JP2006149158A - 永久磁石式回転電機及びそれを用いた圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】
過電流トリップを防止できる１８０度インバータ駆動式の永久磁石式回転電機の提供。
【解決手段】
固定子鉄心のスロットの外径をＤ１、該固定子鉄心の内径をＤ２、該固定子鉄心のティースから両サイドに延びる磁極片の最大外径をＤ３とするとき、Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３が、Ｄ２＋（Ｄ１−Ｄ２）／５≦Ｄ３≦Ｄ２＋（Ｄ１−Ｄ２）／３の関係を満たす構成とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、界磁用の永久磁石を回転子に備えている永久磁石式回転電機に係り、特に、エアコン、冷蔵庫、冷凍庫、あるいはショーケースなど用の圧縮機に使用される永久磁石式回転電機の構成に関する。

本発明に関連した従来技術としては、例えば、特開２００２−７８２５５号公報（特許文献１）に記載されたものがある。該公報には、集中巻きの固定子と磁石埋込形回転子とを用いた位置センサレス１２０度通電インバータで駆動する永久磁石式回転電機において、効率改善のために、永久磁石を回転子の軸に対して凸のＶ字またはＵ字形状とし、回転子鉄心の外周面の極間に略Ｖ字形状の凹部を形成するとした技術が記載されている。

特開２００２−７８２５５号公報

上記公報記載の従来技術は、永久磁石式回転電機を効率改善のために１２０度インバータ（１２０度通電のインバータ）で駆動するための技術であり、１８０度通電の電圧型インバータのための技術ではない。一般に、１２０度通電のインバータでは、電流波形が台形波となり、ピーク電流のレベルは抑えられるが、その反面、高調波成分がモータ電流に多く含まれるため、これが騒音発生の原因となる。また、上記公報記載の従来技術においては、ピーク電流による過電流トリップの防止対策についての配慮もない。このため、該公報記載のモータを１８０度通電の電圧型インバータで駆動した場合には、モータ電流中の高調波電流とピーク電流とによって、インバータが過電流トリップを発生するおそれがある。一方、１８０度インバータ駆動式の永久磁石式回転電機においては、正弦波状のモータ電流で駆動するため、高調波成分が少なく、騒音の発生量は少ない。しかしながら、正弦波状電流の場合はピーク電流値が大きいため、インバータの過電流トリップが発生し易くなる。
本発明の課題点は、上記従来技術の状況に鑑み、１８０度インバータ駆動式の永久磁石式回転電機において、インバータの過電流トリップを防止できるようにすることである。
本発明の目的は、かかる課題点を解決し、信頼性の高い１８０度インバータ駆動式の永久磁石式回転電機を提供することにある。

上記課題点を解決するために、本発明では、基本的に、固定子鉄心のスロット間のティースに巻かれた集中巻の電機子巻線に駆動電流が電気角１８０度で通電される永久磁石式回転電機において、固定子鉄心のスロットの外径をＤ１、該固定子鉄心の内径をＤ２、該固定子鉄心のティースから両サイドに延びる磁極片の最大外径をＤ３とするとき、Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３が、Ｄ２＋（Ｄ１−Ｄ２）／５≦Ｄ３≦Ｄ２＋（Ｄ１−Ｄ２）／３の関係を満たす構成とする。また、上記に加え、さらに、回転子を、永久磁石の外周側に開度が電気角で約１２０度の磁極鉄心が配され、かつ該永久磁石間に位置する回転子鉄心の一部がカットされている構成とする。さらに、前記永久磁石間に位置する前記回転子鉄心の一部がダブルＶ字形状にカットされた構成とする。また、１８０度インバータから供給される電流をピークカット波形とし、かつ電流波形のひずみ率を約６％とする。
具体的には、本発明は、上記を基本的構成要件とした永久磁石式回転電機とそれを用いた圧縮機とである。

本発明によれば、インバータの過電流トリップを防止し信頼性を改善した１８０度インバータ駆動式の永久磁石式回転電機を提供することができる。

以下、本発明の実施例につき、図１〜図７を用いて説明する。各図中において、共通する符号は同一物を示す。また、実施例は、４極の永久磁石式回転電機の例について示し、回転子の極数と固定子のスロット数との比を２：３としている。図１は、本発明の実施例としての１８０度インバータ駆動式の永久磁石式回転電機の径方向断面図、図２は、図１の永久磁石式回転電機の固定子の径方向断面図、図３は、図１の永久磁石式回転電機の回転子の構成図である。

