JP5652359B2

JP5652359B2 - 電動圧縮機

Info

Publication number: JP5652359B2
Application number: JP2011198075A
Authority: JP
Inventors: 博史深作; 祥三浜名
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2011-09-12
Filing date: 2011-09-12
Publication date: 2015-01-14
Anticipated expiration: 2031-09-12
Also published as: EP2568580A2; JP2013060822A; CN102996453B; EP2568580A3; CN102996453A; US9212661B2; US20130064697A1

Description

本願発明は、電動圧縮機、特にステータに巻き付けられたコイルの漏洩電流の抑制と冷却に関する。

電動圧縮機はハウジングの内部に圧縮機構及び圧縮機構を駆動する電動モータを収容した構成を有し、車両用空調装置の冷媒回路の一部として車両に搭載されている。一般に車両では、車両に搭載された電気機器及び制御機器等への電動圧縮機の漏洩電流による影響を小さくする必要がある。

一方、電動圧縮機では、圧縮機の運転が停止されると、冷媒回路中の液化した冷媒や潤滑油の混合体（以下、液冷媒とする）が電動圧縮機の吸入ポートを通してハウジング内部に貯留され易い。電動モータのステータに巻き付けられたコイルは、液冷媒の貯留量の増加に伴い液冷媒中に浸漬される。コイルが液冷媒に浸漬された状態では、液冷媒の誘電率によりコイルとステータ及びステータを固定したハウジングとの間で絶縁性が低下し、ステータやステータを固定したハウジングに流れる漏洩電流が大きくなる。このため、電動圧縮機では、電動圧縮機の停止時における液冷媒の貯留時においても漏洩電流を抑制することが要求される。漏洩電流を抑制する手段としては、一般的に、絶縁性の高い潤滑油（例えばＰＯＥ系オイル）と冷媒との組み合わせで使用することにより、漏洩電流を抑制することができる。しかし、絶縁性の高い潤滑油を使用したとしても、電動圧縮機内に絶縁性の低い物質が混入すると漏洩電流を抑制することができない。また、圧縮機の仕様によっては、絶縁性の高くない潤滑油（例えばＰＡＧ系オイル）を使用する場合もあり、この場合、漏洩電流を抑制することができない。

例えば、特許文献１には、電動圧縮機における漏洩電流の抑制を目的とした発明が開示されている。特許文献１によると、電動機部（電動モータに相当）に電圧がかかっている状態において、電動機部に付着した冷凍機油（潤滑油に相当）を介して漏洩電流が発生する。即ち、冷凍機油中の冷媒溶解率が大きくなると冷凍機油中に比誘電率の大きい冷媒の溶け込み量が増加するため、大きな漏洩電流が生じる。

漏洩電流の抑制手段としては、２つの方法が開示されている。１つは、固定子鉄心（ステータに相当）と巻線（コイルに相当）との間の絶縁物を、固定子鉄心のティース部及び／又は巻線のコイルエンド部を包み込むように樹脂モールド成形により形成する方法である。他の１つは、絶縁物を、巻線の全体を包み込むように樹脂モールド成形により形成する方法である。従って、特許文献１は、絶縁物を樹脂モールド成形により形成することにより、ティース部及びコイルエンド部に冷凍機油が付着しても、樹脂モールド成形により絶縁性が向上しているため、漏洩電流を小さくすることができる。

特開２００２−２２７７６７号公報

電動圧縮機の運転中、ステータに巻き付けられたコイルは発熱するため、コイル自体が劣化する、あるいは電動圧縮機のハウジング外周に設置された電動モータの電源供給部や制御部が伝熱により熱影響を受ける等の恐れがある。このため、電動モータのステータ及びコイルは、電動圧縮機のハウジング内に収容される構成を利用し、ハウジング内を循環する冷媒によって冷却されている。しかし、特許文献１の発明は、冷媒の溶け込んだ冷凍機油との接触による漏洩電流の発生を抑制するため、コイルエンド部あるいはコイル全体を包み込むように樹脂モールド成形し、絶縁する構成とした。このため、特許文献１に開示された電動圧縮機のコイルは、循環する冷媒から完全に隔絶された構成となり、コイルの発熱による影響を防止できない問題がある。

