永磁式旋转电机以及使用该永磁式旋转电机的压缩机的制作方法

本发明涉及在转子具备磁场用的永久磁铁的永磁式旋转电机，特别是涉及适用于空调、冰箱、冷库或者食品橱窗等的压缩机的永磁式旋转电机。

背景技术：

以往，在这种永磁式旋转电机中，在定子绕线采用集中卷，在磁场采用稀土族的钕永久磁铁，从而实现小型且高效率化。然而，另一方面，存在伴随着基于小型且高效率化的输出密度的增加的铁芯的非线性磁特性的问题，并且，因集中卷的采用使空间高次谐波磁通增大，相对于这些也谋求各种对策。

例如，在日本特开2008－245384号公报所记载的永磁式旋转电机中，提出了设置从埋设于转子的永久磁铁的外周侧向转子外周侧延伸的利用蚀刻加工的多个狭缝。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2008－245384号公报

技术实现要素：

发明所要解决的课题

通过集中卷定子的采用、高磁通密度磁铁的采用，永磁式旋转电机的效率显著地提高。相反，相对于分布卷定子，在集中卷定子中，成为高次谐波磁通原理上增加，除此之外，高磁通密度的永久磁铁促进其高次谐波磁通的结果。换句话说，伴随着基于小型且高效率化的输出密度的增加的铁芯的非线性性也增加，特别地，在负荷扭矩较大的情况下，存在功率因数的降低所引起的扭矩(输出)不足的问题。

与此相对，在专利文献1中，设置从埋设于转子的永久磁铁的外周侧向转子外周侧延伸的利用蚀刻加工的多个狭缝，由此减少间隙面的高次谐波磁通。据此，能够使感应电动势波形正弦波化且使电枢电流正弦波化，减少感应电动势与电枢电流的相互作用所产生的高次谐波磁通。

然而，例如在专利文献1的发明中，永磁式旋转电机虽能够在中低速区域获得高效率，但在高速区域，在负荷扭矩较大的情况下，或者使马达的电枢绕线增加而成为高电感的情况下，因扭矩电流而产生的磁通(q轴磁通)的影响增大，因此电压相位进移而使功率因数降低。其结果，永磁式旋转电机产生无法通过变频器等驱动装置高扭矩且高效率地进行控制的问题。

本发明的目的在于提供一种能够在高速区域，不使电动机效率、控制特性等性能降低，且抑制伴随着q轴磁通的影响的电压相位的进移所引起的功率因数降低的小型且高效率的永磁式旋转电机以及使用该永磁式旋转电机的压缩机。

用于解决课题的方案

若对用于实现上述目的的本发明的一个例子进行说明，则本发明的永磁式旋转电机具备：定子，具有供电枢绕线卷绕的齿部；转子，与上述定子隔开间隙进行配置；多个磁铁插入孔，形成于上述转子；以及永久磁铁，分别配置于上述多个磁铁插入孔，在将上述永久磁铁的磁通轴设为d轴、将与该d轴电角度正交的轴设为q轴时，上述转子形成为，在q轴上形成有向内周侧凹陷的凹部，并且上述凹部与上述齿部的间隙比d轴上的外周部与上述定子的上述齿部的间隙大，上述凹部形成为，由大致梯形形状形成，并且外周侧的左右两端的开度θp2比内周侧的左右两端的开度θp1大，使上述开度θp2形成电角度大致60度的范围内，另外，在上述磁铁插入孔的外周侧，不在d轴附近形成狭缝，而在从d轴分离预定的距离以上的左右两侧形成多个狭缝。

发明的效果

如上述那样，根据本发明，能够提供一种能够不使电动机效率且控制特性等性能降低，且抑制伴随着q轴磁通的影响的电压相位的进移所引起的功率因数降低的小型且高效率的永磁式旋转电机以及使用该永磁式旋转电机的压缩机。在以下的实施例中，对本发明的其他的构成、作用、效果详细地进行说明。

