回転子並びにこれを用いた電動機及び圧縮機
【課題】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る電動機及び圧縮機を提供する。
【解決手段】回転軸であるシャフトを挿入した回転子鉄心と、この回転子鉄心の周方向に並べて設けた複数のスロットに埋設した始動用導体バーと、この始動用導体バーを前記回転子鉄心の両端面で短絡する短絡環とを含み、かご型巻線を形成する回転子を具備し、前記回転子鉄心は、前記始動用導体バーの設置位置より前記回転子の回転中心軸側に配置した少なくとも１つ以上の永久磁石を具備し、前記短絡環の周方向の電気抵抗を局部的に大きくする。
【解決手段】回転軸であるシャフトを挿入した回転子鉄心と、この回転子鉄心の周方向に並べて設けた複数のスロットに埋設した始動用導体バーと、この始動用導体バーを前記回転子鉄心の両端面で短絡する短絡環とを含み、かご型巻線を形成する回転子を具備し、前記回転子鉄心は、前記始動用導体バーの設置位置より前記回転子の回転中心軸側に配置した少なくとも１つ以上の永久磁石を具備し、前記短絡環の周方向の電気抵抗を局部的に大きくする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転子並びにこれを用いた電動機及び圧縮機に関する。
【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】
また、自己始動型永久磁石同期電動機は、誘導電動機と同様に、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上、定常運転時の二次銅損が僅少となるため、誘導電動機に対して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。
【０００４】
一方、自己始動型永久磁石同期電動機の短所として、かご型巻線の内周側に永久磁石が配置されているため、回転子の磁束軸がすで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。
【０００５】
このことから、投入される電圧の位相、すなわ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問題がある。
【０００６】
従来、このような始動時のトルクの差異に対する具体的な解決策は提案されていなかったが、特許文献１に記載のように固定子から生じる偶数次、特に低次の高調波成分を抑制し、トルク変動を抑える手段が開示されている。すなわち、特許文献１には、固定子と回転子間の空隙面の磁束分布に生じる高調波成分を低減し、かつ固定子巻線のコイルエンドを小型化することを目的として、固定子が軸方向に分割された複数個の分割固定子からなり、１つの分割固定子は他の分割固定子に対して周方向に所定の角度だけずらして配置され、分割固定子の１つのティース毎に固定子巻線のコイルが巻かれている回転電機が開示されている。
【０００７】
特許文献２には、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することを目的として、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、この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）分割した駆動用電動機が開示されている。
【０００８】
【特許文献１】特開平７−２９８５７８号公報
【特許文献２】特開２００４−２８２９３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、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る電動機及び圧縮機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の回転子は、回転軸であるシャフトを挿入した回転子鉄心と、この回転子鉄心の周方向に並べて設けた複数のスロットに埋設した始動用導体バーと、この始動用導体バーを前記回転子鉄心の両端面で短絡する短絡環とを含み、かご型巻線を形成する回転子を具備し、前記回転子鉄心は、前記始動用導体バーの設置位置より前記回転子の回転中心軸側に配置した少なくとも１つ以上の永久磁石を具備し、前記短絡環の周方向の電気抵抗を局部的に大きくしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
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る電動機及びこれを用いた圧縮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】
【００１２】
自己始動型永久磁石同期電動機の始動時において、投入される電圧の位相により、始動トルクに差異が生じることは上述した。この理由及び問題点について、下記に述べる。
【００１３】
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。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。
【００１４】
この場合、電動機の軸受けに過大な応力がかかり、軸受け寿命が短くなってしまう問題や、出力軸端に取り付けられた機器に対し、大きなねじり応力が加えられ破壊に至るなど多大な悪影響を及ぼす恐れがある。
【００１５】
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、かご型巻線に生ずる誘導トルクへの影響は比較的小さく、始動に対する大きな問題は発生しない。このような理由により、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。
【００１６】
本発明の自己始動型永久磁石同期電動機は、その一面において、自己始動型永久磁石同期電動機において、回転子鉄心両端面に有する短絡環の周方向における少なくとも１箇所以上の電気抵抗を局部的に大きくした構成を特徴とする。
【００１７】
本発明の自己始動型永久磁石同期電動機は、他の一面において、自己始動型永久磁石同期電動機において、回転子鉄心両端面に有する短絡環の周方向における少なくとも１箇所以上に切り欠き部を設けた構成を特徴とする。
【００１８】
以下、本発明による実施例について図面を参照して説明する。
【実施例１】
【００１９】
図１は、本発明による第１の実施例を示す自己始動型永久磁石同期電動機の回転子の側面図である。また、図２は、図１におけるＡ−Ａ’矢視図であり、本発明による第１の実施例を示す自己始動型永久磁石同期電動機の回転子短絡環の上面図である。図３は、図１におけるＢ−Ｂ’矢視図であり、本発明による第１の実施例を示す断面図である。
【００２０】
図１〜図３に示すように、回転子１は、回転軸であるシャフト６を挿入して設置された回転子鉄心２の内部に、多数の回転子スロット８を回転子鉄心２の周方向に並べて設け、その内部に始動用導体バー３が設けてある。そして、磁石挿入孔７に埋設した永久磁石４を、磁極数が２極となるように配置して構成している。回転子鉄心２は、鉄板を積層して貼り合わせた構成である。
【００２１】
