JP2007166798A - 回転電機、圧縮機、送風機、及び空気調和機 - Google Patents

Abstract

【課題】小型化、高効率化に優れたダブルアマチュア電動機において、誘起電圧によって効率の改善を図る。
【解決手段】当該電動機は、回転子１００と、電機子巻線２０１が巻回された内周側固定子２００と、電機子巻線３０１が巻回された外周側固定子３００とを備える、いわゆるダブルアマチュア電動機である。内周側固定子２００の極対数Ｐｎと外周側固定子３００の極対数Ｐｇとの比は、電機子巻線３０１に鎖交する界磁磁束の大きさと、電機子巻線２０１に鎖交する界磁磁束の大きさΦｎとの比に、等しく選定される。
【選択図】図１

Description

この発明は、回転電機の構造及びその制御方法に関する。

回転電機、例えば電動機を小型化し、効率を高めるためには、界磁磁束を永久磁石で発生させることが望ましい。電動機を例に取れば、永久磁石励磁電動機は、小型化、高効率化の観点から望ましい。

永久磁石励磁電動機の発生トルクは、電機子巻線の巻回数、これに流れる電流、これに鎖交する界磁磁束に比例する。電動機が大きい方が永久磁石の表面積は大きくでき、電機子巻線自体の断面積（以下「線断面積」と称す）を大きくできる。永久磁石の表面積が大きいほど界磁磁束は大きくできる。線断面積が大きいほど電機子巻線の電気抵抗は低減し、銅損は低下する。よって発生トルク（又は同一トルク発生時の効率）の増大と、電動機の小型化とはトレードオフの関係にある。

小型化、高効率化に優れた構造として、いわゆるダブルアマチュア電動機が知られている。これは一つの界磁子に、相互に反対側から対峙する一対の電機子が設けられた電動機である。下記の特許文献１，２には円筒状のダブルアマチュア電動機が開示されている。特許文献２では、界磁子として、内周側と外周側とで個別に永久磁石を設け、それぞれのインバータで電流位相を制御する技術が開示されており、トルクリプルを低減しつつ小型化かつ発生トルクの向上を企図している。

ダブルアマチュア電動機でおいて発生するトルクは、外周側電機子と界磁子の間に働くトルク（以下「外周側トルク」と称す）と、内周側電機子と界磁子の間に働くトルク（以下「内周側トルク」と称す）との和である。そして外周側トルクにしても、内周側トルクにしても、通常の電動機で発生するトルクと同様に、対応する電機子の電機子巻線の巻回数、これに流れる電流、及びこれに鎖交する界磁磁束の積に比例する。

永久磁石励磁の同期系電動機の一般的な指標は、下記の非特許文献１に紹介されている。冷却条件が揃えられ、寸法が同一の電動機であれば、温度上昇と放熱の関係から許容損失Ｗｃがほぼ同一と考えることができる。トルクＴと許容損失Ｗｃは式（１）の関係にあり、係数Ｋｍはモータコンスタントと呼ばれる。

Ｔ＝Ｗｃ・√Ｋｍ…（１）

つまり許容損失Ｗｃが一定である場合には、モータコンスタントＫｍが大きいほどトルクＴが大きくなる。よってモータコンスタントＫｍを、許容トルク（通常は連続定格トルク）の指標値として用いることができる。

モータコンスタントＫｍは式（２）で表すことができる。ここで極対数ｐ、巻き線最大鎖交磁束Φ、占積率ｆｓ、巻線スロットの全断面積Ｓｔ、巻線の固有抵抗ρ、単位コイルの平均長ｌを導入した。また電流波形は正弦波であり、磁束が正弦波状に交番すると仮定した。また電動機の損失は、特に電動機が小型の場合には銅損が大部分であり、鉄損を省略して考慮している。

