JP2004282934A

JP2004282934A - 駆動用電動機及びこれを用いた圧縮機

Info

Publication number: JP2004282934A
Application number: JP2003073116A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Kikuchi; 菊地　　聡; Haruo Oharagi; 春雄小原木; 富夫 ▲吉▼川; Tomio Yoshikawa; Susumu Nakayama; 進中山; Kazumasa Ide; 一正井出
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2003-03-18
Filing date: 2003-03-18
Publication date: 2004-10-07

Abstract

【課題】本発明は、構造の複雑化や経済性を低下させることなく始動時のトルク特性を改善できる駆動用電動機を提供することにある。
【解決手段】本発明は、固定子鉄心３に集中巻きした固定子巻線６を備え、回転子鉄心８に回転子導体（９，１２，１４，１５，１６Ａ〜１６Ｄ）を備えた駆動用電動機において、前記回転子導体（９，１２，１４，１５，１６Ａ〜１６Ｄ）を短絡する短絡リング１０，１３，１７〜２０を周方向に２ｎ（ｎは整数）分割したのである。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は駆動用電動機及びこれを用いた圧縮機に係り、特に、集中巻きされた固定子巻線を固定子に備えた誘導電動機や自己始動型永久磁石式同期電動機等の駆動用電動機及びこれを用いた圧縮機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から構造が簡単で経済的な駆動用電動機として、例えば特許文献１及び特許文献２に開示されているように、固定子に集中巻きされた固定子巻線を備えた誘導電動機や自己始動型永久磁石式同期電動機が知られている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−２０４１６１号公報
【特許文献２】
特開２００１−１５７４２７号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の技術によれば、構造が簡単で経済的な小型の駆動用電動機を得ることができる。しかし、誘導電動機においては、固定子巻線を集中巻きとしたことにより、２次，４次を始めとする偶数次を主成分とする高調波磁束が大きくなる。その結果、これら高調波磁束による誘導電動機始動時のトルク特性の劣化が懸念されている。そのため、高調波磁束の低減策が種々講じられているが、それらは構造をいたずらに複雑化させたり、経済性を低下させている。
【０００５】
一方、固定子巻線を集中巻きとしたことにより、自己始動型永久磁石式同期電動機においても、始動時は誘導電動機として動作することから偶数次高調波磁束によって始動時の異常トルクが発生する問題が生じ、この異常トルクを緩和するために種々の対策が講じられているが、結果的に、誘導電動機と同様に、構造を複雑化させ、経済性を低下させている。
【０００６】
本発明の目的は、構造の複雑化や経済性を低下させることなく始動時のトルク特性を改善できる駆動用電動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、固定子鉄心に集中巻きした固定子巻線を備え、回転子鉄心に回転子導体を備えた駆動用電動機において、前記回転子導体を短絡する短絡リングを周方向に２ｎ（ｎは整数）分割したのである。
【０００８】
上記構成のうち集中巻固定子巻線と回転子導体を備えることにより、構造が簡単で経済的な駆動用電動機を得ることができる。また、回転子導体を短絡する短絡リングを周方向に偶数分割することにより、回転子導体の導体に鎖交する偶数次の高調波磁束が低減するので、導体に誘導されるうず電流に含まれる高調波成分も低減でき、その結果、制動トルクの発生を抑えて始動時のトルク特性を改善することができる。