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略台形状をしてあり、複数のセグメント（図では４枚：４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄ）に分けて１箇所の磁石挿入孔７に並べて埋設されている。本実施例では、磁石挿入孔７が２箇所設けてあり、それぞれの磁石挿入孔７に４枚の永久磁石４Ａ〜４Ｄが埋設されている。
【００２２】
なお、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り、４枚以下あるいは４枚以上でもよく、永久磁石４の断面形状が略方形となるものでも構成可能である。また、永久磁石４の略円弧状の断面形状を有していても良い。磁石の主成分としては、フェライト系でも構成できるが、磁気エネルギー積が高い希土類が好ましく、焼結磁石の他にボンド磁石で形成することも可能である。また、磁極間には空孔５（５Ａ、５Ｂからなる）を設け、磁極間に生ずる漏洩磁束の防止に配慮している。
【００２３】
図１および２において、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。この端板９を介して、アルミダイカスト又は銅ダイカストにより短絡環１０（１０Ａ、１０Ｂ）を形成し、この短絡環１０が始動用導体バー３を周方向に短絡させることで、かご型巻線が形成される。
【００２４】
これらの図において、短絡環１０は、出力軸側の短絡環１０Ａ、出力側と反対側の短絡環１０Ｂとで異なる形状としている。具体的には、出力軸側の短絡環１０Ａに切り欠き部１０１が設けてあり、この切り欠き部１０１は、永久磁石４によって構成された磁極中心軸をｄ軸、ｄ軸から電気角で９０°ずれた軸をｑ軸とした場合、ｑ軸に位置し、かつ磁極ピッチで対角する部分に一対設けてある。すなわち、回転子鉄心２の両端面に配置する短絡環１０Ａ、１０Ｂのうち、一方の端面に配置した短絡環１０Ａに切り欠き部１０１を設けている。これにより、短絡環１０Ａの周方向と直交する断面の断面積は局部的に小さくなり、短絡環１０Ａの周方向の電気抵抗は局部的に大きくなる。
【００２５】
本実施例において、切り欠き部１０１はクサビ形状であり、短絡環１０Ａの露出面（シャフト６側の面）に、短絡環１０の高さ方向の深さを有する形状としてある。そして、短絡環１０Ａの外周側から内周側に貫いた形状となっている。すなわち、切り欠き部１０１を設けた部位は、短絡環１０の軸方向の長さ（厚さ）が短く（薄く）なっている。
【００２６】
本実施例においては、短絡環１０Ａに切り欠き部１０１を設けているが、短絡環１０Ａに切り欠き部１０１を設けずに、反対側の端面に配置した短絡環１０Ｂだけに切り欠き部１０１を設けてもよい。
【００２７】
また、出力側と反対側の短絡環１０Ｂの軸方向長Ｌ２に対し、出力軸側の短絡環１０Ａの軸方向長Ｌ１を短くすると共に、短絡環断面積が出力軸側で小、出力側と反対側で大となるように構成している。これにより、出力側と反対側の短絡環１０Ｂに冷却用のフィンやバランスウェイト(いずれも図示せず)を取り付ける寸法を確保できる。
【００２８】
このように自己始動型永久磁石同期電動機の回転子を構成した場合、次のような効果がある。
【００２９】
図４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したグラフである。本図において、横軸の電源投入位相は、固定子のコイルによって生じる磁界の位相である。
【００３０】
図４に示す通り、電源の投入位相による始動トルクの関係を測定したところ、切り欠き部のない従来構造において発生する始動トルクは、図中の点線で示すように、投入位相によって大きな差異が生じる。すなわち、投入位相０°近傍が顕著であり、必要始動トルクの約２倍以上のトルクが発生する。
【００３１】
この理由は、電源電圧の印加によって生じる固定子磁束が、永久磁石磁束に対し、正規の回転方向に対して遅れ側に発生し、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、誘導トルクとして過大に発生するためである。この場合、電動機の軸受けに過大な応力がかかり、軸受け破損や寿命の短縮等の問題がある。
【００３２】
そこで、図１〜３に示す構成の回転子を適用した電動機に対し、同様の試験を実施したところ、図４における実線で示す特性となり、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。この現象は、図１〜３で述べたように、ｑ軸に位置する短絡環１０に切り欠き部１０１を設けることで生じる事が分かった。
【００３３】
この理由は、この切り欠き部を設けた短絡環は始動時にかご型巻線に誘導される電流が抑制されること、切り欠き部によりかご型巻線の回路が擬似的に２分されるため、誘導電流が見かけ上、多極化されることにより始動時にかご型巻線に発生する誘導磁界を一時的に低減でき、投入位相０°近傍における始動トルクを低減できることにある。
【００３４】
図５は、切り欠き部高さに対する始動トルクの測定結果を示したグラフである。
【００３５】
短絡環１０の切り欠き部高さを変化させて始動トルクを測定した結果、本図に示す特性を得た。すなわち、切り欠き部高さ（切り欠き部の軸方向の長さ）をｈ２、他の短絡環高さ（切り欠き部以外の軸方向の長さ）をｈ１とした場合、ｈ２／ｈ１が１８％未満となると、必要始動トルクを下回る特性となることが分かった。本図から、切り欠き部高さと短絡環高さとの比率（ｈ２／ｈ１）は、百分率で１８％以上とすることが望ましいと言える。
【００３６】
言い換えると、短絡環１０に設けた切り欠き部の軸方向の長さは、短絡環１０の切り欠き部以外の部位における軸方向の長さに対する、切り欠き部における軸方向の長さの百分率が１８％以上とすることが望ましい。
【００３７】
さらに、短絡環１０に設ける切り欠き部１０１の位置や個数について、始動トルクが増大する傾向にある電源投入位相の条件下で、種々実験によるパラメータサーベイを実施したところ、次のことが確認された。
【００３８】
（１）切り欠き部は、ｑ軸に磁極ピッチで一対配置した場合に始動トルクは最も低減し、同様にｄ軸に一対配置した場合に最も大きくなる。また、ｄ軸から回転方向に対し遅れ側にｑ軸に近付けるに従って減少傾向を示す。
【００３９】
（２）切り欠き部は、磁極数をＰとすると、ｎＰ本で構成するのが好ましく（ｎは整数）、その本数を増やすにつれ、始動トルクが低減する。この場合、切り欠き部の配置ピッチは等ピッチとするのが望ましい。
【００４０】
この結果を鑑み、図１、２に示す回転子構造とすることで、電源投入位相に対する始動トルクの差異を低減でき、安定した始動トルクを発生させることができる。また、切り欠き部の配置や本数を変更することで、機器に応じた始動トルクを調整できる自己始動型永久磁石同期電動機を提供できる。
【実施例２】
【００４１】
図６は、本発明による第２の実施例を示す同期電動機の回転子短絡環の上面図である。図６において、図２と同一の構成要素には同一符号を付け、重複説明は避ける。
【００４２】
本構成が図２と異なる点は、切り欠き部１０１をｄ軸最寄りで、かつ回転方向に対して遅れ側に角度θだけずらして配置していることである。
【００４３】
