JP2008109763A - 同期電動機及び空気調和機及び換気用送風機及び密閉形圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】振動・騒音を増加させることなく、出力及び効率を向上させることができる同期電動機を提供することを目的とする。
【解決手段】同期電動機の回転子２０は、磁極中心３付近が内側に凹み、磁極中心３から離れるにつれ、磁極中心３の両側とも所定の範囲で徐々に径方向の厚さが増し、磁極中心の両側４で最大肉厚となり、磁極中心の両側４からマグネット１の両端部までは、径方向の厚さが徐々に小さくなる。最大肉厚となる磁極中心の両側４では、表面磁束密度の分布も最大となる。この磁極数がｐ（偶数）の同期電動機の回転子２０と、ｎ（２以上の整数）相の巻線を有する固定子とを有する同期電動機において、同期電動機の空隙の磁束密度波形に１／２×ｐ×ｎ×ｍ（ｍは奇数）次の高調波成分を含ませることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

この発明は、マグネットを用いた回転子を備えた同期電動機に係り、低価格、高効率、低騒音を実現する同期電動機、及びそれを用いた空気調和機及び換気用送風機及び密閉形圧縮機に関するものである。

回転子にマグネットを用いる同期電動機においては、出力されるトルクの脈動を抑えるためには、電動機に発生する誘起電圧を正弦波状にする必要がある。誘起電圧を正弦波状にするために、回転子表面の磁束密度を正弦波状の分布にする。

例えば、ロータのリング状マグネットは筒状でステータの極歯および補極と対向する外周面は、隣接する磁極Ｎ、Ｓが異極となるように外周面に沿って磁極を複数着磁し、隣接する異極Ｎ、Ｓの中間位置に凹部を設けて、磁極Ｎ、Ｓの各中心部を凸面に形成する。ステータの極歯から等距離にある見掛け線上では着磁は正弦波形となるモータが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−２６２４９１号公報

回転子表面の磁束密度の分布を正弦波状にするには、例えば、回転子表面に配置するマグネットの形状を、磁極中心部分の肉厚を厚くして、磁極間に向かって徐々に厚みを薄くする形状を取ることがある。この場合、回転子と固定子を組み合わせた時の回転子、固定子間の空隙における磁束密度の最大値、言い換えると、正弦波状に分布させた磁束密度の振幅は、マグネットの厚みによって決まる。このため、磁束密度を大きくとるためには、マグネットの厚みを大きくする必要があり、マグネットの使用量が増加してしまうという課題がある。

また、回転子から発生する磁束量をより多く得るために、表面の磁束密度の分布を長方形（台形状）に近づけることで実現は可能である。しかし、この場合、誘起電圧に含まれる高調波成分が増加することとなり、トルクの脈動は大きくなり、振動・騒音の要因となる。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、振動・騒音を増加させることなく、出力及び効率を向上させることができる同期電動機及びそれを用いた空気調和機及び換気用送風機及び密閉形圧縮機を提供することを目的とする。

この発明に係る同期電動機は、マグネットを有し、磁極数がｐ（偶数）の回転子と、ｎ（２以上の整数）相の巻線を有する固定子とを備え、回転子と固定子との間に空隙を有する同期電動機において、空隙の磁束密度波形に１／２×ｐ×ｎ×ｍ（ｍは奇数）次の高調波成分を、他の高調波成分より多く含ませることを特徴とする。

この発明に係る同期電動機は、空隙の磁束密度波形に１／２×ｐ×ｎ×ｍ次の高調波成分を含ませることにより、磁束密度の最大値が同じであっても、トルクを発生させるのに必要な１／２×ｐ次の周波数成分を多く含ませることができ、同期電動機の高トルク化、高効率化が可能となる。また、１／２×ｐ×ｎ×ｍ次の高調波成分は、ｎ相の固定子巻線の中で互いに打ち消しあって、誘起電圧には現れないため、余計なトルクの脈動が発生せず、振動・騒音を増加させない。

実施の形態１．
図１乃至図４は実施の形態１に示す図で、図１は同期電動機の回転子２０の斜視図、図２は同期電動機の回転子２０の部分断面図、図３は固定子（図示せず）と同期電動機の回転子２０とを組み合わせたときの空隙（固定子と回転子との間の部分）の磁束密度分布を示す図、図４は同期電動機の空隙磁束密度波形に含まれる高次の周波数成分と１磁極対で構成される周期の波の振幅との関係を示す図である。

