JP2006144731A - 圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】インバータ制御において、特に低い運転回転数でのピストンの往復動による振動が大きくなることを防止し、振動に起因する冷凍装置の配管の疲労破壊を防止する。
【解決手段】電動要素１０３は、固定子鉄心１１２の磁極歯１１４に絶縁材を介して直接巻回された集中巻の固定子巻線１１３とから構成された固定子１１１と、前記固定子１１１の内側に配置され永久磁石１２２を有する回転子１２１とからなり、前記固定子鉄心１１２の有効外径に対する前記回転子１２１の外径比率を０．５５以上としたことにより、回転子の回転慣性を大きくすることで、圧縮負荷による回転速度の変動を低減し、低回転運転時の振動を低減することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、主に家庭用の電気冷凍冷蔵庫などに使用されるインバータ制御方式の圧縮機に関するものである。

近年、地球環境に対する要求はますます強まってきており、冷蔵庫やその他の冷凍サイクル装置等においても、消費電力量の低減が強く要望されている。特に、インバータ駆動回路により運転回転数を可変速する往復動方式の圧縮機においては、低速運転を行うことで消費電力量を低減することが可能な反面、低速運転時での高効率化および低振動化が課題となっている。

従来、この種の圧縮機としては、回転子の積厚を固定子より厚くしてイナーシャを大きくすることで振動の低減を図ったものがある（例えば、特許文献１参照）。

以下、図面を参照しながら上記従来の圧縮機を説明する。

図１０は特許文献１に記載された従来の圧縮機の縦断面図、図１１は従来の圧縮機の電動要素の平面断面図を示したものである。

図１０、図１１において、密閉容器１の底部には潤滑油２を貯留している。電動要素３は固定子１１および回転子２１から構成され、固定子１１は電磁鋼板を積層して形成される固定子鉄心１２に固定子巻線１３が捲回されている。また、回転子２１の回転子鉄心２３内には永久磁石２２が内蔵されている。また、回転子鉄心２３の積厚は固定子鉄心１２の積厚より大きく、永久磁石２２の長さは固定子鉄心１２の積厚より小さい。また、電動要素３は、インバータ駆動回路（図示せず）によって駆動される。

次に圧縮要素３１の詳細を以下に説明する。

圧縮要素３１は電動要素３の上方に配設され、圧縮要素３１と電動要素３が一体となって、サスペンションスプリング３２により密閉容器１に対して弾性的に支持されている。圧縮要素３１のクランクシャフト３３は主軸３４及び偏心軸３５から構成されており、主軸３４はブロック３６の軸受部３７に回転自在に軸支されるとともに、回転子２１が固定され、下端には潤滑油２に浸漬したポンプ３８が形成されている。偏心軸３５には、ピストン４１と連結する連結手段４２およびバランスウェイト４３が固定されている。

また、ピストン４１はブロック３６のシリンダ４４に往復自在に挿入されており、シリンダ４４とバルブプレート４５とともに圧縮室４６を形成する。連結手段４２は偏心軸３５とピストン４１を連結している。また、バルブプレート４５はシリンダヘッド４７によりサクションマフラー４８と共に、ブロック３６に固定されている。

電動要素３は圧縮機の外形から固定子１１の外径が概ね定まっており、この中で固定子巻線１３に電流が流れる際の銅損と磁束が鉄心を流れる際の鉄損の両面から全体として効率が高くなるように設計が行われる。具体的には、固定子１１の実質的な外径、すなわち固定子の径方向の最小寸法（図１１の寸法Ａ）に対して、回転子２１の外径Ｂは５０％前後で設計されている。なお、回転子２１の外径Ｂの固定子の外径Ａに対する比率を４４％と小さくしたほうが、銅量を増やすことができるので銅損が低くなり効率が高くなるという報告事例もある（例えば非特許文献１参照）。