このように構成すれば、投入位相が０°近傍において、図１で述べた構成とは逆に始動トルクを大きくすることができる。つまり、外部回路(図示せず)等を用いて投入位相を制御することで、始動時のみ大トルクを有する負荷に対応できる効果がある。
【実施例３】
【００４４】
図７は、本発明による第３の実施例を示す同期電動機の回転子短絡環の上面図である。
【００４５】
本図において、図１〜図３と同一の構成要素には同一符号を付け、重複説明は避ける。
【００４６】
本構成が図１〜図３と異なる点は、切り欠き部１０１を磁極数Ｐに対して２Ｐ個（２極構造であるため４個）具備し、ｑ軸上を基点として等ピッチに配置した点にある。
【００４７】
このように構成した場合、ｄ軸、ｑ軸での切り欠き部１０１の配置の効果が各々相殺されるが、かご型巻線の電気的な回路数が倍に分割されることから、誘導電流がさらに多極化し、更に始動トルク低減範囲を増やすことができる。
【実施例４】
【００４８】
図８は、本発明による第４の実施例を示す同期電動機の回転子短絡環の上面図である。
【００４９】
本図において、図７と同一の構成要素には同一符号を付け、重複説明は避ける。
【００５０】
本構成が図７と異なる点は、切り欠き部１０１をｄ軸あるいはｑ軸を基準に回転方向に対して遅れ側に任意の角度θだけずらして配置している点にある。
【００５１】
このように構成した場合、図７で相殺されたｄ軸、ｑ軸での切り欠き部１０１の配置の効果を活用できるため、始動トルクを増やす方向へ調整が可能となる。
【実施例５】
【００５２】
図９は、本発明による第５の実施例を示す同期電動機の回転子の側面図である。
【００５３】
本図において、図１と同一の構成要素には同一符号を付け、重複説明は避ける。
【００５４】
本構成が図１と異なる点は、出力軸側の短絡１０Ａに設けた切り欠き部１０１に加え、出力側と反対側の短絡環１０Ｂに対しても切り欠き部１０２を設けている点にある。
【００５５】
このように構成した場合、図１と同様の効果が得られるとともに、始動トルクの調整範囲が拡大できる。
【実施例６】
【００５６】
図１０は、本発明による第６の実施例を示す同期電動機の回転子短絡環の上面図である。
【００５７】
本図において、図２と同一の構成要素には同一符号を付け、重複説明は避ける。
【００５８】
本構成が図２と異なる点は、短絡環１０の高さ方向ではなく、短絡環１０の内周側に切り欠き部１０３を設けた点にある。
【００５９】
このように構成しても、図２と同様の効果が得られる。
【実施例７】
【００６０】
図１１は、本発明による第７の実施例を示す同期電動機の回転子短絡環の上面図である。
【００６１】
本図において、図６と同一の構成要素には同一符号を付け、重複説明は避ける。
【００６２】
本図の切り欠き部１０３の形状は、図１０と同様であり、切り欠き部１０３の配置を図６と同様にしている。
【００６３】
このように構成しても、図６と同様の効果が得られる。
【実施例８】
【００６４】
図１２は、本発明による第８の実施例を示す同期電動機の回転子短絡環の上面図である。
【００６５】
本図において、図７と同一の構成要素には同一符号を付け、重複説明は避ける。
【００６６】
本実施例においては、図７と同様に、４箇所に切り欠き部１０３を設けている。図７と異なる点は、切り欠き部１０３の形状であり、図１１と同様にした点にある。
【００６７】
このように構成しても、図７と同様の効果が得られる。
【実施例９】
【００６８】
図１３は、本発明による第９の実施例を示す同期電動機の回転子短絡環の上面図である。
【００６９】
本図において、図１０と同一の構成要素には同一符号を付け、重複説明は避ける。
【００７０】
本構成が図１０と異なる点は、短絡環１０の外周側に切り欠き部１０４を設けた点にある。
【００７１】
このように構成しても、図１０と同様の効果が得られる。
【００７２】
さらに、実施例１〜９の変形例を、図１６〜２０を用いて説明する。
【００７３】
図１６〜２０は、本発明による短絡環の変形例を示すものである。
【００７４】
図１６においては、短絡環１０の側面に開口部が円形の穴１５０を設けている。この穴１５０が上述の切り欠き部と同様の作用をもたらす。穴１５０は、短絡環１０の外周面から内周面に貫通していてもよい、貫通していなくてもよい。また、穴１５０は、短絡環１０の外周面でなく、内周面に設けてもよい。
【００７５】
図１７においては、短絡環１０の側面に開口部が矩形の穴１５１を設けている。穴１５１は、短絡環１０の外周面から内周面に貫通していてもよいし、貫通していなくてもよい。また、穴１５１は、短絡環１０の外周面でなく、内周面に設けてもよい。
【００７６】
図１８においては、短絡環１０の下面に切り欠き部１５２を設けている。
【００７７】
図１９においては、短絡環１０の上面に開口部が円形の穴１５３を設けている。穴１５３は、短絡環１０の上面から下面に貫通していてもよいし、貫通していなくてもよい。また、穴１５３は、短絡環１０の上面でなく、下面、すなわち回転子端板９に接する面に設けてもよい。
【００７８】
図２０においては、短絡環１０の上面に設けた切り欠き（溝）に樹脂部材１５４を設置している。これにより、短絡環１０が細くなって強度が低くなる部分を補強することができる。樹脂部材１５４は、耐熱性樹脂が望ましく、ポリイミドなどが好適である。
【実施例１０】
【００７９】
図１４は、本発明による第１０の実施例を示す固定子の横断面図である。
【００８０】
本図において、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）の三相のコイル（電機子巻線）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は等しく、Ｃのみ他の巻数より少なくなるように巻装している。あるいは、Ａ＝Ｅ＞Ｂ＝Ｄ＝Ｃのように構成することも可能である。
【００８１】
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高調波を低減でき、かつ一相あたりの巻線数を厳密に調整できることから、上述した全ての回転子と組合せることで、始動時に生ずる高調波非同期トルクを低減できると同時に、回転子導体本数と固定子巻数との比を厳密に調整できる。これにより、始動トルクの調整範囲をさらに広げることができる。
【実施例１１】
【００８２】
図１５は、本発明による第１１の実施例を示す圧縮機の縦断面図である。
【００８３】
以下、本図を用いて圧縮機８２の構造を説明する。
【００８４】
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。
【００８５】
そして、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で圧縮動作を行う。
【００８６】
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６６ａ、６６ｂのうち、最も外周側に位置している圧縮室６６ａ、６６ｂは、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、容積が次第に縮小する。
【００８７】
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内の圧縮ガスは圧縮室６６と連通した吐出口６７から吐出される。
