JP2012023818A - 電動機の固定子 - Google Patents

Abstract

【課題】ＰＥＴフィルムのような薄いフィルム絶縁を用いて巻線断面積を拡大し、銅損を低減した高効率なモータを構成する場合に、薄いフィルム絶縁を用いても効率・巻線性を低下させることなく漏洩電流を低減させることができる電動機の固定子を提供する。
【解決手段】この発明に係る電動機の固定子は、インバータなどのＰＷＭ制御で可変速駆動される電動機の固定子において、電動機の固定子は、複数の分割ティースで構成され、分割ティース間にスロットが形成される固定子鉄心と、分割ティースのティースに集中巻方式で巻回される巻線と、巻線とスロット内周との間を絶縁するフィルム絶縁と、スロットの底辺に形成される所定の形状の溝と、を備えたものである。
【選択図】図１１

Description

この発明は、インバータで駆動される電動機の固定子のスロット内絶縁構造に関する。

一般的に、電動機においては、スロット内巻線と固定子鉄心とを絶縁材で絶縁しても、巻線と固定子鉄心間に浮遊静電容量が存在し、高周波に対しては絶縁性が小さくなり漏れ電流が発生する場合がある。商用電源（５０／６０Ｈｚ）で電動機を駆動する場合は問題になることは少ないが、インバータなどのＰＷＭ制御による電動機の高周波運転を行う場合は、巻線と固定子鉄心間の浮遊静電容量に起因する漏れ電流が問題になる。

固定子を樹脂にてモールドするモールド固定子では、モールド固定子が樹脂で覆われているため、漏れ電流が問題になることは少ない。例えば、密閉型圧縮機においては、固定子が鋼板製の密閉容器に直に固定されるため、人体に影響がないよう電気用品取締法に規定されている値（充電部と器体の表面との間に流れる漏洩電流は、１ｍＡ以下のこと）以内にする対策が必要となる。

従来、電磁鋼板よりなる固定子コアシートを積層した固定子鉄心のスロット内に絶縁紙を介して銅線などの導体が巻線された固定子を有する電動機において、電動機の特性を落とすことなくまた組立性、コスト性にも影響を与えることなく電動機の漏れ電流を低減させることができる固定子を提供することを目的として、固定子コアシートのスロット内の形状を複数の凹凸状とし、これを積層した電動機の固定子鉄心が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平８−１０７６４２号公報

しかしながら、上記特許文献１記載のものは、スロット内周に凹凸を設けているため、確かに固定子鉄心と巻線との間の浮遊静電容量は低減できるが、凹凸によりティースの磁路が狭くなってしまう。そのため、ティースの磁束密度が増加し鉄損が増加する課題がある。

また、集中巻の場合、巻線をティース側面に押さえつけながら巻くため、凹凸が巻線の整列製を悪化させ、巻線の占積率が悪化し、銅損が増加する課題がある。更に、集中巻の場合、巻線が凹凸に嵌まり込むように配置された場合、巻線と固定子鉄心の間の距離は広がらないため浮遊静電容量の低減効果は小さくなり、漏洩電流低減効果は小さいと言える。

巻線と固定子鉄心との間の絶縁に、樹脂の成形品であるインシュレータ絶縁を使用するのが一般的であるが、電動機の特性を改善するために、インシュレータ絶縁に代えてフィルム絶縁（ＰＥＴフィルム（ＰＥＴフィルムとは、「ポリエチレンテレフタレート」という正式名称の高分子フィルム）のような薄い絶縁材）を用いる場合がある。インシュレータ絶縁に代えてフィルム絶縁にすることにより利用できるスロット面積が増え、例えば、約３０％コイル量を増やすことができる。それに伴い銅損が低減して、モータ効率を大幅に改善することができる。

この場合、インシュレータ絶縁に比べてフィルム絶縁が薄くなるので、巻線と固定子鉄心間の浮遊静電容量に起因する漏れ電流が増加する。また、その電動機をインバータなどのＰＷＭ制御による高周波運転を行うと、更に漏れ電流が増加する。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、ＰＥＴフィルムのような薄いフィルム絶縁を用いて巻線断面積を拡大し、銅損を低減した高効率なモータを構成する場合に、薄いフィルム絶縁を用いても効率・巻線性を低下させることなく漏洩電流を低減させることができる電動機の固定子を提供する。

この発明に係る電動機の固定子は、インバータなどのＰＷＭ制御で可変速駆動される電動機の固定子において、
電動機の固定子は、
複数の分割ティースで構成され、分割ティース間にスロットが形成される固定子鉄心と、
分割ティースのティースに集中巻方式で巻回される巻線と、
巻線とスロット内周との間を絶縁するフィルム絶縁と、
スロットの底辺に形成される所定の形状の溝と、を備えたものである。

この発明の電動機固定子は、スロットの底辺に溝を設けたことで、スロットの底辺における巻線と固定子鉄心の間の距離を広くでき、薄いフィルム絶縁材を用いても、浮遊静電容量を低減し漏洩電流を低減できる効果がある。