本願発明は、ステータに巻き付けられたコイルにおける漏洩電流の抑制と冷却の双方を可能にした電動圧縮機を提供する。

請求項１は、ハウジングの内部に圧縮機構及び電動モータが収容され、前記電動モータが収容されたハウジングの内部を冷媒が流通し、前記電動モータは回転軸に固定されたロータと前記ハウジングに固定されたステータと該ステータに巻き付けられたコイルとを備え、前記圧縮機構は前記ロータの回転軸に連結して駆動される電動圧縮機において、前記コイルのうち、前記ステータの両端面に突出するコイルエンドを樹脂により被覆した樹脂モールドを有し、前記樹脂モールドの一部に開口部を設け、前記開口部を通して前記コイルエンドの一部を前記ハウジングの内部に露出させ、前記開口部は、前記電動圧縮機の設置状態における重力方向から見て、上側に設けられていることを特徴とする。

請求項１によれば、コイルエンドを樹脂により被覆した樹脂モールドにより、電動圧縮機の停止時にハウジング内に貯留される液冷媒とコイルエンドとの接触によるコイルとステータ及びステータを固定するハウジングとの間の絶縁性の低下を抑制し、漏洩電流を抑制することができる。また、電動圧縮機の運転中にハウジング内を循環する冷媒とコイルエンドとを樹脂モールドの開口部を介して接触させることにより、コイルを冷却することが可能である。また、設置された電動圧縮機のコイルエンドは、下側に存在する部分が停止時にハウジング内に貯留される液冷媒に浸漬され、上側に存在する部分と液冷媒との接触が少ないため、漏洩電流抑制機能と冷却機能とをバランスよく行わせることができる。

請求項２は、前記電動圧縮機は横置き型であることを特徴とする。請求項２によれば、車載用として多用されている横置き型の電動圧縮機では、ステータの両端部のコイルエンドは停止時にハウジング内に貯留される液冷媒に浸漬されるが、樹脂モールドにより液冷媒との接触を防止され、コイルとステータ及びステータを固定するハウジングとの間の絶縁性の低下による漏洩電流を確実に抑制することができる。

請求項３は、前記ステータに巻き付けられたコイルは分布巻きされた三相のコイルで構成され、前記開口部は前記上側に位置する少なくとも一相のコイルの一部と対応する位置に設けられていることを特徴とする。請求項３によれば、分布巻きでは、ステータに巻き付けられたコイル束が隣接するコイル束と密着している。このため、コイル束間の熱伝導が高く、一相のコイルの一部を冷却するだけで、樹脂モールドの開口部に対応していない一相の他の部分及び他の相のコイルを十分に冷却することが可能である。

請求項４は、前記分布巻きは波巻きであり、前記開口部は前記三相の各コイルの一部と対応する位置に設けられていることを特徴とする。請求項４によれば、波巻きでは三相の各コイルは連続した状態でステータに巻き付けられているため、各相の一部を冷却すれば高い熱伝導により樹脂モールドの開口部を有しない位置のコイルを十分に冷却することができる。

本願発明は、電動圧縮機において、ステータに巻き付けられたコイルの漏洩電流の抑制と冷却の双方を可能にすることができる。

第１の実施形態を示す電動圧縮機の縦断面図である。図１のステータの拡大断面図である。ステータの側面図である。液冷媒の滞留時の電動モータを示す部分断面図である。第２の実施形態を示すもので、（ａ）はステータの断面図、（ｂ）はステータの略左側面図である。参考例１を示すもので、（ａ）はステータの断面図、（ｂ）はステータの略左側面図である。参考例２を示すステータの略左側面図である。

