JP4485262B2 - 電動機の固定子 - Google Patents

Description

本発明は、円周方向に複数のティース部を有する固定子と、前記固定子を外枠に接触固定した電動機に関する。

従来、エアコン用、冷蔵庫用の駆動源である圧縮機に搭載される電動機の固定子は、
外枠であるケースに直接、固定子が固定されている。電動機の固定子は、ケースを高温に加熱し固定子に組み付ける焼きバメ方式や、或いは電動機の固定子を冷やし、ケースに組み付ける冷やしバメ方式、また、若干の締め代によりケースに固定子を固定する圧入方式等が用いられている。尚、焼きバメ方式と冷やしバメ方式を併用することにより容易に電動機の固定子をケースに固定し組み付けることができる。

このように電動機の固定子をケースに固定する場合、電動機運転中に固定子がケースから緩まない（脱落しない）ように、ある程度、固定子とケースとの間に締め代が設けられている。しかしながら、固定子を固定するケースは、引き抜き加工または、深絞り加工等で形成されるので寸法公差が大きく、ケースに固定子を組み付ける際、締め代が大き過ぎて固定子が変形したり、或いは締め代が小さ過ぎてケースから固定子が緩んで脱落するという問題が発生している。

これらの問題に対し、例えば特開平５−２６８７４０号公報（特許文献１参照）に開示されているように、ケースに電動機の固定子が接触固定している冷凍サイクル用コンプレッサにおいて、接触固定した嵌め合い部の周方向長さより長いスリットを固定子外周面に沿って設けられている。
これは、固定子に設けられたスリットにより固定子外径が弾性的に変形し、ケースに生じる寸法公差を吸収することによって固定子が変形するのを防止している。

また、先に説明したような焼きバメ方式等によりケースを固定子に固定する場合、ケースの収縮力が圧縮力として固定子に作用し、固定子の磁気特性を劣化させ電動機効率を低下させている。このような問題に対して、例えば特開２００２−１３６０１３号公報（特許文献２参照）のように、ケースの焼きバメ加工時に発生する応力を、固定子に設けた穴により緩和し磁気特性の劣化を低減した電動機が提案されている。

特開平５−２６８７４０号公報 特開２００２−１３６０１３号公報

従来の電動機の固定子をケースに焼きバメ等により固定する場合、締め代に比例した応力が発生するため、この応力を緩和する方法として、固定子の外周にスリット（穴）を設けている。しかしながら、固定子に設けられたスリットによっては、ケースが固定子を保持しようとする力が低減し固定子が脱落したり、或いは応力による鉄損の増加を低減するために固定子に設けられたスリットにも係らず磁束通路が圧迫され、逆に電動機効率を悪化させる場合も生じている。本発明は、これらに鑑みて固定子の外周面近傍に発生する応力を緩和する為に適切な位置に空隙を設け磁気特性の劣化を極力低減し、且つ、この空隙によってケースと固定子との間の保持力が低下し固定子が脱落することのない電動機の固定子を得ることを目的としている。

請求項１に記載の発明は、円周方向に複数のティース部を有する電動機の固定子と、この固定子を接触固定する外枠とを備えた電動機において、
この固定子のティース部根元が位置する固定子外周部が、前記外枠と接触固定しており、この固定子のティース部根元と、前記外枠（ケース）と接触固定した固定子外周部との間に、固定子外周部近傍の応力を緩和するための空隙部を設け、この空隙部に固定子のティース部根元から外枠に接触固定した固定子外周部に渡るブリッジ部分を設けることにより、焼きバメ等による圧縮応力を極力低減でき、尚且つ、応力による磁気特性の劣化を防ぎ固定子の鉄損の増加を防ぐことが出きるとともに、空隙部を渡るブリッジ部分により外枠に固定子が確実に固定され、外枠から固定子が脱落することのない電動機の固定子とすることができる。この場合の空隙は、固定子の円周方向に設けられた複数のティース全てのティース部根元と固定子外周部との間に必ず空隙を設ける必要も無く、必要に応じて空隙の数、大きさを適宜選択すればよい。

