JP2005051841A

JP2005051841A - 電動機，圧縮機及び空気調和機

Info

Publication number: JP2005051841A
Application number: JP2003203449A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Kikuchi; 聡菊地; Haruo Oharagi; 春雄小原木; 富夫 ▲吉▼川; Tomio Yoshikawa; Susumu Nakayama; 進中山; Kazumasa Ide; 一正井出
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2003-07-30
Filing date: 2003-07-30
Publication date: 2005-02-24

Abstract

【課題】本発明の目的は、小形で高効率な圧縮機駆動用電動機及びこれを用いた圧縮機を提供することにある。
【解決手段】固定子鉄心２に形成された複数のスロット３内にティース４を取り囲むように巻き回された集中巻の電機子巻線５を施した固定子１を有し、回転子鉄心２と始動用のかご型導体７、及び永久磁石８とを有する回転子１０が、固定子１の内周側にギャップを介して回転自在に支持された自己始動式永久磁石界磁同期電動機において、固定子１のティース４端部に位置しティース４の周方向両側に伸びる歯端片４Ａ，４Ｂ，４Ｃの一方にギャップ部を設け、ギャップ部を軸方向に対し段階的にずらすように配置した。
【選択図】図５

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電動機，圧縮機及び空気調和機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
自己始動式永久磁石界磁同期電動機の長所は、商用電源による直入れ始動が可能なため、速度制御を必要としない一定速駆動の圧縮機の高効率化に大きく寄与できる点にある。
【０００３】
自己始動式永久磁石界磁同期電動機の課題としては、始動時は誘導電動機として駆動されるため、固定子構造は集中巻構造を避け、分布巻構造を採用することがほぼ常識となっており、その結果、低コスト化の妨げとなっている。つまり集中巻構造は、低コストに構成できるものの、２次，４次、及び５次，７次を始め、６ｍ±１（ｍ＝１，２，３，…）次を主成分とする空間高調波磁束が大きいため、これによるトルク特性の劣化が懸念されるものである。
【０００４】
固定子構造を集中巻とした自己始動式永久磁石界磁同期電動機の従来技術には、特開２００１−１５７４２７号公報（以下、特許文献１という）がある。本技術では、４極集中巻巻線を採用しているが、起動時の異常トルクを緩和させるため、回転子にスキューを施すとともに、起動・加速のための巻線として２極の分布巻巻線を別途設けている。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−１５７４２７号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術では、回転子の二次導体が円筒状のものを採用しており、スキューも比較的簡便に構成できるが、磁気ギャップが広くなり、定格時の特性が劣化してしまうこと、十分に小さい導体抵抗とするのが困難となるため、同期引込みトルクは、別設の分布巻巻線の作用に頼る必要があるなどの課題がある。
【０００７】
本発明の目的は、定格時の特性を損なうこと無く、起動時の異常トルクを軽減できる集中巻固定子の自己始動式永久磁石界磁同期電動機とこれを用いた圧縮機を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の一つの特徴は、電動機の固定子を第一の固定子部と第二の固定子部を有するものとし、第一の固定子部のティース端部の形状と第二の固定子部のティース端部の形状が異なるものとする点にある。
【０００９】
また、本発明の他の特徴は、電動機の固定子のティース端部の形状を軸方向の位置で異なるものとすることにある。
【００１０】
