WO2015159658A1 - 永久磁石式回転電機及びそれを用いた圧縮機 - Google Patents

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高畑 良一
曾弘 林
長谷川 修士
中村 聡
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日立アプライアンス株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a permanent magnet type rotating electric machine having a permanent magnet for a field in a rotor, and more particularly to a permanent magnet type rotating electric machine used for a compressor such as an air conditioner, a refrigerator, a freezer, or a showcase.
  • the efficiency of the permanent magnet type rotating electrical machine has been dramatically improved by the adoption of the concentrated winding stator and the high magnetic flux density magnet.
  • the concentrated winding stator in contrast to the distributed winding stator, the harmonic magnetic flux increases in principle, and the harmonic magnetic flux is promoted by a permanent magnet having a high magnetic flux density.
  • the non-linearity of the iron core increases with an increase in output density due to downsizing and high efficiency.
  • the load torque is large, there is a problem of insufficient torque (output) due to a decrease in power factor.
  • the harmonic magnetic flux in a gap surface is reduced by providing the some slit by the etching process extended from the outer peripheral side of the permanent magnet embedded to the rotor to the rotor outer peripheral side. .
  • the induced electromotive force waveform can be made into a sine wave to make the armature current into a sine wave, and the harmonic magnetic flux generated by the interaction between the induced electromotive force and the armature current is reduced.
  • the permanent magnet type rotating electric machine can obtain high efficiency in the middle and low speed ranges, but in the high speed range, when the load torque is large or the armature winding of the motor is increased.
  • the inductance becomes high, the influence of the magnetic flux (q-axis magnetic flux) due to the torque current becomes large, and the voltage phase advances and the power factor decreases.
  • a driving device such as an inverter.
  • An object of the present invention is to provide a small and highly efficient permanent magnet that can suppress a power factor decrease due to advancing voltage phase due to the influence of q-axis magnetic flux without degrading performance such as motor efficiency and control characteristics in a high speed range.
  • An object of the present invention is to provide a rotary electric machine and a compressor using the same.
  • a stator having teeth around which an armature winding is wound, a rotor disposed with a gap between the stator and a rotor, and the rotor.
  • a permanent magnet type rotating electrical machine having a plurality of magnet insertion holes and a permanent magnet disposed in each of the plurality of magnet insertion holes, wherein the magnetic flux axis of the permanent magnet is d-axis, and the d-axis is an electrical angle.
  • the rotor When the orthogonal q-axis is used, the rotor is formed with a concave portion recessed on the inner peripheral side on the q-axis, and the concave portion and the teeth are formed by a gap between the outer peripheral portion on the d-axis and the teeth of the stator.
  • the recess is formed in a substantially trapezoidal shape, and the openings ⁇ p2 at the left and right ends on the outer peripheral side are larger than the openings ⁇ p1 at the left and right ends on the inner periphery.
  • a slit is not formed near the d-axis on the outer periphery side of the magnet insertion hole, and a plurality of slits are formed on both the left and right sides separated by a predetermined distance or more from the d-axis. Formed.
  • Example 1 of the permanent-magnet-type rotary electric machine by this invention It is sectional drawing of Example 1 of the permanent-magnet-type rotary electric machine by this invention. It is sectional drawing which shows the rotor core shape of Example 1 of the permanent magnet type rotary electric machine by this invention.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a permanent magnet type rotating electrical machine in Embodiment 1 of the present invention.
  • a permanent magnet type rotating electrical machine 1 includes a stator 2 and a rotor 3 that is disposed inside the stator 2 via a predetermined gap and rotates together with a shaft.
  • the stator 2 is configured by laminating stator cores 6 (magnetic steel plates) in the axial direction, and includes an annular core back 5 and a plurality of teeth 4 protruding radially inward from the core back 5. .
  • the plurality of teeth 4 are arranged at substantially equal intervals in the circumferential direction.
  • a slot 7 is formed between the adjacent teeth 4, and concentrated winding armature windings 8 (three-phase winding U-phase winding 8 a, V-phase winding 8 b, and so on) surround the teeth 4. W-phase winding 8c) is wound.
  • the slot pitch is 120 degrees in electrical angle.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the rotor core of the permanent magnet type rotating electric machine according to this embodiment.
  • the rotor 3 is configured by laminating a rotor core 12 having a shaft hole 15 formed at the center thereof, and a plurality of convex portions are formed at substantially equal intervals on the outer peripheral side.
  • the plurality of convex portions 17 are convex toward the outer peripheral side, and a plurality of substantially linear permanent magnet insertion holes 13 are formed in the vicinity of the outer peripheral side surface of each convex portion 17.
  • a permanent magnet 14 made of rare earth neodymium is inserted into each of the plurality of permanent magnet insertion holes 13.
  • the direction of the magnetic flux generated by the magnetic pole of the permanent magnet 14, that is, the axis connecting the center of the permanent magnet 14 in the longitudinal direction and the center of the rotation axis is defined as a d-axis (magnetic flux axis), and an axis (permanently) that is electrically and magnetically orthogonal thereto.
  • the axis between the magnets) is the q axis.
  • the rotor 3 is provided with a concave portion 11 that is recessed on the inner peripheral side on the q axis between the magnetic poles of the permanent magnet 14 disposed on the adjacent convex portion 17.
  • Each convex part 17 is located on the outer peripheral side with respect to the concave part 11, and the outermost peripheral part where the gap length (gap) with the teeth 4 of the stator 2 is the shortest g1, and the gap length g2 longer than g1 And an outer peripheral portion.
  • the outermost peripheral portion of the arc shape having the gap length g1 in the convex portion 17 of the rotor 3 is configured such that the outer peripheral shape is an arc shape and the electrical angle ⁇ p is 90 ° to 120 °. .
