JP2007092631A - 電動圧縮機及び冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低回転数域での電動機の効率が低下させることなく、駆動可能な最大回転数を増大させ、能力可変幅を大きくする電動機を提供すること。
【解決手段】電動機２０と、回転軸４０が電動機２０の回転子２２に連結された圧縮機構部３０と、回転軸４０は、その軸心線方向に沿って所定の範囲で移動できるように支持する主軸受３２，副軸受３５と、回転軸４０が所定の範囲の一端側に移動した際に回転軸４０の下端面４０ａに接触するスラスト受部材７０と、低回転数領域において回転軸４０を浮上させ、固定子２１と回転子２２の軸心線方向のずれを減少させ、かつ、高回転数領域において回転軸４０を非浮上させ、固定子２１と回転子２２の軸心線方向のずれを増大させるとともに、回転軸４０の下端面４０ａをスラスト受部７０に接触させて運転させる制御部２４とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、電動圧縮機及びこの電動圧縮機を用いた冷凍サイクル装置に関し、低回転数域の効率向上と能力可変幅を増大させることができるものに関する。

冷凍サイクル装置等に用いられる電動圧縮機において、駆動可能な最大回転数を増大させ、能力可変幅を大きくするために、例えば、永久磁石の磁束量を小さくする、あるいは固定子巻線の巻数を少なくして逆起電力を小さくすることが行われている。また、弱め界磁制御を行って駆動する方法がある。

これは固定子に流す電流の位相を通常より進める駆動方法で、固定子巻線による電機子反作用磁束で永久磁石の磁束の一部を打ち消して逆起電力を小さくすること等により、同一のインバータ出力電圧の下で高い回転数まで駆動するものである。

一方、回転子に、遠心力で法線方向に移動可能な磁性部材を具備し、高回転時には当該磁性部材が外周方向に移動し、永久磁石の磁束を短絡し、固定子巻線に鎖交する磁束を減少させて逆起電力を小さくし、高い回転数まで駆動できるようにするものがある（例えば、特許文献１参照）。また、起動時と停止時を除く運転期間中、シャフト偏心部の両端面を、上部軸受、下部軸受に対し、非接触となるようにしたロータリ圧縮機が知られている（例えば、特許文献２参照）。
特開平１１−２７５７８９号公報 特開平１０−１５９７７１号公報

上述した電動圧縮機では、次のような問題があった。すなわち、永久磁石の磁束量を小さくすると同一負荷における巻線電流の増大を招き、固定子巻線の銅損が増大して電動機の効率が低下する。これは特に運転頻度の高い低回転数域で顕著となり、機器の年間消費電力量を増大させるという問題があった。

また、永久磁石の磁束量を小さくする、あるいは固定子巻線の巻数を少なくすると同一負荷における巻線電流の増大を招き、インバータのスイッチ素子の損失が増大し、インバータの効率が低下するとともに、素子の発熱が大きくなり、信頼性が低下する。また、素子の定格電流容量の大きなものが必要となり、コストが高くなるという問題があった。

さらに、弱め界磁制御による最大回転数の増大は効果が限定的であり、大幅な増大は望みにくいという問題があった。また、巻線鎖交磁束の減少以上にトルクが小さくなる場合があり、鉄損の減少よりも電流の増大による銅損増大がより大きくなり、電動機の効率が低下する。また、位相の進みを大きくすると負荷の急変などによって脱調する可能性が高くなり、駆動系が不安定となりやすいという問題があった。

機構によって固定子巻線に鎖交する磁束を減少させることは、回転子の構造が複雑となり、コストが高くなる。また、磁性部材による永久磁石磁束の短絡が起こる回転数がスプリングと磁性部材によって一義的に定まり、自由に変更することが困難である。

さらに、磁性部材が摩擦によってスムーズに動かず、磁性部材による永久磁石磁束の短絡が起こる回転数が設定から外れる危険性もある。

そこで本発明は、低回転数域での電動機の効率が低下させることなく、高回転数域での巻線鎖交磁束を減少させて逆起電力を小さくし、駆動可能な最大回転数を増大させ、能力可変幅を大きくできる電動圧縮機及び冷凍サイクル装置を提供することを目的としている。

