JPWO2021024338A1 - 電動機およびそれを用いた空気調和機 - Google Patents
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Abstract
コンシクエントポール型ロータを用いた電動機のシャフトに熱伝導率の小さい非磁性材料を適用した場合においても、十分な放熱機能を有する電動機を得る。電動機１は、ステータと、ロータコアと磁石で構成されたコンシクエントポール型のロータと、ステータとロータを収納するケーシングと、非磁性材料からなり、ロータに固定されたシャフト８と、シャフト８とともに回転する第１の放熱促進手段である放熱翼２４を備えたものである。これにより、電動機１内部からシャフト８を経由する放熱経路からの放熱を促進し、電動機１内部の過熱による不具合を防止する。
Description
本発明は、コンシクエントポール型のロータを備えた電動機およびそれを備えた空気調和機に関するものである。
近年、高性能な希土類磁石を利用した電動機が多くの電気機器に採用されている。希土類磁石は、希少元素を含有するため高価格であり、資源確保のリスクも高いことから、磁石の使用量をできるだけ削減することが要求されている。
磁石の使用量を削減する方法として、電動機をコンシクエントポール型ロータで構成することが考えられる。コンシクエントポール型ロータでは、磁石による磁石磁極と、磁石によらずにロータコアに形成される突極とが周方向に交互に配列されるため、磁石の個数は通常の半分でロータを構成することができる。
一方で、コンシクエントポール型ロータでは、漏れ磁束がシャフトを磁化させてしまうことによる不具合が想定されるため、シャフト材に非磁性材料を用いる場合がある。非磁性材料は一般に磁性材料よりも熱伝導率が小さく、電動機内部で発生した熱をシャフト経由で外部に放熱しにくくなるという問題が発生する。
電動機からの放熱特性を向上させる方法としては、ケーシング外部に突出したシャフトに冷却ファンを取り付けて、ケーシング側面に沿って流れる冷却風を生成する冷却装置が知られている（例えば、特許文献１）。
しかしながら、先行技術文献のようにケーシングの外側表面に風を流すだけでは、電動機の中心付近に配置されるロータを十分に冷却することは困難である。特に、ケーシングを絶縁材料である樹脂でモールドするような場合には、ケーシングからの放熱も十分に行えず、電動機内部の温度上昇によって電動機効率や出力の低下を引き起こす可能性があった。
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、コンシクエントポール型ロータのシャフトに熱伝導率の小さい非磁性材料を適用した場合においても、十分な放熱機能を有する電動機を得るものである。
上記の目的を達成するため、この発明に係る電動機は、ステータと、ロータコアと磁石で構成されたコンシクエントポール型のロータと、前記ステータと前記ロータを収納するケーシングと、非磁性材料からなり前記ロータに固定されたシャフトと、前記シャフトとともに回転する第１の放熱促進手段を備えたものである。
本発明に係る電動機は、シャフト８に連結される羽根車２１に第１の放熱促進手段を備えたことで、シャフト８を沿う気流を連続的に発生させるので、コンシクエントポール型ロータを採用し、非磁性材で製作されたシャフトを用いた場合においても電動機内部からシャフト８を経由する放熱経路からの放熱を促進する。これにより、電動機１内部の異常過熱による不具合を防止することができる。
以下に、本発明の実施の形態に係るコンシクエントポール型のロータを用いた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１．
図１は本発明の実施の形態１に係るコンシクエントポール型ロータを備えた電動機の軸方向断面図である。図１に示される電動機１は、ステータコア２とコイル３で構成される環状のステータ５と、ロータコア６と磁石７およびシャフト８で構成されるロータ９を備えている。また、ステータ５の外周面を樹脂材でモールドすることでケーシング１０が形成されており、ケーシング１０の軸方向端面に取り付けられるブラケット１１によってロータ９がステータ５の内側に支持されている。また、ケーシング１０の外部に突出したシャフト８には、円板状の放熱フィン１２が接合されている。
