JP4114372B2 - 電動機 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、高効率で、かつ低振動、低騒音を可能とする集中巻電動機、およびこれを搭載した高効率で、かつ低騒音、低振動である機器、例えば、密閉型圧縮機、冷凍機器(冷蔵庫、冷凍庫、製氷機、ショーケース、自販機)、空気調和機(エアーコンディショナー、除湿機)若しくは電子回路冷却システムまたはカーアクチュエータおよびこれを搭載した自動車等に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、一般にエアーコンディショナーや冷蔵庫の圧縮機等に使用される集中巻電動機は、図12に示すように固定子40と回転子50から構成されている。
【0003】
固定子鉄心41はティース42と、ティース42の外周側をつなぐ略環状のヨーク45からなる。
【0004】
ティース42の先端には、固定子鉄心41内径部に沿って周方向に突出したティース先端幅広部44を有する。固定子鉄心41の外周には、冷媒通路46を有する。これは、固定子40が密閉型圧縮機の圧縮機フレーム(図示せず)に焼きばめ圧入された時、密閉型圧縮機の圧縮機フレームと固定子鉄心41との間に貫通孔を有することになり、冷媒の通路となる。
【0005】
ティース42には、絶縁物(絶縁フィルム、インシュレータ等:図示せず)を介して直接3相巻線43U、43V、43Wが施される。巻線は、U、V、W相の3相であり、互いにスター結線されており、同時に3相中の2相が通電して駆動される120°矩形波通電である。また、印加電圧はPWM制御によって変化させられる。
【0006】
また、回転子50は、固定子40の内側に、固定子40と同心円状に、回転自在に保持されており、図12における回転子鉄心51は、永久磁石52が埋設されている埋め込み磁石型回転子を示している。
【0007】
回転子鉄心51の両端には端版(図示せず)が取り付き、回転子鉄心51に設けられた間通孔にリベット(図示せず)を通し、かしめることで固定されている。また、軸孔53には軸が入る。
【0008】
回転子50は固定子40に施された巻線43U,43V,43Wに流れる電流による回転磁界によって、マグネットトルクとリラクタンストルクとを合わせた回転力によって、シャフトを中心にして回転する。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の集中巻電動機においては、その構造上ティースに磁束が集中して流れることから、無通電時のコギングトルクが大きくなる傾向にあった。
【0010】
また、特に矩形波電圧あるいは矩形波電流によって駆動される電動機においては、固定子巻線に電流を通電することによって生じる磁極位置が電気角で180°の位置とならないため、トルク脈動を生じやすい。
【0011】
ところで、回転の周波数をfとしたとき、P極Nスロットの電動機においては、コギングトルクによってn×f×(PとNの最小公倍数)[Hz](但し、nは自然数)、各相の通電切替によるトルク脈動によってn×f×(6×P/2)[Hz]で表される振動を生じる。
【0012】
一方、通常使用される集中巻電動機においては、極数PとNとの比が2:3であるため、前記のコギングトルクによる振動とトルク脈動による振動の周波数が一致する。
【0013】
このような場合、特に前記に上げたコギングトルクとトルク脈動による振動によって、騒音が増大するという問題があった。
【0014】
通常、コギングトルクによる振動および騒音対策としては、ティース先端幅広部に切欠きを1箇所ないしは複数箇所設けることにより、コギングトルクによって発生する振動、騒音の次数を上げるという手法が用いられており、この場合、効率などの電動機の特性低下を損なわないために、通常切欠きの径方向長さはティース幅広部の径方向厚さよりも短くしている。
【0015】
