JP2011019398A - 固定子及び密閉型圧縮機及び回転機 - Google Patents

Abstract

【課題】固定子を圧縮機の密閉容器に焼嵌した場合に発生する圧縮応力に起因する磁気特
性の応力劣化を緩和し、鉄損を低減することができる高効率の固定子及び密閉型圧縮機及
び回転機を提供することを目的とする。
【解決手段】この発明に係る固定子は、焼嵌等により密閉型圧縮機等の密閉容器に固定される円筒状の積層された固定子鉄心を有する固定子において、固定子鉄心は、周方向に配置される複数のスロットと、隣接するスロットの間に形成され、コイルが巻装される磁極ティースと、磁極ティース又はスロットの径方向中心線により周方向に分割される複数の領域と、複数の領域の中の、周方向に一定間隔で配置される所定数の領域に設けられ、周方向に長く形成された応力緩和穴とを備えたことを特徴とする。
【選択図】図１０

Description

この発明は、固定子外周に、密閉容器内周面と接触させた領域と、非接触にした領域とを周方向に所定の間隔で設けることにより、焼嵌時に固定子に発生する圧縮応力を緩和した固定子及び密閉型圧縮機等に関するものである。

ハウジングの締め付け力によってステータを保持する構造を採用しながら、回転機の効率の低下を低減することができる技術を提供するために、ステータの外周面は、ハウジングの内周面と当接する当接面、ハウジングの内周面との間に空隙を形成する非当接面が形成され、当接面の中心角度が１３０度の範囲内に設定されるステータが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００６−１９１７０２号公報（第７頁、第３図） 特開２００６−２７１１０５号公報 特開平０６−０１４４８２号公報 特開２００１−００８４２０号公報

固定子を圧縮機の密閉容器に焼嵌した場合、固定子内部には締め付け力に応じた圧縮応力が発生し、この圧縮応力のベクトル方向と固定子内に発生する磁束ベクトルの方向が同じ場合、電磁鋼板の透磁率が低下し、鉄損劣化をもたらす。従来の固定子は、密閉容器焼嵌時に、磁束の通りやすいコアバック部にほぼ均一に圧縮応力が発生し、圧縮応力のベクトルの向きと磁束ベクトルの向きが共にコアバック周方向で同一方向を向いているため電磁鋼板の磁気特性が劣化し、鉄損が増加する等の課題があった。

この発明は、上記のよう課題を解決するためになされたもので、固定子を圧縮機の密閉容器に焼嵌した場合に発生する圧縮応力に起因する磁気特性の応力劣化を緩和し、鉄損を低減することができる高効率の固定子及び密閉型圧縮機及び回転機を提供することを目的とする。

この発明に係る固定子は、焼嵌等により密閉型圧縮機等の密閉容器に固定される円筒状の積層された固定子鉄心を有する固定子において、
固定子鉄心は、
周方向に配置される複数のスロットと、
隣接するスロットの間に形成され、コイルが巻装される磁極ティースと、
磁極ティース又はスロットの径方向中心線により周方向に分割される複数の領域と、
複数の領域の中の、周方向に一定間隔で配置される所定数の領域に設けられ、周方向に長く形成された応力緩和穴とを備えたことを特徴とする。

この発明に係る固定子は、焼嵌時に発生する圧縮応力を応力分布の対称性を保ちながら磁路に影響しにくい固定子外周部のシェルとの接触端部に集中させることができ、電磁鋼板の磁気特性劣化を緩和し、鉄損を低減することができるという効果を有する。

実施の形態１を示す図で、焼嵌後の密閉型圧縮機内の電動要素５０付近の横断面図。 実施の形態１を示す図で、焼嵌後の密閉容器１の変形量を拡大した密閉型圧縮機内の電動要素５０付近の横断面図。 実施の形態１を示す図で、焼嵌後の固定子鉄心３の応力分布を示す図（（ａ）は固定子鉄心３の外周が密閉容器１の内周に全接触するケース、（ｂ）は図１のケース）。 実施の形態１を示す図で、電磁鋼板の圧縮応力に対する鉄損特性を示す図。 実施の形態１を示す図で、焼嵌代と鉄損との関係図。 実施の形態１を示す図で、図１の第１の変形例を示す横断面図。 実施の形態１を示す図で、図１の第２の変形例を示す横断面図。 実施の形態２を示す図で、焼嵌後の密閉型圧縮機内の電動要素５０付近の横断面図。 実施の形態２を示す図で、焼嵌後の密閉型圧縮機内の電動要素５０付近の横断面図。 実施の形態３を示す図で、焼嵌後の密閉型圧縮機内の電動要素５０付近の横断面図。 実施の形態４を示す図で、焼嵌後の密閉型圧縮機内の電動要素５０付近の横断面図。 実施の形態５を示す図で、固定子鉄心３を分割して構成する場合の、分割された固定子鉄心３ａ，３ｂ，３ｃの平面図。

