JP2013051881A

JP2013051881A - 誘導電動機、圧縮機および冷凍サイクル装置

Info

Publication number: JP2013051881A
Application number: JP2012271462A
Authority: JP
Inventors: Takahiro Tsutsumi; 貴弘堤; Koji Yabe; 浩二矢部
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-12-12
Filing date: 2012-12-12
Publication date: 2013-03-14

Abstract

【課題】回転子鉄心の磁束飽和の発生を抑え、効率改善を目的とする。
【解決手段】回転子スロット１３内に非磁性かつ導電性の材料を充填して形成されるかご形二次導体である回転子１１と、回転子１１を包囲し、巻線が捲回された固定子鉄心１２ａを具備する固定子１２と、を有する誘導電動機１００において、回転子１１の外周の直径を回転子ティース１５の数で除した値が、固定子１２の固定子ティース１６同士の円周方向の距離よりも大きいことを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は誘導電動機、圧縮機および冷凍サイクル装置、特に、かご形誘導電動機、および該誘導電動機を有する圧縮機、および該圧縮機を有する冷凍サイクル装置に関する。

従来、複数の棒状導体の両端を短絡環で短絡して構成されたかご形巻線を回転子鉄心のスロット内に納めて形成されたかご形回転子、及び巻線をされた固定子鉄心を有するかご形誘導電動機において、回転子鉄心の軸方向長さが固定子鉄心の軸方向長さよりも長いことを特徴とするかご形誘導電動機が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平９−２１５２８６号公報（第３−４頁、図１）

しかしながら、特許文献１に開示された誘導電動機において、回転子に形成された回転子スロットを大きくすることによって、二次抵抗を小さくして効率改善をすることができるが、回転子スロットを大きくすると回転子鉄心の磁束飽和を生じ、性能が低下することがあったという問題があった。

本発明は、上記のような問題を解決するためになされたもので、回転子鉄心の磁束飽和の発生を抑え、効率改善を目的とする。

本発明に係る誘導電動機は、回転子スロット内に非磁性かつ導電性の材料を充填して形成されるかご形二次導体である回転子と、前記回転子を包囲し、巻線が捲回された固定子鉄心を具備する固定子と、を有する誘導電動機において、前記回転子の外周を回転子ティースの数で除した値が、前記固定子の固定子ティース同士の円周方向の距離よりも大きいことを特徴とする。

本発明に係る誘導電動機は前記のように、回転子のティース巾を太く固定子のティース巾を細く、すなわち、回転子のコア巾を固定子のコア巾より小さくするから、鉄損低減を図ることによって効率改善が可能になる。

本発明の実施の形態１に係る誘導電動機を説明する軸方向断面図。図１に示す誘導電動機の横断面図。図１に示す誘導電動機の部分拡大平面図。本発明の実施の形態２に係る誘導電動機を説明する部分拡大平面図。本発明の実施の形態３に係る誘導電動機を説明する部分拡大平面図。本発明の実施の形態４に係る誘導電動機を説明する部分拡大平面図。本発明の実施の形態５に係る圧縮機を説明する部分拡大平面図。本発明の実施の形態６に係る冷凍サイクル装置を説明する構成図。

［実施の形態１：誘導電動機］
図１〜図３は本発明の実施の形態１に係る誘導電動機を説明するものであって、図１は軸方向断面図、図２は横断面図、図３は固定子鉄心と回転子鉄心の部分拡大平面図である。なお、各図は模式的に描かれたものであって、本発明は描かれた形態（各部の数量や相対的な寸法比率等）に限定されるものではない。
図１において、誘導電動機１００は、固定子１２と、固定子１２の内側に空隙２０を介して配置された回転子１１とを有している。

（固定子）
図２の（ａ）において、固定子１２は、略リング状の固定子鉄心１２ａと、固定子鉄心１２ａに形成される固定子スロット１７に挿入された固定子コイル１４とを備える。固定子コイル１４は各固定子ティース１６に巻回される集中巻、もしくは分布巻である。また、単相、もしくは三相である。固定子鉄心１２ａは外周側にリング状のコアバック２１を有し、コアバック２１の内周側から複数の固定子ティース１６が放射状に回転子１１の方向（図示しない回転軸の中心に向かう方向）に伸びている。なお、図２では固定子スロット１７の数が２４であるものを示しているが、これは一例であり、スロット数が２４に限定されるものではない。

