JPWO2017183162A1 - 電動機および空気調和機 - Google Patents

Abstract

電動機１００は、環状の固定子４０と、固定子４０の内側に配置された環状の回転子コアと回転子コアの内部に配置され回転子コアの周方向に配列された複数の永久磁石とを有するコンシクエントポール型の回転子２０と、を備え、固定子４０は、不飽和ポリエステル樹脂に覆われている。これにより電動機１００は低コスト化、低振動化および低騒音化を実現することができ、すべての磁極を永久磁石１１で形成する場合と比べて、永久磁石１１の使用量と加工費を低減することができる。

Description

本発明は、コンシクエントポール型の回転子を備えた電動機および電動機を備えた空気調和機に関する。

従来、空気調和機の省エネ性を向上させるため、空気調和機の圧縮機に搭載される電動機の永久磁石には、ネオジウム焼結磁石のようなエネルギー密度の高い希土類磁石が一般に用いられている。また空気調和機のファン用に、ネオジウム焼結磁石を用いた電動機が開発されている。このような永久磁石は貴重なレアアース元素を含有しているため高価である。そのため永久磁石の使用量および加工費を低減してコストを下げたいという要求は強い。

永久磁石は一般に、ブロック状の塊を切削して指定の形状に加工する。そのため、電動機に使用される永久磁石の個数が多いほど、加工費が増加する。電動機に使用される永久磁石の個数を削減する方法として、回転子をいわゆるコンシクエントポールで構成する方法がある。

特許文献１に開示されるコンシクエントポール型の回転子では、永久磁石による磁石磁極と永久磁石によらずにコア材に形成される突極とが周方向に交互に配列される。従って、磁石磁極の個数と突極の個数は何れも極数の半分の個数である。また、回転子の極数の内、半分の個数の磁石磁極は同一の極性を持ち、極数の半分の個数の突極は磁石磁極と異なる極性を持つ。このように、コンシクエントポール型の回転子では、永久磁石の個数は通常の半分の個数となる。

しかしながら、特に回転子鉄心に複数の磁石挿入孔を設け、複数の磁石挿入孔のそれぞれに永久磁石を挿入するタイプのコンシクエントポール型の回転子では、磁石磁極と突極とでインダクタンスが異なり、このインダクタンスのアンバランスに起因して、振動および騒音が大きくなるという課題がある。

この課題に対して、特許文献１では、コンシクエントポール型の回転子において、複数の磁石挿入孔のそれぞれに形成されたフラックスバリアの形状を工夫することによって、インダクタンスの非対称性を改善し、振動および騒音の低減を図っている。フラックスバリアは、磁石挿入孔の周方向の両端に形成される空隙であり、永久磁石が磁石挿入孔に配置された状態で形成される。

特開２０１２−２４４７８３号公報

しかしながら、特許文献１に開示された技術では、インダクタンスの非対称性を完全になくすことはできず、全磁極に磁石が挿入されるインダクタンスの非対称性がない回転子に比べ、振動加振力が少なからず大きくなっていた。また分割形の固定子コアは非分割形の固定子コアに比べて鉄心の剛性が弱いため、特許文献１の固定子コアのように薄肉の密閉容器に保持されているものは、振動加振力の低減には不十分なものであった。なお上記の分割鉄心は、複数のヨークと当該ヨークから突出するティースとを有する複数の分割コア部を、複数の分割コア部のそれぞれが複数の分割コア部の内の他の隣接する１つと接するように配列して環状に形成されたものを含む。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、低コスト化、低振動化および低騒音化を実現可能な電動機を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る電動機は、環状の固定子と、固定子の内側に配置された環状の回転子コアと回転子コアの内部に配置され回転子コアの周方向に配列された複数の永久磁石とを有するコンシクエントポール型の回転子と、を備え、固定子は、不飽和ポリエステル樹脂に覆われている。

本発明に係る電動機は、低コスト化、低振動化および低騒音化を実現することができるという効果を奏する。

本発明の実施の形態に係る電動機の側面断面図 図１に示すモールド固定子の側面断面図 図２に示すモールド固定子に回転子が挿入された状態を示す側面断面図 図１に示すブラケットの側面断面図 複数の分割コア部で構成され帯状に展開された固定子コアの構成図 図５に示す展開された固定子コアを折り曲げて環状に構成した状態を示す図 図１に示すモールド樹脂を施す前の固定子コアと回転子のＶＩＩ−ＶＩＩ断面図 図７に示す回転子の拡大図 図８に示す回転子の部分拡大図 図７に示す回転子の磁極を説明するための断面図 本発明の実施の形態に係る回転子に対する第１の比較例を示す図 第１の比較例の回転子を有する電動機の部分拡大図 本発明の実施の形態に係る回転子に対する第２の比較例の回転子の構成を示す部分拡大図 本実施の形態に係る空気調和機の構成の一例を示す図

以下に、本発明の実施の形態に係る電動機および空気調和機を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態．
図１は本発明の実施の形態に係る電動機の側面断面図である。図１に示される電動機１００は、モールド固定子１０と、回転子２０と、モールド固定子１０の軸方向一端部に取り付けられる金属製のブラケット３０とを備える。電動機１００は、例えば、回転子２０に永久磁石を有し、インバータで駆動されるブラシレスＤＣモータである。回転子２０は内部磁石型でありかつコンシクエントポール型である。

