JP2004040897A - 無刷子電動機およびそれを具備した密閉型圧縮機 - Google Patents
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Abstract
【課題】低振動等でコイルエンドの高さを抑制できる無刷子電動機、およびこれを搭載する漏れ電流の小さい密閉型圧縮機を提供することを目的とする。
【解決手段】コイル２０は一スロット一コイルの割合で挿入され、コイルエンド２１が、第二のコイル２０２と第三のコイル２０３が互いに隣接するスロットに挿入されている箇所Ａにあっては、第一のコイル２０１は前記両コイルの外側、第一のコイル２０１と第三のコイル２０３が互いに隣接するスロットに挿入されている箇所Ｂにあっては、第二のコイル２０２は前記第一のコイル２０１の内側から前記第三のコイル２０３の外側、第一のコイル２０１と第二のコイル２０２が互いに隣接するスロットに挿入されている箇所Ｃにあっては、第三のコイル２０３は前記両コイルの内側に配置され、かつ軸方向に整形されたコイルエンド２１を有する固定子を具備する三相の全節波巻の無刷子電動機である。
【選択図】 図１
【解決手段】コイル２０は一スロット一コイルの割合で挿入され、コイルエンド２１が、第二のコイル２０２と第三のコイル２０３が互いに隣接するスロットに挿入されている箇所Ａにあっては、第一のコイル２０１は前記両コイルの外側、第一のコイル２０１と第三のコイル２０３が互いに隣接するスロットに挿入されている箇所Ｂにあっては、第二のコイル２０２は前記第一のコイル２０１の内側から前記第三のコイル２０３の外側、第一のコイル２０１と第二のコイル２０２が互いに隣接するスロットに挿入されている箇所Ｃにあっては、第三のコイル２０３は前記両コイルの内側に配置され、かつ軸方向に整形されたコイルエンド２１を有する固定子を具備する三相の全節波巻の無刷子電動機である。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、空調機の送風機用、冷蔵庫あるいは自動車等の各種機器に搭載される小型でかつ低振動および低騒音（以下、「低振動等」と示す）の無刷子電動機および密閉型圧縮機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
機器の小型化若しくは低振動等は、開発を行う上で解決しなければならない必須の課題であり、密閉型圧縮機を搭載する機器においても当然に直面するものである。
【０００３】
電動機において、それを構成する固定子の全高を低くすることは小型化を実現するための一手段であり、図１４に示すような短節の同芯分布巻線を施した固定子においては、コイル２０を固定子鉄心１０のスロットに挿入後、軸方向から整形をすることでコイルエンドの高さを抑制している。
【０００４】
また、別の具体的な手段としては、電動機の高効率化への要求もあって突極集中巻線が施された固定子が多く採用されてきている。これによるとコイルはティースに、両者間の電気的絶縁を確保するため樹脂製のいわゆるインシュレータを介して直に巻装されるためコイルエンドの高さを極めて低くすることが可能で、近年、急速に密閉型圧縮機等の機器において多く採用されてきている。
【０００５】
密閉型圧縮機には近年の環境問題への取組みとして、オゾン層の破壊を防止できるＲ１３４ａ等の、いわゆる代替冷媒が用いられてきているが、このＲ１３４ａは電気伝導率が従来の冷媒と比較して高く、電動機のコイルエンドからの漏れ電流が大きくなる。そのため、冷媒がＲ１３４ａである密閉型圧縮機は、特にコイルエンドの高さが低い、すなわちＲ１３４ａに晒される面積が減少する突極集中巻線の無刷子電動機が特に有効である。
【０００６】
次に、電動機の低振動等に関する具体的手段としては、一つは正弦波駆動方式を採用することが有効であり、さらに、その他手段としては、発生磁界が滑らかな分布巻線の採用がある。
【０００７】
また、全節波巻は発電機に多く採用されており、例えば、特開昭５５−１５７９４８号公報に開示されている。
さらに、製造方法に関するものとしては特開昭６２−１０７６６０号公報に開示されている。これは、コイルを挿入後、コイルエンドの半径方向の寸法がコイルを構成する線材の厚さと実質同等となるようにするものであり、発電機によって発生する熱をよく消散することを目的としており、（例えば、公報第３頁右上欄第１５行目から同頁左下欄第４行目までの記載（「発明の目的」の記載より）これを実現するために、各相のコイルを挿入後、固定子の径方向内側に曲がっているコイルエンド（例えば、公報第５頁右上欄第６行目から同第８行目までの記載より）を、同公開公報に記載の「図１０」に記載の製造装置により、固定子径方向に整形し真直ぐにするものである（例えば、公報第５頁右上欄第９行目の記載より）。
【０００８】
なお、特開平２−２２１６８８号公報には、一スロットあたり、一コイルで各相のコイルが挿入された三相の全節巻の固定子を具備した無刷子電動機、およびそれを搭載した密閉型圧縮機が開示されている（例えば、公報第２頁右下欄第１４行目から第３頁左上欄３行目までの記載および「図１」または「図２」より）。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の短節または全節の同芯分布巻線を有する固定子のように、単に一のコイルが挿入されたスロットに隣接する両スロットに他のコイルが挿入されるコイルの配置を有する固定子、換言すれば、一のコイルのコイルエンドの左右に別のコイルエンド（同一相のコイルであるか否かを問わず）が同心状に配置されるコイル構成では、隣接するコイルエンドの各々が接触することでコイルエンドの左右への変形が規制され、その高さを低くすることができなくなる。
【００１０】
また、突極集中巻線が施された固定子を有する電動機（以下、「突極集中巻電動機」と示す）は、コイルエンドの高さを低くすることができるが、その巻線構成により振動が大きくなるという課題を有している。
【００１１】
