JP2018160953A - 圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】高性能な圧縮機を実現する。【解決手段】円筒部３３０を有する密閉容器３００と、密閉容器３００に収納され、ステータ１２０とロータ１１０とを有するモータ部１００と、密閉容器３００に収納され、冷媒を圧縮する圧縮機構部２００と、を備え、ステータ１２０は、円筒部３３０の内壁に接触しつつ密閉容器３００に固定されるステータコア１３０を有し、ステータコア１３０は、６重量パーセント以上のＳｉを含有する部分を含む、積層された複数のステータ用電磁鋼板を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、圧縮機に関する。

回転電機のステータ等に適用される電磁鋼板に関し、下記非特許文献１の１５ページには、「加工性改善を行なった結果，従来では，常温加工は不可能と考えられていたモータ形状のような複雑形状の常温打抜き加工も可能となった。写真2にモータコア加工例を示す。材料は6.5％Si鋼板（10JNEX900）を用いて，打ち抜き加工は常温で行ない，積層固定は接着にて実施した。……」と記載されている。

笠井勝司，他２名、ＪＦＥスチール（登録商標）における高Ｓｉ電磁鋼板の最近の進歩（JFE技報No. 36（2015年8月）p.12-16）、［online］、［平成２９年２月２２日検索］、インターネット〈 http://www.jfe-steel.co.jp/research/giho/036/pdf/036-04.pdf 〉

回転電機のステータ等に適用される電磁鋼板は、Ｓｉ濃度が６．５ｗｔ％（重量パーセント）程度で磁歪定数がほぼ０になり、鉄損が最も小さくなる。しかし、上記非特許文献１には、その種の電磁鋼板を空気調和機等の圧縮機に適用して、高性能な圧縮機を実現する点については記載されていない。
この発明は上述した事情に鑑みてなされたものであり、高性能な圧縮機を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため本発明の圧縮機にあっては、円筒部を有する密閉容器と、前記密閉容器に収納され、ステータとロータとを有するモータ部と、前記密閉容器に収納され、冷媒を圧縮する圧縮機構部と、を備え、前記ステータは、前記円筒部の内壁に接触しつつ前記密閉容器に固定されるステータコアを有し、前記ステータコアは、６重量パーセント以上のＳｉを含有する部分を含む、積層された複数のステータ用電磁鋼板を有することを特徴とする。

本発明によれば、高性能な圧縮機を実現できる。

本発明の第１実施形態によるスクロール圧縮機の縦断面図である。 第１実施形態におけるステータコアの平面図である。 第２実施形態におけるステータコアの平面図である。 第３実施形態におけるステータコアの平面図である。 変形例の電磁鋼板におけるＳｉ濃度分布図である。

［第１実施形態］
〈第１実施形態の全体構成〉
本発明の第１実施形態のスクロール圧縮機Ｓ１（圧縮機）について説明する。
図１は、本実施形態によるスクロール圧縮機Ｓ１の縦断面図である。なお、スクロール圧縮機Ｓ１は、空気調和機等において冷媒を圧縮するために適用される。
図１において、スクロール圧縮機Ｓ１は、モータ部１００と、圧縮機構部２００と、これらを気密状態で収納する密閉容器３００と、を有している。そして、モータ部１００と、圧縮機構部２００とは、クランクシャフト１５０によって連結されている。

ここで、クランクシャフト１５０は略円筒状に形成されており、その中空部分は、冷凍機油の流路になる。圧縮機構部２００は、固定スクロール２１０と、クランクシャフト１５０によって旋回駆動される旋回スクロール２３０と、を有している。固定スクロール２１０からは旋回スクロール２３０に向かって渦巻状ラップ２１２が突出し、旋回スクロール２３０からは固定スクロール２１０に向かって渦巻状ラップ２３２が突出している。これにより、渦巻状ラップ２１２，２３２は、両者間に圧縮室２４０を形成している。

さらに、圧縮機構部２００は、オルダムリング２５０と、フレーム２６０と、を有している。オルダムリング２５０は、旋回スクロール２３０の自転を防止し旋回運動させるための自転阻止部材である。また、フレーム２６０は、固定スクロール２１０に結合され、クランクシャフト１５０の回転を支持する軸受として機能する。