実施の形態１．
図１乃至図７は実施の形態１を示す図で、図１は焼嵌後の密閉型圧縮機内の電動要素５０付近の横断面図、図２は焼嵌後の密閉容器１の変形量を拡大した密閉型圧縮機内の電動要素５０付近の横断面図、図３は焼嵌後の固定子鉄心３の応力分布を示す図（（ａ）は固定子鉄心３の外周が密閉容器１の内周に全接触するケース、（ｂ）は図１のケース）、図４は電磁鋼板の圧縮応力に対する鉄損特性を示す図、図５は焼嵌代と鉄損との関係図、図６は図１の第１の変形例を示す横断面図、図７は図１の第２の変形例を示す横断面図である。

図１において、電動要素５０は、固定子２と回転子８とを備える。固定子２が密閉容器１（ハウジングとも呼ぶ）に焼嵌により固定される。密閉容器１は、厚さ３ｍｍ程度の円筒形状をしており、例えば、鋼板を絞り加工することにより形成される。図１は密閉型圧縮機の例であるが、回転機であってもよい。その場合、密閉容器１をハウジングと呼ぶ。

固定子２は、固定子鉄心３とコイル６とを備える。固定子鉄心３は、厚み０．１〜０．５ｍｍ程度の薄い電磁鋼板を一枚一枚打ち抜いて所定の枚数を積層することで構成される。焼嵌前は外径が密閉容器１の内径よりもわずかに大きい円筒形状をしている。また、固定子鉄心３は電磁鋼板積層後に、打ち抜き時の歪を緩和するために、焼鈍処理を行っている。

密閉容器１は、電磁誘導加熱で２００℃程度に熱せられ、膨張した状態で固定子２に焼嵌される。密閉容器１と固定子２との嵌め代（焼嵌代）は、固定子２の重量に合わせて、数十〜数百μｍの範囲で適宜選択される。焼嵌とは、常温で固定子２の外径よりも密閉容器１の内径を小さく設定し、密閉容器１に固定子２を嵌合する場合に、密閉容器１を加熱して膨張させ、常温の固定子２の外径よりも密閉容器１の内径を大きくして挿入し、固定子２が常温に戻ると、両者は固定されることをいう。また、嵌め代（焼嵌代）とは、常温での固定子２の外径と密閉容器１の内径との差をいう（固定子２の外径＞密閉容器１の内径）。

本実施の形態の固定子２は９個のスロット５を有する。隣接するスロット５間には磁極ティース４が形成されている。磁極ティース４は、外径側から内径側にかけて略平行の形状である。そして、先端部（内側）になるにつれ、両サイドが周方向に広がるような傘状の構造となっている。

コイル６は、例えば３相Ｙ結線の集中巻線のものである。コイル６は、磁極ティース４に所定の巻数の銅線を、絶縁部材（図示せず）を介して巻き付けている。コイル６のターン数や線径等は、要求される回転数やトルク、電圧仕様、スロット５の断面積に応じて定まる。本実施の形態の場合は、例えば線径φ０．５ｍｍ程度の銅線を１００ターン程度巻き付けている。

一方、回転子８は、冷媒を圧縮し電動要素５０により駆動される圧縮要素（図示せず）に嵌合し回転可能な回転子軸７を有し、回転子軸７は固定子２の軸線上に配置される。そして、回転子軸７に真円形状の回転子８が固定されている。

回転子８と固定子２との間には、０．３〜１ｍｍ程度の空隙が設けられ、回転子８が回転子軸７を中心に回転可能な構造となっている。

回転子８は回転子鉄心９を有し、回転子鉄心９は固定子鉄心３と同様に電磁鋼板を一枚一枚打ち抜いて積層することで構成されている。回転子鉄心９には、外周部付近に磁石収容穴１０が設けられる。図１の例では、６個の磁石収容穴１０が周方向に形成されている。

６個の磁石収容穴１０の内部に、Ｎ極とＳ極とが交互になるように６枚の希土類永久磁石３５が挿入される。希土類永久磁石３５は、ネオジウム、鉄、ボロンを主成分とする。

次に、本実施の形態の特徴である、固定子鉄心３の外周部の形状について説明する。固定子鉄心３の外周部は、密閉容器１と接触する接触領域１３と、密閉容器１と接触しない非接触領域１４とを備える。

