JP4031454B2 - 圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、たとえば冷凍機や空気調和機の冷凍サイクルを構成する圧縮機に係り、特に、電動機部の巻線構造の改良に関する。

たとえば冷凍機や空気調和機に用いられる圧縮機は、冷媒を圧縮する圧縮機構部と、この圧縮機構部を駆動する電動機部とから構成される。特に、電動機部は、固定子と回転子とからなる。
そして、上記電動機部においては、冷凍サイクル運転の省エネルギおよび快適性を追求するものとして、２極あるいは４極三相の巻線が施され、インバータ電源で駆動される。

従来、図１５（Ａ）もしくは（Ｂ）に示すように、固定子が構成される。
すなわち固定子Ｓａ，Ｓｂはいずれも、固定子鉄心Ｋに巻線Ｍが施されたものである。上記固定子鉄心Ｋは、円環状のヨーク部ｙと、このヨーク部ｙの内周壁に所定間隔を存して一体に突設されるティース部ｔとからなり、各ティース部ｔ間をスロットｒと呼ぶことは周知である。
固定子鉄心Ｋに形成されるスロットｒの数は、普通、三相の２極あるいは４極で巻線することを考慮した１２ｎ（ｎは１以上の整数）である。そして、上記巻線Ｍは、インサータ巻線方式により複数のティース部ｔおよび複数のスロットｒ相互間に跨って巻線される。

ところで、上記従来のものでは、複数のティース部ｔおよび複数のスロットｒ間に跨って配線されるので、固定子Ｓａ，Ｓｂの両端面から突出する巻線Ｍ部分であるコイルエンドの高さが高くなる。その分、巻線Ｍの表面積が大きくなって、リーク電流が多くなる。
すなわち、リーク電流はインバータのチョッピング周波数増加に比例し、巻線Ｍ表面積に対して比例関係にある。特に、コイルエンドは圧縮機構部を潤滑する冷凍機油（潤滑油）や、冷媒と冷凍機油とが混合された液状もしくはガス雰囲気中に晒されるので、リーク電流増加の条件が揃っている。

また、コイルエンドが大きいのでコイル周長が長くなり、コスト大につながるとともに電線抵抗である銅損が大きくなる。さらに、巻線挿入時あるいは、巻線終了後に行うコイルエンド成形で、巻線に傷が付き易い。
また、近年、環境破壊問題により、塩素原子を含まない代替えフロンを使用することになっている。この代替えフロンと、圧縮機内に封入される冷凍機油との相溶性に新たな問題が生じている。

すなわち、図１３の油面変化特性図に示すように、冷凍機油の油面高さは運転時間の経過にともなう冷媒の溶け込み状態によって変化する。特に運転始動時は、冷媒が多量に存在して密閉ケース内に寝込むことが多い。
このとき、密度の大きい冷媒層が下層に、密度の小さい冷凍機油が上層に二層分離して偏在し、圧縮機構部に近い下部側のコイルエンド一部は冷媒が溶け込んだ状態の冷凍機油に浸漬される。

図１６は、ケース３内に貯溜される冷凍機油の高さ状態を示し、油面Ａは主軸受１２、油面Ｂは上部シリンダ１１Ａ、油面Ｃは下部シリンダ１１Ｂ、油面Ｄは副軸受１３のそれぞれ油面高さを示している。
始動直後は、ケース３底部に貯溜する多量の油が給油ポンプにより各圧縮摺動部へ吸上げられるので、貯溜する油は一旦大きく減少するが、１〜２分運転が継続されると冷凍サイクル中を循環している油が圧縮機に戻ってきて、圧縮ガスとともにケース内に吐出されるので、再び油面高さは上昇し油面Ａと油面Ｂとの間の油面高さで安定状態となる。そして、始動から通常運転までの過度期を経た安定状態でも、コイルエンドの突出高さが高いために、その一部が冷凍機油に浸されることは変わりがない。