そのため、これを改善させる手段として、突極集中巻電動機に従来の矩形波駆動方式にかわり正弦波駆動方式を用いることが考えられるが、正弦波駆動方式は、スイッチング回数が多くなり、Ｒ１３４ａのごとく電気伝導率の低い雰囲気の下では、突極集中巻線にすることで漏れ電流を減少させることができる効果を半減させることとなってしまう。
【００１２】
このことは、密閉型圧縮機においては容器との絶縁距離の確保を余儀なくさせ、密閉型圧縮機の小型化を阻害することとなる。
なお、全節波巻のコイルエンドを固定子の径方向からのみ整形した場合、コイルエンドの軸方向高さが高くなることは明らかである。
【００１３】
本発明は上記従来の課題に鑑み為されたものであり、低振動等でかつコイルエンドの高さを抑制できる無刷子電動機、およびこれを搭載する漏れ電流の小さい密閉型圧縮機を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記従来の課題を解決するために本発明の無刷子電動機は、三相の全節波巻の無刷子電動機であって、一スロットあたり、一コイルの割合でスロットに挿入されるコイルを有し、固定子鉄心端面における前記コイルのコイルエンドが、第二のコイルと第三のコイルが互いに隣接するスロットに挿入されている箇所にあっては、第一のコイルは前記両コイルの外側に、第一のコイルと第三のコイルが互いに隣接するスロットに挿入されている箇所にあっては、第二のコイルは前記第一のコイルの内側から前記第三のコイルの外側に、第一のコイルと第二のコイルが互いに隣接するスロットに挿入されている箇所にあっては、第三のコイルは、前記両コイルの内側に配置され、かつ軸方向に整形されたコイルエンドを有する固定子を具備する構成とするものである。このコイル配置と波巻のインサートコイル特有のコイルエンド立ち上がり部構造によりコイルエンドの整形性を高め、コイルエンドの高さが低い、低振動の無刷子電動機とすることができる。
【００１５】
本発明の請求項１に記載の発明は、三相の全節巻の無刷子電動機であって、前記電動機の固定子は、ヨークと、ティースと、隣接するティース間に形成されたスロットからなり、前記ティースの数が回転子の極数の３倍である固定子鉄心により構成され、前記スロットには、一スロットあたり、一コイルで各相のコイルが挿入され、かつ軸方向に整形されたコイルエンドを有していることを特徴とする無刷子電動機であり、低振動等でありかつコイルエンドの軸方向高さを抑制することができる。
【００１６】
本発明の請求項２に記載の発明は、固定子鉄心端面における各相のコイルエンドの配置が、第二のコイルと第三のコイルが互いに隣接するスロットに挿入されている箇所にあっては、第一のコイルは前記両コイルの外側に、第一のコイルと第三のコイルが互いに隣接するスロットに挿入されている箇所にあっては、第二のコイルは前記第一のコイルの内側から前記第三のコイルの外側に、第一のコイルと第二のコイルが互いに隣接するスロットに挿入されている箇所にあっては、第三のコイルは、前記両コイルの内側であることを特徴とする請求項１に記載の無刷子電動機であり、第二のコイルエンドを前記のごとく配置することで、第一と第三のコイルの変形方向を規制し、コイルエンドの整形を効率よく行うことが可能となり、より軸方向高さを低くしたコイルエンドとすることができる。
【００１７】
本発明の請求項３に記載の発明は、全節の波巻であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の無刷子電動機であり、波巻のインサートコイル特有のコイルエンド立ち上がり部構造によりコイルエンドの変形可能量を増加させ、さらに軸方向高さを低くしたコイルエンドとすることができる。
【００１８】
本発明の請求項４に記載の発明は、回転子の極数が６極、固定子のスロット数が１８スロットであることを特徴とする請求項１から請求項３の何れかに記載の無刷子電動機であり、６極を採用することで、密閉型圧縮機として効率良く採用できる回転数を維持しながらより低振動等の運転が可能となり、また６極の三相全節巻における最少のスロット数である１８スロットを採用することでスロットにおける巻線可能領域を最大限に拡大できて高効率の巻線が可能となる。またコイルの束数を最小限に抑えることで整形性の良いコイルエンドを形成でき、小型、低振動等でかつ高効率の無刷子電動機とすることができる。
【００１９】
本発明の請求項５に記載の発明は、正弦波駆動されることを特徴とする請求項１から請求項４の何れかに記載の無刷子電動機であり、低振動等とすることができる。
【００２０】
本発明の請求項６に記載の発明は、請求項１から請求項５の何れかに記載の無刷子電動機を搭載したことを特徴とする機器であり、小型で低振動等の機器とすることができる。
【００２１】
本発明の請求項７に記載の発明は、請求項１から請求項５の何れかに記載の無刷子電動機を具備する密閉型圧縮機であり、コイルエンドからの漏れ電流を低くきるため、密閉容器との絶縁のための空間を低減することができる。
【００２２】
本発明の請求項８に記載の発明は、密閉型圧縮機の冷媒が、Ｒ１３４ａであることを特徴とする請求項７に記載の密閉型圧縮機であり、コイルエンドからの漏れ電流を低減することができる。
【００２３】
本発明の請求項９に記載の発明は、請求項７または請求項８に記載の密閉型圧縮機を搭載したことを特徴とする機器であり、小型で低振動等の機器とすることができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の各実施の形態を図１〜図１３に基づいて説明する。
（実施の形態１）
図１は回転子の極数が６極、固定子のスロット数が１８スロットの三相全節巻無刷子電動機の固定子のコイル配置を示す。
【００２５】
