電動機および圧縮機並びに冷凍サイクル装置
【課題】ステータのティースの先端部に疑似スロットを設けても鉄損を抑制でき、磁束密度の分布の平滑化が図れ、よりコギングトルクを低減できる電動機を提供する。
【解決手段】周方向に設けられたスロット３２の間に形成されたティース３３およびティース３３に巻回されたコイルを有する円筒状のステータ３と、ステータ３の軸心を中心として、そのステータ３のティース３３の先端部とエアギャップを介して設けられ、周方向に設けられた永久磁石挿入孔および永久磁石挿入孔に挿入された永久磁石４２を有するロータ４とを備え、ステータ３のティース３３の先端部に擬似スロット３４を設け、ロータ４の永久磁石挿入孔および永久磁石挿入孔と対向するロータ４の外周部の間に径方向に延びるスリット４４を設け、スリット４４のロータ４の外周部側の先端からロータ４の外周部までの長さを不均一にしている。
【解決手段】周方向に設けられたスロット３２の間に形成されたティース３３およびティース３３に巻回されたコイルを有する円筒状のステータ３と、ステータ３の軸心を中心として、そのステータ３のティース３３の先端部とエアギャップを介して設けられ、周方向に設けられた永久磁石挿入孔および永久磁石挿入孔に挿入された永久磁石４２を有するロータ４とを備え、ステータ３のティース３３の先端部に擬似スロット３４を設け、ロータ４の永久磁石挿入孔および永久磁石挿入孔と対向するロータ４の外周部の間に径方向に延びるスリット４４を設け、スリット４４のロータ４の外周部側の先端からロータ４の外周部までの長さを不均一にしている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電動機である永久磁石型モーター、その永久磁石型モーターを備えた圧縮機、並びにその圧縮機を備えた冷凍サイクル装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、振動・騒音の原因となるコギングトルクを抑制し、かつ高効率な圧縮機駆動用の永久磁石型モーターが知られている。
コギングトルクとは、突極性を有する永久磁石型モーターに必ず発生する力であり、無通電時にステータのティースとロータに配置された永久磁石との間に作用するロータの位置(回転角)に対する磁気吸引力の変化によって生ずるトルク脈動である。すなわち、ステータとロータ間の磁気抵抗が最小となる位置において、磁気的に最も安定しており、ロータがその位置に静止しようとする。さらに、その位置からロータを回転させるためには、磁気吸引力に打ち勝つだけのトルクが必要となる。しかし、一度ある速度で回転すると、正負のトルクが交番する振動トルクとなるために、コギングトルクの平均値は零となる。
【０００３】
コギングトルクが発生すると、速度変動を生じ、ロータの軸を伝わり振動・騒音の原因となると共に、静止トルクのように作用してモーターの始動トルクを増大させる。それと同時に、ロータの回転によって磁束が変化し、そのためにヒステリシス損および渦電流損が存在する場合には、固体摩擦および粘性摩擦のように作用する。よって、コギングトルクの低減が要求される。このコギングトルクは、ステータとロータ間の磁気抵抗が回転角によって変化するために生じるものであり、磁束密度の２乗に比例するマクスウェルの応力に起因している。この磁気抵抗の変化は、ステータのスロット空間の高調波やロータに配置した永久磁石の磁束の高調波成分に大きく依存している。したがって、コギングトルクを低減するためには、ギャップ部の磁束密度の分布を円周方向に平滑化して、高調波成分を低減するのが望ましい。
【０００４】
従来、コギングトルクを抑制する永久磁石型モーターとして、例えば、ロータに設けられた永久磁石の極中心に対して、磁石の両端部のエアギャップ長が大きくなるように磁石曲率を小さくし、かつステータのティースの先端部に擬似スロットを設けたものがある。
このような構造にすることで、ステータのティース先端部の擬似スロットによりスロットの空間高調波が分散されてコギングトルクの周波数帯域を高次側に分散してシフトできるという効果に加え、永久磁石を極中心に対して磁石の両端部のエアギャップ長が大きくなるように磁石曲率を小さくしたことで永久磁石の極間部の磁力の変化を滑らかにでき、磁力が急峻に変化するのを抑制できるという効果が重畳されるため、それぞれの効果を単独で作用させる場合と比べて、コギングトルクが低減されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
また、従来の永久磁石型モーターとして、ステータのティースの内周側の先端部に一つ又は複数の溝であるステータ側の擬似スロットが軸方向に沿って設けられ、ロータは、回転軸を中心として複数のポールピースが等間隔に放射状に配され、ポールピースの外周側の先端部に、一つ又は複数の溝であるロータ側の擬似スロットが軸方向に沿って設けられたものがある。ステータのティースおよびロータのポールピースの先端部に溝を設けることにより、擬似的にスロット数が増え、スロット高調波の分散を図ることができる。すなわち、スロットの高調波の次数を高周波領域に移行させ、特定のスロットの高調波が重複して発生しないようにしている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−１３６００１号公報（第３−４頁、図１−図３）
【特許文献２】特開２００６−６７７０８号公報（第４−６頁、図１−図３）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前述した従来の永久磁石型モーターは、以上のように構成することで、スロットの高調波に起因する振動・騒音を低減している。しかし、スロットの高調波に起因する振動・騒音のさらなる低減には、前述した永久磁石型モーターの構造では課題がある。
特許文献１に記載の永久磁石型モーターでは、擬似スロットの効果を高めるために擬似スロットの数を増やした場合、擬似スロットの幅が狭くなることで磁路が狭くなり鉄損が増大することが予想される。