請求項２に記載の発明は、前記固定子の内径中心を中心とし、前記外枠と接触固定した固定子外周部の開角を、前記固定子外周部近傍の応力を緩和するために設けられた空隙部の開角と同じか、もしくはそれより広くすることにより、外枠を固定子に接触固定した際の圧縮応力により固定子外周部近傍が座屈し空隙部に陥没することが無くなる。これにより外枠と接触固定された固定子外周部が永久変形し外枠から固定子が緩む（脱落する）ことがなくなり、固定子を確実に固定することができる。

請求項３に記載の発明は、固定子のティース部根元が位置する固定子外周部は前記外枠と接触固定され、固定子内部に設けられたスロット底部が位置する固定子外周部は外枠と非接触とすることにより、スロット底部の幅の狭いヨーク部に圧縮応力が加わらないようにしている。これにより、磁気特性の低下を抑制することができ固定子の鉄損が増大することが無いため、電動機の効率が低下することがなくなる。

請求項４に記載の発明は、１つのティース部に直接巻線が巻き付けられた集中巻き方式の電動機の固定子に本発明を用いることにより、例えば磁束が各ティース部で分散する分布巻方式による電動機の固定子より、多くの磁束が１つのティース部に集中し磁束密度が高くなる集中巻き方式の電動機の固定子に用いることにより、より磁気特性の低下が抑制される。

請求項５に記載の発明は、外枠に電動機の固定子が組み込まれた圧縮機に用いることにより、固定子に外枠を嵌着する際の圧縮応力を低減することができ、電動機の磁気特性の低下が抑制され、電動機の効率が低下することのない固定子とすることができる。これにより電動機により駆動されるエアコン用、冷蔵庫用のエネルギー効率を上げることができる。

請求項６に記載の発明は、外枠に組み込まれて車載用途として搭載される電動機の固定子とすることによって、前記と同様の効果を得ることができる。

本発明は、円周方向に複数のティース部を有する固定子と、固定子が接触固定する外枠とを備えた電動機において、ティース部根元が位置する固定子外周部を外枠に接触固定させ、ティース部根元と外枠に接触固定した固定子外周部との間に、固定子外周部近傍の応力を緩和するための空隙部を設け、前記空隙部には、固定子のティース部根元から外枠に接触固定した固定子外周部を繋ぐブリッジ部分を設けることにより、外枠を固定子に組み付ける際に発生する圧縮応力歪を吸収することができ固定子内の磁気特性の低下を抑制しながら、外枠から固定子が緩み脱落することがない電動機の固定子とすることができる。
これにより、固定子に発生する鉄損を低減でき電動機効率の低下を防ぎながら、確実に固定子を外枠に固定することができる。

また、固定子に外枠を嵌着する際に、前記空隙部の固定子外周部が永久変形して固定子が脱落するのを防ぐ方法としては、固定子内径の中心を軸中心として外枠と接触固定した固定子外周部の開角を、固定子外周部近傍の応力を緩和するために設けられた空隙部の開角と同じか、もしくはそれより広くとることによって固定子外周部分が空隙部に陥没することなく強度を維持することができ固定子外周部分の弾性力により外枠から固定子が緩み脱落するのを防ぐことができる。

また、固定子の磁束密度が非常に高い固定子のヨーク部分（例えば、スロット底部と固定子外周部との間の固定子鉄心部分）を外枠と接触しないようにすることによって磁束密度の高い部分には圧縮応力が加わらないようにしている。これにより磁気特性の低下を防ぎ、電動機効率の低下を防ぐことができる。

尚、分布巻方式の固定子よりヨーク部やティース部に磁束が集中する、集中巻き方式の電動機の固定子に適用することにより効果的に圧縮応力による磁気特性の劣化を抑制することができる。

また、本発明は、固定子に外枠を接触固定した全ての電動機の固定子に用いることができるが、特に電動機により駆動されるエアコン用、冷蔵庫用の圧縮機に搭載する電動機の固定子や、車載用途の電動機の固定子として用いることにより優れた効果を得ることができる。

本発明の実施例について図面を用いて説明する。図１の電動機は、外枠７に固定子１を接触固定した電動機の横断面図である。この場合、外枠７に電動機の固定子１を接触固定する方法としては、外枠７を加熱し固定子１に接触固定する焼きバメ方式、また、固定子１を低温にし外枠７を接触固定する冷やしバメ方式、固定子１に外枠７を圧入する圧入方式等に適用できる。尚、焼きバメ方式、冷やしバメ方式、圧入方式等を適宜併用することにより作業性が向上して容易に外枠に固定子１を固定することができる。また、図１の固定子１の外枠７に用いられる材質としては、例えば鉄、アルミニューム等であり、磁性材、非磁性材を問わない。