（第１の実施形態）
本願発明の第１の実施形態を図１〜図４に基づいて説明する。図１は横置き型にて設置したスクロール式の車載用電動圧縮機（以下、単に電動圧縮機とする）の例を示したもので、電動圧縮機の概要を以下に説明する。なお、横置き型とは、以下に記載される回転軸８が水平となるように電動圧縮機を車両に設置する形態を指す。また、回転軸８が垂直方向となるように設置する形態は縦置き型と呼称する。電動圧縮機は、フロント側のハウジング１とリア側のハウジング２とを複数のボルト３により固定した密閉状のハウジングを有する。ハウジング１、２は共にアルミニウム又はアルミニウム合金等の金属性材料により形成されている。ハウジング２には、吸入ポート４が形成され、また、ハウジング１には、吐出ポート５が形成され、吸入ポート４及び吐出ポート５はそれぞれ図示しない外部冷媒回路と接続されている。従って、ハウジング内は、吸入ポート４から吐出ポート５に向けて冷媒が流通する。

ハウジング１、２の内部２Ａには、スクロール式の圧縮機構６及び圧縮機構６を駆動する電動モータ７が収容されている。電動モータ７は、三相交流モータで構成され、ハウジング２に軸受を介して回転可能に保持された回転軸８と回転軸８に固定されたロータ９とロータ９の外周に配置され、ハウジング２の内壁に固定されたステータ１０とを有する。ロータ９は複数の磁性体からなる薄い鋼板を積層した積層鋼板により構成されるロータコア１１と複数の永久磁石１２とにより構成される。また、ステータ１０は円筒状のステータコア１３とステータコア１３の内周に形成された複数のスロット１４に絶縁紙（図示せず）を介して巻き付けられた三相のコイル１５を有する。

圧縮機構６は、主要素として、ハウジング１、２の内壁に固定された固定スクロール１６と、これに対向配置された可動スクロール１７とにより構成されている。固定スクロール１６と可動スクロール１７との間には、冷媒を圧縮するための容積可変の圧縮室１８が形成されている。可動スクロール１７は、軸受及び偏心ブッシュ１９を介して回転軸８の偏心ピン２０に連結されることにより、回転軸８の回転に応じて公転運動し、圧縮室１８の容積を変化させるよう構成されている。

ハウジング２の背面側の端面２Ｂには、インバータ収容室２１を形成するインバータハウジング２２が接合され、固定されている。インバータ収容室２１内では、ハウジング２の端面２Ｂに電動モータ７を駆動するためのインバータ２３及び気密端子２４が取り付けられている。気密端子２４は、インバータ収容室２１内で、コネクタ２５を介してインバータ２３と電気的に接続される。また、気密端子２４は、端子ピン２８及びハウジング２の内部２Ａでステータ１０の外周部１０Ａに取り付けられたクラスタブロック２６を介してステータ１０のコイル１５から引き出されているリード線２７と電気的に接続される。

なお、電動圧縮機は、三相交流電力がインバータ２３から気密端子２４及びリード線２７を介して電動モータ７のコイル１５に通電されると、ロータ９が回転され、回転軸８によって圧縮機構６が作動される。

電動モータ７のステータ１０について、図２及び図３を参照して詳細に説明する。図３に示すように、ステータコア１３の内周には、ロータ９の極数（例えば、６極）に対応して、１８個のスロット１４が等分布に形成され、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相からなる三相のコイル１５が分布巻きの一種である波巻きによりステータ１０に巻き付けられている。従って、各相のコイル１５はステータコア１３の両側の端面１３Ａ、１３Ｂに突出したコイルエンド１５Ａを有する。なお、図３では、説明上、三相のコイルエンド１５Ａが相互に空間を空けて配置された状態で示されているが、実際には、三相のコイルエンド１５Ａは整形された状態で、相互に密着し、環状に突出した形態である。

図３に示すステータコア１３の一方の端面１３Ａに突出した三相のコイルエンド１５Ａからは、それぞれ２本の引き出し線Ａ１、Ａ２、Ｂ１、Ｂ２及びＣ１、Ｃ２が引き出されている。各引き出し線Ａ１、Ｂ１及びＣ１は、中性点２９用の引き出し線として使用され、３本を結んで、ステータ１０の外周部１０Ａに留められている。また、各引き出し線Ａ２、Ｂ２及びＣ２は、インバータ２３及び気密端子２４等の駆動回路に接続するためのリード線２７として使用され、それぞれリード線２７の端部をステータ１０の外周部１０Ａに取り付けられたクラスタブロック２６に装着されている。

