JPWO2018216168A1 - 電動機、圧縮機および空気調和装置 - Google Patents

Abstract

電動機は、圧縮機に用いられる。当該電動機は、軸線を中心とする周方向に延在するヨーク部と、ヨーク部から軸線に向かって延在し、周方向に配列された複数のティースとを有するステータコアと、ステータコアの複数のティースに波巻で巻かれた巻線とを備えたステータと、軸線を中心とする径方向においてステータの内側に配置された極数Ｐのロータとを備える。複数のティースの数をＳで表すと、Ｓ／Ｐ≧６が成立する。ヨーク部は、冷媒を軸線の方向に流通させる冷媒通路を有する。

Description

本発明は、電動機、圧縮機および空気調和装置に関する。

電動機におけるステータの巻線の巻き方には、集中巻と分布巻とがある。空気調和装置等に用いられる電動機では、集中巻よりも騒音および振動の抑制に有利な分布巻が多く用いられる。

分布巻の中では同心巻が多く用いられるが、特許文献１および特許文献２には、同心巻よりもコイルエンド部を小さく構成できる波巻を用いたものが開示されている。

特開２０１５−１３６１９５号公報（図３参照） 特開２０１５−１２６６２８号公報（図１〜図３参照）

一方、電動機が圧縮機に用いられる場合には、振動および騒音を抑制するだけでなく、電動機の内部に冷媒の通路を設け、電動機の運転時に冷媒の十分な流量を確保する必要がある。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、振動および騒音を抑制すると共に、電動機の運転時の冷媒の流量を増加させることを目的とする。

本発明の電動機は、圧縮機に用いられる電動機であって、軸線を中心とする周方向に延在するヨーク部と、ヨーク部から軸線に向かって延在し、周方向に配列された複数のティースとを有するステータコアと、ステータコアの複数のティースに波巻で巻かれた巻線とを備えたステータと、軸線を中心とする径方向においてステータの内側に配置された極数Ｐのロータとを備える。複数のティースの数をＳで表すと、Ｓ／Ｐ≧６が成立する。ヨーク部は、冷媒を軸線の方向に流通させる冷媒通路を有する。

本発明では、ティースの数Ｓと極数ＰとがＳ／Ｐ≧６を満足するため、巻線に生じる誘起電圧の高調波を低減し、振動および騒音を抑制することができる。また、巻線がティースに波巻で巻かれるため、巻線の径方向外側への張り出しが少ない。そのため、ヨーク部に設けられた冷媒通路を通過する冷媒の流れが巻線によって妨げられず、冷媒の流量を増加させることができる。

実施の形態１の電動機を示す断面図である。 実施の形態１の巻線を巻き付けていない電動機を示す斜視図である。 実施の形態１の巻線を巻き付けた電動機を示す斜視図である。 実施の形態１の電動機の各部の寸法を説明するための模式図（Ａ）およびティースの周囲を拡大して示す模式図（Ｂ）である。 実施の形態１のティースおよびヨーク内の磁束の流れを示す模式図（Ａ）およびティースの周囲を拡大して示す模式図（Ｂ）である。 実施の形態１の巻線を示す斜視図である。 実施の形態１の巻線の一部を拡大して示す模式図である。 実施の形態１の巻線の１本の巻線部分を示す斜視図である。 実施の形態１の巻線の２本の巻線部分を示す斜視図である。 実施の形態１のステータの同一スロットに挿入される巻線部分を示す斜視図である。 比較例の電動機を示す断面図である。 スロット数Ｓと極数Ｐとの比Ｓ／Ｐと、基本波の巻線係数との関係を示すグラフである。 Ｓ／Ｐと、３次の巻線係数との関係を示すグラフである。 Ｓ／Ｐと、５次の巻線係数との関係を示すグラフである。 Ｓ／Ｐと、ティースの先端部の幅と根元部の幅との比Ｗ１／Ｗ２との関係を示すグラフである。 Ｓ／Ｐと、ティース幅とスロット幅との比との関係を示すグラフである。 実施の形態１と比較例とで銅損を比較して示すグラフである。 実施の形態１の変形例の電動機を示す断面図（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）および（Ｄ）である。 実施の形態１の電動機を適用した圧縮機を示す縦断面図である。 図１９の圧縮機を備えた空気調和装置を示す図である。

実施の形態１．
＜電動機の構成＞
図１は、実施の形態１の電動機１００を示す断面図である。この電動機１００は、ブラシレスＤＣモータであり、後述する圧縮機５００（図１９）に用いられる。また、この電動機１００は、ロータ３に永久磁石３２を埋め込んだ永久磁石埋込型の電動機である。

電動機１００は、ステータ１と、ステータ１の内側に回転可能に設けられたロータ３とを有する。ステータ１とロータ３との間には、エアギャップが設けられている。また、ステータ１は、圧縮機５００の円筒状のシェル４に組み込まれている。

ロータ３は、円筒状のロータコア３０と、ロータコア３０に取り付けられた永久磁石３２とを有する。ロータコア３０は、例えば厚さ０．１〜０．７ｍｍの電磁鋼板を回転軸の方向に積層し、カシメ等により固定したものである。ロータコア３０の径方向の中心には、円形のシャフト孔３４が形成されている。シャフト孔には、回転軸であるシャフト３５が圧入によって固定されている。シャフト３５の中心軸である軸線Ｃ１は、ロータ３の回転軸をなしている。

以下では、シャフト３５の軸線Ｃ１の方向を、「軸方向」と称する。また、軸線Ｃ１を中心とする円周方向（図１に矢印Ｒ１で示す）を、「周方向」と称する。軸線Ｃ１を中心とする半径方向を、「径方向」と称する。

ロータコア３０の外周に沿って、複数の磁石挿入孔３１が、周方向に等間隔に形成されている。磁石挿入孔３１の数は、ここでは４個である。磁石挿入孔３１は、ロータコア３０を軸方向に貫通している。また、磁石挿入孔３１は、ロータコア３０の外周面に沿って、直線状に延在している。

