JP3720571B2 - 回転電動機の加振力低減方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、機械的な軸受を有し、固定子の中心と回転子の中心が静的偏心している電動機、発電機等の回転電動機に関し、静的偏心に起因して発生する偏心方向の加振力を低減することにより、回転電動機およびこれを搭載した機器の振動・騒音を低減することに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図９は特開平４−１０７３１８号公報に記載された「磁気軸受装置」において、機械的な軸受をもたない回転電動機の構成図である。図において、１は固定子、２は回転子、３６ａ〜３６ｈは上記固定子１に巻かれた８つの独立な巻線である。この装置は回転駆動装置としての機能と非接触軸受としての機能の両者を兼備している。
【０００３】
次に、従来装置の回転駆動装置としての動作を簡単に説明する。８本の巻線３６ａ〜３６ｈのうち、まず４本の巻線３６ａ〜３６ｄに電流が供給され、それによる磁界が発生する。次に４本の巻線３６ｅ〜３６ｈに電流が供給され、それによる磁界が発生する。後者の巻線３６ｅ〜３６ｈの磁界による磁束分布は、前者の巻線３６ａ〜３６ｄの磁界による磁束分布を４５度だけ回転させた状態に相当する。この繰り返しにより磁束を４５度ずつ回転させて、回転子２を回転させる。
【０００４】
従来装置の非接触軸受としての機能について簡単に説明する。巻線３６ａ〜３６ｄの４本が励起されているとき、巻線３６ａの電流値を大きくすれば紙面の上向きに吸引力が発生し、巻線３６ｂの電流値を大きくすれば紙面の右向きに吸引力が発生し、巻線３６ｃの電流値を大きくすれば紙面の下向きに吸引力が発生し、巻線３６ｄの電流値を大きくすれば紙面の左向きに吸引力が発生する。
【０００５】
また、巻線３６ｅ〜巻線３６ｈの４本が励起されているときも同様に吸引力が発生する。したがって、回転子２の上下左右方向の変位が測定されれば、４つの吸引力を適当に調整することによって回転子２の上下左右方向の位置を制御することができる。
【０００６】
図１０は機械的な軸受を有する一般的な回転電動機の全体構造を示す構造図である。図において、１は固定子、２は回転子、３はシャフト、４は軸受、５はフレーム、６はブラケットである。シャフト３を支える軸受４は、フレーム５とブラケット６により固定されている。この組み込み状態において固定子１の中心軸と回転子２の中心軸とに若干のずれが生じることは避けられず、回転電動機には常に静的偏心が存在することになる。
【０００７】
このため、各部品の寸法精度や組み込み精度を高めて静的偏心を小さくする努力がなされている。図１１は図１０における一般的な回転電動機の構成図であり、３相通電による４極の同期機について、軸に垂直な面での断面図を示している。
【０００８】
図において、７ａ，７ｂはＵ相の巻線、８ａ，８ｂはＶ相の巻線、９ａ，９ｂはＷ相の巻線、１０は永久磁石である。またＯ１は固定子１の中心、Ｏ２は回転子２の中心であり、Ｏ１→Ｏ２の方向が静的偏心方向となる。また回転子２による磁束について、磁束が極大となる部分を磁束中心として図のようにｄで表す。
【０００９】
回転子２における磁束中心ｄは永久磁石１０を通り、その向きは図の矢印のように永久磁石１０のＳ極に入りＮ極から出ていく向きであり、回転電動機は４極であるため４つの磁束中心ｄが存在する。
【００１０】
各相を構成する２本の巻線７ａと７ｂ，８ａと８ｂ，９ａと９ｂは互いに固定子の中心Ｏ１に対して対称な位置に配置されている。また回転子２の中心Ｏ２を通る基準軸をｘ軸としたとき、磁束中心ｄがｘ軸となす角度をθとする。
【００１１】
図１２は図１１における回転電動機の回路構成および巻線の配線図である。図において、１１は３相交流電源、１２は３相交流電圧を整流するダイオード、１３は整流出力を平滑して直流電圧を得る平滑コンデンサ、１４〜１９は直流電圧を所定周波数、所定電力の交流電力に変換するインバータを構成するトランジスタである。トランジスタ１４〜１９はスイッチの役目をしており、各々をｓ１，ｓ２，ｓ３，ｓ４，ｓ５，ｓ６と表す。
【００１２】
３相交流電源１１より供給される交流電圧をダイオード１２、平滑コンデンサ１３により直流電圧にし、この直流電圧をトランジスタ１４〜１９によるインバータで交流電力に変換して同期機の各相の巻線７ａと７ｂ，８ａと８ｂ，９ａと９ｂに供給することで同期機の駆動を実現している。
【００１３】
図１３は図１２の回路による駆動パターンの例であり、日本冷凍空調学会論文集Ｖｏ１．１４，Ｎｏ．２．１９９７「密閉型圧縮機の低騒音化、低振動化のための研究第３報」に記載のものに基づいている。ｓ１〜ｓ６は図１２に示すトランジスタ１４〜１９であり、べ一ス駆動用電流信号が加えられてＯＮ状態になっている場合と、ＯＦＦ状態の場合とを示している。
【００１４】
横軸は回転子２の位置を電気角θｅであらわしている。極対数が２の回転電動機では電気角θｅと図１１に示す機械角θの関係はθｅ＝２θとなる。図１３に示す回転電動機の駆動方法は、インバータを構成する各トランジスタ１４〜１９にべ一ス駆動用電流信号が１２０゜の区間で加えられて電圧形インバータ駆動されるため、１２０゜通電の中で前半の２５゜および後半の３５゜の範囲においてＰＷＭ駆動により電圧の印加時間と遮断時間の割合を調整し、印加電圧の大きさを調整している。
【００１５】
この割合をｄｕｔｙ比といい、ＰＷＭ駆動における電圧の印加時間をａ、遮断時間をｂで表すと、ｄｕｔｙ比はａ／（ａ＋ｂ）で表される。ｓ１〜ｓ６の切り換えにより、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各電圧は図１３に示すようになる。ｓ１〜ｓ６の切り換えは、電気角θｅが０゜〜３６０゜を一周期とし、その繰り返しとなる。
【００１６】
ｓ１〜ｓ６のＯＮ，ＯＦＦの組み合わせモードが６通りあるため、６つのモードに分類し、０゜≦θｅ＜６０゜をモード１，６０゜≦θｅ＜１２０゜をモード２、１２０゜≦θｅ＜１８０゜をモード３、１８０゜≦θｅ＜２４０゜をモード４、２４０゜≦θｅ＜３００゜をモード５、３００゜≦θｅ＜３６０゜をモード６とする。
【００１７】
例えばモード１ではｓ１とｓ５がＯＮ状態であり、図１２においてトランジスタ１４とトランジスタ１８にべ一ス駆動電流信号が加えらてＯＮ状態になり、電流はトランジスタ１４を通り、Ｕ相の端子を通り、Ｕ相の巻線７ａと７ｂに流れ、次にＶ相の巻線８ａと８ｂに流れ、Ｖ相の端子を通り、トランジスタ１８を通って流れることになる。
【００１８】
図１３の駆動パターンではｄｕｔｙ比は一定値α０であり、Ｕ相とＶ相、Ｖ相とＷ相、Ｗ相とＵ相の端子電圧は常に一定となり、巻線に流れる電流値も常に一定となる。後述するが、静的偏心している回転電動機では、静的偏心方向に加振力が発生し図１３に示すようになる。回転電動機を搭載した機器の例としてロータリ圧縮機を示す。
【００１９】
図１４は日本冷凍協会論文集Ｖｏ１．１０，Ｎｏ．３．１９９３「ロータリーコンプレッサーの低振動化研究」に記載された一般的な圧縮機の構成図である。図において、３はシャフト、４は軸受、３７はシリンダ、３８はシリンダヘッド、３９は吸入管、４０は吐出管、４１は防振ゴムである。ステータ２により発生する回転磁界により回転子２が回転する。
【００２０】
回転子２はシャフト３に固定されているためシャフト３が回転し、吸入管３９からシリンダ３７に吸入される冷媒を圧縮して吐出管４０より圧縮した冷媒を吐出する。シャフト３は軸受４で支持されており、回転子２およびシャフト３は片持ち構造である。
【００２１】
また、図１５は三菱電機技報Ｖｏ１．６８，Ｎｏ．５．１９９４「大型冷蔵庫用ツインメカ横置ロータリ圧縮機」に記載されたロータリ圧縮機の構成図である。回転子２は２本のシャフト３に固定され、シャフト３は軸受４で支持されている。軸受４は回転子２の両側にあり、回転子２およびシャフト３は両持ち構造である。
