JP6467912B2 - 回転電気機械 - Google Patents

Description

本発明は、回転電気機械に関するものである。

従来より、電動機や発電機などの回転電気機械のロータを製造する工程において、ロータコアに形成された磁石スロットに、磁性粉末を含有する溶融樹脂を射出して固化させること（すなわち、射出成形）により、ロータコアの磁石スロットにボンド磁石を充填することが知られている（例えば、特許文献１）。

特開２０１４−５７３９２号公報

特許文献１に係る回転電気機械は、複数の磁石スロットが形成されたロータコアを有するロータと、ロータが挿通されるステータとを備え、複数の磁石スロットの各々が、一対のブリッジ部により両側壁部が構成された内側スロット部と、該一対のブリッジ部からロータコアの外縁へ延びて開口する一対の外側スロット部とに区画され、内側スロット部および一対の外側スロット部に、ボンド磁石が充填されて、ボンド磁石の射出成型に伴うロータコアの変形を抑制することを目的としているが、一対のブリッジ部が存しているため、磁束の漏れが増加し、かつボンド磁石を充填するためのゲートを内側スロット部及び外側スロット部の数と同じだけ増やす必要があるという問題があった。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ボンド磁石の射出成型に伴うロータコアの変形の抑制と、磁束漏れの増加の抑制及び充填ゲート数の増加抑制とを両立させることが可能な回転電気機械を提供することにある。

第１の発明は、複数の磁石（100）及びロータコア（101）を有するロータ（11）と、該ロータ（11）が挿通されるステータ（12）とを備え、前記磁石（100）は、前記ロータコア（101）を軸方向に貫通している孔である磁石スロット（S100）に充填されたボンド磁石であって、前記ロータ（11）の径方向の外側へ突き出しているセンター部（21）と、該センター部（21）の径方向の内側から互いに離間して対称形状に延びている２つのサイド部（31,31）とを備え、横断面において前記磁石（100）の周囲は前記ロータコア（101）に囲繞されており、前記センター部（21）の周方向に沿った幅ｄ１は、前記サイド部（31）の径方向に沿った幅ｄ２よりも大きく、隣り合う前記磁石（100）の前記サイド部（31）同士は、前記ロータコア（101）の一部である境界部（111）によって前記ｄ２以下の距離で隔てられていることを特徴とする回転電気機械である。サイド部（31,31）が対称形状に延びているというのは、センター部を通るロータの直径を対称軸に対称の形状に延びていることを意味している。

前記第１の発明では、境界部（111）が、ロータコア（101）の、磁石スロット（S100）よりも外側に存している部分をボンド磁石の射出成型時に中心軸方向に引っ張る働きをする。

第２の発明は、前記第１の発明において、前記ｄ１は、前記ｄ２の２倍以上であることを特徴とする回転電気機械である。

前記第２の発明では、センター部（21）の厚みを大きくしてこの部分の磁気抵抗を大きくしている。

第３の発明は、前記第１又は第２の発明において、前記境界部（111）は、隣り合う前記磁石（100）のセンター部（21）同士から略等しい距離に存している回転電気機械である。略等しい距離というのは、数学的に厳密な意味での等しい距離ではなく、回転電気機械の生産上および運転上で実用的に支障がない程度の距離のずれや誤差を許容することを意味している。

前記第３の発明では、隣合う磁石（100,100）同士が境界部（111）を対称軸として線対称の形状を有していることになる。

第４の発明は、前記第１から第３の発明のいずれか一つにおいて、前記ボンド磁石は、前記センター部（21）上に位置する充填ゲートから充填されている回転電気機械である。

前記第４の発明では、横断面において充填ゲートの位置が磁石スロット（S100）の中央部に位置することになる。

第１の発明によれば、磁石（100）がセンター部（21）とサイド部（31）とを備えており、隣合う磁石（100）間に境界部（111）が存しており、かつｄ１＞ｄ２であるので、ボンド磁石の射出成型に伴うロータコア（101）の変形の抑制と、磁束漏れの増加の抑制及び充填ゲート数の増加抑制とを両立させることができる。

