(57)【要約】    【課題】  本発明の目的は、過負荷運転領域まで過電流トリップを防止できる永久磁石式回転電機を提供することにある。    【解決手段】  固定子鉄心に形成された複数のスロット内にティースを取り囲むように集中巻の電機子巻線が施された固定子を有し、回転子鉄心中の複数の永久磁石挿入孔に永久磁石を配置した回転子が、固定子の内周にギャップを介して回転軸により回転自在に支持された永久磁石式回転電機において、回転子鉄心の永久磁石挿入孔の外側の磁極鉄心部に複数の磁極スリットを形成することにより、インバータの過負荷運転領域まで過電流トリップを防止した永久磁石式回転電機を提供できる。【選択図】  図１
2006211823.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スロット内に電機子巻線が設けられた固定子と、
回転子鉄心の永久磁石挿入孔に永久磁石が配置された回転子とを有し、
前記固定子の内側にギャップを介して前記回転子が回転軸により回転自在に支持される永久磁石式回転電機において、
前記回転子鉄心の永久磁石挿入孔の外側にスリットを設け、
前記スリットを傾斜させ、各前記スリットの側面の延長線が固定子側の磁極中心線上近傍で交わるようにしたことを特徴とする永久磁石式回転電機。
【請求項２】
請求項１記載の永久磁石式回転電機において、
前記スリットを不等間隔で複数設けたことを特徴とする永久磁石式回転電機。
【請求項３】
請求項１乃至請求項２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を磁極中心線に対して対称に設けたことを特徴とする永久磁石式回転電機。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３に記載の永久磁石式回転電機において、
前記永久磁石挿入孔の端部を円弧に設定したことを特徴とする永久磁石式回転電機。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４に記載の永久磁石式回転電機において、前記回転子鉄心の最少ギャップを形成する角度を電気角で略２π／３に設定したことを特徴とする永久磁石式回転電機。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５に記載の永久磁石式回転電機において、
前記永久磁石を一文字状に形成したことを特徴とする永久磁石式回転電機。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６に記載の永久磁石式回転電機のいずれかを搭載した圧縮機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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を提供する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
永久磁石式回転電機について、特許文献１に開示されたものがある。
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−７８７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献１では、回転子鉄心の磁極角度の電気角を所定範囲となるように回転子鉄心の外周面の極間に凹部を形成すること、回転子鉄心の磁極部にスリット部を設けることで、騒音問題を解決しようとしているものである。
【０００５】
ところで、最近では騒音低減の問題からインバータは180度通電の電圧型インバータが採用されるようになった。このモータを180度通電の電圧型インバータで駆動した場合に、過負荷運転領域でモータ電流が不安定になり、インバータが過電流トリップを発生する問題がある。
【０００６】
