(57)【要約】【課題】本発明は、鉄損が低い電動機用固定子を提供する。【解決手段】電磁鋼板を複数枚積層した固定子及び回転子を有し、回転軸を中心として、前記固定子を外側に、前記回転子を内側に配置し、前記固定子は押さえリングと台座の間に固定され、前記固定子、前記回転子及び前記台座はケースに囲まれ、前記ケース内には冷媒が充填された電動機において、前記台座の線膨張率αｃ［／℃］を前記固定子の線膨張率αｓ［／℃］で除した値αｃ／αｓが、１．１５より大きく、かつ、１．５未満であることを特徴とする電動機。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁鋼板を複数枚積層した固定子及び回転子を有し、回転軸を中心として、前記固定子を外側に、前記回転子を内側に配置し、前記固定子は押さえリングと台座の間に固定され、前記固定子、前記回転子及び前記台座はケースに囲まれ、前記ケース内には冷媒が充填された電動機において、前記台座の線膨張率αｃ［／℃］を前記固定子の線膨張率αｓ［／℃］で除した値αｃ／αｓが、１．０５より大きく、かつ、１．５未満であることを特徴とする電動機。
【請求項２】
台座の線膨張率が、１３．７［／℃］より大きく、かつ、１９．５［／℃］未満であることを特徴とする請求項１に記載の電動機。
【請求項３】
台座が、質量％で、Ｃ：１．００〜３．３０％、Ｓｉ：１．００〜２．００％、Ｍｎ：０．３５〜１．５０％、Ｎｉ：５．００〜７０．００％、Ｃｒ：０．１０〜５．５０％、Ｃｕ：０．０１〜２０．００％を含有し、残部鉄及び不可避的不純物からなることを特徴とする請求項１又は２記載の電動機。
【請求項４】
台座が、質量％で、Ｃ：２．８０〜３．００％、Ｓｉ：１．２０〜１．９０％、Ｍｎ：０．４０〜１．１０％、Ｎｉ：１３．００〜２２．００％、Ｃｒ：０．０１〜１．７０％、Ｃｕ：０．０１〜０．０５％を含有し、残部鉄及び不可避的不純物からなることを特徴とする請求項１又は２記載の電動機。
【請求項５】
更に、押さえリングが請求項３又は４記載の成分からなることを特徴とする請求項３又は４記載の電動機。
【請求項６】
冷媒が、ＨＦＣ、ＣＯ２、アンモニア、イソブタン、ブタン、プロパン、シクロプロパンの何れか１種以上からなることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の電動機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電動機の高効率化技術に係り、特に鉄心が台座にボルト等の固定手段によって固定される電動機に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、省エネルギーの観点から各種電気機器の効率向上が求められている。電機機器の効率は各種要因に影響されるが、電動機の鉄芯で発生する損失である鉄損は比較的大きな比重を占めており、従って最近ではより鉄損の少ない電磁鋼板が使用される場合が増加している。
【０００３】
このような電磁鋼板を用いて、固定子の形状に一体で打抜き、積層され、打抜き時に加工されるボルト穴にボルト通し、台座に固定する電動機用固定子では、ボルトによる固定に際して生じる応力によって、固定子の鉄損などの磁気特性が劣化してしまう（図１参照）。
【０００４】
このような固定子に生じる応力を低減する技術として、本発明者の一部が開示した特許文献１がある。この技術は、固定子を台座に固定する際、円環状の固定用平板を用いて均一に固定子を押さえつけることにより、ボルト固定時に生じるボルト固定部近傍に生じる局所的な応力を低減することで、鉄損の増加を抑制する技術である。
【０００５】
また、特許文献２には、発電機の固定子に関し、固定子コアと固定子コイルとの運転時の温度上昇による熱膨張の差異に基づく絶縁層の劣化を防止することを目的として、固定子コア内に冷却媒体の流路を確保するための金属製ダクトスペーサの線膨張率を珪素鋼板（固定子コア）の線膨張率より大きくする発明が開示されている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−３０４１０６号公報
【特許文献２】特開平１１−２３４９２９号公報
【非特許文献１】ブラシレスＤＣモータの使い方      株式会社オーム社      ２００３年７月１０日発行      ＩＳＢＮ４−２７４−０３６０１−４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、固定子内部に生じる応力は、固定方法に起因するものだけでなく、稼動時に発生する熱に起因するものもある。例えば、稼動時に巻線が発生する熱は大きく、この熱は雰囲気、特に周辺が冷媒によって満たされている圧縮機では冷媒に放熱される。このとき、コイルから伝熱および雰囲気からの伝熱により、固定子および台座は温度が上昇する。この熱によって固定子は膨張するため、固定子と台座の膨張にアンバランスが生じると、固定子内部に応力が生じる。
【０００８】