【００８８】
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（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、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８２外に排出される。
【００８９】
図１〜図１４にて説明した固定子１２と回転子１とを含む自己始動型永久磁石同期電動機１８が、圧力容器６９内に設置されている。この自己始動型永久磁石同期電動機１８を稼動することにより、圧縮機８２の圧縮動作を行う。
【００９０】
電動機１８の下部には、油溜め部７１が設けられている。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等の潤滑に供される。
【００９１】
このように、圧縮機駆動用電動機として、図１〜１４及び図１６〜２０で述べた自己始動型永久磁石同期電動機を適用すれば、圧縮機の高効率化を実現できるとともに、電源投入位相によって過大に生じる始動トルクが軽減できるため、軸受け７３や旋回スクロール部材６３の応力破壊を防止できるなど、信頼性の向上に寄与することができる。
【００９２】
また、図６、図１１の回転子を適用した電動機を用いれば、瞬時的にトルクが必要な場合に対応できる。
【００９３】
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及びこれを用いた圧縮機を提供できる。
【００９４】
さらに、上記の圧縮機は、空気調和機、冷蔵庫、除湿機などのヒートポンプに適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００９５】
【図１】本発明による第１の実施例を示す自己始動型永久磁石同期電動機の回転子の側面図である。
【図２】図１におけるＡ−Ａ’矢視図である。
【図３】図１におけるＢ−Ｂ’矢視図である。
【図４】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したグラフである。
【図５】切り欠き部高さに対する始動トルクの測定結果を示したグラフである。
【図６】本発明による第２の実施例を示す同期電動機の回転子短絡環の上面図である。
【図７】本発明による第３の実施例を示す同期電動機の回転子短絡環の上面図である。
【図８】本発明による第４の実施例を示す同期電動機の回転子短絡環の上面図である。
【図９】本発明による第５の実施例を示す同期電動機の回転子の側面図である。
【図１０】本発明による第６の実施例を示す同期電動機の回転子短絡環の上面図である。
【図１１】本発明による第７の実施例を示す同期電動機の回転子短絡環の上面図である。
【図１２】本発明による第８の実施例を示す同期電動機の回転子短絡環の上面図である。
【図１３】本発明による第９の実施例を示す同期電動機の回転子短絡環の上面図である。
【図１４】本発明による第１０の実施例を示す固定子の横断面図である。
【図１５】本発明による第１１の実施例を示す圧縮機の縦断面図である。
【図１６】本発明による短絡環の変形例を示す側面図である。
【図１７】本発明による短絡環の変形例を示す側面図である。
【図１８】本発明による短絡環の変形例を示す側面図である。
【図１９】本発明による短絡環の変形例を示す上面図である。
【図２０】本発明による短絡環の変形例を示す側面図である。
【符号の説明】
【００９６】
１：回転子、２：回転子鉄心、３：始動用導体バー、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：回転子スロット、９：回転子端板、１０：短絡環、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：絶縁部、１８：自己始動型永久磁石同期電動機、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、８２：圧縮機、８３：圧縮機構部１０１〜１０４：切り欠き部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転子並びにこれを用いた電動機及び圧縮機に関する。
【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】
また、自己始動型永久磁石同期電動機は、誘導電動機と同様に、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上、定常運転時の二次銅損が僅少となるため、誘導電動機に対して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。
【０００４】
一方、自己始動型永久磁石同期電動機の短所として、かご型巻線の内周側に永久磁石が配置されているため、回転子の磁束軸がすで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。
【０００５】
このことから、投入される電圧の位相、すなわ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問題がある。
【０００６】
従来、このような始動時のトルクの差異に対する具体的な解決策は提案されていなかったが、特許文献１に記載のように固定子から生じる偶数次、特に低次の高調波成分を抑制し、トルク変動を抑える手段が開示されている。すなわち、特許文献１には、固定子と回転子間の空隙面の磁束分布に生じる高調波成分を低減し、かつ固定子巻線のコイルエンドを小型化することを目的として、固定子が軸方向に分割された複数個の分割固定子からなり、１つの分割固定子は他の分割固定子に対して周方向に所定の角度だけずらして配置され、分割固定子の１つのティース毎に固定子巻線のコイルが巻かれている回転電機が開示されている。
【０００７】
特許文献２には、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することを目的として、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、この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）分割した駆動用電動機が開示されている。
【０００８】
【特許文献１】特開平７−２９８５７８号公報
【特許文献２】特開２００４−２８２９３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、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る電動機及び圧縮機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の回転子は、回転軸であるシャフトを挿入した回転子鉄心と、この回転子鉄心の周方向に並べて設けた複数のスロットに埋設した始動用導体バーと、この始動用導体バーを前記回転子鉄心の両端面で短絡する短絡環とを含み、かご型巻線を形成する回転子を具備し、前記回転子鉄心は、前記始動用導体バーの設置位置より前記回転子の回転中心軸側に配置した少なくとも１つ以上の永久磁石を具備し、前記短絡環の周方向の電気抵抗を局部的に大きくしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