図１の本実施形態に用いている固定子１は、環状にヨーク部５が設けられ、環状ヨーク部５から固定子１の内径方向にティース部４が６つ伸び、ティース部４とティース部４との間にはスロット２が形成されている。スロット２にはティース部４に直接巻線３が巻き付けられる集中巻方式による巻線が装着され３相４極を形成している。尚、スロット２には、巻線３を絶縁するための絶縁材（樹脂製のボビン、フィイルム等）が用いられるが、図示していない。また、本実施形態において構造上同じ機能を有するものは、同じ記号を付している。

固定子１の外周には、切り欠き１１が複数設けられている。この切り欠き１１を設けることにより外枠７と固定子１との間の冷却を行うことが出きる。例えば、エアコン用や冷蔵庫用に用いられる圧縮機の固定子１においては、固定子１の外周に設けられた切り欠き１１は、冷媒ガス等が流出入するガス通路として使用している。この固定子１と接触固定されている外枠７とは、固定子１のティース部根元８が位置する固定子外周部分９とが接触固定している。

また、図２には、図１に示した実施形態の各ティース部４における部分拡大図を示している。図中の矢印１３は磁束の流れを表している。磁束の通路としては磁束が集中して流れるスロット底部１２の狭い幅のヨーク部５から、ティース部４を挟み隣り合うスロット底部１２の狭い幅のヨーク部５からの磁束が合流して流れ込んでいる。しかしながら図２からも解るようにティース部根元８が位置する固定子外周部９の近傍には磁束が集中しておらず、比較的磁束密度が低くなっていることが解る。

従って、外枠７に固定子１を接触固定し、固定子１に加わる圧縮応力により磁気特性の劣化を防止しようとする場合、固定子１のティース部根元８が位置する固定子外周部９を外枠７と接触固定させることにより圧縮応力による磁気特性への影響を低減することができる。これにより、固定子１に発生する鉄損を低減でき電動機効率の低下を防ぐことが出きる。

また、更に固定子１のティース部根元８と固定子外周部９との間に固定子外周部９の近傍の応力を緩和するための空隙部１０を設けている。空隙部１０は固定子外周部９の近傍に固定子１の軸方向に沿うように貫通穴として設けられている。この空隙部１０の形状としては、固定子外周部９に沿うように長穴としてもよく、また丸穴としてもよい。

例えば、固定子１のティース部根元８と固定子外周部９との間に設けた貫通穴の形状としては、先に説明した様に各スロット底部１２のヨーク部５に磁束が集中して流れ、隣り合うスロット底部１２のヨーク部５からの磁束が合流しティース部４に流れ込むことになる。従って、各スロット底部１２のヨーク部５に流れ込む磁束の通路に支障がないような形状とすればよい。例えば、図３に図２とは別の実施形態を示し説明する。スロット底部１２のヨーク部５側に面する辺Ｙ１を、ティース部４側に面する辺Ｙ２より短くすることにより空隙部１０ａの形状が磁気の通路を邪魔することなく磁束を流すことができる。

また、ティース部根元８と、外枠７に接触固定されている固定子１の外周との間に設けられた空隙部は、例えば、外枠７に固定子１を焼きバメ固定する際に発生する圧縮応力の影響による磁気特性の劣化を防ぐことができる。しかしながら固定子１と外枠７との締め代等によっては、外枠７と固定子１との保持力が低下する場合がある。これは、締め代を大きく設定した場合、固定子１の空隙部と固定子外周側との間の固定子鉄心が空隙部に陥没し弾性力を無くし永久変形することによる。

このような場合においては、図１及び図２に示すように固定子１のティース部根元８と固定子外周部９との間に設けられた空隙部１０に、固定子１のティース部根元８から固定子外周部９に渡るブリッジ部分６を設けることにより外枠７と固定子１との保持力を維持することができる。この場合、空隙部１０を渡るブリッジ部分６の位置は、ティース部根元８と固定子外周部９との間に設けられた空隙部１０の略中央部をティース部根元８から固定子外周部９にかけて繋いだブリッジであり、空隙部１０の略中央部に設けることによって固定子１に係る焼きバメ等の圧縮応力が空隙部１０に偏って加わることを防止している。尚、空隙部１０が複数ある場合圧縮応力が均等に加わる様にブリッジ部６を複数設けることになる。これにより外枠７が固定子１にかかる圧縮応力を均一化することができる。

