(57)【要約】【課題】回転子の永久磁石の冷却能力を向上させるとともに、更には固定子コイルの軸方向中心部を効率良く冷却する。【解決手段】第１の磁性薄板２０ａにおける磁石挿入孔２４には永久磁石２３と接するように軸方向に貫通する軸方向冷媒流路２６を設け、第２の磁性薄板２０ｂにおける磁石挿入孔２４には周方向両端に設けられた空隙２４ａと連通し、かつ永久磁石２３と接する周方向冷媒流路２７を設け、鉄心２０の軸方向両端に設けられた端板１０には軸方向冷媒流路２６と連通する開口１１を設け、鉄心２０には空隙２４ａと回転子２０の外周側の空間を連通させる溝部２５ａを設ける。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁石挿入孔が設けられた複数の磁性薄板を重ねることにより構成される鉄心と、
上記鉄心の軸方向両端に設けられた端板を備えた回転子において、
上記複数の磁性薄板のうちの第１の磁性薄板における上記磁石挿入孔には永久磁石と接するように軸方向に貫通する軸方向冷媒流路を設けると共に、上記複数の磁性薄板のうちの第２の磁性薄板における上記磁石挿入孔には上記磁石挿入孔の周方向両端に設けられた空隙と連通し、かつ上記永久磁石と接する周方向冷媒流路を設け、
上記端板には上記軸方向冷媒流路と連通する開口を設けると共に、上記鉄心には上記空隙と上記回転子の外周側の空間を連通させる溝部を設けたことを特徴とする回転子。
【請求項２】
上記軸方向冷媒流路および上記周方向冷媒流路は上記永久磁石に対して内径側に設けられるとともに、上記永久磁石の外径側に複数のスリットを設けたことを特徴とする請求項１記載の回転子。
【請求項３】
上記磁石挿入孔より内径側に位置する上記鉄心において軸方向に貫通するとともに上記開口と連通する風穴を設け、更に上記風穴と上記空隙を連通する溝を設けたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の回転子。
【請求項４】
上記永久磁石を周方向又は軸方向において複数に分割するとともに、分割された上記永久磁石同士の境界部に上記軸方向冷媒流路又は上記周方向冷媒流路を設けたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の回転子。
【請求項５】
上記端板における上記開口に対応する位置に導風板を設けたことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の回転子。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の回転子と、上記回転子の外周面と所定の間隔を設け、かつ上記回転子と同心円状に配置された固定子を備えた回転電機。
【請求項７】
請求項６記載の回転電機と、外装となるケースと、上記ケース内に設置されるとともに上記回転電機により駆動される圧縮機構を備えたことを特徴とする圧縮機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、永久磁石が埋込まれている回転子、この回転子を備えた回転電機、およびこの回転電機が搭載された圧縮機に関するものであり、特に回転子における永久磁石と固定子のコイルを効率的に冷却する回転子、この回転子を搭載した回転電機、およびこの回転電機を搭載した圧縮機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
永久磁石が埋込まれている回転子を用いたＩＰＭ（ＩＮＴＥＲＩＯＲ  ＰＥＲＭＡＮＥＮＴ  ＭＡＧＮＥＴ）モータ等の回転電機では、稼働時の回転電機の発熱により永久磁石の温度が上昇し、トルクを発生させる磁束が低下する。