磁石挿入孔３１の内部には、永久磁石３２が配置されている。永久磁石３２は、軸方向に長さを有し、周方向に幅を有し、径方向に厚さを有する平板状の部材である。１つの磁石挿入孔３１には、１つの永久磁石３２が配置されている。但し、１つの磁石挿入孔３１に、複数の永久磁石３２が配置された構成も可能である。

ここでは、ロータ３の極数Ｐは、４である。但し、ロータ３の極数Ｐは、４に限定されるものではなく、２以上であればよい。また、ここでは、１つの磁極に１つの磁石挿入孔３１および１つの永久磁石３２が対応しているが、１つの磁極に複数の磁石挿入孔３１が対応していてもよく、また、１つの磁極に複数の永久磁石３２が対応していてもよい。

磁石挿入孔３１の周方向の中心は、極中心となる。ここでは、磁石挿入孔３１は、極中心を通る径方向の直線（磁極中心線とも称する）に直交する方向に延在している。隣り合う磁石挿入孔３１の間は、極間である。

永久磁石３２は、ネオジウム（Ｎｄ）、鉄（Ｆｅ）、ボロン（Ｂ）およびディスプロシウム（Ｄｙ）を含む希土類焼結磁石で構成される。希土類焼結磁石は、残留磁束密度が高いため、所望の出力を得るために必要なロータ３の軸方向の長さを小さくすることが可能になる。

それぞれの永久磁石３２は、径方向外側と径方向内側とが反対の磁極を有するように着磁されている。また、周方向に隣り合う永久磁石３２は、互いに反対の磁極を外周側に向けている。

磁石挿入孔３１の周方向の両端には、フラックスバリア３３がそれぞれ形成されている。フラックスバリア３３は、磁石挿入孔３１の周方向端部からロータコア３０の外周に向けて径方向に延在する空隙である。フラックスバリア３３は、隣り合う磁極間の漏れ磁束（すなわち極間を通って流れる磁束）を抑制するために設けられる。

＜ステータの構成＞
ステータ１は、ステータコア１０と、ステータコア１０に波巻で巻かれた巻線２（図３）とを有する。ステータコア１０は、例えば厚さ０．１〜０．７ｍｍの電磁鋼板を軸方向に積層し、カシメ部１７により固定したものである。

ステータコア１０は、環状のヨーク部１１と、ヨーク部１１から径方向内側に延在する複数のティース１２とを有する。図１に示した例では、ティース１２の数は、３６である。ティース１２の幅（周方向の長さ）は、ティース１２の先端に近づくほど、すなわち径方向内側ほど狭くなる。

周方向に隣り合うティース１２の間に、スロット１３が形成される。スロット１３は、ティース１２に巻かれる巻線２を収容する部分であり、径方向に延在している。スロット１３の数は、ティース１２の数と同じであり、スロット数Ｓと称する。図１に示した例では、スロット数Ｓは３６であり、ロータ３の１磁極に９個のスロット１３が対応している。

３相分布巻の場合には、スロット数Ｓは、極数Ｐの３ｎ（ｎは自然数）倍となる。そのため、極数Ｐに対するスロット数Ｓの比（割合）Ｓ／Ｐは、例えば３、６、９、１２、１５等となる。なお、Ｓ／Ｐは、簡単のため、スロット数Ｓと極数Ｐとの比とも称する。

ステータコア１０には、ステータコア１０を軸方向に貫通する貫通穴１５が形成されている。貫通穴１５は、ヨーク部１１において、周方向の複数箇所に形成されている。ここでは、６個の貫通穴１５が、周方向に等間隔に配置されている。貫通穴１５は、冷媒を軸方向に通過させる冷媒通路を構成する。なお、貫通穴１５は、冷媒ガスを通過させる穴であるため、風穴とも呼ばれる。貫通穴１５の断面形状は、ここでは円形であるが、円形に限定されるものではない。

図２は、ステータコア１０に巻線２を巻き付けていない状態の電動機１００を示す斜視図である。図２に示すように、ステータコア１０のヨーク部１１は、円筒状の外周面１８を有し、この外周面１８が円筒状のシェル４の内周面４１に嵌合している。

ステータコア１０の外周面１８には、切欠き部１６が形成されている。切欠き部１６は、円筒状の外周面１８を、軸線Ｃ１に平行な平面で切り欠いたものである。言い換えると、切欠き部１６は、軸線Ｃ１に直交する面において、ヨーク部１１の外周を直線状に切り欠いた形状（すなわち弦のような形状）を有する。

切欠き部１６は、ヨーク部１１において、周方向の複数箇所に形成されている。ここでは、６個の切欠き部１６が、周方向に等間隔に配置されている。切欠き部１６は、シェル４の内周面４１との間に、冷媒を軸方向に通過させる冷媒通路を構成する。

すなわち、ステータコア１０の貫通穴１５および切欠き部１６は、いずれも冷媒通路を構成するものである。このようにステータ１に冷媒通路（貫通穴１５および切欠き部１６）が形成されているため、ロータ３に冷媒通路を形成した場合と比較して、冷媒が流れやすい。

なお、貫通穴１５および切欠き部１６は、互いに同数（ここでは６個）であり、周方向に交互に配置されている。すなわち、周方向に隣り合う切欠き部１６の間に貫通穴１５が位置し、周方向に隣り合う貫通穴１５の間に切欠き部１６が位置する。これにより、冷媒流量の周方向の分布が均一になる。

また、ステータコア１０の電磁鋼板を互いに固定するカシメ部１７は、ヨーク部１１に形成されている。カシメ部１７によって磁束の流れを妨げないようにするためである。また、カシメ部１７では軸方向に電流が流れやすく、ティース１２にカシメ部１７を形成すると、ティース１２に流れる磁束の時間変化によって渦電流が発生するためである。カシメ部１７は、例えば、ヨーク部１１の外周側で、切欠き部１６の周方向中心に対応する位置に形成されている。

