JP2020524477A - 永久磁石モータ、圧縮機及び冷凍システム - Google Patents

永久磁石モータ、圧縮機及び冷凍システム Download PDF

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Abstract

永久磁石モータ、圧縮機及び冷凍システムであって、永久磁石モータ(1)において、固定子(11)の最小内周の輪郭円の直径D(m)、回転子(12)の最大外周の輪郭円の直径d(m)、固定子・回転子の平均隙間でのエアギャップ磁束密度の基本波振幅Bm1(T)、回転子(12)の軸方向の長さL(m)、各相の巻線の総直列巻数Ns、及び永久磁石モータに給電するコンバーターの変換前の直流母線電圧Udc(V)が、0.003Udc≦(D+d)×L×Bm1×Ns≦0.008Udcに設定され、ここでD、d、Bml、L、Udcは、いずれも単位なしの値である。【選択図】図1

Description

本発明は、冷却技術分野に関し、特に永久磁石モータ、圧縮機及び冷凍システムに関する。
関連技術では、圧縮機分野において、永久磁石モータの固定子は、スター接続される巻線を使用してきた。従来技術では、一部の高出力または低電圧の場合には、巻線導体が太く、製造性が低く、また性能も低下してしまう。
本発明は、関連技術の技術課題の1つを少なくともある程度まで解決することを目的とする。そのために、本発明の1つの目的は、エネルギー効率が高い永久磁石モータを提供することである。
本発明は、さらに、圧縮機及び冷凍システムを提供する。
本発明の実施例による永久磁石モータは、固定子と回転子とを有し、前記固定子が固定子鉄芯と固定子巻線とを有し、前記回転子が回転子鉄芯と回転子鉄芯に設置される永久磁石とを有し、前記固定子巻線は、A相巻線、B相巻線及びC相巻線を含み、前記A相巻線の第2群のジョイントと前記B相巻線の第1群のジョイントが同一の引き出し線に接続され、前記B相巻線の第2群のジョイントと前記C相巻線の第1群のジョイントが同一の引き出し線に接続され、前記C相巻線の第2群のジョイントと前記A相巻線の第1群のジョイントが同一の引き出し線に接続され、前記固定子の最小内周の輪郭円の直径D(m)、前記回転子の最大外周の輪郭円の直径d(m)、前記固定子と回転子との平均隙間でのエアギャップ磁束密度の基本波振幅Bm1(T)、前記回転子の軸方向の長さL(m)、各相の巻線の総直列巻数Ns及び永久磁石モータに給電するコンバーターの変換前の直流母線電圧Udc(V)が、0.003Udc≦(D+d)×L×Bm1×Ns≦0.008Udcに設定され、ここで、D、d、Bml、L、Udcは、いずれも単位なしの値である。
本発明の実施例による永久磁石モータによれば、提供される永久磁石モータの重要なパラメータ範囲の設計が従来の圧縮機モータのパラメータ範囲と異なり、従来のパラメータ範囲を三角形巻線構造に適用した場合に生じる圧縮機のエネルギー効率の低下が改善されるので、圧縮機の永久磁石モータに三角形巻線構造を用いる応用の将来性が拡大する。
さらに、本発明の上記実施例による永久磁石モータは、さらに以下の追加的な技術的特徴を有する。
本発明の一実施例では、前記Udcは、250≦Udc≦540を満たす。
更に、1.2≦(D+d)×L×Bm1×Ns≦4.0である。
本発明の一実施例では、前記Udcは、Udc≦72を満たす。
更に、0.03≦(D+d)×L×Bm1×Ns≦0.5である。
本発明の一実施例では、各相の巻線は、1つまたは2つ以上のコイル群を有する。
本発明の一実施例では、前記A相巻線の第2群のジョイントと前記B相巻線の第1群のジョイントは、同じ時点で電流が同一の位相を有し、前記B相巻線の第2群のジョイントと前記C相巻線の第1群のジョイントは、同じ時点で電流が同一の位相を有し、前記C相巻線の第2群のジョイントと前記A相巻線の第1群のジョイントは、同じ時点で電流が同一の位相を有する。
本発明は、さらに、前述した永久磁石モータを備える圧縮機を提供する。
本発明は、さらに、圧縮機と、コンバーターとを備える冷凍システムを提供する。前記圧縮機は、前述した圧縮機であり、前記コンバーターは前記圧縮機に接続され、インバータを有する。
本発明の一実施例では、前記コンバーターは、さらに整流器を有する。