固定子鉄心１２ａには、内周縁に沿って固定子スロット１７が形成されている。固定子スロット１７は、周方向にほぼ等間隔に配置される。固定子スロット１７は、半径方向に延在している。
固定子スロット１７は、内周縁に開口しており、この開口部をスロットオープニングと言う。このスロットオープニングから固定子コイル（巻線に同じ）１４が挿入される。
固定子鉄心１２ａの外周面には、外周円形状を略直線状に切り欠いた略直線部をなす切欠きが４ヶ所に設けられている。４ヶ所の切欠きは、隣り合うもの同士が略直角に配置される。なお、略直線状の切欠きの数、形状及び配置は図示された形態に限定するものではない。
固定子鉄心１２ａは、板厚が例えば０．１ｍｍ〜１．５ｍｍの電磁鋼板を所定の形状に打ち抜き、軸方向に積層し、カシメや溶接、接着材等により固定して製作される。

（回転子）
回転子１１は、回転子鉄心１１ａと、アルミバー３０と、コア積層方向の両側に形成される一対のエンドリング３２と、で構成されるかご形二次導体３３とを備える（図２の（ｂ）参照）。
アルミバー３０とエンドリング３２は、アルミダイキャストにより同時にアルミを鋳込むことで製作される。
なお、かご形二次導体３３は、アルミに替えて銅にすることができる。
回転子鉄心１１ａは、断面の形状が略円形で、外周に沿って、複数の回転子スロット１３が周方向に略等間隔に形成されている。隣接する二つの回転子スロットの間に回転子ティース１５が形成される。なお、この例では、回転子スロットの数は３０であるが、本発明はスロット数を３０に限定するものではない。
また、回転子鉄心１１ａの中央部には駆動軸が嵌合される軸孔１９が形成されている。
回転子鉄心１１ａは、板厚が例えば、０．１ｍｍ〜１．５ｍｍの電磁鋼板を所定の形状に打ち抜き、軸方向に積層し、カシメや接着剤により固定して製作される。

回転子スロット１３には、非磁性かつ導電性の材料が充填されている為、回転子スロット１３に固定子１２の磁束が鎖交すると、アルミバー３０に二次電流が発生し、その二次電流と固定子１２の磁束によりトルクが発生する。
誘導電動機１００の損失を分類すると、一次銅損、二次銅損、鉄損に分けられる。
誘導電動機を高効率にする為、二次銅損を低くするにはアルミバー３０を太くするために回転子スロット１３を大きくした方が良い（回転子１１の磁束飽和により鉄損増加）。
また、鉄損を小さくするには磁束飽和しない様に回転子ティース１５を太く（スロットを小さく）した方が良い。

そこで、二次銅損を低くするため回転子スロット１３を大きくするが、同時に、回転子ティース１５が磁束飽和しない様に回転子１１の回転軸方向の長さ（以下、「回転子コア巾」と称す）Ｈｒを、固定子１２の回転軸方向の長さ（以下、「固定子コア巾」と称す）Ｈｓよりも大きくする（図１参照）。すなわち、以下の式を満足する。
Ｈｒ＞Ｈｓ・・・・・（式１）
また、回転子ティース１５の円周方向の巾（Ｌｒ）と回転子ティース１５の数（Ｎｒ）との積である「回転子の磁路幅（Ｌｒ・Ｎｒ）」が、固定子ティース１６の円周方向の巾（Ｌｓ）と固定子ティース１６の数（Ｎｓ）との積である「固定子の磁路幅（Ｌｓ・Ｎｓ）」以上であるようにする。すなわち、以下の式を満足する。
Ｌｒ・Ｎｒ≧Ｌｓ・Ｎｓ・・・・（式２）
式２を満足することによって、回転子１１と固定子１２との磁束のバランスがよくなり、また、磁束飽和を抑制することができる（図３の（ｂ）参照）。

［実施の形態２：誘導電動機］
図４は本発明の実施の形態２に係る誘導電動機を説明する部分拡大平面図である。誘導電動機１０３は、誘導電動機１００（実施の形態１）における回転子スロット１３の形状を変更したものである。なお、回転子スロット１３を除く部位については実施の形態１と同じであるから、一部の説明を省略する。
図４（ａ）において、回転子スロット４０は実施の形態１における回転子スロット１３を、外周側に突起４１を形成した形状に適応させたものである。