図１に示すように、本実施の形態に示す同期電動機の回転子２０は、磁極毎に分割されたマグネット１を磁性体で構成されたヨーク２の表面に配置したものである。マグネット１はヨーク２の表面に接着又はモールド等により固定される。ヨーク２には、その中心部に軸２１が嵌合している。図１の同期電動機の回転子２０は、磁極毎に分割されたマグネット１を８個使用する。マグネット１の材料はフェライトの焼結が一般的である。

それぞれのマグネット１は、内周面はリング状のヨーク２の表面形状に沿う円弧形状である。外周面は全体的には外側に凸の略円弧形状であるが、単純な形状ではない。本実施の形態は、マグネット１の外周面の形状に特徴がある。以下、詳細に説明する。

図２に示すように、マグネット１の断面形状は、磁極中心３付近が内側に凹む。そして磁極中心３から離れるにつれ、磁極中心３の両側とも所定の範囲で徐々に径方向の厚さが増し、磁極中心の両側４で最大肉厚となる。さらに磁極中心の両側４からマグネット１の両端部までは、径方向の厚さが徐々に小さくなる。最大肉厚となる磁極中心の両側４では、空隙の磁束密度の分布も最大となる。

固定子（図示せず）と同期電動機の回転子２０とを組み合わせたときの空隙の磁束密度分布は図３に示すようになる。図３は、１磁極対分（２極分）の空隙の磁束密度波形を示しており、磁極中心３のマグネット１の径方向の厚さを磁極中心の両側４の径方向の厚さよりも薄くすることで、磁極中心３の磁束密度は低くなり、空隙の磁束密度波形は、１次と３次の周波数成分を含む波形５のようになる。１次と３次の周波数成分を含む波形５は、３次の周波数成分を他の高調波成分より多く含む。

図３において、１次と３次の周波数成分を含む波形５は、１磁極対で１周期となる１次の成分と、その３倍の周波数の成分である３次の成分を含有したものである。１次と３次の周波数成分を含む波形５と１次成分のみの波形６とを比較すると、最大値はほぼ同じであるが、１次と３次の周波数成分を含む波形５に含まれる１次成分７は、図中の破線で示すように１次成分のみの波形６よりも振幅が大きくなっている。

これにより、固定子の巻線（図示せず）に発生する誘起電圧に含まれる１次の成分も大きくなる。同期電動機より発生するトルクは、巻線の誘起電圧と電流の積で発生するため、同一電流を流した時により大きなトルクが得られる。あるいは、同一トルクを出力するために必要な電流は少なくて済むことから、巻線で発生する損失（銅損）は減少し、電動機の効率は向上する。

３相の電動機の場合、空隙の磁束密度波形に３次の周波数成分が含まれていても、固定子の誘起電圧は相間で互いに３次の周波数成分を打ち消し合うため、各相には３次の周波数成分は現れない。このため、出力されるトルクには脈動が発生せず、振動・騒音の発生を抑えることができる。

このように、３相の固定子巻線を持つ同期電動機において、空隙の磁束密度波形に、１磁極対で構成する周期の波形に１次成分と３次成分を他の高調波成分より多く含有させることで、同期電動機の出力を向上し、効率を向上させることと同時に、同期電動機の振動・騒音の発生を抑えることが可能となる。

図４は、１磁極対分の空隙の磁束密度分布の波形にその３倍の周波数の成分を含有させる割合（高調波含有率）を横軸にとり、１磁極対分の空隙の磁束密度分布の波形の最大振幅に対する１次成分の振幅の割合（基本波振幅比）を縦軸に取ったグラフを示す。空隙の磁束密度分布に３次の成分を含有させることで、波形に含まれる１次成分を大きくすることができる。波形の振幅値に対して、１次成分が１０％以上大きくなる範囲８は、３次成分を９〜２８％含有する時である。その中でも、１次成分が最も大きくなる範囲９は、３次成分を１４〜２０％含有する時である。

本実施の形態では、回転子のマグネット１の表面磁束分布に、１磁極対で構成する周期の波形に１次成分と３次成分のみを多く含有させるものを示したが、３次成分の奇数倍の高調波を含有させてもよい。

