JP2017034819A - 永久磁石同期機、圧縮機及び空気調和機 - Google Patents

Abstract

【課題】カシメ間の横流を低減し、横流に起因して増加するカシメ部間の通電損失と鉄損とを抑制した永久磁石同期機を提供する。【解決手段】永久磁石同期機は、積層された複数の電磁鋼板を含むステータコア４１を備え、ステータコアは、ティース４２と、ティースを接続するヨーク４３と、ヨークに配置され、複数の電磁鋼板を互いに固定するカシメ部４８とを有し、カシメ部の中心からステータコアの外径側までの径方向の距離をＬｋとし、ヨークのカシメ部が位置する部分における径方向の幅をＷｙとした場合、Ｌｋ／Ｗｙ＜０．５を満たす。【選択図】図３

Description

本発明は永久磁石同期機、圧縮機及び空気調和機に関する。

永久磁石同期機（以下「モータ」という。）は、軸方向渦電流損を低減するため、両面に絶縁被膜を塗布した薄板材である電磁鋼板を軸方向に積み重ねることで作られる。このため、電磁鋼板を軸方向に締結するため、溶接のほか、ボルトやカシメが用いられる。特に、圧縮機駆動用のモータは金型により大量生産されることから、ステータはカシメ、ロータはカシメとリベットにより電磁鋼板を固定している。

ここで、カシメ部を設けたことによる渦電流損や鉄損の増加を抑制する為、例えば、特許文献１ではスロット数Ｓ、カシメ部の数をＱ、ステータコアの重量をＷとした時、Ｓ＞Ｑ≧（Ｗ／３）×４とすることで、剛性の維持とカシメ部を減らすことにより、カシメ部による性能低下を防ぐステータが記載されている。

特開２０１０−８１７３５号公報

しかしながら、特許文献１に記載のステータは、運転条件やカシメ部の配置によっては、後述するカシメ部間の横流による通電損失や、横流に起因した鉄損によって効率が低下するという課題がある。

本発明が解決する課題は、カシメ間の横流を低減し、横流に起因して増加するカシメ部間の通電損失と鉄損とを抑制したモータを提供することである。

上記課題を解決するために、本発明に係る積層された複数の電磁鋼板を含むステータコアを備え、ステータコアは、ティースと、ティースを接続するヨークと、ヨークに配置され、複数の電磁鋼板を互いに固定するカシメ部とを有し、カシメ部の中心からステータコアの外径側までの径方向の距離をＬｋとし、ヨークのカシメ部が位置する部分における径方向の幅をＷｙとした場合、Ｌｋ／Ｗｙ＜０．５を満たす。

本発明によれば、カシメ部間に流れる電流（横流）を低減し、横流によって発生するカシメ部の通電損失と、横流が作る磁束により増加する鉄損とを抑制し、高効率なモータを提供することができる。

実施例１に係る冷凍サイクルの構成を示す図である。 実施例１の圧縮機径方向断面図である。 実施例１のモータ軸方向断面図である。 横流発生原理を示す図である。 横流発生原理の回路図である。 カシメ部の通電損失とＬｋ／Ｗｙの関係を示す図である。 鉄損とＬｋ／Ｗｙの関係を示す図である。 実施例２のモータ軸方向断面図である。 実施例２の回路図である。 実施例３のモータ軸方向断面図である。 実施例３の回路図である。 実施例４の圧縮機軸方向断面図である。

以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。

本実施例を、図１〜図６を用いて説明する。図１は、本実施例に係る冷凍サイクルの構成を示す図である。空気調和機は、室外機１０１と室内機１０７とが、接続配管１１０によって接続されることで機能する。室外機１０１は、圧縮機１００と、四方弁１０３と、室外熱交換器１０４と、絞り装置（膨張弁）１０６と、送風ファン１０５とを備えている。室内機１０７は、室内熱交換器１０８と、送風ファン１０９とを備えている。なお、通常、送風ファン１０５にはプロペラファンが、送風ファン１０９には貫流ファンが用いられるが、送風ファン１０５、１０９に他のファンを用いてもよい。また、本実施例では、冷房運転と暖房運転とで流路を切り替えるために四方弁１０３を用いているが、四方弁１０３に限らず、三方弁を２つ用いる等の他の流路切替手段を用いてもよい。

