JP5938903B2

JP5938903B2 - 電動機

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Publication number: JP5938903B2
Application number: JP2011289180A
Authority: JP
Inventors: 欣弘妙摩
Original assignee: Fujitsu General Ltd
Current assignee: Fujitsu General Ltd
Priority date: 2011-12-28
Filing date: 2011-12-28
Publication date: 2016-06-22
Anticipated expiration: 2031-12-28
Also published as: JP2013138585A; EP2611000A3; CN103187808B; US20130169085A1; EP2611000A2; AU2012265599B2; EP2611000B1; AU2012265599A1; CN103187808A

Description

本発明は、電動機の固定子のティースに対し並列巻線により巻線を巻回する電動機に関する。

従来、電動機の固定子のインシュレータの巻胴部に導線を巻回する場合は、整列巻きにより１列目の線間に２列目の導線が整列性良く収まるよう、巻胴部の端から巻始めることが要求されている。特に、近年では、国内ＡＦＰ（通年エネルギー消費効率：Annual Performance Factor）の要求により、定格条件の他、中間条件の性能向上の比重が大きくなり、これに対応するには、電動機の巻線の高占積率化が必須となる。このように、巻線の高占積率化は、ターン数をアップさせ、インダクタンスを増加させ、高調波成分を低減させることで、上記ＡＦＰの要求に対応できるため、巻線構造を改善することが必要となる。

そこで、従来の電動機の固定子のヨークの内周面には、径方向に突出した複数のティースが形成され、各ティースに巻線を巻回することで電機子コイルを構成している。この電機子コイルは、絶縁体の筒状部の一方側の鍔部の部分から巻始め、数ターン巻回した後、巻始め部分とは反対になる他方側の径方向端部で巻終わるように巻回される。しかしながら、電機子コイルは、巻始め部分と巻終わり部分の数ターン部分で接触し、高電圧に対する絶縁が弱いため、接触部に絶縁紙を入れたり、コイルをチューブに通したりするなど絶縁処理を施す必要があった。ここで、特許文献１では、ティースに装着する絶縁体を筒状部と、筒状部の両端に形成した鍔部とで構成し、一方の鍔部におけるコイルの巻始め部にＬ字状の溝を形成し、巻始めのコイルを溝に埋設することでコイル同士が接触するのを防止していた。

特開２００１−１７８０５９号公報

上記特許文献１に記載された従来の電動機の電機子にあっては、絶縁体の筒状部の一方側の鍔部（すなわち、インシュレータのティース）に溝を設け、コイルの巻始め部分を埋設するように構成されている。これにより、電機子コイルの接触部に絶縁紙を入れたり、電機子コイルにチューブを通したりすることなく電機子コイルの絶縁性を向上することが可能となる。しかしながら、上記特許文献１にあっては、コイル（導線）の巻線構造が並列巻線の場合を想定しているか否かは記載されていない。仮に、特許文献１が並列巻線を想定していたとしても、特徴的な解決手段は、「絶縁体１５を、筒状部１２と、この筒状部１２の両端に形成したつば部１３、１４で構成し、一方のつば部１３における電機子コイル１６の巻始め部にＬ字状の溝１７を形成する（特許文献１の要約部分）。」とある。このため、特許文献１では、電機子コイルの巻始め部分と巻き終わり部分の接触は回避可能であるが、巻線構造に並列巻線を採用した場合、導線を使って渡り線から折り返し線（後に詳述）を経由し、巻線として巻回される際に、折り返し線と巻線とが重なり合うことで整列性が損なわれ、その巻乱れによってそれ以降の列の整列性も悪化し、巻線の占積率が低下するという問題を解決することはできなかった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、インシュレータを介してティースに導線を巻回して固定子を構成する際に、巻線の巻乱れが少なく、占積率の高い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多相交流電動機であって、前記固定子は、環状のヨークの内周側から中心に向かって放射状に突出する複数のティースを備えた円筒状の固定子鉄心と、該固定子鉄心の軸方向の両端に配置された絶縁材料からなるインシュレータと、該インシュレータを介して前記ティースに巻回された巻線と、で構成され、前記インシュレータの内周側には軸方向に沿って設けられた第１溝と、前記固定子鉄心の内周側には軸方向に沿って設けられた第２溝とが形成され、前記第１溝と前記第２溝とは軸方向に連通するように配置され、前記ティースに巻回された同相の巻線と、同相の巻線同士を接続する接続線は、１本の導線から構成され、前記接続線のうち一方のインシュレータから他方のインシュレータに引き出された折り返し線が前記第１溝および前記第２溝に埋設されることを特徴とする。

