JP5950865B2 - 電動機及びこれを用いた空気調和機 - Google Patents

Description

本発明は電動機及びこれを用いた空気調和機に関する。

現在、空気調和機の冷媒として広く用いられているＲ４１０Ａは、地球温暖化係数が２０８８であり、より環境負荷が小さい冷媒を用いることが求められている。その候補として、地球温暖化係数が６７５（つまり、Ｒ４１０の約３分の１）であるＲ３２を冷媒として用いることが検討されている。

ところで、空気調和機に用いられる電動機では、巻線と固定子鉄芯との間を絶縁材で絶縁して、巻線から固定子鉄芯への電流漏洩を抑制している。しかし、Ｒ３２はＲ４１０Ａに比べて比誘電率が高い。そのため、冷媒としてＲ３２を採用した場合、空気調和機に用いられる電動機の巻線と固定子鉄芯との間を絶縁材で絶縁したとしても、漏洩電流を十分に低減することができない。

特許文献１には、固定子鉄心又は絶縁紙が複数の凹凸を有しており、絶縁紙と固定子鉄心との接触面積を低減し、浮遊静電容量が低減でき漏れ電流も低減できることが記載されている。

特開平８−１０７６４２号公報

しかしながら、空気調和機の圧縮機に用いる電動機の場合、内部に冷媒が充填する。そのため、固定子鉄心又は絶縁紙に複数の凹凸を設けたとしても、絶縁紙と固定子鉄芯の間の隙間に冷媒が溜まる。従って、特許文献１の電動機を空気調和機の圧縮機に用いたとしても、巻線と固定子鉄芯との間の浮遊静電容量を低減できず、漏洩電流を十分に抑制することはできない。

本発明の目的は、巻線と固定子鉄芯との間の浮遊静電容量に起因する漏洩電流を抑制した電動機を提供することにある。

前述の目的を達成するため、本発明に関わる電動機は、固定子鉄芯と、前記固定子鉄芯の軸受方向の両端に配置されたインシュレータと、前記固定子鉄芯および前記インシュレータに集中巻方式で巻かれたコイルと、前記固定子鉄芯と前記コイルの間に配置された絶縁材と、を有する固定子を備え、前記絶縁材は軸受方向の両端が折り返された折り返し部を有し、前記絶縁材の前記折り返し部は前記固定子鉄芯側に位置し前記コイルと前記絶縁材は接しており、前記コイルと前記固定子鉄芯との間の距離は前記絶縁材の厚みより長いことを特徴とする。

本発明によれば、巻線と固定子鉄芯との間の浮遊静電容量に起因する漏洩電流を抑制した電動機を提供することができる。

冷暖房兼用の空気調和機の概略図 圧縮機の縦断面図 固定子鉄芯の斜視図 インシュレータの底面図 インシュレータの斜視図 固定子鉄芯のティース部とインシュレータの胴部の周方向における断面図 絶縁材の両端の折り返し部の説明図 固定子鉄芯のティース部とインシュレータの胴部の周方向における断面図

本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

本実施形態における圧縮機１の全体の構成、動作、機能などに関して、図１〜図６を参照しながら説明する。

図１は冷暖房兼用の空気調和機の概略図である。本実施形態の空気調和機は、圧縮機１、室外熱交換器３４、膨張機構３５、室内熱交換器３６を配管で接続し、冷媒が循環する。

冷房運転の場合、圧縮機１で圧縮された高温高圧のガス冷媒は、四方弁３３を介して室外熱交換器３４に流れる。高温高圧のガス冷媒は、凝縮器として機能する室外熱交換器３４で冷却され、高圧の液冷媒となる。高圧の液冷媒は、膨張機構３５で膨張され、僅かにガスを含む低温低圧の液冷媒となって、室内熱交換器３６に流れる。低温低圧の液冷媒は、蒸発器として機能する室内熱交換器３６で加熱され、低温のガス冷媒となり、再び四方弁３３を介して圧縮機１に戻る。暖房運転の場合、四方弁３３によって冷媒の流れが変えられ、冷媒は冷房運転と逆方向に流れる。