前記課題を解決し目的を達成するために、本発明の電動圧縮機及び冷凍サイクルは次のように構成されている。

密閉ケースと、この密閉ケース内に収容され、インバータ駆動される永久磁石電動機と、上記密閉ケース内に収容され、その回転軸が上記永久磁石電動機の回転子に連結されたロータリ式の圧縮機構部と、上記回転軸を、その軸心線方向に沿って所定の範囲で移動できるように支持する支持部材と、上記回転軸が上記所定の範囲の一端側に移動した際に上記回転軸の端面に接触するスラスト受部材と、所定の切替回転数以下の運転回転領域において上記回転軸を上記所定の範囲の他端側に移動し、上記固定子と上記回転子の軸心線方向のずれを減少させ、かつ、所定の切替回転数よりも高い運転回転数領域において上記回転軸を上記所定の範囲の一端側に移動し、上記固定子と上記回転子の軸心線方向のずれを増大させるとともに、上記回転軸を上記スラスト受部に接触させて運転させる制御部とを備えていることを特徴とする。

冷媒を圧縮するための上記電動圧縮機と、この電動圧縮機で圧縮された冷媒を凝縮液化する凝縮器と、この凝縮器で凝縮液化された冷媒を断熱膨張する膨張装置と、この膨張装置で断熱膨張された冷媒によって蒸発潜熱を奪い上記電動圧縮機に戻す蒸発器とを備えていることを特徴とする。

本発明によれば、低回転数域での電動機の効率が低下させることなく、高回転数域での巻線鎖交磁束を減少させて逆起電力を小さくし、駆動可能な最大回転数を増大させ、能力可変幅を大きくすることが可能となる。

図１は本発明の第１の実施の形態に係る２シリンダ・ロータリ形の電動圧縮機１０の縦断面及びこの電動圧縮機１０を有する冷凍サイクル装置Ｒの構成を示す図である。冷凍サイクル装置Ｒは、電動圧縮機１０と、凝縮器１００と、膨張装置１１０と、蒸発器１２０、アキュムレータ１３０とを備えている。

電動圧縮機１０は、密閉ケース１１を備えている。密閉ケース１１の上部側には電動機２０が収容され、下部側には圧縮機構部３０が収容されている。電動機部２０と圧縮機構部３０とは回転軸４０を介して連結されている。

電動機部２０は、密閉ケース１１の内面に固定される固定子２１と、この固定子２１の内側に所定の間隙を存して配置され、かつ、回転軸４０が介挿される回転子２２とを備えている。電動機部２０は、運転周波数を可変するインバータ２３に接続されるとともに、インバータ２３を介して、このインバータ２３を制御する制御部２４に電気的に接続される。

図１及び図２に示すように、圧縮機構部３０は、回転軸４０の下部に、中間仕切板３１を介して上下に配設されるシリンダ５０，６０を備えている。シリンダ５０の上面部には主軸受３２が重ね合わされ、バルブカバー３３とともに取付けボルト３４を介してシリンダ５０に取付固定される。シリンダ６０の下面部には副軸受３５が重ね合わされ、バルブカバー３６とともに取付けボルト３７を介してシリンダ５０に取付固定される。

一方、回転軸４０は、中途部と下端部が主軸受（支持部材）３２と副軸受（支持部材）３５に回転自在、かつ、軸心線方向にスライド自在に枢支される。なお、回転軸４０の下端面４０ａに対向してスラスト受部７０が配置されている。

さらに、回転軸４０は各シリンダ５０，６０内部を貫通するとともに、略１８０°の位相差をもって形成される２つの偏心部４１，４２を一体に備えている。各偏心部４１，４２は互いに同一直径をなし、各シリンダ５０，６０内径部に位置するよう組み立てられる。各偏心部４１，４２の周面には、互いに同一直径をなす偏心ローラ４３，４４が嵌合される。

シリンダ５０とシリンダ６０は、中間仕切板３１と主軸受３２及び副軸受３５で上下面が区画され、それぞれの内部にシリンダ室５１，６１が形成される。各シリンダ室５１，６１は互いに同一直径及び高さ寸法に形成され、各シリンダ室５１，６１に偏心ローラ４３，４４がそれぞれ偏心回転自在に収容される。