モールド固定子１０は、固定子４０と固定子４０を覆うモールド樹脂５０とを備え、モールド固定子１０の軸方向は回転子２０のシャフト２３の軸方向と一致している。なお、詳細は順次説明するが、図１では、固定子４０の構成要素として、固定子コア４１と、固定子コア４１に巻回されたコイル４２と、固定子コア４１に設けられた絶縁部４３と、絶縁部４３に設けられた中性点端子４４ｂと、絶縁部４３に取り付けられた基板４５と、基板４５に組み付けられたリード線口出し部品４６と、リード線口出し部品４６から口出しされるリード線４７と、基板４５上に実装されたＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）４９ａと、基板４５の回転子２０側の面上に実装されたホールＩＣ４９ｂとが示されている。

回転子２０は、シャフト組立２７と、回転子２０本体とシャフト組立２７とを一体にする樹脂部２４と、シャフト２３に取り付けられると共にモールド固定子１０の軸受支持部７により支持された負荷側転がり軸受２１ａと、シャフト２３に取り付けられると共にブラケット３０により支持された反負荷側転がり軸受２１ｂとを備える。負荷側は電動機１００の紙面左側である。反負荷側は電動機１００の紙面右側である。

シャフト組立２７は、例えば一対の絶縁スリーブ２６−１，２６−２から成る絶縁スリーブ２６を備え、反負荷側転がり軸受２１ｂとシャフト２３との間に絶縁スリーブ２６が配置される。

図２は図１に示すモールド固定子の側面断面図である。図２では、図１と同一の構成要素に同一の符号を付している。モールド固定子１０には、モールド固定子１０の軸方向一端部に開口部１０ｂが形成され、回転子２０がこの開口部１０ｂに挿入される。軸方向一端部は、モールド固定子１０の紙面右側の端部である。モールド固定子１０の軸方向他端部には、図１に示す回転子２０のシャフト組立２７の径より大きい孔１１ａが開けられている。軸方向他端部はモールド固定子１０の紙面左側の端部である。モールド固定子１０のその他の構成については後述する。

図３は図２に示すモールド固定子に回転子が挿入された状態を示す側面断面図である。図３では、図１と同一の構成要素に同一の符号を付している。図２に示すモールド固定子１０の開口部１０ｂから挿入された回転子２０は、シャフト組立２７の負荷側が図２に示す孔１１ａを貫通して、モールド固定子１０の外部に引き出されるよう配置される。この際、シャフト２３に取り付けられた負荷側転がり軸受２１ａは、モールド固定子１０の軸受支持部７に当接するまで押し込まれて、軸受支持部７により支持される。軸受支持部７は、モールド固定子１０の軸方向端部であり、かつ、開口部１０ｂの反対側に設けられている。

シャフト組立２７の反負荷側には、反負荷側転がり軸受２１ｂが取り付けられている。反負荷側転がり軸受２１ｂの取付けは一般的には圧入による。なお、詳細は後述するが、反負荷側転がり軸受２１ｂとシャフト２３の反負荷側との間には、シャフト２３に一体成形し形成された絶縁スリーブ２６が設けられる。絶縁スリーブ２６を構成する絶縁スリーブ２６−１と絶縁スリーブ２６−２との間には空洞２８が設けられる。

図４は図１に示すブラケットの側面断面図である。ブラケット３０は、モールド固定子１０の開口部１０ｂを閉塞すると共に、反負荷側転がり軸受２１ｂを支持するものであり、モールド固定子１０に圧入される。ブラケット３０は、軸受支持部３０ａと、軸受支持部３０ａと一体に形成された圧入部３０ｂとを備える。軸受支持部３０ａは、反負荷側転がり軸受２１ｂを支持する。圧入部３０ｂはリング形状であり、その断面がコの字状である。

モールド固定子１０へのブラケット３０の取付けは、圧入部３０ｂを、モールド固定子１０の内周部１０ａの開口部１０ｂ側に圧入することでなされる。圧入部３０ｂの外径は、モールド固定子１０の内周部１０ａの内径よりも、圧入代の分だけ大きい。ブラケット３０は、導電性を有する金属製でありで、例えば亜鉛メッキ鋼板から形成される。ただしブラケット３０は亜鉛メッキ鋼板以外の材料から形成することもできる。ブラケット３０の材料としては、アルミニウム合金、オーステナイト系ステンレス合金、銅合金、鋳鉄、鋼または鉄合金を例示できる。

以下にモールド固定子１０の構成を説明する。図２に示されるモールド固定子１０は、固定子４０と、モールド成形用のモールド樹脂５０とを備える。モールド樹脂５０には不飽和ポリエステル樹脂を使用する。特に不飽和ポリエステル樹脂に各種の添加剤が加えられた塊粘土状の熱硬化性樹脂（Ｂｕｌｋ Ｍｏｌｄｉｎｇ Ｃｏｍｐｏｕｎｄ：ＢＭＣ）が電動機用として望ましい。例えばポリブチレンテレフタレート（ＰｏｌｙＢｕｔｙｌｅｎｅ Ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ：ＰＢＴ）、ポリフェニレンサルファイド（Ｐｏｌｙ Ｐｈｅｎｙｌｅｎｅ Ｓｕｌｆｉｄｅ：ＰＰＳ）といった熱可塑性樹脂の方が、成形時のランナーをリサイクルできるため良い面もある。

しかしながら不飽和ポリエステル樹脂およびＢＭＣは、線膨張係数が固定子コア４１、負荷側転がり軸受２１ａおよび反負荷側転がり軸受２１ｂといった鉄系材料の線膨張係数に近く、熱収縮率が熱可塑性樹脂の１／１０以下であることにより、寸法精度を出すのに優れている。

また鉄およびアルミといった金属で電動機１００の外郭を形成した場合に比べて、不飽和ポリエステル樹脂およびＢＭＣで電動機１００の外郭を形成した場合、放熱性が優れる。また金属で電動機１００の外郭を形成した場合、絶縁性の問題により、電動機１００の外郭を形成する金属を、コイル４２と基板４５とから離して構成される。これに対して不飽和ポリエステル樹脂およびＢＭＣは絶縁物であるため、コイル４２と基板４５を覆っても絶縁性の問題がなく、熱伝導率も高いことから放熱性に優れ、電動機１００の高出力化に貢献する。