【０００９】
【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及び図２に示す誘導電動機に基づいて説明する。一般に誘導電動機は、固定子１と、この固定子１の内周に対し周方向の空隙を介して対向する外周を有する回転子２とを備えている。
【００１０】
そして、固定子１は、例えば円筒状に形成した珪素鋼板を積層して形成した固定子鉄心３を有し、この固定子鉄心３の周方向に等ピッチで３つのスロット４を内径側から外径側に向かって形成し、隣接するスロット４間に歯部５を形成している。このように形成された固定子鉄心３の各歯部５に固定子巻線６を夫々集中巻きして装着し、Ｕ相固定子巻線６Ａ，Ｖ相固定子巻線６Ｂ，Ｗ相固定子巻線６Ｃを形成している。
【００１１】
一方、回転子２は、回転軸７上に例えば円筒状に形成した珪素鋼板を軸方向に積層して形成した回転子鉄心８と、この回転子鉄心８の外径側に、周方向等ピッチとなるように、軸方向に貫通させて装着した複数の回転子導体９と、これら複数の回転子導体９の回転子鉄心８から突出した端部を電気的に短絡させる短絡リング１０とを備えている。
【００１２】
本実施の形態における短絡リング１０は、周方向に２分割された第１短絡リング１０Ａと第２短絡リング１０Ｂとを有しており、複数の回転子導体９もこれと対応させて第１回転子導体郡９Ａと第２回転子導体９Ｂに分けられている。そして、第１回転子導体郡９Ａは第１短絡リング１０Ａに接続し、第２回転子導体９Ｂは第２短絡リング１０Ｂに接続している。このように接続された回転子導体９と短絡リング１０は、電気的に２つの回路を構成する。
【００１３】
以上のように短絡リング１０を周方向に２ｎ（ｎは整数）分割したので、固定子１と回転子２との周方向の空隙に分布する偶数次の高調波磁束は、電気角１８０度ピッチで積分し平均化すると、正負の振幅で打消され、原理的にゼロとなる。即ち、回転子導体９と短絡リング１０による回路が電気角１８０度ピッチで形成された２つの回路構成となるので、回転子導体９に鎖交する磁束は、ほぼ基本波成分のみとすることが可能となる。その結果、２分された第１回転子導体郡９Ａと第２回転子導体９Ｂに誘導されるうず電流に含まれる偶数時高調波成分が減少し、これにより始動時発生する制動トルクを低減できるので、始動時のトルク特性を改善することができる。
【００１４】
したがって、本実施の形態によれば、構造を複雑化したり、経済性を低下させることなく始動時のトルク特性を改善することができる。勿論、固定子巻線６を集中巻としたことにより、構造が簡単で経済的な誘導電動機を得ることができる。
【００１５】
図３は、自己始動型永久磁石式同期電動機に本発明を適用した第２の実施の形態を示すもので、外観的には第１の実施の形態と同じである。
【００１６】
本実施の形態において、第１の実施の形態と異なる構成は、回転子２に永久磁石１１を装着した点であり、これ以外の構成は第１の実施の形態と同じである。
【００１７】
即ち、本実施の形態においては、起動から加速を誘導電動機として行い、定速運転を同期電動機として行うように、回転子鉄心８の回転子導体９よりも内径側となる位置に、磁極数ｐが２極となるように、６つの永久磁石１１を装着したのである。これら永久磁石１１は、矩形断面をなし、回転子鉄心８の積層方向に沿って装着されている。
【００１８】
このように短絡リング１０を周方向に２ｎ（ｎは整数）分割し、ｎ≦２ｐ（ｐは極数）としたことにより、第１の実施の形態と同じ効果を奏することができる。また、商用周波数の電源で運転するに際し、始動時は回転子導体９によるかご型回転子巻線により誘導電動機として同期速度直前まで駆動及び加速し、その後は同期引き入れして永久磁石１１により同期電動機として運転することができるので、始動が円滑な運転を行うことができる。