また、本発明は、前記ヨークの内周側に、隣り合う前記ティースに挟まれた各スロット内の内周形状に沿って一部開口した筒状に形成されると共に前記第１溝および前記第２溝の形状に合わせて凹部が形成された絶縁フィルムを有し、前記絶縁フィルムを前記各スロット内に挿入し、前記第１溝および前記第２溝に前記絶縁フィルムに形成された前記凹部を嵌入して装着することを特徴とする。

本発明によれば、インシュレータおよび固定子鉄心の内周側の所定位置に軸方向に連通する第１溝および第２溝を設け、各溝に接続線の一部を埋設し、インシュレータを介してティースに巻線を巻回して固定子を構成するようにしたため、巻線の巻乱れが生じ難く、巻線の占積率を向上させることが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のインシュレータの拡大斜視図である。図３は、図１の絶縁フィルムの拡大斜視図である。図４は、図３の絶縁フィルムの平面図である。図５は、図１のインシュレータと固定子鉄心とを組み付けた固定子の平面図である。図６は、図５の固定子のティースに巻線機で巻線を巻回する状態を説明する部分拡大図である。図７は、本発明にかかる電動機の固定子の並列巻線の結線図である。図８は、図１の固定子に対し図７の並列巻線による接続方式で導線を巻回した状態の展開図である。図９は、図５の固定子の全てのティースに対し巻線機で巻線を巻装した状態を示す図である。

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のインシュレータの拡大斜視図であり、図３は、図１の絶縁フィルムの拡大斜視図であり、図４は、図３の絶縁フィルムの平面図であり、図５は、図１のインシュレータと固定子鉄心とを組み付けた固定子の平面図であり、図６は、図５の固定子のティースに巻線機で巻線を巻回する状態を説明する部分拡大図であり、図７は、本発明にかかる電動機の固定子の並列巻線の結線図であり、図８は、図１の固定子に対し図７の並列巻線による接続方式で導線を巻回した状態の展開図であり、図９は、図５の固定子の全てのティースに対し巻線機で巻線を巻装した状態を示す図である。

図１に示すように、本実施例の電動機の固定子１１０は、固定子鉄心５０と、固定子鉄心５０のスロット６０内に挿入されてスロット６０と導線（図６の導線８１参照）とを絶縁するための絶縁フィルム７０と、固定子鉄心５０の軸方向両端部６３、６３に装着されて軸方向端部６３と、図６に示す導線８１とを絶縁するインシュレータ４０とを備えている。

固定子鉄心５０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６１と、ヨーク６１から中心に向かって突出する複数のティース６２とを備え、各ティース６２の先端から周方向に先端エッジ６５が突出している。

ヨーク６１の内周側と隣り合うティース６２の間に囲まれるように、扇形の空隙であるスロット６０が形成され、ティース６２の先端から周方向に突出し対向している先端エッジ６５の間には、空隙であるスロット開口６４が形成されている。

