JPWO2019229972A1 - 固定子、電動機、圧縮機、及び空気調和装置 - Google Patents

Abstract

固定子（２）は、固定子コア（２１）と、固定子コア（２１）に巻回されたコイル（２２）とを有する。コイル（２２）は、少なくとも１つの第１巻線（２２１）と、第１巻線（２２１）と直列に接続された少なくとも１つの第２巻線（２２２）とを有する。コイル（２２）のコイルエンド部（２２ａ）の第１側の総断面積をＳ１とし、コイルエンド部（２２ａ）の第２側の総断面積をＳ２とし、第１側における第１巻線（２２１）の総断面積をＣ１とし、第２側における第１巻線（２２１）の総断面積をＣ２としたとき、（Ｃ１／Ｓ１）＞（Ｃ２／Ｓ２）を満たす。

Description

本発明は、電動機の固定子に関する。

近年、電動機の分野では、出力の増加と小型化が求められている。電動機の出力が増加すると、固定子のコイルに流す電流が増加する。また、電動機を小型化する場合にも、同一出力を得るために必要な電流が増加する。コイルに流れる電流が増加すると、コイルの温度が上昇する。コイルの温度上昇は電動機の効率の低下を引き起こす。したがって、コイルの熱を外部へ放出することにより、コイルの温度上昇を低減することが望ましい。
例えば、圧縮機に用いる電動機において、コイルのコイルエンド部が圧縮機内の冷媒および潤滑油に接触するように、固定子を形成することができる。そのため、コイルで発生した熱は、コイルの外部に露出するコイルエンド部から放出させることが望ましい。コイルの発熱量はコイルの電気抵抗の大きさに依存するので、コイルの発熱を低減するためにはコイルの電気抵抗が小さいことが望ましい。
近年、電動機の低コスト化および軽量化のため、コイルの巻線として、銅線コイルに加えて、アルミニウム線コイルを併用することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

国際公開ＷＯ２０１４／１８８４６６

しかしながら、互いに異なる種類の巻線で形成されたコイルを用いた場合、従来の技術では、コイルのコイルエンド部からの放熱効率が不十分であるため、固定子の温度上昇、特にコイルの温度上昇を充分に低減できないという問題がある。

本発明は、コイルのコイルエンド部における放熱効率を改善することを目的とする。

本発明の固定子は、固定子コアと、少なくとも１つの第１巻線と、前記少なくとも１つの第１巻線と並列に接続されており前記少なくとも１つの第１巻線とは異なる材料で形成された少なくとも１つの第２巻線とを有し、前記固定子コアに巻回されたコイルとを備え、前記コイルは、前記固定子コアの外側に位置するコイルエンド部を有し、前記コイルエンド部において前記コイルと前記固定子コアとの接点からの前記コイルエンド部の最大高さを２等分する直線をＰ１とし、前記直線Ｐ１を挟んで前記固定子コアの反対側である、前記コイルエンド部の第１側の総断面積をＳ_１とし、前記直線Ｐ１を挟んで前記第１側の反対側である、前記コイルエンド部の第２側の総断面積をＳ_２とし、前記コイルエンド部の前記第１側における前記少なくとも１つの第１巻線の総断面積をＣ_１とし、前記コイルエンド部の前記第２側における前記少なくとも１つの第１巻線の総断面積をＣ_２としたとき、（Ｃ_１／Ｓ_１）＞（Ｃ_２／Ｓ_２）を満たす。

本発明によれば、コイルのコイルエンド部における放熱効率を改善することができる。

本発明の実施の形態１に係る電動機の構造を概略的に示す平面図である。 コイルの第１巻線と第２巻線との接続状態を示す図である。 図１に示される、線Ｃ３−Ｃ３に沿ったコイルの束の断面図である。 図１に示される、線Ｃ３−Ｃ３に沿ったコイルの束の断面図である。 図１に示される、線Ｃ３−Ｃ３に沿ったコイルの束の断面図である。 スクロール圧縮機を示す断面図である。 空気調和装置（冷凍サイクル装置ともいう）を示す図である。

実施の形態１．
各図に示されるｘｙｚ直交座標系において、ｚ軸方向（ｚ軸）は、電動機１の回転子３の軸線Ａｘと平行な方向を示し、ｘ軸方向（ｘ軸）は、ｚ軸方向（ｚ軸）に直交する方向を示し、ｙ軸方向（ｙ軸）は、ｚ軸方向及びｘ軸方向の両方に直交する方向を示す。軸線Ａｘは、回転子３の回転中心である。軸線Ａｘと平行な方向は、「回転子３の軸方向」又は単に「軸方向」ともいう。径方向は、軸線Ａｘと直交する方向である。

図１は、本発明の実施の形態１に係る電動機１の構造を概略的に示す平面図である。矢印Ｄ１は、軸線Ａｘを中心とする固定子２の周方向を示す。矢印Ｄ１は、軸線Ａｘを中心とする回転子３の周方向も示す。固定子２及び回転子３の周方向は、単に「周方向」ともいう。
電動機１は、固定子２と、回転子３とを有する。電動機１は、例えば、誘導電動機である。電動機１は、例えば、スクロール圧縮機などの圧縮機に用いられる。

