JP3763462B2 - 自己始動式同期電動機及びこれを用いた圧縮機 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は自己始動式永久磁石同期電動機およびそれを用いた圧縮機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電動機とスクロールとを一体で容器内に密封した圧縮機においては、別置のインバータにより速度制御される可変速機と、定電圧定周波数の電源から直接給電され一定の回転速度で運転される定速機とがある。
【０００３】
定速機では、インバータ装置を用いず、電動機としては、回転子にかご型巻線を持つ自己始動可能な誘導電動機が用いられてきた。
【０００４】
しかしながら、誘導電動機は効率が低いことから、▲１▼特開平４−２１０７５８号公報、▲２▼特開平６−２８４６６０号公報、▲３▼特開２００１−７８４０１号公報等に示されるように、かご型巻線の内側に永久磁石を埋め込み、誘導電動機としての電動トルクで起動加速し、定格速度では同期電動機として運転するいわゆる自己始動式同期電動機あるいは誘導同期電動機と呼ばれる電動機を採用することが提案されている。
【０００５】
また、▲４▼特開２００１−１５７４２７号公報には、上記のような自己始動式同期電動機において、固定子に集中巻と分布巻の２つの電機子巻線を並存させ、分布巻の電機子巻線を用いた誘導電動機として起動加速し、高速域では集中巻の電機子巻線を用いた同期電動機に切替えることが開示されている。
【０００６】
なお、永久磁石式同期電動機においては、固定子と回転子間のエアーギャップを不等ギャップとすることが、▲５▼特開平８−１１１９６８号公報や▲６▼特開平１１−８９１９７号公報等に開示され、同じく、永久磁石の着磁方向に関しては、▲７▼特開平７−３９０９０号公報や▲８▼特開平７−２１２９９４号公報等に開示されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術では、かご型誘導電動機として起動加速することから、いずれも固定子には分布巻の電機子巻線を備えており、１ターン当たりの巻線長が大きくなるので銅損が大となり、高効率化の妨げになる。また、分布巻の電機子巻線を備えることから、コイルエンド部が長大であり、電動機が大型化するため、適用される例えば圧縮機等では、圧縮機本体の小形化に対する妨げになる。さらに、大掛かりな生産設備が必要となり、コスト上の問題も生じる。
【０００８】
上記▲４▼特開２００１−１５７４２７号公報の技術では、上記の外に、別置の切替えスイッチが必要であること、製造ラインに集中巻と分布巻のそれぞれの巻線機が必要になること、等の理由でコスト的に問題がある。また、始動時にのみ用いる分布巻電機子巻線は２極（２ｎ極）で巻かれているのに対し、磁石配置は４極（４ｎ極）で構成されていることから、始動時は２極用の巻線に４極磁束が鎖交するので、２倍の周波数を有する高調波成分が発生し、始動トルク特性を劣化させると考えられる。さらに、回転子に設けられている始動用導体がパイプ状の円環導体を用いているので、磁気的なギャップとなり、定格運転時では有効磁束が減少し、特性劣化に繋がる、始動時に導体に誘導される電流が渦状に分布する為、固定子側の磁束と直交できず、有効な始動トルクを確保できない、別途回転子の組立てラインが必要となるので、コスト的に不利等のデメリットもある。
【０００９】
本発明の目的は、小形で高効率の圧縮機駆動用等の自己始動式同期電動機（誘導同期電動機）及びこれを用いた圧縮機を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