以上のように構成された圧縮機について、以下にその動作を説明する。

インバータ駆動回路（図示せず）は、回転子２１の回転を検出し、所定の回転数になるように出力を調整しながら、電動要素３を駆動する。

電動要素３に通電されると、固定子１１に発生する回転磁界により、回転子２１はクランクシャフト３３を回転させる。主軸３４の回転により、偏心軸３５の偏心運動が連結手段４２を介してピストン４１に伝えられる。ピストン４１はシリンダ４４内で往復動し、密閉容器１外の冷凍サイクル（図示せず）より戻った冷媒を密閉容器１内のサクションマフラー４８を通して圧縮室４６内へ導入し、連続して圧縮する。そして、圧縮された冷媒は、吐出管（図示せず）を経由して密閉容器１外の冷凍サイクル（図示せず）へ送出される。

単気筒の往復動式圧縮機ではガスを圧縮する際に生じる負荷により、クランクシャフト３３を回転させるために必要なトルクは１回転中で大きく変動するが、回転子鉄心２３の積厚を大きくすることで回転子２１の回転慣性を大きくしているため、回転子２１の回転角速度の変動を小さくし、振動や騒音の振動の発生を低減している。
特開２００３−２７４５９１号公報 川口 仁 著 「ブラシレスＤＣモータの高効率化技術」 電気学会回転機研究会資料（ＲＭ−０１４１７）、２００２年１１月２８日、Ｐ１３−１８

しかしながら、上記従来の構成では回転子２１の積厚を大きくして回転慣性を大きくしているため、回転慣性の大きくするためには鋼板の使用重量を大幅に増やす必要が生じ、鋼板は圧縮機用材料としては高価であるため、鋼板の使用量の増加によりコストが増加するという課題を有していた。

さらに、回転子２１の積厚を大きくすることで電動要素３の全体寸法も大きくなり、圧縮機の大きさ、特に全高が大きくなり、例えば冷蔵庫に適用の際に庫内容積を圧迫するなどの課題を有していた。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、圧縮機の回転の変動を低減することで、低コストで振動の低い圧縮機を実現することを目的とする。

上記従来の課題を解決するために、本発明の圧縮機は、固定子鉄心の有効外径に対する回転子の外径比率を０．５５以上としたもので、モータ効率を犠牲にすることなく回転子の外径を大きくすることで回転慣性を大きくして、圧縮負荷による回転速度の変動を低減し、低回転運転時の振動を低減するという作用を有する。

本発明の圧縮機は、回転子の外径を大きくし、回転慣性を大きくすることで、圧縮機の振動を低減することができる。

請求項１に記載の発明は、密閉容器内に商用電源周波数未満の回転数を含む複数の運転周波数で運転する電動要素と、前記電動要素によって駆動する圧縮要素とを収容し、前記圧縮要素は主軸及び偏心軸を備えたクランクシャフトと、前記クランクシャフトを回転自在に軸支すると共にシリンダを形成するブロックと、前記シリンダ内を往復動するピストンと、前記偏心軸と前記ピストンを連結する連結手段を備え、前記電動要素は電磁鋼板を複数枚積層した固定子鉄心と、固定子鉄心の磁極歯に絶縁材を介して直接巻回された集中巻の固定子巻線とから構成された固定子と、前記固定子の内側に配置され永久磁石を有する回転子とからなり、前記固定子鉄心の有効外径に対する前記回転子の外径比率を０．５５以上としたもので、回転子の外径が大きいため、回転子の回転慣性を大きくなるので、圧縮負荷による回転速度の変動を低減し、圧縮機の振動を低減することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明の圧縮機において、固定子有効外径に対する固定子鉄心の高さの比率が０．３５以下としたもので、電動要素の全高が低くなり、圧縮機の設置空間を小さくできるとともに、高さの低い回転子でも回転慣性を大きくでき、振動の低減を図ることができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明の圧縮機において、２０ｒ／ｓｅｃ未満の運転周波数を含むので、低回転化により摺動損失を低減し、効率を向上することができる。

請求項４に記載の発明は、請求項１から３のいずれか一項に記載の発明の圧縮機において、固定子の磁極歯数が６以上としたもので、多数の極数歯を配置することで、低速運転でも安定したトルクが得ることができる。

請求項５に記載の発明は、請求項１から４のいずれか一項に記載の発明の圧縮機において、回転子は希土類を用いた永久磁石を備えたもので、強い磁束を得ることで、電動要素の効率を高くすることができる。