一方、特に極数Pとスロット数Nの比が2:3である集中巻電動機においては、回転周波数の12n次(nは自然数)の振動、騒音に対して、コギングトルクよりも通電時のトルク脈動の影響の方がはるかに大きいため、従来のコギングトルク対策で行っていた切欠き部のように、径方向長さがティース先端幅広部の径方向厚さよりも小さい場合には、回転子から出た磁束が1つのティース先端幅広部内にて短絡して回転子に戻ったり、ティース内部における磁束が径方向と平行に流れない等の、集中巻において顕著に現れる磁束分布が変化しないために、トルク脈動を十分に減少させることができなかった。
【0016】
したがって、電動機の振動、騒音対策を十分に行うことも困難であった。これは、回転子内部に永久磁石を埋設している場合には、より顕著である。
【0017】
本発明は、固定子および回転子の構造を複雑にすることなく、さらに特性を損なわない一方で、十分にトルク脈動による振動および騒音を低減する電動機、およびこれを搭載した高効率で、かつ低振動、低騒音な機器を提供することを目的とする。
【0018】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明の電動機は、ティース内径側に、ティース先端幅広部の径方向幅をWt、ティース内径側端部から、ヨークと交差するティース根元部までの長さをLtとしたとき、径方向の長さLsがLs>Wtかつ(0.1×Lt)<Ls<(0.7×Lt)であるとともに、電動機の極数をPとした時に、前記切欠きの内径側開口部の回転方向幅が回転子中心に対して開き角(機械角)、(5/P)<θ<(16/P)[°]の範囲にある開口した切欠きを設ける構成とした。
【0019】
また、切欠きの内径側端部とティース内径側端部との間にブリッジ部を有するように切欠きを設け、前記ブリッジ部の径方向幅をLbとしたとき、(0.1×Lt)<(Ls+Lb)<(0.7×Lt)かつLb<Wtであるとともに、電動機の極数をPとした時に、前記切欠きの内径側端部の回転方向幅が回転子中心に対して開き角(機械角)、(5/P)<θ<(16/P)[°]の範囲としても良い。
【0020】
このような電動機構成とすることにより、コギングトルクおよびトルク脈動による振動および騒音の低減を図ることができる。
【0021】
また、単にティースに切欠きを設けるだけの構造であるため、固定子および回転子の構造が複雑にならず、生産性を悪化させたり、余分な生産設備を必要とするといった問題を生じることはない。
【0022】
さらに、切欠きの寸法を、効率などの特性に影響がなく、振動および騒音が低減できるように最適化することによって、電動機の効率を低下させずにコギングトルクおよびトルク脈動による振動、騒音のみを低減することができる。
【0023】
【発明の実施の形態】
請求項1に記載の発明は、回転方向に対して略等間隔かつ略半径方向に配置された複数のティースと前記ティースの内径側に設けられたティース先端幅広部と前記ティースの外周部に配置された環状のヨークとを有し、隣接するティースの間にスロット(巻線用溝)が設けられた固定子鉄心の前記ティースに、集中巻線を施してなる固定子と、前記固定子の内周に僅かな空隙を介して対向し、回転自在に保持された回転子鉄心の内部に永久磁石を配置してなる回転子により構成される電動機において、前記ティースにティース内径側に開口した切欠きを設け、前記ティース先端幅広部の径方向幅をWt、前記ティース内径側端部から、前記ヨークと交差するティース根元部までの長さをLtとした時に、前記切欠きの径方向の長さLsがLs>Wtかつ(0.1×Lt)<Ls<(0.7×Lt)であるとともに、電動機の極数をPとした時に、前記切欠きの内径側開口部の回転方向幅が回転子中心に対して開き角(機械角)、(5/P)<θ<(16/P)[°]の範囲にあることを特徴とした電動機であり、回転子鉄心内部の永久磁石からティースを介して隣接する永久磁石への漏れ磁束を抑制することが可能であり、また、切欠きの寸法の最適化により、効率等の電動機の電気的特性が低下することはない。
【0024】
