JP4849507B2 - 自己始動式同期電動機 - Google Patents

Description

本発明は、自己始動式同期電動機に関するものである。

従来の自己始動式同期電動機としては、特開２００１−７３９４８号公報（特許文献１）に示されたものがある。この特許文献１の自己始動式同期電動機は、固定子鉄心及びこの固定子鉄心に巻回された巻線を有する固定子と、固定子の内側に固定子内径より若干小さい外径を有して配置された回転子とを備えている。この回転子は、回転子鉄心と、回転子鉄心の外周部に円周状に配置して埋設された多数の導体バーと、導体バーの両端に設けられて導体バーと共に籠形導体を形成するエンドリング（短絡環）と、導体バーより内周側に位置して回転子鉄心に埋設された複数の永久磁石とを備える。そして、導体バーとエンドリングとはアルミダイカストで一体に成形されている。

一方、従来の誘導電動機の回転子の製造方法としては、例えば特開２００２−２９１２１１号公報（特許文献２）及び特開２００３−２８９６５５号公報（特許文献３）に記載されている方法がある。

前記特許文献２では、珪素鋼板を積層した回転子鉄心に、アルミニューム材の導体バーとアルミニューム製のエンドリングとによってかご型導体を構成するように、導体バーとエンドリングとを摩擦攪拌により接合するようになっている。この製造方法は、導体バーとエンドリングとをアルミダイキャストする製造方法に比べ、導体バーおよびエンドリングに鋳巣が発生しないため、回転子のバランスおよび電気的性能を良好とすることができる。

前記特許文献３では、回転子鉄心（ロータ鉄心）に、銅材の導体バーと銅材のエンドリングとによってかご型導体を構成するように、導体バーとエンドリングとを摩擦攪拌により接合するようになっている。この製造方法は、固有抵抗値の低い銅材の導体バーおよびエンドリングを使用しているため、２次電流の抵抗を低減でき、回転子（ロータ）の損失を低減することができる。

特開２００１−７３９４８号公報 特開２００２−２９１２１１号公報 特開２００３−２８９６５５号公報

しかし、特許文献１の自己始動式同期電動機では、導体バーとエンドリングとをアルミダイカストで一体に成形するため、そのアルミダイカスト時にアルミニューム材の融点（６６０℃）以上の温度が永久磁石に加えられることとなり、永久磁石が劣化するということが分かった。

また、特許文献１の自己始動式同期電動機では、導体バーとエンドリングとがアルミ製であるため、二次導体の抵抗値はアルミ材の比抵抗と導体バーの断面積、長さによって決まり、また、これにより二次導体の内周側に埋設する永久磁石の位置、大きさが決まってしまい、これ以上の効率向上を図ることが難しかった。設計的には、永久磁石を回転子の外周側に配置することにより、永久磁石の表面積を大きくでき、効率向上が図れる。また、アルミニュームより比抵抗の小さい銅材を用いて銅ダイキャストで二次導体を製作しようとすると、銅材の融点は１０８３℃と極めて高く、永久磁石の劣化をさらに促進してしまうという問題が発生する。

一方、特許文献２及び特許文献３に開示された電動機は、自己始動式同期電動機ではなく誘導電動機であり、自己始動式同期電動機へ適用する場合に生ずる前記課題を示唆する記載もなかった。

本発明の目的は、回転子に用いる永久磁石の劣化を防止すると共に効率の高い自己始動式同期電動機を得ることにある。

前述の目的を達成するために本発明は、固定子鉄心及びこの固定子鉄心に巻回された巻線を有する固定子と、前記固定子の内側に固定子内径より若干小さい外径を有して配置された回転子とを備え、前記回転子は、回転子鉄心と、前記回転子鉄心の外周部に全周にわたって埋設された多数の導体バーと、前記導体バーの両側に設けられ、導体バーと共に籠形導体を形成するエンドリングと、前記導体バーより内周側に位置して前記回転子鉄心のスロットに埋設された複数の永久磁石とを備える自己始動式同期電動機において、前記永久磁石及び前記導体バーを埋設した回転子鉄心を前記エンドリングの間に当該エンドリングにより当該永久磁石の両端面をカバーするように挟持した状態で、前記導体バーと前記エンドリングとは摩擦攪拌接合によって電気的及び機械的に接合されており、前記エンドリングの厚みを変えてバランスウェイト部を一体に成形しているものである。

