JP5110212B1 - 電動機 - Google Patents

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Abstract

【課題】電動機の運転によってインシュレータの巻胴部に対する外周壁部の経時変化により内倒れ現象の発生を低減することが可能なインシュレータを備えた電動機を得ること。
【解決手段】回転子と固定子とを備えた電動機で、固定子は、略筒状の固定子鉄心とインシュレータ20とを介して導線が巻回され、インシュレータ20は固定子鉄心の軸方向の両端面に対向配置され、固定子鉄心の環状のヨークの端面と接し、外周側に導線を引き回す環状の外周壁部21と、外周壁部21から径方向内側に放射状に突出し、導線を巻回する複数の巻胴部22と、巻胴部の各内側端から軸方向に立ち上がる内側鍔部23とを備え、外周壁部21は、巻胴部22側の外周壁部21の内周面が巻胴部22の突出方向と直交する平面部を備え、巻胴部22側の外周壁部21の外周面が円弧状に形成され、外周壁部21の径方向の厚さが巻胴部22の周方向中央側に近づくに従って肉厚となる。
【選択図】図5−1

Description

本発明は、回転子とその回転子の外側に配置された固定子とを備えた電動機に関する。
従来、エアコンや冷蔵庫の圧縮機等に用いられる電動機は、回転子(ロータ)と、回転子の径方向外側に筒状の固定子(ステータ)とを備えている。この固定子は、固定子鉄心(ステータコア)と、固定子鉄心の軸方向両端面に対向して配置されたインシュレータとを備え、インシュレータは、樹脂などの絶縁体により構成されている。
従来のインシュレータ80は、図9に示すように、円筒状の外周壁部81と、その外周壁部81から径方向内側に向かって放射状に突出する複数の巻胴部82と、各巻胴部82の内側端から円筒の軸方向に立ち上がる内側鍔部83とを備えている。隣接する内側鍔部83同士の間は、インシュレータ開口84が設けられている。また、インシュレータ80の外周壁部81と隣接する巻胴部82とで囲まれた扇状の空間は、インシュレータスロット85である。そして、インシュレータ80の外周壁部81には、不図示の固定子鉄心の外周端部に外嵌してインシュレータ80を固定子鉄心に固定するための3つの外爪86を有している。このように構成された従来のインシュレータ80は、各巻胴部82に導線を巻回して電機子コイルを構成する際に、巻線の接続関係に応じて外周壁部81の外周面に導線を渡すことで、渡り線87として弛みなく渡らせている(例えば、特許文献1)。
特開2008−211873号公報
しかしながら、上記した図9に示すようなインシュレータ80に用いた樹脂材料の特性による残留応力で、インシュレータ80の外周壁部81が図9の白抜き矢印で示したように、時間を経るに従って内側に倒れ込む内倒れ現象が発生する。この内倒れ現象が発生したインシュレータ80は、外周壁部81と渡り線87との間に隙間ができ、電動機の運転中や冷媒の流速による揺れ等により生じる摩擦擦れにより導線の絶縁性能に悪影響を与えるという問題があった。
そこで、インシュレータ80の外周壁部81と巻胴部82とで構成されるL型部に内倒れ防止用のリブを設けることが考えられるが、巻胴部82にリブを設けると巻線を巻回する際にそのリブが邪魔となり、整列巻きができなくなるという問題がある。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、電動機の運転によってインシュレータの巻胴部に対する外周壁部の経時変化により内倒れ現象の発生を低減することが可能なインシュレータを備えた電動機を得ることを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、回転子と、この回転子の外径側に配置された固定子とを備えた電動機であって、前記固定子は、略筒状に形成された固定子鉄心とインシュレータと、同インシュレータを介して前記固定子鉄心に巻回される導線とを有し、前記インシュレータは、前記固定子鉄心の軸方向の両端面に対向配置され、前記固定子鉄心の環状のヨークの端面と接し、外周側に渡り線となる導線を引き回す環状の外周壁部と、