JP2012223068A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、磁気特性の劣化の影響を低減させ、渦電流の発生を低減させた回転電機を提供することを目的とする。
【解決手段】回転電機１０は、密閉された容器１２、容器１２に収納された固定子１４、固定子１４の内方に配置された回転子１６を備える。回転子１６において、溶接部７２から回転軸６４に向けた垂直線上に磁石６６を配置しない。回転子１６が回転したときに、回転子１６の回転角度がいずれであっても、上記垂直線上には磁石６６が配置されないようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧縮機などに使用される回転電機に関するものである。

従来、密閉型の容器の中に固定子と回転子を配置する回転電機が開発されている（特許文献１など）。容器は円筒形であり、その両端が封止されている。固定子は環状であり、容器の内面に固定子が固定される。固定子の内方に回転子が配置される。固定子と回転子は、複数の電磁鋼板を積層したものである。

固定子を固定する手段として、容器を熱膨張させて固定子を嵌め入れ、容器を冷却させて固着させる焼き嵌めが多く用いられている。この場合、固定子に対して圧縮応力が生じる。その圧縮応力は、例えば、約５０〜１００ＭＰａであると推定されている。圧縮応力によって電磁鋼板の鉄損が増大するため、圧縮応力を発生させない必要がある。

圧縮応力を発生させない方法として、溶接が挙げられる。溶接であれば、固定子と容器とを隙間嵌めとすることが可能である。固定子の電磁鋼板に対する圧縮応力を０にすることが可能である（非特許文献１）。

しかし、溶接によって電磁鋼板に熱応力が加わるため、熱応力による電磁鋼板の磁気特性の劣化がある。また、溶接部が複数の電磁鋼板を短絡するため、溶接部に多くの磁束が通り、渦電流の発生も懸念される。渦電流による発熱によって渦電流損が生じる。

特開２０１０−２３６４２１号公報 ２０１０年度日本冷凍空調学会年次大会講演論文集 Ｄ３２４−２

本発明は、磁気特性の劣化の影響を低減させ、渦電流の発生を低減させた回転電機を提供することを目的とする。

本発明の回転電機は、円筒形の容器と、前記容器に収納され、電磁鋼板を積層して構成される固定子鉄心に巻線を施してなる固定子と、前記固定子の内方に配置され、電磁鋼板を積層して構成され、中心に取り付けられた回転軸を軸として回転する回転子鉄心と、前記回転子鉄心に埋設された複数の磁石と、前記容器と固定子とを固定するために溶接した溶接部とを備える。前記回転子鉄心において、溶接部から回転軸に向けた垂直線上の領域に磁石を配置しない。

前記回転軸方向において、回転軸方向長さがほぼ同一であり、磁極が同じになるように磁石が並べられ、溶接部は、回転軸方向における固定子鉄心または回転子鉄心の中心に設けられる。また、前記溶接部は、回転軸方向における固定子鉄心または回転子鉄心の端部に設けられても良い。さらに、中心および端部の両方に溶接部を設けても良い。

前記磁石を配置しない領域における回転軸方向の長さは、固定子鉄心の電磁鋼板または回転子鉄心の電磁鋼板の厚みよりも大きい。

前記容器は、円筒形の両端を封止した密閉型の容器である。回転電機は、密閉型の圧縮機に適用される。

本発明は、熱応力によって磁気特性の劣化があったとしても、溶接部から回転軸に向けた垂直線上の領域に磁石を配置しないため、回転子の磁束が固定子の溶接による磁気特性劣化部分を通りにくく、回転電機の特性に与える影響が小さい。また、溶接部への磁束の通過が少なくなるため、渦電流の発生も低減され、渦電流損が低減される。

圧縮機に適用した回転電機の構成を示す図である。 回転電機の構成を示す図である。 図２におけるＡ−Ａ線断面図である。 図２におけるＢ−Ｂ線断面図である。 溶接部の位置を他の例を示す図である。 図２と図５の溶接部の位置を組み合わせた例を示す図である。 溶接部から回転軸に向けた垂直線上に非磁性体の端板が配置された図である。 溶接部から回転軸に向けた垂直線上にバックヨークが配置され、ティースおよびローターコアの無い図である。