図１、図２、図５および図６に示すように、インシュレータ４０は、短い筒状に形成され、固定子鉄心５０のヨーク６１上に設置される外周壁４２と、外周壁４２の固定子鉄心５０側に外周壁４２から中心に向かって突出し固定子鉄心５０のティース６２を覆う巻胴部２０（２１、２２、２３、２４、２５、２６、２７、２８、２９）と、巻胴部２０とティース６２に巻回される巻線を内径側から支持するように巻胴部２０の先端から半円形状に突出するインシュレータエッジ１０（１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９）とを有している。

外周壁４２の固定子鉄心５０側、巻胴部２０およびインシュレータエッジ１０（１１〜１９）に囲まれるように、固定子鉄心５０のスロット６０およびスロット開口６４と同一形状のインシュレータスロット４４およびインシュレータ開口４３が形成されている。また、外周壁４２の外周面には、導線を保持して配線するための突起４５が多数配置されている。さらに、インシュレータ４０の外周壁４２の固定子鉄心５０側には、固定子鉄心５０の外周端部に外嵌してインシュレータ４０を固定子鉄心５０に固定する３つの外爪４１を有している。

図１および図３〜図５に示すように、絶縁フィルム７０は、ＰＥＴフィルム等により、スロット６０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７２が筒の内側に向かって折り曲げられてスロット開口６４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７１が形成される。絶縁フィルム７０は、軸方向の長さが、固定子鉄心５０の軸方向長さよりも長く形成されているので、スロット６０に挿入されると、絶縁フィルム７０のフィルム軸方向端部７４は、固定子鉄心５０の軸方向端部６３から突出した状態になる。

なお、本発明の絶縁フィルムは、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。

絶縁フィルム７０のゲート部７２は、図１、図６、図９に示すように、固定子鉄心５０に導線８１を巻回したとき、導線８１と固定子鉄心５０の先端エッジ６５との間の絶縁距離を確保する役割を有している。

本実施例にかかる電動機の固定子の特徴的な構成は、導線の巻線構造として同相の巻線同士を並列に結線する並列巻線を採用しており、並列巻線の結線のために生じる折り返し線が、巻線をインシュレータ４０の巻胴部２０および固定子鉄心５０のティース６２に巻回する際に重なり合って巻き乱れが生じないよう、折り返し線を埋設するためのインシュレータ４０側の第１溝３１、３２、３３、３５、３７、３９と、固定子鉄心５０の第２溝５１、５２、５３、５５、５７、５９とが所定位置で連通するように形成されている。

インシュレータ４０側の第１溝３１、３２、３３、３５、３７、３９は、図１、図２および図５に示すように、インシュレータ４０の外周壁４２の内周側の所定位置に形成されている。第１溝３１、３２、３３、３５、３７、３９は、図１に示すように、固定子鉄心５０を介して反対側に対向配置されているインシュレータ４０にも同様に形成されている。使用する導線径が０．５５ｍｍ〜０．８５ｍｍ程度の場合、溝の幅と深さは、余裕をみて１．０ｍｍ〜１．５ｍｍ程度の幅と深さを持たせて形成することが好ましい。

また、固定子鉄心５０側の第２溝５１、５２、５３、５５、５７、５９は、図１に示すように、インシュレータ４０を固定子鉄心５０に組み付けたとき、インシュレータ４０の第１溝３１、３２、３３、３５、３７、３９（固定子鉄心５０を介して反対側に対向配置されたインシュレータ４０の第１溝も同様）と連通するように形成され、溝の幅と深さも同じサイズとする。

さらに、固定子鉄心５０の各スロット６０に挿入される絶縁フィルム７０には、図１および図３〜図５に示すように、フィルムの一部に上記インシュレータ４０に形成された第１溝３１、３２、３３、３５、３７、３９、および上記固定子鉄心５０に形成された第２溝５１、５２、５３、５５、５７、５９に嵌入可能な凹部７３の折り目が付けられている。この凹部７３の折り目は、絶縁フィルムの形成工程で使用される折り目を付ける爪を使って、谷折りと山折りを繰り返すことで形成することが可能である。