図４の（ｄ）において、突起４１を具備する突起形状にすることで、固定子磁束が回転子ティース１５にスムーズに入り込む為、回転子ティース１５の磁束が、突起４１を具備しない一般的な円弧形状（図４の（ｂ）、（ｃ）参照）よりも高くなる。
すなわち、図４の（ｂ）に示すように、突起が無く、ブリッジ部１０が狭い場合、ｓｈｏｒｔ磁束でアルミにマイナー電流が発生するため効率が悪化する。また、図４の（ｃ）に示すように、突起が無く、ブリッジ部１０を拡大した場合、ｓｈｏｒｔ磁束は減小するものの、漏れ磁束が増加し、効率が悪化する。一方、図４の（ｄ）に示すように、ｓｌｏｔ先端に突起４１が形成された場合、漏れ磁束、ｓｈｏｒｔ磁束とも改善され、効率が改善される。

［実施の形態３：誘導電動機］
図５は本発明の実施の形態３に係る誘導電動機を説明する部分拡大平面図である。誘導電動機１０４は、誘導電動機１００（実施の形態１）における回転子スロット１３の形状を変更したものである。なお、回転子スロット１３を除く部位については実施の形態１と同じであるから、一部の説明を省略する。
図５の（ａ）において、回転子スロット５０は実施の形態１における回転子スロット１３を、外周側が略Ｖ字状に形状された菱形形状のＶ字先端５１を具備する形態に適応させたものである。菱形形状にすることで、固定子磁束が回転子ティース１５にスムーズに入り込む為、回転子ティース１５の磁束が一般的な円弧形状（図３参照）よりも高くなる。
そして、図５の（ｂ）に示すように、ｓｌｏｔ先端をＶ字状にすることによって、実施の形態２と同様に、漏れ磁束、ｓｈｏｒｔ磁束とも改善され、効率が改善される。

［実施の形態４：誘導電動機］
図６は本発明の実施の形態４に係る誘導電動機を説明する部分拡大平面図である。なお、実施の形態１、２と同じ部分または相当する部分には同じ符号を付し、一部の説明を省略する。
図の（ａ）において、誘導電動機１０５は、隣接する回転子スロット４０の外周側頂点（突起４１に同じ）間の距離ｂを、固定子ティース１６の先端巾ａより大きくするものである。すなわち、式３を満足する。
ｂ＞ａ・・・・・（式３）
したがって、磁気抵抗を小さくすることができ、効率を改善することができる（図６の（ｂ）参照）。

［実施の形態５：圧縮機］
図７は本発明の実施の形態５に係る圧縮機を説明する部分拡大平面図である。なお、実施の形態１と同じ部分または相当する部分には同じ符号を付し、一部の説明を省略する。
圧縮機１は、実施の形態１〜４に示す誘導電動機１００、１０２〜１０５の何れかを圧縮機に用いることにより、圧縮機を高効率化することが可能であるから、誘導電動機１００を搭載する回転式圧縮機（以下、「圧縮機」と称す）１について説明する。
図７において、圧縮機１は密閉容器４内に、圧縮要素２００と、電動要素である誘導電動機１００と、図示しない冷凍機油とを収納している。
冷凍機油は密閉容器４内の底部に貯留している。冷凍機油は主に圧縮要素２００の摺動部を潤滑する。
誘導電動機１００は、固定子１２および回転子１１を備え、回転子１１には、ガス流路２が設けられ、冷媒、油が通過する。
一般的に密閉型圧縮機（圧縮機１に同じ）の性能を確保するために、電動機（誘導電動機１００に同じ）に一定の冷媒の流路が必要である。
圧縮要素２００は、シリンダ５、上軸受６（軸受の一例）、下軸受７（軸受の一例）、回転軸３、ローリングピストン９、吐出マフラ８、ベーン（図示せず）等で構成される。圧縮要素２００の構成は、回転軸３の構成を除き一般的な圧縮機の構成と同じであるが、概略を説明する。