図1はコンバーターが接続された本発明の永久磁石モータの投影模式図である。 図2は図1の永久磁石モータの、軸垂直面における断面図である。 図3は図2の永久磁石モータの固定子巻線の異なる実施例の接続模式図である。 図4は図2の永久磁石モータの固定子巻線の異なる実施例の接続模式図である。 図5は本発明を用いる永久磁石モータのエアギャップ磁束密度波形図である。 図6は図5のエアギャップ磁束密度をフーリエ分解した後の基本波と高調波の比率図である。 図7は本発明の永久磁石モータが搭載される圧縮機100のエネルギー効率と、従来技術の永久磁石モータ1が搭載される圧縮機100のエネルギー効率の比較模式図である。 図8は本発明に係る圧縮機の模式図である。
以下、本発明の実施例を詳細に説明する。前記実施例の例は図面に示され、一貫して、同様または類似の参照番号は、同一または類似の要素および同一または類似の機能を有する要素を示す。以下に図面を参照しながら説明される実施例は例示的なものであり、本発明を解釈することを旨とし、本発明を限定するものと理解してはいけない。
圧縮機100においては、永久磁石モータ1が三角形接続を用いると、製造性をある程度まで改善できる。三角形巻線では、従来の範囲どおり、磁気特性、寸法及び巻線等のパラメータを設定すると、モータ性能の低下、圧縮機100のエネルギー効率の低下などの問題を引き起こす可能性がある。そのために、本発明は、新構造の永久磁石モータ1を提供する。
以下、図面を参照しながら、本発明の実施例の永久磁石モータ1を説明する。
本発明の実施例による永久磁石モータ1は、固定子11と回転子12を有し、前記固定子11が固定子鉄芯111と固定子巻線112を有し、前記回転子12が回転子鉄芯121と回転子鉄芯121に設置される永久磁石122を有し、前記固定子巻線112は、A相巻線、B相巻線及びC相巻線を含み、前記A相巻線の第2群のジョイントと前記B相巻線の第1群のジョイントが同一の引き出し線に接続され、前記B相巻線の第2群のジョイントと前記C相巻線の第1群のジョイントが同一の引き出し線に接続され、前記C相巻線の第2群のジョイントと前記A相巻線の第1群のジョイントが同一の引き出し線に接続される。
前記固定子11の最小内周の輪郭円の直径D(m)、前記回転子12の最大外周の輪郭円の直径d(m)、前記固定子・回転子12の平均隙間でのエアギャップ磁束密度の基本波振幅Bm1(T)、前記回転子12の軸方向の長さL(m)、各相の巻線の総直列巻数Ns及び永久磁石モータ1に給電するコンバーターの変換前の直流母線電圧Udc(V)が、0.003Udc≦(D+d)×L×Bm1×Ns≦0.008Udcに設定され、ここで、D、d、Bml、L、Udcは、いずれも単位なしの値である。さらに、固定子/回転子12の平均隙間でのエアギャップ磁束密度の基本波振幅Bm1は、好ましくは25℃における検出値である。
本発明の実施例による永久磁石モータ1では、提供される永久磁石モータ1の重要なパラメータ範囲の設計は従来の圧縮機100モータのパラメータ範囲と異なり、従来のパラメータ範囲を三角形巻線構造に適用した場合に生じる圧縮機100のエネルギー効率の低下が改善され、それにより圧縮機100の永久磁石モータ1に三角形巻線構造を用いる応用の将来性が拡大する。
さらに、本発明の上記実施例による永久磁石モータ1は、さらに以下の追加的な技術的特徴を有する。
本発明の永久磁石モータ1は直流電流で給電されてもよく、交流電流で給電されてもよく、エネルギー効率を更に向上させるために、交流電気で給電される場合、前記Udcは、250≦Udc≦540を満たす。更に、1.2≦(D+d)×L×Bm1×Ns≦4.0である。
直流電流で給電される場合、前記Udcは、Udc≦72を満たす。更に、0.03≦(D+d)×L×Bm1×Ns≦0.5である。
勿論、実際には、本発明の永久磁石モータ1は、電源種類に対する要件が少なく、たとえば、上記「250≦Udc≦540」と「1.2≦(D+d)×L×Bm1×Ns≦4.0」を満たす直流電流で給電されてもよく、「Udc≦72」と「0.03≦(D+d)×L×Bm1×Ns≦0.5」を満たす交流電気で給電されてもよい。
本発明の一実施例では、各相の巻線は、1つまたは2つ以上のコイル群を有する。それにより、エネルギー消費量を更に向上させることができる。
本発明の一実施例では、前記A相巻線の第2群のジョイントと前記B相巻線の第1群のジョイントは、同じ時点で電流が同一の位相を有し、前記B相巻線の第2群のジョイントと前記C相巻線の第1群のジョイントは、同じ時点で電流が同一の位相を有し、前記C相巻線の第2群のジョイントと前記A相巻線の第1群のジョイントは、同じ時点で電流が同一の位相を有する。