自己始動式（誘導）同期電動機は、かご型巻線を備え誘導電動機としてのトルクを利用して起動加速し、定格速度に達すると永久磁石又は電磁石の界磁による同期電動機としてのトルクを利用して運転する。このため、誘導電動機として、▲１▼トルク脈動、▲２▼損失、及び▲３▼電源への悪影響を防止するために、上記各公報にも見られるように、分布巻の電機子コイルが必須と考えられてきた。しかしながら、本発明者の解析によれば、誘導電動機としての定格速度（付近）までの起動加速時間は１秒以内にでき、この僅かの時間だけ、前記▲１▼〜▲３▼の課題をクリアし、あるいはこれらを軽減する方策を取れれば、後は高効率の同期電動機として運転できる。
【００１１】
そこで、本発明は、その一面において、誘導電動機トルクで起動加速し、同期電動機トルクで定速運転する自己始動式同期電動機において、その電機子巻線を集中巻としたことを特徴とする。
【００１２】
このように、誘導電動機トルクでの起動加速時をも含めて電機子巻線を集中巻としたことにより、コイルエンド部が小さくなり、小型化した自己始動式同期電動機が得られる。
【００１３】
本発明は、他の一面において、誘導電動機トルクで起動加速し、永久磁石式同期電動機トルクで定速運転する自己始動式同期電動機において、その電機子巻線を集中巻とするとともに、永久磁石を、前記回転子の回転軸の原点Ｏから当該磁極の中心を通って放射状に伸びる回転子磁極中心線と平行に着磁したことを特徴とする。
【００１４】
本発明は又、他の一面において、自己始動式同期電動機において、電機子巻線を集中巻とするとともに、永久磁石を、磁束が外周方向に向って回転子の回転軸の原点Ｏから当該磁極の中心を通って放射状に伸びる回転子磁極中心線に集束するように着磁したことを特徴とする。
【００１５】
本発明は、更に他の一面において、自己始動式同期電動機において、電機子巻線を集中巻とするとともに、永久磁石の極間にもかご型導体を設けたことを特徴とする。
【００１６】
本発明は、更に他の一面において、自己始動式同期電動機において、その電機子巻線を集中巻とするとともに、固定子と回転子との間に不等ギャップを設けたことを特徴とする。
【００１７】
本発明の望ましい実施態様においては、固定子鉄心の複数のスロットに巻き回された集中巻の電機子巻線と、回転子鉄心の外周部近傍に設けた複数のスロット内に導電性材料を埋設して形成したかご型巻線と、このかご型巻線の内周側に埋設された複数の略アーク形永久磁石とを備える。
【００１８】
これらにより、誘導電動機としての起動加速時に、それぞれ、▲１▼トルク脈動、▲２▼損失、及び▲３▼電源への悪影響を軽減する手段を付加したことによって、小型化した高効率の自己始動式同期電動機を得ることができる。
【００１９】
本発明では更に、上述した自己始動式同期電動機を備えた圧縮機を提案する。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。
【００２１】
図１は、本発明の一実施例による自己始動式同期電動機の径方向断面形状を示す構造図である。自己始動式同期電動機は、固定子１と回転子１０とを備えている。固定子１は、固定子鉄心２と、それに施された３個のスロット３と、これらのスロット３で３個に分割されたティース４を備えている。前記スロット３を利用してティース４に電機子巻線５が集中巻に巻かれている。図では、電機子巻線５は、Ｕ相巻線５Ａ，Ｖ相巻線５Ｂ及びＷ相巻線５Ｃからなり、誘導電動機トルクでの起動加速から、同期電動機としての低速運転までの全速度域において、一定周波数の交流電源（給電手段）から給電される。
【００２２】
回転子１０では、回転子鉄心６が、かご型導体７と永久磁石８とを有し、クランクシャフト９上に固定されている。複数のかご型導体７はかご型誘導電動機としての始動用であり、永久磁石８は同期電動機としての定格速度での運転用である。永久磁石８は、クランクシャフト９と同心のアーク形を形成し、２つに分割され２つの磁極を構成するように回転子鉄心６に埋設している。この永久磁石の界磁を持つ自己始動式同期電動機は、固定子鉄心２に３個のスロット３と、回転子鉄心６に２個の永久磁石８を埋設した「２極−３スロット」構造である。
【００２３】
ここで、電機子巻線５（５Ａ、５Ｂ、５Ｃ）は、固定子鉄心２のティース４に集中巻の巻線方式で巻装され、スロット３に納められている。
【００２４】