Ｋｍ＝（１／２）ｐΦ√（ｆｓＳｔ／ρｌ）…（２）

従って、電動機の体積当たりの電動機効率を高めるためにはモータコンスタントＫｍを高める必要があり、式（２）から以下の諸方針が有効である。

(i)巻き線の占積率ｆｓを大きくする
(ii)単位コイルの平均長ｌを短くする
(iii)巻線の固有抵抗ρを小さくする
(iv)巻線最大鎖交磁束Φを大きくする
(v)極対数ｐを大きくする
(vi)巻線スロットの全断面積Ｓｔを大きくする。

よってダブルアマチュア電動機は電機子が二つ設けられるので、上記方針(vi)の観点で有利である。

特開２００２−３３５６５８号公報 特開２００２−３６９４６７号公報 大西和夫、「永久磁石モータのトルク評価と最適構造の検討」、電気学会論文誌Ｄ産業応用部門部門誌、平成７年、第１１５巻、第７号、第９３０頁〜第９３５頁 特定用途指向型リラクタンストルク応用電動機の高性能化調査専門委員会、「特定用途指向型リラクタンストルク応用電動機の高性能化」、電気学会技術報告第９２０号、２００３年３月

しかし、ダブルアマチュア電動機においては、磁気抵抗が増加して、永久磁石の動作点が低下するという問題点がある。これは界磁子に対して二つの電機子が相互に反対側から対峙するため、エアギャップと通称される界磁子−電機子間の空隙が二カ所に存在し、かつそれらが界磁磁束に対する磁気抵抗として直列に接続されるからである。

ダブルアマチュア電動機における上述の動作点の低下は、電機子が一つのみ設けられた電動機と比較して、電機子に鎖交する界磁磁束の減少を招来する。つまり上記方針(iv)の観点では不利である。

特許文献２に開示された技術では永久磁石が内外二層に設けられているので、上記動作点の低下の問題を補償できる可能性はある。しかし永久磁石の使用量の増加や、界磁子の厚みの増大という小型化を阻害する要因をも招来する。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、小型化、高効率化に優れたダブルアマチュア回転電機において、更にその性能を向上させることを目的としている。

当該目的の例として、電動機の誘起電圧による効率の改善を挙げることができる。

この発明にかかる回転電機の第１の態様は、外周面（１０１ａ）及び内周面（１０１ｂ）とを含む円筒形状を呈し、界磁磁束を供給する界磁用磁石（１０２）を有する回転子（１００）と、前記内周面側から前記回転子に対向し、電機子巻線（２０１）が巻回された内周側固定子（２００）と、前記外周面側から前記回転子に対向し、電機子巻線（３０１）が巻回された外周側固定子（３００）とを備える。そして、前記内周側固定子の極対数（Ｐｎ）と前記外周側固定子の極対数（Ｐｇ）との比と、前記外周側固定子の前記電機子巻線に鎖交する前記界磁磁束の大きさ（Φｇ）と前記内周側固定子の前記電機子巻線に鎖交する前記界磁磁束の大きさ（Φｎ）との比とは、等しく選定される。

この発明にかかる回転電機の第２の態様は、その第１の態様であって、前記内周側固定子（２００）の極対数（Ｐｎ）と前記外周側固定子（３００）の極対数（Ｐｇ）とは等しく、前記内周側固定子の前記電機子巻線１ターン当たりに鎖交する前記界磁磁束の大きさ（Φ０ｎ）と前記外周側固定子の前記電機子巻線１ターン当たりに鎖交する前記界磁磁束の大きさ（Φ０ｇ）との比と、前記外周側固定子の前記電機子巻線の巻回数（Ｔｇ）と前記内周側固定子の前記電機子巻線の巻回数（Ｔｎ）との比とは、等しく選定される。