第２の発明によれば、ｄ１がｄ２の２倍以上であるので、減磁耐力が向上する。

第３の発明によれば、ロータコア（101）全体でバランスのとれた磁極配置とすることができる。

第４の発明によれば、ボンド磁石を磁石スロット（S100）内に均一に充填することができる。

回転電気機械を備えた圧縮機の構成例について説明するための模式的な縦断面図である。 回転電気機械の構成例について説明するための模式的な横断面図である。 ロータの構成例について説明するための模式的な横断面図である。 比較例のロータの構成について説明するための模式的な横断面図である。 成形金型の構成例について説明するための模式的な縦断面図である。 成形金型の下型について説明するための模式的な平面図である。 ロータの変形例１について説明するための模式的な横断面図である。 ロータの変形例２について説明するための模式的な横断面図である。 ロータの変形例３について説明するための模式的な横断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。以下の図面においては、説明の簡潔化のため、実質的に同一の機能を有する構成要素を同一の参照符号で示す。

＜実施形態＞
（圧縮機）
図１は、この発明の実施形態による回転電気機械（10）を備えた圧縮機（1）の構成例を示している。圧縮機（1）は、例えば、空気調和機（図示を省略）に用いられ、空気調和機の室外機（図示を省略）に設置されている。圧縮機（1）は、回転電気機械（10）の他に、駆動軸（20）と、圧縮機構（30）と、ケーシング（40）とを備えている。回転電気機械（10）は、ロータ（11）と、ロータ（11）が挿通されるステータ（12）とを備えている。この例では、回転電気機械（10）は、電動機（より具体的には、埋込磁石型モータ）を構成している。回転電気機械（10）は、ケーシング（40）に収容され、駆動軸（20）を介して圧縮機構（30）を駆動するために用いられている。圧縮機構（30）は、スクロール型圧縮機構やロータリ型圧縮機構であっても良いし、その他の圧縮機構であっても良い。

（回転電気機械）
図２は、回転電気機械（10）の横断面を示している。以下の説明において、「軸方向」は、駆動軸（20）の軸心（O）の方向のことであり、「径方向」は、駆動軸（20）の軸方向と直交する方向のことであり、「周方向」は、軸心（O）を中心とした円周の方向のことであり、「外周側」は、軸心（O）からより遠い側のことであり、「内周側」は、軸心（O）により近い側のことである。また、「縦断面」は、軸方向に沿った断面のことであり、「横断面」は、軸方向に直交する断面のことである。回転電気機械（10）は、ロータ（11）と、ステータ（12）とを備えている。

〔ステータ〕
ステータ（12）は、円筒状のステータコア（201）と、コイル（202）とを備えている。

〈ステータコア〉
ステータコア（201）は、電磁鋼板をプレス加工によって打ち抜いて積層板を作製し、複数の積層板を軸方向に積層することにより構成された積層コアである。ステータコア（201）は、バックヨーク部（211）と、複数（この例では、６つ）のティース部（212,212,…）と、複数（この例では、６つ）のツバ部（213,213,…）とを備えている。バックヨーク部（211）は、ステータコア（201）の外周部に形成され、円環状に形成されている。バックヨーク部（211）の外周は、ケーシング（40）の内面に固定されている。ティース部（212）は、バックヨーク部（211）の内周面から径方向に伸びる直方体状に形成されている。ティース部（212,212,…）の間には、コイル（202）が収容されるコイル用スロット（214,214,…）が形成されている。ツバ部（213）は、ティース部（212）の内周側に連続形成されている。ツバ部（213）は、ティース部（212）よりも幅（周方向の長さ）が大きく構成され、内周側の面が円筒面に形成されている。ツバ部（213）の円筒面は、ロータ（11）の外周面（円筒面）と所定の距離（エアギャップ（G））を隔てて対向している。

〈コイル〉
コイル（202）は、いわゆる集中巻方式により、ティース部（212）に巻回されている。すなわち、１つのティース部（212）ごとにコイル（202）が巻回され、巻回されたコイル（202）は、コイル用スロット（214）内に収容されている。これにより、ティース部（212,212,…）の各々において電磁石が形成されている。なお、コイルの巻方式は集中巻方式に限定されず、分布巻方式であってもよい。

