JP2012522485A - 同期電動機および誘導電動機として動作可能な電動機 - Google Patents

Abstract

本発明は、同期電動機および誘導電動機の両方の機能を果たし、コイル巻線を有する固定子（１００）と回転子（２００）とを備え、前記回転子は、４極を形成させる磁石（３００、３１０、３２０、３３０）を有する回転子であり、固定子（１００）の巻線は磁極の数を変えることができるように切り換えることができる電動機に関する。該電動機は、低速回転で同期電動機として機能し、高速回転で誘導電動機として機能する。誘導電動機として動作する時に、１に近い突極比を有する回転子（２００）を使用して、２極で十分な効率レベルに達するように十分な磁束を発生させて、電動機が動作時にトルク振動するのを防ぎ、操作が簡単で、優れた性能を有し、低騒音である電動機を提供することができる。

Description

本発明は、同期誘導電動機に関し、より詳細には、同期電動機および誘導電動機の両方の機能を果たし、いずれの状態でも優れた性能を可能にする構造のモータに関する。

現在のところ、冷凍圧縮機用電動機は、これらの圧縮機のエネルギー消費において重要な機能を果たす。これらの電動機の重要な特徴の中で、主な特徴として、電気出力、始動（または過負荷）時のロバスト性、電動機の速度可変の可能性が挙げられる。

家庭用または商業用の当分野に見られる製品全体の９０％超で装備する冷凍圧縮機で使用される電動機には３種類ある。つまり、単相誘導電動機、永久磁石同期電動機、および永久磁石ブラシレス直流電動機である。

単相誘導電動機では、固定子の磁場と回転子に誘導される磁場との相互作用により生成されるトルクは大きい。このタイプの電動機の電気効率は悪くなく（平均的）、電子制御装置の使用が必ずしも必要でなく、速度は一定である。このことから、このタイプの電動機は低コストの電動機である。

直入始動式永久磁石同期電動機（ＬＳＰＭ）では、磁場と固定子電流との相互作用によって生成されるトルクは小さい。このタイプの電動機では、同様に電子制御装置が必ずしも必要でなく、速度は一定である。しかしながら、その電気効率は、誘導電動機に比べて高い。このタイプの電動機は、中位のコストの電動機である。

最後に、永久磁石ブラシレス直流電動機では、他の電動機とは違って、インバータのような電子制御装置を利用して、回転子によって生成される磁場と共にトルクを発生させる固定子の有効電流量を制御する。電子制御装置を有するために、トランジスタの伝導時間が調節できるので電動機の速度は制御可能である。しかしながら、この種類の解決策は、かなり複雑な電子装置を使用する必要があるのでコストが高い。

このようなタイプの電動機は、例として、米国特許第３９７８３５６号明細書、米国特許第４１３９７９０号明細書、米国特許第５６３１５１２号明細書、米国特許第５８２５１１２号明細書、米国特許第６９１７１３３号明細書、米国特許第７１１６０３０号明細書、米国特許第７１８３６８６号明細書、米国特許第７３７２１８３号明細書に見ることができる。

米国特許第３９７８３５６号明細書 米国特許第４１３９７９０号明細書 米国特許第５６３１５１２号明細書 米国特許第５８２５１１２号明細書 米国特許第６９１７１３３号明細書 米国特許第７１１６０３０号明細書 米国特許第７１８３６８６号明細書 米国特許第７３７２１８３号明細書

本発明は、同期電動機と誘導電動機との混合構造を有しブラシレスＤＣ電動機に固有の電子装置を使用せずに２つの速度で動作できる電動機で、結果的に、高いレベルの効率と可変速度とを有し、さらに価格競争力のある電動機を提供できる。

したがって、本発明の目的は、電子装置を使用せずに速度を変化させることができる電動機を提供することである。

本発明の別の目的は、現在の電動機より優れた性能／コスト関係を有する、すなわち、低コストでより優れた電動機の性能をもたらす電動機を提供することである。

本発明のさらに別の目的は、一定の条件下で同期電動機の特徴と誘導電動機の特徴とを有する電動機を提供することである。

本発明のさらなる目的は、同期して通常の速度より遅い速度で動作するのにより低い騒音レベルを有する電動機を提供することである。

本発明の目的は、コイル巻線を有する固定子と、ｎ個の磁極を形成させる磁石を有する回転子とを備え、さらにスイッチによって前記固定子のｎ個の磁極を変化させることができるように配置されたコイル巻線を有する固定子を備え、低速回転で同期電動機として動作し、高速回転で誘導電動機として動作し、誘導電動機として動作する時に、１に近いＸｄ／Ｘｑ突極比（ｄ軸（ｄｉｒｅｃｔ ｓｈａｆｔ）リアクタンスとｑ軸（ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ ｓｈａｆｔ）リアクタンスとの比）を有する回転子が使用される同期誘導電動機を提供することで達成される。