そこで従来から回転子、特に回転磁石の鉄心に埋め込まれた永久磁石を冷媒で直接冷却する技術が提案されている。例えば永久磁石挿入孔の内径側に、永久磁石と接するように回転軸に向けて凸となる略三角形状の冷媒通路を設け、その通路に軸方向に貫通するように絶縁油などの冷媒を流すことにより、永久磁石を冷媒にて直接冷却する構造がある（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−３４５１８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献１に記載の永久磁石の冷却構造は、軸方向に貫通する流れで冷却を実現しており、軸方向の長さの大きい鉄心を持つ回転子では、片端からもう一方の端に冷媒が流れる間に冷媒自体が温度上昇し、冷却効率が下がる問題があった。これを避けるために、冷媒通路を大きくすると、鉄心の磁気抵抗が大きくなり、回転電機自体の特性が悪くなるという問題があった。また冷媒が軸方向に流れ、固定子側には流れない構造のため、固定子の冷却にはほとんど寄与しないという問題があった。
【０００５】
この発明は上記のような問題を解決するためになされたものであり、回転子の永久磁石の冷却能力を向上させることにより、回転電機の効率低下を防止でき、更には固定子コイルの軸方向中心部を効率良く冷却できる回転子を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係わる回転子は、磁石挿入孔が設けられた複数の磁性薄板を重ねることにより構成される鉄心と、鉄心の軸方向両端に設けられた端板を備え、上記複数の磁性薄板のうちの第１の磁性薄板における磁石挿入孔には永久磁石と接するように軸方向に貫通する軸方向冷媒流路を設けると共に、上記複数の磁性薄板のうちの第２の磁性薄板における上記磁石挿入孔には上記磁石挿入孔の周方向両端に設けられた空隙と連通し、かつ上記永久磁石と接する周方向冷媒流路を設け、
上記端板には上記軸方向冷媒流路と連通する開口を設けると共に、上記鉄心には上記空隙と上記回転子の外周側の空間を連通させる溝部を設けたものである。
又この発明に係わる回転電機は、上記のように構成された回転子と、この回転子の外周面と所定の間隔を設け、かつこの回転子と同心円状に配置された固定子を備えたものである。
更にこの発明に係わる圧縮機は、上記のように構成された回転電機と、外装となるケースと、このケース内に設置されるとともに回転電機により駆動される圧縮機構を備えたものである。
【発明の効果】
【０００７】
上記のように構成された回転子によれば、軸方向の長い回転子であっても、永久磁石の冷却能力が向上させるとともに、更に固定子コイルを効率良く冷却できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施の形態１による回転子を示す斜視図である。
【図２】実施の形態１による回転子を有する回転電機を示す断面図である。
【図３】実施の形態１による回転子の平面断面図である。
【図４】実施の形態１による回転子の第１の磁性薄板を示す平面図である。
【図５】実施の形態１による回転子の第２の磁性薄板を示す平面図である。
【図６】実施の形態２による回転子の平面断面図である。
【図７】実施の形態３による回転子の平面断面図である。
【図８】実施の形態４による回転子の平面断面図である。
【図９】実施の形態５による回転子の端部を示す拡大斜視図である。
【図１０】実施の形態５による回転子の端部を示す拡大斜視図である。
【図１１】実施の形態６による圧縮機を示す断面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
実施の形態１．
以下、実施の形態１を図に基づいて説明する。図１は実施の形態１による回転子を示す斜視図、図２は図１に示した回転子を用いた回転電機の断面図、図３は図１に示した回転子の平面断面図、図４は軸方向冷媒流路を設けた回転子を構成する第１の磁性薄板の形状を示した平面図、図５は周方向冷媒流路を設けた回転子を構成する第２の磁性薄板の形状を示した平面図である。
【００１０】