本発明の目的は、インバータ駆動において、過電流トリップの防止について、従来よりも改善を図る永久磁石式回転電機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決する為に、本発明の永久磁石式回転電機は、固定子鉄心に形成された複数のスロット内にティースを取り囲むように集中巻の電機子巻線が施された固定子を有し、回転子鉄心中の複数の永久磁石挿入孔に永久磁石を配置した回転子が、固定子の内周にギャップを介して回転軸により回転自在に支持された永久磁石式回転電機が180度インバータで駆動される180度インバータ駆動永久磁石式回転電機において、回転子鉄心の外径を複数に設定するとともに、永久磁石挿入孔間を略Ｖ字状にカットし、永久磁石挿入孔上部の磁極鉄心部に複数の磁極スリットを形成したものである。
【０００８】
また、前記永久磁石式回転電機において、前記永久磁石挿入孔上部の磁極鉄心部に複数の磁極スリットを形成するとともに磁極スリットを傾斜させたものである。
【０００９】
また、前記永久磁石式回転電機において、前記磁極スリットを不等間隔で配置したものである。
【００１０】
また、前記永久磁石式回転電機において、各前記磁極スリットの側面の延長線が固定子側の磁極中心線上近傍で交わるようにしたものである。
【００１１】
また、前記永久磁石式回転電機は、複数の磁極スリットを磁極中心線に対して対称に設けたことしたものである。
【００１２】
また、前記永久磁石式回転電機は、永久磁石挿入孔の端部を円弧に設定したものである。
【００１３】
また、前記永久磁石式回転電機は、回転子鉄心の最少ギャップを形成する角度を電気角で略２π／３に設定したものである。
【００１４】
また、前記永久磁石式回転電機は、永久磁石を一文字状に形成したものである。
【００１５】
また、前記永久磁石式回転電機を圧縮機に搭載したものである。
【００１６】
本発明では、固定子鉄心に形成された複数のスロット内にティースを取り囲むように集中巻の電機子巻線が施された固定子を有し、回転子鉄心中の複数の永久磁石挿入孔に永久磁石を配置した回転子が、固定子の内周にギャップを介して回転軸により回転自在に支持された永久磁石式回転電機が180度インバータで駆動される180度インバータ駆動永久磁石式回転電機において、回転子鉄心の外径を複数に設定するとともに、永久磁石挿入孔間を略Ｖ字状にカットし、永久磁石挿入孔上部の磁極鉄心部に複数の磁極スリットを形成するとともにスリットを傾斜させ、かつ各磁極スリットの側面の延長線が磁極中心線上近傍で交わるようにしたことにより、電機子電流による電機子反作用磁束が減少し、過負荷運転領域でも誘導起電力と電動機印加電圧の電気角度である負荷角が４５度以内に収まり、インバータの制御が安定し、インバータの過電流トリップを防止したものである。
【発明の効果】
【００１７】
上述のように、本発明によれば、過電流トリップの防止について、従来よりも改善を図る永久磁石式回転電機が提供可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
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４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。さらに、前記永久磁石式回転電機を180度インバータによって駆動される場合について説明する。
【００１９】
図１は本発明による実施例として、180度インバータ駆動永久磁石式回転電機の径方向断面形状、図２は、図１の回転子の径方向断面形状と斜視図を示す。
【００２０】
図１において、180度インバータ駆動永久磁石式回転電機１は固定子２と回転子３から構成される。固定子２はティース４とコアバック５からなる固定子鉄心６と、ティース４間のスロット７内にはティース４を取り囲むように巻装された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）から構成される。
【００２１】
ここで、180度インバータ駆動永久磁石式回転電機１は４極６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。回転子３はシャフト（図示せず）孔９を形成した回転子鉄心１０の外周表面近傍に一文字形状の永久磁石挿入孔１１を形成し、 永久磁石挿入孔１１中に希土類のネオジム永久磁石１２を固定している。永久磁石１２の磁束軸上にある鉄心が磁極鉄心１３となる。ティース４の内径側で周方向に延びているのが磁極片１４（１４a、１４b）である。また、磁極鉄心１３中に複数の磁極スリット１５を形成している。