代替フロンと相溶性のよい冷凍機油として、ポリグリコール油やエステル油などがあるが、特にポリグリコール油を選択した場合は、従来から使用していた鉱油に比べて、油の体積抵抗率が著しく低く、そのため、電動機部からリークするリーク電流が大幅に増大して、電気絶縁性が悪化するという問題がある。

本発明は上記事情にもとづきなされたものであり、その目的とするところは、リーク電流の低減を図って、電気絶縁性を確保する電動機部を備えた圧縮機を提供しようとするものである。

上記目的を満足するため、本発明の圧縮機は、内底部に、ハイドロフルオロカーボン冷媒と相溶性がある冷凍機油を集溜する密閉ケースと、この密閉ケース内に収容され、ハイドロフルオロカーボン冷媒を吸込んで圧縮し吐出するとともに、上記冷凍機油に浸漬され、この冷凍機油によって潤滑される圧縮機構部と、この圧縮機構部の上部に設けられ、圧縮機構部を駆動する電動機部とを備え、上記電動機部は、固定子と回転子とから構成され、上記固定子は、固定子鉄心に巻線を施してなる圧縮機において、
上記固定子鉄心は、ヨーク部とティース部とからなり、上記固定子鉄心に、隣同士のティース部が異相となるように各ティース部に三相巻線の単一相の巻線を施してコイルエンドの突出高さを小さくするとともに、コイルエンドは反圧縮機構部側である上部側の突出高さよりも圧縮機構部側である下部側の突出高さを小さく形成し、上記回転子は、希土類磁石からなる永久磁石が組込まれる。

本発明の圧縮機によれば、固定子鉄心に巻回される巻線の、特にコイルエンドがコンパクト化され、よってコイルエンドからのリーク電流の低減が得られ、電気絶縁性の確保を図れるという効果を奏する。

以下、本発明の一実施の形態を、図面にもとづいて説明する。
図１に示す、１は密閉形圧縮機であり、２はアキュームレータである。これら圧縮機１およびアキュームレータ２は、たとえば空気調和機の冷凍サイクルを構成している。
この冷凍サイクルに用いられる冷媒は、塩素原子を含まない冷媒であるハイドロフルオロカーボン冷媒（ＨＦＣ冷媒）であり、上記ＨＦＣ冷媒のうちで、たとえばＲ４１０Ａ（Ｒ３２／Ｒ１２５の混合冷媒）が採用される。他にも、Ｒ４０７Ｃ（Ｒ３２／Ｒ１２５／Ｒ１３４ａの混合冷媒）、Ｒ４０４Ａ（Ｒ１２５／Ｒ１４３ａ／Ｒ１３４ａの混合冷媒）、Ｒ１３４ａ（単冷媒）などが好ましい冷媒として挙げられる。

密閉形圧縮機１は密閉ケース３を有する。この密閉ケース３内の下部には後述する圧縮機構部４が設けられ、上部には後述する電動機部５が設けられる。これら圧縮機構部４と電動機部５とは回転軸６を介して連結され、電動圧縮機本体７が構成される。
上記密閉ケース３の内底部には冷凍機油Ｏが集溜され、上記圧縮機構部４のほとんどが浸漬される。ここに集溜される冷凍機油は、エステル系油と、ポリエーテル系油と、アルキルベンゼン系油と、テフロン系油の一種または二種以上を混合させた潤滑油である。これら冷凍機油は全て、上記ＨＦＣ冷媒との相溶性がよいか、所定の相溶性を有する。
特にエステル系油は鉱油と比較して上記冷媒との相溶性がよく、しかもポリグリコール油に比べて体積抵抗率が高いので、高い電気絶縁性能を保持できる。

上記電動機部５は、密閉ケース３の内面に固定された固定子８と、この固定子８の内側に所定の間隙を存して配置され、かつ上記回転軸６が介挿される回転子９とから構成される。
上記圧縮機構部４は、回転軸６の下部に仕切り板１０を介して上下に配設された２つのシリンダ１１Ａ，１１Ｂを備えている。上部シリンダ１１Ａは、その上面部が主軸受１２に取付固定される。下部シリンダ１１Ｂの下面部には副軸受１３が取付固定される。

