JP2011041379A - 自己始動型永久磁石同期電動機、及び、これを用いた圧縮機と冷凍サイクル - Google Patents

Abstract

【課題】電源によって固定子磁束の発生位置が変化しても、安定した始動トルクで振動・騒音が低い自己始動型永久磁石同期電動機、を用いた圧縮機などを提供する。
【解決手段】回転子の磁極中心軸をｄ軸、当該磁極中心軸から電気角で９０°ずれた軸をｑ軸とすし、ｄ軸の軸上近傍に配置される始動用バーの少なくとも二本以上をｑ軸上近傍のバーよりも内径側に配置し、かつ、ｑ軸に対し平行に配列することにより、電源の投入タイミングや電圧の位相によって変化する固定子磁束の発生位置に関わらず、安定した始動トルクの発生を可能とし、定常運転時での振動・騒音を軽減可能な自己始動型永久磁石同期電動機を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は自己始動型永久磁石同期電動機、及び、それを用いた圧縮機、更には、冷凍サイクルに関する。

一般に、誘導電動機は、堅牢な構造である上、商用電源による直入れ始動が可能であることから、その長所としては、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ことにある。

これに対し、自己始動型永久磁石同期電動機は、上記の誘導電動機と同様、商用電源での直入れ始動が可能であり、インバータを付加することなく駆動部を構成できると共に、更には、定常運転時の二次銅損が僅少となる。そのため、上記誘導電動機に対し、駆動システムの高効率化に大きく貢献できるというメリットがある。

一方、自己始動型永久磁石同期電動機の短所としては、かご型巻線の内周側に永久磁石が配置されているため、回転子の磁束軸が既に固定されていることが挙げられる。すなわち、始動時に回転子に生じる始動トルクは、かご型巻線に生じる誘導トルクと、永久磁石磁束と電源印加によって生じる固定子磁束との吸引力との、これら両者の合成となる。商用電源による直入れ始動では、インバータ駆動時のように回転子位置を特定できない(電圧位相を制御できない)ことから、始動時に印加される電圧の位相によっては、磁石磁束と固定子磁束とが反発する場合や、正規の回転方向と逆方向に吸引され、負のトルクを生じる場合がある。このことから、投入される電圧の位相、即ち、固定子磁束が発生する位置によって、始動時のトルクに大きな差異が生じるという問題がある。

なお、かかる自己始動型永久磁石同期電動機の回転子としては、例えば、以下の特許文献１〜３により、種々の構造のものが既に知られている。

特開平４−２１０７５８号公報 特開平１０−３３６９２７号公報 特開２００１−３７１２６号公報

ところで、自己始動型永久磁石同期電動機の始動時においては、投入される電圧の位相により、その始動トルクに差異が生じることは上述した通りあり、その理由と問題点について、下記に述べる。

まず、電源電圧の印加によって生じる固定子磁束が、永久磁石磁束に対し、正規の回転方向に対し遅れ側に発生した場合、回転子には正規の回転方向と逆方向に吸引される磁石トルクが生じる。ところで、回転子は軸受けにより回転自在に支持されていることから、負の回転方向へと移動する。この場合、固定子回転磁界は正転方向に回転をしているため、誘導電動機のすべり-トルク特性としてみると、すべりが１以上の領域から始動を開始するため、誘導トルクとしては所望の値に対し過大に発生する。

この場合、電動機の軸受けには過大な応力が掛かり、そのため、軸受けの寿命が短くなってしまうという問題点や、出力軸端に取り付けられた機器に対して大きなねじり応力が加えられ、その結果、破壊に至るなど、多大な悪影響を及ぼす恐れがある。

また、一方、電源電圧の印加によって生じる固定子磁束が、永久磁石磁束に対し、正規の回転方向に対し進み側に発生した場合については、回転子には正転方向の磁石トルクが生じることから、かご型巻線生ずる誘導トルクへの影響は比較的小さく、そのため、始動に対する大きな問題は発生しない。このような原理由により、電源の投入位相によって，発生し得る始動トルクに大きな差異が生じることとなる。

これに対し、上述した従来技術では、なお、電源の投入タイミングや電圧の位相によって変化する固定子磁束の発生位置により始動トルクが影響され、十分に安定した始動トルクを得ることは難しかった。

本発明は、上述した従来技術における問題点に考慮して達成されてものであり、その目的は、電源の投入タイミングや電圧の位相によって変化する固定子磁束の発生位置に関わらず、安定した始動トルクを発生でき、かつ、始動トルクを任意に調整できる自己始動型永久磁石同期電動機を、更には、これを用いた圧縮機、更には、空気調和器などの冷凍サイクルを提供することである。