前記外周壁部から径方向内側に向かって放射状に突出し、前記導線を巻回する複数の巻胴部と、前記巻胴部の各内側端から軸方向に立ち上がる内側鍔部と、を備え、前記外周壁部は、前記巻胴部側の前記外周壁部の内周面が前記巻胴部の突出方向と直交する平面部を備えると共に、前記巻胴部側の前記外周壁部の外周面が円弧状に形成され、前記外周壁部の径方向の厚さが前記巻胴部の周方向中央に近づくに従って肉厚となり、前記外周壁部の前記固定子鉄心と接する端面側から前記複数の巻胴部の前記固定子鉄心と接する端面側にかけて、前記外周壁部から内径側に向けて切り欠いた溝部が設けられていることを特徴とする。
また、本発明は、前記溝部の径方向長さを、前記外周壁部の巻胴部の周方向中央の径方向厚みより大きくしたことを特徴とする。
また、本発明は、前記巻胴部が設けられた前記外周壁部から径方向外側に向かって一部突出させた突出部を備え、前記溝部が前記突出部まで延長して形成されていることを特徴とする。
本発明によれば、インシュレータの巻胴部側の外周壁部の内周面が巻胴部の突出方向と直交する平面部を備え、巻胴部側の外周壁部の外周面が円弧状に形成され、外周壁部の径方向の厚さが巻胴部の周方向中央に近づくに従って肉厚とし、外周壁部の固定子鉄心と接する端面側から複数の巻胴部の固定子鉄心と接する端面側にかけて、外周壁部から内径側に向けて切り欠いた溝部が設けられているため、インシュレータの外周壁部が内側へ倒れ難くなると共に、巻胴部に巻線を高占積率で巻回できるという効果を奏する。
図1は、本発明にかかる電動機の固定子の分解斜視図である。 図2は、図1の上側のインシュレータの拡大斜視図である。 図3は、図1の下側のインシュレータの拡大斜視図である。 図4は、図3のインシュレータを上から見た平面図である。 図5−1は、図2のインシュレータを上から見た平面図の部分拡大図である。 図5−2は、図2のインシュレータを上から見た別の平面図の部分拡大図である。 図6は、図4のA−A’線断面図である。 図7は、図4のA−O−B線断面図である。 図8は、本実施例と複数の比較例のインシュレータを用いて経時変化による変位量の違いを計測した遷移図である。 図9は、従来の課題を説明する従来のインシュレータの斜視図である。
以下に、本発明にかかる電動機の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。
図1は、本発明にかかる電動機の固定子の分解斜視図であり、図2は、図1の上側のインシュレータの拡大斜視図であり、図3は、図1の下側のインシュレータの拡大斜視図であり、図4は、図3のインシュレータを上から見た平面図であり、図5−1は、図2のインシュレータを上から見た平面図の部分拡大図であり、図5−2は、図2のインシュレータを上から見た別の平面図の部分拡大図であり、図6は、図4のA−A’線断面図であり、図7は、図4のA−O−B線断面図であり、図8は、本実施例と複数の比較例のインシュレータを用いて経時変化による外周壁部の内径側への倒れ度合いを計測した遷移図である。
図1に示すように、本実施例の電動機の固定子10は、固定子鉄心30と、固定子鉄心30のスロット34内に挿入されてスロット34と図5に示す導線52とを絶縁するための絶縁フィルム40と、固定子鉄心30の軸方向両端部36、36に装着されて軸方向端部36と導線52とを絶縁するインシュレータ20とを備えている。
固定子鉄心30は、環状に打抜き形成された電磁鋼板を積層して筒状に形成され、リング状のヨーク31と、ヨーク31から中心に向かって突出するティース32とを備え、ティース32の先端から周方向に先端エッジ33が突出している。
ヨーク31の内周側と隣り合うティース32の間に囲まれるように、扇形の空隙であるスロット34が形成され、ティース32の先端から周方向に突出し対向している先端エッジ33の間には、空隙であるスロット開口35が形成されている。
図1〜図5に示すように、インシュレータ20は、短い筒状に形成され、固定子鉄心30のヨーク31上に設置される外周壁部21と、外周壁部21の固定子鉄心30側から中心に向かって突出し固定子鉄心30のティース32を覆う巻胴部22と、巻胴部22の先端から周方向および軸方向に突出する内側鍔部としてのインシュレータエッジ23とを有している。