図３は、ステータコア１０に巻線２を巻き付けた電動機１００を示す斜視図である。巻線２は、ステータコア１０の３６個のティース１２に、波巻で巻き付けられる。巻線２は、波巻で巻かれているため、ティース１２から径方向外側への突出量が少ない。そのため、巻線２は、冷媒通路である貫通穴１５および切欠き部１６を通過する冷媒の流れを妨げることがない。

また、巻線２が波巻で巻かれているため、同心巻で巻かれた場合と比較して、巻線２のステータコア１０からの軸方向の突出量も少ない。すなわち、巻線２の全長のうち、駆動力の発生に寄与しないコイルエンド部が小さいため、より少ない電流で所望のトルクを得ることができ、電動機効率が向上する。また、巻線２の軸方向の突出量が少ないため、電動機１００の軸方向の長さが短い。

図４（Ａ）は、電動機１００の各部の寸法を説明するための模式図である。ステータ１の直径、すなわちステータコア１０の直径Ｄ１は、シェル４の内周面４１に嵌合する長さに設定されている。ロータ３の直径（すなわちロータコア３０の直径）Ｄ２は、例えば、６０ｍｍ〜１２０ｍｍである。

図４（Ｂ）は、ステータ１の一部を拡大して示す模式図である。上記の通り、ティース１２の幅は、ティース１２の先端部１２ａに近づくほど狭くなる。ティース１２の先端部１２ａ（径方向の内側端部）での幅をＷ１とし、ティース１２の根元部１２ｂ（径方向の外側端部）での幅をＷ２とすると、Ｗ１＜Ｗ２が成り立つ。幅Ｗ１，Ｗ２の平均を、ティース１２の平均幅Ｗｔと称する。すなわち、Ｗｔ＝（Ｗ１＋Ｗ２）／２となる。ティース１２の平均幅Ｗｔは、ティース１２内を径方向に流れる磁路の幅であり、単に幅Ｗｔとも称する。

ティース１２の径方向の長さ（すなわち根元部１２ｂから先端部１２ａまでの距離）を、Ｈ１とする。Ｈ１は、スロット１３の長さでもある。また、ティース１２の根元部１２ｂからヨーク部１１の外周面１８までの距離（ヨーク幅）を、Ｈ２とする。ヨーク幅Ｈ２は、ヨーク部１１内を周方向に流れる磁路の幅である。

スロット１３には、巻線２が一列に配列される。スロット１３の周方向の幅Ｗｓは、巻線２が一列に配列される程度の幅に設定される。すなわち、スロット１３は、周方向の幅Ｗｓおよび径方向の長さＨ１を有する長方形形状を有する。スロット１３の径方向内側の端部は、巻線２を挿入する開口部１３ａであり、径方向外側の端部は、終端部１３ｂである。

図５（Ａ）は、ティース１２およびヨーク部１１における磁束の流れを示す模式図である。ロータ３の永久磁石３２からの磁束は、先端部１２ａからティース１２に流入し、ティース１２内を径方向外側に流れ、根元部１２ｂからヨーク部１１に流入し、ヨーク部１１内を周方向両側に流れる。

図５（Ｂ）は、ティース１２、スロット１３およびヨーク部１１を拡大して示す模式図である。貫通穴１５は、ヨーク部１１内に、ティース１２の根元部１２ｂに対向する位置に形成されている。より具体的には、貫通穴１５は、ティース１２の周方向中心を通る径方向の直線Ｃ２上に形成されている。スロット１３から貫通穴１５までの最短距離は、Ｔ１とする。

スロット１３から貫通穴１５までの最短距離Ｔ１は、ティース１２の平均幅Ｗｔの１／２より長く設定される。ティース１２からヨーク部１１に流れ込む磁束をできるだけ妨げないようにするためである。ティース１２の平均幅Ｗｔは（Ｗ１＋Ｗ２）／２であるため、Ｔ１は、Ｔ１≧（Ｗ１＋Ｗ２）／４を満足するように設定される。

＜巻線の構成＞
次に、巻線２について説明する。巻線２は、導体（例えば銅）に、耐腐食性の被膜、例えばポリエステルイミドまたはポリアミドイミドの被膜を施したものである。巻線２は、電動機１００が設けられる圧縮機５００の内部を循環する冷媒に接するためである。

図６は、波巻で巻かれた巻線２のみを取り出して示す模式図である。巻線２は、スロット１３（図１）内に挿入される直線部２２と、ロータコア３０の軸方向の一端面で周方向に延在するコイルエンド部２１と、ロータコア３０の軸方向の他端面で周方向に延在するコイルエンド部２３とを有する。ここでは、１つのスロット１３（図１）に、巻線２の８本の巻線部分２０が挿入されているものとする。

図７は、巻線２のコイルエンド部２１の一部を拡大して示す図である。コイルエンド部２１では、径方向の同じ巻き付け位置（例えば最内周位置）に、９本の巻線部分２０が、１スロット分ずつ周方向位置をずらしながら巻き回されている。最内周に巻かれた９本の巻線部分２０のうちの３本を、巻線部分２０ａ，２０ｂ，２０ｃとする。

図８は、１本の巻線部分２０ａ取り出して示す模式図である。巻線部分２０ａは、２つのコイルエンド部２１ａと、４つの直線部２２ａと、２つのコイルエンド部２３ａとを有する。巻線部分２０ａは、９個のティース１２にまたがるように巻き回される。すなわち、巻線部分２０ａの直線部２２ａは、９個おきのスロット１３に挿入される。

コイルエンド部２１ａは、直線部２２ａの軸方向一端（図８における上端）同士をつなぐように延在し、コイルエンド部２３ａは、直線部２２ａの軸方向他端（図８における下端）同士をつなぐように延在する。コイルエンド部２１ａとコイルエンド部２３ａとは、軸線Ｃ１を中心とする周方向に交互に配置されている。

コイルエンド部２１ａの周方向の中心部には、径方向に変位量Ｅ１だけ変位するノーズ部２５ａが設けられている。コイルエンド部２１ａは、図８に矢印Ａ１で示すように軸線Ｃ１を中心とする時計回りに周方向に延在し、ノーズ部２５ａで径方向内側に変位量Ｅ１だけ変位して、再び矢印Ａ１で示す方向に延在する。