本発明は、さらに、前述した永久磁石モータ1を備える圧縮機100を提供する。
本発明の実施例による圧縮機100は、前述した永久磁石モータ1を用いることで、圧縮機100のエネルギー効率を向上させ、応用将来性を拡大する。
本発明は、さらに、圧縮機100と、コンバーターとを備える冷凍システムを提供する。前記圧縮機100は、前述した圧縮機100であり、前記コンバーターは、前記圧縮機100に接続され、インバータ7を有する。
本発明の一実施例では、前記コンバーターは、さらに、整流器8を有する。
図1は、コンバーターが接続される本発明の第1実施例の永久磁石モータ1の軸方向の投影模式図である。圧縮機100は、固定子11と回転子12を有する三相の永久磁石モータ1を用いる。前記固定子11が固定子鉄芯111と固定子巻線112を有する。回転子12が回転子鉄芯121と回転子鉄芯121に設置される永久磁石122を有する。前記固定子巻線112のA相巻線の第2群のジョイントとB相巻線の第1群のジョイントが同一の引き出し線に接続され、この両群のジョイントは、同じ時点で電流が同一の位相を有する。前記固定子巻線112のB相巻線の第2群のジョイントとC相巻線の第1群のジョイントが同一の引き出し線に接続され、この両群ジョイントは、同じ時点で電流が同一の位相を有する。前記固定子巻線112のC相巻線の第2群のジョイントとA相巻線の第1群のジョイントが同一の引き出し線に接続され、この両群ジョイントは、同じ時点で電流が同一の位相を有する。
前記固定子11の最小内周の輪郭円の直径D(m)、前記回転子12の最大外周の輪郭円の直径d(m)、前記固定子・回転子12の平均隙間でのエアギャップ磁束密度の基本波振幅(25℃)Bm1(T)、前記回転子12の軸方向の長さL(m)、各相の巻線の総直列巻数Ns及び永久磁石モータ1に給電するコンバーターの変換前の直流母線電圧Udc(v)は、0.003Udc≦(D+d)×L×Bm1×Ns≦0.008Udcに設定される。ここで、D、d、Bml、L、Udcは、いずれも単位なしの数値である。
永久磁石モータ1に接続されるコンバーターは、少なくとも、1つのインバータ7を含み、インバータ7の前端は直流電流であり、直流母線電圧はUdcであり、インバータ7によって制御可能周波数の交流電気に変換される。給電電源が直流電流である場合、直流電源がインバータ7に直接接続され、直流→交流プロセスを達成し、給電電源が交流電気である場合、さらに整流器8を必要とし、交流電源が整流器8の入力側に接続され、整流器8の出力側がインバータ7の入力側に接続され、交流→直流→交流プロセスを達成する。
圧縮機100分野では、本発明は、既存の技術と異なり、永久磁石モータ1の重要なパラメータの好適範囲を設定するとともに、三角形巻線構造を用いることで、固定子11の優れた製造性を達成し、圧縮機100の高効率を満たす。
図2は図1の永久磁石モータ1の、軸垂直面における断面図である。第1実施例では、永久磁石モータ1は9スロット6極構造である。各相の巻線は、3群のコイルを有し、各群のコイルが固定子11の歯に巻回される。各相の巻線は1つの引込み線ジョイントと1つの引き出し線ジョイントを有し、同一相の巻線の異なる群のコイルの間が移行線を介して接続される。巻線ジョイントと引き出し線との間の接続方式を以下のように例として挙げる。A相引き出し線ジョイント+B相引込み線ジョイント→引き出し線一、B相引き出し線ジョイント+C相引込み線ジョイント→引き出し線二、C相引き出し線ジョイント+A相引込み線ジョイント→引き出し線三。なお、本発明で言及された巻線接続は、複数の具体的な方式を有する。
図3は図2の永久磁石モータ1の巻線接続模式図である。第1実施例では、同一相の巻線の間は直列接続方式を用いる。一相巻線の3群のコイル巻数がそれぞれN1、N2、N3であると、該相巻線の総直列巻数がNs=N1+N2+N3である。
図4は本発明の第2実施例の巻線接続模式図である。第2実施例では、同一相の巻線の間は並列方式を用い、並列分岐の数は3である。一般的には、モータのバランス性を確保するために、並列方式では、同一相の各群のコイル巻数を近くし、好適には同じにする。並列された3群のコイルの巻数がいずれもN1であると、該巻線の総直列巻数Ns=N1である。
図5は本発明を用いる永久磁石モータ1のエアギャップ磁束密度波形図である。固定子・回転子12のギャップの中間位置、すなわち図2の(D+d)/2の円周上で、永久磁石モータ1のエアギャップ磁束密度を抽出し、1電気周期のエアギャップ磁束密度波形が図5に示される。埋め込み式の回転子12の構造、固定子・回転子12のコギング等の要因の影響で、エアギャップ磁束密度の波形は理想的な正弦波ではなく、波形は基本波以外、さらに高調波を有する。