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る電動機及びこれを用いた圧縮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】
【００１２】
自己始動型永久磁石同期電動機の始動時において、投入される電圧の位相により、始動トルクに差異が生じることは上述した。この理由及び問題点について、下記に述べる。
【００１３】
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。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。
【００１４】
この場合、電動機の軸受けに過大な応力がかかり、軸受け寿命が短くなってしまう問題や、出力軸端に取り付けられた機器に対し、大きなねじり応力が加えられ破壊に至るなど多大な悪影響を及ぼす恐れがある。
【００１５】
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、かご型巻線に生ずる誘導トルクへの影響は比較的小さく、始動に対する大きな問題は発生しない。このような理由により、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。
【００１６】
本発明の自己始動型永久磁石同期電動機は、その一面において、自己始動型永久磁石同期電動機において、回転子鉄心両端面に有する短絡環の周方向における少なくとも１箇所以上の電気抵抗を局部的に大きくした構成を特徴とする。
【００１７】
本発明の自己始動型永久磁石同期電動機は、他の一面において、自己始動型永久磁石同期電動機において、回転子鉄心両端面に有する短絡環の周方向における少なくとも１箇所以上に切り欠き部を設けた構成を特徴とする。
【００１８】
以下、本発明による実施例について図面を参照して説明する。
【実施例１】
【００１９】
図１は、本発明による第１の実施例を示す自己始動型永久磁石同期電動機の回転子の側面図である。また、図２は、図１におけるＡ−Ａ’矢視図であり、本発明による第１の実施例を示す自己始動型永久磁石同期電動機の回転子短絡環の上面図である。図３は、図１におけるＢ−Ｂ’矢視図であり、本発明による第１の実施例を示す断面図である。
【００２０】
図１〜図３に示すように、回転子１は、回転軸であるシャフト６を挿入して設置された回転子鉄心２の内部に、多数の回転子スロット８を回転子鉄心２の周方向に並べて設け、その内部に始動用導体バー３が設けてある。そして、磁石挿入孔７に埋設した永久磁石４を、磁極数が２極となるように配置して構成している。回転子鉄心２は、鉄板を積層して貼り合わせた構成である。
【００２１】
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略台形状をしてあり、複数のセグメント（図では４枚：４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄ）に分けて１箇所の磁石挿入孔７に並べて埋設されている。本実施例では、磁石挿入孔７が２箇所設けてあり、それぞれの磁石挿入孔７に４枚の永久磁石４Ａ〜４Ｄが埋設されている。
【００２２】
なお、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り、４枚以下あるいは４枚以上でもよく、永久磁石４の断面形状が略方形となるものでも構成可能である。また、永久磁石４の略円弧状の断面形状を有していても良い。磁石の主成分としては、フェライト系でも構成できるが、磁気エネルギー積が高い希土類が好ましく、焼結磁石の他にボンド磁石で形成することも可能である。また、磁極間には空孔５（５Ａ、５Ｂからなる）を設け、磁極間に生ずる漏洩磁束の防止に配慮している。
【００２３】
図１および２において、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。この端板９を介して、アルミダイカスト又は銅ダイカストにより短絡環１０（１０Ａ、１０Ｂ）を形成し、この短絡環１０が始動用導体バー３を周方向に短絡させることで、かご型巻線が形成される。
【００２４】
これらの図において、短絡環１０は、出力軸側の短絡環１０Ａ、出力側と反対側の短絡環１０Ｂとで異なる形状としている。具体的には、出力軸側の短絡環１０Ａに切り欠き部１０１が設けてあり、この切り欠き部１０１は、永久磁石４によって構成された磁極中心軸をｄ軸、ｄ軸から電気角で９０°ずれた軸をｑ軸とした場合、ｑ軸に位置し、かつ磁極ピッチで対角する部分に一対設けてある。すなわち、回転子鉄心２の両端面に配置する短絡環１０Ａ、１０Ｂのうち、一方の端面に配置した短絡環１０Ａに切り欠き部１０１を設けている。これにより、短絡環１０Ａの周方向と直交する断面の断面積は局部的に小さくなり、短絡環１０Ａの周方向の電気抵抗は局部的に大きくなる。
【００２５】
本実施例において、切り欠き部１０１はクサビ形状であり、短絡環１０Ａの露出面（シャフト６側の面）に、短絡環１０の高さ方向の深さを有する形状としてある。そして、短絡環１０Ａの外周側から内周側に貫いた形状となっている。すなわち、切り欠き部１０１を設けた部位は、短絡環１０の軸方向の長さ（厚さ）が短く（薄く）なっている。
【００２６】
本実施例においては、短絡環１０Ａに切り欠き部１０１を設けているが、短絡環１０Ａに切り欠き部１０１を設けずに、反対側の端面に配置した短絡環１０Ｂだけに切り欠き部１０１を設けてもよい。
【００２７】
また、出力側と反対側の短絡環１０Ｂの軸方向長Ｌ２に対し、出力軸側の短絡環１０Ａの軸方向長Ｌ１を短くすると共に、短絡環断面積が出力軸側で小、出力側と反対側で大となるように構成している。これにより、出力側と反対側の短絡環１０Ｂに冷却用のフィンやバランスウェイト(いずれも図示せず)を取り付ける寸法を確保できる。
【００２８】
このように自己始動型永久磁石同期電動機の回転子を構成した場合、次のような効果がある。
【００２９】
図４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したグラフである。本図において、横軸の電源投入位相は、固定子のコイルによって生じる磁界の位相である。
【００３０】
図４に示す通り、電源の投入位相による始動トルクの関係を測定したところ、切り欠き部のない従来構造において発生する始動トルクは、図中の点線で示すように、投入位相によって大きな差異が生じる。すなわち、投入位相０°近傍が顕著であり、必要始動トルクの約２倍以上のトルクが発生する。
【００３１】
この理由は、電源電圧の印加によって生じる固定子磁束が、永久磁石磁束に対し、正規の回転方向に対して遅れ側に発生し、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、誘導トルクとして過大に発生するためである。この場合、電動機の軸受けに過大な応力がかかり、軸受け破損や寿命の短縮等の問題がある。
【００３２】
