KR20180040662A - 영구자석 매입형 전동기, 압축기 및 냉동 공조 장치 - Google Patents

영구자석 매입형 전동기, 압축기 및 냉동 공조 장치 Download PDF

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KR20180040662A
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magnet insertion
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마사히로 니고
카즈치카 츠치다
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미쓰비시덴키 가부시키가이샤
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Abstract

영구자석 매입형 전동기(1)는, 환형상의 스테이터(3)와, 스테이터(3)의 내측에 배치되고, 스테이터(3)의 둘레방향으로 배열되고 둘레방향의 길이가 스테이터(3)의 지름방향의 길이보다 긴 복수개의 자석 삽입구멍을 가지며, 복수개의 자석 삽입구멍은 각각이 스테이터(3)의 중심을 향하여 돌출한 형상이고, 복수개의 자석 삽입구멍은 각각이 스테이터(3)의 지름방향에서의 외측면에 한 쌍의 오목부를 가지며, 한 쌍의 오목부는 각각이 스테이터(3)의 둘레방향에서의 외측면의 일단부 및 타단부에 배치되는 환형상의 로터 철심과, 복수개의 자석 삽입구멍에 각각 삽입되는 복수개의 영구자석(19)을 구비하고, 한 쌍의 오목부는, 각각의 깊이가, 스테이터(3)의 지름방향에서의 복수개의 영구자석(19)의 각각의 두께의 10%로부터 40%이다.

Description

영구자석 매입형 전동기, 압축기 및 냉동 공조 장치
본 발명은, 고정자와 고정자의 내측에 배치되는 회전자를 구비한 영구자석 매입형 전동기, 압축기 및 냉동 공조 장치에 관한 것이다.
영구자석 매입형 전동기에서는, 자석 삽입구멍이 지름방향 내측에 돌출한 형상이 되도록 형성되는 경우, 자석 및 자석 삽입구멍의 측단부(側端部)가, 로터 외주면의 근처에 배치된다. 로터 외주에서의, 자석 및 자석 삽입구멍의 측단부는, 자극 중심의 철심부에 대해 투자율이 낮기 때문에, 스테이터 코일에 의해 발생하는 자속이 쇄교하기 어렵다. 그 때문에, 스테이터 통전시의 자속은, 자석 삽입구멍의 측단부에 인접하는 로터 철심 부분에 집중하기 쉽다. 스테이터 코일에 의해 발생하는 자속이 커지면, 그 로터 철심 부분의 근처에 배치되는 영구자석의 측단부가 감자(減磁)되기 쉽게 되는 일이 있다.
특허문헌 1의 전동기에서는, 로터의 축방향에서 보아, 자극의 각각에 있어서, 자석 및 자석 삽입구멍이 로터의 내주측을 향하여 돌출한 형상이다. 자석의 단부는, 선단을 향하여 폭이 좁아져 있다. 또한 자석의 단부에는, 자극의 중심선측의 부분에 노치(cutout)가 형성되어 있다. 특허문헌 1의 전동기는, 이와 같은 노치를 형성함에 의해, 자석의 감자되기 쉬운 부분을 작게 하는 것을 기도(企圖)하고 있다. 즉, 특허문헌 1의 전동기는, 자석을 감자되기 어렵게 함으로써, 자속의 편차가 생기는 것을 억제하고, 나아가서는, 모터 성능의 저하를 억제하는 것을 기도하고 있다.
일본 특개2013-212035호 공보
그렇지만, 특허문헌 1에 개시된 전동기에서는, 자석의 감자되기 쉬운 부분에 노치가 마련되어 있다. 그 때문에 특허문헌 1에 개시되는 전동기에서는, 자석의 사이즈가 작아져서, 자석으로부터 발생하는 자속량을 저하시키게 되여, 소형으로 고효율의 모터의 구성이 곤란해진다는 다른 문제를 발생시킨다.
본 발명은, 상기를 감안하여 이루어진 것으로, 영구자석의 자속량의 저하를 피하면서 고효율을 도모할 수 있는 영구자석 매입형 전동기를 얻는 것을 목적으로 한다.
상술한 과제를 해결하고, 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 영구자석 매입형 전동기는, 환형상(環狀)의 스테이터와, 스테이터의 내측에 배치되고, 스테이터의 둘레방향으로 배열된 복수개의 자석 삽입구멍을 가지며, 복수개의 자석 삽입구멍의 각각의 단면(斷面) 형상은 스테이터의 중심을 향하여 돌출한 형상이고, 복수개의 자석 삽입구멍은 각각이 스테이터의 지름방향에서의 외측면에 한 쌍의 오목부를 가지며, 복수개의 자석 삽입구멍의 각각의 한 쌍의 오목부는 각각이 외측면의 일단부 및 타단부에 배치되고, 일단부 및 타단부는 스테이터의 둘레방향으로 배열되는 환형상의 로터 철심과, 복수개의 자석 삽입구멍에 각각 삽입되는 복수개의 영구자석을 구비한다. 또한 본 발명의 영구자석 매입형 전동기의 한 쌍의 오목부는, 각각의 깊이가, 스테이터의 지름방향에서의 복수개의 영구자석의 각각의 두께의 10%로부터 40%이다.
본 발명에 관한 영구자석 매입형 전동기는, 영구자석의 자속량의 저하를 피하면서 고효율을 도모할 수 있다, 라는 효과를 이룬다.