【００２２】
図１の特徴は磁極鉄心１３中に複数の磁極スリット１５を設けたことと回転子鉄心１０の形状にある。回転子３は図２（a）に示す径方向断面形状と図２（b）に示す斜視図に示すように、磁極鉄心１３の開度をθ１、磁極鉄心１３の段落としの開度をθ２、機械角９０度で電気角１８０度をθ３とした時、θ１を電気角で１２０度近傍に、θ２を電気角で１６３度近傍に設定している。すなわち、回転子鉄心１０の外径を２種類とし、固定子２と回転子３のギャップ長を２種類設けている。また、永久磁石１２間の鉄心を略Ｖ字にカット（Ｖ字カット１６）し、永久磁石１２の端部の磁束変化を抑えている。なお、開度θ１と開度θ２間の回転子鉄心１０の外径は直線で結んでも良い。
【００２３】
磁極スリット１５（１５a、１５b、１５c、１５dからなる）は磁極鉄心１３中に設け、軸Ｏ−Ｘに対して磁極スリット１５a、１５bと磁極スリット１５c、１５dを対称に配置しているため、磁極スリット１５a、１５b、１５c、１５dは不等ピッチになる。また、磁極スリット１５a、１５b、１５c、１５dの各側面の延長線の交点が軸Ｏ−Ｙ上の点Ｐに一致するように配置している。
【００２４】
なお、永久磁石挿入孔１１の端部１７には円弧で形成したことにより、Ｖ字カット１６の側面と永久磁石挿入孔間の鉄心部が多くなり、磁極鉄心１３が遠心力によって破損するのを防止している。
【００２５】
図３には電機子巻線８に電流を供給した時、電機子反作用磁束の流れを示したものである。永久磁石１２の磁束方向をｄ軸、それと電気角で９０度で直行する軸をｑ軸とした時、図３（a）に示すｄ軸反作用磁束Φｄ１、Φｄ２、Φｄ３は磁極スリット１５、永久磁石挿入孔１２あるいはＶ字カット１６に阻まれる結果、ｄ軸リアクタンスＸｄが小さくなる。これに対し、図３（b）に示すｑ軸反作用磁束Φｑ１、Φｑ２、Φｑ３は磁極スリット１５あるいはＶ字カット１６に阻まれる結果、ｑ軸リアクタンスＸｑが小さくなる。特にｑ軸リアクタンスＸｑが大幅に小さくなり、両リアクタンスはほぼＸｄ＝Ｘｑとなる。
【００２６】
また、図３の(ａ)図示に示すようなスリットを設けると、磁界が白枠矢印で例示するように固定子側の磁極中心線上に集中され、磁束が固定子側の磁極中心線上に収束されるので、発生する誘起電圧が正弦波化されることとなる。
【００２７】
図８に示す本発明の実施例によるスリットを設けた誘起電圧波形と、図９に示すスリット無しの誘起電圧波形を比較すると、図８の実施例の方が正弦波化について、有効であることが示されている。
【００２８】
上記図８、図１０の誘起電圧構成比率の解析結果を示すのが、図９、図１１である。図９は、図８に示したスリットを設けた場合の誘起電圧構成比率の解析結果を示し、図１１は、図１０に示したスリット無しの場合の誘起電圧構成比率の解析結果を示すものである。
【００２９】
上述の図８のようにスリットを設け誘起電圧を正弦波に近づけた高調波分布(図９)は、図１０のようにスリット無しの高調波分布(図１１)に比ベ、波形歪率は略半減しており、磁束の高調波成分を減らすことにより、低騒音化、高効率化に有効であるものと言える。
【００３０】
また、誘起電圧が正弦波に近づくことは、高調波成分が減少し、基本波成分が増えることとなる。この場合、例えば、インバータ装置から出力される駆動電流が同じであっても、トルク発生に寄与しない高調波成分が小さく、基本波成分が大きい方が、より大きなトルクを得ることが可能となる。
【００３１】
別の見方をすれば、誘起電圧を正弦波に近づければ、トルクを得る為に供給すべき駆動電流を高調波成分が小さくなった分だけ、減じることができ、過電流トリップを低減することが可能となる。
【００３２】
ところで、１２０度通電インバータ駆動の場合では、未通電の６０度の期間で、測定して得た誘起電圧に基づいて、制御することで、制御性能を安定に確保することも可能である。
【００３３】
しかしながら、１８０度通電インバータの場合には、上記１２０度通電インバータの様に未通電の６０度の期間が無く、誘起電圧を測定することが困難であるので、制御性が低下することが一般的である。制御性が低下すると駆動電流が不安定となり、場合によっては、過電流トリップ等が発生し、不都合である。
