JP7500733B2 - ロータ、電動機、圧縮機および冷凍サイクル装置 - Google Patents

ロータ、電動機、圧縮機および冷凍サイクル装置 Download PDF

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Description

本開示は、ロータ、電動機、圧縮機および冷凍サイクル装置に関する。
ロータに永久磁石が埋め込まれた電動機では、ロータの回転時に、永久磁石の磁界によってステータのコイルに電圧が誘起される。この電圧を誘起電圧と称する。
電動機を高速且つ高効率で回転させる目的で、弱め界磁制御を行う場合がある(例えば、特許文献1参照)。弱め界磁制御を行うと、ロータの磁極間で磁束の短絡が生じやすくなり、誘起電圧の高調波が発生しやすくなる。誘起電圧の高調波が生じると、トルクリプルが生じ、電動機の振動が増加する。
国際公開第2019/174579号(段落0017~0019、図1参照)
そこで、電動機の振動を抑制するため、電動機のトルクリプルを低減することが求められている。
本開示は、上記の課題を解決するためになされたものであり、電動機のトルクリプルの低減を目的とする。
本開示によるロータは、軸線を中心とする周方向に延在する外周と、軸線を中心とする径方向において外周よりも内側に位置する磁石挿入孔とを有するロータコアと、磁石挿入孔に挿入された永久磁石とを有する。ロータコアは、磁石挿入孔の周方向の端部にフラックスバリアを有する。フラックスバリアの少なくとも一部は、永久磁石の磁極面よりも外周側に位置する。フラックスバリアに隣接して、永久磁石を磁石挿入孔の内部で位置決めする位置決め部が形成されている。永久磁石の周方向の端部は、磁石挿入孔からフラックスバリア内に突出している。周方向において、ロータコアの磁石挿入孔の外側に、極間部が規定される。周方向においてフラックスバリアの極間部側に、外周から径方向の内側に窪んだ溝部が形成されている。溝部は、周方向においてフラックスバリアに対向し、且つ、周方向の幅が径方向の外側に向かって広がる形状を有する。フラックスバリアは、溝部に対して径方向の内側に形成された凹部を有する。凹部は、位置決め部と溝部との間に位置している。
上記の構成によれば、フラックスバリアの極間部側に、ロータコアの外周よりも内側に窪んだ溝部が形成されており、フラックスバリアが溝部の径方向内側に凹部を有するため、磁極間における磁束の短絡が生じにくくなる。これによりトルクリプルを低減し、振動を抑制することができる。
実施の形態1の電動機を示す横断面図である。 実施の形態1のステータおよびシェルを示す横断面図である。 実施の形態1のロータを示す横断面図である。 実施の形態1のロータの一部を示す横断面図である。 実施の形態1のロータコアの一部を示す横断面図である。 実施の形態1のロータの溝部を含む部分を拡大して示す図である。 実施の形態1のロータの溝部を含む部分を拡大して示す図である。 実施の形態1の電動機の駆動装置を示すブロック図である。 比較例のロータの一部を示す横断面図である。 比較例のロータの極間部を含む部分を拡大して示す図である。 比較例の電動機における磁束の流れのシミュレーション結果を示す図(A),(B)である。 比較例の電動機における磁極間の磁束の流れを説明するための模式図である。 実施の形態1の電動機における磁束の流れのシミュレーション結果を示す図(A),(B)である。 実施の形態1の電動機における磁極間の磁束の流れを説明するための模式図である。 実施の形態1および比較例のトルクリプルの解析結果を示すグラフである。 実施の形態1の電動機を備えた圧縮機を示す断面図である。 図16の圧縮機を備えた冷凍サイクル装置を示す図である。
実施の形態1.
<電動機の構成>
図1は、実施の形態1の電動機100を示す横断面図である。電動機100は、ロータ1に永久磁石20が埋め込まれた永久磁石埋込型電動機であり、例えば圧縮機500(図16)に用いられる。
電動機100は、回転可能なロータ1と、ロータ1を囲むように設けられたステータ5とを有する。ステータ5は、環状のシェル60の内側に固定されている。ステータ5とロータ1との間には、例えば0.3~1.0mmのエアギャップが形成されている。
以下では、ロータ1の回転軸である軸線Axの方向を、「軸方向」と称する。軸線Axを中心とする周方向(図1に矢印Rで示す)を、「周方向」と称する。軸線Axを中心とする半径方向を、「径方向」と称する。軸線Axに直交する面における断面図を「横断面図」と称し、軸線Axと平行な面における断面図を「縦断面図」と称する。
<ステータの構成>
図2は、ステータ5およびシェル60を示す横断面図である。ステータ5は、ステータコア50と、ステータコア50に取り付けられたインシュレータ58(図1)および絶縁フィルム59と、インシュレータ58および絶縁フィルム59を介してステータコア50に巻き付けられた巻線55とを有する。
ステータコア50は、鋼板を軸方向に積層し、カシメ部57aにより一体に固定したものである。鋼板は、例えば電磁鋼板である。鋼板の板厚は、例えば0.1~0.7mmであり、ここでは0.35mmである。
ステータコア50は、軸線Axを中心とする環状のヨーク部51と、ヨーク部51から径方向内側に延在する複数のティース52とを有する。ヨーク部51の外周面は、シェル60の内周面に固定されている。
ティース52は、周方向に一定間隔で形成されている。ティース52の数は、ここでは9であるが、2以上であればよい。ティース52は、径方向内側の端部に、ロータ1に対向する歯先部52aを有する。歯先部52aは、ティース52の他の部分よりも幅が広い。隣り合うティース52の間には、巻線55を収容するスロット53が形成される。
スロット53の内面には、絶縁フィルム59が取り付けられている。絶縁フィルム59は、例えばポリエチレンテレフタレート(PET)の樹脂で構成される。また、ティース52の軸方向の両端には、インシュレータ58(図1)が取り付けられている。インシュレータ58は、例えばポリブチレンテレフタレート(PBT)等の樹脂で構成される。