回転子３は、固定子２の内側に回転可能に配置されている。

固定子２は、固定子コア２１と、コイル２２（固定子コイルともいう）とを有する。
固定子コア２１は、環状に形成されている。固定子コア２１は、複数の電磁鋼板を軸方向に積層することにより形成されている。複数の電磁鋼板は、互いにカシメで固定されている。複数の電磁鋼板の各々は、予め定められた形状に打ち抜かれている。複数の電磁鋼板の各々の厚さは、例えば、０．１ｍｍから０．７ｍｍである。

固定子コア２１は、ヨーク２１ａと、複数のティース２１ｂとを有する。ヨーク２１ａは、円環状に形成されている。各ティース２１ｂは、ヨーク２１ａから径方向に延在する。言い換えると、各ティース２１ｂは、回転子３の回転中心に向けてヨーク２１ａから突出している。

ティース２１ｂは、周方向に等間隔で配列されている。周方向において互いに隣接するティース２１ｂ間に形成されたスペースは、スロットである。ティース２１ｂの数は、例えば、３０個である。ただし、ティース２１ｂの数は３０個に限定されない。ティース２１ｂの先端は、周方向に広がっている。

コイル２２は、固定子コア２１に巻回されている。具体的には、コイル２２は、ティース２１ｂに巻回されている。図１に示される例では、コイル２２は、分布巻きで固定子コア２１に巻回されている。ただし、コイル２２の巻回は、分布巻きに限定されない。例えば、コイル２２は、集中巻きで固定子コア２１に巻回されていてもよい。

コイル２２は、複数の束２２０を有する。各束２２０をコイル束ともいう。図１に示される例では、各束２２０が分布巻きで固定子コア２１に巻回されている。コイル２２は、固定子コア２１の外側に位置するコイルエンド部２２ａを有する。具体的には、各束２２０は、コイルエンド部２２ａを有する。コイルエンド部２２ａは、軸方向における固定子コア２１の外側に位置する。言い換えると、コイルエンド部２２ａは、コイル２２のうちの、軸方向における固定子コア２１の外側に位置する部分である。すなわち、コイルエンド部２２ａは、図１に示されるコイル２２の部分である。ただし、束２２０の数及びコイルエンド部２２ａの数は、図１に示される例に限定されない。

図２は、コイル２２の第１巻線２２１と第２巻線２２２との接続状態を示す図である。
コイル２２は、少なくとも１つの第１巻線２２１と、少なくとも１つの第２巻線２２２とを有する。第２巻線２２２は、第１巻線２２１と並列に接続されている。すなわち、各束２２０は、少なくとも１つの第１巻線２２１及び少なくとも１つの第２巻線２２２で形成されている。図２に示される例では、コイル２２は、Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相を持つ３相コイルであり、コイル２２の結線は、Ｙ結線である。

第１巻線２２１は、第２巻線２２２とは異なる材料で形成されている。第２巻線２２２は、第１巻線２２１とは異なる材料で形成されている。すなわち、第１巻線２２１及び第２巻線２２２は、互いに異なる材料で形成されている。第２巻線２２２の電気抵抗率は第１巻線２２１よりも高い。すなわち、第２巻線２２２の熱伝導率は、第１巻線２２１よりも低い。

一般に、巻線の直径が小さくなるほど熱損失密度が増加する。本実施の形態では、第１巻線２２１の直径は第２巻線２２２の直径よりも小さい。この場合、第１巻線２２１で生じる熱損失量（「熱損失」又は単に「損失」ともいう）が、第２巻線２２２で生じる熱損失量よりも大きくなる場合がある。例えば、コイル２２のコイルエンド部２２ａの断面（例えば、図３に示されるｙｚ平面）において、第１巻線２２１の総断面積と第２巻線２２２の総断面積とが等しいとき、第１巻線２２１で生じる熱損失量が第２巻線２２２で生じる熱損失量よりも大きい。

本実施の形態では、第１巻線２２１は銅線であり、第２巻線２２２はアルミ線である。ただし、第１巻線２２１は銅線に限定されず、第２巻線２２２はアルミ線に限定されない。

図３は、図１に示される、線Ｃ３−Ｃ３に沿ったコイル２２の束２２０（具体的には、束２２０のコイルエンド部２２ａ）の断面図である。矢印Ｌ１は、コイルエンド部２２ａの第１側からの放熱経路を示す。矢印Ｌ２は、コイルエンド部２２ａの第２側からの放熱経路を示す。コイルエンド部２２ａの熱は、放熱経路Ｌ１及びＬ２、特に放熱経路Ｌ１に向けて放出される。

直線Ｐ１は、コイルエンド部２２ａにおいてコイル２２と固定子コア２１との接点からのコイルエンド部２２ａの最大高さを２等分する直線である。図３に示される例では、コイル２２と固定子コア２１との接点からのコイルエンド部２２ａの最大高さは２×Ｒ１で示される。コイルエンド部２２ａの最大高さは、軸方向における最大高さである。

コイルエンド部２２ａの第１側は、直線Ｐ１を挟んで固定子コア２１の反対側である。具体的には、コイルエンド部２２ａの第１側は、直線Ｐ１から＋ｚ側の第１領域２０１である。コイルエンド部２２ａの第２側は、直線Ｐ１を挟んでコイルエンド部２２ａの第１側の反対側である。具体的には、コイルエンド部２２ａの第２側は、直線Ｐ１から−ｚ側の第２領域２０２である。すなわち、コイルエンド部２２ａの断面は、ｙｚ平面において第１領域２０１及び第２領域２０２を有する。