シリンダ１１Ａ，１１Ｂの上下面は、上記仕切り板１０および主軸受１２と副軸受１３で区画され、その内部にシリンダ室１５ａ，１５ｂが形成される。それぞれのシリンダ室１５ａ，１５ｂには、回転軸６の回転にともなってローラを偏心回転駆動するとともに、ベーンによってシリンダ室を高圧側と低圧側に仕切る、いわゆるロータリ式圧縮機構１６Ａ，１６Ｂが構成される。両シリンダ１１Ａ，１１Ｂ内のシリンダ室１５ａ，１５ｂは、それぞれ導通管１７ａ，１７ｂを介して上記アキュームレータ２に連通される。
一方、上記密閉ケース３の上面部には、吐出管１８が接続される。この吐出管１８には外部配管である冷媒管１９が接続されていて、冷凍サイクルを構成する図示しない凝縮器に連通される。また、上記アキュームレータ２の上面部には、吸込み管２０が接続される。この吸込み管２０には冷媒管２１が接続されていて、冷凍サイクルを構成する図示しない蒸発器に連通される。
なお、上記凝縮器と上記蒸発器との間には膨張機構が接続されていて、圧縮機１−凝縮器−膨張機構−蒸発器を介して上記アキュームレータ２に順次連通される、空気調和機の冷凍サイクルが構成される。

図２は、上記電動機部５の平面視の図である。上記固定子８の内側に、固定子内周面と全周に亘って均一で狭小の間隙を存して、上記回転軸６に嵌着された上記回転子９が配置される。上記固定子８は、固定子鉄心３０と、この固定子鉄心３０のティース部３３に巻装される巻線３１とから構成される。
図３ないし図５に示すように、上記固定子鉄心３０は鋼板を積層したもので、互いに分割自在に組立てられたヨーク部３２と、複数（６こ）のティース部３３とから構成されている。

すなわち、上記ヨーク部３２の内周面には所定間隔を存して複数の掛合用溝３２ａが、ヨーク部３２の軸方向に沿って設けられていて、ここに上記ティース部３３の長手方向に沿う一側部が圧入により掛合固定される。
ティース部３３の数は、３×ｎ（ｎは２以上の整数）に設定されるとともに、後述するように上記巻線３１は上記ティース部３３に直接施されていることが特徴であり、ティース部には三相４極のモータを構成するように上記巻線３１が施されている。

図３および図４のみ示すように、複数の巻き枠であるボビン３４が用意され、このボビン３４にあらかじめ巻線３１が施されている。上記ボビン３４は矩形状の開口部を備えていて、上記ティース部３３に掛合固定される。
このような固定子８であるので、ティース部３３に直接施される巻線３１のコイルエンドの部分は小さくなる。実際には、図６（Ｂ）に示すように、従来は上部側（口出し線ａ側）のコイルエンドＭｋの突出高さＬ1 が約３０mmであるのに対して、同図（Ａ）に示すように、本発明の同部位におけるコイルエンド３１ａの突出高さＬa は、従来の半分の約１５mmですむ。

また、下部側（反口出し線側）は、従来のコイルエンドＭｋの突出高さＬ2 が約３０mmであるのに対して、本発明では意図的に同部位におけるコイルエンド３１ｂの突出高さＬb を、従来の半分以上の１２mmとした。
したがって、本発明ではティース部３３への巻線３１挿入時、あるいは巻線終了後に行うコイルエンド３１ａ，３１ｂに対する成形で巻線３１に傷が付き難く、高品質が保持される。

また、本発明構成では、巻線３１のコイルエンド３１ａ，３１ｂは、上部側である反圧縮機構部側の突出高さＬａよりも、下部側である圧縮機構部４側の突出高さＬｂが小に形成（Ｌａ＞Ｌｂ）される。
このように、コイルエンド３１ｂに隣接して圧縮機構部４が設けられているので、たとえコイルエンド３１ｂの変形があっても圧縮機構部４の構成部品との関わり合いが全く生じない。