回転子１は、磁性薄板２０ａ（第１の磁性薄板）、磁性薄板２０ｂ（第２の磁性薄板）を複数枚重ねて構成された鉄心２０の軸方向両端に、永久磁石を保持するための端板１０が設けられている。端板１０には、後述する軸方向冷媒流路２６と連通する複数の開口１１が設けられている。また鉄心２０の外周部において、磁性薄板２０ａ、２０ｂのブリッジ２５には、厚みが減少するように加工された溝部２５ａが形成されている。尚ブリッジ２５及び溝部２５ａの形状は後で説明する図９に示すような形状をしている。又端板１０の中央には回転軸３を挿入するための空洞部１２が設けられている。
【００１１】
回転電機２において、固定子鉄心３１と固定子コイル３２を有する固定子３０の内径側に、回転軸３を装着した回転子１が設けられ、回転子１は回転軸３を介して回転自在に支持されている。回転子１の鉄心２０を構成する磁性薄板２０ａの内部は、磁石挿入孔２４に分断された外鉄心２１と内鉄心２２がブリッジ２５を介してつながっており、磁石挿入孔２４には永久磁石２３が挿入されている。即ち円板状の磁性薄板に対して打ち抜きにより磁石挿入孔２４を形成し、外鉄心２１と内鉄心２２とに分けるものである。空孔２９は回転軸３を挿入するためのものである。
【００１２】
さらに磁石挿入孔２４には、軸方向に貫通する軸方向冷媒流路２６、および積層鉄心の軸方向において数箇所に分散して配置された周方向冷媒流路２７が設けられている。軸方向冷媒流路２６は図４に示すように磁性薄板２０ａ（第１の磁性薄板）に永久磁石２３と接するように設けられると共に、周方向冷媒流路２７は図５に示すように、磁性薄板２０ｂ（第２の磁性薄板）に設けられており、多数の磁性薄板２０ａを主体として積層するとともに、磁性薄板２０ａの間に磁性薄板２０ｂを時折挟むように構成されている。なお周方向冷媒流路２７は、磁石挿入孔２４の周方向両端に設けられた空隙２４ａとつながるように構成されている。ここで空隙２４ａとは磁石挿入孔２４のうち、永久磁石２３が挿入された後に残る両端の空間部分をいう。
【００１３】
次に動作について説明する。磁石挿入孔２４の周方向両端における空隙２４ａに存在する気体には、回転子１の回転に応じて遠心力が作用し、径方向外側へ移動しようとする。この時空隙２４ａに隣接するブリッジ２５には、空隙２４ａと回転子外周側の空間を結ぶ溝部２５ａが設けられているため、遠心力を受けた気体は溝部２５ａから外周側へ移動する。そのため空隙２４ａの圧力が低下し、空隙２４ａと連通する周方向冷媒流路２７から外方へ冷媒が吸い出される。冷媒が吸い出された周方向冷媒流路２７も負圧となり、周方向冷媒流路２７とつながる軸方向冷媒流路２６の冷媒が外方へ吸い出される。冷媒が吸い出されると、軸方向冷媒流路２６も負圧となるため、端板１０に設けられた開口１１を通じて冷媒が供給される。ここで冷媒とは、圧縮機で使用される例えばＲ４１０Ａ（混合冷媒）などの気体である。大気中で使用される回転電機であれば、空気の場合もある。このように回転子１が回転することにより、開口１１から軸方向冷媒流路２６、周方向冷媒流路２７、空隙２４ａ、溝部２５ａを通過する冷媒の流れが生じる。すなわち軸方向冷媒流路２６及び周方向冷媒流路２７は永久磁石２３に接しているため、永久磁石２３を冷媒が冷却しながら流れることとなり、永久磁石２３の冷却が可能となる。
【００１４】
本実施形態においては、結果的に永久磁石２３の表面に網目状に冷媒流路が構成されることとなり、永久磁石２３の冷却に十分な面積が確保できる。更に軸方向両端から冷媒が供給され、径方向に排出される構成のため、軸方向を貫通する流れに比べて約１／２の流路長となり、軸方向の長さが大きい回転子においても冷却能力の低下を抑制することが可能となる。また流路長が短い分だけ流路抵抗が下がるので、流路断面積を小さくでき、磁気抵抗が大きくなることを抑制できるので、磁気特性の劣化を防ぐことが出来る。さらに、冷媒が回転子の外径側に放出されるため、外周に配置された固定子３０の冷却に寄与できる。
