JP6009088B2 - 永久磁石埋込型電動機、圧縮機及び冷凍空調装置 - Google Patents

Description

本発明は、永久磁石埋込型電動機、圧縮機及び冷凍空調装置に関するものである。

従来の永久磁石埋込型電動機として、特許文献１には、ロータの中心側に凸となる向きで複数の円弧状の永久磁石をロータコアに埋め込んだ構成が開示されている。永久磁石はそれぞれ、ロータコアに形成された磁石挿入孔の中に挿入されており、磁石挿入孔の円弧両端となる両側端面と、永久磁石の円弧両端となる両側端面との間には、空隙部が確保されている。そして、永久磁石の側端面とロータコアの外周面との距離をＱ、ステータとロータとの間のエアギャップをＬｇとしたとき、Ｌｇ＜Ｑ＜３Ｌｇとし、磁石挿入孔における、永久磁石の側端面を収容している部分の開き角をＡｍ、ステータのティースの開き角をＡｓとしたとき、（１／１０）Ａｓ＜Ａｍ＜（１／４）Ａｓとすることにより、反磁界が永久磁石に入り込むのを防止し、減磁耐力を向上させることを企図している。

特開平１１−１４６５８４号公報

上述したように、ロータの中心側に凸となる向きで複数の円弧状の永久磁石をロータコアに埋め込んだ構成では、ロータの外周面に最も近い永久磁石の部位は、永久磁石の弧状の側端面であり、ステータに大きな電流が流れ、ロータに反磁界が印加された場合には、永久磁石の側端面が最も減磁し易くなる。そのため、磁石挿入孔と永久磁石の側端面との間に空隙部を設け、永久磁石の減磁を抑制していた。

しかしながら、円弧状の永久磁石は、通常、永久磁石の径方向外側の外形となる円弧と、径方向内側の外形となる円弧とが、同心であるため、モータ駆動中の電磁力により、磁石挿入孔の中で永久磁石が移動してしまい、減磁を抑制するための空隙部を確保することが困難となる場合があり得る。

また、これに対しては、磁石挿入孔の両側端面の幅を、永久磁石の両側端面の幅よりも小さくすることで、磁石挿入孔の側端面近傍に、永久磁石の側端面それぞれと接触する一対の当接部を形成しており、それら当接部と永久磁石の両側端面との接触により、磁石挿入孔の両側端面と永久磁石の両側端面との間に空隙部を確保しつつも、永久磁石が移動することを規制する手法が想定できる。

しかし、上記の手法では、磁石挿入孔の幅を狭くすることで、磁気抵抗が減少するので、その分、空隙部により得られる減磁抑制効果が縮小する可能性がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、永久磁石の側端面と接触する磁石挿入孔の当接部の存在に依拠することなく、永久磁石の移動を規制することができる、永久磁石埋込型電動機を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するための本発明は、ステータと、前記ステータに対向して回転可能に設けられたロータとを備え、前記ロータは、それぞれ対応する永久磁石が挿入される複数の磁石挿入孔が形成されたロータコアを有し、複数の前記永久磁石及び複数の前記磁石挿入孔は、前記ロータの中心側に凸となる向きの弧状に形成されている、永久磁石埋込型電動機であって、前記永久磁石はそれぞれ、径方向内側磁石外形面と、径方向外側磁石外形面と、一対の側端磁石外形面とを有しており、前記磁石挿入孔はそれぞれ、径方向内側挿入孔外形面と、径方向外側挿入孔外形面と、一対の側端挿入孔外形面とを有しており、前記径方向外側磁石外形面と、前記径方向外側挿入孔外形面とは、それぞれ、第１円弧面によって構成されており、前記径方向内側磁石外形面と、前記径方向内側挿入孔外形面とは、それぞれ、第２円弧面と、前記永久磁石が弧状の前記磁石挿入孔に沿って移動することを抑制する少なくとも一つのストレート面とで構成されており、前記永久磁石が対応する前記磁石挿入孔に挿入された状態では、前記側端磁石外形面と前記側端挿入孔外形面との間には空隙部が形成されている。
また、前記ロータの回転中心線ＣＬの延びる方向にわたってみて、前記径方向内側磁石外形面の前記ストレート面の少なくとも一部と、前記径方向内側挿入孔外形面の前記ストレート面の少なくとも一部とが、接触しているように構成してもよい。
さらに、前記ロータの回転中心線ＣＬの延びる方向にわたってみて、前記径方向外側磁石外形面の少なくとも一部と前記径方向外側挿入孔外形面の少なくとも一部とが接触し、前記径方向内側磁石外形面の前記第２円弧面の少なくとも一部と前記径方向内側挿入孔外形面の前記第２円弧面の少なくとも一部とが接触し、且つ、前記径方向内側磁石外形面の前記ストレート面の少なくとも一部と前記径方向内側挿入孔外形面の前記ストレート面の少なくとも一部とが接触しているように構成してもよい。
前記ストレート面は、前記ロータの回転中心線と直交する断面においてみて、対応する前記磁極中心線と直交する向きで形成されているように構成してもよい。
前記永久磁石における前記第１円弧面と前記第２円弧面との間の肉厚をＴ１とし、該永久磁石における前記磁極中心線上での肉厚をＴ２としたとき、
０．８５≦（Ｔ２／Ｔ１）≦０．９５の範囲であるように構成してもよい。
前記ロータコアには、前記磁石挿入孔の前記ストレート面の径方向内側に位置する少なくとも一つの風穴が形成されているように構成してもよい。
前記ロータのロータ外周面と、前記ステータのステータ内周面との間には、エアギャップが確保されており、前記ロータ外周面は、前記ロータの回転中心線と直交する断面においてみて、複数の第１半径面と、複数の第２半径面とによって構成されており、前記第１半径面はそれぞれ、前記ロータ外周面における対応する磁極中心部に位置し、前記第２半径面はそれぞれ、前記ロータ外周面における対応する極間部に位置しており、前記第１半径面は、前記第２半径面よりもさらに径方向外側に膨らみ、それによって、前記エアギャップは、前記磁極中心部それぞれから隣り合う前記極間部に向かって大きくなる態様で変化しているように構成してもよい。
前記永久磁石は、フェライト磁石であってもよい。
さらに、同目的を達成するため、本発明は圧縮機も提供するものであり、本発明に係る圧縮機は、密閉容器内に、電動機と、圧縮要素とを備え、前記電動機は、上述した本発明に係る永久磁石埋込型電動機である。
さらに、同目的を達成するため、本発明は冷凍空調装置も提供するものであり、本発明に係る冷凍空調装置は、上述した本発明に係る圧縮機を冷凍回路の構成要素として含む。

