专利名称：电动机及使用该电动机的压缩机的制作方法
技术领域：
本发明涉及永久磁铁同步电动机及使用该电动机的压縮机。
技术背景在电冰箱或空调等上安装的压缩机中，至今为止使用感应电动机作为 不需要速度控制的定速压縮机的驱动源。 一般，由于电动机的输出与旋转 速度和转矩成比例关系，所以在感应电动机中将转矩设置成在同步速度(转差率(卞^D slip) 0)附近为最大，以达到输出的最大化。在一方面，近来由于高效率化的需求的提高，希望开发出在商用电源 作用下可以自起动，并且可以实现高效率运转的自起动型永久磁铁同步电 动机。自起动型永久磁铁同步电动机，在起动时利用导体棒(笼型绕组) 产生的转矩分量来加速，导体棒(笼型绕组)产生的转矩分量与迄今的感 应电动机同样被设置成在同步速度(转差率0)附近为最大(参照专利文 献l)。专利文献1日本特开2001 — 86670号公报但是，在上述设计中一般零速(转差率1)的转矩很小。为此，在电 源电压下降的状态下起动时或者在施加大负载转矩的状态下起动时，加速 性能下降。在现有的感应电动机中，虽然预先进行设计使得即使在这样的 情况下也可以进行加速，但是在自起动型永久磁铁同步电动机中，进一步 由于还存在由磁铁产生的制动转矩的影响，所以加速性能明显下降，在现 有技术的扩展中在电源电压下降时或负荷转矩增加时很难保证充分的加 速性能。发明内容在本发明中，提供一种具备带有永久磁铁的转子的自起动型永久磁铁同步电动机，其构成为笼型绕组产生的转矩分量在转差率0 1的范围中 在转差率1时最大。根据本发明，可以提供即使在电源电压下降时或负荷转矩增加时也具 有充分加速性能的自起动型永久磁铁同步电动机及使用该电动机的压縮 机。
图1是本发明的第一实施例中的永久磁铁同步电动机的转子的径向剖面图；图2是在现有的感应电动机中，笼型绕组产生的转矩与转速之间的关 系图；图3是速度特性图；图4是在本发明的第一实施例中笼型绕组产生的转矩与转速之间的关 系图；图5是在本发明的第二实施例中的永久磁铁同步电动机的转子的径向 剖面图；图6是在本发明的第二实施例中的永久磁铁同步电动机的转子的轴向 剖面图；图7是在本发明的第二实施例中笼型绕组产生的转矩与转速之间的关 系图；图8是在本发明的第三实施例中的永久磁铁同步电动机的转子的径向 剖面图；图9是在本发明的第四实施例中的永久磁铁同步电动机的转子的径向 剖面图；图10是在本发明的第五实施例中的永久磁铁同步电动机的转子的径 向剖面图；图11是在本发明的第五实施例中的永久磁铁同步电动机的转子的轴 向剖面图；图12是在本发明的第五实施例中笼型绕组的尺寸与感应电动势之间 的关系图；图13是在本发明的第六实施例中的永久磁铁同步电动机的转子的径向剖面图；图14是本发明的一实施例的压縮机的剖面构造图。 符号说明l一转子；2 —转子铁心；3 —笼型绕组；4一永久磁铁；5 —空孔；6 — 轴或曲柄轴；7 —磁铁插入孔；8 —定子；9一定子铁心；IO —沟槽；ll一 齿；12—电枢绕组；13 —固定涡盘部件；14、 17 —端板；15 —涡旋状巻板； 16 —旋转涡盘部件；18 —涡旋状巻板；19一压缩室；20 —排出口； 21—机 架；22 —压力容器；23 —排出管；24—同步电动机；25 —储油部；26 —油孔；27 —滑动轴承；28 —端环(endring)具体实施方式
以下参照
本发明的 一实施例。实施例1图l是本发明的第一实施例中的自起动型永久磁铁同步电动机的转子 的径向剖面图。在图中，转子1构成为在设置于轴6上的转子铁心2的内 部配置多个(图中为18个)起动用笼型绕组3、和埋置在磁铁插入孔7 内并以稀土类为主要成分的永久磁铁4，使得极数形成为两极。另外，在 永久磁铁4的磁极间设置空孔5。转子铁心2也可以使用压粉磁芯等粉末 成形体。并且，也可以通过一体成形构成转子铁心2与永久磁铁4。笼型 绕组3 (棒)可以由压铸件构成，也可以通过磨擦搅拌接合构成。