また、コイルエンド部２３ａの周方向の中心部には、径方向に変位量Ｅ１だけ変位するノーズ部２６ａが設けられている。コイルエンド部２３ａは、図８に矢印Ａ２で示すように軸線Ｃ１を中心とする時計回りに周方向に延在し、ノーズ部２６ａで径方向外側に変位量Ｅ１だけ変位して、再び矢印Ａ２で示す方向に延在する。

図９は、２本の巻線部分２０ａ，２０ｂを示す模式図である。巻線部分２０ａと同様に、巻線部分２０ｂは、２つのコイルエンド部２１ｂと、４つの直線部２２ｂと、２つのコイルエンド部２３ｂとを有する。

巻線部分２０ｂの直線部２２ｂは、巻線部分２０ａの直線部２２ａに対して、軸線Ｃ１を中心とする時計回りに１スロット分だけシフトした位置にある。コイルエンド部２１ｂ，２３ｂの周方向の中心部には、コイルエンド部２１ａ，２３ａのノーズ部２５ａ，２６ａと同様に、ノーズ部２５ｂ，２６ｂがそれぞれ形成されている。

巻線部分２０ａ，２０ｂのコイルエンド部２１ａ，２１ｂは、軸方向に重なり合って周方向に延在し、ノーズ部２５ａ，２５ｂを経て上下（軸方向の位置関係）が逆転する。同様に、巻線部分２０ａ，２０ｂのコイルエンド部２３ａ，２３は、軸方向に重なり合って周方向に延在し、ノーズ部２６ａ，２６ｂを経て上下が逆転する。そのため、巻線部分２０ａ，２０ｂの直線部２２ａ，２２ｂを、互いに干渉することなく、隣り合うスロット１３（図１）に挿入することができる。

図９には、２本の巻線部分２０ａ，２０ｂのみを示しているが、巻線部分２０ａ，２０ｂと同じ径方向の巻き付け位置（例えば最内周位置）に、これらを含む合計９本の巻線部分２０が巻き回される。すなわち、ステータコア１０の３６個の全てのスロット１３に、巻線２の直線部２２が挿入される。

図１０は、図８に示した巻線部分２０ａと同じスロット１３に挿入される合計８本の巻線部分２０を示す模式図である。８本の巻線部分２０は、径方向に等間隔に巻き回されている。このように、巻線部分２０を周方向に１スロット分だけずらして巻き回し（図９）、また径方向にも巻き回すことにより、図６に示した波巻の巻線２が形成される。

なお、１つのスロット１３に挿入される巻線部分２０の数、および巻線部分２０がまたがるティース１２の数は、図６〜図１０に示した例に限定されるものではなく、極数Ｐおよびスロット数Ｓに応じて任意に設定することができる。

＜比較例＞
次に、比較例の電動機１００Ｅについて説明する。図１１は、比較例の電動機１００Ｅを示す断面図である。比較例の電動機１００Ｅは、ステータ１Ｅとロータ３とを有する。ロータ３は、実施の形態１のロータ３と同様に構成されている。ステータ１Ｅは、ステータコア１０Ｅと巻線２Ｅとを有する。ステータコア１０Ｅは、環状のヨーク部１１Ｅと、ヨーク部１１Ｅから径方向内側に延在する１２個のティース１２Ｅとを有する。周方向に隣接するティース１２Ｅの間には、スロット１３Ｅが形成される。

比較例の電動機１００Ｅでは、巻線２Ｅは、ティース１２Ｅに同心巻で巻かれている。同心巻で巻かれた巻線２Ｅは、ティース１２Ｅから径方向外側に大きく突出する。そのため、ヨーク部１１Ｅに冷媒を通過させる貫通穴等を形成したとしても、冷媒の流れが巻線２Ｅによって妨げられる。また、同心巻で巻かれた巻線２Ｅは、ステータコア１０Ｅからの軸方向の突出量も大きく、従ってコイルエンド部が大きくなる。すなわち、巻線２Ｅの全長のうち、トルクの発生に寄与しない巻線部分の長さが多くなるため、電動機効率が低い。

＜誘起電圧の高調波成分の低減効果＞
次に、スロット数Ｓと極数Ｐとの比Ｓ／Ｐの好ましい範囲について説明する。まず、Ｓ／Ｐと、誘起電圧の高調波成分の低減効果との関係について説明する。

ロータ３が回転すると、永久磁石３２の磁界により、ステータ１の巻線２に電圧（誘起電圧）が誘起される。誘起電圧の基本波成分はトルク発生に寄与するが、高調波成分はトルクリップルとなり、電動機１００の振動および騒音の原因となる。そのため、誘起電圧の高調波成分の抑制が課題となる。

誘起電圧の基本波および高調波成分は、巻線係数によって評価することができる。巻線係数は、短節巻係数Ｋｐと分布巻係数Ｋｄとの積で算出される。短節巻係数Ｋｐは、次数、極数Ｐ、スロット数Ｓおよびコイルスロー（巻線２がまたがるティース数）に基づき、次の式（１）により算出される。
Ｋｐ＝ｓｉｎ（次数×１８０×極数／スロット数×コイルスロー／２）・・・（１）

分布巻係数Ｋｄは、巻線間の位相差αに基づき、以下の式（２）により算出される。
Ｋｄ＝ｃｏｓ（次数×α／２）・・・（２）
ここで、巻線間の位相差αは、次の式（３）で求められる。
α＝１８０×極数／スロット数 ・・・（３）

図１に示した電動機１００において、スロット数Ｓと極数Ｐとの比Ｓ／Ｐを変化させ、基本波、３次高調波および５次高調波の巻線係数をそれぞれ求めた。図１２は、Ｓ／Ｐと基本波の巻線係数との関係を示すグラフである。図１３は、Ｓ／Ｐと３次の巻線係数との関係を示すグラフである。図１４は、Ｓ／Ｐと５次の巻線係数との関係を示すグラフである。図１２，１３，１４において、Ｓ／Ｐの値は、３、６、９、１１、１２、１５と変化させている。

