JP4160410B2

JP4160410B2 - 永久磁石式回転電機及びそれを用いた圧縮機

Info

Publication number: JP4160410B2
Application number: JP2003019878A
Authority: JP
Inventors: 真一湧井; 春雄小原木; 菊地　　聡; 正治妹尾; 啓二野間
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2003-01-29
Filing date: 2003-01-29
Publication date: 2008-10-01
Anticipated expiration: 2023-01-29
Also published as: JP2004236401A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は永久磁石式回転電機に係り、特に、空気調和機，冷蔵庫，冷凍庫等の圧縮機を駆動するのに好適な永久磁石式回転電機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、圧縮機を駆動する回転電機は、特許文献１に開示されているように、製造簡単で小型の回転電機を得るために、固定子巻線を集中巻きとし、回転子に永久磁石を用いた永久磁石式回転電機を用いている。
【０００３】
また、永久磁石式回転電機の運転中の脈動トルクとそれに伴う騒音を低減するために、例えば特許文献２に開示のように、装着された永久磁石よりも外径側の回転子鉄心に積層方向に亘って空間を形成することが行なわれている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−１７５３８９号公報（図７）
【特許文献２】
特開平５−１０３４５３号公報（図１）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１，２に記載の従来の技術によれば、製造簡単で小型の回転電機が得られ、かつ脈動トルクとそれに伴う騒音を低減することは可能である。しかし、この種、永久磁石式回転電機は、電磁加振力による騒音の低減についての配慮がなされていない問題がある。
【０００６】
本発明の目的は、運転時の発生トルクを小さくすることなく、脈動トルク及び電磁加振力を小さくして騒音を低減することができる永久磁石式回転電機を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するために、永久磁石式回転電機として、固定子巻線を集中巻きした固定子鉄心を有する固定子と、永久磁石を軸方向に装着して磁極を形成し前記固定子鉄心と周方向隙間を介して対向する回転子鉄心を有する回転子とを備え、前記回転子鉄心を第1の回転子鉄心と第２の回転子鉄心とを軸方向に積層して前記固定子鉄心と同じ軸方向寸法に構成し、かつ前記第２の回転子鉄心に前記永久磁石の外径側に磁極中心に対して対称となる空間を回転子鉄心積層方向に形成したのである。
【０００８】
上記構成のうち、前記第２の回転子鉄心に空間を形成することにより、回転子鉄心は、積層方向に空間が存在する部分と空間が存在しない部分とで構成されることになる。その結果、脈動トルク及び誘導起電力の主要な高調波成分の位相差は略１８０度となるので高調波を相殺することができる。このように振動騒音の要因となっている高調波を相殺して誘導起電力波形を正弦波に近づけることができることから、電磁加振力の発生を抑制することができる。
【０００９】
また、第１の回転子鉄心と第２の回転子鉄心の磁極位置が同じであること、及び第２の回転子鉄心に積層方向の空間が存在するとから、各磁極断面における誘導起電力の基本波には位相差が生じず、その結果、発生トルクを低下させることなく、同時に脈動トルクとそれに伴う騒音を低減することができるのである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下本発明による第１の実施の形態を図１〜図５に示す圧縮機に基づいて説明する。
【００１１】
圧縮機１は、円筒状の密封圧縮容器２と、この密封圧縮容器２内に設置され駆動電動機となる永久磁石式回転電機３と、この永久磁石式回転電機３により駆動され前記密封圧縮容器２内に設置される圧縮部４とを備えている。
