JP4913241B2 - 永久磁石埋込型回転子およびこれを用いた電動機並びに電気機器 - Google Patents

Description

本発明は、回転子鉄心に複数の永久磁石が所定間隔毎に埋め込まれてなる永久磁石埋込型回転子およびこれを用いた電動機に関する。また、本発明は、この電動機を備えた電気機器に関する。

回転子鉄心に複数の永久磁石が所定間隔毎に埋め込まれてなる永久磁石埋込型回転子が特許文献１に記載されている。特許文献１では、回転中心軸に垂直な断面において、回転子の外周面に、各永久磁石の中央部付近に対向して、外向きに突出した円弧形状断面を有する突出部が形成されている。回転子がこのような構成を有することにより、回転子と固定子との距離が回転子の磁極端部付近で最大となり、この部分で磁束が通り難くなる。このため、永久磁石により発生する磁束を固定子に有効に鎖交させることができるので、起電力の低下を防止することができる。また、回転子が上記構成を有することにより、回転子により発生する磁束密度分布を正弦波状に近づけることができる。このため、回転時において固定子に鎖交する磁束を滑らかに増減させることができるので、起電力波形の脈動を低減することができる。

しかしながら、特許文献１に記載の発明では、隣り合う突出部の間の部分で回転子と固定子との距離が大きくなり過ぎるので、トルクリップルを十分に低減することができない。

トルクリップルの低減のための発明が特許文献２に記載されている。特許文献２では、回転中心軸に垂直な断面において、回転子の外周面に、各永久磁石の中央付近に対向して外向きに突出した円弧形状断面を有する第１突出部が形成され、さらに、永久磁石間の部分に対向して外向きに突出した第２突出部が形成されている。回転子がこのような構成を有することにより、出力トルクを向上させながらトルクリップルを低減することができる。

特開２００２−９５１９４号公報 特開２００５−３５４７９８号公報

上記特許文献２に記載の発明は、特許文献１に記載の発明よりもトルクリップルを低減することができる。しかしながら、ギャップ磁束分布歪を低減することができず、ギャップ磁束分布歪に起因する騒音を低減することができないという問題が生じていた。

本発明は、以上のような従来の問題を解決するものであり、トルクリップルとギャップ磁束分布歪に起因する騒音とを十分に低減することができる永久磁石埋込型回転子および電動機を提供することを目的とする。また、本発明は、高出力、且つ、低振動、低騒音の電気機器を提供することを目的とする。

本発明の永久磁石埋込型回転子は、回転子鉄心に複数の永久磁石が所定間隔毎に埋め込まれてなる永久磁石埋込型回転子である。前記回転子の外周面には、前記複数の永久磁石のそれぞれの中央部付近に対向して、外向きに突出した略円弧形状断面を有する第１突出部と、前記複数の永久磁石のそれぞれの端部付近に対向して、外向きに突出した第２突出部とが形成されている。１つの前記永久磁石に対して、１つの前記第１突出部と２つの前記第２突出部とが対応している。そして、前記第２突出部は、前記第１突出部の前記略円弧形状断面よりも曲率半径が小さな略円弧形状断面を有する。

本発明の電動機は、上記の本発明の永久磁石埋込型回転子を備える。

本発明の電気機器は、上記の本発明の電動機を備える。

本発明によれば、回転子の外周面に、各永久磁石に対して、１つの第１突出部と、これを挟む一対の第２突出部とが形成されているので、トルクリップルとギャップ磁束分布歪に起因する騒音とを十分に低減することができる。

図１は、本発明の一実施の形態に係る永久磁石埋込型回転子を備えた電動機（以下、「永久磁石埋込型電動機」という）の断面図である。 図２は、本発明の一実施の形態に係る永久磁石埋込型回転子の断面図である。 図３は、図２の回転子における１磁極に対応する外周面を拡大して示す部分拡大断面図である。 図４は、本発明の一実施の形態に係る永久磁石埋込型電動機及び従来例１，２に係る永久磁石埋込型電動機のギャップ磁束分布と電気角との関係を示す図である。 図５は、図４の電気角０乃至１０［ｄｅｇ］の部分を拡大して示す図である。 図６は、従来例１に係る永久磁石埋込型回転子における１磁極に対応する外周面を拡大して示す部分拡大断面図である。 図７は、従来例２に係る永久磁石埋込型回転子における１磁極に対応する外周面を拡大して示す部分拡大断面図である。 図８は、本発明の一実施の形態に係る永久磁石埋込型電動機及び従来例２に係る永久磁石埋込型電動機の４６次以上の騒音を次数成分毎に分類して示した図である。 図９は、本発明の一実施の形態に係る永久磁石埋込型電動機及び従来例１，２に係る永久磁石埋込型電動機のトルクと電気角との関係を示す図である。 図１０は、エアコン室内機の一例を示す概略図である。 図１１は、エアコン室外機の一例を示す概略図である。