【００３４】
これに対し、図３の(ｂ)図示に示すようなスリットを設けることで、磁束の流れが阻止され、横軸リアクタンスが小さくなり、電機子電流による電機子反作用磁束が減少し、電流と電圧の位相角が小さくなり、力率が改善されるので、インバータの制御が安定し、インバータの過電流トリップを防止可能とするものである。
【００３５】
図４は本発明の実施例に係る電動圧縮機を示すもので、軸方向断面形状を示す。図４において、電動圧縮機２０１は、外観がケースで形成されている。ケースは、円筒状のフレーム２０２と上端側の上蓋２０３と下端側の下蓋２０４から構成される。フレーム２０２は密封の容器になっている。このフレーム２０２内には、永久磁石式回転電機１とスクロール圧縮機と呼称される圧縮要素２０６が収納されている。
【００３６】
圧縮要素２０６は、固定スクロール部材２０７の端板２０８に直立する渦巻状ラップ２０９と、旋回スクロール部材２１０の端板２１１に直立する渦巻状ラップ２１２とを噛み合わせて形成し、旋回スクロール部材２１０をクランク回転軸２１３によって旋回運動させることによって圧縮動作を行う。
【００３７】
固定スクロール部材２０７および旋回スクロール部材２１０によって形成される圧縮室２１４（２１４ａ、２１４ｂ、…）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２０７、２１０の中心に向かって移動し、容積が次第に縮小する。圧縮室２１４ａ、２１４ｂが両スクロール部材２０７、２１０の中心近傍に達すると、両圧縮室２１４内の吸入パイプ２１５からの圧縮ガスは圧縮室２１４と連通した吐出口２１６から吐出される。
【００３８】
吐出された圧縮ガスは固定スクロール部材２０７および固定部材２１７に設けられたガス通路（図示せず）を通って固定部材２１７下部のフレーム２０２内に至り、フレーム２０２の側壁に設けられた吐出パイプ２１８から電動圧縮機２０１外に排出される。
【００３９】
また、電動圧縮機２０１を構成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から構成される。回転子３に設けられる回転軸２１３は、上側がクランク軸になっている。回転軸２１３の内部には、油孔２２１が形成され、回転軸２１３の回転によってフレーム２０２の下部にある油溜め部２２２の潤滑油が油孔２２１を介して滑り軸受タイプの上側軸受部２２３、ボール軸受タイプの下側軸受部２４に供給される。また、２２５はターミナルであり、インバータからの電力を永久磁石式回転電機１に供給するものである。２２６は台座である。
【００４０】
図５は電動圧縮機と180度インバータの結線図を示したものである。電動圧縮機２０１は三相電源３０１の電力を180度インバータ４０１を介して供給される。180度インバータ４０１は位置センサレスの電圧型インバータであり、整流回路４０２、平滑回路４０３、制御素子４０４、制御回路４０５から構成され、制御回路４０５内のマイクロコンピュータでベクトル演算を行って180度インバータ駆動永久磁石式回転電機１の磁極位置をセンサレスで検出し、指令に従って所望の回転速度で運転される。
【００４１】
図６には本発明の実施例による180度通電の位置センサレス電圧型インバータで180度インバータ駆動永久磁石式回転電機１を運転した結果と図７に示す従来の回転子での運転結果を示した。図７の従来の回転子３は図１と比較して異なるのは、回転子３の外径が１つで、磁極鉄心１３中に磁極スリットを設けない場合である。図３で述べたｄ軸リアクタンスＸｄ、ｑ軸リアクタンスＸｑを比較すると、従来のＸｄ、Ｘｑを単位法で表した１．０（p.ｕ.）とすると、本発明の実施例のＸｄ‘は０.９３、Ｘｑ’は０.７２となり、両リアクタンスが小さくなり、特にｑ軸リアクタンスＸｑが大幅に小さくなる。
【００４２】
