(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の構成板が積層されている回転子鉄心を有する回転子と、
前記回転子を囲むように設けられた固定子とを備え、
前記回転子鉄心は、周方向に沿って極数の数だけ形成された複数の磁石収容孔と、該複数の磁石収容孔に収容された複数の永久磁石と、冷媒及び冷凍機油が通過するための経路となる風穴部と、積層された前記複数の構成板を締結するための締結穴とを含み、
複数の磁石収容孔はそれぞれ、前記回転子鉄心の径方向内側に向かって突出し且つ径方向外側に向かって凹む形状に形成されており、前記磁石収容孔はそれぞれ、前記回転子鉄心の径方向内側に向かって突出する内側画定ラインを有し、
前記複数の風穴部と前記複数の締結穴とは交互に位置するように前記回転子鉄心の周方向に並べられており、
前記風穴部の形状は、回転軸の外周面に沿って前記回転子鉄心の周方向に弧状に広がる部分を含むように形成され、それにより、前記風穴部の面積は、前記締結穴の面積よりも大きく、
前記風穴部の周方向の広がり角度をθ１とし、対応する一対の磁極のピッチをθ２としたとき、θ１≧θ２であり、
前記風穴部の形状は、前記回転子鉄心の径方向外側に向かう凸部と、前記磁石収容孔の前記内側画定ラインに沿って回転子鉄心の周方向に延びる部分と、を含むように形成されている、
永久磁石埋込型電動機。
【請求項２】
前記磁石収容孔の短手方向の厚みは、磁極の極中心部が最も小さく、前記回転子鉄心の径方向外側に向かうにしたがい徐々に大きくなるように構成されている、
請求項１の永久磁石埋込型電動機。
【請求項３】
前記複数の風穴部はそれぞれ、分割された複数の空間部分から構成されている、
請求項１または２の永久磁石埋込型電動機。
【請求項４】
前記回転子鉄心の外周面と前記固定子の内周面との間には、空隙が形成されており、
前記永久磁石の極中心部の厚みは、前記空隙の幅の８倍以上となるように構成される、
請求項１〜３の何れか一項の永久磁石埋込型電動機。
【請求項５】
密閉容器内に、電動機と、圧縮要素とを備えた圧縮機であって、
前記電動機は、請求項１〜４の何れか一項の永久磁石埋込型電動機である、
圧縮機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、永久磁石を回転子鉄心の内部に埋め込んだ永久磁石埋め込み式の永久磁石型電動機および圧縮機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、省エネ意識の高まりから、回転子に保磁力の高い希土類永久磁石を用いることによって高効率化を実現した永久磁石型モータが多く提案されている。ただし、希土類永久磁石は高価であり電動機のコスト増加を招くため、従来の一般的な永久磁石埋込型電動機の回転子には、希土類永久磁石の代わりに焼結フェライト磁石が用いられている。このように、希土類永久磁石の代わりに焼結フェライト磁石を用いた場合、磁力の大きさを示す残留磁束密度が約１／３に低下する。磁力の低下によるトルク不足を補うためには、永久磁石の表面積を可能な限り大きな形状とし、表面積で磁力不足を補う必要がある。また、永久磁石によるトルクの他にリラクタンストルクを積極的に利用することで、永久磁石による磁力不足を補うことができる。【０００３】
