JP2005117771A - 永久磁石式同期電動機及びこれを用いた圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】 鉄損を増大させることなく、必要な誘導起電力を確保でき、波形歪率を低減できる回転子構造を備えた永久磁石式同期電動機を提供すること。
【解決手段】 かご形巻線３と、このかご形巻線バーの内周側に配置した永久磁石４を有する回転子１を備えた永久磁石式同期電動機２４において、永久磁石４の磁束分布の周方向ピッチ角度θと、磁極ピッチ角度αの比θ／αを、０．５４〜０．６７となるように永久磁石４を着磁した。
【効果】 誘導起電力の歪が少なく、正弦波に近づくので、効率の高い永久磁石式同期電動機を提供できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は永久磁石式同期電動機及びそれを用いた圧縮機に関するものである。

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、速度制御を必要としない一定速駆動の機械の駆動源として低コストに構成できる点にある。

一方、同期電動機は、誘導電動機と同様に、低コストに駆動部を構成できる上、定常運転時の二次銅損がほぼ皆無となるため、駆動システムの高効率化に大きく貢献できるメリットがある。ただし、短所として、回転子外周側に始動用かご型巻線を有し、このかご型導体の内周側にさら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。この結果、磁極間の漏れ磁束が増えたり、誘導起電力波形を正弦波化しにくいといったような、設計上の課題がある。

回転子内に埋設する永久磁石の配置を決定する方法として、特許文献１や特許文献２等に開示された技術がある。これらは、同期電動機の磁極数や構造を、電気自動車などのシステムとしての応用先に向けて、各々最適化を目指している。

特開平１１−１０３５４８号公報

特開２００２−３６９４２２号公報

上記従来技術により、圧縮機用として、自己始動式で永久磁石式の同期電動機を設計すると、一方で、磁石量が多すぎて鉄損が増え、他方、逆に磁石量が少なすぎて所望の出力を発生させるための誘導起電力が不足する。後者の場合、波形歪みも大きくなってしまうなど、特性劣化に繋がる場合が多い。

本発明の目的は、鉄損を増大させることなく、かつ必要な誘導起電力を確保でき、波形歪率を低減できる回転子構造を備えた永久磁石式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することである。

本発明はその一面において、永久磁石式同期電動機において、回転子に設けたかご型巻線の内周側に埋設した永久磁石の周方向ピッチ角度θと、磁極ピッチ角度αの比θ／αを、０．５４〜０．６７となるように構成する。

本発明は他の一面において、永久磁石式同期電動機において、回転子に設けたかご型巻線の内周側に埋設した永久磁石の磁束分布の周方向ピッチ角度θと、磁極ピッチ角度αの比θ／αを、０．５４〜０．６７となるように永久磁石を着磁する。

本発明によれば、鉄損を増大させることなく、かつ必要な誘導起電力を確保でき、波形歪率を低減できる回転子構造を備えた永久磁石式同期電動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、多数の始動用かご型巻線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、磁極数が２極となるように配置して構成している。また、磁極間には空孔５を施している。永久磁石４の幅開度θは磁極ピッチ角度αに対し、０．５４＜θ／α＜０．６７となるように施しており、磁石の配向は径方向配向としている。５は磁極間に設けた空孔である。

図２は、図１に磁石の着磁状態を加筆した上半分の概念図である。図に矢印で示すように、永久磁石４の着磁方向は、回転子１の径方向（放射方向）である。

なお、永久磁石４の幅開度と、永久磁石４の磁束分布の周方向ピッチ角度は、その着磁によっては異なる場合も考えられる。しかし、この実施例においては、図２に示すように、永久磁石４の幅開度いっぱいに着磁されており、永久磁石４の磁束分布の周方向ピッチ角度は、永久磁石４の幅開度に等しく、いずれも角度θとした例である。

