JP2001268873A

JP2001268873A - 圧縮機用モータ及びその応用機器

Info

Publication number: JP2001268873A
Application number: JP2000077611A
Authority: JP
Inventors: Yoshinari Asano; 能成浅野; Toshiyuki Tamamura; 俊幸玉村; Masayuki Shindo; 正行神藤; Haruhiko Sumi; 治彦角
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2000-03-21
Filing date: 2000-03-21
Publication date: 2001-09-28

Abstract

(57)【要約】【課題】圧縮機用モータにおいて、低速、特に１７０
０ｒ／ｍｉｎ以下での効率を向上させ、振動・騒音を低
減するものである。【解決手段】可変速運転が可能なインバータにより駆
動し、運転領域が１７００ｒ／ｍｉｎ未満に及ぶ冷凍空
調用の圧縮機用モータであって、スロットに３相巻線を
施した略円筒形状のステータ１０と、前記ステータ内部
に、６極以上８極以下の永久磁石を備えた略円筒形状の
ロータ２０としたものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高効率を要求され
るエアコンや冷蔵庫の圧縮機用モータ及びその応用機器
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、圧縮機用モータには、主とし
て４極２４スロットまたは４極１２スロットの永久磁石
モータが使用されていた。

【０００３】図９は、従来の永久磁石モータを示す断面
図である。

【０００４】ステータ６０は、複数のティース６１と、
前記ティース６１をつなぐ環状のヨーク６２からなり、
前記ステータ６０の内周部に対向して、略円筒形のロー
タコア６３とその外周部に配置された永久磁石６４から
なるロータ７０が軸６５を中心として回転自在に保持さ
れている。前記永久磁石６４は、外周をステンレス等の
非磁性体の環６６を外周に挿入することにより固定され
ている。前記ステータ６０は、圧縮機のシェルに焼きば
めされることによって圧縮機内部で固定されている。

【０００５】ステータコア外周部に切り欠き６７、また
は溝、穴を設けることにより、圧縮機のシェルとステー
タコアとの間またはステータコアそのものに、ステータ
全長に貫通した部分があり、そこを冷凍機油が通ること
により、冷凍作用を行っている。

【０００６】通常、ロータ７０は４極であり、ステータ
のティース数はスロット数と等しく１２または２４であ
る。前記スロットには、３相巻線が施され、スイッチン
グ素子により、ステータに回転磁界が発生するように巻
線に電流を流している。回転磁界は、インバータにより
可変速で発生させることが可能であり、運転開始直後等
には高速で、安定運転時等には低速で運転される。

【０００７】しかしながら、近年、冷凍システムの向上
等により、低速運転時間の占める割合が増加し、また、
安定時の一定速運転における回転速度も低下している。

【０００８】低速運転においては、鉄損よりも銅損の割
合が多く、スロット占積率の向上による巻線抵抗の低減
や、エネルギー積の高い永久磁石を用いる等により、銅
損の低減を図ってきた。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、エネル
ギー積の高い永久磁石を用いる場合、コアの磁束密度が
増加し、鉄損が増加する。特に、ステータコアをシェル
に焼きばめしている場合、ヨーク部の磁束密度の増加に
より、シェル部にまで磁束が漏れ、渦電流損の増加等を
引き起こす可能性があった。

【００１０】また、低速運転においては、特にレシプロ
や１気筒ロータリーの圧縮機においては、１回転あたり
１回の大きな負荷振動があるため、安定した回転が困難
であった。従って、低速、特に１７００ｒ／ｍｉｎ未満
の運転においては、モータ制御や圧縮方式等の対策が必
要であり、冷凍機油の給油性能や、運転音等の対策が必
要であった。

【００１１】本発明は、上記課題を解決するものであ
る。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
本発明は、可変速運転が可能なインバータにより駆動
し、運転領域が１７００ｒ／ｍｉｎ未満に及ぶ冷凍空調
用の圧縮機用モータであって、スロットに３相巻線を施
した略円筒形状のステータと、前記ステータ内部に、６
極以上８極以下の永久磁石を備えた略円筒形状のロータ
としたものである。

【００１３】

【発明の実施の形態】請求項１に記載の発明は、可変速
運転が可能なインバータにより駆動し、運転領域が１７
００ｒ／ｍｉｎ未満に及ぶ冷凍空調用の圧縮機用モータ
であって、スロットに３相巻線を施した略円筒形状のス
テータと、前記ステータ内部に、６極以上８極以下の永
久磁石を備えた略円筒形状のロータとからなるモータを
備えた圧縮機用モータであって、銅損を低減し、特に低
速で効率の高い圧縮機用モータを提供する。