도 1은 본 발명의 실시의 형태 1에 관한 영구자석 매입형 전동기의 회전 중심선과 직교하는 단면을 도시하는 도면
도 2는 도 1에 도시하는 로터를 확대하여 도시하는 도면
도 3은 도 2에 도시하는 영구자석과 자석 삽입구멍을 확대하여 도시하는 도면
도 4는 도 3에 도시하는 자석 삽입구멍에 영구자석이 삽입되지 않은 상태를 도시하는 도면
도 5는 도 4에 도시하는 자석 삽입구멍의 각 부분의 치수를 설명하는 도면
도 6은 자석 삽입구멍에 오목부를 갖지 않는 제1의 로터 철심을 도시하는 도면
도 7은 본 발명의 실시의 형태 1에 관한 영구자석 매입형 전동기의 하나의 이점을 설명하기 위한 도면
도 8은 본 발명의 실시의 형태 1에 관한 영구자석 매입형 전동기의 다른 하나의 이점을 설명하기 위한 도면
도 9는 자석 삽입구멍의 오목부가 부적절한 양태로 형성된 제2의 로터 철심을 도시하는 도면
도 10은 감자 전류 통전 전의 유기 전압과, D/T비와의 관계를 도시하는 도면
도 11은 감자 전류 통전 후의 유기 전압과, D/T비와의 관계를 도시하는 도면
도 12는 도 1에 도시하는 로터의 변형례를 도시하는 도면
도 13은 본 발명의 실시의 형태 2에 관한 압축기의 종단면도
도 14는 본 발명의 실시의 형태 3에 관한 냉동 공조 장치를 도시하는 도면
이하에, 본 발명의 실시의 형태에 관한 영구자석 매입형 전동기, 압축기 및 냉동 공조 장치를 도면에 의거하여 상세히 설명한다. 또한, 이 실시의 형태에 의해 본 발명이 한정되는 것이 아니다.
실시의 형태 1.
도 1은, 본 발명의 실시의 형태 1에 관한 영구자석 매입형 전동기의 회전 중심선과 직교하는 단면을 도시하는 도면이다. 도 2는, 도 1에 도시하는 로터를 확대하여 도시하는 도면이다. 도 3은, 도 2에 도시하는 영구자석과 자석 삽입구멍을 확대하여 도시하는 도면이다. 도 4는, 도 3에 도시하는 자석 삽입구멍에 영구자석이 삽입되지 않은 상태를 도시하는 도면이다.
영구자석 매입형 전동기(1)는, 스테이터(3)와, 그 스테이터(3)의 내측에 회전 가능하게 마련된 로터(5)를 구비한다.
스테이터(3)는, 환형상의 스테이터 철심(17)과, 스테이터 철심(17)의 내측에 둘레방향으로 등간격으로 나열하는 복수의 티스부(7)를 구비한다.
복수의 티스부(7)는, 각각이 스테이터 철심(17)으로부터 회전 중심선(CL)을 향하여 돌출하고, 방사상에 형성되어 있다. 스테이터(3)에는, 나열하는 티스부(7)의 사이의 영역에, 대응하는 슬롯부(9)가 형성되어 있다.
복수의 티스부(7)의 각각은, 대응하는 슬롯부(9)를 통하여 다른 티스부(7)와 이웃하고 있다. 복수의 티스부(7)와 복수의 슬롯부(9)가 둘레방향으로 교대로 또한 등간격으로 나열하도록 배치되어 있다.
복수의 티스부(7)에는, 각각, 도시 생략한 공지의 스테이터 권선이 공지의 양태로 권회되어 있다.
로터(5)는, 로터 철심(11)과, 샤프트(13)를 갖는다.
샤프트(13)는, 로터 철심(11)의 축심부에, 수축 끼워맞춤(shrink fitting), 냉각 끼워맞춤(cooling fitting), 또는 압입(壓入, press fitting)에 의해 연결되어, 로터 철심(11)에 회전 에너지를 전달한다.
로터 철심(11)의 외주면과 스테이터(3)의 내주면과의 사이에는, 간극(15)이 확보되어 있다.
이와 같은 구성에 있어서, 로터(5)는, 간극(15)을 통한 스테이터(3)의 내측에서, 회전 중심선(CL)을 중심으로 회전 자유롭게 지지되어 있다. 지령(指令) 회전수에 동기한 주파수의 전류를 스테이터(3)에 통전함에 의해 회전자계가 발생한다. 이 회전자계에 의해 로터(5)가 회전한다. 스테이터(3)와 로터(5) 사이의 간극(15)의 치수는 0.3㎜부터 1.0㎜이다.
다음에 스테이터(3)와 로터(5)의 구성을 상세히 설명한다.
스테이터 철심(17)은, 1매당의 두께가 0.1㎜부터 0.7㎜ 정도의 전자강판을 소정의 형상으로 타발(打拔)하여, 소정 매수의 전자강판을 코킹으로 체결하면서 적층하여 구성된다. 여기서는, 판두께가 0.35㎜의 전자강판을 사용하고 있다.
티스부(7)의 대부분은, 지름방향 외측부터 지름방향 내측에 걸쳐서 개략 동등한 둘레방향의 폭을 갖는데, 티스부(7)의 가장 지름방향 내측이 되는 선단부에는, 티스 치선부(齒先部)(7a)가 형성되어 있다.
티스 치선부(7a)는, 그 양측부가 둘레방향에 넓어지는 우산형상(傘狀)으로 형성되어 있다.
티스부(7)에는, 회전자계를 발생시키는 코일을 구성하는 스테이터 권선이 감겨져 있다. 도 1부터 도 4에서는 코일과 스테이터 권선의 도시를 생략하고 있다.
코일은, 마그넷 와이어를, 절연체를 통하여 티스부(7)에 직접 휘감아 형성된다. 이 권선 방식을, 집중권선이라고 한다. 코일은, 3상Y결선으로 결선된다. 코일의 턴수(數)와 선경은, 요구되는 특성, 전압 사양, 및 슬롯의 단면적에 응하여 정하여진다. 요구되는 특성은, 회전수 및 토오크이다.
여기서는, 권선을 하기 쉽도록 분할 티스를 띠형상(帶狀)으로 전개하고, 선경(φ) 1.0㎜ 정도의 마그넷 와이어를 각 자극의 티스부(7)에 80턴 정도 휘감고, 권선 후, 분할 티스를 환형상으로 둥글게 하여, 용접하여 스테이터(3)를 구성하고 있다.