図３は、誘導起電力波形歪の実測データを示すグラフである。横軸に、磁束ピッチ角度θと磁極ピッチ角度αの比θ／αをとり、縦軸に誘導起電力波形歪率（％）をとっている。

永久磁石４の幅開度θと、磁極ピッチ角度αとを等しくした場合、永久磁石４が作る磁束分布（図示せず）は、略方形波となるため、高調波を多く含んだ歪波となる。そこで、永久磁石４の幅開度θと磁極ピッチαとの関係を実測調査した。誘導起電力波形歪率は、６％以内であれば良好な特性と言える。この観点で図３のデータを見ると、幅開度θと磁極ピッチαとの比θ／αが、０．５４より大きく、０．６７より小さい場合が良好な特性であり、比θ／αが０．６のときが最も優れた特性となる。この結果を踏まえ、永久磁石４の周方向ピッチ角度又は永久磁石４がつくる磁束分布の周方向ピッチ角度θを、磁極ピッチ角度αの０．５４〜０．６７となるように構成する。

言い換えれば、永久磁石４の長さである永久磁石４の周方向ピッチ又は永久磁石４がつくる磁束分布の周方向ピッチＴｍは、その円周上の半円の円周長である磁極ピッチＴｐの０．５４〜０．６７となるように構成している。

ここで、永久磁石の周方向ピッチ角度θと、磁極ピッチ角度αの比θ／αを上記のように設定することで波形が正弦波化される理由は、次の通りである。固定子コイルは１８０°ピッチで巻装されていることから、磁束の分布も２極の場合に１８０°とすると、固定子側から見た場合、略方形波に分布した形となる。この場合、波形には５次，７次といった高調波が重畳してしまう。一方，磁束分布を１８０°よりも極端に小さくすると、固定子側から見た場合、パルス状の波形となるため、やはり多くの高調波が重畳することになる。つまり、磁石の磁束分布の磁束ピッチを、固定子巻線ピッチすなわち磁極ピッチ（例えば２極の場合、１８０°）に対し、最適な永久磁石の周方向ピッチ角度θとする必要があることを示している。本発明者等の実験によれば、図３のように、永久磁石４がつくる磁束分布の周方向ピッチ角度θを、磁極ピッチ角度αの０．５４〜０．６７とした場合が最適であることが見出された。

図４は、本発明の第２の実施例に係る同期電動機の回転子の径方向断面図である。図３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、磁極間に設けた空孔５を、５Ａ、５Ｂからなるように２分割したことである。

このように構成すれば、図１と同様の効果を得ることができるほか、洩れ磁束の通路を少なくし、回転子強度をより強固にすることができる。

図５は、本発明の第３の実施例による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４と異なる点は、永久磁石４の外周を形成する円弧の半径（以下、単に外径）ｒ３を、磁石挿入孔７の外径ｒ１に対して短く、かつ非同心としたことである。すなわち、磁石挿入孔７の外径ｒ１は、シャフト６の原点Ｏを中心とした半径ｒ１の円弧である。これに対し、永久磁石４の外径ｒ３は、原点Ｏから距離ｌだけずれた点Ｏ１を中心とした半径ｒ３の円弧である。ここで、永久磁石４の内径は、磁石挿入孔７の内径ｒ４と同じくしている。

この実施例のように、偏心磁石を用いれば，磁石の周方向端部のギャップ長が広がるため、端部付近における漏れ磁束の固定子巻線への鎖交を軽減させることができ、より正弦波に近づけることが可能となる。したがって、この実施例によれば、図４の第２の実施例と同様の効果を得ることができるほか、磁束分布をより正弦波に近づけることができる。

図６は、本発明の第４の実施例による回転子の磁石の着磁状態を示す径方向上半分断面図である。図６において、図１〜５と同一構成要素には同一符号を付け、重複説明は避ける。図に矢印で示すように、永久磁石４の磁石配向を平行配向としたものである。このような配向としても、図１〜５とほぼ同じ特性を得ることができる。

図７は、本発明の第５の実施例による同期電動機の回転子径方向断面図である。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４と異なる部分は、永久磁石４を平板で構成し、かつ、一磁極を２枚の平板４Ａ、４Ｂを重ねて構成していることである。

このように構成しても図４と同様の特性を得ることができる。

図８は、本発明の第６の実施例による同期電動機の回転子径方向断面図である。図８において、図７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と異なる部分は、一磁極を３枚の永久磁石４Ａ、４Ｂ、４Ｃを周方向に等ピッチで配置して構成していることである。