〔ロータ〕
次に、図３を参照して、ロータ（11）について説明する。ロータ（11）は、円柱状に形成されたロータコア（101）と、複数（この例では、４個）の磁石（100,100,…）とを有している。

〈ロータコア〉
ロータコア（101）は、電磁鋼板をプレス加工によって打ち抜いて積層板を作製し、複数の積層板を軸方向に積層することにより構成されている。ロータコア（101）の中心には、軸穴（S110）が形成されている。軸穴（S110）には、焼き嵌めなどによって駆動軸（20）が固定されている。また、ロータコア（101）には、複数（この例では、４つ）の磁石スロット（S100,S100,…）が形成されている。

−磁石スロット−
磁石スロット（S100,S100,…）は、軸心（O）回りに所定のピッチ（この例では、９０°ピッチ）でロータコア（101）に形成されている。磁石スロット（S100）は、ロータコア（101）を軸方向に貫通し、周囲をロータコア（101）により囲繞されている。この例では、磁石スロット（S100）の横断面形状は、長さの等しいＬ字形の角部分が外側に突き出した形状となっている。

−磁石−
磁石スロット（S100,S100,…）の各々にボンド磁石が充填されて、磁石（100,100,…）が形成されている。ボンド磁石は、磁性粉末（例えば、ネオジム鉄ボロン系の磁石やフェライト磁石などの粉末）を含有する溶融樹脂からなっており、このボンド磁石を磁石スロット（S100,S100,…）に射出して固化すること（すなわち、射出成形）により磁石（100,100,…）が形成されている。

磁石（100,100,…）の形状は磁石スロット（S100,S100,…）と同形状であり、両足の長さの等しいＬ字形の角部分が外側に突き出した形状である。ここで角部分がセンター部（21）であり、直角をなして延びる２本の足の部分がサイド部（31）である。ロータコア（101）内での磁石（100,100,…）の配置形状は、センター部（21）が径方向の外方向へ突き出す形状であり、両方のサイド部（31,31）はセンター部（21）の径方向の軸心（0）側（内側）から互いに離間して、センター部（21）の中心を通るロータコア（101）の直径を対称軸として対称形状にまっすぐ延びている形状である。両方のサイド部（31,31）は長さが略等しく、幅も略等しい。

センター部（21）の周方向に沿った幅ｄ１は、サイド部（31）の径方向に沿った幅ｄ２よりも大きく、ｄ２の２倍以上である。

−境界部−
境界部（111）は、隣合う２つの磁石（100,100）の隣合うサイド部（31,31）同士の間に存しており、ロータコア（101）の一部である。そして境界部（111）は、ロータコア（101）のうち磁石スロット（S100,S100,…）よりも軸心（0）側の部分と、磁石スロット（S100,S100,…）よりも径方向外側の部分とを連結している。境界部（111）の幅（２つのサイド部（31,31）間の距離）はｄ２よりも小さい。

〔成形金型〕
次に、図５，図６を参照して、ボンド磁石の射出成形の際に使用される成形金型（50）について説明する。成形金型（50）は、上型（51）と、下型（52）とによって構成されている。なお、図５は、図６のＶ−Ｖ線における断面に対応している。

〈上型〉
図５のように、上型（51）は、注入口（501）と、スプールランナ（502）と、複数のゲート（503,503,…）とを有している。注入口（501）には、溶融樹脂が注入される。スプールランナ（502）は、注入口（501）に注入された溶融樹脂をゲート（503,503,…）に供給する。ゲート（503,503,…）は、スプールランナ（502）から供給された溶融樹脂を射出する。また、ゲート（503,503,…）は、ロータコア（101）の磁石スロット（S100,S100,…）のうち、センター部（21,21,…）に対応する部分の直上にそれぞれ位置している。この例では、４つの磁石スロット（S100,S100,…）にそれぞれ対応する４つのゲート（503,503,…）が設けられている。