また、３相の固定子巻線を持つ同期電動機を例に説明したが、３相に限定されない。固定子巻線は、任意の相数でよい。

以上より、回転子の極数をｐ（偶数）、固定子巻線の相数をｎ（２以上の整数）、ｍを奇数とすると、回転子の表面磁束密度波形に、１／２×ｐ×ｎ×ｍ次の高調波成分を多く含ませることにより、同期電動機の出力、効率を向上させることと同時に、同期電動機の振動・騒音の発生を抑えることが可能となる。

実施の形態２．
図５乃至図７は実施の形態２を示す図で、図５は同期電動機の回転子２０の部分断面図、図６は同期電動機の回転子２０に用いるマグネット１の斜視図、図７は同期電動機の回転子２０に用いるマグネット１の斜視図である。

本実施の形態の同期電動機の回転子２０は、磁性体のヨーク２の表面にリング状のマグネット１を配置している。マグネット１は、ラジアル方向に着磁あるいは配向がされている。

リング状のマグネット１の各磁極中心３の外周部には溝３ａ（断面形状が略Ｕ字状、軸方向に形成される）があり、この溝３ａ部分のみがマグネット１の径方向の厚さが薄くなっている。これによって、磁極中心３の磁束密度が低くなり、図３と同じような空隙磁束密度の分布波形となる。溝３ａの形状（周方向の長さ、径方向の深さ）を変化させることにより、空隙の磁束密度波形に含まれる３次成分を変化させることができ、最適化することができる。

マグネット１の厚み（溝３ａがない部分）が決まれば、マグネット表面の磁束密度の最大値も決まる。最大の磁束密度が同じでも、磁極中心３に溝３ａを設けることで、溝３ａがない場合より空隙の磁束密度波形に含有される１次の成分は大きくなり、同期電動機の高トルク化、高効率化が可能である。

空隙の磁束密度分布は、マグネット１の着磁に用いるヨークの形状や、印加する電流で調整することができる。或いは、マグネット１の軸方向の長さを変化させて固定子の巻線に鎖交する磁束量を調整することによっても空隙の磁束密度分布を調整することができる。例えば、図６に示すように、磁極間の軸方向両端に磁極間の切り欠き１０を設けることによって、磁束量の変化を、例えば、図３の１次と３次の周波数成分を含む波形５のように調整することも可能である。

また、図７に示すように磁極中心３に溝３ａを設ける代わりに、磁極中心３の軸方向両端に磁極中心部の切り欠き１１を設けることによっても同様に、磁束量の変化を、例えば、図３の１次と３次の周波数成分を含む波形５のように調整することも可能である。

実施の形態３．
図８及び図９は実施の形態３を示す図で、図８は同期電動機の回転子２０の斜視図、図９は同期電動機の回転子２０に用いるマグネット１の着磁の向きを示す断面図である。

図８に示すように、磁性体のヨーク２表面にリング状のマグネット１を配置する点は、前述の実施の形態２と同様である。本実施の形態では、マグネット１に等方性の材料（希土類磁石）を用いており、着磁ヨークの形状、着磁条件によって、図９に示すように磁極中心３よりも磁極中心の両側４に磁束が集中するように着磁を行なう。

これによって、回転子表面の磁束密度分布は、３よりも磁極中心の両側４でピークを取るような波形となる。このようにして、空隙の磁束密度の分布波形を１次と３次の成分を多く含む波形となるように調整することで、より１次成分を多く含み、同期電動機を振動・騒音の発生を抑えながら高トルク化、高効率化することを可能にする。

実施の形態４．
図１０及び図１１は実施の形態４を示す図で、図１０は同期電動機の回転子２０の斜視図、図１１は同期電動機の回転子２０のマグネット１の配向の向きを示す断面図である。

前述の実施の形態１乃至３とは異なり、同期電動機の回転子２０に磁路としての磁性体（ヨーク２）を用いていない。マグネット１は、樹脂等で成形される連結部２２で軸２１と結合している。そして、異方性材料のマグネット１を用いており、マグネット１の成形時に極異方の磁場を印加する。これによって、マグネット１内部で極異方の配向がなされ、マグネット１と軸２１との間に磁性体のヨーク２がなくても十分な磁束量が得られる。