各偏心ローラ４３，４４の高さ寸法は、各シリンダ室５１，６１の高さ寸法と略同一に形成される。したがって、偏心ローラ４３，４４は互いに１８０°の位相差があるが、シリンダ室５１，６１で偏心回転することにより、シリンダ室において同一の排除容積に設定される。各シリンダ５０，６０には、ブレード５３，６３がシリンダ室５１，６１に対して突没自在に収容される。なお、図２中５４，６４は、ブレード５３，６３の先端を偏心ローラ４３，４４に付勢された状態で接触させるための圧縮ばねである。これにより、偏心ローラ４３，４４がシリンダ室５１，６１の内周壁に沿って偏心回転したとき、ブレード５３，６３は往復運動することとなる。また、回転軸４０が軸心線方向に所定の範囲で移動できるように、各偏心部４１、４２の高さ寸法は各シリンダ５０、６０の高さ寸法よりも小さく形成されている。

密閉ケース１１の上端部には、吐出管１２が接続される。この吐出管１２は、凝縮器１００と、膨張装置１１０及び蒸発器１２０を介してアキュームレータ１３０に接続される。このアキュームレータ１３０底部には、電動圧縮機１０に対する吸込み管１３，１４が接続される。一方の吸込み管１３は密閉ケース１１とシリンダ５０側部を貫通し、シリンダ室５１内に直接連通する。他方の吸込み管１４は密閉ケース１１を介してシリンダ６０側部を貫通し、シリンダ室６１内に直接連通する。

このように構成された２シリンダ・ロータリ形の電動圧縮機１０を備えた冷凍サイクル装置Ｒは、次のように動作する。すなわち、制御部２４は、インバータ２３を介して電動機部２０に運転信号を送る。通電された電動機部２０により、回転軸４０が回転駆動され、偏心ローラ４３，４４は各シリンダ室５１，６１内で偏心回転を行う。なお、運転信号の詳細については後述する。

シリンダ５０においては、ブレード５３がばね部材５４によって常に弾性的に押圧付勢されるところから、ブレード５３の先端縁が偏心ローラ４３周壁に摺接してシリンダ室５１内を吸込み室と圧縮室に二分する。冷媒ガスはアキュームレータ１３０から吸込管１３を介してシリンダ室５１に吸込まれ充満する。

偏心ローラ４３の偏心回転にともなって、偏心ローラのシリンダ室５１内周面に対する転接位置が移動し、シリンダ室５１の区画された圧縮室の容積が減少する。すなわち、先にシリンダ室５１に導かれた冷媒ガスが徐々に圧縮される。回転軸４０が継続して回転され、シリンダ室５１の圧縮室の容量がさらに減少してガスが圧縮され、所定圧まで上昇したところで図示しない吐出弁が開放する。高圧の冷媒ガスはバルブカバー３３を介して密閉ケース１１内に吐出され充満する。そして、密閉ケース上部の吐出管１２から吐出される。

一方、蒸発器１２０で蒸発しアキュームレータ１３０で気液分離された低圧の冷媒ガスがシリンダ室６１に導かれる。同様にして、冷媒ガスは圧縮されて高圧となり、バルブカバー３６を介して密閉ケース１１内に吐出され充満する。そして、密閉ケース１１上部の吐出管１２から吐出される。

このようにして、電動圧縮機１０においては、シリンダ室５１とシリンダ室６１との両方で圧縮作用がなされて運転が行われることになる。密閉ケース１１から吐出管１２を介して吐出される高圧の冷媒ガスは、凝縮器１００に導かれて凝縮液化し、膨張装置１１０で断熱膨張し、蒸発器１２０で熱交換空気から蒸発潜熱を奪って冷房作用をなす。そして、蒸発したあとの冷媒はアキュームレータ１３０に導かれて気液分離され、再び各吸込み管１３，１４から電動圧縮機１０の圧縮機構部３０に吸込まれて上述の経路を循環する。

次に、所定の切替回転数以下の低回転域における運転信号と、所定の切替回転数以上の高回転域における運転信号との違いについて説明する。なお、運転停止時及び開始当初は、図３に示すように、電動機部２０の固定子２１の基準位置Ｋ１と、回転子２２の基準位置Ｋ２との位置ズレωは小さく保たれている。図４に示すように、軸方向推力は永久磁石による磁束量と軸方向変位の増大に伴って大きくなる。ここで、交流電流の位相を変化させることで、固定子２１の基準位置Ｋ１と、回転子２２の基準位置Ｋ２との位置ズレωを調整することができる。なお、図４中αは最も位相が遅れた駆動条件、δは最も位相が進んだ駆動条件を示している。

