JP5016852B2

JP5016852B2 - 永久磁石電動機，永久磁石同期電動機の回転子及びそれを用いた圧縮機

Info

Publication number: JP5016852B2
Application number: JP2006160416A
Authority: JP
Inventors: 暁史高橋; 春雄小原木; 聡菊地; 富夫 ▲吉▼川; 柏英黄
Original assignee: Hitachi Appliances Inc
Current assignee: Hitachi Appliances Inc
Priority date: 2006-06-09
Filing date: 2006-06-09
Publication date: 2012-09-05
Anticipated expiration: 2026-06-09
Also published as: CN101087079B; JP2007330060A; CN101087079A

Description

本発明は永久磁石同期電動機とその回転子およびそれを用いた圧縮機に関するものである。

電気冷蔵庫や空気調和機などに搭載されている圧縮機のうち、速度制御を必要としない一定速圧縮機の駆動源として、従来から誘導電動機が用いられていた。誘導電動機の長所は、堅牢な構造である上、商用電源による直入れ始動が可能なため、低コストに構成できる点にある。一方で、昨今における高効率化のニーズの高まりから、商用電源での自己始動が可能であり、かつ高効率運転を実現可能な自己始動型永久磁石同期電動機の開発が望まれている。

自己始動型永久磁石同期電動機は、回転子外周側に始動用のかご型導体を有し、このかご型導体の内周側に永久磁石を配置する必要があり、磁石配置の空間が制限される。このような電動機の高効率化および高トルク化を図る方法として、特許文献１や特許文献２等に開示された技術があり、各々限られた空間の中で磁石配置の最適化を目指している。

一方で、商用電源による直入れ駆動という観点から言えば、力率もまた重要な設計目標となる。力率は電力会社から供給される電力をいかに有効に使用しているかを表す指標であり、高力率な機器ほど電力会社が発電している電力を有効に利用していることを意味する。大手電力会社では、力率８５％以上の場合は割引料金を、それ以下の場合は割増料金を適用している。したがって、力率８５％を達成しているか否かは、自己始動型永久磁石同期電動機を設計する段階で非常に重要な指標となる。しかし、特許文献１や特許文献２等ではこれに関しては触れられていない。

特開２００２−２３３０８７号公報特開２００５−１１７７７１号公報

力率の改善策としては、電機子巻線の巻数を増やす方法や、磁石量を増やす方法などがある。これらの方法によって、磁石による誘導起電力が増大し、磁石トルクを発生するための電流が相対的に小さくなるため、力率は改善する。しかしながら、前者の方法の場合、巻数の増加に伴い抵抗およびインダクタンスが増大するため、最大トルクが小さくなってしまうという課題がある。また後者の方法の場合においては、磁石量を増やした分だけコストが増加するという課題がある。

本発明の目的は、最大トルクの低下やコスト増を招くことなく、力率を改善し、かつ高効率な永久磁石同期電動機およびその回転子、あるいはこれらを用いた圧縮機を提供することである。

本発明の一つの特徴は、固定子巻線を備えた固定子と、前記固定子の内周側に所定の空隙を介して回転自由に支持された回転子とから成り、前記回転子を構成する回転子鉄心の外周部に軸方向に設けた多数のスロットと、前記スロット内に埋設した複数のかご型導体と、前記かご型導体を軸方向端面で短絡する導電性のエンドリングと、前記かご型導体の内周側に埋設した２極構成の永久磁石とを備えた永久磁石式同期電動機において、前記永久磁石の磁極間を周方向に空孔と磁性体とで構成し、前記磁性体の周方向ピッチ角度θと前記磁極間の周方向ピッチ角度βの比θ／βを０.１７〜０.８０となるように構成したことである。

本発明によれば、コスト増を招くことなく、力率を改善し、かつ高効率・高トルクな永久磁石同期電動機およびその回転子、あるいはこれらを用いた圧縮機を提供することができる。