第１領域２０１は、ｙｚ平面において、束２２０の第１側における外側端部に配置された各巻線（すなわち、第１巻線２２１又は第２巻線２２２）との接線で形成された外縁と直線Ｐ１で囲まれた領域である。第２領域２０２は、ｙｚ平面において、束２２０の第２側における外側端部に配置された各巻線（すなわち、第１巻線２２１又は第２巻線２２２）との接線で形成された外縁と直線Ｐ１で囲まれた領域である。

図３に示される例では、第１領域２０１には、少なくとも１つの第１巻線２２１及び少なくとも１つの第２巻線２２２が配置されており、第２領域２０２にも、少なくとも１つの第１巻線２２１及び少なくとも１つの第２巻線２２２が配置されている。

図４は、図１に示される、線Ｃ３−Ｃ３に沿ったコイル２２の束２２０（具体的には、束２２０のコイルエンド部２２ａ）の断面図である。具体的には、図４は、コイル２２の束２２０の他の例を示す断面図である。
図４に示されるように、第１領域２０１には、少なくとも１つの第１巻線２２１のみが配置されてもよい。この場合、第１領域２０１には第２巻線２２２が存在しない。

コイルエンド部２２ａの第１側の総断面積をＳ_１とする。すなわち、総断面積Ｓ_１は、ｙｚ平面における第１領域２０１の面積である。コイルエンド部２２ａの第２側の総断面積をＳ_２とする。総断面積Ｓ_２は、ｙｚ平面における第２領域２０２の面積である。コイルエンド部２２ａの第１側における少なくとも１つの第１巻線２２１の総断面積をＣ_１とする。言い換えると、総断面積Ｃ_１は、第１領域２０１に配置された各第１巻線２２１の断面積の和である。コイルエンド部２２ａの第２側における少なくとも１つの第１巻線２２１の総断面積をＣ_２とする。言い換えると、総断面積Ｃ_２は、第２領域２０２に配置された各第１巻線２２１の断面積の和である。

この場合、固定子２は、（Ｃ_１／Ｓ_１）＞（Ｃ_２／Ｓ_２）を満たす。Ｃ_１／Ｓ_１は、総断面積Ｓ_１における少なくとも１つの第１巻線２２１（具体的には、少なくとも１つの第１巻線２２１の総断面積Ｃ_１）の占める比率である。Ｃ_２／Ｓ_２は、総断面積Ｓ_２における少なくとも１つの第１巻線２２１（具体的には、少なくとも１つの第１巻線２２１の総断面積Ｃ_２）の占める比率である。これにより、固定子２における放熱効率を改善することができる。

コイルエンド部２２ａの第１側に配置された少なくとも１つの第２巻線２２２の総断面積をＡ_１とし、コイルエンド部２２ａの第２側に配置された少なくとも１つの第２巻線２２２の総断面積をＡ_２とする。言い換えると、総断面積Ａ_１は、第１領域２０１に配置された各第２巻線２２２の断面積の和であり、総断面積Ａ_２は、第２領域２０２に配置された各第２巻線２２２の断面積の和である。この場合、固定子２は、（Ｃ_１／Ｓ_１）＞（Ａ_１／Ｓ_１）を満たす。これにより、固定子２における放熱効率をさらに改善することができる。

さらに、固定子２は、（Ｃ_１／Ａ_１）＞（Ｃ_２／Ａ_２）を満たすことが望ましい。これにより、固定子２における放熱効率をさらに改善することができる。

図５は、図１に示される、線Ｃ３−Ｃ３に沿ったコイル２２の束２２０（具体的には、束２２０のコイルエンド部２２ａ）の断面図である。
直線Ｐ２は、コイルエンド部２２ａの断面上において直線Ｐ１を２等分する直線である。したがって、コイルエンド部２２ａの断面上における直線Ｐ１の長さは、２×Ｒ２で表される。半径ｒは、コイルエンド部２２ａの断面上における直線Ｐ１及び直線Ｐ２の交点を中心とする半径である。半径ｒは、コイルエンド部２２ａの断面上における、直線Ｐ１の長さの半分（すなわち、Ｒ２）及び直線Ｐ２の長さの半分（すなわち、Ｒ１）よりも短い。

コイルエンド部２２ａの第１側において半径ｒで囲まれた領域の外側の総断面積をＳＯ_１とする。コイルエンド部２２ａの第１側において半径ｒで囲まれた領域の総断面積をＳｉ_１とする。半径ｒで囲まれた領域は、ｙｚ平面において直線Ｐ１及び直線Ｐ２の交点を中心とする半径ｒの円である。総断面積ＳＯ_１は、ｙｚ平面において、第１領域２０１のうちの半径ｒで囲まれた領域の外側の面積である。言い換えると、総断面積ＳＯ_１は、総断面積Ｓ_１から半径ｒの半円を除いて得られる面積である。総断面積Ｓｉ_１は、ｙｚ平面において、第１領域２０１のうちの半径ｒで囲まれた領域の面積である。言い換えると、総断面積Ｓｉ_１は、第１領域２０１における半径ｒの半円の面積である。

ｙｚ平面において、第１領域２０１のうちの半径ｒで囲まれた領域の外側に配置された少なくとも１つの第１巻線２２１の総断面積をＣＯ_１とする。言い換えると、総断面積ＣＯ_１は、第１領域２０１のうちの半径ｒで囲まれた領域の外側に配置された各第１巻線２２１の断面積の和である。ｙｚ平面において、第１領域２０１のうちの半径ｒで囲まれた領域に配置された少なくとも１つの第１巻線２２１の総断面積をＣｉ_１とする。言い換えると、総断面積Ｃｉ_１は、第１領域２０１のうちの半径ｒの半円で囲まれた領域に配置された各第１巻線２２１の断面積の和である。