密閉容器３００は、金属（例えばステンレス鋼）を円筒状に形成した円筒部３３０と、円筒部３３０の底部を塞ぎ、断面略Ｕ字状に形成された底蓋部３１０（蓋部）と、円筒部３３０の上端部を塞ぎ、断面略Ｕ字状に形成された上蓋部３２０（蓋部）と、を有している。ここで、底蓋部３１０は、油溜りになり、冷凍機油（図示せず）を貯留している。密閉容器３００の上部においては、上蓋部３２０を貫通して、吸込管３２２および吐出管３２４が設けられている。

〈モータ部１００の構成〉
モータ部１００は、ロータ１１０と、ステータ１２０と、を有している。ロータ１１０は、略円板状の電磁鋼板を積層し、略円筒状に形成したものであり、その内部には磁石（図示せず）が埋設されている。ステータ１２０は、ステータコア１３０と、インシュレータ１２４，１２６と、巻線１２８と、インシュレータカバー１４０と、を有している。

ここで、ステータコア１３０は、略リング状の電磁鋼板を積層し、相互に固定して略円筒状に形成したものである。インシュレータ１２４，１２６は、絶縁樹脂を成型したものであり、ステータコア１３０の上下端部を絶縁しつつ覆っている。巻線１２８は、ステータコア１３０およびインシュレータ１２４，１２６に巻回されている。また、インシュレータカバー１４０は、インシュレータ１２４の上部を覆っている。

ステータ１２０および圧縮機構部２００は、「焼嵌め」によって密閉容器３００に固定されている。すなわち、密閉容器３００の円筒部３３０、底蓋部３１０および上蓋部３２０が分離した状態で円筒部３３０を加熱すると、円筒部３３０は直径が広がるように膨張する。この状態で、円筒部３３０にステータ１２０を挿通する。やがて円筒部３３０が冷却されると、ステータ１２０が円筒部３３０に固定された状態になる。その後、図１に示した各種部品を装着するとともに、底蓋部３１０および上蓋部３２０によって円筒部３３０の両端を塞ぐとよい。

上記構成において、モータ部１００を回転駆動させると、クランクシャフト１５０を介して旋回スクロール２３０が旋回駆動される。これにより、密閉容器３００の底蓋部３１０に滞留した冷凍機油は、クランクシャフト１５０の中空部を介して、圧縮機構部２００の背圧室２７０に吸い上げられる。吸い上げられた冷凍機油は、圧縮機構部２００内の各軸受部および摺動面（符号なし）を潤滑した後、圧縮機構部２００の周縁部（円筒部３３０の内面）に沿って下方向に落下し、底蓋部３１０に戻る。一方、冷凍サイクル（図示せず）から戻った気化冷媒は、吸込管３２２を介して吸込室２８０に供給され、圧縮室２４０において圧縮される。圧縮された冷媒は、吐出管３２４を介して、冷凍サイクルに吐出される。

〈ステータコア１３０の構成〉
図２は、ステータコア１３０の平面図である。
ステータコア１３０は、略同形状の複数の電磁鋼板２０（ステータ用電磁鋼板）を、図１の上下方向に沿って積層したものである。また、図２において、密閉容器３００の円筒部３３０の位置を二点鎖線で示す。
電磁鋼板２０は、略円環状に形成されたコアバック部２４と、コアバック部２４の周回方向等分９箇所において形成されたティース部２２と、を有している。ティース部２２は、コアバック部２４の内周面から、中心方向に向かって略Ｔ字状に突出している。

電磁鋼板２０の外周面において、各ティース部２２の裏側にあたる位置には、やや外径が小となる凹部２４ａが形成され、油の通路を確保しており、これによって、各凹部２４ａの間には、凸部２４ｂが形成されている。これら、凸部２４ｂが円筒部３３０（二点鎖線参照）に接する。ここで、電磁鋼板２０およびロータ１１０（図１参照）に適用される電磁鋼板（符号なし）は、呼称板厚が０．１０ｍｍであり、６．５ｗｔ％（重量パーセント）のＳｉ（ケイ素）を含有している。