係る本発明におけるより好ましい具体的構成例は次の通りである。
（１）前記導体バーを前記回転子鉄心の外周面に開口して形成された蟻溝状スロット及び前記エンドリングの外周面に形成された蟻溝状穴に埋設された状態で、前記エンドリングと前記導体バーとは前記エンドリングの外周面側から摩擦攪拌接合されていること。
（２）前記導体バーと前記エンドリングの一方と前記バランスウェイトとは銅ダイカストで一体に成形されており、前記導体バーの遊端部は銅または銅合金製の他方の前記エンドリングに摩擦攪拌接合によって電気的及び機械的に接合されていること。

本発明によれば、回転子に用いる永久磁石の劣化を防止できると共に、効率の高い自己始動式同期電動機を得ることできる。

以下、本発明の複数の実施形態について図を用いて説明する。各実施形態の図における同一符号は同一物または相当物を示す。なお、それぞれの実施形態の構成を必要に応じて適宜に組み合わせることにより、さらに効果的なものとすることができる。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態の自己始動式同期電動機及びその製造方法並びに圧縮機を図１から図４を用いて説明する。

先ず、本実施形態の圧縮機１０の全体に関して図１を参照しながら説明する。図１は本発明の第１実施形態の自己始動式同期電動機を搭載した圧縮機の縦断面図である。

密閉容器７は、固定スクロール１、旋回スクロール２及びフレーム３等からなる圧縮機構部９と、固定子２１、回転子２２等からなる自己始動式同期電動機８と、これらの摺動部に供給される潤滑油（図示せず）とを内部に収納した密閉構造になっている。圧縮機構部９と自己始動式同期電動機８とは上下に配置されている。密閉容器７は、圧縮機構部９の吐出穴１ｃを通して吐出される圧縮流体（本実施形態では空気調和機の冷凍サイクル用として用いられる冷媒のガス）による高圧に耐えられるようになっている。

圧縮機１０を構成する固定スクロール１は、円板状に形成された鏡板１ａと、この鏡板１ａに渦巻き状に立設されたラップ部１ｂとを備えて構成されている。鏡板１ａの中央部には吐出穴１ｃが形成されている。そして、固定スクロール１は、ボルト等によりフレーム３に固定されている。固定スクロール１と一体となったフレーム３は溶接手段等により密閉容器７に固定されている。

旋回スクロール２は、円板状の鏡板２ａと、この鏡板２ａに渦巻き状に立設されたラップ部２ｂと、鏡板２ａの背面中央に設けられたボス部２ｃとを備えて構成されている。そして、旋回スクロール２は、固定スクロール１に対向して組み合わされて配置され、フレーム３内に旋回可能に設けられている。

自己始動式同期電動機８の回転子２２に固定された駆動軸６は、フレーム３に軸受４を介して回転自在に支持され、固定スクロール１の軸線と同軸となっている。この駆動軸６の先端には、駆動軸６の軸線に対して偏心されたクランク６ａが設けられている。このクランク６ａには、旋回軸受を介して旋回スクロール２のボス部２ｃが回転可能に取り付けられている。このとき、旋回スクロール２は軸線が固定スクロール１の軸線に対して所定距離だけ偏心した状態となっており、駆動軸６が回転することによって旋回スクロール２が旋回運動する。

旋回スクロール２の旋回運動により、両ラップ部１ｂ、２ｂ間に形成される複数の三日月形状の圧縮室は、中央部に移動して連続的に容積が縮小され、中央部に至って吐出穴１ｃに連通されると共に相互に連通されるように構成されている。

吸入口７ａは、圧縮される作動流体の吸込み部を構成し、最外周の圧縮室と連通するように構成されている。また、吐出穴１ｃは、圧縮された作動流体の吐出部を構成し、固定スクロール１の鏡板１ａの中心部に穿設して構成されている。吐出口７ｂは、圧縮された作動流体の密閉容器７外への吐出部を構成し、密閉容器７内から外部に突出するように構成されている。