【００１５】
ここで、軸方向冷媒流路２６の断面形状は図４に示すように、半径ｒの半円形状で構成することが出来る。また周方向冷媒流路２７の径方向幅がｒとなるよう、図４、図５に示すように磁石挿入孔２４の磁石挿入部分の厚みＷａとＷｂの関係は次のように設定した。
Ｗｂ＝Ｗａ＋ｒ
このとき、軸方向冷媒流路２６及び周方向冷媒流路２７は流路の断面積が大きく、かつ個数が多いほど冷却能力が向上するが、このようにすると永久磁石２３の周囲のエアギャップが増え、磁気抵抗が増大するため、磁気特性とのバランスを取りながら設置することが望ましい。
【００１６】
また、磁性薄板２０ａと磁性薄板２０ｂの構成割合については、周方向冷媒流路２７を有する磁性薄板２０ｂを１０％以下程度とし、残りを軸方向冷媒流路２６を有する磁性薄板２０ａで構成することが望ましい。磁性薄板２０ｂを多数設けると周方向冷媒流路２７の総面積が大きくなり、隙間が大きくなって磁気抵抗が増大するので特性劣化となるが、１０％以下程度ならば許容できると考えられる。また、周方向冷媒流路２７を有する磁性薄板２０ｂの軸方向における配置については、上中下の３か所に分散させることが考えられるが、これに限定されるものではなく、例えば熱がこもりやすい中央に集中配置すれば、永久磁石２３の温度の高い部分をより効果的に冷却することが可能となる。
【００１７】
又図３、図４においては、軸方向冷媒流路２６を１つの磁石挿入孔２４に対して３個設ける場合を示したが、これに限定されるものではなく、例えば減磁の生じやすい周方向端部に近い場所に２か所設ける等の配置にすることで、より効果的に減磁を低減することが可能となる。
なお、上記説明では軸方向冷媒流路２６の断面形状が半円のものを示したが、これに限定されるものではなく、例えば四角形状や径方向に長い半楕円形、更には長方形形状などの構成でも同様の効果を奏する。また、周方向冷媒流路２７の断面形状は長方形が基本であるが、軸方向幅がｒと同等以上になるよう磁性薄板２０ｂを並べて配置することが望ましい。また、ブリッジ２５に設けられた溝部２５ａの形状についても特に規制は無く、ブリッジ２５が疲労破壊しない程度に幅、深さを設定すればよい。
【００１８】
実施の形態２．
図６は実施の形態２による回転子を示す平面断面図である。本実施の形態においては、軸方向冷媒流路２６および周方向冷媒流路２７が永久磁石２３の内径側に設けられており、即ち内鉄心２２側に構成されている。また外鉄心２１（即ち永久磁石２３の外径側）には複数のスリット５０が配置されている。このような構成においても、端板の開口１１、軸方向冷媒流路２６、周方向冷媒流路２７、空隙２４ａ、ブリッジ２５の溝部２５ａを通って回転子１の外周空間へとつながる冷媒の流れが形成されるので、永久磁石２３を冷却することが出来る。
本実施形態の構成においては、外鉄心２１側に軸方向冷媒流路２６及び周方向冷媒流路２７が設置されていないので、振動騒音低減に効果を有するスリット５０の形状や配置に制限が無く、冷却効果と振動騒音低減効果を両立させることが可能となる。
【００１９】
実施の形態３．
図７は実施の形態３による回転子を示す断面図である。本実施形態においては、実施の形態２の構成に加えて、内鉄心２２の磁極間の位置に軸方向に貫通する風穴２８を設けるとともに、風穴２８と空隙２４ａがつながるように、溝２８ａを設けたものである。また図示しないが、端板１０の風穴２８に対応する部分に開口１１を設ける。
この実施の形態によれば、冷媒の流れが、端板１０の開口１１から風穴２８、溝２８ａ、空隙２４ａ、ブリッジ２５の溝部２５ａを通過し、回転子１の外周空間に至る。この冷媒の流れにより主に永久磁石２３の側面２３Ａが冷却されることになり、軸方向冷媒流路２６及び周方向冷媒流路２７による永久磁石２３の内径側側面の冷却効果との相乗効果で、永久磁石２３をより効果的に冷却することが出来る。