図6は図5のエアギャップ磁束密度をフーリエ分解した後の基本波と高調波の比率図である。図6は、基本波と、基本波を除く最初の9級の高調波だけを挙げる。エアギャップ磁束密度は、永久磁石モータ1の性能とノイズを示す核心指標である。エネルギーが転化するとき、エアギャップ磁束密度の基本波は、回転子12が回転して出力するように駆動することに対して主な作用を果たし、従って、エアギャップ磁束密度基本波の設計は特に重要である。
図7は、本発明の永久磁石モータ1が搭載される圧縮機100のエネルギー効率と、従来技術の永久磁石モータ1が搭載される圧縮機100のエネルギー効率の比較模式図である。一般的には、圧縮機100は、低速では、統合パラメータ(D+d)×L×Bm1×Nsの上昇に伴って、エネルギー効率が上昇傾向にあり、高速では、(D+d)×L×Bm1×Nsの上昇に伴って、低下傾向にあり、ひいては、(D+d)×L×Bm1×Nsがある臨界点より高いと、圧縮機100は高速下で運転できない。母線電圧Udc=310Vである圧縮機100を例とすると、従来のスター巻線の永久磁石モータ1が搭載される場合、(D+d)×L×Bm1×Ns≦1.0(単位:Wb)の範囲内では、圧縮機100は高速でのエネルギー効率が高いレベルに維持されるとともに、低速でのエネルギー効率を兼ね、変曲点の前に大きな値を選択することによって、圧縮機100がすべての周波数帯域で優れた性能を持つことを確保し、本発明の巻線構造の永久磁石モータ1が搭載される場合、関連パラメータを従来の好適な範囲内に設定すると、低速では圧縮機100のエネルギー効率が非常に低く、1.2≦(D+d)×L×Bm1×Ns≦4.0(単位:Wb)にすると、圧縮機100はすべての周波数帯域で優れた性能を持つ。
図8は本発明に係る圧縮機100模式図である。上記永久磁石モータ1以外、本発明の圧縮機100は、さらに、シリンダ2、主軸受け3、副軸受け4、ピストン5及びクランクシャフト6等の圧縮部材を備える。
なお、本発明の説明において、「中心」、「縦方向」、「横方向」、「長さ」、「幅」、「厚み」、「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」、「鉛直」、「水平」、「頂」、「底」、「内」、「外」、「時計回り」、「逆時計回り」、「軸方向」、「径方向」、「周方向」などの用語が示す方位又は位置関係は、図面に示す方位又は位置関係に基づき、本発明を便利に又は簡単に説明するためのものであり、指定された装置又は部品が特定の方位にあり、特定の方位において構造され操作されると指示又は暗示するものではないので、本発明を限定するものと理解してはいけない。
なお、「第1」、「第2」の用語は、単に目的を説明するためのものであり、相対重要性を指示又は暗示するか、或いは示された技術的特徴の数を黙示的に指示すると理解してはいけない。そこで、「第1」、「第2」が限定されている特徴は、一つ又はより多くの該特徴を含むことを明示又は暗示するものである。本発明の説明において、他の明確且つ具体的な限定がない限り、「複数」とは、少なくとも二つ、例えば、二つ、三つを意味する。
本発明において、明確な規定と限定がない限り、「取り付ける」、「互いに接続する」、「接続する」、「固定する」などの用語の意味は広義に理解されるべきである。例えば、固定接続や、着脱可能な接続や、或いは一体的な接続でも可能である。機械的な接続や、電気的な接続も可能である。直接的に接続することや、その間に媒体を介して間接的に接続することや、二つの部品の内部が連通することや、あるいは二つの部品の間に相互の作用関係があることも可能である。明確な規定がない限り、当業者であれば、具体的な場合に応じて上記用語の本発明においての具体的な意味を理解することができる。
本発明において、明確な規定と限定がない限り、第1特徴が第2特徴の「上」又は「下」にあることは、第1特徴と第2特徴とが直接的に接触することを含んでも良いし、又は第1特徴と第2特徴とが、その間に媒体を介して間接的に接触することを含んでもよい。また、第1特徴が第2特徴の「上」、「上方」又は「以上」にあることは、第1特徴が第2特徴の真上又は斜め上にあることを含むか、或いは、単に第1特徴の水平高さが第2特徴より高いことだけを表す。第1特徴が第2特徴の「下」、「下方」又は「以下」にあることは、第1特徴が第2特徴の真下又は斜め下にあることを含むか、或いは、単に第1特徴の水平高さが第2特徴より低いことだけを表す。