図６は永久磁石式回転電機の負荷率を％で表して横軸にとリ、５０％から１７５％まで運転した時の180度通電の位置センサレス電圧型インバータが過電流トリップを起こしたか否かを○×で表したものである。図６より、従来の場合はリアクタンスが大きいため、永久磁石式回転電機の誘導起電力と印加電圧の位相差、すなわち負荷角が６０度を越え、負荷率が１５０％を越えると位置センサレス電圧型インバータが過電流トリップで停止した。これに対し、本発明の実施例の場合はリアクタンスが小さいため、永久磁石式回転電機の誘導起電力と印加電圧の位相差、すなわち負荷角が４０度と負荷角４５度以下となり、負荷率が１７５％になっても位置センサレス電圧型インバータが過電流トリップで停止することなく、運転を継続した。
【００４３】
すなわち、本発明の実施例では過電流トリップの耐力が向上し、制御素子の電流容量を上げずに過負荷耐量を大きくできる効果がある。また、電動圧縮機を考えた場合、１つの電動圧縮機で容量の大きな範囲まで共用化が図れるので、省資源設計できる効果がある。
【００４４】
また、本発明の実施例の永久磁石式回転電機としては、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等があげられる。
【００４５】
上述のように、本発明の実施例によれば、回転子鉄心の外径を複数に設定するとともに、永久磁石挿入孔間を略Ｖ字状にカットし、永久磁石挿入孔上部の磁極鉄心部に複数の磁極スリットを形成するとともにスリットを傾斜させ、かつ各磁極スリットの側面の延長線が磁極中心線上近傍で交わるようにしたことにより、電機子電流による電機子反作用磁束が減少し、過負荷運転領域でも誘導起電力と電動機印加電圧の電気角度である負荷角が４５度以内に収まり、インバータの制御が安定し、インバータの過電流トリップを防止し、制御素子の電流容量を上げずに過負荷耐量を大きくできる永久磁石式回転電機を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の実施例による永久磁石式回転電機の径方向断面形状を示す断面図。
【図２】本発明の実施例による図１の回転子の径方向断面形状と斜視図を示す図。
【図３】本発明の実施例による図１の回転子の電機子反作用磁束の流れを示す図。
【図４】本発明の実施例に係る電動圧縮機を示す図。
【図５】本発明の実施例に係る電動圧縮機と180度インバータの結線を示す図。
【図６】本発明の実施例に係る180度インバータの過電流トリップの有無を示す図。
【図７】従来の回転子に係る図。
【図８】本発明の実施例による誘起電圧波形の解析結果を示す図。
【図９】本発明の実施例による高調波の分布の解析結果を示す図。
【図１０】従来の回転子による誘起電圧波形の解析結果を示す図。
【図１１】従来の回転子による高調波の分布の解析結果を示す図。
【符号の説明】
【００４７】
１…永久磁石式回転電機、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、９…シャフト孔、１０…回転子鉄心、１１…永久磁石挿入孔、１２…ネオジム永久磁石、１３…磁極鉄心、１４…磁極片、１５…磁極スリット、１６…Ｖ字カット、１７…円弧部、２０１…電動圧縮機、２０２…フレーム、２０３…上蓋、２０４…下蓋、２０６…圧縮要素、２０７…固定スクロール部材、２０８…端板、２０９…渦巻状ラップ、２１０…旋回スクロール部材、２１１…端板、２１２…渦巻状ラップ、２１３…クランク軸、２１４…圧縮室、２１５…吸入パイプ、２１６…吐出口、２１７…固定部材、２１８…突出パイプ、２２１…油孔、２２２…油留め部、２２３…上側軸受部、２２４…下側軸受部、２２５…ターミナル、２２６…台座、３０１…三相電源、４０１…180度インバータ、４０２…整流回路、４０３…平滑回路、４０４…制御素子、４０５…制御回路。
【図１】
2006211823.tif 000003
【図２】
2006211823.tif 000004
【図３】
2006211823.tif 000005
【図４】
2006211823.tif 000006
【図５】
2006211823.tif 000007
【図６】
2006211823.tif 000008
【図７】
2006211823.tif 000009
【図８】
2006211823.tif 000010
【図９】
2006211823.tif 000011
【図１０】
2006211823.tif 000012
【図１１】
2006211823.tif 000013