【００２２】
【発明が解決しようとする課題】
図１０に示す機械的な軸受を有する回転電動機では各部品の寸法精度や組み込み精度を高める努力がなされているが、静的偏心を完全になくすことは事実上不可能である。図１１のように静的偏心した固定子１と回転子２の間の磁気吸引力Ｐの大きさは固定子１と回転子２の間の磁束密度Ｂの２乗に比例する。
【００２３】
また、磁束密度Ｂは固定子１と回転子２の距離に反比例する。固定子１と回転子２の距離が最小になるのは静的偏心方向であるため、固定子１と回転子２の間の磁束密度Ｂは静的偏心方向が最も大きくなり、固定子１と回転子２の間に働く磁気吸引力Ｐの方向は静的偏心方向となる。
図１３のような駆動パターンで巻線電流を一定として駆動する場合、静的偏心方向の力は回転子２の位置によって変動する。この回転電動機の極数は４であるため、回転子２が一回転する間に静的偏心方向の力は４回大きく変動し、回転数の４倍に相当する加振力が発生する。すなわち回転電動機では静的偏心により極数と回転数の積に相当する周波数の加振力が発生する。
【００２４】
図１６は図１４に示すロータリ圧縮機と同じ構造の圧縮機について、ロータ・シャフト系の固有振動数を測定した結果である。固有振動数は４５４Ｈｚにある。一方、この圧縮機用の回転電動機の極数は４、回転数は１０〜１２０Ｈｚであり、静的偏心が存在すると、極数と回転数の積に相当する４０〜４８０Ｈｚの加振力が発生する。この加振力は系の固有振動数と共振して振動が大きくなる。
【００２５】
図１７は静的偏心の小さい４極の回転電動機を回転数３０，３５，４０，４５，５０，６０Ｈｚで駆動したときの半径方向の加振力を周波数分析し、回転数の１倍（１ｆ）と回転数の４倍（４ｆ）の周波数の加振力について示したものである。この系の固有振動数は約１５０Ｈｚであり、加振力が少し大きくなっているが、静的偏心が完全に零であれば４ｆの周波数の半径方向の加振力は存在しない。
【００２６】
図１８は同じ回転電動機の偏心率を約３０％として測定したものである。静的偏心が大きいため極数と回転数の積に相当する偏心方向の加振力（４ｆ）が大きくなり、それが系の固有振動数と共振して、図１７の場合と比較すると４ｆの周波数の偏心方向の加振力が極めて大きくなっている。
【００２７】
ロータリ圧縮機用の回転電動機の大部分は図１４に示すような片持ち構造であるため、固有振動数が５００Ｈｚ以下と低い。また回転電動機の極数が４のものが多く、回転数も１０〜１２０Ｈｚ前後と広範囲である。したがって静的偏心の影響で周波数が４０〜４８０Ｈｚ前後の偏心方向の加振力が発生し、系の固有振動数と共振し、騒音が大きくなるという問題が生じる。
【００２８】
図１９は図１５に示す圧縮機について、ロータ・シャフト系の固有振動数を測定した結果である。図１５の回転子２およびシャフト３は両持ち構造であるため剛性が高く、固有振動数は約１．２ＫＨｚである。したがって静的偏心による加振力と共振することはなく、低騒音な圧縮機が得られる。しかし図１５の両持ち構造の圧縮機は図１４の片持ち構造の圧縮機よりかなりコストが高くなってしまう。
【００２９】
本発明は上記のような問題を解消するためになされたもので、静的偏心が原因となり発生する極数と回転数の積に相当する周波数の加振力を低減し、低振動・低騒音な回転電動機およびこれを搭載する機器を得ることを目的とする。
また圧縮機等の回転電動機搭載機器において、静的偏心が原因となり発生する極数と回転数の積に相当する周波数の加振力を低減することにより、低振動・低騒音な機器を低コストで実現することを目的とする。
【００３０】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る回転電動機の加振力低減方法は、各相の複数個の巻線が固定子の中心に対して周方向に等間隔で配置され、前記各相の複数個の巻線が各相ごとにまとめられて各相間が結線された回転電動機において、前記回転電動機の固定子の中心と回転子の中心との静的偏心に起因して発生する偏心方向の加振力を、回転電動機にトルクを発生するために供給する巻線電流を制御して低減するものである。
【００３１】
また、回転子の位置に対応した巻線電流の値を設定して供給し、回転電動機の極数と回転数の積に相当する周波数の偏心方向の加振力を低減するものである。
【００３２】
また、回転電動機の駆動をパルス幅制御によるインバータにて行う際に、前記回転電動機の各相巻線に印加されるパルス幅変調電圧のオン／オフのデューティ比を制御して回転電動機に供給する巻線電流を制御し、静的偏心に起因して発生する偏心方向の加振力を低減するものである。
【００３３】
また、デューティ比を回転子の位置によって調整するものである。
【００３４】
また、静的偏心方向の力が大きいときには回転電動機に供給する巻線電流の値を大きくするように、静的偏心方向の力が小さいときには回転電動機に供給する前記巻線電流の値を小さくするようにデューティ比の調整により制御し、静的偏心に起因して発生する偏心方向の加振力を低減するものである。
【００３５】
また、巻線への印加電圧として１２０°通電方式をとる回転電動機において、トルクを発生するための２つの巻線回路を含む回転電動機の各巻線回路に流す電流を個々のインバータにより制御して静的偏心方向の力を小さくし、静的偏心に起因して発生する偏心方向の加振力を低減するものである。
【００３６】
また、巻線への印加電圧として１２０°通電方式をとる回転電動機において、トルクを発生するための２つの巻線回路を含む回転電動機の各巻線回路に流す電流を個々のインバータにより制御することで、各巻線に発生する磁束により働く磁気吸引力の方向を一定方向に制御するものである。
【００３７】
また、巻線への印加電圧として１２０°通電方式をとる回転電動機において、トルクを発生するための２つの巻線回路を含み、この各巻線回路に流す電流を個々のインバータにより制御する回転電動機のシャフトに直結したローリングピストンでクランクシャフトが一回転する間に冷媒を吸入、圧縮、吐出するサイクルを繰り返すロータリ圧縮機において、各巻線に発生する磁束により働く磁気吸引力の方向を一定方向に制御し、圧縮による一定方向の力の変動を打ち消すものである。
【００３８】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は、図１１に示す３相通電による４極の同期機の磁束分布を示す模式図である。図において、Φｉは巻線電流による磁束、Φｍは永久磁石１０による磁束を示している。回転子２の中の永久磁石１０と固定子１の間の磁束の向きは逆になっているため、巻線電流による磁束Φｉは永久磁石１０による磁束Φｍを打ち消す傾向にあるといえる。
【００３９】
固定子１と回転子２の間の磁気吸引力Ｐの大きさは固定子１と回転子２の間の磁束密度Ｂの２乗に比例する。また磁束密度Ｂは磁束Φに比例する。磁束Φは巻線電流による磁束Φｉと永久磁石１０による磁束Φｍの和と考えられる。すなわち、磁気吸引力Ｐ∝（Φｉ＋Φｍ）＾２となる。従って、静的偏心方向の磁気吸引力は巻線電流を制御することにより調整することができる。
【００４０】
図２は、本発明の実施の形態による回転電動機の駆動パターンの例である。回路構成および巻線の配線は従来の図１２と同様であり、回転子２の位置によってｄｕｔｙ比を調整することにより巻線電流を制御する。ｄｕｔｙ比を大きくすると巻線電流が大きくなり、巻線電流による磁束Φｉが大きくなる。ΦｉとΦｍの向きは逆であるため、（Φｉ＋Φｍ）は小さくなる。従って磁気吸引力Ｐは小さくなる。
【００４１】