請求項2に記載の発明は、回転方向に対して略等間隔かつ略半径方向に配置された複数のティースと前記ティースの内径側に設けられたティース先端幅広部と前記ティースの外周部に配置された環状のヨークとを有し、隣接するティースの間にスロット(巻線用溝)が設けられた固定子鉄心の前記ティースに、集中巻線を施してなる固定子と、前記固定子の内周に僅かな空隙を介して対向し、回転自在に保持された回転子鉄心の内部に永久磁石を配置してなる回転子により構成される電動機において、前記ティースに切欠きを設け、前記切欠きの内径側端部とティース内径側端部との間にブリッジ部を有しており、前記切欠きの径方向長さをLs、前記ブリッジ部の径方向幅をLb、ティース内径側端部から、前記ヨークと交差するティース根元部までの長さをLtとした時に、(0.1×Lt)<(Ls+Lb)<(0.7×Lt)かつLb<Wtであるとともに、電動機の極数をPとした時に、前記切欠きの内径側端部の回転方向幅が回転子中心に対して開き角(機械角)、(5/P)<θ<(16/P)[°]の範囲にあることを特徴とした電動機であり、回転子鉄心内部の永久磁石からティースを介して隣接する永久磁石への漏れ磁束を抑制することが可能であり、また、切欠きの寸法の最適化により、効率等の電動機の電気的特性が低下することはない。
【0025】
請求項3に記載の発明は、ティースに設けた切欠きが、回転方向に対するティース中央と回転子中心とを結ぶ線から角度θsだけ傾いて設けられ、θs<20[°]であることを特徴とした請求項1あるいは請求項2に記載の電動機であり、切欠きの傾き方向に磁束の流れを誘導することができる。
【0026】
請求項4に記載の発明は、ティースに設けた切欠きに、非磁性材料を埋設したことを特徴とした請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の電動機であり、切欠きを設けることによって生じるティースの振動を抑制することができる。
【0027】
請求項5に記載の発明は、ティースに設けた切欠きに埋設する非磁性材料が電気絶縁性を有することを特徴とする請求項4に記載の電動機であり、効率等の電動機特性を損なうことなくティースの振動を抑制することができる。
【0028】
請求項6に記載の発明は、請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の電動機を搭載したことを特徴とする機器であり、機器の低振動、低騒音を図ることができる。
【0029】
【実施例】
以下、本発明の具体例について、図1から図11を参照して説明する。
【0030】
(実施例1)
図1に示したように、エアコンや冷蔵庫の圧縮機等に使用される集中巻電動機は、固定子10と回転子20からなり、固定子10は、固定子鉄心11に設けられた6本のティース12に、巻線と固定子鉄心間に絶縁物(図示せず)を介して直接3相巻線13U、13V、13Wを施してなる。
【0031】
固定子鉄心11は、巻線が施されているティース12と、回転子20外周に面し、ティース12の先端に、通常幅広に配置されたティース先端幅広部14と、各ティース間を連結する略環状のヨーク15からなる。また固定子鉄心11の外周には、冷媒通路16を有する。
【0032】
冷媒通路16は、固定子10が圧縮機の圧縮機フレーム(図示せず)に焼きばめ圧入された時、圧縮機の圧縮機フレームと固定子鉄心11との間に貫通孔を有することになり、冷媒の通路となる。
【0033】
ティース12は、略長方形形状の切欠き17が設けられている。なお、図1は切欠き17がティース内径側に開口している場合、図2は切欠き17とティース内径側端部との間にブリッジ部18を設けた場合を示している。
【0034】
図3は、切欠き17の径方向長さLsを変化させたときにおける、トルク脈動の基本波形に対する高調波含有率を表している。なお、図3の横軸αは、α=Ls/Lt(Ltはティース内径側から、ティース12とヨーク15が交差するティース根元部までの長さ)で表され、極数P=4、スロット数=6であるときの特性を示している。
【0035】
また、図1は切欠き17がティース内径側に開口している場合を示しているが、図2のようにブリッジ部18を設けた場合(即ち開口していない場合)には、前記LsをLs+Wb(Wbはブリッジ部18の径方向厚さ)として置換えて考えれば良い。