例えば、特許文献１に開示された永久磁石埋込型電動機の回転子は、円弧状の永久磁石と、永久磁石を収容する打ち抜き孔を有する積層鉄心と、シャフトとから構成されており、打抜孔は、１極に対して１個の割合で設けられており、かつ、打抜孔の円弧形状は、回転子中心に向かって凸状に形成されていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平６−３３９４２０（図１など）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１に開示された永久磁石埋込型電動機は、圧縮機に組み込んだ場合、十分な冷媒の経路を確保できず、圧縮機の性能低下を招いていた。また、冷媒と冷凍機油が分離されにくく密閉容器外へ冷凍機油が持ち出されてしまうことが多く、圧縮機の油枯渇が発生するという問題があった。【０００６】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、焼結フェライト磁石を用いた場合であっても、適正な磁力を確保することができ、尚且つ、圧縮機に組み込まれたときでも、冷媒の経路を十分に確保するとともに、冷媒と冷凍機油の分離を促進することができる、永久磁石埋込型電動機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した目的を達成するため、本発明の永久磁石埋込型電動機は、複数の構成板が積層されている回転子鉄心を有する回転子と、前記回転子を囲むように設けられた固定子とを備え、前記回転子鉄心は、周方向に沿って極数の数だけ形成された複数の磁石収容孔と、該複数の磁石収容孔に収容された複数の永久磁石と、冷媒及び冷凍機油が通過するための経路となる風穴部と、積層された前記複数の構成板を締結するための締結穴とを含み、複数の磁石収容孔はそれぞれ、前記回転子鉄心の径方向内側に向かって突出し且つ径方向外側に向かって凹む形状に形成されており、前記複数の風穴部と前記複数の締結穴とは交互に位置するように前記回転子鉄心の周方向に並べられており、前記風穴部の形状は、前記回転軸の外周面に沿って前記回転子鉄心の周方向に弧状に広がる部分を含むように形成され、それにより、前記風穴部の面積は、前記締結穴の面積よりも大きい。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、焼結フェライト磁石を用いた場合であっても、適正な磁力を確保しつつ、冷媒の経路を十分に確保するとともに、冷媒と冷凍機油の分離を促進し、高性能な圧縮機を提供できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施の形態１に係る永久磁石埋込型電動機の断面図である。
【図２】図１に示される回転子鉄心の断面図である。
【図３】図２の回転子鉄心にフェライト磁石を収容した断面図である。
【図４】本発明の実施の形態２に関する、図３と同態様の図である。
【図５】本発明の実施の形態３に関する、図３と同態様の図である。
【図６】本発明の電動機を、圧縮機に組み込んだ状態を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明に係る永久磁石埋込型電動機の実施の形態について添付図面に基づいて説明する。なお、図中、同一符号は同一又は対応部分を示すものとする。
【００１１】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る永久磁石埋込型電動機の断面図であり、図２は図１に示される回転子鉄心を示す断面図であり、図３は図２の回転子鉄心にフェライト磁石を収容した状態の断面図である。なお、図１〜図３は、後述する回転子の回転軸を垂線とする面を紙面としている。
【００１２】
図１において、本発明の実施の形態１に係る永久磁石埋込型電動機５０は、円環状の固定子１と、回転子１００とを備えている。固定子１は、環状を成す固定子鉄心２と、この固定子鉄心２の内周部において周方向（回転子１００の回転方向）に等角ピッチで形成された複数のスロット３と、各スロット３に収容されたコイル４とを有している。
【００１３】
固定子１の内周側には、回転子１００が回転可能に配設され、回転子１００（回転子鉄心１２）の外周面１５と固定子１の内周面１ａとの間には、円筒状の空隙５が形成されている。なお、図１に示される固定子１は、一例として分布巻の固定子であるが、集中巻の固定子であってもよい。