ここで、風穴２８の形状は図７においては長円形のものを例示したが、これに限定されるものではなく、丸形及び楕円形などのいかなる形状も適用可能である。また風穴２８の外周側に設けた溝２８ａの形状についても特に規制は無く、加工可能な範囲で幅、深さを設定すればよい。尚図７においては、永久磁石２３の内径側に軸方向冷媒流路２６および周方向冷媒流路２７を設けた場合を示したが、図３に示すように、永久磁石２３の外径側に軸方向冷媒流路２６および周方向冷媒流路２７を設けた構造に風穴２８を設けるようにしても良い。
【００２０】
実施の形態４．
図８は実施の形態４による回転子を示す平面断面図である。磁石挿入孔２４には周方向において、３つに分割された永久磁石２３ａ、２３ｂ、２３ｃが挿入されており、永久磁石２３ｃと永久磁石２３ｂの境界部、および永久磁石２３ａと永久磁石２３ｂの境界部にそれぞれ軸方向冷媒流路２６ａ、２６ｂが設けられている。また周方向冷媒流路２７は、軸方向冷媒流路２６ａ、２６ｂから空隙２４ａ、２４ｂに連なる部分のみに配置され、軸方向冷媒流路２６ａ、２６ｂの間には周方向冷媒流路が配置されていない。
【００２１】
磁石挿入孔２４は通常永久磁石２３の挿入が容易になるよう、永久磁石２３より大きめの寸法で構成されている。磁石挿入孔２４内で分割された永久磁石２３ａ、２３ｂ、２３ｃが挿入されると、径方向に同一の向きで同一の極に着磁された永久磁石同士が横に並ぶこととなり、反発力が生じ、永久磁石同士が離れる方向に力が生じる。磁石挿入孔２４には永久磁石が動ける隙間があるため、永久磁石同士の反発力により隙間が生じる。この隙間は一例としては０．１〜０．３ｍｍ程度になるため、この隙間に合わせて軸方向冷媒流路２６ａ、２６ｂを設けることにより、冷媒の流れる断面積の拡大が可能となる。従って流路抵抗が低減され、冷媒の流量が増大する効果が得られる。また永久磁石２３の分割位置に軸方向冷媒流路２６を配置するので、分割された永久磁石２３ａ、２３ｂ、２３ｃの全てを冷却可能であり、一部の永久磁石が冷却されないという不具合が生じない。
【００２２】
上記においては周方向に永久磁石を分割した場合について説明したが、磁石挿入孔２４内において、軸方向に永久磁石を分割することもでき、この場合、軸方向における分割位置に合わせて周方向冷媒流路２７を設置すれば、冷媒流路断面積の拡大が可能となる。従って流路抵抗が低減され、冷媒の流量が増大する効果が得られる。更には分割された永久磁石の全てを冷却することが可能である。
また図８の構成においては、周方向冷媒流路２７の中央部分をなくしたので、永久磁石の冷却効果を維持したまま、磁気抵抗値が増大することを抑制することが可能となり、冷却効果と磁気特性のバランスのとれた高性能な回転子を実現できる。
さらに、周方向冷媒流路２７を軸方向中央部に配置しない構成を取れば、鉄心２０の軸方向中央部付近において軸方向冷媒流路２６を設ける必要がなくなる。従って鉄心の磁気抵抗低下を抑制でき、さらなる冷却効果と磁気特性のバランスのとれた回転子を得ることが可能となる。
尚図８においては、永久磁石２３の内径側に軸方向冷媒流路２６および周方向冷媒流路２７を設けた場合を示したが、図３に示した構造に本実施形態を適用するようにしても良い。更に分割する数は３つ以外の複数であっても良い。
【００２３】
実施の形態５．
図９は実施の形態５による回転子の端部を示す拡大斜視図である。図においては、端板１０の開口１１ａ、１１ｂの位置に、導風板１３ａ、１３ｂを設けたものである。
この構成によれば、軸方向冷媒流路２６、および風穴２８に流入する冷媒の量を増大させることが可能となるため、より効果的に永久磁石２３を冷却することが可能となる。
本実施の形態においては、圧縮機などの回転方向が固定されている機器への適用が前提となる。回転方向が場合に応じて反転するような装置の場合には、導風板を使用しない構成を採用する。これにより導風板の使用に比べ若干冷媒の流量が減少するが、回転方向に左右されずに永久磁石２３を効率的に冷却することができる。