以下、本発明の一実施例を図面を参照して説明する。

図１は本発明の第１の実施例による永久磁石同期電動機の回転子の径方向断面図である。図において、回転子１は、シャフト６上に設けられた回転子鉄心２の内部に、多数の始動用のかご型導体３と、磁石挿入孔７に埋設した希土類を主成分とする永久磁石４を、極数が２極となるように配置して構成している。永久磁石４の磁極間は空孔５と磁性体８とで構成しており、磁性体８の周方向ピッチ角度θが、永久磁石４の一極に含まれるブリッジ８ａの角度の総和αよりも大きくなるように構成する。ブリッジ８ａを設けることで、回転子１の強度を増大することができる。磁性体８の部分は、珪素鋼板を打ち抜き、空孔を構成した後、新たに鉄等を挿入することで構成してもよいし、珪素鋼板を打ち抜かずそのままにして構成してもよい。また、回転子鉄心２は圧粉磁心などの粉末成形体を用いてもよい。さらに、回転子鉄心２と永久磁石４とを一体成形により構成してもよい。

ここでは簡単のため、α＝２°とした場合を考える。このとき、θ／αの最大値は２１とする。

図２は定格運転時におけるθ／αと力率の関係を示したものである。図２より、θをαよりも大きくなるように構成することで、力率を向上させることができる。３≦θ／αであれば、力率８５％以上を達成でき、なお良い。θ／α＝１５のときに力率は最高となる。ここで、θ／αを上記のように設定することによって力率が改善される理由は次の通りである。θ／α＜１５の範囲では、θ／αを徐々に大きくしていくにつれ、リラクタンストルクが大きくなり、その分、磁石トルクが相対的に小さくてすむ、すなわち、より小さな電流を流すだけでよくなり、その結果、力率が改善する。一方、θ／α＞１５の範囲では、磁極間の漏れ磁束が増大する。したがって、リラクタンストルクの増大よりも、磁石トルクの低下が顕著になり、減少分を補完するための電流が余計に必要となり、力率が低下している。

図３はθ／αと最大トルクの関係、およびθ／αと定格効率の関係を示したものである。最大トルクは定格トルクの大きさを基準として表している。図より、θをαよりも大きくなるように構成することで、最大トルクを向上させることができる。これはリラクタンストルクの増加分が最大トルク向上に寄与しているためである。効率に関しても同様で、リラクタンストルクの増加により、電流が少なくてすみ、効率が向上している。θ／α＞９の範囲で最大トルクが減少傾向に転じているのは、極間磁性体の増加に伴うインダクタンスの増大により、負荷角が増大し、脱調しやすくなっているためである。

なお、図１において永久磁石４を一の字状，ハの字形状，台形状または略円弧状に配置した場合においても、図１と同様の特性を得ることができる。

図４は本発明の他の実施例による永久磁石同期電動機の回転子の径方向断面図である。図４において、図１と同一構成要素には同一符号を付け、重複説明は避ける。図１と異なる点は、一極あたり３枚の永久磁石を配置し、ブリッジを計２箇所設けていることである。このように構成しても、図１と同様の特性を得ることができる。

図５は本発明の他の実施例による永久磁石同期電動機の回転子の径方向断面図である。図５において、図１と同一構成要素には同一符号を付け、重複説明は避ける。図１と異なる点は、一極あたり４枚の永久磁石を配置し、ブリッジを計６箇所設けていることである。このように構成しても、図１と同様の特性を得ることができる。

図６は本発明の他の実施例による永久磁石同期電動機の回転子の径方向断面図である。図６において、図１と同一構成要素には同一符号を付け、重複説明は避ける。図１と異なる点は、永久磁石の一極にブリッジ８ａが設けられていないことである。このような構成の場合には、磁性体８の周方向ピッチ角度θと磁極間の周方向ピッチ角度βの比θ／βを０.１７〜０.８０となるように構成する。磁性体８の部分は、珪素鋼板を打ち抜き、空孔を構成した後、新たに鉄等を挿入することで構成してもよいし、珪素鋼板を打ち抜かずそのままにして構成してもよい。また、回転子鉄心２は圧粉磁心などの粉末成形体を用いてもよい。さらに、回転子鉄心２と永久磁石４とを一体成形により構成してもよい。