  • the rotor 3 does not form a slit in the vicinity of the d-axis on the outer peripheral side of the permanent magnet insertion hole 13 (permanent magnet 14), but has a plurality of slits symmetrically on both the left and right sides separated by a predetermined distance or more from the d-axis. 10 (10a to 10d) are formed so as to sandwich the d-axis. In addition, the plurality of slits are inclined toward the center side of the corresponding permanent magnets 14 toward the outer peripheral side, so that the magnetic flux of the permanent magnets 14 can be gathered in the teeth 4. Become.
  • the slit 10 can sine-wave the induced electromotive force waveform to make the armature current sine wave, and reduce the harmonic magnetic flux generated by the interaction between the induced electromotive force and the armature current. Therefore, also in this structure, the slit 10 is provided, the armature reaction is suppressed, and the harmonic component of the in-machine magnetic flux is reduced.
  • FIG. 3 is a schematic diagram of a vector diagram of the permanent magnet type rotating electrical machine of the embodiment according to the conventional invention.
  • (a) is a vector diagram of a permanent magnet type rotating electrical machine at low speed / low load torque
  • (b) is a high speed / high load torque.
  • ⁇ m indicates the magnetic flux flowing through the d-axis by the permanent magnet 14 and is indicated by a fixed value.
  • the magnetic flux ⁇ d generated by the d-axis current and the magnetic flux ⁇ q generated by the q-axis current in the coordinate system dq axis for controlling the permanent magnet type rotating electrical machine are generated as the magnetic flux generated by the current flowing through the stator during operation. is there.
  • the main magnetic flux ⁇ 1 which is the magnetic flux of the permanent magnet type rotating electrical machine as a whole, is determined by the influence of ⁇ d and ⁇ q, and when this ⁇ 1 is determined, the applied voltage V1, motor (armature) )
  • the current I1 is determined, which determines the power factor.
  • the phase of the main magnetic flux ⁇ 1 of the permanent magnet type rotating electrical machine and the magnetic flux ⁇ m of the permanent magnet does not deviate greatly even in the method of Patent Document 1, so that the permanent magnet type is stable.
  • a rotating electrical machine can be driven. That is, the voltage drop of the applied voltage V1 from the induced voltage Em and the voltage drop of the d-axis and the q-axis are not so large.
  • the gap length between the recess 11 in which the rotor 3 is formed on the q-axis and the teeth 4 of the stator 2 is the gap length (g1, g2) on the d-axis side. It is formed to be larger. That is, the concave portion 11 on the outer periphery of the rotor 3 is formed by any one of a portion where the gap length with the teeth 4 of the stator 2 in the convex portion 17 is the shortest g1 and a portion where the gap length is g2 longer than g1. Is also formed to be recessed on the inner peripheral side.
  • the concave portion 11 is formed in a substantially trapezoidal shape (substantially bathtub shape) as shown in FIG. 2, and the concave portion 11 is formed in a substantially linear shape of the adjacent convex portions 17 on the left and right sides on the outer peripheral side.
  • the outer peripheral part of the rotor 3 is formed by connecting with the cut parts (16a, 16b).
  • the concave portion 11 includes a substantially linear inner circumferential straight portion 11a positioned along the rotational direction between the adjacent permanent magnets 14, and a rotational direction side end of the inner circumferential linear portion 11a.
  • a substantially linear rotation direction side linear portion 11b positioned so as to spread toward the rotation direction side, and a substantially linear anti-rotation position positioned so as to spread from the counter rotation direction side end portion of the inner circumferential side linear portion 11a to the counter rotation direction side. It is formed by connecting the rotation direction side straight portion 11c.
  • the inner peripheral side straight portion 11 a is located on the inner peripheral side in the short direction of the permanent magnet 14. Although the clockwise direction is described here as the rotation direction, the rotor 3 may rotate counterclockwise.
  • the rotation direction side straight portion 11b of the concave portion 11 is connected to the substantially linear rotation direction side cut portion 16a of the adjacent convex portion 17 at the outer peripheral side end portion, and the rotation direction side cut portion 16a extends in the rotation direction from the outer peripheral side end portion. It forms so that it may incline to an outer peripheral side as it goes.
  • the counter-rotation direction side linear portion 11c of the recess 11 is connected to the substantially linear anti-rotation direction side cut portion 16b of the adjacent convex portion 17 at the outer peripheral side end portion, and the anti-rotation direction side cut portion 16b extends from the outer peripheral end portion. It forms so that it may incline to an outer peripheral side as it goes to a counter rotation direction.
  • the gap length between the inner peripheral side end portion and the teeth 4 of the stator 2 is g2 described above.
  • the rotation direction side cut portion 16a and the counter rotation direction side cut portion 16b of the convex portion 17 are formed in a substantially linear shape, so that it can be easily manufactured and the production cost can be reduced. Can be planned.
  • each convex portion 17 of the rotor 3 is directly connected to the arc-shaped outer peripheral portion located on the outer peripheral side of the permanent magnet 14 at the outer peripheral side end portion of the rotation direction side cut portion 16a.
  • the anti-rotation direction side cut portion 16b is directly connected to the arc-shaped outer peripheral portion located on the outer peripheral side of the permanent magnet 14 at the outer peripheral end portion.
  • the width between the outer peripheral end of the rotation direction side cut portion 16a and the outer peripheral end of the counter rotation direction side cut portion 16b in a state where the convex portion 17 is in a position corresponding to the tooth 4. Is formed so as to correspond to the width of the teeth 4 of the stator 2 in the rotational direction. More specifically, the width between the outer peripheral end of the rotation direction side cut portion 16a and the outer peripheral end of the counter rotation direction side cut portion 16b is equal to or less than the width in the rotation direction of the teeth 4 of the stator 2. It is desirable.