そして、本発明によれば、上述した目的を達成するため、まず、回転子と固定子とを備えた自己始動型永久磁石同期電動機であって、前記回転子は、回転子鉄心と、当該回転子鉄心の外周部近傍に等間隔で設けた複数のスロットと、当該スロット内に埋設した導電性のバーと、これら導電性のバーを当該回転子鉄心の軸方向両端面で短絡する導電性のエンドリングとで構成されたかご型巻線と、前記スロットの内周側に配置した少なくとも１つ以上の磁石挿入孔と、当該磁石挿入孔に埋設した少なくとも１つ以上の永久磁石とを有しており、もって、当該該永久磁石は界磁極を構成しているものにおいて、前記複数の導電性のバーが、前記永久磁石によって構成される磁極の中心軸の方向と、当該磁極の中心軸に対して９０°回転した軸の方向とにおいて、前記回転子の中心軸からの距離が異なるように配列されている自己始動型永久磁石同期電動機が提供される。

なお、本発明では、前記に記載された永久磁石同期電動機において、前記導電性のバーが、前記永久磁石によって構成される磁極の中心軸の方向における前記回転子の中心軸から前記導電性のバーまでの距離が、当該磁極の中心軸に対して９０°回転した軸の方向における前記回転子の中心軸から前記導電性のバーまでの距離よりも小さくなるように配列されていることが好ましく、更には、前記永久磁石によって構成される磁極の中心軸の方向における前記導電性のバーが、前記磁極の中心軸に対して９０°回転した軸に対して平行に配列されていることが好ましい。更には、前記磁極の中心軸に対して９０°回転した軸の方向における前記導電性のバーの断面径が、他の導電性のバーの断面径よりも大きいことが好ましい。

また、本発明では、前記に記載された永久磁石同期電動機において、更に、前記磁極の中心軸の方向において配列された前記導電性のバーの外周に、前記回転子の外周に向かって伸延する複数のスリットを設けてもよく、更には、前記複数のスリットは、前記磁極の中心軸の方向の一点に集中するように設けられてもよい。加えて、前記複数のスリットは、前記磁極の中心軸の方向からずれた一点に集中するように設けられてもよく、或いは、前記回転子は、前記磁極の中心軸に対して反時計回りの角度でずれた一点で延長線が交差するように前記スリットを具備した回転子鉄心のセグメントと、当該磁極の中心軸に対して時計回りの角度でずれた一点で延長線が交差するように前記スリットを具備した回転子鉄心セグメントとが軸方向に交互に積層して構成されてもよく、又は、前記回転子鉄心セグメントを、前記軸方向に、少なくとも２つ以上設けてもよい。

更に、本発明では、前記に記載された永久磁石同期電動機において、前記永久磁石によって構成される磁極の中心軸の方向における前記導電性のバーが、当該磁極の中心軸に対して９０°回転した軸の方向における前記導電性のバーが配列された円弧の半径よりも小さな半径の円弧に沿って配列されてもよく、又は、前記磁極中心軸に対して９０°回転した軸の最寄の前記永久磁石の周方向端部に、前記回転子鉄心の外周側へと伸延するフラックスバリアを具備してもよい。更に、前記磁石挿入孔は、１磁極あたり２つ以上あり、かつ、各々の該磁石挿入孔の間に空孔を具備してもよく、又は、前記導電性のバーの断面積を前記磁極中心軸に対して９０°回転した軸のみ大となるように構成してもよい。また、前記かご型巻線をアルミダイカストまたは銅ダイカストで構成してもよく、或いは、前記かご型巻線を、前記バーと前記エンドリングとを摩擦攪拌接合で接合して形成してもよい。更には、前記永久磁石は、厚み方向の断面形状が、略方形、略台形、略弧状の何れかで形成された希土類磁石であってもよく、或いは、前記固定子は、固定子鉄心に設けられた多数の固定子スロットと、当該固定子スロット内に設けられたＵ相、Ｖ相、Ｗ相からなる電機子巻線を有し、かつ、毎極毎相を構成する前記固定子スロットのうち、少なくとも一対の固定子スロットに納められる前記電機子巻線の巻数が、他の対と異なるものであってもよい。

また、本発明によれば、上述した目的を達成するため、冷媒を吸い込んで圧縮し吐出する圧縮機構部と、当該圧縮機構部を駆動する駆動電動機を備えた圧縮機であって、前記駆動電動機が、前記のいずれかに記載した永久磁石式同期電動機である圧縮機が提供される。

加えて、本発明によれば、やはり、上述した目的を達成するため、電動機によって駆動される圧縮機をその一部に有する冷凍サイクルにおいて、前記圧縮機は、前記に記載の圧縮機であること冷凍サイクルが提供される。

上述した本発明によれば、電源の投入タイミングや電圧の位相によって変化する固定子磁束の発生位置にも関わらず、安定した始動トルクを発生が出来、かつ、定常運転時おける振動や騒音を軽減することが出来る、優れた特性の自己始動型永久磁石同期電動機が、更には、これを用いた圧縮機を、そして、更には、空気調和機や冷蔵・冷凍装置に用いられる冷凍サイクルを提供することが可能となるという、実用的にも社会的にも優れた効果を発揮する。