再び図２に示すように、固定子８とともに電動機部（ＤＣブラシレスモータ）５を構成する上記回転子９は、ヨーク部３５と、このヨーク部３５内に埋設され断面逆円弧状に曲成される複数の永久磁石３６とからなる。これらヨーク部３５と永久磁石３６は、連結部やクランク部や係止部を介して組立てられる。
このような回転子９構造であれば、従来のロータ外被をステンレス缶容器で覆う構造と比較して、高周波磁束により生じる渦電流損失が大きく低減して、有効磁束の増加による電動機効率の効率改善を図れる。

また、永久磁石３６を逆円弧状にするとともに、磁石内部の粒子配向を平行オリエーションからラジアル異方性として、固定子巻線の通電区間（機械角６０°）に集中して磁束が加わるようにした。これにより、有効磁束量が約２０％増加し、効率を定格時約４％、実用上の使用頻度の高い中・低回転時にはそれ以上の効率改善を得られる。
そして、上記永久磁石３６の構成素材として、希土類磁石が用いられる。すなわち、固定子鉄心３０のティース部３３に直接巻線３１を施すことと相まって、回転子９側の永久磁石３６として希土類磁石を用いたので、フェライト系磁石材に比べて残留磁束密度や保持力がともに大きく、磁気エネルギ積も極めて大きくなるので、効率アップとなり、性能向上につながる。

このようにして構成される圧縮機であって、図７に示すような電気回路を構成している。
圧縮機１を構成する電動機部５と市中電源３７とは、整流回路３８とインバータ３９を介して接続される。また、市中電源３７と整流回路３８との間には電流検出装置４０が設けられていて、この電流検出装置４０は周波数制御回路４１に接続されている。

上記整流回路３８は、市中電源３７から送られる商用交流電源を直流電源に変換整流するものである。上記電流検出装置４０は、整流回路３８を介してインバータ３９に送られる入力電流の大きさを検出し、この検出電流が設定値を越えたとき、電動機部５の回転数を下げ、電動機部５の入力電流が設定許容値を越えないように制御するものである。
上記周波数制御回路４１は、上記電流検出装置４０からの検出信号を受けて、上記電動機部５へ運転周波数の指令信号を送るようになっている。

しかして、電動機部５に通電することにより圧縮機構部４が駆動される。この圧縮機構部４では、蒸発器からアキュームレータ２を介して各シリンダ室１５ａ，１５ｂに低圧の冷媒ガスが直接吸込まれ、ローラの偏心回転にともなって圧縮される。
所定圧力まで圧縮され、高圧化した冷媒ガスは一旦密閉ケース３内へ吐出されて充満し、さらに吐出管１９から外部の冷凍サイクル機器である凝縮器へ導かれる。このようにして冷凍サイクル運転がなされる。

また、図７の電気ブロック図に示すように、市中電源３７からの商用交流電源を整流回路３８で一旦直流に変換したのち、インバータ３９で一定の周波数を出力し、三相出力として電動機部５へ加える。
この電動機部５は図２に示すように（ＵＶＷ相のパターンで結線され）、常に三相のうちの二相のみを通電するパターンで固定子巻線の通電を制御する。そして、圧縮機負荷に応じて周波数制御回路４１から周波数指令信号を送り、圧縮機電動機部５の回転数を制御する。

また、電流検出装置４０によりインバータ３９の入力電流の大きさを検出し、この検出電流が設定値を越えたとき、電動機部５の回転数を下げて、この入力電流が設定許容値を越えないように制御される。
特に本発明の電動機部５は、固定子鉄心３０を構成するティース部３３に直接巻線３１を施したのでコイルエンド３１ａ，３１ｂの寸法を小さくでき、よって巻線３１自体のコイル長が短くなり、電線抵抗が減少（銅損減）して効率のよい電動機部５を得られる。