比較例１を示す図で、電動機２００の横断面図。 図１の固定子２１０の一ティース分を示す図。 図１の固定子２１０の一ティース分を示す図（（ａ）は横断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図）。 比較例２を示す図で、電動機３００の横断面図。 図４の固定子３１０の一ティース分を示す図。 図４の固定子３１０の一ティース分を示す図（（ａ）は横断面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面図）。 比較例２を示す図で、端部インシュレータ３１３−１を施したティースコア３１１ａを示す斜視図。 比較例２を示す図で、図７と見る角度を変えた端部インシュレータ３１３−１を施したティースコア３１１ａを示す斜視図。 比較例１の固定子２１０（ティースコア２１１ａ側面の絶縁をインシュレータ２１３で構成した）と比較例２の固定子３１０（ティースコア３１１ａ側面の絶縁をフィルム絶縁３１３で構成した）との特性を比較した図。 実施の形態１を示す図で、電動機１００の横断面図。 実施の形態１を示す図で、固定子１１０の横断面図。 図１１の一ティース分を示す図。 実施の形態１を示す図で、固定子鉄心１１１の横断面図。 実施の形態１を示す図で、固定子鉄心１１１の斜視図。 実施の形態１を示す図で、ティースコア１１１ａの平面図。 実施の形態１を示す図で、帯状に展開した固定子鉄心１１１の平面図。 実施の形態１を示す図で、固定子鉄心１１１をティース１１６が外側になるように逆曲げして巻線を行う状態を示す平面図。 実施の形態１を示す図で、電動機１００の駆動回路１の回路図。 実施の形態１を示す図で、従来と本実施の形態の固定子鉄心と巻線間の浮遊静電容量の測定結果を示す図。 実施の形態１を示す図で、ティースコア１１１ａの平面図。 実施の形態１を示す図で、変形例１のティースコア１１１ａ−１の平面図。 従来のスロットに溝のない電動機の磁束線解析結果を示す図。 本実施の形態のスロットに溝を設けた電動機の磁束線解析結果を示す図。 従来のスロットに溝のない電動機と本実施の形態のスロットに溝を設けた電動機との特性を比較した図。 実施の形態１を示す図で、変形例２のティースコア１１１ａ−２の平面図。 実施の形態１を示す図で、変形例２のティースコア１１１ａ−２に巻線１１２を施した状態を示す図。 実施の形態１を示す図で、変形例３のティースコア１１１ａ−３の平面図。 実施の形態１を示す図で、変形例３のティースコア１１１ａ−３に巻線１１２を施した状態を示す図。 実施の形態１を示す図で、変形例４の固定子鉄心４１１の斜視図。 実施の形態１を示す図で、変形例４の固定子鉄心４１１を構成する分割ティースであるティースコア４１１ａの斜視図。 実施の形態１を示す図で、ティースコア４１１ａを構成する第１のティースコア板４１１ａ−１及び第２のティースコア板４１１ａ−２の平面図（（ａ）は第１のティースコア板４１１ａ−１、（ｂ）は第２のティースコア板４１１ａ−２）。 実施の形態１を示す図で、インバータ駆動時の電流波形を示す図。

実施の形態１．
モータの損失は、主に銅損、鉄損で構成され、空気調和機などの省エネ機器に搭載されるモータの高効率化を図るためには両者を低減する必要がある。銅損Ｗｃは、通電電流をＩ、巻線抵抗をＲとすると、Ｗｃ＝ＲＩ^２と表される。銅損Ｗｃの低減には、通電電流Ｉもしくは巻線抵抗Ｒを小さくすることが求められる。電流は負荷条件が決まると任意に決まる値であるため、モータの銅損を低減するためには巻線抵抗を小さくするような構成が必要である。

巻線抵抗Ｒは、巻線の導電率をρ、巻線の断面積をＳ、巻線の長さをＬとするとＲ＝ρＬ／Ｓと表される。そのため、できるだけ太い巻線で、周長を短く、高密度で巻くことが求められる。

上記の要求に答えるために、従来の分布巻に代えて、固定子の一本のティースに絶縁材を介して巻線を単独で巻きつける集中巻の構成が多くとられるようになった。更に、各ティースを分割して構成し、巻線機で巻線を整列させて巻く製造技術が用いられるようになっている。

更に、巻線抵抗を低減する場合、ティースと巻線導体間の絶縁材の厚さを薄くしたいという要求がある。固定子のスロットの絶縁材のスペースに巻線を巻くことができれば、より太い巻線を巻くことができ銅損を削減することができる。

図１乃至図３は比較例１を示す図で、図１は電動機２００の横断面図、図２は図１の固定子２１０の一ティース分を示す図、図３は図１の固定子２１０の一ティース分を示す図（（ａ）は横断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図）である。

図１に示すように、比較例１の電動機２００（ブラシレスＤＣモータ）は、固定子２１０と、回転子２２０とを備える。

固定子２１０は、固定子鉄心２１１と、巻線２１２と、固定子鉄心２１１と巻線２１２とを絶縁するインシュレータ２１３とを備える。

固定子鉄心２１１は、複数個（図１の例は、９個）の分割鉄心であるティースコア２１１ａを環状に形成したものである。ティースコア２１１ａは、所定の形状に打ち抜かれた電磁鋼板を所定枚数、例えばカシメ等により積層して形成される。９個のティースコア２１１ａは、例えば、ジョイントラップ（図示せず）により互いに変形可能に接続されていて、図１の正曲げの状態と逆の状態（逆曲げ）で巻線２１２が施される。巻線２１２が施こされる前に、各ティースコア２１１ａには、インシュレータ２１３が組み付けられる。巻線完了後、逆曲げの状態から正曲げの状態に整形し、固定子鉄心２１１を溶接等により接合して固定子２１０が完成する。