自己始動式同期電動機８に通電されて駆動軸６が回転駆動されると、駆動軸６のクランク６ａが偏心回転され、このクランク６ａの偏心回転が旋回軸受を介して旋回スクロール２に伝えられる。この結果、旋回スクロール２は、固定スクロール１の軸線を中心に、所定距離の旋回半径をもって旋回運動される。

この旋回スクロール２の旋回運動によって、各ラップ部１ｂ、２ｂの間にできる圧縮室は中央に移動するに従い連続的に縮小し、吸入口７ａから吸入された作動流体が順次圧縮され、所定圧力に圧縮された作動流体が吐出穴１ｃから密閉容器７内に吐出される。吐出された作動流体は固定子８ａ、回転子８ｂの周囲を通り密閉容器７内全体に満たされる。密閉容器７内の作動流体は吐出口７ｂを通して密閉容器７外の冷凍サイクルに導かれる。

次に、自己始動式同期電動機８の構成に関して図１から図４を参照しながら説明する。図２は図１の圧縮機１０に搭載された自己始動式同期電動機８の回転子２２の断面図、図３は図２のＡ−Ａ断面図、図４は図２の回転子の製造方法を示す斜視図である。なお、図２から図４はバランスウェイト２２ｅを装着する以前の回転子２２を示す。

自己始動式同期電動機８は、固定子鉄心２１ａ及びこの固定子鉄心２１ａに巻回された巻線２１ｂを有する固定子２１と、固定子２１の内側に固定子内径より若干小さい外径を有して配置された回転子２２とを備えて構成されている。この自己始動式同期電動機８では、その始動時は二次かご型導体により誘導電動機として動作し、同期速度付近で同期速度に引き込まれ同期速度で運転するものである。

回転子２２は、回転子鉄心２２ａと、回転子鉄心２２の外周部に全周にわたって埋設された多数の導体バー２２ｂと、導体バー２２ｂの両側に設けられ、導体バー２２ｂと共に籠形導体を形成するエンドリング２２ｃと、導体バー２２ｂより内周側に位置して回転子鉄心２２ａに埋設された複数の永久磁石２２ｄ（例えば、ネオジム系磁石）と、エンドリング２２ｃに取り付けられたバランスウェイト２２ｅと、を備えて構成されている。

回転子鉄心２２ａは、積層鉄心で構成され、外周部に全周にわたって導体バー２２ｂを埋設するための円形スロット２２ａ１が等間隔に多数形成されている。この円形スロット２２ａ１は、回転子鉄心２２ａの両面に開口されている。

導体バー２２ｂは、外径が円形スロット２２ａ１の径と実質的に同一の円柱状のアルミ材で構成され、回転子鉄心２２ａと両側のエンドリング２２ｃとを足し合わせた寸法にほぼ等しい長さで製作される。この導体バー２２ｂは、回転子鉄心２２ａの円形スロット２２ａ１内に貫通して埋設されると共に、エンドリング２２ｃの円形穴２２ｃ１を貫通して埋設される。

エンドリング２２ｃは、その外径が回転子鉄心２２ａの外径と同一に形成されると共に、全周にわたって回転子鉄心２２ａの円形スロット２２ａ１に対応するように円形穴２２ｃ１が形成される。エンドリング２２ｃの穴は、回転子鉄心２２ａのスロットと同一形状に形成されているので、導体バー２２ｂを単純な同一径のものを用いることができ、長い棒材より切断して簡単に安価に製作することができる。なお、導体バー２２ｂの両端部を先細にし、エンドリング２２ｃの円形穴２２ｃ１の径を回転子鉄心２２ａの円形スロット２２ａ１の径より小さくして、組み立て性を優先するようにしてもよい。

永久磁石２２ｄは、円弧状に形成されて、円周状に配置された多数の導体バー２２ｂの内側に近接して環状に配置される。これにより、永久磁石２２ｄの磁力を強力なものとすることができ、電動機能力を増大することができる。本実施形態では、円弧状の４個の永久磁石２２ｄが環状に配置されている。また、永久磁石２２ｄは、回転子鉄心２２ａの円弧状スロット２２ａ２に埋設され、両端面が回転子鉄心２２ａより露出されるが、エンドリング２２ｃでカバーされる。