本発明によれば、永久磁石の側端面と接触する磁石挿入孔の当接部の存在に依拠することなく、永久磁石の移動を規制することができる。

本発明の実施の形態１に係る永久磁石埋込型電動機の回転中心線と直交する断面を示す図である。 図１において一つの永久磁石の周囲部及びそれに対応する一つのティース歯先部の周囲部を拡大して示す図である。 本実施の形態１に関し、一つの永久磁石の形状を説明する図である。 図２において、永久磁石が挿入されていない状態での、磁石挿入孔の形状を説明する図である。 モータ電流に対する、減磁率につき、本実施の形態１と、説明例とを比較したグラフである。 説明例に関する、図２と同態様の図である。 本発明の実施の形態２に関する、図２と同態様の図である。 永久磁石の肉厚とステータ鎖交磁束量との関係を示すグラフである。 本発明の実施の形態３に関する、図３と同態様の図である。 永久磁石埋込型電動機を搭載した本発明の実施の形態５に係るロータリ圧縮機の縦断面図である。

以下、本発明の実施の形態について添付図面に基づいて説明する。なお、図中、同一符号は同一又は対応部分を示すものとする。なお、図２、図４、図７は何れも、図１の態様の全体構成からその一部を抜き出した部分拡大図であるが、図の明瞭性を優先し、ハッチングは省略する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る永久磁石埋込型電動機の回転中心線と直交する断面を示す図であり、図２は、一つの永久磁石の周囲部及びそれに対応する一つのティース歯先部の周囲部を拡大して示す図である。また、図３は、一つの永久磁石の形状を説明する図であり、図４は、永久磁石が挿入されていない状態での、磁石挿入孔の形状を説明する図である。

永久磁石埋込型電動機１は、ステータ３と、ステータに対向して回転可能に設けられたロータ５とを備える。ステータ３は、複数のティース部７を有している。複数のティース部７はそれぞれ、対応するスロット部９を介して別のティース部７と隣り合っている。複数のティース部７と複数のスロット部９とは、周方向に交互に且つ等間隔で並ぶように配置されている。複数のティース部７には、それぞれ、図示省略する公知のステータ巻線が公知の態様で巻回されている。

ロータ５は、ロータコア１１と、シャフト１３とを有している。シャフト１３は、ロータコア１１の軸心部に、焼嵌、圧入等により連結されており、ロータコア１１に回転エネルギーを伝達する。ロータ５の外周面と、ステータ３の内周面との間には、エアギャップ１５が確保されている。

このような構成において、ロータ５はエアギャップ１５を介したステータ３の内側で、回転中心線ＣＬ（ロータの回転中心、シャフトの軸線）を中心に回転自在に保持されている。具体的には、ステータ３に、指令回転数に同期した周波数の電流を通電することにより、回転磁界を発生させ、ロータ５を回転させる。ステータ３とロータ５との間のエアギャップ１５は、例を挙げると０．３〜１ｍｍの空隙である。

次に、ステータ３と、ロータ５との構成を詳細に説明する。ステータ３は、ステータコア１７を有する。ステータコア１７は、例えば、一枚あたりの厚さが０．１〜０．７ｍｍ程度の電磁鋼板を所定の形状に打ち抜き、所定枚数の電磁鋼板をカシメで締結しながら積層して構成される。ここでは、一例として、板厚が０．３５ｍｍの電磁鋼板を用いている。

ステータコア１７には、その内径側に周方向に略等間隔に９個のスロット部９が放射状に形成されている。そして、ステータコア１７において隣接するスロット部９の間の領域をティース部７と称する。ティース部７はそれぞれ、径方向を延びており、回転中心線ＣＬに向けて突出する。また、ティース部７の大部分は、径方向外側から径方向内側にかけて略等しい周方向の幅を有しているが、ティース部７の最も径方向内側となる先端部には、ティース歯先部７ａを有している。ティース歯先部７ａはそれぞれ、その両側部が周方向に広がる傘状の形状に形成されている。

ティース部には、回転磁界を発生させるコイル（図示せず）を構成するステータ巻線（図示せず）が巻かれている。コイルは、マグネットワイヤーを、絶縁体を介して磁極ティースに直接巻き付けて形成される。この巻線方式を、集中巻線という。そして、コイルは、３相Ｙ結線に結線される。コイルのターン数や線径は、要求される特性（回転数やトルク等）、電圧仕様、スロットの断面積に応じて定まる。ここでは、巻線し易いように分割ティースを帯状に展開し、例えば、線径φ０．８〜１．０ｍｍ程度のマグネットワイヤーを各磁極ティースに５０〜１００ターン程度巻き付け、巻線後、分割ティースを環状に丸め、溶接してステータを構成している。