【0036】
電動機の騒音低減を図る場合、特に、回転周波数の12倍成分(12次)の振動、騒音への影響が問題となるが、図3から0.1<α<0.7とすることによって、切欠き無し(即ちα=0)に比べて、12次成分の高調波を2%以上低減できることが分かる。
【0037】
また、回転周波数の12次成分の振動、騒音を最小にするためにはα=0.4であることが望ましいが、一方で24次成分が増加することから、0.1<α<0.7の範囲内で、12次および24次双方の振動、騒音レベルの目標を達成できる寸法とすれば良いといえる。
【0038】
図4は、切欠き17の内径側端部の開き角θを変化させたときの、トルク脈動の基本波に対する高調波含有率を表している。なお、図4の横軸βは、β=θ×P(Pは極数)で表され、スロット数=6であるときの特性を示している。この場合も図3と同様に、回転周波数の12倍成分(12次)の振動、騒音への影響が問題となるが、図4から5<β<16とすることによって、切欠き無し(即ちβ=0)に比べて、12次成分の高調波を2.5%以上低減できることが分かる。また、24次および36次成分についてはβを小さくする程、高調波含有率が低くなる。
【0039】
したがって、振動、騒音低減のためには、β=11であることが望ましいが、電動機のコア打ち抜き等の生産性を考慮しながら5<β<16の範囲内でβ値を決定すれば、振動、騒音が低減できる上に、生産性の良い電動機を得ることができる。
【0040】
図5は、図3および図4で示したα、βの範囲で構成された電動機と、切欠きが無い電動機の平均トルクおよびトルク脈動を比較したものである。
【0041】
図4から明らかなように、切欠きを設けた場合でも平均トルクはほとんど変わらないため、切欠きが無い電動機に対して、効率などの特性をほとんど損なうことが無い。また、トルク脈動も増加しない。このように、本発明の電動機によれば、回転周波数の12n次(nは自然数)に当たる振動、騒音を低減あるいは目標値に対して最適に調整できる上に、電動機の特性をほとんど損なうことが無い。
【0042】
切欠き17の形状については、略三角形形状であったり、切欠き17の外径側あるいは(および)内径側端部の形状が略円弧状であっても良い。
【0043】
さらに、図6に示すように回転方向に対するティース中央と回転子中心とを結ぶ線に対して切欠き17が傾きを有していても良い。この場合、切欠き17の傾きθsは、電動機の特性を損なわないためにθs<20[°]であることが望ましい。
【0044】
なお、図7は切欠き17の形状を略三角形形状としたもの、図8は切欠き17の外径側端部の形状を略円弧状としたものを示している。
【0045】
一方、コギングおよびトルク脈動だけでなく、ティース12そのものの振動によって生じる電動機の振動、騒音を抑制するために、図9に示したように、切欠き17に非磁性金属材料19を埋設し、ティース12の剛性を上げても良い。このことによって、電動機の振動、騒音をさらに低減できる上に、非磁性であることで磁束分布が切欠き無しの場合とほぼ同様となるため、電動機の特性低下を最小限に抑えることが可能となる。
【0046】
また、切欠き17に樹脂材料を埋設または充填することも有効である。樹脂材料を使用することによって、ティース12の剛性が上がりさらに低振動、低騒音化が図れる上に、非磁性かつ絶縁性であることによって、磁束分布が切欠き無しの場合と同等となり、ほとんど電動機の特性を損なうことが無い。樹脂材料としては、PPS、PET、PBT、PA、PTFE、LCP等の樹脂が使用できる。
【0047】
特に、これらの樹脂は、密閉型圧縮機等のように、冷媒中で使用される場合に特に好適である。さらに、固定子鉄心11を構成する鉄系材料よりも樹脂の熱膨張係数を大きくすることで、電動機運転時の発熱によってティース12間をより強固に保持することができ、よりティース12の振動を抑制可能となる。特に高温で使用される場合には効果が大きくなる。
【0048】
