JP2003116236A - 永久磁石式回転電機 - Google Patents
永久磁石式回転電機Info
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Abstract
音問題を解決できる永久磁石式回転電機を提供すること
である。 【解決手段】本発明の永久磁石式回転電機は、固定子鉄
心に形成された複数のスロット内に電機子巻線が施され
た固定子と、回転子鉄心に形成された複数の永久磁石挿
入孔中に永久磁石が納められた回転子とを有する永久磁
石式回転電機において、回転子の磁極方向に延びる軸を
d軸、磁極中心方向と電気角で90度ずれている磁極間
方向に延びる軸をq軸としたとき、回転子鉄心の中心か
ら回転子外周までの径方向距離がd軸からq軸に近づく
に従い漸次短くなるように、回転子鉄心の外周面を各磁
極毎に回転子鉄心の中心と異なる2点を中心とした円弧
を組合わせた形状とする。よって、トルク脈動が低減し
て、振動および騒音を小さくできる。
Description
を回転子に備えている永久磁石式回転電機に関し、特
に、空気調和機や冷蔵庫および冷凍庫の圧縮機などに搭
載されるのに好適な永久磁石式回転電機に関する。
いては、騒音・振動の低減、すなわち、トルク脈動を低
減するために、様々な方策が取られている。例えば、実
開平3−106869号公報に記載されているように、
固定子ティース先端部の中央は回転子鉄心と同心円と
し、ティース先端部の両端を直線状、すなわち回転子か
ら遠ざけることでトルク脈動を低減させている。
電機子巻線に高調波電流が流れると、高調波磁束が発生
し、トルク脈動が増大することから、騒音・振動低減の
ためには高調波電流を小さくすることが重要となる。こ
の電機子電流に流れる電流波形は、電機子巻線に印加す
る電圧波形と逆起電力(誘導起電力)波形によって決ま
るため、誘導起電力波形を正弦波に近づければよい。
を回転子から遠ざけることで、機内の磁束分布を滑らか
にして(誘導起電力波形を正弦波に近づけ)トルク脈動
を低減させているが、ティース先端部の両端を回転子か
ら遠ざけるほどスロット断面積が減少し、電機子巻線を
挿入できなくなるため、ティース先端形状でトルク脈動
を低減するには限界があった。
して、振動・騒音の小さい永久磁石式回転電機を提供す
ることである。
成するために、固定子鉄心に形成された複数のスロット
内に電機子巻線が施された固定子と、回転子鉄心に形成
された複数の永久磁石挿入孔中に永久磁石が納められた
回転子とを有する永久磁石式回転電機において、回転子
の磁極方向に延びる軸をd軸、磁極中心方向と電気角で
90度ずれている磁極間方向に延びる軸をq軸としたと
き、回転子鉄心の中心から回転子外周までの径方向距離
がd軸からq軸に近づくに従い短くなるように、回転子
鉄心の外周面を構成した永久磁石式回転電機を提案す
る。
た複数のスロット内にティースを取り囲むように集中巻
の電機子巻線が施された固定子と、回転子鉄心に形成さ
れた複数の永久磁石挿入孔中に永久磁石が納められた回
転子とを有する永久磁石式回転電機において、回転子の
磁極方向に延びる軸をd軸、磁極中心方向と電気角で9
0度ずれている磁極間方向に延びる軸をq軸としたと
き、回転子鉄心の中心から回転子外周までの径方向距離
がd軸からq軸に近づくに従い短くなるように、回転子
鉄心の外周面を構成した永久磁石式回転電機を提案す
る。
・騒音を低減するためには、電機子電流の高調波成分に
よって発生する高調波磁束を抑えて、トルク脈動を小さ
くする必要がある。この電機子電流の高調波成分は、永
久磁石式回転電機の端子に供給する電圧波形と誘導起電
力波形によって決まるため、誘導起電力波形の正弦波化
が重要となる。
磁石式回転電機の誘導起電力波形が正弦波に近づくよう
にしたものである。よって、電機子電流の高調波成分が
小さくなって、トルク脈動を著しく低減できるため、振
動・騒音の小さな永久磁石式回転電機を提供できる。
用いて詳細に説明する。
石式回転電機の実施形態1の径方向断面形状、図2に本
発明による実施形態1の回転子の径方向断面形状、図3
に本発明による実施形態1の回転子外周形状を示す断面
図、図4に本発明での永久磁石式回転電機の誘導起電力
波形、図10に永久磁石式回転電機の比較例構造を示す
断面図を示す。