ステータ３の中心付近には、回転可能に保持されたシャフト１３が配置されている。そして、そのシャフト１３にロータ５が嵌合されている。ロータ５は、ロータコア１１を有しており、そのロータコア１１もまた、ステータコア１７同様、例えば、厚さ０．１〜０．７ｍｍ程度の電磁鋼板を所定の形状に打ち抜き、所定枚数の電磁鋼板をカシメで締結しながら積層して構成される。ここでは、一例として、板厚が０．３５ｍｍの電磁鋼板を用いている。ロータ外周面２５と後述する側端挿入孔外形面５７との間は、一様な肉厚の極間薄肉部が存在する。これらの極間薄肉部はそれぞれ、隣接する磁極間での漏れ磁束の経路となるため、できるだけ薄いことが好ましい。ここでは一例としてプレス可能な最小幅として電磁鋼板の板厚程度０．３５ｍｍに設定している。

ロータコア１１の内部には、Ｎ極とＳ極とが交互になるように着磁された複数の（本具体例では６個の）の永久磁石１９が設けられている。永久磁石１９はそれぞれ、図１においてみて、弧状に湾曲しており、その弧形状の凸部側がロータ５の中心側に向くように配置されている。より詳細には、ロータコア１１には、複数の永久磁石１９に対応した数の磁石挿入孔２１が形成されており、複数の磁石挿入孔２１にはそれぞれ、対応する永久磁石１９が挿入されている。つまり、複数の永久磁石１９及び複数の磁石挿入孔２１が共に、ロータ５の中心側に凸となる向きの弧状に形成されている。また、図１に示されているように、一つの磁石挿入孔２１につき一つの永久磁石１９が挿入されている。なお、ロータ５の磁極数は、２極以上であればいくつでもよいが、本例では、６極の場合を例示している。

図２は、図１において一つの永久磁石の周囲部及びそれに対応する一つのティース歯先部の周囲部を拡大して示す図である。図２に示されるように、ロータ外周面２５とステータ内周面２７との間のエアギャップ１５は、周方向で変化している。本実施の形態１では、回転中心線ＣＬからのステータ内周面２７の半径Ｒ０は一定であり、ロータ外周面２５が部分的に径方向外側に膨らむことで、上記のエアギャップ１５の周方向の変化を実現している。

ロータ外周面２５は、図２の断面においてみて（回転中心線ＣＬと直交する断面においてみて）、複数の第１半径面２９と、複数の第２半径面３１とによって構成されている。第１半径面２９はそれぞれ、ロータ外周面２５における対応する磁極中心部に位置する凸面の断面である。第２半径面３１はそれぞれ、ロータ外周面２５における対応する極間部に位置する円筒面の断面である。第１半径面２９は、第２半径面３１よりもさらに径方向外側に膨らんでいる。第２半径面３１はそれぞれ、対応する一対の第１半径面２９の端部から連なっている。すなわち、複数の第１半径面２９及び複数の第２半径面３１が周方向に交互に並んでいる。

このようなロータ外周面２５とステータ内周面２７との対向により、エアギャップ１５は、磁極中心部それぞれから隣り合う極間部に向かって大きくなる態様で、全周にわたり変化している。

具体的一例を示すと、ロータ外周面２５の第１半径面２９とステータ内周面２７との間のエアギャップ１５のうち最小となる磁極中心線ＭＬ上のエアギャップ１５は、０．６ｍｍである。また、図２の断面においてみて、第１半径面２９と第２半径面３１との交点（接続点、境界点）を通る境界線ＢＬ上のエアギャップ１５は、０．９ｍｍである。第１半径面２９とステータ内周面２７との間のエアギャップ１５は、第１半径面２９の範囲内に関し磁極中心線ＭＬに向かうほど小さくなる一方、第２半径面３１とステータ内周面２７との間のエアギャップ１５は、第２半径面３１の範囲内において一様である。なお、第１半径面２９のそれぞれとその両側に隣り合う一対の第２半径面３１は、当該第１半径面２９の磁極中心線ＭＬに関して線対称に形成されている。

なお、上述した第１半径面２９の半径Ｒ１の中心は、磁極中心線ＭＬ上における、ロータ中心（回転中心線ＣＬ）よりも対応する磁極側（径方向外側）にずれた位置にある。第２半径面３１の半径Ｒ２の中心と、ステータ内周面２７の半径Ｒ０の中心とは、ロータ中心（回転中心線ＣＬ）にある。

次に、永久磁石及び磁石挿入孔の詳細について説明する。図３は、本実施の形態１に関し、一つの永久磁石の形状を説明する図であり、図４は、図２において、永久磁石が挿入されていない状態での、磁石挿入孔の形状を説明する図である。

永久磁石１９はそれぞれ、径方向内側磁石外形面４３と、径方向外側磁石外形面４５と、一対の側端磁石外形面４７とを有している。また、磁石挿入孔２１はそれぞれ、径方向内側挿入孔外形面５３と、径方向外側挿入孔外形面５５と、一対の側端挿入孔外形面５７とを有している。径方向外側磁石外形面４５と、径方向外側挿入孔外形面５５とは、それぞれ、第１円弧半径Ａ１による第１円弧面によって構成されている。一方、径方向内側磁石外形面４３は、第１円弧半径Ａ１よりも大きい第２円弧半径Ａ２による第２円弧面４３ａと、ストレート面４９とで構成されており、同様に、径方向内側挿入孔外形面５３は、第２円弧半径Ａ２による第２円弧面５３ａと、ストレート面５９とで構成されている。