  • the convex portions By forming the convex portions in this way, the magnetic flux generated by the permanent magnet can flow as it is to the teeth 4 and it is possible to prevent the magnetic flux from leaking to the outside of the teeth 4. Therefore, the induced electromotive force of the motor can be improved, and the q-axis current can be reduced by this amount. Therefore, the same torque can be generated with a small q-axis current. Therefore, the copper loss (3 * resistance * motor current) of the motor is reduced, and high efficiency can be achieved.
  • the opening degree (electrical angle) of the inner circumferential side straight part 11a is ⁇ p1, and the opening degree between the outer peripheral side end parts of the rotation direction side straight part 11b and the counter rotation direction side straight part 11c.
  • is ⁇ p2 (electrical angle)
  • ⁇ p2 is configured to be in the range of 60 ° in electrical angle.
  • the concave portion 11 is described as having a trapezoidal shape. However, the present embodiment is not limited to this, and the concave portion 11 has a shape that expands to the left and right as it goes from the inner peripheral side to the outer peripheral side. Good. That is, the opening ⁇ p2 at the left and right ends on the outer peripheral side may be formed to be larger than the opening ⁇ p1 at the left and right ends on the inner peripheral side of the recess 11.
  • the cross-sectional area enclosed by the recessed part 11 is from the dotted line of FIG. 2 which extended the circular arc shape of the rotation direction side cut part 16a and the convex part 17, and the inner peripheral side edge part of the rotation direction side cut part 16a to the said dotted line. It is desirable that the area is larger than the area surrounded by the perpendicular.
  • the cross-sectional area surrounded by the concave portion 11 is the dotted line from the dotted line in FIG. 2 obtained by extending the arc shape of the anti-rotation direction side cut portion 16b and the convex portion 17 and the inner peripheral side end portion of the anti-rotation direction side cut portion 16b. It is desirable that it is larger than the area surrounded by the vertical line.
  • FIG. 4 is a schematic diagram of a vector diagram of the permanent magnet type rotating electrical machine of the present embodiment. 4, in the substantially trapezoidal concave portion 11 of the rotor core 12 as described above, the rotation direction side linear portion 11b and the counter rotation direction side linear portion 11c from the opening ⁇ p1 of the inner peripheral side linear portion 11a as described above. It is possible to collect the magnetic flux of the permanent magnets by increasing the opening degree ⁇ p2 between the outer peripheral side end portions. In particular, the present inventors have intensively studied, and the outer peripheral sides of the mechanical angle ⁇ p1 ′ corresponding to the opening ⁇ p1 of the inner peripheral side straight portion 11a, the rotation direction side straight portion 11b, and the counter rotation direction side straight portion 11c.
  • the q-axis magnetoresistance is increased. Can be significantly increased to suppress the influence of the armature reaction, and the harmonic component of the in-machine magnetic flux can be greatly reduced.
  • the magnetic flux flowing through the q-axis can be reduced as compared with FIG. 3B, so that the relationship between the applied voltage V 1 ′ and I 1 ′ is improved. It is possible to improve the phase lead of ⁇ 1 and ⁇ m. Therefore, when the high load torque and the motor inductance are large in the high speed range, the power factor reduction due to the influence of the armature reaction can be improved. As a result, the torque reduction is suppressed, and the permanent magnet rotating electrical machine 1 Can be made compact and highly efficient.
  • FIG. 5 shows the torque (high speed range) of Example 1 of the permanent magnet type rotating electrical machine according to this example.
  • the rated current is 1 p. u.
  • the torque (high speed range) of Example 1 of the permanent magnet type rotating electrical machine when the rated current is passed is 1 P.V. U.
  • FIG. 5 shows that the torque of Example 1 of the permanent magnet type rotating electrical machine according to this example is larger than that of the conventional structure.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of the rotor core shape of the second embodiment of the permanent magnet type rotating electric machine according to the present invention.
  • FIG. 6 the same components as those in FIG. 2 are denoted by the same reference numerals.
  • the part different from FIG. 2 is provided with two permanent magnets 14 per pole and has a convex V-shaped arrangement with respect to the shaft hole 15.
  • the rotor structure arranged in this way can also improve the power factor reduction due to the influence of the armature reaction, suppress the torque reduction, and reduce the size and increase the efficiency. Therefore, even if it arrange
  • FIG. 7 is a sectional view of a compressor equipped with a third embodiment of a permanent magnet type rotating electrical machine according to the present invention.
  • a spiral wrap 62 standing upright on the end plate 61 of the fixed scroll member 60 and a spiral wrap 65 standing upright on the end plate 64 of the orbiting scroll member 63 are engaged in a cylindrical compression container 69.
  • the compression mechanism unit is driven by the permanent magnet type rotating electrical machine 1, and the orbiting scroll member 63 performs the orbiting motion via the crankshaft 72 to perform the compression operation.
  • the compression chamber located on the outermost diameter side is both scroll members 63 along with the orbiting motion. , 60, and the volume gradually decreases.
  • the compression chambers 66 a and 66 b reach the vicinity of the centers of the scroll members 60 and 63, the compressed gas in both the compression chambers 66 is discharged from a discharge port 67 communicating with the compression chamber 66.
  • the discharged compressed gas passes through a gas passage (not shown) provided in the fixed scroll member 60 and the frame 68 and reaches the compression container 69 below the frame 68, and a discharge pipe 70 provided on the side wall of the compression container 69.
  • the permanent magnet type rotating electrical machine 1 that drives the electric compressor is controlled by a separate inverter (not shown) and rotates at a rotation speed suitable for the compression operation.