図２に示す駆動パターンでは、図１３における静的偏心方向の力が大きい場合、すなわち回転子２の磁束中心ｄが静的偏心方向に近い場合のｄｕｔｙ比を大きくして、静的偏心方向の力を小さくしている。また静的偏心方向の力が小さい場合のｄｕｔｙ比を小さくして、静的偏心方向の力を大きくしている。ｄｕｔｙ比αはＰＷＭ駆動範囲の２５゜および３５゜では一定として、α（１２０゜≦θｅ＜１４５゜）＜α（８５゜≦θｅ＜１２０゜）＝α（１４５゜≦θｅ＜１８０゜）＜α０＜α（０゜≦θｅ＜２５゜）＝α（６０゜≦θｅ＜８５゜）＜α（２５゜≦θｅ＜６０゜）とし、その繰り返しとしている。
【００４２】
また、ｄｕｔｙ比αを変化させる割合は、回転電動機の出力トルク、巻線電流の大きさ、永久磁石１０の形状や配置などに依存して決められる。また本実施の形態ではｄｕｔｙ比αをＰＷＭ駆動範囲の２５゜および３５゜の区間で一定としたが、さらに細かく変化させてもよいし、あるいはｄｕｔｙ比αを各モードで一定と設定してもよい。このようにして巻線電流を制御することにより、静的偏心方向の力は常に存在するが、その変動を小さく抑えることができ、加振力を低減できる。
【００４３】
実施の形態２．
図３は、本発明の実施の形態による回転電動機の駆動回路の構成図および巻線の配線図である。駆動回路は６個の端子および１２個のトランジスタを用いて２つの駆動回路が構成されるため、便宜上それら回路を図に示すように駆動回路Ａ、駆動回路Ｂと表す。図において、２０〜３１はインバータＩＶ１，ＩＶ２を構成するトランジスタであり、トランジスタ２０〜２５をそれぞれｓｌａ，ｓ２ａ，ｓ３ａ，ｓ４ａ，ｓ５ａ，ｓ６ａ，トランジスタ２６〜３１をそれぞれｓ１ｂ，ｓ２ｂ，ｓ３ｂ、ｓ４ｂ，ｓ５ｂ，ｓ６ｂとする。
【００４４】
駆動回路ＡのインバータＩＶ１を構成するトランジスタ２０〜２５は端子Ｕａ，Ｖａ，Ｗａに接続され、図１１における巻線７ａ，８ａ，９ａに接続される。また，駆動回路ＢのインバータＩＶ２を構成するトランジスタ２６〜３１は端子Ｕｂ，Ｖｂ，Ｗｂに接続され、図１１に示す巻線７ｂ，８ｂ，９ｂに接続される。例えばｓ１ａとｓ５ａおよびｓ１ｂとｓ５ｂがＯＮ状態のとき、駆動回路Ａにおける電流はトランジスタ２０を通り、端子Ｕａを通り、Ｕ相の巻線７ａに流れ、次にＶ相の巻線８ａに流れ、端子Ｖａを通り、トランジスタ２４を通って流れる。
【００４５】
また、駆動回路Ｂにおける電流はトランジスタ２６を通り、端子Ｕｂを通り、Ｕ相の巻線７ｂに流れ、次にＶ相の巻線８ｂに流れ、端子Ｖｂを通り、トランジスタ３０を通って流れる。この駆動回路Ａ、駆動回路Ｂに流す電流を別々に制御することにより、静的偏心方向の磁気吸引力を調整する。
【００４６】
図４は本実施の形態による回転電動機の磁束分布を示す模式図である。Ｕ相、Ｖ相に通電されるときは駆動回路Ａの巻線７ａ、巻線８ａおよび駆動回路Ｂの巻線７ｂ、巻線８ｂに電流が流れる。磁束Φ１，Φ２，Φ３，Φ４は巻線電流による磁束Φｉと永久磁石１０による磁束Φｍを合わせたものについて示している。
【００４７】
例えば駆動回路Ａを流れる電流値の方が駆動回路Ｂを流れる電流値より大きくした場合、巻線７ａを流れる電流ｉ（７ａ）、巻線８ａを流れる電流ｉ（８ａ）、巻線７ｂを流れる電流ｉ（７ｂ）、巻線８ｂを流れる電流ｉ（８ｂ）の大きさは、ｉ（７ａ）＝ｉ（８ａ）＞ｉ（７ｂ）＝ｉ（８ｂ）となる。
【００４８】
実施の形態１で述べたように、巻線電流が大きくなると磁束Φは小さくなる。したがって、Φ１＜Φ２＝Φ４＜Φ３となる。固定子１と回転子２の間には磁束Φ１〜Φ４により図の矢印Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４の向きに磁気吸引力がはたらく。磁気吸引力Ｐ１は磁束Φ１とΦ２の大きさに依存し、磁気吸引力Ｐ２は磁束Φ２とΦ３の大きさに依存し、磁気吸引力Ｐ３は磁束Φ３とΦ４の大きさに依存し、磁気吸引力Ｐ４は磁束Φ１とΦ４の大きさに依存する。
【００４９】
したがって上記の条件では、Ｐ１＝Ｐ４＜Ｐ２＝Ｐ３となり、磁気吸引力Ｐ１とＰ４の合力であるＰ１４方向の力と、磁気吸引力Ｐ２とＰ３の合力であるＰ２３方向の力を調整できることになり、Ｐ２３方向に力がはたらく。すなわち回路Ａの電流値を回路Ｂの電流値より大きくすることにより、図のＰ２３方向に力を発生させて静的偏心方向の力を低減することができる。
【００５０】
Ｕ相，Ｗ相に通電されるときは同様にして図のＰ１２方向の力とＰ３４方向の力を調整できることになる。この場合、静的偏心方向の力を低減するためには磁束Φ２を大きく、また磁束Φ４を小さくするとよい。したがって駆動回路Ａの電流値を小さく、駆動回路Ｂの電流値を大きくするとよい。
【００５１】
また、Ｖ相，Ｗ相に通電されるときは図のＰ１４とＰ２３方向の力を調整でき、同様に駆動回路Ａの電流値を小さく、駆動回路Ｂの電流値を大きくするとよいことになる。これらの方向は静的偏心方向とは一致していないが、このように回転子２の位置によって電流を制御することにより、振動を低減することが可能となる。
【００５２】
図５は本発明の実施の形態２による回転電動機の駆動パターンの例である。図４のＵ相、Ｖ相に通電の場合は図５のモード１の場合に対応し、端子ＵａおよびＶａの電圧を端子ＵｂおよびＶｂの電圧より大きくするため、ｓ１ａとｓ５ａのｄｕｔｙ比を大きく、ｓ１ｂとｓ５ｂのｄｕｔｙ比を小さくする。図４のＵ相、Ｗ相に通電の場合は図５のモード２の場合に対応し、端子ＵｂおよびＷｂの電圧を端子ＵａおよびＷａの電圧より大きくするため、ｓ１ｂとｓ６ｂのｄｕｔｙ比を大きく、ｓ１ａとｓ６ａのｄｕｔｙ比を小さくする。
【００５３】
また、図４のＶ相、Ｗ相に通電の場合は図５のモード３の場合に対応し、端子ＵｂおよびＷｂの電圧を端子ＶａおよびＷａの電圧より大きくするため、ｓ２ｂとｓ６ｂのｄｕｔｙ比を大きく、ｓ２ａとｓ６ａのｄｕｔｙ比を小さくする。この場合、電流制御は実施の形態１と同様に回転子２の位置によってｄｕｔｙ比を調整することにより行う。このようにして巻線電流を制御することにより、静的偏心方向の力を低減することができる。
【００５４】
実施の形態３．
図６は本実施の形態３による回転電動機の回路構成および巻線の配線図である。図３の場合と同様に６個の端子および１２個のトランジスタを用いているが巻線の配線が異なり、図１１に示した回転電動機において、巻線７ａ、巻線８ｂ、巻線９ｂで駆動回路Ｃを、また巻線７ｂ、巻線８ａ、巻線９ａで駆動回路Ｄを構成している。この駆動回路Ｃ、駆動回路Ｄの電流をインバータＩＶ１，ＩＶ２で別々に制御することにより、回転電動機搭載機器の低振動化を図る。
【００５５】
図７は本実施の形態による回転電動機の磁束分布を示す模式図である。Ｕ相、Ｖ相に通電されるときは駆動回路Ｃの巻線７ａ、巻線８ｂおよび駆動回路Ｄの巻線７ｂ、巻線８ａに電流が流れる。この場合、実施の形態２と同様に、磁気吸引力Ｐ１とＰ２の合力であるＰ１２方向の力と、磁気吸引力Ｐ３とＰ４の合力であるＰ３４方向の力を調整できることになる。Ｕ相、Ｗ相に通電されるときは図のＰ１４とＰ２３方向の力を調整できる。
【００５６】
また、Ｖ相、Ｗ相に通電されるときは図のＰ１４とＰ２３方向の力を調整できる。図８は回転電動機搭載機器であるロータリ圧縮機のシリンダ断面図である。図において、３２はクランクシャフト、３３はローリングピストン、３４はべ一ン、３５は圧縮部である。またＯ３はクランクシャフトの中心であり、固定子２の中心と同じ位置となる。Ｐｃは圧縮部３５によりクランクシャフト３２に加えられる力で、クランクシャフト３２の回転とともにＰｃの大きさは大きく変動し、その方向も若干変動する。
【００５７】
また、Ｐｕｖ，Ｐｕｗ、Ｐｖｗは図６の回路構成において調整できる磁気吸引力の方向を示している。すなわち図６における駆動回路Ｃの電流値を小さく、駆動回路Ｄの電流値を大きくすることにより、Ｕ相、Ｖ相に通電されるときは図８のＰｕｖの方向に力がはたらき、Ｕ相、Ｗ相に通電されるときはＰｕｗの方向に力がはたらき、Ｖ相、Ｗ相に通電されるときはＰｕｖの方向に力がはたらく。この場合、Ｐｕｖ，Ｐｕｗ、Ｐｖｗの方向は図８に示すように６０゜の範囲内にあるため、一定方向の力を制御するのに有効である。
