JP2015156756A - 単相誘導電動機、密閉型圧縮機及び冷凍サイクル装置 - Google Patents

単相誘導電動機、密閉型圧縮機及び冷凍サイクル装置 Download PDF

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Abstract

【課題】効率を向上できる単相誘導電動機、密閉型圧縮機及び冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。【解決手段】単相誘導電動機は、円筒状のフレーム内に焼嵌め又は圧入により固定される固定子12と、固定子12に設けられた主巻線26及び補助巻線27と、固定子12の内周側に設けられた回転子11と、を備え、固定子12の外周には、円弧状の円弧部22と直線状の切欠き部21とが形成されており、固定子12の外周において、主巻線磁極28の方向には円弧部22が配置されており、円弧部22には、円弧部22とフレームの内周面との接触面積を減少させる逃げ部22aが形成されている。【選択図】図4

Description

本発明は、単相誘導電動機、密閉型圧縮機及び冷凍サイクル装置に関するものである。
特許文献1には、ステータ外径に対して、1スロットピッチ又は複数スロットピッチで配された略半円形の切欠きを設けた電動機が記載されている。
特許文献2には、固定子鉄心の外周部に固定子ティースとほぼ同幅の切欠きを設け、主巻線が挿入されるスロットの外周側には、固定子ティースとほぼ同幅の切欠きを設けないように構成した単相電動機が記載されている。
特開2001−268824号公報 特許第4559872号公報
一般に、単相誘導電動機では、固定子コアバックの磁束密度が高くなる傾向がある。特に、特許文献1及び2のように固定子に切欠きが設けられている場合、切欠きが設けられた部分のコアバック磁路が短くなるため、磁束密度がより高くなる傾向がある。これにより、コアバックにおける鉄損が増加するだけでなく、トルクを発生するために必要な主巻線及び補助巻線に流れる電流が増加して銅損も増加するため、電動機の効率が悪化するという問題点があった。
本発明は、上述のような問題点を解決するためになされたものであり、効率を向上できる単相誘導電動機、密閉型圧縮機及び冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。
本発明に係る単相誘導電動機は、円筒状のフレーム内に焼嵌め又は圧入により固定される固定子と、前記固定子に設けられた主巻線及び補助巻線と、前記固定子の内周側に設けられた回転子と、を備え、前記固定子の外周には、円弧状の円弧部と直線状の切欠き部とが形成されており、前記固定子の外周において、前記主巻線の磁極方向には前記円弧部が配置されており、前記円弧部には、前記円弧部と前記フレームの内周面との接触面積を減少させる逃げ部が形成されていることを特徴とするものである。
また、本発明に係る密閉型圧縮機は、上記の単相誘導電動機を備えることを特徴とするものである。
また、本発明に係る冷凍サイクル装置は、上記の密閉型圧縮機が用いられていることを特徴とするものである。
本発明によれば、固定子の切欠き部付近に生じる圧縮応力を緩和でき、切欠き部付近の磁束密度を低減できるため、固定子の鉄損を低減することができる。したがって、単相誘導電動機の効率を向上させることができる。
本発明の実施の形態1に係る密閉型圧縮機の概略構成を示す縦断面図である。 本発明の実施の形態1に係る単相誘導電動機の一部の構成を示す横断面図である。 本発明の実施の形態1に係る単相誘導電動機において、固定子の小スロット及び大スロットに同心巻方式で挿入される主巻線及び補助巻線の配置を示す図である。 本発明の実施の形態1に係る単相誘導電動機において、逃げ部が形成された円弧部近傍の構成を示す拡大図である。 本発明の実施の形態1に係る単相誘導電動機において、密閉容器の胴部と固定子との接触面積と、固定子のA部、B部、C部に生じる圧縮応力との関係を示すグラフである。 本発明の実施の形態1に係る単相誘導電動機において、Tb/Ta=1の場合及びTb/Ta=1/2の場合のそれぞれにおける固定子12のA部、B部、C部の鉄損を示すグラフである。 本発明の実施の形態1に係る密閉型圧縮機が用いられた冷凍サイクル装置の概略構成を示す図である。
実施の形態1.