〈下型〉
下型（52）は、非磁性部材によって構成されている。また、下型（52）は、円形状に形成された凹部を有している。図６のように、下型（52）の凹部の内周には、円弧状に形成された複数（この例では、４つ）の永久磁石（504,504,…）と、円弧状に形成された複数（この例では、４つ）のポールピース（505,505,…）が設けられている。さらに、永久磁石（504,504,…）の内周には、円弧状に形成された複数（この例では、４つ）の接触部材（506,506,…）が設けられている。そして、下型（52）の凹部の底面とポールピース（505,505,…）の内周面および接触部材（506,506,…）の内周面とによって、ロータコア（101）を収容するためのロータコア収容部（500）が構成されている。

《永久磁石》
永久磁石（504）は、永久磁石（504）の周方向の一端がＮ極となるとともに周方向の他端がＳ極となるように、周方向に磁化されている。また、永久磁石（504,504,…）は、Ｎ極同士およびＳ極同士が対向するように、所定のピッチ（この例では、９０°ピッチ）で下型（52）の凹部の内周面に固定されている。

《ポールピース》
ポールピース（505）は、磁性材料（例えば、鉄など）によって構成されている。また、ポールピース（505,505,…）は、永久磁石（504,504,…）の間にそれぞれ配置されるように、下型（52）の凹部の内周面に固定されている。ポールピース（505,505,…）の内周面は、ロータコア収容部（500）に収容されたロータコア（101）の外周面に所定の間隔（エアギャップ）を隔てて対向するように、ロータコア（101）の半径よりも大きい曲率半径を有する円筒面状に形成されている。

《接触部材》
接触部材（506）は、非磁性材料（例えば、ステンレスなど）によって構成されている。また、接触部材（506,506,…）は、永久磁石（504,504,…）の内周面にそれぞれ固定されている。

〔ロータの製造工程〕
次に、成形金型（50）を用いたロータ（11）の製造工程について説明する。

〈セット工程〉
まず、ポールピース（505,505,…）の内周面がロータコア（101）の外周面（より具体的には、ロータ（11）の磁極となる部分）に所定の間隔を隔てて対向するとともに、接触部材（506,506,…）の内周面がロータコア（101）の磁石スロット（S100,S100,…）のセンター部（21）に該当する部分に最接近するように、下型（52）のロータコア収容部（500）にロータコア（101）が収容される。なお、ロータコア（101）の軸方向の一方の開口端部は、ロータコア収容部（500）の底面によって閉塞されている。次に、ゲート（503,503,…）がロータコア（101）の磁石スロット（S100,S100,…）のセンター部（21）に該当する部分の軸方向の他方の開口端部にそれぞれ対向するように、上型（51）と下型（52）とが重ね合わされる。

〈射出工程〉
次に、射出ユニット（図示を省略）によって、上型（51）の注入口（501）にボンド磁石となる溶融樹脂が注入される。注入口（501）に注入された溶融樹脂は、スプールランナ（502）を経由してゲート（503,503,…）からロータコア（101）の磁石スロット（S100,S100,…）にそれぞれ射出される。

ロータコア（101）の磁石スロット（S100,S100,…）への溶融樹脂の充填が完了すると、溶融樹脂が固化される。このようにして、磁石（100,100,…）が形成される。また、永久磁石（504,504,…）からポールピース（505,505,…）を通過してロータコア（101）のボンド磁石に向かう磁束により、磁石（100,100,…）の磁場配向および着磁が行われる。このとき、各磁石（100）の径方向の外側表面には、センター部（21）を境にして両側のサイド部（31,31）において異なる極が形成される。すなわち一つの磁石（100）の一方のサイド部（31）の外側表面がＮ極となると、他方のサイド部（31）の外側表面はＳ極となる。

〈取り外し工程〉
次に、上型（51）と下型（52）とが分離され、下型（52）のロータコア収容部（500）からロータ（11）（すなわち、磁石スロット（S100,S100,…）にボンド磁石が充填されたロータコア（101））が取り外される。このようにして、ロータ（11）が製造される。

〔射出成形時にロータコアに加えられる圧力〕
次に、ボンド磁石の射出成形の際に、ロータコア（101）に加えられる圧力について本実施形態（図３）と比較例（図４）とを比べて説明する。

