JP2007185037A - 無刷子電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】低振動等でかつコイルエンドの高さを低減できる無刷子電動機を提供することを目的とする。
【解決手段】三相の全節波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とともに、コアにスキューを持たせることで、コイルエンド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ると共に、スキュー本来の低振動等への効果と軸方向へのコイルエンドの低減ならびにコイルエンド整形性を促進させる効果を得る。
【選択図】図２

Description

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）の無刷子電動機に関するものである。

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。

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１３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。

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。

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、その他の手段としては、発生磁界が滑らかな分布巻線の採用がある。また、固定子もしくは回転子鉄心にスキューを持たせることにより、磁界が滑らかに移行し低振動等に有効となる。この固定子鉄心のスキュー製造方法については、巻線方法と絡めて種々の方法が開示されている（例えば特許文献１参照）。

また、全節波巻については発電機に多く採用されて来ている（例えば特許文献２参照）。全節波巻に関するコイルの配置についても種々の検討がされており、前記のコイルエンドの小型化に関するものとしてコイル配置による効果を採用している例も開示されている（例えば特許文献３を参照）。さらに、製造方法に関するものも開示されている（例えば特許文献４参照）。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させることを目的としており、（例えば、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、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、第５頁右上欄第９行目の記載より）。弊社の取組においては、全節波巻を採用して波巻コイルの特徴を活かした軸方向のコイルエンド整形を加えることにより、コイルエンド高さの低減できる電動機を開示している（特許文献５参照）。

なお、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も開示されている（例えば特許文献６の、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）。
特開昭６１−２９５８４７号公報 特開昭５５−１５７９４８号公報 米国特許第３５３１６７２号明細書 特開昭６２−１０７６６０号公報 特開２００４−４０８９７号公報 特開平２−２２１６８８号公報

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。

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。振動低減効果は分布巻線仕様の電動機には劣る状況にあり、低振動等が最優先される用途には採用できないことになる。低振動等への課題は、通常の分布巻線に勝る領域の低振動の電動機が求められている。

なお全節波巻において、コイルエンドを固定子の径方向からのみ整形した事例やコイルエンドの配置によるコイルエンドの高さ低減事例は前記したが、コイル冷却を前提にした発電機での事例からの展開にとどまっており、よりコイルエンド高さを低減する方法については前記した弊社の取組のみで他には開示されていない。

更に、昨今は更なる低騒音・低振動が必要となってきている。例えば、地球環境改善のためアイドルストップ機能を有したハイブリッド車に搭載のカーエアコン用コンプレッサー駆動電動機等の場合は、エンジン停止時においても電動機が作動する必要がある。つまりエンジン側の騒音や振動が全く無い状態においても電動機が差動するため、上記記載の分布巻方式の電動機でさえも要求の騒音・振動に対して満足できない事がある。

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を提供することを目的とする。

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、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、軸方向に整形されたコイルエンドを有しているとともに、固定子鉄心にスキューを持たせた電動機であり、コイルエンド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ると共に、固定子鉄心にスキューを持たせることでスキュー本来の低振動等への効果と軸方向へのコイルエンドの低減ならびにコイルエンド整形性を促進させる効果を得る。

本願に係る発明により、軸方向に小型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低減して電動機全長を短小化することが可能であると共に、分布巻線で且つ固定子鉄心にスキューを持たせているので低振動等に効果が大きい為、全長を短小化した小型でかつ低振動等の無刷子電動機を提供することができる。

本願請求項1に記載の発明は、三相の全節波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とともに、固定子鉄心にスキューを持たせたことを特徴とする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、低振動等でありかつコイルエンドの軸方向高さを低減することができる。

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ならびに領域を誘導拡大し、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。

請求項３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のいずれか一項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。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。
（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スロットで固定子鉄心にスキューを持たせる前の三相全節波巻無刷子電動機の固定子コイル配置を示し、図２は前記固定子鉄心にスキューを加え、かつ軸方向のコイル整形を施した外観図である。

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）。

コイルエンドの軸方向への整形は、図３に示すように主にコイルエンドの立ち上がり部２１１が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。

図１３で示した短節同芯分布巻の従来例では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、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。

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１３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。