本発明の実施の形態1に係る単相誘導電動機、密閉型圧縮機及び冷凍サイクル装置について説明する。図1は、本実施の形態に係る密閉型圧縮機10の概略構成を示す縦断面図である。本実施の形態では、密閉型圧縮機10として、ローリングピストン型回転式圧縮機を例示している。なお、図1を含む以下の図面では、各構成部材の寸法の関係や形状等が実際のものとは異なる場合がある。
図1に示すように、密閉型圧縮機10は、外部から吸入した冷媒を圧縮する圧縮要素300と、駆動軸8により圧縮要素300と連結され圧縮要素300を駆動する電動機要素200(単相誘導電動機)と、圧縮要素300及び電動機要素200を収容する密閉容器4と、を有している。密閉容器4内の底部には、圧縮要素300の摺動部などに供給される冷凍機油(潤滑油)が貯留されている。
密閉容器4は、円筒状の形状を有する胴部1と、胴部1の上部に取り付けられる上皿容器2と、胴部1の下部に取り付けられる下皿容器3と、から構成されている。胴部1の少なくとも一部は、後述する固定子12の外周面を支持する円筒状のフレームとなる。
圧縮要素300は、シリンダ5、上軸受6、下軸受7、駆動軸8、ローリングピストン9及びベーン(図示せず)等で構成される。シリンダ5の内部には圧縮室が形成される。上軸受6及び下軸受7は、シリンダ5内の圧縮室の軸方向両端に形成される開口部を閉塞する。また、上軸受6及び下軸受7は、駆動軸8の偏芯部が受ける圧縮荷重を支持する。駆動軸8の偏芯部の外周には、ローリングピストン9が嵌合する。ベーンは、シリンダ5の内周面に形成されたベーン溝内を往復運動し、ベーンの先端はローリングピストン9と接する。シリンダ5、ローリングピストン9及びベーンにより圧縮室が形成される。
電動機要素200は、密閉容器4の胴部1に固定される固定子12と、固定子12内部で回転する回転子11と、を有する。回転子11は、アルミニウムダイキャスト製のかご形回転子である。回転子11の内周部には駆動軸8が固定される。回転子11の上部には油分離板13が装着されている。これによって密閉型圧縮機10の運転時、エアギャップ14を通過する冷媒ガスと潤滑油とが分離される。
固定子12の巻線18(後述する主巻線26及び補助巻線27)は、リード線19を介してガラス端子17に接続される。ガラス端子17は、溶接により密閉容器4に固定されている。ガラス端子17には、外部の電源から電力が供給される。
密閉型圧縮機10は、密閉容器4の外部に吸入マフラ20を備えている。吸入マフラ20は、液冷媒が直接圧縮要素300に吸入されないようにするために設けられる。吸入マフラ20の吸入管15は、圧縮要素300のシリンダ5に接続される。圧縮要素300で圧縮された高温・高圧のガス冷媒は、電動機要素200を通過し、吐出管16から外部へ吐出される。
以下、上記の密閉型圧縮機10の電動機要素200(単相誘導電動機)に用いられる固定子12について、図2を参照しながら説明する。図2は、電動機要素200の一部(密閉容器4の胴部1及び固定子12の固定子鉄心12a)の構成を示す横断面図である。固定子鉄心12aは、磁性体である電磁鋼板により形成された複数の固定子鉄心板が軸方向(図2において紙面に垂直な方向)に積層されることにより構成されている。各固定子鉄心板の板厚は0.1〜1mm程度である。固定子鉄心12aは、全体として略円形の外周形状を有している。固定子鉄心12aの外周部には、周方向で等間隔に配置された6個の切欠き部21が設けられている。切欠き部21は、固定子鉄心12aの略円形の外周部が直線状に切り欠かれた形状を有している。固定子12が円筒状の胴部1に挿入されると、切欠き部21と胴部1の内周面との間には空洞(隙間)が形成される。また、固定子鉄心12aの外周部には、固定子鉄心12aの全体的な外周円に沿った6個の円弧部22が設けられている。6個の円弧部22は、固定子鉄心12aの周方向において等間隔に配置されている。円弧部22のそれぞれは、固定子鉄心12aの周方向において互いに隣り合う切欠き部21の間に配置されている。すなわち、固定子鉄心12aの外周部には、円弧状の円弧部22と、直線状の切欠き部21とが交互に配列している。円弧部22は、固定子12が円筒状の胴部1に挿入された際に、胴部1の内周面に接触又は近接する部分である。円弧部22は、概ね、胴部1の内周面に沿った円弧形状を有している。円弧部22の詳細な形状については後述する。