各電磁鋼板２０は、カシメ部２４ｃで締結によって相互に結合されるが、凹部２４ａの箇所においてこれら電磁鋼板２０をレーザー溶接してもよいし、接着剤で固定してもよい。ここで、密閉容器３００には、電磁鋼板２０よりも靱性の高い金属材料が適用される。なお、「靱性」とは、例えば、「ＪＩＳ Ｚ ２２４２：金属材料のシャルピー衝撃試験方法」に規定されている「衝撃値」である。電磁鋼板２０のＳｉ濃度が高くなると、靱性が低下して電磁鋼板２０が弾性変形しにくくなり、焼嵌め時の応力による性能低下を抑制することができる。

〈比較例〉
ここで、本実施形態の効果を説明するために、比較例のスクロール圧縮機の構成を説明する。比較例の全体構成およびステータコア１３０の形状は、本実施形態のもの（図１、図２参照）と同様である。但し、ステータコア１３０およびロータ１１０に適用される電磁鋼板は、呼称板厚が０．３０ｍｍであり、３ｗｔ％程度のＳｉを含有している。このような、比較例スクロール圧縮機は、ステータコア１３０に生じる磁歪が大きくなり、鉄損が増大し、磁歪による騒音も増大する。

〈実施形態の効果〉
これに対して、本実施形態のスクロール圧縮機Ｓ１は、呼称板厚が０．１０ｍｍ、Ｓｉ含有量が６．５ｗｔ％の電磁鋼板２０をステータコア１３０に適用した。これにより、ステータコア１３０に生じる磁歪を小さくすることができ、鉄損を抑制できるとともに、磁歪による騒音も抑制することができる。従って、比較例のものよりも高性能なスクロール圧縮機Ｓ１を実現できる。

また、ステータコア１３０における単位体積あたりの鉄損を抑制することにより、より高効率、高出力のスクロール圧縮機Ｓ１を実現できる。

また、本実施形態によれば、吸込管３２２および吐出管３２４を上蓋部３２０に装着している。従って、例えば、これらを円筒部３３０に装着する圧縮機（図示せず）と比較すると、円筒部３３０からの突出物を削減することができる。これにより、スクロール圧縮機Ｓ１を収納する装置（例えば空気調和機）のスペース効率を高めることができる。

また、円筒部３３０からの突出物を削減することにより、ステータコア１３０に対する円筒部３３０の周回方向に沿った締め代をほぼ均等にすることができる。これにより、円筒部３３０がステータコア１３０に印加する圧力をほぼ均等にすることができ、エアギャップを均一化でき、騒音を低減することができる。

その結果、本実施形態のスクロール圧縮機Ｓ１は、比較例のスクロール圧縮機と比較すると、例えば冷房定格運転時、暖房定格運転時、冷房中間運転時、および暖房中間運転時において、モータ効率が０．５％以上向上する。「冷房定格運転」および「暖房定格運転」は、「ＪＩＳ Ｂ８６１５−１」に規定されている冷房定格条件および暖房定格条件での運転であり、「冷房中間運転」および「暖房中間運転」は、定格能力の約１／２での運転である。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態のスクロール圧縮機について説明する。
本実施形態の全体構成は第１実施形態のもの（図１、図２参照）と同様である。但し、本実施形態では、第１実施形態のステータコア１３０に代えて、図３に示すステータコア１７０が適用される。なお、図３は、ステータコア１７０の平面図である。

図３において、ステータコア１７０は、略円筒状のコアバック部１７４と、断面略Ｔ状の９個のティース部１７２と、を有している。ティース部１７２は、略Ｔ状の複数のティース部用電磁鋼板３２を図１の上下方向に沿って積層したものである。同様に、コアバック部１７４は、略円環状の複数のコアバック部用電磁鋼板３４を上下方向に沿って積層したものである。

コアバック部用電磁鋼板３４の周回方向等分９箇所の内面には、アリ溝３４ａが形成されている。また、ティース部用電磁鋼板３２の外周端には、アリ溝３４ａに嵌合する、逆テーパー状の凸部３２ａが形成されている。ここで、ティース部用電磁鋼板３２は、呼称板厚が０．１０ｍｍであり、６．５ｗｔ％のＳｉを含有している。一方、コアバック部用電磁鋼板３４は、呼称板厚が０．３０ｍｍであり、３．０ｗｔ％のＳｉを含有している。