図２は圧縮機の縦断面図である。圧縮機１は、冷凍空調装置（例えば、空気調和機、冷蔵庫、冷凍庫、冷蔵・冷凍ショーケースなど）やヒートポンプ式給湯装置などの冷凍サイクルの構成機器として用いられ、密閉容器、圧縮機構２及び電動機７を主要構成要素として備えている。本実施形態の圧縮機１は、密閉型電動圧縮機である。

圧縮機１の密閉容器は、円筒状の筒部１ａ、筒部１ａの上下に溶着された蓋部１ｂ及び底部１ｃから構成され、内部を密閉空間としている。圧縮機１は、圧縮機構２及び電動機７を収納し、底部の油溜９内にエーテル系又はエステル系冷凍機油で構成される潤滑油８を貯留している。潤滑油８の油面は副軸受１５の上方に位置するよう設定されている。

圧縮機１には、密閉容器の蓋部１ｂを貫通する吸込パイプ１１と、密閉容器の筒部１ａを貫通する吐出パイプ２２が設けられている。吐出パイプ２２は、フレーム５の直下に位置して、圧縮機１の密閉容器内の中心方向に突出して設けられている。吐出パイプ２２の先端はエンドコイル１７の外周面より中心側まで突出して開口している。

圧縮機構２は、ガス冷媒を圧縮して密閉容器内に吐出するものであり、密閉容器内の上部に設置されている。圧縮機構２は、固定スクロール３、旋回スクロール４、フレーム５及びオルダムリング１０を主要構成要素として備えている。

固定スクロール３は、端板上に渦巻状のラップを立設して構成され、フレーム５上にボルト止めされている。固定スクロール３の周縁部には吸込口１２が設けられ、中央部には吐出口１４が設けられている。吸込口１２は吸込パイプ１１に連通し、吐出口１４は密閉容器内の圧縮機構２の上方の空間に連通している。

旋回スクロール４は、端板上に渦巻状のラップを立設して構成され、旋回スクロール４は固定スクロール３とフレーム５との間に挟み込まれている。旋回スクロール４と固定スクロール３を噛み合わせて圧縮室を形成する。旋回スクロール４の反固定スクロール側には旋回軸受が組み込まれるボス部が設けられている。旋回軸受には旋回スクロール４を偏心駆動させるために偏心ピン部６ａが嵌合されている。

オルダムリング１０は、旋回スクロール４の自転規制機構を構成するものであり、旋回スクロール４とフレーム５との間に設置され、旋回スクロール４が自転するのを防止して円軌道運動を行わせる。

フレーム５は、密閉容器に溶接で固定され、固定スクロール３、オルダムリング１０及び旋回スクロール４を支持している。フレーム５の中央には下方に突出する筒部が設けられている。この筒部内には、シャフト６を軸支する主軸受５ａが設けられている。

固定スクロール３及びフレーム５の外周部には、固定スクロール３の上方空間とフレーム５の下方空間とを連通する複数の吐出ガス通路が形成されている。

電動機７は、回転子７ａ、固定子７ｂ、シャフト６及びバランスウェイト１６を主要構成要素として備える。

固定子７ｂは、電流を流して回転磁界を発生させる複数の導体を有するコイル２４と、回転磁界を効率よく伝達するための鉄芯２３と、コイル２４と鉄芯２３との間の絶縁に用いられる樹脂の成形品のインシュレータ２６とを主要構成要素として備えている。固定子７ｂのコイル２４は集中巻方式で巻かれている。

鉄芯２３は密閉容器に焼き嵌めによって固定されている。この固定子７ｂの外周には全周にわたって多数の切欠きが形成され、この切欠きと密閉容器との間に吐出ガス通路が形成されている。