インシュレータ２１３は、ティースコア２１１ａを覆うようにティースコア２１１ａの両端面から嵌め合う。図３（ｂ）に示すように、インシュレータ２１３ａ，２１３ｂをティースコア２１１ａの軸方向両端面から嵌める。この際、インシュレータ２１３には嵌め合いによる力が加わるので、強度確保のためにティースコア２１１ａ側面部のインシュレータ２１３の厚さｔ（図２参照）を１ｍｍ程度で設計している。このインシュレータ２１３の厚みによって、巻線断面積（スロット断面積−インシュレータ断面積）はスロット断面積に対し小さくなり、巻線径が細くせざるを得なかった。つまり、インシュレータ２１３の強度を確保するために厚みのあるインシュレータ２１３を巻線２１２と固定子鉄心２１１間に設けることで、巻線抵抗が増加し、モータ効率が悪化していた。図１〜図３の巻線２１２の線径は、例えば、φ０．８ｍｍである。

上記の課題を解決するために、下記のような構成を検討した。図４乃至図６は比較例２を示す図で、図４は電動機３００の横断面図、図５は図４の固定子３１０の一ティース分を示す図、図６は図４の固定子３１０の一ティース分を示す図（（ａ）は横断面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面図）である。

図４に示すように、比較例２の電動機３００（ブラシレスＤＣモータ）は、固定子３１０と、回転子３２０とを備える。

比較例２の固定子３１０が固定子２１０と異なるのは、巻線断面積を大きくするために、絶縁材にＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）フィルムを用いた点である。

図４に示すように、比較例２の固定子３１０も、固定子鉄心３１１と、巻線３１２と、固定子鉄心３１１と巻線３１２とを絶縁するフィルム絶縁３１３とを備える。

固定子鉄心３１１は、固定子鉄心２１１と同様の構成である。即ち、複数個（図４の例は、９個）の分割鉄心であるティースコア３１１ａを環状に形成したものである。ティースコア３１１ａは、所定の形状に打ち抜かれた電磁鋼板を所定枚数、例えばカシメ等により積層して形成される。９個のティースコア３１１ａは、例えば、ジョイントラップ（図示せず）により互いに変形可能に接続されていて、図４の正曲げの状態と逆の状態（逆曲げ）で巻線３１２が施こされる。巻線３１２が施される前に、各ティースコア３１１ａには、フィルム絶縁３１３が組み付けられる。巻線完了後、逆曲げの状態から正曲げの状態に整形し、固定子鉄心３１１を溶接等により接合して固定子３１０が完成する。

図７、図８は比較例２を示す図で、図７は端部インシュレータ３１３−１を施したティースコア３１１ａを示す斜視図、図８は図７と見る角度を変えた端部インシュレータ３１３−１を施したティースコア３１１ａを示す斜視図である。本実施の形態１の固定子３１０の絶縁材は、ティースコア３１１ａの側面部にＰＥＴフィルムで構成されるフィルム絶縁３１３を使用し、ティースコア３１１ａの両端面部には、図７、図８に示す固定子２１０と同様の端部インシュレータ３１３−１を使用する。ＰＥＴフィルムで構成されるフィルム絶縁３１３と端部インシュレータ３１３−１とは、嵌合い（端部インシュレータにＰＥＴフィルムを挟み込む溝を設ける）、接着、溶接等の方法により接合している。

フィルム絶縁３１３を構成するＰＥＴフィルムの厚さｔ１（図５参照）は０．１〜０．２ｍｍ程度であり、インシュレータ２１３の厚さｔ（１ｍｍ程度）に比べると、略１／５〜１／１０程度である。

端部インシュレータ３１３−１は、ティースコア３１１ａとほぼ同一の形状で設計されている。そして、端部インシュレータ３１３−１が、スロット（隣接するティースコア３１１ａ間に形成される空間をスロットという）断面積を覆わないように設計されている。端部インシュレータ３１３−１は、ティースコア３１１ａ端部と嵌め合い、接着、溶接等の方法により接合する。この製造方法では、端部インシュレータ３１３−１はスロット面積には影響しない。このような構成にすることで、スロット内周の絶縁厚さ（フィルム絶縁３１３の厚さｔ１）を薄くでき、巻線断面積を広くすることができた。

図４の固定子３１０の巻線３１２は、図１の固定子２１０と同じ巻数で線径をφ０．９５ｍｍに太くすることができた。固定子２１０の巻線２１２の線径がφ０．８ｍｍであるから、φ０．８ｍｍ→φ０．９５ｍｍ、即ち、線径＋０．１５ｍｍを可能とした。

この際、端部インシュレータ３１３−１の厚さｔ２（図６（ｂ）参照）は、５ｍｍ程度である。そして、端部インシュレータ３１３−１は、角に所定のＲを設けて設計されている。コア端部では巻線３１２を曲げて巻かないといけないため、ある程度のＲが必要であり、薄いフィルム絶縁で構成するのは好ましくない。また、巻線３１２の圧力はティースコア３１１ａ側面よりも幅の狭いコア端部に大きく働くため、端部インシュレータ３１３−１に厚みを持たせた方が良い。この点からも、薄いフィルム絶縁よりも端部インシュレータ３１３−１が好ましい。

