JP7169911B2 - 電動機及びこれを備える機器 - Google Patents

Description

本発明は、電動機及びこれを備える機器に関する。

密閉型圧縮機に用いられる電動機には小型化が要求される。冷蔵庫やヒートポンプ式給湯器に搭載される密閉型圧縮機においては、たとえば電動機の回転子外径が５５～６５ｍｍと設計されることが多くなってきている。回転子鉄心内に埋め込まれる永久磁石の数は、効率化の観点からは多い方が好ましいが、小型の回転子鉄心に多数の永久磁石を配することは難しく、多くの場合、回転子の極数は４または６とされる。

しかし、８極や１０極といったさらなる多極化が達成できれば、１極あたりの必要磁束量が分散し、固定子の磁路を減らすことができるなど、さらなる高効率化が期待できる。回転子８極、または１０極への好適なスロット数の組み合わせとしては１２スロットが考えられる。

回転子の大型化を回避しつつスロット数を増加させるには、永久磁石形状に工夫が求められる。永久磁石については、磁束量の観点からは、成形自由度の大きいボンド磁石よりも、焼結磁石が好ましい。しかし、焼結磁石を小型に成形することは比較的難度が高い。例えば、成形性や耐久性等の観点から、円弧状に成形する際の最大円弧角や曲率半径を自由に設計できなかったり、厚みを均一にしなければならなかったりという制約が現れてくる。このため、１スロットに設計者所望の形状の焼結磁石を配するべく、２つ以上の焼結磁石を配することが知られているが、永久磁石数の増加はコスト増加を招来するため好ましくない。

また、１極あたりの永久磁石の配置としては従来、例えば、永久磁石の磁極面を回転子外周の磁極中心点に対向させるものが知られている。たとえば１又は２つ以上の永久磁石をアーク型、バスタブ型、Ｕ字型、Ｖ字型等に配することが知られている。いずれにしても、磁極中心点側の永久磁石の面積を大きくして磁束量を確保すること、磁極中心側から両端側に向かって徐々に磁束量が低くなる正弦波分布（又はこれに近い分布）が得られる形状にすること、が望まれている。この観点からは、磁極面形状を直線状にするのではなく円弧状にすることが良い。

関連する技術として、適用される製品に小型製品を想定しているか明らかではないが、１０極化を実現した回転子の例として、特許文献１がある。特許文献１は、直線状の焼結磁石６１，６２と、形状自由度の高い曲線状のボンド磁石６３が１つのスロットに配されている（０００４，０００８－０００９、図１－４）。

特開２０１５－１３３８３９号公報

特許文献１は、直線状の焼結磁石で磁束を確保し、曲線状のボンド磁石で焼結磁石を連結しようとしている。直線状の焼結磁石による磁束は正弦波状の分布を与えるにはやや遠い形状となっており、ボンド磁石が配される領域は曲率半径が小さいなど焼結磁石で成形することが困難である、と考えられる。ボンド磁石は成形自由度が高い一方で磁束量が少ない。しかし焼結磁石は磁束量が多い一方で、大きな曲率での成形や、厚みが不均一な形状、大きな円弧角での成形が困難である。

上記事情に鑑みてなされた本発明は、
固定子と、
該固定子の空隙に配され、回転軸が配される回転子鉄心と、
該回転子鉄心に配された焼結磁石と、を有し、
軸方向視で、該焼結磁石は、
前記固定子側に位置し、該焼結磁石よりも前記固定子側に在る第１の点を中心とする曲率半径Ｒ１の略円弧状の固定子側円弧部と、
前記回転軸側に位置し、該焼結磁石よりも前記固定子側に在る第２の点を中心とする曲率半径Ｒ２の略円弧状の軸側円弧部と、
前記焼結磁石のｑ軸に沿って、かつｑ軸とは一致しないｑ軸沿部と、を有し、
前記第２の点は、前記第１の点よりも前記固定子側に在り、
前記焼結磁石のｑ軸側の厚さの最小値Ｘよりもｄ軸側の厚さの最大値Ｙの方が長く、
前記Ｒ２は、前記第２の点から前記ｑ軸に下ろした垂線の長さＬ２の９５％以上である電動機である。