本発明の第１の実施例になる自己始動型永久磁石同期電動機の回転子の径方向における断面図である。 上記第１の実施例になる自己始動型永久磁石同期電動機の回転子軸方向の構成図である。 前記第１の実施例になる回転子の端板形状を示す図である。 前記第１の実施例になる自己始動型永久磁石同期電動機における電源投入位相に対する始動トルク測定結果を示す図である。 本発明の第２の実施例になる同期電動機の回転子の径方向における断面図である。 上記第２の実施例における電源投入位相に対する始動トルク測定結果を示す図である。 本発明の第３の実施例になる同期電動機の回転子の径方向における断面図である。 本発明の第４の実施例になる同期電動機の回転子の径方向における断面図である。 本発明の第５の実施例になる同期電動機の回転子の径方向における断面図である。 本発明の第６の実施例になる同期電動機の回転子の径方向における断面図である。 上記第６の実施例になる同期電動機の回転子の軸方向での構成図である。 本発明の第７の実施例になる同期電動機の回転子の径方向にける断面図である。 本発明の第８の実施例になる同期電動機の回転子の軸方向における構成図及びその一部拡大図である。 本発明の第９の実施例になる同期電動機の回転子の軸方向における構成図である。 上述した本発明の自己始動型永久磁石同期電動機における固定子の径方向の形状を示す断面図である。 上述した本発明の自己始動型永久磁石同期電動機を内蔵した圧縮機の内部構造を示す断面図である。 上述した本発明の自己始動型永久磁石同期電動機を内蔵した圧縮機を採用した、空気調和機の冷凍サイクルの一例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明の第１の実施例になる自己始動型永久磁石同期電動機の回転子の径方向（回転子の回転軸に対して垂直な方向）での断面図である。また、図２は本発明の第１の実施例になる自己始動型永久磁石同期電動機の回転子の側面図を示す。更に、図３は、本発明の第１の実施例になる回転子の、特に、端板の形状を示し、そして、図４には、本実施例になる自己始動型永久磁石同期電動機の、電源投入位相に対する始動トルクの測定結果を示す。

まず、図１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の内部には、多数の回転子スロット８が形成されており、その内部には始動用導体バー３が設けられている。また、上述した回転子鉄心２の内部には、磁石挿入孔７が形成されており、当該孔には永久磁石４が埋設されており、もって、図からも明らかなように、磁極数が２極となるように配置して構成されている。

ここで、永久磁石４は、希土類を主成分とする焼結磁石であり、厚み方向の断面形状が長方形をなしており、そして、複数のセグメント（図の例では５枚：４Ａ、４Ｂ、４Ｃ，４Ｄ、４Ｅ）に分けられて、上記磁石挿入孔７内に、各々、埋設されている。

なお、上記の永久磁石４のセグメント数は、少なくとも１つ以上であれば構成可能であることから、上記の例に示すように、５枚に限られることなく、５枚以下あるいは５枚以上でもよく、更には、その断面形状が略台形であるものでも構成可能である。あるいは、この永久磁石は、略円弧状の断面形状を有していても良い。また、当該磁石の主成分としては、フェライト系でも構成できるが、特に、希土類が好ましく、又は、焼結磁石や、その他のボンド磁石を用いることも可能である。

また、図からも明らかなように、上述した磁石により形成される磁極間には、所謂、フラックスバリア５（５Ａ、５Ｂ）が施こされており、これにより、磁極間に生ずる漏洩磁束の防止を図っている。

なお、同図において、永久磁石４によって構成された磁極中心軸をｄ軸、そして、当該ｄ軸から電気角で９０°だけ回転した軸をｑ軸とした場合、当該ｑ軸の近傍に位置するバー３は、シャフト６の中心Ｏを原点とする半径Ｒの距離で、同心円状に配置している。一方、ｄ軸の近傍にある複数のバー３（図の例では３本）は、Ｒ＞Ｌとなる原点Ｏからの距離Ｌの位置において、上記ｑ軸と平行となるように配置されている。

次に、図２に示すように、回転子鉄心２の両端面には、回転子端板９（９Ａ、９Ｂ）を配置している。即ち、これらの端版９を介して、例えば、アルミダイカスト、又は、銅ダイカストにより、エンドリング１０（１０Ａ、１０Ｂ）1を形成しており、これらのエンドリング１０が、上述した始動用導体バー３を周方向において短絡させることにより、所謂、かご型巻線を形成している。

なお、同図において、これらエンドリング１０は、出力軸側のエンドリング１０Ａと反出力軸側のエンドリング１０Ｂとでは異なる形状となっており、より具体的には、反出力軸側のエンドリング１０Ｂの軸方向の長さＬ２に対し、出力軸側のエンドリング１０Ａの軸方向の長さＬ１を短くする（Ｌ１＜Ｌ２）と共に、エンドリングの断面積が、出力軸側で小さく、他方、反出力軸側で大きくなるように構成している。これによれば、反出力軸側のエンドリングに、冷却用のフィンやバランスウェイト(ここでは、いずれも図示せず)を取り付ける寸法を確保することが可能となる。