  • the permanent magnet type rotating electrical machine 1 includes a stator 2 and a rotor 3, and a crankshaft 72 provided on the rotor 3 is a crankshaft on the upper side.
  • An oil hole 74 is formed in the crankshaft 72, and the lubricating oil in the oil reservoir 73 at the lower portion of the compression container 69 is supplied to the slide bearing 75 through the oil hole 74 by the rotation of the crankshaft 72.
  • the R410A refrigerant is sealed in the compression container 69, and the ambient temperature of the permanent magnet type rotating electrical machine 1 is often 80 ° C. or more.
  • the ambient temperature further increases.
  • the permanent magnet 14 is composed of a neodymium magnet, the residual magnetic flux density of the magnet is lowered at a high temperature, and the armature current is increased to ensure the same output.
  • the type of the refrigerant is not limited.
  • the compressor configuration may be the scroll compressor shown in FIG. 7, a rotary compressor, or a configuration having other compression mechanisms.
  • a small and highly efficient permanent magnet type rotating electrical machine can be realized.
  • the operation range can be expanded, for example, high speed operation is possible.
  • the compressor has a large leakage from the gap compared to the refrigerants such as R22, R407C, and R410A, and the ratio of the leakage to the circulation amount becomes significantly large particularly during low speed operation.
  • the decrease in efficiency is large.
  • reducing the leakage loss by downsizing the compression mechanism and increasing the rotation speed to obtain the same circulation rate can be an effective means.
  • the compressor In order to secure the maximum circulation amount, it is necessary to increase the maximum rotational speed. If the compressor is provided with the permanent magnet type rotating electrical machine 1 according to this embodiment, the maximum torque and the maximum number of rotations can be increased, and loss in the high speed range can be reduced. In the case where a large amount of refrigerant such as refrigeration cycle is contained (for example, 70% by weight or more), it can be an effective means for improving efficiency.
  • SYMBOLS 1 Permanent magnet type rotary electric machine (drive motor), 2 ... Stator, 3 ... Rotor, 4 ... Teeth, 5 ... Core back, 6 ... Stator core, 7 ... Slot, 8 ... Armature winding , 10 ... slit, 11 ... recess, 12 ... rotor core, 13 ... permanent magnet insertion hole, 14 ... permanent magnet, 15 ... shaft hole, 60 ... fixed scroll member, 61, 64 ... end plate, 62, 65 ... Spiral wrap, 63 ... Orbiting scroll member, 66 ... Compression chamber, 67 ... Discharge port, 68 ... Frame, 69 ... Compression container, 70 ... Projection pipe, 72 ... Crankshaft, 73 ... Oil retaining part, 74 ... Oil hole 75 ... Slide bearing