インシュレータ58および絶縁フィルム59は、ステータコア50と巻線55とを電気的に絶縁する絶縁部を構成する。ティース52には、インシュレータ58および絶縁フィルム59を介して、巻線55が巻き付けられる。
巻線55は、例えばマグネットワイヤで構成される。巻線55の線径は、例えば1.0mmである。巻線55は、各ティース52に、集中巻により例えば80ターン巻かれている。巻線55の巻き数および線径は、電動機100の要求特性(回転数、トルク等)、供給電圧、およびスロット53の断面積に応じて決定される。
ヨーク部51には、ステータコア50を構成する鋼板を一体に固定するカシメ部57aが形成されている。カシメ部57aは、例えば、ティース52の中心を通る径方向の直線に対して周方向両側に形成されている。
ヨーク部51には、インシュレータ58に形成された突起部が嵌合する嵌合穴57bが形成されている。嵌合穴57bは、カシメ部57aよりも径方向内側で、且つティース52の中心を通る径方向の直線上に形成されている。なお、カシメ部57aおよび嵌合穴57bの数および配置は任意である。
ステータコア50は、ティース52毎に複数の分割コア50Aが周方向に連結された構成を有する。分割コア50Aの数は、例えば9である。これらの分割コア50Aは、ヨーク部51に形成された接合面54で互いに接合されている。接合は、例えば溶接であるが、溶接に限定されるものではない。
ステータ5は、環状のシェル60の内側に固定される。より具体的には、ステータ5のステータコア50が、焼嵌めまたは圧入により、シェル60の内側に嵌合する。シェル60は、圧縮機500(図16)の密閉容器507の一部である。
<ロータの構成>
図3は、ロータ1を示す横断面図である。ロータ1は、円筒状のロータコア10と、ロータコア10に取り付けられた永久磁石20とを有する。ロータコア10の中央部には、シャフト25(図1)が固定されている。シャフト25は、例えば、圧縮機500(図16)のシャフトである。
ロータコア10は、鋼板を軸方向に積層し、カシメ部105により一体に固定したものである。鋼板は、例えば電磁鋼板である。鋼板の板厚は、例えば0.1~0.7mmであり、ここでは0.35mmである。ロータコア10の径方向中心には軸孔18が形成され、上述したシャフト25が固定されている。
ロータコア10の外周面に沿って、永久磁石20が挿入される複数の磁石挿入孔11が形成されている。磁石挿入孔11は、ロータコア10の軸方向の一端から他端まで形成されている。各磁石挿入孔11は、1磁極(符号Pで示す)に相当する。磁石挿入孔11の数は、ここでは6であり、従って磁極数は6である。但し、磁極数は6に限定されるものではなく、2以上であればよい。
磁石挿入孔11は、周方向中心が軸線Ax側に突出するV字状に形成されている。各磁石挿入孔11には、永久磁石20が2つ配置されている。同じ磁石挿入孔11に配置された2つの永久磁石20は、互いに同一の磁極を径方向外側に向けて配置されている。
永久磁石20は、軸方向に長い平板状の部材であり、ロータコア10の周方向に幅を有し、径方向に厚さを有する。永久磁石20の厚さは、例えば2mmである。永久磁石20は、例えば、ネオジウム(Nd)、鉄(Fe)およびボロン(B)を含有する希土類磁石で構成されている。永久磁石20は、厚さ方向に着磁されている。
なお、上記の希土類磁石は、温度の上昇と共に保磁力が低下する性質を有し、低下率は-0.5~-0.6%/Kである。圧縮機で想定される最大負荷発生時に希土類磁石の減磁が生じないようにするためには、1100~1500A/mの保磁力が必要である。この保磁力を150℃の雰囲気温度下で確保するためには、常温(20℃)での保磁力が1800~2300A/mであることが必要である。
そのため、希土類磁石には、ディスプロシウム(Dy)を添加してもよい。希土類磁石の常温での保磁力は、Dyを添加していない状態で1800A/mであり、2重量%のDyを添加することで2300A/mとなる。但し、Dyの添加は製造コストの増加の原因となり、また残留磁束密度の低下を招く。そのため、Dyの添加量をできるだけ少なくするか、またはDyを添加しないことが望ましい。
ロータ1の磁極Pの中心、すなわち周方向における磁石挿入孔11の中心を、極中心とする。極中心を通る径方向の直線を、極中心線と称する。周方向に隣り合う磁石挿入孔11の間、すなわち磁極間には、極間部Mが規定される。
なお、磁石挿入孔11は、上述したV字状に限らず、直線状に形成されていてもよい。各磁石挿入孔11には、1つの永久磁石20を配置してもよく、2つ以上の永久磁石20を配置してもよい。
ロータコア10の磁石挿入孔11の径方向内側には、穴部101,102が形成されている。穴部101は、軸孔18の内周に沿って円弧状に形成されている。穴部102は、径方向において穴部101と磁石挿入孔11との間に形成されている。また、極間部Mの径方向内側には、穴部103が形成されている。
これらの穴部101,102,103はいずれも、ロータコア10の軸方向の一端から他端まで形成されており、圧縮機(図16)の冷媒の通路である。但し、ロータコア10における穴部の数および配置は、適宜変更することができる。
また、極間部Mの径方向内側には、ロータコア10を構成する鋼板を一体に固定するカシメ部105が形成されている。カシメ部105は、例えば、周方向に隣り合う磁石挿入孔11の間に形成されている。但し、カシメ部105の数および配置は、適宜変更することができる。
図4は、ロータ1の一部を拡大して示す図である。磁石挿入孔11の外周15側には、スリット群19が形成されている。スリット群19は、極中心線に対して周方向に対称に形成されたスリット19a,19b,19c,19dを有する。
より具体的には、スリット群19は、極中心線上に配置されたスリット19aと、スリット19aの周方向両側に配置されたスリット19bと、スリット19bの周方向両側に配置されたスリット19cと、スリット19cの周方向両側に配置されたスリット19dとを有する。