図２は、本発明の一実施例による自己始動式同期電動機の永久磁石の着磁方向を示す径方向断面構造の一部拡大図である。永久磁石８の着磁は、矢印で示すように、磁石による磁束の方向が回転子の回転軸の原点Ｏから当該磁極の中心を通って放射状に伸びる回転子磁極中心線１１と平行になるように、磁区（図示せず）の角度を調整した上で着磁を施している。すなわち、磁性材料粉を磁界中（ここでは平行磁界中）で成型することで一定の着磁方向（この場合は平行着磁）を有する永久磁石を作成する。回転子磁極中心線１１と矢印で示す着磁方向の角度は、図２では理想状態の０°で示しているが、製造上の公差を勘案した場合、±１°以内とすることが望ましい。
【００２５】
以上のように構成すれば、（１）電機子巻線５の配線長を最短にし、したがって巻線抵抗を最小限に小さくできるので、運転中の銅損が低減され、高効率化を図ることができる。また、（２）コイルエンド部を小さく構成でき、電動機自体及び適用される圧縮機等の小型化を図ることができる。さらに、（３）分布巻に比べ、生産設備も簡単で済む。また、（４）永久磁石８の着磁を平行着磁としているので、誘導起電力波形を正弦波に近付けることができ、誘導電動機としての起動加速中の高調波損失の低減、振動・騒音の抑制を図ることができる。実験の結果、図１の電機子巻線５を分布巻としたものに比べ、効率を５％向上することができた。
【００２６】
図３は、本発明の他の実施例による永久磁石の着磁方向を示す径方向断面構造の一部拡大図である。図において、永久磁石８には、磁束が外周方向に向かって回転子磁極中心線１１に集まる（集束する）ように磁区を調整した上で、磁石８の極配向着磁を施してある。前述した実施例では、永久磁石８は、磁束が回転子磁極中心線１１と平行になるように着磁されていたが、図３に示す着磁永久磁石を適用すれば、前述同様の効果が得られる外に、電機子と界磁間のギャップの磁束分布をより正弦波状にすることができるので、誘導電動機としての起動加速時のトルク特性や振動・騒音に対しさらに優れた特性を得ることができる。
【００２７】
図４は、本発明の他の実施例による自己始動式同期電動機の径方向断面形状を示す構造図である。図中、図１と同一物には同一符号を付し、重複説明は避ける。図において、図１と構成の異なる部分は、固定子鉄心２にスロット３を６個、回転子鉄心６に極性の異なる永久磁石８を４個埋設した、４極−６スロット構造となっている点にある。
【００２８】
このように構成しても、図１と同様の効果を得ることができる。
【００２９】
図５は、本発明の他の実施例による自己始動式同期電動機の径方向断面形状を示す構造図である。図中、図１と同一物には同一符号を付し、重複説明は避ける。図において、図１と構成の異なる部分は、２つの永久磁石８の２つの極間にそれぞれかご型導体７Ａを配置している点にある。
【００３０】
このように構成した場合、図１と同様の効果を得ることができる上、誘導電動機としてのトルクの増強が期待できるとともに、同期電動機としては、高調波を含む電機子反作用磁束が、極間から回転子鉄心６へ流入するのを抑止することができるため、さらなる高効率化を図ることができる。
【００３１】
図６は、本発明の他の実施例による自己始動式同期電動機の径方向断面形状を示す構造図である。図中、図４、５と同一物には同一符号を付し、重複説明は避ける。図において、図５と構成の異なる部分は、固定子鉄心２にスロット３を６個、回転子鉄心６に極性の異なる永久磁石８を４個埋設した「４極−６スロット」構造となっている点にある。
【００３２】
このように構成しても、図５と同様の効果を得ることができる。
【００３３】
図７は、本発明の他の実施例による自己始動式同期電動機の径方向断面形状を示す構造図である。図中、図１、５と同一物には同一符号を付し、重複説明は避ける。図において、図１、５と構成の異なる部分は、２つの永久磁石８の極間にそれぞれ他のかご形導体７よりも断面積の大きいかご形導体７Ｂを配置した点にある。
【００３４】
