(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転子と固定子を備える電動機であって、前記回転子は永久磁石が挿入され、前記固定
子のティースには集中巻に電機子巻線が巻き回され、回転子鉄心の外周形状が電気角180度毎に回転子鉄心の中心Ｏ１と異なる点Ｏ２，Ｏ３を中心とする円弧を組み合わせた形状であり回転子の磁極中心方向に延びる軸をｄ軸、磁極中心方向と電気角で９０度ずれている磁極間方向に延びる軸をｑ軸とし、Ｏ２，Ｏ３はｄ軸を中心として線対称となっており、Ｏ２から回転子の外周までの距離をｒ２，Ｏ３から回転子の外周までの距離をｒ３とすると、ｒ２とｒ３がほぼ等しく、ｄ軸からｑ軸に近づくに従いＯ１から回転子外周までの距離がＯ２，Ｏ３を中心とする円弧に沿って漸次短くなるようにしたことを特徴とする電動機。
【請求項２】
請求項１に記載の電動機を駆動源とした圧縮機。
【請求項３】
請求項２に記載の圧縮機を用いた冷蔵庫。
【請求項４】
請求項２に記載の圧縮機を用いた冷凍庫。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、界磁用の永久磁石を回転子に備えている永久磁石式回転電機に関し、特に、空気調和機や冷蔵庫および冷凍庫の圧縮機などに搭載されるのに好適な永久磁石式回転電機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の永久磁石式回転電機においては、騒音・振動の低減、すなわち、トルク脈動を低減するために、様々な方策が取られている。例えば、実開平３−１０６８６９号公報に記載されているように、固定子ティース先端部の中央は回転子鉄心と同心円とし、ティース先端部の両端を直線状、すなわち回転子から遠ざけることでトルク脈動を低減させている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
永久磁石式回転電機の電機子巻線に高調波電流が流れると、高調波磁束が発生し、トルク脈動が増大することから、騒音・振動低減のためには高調波電流を小さくすることが重要となる。この電機子電流に流れる電流波形は、電機子巻線に印加する電圧波形と逆起電力（誘導起電力）波形によって決まるため、誘導起電力波形を正弦波に近づければよい。
【０００４】
上記従来技術では、ティース先端部の両端を回転子から遠ざけることで、機内の磁束分布を滑らかにして（誘導起電力波形を正弦波に近づけ）トルク脈動を低減させているが、ティース先端部の両端を回転子から遠ざけるほどスロット断面積が減少し、電機子巻線を挿入できなくなるため、ティース先端形状でトルク脈動を低減するには限界があった。
【０００５】
本発明の目的は、トルク脈動を十分に低減して、振動・騒音の小さい永久磁石式回転電機を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、固定子鉄心に形成された複数のスロット内に電機子巻線が施された固定子と、回転子鉄心に形成された複数の永久磁石挿入孔中に永久磁石が納められた回転子とを有する永久磁石式回転電機において、回転子の磁極方向に延びる軸をｄ軸、磁極中心方向と電気角で９０度ずれている磁極間方向に延びる軸をｑ軸としたとき、回転子鉄心の中心から回転子外周までの径方向距離がｄ軸からｑ軸に近づくに従い短くなるように、回転子鉄心の外周面を構成した永久磁石式回転電機を提案する。
【０００７】
本発明では、また、固定子鉄心に形成された複数のスロット内にティースを取り囲むように集中巻の電機子巻線が施された固定子と、回転子鉄心に形成された複数の永久磁石挿入孔中に永久磁石が納められた回転子とを有する永久磁石式回転電機において、回転子の磁極方向に延びる軸をｄ軸、磁極中心方向と電気角で９０度ずれている磁極間方向に延びる軸をｑ軸としたとき、回転子鉄心の中心から回転子外周までの径方向距離がｄ軸からｑ軸に近づくに従い短くなるように、回転子鉄心の外周面を構成した永久磁石式回転電機を提案する。
【０００８】
前述のように、永久磁石式回転電機の振動・騒音を低減するためには、電機子電流の高調波成分によって発生する高調波磁束を抑えて、トルク脈動を小さくする必要がある。この電機子電流の高調波成分は、永久磁石式回転電機の端子に供給する電圧波形と誘導起電力波形によって決まるため、誘導起電力波形の正弦波化が重要となる。
【０００９】