そこで、図１〜３に示す構成の回転子を適用した電動機に対し、同様の試験を実施したところ、図４における実線で示す特性となり、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。この現象は、図１〜３で述べたように、ｑ軸に位置する短絡環１０に切り欠き部１０１を設けることで生じる事が分かった。
【００３３】
この理由は、この切り欠き部を設けた短絡環は始動時にかご型巻線に誘導される電流が抑制されること、切り欠き部によりかご型巻線の回路が擬似的に２分されるため、誘導電流が見かけ上、多極化されることにより始動時にかご型巻線に発生する誘導磁界を一時的に低減でき、投入位相０°近傍における始動トルクを低減できることにある。
【００３４】
図５は、切り欠き部高さに対する始動トルクの測定結果を示したグラフである。
【００３５】
短絡環１０の切り欠き部高さを変化させて始動トルクを測定した結果、本図に示す特性を得た。すなわち、切り欠き部高さ（切り欠き部の軸方向の長さ）をｈ２、他の短絡環高さ（切り欠き部以外の軸方向の長さ）をｈ１とした場合、ｈ２／ｈ１が１８％未満となると、必要始動トルクを下回る特性となることが分かった。本図から、切り欠き部高さと短絡環高さとの比率（ｈ２／ｈ１）は、百分率で１８％以上とすることが望ましいと言える。
【００３６】
言い換えると、短絡環１０に設けた切り欠き部の軸方向の長さは、短絡環１０の切り欠き部以外の部位における軸方向の長さに対する、切り欠き部における軸方向の長さの百分率が１８％以上とすることが望ましい。
【００３７】
さらに、短絡環１０に設ける切り欠き部１０１の位置や個数について、始動トルクが増大する傾向にある電源投入位相の条件下で、種々実験によるパラメータサーベイを実施したところ、次のことが確認された。
【００３８】
（１）切り欠き部は、ｑ軸に磁極ピッチで一対配置した場合に始動トルクは最も低減し、同様にｄ軸に一対配置した場合に最も大きくなる。また、ｄ軸から回転方向に対し遅れ側にｑ軸に近付けるに従って減少傾向を示す。
【００３９】
（２）切り欠き部は、磁極数をＰとすると、ｎＰ本で構成するのが好ましく（ｎは整数）、その本数を増やすにつれ、始動トルクが低減する。この場合、切り欠き部の配置ピッチは等ピッチとするのが望ましい。
【００４０】
この結果を鑑み、図１、２に示す回転子構造とすることで、電源投入位相に対する始動トルクの差異を低減でき、安定した始動トルクを発生させることができる。また、切り欠き部の配置や本数を変更することで、機器に応じた始動トルクを調整できる自己始動型永久磁石同期電動機を提供できる。
【実施例２】
【００４１】
図６は、本発明による第２の実施例を示す同期電動機の回転子短絡環の上面図である。図６において、図２と同一の構成要素には同一符号を付け、重複説明は避ける。
【００４２】
本構成が図２と異なる点は、切り欠き部１０１をｄ軸最寄りで、かつ回転方向に対して遅れ側に角度θだけずらして配置していることである。
【００４３】
このように構成すれば、投入位相が０°近傍において、図１で述べた構成とは逆に始動トルクを大きくすることができる。つまり、外部回路(図示せず)等を用いて投入位相を制御することで、始動時のみ大トルクを有する負荷に対応できる効果がある。
【実施例３】
【００４４】
図７は、本発明による第３の実施例を示す同期電動機の回転子短絡環の上面図である。
【００４５】
本図において、図１〜図３と同一の構成要素には同一符号を付け、重複説明は避ける。
【００４６】
本構成が図１〜図３と異なる点は、切り欠き部１０１を磁極数Ｐに対して２Ｐ個（２極構造であるため４個）具備し、ｑ軸上を基点として等ピッチに配置した点にある。
【００４７】
このように構成した場合、ｄ軸、ｑ軸での切り欠き部１０１の配置の効果が各々相殺されるが、かご型巻線の電気的な回路数が倍に分割されることから、誘導電流がさらに多極化し、更に始動トルク低減範囲を増やすことができる。
【実施例４】
【００４８】
図８は、本発明による第４の実施例を示す同期電動機の回転子短絡環の上面図である。
【００４９】
本図において、図７と同一の構成要素には同一符号を付け、重複説明は避ける。
【００５０】
本構成が図７と異なる点は、切り欠き部１０１をｄ軸あるいはｑ軸を基準に回転方向に対して遅れ側に任意の角度θだけずらして配置している点にある。
【００５１】
このように構成した場合、図７で相殺されたｄ軸、ｑ軸での切り欠き部１０１の配置の効果を活用できるため、始動トルクを増やす方向へ調整が可能となる。
【実施例５】
【００５２】
図９は、本発明による第５の実施例を示す同期電動機の回転子の側面図である。
【００５３】
本図において、図１と同一の構成要素には同一符号を付け、重複説明は避ける。
【００５４】
本構成が図１と異なる点は、出力軸側の短絡１０Ａに設けた切り欠き部１０１に加え、出力側と反対側の短絡環１０Ｂに対しても切り欠き部１０２を設けている点にある。
【００５５】
このように構成した場合、図１と同様の効果が得られるとともに、始動トルクの調整範囲が拡大できる。
【実施例６】
【００５６】
図１０は、本発明による第６の実施例を示す同期電動機の回転子短絡環の上面図である。
【００５７】
本図において、図２と同一の構成要素には同一符号を付け、重複説明は避ける。
【００５８】
本構成が図２と異なる点は、短絡環１０の高さ方向ではなく、短絡環１０の内周側に切り欠き部１０３を設けた点にある。
【００５９】
このように構成しても、図２と同様の効果が得られる。
【実施例７】
【００６０】
図１１は、本発明による第７の実施例を示す同期電動機の回転子短絡環の上面図である。
【００６１】
本図において、図６と同一の構成要素には同一符号を付け、重複説明は避ける。
【００６２】
本図の切り欠き部１０３の形状は、図１０と同様であり、切り欠き部１０３の配置を図６と同様にしている。
【００６３】
このように構成しても、図６と同様の効果が得られる。
【実施例８】
【００６４】
図１２は、本発明による第８の実施例を示す同期電動機の回転子短絡環の上面図である。
【００６５】
本図において、図７と同一の構成要素には同一符号を付け、重複説明は避ける。
【００６６】
本実施例においては、図７と同様に、４箇所に切り欠き部１０３を設けている。図７と異なる点は、切り欠き部１０３の形状であり、図１１と同様にした点にある。
【００６７】
このように構成しても、図７と同様の効果が得られる。
【実施例９】
【００６８】
図１３は、本発明による第９の実施例を示す同期電動機の回転子短絡環の上面図である。
【００６９】
本図において、図１０と同一の構成要素には同一符号を付け、重複説明は避ける。
【００７０】
本構成が図１０と異なる点は、短絡環１０の外周側に切り欠き部１０４を設けた点にある。
【００７１】
このように構成しても、図１０と同様の効果が得られる。
【００７２】
さらに、実施例１〜９の変形例を、図１６〜２０を用いて説明する。
【００７３】
図１６〜２０は、本発明による短絡環の変形例を示すものである。
【００７４】
図１６においては、短絡環１０の側面に開口部が円形の穴１５０を設けている。この穴１５０が上述の切り欠き部と同様の作用をもたらす。穴１５０は、短絡環１０の外周面から内周面に貫通していてもよい、貫通していなくてもよい。また、穴１５０は、短絡環１０の外周面でなく、内周面に設けてもよい。