負荷側転がり軸受２１ａは、モールド樹脂５０で形成された軸受支持部７で支持され、反負荷側転がり軸受２１ｂおよびブラケット３０は、モールド樹脂５０で形成された内周部１０ａで支持される。そのためモールド樹脂５０の寸法精度が悪い場合、回転子２０の軸心と固定子４０の軸心とがずれて振動および騒音の発生要因となる。しかしながら熱収縮率の小さな不飽和ポリエステル樹脂およびＢＭＣを使用することによって、モールド成形後の寸法精度を確保しやすくなる。

また線膨張係数が大きな樹脂を使用した場合、電動機１００が高温になった際、軸受のがたつきが問題となる場合がある。不飽和ポリエステル樹脂およびＢＭＣは、線膨張係数が固定子コア４１、負荷側転がり軸受２１ａおよび反負荷側転がり軸受２１ｂといった鉄系材料の線膨張係数に近いため、電動機１００の温度によらず、回転子２０の軸心と固定子４０の軸心とのずれを抑制できる。

また不飽和ポリエステル樹脂およびＢＭＣは、硬化した際に固定子４０を拘束するため、電動機１００の加振力に伴う固定子４０の変形を抑制でき、また振動および騒音を抑制できる。

図５は複数の分割コア部で構成され帯状に展開された固定子コアの構成図である。図５に示す固定子コア４１Ａは、図１に示す固定子コアを複数の分割コア部４００で構成したものである。固定子コア４１Ａは、それぞれがバックヨーク４０１とバックヨーク４０１から突出するティース４０２とを有する複数の分割コア部４００を、複数の分割コア部４００のそれぞれが複数の分割コア部４００の内の他の隣接する１つと接するように配列したものである。隣接するバックヨーク４０１の間には、バックヨーク４０１同士を連結する薄肉部４０３が設けられている。

図６は図５に示す展開された固定子コアを折り曲げて環状に構成した状態を示す図である。図６に示す環状の固定子コア４１Ａは、図５に示す複数のティース４０２のそれぞれに図１のコイル４２が施された後、帯状の分割コア部４００群を薄肉部４０３で折り曲げて環状に形成したものである。

図５および図６のように複数の分割コア部４００で構成され固定子コア４１Ａは、帯状に展開した状態でコイル４２を巻くことができるため、コイル４２の高密度化が可能となり高効率化に有効である。しかしながら分割コア部４００が薄肉部４０３で連結されているため、環状に形成したときの固定子コア４１Ａの剛性が弱く、コンシクエントポール型の電動機１００のように加振力が大きなものは、不飽和ポリエステル樹脂で固定子コア４１Ａをモールドすること、すなわち不飽和ポリエステル樹脂で固定子コア４１Ａを覆うことが有効となる。

なお複数の分割コア部４００で構成される固定子コア４１Ａは、図５のように隣接するバックヨーク４０１同士が薄肉部４０３で連結されている構造以外にも、バックヨーク４０１の端部に凹凸状のダボを形成して、ダボを相互に連結する構造のものでもよいし、それぞれが分離された複数のバックヨーク４０１同士を溶接または嵌めあいで固定した構造のものでもよい。このように構成した固定子コアを不飽和ポリエステル樹脂で覆うことで、振動および騒音を低減可能である。

このように不飽和ポリエステル樹脂で固定子コアを完全に覆うことが望ましいが、図２に示すように固定子コア４１の外周部４１−１から不飽和ポリエステル樹脂の外周部１０−１までの厚みをＡとし、固定子コア４１の内周部４１−２から不飽和ポリエステル樹脂の内周部１０−２までの厚みをＢとしたとき、モールド固定子１０は、Ａ＞Ｂの関係が満たされるように構成することが望ましい。

厚みＢをあまり大きくすると、回転子２０の直径を小さくしなければならず、固定子コア４１と回転子２０との間の磁気的な隙間が大きくなり、電動機特性が悪化する。そこで本実施の形態に係るモールド固定子１０では、厚みＡを厚みＢよりも大きくすることにより、径方向外側の厚みＡの剛性を大きくしている。

なお回転子２０の軸心と固定子４０の軸心とがずれて、固定子コア４１と回転子２０との間の隙間にアンバランスが生じると、偏心による加振力が重畳されるため、偏心を極力小さく組み付けなければならない。厚みＢが大きくなるとその分だけ上記の隙間にアンバランスが生じすくなるため、厚みＢをゼロにすることも有効である、ただし、その場合には固定子コア４１の隣接するティースの間の空間をティース先端まで不飽和ポリエステル樹脂で埋めるようにする。加振力としては、ティース先端を左右に揺らす力もあり、ティースの間の空間を完全に埋めることがこの力の影響を抑制することに繋がる。

また図５および図６に示す固定子コア４１Ａの場合、隣接する分割コア部４００の間の分割面４０４に不飽和ポリエステル樹脂を設けることにより、ティース４０２に働く加振力の影響を抑制できる。そこで固定子コア４１Ａには、図６に示す環状の固定子コア４１Ａの分割面４０４に孔４０５が形成される。