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Abstract

 高速域において、電動機効率・制御特性などの性能を低下させることなく、q軸磁束の影響に伴う電圧位相の進みによる力率低下を抑制でき、小形・高効率な永久磁石式回転電機を提供する。永久磁石の磁束軸をd軸、該d軸と電気角に直交するq軸としたとき、回転子は、q軸上において内周側に凹む凹部が形成され、d軸上における外周部と固定子のティースとの隙間より凹部とティースとの隙間が大きくなるように形成され、該凹部は、略台形形状により形成されるとともに、内周側の左右両端の開度θp1に対して外周側の左右両端の開度θp2が大きくなるように形成され、開度θp2を電気角で略60度の範囲内にし、さらに、磁石挿入孔の外周側においてd軸近傍にはスリットを形成せずに、d軸から所定の距離以上離れた左右両側において複数のスリットを形成する。

Description

永久磁石式回転電機及びそれを用いた圧縮機
 本発明は、界磁用の永久磁石を回転子に備えている永久磁石式回転電機に関し、特に、エアコン、冷蔵庫、冷凍庫、あるいはショーケースなどの圧縮機に使用される永久磁石式回転電機に関する。
 従来、この種の永久磁石式回転電機においては、固定子巻線に集中巻が、界磁には希土類のネオジムの永久磁石がそれぞれ採用され、小形・高効率化を達成している。しかしながら、一方では小形・高効率化による出力密度の増加に伴う鉄心の非線形磁気特性の問題、また、集中巻の採用によって空間高調波磁束が増大しており、それらに対して種々対策も講じられている。
 例えば、特開2008-245384号公報に記載の永久磁石式回転電機においては、回転子に埋設した永久磁石の外周側から回転子外周側へと伸びたエッチング加工による複数のスリットを設けることが提案されている。
特開2008-245384号公報
 集中巻固定子の採用、高磁束密度磁石の採用により、永久磁石式回転電機の効率は飛躍的に向上した。その反面、分布巻固定子に対し集中巻固定子では、原理的に高調波磁束が増加することに加え、その高調波磁束を高磁束密度の永久磁石が助長する結果となる。つまり、小形・高効率化による出力密度の増加に伴う鉄心の非線形性も増加しており、特に、負荷トルクが大きい場合、力率の低下によるトルク(出力)不足の問題がある。
 これに対し、特許文献1では、回転子に埋設した永久磁石の外周側から回転子外周側へと伸びたエッチング加工による複数のスリットを設けることによって、ギャップ面における高調波磁束を低減させている。これらにより、誘導起電力波形を正弦波化して電機子電流を正弦波化でき、誘導起電力と電機子電流との相互作用によって生じる高調波磁束を低減している。
 しかしながら、例えば特許文献1の発明では、永久磁石式回転電機が中・低速域において高効率を得ることができるが、高速域においては、負荷トルクが大きい場合、あるいはモータの電機子巻線を増加して高インダクタンスとなる場合では、トルク電流による磁束(q軸磁束)の影響が大きくなるため、電圧位相が進んで力率が低下する。その結果、永久磁石式回転電機はインバータなどの駆動装置によって高トルク・高効率に制御できない問題が生じる。
本発明の目的は、高速域において、電動機効率・制御特性などの性能を低下させることなく、q軸磁束の影響に伴う電圧位相の進みによる力率低下を抑制でき、小形・高効率な永久磁石式回転電機及びそれを用いた圧縮機を提供することにある。
 上記目的を達成するための本発明の一例を説明すると、電機子巻線が巻かれるティースを有する固定子と、前記固定子と隙間を介して配置される回転子と、前記回転子に形成された複数の磁石挿入孔と、前記複数の磁石挿入孔のそれぞれに配置された永久磁石と、を有する永久磁石式回転電機において、前記永久磁石の磁束軸をd軸、該d軸と電気角に直交するq軸としたとき、前記回転子は、q軸上において内周側に凹む凹部が形成され、d軸上における外周部と前記固定子の前記ティースとの隙間より前記凹部と前記ティースとの隙間が大きくなるように形成され、前記該凹部は、略台形形状により形成されるとともに、内周側の左右両端の開度θp1に対して外周側の左右両端の開度θp2が大きくなるように形成され、前記開度θp2を電気角で略60度の範囲内にし、さらに、前記磁石挿入孔の外周側においてd軸近傍にはスリットを形成せずに、d軸から所定の距離以上離れた左右両側において複数のスリットを形成したものである。
 上述のように、本発明によれば、電動機効率・制御特性などの性能を低下させることなく、q軸磁束の影響に伴う電圧位相の進みによる力率低下を抑制でき、小形・高効率な永久磁石式回転電機及びそれを用いた圧縮機を提供することができる。本発明のその他の構成、作用、効果については以下の実施例において詳細に説明する。
本発明による永久磁石式回転電機の実施例1の断面図である。 本発明による永久磁石式回転電機の実施例1の回転子鉄心形状を示す断面図である。 従来発明に係わる永久磁石式回転電機のベクトル図の模式図である。 本発明に係わる永久磁石式回転電機のベクトル図の模式図である。 本発明に係わる永久磁石式回転電機の実施例1のトルクである。 本発明による永久磁石式回転電機の実施例2の回転子鉄心形状を示す断面図である。 本発明に係わる圧縮機の断面構造である。
 以下、本発明の実施例を図1~図7を用いて詳細に説明する。各図中において、共通する符号は同一物を示す。また、ここでは6極の永久磁石式回転電機について示し、回転子の極数と固定子のスロット数との比を2:3としたが、他の極数、スロット数との比でもほぼ同様の効果を得ることができる。
 図1は本発明の実施例1における永久磁石式回転電機の断面図である。 
 図1において、永久磁石式回転電機1は固定子2と、固定子2の内側に所定のギャップを介して配置され、かつシャフトとともに回転する回転子3から構成される。固定子2は固定子鉄心6(電磁鋼板)が軸方向に積層されて構成され、円環形状のコアバック5と、コアバック5から径方向内側へ向けて突出した複数のティース4とを有する。複数のティース4は周方向に略等間隔に配列されている。隣り合うティース4間にはスロット7が形成され、このスロット7にはティース4を取り囲むように集中巻の電機子巻線8(三相巻線のU相巻線8a、V相巻線8b、W相巻線8cからなる)が巻装される。ここで、本実施例の永久磁石式回転電機1は6極9スロットであるから、スロットピッチは電気角で120度である。
 図2は本実施例による永久磁石式回転電機の回転子鉄心の断面図である。 