固定子鉄心端面における各相のコイルエンドの配置は、第二のコイル２０２と第三のコイル２０３が互いに隣接するスロット１１に挿入されている箇所（以下、「Ａ部」と示し、図１における符号「Ａ」に対応）にあっては、第一のコイル２０１は第二コイル２０２と第三のコイル２０３の外側に、第一のコイル２０１と第三のコイル２０３が互いに隣接するスロット１１に挿入されている箇所（以下、「Ｂ部」と示し、図１における符号「Ｂ」に対応）にあっては、第二のコイル２０２は第一のコイル２０１の内側から第三のコイル２０３の外側に、第一のコイル２０１と第二のコイル２０２が互いに隣接するスロット１１に挿入されている箇所（以下、「Ｃ部」と示し、図１における符号「Ｃ」に対応）にあっては、第三のコイル２０３は、第一のコイル２０１と第二のコイル２０２の内側となっている（以下、当該構成を「本発明のコイル配置」と示す）。
【００２６】
コイルエンドの軸方向への整形は、図３に示すように主に実線で示すコイルエンド２１の立ち上がり部２１ａが仮想線で示すコイルエンド２１のように左右に逃げるように変形し、その高さを低く整形するようになる。そのためコイルエンドが左右領域にいかに広がれるかが、整形性の良否のポイントとなる。
【００２７】
図１４で示した短節同芯分布巻の従来例ではコイル２０が同心状に配置されており、コイルエンド左右に同心状にコイルエンドが存在するため、上記整形機構で整形上必要とされる左右の領域が規制されてしまう。
【００２８】
本発明のコイル配置では、Ｂ部の存在が整形上の特徴となっている。Ａ部及びＣ部においては前記短節同芯分布巻と同様、互いに接触し当該方向への変形が規制されることとなるが、Ａ部及びＣ部の一方には必ずＢ部が存在している。Ｂ部のコイル構成は、内径側から外径側に流れるように存在している第二のコイル２０２に誘導されて、第一のコイル２０１は外径側に、第三のコイル２０３は内径側にコイルが広がって整形されていく効果を出している。各所のＢ部の存在により、図１４で示した従来例とは異なり、全体のコイルの整形領域を拡大する役割を果たしている。
【００２９】
なお、三相の無刷子電動機であるため、第一、第二および第三のコイルは、各々第一相（Ｕ相）、第二相（Ｖ相）および第三相（Ｗ相）のいずれかであれば良く、例えば、第一のコイルが第一相である旨、限定するものではない。
【００３０】
（実施の形態２）
次に、回転子の極数が４極、固定子のスロット数が１２スロットの三相全節巻無刷子電動機における実施例について説明する。
【００３１】
図４は４極、１２スロットの三相全節巻無刷子電動機における本発明のコイル配置を示す図である。図５に４極、１２スロットの三相全節巻無刷子電動機の従来例（特開平２−２２１６８８号公報に記載のコイル構成を有する無刷子電動機）を示す。
【００３２】
図５で示した従来例では、前記図１４で示した短節同芯分布巻と同様に、各コイルが同心状に配置されており、コイルエンド左右に同心状にコイルエンドが存在するため、前記整形機構で整形上必要とされる左右の領域が規制されてしまう。
【００３３】
図４では前記「本発明のコイル配置」となっており、Ａ部及びＣ部の一方には必ずＢ部が存在している。Ｂ部のコイル構成は、内径側から外径側に流れるように存在している第二のコイル２０２に誘導されて、第一のコイル２０１は外径側に、第三のコイル２０３は内径側にコイルが広がって整形されていく機能を果たす。前記「本発明のコイル配置」にすることで、前記図５で示した従来例とは異なり、全体のコイルの整形領域を拡大する役割を果たしている。
【００３４】
（実施の形態３）
次に、前記（実施の形態１）に示す６極、１８スロットの三相全節波巻無刷子電動機、特に固定子の巻線製造方法について説明する。
【００３５】
固定子の巻線製造工程は図６に示すように、主として５つの工程からなっている。
まず、第一の工程は、各相ごとに一つの環状に巻回する環状コイル巻線工程であり、図７にその工程例を示す。巻枠構成体４１は回転体であり移動巻枠４２を有している。巻枠構成体４１が回転することで、コイル２０はコイル供給ノズル４３を介して移動巻枠４２に巻線され、環状コイルを形成する。この工程におけるコイルの長さの設定と構成が、低いコイルエンドを得る重要な要素となる。
【００３６】
第二の工程は、第一の工程による環状コイルの外周を凹凸形状に成形する星型コイル成形工程であり、図８にその工程例を示す。環状コイルを保持している移動巻枠４２間に成形移動枠４５を挿入し、環状コイル外側より放射方向にコイルを押し、成形固定枠４４にコイルを押し付け成形する。成形移動枠４５の移動時、同期して移動巻枠４２はコイル張力が弛まないように移動することで、断線や弛みのない星型コイルを形成する。
【００３７】
第三の工程は、固定子鉄心に形成されたスロットに、一の相をなす前記環状コイルを巻装するスロットのスロットオープンから挿入するコイル挿入工程であり、前記第二の工程で形成されたコイルを挿入治具に装着し挿入を行う。低いコイルエンドを得るために長さを限定され、かつ高占積率である波型のコイルは挿入抵抗が大きくなり、挿入工程を困難にするため、挿入抵抗に対応できる挿入治具とする。また、第五の工程での軸方向の整形を容易にする波型のコイルエンド立ち上がり部のコイル形態を維持できる挿入ガイドとする。
【００３８】
第四の工程は、挿入されたコイルを次コイル挿入を容易にするため整形するコイル整形工程であり、高占積率のコイルを多層に形成する場合に欠かせない工程となる。
【００３９】
以上の第一から第四の工程を三回繰り返すことで、三相分のコイルの挿入を行う。特に前記「本発明のコイル配置」の要となる第二のコイル２０２の第四の工程での整形状態が、次工程の効果に影響する。
【００４０】
第五の工程は、挿入された環状コイルのコイルエンドを軸方向に整形する最終整形工程であり、外径及び内径を規定寸法にガイドしながら整形を行う。図１に示すように挿入、配置されたコイルが、軸方向に整形後、図２に示す形状となり、前記「本発明のコイル配置」及びインサータにおける波型コイルのコイルエンド立ち上がり部構造の効果により、コイルエンドが低く整形できる。
【００４１】
（実施の形態４）
下記の（表１）は、固定子鉄心の積厚５５ｍｍ、線積率６５％を共通とし、コイルの構成が異なる、すなわち、図４で示した従来の全節巻線を有する無刷子電動機、本発明品Ａ（「本発明のコイル配置」を有する全節巻の無刷子電動機）および本発明品Ｂ（「本発明のコイル配置」を有する全節波巻の無刷子電動機）のコイルエンドの固定子鉄心端面からの全高を、従来品を１００とした指数で示す。