この孔４０５は、隣接するバックヨーク４０１の間に溝または切り欠きを設けることにより形成される。環状の固定子コア４１Ａに不飽和ポリエステルをモールド成形する際、孔４０５に不飽和ポリエステルが充填される。孔４０５には、固定子コア４１Ａの軸方向の一端面から他端面までの全ての領域に不飽和ポリエステルを充填する必要はなく、固定子コア４１の軸方向の一端面から僅かに充填されていればよく、この場合でも振動を減衰する効果が期待できる。充填量を多くするために孔４０５を大きくするほど磁気的には悪影響を及ぼすので、充填量は適宜決定される。なお分割面４０４の孔４０５は、固定子コア４１Ａの外周面に開口する溝形状、またはスロット４０６側に開口する溝形形状でも、同様の効果を得ることができる。

次に回転子２０の構成について説明する。図７は図１に示すモールド樹脂を施す前の固定子コアと回転子のＶＩＩ−ＶＩＩ断面図である。図８は図７に示す回転子の拡大図である。図９は図８に示す回転子の部分拡大図である。図１０は図７に示す回転子の磁極を説明するための断面図である。

回転子２０は、環状の回転子コア５と、回転子コア５の内部に配置された５個の永久磁石１１とを備える。

回転子コア５は、周方向に配列された５個の磁石孔１２を有する。磁石孔１２の個数は回転子２０の極数の半分である。ここで、周方向は回転子コア５の周方向である。５個の磁石孔１２は周方向に等間隔で配列される。５個の磁石孔１２は、回転軸から等距離で配置される。ここで、回転軸は回転子コア５の軸に一致している。また、５個の磁石孔１２は、回転子コア５の軸方向に延伸し、回転子コア５を貫通している。磁石孔１２は、回転子コア５の外周縁部に形成され、周方向に延伸している。隣り合う磁石孔１２間は離間している。回転子コア５は、中心部にシャフトが挿入される軸孔１４を有する。

回転子コア５は、軟磁性材であるコア材から構成され、具体的には複数枚の電磁鋼板を積層して構成される。電磁鋼板の板厚は０．１ｍｍから０．７ｍｍが一般的である。

５個の磁石孔１２には、それぞれ５個の永久磁石１１が挿入されている。永久磁石１１は、断面が例えば矩形の平板状である。永久磁石１１の板厚は、例えば２ｍｍである。

永久磁石１１は、希土類磁石であり、Ｎｄ（ネオジム）−Ｆｅ（鉄）−Ｂ（ホウ素）を主成分とするネオジム焼結磁石である。

磁石孔１２の両端部のそれぞれには、磁石孔１２内に永久磁石１１が配置された状態で、空隙であるフラックスバリア部１３が形成される。すなわち永久磁石１１の周方向の両端面は、それぞれが空気層からなる２個のフラックスバリア部１３に接している。フラックスバリア部１３は、回転子２０の外周面の磁束密度分布を正弦波に近づけ、隣り合う永久磁石１１の磁束が回転子コア５を介して短絡すること、すなわち漏れ磁束を抑制する働きを持つ。

回転子２０は、回転子コア５の外周面に周方向に極性が交互となるようにして配列される１０個の磁極を有する。詳細には、回転子２０は、５個の永久磁石１１によりそれぞれ形成され同一の極性を持つ５個の第１の磁極と、各々が互いに隣り合う永久磁石１１間の回転子コア５に形成され第１の磁極と異なる極性を持つ５個の第２の磁極とを有する。図示例では、第１の磁極はＮ極、第２の磁極はＳ極としているが、逆にしてもよい。回転子２０の１０個の磁極は、極ピッチを３６０度／１０＝３６度として、周方向に等角度間隔で配置される。

このように、回転子２０はコンシクエントポール型であり、極数の半分の５個の永久磁石１１がそれぞれ５個の第１の磁極を与える。さらに、極数の半分の５個の第２の磁極は、それぞれ、互いに隣り合う永久磁石１１間において回転子コア５のコア材に形成される。第２の磁極はいわゆる突極であり、回転子２０を着磁することにより形成される。

従って図１０に示すように回転子２０では、永久磁石１１を含む磁石磁極部でありかつ第１の磁極を有する第１の磁極部２１と、永久磁石１１を含まないコア磁極部でありかつ第２の磁極を有する第２の磁極部２２とが、回転子２０の周方向に交互に配列される。コンシクエントポール型の回転子２０では、極数は４以上の偶数となる。

回転子コア５の外形１５は、いわゆる花丸形状である。ここで、花丸形状とは、回転子コア５の外径が極中心１６，１７で最大となり、極間１８で最小となる形状であって、極中心１６，１７から極間１８までが弧状となる形状である。ここで、極中心１６は第１の磁極の極中心であり、極中心１７は第２の磁極の極中心である。図示例では、花丸形状は、１０枚の同形同サイズの花弁が均等角度で配置された形状である。従って、極中心１６での回転子コア５の外径は、極中心１７での回転子コア５の外径に等しい。なお、磁石孔１２の周方向の幅は極ピッチよりも広い。

本実施の形態では、回転子コア５は６個の第１のスリットであるスリット８を有する。６個のスリット８は、回転子コア５の内部に設けられ、永久磁石１１の外側に配置されており、永久磁石１１ごとに設けられる。ここで永久磁石１１の外側は、回転子コア５の径方向における外側である。すなわち６個のスリット８は、回転子コア５において、永久磁石１１と回転子コア５の外周との間に設けられている。

スリット８は、断面矩形状であり、径方向に延伸し、径方向の幅ｄ_１が周方向の幅ｄ_２よりも広い。ここで、径方向の幅はｄ軸方向の幅であり、周方向の幅は径方向と直交する方向、すなわちｑ軸方向の幅である。ただし、６個のスリット８は、何れも回転子コア５の外周面に達しない。すなわち６個のスリット８は、何れも外周面に開口していない。

