(57)【要約】【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、０.６７を超え０.９１以下となるように永久磁石４を配置，着磁した。【効果】定常運転時の鉄損や入力電流、始動時のブレーキトルクを増大させることなく、モータ効率を向上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。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項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、０.６７を超え０.９１以下としたことを特徴とする永久磁石式同期電動機。
【請求項２】
請求項１において、前記磁石挿入孔は略円弧状であり、前記永久磁石は略円弧状であることを特徴とする永久磁石式同期電動機。
【請求項３】
請求項２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。
【請求項４】
請求項１において、一磁極あたり前記磁石挿入孔は、少なくとも一つ以上の略円弧状であり、前記永久磁石は、一磁極あたり少なくとも一つ以上の略円弧状であることを特徴とする永久磁石式同期電動機。
【請求項５】
請求項１において、前記永久磁石の磁石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。
【請求項６】
請求項１において、一磁極あたり前記磁石挿入孔は、少なくとも一つ以上の平板状であり、前記永久磁石は、一磁極あたり少なくとも一つ以上の平板状であることを特徴とする永久磁石式同期電動機。
【請求項７】
請求項１において、前記永久磁石は、一磁極あたり少なくとも一つ以上の略台形であることを特徴とする永久磁石式同期電動機。
【請求項８】
請求項１において、前記永久磁石の磁石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。
【請求項９】
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。
【請求項１０】
請求項１において、前記回転子の隣合う磁極間に少なくとも一つ以上の空孔を設けたことを特徴とする永久磁石式同期電動機。
【請求項１１】
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。
【請求項１２】
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、前記駆動電動機を、請求項１に記載した永久磁石式同期電動機で構成したことを特徴とする圧縮機。
【請求項１３】
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、０.６７を超え０.９１以下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。
【請求項１４】
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、0.67を超え０.９１ 以下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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は永久磁石式同期電動機、それを用いた圧縮機および回転子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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、誘導電動機に対し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、磁極間の漏れ磁束の増加や、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。
【０００４】
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、圧縮機や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。
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−１１７７７１号公報
【特許文献２】特開２００２−３６９４２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
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、磁石量が多すぎて定常運転時の鉄損や弱め界磁による入力電流、自己始動に必要な始動トルクを妨げるブレーキトルクが増え、他方、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懸念がある。後者の場合、増磁作用の発生に伴う電流増加や力率低下など、特性劣化に繋がる場合が多い。
【０００７】
本発明の目的は、定常運転時の鉄損や入力電流、始動時のブレーキトルクを増大させることなく、モータ効率を向上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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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、０.６７を超え０.９１以下となるように構成する。
【０００９】
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、０.６７を超え０.９１以下となるように永久磁石を着磁する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、定常運転時の鉄損や入力電流、始動時のブレーキトルクを増大させることなく、モータ効率を向上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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の一実施例を図面を参照して説明する。
【実施例１】
【００１２】
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、磁極間に生ずる漏洩磁束の防止に配慮している。
【００１３】
永久磁石４の幅開度θは磁極ピッチ角度αに対し、０.６７＜θ／α＜０.９１以下となるように施している。
【００１４】
図２は、図１に示す永久磁石４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。
【００１５】
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が、この実施例においては、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の幅開度に等しい場合としている。
【００１６】
図３は、誘導起電力波形歪率、及びモータ効率の実測データを示すグラフであり、横軸は、磁束ピッチ角度θと磁極ピッチ角度αの比θ／αを、縦軸は誘導起電力波形歪率(％)、およびモータ効率（％）を夫々示している。
【００１７】
