(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転子と、
該回転子の中央に配したシャフトと、
該回転子に設けられた磁石挿入孔にＶ字状に配した２つの永久磁石と、を備え、
２つの前記永久磁石の間の距離は、内径側から外径側に向かうにつれて大きくなる永久磁石同期機であって、
２つの前記永久磁石はそれぞれ、
前記Ｖ字形状の外側の面であってＳ極又はＮ極に磁化した第一磁極面と、
前記Ｖ字形状の内側の面であってＮ極又はＳ極に磁化した第二磁極面と、
前記磁石挿入孔の領域の一部であるブリッジを介して他方の前記永久磁石に対向する対向面と、
該対向面及び前記第一磁極面の間に位置するシャフト対向面と、を有し、
磁化配向方向について、前記対向面に交わる内径側部分の寸法を、前記第一磁極面及び前記第二磁極面に交わる外径側部分の寸法より短くして、２つの永久磁石の前記対向面を互いに略平行に延在させたことを特徴とする永久磁石同期機。
【請求項２】
磁化配向方向について、前記対向面及び前記シャフト対向面に交わる最内径側部分の寸法は、前記内径側部分の寸法より短いことを特徴とする請求項１に記載の永久磁石同期機。
【請求項３】
前記回転子は、前記ブリッジの径方向寸法を前記対向面の径方向寸法より短くするよう突出したブリッジ突出部を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の永久磁石同期機。
【請求項４】
請求項１乃至３何れか一項に記載の永久磁石同期機を備えた機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、永久磁石同期機及びそれを用いた機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１は、Ｖ字状に配した２つの磁石それぞれの一面が、磁性鋼板から成るブリッジ部４５を介して対向する構造を開示している(００４９、図４）。
【０００３】
特許文献２は、Ｖ字状に配した２つの磁石の内端（Ｖ字の底部分）側に、内周端空隙３２ｃを、外端側に外周端空隙３２ｂを設けた構造を開示している（００３５、図４，５）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−３１４０５２号公報
【特許文献２】特開２０１３−１９２２９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１の構成では、磁性鋼板で形成されているブリッジ部４５を磁束が通過し易く、磁石の一面に形成されるＮ極から発せられる磁束が、この磁石の他面に形成されるＳ極に循環する短絡磁束が生じやすい。短絡磁束は、モータの駆動に対して殆ど寄与しないため、モータ効率が低下するおそれがある。
【０００６】
特許文献２の構成では、モータが急加速等して磁石に慣性力が働いた場合等には、磁石が空隙３２ｂ，３２ｃに向かって運動して、磁石が挿入されている領域の端面や他部材に衝突し、磁石が破損等するおそれがある。また、磁石の長手方向が径方向を向いて配され、かつ空隙３２ｂ，３２ｃが磁石に対して径方向側に配されていることから、回転子の回転に伴う遠心力が加わると、磁石が運動し易い。