請求項６に記載の発明は、請求項１から５のいずれか一項に記載の発明の圧縮機において、固定子は、固定子鉄心が複数の鉄心個片に分割されており、鉄心個片それぞれの磁極歯に固定子巻線が絶縁材を介して直接巻回されたのち、鉄心個片を円周方向に連結して形成したもので、固定子巻線を固定子鉄心に巻いてから組み立てることで磁極歯の間に形成されるスロット内に密に固定子巻線を巻くことで占積率が向上し、銅損を低減し効率を向上することが可能となる。

請求項７に記載の発明は、請求項１から６のいずれか一項に記載の発明の圧縮機において、固定子に回転子よりも鉄損の少ない電磁鋼板を用いたので、回転子は固定子より磁束の変化が少ないので、回転子には低コストの鉄板を用いながら、固定子での鉄損の低減による高効率を実現することができる。

請求項８に記載の発明は、請求項１から７のいずれか一項に記載の発明の圧縮機において、最低回転数に対する最高回転数の比を３以上としたもので、冷却サイクルの負荷変動に対し適切な冷凍能力を得ることとなり、省エネを実現することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によってこの発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における圧縮機の縦断面図である。図２は、同実施の形態の図１の電動要素のＣ−Ｃ断面図である。図３は、同実施の形態の負荷トルクを示す特性図である。図４は、同実施の形態のクランクシャフトの回転角速度を示す特性図である。

図１および図２において、密閉容器１０１内底部に潤滑油１０２を貯留するとともに、電動要素１０３と、これによって駆動される圧縮要素１３１を収容し、例えばＲ６００ａなどの温暖化係数の低い炭化水素系の冷媒を充填している。

まず、圧縮要素１３１の詳細を以下に説明する。

圧縮要素１３１は電動要素１０３の上方に配設されている。圧縮要素１３１のクランクシャフト１３３は主軸１３４及び偏心軸１３５から構成されており、主軸１３４はブロック１３６の軸受部１３７に回転自在に軸支されている。偏心軸１３５には、ピストン１４１と連結する連結手段１４２およびバランスウェイト１４３が固定されている。

また、ピストン１４１はブロック１３６のシリンダ１４４に往復自在に挿入されており、シリンダ１４４とバルブプレート１４５とともに圧縮室１４６を形成する。連結手段１４２は偏心軸１３５とピストン１４１を連結している。また、バルブプレート１４５はシリンダヘッド１４７によりサクションマフラー１４８と共に、ブロック１３６に固定されている。

次に電動要素１０３について説明する。

電動要素１０３は、ブロック１３６の上方に固定され、固定子１１１と回転子１２１とからなり、インバータ駆動回路（図示せず）とつながっている。

固定子１１１は、略輪形状の固定子鉄心１１２の磁極歯１１４に絶縁材を介して固定子巻線１１３が直接巻回して形成されている。固定子鉄心１１２は、例えば、ＪＩＳ Ｃ２５５２ 無方向性電磁鋼帯などの鉄損の少ない、いわゆる電磁鋼板（珪素鋼板）で形成され、望ましくは厚さ０．７ｍｍ以下、鉄損７Ｗ／ｋｇ以下の電磁鋼板、さらに望ましくは厚さ０．３５ｍｍ、鉄損０．４Ｗ／ｋｇ以下の非常に鉄損の少ない電磁鋼板を用いている。

回転子１２１は、固定子１１１の内径側に配置され、回転子鉄心１２３と、回転子鉄心１２３内に配置される例えばネオジウム等の希土類からなる永久磁石１２２とから構成され、クランクシャフト１３３の主軸１３４に固定される。回転子鉄心１２３も、固定子鉄心１１２と同様に、ＪＩＳ Ｃ２５５２ 無方向性電磁鋼帯などの電磁鋼板を積層して形成される。

希土類磁石はフェライト磁石に比べ非常に強い磁束が得られるため、同一の出力でもモータの小型化が可能であり、固定子鉄心１１２および回転子１２１の鉄心の高さＦは固定子１１１の直径Ｅの約２５％と薄くなっている。

ここで、固定子の有効外径を、固定子１１１の外形に対する最大内接円の直径とする。固定子の有効外径Ｅに対して、回転子１２１の外径Ｄは５８％となっている。

また、電動要素１０３は、インバータ駆動により、最低回転数が１５ｒ／ｓｅｃで、最高回転数を７５ｒ／ｓｅｃとすることで、最低回転数に対する最高回転数の比を５としたものであり、能力幅が広範囲な運転を行う。