また、上述した端板９については、出力軸側には端板９Ａを、反出力軸側には端板９Ｂが配置されている。

更に、添付の図３に示すように、上記の端版９Ａ，９Ｂは、上述した回転子鉄心２と略同一の断面形状を有しているが、しかしながら、出力軸側の端板９Ａでは、フラックスバリア５を設けることなく、磁石挿入孔７と回転子スロット８のみを設けている点で、そして、反出力軸側の端板９Ｂでは、回転子スロット８のみを設けられている点で、上記回転子鉄心とは異なっている。このように構成した端板を、上述したｄ軸とｑ軸に対し、各々、その位置関係を整合させて上記回転子鉄心２の両端面へ配置し、かつ、これらを介してダイカストすることにより、スロット８以外の部位への導電性材料の流入を防いで、かご型巻線を形成する。なお、この場合、エンドリング１０Ａの内径寸法は、上記の磁石挿入孔７よりも大きく形成している。

以上にその詳細な構成を説明した回転子により構成した自己始動型永久磁石同期電動機である、第１の実施例（実施例１）になる自己始動型永久磁石同期電動機（但し、その固定子の構造については、後に図１４を参照して説明する）により得られる効果について、以下に、添付の図４に示す測定結果を参照しながら説明する。

上記自己始動型永久磁石同期電動機により、電源の投入位相に対する始動トルクの関係を測定したところ、図４のグラフに点線で示すように、従来の構造では、発生する始動トルクは、投入位相によって大きな差異が生じるこが分かる。即ち、投入位相が０°の近傍では、発生する始動トルクは過大であり、より具体的には、必要な始動トルクの約２倍以上のトルクが発生することが分かる。

なお、この理由としては、電源電圧の印加によって生じる固定子磁束が、永久磁石による磁束に対し、その正規の回転方向に対して遅れ側に発生し、そのため、回転子には正転方向と逆方向に、吸引される磁石トルクが生じていることが挙げられる。つまり、回転子は軸受けにより回転自在に支持されていることから、負の回転方向へと移動を始めるため、誘導電動機のすべり-トルク特性としてみると、すべりが１以上の領域から始動を開始することとなり、誘導トルクが過大に発生するためであると考えられる。なお、このような場合、電動機の軸受けには過大な応力が掛かることとなり、軸受け破損や、その寿命の短縮等の問題が生じる。

一方、上述した図１〜３により述べた構成の回転子を適用した自己始動型永久磁石同期電動機に対して上記と同様の試験を実施したところ、図４において実線（本実施例）で示す特性が得られた。即ち、投入位相に対する始動トルクの差異を大幅に低減することができた。なお、この現象は、上記の図１でも述べたように、ｄ軸の最寄に位置する導体バー３を内径側に配置することで生じる事が分かった。

この理由は、始動時に生ずる固定子磁界が導体バー３に鎖交することにより、フレミングの左手の法則に則って、導体バー３の各々には、周方向に働く電磁力が生ずることである。なお、この電磁力は、回転子の中心軸Ｏからの距離Ｒとの積によって、誘導トルクとなる。即ち、この内径側に配置した導体バー３の位置は、中心からの距離Ｒよりも小さいため、投入位相が０°の近傍における誘導トルクを軽減できることとなる。

即ち、上記の結果を鑑み、自己始動型永久磁石同期電動機の回転子を、上述した図１に示す回転子構造とすることにより、電源投入位相に対する始動トルクの差異を低減することが出来、もって、安定した始動トルクを発生させることができる。

続いて、添付の図５は、本発明の第２の実施例（実施例２）に係る同期電動機の回転子の径方向における断面図を示し、そして、図６は、本実施例における電源投入位相に対する始動トルクの測定結果を示す。なお、この図５において、上記図１と同一の構成要素には同一符号を付しており、ここでは、その説明の重複は避ける。

本実施例２になる構成が上記図１に示した実施例１と異なる点は、図からも明らかなように、上記導体バー３のうち、ｑ軸に最寄の導体バー３Ｂ（本例では４本）のみの断面積を、他の導体バー３Ａよりも大きく形成している点にある。

なお、このような構成によれば、図６のグラフにおいて実線で示すように、平均的にトルクを大きくでき、これにより、電動機の使用範囲を広げることが可能となる。

添付の図７は、更に、本発明の第３の実施例（実施例３）に係る同期電動機の回転子の径方向における断面図を示す。

この図７においては、上記図５と同一の構成要素には同一符号を付しており、ここでも、やはり、その説明の重複は避ける。

本実施例３になる構成が上記図５と異なる点は、図からも明らかなように、磁石挿入孔７（図５を参照）が、ｑ軸に対して最寄に位置する部位７Ａと、ｄ軸に対して最寄に位置する部位７Ｂとで構成されている、かつ、これら磁石挿入孔７Ａ、７Ｂの間には、空孔１７を設けている点にある。

なお、このような構成によれば、上記図５と同様の効果が得られると共に、回転子鉄心２の機械強度を増加させることが可能となり、もって、より信頼性の高い電動機を提供することが可能となる。