【００５８】
ロータリ圧縮機では冷媒の圧縮によりほぼ一定方向の力の変動が生じ、振動が問題となりやすい。このような場合、図６に示す回路構成として駆動回路Ｃと駆動回路Ｄの電流を別々に制御することにより、一定方向の力を制御できるため低振動化が図れる。
【００５９】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、各相の複数個の巻線が固定子の中心に対して周方向に等間隔で配置され、前記各相の複数個の巻線が各相ごとにまとめられて各相間が結線された回転電動機において、前記回転電動機の固定子の中心と回転子の中心との静的偏心に起因して発生する偏心方向の加振力を、回転電動機にトルクを発生するために供給する巻線電流を制御して低減することで、静的偏心が原因となり発生する偏心方向の加振力を低減し、低振動、低騒音で回転電動機を駆動できるという効果がある。
【００６０】
請求項２の発明によれば、回転子の位置に対応した巻線電流の値を設定して供給し、回転電動機の極数と回転数の積に相当する周波数の偏心方向の加振力を低減することで、回転電動機の極数と回転数の積に相当する周波数の偏心方向の加振力を低減し、低振動、低騒音で回転電動機を駆動できるという効果がある。
【００６１】
請求項３の発明によれば、回転電動機の駆動をパルス幅制御によるインバータにて行う際に、前記回転電動機の各相巻線に印加されるパルス幅変調電圧のオン／オフのデューティ比を制御して回転電動機に供給する巻線電流を制御し、静的偏心に起因して発生する偏心方向の加振力を低減することで、低振動、低騒音で回転電動機を駆動できるという効果がある。
【００６２】
請求項４の発明によれば、デューティ比を回転子の位置によって調整することで、静的偏心方向の力の変動を小さく抑えることができ、静的偏心に起因して発生する偏心方向の加振力を低減することで、低振動、低騒音で回転電動機を駆動できるという効果がある。
【００６３】
請求項５の発明によれば、静的偏心方向の力が大きいときには回転電動機に供給する巻線電流の値を大きくするように、静的偏心方向の力が小さいときには回転電動機に供給する前記巻線電流の値を小さくするようにデューティ比の調整により制御し、静的偏心に起因して発生する偏心方向の加振力を低減することで、低振動、低騒音で回転電動機を駆動できるという効果がある。
【００６４】
請求項６の発明によれば、巻線への印加電圧として１２０°通電方式をとる回転電動機において、トルクを発生するための２つの巻線回路を含む回転電動機の各巻線回路に流す電流を個々のインバータにより制御して静的偏心方向の力を小さくし、静的偏心に起因して発生する偏心方向の加振力を低減することで、低振動、低騒音で回転電動機を駆動できるという効果がある。
【００６５】
請求項７の発明によれば、巻線への印加電圧として１２０°通電方式をとる回転電動機において、トルクを発生するための２つの巻線回路を含む回転電動機の各巻線回路に流す電流を個々のインバータにより制御することで、各巻線に発生する磁束により働く磁気吸引力の方向を一定方向に制御することで、外部からの負荷による力を低減し、低振動、低騒音で回転電動機を駆動できるという効果がある。
【００６６】
請求項８の発明によれば、巻線への印加電圧として１２０°通電方式をとる回転電動機において、トルクを発生するための２つの巻線回路を含み、この各巻線回路に流す電流を個々のインバータにより制御する回転電動機のシャフトに直結したローリングピストンでクランクシャフトが一回転する間に冷媒を吸入、圧縮、吐出するサイクルを繰り返すロータリ圧縮機において、各巻線に発生する磁束により働く磁気吸引力の方向を一定方向に制御し、圧縮による一定方向の力の変動を打ち消すことで、低振動、低騒音でロータリ圧縮機を駆動できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ３相通電による４極の同期機の磁束分布を示す模式図である。
【図２】 本発明の実施の形態１による回転電動機の駆動パターンを説明するための図である。
【図３】 本発明の実施の形態２による回転電動機の回路構成および巻線の配線図である。
【図４】 本発明の実施の形態２による回転電動機の磁束分布を示す模式図である。
【図５】 本発明の実施の形態２による回転章動機の駆動パターンを説明するための図である。
【図６】 本発明の実施の形態３による回転電動機の回路構成および巻線の配線図である。
【図７】 本発明の実施の形態３による回転電動機の磁束分布を示す模式図である。
【図８】 回転電動機搭載機器であるロータリ圧縮機のシリンダ断面図である。
【図９】 従来の技術である「磁気軸受装置」に記載された回転電動機の構成図である。
【図１０】 一般的な回転電動機の全体構造を示す構造図である。
【図１１】 一般的な回転電動機である３相通電による４極の同期機の断面図である。
【図１２】 図１１における回転電動機の回路構成および巻線の配線図である。
【図１３】 図１２の回路による一般的な駆動パターンを説明するための図である。
【図１４】 一般的な片持ち構造の圧縮機の構成図である。
【図１５】 両持ち構造の圧縮機の構成図である。
【図１６】 図１４に示す片持ちの圧縮機と同じ構造の圧縮機のロータ・シャフト系の固有振動数を示す図である。
【図１７】 静的偏心の小さい回転電動機の半径方向の加振力を示す図である。
【図１８】 偏心率が３０％の回転電動機の半径方向の加振力を示す図である。
【図１９】 図１５に示す両持ちの圧縮機のロータ・シャフト系の固有振動数を示す図である。
【符号の説明】
１ 固定子、２ 回転子、３ シャフト、４ 軸受、５ フレーム、６ ブラケット、７ａ，７ｂ Ｕ相の巻線、８ａ，８ｂ Ｖ相の巻線、９ａ，９ｂ Ｗ相の巻線、１０ 永久磁石、１１ ３相交流電源、１２ ダイオード、１３ 平滑コンデンサ、１４〜１９トランジスタ、２０〜３１トランジスタ、３２クランクシャフト、３３ ローリングピストン、３４ べ一ン、３５ 圧縮部。
【発明の属する技術分野】
本発明は、機械的な軸受を有し、固定子の中心と回転子の中心が静的偏心している電動機、発電機等の回転電動機に関し、静的偏心に起因して発生する偏心方向の加振力を低減することにより、回転電動機およびこれを搭載した機器の振動・騒音を低減することに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図９は特開平４−１０７３１８号公報に記載された「磁気軸受装置」において、機械的な軸受をもたない回転電動機の構成図である。図において、１は固定子、２は回転子、３６ａ〜３６ｈは上記固定子１に巻かれた８つの独立な巻線である。この装置は回転駆動装置としての機能と非接触軸受としての機能の両者を兼備している。
【０００３】
次に、従来装置の回転駆動装置としての動作を簡単に説明する。８本の巻線３６ａ〜３６ｈのうち、まず４本の巻線３６ａ〜３６ｄに電流が供給され、それによる磁界が発生する。次に４本の巻線３６ｅ〜３６ｈに電流が供給され、それによる磁界が発生する。後者の巻線３６ｅ〜３６ｈの磁界による磁束分布は、前者の巻線３６ａ〜３６ｄの磁界による磁束分布を４５度だけ回転させた状態に相当する。この繰り返しにより磁束を４５度ずつ回転させて、回転子２を回転させる。
【０００４】
従来装置の非接触軸受としての機能について簡単に説明する。巻線３６ａ〜３６ｄの４本が励起されているとき、巻線３６ａの電流値を大きくすれば紙面の上向きに吸引力が発生し、巻線３６ｂの電流値を大きくすれば紙面の右向きに吸引力が発生し、巻線３６ｃの電流値を大きくすれば紙面の下向きに吸引力が発生し、巻線３６ｄの電流値を大きくすれば紙面の左向きに吸引力が発生する。