【００１２】
永久磁石式回転電機３は、密封圧縮容器２内に軸受５Ａ，５Ｂを介して回転自在に支承された回転軸６に固定された回転子７と、この回転子７に周方向の空隙を介して対向する固定子８とを備えている。
【００１３】
前記回転子７は、第１の回転子鉄心１０Ａと第２の回転子鉄心１０Ｂとを軸方向に積層して構成した回転子鉄心９と、前記第１の回転子鉄心１０Ａと前記第２の回転子鉄心１０Ｂとを回転軸６と平行に貫通して形成した４つの装着孔１１内に夫々装着した永久磁石１２とを備えている。これら永久磁石１２は断面が一文字状をなし、これら永久磁石１２は一文字状の延長線が互いに直角に交差するように隣接している。これら永久磁石１２の装着により、回転子鉄心９には４つの磁極が形成される。ここで、回転子鉄心９の磁極中心を径方向に延在する軸をｄ軸、このｄ軸と電気角で９０度隔てた隣接ｄ軸間で径方向に延在する軸をｑ軸とすると、このｑ軸上の回転子鉄心９の外周面に、隣接磁極間に流れる短絡磁束を抑制する手段、例えば外径側から内径側に切込んで形成した断面Ｖ字状の凹溝１３を設けて磁束を磁極中心側へ集めている。前記断面Ｖ字状の凹溝１３は、開角α１が９０度の第１のＶ溝１３Ａと、開角α２が１８０度に近い第２のＶ溝１３Ｂとで形成されている。尚、第２のＶ溝１３Ｂの代わりに第１のＶ溝１３Ａの開口端と前記回転子鉄心９の外周面との間に凸曲面を形成するようにしてもよい。
【００１４】
第２の回転子鉄心１０Ｂは、図１(Ｂ)に示すように、永久磁石１２よりも外周位置に径方向に長い断面を有する空間１４を夫々回転子鉄心積層方向に亘って形成しており、これら空間１４は、前記ｄ軸に対して対称となる断面に形成されている。
【００１５】
他方、第１の回転子鉄心１０Ａには、図１(Ａ)に示すように、永久磁石１２の外周位置には空間は存在しない。
【００１６】
このように構成された回転子鉄心９は、中心部に回転軸６へ装着するための装着孔１５を有している。
【００１７】
前記固定子８は、固定子鉄心１６と固定子巻線１７とを有する。前記固定子鉄心１６は、内径側に周方向に等間隔で形成した６つのスロット１８と、６つの歯部１９と、この歯部１９の外周側を一体に連結したコアバック２０とを有する。前記固定子巻線１７は、前記歯部１９を取り囲むように巻装された集中巻き方式であり、Ｕ相巻線１７Ｕ，Ｖ相巻線１７Ｖ，Ｗ相巻線１７Ｗを備えている。
【００１８】
このように構成された永久磁石式回転電機３は、４極６スロットであるので、スロットピッチは電気角で１２０度である。また、歯部１９の回転子鉄心９と対向する内周面は、歯部中心部は回転軸６と同心の曲面２１が形成され、歯部中心部から周方向の両端側に行くに従い前記回転子鉄心９との隙間が広くなる平坦面２２Ａ，２２Ｂが形成されている。
【００１９】
本実施の形態によれば、回転子鉄心９を、鉄心積層方向の空間が存在しない第１の回転子鉄心１０Ａと、鉄心積層方向に空間１４が存在する第２の回転子鉄心１０Ｂとを積層して構成することにより、脈動トルク及び誘導起電力の主要な高調波成分の位相差が略１８０度となるので高調波を相殺することができる。したがって、振動騒音の要因となっている高調波を相殺して誘導起電力波形を正弦波に近づけることができることから、電磁加振力の発生を抑制することができるのである。
【００２０】
また、第１の回転子鉄心１０Ａと第２の回転子鉄心１０Ｂの磁極位置が同じであること、及び第２の回転子鉄心１０Ｂに積層方向の空間１４が存在することから、各磁極断面における誘導起電力の基本波には位相差が生じず、その結果、発生トルクを低下させることなく、同時に脈動トルクとそれに伴う騒音を低減することができるのである。
【００２１】
このように構成された永久磁石式回転電機３を駆動電動機として用いた圧縮機１の圧縮部４は、回転軸６の上端に形成されたクランク軸２３によって旋回する旋回スクロール部材２４と、この旋回スクロール部材２４と噛合う固定スクロール部材２５とを備え、前記旋回スクロール部材２４は、端板２６に直立する可動渦巻状ラップ２７を有し、前記固定スクロール部材２５は、可動渦巻状ラップ２７と噛合う固定渦巻状ラップ２８と、この固定渦巻状ラップ２８を直立支持する端板２９を有する。
【００２２】