回転子７ａは、回転子鉄芯２５と回転子鉄芯２５に内蔵された永久磁石とを主要構成要素として備え、固定子７ｂからの回転磁界を回転運動に変換しシャフト６を中心に回転される。回転子７ａは、固定子７ｂの鉄芯２３の中央穴に回転可能に配置されている。

シャフト６は、回転子７ａの中央穴に嵌合されて回転子７ａと一体化されている。シャフト６の一側は、回転子７ａより突出して圧縮機構２に係合され、圧縮機構２の圧縮動作により偏心力が加えられる。本実施形態では、シャフト６は、その両側が回転子７ａの両側より突出され、回転子７ａの両側で主軸受５ａ及び副軸受１５により軸支され、安定的に回転することができる。副軸受１５は、圧縮機１の密閉容器に溶接して固定された支持部材により支持されると共に、潤滑油８に浸漬されている。

シャフト６の下端は圧縮機１の密閉容器の底部の油溜９内に延びている。シャフト６には潤滑油８を各軸受部および各摺動面へ供給する貫通穴６ｂが設けられ、下端部の油溜９より潤滑油８を貫通穴６ｂから吸い上げられるようになっている。油溜９よりシャフト貫通穴６ｂを介して圧縮機構２に吸い上げられた潤滑油８は、各軸受及び圧縮機構２の摺動部に供給される。圧縮機構２の摺動部に供給された潤滑油８は、冷媒ガスと共に固定スクロール３の中央部の吐出口１４から吐出される。

バランスウェイト１６は、回転子７ａの圧縮機構２側に設置されたバランスウェイト（以下「上バランスウェイト」という。）１６ａ及び回転子７ａの圧縮機構２の反対側に設置された下バランスウェイト（以下「下バランスウェイト」という。）１６ｂから構成され、複数のリベットにより回転子７ａに固定されている。

電動機７が通電されて回転子７ａが回転すると、これに伴いシャフト６も回転され、偏心ピン部６ａが偏心した回転運動をすることにより、旋回スクロール４が旋回駆動され、固定スクロール３と旋回スクロール４との間に形成される圧縮室が外周側から中央部に移動しながら小さくなる。これにより、圧縮機１の密閉容器の外部から吸込パイプ１１及び吸込口１２を介して吸入された冷媒ガスが圧縮機構２で圧縮され、圧縮された冷媒ガスは固定スクロール３の中央部の吐出口１４から圧縮機１の密閉容器内の上部空間に吐出される。

固定子７ｂは、固定子鉄芯２３と、固定子鉄芯２３の軸方向の両端面のそれぞれに対向して配置されたインシュレータ２６と、固定子鉄芯２３およびインシュレータ２６に共に巻かれたコイル２４とを有する。

図３は固定子鉄芯の斜視図である。図３に示すように、固定子鉄芯２３は、積層された複数の鋼板からなり、固定子鉄芯環状部２７と、固定子鉄芯環状部２７の内周面から径方向内側に突出すると共に周方向に等間隔に配列されたティース部２８を有する。

電動機７は、いわゆる４極６スロットであり、複数のティース部２８にまたがらず、１つのティース部２８の回りに集中的にコイル２４を巻くいわゆる集中巻方式を採用している。

図４はインシュレータの底面図であり、図５はインシュレータの斜視図である。インシュレータ２６は、固定子鉄芯２３とコイル２４との間に挟持され、固定子鉄芯２３とコイル２４を絶縁している。インシュレータ２６は、例えば、液晶ポリマー（ＬＣＰ）やポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）やポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）やポリイミドやポリエステル等の耐熱性のよい樹脂材料からなる。また、インシュレータ２６は、例えば、強度向上のためにガラス繊維入りの材料からなる。

なお、液晶ポリマー（ＬＣＰ）の誘電率は３．６、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）の誘電率は３．１〜３．３、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）の誘電率は２．８である。