このように構成した場合、図６と同様の効果を得ることができる上、極性の異なる２つの永久磁石８の極間に生ずる漏洩磁束（図示せず）を防ぎ有効磁束を増やす作用があるため、より特性の改善を図ることができる。
【００３５】
図８は、本発明の他の実施例による自己始動式同期電動機の径方向断面形状を示す構造図である。図中、図６、７と同一物には同一符号を付し、重複説明は避ける。図において、図７と構成の異なる部分は、固定子鉄心２にスロット３を６個、回転子鉄心６に極性の異なる永久磁石８を４個埋設した「４極−６スロット」構造となっている点にある。
【００３６】
このように構成しても、図７と同様の効果を得ることができる。
【００３７】
図９は、本発明の他の実施例による自己始動式同期電動機の径方向断面形状を示す構造図である。図中、図１と同一物には同一符号を付し、重複説明は避ける。図において、図１と構成の異なる部分は、ティース４の両端部４Ａを外径側に広げ、固定子１の内径と回転子１０の外径とのギャップ長が、スロット開口部３Ａ付近で大きく、ティース４の周方向中心部分で小さくなるような不等ギャップを形成している点にある。
【００３８】
このように構成することで、図１と同様の効果が得られる上、ギャップの磁束分布をより正弦波に近づけることができるので、始動時の誘導電動機としての異常トルクを軽減し、かつ同期電動機として運転中の脈動トルクを低減することが可能となる。
【００３９】
図１０は、本発明の他の実施例による自己始動式同期電動機の径方向断面形状を示す構造図である。図中、図９と同一物には同一符号を付し、重複説明は避ける。図において、図９と構成の異なる部分は、固定子鉄心２にスロット３を６個、回転子鉄心６に極性の異なる永久磁石８を４個埋設した「４極−６スロット」構造となっている点にある。
【００４０】
このように構成で、図９で説明したと同様の効果を得ることができる。
【００４１】
図１１は、本発明の他の実施例による自己始動式同期電動機の径方向断面形状を示す構造図である。図中、図５と同一物には同一符号を付し、重複説明は避ける。図において、図５と構成の異なる部分は、ティース４の両端部４Ａを外径側に広げ、固定子１の内径と回転子１０の外径とのギャップ長が、スロット開口部３Ａ付近で大きく、ティース４の周方向中心部分で小さくなるような不等ギャップを形成している点にある。
【００４２】
このように構成することで、図５と同様の効果が得られる上、始動時の異常トルクを軽減し、かつ運転中の脈動トルクを低減することが可能となる。
【００４３】
図１２は、本発明の他の実施例による自己始動式同期電動機の径方向断面形状を示す構造図である。図中、図１１と同一物には同一符号を付し、重複説明は避ける。図において、図１１と構成の異なる部分は、固定子鉄心２にスロット３を６個、回転子鉄心６に極性の異なる永久磁石８を４個埋設した「４極−６スロット」構造となっている点にある。
【００４４】
このように構成しても、図１１と同様の効果を得ることができる。
【００４５】
図１３は、本発明の他の実施例による自己始動式同期電動機の径方向断面形状を示す構造図である。図中、図７と同一物には同一符号を付し、重複説明は避ける。図において、図７と構成の異なる部分は、ティース４の両端部４Ａを外径側に広げ、固定子１の内径と回転子１０の外径とのギャップ長が、スロット開口部３Ａ付近で大きく、ティース４の周方向中心部分で小さくなるような不等ギャップを形成している点にある。
【００４６】
このように構成することで、図１と同様の効果が得られる上、始動時の異常トルクを軽減し、かつ運転中の脈動トルクを低減することが可能となる。
【００４７】
図１４は、本発明の他の実施例による自己始動式同期電動機の径方向断面形状を示す構造図である。図中、図１３と同一物には同一符号を付し、重複説明は避ける。図において、図１３と構成の異なる部分は、固定子鉄心２にスロット３を６個、回転子鉄心６に極性の異なる永久磁石８を４個埋設した「４極−６スロット」構造となっている点にある。
【００４８】
このように構成しても、図１３と同様の効果を得ることができる。
【００４９】