基本波（１次）の巻線係数は、図１２に示すように、Ｓ／Ｐが３の場合には１であり、Ｓ／Ｐが６、９、１１、１２、１５と大きくなるにつれ、０．９５〜０．９６まで徐々に小さくなる。

また、３次の巻線係数は、図１３に示すように、Ｓ／Ｐが３の場合には１であり、Ｓ／Ｐが６の場合には０．７まで小さくなり、Ｓ／Ｐが９、１１、１２、１５と大きくなるにつれ、０．６５まで小さくなる。

また、５次の巻線係数は、図１４に示すように、Ｓ／Ｐが３の場合には１であり、Ｓ／Ｐが６の場合には０．２５まで小さくなり、Ｓ／Ｐが９、１１、１２、１５と大きくなるにつれ、０．２まで小さくなる。

Ｓ／Ｐが３の場合には、基本波の巻線係数が大きいため、巻線鎖交磁束を最大限に利用することができ、高いトルクを得る上では有利である。しかしながら、３次および５次の巻線係数も大きいため、高調波成分が誘起電圧に重畳され、電動機１００の振動および騒音が発生する可能性がある。

これに対し、Ｓ／Ｐが６以上の場合には、基本波の巻線係数は低減するが、３次および５次の巻線係数も低減するため、誘起電圧の高調波を低減し、電動機１００の振動および騒音を抑制することができる。

この結果から、Ｓ／Ｐが６以上（すなわちＳ／Ｐ≧６）であれば、誘起電圧の高調波を低減し、電動機１００の振動および騒音を抑制できることが分かる。

＜ティース形状＞
次に、Ｓ／Ｐと、ティース１２の先端部１２ａの幅Ｗ１に対する根元部１２ｂの幅Ｗ２の比Ｗ１／Ｗ２との関係について説明する。波巻の場合には、図４（Ｂ）に示したようにスロット１３内に巻線２を一列に挿入するため、スロット１３の形状（より具体的には、軸線Ｃ１に直交する断面形状）は長方形となる。そのため、隣り合うスロット１３の間のティース１２の形状は、台形形状になる。

ティース１２の形状は、長方形に近い方が、ティース１２内の磁束密度分布の偏りを抑制できるため、ティース１２内での局所的な磁気飽和あるいは鉄損増加を抑制することができる。従って、ティース１２の先端部１２ａの幅Ｗ１に対する根元部１２ｂの幅Ｗ２の比Ｗ２／Ｗ１が１に近い方が、良好な磁気特性が得られる。

一般に、分布巻（波巻を含む）が用いられる圧縮機用のモータのロータ外径は６０〜１２０ｍｍであるため、ここでは、ロータ３の外径Ｄ２を６０、８０、１００、１２０ｍｍと変化させた。図１５は、ロータ３の外径Ｄ２を６０、８０、１００、１２０ｍｍと変化させた場合の、Ｓ／ＰとＷ２／Ｗ１との関係を示すグラフである。

図１５より、ロータ３の外径Ｄ２が８０〜１２０ｍｍの場合には、Ｓ／Ｐが３のときにＷ２／Ｗ１が最大となり、Ｓ／Ｐが６、９、１２、１５と増加するにつれてＷ２／Ｗ１が減少して１に近づく。また、Ｓ／Ｐが１２以上では、Ｗ２／Ｗ１の減少率が横ばいになる。

これに対し、ロータ３の外径Ｄ２が６０ｍｍの場合には、Ｓ／Ｐが３，６，９と増加するにつれてＷ２／Ｗ１は減少するが、Ｓ／Ｐが１２から１５に増加するとＷ２／Ｗ１が大きく増加し、Ｓ／Ｐが１５のときにはＷ２／Ｗ１が最大となる。

すなわち、Ｓ／Ｐが１５のときには、ロータ３が小径の場合にティース１２の形状が長方形から大きく外れることになるため、ティース１２内の磁束密度分布の偏りを抑制するという点では望ましくない。

この結果から、ティース１２内における磁束密度分布の偏りを抑制するためには、６≦Ｓ／Ｐ≦１２が望ましいことが分かる。

＜ティース幅とスロット幅との比＞
次に、Ｓ／Ｐと、スロット１３の幅Ｗｓに対するティース１２の幅Ｗｔの比（Ｗｔ／Ｗｓ）との関係について説明する。ティース１２の幅Ｗｔは、上述した（Ｗ１＋Ｗ２）／２である。ティース１２の幅Ｗｔが狭いと、ティース１２内で磁気飽和が生じて鉄損の増加につながる可能性があるため、ティース１２の幅Ｗｔは広い方が望ましい。特に、ティース１２の幅Ｗｔのスロット１３の幅Ｗｓに対する比Ｗｔ／Ｗｓは１以上であることが望ましい。

図１６は、ロータ３の外径Ｄ２を６０、８０、１００、１２０ｍｍと変化させた場合の、Ｓ／ＰとＷｔ／Ｗｓとの関係を示すグラフである。図１６に示すように、ロータ３の外径Ｄ２が６０、８０、１００、１２０ｍｍの何れの場合も、Ｓ／Ｐが大きくなるほど、Ｗｔ／Ｗｓが小さくなる傾向がある。

また、Ｓ／Ｐが１５のときには、ロータ３の外径Ｄ２が６０ｍｍの場合に、Ｗｔ／Ｗｓが１を下回る（言い換えると、ティース１２の幅Ｗｔｔがスロット１３の幅Ｗｓよりも狭くなる）ため、鉄損の抑制という点では望ましくない。

この結果から、ティース１２内での磁気飽和を抑制して鉄損を向上するためには、６≦Ｓ／Ｐ≦１２が望ましいことが分かる。

なお、ティース１２の幅Ｗｔに対してスロット１３の幅Ｗｓが狭すぎると、巻線２の線径が細くなることで巻線２に流れる電流密度が増加する。電流密度が増加すると、巻線の耐熱性を向上しなければならず、製造コストの増加につながる。そのため、ティース１２の幅Ｗｔはスロット１３の幅Ｗｓの６倍以下であることが望ましい。すなわち、１≦Ｗｔ／Ｗｓ≦６が望ましい。

