JP6297220B2 - 圧縮機用電動機、圧縮機、および冷凍サイクル装置 - Google Patents

圧縮機用電動機、圧縮機、および冷凍サイクル装置 Download PDF

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Description

本発明は、圧縮機に内蔵される圧縮機用電動機、圧縮機、および冷凍サイクル装置に関する。
特許文献1に示す従来の圧縮機は、密閉容器と密閉容器内に配置された圧縮要素と回転軸を介して圧縮要素を駆動する電動機とを備え、電動機は、固定子と固定子の内側に配置され回転軸に回転力を与える回転子とを有し、圧縮要素に貫通する回転軸には偏心部が設けられている。
特開2012−231586号公報
特許文献1に示す従来の電動機では、回転子鉄心の積厚が固定子鉄心の積厚と等しく形成され、または回転子鉄心の積厚が固定子鉄心の積厚よりも大きく形成されている。回転子鉄心の積厚と固定子鉄心の積厚とがこのような関係にある電動機を圧縮器に用いた場合、回転子が回転した際、回転軸に設けられた偏心部に作用した遠心力に起因するたわみが生じ、回転軸のたわみにより固定子鉄心の軸心に対して回転子鉄心の軸心が傾き、回転子鉄心の軸方向端部の外周部が固定子鉄心の軸方向端部の内周部と対向しなくなる。このように回転子鉄心と固定子鉄心とが相対しない部分である非対向面が回転子鉄心に存在する場合、回転子で発生する磁束の内、非対向面から出る磁束は固定子鉄心の軸方向端部に取り込まれずに漏れ磁束となり、漏れ磁束の分のトルクが発生しないため電動機効率が低下するという問題点があった。
回転軸のたわみを防止するため回転子へバランスウエイトを設ける対策も考えられるが、バランスウエイトを用いた場合、コストの増加を招くため、特許文献1に示す従来の電動機は、コストの増加を招くことなく漏れ磁束に起因した電動機効率の低下を防止するというニーズに対応することができないという課題があった。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、コストの増加を招くことなく電動機効率の向上を図る圧縮機用電動機を得ることを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る圧縮機用電動機は、圧縮機に内蔵される圧縮機用電動機であって、電磁鋼板を複数積層して成る環状の固定子鉄心と、前記固定子鉄心の内側に配置され、電磁鋼板を複数積層して成る回転子鉄心と、一端側が前記回転子鉄心に挿入された回転軸と、前記回転軸の他端側に設けられ、前記圧縮機に内蔵される圧縮機構内に配置される偏心部と、を備え、前記回転子鉄心の軸方向における前記回転子鉄心の中心から前記回転子鉄心の軸方向における前記回転子鉄心の端面までの長さは、前記固定子鉄心の軸方向における前記固定子鉄心の中心から前記固定子鉄心の軸方向における前記固定子鉄心の端面までの長さよりも短く、前記圧縮機用電動機の運転時における前記回転子鉄心の一端面は、前記固定子鉄心の一端面の延長面上よりも前記回転子鉄心の軸方向中心側に位置する
この発明によれば、コストの増加を招くことなく電動機効率の向上を図ることができる、という効果を奏する。
本発明の実施の形態に係る圧縮機用電動機を内蔵した圧縮機の断面図 図1に示す電動機のA−A矢視断面図 図1に示す電動機が運転を停止しているときの回転子鉄心、固定子鉄心、および回転軸の状態を示す側面図 図3に示す電動機が通常運転中のときの回転子鉄心、固定子鉄心、および回転軸の状態を示す側面図 従来の電動機が運転を停止しているときの回転子鉄心、固定子鉄心、および回転軸の状態を示す側面図 図5に示す従来の電動機が通常運転中のときの回転子鉄心、固定子鉄心、および回転軸の状態を示す側面図 本発明の実施の形態に係る電動機が通常運転時よりも低速かつ高トルクで運転する際の磁束の流れを示す図 図5に示す従来の電動機が通常運転時よりも低速かつ高トルクで運転する際の磁束の流れを示す図 本発明の実施の形態に係る圧縮機を搭載した冷凍サイクル装置の構成図
以下に、本発明に係る圧縮機用電動機、圧縮機、および冷凍サイクル装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
実施の形態.