実施形態の電動機の斜視図 図１の軸方向に垂直な断面図 実施形態の（ａ）永久磁石の軸方向視の断面図および（ｂ）斜視図 実施形態の回転子の磁極１極全体と、それに隣接する回転子磁極の一部との上面図 実施形態の電動機を搭載した密閉型圧縮機の縦断面図 実施形態の密閉型圧縮機を搭載した機器の一例としての冷蔵庫の縦断面図

本発明の実施形態を添付の図面を参照しつつ説明する。
本実施形態の電動機１は、１０極１２スロットのタイプであるが、極数やスロット数は必ずしもこれに限られない。

図１は本実施形態の電動機１の斜視図である。図２は図１の軸方向に垂直な断面図である。
電動機１は、固定子及び回転子を有している。

（固定子）
固定子は、電磁鋼板を積層して形成され、図２のような上面視（軸方向視）で中央側に円形の空隙を備えた固定子鉄心４、固定子鉄心４に周方向に複数（本実施形態では１２個）並べられていて円形の空隙に内周端がそれぞれ対向するティース４２、上面視でティース４２間それぞれの空隙である複数（本実施形態では１２個）のスロット４１を有している。スロット４１それぞれには、絶縁材６を介して各相のコイル５が計１２か所に巻き回されている。電動機１は単相駆動でもよいし３相駆動でもよい。

（回転子）
回転子は、固定子鉄心４の円形の空隙に配されており、電磁鋼板を積層して形成された回転子鉄心７を有している。回転子鉄心７の外周７３がティース４２の内周端に対向する。上面視中心には、回転軸（例えば、圧縮機のクランクシャフト）が挿通及び固定される中心孔７２が配されている。上面視で外周７３と中心孔７２との間には、磁石挿入孔７１が複数（本実施形態では１０か所）配され、各々に永久磁石８が設けられている。回転軸心となる中心孔７２の中心Ｏを基準にして、永久磁石８の中心に向かう方向をｄ軸方向とし、２つの永久磁石８間の中央（磁極間）に向かう方向をｑ軸方向とする。以下では、仮想の半直線としてｄ軸とｑ軸とを用いて説明することがある。本実施形態の回転子の半径ｒは３３．００ｍｍとしている。以下では、永久磁石８等に関して寸法を記載しているが、ｒの値を参照してｒ等に対する寸法の比率を求めることができることは自明である。また、文脈にしたがって本明細書に掲げられる寸法等が満たす関係式について、寸法の比率等を改めて演算し、この比率以下もしくは未満又は以上もしくは超とするべき基準値（関係式の上下限）を求めることができる。

（永久磁石８）
図３は（ａ）永久磁石１個の軸方向視の断面図および（ｂ）斜視図である。図４は回転子磁極１極全体と、それに隣接する回転子磁極の一部との上面図である。
永久磁石８は、固定子側の固定子側面と、回転軸側の軸側面とを有する焼結磁石である。

固定子側面としては、永久磁石８、好ましくは回転子鉄心４よりも固定子側に在る点８５（第１の点）を中心とする略円弧状に形成された固定子側円弧部８１を有している。固定子側円弧部８１の曲率半径Ｒ１は、点８５からｑ軸に下ろした垂線の長さＬ１よりも短い。

磁束量を大きくする観点から、固定子側面の面積を大きくすることが求められる。このため、固定子側面は、軸方向視における周長が長い方が好ましい。１つの焼結磁石では、２つの線分で描かれるような、例えばＶ字状の成形は困難であることから、曲線状の成形をなすことが考えられる。すると、少なくとも周方向内側（ｄ軸側）を略円弧状にすることが好ましい。

本実施形態では、固定子側面の全部を円弧状として固定子側円弧部８１としており、第１の点８５から固定子側円弧部８１の両端それぞれまでの３点を仮想の線分で結んだ場合になされる角θ、すなわち中心角（円弧角）を１４０°以上１５０°以下にしている。１４０°以上とすることで周長を確保できる。しかし、円弧角を大きくする成形は困難であり、１５０°以下とすることで１つの焼結磁石による成形性を確保できる。

また、第１の点８５が軸側に在ると、必然的に軸側面も軸側にずれていくことになる。１極を納めるべき領域（図３，４に例示するような、回転軸心Ｏから（３６０／（極数））°の領域）は、軸側が狭く固定子側が広い形状であるから、永久磁石８の厚みを確保したり均一にしたりしにくくなる。よって、固定子側面を固定子側に設定すべく、第１の点８５は、好ましくは回転子鉄心４の外周上又はこれより固定子側に位置する。