図７は定格運転時におけるθ／βと力率の関係を示したものである。ここで、力率とは、電力会社から供給される電力をいかに有効に使用しているかを表す指標であり、高力率な機器ほど電力会社が発電している電力を有効に利用していることを意味する。つまり、個々の機器の力率向上は電力会社にとって無駄な電力消費を抑制することに等しく、ひいては設備容量の低減につながる。そのため、近年の電力業界では契約電力に応じて力率割引制度を設け、既存の電力設備の負荷低減を図る動きが活発になっている。具体的には、大手電力会社では、力率８５％以上の場合は割引料金を、それ以下の場合は割増料金を適用している。このような理由により、力率８５％を達成しているか否かは、非常に重要な指標となる。図７より、０.１４≦θ／β とすることで、力率８５％以上を達成でき、θ／β＝０.７１で力率が最高になる。θ／βを上記のように設定することによって力率が改善される理由は次の通りである。θ／β＜０.７１の範囲では、θ／βを零から徐々に大きくしていくにつれ、リラクタンストルクが大きくなり、その分、磁石トルクが相対的に小さくてすむ、すなわち、より小さな電流を流すだけでよくなり、その結果、力率が改善する。一方、θ／β＞０.７１の範囲では、磁極間の漏れ磁束が増大する。したがって、リラクタンストルクの増大よりも、磁石トルクの低下が顕著になり、減少分を補完するための電流が余計に必要となり、力率が低下している。

図８はθ／βと最大トルクの関係を示したものである。０.１７≦θ／β≦０.８０の範囲において、最大トルクは定格トルクの２.０倍以上となっている。これはリラクタンストルクの増加分が最大トルク向上に寄与しているためである。θ／β＞０.４３の範囲で最大トルクが減少傾向に転じているのは、極間磁性体の増加に伴うインダクタンスの増大により、負荷角が増大し、脱調しやすくなっているためである。最大トルクは、定格トルクの２倍以上とすることがＪＩＳ（日本工業規格）により定められており、図９や図１０に示すような従来技術では、上記理由により、力率の向上と最大トルクの向上の両立が困難である。

ここで、図９において、図６と同一構成要素には同一符号を付け、重複説明は避ける。図６と異なる点は、磁極間を磁性体８のみで構成し、空孔５を施していないことである。

同様に、図１０において、図６と同一構成要素には同一符号を付け、重複説明は避ける。図６と異なる点は、磁極間を空孔５のみで構成し、磁性体８を設けていないことである。空孔５は、非磁性体または起磁力の小さな永久磁石などで構成してもよい。

図１１はθ／βと効率の関係を示したものである。図１１に示すように、θ／βを大きくすると、リラクタンストルクが増加し、磁石トルクが相対的に小さくてすむ、すなわち、より小さな電流を流すだけでよくなり、効率が向上している。

なお、図７，図８および図１１に示す結果は、図２および図３に示した結果とほぼ同等となったが、これは、実施例１において一極に含まれるブリッジの角度が２°であり、ブリッジを設けていない実施例４と比較して、その差異がほとんどないことを意味している。したがって、以下の実施例では、実施例４で参照した図６との差異に関して述べることにする。

図１２は本発明の他の実施例による永久磁石同期電動機の回転子の径方向断面図である。図１２において、図６と同一構成要素には同一符号を付け、重複説明は避ける。図６と異なる点は、磁石開度が小さく、磁極間の開度が大きくなっていることである。このように構成しても、図６と同様の特性を得ることができる。

図１３は本発明の他の実施例による永久磁石同期電動機の回転子の径方向断面図である。図１３において、図６と同一構成要素には同一符号を付け、重複説明は避ける。図６と異なる点は、かご型導体の数が２２本からより多い２８本であることである。また、固定子のスロットの数が３０から３６にしたことである。

図１４は定格運転時におけるθ／βと力率の関係を示したものである。図１４より、
０.２０≦θ／βとすることで、力率８５％以上を達成できる。

図１５はθ／βと最大トルクおよび効率の関係を示したものである。０.２２≦θ／β≦０.８０の範囲において、最大トルクは定格トルクの２.０倍以上となっている。また、効率はθ／β＝０の場合と比較して向上していることがわかる。

以上のように、かご型導体の数が異なる場合においても、０.２２≦θ／β≦０.８０とすることで、力率・効率・最大トルクの改善を図ることができる。

また、上記特性の改善効果は、極数が４極以上の構成においても同様にして得ることができる。

図１６は本発明の他の実施例による永久磁石同期電動機の回転子の径方向断面図である。図１６において、図６と同一構成要素には同一符号を付け、重複説明は避ける。図６と異なる点は、一極あたり４枚の永久磁石を略円弧状に配置していることである。このように構成しても、図６と同様の特性を得ることができる。

図１７は本発明の他の実施例による永久磁石同期電動機の回転子の径方向断面図である。図１７において、図６と同一構成要素には同一符号を付け、重複説明は避ける。図６と異なる点は、一極あたり３枚の永久磁石を台形状に配置していることである。このように構成しても、図６と同様の特性を得ることができる。