また、特許文献２に記載の永久磁石型モーターでは、ステータ、ロータの双方に溝を設けることで擬似スロット数を増やしているため、一方に溝を設けるよりも磁路が狭くなることを抑制することができる。しかし、その構造では、スロットの高調波の次数を高周波領域に移行させるだけであって、エアギャップの磁束密度の分布の平滑化は不十分である。
【０００８】
本発明は、前記のような課題を解決するためになされたもので、ステータのティースの先端部に疑似スロットを設けても鉄損を抑制でき、磁束密度の分布の平滑化が図れ、よりコギングトルクを低減できる電動機および圧縮機並びに冷凍サイクル装置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】
【０００９】
本発明に係る電動機は、周方向に設けられたスロット、隣接するスロットの間に形成されたティースおよびティースに巻回されたコイルを有する円筒状のステータと、ステータの軸心を中心として、そのステータのティースの先端部とエアギャップを介して設けられ、周方向に設けられた永久磁石挿入孔および永久磁石挿入孔に挿入された永久磁石を有するロータとを備え、ステータのティースの先端部に擬似スロットを設け、ロータの永久磁石挿入孔および永久磁石挿入孔と対向するロータの外周部の間に径方向に延びるスリットを設け、スリットのロータの外周部側の先端からロータの外周部までの長さを不均一にしたことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１０】
本発明においては、ステータのティースの先端部に擬似スロットを設け、ロータの永久磁石挿入孔および永久磁石挿入孔と対向するロータの外周部の間に径方向に伸びるスリットを設け、スリットのロータの外周部側の先端からロータの外周部までの長さを不均一にしたので、スロットの空間高調波が分散されてコギングトルクの周波数帯域を高次側に分散してシフトできるという効果に加え、永久磁石の極間部の磁力の変化を滑らかにでき、磁力が急峻に変化するのを抑制できるという効果が重畳されるため、それぞれの効果を単独で作用させる場合と比べて、より一層コギングトルクを低減できる。また、ステータ側に擬似スロット、ロータ側にスリットを設けているため、磁束飽和を抑制することで鉄損を抑制しつつ擬似スロットの効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施の形態１に係る圧縮機の側面を切断して示す断面図である。
【図２】実施の形態１に係る電動機の構造を示す断面図である。
【図３】図２に示す永久磁石及びスリットの拡大図である。
【図４】コギング対策未実施の電動機の構造を示す断面図である。
【図５】ステータのティースの先端部に擬似スロットを設けた電動機の構造を示す断面図である。
【図６】ロータにコギング対策のスリットおよびステータ側に擬似スロットを設けた電動機の構造を示す断面図である。
【図７】実施の形態１における電動機のロータの角度変化に対するコギングトルクの波形およびその波形を周波数分析した結果を示す図である。
【図８】コギング対策未実施の電動機のロータの角度変化に対するコギングトルクの波形およびその波形を周波数分析した結果を示す図である。
【図９】ステータのティースの先端部に擬似スロットを設けた電動機のロータの角度変化に対するコギングトルクの波形およびその波形を周波数分析した結果を示す図である。
【図１０】ロータにコギング対策のスリット、ステータ側に擬似スロットを設けた電動機のロータの角度変化に対するコギングトルクの波形およびその波形を周波数分析した結果を示す図である。
【図１１】実施の形態２に係る冷凍サイクル装置の冷媒回路を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
実施の形態１．
以下、本発明の電動機およびその電動機を備えた圧縮機について図面を参照して説明する。
図１は実施の形態１に係る圧縮機の側面を切断して示す断面図である。
圧縮機１は、密閉容器２、密閉容器２内に収納された圧縮部２００および電動機１００、密閉容器２内の底部に貯留された冷凍機油（図示せず）などで構成されている。冷凍機油は、主に圧縮部２００の摺動部を潤滑する。
【００１３】
電動機１００は、例えば永久磁石型モーターからなり、後述するが、周方向に設けられたスロット、隣接するスロットの間に形成されたティースおよびティースに巻回されたコイルを有する円筒状のステータ３と、ステータ３の軸心を中心として、そのステータ３のティースの先端部とエアギャップを介して設けられ、周方向に設けられた永久磁石挿入孔および永久磁石挿入孔に挿入された永久磁石を有するロータ４とを備えている。圧縮部２００は、シリンダ５、上軸受６、下軸受７、回転軸８、ローリングピストン９、吐出マフラ１０、ベーン（図示せず）などで構成されている。
【００１４】
圧縮部２００の構成は、回転軸８を除き一般的な圧縮機の構成と同じであり、以下に概略構成を説明する。
内部に圧縮室が形成されるシリンダ５は、外周が平面視でほぼ円形状に形成され、内部に平面視でほぼ円形状の空間であるシリンダ室が設けられている。そのシリンダ室は、軸方向の両端が開口している。シリンダ５は、側面視で所定の軸方向の高さを持つ。シリンダ５は、前述したシリンダ室に連通し、半径方向に延びる平行なベーン溝（図示せず）が軸方向に貫通して設けられる。また、ベーン溝の背面（外側）には、ベーン溝に連通する平面視でほぼ円形状の空間である背圧室（図示せず）が設けられている。
【００１５】
シリンダ５には、冷凍サイクルからの吸入ガスが通る吸入ポート（図示せず）が、シリンダ５の外周面からシリンダ室に貫通している。シリンダ５には、シリンダ室を形成する円形の縁部付近（電動機１００側の端面）を切り欠いた吐出ポート（図示せず）が設けられている。ローリングピストン９は、リング状に形成され、その孔に回転軸８の偏心軸部８ａが摺動自在に嵌合されている。これにより、ローリングピストン９は、シリンダ室内を偏心回転する。
【００１６】