比較例のロータ（11a）には、４つの磁石（100a,100a,…）が周方向に９０度ずれて存しており、各磁石（100a）が一つの極を形成している。つまり、各磁石（100a）の径方向外側表面は、特定の極であり、隣の磁石（100a）の径方向外側表面は、それとは反対の極となっている。このような磁石（100a,100a,…）は中央部分が略周方向に延びていて、両端部は中央部から径方向外側に曲がっている。このロータ（11a）を射出成型により製造するときには、磁石スロット（S100a）に充填されるボンド磁石の圧力により、両端部は矢印Ｂの向きにロータコア（101a）に対して力を加えることになる。一つの磁石スロット（S100a）における２つの両端部からロータコア（101a）にかかる矢印Ｂの向きの合力は、その磁石スロット（S100a）の径方向外側のロータコア（101a）部分を径方向外側へ膨らませる力となる。また、その磁石スロット（S100a）の中央部もロータコア（101a）に径方向外側への圧力をかける。従って比較例のロータ（11a）は射出成形時に外側に膨らみやすい。

一方、本実施形態では、射出成形時にセンター部（21）において比較例と同じような矢印Ａの向きの力をロータコア（101）にかけるが、境界部（111）が存しているので、この力によるロータコア（101）の径方向外側への膨らみは抑制される。

〔効果〕
以上のように、ボンド磁石の射出成形の際に、磁石スロット（S100,S100,…）の各々において、境界部（111）の存在により、ボンド磁石の射出成形に伴うロータコア（101）の径方向外側への膨らみ変形を抑制することができ、ロータ（11）とステータ（12）との間のエアギャップ（G）の精度劣化を抑制することが可能となる。

また、図４の比較例において、本実施形態と同様の膨らみ抑制効果を狙って磁石（100a,100a,…）の中央に境界部を形成したと仮定してみると、この境界部において磁束漏れが発生する。本実施形態の境界部（111）においても同様に磁束漏れが発生するが、比較例では隣合う２つの磁石（100a,100a）の境界部分である磁極間隔離部（121）においても磁束漏れが発生し、この磁極間隔離部（121）は境界部よりも長いので磁束の漏れ度合が大きい。従って本実施形態では比較例よりも磁束漏れが減少する。

そして、上記と同じく図４の比較例において境界部を形成したと仮定してみると、磁石スロット（S100a,S100a,…）が８つ必要になるが、本実施形態では磁石スロット（S100,S100,…）が半分の４つであり、射出成形時のゲートも４つですみ、射出成形のコストが増加することを抑制できる。

さらには、本実施形態では各磁石（100）のセンター部（21）の周方向に沿った幅ｄ１は、サイド部（31）の径方向に沿った幅ｄ２よりも大きいので減磁耐力を向上させることができる。特にｄ１がｄ２の２倍以上であると減磁耐力の向上効果が顕著となり好ましい。

４つの磁石（100,100,…）のそれぞれがセンター部（21）を通る径を対称軸とした線対称の形状であって、４つ全てが同じ形状であり、かつ軸心（0）を中心として９０度ずつ回転した対称形状に配置されているので、ロータコア（101）全体でバランスのとれた磁極配置となっている。

（ロータコアの変形例１）
図７のように、磁石スロット（S103,S103,…）及び磁石（103,103,…）の横断面形状が、２つの円弧の端部同士が結合した形状であってもよい。この場合、２つの円弧の端部同士が結合した部分がセンター部（23）であって、径方向の外側へ突き出している。円弧の部分が２つのサイド部（33,33）であって、センター部（23）の軸心（0）側からセンター部（23）の中心を通るロータコア（102）の直径を対称軸とする対称形状にそれぞれ延びている。なお、サイド部（33,33）の円弧の膨らみ方向はロータコア（102）の外周の膨らみ方向とは反対方向である。隣合う磁石（103,103）のサイド部（33,33）同士は、境界部（113）によって、サイド部（33）の径方向に沿った幅以下の距離で隔てられている。センター部（23）の周方向に沿った幅は、サイド部（33）の径方向に沿った幅よりも大きく、２倍以上である。