3から構成される。固定子2はティース4とコアバック
5からなる固定子鉄心6と、ティース4間のスロット7
内にティース4を取り囲むように巻装された集中巻の電
機子巻線8(三相巻線のU相巻線8A,V相巻線8B,
W相巻線8Cからなる)で構成される。一方、回転子3
は回転子鉄心12に形成した永久磁石挿入孔13中に永
久磁石14(ここでは4極で示した)が納められ、シャ
フト(図示せず)と結合するためのシャフト孔15から
なる。
永久磁石式回転電機1では、振動・騒音がしばしば問題
になる。特に、集中巻の電機子巻線8は120度巻線で
あるため(従来の分布巻の電機子巻線は180度巻線で
あるため、高調波磁束が小さい)、高調波磁束が大き
く、振動・騒音の原因となるトルク脈動も大きくなる。
は、固定子ティース先端部25の中央は回転子鉄心12
と同心円とし、ティース先端部25の両端を直線状、す
なわち回転子3から遠ざけるようにしている。このよう
な構造にすると、誘導起電力の高調波成分が低減され、
高調波電流が小さくなって、高調波磁束も小さくなり、
トルク脈動が低減する。しかし、ティース先端部25の
両端を回転子3から遠ざけるほど、スロット7の断面積
が小さくなるため、電機子巻線8の素線の径を小さくす
るか、電機子巻線8のターン数を減らさなければならな
い等の問題が生じる。したがって、振動・騒音が十分に
低減するまで、ティース先端部25の両端を回転子3か
ら遠ざけることができない。
に、回転子鉄心12の外周形状が、回転子鉄心12の中
心O1と異なる点O2,O3を中心とする円弧を組合わ
せた形状としている。すなわち、回転子3の磁極中心方
向に延びる軸をd軸、磁極中心方向と電気角で90度ず
れている磁極間方向に延びる軸をq軸、回転子鉄心12
の中心O1からd軸方向の回転子鉄心外周までの距離を
r1,O1と異なる2つの点をO2,O3として、回転
子鉄心12の外周形状はO2,O3を中心とする円弧を
組合わせた形状となる。また、O2とO3はd軸を中心
として対称となっており、それぞれO2とO3から回転
子外周までの距離r2,r3と、O2,O3を中心点と
する円弧の円周角α2,α3をほぼ等しくしている。よ
って、d軸からq軸に近づくに従いO1から回転子外周
までの径方向距離が漸次短くなるようにしている。
きの誘導起電力波形であり、回転子鉄心12の外周形状
がO1を中心とする円(同心円)の場合の結果と比較し
て示した。回転子鉄心12の外周形状がO1を中心とす
る同心円の場合、誘導起電力波形はかなり歪んでおり、
波形ひずみ率は約19.3% である。一方、本発明で
は、誘導起電力波形のひずみ率が約2.7% で、かなり
正弦波に近くなっていることがわかる。
波形が正弦波に近づき、電機子巻線8に流れる高調波電
流が小さくなって、高調波磁束も小さくなるため、トル
ク脈動が低減されて、振動および騒音を小さくできる。
転子の外周に対して凸状としたが、回転子鉄心12の外
周形状が回転子鉄心12の中心と異なる2点を中心とし
た円弧を組合わせた形状であって、回転子鉄心12の中
心から回転子鉄心12の外周までの径方向距離がd軸か
らq軸に近づくに従い漸次短くなるようにしていれば、
永久磁石14の形状が回転子の外周に対して凸状でなく
ても構わない。
磁石式回転電機の実施形態2の回転子外周形状を示す断
面図である。
には同一符号を付したので説明を省略する。図5におい
て、図3と異なるのは、回転子鉄心12の外周形状を、
回転子3の中心O1と同心の円弧と、非同心の円弧を組
合わせた形状としたことである。すなわち、回転子形状
を、O1と異なる点O2およびO3を中心とする円弧
と、O1を中心とする円弧を組合わせた形状としてい
る。ここで、各磁極毎の回転子の外周形状がd軸に対し
て対称になるように、点O2を中心とする円弧の半径r
2と点O3を中心とする円弧の半径r3,点O2を中心
とする円弧の円周角α2と点O3を中心とする円弧の円
周角α3を等しくしている。
形状にO1を中心とする円弧を含むため、固定子2と回
転子3の間に円筒状のものを挿入することで、固定子2
と回転子3の中心を容易に一致させることができる(固
定子2と回転子3間のエアギャップを均一にすることが
できる)。
α1を大きくしなければ、図3に示した実施形態と同様
の効果が得られるのは言うまでもない。
磁石式回転電機の実施形態3の回転子外周形状を示す断