【００１９】
図４及び図５は、誘導電動機に本発明を適用した第３の実施の形態を示すもので、図１及び図２に示す第１の実施の形態と異なる構成は、回転子導体１２と短絡リング１３との接続構造である。
【００２０】
即ち、本実施の形態において、短絡リング１３は、周方向に２ｎ（ｎは整数）分割、即ち、４分割された第１短絡リング１３Ａ，第２短絡リング１３Ｂ，第３短絡リング１３Ｃ，第４短絡リング１３Ｄを用いている。同様に、複数の回転子導体１２もこれと対応させて第１回転子導体郡１２Ａ，第２回転子導体郡１２Ｂ，第３回転子導体郡１２Ｃ，第４回転子導体１２Ｄに分けている。そして、第１回転子導体郡１２Ａは第１短絡リング１３Ａに接続し、第２回転子導体１２Ｂは第２短絡リング１３Ｂに接続し、第３回転子導体郡１２Ｃは第１短絡リング１３Ｃに接続し、第４回転子導体１２Ｄは第２短絡リング１３Ｄに接続している。このように接続された回転子導体９と短絡リング１０は、電気的に４つの回路を構成する。
【００２１】
以上のように短絡リング１２を周方向に４分割して、回転子導体１２と短絡リング１３による回路を４つとすることにより、回転子導体１２に鎖交する偶数次の高調波磁束をさらに低減することが可能となる。その結果、４分された第１〜第４回転子導体郡１２Ａ〜１２Ｄに夫々誘導されるうず電流に含まれる高調波成分もさらに減少し、これにより始動時発生する制動トルクをさらに低減できるので、始動時のトルク特性をさらに改善することができる。
【００２２】
図６は、本発明を自己始動型永久磁石式同期電動機に適用した第４の実施の形態を示すもので、外観的には第３の実施の形態と同じである。
【００２３】
本実施の形態において、第３の実施の形態と異なる構成は、回転子２に永久磁石１１を装着した点であり、これ以外の構成は第３の実施の形態と同じである。
【００２４】
本実施の形態によれば、第３の実施の形態と同じ効果を奏するほか、第２の実施の形態と同じように、始動が円滑な運転を行うことができる。
【００２５】
図７及び図８は、誘導電動機に本発明を適用した第５の実施の形態を示すもので、図１及び図２に示す第１の実施の形態と異なる構成は、上回転子導体１４，下回転子導体１５及び長断面回転子導体１６Ａ，１６Ｂとで二重かご型回転子巻線を構成したことと、これらを短絡する第１及び第２短絡リング１７，１８の接続構造である。
【００２６】
即ち、本実施の形態において、上回転子導体１４は回転子鉄心８の外径側に周方向に等間隔に複数装着されており、下回転子導体１５は上回転子導体１４より内径側の回転子鉄心８に、上回転子導体１４と対向するように同数装着されている。これら上及び下回転子導体１４，１５は、夫々第１上回転子導体郡１４Ａ，第２上回転子導体郡１４Ｂ及び第１下回転子導体郡１５Ａ，第２下回転子導体郡１５Ｂに分けられている。
【００２７】
そして、長断面回転子導体１６Ａ，１６Ｂは前記上及び下回転子導体１４，１５を周方向に２分する位置、云い代えれば第１上回転子導体郡１４Ａ，第１下回転子導体郡１５Ａと第２上回転子導体郡１４Ｂ，第２下回転子導体郡１５Ｂとの境界部となる位置の回転子鉄心８に装着されている。これら長断面回転子導体１６Ａ，１６Ｂは、外径側が前記上回転子導体１４の外径側と同じ位置となるように、内径側が前記下回転子導体１５の内径側と同じ位置となるように装着されている。
【００２８】
一方、これら上及び下回転子導体１４，１５，長断面回転子導体１６Ａ，１６Ｂの端部を短絡する第１及び第２短絡リング１７，１８は、２分された上部及び下部の回転子導体１４，１５を交互に接続して短絡させている。即ち、第１短絡リング１７の第１短絡部１７Ａは前記第１上回転子導体郡１４Ａを短絡すると共に、長断面回転子導体１６Ｂを短絡し、さらに前記第２下回転子導体郡１５Ｂを第２短絡部１７Ｂで短絡している。第２短絡リング１８の第１短絡部１８Ａは前記第２上回転子導体郡１４Ｂを短絡すると共に、長断面回転子導体１６Ａを短絡し、さらに前記第１下回転子導体郡１５Ａを第２短絡部１８Ｂで短絡している。