【０００５】
また、巻線３６ｅ〜巻線３６ｈの４本が励起されているときも同様に吸引力が発生する。したがって、回転子２の上下左右方向の変位が測定されれば、４つの吸引力を適当に調整することによって回転子２の上下左右方向の位置を制御することができる。
【０００６】
図１０は機械的な軸受を有する一般的な回転電動機の全体構造を示す構造図である。図において、１は固定子、２は回転子、３はシャフト、４は軸受、５はフレーム、６はブラケットである。シャフト３を支える軸受４は、フレーム５とブラケット６により固定されている。この組み込み状態において固定子１の中心軸と回転子２の中心軸とに若干のずれが生じることは避けられず、回転電動機には常に静的偏心が存在することになる。
【０００７】
このため、各部品の寸法精度や組み込み精度を高めて静的偏心を小さくする努力がなされている。図１１は図１０における一般的な回転電動機の構成図であり、３相通電による４極の同期機について、軸に垂直な面での断面図を示している。
【０００８】
図において、７ａ，７ｂはＵ相の巻線、８ａ，８ｂはＶ相の巻線、９ａ，９ｂはＷ相の巻線、１０は永久磁石である。またＯ１は固定子１の中心、Ｏ２は回転子２の中心であり、Ｏ１→Ｏ２の方向が静的偏心方向となる。また回転子２による磁束について、磁束が極大となる部分を磁束中心として図のようにｄで表す。
【０００９】
回転子２における磁束中心ｄは永久磁石１０を通り、その向きは図の矢印のように永久磁石１０のＳ極に入りＮ極から出ていく向きであり、回転電動機は４極であるため４つの磁束中心ｄが存在する。
【００１０】
各相を構成する２本の巻線７ａと７ｂ，８ａと８ｂ，９ａと９ｂは互いに固定子の中心Ｏ１に対して対称な位置に配置されている。また回転子２の中心Ｏ２を通る基準軸をｘ軸としたとき、磁束中心ｄがｘ軸となす角度をθとする。
【００１１】
図１２は図１１における回転電動機の回路構成および巻線の配線図である。図において、１１は３相交流電源、１２は３相交流電圧を整流するダイオード、１３は整流出力を平滑して直流電圧を得る平滑コンデンサ、１４〜１９は直流電圧を所定周波数、所定電力の交流電力に変換するインバータを構成するトランジスタである。トランジスタ１４〜１９はスイッチの役目をしており、各々をｓ１，ｓ２，ｓ３，ｓ４，ｓ５，ｓ６と表す。
【００１２】
３相交流電源１１より供給される交流電圧をダイオード１２、平滑コンデンサ１３により直流電圧にし、この直流電圧をトランジスタ１４〜１９によるインバータで交流電力に変換して同期機の各相の巻線７ａと７ｂ，８ａと８ｂ，９ａと９ｂに供給することで同期機の駆動を実現している。
【００１３】
図１３は図１２の回路による駆動パターンの例であり、日本冷凍空調学会論文集Ｖｏ１．１４，Ｎｏ．２．１９９７「密閉型圧縮機の低騒音化、低振動化のための研究第３報」に記載のものに基づいている。ｓ１〜ｓ６は図１２に示すトランジスタ１４〜１９であり、べ一ス駆動用電流信号が加えられてＯＮ状態になっている場合と、ＯＦＦ状態の場合とを示している。
【００１４】
横軸は回転子２の位置を電気角θｅであらわしている。極対数が２の回転電動機では電気角θｅと図１１に示す機械角θの関係はθｅ＝２θとなる。図１３に示す回転電動機の駆動方法は、インバータを構成する各トランジスタ１４〜１９にべ一ス駆動用電流信号が１２０゜の区間で加えられて電圧形インバータ駆動されるため、１２０゜通電の中で前半の２５゜および後半の３５゜の範囲においてＰＷＭ駆動により電圧の印加時間と遮断時間の割合を調整し、印加電圧の大きさを調整している。
【００１５】
この割合をｄｕｔｙ比といい、ＰＷＭ駆動における電圧の印加時間をａ、遮断時間をｂで表すと、ｄｕｔｙ比はａ／（ａ＋ｂ）で表される。ｓ１〜ｓ６の切り換えにより、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各電圧は図１３に示すようになる。ｓ１〜ｓ６の切り換えは、電気角θｅが０゜〜３６０゜を一周期とし、その繰り返しとなる。
【００１６】
ｓ１〜ｓ６のＯＮ，ＯＦＦの組み合わせモードが６通りあるため、６つのモードに分類し、０゜≦θｅ＜６０゜をモード１，６０゜≦θｅ＜１２０゜をモード２、１２０゜≦θｅ＜１８０゜をモード３、１８０゜≦θｅ＜２４０゜をモード４、２４０゜≦θｅ＜３００゜をモード５、３００゜≦θｅ＜３６０゜をモード６とする。
【００１７】
例えばモード１ではｓ１とｓ５がＯＮ状態であり、図１２においてトランジスタ１４とトランジスタ１８にべ一ス駆動電流信号が加えらてＯＮ状態になり、電流はトランジスタ１４を通り、Ｕ相の端子を通り、Ｕ相の巻線７ａと７ｂに流れ、次にＶ相の巻線８ａと８ｂに流れ、Ｖ相の端子を通り、トランジスタ１８を通って流れることになる。
【００１８】
図１３の駆動パターンではｄｕｔｙ比は一定値α０であり、Ｕ相とＶ相、Ｖ相とＷ相、Ｗ相とＵ相の端子電圧は常に一定となり、巻線に流れる電流値も常に一定となる。後述するが、静的偏心している回転電動機では、静的偏心方向に加振力が発生し図１３に示すようになる。回転電動機を搭載した機器の例としてロータリ圧縮機を示す。
【００１９】
図１４は日本冷凍協会論文集Ｖｏ１．１０，Ｎｏ．３．１９９３「ロータリーコンプレッサーの低振動化研究」に記載された一般的な圧縮機の構成図である。図において、３はシャフト、４は軸受、３７はシリンダ、３８はシリンダヘッド、３９は吸入管、４０は吐出管、４１は防振ゴムである。ステータ２により発生する回転磁界により回転子２が回転する。
【００２０】
回転子２はシャフト３に固定されているためシャフト３が回転し、吸入管３９からシリンダ３７に吸入される冷媒を圧縮して吐出管４０より圧縮した冷媒を吐出する。シャフト３は軸受４で支持されており、回転子２およびシャフト３は片持ち構造である。
【００２１】
また、図１５は三菱電機技報Ｖｏ１．６８，Ｎｏ．５．１９９４「大型冷蔵庫用ツインメカ横置ロータリ圧縮機」に記載されたロータリ圧縮機の構成図である。回転子２は２本のシャフト３に固定され、シャフト３は軸受４で支持されている。軸受４は回転子２の両側にあり、回転子２およびシャフト３は両持ち構造である。
【００２２】
【発明が解決しようとする課題】
図１０に示す機械的な軸受を有する回転電動機では各部品の寸法精度や組み込み精度を高める努力がなされているが、静的偏心を完全になくすことは事実上不可能である。図１１のように静的偏心した固定子１と回転子２の間の磁気吸引力Ｐの大きさは固定子１と回転子２の間の磁束密度Ｂの２乗に比例する。
【００２３】
また、磁束密度Ｂは固定子１と回転子２の距離に反比例する。固定子１と回転子２の距離が最小になるのは静的偏心方向であるため、固定子１と回転子２の間の磁束密度Ｂは静的偏心方向が最も大きくなり、固定子１と回転子２の間に働く磁気吸引力Ｐの方向は静的偏心方向となる。
図１３のような駆動パターンで巻線電流を一定として駆動する場合、静的偏心方向の力は回転子２の位置によって変動する。この回転電動機の極数は４であるため、回転子２が一回転する間に静的偏心方向の力は４回大きく変動し、回転数の４倍に相当する加振力が発生する。すなわち回転電動機では静的偏心により極数と回転数の積に相当する周波数の加振力が発生する。
【００２４】
図１６は図１４に示すロータリ圧縮機と同じ構造の圧縮機について、ロータ・シャフト系の固有振動数を測定した結果である。固有振動数は４５４Ｈｚにある。一方、この圧縮機用の回転電動機の極数は４、回転数は１０〜１２０Ｈｚであり、静的偏心が存在すると、極数と回転数の積に相当する４０〜４８０Ｈｚの加振力が発生する。この加振力は系の固有振動数と共振して振動が大きくなる。
【００２５】