以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施の形態に係る永久磁石埋込型電動機１０の回転中心軸に垂直な面に沿った断面図である。

本実施の形態に係る電動機１０は、固定子１１と回転子２１とを備えている。

固定子１１は、プレスで打ち抜きされた複数の高透磁率薄鉄板が積層された固定子鉄心１４と、固定子鉄心１４に巻回された巻線（図示しない）とを含む。固定子鉄心１４は、ヨーク１２と、ヨーク１２の内周側に形成された複数のティース１３と、隣り合うティース１３間に形成された複数のスロット１５とを有する。巻線が固定子鉄心１４に集中巻巻線にて巻回され、スロット１５に収納されている。

回転子２１は、複数の磁石埋設孔２２が所定間隔で形成された回転子鉄心２４と、それぞれの磁石埋設孔２２に埋設された永久磁石２５と、回転中心軸方向（以下、単に「軸方向」という）の両端に配置された一対の端板（図示しない）とを含む。回転子鉄心２４は、磁石埋設孔２２が形成された複数の高透磁率薄鉄板が軸方向に積層されてなる。そして、回転子２１の磁極を形成するための永久磁石２５がそれぞれの磁石埋設孔２２に収納され保持されている。一対の端板と回転子鉄心２４とは、カシメピン（図示しない）により締結されている。回転子鉄心２４の中央には回転軸（図示しない）が締結されており、回転子鉄心２４は軸受（図示しない）にて回転自在に支承されている。

このように構成された回転子２１は、固定子１１のティース１３の内周面とエアギャップを介して対向している。

なお、図１においては、回転子２１の極数は８（極対数は４）であり、固定子１１のスロット数は１２の場合を示しているが、本発明はこの組み合わせに限定されるものではなく、その他の組み合わせについても適用できる。

図２は回転子２１の回転中心軸に垂直な面に沿った断面図である。図３は、図２の回転子２１における１磁極、すなわち１つの永久磁石２５に対応する回転子２１の外周面を拡大して示す部分拡大断面図である。

図２および図３において、磁石埋設孔２２は、挿入される永久磁石２５の断面よりわずかに大きい形状を有している。永久磁石２５は、磁石埋設孔２２に接着剤等により固定される。

回転子２１の外周面には、永久磁石２５の各々の中央部付近に対向して、外向きに突出した第１突出部２６と、永久磁石２５の各々の端部付近に対向して、外向きに突出した第２突出部２７とが形成されている。第１突出部２６は略円弧形状断面を有している。第２突出部２７も略円弧形状断面を有することが好ましい。ここで、「略円弧形状断面」とは、回転中心軸に垂直な面に沿った断面形状が略円弧形状であることを意味する。「略円弧形状」とは、正確な円弧である必要はなく、円弧に近似できる形状であれば十分であり、例えば複数の曲線や複数の直線の結合により形成されてもよい。

１つの永久磁石２５に対して、１つの第１突出部２６と２つの第２突出部２７とが対応している。即ち、１つの第１突出部２６と、その両側の２つの第２突出部２７とからなる組が、永久磁石２５に一対一に対応して回転子２１の外周面に等角度間隔で形成されている。

互いに隣り合う第１突出部２６と第２突出部２７との間には凹みが形成される。即ち、回転子２１の中心点Ｐから第１突出部２６と第２突出部２７との境界点Ａまでの距離よりも、回転子２１の中心点Ｐから第２突出部２７の頂点（中心点Ｐから最も離れた第２突出部２７上の点）までの距離が大きくなるように、第２突出部２７は外向きに突出している。

第２突出部２７は、第１突出部２６の略円弧形状断面よりも曲率半径が小さな略円弧形状断面を有することが好ましい。第２突出部２７の略円弧形状断面の曲率半径が大きすぎると、トルクリップルやギャップ磁束分布歪が増大してしまう。

その一方で、第１突出部２６を挟む一対の境界点Ａ−Ａ間の距離は、永久磁石２５の長手方向の長さＬｍよりも短いことが好ましい。回転子鉄心２４の外径を一定にしたままで、上記とは逆に一対の境界点Ａ−Ａ間の距離を永久磁石２５の長さＬｍよりも長くすると、第１突出部２６の曲率半径を大きくする必要があり、その結果、起電力波形が矩形波状となり、トルクリップルやギャップ磁束分布歪が増大してしまう。