日本工業規格ＪＩＳ−Ｃ４２１２によると、高効率低圧三相かご形誘導電動機の効率は、例えば全閉形、出力３.７ｋＷ ，２極，２００Ｖ，５０Ｈｚ運転時の場合、冷媒温度
４０℃以下の条件で８７.０％ 以上を満足している必要がある。このことから永久磁石式同期電動機の効率は、冷媒温度１００℃以上の環境となる圧縮機内で駆動される場合、
８７％以上であれば同程度体格の誘導電動機と比較し、良好な特性であると言える。
【００１８】
図３において、幅開度θと磁極ピッチαとの比θ／αが０.６２以上，０.９１以下とした場合が効率８７％以上を確保できる範囲であるが、θ／αの比が０.６７ を超える範囲でピークを有しており、比θ／αが０.７２ のときが最も優れた特性となることが分かった。よって、モータ特性としてはθ／αの比を０.６７を超え０.９１以下と設定することが望ましいと言える。
【００１９】
この理由は、永久磁石の周方向ピッチ角度θを大きくし過ぎると、永久磁石の磁束が増え、固定子に生ずる鉄損が大きくなる。また、誘導起電力が印加電圧に対し大きくなり、弱め界磁駆動となるため、入力電流が増大する。一方，永久磁石の周方向ピッチ角度θを極端に小さくすると、永久磁石の磁束量が減り、誘導起電力が印加電圧に対し極小となり、増磁作用となるため、やはり入力電流が増大するためである。
【００２０】
また、特許文献１によれば、θ／αの比を０.５４ないし０.６７以下とすることで誘導起電力波形の歪率を最小化できるとあるが、θ／αの比が０.６２ 以下の場合、モータ効率の観点では不適となることも確認できた。
【００２１】
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０.６７を超え０.９１以下となるように構成するのが好適であると言える。
【実施例２】
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【実施例３】
【００２４】
図５は、本発明の一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を４Ａ，４Ｂ，４Ｃのように複数のセグメントに分割して配置している点にある。このように構成すれば、図４よりも回転子強度をより強固にすることができる。なお、図では永久磁石４を３分割としているが、さらに多くのセグメントに分けても同様の効果が得られることは言うまでも無い。
【実施例４】
【００２５】
図６は、本発明の他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６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。
【００２６】
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。
【実施例５】
【００２７】
図７は、本発明の他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７において、図１〜図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〜図５とほぼ同じ特性を得ることができる。
【実施例６】
【００２８】
図８は、本発明の他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。
【実施例７】
【００２９】
図９は、本発明の他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９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。また、本図では、３枚のセグメントに分けているが、さらに多数のセグメントに分けても同様の効果が得られることは言うまでも無い。
【実施例８】
【００３０】
図１０は、本発明の他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１０において、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９と異なる部分は、永久磁石４Ａ，４Ｂ，４Ｃを略台形形状で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。また、本図では、３枚のセグメントに分けているが、さらに多数のセグメントに分けても同様の効果が得られることは言うまでも無い。
【実施例９】
【００３１】
図１１は、本発明による永久磁石式同期電動機の他の実施例を示す径方向断面図である。図１１において、図１〜図１０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。
【００３２】
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。
【００３３】
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となる。
【実施例１０】
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
同期電動機２４の下部には、油溜部２５が設けられている。油溜部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。
【００３８】
このように、圧縮機駆動用電動機として、図１〜図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。
【００３９】
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。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の一実施例による同期電動機の回転子の径方向断面図。
【図２】図１に磁石の着磁状態を加筆した上半分の概念図。
【図３】誘導起電力波形歪の実測データを示すグラフ。
【図４】本発明の他の実施例に係る同期電動機の回転子の径方向断面図。
【図５】本発明の他の実施例による同期電動機の回転子の径方向断面図。
【図６】本発明の他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。
【図７】本発明の他の実施例による同期電動機の回転子の径方向断面図。
【図８】本発明の他の実施例による同期電動機の回転子の径方向断面図。
【図９】本発明の他の実施例による同期電動機の回転子の径方向断面図。
【図１０】本発明の他の実施例による同期電動機の回転子の径方向断面図。
【図１１】本発明による永久磁石式同期電動機の他の実施例を示す径方向断面図。
【図１２】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】
【００４１】
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、１４，１７…端板、１５，１８…渦巻状ラップ、１６…旋回スクロール部材、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。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2007181305.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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