図1は本発明の実施の形態に係る圧縮機用電動機を内蔵した圧縮機の断面図である。圧縮機100は、図示しない蒸発器から供給される冷媒ガスと残存する液冷媒とを分離するアキュムレータ51と、密閉容器55内に設置され吸入パイプ52を介してアキュムレータ51から供給された冷媒ガスを圧縮する圧縮機構60と、密閉容器55内に設置され圧縮機構60を駆動する圧縮機用電動機である電動機4とを有する。
電動機4は固定子3および回転子1を備え、固定子3は、電磁鋼板である電磁鋼板母材から打ち抜かれた鉄心片を複数積層して成り密閉容器55の内周部に保持される固定子鉄心31と、絶縁部32と、絶縁部32を介して固定子鉄心31に集中巻方式または分布巻方式で巻かれ密閉容器55に固定されるガラス端子53からの電力が供給される巻線33とで構成される。回転子1は、電磁鋼板母材から打ち抜かれた鉄心片を複数枚積層して成り固定子鉄心31の内側に隙間5を介して配置される回転子鉄心11と、回転子鉄心11に埋め込まれた複数の永久磁石12とで構成される。
永久磁石12は回転子鉄心11に固定される。永久磁石12の固定方法としては、例えば回転子鉄心11に形成された磁石挿入孔へ圧入し、または永久磁石12に接着を塗布した上で回転子鉄心11に形成された磁石挿入孔へ挿入するといった方法が考えられる。一般的な回転子鉄心では、軸方向の一端面および他端面に、永久磁石の軸方向への抜けを防止するエンドプレートが配置されるが、本実施の形態に係る電動機4では、エンドプレートが用いられていないものとする。なお図示例では永久磁石12の軸方向の長さが回転子鉄心11の積厚と等しいが、永久磁石12の軸方向の長さは回転子鉄心11の積厚よりも短くまたは長くてもよい。回転子鉄心11の積厚とは電磁鋼板母材から打ち抜かれた回転子鉄心11用の鉄心片を複数積み重ねた厚さである。また永久磁石12はフェライト磁石と希土類磁石の何れでもよい。
圧縮機構60は、密閉容器55の内部に固定されアキュムレータ51からの冷媒ガスが供給されるシリンダ62と、回転軸2の他端側が挿入されシリンダ62の軸方向一端を閉塞する上部フレーム65と、上部フレーム65に装着された上部吐出マフラ61と、シリンダ62の軸方向他端を閉塞する下部フレーム64と、下部フレーム64に装着された下部吐出マフラ63と、シリンダ62に配置され回転軸2の偏心部2aと共にシリンダ62内を偏心回転運動するピストン66とを備える。
回転軸2の一端側は、回転子鉄心11に挿入され、回転軸2の他端側は、シリンダ62の内部空間を貫通して上部フレーム65および下部フレーム64により回転自在な状態で保持される。また回転軸2の他端側にはピストン66と共に冷媒を圧縮する偏心部2aが形成されている。
電動機4が回転しているときの圧縮機100の動作を説明する。アキュムレータ51から供給された冷媒ガスは、密閉容器55に固定された吸入パイプ52よりシリンダ62内へ吸入され、図示しないインバータの通電により回転子1が回転することで、回転軸2に設けられた偏心部2aがシリンダ62内で回転することでピストン66では冷媒の圧縮が行われる。圧縮された高温の冷媒は、上部吐出マフラ61および下部吐出マフラ63を経た後、回転子1と固定子3との間の隙間5を通って密閉容器55内を上昇し、密閉容器55に設けられた吐出パイプ54を通って冷凍サイクルの高圧側へと供給される。