そして、巻線３１のコイルエンド３１ａ，３１ｂは冷凍機油あるいは冷媒と冷凍機油とが混合された液状もしくはガス雰囲気に晒されるが、これらからの電流のリーク量を最小に保持して、高い信頼性を得られる。
しかも、代替えフロンと相溶性のよい、あるいは所定の相溶性を有するエステル系油と、ポリエーテル系油と、アルキルベンゼン系油と、テフロン系油の一種または二種以上を混合させた冷凍機油を用いて圧縮機構部４に対する潤滑をなすようにしている。

特にエステル系油を主成分とする場合は、油の体積抵抗率を高い数値に確保できるので、さらにリーク電流の低減（実測値では、０．９５mAから０．７６mAに低減した）が得られ、電気絶縁性を高める。
なお説明すれば、下部側のコイルエンド３１ｂの突出高さを低くしたので、この一部が密閉ケース３内底部に集溜される冷凍機油に浸漬することはほとんどない。
しかしながら、前述のように運転時間の経過にともなう冷媒の溶け込み状態によっては油面高さが上がってコイルエンド３１ｂの一部が浸漬することがあることを考慮しなければならない。したがって冷凍機油にとっては、当然、電気絶縁油としての特性が要求される。

図１４に示すように、鉱油は高い絶縁性を有するが、特定フロンであるＨＦＣ冷媒との相溶性が悪いので実用には供しない。エステル系油は、鉱油に比べて体積抵抗率が低い値を示すが、電気絶縁に必要とする体積抵抗率は確保できるとともに、特定フロンと相溶性がよく、本発明の電動機部５の構成と最もマッチする。ポリグリコール油では体積抵抗率が１０12Ω・cm以下であり、リーク電流が大きくなって実用に供しない。
電動機部５の固定子８は、その固定子鉄心３０を構成するヨーク部３２と、巻線３１が施されるティース部３３とを分割化したので、製造が容易で作業性の向上を得られ、しかも銅線の使用量が少なくてすみ、コストの低減を得られる。

巻き枠であるボビン３４に巻線３１を巻回し、この巻線３１ごとボビン３４をティース部３３に挿入掛合するので、組立て作業性がよいとともに、巻線３１に加圧する必要がなくなり、傷が付かずにすみ、高品質で高信頼性を得る。
ティース部３３の数を３×ｎ（ｎは２以上の整数）とし、三相４極モータを構成するように巻線を施しているとともに、固定子巻線を隣り同士のティース部が異相となり、かつ常に一相が非通電可能に三相巻線が施されているので、回転磁界（磁気吸引力）の分布が片寄らず、振動発生がない。

また、上記電動機部５をインバータ駆動したので、電動機部５の運転周波数が負荷に合わせて常に最適状態に制御される。
回転子９に永久磁石３６を組込み、この永久磁石３６の磁石素材として希土類磁石を用いたので、フェライト系磁石材に比べて磁気エネルギが大きく、効率アップとなり性能向上を得られる。
巻線３１は、反圧縮機構部側のコイルエンド３１ａの突出高さＬａよりも圧縮機構部４側のコイルエンド３１ｂの突出高さＬｂを小に形成したので、圧縮機構部４とコイルエンド３１ｂとの間に充分な隙間が確保され、冷凍機油Ｏへの浸漬が防止される。

なお、図８は、上述の実施の形態のように、固定子鉄心３０を構成するヨーク部３２の掛合用溝３２ａに一体のティース部３３が掛合固定されてなり、固定子鉄心３０はヨーク部３２とティース部３３との２分割構成である。
また、ティース部３３には、その内周側を互いに繋ぐ環状部Ｒが形成される。この構成では、環状部Ｒとティース部３３を一体形成したのでティース部３３をヨーク部３２へ嵌合固定する際の組立て性がよくなる。