さらに、本発明の他の特徴は、電動機の固定子のティース端部に位置しティースの周方向両側に伸びる歯端片の幅開度中心軸と、回転子に埋設した永久磁石の磁束中心軸とをほぼ同一軸上に配置すると共に、幅開度中心軸と磁束中心軸を軸方向に対し段階的に配置した点にある。
【００１１】
これらの特徴により、定格時の特性を損なうこと無く、起動時の異常トルクを軽減できる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施例を図１から図４を用いて説明する。図１に本発明の一実施例に係る自己始動式永久磁石界磁同期電動機の略斜視図を、図２に本発明の一実施例に係る自己始動式永久磁石界磁同期電動機の径方向断面図をそれぞれ示し、図３には本発明の一実施例に係る固定子鉄心のティース形状をそれぞれ示す。また、図４には本発明を適用した場合のトルク特性比較を示した。
【００１３】
図１，図２において、本発明の対象とする自己始動式永久磁石界磁同期電動機は、固定子１と回転子１０とを備えている。
【００１４】
固定子１は固定子鉄心２とそれに施された３個のスロット３と、これらのスロット３で３個に分割されたティース４を備えている。
【００１５】
電機子巻線５（Ｕ相巻線５Ａ，Ｖ相巻線５Ｂ，Ｗ相巻線５Ｃからなる。図１では省略）は、ティース４を取り囲むように集中巻で巻装され、誘導電動機としての起動・加速から同期電動機としての定速運転まで、一定周波数の交流電源から給電される。
【００１６】
回転子１０は、クランクシャフト９上に、複数の始動用かご型導体７（バー７Ａ，エンドリング７Ｂとで構成される）と、磁極数が２極となるように構成した永久磁石８とを有する回転子鉄心６から構成されている。
【００１７】
図１から図４において、固定子鉄心２は、ティース４に設けられた歯端片４Ａ，４Ｂの長さが異なる第一の固定子部２Ａと、この第一の固定子部２Ａと左右対象形となるように形成した第二の固定子部２Ｂとを軸方向に組合わせて構成している。
【００１８】
図３において、第一の固定子部２Ａ，第二の固定子部２Ｂの歯端片４Ａ，４Ｂは、ティース４の中心軸ｏ−Ｔに対し、それぞれθ１，θ２の角度となるように形成している。このため、歯端片４Ａと４Ｂとがなす幅開度θの中心軸ｏ−Ｓ（第一の固定子部２Ａはｏ−Ｓ１、第二の固定子部２Ｂはｏ−Ｓ２）は、ティース４の中心軸ｏ−Ｔに対し、歯端片４Ａ側にθ′だけずれる。
【００１９】
また、第二の固定子部２Ｂは、第一の固定子部２Ａとほぼ左右対象に構成していることから、第二の固定子部２Ｂにおける幅開度θの中心軸ｏ−Ｓ２とティース４の中心軸ｏ−Ｔとのずれ角θ′は、第一の固定子部２Ａの左右対象となる部位に位置する。
【００２０】
この場合、電機子巻線５によって生じる磁束（図示せず）は、ティース４の中心軸ｏ−Ｔに対し、ｏ−Ｓ１，ｏ−Ｓ２近傍にそれぞれ分布するため、軸方向に対し段階的にスキューを施した磁気回路と等価になり、空間高調波磁束を低減でき、起動・加速時の異常トルクの発生を抑止することができる。
【００２１】
また、本実施例によれば、第一の固定子部２Ａと第二の固定子部２Ｂが左右対象であるため、第一の固定子部２Ａと第二の固定子部２Ｂに同じ種類の部材を用いることができる。そのため、起動時の異常トルクの少ない電動機を安価に製造することができる。
【００２２】
ここで、図１から図３において、歯端片４Ａ，４Ｂの幅開度θは、スロットピッチθｐよりも小さく構成しているので、スロット開口部３Ａを軸方向同一軸上に設けることができるため、電機子巻線５をティース４へ簡便に巻装できる。
【００２３】
図４は、本発明の対象とする自己始動式永久磁石界磁同期電動機のトルク特性を示したものであり、縦軸は停動トルクを１００％として基準化したトルクを、横軸は同期速度に対する滑りをそれぞれ示している。
【００２４】
同図（ａ）より、スキュー効果を使わなかった場合のトルク特性は、起動から加速に至る途中（Ｄ部に示す）で負の方向に働く高調波トルクが大きく発生していることが分かる。これにより、電動機はかろうじて起動するも、起動時間が長くなるため、巻線に流れる大きな始動電流も長時間通電されることになり、固定子の温度上昇が過大となった。
【００２５】