単位体積あたりのティース部用電磁鋼板３２がモータ部１００の性能に対して与える影響は、単位体積あたりのコアバック部用電磁鋼板３４よりも大きくなる。本実施形態においては、ティース部用電磁鋼板３２として、高性能な（板厚の薄い、またはＳｉ濃度が６ｗｔ％以上の）材料を適用している。一方、コアバック部用電磁鋼板３４として、低価格な（板厚の厚い、またはＳｉ濃度が６ｗｔ％未満の）材料を適用している。かかる構成により、本実施形態は、高いコストパフォーマンスを実現することができる。

［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態のスクロール圧縮機について説明する。
本実施形態の全体構成は第１実施形態のもの（図１、図２参照）と同様である。但し、本実施形態では、第１実施形態のステータコア１３０に代えて、図４に示すステータコア１８０が適用される。なお、図４は、ステータコア１８０の平面図である。

図４において、ステータコア１８０は、略円筒状のコアバック部１８４と、放射状ティース部１８２と、を有している。放射状ティース部１８２は、複数のティース部用電磁鋼板４２を図１の上下方向に沿って積層したものである。ここで、ティース部用電磁鋼板４２は、略円環状の連結部４２ａと、連結部４２ａの周回方向等分９箇所の外周から略長方形状に突出した突出部４２ｂと、を有している。

また、コアバック部１８４は、略円環状の複数のコアバック部用電磁鋼板４４を上下方向に沿って積層したものである。そして、突出部４２ｂの外周端は、コアバック部用電磁鋼板４４に衝合している。ここで、ティース部用電磁鋼板４２は、呼称板厚が０．１０ｍｍであり、６．５ｗｔ％のＳｉを含有している。一方、コアバック部用電磁鋼板４４は、呼称板厚が０．３０ｍｍであり、３．０ｗｔ％のＳｉを含有している。

本実施形態においても、ティース部用電磁鋼板４２として高性能な（板厚の薄い、またはＳｉ濃度が６ｗｔ％以上の）材料を適用し、コアバック部用電磁鋼板４４として、低価格な（板厚の厚い、またはＳｉ濃度が６ｗｔ％未満の）材料を適用している。従って、本実施形態は、第２実施形態と同様に、高いコストパフォーマンスを実現することができる。

また、本実施形態によれば、ティース部用電磁鋼板４２は、内周部において連結部４２ａで突出部４２ｂを連結しているため、第２実施形態のものよりもトルクリプルを小さくすることができる。

［変形例］
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。上述した実施形態は本発明を理解しやすく説明するために例示したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について削除し、若しくは他の構成の追加・置換をすることが可能である。上記実施形態に対して可能な変形は、例えば以下のようなものである。

（１）上記各実施形態において、ロータ１１０（図１参照）に適用される電磁鋼板（符号なし）は、呼称板厚０．１０ｍｍ、Ｓｉ濃度６．５ｗｔ％のものであった。しかし、ロータ１１０に対して、Ｓｉの濃度が６重量パーセント未満の電磁鋼板を適用してもよい。また、ロータ１１０に適用される電磁鋼板は、ステータコア１３０，１７０，１８０に適用される電磁鋼板２０，３２，３４，４２，４４よりもＳｉ濃度が低いもの、または板厚の大きいものを適用してもよい。

これは、単位体積あたりのステータ用の電磁鋼板がモータ部１００の性能に対して与える影響は、単位体積あたりのロータ１１０用の電磁鋼板よりも大きいためである。すなわち、ロータ１１０用の電磁鋼板として低価格な（ステータよりも板厚の厚い、またはＳｉ濃度の低い）材料を適用すると、高いコストパフォーマンスを実現することができる。

（２）また、上記各実施形態に適用される電磁鋼板は、Ｓｉ濃度が一様でなくてもよく、表面のＳｉ濃度を内部のＳｉ濃度よりも高くしてもよい。例えば、上述した電磁鋼板のうち、電磁鋼板２０，３２，４２のＳｉ濃度分布は、図５に示すように設定してもよい。図５において、縦軸は電磁鋼板の厚さ方向の位置であり、ｄ１は当該電磁鋼板の厚さである。また、横軸はＳｉ濃度である。図示の例においては、電磁鋼板の表面におけるＳｉ濃度は６ｗｔ％以上であり、その内部にはＳｉ濃度が６ｗｔ％未満の部分を含んでいる。このように、Ｓｉ濃度分布を定めると、渦電流損を低減することができる。さらに、Ｓｉ濃度が低い部分を含ませることにより、電磁鋼板の加工性を高め、その破損を抑制することができる。