このように構成しても図７と同様の特性を得ることができる。

図９は、本発明による永久磁石式同期電動機の第１の実施例を示す径方向断面図である。図９において、図１〜８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９は、これまでに詳述してきた回転子１を、固定子８と組合わせて同期電動機２４として構成した場合の例を示したものであり、図４の回転子を組合わせている。

ここで、固定子８は固定子鉄心９とそれに施された多数（図では２４個）のスロット１０と、これらのスロット１０で分割されたティース１１とを備えている。Ｕ相巻線１２Ａ、Ｖ相巻線１２Ｂ、Ｗ相巻線１２Ｃからなる電機子巻線１２は、多数のスロット１０に同じ相が分布する分布巻で巻装されている。

このような構成において、電機子巻線１２に一定周波数の交流電圧を給電すれば、回転子１は誘導電動機としての起動・加速でき、その後、同期電動機としての定速運転が可能である。

図１０は、本発明による永久磁石式同期電動機の第２の実施例を示す径方向断面図である。図９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１０において、図９と異なる部分は、固定子８のスロット１０を、６個で構成している点にある。

このように構成しても図９と同様の作用を得ることができると共に、簡便な構成となるので、安価な同期電動機２４を提供できる。

図１１は、本発明による永久磁石式同期電動機の第３の実施例を示す径方向断面図である。図９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１１において、図９と異なる部分は、固定子８のスロット１０を３個とし、電機子巻線１２が、ティース１１を取囲むように巻回された集中巻で構成している点にある。

このように構成しても図９と同様の作用を得ることができると共に、コイルエンド（図示せず）の短縮化、銅量の低減など、簡便な構成となるので、より経済的に同期電動機２４を提供できる。

なお、図９〜１１の実施例の永久磁石式同期電動機における回転子１は、図４に記載した実施例の回転子１を図示したが、他の図で説明した回転子１を用いても、永久磁石式同期電動機として同様の作用となることは言うまでもない。

図１２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１２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１１にて説明したように、固定子８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、油溜め部２５が設けられている。油溜め部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１〜１１で述べた永久磁石式同期電動機を適用すれば、一定速圧縮機の高効率化を実現できる。

以上の実施例によれば、鉄損を増大させることなく、かつ必要な誘導起電力を確保でき、波形歪率を低減できる回転子構造を備えた永久磁石式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。

本発明の第１の実施例による同期電動機の回転子の径方向断面図。 図１に磁石の着磁状態を加筆した上半分の概念図。 誘導起電力波形歪の実測データを示すグラフ。 本発明の第２の実施例に係る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の実施例による回転子の磁石の着磁状態を示す径方向上半分断面図。 本発明の第５の実施例による同期電動機の回転子の径方向断面図。 本発明の第６の実施例による同期電動機の回転子の径方向断面図。 本発明による永久磁石式同期電動機の第１の実施例を示す径方向断面図。 本発明による永久磁石式同期電動機の第２の実施例を示す径方向断面図。 本発明による永久磁石式同期電動機の第３の実施例を示す径方向断面図。 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…固定子、９…固定子鉄心、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…端板、１５…渦巻状ラップ、１６…旋回スクロール部材、１７…端板、１８…渦巻状ラップ、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 (20)