図2は図1に示す電動機のA−A矢視断面図である。固定子鉄心31は、環状のバックヨーク31aと、バックヨーク31aの内周部において回転方向に一定間隔で設けられバックヨーク31a中心に向けて伸びる複数のティース31bとから成る。「回転方向」とは回転子1の回転方向をいう。複数のティース31bは、各々がバックヨーク31aに固定され巻線33が巻かれる巻線部31b1と、巻線部31b1の先端側に形成され回転子対向面31b3が傘状に形成される先端部31b2とで構成される。このように構成された固定子鉄心31には、バックヨーク31aとティース31bとで区画され巻線33が収納される複数のスロット31cが形成される。図示例のバックヨーク31aには9つのティース31bが形成されているが、ティース31bの数はこれに限定されるものではない。
回転子鉄心11には、磁極数に対応して回転方向に一定間隔で設けられた複数の磁石挿入孔11aと、回転子鉄心11の径方向中心に形成され回転軸2を挿入する回転軸挿入孔11bとが形成されている。磁石挿入孔11aの断面形状は、径方向幅が回転方向幅よりも狭い長方形であり、磁石挿入孔11aは軸方向に伸び回転子鉄心11の一端から他端まで貫通する。隣接する磁石挿入孔11aには互いに異なる極性の永久磁石12が挿入され、複数の磁石挿入孔11aに各々挿入された複数の永久磁石12は、N極とS極とが交互に着磁された平板形状である。このように構成された電動機4では、指令回転数に同期した周波数の電流が巻線33に通電されることにより回転磁界が発生し、回転子1が回転する。図示例の回転子鉄心11には6つの永久磁石12が挿入されているが、永久磁石12の数は図示例に限定されるものではない。また本実施の形態では圧縮機100に永久磁石埋込(IPM:Interior Permanent Magnet)型の電動機4が用いられているが、圧縮機100にはIPM型以外の電動機を用いてもよい。
図3は図1に示す電動機が運転を停止しているときの回転子鉄心、固定子鉄心、および回転軸の状態を示す側面図である。図3では図1に示す電動機4の構成要素の内、絶縁部32および巻線33の図示が省略されている。図3には回転子鉄心11の積厚Lrと固定子鉄心31の積厚Lsとの関係が示され、回転子鉄心11の積厚Lrは、電磁鋼板母材から打ち抜かれた回転子鉄心11用の鉄心片を複数積み重ねた厚さであり、固定子鉄心31の積厚Lsは、電磁鋼板母材から打ち抜かれた固定子鉄心31用の鉄心片を複数積み重ねた厚さである。回転子鉄心11の積厚Lrが固定子鉄心31の積厚Lsよりも小さく形成され、回転子鉄心11の一端面11d1は、固定子鉄心31の一端面31b4の延長線31b41上よりも回転子鉄心11の軸方向中心側に位置し、回転子鉄心11の他端面11d2は、固定子鉄心31の他端面31b5の延長線31b51上よりも回転子鉄心11の軸方向中心側に位置する。すなわち、回転子鉄心11の中心から前記回転子鉄心11の端面までの長さをL1とし、固定子鉄心31の中心から固定子鉄心の端面までの長さをL2としたとき、回転子鉄心11と固定子鉄心31ではL2がL1より長く形成されている。回転子1が回転していないとき、回転子鉄心11の軸心11−1の位置は固定子鉄心31の軸心31−1の位置と一致する。
図4は図3に示す電動機が通常運転中のときの回転子鉄心、固定子鉄心、および回転軸の状態を示す側面図である。回転子1の回転により、回転軸2には偏心部2aに作用した遠心力Aに起因するたわみが生じ、回転軸2のたわみにより固定子鉄心31の軸心31−1に対して回転子鉄心11の軸心11−1が傾く。電動機4では回転子鉄心11の積厚Lrと固定子鉄心31の積厚LsとがLr<Lsの関係にあるため、固定子鉄心31の軸心31−1に対して回転子鉄心11の軸心11−1が傾いた場合でも、固定子鉄心31の回転子対向面31b3は、回転子鉄心11の一端面11d1の延長線11d11上と、回転子鉄心11の他端面11d2の延長線11d21上とに存在する。