JP2010161893A - 密閉型圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】界磁磁束がケーシングに漏洩することを回避又は抑制する技術を提供する。
【解決手段】回転軸Ｑから最も遠い界磁発生部１２の外縁１２ｅとケーシング６０の内縁６０ｅとの間の距離たる第１距離ｄｐは、回転子１０と固定子２０との間の距離たる第２距離ｇよりも大きくする。また、電機子巻線２２同士の間隔たる第３距離ｓは、第２距離ｇよりも大きくする。また、第１距離ｄｐは、界磁発生部１２と電機子との間の距離の最大値たる第４距離ｄｇよりも大きくする。さらに、第１距離ｄｐは、界磁発生部１２が含む永久磁石１２２の回転軸Ｑ方向の厚みｔｍよりも大きくする。
【選択図】図３

Description

本発明は回転電機を搭載する密閉型圧縮機に関する。

回転電機の構成の一例として、界磁磁束を発生する界磁子たる回転子と、電機子巻線を有してこれに流れる電機子電流によって回転磁界を発生する電機子たる固定子とを備えるものがある。

これらの回転子と固定子とが、当該回転子の回転軸方向に空隙を介して対向するアキシャルギャップ型モータがある。このアキシャルギャップ型モータを、磁性体で形成された容器（ケーシング）の内部に収容して密閉型圧縮機を構成する技術が提案されている（例えば下記特許文献１）。

特開２００８−２２８３６３号公報

圧縮機の運転効率向上を図るために、モータのトルクを向上することが望ましい。トルクを向上させるには界磁子が有する永久磁石の量を増加させ、磁気装荷を高める必要があるが、永久磁石の量を増加させようとすると、回転軸方向からの平面視で界磁子の面積が増大し、もって永久磁石とケーシングとの距離が近接する事態を招来する。

永久磁石とケーシングとの距離が近接すると例えば、次のような問題が生じる。すなわち、永久磁石の磁束の一部が固定子に渡らずに外周で短絡し、当該短絡した磁束がケーシングに流れる場合、ケーシング内には渦電流が発生して損失となる。特に、弱め磁束制御時には弱め磁束制御を行わない場合と比較して、界磁子と電機子とが同じ極性の磁極を呈して対向する状態が多くなるため、界磁磁束が電機子以外に漏洩しやすい。

したがって、永久磁石とケーシングとの距離が小さい場合には、運転時、特に、弱め磁束制御時に界磁磁束がケーシングに漏洩する事態を招来する。ケーシングに漏洩した界磁磁束は渦電流を発生させ運転効率を損なう要因となる。

本発明は、上記課題に鑑み、界磁磁束がケーシングに漏洩することを回避又は抑制する技術を提供することを目的とする。

上記課題を解決すべく、本発明に係る密閉型圧縮機の第１の態様は、所定の軸（Ｑ）の周りで環状配置される界磁発生部（１２）の複数を含む回転子（１０）と、前記軸の一方側で前記回転子と対向する固定子（２０）とを有する回転電機（５０）と、前記固定子を固定して前記回転電機を収容する磁性体ケーシング（６０）とを備える密閉型圧縮機（１００）であって、前記軸に平行な軸方向を法線とする面内で前記軸から最も遠い前記界磁発生部の外縁と、前記面内での前記磁性体ケーシングの内縁との間の距離たる第１距離（ｄｐ）は、前記回転子と前記固定子との間の前記軸方向での最大距離たる第２距離（ｇ）よりも大きい。

本発明に係る密閉型圧縮機の第２の態様は、その第１の態様であって、前記固定子（２０）は、前記軸（Ｑ）を中心として環状に配列され、第３距離（ｓ）を空けて前記軸を中心とする円の周方向で隣接する電機子巻線（２２）の複数と、前記電機子巻線のそれぞれが巻回される電機子用磁芯（２４）とを含み、前記第３距離は、前記第２距離（ｇ）よりも大きい。

本発明に係る密閉型圧縮機の第３の態様は、その第２の態様であって、前記第１距離（ｄｐ）は、前記第２距離（ｇ）と前記第３距離（ｓ）とによって、√｛（ｓ／２）²＋ｇ²｝で定まる第４距離（ｄｇ）よりも大きい。

