JP2008245439A - 電動機及びそれを用いた圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】
電源電圧低下時や負荷トルク増加時においても十分な加速性能を有する自己始動型永久磁石同期電動機およびそれを用いた圧縮機を提供することが課題である。
【解決手段】
固定子巻線を備えた固定子と、回転子鉄心にかご型巻線と永久磁石とを備えた自己始動型永久磁石同期電動機において、前記かご型巻線が発生するトルク成分が、すべり０〜１の範囲において１で最大となることを特徴とすること。
【選択図】図１

Description

本発明は永久磁石同期電動機およびそれを用いた圧縮機に関するものである。

電気冷蔵庫や空気調和機などに搭載されている圧縮機のうち、速度制御を必要としない一定速圧縮機の駆動源として、従来から誘導電動機が用いられている。一般に、電動機の出力は回転速度とトルクに比例するため、誘導電動機ではトルクが同期速度（すべり０）付近にて最大となるように設計され、出力の最大化が図られている。

一方で、昨今における高効率化ニーズの高まりから、商用電源での自己始動が可能であり、かつ高効率運転を実現可能な自己始動型永久磁石同期電動機の開発が望まれている。自己始動型永久磁石同期電動機は、始動時においては導体バー（かご型巻線）が発生するトルク成分を利用して加速しており、導体バー（かご型巻線）が発生するトルク成分は、従来の誘導電動機と同様に同期速度（すべり０）付近にて最大となるように設計されている（特許文献１参照）。

特開２００１−８６６７０号公報

しかしながら、上記設計では一般に零速（すべり１）におけるトルクが小さい。このため、電源電圧が低下した状態で始動する場合や、大きな負荷トルクが印加された状態で始動する場合には、加速性能が低下する。従来の誘導電動機では、このような場合においても加速できるような設計が予め成されているが、自己始動型永久磁石同期電動機においては、さらに磁石によるブレーキトルクの影響が加わるため、加速性能の低下が著しく、従来技術の延長では電源電圧低下時や負荷トルク増加時において十分な加速性能を保証することが困難であった。

本発明では、永久磁石を有する回転子を備えた自己始動型永久磁石同期電動機において、かご型巻線が発生するトルク成分が、すべり０〜１の範囲において１で最大となるように構成する。

本発明によれば、電源電圧低下時や負荷トルク増加時においても十分な加速性能を有する自己始動型永久磁石同期電動機およびそれを用いた圧縮機を提供することができる。

以下、本発明の一実施例を図面を参照して説明する。

図１は本発明の第１の実施例による自己始動型永久磁石同期電動機の回転子の径方向断面図である。図において、回転子１は、シャフト６上に設けられた回転子鉄心２の内部に、多数（図では１８個）の始動用かご型巻線３と、磁石挿入孔７に埋設した希土類を主成分とする永久磁石４を、極数が２極となるように配置して構成している。また、永久磁石４の磁極間には空孔５を施している。回転子鉄心２は圧粉磁心などの粉末成形体を用いてもよい。さらに、回転子鉄心２と永久磁石４とを一体成形により構成してもよい。かご型巻線３（バー）はダイキャストにより構成してもよいし、摩擦撹拌接合により構成してもよい。また、かご型巻線３の材料としてアルミや銅を用いてもよいし、他の導電性材料を用いてもよい。さらに、かご型巻線３の形状は円形としてもよいし、楕円形としてもよいし、楔形としてもよい。固定子８は固定子鉄心９とそれに施された多数（図では２４個）のスロット１０と、これらのスロット１０で分割されたティース１１とを備えている。電機子巻線１２はＵ相巻線１２Ａ，Ｖ相巻線１２Ｂ，Ｗ相巻線１２Ｃの３相からなり、多数のスロット１０に同じ相が分布する分布巻で巻装されている。ただし、電機子巻線１２は単相で構成してもよい。