添付の図８は、更に、本発明の第４の実施例（実施例４）に係る同期電動機の回転子の径方向における断面図を示す。

なお、この図８においても、上記図１と同一の構成要素には同一符号を付して示しており、ここでも、やはり、その説明の重複は避ける。

本実施例（実施例４）になる構成が上記図１と異なる点は、ｄ軸の最寄に位置するバー３が、シャフト６の中心軸Ｏに対し、ｄ軸上にＯ’だけ移動した点を中心としたＲ’の半径に配置している点にある。
なお、このような構成によっても、上記図１と同様の効果が得られる。

更に、添付の図９には、本発明の第５の実施例（実施例５）に係る同期電動機の回転子の径方向における断面図を示す。

なお、この図９においても、上記図１と同一の構成要素には同一符号を付して示しており、ここでも、やはり、その説明の重複は避ける。

本実施例５になる構成が上記図１と異なる点は、ｄ軸の近傍に位置する導体バー３の外周部に複数のスリット１９（本例では、１９Ａ、１９Ｂ、１９Ｃ、１９Ｄ、１９Ｅの５本）を設けている点にある。ここで、これらスリット１９の延長線は、ｄ軸上の或る一点で交差するように配向されている。

このような構成によれば、上記図１と同様の効果が得られると共に、更に、永久磁石４の磁束を一点（上述したｄ軸上の或る一点）に集中することが出来、ギャップ（ここでは図示せず）の磁束分布を、理想とされる正弦波に近づけることが可能となる。その結果、同期電動機の運転中の振動・騒音を低減し、そして、高調波による各種損失を低減するという優れた効果を発揮する。

加えて、回転子鉄心２の内径側に配置したｄ軸近傍の導体バー３に対し、始動時の固定子磁束（図示せず）を有効に鎖交させることが可能となるため、始動トルクの向上にも寄与することが出来る。

次に、図１０（Ａ）及び（Ｂ）には、本発明の第６の実施例（実施例６）に係る同期電動機の回転子の径方向における断面図を示し、そして、図１１には、当該第６の実施例に係る同期電動機の回転子の軸方向における構成図を示す。

これらの図１０（Ａ）及び（Ｂ）、図１１においても、上記図２や図９と同一の構成要素には同一符号を付して示しており、ここでもその説明の重複は避ける。

なお、本実施例６の構成が上記図２や図９と異なる点は、図１０（Ａ）及び（Ｂ）の２つの図にそれぞれ示すように、同期電動機の回転子を構成する回転子鉄心２が、その位置により異なる二つの断面形状を有していることである。より詳細には、図１１にも示すように、各々の鉄心が積層された二つのセグメントが、その中央部を挟んで、軸方向（図の左右方向）に配置しており、そして、図の左側のセグメントの断面形状（即ち、図のＡ−Ａ’矢視断面）が図１０（Ａ）に示されると共に、図の右側のセグメントの断面形状（即ち、図のＢ−Ｂ’矢視断面）が図１０（Ｂ）に示されている。

ここで、まず、回転子鉄心２Ａの構成は、図１０（Ａ）に示すように、ｄ軸近傍の導体バー３の外周部に配置したスリット１９の延長線が、上記実施例５のようにｄ軸上ではなく、当該ｄ軸に対して反時計回りの角度にずれた点で交差するよう配向されており、他方、回転子鉄心２Ｂの構成は、図１０（Ｂ）に示すように、ｄ軸に対し時計回りの角度にずれた点で交差するよう配向されている。即ち、回転子鉄心２Ａと２Ｂは、回転子１のｄ軸方向の外周に形成したスリット１９が、軸方向の異なる位置で、その傾斜が変わる（逆転）ように形成されている。

このような構成によれば、所謂、回転子１をスキューさせた構成とほぼ等価な効果を得ることができ、もって、運転中の振動や騒音を低減する効果が得られる。

更に、添付の図１２（Ａ）及び（Ｂ）は、本発明の第７の実施例（実施例７）に係る同期電動機の回転子の径方向における断面図を示す。

なお、この図においても、上記図１０（Ａ）及び（Ｂ）と同一の構成要素には同一の符号を付けて示し、その重複する説明は避ける。

本実施例７になる構成が上記図１０（Ａ）及び（Ｂ）と異なる点は、図に矢印で規定した回転方向の条件の基に、スリット１９（１９Ａ、１９Ｂ、１９Ｃ、１９Ｄ、１９Ｅ）の配向方向を、両回転子鉄心２Ａ、２Ｂを共に、ｄ軸に対し反時計回りの角度にずれた点で交差するよう配向したことであり、但し、鉄心２Ａのスリット配向角度はｄ軸に対するずれ角が大きく、他方、鉄心２Ｂの配向角度は小さくなるように形成している。

このように構成すれることによれば、上記図１０（Ａ）及び（Ｂ）と同様の効果が得られると共に、更には、何れかの鉄心の配向角度が回転方向に集中するため、定常運転時における過負荷トルクの向上に寄与することが可能となる。

図１３（Ａ）及び（Ｂ）は、本発明の第８の実施例に係る同期電動機の回転子の径方向断面図を示しており、特に、同図（Ａ）は径方向断面形状を、そして、同図（Ｂ）は同図（Ａ）におけるＡ部拡大図である。なお、これらの図においても、上記図９と同一構成要素には同一符号を付け、その重複する説明は避ける。

