JP2020102911A

JP2020102911A - 電動圧縮機用モータ、それを備えた電動圧縮機、及び、電動圧縮機用モータの製造方法

Info

Publication number: JP2020102911A
Application number: JP2018238251A
Authority: JP
Inventors: 真吉田; Makoto Yoshida
Original assignee: Sanden Holdings Corp
Current assignee: Sanden Corp
Priority date: 2018-12-20
Filing date: 2018-12-20
Publication date: 2020-07-02
Also published as: DE112019006344T5; WO2020129574A1; CN113195893B; CN113195893A

Abstract

【課題】インナーコアのティース間を繋ぐブリッジ部を有し、且つ、コギングトルク及びトルクリップルを極力低減した電動圧縮機用モータを提供する。【解決手段】ステータ２１は、隣接するティース２７の先端が連続しており、巻線２３が施されたインナーコア２６と、インナーコアの外側に結合して磁路を形成するアウターコア２８から構成される。インナーコアは、隣接するティースの先端間を繋ぐブリッジ部２９を有し、ブリッジ部の外周形状は円弧Ａ１にて構成されている。ロータ２４は、磁極の中心から磁極間に向けて、ステータの内周面とのギャップが広がるギャップ拡大部２４Ａを備える。【選択図】図３

Description

本発明は、例えば容器内に収納されて圧縮要素を駆動する電動圧縮機用モータ、それを備えた電動圧縮機、及び、電動圧縮機用モータの製造方法に関するものである。

従来より冷凍サイクルで使用される冷媒圧縮用の電動圧縮機は、容器内にスクロール式等の圧縮要素と、この圧縮要素を駆動するモータを収納して構成されている。また、従来では巻線の占積率を増大させるために、ステータのコアを、アウターコア（ヨーク部材）とそれに圧入されるインナーコア（ティース部材）から構成したものも開発されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１６−１１６３９１号公報特開平８−９８４４０号公報特開２００６−２３８６６７号公報

この場合、インナーコアは隣接するティース間がブリッジ部にて繋がっており、このブリッジ部の外周形状は、角のある段差形状とされていた。しかしながら、ブリッジ部が係る形状である場合、径方向の幅寸法の変化が大きくなり、そのため、コギングトルクが増大し、トルクリップルも増大する問題があった。

一方、目的は異なるが、ブリッジ部の外周形状を円形とするものも開発されている（例えば、特許文献２参照）。また、コギングトルクを低減するために、ロータの各磁極の外周形状を円弧で構成し、且つ、この円弧の中心をロータの中心からオフセットしたロータも開発されている（例えば、特許文献１参照）。

本発明は、係る従来の技術的課題を解決するために成されたものであり、インナーコアのティース間を繋ぐブリッジ部を有し、且つ、コギングトルク及びトルクリップルを極力低減した電動圧縮機用モータ、それを備えた電動圧縮機、及び、電動圧縮機用モータの製造方法を提供することを目的とする。

本発明の電動圧縮機用モータは、ステータと、このステータの内側において回転する永久磁石内蔵型のロータから成るものであって、ステータは、隣接するティースの先端が連続しており、巻線が施されたインナーコアと、このインナーコアの外側に結合して磁路を形成するアウターコアとから構成され、インナーコアは、隣接するティースの先端間を繋ぐブリッジ部を有し、このブリッジ部の外周形状は円弧にて構成されており、ロータは、磁極の中心から磁極間に向けて、ステータの内周面とのギャップが広がるギャップ拡大部を備えた外周形状を有していることを特徴とする。

請求項２の発明の電動圧縮機用モータは、上記発明においてブリッジ部の外周形状は、中央の直線とその両側に連続する円弧にて構成されていることを特徴とする。

請求項３の発明の電動圧縮機は、上記各発明の電動圧縮機用モータと、この電動圧縮機用モータにより駆動される圧縮要素を容器内に収納して成ることを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１又は請求項２の発明の電動圧縮機用モータを製造するにあたり、ロータのギャップ拡大部の円弧の半径をＲ２、ロータの中心からのギャップ拡大部の円弧の中心までのオフセット量をＲ１、インナーコアのブリッジ部の外周形状の円弧の半径をＲ４とした場合に、オフセット量Ｒ１を、コギングトルクが増加せず、トルクリップルが減少する領域に設定し、半径Ｒ２を、平均トルクの減少を抑え、コギングトルクが増加せず、トルクリップルが減少する領域に設定し、半径Ｒ４を、トルクリップルが増加せず、コギングトルクが減少する領域に設定することを特徴とする。