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記事情に鑑みてなされた本発明は、回転子と、該回転子の中央に配したシャフトと、該回転子に設けられた磁石挿入孔にＶ字状に配した２つの永久磁石と、を備え、２つの前記永久磁石の間の距離は、内径側から外径側に向かうにつれて大きくなる永久磁石同期機であって、２つの前記永久磁石はそれぞれ、前記Ｖ字形状の外側の面であってＳ極又はＮ極に磁化した第一磁極面と、前記Ｖ字形状の内側の面であってＮ極又はＳ極に磁化した第二磁極面と、前記磁石挿入孔の領域の一部であるブリッジを介して他方の前記永久磁石に対向する対向面と、該対向面及び前記第一磁極面の間に位置するシャフト対向面と、を有し、磁化配向方向について、前記対向面に交わる内径側部分の寸法を、前記第一磁極面及び前記第二磁極面に交わる外径側部分の寸法より短くして、２つの永久磁石の前記対向面を互いに略平行に延在させたことを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施例１の永久磁石同期機の軸方向断面図
【図２】実施例１の磁石挿入孔に配された２つの永久磁石を示す図
【図３】実施例１の回転子の１極を拡大した軸方向断面図
【図４】実施例１の回転子の１極を拡大した軸方向断面図
【図５】実施例２の回転子の１極を拡大した軸方向断面図
【図６】磁石表面積とＲ２/Ｒの関係を示す図であり、磁石挿入孔を（ａ）４つ備える場合の関係、（ｂ）６つ備える場合の関係
【図７】θ１とＲ２/Ｒの関係を示す図であり、磁石挿入孔を（ａ）４つ備える場合の関係、（ｂ）６つ備える場合の関係
【図８】実施例３の永久磁石の軸方向断面図
【図９】実施例３の回転子の１極を拡大した軸方向断面図
【図１０】実施例４の回転子の１極を拡大した軸方向断面図
【図１１】実施例５の回転子の１極を拡大した軸方向断面図
【図１２】実施例６の回転子の１極を拡大した軸方向断面図
【図１３】永久磁石同期機を搭載した機器の一例である冷蔵庫の断面図
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施例を、添付の図面を参照しつつ詳細に説明する。同様の構成要度には同様の符号を付し、また、同一の説明は繰り返さない。
【実施例１】
【００１０】
図１は本実施例の永久磁石同期機１の軸方向断面図、図２は磁石挿入孔４に配された永久磁石５ａ，５ｂを示す図である。本実施例の永久磁石同期機１は、６極９スロットであるが、極数及びスロット数は特に制限されない。
【００１１】
永久磁石同期機１は、略円筒形状の回転子２と、回転子２の径方向外側に位置し、空隙を介して回転子２に対向する固定子３と、回転子２の回転軸であり、回転子２の中央に圧入されているシャフト６と、を備えている。回転子２は、軸方向視で略円形状である。
回転子２は、Ｖ字形状の磁石挿入孔４を６つ有しており、それぞれの磁石挿入孔４には２つの永久磁石５ａ，５ｂを配している。磁石挿入孔４は、シャフト６側（内径側）に向かってＶ字形状が閉じるように設けられている。すなわち、内径側がＶ字形状の「底」になるように設けられており、永久磁石５ａ，５ｂは、それぞれ内径側から外径側に向かうにつれて、互いの距離が大きくなるように配されている。２つの永久磁石５の成す角度は、後述する開度θ１の略２倍である。以下、それぞれの磁石挿入孔４又はその近傍に着目するとき、Ｖ字形状の底側を内周側、底側から離れる側を外周側と呼ぶ（例えば、後述する図５参照。ブリッジ４ｃの中央を通り対向面５０に沿った直線を基準にできる）。
【００１２】
永久磁石５の種類は特に制限されないが、例えば一般に低Ｂｒとされるフェライト磁石、ＳｍＦｅＮ系のボンド磁石、ＮｄＦｅＢ系のボンド磁石、アルニコ磁石を採用できる。永久磁石５は回転子２の周方向に着磁されている。
【００１３】
［磁石挿入孔４に配された２つの永久磁石５］