回転子1で発生した磁束aの内、回転子鉄心11の外周面11cと一端面11d1との角部、すなわち回転子鉄心11の外周面11cの一端面11d1側と回転子鉄心11の一端面11d1の外周面11c側とから出る磁束a1は、固定子鉄心31の回転子対向面31b3の一端面31b4側に取り込まれる。また、回転子1で発生した磁束aの内、回転子鉄心11の外周面11cと他端面11d2との角部、すなわち回転子鉄心11の外周面11cの他端面11d2側と回転子鉄心11の他端面11d2の外周面11c側とから出る磁束a2は、固定子鉄心31の回転子対向面31b3の他端面31b5側に取り込まれる。
図5は従来の電動機が運転を停止しているときの回転子鉄心、固定子鉄心、および回転軸の状態を示す側面図である。図5に示す電動機4Aは、特許文献1に示す従来の電動機を圧縮器に用いた例であり、回転子鉄心の積厚が固定子鉄心の積厚と等しく形成され、または回転子鉄心の積厚が固定子鉄心の積厚よりも大きく形成されている。図5に示す電動機4Aでは図3に示す電動機4と同一の箇所には同一の符号を付して説明を省略する。従来の電動機4Aでは、回転子1Aの回転子鉄心11の積厚Lrが固定子鉄心31の積厚Lsと等しく形成され、または回転子1Aの回転子鉄心11の積厚Lrが固定子鉄心31の積厚Lsよりも大きく形成されている。図5の電動機4Aでは、回転子鉄心11の積厚Lrと固定子鉄心31の積厚LsとがLr=Lsの関係にある。従って回転子鉄心11の一端面11d1は、固定子鉄心31の一端面31b4の延長線31b41上に位置し、回転子鉄心11の他端面11d2は、固定子鉄心31の他端面31b5の延長線31b51上に位置する。
図6は図5に示す従来の電動機が通常運転中のときの回転子鉄心、固定子鉄心、および回転軸の状態を示す側面図である。回転子1Aの回転により、回転軸2には偏心部2aに作用した遠心力Aに起因するたわみが生じ、回転軸2のたわみにより固定子鉄心31の軸心31−1に対して回転子鉄心11の軸心11−1が傾く。電動機4Aでは回転子鉄心11の積厚Lrと固定子鉄心31の積厚LsとがLr=Lsの関係にあるため、固定子鉄心31の軸心31−1に対して回転子鉄心11の軸心11−1が傾いた場合、固定子鉄心31の回転子対向面31b3は、回転子鉄心11の一端面11d1の延長線11d11上に存在せず、かつ、回転子鉄心11の他端面11d2の延長線11d21上にも存在しないこととなる。回転子1Aで発生して回転子鉄心11の外周面11cから出る磁束aの内、回転子鉄心11の外周面11cの一端面11d1側から出る磁束a1は、固定子鉄心31の回転子対向面31b3の一端面31b4側に取り込まれずに漏れ磁束となる。また回転子1Aで発生して回転子鉄心11の外周面11cから出る磁束aの内、回転子鉄心11の外周面11cの他端面11d2側から出る磁束a2は、固定子鉄心31の回転子対向面31b3の他端面31b5側に取り込まれずに漏れ磁束となる。従って漏れ磁束分のトルクが電動機効率の低下の要因となる。
本実施の形態に係る電動機4では、回転軸2のたわみにより固定子鉄心31の軸心31−1に対して回転子鉄心11の軸心11−1が傾いた場合でも、回転子鉄心11の積厚Lrと固定子鉄心31の積厚LsとがLr<Lsの関係にあるため、図6に示すような漏れ磁束を低減することができ、電動機効率の向上を図ることができる。
図7は本発明の実施の形態に係る電動機が通常運転時よりも低速かつ高トルクで運転する際の磁束の流れを示す図である。電動機4が通常運転時よりも低速かつ高トルクで運転するとき、偏心部2aに作用する遠心力Aは通常運転時の遠心力よりも低いため、遠心力Aに起因する回転軸2のたわみも低下する。従って固定子鉄心31の軸心31−1に対する回転子鉄心11の軸心11−1の傾きは、通常運転時に比べて小さくなる。図7では、説明を簡単化するため、電動機4が通常運転時よりも低速かつ高トルクで運転しているときの回転子鉄心11の軸心11−1の位置が固定子鉄心31の軸心31−1の位置と一致しているものと仮定する。