固定子鉄心３の外周部を、９本ある磁極ティース４の中心線１１（径方向）により、９個の円弧領域１２に分割する。９個の円弧領域１２の中の３個の円弧領域１２を、非接触領域１４とする。３個の非接触領域１４を等間隔（１２０゜）に配置する。そして、その各非接触領域１４の間の２個の円弧領域１２を接触領域１３としている。従って、接触領域１３と非接触領域１４との周方向の長さの比は、２：１となる。

密閉容器１内周面と接触する接触領域１３の外周半径よりも、密閉容器１内周面と接触しない非接触領域１４の外周半径を１００〜５００μｍ程度小さくなるように、固定子鉄心３の非接触領域１４の外周部に、円弧形状の切欠き１５を設ける。

図２は、図１に示した密閉容器１の焼嵌時の変形量を拡大して示す電動要素５０付近の横断面図である。図１のように構成された固定子２を密閉容器１に焼嵌した場合、密閉容器１は、接触領域１３の接触端部１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄ，１６ｅ，１６ｆを支点として変形する。このとき、非接触領域１４を周方向に一定の間隔（１２０゜）で設けているため、圧縮応力１７は応力分布の対称性を保ちながら磁路に影響しにくい固定子外周部の密閉容器１との接触端部１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄ，１６ｅ，１６ｆに集中し、磁束の通りやすいコアバック内周部１８の圧縮応力は緩和される。

図３は焼嵌後の固定子鉄心３の応力分布を示す図で、（ａ）は固定子鉄心３の外周が密閉容器１の内周に全接触するケース、（ｂ）は図１のケースである。圧縮応力の大きさは、濃淡で表す。濃い方が、圧縮応力は大きいことを示す。（ｂ）の図１のケースは、（ａ）の全接触のケースに比べ、上記のように、圧縮応力１７は応力分布の対称性を保ちながら磁路に影響しにくい固定子外周部の密閉容器１との接触端部１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄ，１６ｅ，１６ｆに集中し、磁束の通りやすいコアバック内周部１８（図２参照）の圧縮応力は緩和される。

図４に固定子鉄心３の電磁鋼板における圧縮応力に対する鉄損特性を示す。電磁鋼板の鉄損は圧縮応力が大きくなると飽和するという特性を持っている。局所的に鉄損が圧縮応力を接触端部１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄ，１６ｅ，１６ｆに集中させて、磁束の通りやすいコアバック内周部１８の応力を緩和することで、全体的な鉄損劣化の割合を緩和することができる。また、応力分布の対称性を保つよう構成しているため、磁気的な歪を抑えることができる。

また、このように構成された固定子２は、圧縮応力が接触領域１３の接触端部１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄ，１６ｅ，１６ｆに集中する。そのため、圧縮応力ベクトルの向きが接触端部１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄ，１６ｅ，１６ｆの方向に傾き、周方向に発生する磁束のベクトルの方向との非平行成分が大きくなる。鉄損の増加は圧縮応力の磁束ベクトルと同一方向の成分のみが寄与するので、電磁鋼板の磁気特性劣化を緩和し、接触端部１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄ，１６ｅ，１６ｆに応力を集中させた効果と合わせて図５に示すように鉄損を低減することができる。

図１では、接触領域１３と非接触領域１４との周方向の長さの比が２：１となるようにしたが、図６に示すように、密閉容器１内周面と接触する接触領域１３と、密閉容器１内周面と接触しない非接触領域１４との周方向の長さの比が１：２となるように構成した場合でも、同様の効果を得ることができる。

尚、本実施の形態の固定子２は、９個のスロット５で構成されるが、スロット数に依らず、磁極ティース４の中心線１１（径方向）により分割される複数の円弧領域１２を、密閉容器１内周面と接触する接触領域１３と、密閉容器１内周面と接触しない非接触領域１４とに分け、それぞれ一定間隔に配置することで、同様の効果が得られる。

また、図７に示すように、固定子２の外周部に固定子２をつかむための溝３０や冷媒を通すための通気穴３１が設けられている場合であっても、スロット数に依らず、磁極ティース４の中心線１１（径方向）により分割される複数の円弧領域１２を、密閉容器１内周面と接触する接触領域１３と、密閉容器１内周面と接触しない非接触領域１４とに分け、それぞれ一定間隔に配置することで、同様の効果を得ることができる。

鉄損の応力劣化は磁束密度が高いほど大きいため、固定子鉄心３の磁束密度が高いほど鉄損低減効果が高い。コイル６が巻線密度の高い集中巻であり、回転子８に磁力の高い希土類磁石３５を使用した電動機で、特に大きな効果を有する。