并且， 作为笼型绕组3的材料可以使用铝或铜，也可以使用其他的导电性材料。 并且，笼型绕组3的形状可以是圆形，也可以是椭圆形，也可以是楔形。 定子8具有定子铁心9、在该定子铁心9上设置的多个(图中为24个)沟 槽10、及被这些沟槽10分割的齿11。电枢绕组12由U相绕组12A、 V 相绕组12B、 W相绕组12C三相构成，在多个沟槽10中以相同相分布的 分布巻被巻绕安装。但是，电枢绕组12也可由单相构成。在此说明现有的技术。图2是表示在现有的感应电动机中的、笼型绕 组3产生的转矩与转速之间关系的图。 一般地，由于电动机的输出与旋转 速度和转矩成比例，所以在感应电动机中将转矩设计成在同步速度(转差率0)附近达到最大，达到输出的最大化。
一方面，即使在自起动型永久磁铁同步电动机中，以确保良好的同步引入特性为目的，笼型绕组3产生 的转矩分量被设计成，与现有的感应电动机同样在同步速度(转差率0) 附近达到最大。但是，在上述设计中一般零速或者起动时(转差率l)的转矩，如图 2所示的Ta那祥小。并且，在电源电压下降的状态下起动时，零速或者起 动时(转差率1)的转矩如图2所示的丁b那样变得更小，加速性能降低。 另外，即使在施加大的负荷转矩的状态下起动时，加速性能也下降。在现 有的感应电动机中，虽然预先进行设计使得即使在这样的情况下也可以加 速，但在自起动型永久磁铁同步电动机中，由于还存在由永久磁铁4产生 的制动转矩的影响，所以加速性能明显下降。因此，在现有技术的扩展中， 在如图3所示的电源电压降低时，或者负荷转矩增加时，很难保证足够的 加速性能。图4是表示在本发明的自起动型永久磁铁同步电动机中的、笼型绕组 3产生的转矩与转速之间关系的图。在本发明中，如图4所示，笼型绕组 3产生的转矩分量，在转差率0 1范围内在转差率1时达到最大。根据这 样的构成，零速或者起动时(转差率O的转矩，如图4所示的Tc那样可 以变大，即使在电压下降时也可以得到如图4所示的丁d那样比较大的转 矩。因此，根据本发明，可以提供即使在电源电压下降时或者负荷转矩增 加时也具有足够的加速性能的自起动型永久磁铁同步电动机及使用该电 动机的压縮机。另外，关于作为感应电动机加速后作为永久磁铁电动机切换成同步速 度的动作即同步引入，是在转子1充分加速的状态下，即在由电枢绕组12 形成的旋转磁场与转子1的速度差变小的状态(转差率在0.2 0.4左右) 下发生。在该状态下，由于永久磁铁4产生的转矩在顺时针旋转方向上持 续产生的时间与零速时相比变长，所以同步引入所需要的转矩的大部分可 以由永久磁铁4引起的转矩担当，作为结果，笼型绕组3产生的转矩分量 可以小。一方面，在零速时，由于由电枢绕组12形成的旋转磁场与转子1的 速度差大，由永久磁铁4产生的转矩是在短时间的周期内交替地在顺时针方向和逆时针方向上产生，因此由永久磁铁4产生的转矩对加速没有很大的作用。因此，即使在电源电压下降时或者负荷转矩增加时，为了可以确保充分的加速性能，也有必要增大零速时的笼型绕组3产生的转矩。另外，自起动型永久磁铁同步电动机的笼型绕组3产生的如图4所示 的转矩特性可以通过如下方式得到通过从实机的转子1取出永久磁铁4 后再次装上来测定而得到、或者通过用例如300。C以上的高温槽加热实机 而使永久磁铁4高温退磁后进行测定而得到。实施例2图5是本发明的第二实施例的自起动型永久磁铁同步电动机的转子的 径向剖面图，在转子的极间设置笼型绕组，并且构成为，随着接近极间， 邻接的笼型绕组的间隔变窄。图6是图5的轴向的剖面图。在图5、图6 中，对于与图l相同的构成要素标注同一符号，省略重复说明。在如图5所示的自起动型永久磁铁同步电动机中，笼型绕组3产生的 转矩分量T一般如式(1)那样表示。式1<formula>formula see original document page 8</formula>…(1)