（圧縮要素）
圧縮要素２００において、内部に圧縮室が形成されるシリンダ５は、外周が平面視略円形で、内部に平面視略円形の空間であるシリンダ室を備える。シリンダ室は、軸方向両端が開口している。
シリンダ５は、側面視で所定の軸方向の高さを持つ。シリンダ５は、略円形の空間であるシリンダ室に連通し、半径方向に延びる平行なベーン溝（図示せず）が軸方向に貫通して設けられる。また、ベーン溝背面（外側）に、ベーン溝に連通する平面視略円形の空間である背圧室（図示せず）が設けられる。
シリンダ５には、冷凍サイクルからの吸入ガスが通る吸入ポート（図示せず）が、シリンダ５の外周面からシリンダ室に貫通している。

シリンダ５には、略円形の空間であるシリンダ室を形成する円の縁部付近（誘導電動機１００側の端面）を切り欠いた吐出ポート（図示せず）が設けられる。
そして、ローリングピストン９が、シリンダ室内を偏心回転する。ローリングピストン９はリング状で、ローリングピストン９の内周が回転軸３の偏心軸部に摺動自在に嵌合する。
ベーンがシリンダ５のベーン溝内に収納され、背圧室に設けられるベーンスプリング（図示せず）でベーンが常にローリングピストン９に押し付けられている。

回転式圧縮機１は、密閉容器４内が高圧であるから、運転を開始するとベーンの背面（背圧室側）に密閉容器４内の高圧とシリンダ室の圧力との差圧による力が作用する。このため、ベーンスプリングは主に回転式圧縮機１の起動時（密閉容器４内とシリンダ室の圧力に差がない状態）に、ベーンをローリングピストン９に押し付ける目的で使用される。ベーンの形状は、平たい（周方向の厚さが、径方向及び軸方向の長さよりも小さい）略直方体である。

上軸受６は、回転軸３の主軸部（偏心軸部より上の部分）に摺動自在に嵌合するとともに、シリンダ５のシリンダ室（ベーン溝も含む）の一方の端面（誘導電動機１００側）を閉塞する。上軸受６の吐出弁から吐出される高温・高圧の吐出ガスは、一端吐出マフラ８に入り、その後、吐出マフラ８の吐出穴（図示しない）から密閉容器４内に放出される。
下軸受７が、回転軸３の副軸部（偏心軸部より下の部分）に摺動自在に嵌合するとともに、シリンダ５のシリンダ室（ベーン溝も含む）の他方の端面（冷凍機油側）を閉塞する。下軸受７は、側面視略Ｔ字状である。上軸受６には、その外側（誘導電動機１００側）に吐出マフラ８が取り付けられる。

密閉容器４の横に、冷凍サイクルからの低圧の冷媒ガスを吸入し、液冷媒が戻る場合に液冷媒が直接シリンダ５のシリンダ室に吸入されるのを抑制する吸入マフラ８０が設けられる。吸入マフラ８０は、シリンダ５の吸入ポートに吸入管２２を介して接続する。吸入マフラ８０は、溶接等により密閉容器４の側面に固定される。
圧縮要素２００で圧縮された高温・高圧のガス冷媒は、吐出マフラ８の吐出穴（図示しない）から誘導電動機１００を通過して、吐出管７０から外部の冷媒回路（図示せず）へ吐出される。

回転式圧縮機１に固定子１２を用いた誘導電動機１００を使用する場合に、固定子１２は回転式圧縮機１の円筒状の密閉容器４の胴部に焼き嵌めされる。
密閉容器４の胴部と各切欠きとの間に、ガス冷媒とともに回転子１１に形成されたガス流路２を通過して電動要素１００の上に吐出され、図示しない油分離器で分離された冷凍機油を密閉容器４の底部に戻す油戻し通路が形成されている。
回転子鉄心１１ａは、中心付近に断面が円形の軸孔を備える。軸孔には、回転軸３が焼き嵌め等により固定される。

電動要素である単相誘導電動機１００（図２参照）は、固定子鉄心１２ａのスロット数が２４、回転子鉄心１１ａのスロット数が３０の組合せである。但し、これは一例であり、それぞれのスロット数が２４や３０に限定されるものではない。
かご形誘導電動機では、固定子のスロット数と回転子のスロット数との組合せが、同期トルク、非同期トルク、振動・騒音等の異常現象に密接に関係する。そのため、固定子のスロット数と回転子のスロット数との組合せは、慎重に選ばれる。