本発明に係る密閉型圧縮機の第４の態様は、所定の軸（Ｑ）の周りで環状配置される界磁発生部（１２）の複数を含む回転子（１０）と、前記軸の一方側で前記回転子と対向する固定子（２０）とを有する回転電機（５０）と、前記固定子を固定して前記回転電機を収容する磁性体ケーシング（６０）とを備える密閉型圧縮機（１００）であって、前記軸に平行な軸方向を法線とする面内で前記軸から最も遠い前記界磁発生部の外縁と、前記面内での前記磁性体ケーシングの内縁との間の距離たる距離（ｄｐ）は、前記界磁発生部が含む永久磁石（１２２）の前記軸方向の厚み（ｔｍ）よりも大きい。

本発明に係る密閉型圧縮機の第１の態様によれば、ケーシングに磁性体を採用しても、固定子の外周とケーシングとの間に形成されやすい漏洩磁路の形成を回避又は抑制でき、もって磁石磁束がケーシングに漏洩することを回避又は抑制できる。

本発明に係る密閉型圧縮機の第２の態様によれば、一の電機子用磁芯から他の電機子用磁芯への電機子磁束の漏洩を回避又は抑制できる。

本発明に係る密閉型圧縮機の第３の態様によれば、回転子の界磁発生部と固定子の電機子用磁芯との間の距離の最大値（第４距離）よりも、第１距離の方が大きいので、磁石磁束がケーシングに漏洩することを回避又は抑制できる。

本発明に係る密閉型圧縮機の第４の態様によれば、高負荷時に磁石磁束がケーシングに漏洩することを回避又は抑制できる。

本発明の実施形態に係る密閉型圧縮機を例示する断面図である。 回転電機の分解斜視図である。 回転子と他の構成要素との位置関係を模式的に示した図である。

以下、本発明の好適な実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、図１を初めとする以下の図には、本発明に関係する要素のみを示す。

図１は本発明の実施形態に係る密閉型圧縮機１００を例示する断面図であり、回転電機５０の回転軸Ｑを含む面内での断面を示している。ただし、回転電機５０については側面図を示す。

本実施形態における密閉型圧縮機１００は、アキシャルギャップ型の回転電機５０とケーシング６０と圧縮機構部７０とを備えている。圧縮機構部７０はケーシング６０内に配置され、ケーシング６０内かつ圧縮機構部７０の上側に回転電機５０が配置される。そして圧縮機構部７０は、シャフト５１を介して回転電機５０によって駆動される。

〈回転電機の構成〉
図２は回転電機５０の分解斜視図であり、回転軸Ｑ方向に沿って分解して示している。回転電機５０は、回転子１０と固定子２０とが回転軸Ｑ方向で空隙を介して対向している。

回転子１０は複数（例えば図２では６個）の界磁発生部１２を備えている。複数の界磁発生部１２のそれぞれは、回転軸Ｑ方向からの平面視で互いに略同形状を呈する永久磁石１２２と磁性体コア１２４とを有している。永久磁石１２２と磁性体コア１２４とが回転軸Ｑ方向に積層することで界磁発生部１２を形成する。

磁性体コア１２４は、一の永久磁石１２２それぞれの磁極面上に設けられる。磁性体コア１２４は、永久磁石１２２より導電率の低い部材（例えば圧粉磁芯）又は、回転軸Ｑに直交する方向に積層された電磁鋼板を用いることで、回転軸Ｑの少なくとも一方側で回転子１０と空隙を介して対向する電機子たる固定子２０からの電機子磁束による永久磁石１２２での渦電流を低減し、永久磁石１２２の減磁を回避又は抑制するコアとして機能する。

なお、図２では１つの永久磁石１２２に対して１つの磁性体コア１２４が回転軸Ｑ方向の片側で隣接している例を示しているが、双方側に配置する態様であっても良い。この場合、後述するバックヨーク１３は通常設けられない。永久磁石１２２に対して磁性体コア１２４が設けられる側には固定子２０が対向する。換言すれば、永久磁石１２２には、回転子１０と固定子２０とが対向する側に磁性体コア１２４を設けることが望ましい。

複数の界磁発生部１２のそれぞれは、回転軸Ｑを中心とする円の周方向に沿って予め定められた間隔を空けて保持する非磁性体の保持部材１４によって保持されている。ここで、保持部材１４の具体的な材料としては例えば、ステンレス、アルミ若しくは真鍮等の非磁性金属、樹脂又はセラミックを採用することが望ましく、モールド成形やダイカスト等のインサート成形又は、一体成形により成形する。

保持部材１４には、略車輪状に形成された非磁性体が採用され、車輪のこしき（ボス）に相当する第１環状体１４１と、第１環状体１４１よりも外側にあって車輪に相当する第２環状体１４３と、車輪の輻（スポーク）に相当する複数の架橋体１４５とを有している。そして、第１環状体１４１の外周側、第２環状体１４３の内周側及び、周方向に隣接する２つの架橋体１４５とで１つの保持枠１４Ｆを規定する。