以上の実施例によれば、固定子は集中巻のみで構成されている為、コイル端部の寸法を小さくすることができ、巻線に生ずる銅損低減による効率向上、及び小型化が可能となる。また、巻線機は集中巻の巻線機のみで製造可能であることから、コスト的に有利である外、磁石の極数に合わせた巻線仕様であるため、トルク特性に悪影響を及ぼさない。
【００５０】
さらに、回転子に設けられた始動用導体はかご型で構成している為、▲１▼磁気的なギャップは最小限に抑えることが出来るので、定格時でも有効磁束を確保できる。▲２▼導体に流れる誘導電流と固定子側から回転子に流入する磁束は直交して流れる為、トルク特性を確保できる。▲３▼従来の誘導電動機の回転子製造ライン（ダイカスト装置等）をそのまま使用できるので、コストメリットも大きい。
【００５１】
図１５は、本発明による自己始動式同期電動機を用いた圧縮機の断面構造図である。圧縮機構部は、固定スクロール部材１２の端板１３に直立する渦巻状ラップ１４と、旋回スクロール部材１５の端板１６に直立する渦巻状ラップ１７とを噛み合わせて形成し、旋回スクロール部材１５をクランクシャフト９によって旋回運動させることで圧縮動作を行う。
【００５２】
固定スクロール部材１２及び旋回スクロール部材１５によって形成される圧縮室１８（１８ａ、１８ｂ、……）のうち、最も外径側に位置している圧縮室１８は、旋回運動に伴って両スクロール部材１２、１５の中心に向かって容積が次第に縮小するように圧縮され、圧縮室１８内の圧縮ガスは圧縮室１８の中央部と連通した吐出口１９から吐出される。
【００５３】
吐出された圧縮ガスは、固定スクロール部材１２及びフレーム２０に設けられたガス通路（図示せず）を通ってフレーム２０の下部の圧力容器２１内に至り、圧力容器２１の側壁に設けられた吐出パイプ２２から圧縮機外に排出される。
【００５４】
また、本圧縮機では、圧力容器２１内に、駆動用電動機２３が内封されており、一定速度で回転し、上記の圧縮動作の原動機となる。
【００５５】
駆動用電動機２３の下部には、油溜め部２４が設けられている。油溜め部２４内の油は回転運動により生ずる圧力差によって、クランクシャフト９内に設けられた油孔２５を通って、旋回スクロール部材１５とクランクシャフト９との摺動部、滑り軸受２６等の潤滑に供される。
【００５６】
駆動用電動機２３は、これまで図１〜１４で説明したように、固定子１と回転子１０とで構成される自己始動式同期電動機である。固定子１は、固定子鉄心２とそれに巻き回された電機子巻線５とで構成され、回転子１０は、クランクシャフト９上に、複数の始動用かご型導体７と永久磁石８とを有する回転子鉄心６から構成されている。
【００５７】
電動機２３として、図１，２に示す自己始動式同期電動機を採用して実験した結果、分布巻の自己始動式同期電動機を採用した圧縮機に比べ、圧縮機全体として、効率を０．２％向上できた。
【００５８】
【発明の効果】
本発明によれば、小形・軽量で高効率な自己始動式同期電動機を提供できる。また、小形・軽量で高効率な圧縮機を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例による自己始動式同期電動機の径方向断面形状を示す図。
【図２】本発明の一実施例による自己始動式同期電動機の永久磁石の着磁方向を示す径方向断面構造の一部拡大図。
【図３】本発明の他の実施例による自己始動式同期電動機の永久磁石の着磁方向を示す径方向断面構造の一部拡大図。
【図４】本発明の他の実施例による自己始動式同期電動機の径方向断面形状構造図。
【図５】本発明の他の実施例による自己始動式同期電動機の径方向断面形状構造図。
【図６】本発明の他の実施例による自己始動式同期電動機の径方向断面形状構造図。
【図７】本発明の他の実施例による自己始動式同期電動機の径方向断面形状構造図。
【図８】本発明の他の実施例による自己始動式同期電動機の径方向断面形状構造図。
【図９】本発明の他の実施例による自己始動式同期電動機の径方向断面形状構造図。
【図１０】本発明の他の実施例による自己始動式同期電動機の径方向断面形状構造図。