スリット19a~19dは、周方向に等間隔に配置されており、いずれも径方向に長い。スリット19aが最も長く、スリット19bが2番目に長く、スリット19cが3番目に長く、スリット19dが最も短い。
スリット群19は、永久磁石20からステータ5に向かう磁束の分布を滑らかにするために設けられる。磁束の分布を滑らかにすることにより、ロータ1の回転時に永久磁石20の磁界によって巻線55に誘起される電圧(誘起電圧)の高調波が低減される。スリット群19を構成するスリットの数および配置は、ここで説明した例に限定されるものはない。また、ロータコア10にスリット群19を設けない構成も可能である。
磁石挿入孔11内には、上記の通り2つの永久磁石20が配置されている。各永久磁石20は、径方向外側の磁極面21と、径方向内側の磁極面22と、周方向内側の端面23と、周方向外側の端面24とを有する。
図5は、ロータコア10の一部を拡大して示す図である。磁石挿入孔11は、径方向外側の外側端縁111と、径方向内側の内側端縁112とを有する。外側端縁111は、永久磁石20の磁極面21(図4)に対向し、内側端縁112は永久磁石20の磁極面22(図4)に対向する。外側端縁111および内側端縁112は、いずれもV字状に延在している。
磁石挿入孔11の内部には、永久磁石20を位置決めするための第1の凸部13および第2の凸部14が形成されている。第1の凸部13は、磁石挿入孔11の周方向中央部で内側端縁112から突出しており、永久磁石20の端面23(図4)に対向している。
第2の凸部14は、磁石挿入孔11の周方向端部で内側端縁112から突出しており、永久磁石20の端面24(図4)に対向している。第1の凸部13および第2の凸部14により、永久磁石20が磁石挿入孔11内で移動しないように周方向に位置決めされる。
磁石挿入孔11の周方向両端部には、フラックスバリア12が形成されている。フラックスバリア12は、磁石挿入孔11の極間部M側に形成されている。フラックスバリア12の一部は、永久磁石20の磁極面21(図4)よりも外周15側に位置している。
すなわち、フラックスバリア12は、永久磁石20の磁極面21から出た磁束が極間部M側に流れること、あるいは極間部Mを通って流れてきた磁束が磁極面21に流れ込むことを抑制する。
ロータコア10の外周15のうち、磁石挿入孔11の径方向外側に位置する部分は、軸線Axを中心とする半径R1の円弧状である。この円弧状部分は、極中心を中心として周方向に延在している。
一方、ロータコア10の外周15のうち、極間部Mには、溝部16が形成されている。溝部16は、軸線Axを中心とする半径R1の円(図7に示す仮想円C1)に対して、径方向内側に窪んでいる。溝部16は、周方向に隣り合う磁石挿入孔11のフラックスバリア12の間に形成されている。
図6は、ロータコア10の溝部16を含む部分を拡大して示す図である。溝部16は、周方向に延在する底部16aと、底部16aの周方向両側の側部16bとを有する。側部16bは、溝部16の周方向幅が径方向外側に向かって広がるように傾斜している。
フラックスバリア12は、外周15に沿って周方向に延在する第1の辺12aと、第1の辺12aの極間部M側の端部から径方向内側に延在する第2の辺12bと、第2の辺12bの径方向内側の端部から極間部M側に周方向に延在する第3の辺12cとを有する。
フラックスバリア12は、また、第3の辺12cの極間部M側の端部から径方向内側に延在する第4の辺12dと、第4の辺12dの径方向内側の端部から極間部Mと反対側に周方向に延在する第5の辺12eとを有する。第5の辺12eは、径方向において第3の辺12cと対向している。また、第5の辺12eは、第2の凸部14の一部でもある。
第3の辺12cと、第4の辺12dと、第5の辺12eとで囲まれた領域によって、凹部Aが構成される。凹部Aは、溝部16に対して径方向内側に位置する。
フラックスバリア12は、また、第1の辺12aの極間部Mと反対側の端部から径方向内側に延在する第6の辺12fを有する。第6の辺12fは、周方向において第2の辺12bと対向する。
フラックスバリア12の第1の辺12aとロータコア10の外周15との間には、第1の薄肉部T1が形成される。フラックスバリア12の第3の辺12cと溝部16の底部16aとの間には、第2の薄肉部T2が形成される。薄肉部T1,T2はいずれも、周方向に延在している。
図7は、溝部16の周囲の各部の寸法を説明するための模式図である。第1の薄肉部T1の径方向の幅L1は、フラックスバリア12の第1の辺12aとロータコア10の外周15との距離である。第2の薄肉部T2の径方向の幅L2は、フラックスバリア12の第3の辺12cと溝部16の底部16aとの距離である。
第1の薄肉部T1の幅L1は、ロータコア10を構成する鋼板の板厚よりも狭い。一方、第2の薄肉部T2の径方向の幅L2は、第1の薄肉部T1の幅L1よりも広い。
ロータコア10の外周15を規定する半径R1(図5)の仮想円をC1とする。溝部16の深さDは、仮想円C1から底部16aまでの径方向の距離である。溝部16の深さDは、第1の薄肉部T1の径方向の幅L1よりも大きい
溝部16は、径方向において永久磁石20と重なり合わない位置に設けられている。すなわち、軸線Axを中心とする角度範囲で表すと、溝部16の形成された角度範囲W1と、永久磁石20の存在する角度範囲W2とは重なり合っていない。
また、溝部16は、永久磁石20が存在する領域よりも径方向外側に形成されている。すなわち、永久磁石20の最も径方向外側の点を通り、軸線Axを中心とする仮想円をC2とすると、溝部16は仮想円C2の外側に形成されている。
<駆動装置>