永久磁石５は、同一の磁石挿入孔４に配された別の永久磁石５に対して、磁石挿入孔４の領域の一部であるブリッジ４ｃを介して対向する対向面５０と、Ｖ字形状の外側の面（外周側の面）であってＳ極又はＮ極として磁化している第一磁極面５２と、Ｖ字形状の内側の面（内周側の面）であって第一磁極面５２の極性に対して反対の極性（Ｎ極又はＳ極）として磁化している第二磁極面５３と、対向面５０及び第一磁極面５２の間に位置し、シャフト６側を向いたシャフト対向面５１と、を備える。本実施例のシャフト対向面５１は、対向面５０及び第一磁極面５２を繋ぐ面であり、第一磁極面５２側から第二磁極面５３側に向かうにつれて内径側に向かう面である。また、永久磁石５は、第一磁極面５２の外径側に面取り５４を有し、同様に第二磁極面５３の外径側に面取り５５を有している。ブリッジ４ｃは、磁石挿入孔４の内径側に位置しており、磁石挿入孔４の領域のうち、２つの対向面５０の間に位置する領域である。
【００１４】
２つの対向面５０の間に、空気層であるブリッジ４ｃを設けることで、永久磁石５の第一磁極面５２及び第二磁極面５３を循環する短絡磁束を抑制できるので、永久磁石同期機１の効率を改善できる。ブリッジ４ｃは、２つの永久磁石５の間で、２つの永久磁石５に対して周方向内側に位置しているため、永久磁石５に遠心力が加えられた場合でも、永久磁石５が運動することを抑制できるので、永久磁石５の破損等が抑制される。
【００１５】
また、永久磁石５が対向面５０を備えることで、磁束を発する永久磁石５の表面積を増加させて磁束量を増加させることができるので、永久磁石５の使用量を削減できる。また、永久磁石５の内径側の一部の厚み（磁化配向方向の寸法）を減少させるようにして対向面５０やシャフト対向面５１を設けている。具体的には、永久磁石５の厚み寸法を測定すると、対向面５０又はシャフト対向面５１が始点又は終点となる領域の厚み寸法は、第一磁極面５２及び第二磁極面５３が始点及び終点となる領域の厚み寸法より短い。このため、後述するように、比較的着磁が容易ではない径方向内側の永久磁石５の厚みを抑制して、永久磁石５全体の着磁をしやすくできる。
【００１６】
［永久磁石５の磁石挿入孔４に対するクリアランス］
図３は、回転子２の１極を拡大した軸方向断面図である。シャフト対向面５１の第一磁極面５２側の部分は、磁石挿入孔４に略接しており、第二磁極面５３側の部分は、磁石挿入孔４から比較的離間している。このように、シャフト対向面５１の内周側及び外周側の一方を磁石挿入孔４に略接するようにし、他方を離間するようにすることで、永久磁石５に遠心力が加わった場合でも、永久磁石５は径方向への運動が抑制しつつ、摩擦の発生を抑制して永久磁石５の磁石挿入孔４への取付及び取り外しを容易にできる。
【００１７】
なお、永久磁石５の外径側、すなわち磁石挿入孔４の外径側端面４ａとの間に空間を設けている。
【００１８】
図４は回転子２の１極を拡大した軸方向断面図である。但し、説明の便利のため、ブリッジ４ｃの寸法を強調している。永久磁石５の対向面５０に略垂直な方向をＸ軸方向と呼ぶことにする。
ブリッジ４ｃは、永久磁石５ａ，５ｂそれぞれの対向面５０の内周側に、Ｘ軸方向の幅がＧ２Ｘの空隙として設けられている。また、永久磁石５の第二磁極面５３及び磁石挿入孔４の第二磁極面５３に対向する端面の間にある空隙の幅Ｃ１について、このＸ軸方向の幅をＧ１Ｘとすると、Ｇ１Ｘ＜Ｇ２Ｘの関係を満たす。より好ましくは、２×Ｇ１Ｘ＜Ｇ２Ｘの関係を満たす。
【００１９】
上述の通りブリッジ４ｃは空気層等の空間であるから、第一磁極面５２及び第二磁極面５３を通過する短絡磁束を抑制でき、また、永久磁石５の取付や取り外しを容易にできる。しかしこの場合、永久磁石５は永久磁石収容孔４内部で運動しやすい。特に、永久磁石５がフェライト磁石やボンド磁石などの低Ｂｒ磁石であるとき、回転子鉄心２との間で働く磁気吸引力は弱く、永久磁石収容孔４内部で運動しやすい。このため、遠心力又は慣性力が永久磁石５に付加されると、永久磁石５の破損又は材料特性の劣化を招くおそれがある。
【００２０】