図１７は静的偏心の小さい４極の回転電動機を回転数３０，３５，４０，４５，５０，６０Ｈｚで駆動したときの半径方向の加振力を周波数分析し、回転数の１倍（１ｆ）と回転数の４倍（４ｆ）の周波数の加振力について示したものである。この系の固有振動数は約１５０Ｈｚであり、加振力が少し大きくなっているが、静的偏心が完全に零であれば４ｆの周波数の半径方向の加振力は存在しない。
【００２６】
図１８は同じ回転電動機の偏心率を約３０％として測定したものである。静的偏心が大きいため極数と回転数の積に相当する偏心方向の加振力（４ｆ）が大きくなり、それが系の固有振動数と共振して、図１７の場合と比較すると４ｆの周波数の偏心方向の加振力が極めて大きくなっている。
【００２７】
ロータリ圧縮機用の回転電動機の大部分は図１４に示すような片持ち構造であるため、固有振動数が５００Ｈｚ以下と低い。また回転電動機の極数が４のものが多く、回転数も１０〜１２０Ｈｚ前後と広範囲である。したがって静的偏心の影響で周波数が４０〜４８０Ｈｚ前後の偏心方向の加振力が発生し、系の固有振動数と共振し、騒音が大きくなるという問題が生じる。
【００２８】
図１９は図１５に示す圧縮機について、ロータ・シャフト系の固有振動数を測定した結果である。図１５の回転子２およびシャフト３は両持ち構造であるため剛性が高く、固有振動数は約１．２ＫＨｚである。したがって静的偏心による加振力と共振することはなく、低騒音な圧縮機が得られる。しかし図１５の両持ち構造の圧縮機は図１４の片持ち構造の圧縮機よりかなりコストが高くなってしまう。
【００２９】
本発明は上記のような問題を解消するためになされたもので、静的偏心が原因となり発生する極数と回転数の積に相当する周波数の加振力を低減し、低振動・低騒音な回転電動機およびこれを搭載する機器を得ることを目的とする。
また圧縮機等の回転電動機搭載機器において、静的偏心が原因となり発生する極数と回転数の積に相当する周波数の加振力を低減することにより、低振動・低騒音な機器を低コストで実現することを目的とする。
【００３０】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る回転電動機の加振力低減方法は、各相の複数個の巻線が固定子の中心に対して周方向に等間隔で配置され、前記各相の複数個の巻線が各相ごとにまとめられて各相間が結線された回転電動機において、前記回転電動機の固定子の中心と回転子の中心との静的偏心に起因して発生する偏心方向の加振力を、回転電動機にトルクを発生するために供給する巻線電流を制御して低減するものである。
【００３１】
また、回転子の位置に対応した巻線電流の値を設定して供給し、回転電動機の極数と回転数の積に相当する周波数の偏心方向の加振力を低減するものである。
【００３２】
また、回転電動機の駆動をパルス幅制御によるインバータにて行う際に、前記回転電動機の各相巻線に印加されるパルス幅変調電圧のオン／オフのデューティ比を制御して回転電動機に供給する巻線電流を制御し、静的偏心に起因して発生する偏心方向の加振力を低減するものである。
【００３３】
また、デューティ比を回転子の位置によって調整するものである。
【００３４】
また、静的偏心方向の力が大きいときには回転電動機に供給する巻線電流の値を大きくするように、静的偏心方向の力が小さいときには回転電動機に供給する前記巻線電流の値を小さくするようにデューティ比の調整により制御し、静的偏心に起因して発生する偏心方向の加振力を低減するものである。
【００３５】
また、巻線への印加電圧として１２０°通電方式をとる回転電動機において、トルクを発生するための２つの巻線回路を含む回転電動機の各巻線回路に流す電流を個々のインバータにより制御して静的偏心方向の力を小さくし、静的偏心に起因して発生する偏心方向の加振力を低減するものである。
【００３６】
また、巻線への印加電圧として１２０°通電方式をとる回転電動機において、トルクを発生するための２つの巻線回路を含む回転電動機の各巻線回路に流す電流を個々のインバータにより制御することで、各巻線に発生する磁束により働く磁気吸引力の方向を一定方向に制御するものである。
【００３７】
また、巻線への印加電圧として１２０°通電方式をとる回転電動機において、トルクを発生するための２つの巻線回路を含み、この各巻線回路に流す電流を個々のインバータにより制御する回転電動機のシャフトに直結したローリングピストンでクランクシャフトが一回転する間に冷媒を吸入、圧縮、吐出するサイクルを繰り返すロータリ圧縮機において、各巻線に発生する磁束により働く磁気吸引力の方向を一定方向に制御し、圧縮による一定方向の力の変動を打ち消すものである。
【００３８】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は、図１１に示す３相通電による４極の同期機の磁束分布を示す模式図である。図において、Φｉは巻線電流による磁束、Φｍは永久磁石１０による磁束を示している。回転子２の中の永久磁石１０と固定子１の間の磁束の向きは逆になっているため、巻線電流による磁束Φｉは永久磁石１０による磁束Φｍを打ち消す傾向にあるといえる。
【００３９】
固定子１と回転子２の間の磁気吸引力Ｐの大きさは固定子１と回転子２の間の磁束密度Ｂの２乗に比例する。また磁束密度Ｂは磁束Φに比例する。磁束Φは巻線電流による磁束Φｉと永久磁石１０による磁束Φｍの和と考えられる。すなわち、磁気吸引力Ｐ∝（Φｉ＋Φｍ）＾２となる。従って、静的偏心方向の磁気吸引力は巻線電流を制御することにより調整することができる。
【００４０】
図２は、本発明の実施の形態による回転電動機の駆動パターンの例である。回路構成および巻線の配線は従来の図１２と同様であり、回転子２の位置によってｄｕｔｙ比を調整することにより巻線電流を制御する。ｄｕｔｙ比を大きくすると巻線電流が大きくなり、巻線電流による磁束Φｉが大きくなる。ΦｉとΦｍの向きは逆であるため、（Φｉ＋Φｍ）は小さくなる。従って磁気吸引力Ｐは小さくなる。
【００４１】
図２に示す駆動パターンでは、図１３における静的偏心方向の力が大きい場合、すなわち回転子２の磁束中心ｄが静的偏心方向に近い場合のｄｕｔｙ比を大きくして、静的偏心方向の力を小さくしている。また静的偏心方向の力が小さい場合のｄｕｔｙ比を小さくして、静的偏心方向の力を大きくしている。ｄｕｔｙ比αはＰＷＭ駆動範囲の２５゜および３５゜では一定として、α（１２０゜≦θｅ＜１４５゜）＜α（８５゜≦θｅ＜１２０゜）＝α（１４５゜≦θｅ＜１８０゜）＜α０＜α（０゜≦θｅ＜２５゜）＝α（６０゜≦θｅ＜８５゜）＜α（２５゜≦θｅ＜６０゜）とし、その繰り返しとしている。
【００４２】
また、ｄｕｔｙ比αを変化させる割合は、回転電動機の出力トルク、巻線電流の大きさ、永久磁石１０の形状や配置などに依存して決められる。また本実施の形態ではｄｕｔｙ比αをＰＷＭ駆動範囲の２５゜および３５゜の区間で一定としたが、さらに細かく変化させてもよいし、あるいはｄｕｔｙ比αを各モードで一定と設定してもよい。このようにして巻線電流を制御することにより、静的偏心方向の力は常に存在するが、その変動を小さく抑えることができ、加振力を低減できる。
【００４３】
実施の形態２．
図３は、本発明の実施の形態による回転電動機の駆動回路の構成図および巻線の配線図である。駆動回路は６個の端子および１２個のトランジスタを用いて２つの駆動回路が構成されるため、便宜上それら回路を図に示すように駆動回路Ａ、駆動回路Ｂと表す。図において、２０〜３１はインバータＩＶ１，ＩＶ２を構成するトランジスタであり、トランジスタ２０〜２５をそれぞれｓｌａ，ｓ２ａ，ｓ３ａ，ｓ４ａ，ｓ５ａ，ｓ６ａ，トランジスタ２６〜３１をそれぞれｓ１ｂ，ｓ２ｂ，ｓ３ｂ、ｓ４ｂ，ｓ５ｂ，ｓ６ｂとする。
【００４４】
