JPH10271726A - 回転子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 鉄心の外周部に円周方向にＮＳ交互の磁極を
形成する磁石を装着し、この磁石の外周部に金属管を嵌
着して構成されるセンサレスブラシレスＤＣモータの回
転子において、磁気的エアギャップを縮小してモータ特
性を向上させるとともに、冷媒圧縮機等のモータとして
品質的に安全な回転子を構成する。 【構成】 金属管３ａの外表面を磁極の極間部を中心と
する円周方向に電気角１８０゜の区間で等分し、前記等
分された区間の１個おきに多数の凹溝９を設けて構成す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ブラシレスＤＣモータ
に用いられる永久磁石（以下、磁石と称す）界磁を備え
た回転子に関し、特に冷凍機や空調機の冷媒圧縮機に好
適なセンサレスタイプのモータの回転子に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】ブラシレスＤＣモータは、回転子の磁極
の位置情報に基づいて固定子への通電制御を行う必要が
ある。磁極位置を検出するためにホール素子やエンコー
ダ等の位置検出器を用いると、配線や構造が煩雑化し、
製造コストが増加したり小形軽量化の妨げとなる。

【０００３】このような理由からセンサレスタイプのモ
ータが用いられるが、周知のようにこのモータは、例え
ば三相巻線を有する固定子の内側に磁石界磁を備えた回
転子を配置し、この回転子の回転によって固定子巻線に
誘起する電圧を検出し、この誘起電圧に基づく位置情報
によってインバータ等を介して固定子巻線への通電制御
を行うようになっている。

【０００４】一方、モータの起動時や低速時において
は、上記誘起電圧が検出できないため、予め定められた
起動用の通電制御信号に基づいて固定子巻線へ通電し、
これによって適当な回転磁界を形成して起動並びに加速
を行うようになっている。ところがこの場合は、当然、
回転子の磁極位置に対する最適なタイミングの通電とな
らないために、十分な起動トルクや加速トルクが得られ
ないといった問題があり、またモータ負荷が大きい場合
は、大電流が流れて保護装置の作用によってモータが停
止してしまうといった問題が存在する。また起動時に回
転子が逆転することが多いために、ソフトスタートを要
する用途へ適用することができない。

【０００５】上記事情に鑑み、モータの停止時あるいは
低速時においても回転子の磁極位置を検出できる手法
が、例えば平成７年電気学会産業応用部門全国大会講演
論文集の論文番号１２１に開示されている。この手法
は、回転子の外表面にアルミ箔等の導電性非磁性材料を
貼付し、固定子巻線に回転子が回転しない程度の方形波
電圧を印加することによって前記導電性非磁性材料に渦
電流を発生させ、この渦電流の影響によって前記導電性
非磁性材料を貼付した位置によって固定子巻線のインピ
ーダンスが変化することに着目し、このインピーダンス
の変化を検出することによってブラシレスＤＣモータの
停止時における位置を推定するものである。

【０００６】図９は、上記モータにおける回転子の構成
を説明するものである。この回転子は、鉄心１の外周部
に複数の円弧状磁石２を装着した表面磁石構造の回転子
であり、図示例では４片の磁石２を装着して、それぞれ
円周方向に隣接するものが互いに異極となるようにＮＳ
交互に着磁されて４極の界磁磁極を形成している。２６
は回転子の外周部に貼着されたアルミ箔であり、直線Ｏ
Ｐで示す極間部を中心としてＮ極側とＳ極側へそれぞれ
角度θの範囲に貼着されている。角度θの範囲は電気角
で９０゜であり、従って図示４極機における機械角は４
５゜となっている。このアルミ箔２６は、電気角３６０
゜のピッチで等配に貼付する必要があり、図示４極機に
おいては機械角１８０゜の対称位置に２ヶ所貼着して構
成されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】冷凍機や空調機の冷媒
圧縮機に用いられるモータの回転子においては、磁石粉
等が回転子外部にこぼれ出るのを防止するために、また
高速回転時の耐遠心力のために、磁石の外周部に金属管
等の補強部材を装着して構成されている。このような構
成の回転子においては、回転子磁石と固定子間の磁気的
エアギャップを短縮することが課題とされており、前記
補強部材の薄形化等が検討されている。図９に示すよう
なアルミ箔等の導電性非磁性材料を貼付した構成は、導
電性非磁性材料の存在によって上記磁気的エアギャップ
をさらに広めることになり、モータ効率等の特性悪化を
きたす要因となってしまう。