バランスウェイト２２ｅは、電動機に加わるアンバランスをバランスさせるためのものであり、鉄材で製作される。このバランスウェイト２２ｅは、エンドリング２２ｃ及び回転子鉄心２２ａと同じ外径に形成されると共に、一方のエンドリング２２ｃの表面に装着される。

次に、自己始動式同期電動機８の製造方法に関して図１から図４を参照しながら説明する。

まず、回転子鉄心２２ａの円形スロット２２ａ１及び円弧状スロット２２ａ２に導体バー２２ｂ及び永久磁石２２ｄを埋設する。この時、永久磁石２２ｄの両端面は回転子鉄心２２ａの両端面と同一面を構成し、導体バー２２ｂの両端部は回転子鉄心２２ａの両端面より突出するように埋設する。

次いで、エンドリング２２ｃの穴に導体バー２２ｂの両側の突出部を埋設するように、回転子鉄心２２ａの両側にエンドリング２２ｃを重ねて、エンドリング２２ｃの間に回転子鉄心２２ａを挟持した状態とする。この時、永久磁石２２ｄの両端面はエンドリング２２ｃに当接されてカバーされた状態となり、一方、導体バー２２ｂの両端面は、エンドリング２２ｃの表面と同一面となり、エンドリング２２ｃの穴より露出される。

なお、回転子鉄心２２ａの円弧状スロット２２ａ２に永久磁石２２ｄのみを埋設した後、エンドリング２２ｃを回転子鉄心２２ａに重ねた状態で、導体バー２２ｂをエンドリング２２ｃの穴及び回転子鉄心２２ａの円形スロット２２ａ１に埋設するようにしてもよい。

次いで、図４に示すように、接合ツール２３を用いて導体バー２２ｂとエンドリング２２ｃとを摩擦攪拌接合し、かご型導体とする。即ち、接合ツール２３の先端部はアルミ材より硬い金属材（例えばモリブデン）からなる棒状の回転ツールであり、高速で回転する接合ツール２３を導体バー２２ｂとエンドリング２２ｃとの接合部に押付けながら、導体バー２２ｂの円周に沿って移動させる（換言すれば、導体バー２２ｂの中心付近を回転子２２の中心に対して同心に移動させる）。接合ツール２３と導体バー２２ｂ及びエンドリング２２ｃとの摩擦により発生する熱により、接合付近の温度が導体バー２２ｂ及びエンドリング２２ｃの融点６６０℃以上に上昇され、導体バー２２ｂ及びエンドリング２２ｃの接合部が軟化されて塑性流動される。接合ツール２３を取り去って冷却することにより、導体バー２２ｂ及びエンドリング２２ｃが攪拌されて接合される。係る製造方法によれば、接合部を局部的に温度上昇させることができるので、永久磁石２２ｄの劣化を防止することができる。

係る摩擦攪拌接合を両側のエンドリング２２ｃに対して行った後、図１に示すように、バランスウェイト２２ｅをエンドリング２２ｃに重ねて装着する。
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図５を用いて説明する。図５は本発明の第２実施形態の自己始動式同期電動機の製造方法の斜視工程図である。この第２実施形態は、次に述べる点で第１実施形態と相違するものであり、その他の点については第１実施形態と基本的には同一であるので、重複する説明を省略する。

この第２実施形態では、先ず、図５（ａ）に示すように、導体バー２２ｂとエンドリング２２ｃの一方とをあらかじめ一体化する。次いで、図５（ｂ）に示すように、この一体化したものの導体バー２２ｂを回転子鉄心２２ａの円形スロット２２ａ１に通し、その遊端部を回転子鉄心２２ａの端面から突出させ、エンドリング２２ｃの円形スロット２２ｃ１に導体バー２２ｂの突出した部分を埋設する。次いで、図５（ｃ）に示すように、接合ツール２３を用いて、その接合部を第１実施形態と同様に摩擦攪拌接合することにより、導体バー２２ｂとエンドリング２２ｃとを電気的及び機械的に接合する。

この第２実施形態によれば、導体バー２２ｂとエンドリング２２ｃの一方とをあらかじめ一体化するので、摩擦攪拌接合での加工が１回で済むため、生産工数を減少し、生産効率を向上することができる。