【図１１】本発明の他の実施例による自己始動式同期電動機の径方向断面形状構造図。
【図１２】本発明の他の実施例による自己始動式同期電動機の径方向断面形状構造図。
【図１３】本発明の他の実施例による自己始動式同期電動機の径方向断面形状構造図。
【図１４】本発明の他の実施例による自己始動式同期電動機の径方向断面形状構造図。
【図１５】本発明の一実施例による圧縮機の断面構造図。
【符号の説明】
１…固定子、２…固定子鉄心、３…スロット、４…ティース、５（５Ａ，５Ｂ，５Ｃ）…電機子（固定子）巻線、６…回転子鉄心、７…かご型導体、８…永久磁石、９…クランクシャフト、１０…回転子、１１…回転子磁極中心線、１２…固定スクロール部材、１３…端板、１４…渦巻状ラップ、１５…旋回スクロール部材、１６…端板、１７…渦巻状ラップ、１８…圧縮室、１９…吐出口、２０…フレーム、２１…圧力容器、２２…吐出パイプ、２３…駆動用電動機、２４…油溜め部、２５…油孔、２６…滑り軸受。

Claims (9)

1. 固定子鉄心と、この固定子鉄心に巻かれた電機子巻線と、回転子鉄心と、この回転子鉄心に磁極毎に埋設された永久磁石と、前記回転子鉄心に設けられたかご型巻線とを備えた自己始動式同期電動機において、前記電機子巻線を集中巻とするとともに、前記永久磁石を、前記回転子の回転軸の原点Ｏから当該磁極の中心を通って放射状に伸びる回転子磁極中心線と平行に着磁したことを特徴とする自己始動式同期電動機。
2. 固定子鉄心と、この固定子鉄心に巻かれた電機子巻線と、回転子鉄心と、この回転子鉄心に磁極毎に埋設された永久磁石と、前記回転子鉄心に設けられたかご型巻線とを備えた自己始動式同期電動機において、前記電機子巻線を集中巻とするとともに、前記永久磁石を、磁束が外周方向に向って前記回転子の回転軸の原点Ｏから当該磁極の中心を通って放射状に伸びる回転子磁極中心線に集束するように着磁したことを特徴とする自己始動式同期電動機。
3. 固定子鉄心と、この固定子鉄心に巻かれた電機子巻線と、回転子鉄心と、この回転子鉄心に埋設された永久磁石と、前記回転子鉄心に設けられたかご型巻線とを備えた自己始動式同期電動機において、前記電機子巻線を集中巻とするとともに、前記永久磁石の極間にもかご型導体を設けたことを特徴とする自己始動式同期電動機。
4. 請求項３において、極間に設けた前記かご型導体の断面積を、他の前記かご形導体よりも大きく形成したことを特徴とする自己始動式同期電動機。
5. 固定子鉄心と、この固定子鉄心に巻かれた電機子巻線と、回転子鉄心と、この回転子鉄心に埋設された永久磁石と、前記回転子鉄心に設けられたかご型巻線とを備えた自己始動式同期電動機において、前記電機子巻線を集中巻とするとともに、前記固定子と回転子との間に不等ギャップを設けたことを特徴とする自己始動式同期電動機。
6. 請求項５において、ティース幅中央位置よりもスロット開口部で大きなギャップ長となる不等ギャップを設けたことを特徴とする自己始動式同期電動機。
7. 固定子鉄心と、この固定子鉄心に備えた複数のスロットに巻き回された電機子巻線と、回転子鉄心と、この回転子鉄心の外周部近傍に設けた複数のスロット内に導電性材料を埋設して形成したかご型巻線と、このかご型巻線の内周側に埋設された複数の永久磁石とを備えた自己始動式同期電動機において、前記電機子巻線を集中巻とするとともに、前記固定子と回転子との間に、ティース幅中央位置よりもスロット開口部で大きなギャップ長となる不等ギャップを設けたことを特徴とする自己始動式同期電動機。
8. 請求項１〜７のいずれかにおいて、前記磁石を略アーク形状の永久磁石で構成したことを特徴とする自己始動式同期電動機。
9. 冷媒を吸い込んで圧縮し吐出する圧縮機構部と、この圧縮機構部を駆動する電動機部を備えた圧縮機において、前記電動機を請求項１〜８のいずれかに記載の自己始動式同期電動機としたことを特徴とする圧縮機。

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