本発明を、以下の本発明の実施例として挙げられた図と併せてより詳細に説明する。なお、以下の実施例は、より理解できるように２個と４個との磁極構造を使用しているが、解決策はこの組み合わせに限定されず、用途の必要性に応じて多数の極の任意の他の組み合わせを使用してもよい。

本発明の電動機固定子の２極構造の電流方向を示す図である。 図１Ａの電動機固定子の２極構造の磁束方向を示す図である。 本発明の電動機固定子の４極構造の電流方向を示す図である。 図１Ｃの電動機固定子の４極構造の磁束方向を示す図である。 本発明の電動機固定子の２極構造の代替形態の電流方向を示す図である。 本発明の電動機固定子の４極構造の代替形態の電流方向を示す図である。 本発明の磁石付き回転子の４極構造の磁場方向を示す図である。 回転子の直軸が固定子の主コイルの軸と位置合わせされた電動機例の磁場図である。 回転子の直軸が固定子の主コイルの軸と９０°の角度をなす図３Ａの前記電動機の磁場図である。 本発明の回転子構造のトポロジの代替例を示す図である。 本発明の回転子構造のトポロジの代替例を示す図である。

図１Ａおよび図１Ｂは、２極を形成させる構造の巻線を有する固定子１００を示す図である。

図１Ａからわかるように、この構造では、上側および下側の両方の電流は同じ方向（左から右）を有し、これらの電流は矢印１、２で示されている。

図１Ｂは、図１Ａで示されている構造の磁束方向を示している。

図１Ｃおよび図１Ｄは、図１Ａおよび図１Ｂとは異なり、４極を形成させる構造の巻線を有する固定子１００を示している。

図１Ｃは、固定子１００の巻線の４極構造を示しており、矢印３、４は反対方向（上側−左から右、下側−右から左）の上側および下側の電流を示している。

図１Ｄは、４極を形成させる図１Ｃに示された構造の磁束を示している。

図１Ａから図１Ｄに示された構造は、２極の巻線を有する固定子１００を４極の巻線を有する固定子１００に変えるために考えられ得る複数の構造のうちの単なる例に過ぎない。

２極または４極を有する固定子１００のこれらの巻線構造は、電子スイッチおよび／または電気機械スイッチを駆動することで切り換えることができる。

図１Ｅおよび図１Ｆでは、さらに別の構造が示されている。図１Ｅは、固定子の巻線の２極構造の代替形態を示している。矢印５〜８は前記巻線構造での電流方向を示しており、上側および下側の電流は同じ方向（右から左）を有し、右側および左側の電流は同じ方向（上から下）を有する。

図１Ｆに示された４極の巻線構造を有する固定子１００の例では、矢印９〜１２からわかるように、上側および下側の電流は反対方向（上側−左から右、下側−右から左）を有し、右側および左側の電流も反対方向（右側−下から上、左側−上から下）を有する。

添付図面に示されている構造とは異なり、さらなる効率が得られるなどの異なる特徴を有する２個および４個の独立巻線など数多くの他の巻線構造が使用される場合もあるが、このような構造を使用した場合のコストはより高くなる。

上述したように、２極または４極を有する固定子１００の巻線構造は、トランジスタなどの電子スイッチおよび／またはリレーなどの電気機械スイッチを駆動させて切り換えることができる。これらのスイッチは、電動機を低速回転または高速回転のいずれで使用する必要があるかを判断して、電圧および／または電流信号によって巻線構造間で切り換えを行う役割の外部制御システムで制御される。

図２では、回転子２００は、例えば、４極を形成させる磁石３００、３１０、３２０、３３０と共に示されており、磁石３００、３１０、３２０、３３０は低速状態での電動機の同期化を可能にする。回路網で直入始動式永久磁石電動機（ＬＳＰＭ）として電動機が動作することで、この電動機は低速状態の高効率で動作することができる。図２では、矢印は磁石３００、３１０、３２０、３３０の磁場方向を示しており、図からわかるように、対向位置にある磁石は反対方向の磁場を有する。一例として、図２では、左上象限の磁石３００および右下象限の磁石３３０は互いに逆の磁場方向（１８０°差）を有し、同じことが右上象限の磁石３１０および左下象限の磁石３２０についても言える。この構造により、回転子の４極が形成するが、低速の所望の回転構造に応じてより多くの数の磁極が使用される場合もある。一例として、２極（高速回転）と４極（低速回転）、または４極（高速回転）と６極（低速回転）構造、さらには、電動機に求められる用途に固有の利点をもたらす他の組み合わせがある。