本明細書の説明において、「一実施例」、「一部の実施例」、「例」、「具体的な例」又は「一部の例」などの用語を参考した説明とは、当該実施例又は例に合わせて説明された具体的な特徴、構造、材料、又は特徴が、本発明の少なくとも一つの実施例又は例に含まれることを意味する。本明細書において、前記用語に対する例示的な説明は必ずしも同一の実施例又は例を示すことではない。また、説明された具体的な特徴、構造、材料、又は特徴は、いずれか一つ又は複数の実施例又は例において適切な形態で結合することができる。なお、相互に矛盾しない場合、当業者であれば、本明細書における異なる実施例又は例、及び異なる実施例又は例における特徴を結合又は組合せすることができる。
以上、本発明の実施例を示して説明したが、なお、上記実施例は、例示的なものであり、本発明を限定するものと理解してはいけない。当業者は、本発明の範囲内で上記実施例に対して変更、修正、取り替え及び変形を行うことができる。
100 圧縮機
2 シリンダ
3 主軸受け
4 副軸受け
5 ピストン
6 クランクシャフト
1 永久磁石モータ
11 固定子
12 回転子
111 固定子鉄芯
112 固定子巻線
121 回転子鉄芯
122 永久磁石
7 インバータ
8 整流器。

Claims (10)

  1. 固定子と回転子とを有し、前記固定子が固定子鉄芯と固定子巻線とを有し、前記回転子が回転子鉄芯と回転子鉄芯に設置される永久磁石とを有する永久磁石モータであって、
    前記固定子巻線は、A相巻線、B相巻線及びC相巻線を含み、前記A相巻線の第2群のジョイントと前記B相巻線の第1群のジョイントが同一の引き出し線に接続され、前記B相巻線の第2群のジョイントと前記C相巻線の第1群のジョイントが同一の引き出し線に接続され、前記C相巻線の第2群のジョイントと前記A相巻線の第1群のジョイントが同一の引き出し線に接続され、
    前記固定子の最小内周の輪郭円の直径D(m)、前記回転子の最大外周の輪郭円の直径d(m)、前記固定子と回転子との平均隙間でのエアギャップ磁束密度の基本波振幅Bm1(T)、前記回転子の軸方向の長さL(m)、各相の巻線の総直列巻数Ns、及び永久磁石モータに給電するコンバーターの変換前の直流母線電圧Udc(V)が、0.003Udc≦(D+d)×L×Bm1×Ns≦0.008Udcに設定され、ここで、D、d、Bml、L、Udcは、いずれも単位なしの値である、
    ことを特徴とする永久磁石モータ。
  2. 前記Udcは、250≦Udc≦540を満たす、
    ことを特徴とする請求項1に記載の永久磁石モータ。
  3. 1.2≦(D+d)×L×Bm1×Ns≦4.0である、
    ことを特徴とする請求項2に記載の永久磁石モータ。
  4. 前記Udcは、Udc≦72を満たす、
    ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の永久磁石モータ。
  5. 0.03≦(D+d)×L×Bm1×Ns≦0.5である、
    ことを特徴とする請求項4に記載の永久磁石モータ。
  6. 各相の巻線は、1つまたは2つ以上のコイル群を有する、
    ことを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の永久磁石モータ。
  7. 前記A相巻線の第2群のジョイントと前記B相巻線の第1群のジョイントは、同じ時点で電流が同一の位相を有し、前記B相巻線の第2群のジョイントと前記C相巻線の第1群のジョイントは、同じ時点で電流が同一の位相を有し、前記C相巻線の第2群のジョイントと前記A相巻線の第1群のジョイントは、同じ時点で電流が同一の位相を有する、
    ことを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の永久磁石モータ。
  8. 請求項1〜7のいずれか1項に記載の永久磁石モータを備える、
    ことを特徴とする圧縮機。
  9. 請求項8に記載の圧縮機と、
    前記圧縮機に接続され、インバータを有するコンバーターと、を備える、
    ことを特徴とする冷凍システム。
  10. 前記コンバーターは、さらに、整流器を有する、
    ことを特徴とする請求項9に記載の冷凍システム。
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