なお、磁石挿入孔２１内に永久磁石１９が挿入される関係にあるため、磁石挿入孔２１に関する第１円弧半径Ａ１及び第２円弧半径Ａ２と、永久磁石１９に関する第１円弧半径Ａ１及び第２円弧半径Ａ２とは、極めて厳密にみると同一ではないが、永久磁石１９は磁石挿入孔２１にぴったり嵌め込まれる関係にあり、且つ、説明を分かり易くする都合上、永久磁石側と磁石挿入孔側とで共通の文言・符号を用いるものとする。

第１円弧半径Ａ１と、第２円弧半径Ａ２とは、共通の半径中心を有しており、その共通の半径中心は、永久磁石１９及び磁石挿入孔２１よりも径方向外側に在り、且つ、対応する磁極中心線ＭＬ上に在る。換言すると、径方向内側磁石外形面（径方向内側挿入孔外形面）と、径方向外側磁石外形面（径方向外側挿入孔外形面）とは、同心円状に構成され、第１円弧面の中心と第２円弧面の中心は、永久磁石の配向中心（配向焦点）に一致している。

ストレート面４９及びストレート面５９は、図２〜図４のようなロータ５の回転中心線ＣＬを垂線とする断面においてみて、磁極中心線ＭＬと直交する仮想のベース面に沿って延びている。すなわち、ストレート面４９及びストレート面５９は、対応する磁極中心線ＭＬと直交する向きで形成されている。

また、一対の側端磁石外形面４７はそれぞれ、図２及び図３においてみて、径方向内側磁石外形面４３及び径方向外側磁石外形面４５の対応する端部同士を結んでおり、一対の側端挿入孔外形面５７はそれぞれ、図２及び図４においてみて、径方向内側挿入孔外形面５３及び径方向外側挿入孔外形面５５の対応する端部同士を結んでいる。

図２に示されるように、永久磁石１９が対応する磁石挿入孔２１に挿入された状態では、側端磁石外形面４７と側端挿入孔外形面５７との間には空隙部６１が形成され、径方向外側磁石外形面４５と径方向外側挿入孔外形面５５とが接触し、径方向内側磁石外形面４３の第２円弧面４３ａと径方向内側挿入孔外形面５３の第２円弧面５３ａとが接触し、且つ、径方向内側磁石外形面４３のストレート面４９と径方向内側挿入孔外形面５３のストレート面５９とが接触する。なお、一例であるが、空隙部６１の大きさ（側端磁石外形面４７と側端挿入孔外形面５７との間隔）は、１．５ｍｍ程度である。

また、ロータ５の回転中心線ＣＬを垂線とする断面においてみて、永久磁石１９及び磁石挿入孔２１は、対応する磁極中心線ＭＬによる線対称に形成されており、特に、本実施の形態１では、ストレート面４９及びストレート面５９は、ロータ５の回転中心線ＣＬを垂線とする断面においてみて、対応する磁極中心線による線対称に設けられている。

次に、以上のように構成された本実施の形態１に係る永久磁石埋込型電動機の作用について説明する。ロータコアの内部に円弧状の永久磁石を凸部側がロータの中心側を向くように配置したロータでは、磁石表面が円弧状に湾曲しているため、磁石表面積を大きく構成することができ、永久磁石から発生する磁束量を増加させることができ、電動機に印加する電流を低減し高効率な電動機を構成できる。または、電動機の体積を小さく構成することができる。しかし、上記の構成のロータでは、ロータ外周面に最も近い（磁気抵抗の最も小さい）永久磁石の部位は、弧状の永久磁石の側面部であり、ステータに大きな電流が流れ、ロータに反磁界が印加された場合には、永久磁石の側面部が最も減磁し易くなる。そのため、側端に関して、永久磁石を磁石挿入孔のサイズよりも小さく構成し、磁石挿入孔の側端挿入孔外形面と、永久磁石の側端磁石外形面との間に空隙部が確保されるようにし、永久磁石を減磁させ難くすることができる。なお、永久磁石における側端磁石外形面と、径方向内側磁石外形面及び径方向外側磁石外形面との間には、磁石挿入孔２１の側端挿入孔外形面５７からの間隔が更に大きくなるような面取り部４７ａを形成し、永久磁石に反磁界が鎖交し難く構成している。

また、その一方で、上記のように永久磁石の内周側の円弧と外周側の円弧とが同心円状に構成されている場合、モータ駆動中の電磁力により、磁石挿入孔の中で永久磁石が移動し、減磁を抑制するための空隙部を確保することが困難となることもあり得る。これに対しては、磁石挿入孔の両側端面の幅を、永久磁石の両側端面の幅よりも小さくすることで、磁石挿入孔の側端面近傍に、永久磁石の側端面それぞれと接触する一対の当接部を形成しており、それら当接部と永久磁石の両側端面との接触により、磁石挿入孔の両側端面と永久磁石の両側端面との間に空隙部を確保しつつも、永久磁石が移動することを規制する手法が想定できる。しかし、上記の手法では、磁石挿入孔の幅を狭くすることで、磁気抵抗が減少するので、その分、空隙部により得られる減磁抑制効果が縮小する可能性があるという問題がある。