Ｇ２Ｘ＞Ｇ１Ｘとすることで、回転子２の急停止や急加速などにより生じる周方向の慣性力が永久磁石５に加わった場合、永久磁石５は、長手方向に沿った面側に設けられたクリアランスＣ１を運動して磁石挿入孔４の端面に接する。この際、対向面５０は、Ｇ１Ｘより大きいＧ２Ｘだけ他の永久磁石５の対向面５０に対して離間しているから、永久磁石５の対向面５０同士の衝突が抑制される。また、永久磁石５が接する端面５３の面積が比較的大きいため、接触の際の衝撃も抑制できる。したがって、永久磁石５の破損を効果的に抑制できる。
なお、Ｇ１Ｘは、Ｃ１及び後述する磁石の開度θ１を用いて、
Ｇ１Ｘ＝Ｃ１/ｃｏｓ(θ１)
と与えられる。
【実施例２】
【００２１】
実施例２は、下記の点を除き実施例１と同様の構成にできる。
［磁石挿入孔４の回転軸からの距離Ｒ２の設定］
図５は回転子２の１極部分を拡大した軸方向断面図である。回転子２の半径Ｒ及び永久磁石５の最内径位置を通る円の半径Ｒ２の関係について説明する。永久磁石同期機１の極数をＰ、回転子２の軸長をＬ、とした場合、永久磁石５を回転子２の最外径部分に円弧形（不図示）に配したときの永久磁石５の表面積Ｘ１（比較例）と、永久磁石５をＶ字形に配したときの永久磁石５の表面積Ｘ２とは、それぞれ下式で与えられる。
Ｘ１＝２πＲＬ/Ｐ
Ｘ２＝２Ｌ×√（（Ｒｃｏｓ（π/Ｐ）−Ｒ２）２＋（Ｒｓｉｎ（π/Ｐ））２）
【００２２】
図６は永久磁石５の表面積Ｘ１，Ｘ２とＲ２/Ｒとの関係（図６ａ：４極機、図６ｂ：６極機）を示す図である。Ｒ２のＲに対する比を横軸、永久磁石５の表面積Ｘ１とＸ２とを縦軸に設定しており、Ｘ１を実線で、Ｘ２を破線で示してある。永久磁石同期機１が４極の場合ではＲ：Ｒ２＝１：０．３６以下の場合、６極の場合ではＲ：Ｒ２＝１：０．７０以下の場合、永久磁石５を円弧形状に配するよりもＶ字形状に配する方が、大きな表面積を確保できる（Ｘ２＞Ｘ１）とわかる。従って、永久磁石同期機１が４極の場合は、Ｒ２／Ｒが０．３６以下であることが好ましく、０．２５以下であることがさらに好ましい。また、６極の場合は、Ｒ２／Ｒが０．７０以下であることが好ましく、０．５０以下であることがさらに好ましい。
【００２３】
［磁石挿入孔４の開度θ１の設定］
永久磁石５が配される磁石挿入孔４の形状について説明する。図７はθ１とＲ２/Ｒの関係（図７ａ：４極機、図７ｂ：６極機）を示す図である。
永久磁石同期機１の断面図において、磁石挿入孔４のブリッジ４ｃに沿った直線と、永久磁石５の第二磁極面５３に沿った直線とがなす角度を、永久磁石５の開度θ１とする。永久磁石同期機１が４極の場合では、θ１が６５°以下が好ましく、５５°以下がより好ましい。また、永久磁石同期機１が６極の場合では、θ１が７３°以下であることが好ましく、５５°以下であることがより好ましい。
【００２４】
なお、本実施例の永久磁石同期機１は、２：３系列の集中巻６極９スロットとして説明したが、その他、分布巻機や分数スロット、８極又は１０極スロットの場合でも、下式を満たすθ１を採用すれば、同様の効果を得ることができる。
１８０/Ｐ＜θ１＜Ｓｉｎ-１（ｓｉｎ（１８０/Ｐ）/(Ｘ１/２)）/π×１８０
【００２５】
１８０/Ｐは永久磁石５が極間にある状態を示し、Ｒ２が小さい場合を指し、θ１の最小値を与える。この値より小さい場合、永久磁石はＶ字形状とならない。
またＳｉｎ-1（ｓｉｎ（１８０/Ｐ）/（Ｘ１/２））/π×１８０はθ１の最大値を与える。この値より大きい場合、磁石表面積Ｘ２がＸ１より小さくなる。
【００２６】
なお、本実施例の磁石挿入孔４の内径側（Ｖ字の底の部分）の端面４ｂは、シャフト対向面５１に沿っている。こうすると、永久磁石５に加わる遠心力が変化した際の運動をより効果的に抑制できる。
【実施例３】
【００２７】
実施例３は、以下の点を除き実施例１又は実施例２の構成と同様にできる。