【０００８】また上記冷媒圧縮機においては、回転子が
常時冷媒やオイルの雰囲気中で用いられるため、アルミ
箔等を貼着している接着剤の強度が冷媒によって劣化し
てアルミ箔等が剥がれたり、接着剤が冷媒中に溶出して
冷凍空調用の配管を詰まらせる要因となったりする問題
がある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、磁石の外周部
に保護部材として金属管を嵌着して構成されるセンサレ
スブラシレスＤＣモータの回転子において、前記金属管
の外表面を前記磁極の極間部を中心とする円周方向に電
気角１８０゜の区間で等分し、前記等分された区間の１
個おきに多数の凹溝を設けて構成するものである。

【００１０】保護部材としての金属管の強度維持の関係
上、上記凹溝は回転子外表面の円周方向もしくはこれに
近い方向に向けて形成することが好ましく、円周方向以
外の方向としては螺旋に沿って設ける構成等が製造上容
易である。

【００１１】

【作用】固定子巻線への通電によって、回転子外表面の
金属管には渦電流が発生する。このとき、金属管におけ
る多数の凹溝を備えた所定区間においては、凹溝によっ
て形成された薄肉部分で渦電流が流れ難くなり、この結
果渦電流のループが細分化されて渦電流損失が非常に小
さく構成される。一方、金属管における凹溝を備えてい
ない所定区間においては、相対的に大きな渦電流損失が
発生する。これらの結果、凹溝の有無による渦電流損失
の差異が顕著であるため、この渦電流損失に伴う固定子
巻線のインピーダンスの変化を検出することによって、
ブラシレスＤＣモータの停止時または低速時における回
転子位置を容易に推定することができる。

【００１２】

【実施例】本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の実施例を示し、冷媒圧縮機用モータの回
転子の外観を示している。回転子外表面は金属管３ａに
よって覆われて、内部の磁石粉等が外部へこぼれ出ない
ようになっており、同時に高速回転時の遠心力によって
磁石が飛散しないための補強がなされている。回転子の
軸方向両端部には円板状の端板４ａがクランプピン５に
よって装着されており、両端部を密閉するように構成さ
れている。

【００１３】図２は図１の回転子の平面断面図であり、
図３は図２の中央を横断して示す正面断面図である。厚
肉円筒形の鉄心１は、中心部に軸孔６を有し、円形薄鉄
板を軸方向に多数積層して複数のカシメクランプ部７に
よって薄鉄板相互をかしめて固着することによって形成
されている。鉄心１の外周部には複数片の円弧状磁石２
が等配状に配置され、各片が１つの極を形成するよう
に、また円周方向に隣接するものが互いに異極となるよ
うにＮＳ交互に着磁されて界磁磁極を形成するものであ
り、図示例は４極構造を示している。

【００１４】磁石形状としては、図２に示す断面形状の
もの以外に、例えば鉄心１との当接面を直線状とした断
面カマボコ状のもの等も用いられる。また磁石２の材質
としては、フェライト磁石が主流となっているが、希土
類磁石であっても構わない。磁石２の固定手段は、金属
管３ａをすきまばめによって嵌着する場合は、磁石相互
間の隙間８へ樹脂を注入硬化させて固定し、金属管３ａ
をしまりばめによって嵌着する場合は、金属管３ａの締
め付けによって固定する。

【００１５】端板４ａは亜鉛材や黄銅材等よりなる非磁
性円板であり、中心部に軸孔６と連通する孔部を有して
おり、鉄心１の内部を軸方向に貫通するクランプピン５
をかしめることによって装着されている。必要に応じ
て、端板４ａと一体形成にて、あるいはクランプピン５
による共締めによって、バランスウェイトが端部に装着
される。図３に示す構成は、金属管３ａの嵌着後に端板
４ａを装着する場合を示しているが、図４に示す構成
は、端板４ｂの装着後に金属管３ｂを嵌着する場合を示
しており、端板４ｂとの隙間をカバーするために金属管
３ｂを嵌着した後に、その端部１０を内径側へ折り曲げ
た構成となっている。

【００１６】図１に戻って、図中９は金属管３ａの外表
面に設けた多数の凹溝を示している。この凹溝９は、図
２の平面断面においてα１及びα２で示す角度区間に設
けられているものである。即ち、α１の範囲は、軸心Ｏ
と極間部の１つを結ぶ直線ＯＰを中心とする電気角１８
０゜の区間であり、図示４極機の場合は機械角９０゜と
なる。この角度α１と同様の区間は、回転子外表面の円
周上に４等配で生じ、この等分された区間の１個おきの
区間に対し、その区間における金属管３ａの外表面に軸
方向のほぼ全域にわたって多数の凹溝９を設けるもので
ある。