この場合、固定子２は、（ＣＯ_１／ＳＯ_１）＞（Ｃｉ_１／Ｓｉ_１）を満たす。ＣＯ_１／ＳＯ_１は、総断面積ＳＯ_１に占める少なくとも１つの第１巻線２２１（具体的には、少なくとも１つの第１巻線２２１の総断面積ＣＯ_１）の占める比率である。Ｃｉ_１／Ｓｉ_１は、総断面積Ｓｉ_１に占める少なくとも１つの第１巻線２２１（具体的には、少なくとも１つの第１巻線２２１の総断面積Ｃｉ_１）の占める比率である。これにより、固定子２における放熱効率をさらに改善することができる。

＜各巻線の直径＞
次に、第１巻線２２１の直径及び第２巻線２２２の直径の関係について説明する。第１巻線２２１と第２巻線２２２とは互いに並列に接続されているため、第１巻線２２１及び第２巻線２２２に流れる電流は互いに異なる。従って、電気抵抗の小さい第１巻線２２１に電流が流れやすくなる。通常、巻線に生じる熱損失量は、電流値の２乗に比例する。従って、電気抵抗率の小さい第１巻線２２１で生じる損失は、第２巻線２２２で生じる損失よりも大きい。そのため、上述のように、放熱効率のよい第１領域２０１に、損失が大きい第１巻線２２１をできるだけ多く集めることが望ましい。

第１巻線２２１の電気抵抗をＲ_Ｃｕ［Ω］とし、電気抵抗率をρ_Ｃｕ［Ω・ｍ］とし、直径をφ_Ｃｕ［ｍｍ］とする。第２巻線２２２の電気抵抗をＲ_Ａｌ［Ω］とし、電気抵抗率をρ_Ａｌ［Ω・ｍ］とし、直径をφ_Ａｌ［ｍｍ］とする。

第１巻線２２１の直径φ_Ｃｕは、φ_Ａｌ×√（ρ_Ｃｕ／ρ_Ａｌ）よりも大きいことが望ましい。これにより、第１領域２０１において、第２巻線２２２で生じる損失よりも大きい損失を第１巻線２２１で生じさせることができる。これにより、上述のように放熱効率を改善することができる。

コイルの電気抵抗率ρ［Ω・ｍ］は、電流の流れにくさを表す物性値である。コイルの電気抵抗は、電気抵抗率ρにコイルの長さＬを乗算し、コイルの断面積Ｓで除算して得られる（すなわちρ×Ｌ／Ｓ）。

第１巻線２２１および第２巻線２２２の長さＬが互いに等しく、且つ第１巻線２２１の直径φ_Ｃｕおよび第２巻線２２２の直径φ_Ａｌが互いに等しい場合、第２巻線２２２の電気抵抗Ｒ_Ａｌ［Ω］は、Ｒ_Ｃｕ×（ρ_Ａｌ／ρ_Ｃｕ）［Ω］で表される。

コイル２２に流れる電流が１［Ａ］である場合、第１巻線２２１に流れる電流は、ρ_Ａｌ／（ρ_Ａｌ＋ρ_Ｃｕ）で表され、第２巻線２２２に流れる電流は、ρ_Ｃｕ／（ρ_Ａｌ＋ρ_Ｃｕ）で表される。第１巻線２２１で生じる損失は、Ｒ_Ｃｕ×（ρ_Ａｌ／（ρ_Ａｌ＋ρ_Ｃｕ））^２［Ｗ］で表される。第２巻線２２２で生じる損失は、Ｒ_Ｃｕ×（ρ_Ａｌ／ρ_Ｃｕ）×（ρ_Ｃｕ／（ρ_Ａｌ＋ρ_Ｃｕ））^２＝Ｒ_Ｃｕ×ρ_Ｃｕ×（ρ_Ａｌ／（ρ_Ａｌ＋ρ_Ｃｕ）^２）［Ｗ］で表される。

第１巻線２２１で生じる損失が、第２巻線２２２で生じる損失と等しくなる場合、第１巻線２２１の抵抗［Ω］は、Ｒ_Ｃｕ×（ρ_Ａｌ／ρ_Ｃｕ）［Ω］で表される。１本の第１巻線２２１の断面積をＳ_Ｃｕとすると、電気抵抗は巻線の断面積に反比例するので、第１巻線２２１で生じる損失が第２巻線２２２で生じる損失と等しくなる場合、第１巻線２２１の抵抗は、Ｓ_Ｃｕ×（ρ_Ｃｕ／ρ_Ａｌ）で表される。さらに、第１巻線２２１で生じる損失が第２巻線２２２で生じる損失と等しくなる場合、第１巻線２２１の直径φ_Ｃｕは、φ_Ａｌ×√（ρ_Ｃｕ／ρ_Ａｌ）で表される。

従って、第１巻線２２１の直径φ_Ｃｕ［ｍｍ］が、φ_Ａｌ×√（ρ_Ｃｕ／ρ_Ａｌ）よりも大きいとき（すなわち、φ_Ａｌ×√（ρ_Ｃｕ／ρ_Ａｌ）＜φ_Ｃｕ）、第１領域２０１において、第２巻線２２２で生じる損失よりも大きい損失を第１巻線２２１で生じさせることができる。