以上のように構成された本実施例にかかる電動機の固定子１１０は、図１および図５に示すように、固定子鉄心５０の各スロット６０に絶縁フィルム７０を挿入し、絶縁フィルム７０の凹部７３を固定子鉄心５０に形成された第２溝５１、５２、５３、５５、５７、５９に嵌入させる。溝が形成されていないスロット６０には、凹部７３が形成されていない通常の絶縁フィルムを挿入する。固定子鉄心５０の各スロット６０に絶縁フィルムを挿入した後、固定子鉄心５０の軸方向両端部６３、６３にインシュレータ４０を組み付ける。インシュレータ４０の組み付けの際は、インシュレータ４０側の第１溝３１、３２、３３、３５、３７、３９と固定子鉄心５０の第２溝５１、５２、５３、５５、５７、５９とが一致するように位置合わせをする。

この状態で、図６に示すように、固定子１１０を構成するインシュレータ４０の巻胴部２１と、その軸方向に対向して配置される延在する固定子鉄心のティースと、さらにそのティースを挟んで軸方向反対側に配置される反対側のインシュレータの巻胴部に対し、巻線機のノズル８０を図５に示すインシュレータ開口４３から挿入する。巻線機のノズル８０は、図６の軸方向にスライドすると共に、矢印Ａ方向（左右方向）に回動可能であり、さらにインシュレータ４０の巻胴部２１の端から順に整列巻きを行うため、ノズル８０自体が矢印Ｂ方向（径方向）に伸縮可能に構成されている。そして、ノズル８０の先端から導線８１を出しながら巻胴部２１およびティースの周りをノズル８０が巻回することで、巻線（電機子コイル）を形成する。このように、固定子の全てのティースに対し巻線機で巻線１〜９を巻装した状態が図９であり、図９は、固定子１１０を後述する反リード側から見た図である。

本実施例にかかる電動機は、図７に示すように、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の三相の電圧を印加して回転磁界を発生させることにより、固定子１１０の内径側に配置される円柱形状の回転子（図示省略）を図９の矢印Ｃ方向に回転させる三相交流電動機である。そして、同相を構成する巻線（Ｕ相：巻線１，４，７、Ｖ相：巻線２，５，８、Ｗ相：巻線３，６，９）同士は、図７に示すような並列巻線で結線すると、Ｕ相では折り返し線１０１、１０７、Ｖ相では折り返し線１０２、１０５、およびＷ相では折り返し線１０３、１０９が生じる。

この折り返し線１０１、１０２、１０３、１０５、１０７、１０９は、固定子１１０に巻回した状態で見ると、図８に示すように結線される。なお、ここでは図８に描かれているインシュレータの外周壁４２の側を反リード側と称し、固定子鉄心を挟んで反対側のインシュレータの側をリード側と称する。例えば、図８に示すように、Ｕ相の電源（Ｕ電源）に接続された導線は、渡り線となってインシュレータ４０の外周壁４２の外周面に沿って渡され、外周壁４２の切欠きから外周壁４２の内周面に入り、図５の巻胴部２４で巻回され、巻線４を構成する。

巻線４で巻き終わった導線は、再び切欠きから外周壁４２の外周面に沿って渡され、渡り線９７となる。渡り線９７は、図５に示す外周壁４２の切欠きから外周壁４２の内周面に形成された第１溝３７、およびこれと連通する図１の第２溝５７に埋設される折り返し線１０７となり、リード側で折り返した後、図５の巻胴部２７で巻回され、巻線７を構成する。

巻線７で巻き終わった導線は、再び切欠きから外周壁４２の外周面に沿って渡され、渡り線９１となる。渡り線９１は、図５に示す外周壁４２の切欠きから外周壁４２の内周面に形成された第１溝３１、およびこれと連通する図１の第２溝５１に埋設される折り返し線１０１となり、リード側で折り返した後、図５の巻胴部２１で巻回され、巻線１を構成する。巻線１で巻き終わった導線は、図８に示す中性点（△）に接続される。