なお、本実施例８の構成が上記図９（実施例５）と異なる点は、回転方向を図示したように規定した条件の基に、スリット１９の配向方向を、ｄ軸に対し反時計回りの角度にずれた点で交差するよう配向していること、また、回転方向に対し進み側に位置する永久磁石４Ｅ、４Ｄ間に先端部をｒだけ丸くした突起２０を具備している点にある。また、突起２０を配置するため永久磁石４Ｂ、４Ｃ、４Ｄはｄ軸に対して回転方向の遅れ側に偏らせて配置するように形成している。

このように構成することによれば、上記図９（実施例５）と同様の効果が得られると共に、鉄心の配向角度が回転方向に集中し、かつ、永久磁石から生じる磁束が、スリットによる磁束の配向方向の延長線上に位置するため、磁石磁束をより有効に利用することができる。そのため、定常運転時における特性の向上、及び、過負荷トルクの向上に寄与することができる。

添付の図１３は、本発明の第９の実施例（実施例９）に係る同期電動機の回転子の軸方向における構成図を示す。

なお、この図においても、上記図２に図示したと同一の構成要素には同一符号を付しており、もって、その重複する説明は避ける。

なお、本実施例８の構成が上記図２と異なる点は、特に、かご型巻線の形成方法として、導電性の塊状金属で形成された始動用導体バー(図示せず)と、導電性の塊状金属で形成されたエンドリング１０とを、所謂、摩擦攪拌接合にて接合してかご型巻線を構成しており、ダイカストを用いていない点にある。

このように、上述した全ての回転子を、即ち、摩擦攪拌接合にて接合してかご型巻線を構成することによれば、その端板を排除でき、かつ、ダイカスト時に生ずる巣や、回転子鉄心２の変形も生じないことから、かご型巻線の電気的な機能を安定化でき、もって、信頼性の向上に寄与できる。
＜固定子の構造＞

次に、添付の図１４は、上述した回転子と共に本発明の同期電動機を構成する、固定子の径方向の断面形状を示す。

この図１４において、固定子１１は、固定子鉄心１２に設けられた多数の固定子スロット（本実施例では、３０個）に，Ｕ相コイル１４（１４Ａ〜１４Ｅ）、Ｖ相コイル１６（１６Ａ〜１６Ｅ）、Ｗ相コイル１５（１５Ａ〜１５Ｅ）を埋設して形成している。また、各々の相において、巻装されるコイルの巻数の関係は、Ａ、Ｂ、Ｄ、Ｅの巻数は等しく、残りのＣ巻数を他の巻数より少なくなるように巻装している（Ｃ＞Ａ＝Ｂ＝Ｄ＝Ｅ）。あるいは、これに代えて、Ａ＝Ｅ＞Ｂ＝Ｄ＝Ｃのように構成することも可能である。

なお、このように構成した固定子は、巻線の配置によって生ずる起磁力の高調波を低減することができ、かつ、一相あたりの巻線数を厳密に調整することが出来ることから、上述した実施例１〜８の回転子の何れかと組合せることによれば、始動時に生ずる高調波非同期トルクを低減できると共に、同時に、回転子の導体本数と固定子巻数との比を厳密に調整が可能となることから、始動トルクの調整範囲を、更に広げることが可能となる。
＜圧縮機＞

更に、添付の図１５は、上述した固定子を上記実施例１〜８の回転子の何れかと組合せることにより構成される同期電動機を駆動源として用いた圧縮機の断面構造を示す。

この図１５を参照しながら、圧縮機８２の構造について、以下に説明する。まず、圧縮機構部８３は、固定スクロール部材６０の端板６１に直立する渦巻状ラップ６２と、旋回スクロール部材６３の端板６４に直立する渦巻状ラップ６５とを噛み合わせて形成されている。そして、上記旋回スクロール部材６３をクランクシャフト６によって旋回運動させることにより、圧縮動作を行う。

即ち、上述した固定スクロール部材６０及び旋回スクロール部材６３によって形成される圧縮室６６（６６ａ、６６ｂ、…）のうち、最も外径側に位置している圧縮室６６は、その旋回運動に伴って両スクロール部材６０、６３の中心に向かって移動し、その容積が次第に縮小する。その後、両圧縮室６６ａ、６６ｂが両スクロール部材６０、６３の中心近傍に達すると、両圧縮室６６内の圧縮ガスは、当該圧縮室６６と連通した吐出口６７から吐出される。この吐出された圧縮ガスは、固定スクロール部材６０及びフレーム６８に設けられたガス通路（ここでは図示せず）を通ってフレーム６８下部の圧力容器６９内に至り、当該圧力容器６９の側壁に設けられた吐出パイプ７０から圧縮機外に排出される。

なお、上記圧力容器６９の内部には、上記にその詳細な構造を説明した固定子１１と回転子１とで構成される自己始動型永久磁石同期電動機１８が内封されており、一定速度で回転することにより、上述した圧縮動作を行う。なお、図にも示すように、この電動機１８の下部には、油溜め部７１が設けられている。この油溜め部７１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７２を通って、旋回スクロール部材６３とクランクシャフト６との摺動部、滑り軸受け７３等に運ばれ、その潤滑に供される。