ここで従来技術について説明する。図２は従来の誘導電動機における、かご型巻線３が発生するトルクと回転数との関係を示したものである。一般に、電動機の出力は回転速度とトルクに比例するため、誘導電動機ではトルクが同期速度（すべり０）付近にて最大となるように設計され、出力の最大化が図られている。一方で、自己始動型永久磁石同期電動機においても、良好な同期引込特性を確保する目的で、かご型巻線３が発生するトルク成分は、従来の誘導電動機と同様に同期速度（すべり０）付近にて最大となるように設計されている。

しかしながら、上記設計では一般に零速又は始動時（すべり１）におけるトルクが、図２に示すＴ_A のように小さい。また、電源電圧が低下した状態で始動する場合、零速又は始動時（すべり１）におけるトルクは図２に示すＴ_B のようにさらに小さくなり、加速性能が低下する。このほか、大きな負荷トルクが印加された状態で始動する場合においても、加速性能が低下する。従来の誘導電動機では、このような場合においても加速できるような設計が予め成されているが、自己始動型永久磁石同期電動機においては、さらに永久磁石４によるブレーキトルクの影響が加わるため、加速性能の低下が著しい。したがって、従来技術の延長では、図３に示す電源電圧低下時や、負荷トルク増加時において、十分な加速性能を保証することが困難であった。

図４は本発明の自己始動型永久磁石同期電動機における、かご型巻線３が発生するトルクと回転数との関係を示したものである。本発明では、図４に示すように、かご型巻線３が発生するトルク成分が、すべり０〜１の範囲において１で最大となるように構成する。このように構成することによって、零速又は始動時（すべり１）におけるトルクは、図４に示すＴ_Cのように大きくすることができ、電圧低下時でも図４に示すＴ_Dのように比較的大きなトルクを得ることができる。したがって、本発明によれば、電源電圧低下時や負荷トルク増加時においても十分な加速性能を有する自己始動型永久磁石同期電動機およびそれを用いた圧縮機を提供することができる。

なお、誘導モータとして加速した後に永久磁石モータとして同期速度に切り替わる動作である同期引込に関しては、回転子１が十分に加速した状態、すなわち電機子巻線１２によって形成される回転磁界と回転子１との速度差が小さくなった状態（すべり０.２〜0.4程度）で発生する。この状態においては、永久磁石４によるトルクが順回転方向に発生し続ける時間が零速時に比べ長くなるため、同期引込みに必要なトルクの大部分を永久磁石４によるトルクが担う、ということが可能となり、結果としてかご型巻線３が発生するトルク成分は小さくてよい。

一方で、零速においては、電機子巻線１２によって形成される回転磁界と回転子１との速度差が大きく、永久磁石４によるトルクが短時間の周期で交互に順回転方向と逆回転方向とに発生するため、永久磁石４によるトルクは加速には大きく寄与しない。したがって、電源電圧低下時や負荷トルク増加時においても十分な加速性能を確保できるよう、零速時のかご型巻線３による発生トルクを大きくする必要がある。

なお、自己始動型永久磁石同期電動機のかご型巻線３が発生する図４に示すようなトルク特性は、実機の回転子１から永久磁石４を取り除き再び組上げて測定するか、実機を例えば３００℃以上の高温槽にて加熱し永久磁石４を高温減磁させた後に測定することで、得ることができる。

図５は本発明の第２の実施例による自己始動型永久磁石同期電動機の回転子の径方向断面図であり、回転子の極間にかご型巻線を設置し、かつ、極間に近づくにつれて隣接するかご型巻線の間隔が狭くなる構成となっている。図６は図５の軸方向断面図である。図５，図６において、図１と同一構成要素には同一符号を付け、重複説明は避ける。

