JP5783898B2

JP5783898B2 - 永久磁石電動機及び圧縮機

Info

Publication number: JP5783898B2
Application number: JP2011287255A
Authority: JP
Inventors: 暁史高橋; 湧井　真一; 真一湧井; 恵理丸山
Original assignee: Hitachi Appliances Inc
Current assignee: Hitachi Appliances Inc
Priority date: 2011-12-28
Filing date: 2011-12-28
Publication date: 2015-09-24
Anticipated expiration: 2031-12-28
Also published as: CN104025433B; WO2013099477A1; CN104025433A; JP2013138531A

Description

本発明は永久磁石電動機、およびこれを用いた圧縮機に関するものである。

一般に電動機のトルクは、固定子と回転子との間のギャップに発生する磁束密度ベクトルの２乗に比例する。一定トルクを発生するためには、固定子がギャップに発生する起磁力分布を正弦波とし、かつ回転子がギャップに発生する起磁力分布を正弦波とすることが望ましい。しかしながら実際には、固定子は、巻線を具備するための複数のスロット部と、該巻線を巻き回した複数のティース部と、を回転方向に対して周期的に有するため、起磁力分布にはスロット高調波と呼ばれる高調波成分が含まれ、歪みが生じる。また、固定子巻線が複数相で構成される（一般に、永久磁石電動機はＵＶＷの三相交流の構成が多く、ほかには単相交流をコンデンサ等で分相し二相交流で構成するもの等がある）ことから、各相の合成起磁力の分布には起磁力高調波と呼ばれる高調波成分が含まれ、同様に歪みが生じる。このような起磁力分布の歪みが、トルクリプルを発生し、駆動安定性および静音性を悪化させる要因となっていた。先行技術文献１では、トルクリプルを低減する目的で、複数のティース部を周期的にギャップ方向に突出させ、起磁力分布の歪みを低減する技術に関して述べている。

実用新案第２５５９４５０号公報

上述したように、永久磁石電動機のトルクにはリプルが含まれるため、このリプルを可能な限り低減し、一定トルクを発生するよう設計するのが一般的である。

しかしながら、モータを搭載する駆動システムによっては、必ずしも一定トルクを発生することが得策とは言えない場合がある。例えば冷媒を圧縮するための冷媒圧縮機においては、冷媒圧縮動作の際に負荷変動が発生しており、冷媒吐出時に最も負荷トルクが大きくなる。このような負荷変動を有する駆動システムに対して、一定トルクを発生するモータを設計・適用すると、図８に示すように負荷の脈動がピークとなる時には電流が増加し、効率の低下を招く。また、最大負荷での運転時には、前記の電流増加が過電流検出の閾値をオーバーすることで、モータ停止頻度が増加し、システムの信頼性低下を招く虞もある。

本発明の目的は、負荷の脈動に合わせたトルクを出力し、電流増加を抑制することでモータ効率を向上するとともに、負荷変動に起因する過電流検出を抑制し、信頼性を向上することが可能な永久磁石電動機及びこれを用いた圧縮機を提供することである。

複数のティースを有する固定子と、該固定子に対して所定のギャップを介して内周側に配置される回転子と、を備えた永久磁石電動機において、前記複数のティースのうち少なくとも一つのティースのギャップ方向における透過磁束が、他のティースのギャップ方向における透過磁束よりも多くなるように構成され、前記回転子において、透過磁束が多くなるように構成された前記ティースと同じ数の部位におけるギャップ方向の透過磁束が、他の部位のギャップ方向における透過磁束よりも多くなるように構成される。

本発明によれば、負荷の脈動に合わせたトルクを出力し、電流増加を抑制することでモータ効率を向上するとともに、負荷変動に起因する過電流検出を抑制し、信頼性を向上することが可能な永久磁石電動機及びこれを用いた圧縮機を提供することができる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の一実施例による圧縮機の断面構造図。本発明の第１の実施例による永久磁石電動機の径方向断面図。本発明の第２の実施例による永久磁石電動機の径方向断面図。本発明の第３の実施例による永久磁石電動機の径方向断面図。本発明の第３の実施例による永久磁石電動機の径方向断面図。本発明の第３の実施例による永久磁石電動機の径方向断面図。本発明の第４の実施例による永久磁石電動機の径方向断面図。冷媒圧縮機の負荷変動を説明するための図。

以下、本発明の一実施例について図面を参照して説明する。引用する図面において、回転方向は反時計回りとするが、時計回りの回転方向であっても、形状を反転することで本発明で意図する効果と同様の効果を得ることができる。