스테이터(3)의 중심 부근에는, 회전 가능하게 지지된 샤프트(13)가 배치되어 있다. 그리고, 샤프트(13)에 로터 철심(11)이 감합(嵌合)되어 있다.
로터 철심(11)은, 스테이터 철심(17)과 마찬가지로 두께 0.1㎜부터 0.7㎜ 정도의 전자강판을 소정의 형상으로 타발하고, 소정 매수의 전자강판을 코킹으로 체결하면서 적층하여 구성된다. 여기서는, 판두께가 0.35㎜의 전자강판을 사용하고 있다.
로터(5)는, 자석 매입형이고, 로터 철심(11)의 내부에는, N극과 S극이 교대가 되도록 착자된 복수의 영구자석(19)이 마련되어 있다. 실시의 형태 1에서는 영구자석(19)의 수가 6개이다.
복수의 영구자석(19)은 각각이, 로터(5)의 회전 중심선(CL)을 수선(垂線)으로 하는 단면(斷面)에서 보아, 원호형상(圓弧狀)으로 만곡하여 있다. 복수의 영구자석(19)은 각각이, 그 원호형상의 볼록부측이 로터(5)의 중심측으로 배치되어 있다. 또한 복수의 영구자석(19)은 각각이, 대응하는 자극 중심선(MC)에 대해 선대칭이 되도록 만곡하여 있다.
보다 상세히 설명한다. 로터 철심(11)에는 복수의 영구자석(19)에 대응한 수의 자석 삽입구멍(21)이 형성되어 있다. 복수의 자석 삽입구멍(21)에는 각각, 대응하는 영구자석(19)이 삽입되어 있다. 하나의 자석 삽입구멍(21)에 대해 하나의 영구자석(19)이 삽입되어 있다.
또한, 로터(5)의 자극수는, 2극 이상이라면 몇 개라도 좋지만, 실시의 형태 1에서는, 6극의 경우를 예시하고 있다. 여기서는, 영구자석(19)에 페라이트 자석이 사용된다. 영구자석(19)은, 페라이트 자석의 내주면과 외주면을 일정한 동심원호형상으로 형성하고, 두께(T)을 일양(一樣)하게 6㎜ 정도로 유지되도록 구성한 것이다.
영구자석(19)의 두께(T)는, 자석 삽입구멍(21)의 지름방향 외측면인 구멍 외측면(55)부터, 자석 삽입구멍(21)의 지름방향 내측면인 구멍 내측면(53)까지의 두께 중, 가장 두꺼운 부위에서의 자석 두께를 의미한다.
도 3에 도시하는 바와 같이 영구자석(19)에는, 동심원호의 중심을 기준으로 한 원호형상의 배향 자장(MD)을 인가한 자석이 사용된다. 또한, 자석의 종류는, 예를 들면, 네오디뮴, 철, 붕소를 주성분으로 하는 희토류 자석을 사용하면 좋다.
자석 삽입구멍(21)의 단면(斷面) 형상은, 영구자석(19)의 형상과 동형상이다. 즉 자석 삽입구멍(21)은, 둘레방향에서의 길이가 지름방향의 길이보다 길고, 자석 삽입구멍(21)의 단면 형상은, 스테이터(3)의 중심을 향하여 돌출한 형상이다.
자극 중심선(MC)상에는, 코킹(33)이 마련되어 있고, 이에 의해, 로터(5)에서의 자석 삽입구멍(21)의 지름방향 외측의 철심 부분의 적층을 고정하여, 제조시의 변형을 억제하고 있다.
로터 철심(11)에는, 자석 삽입구멍(21)의 지름방향 내측에, 둘레방향에 교대로 등간격으로 나열하는 복수의 바람구멍(35)과 복수의 리벳구멍(37)이 마련되어 있다.
코킹(33)은, 대응하는 리벳구멍(37)과, 대응하는 한 쌍의 자석 삽입구멍(21)과의 사이에도, 마련되어 있다.
다음에, 영구자석(19) 및 자석 삽입구멍(21)에 관해 상세히 설명한다.
복수의 영구자석(19) 및 자석 삽입구멍(21)은 각각이, 로터(5)의 회전 중심선(CL)을 수선으로 하는 단면에서 보아, 대응하는 자극 중심선(MC)에 의한 선대칭으로 형성되어 있다.
복수의 영구자석(19)은 각각이, 로터(5)의 회전 중심선(CL)을 수선으로 하는 단면에서 보아, 내측면(43)과, 외측면(45)과, 한 쌍의 선단측면(47)을 갖는다. 또한, 내측면(43) 및 외측면(45)에서의 외측 및 내측은, 회전 중심선(CL)을 수선으로 하는 단면에서 보아, 상대적인 비교로 지름방향의 내측 및 외측의 어느 것인지를 나타낸다.
복수의 자석 삽입구멍(21)은 각각이, 로터(5)의 회전 중심선(CL)을 수선으로 하는 단면에서 보아, 구멍의 윤곽으로서, 구멍 내측면(53)과, 구멍 외측면(55)과, 한 쌍의 구멍 선단측면(57)을 갖는다. 또한, 구멍 내측면(53) 및 구멍 외측면(55)에서의 외측 및 내측도 또한, 회전 중심선(CL)을 수선으로 하는 단면에서 보아, 상대적인 비교로 지름방향의 내측 및 외측의 어느 것인지를 나타낸다.
영구자석(19)의 외측면(45)은, 그 대부분이, 제1 원호 반경에 의한 제1 원호면에 의해 구성되어 있다.
마찬가지로, 자석 삽입구멍(21)의 구멍 외측면(55)은, 그 대부분이, 제1 원호 반경에 의한 제1 원호면(55a)에 의해 구성되어 있다. 로터 철심(11)의 로터 외주면(5a)과 제1 원호면(55a)과의 사이에는 외측 철심부(39)가 형성된다.