図５に示すような自己始動型永久磁石同期電動機において、かご型巻線３が発生するトルク成分Ｔは一般に式（１）のように表される。

ここに、Ｖ₁ は電機子巻線１２の一相に印加される電圧実効値、ｆは電圧の周波数、ｐは極数、ｓはすべり、ｒ₁ は電機子巻線１２の一相分の抵抗値、ｒ₂ はかご型巻線３の抵抗値に巻数比αの２乗を乗じた値、ｘ₁ は電機子巻線１２の一相分の漏れリアクタンス、ｘ₂ はかご型巻線３の漏れリアクタンスに巻数比αの２乗を乗じた値である。

かご型巻線３が発生するトルク成分Ｔは、すべりｓが式（２）で表されるときに最大となる。

ｒ₁ ，ｘ₁ ，ｘ₂ が一定とすると、ｓはｒ₂ に比例する。図７はｒ₂ に対するかご型巻線３が発生するトルクＴと回転数との関係を示したものである。ただし、図７においてａ＞ｂ＞ｃである。図に示すように、ｒ₂ が小さい場合（ｒ₂ ＝ｃ）、トルクＴがｓ＜１の範囲で最大となり、零速（ｓ＝１）におけるトルクが小さい。このため、電源電圧低下時や負荷トルク増加時においては、十分な加速性能を保証することが困難である。これに対し、ｒ₂ を大きく（ｒ₂ ＝ｂ）することでｓ＝１で最大となるような特性を得ることができ、良好な加速性能を確保できる。ｒ₂ をさらに大きくする場合（ｒ₂ ＝ａ）、トルクＴは理論上ｓ＞１の範囲で最大となるが、０≦ｓ≦１での特性に関してはｓ＝１で最大となり、電源電圧低下時や負荷トルク増加時においても十分な加速性能を得られるのであれば、ｒ₂ をこのように選定しても構わない。

ｒ₂ は、巻数比αを増加することで大きくしてもよいし、あるいは、かご型巻線３に抵抗率の高い材質を使うことによって大きくしてもよいし、あるいは、図５に示すかご型巻線３の周方向幅および径方向幅を小さくすることによって大きくしてもよいし、あるいは、図６に示すエンドリング２８の軸方向長さＬ_a，Ｌ_bおよび径方向幅Ｈ_a1，Ｈ_a2，Ｈ_b1，Ｈ_b2を小さくすることによって大きくしてもよい。特に、かご型巻線３の径方向幅縮小によりｒ₂ を大きくする場合においては、永久磁石４の埋設スペースが拡大するため、同期運転時における効率向上および最大トルク向上等の効果も得られる。

図８は本発明の第３の実施例による自己始動型永久磁石同期電動機の回転子の径方向断面図であり、回転子の１極に複数段の永久磁石を備えた構成である。図８において、図１と同一構成要素には同一符号を付け、重複説明は避ける。

本実施例においても、実施例２と同様にして、ｒ₂ を大きくすることでｓ＝１で最大となるような特性を得ることができる。

図９は本発明の第４の実施例による自己始動型永久磁石同期電動機の回転子の径方向断面図であり、回転子の１極にハ又はへの字状の永久磁石を備えた構成である。図９において、図１と同一構成要素には同一符号を付け、重複説明は避ける。

本実施例においても、実施例２と同様にして、ｒ₂ を大きくすることでｓ＝１で最大となるような特性を得ることができる。

図１０は本発明の第５の実施例による自己始動型永久磁石同期電動機の回転子の径方向断面図である。図１１は図１０の軸方向断面図である。図１０，図１１において、図１と同一構成要素には同一符号を付け、重複説明は避ける。

図１０および図１１において、エンドリング２８がアルミニウムかそれとほぼ同等の抵抗率を有する材質で構成され、その寸法が式（３）〜（７）を満たすこととする。

このとき、回転子１の外径Ｄと、かご型巻線３の周方向幅最大値ｄと、かご型巻線３埋設用スロットの数Ｎ₂ との関係が式（８）を満足するように構成することで、かご型巻線３の発生するトルクが、すべり０〜１の範囲において１で最大となる。