附图说明

图1是本发明的永磁式旋转电机的实施例1的剖视图。

图2是表示本发明的永磁式旋转电机的实施例1的转子铁芯形状的剖视图。

图3是现有发明的永磁式旋转电机的矢量图的示意图。

图4是本发明的永磁式旋转电机的矢量图的示意图。

图5是本发明的永磁式旋转电机的实施例1的扭矩。

图6是表示本发明的永磁式旋转电机的实施例2的转子铁芯形状的剖视图。

图7是本发明的压缩机的剖面构造。

具体实施方式

以下，使用图1～7对本发明的实施例详细地进行说明。在各图中，共用的附图标记表示同一部件。另外，此处，示出了六极的永磁式旋转电机，将转子的极数与定子的插口数的比设为2:3，但通过其他的极数、插口数的比，也能够获得大致相同的效果。

实施例1

图1是本发明的实施例1的永磁式旋转电机的剖视图。

在图1中，永磁式旋转电机1由定子2以及在定子2的内侧隔开预定的间隙地配置并且与轴一同旋转的转子3构成。定子2构成为在轴向层叠有定子铁芯6(电磁钢板)，并具有圆环形状的芯部背部5以及从芯部背部5朝向径向内侧突出的多个齿部4。多个齿部4在周向隔开大致相等间隔地排列。在邻接的齿部4之间形成有插口7，在该插口7以包围齿部4的方式卷装有集中卷的电枢绕线8(由三相绕线的U相绕线8a、V相绕线8b、W相绕线8c构成)。此处，本实施例的永磁式旋转电机1为六极九插口，因此插口间距为电角度120度。

图2是本实施例的永磁式旋转电机的转子铁芯的剖视图。

在图2中，转子3构成为层叠有在其中心形成轴孔15的转子铁芯12，在外周侧隔开大致相等间隔形成有多个凸部。这些多个凸部17朝向外周侧成为凸状，在各自的凸部17的外周侧表面的附近形成有多个大致直线形状的永久磁铁插入孔13。在多个永久磁铁插入孔13的每一个插入有例如由稀土族的钕构成的永久磁铁14。此处，将永久磁铁14的磁极产生的磁通的方向，换句话说永久磁铁14的长边方向中心与旋转轴中心连接的轴设为d轴(磁通轴)，将与该d轴电气、磁性地正交的轴(永久磁铁之间的轴)设为q轴。

转子3在配置于邻接的凸部17的永久磁铁14的磁极之间的q轴上设置有向内周侧凹陷的凹部11。各个凸部17位于比凹部11更靠外周侧，并由与定子2的齿部4的间隙长(间隙)成为最短的g1的最外周部和成为比g1长的间隙长的g2的外周部构成。转子3的凸部17的具有上述间隙长g1的圆弧形状的最外周部构成为，其外周形状为圆弧状，电角度θp为90°～120°。

另外，转子3不在永久磁铁插入孔13(永久磁铁14)的外周侧的d轴附近形成狭缝，而在从d轴分离预定的距离以上的左右两侧以夹持d轴的方式对称地形成有多个狭缝10(10a～10d)。另外，这些多个狭缝伴随着朝向外周侧，而向各自对应的永久磁铁14的中心侧倾斜，由此，永久磁铁14的磁通能够集中于齿部4。

由此可知，通过该狭缝10，能够使感应电动势波形正弦波化且使电枢电流正弦波化，从而能够减少感应电动势与电枢电流的相互作用所产生的高次谐波磁通。因此，即使在本构造中，也设置狭缝10来抑制电枢反作用，减少机内磁通的高次谐波成分。

图3是以往发明的实施例的永磁式旋转电机的矢量图的示意图。在图中，(a)是低速且低负荷扭矩时，(b)是高速且高负荷扭矩时的永磁式旋转电机的矢量图。

此处，Φm表示通过永久磁铁14在d轴流经的磁通，由固定值表示。作为运转过程中在定子流经电流而产生的磁通，在用于进行永磁式旋转电机的控制的坐标系d－q轴中，存在由d轴电流产生的磁通Φd和由q轴电流产生的磁通Φq。而且，作为永磁式旋转电机的整体的磁通亦即主磁通Φ1接受这些Φm与Φd、Φq的影响而决定，若该Φ1决定，则施加电压V1、马达(电枢)电流I1决定，由此功率因数决定。