以上のように構成された圧縮機について、以下その動作、作用を説明する。

インバータ駆動回路より電動要素１０３に通電されると、固定子１１１に発生する磁界により回転子１２１はクランクシャフト１３３とともに回転する。主軸１３４の回転に伴い、偏心軸１３５は偏心回転し、この偏心運動は連結手段１４２を介して往復運動に変換され、ピストン１４１をシリンダ１４４内で往復運動させることで密閉容器１０１内の冷媒ガスを圧縮室１４６内に吸入し、圧縮する圧縮動作を行う。

この圧縮動作に伴う吸入行程において、密閉容器１０１内の冷媒ガスはサクションマフラー１４８を介して圧縮室１４６内に同時に吸入され、圧縮された後、吐出配管１４９を経由して密閉容器１０１外の既知の冷凍サイクル（図示せず）へ送られる。

この冷媒ガスの圧縮の際に必要となる負荷トルクは図３に示すように、下死点から上死点に向かう圧縮行程の後半、上死点の直前でピークを持っており、圧縮行程の短い期間に負荷が集中している。この結果、クランクシャフト１３３の回転角速度も上死点手前で低下するが、本発明によれば回転子１２１の外径Ｄを固定子１１１の有効外径の５８％とすることで相対的に回転子の外径が大きくなり、その結果、軸周りの回転慣性が大きく、従来よりも角速度の変動が小さくなる。

従って、特に１５ｒ／ｓｅｃといった極めて低い回転数の運転時に問題となる回転方向の振動が低減される。さらに、回転変動が小さくなることで、極めて低い運転周波数における脱調停止や過電流の発生を抑制する。また、回転変動が小さくなることで、一行程中に電動要素に流れる電流値をより低くすることができ、入力の低減による効率向上が可能となる。

なお、回転子の厚さを大きくした場合、回転慣性は厚さに比例して増加するが、外径を大きくした場合は外径の４乗にほぼ比例して回転慣性が大きくなる。従って、径方向に回転子を大きくすることで、重量をあまり増やすことなく、効果的に回転慣性を大きくすることができる。具体的には、回転子の回転慣性を３０％大きくする場合、厚さ方向の場合は回転子の厚さを３０％大きくする必要があり、質量すなわち材料も３０％多く必要となる。ところが、回転子の外径を大きくする場合は、外径を６％大きくするだけで同じ回転慣性を得ることができ、この場合の回転子の質量は１４％の増加にとどまる。

従って、外径を大きくすることで、重量の増加を半分以下にしながら、積厚を増やす場合と同等の回転慣性を付加することができる。従って、コストの増加を少なくしながら回転子の回転慣性を大きくし、回転変動を防止することで振動を低減することができる。

このように回転子１２１の外径を大きくして回転慣性を大きくする方法は、小さな質量で強い磁束を得ることができる希土類磁石を用いた場合に特に有効である。すなわち、永久磁石１２２で強い磁束が得られるため、固定子鉄心１１２の積厚を小さくして銅損を減らしながら大きなトルクを得ることができ、高効率な電動要素１０３が実現可能である。この場合、積厚が小さくなることで回転子１２１がより軽量化され、回転慣性も小さくなるが、回転子１２１の外径を大きくすることにより回転慣性を大きくし、回転変動による振動の発生を防止するという改善効果はより顕著となる。

また、固定子１１１に発生する磁界が回転する際には、磁極歯から磁極歯へ順次磁極が移動していくが、磁極歯１１４の数を１２個と多くしたため、磁極歯１１４間の角度が小さく、磁極の移動に伴って回転する回転子１２１の移動もスムーズになる。この結果、回転子１２１の角速度の変動が大きくなりやすい、低い回転速度でもトルクの発生が滑らかになり、電動要素１０３は安定して回転する。

また、上述したように、回転子１２１の外径を大きくし回転角速度の変動を抑制することで、１５ｒ／ｓｅｃといった超低速運転が可能となり、低入力運転が実現でき、高い省エネ効果が得られる。更に、低速の回転数を１５ｒ／ｓｅｃまで下げることができたため、その低速の回転数に対して、従来から実施されていた高速の回転数７５ｒ／ｓｅｃとの回転数比は５以上と、極めて広くすることができる。