図１は本発明の実施の形態１に係るコンシクエントポール型ロータを備えた電動機の軸方向断面図である。図１に示される電動機１は、ステータコア２とコイル３で構成される環状のステータ５と、ロータコア６と磁石７およびシャフト８で構成されるロータ９を備えている。また、ステータ５の外周面を樹脂材でモールドすることでケーシング１０が形成されており、ケーシング１０の軸方向端面に取り付けられるブラケット１１によってロータ９がステータ５の内側に支持されている。また、ケーシング１０の外部に突出したシャフト８には、円板状の放熱フィン１２が接合されている。
図２は、電動機１のロータ９およびステータ５の径方向断面図である。ステータ５は、ステータコア２の外周側から中心方向に複数の鉄心が突出した形状であり、厚みが0.2mmから0.5mmの磁性を有する電磁鋼板を複数枚積層して構成される。この突出した複数の鉄心には銅もしくはアルミを主成分とする導線が巻回されてコイル３を形成している。ステータコア２とコイル３との間はインシュレータ４によって絶縁が確保されている。
インシュレータ４はステータコア２に一体で成形されるか、ステータコア２とは別体で製作された後にステータコア２へ嵌め込まれる。インシュレータ４は、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）といった絶縁性の樹脂または0.035mm〜0.4mmの厚さの絶縁フィルムで構成される。
ロータ９は、埋込磁石型のコンシクエントポール型ロータであり、ステータ５の内周面と微小な隙間を介して配置されている。円状のロータコア６は、厚さ0.2mmから0.5mmの電磁鋼板を複数枚積層して構成される。その周縁部には一定間隔で、例えば５個の磁石７が挿入されている。磁石７には、Nd（ネオジウム）やSm（サマリウム）を主成分とする希土類磁石やFe（鉄）を主成分とするフェライト磁石が用いられる。また、ロータコア６の中心部には非磁性材料であるSUS304で製作されたシャフト８が圧入やコーキング、ロータコアの焼き嵌め、回転軸・ロータコア間の樹脂一体成形、などの方法で固定される。なお、シャフト材料はこれに限定されず、他のオーステナイト系ステンレス鋼でもよいし、鉄系以外の材料でもよい。
図３は、本発明の実施の形態における電動機１の実使用状態の一例を示す構成図である。本発明の実施の形態１では、電動機１から突出したシャフト８に回転体である羽根車２１が連結されて軸流型の送風機を構成している。羽根車２１は、複数枚の羽根２２と連結部２３と送風翼２４が、例えばポリプロピレンなどの樹脂材料で一体に成型されたものである。
第１の放熱促進手段である送風翼２４は、円柱状に成形された連結部２３の電動機１と対向する側の端面から、電動機１に向かって突出した複数枚の板で構成されている。図３に示した例では、軸中心から放射状に付設された４枚の平板で送風翼２４を構成しているが、翼形状や翼枚数はこれに限定されるものではない。送風翼２４の取り付け角度を径方向と平行でなく、回転方向に対して前向きあるいは後ろ向きに傾斜させてもよいし、翼枚数を増やしてもよい。また、翼断面を平板状ではなく流線形にすることで送風効率を向上することも可能である。
次に、実施の形態１の作用について説明する。
送風翼２４は羽根車２１の回転によって遠心送風機として機能し、シャフト８近傍から外側に向かって気流を発生させる。それに伴って電動機１と羽根車２１との間の空間には図３に示したような矢印方向に空気の流れが形成されるため、電動機内部の発熱によって高温となっているシャフト８の表面を沿うような気流が連続的に発生し、シャフト８から外部空間への放熱を促進する。
送風翼２４は羽根車２１の回転によって遠心送風機として機能し、シャフト８近傍から外側に向かって気流を発生させる。それに伴って電動機１と羽根車２１との間の空間には図３に示したような矢印方向に空気の流れが形成されるため、電動機内部の発熱によって高温となっているシャフト８の表面を沿うような気流が連続的に発生し、シャフト８から外部空間への放熱を促進する。