本発明によれば、ステータと、このステータの内側において回転する永久磁石内蔵型のロータから成る電動圧縮機用モータにおいて、ステータを、隣接するティースの先端が連続しており、巻線が施されたインナーコアと、このインナーコアの外側に結合して磁路を形成するアウターコアとから構成したので、巻線の密度を大きくして性能の向上を図ることができる。また、ティースの先端が連続しており、その剛性が向上するため、ロータの回転に伴う反力によるステータの変形量も減少することになり、振動の発生も抑制される。

特に本発明ではインナーコアに、隣接するティースの先端間を繋ぐブリッジ部を設け、このブリッジ部の外周形状を円弧にて構成したので、ブリッジ部の径方向における幅寸法が急激に変化することが無くなり、コギングトルクとトルクリップルを抑制することができるようになる。更に、ロータを、磁極の中心から磁極間に向けて、ステータの内周面とのギャップが広がるギャップ拡大部を備えた外周形状を有するようにしたので、誘起電圧を正弦波に近づけることができるようになり、出力トルクの低下を抑制しながら、コギングトルクとトルクリップルの低減を図ることができるようになる。

この場合、ブリッジ部の外周形状は全体が円弧形状でもよいが、請求項２の発明の如くブリッジ部の外周形状を、中央の直線とその両側に連続する円弧にて構成すれば、条件によって更なるコギングトルクとトルクリップルの低減を図ることができるようになる。

そして、請求項３の発明の如く上記各発明の電動圧縮機用モータと圧縮要素を容器内に収納して電動圧縮機を構成することにより、小型で振動も少ない高性能な電動圧縮機とすることが可能となる。

また、請求項１又は請求項２の電動圧縮機用モータを製造するにあたり、請求項４の発明の如くロータのギャップ拡大部の円弧の半径をＲ２、ロータの中心からのギャップ拡大部の円弧の中心までのオフセット量をＲ１、インナーコアのブリッジ部の外周形状の円弧の半径をＲ４とした場合に、オフセット量Ｒ１を、コギングトルクが増加せず、トルクリップルが減少する領域に設定し、半径Ｒ２を、平均トルクの減少を抑え、コギングトルクが増加せず、トルクリップルが減少する領域に設定し、半径Ｒ４を、トルクリップルが増加せず、コギングトルクが減少する領域に設定することで、効果的に出力トルクの低下を抑制し、コギングトルクとトルクリップルの低減を図ることができるようになる。

本発明を適用した一実施形態の電動圧縮機の縦断側面図である。図１の電動圧縮機のモータ（電動圧縮機用モータ）を構成するステータの分解斜視図である。図２のモータの要部拡大平断面図である。図３中のオフセット量Ｒ１と出力トルク、トルクリップル及びコギングトルクの関係を示す図である。図３中の半径Ｒ２と出力トルク、トルクリップル及びコギングトルクの関係を示す図である。図３中の半径Ｒ４と出力トルク、トルクリップル及びコギングトルクの関係を示す図である。本発明と従来の構造の電動圧縮機用モータのコギングトルクを比較する図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。実施例の電動圧縮機１は、容器２内にスクロール圧縮要素３と本発明のモータ（電動圧縮機用モータ）４を収納してなるスクロール圧縮機である。スクロール圧縮要素３は、容器２に固定された固定スクロール６と、モータ４の回転軸８により、固定スクロール６に対して回転せずに公転運動される可動スクロール７とから成り、固定スクロール６に形成された渦巻き状のラップ１１と可動スクロール７に形成された渦巻き状のラップ１２とが噛み合うように配置されている。

容器２内には図示しない冷媒導入通路から冷媒が導入され、両ラップ１１、１２間に構成される圧縮室に外側から吸い込まれる。この圧縮室は可動スクロール７の公転運動により中心に向けて狭くなるため、吸い込まれた冷媒は圧縮され、中心部から吐出室１４、図示しない冷媒吐出通路を経て吐出されることになる。また、容器２内は低圧となるため、モータ４の周囲にも冷媒が通過することになり、この冷媒でモータ４は冷却されるかたちとなる。

次に、本発明のモータ４について説明する。実施例のモータ４は永久磁石同期モータであり、コア２２と巻線２３から成るステータ２１と、回転軸８に固定されてステータ２１の内側で回転する磁石内蔵型のロータ２４（複数枚の電磁鋼板を積層して成る）とから構成されている。

ステータ２１のコア２２は、複数（極数に応じた数。実施例では１２個）のティース２７を有するインナーコア２６（内側コア）と、アウターコア２８（外側コア）とが分離された二分割構成とされており、インナーコア２６の隣接するティース２７、２７の各先端部２７Ａ、２７Ａは、ブリッジ部２９により相互に連続した構成とされている。これにより、インナーコア２６の各ティース２７間のスロット３１は、外方向に向けて開放し、中心方向が閉じた形状とされている。