一方、電動機4が通常運転時よりも低速かつ高トルクで運転しているとき、固定子鉄心31と回転子鉄心11とが相対する部分の磁束密度は通常運転時の磁束密度よりも高くなるため、磁気飽和が懸念される。
本実施の形態に係る電動機4では、回転子鉄心11の積厚Lrと固定子鉄心31の積厚LsとがLr<Lsの関係にあるため、固定子鉄心31と回転子鉄心11との対向部に磁気飽和が生じた場合でも、回転子対向面31b3の内の固定子鉄心31と回転子鉄心11とが相対する部分以外の部分、すなわち回転子対向面31b3の一端面31b4側および他端面31b5側は、固定子鉄心31と回転子鉄心11との対向部の磁束密度よりも低い磁束密度となる。従って、回転子1で発生した磁束aの内、回転子鉄心11の一端面11d1の外周面11c側と一端面11d1との角部から出る磁束a1は、固定子鉄心31と回転子鉄心11とが相対する部分の磁束密度よりも低い磁束密度の回転子対向面31b3の一端面31b4側に取り込まれる。同様に、回転子1で発生した磁束aの内、回転子鉄心11の外周面11cと他端面11d2との角部から出る磁束a2は、固定子鉄心31と回転子鉄心11とが相対する部分よりも低い磁束密度の回転子対向面31b3の他端面31b5側に取り込まれる。その結果、電動機4が通常運転時よりも低速かつ高トルクで運転している状況下においても、電動機効率の低下の抑制が期待できる。
図8は図5に示す従来の電動機が通常運転時よりも低速かつ高トルクで運転する際の磁束の流れを示す図である。電動機4Aでは回転子鉄心11の積厚Lrと固定子鉄心31の積厚LsとがLr=Lsの関係にある。そのため、固定子鉄心31と回転子鉄心11との対向部に磁気飽和が生じた場合、回転子1Aで発生した磁束aの内、回転子鉄心11の一端面11d1の外周面11c側と一端面11d1との角部から出る磁束a1は、固定子鉄心31と回転子鉄心11とが相対する部分、すなわち回転子対向面31b3に取り込まれず、漏れ磁束となる。同様に、回転子1で発生した磁束aの内、回転子鉄心11の外周面11cと他端面11d2との角部から出る磁束a2は、固定子鉄心31と回転子鉄心11とが相対する部分に取り込まれず、漏れ磁束となる。漏れ磁束は、電動機4Aが通常運転時よりも低速かつ高トルクで運転している状況下における電動機効率の低下の要因となる。
以上に説明したように本実施の形態に係る電動機は、圧縮機に内蔵される圧縮機用電動機であって、電磁鋼板を複数積層して成る環状の固定子鉄心と、固定子鉄心の内側に配置され、電磁鋼板を複数積層して成る回転子鉄心と、一端側が回転子鉄心に挿入された回転軸と、回転軸の他端側に設けられ、圧縮機に内蔵される圧縮機構内に配置される偏心部と、を備え、回転子鉄心の軸方向における回転子鉄心の中心から回転子鉄心の軸方向における回転子鉄心の端面までの長さは、固定子鉄心の軸方向における固定子鉄心の中心から固定子鉄心の軸方向における固定子鉄心の端面までの長さよりも短い。この構成により回転軸のたわみにより固定子鉄心の軸心に対して回転子鉄心の軸心が傾いた場合でも漏れ磁束を低減することができ、電動機効率の向上を図ることができる。