図１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１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。吸込み配管２３から吸入された空気は、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が行われる。

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が固定スクロール部材１３及び旋回スクロール部材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（図示せず）から圧縮機外に排出される。

圧力容器２２内に、永久磁石電動機２４が内封されており、任意の速度で回転し、圧縮動作を行う。永久磁石電動機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。

この圧縮機は、冷媒圧縮動作の際に負荷変動が発生しており、冷媒吐出時に最も負荷トルクが大きくなる。このような負荷変動を有する駆動システム（圧縮機）を駆動する永久磁石電動機２４として、一定トルクを発生するものを適用すると、図８に示すように負荷の脈動がピークとなる時には電流が増加し、効率の低下を招くことになる。そこで、本実施例においては、以下に説明するように、負荷のピーク時に合わせてトルクを出力することが可能な永久磁石電動機２４を採用するものである。

図２に本実施例による永久磁石電動機２４の径方向断面図を示す。図２の永久磁石電動機２４は、複数の固定子ティース５２を具備する固定子５０と、固定子５０に対して所定のギャップを介して配置される回転子１と、から構成される。そして、固定子ティース５２のうち少なくとも一つにおいてギャップ方向の透過磁束が、他のティースよりも透過容易となるよう構成するとともに、回転子１の少なくとも一極において、ギャップ方向の透過磁束が、他の極よりも透過容易となるよう構成する。

すなわち、固定子５０においては、複数の固定子ティース５２のうち少なくとも一つの固定子ティース５２のギャップ方向における透過磁束が、他の固定子ティース５２のギャップ方向における透過磁束よりも多くなるように構成される。そして一方で、回転子１において、透過磁束が多くなるように構成された固定子ティース５２と同じ数の部位におけるギャップ方向の透過磁束が、他の部位のギャップ方向における透過磁束よりも多くなるように構成されるものである。

図２では、そのための手段として、固定子ティース５２のうち少なくとも一つが前記ギャップ方向に突出する部位（固定子ティース突出部５５）を有するとともに、回転子１の一極における外周面の一部がギャップ方向に突出する部位（回転子外周面突出部８）を有する構成となっている。すなわち、固定子５０においては、透過磁束が多くなるように構成されたティースは、他のティースに比べてギャップ方向に突出した部位（固定子ティース突出部５５）が形成される。そして一方で回転子においては、透過磁束が多くなるように構成された部位（回転子外周面突出部８）は、他の部位に比べてギャップ方向に突出するように形成される。

このように図２の構成が通常のモータと異なっている点は、固定子ティース突出部５５と回転子外周面突出部８とを有する点である。通常のモータでは、このような突出部は設けず、トルクリプルの少ない一定トルクを出力するよう設計する。これに対し、図２のような構成とする場合には、固定子ティース突出部５５と回転子外周面突出部８とが対向するときに大きなトルクを得られるとともに、そのような位置関係は一回転につき１回のみ生じさせることができる。

したがって、例えば、シングルロータリ圧縮機のように一回転につき１回のピーク負荷を有するシステムに本実施例の永久磁石電動機を適用すれば、負荷変動に適合したトルクを一定電流下で発生することが可能となる。これにより、負荷変動に起因する電流増加を抑制することが可能となるので、一定トルクを出力するよう設計されたモータと比較して、モータ効率が向上するとともに、過電流検出を抑制し、システムの信頼性および冗長性が向上する。

また、例えばツインロータリ圧縮機のように一回転につき２回のピーク負荷を有するシステムの場合は、固定子ティース突出部５５と回転子外周面突出部８をもう一組設けることで、同様の効果を得ることができる。このとき、ピーク負荷がモータ回転角に対して等間隔で出現するのであれば、固定子ティース突出部５５は回転軸を挟んで対向するよう配置するとともに、回転子外周面突出部８も同様に回転軸を挟んで対向するよう配置することで、より大きな効果が得られる。一方、ピーク負荷がモータ回転軸に対して不等間隔で出現するのであれば、その出現間隔に合わせて、固定子ティース突出部５５および回転子外周面突出部８を配置することで、より大きな効果が得られる。

同様にして、一回転につき２回よりも多いピーク負荷を有するシステムにおいても突出部を構成することで、負荷変動に起因する電流増加を抑制することが可能となるので、一定トルクを出力するよう設計されたモータと比較して、モータ効率が向上するとともに、過電流検出を抑制し、システムの信頼性および冗長性が向上する。