このため、周長の確保の観点や永久磁石８の厚みの確保等の観点から、第１の点８５は、好ましくは回転子鉄心４の外周上、又は回転子鉄心４よりも固定子側に在る。

また、焼結磁石の成形性の観点から、磁石の曲がり深さ、すなわちｄ軸と交わる点から固定子側円弧部８１の両端それぞれを仮想の線分で結んだ場合になされる角Φに下限を設けることが好ましく、例えば１０５°以上にする。

このとき、「固定子側円弧部８１の端部」とは、永久磁石８に面取り等の丸みを持たせる加工がされている場合は、固定子側円弧部８１の仮想の延長線と後述する接続部８４の仮想の延長線との交点とすることができる。

なお、固定子側面としては、固定子側円弧部８１の両端から、固定子側に向けて直線状に延ばす部分を設けてもよいが、焼結磁石の成形性の観点から、第１の点８５から直線部分の両端２点それぞれとを結んだ場合になされる角は、全体が円弧状である場合と略同じ制限を受ける。一部を直線状にするよりも全部を円弧状にする方が周長を確保しやすいから、本実施形態のように、全体を円弧状とする方が最も好ましい。尤も、周長の略全体、すなわち、周長の９０％以上、９５％以上、又は９８％以上を円弧状としてもよい。また、磁束分布を正弦波状に近づける観点からも、略全体を円弧状とする方が好ましい。

軸側面としては、永久磁石８よりも固定子側に在る点８６（第２の点）を中心とする略円弧状に形成された軸側円弧部８２を有している。軸側円弧部８２の曲率半径Ｒ２は、第２の点８６からｑ軸に下ろした垂線の長さＬ２の９５％以上にすることができ、９８％以上、９９％以上、または１００％以上にしてもよい。ただし、１００％以上とした場合であっても、後述のｑ軸沿部８３を有することで、軸側面は、ｑ軸とは交わりも接しもしないで離間している。

さて、焼結磁石は通常、材料となる磁性粉を、磁極化する方向に磁場を加えながらプレスして成形される。優れた磁気特性を出すために、プレス方向は磁場方向と略一致するように金型設計するのが一般的であり、本実施形態では、軸方向に垂直な方向からプレスされる。

すると、プレス圧を均一にかけるには、図３（ａ）のような軸方向視の形状における厚みが概ね均一であることが好ましい。すなわち、厚みが小さくなるｑ軸側の厚さの最小値Ｘと厚みが大ききなるｄ軸側の厚さの最大値Ｙとの差が小さくなることが好ましい。このため、本実施形態では第１の点８５と第２の点８６とを略一致させて固定子側円弧部８１と軸側円弧部８２とを略同心円にすることで厚みを均一にしている。

２つの点８５，８６は必ずしも一致しなくてもよいが、不一致とする場合は第２の点８６が第１の点８５よりも固定子側に在るのが良い。これにより、後述するｑ軸沿部８３を設けてもＸが薄くなりすぎる虞を低減できる。

ＸとＹとの差が５．００ｍｍ以下になる程度の不一致に収まることが好ましく、または、１．０≦Ｙ／Ｘ≦１．２の不等式が成り立つのが良い。なお、本実施形態のようにＸ≦Ｙでもよいが、Ｙ＜Ｘとして１．０＜Ｘ／Ｙ≦１．２でもよい。

また、軸側面はさらに、軸側円弧部８２の両端側それぞれに接続し、固定子側に向けてｑ軸に沿って、好ましくはｑ軸と平行に延在するｑ軸沿部８３を有する。ここで、「沿う」とは、沿われる対象に一致することは含まない。すなわちｑ軸沿部８３は、ｑ軸から一部または全部が離間しており、ｑ軸とは一部または全部が一致しない。

ｑ軸沿部８３は、その軸側が、好ましくはｑ軸沿部８３の全部が、軸側円弧部８２を仮想的に延長した延長線よりｄ軸側に位置するようにされている。また、別の見方としては、ｑ軸沿部８３は、その軸側が、好ましくはｑ軸沿部８３の全部が、第２の点８６を中心とする半径Ｒ２の仮想の円の内側（境界を含む。）に、位置している。
第１の点８５は本実施形態と同様にして第２の点８６と同一でもよいし、第２の点８６より軸側でもよい。