図４及び図５に示すように、インシュレータ２６は、インシュレータ環状部２９と、インシュレータ環状部２９の内周面から径方向内側に突出すると共に周方向に等間隔に配列された複数の胴部３０を有している。

インシュレータ２６のインシュレータ環状部２９は、固定子鉄芯２３の固定子鉄芯環状部２７の両端面に接するように配置され、インシュレータ２６の複数の胴部３０は、固定子鉄芯２３の複数のティース部２８の両端面に接するように配置されている。言い換えると、固定子鉄芯２３は２つのインシュレータ２６によって軸受方向から挟まれている。

インシュレータ環状部２９は、固定子鉄芯２３に接する面では周方向の両端で面取りされておらず、固定子鉄芯２３と反対側の面では周方向の両端で面取りされている。

圧縮機１は、コイル２４に電流を流して固定子７ｂに発生する電磁力によって、回転子７ａをシャフト６と共に回転させることで駆動している。そして、コイル２４に流した電流のうち、一部の電流が固定子鉄芯２３へ漏れる。

ここで、圧縮機１においては、固定子が鋼板製の密閉容器に直に固定されるため、人体に影響がないよう電気用品取締法に規定されている値（充電部と器体の表面との間に流れる漏洩電流は、１ｍＡ以下のこと）以内にする必要がある。そのため、コイル２４に流した電流のうち、固定子鉄芯２３へ漏れる漏洩電流を１ｍＡ以下となるよう対策をする必要がある。

漏洩電流の原理はコンデンサの原理と同じであり、漏洩電流をｉ、周波数をｆ、浮遊静電容量をＣ、電圧をＶとすると、式（１）の関係が成り立つ。
〔数１〕
ｉ＝２πｆＣＶ ・・・（１）
コイル２４と固定子鉄芯２３との間の浮遊静電容量Ｃは、コイル２４と固定子鉄芯２３との間の比誘電率をε、コイル２４と固定子鉄芯２３との間の面積をＳ、コイル２４と固定子鉄芯２３との間の距離をｄとすると、式（２）の関係が成り立つ。
〔数２〕
Ｃ＝εＳ／ｄ ・・・（２）
[Ｒ３２の誘電率]
ところで、Ｒ４１０Ａに比べて、地球温暖化係数が低く次世代冷媒の候補として検討されているＲ３２は、比誘電率εが高い。例えば、４０℃でのＲ４１０Ａの比誘電率εは７．７０４５であるのに対し、４０℃でのＲ３２の比誘電率εは１１．２６８である。

つまり、Ｒ３２を冷媒として採用した場合、式（２）より浮遊静電容量Ｃが大きくなる。すると、式（１）より漏洩電流ｉが電気用品取締法に規定されている値を超えるおそれがある。

コイル２４と固定子鉄芯２３との間に絶縁材３２を挟むことで、漏洩電流ｉを低減することができる。しかしながら、冷媒としてＲ３２を採用した場合、現在汎用されている絶縁材３２では、漏洩電流ｉを電気用品取締法に規定されている値以下に保つことができない。現在汎用されている絶縁材３２の厚みは最大３ｍｍであるが、厚みを３ｍｍより厚くし、又は、絶縁材３２を２枚重ねて使用すると、コストが高く、組立て性が悪化する。

図６は、固定子鉄芯のティース部とインシュレータの胴部の周方向における断面図である。コイル２４は、巻線機によって固定子鉄芯２３のティース部２８とインシュレータ２６の胴部３０に巻きつけられている。

従来、コイル２４と固定子鉄芯２３のティース部２８は密着していた。一方、本実施形態では、図６に示すように、インシュレータ２６の胴部３０の周方向の幅を、固定子鉄芯２３のティース部２８の周方向の幅よりも大きくしている。このような固定子鉄心２３及びインシュレータ２６にコイル２４を巻きつけることで、コイル２４は固定子鉄芯２３には接触せず、固定子鉄芯２３とコイル２４の間に隙間３１を設けることができる。