［実施の形態６：冷凍サイクル装置］
図８は本発明の実施の形態６に係る冷凍サイクル装置を説明する構成図である、なお、実施の形態１および５と同じ部分または相当する部分には同じ符号を付し、一部の説明を省略する。
図８において、冷凍サイクル装置３００は、例えば、空気調和機に搭載されるものである。冷凍サイクル装置３００は回転式圧縮機１（実施の形態１）を構成要素としている。
すなわち、回転式圧縮機１は電源１８に接続され、回転式圧縮機１の単相誘導電動機１００の補助巻線（図示しない）と電源１８との間に運転コンデンサが接続される。電源１８から電力が回転式圧縮機１に供給され、回転式圧縮機１が駆動する。
冷凍サイクル装置（空気調和機）は、回転式圧縮機１、冷媒の流れる方向を切り替える四方弁３０１、室外熱交換器３０２、減圧装置３０３、室内熱交換器３０４、およびこれらを接続した冷媒を循環させる冷媒配管３０５等で構成される。

冷凍サイクル装置（空気調和機に同じ）３００は、例えば、冷房運転時、図８の矢印のように冷媒が流れ、室外熱交換器３０２は凝縮器として機能し、室内熱交換器３０４は蒸発器として機能する。
一方、冷凍サイクル装置（空気調和機に同じ）３００の暖房運転時は、四方弁によって冷媒の流れる方向が切り替えられる。すなわち、冷房運転時（図８の矢印の方向）とは反対の方向の流れとなり、室外熱交換器は蒸発器として機能し、室内熱交換器は凝縮器として機能する。

また、冷媒としてＲ１３４ａ、Ｒ４１０ａ、Ｒ４０７ｃ等に代表されるＨＦＣ系冷媒が使用される。また、Ｒ７４４（ＣＯ_２）、Ｒ７１７（アンモニア）、Ｒ６００ａ（イソブタン）、Ｒ２９０（プロパン）等に代表される自然冷媒が使用される。
冷凍機油としてアルキルベンゼン系油に代表される弱相溶性の油が使用される。また、エステル油に代表される相溶性の油が使用される。
誘導電動機１００を搭載した圧縮機１を冷凍サイクル装置３００に用いることにより、冷凍サイクル装置３００の性能の向上、小型化、低価格化が可能となる。

本発明に係る誘導電動機は、効率改善が可能であるから、レシプロ式やスクロール式等の圧縮機にも搭載することができ、さらに、かかる圧縮機を各種冷凍サイクル装置に設置することができる。

１回転式圧縮機、２ガス流路、３回転軸、４密閉容器、５シリンダ、６上軸受、７下軸受、８吐出マフラ、９ローリングピストン、１０ブリッジ部、１１回転子、１１ａ回転子鉄心、１２固定子、１２ａ固定子鉄心、１３回転子スロット、１４固定子コイル、１５回転子ティース、１６固定子ティース、１７固定子スロット、１８電源、１９軸孔、２０空隙、２１コアバック、２２吸入管、３０アルミバー、３２エンドリング、４０回転子スロット（実施の形態３）、４１突起、５０回転子スロット（実施の形態４）、５１Ｖ字先端、７０吐出管、８０吸入マフラ、１００誘導電動機（電動要素）、１０３誘導電動機（実施の形態２）、１０４誘導電動機（実施の形態３）、１０５誘導電動機（実施の形態４）、２００圧縮要素、３００冷凍サイクル装置（実施の形態６）、３０１四方弁、３０２室外熱交換器、３０３減圧装置、３０４室内熱交換器、３０５冷媒配管。

Claims

回転子スロット内に非磁性かつ導電性の材料を充填して形成されるかご形二次導体である回転子と、
前記回転子を包囲し、巻線が捲回された固定子鉄心を具備する固定子と、
を有する誘導電動機において、
前記回転子の外周を回転子ティースの数で除した値が、前記固定子の固定子ティース同士の円周方向の距離よりも大きいことを特徴とする誘導電動機。
密閉容器と、
該密閉容器に収納された請求項１記載の誘導電動機と、
前記密閉容器に収納され、前記誘導電動機によって回転駆動される圧縮要素と、を有することを特徴とする圧縮機。
請求項２記載の圧縮機と、凝縮器と、絞り装置と、蒸発器と、これらを接続する冷媒配管と、を有することを特徴とする冷凍サイクル装置。