例えば、第１巻線２２１の電気抵抗率ρ_Ｃｕを１．６８×１０^−８［Ω・ｍ］とし、第２巻線２２２の電気抵抗率ρ_Ａｌを２．８２×１０^−８［Ω・ｍ］とすると、第１巻線２２１の直径φ_Ｃｕ［ｍｍ］の下限は、第２巻線２２２の直径φ_Ａｌ［ｍｍ］の０．７７２倍である。すなわち、第１巻線２２１の直径φ_Ｃｕが、０．７７２×φ_Ａｌであるとき、第１巻線２２１の直径と第２巻線２２２の直径とが互いに等しい。

第１巻線２２１の直径φ_Ｃｕが０．７７２×φ_Ａｌよりも大きいとき（すなわち、０．７７２×φ_Ａｌ＜φ_Ｃｕ）、第１巻線２２１の電気抵抗が第２巻線２２２の電気抵抗よりも小さくなる。これにより、第１領域２０１において、第２巻線２２２で生じる損失よりも大きい損失を第１巻線２２１で生じさせることができる。

したがって、第１領域２０１において、固定子２が（Ｃ_１／Ｓ_１）＞（Ａ_１／Ｓ_１）を満たし、且つ第１巻線２２１の直径φ_Ｃｕが、φ_Ａｌ×√（ρ_Ｃｕ／ρ_Ａｌ）よりも大きいとき、コイル２２の温度上昇を低減することができ、固定子２における放熱効率をさらに改善することができる。

第２巻線２２２の機械的強度が第１巻線２２１の機械的強度よりも弱いとき、第２巻線２２２の直径φ_Ａｌは、第１巻線２２１の直径φ_Ｃｕよりも大きいことが望ましい。これにより、巻線工程での第２巻線２２２の強度を確保することができる。

さらに、第２巻線２２２の直径φ_Ａｌが、φ_Ｃｕ≦φ_Ａｌ＜φ_Ｃｕ×√（ρ_Ａｌ／ρ_Ｃｕ）を満たすとき、第１領域２０１に集められた第１巻線２２１で高い損失を発生させ、その熱を第１領域２０１から放熱経路Ｌ１へ効率よく放出することができる。さらに、巻線工程での第２巻線２２２の十分な強度を確保することができる。

第１巻線２２１と第２巻線２２２とが互いに並列に接続されたコイル２２を固定子コア２１のティース２１ｂに巻き付ける工程では、工程の複雑化を回避するため、共通の巻線機を用いることが望ましい。一方、第１巻線２２１と第２巻線２２２とで直径が互いに異なる場合には、通常、巻線機の巻線ノズルのノズル径を、太い方の巻線に合わせる。

第１巻線２２１の直径φ_Ｃｕが、第２巻線２２２の直径φ_Ａｌの２倍よりも太い場合、巻線ノズルに細い巻線、すなわち、第２巻線２２２が２列に挿入される可能性があり、第２巻線２２２が損傷を受ける可能性がある。

そのため、第１巻線２２１の直径φ_Ｃｕは、第２巻線２２２の直径φ_Ａｌの２倍よりも小さいことが望ましい。すなわち、第１巻線２２１および第２巻線２２２の関係は、φ_Ａｌ×√（ρ_Ｃｕ／ρ_Ａｌ）＜φ_Ｃｕ＜φ_Ａｌ×２を満たすことが望ましい。これにより、第１領域２０１に集められた第１巻線２２１で高い損失を発生させ、その熱を第１領域２０１から放熱経路Ｌ１へ効果的に放出すると共に、巻線工程での第２巻線２２２の損傷および断線を防止することができる。

＜誘導電動機＞
実施の形態１で説明した電動機１は、例えば、誘導電動機である。

一般に、誘導電動機は、インバータを用いずに駆動される場合が多い。すなわち、電動機１を制御する制御部は、コイル２２に一定電圧を供給して電動機１を駆動する場合が多い。そのため、電動機１の負荷または供給電圧の変動により、コイル２２を流れる電流が大幅に増加し、コイル２２の温度が上昇する場合がある。

実施の形態１に係る固定子２を有する電動機１は、上記の通り、高い放熱効率を有し、コイル２２の温度上昇を低減することができるため、電流の変動の大きい誘導電動機で特に大きな効果を発揮する。なお、電動機１は、誘導電動機以外の電動機、例えば、同期電動機であっても高い放熱効率が得られる。

＜実施の形態１の効果＞

例えば、熱損失量の大きい巻線を、コイルエンド部２２ａの第１側よりも第２側に密に配置した場合、固定子２の熱（例えば、固定子コア２１の熱及びコイル２２の熱）が第２側から第１側へ伝達されにくい。この場合、固定子２の熱が固定子２の外部へ放出されにくいため、固定子２の温度上昇を低減することが困難である。したがって、固定子２の熱は、放熱経路Ｌ２よりも放熱経路Ｌ１へ放出させることが望ましい。コイル２２の周囲に液体（例えば、冷媒）などの媒質が存在する場合、コイル２２の熱をその媒質へ放出しやすい。この場合、コイル２２の熱は放熱経路Ｌ２よりも放熱経路Ｌ１へ放出されやすい。したがって、熱が放熱経路Ｌ１へ放出されやすいように、コイル２２を形成することが望ましい。