在图3(a)的低速且低负荷扭矩时，永磁式旋转电机的主磁通Φ1与永久磁铁的磁通Φm的相位即便在专利文献1的方式中也不会较大地偏移，因此能够稳定地驱动永磁式旋转电机。换句话说，从感应电压Em下降的施加电压V1的电压下降、d轴以及q轴的电压下降量并不大。

然而，在图3(b)的高速且高负荷扭矩时，为了增大扭矩，而需要使q轴电流增多，由此q轴的磁通增大，从而永磁式旋转电机的主磁通Φ1与Φm相比，相位较大地偏移。永磁式旋转电机基于主磁通Φ1被变频器控制，因此电枢电流成为进移相位，功率因数恶化，从而使永磁式旋转电机的扭矩降低，导致效率降低。

因此，在本实施例中，如图2所示，转子3形成为形成于q轴上的凹部11与定子2的齿部4的间隙长比d轴侧的间隙长(g1、g2)大。即，在转子3的外周，凹部11形成为与凸部17的与定子2的齿部4的间隙长成为最短的g1的部位和成为比g1长的间隙长的g2的部位的任一个相比进一步向内周侧凹陷。

而且，在本实施例中，该凹部11如图2所示地构成为大致梯形形状(大致浴盆形状)，另外，该凹部11在外周侧的左右分别与邻接的凸部17的大致直线状的切割部16a、16b连接，从而形成转子3的外周部。更具体而言，凹部11连接以沿着旋转方向的方式位于邻接的永久磁铁14之间的大致直线状的内周侧直线部11a、以从内周侧直线部11a的旋转方向侧端部向旋转方向侧扩大的方式配置的大致直线状的旋转方向侧直线部11b以及以从内周侧直线部11a的逆旋转方向侧端部向逆旋转方向侧扩大的方式配置的大致直线状的逆旋转方向侧直线部11c而形成。

内周侧直线部11a位于永久磁铁14的短边方向的内周侧。此外，在此，将顺时针方向设为旋转方向进行了说明，但也可以是绕逆时针方向旋转的转子3。

凹部11的旋转方向侧直线部11b形成为，在外周侧端部与邻接的凸部17的大致直线状的旋转方向侧切割部16a连接，旋转方向侧切割部16a形成为伴随着从外周侧端部朝向旋转方向而向外周侧倾斜。另外，凹部11的逆旋转方向侧直线部11c形成为在外周侧端部与邻接的凸部17的大致直线状的逆旋转方向侧切割部16b连接，逆旋转方向侧切割部16b形成为伴随着从外周侧端部朝向逆旋转方向而向外周侧倾斜。

此外，旋转方向侧直线部11b、逆旋转方向侧直线部11c的外周侧端部与定子铁芯6的齿部4的间隙长，或者旋转方向侧切割部16a、逆旋转方向侧切割部16b的内周侧端部与定子2的齿部4的间隙长为上述的g2。在本实施例中，如上所述，将凸部17的旋转方向侧切割部16a、逆旋转方向侧切割部16b形成为大致直线状，因此能够容易地制造，从而能够实现生产成本的减少。

另外，转子3的各自的凸部17的旋转方向侧切割部16a在其外周侧端部与位于永久磁铁14的外周侧的圆弧形状的外周部直接连接。相同地，逆旋转方向侧切割部16b在其外周侧端部与位于永久磁铁14的外周侧的圆弧形状的外周部直接连接。而且，在本实施例中，在凸部17处于与齿部4对应的位置的状态下，以旋转方向侧切割部16a的外周侧端部和逆旋转方向侧切割部16b的外周侧端部之间的宽度与定子2的齿部4的旋转方向的宽度对应的方式形成凸部17。更具体而言，优选旋转方向侧切割部16a的外周侧端部与逆旋转方向侧切割部16b的外周侧端部之间的宽度为定子2的齿部4的旋转方向的宽度以下。