本発明の回転電機について図面を用いて説明する。空気調和機などで使用する冷媒用ロータリー圧縮機に使用する回転電機を例に挙げて説明する。

回転電機１０は、密閉された容器１２、容器１２に収納された固定子１４、固定子１４の内方に配置された回転子１６を備える（図１、図２）。

容器１２は円筒形のパイプ１８を備える。容器１２は、例えば鋼板を絞り加工したりして形成することができる。パイプ１８の両端は、それぞれキャップ状のトップ２０およびボトム２２によって塞がれている。パイプ１８の内方に固定子１４および回転子１６が収納される。

回転電機１０を圧縮機２４に適用しているため、パイプ１８内における固定子１４および回転子１６の下方には、圧縮機構２６が設けられる。圧縮機構２６の下方にボトム２２が配置される。ボトム２２に潤滑油が貯められる。容器１２の外部に、圧縮機構２６に冷媒を供給するためのアキュムレーター２８が備えられている。アキュムレーター２８は、圧縮機構２６に接続される。

アキュムレーター２８には、アキュムレーター２８内に冷媒を入れるための入口管３０と、アキュムレーター２８の内部で分離されたガス状の冷媒を圧縮機構２６に供給する出口管３２が取り付けられている。出口管３２は、パイプ１８に設けられた接続口３４に取り付けられる。回転子１６が回転することによって、ガス状の冷媒が圧縮機構２６に送られる。

圧縮機構２６は、フロントシリンダ３６とリアシリンダ３８の２段構造である。フロントシリンダ３６は、シリンダ室４０および回転子１６の回転軸６４に取り付けられたピストン４２を備える。ピストン４２が偏心回転運動することにより、シリンダ室４０に冷媒を吸入し、冷媒を圧縮する。フロントシリンダ３６と同様に、リアシリンダ３８にもシリンダ室４４が設けられており、シリンダ室４４のピストン４６が偏心回転運動することにより、シリンダ室４４に冷媒を吸入し、冷媒を圧縮する。

トップ２０には、圧縮機構２６によって圧縮された冷媒を容器１２の外に出すための吐出管４８が取り付けられている。また、固定子１４のコイルに接続される端子５０が設けられている。容器１２の外部では、端子５０はインバータ回路に接続される。

固定子１４は、環状のバックヨーク５２、バックヨーク５２から環状の中心へ向いた複数のティース５４、隣り合うティース５４同士の間に形成されたスロット５６、スロット５６に配置されるコイル５８、バックヨーク５２およびティース５４に対してコイル５８を絶縁するスロットセル６０を備える（図３、図４）。

バックヨーク５２およびティース５４は一体であり、それらによってステータコア５５を構成している。ステータコア５５は軟磁性体からなる複数の電磁鋼板が絶縁層を介して積層されたものである。ティース５４は等間隔に配置される。スロット５６はティース５４同士の間の空間であり、この空間にコイル５８が配置される。スロットセル６０は絶縁性のフィルムであり、ＰＥＴ（polyethylene terephthalate）フィルムが挙げられる。ステータコア５５とコイル５８との間にスロットセル６０を配置し、ステータコア５５とコイル５８との絶縁を確保する。

回転子１６は、軟磁性体からなる複数の電磁鋼板を絶縁層を介して積層したローターコア６２、ローターコア６２に取り付けられた回転軸６４、およびローターコア６２に埋設された複数の永久磁石６６を備える。電磁鋼板の厚みは、ステータコア５５を構成する電磁鋼板の厚みと同じであっても良い。磁石６６は、ローターコア６２に溝７１を設け、その溝７１に埋設される。ローターコア６２には、磁束を遮るための溝（フラックスバリア）が適宜設けられる。ローターコア６２の端部には、磁石６６の飛び出しを防止する端板６８が取り付けられる。各電磁鋼板は円盤形状であり、各電磁鋼板の中央に円形の穴を有する。回転軸６４が穴に挿入されて固定されている。