固定子鉄心12aは、略円環状のコアバック23を有している。固定子鉄心12a(コアバック23)の内周部には、スロット深さの異なる複数のスロットとして、スロット深さの浅い複数の小スロット24と、小スロット24よりもスロット深さが深い大スロット25と、が形成されている。本例では、基本的に、切欠き部21又は後述する応力緩和用の貫通孔31が設けられている位置のスロットを小スロット24としている。これは、コアバック23の磁路(幅)をできるだけ長くし、磁束密度飽和を緩和するためである。また、それ以外の位置のスロットを大スロット25としている。小スロット24及び大スロット25には、後述する主巻線26及び補助巻線27が挿入される。小スロット24には主に主巻線26が挿入され、大スロット25には主に補助巻線27が挿入される。
固定子12は、密閉容器4の胴部1に対し、焼嵌め又は圧入により固定される。焼嵌めを行う際には、常温で、胴部1の内径を固定子12の外径よりも小さく設定しておく。そして、胴部1を電磁誘導加熱等により200℃程度に加熱し、熱膨張により胴部1の内径を常温の固定子12の外径よりも大きくなるように拡大し、胴部1内に固定子12を挿入した後に常温に戻す。胴部1が常温に戻ると、胴部1と固定子12とが固定される。胴部1と固定子12との嵌め代(焼嵌め代)は、固定子12の重量等に合わせて、数十〜数百μmの範囲で適宜選択される。嵌め代(焼嵌め代)とは、常温における固定子12の外径と胴部1の内径との差をいう(固定子12の外径>胴部1の内径)。
固定子12が胴部1に挿入された状態では、胴部1の内周面から円弧部22に圧力が加えられることにより、コアバック23、特に小スロット24及び大スロット25の頂点部(各スロットの最も外周側の部分)付近のコアバック23に圧縮応力が集中する。
図3は、固定子12の小スロット24及び大スロット25に同心巻方式で挿入(巻回)される主巻線26及び補助巻線27の配置を示す図である。図3に示すように、主巻線26に電流を流すことにより生成される主巻線磁極28の方向(破線矢印)は、図中の上向きとなる。主巻線26に流れる電流は交流であるので、主巻線磁極28のベクトルは交流に従って変化する。
補助巻線27に電流を流すことにより生成される補助巻線磁極29の方向(破線矢印)は、主巻線磁極28の方向に対して磁極角度90°だけ反時計回り方向にずれている。補助巻線27に流れる電流も交流であるので、補助巻線磁極29のベクトルもそれに従って変化する。補助巻線27に流れる電流は、主巻線26に流れる電流よりも位相が進んでいるので、固定子12の主巻線26及び補助巻線27によって生成される回転磁界の方向は、反時計回り方向となる。よって、図3中の実線矢印で示す回転子11の回転方向も反時計回り方向となる。
固定子12で生成される磁界により、コアバック23の磁束密度は、特に2極の回転磁界においては高くなる傾向がある。磁束密度が高くなりすぎる(飽和する)と、コアバック23における鉄損が増加するだけでなく、トルクを発生するために必要な主巻線26及び補助巻線27に流れる電流が増加して銅損も増加するため、単相誘導電動機の効率が悪化する。
主巻線磁極28は主トルクを発生させる磁界であり、磁束密度が補助巻線磁極29に比べて大きい。一方で、切欠き部21の形成された部分では、コアバック23の磁路が短いため、磁束密度が飽和しやすい。そこで、本実施の形態では、主巻線磁極28の方向及びその反対方向(図3の上下方向)には切欠き部21を配置せず、補助巻線磁極29の方向及びその反対方向(図3の左右方向)に切欠き部21を配置している。これにより、切欠き部21の形成された部分における磁束密度の増大を抑えることができるため、鉄損の増加を抑えることができ、単相誘導電動機の効率を向上させることができる。
