JP2001508997A - 改良型高速度電気モータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 正反対に磁化された、固体希土類マグネットコア（１７）からなる回転子（１０）を備えた、高速度、ブラシレスの直流モータ。回転子（１６）はマグネットコア（１７）を囲み、高速回転時にコアを半径方向に拘束するスリーブ（１８）を備えている。スリーブ（１８）はコアから両方向に軸線に沿って延びて回転子のために中空のシャフトを形成する。スリーブ（１８）は、非磁性、低電気伝導率の材料から形成されている。制御回路（１４）は、予め決定された電子インバータを備えており、制御回路（１４）は、基底速度から最大速度までのモータの速度範囲を通して実質的に一定な出力を維持する手段を備えており、一方で、力率を１近くに維持する。

Description

【発明の詳細な説明】 改良型高速度電気モータ発明の属する技術分野 この発明は、高速電気モータの改良に関し、特に、高速、ブラシレス直流モー タに関する。 この発明の原理はすべての領域のモータに適用することができるが、この発明 においては、特に、冷媒、空気またはガスコンプレッサー用のモータとしての適 用について以下に記述する。、発明の背景 コンプレッサモータとして使用される高速、ブラシレス直流モータの設計およ び構造には、多くの問題が生じている。上述したモータは、所定の範囲の負荷に わたって、コンプレッサモータとして有効であるために十分な出力を生じる必要 がある。モータおよびコンプレッサを組み合わせた容積を最小化するために、高 性能の高速、低トルクモータを設計することが望ましい。 高速、ブラシレス直流モータが知られている。この点に関して、（ピットマン インターナショナル出版）セイおよびテイラー著、「直流機械」、第２版、特に 、４．８、５．１０および１１．４章を引用する。このようなモータは通常、冷 媒コンプレッサに要求される出力よりも低出力である。このようなモータの１つ の形としては、希土類マグネット（特に、ネオジム−鉄−ボロンのグレード）を 使用する。しかし、この材料および他の希土類磁性材料は一般に、引張り強度が 低く、幾分脆い。このため、その使用が相対的に低出力高速電気モータに限定さ れ、コンプレッサモータとして不適である。 環境状安全であると考えられているＲ１３４Ａおよび他のCFC冷媒等の新規な 冷媒を使用する冷蔵コンプレッサーの適用において、冷媒と化学的に不相容性で ある潤滑剤を使用することは不可能である。このため、コンプレッサにおける従 来のベアリングの使用は排斥される。従って、磁気またはフォイルベアリングの ような非接触ベアリングの使用が望まれる。このようなベアリングは、駆動モー タにおいても使用される。 この発明の目的は、相対的に高出力、且つ、容積比に対して非常に出力が高 い高速電気モータを設計することにある。 更に、この発明の目的は、冷媒コンプレッサ用に使用される電気モータを設計 することにあり、回転子は好ましくは、磁気ベアリング、フォイルベアリング等 の無オイルまたは非接触ベアリングによって支持されている。但し、他の適用に おいては通常のベアリングとして使用することができる。 コンプレッサモータとして使用される電気モータおよび相対的に低コストの制 御回路によって行うことができる制御を提供することが望ましい。 更に、所要の機械的強度を提供することができる構造において希土類マグネッ トを組み入れた回転子を備えた電気モータを提供することが望ましい。発明の要旨 この発明の１つの態様に従って、下記からなる、正反対に磁化された、固体希 土類マグネットコアからなる回転子を備えた高速度、ブラシレスの直流モータが 提供される。前記回転子は前記マグネットコアを囲み、高速回転時にコアを半径 方向に拘束するスリーブを備えており、前記スリーブは前記コアから両方向に軸 線に沿って延びて回転子のために中空のシャフトを形成し、前記スリーブは、非 磁性、低電気伝導率の材料から形成されている。 回転子スリーブを使用して中空の回転子シャフトを形成することによって、回 転子の重量を少なくし、ベアリングにかかる負荷を少なくすると共に、一方で、 所要のシャフト硬さを提供し、費用対効果に優れた構成方法を提供する。 この発明のモータは、最大効率および低損失のために、コアに関して固体の希 土類マグネットコアを使用する。モータは、好ましくは、運転速度２０，０００ ｒｐｍから５０，０００ｒｐｍの範囲内で運転するように設計される。これによ って、モータおよびコンプレッサの容積を少なくする。しかしながら、上述した ような高回転速度は、発生する高い遠心力に耐える過酷な機械的要求を回転子に 課す。回転子は、更に、共振曲げ周波数が最大回転数を超えるに十分な硬さを有 している必要がある。回転子は、回転子ベアリングにかかる負荷を最小にするよ うに軽いことが必要である。 