そして、巻線３１を巻装したボビン３４をティース部３３に嵌挿した際において環状部Ｒが位置決めとなり、ボビン３４を所定位置に確実に保持できる。さらに、ティース部３３間を等角度で、かつ内周部の真円度を精度よく出すことができるので、回転子９との均一な間隙を保持できる。
図９は、ヨーク部３２は一体のものであるが、ここに設けられる掛合用溝３２ａにそれぞれ対応するようティース部３３Ａを多分割した構成の固定子鉄心３０Ａである。

この構成では、ティース部３３の内周側に環状片Ｒ1 が形成される。この環状片Ｒ1 の内周側は回転子と均一な間隙を形成するように構成されており、図８の構成と同様にボビン３４を所定位置に保持できる。
図１０は、一体ではあるが、その先端部が固定子鉄心周端部まで延出されるティース部３３Ｂと、ここに設けられる掛合溝ｂにそれぞれ係止される係止突起ｃを備え、多分割されたヨーク部３２Ｂからなる固定子鉄心３０Ｂである。

図１１は、ヨーク部の一部とティース部の一部とを一体化した、２組づつの分割固定子鉄心３０ｃ，３０ｄとを組み合わせた４分割構造の固定子鉄心３０Ｃである。
図１２は、ヨーク部の一部とティース部の一部とを一体化した分割固定子鉄心３０ｅを組み合わせた６分割構造の固定子鉄心３０Ｄである。
以上、図８ないし図１２のいずれの構造の固定子鉄心３０〜３０Ｄであっても、所定の効果を得られ、本発明の条件を損なうものではない。

本発明の一実施の形態を示す、ロータリ式密閉形圧縮機の縦断面図。 同実施の形態の、電動機部の平面図。 同実施の形態の、電動機部を構成する固定子の平面図。 同実施の形態の、固定子を分解した斜視図。 同実施の形態の、固定子を構成する固定子鉄心の平面図。 （Ａ）は同実施の形態の、コイルエンドの突出高さを説明する図。（Ｂ）は従来の、コイルエンドの突出高さを説明する図。 同実施の形態の、電動機部と、その電気回路図。 同実施の形態の、固定子鉄心を分解した平面図。 他の実施の形態の、固定子鉄心を分解した平面図。 さらに異なる他の実施の形態の、固定子鉄心を分解した平面図。 さらに異なる他の実施の形態の、固定子鉄心を分解した平面図。 さらに異なる他の実施の形態の、固定子鉄心を分解した平面図。 運転時間に対する冷凍機油の油面高さの変化特性図。 主要な冷凍機油の特性図。 （Ａ）は従来の、電動機部の平面図。（Ｂ）は、さらに異なる電動機部の平面図。 ケース内の冷凍機油の高さ状態を説明する図。

符号の説明

Ｏ…冷凍機油、４…圧縮機構部、５…電動機部、８…固定子、９…回転子、３０…固定子鉄心、１…ロータリ式密閉形圧縮機、３２…ヨーク部、３３…ティース部、３１…巻線、３４…ボビン、３９…インバータ、３６…永久磁石、３１ａ，３１ｂ…コイルエンド。

Claims (1)

1. 内底部に、ハイドロフルオロカーボン冷媒と相溶性がある冷凍機油を集溜する密閉ケースと、
   この密閉ケース内に収容され、ハイドロフルオロカーボン冷媒を吸込んで圧縮し吐出するとともに、上記冷凍機油に浸漬され、この冷凍機油によって潤滑される圧縮機構部と、
   この圧縮機構部の上部に設けられ、圧縮機構部を駆動する電動機部とを備え、
   上記電動機部は、固定子と回転子とから構成され、
   上記固定子は、固定子鉄心に巻線を施してなる圧縮機において、
   上記固定子鉄心は、ヨーク部とティース部とからなり、
   上記固定子鉄心に、隣同士のティース部が異相となるように各ティース部に三相巻線の単一相の巻線を施してコイルエンドの突出高さを小さくするとともに、コイルエンドは反圧縮機構部側である上部側の突出高さよりも圧縮機構部側である下部側の突出高さを小さく形成し、
   上記回転子は、希土類磁石からなる永久磁石が組込まれることを特徴とする圧縮機。

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