【００１４】
一方、回転子１００は、主たる構成として、回転子鉄心１２と、回転軸１１と、複数の永久磁石１４とを有している。回転軸１１には、駆動源から回転エネルギーが伝達され、かかる回転エネルギーによって、回転軸１１の周囲に設けられている回転子鉄心１２が、回転される。回転子鉄心１２と回転軸１１とは、例えば焼嵌および圧入等により連結されている。
【００１５】
さらに、図２を参照して、回転子の詳細を説明する。図２には、永久磁石１４を収容する前の回転子鉄心１２が示されている。回転子鉄心１２は、金型で所定形状に打ち抜いたケイ素鋼板（構成板）を、回転軸１１の延在方向（図２の紙面表裏方向）に複数枚積層して製作される。回転子鉄心１２の外周面１５は、円筒状に形成されている。
【００１６】
回転子鉄心１２には、周方向に沿って同一円周上に設けられた６つの磁石収容孔１３が形成されている。磁石収容孔１３はそれぞれ、図１〜図３においてみて回転子鉄心１２の径方向内側に向かって突出し且つ径方向外側に向かって凹む形状に形成されている。一例として、具体的には、磁石収容孔１３はそれぞれ、図１〜図３においてみて略Ｕ字状（内側画定ライン及び外側画定ラインが共に円弧状）に形成されている。また、磁石収容孔１３はそれぞれ、上記のＵ字における凹部側が回転子の外側を向く態様で、配置されている。
【００１７】
より詳細には、磁石収容孔１３はそれぞれ、図２の紙面においてみて、円弧状の内側画定ライン１３ａと、円弧状の外側画定ライン１３ｂと、回転子鉄心１２の外周面１５の近傍において内側画定ライン１３ａの端部及び外側画定ライン１３ｂの端部を結ぶ一対のエンドライン１３ｃとを有している。
【００１８】
さらに、磁石収容孔１３の短手方向（内側画定ライン１３ａ及び外側画定ライン１３ｂの中点を連ねる湾曲中心線ＣＣに直交する方向）の厚みは、磁極の極中心部が最も小さく、回転子鉄心１２の径方向外側に向かうにしたがい徐々に大きくなるように構成される。
【００１９】
回転子鉄心１２は、回転子鉄心１２の外周面１５と、各磁石収容孔１３のエンドライン１３ｃそれぞれとの間に、外周薄肉鉄心部６を含んでいる。
【００２０】
このように回転子鉄心１２を構成することによって、磁石収容孔１３の両端部（エンドライン１３ｃ）付近の磁気抵抗を大きくすることができる。これにより、回転子鉄心１２の突極比（最大インダクタンスに対する最小インダクタンスの比）を大きくでき、リラクタンストルクを有効に利用でき、高トルク化が実現できる。
【００２１】
図３に示されるように、磁石収容孔１３それぞれには、対応する永久磁石１４が収容される。すなわち、回転子鉄心１２の磁極を構成する永久磁石１４は、回転子鉄心１２の外周側において回転子鉄心１２の周方向へ極数と同数だけ配置される。また、永久磁石１４は、常温での残留磁束密度が０．４Ｔから０．５Ｔ程度の焼結フェライト磁石であり、永久磁石１４の極中心部の厚みは、空隙５の幅（電動機径方向の寸法）の８倍以上となるように構成される。
【００２２】
永久磁石１４の外縁形状は、磁石収容孔１３の内縁形状と、概ね相似である。永久磁石１４の周方向両端部（径方向外側の両端部）の内側部分１４ａには、局所的な部分減磁を回避するため、適宜、面取り加工１４ｂが施されている。そして、各永久磁石１４は、回転子１００の径方向に対してＮ極とＳ極とが交互になるように着磁されている。具体的には、永久磁石１４の配向の焦点が、回転子１００の中心ＣＡと永久磁石１４の磁極の中央部とを通る中央線上であって、かつ、回転子１００の外側に位置するように、ラジアル配向に着磁されている。
【００２３】
焼結フェライト磁石は、Ｎｄ・Ｆｅ・Ｂ系の焼結希土類永久磁石に比べ、電気抵抗が大きいため、渦電流損は流れにくい反面、保磁力が非常に小さく（焼結希土類永久磁石の１／３程度）、反磁界が加わると減磁し易いという特性を有する。一方、磁気抵抗は、磁石収容孔がない場合は、鉄心の中心側にいくほど大きくなる。したがって、磁石収容孔の短手方向の厚みを鉄心中心側（極中心部）で最も小さくし、鉄心外径側になるにつれ大きくすることで、磁気抵抗のアンバランスを緩和し、永久磁石の端部付近に反磁界が集中するのを防止することができる。