マグネット１の肉厚が厚くなるため、材料としては、フェライトの焼結あるいは、プラスチックマグネットが用いられることが多い。回転子表面の磁束密度分布の波形は、成形時の配向磁場の分布で調整ができる。そのため、図１１（ａ）に示すように、マグネット１の配向を調整することで、図１１（ｂ）に示すような磁極中心３よりもその両側４に磁束が集中し、１次、３次を多く含有する表面磁束密度波形を実現でき、同期電動機の振動・騒音を抑えながら、トルクの向上、効率の向上が可能となる。

実施の形態５．
図１２は実施の形態５を示す図で、同期電動機の回転子２０の断面図である。

本実施の形態の同期電動機の回転子２０は、マグネット１を磁性体の回転子内部の磁石挿入孔２３に配置する。マグネット１には、主に希土類のマグネットを用いることが多い。磁石挿入孔２３に配置したマグネット１の外周部の磁性体部分１２を利用してリラクタンストルクを利用する回転子である。

このマグネット１の外周部の磁性体部分１２の外周の、磁極中心３に溝３ａ（断面形状が略Ｕ字状、軸方向に形成される）を設けている。溝３ａの部分は、固定子との距離（空隙長）が大きくなるため、マグネット１より生じる磁束は、溝３ａの両側である磁極中心の両側４に流れるようになり、溝３ａの形状、寸法の調整によって、図３に示すような空隙磁束密度分布を持つ回転子を得ることができる。これによって、１次成分を多く含む空隙磁束密度分布が実現でき、同期電動機の振動・騒音を抑えながら、トルクの向上、効率の向上が可能となる。

本実施の形態の同期電動機の回転子２０は、特に密閉形圧縮機に適する。希土類のマグネットを用いるため高性能であることと、回転子内部の磁石挿入孔２３にマグネット１が挿入されるため、密閉形圧縮機に使用するのに適する。

実施の形態６．
図１３は実施の形態６を示す図で、空気調和機３０を示す図である。

実施の形態１乃至５で示した同期電動機の回転子２０を用いた同期電動機を搭載したものである。同期電動機は、主に室外ユニット１３の圧縮機用電動機１４、送風機用電動機１５、および室内ユニット１６の送風機用電動機１７に用いられる。

空気調和機３０で消費される電力のほとんどが圧縮機用電動機１４、送風機用電動機１５、および送風機用電動機１７によるものであり、実施の形態１乃至５による同期電動機の回転子２０を用いた同期電動機をこれらに用いることで、空気調和機３０から発生する振動・騒音を抑えながら、消費電力を少なくすることができる。

実施の形態７．
図１４は実施の形態７を示す図で、換気用送風機４０の正面図である。

換気用送風機４０は、駆動源となる送風機用電動機１８と、この送風機用電動機１８で駆動される羽根１９とを備える。送風機用電動機１８が羽根１９を直接回転させるので、送風機用電動機１８のトルク脈動が振動・騒音の要因となりやすい。

実施の形態１乃至５の同期電動機の回転子２０を送風機用電動機１８に用いることにより、振動・騒音を抑えて、消費電力の少ない換気用送風機４０が得られる。

また、効率が良いことから、送風機用電動機１８からの発熱が少なくなり、送風機用電動機１８の軸受けの寿命が長くなり、送風機用電動機１８の長寿命化も可能である。

また、高トルク化が可能であることから、送風機用電動機１８を小型化することもできるため、この場合、換気用送風機４０の軽量化が可能となる。

実施の形態１に示す図で、同期電動機の回転子２０の斜視図である。 実施の形態１に示す図で、同期電動機の回転子２０の部分断面図である。 実施の形態１に示す図で、固定子と同期電動機の回転子２０とを組み合わせたときの空隙の磁束密度分布を示す図である。 実施の形態１に示す図で、同期電動機の回転子２０の表面磁束密度の波形に含まれる高次の周波数成分と１磁極対で構成される周期の波の振幅との関係を示す図である。 実施の形態２を示す図で、同期電動機の回転子２０の部分断面図である。 実施の形態２を示す図で、同期電動機の回転子２０に用いるマグネット１の斜視図である。 実施の形態２を示す図で、同期電動機の回転子２０に用いるマグネット１の斜視図である。 実施の形態３を示す図で、同期電動機の回転子２０の斜視図である。 実施の形態３を示す図で、同期電動機の回転子２０に用いるマグネット１の着磁の向きを示す断面図である。 実施の形態４を示す図で、同期電動機の回転子２０の斜視図である。 実施の形態４を示す図で、同期電動機の回転子２０のマグネット１の配向の向きを示す断面図である。 実施の形態５を示す図で、同期電動機の回転子２０の断面図である。 実施の形態６を示す図で、空気調和機３０を示す図である。 実施の形態７を示す図で、換気用送風機４０の正面図である。