ベーンは、シリンダ５のベーン溝内に収納され、背圧室に設けられたベーンスプリング（図示せず）により常にローリングピストン９に押し付けられている。圧縮機１は、密閉容器２内が高圧であるから、運転を開始するとベーンの背面（背圧室側）に密閉容器２内の高圧とシリンダ室の圧力との差圧による力が作用するので、ベーンスプリングは主に回転式圧縮機の起動時（密閉容器２内とシリンダ室の圧力に差がない状態）に、ベーンをローリングピストン９に押し付ける目的で使用される。ベーンの形状は、平たい（周方向の厚さが、径方向及び軸方向の長さよりも小さい）ほぼ直方体状に形成されている。
【００１７】
上軸受６は、回転軸８の主軸部８ｂ（偏心軸部８ａより上の部分）に摺動自在に嵌合すると共に、シリンダ５のシリンダ室（ベーン溝も含む）の一方の端面（電動機１００側）を閉塞する。下軸受７は、側面視でほぼＴ字状に形成され、回転軸８の副軸部８ｃ（偏心軸部８ａより下の部分）に摺動自在に嵌合すると共に、シリンダ５のシリンダ室（ベーン溝も含む）の他方の端面（冷凍機油側）を閉塞する。
【００１８】
上軸受６には、その外側（電動機１００側）に吐出マフラ１０が取り付けられている。上軸受６の吐出弁から吐出される高温・高圧の吐出ガスは、一旦吐出マフラ１０に入り、その後、吐出マフラ１０の吐出穴（図示せず）から密閉容器２内に放出される。密閉容器２の横には、溶接等により密閉容器２の側面に固定された吸入マフラ１１が設けられている。この吸入マフラ１１は、シリンダ５の吸入ポートに吸入管１２を介して接続されており、冷凍サイクル装置からの低圧の冷媒ガスを吸入し、液冷媒が戻る場合に液冷媒が直接シリンダ５のシリンダ室に吸入されるのを抑制する。
【００１９】
圧縮部２００で圧縮された高温・高圧のガス冷媒は、吐出マフラ１０の吐出穴から電動機１００を通過し、密閉容器２の頂部に設けられた吐出管１３から冷凍サイクル装置の冷媒回路（図示せず）へ吐出される。
【００２０】
次に、前述した電動機１００の構造について図２を用いて説明する。
図２は実施の形態１に係る電動機の構造を示す断面図、図３は図２に示す永久磁石及びスリットの拡大図である。
電動機１００のステータ３は、薄い電磁鋼板を所定の形状に打ち抜いて軸心方向に積層された円筒状のステータコア３１と、ステータコア３１に設けられたスロット３２間のティース３３に巻き付けられたコイル（図示せず）とを有している。前述のスロット３２は、ステータコア３１の周方向に配置され、内周面に軸心方向に延びて設けられている。
【００２１】
このティース３３は、ステータコア３１の外径側から内径側にかけてはほぼ平行の形状をなしており、その先端部が両サイドが周方向に拡がっている。また、ティース３３の先端部には、軸心側が開放の凹状の疑似スロット３４が設けられている。疑似スロット３４は、スロットオープニングとほぼ等しい幅となっている。ティース３３毎に設けられた疑似スロット３４は、異なるピッチで設けられている。本実施の形態１においては、スロット３２の数が１８個、各ティース３３の先端部に設けられた擬似スロット３４の数が２個となっているが、スロット３２の数と擬似スロット３４の数はこの限りではない。
【００２２】
電動機１００のロータ４は、ステータ３の開口内に０．３〜０．８ｍｍ程度のエアギャップを有して設けられ、板厚が０．１〜１．５ｍｍの電磁鋼板を所定の形状に打ち抜き、軸心方向に積層して構成されるロータコア４１と、ロータコア４１の周方向に配置され、かつロータコア４１の軸心方向に挿入された例えば６個の永久磁石４２とを備えている。永久磁石４２は、Ｎ極とＳ極とが交互になるようにロータコア４１内に埋め込まれている。前述した圧縮機１にロータ４を搭載する場合は、圧縮機１の回転軸８をロータ４の軸孔に焼嵌又は圧入して固定する。
【００２３】
前述のロータコア４１には、永久磁石４２が挿入される永久磁石挿入孔４３と、永久磁石挿入孔４３および永久磁石挿入孔４３に対向するロータコア４１の外周部の間に永久磁石挿入孔４３の長手方向に沿って設けられ、ロータコア４１の径方向に延びる複数個のスリット４４とを備えている。この複数個のスリット４４のロータコア４１の外周部側の先端部からロータコア４１の外周部までの長さは各々のスリット４４で不均一になっている。永久磁石挿入孔４３毎に設けられた各スリット４４は、電磁鋼板毎に形成され、異なるピッチで配置されている。永久磁石挿入孔４３は、図３に示すように、永久磁石４２の長手方向の寸法より若干長く形成されている。なお、スリット４４の数を９本としているが、スリット４４の数はこの限りではない。
【００２４】
次に、本実施の形態１のコギングトルクの低減効果をコギング対策未実施の電動機（図４参照）、ステータのティースの先端部に擬似スロットを設けた電動機（図５参照）、ロータにコギング対策のスリットおよびステータ側に擬似スロットを設けた電動機（図６参照）のコギングトルクと対比させながら説明する。なお、図４〜図６に示す符号は、図２で説明した実施の形態１と同様の部分である。
【００２５】
図７（ａ）は本実施の形態１における電動機のロータの角度変化に対するコギングトルクの波形、図８（ａ）はコギング対策未実施の電動機のロータの角度変化に対するコギングトルクの波形、図９（ａ）はステータのティースの先端部に擬似スロットを設けた電動機のロータの角度変化に対するコギングトルクの波形、図１０（ａ）はロータにコギング対策のスリット、ステータ側に擬似スロットを設けた電動機のロータの角度変化に対するコギングトルクの波形を示す。
【００２６】
本結果より、本実施の形態１の電動機は、図８（ａ）、図９（ａ）、図１０（ａ）で示した従来の電動機と比較して、コギングトルクの波形が滑らかであり、コギングトルクのピーク値も低減していることが分かる。
【００２７】
コギングトルクの周波数の分析結果を基に図２に示す本実施の形態１の電動機の構造に起因するコギングトルク（ステータ側のスロット数と磁極数の最小公倍数の整数倍）のピークレベルの低減効果を前述した従来の電動機と対比させながら説明する。