【００４２】
【表１】
【００４３】
各コイルエンドの全高の差は、本発明の効果により従来品に比べコイルエンドを低く抑えることができることを示している。従来品と本発明Ａの比較は、「本発明のコイル配置」そのものにより生まれた効果を示しており、本発明Ａと本発明Ｂの比較は、波型コイルのコイルエンド立ち上がり部特有の構造により前記本発明Ａにより発生したコイル領域効果が活用された相乗効果であることを示している。
【００４４】
（実施の形態５）
図２は６極、１８スロットの三相全節波巻無刷子電動機の固定子を示している。密閉型圧縮機としては、必要な駆動回転数範囲で一定の効率を維持しながらの運転が要求される。極数の選択としては４極、６極、８極が考えられるが、小型化が必須の車載用等には高速回転の仕様が要求されてきており、極数が少ない程その利点が出てくることになる。
【００４５】
一方、図９は上記各極数における回転数と騒音の関係を示す図である。極数が多くなるに従い低振動等であることを示している。
しかし、図１０に示すとおり、極数が多くなるほど電気周波数が高くなる結果、高速での鉄損が増加し、効率（定格トルク）が低下してしまう。
【００４６】
したがって、高速回転、低振動等および効率（定格トルク）の全てを考慮し、６極を採用する。なお、さらなる低振動等を実現するためには、正弦波駆動の併用が好適である。
【００４７】
また、図１１（ａ）（ｂ）に１８スロットと３６スロットの固定子鉄心のスロット形状を示し、図１２に６極の適用スロット数と全スロット面積から絶縁物の領域を除いた有効スロット面積の関係を示す。スロット数が少ないほど有効スロット面積が大きいことが示されている。
【００４８】
以上、上述した効率における巻線で最大の効果を引き出すために、６極の三相全節巻における最少のスロット数である１８スロットを採用する。コイルの束数を最小限度に抑えることで、コイル同士の干渉が少なくなり整形性の良いコイルエンドを形成できる効果もある。
【００４９】
なお、このような小型で低振動等の電動機は狭空間搭載され、しかも低振動等を要求される機器において、その効果を最大限に発揮することができる。例えば、密閉型圧縮機、電気自動車もしくはハイブリッド自動車の駆動用、またはエアーコンディッショナの空調機等の送風用に好適である。
【００５０】
（実施の形態６）
図１３は本発明の無刷子電動機を搭載した密閉型圧縮機を示す。
密閉型圧縮機９０は、圧縮機内部を外部に対して密閉状態とするための容器９１と圧縮を行うメカ部９２と固定子５０および回転子６０から構成されている。固定子５０は容器９１に対して焼きばめ等によって固定されており、回転子６０は、メカ部９２から伸びている軸９３に対して焼きばめあるいは圧入によって固定されている。
【００５１】
密閉型圧縮機９０が運転時には容器９１内は冷媒雰囲気であり、それに曝されるコイルエンド２１から漏れ電流が発生している。特にＲ１３４ａ冷媒は電気伝導率が、例えば従来のＲ１２冷媒と比較すると著しく低いため、コイルエンド２１から漏れ電流が顕著な問題となる。
【００５２】
しかし、本発明のごとくコイルエンドの高さが低い無刷子電動機ではＲ１３４ａ冷媒に曝される表面積が減少しているため、それに比例して漏れ電流を低減させることができる。
【００５３】
また、密閉型圧縮機により低振動等を要求される場合、無刷子電動機を正弦波駆動とすれば、著しく漏れ電流を増大させることなく、さらなる低振動等を実現できる。
【００５４】
【発明の効果】
以上のように本発明の無刷子電動機は、軸方向に整形したコイルエンドを有するため、コイルエンドの軸方向高さを抑制することが可能で、無刷子電動機を小型化することができる。
【００５５】
そして、本発明のコイル配置により、全体のコイルの整形領域を拡大することが可能となるため、よりコイルエンドの軸方向高さを抑制することができる。さらに、波巻コイルとすることでその効果は顕著なものとなる。
【００５６】
また、上記無刷子電動機を具備する密閉型圧縮機においては、上記無刷子電動機はコイルエンドの軸方向高さが低いため、コイルエンドからの漏れ電流が小さく、密閉容器との絶縁のための空間を低減できる結果、密閉型圧縮機の小型化が可能となる。このことは電気伝導率の高いＲ１３４ａ冷媒であるとき特に有効である。
【００５７】
また、特に低振動等の密閉型圧縮機が要求されるときは、無刷子電動機を正弦波駆動とすれば、著しく漏れ電流を増大させることなく、さらなる低振動等を実現する密閉型圧縮機とすることができる。
【００５８】
さらに、上記特有の効果を有する無刷子電動機または密閉型圧縮機を搭載した、空調機の送風用、冷蔵庫、自動車その他の機器を小型で低振動等とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の三相全節波巻無刷子電動機６極１８スロットのコイル配置を示す一部切り欠き斜視図
【図２】本発明の三相全節波巻無刷子電動機の軸方向整形後を示す図
【図３】本発明のコイルエンドの軸方向整形の機構図
【図４】本発明の４極１２スロットにおけるコイル配置図
【図５】従来品の４極１２スロット全節同芯巻におけるコイル配置図
【図６】本発明の固定子の巻線製造工程
【図７】本発明の６極１８スロット環状コイル巻線工程
【図８】本発明の６極１８スロット用星型コイル成形工程
【図９】各極数における回転数と騒音の関係図
【図１０】各極数における回転数とトルクの関係図
【図１１】１８スロットと３６スロットの固定子鉄心のスロット形状を示す図
【図１２】スロット数とスロット有効面積の関係図
【図１３】本発明の無刷子電動機を搭載した密閉型圧縮機の断面図
【図１４】従来の三相短節同芯巻無刷子電動機のコイル配置図
【符号の説明】
１０ 固定子鉄心
２０ コイル
２０１ 第一のコイル
２０２ 第二のコイル
２０３ 第三のコイル
２１ コイルエンド
２１ａ コイルエンド立ち上がり部
４１ 巻枠構成体
４２ 移動巻枠
４３ コイル供給ノズル
４４ 成形固定枠
４５ 成形移動枠
５０ 固定子
６０ 回転子
