JP2008131768A - 回転電機，自己始動式永久磁石界磁同期電動機，誘導電動機及び圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】
本発明の目的は、小形で高効率な電動機を提供することにある。
【解決手段】
固定子鉄心に形成された複数のスロット内にティースを取り囲むように巻き回された電機子巻線を施した固定子を有し、回転子鉄心と、該回転子鉄心外周部近傍に設けた複数のスロット内に導電性のバーと該バーを軸方向端面で短絡する導電性の短絡部材とで構成したかご型巻線を具備する回転子が、前記固定子の内周側にギャップを介して回転自在に支持された回転電機において、前記かご型回転子を短絡部材の短絡ピッチαが、電気角で９０°≦α≦１８０°の関係で短絡された複数対のバーで構成した。
【選択図】図１

Description

本発明は回転電機，自己始動式永久磁石界磁同期電動機，誘導電動機及び圧縮機に関するものである。

誘導電動機の長所は、堅牢な構造である上、商用電源による直入れ始動が可能なため、速度制御を必要としない一定速駆動の機械の駆動源として低コストに構成できる点にある。また、自己始動式永久磁石界磁同期電動機とすれば、誘導電動機同様、低コストに駆動部を構成できる上、定常運転時の二次銅損がほぼ皆無となるため、駆動システムの高効率化に大きく貢献できるメリットがある。

また短所は、始動時は誘導トルクを利用することから、固定子構造は集中巻構造を避け、分布巻構造を採用することがほぼ常識となっており、その結果、さらなる低コスト，高効率化の妨げとなっている。

ここで集中巻構造は、低コストに構成できるものの、２次，４次を始めとする偶数次、及び５次，７次を始めとする、６ｍ±１（ｍ＝１，２，３，…）次を主成分とする空間高調波磁束が大きいため、これらによる始動時のトルク特性劣化が懸念されている。

固定子構造を集中巻とした誘導電動機の高調波軽減策としては、特開平７−298578号公報や特開平１１−２８５２１３号公報がある。これらはギャップ部分に生じる２次や４次と言った偶数次高調波成分を緩和する方法として、二つの固定子を各々９０°ピッチずらして配置して構成するものや、回転子を軸方向に２分割してバーのピッチ角を軸方向に
９０°異ならせて配置させている。

また、自己始動式永久磁石電動機の従来技術には、特開２００１−１５７４２７号公報がある。本技術では、４極集中巻巻線を採用しているが、起動時の異常トルクを緩和させるため、回転子にスキューを施すとともに、起動・加速のための巻線として２極の分布巻巻線を別途設けている。

特開平７−２９８５７８号公報 特開平１１−２８５２１３号公報 特開２００１−１５７４２７号公報

誘導電動機の従来技術である特開平７−２９８５７８号公報や特開平１１−285213号公報は、二つの固定子，二つの回転子を用いて対策していることから、コスト的に不利となる上、製作上での組立て工数が増えたり、公差等寸法管理を考慮すると現実的では無い。

また、自己始動式永久磁石電動機の従来技術である特開２００１−１５７４２７号公報では、回転子の二次導体が円筒状のものを採用しており、スキューも比較的簡便に構成できるが、磁気ギャップが広くなり、定格時の特性が劣化してしまうこと、十分に小さい導体抵抗とするのが困難となるため、同期引込みトルクは、別設の分布巻巻線の作用に頼る必要があるなどの課題がある。

本発明の目的は高効率でかつ始動時の異常トルクを簡便に緩和できる電動機，自己始動式永久磁石界磁同期電動機，誘導電動機及び圧縮機を提供できる。

上記の目的を達成するために、本発明では、電機子巻線を集中巻のみで構成すると共に、かご型回転子を短絡部材の短絡ピッチαが、電気角で９０°≦α≦１８０°の関係で短絡された複数対のバーで構成した電動機を提供することである。