次に、冷房運転をする場合を例に、各要素の作用を説明する。冷房運転の場合、圧縮機１００で圧縮された高圧のガス状冷媒は、室外熱交換器１０４で外気に放熱することで凝縮し、高圧の液冷媒となる。液冷媒は絞り装置（膨張弁）１０６の作用で減圧され、低温低圧の気液二相状態となり、接続配管１１０を通じて室内機１０７へ流れる。室内機１０７に入った冷媒は、室内熱交換器１０８で室内空気の熱を吸熱することで蒸発する。室内ユニットで蒸発した冷媒は、接続配管１１０を通じて、室外機１０１へ戻り、四方弁１０３を通って再び圧縮機１００で圧縮されることになる。

暖房運転の場合は、四方弁１０３により、冷媒流路が切り替えられ、圧縮機１００で圧縮された高圧のガス状冷媒は、四方弁１０３及び接続配管１１０を通って室内機１０７に流れる。室内機１０７に入った冷媒は、室内熱交換器１０８で室内空気に放熱することで凝縮し、高圧の液冷媒となる。高圧の液冷媒は、接続配管１１０を通って室外機１０１に流れる。室外機１０１に入った高圧の液冷媒は、絞り装置（膨張弁）１０６の作用で減圧され、低温低圧の気液二相状態となり、室外熱交換器１０４に流れ、室外空気の熱を吸熱することで蒸発し、ガス状冷媒となる。室外熱交換器１０４でガス状となった冷媒は、四方弁１０３を通って再び圧縮機１００で圧縮される。

以上、説明した空気調和機では、圧縮機１００、プロペラファン１０５、貫流ファン１０９の動作に外部からのエネルギが必要となる。そのため、空気調和機の省エネルギ性向上は、換言すれば圧縮機１００、プロペラファン１０５、貫流ファン１０９の所要動力を低減することである。特に圧縮機１００の所要動力は、他に比して大きく、これを低減することが省エネルギ性向上にとって有効である。

図２は本実施例の圧縮機径方向断面図である。圧縮機１００は密閉容器１と密閉容器１内に配置された圧縮機構部２およびモータ３を備えている。本実施例の圧縮機１００はスクロール圧縮機であるが、ロータリ圧縮機やスイング圧縮機等他の圧縮機を用いていてもよい。

上記密閉容器１には吸入管１１と吐出管１２が接続されている。吸入管１１から供給される冷媒は圧縮機構部２で圧縮され、吐出管１２より吐出される。この冷媒はＲ３２、Ｒ３２を半分以上含む混合冷媒、二酸化炭素、Ｒ４１０ＡやＲ２２等である。密閉容器１の下部には潤滑用の油をためておくスペース１３がある。

モータ３は圧縮機構部２の下側に配置され、圧縮機構部２を回転軸４を介して駆動する。また、回転軸４に固定された円筒形状のロータ３０とロータ３０の外周側をとり囲むように配置されたステータ４０と、ステータ４０とロータ３０の間の空隙５０を有するインナーロータ型のモータである。

図３に本実施例のモータの軸方向断面図を示す。モータ３は４極の集中巻の表面磁石型モータである。ロータ３０はロータコア３１とロータコア３１に軸方向に埋め込まれた永久磁石３２を有する。ステータ４０はステータコア４１と図示していない巻線を有する。ステータコア４１は放射状に配置されたティース４２と、円環上のヨーク４３とで構成される。

各ティース４２には図示していないが巻線が巻き回されている。

ステータコア４１は積層された複数の電磁鋼板と、複数の電磁鋼板を互いに固定するためのカシメ部４８を有する。カシメ部４８はヨーク４３に設けられている。

ティース４２の径方向外周側に外周面から切り欠かれた溝４５はティース部４２に対応して、６カ所設けられている。これらの溝４５は冷媒や油を通す通路や、冷却用通路に利用されている。このため、溝４５はある程度の面積が確保できないと、オイルレートが高くなり故障や空調冷凍機器のようなヒートポンプシステムの効率低下につながる。

次に、図４と図５を用いてカシメ部で発生する横流について説明する。図４は横流発生原理を示す図である。図４のモータは、６極９スロットの埋め込み磁石型モータであり、カシメ部４８はヨーク部４３に配置されており、計９個ある。

この時、各カシメ部４８は軸方向に電気的に接続されていることに加え、電磁鋼板を介して周方向にも接続されている。

隣り合うカシメ部４８は積層された電磁鋼板ごとにヨーク４３を介して周方向に接続されており、カシメ部４８は軸方向に電磁鋼板を貫通していることから、隣り合う２つのカシメ部４８を２つの電磁鋼板のヨーク４３で接続した経路を１ターンの巻線とみなすことができる。