図７（ｂ）は図７（ａ）に示すコギングトルクの波形を周波数分析した結果、図８（ｂ）は図８（ａ）に示すコギングトルクの波形を周波数分析した結果、図９（ｂ）は図９（ａ）に示すコギングトルクの波形を周波数分析した結果、図１０（ｂ）は図１０（ａ）に示すコギングトルクの波形を周波数分析した結果を示す。
【００２８】
まず、図８（ｂ）と図９（ｂ）を比較すると、ステータ３のティース３３の先端部に擬似スロット３４を設けることで、スロット３２の空間高調波が分散されてコギングトルクの周波数帯域が高次にシフトする効果で図５の電動機１００の方が図４のコギング対策未実施の電動機１００よりもピークレベルが低減している。
【００２９】
次に、図９（ｂ）と図１０（ｂ）を比較すると、高調波の次数１８、３６のピークレベルは、ステータ３のティース３３の先端部に設けた擬似スロット３４の効果に加え、ロータ４の永久磁石挿入孔４３とロータ４の外周部の間にスリット４４を設けたことによるエアギャップの磁束密度分布の平滑化の効果により、図６に示す電動機の方が図５の電動機よりピークレベルが低減している。しかし、高調波の次数５４のピークレベルは、逆に図５の電動機より悪化している。これは、図６に示すように、スリット４４のロータコア４１の外周部側の先端部からその外周部までの長さ（スリット薄肉部）が薄く均一に構成されることにより、スリット薄肉部が磁気飽和し透磁率が低下することで、エアギャップの磁束密度分布に前述の次数５４のピークを悪化させるリップルが発生しているためである。
【００３０】
次に、図７（ｂ）と図１０（ｂ）を比較すると、高調波の次数１８、３６のピークレベルは同等で、高調波の次数５４のピークレベルは本実施の形態１の電動機１００の方が低減している。これは、ロータ４に設けたスリット薄肉部の一部に厚みをもたせる（薄肉部不均一化）ことでスリット薄肉部の磁気飽和の影響を緩和し前述の次数５４のピークレベルを悪化させるリップルを低減させた効果といえる。コギングトルクの特定次数でのピークはステータ３のスロット数、ステータ３のティース３３先端に設けた擬似スロット３４の数、磁極数、永久磁石挿入孔４３のロータ４の外周部側に設けたスリット４４の数に影響され、本実施の形態では、高調波の次数５４のピークが発生したが、従来の電動機１００では異なる次数でピークが発生し得る。しかし、いずれの場合においてもロータ４に設けたスリット薄肉部の厚みを不均一化することで特定次数でのコギングトルクのピークを低減することができる。
【００３１】
以上のように実施の形態１によれば、Ｎ極とＳ極が交互に着磁された永久磁石４２を用いた電動機１００においては、ロータコア４１の永久磁石挿入孔４３とロータコア４１の外周部の間に設けたスリット４４の先端部（ロータコア４１の外周部側）とロータコア４１の外周部との間の長さを不均一にし、かつステータ３のティース３３の先端部に擬似スロット３４を設けた構成としている。これにより、スロット３２の空間高調波が分散されてコギングトルクの周波数帯域を高次側に分散してシフトできるという効果に加え、永久磁石４２の極間部の磁力の変化を滑らかにでき、磁力が急峻に変化するのを抑制できるという効果が重畳されるため、それぞれの効果を単独で作用させる場合と比べて、より一層コギングトルクを低減できる。また、ステータ３側に擬似スロット３４、ロータ４側にスリット４４（溝）を設けているため、磁束飽和を抑制することで鉄損を抑制しつつ擬似スロット３４の効果が得られる。
【００３２】
実施の形態２．
図１１は実施の形態２に係る冷凍サイクル装置の冷媒回路を示す模式図である。なお、実施の形態１と同様に部分には同じ符号を付している。
実施の形態２に係る冷凍サイクル装置は、実施の形態１で説明した密閉型の圧縮機１を備えている。
【００３３】
図１１において、冷凍サイクル装置は、密閉型の圧縮機１、四方弁５１、室外熱交換器５２、絞り装置５３、室内熱交換器５４が冷媒配管により順次に接続されて構成されている。密閉型圧縮機１には、実施の形態１で説明した電動機１００が搭載され、回転軸を介して圧縮部２００と連結されている。四方弁５１は、冷房運転時に図中に示す矢印の方向に冷媒が流れるように流路を切り替え、暖房運転時には室内熱交換器５４側へ流れるように流路を切り替える。室外熱交換器５２は、冷房運転のときには凝縮器として、暖房運転のときには蒸発器として作用する。室内熱交換器５４は、冷房運転のときには蒸発器として、暖房運転のときには凝縮器として作用する。絞り装置５３は、室外熱交換器５２又は室内熱交換器５４からの高圧低温の冷媒を減圧する。
【００３４】
実施の形態２においては、冷凍サイクル装置に実施の形態１の電動機１００が搭載された密閉型の圧縮機１を備えているので、振動や騒音が抑制された冷凍サイクル装置を提供できる。
【符号の説明】
【００３５】
１ 密閉型圧縮機、２ 密閉容器、３ ステータ、３１ ステータコア、３２ スロット、３３ ティース、３４ 疑似スロット、４ ロータ、４１ ロータコア、４２ 永久磁石、４３ 永久磁石挿入孔、４４ スリット、５ シリンダ、６ 上軸受、７ 下軸受、８ 回転軸、８ａ 偏心軸部、８ｂ 主軸部、８ｃ 副軸部、９ ローリングピストン、１０ 吐出マフラ、１１ 吸入マフラ、１２ 吸入管、１３ 吐出管、１００ 電動機、２００ 圧縮部、５１ 四方弁、５２ 室外熱交換器、５３ 絞り装置、５４ 室内熱交換器。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電動機である永久磁石型モーター、その永久磁石型モーターを備えた圧縮機、並びにその圧縮機を備えた冷凍サイクル装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、振動・騒音の原因となるコギングトルクを抑制し、かつ高効率な圧縮機駆動用の永久磁石型モーターが知られている。
コギングトルクとは、突極性を有する永久磁石型モーターに必ず発生する力であり、無通電時にステータのティースとロータに配置された永久磁石との間に作用するロータの位置(回転角)に対する磁気吸引力の変化によって生ずるトルク脈動である。すなわち、ステータとロータ間の磁気抵抗が最小となる位置において、磁気的に最も安定しており、ロータがその位置に静止しようとする。さらに、その位置からロータを回転させるためには、磁気吸引力に打ち勝つだけのトルクが必要となる。しかし、一度ある速度で回転すると、正負のトルクが交番する振動トルクとなるために、コギングトルクの平均値は零となる。