例えば、式（３）〜（８）の左辺がそれぞれ上限値を取る場合、すなわち（Ｌ_a＋Ｌ_b）／Ｌ_c＝０.５，Ｈ_a1／Ｄ＝Ｈ_a2／Ｄ＝Ｈ_b1／Ｄ＝Ｈ_b2／Ｄ＝０.２５，（Ｎ₂＊ｄ）／（π＊Ｄ）＝０.５８の場合、かご型巻線３の発生するトルクが最大となるすべりは、式(２)を用いて求めることができ、固定子８に施されたスロット数Ｎ₁ とかご型巻線３埋設用のスロット数Ｎ₂ に対して、表１のようになる。

表１のすべりは、Ｄ一定とし、Ｎ₂ の変化に対し（Ｎ₂＊ｄ）／（π＊Ｄ）＝０.５８となるようｄを変化させて算出した。電機子巻線１２の一相当りの巻数は一定としたが、仮に巻数が変化した場合においても、式（２）のｒ₁ ，ｒ₂ ，ｘ₁ ，ｘ₂ はいずれも巻数の２乗にほぼ比例する（ｒ₁ に関しては、電機子巻線１２のスロット占積率を一定とすることが前提条件）ため、式（２）から得られるｓの値に影響はない。

表１において、すべりが１以上となるようなＮ₁，Ｎ₂を選定した場合、かご型巻線３の寸法およびエンドリング２８の寸法が式（３）〜（８）を満たす限り、かご型巻線３の発生するトルクはすべり０〜１の範囲において１で最大となる。

なお、エンドリング２８が銅等の抵抗率の低い材質で構成されている場合においても、エンドリングの寸法を小さくすることによって、かご型巻線３の発生するトルクを、すべり０〜１の範囲において１で最大とすることができる。

ここで、（Ｎ₂ ＊ｄ）／（π＊Ｄ）と電機子巻線１２に誘起される誘導起電力との関係は、図１２に示すようになる。Ｎ₂ およびＤが一定とすると、図１２よりｄを大きくするほど誘導起電力は小さくなることがわかる。これは、ｄを大きくすることで、隣接するかご型巻線３の間の鉄部に磁気飽和が生じ、永久磁石４による磁束が固定子８側へと透過し難くなるためである。したがって、ｄが式（８）を満足するように構成することで、高い誘導起電力を得ることが同時に可能となる。

図１３は本発明の第６の実施例による自己始動型永久磁石同期電動機の回転子の径方向断面図である。図１３において、図１と同一構成要素には同一符号を付け、重複説明は避ける。

図１３において、エンドリング２８がアルミニウムで構成され、その寸法が式（３）〜（７）を満たすこととする。また、回転子１の外径Ｄと、かご型巻線３の周方向幅最大値ｄと、かご型巻線３埋設用スロットの数Ｎ₂ との関係が式（８）を満足するように構成することとする。

このとき、かご型巻線３の１スロットの径方向幅最大値ｈが式（９）を満たすように構成することによっても、かご型巻線３の発生するトルクを、すべり０〜１の範囲において１で最大とすることができる。

かご型巻線３埋設用のスロット形状は円形でもよいし、楕円形でもよいし、楔形でもよい。

図１４は、本発明の一実施例による圧縮機の断面構造図である。図１４において、圧縮機構部は、固定スクロール部材１３の端板１４に直立する渦巻状ラップ１５と、旋回スクロール部材１６の端板１７に直立する渦巻状ラップ１８とを噛み合わせて形成されている。そして、旋回スクロール部材１６をクランクシャフト６によって旋回運動させることで圧縮動作を行う。

固定スクロール部材１３及び旋回スクロール部材１６によって形成される圧縮室１９
（１９ａ，１９ｂ，……）のうち、最も外径側に位置している圧縮室１９は、旋回運動に伴って両スクロール部材１３，１６の中心に向かって移動し、容積が次第に縮小する。