面図である。
には同一符号を付したので説明を省略する。図6におい
て、図3と異なるのは、回転子鉄心12の外周形状が、
d軸で長軸となる楕円の円弧を組合わせたことである。
このような構造にしても、回転子3の中心から回転子3
の外周までの径方向距離がd軸からq軸に近づくに従い
漸次短くなることには変わりがないので、図3に示した
実施形態と同様の効果が得られる。
磁石式回転電機の実施形態4の回転子外周形状を示す断
面図である。
物には同一符号を付したので説明を省略する。
鉄心12中にV字状となるように永久磁石14を配置
し、かつ回転子鉄心12の外周のq軸近傍において回転
子鉄心を除去したことである。
をV字状に配置した場合、回転子鉄心を除去しないと永
久磁石14の磁束がq軸近傍外周部の回転子鉄心12を
通って回り込み易くなり、電機子巻線8に鎖交する磁束
が減少する。よって、回転子鉄心12の外周q軸近傍に
おいて鉄心を除去(回転子が外周に対して凹部状に)し
て、永久磁石14の磁束が短絡するのを防止する。
2の外周形状が、O1と異なる点O2およびO3を中心
とする円弧を組合わせた形状であって、O1と回転子鉄
心12の外周との径方向距離がd軸からq軸に近づくに
従い漸次短くなるように構成すれば、実施形態1と同様
の効果が得られる。
磁石式回転電機の実施形態5の断面図である。
で示した同一物には同一符号を付したので説明を省略す
る。
じであるが、固定子2の構造が異なっている。すなわ
ち、図1と異なるのは、固定子ティース先端部25の中
央は回転子鉄心12と同心円とし、ティース先端部25
の両端を直線状、すなわち回転子3から遠ざける構造と
したことである。
起電力波形を正弦波に近づける形状となるため、図1の
場合より誘導起電力波形が更に正弦波に近づき、電機子
電流の高調波成分が小さくなって高調波磁束が減少す
る。よって、トルク脈動も小さくなるため、著しく騒音
および振動を低減できる。
機の断面構造である。
61に直立する渦巻状ラップ62と、旋回スクロール部
材63の端板64に直立する渦巻状ラップ65とを噛み
合わせて形成し、旋回スクロール部材63をクランクシ
ャフト72によって旋回運動させることで圧縮動作を行
う。固定スクロール部材60及び旋回スクロール部材6
3によって形成される圧縮室66(66a,66b,
…)のうち、最も外径側に位置している圧縮室は、旋回
運動に伴って両スクロール部材60,63の中心に向か
って移動し、容積が次第に縮小する。圧縮室66a,6
6bが両スクロール部材60,63の中心近傍に達する
と、両圧縮室66内の圧縮ガスは圧縮室66と連通した
吐出口67から吐出される。吐出された圧縮ガスは、固
定スクロール部材60及びフレーム68に設けられたガ
ス通路(図示せず)を通ってフレーム68下部の圧縮容
器69内に至り、圧縮容器69の側壁に設けられた吐出
パイプ70から圧縮機外に排出される。また、本圧縮機
では、圧力容器69内に、駆動用電動機71が内封され
ており、別置のインバータ(図示せず)によって制御さ
れた回転速度で回転し、圧縮動作を行う。ここで、駆動
用電動機71は、固定子2と回転子3とで構成される永
久磁石式回転電機である。
縮機等の駆動用電動機として用いる場合、制御装置(イ
ンバータ)によって運転制御される。前述のように、電
機子電流の波形は、永久磁石式回転電機1の端子電圧
(制御装置から供給される電圧)波形と、永久磁石式回転
電機1の誘導起電力波形によって決まるため、誘導起電
力波形を正弦波に近づけることで電機子電流の高調波成
分が小さくなるが、出力電圧の波形が正弦波となる制御
装置で永久磁石式回転電機1を運転すれば、更に電機子
電流の高調波成分を小さくできる。よって、本発明で示
した永久磁石式回転電機と出力電圧の波形が正弦波とな
る制御装置を組合わせれば、著しく振動および騒音を低
減できる。
いは冷凍庫等の駆動源として用いられているが、一年中
稼動しているため、地球温暖化問題から省エネルギー化
を図る最重要製品である。この駆動源に永久磁石式回転
電機を使用すると回転電機の高効率化によって省エネル
ギー化を図れるが、騒音を小さくしなければ採用できな
い。しかし、本発明の永久磁石式回転電機を駆動源とし
た場合、騒音が小さく、環境問題を解消できるので、高
効率化で省エネルギー化が図れる圧縮機を提供できる。