図５にこの時の回路図を示す。抵抗Ｒは軸方向および周方向の合成抵抗である。電圧源Ｖ１〜Ｖ８はカシメ部４８間のティース４２に鎖交する磁束の時間変化で発生する電圧源である。カシメ部４８がヨーク４３に配置されている場合、主磁束（図４、ＦｌｕｘＢ）が仮想コイルとなったカシメ部４８間に交番磁界を発生させ、電圧源Ｖ１〜Ｖ８となる。

図４の例では３相モータであることから、各電圧源Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３は約１２０°位相が異なる電圧源となっている。例えば、Ｖ１＝ｃｏｓ（ｗｔ）であれば、Ｖ２＝ｃｏｓ（ｗｔ＋２／３π）、Ｖ３＝ｃｏｓ（ｗｔ＋４／３π）、Ｖ４＝ｃｏｓ（ｗｔ＋２π）、Ｖ５＝ｃｏｓ（ｗｔ＋８／３π）、Ｖ６＝ｃｏｓ（ｗｔ＋１０／３π）…となる。各電圧源は偏心や巻線アンバランスが無い限りは同じ実効値を持つ。

この電圧源の実効値と位相の違いから、各カシメ部４８間に電位差が生じ、カシメ部４８間に電流が流れる。これを横流と呼ぶ。この横流の大きさは閉回路間の電位差や、カシメ部４８の抵抗Ｒによって変化する。電位差が大きい場合、横流は増加し、抵抗Ｒが大きい場合、横流は低下する。

横流が発生すると横流に起因した磁束（Ｆｌｕｘ Ａ）が発生する。このＦｌｕｘ Ａは、カシメ部４８の内側（カシメ部４８より内径側のヨーク４３）では主磁束（Ｆｌｕｘ Ｂ）を増加する方向に、カシメ部の外側（カシメ部４８より外径側のヨーク４３）では主磁束（Ｆｌｕｘ Ｂ）を減少する方向に発生する。

そのため、ステータ４０内に磁束密度の偏りが生じ鉄損も増加する。さらに横流がカシメ部４８間に流れる通電損失を発生させ、モータ効率の低下につながっている。

カシメ部４８間の横流を低減するには、電圧源の元となるカシメ部４８間に垂直に鎖交する主磁束（Ｆｌｕｘ Ｂ）を低減する必要がある。ヨーク４３内の最内径にカシメ部４８を設ける場合と、ヨーク４３内の最外径に配置する場合を比較すると、カシメ部４８間の鉄部分において、カシメ部４８間に対し垂直に鎖交する主磁束（Ｆｌｕｘ Ｂ）は、最内径に配置する場合のほうが最外径に配置する場合に比べて大きくなる。

すなわち、電圧源の実効値を低減する為には、カシメ部４８を外径側に配置することが有効である。図６にＬｋ／Ｗｙとカシメ部通電損失の増加率との関係を示す。Ｌｋはカシメ部４８の中心からステータ４０の外径側までの径方向距離、Ｗｙはステータ４０が位置する部分におけるヨーク部４３の径方向幅である。

図６に示すように、Ｌｋ／Ｗｙが０．５を超えたあたりから損失が大幅に増加することが分かる。Ｌｋ／Ｗｙが大きくなるとカシメ部４８の仮想巻線に鎖交するＦｌｕｘ Ｂが増加し、カシメ部４８の仮想巻線に発生する電圧を打ち消す電流が大量に流れるからである。すなわち、Ｌｋ／Ｗｙを０．５以下とすることで、かしめ部通電損失を抑えることができる。

図７にＬｋ／Ｗｙと鉄損の増加率との関係を示す。図７に示すように、Ｌｋ／Ｗｙを０．４以下、又は、０．５２以上にすることで、ヨーク４３の磁束密度分布の偏りが低減し、鉄損を低減することができる。

また、ティース部の幅Ｗｔとヨーク部の幅Ｗｙの関係が、Ｗｙ＞Ｗｔ／２となることが望ましい。

また、横流は主磁束（Ｆｌｕｘ Ｂ）に対し、位相が反転した磁束を発生させることから、トルクの低下や騒音の増加にもつながるのに対しが、横流を低減する構成とすることで、低騒音、高効率なモータが提供できる。これを用いた圧縮機も、騒音や振動を防止しつつ、性能の低下を防止できる。