また、本実施の形態では、補助巻線27をスロットに挿入した後に、主巻線26を挿入するように巻線が構成されている。このため、補助巻線27がスロットの外周側に配置され、主巻線26がスロットの内周側(補助巻線27よりも内周側)に配置されている。内周側に配置された主巻線26は、外周側に配置された補助巻線27と比較して、巻線の周長を短くすることができ、抵抗値を低くすることができる。
主巻線26の抵抗値が低くなることで、同一電圧印加時において発生可能な最大トルク(停動トルク)を高くすることができる。別の言い方をすると、電源事情が悪い環境で印加電圧が低くなった場合でも、運転可能なトルクを発生することができ、信頼性の高い単相誘導電動機を得ることができる。
さらに、少なくとも主巻線磁極28の方向(図3の上下方向)に位置する円弧部22(本例では、6つ全ての円弧部22)には、円弧部22と胴部1の内周面との接触面積を減少させる逃げ部22aが形成されている。図4は、逃げ部22aが形成された円弧部22近傍の構成を示す拡大図である。図4に示すように、逃げ部22aは、切欠き部21と隣接して、円弧部22の周方向両端部に形成されている。本例の逃げ部22aは、円弧部22の表面(外周面)が周方向の所定長さに亘って一定の深さで除去されたような形状を有している。このため、逃げ部22aの表面(外周面)は、円弧部22と同心で円弧部22よりも半径が小さい円弧形状を有している。固定子12が胴部1に固定された後において、逃げ部22aは胴部1の内周面から離間するようになっている。すなわち、逃げ部22aは、胴部1の内周面に対し、所定の隙間を介して対向する。円弧部22のうち、逃げ部22a以外の部分は、胴部1の内周面と接触する接触領域22bとなる。本例では、接触領域22bは円弧部22の周方向中央部に配置されており、逃げ部22aを基準とすると外周側に凸形状に突出している。なお、本例では、逃げ部22aが円弧部22の周方向両端部に形成されているが、逃げ部22aは円弧部22の一部に形成されていればよい。逃げ部22aが接触領域22bに挟まれて形成されている場合には、逃げ部22aの形状は凹状(溝状)となる。
ここで、各寸法について定義しておく。図4におけるTa、Tb、Tcの定義は以下のとおりである。
Ta:円弧部22の周方向の長さ(周長)
Tb:接触領域22bの周方向の長さ(周長)
Tc:接触領域22bの円弧を周方向に延長した仮想線からの逃げ部22aの深さ
接触領域22bの長さTbが短くなるほど(逃げ部22aの長さが長くなるほど)、固定子12と胴部1との接触面積が減少する。これにより、胴部1からの圧力により固定子12に生じる圧縮応力は、接触領域22b付近に集中する。したがって、接触領域22bから離れた切欠き部21付近におけるコアバック23の圧縮応力が緩和され、磁気飽和が緩和される。
逃げ部22aの深さTcは、コアバック23の磁路が短くならないように、小さければ小さいほどよい。本例では、深さTcを固定子鉄心板の板厚(例えば、0.1〜1mm)と同等に設定している。
また、コアバック23には、円弧部22(本例では、主巻線磁極28の方向以外の方向にある円弧部22)に近接して、それぞれ3つの円形の貫通孔31が形成されている。3つの貫通孔31は、円弧部22に沿って並列している。3つの貫通孔31のうち中央の貫通孔31は、接触領域22bの内周側に設けられている。両端の貫通孔31は、逃げ部22aの内周側に設けられている。つまり、両端の貫通孔31は、接触領域22bよりも周方向外側(切欠き部21側)に設けられている。これらの貫通孔31は、胴部1からの圧力による圧縮応力を、自身の変形により緩和する機能を有している。ただし、主巻線磁極28の方向に貫通孔31があると、磁路の長さが長くなってしまうため鉄損が増加し、単相誘導電動機の効率が低下してしまう。このため、主巻線磁極28の方向にある円弧部22には、貫通孔31が設けられていない(図3参照)。