そして、このように、上記にその詳細を説明した自己始動型永久磁石同期電動機１８を、圧縮機駆動用電動機として適用することによれば、一定速圧縮機の高効率化を実現できると共に、電源の投入位相によって過大に生じる始動トルクを軽減することが出来ることから、圧縮機の軸受け７３や旋回スクロール部材６３の応力破壊を防止することが可能となり、圧縮機の信頼性の向上に寄与することができる。また、特に、上記図５（実施例２）、図７（実施例３）、図９（実施例５）に示した回転子を備えた電動機を用いることによれば、瞬時的にトルクが必要な場合にも容易に対応することが出来る。
＜冷凍サイクル＞

添付の図１６は、上記にその構造を説明した圧縮機８２を採用した冷凍サイクル、例えば、空気調和機の冷凍サイクルに適用した一例を示す。

この図において、符号８０は室外機、８１は室内機、８２は圧縮機をそれぞれ示しており、そして、当該圧縮機８２内には、上述した自己始動型永久磁石同期電動機１８と圧縮機構部８２が封入されている。なお、図中の符号８４は凝縮器を、８５は膨張弁を、そして、８６は蒸発器を、それぞれ示している。

かかる構成の冷凍サイクルでは、冷媒を図の矢印の方向に循環させ、そして、圧縮機８２は当該冷媒を圧縮して、凝縮器８４や膨張弁８５からなる室外機６０と、蒸発器８６からなる室内機８１との間で、熱交換を行って冷房機能を発揮する。

そして、上記に詳細に述べた本発明になる自己始動型永久磁石同期電動機１８を、上述した空気調和機の冷凍サイクル、或いは、冷蔵および冷凍装置などの冷凍サイクルに使用することによれば、上記の説明からも明らかなように、当該自己始動型永久磁石同期電動機１８の効率向上により、冷凍サイクル全体への入力電力を低減することが出来ることから、延いては、地球温暖化に繋がる二酸化炭素（ＣＯ_２）の排出を削減できる効果がある。また、信頼性の向上にも寄与できる。

以上，本発明によれば、電源の投入タイミングや電圧の位相によって変化する固定子磁束の発生位置に関わらず、安定した始動トルクを発生でき、かつ、定常運転時の振動・騒音の少ない自己始動型永久磁石同期電動機、及び、かかる永久磁石同期電動機を用いた信頼性の高い圧縮機を、更には、入力電力を低減して二酸化炭素の排出を削減できる空気調和機や冷蔵／冷凍装置のための冷凍サイクルを提供することを可能にする。

１…回転子，２…回転子鉄心，３…始動用導体バー，４…永久磁石，
５…フラックスバリア，６…シャフト又はクランクシャフト，７…磁石挿入孔，
８…回転子スロット，９…回転子端版，１０…エンドリング，１１…固定子，
１２…固定子鉄心，１３…固定子スロット，１４…Ｕ相コイル，１５…Ｗ相コイル，
１６…Ｖ相コイル，１７…空孔，１８…自己始動型永久磁石同期電動機，１９…スリット，
６０…固定スクロール部材，６１…端板，６２…渦巻状ラップ，
６３…旋回スクロール部材，６４…端板，６５…渦巻状ラップ，６６…圧縮室，
６７…吐出口，６８…フレーム，６９…圧力容器，７０…吐出パイプ，７１…油溜部，
７２…油孔，７３…滑り軸受け，
８０…室外機，８１…室内機，８２…圧縮機，８３…圧縮機構部，８４…凝縮機，
８５…膨張弁，８６…蒸発器。

Claims (20)