９０ 密閉型圧縮機
９１ 容器
９２ メカ部
９３ 軸
【発明の属する技術分野】
本発明は、空調機の送風機用、冷蔵庫あるいは自動車等の各種機器に搭載される小型でかつ低振動および低騒音（以下、「低振動等」と示す）の無刷子電動機および密閉型圧縮機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
機器の小型化若しくは低振動等は、開発を行う上で解決しなければならない必須の課題であり、密閉型圧縮機を搭載する機器においても当然に直面するものである。
【０００３】
電動機において、それを構成する固定子の全高を低くすることは小型化を実現するための一手段であり、図１４に示すような短節の同芯分布巻線を施した固定子においては、コイル２０を固定子鉄心１０のスロットに挿入後、軸方向から整形をすることでコイルエンドの高さを抑制している。
【０００４】
また、別の具体的な手段としては、電動機の高効率化への要求もあって突極集中巻線が施された固定子が多く採用されてきている。これによるとコイルはティースに、両者間の電気的絶縁を確保するため樹脂製のいわゆるインシュレータを介して直に巻装されるためコイルエンドの高さを極めて低くすることが可能で、近年、急速に密閉型圧縮機等の機器において多く採用されてきている。
【０００５】
密閉型圧縮機には近年の環境問題への取組みとして、オゾン層の破壊を防止できるＲ１３４ａ等の、いわゆる代替冷媒が用いられてきているが、このＲ１３４ａは電気伝導率が従来の冷媒と比較して高く、電動機のコイルエンドからの漏れ電流が大きくなる。そのため、冷媒がＲ１３４ａである密閉型圧縮機は、特にコイルエンドの高さが低い、すなわちＲ１３４ａに晒される面積が減少する突極集中巻線の無刷子電動機が特に有効である。
【０００６】
次に、電動機の低振動等に関する具体的手段としては、一つは正弦波駆動方式を採用することが有効であり、さらに、その他手段としては、発生磁界が滑らかな分布巻線の採用がある。
【０００７】
また、全節波巻は発電機に多く採用されており、例えば、特開昭５５−１５７９４８号公報に開示されている。
さらに、製造方法に関するものとしては特開昭６２−１０７６６０号公報に開示されている。これは、コイルを挿入後、コイルエンドの半径方向の寸法がコイルを構成する線材の厚さと実質同等となるようにするものであり、発電機によって発生する熱をよく消散することを目的としており、（例えば、公報第３頁右上欄第１５行目から同頁左下欄第４行目までの記載（「発明の目的」の記載より）これを実現するために、各相のコイルを挿入後、固定子の径方向内側に曲がっているコイルエンド（例えば、公報第５頁右上欄第６行目から同第８行目までの記載より）を、同公開公報に記載の「図１０」に記載の製造装置により、固定子径方向に整形し真直ぐにするものである（例えば、公報第５頁右上欄第９行目の記載より）。
【０００８】
なお、特開平２−２２１６８８号公報には、一スロットあたり、一コイルで各相のコイルが挿入された三相の全節巻の固定子を具備した無刷子電動機、およびそれを搭載した密閉型圧縮機が開示されている（例えば、公報第２頁右下欄第１４行目から第３頁左上欄３行目までの記載および「図１」または「図２」より）。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の短節または全節の同芯分布巻線を有する固定子のように、単に一のコイルが挿入されたスロットに隣接する両スロットに他のコイルが挿入されるコイルの配置を有する固定子、換言すれば、一のコイルのコイルエンドの左右に別のコイルエンド（同一相のコイルであるか否かを問わず）が同心状に配置されるコイル構成では、隣接するコイルエンドの各々が接触することでコイルエンドの左右への変形が規制され、その高さを低くすることができなくなる。
【００１０】
また、突極集中巻線が施された固定子を有する電動機（以下、「突極集中巻電動機」と示す）は、コイルエンドの高さを低くすることができるが、その巻線構成により振動が大きくなるという課題を有している。
【００１１】
そのため、これを改善させる手段として、突極集中巻電動機に従来の矩形波駆動方式にかわり正弦波駆動方式を用いることが考えられるが、正弦波駆動方式は、スイッチング回数が多くなり、Ｒ１３４ａのごとく電気伝導率の低い雰囲気の下では、突極集中巻線にすることで漏れ電流を減少させることができる効果を半減させることとなってしまう。
【００１２】
このことは、密閉型圧縮機においては容器との絶縁距離の確保を余儀なくさせ、密閉型圧縮機の小型化を阻害することとなる。
なお、全節波巻のコイルエンドを固定子の径方向からのみ整形した場合、コイルエンドの軸方向高さが高くなることは明らかである。
【００１３】
本発明は上記従来の課題に鑑み為されたものであり、低振動等でかつコイルエンドの高さを抑制できる無刷子電動機、およびこれを搭載する漏れ電流の小さい密閉型圧縮機を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記従来の課題を解決するために本発明の無刷子電動機は、三相の全節波巻の無刷子電動機であって、一スロットあたり、一コイルの割合でスロットに挿入されるコイルを有し、固定子鉄心端面における前記コイルのコイルエンドが、第二のコイルと第三のコイルが互いに隣接するスロットに挿入されている箇所にあっては、第一のコイルは前記両コイルの外側に、第一のコイルと第三のコイルが互いに隣接するスロットに挿入されている箇所にあっては、第二のコイルは前記第一のコイルの内側から前記第三のコイルの外側に、第一のコイルと第二のコイルが互いに隣接するスロットに挿入されている箇所にあっては、第三のコイルは、前記両コイルの内側に配置され、かつ軸方向に整形されたコイルエンドを有する固定子を具備する構成とするものである。このコイル配置と波巻のインサートコイル特有のコイルエンド立ち上がり部構造によりコイルエンドの整形性を高め、コイルエンドの高さが低い、低振動の無刷子電動機とすることができる。
【００１５】