図８は永久磁石５の形状を示す図、図９は回転子２の１極を拡大した軸方向断面図である。永久磁石５は磁化配向方向に対し、略対称形状となっている。永久磁石５の径方向外側の形状は、厚みが減少するようにされており、径方向外側に、永久磁石５の厚みを減少させるテーパ部５００と、テーパ部５００及び第一磁極面５２を繋ぐ面である傾斜部５１０が設けられている。
フェライト磁石の製造工程では、粉末状のフェライト磁石を圧縮成型した後、焼結させる。圧縮成型時には金型に入れた状態で粉末状のフェライト磁石をプレスすることから、例えば形が左右非対称である場合、うねりや公差が大きくなり永久磁石同期機１の性能がばらつくおそれがある。また、うねりの大きい永久磁石５は、磁石挿入孔４内で運動すると破損し易い。本実施例のような略対称形状にすることで、永久磁石５の製造が容易になる。
【００２８】
しかし、本実施例のような略対称形状にした場合、シャフト対向面５０側は減磁しやすくなる。また、外径側に位置する傾斜部５１０側は、シャフト対向面５０側に比べ固定子３が作る磁束が鎖交するため、減磁しやすい。減磁を抑制する為には、例えば永久磁石５１面側の磁化方向厚みを増すなどして磁気抵抗を高めることが有効である。本実施例では、図９に例示するように、外径側の磁石挿入孔４の空隙を大きく設けることで、磁化方向厚みの磁気抵抗を増加させている。これにより磁石使用量を減らしつつ、減磁耐力を維持できる。
【実施例４】
【００２９】
実施例４は、以下の点を除き実施例１乃至実施例３の構成と同様にできる。
図１０は、回転子２の１極を拡大した軸方向断面図である。但し、永久磁石５は図示していない。本実施例の磁石挿入孔４の内径側（Ｖ字の底の部分）の端面４ｂの形状は、永久磁石５のシャフト対向面５１に沿った形状となっている。すなわち、磁石挿入孔４のうち、シャフト対向面５１に対向する部分は、対向面５０に向かうにつれて径方向外側に向かう形状となっている。これにより、永久磁石５の近傍まで回転子２のコア、すなわち金属を配することができる。
【００３０】
また、磁石挿入孔４のうち、永久磁石５が配されてブリッジ４ｃとなる部分の径方向寸法Ｌ１は、永久磁石５の厚みの略最大値Ｌ２に対して、Ｌ１＜Ｌ２の関係を満たす。
【００３１】
ここで、磁石挿入孔４に配された永久磁石５を着磁する方法を説明する。永久磁石５は、着磁装置（不図示）が発する磁束によって着磁される。しかし、着磁装置から発する磁束は有限であるため、着磁装置から遠方に位置する永久磁石５の磁化は困難になる。例えば、回転子２の外端に着磁装置を設けるとすると、磁束は略同心円状に広がるため、着磁装置を中心に持つ或る円内の領域（着磁容易領域）の外側に位置する永久磁石５は、着磁率が不足する。着磁装置の性能や回転子２の寸法によっては、図１０に例示するように、永久磁石５の内径側の一部が着磁容易領域の外側に位置するおそれがある。
【００３２】
着磁容易領域の外側に位置する永久磁石５の一部の着磁率を上げるためには、磁石挿入孔４より内径側のコアに磁束を流すとよい。永久磁石や磁石挿入孔４（すなわち、空気層）に比べ、例えば鉄の透磁率は約１０００倍以上であることから、永久磁石５より内径側に位置する空気層領域を減少させると好ましい。
このため、上記のように、磁石挿入孔４の内径側端面４ｂの形状をＶ字の中心に向かうにつれて外径側に向かう形状にすることで、永久磁石５の広範囲に磁束が到達し易くできる。
【００３３】
また、Ｌ１＜Ｌ２とすることで、着磁装置から発せられる磁束について、径方向Ｌ１の磁気抵抗を低減し、より内径側にまで磁束を到達させることが可能となる。
【実施例５】
【００３４】
実施例５は、以下の点を除き実施例１乃至実施例４の構成と同様にできる。