한편, 영구자석(19)의 내측면(43)은, 제1 원호 반경보다도 큰 제2 원호 반경에 의한 제2 원호면(43a)과, 스트레이트면(49)으로 구성되어 있다.
마찬가지로, 자석 삽입구멍(21)의 구멍 내측면(53)은, 제2 원호 반경에 의한 제2 원호면(53a)과, 스트레이트면(59)으로 구성되어 있다.
또한, 자석 삽입구멍(21)과 영구자석(19)은, 자석 삽입구멍(21) 내에 영구자석(19)이 삽입되는 관계에 있다. 그 때문에, 자석 삽입구멍(21)에 관한 제1 원호 반경 및 제2 원호 반경과, 영구자석(19)에 관한 제1 원호 반경 및 제2 원호 반경이란, 극히 엄밀하게 본다면 동일하지는 않지만, 영구자석(19)은 자석 삽입구멍(21)에 감입(嵌入)되는 관계에 있고, 설명을 알기 쉽게 하는 사정상, 영구자석측과 자석 삽입구멍(21)측에서 공통의 문구를 이용하는 것으로 한다.
제1 원호 반경과, 제2 원호 반경은, 공통의 반경 중심을 갖고 있고, 그 공통의 반경 중심은, 영구자석(19) 및 자석 삽입구멍(21)보다도 지름방향 외측에 있고, 또한, 대응하는 자극 중심선(MC)상에 있다.
환언하면, 내측면(43)과 외측면(45)은, 동심원형상으로 구성되고, 제1 원호면의 중심과 제2 원호면의 중심은, 영구자석(19)의 배향 중심, 즉 배향 초점에 일치하고 있다. 마찬가지로, 구멍 내측면(53)과 구멍 외측면(55)은, 동심원형상으로 구성되고, 제1 원호면의 중심과 제2 원호면의 중심은, 영구자석(19)의 배향 초점에 일치하고 있다. 도 3에서 부호 MD의 화살표는, 배향의 방향을 모식적으로 나타내고 있다.
또한 자석 삽입구멍(21) 및 영구자석(19)에 관한 원호형상은, 자석 삽입구멍(21) 및 영구자석(19)의 형상의 한 예이다. 실시의 형태 1의 영구자석 매입형 전동기(1)는, 이와 같은 대강 원호형상의 자석 삽입구멍(21) 및 영구자석(19)을 갖는 로터를 이용하는 것으로 한정되는 것이 아니고, 로터의 중심을 향하여 돌출된 형상(突狀)으로 형성된 자석 삽입구멍(21) 및 영구자석(19)을 갖는 로터를 널리 포함하는 것이다.
스트레이트면(49) 및 스트레이트면(59)은, 로터(5)의 회전 중심선(CL)을 수선으로 하는 단면에서 보아, 자극 중심선(MC)과 직교하는 방향으로 늘어나 있다.
또한, 한 쌍의 선단측면(47)은 각각, 내측면(43) 및 외측면(45)의 대응하는 단부(端部)끼리를 연결하고 있다. 한 쌍의 구멍 선단측면(57)은 각각, 구멍 내측면(53) 및 구멍 외측면(55)의 대응하는 단부끼리를 연결하고 있다.
자석 삽입구멍(21)의 구멍 외측면(55)은, 구멍 외측면(55)의 대부분을 차지한 제1 원호면(55a)과, 한 쌍의 오목부(61)를 포함한다.
한 쌍의 오목부(61) 중, 일방의 오목부(61)는, 구멍 외측면(55)의 제1 원호면(55a)의 일단측에 위치하고 있다. 한 쌍의 오목부(61) 중, 타방의 오목부(61)는, 구멍 외측면(55)의 제1 원호면(55a)의 타단측에 위치하고 있다. 도시례에서는, 한 쌍의 오목부(61)는 각각, 구멍 선단측면(57)과 구멍 외측면(55)과의 사이에 배치된다.
한 쌍의 오목부(61)는 각각 외측 철심부(39)의 둘레방향 중앙부, 즉 자극 중심선(MC)을 향하여 늘어나 있다. 한 쌍의 오목부(61)의 저부(61b)는 각각 원호형상으로 형성되어 있다.
도 5는 도 4에 도시하는 자석 삽입구멍의 각 부분의 치수를 설명하는 도면이다. 자석 삽입구멍(21)에 영구자석(19)이 삽입된 상태에서, 자석 삽입구멍(21)의 오목부(61)와 영구자석(19)의 외측면(45)은 크게 떨어져 있다. 각각의 오목부(61)와 외측면(45)과의 사이에는, 비자성 영역인 간극(61a)이 생겨 있다. 간극(61a)은, 오목부(61)의 내주면과 외측면(45)에 둘러싸여지는 공간이다.
오목부(61)의 깊이(D)는 영구자석(19)의 두께(T)보다 작다. 예를 들면 영구자석(19)의 두께(T)가 6㎜인 경우, 오목부(61)의 깊이(D)가 1㎜이다. D/T는 16.7%에 상당한다.
오목부(61)의 깊이(D)는, 자석 삽입구멍(21)에 영구자석(19)이 삽입된 상태에서, 오목부(61)의 대면(對面)에 영구자석(19)의 외측면(45)이 존재하는 경우, 오목부(61)의 저부(61b)로부터 영구자석(19)의 외측면(45)까지의 거리를 의미한다.
또한, 영구자석(19)의 단부에, 노치(cut-out) 또는 모따기(beveled portion)가 있는 경우, 오목부(61)의 깊이(D)는, 그것들을 제외한 부위에서의, 오목부(61)의 저부(61b)로부터 영구자석(19)의 외측면까지의 거리를 의미한다.
또한, 도시례의 영구자석(19)보다도 짧은 영구자석을 사용함으로써, 오목부(61)의 대면에 자석의 외측면이 존재하지 않는 경우, 오목부(61)의 깊이(D)는, 자석의 외측면을 오목부(61)의 대면까지 연장한 가상면(假想面)부터 오목부(61)의 저부(61b)까지의 거리를 의미한다.