固定子２に発生する圧縮応力は、固定子２と密閉容器１の嵌め代（焼嵌代）が大きいほど大きくなる。圧縮応力が大きいほど本実施の形態の応力緩和効果が大きいため、嵌め代（焼嵌代）が１００μｍよりも大きな焼嵌には、鉄損劣化の大幅な改善が期待できる。

本実施の形態における固定子鉄心３は、打ち抜き歪を緩和するための焼鈍処理を行っている。焼鈍していない状態で焼嵌を行った場合、電磁鋼板は焼鈍したものに比べ硬く、より大きな圧縮応力を発生するため、本実施の形態の応力緩和効果は更に高く、鉄損劣化の大幅な改善が期待できる。

また、固定子２は、密閉容器１内周面と接触しない非接触領域１４を周方向に一定の間隔で設けることにより、固定子２に発生する振動、騒音を密閉容器１に伝わりにくくし、鉄損の応力劣化を抑制するだけでなく、振動、騒音の低減にも有効である。

本実施の形態では、焼嵌の場合の効果を述べたが、冷やし嵌、あるいは圧入等の方法により固定子２を密閉容器１に固定する場合でも、圧縮応力が発生すること明らかであり、本実施の形態を適用することができる。

本実施の形態は、銅損よりも鉄損比率が高い条件での電動機の高効率化に有効であり、鉄損比率の高い高回転の電動機で大幅な改善効果が期待できる。

本実施の形態の電動機は、ブラシレスＤＣモータであるが、磁石の種類に依らず、また、誘導電動機等の永久磁石を用いない電動機であっても、同様の効果を得ることができる。

実施の形態２．
図８、図９は実施の形態２を示す図で、焼嵌後の密閉型圧縮機内の電動要素５０付近の横断面図である。

図１、図６に示した実施の形態１では、磁極ティース４の中心線１１（径方向）により分割される複数の円弧領域１２を、密閉容器１内周面と接触する接触領域１３と、密閉容器１内周面と接触しない非接触領域１４とに分け、それぞれ一定間隔に配置するように構成した。それに対し、本実施の形態では、図８、図９に示すように、スロット５の中心線２７（径方向）により分割される複数の円弧領域１９を、密閉容器１内周面と接触する接触領域２０と、密閉容器１内周面と接触しない非接触領域２１とに分け、それぞれ一定間隔に配置するように構成しても、同様の効果を得ることができる。

図８の例は、接触領域２０と非接触領域２１との周方向の長さの比が２：１である。

図９の例は、接触領域２０と非接触領域２１との周方向の長さの比が１：２である。

実施の形態３．
図１０は実施の形態３を示す図で、焼嵌後の密閉型圧縮機内の電動要素５０付近の横断面図である。

図１、図６に示した実施の形態１では、磁極ティース４の中心線１１（径方向）により分割される複数の円弧領域１２を、密閉容器１内周面と接触する接触領域１３と、密閉容器１内周面と接触しない非接触領域１４とに分け、それぞれ一定間隔に配置するように構成した。それに対し、本実施の形態では、図１０に示すように、磁極ティース４の中心線１１（径方向）により分割される複数の円弧領域１２を、周方向に長く形成された切欠き穴２２（応力緩和穴の一例）を設けた領域２３と、切欠き穴２２を設けてない領域２４を周方向に一定の間隔で設けた構成にした場合でも、同様の効果を得ることができる。この切欠き穴２２は、コアバックの磁気飽和を防止するという観点から、強度の許容範囲内でコアバック外周部に近い位置に配置するのが望ましい。尚、円弧領域１２は、スロット５の中心線２７（径方向）により分割されるものであってもよい。

実施の形態４．
図１１は実施の形態４を示す図で、焼嵌後の密閉型圧縮機内の電動要素５０付近の横断面図である。

図１、図６に示した実施の形態１では、磁極ティース４の中心線１１（径方向）により分割される複数の円弧領域１２を、密閉容器１内周面と接触する接触領域１３と、密閉容器１内周面と接触しない非接触領域１４とに分け、それぞれ一定間隔に配置するように構成した。それに対し、本実施の形態では、それに加え、図１１に示すように接触領域１３の周方向両端部をひげ構造とし、ひげ部２５を設けた。ひげ部２５は、接触領域１３の周方向両端部の締め付け力を吸収するバネの役割を果たす。

以上のように構成することにより、焼嵌した時に発生する接触領域１３の周方向両端部の応力をひげ部２５に逃がすことができ、さらに、密閉容器１との接触面積が増えるため、焼嵌による固定子２の保持力を強化することができる。