【００２４】
このように永久磁石を配置することによって、永久磁石の磁力を効果的に確保することができる。また、永久磁石の両端部の減磁耐力を改善することができる。
【００２５】
回転子鉄心１２における回転軸１１と磁石収容孔１３との間の部分には、冷媒や冷凍機油が通過するための経路となる複数の風穴部７と、回転子鉄心１２を構成すべく積層された複数のケイ素鋼板を締結するための真円形状の複数の締結穴８が形成される。
【００２６】
風穴部７は、回転軸１１に沿って極数の半分の数だけ配置される。風穴部７はそれぞれ、対応する極間部に配置されている。また、風穴部７と締結穴８とは交互に位置するように回転子鉄心１２の周方向に並べられている。具体的には、本実施の形態１では、６極の構成であるため、風穴部７の数は３個であり、締結穴８の数も３個である。さらに、風穴部７と締結穴８との配置の態様は、極間部毎に対称的となっている。
【００２７】
また、風穴部７の形状は、回転軸１１の円筒外周面１１ａに沿って回転子鉄心１２の周方向に弧状に広がる部分７ａを含むように形成し、それによって、締結穴８の面積に対し、風穴部７の面積が大きくなるように企図されている。
【００２８】
ここで、図２に示されるように、風穴部７の周方向の広がり角度をθ１とし、対応する一対の磁極のピッチをθ２としたとき、θ１≧θ２となるよう構成される。換言するならば、回転子鉄心１２の中心ＣＡに関する半径で規定される、一対の磁極についての一対の磁極中心線ＭＣを観念したとき、風穴部７は、対応する一対の磁極中心線ＭＣの周方向外側の領域にまで広がる部分を有している。
【００２９】
また、風穴部７の形状は、回転子鉄心１２の径方向外側に向かう凸部７ｂを含むように形成されている。さらに、風穴部７の形状は、磁石収容孔１３の内側画定ライン１３ａに沿って回転子鉄心１２の周方向に延びる部分７ｃを含むように形成されている。
【００３０】
このように風穴部７を配置することによって、ロータの強度と適正な磁力を確保しつつ、冷媒の経路を十分に確保できる。また、冷媒と冷凍機油の分離を促進することができる。これにより、冷媒の中に冷凍機油が混入して、冷凍サイクル中を循環し、熱伝導性能を低下するのを抑制することができ、高性能な圧縮機を提供できるという効果を奏する。
【００３１】
実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２に係る永久磁石埋込型電動機について説明する。上述した実施の形態１では、一対の磁石収容孔の間に、一つの空間から構成される一つの風穴部が設けられていたが、本発明はこれに限定されず、一対の磁石収容孔の間に形成された複数の分割された空間を、一つの風穴部として機能させるようにしてもよい。本実施の形態２は、一つの風穴部が周方向に分割された複数の（図示例は二つの）空間部分から構成されている場合の例である。
【００３２】
図４は、本実施の形態２に関する、図３と同態様の図である。本実施の形態２は、以下に説明する部分を除いては上記実施の形態１と同様であるものとする。図４に示されるように、回転子１０１においては、極間部付近で周方向に２分割した二つの空間部分１５１，１５２から一つの風穴部１１７が構成されている。二つの空間部分１５１，１５２を巨視的に捉えると、風穴部１１７は、上記実施の形態１の風穴部７と同様な範囲を占めており、回転軸１１の円筒外周面１１ａに沿って回転子鉄心１２の周方向に弧状に広がる部分を有するように形成されている。
【００３３】