低回転域では、インバータ２３から電動機部２０の固定子２１に送られる交流電流は、位相が遅れた駆動条件α又はβで送られる。この条件下では、軸方向推力と回転系重力との釣り合う位置が軸方向変位Ｄａ，Ｄｂにて運転される。このため、図３に示すように、電動機部２０の固定子２１の基準位置Ｋ１と、回転子２２の基準位置Ｋ２との位置ズレωは小さく保たれる。したがって、回転子２２内部の永久磁石の磁束の減少は微小であり、効率低下を招かない。また、回転軸４０は浮上状態であり、回転軸４０の下端面４０ａが接触しておらず、端面摺動による損失が無くなって圧縮効率が向上する。運転頻度の高い低回転数域においてこの状態を維持するため、機器の年間消費電力量を減少させる効果が大きくなる。

これに対し、高回転域では、インバータ２３から電動機部２０の固定子２１に送られる交流電流は、位相が進んだ駆動条件δで送られる。この条件下では、軸方向推力が減少して、電動機部２０の固定子２１の基準位置Ｋ１と、回転子２２の基準位置Ｋ２との変位は大きくなる。このため、図２に示すように、回転軸４０は非浮上状態となり、回転軸４０の下端面４０ａとスラスト受部７０とが接触し、摺動しながら回転することとなる。同時に、固定子２１からはみ出した部分から出る回転子２２の磁束はエアギャップではなく、空間を渡ることになり（図７参照）、磁気抵抗が大きくなって磁束が大幅に減少する。この結果、固定子巻線に鎖交する磁束が少なくなり、逆起電力が小さくなって同一のインバータ出力電圧の下で高い回転数まで駆動することが可能となる。

したがって、逆起電力が減少し、電流の位相を進ませることとの相乗効果により回転数を大幅に高めることができる。

なお、回転軸４０を摺動させる部材はスラスト受部７０に限らず、中間仕切板３１、副軸受３５等に摺動させるようにしてもよい。例えば、偏心部４１の下端面を中間仕切板３１と摺動させるようにしても良いし、偏心部４２の下端面を副軸受３５と摺動させるようにしても良い。

なお、切替回転数はヒステリシス幅を持たせる、すなわち、回転数の上昇時と下降時とで異なる値とすることで、境界付近の回転数域における頻繁な遷移を防止することができる。また、切替回転数は、空調機の暖房や冷房等の運転条件によって変更してもよい。

なお、駆動条件γでは、釣り合いの軸方向変位が軸端突き当たり位置のＤ０に近くなり、１回転中の電流変動等によって軸方向推力が変動し、回転軸４０の下端面４０ａの接触と非接触を繰り返して異常音が発生する等の問題があるため、駆動条件γとならないように回避する必要がある。

上述したように、第１の実施の形態に係る電動圧縮機１０によれば、所定最大回転数を得る場合において、磁束量あるいは固定子巻線の巻数を大きくすることができ、モータ及びインバータの効率を向上させることができる。

また、運転頻度の高い低回転数域では、磁束量を多くして運転することにより電動機及びインバータの効率が向上し、また軸端の摺動損が無くなるため圧縮機の効率も向上する。これによって、機器の消費電力量を低減できる。

一方、高回転数域では永久磁石による磁束が減少して鉄損が減少し、特に軽負荷時において効率が向上する。

電流の位相を進ませることとの相乗効果により最大回転数を大幅に高めることができる。または、電流を進ませる量を少なくでき、高回転時の効率低下や駆動不安定を防止できる。

図５及び図６は、上述した回転子２２の変形例に係る回転子８０を示す図である。すなわち、回転子８０は、磁極鉄心８１の内部に永久磁石８２が配置されている。また、磁極鉄心８１が固定子２１と位置ズレを起こした場合にはみ出す部分の近傍に非磁性部材８３が設けられている。

このように構成されていると、図７に示すように、はみ出す部分の永久磁石８２の磁束φは、非磁性部材８３に遮られて、固定子２１に向かうことを防止できる。このため、磁気抵抗の増大を図ることができ、効果を大きくすることができる。

なお、図８に示すように、非磁性部材８３が設けられていないと、回転子８０が固定子２１から位置ズレを生じても、永久磁石８２の磁束φが磁極鉄心８１を通って固定子２１に向かうため、上述したような磁気抵抗の増大は少なく、磁束の減少が少なくなるため、効果が小さくなる。