冷媒コンプレッサに使用されるこの発明の好ましい態様において、回転子は能 動磁気ベアリング上に支持されており、そのベアリングが回転子を軸方向および 半径方向に位置決めする。しかしながら、他の形状の通常の機械的ベアリ ングまたは他の型の非接触ベアリングを、この発明のモータに他の状況下で用い ることができる。 回転子のスリーブは好ましくは、インコネル等の非磁性、高強度金属によって 形成される。これら非磁性、高強度金属は相対的に高いヤング係数を有し、回転 子シャフトに要求される所要の曲げ硬さを提供する。 この発明の好ましい態様において、希土類マグネットコアは、予めスリーブに 応力をかけることによって、（静止時に）圧縮負荷がかかった状態に維持する。 このような予め応力をかけることは、スリーブを加熱する等、コアとスリーブを 実質的に熱偏差が生じるように組み立てることによって行うことができる。マグ ネットコアの外径およびスリーブの内径は、精密な大きさで、相互に干渉してフ ィットするように形成する。スリーブがコア上で縮むと、軸方向および半径方向 の両方向の相対的な大きさの変化によって、マグネットコアに軸方向および半径 方向の圧縮が働く。回転子が回転すると、生じた遠心力は、スリーブの引張り力 によって反発され、最大回転速度で、あるとすれば、最小の引張り力がマグネッ トコアに生じる。このように、スリーブによってもたらされるマグネットコア上 の圧縮力によって、引張強度の低いコアの材料には、回転子に加わる回転力の結 果としての亀裂、移動、歪み等が生じない。 この発明の別の態様に従って、拘束するスリーブによって囲まれた固体希土類 マグネットコアからなる回転子、および、予め決定された比率の電子インバータ を備えた制御回路を備えた、高速度、ブラシレスの直流モータが提供される。前 記制御回路は、基底速度から最大速度までのモータの速度範囲を通して実質的に 一定な出力を維持する手段を備えており、一方で、逆起電力に関して供給された 電機子電流の前進角を変化させることによって、力率を１近くに維持し、それに よって、一定速度範囲内を通じて磁束弱化を行う。この範囲の限界における電流 および力率は等しくなるように設計される。即ち、基底速度において電流が電圧 を遅滞させ、最大速度において進める。 与えられた速度およびトルクにおける電流角の最適の前進は、関連するモータ の材質のコストおよびインバータのコスト（または与えられたインバータ率に対 する増加出力量）、ならびに、鉄損および銅損の相対的な熱的重要性によってき まる。基底速度における電流の前進が等しく、または、概ね等しく設定されると 、基底速度における力率角、最終力率（およびインバータ使用率）が 基底速度において磁束弱化が使用されない場合に達成される値を超える。 この発明の制御方法は、モータの設計をマグネット磁束の電機子磁束に対する 比率に関して最適化して、低コスト部品を使用することによって、電子制御回路 のコストを最小にする。このように、基底速度から最大速度における磁束弱化に 対してモータを設計することによって、銅損は増加するけれども、低いインバー タ率および鉄損が達成できる。 この発明のある一つの態様において、最大出力において、設計された基底速度 、即ち、約３２，０００ｒｐｍで電流の前進は約１５°〜２０°であり、設計さ れた最高速度、即ち、約４８，０００ｒｐｍで電流の前進は約５０°〜５５°で ある。ピーク出力で、電機子磁束のマグネット磁束に対する所定の比率を得るよ うにモータは設計され、そして、鉄を含有してない回転子を使用することによっ て、インダクタンスを小さくし、所要の磁束率に対してモータのサイズを小さく する。 この発明をより容易に理解するために、この発明の特定の態様について図面を 参照しながら説明する。図面の詳細な説明 図１は、この発明による、モータの概略部分断面図である。 図２は、基底速度および最大速度における各種磁束の状態図である。 図３は、モータ制御器を図示しているものである。発明の詳細な説明 図１に示すように、図示されているモータ１０は、冷媒用の（図示しない）遠 心圧縮機を駆動するために特別に設計された、高速度、ブラシレス、スロットの 直流モータである。モータ／コンプレッサを組み合わせた全体のサイズを可能な 限り少なくするためにできるだけコンパクトに設計される。しかしながら、使用 できる交流電源１１および制御回路１４における電子インバータ１２の率に適合 した十分な出力を、モータがコンプレッサに供給することが必要である。図示し た態様においては、電子インバータ１２のコストを最小にするために、その比率 を２００Ａピークに制限している。これは、３相電源の最小電圧４１５Ｖｒｍｓ で、出力が７０から８５ｋＷになることを決定する。 回転子１６は、ネオジム−鉄−ボロン（ＮｄＦｅＢ）のマグネットコア１７か らなっており、ＮｄＦｅＢは高磁気エネルギー密度、低引張強度の燒結磁性材料 である。