JP2013079653A - 密閉型電動圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】近年、省エネルギーの観点から電気機器の効率向上が求められている。圧縮機内部の固定子で発生する損失である鉄損は比較的大きな比重を占めており、この点に関しては、なお改善の余地があるものと考えられる。本発明は、鉄損の少ない圧縮機を提供することを目的とする。
【解決手段】固定子の軸方向長さに対応する密閉容器の部分を拡径して、固定子と密閉容器の拡径部とを溶接固定することで、圧縮機の鉄損を減少させることができる。延いては、効率の良い圧縮機を実現することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は冷凍サイクル装置に用いられる密閉型電動圧縮機に関するものである。

従来の密閉型電動圧縮機として、特許文献１が知られている。図４は、密閉型圧縮機を示すロータリー圧縮機の縦断面図である。これは、特許文献１の第１図そのものであるが符号は変更している。図４において、１は密閉容器であり、上部に電動要素、下部に圧縮要素を収納している。２ａは固定子であり、固定子２ａと密閉容器１との接続が空隙を介して溶着部１２にて固着している。特許文献１に開示の技術は騒音低減を目的とした技術であり、「溶着部４とステータ２との接続は、空隙４ａを介して点接触に近いものとなっており、ステータ２の外周面がほとんどケース１から浮いているので、振動伝達面積が大幅に縮小し、ケース１への振動伝達が小さくできる。」と第２頁上右欄第２行に記載されている通りである。

特開昭６２−１９９９７４号公報

上記の特許文献１に示されたロータリー圧縮機では、固定子と密閉容器との間に空隙を存在させるため、固定子の最外周部径が圧縮機構部の最外周部径に対して小さく設定されなければならず、固定子鉄芯の体積を可及的に大きくできず、それに伴って固定子鉄芯内の巻線用に設定した空間を大きくできない。また、それらを大きくするため、固定子の最外周部径を圧縮機構部の最外周部径に対して同等以上に大きく設定し、固定子を密閉容器内に焼嵌や圧入等により固定した場合、固定子鉄芯にかかる応力が大きくなり鉄損が大きくなるという問題がある。焼嵌や圧入等では、固定子と密閉容器との締め代を調整する際、固定子鉄芯の形状変更は型変更が必要となるため、コスト及び時間がかかるということも考慮しなければならない。

近年、省エネルギーの観点から電気機器の効率向上が求められている。圧縮機内部の固定子で発生する損失である鉄損は比較的大きな比重を占めており、この点に関しては、なお改善の余地があるものと考えられる。

本発明は、鉄損の少ない圧縮機を提供することを目的とする。

上記本発明の目的は、
密閉容器内に、固定子と回転子とからなる電動機と、前記電動機によって駆動される圧縮機構とを有する密閉型電動圧縮機において、
前記固定子はコアバックを有し、
前記密閉容器は、段部にて径が拡大された拡径部を有し、
前記拡径部は前記固定子の軸方向長さに対応する部分に設けられ、
前記拡径部と前記コアバックとは溶接によって固定されていることにより達成される。

本発明によれば、鉄損の少ない圧縮機を提供することができる。

縦型スクロール圧縮機の断面図である。 電動機部分の拡大図である。 固定子および密閉容器拡径部の断面図である。 従来の密閉型電動圧縮機の縦断面図である。 固定子および密閉容器拡径部の拡大図である。 固定子および密閉容器拡径部の拡大図である。 固定子および密閉容器拡径部の拡大図である。 固定子および密閉容器拡径部の拡大図である。 固定子および密閉容器拡径部の拡大図である。 モータ効率の比較図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施例を説明する。

第１実施例に関して、図１〜図３を参照しながら説明する。図１は縦型スクロール圧縮機の断面図である。主な構成として、密閉容器１の内部に、電動要素である電動機２と、この電動機２により駆動される旋回スクロール１３と固定スクロール１４との間で前記冷媒を圧縮する電動要素である圧縮機構３であるスクロール圧縮機構とを配し、旋回スクロール１３を固定スクロール１４に対して自転させずに旋回運動させるように固定スクロール１４と固定部材１６との間で支持案内する自転規制部材としてのオルダムリング１５を有している。電動機２は、固定子２ａと回転子２ｂとから構成され、固定子２ａは密閉容器１に固定され、回転子２ｂはシャフト８に圧入固定される。

圧縮機構３は固定スクロール１４と旋回スクロール１３を従来同様に噛み合わせて構成し、旋回スクロール１３が電動機２の回転と共にシャフト８を介して、前記オルダムリング１５により旋回駆動される。この一連の動作により、吸込みパイプ１７より吸い込まれた冷媒ガスが圧縮されて吐出パイプ１８より冷凍サイクルへ排出される。