６個のスリット８は、極中心１６に近いほど径方向に長尺であり、極中心１６を中心に周方向に対称に配置される。すなわち、スリット８の幅ｄ_１は、スリット８が極中心１６に近いほど広くなる。スリット８の幅ｄ_２は、スリット８の周方向の位置によらずに一定である。６個のスリット８は、回転子コア５の軸方向に延伸し、回転子コア５を貫通している。

さらに本実施の形態では、回転子コア５は８個の第２のスリットであるスリット４を有する。８個のスリット４は、回転子コア５の外周面に設けられ、互いに隣り合う永久磁石１１間に配置される。８個のスリット４は互いに隣り合う永久磁石１１間ごとに設けられる。スリット４は、断面矩形状であり、径方向に延伸し、径方向の幅ｄ_３が周方向の幅ｄ_４よりも広い。ここで、径方向の幅はｄ軸方向の幅であり、周方向の幅は径方向と直交する方向、すなわちｑ軸方向の幅である。スリット４は、回転子コア５の外周面に開口する溝部である。

８個のスリット４は、極中心１７に近いほど径方向に長尺であり、極中心１７を中心に周方向に対称に配置される。すなわち、スリット４の幅ｄ_３は、スリット４が極中心１７に近いほど広くなる。スリット４の幅ｄ_４は、スリット４の周方向の位置によらずに一定である。８個のスリット４は、回転子コア５の軸方向に延伸し、回転子コア５を貫通している。

図示例では、永久磁石１１間のスリット４の個数は、永久磁石１１の外側のスリット８の個数よりも多い。また、ｄ_３の最小値は、ｄ_１の最大値よりも大きい。すなわち、最も極中心１６に近いスリット８の幅ｄ_１は、最も極間１８に近いスリット４の幅ｄ_３よりも狭い。なお、幅ｄ_２は幅ｄ_４に等しい。従って、永久磁石１１間のスリット４の総面積は、永久磁石１１の外側のスリット８の総面積よりも大きい。ここで総面積は、回転軸に垂直な断面による断面積である。

電動機１００は、図示しない駆動回路のインバータによるＰＷＭ制御により可変速駆動される。インバータのスイッチングキャリアは、空気調和機の圧縮機用電動機またはファン用電動機では、４ｋＨｚから２２ｋＨｚの範囲から選択されることが一般的である。回転子コア５に磁石を埋め込むタイプのコンシクエントポール型の電動機では、回転子コア５の体積が大きくなるため、固定子電流による磁束が回転子コア５を流れやすく、電流の高調波の影響を受けやすい。インバータスイッチングキャリアの成分の騒音が問題となる場合もあるため、キャリア周波数を１０ｋＨｚ以上とし、遮音しやすい騒音周波数成分とし、製品への影響を小さくすることが行われる。

次に、本実施の形態の作用効果を比較例と対比しながら説明する。一般に、コンシクエントポール型の回転子では、永久磁石による磁石磁極と永久磁石によらない突極とで磁気的なアンバランスが大きい。すなわち、磁石磁極では永久磁石の存在によりコア材の体積が相対的に少なくなるので、磁石磁極でのインダクタンスは突極でのインダクタンスよりも小さくなり、磁気的なアンバランスが生ずる。このインダクタンスのアンバランスは、磁束のアンバランスとなり、その結果、回転子表面の磁束密度分布が正弦波状とならず、振動および騒音が大きくなるという課題がある。なお、振動には、回転方向の振動と径方向の振動がある。

径方向の振動の原因は、固定子に流れる電流により発生する磁束が固定子コアと回転子コアを通る際の固定子と回転子間の吸引力のアンバランスによる。なお、以下では、電流により発生する磁束を、磁石による磁束である磁石磁束と区別して、電流磁束ということもある。電流磁束は固定子コアから空隙を介して回転子コアに流れ、この磁束により固定子と回転子間の吸引力が生ずる。このとき、各磁極での磁束の流れ易さ、すなわちインダクタンスのバランスが取れていれば固定子と回転子間の吸引力はバランスが取れるので、回転子全体としての径方向加振力は生じない。

しかしながら、コンシクエントポール型の回転子では、一般に、磁石磁極では、電流磁束は主に永久磁石の外側の回転子コア部分に流れるのに対して、突極では、永久磁石がないためコア部分が相対的に多くなるので、電流磁束は突極部全体に流れやすくなっている。これがアンバランスを生ずる原因となる。

特に、１０極１２スロット、８極９スロットまたは１０極９スロットのように、固定子ティースとロータの磁極とのピッチが回転方向においてずれていくスロットコンビネーションでは、このアンバランスがより顕著な問題となる。８極１２スロット、６極９スロットのような２対３系列のスロットコンビネーションでは、この問題はより小さくはなるが、それでも回転子が偏心しまたは回転子の真円度が低い場合のように製造誤差が存在する場合は、依然としてこのアンバランスの問題は大きい。

そこで、図１１および図１２に示すように、回転子表面にスリットを設けることで、磁極間のインダクタンスのアンバランスを抑制することが考えられる。

図１１は本発明の実施の形態に係る回転子に対する第１の比較例を示す図である。図１２は第１の比較例の回転子を有する電動機の部分拡大図である。なお、図１１および図１２では、図１０に示す構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付している。

図１１に示すように、第１の比較例に係る回転子２０ａは、回転子コア５の内部に設けられ永久磁石１１の外側に配置された４個のスリット８ａと、回転子コア５の内部に設けられ互いに隣り合う永久磁石１１間に配置された６個のスリット８ｂとを有する。すなわち、第１の比較例に係る回転子２０ａは、本実施の形態に係る回転子２０と比較して、永久磁石１１間に配置されるスリット８ｂが回転子コア５の内部に設けられている点が異なる。