1. 回転子鉄心の外周部近傍に軸方向に設けた多数のスロットと、これらスロット内に埋設した導電性のバーと、これらのバーを軸方向端面で短絡する導電性のエンドリングと、前記バーの内周側に配置した磁石挿入孔に埋設した永久磁石を有する回転子を備えた永久磁石式同期電動機において、前記永久磁石の周方向ピッチ角度θと、磁極ピッチ角度αの比θ／αを、０．５４〜０．６７としたことを特徴とする永久磁石式同期電動機。
2. 請求項１において、前記永久磁石の周方向ピッチＴｍと磁極ピッチＴｐの比Ｔｍ／Ｔｐを、０．５４〜０．６７となるように構成したことを特徴とする永久磁石式同期電動機。
3. 請求項１において、前記バーの内周側に配置した略円弧状の磁石挿入孔に略円弧状の永久磁石を埋設したことを特徴とする永久磁石式同期電動機。
4. 請求項１において、前記回転子の隣合う磁極間に空孔を設けたことを特徴とする永久磁石式同期電動機。
5. 請求項１において、前記永久磁石の外径を、前記磁石挿入孔の外径に対し非同心に形成したことを特徴とする永久磁石式同期電動機。
6. 請求項５において、前記回転子の隣合う磁極間に空孔を設けたことを特徴とする永久磁石式同期電動機。
7. 請求項１において、前記永久磁石の磁区配向を径方向配向としたことを特徴とする永久磁石式同期電動機。
8. 請求項１において、前記永久磁石の磁区配向を平行配向としたことを特徴とする永久磁石式同期電動機。
9. 請求項１において、前記永久磁石を平板で構成したことを特徴とする永久磁石式同期電動機。
10. 請求項９において、前記回転子の隣合う磁極間に空孔を設けたことを特徴とする永久磁石式同期電動機。
11. 請求項１において、前記永久磁石の材質を希土類磁石としたことを特徴とする永久磁石式同期電動機。
12. 請求項１において、６個以上のスロットに分布巻きに巻かれた固定子巻線を有する固定子を備えたことを特徴とする永久磁石式同期電動機。
13. 請求項１において、３個以上のスロットに集中巻きに巻かれた固定子巻線を有する固定子を備えたことを特徴とする永久磁石式同期電動機。
14. 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、回転子鉄心の外周部近傍に軸方向に設けた多数のスロットと、これらスロット内に埋設した導電性のバーと、これらのバーを軸方向端面で短絡する導電性のエンドリングと、前記バーの内周側に配置した永久磁石を有する回転子を備えるとともに、前記永久磁石の周方向ピッチ角度θと、磁極ピッチ角度αの比θ／αを、０．５４〜０．６７とした永久磁石式同期電動機であることを特徴とする圧縮機。
15. 回転子鉄心の外周部近傍に軸方向に設けた多数のスロットと、これらスロット内に埋設した導電性のバーと、これらのバーを軸方向端面で短絡する導電性のエンドリングと、前記バーの内周側に配置した磁石挿入孔に埋設した永久磁石を備えた永久磁石式同期電動機の回転子において、前記永久磁石の周方向ピッチ角度θと、磁極ピッチ角度αの比θ／αを、０．５４〜０．６７としたことを特徴とする永久磁石式同期電動機の回転子。
16. 回転子鉄心の外周部近傍に軸方向に設けた多数のスロットと、これらスロット内に埋設した導電性のバーと、これらのバーを軸方向端面で短絡する導電性のエンドリングと、前記バーの内周側に埋設した永久磁石を有する回転子を備えた永久磁石式同期電動機において、前記永久磁石の磁束分布の周方向ピッチ角度θと、磁極ピッチ角度αの比θ／αを、０．５４〜０．６７となるように着磁したことを特徴とする永久磁石式同期電動機。
17. 請求項１６において、前記永久磁石の磁束分布の周方向ピッチＴｍと磁極ピッチＴｐの比Ｔｍ／Ｔｐを、０．５４〜０．６７となるように構成したことを特徴とする永久磁石式同期電動機。
18. 請求項１６において、前記バーの内周側に配置した略円弧状の磁石挿入孔内に略円弧状の永久磁石を埋設したことを特徴とする永久磁石式同期電動機。
19. 請求項１６において、前記永久磁石の外径を、前記磁石挿入孔の外径に対し非同心に形成したことを特徴とする永久磁石式同期電動機。
20. 回転子鉄心の外周部近傍に軸方向に設けた多数のスロットと、これらスロット内に埋設した導電性のバーと、これらのバーを軸方向端面で短絡する導電性のエンドリングと、前記バーの内周側に埋設した永久磁石を備えた永久磁石式同期電動機の回転子において、前記永久磁石の磁束分布の周方向ピッチ角度θと、磁極ピッチ角度αの比θ／αを、０．５４〜０．６７となるように着磁したことを特徴とする永久磁石式同期電動機の回転子。
    

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