本発明の請求項１に記載の発明は、三相の全節巻の無刷子電動機であって、前記電動機の固定子は、ヨークと、ティースと、隣接するティース間に形成されたスロットからなり、前記ティースの数が回転子の極数の３倍である固定子鉄心により構成され、前記スロットには、一スロットあたり、一コイルで各相のコイルが挿入され、かつ軸方向に整形されたコイルエンドを有していることを特徴とする無刷子電動機であり、低振動等でありかつコイルエンドの軸方向高さを抑制することができる。
【００１６】
本発明の請求項２に記載の発明は、固定子鉄心端面における各相のコイルエンドの配置が、第二のコイルと第三のコイルが互いに隣接するスロットに挿入されている箇所にあっては、第一のコイルは前記両コイルの外側に、第一のコイルと第三のコイルが互いに隣接するスロットに挿入されている箇所にあっては、第二のコイルは前記第一のコイルの内側から前記第三のコイルの外側に、第一のコイルと第二のコイルが互いに隣接するスロットに挿入されている箇所にあっては、第三のコイルは、前記両コイルの内側であることを特徴とする請求項１に記載の無刷子電動機であり、第二のコイルエンドを前記のごとく配置することで、第一と第三のコイルの変形方向を規制し、コイルエンドの整形を効率よく行うことが可能となり、より軸方向高さを低くしたコイルエンドとすることができる。
【００１７】
本発明の請求項３に記載の発明は、全節の波巻であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の無刷子電動機であり、波巻のインサートコイル特有のコイルエンド立ち上がり部構造によりコイルエンドの変形可能量を増加させ、さらに軸方向高さを低くしたコイルエンドとすることができる。
【００１８】
本発明の請求項４に記載の発明は、回転子の極数が６極、固定子のスロット数が１８スロットであることを特徴とする請求項１から請求項３の何れかに記載の無刷子電動機であり、６極を採用することで、密閉型圧縮機として効率良く採用できる回転数を維持しながらより低振動等の運転が可能となり、また６極の三相全節巻における最少のスロット数である１８スロットを採用することでスロットにおける巻線可能領域を最大限に拡大できて高効率の巻線が可能となる。またコイルの束数を最小限に抑えることで整形性の良いコイルエンドを形成でき、小型、低振動等でかつ高効率の無刷子電動機とすることができる。
【００１９】
本発明の請求項５に記載の発明は、正弦波駆動されることを特徴とする請求項１から請求項４の何れかに記載の無刷子電動機であり、低振動等とすることができる。
【００２０】
本発明の請求項６に記載の発明は、請求項１から請求項５の何れかに記載の無刷子電動機を搭載したことを特徴とする機器であり、小型で低振動等の機器とすることができる。
【００２１】
本発明の請求項７に記載の発明は、請求項１から請求項５の何れかに記載の無刷子電動機を具備する密閉型圧縮機であり、コイルエンドからの漏れ電流を低くきるため、密閉容器との絶縁のための空間を低減することができる。
【００２２】
本発明の請求項８に記載の発明は、密閉型圧縮機の冷媒が、Ｒ１３４ａであることを特徴とする請求項７に記載の密閉型圧縮機であり、コイルエンドからの漏れ電流を低減することができる。
【００２３】
本発明の請求項９に記載の発明は、請求項７または請求項８に記載の密閉型圧縮機を搭載したことを特徴とする機器であり、小型で低振動等の機器とすることができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の各実施の形態を図１〜図１３に基づいて説明する。
（実施の形態１）
図１は回転子の極数が６極、固定子のスロット数が１８スロットの三相全節巻無刷子電動機の固定子のコイル配置を示す。
【００２５】
固定子鉄心端面における各相のコイルエンドの配置は、第二のコイル２０２と第三のコイル２０３が互いに隣接するスロット１１に挿入されている箇所（以下、「Ａ部」と示し、図１における符号「Ａ」に対応）にあっては、第一のコイル２０１は第二コイル２０２と第三のコイル２０３の外側に、第一のコイル２０１と第三のコイル２０３が互いに隣接するスロット１１に挿入されている箇所（以下、「Ｂ部」と示し、図１における符号「Ｂ」に対応）にあっては、第二のコイル２０２は第一のコイル２０１の内側から第三のコイル２０３の外側に、第一のコイル２０１と第二のコイル２０２が互いに隣接するスロット１１に挿入されている箇所（以下、「Ｃ部」と示し、図１における符号「Ｃ」に対応）にあっては、第三のコイル２０３は、第一のコイル２０１と第二のコイル２０２の内側となっている（以下、当該構成を「本発明のコイル配置」と示す）。
【００２６】
コイルエンドの軸方向への整形は、図３に示すように主に実線で示すコイルエンド２１の立ち上がり部２１ａが仮想線で示すコイルエンド２１のように左右に逃げるように変形し、その高さを低く整形するようになる。そのためコイルエンドが左右領域にいかに広がれるかが、整形性の良否のポイントとなる。
【００２７】
図１４で示した短節同芯分布巻の従来例ではコイル２０が同心状に配置されており、コイルエンド左右に同心状にコイルエンドが存在するため、上記整形機構で整形上必要とされる左右の領域が規制されてしまう。
【００２８】
本発明のコイル配置では、Ｂ部の存在が整形上の特徴となっている。Ａ部及びＣ部においては前記短節同芯分布巻と同様、互いに接触し当該方向への変形が規制されることとなるが、Ａ部及びＣ部の一方には必ずＢ部が存在している。Ｂ部のコイル構成は、内径側から外径側に流れるように存在している第二のコイル２０２に誘導されて、第一のコイル２０１は外径側に、第三のコイル２０３は内径側にコイルが広がって整形されていく効果を出している。各所のＢ部の存在により、図１４で示した従来例とは異なり、全体のコイルの整形領域を拡大する役割を果たしている。
【００２９】
なお、三相の無刷子電動機であるため、第一、第二および第三のコイルは、各々第一相（Ｕ相）、第二相（Ｖ相）および第三相（Ｗ相）のいずれかであれば良く、例えば、第一のコイルが第一相である旨、限定するものではない。
【００３０】