ここで、スリット８ａ，８ｂは磁束の流れ方を規制する効果があるため、永久磁石１１間での磁束をより高めるようにスリット８ａ，８ｂを配置することで、回転子表面の磁束密度分布をより正弦波に近い状態にすることができる。すなわち、回転子２０ａのような構成を用いることにより、回転子表面の磁束密度分布を正弦波に近づけ、かつ極ピッチを均一にすることができ、振動および騒音の原因となるトルクリプルを小さくすることができる。

しかしながら、回転子２０ａのような構成では、回転方向の振動は抑制できるが、径方向の振動の抑制は依然として制限される。これは、以下で説明する理由による。

図１２では、固定子４０に流れる電流３３を示すと共に、電流３３により発生し回転子コア５内を流れる磁束２８ａ，２９ａを示している。磁束２８ａは、スリット８ａと回転子２０ａの外周面との間の薄肉部２５を流れる。同様に、磁束２９ａは、スリット８ｂと回転子２０ａの外周面との間の薄肉部９を流れる。磁束２９ａは、本実施の形態のスリット４のように回転子コア５の外周面に開口していないので、磁束２９ａは薄肉部９を流れ、突極でのインダクタンスを十分に低減するには限界がある。

スリット８ｂの面積を増加させれば薄肉部９を流れる磁束分を補償するようにインダクタンスを低減させることも可能ではあるが、この場合は、スリット８ｂが磁石磁束の磁気抵抗となってしまい、磁石磁束の減少と電動機効率の低下に繋がってしまう。なお、磁石磁束は、永久磁石１１から発生した磁束である。

そこで、図１３に示すように、回転子表面に開口するスリットを設けることで、磁極間のインダクタンスのアンバランスを抑制することが考えられる。

図１３は本発明の実施の形態に係る回転子に対する第２の比較例の回転子の構成を示す部分拡大図である。図１３では、図１１に示す構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付している。

図１３に示すように、第２の比較例に係る回転子２０ｂは、回転子コア５の外周面に設けられ、永久磁石１１の外側に配置された７個のスリット４ａと、回転子コア５の外周面に設けられ、周方向に互いに隣り合う永久磁石１１間に配置された８個のスリット４ｂを有する。すなわち、第２の比較例に係る回転子２０ｂは、本実施の形態に係る回転子２０と比較して、永久磁石１１の外側に配置されるスリット４ａが回転子コア５の外周面に設けられている点が異なる。

しかしながら、回転子コア５の外周面に開口し隙間３に連通するスリット４ａは、回転時の遠心力に対する回転子２０ｂの強度を弱めることとなる。詳細には、磁石磁極では、回転子２０ｂの回転により、永久磁石１１の外側のコア部および永久磁石１１にかかる遠心力が、回転子コア５の外周面とフラックスバリア部１３との間の薄肉ブリッジ３２に応力を発生させる。スリット４ａを設けた場合は、磁石孔１２とスリット４ａとの間の薄肉ブリッジ３１に曲げモーメントが発生し、薄肉ブリッジ３２は強度がさらに弱いものになってしまう。

遠心力耐力を上げるため、薄肉ブリッジ３２の径方向の幅を広くすれば磁石磁束の漏洩が増加し、磁束の低下および電動機効率の低下に繋がってしまう。また、薄肉ブリッジ３１の径方向の幅を広くすれば、電流磁束が流れやすくなり、磁束のアンバランスを生じ易くなる。

なお、突極では、回転子２０ｂの回転による遠心力はコア部全体で受けられるため、強度的に強く、スリット４ｂが回転子２０ｂの外周面に開口していても遠心力耐力を確保することができる。

これに対して、本実施の形態では、突極である第２の磁極では、回転子コア５の外周面にスリット４を設けることでインダクタンスを大きく下げ、磁石磁極である第１の極では、回転子コア５の内部にスリット８を設けることでインダクタンスを小さく下げる。これにより、第１の磁極と第２の磁極とでインダクタンスの差が第１の比較例よりも小さくなる。

また、本実施の形態では、永久磁石１１の外側のスリット８は回転子コア５の外周面に開口してないので、第２の比較例のような遠心力耐力の問題も生じない。永久磁石１１間では、図７のような薄肉ブリッジ３２，３１が存在しないので、遠心力は問題とならず、回転子コア５の外周面に開口するスリット４を設けても遠心力耐力に支障がない。

なお、スリット４，８は、磁石磁束の磁気抵抗にならず、電流磁束の磁気抵抗になるように設けるのが望ましい。すなわち、スリット４，８は、磁石磁束に平行になるように、すなわちｄ軸方向に細長く配置する一方で、ｄ軸と直交するｑ軸方向には、磁気抵抗になるようなるべく長く配置する。ｑ軸方向の磁気抵抗はｑ軸インダクタンスを低減させる。これにより、電流磁束が回転子コア５を流れにくくなり、振動および騒音の主要因であるｑ軸インダクタンスのアンバランスを低減できる。また、ｄ軸方向には磁気抵抗とならないようにスリット４，８を設けるので、永久磁石１１の磁力の低下を抑制することができる。スリット４，８のサイズは、磁気的バランス、強度、および金型プレスによる生産性を踏まえ、適宜設定する。

本実施の形態では、互いに隣り合う永久磁石１１間のスリット４の総面積は、回転子コア５の径方向における永久磁石１１の外側のスリット８の総面積よりも大きい。これにより、第１の磁極と第２の磁極とのインダクタンスのアンバランスをさらに抑制することができる。スリット８の総面積とスリット４の総面積は、磁気的バランス、強度、および金型プレスによる生産性を踏まえ、適宜設定する。