＜銅損の低減＞
次に、実施の形態１において巻線２が波巻で巻かれていることによる銅損の低減効果について説明する。図１７は、巻線２が同心巻で巻かれた比較例（図１１）の電動機１００Ｅと、巻線２が波巻で巻かれた実施の形態１の電動機１００とで、銅損を比較した結果を示すグラフである。

ここでは、比較例の電動機１００Ｅ（図１１）における銅損を１００％とし、実施の形態１の電動機１００における銅損がどの程度低減されるかを測定した。図１７に示すように、比較例の電動機１００Ｅに対して、実施の形態１では、銅損が６５．６％となり、３４．４％の減少が確認された。これは、巻線２が波巻の場合、同心巻と比較して、巻線２の周長が短くなることによるものである。

＜実施の形態の効果＞
以上説明したように、本発明の実施の形態１の電動機１００では、ステータ１のティース１２に巻線２が波巻で巻かれ、スロット数Ｓと極数ＰとがＳ／Ｐ≧６を満足し、ステータコア１０のヨーク部１１に冷媒を軸方向に流通させる冷媒通路（すなわち、貫通穴１５および切欠き部１６）を有する。そのため、ロータ３の回転時に巻線２に生じる誘起電圧の高調波を低減し、これにより電動機１００の振動および騒音を抑制することができる。

また、巻線２がティース１２に波巻で巻かれるため、巻線２の径方向外側への張り出しが少ない。そのため、貫通穴１５および切欠き部１６を通過する冷媒の流れが巻線２によって妨げられず、冷媒の十分な流量を確保することができる。

さらに、巻線２がティース１２に波巻で巻かれるため、巻線２のステータコア１０からの軸方向の突出量も少ない。そのため、コイルエンド部を小さくして電動機効率を向上し、電動機１００のサイズを小型化することができる。

特に、業務用空調装置等の大型機器では、振動および騒音が少なく、且つ小型で軽量な電動機１００が求められる。実施の形態１の電動機１００は、このような用途に特に適している。

また、スロット数Ｓと極数Ｐとが６≦Ｓ／Ｐ≦１２を満足することにより、ティース１２の形状を長方形に近付けることができ、局所的な磁気飽和を抑制し、鉄損を低減することができる。

また、巻線２が、ポリエステルイミドまたはポリアミドイミド（耐腐食性材料）によって被覆されているため、圧縮機５００内を循環する冷媒による腐食を防止することができる。

また、ロータ３は、希土類焼結磁石で構成された永久磁石３２を有し、希土類焼結磁石は残留磁束密度および保磁力が高いため、電動機１００の高効率化および減磁耐力の向上を図ることができる。

また、カシメ部１７がヨーク部１１に形成されているため、カシメ部１７をティース１２に形成した場合のようにティース１２内の磁束の流れの妨げにならず、ステータ１の十分な強度を得ると共に、電動機効率を向上することができる。

また、ステータ１が、ヨーク部１１を軸線Ｃ１の方向に貫通する貫通穴１５を有するため、貫通穴１５を通って冷媒が流れやすく、冷媒流量を増加させることができる。

また、ティース１２の先端部１２ａにおける幅Ｗ１と、根元部１２ｂにおける幅Ｗ２と、スロット１３から貫通穴１５までの最短距離Ｔ１とが、Ｔ１≧（Ｗ１＋Ｗ２）／４を満足するため、ティース１２からヨーク部１１に流れ込む磁束をできるだけ妨げないようにし、電動機効率をさらに向上することができる。

また、ステータ１が、ヨーク部１１の外周に、ヨーク部１１の前記軸線の方向の全域に亘って形成された切欠き部１６を有するため、切欠き部１６とシェル４との間を通って冷媒が流れやすく、冷媒流量を増加させることができる。

また、貫通穴１５および切欠き部１６がそれぞれ複数設けられており、貫通穴１５と切欠き部１６とが周方向に交互に形成されているため、冷媒流量の周方向の分布が均一になる。

＜変形例＞
次に、実施の形態１の変形例について説明する。図１８（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）および（Ｄ）は、実施の形態１の変形例の電動機１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ，１００Ｄを示す模式図である。

上述した実施の形態１の電動機１００（図１）は、ステータ１が貫通穴１５と切欠き部１６の両方を有していた。しかしながら、図１８（Ａ）に示す電動機１００Ａのように、ステータ１Ａが貫通穴１５を有し、切欠き部１６を有さない構成も可能である。この場合には、ステータ１Ａの貫通穴１５が、冷媒を通過させる冷媒通路となる。

また、図１８（Ｂ）に示す電動機１００Ｂのように、ステータ１Ｂが切欠き部１６を有し、貫通穴１５を有さない構成も可能である。この場合には、ステータ１Ｂの切欠き部１６が、冷媒を通過させる冷媒通路となる。

上述した実施の形態１の電動機１００（図１）は、ステータ１の円筒状の外周面１８を平面で切り欠いた切欠き部１６を有していた。しかしながら、図１８（Ｃ）に示す電動機１００Ｃのように、ステータ１Ｃの外周面１８に、矩形状の断面を有する溝１６Ｃを設けてもよい。この場合には、ステータ１Ｃの貫通穴１５および溝１６Ｃが、冷媒を通過させる冷媒通路となる。

また、図１８（Ｄ）に示す電動機１００Ｃのように、ステータ１Ｄの外周面１８に、Ｖ状の断面を有する溝１６Ｄを設けてもよい。この場合には、ステータ１Ｄの貫通穴１５および溝１６Ｄが、冷媒を通過させる冷媒通路となる。なお、図１８（Ｃ）および（Ｄ）の電動機１００Ｃ，１００Ｄにおいて、貫通穴１５を設けない構成も可能である。