図９及び図１０は、同様の効果を実現するための回転子９０の例を示す斜視図である。図９に示す回転子９０は、磁極鉄心９１の外周に断面円弧状の永久磁石９２を配置するようにした。また、図１０に示す回転子９５は、磁極鉄心９６の外周部近傍に永久磁石９７を配置するようにした。

これらの回転子９０，９５においては、永久磁石９２，９７が外周部近傍に位置しているため、磁束が磁極鉄心９１，９６を通って固定子２１に向かうことがなく、上述した回転子８０と同様の効果を得ることができる。

図１１は、上述した回転子８０の変形例を示す図である。本変形例では、永久磁石８２の近傍の非磁性部材８３の厚さを小さくすることにより、非磁性部材８３の挿入による磁束量の減少を低減でき、電動機特性の低下を防止できる。

図１２は、上述した回転子８０の変形例を示す図である。本変形例では、非磁性部材８３に打ち抜き孔８３ａを設けることにより、圧縮機構部３０に対するバランサとすることができる。

図１３は、上述した回転子８０の変形例を示す図である。本変形例では、非磁性部材８３を設ける代わりに、その部分の磁極鉄心８１の外周側に凹部８１ａを設けたものである。凹部８１ａであるため、永久磁石８２からの磁束が固定子２１へ伝わらず、同様の効果を得ることができるとともに、余分な部材を必要としない。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明の一実施の形態に係る電動圧縮機を有する冷凍サイクル装置を示す図。 同電動圧縮機における低回転数域における状態を示す要部断面図。 同電動圧縮機における高回転数域における状態を示す要部断面図。 同電動圧縮機における制御方法を示す説明図。 同電動圧縮機に組み込まれた回転子の変形例を示す説明図。 同電動圧縮機に組み込まれた回転子の変形例を示す説明図。 同回転子の動作原理を示す説明図。 同回転子の比較例における動作原理を示す説明図。 同電動圧縮機に組み込まれた回転子の変形例を示す斜視図。 同電動圧縮機に組み込まれた回転子の変形例を示す斜視図。 同電動圧縮機に組み込まれた回転子の変形例を示す説明図。 同電動圧縮機に組み込まれた回転子の変形例を示す説明図。 同電動圧縮機に組み込まれた回転子の変形例を示す説明図。

符号の説明

１０…電動圧縮機、２０…電動機、２１…固定子、２２…回転子、２４…制御部、３０…圧縮機構部、３２…主軸受、３５…副軸受、４０…回転軸、下端面４０ａ、７０…スラスト受部材。

Claims (4)

1. 密閉ケースと、
   この密閉ケース内に収容され、インバータ駆動される永久磁石電動機と、
   上記密閉ケース内に収容され、その回転軸が上記永久磁石電動機の回転子に連結されたロータリ式の圧縮機構部と、
   上記回転軸を、その軸心線方向に沿って所定の範囲で移動できるように支持する支持部材と、
   上記回転軸が上記所定の範囲の一端側に移動した際に上記回転軸の端面に接触するスラスト受部材と、
   所定の切替回転数以下の運転回転領域において上記回転軸を上記所定の範囲の他端側に移動し、上記固定子と上記回転子の軸心線方向のずれを減少させ、かつ、所定の切替回転数よりも高い運転回転数領域において上記回転軸を上記所定の範囲の一端側に移動し、上記固定子と上記回転子の軸心線方向のずれを増大させるとともに、上記回転軸を上記スラスト受部材に接触させて運転させる制御部とを備えていることを特徴とする電動圧縮機。
2. 上記所定の回転数よりも高い運転回数領域では、上記固定子に流す電流の位相を進めることを特徴とする請求項１に記載の電動圧縮機。
3. 上記切替回転数は、上記回転数の上昇時と下降時とで異なるものであることを特徴とする請求項１に記載の電動圧縮機。
4. 冷媒を圧縮するための請求項１〜請求項３いずれかに記載された電動圧縮機と、
   この電動圧縮機で圧縮された冷媒を凝縮液化する凝縮器と、
   この凝縮器で凝縮液化された冷媒を断熱膨張する膨張装置と、
   この膨張装置で断熱膨張された冷媒によって蒸発潜熱を奪い上記電動圧縮機に戻す蒸発器とを備えていることを特徴とする冷凍サイクル装置。

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