在此，V,是在电枢绕组12的一相上施加的电压实效值，f是电压的频 率，p是极数，s是转差率(十^<7 slip) ， n是电枢绕组12的一相部分 的电阻值，1"2是笼型绕组3的电阻值乘以巻数比a的2次方之后的值，Xl 是电枢绕组12的一相部分的漏电抗，X2是笼型绕组3的漏电抗乘以巻数 比(x的2次方之后的值。笼型绕组3产生的转矩分量T，在转差率s以式(2)表示时达到最大。式2<formula>formula see original document page 9</formula>(2)当n、 Xl、 X2—定时，s与r2成比例。图7是相对于&的笼型绕组3 产生的转矩T与转速之间的关系的图。此处，在图7中^b、。如图所示， 在f2小的情况(r2=c)下，转矩T在s〈1的范围达到最大，零速(s = l) 时的转矩小。因此，在电源电压下降时或负载转矩增加时，很难保证充分 的加速性能。相对于此，通过增大r2 (r2=b)，可以得到在s-l时转矩 达到最大的特性，可以确保良好的加速性能。在进一步增大r2的情况(r2 =a)下，虽然转矩T理论上在s〉1的范围达到最大，但是对于在0^s^1 的特性，在s=l时达到最大，只要即使在电源电压下降时或负荷转矩增 加时也可以得到充分的加速性能，也可以这样选定r2。r2可通过增加巻数比a而使之变大，或者，也可以在笼型绕组3上使 用电阻率高的材质而使之变大，或者，也可以通过减小图5所示的笼型绕 组3的周方向宽度及径向宽度而使之变大，或者也可通过减小图6所示的 端环28的轴向长度U、 U及径向宽度Ha,、 H。、 Hbl、 Hb2而使之变大。 特别是，在通过笼型绕组3的径向宽度缩小来增大r2的情况下，由于永久 磁铁4的埋设空间扩大，所以还可得到在同步运转时的效率提高及提高最 大转矩等的效果。实施例3图8是本发明第三实施例的自起动型永久磁铁同步电动机的转子的径 向的剖面图，是在转子的l极上具备多段永久磁铁的结构。在图8中，对 于与图l相同的构成要素标记相同的符号，省略重复说明。在本实施例中，与实施例2同样，通过增大r2，可以得到在3=1时达 到最大的特性。实施例4图9是本发明的第四实施例的自起动型永久磁铁同步电动机的转子的 径向剖面图，是在转子的1极上具备"八"或"^"字状的永久磁铁的结构。在图9中，对于与图l相同的构成要素标记相同的符号，省略重复说 明。在本实施例中，与实施例2同样，通过增大r2，可以得到在s-l时达 到最大的特性。实施例5图10是本发明的第五实施例的自起动型永久磁铁同步电动机的转子 的径向剖面图。图11是图10的轴向剖面图。在图10、图11中，对于与 图1相同的构成要素标记相同的符号，省略重复说明。在图10及图11中，端环28由铝或者具有与其大致相同的电阻率的 材质构成，其尺寸满足式(3) (7)。式3<formula>formula see original document page 10</formula>(3)式4<formula>formula see original document page 10</formula>(4)式5<formula>formula see original document page 10</formula>(5)式6<formula>formula see original document page 10</formula>(6)式7<formula>formula see original document page 11</formula>此时，转子1的外径D与笼型绕组3的周方向宽度最大值d与笼型绕 组3埋设用沟槽的数量N2的关系满足式(8)，由此笼型绕组3产生的转 矩在转差率0 1的范围中在转差率1时最大。式8<formula>formula see original document page 11</formula>例如，在式(3) (8)的左边取各自上限值的情况下，即(La+U) /Lc=0.5， Hai/D二Ha2/D二Hw/D二Hb2/D二0.25， (N2Xd)/(7tXD) = 0.58的 情况下，笼型绕组3产生的转矩为最大时的转差率，可以用式(2)求得， 对于在定子8上设置的沟槽数N！与笼型绕组3埋设用的沟槽数N2，如表 1所示。表1E13表示l以下。但是，如果减小La、 Lb、 Hal、 Ha2、 Hbl、 Hb2，则可以为1以上