本発明によれば、高効率でかつ始動時の異常トルクを簡便に緩和できる電動機，自己始動式永久磁石界磁同期電動機，誘導電動機及び圧縮機を提供できる。

以下、本発明の一実施例を図１〜図１８を用いて説明する。

図１に本発明の一実施例に係る自己始動式永久磁石界磁同期電動機のかご型回転子の端面形状を、図２に本発明の一実施例に係る自己始動式永久磁石界磁同期電動機の軸方向断面図、図３に本発明の一実施例に係る自己始動式永久磁石界磁同期電動機の径方向断面図（図２のＢ−Ｂ′断面の矢視図）をそれぞれ示す。なお、図１は、図２のＡ−Ａ′における矢視図である。

図１〜図３において、本発明の対象とする自己始動式永久磁石界磁同期電動機は、固定子１と回転子２とを備えている。

固定子１は固定子鉄心３とそれに施された３個のスロット４と、これらのスロット４で３個に分割されたティース５とを備えている。

電機子巻線６（Ｕ相巻線６Ａ，Ｖ相巻線６Ｂ，Ｗ相巻線６Ｃからなる）は、ティース５を取り囲むように集中巻で巻装され、誘導電動機としての起動・加速から同期電動機としての定速運転まで、一定周波数の交流電源から給電される。

回転子２は、シャフト７上に設けられた回転子鉄心８の内部に、複数の始動用バー９と磁極数が２極となるように構成した永久磁石１１とを有している。また短絡部材１０はバー９を軸方向端面で電気角で１８０°ピッチにて電気的に短絡している。

図４には、分布巻機のギャップ磁束密度と集中巻機のギャップ磁束密度測定結果を示す。図４において集中巻機のギャップ磁束密度分布は、正負で非対称となる波形となり、スペクトラムを見ると分布巻機には生じない偶数調波の磁束成分が存在していることが分かる。

図５は偶数調波磁束の影響を受けた場合のトルク波形測定結果であり、集中巻固定子を単純にかご型回転子と組み合わせた場合のトルクの挙動を測定したものである。その結果、起動してから同期に達する場合、負のトルクが生じ、同期までの加速に支障をきたす結果となることが分かる。

図６には、本発明の概念図を示す。図５の結果から、集中巻固定子にかご型回転子を組み合わせて使用するためには、偶数調波の磁束の影響をキャンセルさせる必要があると言える。この結果を踏まえ、偶数調波成分の影響を受けずに、基本は成分だけを抽出するには、バーピッチαを電気角で９０°≦α≦１８０°となるように短絡させて構成するのが望ましい。

この理由について以下説明する。第２次高調波成分の波長は、基本波の１／２、すなわち電気角で１８０°であるため、バーピッチを１８０°に配置すれば、第２次高調波における振幅の正負が相殺される。同様に、第４次高調波成分はさらに波長が短くなるが、バーピッチを９０°、または１８０°とすることで振幅の正負を相殺することが可能となる。さらに、第６次高調波（図示せず）の波長は、電気角で６０°であるので、１２０°または１８０°とすることで相殺することが可能となる。よって、バーピッチαを９０°≦α≦１８０°とすれば、有力な低次の偶数高調波から、比較的影響の小さい高次の成分まで相殺することが可能となり、集中巻固定子による有効な誘導トルクを発生させることが可能となる。

図７には本発明のトルク波形測定結果を示す。この結果は、図１〜図３にて述べた構成におけるトルク波形の測定結果であり、偶数調波磁束の影響を受けた場合に対し、直流トルクは約３倍に向上し、更に同期化時に生じていた負のトルク成分はほぼ相殺できることが分かる。

図８に本発明の他の実施例に係る自己始動式永久磁石界磁同期電動機のかご型回転子の端面形状を、図９に本発明の他の実施例に係る自己始動式永久磁石界磁同期電動機の軸方向断面図、図１０に本発明の他の実施例に係る自己始動式永久磁石界磁同期電動機の径方向断面図（図９のＢ−Ｂ′断面の矢視図）をそれぞれ示す。なお、図８は、図９のＡ−
Ａ′における矢視図であり、図１〜図３と同一物には同一符号を付してある。