このような問題に対して、本実施の形態１では、永久磁石の径方向内側磁石外形面と、磁石挿入孔の径方向内側挿入孔外形面との双方に、ストレート面を設けることで、永久磁石及び磁石挿入孔をロータの中心側に凸となる向きの弧状に形成し、且つ、永久磁石の側端磁石外形面と磁石挿入孔の側端挿入孔外形面との間に空隙部を確保しておきながらも、永久磁石が弧状の磁石挿入孔に沿って移動しようとした場合、永久磁石のストレート面が、磁石挿入孔の径方向内側挿入孔外形の円弧面に引っ掛かる、もしくは、永久磁石の径方向内側磁石外形の円弧面が、磁石挿入孔のストレート面に引っ掛かることにより、永久磁石が弧状の磁石挿入孔に沿って移動することを抑制することができる。かかる抑制は、例えば、永久磁石が磁石挿入孔に挿入された状態で、ロータの回転中心線ＣＬの延びる方向（永久磁石の挿入方向）にわたってみて、径方向内側磁石外形面のストレート面の少なくとも一部と、径方向内側挿入孔外形面のストレート面の少なくとも一部とが、接触していることで得られる。さらに、図示の一例に関して述べると、永久磁石が磁石挿入孔に挿入された状態で、ロータの回転中心線ＣＬの延びる方向（永久磁石の挿入方向）にわたってみて、径方向外側磁石外形面と径方向外側挿入孔外形面とが全面接触または一部接触し、径方向内側磁石外形面の第２円弧面と径方向内側挿入孔外形面の第２円弧面とが全面接触または一部接触し、且つ、径方向内側磁石外形面のストレート面と径方向内側挿入孔外形面のストレート面とが全面接触または一部接触していることで、永久磁石及び磁石挿入孔をロータの中心側に凸となる向きの弧状に形成し、且つ、永久磁石の側端磁石外形面と磁石挿入孔の側端挿入孔外形面との間に空隙部を確保しておきながらも、永久磁石が磁石挿入孔内で移動することを抑制することができる。以上より、電動機の高効率化やコンパクト化を図り、且つ、減磁抑制効果の縮小を回避しつつ、永久磁石の移動を規制することができる。特に、永久磁石にフェライト磁石を用いれば、フェライト磁石は希土類磁石に比べて保磁力が小さいため、磁石を減磁させ難くする効果はより顕著である。すなわち、永久磁石の側端面と接触する磁石挿入孔の当接部の存在に依拠することなく、永久磁石の移動を規制することができる。

また、ストレート面は、永久磁石及び磁石挿入孔における、径方向の内側の部位に、磁極中心線に対して垂直に設けられるので、性能、減磁特性を悪化させることが無く、永久磁石の移動を規制することができ、駆動電流範囲の拡大、出力を向上する事ができる。

永久磁石にフェライト磁石を使用し、第１円弧面の中心及び第２円弧面の中心が、永久磁石の配向中心と一致するように形成されている。ここでは、フェライト磁石の径方向内側表面と径方向外側表面とを一定の同心円弧状に形成し、フェライト磁石の湾曲径方向の厚みをストレート面を除き一様に６ｍｍ程度に維持されるようにし、同心円弧の中心から配向磁場を印加した磁石を用い、且つ、その磁石に沿った形状の磁石挿入孔に対し、磁石を挿入している。それにより、第１円弧面と第２円弧面とに対して垂直な方向に永久磁石の磁束が発生するため、永久磁石の磁束が一様に局所的に磁束集中することなく磁極表面の鉄心部で発生し、ステータに有効に鎖交する。また、フェライト磁石は、１個１個の形状を金型で成形するため、成形したブロックを輪切りにする希土類磁石よりも形状自由度が高く、上述した円弧面及びストレート面が混在する特定の湾曲形状を実現するのにも適している。

なお、本実施の形態１における永久磁石埋込型電動機の減磁率の改善効果の一例を示す。図５は、ロータの永久磁石に対して相反する位相の電機子磁束が発生するようにステータに通電した場合の、モータ電流に対する、減磁率につき、本実施の形態１と、説明例とを比較したグラフである。グラフ中の実線が本実施の形態１の結果であり、点線が説明例の結果である。図６は、説明例に関する、図２と同態様の図である。比較対象となる説明例は、図６に示されるように、磁石挿入孔の側端挿入孔外形面と永久磁石の側端磁石外形面との間に空隙部が確保されているものの、本実施の形態１で示したストレート面は存在しない構成である。このため、駆動中に永久磁石が磁石挿入孔内で移動してしまう。

減磁率は、通電前後のロータ表面の磁束量の比を表している。永久磁石が減磁すると、電動機の性能が変化するため、電動機の信頼性を確保するために、例えば、減磁率が３％以上となる電流が流れないようにする過電流遮断保護機能を回路に設けている。小さい電流で減磁する電動機は、遮断電流が小さくなるため、高負荷領域での運転ができない。このような背景のもと、図５において、減磁率が３％となる電流値を、説明例と本実施の形態１との間で比較すると、本実施の形態１の方が３５％近く大きく、説明例の構成に比べて減磁に対する耐力が大きく改善していることがわかる。このため、本実施の形態１の電動機は、高負荷領域まで減磁しない、信頼性の高い電動機として構成できることが分かる。

また、本実施の形態１では、ロータ外周面とステータ内周面との間のエアギャップが磁極中心部から極間部に向かって大きくなるように構成されるため、ロータ表面の磁気抵抗は磁極中心部から極間部に向かって大きくなり、ロータ表面の磁気抵抗は磁極中心部から極間部に向かって大きくなり、ロータ表面の磁束密度分布は磁極中心部で最大となる正弦波に近い分布となり、磁束密度の高調波成分を低減することができ、電動機の振動騒音を小さくすることができる。加えて、減磁し易い永久磁石の側面部の径方向外側に位置する部分のロータ外周面は、第２円弧で構成されるため、ティース部からのエアギャップが広く、磁気抵抗が大きくなり、永久磁石に電機子磁束が鎖交し難い構成となり、永久磁石を減磁し難くすることができる。