このような本実施の形態２においても、上記実施の形態１と同様な利点がえられ、焼結フェライト磁石を用いた場合であっても、適正な磁力を確保しつつ、冷媒の経路を十分に確保するとともに、冷媒と冷凍機油の分離を促進し、高性能な圧縮機を提供できる。さらに加えて、本実施の形態２によれば、風穴部を分割して配置することで、回転子の強度がより増加し、さらに高速回転が可能となり、いっそうの高出力化を図ることができる。また、一般に高速化を進めようとした場合、冷凍機油の枯渇が課題となるが、本実施の形態のように分割した空間部分により風穴部を構成することで、高速化促進と、冷媒・冷凍機油の分離促進との双方を図ることでき、高速回転で運転した場合であっても冷媒の中に冷凍機油が混入して、冷凍サイクル中を循環し、熱伝導性能を低下するのを抑制することができるという優れた効果を奏する。
【００３４】
実施の形態３．
次に、本発明の実施の形態３に係る永久磁石埋込型電動機について説明する。本実施の形態３は、複数の分割された空間を、一つの風穴部として機能させる場合の他の例として、一つの風穴部が径方向に分割された複数の（図示例は二つの）空間部分から構成されている場合の例を示す。
【００３５】
図５は、本実施の形態３に関する、図３と同態様の図であり、本実施の形態３もまた、以下に説明する部分を除いては上記実施の形態１と同様であるものとする。図５に示されるように、回転子１０２においては、径方向に２分割した二つの空間部分１６１，１６２から一つの風穴部１２７が構成されている。空間部分１６１は、周方向に拡がる内径側の風穴構成部分であり、空間部分１６２は、径方向外側に向かって凸状をなす外径側の風穴構成部分である。二つの空間部分１６１，１６２を巨視的に捉えると、風穴部１２７は、上記実施の形態１の風穴部７と同様な範囲を占めており、回転軸１１の円筒外周面１１ａに沿って回転子鉄心１２の周方向に弧状に広がる部分を有するように形成されている。
【００３６】
このような本実施の形態３においても、上記実施の形態２と同様な利点がえられ、適正な磁力を確保しつつ、冷媒の経路を十分に確保するとともに、冷媒と冷凍機油の分離を促進し、高性能な圧縮機を提供できる。さらに、高速化促進と、冷媒・冷凍機油の分離促進との双方を図ることできる。なお、実施の形態２及び３に関し、空間部分に関する分割数は、三つ以上でもよいし、分割方向は、周方向・径方向以外の方向でもよく、一つの風穴部に関し、異なる方向の分割態様が組み合わされていても良い。
【００３７】
実施の形態４．
次に、本発明の実施の形態４として、上述した実施の形態１〜３の何れかの永久磁石埋込型電動機を搭載したロータリ圧縮機について説明する。なお、本発明に係る圧縮機は、ロータリ圧縮機に限定されるものではない。図６は、図１〜図５に示した永久磁石埋込型電動機を搭載したシリンダロータリ圧縮機の縦断面図である。
【００３８】
ロータリ圧縮機２００は、密閉容器２５内に、電動機５０（電動要素）と、圧縮要素３０とを備えている。図示はしないが、密閉容器２５の底部に、圧縮要素３０の各摺動部を潤滑する冷凍機油が貯留されている。
【００３９】
圧縮要素３０は、主な要素として、上下積層状態に設けられたシリンダ２０と、電動機により回転する回転軸１１と、回転軸１１に嵌挿されるピストン２１と、シリンダ２０内を吸入側と圧縮側に分けるベーン（図示せず）と、回転軸１１が回転自在に嵌挿され、シリンダ２０の軸方向端面を閉塞する上下一対の上部フレーム２２ａ及び下部フレーム２２ｂと、上部フレーム２２ａ及び下部フレーム２２ｂにそれぞれ装着されたマフラ２４ａ及び２４ｂとを含んでいる。
【００４０】
電動機５０の固定子１は、密閉容器２５に焼嵌または溶接等の方法により直接取り付けられ保持されている。固定子１のコイル４には、密閉容器２５に固定されるガラス端子２６から電力が供給される。
【００４１】
回転子１００は、固定子１の内径側に設けた空隙を介して配置されており、回転子１００の中心部の回転軸１１を介してロータリ圧縮機２００の下部に設けた圧縮要素３０の軸受け部（上部フレーム２２ａ及び下部フレーム２２ｂ）により回転自在な状態で保持されている。