この発明にかかる圧縮機は、上記回転電機を電動機として採用し、当該電動機によって冷媒を圧縮する。

この発明にかかる送風機は、上記回転電機を電動機として採用し、当該電動機によって送風する。

この発明にかかる空気調和機は、上記圧縮機及び上記送風機の少なくともいずれか一つを搭載する。

回転子は、外周側固定子及び内周側固定子のいずれに対しても、同じ機械角速度で移動する。よって内周側固定子の電機子巻線に鎖交する界磁磁束は内周側固定子の極対数に比例して変化し、外周側固定子の電機子巻線に鎖交する界磁磁束は外周側固定子の極対数に比例して変化する。この発明にかかる回転電機の第１の態様によれば、電機子巻線に鎖交する界磁磁束の大きさとその変化する速度が、内周側固定子と外周側固定子とで等しくなるので、いずれの固定子においても無負荷時の誘起電圧を等しくすることができる。

この発明にかかる回転電機の第２の態様によれば、極対数が同じである二つの固定子において、それぞれの電機子巻線に鎖交する界磁磁束の大きさが等しく設定されるので、それぞれの固定子における無負荷時の誘起電圧を等しくすることができる。

この発明にかかる回転電機は、電動機として採用でき、これを圧縮機、送風機へと適用することができる。当該圧縮機、送風機は空気調和機へと適用することができる。

第１の実施の形態．
図１はこの発明の第１の実施の形態にかかるダブルアマチュア電動機の構造を例示する断面図であり、回転軸Ｑに垂直な断面を示している。当該電動機は、回転子１００、内周側固定子２００及び外周側固定子３００を備えている。回転子１００は、内周側固定子２００及び外周側固定子３００に対して、回転軸Ｑ回りに回転する。

回転子１００は界磁子であり、界磁磁束を発生する界磁用磁石１０２及び磁性体１０３を有している。回転子１００は外周面１０１ａ及び内周面１０１ｂとを含む円筒形状を呈している。当該円筒形状の延在方向は回転軸Ｑに平行であるので、図１においては外周面１０１ａ及び内周面１０１ｂはいずれも円として現れている。

界磁用磁石１０２は外周面１０１ａに対して、周方向に交互に極性を切り替えてその磁極面を向けている。内周面１０１ｂに対しても同様である。

内周側固定子２００は内周面１０１ｂ側から回転子１００に対向する電機子である。外周側固定子３００は外周面１０１ａ側から回転子１００に対向する電機子である。内周側固定子２００及び外周側固定子３００にはそれぞれ電機子巻線２０１，３０１が巻回されている。

より具体的には内周側固定子２００は歯部２０２を有しており、歯部２０２に電機子巻線２０１が巻回される。歯部２０２の回転子１００側の先端は周方向に広がっている。同様にして外周側固定子３００は歯部３０２を有しており、歯部３０２に電機子巻線３０１が巻回される。歯部３０２の回転子１００側の先端は周方向に広がっている。

このようにダブルアマチュア電動機では、電機子巻線が配置される領域である、巻線スロットの全断面積を増大させることにより、モータコンスタントＫｍを高めることができる。

ここでは回転子１００の構造として、磁性体１０３に対して界磁用磁石１０２が埋設された、いわゆる永久磁石埋込型が例示されている。よって外周面１０１ａ及び内周面１０１ｂが磁性体１０３によって規定されている構造が例示されている。但し、界磁用磁石１０２から発生する界磁磁束が内周側固定子２００及び外周側固定子３００に鎖交すれば、界磁用磁石１０２が外周面１０１ａ及び内周面１０１ｂのいずれか一方を規定する永久磁石表面型であってもよい。あるいは磁性体１０３を設けることなく、径方向に磁極が現れるように着磁され、周方向に磁極の極性が交互に切り替わるリング磁石として、界磁用磁石１０２を構成してもよい。

また図１では４極６スロットの電動機が例示されたが、他の極数、スロット数でも適用できる。

電動機が無負荷であって、回転子１００が内周側固定子２００、外周側固定子３００に対して電気角速度ωｅｎ，ωｅｇで回転している際、電機子巻線２０１，３０１にそれぞれ誘起される電圧（無負荷誘起電圧）Ｖｎ，Ｖｇは、電機子巻線２０１，３０１にそれぞれ鎖交する界磁磁束の大きさΦｎ，Φｇを導入して、次のように表される。