マグネットコア１７は、インコネル（ＩＮＣＯＮＥＬ）７１８によって 形成されたスリーブ１８に収容されており、ＩＮＣＯＮＥＬ７１８は非磁性、低 電気伝導性金属合金である。スリーブは、回転子の高速回転時に発生する力に対 抗して、マグネットコア１７を拘束する。この発明の好ましい態様において、ス リーブ１８は予め応力がかけられて、回転子が停止しているときに、マグネット コア上に圧縮圧力がかかった状態を維持する。このような予め応力をかけること は、マグネットコアの外径およびスリーブの内径が、相互に干渉してフィットす るように製造し、そして、その中にマグネットコアを挿入できるようにスリーブ を加熱して拡張することによって行われる。スリーブを冷却すると軸方向および 半径方向の両方向に縮み、マグネットコアを半径方向に圧縮し、そして、一部軸 方向にも圧縮する。理想的には、スリーブに次のように予め応力をかける。即ち 、回転子の高速回転時には、マグネットコア１７に張力が存在しない。現実には 、幾分張力が存在してもかまわない。軸方向の圧縮は、高速回転時におけるマグ ネットの張力を低下させる働きがある。 スリーブ１８は、マグネットコア１７を拘束する他に、軸方向に沿ってマグ ネットコアから両方向に延伸して、回転子１６のための中空シャフトとして機能 する。中空シャフトは、回転子を支持する磁気ベアリングの近くまで延伸し、回 転子に必要な曲げ硬さを提供して、モータ運転時に、空気間隙を維持する。 磁気スタッブシャフト２２および２３は、スリーブ１８の外端部２４および２ ６内に取り付けられる。スタッブシャフト２２および２３は、磁気ベアリング１ ９によって必要とされる無効シャフト部品を提供する。 最小電子インバータ率を達成するモータの設計において、ピーク相電流にピー クライン−ニュートラル電圧を乗じて得られる値を実現可能に小さくして、与え られた速度範囲にわたって一定出力運転をすることが好ましい。このように、速 度範囲にわたって力率をほぼ一定にするだけでなく、電流および電圧は可能な限 り変動しないことが必要である。永久磁石モータのもっとも一般的な制御方法に おいて、最小銅損のために、固定子電流からの磁束は、マグネットからの磁束に 対して９０°である。そして、一定出力範囲にわたって、最大電 流は最低（基底）速度で生じ、最大電圧は最高速度で生じる。その際、いかなる 単一速度でのプロダクトよりも大きいプロダクトを伴う。これを更に向上させる ために、電圧限界に到達したとき、基底速度以下では、電流は通常マグネット逆 起電力に同調させる(本発明においては等方性インダクタンス)。次いで、最高速 度までは磁束弱化を使用して一定出力を維持する。磁束弱化においては、マグネ ット磁束は、他のノントルクの電流を生じる要素と共に固定子からの磁束によっ て妨げられる。その結果、全電流ベルトルは最大トルクアラインメントの９０° の先に前進する。 この発明に従って、第１に、一定出力範囲の限界速度における電流および力率 を等しくなるように設計する。その際、基底速度において電流が電圧を遅滞させ 、最大速度において電流が電圧を進める。このことは図２に示されている。第２ に、基底速度を超える速度に対して、次第に磁束弱化を導入するだけでなく、基 底速度ではかなりの磁束弱化が使用される。使用される磁束弱化の量は柔軟で、 現実には、十分高い電流が使用可能であれば、力率１近辺が達成される。これに よって、モータの冷却の問題が生じるけれども、図２に示すように、基底速度に おける電流の前進が力率角と概ね等しくなることによって救済処置がとられる。 図２に示すように、基底速度／最大速度によって求められる比率をｓとすると 、一定出力に対して、ｓはマグネット磁束に直交する電機子磁束の部分の比率で もある。基底速度において電流の前進と力率角とが等しいためには、共にでなければならない。 図２において、 δ：負荷角 α１：基底速度における電流前進角 α２：最大速度における電流前進角 θ１：基底速度における力率 θ２：最大速度における力率 ラインｖ１：基底速度における全磁束（電圧に比例） ラインｖ２：最大速度における全磁束（電圧に比例） ラインｉ１：基底速度における電機子磁束（電流に比例） ラインｉ２：最大速度における電機子磁束（電流に比例） 図示した態様において、要求される一定出力範囲は、基底速度の約３２，００ ０ｒｐｍから約４８，０００ｒｐｍであり、１から１．５の範囲である。この速 度範囲では、電流前進角α１および力率角０１は、１７°のとき(最も近い値)、 基底速度３２，０００で共に等しい。これは非常に優れた力率０．９６に対応す る。最大速度４８，０００における電流前進角α２は５０°である必要がある。 要求される負荷角δ、即ち、マグネット逆起電力に先行する電圧前進角は３４° であり、基底速度および最大速度において同一である。電流の前進は、基底速度 でトルクを提供する最小の範囲において、電流を４％増大する。その理由は、こ のモータは、基底速度で磁束弱化を生じないからである。