또한, 영구자석(19)의 단부에 노치 또는 모따기가 있는 경우, 영구자석(19)의 두께(T)는, 그들을 제외한 부위에서의 두께이다.
자석 삽입구멍(21)의 구멍 선단측면(57)은, 로터 외주면(5a)의 근처에 배치되어 있다. 자석 삽입구멍(21)의 구멍 선단측면(57)과 로터 외주면(5a)과의 사이는, 일양한 두께(肉厚)의 측단(側端) 박육부(11a)가 존재한다. 이들의 측단 박육부(11a)는 각각, 인접하는 자극 사이에서의 단락 자속의 경로로 되기 때문에, 가능한 한 얇은 것이 바람직하다. 여기서는 프레스 가능한 최소폭으로서 전자강판의 판두께 정도인 0.35㎜로 설정하고 있다.
다음에, 도 6에 도시하는 제1의 로터 철심과, 도 9에 도시하는 제2의 로터 철심을 참조하면서, 실시의 형태 1의 영구자석 매입형 전동기(1)의 작용에 관해 설명한다.
도 6은, 자석 삽입구멍에 오목부를 갖지 않는 제1의 로터 철심을 도시하는 도면이고, 도 2에 대응하는 도면이다. 도 7은, 본 발명의 실시의 형태 1에 관한 영구자석 매입형 전동기의 하나의 이점(利點)을 설명하기 위한 도면이다. 도 8은, 본 발명의 실시의 형태 1에 관한 영구자석 매입형 전동기의 다른 하나의 이점을 설명하기 위한 도면이다. 도 9는, 자석 삽입구멍의 오목부가 부적절한 양태로 형성된 제2의 로터 철심을 도시하는 도면이고, 도 2에 대응하는 도면이다.
도 6에 도시하는 제1의 로터 철심에서는, 자석 삽입구멍의 구멍 외측면의 단부에 오목부가 마련되어 있지 않는다. 이 경우, 로터의 중심을 향하여 돌출한 형상의 영구자석 삽입구멍을 갖는 로터에서는, 특히, 구멍 외측면과 구멍 선단측면과의 경계부가 자석에 가깝다. 그 때문에, 자석 표면에서 발생한 자속(M1)이 자석 측면에 단락하기 쉽다. 도 6의 예에서는, 영구자석의 지름방향 외측면에서 발생한 자속(M1)은, 영구자석의 선단측면에 단락한다.
이에 대해, 실시의 형태 1에서는 도 7에 도시하는 바와 같이 오목부(61)가 마련되어 있다. 이에 의해, 구멍 외측면(55)과 구멍 선단측면(57)과의 경계부에 간극(61a)이 생긴다. 그리고 도 7에 도시하는 바와 같이, 자석 표면에서 발생한 자속(M2)이, 자석 측면에 단락하기 어렵게 된다. 즉 영구자석(19)의 외측면(45)에서 발생한 자속(M2)은, 영구자석(19)의 선단측면에 단락하기 어렵게 된다. 따라서, 도 1에 도시하는 스테이터(3)에 쇄교하는 유효 자속량을 증가시킬 수 있다.
그렇지만, 그 한편으로, 도 9에 도시하는 제2의 로터 철심과 같이, 오목부가 너무 깊은 경우, 로터로부터 자속(M3)이 발생하기 위한 개구 폭(W)이 좁아져서, 스테이터에의 쇄교 자속량이 저하된다. 개구 폭(W)은, 한 쌍의 오목부(61) 중, 일방의 오목부(61)의 저부(61b)로부터 타방의 오목부(61)의 저부(61b)까지의 거리에 상당한다. 즉 제2의 로터 철심에서는, 오목부(61)가, 로터로부터 스테이터에 건너는 자속(M3)의 장애가 되어, 유기 전압이 저하된다는 바람직하지 않은 문제가 생긴다. 이에 관해, 도 10을 참조하면서 설명한다.
도 10은, 감자 전류 통전 전(前)의 유기 전압과, D/T비와의 관계를 도시하는 도면이다. 도 10에는, D/T를 변화시킨 경우의, 로터에 감자 위상의 전류를 통전하기 전의 유기 전압 특성의 그래프가 도시된다. 횡축은 D/T이다. 종축은 감자 전류의 통전 전의 유기 전압이다. 도 10의 유기 전압은, 오목부가 없는 D/T가 0%인 경우의 유기 전압을 기준 100%로 하고 있다.
유기 전압은, 로터 회전시의, 로터로부터 스테이터에 쇄교하는 자속에 의해 발생한 전압이고, 유기 전압의 크기에 의해, 스테이터에 쇄교하는 유효 자속량을 평가할 수 있다.
도 10에 도시하는 바와 같이, 오목부가 깊고, 예를 들면 D/T가 40%를 초과하는 경우, 오목부가, 로터로부터 스테이터에 건너는 자속의 장애가 되어, 유기 전압이 크게 저하되어 있음을 알 수 있다.
한편, 실시의 형태 1에서는, D/T를 10%로부터 40%로 함으로써, 오목부를 마련하고 있지 않은 경우, 즉 D/T=0%인 경우에 비하여, 영구자석(19)의 단부의 누설 자속을 억제할 수 있고, 유기 전압을 크게할 수 있다.
또한, 도 6으로 되돌아와, 제1의 로터 철심과 같이, 오목부가 마련되지 않은 경우, 로터의 중심을 향하여 돌출한 형상의 자석 삽입구멍을 갖는 로터에서는, 로터 외주에 가까운 자석 및 자석 삽입구멍의 각각의 단부는, 자극 중심의 철심부에 대해 투자율이 낮다. 로터 외주에 가까운 단부란, 실시의 형태 1의 선단측면(47) 또는 구멍 선단측면(57)에 상당하는 부분이다.