【０００３】
コギングトルクが発生すると、速度変動を生じ、ロータの軸を伝わり振動・騒音の原因となると共に、静止トルクのように作用してモーターの始動トルクを増大させる。それと同時に、ロータの回転によって磁束が変化し、そのためにヒステリシス損および渦電流損が存在する場合には、固体摩擦および粘性摩擦のように作用する。よって、コギングトルクの低減が要求される。このコギングトルクは、ステータとロータ間の磁気抵抗が回転角によって変化するために生じるものであり、磁束密度の２乗に比例するマクスウェルの応力に起因している。この磁気抵抗の変化は、ステータのスロット空間の高調波やロータに配置した永久磁石の磁束の高調波成分に大きく依存している。したがって、コギングトルクを低減するためには、ギャップ部の磁束密度の分布を円周方向に平滑化して、高調波成分を低減するのが望ましい。
【０００４】
従来、コギングトルクを抑制する永久磁石型モーターとして、例えば、ロータに設けられた永久磁石の極中心に対して、磁石の両端部のエアギャップ長が大きくなるように磁石曲率を小さくし、かつステータのティースの先端部に擬似スロットを設けたものがある。
このような構造にすることで、ステータのティース先端部の擬似スロットによりスロットの空間高調波が分散されてコギングトルクの周波数帯域を高次側に分散してシフトできるという効果に加え、永久磁石を極中心に対して磁石の両端部のエアギャップ長が大きくなるように磁石曲率を小さくしたことで永久磁石の極間部の磁力の変化を滑らかにでき、磁力が急峻に変化するのを抑制できるという効果が重畳されるため、それぞれの効果を単独で作用させる場合と比べて、コギングトルクが低減されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
また、従来の永久磁石型モーターとして、ステータのティースの内周側の先端部に一つ又は複数の溝であるステータ側の擬似スロットが軸方向に沿って設けられ、ロータは、回転軸を中心として複数のポールピースが等間隔に放射状に配され、ポールピースの外周側の先端部に、一つ又は複数の溝であるロータ側の擬似スロットが軸方向に沿って設けられたものがある。ステータのティースおよびロータのポールピースの先端部に溝を設けることにより、擬似的にスロット数が増え、スロット高調波の分散を図ることができる。すなわち、スロットの高調波の次数を高周波領域に移行させ、特定のスロットの高調波が重複して発生しないようにしている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−１３６００１号公報（第３−４頁、図１−図３）
【特許文献２】特開２００６−６７７０８号公報（第４−６頁、図１−図３）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前述した従来の永久磁石型モーターは、以上のように構成することで、スロットの高調波に起因する振動・騒音を低減している。しかし、スロットの高調波に起因する振動・騒音のさらなる低減には、前述した永久磁石型モーターの構造では課題がある。
特許文献１に記載の永久磁石型モーターでは、擬似スロットの効果を高めるために擬似スロットの数を増やした場合、擬似スロットの幅が狭くなることで磁路が狭くなり鉄損が増大することが予想される。
また、特許文献２に記載の永久磁石型モーターでは、ステータ、ロータの双方に溝を設けることで擬似スロット数を増やしているため、一方に溝を設けるよりも磁路が狭くなることを抑制することができる。しかし、その構造では、スロットの高調波の次数を高周波領域に移行させるだけであって、エアギャップの磁束密度の分布の平滑化は不十分である。
【０００８】
本発明は、前記のような課題を解決するためになされたもので、ステータのティースの先端部に疑似スロットを設けても鉄損を抑制でき、磁束密度の分布の平滑化が図れ、よりコギングトルクを低減できる電動機および圧縮機並びに冷凍サイクル装置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】
【０００９】
本発明に係る電動機は、周方向に設けられたスロット、隣接するスロットの間に形成されたティースおよびティースに巻回されたコイルを有する円筒状のステータと、ステータの軸心を中心として、そのステータのティースの先端部とエアギャップを介して設けられ、周方向に設けられた永久磁石挿入孔および永久磁石挿入孔に挿入された永久磁石を有するロータとを備え、ステータのティースの先端部に擬似スロットを設け、ロータの永久磁石挿入孔および永久磁石挿入孔と対向するロータの外周部の間に径方向に延びるスリットを設け、スリットのロータの外周部側の先端からロータの外周部までの長さを不均一にしたことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１０】
本発明においては、ステータのティースの先端部に擬似スロットを設け、ロータの永久磁石挿入孔および永久磁石挿入孔と対向するロータの外周部の間に径方向に伸びるスリットを設け、スリットのロータの外周部側の先端からロータの外周部までの長さを不均一にしたので、スロットの空間高調波が分散されてコギングトルクの周波数帯域を高次側に分散してシフトできるという効果に加え、永久磁石の極間部の磁力の変化を滑らかにでき、磁力が急峻に変化するのを抑制できるという効果が重畳されるため、それぞれの効果を単独で作用させる場合と比べて、より一層コギングトルクを低減できる。また、ステータ側に擬似スロット、ロータ側にスリットを設けているため、磁束飽和を抑制することで鉄損を抑制しつつ擬似スロットの効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施の形態１に係る圧縮機の側面を切断して示す断面図である。