（実施の形態２）
次に、回転子の極数が４極、固定子のスロット数が１２スロットの三相全節巻無刷子電動機における実施例について説明する。
【００３１】
図４は４極、１２スロットの三相全節巻無刷子電動機における本発明のコイル配置を示す図である。図５に４極、１２スロットの三相全節巻無刷子電動機の従来例（特開平２−２２１６８８号公報に記載のコイル構成を有する無刷子電動機）を示す。
【００３２】
図５で示した従来例では、前記図１４で示した短節同芯分布巻と同様に、各コイルが同心状に配置されており、コイルエンド左右に同心状にコイルエンドが存在するため、前記整形機構で整形上必要とされる左右の領域が規制されてしまう。
【００３３】
図４では前記「本発明のコイル配置」となっており、Ａ部及びＣ部の一方には必ずＢ部が存在している。Ｂ部のコイル構成は、内径側から外径側に流れるように存在している第二のコイル２０２に誘導されて、第一のコイル２０１は外径側に、第三のコイル２０３は内径側にコイルが広がって整形されていく機能を果たす。前記「本発明のコイル配置」にすることで、前記図５で示した従来例とは異なり、全体のコイルの整形領域を拡大する役割を果たしている。
【００３４】
（実施の形態３）
次に、前記（実施の形態１）に示す６極、１８スロットの三相全節波巻無刷子電動機、特に固定子の巻線製造方法について説明する。
【００３５】
固定子の巻線製造工程は図６に示すように、主として５つの工程からなっている。
まず、第一の工程は、各相ごとに一つの環状に巻回する環状コイル巻線工程であり、図７にその工程例を示す。巻枠構成体４１は回転体であり移動巻枠４２を有している。巻枠構成体４１が回転することで、コイル２０はコイル供給ノズル４３を介して移動巻枠４２に巻線され、環状コイルを形成する。この工程におけるコイルの長さの設定と構成が、低いコイルエンドを得る重要な要素となる。
【００３６】
第二の工程は、第一の工程による環状コイルの外周を凹凸形状に成形する星型コイル成形工程であり、図８にその工程例を示す。環状コイルを保持している移動巻枠４２間に成形移動枠４５を挿入し、環状コイル外側より放射方向にコイルを押し、成形固定枠４４にコイルを押し付け成形する。成形移動枠４５の移動時、同期して移動巻枠４２はコイル張力が弛まないように移動することで、断線や弛みのない星型コイルを形成する。
【００３７】
第三の工程は、固定子鉄心に形成されたスロットに、一の相をなす前記環状コイルを巻装するスロットのスロットオープンから挿入するコイル挿入工程であり、前記第二の工程で形成されたコイルを挿入治具に装着し挿入を行う。低いコイルエンドを得るために長さを限定され、かつ高占積率である波型のコイルは挿入抵抗が大きくなり、挿入工程を困難にするため、挿入抵抗に対応できる挿入治具とする。また、第五の工程での軸方向の整形を容易にする波型のコイルエンド立ち上がり部のコイル形態を維持できる挿入ガイドとする。
【００３８】
第四の工程は、挿入されたコイルを次コイル挿入を容易にするため整形するコイル整形工程であり、高占積率のコイルを多層に形成する場合に欠かせない工程となる。
【００３９】
以上の第一から第四の工程を三回繰り返すことで、三相分のコイルの挿入を行う。特に前記「本発明のコイル配置」の要となる第二のコイル２０２の第四の工程での整形状態が、次工程の効果に影響する。
【００４０】
第五の工程は、挿入された環状コイルのコイルエンドを軸方向に整形する最終整形工程であり、外径及び内径を規定寸法にガイドしながら整形を行う。図１に示すように挿入、配置されたコイルが、軸方向に整形後、図２に示す形状となり、前記「本発明のコイル配置」及びインサータにおける波型コイルのコイルエンド立ち上がり部構造の効果により、コイルエンドが低く整形できる。
【００４１】
（実施の形態４）
下記の（表１）は、固定子鉄心の積厚５５ｍｍ、線積率６５％を共通とし、コイルの構成が異なる、すなわち、図４で示した従来の全節巻線を有する無刷子電動機、本発明品Ａ（「本発明のコイル配置」を有する全節巻の無刷子電動機）および本発明品Ｂ（「本発明のコイル配置」を有する全節波巻の無刷子電動機）のコイルエンドの固定子鉄心端面からの全高を、従来品を１００とした指数で示す。
【００４２】
【表１】
各コイルエンドの全高の差は、本発明の効果により従来品に比べコイルエンドを低く抑えることができることを示している。従来品と本発明Ａの比較は、「本発明のコイル配置」そのものにより生まれた効果を示しており、本発明Ａと本発明Ｂの比較は、波型コイルのコイルエンド立ち上がり部特有の構造により前記本発明Ａにより発生したコイル領域効果が活用された相乗効果であることを示している。
【００４４】
（実施の形態５）
図２は６極、１８スロットの三相全節波巻無刷子電動機の固定子を示している。密閉型圧縮機としては、必要な駆動回転数範囲で一定の効率を維持しながらの運転が要求される。極数の選択としては４極、６極、８極が考えられるが、小型化が必須の車載用等には高速回転の仕様が要求されてきており、極数が少ない程その利点が出てくることになる。
【００４５】
一方、図９は上記各極数における回転数と騒音の関係を示す図である。極数が多くなるに従い低振動等であることを示している。
しかし、図１０に示すとおり、極数が多くなるほど電気周波数が高くなる結果、高速での鉄損が増加し、効率（定格トルク）が低下してしまう。
【００４６】
したがって、高速回転、低振動等および効率（定格トルク）の全てを考慮し、６極を採用する。なお、さらなる低振動等を実現するためには、正弦波駆動の併用が好適である。
【００４７】
また、図１１（ａ）（ｂ）に１８スロットと３６スロットの固定子鉄心のスロット形状を示し、図１２に６極の適用スロット数と全スロット面積から絶縁物の領域を除いた有効スロット面積の関係を示す。スロット数が少ないほど有効スロット面積が大きいことが示されている。
【００４８】
以上、上述した効率における巻線で最大の効果を引き出すために、６極の三相全節巻における最少のスロット数である１８スロットを採用する。コイルの束数を最小限度に抑えることで、コイル同士の干渉が少なくなり整形性の良いコイルエンドを形成できる効果もある。