【００２４】
なお、導風板１３ａ、１３ｂの形状について、図９においては、径方向内側及び外側に側板１３ａ１、１３ａ２、１３ｂ１、１３ｂ２を設けたものを例示したが、側板のない導風板（図１０の符号１００参照）でも、若干冷媒の流量が減少するものの、永久磁石２３の冷却効果を得ることができる。側板付きの導風板１３ａ、１３ｂの場合、絞り加工や溶接加工などが必要になり、製造コストが増大する。これに対して側板が無ければ、切り起こしで導風板を構成できるため、製造コストと冷却効果のバランスのとれた回転子を得ることができる。
【００２５】
実施の形態６．
図１１は実施の形態６による圧縮機を示す断面模式図である。図１１に示すように、本実施の形態の圧縮機４０は、外装となるケース４１と、ケース４１内に設置された圧縮機構４２と、上記実施の形態１〜５に示した回転電機２とを備えている。回転電機２における回転子１の回転軸３が、圧縮機構４２のクランク軸と接続されており、回転電機２の駆動により、圧縮機構４２が作動する。本実施の形態では、回転電機２には、上記実施の形態１〜実施の形態５のいずれかに示した回転子１が用いられている。本実施の形態の圧縮機４０は、実施の形態１〜実施の形態５に示したいずれかの回転電機２が用いられているため、回転電機２における永久磁石および固定子コイルが効率良く冷却されることとなり、優れた性能を有する圧縮機４０を得ることが出来る。
【００２６】
上記回転子１においては、回転子１の構成を６極として、１極あたり１個または３個の永久磁石を設けた場合が例示されているが、これに限定されるものではない。例えば４極または８極としても良い。更には１極当たり設置できる範囲内で２個、もしくは４個以上の永久磁石を配置しても良い。又上記においては、１極に複数の永久磁石を配置するにあたり、永久磁石の数に対応して磁石挿入孔を分割しない構造を例示したが、回転数が高い回転電機では仕切部を設けても良い。
【００２７】
また磁石挿入孔および磁石形状は、周方向に直線形状である場合を例示したが、軸方向に凸形状のＶ字形にしたり、あるいは一般的にバスタブ形状と称されるＵ字型形状等に形成しても良い。また、永久磁石の断面は、ドーム状や円弧状等であっても良く、磁石挿入孔の断面形状も永久磁石の断面形状に対応した形状であれば良い。また、磁性薄板２０ａ、２０ｂの各溝を加工する方法は、溝を形成できるものであれば、プレス加工やエッチング加工に限定されない。またその軸方向配置は、軸方向全てにおいて配置することが望ましいが、部分配置でも効果があることは言うまでもない。なお部分配置の場合は、周方向冷媒流路が設けられた部分に対応して配置することが望ましい。
【００２８】
図２に示した固定子３０は、スロット数が９のものを例示したが、スロット数等は特に限定されるものではない。更に固定子巻線も、集中巻および分布巻のいずれのものであっても良い。
上記で説明した回転電機は、圧縮機以外にも用いることができ、同様の冷却効果を有する。本発明の回転子は、永久磁石２３および固定子コイル３２を効果的に冷却できるので、高出力が要求される回転電機、およびこの回転電機を用いた圧縮機に用いられる。
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
【符号の説明】
【００２９】
１  回転子、２  回転電機、１０  端板、１１  開口、１３  導風板、２０  鉄心、
２０ａ，２０ｂ  磁性薄板、２３  永久磁石、２４  磁石挿入孔、２４ａ  空隙、
２５ａ  溝部、２６  軸方向冷媒流路、２７  周方向冷媒流路、２８  風穴、
２８ａ  溝、３０  固定子、４０  圧縮機、４１  ケース、４２  圧縮機構、
５０  スリット。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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