た圧縮機を空気調和機に採用すれば、トップランナー規
制をクリアした空気調和機を提供できる。
た圧縮機を冷蔵庫に採用すれば、トップランナー規制を
クリアした電気冷蔵庫を提供できる。
た圧縮機を冷凍庫に採用すれば、省エネルギー化を図っ
た冷凍庫を提供できる。
な永久磁石式回転電機が得られる。
の断面図を示す図である。
る。
力波形を示す図である。
の回転子鉄心外周形状を示す断面図である。
の回転子鉄心外周形状を示す断面図である。
の回転子鉄心外周形状を示す断面図である。
の断面図を示す図である。
る。
を示す図である。
…ティース、5…コアバック、6…固定子鉄心、7…ス
ロット、8…電機子巻線、12…回転子鉄心、13…永
久磁石挿入孔、14…永久磁石、15…シャフト孔、2
5…ティース先端部、60…固定スクロール部材、6
1,64…端板、62,65…ラップ、63…旋回スク
ロール部材、66…圧縮室、67…吐出口、68…フレ
ーム、69…圧縮容器、70…吐出パイプ、71…駆動
用電動機、72…シャフト、73…油溜め部、74…油
孔、75…滑り軸受け。
Claims (12)
- 【請求項1】固定子鉄心に形成された複数のスロット内
に電機子巻線が施された固定子と、回転子鉄心に形成さ
れた複数の永久磁石挿入孔中に永久磁石が納められた回
転子とを有する永久磁石式回転電機において、前記回転
子の磁極方向に延びる軸をd軸、前記磁極中心方向と電
気角で90度ずれている磁極間方向に延びる軸をq軸と
したとき、該回転子鉄心の中心から該回転子外周までの
径方向距離がd軸からq軸に近づくに従い短くなるよう
に、該回転子鉄心の外周面を構成したことを特徴とする
永久磁石式回転電機。 - 【請求項2】固定子鉄心に形成された複数のスロット内
にティースを取り囲むように集中巻の電機子巻線が施さ
れた固定子と、回転子鉄心に形成された複数の永久磁石
挿入孔中に永久磁石が納められた回転子とを有する永久
磁石式回転電機において、前記回転子の磁極方向に延び
る軸をd軸、前記磁極中心方向と電気角で90度ずれて
いる磁極間方向に延びる軸をq軸としたとき、該回転子
鉄心の中心から該回転子外周までの径方向距離がd軸か
らq軸に近づくに従い短くなるように、該回転子鉄心の
外周面を構成したことを特徴とする永久磁石式回転電
機。 - 【請求項3】請求項1または請求項2において、前記回
転子鉄心の各磁極毎の外周形状が、少なくとも2つ以上
の円弧状部で構成されたことを特徴とする永久磁石式回
転電機。 - 【請求項4】請求項1または請求項2において、前記回
転子鉄心の外周形状が、該回転子鉄心の中心と同心であ
る円弧状部分と、該回転子鉄心の中心と非同心である円
弧状部分とを組合わせた形状であり、d軸近傍を該同心
円弧状部分で構成したことを特徴とする永久磁石式回転
電機。 - 【請求項5】請求項1または請求項2において、前記回
転子鉄心の外周形状を各磁極毎に楕円の円弧部で構成し
たことを特徴とする永久磁石式回転電機。 - 【請求項6】請求項1ないし請求項5のいずれかにおい
て、前記回転子の外周形状をq軸近傍で該回転子鉄心の
外周方向に対して凹状としたことを特徴とする永久磁石
式回転電機。 - 【請求項7】請求項1ないし請求項6のいずれかにおい
て、前記固定子鉄心のティース内周面にギャップ長の異
なる2種類以上のギャップ面を形成し、該ティース先端
の中央部より端部のギャップ長が大きくなるようにした
ことを特徴とする永久磁石式回転電機。 - 【請求項8】請求項1ないし請求項7のいずれかにおい
て、前記永久磁石式回転電機が、出力電圧が正弦波状で
あるモータの制御装置によって運転制御されることを特
徴とする永久磁石式回転電機。 - 【請求項9】請求項1ないし請求項8のいずれかにおい
て、前記永久磁石式回転電機を駆動源とした圧縮機。 - 【請求項10】請求項9において、前記圧縮機を用いた
空気調和機。 - 【請求項11】請求項9において、前記圧縮機を用いた
冷蔵庫。 - 【請求項12】請求項9において、前記圧縮機を用いた
冷凍庫。
Priority Applications (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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