また、Ｖ相の電源（Ｖ電源）に接続された導線は、渡り線となってインシュレータ４０の外周壁４２の外周面に沿って渡され、外周壁４２の切欠きから外周壁４２の内周面に入り、図５の巻胴部２８で巻回され、巻線８を構成する。

巻線８で巻き終わった導線は、再び切欠きから外周壁４２の外周面に沿って渡され、渡り線９２となる。渡り線９２は、図５に示す外周壁４２の切欠きから外周壁４２の内周面に形成された第１溝３２、およびこれと連通する図１の第２溝５２に埋設される折り返し線１０２となり、リード側で折り返した後、図５の巻胴部２２で巻回され、巻線２を構成する。

巻線２で巻き終わった導線は、再び切欠きから外周壁４２の外周面に沿って渡され、渡り線９５となる。渡り線９５は、図５に示す外周壁４２の切欠きから外周壁４２の内周面に形成された第１溝３５、およびこれと連通する図１の第２溝５５に埋設される折り返し線１０５となり、リード側で折り返した後、図５の巻胴部２５で巻回され、巻線５を構成する。巻線５で巻き終わった導線は、図８に示す中性点（△）に接続される。

また、Ｗ相の電源（Ｗ電源）に接続された導線は、渡り線となってインシュレータ４０の外周壁４２の外周面に沿って渡され、外周壁４２の切欠きから外周壁４２の内周面に入り、図５の巻胴部２６で巻回され、巻線６を構成する。

巻線６で巻き終わった導線は、再び切欠きから外周壁４２の外周面に沿って渡され、渡り線９９となる。渡り線９９は、図５に示す外周壁４２の切欠きから外周壁４２の内周面に形成された第１溝３９、およびこれと連通する図１の第２溝５９に埋設される折り返し線１０９となり、リード側で折り返した後、図５の巻胴部２９で巻回され、巻線９を構成する。

巻線９で巻き終わった導線は、再び切欠きから外周壁４２の外周面に沿って渡され、渡り線９３となる。渡り線９３は、図５に示す外周壁４２の切欠きから外周壁４２の内周面に形成された第１溝３３、およびこれと連通する図１の第２溝５３に埋設される折り返し線１０３となり、リード側で折り返した後、図５の巻胴部２３で巻回され、巻線３を構成する。巻線３で巻き終わった導線は、図８に示す中性点（△）に接続される。

このように、本実施例にかかる電動機の固定子によれば、巻線を並列巻線による接続方式で結線しているため、直列巻線による接続方式を採用した場合と比べると、同じ電圧を印加した場合に巻線に流れる電流値が下がり、電動機の銅損が下がることから、電動機の効率が向上するという効果を奏する。

また、本実施例にかかる電動機の固定子によれば、同相の巻線と、同相の巻線同士を接続する接続線とを1本の導線で構成しつつ、同相の巻線を並列接続することができる。また、並列接続することにより折り返し線が生じるが、固定子を構成するインシュレータと固定子鉄心の内周面に折り返し線が埋設可能な第１溝３１、３２、３３、３５、３７、３９と、第２溝５１、５２、５３、５５、５７、５９とが連通するように形成し、この第１溝および第２溝に折り返し線を埋設することにより、折り返し後にインシュレータの巻胴部に巻線を巻回する場合でも導線同士が重なり合うことがなくなる。このため、巻線は、巻胴部の端から整列巻きによって整列性良く巻回することが可能となり、限られた固定子のスロット面積の中で巻けるターン数を増やすことができる。ターン数が決められている場合は、より径の太い導線の採用が可能となる。このように、本実施例では、折り返し線を埋設する第１溝および第２溝を設けたことにより、巻線を高占積率で巻回可能となり、並列巻線の採用に加えて電動機の銅損をさらに低下することができるため、電動機の効率を一層向上させることができる。