図8は、電動機100を駆動する駆動装置80を示すブロック図である。駆動装置80は、冷凍サイクル装置400(図17)の一部である。図8に示すように、駆動装置80は、商用交流電源から供給される交流電圧を直流電圧に変換する整流回路81と、整流回路81から出力された直流電圧を交流電圧に変換して電動機100に供給するインバータ回路82と、インバータ回路82を駆動する制御装置85と、電圧検出回路86および電流検出回路87とを有する。
整流回路81は、ブリッジダイオード81a,81b,81c,81dおよび平滑コンデンサ81eを有する。整流回路81の母線間には、分圧抵抗84a,84bが直列に接続されている。電圧検出回路86は、分圧抵抗84a,84bによって低電圧に変換された電気信号を検出する整流回路81の母線にはシャント抵抗88が接続されている。電流検出回路87はシャント抵抗88に接続され、インバータ回路82に入力される電流の電流値を検出する。
インバータ回路82は、3相ブリッジのインバータ回路である。インバータ回路82は、U相のスイッチング素子82a,82b、V相のスイッチング素子82c,82d、およびW相のスイッチング素子82e,82fを有する。スイッチング素子82a,82c,82eは上アームであり、スイッチング素子82b,82d,82fは下アームである。
スイッチング素子82a,82bは、電動機100のU相の巻線55Uに接続されている。スイッチング素子82c,82dは、V相の巻線55Vに接続されている。スイッチング素子82e,82fは、W相の巻線55Wに接続されている。スイッチング素子82a~82fには、還流用の整流素子83a~83fが並列接続されている。
インバータ回路82から出力される交流電力は、電動機100の各相の巻線55U,55V,55Wに供給されて回転磁界を生じ、これによりロータ1が回転する。制御装置85は、巻線55U,55Wに流れる電流の電流値に基づいてロータ1の位置情報を検出する。
制御装置85は、遠隔操作装置(リモコン)からの運転指示信号と、電圧検出回路86および電流検出回路87からの検出信号と、ロータ1の位置情報とに基づき、インバータ回路82にPWM信号を出力する。
<作用>
次に、実施の形態1の作用について説明する。まず、実施の形態1に対する比較例のロータ1Cについて説明する。図9は、比較例のロータ1Cを示す横断面図である。図10は、ロータ1Cの極間部Mを含む部分を拡大して示す図である。
図9に示すように、比較例のロータ1Cは、外周15が円形であり、極間部Mに溝部16(図6)を有さない。また、図10に示すように、比較例のロータ1Cのフラックスバリア12は、第2の辺12bおよび第3の辺12c(図6)を有さない。
比較例のロータコア10の外周15とフラックスバリア12の第1の辺12aとの間には、周方向に延在する薄肉部Tが形成される。その他の点では、比較例のロータ1Cの構成は、実施の形態1のロータ1と同様である。
図11(A)および(B)は、比較例のロータ1Cを有する電動機100Cにおける磁束の流れのシミュレーション結果を示す図である。図11(A)は、弱め界磁制御を行っていないとき、すなわち通常運転時の磁束の流れを示し、図11(B)は、弱め界磁制御を行っているとき、すなわち弱め界磁運転時の磁束の流れを示す。
図11(A)に示すように、ロータ1Cの永久磁石20から出た磁束は、ステータ5のティース52に流れ、ティース52からヨーク部51に流れ、隣接するティース52を経由して、隣接する磁極の永久磁石20に流れる。
ステータ5のティース52に磁束が流れることにより、巻線55に誘起電圧が発生する。誘起電圧はロータ1Cの回転速度に比例して増加し、ある回転数でインバータ回路82の最大出力電圧に達する。
誘起電圧がインバータ回路82の最大出力電圧に達すると、インバータ回路82の出力電圧をそれ以上大きくすることができないため、弱め界磁制御が開始される。弱め界磁制御では、巻線55にd軸位相の電流、すなわち弱め界磁電流を流す。電動機トルクを発生するための電流に加えて弱め電流を流すため、弱め界磁運転時には、巻線55に流れる電流の電流値が増加する。
また、弱め界磁電流により、永久磁石20の磁束を打ち消す向きに磁束が発生するため、永久磁石20から出た磁束の経路が変化する。すなわち、図11(B)に示すように、永久磁石20から出た磁束が、ティース52の歯先部52aを経由して、隣接する磁極の永久磁石20に流れ易くなる。つまり、ステータ5のティース52およびヨーク部51を通る経路を流れる磁束が減少し、ロータ1Cの磁極間の磁束の短絡が増加する。
図12は、弱め界磁運転時のロータ1Cの磁極間の磁束の流れを説明するための模式図である。永久磁石20から出た磁束は、ロータコア10の外周15とフラックスバリア12との間の薄肉部Tを流れ、そこからティース52の歯先部52aを経由して、隣接する磁極の永久磁石20に流れる。
このようなロータ1Cの磁極間の磁束の短絡により、誘起電圧の高調波が増加する。トルクリプルの大きさは、巻線55に流れる電流と、誘起電圧の高調波との積に比例するため、比較例の電動機100Cでは弱め界磁運転時にトルクリプルが大きくなる。
図13(A)および(B)は、実施の形態1の電動機100における磁束の流れのシミュレーション結果を示す図である。図13(A)は、通常運転時の磁束の流れを示し、図13(B)は、弱め界磁運転時の磁束の流れを示す。図14は、弱め界磁運転時のロータ1の磁極間の磁束の流れを説明するための模式図である。
図13(A)に示すように、通常運転時のロータ1およびステータ5における磁束の流れは、図11(A)に示した比較例と同様である。
弱め界磁運転時には、図13(B)に示すように、永久磁石20から出た磁束が、ティース52の歯先部52aを経由して、隣接する磁極の永久磁石20に流れようとする。
しかしながら、図14に示すように、ロータコア10の外周15の極間部Mには溝部16が形成され、溝部16の径方向内側にはフラックスバリア12の凹部Aが形成されている。
そのため、永久磁石20の磁極面21から出て極間部Mに向かう磁束は、フラックスバリア12と外周15との間の第1の薄肉部T1を通り、さらに、フラックスバリア12の凹部Aと溝部16との間の第2の薄肉部T2を通る。