近年の家庭用冷凍冷蔵庫は断熱性能が格段に向上しており、安定運転時と高い冷凍能力を必要とする負荷投入時との必要冷凍能力の比が大きくなってきているが、圧縮機の冷凍能力はおおむね電動要素１０３の回転数に比例するため、本実施の形態によればこうした必要冷凍能力の比の拡大に対応することができ、先に述べたように、極めて高い省エネ効果が得られるものである。そして、負荷投入時にも必要な冷凍能力を得ることができ、不冷や冷却速度が遅いといった冷却性能の問題も防止することができる。

以上説明したように、本発明の圧縮機は、回転子の回転慣性を大きくすることで、非常に低い回転数でも、回転を安定させ、圧縮機の振動を低減することができる。

（実施の形態２）
図５は、本発明の実施の形態２における圧縮機の縦断面図である。図６は、同実施の形態の図５の電動要素のＧ−Ｇ断面図である。図７は、同実施の形態の負荷トルクを示す特性図である。図８は、同実施の形態のクランクシャフトの回転角速度を示す特性図である。

図１および図２において、密閉容器２０１内底部に潤滑油２０２を貯留するとともに、電動要素２０３と、これによって駆動される圧縮要素２３１を収容し、例えばＲ６００ａなどの温暖化係数の低い炭化水素系の冷媒を充填している。

まず、圧縮要素２３１の詳細を以下に説明する。

圧縮要素２３１は電動要素２０３の上方に配設されている。圧縮要素２３１のクランクシャフト２３３は主軸２３４及び偏心軸２３５から構成されており、主軸２３４はブロック２３６の軸受部２３７に回転自在に軸支されている。偏心軸２３５には、ピストン２４１と連結する連結手段２４２およびバランスウェイト２４３が固定されている。

また、ピストン２４１はブロック２３６のシリンダ２４４に往復自在に挿入されており、シリンダ２４４とバルブプレート２４５とともに圧縮室２４６を形成する。連結手段２４２は偏心軸２３５とピストン２４１を連結している。また、バルブプレート２４５はシリンダヘッド２４７によりサクションマフラー２４８と共に、ブロック２３６に固定されている。

次に電動要素２０３について説明する。

電動要素２０３は、ブロック２３６の上方に固定され、固定子２１１と回転子２２１とからなり、インバータ駆動回路（図示せず）とつながっている。

固定子２１１は、ほぼＴ字型の鉄心個片２１７の磁極歯２１４に絶縁材を介して固定子巻線２１３が直接巻回されたのち、溶接などの方法により鉄心個片２１７を１２個、円周方向に連結して形成されている。鉄心個片２１７は、例えば、ＪＩＳ Ｃ２５５２ 無方向性電磁鋼帯などの鉄損の少ない、いわゆる電磁鋼板（珪素鋼板）で形成され、望ましくは厚さ０．７ｍｍ以下、鉄損７Ｗ／ｋｇ以下の電磁鋼板、さらに望ましくは厚さ０．３５ｍｍ、鉄損０．４Ｗ／ｋｇ以下の非常に鉄損の少ない電磁鋼板を用いている。

回転子２２１は、固定子２１１の内径側に配置され、回転子鉄心２２３と、回転子鉄心２２３内に配置される例えばネオジウム等の希土類からなる永久磁石２２２とから構成され、クランクシャフト２３３の主軸２３４に固定される。回転子鉄心２２３も、固定子鉄心２１２と同様に、ＪＩＳ Ｃ２５５２ 無方向性電磁鋼帯などの電磁鋼板を積層して形成されるが、固定子鉄心２１２よりも若干鉄損が多くなるが安価な等級の電磁鋼板を採用している。具体的には、４〜１０Ｗ／ｋｇ程度の、固定子鉄心２１２に比較して鉄損の大きい電磁鋼板や、あるいは鋼板の板厚が固定子鉄心２１２に用いられる０．３５ｍｍより厚い０．５〜０．６５ｍｍなどが用いることができる。