【００１４】請求項２に記載の発明は、可変速運転が可
能なインバータにより駆動し、運転領域が１７００ｒ／
ｍｉｎ未満に及ぶ冷凍空調用の圧縮機用モータであっ
て、Ｐを３以上の奇数とし、スロットに３相巻線を施
し、スロット数が３Ｐである略円筒形状のステータと、
前記ステータ内部に、２Ｐ極の永久磁石を備えた略円筒
形状のロータとからなるモータを備えた圧縮機用モータ
であって、銅損が低く、かつ、低振動の圧縮機用モータ
を提供する。

【００１５】請求項３に記載の発明は、前記永久磁石が
希土類磁石であり、ロータコア内部に埋設されたことを
特徴とする請求項１または請求項２記載の圧縮機用モー
タであって、モータを小型化でき、かつ、磁束量を増加
させることができるため、銅損の低い圧縮機用モータを
提供する。

【００１６】請求項４に記載の発明は、前記永久磁石が
希土類磁石であり、ロータコアには、１極当たり、ロー
タ内周側に凸の略Ｖ字型の永久磁石埋設孔に２枚の平板
状の希土類磁石を埋設したことを特徴とする請求項３記
載の圧縮機用モータであって、磁束量を増すことがで
き、銅損の低い圧縮機用モータを提供する。

【００１７】請求項５に記載の発明は、前記永久磁石が
フェライト磁石であり、ロータコア表面に円環状または
複数の略円弧状の永久磁石を配したロータを用いた請求
項１または請求項２記載の圧縮機用モータであり、振動
・騒音が低い圧縮機用モータを提供する。

【００１８】請求項６に記載の発明は、極数を６とした
時、スロット数が１８である請求項１記載の圧縮機用モ
ータであって、銅損と鉄損のバランスがとれ、かつ、振
動・騒音の低い圧縮機用モータを提供する。

【００１９】請求項７に記載の発明は、極数が６、スロ
ット数が９である請求項２記載の圧縮機用モータであっ
て、小型で、銅線使用量が少なく、特に低速で効率が高
く、振動・騒音の低い圧縮機用モータを提供する。

【００２０】請求項８に記載の発明は、ステータコア
が、０．４０ｍｍ以下の厚みをもつ電磁鋼板を打ち抜い
て積層してなることを特徴とする請求項１から７のいず
れか１項に記載の圧縮機用モータであって、渦電流損が
低く、特にＰＷＭ駆動を行った時に効率の高い圧縮機用
モータを提供する。

【００２１】請求項９に記載の発明は、前記永久磁石が
フェライト磁石であり、ロータコア表面に円環状または
複数の略円弧状の永久磁石を配したロータを用いた請求
項２または請求項７記載の圧縮機用モータを搭載した冷
蔵庫であって、振動・騒音が低く、電気代の安い冷蔵庫
を提供する。

【００２２】請求項１０に記載の発明は、全運転領域に
おいて、ＤＵＴＹ比が５０％以上となるように運転する
ことを特徴とする請求項９記載の圧縮機用モータを搭載
した冷蔵庫であって、特に周波数の高い振動・騒音を低
減できる。

【００２３】請求項１１に記載の発明は、前記永久磁石
のｉＨｃが４５００Ｏｅ以上である請求項９記載の冷蔵
庫であって、減磁耐力を有し信頼性の高い冷蔵庫を提供
する。

【００２４】請求項１２に記載の発明は、請求項３また
は請求項４記載のロータと、請求項６記載のステータを
用いたことを特徴とする圧縮機用モータを搭載したエア
コンであって、年間電気代の安いエアコンを提供する。

【００２５】以下、本発明における実施の形態につい
て、図面を用いて詳細に説明する。

【００２６】（実施の形態１）図１は、本発明の第１の
実施の形態におけるエアコン用の圧縮機用モータの断面
図である。

【００２７】ステータ１０は、１８のティース１１と、
前記ティース１１をつなぐ環状のヨーク１２からなり、
前記ステータ１０の内周部に対向して、略円筒形のロー
タコア１３とその内部に埋設された永久磁石１４からな
る６極のロータ２０が軸１５を中心として回転自在に保
持されている。前記ステータ１０は、圧縮機のシェルに
焼きばめされ、圧縮機内部で固定されている。ロータコ
ア１３に設けられた略Ｖ字形状の永久磁石埋設用打ち抜
き孔１６には、平板状の永久磁石１４が２枚ずつ埋設さ
れている。