外周壁部21の固定子鉄心30側には、巻胴部22およびインシュレータエッジ23に囲まれるように、固定子鉄心30のスロット34およびスロット開口35と同一形状のインシュレータスロット25およびインシュレータ開口24が形成されている。また、外周壁部21の外周面には、導線52を保持して配線するための突起27が多数配置されている。さらに、インシュレータ20の外周壁部21の固定子鉄心30側には、固定子鉄心30の軸方向端部36に外嵌してインシュレータ20を固定子鉄心30に固定する3つの外爪26を有している。
また、図1に示すように、絶縁フィルム40は、PETフィルム等により、スロット34の内壁に密着するように断面が扇形の筒状に折り曲げ形成される。このとき、周方向両端のゲート部42が筒の内側に向かって折り曲げられてスロット開口35の開口幅以上(同一または大きい)の開口幅を有するフィルム開口41が形成される。絶縁フィルム40は、軸方向の長さが、固定子鉄心30の軸方向長さよりも長く形成されているので、スロット34に挿入されると、絶縁フィルム40のフィルム軸方向端部43は、固定子鉄心30の軸方向端部36から突出した状態になる。
なお、本実施例の絶縁フィルムは、これに限定されず、この電動機が用いられる機器に応じて種々変更することが可能である。例えば、冷媒を圧縮するコンプレッサに用いられる場合は、PETフィルムに換えて、ポリフェニレンサルファイドフィルムや、アラミド繊維で構成される絶縁フィルムなどの、難燃性のある絶縁フィルムを用いることが好ましい。
また、本実施例にかかる電動機の固定子におけるインシュレータ20の特徴的な構成としては、図5−1に示すように、外周壁部21の径方向の厚さを場所に応じて変化させている点にある。つまり、巻胴部22側の外周壁部21の内周面を巻胴部22と直交するような平面状に形成すると共に(一点鎖線Fの位置に設けられる平面部21b)、その外周面を円弧状に形成したため、外周壁部21の径方向の厚さは、隣接する巻胴部22同士の中間に位置する外周壁部21の径方向の厚さ(W1)よりも、巻胴部22側の外周壁部21の径方向の厚さ(W2)の方が肉厚となるように構成されている。
このように、外周壁部21の径方向の厚さを巻胴部22の周方向中央に近づくに従って厚く構成し、補強することによって、外周壁部21の内倒れを各巻胴部22で支えられるようにしている。この外周壁部21の径方向の厚さを変化させている構成は、図5−1以外にも、図2および図3の斜視図、図4の平面図、あるいは後述する図5−2にも示されている。
また、本実施例にかかる電動機の固定子におけるインシュレータ20は、図5−1に示すように、インシュレータ20の巻胴部22側の外周壁部21の内周面を巻胴部22と直交する平面部21bとしたため、巻胴部22に導線52を巻回する際に、巻線50が外周壁部21の内周面と平行になり、導線52を巻胴部22の端から規則正しく積層する整列巻きを行うことができる。
つまり、図5−1に示すように、巻胴部22側の外周壁部21の径方向の厚さは、巻胴部22と外周壁部21とが接する外周壁部21の内周面の一部を巻胴部22と直交する一点鎖線Fに沿って平面状に形成した平面部21bとして肉厚とすることにより、その平面部21bが図5−1に示す巻線機のノズル60を用いて導線52を巻回する際に、巻線50の巻回方向と平行になっているため、巻胴部22の端から隙間なく整列巻きすることができる。この整列巻きされた巻線は、インシュレータ20の巻胴部22の外径側を支持することによって、外周壁部21を支える機能を果たし、外周壁部21の内倒れを防止することができる。