【００２９】
本実施の形態によれば、第１に実施の形態と同等の効果を奏することができる。このほか、二重かご型を構成する上及び下回転子導体１４，１５を周方向に２分した上、第１短絡リング１７及び第２短絡リング１８は夫々第１上回転子導体郡１４Ａ及び第２上回転子導体郡１４Ｂを短絡すると共に、他の短絡リング側に位置する第１下回転子導体郡１５Ａ及び第２下回転子導体郡１５Ｂを交互に接続して短絡させているので、始動トルクを滑らかにすることができる。また、第１下回転子導体郡１５Ａ及び第２下回転子導体郡１５Ｂは、長断面回転子導体１６Ａ，１６Ｂを挟み込むように構成されていることから、短節ピッチで巻回されるので、上回転子導体１４と下回転子導体１５とに誘導電流の位相差が生じ、そのため偶数次高調波成分を低減できるとともに、奇数時高調波成分をも抑制することができる。その結果、より滑らかな回転子起磁力分布が得られ、起動トルクを滑らかにすることができる。
【００３０】
図９は、本発明を自己始動型永久磁石式同期電動機に適用した第６の実施の形態を示すもので、外観的には第５の実施の形態と同じである。
【００３１】
本実施の形態において、第５の実施の形態と異なる構成は、回転子２に永久磁石１１を装着した点であり、これ以外の構成は第５の実施の形態と同じである。
【００３２】
本実施の形態によれば、第５の実施の形態と同じ効果を奏するほか、第２の実施の形態と同じように、始動が円滑な運転を行うことができる。
【００３３】
図１０及び図１１は、誘導電動機に本発明を適用した第７の実施の形態を示すもので、図７及び図８に示す第５の実施の形態と異なる構成は、二重かご型回転子巻線を構成する上及び下回転子導体１４，１５，長断面１６Ａ〜１６Ｄを４郡に分けたことと、これらを短絡する４つの第１〜第４短絡リング１７〜２０の接続構造である。
【００３４】
即ち、本実施の形態において、上回転子導体１４は回転子鉄心８の外径側に周方向に等間隔に複数装着されており、下回転子導体１５は上回転子導体１４より内径側の回転子鉄心８に、上回転子導体１４と対向するように複数装着されている。これら上及び下回転子導体１４，１５は、夫々第１上回転子導体郡１４Ａ〜第４上部回転子導体郡１４Ｄ及び第１下回転子導体郡１５Ａ〜第４下部回転子導体郡１５Ｄの４郡に分けられている。
【００３５】
そして、４つの長断面回転子導体１６Ａ〜１６Ｄは前記上及び下回転子導体１４，１５を周方向に４分する位置、云い代えれば第１上回転子導体郡１４Ａ，第１下回転子導体郡１５Ａと第４上回転子導体郡１４Ｄ，第４下回転子導体郡１５Ｄ間、第１上回転子導体郡１４Ａ，第１下回転子導体郡１５Ａと第２上回転子導体郡１４Ｂ，第２下回転子導体郡１５Ｂ間、第２上回転子導体郡１４Ｂ，第２下回転子導体郡１５Ｂと第３上回転子導体郡１４Ｃ，第３下回転子導体郡１５Ｃ間、第３上回転子導体郡１４Ｃ，第３下回転子導体郡１５Ｃと第４上回転子導体郡１４Ｄ，第４下回転子導体郡１５Ｄ間に位置する回転子鉄心８に装着されている。そして、これら長断面回転子導体１６Ａ〜１６Ｄは、外径側が前記上回転子導体１４の外径側と同じ位置となるように、内径側が前記回転子導体１５の内径側と同じ位置となるように装着されている。
【００３６】
一方、これら上及び下回転子導体１４，１５，長断面回転子導体１６Ａ〜１６Ｄの端部を短絡する第１〜第４短絡リング１７〜２０は、４分された上及び下回転子導体１４，１５を巴状に交互に接続して短絡させている。即ち、第１短絡リング１７の第１短絡部１７Ａは前記第１上回転子導体郡１４Ａを短絡すると共に、長断面回転子導体１６Ｂを短絡し、さらに前記第２下回転子導体郡１５Ｂを第２短絡部１７Ｂで短絡している。第２短絡リング１８の第１短絡部１８Ａは前記第２上回転子導体郡１４Ｂを短絡すると共に、長断面回転子導体１６Ｃを短絡し、さらに前記第３下回転子導体郡１５Ｃを第２短絡部１８Ｂで短絡している。第３短絡リング１９の第１短絡部１９Ａは前記第３上回転子導体郡１４Ｃを短絡すると共に、長断面回転子導体１６Ｄを短絡し、さらに前記第４下回転子導体郡１５Ｄを第２短絡部１９Ｂで短絡している。第４短絡リング２０の第１短絡部２０Ａは前記第４上回転子導体郡１４Ｄを短絡すると共に、長断面回転子導体１６Ａを短絡し、さらに前記第１下回転子導体郡１５Ａを第２短絡部２０Ｂで短絡している。