図5は、密閉容器4の胴部1と固定子12との接触面積と、固定子12のA部、B部、C部(図3参照)に生じる圧縮応力との関係を示すグラフである。グラフの横軸は接触面積を表している。横軸の「基準」は、逃げ部22aが設けられていない場合(すなわち、Tb/Ta=1)を表しており、「2/3倍」、「1/2倍」、「1/3倍」、「1/6倍」は、Tb/Taがそれぞれ2/3、1/2、1/3、1/6の場合を表している。ここで、固定子鉄心板の板厚tは0.25mmとした。グラフの縦軸は応力(MPa)を表している。なお、図3に示すように、固定子12のA部は、円弧部22の内周側にある2つの大スロット25に挟まれたティース部であり、B部は、円弧部22の内周側におけるコアバック23の径方向中心部付近であり、C部は、切欠き部21の内周側にある大スロット25の頂点部付近である。
図5に示すように、A部(図5中の「A」)、B部(図5中の「B」)、C部(図5中の「C」)に生じる圧縮応力はいずれも、胴部1と固定子12との接触面積が小さくなるほど減少している。すなわち、接触領域22bの長さTbが短くなるほど(逃げ部22aの長さが長くなるほど)、A部、B部、C部に生じる圧縮応力を小さくすることができることが分かる。ただし、胴部1と固定子12との接触面積が小さくなるほど、焼嵌め時の抜け荷重が小さくなる。抜け荷重に対する信頼性を確保するため、C部における圧縮応力として60MPa以上を確保することとする。接触面積を「1/2倍」(Tb/Ta=1/2)とした場合には、接触面積を「基準」及び「2/3倍」とした場合よりも圧縮応力が小さくなり、かつC部において60Mpa以上の圧縮応力を確保できるため、最も好ましいことが分かる。
なお、逃げ部22aは、固定子12が胴部1に固定された後において、必ずしも胴部1から離間している必要はなく、胴部1と接触していてもよい。逃げ部22aと胴部1とが接触している場合であっても、逃げ部22aが形成された部分では、それより外周側に突出した接触領域22bと比較して胴部1に対する嵌め代が小さくなるため、胴部1からの圧力が小さくなる。したがって、逃げ部22aが胴部1と接触していても、上記と同様の効果が得られる。
図6は、Tb/Ta=1の場合及びTb/Ta=1/2の場合のそれぞれにおける固定子12のA部、B部、C部の鉄損を示すグラフである。図6の縦軸は鉄損(W/m)を表している。図6に示すように、Tb/Ta=1/2の場合は、Tb/Ta=1の場合と比較すると、固定子鉄心12aの鉄損が全体的に低減しており、A部(図6中の「A」)、B部(図6中の「B」)、C部(図6中の「C」)のそれぞれにおいても鉄損が低減していることが分かる。したがって、円弧部22に逃げ部22aを設けることによって、鉄損の低減により単相誘導電動機の効率を向上できることが分かる。
図7は、本実施の形態に係る密閉型圧縮機10が用いられた冷凍サイクル装置の概略構成を示す図である。冷凍サイクル装置は、例えば、空気調和機などに用いられる。図7に示すように、密閉型圧縮機10は、電源30に接続されている。密閉型圧縮機10は、電源30から供給される電力により駆動する。冷凍サイクル装置は、密閉型圧縮機10、冷媒の流れる方向を切り換える四方弁101、室外熱交換器102、絞り装置103(減圧装置)、室内熱交換器104等を備えている。これらは、冷媒配管105を介して接続されている。
空気調和機が冷房運転を行う場合には、図7の矢印で示すように、密閉型圧縮機10、室外熱交換器102、絞り装置103、室内熱交換器104の順に冷媒が流れる。このとき、室外熱交換器102は凝縮器として機能し、室内熱交換器104は蒸発器として機能する。一方、空気調和機が暖房運転を行う場合には、四方弁101によって冷媒の流れる方向が切り換えられ、密閉型圧縮機10、室内熱交換器104、絞り装置103、室外熱交換器102の順に冷媒が流れる。このとき、室外熱交換器102は蒸発器として機能し、室内熱交換器104は凝縮器として機能する。