また、モータ出力軸にギア比α（α＞１）の増速ギアを連結したシステムで、かつギアの出力軸側が、一回転につき１回のピーク負荷を有するシステムの場合、モータ一回転がα倍の回転数として出力される。したがって、モータの一回転において、α回の脈動を持たせる構成とする、すなわち、固定子ティース突出部５５と回転子外周面突出部８の組合せをα組設けることで、シングルロータリ圧縮機の場合と同様に、負荷変動に適合したトルクを一定電流下で発生することが可能となる。これにより、負荷変動に起因する電流増加を抑制することが可能となるので、一定トルクを出力するよう設計されたモータと比較して、モータ効率が向上するとともに、過電流検出を抑制し、システムの信頼性および冗長性が向上する。一方、ギア出力軸側が一回転につき複数回のピーク負荷を有するシステムの場合においても、上述した考え方に依って突出部を設けることで、同様の効果を得ることができる。

なお、図２では固定子ティース突出部５５の回転方向幅は、ティース先端部回転方向幅の約半分となっており、また回転子外周面突出部８の回転方向幅は、回転子一極の回転方向幅の約半分となっているが、突出部の幅は、ピーク負荷が印加される期間もしくは機械角ピッチに合わせて、自由に調整してよい。

以下、図３を用いて本発明の実施例２について説明する。
実施例１で述べた構成は、負荷の脈動に合わせてトルクを出力することができる反面、ギャップ方向に突出部を設けるため、モータ組み立て時の軸ズレ・偏芯により、固定子内径と回転子外径が機械的に干渉する虞があった。干渉すると振動・騒音の増大を招く虞が生じる。機械的干渉や振動・騒音増加を回避するべく、突出部対向時のギャップ長を従来設計の水準に合わせると、非突出部のギャップ長が甚大となり、脈動ピーク以外の期間では、十分なトルクを発生できなくなる。

本実施例ではこの課題を解決するための手段について説明する。すなわち本実施例の永久磁石電動機は、機械的に磁束透過容易な部分を設ける構成ではなく、磁気的に磁束透過容易な部分を設ける構成とすることにより、機械的干渉や振動・騒音増加を回避しつつ、さらに脈動ピーク以外の期間も十分なトルクを出すことを可能としながら、さらに実施例１と同様の効果を得ることを可能とするものである。

図３に本実施例の永久磁石電動機の径方向断面図を示す。図３において、図２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３の構成が図２と異なる点は、まず固定子磁束透過容易部５６に示すように、少なくとも一つのティースにおいて、該ティースを構成する磁性体の全部または一部の透磁率を、他の磁性体の透磁率よりも高くすることである。すなわち透過磁束が多くなるように構成された固定子ティース５２として、その一部又は全部を他のティースに比べて透磁率の高い部材（固定子磁束透過容易部５６）により形成するものであり、この部材（固定子磁束透過容易部５６）としてはたとえばアモルファス材やナノクリスタル材を用いると良い。

一方で回転子１として回転子磁束透過容易部９に示すように、少なくとも一極において、その極を構成する磁性体の全部または一部の透磁率を、回転子を構成する他の磁性体の透磁率よりも高くしている点である。すなわち透過磁束が多くなるように構成された部位（回転子磁束透過容易部９）は、他の部位に比べて透磁率の高い部材により形成される。なお、この部材（回転子磁束透過容易部９）としてはたとえばアモルファス材やナノクリスタル材を用いると良い。

このような構成とすることで、固定子磁束透過容易部５６と回転子磁束透過容易部９とが対向するときに大きなトルクを得られるとともに、そのような位置関係は一回転につき１回のみ生じさせることができる。したがって実施例１と同じく、一回転につき１回のピーク負荷を有するシステムにおいて、負荷変動に適合したトルクを一定電流下で発生することが可能となる。これにより、負荷変動に起因する電流増加を抑制することが可能となるので、一定トルクを出力するよう設計されたモータと比較して、モータ効率が向上するとともに、過電流検出を抑制し、システムの信頼性および冗長性が向上する。

さらに、機械的なギャップ長は周方向でほぼ一様なので、従来モータの設計を踏襲することで、モータ組み立て時の軸ズレ・偏芯による機械的干渉や振動・騒音増加を回避できると同時に、脈動ピーク以外の期間でトルクが大幅に低下することも無い。

なお、上記は一回転につき１回のピーク負荷を有するシステムを対象として述べているが、固定子磁束透過容易部５６および回転子磁束透過容易部９を複数組設けることで、一回転につき２回以上のピーク負荷を有するシステムや、ギアを連結したシステムにおいても、実施例１で述べたのと同様の効果を得ることができる。また、図２の回転子１又は固定子５０の構成を、実施例１に示した回転子１又は固定子５０の構成と組合せても良い。