【００１７】上記凹溝９は、軸方向へ向けた溝として設
けてもよいが、この溝部分においては金属管３ａが薄肉
となって耐遠心力強度が低下するため、図示するように
円周方向に近い方向へ向けた溝として形成し、万一薄肉
部分で金属管の破壊が生じても、溝部以外の厚肉部が磁
石２の外周を取り巻いてその飛散を防止できる構成が望
ましい。

【００１８】次に、金属管３ａ及びこれの円周方向に断
続状に設ける凹溝の製法について説明する。金属管３ａ
としては、引張強度に優れ且つ非磁性体のものが適する
ため、例えばＳＵＳ３０４等のステンレス板材を用い、
０．２ｍｍ厚．０．３ｍｍ厚．０．４ｍｍ厚等の標準肉
厚の中から選定する。先ず、図５に示すように、板材を
丸めて溶接部１１にて溶接して管状に形成し、端部を所
定寸法にカットして素管３ｃを形成する。次にこの素管
３ｃは、図８に示すような方法によって外表面を押圧成
形されて凹溝９が形成される。

【００１９】図８において、金属管の素管３ｃは、その
内径に適合したカラー２０を介してスピンドル１９に嵌
入される。そしてエアー通路２５から空気圧を与えるこ
とにより、スピンドル１９に備えられたＯリング２１が
拡開して金属管３ｃの軸方向端部をクランプし、スピン
ドル１９がスピンドル支え２２の軸受体２３に支持され
て回転することによって、金属管３ｃはスピンドル１９
とともに回転する。刃物状の先端部を有するローラー１
５は、ローラーホルダ１７に保持されて金属管３ｃの外
周部に圧接して押圧し、金属管３ｃの回転に伴って塑性
変形による所定深さの凹溝９を形成する。但し、ローラ
ー１５による押圧は、図２に示した角度α１及びα２に
相当する区間のみであり、その他の区間はローラー１５
は離間して押圧を行わない。ローラーホルダ１７は、ス
ピンドル１９の回転とともに軸方向へ水平移動し、金属
管３ｃの外周部には螺旋形状に沿った断続状の凹溝９が
形成される。

【００２０】これとは別に、円筒状の先端部を有するロ
ーラー１６が、ローラーホルダ１８に保持されて金属管
３ｃの外周部に圧接して押圧し、凹溝９間に生じた外径
方向への膨出部を押圧して、金属管を所定肉厚に矯正す
る。またこのローラー１６は、ローラー１５の押圧によ
って金属管３ｃの内径部がカラー２０に抱き付くのを直
す効果も有している。上記ローラーホルダ１８もスピン
ドル１９の回転とともに軸方向へ水平移動するようにな
っている。金属管３ｃの外表面の所定域に凹溝９が形成
されて成形工程が終了すると、Ｏリング２１の拡開力が
取り除かれ、プッシャー２４が空気圧等によって金属管
３ｃを軸方向に押し出して、金属管３ｃがスピンドル１
９から外される。

【００２１】尚、上記以外に、ローラーホルダ１７をス
ピンドル１９の１回転毎に軸方向へ歩進的に水平移動さ
せるように構成すれば、金属管３ｃの外周部には金属管
３ｃの円周方向と平行な方向に断続状の凹溝が形成でき
る。また、ローラー１５や１６を複数配置して、同時に
複数条の凹溝を設けるようにしてもよい。

【００２２】上記の方法で形成された金属管３ａの拡大
断面を図６に示す。刃物状のローラー１５の押圧によっ
て所定深さの凹溝９が形成され、このとき膨出して外径
方向へ逃げた肉は円筒状のローラー１６によって潰され
るため、最終的な外表面は滑らかに矯正されており、一
方、内周面はカラー２０によって規制されていたため、
すきま嵌合におけるすきま分のみ内径側へ膨出して若干
の出っ張り１２を形成する。