（３）上記各実施形態において、各電磁鋼板２０，３２，３４，４２，４４の呼称板厚は０．１０ｍｍまたは０．３０ｍｍであった。しかし、これら電磁鋼板の板厚は、任意の厚さであってもよい。なお、積層する電磁鋼板の板厚が０．２０ｍｍ未満であるときは、これらの強度を高めるために、レーザ溶接または接着剤固定を適用することが好ましい。また、これらの板厚が０．２０ｍｍ以上であるときは、カシメ加工によって結合しコストダウンを図ることが好ましい。

２０ 電磁鋼板（ステータ用電磁鋼板）
２２ ティース部
２４ コアバック部
２４ａ 凹部
２４ｂ 凸部
２４ｃ カシメ部
３２，４２ ティース部用電磁鋼板
３４，４４ コアバック部用電磁鋼板
１００ モータ部
１１０ ロータ
１２０ ステータ
１２４，１２６ インシュレータ
１２８ 巻線
１４０ インシュレータカバー
１５０ クランクシャフト
１３０，１７０，１８０ ステータコア
１７２，１８２ ティース部
１７４，１８４ コアバック部
２００ 圧縮機構部
２１０ 固定スクロール
２３０ 旋回スクロール
２４０ 圧縮室
２５０ オルダムリング
２６０ フレーム
２７０ 背圧室
２８０ 吸込室
３００ 密閉容器
３１０ 底蓋部（蓋部）
３２０ 上蓋部（蓋部）
３２２ 吸込管
３２４ 吐出管
３３０ 円筒部
Ｓ１ スクロール圧縮機（圧縮機）

Claims (10)

1. 円筒部を有する密閉容器と、
   前記密閉容器に収納され、ステータとロータとを有するモータ部と、
   前記密閉容器に収納され、冷媒を圧縮する圧縮機構部と、
   を備え、
   前記ステータは、前記円筒部の内壁に接触しつつ前記密閉容器に固定されるステータコアを有し、
   前記ステータコアは、６重量パーセント以上のＳｉを含有する部分を含む、積層された複数のステータ用電磁鋼板を有する
   ことを特徴とする圧縮機。
2. 前記密閉容器は、前記ステータコアよりも高い靱性を有する金属材料によって形成され、前記ステータコアに対して締め代を有することによって、前記ステータコアを固定する
   ことを特徴とする請求項１に記載の圧縮機。
3. 前記密閉容器は、前記円筒部の両端を塞ぐ蓋部を有し、
   前記蓋部に装着され、前記冷媒を吸入する吸込管と、
   前記蓋部に装着され、前記冷媒を吐出する吐出管と、を有する
   ことを特徴とする請求項２に記載の圧縮機。
4. 複数の前記ステータ用電磁鋼板は、表面におけるＳｉ濃度が６重量パーセント以上であり、Ｓｉ濃度が６重量パーセント未満である部分を内部に有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の圧縮機。
5. 複数の前記ステータ用電磁鋼板は、各々の板厚が０．２０ｍｍ以上であり、カシメ加工によって相互に結合されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の圧縮機。
6. 複数の前記ステータ用電磁鋼板は、各々の板厚が０．２０ｍｍ未満であり、レーザ溶接または接着剤固定によって相互に結合されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の圧縮機。
7. 前記ロータは、各々のＳｉの濃度が６重量パーセント未満である、積層された略円環状の複数のロータ用電磁鋼板を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の圧縮機。
8. 前記ロータ用電磁鋼板の板厚は、前記ステータ用電磁鋼板の板厚よりも大きい
   ことを特徴とする請求項７に記載の圧縮機。
9. 前記ステータコアは、略円筒状のコアバック部と、前記コアバック部から内側に突出するティース部と、を有し、
   前記コアバック部は、各々のＳｉの濃度が６重量パーセント未満である、積層された複数のコアバック部用電磁鋼板を有し、
   前記ティース部は、各々が６重量パーセント以上のＳｉを含有する部分を含む、積層された複数のティース部用電磁鋼板を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の圧縮機。
10. 前記コアバック部用電磁鋼板の板厚は、前記ティース部用電磁鋼板の板厚よりも大きい
    ことを特徴とする請求項９に記載の圧縮機。