巻線機を使って巻胴部22に導線52を巻回する場合は、図5−1に示すように、インシュレータ20の巻胴部22と、該巻胴部22の端面と接し、軸方向に配置された不図示の固定子鉄心のティースと、該ティースの反対側の端面に別のインシュレータの巻胴部を対向配置して一体化し、巻線機のノズル60をインシュレータ開口24から挿入する。巻線機のノズル60は、図5−1の奥行き方向にスライドすると共に、矢印C方向(左右方向)に回動可能であり、さらにインシュレータ20の巻胴部22の端から順に整列巻きを行うため、ノズル60自体が矢印D方向(径方向)に伸縮可能に構成されている。そして、巻線50は、ノズル60の先端から導線52を出しながら巻胴部22およびティースの周りを巻回することで巻装される。これにより、巻線機のノズル60を使って巻胴部22に導線52を巻いていく場合は、インシュレータ20の巻胴部22の外周壁部21の内周面が巻胴部22と直交するように平面状にしてあるため、巻胴部22の端から隙間なく整列巻きすることができ、整列巻きされた巻線によってインシュレータ20の巻胴部22の外径側を支持することができると共に、巻き乱れの少ない占積率の高い巻線50が得られる。
さらに、本実施例にかかる電動機の固定子におけるインシュレータ20では、図3、図4、図5−1、および図7に示すように、巻胴部22が設けられている外周壁部21から径方向外側に向かって外周壁部21の一部を突出させた突出部21−1が形成されている。
このように、本実施例のインシュレータ20は、巻胴部22側の外周壁部21の内周面が巻胴部22の突出方向と直交する平面部21bを備え、巻胴部22側の外周壁部21の外周面が円弧状に形成され、外周壁部21の径方向の厚さが巻胴部22の周方向中央に近づくに従って肉厚となるように形成されているため、巻胴部22に巻線を整列巻きすることで高占積率化することができると共に、整列巻きされた巻線によりインシュレータ20の巻胴部22の外径側を支持することが可能となり、径時変化による外周壁部21の内倒れを防止することができる。これにより、本実施例のインシュレータ20は、インシュレータ20の外周壁部21と渡り線51との間に隙間ができ難く、電動機の回転時による振動や冷媒の流速による揺れ等によって生じる摩擦擦れによる導線52の絶縁性能の劣化を防止することができる。
また、本実施例のインシュレータ20は、巻胴部22が設けられた外周壁部21から径方向外側に向かって一部を突出させた突出部21−1を形成したため、外周壁部21の外径側への倒れも防止できるようになり、巻胴部22に導線を巻回する際に導線を確実に支持して、整列巻きを実施することが可能になる。
なお、本実施例にかかる電動機の固定子における別のインシュレータ20の構成としては、図5−2に示すように、図5−1ほど外周壁部21の径方向の厚さを極端に変化させていないが、同様に巻胴部22側の外周壁部21の内周面の一部を巻胴部22と直交するような平面状(一点鎖線Gの位置に設けられる平面部21b)に形成すると共に、その外周壁部21の外周面を円弧状に形成しているため、隣接する巻胴部22同士の中間に位置する外周壁部21の径方向の厚さよりも、巻胴部22側の外周壁部21の径方向の厚さの方が肉厚となっている。
このように構成されたインシュレータ20を用いて、巻線機のノズル60を使って巻胴部22に導線52を巻いていく場合は、図5−2に示すように、導線52が一点鎖線Gの位置に設けられた平面部21bに対して隙間が空いた位置から巻き始めることになる。しかし、図5−2では、巻線の巻装後の位置を巻線位置50aとして二点鎖線で示し、一点鎖線Gの位置に設けられた平面部21bの範囲内に巻線位置50aが納まっている。つまり、最終的な巻線位置50aにおける巻胴部22側の外周壁部21の内周面が少なくとも平面部21bで構成されていれば、巻線機のノズル60から出る導線52を平面部21bから離れた位置から巻き始めたとしても、最終的には整列巻きによって巻線を巻回することができる。
その理由は、本出願人が先に出願した特許第4788881号公報に記載されているように、巻線機のノズルの最深到達位置で導線を巻くことにより、導線がノズルの最深到達位置を乗り越えて巻回され、導線が巻胴部の端から規則正しく積層される整列巻きが行えるからである。このため、本実施例にかかる電動機のインシュレータの構成は、図5−1と図5−2の中間の形態を含む一定の範囲を持っている。
また、本実施例にかかる電動機の固定子におけるインシュレータ20のもう一つの特徴的な構成としては、図1、および図3〜図7に示すように、インシュレータ20の外周壁部21の固定子鉄心30と接する端面21a、およびインシュレータ20の巻胴部22の固定子鉄心30と接する端面22aの径方向中央部に、少なくとも外周壁部21から径方向内側に向かって切り欠いた溝部28が形成されている点にある。