実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２に係る永久磁石埋込型電動機について説明する。図７は、本発明の実施の形態２に関する、図２と同態様の図である。図８は、永久磁石の肉厚とステータ鎖交磁束量との関係を示すグラフである。なお、本実施の形態２は、以下に説明する部分を除いては、上述した実施の形態１と同様であるものとする。

本実施の形態２においては、永久磁石１９は、第１円弧面と第２円弧面との間の肉厚（円弧半径方向の寸法）をＴ１とし、磁極中心線ＭＬ上での肉厚をＴ２としたとき、
０．８５≦（Ｔ２／Ｔ１）≦０．９５の範囲である、
ように構成されている。

このように構成された本実施の形態２においては、上述した実施の形態１の利点に加え、次のような利点が得られる。永久磁石の磁極中心部にストレート面を設けた場合、磁極中心部の磁石厚さはその分、薄くなり、同時に、ストレート面を設けていない構造と比べて磁石の体積が減少する。そこで、本実施の形態２では、ストレート面を設けるに際して、磁石量の低減と磁石自身の磁気抵抗の低減とが相殺し、磁束量の確保の観点で好適な磁石厚さを実現するようにしている。すなわち、本実施の形態２では、上記のように、永久磁石の肉厚Ｔ１、Ｔ２を、０．８５≦（Ｔ２／Ｔ１）≦０．９５の範囲とすることで、図８に示すように、ストレート面の存在に起因し磁極中心部の磁石厚さが薄くなっても、磁石量低減と磁石自身の磁気抵抗低減との相殺効果により、磁束量の低下を１％以下に抑制できる。なお、具体的一例としては、永久磁石１９は、上記肉厚Ｔ１＝６ｍｍ、上記肉厚Ｔ２＝５．５ｍｍで構成されている。

実施の形態３．
次に、本発明の実施の形態３に係る永久磁石埋込型電動機について説明する。図９は、本実施の形態３に関する、図３と同態様の図である。なお、本実施の形態３は、以下に説明する部分を除いては、上述した実施の形態１と同様であるものとする。

本発明に関する、永久磁石のストレート面は、磁極中心線ＭＬ上に設けられていることには限定されず、永久磁石における径方向内側磁石外形面上に少なくとも一つ形成されていればよい。本実施の形態３における、永久磁石２１９は、径方向内側磁石外形面２４３に、二つのストレート面２４９が含まれており、それら一対のストレート面２４９は、磁極中心線ＭＬを中心とした線対称に配置されている。なお、図示省略するが、かかる永久磁石２１９を収容する磁石挿入孔もまた、永久磁石２１９の一対のストレート面２４９と接触する一対のストレート面を有しており、すなわち、本実施の形態３でも、上記実施の形態１の場合と同様、磁石挿入孔と、永久磁石２１９とは、側端部の空隙部の存在を除いてはぴったりと接触するように構成されている。

このような本実施の形態３においても、上記実施の形態１と同様な利点が得られており、すなわち、永久磁石の側端面と接触する磁石挿入孔の当接部の存在に依拠することなく、永久磁石の移動を規制することができる。

実施の形態４．
次に、本発明の実施の形態４に係る永久磁石埋込型電動機について説明する。なお、本実施の形態４は、以下に説明する部分を除いては、上述した実施の形態１〜３の何れかと同様であるものとする。

本実施の形態４に係る永久磁石埋込型電動機は、磁石挿入孔及び永久磁石のストレート面と、風穴との関係により特徴付けられる。具体的図示例としては、上述した図１、図２、図４、図７を挙げることができる。これら図１、図２、図４、図７に示されるように、ロータコアにおける、磁石挿入孔の径方向内側、特に、ストレート面の径方向内側には、永久磁石埋込型電動機を圧縮機に搭載した際に冷媒や油が通過する少なくとも一つの風穴（図示例では複数の風穴７１）が設けられている。なお、符号７３は、リベット穴である。風穴７１及びリベット穴７３は、周方向に交互に並んでおり、風穴７１及びリベット穴７３のそれぞれが、等角度間隔で並んでいる。風穴７１及びリベット穴７３はそれぞれ、対応する極間部に位置している。

図示例では、３つの風穴７１が、永久磁石１９（２１９）の径方向内側磁石外形面４３（２４３）に向けて凸となるような円弧状の長穴であり、３つの風穴７１は、ロータ中心に対し同一円周上に等角度間隔で離隔して配置されている。１つの長穴はそれぞれ、対応する２枚の永久磁石の径方向内側の部分に跨るように配置され、全ての永久磁石のストレート面４９（２４９）の径方向内側（磁極中心線上）に風穴７１が位置する構成となる。ストレート面と風穴との間の間隔は、永久磁石を冷却し易いよう、狭いことが好ましく、磁極中心軸上でのストレート面と風穴との間の間隔は３ｍｍ以下が好ましい。ここでは、一例として、磁極中心軸上でのストレート面と風穴との間の間隔は２ｍｍとしている。

このような本実施の形態４においても、実施の形態１〜３の対応する何れかと同様な利点が得られることに加え、さらに、次のような利点が得られる。すなわち、磁石挿入孔にストレート面を設けたことにより、ロータコアの磁石挿入孔よりも径方向内側のスペースが拡大され、風穴は、その拡大されたスペースに、形成される。このため、永久磁石埋込型電動機が圧縮機で使用された際、冷媒、油が通り易くなり、圧縮機の特性を向上することができる。また、永久磁石の厚みは、磁極中心部が最も小さく、その分、磁極中心部付近の磁束密度は若干低下する可能性もある。しかしながら、ストレート面の径方向内側に風穴を設けたことにより、永久磁石の磁極中心部を冷却する効果が生じ、冷却に起因した磁石の残留磁束密度の向上が起こるため、磁極中心部で磁石厚さを薄くしたことによる磁束密度の低下を抑制することができる。