希土類磁石はフェライト磁石に比べ非常に強い磁束が得られるため、同一の出力でもモータの小型化が可能であり、固定子鉄心２１２および回転子２２１の鉄心の高さＦは固定子２１１の直径Ｉの約２５％と薄くなっている。

ここで、固定子の有効外径を、固定子２１１の外形に対する最大内接円の直径とする。固定子の有効外径Ｉに対して、回転子２２１の外径Ｈは５８％となっている。

また、電動要素２０３は、インバータ駆動により、最低回転数が１５ｒ／ｓｅｃで、最高回転数を７５ｒ／ｓｅｃとすることで、最低回転数に対する最高回転数の比を５としたものであり、能力幅が広範囲な運転を行う。

以上のように構成された圧縮機について、以下その動作、作用を説明する。

インバータ駆動回路より電動要素２０３に通電されると、固定子２１１に発生する磁界により回転子２２１はクランクシャフト２３３とともに回転する。主軸２３４の回転に伴い、偏心軸２３５は偏心回転し、この偏心運動は連結手段２４２を介して往復運動に変換され、ピストン２４１をシリンダ２４４内で往復運動させることで密閉容器２０１内の冷媒ガスを圧縮室２４６内に吸入し、圧縮する圧縮動作を行う。

この圧縮動作に伴う吸入行程において、密閉容器２０１内の冷媒ガスはサクションマフラー２４８を介して圧縮室２４６内に同時に吸入され、圧縮された後、吐出配管２４９を経由して密閉容器２０１外の既知の冷凍サイクル（図示せず）へ送られる。

この冷媒ガスの圧縮の際に必要となる負荷トルクは図７に示すように、下死点から上死点に向かう圧縮行程の後半、上死点の直前でピークを持っており、圧縮行程の短い期間に負荷が集中している。この結果クランクシャフト２３３の回転角速度も上死点手前で低下するが、本発明によれば回転子２２１の外径Ｈを固定子２１１の有効外径の５８％とすることで相対的に回転子の外径が大きくなり、その結果、軸周りの回転慣性が大きく、従来よりも角速度の変動が小さくなる。

従って、特に１５ｒ／ｓｅｃといった極めて低い回転数の運転時に問題となる回転方向の振動が低減される。さらに、回転変動が小さくなることで、極めて低い運転周波数における脱調停止や過電流の発生を抑制する。また、回転変動が小さくなることで、一行程中に電動要素に流れる電流値をより低くすることができ、入力の低減による効率向上が可能となる。

なお、回転子の厚さを大きくした場合、回転慣性は厚さに比例して増加するが、外径を大きくした場合は外径の４乗にほぼ比例して回転慣性が大きくなる。従って、径方向に回転子を大きくすることで、重量をあまり増やすことなく、効果的に回転慣性を大きくすることができる。具体的には、回転子の回転慣性を３０％大きくする場合、厚さ方向の場合は回転子の厚さを３０％大きくする必要があり、質量すなわち材料も３０％多く必要となる。ところが、回転子の外径を大きくする場合は、外径を６％大きくするだけで同じ回転慣性を得ることができ、この場合の回転子の質量は１４％の増加にとどまる。

従って、外径を大きくすることで、重量の増加を半分以下にしながら、積厚を増やす場合と同等の回転慣性を付加することができる。従って、コストの増加を少なくしながら回転子の回転慣性を大きくし、回転変動を防止することで振動を低減することができる。

このように回転子２２１の外径を大きくして回転慣性を大きくする方法は、小さな質量で強い磁束を得ることができる希土類磁石を用いた場合に特に有効である。すなわち、永久磁石２２２で強い磁束が得られるため、固定子鉄心２１２の積厚を小さくして銅損を減らしながら大きなトルクを得ることができ、高効率な電動要素２０３が実現可能である。この場合、積厚が小さくなることで回転子２２１がより軽量化され、回転慣性も小さくなるが、回転子２２１の外径を大きくすることにより回転慣性を大きくし、回転変動による振動の発生を防止するという改善効果はより顕著となる。