溝部28は、図3に示すように、インシュレータ20の外周壁部21の固定子鉄心30と接する端面21aから、インシュレータ20の巻胴部22の固定子鉄心30と接する端面22aにかけて、巻胴部22の径方向中央部で、外周壁部21の一部を突出させた突出部21−1から巻胴部22の径方向内側に向かって切り欠くことにより構成されている。
この溝部28の大きさや形状については、使用する樹脂材料、インシュレータのサイズ、運転環境温度等によって適宜変える必要がある。例えば、本実施例のインシュレータ20は、樹脂材料としてPBT(ポリブチレンテレフタレート)を使用し、インシュレータ20の中心から外周壁部21の内周面までの半径を約45mmとした場合、溝部28の周方向幅を約5mmとし、インシュレータ20の端面から溝部28の底面までの深さを1.5mmとして構成したが、これは一例であり、これらの大きさや形状に限定されない。また、インシュレータに用いる樹脂材料についても、上記例に限定されず、例えば、PPS(ポリフェニレンサルファイド)や液晶ポリマーなどを用いても良い。
溝部28は、インシュレータ20の巻胴部22の外径側に位置する外周壁部21の内部残留応力を緩和して、外周壁部21を内倒れし難くするものである。つまり、少なくともインシュレータ20の外周壁部21の固定子鉄心30と接する端面21a側に溝部28を形成し、この溝部28の径方向長さを、前記外周壁部21の径方向厚みよりも大きくしたことにより、外周壁部21を内側へ倒れ難くしている。
上記したような、インシュレータ20の巻胴部22に形成される溝部28は、図4のA−A’線断面図である図6、および、図4のA−O−B線断面図である図7を見るとわかるように、外周壁部21と巻胴部22の固定子鉄心30と接する端面21a側に形成されていることがわかる。
上記のように構成された本実施例のインシュレータ20と、これまで用いられてきた比較例1〜比較例3までのインシュレータとを同じ樹脂材料で構成し、それぞれ巻線を巻回して固定子を形成した状態で、一定温度で一定の応力をインシュレータに加え続け、時間の経過と共にインシュレータ20の外周壁部21の壁頂部の内径がどの程度の割合で変化するのかを線図に示したのが図8である。図8の縦軸は、経過時間0Hにおけるインシュレータ20の外周壁部21の壁頂部の内径Dが経時変化で内側に倒れて変化した内径の割合を倒れ率[%]で表したもので、横軸は経過時間[H]である。経過時間0Hにおけるインシュレータの内径をDとし、経過時間毎のインシュレータの内径をDfとすると、倒れ率[%]は次式(1)により算出される。
倒れ率[%]=[(D−Df)/D]×100・・・・(1)
この実験結果は、インシュレータのクリープ特性だけでなく、インシュレータの形状を変えることによって、インシュレータ20の外周壁部21が時間経過と共に内側へ倒れる変位量が変化することを示している。
なお、図8に示す実験データは、エアコンや冷蔵庫の圧縮機等に用いられる電動機の標準運転時間を想定し、150℃という高温の雰囲気中での加速寿命試験を行うことによりデータをとっている。例えば、樹脂材料の場合、アレニウスの法則により耐熱クラスの低いものでは、使用温度が8℃上昇すると寿命時間が半減するという「8℃寿命半減則」を用いることにより、材料の評価試験を短時間で済ませる加速寿命試験を行っている。
その実験結果を図8で見ると、使用開始から5000時間程度までは、本実施例のインシュレータも比較例1〜比較例3のインシュレータも倒れ率が0.2%前後まで上昇している。しかし、経過時間が5000時間を過ぎた辺りから、本実施例のインシュレータは、倒れ率[%]の上昇が無くなり、40000時間位まで0.2%以下の倒れ率を維持している。
これに対し、比較例1〜比較例3の場合は、5000時間を過ぎると倒れ率[%]の変化割合が少なくなるが、データを取っている40000時間まで継続的に倒れ率[%]が上昇し続けている。このように、比較例1〜比較例3のインシュレータは、最終的には倒れ率[%]が0.25%を超えて、0.30%前後まで上昇している。このため、本実施例のインシュレータは、比較例1〜比較例3のインシュレータと比べると、経時変化により外周壁部21が内倒れし難いということができる。