如上所述地形成凸部，从而因永久磁铁而产生的磁通能够相对于齿部4保持原样地流经，能够抑制磁通向齿部4的外侧泄漏。因此，能够提高马达的感应电动势，与此相应地能够减少q轴电流，因此能够以较少的q轴电流产生相同的扭矩。因此，马达的铜损(3＊电阻＊马达电流)减少，从而能够实现高效率化。

在本实施例中，在凹部11，在将内周侧直线部11a的开度(电角度)设为θp1，将旋转方向侧直线部11b与逆旋转方向侧直线部11c的各自的外周侧端部之间的开度设为θp2(电角度)时，构成为θp1＜θp2。而且，在本实施例中，θp2构成为在电角度60°的范围内。此外，如上所述，对凹部11为梯形形状的情况进行了说明，但本实施例并非限定于此，只要呈伴随着从凹部11的内周侧朝向外周侧向左右扩大的形状即可。换句话说，只要形成为外周侧的左右两端的开度θp2相对于凹部11的内周侧的左右两端的开度θp1增大即可。

另外，被凹部11包围的截面积优选比被旋转方向侧切割部16a、使凸部17的圆弧形状延长的图2的虚线以及从旋转方向侧切割部16a的内周侧端部至上述虚线的垂线所包围的面积大。相同地，被凹部11包围的截面积优选比被逆旋转方向侧切割部16b、使凸部17的圆弧形状延长的图2的虚线以及从逆旋转方向侧切割部16b的内周侧端部至上述虚线的垂线所包围的面积大。

图4是本实施例的永磁式旋转电机的矢量图的示意图。

在图4中，如上述那样，在转子铁芯12的大致梯形形状的凹部11中，如上所述，旋转方向侧直线部11b与逆旋转方向侧直线部11c的各自的外周侧端部之间的开度θp2比内周侧直线部11a的开度θp1大，从而能够使永久磁铁的磁通集合。特别地，本实施例的发明人们在经过专心研究后，找到了如下优选的方案，以使对应于内周侧直线部11a的开度θp1的机械角θp1′、与旋转方向侧直线部11b和逆旋转方向侧直线部11c的各自的外周侧端部之间的开度θp2对应的机械角θp2′的关系为机械角θp1′/机械角θp2′≥0.4的方式形成凹部11。

如上尽可能地使内周侧直线部11a比旋转方向侧直线部11b与逆旋转方向侧直线部11c的各自的外周侧端部之间长，从而能够使q轴的磁阻大幅度地增大，而抑制电枢反作用的影响，进而使机内磁通的高次谐波成分大幅度地减少。

根据以上的本实施例，如图4所示，能够使在q轴流经的磁通与图3(b)相比减少，因此能够改善施加电压V1’与I1’的关系，能够改善Φ1与Φm的相位进移。因此，在高速区域，在高负荷扭矩以及马达的电感较大的情况下，能够改善电枢反作用的影响所引起的功率因数降低，其结果，能够抑制扭矩的降低，使永磁式旋转电机1小型且高效率。

图5是表示本实施例的永磁式旋转电机的实施例1的扭矩(高速区域)的图。在图5中，将额定电流设为1p.u.，另外，将流经该额定电流时的永磁式旋转电机的实施例1的扭矩(高速区域)设为1P.U.，进行基准化。根据图5可知，本实施例的永磁式旋转电机的实施例1的扭矩与现有构造相比增大。

据此，形成上述的永磁式旋转电机，从而能够改善电枢反作用的影响所引起的功率因数降低，能够提供一种抑制扭矩的降低的小型且高效率的永磁式旋转电机。

实施例2

图6是本发明的永磁式旋转电机的实施例2的转子铁芯形状的剖视图。

在图6中，对与图2相同的部件标注相同的附图标记。在图中，与图2不同的部分为每一极具备两个永久磁铁14，并且相对于轴孔15成为凸状的V字配置。此外，即使在如上配置的转子构造中，不言而喻也能够改善电枢反作用的影响所引起的功率因数降低，抑制扭矩的降低，实现小型且高效率。因此，即使如上配置，也能够获得与图2相同的效果。