ステータコア１３の端面１３Ａ側及び端面１３Ｂ側に突出するコイルエンド１５Ａには、図２に示すように、樹脂により被覆された樹脂モールド３０が形成されている。樹脂モールド３０は端面１３Ａ及び端面１３Ｂと密着する状態で形成され、コイルエンド１５Ａを密閉している。また、樹脂モールド３０は、電動圧縮機の設置状態における重力方向から見て、上側に位置するコイルエンド１５Ａの一部が開放されるように、開口部３１を有する。

樹脂モールド３０の開口部３１は、図３に示すように、上側に位置するＵ相、Ｖ相及びＷ相の各コイルエンド１５Ａの一部と対応する位置に設けられ、各コイルエンド１５Ａの一部がハウジング２の内部２Ａに露出するように構成されている。また、例えば、引き出し線Ｃ２のように、樹脂により被覆される箇所では、引き出し線Ｃ２が被覆されないように配置して、コイルエンド１５Ａの樹脂モールド３０を形成している。なお、樹脂モールド３０に使用する樹脂としては、エポキシ系、フェノール系、不飽和ポリエステル系、ポリイミド系などの樹脂が用いられる。

以上のように構成された第１の実施形態は以下の作用及び効果を有する。
電動圧縮機の運転が停止されると、ハウジング１、２内に残留する冷媒や潤滑油の混合体である液冷媒３２及び吸入ポート４から流入する液冷媒３２が、図４に示すように、ハウジング１、２の内部２Ａの下側に貯留される。液冷媒３２の貯留量は電動圧縮機の停止時間の経過に伴い増量する傾向にある。このため、ステータ１０の下側に位置するコイルエンド１５Ａが液冷媒３２中に浸漬される。

しかし、コイルエンド１５Ａは大部分が樹脂モールド３０の樹脂により被覆されているため、液冷媒３２との接触を遮断され、コイル１５とステータ１０及びステータ１０を固定するハウジング２との間の絶縁性の低下に起因する漏洩電流を確実に抑制することができる。なお、液冷媒３２の貯留量はハウジング１、２の内部２Ａの上側にまでは達しないため、樹脂モールド３０の開口部３１を通して内部２Ａに露出しているコイルエンド１５Ａが液冷媒３２に浸漬される恐れはない。

一方、電動圧縮機の運転が再開されると、コイル１５の発熱が生じるが、上側に位置する樹脂モールド３０の開口部３１を通して露出するコイルエンド１５Ａが吸入ポート４から流入し、圧縮機構６側へ流れる冷媒に晒され、冷却される。冷媒に晒されるコイルエンド１５Ａはコイルエンド１５Ａの一部であるが、各コイル１５は波巻きによりステータ１０に巻き付けられているため、樹脂モールド３０の樹脂により被覆されているコイルエンド１５Ａも熱伝導により冷却される。さらに、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各コイルエンド１５Ａの少なくとも一部が冷媒に晒されるようになっており、３相とも冷却される。従って、コイル１５は、従来と同様に、十分な冷却効果を得ることができ、コイル１５の発熱による影響を確実に防止することができる。

（第２の実施形態）
図５は第２の実施形態を示したもので、第１の実施形態と同一の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。第２の実施形態は、回転軸８の回転中心を通る水平面Ｘよりも下側に位置するステータコア１３及びコイルエンド１５Ａを全て樹脂モールド３３により被覆した構成を有する。従って、水平面Ｘよりも重力方向の上側には樹脂モールド３３の開口部３４が形成され、上側に位置する三相のコイル１５のコイルエンド１５Ａは開口部３４を通してハウジング１、２の内部２Ａに露出される。なお、ステータコア１３に樹脂モールド３３を形成したステータ１０は、ねじ止め等の手段によりハウジング２の内周壁に取り付けることができる。