駆動回路ＡのインバータＩＶ１を構成するトランジスタ２０〜２５は端子Ｕａ，Ｖａ，Ｗａに接続され、図１１における巻線７ａ，８ａ，９ａに接続される。また，駆動回路ＢのインバータＩＶ２を構成するトランジスタ２６〜３１は端子Ｕｂ，Ｖｂ，Ｗｂに接続され、図１１に示す巻線７ｂ，８ｂ，９ｂに接続される。例えばｓ１ａとｓ５ａおよびｓ１ｂとｓ５ｂがＯＮ状態のとき、駆動回路Ａにおける電流はトランジスタ２０を通り、端子Ｕａを通り、Ｕ相の巻線７ａに流れ、次にＶ相の巻線８ａに流れ、端子Ｖａを通り、トランジスタ２４を通って流れる。
【００４５】
また、駆動回路Ｂにおける電流はトランジスタ２６を通り、端子Ｕｂを通り、Ｕ相の巻線７ｂに流れ、次にＶ相の巻線８ｂに流れ、端子Ｖｂを通り、トランジスタ３０を通って流れる。この駆動回路Ａ、駆動回路Ｂに流す電流を別々に制御することにより、静的偏心方向の磁気吸引力を調整する。
【００４６】
図４は本実施の形態による回転電動機の磁束分布を示す模式図である。Ｕ相、Ｖ相に通電されるときは駆動回路Ａの巻線７ａ、巻線８ａおよび駆動回路Ｂの巻線７ｂ、巻線８ｂに電流が流れる。磁束Φ１，Φ２，Φ３，Φ４は巻線電流による磁束Φｉと永久磁石１０による磁束Φｍを合わせたものについて示している。
【００４７】
例えば駆動回路Ａを流れる電流値の方が駆動回路Ｂを流れる電流値より大きくした場合、巻線７ａを流れる電流ｉ（７ａ）、巻線８ａを流れる電流ｉ（８ａ）、巻線７ｂを流れる電流ｉ（７ｂ）、巻線８ｂを流れる電流ｉ（８ｂ）の大きさは、ｉ（７ａ）＝ｉ（８ａ）＞ｉ（７ｂ）＝ｉ（８ｂ）となる。
【００４８】
実施の形態１で述べたように、巻線電流が大きくなると磁束Φは小さくなる。したがって、Φ１＜Φ２＝Φ４＜Φ３となる。固定子１と回転子２の間には磁束Φ１〜Φ４により図の矢印Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４の向きに磁気吸引力がはたらく。磁気吸引力Ｐ１は磁束Φ１とΦ２の大きさに依存し、磁気吸引力Ｐ２は磁束Φ２とΦ３の大きさに依存し、磁気吸引力Ｐ３は磁束Φ３とΦ４の大きさに依存し、磁気吸引力Ｐ４は磁束Φ１とΦ４の大きさに依存する。
【００４９】
したがって上記の条件では、Ｐ１＝Ｐ４＜Ｐ２＝Ｐ３となり、磁気吸引力Ｐ１とＰ４の合力であるＰ１４方向の力と、磁気吸引力Ｐ２とＰ３の合力であるＰ２３方向の力を調整できることになり、Ｐ２３方向に力がはたらく。すなわち回路Ａの電流値を回路Ｂの電流値より大きくすることにより、図のＰ２３方向に力を発生させて静的偏心方向の力を低減することができる。
【００５０】
Ｕ相，Ｗ相に通電されるときは同様にして図のＰ１２方向の力とＰ３４方向の力を調整できることになる。この場合、静的偏心方向の力を低減するためには磁束Φ２を大きく、また磁束Φ４を小さくするとよい。したがって駆動回路Ａの電流値を小さく、駆動回路Ｂの電流値を大きくするとよい。
【００５１】
また、Ｖ相，Ｗ相に通電されるときは図のＰ１４とＰ２３方向の力を調整でき、同様に駆動回路Ａの電流値を小さく、駆動回路Ｂの電流値を大きくするとよいことになる。これらの方向は静的偏心方向とは一致していないが、このように回転子２の位置によって電流を制御することにより、振動を低減することが可能となる。
【００５２】
図５は本発明の実施の形態２による回転電動機の駆動パターンの例である。図４のＵ相、Ｖ相に通電の場合は図５のモード１の場合に対応し、端子ＵａおよびＶａの電圧を端子ＵｂおよびＶｂの電圧より大きくするため、ｓ１ａとｓ５ａのｄｕｔｙ比を大きく、ｓ１ｂとｓ５ｂのｄｕｔｙ比を小さくする。図４のＵ相、Ｗ相に通電の場合は図５のモード２の場合に対応し、端子ＵｂおよびＷｂの電圧を端子ＵａおよびＷａの電圧より大きくするため、ｓ１ｂとｓ６ｂのｄｕｔｙ比を大きく、ｓ１ａとｓ６ａのｄｕｔｙ比を小さくする。
【００５３】
また、図４のＶ相、Ｗ相に通電の場合は図５のモード３の場合に対応し、端子ＵｂおよびＷｂの電圧を端子ＶａおよびＷａの電圧より大きくするため、ｓ２ｂとｓ６ｂのｄｕｔｙ比を大きく、ｓ２ａとｓ６ａのｄｕｔｙ比を小さくする。この場合、電流制御は実施の形態１と同様に回転子２の位置によってｄｕｔｙ比を調整することにより行う。このようにして巻線電流を制御することにより、静的偏心方向の力を低減することができる。
【００５４】
実施の形態３．
図６は本実施の形態３による回転電動機の回路構成および巻線の配線図である。図３の場合と同様に６個の端子および１２個のトランジスタを用いているが巻線の配線が異なり、図１１に示した回転電動機において、巻線７ａ、巻線８ｂ、巻線９ｂで駆動回路Ｃを、また巻線７ｂ、巻線８ａ、巻線９ａで駆動回路Ｄを構成している。この駆動回路Ｃ、駆動回路Ｄの電流をインバータＩＶ１，ＩＶ２で別々に制御することにより、回転電動機搭載機器の低振動化を図る。
【００５５】
図７は本実施の形態による回転電動機の磁束分布を示す模式図である。Ｕ相、Ｖ相に通電されるときは駆動回路Ｃの巻線７ａ、巻線８ｂおよび駆動回路Ｄの巻線７ｂ、巻線８ａに電流が流れる。この場合、実施の形態２と同様に、磁気吸引力Ｐ１とＰ２の合力であるＰ１２方向の力と、磁気吸引力Ｐ３とＰ４の合力であるＰ３４方向の力を調整できることになる。Ｕ相、Ｗ相に通電されるときは図のＰ１４とＰ２３方向の力を調整できる。
【００５６】
また、Ｖ相、Ｗ相に通電されるときは図のＰ１４とＰ２３方向の力を調整できる。図８は回転電動機搭載機器であるロータリ圧縮機のシリンダ断面図である。図において、３２はクランクシャフト、３３はローリングピストン、３４はべ一ン、３５は圧縮部である。またＯ３はクランクシャフトの中心であり、固定子２の中心と同じ位置となる。Ｐｃは圧縮部３５によりクランクシャフト３２に加えられる力で、クランクシャフト３２の回転とともにＰｃの大きさは大きく変動し、その方向も若干変動する。
【００５７】
また、Ｐｕｖ，Ｐｕｗ、Ｐｖｗは図６の回路構成において調整できる磁気吸引力の方向を示している。すなわち図６における駆動回路Ｃの電流値を小さく、駆動回路Ｄの電流値を大きくすることにより、Ｕ相、Ｖ相に通電されるときは図８のＰｕｖの方向に力がはたらき、Ｕ相、Ｗ相に通電されるときはＰｕｗの方向に力がはたらき、Ｖ相、Ｗ相に通電されるときはＰｕｖの方向に力がはたらく。この場合、Ｐｕｖ，Ｐｕｗ、Ｐｖｗの方向は図８に示すように６０゜の範囲内にあるため、一定方向の力を制御するのに有効である。
【００５８】
ロータリ圧縮機では冷媒の圧縮によりほぼ一定方向の力の変動が生じ、振動が問題となりやすい。このような場合、図６に示す回路構成として駆動回路Ｃと駆動回路Ｄの電流を別々に制御することにより、一定方向の力を制御できるため低振動化が図れる。
【００５９】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、各相の複数個の巻線が固定子の中心に対して周方向に等間隔で配置され、前記各相の複数個の巻線が各相ごとにまとめられて各相間が結線された回転電動機において、前記回転電動機の固定子の中心と回転子の中心との静的偏心に起因して発生する偏心方向の加振力を、回転電動機にトルクを発生するために供給する巻線電流を制御して低減することで、静的偏心が原因となり発生する偏心方向の加振力を低減し、低振動、低騒音で回転電動機を駆動できるという効果がある。
【００６０】
請求項２の発明によれば、回転子の位置に対応した巻線電流の値を設定して供給し、回転電動機の極数と回転数の積に相当する周波数の偏心方向の加振力を低減することで、回転電動機の極数と回転数の積に相当する周波数の偏心方向の加振力を低減し、低振動、低騒音で回転電動機を駆動できるという効果がある。
【００６１】
請求項３の発明によれば、回転電動機の駆動をパルス幅制御によるインバータにて行う際に、前記回転電動機の各相巻線に印加されるパルス幅変調電圧のオン／オフのデューティ比を制御して回転電動機に供給する巻線電流を制御し、静的偏心に起因して発生する偏心方向の加振力を低減することで、低振動、低騒音で回転電動機を駆動できるという効果がある。