複数の磁石６６は、円周方向に隣り合う磁極が異なるように並べられ、かつ回転軸方向に磁極が同一となるように並べられる。円周方向に並ぶ磁石６６の数は偶数であり、回転軸６４を中心にして対象な位置に配置される。図２では、回転軸方向（ｙ軸方向）に２枚の磁石６６が並べられている。例えば、ある並んだ２枚の磁石２２は、ローターコア６２の中心側の磁極は２枚ともＮ極またはＳ極となる。磁石同士の間は磁石６６の配置されていない領域７０となっている。

溝７１における磁石６６の配置されていない領域７０は下記のようにして設ける。回転軸方向（ｙ軸方向）に配置される２つの磁極の回転軸に対する径方向外側に呈する磁極を一致させることによって、磁石同士の反発によって磁石６６の配置されていない領域７０を形成できる。また、磁石同士の間に非磁性体のスペーサーを設けても良い。ローターコア６２における磁石６６を埋設するための溝７１は、溝７１における磁石６６の配置されていない領域７０のみ、回転軸に対する径方向の幅を狭くしたり、凸部を設けたりして磁石同士が接しないようにして、上記領域７０を形成しても良い。１枚の磁石６６の形成するにとき、無着磁部を形成して、この無着磁部が磁石６６の配置されていない領域７０としても良い。磁石６６の配置されていない領域７０における回転軸方向の長さは、電磁鋼板１枚の厚みよりも大きくする。

バックヨーク５２の外周と容器１２の内面とは溶接部７２によって固定される。溶接するために、容器１２における溶接位置に溶接孔を設ける。固定子１４を容器１２内に配置し、容器１２の外側から溶接穴を埋めるように溶接する。

回転子１６において、溶接部７２から回転軸６４に向けた垂直線Ｌｖ上に磁石６６を配置しない。磁石６６が配置されていない領域７０が、上記垂直線Ｌｖ上にある。回転子１６が回転したときに、回転子１６の回転角度がいずれであっても、上記垂直線Ｌｖ上には磁石６６が配置されないようにする（図３）。すなわち、回転軸方向（ｙ軸方向）に対する垂直の断面（ｘｚ面）に溶接部７２が配置されていれば、磁石６６は配置されない。

溶接部７２は複数設けられるが、いずれの溶接部７２も、回転軸方向における位置が同じになるようにする。したがって、複数の溶接部７２は同一のｘｙ面に配置されており、容器１２が円筒形でありため、周方向に溶接部７２が並ぶことになる。なお、溶接部７２の無い領域では、回転軸方向（ｙ軸方向）に対する垂直の断面（ｘｚ面）に磁石６６が配置される（図４）。

溶接部７２の位置は、回転軸方向において、回転子１６の中心に設けることが挙げられる。回転子１６において、回転軸方向に２枚の磁石６６を配置した際、２枚の磁石６６の回転軸方向の長さがほぼ同じであれば、回転子１６の中心に磁石６６を配置しない領域７０が形成されるためである。

固定子１４は、パイプ１８の内面に対して極わずかな隙間（図示せず）を有して隙間嵌めされ、溶接される。隙間が有ることによって、固定子１４に圧縮応力が発生しない。固定子１４の電磁鋼板に鉄損が発生しない。なお、固定子１４は、パイプ１８の内面に対し、若干の圧入となってもよい。焼き嵌めに比べて、締め代を小さくできることにより、ステータコア５５にかかる応力を低減できるからである。

溶接部７２を形成するときの熱応力によって、電磁鋼板の電磁特性の劣化が生じるが、溶接部７２から回転軸６４への垂直線上には磁石６６が配置されていない。磁気特性の劣化箇所に対する磁石６６からの磁束が少なくなるため、回転子１６の回転特性への悪影響を小さくすることができる。また、従来に比べて溶接部７２への磁束の通過が少なくなり、溶接部７２での渦電流が小さくなる。そのため渦電流損を低減できる。

上記の実施形態では、回転子１６における回転軸方向の中心に対応する位置に溶接部７２を設けたが、回転子６４の両端に当たる部分に溶接部７２を設けても良い（図５）。上記の実施形態と同様に、溶接部７２から回転軸６４に向けた垂直線Ｌｖ上に磁石６６を配置しない。また、回転子６４における回転軸方向の中心および両端に当たる部分に溶接部７２を設けても良い（図６）。

