JP2009236120A

JP2009236120A - 圧縮機

Info

Publication number: JP2009236120A
Application number: JP2009166835A
Authority: JP
Inventors: Osamu Kazama; 修風間; Tomoaki Oikawa; 智明及川; Yasuyoshi Tajima; 庸賀田島; Koji Masumoto; 浩二増本; Masaki Kato; 政紀加藤; Hideaki Maeyama; 英明前山
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2009-07-15
Filing date: 2009-07-15
Publication date: 2009-10-15

Abstract

【課題】軸受けが回転子の軸方向の片側一方向にのみ存在する密閉型圧縮機では、運転時の回転軸のたわみによる軸共振周波数が存在するため、この共振周波数に前記加振力の周波数が一致すると、大きな騒音，振動が発生するという問題があった。
【解決手段】電動機の回転子の重量をｍ、クランク軸の直径をｄ、電動機の極数をＰ、回転子の軸方向の厚さをｌａ、回転子の軸受け側の端面から軸受けの回転子側の端面までの距離をｌｂ、軸受けの軸方向の長さをｌｃ、クランク軸の最大運転回転数をｆｍとし、
Ａ＝６．１７＊１０^８，Ｉ＝π／６４＊ｄ^４，Ｌ＝１／２ｌａ＋ｌｂ＋３／５ｌｃとしたとき、ｆｍ＜１／２πＰ（ＡＩ／ｍＬ^３）^１／２を満たすようにした。
【選択図】図1

Description

本発明は、圧縮機に関するものであり、例えば除湿機や冷蔵庫等の冷凍機に使用される圧縮機に関するものである。

図５及び図６は、従来の圧縮機を示し、より具体的には、図５は電動機の軸方向片側のみに軸受けを有するロータリ式密閉型圧縮機の断面図を示し、図６は図５に示す電動機として用いた４極の鉄心内部磁石埋込型ＤＣブラシレスモータの構造を示す平面図である。

図５において、１はケースとしての密閉容器であり、密閉容器１は、下部には圧縮機構２を、上部には圧縮機構２を駆動する電動機３を収容している。４は圧縮機構２における圧縮室を示し、５、６はシリンダ７とともに上記圧縮室４を形成する上、下軸受けである。これら上、下軸受け５、６は、電動機３の軸方向の片側一方向、図５における電動機３の下部にのみ存在している。８は電動機３の回転子回転軸と一体に形成されたクランク軸であり、このクランク軸８は軸受け５、６により支持されている。９はローリングピストンである。

電動機３は、回転子１０と固定子１１より構成され、回転子１０は薄板電磁鋼板をプレス抜きしたものを積層した構造で永久磁石挿入孔１２を有する鉄心部１３と、鉄心部磁石挿入孔１２内部に配置される永久磁石１４、永久磁石を保持する端板１５、圧縮機構のトルク変動に対しバランスを取るためのバランスウェイト１６及び端板１５やバランスウェイト１６を回転子鉄心１３と結合させるリベット１７により構成される。固定子１１は回転子鉄心１３と同様に薄板電磁鋼板をプレス抜きしたものを積層した構造の鉄心部１８、固定子鉄心部１８に巻回された界磁巻線１９より構成される。また、回転子１０と固定子１１の間には空隙２０が設けられている。

図６において、回転子１０は、薄板電磁鋼板をプレス抜きした回転子鉄心１３に、磁石挿入孔１２、リベット挿入孔２１、クランク軸挿入孔２２、積層した薄板鉄心を連結するためのカシメ２３、騒音および電動機の効率向上のために付設されたスリット２４が打ち抜かれたものを積層して構成されている。磁石挿入孔１２には、永久磁石１４がＳ極とＮ極が交互になるように設置されている。また、このように回転子鉄心１３に磁石を配置する構造の鉄心内部磁石埋込型ＤＣブラシレスモータでは、永久磁石１４の外周側に磁極鉄心部２５が存在する。

一方、固定子１１は、薄板電磁鋼板をプレス抜きした回転子鉄心１８に、ティース部２６、スロット部２７を打ち抜いたものを積層して構成されている。スロット部２７には界磁巻線１９が１コイルあたりスロットピッチ角θで巻回されている。

特開平１１−２７５８０２号公報実開昭６３−７９４８７号特開平５−２５２７１８号公報特開平１１−１５０９３０号公報特開平１１−１０７９６３号公報

しかしながら、このような従来の圧縮機は下記の問題点を有していた。
すなわち、図５、図６に示す鉄心内部磁石埋込型ＤＣブラシレスモータにおいては、回転子鉄心１３に配置される永久磁石１４の外周部に磁極鉄心部２５が存在するため、固定子巻線１９により励磁された磁束が回転子磁極鉄心部２５を通り、回転子１０を固定子側に引き寄せようとする磁気吸引力が発生する。