本実施の形態に係る固定子２では、第２巻線２２２が第１巻線２２１と並列に接続されており、熱損失量の大きい第１巻線２２１をコイルエンド部２２ａの第２側よりも第１側に多く配置し、熱損失量の小さい第２巻線２２２をコイルエンド部２２ａの第１側よりも第２側に多く配置している。具体的には、固定子２は、（Ｃ_１／Ｓ_１）＞（Ｃ_２／Ｓ_２）を満たす。すなわち、コイルエンド部２２ａの第１側、すなわち、第１領域２０１における第１巻線２２１の密度は、コイルエンド部２２ａの第２側、すなわち、第２領域２０２における第１巻線２２１の密度よりも大きい。

したがって、熱損失量の大きい第１巻線２２１が、コイルエンド部２２ａの第１側に密に配置される。これにより、固定子２の熱、特にコイル２２の熱がコイルエンド部２２ａの第２側から第１側へ効率的に伝達され、第１側から放熱経路Ｌ１へ放出されるので、コイル２２のコイルエンド部２２ａにおける放熱効率を改善することができ、電動機１の高速回転時の固定子２（特に、コイル２２）における温度上昇を低減することができる。その結果、固定子２を有する電動機１の出力を高めることができる。

さらに、固定子２は、（Ｃ_１／Ｓ_１）＞（Ａ_１／Ｓ_１）を満たすことが望ましい。これにより、コイル２２の熱が第１側から放熱経路Ｌ１へ効率的に放出されるので、固定子２における放熱効率をさらに改善することができ、固定子２における温度上昇を低減することができる。

さらに、固定子２は、（Ｃ_１／Ａ_１）＞（Ｃ_２／Ａ_２）を満たすことが望ましい。これにより、固定子２の熱、特にコイル２２の熱がコイルエンド部２２ａの第２側から第１側へ効率的に伝達され、その熱を第１側から放熱経路Ｌ１へ容易に放出させることができる。その結果、固定子２における放熱効率をさらに改善することができ、固定子２における温度上昇を低減することができる。

コイルエンド部２２ａの第１側には、少なくとも１つの第１巻線２２１のみが配置されてもよい。この場合、コイルエンド部２２ａの第１側には第２巻線２２２が存在しない。これにより、コイルエンド部２２ａの第１側、すなわち第１領域２０１には、熱損失量の大きい第１巻線２２１のみが配置されるので、コイル２２の熱を第１側から放熱経路Ｌ１へ容易に放出させることができる。その結果、固定子２における放熱効率をさらに改善することができ、固定子２における温度上昇を低減することができる。

さらに、固定子２は、（ＣＯ_１／ＳＯ_１）＞（Ｃｉ_１／Ｓｉ_１）を満たすことが望ましい。これにより、コイル２２の外側に露出する領域に、熱損失量の大きい第１巻線２２１を多く配置することができる。すなわち、第１領域２０１において、半径ｒで囲まれた領域の外側に多く第１巻線２２１を配置することができる。その結果、固定子２における放熱効率をさらに改善することができ、固定子２における温度上昇を低減することができる。

第１巻線２２１及び第２巻線２２２は、互いに並列に接続されているので、第１巻線２２１及び第２巻線２２２に流れる電流値は互いに異なる。第１巻線２２１の電気抵抗Ｒ_Ｃｕは、第２巻線２２２の電気抵抗Ｒ_Ａｌよりも小さいので、電気抵抗の小さい第１巻線２２１に電流が流れやすくなる。これにより、第１巻線２２１に生じる熱損失量は、第２巻線２２２に生じる熱損失量よりも大きい。したがって、上述のように、第１巻線２２１の多くを第１領域２０１に配置することにより、コイルエンド部２２ａにおける放熱効率を改善することができる。

第１巻線２２１の直径φ_Ｃｕがφ_Ａｌ×√（ρ_Ｃｕ／ρ_Ａｌ）よりも大きいとき、第１領域２０１において、第２巻線２２２で生じる損失よりも大きい損失を第１巻線２２１で生じさせることができる。これにより、上述のように放熱効率を改善することができる。

第１巻線２２１および第２巻線２２２の関係は、φ_Ａｌ×√（ρ_Ｃｕ／ρ_Ａｌ）＜φ_Ｃｕ＜φ_Ａｌ×２を満たすことが望ましい。これにより、第１領域２０１に集められた第１巻線２２１で高い損失を発生させ、その熱を第１領域２０１から放熱経路Ｌ１へ効果的に放出すると共に、巻線工程での第２巻線２２２の損傷および断線を防止することができる。

さらに、第１巻線２２１および第２巻線２２２の関係が、φ_Ａｌ×√（ρ_Ｃｕ／ρ_Ａｌ）＜φ_Ｃｕ＜φ_Ａｌを満たすとき、第１領域２０１に集められた第１巻線２２１で高い損失を発生させ、その熱を第１領域２０１から放熱経路Ｌ１へ効率よく放出することができる。さらに、巻線工程での第２巻線２２２の十分な強度を確保することができる。

実施の形態１に係る固定子２を有する電動機１は、上述の固定子２の効果を有する。さらに、実施の形態１に係る固定子２を有する電動機１を、誘導電動機に適用することにより、特に高い効果が得られる。

実施の形態２．
＜スクロール圧縮機＞
次に、実施の形態１で説明した電動機１が適用される圧縮機としてのスクロール圧縮機３００について説明する。
図６は、スクロール圧縮機３００を示す断面図である。