第２の実施形態は、下側のコイルエンド１５Ａが電動圧縮機の停止中にハウジング１、２の内部２Ａに貯留される液冷媒３２に浸漬しても、樹脂モールド３３により液冷媒３２との接触を防止される。また、電動圧縮機の運転中、樹脂モールド３３の開口部３４から露出する上側のコイルエンド１５Ａは、吸入ポート４から圧縮機構６側へ流れる冷媒に十分に晒される。従って、第２の実施形態は第１の実施形態と同等の作用効果を得ることができる。また、第２の実施形態では、下側のステータ１０及びコイルエンド１５Ａの全てが樹脂モールド３３の樹脂により被覆されるため、下側に位置するコイル１５全体のカバーが可能となり、液冷媒３２との接触をより確実に防止することができる。

（参考例１）
図６は参考例１を示したもので、第１の実施形態と同一の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。参考例１は、ステータコア１３及びコイルエンド１５Ａの全体を樹脂モールド３５により被覆した構成を有する。また、樹脂モールド３５の開口部３６は円形状に形成され、ステータコア１３の両端面１３Ａ、１３Ｂ側において、回転軸８の回転中心を通る水平面Ｘよりも上側に位置するコイルエンド１５Ａと対応する位置に複数設けている。なお、ステータコア１３全体に樹脂モールド３５を形成したステータ１０は、第２の実施形態に示したねじ止めの外、接着剤等の手段によりハウジング２の内周壁に取り付けることができる。

参考例１は、第２の実施形態と同様に、水平面Ｘよりも下側に位置するステータコア１３及びコイルエンド１５Ａが樹脂モールド３５の樹脂により被覆されているので、電動圧縮機の停止中に貯留される液冷媒３２と接触することがない。また、電動圧縮機の運転中は、樹脂モールド３５の開口部３６を通して内部２Ａに露出する上側のコイルエンド１５Ａが、冷媒に十分に晒される。従って、参考例１は、第１の実施形態及び第２の実施形態と同等の作用効果を得ることができる。

また、参考例１では、開口部３６を回転軸８の回転中心を通る水平面Ｘよりも上側に設けた構成を示したが、上側の開口部３６に加えて、図６（ｂ）に仮想線にて示すように、下側にも開口部３７を複数設けることが可能である。この場合、下側に設けた開口部３７の一部は貯留された液冷媒３２に浸漬する可能性があるが、液冷媒３２と接するコイルエンド１５Ａの面積はコイルエンド１５Ａ全体に比して小さいため、コイルとステータ及びステータを固定するハウジングとの間の絶縁性の低下を抑制する効果が大きい。逆に、電動圧縮機の運転中におけるコイルエンド１５Ａと冷媒との接触面積が参考例１よりも大きくなるため、コイル１５のより大きな冷却効果を期待することができる。

（参考例２）
図７は参考例２を示したもので、参考例１と同一の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。参考例２は、コイル１５の巻線の方法を、コイルエンド１５Ｂが相互に密着しない集中巻きとしている。また、樹脂モールド３５の開口部３８は集中巻きされた複数相のコイル１５のコイルエンド１５Ｂと対応する位置、つまり各スロット１４間に対応する位置に設けられており、コイルエンド１５Ｂの数と同数の開口部３８が設けられている。従って、漏洩電流を低減するとともに、コイル１５を確実に冷却することができる。

本願発明は、前記した実施形態の構成に限定されるものではなく、本願発明の趣旨の範囲内で種々の変更が可能であり、次のような、他の実施形態で実施することができる。

（１）第１の実施形態において、樹脂モールド３０の開口部３１はＵ相、Ｖ相、Ｗ相からなる三相のコイル１５の内、一相のコイル１５のコイルエンド１５Ａに対応する位置にのみ設ける構成としても良い。この場合、一相のコイルエンド１５Ａのみが冷媒に晒されて冷却されるが、三相の各コイルエンド１５Ａは相互に密着し、また波巻きにより巻き付けられているため、熱伝導により三相のコイル１５は十分な冷却効果を得ることができる。

（２）第２の実施形態では、樹脂モールド３３の樹脂がステータコア１３及びコイルエンド１５Ａを被覆する構成で示したが、第１の実施形態のように、樹脂モールド３３の樹脂がコイルエンド１５Ａのみを被覆する構成で実施しても良い。