一般に、上記の第２突出部２７の曲率半径を小さくすることと、一対の境界点Ａ−Ａ間の距離を短くすることとは、トレードオフの関係にある。第２突出部２７の曲率半径及び一対の境界点Ａ−Ａ間の距離を上記の好ましい条件を満足するように適切に設定することで、トルクリップルやギャップ磁束分布歪を低減することができる。

互いに隣り合う第２突出部２７の境界点Ｂは、回転子２１の中心点Ｐから境界点Ｂまでの距離が、回転子２１の中心点Ｐから第２突出部２７の頂点までの距離よりも短くなるように位置している。このように隣接する第２突出部２７の間に凹みを設けることにより、トルクリップルやギャップ磁束分布歪を低減することができる。

回転子鉄心２４を構成する高透磁率薄鉄板を打抜き加工する観点から、磁石埋設孔２２と回転子２１の外周面との間の距離が最小である部分（ロータブリッジ部）２８の幅は、高透磁率薄鉄板の板厚ｄ以上であることが好ましい。ただし、ロータブリッジ部２８の幅が大きくなると、永久磁石２５により発生する磁束のうち、ロータブリッジ部２８を通る磁束が多くなり、固定子１１に鎖交する磁束が少なくなるので、電動機の出力が低下してしまう。従って、ロータブリッジ部２８で磁気飽和するようにロータブリッジ部２８の幅を可能なかぎり小さく設定することは、より多くの磁束を固定子１１に鎖交させることができるので好ましい。

次に、本発明の一実施の形態に係る永久磁石埋込型電動機と従来例に係る永久磁石埋込型電動機とを比較して、本発明の効果について説明する。

図４は本発明の一実施の形態に係る永久磁石埋込型電動機及び従来例１，２に係る永久磁石埋込型電動機のギャップ磁束分布と電気角との関係を解析により求めた結果を示す図であり、図５は図４の電気角０乃至１０［ｄｅｇ］の部分を拡大して示す図である。図４及び図５では、比較のために正弦波波形を併せて示している。図６及び図７は、それぞれ従来例１及び従来例２に係る永久磁石埋込型電動機の回転子における１磁極、すなわち１つの永久磁石に対応する回転子の外周面を拡大して示す部分拡大図である。

図６に示す従来例１の回転子１２１は、上述した特許文献１に記載された永久磁石埋込型回転子に対応する。本発明の回転子２１と同様に、複数の磁石埋設孔１２２のそれぞれに永久磁石１２５が保持されている。回転子１２１の外周面には、永久磁石１２５の各々の中央部付近に対向して、外向きに突出した単一の略円弧形状断面を有する突出部１２６が形成されている。

図７に示す従来例２の回転子２２１は、上述した特許文献２に記載された永久磁石埋込型回転子に対応する。本発明の回転子２１と同様に、複数の磁石埋設孔２２２のそれぞれに永久磁石２２５が保持されている。回転子２２１の外周面には、永久磁石２２５の各々の中央部付近に対向して、外向きに突出した略円弧形状断面を有する第１突出部２２６と、隣り合う第１突出部１２６間に、外向きに突出した第２突出部２２７とが形成されている。

図４及び図５に示される各チャートの電気角０乃至１０［ｄｅｇ］の部分の傾き（即ち、当該部分を線形近似して得た直線の傾き）は、正弦波波形では０．０１４、本発明の永久磁石埋込型電動機では０．０１０９５、従来例１の永久磁石埋込型電動機では０．０１０８、従来例２の永久磁石埋込型電動機では０．００５９である。つまり、従来例２の永久磁石埋込型電動機のギャップ磁束分布は、特に電気角０乃至１０［ｄｅｇ］において、本発明の永久磁石埋込型電動機と比較して、正弦波波形に対するズレが大きい。これは、従来例２では、第２突出部２２７の存在により、固定子に鎖交する磁束の磁極が切り替わる時に、磁束の流れがスムーズに変化して切り替わることができないためであると考えられる。このような電気角０乃至１０［ｄｅｇ］における正弦波波形に対するズレは、特に４６次以上の高次成分の騒音に大きな影響を及ぼすことになる。

図８は、本発明の一実施の形態に係る永久磁石埋込型電動機及び従来例２に係る永久磁石埋込型電動機の４６次以上の騒音を次数成分毎に分類して示した図である。なお、「Ｏｖｅｒ Ａｌｌ」は、全次数成分の騒音の総和を示す。図８から、電気角０乃至１０［ｄｅｇ］においてギャップ磁束分布が正弦波波形に対して大きくズレている従来例２に係る永久磁石埋込型電動機は、本発明の一実施の形態に係る永久磁石埋込型電動機と比較して、４６次以上の高次成分の騒音が大きくなっていることが分かる。

図９は、本発明の一実施の形態に係る永久磁石埋込型電動機及び従来例１，２に係る永久磁石埋込型電動機のトルクと電気角との関係を解析により求めた結果を示す図である。縦軸のトルクは、本発明の平均値を「１」として正規化されている。