これに対し、同図（ｂ）に示すように本発明を適用した場合、問題となる高調波トルクを大きく改善できることが分かる。この結果、起動時間を約１／５に短縮でき、温度上昇による弊害も改善された。
【００２６】
また、高調波磁束の低減により、定格運転時にかご型導体７に生ずる高調波二次銅損も低減できる効果があり、効率の向上に寄与できる。
【００２７】
図５に、本発明の他の実施例に係る自己始動式永久磁石界磁同期電動機の径方向断面形状を示し、図１から図３と同一物には同一符号を付してある。
【００２８】
図５において、図１から図３と構成の異なる部分は、歯端片４Ｂの内径側にギャップ部２７を設けている点にある。
【００２９】
このように構成した場合、図１と同様の効果を得ることができる上、図１の場合よりも等価ギャップ長を小さくできることから、永久磁石８の磁束をより有効に利用できる。また、電機子巻線５のギャップへの脱落防止にも役立つ。
【００３０】
図６に、本発明の他の実施例に係る自己始動式永久磁石界磁同期電動機の径方向断面形状を示し、図５と同一物には同一符号を付してある。
【００３１】
図６において、図５と構成の異なる部分は、歯端片４Ｂの内径側に複数のスリット１１を設けている点にある。
【００３２】
このように構成しても、図５と同様の効果を得ることができる。
【００３３】
図７に、本発明の他の実施例に係る自己始動式永久磁石界磁同期電動機の径方向断面形状を示し、図５，図６と同一物には同一符号を付してある。
【００３４】
図７において、図５と構成の異なる部分は、歯端片４Ｂの内周を外径側に広げ、固定子１の内径と回転子１０の外径とのギャップ長が、歯端片４Ｂ部分で大、歯端片４Ａ部分で小となるように形成している点にある。
【００３５】
このように構成することで、図５と同様の効果が得られる上、図５の場合よりも磁束の軸方向分布を滑らかにすることができる。
【００３６】
図８に、本発明の他の実施例に係る自己始動式永久磁石界磁同期電動機の略斜視図を示し、図１と同一物には同一符号を付してある。
【００３７】
図８において、図１と構成の異なる部分は、第二の固定子部２Ｂを第一の固定子部２Ａで挟み込むように積層して固定子１を構成している点にある。
【００３８】
このように構成することで、図１と同様の効果が得られる上、軸方向に働くスラスト力を軽減できる。
【００３９】
図９に、本発明の他の実施例に係る自己始動式永久磁石界磁同期電動機の径方向断面形状を示し、図１から図３と同一物には同一符号を付してある。
【００４０】
図９において、図１から図３と構成の異なる部分は、回転子鉄心６を、磁極中心軸φが歯端片４の幅開度中心軸ｏ−Ｓ１にほぼ一致するように形成した回転子鉄心Ｉ６Ａと、同じくｏ−Ｓ２に一致するように形成した回転子鉄心ＩＩ６Ｂとを組合わせた構成としている点にある。
【００４１】
このように構成することで、図１から図３と同様の効果が得られる上、図１から図３の場合よりも永久磁石８から生じる磁束を有効に利用でき、同期運転時の特性を確保することができる。
【００４２】
図１０には本発明の対象とする圧縮機の断面構造を示した。図１０において、圧縮機構部は、固定スクロール部材１２の端板１３に直立する渦巻状ラップ１４と、旋回スクロール部材１５の端板１６に直立する渦巻状ラップ１７とを噛み合わせて形成し、旋回スクロール部材１５をクランクシャフト９によって旋回運動させることで圧縮動作を行う。
【００４３】
固定スクロール部材１２及び旋回スクロール部材１５によって形成される圧縮室１８（１８ａ，１８ｂ，……）のうち、最も外径側に位置している圧縮室１８は、旋回運動に伴って両スクロール部材１２，１５の中心に向かって移動し、容積が次第に縮小する。
【００４４】
両圧縮室１８ａ，１８ｂが両スクロール部材１２，１５の中心近傍に達すると、両圧縮室１８内の圧縮ガスは圧縮室１８と連通した吐出口１９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１２及びフレーム２０に設けられたガス通路（図示せず）を通ってフレーム２０下部の圧力容器２１内に至り、圧力容器２１の側壁に設けられた吐出パイプ２２から圧縮機外に排出される。
【００４５】
また、本圧縮機では、圧力容器２１内に、駆動用電動機２３が内封されており、一定速度で回転し、圧縮動作を行う。