（３）コイル１５の巻線の方法は、第１の実施形態に示した波巻きに限らず、分布巻きの一種である同心巻きにしても良い。同心巻きの場合でも、ステータコア１３のスロット１４に巻きつけられたコイルのコイルエンドは相互に密着しているため、コイル間の熱伝導性が良く、第１、第２の実施形態と同様にコイルの十分な冷却効果を得ることができる。

（４）インバータ２３は、ハウジング２の端面２Ｂに設ける構成に限らず、ハウジング２の外周面上に設けるように構成しても良い。また、この場合に、クラスタブロック２６はステータ１０の外周部１０Ａに取り付けた構成にしても、ステータ１０から分離してハウジング２の内部２Ａに自由状態で配置する構成にしても良い。
（５）前記実施形態における電動モータ７は、外側に配置したステータ１０にロータ９を嵌合するインナーロータの構成を示したが、外側に配置したロータにステータを嵌合するアウターロータの構成であっても、本願発明を実施することができる。
（６）前記実施形態の電動モータ７は、ロータ９の極数を６極、ステータ１０のスロット数を１８スロットの例を示したが、それ以外の極数、スロット数でもよく、例えばロータの極数を４極、ステータのスロット数を１２スロットで構成した電動モータで実施しても良い。

（７）前記実施形態では、電動モータ７が吸入ポート４側に配置され、吸入冷媒雰囲気下にあるよう構成したが、電動モータ７は吐出ポート５側に配置され、吐出冷媒雰囲気下にあるように構成しても良い。
（８）前記実施形態では、スクロール式電動圧縮機に実施した例を示したが、電動圧縮機はベーン式、スクリュー式等の他の回転式圧縮機やスワッシュ式、ワッブル式等の往復式圧縮機に電動モータを内蔵した電動圧縮機において本願発明を実施することができる。
（９）前記した各実施形態は縦置き方の車載用電動圧縮機においても実施することができ
る。

（１０）前記実施形態では、車載用電動圧縮機において実施した例を示したが、車載用に限定されず、家庭用、工場用等の電動圧縮機においても実施することができる。

１、２ハウジング
２Ａハウジングの内部
４吸入ポート
５吐出ポート
６圧縮機構
７電動モータ
９ロータ
１０ステータ
１３ステータコア
１３Ａ、１３Ｂ端面
１５コイル
１５Ａ、１５Ｂコイルエンド
１６固定スクロール
１７可動スクロール
２３インバータ
３０、３３、３５樹脂モールド
３１、３４、３６、３７、３８開口部
３２液冷媒
Ａ１、Ａ２、Ｂ１、Ｂ２、Ｃ１、Ｃ２引き出し線
Ｘ水平面

Claims

ハウジングの内部に圧縮機構及び電動モータが収容され、前記電動モータが収容されたハウジングの内部を冷媒が流通し、前記電動モータは回転軸に固定されたロータと前記ハウジングに固定されたステータと該ステータに巻き付けられたコイルとを備え、前記圧縮機構は前記ロータの回転軸に連結して駆動される電動圧縮機において、
前記コイルのうち、前記ステータの両端面に突出するコイルエンドを樹脂により被覆した樹脂モールドを有し、前記樹脂モールドの一部に開口部を設け、前記開口部を通して前記コイルエンドの一部を前記ハウジングの内部に露出させ、前記開口部は、前記電動圧縮機の設置状態における重力方向から見て、上側に設けられていることを特徴とする電動圧縮機。
前記電動圧縮機は横置き型であることを特徴とする請求項１に記載の電動圧縮機。
前記ステータに巻き付けられたコイルは分布巻きされた三相のコイルで構成され、前記開口部は前記上側に位置する少なくとも一相のコイルの一部と対応する位置に設けられていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電動圧縮機。
前記分布巻きは波巻きであり、前記開口部は前記三相の各コイルの一部と対応する位置に設けられていることを特徴とする請求項３に記載の電動圧縮機。