図９は比較例１の固定子２１０（ティースコア２１１ａ側面の絶縁をインシュレータ２１３で構成した）と比較例２の固定子３１０（ティースコア３１１ａ側面の絶縁をフィルム絶縁３１３で構成した）との特性を比較した図である。比較例２の固定子３１０は、ティースコア３１１ａ側面の絶縁をフィルム絶縁３１３で構成したことにより、ティースコア側面の絶縁厚さは１ｍｍ→０．２ｍｍ（フィルム絶縁３１３を構成するＰＥＴフィルムの厚さｔ１（図５参照）は０．１〜０．２ｍｍ程度であるが、ここでは０．２ｍｍとする）になる。それに伴い、巻線、モータ特性、浮遊静電容量が以下に示すように変化する。
（１）巻線断面積が４０％増加；
（２）銅損が３０％低減；
（３）モータ効率が１．５％改善；
（４）巻線と固定子鉄心間の浮遊静電容量が、４５０→９００ｐＦに増加。
このように、比較例２の固定子３１０は、ティースコア３１１ａ側面の絶縁をフィルム絶縁３１３で構成したことにより、モータ効率は１．５％改善されるが、巻線と固定子鉄心間の浮遊静電容量が、比較例１に対して約２倍（４５０→９００ｐＦ）に増加する。これにより、次のような漏洩電流の課題が生じた。

漏洩電流は、スロット内の導体（巻線）と固定子鉄心間の浮遊静電容量の存在が原因となって起こる。漏洩電流の原理はコンデンサの原理と同じであり、漏洩電流をｉ、周波数をｆ、静電容量をＣ、電圧をＶとすると、ｉ＝２πｆＣＶの関係が成り立つ。

また、巻線と固定子鉄心の間の静電容量Ｃは、巻線と固定子間の誘電率をε、巻線と固定子の接触面積をＳ、巻線と固定子との距離をｄとすると、Ｃ＝εＳ／ｄの関係が成り立つ。すなわち、薄い絶縁材を用いると巻線と固定子間の距離ｄが縮まり、静電容量Ｃが大きくなり、漏洩電流ｉが流れやすくなる。

また、最近のモータは可変速駆動を行うためインバータ駆動が多く用いられているが、インバータなどのＰＷＭ制御では高周波のスイッチングで電流を生成するため周波数ｆが高く漏洩電流が流れやすい。スイッチングは高周波であるほど、モータ電流の波形生成率が向上するため、電流の高調波成分が低減し、銅損及び高調波鉄損を低減できるというメリットがある。特にスイッチングが高周波化するとインバータのスイッチングロスが増加してしまうが、ＳｉＣ（詳細は後述する）のような通電損失の少ないデバイスを用いる場合は、スイッチングの高周波化のメリットは大きい。それ故に、漏洩電流を低減したいという要求も強い。

本発明は、インバータなどのＰＷＭ制御で可変速駆動するモータに関して、分割して巻線（集中巻）する固定子に関して、ＰＥＴフィルムのような薄い絶縁材を用いることで銅損を低減し、更に、効率を低下させることなく浮遊静電容量を低減し、漏洩電流を抑制できる、性能と信頼性を両立させるモータ（電動機）に関するものである。

図１０乃至図１２は実施の形態１を示す図で、図１０は電動機１００の横断面図、図１１は固定子１１０の横断面図、図１２は図１１の一ティース分を示す図である。図１０乃至図１２を参照しながら、実施の形態１の電動機１００、固定子１１０について説明する。

図１０に示すように、実施の形態１の電動機１００（ブラシレスＤＣモータ）は、固定子１１０と、固定子１１０の内周に配置される回転子１２０とを備える。本実施の形態は、固定子１１０に特徴があるので、固定子１１０について詳細に説明する。回転子１２０は、６極の永久磁石型回転子であり、磁石挿入孔に永久磁石が挿入される埋め込み型永久磁石型回転子である。その他の説明は割愛する。

図１１、図１２に示すように、固定子１１０は、固定子鉄心１１１と、巻線１１２と、固定子鉄心１１１と巻線１１２とを絶縁するフィルム絶縁１１３とを備える。

図１３、図１４は実施の形態１を示す図で、図１３は固定子鉄心１１１の横断面図、図１４は固定子鉄心１１１の斜視図である。

固定子鉄心１１１は、複数個（図１３の例は、９個）の分割鉄心であるティースコア１１１ａ（分割ティース）を環状に形成したものである。ティースコア１１１ａは、所定の形状に打ち抜かれた、例えば、板厚０．３５ｍｍの薄い電磁鋼板を所定枚数、例えばカシメ等により積層して形成される。９個のティースコア１１１ａ（分割ティース）は、例えば、ジョイントラップ（図示せず）により互いに変形可能に接続されていて、図１３の正曲げの状態と逆の状態（逆曲げ）で巻線１１２が施こされる。巻線１１２が施こされる前に、各ティースコア１１１ａ（分割ティース）には、フィルム絶縁１１３が組み付けられる。巻線完了後、逆曲げの状態から正曲げの状態に整形し、固定子鉄心１１１を溶接等により接合して固定子１１０が完成する。

固定子鉄心１１１において、隣接するティースコア１１１ａの間の空間をスロット１１４という。巻線１１２は、各ティースコア１１１ａ（分割ティース）に直接巻かれるが、結果としては、巻線１１２がスロット１１４内に両端に分かれて収納される形になる。また、スロット１１４の間の鉄心部分をティース１１６という。ティース１１６は、ティースコア１１１ａの一部である。固定子鉄心１１１は、９個のスロット１１４と、９個のティース１１６とを有する。さらに、固定子鉄心１１１の外周に形成されるリング状（環状）の鉄心部分をコアバック１１５という。