このように構成された圧縮部４の可動渦巻状ラップ２７をクランク軸２３によって旋回運動させると、可動渦巻状ラップ２７と固定渦巻状ラップ２８とによって形成された圧縮室３０が外径側から中心に向かって移動する過程で次第に容積を縮小し、圧縮動作を行なうのである。
【００２３】
以上から、ガス供給口３１から外径側に位置する圧縮室３０に供給されたガスは、圧縮されながら中心側の圧縮室３０に至り、ここに設けた吐出口３２から密封圧縮容器２内に吐出され、吐出された圧縮ガスは、密封圧縮容器２の側壁に設けた吐出パイプ３３から圧縮機１外に排出される。
【００２４】
ところで上記のように圧縮機１の駆動電動機として構成された永久磁石式回転電機３の発生トルクを測定したところ、図４に示す測定結果が得られた。
【００２５】
図４において横軸は回転子位置を示し、縦軸は集中巻きの固定子鉄心１６に正弦波電流を通電したときに発生するトルクを示している。そして図４(Ａ)は、第１の回転子鉄心１０Ａのみで回転子鉄心９が構成されたときの測定結果を示し、図４(Ｂ)は、空間１４を有する第２の回転子鉄心１０Ｂのみで回転子鉄心９が構成されたときの測定結果を示す。図４(Ｃ)は、回転子鉄心９が第１の回転子鉄心１０Ａと第２の回転子鉄心１０Ｂとを組み合わせて構成されたときの測定結果を示す。
【００２６】
図４(Ａ)〜図４(Ｃ)において、回転子鉄心９と固定子鉄心１６の軸方向長さ、即ち積層厚さは全て同一であるが、図４(Ｃ)に示す回転子鉄心９は、第１の回転子鉄心１０Ａの積層厚さが全体の６０％で、第２の回転子鉄心１０Ｂの積層厚さが全体の４０％となるように設定した。また、図４(Ａ)〜図４(Ｃ)において、縦軸の発生トルクは、図４(Ａ)に示す第１の回転子鉄心１０Ａにおける平均トルクを１p.u.として相対値表示した。
【００２７】
測定結果、図４(Ａ)及び図４(Ｂ)においては、発生トルクは回転子位置によって夫々大きく変動し、最大値と最小値の差は、図４(Ａ)では約０．１３p.u.であり、図４(Ｂ)では約０．２１p.u.であった。そして、両図の測定波形から脈動トルクの位相差が約１８０度であることがわかる。したがって、脈動トルクの大きさが略同じになるように第１の回転子鉄心１０Ａと第２の回転子鉄心１０Ｂの積層厚さを調整して組み合わせれば、脈動トルクを低減できる。
【００２８】
図４(Ｃ)は、上述のように、第１の回転子鉄心１０Ａの積層厚さを全体の６０％、第２の回転子鉄心１０Ｂの積層厚さを全体の４０％となるように組み合わせて積層したもので、発生トルクの最大値と最小値の差は約０．０４p.u.と小さくできた。
【００２９】
図５は、上記構成における永久磁石式回転電機３の誘導起電力の測定結果を示すもので、横軸は回転子位置を示し、縦軸は固定子巻線１７の誘導起電力を示す。図５においても、図４と同じ条件の回転子鉄心９を用いての測定結果であり、図５(Ａ)〜図５(Ｃ)において、縦軸の誘導起電力は、図５(Ａ)に示す空間が存在しない第１の回転子鉄心１０Ａを用いた場合の最大値を１p.u.として相対値表示した。
【００３０】
測定結果、図５(Ａ)は、波形の基本波実行値が０．７３p.u.で波形歪率が５．６％であり、図５(Ｂ)では、波形の基本波実行値が０．７２p.u.で波形歪率が４．９％であった。そして、図５(Ｃ)では、波形の基本波実行値が０．７２p.u.で波形歪率が２．２％であり、波形歪率を半分以下に小さくできた。
【００３１】
ところで、永久磁石式回転電機３の運転中における騒音の一要因となる電磁加振力は、回転子７と固定子８の周方向隙間の磁束密度の二乗に比例するので、周方向隙間の磁束密度を小さくすれば電磁加振力も低減できる。しかし、基本波磁束を低減すると出力を低下させることになるので、基本波磁束に含まれる高調波磁束だけを低減することが重要である。よって、静音化のためには、１２０度通電方式から１８０度通電のインバータ駆動にすればよいが、固定子巻線１７に流れる電流は固定子巻線１７に印加される電圧（インバータの出力電圧）と誘導起電力の差電圧によることから、固定子巻線１７に印加される電圧を正弦波（１８０度通電）にしても永久磁石式回転電機３の誘導起電力波形が正弦波でなければ固定子巻線１７に流れる電流に高調波分が含まれ、回転電機内に高調波磁束が発生する。したがって、電磁加振力を低減するためには、誘導起電力の波形歪率は小さいほどよいのである。
【００３２】