図１８は本発明の他の実施例による永久磁石同期電動機の回転子の径方向断面図である。図１８において、図６と同一構成要素には同一符号を付け、重複説明は避ける。図６と異なる点は、一極あたり２枚の永久磁石をハの字形状に配置していることである。このように構成しても、図６と同様の特性を得ることができる。

図１９は本発明の他の実施例による永久磁石同期電動機の回転子の径方向断面図である。図１９において、図６と同一構成要素には同一符号を付け、重複説明は避ける。図６と異なる点は、一極あたり１枚の永久磁石を一の字形状に配置していることである。このように構成しても、図６と同様の特性を得ることができる。

図２０は本発明の他の実施例による永久磁石同期電動機の回転子の径方向断面図である。図２０において、図６と同一構成要素には同一符号を付け、重複説明は避ける。図６と異なる点は、永久磁石がかご型導体３の内周側にある程度の間隔を設けて配置されている一方で、空孔５はかご型導体３の内周側にぴったりと隣接するように配置されていることである。このように構成しても、図６と同様の特性を得ることができる。

なお、図２０において、永久磁石を一の字状，ハの字形状，台形状または略円弧状に配置した場合においても、図６と同様の特性を得ることができる。

図２１は本発明の他の実施例による永久磁石同期電動機の回転子の径方向断面図である。図２１において、図６と同一構成要素には同一符号を付け、重複説明は避ける。図６と異なる点は、磁極間の空孔および磁性体が、磁極間の径方向に伸びる中心線を境界として非対称となっていることである。このように構成しても、図６と同様の特性を得ることができる。

図２２は本発明の他の実施例による永久磁石同期電動機の回転子の径方向断面図である。図２２において、図６と同一構成要素には同一符号を付け、重複説明は避ける。図２２では、上下２組の積層鋼板があるが、下側は図２１に示した構成と同様に、磁極間の空孔および磁性体が、磁極間の径方向に伸びる中心線を境界として非対称となっている。一方、上側は図２１に示す鋼板を、磁極の径方向に伸びる中心線を軸として反転させて積層している。このような２組の積層鋼板を軸方向に重ね合わせることにより、トルク脈動を低減することができる。

図２３は、本発明の一実施例による圧縮機の断面構造図である。図２３において、圧縮機構部は、固定スクロール部材１３の端板１４に直立する渦巻状ラップ１５と、旋回スクロール部材１６の端板１７に直立する渦巻状ラップ１８とを噛み合わせて形成されている。そして、旋回スクロール部材１６をクランクシャフト６によって旋回運動させることで圧縮動作を行う。

固定スクロール部材１３及び旋回スクロール部材１６によって形成される圧縮室１９
（１９ａ，１９ｂ，……）のうち、最も外径側に位置している圧縮室１９は、旋回運動に伴って両スクロール部材１３，１６の中心に向かって移動し、容積が次第に縮小する。

両圧縮室１９ａ，１９ｂが両スクロール部材１３，１６の中心近傍に達すると、両圧縮室１９内の圧縮ガスは圧縮室１９と連通した吐出口２０から吐出される。吐出された圧縮ガスは、固定スクロール部材１３及びフレーム２１に設けられたガス通路（図示せず）を通ってフレーム２１下部の圧力容器２２内に至り、圧力容器２２の側壁に設けられた吐出パイプ２３から圧縮機外に排出される。圧力容器２２内に、図１〜図２２にて説明したように、固定子９と回転子１とで構成される永久磁石式同期電動機２４が内封されており、一定速度で回転し、圧縮動作を行う。

同期電動機２４の下部には、油溜部２５が設けられている。油溜部２５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６内に設けられた油孔２６を通って、旋回スクロール部材１６とクランクシャフト６との摺動部、滑り軸受け２７等の潤滑に供される。

このように、圧縮機駆動用電動機として、図１〜図２２で述べた永久磁石同期電動機を適用すれば、一定速圧縮機の高力率化・高効率化・高トルク化を実現できる。

以上の実施例によれば、コスト増を招くことなく、かつ必要な最大トルクを確保でき、力率・効率を改善できる回転子構造を備えた永久磁石同期電動機及びその回転子、あるいはこれらを用いた圧縮機を提供できる。