第2の薄肉部T2は第1の薄肉部T1よりも径方向内側に位置しているため、磁束はティース52の歯先部52aから離れる方向に流れる。その結果、ティース52の歯先部52aを通って、隣接する磁極の永久磁石20に流れる磁束が減少する。
これにより、ロータ1の磁極間の磁束の短絡を抑制することができ、誘起電圧の高調波を低減することができる。その結果、トルクリプルを低減し、電動機100の振動を抑制することができる。
また、図7において、溝部16の深さDを第1の薄肉部T1の幅L1以下とした場合、第1の薄肉部T1を流れた磁束の一部が第2の薄肉部T2に周方向に流れる。しかしながら、この実施の形態1では、溝部16の深さDが第1の薄肉部T1の幅L1よりも大きいため、第1の薄肉部T1から第2の薄肉部T2に流れる磁束は、ティース52の歯先部52aから離れる方向に流れ易い。そのため、ティース52の歯先部52aを経由した、ロータ1の磁極間の短絡磁束を抑制する効果を高めることができる。
また、第1の薄肉部T1の幅L1は、フラックスバリア12の周囲で最も幅が狭いため、通常運転時および弱め界磁運転時の両方において、ロータ1の磁極間の磁束の短絡を抑制する効果が得られる。
特に、第1の薄肉部T1の幅L1が鋼板の板厚よりも狭いため、径方向のパーミアンスを軸方向に対して相対的に小さくすることができる。その結果、ティース52の歯先部52aに流れる磁束を低減することができる。
また、溝部16と凹部Aとの間の第2の薄肉部T2の幅L2は、第1の薄肉部T1の幅L1よりも広い。第1の薄肉部T1を通過した磁束は、ティース52の歯先部52aまたは第2の薄肉部T2に向かう。第2の薄肉部T2の幅を広くして第2の薄肉部T2のパーミアンスを相対的に大きくすることにより、第1の薄肉部T1を通過した磁束が第2の薄肉部T2に向かいやすくなる。そのため、ロータ1の磁極間の磁束の短絡を抑制する効果をさらに高めることができる。
また、溝部16は、上記の通り、径方向において永久磁石20と重なり合わない位置に設けられている。言い換えると、溝部16の延在する角度範囲W1と、永久磁石20の存在する角度範囲W2とが重なり合わない。
そのため、通常運転時の磁束の流れ、すなわち永久磁石20からステータ5のティース52およびヨーク部51を通る経路を流れる磁束の流れが、溝部16によって妨げられない。そのため、電動機100の出力トルクの低下を抑制することができる。
また、溝部16が、永久磁石20の最も径方向外側の点を通る仮想円C2の外側に形成されているため、同じ永久磁石20の磁極面21,22の間の磁束の短絡を抑制することができる。
すなわち、磁束の短絡は、隣接する磁極間だけでなく、同じ永久磁石20の磁極面21,22の間でも生じる。この場合、磁極面21をS極とすると、磁極面21から出た磁束が、仮想円C2の外部を通って、再び仮想円C2の内側の領域に侵入して磁極面22に到達する。
仮想円C2の外側に溝部16を形成することで、このような短絡磁束の経路を狭くすることができる。これにより、永久磁石20の磁極面21,22の間の磁束の短絡を抑制し、出力トルクの低下抑制することができる。
図15は、実施の形態1および比較例の電動機におけるトルクリプルの解析値を示すグラフである。縦軸は、トルクリプルを相対値で示している。通常運転時のトルクリプルは、実施の形態1と比較例では同等である。
これに対し、弱め界磁運転時には、比較例ではトルクリプルの増加が見られるが、実施の形態1ではトルクリプルの増加が抑制されている。これは、実施の形態1のロータコア10の極間部Mに溝部16を設け、フラックスバリア12において溝部16の径方向内側に凹部Aを設けたことにより、ロータ1の磁極間の磁束の短絡が抑制されたことによる。
<圧縮機の構成>
図16は、実施の形態1の電動機100を備えた圧縮機500を示す縦断面図である。圧縮機500は、ロータリ圧縮機であり、例えば冷凍サイクル装置400(図17)に用いられる。
圧縮機500は、圧縮機構部501と、圧縮機構部501を駆動する電動機100と、圧縮機構部501と電動機100とを連結するシャフト25と、これらを収容する密閉容器507とを備える。ここでは、シャフト25の軸方向は鉛直方向であり、電動機100は圧縮機構部501に対して上方に配置されている。
密閉容器507は、鋼板で形成された容器であり、円筒状のシェル60と、シェル60の上側を覆う容器上部と、シェル60の下側を覆う容器底部とを有する。電動機100のステータ5は、焼き嵌め、圧入または溶接等により、シェル60の内側に組み込まれている。
密閉容器507の容器上部には、冷媒を外部に吐出する吐出管512と、電動機100に電力を供給するための端子511とが設けられている。また、密閉容器507の外部には、冷媒ガスを貯蔵するアキュムレータ510が取り付けられている。密閉容器507の容器底部には、圧縮機構部501の軸受部を潤滑する冷凍機油が貯留されている。
圧縮機構部501は、シリンダ室503を有するシリンダ502と、シャフト25に固定されたローリングピストン504と、シリンダ室503の内部を吸入側と圧縮側に分けるベーンと、シリンダ室503の軸方向両端部を閉鎖する上部フレーム505および下部フレーム506とを有する。
上部フレーム505および下部フレーム506は、いずれも、シャフト25を回転可能に支持する軸受部を有する。上部フレーム505および下部フレーム506には、上部吐出マフラ508および下部吐出マフラ509がそれぞれ取り付けられている。上部フレーム505は、シリンダ502の吐出ポート(後述)に連通する吐出口を有し、吐出口には吐出弁が設けられている。
シリンダ502には、軸線Axを中心とする円筒状のシリンダ室503が設けられている。シリンダ室503の内部には、シャフト25の偏心軸部25aが位置している。偏心軸部25aは、軸線Axに対して偏心した中心を有する。偏心軸部25aの外周には、ローリングピストン504が嵌合している。電動機100が回転すると、偏心軸部25aおよびローリングピストン504がシリンダ室503内で偏心回転する。