この磁気吸引力は、固定子１０と回転子１１の間の空隙２０の間隔が均等である場合には、回転子各極でバランスするために問題とならないが、回転軸の偏心や軸の倒れ等により空隙２０にアンバランスが生じると、各極間の磁気吸引力がつり合わなくなり、回転数の極数倍の周波数をもつ加振力が発生する。この加振力と偏心に対する感度は、鉄心内部磁石埋込型のＤＣブラシレスモータでは非常に敏感なため、量産組立時に生産されるすべての圧縮機でこの加振力が発生しないように空隙２０を管理することはきわめて困難であり、この問題が、圧縮機の騒音，振動の加振源のうちの一つとなっている。

また、軸受けが回転子の軸方向の片側一方向にのみ存在する密閉型圧縮機では、運転時の回転軸のたわみによる軸共振周波数が存在するため、この共振周波数に前記加振力の周波数が一致すると、大きな騒音，振動が発生するという問題があった。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、軸受けが電動機の片側一方向にのみ存在する圧縮機において、低騒音化及び低振動化を図ることを目的とするものである。

発明に係る圧縮機は、流体を圧縮する圧縮機構と、前記圧縮機構を駆動するための駆動力を発生する電動機と、前記電動機と前記圧縮機構を連結して前記電動機の駆動力を前記圧縮機構に伝達するクランク軸と、前記電動機の回転子の鉄心内部に配置した永久磁石と、前記クランク軸の前記電動機に対する軸方向一端側のみを支持する軸受と、を備え、前記電動機の固定子の巻線を隣り合うスロットに集中直巻きするようにした圧縮機であって、前記電動機の回転子の重量をｍ、前記クランク軸の直径をｄ、前記電動機の極数をＰ、前記回転子の軸方向の厚さをｌａ、前記回転子の前記軸受け側の端面から前記軸受けの前記回転子側の端面までの距離をｌｂ、前記軸受けの軸方向の長さをｌｃ、前記クランク軸の最大運転回転数をｆｍとし、

としたとき、

を満たすようにした。

また、電動機の極数Ｐは、Ｐ≧６である。

さらに、永久磁石は、希土類系磁石からなる。

本発明によれば、圧縮機の運転回転数範囲内において、鉄心内部磁石埋込型ＤＣブラシレスモータを使用した密閉型圧縮機特有の、圧縮機運転回転数と回転子極数の積の周波数を持つ加振力の影響を回避し、低騒音，低振動化を図ることが可能である。
また、圧縮機を屋内に設置するようなシステムに、上記のように騒音低減効果がある本発明を適用した場合、特に効果的である。

本発明に係る圧縮機の実施の形態１の構造を示す断面図。図１に示された電動機の構造を示す平面図。本発明に係る圧縮機の実施の形態２の構造を示す断面図。図３に示された電動機の構造を示す平面図。従来の圧縮機の構造を示す断面図。従来の圧縮機に用いられた電動機の構造を示す平面図。

実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態１を図面を用いて説明する。
図１、図２は、本発明に係る圧縮機を密閉型圧縮機に適用した場合の実施の形態１を示す図であり、図１は圧縮機全体の断面図であり、図２は図１に示された鉄心内部磁石埋込型ＤＣブラシレスモータの構造を示す平面図である。

本実施の形態１においては、図１に示す回転子１０に設置される永久磁石１４にはフェライト系磁石材を用いている。また、回転子重量低減のために、圧縮機の必要とする出力を維持することを考慮した上で、回転子の外径、鉄心の積み巾を可能な限り小さくしてある。
なお、図１、図２に示した本実施の形態１の説明においては、重複した説明を避けるため、図５、図６に示したと構成と同じものには、同じ符号を付してその説明は省略するものとする。

まず、本実施の形態１においてにおいては、クランク軸８の軸共振周波数を、軸受け部５、クランク軸８および回転子１０を、はりと集中加重の系と考え次ぎの通り近似する。
クランク軸８の直径をｄ［ｍｍ］とすると、軸の断面２次モーメントＩは、

で求められ、電動機回転子鉄心の積み厚をｌ_ａ［ｍｍ］、電動機回転子鉄心の軸受け側端面から軸受けの電動機回転子側の端面までの距離をｌ_ｂ［ｍｍ］、軸受けの長さをｌ_ｃ［ｍｍ］としたときに、はりの長さをＬ［ｍｍ］とすると、

で近似できる。

次に、電動機の回転子の重量をｍ［ｋｇ］とすると、クランク軸８の軸共振振動数ｆ_ｓは、

で求められる。

圧縮機は、その使用用途により使用される運転回転数の範囲が異り、その運転範囲内での最大運転回転数をｆ_ｍ［Ｈｚ］、回転子の極数をＰとすると、

と設計することにより、圧縮機の運転範囲において運転回転数の極数倍の周波数をもつ加振力の影響を受けることがなくなり、圧縮機の低騒音および低振動化を図ることができる。このように設定することは、言い換えれば、クランク軸８の共振周波数が、クランク軸の最大運転回転速度と電動機の極数の積よりも大くなることを意味する。