図１５は実施の形態１を示す図で、ティースコア１１１ａの平面図である。図１５に示すように、各ティース１１６は、スロット１１４のスロット底辺１１４ａがティース側面１１６ａと略直角をなすように構成されている。そして、ティース側面１１６ａと略直角をなすスロット１１４のスロット底辺に、所定の形状（ここでは、断面が長方形）の溝１１４ａ−１を設けている。この点に、本実施の形態は最大の特徴がある。溝１１４ａ−１は、ティースコア１１１ａの全長に亘って形成されている。溝１１４ａ−１の深さ（径方向）は、例えば０．６ｍｍである。また、溝１１４ａ−１を設けた領域は、スロット内周の約３０％である。

図１６は実施の形態１を示す図で、帯状に展開した固定子鉄心１１１の平面図である。図１６に示すように、固定子鉄心１１１は、９個のティースコア１１１ａが、関節部１１１ａ−５（ピンで連結しても良いし、凹凸で連結しても良い）により連結されている。従って、固定子鉄心１１１は、変形自在である。

図１７は実施の形態１を示す図で、固定子鉄心１１１をティース１１６が外側になるように逆曲げして巻線を行う状態を示す平面図である。図１７に示すように、固定子鉄心１１１に巻線１１２を施す場合は、固定子鉄心１１１をティース１１６が外側になるように逆曲げして、ティース１１６間を広げた巻線のしやすい状態で行う。図１７では、一つのティースコア１１１ａに巻線１１２を施す場合を示しているが、実際には連続して全てのティースコア１１１ａに巻線１１２を施すものである。

次に、電動機１００の駆動回路１について説明する。図１８は実施の形態１を示す図で、電動機１００の駆動回路１の回路図である。外部に設けられた商用交流電源２から交流の電力が駆動回路１に供給される。商用交流電源２から供給される交流電圧は、整流回路３で直流電圧に変換される。整流回路３で変換された直流電圧は、インバータ主回路４で可変周波数の交流電圧に変換されて電動機１００に印加される。電動機１００はインバータ主回路４から供給される可変周波数の交流電力により駆動される。尚、整流回路３には商用交流電源２から印加される電圧を昇圧するチョッパー回路や整流した直流電圧を平滑にする平滑コンデンサなどを有する。

インバータ主回路４は３相ブリッジのインバータ回路であり、インバータ主回路４のスイッチング部はインバータ主素子となる６つのＩＧＢＴ６ａ〜６ｆ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）と６つのフライホイルダイオード（ＦＲＤ）としてシリコンカーバイド（ＳｉＣ）を用いたＳｉＣ−ＳＢＤ７ａ〜７ｆ（ショットキーバリアダイオード）を備えている。ＦＲＤであるＳｉＣ−ＳＢＤ７ａ〜７ｆはＩＧＢＴ６ａ〜６ｆが電流をＯＮからＯＦＦする時に生じる逆起電力を抑制する逆電流防止手段である。

尚、ここでは、ＩＧＢＴ６ａ〜６ｆとＳｉＣ−ＳＢＤ７ａ〜７ｆは同一リードフレーム上に各チップが実装されエポキシ樹脂でモールドされてパッケージされたＩＣモジュールとする。ＩＧＢＴ６ａ〜６ｆはシリコンを用いたＩＧＢＴ（Ｓｉ−ＩＧＢＴ）に代えてＳｉＣ、ＧａＮを用いたＩＧＢＴとしてもよく、またＩＧＢＴに代えてＳｉもしくはＳｉＣ、ＧａＮを用いたＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などの他のスイッチング素子を使用してもよい。

整流回路３とインバータ主回路４の間には直列に接続された２つの分圧抵抗８ａ，８ｂが設けられており、この分圧抵抗８ａ，８ｂによる分圧回路にて高圧直流電圧を低圧化した電気信号をサンプリングし保持する直流電圧検出部８が設けられている。

また、電動機１００は固定子１１０と回転子１２０とを備えており、インバータ主回路４から供給される交流電力により回転子１２０が回転する。

電動機１００の端子電圧を検出して、電動機１００の回転子１２０の位置を検出する回転子位置検出部１０が設けられている。回転子位置検出部１０は、電動機１００の端子電圧の電気信号を処理して回転子１２０の位置情報に変換する。

回転子位置検出部１０が検出する回転子１２０の位置情報は出力電圧演算部１１に出力される。この出力電圧演算部１１は、駆動回路１の外部から与えられる目標回転数Ｎの指令若しくは装置の運転条件の情報と回転子１２０の位置情報に基づいて、電動機１００に加えられるべき最適なインバータ主回路４の出力電圧を演算する。出力電圧演算部１１はその演算した出力電圧をＰＷＭ信号生成部１２に出力する。ＰＷＭは、Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎの略語である。

ＰＷＭ信号生成部１２は、出力電圧演算部１１から与えられた出力電圧となるようなＰＷＭ信号をインバータ主回路４のそれぞれのＩＧＢＴ６ａ〜６ｆを駆動する主素子駆動回路４ａに出力し、インバータ主回路４のＩＧＢＴ６ａ〜６ｆはそれぞれ主素子駆動回路４ａによってスイッチングされる。

ここでワイドバンドギャップ半導体について説明する。ワイドバンドギャップ半導体はＳｉよりもバンドギャップが大きい半導体の総称であって、ＳｉＣ−ＳＢＤ７ａ〜７ｆに使用しているＳｉＣはワイドバンドギャップ半導体の一つであり、その他には窒化ガリウム（ＧａＮ）、ダイヤモンドなどがある。さらにワイドバンドギャップ半導体、特にＳｉＣはＳｉに比べて耐熱温度や絶縁破壊強度や熱伝導率が大きい。尚、ここでは、ＳｉＣをインバータ回路のＦＲＤに用いる構成としているが、ＳｉＣに代えてその他のワイドバンドギャップ半導体を用いてもよい。