両圧縮室１９ａ，１９ｂが両スクロール部材１３，１６の中心近傍に達すると、両圧縮室１９内の圧縮ガスは圧縮室１９と連通した吐出口２０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１３及びフレーム２１に設けられたガス通路（図示せず）を通ってフレーム２１下部の圧力容器２２内に至り、圧力容器２２の側壁に設けられた吐出パイプ２３から圧縮機外に排出される。圧力容器２２内に、図１〜図２２にて説明したように、固定子鉄心９と回転子１とで構成される永久磁石式同期電動機２４が内封されており、一定速度で回転し、圧縮動作を行う。

同期電動機２４の下部には、油溜部２５が設けられている。油溜部２５内の油は回転運動により生ずる圧力差によって、クランクシャフト６内に設けられた油孔２６を通って、旋回スクロール部材１６とクランクシャフト６との摺動部、滑り軸受け２７等の潤滑に供される。

このように、圧縮機駆動用電動機として、図１〜図１３で述べた自己始動型永久磁石同期電動機を適用すれば、一定速圧縮機の自己始動特性を向上、および高力率化・高効率化・高トルク化を実現できる。

以上により、本発明によれば、電源電圧低下時や負荷トルク増加時においても十分な加速性能を有する自己始動型永久磁石同期電動機およびそれを用いた圧縮機を提供することができる。

本発明の第１の実施例による永久磁石同期電動機の回転子の径方向断面図。 従来の誘導電動機において、かご型巻線が発生するトルクと回転数との関係図。 速度特性図。 本発明の第１の実施例によるかご型巻線が発生するトルクと回転数との関係図。 本発明の第２の実施例による永久磁石同期電動機の回転子の径方向断面図。 本発明の第２の実施例による永久磁石同期電動機の回転子の軸方向断面図。 本発明の第２の実施例によるかご型巻線が発生するトルクと回転数との関係図。 本発明の第３の実施例による永久磁石同期電動機の回転子の径方向断面図。 本発明の第４の実施例による永久磁石同期電動機の回転子の径方向断面図。 本発明の第５の実施例による永久磁石同期電動機の回転子の径方向断面図。 本発明の第５の実施例による永久磁石同期電動機の回転子の軸方向断面図。 本発明の第５の実施例によるかご型巻線の寸法と誘導起電力との関係図。 本発明の第６の実施例による永久磁石同期電動機の回転子の径方向断面図。 本発明の一実施例による圧縮機の断面構造図。

符号の説明

１ 回転子
２ 回転子鉄心
３ かご型巻線
４ 永久磁石
５ 空孔
６ シャフト又はクランクシャフト
７ 磁石挿入孔
８ 固定子
９ 固定子鉄心
１０ スロット
１１ ティース
１２ 電機子巻線
１３ 固定スクロール部材
１４，１７ 端板
１５ 渦巻状ラップ
１６ 旋回スクロール部材
１８ 渦巻状ラップ
１９ 圧縮室
２０ 吐出口
２１ フレーム
２２ 圧力容器
２３ 吐出パイプ
２４ 同期電動機
２５ 油溜部
２６ 油孔
２７ 滑り軸受け
２８ エンドリング

Claims (12)