さらに、本実施例にかかる電動機の固定子に用いられる絶縁フィルム７０によれば、固定子鉄心５０に形成された第２溝５１、５２、５３、５５、５７、５９に対して嵌入可能な凹部７３が形成されている。このため、絶縁フィルム７０を固定子鉄心５０のスロット６０に挿入した状態で、折り返し線１０１、１０２、１０３、１０５、１０７、１０９をそれぞれの第２溝５１、５２、５３、５５、５７、５９に落とし込んだ場合でも、絶縁された状態で埋設可能なため、絶縁状態を保持しつつ、巻線を高占績率化することができる。

また、インシュレータ４０の内周面に形成された第１溝３１、３２、３３、３５、３７、３９と、固定子鉄心５０の内周面に形成された第２溝５１、５２、５３、５５、５７、５９の幅と深さは、埋設する折り返し線１０１、１０２、１０３、１０５、１０７、１０９の径に対して十分な幅と深さを持たせているため、折り返し線が溝からはみ出す恐れが無く、折り返し線と巻線とが接触しないことから、絶縁性を確実に確保することができる。

なお、上記実施例にあっては、電動機の固定子を構成する固定子鉄心５０の両端に配置するインシュレータ４０の構造を共通化し、製造コストが低下するように構成したが、これに限定されない。例えば、図８に示すように、反リード側とリード側のインシュレータでは、配線が異なるため、反リード側とリード側のそれぞれの配線に応じて溝、突起、切欠き等が形成された専用のインシュレータを配置するようにしても良い。

以上のように、本発明にかかる電動機の固定子は、ロータリ圧縮機等に組み込むことによって効率の高い電動機の固定子およびその固定子に用いられる絶縁フィルムとして有用である。

１、２、３、４、５、６、７、８、９巻線
１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９インシュレータエッジ
２０、２１、２２、２３、２４、２５、２６、２７、２８、２９巻胴部
３１、３２、３３、３５、３７、３９第１溝
４０インシュレータ
４１外爪
４２外周壁
４３インシュレータ開口
４４インシュレータスロット
４５突起
５１、５２、５３、５５、５７、５９第２溝
６０スロット
６１ヨーク
６２ティース
６３軸方向両端部
６４スロット開口
６５先端エッジ
７０絶縁フィルム
７１フィルム開口
７２ゲート部
７３凹部
７４フィルム軸方向端部
８０ノズル
８１導線
９１、９２、９３、９５、９７、９９渡り線（接続線）
１０１、１０２、１０３、１０５、１０７、１０９折り返し線（接続線）
１１０固定子

Claims

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多相交流電動機であって、
前記固定子は、
環状のヨークの内周側から中心に向かって放射状に突出する複数のティースを備えた円筒状の固定子鉄心と、
該固定子鉄心の軸方向の両端に配置された絶縁材料からなるインシュレータと、
該インシュレータを介して前記ティースに巻回された巻線と、
で構成され、
前記インシュレータの内周側には軸方向に沿って設けられた第１溝と、前記固定子鉄心の内周側には軸方向に沿って設けられた第２溝とが形成され、前記第１溝と前記第２溝とは軸方向に連通するように配置され、
前記ティースに巻回された同相の巻線と、同相の巻線同士を接続する接続線は、１本の導線から構成され、前記接続線のうち一方のインシュレータから他方のインシュレータに引き出された折り返し線が前記第１溝および前記第２溝に埋設されることを特徴とする電動機。
前記ヨークの内周側に、隣り合う前記ティースに挟まれた各スロット内の内周形状に沿って一部開口した筒状に形成されると共に前記第１溝および前記第２溝の形状に合わせて凹部が形成された絶縁フィルムを有し、
前記絶縁フィルムを前記各スロット内に挿入し、前記第１溝および前記第２溝に前記絶縁フィルムに形成された前記凹部を嵌入して装着することを特徴とする請求項１に記載の電動機。