シリンダ502は、シリンダ室503内に冷媒ガスを吸入する吸入ポート515と、シリンダ室503で圧縮した冷媒を吐出する吐出ポートとを有する。吸入ポート515には、密閉容器507の吸入管513が接続されており、吸入管513を介してアキュムレータ510からシリンダ室503に冷媒ガスが供給される。
圧縮機500には、冷凍サイクル装置400(図17)の冷媒回路から低圧の冷媒ガスと液冷媒とが混在して供給されるが、液冷媒が圧縮機構部501に流入して圧縮されると、圧縮機構部501の故障の原因となる。そのため、アキュムレータ510で液冷媒と冷媒ガスとを分離し、冷媒ガスのみを圧縮機構部501に供給する。
圧縮機500の動作は、以下の通りである。端子511からステータ5の巻線55に電流が供給されると、電流によって生じる回転磁界とロータ1の永久磁石20の磁界とにより、ステータ5とロータ1との間に吸引力および反発力が発生し、ロータ1が回転する。これに伴い、ロータ1に固定されたシャフト25も回転する。
シリンダ502のシリンダ室503には、吸入ポート515を介してアキュムレータ510から低圧の冷媒ガスが吸入される。シリンダ室503内では、シャフト25の偏心軸部25aとこれに取り付けられたローリングピストン504が偏心回転し、シリンダ室503内で冷媒を圧縮する。
シリンダ室503で圧縮された冷媒は、吐出ポート、上部フレーム505の吐出口および吐出マフラ508,509を通って密閉容器507内に吐出される。密閉容器507内に吐出された冷媒は、ロータコア10の穴部101,102,103(図3)等を通って密閉容器507内を上昇し、吐出管512から吐出され、冷凍サイクル装置400(図17)の冷媒回路に送り出される。
圧縮機500では、例えば、不均化反応を起こす性質の物質を含む冷媒を用いることができる。不均化反応を起こす性質の物質は、例えば、エチレン系フッ化炭化水素である。また、不均化反応を起こす性質の物質の具体例は、1,1,2-トリフルオロエチレン、または1,2-ジフルオロエチレンである。
例えば、上記の冷媒は、1,1,2-トリフルオロエチレンを1wt%以上含んでいればよく、1,1,2-トリフルオロエチレンのみで構成されていてもよい。すなわち、上記の冷媒は、1,1,2-トリフルオロエチレンを1wt%から100wt%含んでいればよい。
例えば、上記の冷媒は、1,2-ジフルオロエチレンを1wt%以上含んでいればよく、1,2-ジフルオロエチレンのみで構成されていてもよい。すなわち、上記の冷媒は、1,2-ジフルオロエチレンを1wt%から100wt%含んでいればよい。
上記の冷媒は、1,1,2-トリフルオロエチレンとジフルオロメタン(R32とも称する)との混合物でもよい。例えば、1,1,2-トリフルオロエチレンを40wt%、R32を60wt%含有する混合物を冷媒として使用することができる。この混合物のR32を別の物質に置き換えてもよい。例えば、1,1,2-トリフルオロエチレンと他のエチレン系フッ化炭化水素との混合物を冷媒として使用してもよい。他のエチレン系フッ化炭化水素としては、フルオロエチレン(HFO-1141とも称する)、1,1-ジフルオロエチレン(HFO-1132aとも称する)、トランス-1,2-ジフルオロエチレン(「HFO-1132(E)」とも称する)、シス-1,2-ジフルオロエチレン(「HFO-1132(Z)」とも称する)を使用することができる。
R32は、2,3,3,3-テトラフルオロプロペン(R1234yfとも称する)、トランス-1,3,3,3-テトラフルオロプロペン(「R1234ze(E)」とも称する)、シス-1,3,3,3-テトラフルオロプロペン(「R1234ze(Z)」とも称する)、1,1,1,2-テトラフルオロエタン(R134aとも称する)、1,1,1,2,2-ペンタフルオロエタン(R125とも称する)のいずれかに置き換えてもよい。R32は、R32、R1234yf、R1234ze(E)、R1234ze(Z)、R134a、R125のうち、いずれか2種類以上からなる混合物に置き換えてもよい。
圧縮機500では、シリンダ502内での冷媒の圧縮により、シリンダ室503の内部圧力が規定圧力に到達すると、吐出弁が開放され、冷媒が密閉容器507内に吐出される。但し、シリンダ室503の内部圧力が規定圧力に達してから吐出弁が完全に開放されるまでのタイムラグがあると、シリンダ室503の内部圧力が規定圧力を超える場合がある。この現象を、圧力オーバーシュートと称する。
電動機100のトルクリプルが大きいほど、電動機100の瞬時の回転速度が大きくなるため、シリンダ室503の瞬時の内部圧力が上昇しやすく、圧力オーバーシュートが発生しやすい。不均化反応を起こす性質の物質を含む冷媒は、圧力オーバーシュートが発生すると体積膨張を生じ、これが圧縮機500のシリンダ502の故障につながる可能性がある。
実施の形態1の圧縮機500では、上述したように電動機100のトルクリプルが低減されるため、電動機100の回転速度の変動が少なく、そのため圧力オーバーシュートが発生しにくい。その結果、不均化反応を起こす性質の物質を含む冷媒を用いた場合でも、シリンダ502の故障を防止することができ、圧縮機500の安定した運転が可能になる。
圧縮機500の冷媒としては、不均化反応を起こす性質の物質を含む冷媒に限らず、他の冷媒、例えば、R410A、R407CまたはR22を用いてもよい。地球温暖化防止の観点から、GWP(地球温暖化係数)の低い冷媒が望ましい。低GWPの冷媒としては、例えば、以下の冷媒を用いることができる。
(1)まず、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(Hydro-Fluoro-Orefin)-1234yf(CFCF=CH)を用いることができる。HFO-1234yfのGWPは4である。