大きな電流では、若干 高い力率（および出力）が達成される。しかし、その場合は、大きなモータが必 要であるか、または、モータが熱をもつ。 力率、電流および出力は、一定出力領域の限界では、等しいので、電圧ｖもま た等しくなければならない。しかしながら、中速度では、力率角がプラスからマ イナスに変わるので、力率は１を超えて増大する。一定出力に伴って一定電流が 維持されるとき、これら中速度で、電圧ｖは少し低下しなければならない。代わ りに、電圧ｖを一定にして、中速度で電流ｉを低下させる。または、ｖおよびｉ を一定にすることによって、少し高い出力が得られる。 モータ制御器を図３に模式的に示す。制御器はマイクロコントローラ３０、パ ワーステージ３２、モータ１０およびセンサ３３からなっている。センサ３３は 、回転子の周りに１２０°の角度で配置された３個のセンサからなっており、計 算機３４に信号を送る。計算機は、コンパレータ３６の指令速度ω’と比較して 、回転子の速度およびその位置を決定する。コンパレータ３６はスイッチを備え ており、コントローラ／インバータ３７に信号が送られ、その出力がパワーステ ージ３２によって使用されて、適切な位相角でモータに出力を与え、力率を等し く維持する。モータの速度をモニターし、増加か減少かに従って、電圧ベクトル を変化させて、実質的に一定の出力がモータ速度領域にわたって維持される。 この発明のモータは、特に、冷媒Ｒ１３４Ａ等の最新の冷媒を念頭において設 計されているが、アンモニアを冷媒として用いるシステムにおけるコンプレ ッサを駆動するモータを製作することも可能である。この目的のために、モータ の巻き線およびそれにともなう他のいかなる巻き線も、銅を含有しない金属好ま しくは、銀またはアルミニウムによって形成される。回転子のマグネットコアは 密封され、アンモニア冷媒と接触しないようにする。 この発明のモータは、冷蔵システムにおいて使用されるとき、モータ内を循環 する冷媒によって冷却される。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】平成１１年８月２７日（１９９９．８．２７） 【補正内容】 明細書 改良型高速度電気モータ発明の属する技術分野 この発明は、高速電気モータの改良に関し、特に、高速、ブラシレス直流モー タに関する。 この発明の原理はすべての領域のモータに適用することができるが、この発明 においては、特に、冷媒、空気またはガスコンプレッサー用のモータとしての適 用について以下に記述する。、発明の背景 コンプレッサモータとして使用される高速、ブラシレス直流モータの設計およ び構造には、多くの問題が生じている。上述したモータは、所定の範囲の負荷に わたって、コンプレッサモータとして有効であるために十分な出力を生じる必要 がある。モータおよびコンプレッサを組み合わせた容積を最小化するために、高 性能の高速、低トルクモータを設計することが望ましい。 高速、ブラシレス直流モータが知られている。この点に関して、（ピットマン インターナショナル出版）セイおよびテイラー著、「直流機械」、第２版、特に 、４．８、５．１０および１１．４章を引用する。このようなモータは通常、冷 媒コンプレッサに要求される出力よりも低出力である。このようなモータの１つ の形としては、希土類マグネット（特に、ネオジム−鉄−ボロンのグレード）を 使用する。しかし、この材料および他の希土類磁性材料は一般に、引張り強度が 低く、幾分脆い。このため、その使用が相対的に低出力高速電気モータに限定さ れ、コンプレッサモータとして不適である。 環境状安全であると考えられているＲ１３４Ａおよび他のCFC冷媒等の新規な 冷媒を使用する冷蔵コンプレッサーの適用において、冷媒と化学的に不相容性で ある潤滑剤を使用することは不可能である。このため、コンプレッサにおける従 来のベアリングの使用は排斥される。従って、磁気またはフォイルベアリングの ような非接触ベアリングの使用が望まれる。このようなベアリングは、駆動モー タにおいても使用される。 この発明の目的は、相対的に高出力、且つ、容積比に対して非常に出力が高 い高速電気モータを設計することにある。 更に、この発明の目的は、冷媒コンプレッサ用に使用される電気モータを設計 することにあり、回転子は好ましくは、磁気ベアリング、フォイルベアリング等 の無オイルまたは非接触ベアリングによって支持されている。但し、他の適用に おいては通常のベアリングとして使用することができる。 コンプレッサモータとして使用される電気モータおよび相対的に低コストの制 御回路によって行うことができる制御を提供することが望ましい。 更に、所要の機械的強度を提供することができる構造において希土類マグネッ トを組み入れた回転子を備えた電気モータを提供することが望ましい。発明の要旨 この発明の１つの態様に従って、下記からなる、対角に磁化された、固体希土 類マグネットコアからなる回転子を備えた高速度、ブラシレスの直流モータが提 供される。