図２に電動機部分の拡大図を示す。図３に固定子２ａの断面図を示す。密閉容器１の内周には固定子２ａが隙間嵌めとなるように段部１ｃにて径が拡大された拡径部１９が設けられている。拡径部１９の外周側の複数箇所において、溶接部２０によって固定子２ａと密閉容器１を溶接固定できるようになっている。さらに、固定子２ａの鉄芯については、鉄芯を板金加工する際に同時にカシメ作業を行うオートクランプ方式の他、詳細については図示しないが、溶接，溶着，ワニスなどによる接着，ネジあるいはリベットによるカシメなどを実施し、さらに強度を向上させたものでもよい。

図では、分かりやすくするため、隙間２ｆを非常に大きく強調して表現しているが、実際はもっと小さい。隙間嵌めが可能である程度に小さければそれで足りるが、目安としては、機械で芯出ししなければ固定子２ａを密閉容器１内に挿入できないほどの小ささは要求されず、人手によって固定子２ａを密閉容器１内に挿入できる程度に小さければ十分である。隙間については基本的に以下でも同じである。なお、固定子２ａは拡径する前の密閉容器１に圧入や焼嵌め等するようにして、つまり従来と同様にして設計，製作されたものである。

溶接は、容器に６mm程度の孔を空けておき、そこに溶接剤を流し込むようにして行われる。図示の溶接剤の形状は漫画的にネジまたはリベットのように表現されている部分については、密閉容器１と固定子２ａとの間に表現されているネジやリベットの足に相当する部分は、実際は殆ど足の長さはないものの、その径が孔と略同じ６mm程度である。

組立手順を説明する。

先ず、円筒状の密閉容器について、固定子２ａの溶接箇所に孔をあけ、固定子２ａの外周部に対応する部分を拡径した密閉容器１を製作する。固定子２ａを密閉容器１の拡径部１９に挿入し、外周部を溶接機にて溶接固定する。このとき固定子２ａが段部１ｃに接したまま溶接されないことが好ましい。段部１ｃにより固定子２ａに応力が生じてしまうことをも回避した方が有利だからである。

次に、回転子２ｂが圧入固定されたシャフト８を準備する。回転子２ｂの外周部に、固定子２ａとのエアギャップを形成するための薄板部材を配設しておき、その状態で密閉容器１に固定された固定子２ａ内に固定する。その後、前記回転子２ｂの外周部に設置した薄板部材を取り除くことで、電動機２の部分の構造が完成する。

ここで、固定子２ａと回転子２ｂとは軸方向にずれており、回転子２ｂの方が圧縮機構３の側にある。これは回転子２ｂについて、圧縮機構３から離れる方向に磁力を発生させ、回転子２ａと連結しているシャフト８を、固定部材１６に押付けることにより、回転子２ｂの揺動を抑制することを狙いとしたものである。

図３は、固定子２ａを含む部分の軸直角断面図である。前述のように、固定子２ａが密閉容器の拡径部１９に隙間嵌めにて溶接固定されていることで、固定子２ａの固定子鉄芯２ｃ，コアバック２ｈの変形が抑制できる。コアバック２ｈとは、ティース２ｇの外径側の部分ではなく、巻線２ｅ用に設定した空間２ｄの外径側の部分であり、この点で溶接が成される。このため、鉄芯に発生する応力に起因する鉄損の増加を防止することができる。

なお、溶接部分には多少なりとも応力が発生してしまうが、固定子２ａ全体から見て小さな部分に収まると言えるため、固定子２ａで発生する応力を非常に小さいものにすることが可能となっている。

また固定子鉄芯２ｃ内の巻線２ｅ用に設定した空間２ｄを、より外径側まで設計することができるため、鉄芯外径側の隙間２ｆが殆ど無くなることとなる。従来の構成では圧入や焼嵌め等により固定子２ａを留めていたため、理屈上は負の隙間２ｆが生じていたと言える。実施例のような隙間嵌めによれば隙間２ｆを確保しながら、つまり固定子２ａに応力を生じさせることなく可及的に固定子鉄芯の体積を大きくすることができるとともに、固定子鉄芯内の巻線用に設定した空間を大きくすることができる。このように集中巻方式で巻線されている巻線２ｅの占める領域が大きく取れることで、モータ効率を向上させることができる。

上記鉄芯に生じる応力の低減とモータ効率の向上効果との関係について、固定子２ａと密閉容器１の焼嵌代とモータ効率の測定結果から導かれる関係を図１０に示す。

まず磁性体の特性として、強磁性体に応力を加えて外形を変化させると、外部磁場がなくても磁気モーメントが磁化容易方向からずれて磁気弾性エネルギーとの相互作用で鉄損が増加するという、磁歪の逆効果と呼ばれる現象が知られている。