一般に、羽根車２１のような回転体が形成する気流は、遠心方向か軸流方向に限られ、シャフト８に向かうような気流は形成されないので、シャフト８近傍の空気はほとんど移動しない。送風翼２４においてもシャフト８から離れていく方向に送風するが、羽根車２１とブラケット１１との間の空気を外側に流出させることで間接的にシャフト８に向かう気流を生成した。
これにより、シャフト８が熱伝導率の小さい非磁性材料であっても送風翼２４による十分な放熱作用により、ケーシング１０内部の異常過熱を防止することができる。また、羽根車２１と送風翼２４は一体成型されているため、追加部品や組立加工が不要であり、材料費や加工費を増大させることなく大きな放熱促進効果を得ることができる。
図４は図１に示したような本発明の実施の形態１におけるブラケット１１の断面図および平面図である。中心にシャフト８が貫通する孔を有する鋼板などの金属材料で製作された部材であり、ケーシング１０の開口部側に圧入することで固定されている。なお、ケーシング１０とブラケット１１との接合方法はこれに限定されるものではなく、ねじ止めや接着等の方法でもよい。
ブラケット１１には、ロータコア６が収納されているケーシング１０の内部空間と外部空間とを連通するように貫通孔３１が形成されているので、送風翼２４によって生成される気流の一部をケーシング１０に内蔵されたロータコア６にも直接的に送ることで放熱性能を向上することができる。また、ブラケット１１はモールド樹脂よりも熱伝導率の高い金属材であるため、ステータ５やロータ９の発熱によって高温となり、ブラケット１１の表面からの外部空間への放熱性能も向上させている。
また、シャフト８に加工された溝部１３は、シャフト８の表面積を増大させるとともに、送風翼２４によって発生した気流を乱流にすることで、第２の放熱促進手段として対流伝熱作用を増大させている。
第２の放熱促進手段を溝部１３として記載したが、第２の放熱促進手段の変形例として図５および図６を参照して以下に説明する。図５は、溝部１３に放熱フィン１２が接合された状態の送風機の構成図である。羽根車２１と電動機１との間に放熱フィン１２が配置されている。
図６は、図５に示すような放熱フィン１２の平面図と、放熱フィン１２がシャフト８に接合された状態を示す斜視図である。第２の放熱促進手段である円板状の放熱フィン１２は、例えばシャフト８よりも熱伝導率の高い鋼材であるS45Cで作られており、シャフト８に設けられている溝部１３に差し込まれている。放熱フィン１２中心部の孔径は溝部１３の直径よりもわずかに小さく加工されており、放熱フィン１２の弾性変形によって強く嵌合される。これにより、シャフト８との接合面では熱移動が妨げられないように密着して、電動機１内部の熱がシャフト８を経由して効率よく放熱フィン１２に伝わるようになっている。なお、放熱フィン１２の材質は、鋼材より熱伝導率の大きい銅やアルミニウムとしてもよい。
以上のように、本実施の形態１では、電動機１に羽根車２１を連結して送風機を構成するとき、連結部２３に送風翼２４を設けたので、シャフト８に沿う気流を発生させることができる。これにより、シャフト８からの放熱が促進され、シャフト８に熱伝導率の低い非磁性材料を用いた場合であっても電動機１内部を十分に冷却することで、異常過熱による不具合を回避することができる。
また、送風翼２４は羽根車２１および連結部２３と一体に成型されているため、シャフト８を冷却するための追加部品が不要であり、材料コストおよび加工コストを低減することができる。
また、シャフト８に溝部１３を形成したので、放熱面積の拡大と、送風翼２４が生成した気流を乱流化することで、シャフト８からの放熱性能を向上させることができる。あるいは、溝部１３にシャフト８よりも熱伝導率の高い放熱フィン１２を嵌合してもよい。このような構成によれば、シャフト８が放熱するための表面積がさらに拡大し、放熱性能を向上することができる。
また、ブラケット１１は、ケーシング１０の内部空間と外部空間とを連通するように貫通孔３１を備えているので、送風翼２４によって生成される気流をロータコア６に直接的に送ることで電動機１内部の放熱性能を向上することができる。また、ブラケット１１はモールド樹脂よりも熱伝導率の高い金属材であるため、ブラケット１１の表面からの放熱性能も向上させている。