図１において、１８０度インバータ駆動式の永久磁石式回転電機１は、固定子２と回転子３とを備えて構成される。固定子２は、ティース４とコアバック５から成る固定子鉄心６と、ティース４間のスロット７内に該ティース４を取り囲むように巻装された集中巻の電機子巻線８（３相巻線のＵ相巻線８ａ、Ｖ相巻線８ｂ、Ｗ相巻線８ｃから成る）から構成される。本実施例では、１８０度インバータ駆動式の永久磁石式回転電機１は、４極６スロットであるため、スロットピッチは電気角で１２０度となる。回転子３は、シャフト（図示せず）の孔９を形成した回転子鉄心１０の外周表面近傍に一文字形状の永久磁石挿入孔１１が形成され、該永久磁石挿入孔１１中には希土類のネオジウム永久磁石１２が固定されている。永久磁石１２の磁束軸上にある鉄心が磁極鉄心１３となる。磁極片１４（１４ａ、１４ｂ）は、ティース４の内径側で周方向に延びた構成とされている。

図１の構成において、磁極片１４の形状に特徴がある。固定子鉄心６は、図２に示すように、スロット７の外径Ｄ１、固定子鉄心６の内径をＤ２、ティース４から両サイドに延びる磁極片１４の最大外径をＤ３（ティース４の側面と磁極片１４の外径側の交点）とするとき、Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３は、Ｄ２＋（Ｄ１−Ｄ２）／５≦Ｄ３≦Ｄ２＋（Ｄ１−Ｄ２）／３の関係を満たすようにされている。すなわち、磁極片１４の最大外径Ｄ３を関係式Ｄ２＋（Ｄ１−Ｄ２）／５に近づけると、磁極片１４の厚みが薄くなり、逆に関係式Ｄ２＋（Ｄ１−Ｄ２）／３に近づけると磁極片１４の厚みが厚くなる。
回転子３は、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、磁極鉄心１３の開度をθ１、磁極鉄心１３の段落としの開度をθ２、機械角９０度で電気角１８０度をθ３としたとき、θ１を電気角で約１２０度に設定している。また、永久磁石１２間の鉄心をダブルＶ字にカット（ダブルＶ字カット１８）し、永久磁石１２の端部の磁束変化を抑えるようにしている。

図４は、本発明によるモータ電流の電流波形とひずみ率の特性結果例を示し、１８０度通電の位置センサレス電圧型インバータ（後述の図６参照）で１８０度インバータ駆動式の永久磁石式回転電機１を運転した場合のモータ電流波形とひずみ率の例である。図４（ａ）は、本発明の場合のモータ電流波形を従来の場合と比較して示し、図４（ｂ）には本発明の場合の電流波形のＦＦＴ解析結果としてのひずみ率を従来の場合と比較して示す。図４より、従来の場合は、理想的な正弦波電流を達成し、電流ひずみ率も３．１％と小さい。これに対し、本発明では、磁極片１４の最大外径Ｄ３を、Ｄ２＋（Ｄ１−Ｄ２）／５≦Ｄ３≦Ｄ２＋（Ｄ１−Ｄ２）／３の関係を満たすようにしたことにより、電流波形のＦＦＴ解析結果において５次成分が大きくなり、電流ひずみ率が６％と大きくなる。しかし、電流のピーク値は○印で示したように小さくなる。基本的には、高調波電流を多くすることは性能上で問題となることが多いが、圧縮機への用途を考えた場合には騒音が大きくならなければ実用上は問題ない。逆に、電流のピーク値が抑えられる結果、インバータの過電流耐力が向上するという効果が得られる。本発明の１８０度インバータ駆動式永久磁石式回転電機を試作し、圧縮機に搭載して騒音とインバータの過電流耐力の実験を行い、上記効果を確認した。

図５は、本発明に係る電動圧縮機の軸方向断面形状を示す。
図５において、電動圧縮機２０１は、外側のケースで覆われている。ケースは、円筒状のフレーム２０２と上端側の上蓋３０３と下端側の下蓋２０４から構成される。フレーム２０２は密封の容器になっている。該フレーム２０２内には、永久磁石式回転電機１と、スクロール圧縮機なる圧縮要素２０６が収納されている。
圧縮要素２０６は、固定スクロール部材２０７の端板２０８に直立する渦巻状ラップ２０９と、旋回スクロール部材２１０の端板２１１に直立する渦巻状ラップ２１２とを噛み合わせて形成し、旋回スクロール部材２１０をクランク回転軸２１３によって旋回運動させることによって圧縮動作を行う。