スクロール圧縮機３００は、密閉容器３０７と、密閉容器３０７内に配置された圧縮機構３０５と、圧縮機構３０５を駆動する電動機１と、圧縮機構３０５と電動機１とを連結するシャフト３０６と、シャフト３０６の下端部（すなわち圧縮機構３０５側と反対側の端部）を支持するサブフレーム３０８とを備えている。

圧縮機構３０５は、渦巻部分を有する固定スクロール３０１と、固定スクロール３０１の渦巻部分との間に圧縮室を形成する渦巻部分を有する揺動スクロール３０２と、シャフト３０６の上端部を保持するコンプライアンスフレーム３０３と、密閉容器３０７に固定されてコンプライアンスフレーム３０３を保持するガイドフレーム３０４とを備える。

固定スクロール３０１には、密閉容器３０７を貫通する吸入管３１０が圧入されている。また、密閉容器３０７には、固定スクロール３０１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３１１が設けられている。この吐出管３１１は、密閉容器３０７の圧縮機構３０５と電動機１との間に設けられた図示しない開口部に連通している。

電動機１は、固定子２を密閉容器３０７に嵌め込むことにより密閉容器３０７に固定されている。電動機１の構成は、上述した通りである。密閉容器３０７には、電動機１に電力を供給するガラス端子３０９が溶接により固定されている。

電動機１が回転すると、その回転が揺動スクロール３０２に伝達され、揺動スクロール３０２が揺動する。揺動スクロール３０２が揺動すると、揺動スクロール３０２の渦巻部分と固定スクロール３０１の渦巻部分とで形成される圧縮室の容積が変化する。そして、吸入管３１０から冷媒ガスが吸入され、圧縮されて、吐出管３１１から吐出される。

電動機１の回転時には、コイル２２に電流が流れて、コイル２２で発熱する。コイル２２で発生した熱は、実施の形態１で説明したように、固定子２の外部へ放出される。

スクロール圧縮機３００は、実施の形態１で説明した電動機１を有するので、実施の形態１で説明した効果を有する。さらに、実施の形態１に係る固定子２を有する電動機１は高い放熱効率を有するため、スクロール圧縮機３００の内部の温度上昇を低減することができる。さらに、実施の形態１で説明したように、電動機１の出力を高めることができるので、スクロール圧縮機３００の出力も高めることができる。

実施の形態１で説明した電動機１は、スクロール圧縮機３００以外の圧縮機に適用してもよい。

実施の形態３．
＜空気調和装置＞
次に、実施の形態１で説明した電動機１が適用される空気調和装置４００について説明する。
図７は、空気調和装置４００（冷凍サイクル装置ともいう）を示す図である。

空気調和装置４００は、圧縮機４０１と、凝縮器４０２と、絞り装置（減圧装置ともいう）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、実施の形態２で説明したスクロール圧縮機３００である。ただし、圧縮機４０１は、実施の形態１で説明した固定子２を有する電動機１を有すれば、スクロール圧縮機以外の圧縮機でもよい。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の動作の一例を説明する。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。

空気調和装置４００は、実施の形態１で説明した電動機１を有するので、実施の形態１で説明した効果を有する。さらに、空気調和装置４００は、圧縮機４０１として、実施の形態２で説明したスクロール圧縮機３００を用いるので、実施の形態２で説明した効果を有する。上記の通り、実施の形態１で説明した電動機１は高い放熱効率を有するため、圧縮機４０１内の温度上昇を低減することができ、空気調和装置４００の安定した運転が可能となる。また、電動機１の出力増加に伴う圧縮機４０１の出力増加によって、空気調和装置４００の出力も増加させることができる。

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 電動機、 ２ 固定子、 ３ 回転子、 ２１ 固定子コア、 ２１ａ ヨーク、 ２１ｂ ティース、 ２２ コイル、 ２２ａ コイルエンド部、 ２０１ 第１領域、 ２０２ 第２領域、 ２２１ 第１巻線、 ２２２ 第２巻線、 ３００ スクロール圧縮機（圧縮機）、 ３０５ 圧縮機構、 ３０７ 密閉容器、 ４００ 空気調和装置、 ４０１ 圧縮機、 ４０２ 凝縮器、 ４０３ 絞り装置（減圧装置）、 ４０４ 蒸発器。

本発明の固定子は、固定子コアと、少なくとも１つの第１巻線と、前記少なくとも１つの第１巻線と並列に接続されており前記少なくとも１つの第１巻線とは異なる材料で形成された少なくとも１つの第２巻線とを有し、前記固定子コアに巻回されたコイルとを備え、前記コイルは、前記固定子コアの外側に位置するコイルエンド部を有し、前記コイルエンド部において前記コイルと前記固定子コアとの接点からの前記コイルエンド部の最大高さを２等分する直線をＰ１とし、前記直線Ｐ１を挟んで前記固定子コアの反対側である、前記コイルエンド部の第１側の総断面積をＳ_１とし、前記直線Ｐ１を挟んで前記第１側の反対側である、前記コイルエンド部の第２側の総断面積をＳ_２とし、前記コイルエンド部の前記第１側における前記少なくとも１つの第１巻線の総断面積をＣ_１とし、前記コイルエンド部の前記第２側における前記少なくとも１つの第１巻線の総断面積をＣ_２としたとき、（Ｃ_１／Ｓ_１）＞（Ｃ_２／Ｓ_２）を満たし、前記第１巻線の直径をφ _Ｃｕ ［ｍｍ］とし、前記第２巻線の直径をφ _Ａｌ ［ｍｍ］とし、前記第１巻線の電気抵抗率をρ _Ｃｕ ［Ω・ｍ］とし、前記第２巻線の電気抵抗率をρ _Ａｌ ［Ω・ｍ］としたとき、φ _Ａｌ ×√（ρ _Ｃｕ ／ρ _Ａｌ ）＜φ _Ｃｕ を満たす。