【００４６】
駆動用電動機２３の下部には、油溜部２４が設けられている。油溜部２４内の油は回転運動により生ずる圧力差によって、クランクシャフト９内に設けられた油孔２５を通って、旋回スクロール部材１５とクランクシャフト９との摺動部、滑り軸受け２６等の潤滑に供される。
【００４７】
駆動用電動機２３は、これまで図１から図９にて説明したように、固定子１と回転子１０とで構成される自己始動式永久磁石界磁同期電動機である。
【００４８】
上述の圧縮機の駆動用電動機として上記本発明の実施例に記載の自己始動式永久磁石界磁同期電動機を適用すれば、一定速圧縮機の高効率化を安価に達成できる。
【００４９】
また、空気調和機においては、使用者の睡眠時に使用されることがあるため高い静粛性が要求される。空気調和機に上記本発明の実施例に記載の圧縮機を用いれば、起動時の圧縮部における異常トルクが低減されるため、静粛性の高い空気調和機を提供することができる。
【００５０】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、高効率でかつ始動時の異常トルクを簡便に緩和できる自己始動式永久磁石界磁同期電動機，圧縮機を提供できる。
【００５１】
また、静粛性の高い空気調和機を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係る自己始動式永久磁石界磁同期電動機の略斜視図。
【図２】本発明の一実施例に係る自己始動式永久磁石界磁同期電動機の径方向断面形状を示す図。
【図３】本発明の他の一実施例に係る自己始動式永久磁石界磁同期電動機のティース形状を示す図。
【図４】本発明の対象とする自己始動式永久磁石界磁同期電動機のトルク特性を示す図。
【図５】本発明の他の実施例に係る自己始動式永久磁石界磁同期電動機の径方向断面形状を示す図。
【図６】本発明の他の実施例に係る自己始動式永久磁石界磁同期電動機の径方向断面形状を示す図。
【図７】本発明の他の実施例に係る自己始動式永久磁石界磁同期電動機の径方向断面形状を示す図。
【図８】本発明の他の実施例に係る自己始動式永久磁石界磁同期電動機の略斜視図。
【図９】本発明の他の実施例に係る自己始動式永久磁石界磁同期電動機の径方向断面形状を示す図。
【図１０】本発明の対象とする圧縮機の断面構造を示す図。
【符号の説明】
１…固定子、２…固定子鉄心、３…スロット、４…ティース、５…電機子巻線、６…回転子鉄心、７…かご型導体、８…永久磁石、９…クランクシャフト、
１０…回転子、１１…スリット、１２…固定スクロール部材、１３，１６…端板、１４，１７…渦巻状ラップ、１５…旋回スクロール部材、１８…圧縮室、１９…吐出口、２０…フレーム、２１…圧力容器、２２…吐出パイプ、２３…駆動用電動機、２４…油溜部、２５…油孔、２６…滑り軸受け。

Claims

固定子と固定子の内周側にギャップを介して回転可能に支持される可動子を備え、
前記固定子はティースと巻線とスロットを有し、前記回転子は導体と永久磁石を有し、
前記固定子は第一の固定子部と第二の固定子部を有し、前記第一の固定子部のティース端部の形状と前記第二の固定子部のティース端部の形状が異なることを特徴とする電動機。
請求項１において、前記固定子の巻線は集中巻きであることを特徴とする電動機。
請求項１において、前記回転子の極数と前記固定子のスロット数との比が２：３であることを特徴とする電動機。
請求項１において、前記第一の固定子部のティース端部の形状と前記第二の固定子部のティース端部の形状がほぼ左右対象となることを特徴とする電動機。
固定子と固定子の内周側にギャップを介して回転可能に支持される可動子を備え、
前記固定子はティースとスロットと巻線を有し、前記回転子は導体と永久磁石を有し、
前記固定子のティース端部の形状が軸方向の位置で異なることを特徴とする電動機。
請求項５において、前記固定子部のティース端部の形状が軸方向の位置で段階的に異なることを特徴とする電動機。
請求項１において、前記第一の固定子部のティース端部は周方向両側に伸びる歯端片を有し、前記第一の固定子部の一方の歯端片の周方向長さは他方の歯端片の周方向長さよりも長く、