前記回転子は前記マグネットコアを囲み、高速回転時にコアを半径方 向に拘束するスリーブを備えており、前記スリーブは前記コアから両方向に軸線 に沿って延びて回転子のために中空のシャフトを形成し、前記スリーブは、非磁 性、低電気伝導率の材料から形成されている。 回転子スリーブを使用して中空の回転子シャフトを形成することによって、回 転子の重量を少なくし、ベアリングにかかる負荷を少なくすると共に、一方で、 所要のシャフト硬さを提供し、費用対効果に優れた構成方法を提供する。 この発明のモータは、最大効率および低損失のために、コアに関して固体の希 土類マグネットコアを使用する。モータは、好ましくは、運転速度２０，０００ ｒｐｍから５０，０００ｒｐｍの範囲内で運転するように設計される。これによ って、モータおよびコンプレッサの容積を少なくする。しかしながら、上述した ような高回転速度は、、発生する高い遠心力に耐える過酷な機械的要求を回転子 に課す。回転子は、更に、共振曲げ周波数が最大回転数を超えるに十分な硬さを 有している必要がある。回転子は、回転子ベアリングにかかる負荷を最小にする ように軽いことが必要である。 冷媒コンプレッサに使用されるこの発明の好ましい態様において、回転子は能 動磁気ベアリング上に支持されており、そのベアリングが回転子を軸方向および 半径方向に位置決めする。しかしながら、他の形状の通常の機械的ベアリ ングまたは他の型の非接触ベアリングを、この発明のモータに他の状況下で用い ることができる。 回転子のスリーブは好ましくは、インコネル等の非磁性、高強度金属によって 形成される。これら非磁性、、高強度金属は相対的に高いヤング係数を有し、回 転子シャフトに要求される所要の曲げ硬さを提供する。 この発明の好ましい態様において、希土類マグネットコアは、予めスリーブに 応力をかけることによって、（静止時に）圧縮負荷がかかった状態に維持する。 このような予め応力をかけることは、スリーブを加熱する等、コアとスリーブを 実質的に熱偏差が生じるように組み立てることによって行うことができる。マグ ネットコアの外径およびスリーブの内径は、精密な大きさで、相互に干渉してフ ィットするように形成する。スリーブがコア上で縮むと、軸方向および半径方向 の両方向の相対的な大きさの変化によって、マグネットコアに軸方向および半径 方向の圧縮が働く。回転子が回転すると、生じた遠心力は、スリーブの引張り力 によって反発され、最大回転速度で、あるとすれば、最小の引張り力がマグネッ トコアに生じる。このように、スリーブによってもたらされるマグネットコア上 の圧縮力によって、引張強度の低いコアの材料には、回転子に加わる回転力の結 果としての亀裂、移動、歪み等が生じない。 この発明の別の態様に従って、拘束するスリーブによって囲まれた固体希土類 マグネットコアからなる回転子、および、予め決定された定格の電子インバータ を備えた制御回路を備えた、高速度、ブラシレスの直流モータが提供される。前 記制御回路は、基底速度から最大速度までのモータの速度範囲を通して実質的に 一定な出力を維持する手段を備えており、一方で、逆起電力に関して供給された 電機子電流の前進角を変化させることによって、力率を１近くに維持し、それに よって、一定速度範囲内を通じて磁束弱化を行う。この範囲の限界における電流 および力率は等しくなるように設計される。即ち、基底速度において電流が電圧の位相 を遅滞させ、最大速度において進める。 与えられた速度およびトルクにおける電流角の最適の前進は、関連するモータ の材質のコストおよびインバータのコスト（または与えられたインバータ率に対 する増加出力量）、ならびに、鉄損および銅損の相対的な熱的重要性によってき まる。基底速度における電流の前進が基底速度における力率角と等しく、または 、概ね等しく設定されると、最終力率（およびインバータ使用率）が 基底速度において磁束弱化が使用されない場合に達成される値を超える。 この発明の制御方法は、モータの設計をマグネット磁束の電機子磁束に対する 比率に関して最適化して、低コスト部品を使用することによって、電子制御回路 のコストを最小にする。このように、基底速度から最大速度における磁束弱化に 対してモータを設計することによって、銅損は増加するけれども、低いインバー タ率および鉄損が達成できる。 この発明のある一つの態様において、最大出力において、設計された基底速度 、即ち、約３２，０００ｒｐｍで電流の前進は約１５°〜２０°であり、設計さ れた最高速度、即ち、約４８，０００ｒｐｍで電流の前進は約５０°〜５５°で ある。ピーク出力で、電機子磁束のマグネット磁束に対する所定の比率を得るよ うにモータは設計され、そして、鉄を含有してない回転子を使用することによっ て、インダクタンスを小さくし、所要の磁束率に対してモータのサイズを小さく する。 この発明をより容易に理解するために、この発明の特定の態様について図面を 参照しながら説明する。