JP2006353100A

JP2006353100A - 空気調和機

Info

Publication number: JP2006353100A
Application number: JP2006242699A
Authority: JP
Inventors: Koki Yamamoto; 弘毅山本; Haruo Oharagi; 春雄小原木; Manabu Sasaki; 学佐々木; Miyoshi Takahashi; 身佳高橋; Keiji Noma; 啓二野間; Kazuo Sato; 和雄佐藤; Masaharu Senoo; 正治妹尾
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2006-09-07
Filing date: 2006-09-07
Publication date: 2006-12-28

Abstract

【課題】永久磁石式同期電動機のティースに集中巻を施した固定子と磁石あるいは磁石の形状とを発生損失との関係で最適化し、電動機効率向上及び空気調和機の運転効率を向上する。
【解決手段】固定子鉄心４の複数のティース６に集中巻を施した固定子２と、回転子鉄心８の内部に回転軸に垂直な断面形状が１極当たり外方に拡開した略Ｖ字形状の希土類磁石１０を４極分有する回転子３とを備え、固定子鉄心４の複数のティース６間に形成されるスロット開口部１２の幅Ｗ１と、希土類磁石１０の最外径内側の回転軸心からの磁石軸心開度θ１の比Ｗ１／θ１は、最小値２．４／１１９＝０．０２０１から最大値３．４／１１１＝０．０３０６の範囲に設定し、回転子３に希土類磁石１０を収容する複数の磁石スロット９を希土類磁石毎に設け、磁石スロット９の１対の回転軸側の磁石スロット間の最少幅を０．５ｍｍから１．０ｍｍに構成したルームエアコン用空気調和機である。
【選択図】図１

Description

本発明は、空気調和機に係り、永久磁石式同期電動機を用いた空気調和機に好適なものである。

従来のブラシレスＤＣモータとしては、特開平９−２９８８５２号公報に示されているように、固定子とこの内側にエアギャップを介して対向配置させた回転子よりなるブラシレスＤＣモータにおいて、十分な固定子磁束を得ることによって効率良くトルクを発生させ、モータ効率を向上させるために、固定子鉄心に３相コイルを巻装して固定子を構成し、回転子鉄心の内部に回転軸４に垂直な断面形状が各極において略Ｖ字形または略Ｕ字形をなすように埋め込んだ磁石によって界磁を構成するとともに、各極を構成する前記磁石のＶ字形またはＵ字形の回転軸心からの開角を電気角１２０゜以上として回転子を構成し、固定子のコイルに３相センサレス通電を行うものがある。

しかし、係る従来のブラシレスＤＣモータは、固定子の形態に言及されておらず、ティースに集中巻を施した固定子と磁石あるいは磁石の形状とを発生損失との関係で最適化し、電動機効率の向上を図る点については記載されていなかった。

本発明の目的は、ティースに集中巻を施した固定子と磁石あるいは磁石の形状とを発生損失との関係で最適化し、電動機効率向上が図れる永久磁石式同期電動機及びこれを用いて運転効率の向上が図れる空気調和機を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明の第１の特徴は、固定子鉄心の複数のティースに集中巻を施した固定子と、回転子鉄心の内部に回転軸に垂直な断面形状が１極当たり外方に拡開した形状の希土類磁石を有する回転子とを備え、前記希土類磁石の最外径内側の回転軸心からの磁石軸心開度を電気角で１１１度から１１９度に構成すると共に、前記固定子鉄心の複数の前記ティース間に形成されるスロット開口部の幅を２．４ｍｍから３．４ｍｍに構成したことにある。

本発明の第２の特徴は、前記希土類磁石の最外径内側の回転軸心からの磁石軸心開度を電気角で１１１度から１１５度に構成すると共に、前記固定子鉄心の複数の前記ティース間に形成されるスロット開口部の幅を１．４ｍｍから３．４ｍｍ以下に構成したことにある。

本発明の第３の特徴は、前記固定子鉄心の複数の前記ティース間に形成されるスロット開口部の幅と前記希土類磁石の磁石軸心開度の比を０．０２０１から０．０３０６に構成したことにある。