【００２８】希土類磁石であるため、エネルギー積が大
きく、また、極数が６であるため、２枚の永久磁石を用
いることにより、永久磁石の磁極面積が大きくできる。
４極の場合、磁極面積は、ロータの表面に中心角９０°
の円弧形状の永久磁石を用いた場合とほぼ同等であった
が、６極以上とすることで、ロータ表面に永久磁石を設
ける場合よりも多くの磁束量を得ることが可能である。
しかしながら、磁束量が増加し、ステータコアの磁束密
度も高くなる。特に、ヨーク１２には、総磁束量を極数
で割った磁束量が流れるため、極数が小さいほど磁束量
が多くなる。４極では、希土類磁石を使用したことによ
る磁束密度の上昇を抑えることが困難であり、特に、ス
テータコアに、全長にわたって貫通する冷媒通路用溝、
切り欠き、または穴がある場合は、磁束密度が高くな
り、鉄損を増加させ、結果的に効率の向上を押さえてい
た。しかしながら、６極とすることにより、同一のヨー
ク幅であっても、磁束密度を低下させることができ、磁
気飽和を防止すると共に、周波数が増加したとしても、
鉄損の増加を抑えることができる。また、コイルエンド
も小さくでき、巻線抵抗を低下させることができる。

【００２９】図２は、家庭用ルームエアコンに用いられ
る圧縮機用モータの、極数と、銅損及び鉄損の関係を示
す図である。本例では、各極とも板厚０．３５ｍｍの電
磁鋼板を用い、磁束密度分布、巻線仕様等を考慮し、最
適な設計とした時の値である。６極から１０極で、銅損
と鉄損の和が極小となっている。なお、極数を大きくし
すぎると、スロットオープン幅を一定とした場合、スロ
ットピッチに対するスロットオープンの比率が大きくな
り、巻線性、コギングトルク、効率等に悪影響を及ぼ
す。例えば、ステータ内径がφ５０〜６０ｍｍ程度の家
庭用エアコンまたは冷蔵庫に用いられる場合では、８極
以下が限度である。なお、６極または８極とする場合、
周波数が増加し、渦電流損が増加する傾向にあるので、
ステータコアまたはロータコアを構成する電磁鋼板の板
厚を０．４ｍｍ以下とするとよい。回転磁界が高くなる
ステータは、特に鉄損の小さい電磁鋼板を使用するのが
望ましい。特に、ＰＷＭ駆動であって、低いデューティ
ーで運転される場合や、１２０°通電の矩形波の電圧で
運転される場合は、高周波磁束がロータに流れ込むた
め、ロータを構成する電磁鋼板の板厚を０．４ｍｍ以下
とするとよい。

【００３０】極数：スロット数が１：３または１：６で
ある場合、回転磁束が空間的に等間隔に発生するため、
ステータから圧縮機のシェルに振動が伝達しやすい場合
に特に有効であり、ステータを圧縮機のシェルに直接焼
きばめまたは圧入している用途においては、低振動・低
騒音という面で優れている。

【００３１】なお、巻線を所定回数巻枠に巻き、スロッ
トに挿入してコイルエンドを所定の寸法に収まるように
成形するインサータ方式の巻線では、一定以上のスロッ
トオープン幅が必要である。一方、コギングトルク低減
や誘起電圧向上の面から、スロットオープン幅は小さい
ほどよく、従って、スロット数は、６極の場合は１８、
８極の場合は２４が望ましい。さらに、ステータティー
ス先端に補助溝を設けたり、ロータにスキューを施した
りすると好適である。

【００３２】本構成によれば、銅損が低く、効率が向上
し、また低速においても、滑らかに回転するため、１７
００ｒ／ｍｉｎ未満でも、冷媒の圧縮によって発生する
１回転に１回の負荷振動により、騒音が顕著となったり
することがない。特に１ピストンロータリーの場合に有
効である。

【００３３】なお、永久磁石の使用量及び配置は任意で
あり、半径方向に２分割されていてもよい。また、ステ
ータのティースやスロット形状、冷媒通路形状、また、
ロータ形状等も本発明の趣旨に応じて種々の変形が可能
である。

【００３４】（実施の形態２）図３は、本発明の第２の
実施の形態における冷蔵庫用の圧縮機用モータの断面図
である。

【００３５】ステータ３０は、９のティース３１と、前
記ティース３１をつなぐ環状のヨーク３２からなり、前
記ステータ３０の内周部に対向して、略円筒形のロータ
コア３３とその外周に配置された永久磁石３４、その外
側を覆うステンレス管３５からなる６極のロータ４０が
軸３６を中心として回転自在に保持されている。前記ス
テータ３０は、貫通孔３７にボルトを通すことにより、
バネにより保持されたブロックに固定されている。