表1的转差率，是在D—定时，相对于N2的变化使d变化，以达到
(N2Xd)/0iXD)二0.58而算出的。虽然电枢绕组12的每一相的巻数为一定， 但是假设即使在巻数变化的情况下，式(2)的r,、 r2、 Xl、 &由于都与巻 数的2次方大致成比例(对于rP以电枢绕组12的沟槽占积率一定为前 提条件)，所以不会对从式(2)得出的s值带来影响。
在表1中，在选择转差率为1以上的N。 N2的情况下，只要笼型绕 组3的尺寸及端环28的尺寸满足式(3) (8)，笼型绕组3产生的转 矩在转差率0 1范围中在转差率1时达到最大。
另外，端环28即使是在由铜等电阻率低的材质构成的情况下，通过 减小端环的尺寸，可以使笼型绕组3产生的转矩在转差率0 1范围中在 转差率1时达到最大。
在此，(N2Xd)/(7iXD)与电枢绕组12感应的感应电动势之间的关系， 如图12所示。当N2及D—定时，从图12得知d越大，感应电动势变得越小。这是因为，通过增大d，在邻接的笼型绕组3间的铁部产生磁饱和， 由永久磁铁4产生的磁通很难透过向定子8—侧。因此，通过使d满足式
(8)，可以同时得到高的感应电动势。实施例6
图13是本发明的第六实施例的自起动型永久磁铁同步电动机的转子 的径向剖面图。在图13中，对于与图1相同的构成要素标记相同符号， 省略重复说明。
在图13中，端环28由铝制成，其尺寸满足式(3) (7)。并且， 转子1的外径D、与笼型绕组3的周方向宽度最大值d、及笼型绕组3埋 设用沟槽的数量N2之间的关系满足式(8)。
此时，由于笼型绕组3的一个沟槽的径向宽度最大值h满足式(9)， 可以使笼型绕组3产生的转矩在转差率0 1的范围中在转差率1时达到 最大。
式9
<formula>formula see original document page 13</formula>
笼型绕组3埋设用的沟槽形状可以是圆形，也可以是椭圆形，也可以 是楔形。
实施例7
图14是本发明的一实施例的压缩机的剖面构造图。在图14中，压缩 机构部，通过使在固定涡盘部件13的端板14上直立的涡旋状巻板15和 在旋转涡盘部件16的端板17上直立的涡旋状巻板18啮合而形成。并且， 通过利用曲柄轴6使旋转涡盘部件16进行旋转运动，来进行压缩动作。
由固定涡盘部件13及旋转涡盘部件16形成的压縮室19 U9a、 19b、……)中的、位于最外径侧的压縮室19，伴随着旋转运动而向两涡 盘部件13、 16的中心移动，容积逐渐縮小。
如果两压縮室19a、 19b到达两涡盘部件13、 16的中心附近，则两压縮室19内的压縮气体从与压縮室19连通的排出口 20排出。排出的压縮 气体，通过在固定涡盘部件13及机架21上设置的气体通路(未图示)而 到达机架21下部的压力容器22内，从在压力容器22的侧壁上设置的排 出管23排出到压缩机外。在压力容器22内，如图1 图22说明的那样， 内封有由定子铁心9与转子1构成的永久磁铁式同步电动机24，其以一定 速度旋转，进行压縮动作。
在同步电动机24的下部设置有储油部25。储油部25内的油在旋转运 动产生的压力差的作用下，通过在曲柄轴6内设置的油孔26，提供向旋转 涡盘部件16与曲柄轴6的滑动部、滑动轴承27等进行润滑。
由此，作为压縮机驱动用电动机，只要适用在图1 图13中记载的自 起动型永久磁铁同步电动机，就可以提高定速压缩机的自起动特性，以及 可以实现高功率因数化、高效率化、高转矩化。
如以上所述，根据本发明，可以提供即使在电源电压降低时或负荷转 矩增加时也具有足够加速性能的自起动型永久磁铁同步电动机及使用该 电动机的压縮机。
权利要求