図9は本発明の実施の形態に係る圧縮機を搭載した冷凍サイクル装置の構成図である。冷凍サイクル装置200は、圧縮機100と、四方弁75と、圧縮機100において圧縮された高温高圧の冷媒ガスの熱を空気と熱交換して凝縮し液冷媒にする凝縮器72と、液冷媒を膨張させて低温低圧の液冷媒にする膨張器73と、低温低圧の液冷媒から吸熱して低温低圧のガス冷媒にする蒸発器74と、圧縮機100、膨張器73、および四方弁75を制御する制御部76とで構成される。圧縮機100、四方弁75、凝縮器72、膨張器73、および蒸発器74は、各々冷媒配管71により接続され冷凍サイクルを構成する。圧縮機100を用いることにより高効率で高出力な冷凍サイクル装置200を提供できる。冷凍サイクル装置200は、例えば空気調和機に好適である。
以下、動作を説明する。冷凍サイクル装置200の通常の運転時では、圧縮機100、凝縮器72、膨張器73、蒸発器74の順で冷媒が循環し、再び圧縮機100に戻る冷凍サイクルが行われる。圧縮機100で圧縮された高温高圧の冷媒ガスは、凝縮器72において空気と熱交換して凝縮して液冷媒となり、液冷媒は、膨張器73において膨張して低温低圧の冷媒ガスとなり、蒸発器74において空気と熱交換して蒸発して再び圧縮機100において圧縮され、高温高圧の冷媒ガスとなる。
このように本発明の実施の形態に係る圧縮機100を用いることによって、コストを抑えながら低振動化と低騒音化を図ることが可能な冷凍サイクル装置200を提供することができる。
以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。
1,1A 回転子、11 回転子鉄心、11a 磁石挿入孔、11b 回転軸挿入孔、11c 外周面、11d1 一端面、11d11 延長線、11d2 他端面、11d21 延長線、11−1 軸心、12 永久磁石、2 回転軸、2a 偏心部、3 固定子、31 固定子鉄心、31a バックヨーク、31b ティース、31b1 巻線部、31b2 先端部、31b3 回転子対向面、31b4 一端面、31b41 延長線、31b5 他端面、31b51 延長線、31−1 軸心、31c スロット、32 絶縁部、33 巻線、4,4A 電動機、5 隙間、51 アキュムレータ、52 吸入パイプ、53 ガラス端子、54 吐出パイプ、55 密閉容器、60 圧縮機構、61 上部吐出マフラ、62 シリンダ、63 下部吐出マフラ、64 下部フレーム、65 上部フレーム、66 ピストン、71 冷媒配管、72 凝縮器、73 膨張器、74 蒸発器、75 四方弁、76 制御部、100 圧縮機、200 冷凍サイクル装置。

Claims (4)

  1. 圧縮機に内蔵される圧縮機用電動機であって、
    電磁鋼板を複数積層して成る環状の固定子鉄心と、
    前記固定子鉄心の内側に配置され、電磁鋼板を複数積層して成る回転子鉄心と、
    一端側が前記回転子鉄心に挿入された回転軸と、
    前記回転軸の他端側に設けられ、前記圧縮機に内蔵される圧縮機構内に配置される偏心部と、
    を備え、
    前記回転子鉄心の軸方向における前記回転子鉄心の中心から前記回転子鉄心の軸方向における前記回転子鉄心の端面までの長さは、前記固定子鉄心の軸方向における前記固定子鉄心の中心から前記固定子鉄心の軸方向における前記固定子鉄心の端面までの長さよりも短く、
    前記圧縮機用電動機の運転時における前記回転子鉄心の一端面は、前記固定子鉄心の一端面の延長面上よりも前記回転子鉄心の軸方向中心側に位置する圧縮機用電動機。
  2. 前記圧縮機用電動機の運転時における前記回転子鉄心の他端面は、前記固定子鉄心の他端面の延長面上よりも前記回転子鉄心の軸方向中心側に位置する請求項1に記載の圧縮機用電動機。
  3. 請求項1または請求項2に記載の圧縮機用電動機を備えた圧縮機。
  4. 請求項に記載の圧縮機を備えた冷凍サイクル装置。
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