そこで、固定子２ａと密閉容器１を焼嵌して鉄芯に焼嵌応力を加えて固定したものと、第１実施例に示されるように密閉容器１の内周には固定子２ａが隙間嵌めとなるように径が拡大された拡径部１９が設けられたものとで、固定子２ａの溶接箇所を３箇所とした仕様にて、空調機器で代表的な冷房運転条件Ａ，Ｂ、暖房運転条件Ａ，Ｂにてモータ効率の測定を実施した。この冷房運転条件Ａと暖房運転条件Ｂは、主に、吸込圧力と吐出圧力の圧力比及び運転回転数が異なる。図１０において、縦軸はモータ効率、横軸は焼嵌代を示している。測定に使用した固定子の外径はφ１１２mm、焼嵌代は約１００μｍ，１５０μｍで行った。測定結果より、運転条件に関わらず、焼嵌された際と比較して第１実施例に示す仕様ではモータ効率の向上が確認された。また、焼嵌代を増やした仕様の方がモータ効率は低めに出る傾向が確認された。この結果から、実施例の構成は焼嵌による鉄芯への応力の緩和につながり、鉄損の低減に伴ってモータ効率を向上させることができるといえる。

第２実施例に関して、図５を参照しながら説明する。この第２実施例は、次に述べる点については第１実施例と相違するものであり、その他の点については第１実施例と基本的には同一である。鉄芯部である固定子鉄芯２ｃは、積み重なる多数の固定子鉄板が加締められて構成されている。図５において固定子２ａと密閉容器１を溶接固定する溶接部２０の位置は、固定子２ａの軸方向に対し固定子鉄芯２ｃの圧縮機底側の端部に設定されているため、固定子２ａの自重による固定子鉄板の加締め部での剥がれを防止できるという利点がある。なお、溶接部２０の位置である端部とは、固定子２ａの下端から１０mm程度までの間であって、溶接部２０が固定子２ａからはみ出ないような位置のことである。溶接する点の大きさは前述の通り６mm程度であるので、１０mm程度と少々余裕を見ておくことが好ましい。

第３の実施例に関して、図６を参照しながら説明する。この第３実施例は、次に述べる点については第１実施例と相違するものであり、その他の点については第１実施例と基本的には同一である。図６において、固定子２ａと密閉容器１を溶接固定する溶接部２０の位置は、固定子２ａの軸方向に対し固定子鉄芯２ｃの中央部に設定されているため、固定子２ａの重心位置で溶接固定することとなり安定性が高い。また、圧縮機運転中の固定子２ａの振動による、固定子２ａと回転子２ｂとのエアギャップ２７の変動を低減できるという効果がある。ここでいう中央部とは、固定子２ａを軸方向に見た時の一端と他端との中点から±５mm程度を言う。

第４実施例に関して、図７及び図８を参照しながら説明する。この第４実施例は、次に述べる点については第１から第３実施例と相違するものであり、その他の点については第１から第３実施例と基本的には同一である。

図７において、固定子２ａは、固定子２ａと密閉容器１の拡径部１９との空隙を介し、拡径部１９外周側の２箇所の溶接部２０において固定されている。安定な固定を得るには３箇所の溶接が好ましいが、工程削減の観点から２箇所とする場合も考えられる。断面で見ると形状的に対称型であるため好ましい。

図８において、固定子２ａは、固定子２ａと密閉容器１の拡径部１９との空隙を介し、拡径部１９外周側の３箇所の溶接部２０において固定されている。上記の通り、３点であれば安定な固定を得ることができる。また、断面でみると形状的な対称型であり好ましい。２点の場合には溶接点を結ぶ線上の１方向の振動に対しては極めて強いが、それと直角な方向の振動に対しては極めて強いとは言えない。一方、３点の対称型であれば、どのような方向の振動に対しても強い。形状的な点からだけでなく、更に３点対称型が優れているのは三相電動機との関係からである。溶接部が、鉄芯に応力を生じさせたり、磁路に影響を与えたりする場合であっても、それらの影響は電気的に対称型となるからである。延いては電動機２が生じる振動も打ち消しあって、小さな振動しか生ぜず、更に信頼性が高い圧縮機となる。

このように固定子２ａの溶接箇所を、２箇所もしくは３箇所に限定することで、４箇所以上の複数箇所により溶接固定した場合に対し、より固定子２ａの固定子鉄芯２ｃの変形が抑制できるため、鉄損低減によるモータ効率向上を達成することができる。ここで、溶接箇所は、溶接強度を考慮し設定する。

以上の実施例は、固定子２ａが、密閉容器の拡径部１９に、空隙を介して溶接されている例であるが、中間嵌めの状態で溶接された場合でも、焼嵌や圧入で固定する場合に対し、固定子鉄芯にかかる応力を低減することができ、性能向上効果を得ることができる。