図において、図１〜図３と構成の異なる部分は、永久磁石１１が４極構成としており、固定子スロット４は６つ設けているとともに、回転子の短絡部材１０は、電気角で180°、機械角で９０°にバー９を短絡している点にある。このように構成しても、図１と同様の効果を得ることができる。

図１１に本発明の他の実施例に係る誘導電動機のかご型回転子の端面形状を、図１２に本発明の他の実施例に係る誘導電動機の軸方向断面図、図１３に本発明の他の実施例に係る誘導電動機の径方向断面図（図１２のＢ−Ｂ′断面の矢視図）をそれぞれ示す。なお、図１１は、図１２のＡ−Ａ′における矢視図であり、図１〜図３と同一物には同一符号を付してある。

このように構成した場合誘導電動機として、集中巻固定子を活用することができ、高効率化，低コスト化に大きく貢献できる。

図１４に本発明の他の実施例に係る誘導電動機のかご型回転子の端面形状を、図１５に本発明の他の実施例に係る誘導電動機の軸方向断面図、図１６に本発明の他の実施例に係る誘導電動機の径方向断面図（図１５のＢ−Ｂ′断面の矢視図）をそれぞれ示す。なお、図１４は、図１５のＡ−Ａ′における矢視図であり、図１１〜図１３と同一物には同一符号を付してある。

図において、図１１〜図１３と構成の異なる部分は、固定子スロット４は６つ設けて４極構成としているとともに、回転子の短絡部材１０は、電気角で１８０°、機械角で90°にバー９を短絡している点にある。このように構成しても、図１１と同様の効果を得ることができる。

図１７に本発明の他の実施例に係る自己始動式永久磁石界磁同期電動機の軸方向断面図とＣ−Ｃ′矢視図を示す。図において、Ａ−Ａ′端面構造は図１と同一であるが、Ｃ−
Ｃ′端面は、従来のエンドリング１２にてバー９を全短絡させている。このように構成した場合、図１と同様の効果が得られると共に、軸方向両端面を図１と同じくするよりも簡便に製造が可能となる。

図１８に本発明の他の実施例に係る誘導電動機の軸方向断面図とＣ−Ｃ′矢視図を示す。図において、Ａ−Ａ′端面構造は図１１と同一であるが、Ｃ−Ｃ′端面は、従来のエンドリング１２にてバー９を全短絡させている。このように構成した場合、図１１と同様の効果が得られると共に、軸方向両端面を図１と同じくするよりも簡便に製造が可能となる。

以上により、本発明は一つの固定子，一つの回転子で構成し、かつ定格時の特性を損なうこと無く、起動時の異常トルクを軽減できる集中巻固定子の自己始動式永久磁石界磁同期電動機及び誘導電動機とこれを用いた圧縮機を提供することにある。

本発明の一実施例に係る自己始動式永久磁石界磁同期電動機のかご型回転子の端面形状。 本発明の一実施例に係る自己始動式永久磁石界磁同期電動機の軸方向断面図。 本発明の一実施例に係る自己始動式永久磁石界磁同期電動機の径方向断面図。 分布巻機のギャップ磁束密度と集中巻機のギャップ磁束密度測定結果。 偶数調波磁束の影響を受けた場合のトルク波形測定結果。 本発明の概念図。 本発明のトルク波形測定結果。 本発明の他の実施例に係る自己始動式永久磁石界磁同期電動機のかご型回転子の端面形状。 本発明の他の実施例に係る自己始動式永久磁石界磁同期電動機の軸方向断面図。 本発明の他の実施例に係る自己始動式永久磁石界磁同期電動機の径方向断面図。 本発明の他の実施例に係る誘導電動機のかご型回転子の端面形状。 本発明の他の実施例に係る誘導電動機の軸方向断面図。 本発明の他の実施例に係る誘導電動機の径方向断面図。 本発明の他の実施例に係る誘導電動機のかご型回転子の端面形状。 本発明の他の実施例に係る誘導電動機の軸方向断面図。 本発明の他の実施例に係る誘導電動機の径方向断面図。 本発明の他の実施例に係る自己始動式永久磁石界磁同期電動機の軸方向断面図とＣ−Ｃ′矢視図。 本発明の他の実施例に係る誘導電動機の軸方向断面図とＣ−Ｃ′矢視図。