図１１は、回転子２の１極を拡大した軸方向断面図である。本実施例では、ブリッジ４ｃに向かって回転子２のコアの一部が突出したブリッジ突出部２０として、ブリッジ４ｃの内径側から外径側に向かって突出した内径側ブリッジ突出部２０ａと、ブリッジ４ｃの外径側から内径側に向かって突出した外径側ブリッジ突出部２０ｂとを配している。これにより、磁石挿入孔４のブリッジ４ｃの径方向寸法Ｌ１（例えば、図１０参照。）は、永久磁石５の対向面５０の径方向寸法Ｌ３より小さくなっている。このようにすることで、急停止や急加速などの慣性力による永久磁石５の破損をさらに抑制できる。ブリッジ突出部２０は、内径側ブリッジ突出部２０ａ又は外径側ブリッジ突出部２０ｂの一方のみを設けても良い。
【実施例６】
【００３５】
実施例６は、以下の点を除き実施例１乃至実施例５の構成と同様にできる。
図１２は、回転子２の１極を拡大した軸方向断面図である。回転子２は、磁石挿入孔４の径方向外側に突出した凸部２１を有している。永久磁石５の径方向外側の形状は、厚みが減少するようにされており、例えば、実施例３のような対称形状となって、径方向外側に、永久磁石５の厚みを減少させるテーパ部５００と、テーパ部５００及び第一磁極面５２を繋ぐ面である傾斜部５１０が設けられている。凸部２１は対向面５０に対向している。本実施例の凸部２１及びテーパ部５００は、磁石挿入孔４のＶ字形状の周方向内側に設けられているが、周方向外側に設けても良い。回転子２が略円筒形状であることから、凸部２１を周方向内側に設ける方が永久磁石５の外径側のコアの範囲を小さくし易いため、ここを通過する短絡磁束の発生を抑制し易い。
【実施例７】
【００３６】
実施例１乃至６の永久磁石同期機１を搭載した機器の一例である冷蔵庫２００を説明する。
図１３は、永久磁石同期機１を搭載した圧縮機１０００を備える冷蔵庫２００の縦断面図である。冷蔵庫２００は断熱箱体２１０を有している。密閉型圧縮機１０００は断熱箱体２１０と仕切部２１１が囲む領域に配されており、密閉型圧縮機１０００、放熱パイプ、キャピラリーチューブ、冷却器２６０を繋ぐことで、Ｒ６００ａ等の冷媒を用いた冷凍サイクルが形成されている。
【００３７】
冷蔵庫２００は、貯蔵室の一例として冷蔵室２２０、上段冷凍室２３０、下段冷凍室２４０、野菜室２５０を有しており、これら庫内空間は密閉型圧縮機１０００の駆動により冷凍サイクル（図示せず）が動作することで冷却される。
【００３８】
なお、密閉型圧縮機１０００の配置場所は特に制限されず、断熱箱体２１０の任意の近傍領域に設けることができる。例えば、何れかの貯蔵室の後方又は近傍でも良い。
【００３９】
［その他の機器］
永久磁石同期機１を搭載する機器は特に限られず、圧縮機や冷蔵庫の他、電動ポンプなどに適用できる。
【符号の説明】
【００４０】
１…永久磁石同期機
２…回転子
２０…ブリッジ突出部
２１…凸部
３…固定子
４…磁石挿入孔
４ａ…外径側端面
４ｂ…内径側端面
４ｃ…ブリッジ
５…永久磁石
５０…対向面
５１…シャフト対向面
５２…第一磁極面
５３…第二磁極面
５４…第一磁極面側の面取り
５５…第二磁極面側の面取り
５００…テーパ部
５１０…傾斜部
６…シャフト
２００…冷蔵庫
１０００…圧縮機
【図１】
0006506649.tif 000002
【図２】
0006506649.tif 000003
【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】
0006506649.tif 000011
【図１１】
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【図１２】
0006506649.tif 000013
【図１３】
0006506649.tif 000014