本実施例の他の形態としては、回転子磁束透過容易部９を設ける代わりに、回転子１のうち少なくとも一極において、その極を構成する永久磁石４の全部または一部に関し、当該永久磁石の残留磁束密度を他の磁石よりも大きくする構成としても良い。このような構成とすることで、残留磁束密度の高い永久磁石と回転子磁束透過容易部９とが対向するときに大きなトルクを得られるとともに、そのような位置関係は一回転につき１回のみ生じさせることができるので、上記した本実施例により得られる効果と同様の効果を得ることができる。なお、この構成を実施例１に示した構成と組合せても良いし、または、図３に示した構成と組合せても良い。

以下、図４〜図６を用いて本発明の実施例３について説明する。
図４は本実施例による永久磁石電動機の径方向断面図を示す。図４において、図２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４の構成が図２と異なる点は、まず固定子ティース５２のうち少なくとも一つに固定子スリット５３（空孔）を設けることで、相対的に磁束透過容易となる部位（固定子磁束透過容易部５６）を設ける点である。また一方で回転子１の複数の極において、それらの極を構成する磁性体の一部に回転子スリット７（空孔）を設け、かつ、前記回転子１のうち少なくとも一極は、前記回転子スリット７を設けた複数の極に対して、スリットの断面積を小さくするかスリットを無くすことで、相対的に磁束透過容易となる部位（回転子磁束透過容易部９）を設けている点である。

このような構成とすることで、固定子磁束透過容易部５６と回転子磁束透過容易部９とが対向するときに大きなトルクを得られるとともに、そのような位置関係は一回転につき１回のみ生じさせることができる。よって冷媒圧縮機などの一回転につき１回のピーク負荷を有するシステムの負荷ピークに合わせて本実施例の永久磁石電動機を採用することで、負荷変動に適合したトルクを一定電流下で発生することが可能となる。詳細な説明は省略するが、実施例１、２と同様の効果が得られることは明らかである。

なお、図４の構成は製作性の面でも優れており、基本的には、モータコアを打ち抜き加工する際に、図４に示すような固定子スリット５３よび回転子スリット７を設けた打ち抜き型を用意することで製作でき、実施例２のように、特定箇所の構成材料や物性を変えるといった手間がかからない。また、図５に示すように、固定子ティース５２に設ける固定子スリット５３をギャップ面に対して凹となる溝状に構成してもよい。また、図６に示すように、回転子に設ける回転子スリット７のうち、ギャップ面に対して凹となる溝状の回転子スリット７ｂを追加しても良い。

なお、上記は一回転につき１回のピーク負荷を有するシステムを対象として述べているが、固定子磁束透過容易部５６および回転子磁束透過容易部９を複数組設けることで、一回転につき２回以上のピーク負荷を有するシステムや、ギアを連結したシステムにおいても、実施例１で述べたのと同様の効果を得ることができる。また、図４、図５、図６の構成を、実施例１および実施例２に示したいずれかまたは両方の構成と組合せても良い。

図７に本発明の第１の実施例による永久磁石電動機の径方向断面図を示す。図７において、図４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７の構成が図４と異なる点は、ティース５２ａの回転方向の幅を他のティースよりも大きくし、磁束透過容易となる部位（固定子磁束透過容易部５６）を設けている点である。このような構成とすることで、固定子磁束透過容易部５６と回転子磁束透過容易部９とが対向するときに大きなトルクを得られるとともに、そのような位置関係は一回転につき１回のみ生じるので、一回転につき１回のピーク負荷を有するシステムにおいて、負荷変動に適合したトルクを一定電流下で発生することが可能となる。これにより、負荷変動に起因する電流増加を抑制することが可能となるので、一定トルクを出力するよう設計されたモータと比較して、モータ効率が向上するとともに、過電流検出を抑制し、システムの信頼性および冗長性が向上する。また、機械的なギャップ長は周方向でほぼ一様なので、従来モータの設計を踏襲することで、モータ組み立て時の軸ズレ・偏芯による機械的干渉や振動・騒音増加を回避できると同時に、脈動ピーク以外の期間でトルクが大幅に低下することも無い。また、図７の構成は製作性の面でも優れており、基本的には、モータコアを打ち抜き加工する際に、図７に示すような固定子スリット５３よび回転子スリット７を設けた打ち抜き型を用意することで製作でき、実施例２のように、特定箇所の構成材料や物性を変えるといった手間がかからない。