【図２】実施の形態１に係る電動機の構造を示す断面図である。
【図３】図２に示す永久磁石及びスリットの拡大図である。
【図４】コギング対策未実施の電動機の構造を示す断面図である。
【図５】ステータのティースの先端部に擬似スロットを設けた電動機の構造を示す断面図である。
【図６】ロータにコギング対策のスリットおよびステータ側に擬似スロットを設けた電動機の構造を示す断面図である。
【図７】実施の形態１における電動機のロータの角度変化に対するコギングトルクの波形およびその波形を周波数分析した結果を示す図である。
【図８】コギング対策未実施の電動機のロータの角度変化に対するコギングトルクの波形およびその波形を周波数分析した結果を示す図である。
【図９】ステータのティースの先端部に擬似スロットを設けた電動機のロータの角度変化に対するコギングトルクの波形およびその波形を周波数分析した結果を示す図である。
【図１０】ロータにコギング対策のスリット、ステータ側に擬似スロットを設けた電動機のロータの角度変化に対するコギングトルクの波形およびその波形を周波数分析した結果を示す図である。
【図１１】実施の形態２に係る冷凍サイクル装置の冷媒回路を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
実施の形態１．
以下、本発明の電動機およびその電動機を備えた圧縮機について図面を参照して説明する。
図１は実施の形態１に係る圧縮機の側面を切断して示す断面図である。
圧縮機１は、密閉容器２、密閉容器２内に収納された圧縮部２００および電動機１００、密閉容器２内の底部に貯留された冷凍機油（図示せず）などで構成されている。冷凍機油は、主に圧縮部２００の摺動部を潤滑する。
【００１３】
電動機１００は、例えば永久磁石型モーターからなり、後述するが、周方向に設けられたスロット、隣接するスロットの間に形成されたティースおよびティースに巻回されたコイルを有する円筒状のステータ３と、ステータ３の軸心を中心として、そのステータ３のティースの先端部とエアギャップを介して設けられ、周方向に設けられた永久磁石挿入孔および永久磁石挿入孔に挿入された永久磁石を有するロータ４とを備えている。圧縮部２００は、シリンダ５、上軸受６、下軸受７、回転軸８、ローリングピストン９、吐出マフラ１０、ベーン（図示せず）などで構成されている。
【００１４】
圧縮部２００の構成は、回転軸８を除き一般的な圧縮機の構成と同じであり、以下に概略構成を説明する。
内部に圧縮室が形成されるシリンダ５は、外周が平面視でほぼ円形状に形成され、内部に平面視でほぼ円形状の空間であるシリンダ室が設けられている。そのシリンダ室は、軸方向の両端が開口している。シリンダ５は、側面視で所定の軸方向の高さを持つ。シリンダ５は、前述したシリンダ室に連通し、半径方向に延びる平行なベーン溝（図示せず）が軸方向に貫通して設けられる。また、ベーン溝の背面（外側）には、ベーン溝に連通する平面視でほぼ円形状の空間である背圧室（図示せず）が設けられている。
【００１５】
シリンダ５には、冷凍サイクルからの吸入ガスが通る吸入ポート（図示せず）が、シリンダ５の外周面からシリンダ室に貫通している。シリンダ５には、シリンダ室を形成する円形の縁部付近（電動機１００側の端面）を切り欠いた吐出ポート（図示せず）が設けられている。ローリングピストン９は、リング状に形成され、その孔に回転軸８の偏心軸部８ａが摺動自在に嵌合されている。これにより、ローリングピストン９は、シリンダ室内を偏心回転する。
【００１６】
ベーンは、シリンダ５のベーン溝内に収納され、背圧室に設けられたベーンスプリング（図示せず）により常にローリングピストン９に押し付けられている。圧縮機１は、密閉容器２内が高圧であるから、運転を開始するとベーンの背面（背圧室側）に密閉容器２内の高圧とシリンダ室の圧力との差圧による力が作用するので、ベーンスプリングは主に回転式圧縮機の起動時（密閉容器２内とシリンダ室の圧力に差がない状態）に、ベーンをローリングピストン９に押し付ける目的で使用される。ベーンの形状は、平たい（周方向の厚さが、径方向及び軸方向の長さよりも小さい）ほぼ直方体状に形成されている。
【００１７】
上軸受６は、回転軸８の主軸部８ｂ（偏心軸部８ａより上の部分）に摺動自在に嵌合すると共に、シリンダ５のシリンダ室（ベーン溝も含む）の一方の端面（電動機１００側）を閉塞する。下軸受７は、側面視でほぼＴ字状に形成され、回転軸８の副軸部８ｃ（偏心軸部８ａより下の部分）に摺動自在に嵌合すると共に、シリンダ５のシリンダ室（ベーン溝も含む）の他方の端面（冷凍機油側）を閉塞する。
【００１８】
上軸受６には、その外側（電動機１００側）に吐出マフラ１０が取り付けられている。上軸受６の吐出弁から吐出される高温・高圧の吐出ガスは、一旦吐出マフラ１０に入り、その後、吐出マフラ１０の吐出穴（図示せず）から密閉容器２内に放出される。密閉容器２の横には、溶接等により密閉容器２の側面に固定された吸入マフラ１１が設けられている。この吸入マフラ１１は、シリンダ５の吸入ポートに吸入管１２を介して接続されており、冷凍サイクル装置からの低圧の冷媒ガスを吸入し、液冷媒が戻る場合に液冷媒が直接シリンダ５のシリンダ室に吸入されるのを抑制する。
【００１９】
圧縮部２００で圧縮された高温・高圧のガス冷媒は、吐出マフラ１０の吐出穴から電動機１００を通過し、密閉容器２の頂部に設けられた吐出管１３から冷凍サイクル装置の冷媒回路（図示せず）へ吐出される。
【００２０】
次に、前述した電動機１００の構造について図２を用いて説明する。
図２は実施の形態１に係る電動機の構造を示す断面図、図３は図２に示す永久磁石及びスリットの拡大図である。
電動機１００のステータ３は、薄い電磁鋼板を所定の形状に打ち抜いて軸心方向に積層された円筒状のステータコア３１と、ステータコア３１に設けられたスロット３２間のティース３３に巻き付けられたコイル（図示せず）とを有している。前述のスロット３２は、ステータコア３１の周方向に配置され、内周面に軸心方向に延びて設けられている。