なお、導体バー２２ｂとエンドリング２２ｃの一方とをあらかじめ一体化する方法としては、永久磁石２２ｄを劣化することなく、アルミダイカストまたはアルミ鍛造によることができる。この場合、アルミダイカストの方が電動機における使用実績が豊富で、信頼性の面から好ましい。
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について図６を用いて説明する。図６は本発明の第３実施形態の自己始動式同期電動機の製造方法を示す斜視工程図である。この第３実施形態は、次に述べる点で第１実施形態と相違するものであり、その他の点については第１実施形態と基本的には同一であるので、重複する説明を省略する。

この第３実施形態では、導体バー２２ｂ及びエンドリング２２ｃを銅または銅合金で製作すると共に、バランスウェイト部２２ｅを銅ダイカストや銅鍛造でエンドリング２２ｃに一体に成形するようにしている。そして、２種類の長さの導体バー２２ｂを用意して、として、エンドリング２２ｃにおけるバランスウェイト部２２ｅを有する部分及び有しない部分の表面に導体バー２２ｂの端面を同一面で露出し、図６に示すように、接合ツール２３によりエンドリング２２ｃと導体バー２２ｂとを接合する。バランスウェイト部２２ｅにおける段差は、接合ツール２３の高さを制御することにより、吸収可能である。

この第３実施形態によれば、二次かご型導体がアルミニュームより比抵抗の低い銅材で形成されるため、二次かご型導体の損失が減少し、電動機効率を向上できる。特に、自己始動式同期電動機８では、その始動時は二次かご型導体により誘導電動機として動作し、同期速度付近で同期速度に引き込まれ同期速度で運転するものであるが、二次かご型導体の径を同じままで、アルミ材から銅材に変えることにより二次抵抗が小さくなるため、同期速度付近でのトルクが大きくなり、同期速度への引き込み性が良くなるという利点が生まれる。また、二次かご型導体の抵抗値をアルミと同じになるに銅材の導体バー２２ｂの径を細くすることにより、永久磁石２２ｄを挿入する円弧状スロット２２ａ２を回転子２２の外周部へ寄せることが可能となり、永久磁石２２ｄの表面積を広くでき、電動機の効率も向上できる。また、エンドリング２２ｃをアルミ材から銅材に変えることにより、エンドリング２２ｃの軸方向長さを短くすることができ、電動機を小型化することが可能になる。

また、自己始動式同期電動機８は、回転軸６を介して負荷と繋いで運転をする時には、負荷の回転重心が電動機の回転軸中心とずれ、回転バランスが破壊され、電動機の振動や騒音などが生じ、正常な性能が発揮できなくなることがある。このため、回転子２２の径方向のトータルモーメントがゼロになるように、バランスウェイト２２ｅを設けることが必要である。第１実施形態では、比重の軽いアルミ材のエンドリング２２ｃが使用されるため、図１に示すようにエンドリング２２ｃとバランスウェイト２２ｅとを別部材で製作する必要があった。

この第３実施形態では、エンドリング２２ｃに銅材を用いているので、エンドリング２２ｃとバランスウェイト２２ｅとの共用して一体に成形することが可能である。これによって、エンドリング２２ｃとバランスウェイト２２ｅとを一工程で製作することができるので、生産工数を減少し、生産効率を向上することができる。ここで、銅材は鉄材よりも比重が重いため、アルミ材及び鉄材のバランスウェイト２２ｅを用いる場合に比較して、小型化することができる。
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について図７を用いて説明する。図７は本発明の第４実施形態の自己始動式同期電動機の製造方法を示す斜視工程図である。この第４実施形態は、次に述べる点で第３実施形態と相違するものであり、その他の点については第３実施形態と基本的には同一であるので、重複する説明を省略する。

この第４実施形態では、導体バー２２ｂとエンドリング２２ｃの一方とバランスウェイト２２ｅとを銅ダイカストで一体に成形し、導体バー２２ｂの遊端部を銅または銅合金製の他方のエンドリング２２ｃに摩擦攪拌接合によって電気的及び機械的に接合するようにしたものである。