本実施例ではネオジム磁石モータを用いたが、ＳｍＣｏ磁石でも良いし、アルニコ磁石でも良いが、カシメ部４８間の横流はティース４２の鎖交磁束に比例することからネオジム磁石やＳｍＣｏ磁石のように高残留磁束密度の磁石を用いたモータの方が効果は大きい。

本実施例では４極６スロットおよび６極９スロットのモータを対象としたが、相数は単相や２相、また３相以上でも同様の効果が得られる。また、本実施例では４極としたが６極でも良いし、８極でも同様の効果が得られる。

図８−８を用いて実施例２を説明する。本実施例における基本的構成については実施例１の場合と同様であるため、ここでは相違点のみを述べる。

図８に本実施例のモータ軸方向断面図を示す。実施例１ではティース４２の数とおなじ個数のカシメ部４８を設けていたのに対し、図８に示すように、本実施例ではカシメ部４８を６カ所と、ティース４２の数より少なくなっている。すなわち、カシメ部４８の数をＮ、ティース４２の数をＸとした場合、図８はＮ＜Ｘを満たしている。

前述したように、カシメ部４８間の横流により、ステータ４０の磁束密度分布に偏りが生じると鉄損が増加する。そこで、本実施例のようにカシメ部４８を減らすことで、減らした部分のヨーク部４２の磁束密度の偏りは無くなり、鉄損の増加を抑制できる。これを用いた圧縮機も、性能の低下を防止できる。

図９に図８の回路図を示す。横流の発生源となる電圧源に着目した場合、図９では例えば閉回路Ａはカシメ部４８の軸方向と周方向の合成抵抗ＲａとＲｂから成っている。Ｒａに発生する電位はＶ１−（Ｖ２＋Ｖ３）／２、Ｒｂに発生する電位は（Ｖ２＋Ｖ３）／２−Ｖ４＝（Ｖ２＋Ｖ３）／２−Ｖ１である。閉回路Ａに発生する電流ＩはＩ＝２（Ｖ１−（Ｖ２＋Ｖ３）／２）／（Ｒａ＋Ｒｂ）となる。

そのため、本実施例での回路構成（形成される閉回路）に流れる電流Ｉの合計値は、実施例１での回路構成時と同じ値である。すなわち、図９のような回路にした場合は、カシメ部４８の数が減ることで鉄損や通電損失は減るものの、理論的な横流の実効値は実施例１と同等である。

本実施例では３相の６極９スロットのモータを対象としたが、相数は単相や２相、また３相以上でも同様の効果が得られる。また、６極としたが４極でも良いし、８極でも、１０極でも同様の効果が得られる。

図１０−１０を用いて実施例３を説明する。本実施例における基本的構成については実施例１の場合と同様であるため、ここでは相違点のみを述べる。

図１０に本実施例のモータ軸方向断面図を示す。実施例１ではティース４２の数とおなじ個数のカシメ部４８を設けていたのに対し、図１０に示すように、本実施例ではカシメ部４８を３カ所と、ティース４２の数より少なくなっている。カシメ部４８の数をＮ、駆動時の電圧の相数をＳ、ティース４２の数をＸとした場合、図１０はＮ≦Ｘ／Ｓを満たしている。

図１１に図１０の回路図を示す。図１１ではＶ１〜Ｖ３、Ｖ４〜Ｖ６、Ｖ７〜Ｖ８の電圧源が１つの閉回路を構成するようにカシメ部４８を減らしている。こうした場合、図１１の各閉回路の電位は、Ｖ１＋Ｖ２＋Ｖ３＝０、Ｖ４＋Ｖ５＋Ｖ６＝０、Ｖ７＋Ｖ８＋Ｖ９＝０となり、横流の発生源である電位差が０となる。

すなわち、三相交流電圧が印加される永久磁石同期機において、周方向において、隣り合うカシメ部４８間に３つのティース４２を配置することで、カシメ部４８を設けたことによる損失増加は渦電流損に起因するもののみとなり、損失を減らすことができる。

本実施例では３相の６極９スロットのモータを対象としたが、相数は単相や２相、また３相以上でも同様の効果が得られる。また、６極としたが４極でも良いし、８極でも、１０極でも同様の効果が得られる。