【００２１】
このティース３３は、ステータコア３１の外径側から内径側にかけてはほぼ平行の形状をなしており、その先端部が両サイドが周方向に拡がっている。また、ティース３３の先端部には、軸心側が開放の凹状の疑似スロット３４が設けられている。疑似スロット３４は、スロットオープニングとほぼ等しい幅となっている。ティース３３毎に設けられた疑似スロット３４は、異なるピッチで設けられている。本実施の形態１においては、スロット３２の数が１８個、各ティース３３の先端部に設けられた擬似スロット３４の数が２個となっているが、スロット３２の数と擬似スロット３４の数はこの限りではない。
【００２２】
電動機１００のロータ４は、ステータ３の開口内に０．３〜０．８ｍｍ程度のエアギャップを有して設けられ、板厚が０．１〜１．５ｍｍの電磁鋼板を所定の形状に打ち抜き、軸心方向に積層して構成されるロータコア４１と、ロータコア４１の周方向に配置され、かつロータコア４１の軸心方向に挿入された例えば６個の永久磁石４２とを備えている。永久磁石４２は、Ｎ極とＳ極とが交互になるようにロータコア４１内に埋め込まれている。前述した圧縮機１にロータ４を搭載する場合は、圧縮機１の回転軸８をロータ４の軸孔に焼嵌又は圧入して固定する。
【００２３】
前述のロータコア４１には、永久磁石４２が挿入される永久磁石挿入孔４３と、永久磁石挿入孔４３および永久磁石挿入孔４３に対向するロータコア４１の外周部の間に永久磁石挿入孔４３の長手方向に沿って設けられ、ロータコア４１の径方向に延びる複数個のスリット４４とを備えている。この複数個のスリット４４のロータコア４１の外周部側の先端部からロータコア４１の外周部までの長さは各々のスリット４４で不均一になっている。永久磁石挿入孔４３毎に設けられた各スリット４４は、電磁鋼板毎に形成され、異なるピッチで配置されている。永久磁石挿入孔４３は、図３に示すように、永久磁石４２の長手方向の寸法より若干長く形成されている。なお、スリット４４の数を９本としているが、スリット４４の数はこの限りではない。
【００２４】
次に、本実施の形態１のコギングトルクの低減効果をコギング対策未実施の電動機（図４参照）、ステータのティースの先端部に擬似スロットを設けた電動機（図５参照）、ロータにコギング対策のスリットおよびステータ側に擬似スロットを設けた電動機（図６参照）のコギングトルクと対比させながら説明する。なお、図４〜図６に示す符号は、図２で説明した実施の形態１と同様の部分である。
【００２５】
図７（ａ）は本実施の形態１における電動機のロータの角度変化に対するコギングトルクの波形、図８（ａ）はコギング対策未実施の電動機のロータの角度変化に対するコギングトルクの波形、図９（ａ）はステータのティースの先端部に擬似スロットを設けた電動機のロータの角度変化に対するコギングトルクの波形、図１０（ａ）はロータにコギング対策のスリット、ステータ側に擬似スロットを設けた電動機のロータの角度変化に対するコギングトルクの波形を示す。
【００２６】
本結果より、本実施の形態１の電動機は、図８（ａ）、図９（ａ）、図１０（ａ）で示した従来の電動機と比較して、コギングトルクの波形が滑らかであり、コギングトルクのピーク値も低減していることが分かる。
【００２７】
コギングトルクの周波数の分析結果を基に図２に示す本実施の形態１の電動機の構造に起因するコギングトルク（ステータ側のスロット数と磁極数の最小公倍数の整数倍）のピークレベルの低減効果を前述した従来の電動機と対比させながら説明する。
図７（ｂ）は図７（ａ）に示すコギングトルクの波形を周波数分析した結果、図８（ｂ）は図８（ａ）に示すコギングトルクの波形を周波数分析した結果、図９（ｂ）は図９（ａ）に示すコギングトルクの波形を周波数分析した結果、図１０（ｂ）は図１０（ａ）に示すコギングトルクの波形を周波数分析した結果を示す。
【００２８】
まず、図８（ｂ）と図９（ｂ）を比較すると、ステータ３のティース３３の先端部に擬似スロット３４を設けることで、スロット３２の空間高調波が分散されてコギングトルクの周波数帯域が高次にシフトする効果で図５の電動機１００の方が図４のコギング対策未実施の電動機１００よりもピークレベルが低減している。
【００２９】
次に、図９（ｂ）と図１０（ｂ）を比較すると、高調波の次数１８、３６のピークレベルは、ステータ３のティース３３の先端部に設けた擬似スロット３４の効果に加え、ロータ４の永久磁石挿入孔４３とロータ４の外周部の間にスリット４４を設けたことによるエアギャップの磁束密度分布の平滑化の効果により、図６に示す電動機の方が図５の電動機よりピークレベルが低減している。しかし、高調波の次数５４のピークレベルは、逆に図５の電動機より悪化している。これは、図６に示すように、スリット４４のロータコア４１の外周部側の先端部からその外周部までの長さ（スリット薄肉部）が薄く均一に構成されることにより、スリット薄肉部が磁気飽和し透磁率が低下することで、エアギャップの磁束密度分布に前述の次数５４のピークを悪化させるリップルが発生しているためである。
【００３０】
次に、図７（ｂ）と図１０（ｂ）を比較すると、高調波の次数１８、３６のピークレベルは同等で、高調波の次数５４のピークレベルは本実施の形態１の電動機１００の方が低減している。これは、ロータ４に設けたスリット薄肉部の一部に厚みをもたせる（薄肉部不均一化）ことでスリット薄肉部の磁気飽和の影響を緩和し前述の次数５４のピークレベルを悪化させるリップルを低減させた効果といえる。コギングトルクの特定次数でのピークはステータ３のスロット数、ステータ３のティース３３先端に設けた擬似スロット３４の数、磁極数、永久磁石挿入孔４３のロータ４の外周部側に設けたスリット４４の数に影響され、本実施の形態では、高調波の次数５４のピークが発生したが、従来の電動機１００では異なる次数でピークが発生し得る。しかし、いずれの場合においてもロータ４に設けたスリット薄肉部の厚みを不均一化することで特定次数でのコギングトルクのピークを低減することができる。
【００３１】