上記したように、本実施例の電動機によれば、実際の電動機の運転状況に似た温度条件や運転時間を想定して運転を行った場合、インシュレータの巻胴部の固定子鉄心の端面側に溝部を形成しているため、インシュレータの巻胴部に対し外周壁部が内側へ倒れ込む応力が緩和され、経時変化による内倒れ現象の発生を低減することができる。
また、本実施例の電動機によれば、巻胴部同士の中間に位置する外周壁部の径方向の厚さよりも巻胴部側の外周壁部の径方向の厚さの方を肉厚としたため、外周壁部の内倒れを各巻胴部で支えることができる。
さらに、本実施例の電動機によれば、巻胴部側の外周壁部の径方向の厚さを肉厚とする際に、巻胴部と外周壁部とが接する外周壁部の内周面のうち、巻胴部の外径側が巻胴部に巻回される巻線と平行になるように形成したため、巻胴部の端から隙間なく整列巻きすることができ、整列巻きされた巻線によってインシュレータの巻胴部の外径側を支持するため、径時変化によるインシュレータの外周壁部の内倒れを防止することができる。このことから、本実施例のインシュレータは、径時変化による変位が少なく、インシュレータの外周壁部と渡り線との間に隙間ができ難く、電動機の回転時による振動や冷媒の流速による揺れ等によって生じる摩擦擦れにより導線の絶縁性能が劣化するのを防止することができる。
また、本実施例の電動機によれば、整列巻きが可能となるため、電動機の固定子の巻線が高占積率で巻装できることから、電動機の銅損が低下し、電動機の効率を向上させることができる。
以上のように、本発明にかかる電動機は、エアコンや冷蔵庫のロータリ圧縮機等に組み込むことにより、インシュレータの外周壁部の内倒れ等の経時変化による変位が少なく、導線の絶縁性能に悪影響を与え難い電動機として有用である。
10 固定子
20 インシュレータ
21 外周壁部
22 巻銅部
23 インシュレータエッジ
24 インシュレータ開口
25 インシュレータスロット
26 外爪
27 突起
28 溝部
30 固定子鉄心
31 ヨーク
32 ティース
33 先端エッジ
34 スロット
35 スロット開口
36 軸方向端部
40 絶縁フィルム
41 フィルム開口
42 ゲート部
43 フィルム軸方向端部
50 巻線
51 渡り線
52 導線

Claims (3)

  1. 回転子と、この回転子の外径側に配置された固定子とを備えた電動機であって、
    前記固定子は、略筒状に形成された固定子鉄心とインシュレータと、同インシュレータを介して前記固定子鉄心に巻回される導線とを有し、
    前記インシュレータは、前記固定子鉄心の軸方向の両端面に対向配置され、前記固定子鉄心の環状のヨークの端面と接し、外周側に渡り線となる導線を引き回す環状の外周壁部と、
    前記外周壁部から径方向内側に向かって放射状に突出し、前記導線を巻回する複数の巻胴部と、
    前記巻胴部の各内側端から軸方向に立ち上がる内側鍔部と、
    を備え、
    前記外周壁部は、前記巻胴部側の前記外周壁部の内周面が前記巻胴部の突出方向と直交する平面部を備えると共に、前記巻胴部側の前記外周壁部の外周面が円弧状に形成され、前記外周壁部の径方向の厚さが前記巻胴部の周方向中央に近づくに従って肉厚となり、前記外周壁部の前記固定子鉄心と接する端面側から前記複数の巻胴部の前記固定子鉄心と接する端面側にかけて、前記外周壁部から内径側に向けて切り欠いた溝部が設けられていることを特徴とする電動機。
  2. 前記溝部の径方向長さを、前記外周壁部の巻胴部の周方向中央の径方向厚みより大きくしたことを特徴とする請求項1に記載の電動機。
  3. 前記巻胴部が設けられた前記外周壁部から径方向外側に向かって一部突出させた突出部を備え、前記溝部が前記突出部まで延長して形成されていることを特徴とする請求項1または2に記載の電動機。
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