なお、本実施例では、２極構成の永久磁石とを備えた永久磁石式同期電動機について述べたが、永久磁石の極数は２極に限定されるものでなく、２極以外でも同様の効果を奏するものである。

本発明の第１の実施例による永久磁石同期電動機の回転子の径方向断面図。本発明の第１の実施例におけるθ／αと力率の関係を示すグラフ。本発明の第１の実施例におけるθ／αと効率および最大トルクの関係を示すグラフ。本発明の第２の実施例による永久磁石同期電動機の回転子の径方向断面図。本発明の第３の実施例による永久磁石同期電動機の回転子の径方向断面図。本発明の第４の実施例による永久磁石同期電動機の回転子の径方向断面図。本発明の第４の実施例におけるθ／βと力率の関係を示すグラフ。本発明の第４の実施例におけるθ／βと最大トルクの関係を示すグラフ。リラクタンストルクを活用する場合における従来の回転子構造の径方向断面図。漏れ磁束を低減する場合における従来の回転子構造の径方向断面図。本発明の第４の実施例におけるθ／βと効率の関係を示すグラフ。本発明の第５の実施例による永久磁石同期電動機の回転子の径方向断面図。本発明の第６の実施例による永久磁石同期電動機の回転子の径方向断面図。本発明の第６の実施例におけるθ／βと力率の関係を示すグラフ。本発明の第６の実施例におけるθ／βと効率および最大トルクの関係を示すグラフ。本発明の第７の実施例による永久磁石同期電動機の回転子の径方向断面図。本発明の第８の実施例による永久磁石同期電動機の回転子の径方向断面図。本発明の第９の実施例による永久磁石同期電動機の回転子の径方向断面図。本発明の第１０の実施例による永久磁石同期電動機の回転子の径方向断面図。本発明の第１１の実施例による永久磁石同期電動機の回転子の径方向断面図。本発明の第１２の実施例による永久磁石同期電動機の回転子の径方向断面図。本発明の第１３の実施例による永久磁石同期電動機の回転子の径方向断面図。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…回転子、２…回転子鉄心、３…かご型巻線、４…永久磁石、５…空孔、６…シャフト又はクランクシャフト、７…磁石挿入孔、８…磁性体、８ａ…ブリッジ、９…固定子、１０…スロット、１１…ティース、１２…電機子巻線、１３…固定スクロール部材、１４，１７…端板、１５，１８…渦巻状ラップ、１６…旋回スクロール部材、１９…圧縮室、２０…吐出口、２１…フレーム、２２…圧力容器、２３…吐出パイプ、２４…同期電動機、２５…油溜部、２６…油孔、２７…滑り軸受け。

Claims

固定子巻線を備えた固定子と、前記固定子の内周側に所定の空隙を介して回転自由に支持された回転子とから成り、前記回転子を構成する回転子鉄心の外周部に軸方向に設けた多数のスロットと、前記スロット内に埋設した複数のかご型導体と、前記かご型導体を軸方向端面で短絡する導電性のエンドリングと、前記かご型導体の内周側に埋設した永久磁石とを備えた永久磁石式同期電動機において、前記永久磁石の磁極間を周方向に空孔と磁性体とで構成し、
前記磁性体の周方向ピッチ角度θと前記磁極間の周方向ピッチ角度βの比θ／βを０.１７〜０.８０となるように構成したことを特徴とする永久磁石同期電動機。
請求項１において、前記永久磁石を一の字状，ハの字形状，台形状または略円弧状に配置することを特徴とする永久磁石同期電動機。
請求項１において、前記永久磁石の極数が２極であることを特徴とする永久磁石同期電動機。
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駆動電動機を備えた圧縮機において、
前記駆動電動機は、固定子巻線を備えた固定子と、前記固定子の内周側に所定の空隙を介して回転自由に支持された回転子とから成り、前記回転子を構成する回転子鉄心の外周部に軸方向に設けた多数のスロットと、前記スロット内に埋設した複数のかご型導体と、
前記かご型導体を軸方向端面で短絡する導電性のエンドリングと、前記かご型導体の内周側に埋設した永久磁石とを備え、前記永久磁石の磁極間を周方向に空孔と磁性体とで構成し、前記磁性体の周方向ピッチ角度θと前記磁極間の周方向ピッチ角度βの比θ／βを０.１７〜０.８０となるように構成した永久磁石同期電動機であることを特徴とする圧縮機。