以上のように実施の形態１によれば、Ｎ極とＳ極が交互に着磁された永久磁石４２を用いた電動機１００においては、ロータコア４１の永久磁石挿入孔４３とロータコア４１の外周部の間に設けたスリット４４の先端部（ロータコア４１の外周部側）とロータコア４１の外周部との間の長さを不均一にし、かつステータ３のティース３３の先端部に擬似スロット３４を設けた構成としている。これにより、スロット３２の空間高調波が分散されてコギングトルクの周波数帯域を高次側に分散してシフトできるという効果に加え、永久磁石４２の極間部の磁力の変化を滑らかにでき、磁力が急峻に変化するのを抑制できるという効果が重畳されるため、それぞれの効果を単独で作用させる場合と比べて、より一層コギングトルクを低減できる。また、ステータ３側に擬似スロット３４、ロータ４側にスリット４４（溝）を設けているため、磁束飽和を抑制することで鉄損を抑制しつつ擬似スロット３４の効果が得られる。
【００３２】
実施の形態２．
図１１は実施の形態２に係る冷凍サイクル装置の冷媒回路を示す模式図である。なお、実施の形態１と同様に部分には同じ符号を付している。
実施の形態２に係る冷凍サイクル装置は、実施の形態１で説明した密閉型の圧縮機１を備えている。
【００３３】
図１１において、冷凍サイクル装置は、密閉型の圧縮機１、四方弁５１、室外熱交換器５２、絞り装置５３、室内熱交換器５４が冷媒配管により順次に接続されて構成されている。密閉型圧縮機１には、実施の形態１で説明した電動機１００が搭載され、回転軸を介して圧縮部２００と連結されている。四方弁５１は、冷房運転時に図中に示す矢印の方向に冷媒が流れるように流路を切り替え、暖房運転時には室内熱交換器５４側へ流れるように流路を切り替える。室外熱交換器５２は、冷房運転のときには凝縮器として、暖房運転のときには蒸発器として作用する。室内熱交換器５４は、冷房運転のときには蒸発器として、暖房運転のときには凝縮器として作用する。絞り装置５３は、室外熱交換器５２又は室内熱交換器５４からの高圧低温の冷媒を減圧する。
【００３４】
実施の形態２においては、冷凍サイクル装置に実施の形態１の電動機１００が搭載された密閉型の圧縮機１を備えているので、振動や騒音が抑制された冷凍サイクル装置を提供できる。
【符号の説明】
【００３５】
１ 密閉型圧縮機、２ 密閉容器、３ ステータ、３１ ステータコア、３２ スロット、３３ ティース、３４ 疑似スロット、４ ロータ、４１ ロータコア、４２ 永久磁石、４３ 永久磁石挿入孔、４４ スリット、５ シリンダ、６ 上軸受、７ 下軸受、８ 回転軸、８ａ 偏心軸部、８ｂ 主軸部、８ｃ 副軸部、９ ローリングピストン、１０ 吐出マフラ、１１ 吸入マフラ、１２ 吸入管、１３ 吐出管、１００ 電動機、２００ 圧縮部、５１ 四方弁、５２ 室外熱交換器、５３ 絞り装置、５４ 室内熱交換器。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
周方向に設けられたスロット、隣接するスロットの間に形成されたティースおよびティースに巻回されたコイルを有する円筒状のステータと、
前記ステータの軸心を中心として当該ステータのティースの先端部とエアギャップを介して設けられ、周方向に設けられた永久磁石挿入孔および永久磁石挿入孔に挿入された永久磁石を有するロータとを備え、
前記ステータのティースの先端部に擬似スロットを設け、
前記ロータの永久磁石挿入孔および永久磁石挿入孔と対向する前記ロータの外周部の間に径方向に延びるスリットを設け、
前記スリットの前記ロータの外周部側の先端から当該ロータの外周部までの長さを不均一にしたことを特徴とする電動機。
【請求項２】
前記ステータのティースの先端部に設けられた擬似スロットと前記ロータに設けられたスリットとが異なるピッチで設けられていることを特徴とする請求項１記載の電動機。
【請求項３】
請求項１又は２記載の電動機を備えたことを特徴とする圧縮機。
【請求項４】
請求項３記載の圧縮機を備えたことを特徴とする冷凍サイクル装置。
【請求項１】
周方向に設けられたスロット、隣接するスロットの間に形成されたティースおよびティースに巻回されたコイルを有する円筒状のステータと、
前記ステータの軸心を中心として当該ステータのティースの先端部とエアギャップを介して設けられ、周方向に設けられた永久磁石挿入孔および永久磁石挿入孔に挿入された永久磁石を有するロータとを備え、
前記ステータのティースの先端部に擬似スロットを設け、
前記ロータの永久磁石挿入孔および永久磁石挿入孔と対向する前記ロータの外周部の間に径方向に延びるスリットを設け、
前記スリットの前記ロータの外周部側の先端から当該ロータの外周部までの長さを不均一にしたことを特徴とする電動機。
【請求項２】
前記ステータのティースの先端部に設けられた擬似スロットと前記ロータに設けられたスリットとが異なるピッチで設けられていることを特徴とする請求項１記載の電動機。
【請求項３】
請求項１又は２記載の電動機を備えたことを特徴とする圧縮機。
【請求項４】
請求項３記載の圧縮機を備えたことを特徴とする冷凍サイクル装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１１−１４７３１３（Ｐ２０１１−１４７３１３Ａ）
【公開日】平成２３年７月２８日（２０１１．７．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−８２３６（Ｐ２０１０−８２３６）
【出願日】平成２２年１月１８日（２０１０．１．１８）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年７月２８日（２０１１．７．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１月１８日（２０１０．１．１８）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
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