(2)また、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)を用いてもよい。R1270のGWPは3であり、HFO-1234yfより低いが、可燃性はHFO-1234yfより高い。
(3)また、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何れかを含む混合物、例えばHFO-1234yfとR32との混合物を用いてもよい。上述したHFO-1234yfは低圧冷媒のため圧損が大きくなる傾向があり、冷凍サイクル(特に蒸発器)の性能低下を招く可能性がある。そのため、HFO-1234yfよりも高圧冷媒であるR32またはR41との混合物を用いることが実用上は望ましい。
圧縮機500は、ここではロータリ圧縮機であるが、ロータリ圧縮機に限らず、例えばスクロール圧縮機であってもよい。
<冷凍サイクル装置>
図17は、図16に示した圧縮機500を備えた冷凍サイクル装置400を示す図である。冷凍サイクル装置400は、ここでは空気調和装置であり、圧縮機500と、切り替え弁としての四方弁401と、冷媒を凝縮する凝縮器402と、冷媒を減圧する減圧装置403と、冷媒を蒸発させる蒸発器404とを備える。
圧縮機500、凝縮器402、減圧装置403および蒸発器404は、冷媒配管410によって連結され、冷媒回路を構成している。また、冷凍サイクル装置400は、凝縮器402に対向する室外送風機405と、蒸発器404に対向する室内送風機406とを備える。
冷凍サイクル装置400の動作は、次の通りである。圧縮機500は、吸入した冷媒を圧縮して高温高圧の冷媒ガスとして送り出す。四方弁401は、冷媒の流れ方向を切り替えるものであるが、冷房運転時には、図17に示したように、圧縮機500から送り出された冷媒を凝縮器402に流す。
凝縮器402は、圧縮機500から送り出された冷媒と、室外送風機405により送られた室外空気との熱交換を行い、冷媒を凝縮して液冷媒として送り出す。減圧装置403は、凝縮器402から送り出された液冷媒を膨張させて、低温低圧の液冷媒として送り出す。
蒸発器404は、減圧装置403から送り出された低温低圧の液冷媒と室内空気との熱交換を行い、冷媒を蒸発させ、冷媒ガスとして送り出す。蒸発器404で熱が奪われた空気は、室内送風機406により室内に供給される。
なお、暖房運転時には、四方弁401が、圧縮機500から送り出された冷媒を蒸発器404に送り出す。この場合、蒸発器404が凝縮器として機能し、凝縮器402が蒸発器として機能する。
冷凍サイクル装置400は、ここでは空気調和装置であるが、空気調和装置に限らず、例えば冷蔵庫等であってもよい。
<実施の形態の効果>
以上説明したように、実施の形態1では、磁石挿入孔11の周方向端部にフラックスバリア12が形成され、その少なくとも一部が永久磁石20の磁極面21よりも外周15側に位置している。また、フラックスバリア12の極間部M側に溝部16が形成され、溝部16は周方向においてフラックスバリア12に対向している。さらに、フラックスバリア12は、溝部16に対して径方向内側に凹部Aを有している。
そのため、永久磁石20から極間部M側に流れる磁束は、溝部16と凹部Aとの間(第2の薄肉部T2)に流れ、従ってティース52の歯先部52aから離れる方向に流れる。従って、ティース52の歯先部52aを経由した、ロータ1の磁極間の磁束の短絡が生じにくくなる。その結果、トルクリプルを低減し、電動機100の振動を抑制することができる。
また、フラックスバリア12は、外周15に沿って延在する第1の辺12aと、第1の辺12aの溝部16側の端部から径方向内側に延在する第2の辺12bと、第2の辺12bの径方向内側の端部から極間部M側に延在する第3の辺12cとを有する。
そのため、フラックスバリア12の第2の辺12bと溝部16の側部16bとの間に、径方向の磁束の経路が形成される。磁束がこの経路を流れることにより、磁束がティース52の歯先部52aから離れる方向に流れる。これにより、トルクリプルの低減効果を高めることができる。
また、溝部16の径方向の深さDが、外周15と第1の辺12aとの距離(すなわち第1の薄肉部T1の幅L1)よりも大きいため、永久磁石20から極間部M側に向かう磁束を、より効果的にティース52の歯先部52aから離れる方向に流すことができる。これにより、トルクリプルの低減効果をさらに高めることができる。
また、第1の辺12aと外周15との間に第1の薄肉部T1が形成され、第1の薄肉部T1の幅はロータコア10の鋼板の板厚よりも薄い。そのため、通常運転時に磁極面21から出た磁束が極間部M側に流れることを抑制することができ、また、弱め界磁制御時に磁極面21から出た磁束がティース52に流れることを抑制することができる。
また、第3の辺12cと溝部16との間の第2の薄肉部T2の幅L2は、第1の薄肉部T1の幅L1よりも広い。そのため、第1の薄肉部T1を通過した磁束は、ティース52の歯先部52aよりも第2の薄肉部T2に流れやすい。これにより、トルクリプルの低減効果を高めることができる。
また、溝部16は、径方向において永久磁石20と重なり合わない位置に形成されるため、通常運転時の磁束の流れが溝部16によって妨げられない。そのため、電動機100の出力トルクの低下を抑制することができる。
また、溝部16が、永久磁石20において軸線Axから最も離れた点を通る仮想円C2の外側に位置するため、同じ永久磁石20の磁極面21,22の間の磁束の短絡を抑制することができる。
また、フラックスバリア12に隣接して、位置決め部としての第2の凸部14が形成されているため、永久磁石20を磁石挿入孔11の内部で移動しないように位置決めすることができる。
また、圧縮機500の駆動源として、トルクリプルの小さい電動機100が使用されているため、圧縮機500の出力変動を抑制することができる。
また、圧縮機500の出力変動が抑制されるため、エチレン系フッ化炭化水素(具体的にはR1123)を含有する冷媒のように、不均化反応を生じる可能性がある冷媒を使用した場合であっても、安定した運転を行うことができる。