特に図７の実施例である２点溶接では、隙間嵌めよりも更に隙間２ｆを低減できる中間嵌めとすることで、密閉容器１に対する固定子２ａの傾きが低減されるとともに、このときは２点の溶接点以外に密閉容器１で固定がサポートされることになる。従って、より安定性・信頼性の観点から好ましい構成となる。更に、この考え方を推し進めれば、究極的には図９に示すような１点溶接でも良い。

ここで、中間嵌めとは、ＪＩＳの規定で、「それぞれ許容限界寸法内に仕上げられた穴と軸とをはめあわせるときは、その実寸法によってすきまができることも、しめしろができることもあるはめあい。軸の公差域は穴の公差域に重なりあう。」と記載されている通りである。

以上の実施例における冷媒は、Ｒ４１０Ａなど通常のルームエアコンなどに用いられるものであり、ＨＣＦＣ冷媒，ＨＦＣ冷媒，ＨＣ冷媒のことである。いわゆるエコキュートには圧縮機の冷媒として二酸化炭素が用いられ、冷凍サイクルは超臨界冷凍サイクルとなり非常に高圧となる。従って、十分な強度を確保するため、３点以上の溶接が必須となる。

第５実施例は、次に述べる点については第１から第４実施例と相違するものであり、その他の点については第１から第４実施例と基本的には同一である。以上の原理は、製作時ではなく、圧縮機の運転時に内在されていれば良いと考えると、つまり、運転時に隙間２ｆについて上に説明してきたような説明がつくと考えると、次のような構成を採ることも可能である。

図示はしないが、図７，図８，図９において焼嵌のような構成を考える。固定子２ａは、密閉容器の拡径部１９に圧入もしくは焼嵌にて固定され、且つ固定子２ａと拡径部１９の外周部の１，２箇所にて溶接固定されている。この構成によれば、固定子２ａを密閉容器１に、圧入もしくは焼嵌のみで固定する場合に対し締結力を増加することができる。この構成で、上記のような非常に高圧のサイクルとなる二酸化炭素を冷媒として用いると、密閉容器１が、その高圧によって多少なりとも膨らむこととなる。この膨らみと、圧入もしくは焼嵌とのバランスによって、密閉容器１によって固定子２ａに応力を生じにくいような関係にすれば、上に説明してきたような効果を得ることができる。このため、二酸化炭素冷媒を用いた高圧力の圧縮機等においても、固定子を圧入もしくは焼嵌のみで固定する場合に対し、固定子２ａ，固定子鉄芯２ｃにかかる応力を低減することができるため、鉄芯の応力による鉄損の増加を防止できるという効果がある。

なお、密閉型電動圧縮機の代表例として縦型のスクロール圧縮機を例にとって実施例を記載したが、もちろん横型においても本発明を適用することができ、効果を得ることができる。更に、ロータリー圧縮機、その他の密閉型電動圧縮機でも同様である。

以上の通りであり、固定子の軸方向長さに対応する密閉容器の部分を拡径して、固定子と密閉容器の拡径部とを溶接固定することで、圧縮機の鉄損を減少させることができる。延いては、効率の良い圧縮機を実現することができる。

このように圧縮機性能が向上することで、その入力低減分を室外ファン入力等の冷凍サイクル機器に回して、入力を維持したまま冷凍サイクル装置の冷凍能力を向上させることができる。

１ 密閉容器
２ 電動機
２ａ 固定子
２ｂ 回転子
２ｃ 固定子鉄芯
２ｄ 巻線用空間
２ｅ 巻線
２ｆ 隙間
２ｇ ティース
２ｈ コアバック
３ 圧縮機構
１２ 溶着部
１３ 旋回スクロール
１４ 固定スクロール
１５ オルダムリング
１６ 固定部材
１７ 吸込パイプ
１８ 吐出パイプ
１９ 拡径部
２０ 溶接部

Claims (4)

1. 密閉容器内に、固定子と回転子とからなる電動機と、前記電動機によって駆動される圧縮機構とを有する密閉型電動圧縮機において、
   前記固定子はコアバックを有し、
   前記密閉容器は、段部にて径が拡大された拡径部を有し、
   前記拡径部は前記固定子の軸方向長さに対応する部分に設けられ、
   前記拡径部と前記コアバックとは溶接によって固定されていることを特徴とする密閉型電動圧縮機。
2. 請求項１において、
   前記密閉容器内に、前記固定子が隙間嵌めにより挿入されたことを特徴とする密閉型電動圧縮機。
3. 請求項１または２において、
   前記固定子は前記段部に接しないことを特徴とする密閉型電動圧縮機。
4. 請求項１乃至３のいずれかにおいて、
   前記拡径部は、前記密閉容器のうち、前記固定子の外周部に対応する部分を拡径して製作されることを特徴とする密閉型電動圧縮機。

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