그 때문에, 스테이터 코일에 의해 발생한 자속(M4)이 쇄교하기 어렵다. 그 때문에, 스테이터 통전시의 자속은, 자석 삽입구멍에서의 로터 외주에 가까운 단부와, 로터 외주와의 사이의 철심 부분에 집중하기 쉽다. 스테이터 코일에 의해 발생하는 자속(M4)이 커지면, 당해 철심 부분에 배치된 영구자석의 단부가 감자되기 쉽다. 영구자석의 단부란, 실시의 형태 1의 선단측면(47)에 상당하는 부분이다.
이에 대해, 실시의 형태 1에서는 도 8에 도시하는 바와 같이 오목부(61)가 마련되어 있다. 이에 의해, 구멍 외측면(55)과 구멍 선단측면(57)과의 경계부에 간극(61a)이 생긴다. 그 때문에, 도 8에 도시하는 바와 같이, 스테이터 코일에서 발생한 자속(M5)이, 영구자석(19)의 단부에 쇄교하기 어렵게 되고, 감자되기 어려운 구성으로 할 수 있다. 이에 관해, 도 11을 참조하면서 설명한다.
도 11은, 감자 전류 통전 후의 유기 전압과, D/T비와의 관계를 도시하는 도면이다. 도 11에는, D/T를 변화시킨 경우의, 로터에 감자 위상의 전류를 통전한 후의 유기 전압 특성의 그래프가 도시된다. 횡축은 D/T이다. 종축은 감자 전류의 통전 후의 유기 전압이다. 도 11의 유기 전압은, 오목부가 없는 D/T가 0%인 경우의 유기 전압을 기준 100%로 하고 있다.
도 11로부터 알 수 있는 바와 같이 오목부가 없는, 즉 D/T=0%인 경우에 대해, 오목부를 마련한 쪽이 감자량이 작고, 유기 전압은 커진다.
한편으로, 오목부가 깊고, 예를 들면 D/T가 40%보다도 큰 경우, 도 10과 마찬가지로 오목부가 로터로부터 스테이터에 건너는 자속의 장애가 되기 때문에, 유기 전압이 저하된다.
이에 의해, D/T의 바람직한 범위는 10%로부터 40%까지이다. 즉 실시의 형태 1에서는, D/T를 10%로부터 40%로 함으로써, 감자 전류의 통전 전, 및, 감자 전류의 통전 후의 양쪽에서, 오목부가 없는 경우에 대해 유기 전압을 향상시킬 수 있고, 효율 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
그리고, 상기한 바와 같이 유기 전압을 향상시킴으로써, 동일 토오크를 발생시키는 경우의 모터 전류를 작게 할 수 있고, 결과로서, 모터의 코일에서 발생하는 동손(銅損), 인버터에서 발생한 통전 로스를 저감할 수 있고, 고효율의 모터, 및, 압축기를 구성할 수 있다.
또한, 유기 전압이 향상한 분만큼, 모터에 사용되고 있는 자석량 및 모터 체적을 작게 하여도, 종래와 동등한 출력으로 설계할 수 있기 때문에, 소형의 모터를 구성할 수 있다.
또한, 감자 특성이 향상함으로써, 종래보다 큰 전류를 모터에 통전하여도, 감자 하지 않는 구성으로 할 수 있다. 그 때문에, 후술하는 바와 같은 압축기의 신뢰성을 향상시킬 수 있음과 함께, 운전 범위의 확대를 도모할 수 있다. 특히, 보자력이 낮은 페라이트 자석과 고온화에서 사용하는 희토류 자석에 효과적이다. 또한, 희토류 자석은, 고온화에서, 보자력이 저하되는 특성을 갖는다.
또한, 실시의 형태 1에서는 원호형상의 자석 삽입구멍(21) 및 영구자석(19)을 사용한 예를 설명하였지만, 직선 형상의 자석 삽입구멍 및 영구자석을 사용하여도 좋다. 도 12는, 도 1에 도시하는 로터의 변형례를 도시하는 도면이다. 도 12에 도시하는 로터(5-1)는, 직선 형상의 자석 삽입구멍(21) 및 영구자석(19)을 갖는다.
V자형상으로 형성된 하나의 자석 삽입구멍(21)에는 2개의 영구자석(19)이 삽입되어 있다. 2개의 영구자석(19)으로 하나의 자극을 구성한다.
구체적으로는, 복수의 자석 삽입구멍(21)은 각각이, 회전 중심선(CL)부터 로터 외주면(5a)측을 향하여 V자형으로 열리도록 형성된다. 즉 복수의 자석 삽입구멍(21)은 각각이, 로터(5-1)의 중심을 향하여 돌출한 형상이다. 복수의 자석 삽입구멍(21)은 각각 동일 원주상에 마련된다.
자석 삽입구멍(21)에는 평판형상의 영구자석(19)이 매입되어 있다. 하나의 자석 삽입구멍(21)에는 한 쌍으로 1조(組)의 영구자석(19)이 매입되고, 1조의 영구자석(19)에 의해 하나의 자극이 구성된다.
자석 삽입구멍(21)의 구멍 외측면에는, 한 쌍의 오목부(61)가 형성된다. 한 쌍의 오목부(61) 중, 일방의 오목부(61)는, 구멍 외측면의 일단측에 위치하고 있다. 한 쌍의 오목부(61) 중, 타방의 오목부(61)는, 구멍 외측면의 타단측에 위치하고 있다.
한 쌍의 오목부(61)는 각각, 자극 중심선(MC)을 향하여 늘어나 있다. 한 쌍의 오목부(61)의 저부(61b)는 각각, 원호형상으로 형성되어 있다. 오목부(61)와 영구자석(19)의 외측면과의 사이에는, 비자성 영역인 간극(61a)이 생겨 있다. 간극(61a)은, 오목부(61)의 내주면과 영구자석(19)의 외측면에 둘러싸여지는 공간이다.