本発明の第４の特徴は、前記希土類磁石の最外径内側の回転軸心からの磁石軸心開度を電気角で１１１度から１１９度に構成すると共に、前記希土類磁石を収容するための複数の磁石スロットを希土類磁石毎に設け、前記磁石スロットの１対の前記回転軸側の磁石スロット間の最小幅を０．５ｍｍから１．０ｍｍに構成したことにある。

本発明の第５の特徴は、前記希土類磁石の最外径内側の回転軸心からの磁石軸心開度を電気角で１１１度から１１９度に構成すると共に、前記希土類磁石を収容するための複数の磁石スロットを希土類磁石毎に設け、前記磁石スロットの１対の前記回転軸側の磁石スロット間の鉄心部に空間部を設けたことにある。

本発明の第６の特徴は、圧縮機、室内熱交換器、膨張弁及び室外熱交換器を順次連結して成る冷凍サイクルと、前記室内熱交換器の熱交換を促進する室内送風機用電動機と、前記室外熱交換器の熱交換を促進する室外送風機用電動機とを備え、前記圧縮機を駆動する電動機として永久磁石式同期電動機を用い、この永久磁石式同期電動機は、固定子鉄心の複数のティースに集中巻を施した固定子と、回転子鉄心の内部に回転軸に垂直な断面形状が１極当たり外方に拡開した形状の希土類磁石を有する回転子とを有し、前記希土類磁石の最外径内側の回転軸心からの磁石軸心開度を電気角で１１１度から１１９度に構成すると共に、前記固定子鉄心の複数の前記ティース間に形成されるスロット開口部の幅を２．４ｍｍから３．４ｍｍに構成したことにある。

本発明によれば、ティースに集中巻を施した固定子と磁石あるいは磁石の形状とを発生損失との関係で最適化し、電動機効率向上が図れる永久磁石式同期電動機及び運転効率の向上が図れる空気調和機を提供することができる。

以下、本発明の第１実施例について図１〜図２を用いて説明する。図１は本発明の第１実施例に係る永久磁石式同期電動機の径方向断面図である。なお、第２実施例以降の実施例においては第１実施例と重複する説明を省略する。各実施例の図における同一符号は同一物又は相当物を示す。

図１において、永久磁石式同期電動機１は、固定子２と回転子３とから構成される。固定子２は固定子鉄心４と集中巻の固定子巻線５とから構成され、固定子巻線５はティース６を囲むように、ティース６間のスロット７中に巻装されている。回転子３は、回転子鉄心８と、回転子鉄心８中に形成された磁石スロット９と、磁石スロット９中に挿入配置された希土類磁石１０と、シャフト１１とから構成され、回転子軸心をＰで表わしている。また、固定子２のティース６間には幅Ｗ１のスロット開口部１２を設け、４極６スロットで表わしている。回転子３に配置した希土類磁石１０は４極の外方に拡開する略Ｖ字形状とし、それぞれの磁石スロット９内に収めている。それぞれの磁石スロット９間にはスロット間鉄心１３が存在し、最小幅をＷ２とする。そして、１極分の磁石スロット９の回転子外周側角部と回転子軸心Ｐを結んだ線間を磁石軸心開度と称し、その磁石軸心開度をθ１とするとともに、１極分の磁石スロット９の回転子外周側を結んだ線間を磁石開度と称し、その磁石開度をθ２とする。

永久磁石式同期電動機の特性は、トルクメータと負荷装置を介し、ワットメータを用いて電動機入力を測定し、負荷装置で電動機出力を吸収した時のトルクメータの値から電動機出力が測定できる。この電動機出力から電動機出力を差し引いたものが発生損失となる。この発生損失を分離すると、通常の銅損、鉄損および機械損の他、不明な損失が抽出される。この不明な損失を一般に漂遊損と称している。しかし、この漂遊損の値が銅損並みに大きいことが実験により判明した。したがって、この漂遊損を低減することが電動機効率を向上する上で重要である。