Ｖｎ＝ωｅｎ・Φｎ，Ｖｇ＝ωｅｇ・Φｇ…（３）

回転子１００は、内周側固定子２００及び外周側固定子３００いずれに対しても、同じ機械角速度で移動し、界磁磁束についての極数も同じである。電機子巻線２０１に鎖交する界磁磁束は内周側固定子２００の極対数に比例して変化し、電機子巻線３０１に鎖交する界磁磁束は外周側固定子３００の極対数に比例して変化する。

よって内周側固定子２００の極対数Ｐｎと、外周側固定子３００の極対数Ｐｇとを導入すると、式（３）は式（４）として表される。

Ｖｎ∝Ｐｎ・Φｎ，Ｖｇ∝Ｐｇ・Φｇ…（４）

従って、極対数Ｐｎと極対数Ｐｇとの比が、界磁磁束の大きさΦｇと界磁磁束の大きさΦｎとの比と等しく設定されれば、電機子巻線２０１，３０１に鎖交する界磁磁束の大きさとその変化する速度が等しくなる。そして無負荷誘起電圧Ｖｎ，Ｖｇは等しく設定することができる。

このようにダブルアマチュア電動機において、無負荷誘起電圧が二つの電機子において等しく設定されることは、特に無負荷回転数を最適化する事ができて望ましい。この理由を以下に述べる。

もし二つの電機子を別々の電源、例えばインバータ電源で駆動する場合であっても、生産コストの低減や製作の簡便さから二つの電源が出力可能な電圧の上限値は相互に等しくなる。もし、一方の電機子における無負荷誘起電圧が他方の電機子のそれよりも大きく発生する場合、一方の電機子の無負荷誘起電圧が電源電圧の上限に達すると、他方の電機子の無負荷誘起電圧が小さいにも拘わらず、それ以上に高速回転させることはできない。しかしながら、二つの電機子における無負荷誘起電圧が等しければ、そのような事態に陥ることがなく、無負荷時の回転数を最大化できる。

以上は無負荷時の説明であり、実際に電機子巻線に通電すると、この無負荷誘起電圧に加えて、電機子巻線に通電するための自己インダクタンス分の誘起電圧が重畳されることになる。しかしながら、その割合は無負荷誘起電圧と比較して極く小さいため、上記のやり方で界磁磁束の大きさや極対数を選定する場合にも、実質的には、上記効果を得ることができる。

さて、図１で示された構成では、内周側固定子２００の極対数Ｐｎと外周側固定子３００の極対数Ｐｇとはいずれも３であり、相互に等しい。この場合には、電機子巻線２０１の１ターン当たりに鎖交する界磁磁束の大きさΦ０ｎと、電機子巻線３０１の１ターン当たりに鎖交する界磁磁束の大きさΦ０ｇとの比を、電機子巻線３０１の巻回数Ｔｇと電機子巻線２０１の巻回数Ｔｎとの比に等しく選定すればよい。というのは、次式が成立し、電機子巻線２０１，３０１に鎖交する界磁磁束の大きさΦｎ，Φｇが等しくなるからである。

Φｎ＝Ｔｎ・Φ０ｎ，Φｇ＝Ｔｇ・Φ０ｇ…（５）

図２は、この発明の第１の実施の形態にかかるダブルアマチュア電動機の構造を例示する断面図であり、極対数Ｐｎ，Ｐｇはそれぞれ３，６となっている。よってこの場合には、式（４）に基づき、界磁磁束の大きさの比Φｇ／Φｎを１／２と選定すればよい。