また、ＤＣブラシレスモータのトルクＴは、永久磁石による空隙磁束密度Ｂ、固定子巻線に流れる圧縮機運転電流ｉ、回転子の積み厚ｌ_ａとすると

で表される。ここでは、回転子を小型化ているため、小型化していない回転子と同一トルクを出力する場合を考えると、圧縮機運転電流ｉは大きくなる傾向にある。巻線抵抗をＲとすると電動機の損失の一つである銅損Ｗ_Ｃは、

で表される。

そこで、電動機の極数Ｐを６極以上と多極化することで、同一外径の４極の固定子と比べ、１コイルあたりのスロットピッチ角θが小さくなる為、固定子に巻回してある巻線１９の周長が短くてすみ、巻線抵抗を抑え、銅損を小さくすることができる。
また、空隙磁束密度Ｂを同じにするために１つの極が受け持つ磁束量が、多極化するほど低減されるため、鉄心間ピーク磁束を減少させることができ、磁気飽和を回避し鉄損を低減することができる。

一般的に、圧縮器を用いた除湿機、冷蔵庫等においては圧縮機を他の部品と共に一つの筐体内に配置するため、騒音源となる圧縮機が屋内に設置されることになる。本実施の形態の圧縮機は屋外に設置された場合にも効果があるのは勿論であるが、屋外に比べ一層の騒音対策が必要な上記例のような除湿機や冷蔵庫等の屋内に本実施の形態の圧縮機を設置する場合には特に効果的である。

なお、本実施の形態１の例では、ロータリ式圧縮機を用いているが、軸受けが電動機の軸方向の一方向側のみに存在する構造であれば、他の圧縮機にも適用できることは勿論であり、例えば、レシプロ式，スクロール式等の圧縮機についても適用可能である。

実施の形態２．
以下、この発明の実施の形態２を図面を用いて説明する。
図３、図４は、本発明に係る圧縮機を密閉型圧縮機に適用した場合の実施の形態２を示す図であり、図３は圧縮機全体の断面図であり、図４は図３に示された鉄心内部磁石埋込型ＤＣブラシレスモータの構造を示す平面図である。なお、図３、図４に示した本実施の形態２の説明においても、上述の第１の実施の形態の説明と同様に重複した説明を避けるため、図５、図６に示したと構成と同じものには、同じ符号を付してその説明は省略するものとする。

本実施の形態２が上述の実施の形態１と異なる点は、図３に示す回転子１０に設置される永久磁石１４に希土類系磁石材を用いたことである。このように、残留磁束密度の高い希土類系磁石材を用いることによって、磁石の大きさを小さくしても必要十分な磁束を確保できるようになり、磁束を下げることなく回転子の小型化が可能であり、回転子外径や積み厚に対し設計の自由度が増すという利点がある。

さらに本実施の形態２では、図３に示すように固定子の巻線を隣り合うスロットに集中直巻きする方法を採用しており、これにより、図２で示した分布巻きに比べスロットピッチ角θをさらに小さくすることができ、電動機の小型化および高効率化を図ることができる。

１密閉容器（ケース）、２圧縮機構、３電動機、４圧縮室
５上側軸受け、６下側軸受け、７シリンダ、８クランク軸
９ローリングピストン、１０回転子、１１固定子、
１２磁石挿入孔、１３回転子鉄心、１４永久磁石、
１５端板、１６バランスウェイト、１７リベット、
１８固定子鉄心、１９固定子巻線、２０空隙、
２１リベット挿入孔、２２クランク軸挿入孔、２３カシメ、
２４スリット、２５磁極鉄心部、２６固定子ティース部、
２７固定子スロット部。

Claims

流体を圧縮する圧縮機構と、前記圧縮機構を駆動するための駆動力を発生する電動機と、前記電動機と前記圧縮機構を連結して前記電動機の駆動力を前記圧縮機構に伝達するクランク軸と、前記電動機の回転子の鉄心内部に配置した永久磁石と、前記クランク軸の前記電動機に対する軸方向一端側のみを支持する軸受と、を備え、前記電動機の固定子の巻線を隣り合うスロットに集中直巻きするようにした圧縮機であって、前記電動機の回転子の重量をｍ、前記クランク軸の直径をｄ、前記電動機の極数をＰ、前記回転子の軸方向の厚さをｌａ、前記回転子の前記軸受け側の端面から前記軸受けの前記回転子側の端面までの距離をｌｂ、前記軸受けの軸方向の長さをｌｃ、前記クランク軸の最大運転回転数をｆｍとし、

としたとき、

を満たすことを特徴とする圧縮機。
電動機の極数Ｐは、Ｐ≧６であることを特徴とする請求項１記載の圧縮機。
永久磁石は、希土類系磁石からなることを特徴とする請求項１乃至２いずれか記載の圧縮機。