また、一般的には、永久磁石の径方向内側近傍に広範囲に風穴を設ければ、風穴が磁気抵抗となり、永久磁石から発生する磁束量を低減させてしまうが、円弧状の永久磁石を凸部側がロータの中心側を向くように配置したロータでは、永久磁石と風穴との間隔を、磁極中心部から極間部に向けて拡大することができるため、風穴の磁気抵抗としての影響を軽減でき、磁路としても性能影響の小さい構造を得ることができる。

実施の形態５．
次に、本発明の実施の形態５として、上述した実施の形態１〜４の何れかの永久磁石埋込型電動機を搭載したロータリ圧縮機について説明する。なお、本発明は、上述した実施の形態１〜４の何れかの永久磁石埋込型電動機を搭載した圧縮機を含むものであるが、圧縮機の種別は、ロータリ圧縮機に限定されるものではない。

図１０は、永久磁石埋込型電動機を搭載したロータリ圧縮機の縦断面図である。ロータリ圧縮機１００は、密閉容器１０１内に、永久磁石埋込型電動機１（電動要素）と、圧縮要素１０３とを備えている。図示はしないが、密閉容器１０１の底部に、圧縮要素１０３の各摺動部を潤滑する冷凍機油が貯留されている。

圧縮要素１０３は、主な要素として、上下積層状態に設けられたシリンダ１０５と、永久磁石埋込型電動機１により回転するシャフトである回転軸１０７と、回転軸１０７に嵌挿されるピストン１０９と、シリンダ１０５内を吸入側と圧縮側に分けるベーン（図示せず）と、回転軸１０７が回転自在に嵌挿され、シリンダ１０５の軸方向端面を閉塞する上下一対の上部フレーム１１１及び下部フレーム１１３と、上部フレーム１１１及び下部フレーム１１３にそれぞれ装着されたマフラ１１５とを含んでいる。

永久磁石埋込型電動機１のステータ３は、密閉容器１０１に焼嵌または溶接等の方法により直接取り付けられ保持されている。ステータ３のコイルには、密閉容器１０１に固定されるガラス端子から電力が供給される。

ロータ５は、ステータ３の内径側に、空隙を介して配置されており、ロータ５の中心部の回転軸１０７（シャフト１３）を介して圧縮要素１０３の軸受け部（上部フレーム１１１及び下部フレーム１１３）により回転自在な状態で保持されている。

次に、かかるロータリ圧縮機１００の動作について説明する。アキュムレータ１１７から供給された冷媒ガスは、密閉容器１０１に固定された吸入パイプ１１９よりシリンダ１０５内へ吸入される。インバータの通電によって永久磁石埋込型電動機１が回転されていることで、回転軸１０７に嵌合されたピストン１０９がシリンダ１０５内で回転される。それにより、シリンダ１０５内では冷媒の圧縮が行われる。冷媒は、マフラ１１５を経た後、密閉容器１０１内を上昇する。このとき、圧縮された冷媒には冷凍機油が混入している。この冷媒と冷凍機油との混合物は、ロータコア１１に設けた風穴を通過する際に、冷媒と冷凍機油との分離を促進され、冷凍機油が吐出パイプ１２１へ流入するのを防止できる。このようにして、圧縮された冷媒が、密閉容器１０１に設けられた吐出パイプ１２１を通って冷凍サイクルの高圧側へと供給される。

尚、ロータリ圧縮機１００の冷媒には、従来からあるＲ４１０Ａ、Ｒ４０７Ｃ、Ｒ２２等を用いてもよいが、低ＧＷＰ（地球温暖化係数）の冷媒等などいかなる冷媒も適用できる。地球温暖化防止の観点からは、低ＧＷＰ冷媒が望まれている。低ＧＷＰ冷媒の代表例として、以下の冷媒がある。
（１）組成中に炭素の二重結合を有するハロゲン化炭化水素：例えば、ＨＦＯ−１２３４ｙｆ（ＣＦ３ＣＦ＝ＣＨ２）である。ＨＦＯは、Ｈｙｄｒｏ−Ｆｌｕｏｒｏ−Ｏｌｅｆｉｎの略で、Ｏｌｅｆｉｎは、二重結合を一つ持つ不飽和炭化水素のことである。尚、ＨＦＯ−１２３４ｙｆのＧＷＰは４である。
（２）組成中に炭素の二重結合を有する炭化水素：例えば、Ｒ１２７０（プロピレン）である。尚、ＧＷＰは３で、ＨＦＯ−１２３４ｙｆより小さいが、可燃性はＨＦＯ−１２３４ｙｆより大きい。
（３）組成中に炭素の二重結合を有するハロゲン化炭化水素または組成中に炭素の二重結合を有する炭化水素の少なくともいずれかを含む混合物：例えば、ＨＦＯ−１２３４ｙｆとＲ３２との混合物等である。ＨＦＯ−１２３４ｙｆは、低圧冷媒のため圧損が大きくなり、冷凍サイクル（特に、蒸発器において）の性能が低下しやすい。そのため、ＨＦＯ−１２３４ｙｆより高圧冷媒であるＲ３２又はＲ４１等との混合物が実用上は有力になる。