【００４２】
次に、かかるロータリ圧縮機の動作について説明する。アキュムレータ４１から供給された冷媒ガスは、密閉容器２５に固定された吸入パイプ２８よりシリンダ２０内へ吸入される。インバータの通電によって電動機５０が回転されていることで、回転軸１１に嵌合されたピストン２１がシリンダ２０内で回転される。それにより、シリンダ２０内では冷媒の圧縮が行われる。冷媒は、マフラ２４ａ及び２４ｂを経た後、電動機５０の風穴部等を通って密閉容器２５内を上昇する。このとき、圧縮された冷媒には冷凍機油が混入している。この冷媒と冷凍機油の混合物は、回転子鉄心１２に設けた風穴部７を通過する際に、冷媒と冷凍機油との分離を促進され、冷凍機油が吐出パイプ２９へ流入するのを防止できる。このようにして、圧縮された冷媒が、密閉容器２５に設けられた吐出パイプ２９を通って冷凍サイクルの高圧側へと供給される。
【００４３】
尚、ロータリ圧縮機２００の冷媒には、従来からＲ４１０Ａ、Ｒ４０７Ｃ、Ｒ２２等が用いられているが、低ＧＷＰ（地球温暖化係数）の冷媒等などいかなる冷媒も適用できる。地球温暖化防止の観点からは、低ＧＷＰ冷媒が望まれている。低ＧＷＰ冷媒の代表例として、以下の冷媒がある。
【００４４】
（１）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−１２３４ｙｆ（ＣＦ３ＣＦ＝ＣＨ２）である。ＨＦＯは、Ｈｙｄｒｏ−Ｆｌｕｏｒｏ−Ｏｌｅｆｉｎの略で、Ｏｌｅｆｉｎは、二重結合を一つ持つ不飽和炭化水素のことである。尚、ＨＦＯ−１２３４ｙｆのＧＷＰは４である。
（２）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）である。尚、ＧＷＰは３で、ＨＦＯ−１２３４ｙｆより小さいが、可燃性はＨＦＯ−１２３４ｙｆより大きい。
（３）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いずれかを含む混合物：例えば、ＨＦＯ−１２３４ｙｆとＲ３２との混合物等である。ＨＦＯ−１２３４ｙｆは、低圧冷媒のため圧損が大きくなり、冷凍サイクル（特に、蒸発器において）の性能が低下しやすい。そのため、ＨＦＯ−１２３４ｙｆより高圧冷媒であるＲ３２又はＲ４１等との混合物が実用上は有力になる。
【００４５】
以上に構成された本実施の形態４に係るロータリ圧縮機においても、電動機の風穴部が上記のように設けられているので、ロータの強度と適正な磁力を確保しつつ、冷媒の経路を十分に確保できる利点が得られる。また、冷媒と冷凍機油の分離を促進することができ、これにより、冷媒の中に冷凍機油が混入して、冷凍サイクル中を循環し、熱伝導性能を低下するのを抑制することができ、高性能な圧縮機を提供できるという効果を奏する。
【００４６】
なお、本発明の実施の形態は、本発明の内容の一例を示すものであり、更なる別の公知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、一部を省略する等、変更して構成することも可能であることは無論である。
【符号の説明】
【００４７】
１  固定子、５  空隙、７，１１７，１２７  風穴部、８  締結穴、１２  回転子鉄心、１３ａ  内側画定ライン、１３ｂ  外側画定ライン、１３  磁石収容孔、１４  永久磁石、２５  密閉容器、３０  圧縮要素、５０  永久磁石埋込型電動機、１００，１０１，１０２  回転子、２００  ロータリ圧縮機。
【図１】
0005944014.tif 000002
【図２】
0005944014.tif 000003
【図３】
0005944014.tif 000004
【図４】
0005944014.tif 000005
【図５】
0005944014.tif 000006
【図６】
0005944014.tif 000007