【００３６】ティース３１には、集中巻線が施されてい
る。

【００３７】本構成により、巻線抵抗が低減でき、大幅
に銅損が低減できると共に、モータ全長も小さくでき
る。特に、ステータの外径に対して、積厚が５分の１か
ら２分の１程度の場合に銅損の低減率が著しい。冷蔵庫
の場合、通常、ステータの外径に対して積厚が３分の１
程度であり、本構成は冷蔵庫用に適している。また、集
中巻化する場合、ギャップ磁束の空間分布が不等間隔と
なる。図４は、４極６スロットの場合のギャップ部に発
生する応力を示したものであり、応力が１８０°対称位
置の２箇所Ｆａ、Ｆｂに集中している。このような応力
分布は、図５に示すような、円環振動モードのｍ＝２に
相当し、このモードの周波数は３〜６ｋＨｚ程度とな
る。一方、６極９スロットの場合、図６に示すように、
応力の集中箇所は１２０°対称位置の３箇所Ｆｃ、Ｆ
ｄ、Ｆｅであり、１８０°対称位置には存在しない。こ
れは、図５に示すｍ＝２のモードとなりにくいため、３
〜６ｋＨｚ付近の騒音も発生しにくい。このような傾向
は、スロット数が奇数であればよいが、極数が大きすぎ
ても鉄損の増大をはじめ、他の影響が出るため、６極９
スロットが最適である。また、９スロットの場合、スロ
ットが１８０°対称位置にないため、図５に示すような
円環振動モードのｍ＝２の固有振動数が、６スロットの
場合に比べ、同一のヨーク幅のとき、１．１倍から１．
２倍となる。

【００３８】また、ＰＷＭ駆動の場合、キャリア周波数
が３〜５ｋＨｚ付近に設定する場合が多く、ステータの
固有振動数と一致しやすい。従って、キャリア周波数を
６ｋＨｚ程度より高くするか、デューティーを高くすれ
ばよい。図７に、デューティー４０％、６０％、８０
％、１００％の時の巻線に流れる電流波形を示す。騒音
の低減を考えた場合、５０％以上、望ましくは６０％以
上のデューティーで運転することが望ましい。特に運転
時間の長い領域においては、８０％以上のデューティー
で運転するとよい。

【００３９】なお、ロータは、永久磁石を表面に設ける
ことにより、ギャップ磁束の変化が比較的滑らかになる
ため、振動・騒音の面で優れた冷蔵庫を提供することが
できる。また、永久磁石をロータ表面に設けた場合、特
に集中巻においては、不可逆減磁の恐れがある。図８
は、永久磁石材質のｉＨｃと、減磁電流（誘起電圧が１
％低下するための電流）の関係を示した図である。６極
９スロットにおいては、電流のリップルなどを考慮する
と、減磁電流としては、始動電流の１．５倍程度を考え
る必要があり、ｉＨｃが４５００Ｏｅ以上必要であるこ
とがわかる。

【００４０】冷蔵庫に用いられる圧縮機用モータは、積
厚が小さく、コイルエンド長が片側で積厚と同じ長さに
あり、従来のような４極２４スロットまたは１２スロッ
トでは、モータ全長は、積厚の３倍程度となっていた。
そこで、本実施の形態に示したような構成とすること
で、従来の半分程度のモータ全長とすることが可能であ
る。また、この時、集中巻化により、磁束の変化も大き
くなるため、６極化により、騒音を小さくする必要があ
る。なお、ＰＷＭ駆動の場合デューティーは５０％以上
とするとよい。