固定スクロール部材２０７及び旋回スクロール部材２１０によって形成される圧縮室２１４（２１４ａ、２１４ｂ、…）のうち、最も外径側に位置している圧縮室は、旋回運動に伴い両スクロール部材２０７、２１０の中心に向かって移動し、容積が次第に縮小する。圧縮室２１４ａ、２１４ｂが両スクロール部材２０７、２１０の中心近傍に達すると、両圧縮室２１４内の吸入パイプ２１５からの圧縮ガスは、圧縮室２１４と連通した吐出口２１６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２０７及び固定部材２１７に設けられたガス通路（図示せず）を通って固定部材２１７下部のフレーム２０２内に至り、フレーム２０２の側壁に設けられた吐出パイプ２１８から電動圧縮機２０１外に排出される。

また、電動圧縮機２０１を構成する永久磁石式回転電機１は、別置のインバータ（図示せず）によって制御され、圧縮動作に適した回転速度で回転する。ここで、永久磁石式回転電機１は固定子２と回転子３を備えて構成される。回転子３に設けられる回転軸２１３は、上側がクランク軸になっている。回転軸２１３の内部には、油孔２２１が形成され、回転軸２１３の回転によってフレーム２０２の下部にある油溜め部２２２の潤滑油が、油孔２２１を介して滑り軸受タイプの上側軸受部２２３、ボール軸受タイプの下側軸受部２４に供給される。２２５は、インバータからの電力を永久磁石式回転電機１に供給するターミナル、２２６は台座である。

図６は、電動圧縮機と１８０度インバータの結線図を示したものである。
図６において、電動圧縮機２０１は、３相電源３０１の電力を、１８０度インバータ４０１を介して供給される。１８０度インバータ４０１は、位置センサレス式の電圧型インバータであり、整流回路４０２、平滑回路４０３、制御素子４０４、制御回路４０５から構成され、制御回路４０５内のマイクロコンピュータでベクトル演算を行い、１８０度インバータ駆動式の永久磁石式回転電機１の磁極位置をセンサレスで検出し、指令に従い所定の回転速度で運転する。

図７は、電動圧縮機２０１を１８０度インバータ４０１で過負荷運転した場合の騒音レベルと１８０度インバータの過電流トリップの有無を表したものである。○は有りの場合、×は無しの場合である。騒音測定は、マイクを１８０度インバータ駆動式の永久磁石式回転電機１の軸方向中央部の位置で径方向に１ｍ離した位置に置いて測定し、評価は従来と同等の場合を○と判定した。パラメータは、Ｄ２＋（Ｄ１−Ｄ２）／ＸにおけるＸの値を変えた場合の数値を示したもので、４．３〜５．０まで変化させた。なお、４．６２の値が図１から図３に示す１８０度インバータ駆動式の永久磁石式回転電機の場合である。

図７に示すように、騒音レベルは、Ｄ２＋（Ｄ１−Ｄ２）／Ｘが４．３のとき、×の判定とし、それ以上の値では○と判定した。これに対し、１８０度インバータの過電流トリップは、Ｄ２＋（Ｄ１−Ｄ２）／Ｘの値が４．８以上の場合に判定は×となり、それ以下では○となった。すなわち、Ｄ２＋（Ｄ１−Ｄ２）／Ｘの値が４．４６（Ｘ＝５）から４．７（Ｘ＝３）の範囲で騒音レベル、過電流トリップとも○となる。過電流トリップについては、１８０度インバータの制御素子の電流容量を上げれば問題はなくなるが、こうするとコストアップにつながり、本発明のように磁極片の最大外径Ｄ３を、Ｄ２＋（Ｄ１−Ｄ２）／５≦Ｄ３≦Ｄ２＋（Ｄ１−Ｄ２）／３の関係とすることにより、制御素子の電流容量を上げずに過負荷耐量を大きくすることができる。

上記本発明の実施例によれば、１８０度インバータ駆動式の永久磁石式回転電機において、磁極片の最大外径Ｄ３を、Ｄ２＋（Ｄ１−Ｄ２）／５≦Ｄ３≦Ｄ２＋（Ｄ１−Ｄ２）／３を満たす関係とすることにより、電流のピーク値がカットされ、制御素子の電流容量を上げずに過負荷耐量を大きくすることが可能となる。騒音レベルの増大も抑えられる。