そこで、本発明においては、１磁極当たりの略Ｖ字形または略Ｕ字形の外方に拡開している希土類磁石１０の回転軸心からの開角、すなわち磁石軸心開度θ１と固定子鉄心の複数のティース間に形成されるスロット７の開口部の幅Ｗ１とをパラメータに発生損失の分離を行い、漂遊損を抽出した。

図２は図１の永久磁石式同期電動機の磁石軸心開度と漂遊損の関係を示した図である。この図２の縦軸は、磁石軸心開度θ１が最小の１０７度でスロット開口部の幅Ｗ１が２．４ｍｍと、磁石軸心開度θ１が最大の１２３度でスロット開口部の幅Ｗ１が３．４ｍｍとで漂遊損が最小値を示す２点近傍を基準値とし、磁石軸心開度θ１とスロット開口部の幅Ｗ１をパラメータにとったときの漂遊損の測定値を同基準値に対する比に換算して示したものである。

この図２から明らかなように、各磁石軸心開度θ１に対し、それぞれの漂遊損比にはスロット開口部の幅Ｗ１に対する最小値があることがわかる。図２において、各漂遊損比の最小値はスロット開口部の幅Ｗ１が２．４ｍｍから３．４ｍｍの範囲に存在するが、それらの最小値が全て最小基準値未満であるのは、磁石軸心開度θ１が１１１度から１１９度の範囲である。すなわち、漂遊損比が基準値未満の電動機とするためには、スロット開口部の幅Ｗ１が２．４ｍｍから３．４ｍｍ、磁石軸心開度θ１が１１１度から１１９度の範囲に設定する必要がある。この図２より明らかなように、スロット開口部の幅Ｗ１と磁石の磁石軸心開度θ１の比は、前記範囲内からスロット開口部の幅Ｗ１と磁石軸心開度θ１の任意の組み合わせを選ぶことができるので、最小値２．４／１１９＝０．０２０１から最大値３．４／１１１＝０．０３０６の範囲に設定する必要があることが確認できる。

また、磁石軸心開度θ１が１１１度から１１５度の範囲では、スロット開口部の幅Ｗ１が１．４ｍｍから３．４ｍｍの範囲において、磁石軸心開度θ１が１０７度及び１２３度の基準特性線より漂遊損が小さいことが確認できる。

さらには、磁石軸心開度θ１が１１１度から１１５度の範囲では、スロット開口部の幅Ｗ１が２．０ｍｍから３．４ｍｍの範囲において、最小基準値より漂遊損が小さいことが確認できる。

また、磁石軸心開度θ１が１１５度から１１９度の範囲では、スロット開口部の幅Ｗ１が２．４ｍｍから３．５ｍｍの範囲において、最小基準値より漂遊損が小さいことが確認できる。

さらには、磁石スロット９をそれぞれ個々の希土類磁石１０毎に設けているので、希土類磁石１０の配置位置を固定でき、電動機としての性能のバラツキを最小限に抑えることができる。

図１に示すスロット間鉄心１３の最小幅Ｗ２は、電動機性能より必要とされる磁石の形状と電磁鋼鈑の強度から決定され、０．５ｍｍから１．０ｍｍの範囲で構成されることにより、漏れ磁束量が低減でき、磁石の磁束を有効に利用することで電動機効率の向上を図ることができる。

前記実施例の他に、図示していないが、磁石開度θ２に対しても同様な磁石開度と漂遊損の関係がある。それによると、最適なスロット開口部の幅Ｗ１と磁石開度θ２としては、上述した磁石軸心開度θ１の結果と同様になることを確認している。しかしながら、磁石軸心開度θ１と磁石開度θ２については、完全に一致させることが無理な状態が存在することから、θ１とθ２の偏差を±２度以内に収めることで対応できる。

次に、本発明の第２実施例について図３を用いて説明する。図３は本発明の第２実施例に係る永久磁石式同期電動機の径方向断面図である。

この第２実施例が第１実施例と異なるのは、それぞれの磁石スロット９間にはスロット間鉄心１３が存在し、磁石スロット間鉄心１３に空間部１４を設けている点である。磁石スロット間鉄心１３に空間部１４を設け、スロット間鉄心１３の磁気抵抗を増大させることにより、第１実施例の回転子よりも、スロット間鉄心部における漏れ磁束量を低減でき、磁石の磁束が有効に利用されるので、より一層の電動機効率の向上を図ることができる。