実施の形態５．
図１２は実施の形態５を示す図で、固定子鉄心３を分割して構成する場合の、分割された固定子鉄心３ａ，３ｂ，３ｃの平面図である。

図１、図６に示した実施の形態１では、磁極ティース４の中心線１１（径方向）により分割される複数の円弧領域１２を、密閉容器１内周面と接触する接触領域１３と、密閉容器１内周面と接触しない非接触領域１４とに分け、それぞれ一定間隔に配置するように構成した。それに対し、本実施の形態では、それに加え、固定子２を軸方向に複数に分割し、軸方向分割コアを周方向に回転して積層させて構成した。回転角度は磁極ティース４の周方向間隔（ピッチ）の倍数とする。図１２の例では、磁極ティース４が９個あり、磁極ティース４の周方向間隔は４０度である。従って、図１２（ｂ）の２段目は４０度回転させる。また、図１２（ｃ）の３段目は８０度回転させる。

以上のように構成することにより、焼嵌した時に発生する、密閉容器１と固定子鉄心３との接触端部の応力（例えば、図２の接触領域１３の接触端部１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄ，１６ｅ，１６ｆの圧縮応力）をＵ，Ｖ，Ｗ相に均等に分散することができ磁気的な対称性が向上する。また、密閉容器１との接触領域１３が周方向に均一に分散されるため、接触力が向上し、抜け荷重を強化することができる。尚、実施の形態３の図９に示す固定子２にも、本実施の形態は適用可能である。

実施の形態６．
以上の実施の形態は、固定子２が一体コア形状のものであるが、固定子２が分割コアを組み合わせて構成されるものであっても、固定子２が外径の等しい磁極ティース４と、外径の異なる磁極ティース４の２種類の分割コアで構成され、分割コア結合時に密閉容器１内周面と接触する径の大きい接触領域１３と、非接触になる径の小さい非接触領域１４が周方向に一定の間隔で構成されるようにすれば、同様の効果を得ることができる。尚、実施の形態３の図１０に示す固定子２にも、本実施の形態は適用可能である。

１ 密閉容器、２ 固定子、３ 固定子鉄心、４ 磁極ティース、５ スロット、６
コイル、７ 回転子軸、８ 回転子、９ 回転子鉄心、１０ 磁石収容穴、１１ 磁極テ
ィース４の中心線、１２ 円弧領域、１３ 接触領域、１４ 非接触領域、１５ 切欠き
、１６ａ 接触端部、１６ｂ 接触端部、１６ｃ 接触端部、１６ｄ 接触端部、１６ｅ
接触端部、１６ｆ 接触端部、１７ 圧縮応力、１８ コアバック内周部、１９ 円弧
領域、２０ 接触領域、２１ 非接触領域、２２ 欠き穴、２７ スロット５の中心線、
３０ 溝、３１ 通気穴、５０ 電動要素。

Claims (7)

1. 焼嵌等により密閉型圧縮機等の密閉容器に固定される円筒状の積層された固定子鉄心を有する固定子において、
   前記固定子鉄心は、
   周方向に配置される複数のスロットと、
   隣接する前記スロットの間に形成され、コイルが巻装される磁極ティースと、
   前記磁極ティース又は前記スロットの径方向中心線により周方向に分割される複数の領域と、
   前記複数の領域の中の、周方向に一定間隔で配置される所定数の領域に設けられ、周方向に長く形成された応力緩和穴とを備えたことを特徴とする固定子。
2. 前記固定子鉄心を軸方向に複数に分割し、該軸方向に複数に分割された鉄心を、周方向に所定角度回転して積層することを特徴とする請求項１記載の固定子。
3. 前記応力緩和穴を有する領域の前記固定子鉄心の部分と、他の領域の前記固定子鉄心の部分とを分割して構成することを特徴とする請求項１記載の固定子。
4. 積層後に焼鈍処理を施さないことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の固定子。
5. 密閉容器内に、冷媒を圧縮する圧縮要素と、この圧縮要素を駆動する電動要素とを備え、この電動要素に請求項１乃至４のいずれかに記載の固定子を用いたことを特徴とする密閉型圧縮機。
6. 固定子と回転子とハウジングとを備え、前記固定子が前記ハウジングの締め付け力によって保持されている永久磁石型モータであって、この永久磁石型モータに請求項１乃至４のいずれかに記載の固定子を用いたことを特徴とする回転機。
7. 固定子の磁極ティースに集中巻コイルを備え、回転子の永久磁石が希土類磁石で構成される永久磁石型モータであって、この永久磁石型モータに請求項１乃至４のいずれかに記載の固定子を用いたことを特徴とする回転機。

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