また、電動機１００は、駆動回路１のインバータ（インバータ主回路４）によるＰＷＭ制御により可変速駆動を行うことにより、要求の製品負荷条件に合わせた高効率な運転を行っている。インバータのスイッチングキャリアは、例えば４．５ｋＨｚで波形生成されており、駆動電圧には運転周波数よりも高いスイッチングによる高周波が含まれている。ＰＷＭ制御による高周波運転時には、スロット１１４内の導体（巻線１１２）と固定子鉄心１１１間の浮遊静電容量の存在が原因となって漏洩電流が流れやすくなる。漏洩電流の原理は、コンデンサの原理と同じであり、漏洩電流をｉ、周波数をｆ、静電容量をＣ、電圧をＶとすると、ｉ＝２πｆＣＶの関係性が成り立つ。

固定子１１０は、図１１のような構成で、薄いＰＥＴフィルムのフィルム絶縁１１３を介し、集中巻（ティース１１６に直巻き）で巻線１１２が巻かれる。ＰＥＴフィルムの厚さは、例えば０．１〜０．２ｍｍ程度である。

また、固定子鉄心１１１の軸方向両端部にも、絶縁材である端部インシュレータ（端部インシュレータ３１３−１（図７、図８）と同じもの）が配置される。

ティースコア１１１ａの側面に配置されたフィルム絶縁１１３（ＰＥＴフィルム）と、ティースコア１１１ａの端部の端部インシュレータは、嵌合、接着、溶接等により隙間ができないように接合される。

固定子１１０の巻線１１２は、フライヤにより、分割されたティースコア１１１ａのティース１１６の側面を沿うように巻線され、一段ずつ整列して俵状に積上げられていく。すなわち、スロット１１４の断面で見ると、巻線１１２の圧力はティース側面１１６ａに加わり、ティース１１６側面と略直角をなすスロット底辺１１４ａには加わらない。

つまり、スロット底辺１１４ａに溝１１４ａ−１を設けても、巻線性に影響なく、整列性を保った高密度な巻線を行うことができる。特に、絶縁に薄いフィルム絶縁１１３（ＰＥＴフィルム）を用いて巻線を行っているので、スロット１１４内に十分な巻線断面積を確保することができ、太い巻線で、抵抗を下げ、銅損を低減して、高効率な電動機１００を構成できる。

この際、通常の固定子鉄心（例えば、比較例１の固定子鉄心２１１、比較例２の固定子鉄心３１１）であれば、固定子鉄心と巻線間の距離が狭くなるため、固定子鉄心と巻線間の浮遊静電容量が大きくなり、漏洩電流が増加するという問題が起きる。

しかし、本実施の形態のように固定子鉄心１１１を構成することで（スロット底辺１１４ａに溝１１４ａ−１を設ける）、スロット底辺１１４ａと巻線１１２間には溝１１４ａ−１による空隙が確保される。それにより、巻線１１２と固定子鉄心１１１の接触面積が低減し、巻線１１２と固定子鉄心１１１間の距離を拡大し、巻線１１２と固定子鉄心１１１間の浮遊静電容量を低減することができる。

集中巻（ティース１１６に直巻き）で巻線１１２の圧力が加わるティース側面１１６ａには溝を設けていないことがポイントである。また、ティース側面１１６ａと略直角をなすスロット底辺１１４ａに溝１１４ａ−１を設けていることが、巻線性を悪化させず、溝１１４ａ−１による空隙を確実に確保するための工夫である。これにより、漏洩電流を低減することができ、信頼性の高い電動機１００を構成することができる。

図１９は実施の形態１を示す図で、従来と本実施の形態の固定子鉄心と巻線間の浮遊静電容量の測定結果を示す図である。本実施の形態の固定子１１０を実際に試作したところ、従来の溝のない固定子（例えば、比較例２の固定子鉄心３１１）に対して、同一の絶縁材、巻線条件の下で、巻線１１２と固定子鉄心１１１間の浮遊静電容量は、９００ｐＦ→７００ｐＦに低減し、約２３％の低減効果を確認することができた。また、巻乱れ等も見られず、占積率の高い巻線性を実現した。また、この浮遊静電容量の低下に比例した圧縮機での漏洩電流低減効果を確認することができた。

固定子鉄心１１１は鉄心として磁路の役割を持つが、固定子鉄心１１１に溝１１４ａ−１を設けると磁路を狭くしてしまい、磁気特性を悪化させてしまう。

磁束は回転子１２０からティース１１６を通り、コアバック１１５で分かれ、またティース１１６を通って回転子１２０に戻る。磁気特性を考える場合、磁束の通りやすさは、磁路の最も狭い部分で決まる。よって、磁束の流入口であるティース１１６の磁路を狭くすることは好ましくなく、ティース側面１１６ａには溝を設けていない。