【００２３】図７は凹溝の別の形状例を示すものであ
り、例えばレーザーカット等によって設けた切り込み状
の凹溝９ｄを示している。この凹溝９ｄを設ける場合
は、例えば図８のローラー１５に代えてレーザー加工ヘ
ッドを配置した構成を採用すればよい。レーザーの場
合、切り口の幅が狭く形成できる特徴があり、必要に応
じて溝数を多くすることが容易となる。またレーザーカ
ットによって凹溝を設ける場合は、金属管単体に対して
加工を施してもよいが、金属管を回転子へ装着した後に
加工を施すようにしてもよい。

【００２４】上記凹溝９が設けられた金属管３ａは、次
に拡管成形が施され、回転子における磁石外周部へ嵌入
するための所定の内径に仕上げられる。そしてこのよう
に形成された金属管３ａは、図１〜３に示すように回転
子の磁石の外周部に嵌着される。このとき、凹溝を設け
た区間の円周方向の中央が磁極の極間部に位置するよう
に嵌着する必要がある。

【００２５】このような回転子は、固定子内に置かれ
て、例えば起動時において固定子巻線に回転子が回転し
ない程度の数ＫＨｚ〜数十ＫＨｚの周波数の方形波電圧
を印加したとき、導電体である金属管３ａ内には渦電流
が発生する。このとき図６を参照して説明すると、多数
の凹溝９を設けた区間においては薄肉厚Ｔ２の部分で渦
電流が流れ難くなり、この結果渦電流のループは細分化
されてることになる。即ち、金属管３ａの厚肉部１３の
部分に細分化された渦電流のループが生じ、この部分の
渦電流損失は微少となる。一方、肉厚Ｔ２を有する薄肉
部１４の部分にはループの大きな渦電流が生じるが、成
形前の均一肉厚Ｔ１を有する凹溝９の存在しない区間と
比較して渦電流の絶対値は格段に小さなものとなる。こ
れらの結果、凹溝９の有無によって渦電流損失が大幅に
異なったものに構成される。

【００２６】そしてこの渦電流損失の大小によって固定
子巻線のインピーダンスが変化するため、このインピー
ダンスの変化を検出することによってモータ停止時の回
転子位置が推定できることになる。このことは、モータ
の加速時の低速状態においても同様の原理で回転子位置
の推定が可能となる。尚、凹溝を回転子軸方向の全域に
わたって設けることにより、上記インピーダンス変化の
検出はより容易となるものであるため、必要に応じて適
宜凹溝の域を削減できる。また、図２にα１及びα２で
示した凹溝を設ける角度区間は、電気角１８０゜に対
し、±４０゜程度のばらつきがあっても位置検知上支障
はない。

【００２７】

【発明の効果】本発明によれば、冷媒圧縮機等に用いら
れるモータの回転子における磁石の外周部の補強部材で
ある金属管を利用して、回転子外表面の所定区分毎に渦
電流損失に差異を設けるように構成するものであるた
め、アルミ箔等の導電性非磁性材料を別途貼付する必要
がなく、モータの磁気的エアギャップを縮めることがで
き、モータ効率等の特性向上に寄与し得るものである。

【００２８】また冷媒やオイルの雰囲気中で常時用いる
場合であっても、位置検出のための構成要素において、
劣化したり冷媒に溶出したりする要素が皆無であるた
め、品質的に安全な回転子を構成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を示す回転子の斜視図。

【図２】図１の回転子の平面断面図。

【図３】図１の回転子の正面断面図。

【図４】回転子の別の構成例を示す図３に相当する正面
断面図。

【図５】金属管の素管を示す斜視図。

【図６】凹溝の形状例を示す金属管の拡大正面断面図。

【図７】凹溝の別の形状例を示す金属管の拡大正面断面
図。

【図８】凹溝の製法の一例を説明する部分断面正面図。

【図９】従来の回転子の構成説明図。

【符号の説明】

１ 鉄心 ２ 磁石 ３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ 金属管 ４ａ，４ｂ 端板 ５ クランプピン ６ 軸孔 ９，９ｄ 凹溝

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 鉄心の外周部に円周方向にＮＳ交互の磁
   極を形成する磁石を装着し、この磁石の外周部に金属管
   を嵌着して構成されるセンサレスブラシレスＤＣモータ
   の回転子において、前記金属管の外表面を前記磁極の極
   間部を中心とする円周方向に電気角１８０゜の区間で等
   分し、前記等分された区間の１個おきに多数の凹溝を設
   けたことを特徴とする回転子。
2. 【請求項２】 前記凹溝を設けた区間において、各凹溝
   は回転子外表面の円周方向もしくはこれに近い方向に向
   けて形成したことを特徴とする請求項１記載の回転子。