以上から、本実施の形態による回転子鉄心９の構成とすることにより、誘導起電力の波形歪率を小さくできるので、脈動トルクを著しく低減できると共に、誘導起電力を正弦波に近づけることができる。その結果、出力を低下させずに電磁加振力を低減することができ、永久磁石式回転電機３の低騒音化を図ることができる。
【００３３】
また、本実施の形態において、固定子巻線１７が固定子鉄心１６の歯部１９を取り囲むように集中巻されているので、誘導起電力の大きさは歯部１９に流入する磁束量で決まる。したがって、回転子鉄心９の磁極角度θは、一スロットピッチ、即ち、電気角で１２０度以下が望ましい。一方、磁極角度θを狭め過ぎると回転子鉄心９の磁気飽和が著しくなって磁気抵抗が増え、歯部１９に流入する磁束が減少するので、電気角で９０度以上が良いことを確認している。以上から、回転子鉄心９の磁気角度θは、電気角で９０〜１２０度の範囲が適している。
【００３４】
図６は、本発明による永久磁石式回転電機の第２の実施の形態を示すもので、ほとんどの構成は第１の実施の形態と同じであるので、同一部分を同一符号で表示した。本実施の形態が第１の実施の形態と異なるのは、第１の回転子鉄心１０Ａと第２の回転子鉄心１０Ｂの積層配置である。
【００３５】
即ち、第１の実施の形態においては、第１の回転子鉄心１０Ａと第２の回転子鉄心１０Ｂとを単純に隣接させて積層したものであるが、本実施の形態においては、永久磁石１２の外径側に空間を有しない第１の回転子鉄心１０Ａを２分して第１回転子鉄心ユニット１０ａと第２回転子鉄心ユニット１０ｂを形成し、この第１回転子鉄心ユニット１０ａと第２回転子鉄心ユニット１０ｂによって第２の回転子鉄心１０Ｂを両側に積層したのである。
【００３６】
このように回転子鉄心９を複数に分割してそれを組み合わせたとしても、積層比が第１の実施の形態と同じであれば、同じ効果を奏することができる。
【００３７】
尚、上記各実施の形態においては、第１の回転子鉄心１０Ａと第２の回転子鉄心１０Ｂとの積層比を３：２（６０％：４０％）としたが、その積層比は固定的なものではなく、対象とする永久磁石式回転電機３の構成部品の形状等によって最も効率のよい比率に変化させる必要がある。
【００３８】
また、上記各実施の形態において、断面一文字状の永久磁石１２を１極当たり１つ装着した構成を説明したが、１極当たりの永久磁石の断面形状や装着数さらに配置等は上記各実施の形態に特定されるものではなく、例えば、図７に示す第３の実施の形態のように構成してもよい。図７において、既述の実施形態と同符号は同一部品を示すので、再度の説明は省略する。
【００３９】
本実施の形態においては、回転子鉄心９に軸方向に装着される１極当たりの永久磁石１２を、２つの永久磁石１２Ａ，１２Ｂで構成し、この２つの永久磁石１２Ａ，１２ＢをＶ字状に配置したのであり、上記各実施の形態と同等の効果を奏することができる。
【００４０】
さらにまた、上記各実施の形態において、第２の回転子鉄心１０Ｂに形成した空間１４は、１極当たり１つで、その形状は径方向に長く形成され、さらに磁極中心を通るｄ軸に対して対象となる断面を有する形状であるが、１極当たりの空間の断面形状や数さらに配置等も上記各実施の形態に特定されるものではなく、例えば図８に示す第４の実施の形態のように構成してもよい。図８において、既述の実施形態と同符号は同一部品を示すので、再度の説明は省略する。
【００４１】
本実施の形態においては、磁極中心に対して対称に径方向に長い空間１４Ａ，１４Ｂを２つ回転子鉄心積層方向に形成したのであり、上記各実施の形態と同等の効果を奏することができる。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、運転時の発生トルクを小さくすることなく、脈動トルク及び電磁加振力を小さくして騒音を低減できる永久磁石式回転電機を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による永久磁石式回転電機の第１の実施の形態を示す径方向断面図。
【図２】図１に示す永久磁石式回転電機の回転子を示す拡大斜視図。
【図３】図１に示す永久磁石式回転電機を駆動用電動機として用いた圧縮機を示す縦断面図。
【図４】図１に示す永久磁石式回転電機の脈動トルクの測定結果を示す波形図。
【図５】図１に示す永久磁石式回転電機の誘導起電力の測定結果を示す波形図。