本発明は、回転子鉄心の外周形状で、永久磁石式回転電機の誘導起電力波形が正弦波に近づくようにしたものである。よって、電機子電流の高調波成分が小さくなって、トルク脈動を著しく低減できるため、振動・騒音の小さな永久磁石式回転電機を提供できる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を、図面を用いて詳細に説明する。
【００１１】
（実施形態１）
図１に本発明による永久磁石式回転電機の実施形態１の径方向断面形状、図２に本発明による実施形態１の回転子の径方向断面形状、図３に本発明による実施形態１の回転子外周形状を示す断面図、図４に本発明での永久磁石式回転電機の誘導起電力波形、図１０に永久磁石式回転電機の比較例構造を示す断面図を示す。
【００１２】
永久磁石式回転電機１は固定子２と回転子３から構成される。固定子２はティース４とコアバック５からなる固定子鉄心６と、ティース４間のスロット７内にティース４を取り囲むように巻装された集中巻の電機子巻線８（三相巻線のＵ相巻線８Ａ，Ｖ相巻線８Ｂ，Ｗ相巻線８Ｃからなる）で構成される。一方、回転子３は回転子鉄心１２に形成した永久磁石挿入孔１３中に永久磁石１４（ここでは４極で示した）が納められ、シャフト（図示せず）と結合するためのシャフト孔１５からなる。
【００１３】
ところで、本発明の対象とする圧縮機用の永久磁石式回転電機１では、振動・騒音がしばしば問題になる。特に、集中巻の電機子巻線８は１２０度巻線であるため（従来の分布巻の電機子巻線は１８０度巻線であるため、高調波磁束が小さい）、高調波磁束が大きく、振動・騒音の原因となるトルク脈動も大きくなる。
【００１４】
そこで、図１０に示したように、比較例では、固定子ティース先端部２５の中央は回転子鉄心１２と同心円とし、ティース先端部２５の両端を直線状、すなわち回転子３から遠ざけるようにしている。このような構造にすると、誘導起電力の高調波成分が低減され、高調波電流が小さくなって、高調波磁束も小さくなり、トルク脈動が低減する。しかし、ティース先端部２５の両端を回転子３から遠ざけるほど、スロット７の断面積が小さくなるため、電機子巻線８の素線の径を小さくするか、電機子巻線８のターン数を減らさなければならない等の問題が生じる。したがって、振動・騒音が十分に低減するまで、ティース先端部２５の両端を回転子３から遠ざけることができない。
【００１５】
よって、本発明では、図３に示したように、回転子鉄心１２の外周形状が、回転子鉄心１２の中心Ｏ１と異なる点Ｏ２，Ｏ３を中心とする円弧を組合わせた形状としている。すなわち、回転子３の磁極中心方向に延びる軸をｄ軸、磁極中心方向と電気角で９０度ずれている磁極間方向に延びる軸をｑ軸、回転子鉄心１２の中心Ｏ１からｄ軸方向の回転子鉄心外周までの距離をｒ１，Ｏ１と異なる２つの点をＯ２，Ｏ３として、回転子鉄心１２の外周形状はＯ２，Ｏ３を中心とする円弧を組合わせた形状となる。また、Ｏ２とＯ３はｄ軸を中心として対称となっており、それぞれＯ２とＯ３から回転子外周までの距離ｒ２，ｒ３と、Ｏ２，
Ｏ３を中心点とする円弧の円周角α２，α３をほぼ等しくしている。よって、ｄ軸からｑ軸に近づくに従いＯ１から回転子外周までの径方向距離が漸次短くなるようにしている。
【００１６】
図４は、図３のような回転子形状にしたときの誘導起電力波形であり、回転子鉄心１２の外周形状がＯ１を中心とする円（同心円）の場合の結果と比較して示した。回転子鉄心１２の外周形状がＯ１を中心とする同心円の場合、誘導起電力波形はかなり歪んでおり、波形ひずみ率は約１９.３％ である。一方、本発明では、誘導起電力波形のひずみ率が約２.７％ で、かなり正弦波に近くなっていることがわかる。
【００１７】
したがって、本発明によれば、誘導起電力波形が正弦波に近づき、電機子巻線８に流れる高調波電流が小さくなって、高調波磁束も小さくなるため、トルク脈動が低減されて、振動および騒音を小さくできる。
【００１８】
なお、ここでは、永久磁石１４の形状を回転子の外周に対して凸状としたが、回転子鉄心１２の外周形状が回転子鉄心１２の中心と異なる２点を中心とした円弧を組合わせた形状であって、回転子鉄心１２の中心から回転子鉄心１２の外周までの径方向距離がｄ軸からｑ軸に近づくに従い漸次短くなるようにしていれば、永久磁石１４の形状が回転子の外周に対して凸状でなくても構わない。
【００１９】
（実施形態２）
図５は、本発明による永久磁石式回転電機の実施形態２の回転子外周形状を示す断面図である。
【００２０】