図面の詳細な説明 図１は、この発明による、モータの概略部分断面図である。 図２は、基底速度および最大速度における各種磁束の状態図である。 図３は、モータ制御器を図示しているものである。発明の詳細な説明 図１に示すように、図示されているモータ１０は、冷媒用の（図示しない）遠 心圧縮機を駆動するために特別に設計された、高速度、ブラシレス、スロットの 直流モータである。モータ／コンプレッサを組み合わせた全体のサイズを可能な 限り少なくするためにできるだけコンパクトに設計される。しかしながら、使用 できる交流電源１１および制御回路１４における電子インバータ１２の定格に適 合した十分な出力を、モータがコンプレッサに供給することが必要である。図示 した態様においては、電子インバータ１２のコストを最小にするために、その定 格 を２００Ａピークに制限している。これは、３相電源の最小電圧４１５Ｖｒｍ ｓで、出力が７０から８５ｋＷになることを決定する。 回転子１６は、ネオジム−鉄−ボロン（ＮｄＦｅＢ）のマグネットコア１７か らなっており、ＮｄＦｅＢは高磁気エネルギー密度、低引張強度の燒結磁性材料 である。マグネットコア１７は、インコネル（ＩＮＣＯＮＥＬ）７１８によって 形成されたスリーブ１８に収容されており、ＩＮＣＯＮＥＬ７１８は非磁性、低 電気伝導性金属合金である。スリーブは、回転子の高速回転時に発生する力に対 抗して、マグネットコア１７を拘束する。この発明の好ましい態様において、ス リーブ１８は予め応力がかけられて、回転子が停止しているときに、マグネット コア上に圧縮圧力がかかった状態を維持する。このような予め応力をかけること は、マグネットコアの外径およびスリーブの内径が、相互に干渉してフィットす るように製造し、そして、その中にマグネットコアを挿入できるようにスリーブ を加熱して拡張することによって行われる。スリーブを冷却すると軸方向および 半径方向の両方向に縮み、マグネットコアを半径方向に圧縮し、そして、一部軸 方向にも圧縮する。理想的には、スリーブに次のように予め応力をかける。即ち 、回転子の高速回転時には、マグネットコア１７に張力が存在しない。現実には 、幾分張力が存在してもかまわない。軸方向の圧縮は、高速回転時におけるマグ ネットの張力を低下させる働きがある。 スリーブ１８は、マグネットコア１７を拘束する他に、軸方向に沿ってマグ ネットコアから両方向に延伸して、回転子１６のための中空シャフトとして機能 する。中空シャフトは、回転子を支持する磁気ベアリングの近くまで延伸し、回 転子に必要な曲げ硬さを提供して、モータ運転時に、空気間隙を維持する。 磁気スタッブシャフト２２および２３は、スリーブ１８の外端部２４および２ ６内に取り付けられる。スタッブシャフト２２および２３は、磁気ベアリング１ ９によって必要とされる無効シャフト部品を提供する。 最小電子インバータ定格を達成するモータの設計において、ピーク相電流にピ ークライン−ニュートラル間の電圧を乗じて得られる値を実現可能に小さくして 、与えられた速度範囲にわたって一定出力運転をすることが好ましい。このよう に、速度範囲にわたって力率をほぼ一定にするだけでなく、電流および電圧は可 能な限り変動しないことが必要である。永久磁石モータのもっとも一般的な制御 方法において、最小銅損のために、固定子電流からの磁束は、マグネットからの 磁束に対して９０°である。そして、一定出力範囲にわたって、 最大電流は最低（基底）速度で生じ、最大電圧は最高速度で生じる。その際、い かなる単一速度でのプロダクトよりも大きいプロダクトを伴う。これを更に向上 させるために、電圧限界に到達したとき、基底速度以下では、電流は通常マグネ ット逆起電力に同調させる（本発明においては等方性インダクタンス）。次いで 、最高速度までは磁束弱化を使用して一定出力を維持する。磁束弱化においては 、マグネット磁束は、他のノントルクの電流を生じる要素と共に固定子からの磁 束によって妨げられる。その結果、全電流ベルトルは最大トルクアラインメント の９０°の先に前進する。 この発明に従って、第１に、一定出力範囲の限界速度における電流および力率 を等しくなるように設計する。その際、基底速度において電流が電圧を遅滞させ 、最大速度において電流が電圧を進める。このことは図２に示されている。第２ に、基底速度を超える速度に対して、次第に磁束弱化を導入するだけでなく、基 底速度ではかなりの磁束弱化が使用される。使用される磁束弱化の量は柔軟で、 現実には、十分高い電流が使用可能であれば、力率１近辺が達成される。これに よって、モータの冷却の問題が生じるけれども、図２に示すように、基底速度に おける電流の前進が力率角と概ね等しくなることによって救済処置がとられる。 図２に示すように、基底速度／最大速度によって求められる比率をｓとすると 、一定出力に対して、ｓはマグネット磁束に直交する電機子磁束の部分の比率で もある。