【００４１】また、ステータコアまたはロータコアを構
成する電磁鋼板の板厚を０．４ｍｍ以下とすることで、
鉄損を低減することが可能である。

【００４２】

【発明の効果】上記説明より明らかなように、請求項１
に記載の発明によれば、銅損を低減し、特に低速で効率
の高い圧縮機用モータを提供する。

【００４３】請求項２に記載の発明によれば、銅損が低
く、かつ、低振動の圧縮機用モータを提供する。

【００４４】請求項３に記載の発明によれば、モータを
小型化でき、かつ、磁束量を増加させることができるた
め、銅損の低い圧縮機用モータを提供する。

【００４５】請求項４に記載の発明によれば、磁束量を
増すことができ、銅損の低い圧縮機用モータを提供す
る。

【００４６】請求項５に記載の発明によれば、振動・騒
音が低い圧縮機用モータを提供する。

【００４７】請求項６に記載の発明によれば、銅損と鉄
損のバランスがとれ、かつ、振動・騒音の低い圧縮機用
モータを提供する。

【００４８】請求項７に記載の発明によれば、小型で、
銅線使用量が少なく、特に低速で効率が高く、振動・騒
音の低い圧縮機用モータを提供する。

【００４９】請求項８に記載の発明によれば、渦電流損
が低く、特にＰＷＭ駆動を行った時に効率の高い圧縮機
用モータを提供する。

【００５０】請求項９に記載の発明によれば、振動・騒
音が低く、電気代の安い冷蔵庫を提供する。

【００５１】請求項１０に記載の発明によれば、特に周
波数の高い振動・騒音を低減できる。

【００５２】請求項１１に記載の発明によれば、減磁耐
力を有し信頼性の高い冷蔵庫を提供する。

【００５３】請求項１２に記載の発明によれば、年間電
気代の安いエアコンを提供する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態におけるエアコン用
の圧縮機用モータの断面図

【図２】極数と、銅損及び鉄損の関係を示す図

【図３】本発明の第２の実施の形態における冷蔵庫用の
圧縮機用モータの断面図

【図４】ギャップ部に発生する応力の分布図

【図５】（ａ）変形前の状態を示す図（ｂ）円環振動モードｍ＝２の変形状態を示す図

【図６】ギャップ部に発生する応力の分布図

【図７】モータの電流波形を示す図

【図８】永久磁石材質のｉＨｃと、減磁電流の関係を示
す図

【図９】従来のエアコン用の圧縮機用モータの断面図

【符号の説明】

１０ステータ１１ティース１２ヨーク１３ロータコア１４永久磁石１５軸１６永久磁石用穴２０ロータ

フロントページの続き (72)発明者神藤正行大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者角治彦大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内Ｆターム(参考） 5H621 BB10 GA01 GA04 HH01 JK13 5H622 CA02 CA05 CA11 CB03 CB05 DD01 DD02 PP18

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】可変速運転が可能なインバータにより駆
動し、運転領域が１７００ｒ／ｍｉｎ未満に及ぶ冷凍空
調用の圧縮機用モータであって、スロットに３相巻線を
施した略円筒形状のステータと、前記ステータ内部に６
極以上８極以下の永久磁石を備えた略円筒形状のロータ
とからなるモータを備えた圧縮機用モータ。
【請求項２】可変速運転が可能なインバータにより駆
動し、運転領域が１７００ｒ／ｍｉｎ未満に及ぶ冷凍空
調用の圧縮機用モータであって、Ｐを３以上の奇数と
し、スロットに３相巻線を施し、スロット数が３Ｐであ
る略円筒形状のステータと、ステータ内部に２Ｐ極の永
久磁石を備えた略円筒形状のロータとからなるモータを
備えた圧縮機用モータ。
【請求項３】永久磁石が希土類磁石であり、ロータコ
ア内部に埋設されたことを特徴とする請求項１または請
求項２記載の圧縮機用モータ。
【請求項４】永久磁石が希土類磁石であり、ロータコ
アには１極当たりロータ内周側に凸の略Ｖ字型の永久磁
石埋設孔に２枚の平板状の希土類磁石を埋設したことを
特徴とする請求項３記載の圧縮機用モータ。
【請求項５】永久磁石がフェライト磁石であり、ロー
タコア表面に円環状または複数の略円弧状の永久磁石を
配したロータを用いた請求項１または請求項２記載の圧
縮機用モータ。
【請求項６】極数が６、スロット数が１８である請求
項１記載の圧縮機用モータ。
【請求項７】極数が６、スロット数が９である請求項
２記載の圧縮機用モータ。
【請求項８】ステータコアが、０．４０ｍｍ以下の厚
みをもつ電磁鋼板を打ち抜いて積層してなることを特徴
とする請求項１から７のいずれか１項に記載の圧縮機用
モータ。
【請求項９】永久磁石がフェライト磁石であり、ロー
タコア表面に円環状または複数の略円弧状の永久磁石を
配したロータを用いた請求項２または請求項７記載の圧
縮機用モータを搭載した冷蔵庫。
【請求項１０】全運転領域において、ＤＵＴＹ比が５
０％以上となるように運転することを特徴とする請求項
９記載の圧縮機用モータを搭載した冷蔵庫。
【請求項１１】永久磁石のｉＨｃが４５００Ｏｅ以上
である請求項９記載の冷蔵庫。
【請求項１２】請求項３または請求項４記載のロータ
と、請求項６記載のステータを用いたことを特徴とする
圧縮機用モータを搭載したエアコン。