さらに、運転用の電源が自動車等に搭載されるバッテリーである場合、すなわち、電動機の巻線の端子間にかかる電圧が50V以下、例えば、12、24または42V等である時、機器の低振動、低騒音化とともに、電動機の効率が高いため長時間運転が可能である。
【0049】
(実施例2)
図10は本発明の電動機を搭載した密閉型圧縮機を示している。図10において、密閉型圧縮機100は、圧縮機内部を外部に対して密閉状態とするためのフレーム101と圧縮を行うメカ部102と固定子10および回転子20から構成されている。固定子10は圧縮機フレーム101に対して焼きばめあるいは圧入によって固定されており、回転子20は、メカ部102から伸びている軸103に対して焼きばめあるいは圧入によって固定されている。
【0050】
使用される冷媒の種類は対環境について考慮すれば、冷媒はHFCまたは自然冷媒(CO2、アンモニアなど)などが好適である。
【0051】
また、カーアクチュエータに用いた場合も同様に、機器の低振動化、低騒音化と小型化、低コスト化を実現することが可能であり、このカーアクチュエータを自動車に用いることで、自動車の低振動化、低騒音化と小型化、低コスト化を実現できる。
【0052】
さらに、図11は上記密閉型圧縮機を具備する冷凍サイクルを示すものであり、密閉型圧縮機、凝縮機および蒸発機から構成されており、各種機器に搭載される。冷凍機器(冷蔵庫、冷凍庫、製氷機、ショーケース、自販機)、空気調和機(エアーコンディショナー、除湿機)若しくは電子回路冷却システム等に搭載されている。
【0053】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、ティース内径側に開口した切欠きを設け、前記切欠きの径方向の長さLsがLs>Wtかつ(0.1×Lt)<Ls<(0.7×Lt)(ただしWtは前記ティース先端幅広部の径方向幅、Ltは前記ティースの内径側端部から、ヨークと交差するティース根元部までの長さ)である上に、前記切欠きの内径側開口部の回転方向幅が回転子中心に対して開き角(機械角)、(5/P)<θ<(16/P)[°](ただしPは極数)の範囲であることによって、効率などの電動機特性を損なう事無く、回転周波数の12n次(nは自然数)に当たる振動、騒音を低減あるいは調整することができる。
【0054】
また、本発明によれば、ティースに切欠きを設け、前記切欠きの内径側端部とティース内径側端部との間にブリッジ部を有している場合、前記切欠きの径方向の長さLsが(0.1×Lt)<(Ls+Lb)<(0.7×Lt)かつLb<Wt(ただしWtは前記ティース先端幅広部の径方向幅、Ltは前記ティースの内径側端部から、ヨークと交差するティース根元部までの長さ、Lbはブリッジ部の厚さ)である上に、前記切欠きの内径側端部の回転方向幅が回転子中心に対して開き角(機械角)、(5/P)<θ<(16/P)[°](ただしPは極数)の範囲であることによって、効率などの電動機特性を損なう事無く、回転周波数の12n次(nは自然数)に当たる振動、騒音を低減あるいは調整することができる。
【0055】
また、切欠きを回転方向に対するティース中央と回転子中心とを結ぶ線から20[°]未満の角度θs[°]傾けることによって、電動機の振動、騒音をより低減することができる。
【0056】
また、切欠きに非磁性体を埋設することによって、ティースそのものの振動によって生じる電動機の振動、騒音を低減できるために、電動機の振動、騒音をさらに抑制することができる上に、電動機の特性低下を最小限に抑えることが可能となる。
【0057】
さらに、上記非磁性体を電気絶縁性を有する材料とすることで、電動機の特性損失をより低減できる。
【0058】
また、上記特有の効果を有する本発明による電動機を密閉型圧縮機、冷凍機器、空気調和機若しくは電子回路冷却システムまたはカーアクチュエータおよびこれを搭載した自動車等に搭載することで、これら機器の低振動、低騒音および高効率化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の切欠きがティース内径側に開口している集中巻電動機の断面図