図１２を用いて実施例４を説明する。本実施例における基本的構成については実施例１の場合と同様であるため、ここでは相違点のみを述べる。

本実施例は、圧縮機１００の密閉容器１とステータ４０の固定方法が実施例１と相違する。

密閉容器１とステータ４０を固定する場合、焼ばめのほかにタック溶接のように周方向に数点のみ固定する手法がある。焼ばめはステータの周方向全体に応力がかかるため、透磁率が低下し、鉄損の増加を引き起こすことから、効率の低下につながる。

一方、タック溶接のように周方向の一部を固定する場合、焼ばめに比べて全体として鉄損は低下するが、溶接部分に応力が集中することから、鉄損の発生を防ぐことはできない。

そこで、本実施例では、図１２に示すように、溶接部４９とカシメ部４８の位置関係を合わせている。すなわち、カシメ部４８の外径側の位置で密閉容器１とステータ４０を溶接している。

本実施例によれば、カシメ部４８の両隣にあるヨーク４３に応力が集中し、透磁率は低下する。磁性体に交流電流が流れる場合、周波数や透磁率の違いによって、表皮深さｄが小さくなり、導体の表面に電流が偏る。すなわち、電流が流れる導体の断面積が小さくなり、交流抵抗が増加する。

ただし、ρ：抵抗率、ω：角周波数（２×π×ｆ）、μ：透磁率、ｆ：周波数である。

抵抗は導体断面積Ｓに反比例する。上述した式より、透磁率μに応じて表皮深さｄは小さくなることで断面積Ｓも小さくなり、抵抗は増加する。交流抵抗Ｒ_ｓは次式となり、透磁率μの平方根に比例することがわかる。

又、カシメ部４８間に発生する横流Ｉは、カシメ部４８間を鎖交する磁束量Ｐｅと、横流が流れる回路の抵抗Ｒｓによって横流Ｉの大きさが一意に決まる。このため、交流抵抗Ｒｓが大きいほど横流Ｉは低減され、横流損を低減することができる。

ただし、Ｐｅ：磁束量、Ｉ：横流、Ｖ：カシメ間の電位差である。

なお、本実施例では、カシメ部４８と溶接部４９を一致させるとしたが、カシメ部４８と溶接部４９の一部が周方向に重なっていれば、横流損を低減する効果は得られる。たとえば、ステータ４０を密閉容器１に固定する力を増加させるため、周方向に、軸方向に複数点溶接する場合、少なくとも一カ所でも一致していれば効果は得られる。

１…密閉容器、２…圧縮機機構部、３…モータ、４…回転軸、１１…吸入管、１２…吐出管、３０…ロータ、３１…ロータコア、３２…永久磁石、４０…ステータ、４１…ステータコア、４２…ティース、４３…ヨーク、４４…巻線、４５…溝、４８…カシメ部、４９…溶接部

Claims (7)

1. 積層された複数の電磁鋼板を含むステータコアを備え、
   前記ステータコアは、ティースと、前記ティースを接続するヨークと、前記ヨークに配置され、前記複数の電磁鋼板を互いに固定するカシメ部とを有し、
   前記カシメ部の中心から前記ステータコアの外径側までの径方向の距離をＬｋとし、前記ヨークの前記カシメ部が位置する部分における径方向の幅をＷｙとした場合、Ｌｋ／Ｗｙ＜０．５を満たす永久磁石同期機。
2. 前記カシメ部の数をＮとし、前記ティース部の数をＸとした場合、
   Ｎ＜Ｘを満たすことを特徴とする請求項１に記載の永久磁石同期機。
3. 駆動時の電圧の相数をＮとした場合、Ｎ≦Ｘ／Ｓを満たすことを特徴とする請求項２に記載の永久磁石同期機。
4. 三相交流電圧が印加される永久磁石同期機において、
   周方向において、隣り合う前記カシメ部の間に３つの前記ティースが配置されていることを特徴とする請求項３に記載の永久磁石同期機。
5. 密閉容器と、
   前記密閉容器内に配置された圧縮機機構部と、
   前記密閉容器内に配置され、前記圧縮機構部を駆動する請求項１乃至４のいずれかに記載の永久磁石同期機とを備えることを特徴とする圧縮機。
6. 前記カシメ部の外径側の位置で前記密閉容器と前記ステータコアが固定されていることを特徴とする請求項５に記載の圧縮機。
7. 室内熱交換器と、室外熱交換器と、膨張機構と、請求項５又は６に記載の圧縮機とを備えた空気調和機。

Images