1.一种自起动型永久磁铁同步电动机，其具有定子和转子，所述定子具有定子绕组，所述转子在转子铁心具有笼型绕组与永久磁铁，其特征在于，所述笼型绕组产生的转矩分量，在转差率0～1的范围中在转差率1时达到最大。
2. 如权利要求l所述的自起动型永久磁铁同步电动机，其特征在于，所述转子的外径D、与所述转子的沟槽数N2、以及与所述转子的一个 沟槽的周方向宽度最大值d之间的关系满足(N2Xd)/(7iXD)^0.58，并且 所述笼型绕组的一个沟槽的径向宽度最大值h为hS0.58X;cXD/N2。
3，如权利要求l所述的自起动型永久磁铁同步电动机，其特征在于，在轴向端面对所述笼型绕组进行短路的导电性的端环的轴向各端部 的长度U及Lb、与所述转子的轴向长度Le、以及所述端环的径向厚度Hal、 Hc、 Hbl、 Hb2的关系满足(La+Lb) /Lc ^0.5， Hal/D^0.25， /DS0.25, Hbl/D^0.25， Hb2/D^0.25，所述转子的外径D、与所述转子的沟槽数N2、以及所述转子的一个沟 槽的周方向宽度最大值d的关系满足(N2Xd)/(兀XD)芸0.58，并且所述笼 型绕组的一个沟槽的径向宽度最大值h构成为h^0.58X;cXD/N2。
4. 如权利要求l所述的自起动型永久磁铁同步电动机，其特征在于， 所述笼型绕组由铝或者由具有与铝大致相等的电阻率的材质构成，并且在轴向端面对所述笼型绕组进行短路的导电性的端环的轴向各端部的 长度La及Lb、与所述转子的轴向长度U、以及所述端环的径向厚度H^ Hc、 Hbl、 Hb2的关系满足(La+Lb) /Lc〇0,5， Hal/D^0.25， /DS0.25, Hbl/D〇0.25, Hb2/D〇0.25，所述转子的外径D、与所述转子的沟槽数N2、以及所述转子的一个沟 槽的周方向宽度最大值d的关系满足(N2Xd)/(兀XD)芸0.58，并且所述笼 型绕组的一个沟槽的径向宽度最大值h构成为h^0.58X7uXD/N2。
5. —种压縮机，其具有吸入制冷剂并进行压縮、排出的压缩机构部和驱动该压縮机构部的权利要求1所述的电动机。
6. 如权利要求l所述的自起动型永久磁铁同步电动机，其特征在于，在所述转子的极间设置笼型绕组，并且随着接近于所述极间，邻接的 笼型绕组的间隔变窄。
7. 如权利要求l所述的自起动型永久磁铁同步电动机，其特征在于， 在转子的一极具有多段永久磁铁。
8. 如权利要求l所述的自起动型永久磁铁同步电动机，其特征在于， 在转子的一极具有"八"字状或者" "字状的永久磁铁。
9. 如权利要求l所述的自起动型永久磁铁同步电动机，其特征在于， 在所述永久磁铁的极间具有空孔。
10. —种自起动型永久磁铁同步电动机，其具有定子和转子，所述定 子具有定子绕组，所述转子在转子铁心具有笼型绕组与永久磁铁，其特征 在于，所述笼型绕组产生的转矩分量，在零速或者起动时达到最大。
11. 一种自起动型永久磁铁同步电动机，其具有定子和转子，所述定 子具有定子绕组，所述转子在转子铁心具有笼型绕组与永久磁铁，其特征 在于，在卸下所述永久磁铁的情况下或者在将电动机设置于高温槽的情况下，转矩分量在零速或起动时达到最大。
12. 如权利要求11所述的自起动型永久磁铁同步电动机，其特征在于，所述高温槽的温度为30(TC以上。
全文摘要
课题是提供一种即使在电源电压降低时或者负荷转矩增加时也具有充分加速性能的自起动型永久磁铁同步电动机及使用该电动机的压缩机。一种自起动型永久磁铁同步电动机，其具有定子和转子，所述定子具有定子绕组，所述转子在转子铁心具有笼型绕组与永久磁铁，其特征在于，所述笼型绕组产生的转矩分量，在转差率0～1的范围中在转差率1时达到最大。
文档编号H02K1/27GK101277051SQ20081000127
公开日2008年10月1日 申请日期2008年1月17日 优先权日2007年3月28日
发明者三上浩幸, 吉川富夫, 菊地聪, 西滨和雄, 高桥晓史, 黄柏英 申请人:日立空调·家用电器株式会社