また、トルクリプルの小さい電動機100の使用により、圧縮機500での振動が抑制されることができるため、冷凍サイクル装置400の静音性を高めることができる。
以上、本開示の望ましい実施の形態について具体的に説明したが、本開示は上記の実施の形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良または変形を行なうことができる。
1 ロータ、 5 ステータ、 10 ロータコア、 11 磁石挿入孔、 12 フラックスバリア、 12a 第1の辺、 12b 第2の辺、 12c 第3の辺、 12d 第4の辺、 12e 第5の辺、 12f 第6の辺、 13 第1の凸部、 14 第2の凸部(位置決め部)、 15 外周、 16 溝部、 16a 底部、 16b 側部、 18 軸孔、 19 スリット群、 20 永久磁石、 21,22 磁極面、 25 シャフト、 50 ステータコア、 51 ヨーク部、 52 ティース、 52a 歯先部、 53 スロット、 55 巻線、 80 駆動装置、 81 整流回路、 82 インバータ回路、 85 制御装置、 100 電動機、 111 外側端縁、 112 内側端縁、 400 冷凍サイクル装置、 401 四方弁、 402 凝縮器、 403 減圧装置、 404 蒸発器、 410 冷媒配管、 500 圧縮機、 501 圧縮機構部、 507 密閉容器。

Claims (20)

  1. 軸線を中心とする周方向に延在する外周と、前記軸線を中心とする径方向において前記外周よりも内側に位置する磁石挿入孔とを有するロータコアと、
    前記磁石挿入孔に挿入された永久磁石と
    を有し、
    前記ロータコアは、前記磁石挿入孔の前記周方向の端部にフラックスバリアを有し、
    前記フラックスバリアの少なくとも一部は、前記永久磁石の磁極面よりも前記外周側に位置し、
    前記フラックスバリアに隣接して、前記永久磁石を前記磁石挿入孔の内部で位置決めする位置決め部が形成され、
    前記永久磁石の前記周方向の端部は、前記磁石挿入孔から前記フラックスバリア内に突出し、
    前記周方向において、前記ロータコアの前記磁石挿入孔の外側に、極間部が規定され、
    前記周方向において前記フラックスバリアの前記極間部側に、前記外周から前記径方向の内側に窪んだ溝部が形成され、
    前記溝部は、前記周方向において前記フラックスバリアに対向し、且つ、前記周方向の幅が前記径方向の外側に向かって広がる形状を有し、
    前記フラックスバリアは、前記溝部に対して前記径方向の内側に形成された凹部を有し、
    前記凹部は、前記位置決め部と前記溝部との間に位置している
    ロータ。
  2. 前記フラックスバリアは、
    前記外周に沿って延在する第1の辺と、
    前記第1の辺の前記溝部に近い側の端部から、前記径方向の内側に向けて延在する第2の辺と、
    前記第2の辺の前記径方向の内側の端部から、前記径方向において前記溝部に対向する第3の辺と
    を有する
    請求項1に記載のロータ。
  3. 前記径方向における前記溝部の深さは、前記外周と前記第1の辺との距離よりも大きい
    請求項2に記載のロータ。
  4. 前記溝部は、前記第1の辺よりも前記径方向の内側で、且つ前記第3の辺よりも前記径方向の外側に、底部を有する
    請求項2または3に記載のロータ。
  5. 前記第1の辺と前記外周との間に、第1の薄肉部が形成される
    請求項2から4までの何れか1項に記載のロータ。
  6. 前記ロータコアは、鋼板を積層した積層体を有し、
    前記第1の薄肉部の前記径方向の幅は、前記鋼板の板厚よりも薄い
    請求項5に記載のロータ。
  7. 前記第3の辺と前記溝部との間に、第2の薄肉部が形成され、
    前記第2の薄肉部の前記径方向の幅は、前記第1の薄肉部の前記径方向の幅よりも広い
    請求項5または6に記載のロータ。
  8. 前記溝部は、前記径方向において前記永久磁石と重なり合わない位置に形成される
    請求項1から7までの何れか1項に記載のロータ。
  9. 前記溝部は、前記永久磁石において前記軸線から最も離れた点を通る仮想円の外側に位置する
    請求項1から8までの何れか1項に記載のロータ。
  10. 前記位置決め部は、前記径方向において前記第3の辺と対向する辺を有する
    請求項2から7までの何れか1項に記載のロータ。
  11. 前記ロータコアは、前記磁石挿入孔の前記径方向の外側に、少なくとも一つのスリットを有する
    請求項1から10までの何れか1項に記載のロータ。
  12. 前記位置決め部は、前記磁石挿入孔の前記径方向の内側の端縁から突出する凸部である
    請求項1から11までの何れか1項に記載のロータ。
  13. 請求項1から12までの何れか1項に記載のロータと、
    前記ロータを前記径方向の外側から囲むステータと
    を有する電動機。
  14. 請求項13に記載の電動機と、前記電動機によって駆動される圧縮機構とを備えた圧縮機。
  15. 不均化反応を起こす性質の物質を含む冷媒を用いる
    請求項14に記載の圧縮機。
  16. 前記物質は、エチレン系フッ化炭化水素である
    請求項15に記載の圧縮機。
  17. 前記物質は、1,1,2-トリフルオロエチレンである
    請求項15または16に記載の圧縮機。
  18. 前記物質は、1,2-ジフルオロエチレンである
    請求項15または16に記載の圧縮機。
  19. 請求項14から18までの何れか1項に記載の圧縮機と、凝縮器と、減圧装置と、蒸発器とを備えた
    冷凍サイクル装置。
  20. 弱め界磁制御を用いて前記電動機の回転を制御する制御装置をさらに備えた
    請求項19に記載の冷凍サイクル装置。
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