また、固定子側面と軸側面とをつなぐ部分として、固定子側円弧部８１の両端側それぞれとｑ軸沿部８３の固定子側それぞれとをつなぐ接続部８４とを有する。

このような永久磁石形状とすることで、永久磁石の磁極面となる固定子側円弧部８１の面積を確保しつつ、曲率半径が小さい部分が現れたり磁石厚みが薄くなったり不均一になったりすることを抑制できるから、永久磁石８の成形性や耐久性を向上できる。

また、中央側の磁束量を多く、両端側の磁束量を少なく構成し、好適な磁束分布に近づけられるので、多極実現のために効果的に永久磁石を敷き詰めることができる。

これにより空気調和機やヒートポンプ式給湯機などの密閉形圧縮機の固定子寸法を大型化することなく、例えば８極や１０極以上の多極化ができるので、小形、低コスト、高効率化した密閉型電動機を提供することできる。

図５は電動機を搭載した機器の一例としての密閉形圧縮機の縦断面図である。図６は密閉形圧縮機を搭載した家電機器の一例としての冷蔵庫の縦断面図である。家電機器としてはほかに、空気調和機やヒートポンプ式給湯機などが挙げられる。
密閉容器５０内には、電動機１と、回転子に締結されたクランクシャフト３５とクランクシャフトの回転運動をピストン３７の往復運動に変換するコンロッド３６で構成される動力伝達部と、ピストン３７の往復運動によりシリンダ３８内で冷媒ガスを圧縮し冷媒ガスの吸込・吸込を制御するバルブプレート１９から構成される圧縮機機構部から構成される。

電動機１はコイル５に電流を流して固定子に発生する電磁力によって、回転子をシャフト３５と共に、回転させる。

１ 電動機
４ 固定子鉄心
４１ スロット
４２ ティース
５ コイル
６ 絶縁材
７ 回転子鉄心
７１ 磁石挿入孔
７２ 中心孔
７３ 外周
８ 永久磁石
８１ 固定子側円弧部
８２ 軸側円弧部
８３ ｑ軸沿部
８４ 接続部
８５ 固定子側円弧部の中心点（第１の点）
８６ 軸側円弧部の中心点（第２の点）
５０ 密閉型圧縮機
１００冷蔵庫

Claims (6)

1. 固定子と、
   該固定子の空隙に配され、回転軸が配される回転子鉄心と、
   該回転子鉄心に配された焼結磁石と、を有し、
   軸方向視で、該焼結磁石は、
   前記固定子側に位置し、該焼結磁石よりも前記固定子側に在る第１の点を中心とする曲率半径Ｒ１の略円弧状の固定子側円弧部と、
   前記回転軸側に位置し、該焼結磁石よりも前記固定子側に在る第２の点を中心とする曲率半径Ｒ２の略円弧状の軸側円弧部と、
   前記焼結磁石のｑ軸に沿って、かつｑ軸とは一致しないｑ軸沿部と、を有し、
   前記第２の点は、前記第１の点よりも前記固定子側に在り、
   前記焼結磁石のｑ軸側の厚さの最小値Ｘよりもｄ軸側の厚さの最大値Ｙの方が長く、
   前記Ｒ２は、前記第２の点から前記ｑ軸に下ろした垂線の長さＬ２の９５％以上である電動機。
2. 前記ｑ軸沿部の回転軸側は、前記第２の点を中心とする半径Ｒ２の仮想の円の内側又は境界上に位置する請求項１に記載の電動機。
3. 前記第１の点は、前記回転子鉄心の外周上又は前記回転子鉄心よりも前記固定子側に在る請求項１又は２に記載の電動機。
4. 前記最小値Ｘと前記最大値Ｙとが、不等式１．０≦Ｙ／Ｘ≦１．２を満たす請求項１乃至３何れか一項に記載の電動機。
5. 前記最小値Ｘと前記最大値Ｙとの差は、５．００ｍｍ以下である請求項４に記載の電動機。
6. 請求項１乃至５何れか一項に記載の電動機を備える機器。
   

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