【図2】 本発明の切欠きとティース内径側端部との間にブリッジ部を設けた集中巻電動機の断面図
【図3】 切欠き部径方向長さを決定する変数αに対するトルク脈動の高調波含有率の特性図
【図4】 切欠き部のティース先端部における回転方向幅を決定する変数βに対するトルク脈動の高調波含有率の特性図
【図5】 切欠き部を設けた場合と設けていない場合における平均トルクとトルク脈動を比較した特性図
【図6】 本発明の傾いた切欠きを有するティース部の断面図
【図7】 本発明の略三角形形状の切欠きを有するティース部の断面図
【図8】 本発明の外径側端部の形状を略円弧状の切欠きを有するティース部の断面図
【図9】 本発明の切欠きに非磁性金属材料を埋設したティース部の断面図
【図10】 本発明の電動機を搭載した密閉型圧縮機を示す図
【図11】 本発明の密閉型圧縮機を具備した冷凍サイクルを示す図
【図12】 従来の集中巻電動機の断面図
【符号の説明】
10 固定子
11 固定子鉄心
12 ティース
14 ティース先端幅広部
15 ヨーク
17 切欠き
18 ブリッジ部
20 回転子
Claims (6)
- 回転方向に対して略等間隔かつ略半径方向に配置された複数のティースと前記ティースの内径側に設けられたティース先端幅広部と前記ティースの外周部に配置された環状のヨークとを有し、隣接するティースの間にスロットが設けられた固定子鉄心の前記ティースに、集中巻線を施してなる固定子と、前記固定子の内周に僅かな空隙を介して対向し、回転自在に保持された回転子鉄心の内部に永久磁石を配置してなる回転子により構成される電動機において、前記ティースにティース内径側に開口した切欠きを設け、前記ティース先端幅広部の径方向幅をWt、前記ティース内径側端部から、前記ヨークと交差するティース根元部までの長さをLtとした時に、前記切欠きの径方向の長さLsがLs>Wtかつ(0.1×Lt)<Ls<(0.7×Lt)であるとともに、電動機の極数をPとした時に、前記切欠きの内径側開口部の回転方向幅が回転子中心に対して開き角、(5/P)<θ<(16/P)[°]の範囲にあることを特徴とした電動機。
- 回転方向に対して略等間隔かつ略半径方向に配置された複数のティースと前記ティースの内径側に設けられたティース先端幅広部と前記ティースの外周部に配置された環状のヨークとを有し、隣接するティースの間にスロットが設けられた固定子鉄心の前記ティースに、集中巻線を施してなる固定子と、前記固定子の内周に僅かな空隙を介して対向し、回転自在に保持された回転子鉄心の内部に永久磁石を配置してなる回転子により構成される電動機において、前記ティースに切欠きを設け、前記切欠きの内径側端部とティース内径側端部との間にブリッジ部を有しており、前記切欠きの径方向長さをLs、前記ブリッジ部の径方向幅をLb、ティース内径側端部から、前記ヨークと交差するティース根元部までの長さをLtとした時に、(0.1×Lt)<(Ls+Lb)<(0.7×Lt)かつLb<Wt(ティース先端幅広部の径方向幅)であるとともに、電動機の極数をPとした時に、前記切欠きの内径側端部の回転方向幅が回転子中心に対して開き角、(5/P)<θ<(16/P)[°]の範囲にあることを特徴とした電動機。
- ティースに設けた切欠きが、回転方向に対するティース中央と回転子中心とを結ぶ線から角度θsだけ傾いて設けられ、θs<20[°]であることを特徴とした請求項1あるいは請求項2に記載の電動機。
- ティースに設けた切欠きに、非磁性材料を埋設したことを特徴とした請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の電動機。
- ティースに設けた切欠きに埋設する非磁性材料が電気絶縁性を有することを特徴とする請求項4に記載の電動機。
- 請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の電動機を搭載したことを特徴とする機器。
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