スリット４の総面積をスリット８の総面積よりも大きくするために、スリット４の個数をスリット８の個数よりも多くしてもよいし、スリット４の径方向の幅をスリット８の径方向の幅よりも広くしてもよいし、あるいは、スリット４の径方向と直交する方向の幅をスリット８の径方向と直交する方向の幅よりも広くしてもよい。

また、本実施の形態では、永久磁石１１ごとにスリット８を６個設け、永久磁石１１間ごとにスリット４を８個設けているが、スリット８の個数とスリット４の個数はこれに限定されない。スリット８の個数とスリット４の個数は、磁気的バランス、強度、および金型プレスによる生産性を踏まえ、適宜設定する。

なお、インダクタンスのバランスだけを考慮すると永久磁石１１を含む第１の磁極部２１にはスリット８を設けない方が効果的であるが、スリット８により電流磁束を流れにくくすることによって、磁石磁束を乱す電気子反作用を減少させることができ、乱れた磁束での磁束の高次成分による振動および騒音を防止することできる。従って、永久磁石１１を含む第１の磁極部２１にもスリット８を設けることが好ましい。すなわち、永久磁石１１ごとにスリット８の個数と永久磁石１１間ごとのスリット４の個数は、それぞれ少なくとも１個とすることができる。

本実施の形態では、回転子コア５の外形１５を花丸形状とし、磁石孔１２の周方向の幅を極ピッチよりも広くしている。これにより、回転子２０の表面磁束密度分布をより正弦波状に近づけ、回転方向の振動および騒音をより抑制することができる。

また、本実施の形態では、極中心１６での回転子コア５の外径は、極中心１７での回転子コア５の外径に等しい。インダクタンスのアンバランスを抑制するために、極中心１７での回転子コア５の外径を極中心１６での回転子コア５の外径よりも小さくして、極中心１７での隙間３の長さを拡大する方法もあるが、本実施の形態では、隙間３を第１の磁極と第２の磁極とで不均一に設定することなく、インダクタンスのアンバランスの抑制が可能である。

なお、隙間３が第１の磁極と第２の磁極とで不均一になると、電動機製造時に、回転子２０を保持する治具を円形ではなく外径の段差に沿った治具にする必要がある。また、隙間３をギャップゲージでチェックするには、第１の磁極と第２の磁極とでギャップゲージを分けなければならず、作業工程が増える要因となる。

一般に、空気調和機の圧縮機用電動機またはファン用電動機には、高効率化の観点から、フェライト焼結磁石、フェライトボンド磁石またはＳｍ（サマリウム）−Ｆｅ−Ｂを主成分とするボンド磁石に替えて、より磁力の強い、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂを主成分とするネオジム焼結磁石が使用されるようになってきている。

しかしながら、ネオジム焼結磁石に使用されるＮｄ、および保磁力を向上させるためにネオジム焼結磁石に添加されるＤｙ（ジスプロシウム）、Ｔｂ（テルビウム）の希土類元素が高価かつ調達性が不安定なことから、永久磁石１１の使用量と加工費の低減が求められている。

また永久磁石１１は、一般に、ブロック状の塊を切削して指定の形状に加工する。そのため、永久磁石１１が薄く小さいほど材料歩留りが低下し、生産性が低下するので、電動機１００の１台あたりに使用される永久磁石１１の個数が増えるほど、製造コストは磁石加工費分だけ高くなる。

従って、電動機１００の低コスト化のためには、必要な磁束量を確保できる範囲で永久磁石１１の個数を削減した方がよい。このとき、電動機１００の１台あたりの永久磁石１１の総使用量が増加しない範囲で永久磁石１１の１枚あたりの体積を大きくしてもよい。永久磁石１１は、生産設備の適正値を超えない範囲で大きくした方が加工費率は下がるので、電動機１００の１台あたりの永久磁石１１の総使用量が同じでも、永久磁石１１の加工費の総額は下がり、電動機１００の１台あたりのコストは下がることになる。

本実施の形態では、回転子２０はコンシクエントポール型であり、永久磁石１１の個数は極数の半分である。これにより、すべての磁極を永久磁石１１で形成する場合と比べて、永久磁石１１の使用量と加工費を低減することができる。

以上のように、本実施の形態によれば、低コスト化、低振動化および低騒音化を実現可能な電動機１００を提供することができる。

なお、本実施の形態では、電動機１００は、１０極１２スロットの電動機としたが、これに限定されない。例えば、１０極９スロット、８極１２スロット、８極９スロット、６極９スロット、または４極６スロットのように、電動機１００の用途および性能に応じて極数およびスロット数の組合せが選択される。

また、本実施の形態では、永久磁石１１はネオジム焼結磁石としたが、これ以外の希土類磁石でもよく、希土類磁石以外の永久磁石でもよい。

図１４は本実施の形態に係る空気調和機の構成の一例を示す図である。空気調和機３００は、室内機３１０と、室内機３１０に接続される室外機３２０とを備える。室内機３１０には図示しない室内機用送風機が搭載され、室外機３２０には室外機用送風機３３０が搭載されている。また、室外機３２０には図示しない圧縮機が搭載されている。これらの送風機および圧縮機には、本実施の形態に係る電動機１００が使用されている。

このように、空気調和機３００の送風機および圧縮機の駆動源として電動機１００を用いることにより、空気調和機３００の低コスト化、低振動化および低騒音化を図ることができる。

なお、本実施の形態に係る電動機１００は、空気調和機以外の電気機器に搭載することもでき、この場合も、本実施の形態と同様の効果を得ることができる。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