Claims (13)

1. 固定子コアと、
   少なくとも１つの第１巻線と、前記少なくとも１つの第１巻線と並列に接続されており前記少なくとも１つの第１巻線とは異なる材料で形成された少なくとも１つの第２巻線とを有し、前記固定子コアに巻回されたコイルと
   を備え、
   前記コイルは、前記固定子コアの外側に位置するコイルエンド部を有し、
   前記コイルエンド部において前記コイルと前記固定子コアとの接点からの前記コイルエンド部の最大高さを２等分する直線をＰ１とし、前記直線Ｐ１を挟んで前記固定子コアの反対側である、前記コイルエンド部の第１側の総断面積をＳ_１とし、前記直線Ｐ１を挟んで前記第１側の反対側である、前記コイルエンド部の第２側の総断面積をＳ_２とし、前記コイルエンド部の前記第１側における前記少なくとも１つの第１巻線の総断面積をＣ_１とし、前記コイルエンド部の前記第２側における前記少なくとも１つの第１巻線の総断面積をＣ_２としたとき、
   （Ｃ_１／Ｓ_１）＞（Ｃ_２／Ｓ_２）
   を満たす
   固定子。
2. 前記コイルエンド部の前記第１側に配置された前記少なくとも１つの第２巻線の総断面積をＡ_１としたとき、
   （Ｃ_１／Ｓ_１）＞（Ａ_１／Ｓ_１）
   を満たす
   請求項１に記載の固定子。
3. 前記コイルエンド部の前記第１側に配置された前記少なくとも１つの第２巻線の総断面積をＡ_１とし、前記コイルエンド部の前記第２側に配置された前記少なくとも１つの第２巻線の総断面積をＡ_２としたとき、
   （Ｃ_１／Ａ_１）＞（Ｃ_２／Ａ_２）
   を満たす
   請求項１又は２に記載の固定子。
4. 前記コイルエンド部の前記第１側には、前記少なくとも１つの第１巻線のみが配置されている請求項１に記載の固定子。
5. 前記コイルエンド部の断面上において前記直線Ｐ１を２等分する直線をＰ２とし、前記コイルエンド部の前記断面上における前記直線Ｐ１及び前記直線Ｐ２の交点を中心とする半径をｒとし、前記半径ｒは、前記コイルエンド部の前記断面上における、前記直線Ｐ１の長さの半分及び前記直線Ｐ２の長さの半分よりも短いとし、前記コイルエンド部の前記第１側において前記半径ｒで囲まれた領域の外側の総断面積をＳＯ_１とし、前記コイルエンド部の前記第１側において前記半径ｒで囲まれた領域の総断面積をＳｉ_１とし、前記総断面積ＳＯ_１に占める前記少なくとも１つの前記第１巻線の占める比率をＣＯ_１／ＳＯ_１とし、前記総断面積Ｓｉ_１に占める前記少なくとも１つの前記第１巻線の占める比率をＣｉ_１／Ｓｉ_１としたとき、
   （ＣＯ_１／ＳＯ_１）＞（Ｃｉ_１／Ｓｉ_１）
   を満たす
   請求項１から４のいずれか１項に記載の固定子。
6. 前記第１巻線の直径をφ_Ｃｕ［ｍｍ］とし、前記第２巻線の直径をφ_Ａｌ［ｍｍ］とし、前記第１巻線の電気抵抗率をρ_Ｃｕ［Ω・ｍ］とし、前記第２巻線の電気抵抗率をρ_Ａｌ［Ω・ｍ］としたとき、
   

   

   を満たす
   請求項１から５のいずれか１項に記載の固定子。
7. 前記第１巻線の直径をφ_Ｃｕ［ｍｍ］とし、前記第２巻線の直径をφ_Ａｌ［ｍｍ］とし、前記第１巻線の電気抵抗率をρ_Ｃｕ［Ω・ｍ］とし、前記第２巻線の電気抵抗率をρ_Ａｌ［Ω・ｍ］としたとき、
   

   

   を満たす
   請求項１から５のいずれか１項に記載の固定子。
8. 前記少なくとも１つの第１巻線は銅線である請求項１から７のいずれか１項に記載の固定子。
9. 前記少なくとも１つの第２巻線はアルミ線である請求項１から８のいずれか１項に記載の固定子。
10. 請求項１から９のいずれか１項に記載の固定子と、
    前記固定子の内側に回転可能に配置された回転子と
    を備える
    電動機。
11. 前記電動機は、誘導電動機である請求項１０に記載の電動機。
12. 密閉容器と、
    前記密閉容器内に配置された圧縮機構と、
    前記圧縮機構を駆動する、請求項１０又は１１に記載の電動機と
    を備える
    圧縮機。
13. 請求項１２に記載の圧縮機と、凝縮器と、減圧装置と、蒸発器とを備える空気調和装置。

Images