図中における回転子で図３に示した同一物には同一符号を付したので説明を省略する。図５において、図３と異なるのは、回転子鉄心１２の外周形状を、回転子３の中心Ｏ１と同心の円弧と、非同心の円弧を組合わせた形状としたことである。すなわち、回転子形状を、Ｏ１と異なる点Ｏ２およびＯ３を中心とする円弧と、Ｏ１を中心とする円弧を組合わせた形状としている。ここで、各磁極毎の回転子の外周形状がｄ軸に対して対称になるように、点Ｏ２を中心とする円弧の半径ｒ２と点Ｏ３を中心とする円弧の半径ｒ３，点Ｏ２を中心とする円弧の円周角α２と点Ｏ３を中心とする円弧の円周角α３を等しくしている。
【００２１】
このような構造にすれば、回転子３の外周形状にＯ１を中心とする円弧を含むため、固定子２と回転子３の間に円筒状のものを挿入することで、固定子２と回転子３の中心を容易に一致させることができる（固定子２と回転子３間のエアギャップを均一にすることができる）。
【００２２】
ここで、Ｏ１を中心とする円弧状の円周角α１を大きくしなければ、図３に示した実施形態と同様の効果が得られるのは言うまでもない。
【００２３】
（実施形態３）
図６は、本発明による永久磁石式回転電機の実施形態３の回転子外周形状を示す断面図である。
【００２４】
図中における回転子で図３に示した同一物には同一符号を付したので説明を省略する。図６において、図３と異なるのは、回転子鉄心１２の外周形状が、ｄ軸で長軸となる楕円の円弧を組合わせたことである。このような構造にしても、回転子３の中心から回転子３の外周までの径方向距離がｄ軸からｑ軸に近づくに従い漸次短くなることには変わりがないので、図３に示した実施形態と同様の効果が得られる。
【００２５】
（実施形態４）
図７は、本発明による永久磁石式回転電機の実施形態４の回転子外周形状を示す断面図である。
【００２６】
図中における回転子で、図３に示した同一物には同一符号を付したので説明を省略する。
【００２７】
図７において、図３と異なるのは、回転子鉄心１２中にＶ字状となるように永久磁石１４を配置し、かつ回転子鉄心１２の外周のｑ軸近傍において回転子鉄心を除去したことである。
【００２８】
例えば、ここで示したように永久磁石１４をＶ字状に配置した場合、回転子鉄心を除去しないと永久磁石１４の磁束がｑ軸近傍外周部の回転子鉄心１２を通って回り込み易くなり、電機子巻線８に鎖交する磁束が減少する。よって、回転子鉄心１２の外周ｑ軸近傍において鉄心を除去（回転子が外周に対して凹部状に）して、永久磁石１４の磁束が短絡するのを防止する。
【００２９】
このような場合においても、回転子鉄心１２の外周形状が、Ｏ１と異なる点
Ｏ２およびＯ３を中心とする円弧を組合わせた形状であって、Ｏ１と回転子鉄心１２の外周との径方向距離がｄ軸からｑ軸に近づくに従い漸次短くなるように構成すれば、実施形態１と同様の効果が得られる。
【００３０】
（実施形態５）
図８は、本発明による永久磁石式回転電機の実施形態５の断面図である。
【００３１】
図中における永久磁石式回転電機で、図１で示した同一物には同一符号を付したので説明を省略する。
【００３２】
図８において、回転子３の構造は図１と同じであるが、固定子２の構造が異なっている。すなわち、図１と異なるのは、固定子ティース先端部２５の中央は回転子鉄心１２と同心円とし、ティース先端部２５の両端を直線状、すなわち回転子３から遠ざける構造としたことである。
【００３３】
このように構成した場合、固定子２も誘導起電力波形を正弦波に近づける形状となるため、図１の場合より誘導起電力波形が更に正弦波に近づき、電機子電流の高調波成分が小さくなって高調波磁束が減少する。よって、トルク脈動も小さくなるため、著しく騒音および振動を低減できる。
【００３４】
（実施形態６）
図９は本発明に関わる圧縮機の断面構造である。
【００３５】
圧縮機は、固定スクロール部材６０の端板６１に直立する渦巻状ラップ６２と、旋回スクロール部材６３の端板６４に直立する渦巻状ラップ６５とを噛み合わせて形成し、旋回スクロール部材６３をクランクシャフト７２によって旋回運動させることで圧縮動作を行う。固定スクロール部材６０及び旋回スクロール部材６３によって形成される圧縮室６６（６６ａ，６６ｂ，…）のうち、最も外径側に位置している圧縮室は、旋回運動に伴って両スクロール部材６０，６３の中心に向かって移動し、容積が次第に縮小する。圧縮室６６ａ，６６ｂが両スクロール部材６０，６３の中心近傍に達すると、両圧縮室６６内の圧縮ガスは圧縮室