図２０は実施の形態１を示す図で、ティースコア１１１ａの平面図である。本実施の形態のティースコア１１１ａは、巻線性を考慮してスロット底辺１１４ａをティース側面１１６ａに対して略直角で設けているため、コアバック１１５の磁路は一様ではない。すなわち、ティース分割面（ティースコア１１１ａの分割面）で磁路が最小となるような構成となる。磁束の通りやすさは、磁路の最も狭い部分Ｗｍｉｎで決まるため、最小磁路が狭くならないように（Ｗ≧Ｗｍｉｎ）、コアバック１１５の磁路が広い部分に溝１１４ａ−１を設けることが好ましい。こうすることで、磁気特性を大きく悪化させることなく、巻線１１２と固定子鉄心１１１間の空隙を確保することができ、漏洩電流低減効果のある効率面でも優れた電動機１００を構成することができる。

図２１は実施の形態１を示す図で、変形例１のティースコア１１１ａ−１の平面図である。上述のように、磁束の通りやすさは、磁路の最も狭い部分Ｗｍｉｎで決まるため、Ｗ＝Ｗｍｉｎとしても磁気特性を大きく悪化させることはない。従って、図２１に示すような溝１１４ａ−２が好ましい形状である。溝１１４ａ−２の底辺が、磁路が最小なるティース分割面（ティースコア１１１ａの分割面）の内側の交点を通る円に沿って形成される。溝１１４ａ−２により、巻線１１２と固定子鉄心１１１間の空隙が大きくなり、磁気特性を大きく悪化させることなく、浮遊静電容量を低減することができる。

図２２は従来のスロットに溝のない電動機の磁束線解析結果を示す図、図２３は本実施の形態のスロットに溝を設けた電動機の磁束線解析結果を示す図、図２４は従来のスロットに溝のない電動機と本実施の形態のスロットに溝を設けた電動機との特性を比較した図である。

実際に電磁界解析で、損失の解析を実施したところ、磁束流入量（図２２、図２３参照）に変化はなく、銅損への影響は見られなかった（図２４参照）。鉄損に関しては、部分的に磁束密度が高くなるため増加が見られたが０．９％と微増であり、モータ効率としても影響は０．０３％の低下と非常に小さいことを確認した（図２４参照）。実測のモータ試験においても効率の低下は０．０％と影響のない結果であった。

本実施の形態は、固定子１１０のスロット１１４内の構造（スロット底辺１１４ａに溝１１４ａ−１を設ける）のみで漏洩電流を低減することができ、組立製などの製造面、コスト面でも優れている。

図２５、図２６は実施の形態１を示す図で、図２５は変形例２のティースコア１１１ａ−２の平面図、図２６は変形例２のティースコア１１１ａ−２に巻線１１２を施した状態を示す図である。

変形例２のティースコア１１１ａ−２のように、溝１１４ａ−３を複数に分散することで、フィルム絶縁１１３（ＰＥＴフィルム）、及び、巻線１１２が溝１１４ａ−３に入り込みにくくなり、より確実に巻線１１２と固定子鉄心１１１間の空隙を確保し、浮遊静電容量を低減することができる。つまり、巻線１１２はティース側面１１６ａを押し付けるように巻込むが、巻き上げていくと、積み重なった巻線１１２がスロット底辺１１４ａに崩れ落ちようとする場合があり、その場合、溝１１４ａ−３のピッチが短い方が巻線１１２が入り込みにくく絶縁距離を確保しやすい。図２５は溝１１４ａ−３を二分割にした形状であるが、溝を更に複数に分割しても良い。

図２７、図２８は実施の形態１を示す図で、図２７は変形例３のティースコア１１１ａ−３の平面図、図２８は変形例３のティースコア１１１ａ−３に巻線１１２を施した状態を示す図である。変形例３のティースコア１１１ａ−３は、スロット底辺１１４ａに凹凸形状を設け、凹凸形状の凹部を溝１１４ａ−４としたものである。仮に、巻線１１２が溝１１４ａ−４に入り込んだ場合でも、巻線１１２と固定子鉄心１１１の接触面積は小さくなり、より確実に巻線１１２と固定子鉄心１１１間の空隙を確保し、浮遊静電容量を低減することができる。また、フィルム絶縁１１３（ＰＥＴフィルム）と固定子鉄心１１１の接触面積と言う点でも、両者の接触部がスロット１１４内周に向けて凸になっている形状が接触面積を低減できて好ましい。

図２９乃至図３１は実施の形態１を示す図で、図２９は変形例４の固定子鉄心４１１の斜視図、図３０は変形例４の固定子鉄心４１１を構成する分割ティースであるティースコア４１１ａの斜視図、図３１はティースコア４１１ａを構成する第１のティースコア板４１１ａ−１及び第２のティースコア板４１１ａ−２の平面図（（ａ）は第１のティースコア板４１１ａ−１、（ｂ）は第２のティースコア板４１１ａ−２）である。

スロットの底辺の溝は、コアバックの形状の異なる二つのティースコアを積層することでも、固定子鉄心の軸方向に溝を形成することができる。

図２９に示す変形例４の固定子鉄心４１１は、図３０に示す分割ティースであるティースコア４１１ａを９個組み合わせて形成される。固定子鉄心４１１は、９個のティースコア４１１ａの間に９個のスロット４１４が形成される。また、９個のスロット４１４の間に、径方向に放射状に延びてティース４１６が形成される。ティース４１６は、ティースコア４１１ａの一部である。また、ティース４１６の外側側の端部に連結するリング状（環状）のコアバック４１５が形成される。

ティースコア４１１ａは、例えば、図３０に示すように、第１のティースコア板４１１ａ−１、第２のティースコア板４１１ａ−２が、交互に積層される。第１のティースコア板４１１ａ−１のコアバックの長さＡは、第２のティースコア板４１１ａ−２のコアバックの長さＢよりも、０．６ｍｍ程度長い（図３１参照）。そのため、第１のティースコア板４１１ａ−１の間に溝４１４ａ−１（図３０参照）が形成される。