図2において、回転子3は、その中心にシャフト孔15を形成した回転子鉄心12が積層されて構成され、外周側にほぼ等間隔に複数の凸部が形成される。これらの複数の凸部17は外周側に向けて凸となり、それぞれの凸部17には、外周側表面の近傍に略直線形状の永久磁石挿入孔13が複数、形成される。複数の永久磁石挿入孔13のそれぞれには、たとえば希土類のネオジムからなる永久磁石14が挿入される。ここでは永久磁石14の磁極がつくる磁束の方向、つまり永久磁石14の長手方向中心と回転軸中心とを繋ぐ軸をd軸(磁束軸)とし、それと電気的、磁気的に直交する軸(永久磁石間の軸)をq軸とする。
 回転子3は、隣接する凸部17に配置される永久磁石14の磁極間のq軸上において内周側に凹む凹部11が設けられている。それぞれの凸部17は、凹部11よりも外周側に位置し、固定子2のティース4とのギャップ長(隙間)が最短のg1となる最外周部と、g1よりも長いギャップ長のg2となる外周部と、により構成される。回転子3の凸部17における上記ギャップ長g1を有する円弧形状の最外周部は、その外周形状が円弧状となっており、電気角θpが90°~120°となるように構成されている。
 また、回転子3は、永久磁石挿入孔13(永久磁石14)の外周側においてd軸近傍にはスリットを形成せずに、d軸から所定の距離以上離れた左右両側において対称に複数のスリット10(10a~10d)がd軸をはさむように形成される。またこれらの複数のスリットは外周側に向かうにつれて、それぞれ対応する永久磁石14の中心側に傾斜させるようにしており、これにより、永久磁石14の磁束がティース4に集まるようにすることが可能となる。
 したがって、このスリット10により、誘導起電力波形を正弦波化して電機子電流を正弦波化でき、誘導起電力と電機子電流との相互作用によって生じる高調波磁束を低減できることが分かっている。よって、本構造においても、スリット10を設けて電機子反作用を抑制し、機内磁束の高調波成分を低減している。
 図3は従来発明に係る実施例の永久磁石式回転電機のベクトル図の模式図である。図において(a)は低速・低負荷トルク時、(b)は高速・高負荷トルク時での永久磁石式回転電機のベクトル図である。
 ここでΦmは永久磁石14によりd軸を流れる磁束を示しており、固定値で示されるものである。運転中にステータに電流が流れることにより生じる磁束として、永久磁石式回転電機の制御を行うための座標系d-q軸において、d軸電流により生じる磁束Φd、q軸電流により生じる磁束Φqとがある。そして、永久磁石式回転電機の全体としての磁束である主磁束Φ1はこれらのΦmが、Φd、Φqとの影響を受けて決まるものであり、このΦ1が決まると印加電圧V1、モータ(電機子)電流I1が決まり、これにより力率が決まる。
 図3(a)の低速・低負荷トルク時では、永久磁石式回転電機の主磁束Φ1と永久磁石の磁束Φmの位相が、特許文献1の方式でも大きくはずれないため、安定して永久磁石式回転電機を駆動できる。つまり、誘起電圧Emから印加電圧V1の電圧降下、d軸及びq軸の電圧降下分がそこまで大きくない。
 しかしながら、図3(b)の高速・高負荷トルク時では、トルクを大きくするためにq軸電流を多く流す必要があることから、これによりq軸の磁束が大きくなることで永久磁石式回転電機の主磁束Φ1は、Φmよりも大きく位相がずれることになる。永久磁石式回転電機は、主磁束Φ1に基づいてインバータで制御されるため、電機子電流が進み位相となり、力率が悪化して永久磁石式回転電機のトルクが低下し、効率低下を招くことになる。
 そこで、本実施例では、図2に示すように、回転子3がq軸上に形成される凹部11と固定子2のティース4とのギャップ長がd軸側のギャップ長(g1、g2)より大きくなるように形成される。すなわち、回転子3の外周において凹部11は、凸部17における固定子2のティース4とのギャップ長が最短のg1となる部位と、g1よりも長いギャップ長のg2となる部位との何れよりもさらに内周側に凹んで形成される。
 そして、本実施例においてはこの凹部11を図2に示すように略台形形状(略バスタブ形状)で構成し、さらにこの凹部11が外周側の左右それぞれにおいて、隣接する凸部17の略直線状のカット部(16a、16b)と繋がることで、回転子3の外周部を形成している。より具体的には、凹部11は隣接する永久磁石14の間に回転方向に沿うように位置する略直線状の内周側直線部11aと、内周側直線部11aの回転方向側端部から回転方向側に広がるように位置する略直線状の回転方向側直線部11bと、内周側直線部11aの反回転方向側端部から反回転方向側に広がるように位置する略直線状の反回転方向側直線部11cとが繋がることで形成される。
 内周側直線部11aは永久磁石14の短手方向における内周側に位置する。なお、ここでは時計周りを回転方向として説明したが、反時計周りに回転する回転子3であっても構わない。
 凹部11の回転方向側直線部11bは外周側端部において、隣接する凸部17の略直線状の回転方向側カット部16aと繋がり、回転方向側カット部16aは外周側端部から回転方向に向かうにつれ外周側に傾斜するように形成される。また凹部11の反回転方向側直線部11cは外周側端部において隣接する凸部17の略直線状の反回転方向側カット部16bと繋がり、反回転方向側カット部16bは外周側端部から反回転方向に向かうにつれ外周側に傾斜するように形成される。
 なお、回転方向側直線部11b、反回転方向側直線部11cの外周側端部と固定子鉄心6のティース4とのギャップ長、あるいは、回転方向側カット部16a、反回転方向側カット部16bの内周側端部と固定子2のティース4とのギャップ長が上記したg2となる。本実施例では上記したように凸部17の回転方向側カット部16a、反回転方向側カット部16bを略直線状に形成しているため、容易に製造できるようにしており生産コストの低減を図ることができる。
 また回転子3のそれぞれの凸部17は、回転方向側カット部16aがその外周側端部において、永久磁石14の外周側に位置する円弧形状の外周部と直接、接続される。同様に反回転方向側カット部16bがその外周側端部において、永久磁石14の外周側に位置する円弧形状の外周部と直接、接続される。そして本実施例では凸部17がティース4と対応する位置にある状態において、回転方向側カット部16aの外周側端部と、反回転方向側カット部16bの外周側端部との間の幅が固定子2のティース4の回転方向の幅に対応するように凸部17が形成される。より具体的には回転方向側カット部16aの外周側端部と、反回転方向側カット部16bの外周側端部との間の幅が固定子2のティース4の回転方向の幅以下であることが望ましい。