【００３７】
本実施の形態によれば、上記第５の実施の形態と同じ効果を奏するほか、回転子導体を４郡に分け、電気角で略１８０度ピッチで巻回されるような４つの短絡リングで巴状に短絡したので、短絡リングを２分割した場合に比べ偶数次高調波成分をより大きく低減でき、トルク特性をさらに改善することができる。
【００３８】
図１２は、本発明を自己始動型永久磁石式同期電動機に適用した第８の実施の形態を示すもので、外観的には第７の実施の形態と同じである。
【００３９】
本実施の形態において、第７の実施の形態と異なる構成は、回転子２に永久磁石１１を装着した点であり、これ以外の構成は第７の実施の形態と同じである。
【００４０】
本実施の形態によれば、第７の実施の形態と同じ効果を奏するほか、第２の実施の形態と同じように、始動が円滑な運転を行うことができる。
【００４１】
次に、上記のように構成された駆動用電動機を圧縮機に適用した一例を図１３に基づいて説明する。ここに用いた駆動用電動機は、例えば、図３に示す第２の実施の形態による永久磁石式同期電動機を用いた。したがって、図３と同一符号は同一部品を示すので、永久磁石式同期電動機の再度の詳細な説明は省略する。
【００４２】
圧縮機２１は、円筒状の密封圧力容器２２と、この密封圧力容器２２内に設置され駆動用電動機となる自己始動型の永久磁石式同期電動機２３と、この永久磁石式同期電動機２３により駆動され前記密封圧力容器２２内に設置される圧縮機構部２４とを備えている。
【００４３】
永久磁石式同期電動機２３は、密封圧力容器２２内に軸受２５Ａ，２５Ｂを介して回転自在に支承された回転軸７に固定された回転子２と、この回転子２に周方向の空隙を介して対向し密封圧力容器２２内固定された固定子１とを備えている。
【００４４】
このように構成された永久磁石式同期電動機２３を駆動用電動機として用いた圧縮機２１の圧縮機構部２４は、回転軸７の上端に形成されたクランク軸２６によって旋回する旋回スクロール部材２７と、この旋回スクロール部材２７と噛合う固定スクロール部材２８とを備えている。そして、前記旋回スクロール部材２７は、端板２９に直立する可動渦巻状ラップ３０を有し、前記固定スクロール部材２８は、可動渦巻状ラップ３０と噛合う固定渦巻状ラップ３１と、この固定渦巻状ラップ３１を直立支持する端板３２を有する。
【００４５】
このように構成された圧縮機構部２４の可動渦巻状ラップ３０をクランク軸２６によって旋回運動させると、可動渦巻状ラップ３０と固定渦巻状ラップ３１とによって形成された圧縮室３３Ａ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、圧縮動作を行うのである。
【００４６】
前記密封圧力容器２２内の底部には、潤滑油３７が満たされており、この潤滑油３７内に前記回転軸７の下端を浸している。この回転軸７にはクランク軸２６まで貫通する油孔３８が設けられており、回転軸７の回転時の圧力差を利用して、前記潤滑油３７を旋回スクロール部材２７とクランク軸２６間及び軸受２５Ａへ給油している。
【００４７】
以上のように構成した圧縮機２１は、運転を開始すると、ガス供給口３４から供給されたガスを外径側に位置する圧縮室３３Ａに供給する。この圧縮室３３Ａに供給されたガスは中心側の圧縮室３０Ｂに至る間に圧縮され、この圧縮室３０Ｂに設けた吐出口３５から密封圧力容器２２内に吐出される。吐出された圧縮ガスは、圧縮機構部２４と永久磁石式同期電動機２３の間に廻り込み、ここの密封圧力容器２２の側壁に設けた吐出パイプ３６から圧縮機１外に排出される。