【図６】本発明による永久磁石式回転電機の第２の実施の形態を示す図２相当図。
【図７】本発明による永久磁石式回転電機の第３の実施の形態を示す図１相当図。
【図８】本発明による永久磁石式回転電機の第４の実施の形態を示す図１相当図。
【符号の説明】
１…圧縮機、３…永久磁石式回転電機、７…回転子、８…固定子、９…回転子鉄心、１０Ａ…第１の回転子鉄心、１０Ｂ…第２の回転子鉄心、１０ａ…第１回転子鉄心ユニット、１０ｂ…第２回転子鉄心ユニット、１２，１２Ａ，１２Ｂ…永久磁石、１４，１４Ａ，１４Ｂ…空間、１６…固定子鉄心、１７（１７Ｕ〜１７Ｗ）…固定子巻線、１８…スロット、１９…歯部、２０…コアバック、２１…曲面、２２Ａ，２２Ｂ…平坦面。

Claims

固定子鉄心に固定子巻線を集中巻きした固定子と、この固定子と周方向隙間を介して対向し回転子鉄心に永久磁石を軸方向に装着して磁極を形成した回転子とを備えた永久磁石式回転電機において、前記回転子鉄心は、第1の回転子鉄心と第２の回転子鉄心とを軸方向に積層して前記固定子鉄心と同じ軸方向寸法に構成されており、前記第２の回転子鉄心には前記永久磁石の外径側に磁極中心に対して対称となる空間が回転子鉄心積層方向に形成されていることを特徴とする永久磁石式回転電機。
固定子鉄心に固定子巻線を集中巻きした固定子と、この固定子と周方向隙間を介して対向し回転子鉄心に永久磁石を軸方向に装着して磁極を形成した回転子とを備えた永久磁石式回転電機において、前記回転子鉄心は、外周面に周方向に複数の磁極が構成されて隣接磁極間に短絡磁束を抑制する手段を形成していると共に、第1の回転子鉄心と第２の回転子鉄心とを軸方向に積層して前記固定子鉄心と同じ軸方向寸法に構成しており、前記第２の回転子鉄心には前記永久磁石の外径側に磁極中心に対して対称となる空間が回転子鉄心積層方向に形成されていることを特徴とする永久磁石式回転電機。
前記短絡磁束を抑制する手段は、外径側から内径側に切込んだＶ字状の凹溝であることを特徴とする請求項２記載の永久磁石式回転電機。
固定子鉄心に固定子巻線を集中巻きした固定子と、この固定子と周方向隙間を介して対向し回転子鉄心に永久磁石を軸方向に装着して磁極を形成した回転子とを備えた永久磁石式回転電機において、前記回転子鉄心は、第１の回転子鉄心と第２の回転子鉄心とを軸方向に積層して前記固定子鉄心と同じ軸方向寸法に構成されており、前記第１の回転子鉄心は第１回転子鉄心ユニットと第２回転子鉄心ユニットから構成されており、これら第１及び第２回転子鉄心ユニットは前記第２の回転子鉄心の両側に積層されており、前記第２の回転子鉄心には前記永久磁石の外径側で磁極中心に対して対称となる空間が回転子鉄心積層方向に形成されていることを特徴とする永久磁石式回転電機。
前記空間は、永久磁石よりも外周位置に径方向に長い断面を有する（回転子磁極からの磁束を通過させ、固定子からの磁束を遮る）ように形成されていることを特徴とする請求項１，２，３又は４記載の永久磁石式回転電機。
前記固定子巻線が集中巻きされた前記固定子鉄心の前記回転子鉄心と対向する歯部の内周面は、周方向の両端側に行くに従い前記回転子鉄心との隙間が広くなるように形成されていることを特徴とする請求項１，２，３，４又は５記載の永久磁石式回転電機。
固定子鉄心に固定子巻線を集中巻きした固定子と、この固定子と周方向隙間を介して対向し回転子鉄心に永久磁石を軸方向に装着して磁極を形成した回転子とを備えた永久磁石式回転電機において、前記固定子鉄心の前記回転子鉄心と対向する歯部は、その周方向の両端側に行くに従い前記回転子鉄心との隙間が広くなるように形成されており、前記回転子鉄心は、外周面に周方向に複数の磁極が構成されて隣接磁極間に短絡磁束を抑制する手段を形成した第１の回転子鉄心と第２の回転子鉄心とを軸方向に積層して前記固定子鉄心と同じ軸方向寸法に構成しており、前記第１の回転子鉄心は第１回転子鉄心ユニットと第２回転子鉄心ユニットから構成されており、これら第１及び第２回転子鉄心ユニットは前記第２の回転子鉄心の両側に積層されており、前記第２の回転子鉄心は、前記永久磁石よりも外径側となる位置に磁極中心に対して対称で径方向に長い断面を有する空間を回転子鉄心積層方向に形成していることを特徴とする永久磁石式回転電機。
請求項１〜７のいずれかに記載の永久磁石式回転電機を駆動電動機として用いたことを特徴とする圧縮機。