1. 固定子巻線を備えた固定子と、回転子鉄心にかご型巻線と永久磁石とを備えた回転子とを有する自己始動型永久磁石同期電動機において、
   前記かご型巻線が発生するトルク成分が、すべり０〜１の範囲において１で最大となることを特徴とする自己始動型永久磁石同期電動機。
2. 請求項１において、
   前記回転子の外径Ｄと、前記回転子のスロット数Ｎ₂ と、前記回転子の１スロットの周方向幅最大値ｄとの関係が（Ｎ₂＊ｄ）／（π＊Ｄ）≦０.５８を満たし、かつ前記かご型巻線の１スロットの径方向幅最大値ｈがｈ≦０.５８＊π＊Ｄ／Ｎ₂となるように構成したことを特徴とする自己始動型永久磁石同期電動機。
3. 請求項１において、
   前記かご型巻線を軸方向端面で短絡する導電性のエンドリングの軸方向各端部の長さ
   Ｌ_a およびＬ_b と、前記回転子の軸方向長さＬ_c と、前記エンドリングの径方向厚みＨ_a1，Ｈ_a2，Ｈ_b1，Ｈ_b2との関係が、（Ｌ_a＋Ｌ_b）／Ｌ_c ≦０.５，Ｈ_a1／Ｄ≦０.２５，Ｈ_a2／Ｄ≦０.２５，Ｈ_b1／Ｄ≦０.２５，Ｈ_b2／Ｄ≦０.２５ を満たした上で、前記回転子の外径Ｄと、前記回転子のスロット数Ｎ₂ と、前記回転子の１スロットの周方向幅最大値ｄとの関係が（Ｎ₂＊ｄ）／（π＊Ｄ）≦０.５８を満たし、かつ前記かご型巻線の１スロットの径方向幅最大値ｈがｈ≦０.５８＊π＊Ｄ／Ｎ₂となるように構成したことを特徴とする自己始動型永久磁石同期電動機。
4. 請求項１において、
   前記かご型巻線をアルミニウムかほぼそれと同等の抵抗率を有する材質で構成するとともに、前記かご型巻線を軸方向端面で短絡する導電性のエンドリングの軸方向各端部の長さＬ_a およびＬ_b と、前記回転子の軸方向長さＬ_c と、前記エンドリングの径方向厚み
   Ｈ_a1，Ｈ_a2，Ｈ_b1，Ｈ_b2との関係が、（Ｌ_a＋Ｌ_b）／Ｌ_c ≦０.５，Ｈ_a1／Ｄ≦０.２５，Ｈ_a2／Ｄ≦０.２５，Ｈ_b1／Ｄ≦０.２５，Ｈ_b2／Ｄ≦０.２５ を満たした上で、前記回転子の外径Ｄと、前記回転子のスロット数Ｎ₂ と、前記回転子の１スロットの周方向幅最大値ｄとの関係が（Ｎ₂＊ｄ）／（π＊Ｄ）≦０.５８を満たし、かつ前記かご型巻線の１スロットの径方向幅最大値ｈがｈ≦０.５８＊π＊Ｄ／Ｎ₂となるように構成したことを特徴とする自己始動型永久磁石同期電動機。
5. 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請求項１記載の電動機を備えた圧縮機。
6. 請求項１において、
   前記回転子の極間にかご型巻線を設置し、かつ、前記極間に近づくにつれて隣接するかご型巻線の間隔が狭くなる構成であることを特徴とする自己始動型永久磁石同期電動機。
7. 請求項１において、
   回転子の１極に複数段の永久磁石を備えていることを特徴とする自己始動型永久磁石同期電動機。
8. 請求項１において、
   回転子の１極にハ又はへの字状の永久磁石を備えた構成であることを特徴とする自己始動型永久磁石同期電動機。
9. 請求項１において、
   前記永久磁石の極間に空孔があることを特徴とする自己始動型永久磁石同期電動機。
10. 固定子巻線を備えた固定子と、回転子鉄心にかご型巻線と永久磁石とを備えた回転子とを有する自己始動型永久磁石同期電動機において、
    前記かご型巻線が発生するトルク成分が、零速または始動時で最大となることを特徴とする自己始動型永久磁石同期電動機。
11. 固定子巻線を備えた固定子と、回転子鉄心にかご型巻線と永久磁石とを備えた回転子とを有する自己始動型永久磁石同期電動機において、
    前記永久磁石と取り外した場合又は電動機を高温槽に設置した場合に、
    トルク成分が、零速または始動時で最大となることを特徴とする自己始動型永久磁石同期電動機。
12. 請求項１１において、
    前記高温槽は３００℃以上であることを特徴とする自己始動型永久磁石同期電動機。

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