また、ブリッジ部６の幅は、好ましくは固定子を構成している薄板電磁鋼板の１枚の厚さ以上であり、固定子１のティース部４の幅より狭くすることにより、固定子１に空隙部１０を設けることが容易であり、圧縮応力による固定子外周部９が空隙１０に陥没し永久変形することがなくなる。

また、図１から図３に示したように固定子１の内径から見た場合、固定子１の内径中心を中心とし外枠７と接触固定された固定子外周部９の開角θ１が、固定子１のティース部根元８から外枠７に接触固定する固定子外周部９との間の空隙１０、１０ａの開角θ２と同じか、もしくはそれより広くすることにより、固定子１に外枠７を嵌着する際に、空隙部１０、１０ａの固定子外周部９が陥没し永久変形して固定子１が脱落するのを防ぐことができる。

尚、θ１は固定子１の内径中心を中心として外枠７と接触固定されている固定子外周部９であり、固定子１の１つティース部根元８が位置する外枠７と固定子外周部分９とが接触固定されている部分である。また、θ２は固定子１のティース部根元８から外枠７に接触固定する固定子外周部９との間の空隙１０、１０ａであり、この場合、ティース部根元８に設けられた空隙１０、１０ａが複数ある場合は、固定子円周方向における空隙部の最も外側に位置する空隙の開角であり、固定子１のティース部４を中心として、その空隙の最も外側に位置する空隙の側壁の辺もしくは点とが成す最大開角である。

従って、θ２≦θ１とすることに外枠７と接触固定されている固定子外周部９と空隙部１０、１０ａの最外径との間の固定子鉄心部分が、空隙部１０、１０ａに陥没し弾性力をなくし外枠７と固定子外周部分９との保持力が低下するようなことも無い。また固定子外周部分９と空隙部１０、１０ａの最外径との間の固定子鉄心の幅は、固定子１の軸方向に積層構造している薄板電磁鋼板の１枚の厚さ以上であり、圧縮応力を緩和できる程度の幅であればよく、例えば、０．２５ｍｍ〜３ｍｍ程度設ければよい。

実施の形態では、スロット底部１２が位置する固定子外周部１４は外枠７と接触固定されていない。スロット底部１２は、電動機性能を上げるためにスロット２にできるだけ多くの巻線３が装着できるようにスロット２の断面積を大きく取っている。このような構造から必然的にスロット底部１２と固定子外周部１４との間のヨーク部５は狭い幅となっている。この狭い幅を外枠７と接触固定させた場合、圧縮応力の影響が非常に大きく発生することになる。これはティース部根元８が位置する固定子外周部９を外枠７に接触固定した場合より磁気特性が劣化することになる。

先に図２で説明したように、スロット底部１２の狭い幅のヨーク部５から流れる磁束は、固定子ティース部根元８で合流しティース部４へ流れ込むことになる。この場合、ティース部根元８の付近から固定子１の内径側に向かうティース部分４へ流れる磁束は高くなるが、ティース部根元８が位置する外枠７と接触固定した固定子外周部９の近傍の磁束はそれ程高くなることはない。

このことから磁束の通路としては、スロット底部１２の狭い幅のヨーク部５を通り、ティース部根元８付近からティース部４へ流れ込むため、ティース部根元８の固定子外周部９近傍の固定子鉄心は、比較的磁束の影響が少なくなっている。従って、圧縮応力により磁気特性の劣化が少ないティース部根元８の固定子外周部９を外枠７と接触固定させている。これに対し、圧縮応力により磁気特性の影響を大きく受けるスロット底部１２の狭い幅のヨーク部５の固定子外周部１４は外枠７と非接触としている。