６６と連通した吐出口６７から吐出される。吐出された圧縮ガスは、固定スクロール部材６０及びフレーム６８に設けられたガス通路（図示せず）を通ってフレーム６８下部の圧縮容器６９内に至り、圧縮容器６９の側壁に設けられた吐出パイプ７０から圧縮機外に排出される。また、本圧縮機では、圧力容器６９内に、駆動用電動機７１が内封されており、別置のインバータ（図示せず）によって制御された回転速度で回転し、圧縮動作を行う。ここで、駆動用電動機７１は、固定子２と回転子３とで構成される永久磁石式回転電機である。
【００３６】
このように、永久磁石式回転電機１を、圧縮機等の駆動用電動機として用いる場合、制御装置（インバータ）によって運転制御される。前述のように、電機子電流の波形は、永久磁石式回転電機１の端子電圧(制御装置から供給される電圧)波形と、永久磁石式回転電機１の誘導起電力波形によって決まるため、誘導起電力波形を正弦波に近づけることで電機子電流の高調波成分が小さくなるが、出力電圧の波形が正弦波となる制御装置で永久磁石式回転電機１を運転すれば、更に電機子電流の高調波成分を小さくできる。よって、本発明で示した永久磁石式回転電機と出力電圧の波形が正弦波となる制御装置を組合わせれば、著しく振動および騒音を低減できる。
【００３７】
一方、圧縮機は空気調和機，冷蔵庫、あるいは冷凍庫等の駆動源として用いられているが、一年中稼動しているため、地球温暖化問題から省エネルギー化を図る最重要製品である。この駆動源に永久磁石式回転電機を使用すると回転電機の高効率化によって省エネルギー化を図れるが、騒音を小さくしなければ採用できない。しかし、本発明の永久磁石式回転電機を駆動源とした場合、騒音が小さく、環境問題を解消できるので、高効率化で省エネルギー化が図れる圧縮機を提供できる。
【００３８】
本発明の永久磁石式回転電機を駆動源とした圧縮機を空気調和機に採用すれば、トップランナー規制をクリアした空気調和機を提供できる。
【００３９】
本発明の永久磁石式回転電機を駆動源とした圧縮機を冷蔵庫に採用すれば、トップランナー規制をクリアした電気冷蔵庫を提供できる。
【００４０】
本発明の永久磁石式回転電機を駆動源とした圧縮機を冷凍庫に採用すれば、省エネルギー化を図った冷凍庫を提供できる。
【００４１】
【発明の効果】
本発明によれば、振動・騒音問題の小さな永久磁石式回転電機が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による永久磁石式回転電機の実施形態１の断面図を示す図である。
【図２】図１の回転子鉄心を示す断面図である。
【図３】図１の回転子鉄心外周形状を示す断面図である。
【図４】本発明に係わる永久磁石式回転電機の誘導起電力波形を示す図である。
【図５】本発明による永久磁石式回転電機の実施形態２の回転子鉄心外周形状を示す断面図である。
【図６】本発明による永久磁石式回転電機の実施形態３の回転子鉄心外周形状を示す断面図である。
【図７】本発明による永久磁石式回転電機の実施形態４の回転子鉄心外周形状を示す断面図である。
【図８】本発明による永久磁石式回転電機の実施形態５の断面図を示す図である。
【図９】本発明に係わる圧縮機の断面構造を示す図である。
【図１０】従来技術による永久磁石式回転電機の断面図を示す図である。
【符号の説明】
１…永久磁石式回転電機、２…固定子、３…回転子、４…ティース、５…コアバック、６…固定子鉄心、７…スロット、８…電機子巻線、１２…回転子鉄心、１３…永久磁石挿入孔、１４…永久磁石、１５…シャフト孔、２５…ティース先端部、６０…固定スクロール部材、６１，６４…端板、６２，６５…ラップ、６３…旋回スクロール部材、６６…圧縮室、６７…吐出口、６８…フレーム、６９…圧縮容器、７０…吐出パイプ、７１…駆動用電動機、７２…シャフト、７３…油溜め部、７４…油孔、７５…滑り軸受け。
【図１】
0003899885.tif 000002
【図２】
0003899885.tif 000003
【図３】
0003899885.tif 000004
【図４】
0003899885.tif 000005
【図５】
0003899885.tif 000006
【図６】
0003899885.tif 000007
【図７】
0003899885.tif 000008
【図８】
0003899885.tif 000009
【図９】
0003899885.tif 000010
【図１０】
0003899885.tif 000011