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。

図４にスキューを持たせる前の固定子鉄心とコイル、図５にスキューを持たせた固定子鉄心とコイルの外観図を示す。固定子鉄心１０の側面に設けられている溝１２が、スキューを持たせることによりコア外径表面を斜めに形成されるようになる。この溝１２の全長については、スキュー前をＬ１、スキュー後をＬ２とすると、Ｌ２＞Ｌ１となり延長されてくる。これと同じ現象が固定子スロット１１の全長にも現れ、スキューを持たせた固定子スロット１１の全長はスキューを持たせる前に比べ長くなる。

図４の固定子鉄心１０にコイルを挿入し、その後固定子鉄心１０に図５のようなスキューを持たせると、固定子スロット１１に挿入されているコイルについても固定子スロット１１内に収納されているコイル長は長くなる。挿入されたコイル全長は一定ゆえに、長くなった収納分については固定子鉄心１０から出ているコイルエンド立ち上がり部から吸収されることになる。結果的にコイルエンドに存在するコイル量が低減され、コイルエンドの短縮・小型化に寄与する。

以上の「本発明のコイル配置」、及びスキューによるコイルエンドの低減効果により、コイルエンドの軸方向の高さを低減した小型化が可能となる。またスキュー効果により滑らかな磁界の移動が可能となり、低振動等の電動機が実現できる。
（実施の形態２）

図６に通常巻線での挿入されたコイルの形状、図７に波巻での挿入されたコイルの形状におけるコイルエンド軸方向の整形時の概念図を示す。コイルエンドの軸方向への整形については図３を用いて前記説明したが、図６においては上下コイルエンド２１とも同一方向への変形作用となりコイルエンド立ち上がり部２１１が弓状に軸方向の変形に対し反発するため、コイルが逃げにくく変形しにくい状況となる。一方図７においては上下相反する方向への変形作用となり、上下のコイルエンド立ち上がり部２１１が軸方向にＳ型に折れ曲がり易くなる。これが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独自効果となり、コイルエンドが低く整形できることになる。

また波巻コイルの軸方向コイル部にスキューを持たせることで、実施の形態１にて述べたコイルエンドが短縮された低減効果と共に、前記した軸方向整形におけるコイルエンド立ち上がり部構造の独自効果に相乗効果をもたせ、より折れ曲がり易い状態となる。

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９で示した従来の全節巻線を有する無刷子電動機、及び図８で示した本発明品Ａ（「本発明のコイル配置」を有する全節巻の無刷子電動機）及び本発明品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）及び本発明品Ｃ（「本発明のコイル配置」を有しかつ固定子鉄心にスキューを持たせた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。

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。従来品と本発明品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、本発明品Ａと本発明品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品Ａにおいて発生したコイル領域効果が増徴されたことを示している。また本発明品Ｂと本発明品Ｃの比較は、固定子鉄心にスキューを持たせたことによりコイルエンドが短縮されかつ折れ曲がり易い状態となった効果が現れている。
（実施の形態３）

図２は本発明の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、６、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。

一方、図１０（ａ）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（ｂ）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。

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。

また、図１１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。

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。

本発明に係る無刷子電動機は、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、電気自動車若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ーの空調機等の送風
用が好適である。

本発明の三相全節波巻無刷子電動機６極１８スロットの固定子コイル配置図でスキュー加工前を示す外観図 本発明の三相全節波巻無刷子電動機６極１８スロットの固定子でスキューを加え、かつ軸方向整形を施した外観図 コイルエンドの軸方向整形の機構図 スキューを持たない固定子鉄心の外観図 スキューを持たせた固定子鉄心の外観図 通常巻線での挿入されたコイルに軸方向整形が加わった状態を示す概念図 波巻での挿入されたコイルに軸方向整形が加わった状態を示す概念図 本発明の４極１２スロットにおけるコイル配置図 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 （ａ）各極数における回転数と騒音の関係を示す図、（ｂ）各極数における回転数とトルクの関係を示す図 （ａ）１８スロットの固定子鉄心のスロット形状を示す図、（ｂ）３６スロットの固定子鉄心のスロット形状を示す図 スロット数とスロット有効面積の関係を示す図 従来の三相短節同芯巻無刷子電動機の固定子コイル配置図

符号の説明

１０ 固定子鉄心
１１ 固定子スロット
１２ 溝
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
２１１ コイルエンド立ち上がり部
２２ コイル長
５０ 固定子
６０ 回転子

Claims (3)

1. 三相の全節波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、軸方向に整形されたコイルエンドを有しているとともに、固定子鉄心にスキューを持たせたことを特徴とする無刷子電動機。
2. 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。
3. 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２のいずれか一項に記載の無刷子電動機。
   
   

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