但し、巻回数Ｔｎ，Ｔｇは正の整数であり、界磁磁束の大きさが厳密に制御しにくい場合には、式（４）、（５）は近似的にしか成立しない場合もあり得る。

図３及び図４は電機子巻線２０１，３０１が接続される態様を例示する回路図である。ここで電機子巻線２０１は三相コイル２０１Ｕ，２０１Ｖ，２０１Ｗで、電機子巻線３０１は三相コイル３０１Ｕ，３０１Ｖ，３０１Ｗで、それぞれ構成されている場合が例示されている。

上述のように、電流Ｉｎ，Ｉｇを等しく設定する場合には図３に示されるように、コイル２０１Ｕはコイル３０１Ｕと、コイル２０１Ｖはコイル３０１Ｖと、コイル２０１Ｗはコイル３０１Ｗと、それぞれ中性点Ｎと各相電源との間で直列に接続される。

他方、図４に示されるように、コイル２０１Ｕはコイル３０１Ｕと、コイル２０１Ｖはコイル３０１Ｖと、コイル２０１Ｗはコイル３０１Ｗと、それぞれ並列に接続されてもよい。

また、電機子巻線２０１，３０１の巻回の態様は、集中巻であっても分布巻であってもよい。その巻回の態様が電機子巻線２０１，３０１とで相違してもよい。

本発明にかかる技術は、例えば、当該電動機によって冷媒を圧縮する圧縮機や、当該電動機によって送風を行う送風機に採用される電動機に適用することができる。当該圧縮機や送風機の少なくともいずれか一つは空気調和機に搭載することができる。特に車載用の空気調和機では小型化が要求されるので、これに本発明は大きく貢献する。

この発明の実施の形態にかかる電動機の構造を例示する断面図である。 この発明の実施の形態にかかる電動機の他の構造を例示する断面図である。 電機子巻線が接続される態様を例示する回路図である。 電機子巻線が接続される態様を例示する回路図である。

符号の説明

１００ 回転子
１０１ａ 外周面
１０１ｂ 内周面
２００ 内周側固定子
２０１，３０１ 電機子巻線
３００ 外周側固定子

Claims (5)

1. 外周面（１０１ａ）及び内周面（１０１ｂ）とを含む円筒形状を呈し、界磁磁束を供給する界磁用磁石（１０２）を有する回転子（１００）と、
   前記内周面側から前記回転子に対向し、電機子巻線（２０１）が巻回された内周側固定子（２００）と、
   前記外周面側から前記回転子に対向し、電機子巻線（３０１）が巻回された外周側固定子（３００）と
   を備え、
   前記内周側固定子の極対数（Ｐｎ）と前記外周側固定子の極対数（Ｐｇ）との比と、前記外周側固定子の前記電機子巻線に鎖交する前記界磁磁束の大きさ（Φｇ）と前記内周側固定子の前記電機子巻線に鎖交する前記界磁磁束の大きさ（Φｎ）との比とは、等しく選定されることを特徴とする回転電機。
2. 前記内周側固定子（２００）の極対数（Ｐｎ）と前記外周側固定子（３００）の極対数（Ｐｇ）とは等しく、
   前記内周側固定子の前記電機子巻線１ターン当たりに鎖交する前記界磁磁束の大きさ（Φ０ｎ）と前記外周側固定子の前記電機子巻線１ターン当たりに鎖交する前記界磁磁束の大きさ（Φ０ｇ）との比と、前記外周側固定子の前記電機子巻線の巻回数（Ｔｇ）と前記内周側固定子の前記電機子巻線の巻回数（Ｔｎ）との比とは、等しく選定される、請求項１記載の回転電機。
3. 請求項１又は請求項２のいずれか一つに記載の回転電機を電動機として採用し、当該電動機によって冷媒を圧縮する圧縮機。
4. 請求項１又は請求項２のいずれか一つに記載の回転電機を電動機として採用し、当該電動機によって送風する送風機。
5. 請求項３記載の圧縮機及び請求項４記載の送風機の少なくともいずれか一つを搭載した空気調和機。
   

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