이상에 설명한 바와 같이 실시의 형태 1의 영구자석 매입형 전동기(1)는, 환형상의 스테이터와, 스테이터의 내측에 배치된 환형상의 로터 철심을 구비하고, 로터 철심은, 스테이터의 둘레방향으로 배열된 복수개의 자석 삽입구멍을 가지며, 복수개의 자석 삽입구멍의 각각의 단면 형상은 스테이터의 중심을 향하여 돌출한 형상이고, 복수개의 자석 삽입구멍은 각각이 스테이터의 지름방향에서의 외측면에 한 쌍의 오목부를 가지며, 복수개의 자석 삽입구멍의 각각의 한 쌍의 오목부는 각각이 외측면의 일단부 및 타단부에 배치되고, 일단부 및 타단부는 스테이터의 둘레방향으로 배열된다. 또한 영구자석 매입형 전동기(1)는, 복수개의 자석 삽입구멍에 각각 삽입되는 복수개의 영구자석을 구비하고, 한 쌍의 오목부는, 각각의 깊이가, 스테이터의 지름방향에서의 복수개의 영구자석의 각각의 두께의 10%로부터 40%이다. 이 구성에 의해, 그 때문에 영구자석(19)의 자속량의 저하를 피하면서도, 감자되기 어려운 고효율의 영구자석 매입형 전동기(1)를 얻을 수 있다.
실시의 형태 2.
다음에, 실시의 형태 1에 관한 영구자석 매입형 전동기(1)를 내장한 압축기에 관해 설명한다.
도 13은, 본 발명의 실시의 형태 2에 관한 압축기의 종단면도이다. 도 13의 압축기는 실시의 형태 1의 영구자석 매입형 전동기를 내장한 로터리 압축기(260)이다.
로터리 압축기(260)는, 밀폐 용기(261) 내에, 실시의 형태 1의 영구자석 매입형 전동기(1)를 전동 요소로서 구비하고, 또한 압축 요소(262)를 구비한다. 도시는 하지 않지만, 밀폐 용기(261)의 저부에는, 압축 요소(262)의 각 활주부를 윤활하는 냉동기유가 저류되어 있다.
압축 요소(262)는, 주된 요소로서, 상하 적층 상태로 마련된 실린더(263)와, 영구자석 매입형 전동기(1)에 의해 회전하는 샤프트(13)인 회전축(264)과, 회전축(264)에 삽입되는 피스톤(265)과, 실린더(263) 내를 흡입측과 압축측으로 나누는 도시하지 않은 베인과, 회전축(264)이 회전 자유롭게 삽입되고, 실린더(263)의 축방향 단면을 폐색하는 상하 한 쌍의 상부 프레임(266) 및 하부 프레임(267)과, 상부 프레임(266) 및 하부 프레임(267)에 각각 장착된 머플러(268)를 포함하고 있다.
영구자석 매입형 전동기(1)의 스테이터(3)는, 밀폐 용기(261)에 수축 끼워맞춤(shrink fitting), 냉각 끼워맞춤(cooling fitting), 또는 용접(welding)에 의해 직접 부착되어 지지되어 있다. 스테이터(3)의 코일에는, 밀폐 용기(261)에 고정된 유리 단자(269)로부터 전력이 공급된다.
로터(5)는, 스테이터(3)의 내경측에, 간극(15)을 통하여 배치되어 있고, 로터(5)의 중심부의 회전축(264)을 통하여 압축 요소(262)의 축받이부에 의해 회전 가능한 상태로 유지되어 있다. 축받이부는 상부 프레임(266) 및 하부 프레임(267)에 상당한다.
다음에, 로터리 압축기(260)의 동작에 관해 설명한다.
어큐뮬레이터(270)로부터 공급된 냉매 가스는, 밀폐 용기(261)에 고정된 흡입 파이프(271)에 의해 실린더(263) 내에 흡입된다.
인버터의 통전에 의해 영구자석 매입형 전동기(1)가 회전됨으로써, 회전축(264)에 감합된 피스톤(265)이 실린더(263) 내에서 회전된다. 그에 의해, 실린더(263) 내에서는 냉매의 압축이 행하여진다.
냉매는, 머플러를 경유한 후, 밀폐 용기(261) 내를 상승한다. 이때, 압축된 냉매에는 냉동기유가 혼입되어 있다.
이 냉매와 냉동기유와의 혼합물은, 로터 철심에 마련한 바람구멍을 통과할 때에, 냉매와 냉동기유와의 분리가 촉진되고, 냉동기유가 토출 파이프(272)에 유입하는 것을 방지할 수 있다. 이와 같이 하여, 압축된 냉매가, 밀폐 용기(261)에 마련된 토출 파이프(272)를 통과하여 냉동 사이클의 고압측으로 공급된다.
또한, 로터리 압축기(260)의 냉매로는, 종래로부터 존재하는 HFC 하이드로플루오로카본계 냉매인 R410A 및 R407C, 또는 하이드로클로로플루오로카본계 냉매인 R22가 사용되고 있다. 단 저지구 온난화 계수(이하「저GWP」)의 냉매 및 저GWP의 냉매 이외의 냉매도 적용할 수 있다. 지구 온난화 방지의 관점에서는 저GWP의 냉매가 바람직하다. 저GWP의 냉매의 대표례로서, 이하의 (1)부터 (3)에 나타내는 냉매가 있다.
(1) 조성 중에 탄소의 2중결합을 갖는 할로겐화탄화수소의 한 예인 HFO-1234yf(CF3CF=CH2)이다. HFO는, Hydro-Fluoro-Olefin의 약칭으로, Olefin은, 2중결합을 하나 갖는 불포화탄화수소인 것이다. 또한 HFO-1234yf의 GWP는 4이다.
(2) 조성 중에 탄소의 2중결합을 갖는 탄화수소의 한 예인 R1270프로필렌이다. 또한 GWP는 3이고, HFO-1234yf보다 작지만, 가연성은 HFO-1234yf보다 크다.