本実施形態によれば、隙間３１によってコイル２４と固定子鉄芯２３の間の距離ｄを確保することで、式（２）より浮遊静電容量Ｃを小さくし、式（１）より漏洩電流ｉを電気用品取締法に規定されている値以下にすることができる。

なお、固定子鉄芯２３のティース部２８とインシュレータ２６の胴部３０は、固定子鉄芯２３の軸方向（シャフト６の回転軸方向）からみて、周方向の幅以外は略同じ形状である。但し、コイル２４の劣化を防ぐために、インシュレータ２６の胴部３０のうち、固定子鉄芯２３のティース部２８から周方向に吐出した部分は楕円形状となっている。

また、隙間３１にはＲ３２と冷凍機油が溜まっている。Ｒ３２及び冷凍機油よりも誘電率が低い絶縁材３２を隙間３１の一部に配置することで、隙間３１における比誘電率εの平均値を下げることができ、漏洩電流ｉをさらに低減することができる。

また、インシュレータ２６の胴部３０の周方向の幅を、固定子鉄芯２３のティース部２８の周方向の幅よりも大きくすることに加えて、コイル２４と固定子鉄芯２３との間に絶縁材３２を配置することを併用してもよい。

また、インシュレータ２６の胴部３０の周方向の幅を、固定子鉄芯２３のティース部２８の周方向の幅よりも大きくすることに加えて、インシュレータ環状部２９の内周面を固定子鉄芯環状部２７の内周面よりも径方向の内側に突出させてもよい。

以上説明した通り、本実施形態によれば、コイル２４と固定子鉄芯２３との間の距離を広げ、浮遊静電容量Ｃを低減し、漏れ電流の低減効果を得ることができる。

本実施形態において第１実施形態と同様の構成要素についての説明は省略する。図７は、絶縁材の両端の折り返し部の説明図である。図８は、固定子鉄芯のティース部とインシュレータの胴部の周方向における断面図である。

図７に示すように、本実施形態の絶縁材３２は、軸受方向の両端が折り返されている折り返し部３２ａを有する。つまり、固定子鉄芯２３の軸受方向の両端では、絶縁材３２が折り返されて重なった状態で固定子鉄芯２３とコイル２４の径方向の間に配置される。

本実施形態の絶縁材３２は１枚であるが、コイル２４は絶縁材３２の折り返し部３２ａで支持されるため、中央付近においてもコイル２４と固定子鉄芯２３との間の距離ｄを絶縁材３２の厚みの２倍にすることができる。

本実施形態によれば、図８に示すように、コイル２４と固定子鉄芯２３との間に絶縁材３２を配置することに加え、固定子鉄芯２３と絶縁材３２の間に隙間３１を設けることができる。従って、絶縁材３２を折り返してコイル２４と固定子鉄芯２３の間の距離ｄを確保することで、式（２）より浮遊静電容量Ｃを小さくし、式（１）より漏洩電流ｉを低減することができる。

なお、本実施形態では、図８に示すように、絶縁材３２の折り返し部３２ａをコイル２４よりも固定子鉄芯２３側に位置させているが、絶縁材３２の折り返し部３２ａをコイル２４側に位置させてもよい。

しかし、絶縁材３２の折り返し部３２ａをコイル２４側に位置させた場合、中央付近では、隙間３１がコイル２４と絶縁材３２との間に位置する。この隙間３１には、冷媒が溜まるため、コイル２４から冷媒に電流が漏洩しやすい。

一方、絶縁材３２の折り返し部３２ａを固定子鉄芯２３側に位置させた場合、図８に示すように、隙間３１が固定鉄芯２３と絶縁材３２の間に位置する。すなわち、隙間３１は、絶縁材３２を介してコイル２４に接するため、コイル２４から隙間３１に溜まった冷媒へ電流が漏洩するのを低減することができる。