【００４９】
なお、このような小型で低振動等の電動機は狭空間搭載され、しかも低振動等を要求される機器において、その効果を最大限に発揮することができる。例えば、密閉型圧縮機、電気自動車もしくはハイブリッド自動車の駆動用、またはエアーコンディッショナの空調機等の送風用に好適である。
【００５０】
（実施の形態６）
図１３は本発明の無刷子電動機を搭載した密閉型圧縮機を示す。
密閉型圧縮機９０は、圧縮機内部を外部に対して密閉状態とするための容器９１と圧縮を行うメカ部９２と固定子５０および回転子６０から構成されている。固定子５０は容器９１に対して焼きばめ等によって固定されており、回転子６０は、メカ部９２から伸びている軸９３に対して焼きばめあるいは圧入によって固定されている。
【００５１】
密閉型圧縮機９０が運転時には容器９１内は冷媒雰囲気であり、それに曝されるコイルエンド２１から漏れ電流が発生している。特にＲ１３４ａ冷媒は電気伝導率が、例えば従来のＲ１２冷媒と比較すると著しく低いため、コイルエンド２１から漏れ電流が顕著な問題となる。
【００５２】
しかし、本発明のごとくコイルエンドの高さが低い無刷子電動機ではＲ１３４ａ冷媒に曝される表面積が減少しているため、それに比例して漏れ電流を低減させることができる。
【００５３】
また、密閉型圧縮機により低振動等を要求される場合、無刷子電動機を正弦波駆動とすれば、著しく漏れ電流を増大させることなく、さらなる低振動等を実現できる。
【００５４】
【発明の効果】
以上のように本発明の無刷子電動機は、軸方向に整形したコイルエンドを有するため、コイルエンドの軸方向高さを抑制することが可能で、無刷子電動機を小型化することができる。
【００５５】
そして、本発明のコイル配置により、全体のコイルの整形領域を拡大することが可能となるため、よりコイルエンドの軸方向高さを抑制することができる。さらに、波巻コイルとすることでその効果は顕著なものとなる。
【００５６】
また、上記無刷子電動機を具備する密閉型圧縮機においては、上記無刷子電動機はコイルエンドの軸方向高さが低いため、コイルエンドからの漏れ電流が小さく、密閉容器との絶縁のための空間を低減できる結果、密閉型圧縮機の小型化が可能となる。このことは電気伝導率の高いＲ１３４ａ冷媒であるとき特に有効である。
【００５７】
また、特に低振動等の密閉型圧縮機が要求されるときは、無刷子電動機を正弦波駆動とすれば、著しく漏れ電流を増大させることなく、さらなる低振動等を実現する密閉型圧縮機とすることができる。
【００５８】
さらに、上記特有の効果を有する無刷子電動機または密閉型圧縮機を搭載した、空調機の送風用、冷蔵庫、自動車その他の機器を小型で低振動等とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の三相全節波巻無刷子電動機６極１８スロットのコイル配置を示す一部切り欠き斜視図
【図２】本発明の三相全節波巻無刷子電動機の軸方向整形後を示す図
【図３】本発明のコイルエンドの軸方向整形の機構図
【図４】本発明の４極１２スロットにおけるコイル配置図
【図５】従来品の４極１２スロット全節同芯巻におけるコイル配置図
【図６】本発明の固定子の巻線製造工程
【図７】本発明の６極１８スロット環状コイル巻線工程
【図８】本発明の６極１８スロット用星型コイル成形工程
【図９】各極数における回転数と騒音の関係図
【図１０】各極数における回転数とトルクの関係図
【図１１】１８スロットと３６スロットの固定子鉄心のスロット形状を示す図
【図１２】スロット数とスロット有効面積の関係図
【図１３】本発明の無刷子電動機を搭載した密閉型圧縮機の断面図
【図１４】従来の三相短節同芯巻無刷子電動機のコイル配置図
【符号の説明】
１０ 固定子鉄心
２０ コイル
２０１ 第一のコイル
２０２ 第二のコイル
２０３ 第三のコイル
２１ コイルエンド
２１ａ コイルエンド立ち上がり部
４１ 巻枠構成体
４２ 移動巻枠
４３ コイル供給ノズル
４４ 成形固定枠
４５ 成形移動枠
５０ 固定子
６０ 回転子
９０ 密閉型圧縮機
９１ 容器
９２ メカ部
９３ 軸
Claims (9)
- 三相の全節巻の無刷子電動機であって、前記電動機の固定子は、ヨークと、ティースと、隣接するティース間に形成されたスロットからなり、前記ティースの数が回転子の極数の３倍である固定子鉄心により構成され、前記スロットには、一スロットあたり、一コイルで各相のコイルが挿入され、かつ軸方向に整形されたコイルエンドを有していることを特徴とする無刷子電動機。
- 固定子鉄心端面における各相のコイルエンドの配置が、第二のコイルと第三のコイルが互いに隣接するスロットに挿入されている箇所にあっては、第一のコイルは前記両コイルの外側に、第一のコイルと第三のコイルが互いに隣接するスロットに挿入されている箇所にあっては、第二のコイルは前記第一のコイルの内側から前記第三のコイルの外側に、第一のコイルと第二のコイルが互いに隣接するスロットに挿入されている箇所にあっては、第三のコイルは、前記両コイルの内側であることを特徴とする請求項１に記載の無刷子電動機。
- 全節の波巻であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の無刷子電動機。
- 回転子の極数が６極、固定子のスロット数が１８スロットであることを特徴とする請求項１から請求項３の何れかに記載の無刷子電動機。
- 正弦波駆動されることを特徴とする請求項１から請求項４の何れかに記載の無刷子電動機。
- 請求項１から請求項５の何れかに記載の無刷子電動機を搭載したことを特徴とする機器。
- 請求項１から請求項５の何れかに記載の無刷子電動機を具備する密閉型圧縮機。
- 密閉型圧縮機の冷媒が、Ｒ１３４ａであることを特徴とする請求項７に記載の密閉型圧縮機。
- 請求項７または請求項８に記載の密閉型圧縮機を搭載したことを特徴とする機器。
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