係るインナーコア２６及びアウターコア２８は複数枚の電磁鋼板を積層し、結合して構成されている。また、アウターコア２８の内側には、インナーコア２６のティース２７と同数の嵌合凹所３２が形成されている。一方、巻線２３は予め絶縁体から成るボビン３３に巻回されており、このボビン３３にはインナーコア２６のティース２７が差し込まれる装着孔３４が形成されている。

そして、ステータ２１を組み立てる際には、先ず、電磁鋼板を積層して結合することにより、インナーコア２６とアウターコア２８を構成する。また、巻線２３をボビン３３に巻回し、それを１２個用意する。次に、巻線２３を巻回した各ボビン３３の装着孔３４内にインナーコア２６のティース２７を挿入するかたちでボビン３３を全てのティース２７に外側から装着する（計１２個装着する）。

このようにしてインナーコア２６に巻線２３が巻装される。次に、巻線２３が施されたインナーコア２６をアウターコア２８内に嵌め込む。この際、インナーコア２６の各ティース２７の外端部がアウターコア２８の各嵌合凹所３２内に嵌着されることでインナーコア２６とアウターコア２８は一体化される（図３）。尚、各ボビン３３の巻線２３は所定の電気回路を構成するように配線されるものとする。

このように、ステータ２１はティース２７の先端部２７Ａが連続しており、外方に開放したスロット３１に外側から巻線２３を装着するため、ティース先端部の隙間からノズルを挿入して巻線を直巻するモータに比して巻線の密度を大きくし、性能の向上を図ることができる。

また、インナーコア２６は各ティース２７の先端部２７Ａがブリッジ部２９により連続していることにより、その剛性が向上するので、ロータ２４の回転に伴う反力によるステータ２１のコア２２の変形量も減少することになり、振動の発生も抑制されるという利点がある。

更に、この発明ではステータ２１のインナーコア２６のブリッジ部２９の外周形状を、中央の直線Ｌ１と、その両側に滑らかに連続する円弧Ａ１にて構成している。尚、このブリッジ部２９の外周形状は全体が円弧の形状でもよいが、このように形状とすることで、ブリッジ部２９の径方向における幅寸法が急激に変化することが無くなり、コギングトルクとトルクリップルを抑制することができるようになる。

一方、ロータ２４は永久磁石を収納する孔部３６を有する複数枚の電磁鋼板を積層して構成されたロータコア３７と、各孔部３６に収納保持された永久磁石３８とから構成されている。そして、ロータ２４はステータ２１のティース２７の内周面とギャップを介して回転する。尚、実施例のロータ２４の極対数は８であり、その数に応じた永久磁石３８が内蔵されている。

更に、この発明ではロータ２４は、磁極の中心から磁極間に向けて、ステータ２１のティース２７の内周面とのギャップが広がるギャップ拡大部２４Ａを備えた外周形状とされている。これにより、誘起電圧を正弦波に近づけることができるようになり、出力トルクの低下を抑制しながら、コギングトルクとトルクリップルの低減を図ることができるようになる。

次に、図３〜図７を参照しながら、ロータ２４のギャップ拡大部２４Ａとステータ２１のブリッジ部２９の形状の設定方法について説明する。モータ４の極数をＮとしたとき、図３中の角度θ１＝２π／Ｎ［ｒａｄ］とする。図３において、一つの磁石３８の中央部を直角に貫通する直線Ｂを角度の基準として、角度θ２／２だけ図３の右周りに回転した位置にロータ２４の中心Ｏ０から引いた線をＡとする。この線Ａと交わるロータ２４の外径部に凹んだギャップ拡大部２４Ａを作る。

この場合、線Ａからθ１＝π／２［ｒａｄ］だけ図３の左周りに回転して中心Ｏ０から引いた線Ｄと、中心Ｏ０を基準としてオフセット量Ｒ１の円の交わる点をＯ１とする。この点Ｏ１から半径Ｒ２の円弧を描き、この円弧と線Ａとの交点をＰ１とする。次に、中心Ｏ０から半径Ｒ３で描いた円弧と、点Ｏ１から半径Ｒ２で描いた円弧との交点をＰ２とする。このとき、Ｐ１からＰ２で出来た円弧を線Ａで鏡面複写することで、線Ａとロータ２４の外径の交わる周辺に凹みができる。これを極数Ｎ個分中心Ｏ０のまわりに角度θ１毎に複写していくことで、ロータ２４の外周にＮ個の凹みを作ることができる。