【００６２】
請求項４の発明によれば、デューティ比を回転子の位置によって調整することで、静的偏心方向の力の変動を小さく抑えることができ、静的偏心に起因して発生する偏心方向の加振力を低減することで、低振動、低騒音で回転電動機を駆動できるという効果がある。
【００６３】
請求項５の発明によれば、静的偏心方向の力が大きいときには回転電動機に供給する巻線電流の値を大きくするように、静的偏心方向の力が小さいときには回転電動機に供給する前記巻線電流の値を小さくするようにデューティ比の調整により制御し、静的偏心に起因して発生する偏心方向の加振力を低減することで、低振動、低騒音で回転電動機を駆動できるという効果がある。
【００６４】
請求項６の発明によれば、巻線への印加電圧として１２０°通電方式をとる回転電動機において、トルクを発生するための２つの巻線回路を含む回転電動機の各巻線回路に流す電流を個々のインバータにより制御して静的偏心方向の力を小さくし、静的偏心に起因して発生する偏心方向の加振力を低減することで、低振動、低騒音で回転電動機を駆動できるという効果がある。
【００６５】
請求項７の発明によれば、巻線への印加電圧として１２０°通電方式をとる回転電動機において、トルクを発生するための２つの巻線回路を含む回転電動機の各巻線回路に流す電流を個々のインバータにより制御することで、各巻線に発生する磁束により働く磁気吸引力の方向を一定方向に制御することで、外部からの負荷による力を低減し、低振動、低騒音で回転電動機を駆動できるという効果がある。
【００６６】
請求項８の発明によれば、巻線への印加電圧として１２０°通電方式をとる回転電動機において、トルクを発生するための２つの巻線回路を含み、この各巻線回路に流す電流を個々のインバータにより制御する回転電動機のシャフトに直結したローリングピストンでクランクシャフトが一回転する間に冷媒を吸入、圧縮、吐出するサイクルを繰り返すロータリ圧縮機において、各巻線に発生する磁束により働く磁気吸引力の方向を一定方向に制御し、圧縮による一定方向の力の変動を打ち消すことで、低振動、低騒音でロータリ圧縮機を駆動できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ３相通電による４極の同期機の磁束分布を示す模式図である。
【図２】 本発明の実施の形態１による回転電動機の駆動パターンを説明するための図である。
【図３】 本発明の実施の形態２による回転電動機の回路構成および巻線の配線図である。
【図４】 本発明の実施の形態２による回転電動機の磁束分布を示す模式図である。
【図５】 本発明の実施の形態２による回転章動機の駆動パターンを説明するための図である。
【図６】 本発明の実施の形態３による回転電動機の回路構成および巻線の配線図である。
【図７】 本発明の実施の形態３による回転電動機の磁束分布を示す模式図である。
【図８】 回転電動機搭載機器であるロータリ圧縮機のシリンダ断面図である。
【図９】 従来の技術である「磁気軸受装置」に記載された回転電動機の構成図である。
【図１０】 一般的な回転電動機の全体構造を示す構造図である。
【図１１】 一般的な回転電動機である３相通電による４極の同期機の断面図である。
【図１２】 図１１における回転電動機の回路構成および巻線の配線図である。
【図１３】 図１２の回路による一般的な駆動パターンを説明するための図である。
【図１４】 一般的な片持ち構造の圧縮機の構成図である。
【図１５】 両持ち構造の圧縮機の構成図である。
【図１６】 図１４に示す片持ちの圧縮機と同じ構造の圧縮機のロータ・シャフト系の固有振動数を示す図である。
【図１７】 静的偏心の小さい回転電動機の半径方向の加振力を示す図である。
【図１８】 偏心率が３０％の回転電動機の半径方向の加振力を示す図である。
【図１９】 図１５に示す両持ちの圧縮機のロータ・シャフト系の固有振動数を示す図である。
【符号の説明】
１ 固定子、２ 回転子、３ シャフト、４ 軸受、５ フレーム、６ ブラケット、７ａ，７ｂ Ｕ相の巻線、８ａ，８ｂ Ｖ相の巻線、９ａ，９ｂ Ｗ相の巻線、１０ 永久磁石、１１ ３相交流電源、１２ ダイオード、１３ 平滑コンデンサ、１４〜１９トランジスタ、２０〜３１トランジスタ、３２クランクシャフト、３３ ローリングピストン、３４ べ一ン、３５ 圧縮部。
Claims (8)
- 各相の複数個の巻線が固定子の中心に対して周方向に等間隔で配置され、前記各相の複数個の巻線が各相ごとにまとめられて各相間が結線された回転電動機において、
前記回転電動機の固定子の中心と回転子の中心との静的偏心に起因して発生する偏心方向の加振力を、回転電動機にトルクを発生するために供給する巻線電流を制御して低減することを特徴とする回転電動機の加振力低減方法。 - 回転子の位置に対応した巻線電流の値を設定して供給し、回転電動機の極数と回転数の積に相当する周波数の偏心方向の加振力を低減することを特徴とする請求項１に記載の回転電動機の加振力低減方法。
- 回転電動機の駆動をパルス幅制御によるインバータにて行う際に、前記回転電動機の各相巻線に印加されるパルス幅変調電圧のオン／オフのデューティ比を制御して回転電動機に供給する巻線電流を制御し、静的偏心に起因して発生する偏心方向の加振力を低減することを特徴とする請求項１に記載の回転電動機の加振力低減方法。
- デューティ比を回転子の位置によって調整することを特徴とする請求項３に記載の回転電動機の加振力低減方法。
- 静的偏心方向の力が大きいときには回転電動機に供給する巻線電流の値を大きくするように、静的偏心方向の力が小さいときには回転電動機に供給する前記巻線電流の値を小さくするようにデューティ比の調整により制御し、静的偏心に起因して発生する偏心方向の加振力を低減することを特徴とする請求項４に記載の回転電動機の加振力低減方法。
- 巻線への印加電圧として１２０°通電方式をとる回転電動機において、トルクを発生するための２つの巻線回路を含む回転電動機の各巻線回路に流す電流を個々のインバータにより制御して静的偏心方向の力を小さくし、静的偏心に起因して発生する偏心方向の加振力を低減することを特徴とする回転電動機の加振力低減方法。
- 巻線への印加電圧として１２０°通電方式をとる回転電動機において、トルクを発生するための２つの巻線回路を含む回転電動機の各巻線回路に流す電流を個々のインバータにより制御することで、各巻線に発生する磁束により働く磁気吸引力の方向を一定方向に制御することを特徴とする回転電動機の加振力低減方法。
- 巻線への印加電圧として１２０°通電方式をとる回転電動機において、トルクを発生するための２つの巻線回路を含み、この各巻線回路に流す電流を個々のインバータにより制御する回転電動機のシャフトに直結したローリングピストンでクランクシャフトが一回転する間に冷媒を吸入、圧縮、吐出するサイクルを繰り返すロータリ圧縮機において、各巻線に発生する磁束により働く磁気吸引力の方向を一定方向に制御し、圧縮による一定方向の力の変動を打ち消すことを特徴とする回転電動機の加振力低減方法。
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| JP7229498A JP3720571B2 (ja) | 1998-03-20 | 1998-03-20 | 回転電動機の加振力低減方法 |
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-
1998
- 1998-03-20 JP JP7229498A patent/JP3720571B2/ja not_active Expired - Lifetime
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