また、固定子鉄芯２３の軸受方向の両端で、固定子鉄芯２３の周方向の厚みを厚くすることで、コイル２４と固定子鉄芯２３の間の距離ｄを確保してもよい。

以上説明した通り、本発明の圧縮機によれば、コイル２４と固定子鉄芯２３との間の距離を広げ、浮遊静電容量Ｃを低減し、漏れ電流の低減効果を得ることができる。

本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

例えば、圧縮機構２として、スクロールタイプ以外に、ロータリータイプ、スイングタイプ又はレシプロタイプを用いてもよい。

また、冷媒としてＲ３２を用いる場合について説明したが、これに限らない。例えば、冷媒として、Ｒ３２を５０重量％より多く含む混合冷媒や、漏洩電流対策が必要となる他の冷媒を用いてもよい。

１ 密閉容器
７ 電動機
７ａ 回転子
７ｂ 固定子
８ 潤滑油
９ 油溜
２３ 固定子鉄芯
２５ 回転子鉄芯
２４ コイル
２６ インシュレータ
２７ 固定子鉄芯環状部
２８ ティース部
２９ インシュレータ環状部
３０ 胴部
３１ 隙間
３２ 絶縁材
３２ａ 折り返し部
３３ 四方弁
３４ 室外熱交換器
３５ 膨張機構
３６ 室内熱交換器

Claims (7)

1. 固定子鉄芯と、
   前記固定子鉄芯の軸受方向の両端に配置されたインシュレータと、
   前記固定子鉄芯および前記インシュレータに集中巻方式で巻かれたコイルと、
   前記固定子鉄芯と前記コイルの間に配置された絶縁材と、
   を有する固定子を備え、
   前記絶縁材は軸受方向の両端が折り返された折り返し部を有し、
   前記絶縁材の前記折り返し部は前記固定子鉄芯側に位置し
   前記コイルと前記絶縁材は接しており、
   前記コイルと前記固定子鉄芯との間の距離は前記絶縁材の厚みより長い
   ことを特徴とする電動機。
2. 前記固定子鉄芯は、固定子鉄芯環状部と、前記固定子鉄芯環状部の内周面から径方向内側に突出した複数のティース部を有し、
   前記インシュレータは、インシュレータ環状部と、前記インシュレータ環状部の内周面から径方向内側に突出した複数の胴部を有し、
   前記胴部の周方向の幅は前記ティース部の周方向の幅より大きく、
   前記コイルと前記絶縁材は接している、
   ことを特徴とする請求項１に記載の電動機。
3. 前記固定子鉄芯は、固定子鉄芯環状部と、前記固定子鉄芯環状部の内周面から径方向内側に突出した複数のティース部を有し、
   前記インシュレータは、インシュレータ環状部と、前記インシュレータ環状部の内周面から径方向内側に突出した複数の胴部を有し、
   前記インシュレータ環状部の内周面は、前記固定子鉄芯環状部の内周面よりも径方向内側に突出しており、
   前記コイルと前記絶縁材は接している、
   ことを特徴とする請求項１に記載の電動機。
4. 前記固定子は前記固定子鉄芯と前記絶縁材との間に隙間を有する
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の電動機。
5. 前記絶縁材の厚みは３ｍｍ以下であること
   を特徴とする請求項１乃至４のいずれかに一項に記載の電動機。
6. 請求項１乃至５のいずれか一項に記載の電動機を有する圧縮機と、凝縮器と、膨張弁と、蒸発器が環状に順次接続され、冷媒が流れる冷媒回路を備え、
   前記冷媒は、Ｒ３２、又は、Ｒ３２を５０重量％より多く含む混合冷媒であることを特徴とする空気調和機。
7. 前記固定子は前記圧縮機の密閉容器に固定され、
   前記固定子鉄芯に漏れる電流は１ｍＡ以下であることを特徴とする請求項６に記載の空気調和機。