上述した実施の形態１および各変形例において、貫通穴１５の数および切欠き部１６の数は、任意に設定することができる。すなわち、ステータ１のヨーク部１１に、少なくとも１つの貫通穴１５または少なくとも１つの切欠き部１６が形成されていればよい。

＜圧縮機＞
次に、上述した実施の形態１の電動機１００を用いた圧縮機について説明する。図１９は、上述した実施の形態１の電動機１００を用いた圧縮機（スクロール圧縮機）５００の構成を示す断面図である。

圧縮機５００は、スクロール圧縮機であり、密閉容器５０２内に、圧縮機構５１０と、圧縮機構５１０を駆動する電動機１００と、圧縮機構５１０と電動機１００とを連結する主軸５０１と、主軸５０１の圧縮機構５１０の反対側の端部（副軸部）を支持するサブフレーム５０３と、密閉容器５０２の底部の油だめ５０５に貯留される潤滑油５０４とを備える。

圧縮機構５１０は、固定スクロール５１１と、主軸５０１に取り付けられた揺動スクロール５１２とを有する。固定スクロール５１１および揺動スクロール５１２は、いずれも渦巻部分を有し、両者の間に渦巻き状の圧縮室５１６が形成される。圧縮機構５１０は、さらに、揺動スクロール５１２の自転を規制して揺動スクロール５１２を揺動させるオルダムリング５１３と、揺動スクロール５１２が取り付けられたコンプライアントフレーム５１４と、これらを支持するガイドフレーム５１５とを備える。

固定スクロール５１１には、密閉容器５０２を貫通した吸入管５０６が圧入されている。また、密閉容器５０２を貫通して、固定スクロール５１１の吐出ポート５１１ａから吐出される高圧の冷媒ガスを外部に吐出する吐出管５０７が設けられている。

密閉容器５０２は、円筒状のシェル４（図１）を有し、このシェル４の内周側に、実施の形態１の電動機１００が取り付けられる。密閉容器５０２には、電動機１００のステータ１と駆動回路とを電気的に接続するためのガラス端子５０８が溶接により固定されている。主軸５０１は、電動機１００のシャフト３５（図１）である。

圧縮機５００の動作は、以下の通りである。電動機１００が回転すると、ロータ３と共に主軸５０１（シャフト３５）が回転する。主軸５０１が回転すると、揺動スクロール５１２が揺動し、固定スクロール５１１と揺動スクロール５１２との間の圧縮室５１６の容積を変化させる。これにより、吸入管５０６から圧縮室５１６に冷媒ガスを吸入して圧縮する。

圧縮室５１６内で圧縮された高圧の冷媒ガスは、固定スクロール５１１の吐出ポート５１１ａから密閉容器５０２内に排出され、吐出管５０７から外部に排出される。また、圧縮室５１６から密閉容器５０２内に排出された冷媒ガスの一部は、ステータ１の貫通穴１５および切欠き部１６（図１）を通過し、電動機１００および潤滑油５０４を冷却する。

上記の通り、実施の形態１の電動機１００は、誘起電圧の高調波を抑制することができるため、圧縮機５００の運転時における振動および騒音を抑制することができる。また、実施の形態１の電動機１００は、巻線２が波巻で巻かれているため、貫通穴１５および切欠き部１６（図１）を通る冷媒の十分な流量を確保して電動機１００の冷却効率を向上し、圧縮機５００の動作の安定性を向上することができる。

なお、圧縮機５００は、実施の形態１の電動機１００に限らず、各変形例の電動機１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ，１００Ｄ（図１８）を用いても良い。また、ここでは、圧縮機の一例としてスクロール圧縮機について説明したが、実施の形態１および各変形例の電動機１００（１００Ａ〜１００Ｄ）は、スクロール圧縮機以外の圧縮機に適用してもよい。

＜空気調和装置＞
次に、図１９に示した圧縮機５００を有する空気調和装置（冷凍サイクル装置）について説明する。図２０は、空気調和装置４００の構成を示す図である。図２０に示した空気調和装置４００は、圧縮機４０１と、凝縮器４０２と、絞り装置（減圧装置）４０３と、蒸発器４０４とを備えている。圧縮機４０１、凝縮器４０２、絞り装置４０３および蒸発器４０４は、冷媒配管４０７によって連結されて冷凍サイクルを構成している。すなわち、圧縮機４０１、凝縮器４０２、絞り装置４０３および蒸発器４０４の順に、冷媒が循環する。

圧縮機４０１、凝縮器４０２および絞り装置４０３は、室外機４１０に設けられている。圧縮機４０１は、図１９に示した圧縮機５００で構成されている。室外機４１０には、凝縮器４０２に室外の空気を供給する室外側送風機４０５が設けられている。蒸発器４０４は、室内機４２０に設けられている。この室内機４２０には、蒸発器４０４に室内の空気を供給する室内側送風機４０６が設けられている。

空気調和装置４００の動作は、次の通りである。圧縮機４０１は、吸入した冷媒を圧縮して送り出す。凝縮器４０２は、圧縮機４０１から流入した冷媒と室外の空気との熱交換を行い、冷媒を凝縮して液化させて冷媒配管４０７に送り出す。室外側送風機４０５は、凝縮器４０２に室外の空気を供給する。絞り装置４０３は、開度を変化させることによって、冷媒配管４０７を流れる冷媒の圧力等を調整する。

蒸発器４０４は、絞り装置４０３により低圧状態にされた冷媒と室内の空気との熱交換を行い、冷媒に空気の熱を奪わせて蒸発（気化）させて、冷媒配管４０７に送り出す。室内側送風機４０６は、蒸発器４０４に室内の空気を供給する。これにより、蒸発器４０４で熱が奪われた冷風が、室内に供給される。

圧縮機４０１（図１９の圧縮機５００）には、実施の形態１および変形例で説明した電動機１００が適用されるため、空気調和装置４００の運転時における振動および騒音を抑制することができる。また、空気調和装置４００の運転時における圧縮機４０１の動作の安定性を向上し、運転効率を向上することができる。