 このように凸部を形成することにより、永久磁石による磁束がティース4に対してそのまま流れるようにすることができ、ティース4の外側に磁束が漏れることを抑制することが可能となる。よって、モータの誘導起電力が向上することができ、この分だけq軸電流が低減することができるので、少ないq軸電流で、同じトルクを発生することが可能となる。よって、モータの銅損(3*抵抗*モータ電流)が減って,高効率化が可能となるものである。
 本実施例では凹部11において、内周側直線部11aの開度(電気角)をθp1、回転方向側直線部11bと反回転方向側直線部11cとのそれぞれの外周側端部間の開度をθp2(電気角)としたとき、θp1<θp2となるように構成されている。そして本実施例では、θp2は電気角で60°の範囲内となるように構成されている。なお、上記においては凹部11を台形形状であるものとして説明したが、本実施例はこれに限定されるわけではなく、凹部11の内周側から外周側に向かうにつれて左右に広がる形状であればよい。つまり、凹部11の内周側の左右両端の開度θp1に対して外周側の左右両端の開度θp2が大きくなるように形成されればよい。
 また、凹部11により囲われる断面積は、回転方向側カット部16aと凸部17の円弧形状を延長させた図2の点線と回転方向側カット部16aの内周側端部から上記点線までの垂線とで囲まれる面積よりも大きいことが望ましい。同様に凹部11により囲われる断面積は、反回転方向側カット部16bと凸部17の円弧形状を延長させた図2の点線と反回転方向側カット部16bの内周側端部から上記点線までの垂線とで囲まれる面積よりも大きいことが望ましい。
 図4は本実施例の永久磁石式回転電機のベクトル図の模式図である。 
 図4において、上述した通り回転子鉄心12の略台形形状の凹部11において、上記したように内周側直線部11aの開度θp1より、回転方向側直線部11bと反回転方向側直線部11cとのそれぞれの外周側端部間の開度θp2を大きくすることで、永久磁石の磁束を集合させることが可能となる。特に本実施例者らは鋭意検討の末、内周側直線部11aの開度θp1に対応する機械角θp1´、回転方向側直線部11bと反回転方向側直線部11cとのそれぞれの外周側端部間の開度θp2に対応する機械角θp2´の関係を機械角θp1´/機械角θp2´≧0.4となるように凹部11を形成することが望ましいことを突き止めたものである。
 このように可能な限り内周側直線部11aを、回転方向側直線部11bと反回転方向側直線部11cとのそれぞれの外周側端部間に対して長くすることで、q軸の磁気抵抗を大幅に増大させて電機子反作用の影響を抑制し、機内磁束の高調波成分を大幅に低減することが可能となる。
 以上の本実施例によれば、図4に示すようにq軸を流れる磁束を図3(b)に比べて低減することができるため、印加電圧V1’とI1’の関係を改善することができ、Φ1とΦmの位相進みを改善することが可能となる。よって、高速域において、高負荷トルク、ならびにモータのインダクタンスが大きい場合、電機子反作用の影響による力率低下を改善することができ、その結果、トルクの低下を抑制し、永久磁石式回転電機1を小形・高効率にすることが可能となる。
 図5は本実施例に係わる永久磁石式回転電機の実施例1のトルク(高速域)を示したものである。図5では、定格電流を1p.u.とし、また、その定格電流を流した際での永久磁石式回転電機の実施例1のトルク(高速域)を1P.U.として、基準化している。図5より、本実施例に係わる永久磁石式回転電機の実施例1のトルクが、従来構造よりも大きくなっているのがわかる。
 以上より、前述の永久磁石式回転電機とすることで、電機子反作用の影響による力率低下を改善することができ、トルクの低下を抑制し、小形・高効率な永久磁石式回転電機を提供できる。
 図6は本発明による永久磁石式回転電機の実施例2の回転子鉄心形状の断面図である。
 図6において、図2と同一物には同一符号を付してある。図において、図2と異なる部分は、永久磁石14が一極あたり2枚具備され、かつシャフト孔15に対して凸のV字配置となっている。なお、このように配置した回転子構造においても電機子反作用の影響による力率低下を改善することができ、トルクの低下を抑制し、小形・高効率にできることはいうまでもない。よって、このように配置しても、図2と同様の効果を得ることができる。
 図7は本発明による永久磁石式回転電機の実施例3を搭載した圧縮機の断面図である。
 
 図7において、円筒状の圧縮容器69内には、固定スクロール部材60の端板61に直立する渦巻状ラップ62と、旋回スクロール部材63の端板64に直立する渦巻状ラップ65とを噛み合わせて圧縮機構部が形成される。圧縮機構部は永久磁石式回転電機1により駆動されることで、旋回スクロール部材63がクランク軸72を介して旋回運動させることによって圧縮動作を行う。
 また、固定スクロール部材60および旋回スクロール部材63によって形成される圧縮室66(66a、66b、…)のうち、最も外径側に位置している圧縮室は、旋回運動に伴って両スクロール部材63、60の中心に向かって移動し、容積が次第に縮小する。圧縮室66a、66bが両スクロール部材60、63の中心近傍に達すると、両圧縮室66内の圧縮ガスは圧縮室66と連通した吐出口67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60およびフレーム68に設けられたガス通路(図示せず)を通ってフレーム68下部の圧縮容器69内に至り、圧縮容器69の側壁に設けられた吐出パイプ70から電動圧縮機外に排出される。また、電動圧縮機を駆動する永久磁石式回転電機1は、別置のインバータ(図示せず)によって制御され、圧縮動作に適した回転速度で回転する。
 ここで、永久磁石式回転電機1は固定子2と回転子3から構成され、回転子3に設けられるクランク軸72は、上側がクランク軸になっている。クランク軸72の内部には、油孔74が形成され、クランク軸72の回転によって圧縮容器69の下部にある油溜め部73の潤滑油が油孔74を介して滑り軸受75に供給される。このような構成の圧縮機に、前述した実施例1または実施例2の永久磁石式回転電機1を適用することで、圧縮機の効率向上を図ることが可能となる。