尚、実施の形態１では、電動機１に羽根車２１を連結して送風機を構成した場合について説明したが、それに限定されるものではなく、密閉型冷媒圧縮機や工作機械などの機械装置に適用してもよい。
実施の形態２．
実施の形態１では連結部２３が中実成形された場合について説明したが、実施の形態２では、肉厚を略等しくする目的で連結部２３を中空円筒状に成形する比較的大型の羽根車を使用する場合について説明する。
実施の形態１では連結部２３が中実成形された場合について説明したが、実施の形態２では、肉厚を略等しくする目的で連結部２３を中空円筒状に成形する比較的大型の羽根車を使用する場合について説明する。
図７は、本発明の実施の形態１における連結部２３が中空円筒状である場合の実使用例を示す断面図である。連結部２３は、電動機１側が開口した中空円筒形状であり、連結部２３の外周側円筒部に複数枚の羽根２２が備えられて羽根車２１を構成している。また、シャフト８が嵌入される中心側円筒部２５と外周側円筒部との間には放射状に複数配置された補強用リブ２６が形成されている。
図８に本実施の形態に係る電動機１と連結される羽根車２１の連結部２３の斜視図を示す。補強用リブ２６は、連結部２３から電動機１に向かって突出して送風翼２４を形成しており、シャフト８近傍の空気を遠心力によって外周方向に送風する機能によって、シャフト８を沿うような気流を発生させている。
以上のように、本実施の形態２では、中空円筒状に成形された連結部２３の補強用リブ２６を電動機１に向けて突出させて送風翼２４としたので、シャフト８近傍に気流を発生させることによりシャフト８からの放熱を促進し、電動機１内部の異常過熱を防止することができる。
また、送風翼２４は補強用リブ２６をそのまま軸方向に突出させているので、羽根車２１の形状をほとんど変更することなく簡易に送風翼２４を装備することができる。
実施の形態３．
実施の形態１、２では連結部２３に第１の放熱促進手段を設けた例を説明したが、実施の形態３では放熱フィン１２に第１の放熱促進手段として送風翼２４を設けた例について説明する。
実施の形態１、２では連結部２３に第１の放熱促進手段を設けた例を説明したが、実施の形態３では放熱フィン１２に第１の放熱促進手段として送風翼２４を設けた例について説明する。
図９は本発明の実施の形態１における送風翼２４を形成する位置の変形例を示す図である。シャフト８に形成された溝部１３に嵌合された放熱フィン１２には、その表面から切り起こすように送風翼２４が形成されている。シャフト８が回転すると放熱フィン１２も回転し、送風翼２４は放熱フィン１２が嵌合された溝部１３の近傍から外側に向かう気流を生成する。この気流は、シャフト８および放熱フィン１２の表面に沿いながら溝部１３に向かう気流を間接的に形成するので、より効果的にシャフト８からの放熱を促進することができる。
以上のように、本実施の形態３では、送風翼２４を放熱フィン１２と一体に形成したので、放熱フィン１２とシャフト８が嵌合された部位に向かって気流が形成され、より効果的にシャフト８からの放熱を促進することができる。
また、実施の形態３で説明した第１の放熱部材と実施の形態１または実施の形態２で説明した第１の放熱部材と組み合わせても良い。
実施の形態４．
図１０は本発明の実施の形態１〜３のいずれか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４０は、室内機４１と、室内機４１に接続される室外機４２とを備える。室内機４１には不図示の室内ファンが搭載され、室外機４２には室外ファン４３が搭載されている。また、室外機４２には不図示の圧縮機が搭載されている。室内ファン、室外ファン４３および圧縮機には、実施の形態１〜３のいずれかの電動機１が使用されている。