変形例４の固定子鉄心４１１でも、ティースの幅は両者（第１のティースコア板４１１ａ−１、第２のティースコア板４１１ａ−２）で統一している（図３１のＣ寸法）。従って、溝４１４ａ−１（図３０参照）は、コアバック４１５のスロット４１４の底辺に設けるようにしている。その理由は、既に固定子鉄心１１１の説明で述べたとおりである。ＰＥＴフィルム、端部インシュレータの構成は、固定子１１０と同様である。変形例４も、固定子１１０と同様の浮遊静電容量低減効果が確認され、漏洩電流低減効果がある。

本実施の形態は、インバータなどのＰＷＭ制御における高周波運転の電動機（モータ）において漏洩電流を低減できる。

図３２は実施の形態１を示す図で、インバータ駆動時の電流波形を示す図である。図３２は、電動機１００を駆動回路１で駆動したときの電流波形の一例である。漏洩電流はインバータのスイッチング周波数が高いほど流れやすいため、ＳｉＣのようなデバイスで高速スイッチングするモータ、特にインバータキャリアが４ｋＨｚ以上で駆動するモータの漏洩電流対策としても効果的である。

本実施の形態の電動機を圧縮機のような冷媒中で使用する場合、特にＲ３２冷媒などは誘電率が大きいため、より効果的な漏洩電流対策となる。

本発明の活用例として、空調機用圧縮機に用いられるモータにおいて、絶縁材を薄くすることが可能となり、銅損を低減し、高効率なモータを提供できる。さらに、圧縮機の誘電率の高い冷媒中（Ｒ３２）での漏洩電流対策として有効であり、また、ＳｉＣのような高周波スイッチングを行うインバータ駆動における漏洩電流対策としても有効であり、冷媒やインバータ用途の多様化も可能となる。

１ 駆動回路、２ 商用交流電源、３ 整流回路、４ インバータ主回路、４ａ 主素子駆動回路、６ａ〜６ｆ ＩＧＢＴ、７ａ〜７ｆ ＳｉＣ−ＳＢＤ、８ａ 分圧抵抗、８ｂ 分圧抵抗、１０ 回転子位置検出部、１１ 出力電圧演算部、１２ ＰＷＭ信号生成部、１００ 電動機、１１０ 固定子、１１１ 固定子鉄心、１１１ａ ティースコア、１１１ａ−１ ティースコア、１１１ａ−２ ティースコア、１１１ａ−３ ティースコア、１１１ａ−５ 関節部、１１２ 巻線、１１３ フィルム絶縁、１１４ スロット、１１４ａ スロット底辺、１１４ａ−１ 溝、１１４ａ−２ 溝、１１４ａ−３ 溝、１１５ コアバック、１１６ ティース、１１６ａ ティース側面、１２０ 回転子、２００ 電動機、２１０ 固定子、２１１ 固定子鉄心、２１１ａ ティースコア、２１２ 巻線、２１３ インシュレータ、２１３ａ インシュレータ、２１３ｂ インシュレータ、２２０ 回転子、３００ 電動機、３１０ 固定子、３１１ 固定子鉄心、３１１ａ ティースコア、３１２ 巻線、３１３ フィルム絶縁、３１３−１ 端部インシュレータ、３２０ 回転子、４１１ 固定子鉄心、４１１ａ ティースコア、４１１ａ−１ 第１のティースコア板、４１１ａ−２ 第２のティースコア板、４１４ スロット、４１５ コアバック、４１６ ティース。

Claims (9)

1. インバータなどのＰＷＭ制御で可変速駆動される電動機の固定子において、
   前記電動機の固定子は、
   複数の分割ティースで構成され、前記分割ティース間にスロットが形成される固定子鉄心と、
   前記分割ティースのティースに集中巻方式で巻回される巻線と、
   前記巻線と前記スロット内周との間を絶縁するフィルム絶縁と、
   前記スロットの底辺に形成される所定の形状の溝と、を備えたことを特徴とする電動機の固定子。
2. 前記分割ティースの軸方向両端部を絶縁する端部インシュレータを備えたことを特徴とする請求項１記載の電動機の固定子。
3. 前記フィルム絶縁と前記端部インシュレータとは、隙間ができないように接合されることを特徴とする請求項２記載の電動機の固定子。
4. 前記溝を複数に分割したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の電動機の固定子。
5. 前記スロットの底辺に凹凸形状を設け、前記溝を前記凹凸形状の凹部で形成したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の電動機の固定子。
6. 前記固定子鉄心は前記スロットの周囲に環状のコアバックを備え、前記スロットの底辺に前記溝を設ける場合、前記コアバックの磁路幅Ｗが、前記コアバックの最短磁路Ｗｍｉｎよりも狭くならないように構成することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の電動機の固定子。
7. 前記固定子鉄心は前記スロットの周囲に環状のコアバックを備え、前記コアバックの径方向の長さが異なる二種類の電磁鋼板を積層することで、前記溝が形成されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の電動機の固定子。
8. インバータ主回路のスイッチング部にＳｉＣ（シリコンカーバイド）を用いるデバイスを使用する駆動回路により駆動される電動機に適用されることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の電動機の固定子。
9. 空調用圧縮機に搭載され、誘電率の高い冷媒（Ｒ３２）中で駆動される電動機に適用されることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の電動機の固定子。

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