保持枠１４Ｆはこれら第１環状体１４１、第２環状体１４３及び、２つの架橋体１４５で規定されて多角形（具体的には略アーチ状）を呈する。一の保持枠１４Ｆには一の界磁発生部１２が配置される。つまり、回転軸Ｑ方向からの平面視で保持枠１４Ｆが呈する形状と、同平面視で界磁発生部１２が呈する形状とは略等しいことが望ましい。

保持部材１４が回転軸Ｑ方向を法線として呈する主面のうち、永久磁石１２２に対して磁性体コア１２４が隣接していない側の主面にはバックヨーク１３が設けられている。バックヨーク１３は、第１環状体１４１と第２環状体１４３とで規定される略環状領域と略同じ形状を呈し、保持部材１４及び界磁発生部１２を支持する。なお、保持部材１４は、バックヨーク１３と界磁発生部１２との位置関係を保持する働きをも有するが、例えば接着剤等によってバックヨーク１３と界磁発生部１２とを固定すれば、必ずしも保持部材１４は必要ではない。

固定子２０は例えば、コア２１と、コアに連接された複数の電機子用磁芯２４と、複数の電機子用磁芯２４のそれぞれに巻回された電機子巻線２２とを有している。コア２１は回転軸Ｑを法線とする面内に延在しており、回転子１０に保持されるシャフト５１を貫通させる孔が設けられている。

電機子用磁芯２４はコア２１の回転軸Ｑを法線とする主面のうち、回転子１０と対向する側の主面において回転軸Ｑの周りで環状に配置され、電機子巻線２２が巻回される芯として機能する。電機子用磁芯２４は、電機子巻線２２が巻回される部分よりも、回転子１０側において、周方向に幅広を呈する。これは、回転子１０の磁束をより多く固定子２０に流れるようにするとともに、コギングトルクを低減する役割、また、電機子巻線２２の抜け防止等の役割を果たす。

電機子巻線２２は、電機子用磁芯２４に絶縁体（図示省略）を介して巻回される。なお、本願では特に断りのない限り、電機子巻線２２はこれを構成する導線の１本１本を指すのではなく、導線が一纏まりに巻回された態様を指すものとする。これは図面においても同様である。また、巻始め及び巻終わりの引出線及び、それらの結線も図面においては省略している。

〈密閉型圧縮機の構成〉
このような回転電機５０をケーシング６０内に収容して密閉型圧縮機１００を構成する。

ケーシング６０の下側下方には吸入管６１が接続される一方、ケーシング６０の上側には吐出管６２が接続されている。吸入管６１から供給される冷媒は、圧縮機構部７０に導かれる。吸入管６１及び吐出管６２も、図１においてはその側面が示されている。

ケーシング６０内側にコア２１が固定されて、回転電機５０が固定される。シャフト５１の下端側が圧縮機構部７０に連結されている。

圧縮機構部７０は、シリンダ状の本体部７１と、上端板７２及び下端板７３とを備える。上端板７２及び下端板７３は、それぞれ本体部７１の開口側の上側と下側に取付けられる。シャフト５１は、上端板７２及び下端板７３を貫通して、本体部７１の内部に挿入されている。

シャフト５１は、圧縮機構部７０の上端板７２に設けられた軸受７４と、圧縮機構部７０の下端板７３に設けられた軸受７５により回転自在に支持されている。本体部７１内のシャフト５１にはクランクピン７６が設けられる。クランクピン７６にはピストン７７が嵌合して駆動される。ピストン７７及びこれに対応するシリンダとの間に形成された圧縮室７８において、冷媒が圧縮される。ピストンは偏芯した状態で回転し、又は公転運動を行い、圧縮室７８の容積を変化させる。

回転電機５０が回転することにより、圧縮機構部７０が駆動されると、吸入管６１から圧縮機構部７０に冷媒が供給され、圧縮機構部７０（とりわけ圧縮室７８）で冷媒を圧縮する。圧縮機構部７０で圧縮された高圧冷媒は、圧縮機構部７０の吐出ポート７９からケーシング６０内に吐出される。さらに高圧冷媒は、シャフト５１の周りに設けられた溝（図示省略）、回転子１０及び固定子２０の内部を回転軸Ｑ方向に貫通する孔（図示省略）、固定子２０及び回転子１０の外周部とケーシング６０の内面との間の空間等を通って回転電機５０の上部空間に運ばれる。その後、吐出管６２を介してケーシング６０の外部に吐出される。