【００４８】
このように本発明による駆動用電動機を圧縮機に適用することにより、一定速圧縮機の高効率化を容易に得ることができる。
【００４９】
尚、一例として第２の実施の形態による永久磁石式同期電動機を圧縮機に適用したが、これに限らず他の実施の形態による誘導電動機や永久磁石式同期電動機を用いることができることは云うまでもない。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、構造の複雑化や経済性を低下させることなく始動時のトルク特性を改善できる駆動用電動機及びこれを用いた圧縮機を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による駆動用電動機の第１の実施の形態として誘導電動機を示す概略斜視図。
【図２】図１のＡ―Ａ線に沿う断面図。
【図３】本発明による駆動用電動機の第２の実施の形態として自己始動型永久磁石式同期電動機を示す図２相当図。
【図４】本発明による駆動用電動機の第３の実施の形態として誘導電動機を示す概略斜視図。
【図５】図４のＢ―Ｂ線に沿う断面図。
【図６】本発明による駆動用電動機の第４の実施の形態として自己始動型永久磁石式同期電動機を示す図５相当図。
【図７】本発明による駆動用電動機の第５の実施の形態として誘導電動機を示す概略斜視図。
【図８】図７のＣ―Ｃ線に沿う断面図。
【図９】本発明による駆動用電動機の第６の実施の形態として自己始動型永久磁石式同期電動機を示す図８相当図。
【図１０】本発明による駆動用電動機の第７の実施の形態として誘導電動機を示す概略斜視図。
【図１１】図１０のＤ―Ｄ線に沿う断面図。
【図１２】本発明による駆動用電動機の第８の実施の形態として自己始動型永久磁石式同期電動機を示す図１１相当図。
【図１３】本発明による駆動用電動機を適用した圧縮機を示す概略縦断面図。
【符号の説明】
１…固定子、２…回転子、３…固定子鉄心、５…歯部、６…固定子巻線、８…回転子鉄心、９，１２…回転子導体、１４…上回転子導体、１５…下回転子導体、１６Ａ〜１６Ｄ…長断面回転子導体、１０，１３，１７〜２０…短絡リング、１１…永久磁石、２１…圧縮機、２３…駆動用電動機、２４…圧縮機構部。

Claims

固定子鉄心に集中巻きした固定子巻線を備え、回転子鉄心に回転子導体を備えた駆動用電動機において、前記回転子導体を短絡する短絡リングを周方向に２ｎ（ｎは整数）分割したことを特徴とする駆動用電動機。
固定子鉄心に集中巻きした固定子巻線を備え、回転子鉄心に回転子導体を備えた駆動用電動機において、前記回転子導体は、回転子鉄心の外径側に位置する複数の上導体と、この上導体よりも内径側に位置する複数の下導体とを備え、前記上導体の周方向の１／２を夫々短絡した第１短絡リングと第２短絡リングを設け、かつ第１短絡リング及び第２短絡リングは他の短絡リング側に位置する下導体を短絡するように構成したことを特徴とする駆動用電動機。
固定子鉄心に集中巻きした固定子巻線を備え、回転子鉄心に回転子導体を備えた駆動用電動機において、前記回転子導体は、回転子鉄心の外径側に位置する複数の上導体と、この上導体よりも内径側に位置する複数の下導体とを備え、前記上導体の周方向の１／４を夫々短絡した第１短絡リング〜第４短絡リングを設け、かつ第１短絡リング〜第４短絡リングは他の短絡リング側に位置する下導体を短絡するように構成したことを特徴とする駆動用電動機。
前記回転子鉄心は、前記回転子導体より内径側に永久磁石を装着していることを特徴とする請求項１，２または３記載の駆動用電動機。
固定子鉄心に集中巻きした固定子巻線と、回転子鉄心に回転子導体と、この回転子導体よりも内径側の回転子鉄心に装着した永久磁石とを備えた駆動用電動機において、前記回転子導体を短絡する短絡リングを周方向に２ｎ（ｎは整数）分割し、かつｎ≦２ｐ（ｐは極数）としたことを特徴とする駆動用電動機。
請求項１，２，３，４または５記載の駆動用電動機を用いたことを特徴とする圧縮機。