回転子２００では、切り換えがなく、４極の回転子であり、常に４極を有するので、２極（誘導電動機）と４極（同期電動機）の両方を満たす動作を可能にする構造が求められる。この特別な構造にするために、いくつかの構造的要件が満たされる必要がある。それらの要件とは、ａ）磁石３００、３１０、３２０、３３０によって生じる磁束は、４極の（同期）電動機として動作する時の適正トルクおよび効率レベルを発生させるのに十分高くなければならないということ、ｂ）２極巻線に見られるように直軸（Ｘｄ）と横軸（Ｘｑ）との磁気抵抗比（Ｘｄ／Ｘｑ）は１近くで、回転子２００の２極の動作時に０に近いリラクタンストルクを発生させて、適正効率レベルを達成し、公称速度でのトルク振動を防ぐようにすることである。この場合、磁気抵抗比または突極比は、回転子の電気直軸磁気抵抗と横軸磁気抵抗との関係であることに留意すべきである。したがって、その関係が大きいほど、よりリラクタンストルクは同期回転に近くなる。

突極比Ｘｄ／Ｘｑが１に近いので、高速回転のトルク振動が避けられる（示されている例では２極）。

別の重要な要件は、磁石が対称的に配列されて、全く同じフォーマットと磁気機能を有することである。このことで、確実に２極の磁束によって生じる平均トルクが０になる。

上記で特定したこれらの要件を満たすと、電動機は２極の動作時にトルク振動が防がれる。トルク振動、つまり電動機の出力トルクの高調波変動は、機械の振動、騒音、回転変動の一因となる。したがって、本発明で示される構造により、操作が簡単で、低騒音で、性能が優れた電動機を提供することができる。

図３Ａおよび図３Ｂは、磁気抵抗比の例を示しており、図３Ａは大きい磁気抵抗と弱い磁束とを有する電気直軸を示しており、図３Ｂは小さい磁気抵抗と強い磁束とを有する電気横軸を示している。図３Ａの矢印は、最も大きい磁気抵抗を有する軸を示しており、図３Ｂの矢印は、最も小さい磁気抵抗を有する軸を示している。

１に近い磁気抵抗比を有する必要性に応じて、複数の構造の回転子２００を使用することができるが、それでも回転子２００の適切な動作にとって十分強い磁束を発生させることができる。このように、図４Ａおよび図４Ｂの例示的な構造は、２極および４極との両方を有する回転子２００の動作に必要な要件の両方を満たす。

図４Ａには平面磁石が示されているが、図４Ｂには曲面磁石（凹形状）が示されている。図４Ａおよび図４Ｂに示されている２つの構造は単なる例であること、また最適な動作の要件が満たされれば、他の構造の回転子磁石３００、３１０、３２０、３３０を備えてもよいことは明らかである。

上述の説明は好適な実施形態を示しているが、本発明は上述の教示の詳細に限定されないことは、当業者に理解されたい。

本明細書で説明された本発明に対して、添付の請求項およびその等価物に含まれるように、本発明の精神および範囲またはその等価物から逸脱せずに、変化、変更、修正が当業者には可能であることに留意すべきである。

Claims (7)

1. コイル巻線を有する固定子（１００）と、
   磁石を有する回転子（２００）と、を備える同期誘導電動機であって、
   磁石を有する回転子がｎ個の磁極を形成させること、および同期電動機として低速回転で動作するために誘導電動機として高速回転で動作する固定子内の磁極の数がスイッチによって切り替わるように配置されたコイル巻線を有する固定子をさらに備え、
   同期電動機として低速回転で動作するための固定子（１００）巻線における磁極の数が、回転子の磁極の数ｎに等しく、
   誘導電動機として高速回転で動作するための固定子（１００）巻線における磁極の数が、偶数で整数２〜ｎ−２であり、
   誘導電動機として動作する時に、１に近い突極比（Ｘｄ／Ｘｑ）を有する回転子（２００）が使用されることをさらに特徴とする、同期誘導電動機。
2. 前記スイッチが、電子スイッチであることを特徴とする、請求項１に記載の同期誘導電動機。
3. 前記スイッチが、電気機械スイッチであることを特徴とする、請求項１に記載の同期誘導電動機。
4. 外部制御システムが、高速回転か低速回転かのいずれの動作が必要であるかを判断することを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の同期誘導電動機。
5. 回転子（２００）の磁石（３００、３１０、３２０、３３０）が、平面磁石であることを特徴とする、請求項１に記載の同期誘導電動機。
6. 回転子（２００）の磁石（３００、３１０、３２０、３３０）が、凹面磁石であることを特徴とする、請求項１に記載の同期誘導電動機。
7. 低速回転の固定子巻線と高速回転の固定子巻線とが、独立していることを特徴とする、請求項１に記載の同期誘導電動機。

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