【００７５】
図１７においては、短絡環１０の側面に開口部が矩形の穴１５１を設けている。穴１５１は、短絡環１０の外周面から内周面に貫通していてもよいし、貫通していなくてもよい。また、穴１５１は、短絡環１０の外周面でなく、内周面に設けてもよい。
【００７６】
図１８においては、短絡環１０の下面に切り欠き部１５２を設けている。
【００７７】
図１９においては、短絡環１０の上面に開口部が円形の穴１５３を設けている。穴１５３は、短絡環１０の上面から下面に貫通していてもよいし、貫通していなくてもよい。また、穴１５３は、短絡環１０の上面でなく、下面、すなわち回転子端板９に接する面に設けてもよい。
【００７８】
図２０においては、短絡環１０の上面に設けた切り欠き（溝）に樹脂部材１５４を設置している。これにより、短絡環１０が細くなって強度が低くなる部分を補強することができる。樹脂部材１５４は、耐熱性樹脂が望ましく、ポリイミドなどが好適である。
【実施例１０】
【００７９】
図１４は、本発明による第１０の実施例を示す固定子の横断面図である。
【００８０】
本図において、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）の三相のコイル（電機子巻線）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は等しく、Ｃのみ他の巻数より少なくなるように巻装している。あるいは、Ａ＝Ｅ＞Ｂ＝Ｄ＝Ｃのように構成することも可能である。
【００８１】
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高調波を低減でき、かつ一相あたりの巻線数を厳密に調整できることから、上述した全ての回転子と組合せることで、始動時に生ずる高調波非同期トルクを低減できると同時に、回転子導体本数と固定子巻数との比を厳密に調整できる。これにより、始動トルクの調整範囲をさらに広げることができる。
【実施例１１】
【００８２】
図１５は、本発明による第１１の実施例を示す圧縮機の縦断面図である。
【００８３】
以下、本図を用いて圧縮機８２の構造を説明する。
【００８４】
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。
【００８５】
そして、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で圧縮動作を行う。
【００８６】
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６６ａ、６６ｂのうち、最も外周側に位置している圧縮室６６ａ、６６ｂは、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、容積が次第に縮小する。
【００８７】
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内の圧縮ガスは圧縮室６６と連通した吐出口６７から吐出される。
【００８８】
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（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、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８２外に排出される。
【００８９】
図１〜図１４にて説明した固定子１２と回転子１とを含む自己始動型永久磁石同期電動機１８が、圧力容器６９内に設置されている。この自己始動型永久磁石同期電動機１８を稼動することにより、圧縮機８２の圧縮動作を行う。
【００９０】
電動機１８の下部には、油溜め部７１が設けられている。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等の潤滑に供される。
【００９１】
このように、圧縮機駆動用電動機として、図１〜１４及び図１６〜２０で述べた自己始動型永久磁石同期電動機を適用すれば、圧縮機の高効率化を実現できるとともに、電源投入位相によって過大に生じる始動トルクが軽減できるため、軸受け７３や旋回スクロール部材６３の応力破壊を防止できるなど、信頼性の向上に寄与することができる。
【００９２】
また、図６、図１１の回転子を適用した電動機を用いれば、瞬時的にトルクが必要な場合に対応できる。
【００９３】
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及びこれを用いた圧縮機を提供できる。
【００９４】
さらに、上記の圧縮機は、空気調和機、冷蔵庫、除湿機などのヒートポンプに適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００９５】
【図１】本発明による第１の実施例を示す自己始動型永久磁石同期電動機の回転子の側面図である。
【図２】図１におけるＡ−Ａ’矢視図である。
【図３】図１におけるＢ−Ｂ’矢視図である。
【図４】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したグラフである。
【図５】切り欠き部高さに対する始動トルクの測定結果を示したグラフである。
【図６】本発明による第２の実施例を示す同期電動機の回転子短絡環の上面図である。
【図７】本発明による第３の実施例を示す同期電動機の回転子短絡環の上面図である。
【図８】本発明による第４の実施例を示す同期電動機の回転子短絡環の上面図である。
【図９】本発明による第５の実施例を示す同期電動機の回転子の側面図である。
【図１０】本発明による第６の実施例を示す同期電動機の回転子短絡環の上面図である。
【図１１】本発明による第７の実施例を示す同期電動機の回転子短絡環の上面図である。
【図１２】本発明による第８の実施例を示す同期電動機の回転子短絡環の上面図である。
【図１３】本発明による第９の実施例を示す同期電動機の回転子短絡環の上面図である。
【図１４】本発明による第１０の実施例を示す固定子の横断面図である。
【図１５】本発明による第１１の実施例を示す圧縮機の縦断面図である。
【図１６】本発明による短絡環の変形例を示す側面図である。
【図１７】本発明による短絡環の変形例を示す側面図である。
【図１８】本発明による短絡環の変形例を示す側面図である。
【図１９】本発明による短絡環の変形例を示す上面図である。
【図２０】本発明による短絡環の変形例を示す側面図である。
【符号の説明】
【００９６】
１：回転子、２：回転子鉄心、３：始動用導体バー、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：回転子スロット、９：回転子端板、１０：短絡環、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：絶縁部、１８：自己始動型永久磁石同期電動機、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、８２：圧縮機、８３：圧縮機構部１０１〜１０４：切り欠き部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸であるシャフトを挿入した回転子鉄心と、この回転子鉄心の周方向に並べて設けた複数のスロットに埋設した始動用導体バーと、この始動用導体バーを前記回転子鉄心の両端面で短絡する短絡環とを含み、かご型巻線を形成する回転子を具備し、前記回転子鉄心は、前記始動用導体バーの設置位置より前記回転子の回転中心軸側に配置した少なくとも１つ以上の永久磁石を具備し、前記短絡環の周方向の電気抵抗を局部的に大きくしたことを特徴とする回転子。