次に、本発明の第３実施例について図４を用いて説明する。図４は本発明の第３実施例に係る永久磁石式同期電動機の径方向断面図である。

この第３実施例が第１実施例と異なるのは、希土類磁石１０を４極の回転子中心側に凸の略Ｕ字形状とし、それぞれの磁石スロット９内に収めることにより、第１実施例に示した回転子同様の作用及び効果を得ることができるとともに、希土類磁石の使用枚数を８枚から４枚に減らすことによりコスト低減が可能となるので、電動機のコスト低減を図ることができる。

なお、以上の各実施例では４極構造の電動機に関して説明したが、２極や６極等いかなる極数の電動機に対しても本発明は有効に寄与し得ることは勿論である。

次に、本発明の第４実施例について図５を用いて説明する。図５は本発明の第４実施例に係る空気調和機の冷凍サイクル系統図である。

この空気調和機は、圧縮機２１、室内熱交換器２２、室内膨張弁２４、室外熱交換器２５、アキュームレータ２７を順次連結して成る冷凍サイクルを形成し、室内機３０の熱交換を促進する室内送風機用電動機２３、室外機２９の熱交換を促進する室外送風機用電動機２６を有する。また、外気温度を検出する外気サーミスタ２８を有する。そして、圧縮機２１は、駆動する電動機として、上述した各実施例の永久磁石式同期電動機の何れかを用いたものである。

係る空気調和機によれば、上述した各実施例の永久磁石式同期電動機の何れかを用いたことにより、運転効率の向上を図ることができ、特に低速運転における運転効率を著しく向上することができる。

本発明の第１実施例に係る永久磁石式同期電動機の径方向断面図である。図１の永久磁石式同期電動機の磁石軸心開度と漂遊損の関係を示す特性図である。本発明の第２実施例に係る永久磁石式同期電動機の径方向断面図である。本発明の第３実施例に係る永久磁石式同期電動機の径方向断面図である。本発明の第４実施例に係る空気調和機の冷凍サイクル系統図である。

符号の説明

１…永久磁石式同期電動機、２…固定子、３…回転子、４…固定子鉄心、５…固定子巻線、６…ティース、７…スロット、８…回転子鉄心、９…磁石スロット、１０…希土類磁石、１１…シャフト、１２…スロット開口部、１３…スロット間鉄心、１４…空間部、２１…圧縮機、２２…室内熱交換器、２３…室内送風機用電動機、２４…室内膨張弁、２５…室外熱交換器、２６…室外送風機用電動機、２７…アキュームレータ、２９…室外機、３０…室内機。

Claims

圧縮機、室内熱交換器、膨張弁及び室外熱交換器を順次連結して成る冷凍サイクルと、前記室内熱交換器の熱交換を促進する室内送風機用電動機と、前記室外熱交換器の熱交換を促進する室外送風機用電動機とを備え、
前記圧縮機を駆動する電動機として永久磁石式同期電動機を用い、
この永久磁石式同期電動機は、固定子鉄心の複数のティースに集中巻を施した固定子と、回転子鉄心の内部に回転軸に垂直な断面形状が１極当たり外方に拡開した略Ｖ字形状の希土類磁石を４極分有する回転子とを有し、
前記固定子鉄心の複数の前記ティース間に形成されるスロット開口部の幅Ｗ１と、前記希土類磁石の最外径内側の回転軸心からの磁石軸心開度θ１の比Ｗ１／θ１は、最小値２．４／１１９＝０．０２０１から最大値３．４／１１１＝０．０３０６の範囲に設定し、
前記回転子に前記希土類磁石を収容するための複数の磁石スロットを希土類磁石毎に設け、前記磁石スロットの１対の前記回転軸側の磁石スロット間の最少幅を０．５ｍｍから１．０ｍｍに構成したことを特徴とするルームエアコン用空気調和機。