〈回転子と他の構成要素との位置関係〉
回転子１０からケーシング６０への漏洩磁束の低減を図る場合、密閉型圧縮機１００が低負荷運転をしているときと、高負荷運転をしているとき（特に弱め磁束制御が行われているとき）とでは、考慮すべき点が異なる。そこで、まず、低負荷運転をしているときの漏洩磁束の低減を図る場合について説明する。

図３は回転子１０と他の構成要素との位置関係を模式的に例示した図であり、ケーシング６０の内部で、回転子１０と固定子２０とが回転軸Ｑ方向で対向している状態を示している。なお、図３で示している扇柱体２５は、固定子２０を模式的に示したものである。具体的には扇柱体２５は、固定子２０のうち電機子巻線２２を巻回した電機子用磁芯２４の回転子１０と対向する部分を模式的に示したものである。扇柱体２５のうち、回転子１０と対向する側の主面は電機子用磁芯２４が回転子１０と対向する主面を、回転軸Ｑ方向からの平面視で呈する外形は電機子巻線２２を巻回した電機子用磁芯２４の回転軸Ｑ方向からの投影図が呈する外形を、それぞれ表しているものとする。また、簡単のために、図３に示した扇柱体２５の個数は、図２で示した電機子用磁芯２４及び電機子巻線２２の個数とは異ならせている。また、一の永久磁石のみ破線で示している。なお、固定子２０に３相巻線を採用する場合には、扇柱体２５の個数（すなわち、電機子巻線２２及び電機子用磁芯２４それぞれの個数）は３の倍数となる。

〈低負荷運転時〉
回転軸Ｑ方向を法線とする面内で回転軸Ｑから最も遠い界磁発生部１２の外縁１２ｅと、同面内でのケーシング６０の内縁６０ｅとの間の距離たる第１距離ｄｐは、回転子１０と固定子２０との間の回転軸Ｑ方向での最大距離（一般に「エアギャップ」と称される距離）たる第２距離ｇよりも大きい。

具体的に界磁発生部１２の外縁１２ｅは、界磁発生部１２が含む永久磁石１２２と磁性体コア１２４のうち、回転軸Ｑから最も遠い部位とする。また、ケーシング６０の内縁６０ｅは、ケーシング６０が呈する内周面のうち、回転軸Ｑに最も近い部位とする。換言すれば第１距離ｄｐは、回転子１０が回転しているときに界磁発生部１２が呈する外形（円形）とケーシング６０とが最も近接している部位における、界磁発生部１２とケーシング６０との間の距離である。

この第１距離ｄｐと第２距離ｇとを比較したとき、第１距離ｄｐは第２距離ｇよりも大きい。第１距離ｄｐが第２距離ｇよりも大きければ、界磁磁束が界磁発生部１２から第１距離ｄｐを隔てたケーシング６０へと漏洩するよりも、界磁発生部１２から第２距離ｇを隔てた固定子２０へと流れやすくなる。

また、回転軸Ｑを中心として環状に配列される複数の電機子用磁芯２４の電機子巻線２２より回転子１０寄りの部分同士の最短距離を第３距離ｓとすると、第３距離ｓは、上述の第２距離ｇよりも大きいことが望ましい。何となれば、電機子巻線２２同士の間隔（第３距離ｓ）がエアギャップ（第２距離ｇ）よりも大きければ、電機子磁束が、一の電機子用磁芯２４から第３距離ｓ隔てた隣接する電機子用磁芯２４へと漏洩するよりも、第２距離ｇ隔てた回転子１０へと流れやすくなるからである。

さらに、第２距離ｇと第３距離ｓとによって定まる第４距離ｄｇが、第１距離ｄｐよりも短いことが望ましい。第４距離ｄｇは次式によって与えられる。すなわち、ｄｇ＝√｛（ｓ／２）²＋ｇ²｝である。つまり、第４距離ｄｇは界磁発生部１２（図３では磁性体コア１２４）と扇柱体２５で表される電機子との間の距離の最大値を示しており、当該最大値よりも第１距離の方が大きければ、界磁磁束が界磁発生部１２から第１距離ｄｐを隔てたケーシング６０へと漏洩することを更に回避又は抑制できる。

〈高負荷運転時〉
高負荷運転時、具体的には弱め磁束制御時には、固定子と回転子との間において界磁磁束と電機子磁束とは極性が反対向きになる。そのため、界磁磁束がケーシング６０へと漏洩することを回避するには、以下のようにすることが望ましい。