また、この磁束の流れからもわかる様に、例えば、分布巻方式による複数のティース部４に磁束が分散する固定子１より、１つのティース部４に直接巻線３が巻き付けられ磁束が集中する集中巻き方式の固定子１に、ティース部根元８と固定子外周部９との間に空隙部１０、１０ａを設けることにより、磁気特性の低下をより効果的に抑制することができ鉄損が増大することを防ぐことができる。これにより電動機の効率の低下を防ぐことができる。特に、巻線３を集中巻きにしたティース部４は、分布巻方式の固定子より歯幅を広く構成しているためティース部根元８が位置する固定子外周部９近傍の固定子鉄心部分も広く、この部分の磁束密度が比較的低いため圧縮応力を緩和するための空隙１０、１０ａを設ける位置としては最適である。

尚、図４には、固定子のティース部根元８と、外枠７と接触固定した固定子外周部９との間に空隙１０を設け圧縮応力を緩和した場合（実施品）と、そうでない場合（従来品）との電動機の効率比較である。空隙部１０の有り無しにより磁気特性における影響が変化し、電動機性能における鉄損の占める割合が変化する。図５には、図４と同様に空隙部１０の有り無しによる電動機の損失を分離し棒グラフに示している。図４と同様に鉄損が低減している状況がわかる。尚、図４は、回転数が１８００ｒｐｍで定格負荷時での損失を分離したものを示している。

以上のように、固定子のティース部根元８と固定子外周部９との間に空隙１０、１０ａを設け、固定子外周部９近傍の圧縮応力を緩和することにより電動機の効率の低下を低減することができるため、外枠に電動機の固定子を焼きバメ、冷やしバメ、圧入等の方法で接触固定する全ての外枠付き電動機の固定子に用いることにより磁気特性の劣化を防止し、電動機効率が低下するのを防ぐことができる。特に、エアコン用、冷蔵庫用の圧縮機に搭載される電動機の固定子や、車載用途の電動機の固定子に用いることにより外枠の圧縮応力の影響を受け難い電動機の固定子とすることができる。

実施形態における外枠に電動機の固定子を接触固定させた場合の横断面図。 図１における固定子ティース部根元と固定子外周部との間に位置する空隙部の部分拡大図。 空隙部の別の実施形態を示した図。 外枠に電動機の固定子を接触固定させた場合の電動機効率を比較したグラフ。 図４で説明した電動機の固定子の損失比較。

１・・・固定子、２・・・スロット、３・・・巻線、４・・・ティース部、５・・・ヨーク部、６・・・ブリッジ部、７・・・外枠、８・・・ティース部根元、９,１４・・・固定子外周部、１０,１０ａ・・・空隙部、１１・・・切り欠き、１２・・・スロット底部、１３・・・磁束の流れ、θ１・・・外枠と固定子外周部との接触固定開角，θ２・・・空隙部開角。

Claims (6)

1. 円周方向に複数のティース部を有する固定子と、前記固定子を接触固定する外枠とを備えた電動機において、
   前記ティース部根元が位置する固定子外周部を前記外枠に接触固定してなり、
   前記ティース部根元と、前記外枠に接触固定した固定子外周部との間に、
   前記固定子外周部近傍の応力を緩和するための空隙部が設けられており、
   前記空隙部には、前記ティース部根元から前記外枠に接触固定した固定子外周部を繋ぐブリッジ部分が設けられていることを特徴とする電動機の固定子。
2. 前記固定子の内径中心を中心とし、前記外枠に接触固定した固定子外周部の開角は、前記固定子外周部近傍の応力を緩和するために設けられた空隙部の開角と同じか、もしくはそれより広いことを特徴とする請求項１項記載の電動機の固定子。
3. 前記ティース部根元が位置する固定子外周部は前記外枠と接触固定してなり、固定子に設けられたスロット底部が位置する固定子外周部は前記外枠と非接触としたことを特徴とする請求項１項または請求項２項に記載の電動機の固定子。
4. 前記電動機の固定子のティース部には、直接巻線が巻き付けられた集中巻き方式による巻線が装着されていることを特徴とする請求項１項及至請求項３項いずれか記載の電動機の固定子。
5. 電動機により駆動されるエアコン用、冷蔵庫用の圧縮機に搭載したことを特徴とする請求項１項及至請求項４項いずれか記載の電動機の固定子。
6. 車載用途の電動機の固定子として搭載したことを特徴とする請求項１項及至請求項４項いずれか記載の電動機の固定子。

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