符号の説明

１ 固定子
２ 回転子
３ 固定子鉄心
４ スロット
５ ティース
６ 電機子巻線
７ シャフト
８ 回転子鉄心
９ バー（かご型巻線）
１０ 短絡部材
１１ 永久磁石
１２ エンドリング

Claims (13)

1. 固定子鉄心に形成された複数のスロット内にティースを取り囲むように巻き回された電機子巻線を施した固定子と、
   回転子鉄心外周部近傍に設けた複数のスロット内に導電性のバーとを備えた回転子とを有する回転電機において、前記回転子を短絡部材の短絡ピッチαが、電気角で９０°≦α≦１８０°の関係で短絡された複数対のバーで構成したことを特徴とする回転電機。
2. 請求項１において、
   前記固定子には、集中巻に電機子巻線を施したことを特徴とする回転電機。
3. 請求項１において、
   前記短絡部材により短絡した他方の端面は、全てのバーを短絡して構成したことを特徴とする回転電機。
4. 請求項１において、
   前記短絡部材と前記バーは溶接圧接、または摩擦攪拌接合によって接合されていることを特徴とする回転電機。
5. 請求項１において、
   前記回転子の極数と前記固定子のスロット数との比が２：３であることを特徴とする回転電機。
6. 請求項１において、
   前記固定子のスロット数が６ｍ（ｍは整数）個であることを特徴とする回転電機。
7. 冷媒を吸い込んで圧縮し、吐出する圧縮機構部と、この圧縮機構部を駆動する電動機部からなる圧縮機において、前記電動機が請求項１記載の電動機であることを特徴とする圧縮機。
8. 固定子鉄心に形成された複数のスロット内にティースを取り囲むように巻き回された電機子巻線を施した固定子を有し、回転子鉄心と、該回転子鉄心外周部近傍に設けた複数のスロット内に導電性のバーと該バーを軸方向端面で短絡する導電性の短絡部材とで構成したかご型巻線を具備し、前記バーの内周側に永久磁石を有する回転子が、前記固定子の内周側にギャップを介して回転自在に支持された回転電機において、前記かご型回転子を短絡部材の短絡ピッチαが電気角で９０°≦α≦１８０°の関係で短絡された複数対のバーで構成したことを特徴とする自己始動式永久磁石同期電動機。
9. 請求項８において、
   前記固定子には、集中巻に電機子巻線を施したことを特徴とする自己始動式永久磁石同期電動機。
10. 請求項８において、
    前記短絡部材により短絡した他方の端面は、全てのバーを短絡して構成したことを特徴とする自己始動式永久磁石同期電動機。
11. 固定子鉄心に形成された複数のスロット内にティースを取り囲むように巻き回された電機子巻線を施した固定子を有し、回転子鉄心と、該回転子鉄心外周部近傍に設けた複数のスロット内に導電性のバーと該バーを軸方向端面で短絡する導電性の短絡部材とで構成したかご型巻線を具備する回転子が、前記固定子の内周側にギャップを介して回転自在に支持された回転電機において、前記かご型回転子を短絡部材の短絡ピッチαが、電気角で
    ９０°≦α≦１８０°の関係で短絡された複数対のバーで構成したことを特徴とする誘導電動機。
12. 請求項１１において、
    前記固定子には、集中巻に電機子巻線を施したことを特徴とする誘導電動機。
13. 請求項１１において、
    前記短絡部材により短絡した他方の端面は、全てのバーを短絡して構成したことを特徴とする誘導電動機。

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