図９に示すように、従来例１に係る永久磁石埋込型電動機は、本発明に係る永久磁石埋込型電動機と比較して、発生トルクが低く、且つ、トルクリップルが大きい。これは、従来例１に係る永久磁石埋込型電動機では、リラクタンストルクが小さいために、マグネットトルクの脈動を打ち消すことができないためであると考えられる。

以上から、本発明に係る永久磁石埋込型電動機は、トルクリップルを低減することができ、且つ、騒音を低減することができる点で、トルクリップルを低減できない従来例１（即ち、特許文献１）に係る永久磁石埋込型電動機や、騒音量を低減できない従来例２（即ち、特許文献２）に係る永久磁石埋込型電動機と比較して、高性能であることがいえる。

次に、本発明に係る電動機を用いた電気機器の例として、エアコン室内機３００及びエアコン室外機４００を、図面を用いて説明する。

図１０は、エアコン室内機３００の一例を示す概略図である。

このエアコン室内機３００は、筐体３１１内に電動機３０１が搭載されている。電動機３０１の回転軸にはクロスフローファン３１２が取り付けられている。電動機３０１は電動機駆動装置３１３によって駆動される。電動機駆動装置３１３からの通電により、電動機３０１が回転し、それに伴いクロスフローファン３１２が回転する。クロスフローファン３１２の回転により、室内機用交換器（図示しない）によって空気調和された空気が室内に送風される。電動機３０１として、本発明に係る永久磁石埋込型電動機を適用できる。本発明に係る電動機を適用することにより、高出力であり、かつ、低振動、低騒音のエアコン室内機を実現することができる。

図１１は、エアコン室外機４００の一例を示す概略図である。

このエアコン室外機４００は、筐体４１１内に電動機４０１を搭載している。電動機４０１の回転軸にはファン４１２が取り付けており、電動機４０１は送風用ファンモータとして機能する。

エアコン室外機４００の内部空間は、筐体４１１の底板４０２に立設された仕切り板４０４により、圧縮機室４０６と熱交換器室４０９とに区画される。圧縮機室４０６には圧縮機４０５が配設されている。熱交換器室４０９には熱交換器４０７、電動機４０１、及びファン４１２が配設されている。仕切り板４０４の上部には電装品箱４１０が配設されている。電装品箱４１０内には電動機駆動装置４０３が収容されている。

電動機駆動装置４０３からの通電により、電動機４０１が回転し、それに伴いファン４１２が回転する。ファン４１２の回転により熱交換器室４０９内に空気流が発生し、空気流が熱交換器４０７を通過する際に空気流と熱交換器４０７との間で熱の授受が行われる。電動機４０１として、本発明に係る永久磁石埋込型電動機を適用できる。本発明に係る電動機を適用することにより、高出力であり、かつ、低振動、低騒音のエアコン室外機を実現することができる。

上記の実施の形態は一例に過ぎず、本発明はこれに限定されず、適宜変更することができる。例えば、上記の実施の形態の構成の一部を公知の他の構成に置き換えてもよい。また、上記の実施の形態で言及されていない構成は任意であり、例えば公知の構成を適宜選択して本発明に組み合わせることができる。

本発明の電動機は、上述したエアコン室内機及びエアコン室外機に限定されず、例えば、給湯機、空気清浄機など、電動機が用いられる種々の電気機器に広範囲に適用することができる。

本発明の利用分野は特に制限はなく、例えば永久磁石埋込型回転子を備えた電動機として広範囲に利用することができる。本発明によれば、トルクリップルとギャップ磁束分布歪に起因する騒音とを低減することができるので、高出力、且つ、低振動、低騒音が要求される永久磁石埋込型回転子、電動機、及び電気機器として特に好ましく用いることができる。

Claims (3)

1. 回転子鉄心に複数の永久磁石が所定間隔毎に埋め込まれてなる永久磁石埋込型回転子であり、前記回転子の外周面には、前記複数の永久磁石のそれぞれの中央部付近に対向して、外向きに突出した略円弧形状断面を有する第１突出部と、前記複数の永久磁石のそれぞれの端部付近に対向して、外向きに突出した第２突出部とが形成されており、１つの前記永久磁石に対して、１つの前記第１突出部と２つの前記第２突出部とが対応する永久磁石埋込型回転子において、前記第２突出部は、前記第１突出部の前記略円弧形状断面よりも曲率半径が小さな略円弧形状断面を有する永久磁石埋込型回転子。
2. 請求項１に記載の永久磁石埋込型回転子を備えた電動機。
3. 請求項２に記載の電動機を備えた電気機器。

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