冷媒としては、R134a、R410a、R407c等に代表されるHFC系冷媒、又は、R744(CO)、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などが使用される。冷凍機油としては、アルキルベンゼン系油に代表される弱相溶性の油、又はエステル油に代表される相溶性の油などが使用される。
以上説明したように、本実施の形態に係る単相誘導電動機は、円筒状のフレーム(本例では、胴部1)内に焼嵌め又は圧入により固定される固定子12と、固定子12に設けられた主巻線26及び補助巻線27と、固定子12の内周側に設けられた回転子11と、を備え、固定子12の外周には、円弧状の円弧部22と直線状の切欠き部21とが形成されており、固定子12の外周において、主巻線磁極28の方向には円弧部22が配置されており、円弧部22には、円弧部22とフレームの内周面との接触面積を減少させる逃げ部22aが形成されているものである。
この構成によれば、固定子12の切欠き部21付近に生じる圧縮応力を緩和でき、切欠き部21付近の磁束密度を低減できるため、固定子12の鉄損を低減することができる。また、鉄損の低減により、巻線(主巻線26及び補助巻線27)に流れる電流を減少させることができるため、固定子12の銅損を低減することができる。したがって、単相誘導電動機の効率を向上させることができる。
その他の実施の形態.
本発明は、上記実施の形態に限らず種々の変形が可能である。
例えば、上記実施の形態では、密閉型圧縮機10として回転式圧縮機を例に挙げたが、本発明は、スクロール圧縮機等の他の密閉型圧縮機にも適用可能である。
また、上記の各実施の形態や変形例は、互いに組み合わせて実施することが可能である。
1 胴部、2 上皿容器、3 下皿容器、4 密閉容器、5 シリンダ、6 上軸受、7 下軸受、8 駆動軸、9 ローリングピストン、10 密閉型圧縮機、11 回転子、12 固定子、12a 固定子鉄心、13 油分離板、14 エアギャップ、15 吸入管、16 吐出管、17 ガラス端子、18 巻線、19 リード線、20 吸入マフラ、21 切欠き部、22 円弧部、22a 逃げ部、22b 接触領域、23 コアバック、24 小スロット、25 大スロット、26 主巻線、27 補助巻線、28 主巻線磁極、29 補助巻線磁極、30 電源、31 貫通孔、101 四方弁、102 室外熱交換器、103 絞り装置、104 室内熱交換器、105 冷媒配管、200 電動機要素、300 圧縮要素。

Claims (5)

  1. 円筒状のフレーム内に焼嵌め又は圧入により固定される固定子と、
    前記固定子に設けられた主巻線及び補助巻線と、
    前記固定子の内周側に設けられた回転子と、を備え、
    前記固定子の外周には、円弧状の円弧部と直線状の切欠き部とが形成されており、
    前記固定子の外周において、前記主巻線の磁極方向には前記円弧部が配置されており、
    前記円弧部には、前記円弧部と前記フレームの内周面との接触面積を減少させる逃げ部が形成されていることを特徴とする単相誘導電動機。
  2. 前記主巻線は、前記補助巻線よりも内周側に配置されていることを特徴とする請求項1に記載の単相誘導電動機。
  3. 前記逃げ部は、前記円弧部の周方向両端部に形成されていることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の単相誘導電動機。
  4. 請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載の単相誘導電動機を備えることを特徴とする密閉型圧縮機。
  5. 請求項4に記載の密閉型圧縮機が用いられていることを特徴とする冷凍サイクル装置。
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