図９は、本発明の実施の形態２における電動要素の効率を示す特性図である。

図９の横軸は固定子外径に対する回転子外径の比率、縦軸は電動要素の効率を示している。また、図中、破線は理論計算に基づく効率であり、実線は１５ｒ／ｓｅｃ運転時の実測値から換算した効率を示している。理論計算では、回転子と固定子の径比率が５３％程度で最も効率が高くなると予測されるのに対して、我々の実測検討の結果、これよりも径比率が高い５８％程度で最も効率が高くなっている。この理由は、充分には解明されていないものの、次の通りであると考えられる。

まず、図中の計算値は回転変動が無い、角速度一定の状態を想定した結果であり、これに対して実測値は回転変動が大きい状態であり、この回転変動の大きさの違いが効率のピークに影響していると考えられる。すなわち、６０ｒ／ｓｅｃといった商用周波数運転では、圧縮負荷によるトルクが加わっても、平均的な角速度が高いため、角速度の変化は５％前後と小さいため、ほぼ角速度は一定とみなすことができる。ところが、１５ｒ／ｓｅｃといった非常に低い回転数では、圧縮負荷の影響で回転子の角速度が２０％以上変化し、巻線に流れる電流値も１回転中で大きく変動することになる。この結果、回転変動が大きい場合は、一時的ではあるものの電流値が大きく、損失の大きい状態になることから、効率が悪化しているものと予測される。

従って、特に低回転の運転においては、回転子２２１の外径を大きくして回転慣性を大きくすると、回転子２２１の角速度の変化も小さくなるため、相対的に効率が向上する傾向となり、この結果、一定速の場合５３％程度であった効率のピークが５８％付近へ移動したものと考えられる。以上から、径比率は少なくとも５５％以上、望ましくは５７％以上とするのが効率面で有利といえる。

なお、図９に示すように、径比率を６０％以上に上げていくと、回転慣性は増えて回転は安定するものの、固定子２１１の体積が相対的に小さくなるため、固定子鉄心２１２や固定子巻線２１３の体積が小さくなり、銅損や鉄損が大きくなるため、次第に効率は低下していく。従って、さらに望ましくは径比率を５５〜６０％とするのがよい。

固定子２１１は、鉄心個片２１７に固定子巻線２１３を巻いてから組み立てられることから、磁極歯２１４の間に形成されるスロット２１６内に密に固定子巻線２１３を配置することができる。従って、固定子鉄心２１２が一体の場合に比べ、固定子巻線２１３と固定子鉄心２１２の体積を最大限大きくすることができることから、回転子２２１の外径、すなわち固定子２１１の内径が大きく、固定子２１１の水平面における断面積が相対的に小さくなっている本発明の電動要素２０３においても、銅損と鉄損を低減して効率の高い圧縮機が実現できる。

さらに、固定子鉄心２１２には固定子巻線２１３に流れる電流に応じて磁束が発生し、しかも磁束の大きさは電流の変化に伴い常に変化している。ところが、回転子鉄心２２３には、永久磁石２２２により一定の磁束が発生しているため、固定子鉄心２１２に比べ磁束の変化は小さい。このため、回転子鉄心２２３に固定子鉄心２１２よりも鉄損が生じやすい、比較的安価な電磁鋼板を用いたとしても、回転子２２１で発生する鉄損は小さく、効率の低下は小さい。一方、固定子２１１には鉄損の小さい電磁鋼板を用いることで、電動要素２０３全体として損失が小さくしながら、コストの低減が可能となっている。

また、固定子２１１に発生する磁界が回転する際には、磁極歯から磁極歯へ順次磁極が移動していくが、磁極歯２１４の数を１２個と多くしたため、磁極歯２１４間の角度が小さく、磁極の移動に伴って回転する回転子２２１の移動もスムーズになる。この結果、回転子２２１の角速度の変動が大きくなりやすい、低い回転速度でもトルクの発生が滑らかになり、電動要素２０３は安定して回転する。

また、上述したように、回転子２２１の外径を大きくし回転角速度の変動を抑制することで、１５ｒ／ｓｅｃといった超低速運転が可能となり、低入力運転が実現でき、高い省エネ効果が得られる。更に、低速の回転数を１５ｒ／ｓｅｃまで下げることができたため、その低速の回転数に対して、従来から実施されていた高速の回転数７５ｒ／ｓｅｃとの回転数比は５以上と、極めて広くすることができる。