实施例3

图7是搭载了本发明的永磁式旋转电机的实施例3的压缩机的剖视图。

在图7中，在圆筒状的压缩容器69内，使直立于固定涡旋部件60的端板61的漩涡状盖板62与直立于旋转涡旋部件63的端板64的漩涡状盖板65啮合而形成压缩机构部。压缩机构部被永磁式旋转电机1驱动，从而旋转涡旋部件63经由曲柄轴72进行旋转运动，由此进行压缩动作。

另外，由固定涡旋部件60以及旋转涡旋部件63形成的压缩室66(66a、66b、…)中的位于最外径侧的压缩室伴随着旋转运动而朝向两个涡旋部件63、60的中心移动，容积逐渐缩小。若压缩室66a、66b到达两个涡旋部件60、63的中心附近，则两压缩室66内的压缩气体从与压缩室66连通的排出口67被排出。被排出的压缩气体通过设置于固定涡旋部件60以及框架68的气体通路(未图示)直至框架68下部的压缩容器69内，从设置于压缩容器69的侧壁的排出管70排出至电动压缩机外。另外，驱动电动压缩机的永磁式旋转电机1被另外设置的转换器(未图示)控制，从而以适于压缩动作的旋转速度进行旋转。

此处，永磁式旋转电机1由定子2与转子3构成，设置于转子3的曲柄轴72的上侧成为曲柄轴。在曲柄轴72的内部形成有油孔74，通过曲柄轴72的旋转，处于压缩容器69的下部的油积存部73的润滑油经由油孔74被供给至滑动轴承75。在上述的构成的压缩机应用上述的实施例1或者实施例2的永磁式旋转电机1，从而能够实现压缩机的效率提高。

然而，在现在的家庭用以及商务用的空调中，向压缩容器69内封入R410A制冷剂的情况较多，永磁式旋转电机1的周围温度成为80℃以上的情况较多。将来，若促进了全球变暖系数更小的R32制冷剂的采用，则周围温度进一步上升。特别地，在永久磁铁14由钕磁铁构成的情况下，成为高温，从而磁铁的残留磁通密度降低，为了确保相同输出，而使电枢电流增加，因此应用上述的实施例1或者实施例2所记载的永磁式旋转电机，从而能够弥补效率降低。此外，在本实施例的压缩机应用上述的实施例1或者实施例2所记载的永磁式旋转电机时，制冷剂的种类不被限制。此外，压缩机构成可以是图7所示的涡旋式压缩机，也可以是旋转式压缩机，也可以是具有其他的压缩机构的构成。

另外，根据本实施例，能够如以上说明的那样实现小型且高效率的永磁式旋转电机。若应用实施例1或者实施例2的永磁式旋转电机，则能够进行高速运转等，能够扩大运转范围。另外，在He、R32等制冷剂中，与R22、R407C、R410A等制冷剂相比，压缩机的来自间隙的泄漏较大，特别是在低速运转时，相对于循环量的泄漏的比率显著地增大，因此效率的降低较大。为了提高低循环量(低速运转)时的效率而使压缩机构部小型化，为了获得相同的循环量而提高转速，从而减少泄漏损失可能成为有效的方案，但为了确保最大循环量，也需要提高最大转速。若形成具备本实施例的永磁式旋转电机1的压缩机，则能够提高最大扭矩以及最大转速，且能够实现高速区域的损失减少，因此可能成为对在制冷循环中包含较多He、R32等制冷剂的情况下(例如70重量％以上)提高效率的有效方案。

据此，若将上述的永磁式旋转电机应用于空调用、商务用等的各种压缩机，则能够提供一种高效率的压缩机。

符号的说明

1—永磁式旋转电机(驱动用电动机)，2—定子，3—转子，4—齿部，5—芯部背部，6—定子铁芯，7—插口，8—电枢绕线，10—狭缝，11—凹部，12—转子铁芯，13—永久磁铁插入孔，14—永久磁铁，15—轴孔，60—固定涡旋部件，61、64—端板，62、65—漩涡状盖板，63—旋转涡旋部件，66—压缩室，67—排出口，68—框架，69—压缩容器，70—突出管，72—曲柄轴，73—油积存部，74—油孔，75—滑动轴承。