３ 隙間、４，４ａ，４ｂ，８，８ａ，８ｂ スリット、５ 回転子コア、７，３０ａ 軸受支持部、９，２５，４０３ 薄肉部、１０ モールド固定子、１０−１，４１−１ 外周部、１０−２，１０ａ，４１−２ 内周部、１０ｂ 開口部、１１ 永久磁石、１１ａ，４０５ 孔、１２ 磁石孔、１３ フラックスバリア部、１４ 軸孔、１５ 外形、１６，１７ 極中心、１８ 極間、２０，２０ａ，２０ｂ 回転子、２１ 第１の磁極部、２１ａ 負荷側転がり軸受、２１ｂ 反負荷側転がり軸受、２２ 第２の磁極部、２３ シャフト、２４ 樹脂部、２６，２６−１，２６−２ 絶縁スリーブ、２７ シャフト組立、２８ 空洞、２８ａ，２９ａ 磁束、３０ ブラケット、３０ｂ 圧入部、３１，３２ 薄肉ブリッジ、３３ 電流、４０ 固定子、４１，４１Ａ 固定子コア、４２ コイル、４３ 絶縁部、４４ｂ 中性点端子、４５ 基板、４６ リード線口出し部品、４７ リード線、４９ｂ ホールＩＣ、５０ モールド樹脂、１００ 電動機、３００ 空気調和機、３１０ 室内機、３２０ 室外機、３３０ 室外機用送風機、４００ 分割コア部、４０１ バックヨーク、４０２ ティース、４０４ 分割面、４０６ スロット。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る電動機は、環状の固定子と、固定子の内側に配置された環状の回転子コアと回転子コアの内部に配置され回転子コアの周方向に配列された複数の永久磁石とを有するコンシクエントポール型の回転子と、を備え、固定子は、不飽和ポリエステル樹脂に覆われ、固定子が有する固定子コアは、それぞれがヨークとヨークから突出するティースとを有する複数の分割コア部を、複数の分割コア部のそれぞれが複数の分割コア部の内の他の隣接する１つと接するように配列して環状に形成され、隣接する２つのヨークは、薄肉部により相互に連結され、または隣接する２つのヨークの各々に形成される凹凸状のダボにより相互に連結されている。

図１２では、固定子４０に流れる電流３３を示すと共に、電流３３により発生し回転子コア５内を流れる磁束２８ａ，２９ａを示している。磁束２８ａは、スリット８ａと回転子２０ａの外周面との間の薄肉部２５を流れる。同様に、磁束２９ａは、スリット８ｂと回転子２０ａの外周面との間の薄肉部９を流れる。スリット８ａは、本実施の形態のスリット４のように回転子コア５の外周面に開口していないので、磁束２９ａは薄肉部９を流れ、突極でのインダクタンスを十分に低減するには限界がある。

Claims (12)

1. 環状の固定子と、
   前記固定子の内側に配置された環状の回転子コアと前記回転子コアの内部に配置され前記回転子コアの周方向に配列された複数の永久磁石とを有するコンシクエントポール型の回転子と、
   を備え、
   前記固定子は、不飽和ポリエステル樹脂に覆われている電動機。
2. 前記固定子が有する固定子コアの外周部から前記不飽和ポリエステル樹脂の外周部までの厚みをＡとし、前記固定子コアの内周部から前記不飽和ポリエステル樹脂の内周部までの厚みをＢとしたとき、Ａ＞Ｂの関係が満たされる請求項１に記載の電動機。
3. 前記固定子コアは、
   それぞれがヨークと前記ヨークから突出するティースとを有する複数の分割コア部を、前記複数の分割コア部のそれぞれが前記複数の分割コア部の内の他の隣接する１つと接するように配列して環状に形成され、
   隣接する２つの前記ヨークは、薄肉部により相互に連結され、または隣接する２つの前記ヨークの各々に形成される凹凸状のダボにより相互に連結される請求項２に記載の電動機。
4. 隣接する２つの前記ヨークの間には、前記ヨークと前記ティースとに囲まれる孔が形成され、
   前記孔には前記不飽和ポリエステル樹脂が設けられている請求項３に記載の電動機。
5. 前記回転子コアは、
   前記回転子コアの内部に設けられ、前記回転子コアの径方向における前記複数の永久磁石の各々の外側に配置された少なくとも１個の第１のスリットと、
   前記回転子コアの外周面に設けられ、互いに隣り合う前記複数の永久磁石の間に配置された少なくとも１個の第２のスリットとを有する請求項１から請求項４の何れか一項に記載の電動機。
6. 前記少なくとも１個の第２のスリットの総面積が、前記少なくとも１個の第１のスリットの総面積よりも大きい請求項５に記載の電動機。
7. 前記少なくとも１個の第２のスリットの個数が、前記少なくとも１個の第１のスリットの個数よりも多い請求項５に記載の電動機。
8. 前記回転子コアの径方向における前記少なくとも１個の第２のスリットの幅が、前記径方向における前記少なくとも１個の第１のスリットの幅よりも広い請求項５に記載の電動機。
9. 前記径方向と直交する方向における前記少なくとも１個の第２のスリットの幅が、前記径方向と直交する方向における前記少なくとも１個の第１のスリットの幅よりも広い請求項５に記載の電動機。
10. 前記第１のスリットは前記回転子コアの外周面に開口しておらず、
    前記第２のスリットは前記回転子コアの外周面に開口する請求項５に記載の電動機。
11. 前記回転子は、各々が前記複数の永久磁石の各々により形成された複数の第１の磁極と、各々が前記回転子コアの互いに隣り合う前記永久磁石間に形成され、前記第１の磁極の極性と異なる極性を持つ複数の第２の磁極とを有し、
    前記第１の磁極での前記回転子コアの外径は、前記第２の磁極での前記回転子コアの外径に等しい請求項５から請求項１１の何れか一項に記載の電動機。
12. 請求項１から請求項１１の何れか一項に記載の電動機を備える空気調和機。

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