1. 回転子と固定子とを備えた自己始動型永久磁石同期電動機であって、
   前記回転子は、
   回転子鉄心と、
   当該回転子鉄心の外周部近傍に等間隔で設けた複数のスロットと、
   当該スロット内に埋設した導電性のバーと、
   これら導電性のバーを当該回転子鉄心の軸方向両端面で短絡する導電性のエンドリングとで構成されたかご型巻線と、
   前記スロットの内周側に配置した少なくとも１つ以上の磁石挿入孔と、
   当該磁石挿入孔に埋設した少なくとも１つ以上の永久磁石と
   を有しており、もって、当該該永久磁石は界磁極を構成しているものにおいて、
   前記複数の導電性のバーが、前記永久磁石によって構成される磁極の中心軸の方向と、当該磁極の中心軸に対して９０°回転した軸の方向とにおいて、前記回転子の中心軸からの距離が異なるように配列されていることを特徴とする自己始動型永久磁石同期電動機。
2. 前記請求項１に記載された永久磁石同期電動機において、前記導電性のバーが、前記永久磁石によって構成される磁極の中心軸の方向における前記回転子の中心軸から前記導電性のバーまでの距離が、当該磁極の中心軸に対して９０°回転した軸の方向における前記回転子の中心軸から前記導電性のバーまでの距離よりも小さくなるように配列されていることを特徴とする自己始動型永久磁石同期電動機。
3. 前記請求項２に記載された永久磁石同期電動機において、前記永久磁石によって構成される磁極の中心軸の方向における前記導電性のバーが、前記磁極の中心軸に対して９０°回転した軸に対して平行に配列されていることを特徴とする自己始動型永久磁石同期電動機。
4. 前記請求項３に記載された永久磁石同期電動機において、前記磁極の中心軸に対して９０°回転した軸の方向における前記導電性のバーの断面径が、他の導電性のバーの断面径よりも大きいことを特徴とする自己始動型永久磁石同期電動機。
5. 前記請求項３に記載された永久磁石同期電動機において、更に、前記磁極の中心軸の方向において配列された前記導電性のバーの外周に、前記回転子の外周に向かって伸延する複数のスリットを設けたことを特徴とする自己始動型永久磁石同期電動機。
6. 前記請求項５に記載された永久磁石同期電動機において、前記複数のスリットは、前記磁極の中心軸の方向の一点に集中するように設けられていることを特徴とする自己始動型永久磁石同期電動機。
7. 前記請求項５に記載された永久磁石同期電動機において、前記複数のスリットは、前記磁極の中心軸の方向からずれた一点に集中するように設けられていることを特徴とする自己始動型永久磁石同期電動機。
8. 前記請求項５において、前記回転子は、前記磁極の中心軸に対して反時計回りの角度でずれた一点で延長線が交差するように前記スリットを具備した回転子鉄心のセグメントと、当該磁極の中心軸に対して時計回りの角度でずれた一点で延長線が交差するように前記スリットを具備した回転子鉄心セグメントとが軸方向に交互に積層して構成されたことを特徴とする自己始動型永久磁石同期電動機。
9. 前記請求項８において、前記回転子鉄心セグメントを、前記軸方向に、少なくとも２つ以上設けたことを特徴とする自己始動型永久磁石同期電動機。
10. 前記請求項２に記載された永久磁石同期電動機において、前記永久磁石によって構成される磁極の中心軸の方向における前記導電性のバーが、当該磁極の中心軸に対して９０°回転した軸の方向における前記導電性のバーが配列された円弧の半径よりも小さな半径の円弧に沿って配列されていることを特徴とする自己始動型永久磁石同期電動機。
11. 前記請求項１乃至１０記載の自己始動型永久磁石同期電動機において、前記磁極中心軸に対して９０°回転した軸の最寄の前記永久磁石の周方向端部に、前記回転子鉄心の外周側へと伸延するフラックスバリアを具備したことを特徴とする自己始動型永久磁石同期電動機。
12. 前記請求項１乃至１０記載の自己始動型永久磁石同期電動機において、前記磁石挿入孔は、１磁極あたり２つ以上あり、かつ、各々の該磁石挿入孔の間に空孔を具備したことを特徴とする自己始動型永久磁石同期電動機。
13. 前記請求項１乃至１０記載の自己始動型永久磁石同期電動機において、前記バーの断面積を前記磁極中心軸に対して９０°回転した軸のみ大となるように構成したことを特徴とする自己始動型永久磁石同期電動機。
14. 前記請求項１乃至１０記載の自己始動型永久磁石同期電動機において、前記かご型巻線をアルミダイカストまたは銅ダイカストで構成したことを特徴とする自己始動型永久磁石同期電動機。
15. 前記請求項１乃至１０記載の自己始動型永久磁石同期電動機において、前記かご型巻線を、前記導電性のバーと前記エンドリングとを摩擦攪拌接合で接合して形成したことを特徴とする自己始動型永久磁石同期電動機。
16. 前記請求項１乃至１０記載の自己始動型永久磁石同期電動機において、前記永久磁石は、厚み方向の断面形状が、略方形、略台形、略弧状の何れかで形成された希土類磁石であることを特徴とする自己始動型永久磁石同期電動機。
17. 前記請求項１乃至１６記載の自己始動型永久磁石同期電動機において、前記固定子は、
    固定子鉄心に設けられた多数の固定子スロットと、
    当該固定子スロット内に設けられたＵ相、Ｖ相、Ｗ相からなる電機子巻線を有し、かつ、
    毎極毎相を構成する前記固定子スロットのうち、少なくとも一対の固定子スロットに納められる前記電機子巻線の巻数が、他の対と異なることを特徴とする自己始動型永久磁石同期電動機。
18. 前記請求項８において、更に、前記スロットの内周側は、当該回転子の回転方向に対し進み側に位置する前記複数の永久磁石の間に、先端部を丸くした突起を具備していることを特徴とする自己始動型永久磁石同期電動機。
19. 冷媒を吸い込んで圧縮し吐出する圧縮機構部と、
    当該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、
    前記駆動電動機が、前記請求項１乃至１８のいずれかに記載した永久磁石式同期電動機であることを特徴とする圧縮機。
20. 電動機によって駆動される圧縮機をその一部に有する冷凍サイクルにおいて、前記圧縮機は、前記請求項１９記載の圧縮機であることを特徴とする冷凍サイクル。

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