前記第二の固定子部のティース端部は周方向両側に伸びる歯端片を有し、前記第二の固定子部の他方の歯端片の周方向長さは一方の歯端編の周方向長さよりも長く、
前記第一の固定子部の一方の歯端片と前記第二の固定子部の他方の歯端片がティースからみて周方向において逆側に配置されていることを特徴とする電動機。
請求項１において、前記第一の固定子部のティース端部は周方向両側に伸びる歯端片を有し、前記第一の固定子部の一方の歯端片に他方の歯端片のギャップよりもギャップが大きいギャップ部を有し、
前記第二の固定子部のティース端部は周方向両側に伸びる歯端片を有し、前記第二の固定子部の他方の歯端片に一方の歯端片のギャップよりもギャップが大きいギャップ部を有し、
前記第一の固定子部のギャップ部と前記第二の固定子部のギャップ部はティースからみて周方向において逆側に配置されていることを特徴とする電動機。
請求項１において、前記第一の固定部のティース端部は周方向両側に伸びる歯端片を有し、前記第一の固定子部の一方の歯端片がスリットを有し、
前記第二の固定子部のティース端部は周方向両側に伸びる歯端片を有し、前記第二の固定子部の他方の歯端片がスリットを有し、
前記第一の固定子部のスリットと前記第二の固定部のスリットはティースからみて周方向において逆側に配置されていることを特徴とする電動機。
請求項１において、前記第一の固定子部のティース端部は周方向両側に伸びる歯端片を有し、前記第一の固定子部の一方の歯端片は周方向端部にいくにしたがってギャップが大きくなる部分を有し、
前記第二の固定子部のティース端部は周方向両側に伸びる歯端片を有し、前記第二の固定子部の他方の歯端片は周方向端部にいくにしたがってギャップが大きくなる部分を有し、
前記第一の固定子部のギャップが大きくなる部分と前記第二の固定子部のギャップが大きくなる部分はティースからみて周方向において逆側に配置されていることを特徴とする電動機。
請求項１において、前記第一の固定子部のティース端部は周方向片側に伸びる歯端片を有し、
前記第二の固定子部のティース端部は周方向片側に伸びる歯端片を有し、
前記第一の固定子部の歯端片と前記第二の固定子部の歯端片はティースからみて周方向において逆側に配置されていることを特徴とする電動機。
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巻き回された集中巻の電機子巻線を施した固定子を有し、回転子鉄心と該回転子鉄心の外周側に設けた複数のスロット内に軸方向同一位置に導電性材料を埋設して形成したかご型巻線と該かご型巻線の内周側に埋設された複数の永久磁石とを有する回転子が、前記固定子の内周側にギャップを介して回転自在に支持された電動機において、前記固定子の前記ティース端部に位置し該ティースの周方向両側に伸びる歯端片の幅開度中心軸と、前記回転子に埋設した前記永久磁石の磁束中心軸とをほぼ同一軸上に配置すると共に、該幅開度中心軸と該磁束中心軸を軸方向に対し段階的に配置したことを特徴とする電動機。
請求項１において、前記固定子は第三の固定子部を有し、
前記第一の固定子部のティース端部は周方向両側に伸びる歯端片を有し、前記第一の固定子部の一方の歯端片の周方向長さは他方の歯端片の周方向長さよりも長く、
前記第二の固定子部のティース端部は周方向両側に伸びる歯端片を有し、前記第二の固定子部の他方の歯端片の周方向長さは一方の周方向長さよりも長く、
前記第三の固定子部のティース端部は周方向両側に伸びる歯端片を有し、前記第三の固定子部の一方の歯端片の周方向長さは他方の歯端片の周方向長さよりも長く、
前記第二の固定子部は前記第一の固定子部と前記第三の固定子部の間に配置され、
前記第一の固定子部の一方の歯端片と前記第二の固定子部の他方の歯端片がティースからみて周方向において逆側に配置され、
前記第三の固定子部の一方の歯端片と前記第二の固定子部の他方の歯端片がティースからみて周方向において逆側に配置されていることを特徴とする電動機。
気体を吸い込んで圧縮し、吐出する圧縮機構部と、この圧縮機構部を駆動する電動機からなる圧縮機において、前記電動機が請求項１に記載の電動機であることを特徴とする圧縮機。
請求項１４に記載の圧縮機を備えたことを特徴とする空気調和機。