(3) 조성 중에 탄소의 2중결합을 갖는 할로겐화탄화수소와 조성 중에 탄소의 2중결합을 갖는 탄화수소의 어느 하나를 포함하는 혼합물의 한 예인 HFO-1234yf와, R32와의 혼합물이다. HFO-1234yf는, 저압 냉매이기 때문에 압손이 커지고, 냉동 사이클, 특히 증발기에서의 성능이 저하되기 쉽다. 그 때문에 HFO-1234yf보다 고압 냉매인 R32 또는 R41과의 혼합물이 실용상은 유력하게 된다.
또한 실시의 형태 2의 압축기는, 로터리 압축기로 한정되지 않고, 로터리 압축기 이외의 압축기, 예를 들면 스크롤 압축기 또는 밀폐형 압축기라도 좋다.
이상과 같이 구성된 로터리 압축기(260)에서도, 상술한 영구자석 매입형 전동기(1)를 사용함으로써, 상기 실시의 형태 1과 같은 효과를 얻을 수 있다.
실시의 형태 3.
도 14는 본 발명의 실시의 형태 3에 관한 냉동 공조 장치의 구성도이다. 실시의 형태 3에서는, 실시의 형태 2에 관한 로터리 압축기(260)를 탑재한 냉동 공조 장치(380)에 관해 설명한다.
냉동 공조 장치(380)는, 주된 요소로서, 로터리 압축기(260)와, 압축된 고온 고압의 냉매 가스의 열을 공기와 열교환하여 응축되어 액냉매로 하는 응축기(381)와, 액냉매를 팽창시켜서 저온 저압의 액냉매로 하는 팽창 장치(383)와, 저온 저압의 액냉매로부터 흡열하여 저온 저압의 가스 냉매로 하는 증발기(382)로 구성된다.
로터리 압축기(260), 응축기(381), 증발기(382) 및 팽창 장치(383)는, 각각 냉매 배관에 의해 접속되어 냉동 회로를 구성한다. 로터리 압축기(260)를 이용함에 의해 고효율로 고출력의 냉동 공조 장치(380)를 제공할 수 있다.
또한, 냉동 공조 장치(380)의 냉동 회로에는, 적어도 응축기(381), 증발기(382) 및 팽창 장치(383)를 포함하지만, 이들 이외의 구성 요소의 구성은, 특히, 한정되는 것이 아니다.
이상의 실시의 형태에 나타낸 구성은, 본 발명의 내용의 한 예를 나타내는 것이고, 다른 공지의 기술과고 조합시키는 것도 가능하고, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서, 구성의 일부를 생략, 변경하는 것도 가능하다.
1 : 영구자석 매입형 전동기
3 : 스테이터
5 : 로터
5-1 : 로터
5a: 로터 외주면
7 : 티스부
7a : 티스 치선부
9 : 슬롯부
11 : 로터 철심
11a : 측단 박육부
13 : 샤프트
15 : 간극
17 : 스테이터 철심
19 : 영구자석
21 : 자석 삽입구멍
33 : 코킹
35 : 바람구멍
37 : 리벳구멍
39 : 외측 철심부
43 : 내측면
43a : 제2 원호면
45 : 외측면
47 : 선단측면
49 : 스트레이트면
53 : 구멍 내측면
53a : 제2 원호면
55 : 구멍 외측면
55a: 제1 원호면
57 : 구멍 선단측면
59 : 스트레이트면
61 : 오목부
61a : 간극
61b : 저부
260 : 로터리 압축기
261 : 밀폐 용기
262 : 압축 요소
263 : 실린더
264 : 회전축
265 : 피스톤
266 : 상부 프레임
267 : 하부 프레임
268 : 머플러
269 : 유리 단자
270 : 어큐뮬레이터
271 : 흡입 파이프
272 : 토출 파이프
380 : 냉동 공조 장치
381 : 응축기
382 : 증발기
383 : 팽창 장치

Claims (5)

  1. 환형상의 스테이터와,
    상기 스테이터의 내측에 배치되고, 상기 스테이터의 둘레방향으로 배열된 복수개의 자석 삽입구멍을 가지며, 상기 복수개의 자석 삽입구멍의 각각의 단면 형상은 상기 스테이터의 중심을 향하여 돌출한 형상이고, 상기 복수개의 자석 삽입구멍은 각각이 상기 스테이터의 지름방향에서의 외측면에 한 쌍의 오목부를 가지며, 상기 복수개의 자석 삽입구멍의 각각의 상기 한 쌍의 오목부는 각각이 상기 외측면의 일단부 및 타단부에 배치되고, 상기 일단부 및 타단부는 상기 스테이터의 둘레방향으로 배열되는 환형상의 로터 철심과,
    상기 복수개의 자석 삽입구멍에 각각 삽입되는 복수개의 영구자석을 구비하고,
    상기 한 쌍의 오목부는, 각각의 깊이가, 상기 스테이터의 지름방향에서의 상기 복수개의 영구자석의 각각의 두께의 10%로부터 40%인 것을 특징으로 하는 영구자석 매입형 전동기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 한 쌍의 오목부의 각각과 상기 복수개의 영구자석의 각각의 사이에는, 상기 복수개의 영구자석의 각각에 상기 영구자석이 삽입된 상태에서, 간극이 생겨 있는 것을 특징으로 하는 영구자석 매입형 전동기.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 복수개의 영구자석의 각각은, 페라이트 자석 또는 희토류 자석인 것을 특징으로 하는 영구자석 매입형 전동기.
  4. 밀폐 용기 내에 전동기와 압축 요소를 구비한 압축기로서,
    상기 전동기는 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 영구자석 매입형 전동기인 것을 특징으로 하는 압축기.
  5. 제4항에 기재된 압축기를 냉동 회로의 구성 요소로서 구비하는 것을 특징으로 하는 냉동 공조 장치.
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