【請求項２】
前記回転子鉄心の両端面に配置する前記短絡環のうち、少なくとも一方の端面に配置した前記短絡環の周方向の電気抵抗を局部的に大きくしたことを特徴とする請求項１記載の回転子。
【請求項３】
前記永久磁石が磁極数Ｐの磁極を構成し、少なくともｎＰ箇所以上（ｎは整数）で前記短絡環の周方向の電気抵抗を局部的に大きくしたことを特徴とする請求項１又は２に記載の回転子。
【請求項４】
前記短絡環の周方向と直交する断面の断面積を局部的に小さくしたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の回転子。
【請求項５】
前記短絡環に切り欠き部を設けたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の回転子。
【請求項６】
前記短絡環に設けた前記切り欠き部が、前記短絡環の軸方向の長さを短くした形状であることを特徴とする請求項５記載の回転子。
【請求項７】
前記短絡環に設けた前記切り欠き部の軸方向の長さは、前記短絡環の前記切り欠き部以外の部位における軸方向の長さに対する、前記切り欠き部における軸方向の長さの百分率が１８％以上であることを特徴とする請求項６記載の回転子。
【請求項８】
前記短絡環の内周側に切り欠き部を設けたことを特徴とする請求項５記載の回転子。
【請求項９】
前記短絡環の外周側に切り欠き部を設けたことを特徴とする請求項５記載の回転子。
【請求項１０】
前記短絡環に穴を設けたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の回転子。
【請求項１１】
前記回転子鉄心の両端面に配置する２つの前記短絡環の軸方向長さが異なることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の回転子。
【請求項１２】
固定子鉄心に設けられた複数の固定子スロットと、この固定子スロット内に設けられた三相の電機子巻線を有し、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と異なる固定子を具備することを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の回転子。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれかに記載の回転子を具備することを特徴とする電動機。
【請求項１４】
請求項１３記載の電動機を具備することを特徴とする圧縮機。
【請求項１５】
請求項１４記載の圧縮機を具備することを特徴とするヒートポンプ。
【請求項１】
回転軸であるシャフトを挿入した回転子鉄心と、この回転子鉄心の周方向に並べて設けた複数のスロットに埋設した始動用導体バーと、この始動用導体バーを前記回転子鉄心の両端面で短絡する短絡環とを含み、かご型巻線を形成する回転子を具備し、前記回転子鉄心は、前記始動用導体バーの設置位置より前記回転子の回転中心軸側に配置した少なくとも１つ以上の永久磁石を具備し、前記短絡環の周方向の電気抵抗を局部的に大きくしたことを特徴とする回転子。
【請求項２】
前記回転子鉄心の両端面に配置する前記短絡環のうち、少なくとも一方の端面に配置した前記短絡環の周方向の電気抵抗を局部的に大きくしたことを特徴とする請求項１記載の回転子。
【請求項３】
前記永久磁石が磁極数Ｐの磁極を構成し、少なくともｎＰ箇所以上（ｎは整数）で前記短絡環の周方向の電気抵抗を局部的に大きくしたことを特徴とする請求項１又は２に記載の回転子。
【請求項４】
前記短絡環の周方向と直交する断面の断面積を局部的に小さくしたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の回転子。
【請求項５】
前記短絡環に切り欠き部を設けたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の回転子。
【請求項６】
前記短絡環に設けた前記切り欠き部が、前記短絡環の軸方向の長さを短くした形状であることを特徴とする請求項５記載の回転子。
【請求項７】
前記短絡環に設けた前記切り欠き部の軸方向の長さは、前記短絡環の前記切り欠き部以外の部位における軸方向の長さに対する、前記切り欠き部における軸方向の長さの百分率が１８％以上であることを特徴とする請求項６記載の回転子。
【請求項８】
前記短絡環の内周側に切り欠き部を設けたことを特徴とする請求項５記載の回転子。
【請求項９】
前記短絡環の外周側に切り欠き部を設けたことを特徴とする請求項５記載の回転子。
【請求項１０】
前記短絡環に穴を設けたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の回転子。
【請求項１１】
前記回転子鉄心の両端面に配置する２つの前記短絡環の軸方向長さが異なることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の回転子。
【請求項１２】
固定子鉄心に設けられた複数の固定子スロットと、この固定子スロット内に設けられた三相の電機子巻線を有し、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と異なる固定子を具備することを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の回転子。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれかに記載の回転子を具備することを特徴とする電動機。
【請求項１４】
請求項１３記載の電動機を具備することを特徴とする圧縮機。
【請求項１５】
請求項１４記載の圧縮機を具備することを特徴とするヒートポンプ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【公開番号】特開２０１０−３５３２９（Ｐ２０１０−３５３２９Ａ）
【公開日】平成２２年２月１２日（２０１０．２．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１９４８１６（Ｐ２００８−１９４８１６）
【出願日】平成２０年７月２９日（２００８．７．２９）
【出願人】（３９９０４８９１７）日立アプライアンス株式会社 (3,043)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年２月１２日（２０１０．２．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年７月２９日（２００８．７．２９）
【出願人】（３９９０４８９１７）日立アプライアンス株式会社 (3,043)
【Ｆターム（参考）】
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