なお、実施の形態１および各変形例の電動機１００（１００Ａ〜１００Ｄ）を適用した圧縮機５００は、図２０に示した空気調和装置４００に限らず、他の種類の空気調和装置に用いてもよい。

以上、本発明の望ましい実施の形態について具体的に説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良または変形を行なうことができる。

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ ステータ、 ２ 巻線、 ３ ロータ、 ４ シェル、 １０，１０Ｅ ステータコア、 １１ ヨーク部、 １２ ティース、 １２ａ 先端部、 １２ｂ 根元部、 １３ スロット、 １５ 貫通穴、 １６ 切欠き部、 １６Ｃ，１６Ｄ 溝、 １７ カシメ部、 １８ 外周、 ２０，２０ａ，２０ｂ，２０ｃ 巻線部分、 ２１，２１ａ，２１ｂ コイルエンド部、 ２２，２２ａ，２２ｂ 直線部、 ２３，２３ａ，２３ｂ コイルエンド部、 ２５ａ，２５ｂ ノーズ部、 ２６ａ，２６ｂ ノーズ部、 ３０ ロータコア、 ３１ 磁石挿入孔、 ３２ 永久磁石、 ３３ フラックスバリア、 ３４ シャフト孔、 ３５ シャフト、 １００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ，１００Ｄ 電動機、 ４００ 空気調和装置、 ４０１ 室外機、 ４０２ 室内機、 ４０３ 冷媒配管、 ４０５ 送風機、 ４０６ 羽根、 ５００ スクロール圧縮機（圧縮機）、 ５０１ 主軸、 ５０２ 密閉容器、 ５１０ 圧縮機構。

本発明の電動機は、圧縮機に用いられる電動機であって、軸線を中心とする周方向に延在するヨーク部と、ヨーク部から軸線に向かって延在し、周方向に配列された複数のティースとを有するステータコアと、ステータコアの複数のティースに波巻で巻かれた巻線とを備えたステータと、軸線を中心とする径方向においてステータの内側に配置された極数Ｐのロータとを備える。複数のティースの数をＳで表すと、Ｓ／Ｐ≧６が成立する。ヨーク部は、冷媒を軸線の方向に流通させる冷媒通路を有する。冷媒通路は、ヨーク部を軸線の方向に貫通する複数の貫通穴と、ヨーク部の外周に、ヨーク部の軸線の方向の全域に亘って形成された複数の切欠き部とを有する。複数の貫通穴と複数の切欠き部とは、軸線を中心とする周方向に交互に形成されている。

Claims (14)

1. 圧縮機に用いられる電動機であって、
   軸線を中心とする周方向に延在するヨーク部と、前記ヨーク部から前記軸線に向かって延在し、前記周方向に配列された複数のティースとを有するステータコアと、
   前記ステータコアの前記複数のティースに波巻で巻かれた巻線と
   を備えたステータと、
   前記軸線を中心とする径方向において前記ステータの内側に配置された極数Ｐのロータと
   を備え、
   前記複数のティースの数をＳで表すと、Ｓ／Ｐ≧６が成立し、
   前記ヨーク部は、冷媒を前記軸線の方向に流通させる冷媒通路を有する
   電動機。
2. ６≦Ｓ／Ｐ≦１２が成立する
   請求項１に記載の電動機。
3. 前記巻線は、導体にポリエステルイミドまたはポリアミドイミドの被覆を形成したものである
   請求項１または２に記載の電動機。
4. 前記ステータコアは、電磁鋼板を前記軸線の方向に積層してカシメ部で固定したものであり、前記カシメ部は前記ヨーク部に形成されている
   請求項１から３までの何れか１項に記載の電動機。
5. 前記冷媒通路は、前記ヨーク部を前記軸線の方向に貫通する貫通穴を有する
   請求項１から４までの何れか１項に記載の電動機。
6. 前記ステータコアは、前記複数のティースのうち前記周方向に隣り合う２つのティースの間に位置するスロットを有し、
   前記複数のティースのそれぞれにおいて、前記径方向の内側端部における前記周方向の幅をＷ１とし、前記径方向の外側端部における前記周方向の幅をＷ２とし、前記スロットから前記貫通穴までの最短距離をＴ１とすると、
   Ｔ１≧（Ｗ１＋Ｗ２）／４が成立する
   請求項５に記載の電動機。
7. 前記冷媒通路は、前記ヨーク部の外周に、前記ヨーク部の前記軸線の方向の全域に亘って形成された切欠き部を有する
   請求項１から６までの何れか１項に記載の電動機。
8. 前記切欠き部は、前記軸線に直交する面内において、前記ヨーク部の前記外周を直線状に切り欠いた形状を有する
   請求項７に記載の電動機。
9. 前記冷媒通路は、
   前記ヨーク部を前記軸線の方向に貫通する複数の貫通穴と、
   前記冷媒通路は、前記ヨーク部の外周に、前記ヨーク部の前記軸線の方向の全域に亘って形成された複数の切欠き部と
   を有し、
   前記複数の貫通穴と前記複数の切欠き部とは、前記軸線を中心とする周方向に交互に形成されている
   請求項１から４までの何れか１項に記載の電動機。
10. 前記圧縮機は、円筒状のシェルを有し、
    前記ステータコアは、前記シェルの内側に嵌合する
    請求項１から９までの何れか１項に記載の電動機。
11. 前記ロータは、希土類焼結磁石で構成された永久磁石を有する
    請求項１から１０までの何れか１項に記載の電動機。
12. 前記ロータは、極数Ｐに対応する数の磁石挿入孔を有するロータコアを有する
    請求項１１に記載の電動機。
13. 請求項１から１２までのいずれか１項に記載の電動機と、
    前記電動機によって駆動される圧縮機構と
    を備えた圧縮機。
14. 圧縮機、凝縮器、減圧装置および蒸発器を備えた空気調和装置であって、
    前記圧縮機は、請求項１から１２までのいずれか１項に記載の電動機と、前記電動機によって駆動される圧縮機構とを備えた
    空気調和装置。
    
    

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