近年の家庭用冷凍冷蔵庫は断熱性能が格段に向上しており、安定運転時と高い冷凍能力を必要とする負荷投入時との必要冷凍能力の比が大きくなってきているが、圧縮機の冷凍能力はおおむね電動要素２０３の回転数に比例するため、本実施の形態によればこうした必要冷凍能力の比の拡大に対応することができ、先に述べたように、極めて高い省エネ効果が得られるものである。そして、負荷投入時にも必要な冷凍能力を得ることができ、不冷や冷却速度が遅いといった冷却性能の問題も防止することができる。

以上説明したように、本発明の圧縮機は、回転子の回転慣性を大きくすることで、非常に低い回転数でも、回転を安定させ、圧縮機の振動を低減することができるとともに、回転変動を抑制することで効率を高くすることができる。

以上のように、本発明にかかる圧縮機および冷凍装置は、圧縮機の振動を大幅に低減できるので、家庭用電気冷凍冷蔵庫に限らず、エアーコンディショナー、自動販売機やその他の冷凍装置等に使用されるインバータ制御方式の往復動式の圧縮機に広く適用できる。

本発明の実施の形態１における圧縮機の縦断面図 同実施の形態の図１のＣ−Ｃ断面図 同実施の形態の負荷トルクを示す特性図 同実施の形態のクランクシャフトの回転角速度を示す特性図 本発明の実施の形態２における圧縮機の縦断面図 同実施の形態の図５のＧ−Ｇ断面図 同実施の形態の負荷トルクを示す特性図 同実施の形態のクランクシャフトの回転角速度を示す特性図 同実施の形態の電動要素の効率を示す特性図 従来の圧縮機の縦断面図 従来の圧縮機の電動要素の平面断面図

符号の説明

１０１，２０１ 密閉容器
１０３，２０３ 電動要素
１１１，２１１ 固定子
１１２，２１２ 固定子鉄心
１１３，２１３ 固定子巻線
１１４，２１４ 磁極歯
２１７ 鉄心個片
１２１，２２１ 回転子
１２２，２２２ 永久磁石
１３１，２３１ 圧縮要素
１３３，２３３ クランクシャフト
１３４，２３４ 主軸
１３５，２３５ 偏心軸
１３６，２３６ ブロック
１４１，２４１ ピストン
１４２，２４２ 連結手段
１４４，２４４ シリンダ

Claims (8)

1. 密閉容器内に商用電源周波数未満の回転数を含む複数の運転周波数で運転する電動要素と、前記電動要素によって駆動する圧縮要素とを収容し、前記圧縮要素は主軸及び偏心軸を備えたクランクシャフトと、前記クランクシャフトを回転自在に軸支すると共にシリンダを形成するブロックと、前記シリンダ内を往復動するピストンと、前記偏心軸と前記ピストンを連結する連結手段を備え、前記電動要素は電磁鋼板を複数枚積層した固定子鉄心と、固定子鉄心の磁極歯に絶縁材を介して直接巻回された集中巻の固定子巻線とから構成された固定子と、前記固定子の内側に配置され永久磁石を有する回転子とからなり、前記固定子鉄心の有効外径に対する前記回転子の外径比率を０．５５以上とした圧縮機。
2. 固定子有効外径に対する固定子鉄心の高さの比率を０．３５以下とした請求項１記載に圧縮機。
3. ２０ｒ／ｓｅｃ未満の運転周波数を含む請求項１または２に記載の圧縮機。
4. 固定子の磁極歯数が６以上とした請求項１から３のいずれか１項に記載の圧縮機。
5. 回転子は希土類を用いた永久磁石を備える請求項１から４のいずれか１項に記載の圧縮機。
6. 固定子は、固定子鉄心が複数の鉄心個片に分割されており、前記鉄心個片それぞれの磁極歯に固定子巻線が絶縁材を介して直接巻回されたのち、前記鉄心個片を円周方向に連結して形成した請求項１から５のいずれか１項に記載の圧縮機。
7. 固定子に回転子よりも鉄損の少ない電磁鋼板を用いた請求項６に記載の圧縮機。
8. 最低回転数に対する最高回転数の比を３以上とした請求項１または８いずれか１項に記載の圧縮機。

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