変形例１のロータコア（102）を用いた回転電気機械も図２に示す回転電気機械と同じ効果を奏する。

（ロータコアの変形例２）
図８のように、磁石スロット（S105,S105,…）及び磁石（105,105,…）の横断面形状が、図３に示すサイド部（31,31）間の９０度の角度を６０度にした形状であってもよい。この場合、センター部（25）の形状や大きさは図３のロータコア（101）と同じである。隣合う磁石（105,105）のサイド部（35,35）同士は、境界部（115）によって、サイド部（35）の径方向に沿った幅以下の距離で隔てられている。センター部（25）の周方向に沿った幅は、サイド部（35）の径方向に沿った幅よりも大きく、２倍以上である。

変形例２のロータコア（104）を用いた回転電気機械も図２に示す回転電気機械と同じ効果を奏する。

（ロータコアの変形例３）
図９のように、磁石スロット（S107,S107,…）及び磁石（107,107,…）の横断面形状が、図３に示すサイド部（31）が延びる途中で径方向外側へ屈曲した形状であってもよい。この場合、センター部（27）の形状や大きさは図３のロータコア（101）と同じである。隣合う磁石（107,107）のサイド部（37,37）同士は、境界部（117）によって、サイド部（37）の径方向に沿った幅以下の距離で隔てられている。センター部（27）の周方向に沿った幅は、サイド部（37）の径方向に沿った幅よりも大きく、２倍以上である。

変形例３のロータコア（10６）を用いた回転電気機械も図２に示す回転電気機械と同じ効果を奏する。

＜その他の実施形態＞
上述の実施形態及び変形例は本願発明の例示であって、本願発明はこれらの例に限定されず、これらの例に周知技術や慣用技術、公知技術を組み合わせたり、一部置き換えたりしてもよい。また当業者であれば容易に思いつく改変発明も本願発明に含まれる。

以上説明したように、上述の回転電気機械は、圧縮機に用いられる電動機等として有用である。

１１ ロータ
１２ ステータ
１３ ロータ
１５ ロータ
１７ ロータ
２１ センター部
２３ センター部
２５ センター部
２７ センター部
３１ サイド部
３３ サイド部
３５ サイド部
３７ サイド部
１００ 磁石
１０１ ロータコア
１０２ ロータコア
１０３ 磁石
１０４ ロータコア
１０５ 磁石
１０６ ロータコア
１０７ 磁石
１１１ 境界部
１１３ 境界部
１１５ 境界部
１１７ 境界部
Ｓ１００ 磁石スロット
Ｓ１０３ 磁石スロット
Ｓ１０５ 磁石スロット
Ｓ１０７ 磁石スロット

Claims (4)

1. 複数の磁石（100）及び一体に成形された１つのロータコア（101）を有するロータ（11）と、該ロータ（11）が挿通されるステータ（12）とを備え、
   前記磁石（100）は、前記ロータコア（101）を軸方向に貫通している孔である磁石スロット（S100）に充填されたボンド磁石であって、前記ロータ（11）の径方向の外側へ突き出しているセンター部（21）と、該センター部（21）の径方向の内側から互いに離間して対称形状に延びている２つのサイド部（31,31）とを備え、
   横断面において前記磁石（100）の周囲は前記ロータコア（101）に囲繞されており、
   前記センター部（21）の周方向に沿った幅ｄ１は、前記サイド部（31）の径方向に沿った幅ｄ２よりも大きく、
   隣り合う前記磁石（100）の前記サイド部（31）同士は、前記ロータコア（101）の一部である境界部（111）によって前記ｄ２以下の距離で隔てられていることを特徴とする、回転電気機械。
2. 前記ｄ１は、前記ｄ２の２倍以上であることを特徴とする、請求項１に記載されている回転電気機械。
3. 前記境界部（111）は、隣り合う前記磁石（100）のセンター部（21）同士から略等しい距離に存している、請求項１又は２に記載されている回転電気機械。
4. 前記ボンド磁石は、前記センター部（21）上に位置する充填ゲートから充填されている、請求項１から３のいずれか一つに記載されている回転電気機械。

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