磁石６６の形状によっては、上述した位置に限定されない。回転子６４の回転軸方向の中心または両端以外であっても良い。回転軸方向に設けられる溶接部７２の数も限定されず、溶接部７２の数によって回転軸方向に並べられる磁石６６の数を適宜変更する。

また、回転子６４における回転軸方向の中心や両端に当たる部分に溶接部７２を設けたが、固定子１４における回転軸方向の中心や両端に当たる部分に溶接部７２を設けても良い。溶接部７２から回転軸６４に向けた垂直線上に磁石６６を配置しない。固定子１４の端部に当たる部分に溶接部７２を設けた場合、溶接部７２から回転軸６４に向けた垂直線上には回転軸６４が有るが、ローターコア６２が無い場合がある。または、垂直線Ｌｖ上に非磁性体の端板６８が配置されてもよい（図７）。

また、溶接部７２から回転軸６４に向けた垂直線Ｌｖ上にはバックヨーク５２のみで、ティース５４およびローターコア６２の無い場合がある（図８）。この場合、バックヨーク５２のみのステータコアと、ティース５４とバックヨーク５２を有するステータコアとは、カシメ等で固定される必要がある。ローターコア６２の無い箇所に溶接部７２を形成すれば、回転軸方向に磁石６６を分割させることは特に考える必要はない。

磁石６６の形状によっては、上述した位置に限定されない。固定子１４の回転軸方向の中心または両端以外であっても良い。回転軸方向に設けられる溶接部７２の数も限定されず、磁石６６の形状によって適宜溶接部の数も変更する。圧縮機２４の構成は任意であり、アキュムレーター２８の無い構成や、圧縮機構２６は２段構造ではなく１段構造であっても良い。

本発明は密閉型の圧縮機２４だけではなく、溶接が必要な他のモータや発電機にも適用することができる。

その他、本発明は、その主旨を逸脱しない範囲で当業者の知識に基づき種々の改良、修正、変更を加えた態様で実施できるものである。各実施例は独立的または排他的なものではなく、適宜組み合わせて実施しても良い。

１０：回転電機
１２：容器
１４：固定子
１６：回転子
１８：パイプ
２０：トップ
２２：ボトム
２４：圧縮機
２６：圧縮機構
２８：アキュムレーター
３０：入口管
３２：出口管
３４：接続口
３６：フロントシリンダ
３８：リアシリンダ
４０、４４：シリンダ室
４２、４６：ピストン
４８：吐出管
５０：端子
５２：バックヨーク
５４：ティース
５５：ステータコア（固定子鉄心）
５６：スロット
５８：コイル
６０：スロットセル
６２：ローターコア（回転子鉄心）
６４：回転軸
６６：磁石
６８：端板
７０：磁石のない領域
７１：溝
７２：溶接部

Claims (5)

1. 円筒形の容器と、
   前記容器に収納され、電磁鋼板を積層して構成される固定子鉄心に巻線を施してなる固定子と、
   前記固定子の内方に配置され、電磁鋼板を積層して構成され、中心に取り付けられた回転軸を軸として回転する回転子鉄心と、
   前記回転子鉄心に埋設された複数の磁石と、
   前記容器と固定子とを固定するために溶接した溶接部と、
   を備え、
   前記回転子鉄心において、溶接部から回転軸に向けた垂直線上の領域に磁石を配置しない
   回転電機。
2. 前記磁石は、回転軸の軸方向において、回転軸方向長さがほぼ同一であり、磁極が同一となるように並べられており、
   前記溶接部が、回転軸方向における固定子鉄心または回転子鉄心の中心に設けられた
   請求項１の回転電機。
3. 前記溶接部が、回転軸方向における固定子鉄心または回転子鉄心の端部に設けられた請求項１または２の回転電機。
4. 前記垂直線上の領域における回転軸方向の長さが、固定子の電磁鋼板または回転子鉄心の電磁鋼板の厚みよりも大きい請求項１から３のいずれかの回転電機。
5. 前記容器が、円筒形の両端を封止した密閉型の容器である請求項１から４のいずれかの回転電機。

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