符号の説明

１ マグネット、２ ヨーク、３ 磁極中心、４ 磁極中心の両側、５ １次と３次の周波数成分を含む波形、６ １次成分のみの波形、７ １次と３次の周波数成分を含む波形５に含まれる１次成分、８ １次成分が１０％以上大きくなる範囲、９ １次成分が最も大きくなる範囲、１０ 磁極間の切り欠き、１１ 磁極中心部の切り欠き、１２ マグネット１の外周部の磁性体部分、１３ 室外ユニット、１４ 圧縮機用電動機、１５ 送風機用電動機、１６ 室内ユニット、１７ 送風機用電動機、１８ 送風機用電動機、１９ 羽根、２０ 同期電動機の回転子、２１ 軸、２２ 連結部、２３ 磁石挿入孔、３０ 空気調和機、４０ 換気用送風機。

Claims (15)

1. マグネットを有し、磁極数がｐ（偶数）の回転子と、ｎ（２以上の整数）相の巻線を有する固定子とを備え、前記回転子と前記固定子との間に空隙を有する同期電動機において、
   前記空隙の磁束密度波形に１／２×ｐ×ｎ×ｍ（ｍは奇数）次の高調波成分を、他の高調波成分より多く含ませることを特徴とする同期電動機。
2. 前記固定子は３相の巻線を有することを特徴とする請求項１記載の同期電動機。
3. ３／２×ｐ次の高調波成分を１４〜２０％含むことを特徴とする請求項２記載の同期電動機。
4. 前記回転子は磁性体のヨークの外周面に前記マグネットを磁極毎に分割して配置し、前記マグネットは、外周面の全体形状が外側に略凸形状で、且つ磁極中心付近が内側に凹み、前記磁極中心から離れるにつれ、前記磁極中心の両側とも所定の範囲で徐々に径方向の厚さが増し、磁極中心の両側で最大肉厚となり、前記磁極中心の両側から前記マグネットの両端部までは、径方向の厚さが徐々に小さくなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の同期電動機。
5. 前記回転子はリング状のマグネットを磁性体のヨークの外周面に配置し、前記マグネットの各磁極中心の外周部に、所定の周方向の幅で軸方向に形成される溝を設けたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の同期電動機。
6. 各磁極間の軸方向両端に、磁極間の切り欠きを設けることを特徴とする請求項５記載の同期電動機。
7. 前記回転子はリング状のマグネットを磁性体のヨークの外周面に配置し、前記マグネットの各磁極中心の軸方向両端部に、磁極中心部の切り欠きを設けることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の同期電動機。
8. 前記回転子はリング状のマグネットを磁性体のヨークの外周面に配置し、等方性の材料を用い、磁極中心付近の空隙磁束密度が、磁極中心より周方向に所定距離離れた磁極中心の両側よりも小さく、前記磁極中心の両側に磁束が集中するように着磁を行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の同期電動機。
9. 前記マグネットはリング状に形成されると共に、異方性の材料を用い、前記マグネット内部に極異方の配向が施され、前記マグネットの磁極中心の空隙磁束密度より、前記磁極中心より周方向に所定距離離れた磁極中心の両側の空隙磁束密度が大きくなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の同期電動機。
10. 前記マグネットと軸とを、樹脂製の連結部で連結することを特徴とする請求項９記載の同期電動機。
11. 前記マグネットの材料は、フェライトの焼結又はプラスチックマグネットであることを特徴とする請求項９記載の同期電動機。
12. 前記回転子は、内部に磁石挿入孔を有し、この磁石挿入孔にマグネットを配置し、前記マグネットの外周部の磁性体部分の外周の中心付近に、所定の周方向の幅で軸方向に形成される溝を設けたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の同期電動機。
13. 請求項１乃至１２記載のいずれかの同期電動機を搭載したことを特徴とする空気調和機。
14. 請求項１乃至１２記載のいずれかの同期電動機を送風機用電動機に用いることを特徴とする換気用送風機。
15. 請求項１２記載の同期電動機を搭載したことを特徴とする密閉形圧縮機。

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