本発明の実施例としての永久磁石式回転電機の径方向断面図である。 図１の永久磁石式回転電機の固定子の径方向断面図である。 図１の永久磁石式回転電機の回転子の構成図である。 本発明によるモータ電流の電流波形とひずみ率の特性結果例を示す図である。 本発明に係る電動圧縮機の構成例を示す図である。 本発明に係る電動圧縮機と１８０度インバータの結線図である。 騒音レベルと過電流トリップの有無を示す図である。

符号の説明

１…永久磁石式回転電機、
２…固定子、
３…回転子、
４…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、
９…シャフト孔、
１０…回転子鉄心、
１１…永久磁石挿入孔、
１２…ネオジウム永久磁石、
１３…磁極鉄心、
１４…磁極片、
１５…ダブルＶ字カット、
２０１…電動圧縮機、
２０２…フレーム、
２０６…圧縮要素、
２０７…固定スクロール部材、
２０９、２１２…渦巻状ラップ、
２１０…旋回スクロール部材、
２１４…圧縮室、
２１５…吸入パイプ、
２１６…吐出口、
３０１…３相電源、
４０１…１８０度インバータ、
４０２…整流回路、
４０３…平滑回路、
４０４…制御素子、
４０５…制御回路。

Claims (6)

1. 固定子鉄心に複数のスロットが形成され、該スロット間のティースに集中巻の電機子巻線が巻かれた固定子と、回転子鉄心中に複数の永久磁石を配した回転子とを有して成り、前記電機子巻線に駆動電流が電気角１８０度で通電される方式の永久磁石式回転電機であって、
   前記固定子鉄心のスロットの外径をＤ１、該固定子鉄心の内径をＤ２、該固定子鉄心のティースから両サイドに延びる磁極片の最大外径をＤ３とするとき、Ｄ２＋（Ｄ１−Ｄ２）／５≦Ｄ３≦Ｄ２＋（Ｄ１−Ｄ２）／３の関係にあることを特徴とする永久磁石式回転電機。
2. 固定子鉄心に複数のスロットが形成され、該スロット間のティースに集中巻の電機子巻線が巻かれた固定子と、回転子鉄心中に複数の永久磁石を配した回転子とを有して成り、前記電機子巻線に駆動電流が電気角１８０度で通電される方式の永久磁石式回転電機であって、
   前記スロットの外径をＤ１、前記固定子鉄心の内径をＤ２、前記ティースから両サイドに延びる磁極片の最大外径をＤ３とするとき、Ｄ２＋（Ｄ１−Ｄ２）／５≦Ｄ３≦Ｄ２＋（Ｄ１−Ｄ２）／３の関係にあり、かつ、前記永久磁石の外周側に開度が電気角で約１２０度の磁極鉄心が配され、該永久磁石間に位置する前記回転子鉄心の一部がカットされている構成を特徴とする永久磁石式回転電機。
3. 固定子鉄心に複数のスロットが形成され、該スロット間のティースに集中巻の電機子巻線が巻かれた固定子と、回転子鉄心中に複数の永久磁石を配した回転子とを有して成り、１８０度インバータから駆動電流が前記電機子巻線に対し電気角１８０度で通電される方式の永久磁石式回転電機であって、
   前記スロットの外径をＤ１、前記固定子鉄心の内径をＤ２、前記ティースから両サイドに延びる磁極片の最大外径をＤ３とするとき、Ｄ２＋（Ｄ１−Ｄ２）／５≦Ｄ３≦Ｄ２＋（Ｄ１−Ｄ２）／３の関係にあり、かつ、前記永久磁石の外周側に開度が電気角で約１２０度の磁極鉄心が配され、該永久磁石間に位置する前記回転子鉄心の一部がカットされ、前記１８０度インバータから電機子巻線にピークカット波形の駆動電流が供給される構成を特徴とする永久磁石式回転電機。
4. 請求項３に記載の永久磁石式回転電機であって、前記１８０度インバータから供給される電流をピークカット波形とし、かつ電流波形のひずみ率を約６％としたことを特徴とする永久磁石式回転電機。
5. 請求項１から４のいずれかに記載の永久磁石式回転電機であって、前記永久磁石間に位置する前記回転子鉄心の一部がダブルＶ字形状にカットされた構成を特徴とする永久磁石式回転電機。
6. 請求項１から５のいずれかに記載の永久磁石式回転電機を搭載して成ることを特徴とする圧縮機。

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