図１０は本発明の実施の形態１〜３のいずれか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４０は、室内機４１と、室内機４１に接続される室外機４２とを備える。室内機４１には不図示の室内ファンが搭載され、室外機４２には室外ファン４３が搭載されている。また、室外機４２には不図示の圧縮機が搭載されている。室内ファン、室外ファン４３および圧縮機には、実施の形態１〜３のいずれかの電動機１が使用されている。
このように、室内ファン、室外ファン４３および圧縮機の駆動源として実施の形態１に係る電動機１を用いることにより、電動機１の内部からの放熱を促進し、空気調和機４０の運転効率低下を防止する。
なお、実施の形態１〜３いずれかの電動機１は、空気調和機４０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。
また、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。
１ 電動機、 ２ ステータコア、 ３ コイル、 ４ インシュレータ、 ５ ステータ、 ６ ロータコア、 ７ 磁石、８ シャフト、 ９ ロータ、 １０ ケーシング、 １１ ブラケット、 １２ 放熱フィン、 １３ 溝部、 ２１ 羽根車、 ２２ 羽根、 ２３ 連結部、 ２４ 送風翼、 ２５ 中心側円筒部、 ２６ 補強用リブ、 ３１ 貫通孔、 ４０ 空気調和機、 ４１ 室内機、 ４２ 室外機、 ４３ 室外ファン
上記の目的を達成するため、この発明に係る電動機は、ステータと、ロータコアと磁石で構成されたコンシクエントポール型のロータと、前記ステータと前記ロータを収納するケーシングと、非磁性材料からなり前記ロータに固定されたシャフトと、前記ケーシングの外部に突出した前記シャフトに固定され、前記シャフトとともに回転する第１の放熱促進手段とを備え、前記第１の放熱促進手段は、前記シャフトの近傍から外側に向かって気流を発生させる送風翼である。
Claims (14)
- ステータと、
ロータコアと磁石で構成されたコンシクエントポール型のロータと、
前記ステータと前記ロータを収納するケーシングと、
非磁性材料からなり、前記ロータに固定されたシャフトと、
前記シャフトとともに回転する第１の放熱促進手段を備えた
ことを特徴とする電動機。 - 前記第１の放熱促進手段は、送風翼であることを特徴とする請求項１に記載の電動機。
- 前記送風翼は、前記シャフトに回転体を固定する連結部と一体に形成されている
ことを特徴とする請求項２に記載の電動機。 - 前記ロータと、前記連結部との間に、前記シャフトの表面積を拡大する第２の放熱促進手段を備えた
ことを特徴とする請求項３に記載の電動機。 - 金属材料からなり、前記ケーシングの端面に接合され、前記シャフトを支持するブラケットを備えた
ことを特徴とする請求項１から請求項４の何れかに記載の電動機。 - 前記ブラケットは、前記ロータを収納する空間と前記ケーシングの外部とを連通するための貫通孔を備えた
ことを特徴とする請求項５に記載の電動機。 - 前記送風翼は、前記連結部の、前記ロータに対向する端面から突出している
ことを特徴とする請求項３に記載の電動機。 - 前記送風翼は、中空円筒状に構成された前記連結部の内側に放射状に配置された補強用リブと一体に形成されている
ことを特徴とする請求項３に記載の電動機。 - 前記第２の放熱促進手段は、前記ロータと、前記連結部との間に形成された溝部である
ことを特徴とする請求項４に記載の電動機。 - 前記第２の放熱促進手段は、前記溝部に嵌合される放熱フィンである
ことを特徴とする請求項９に記載の電動機。 - 前記放熱フィンは、前記シャフトの材質よりも熱伝導率が大きい材質である
ことを特徴とする請求項１０に記載の電動機。 - 前記放熱フィンは、前記送風翼と一体に形成されている
ことを特徴とする請求項１０から請求項１１の何れかに記載の電動機。 - 前記ケーシングは、前記ステータをモールドする樹脂材料で形成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の電動機。 - 請求項１から請求項１３の何れか一項に記載の電動機を用いたことを特徴とする空気調和機。
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