 ところで、現在の家庭用および業務用のエアコンでは、圧縮容器69内にR410A冷媒が封入されているものが多く、永久磁石式回転電機1の周囲温度は80℃以上となることが多い。今後、地球温暖化係数がより小さいR32冷媒の採用が進むと周囲温度はさらに上昇する。特に永久磁石14をネオジウム磁石で構成している場合には、高温になることで磁石の残留磁束密度が低下し、同一出力を確保するために電機子電流が増加することから、前述の実施例1又は実施例2記載の永久磁石式回転電機を適用することで、効率低下を補うことができる。なお、本実施例の圧縮機に前述の実施例1又は実施例2記載の永久磁石式回転電機を適用するにあたり、冷媒の種類が制限されるものではない。なお、圧縮機構成は図7に示したスクロ-ル圧縮機でも良いし、ロ-タリ圧縮機でも良いし、その他の圧縮機構を有する構成でも良い。
 また、本実施例によれば、以上に説明したように小形・高効率な永久磁石式回転電機が実現できる。実施例1または実施例2の永久磁石式回転電機を適用すると高速運転が可能になるなど、運転範囲を広げることが可能となる。更に、HeやR32などの冷媒においては、R22、R407C、R410Aなどの冷媒と比べて、圧縮機は隙間からの漏れが大きく、特に低速運転時には循環量に対する漏れの比率が顕著に大きくなるため、効率の低下が大きい。低循環量(低速運転)時の効率向上のためには、圧縮機構部を小形化し、同じ循環量を得るために回転数を上げることで、漏れ損失を低減させることが有効な手段となりうるが、最大循環量を確保するために最大回転数も上げる必要がある。本実施例に係わる永久磁石式回転電機1を備えた圧縮機とすれば、最大トルクおよび最大回転数を大きくすることが可能で、且つ高速域での損失低減が可能となるため、HeやR32などの冷媒が冷凍サイクル中に多く含まれる場合(たとえば70重量%以上)、における効率向上に有効な手段となり得る。
 以上より、前述した永久磁石式回転電機を空調用・業務用などの各種圧縮機に適用すれば、高効率な圧縮機を提供することができる。
1…永久磁石式回転電機(駆動用電動機),2…固定子,3…回転子、,4…ティース,5…コアバック,6…固定子鉄心,7…スロット、,8…電機子巻線,10…スリット,11…凹部,12…回転子鉄心、,13…永久磁石挿入孔,14…永久磁石,15…シャフト孔,60…固定スクロール部材,61、64…端板,62、65…渦巻状ラップ、,63…旋回スクロール部材,66…圧縮室,67…吐出口,68…フレーム,69…圧縮容器,70…突出パイプ,72…クランク軸,73…油留め部,74…油孔,75…すべり軸受け

Claims (9)

  1.  電機子巻線が巻かれるティースを有する固定子と、
     前記固定子と隙間を介して配置される回転子と、
     前記回転子に形成された複数の磁石挿入孔と、
     前記複数の磁石挿入孔のそれぞれに配置された永久磁石と、を有する永久磁石式回転電機において、
     前記永久磁石の磁束軸をd軸、該d軸と電気角に直交するq軸としたとき、前記回転子は、q軸上において内周側に凹む凹部が形成され、d軸上における外周部と前記固定子の前記ティースとの隙間より前記凹部と前記ティースとの隙間が大きくなるように形成され、
     前記該凹部は、略台形形状により形成されるとともに、内周側の左右両端の開度θp1に対して外周側の左右両端の開度θp2が大きくなるように形成され、前記開度θp2を電気角で略60度の範囲内にし、さらに、
     前記磁石挿入孔の外周側においてd軸近傍にはスリットを形成せずに、d軸から所定の距離以上離れた左右両側において複数のスリットを形成したことを特徴とする永久磁石式回転電機。
  2.  請求項1に記載の永久磁石式回転電機において、
     前記凹部は、
     隣接する前記永久磁石の間に回転方向に沿うように位置する内周側直線部と、
     該内周側直線部の回転方向側端部から回転方向側に広がるように位置する回転方向側直線部と、
     前記内周側直線部の反回転方向側端部から反回転方向側に広がるように位置する反回転方向側直線部とが繋がることで形成されることを特徴とする永久磁石式回転電機。
  3.  請求項2に記載の永久磁石式回転電機において、
     前記回転子は外周側に凸となる複数の凸部を備え、
     前記凹部の前記回転方向側直線部は外周側端部において、隣接する前記凸部の略直線状の回転方向側カット部と繋がり、該回転方向側カット部は当該外周側端部から回転方向に向かうにつれ外周側に傾斜するように形成され、一方で、
    前記凹部の反回転方向側直線部は外周側端部において隣接する前記凸部の略直線状の反回転方向側カット部と繋がり、該反回転方向側カット部は当該外周側端部から反回転方向に向かうにつれ外周側に傾斜するように形成されることを特徴とする永久磁石式回転電機。
  4.  請求項3に記載の永久磁石式回転電機において、
     前記凸部のそれぞれは、前記回転方向側カット部がその外周側端部において、前記永久磁石の外周側に位置する円弧形状の外周部と直接、繋がるように形成され、一方で、
     前記反回転方向側カット部がその外周側端部において、前記永久磁石の外周側に位置する円弧形状の外周部と直接、繋がるように形成されることを特徴とする永久磁石式回転電機。
  5.  請求項2~4の何れかに記載の永久磁石式回転電機において、
     前記凹部のそれぞれは、前記内周側直線部の電気角θp1に対応する機械角θp1´と、前記回転方向側直線部と前記反回転方向側直線部とのそれぞれの外周側端部間の電気角θp2に対応する機械角θp2´との関係をθp1´/θp2´≧0.4となるように形成されることを特徴とする永久磁石式回転電機。
  6.  請求項1に記載の永久磁石式回転電機において、
     前記複数のスリットが外周側に向かうにつれて、それぞれ対応する前記永久磁石の中心側に傾斜させたことを特徴とする永久磁石式回転電機。
  7.  請求項4に記載の永久磁石式回転電機において、
     前記凸部のそれぞれの円弧形状の前記外周部は、電気角で略90度から略120度の範囲内にしたことを特徴とする永久磁石式回転電機。
  8.  冷媒を圧縮する圧縮機構部と、
     該圧縮機構部を駆動する電動機部と、を内部に備えた圧縮機において、
     前記電動機部に請求項1~4の何れかに記載の永久磁石式回転電機を搭載したことを特徴とする圧縮機。
  9.  請求項8に記載の圧縮機において、
     前記圧縮機が採用される冷凍サイクル中には冷媒としてR32が70重量%以上、封入されていることを特徴とする圧縮機。
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