すなわち、界磁発生部１２の外縁１２ｅと、ケーシング６０の内縁６０ｅとの間の距離たる距離ｄｐは、永久磁石１２２の回転軸Ｑ方向の厚みｔｍよりも大きいことが望ましい。

例えば、永久磁石１２２の外縁よりも磁性体コアがケーシング６０の内縁６０ｅに向かって突出している場合（図示省略）には、磁性体コアの外縁とケーシング６０の内縁６０ｅとの間の距離が距離ｄｐに相当する。このとき、磁性体コアからケーシング６０の内縁６０ｅへと向かう磁路よりも、磁性体コアと、当該磁性体コアが接する永久磁石１２２の主面とは反対側の永久磁石１２２の主面との間の磁路の方が短いことが望ましい。

以上、本発明の好適な態様について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、第１距離ｄｐと厚みｔｍとの関係については、一の極性を呈する界磁発生部１２からケーシング６０へと漏洩した磁束は、他の極性を呈する界磁発生部１２へと伝わるので、ケーシング６０へと漏洩した磁束の磁路は第１距離ｄｐの２倍となる。一方、永久磁石１２２が呈する一の磁極面から他の磁極面へと流れる磁束の磁路は厚みｔｍであるから、第１距離ｄｐと厚みｔｍとが、２ｄｐ＞ｔｍなる関係を満たしていても良い。

また、回転子１０に対して回転軸Ｑ方向の両側に固定子２０が設けられていても良い。

１００ 密閉型圧縮機
１０ 回転子
１２ 界磁発生
１２ｅ 外縁
１２２ 永久磁石
１２４ 磁性体コア
２０ 固定子
２２ 電機子巻線
２４ 電機子用磁芯
６０ ケーシング
６０ｅ 内縁
Ｑ 回転軸
ｄｐ 第１距離
ｇ 第２距離
ｓ 第３距離
ｄｇ 第４距離
ｔｍ 厚み

Claims (4)

1. 所定の軸（Ｑ）の周りで環状配置される界磁発生部（１２）の複数を含む回転子（１０）と、
   前記軸の一方側で前記回転子と対向する固定子（２０）と
   を有する回転電機（５０）と、
   前記固定子を固定して前記回転電機を収容する磁性体ケーシング（６０）と
   を備える密閉型圧縮機（１００）であって、
   前記軸に平行な軸方向を法線とする面内で前記軸から最も遠い前記界磁発生部の外縁（１２ｅ）と、前記面内での前記磁性体ケーシングの内縁（６０ｅ）との間の距離たる第１距離（ｄｐ）は、前記回転子と前記固定子との間の前記軸方向での最大距離たる第２距離（ｇ）よりも大きい、
   密閉型圧縮機。
2. 前記固定子（２０）は、
   前記軸（Ｑ）を中心として環状に配列され、前記軸を中心とする円の周方向で隣接する電機子巻線（２２）の複数と、
   前記電機子巻線のそれぞれが巻回される電機子用磁芯（２４）と
   を含み、
   互いに隣接する前記電機子用磁芯の前記電機子巻線より前記回転子（１０）寄りの部分同士は最短距離で第３距離（ｓ）を空けて配置され、
   前記第３距離は、前記第２距離（ｇ）よりも大きい、
   請求項１記載の密閉型圧縮機（１００）。
3. 前記第１距離（ｄｐ）は、
   前記第２距離（ｇ）と前記第３距離（ｓ）とによって、√｛（ｓ／２）²＋ｇ²｝で定まる第４距離（ｄｇ）よりも大きい、
   請求項２記載の密閉型圧縮機（１００）。
4. 所定の軸（Ｑ）の周りで環状配置される界磁発生部（１２）の複数を含む回転子（１０）と、
   前記軸の一方側で前記回転子と対向する固定子（２０）と
   を有する回転電機（５０）と、
   前記固定子を固定して前記回転電機を収容する磁性体ケーシング（６０）と
   を備える密閉型圧縮機（１００）であって、
   前記軸に平行な軸方向を法線とする面内で前記軸から最も遠い前記界磁発生部の外縁（１２ｅ）と、前記面内での前記磁性体ケーシングの内縁（６０ｅ）との間の距離たる距離（ｄｐ）は、前記界磁発生部が含む永久磁石（１２２）の前記軸方向の厚み（ｔｍ）よりも大きい、
   密閉型圧縮機。

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