基底速度において電流の前進と力率角とが等しいためには、共に でなければならない。 図２において、 δ：負荷角 α１：基底速度における電流前進角 α２：最大速度における電流前進角 θ１：基底速度における力率 θ２：最大速度における力率 ラインｖ１：基底速度における全磁束（電圧に比例） ラインｖ２：最大速度における全磁束（電圧に比例） ラインｉ１：基底速度における電機子磁束（電流に比例） ラインｉ２：最大速度における電機子磁束（電流に比例） 図示した態様において、要求される一定出力範囲は、基底速度の約３２，００ ０ｒｐｍから約４８，０００ｒｐｍであり、１から１．５の範囲である。この速 度範囲では、電流前進角α１および力率角θ１は、１７°のとき(最も近い値)、 基底速度３２，０００で共に等しい。これは非常に優れた力率０．９６に対応す る。最大速度４８，０００における電流前進角α２は５０°である必要がある。 要求される負荷角δ、即ち、マグネット逆起電力に先行する電圧前進角は３４° であり、基底速度および最大速度において同一である。電流の前進は、基底速度 でトルクを提供する最小の範囲において、電流を４％増大する。その理由は、こ のモータは、基底速度で磁束弱化を生じないからである。大きな電流では、若干 高い力率（および出力）が達成される。しかし、その場合は、大きなモータが必 要であるか、または、モータが熱をもつ。 力率、電流および出力は、一定出力領域の限界では、等しいので、電圧ｖもま た等しくなければならない。しかしながら、中速度では、力率角がプラスからマ イナスに変わるので、力率は１を超えて増大する。一定出力に伴って一定電流が 維持されるとき、これら中速度で、電圧ｖは少し低下しなければならない。代わ りに、電圧ｖを一定にして、中速度で電流ｉを低下させる。または、ｖおよびｉ を一定にすることによって、少し高い出力が得られる。 モータ制御器を図３に模式的に示す。制御器はマイクロコントローラ３０、パ ワーステージ３２、モータ１０およびセンサ３３からなっている。センサ３３は 、回転子の周りに１２０°の角度で配置された３個のセンサからなっており、計 算機３４に信号を送る。計算機は、コンパレータ３６の指令速度ω’と比較して 、回転子の速度およびその位置を決定する。コンパレータ３６はスイッチを備え ており、コントローラ／インバータ３７に信号が送られ、その出力がパワーステ ージ３２によって使用されて、適切な位相角でモータに出力を与え、力率を等し く維持する。モータの速度をモニターし、増加か減少かに従って、電圧ベクトル を変化させて、実質的に一定の出力がモータ速度領域にわたって維持される。 この発明のモータは、特に、、冷媒Ｒ１３４Ａ等の最新の冷媒を念頭において 設計されているが、アンモニアを冷媒として用いるシステムにおけるコンプレ ッサを駆動するモータを製作することも可能である。この目的のために、モータ の巻き線およびそれにともなう他のいかなる巻き線も、銅を含有しない金属好ま しくは、銀またはアルミニウムによって形成される。回転子のマグネットコアは 密封され、アンモニア冷媒と接触しないようにする。 この発明のモータは、冷蔵システムにおいて使用されるとき、モータ内を循環 する冷媒によって冷却される。請求の範囲 １．対角に磁化された、固体希土類マグネットコアからなる回転子を備えた高速 度、ブラシレスの直流モータ、前記回転子は前記マグネットコアを囲み、高速回 転時にコアを半径方向に拘束するスリーブを備えており、前記スリーブは前記コ アから両方向に軸線に沿って延びて前記回転子のために中空のシャフトを形成し 、前記スリーブは、非磁性、低電気伝導率の材料から形成されている。 ２．前記コアがネオジム−鉄−ボロン（ＮｄＦｅＢ）から形成されている、請求 項１に記載のモータ。 ３．前記コアがスリーブ内に圧縮状態で保持されている、請求項１または２に記 載のモータ。 ４．前記回転子の共振曲げ周波数が最大回転数を超える、請求項１、２または３ に記載のモータ。 ５．前記回転子は能動磁気ベアリング上に支持されており、前記ベアリングが回 転子を軸方向および半径方向に位置決めする、請求項１に記載のモータ。 ６．回転子スリーブがインコネル（ＩＮＣＯＮＥＬ）から形成されている、請求 項１に記載のモータ。 ７．前記コアは、予めスリーブに応力をかけることによって、（静止時に）圧縮 負荷がかかった状態に維持されている、請求項３に記載のモータ。 ８．前記予めスリーブに応力をかけることは、前記コアと前記スリーブを実質的 に熱偏差が生じるように組み立てることによって行い、そして、前記スリーブを 前記コア上に縮める、請求項７に記載のモータ。 ９．拘束するスリーブによって囲まれた固体希土類マグネットコアからなる回転 子、および、予め決定された定格の電子インバータを備えた制御回路を有する、 高速度、ブラシレスの直流モータ、前記制御回路は、基底速度から最大速度まで のモータの速度範囲を通して実質的に一定な出力を維持する手段を備えており、 一方で、逆起電力に関して供給された電機子電流の前進角を変化させることによ って、力率を１近くに維持し、それによって、一定速度範囲内を通じて磁束弱化 を行う。 １０．速度範囲の限界における電流および力率が等しくなるように設計され、基 底速度において電流が電圧を遅滞させ、最大速度において進める、請求項９ に記載のモータ。 １１．設計された基底速度が約３２，０００ｒｐｍであり、設計された最高速度 が約４８，０００ｒｐｍであり、最大出力での電流の前進は約１５°〜２０°で ある、請求項９または１０項に記載のモータ。 １２．基底速度において電流が電圧を遅滞させ、最大速度において電流が電圧を 進める、請求項９、１０、または１１に記載のモータ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０２Ｐ 6/06 Ｈ０２Ｐ 6/02 ３２１Ｚ (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，ＬＳ，Ｍ Ｗ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ， ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，Ｅ Ｓ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＧＷ，ＨＵ，ＩＤ ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ， ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，Ｍ Ｇ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ， ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，Ｖ Ｎ，ＹＵ，ＺＷ (72)発明者 ハワード シー ロバット オーストラリア連邦 ニューサウスウェー ルズ州 2041 バルメイン ジョンストン ストリート 15 ユニット ７ (72)発明者 ピーター アンドリュー ウォッターソン オーストラリア連邦 ニューサウスウェー ルズ州 2114 デニストーン ドライバー ストリート 13

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．正反対に磁化された、固体希土類マグネットコアからなる回転子を備えた高 速度、ブラシレスの直流モータ、前記回転子は前記マグネットコアを囲み、高速 回転時にコアを半径方向に拘束するスリーブを備えており、前記スリーブは前記 コアから両方向に軸線に沿って延びて前記回転子のために中空のシャフトを形成 し、前記スリーブは、非磁性、低電気伝導率の材料から形成されている。 ２．前記コアがネオジム−鉄−ボロン（ＮｄＦｅＢ）から形成されている、請求 項１に記載のモータ。 ３．前記コアがスリーブ内に圧縮状態で保持されている、請求項１または２に記 載のモータ。 ４．前記回転子の共振曲げ周波数が最大回転数を超える、請求項１、２または３ に記載のモータ。 ５．前記回転子は能動磁気ベアリング上に支持されており、前記ベアリングが回 転子を軸方向および半径方向に位置決めする、請求項１に記載のモータ。 ６．回転子スリーブがインコネル（ＩＮＣＯＮＥＬ）から形成されている、請求 項１に記載のモータ。 ７．前記コアは、予めスリーブに応力をかけることによって、（静止時に）圧縮 負荷がかかった状態に維持されている、請求項３に記載のモータ。 ８．前記予めスリーブに応力をかけることは、前記コアと前記スリーブを実質的 に熱偏差が生じるように組み立てることによって行い、そして、前記スリーブを 前記コア上に縮める、請求項７に記載のモータ。 ９．拘束するスリーブによって囲まれた固体希土類マグネットコアからなる回転 子、および、予め決定された比率の電子インバータを備えた制御回路を有する、 高速度、ブラシレスの直流モータ、前記制御回路は、基底速度から最大速度まで のモータの速度範囲を通して実質的に一定な出力を維持する手段を備えており、 一方で、逆起電力に関して供給された電機子電流の前進角を変化させることによ って、力率を１近くに維持し、それによって、一定速度範囲内を通じて磁束弱化 を行う。 １０．速度範囲の限界における電流および力率が等しくなるように設計され、基 底速度において電流が電圧を遅滞させ、最大速度において進める、請求項９ に記載のモータ。 １１．設計された基底速度が約３２，０００ｒｐｍであり、設計された最高速度 が約４８，０００ｒｐｍであり、最大出力での電流の前進は約１５°〜２０°で ある、請求項９または１０項に記載のモータ。 １２．基底速度において電流が電圧を遅滞させ、最大速度において電流が電圧を 進める、請求項９、１０、または１１に記載のモータ。