即ち、各凹みは二つのギャップ拡大部２４Ａで構成されることになり、半径Ｒ２がギャップ拡大部２４Ａの円弧の半径となる。また、ブリッジ部２９の外周形状の円弧Ａ１の半径をＲ４とした場合（図３）、中心Ｏ０からの円弧（半径Ｒ３）と点Ｏ１からの円弧（半径Ｒ２）とから成る形状を持つロータ２４と、ティース２７のブリッジ部２９の円弧Ａ１の半径Ｒ４を持つステータ２１の形状を構成するパラメータのなかで、コギングトルク、トルクリップル（トルク脈動）、及び、平均トルクに大きい影響を持つものは、オフセット量Ｒ１と、半径Ｒ２と、半径Ｒ４である。

次に、オフセット量Ｒ１、半径Ｒ２、及び、半径Ｒ４を変化させたときのコギングトルク、トルクリップル、及び、平均トルクの変化を図４〜図６に示す。各図において菱形は平均トルク、四角はトルクリップル、三角はコギングトルクを示している。

先ず、図４において、オフセット量Ｒ１を大きくしていくと、平均トルクは略変わらず、トルクリップルは減少し、コギングトルクは図４中のＥ点から急激に増大する。そこで、トルクリップルを増加させずに、コギングトルクを減らすため、オフセット量Ｒ１は図４中のＥ点付近の領域に設定する。

次に、図５において、半径Ｒ２を大きくしていくと、平均トルクは若干減少し、トルクリップルは減少し、コギングトルクは増加して略横ばいとなる。そこで、平均トルクの減少を抑えながら、トルクリップルとコギングトルクを小さくするには、トルクリップルとコギングトルクが交差する図５中Ｆ点付近の領域に半径Ｒ２を設定する。

次に、図６において、半径Ｒ４を大きくしていくと、平均トルクは略変わらず、トルクリップルはあるときから増大し、コギングトルクは減少して略横ばいとなる。そこで、トルクリップルが小さいまま、コギングトルクを小さくするには、コギングトルクが減少から横ばいに転じる図６中Ｇ点付近の領域に半径Ｒ４を設定する。

このように、ギャップ拡大部２４Ａの円弧の半径Ｒ２と、オフセット量Ｒ１と、ブリッジ部２９の外周形状の円弧Ａ１の半径Ｒ４を設定することで、出力トルクの低下を抑制しながら、コギングトルクとトルクリップルの低減を図ることができるようになる。図８のＸ１は一般的なモータのコギングトルク、Ｘ２は特許文献１のモータのコギングトルク、Ｘ３は本発明のモータ４のコギングトルクを示している。この図から明らかな如く、本発明のモータ４のコギングトルクは特許文献１のモータの場合の半分となり、従来のモータの場合と比較すると１／１０程度に減少させることができた。

尚、実施例では本発明をスクロール電動圧縮機に採用したが、それに限らず、ロータリ電動圧縮機など、種々の電動圧縮機に本発明のモータ４は好適である。

１電動圧縮機
２容器
３スクロール圧縮要素
４モータ
８回転軸
２１ステータ
２２コア
２３巻線
２４ロータ
２４Ａギャップ拡大部
２６インナーコア
２７ティース
２７Ａ先端部
２８アウターコア
２９ブリッジ部
３１スロット
３８永久磁石
Ａ１円弧

Claims

ステータと、該ステータの内側において回転する永久磁石内蔵型のロータから成る電動圧縮機用モータにおいて、
前記ステータは、
隣接するティースの先端が連続しており、巻線が施されたインナーコアと、
該インナーコアの外側に結合して磁路を形成するアウターコアとから構成され、
前記インナーコアは、隣接する前記ティースの先端間を繋ぐブリッジ部を有し、該ブリッジ部の外周形状は円弧にて構成されており、
前記ロータは、
磁極の中心から磁極間に向けて、前記ステータの内周面とのギャップが広がるギャップ拡大部を備えた外周形状を有していることを特徴とする電動圧縮機用モータ。
前記ブリッジ部の外周形状は、中央の直線とその両側に連続する円弧にて構成されていることを特徴とする請求項１に記載の電動圧縮機用モータ。
請求項１又は請求項２に記載の電動圧縮機用モータと、該電動圧縮機用モータにより駆動される圧縮要素を容器内に収納して成ることを特徴とする電動圧縮機。
前記ロータのギャップ拡大部の円弧の半径をＲ２、前記ロータの中心からの前記ギャップ拡大部の円弧の中心までのオフセット量をＲ１、前記インナーコアのブリッジ部の外周形状の円弧の半径をＲ４とした場合に、
前記オフセット量Ｒ１を、コギングトルクが増加せず、トルクリップルが減少する領域に設定し、
前記半径Ｒ２を、平均トルクの減少を抑え、コギングトルクが増加せず、トルクリップルが減少する領域に設定し、
前記半径Ｒ４を、トルクリップルが増加せず、コギングトルクが減少する領域に設定することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電動圧縮機用モータの製造方法。