以上に構成された本実施の形態５に係るロータリ圧縮機においても、上述した実施の形態１〜４の対応する何れかと同様な利点を有する。

実施の形態６．
また、本発明は、上述した実施の形態５の圧縮機を冷凍回路の構成要素として含む、冷凍空調装置として実施することも可能である。なお、冷凍空調装置の冷凍回路における、圧縮機以外の構成要素の構成は、特に、限定されるものではない。

以上、好ましい実施の形態を参照して本発明の内容を具体的に説明したが、本発明の基本的技術思想及び教示に基づいて、当業者であれば、種々の改変態様を採り得ることは自明である。

１ 永久磁石埋込型電動機、３ ステータ、５ ロータ、１１ ロータコア、１５ エアギャップ、１９、２１９ 永久磁石、２１ 磁石挿入孔、２５ ロータ外周面、２７ ステータ内周面、２９ 第１半径面、３１ 第２半径面、４３ａ 円弧面、４３、２４３ 径方向内側磁石外形面、４５ 径方向外側磁石外形面、４７ 側端磁石外形面、４９、２４９ ストレート面、５３ａ 円弧面、５３ 径方向内側挿入孔外形面、５５ 径方向外側挿入孔外形面、５７ 側端挿入孔外形面、５９ ストレート面、６１ 空隙部、７１ 風穴、１００ ロータリ圧縮機、１０１ 密閉容器、１０３ 圧縮要素、１０５ シリンダ、Ａ１ 第１円弧半径、Ａ２ 第２円弧半径、ＣＬ 回転中心線、ＭＬ 磁極中心線。

Claims (10)

1. ステータと、
   前記ステータに対向して回転可能に設けられたロータとを備え、
   前記ロータは、それぞれ対応する永久磁石が挿入される複数の磁石挿入孔が形成されたロータコアを有し、
   複数の前記永久磁石及び複数の前記磁石挿入孔は、前記ロータの中心側に凸となる向きの弧状に形成されている、永久磁石埋込型電動機であって、
   前記永久磁石はそれぞれ、径方向内側磁石外形面と、径方向外側磁石外形面と、一対の側端磁石外形面とを有しており、
   前記磁石挿入孔はそれぞれ、径方向内側挿入孔外形面と、径方向外側挿入孔外形面と、一対の側端挿入孔外形面とを有しており、
   前記径方向外側磁石外形面と、前記径方向外側挿入孔外形面とは、それぞれ、第１円弧面によって構成されており、
   前記径方向内側磁石外形面と、前記径方向内側挿入孔外形面とは、それぞれ、第２円弧面と、前記永久磁石が弧状の前記磁石挿入孔に沿って移動することを抑制する少なくとも一つのストレート面とで構成されており、
   前記永久磁石が対応する前記磁石挿入孔に挿入された状態では、前記側端磁石外形面と前記側端挿入孔外形面との間には空隙部が形成されている、
   永久磁石埋込型電動機。
2. 前記ロータの回転中心線の延びる方向にわたってみて、前記径方向内側磁石外形面の前記ストレート面の少なくとも一部と、前記径方向内側挿入孔外形面の前記ストレート面の少なくとも一部とが、接触している、
   請求項１の永久磁石埋込型電動機。
3. 前記ロータの回転中心線の延びる方向にわたってみて、前記径方向外側磁石外形面の少なくとも一部と前記径方向外側挿入孔外形面の少なくとも一部とが接触し、前記径方向内側磁石外形面の前記第２円弧面の少なくとも一部と前記径方向内側挿入孔外形面の前記第２円弧面の少なくとも一部とが接触し、且つ、前記径方向内側磁石外形面の前記ストレート面の少なくとも一部と前記径方向内側挿入孔外形面の前記ストレート面の少なくとも一部とが接触している、
   請求項２の永久磁石埋込型電動機。
4. 前記ストレート面は、前記ロータの回転中心線と直交する断面においてみて、対応する前記磁極中心線と直交する向きで形成されている、
   請求項１〜３の何れか一項の永久磁石埋込型電動機。
5. 前記永久磁石における前記第１円弧面と前記第２円弧面との間の肉厚をＴ１とし、該永久磁石における前記磁極中心線上での肉厚をＴ２としたとき、
   ０．８５≦（Ｔ２／Ｔ１）≦０．９５の範囲である、
   請求項４の永久磁石埋込型電動機。
6. 前記ロータコアには、前記磁石挿入孔の前記ストレート面の径方向内側に位置する少なくとも一つの風穴が形成されている、
   請求項１〜５の何れか一項の永久磁石埋込型電動機。
7. 前記ロータのロータ外周面と、前記ステータのステータ内周面との間には、エアギャップが確保されており、
   前記ロータ外周面は、前記ロータの回転中心線と直交する断面においてみて、複数の第１半径面と、複数の第２半径面とによって構成されており、
   前記第１半径面はそれぞれ、前記ロータ外周面における対応する磁極中心部に位置し、前記第２半径面はそれぞれ、前記ロータ外周面における対応する極間部に位置しており、前記第１半径面は、前記第２半径面よりもさらに径方向外側に膨らみ、それによって、前記エアギャップは、前記磁極中心部それぞれから隣り合う前記極間部に向かって大きくなる態様で変化している、
   請求項１〜６の何れか一項の永久磁石埋込型電動機。
8. 前記永久磁石は、フェライト磁石である、
   請求項１〜７の何れか一項の永久磁石埋込型電動機。
9. 密閉容器内に、電動機と、圧縮要素とを備えた圧縮機であって、
   前記電動機は、請求項１〜８の何れか一項の永久磁石埋込型電動機である、
   圧縮機。
10. 請求項９の圧縮機を冷凍回路の構成要素として含む、冷凍空調装置。

Images