この第４実施形態よれば、第２実施形態と第３実施形態との効果を合わせ奏することができ、生産性の格段の向上を図ることができる。
（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態について図８及び図９を用いて説明する。図８は本発明の第５実施形態の自己始動式同期電動機の回転子の断面図、図９は図８のＢ−Ｂ断面図である。この第５実施形態は、次に述べる点で第１実施形態と相違するものであり、その他の点については第１実施形態と基本的には同一であるので、重複する説明を省略する。

この第５実施形態では、導体バー２２ｂを回転子鉄心２２ａの外周面に開口して形成された蟻溝状スロット２２ａ１及びエンドリング２２ｃの外周面に形成された蟻溝状穴２２ｃ１に埋設された状態で、エンドリング２２ｃと導体バー２２ｂとをエンドリング２２ｃの外周面側から摩擦攪拌接合するようにしている。

この第５実施形態によれば、導体バー２２ｂを外周部に寄せることができ、これに伴って永久磁石２２ｄを挿入する円弧状スロット２２ａ２を回転子２２の外周部へ寄せることが可能となり、永久磁石２２ｄの表面積を格段に広くでき、電動機の効率も大幅に向上できる。

本発明の第１実施形態の自己始動式同期電動機を搭載した圧縮機の縦断面図である。 図１の圧縮機に搭載された自己始動式同期電動機の回転子の断面図である。 図２のＡ−Ａ断面図である。 図２の回転子の製造方法を示す斜視図である。 本発明の第２実施形態の自己始動式同期電動機の製造方法の斜視工程図である。 本発明の第３実施形態の自己始動式同期電動機の製造方法を示す斜視工程図である。 本発明の第４実施形態の自己始動式同期電動機の製造方法を示す斜視工程図である。 本発明の第５実施形態の自己始動式同期電動機の回転子の断面図である。 図７のＢ−Ｂ断面図である。

符号の説明

１…固定スクロール、１ａ…鏡板、１ｂ…ラップ部、１ｃ…吐出穴、２…旋回スクロール、２ａ…鏡板、２ｂ…ラップ部、２ｃ…ボス部、３…フレーム、４…軸受、６…回転軸、６ａ…クランク、７…密閉容器、７ａ…吸入口、７ｂ…吐出口、８…自己始動式同期電動機、９…圧縮機構部、１０…圧縮機、２１…固定子、２２…回転子、２２ａ…回転子鉄心、２２ａ１…円形スロット、２２ａ２…円弧状スロット、２２ｂ…導体バー、２２ｃ…エンドリング、２２ｃ１…円形穴、２２ｄ…永久磁石、２２ｅ…バランスウェイト、２３…接合ツール。

Claims (3)

1. 固定子鉄心及びこの固定子鉄心に巻回された巻線を有する固定子と、前記固定子の内側に固定子内径より若干小さい外径を有して配置された回転子とを備え、前記回転子は、回転子鉄心と、前記回転子鉄心の外周部に全周にわたって埋設された多数の導体バーと、前記導体バーの両側に設けられ、導体バーと共に籠形導体を形成するエンドリングと、前記導体バーより内周側に位置して前記回転子鉄心のスロットに埋設された複数の永久磁石とを備える自己始動式同期電動機において、
   前記永久磁石及び前記導体バーを埋設した回転子鉄心を前記エンドリングの間に当該エンドリングにより当該永久磁石の両端面をカバーするように挟持した状態で、前記導体バーと前記エンドリングとは摩擦攪拌接合によって電気的及び機械的に接合されており、
   前記エンドリングの厚みを変えてバランスウェイト部を一体に成形している
   ことを特徴とする自己始動式同期電動機。
2. 前記請求項１の自己始動式同期電動機において、前記導体バーを前記回転子鉄心の外周面に開口して形成された蟻溝状スロット及び前記エンドリングの外周面に形成された蟻溝状穴に埋設された状態で、前記エンドリングと前記導体バーとは前記エンドリングの外周面側から摩擦攪拌接合されていることを特徴とする自己始動式同期電動機。
3. 前記請求項１の自己始動式同期電動機において、前記導体バーと前記エンドリングの一方と前記バランスウェイトとは銅ダイカストで一体に成形されており、前記導体バーの遊端部は銅または銅合金製の他方の前記エンドリングに摩擦攪拌接合によって電気的及び機械的に接合されていることを特徴とする自己始動式同期電動機。

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