なお、上記は一回転につき１回のピーク負荷を有するシステムを対象として述べているが、固定子磁束透過容易部５６および回転子磁束透過容易部９を複数組設けることで、一回転につき２回以上のピーク負荷を有するシステムや、ギアを連結したシステムにおいても、実施例１で述べたのと同様の効果を得ることができる。また、図７の構成を、実施例１、実施例２、および実施例３に示したいずれかまたは全ての構成と組合せても良い。

以上に説明した実施例のいずれかの永久磁石電動機を図１の圧縮機に採用すれば、冷媒を吸い込んで圧縮し、吐出する圧縮機構部（圧縮室１９）と、この圧縮機構部（圧縮室１９）を駆動する永久磁石電動機２４を備えた圧縮機において、永久磁石電動機２４は、一回転する間で当該圧縮機の負荷トルクが大きくなる時間に、固定子５０の透過磁束が多くなるように形成されたティースと、回転子１の透過磁束が多くなるように形成された部位とがギャップを介して対向する位置となるように構成されると、それぞれの実施例で説明した効果を得ることができる。

１回転子
２回転子鉄心
３永久磁石
４永久磁石挿入孔
５シャフト孔
６クランクシャフト
７回転子スリット
８回転子外周面突出部
９回転子磁束透過容易部
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吸込み配管
２４永久磁石電動機
２５油溜部
２６油孔
２７滑り軸受け
５０固定子
５１固定子鉄心
５２固定子ティース
５３固定子スリット
５４固定子巻線
５５固定子ティース突出部
５６固定子磁束透過容易部

Claims

複数のティースを有する固定子と、
該固定子に対して所定のギャップを介して内周側に配置される回転子と、を備えた永久磁石電動機において、
前記複数のティースのうち少なくとも一つのティースのギャップ方向における透過磁束が、他のティースのギャップ方向における透過磁束よりも多くなるように構成され、
前記回転子において、透過磁束が多くなるように構成された前記ティースと同じ数の部位におけるギャップ方向の透過磁束が、他の部位のギャップ方向における透過磁束よりも多くなるように構成されることを特徴とする永久磁石電動機。
請求項１において、
透過磁束が多くなるように構成された前記ティースは、他のティースに比べてギャップ方向に突出した部位が形成されることを特徴とする永久磁石電動機。
請求項１又は２に記載の永久磁石電動機において、
前記回転子において、透過磁束が多くなるように構成された前記部位は、他の部位に比べてギャップ方向に突出するように形成されることを特徴とする永久磁石電動機。
請求項１において、
透過磁束が多くなるように構成された前記ティースは、その一部又は全部を他のティースに比べて透磁率の高い部材により形成されることを特徴とする永久磁石電動機。
請求項１又は４において、
前記回転子において、透過磁束が多くなるように構成された前記部位は、他の部位に比べて透磁率の高い部材により形成されることを特徴とする永久磁石電動機。
請求項１又は４において、
前記回転子において、透過磁束が多くなるように構成された前記部位は、他の部位に比べて永久磁石の残留磁束密度の高い部材により形成されることを特徴とする永久磁石電動機。
請求項１において、
前記複数のティースの一部または全部は内部に空孔が形成され、透過磁束が多くなるように構成された前記ティースは、前記した空孔が形成されない、あるいは他のティースに比べて空孔の断面積が小さいことを特徴とする永久磁石電動機。
請求項１又は７において、
前記回転子は外周側に複数の空孔が形成され、透過磁束が多くなるように構成された前記部位は、他の部位に比べて前記空孔が少なくなるように、又は空孔の断面積が小さくなるように形成されることを特徴とする永久磁石電動機。
請求項１において、
透過磁束が多くなるように構成された前記ティースは、他のティースに比べて回転方向の幅を大きく形成されることを特徴とする永久磁石電動機。
請求項９において、
回転方向の幅を小さくしたティースと、回転方向の幅を大きくしたティースの少なくとも一組が、回転軸を挟んで互いに対抗するよう配置したことを特徴とする永久磁石電動機。
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電動機を備えた圧縮機において、
前記電動機が請求項１〜１０の何れかに記載の永久磁石電動機であり、
該永久磁石電動機は、
一回転する間で当該圧縮機の負荷トルクが大きくなる時間に、前記固定子の透過磁束が多くなるように形成されたティースと、前記回転子の透過磁束が多くなるように形成された部位とがギャップを介して対向する位置となるように構成されることを特徴とする圧縮機。