし、ブリッジ部に対して、ほぼ３倍の切欠部深さ寸法とした。

図５は４つの回転子の測定結果であり、（Ａ）はモデルＮｏ．毎の誘起電圧とコギングトルク値を表した表であり、（Ｂ）は図５（Ａ）をグラフ化したものである。
図５（Ａ）では、横方向の項目にモデル１〜６を、縦方向に誘起電圧（１相分）で最大値［Ｖ］と実効値［Ｖｒｍｓ］とを、また、誘起電圧（２相間）で最大値［Ｖ］と実効値［Ｖｒｍｓ］とを、さらに、コギングトルク値［Ｎｍ］をそれぞれ測定項目としており、結果を表の各対応欄に記載している。
なお、誘起電圧は１相分の巻線のみの測定でもよいが、実際の駆動状況と対応させるため、２相間の巻線誘起電圧も合わせて測定した。

図５（Ｂ）のグラフでは、左の縦方向に誘起電圧の実効値［Ｖｒｍｓ］を２相間と１相分と２種類の目盛りとしており、右の縦方向にコギングトルク値［Ｎｍ］目盛りとし、横方向に各回転子のモデルＮｏ．を表している。ここでモデルＮｏ．１は、比較の基準となる従来の回転子構造を示しており、モデルＮｏ．２〜６は本発明による切欠を備えた回転子構造で、かつ、突極角をそれぞれ、３５°、３７．５°、４０°、４２、５°、４５°としたものを示す。
なお、点線が誘起電圧（２相間）を、実線が誘起電圧（１相分）を、太線がコギングトルク値を表すグラフである。

回転子の特性としては、誘起電圧が高く、かつ、コギングトルク値が低いことが理想的であるが、現実的には誘起電圧とコギングトルク値とは比例する傾向にある。従って現実的な設計としては、コギングトルク値が出来るだけ小さい値で、かつ誘起電圧の低下が少ない回転子形状を選択することになる。

このため本発明では、モデルＮｏ．１（従来構造の回転子）よりも低いコギングトルク値となる形状を騒音の低減に効果があると判断する。
モデルＮｏ．１では誘起電圧（１相分）でのコギングトルク値が０．２９５［Ｎｍ］であり、これより低いコギングトルク値は、モデルＮｏ．４を中心とする突極角４０°の前後の角度であることが判明した。コギングトルク値のグラフから逆算すると、突極角がおおよそ３７°〜４２．５°の範囲であることが読み取れる。従ってこの角度範囲がコギングトルクが低減される効果の範囲である。その中でも、突極角が４０°の場合が他の突極角に比べて最もコギングトルクが低減される効果が大きいことが判明した。

最もコギングトルク値の低いモデルＮｏ．４（０．１５７Ｎｍ）では、モデルＮｏ．１（０．２５９Ｎｍ）に比べて０．１０２Ｎｍもコギングトルクが改善されており、これは３９．４％の改善割合となる。また、この時の誘起電圧（１相分）は、モデルＮｏ．１（７６．５Ｖｒｍｓ）に比べて０．６Ｖｒｍｓの低下に止まっており、減少率は０．８％ととなる。従って殆ど誘起電圧を低下させないで、大幅なコギングトルクが改善できることになる。
なお、誘起電圧（２相間）についても、図５（Ｂ）の点線グラフに示すように、ほぼ、誘起電圧（１相分）と同じ傾向となり、実際の電動機の駆動においても同じ効果が得られる。

図６はコギングトルクの測定データである。縦軸がトルク［Ｎｍ］であり、横軸が電気角を示しており、モデルＮｏ．１、２、４、６をコギングトルク値のグラフとして抜粋して表したものである。各モデルＮｏ．のトルク値のプラス側とマイナス側のそれぞれの最大値が同じであるため、プラス側の値を図５に記載した。

本発明による回転子の切欠部は、コギングトルクの低減効果の他に、別の効果を合わせ持っている。例えば図１で示す圧縮機に採用すると、油溜室６に充満している高圧冷媒ガスは、図１の矢印で示すように油溜室６から固定子４７と回転子８との間を通過しながら冷却するときに、本発明の切欠部が冷媒通路の役割を果たしてスムースな冷媒循環を促すことができるため、冷却効果が向上する。

また、図示しないが別の効果としては、圧縮機製造工程の回転子８の着磁作業において、回転子８の位置決めが容易となることである。回転子８の側面（回転軸方向）から回転子８の切欠部へ嵌合する治具を差し込めば、回転子８を所定の回転角度で固定できるため、位置決めが容易となり、着磁作業をスムースに行なうことができる。
当然のことながら、本発明は圧縮機のみならず一般的な電動機においても適用可能であり、前述の効果を有するものである。

本発明による電動機を搭載した圧縮機の実施例を示す断面図である。 圧縮機の電動機室を上方（軸方向）から見た断面図である。 本発明による電動機の回転子を軸方向から見た断面図である。 比較実験を行なうための各回転子を説明するための断面図である。 測定結果のデータであり、（Ａ）は表として表したものであり、（Ｂ）はこのデータをグラフ化したものである。 比較実験を行なった各回転子毎のコギングトルクの波形を示すグラフである。 従来の電動機を示す断面図である。 従来の電動機の回転子を示す断面図である。 従来の他の回転子を示す断面図である。

符号の説明

１ 密閉容器
２ メインフレーム
３ 圧縮機室
４ 電動機室
５ サブフレーム
６ 油溜室
８ 回転子
９ 旋回軸
１０ クランクシャフト
１１ 電動機部
１２ 吐出室
１３ 圧縮部
１４ 固定スクロール
１４ａ 各ラップ
１５ 旋回スクロール
１６ 圧縮空間
１７ オルダムリング
１８ 吸入管
１９ 吐出孔
２０ 冷媒通路
２１ 吐出管
２２ 冷媒通路
２５ バランスウエイト
３０ 排油ガイド
３１ 永久磁石
３２ 非磁性部
３３ 磁性体部
３３ａ 突極部
３４ ブリッジ部（橋絡部）
３５ 補強リブ部
３６ 孔
３７ 切欠部
４０ 突極角
４７ 固定子
４７ａ インシュレータ
４７ｂ 巻線

Claims (4)

1. 固定子と、同固定子内周面と隙間を隔てて対向し、鉄心内部に複数個の永久磁石が配設され、同永久磁石の周方向の端部に連続させて、表面近傍まで延びる非磁性部を備えた回転子とで構成されてなる電動機において、
   前記非磁性部に対応する前記回転子の外周面に、磁束漏れを軽減する切欠部を設けてなることを特徴とする電動機。
2. 前記切欠部の深さ寸法は、前記隙間と前記非磁性部との間が厚みとなる前記回転子鉄心からなる橋絡部の厚み寸法より大きくしてなることを特徴とする請求項１記載の電動機。
3. 前記回転子の極数を６極としてなり、前記切欠部の形成により前記回転子の外周面に形成される円弧状の突極部の外周幅を規定する回転中心からの角度である突極角を約４０°としてなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電動機。
4. 前記回転子の極数を６極としてなり、前記切欠部の形成により前記回転子の外周面に形成される円弧状の突極部の外周幅を規定する回転中心からの角度である突極角を３７°から４０．５°の角度範囲としてなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電動機。

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