特に、図２に示すような固定子１３を台座１４に押さえリング１５を用い、ボルト１６で固定して使用する電動機においては、台座１４と固定子１３との熱膨張の差により生じる固定子内部の応力が問題となる。一般に、上記の形態の電動機では、台座１４は低合金鋳鉄で、その線膨張率は１０〜１２［／℃］と、エアコンや冷蔵庫等の家電に多く使われる無方向性電磁鋼板の線膨張率１２〜１３［／℃］に比べ、同程度もしくは小さい。また、一般に、固定子は巻線に直接触れているため、台座に比べて温度が高い。従って、固定子は、台座に比べて膨張量が大きい。その場合、固定子１３はその温度に応じた膨張をしようとするが、台座１４に強く固定されていると、台座１４の膨張量が小さいために、固定子１３の膨張が阻害される。このとき、固定子１３の内部には部分的に強い圧縮応力が生じてしまい、特許文献１に記載される技術では、固定子の鉄損などの磁気特性は改善されない。
【０００９】
台座にアルミ合金を適用する例も見られるが、アルミ合金の線膨張率は２３［／℃］程度と大きすぎ、逆に、台座の膨張量が大きくなり、やはり、固定子内部には部分的に圧縮応力が生じる。
【００１０】
また、特許文献２に開示された発明は、絶縁層の破壊を防止することが目的であり、固定子内部に生じる圧縮応力を低減する効果はないという問題がある。
【００１１】
本発明は、台座にボルトや押さえリングなどで固定される固定子の線膨張率に対し、台座の線膨張率の適正にすることで、鉄損が低い電動機用固定子を提案することを目的する。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の課題を解決するため、本発明の要旨とするところは次のとおりである。
【００１３】
（１）電磁鋼板を複数枚積層した固定子及び回転子を有し、回転軸を中心として、前記固定子を外側に、前記回転子を内側に配置し、前記固定子は押さえリングと台座の間に固定され、前記固定子、前記回転子及び前記台座はケースに囲まれ、前記ケース内には冷媒が充填された圧縮機用電動機において、台座の線膨張率αｃ［／℃］を固定子の線膨張率αｓ［／℃］で除した値αｃ／αｓが、１．０５より大きく、かつ、１．５未満であることを特徴とする電動機。
【００１４】
（２）台座の線膨張率が、１３．７［／℃］より大きく、かつ、１９．５［／℃］未満であることを特徴とする（１）に記載の電動機。
【００１５】
（３）台座が、質量％で、Ｃ：１．００〜３．３０％、Ｓｉ：１．００〜２．００％、Ｍｎ：０．３５〜１．５０％、Ｎｉ：５．００〜７０．００％、Ｃｒ：０．１０〜５．５０％、Ｃｕ：０．０１〜２０．００％を含有し、残部鉄及び不可避的不純物からなることを特徴とする（１）又は（２）記載の電動機。
【００１６】
（４）台座が、質量％で、２．８０〜３．００％、Ｓｉ：１．２０〜１．９０％、Ｍｎ：０．４０〜１．１０％、Ｎｉ：１３．００〜２２．００％、Ｃｒ：０．０１〜１．７０％、Ｃｕ：０．０１〜０．０５％を含有し、残部鉄及び不可避的不純物からなることを特徴とする（１）又は（２）記載の電動機。
【００１７】
（５）更に、押さえリングが上記（３）又は（４）記載の成分からなることを特徴とする（３）又は（４）記載の電動機。
【００１８】
（６）冷媒が、ＨＦＣ、ＣＯ２、アンモニア、イソブタン、ブタン、プロパン、シクロプロパンの何れか１種以上からなることを特徴とする上記（１）〜（５）の何れか１項に記載の電動機。
【発明の効果】
【００１９】
本発明により、従来使われてきた低合金鋳鉄製の台座に低合金鋳鉄製の押さえリングで固定した固定子を用いた電動機に比べて、電動機の鉄損を１０％以上低減でき、また、アルミ製の台座にアルミ製の押さえリングで固定した固定子を用いた電動機に比べて、電動機の鉄損を１４％以上低減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明者らは、図３に示すように、内部がＨＦＣ(ハイドロフルオロカーボン)、ＣＯ２、アンモニア、イソブタン、ブタン、プロパン、シクロプロパン等の冷媒によって満たされ、ケース５に囲まれ、電磁鋼板を複数枚積層した固定子６及び回転子１２を有し、回転軸を中心として、固定子６を外側に、回転子１２を内側に配置し、固定子６を台座７にボルト８と押さえリング９で固定する電動機において、電磁鋼板から成型した固定子、および、５種類の鋳鉄と1種類のアルミ合金から削りだした台座を使い、同一運転条件のもと試験し、固定子の鉄損を実測した。台座の種類と線膨張率は表１に示す通りで、使用した固定子を形成する電磁鋼板の線膨張率は１３［／℃］である。運転条件は、７５ｒｐｍ、１０Ｎｍにおいて、１時間連続運転とした。
【００２１】
鉄損の測定は、１時間の連続運転直後において、入力電力から７５ｒｐｍ×１０Ｎｍで算出される出力値、電流×電圧で算出される巻線１０での発熱量、および、事前に測定した軸受け１１等で生じる機械損失を差し引いた値で定義した。さらに、試験後、常温になるまで電動機を放置した後、７５ｒｐｍ、１５Ｎｍの高負荷において1時間連続運転を実施し、上記と同様に鉄損を測定した。
【００２２】
その結果を図４に示す。縦軸に、ビルディングファクタと呼ばれる、実測された固定子の鉄損を電磁鋼板単体の鉄損値で除した値で評価した。この結果を含めた他の実験から、台座の線膨張率αｃと固定子の線膨張率αｓの間に、以下の（１）式で示される関係が成り立つ場合、固定子の鉄損を低減できることを見出した。
【００２３】
１．０５  ＜  αｃ／αｓ  ＜  １．５  …  （１）
運転条件によっては、固定子や台座の温度が変化するが、上式の範囲において、十分良い鉄損値を得ることができた。また、この結果から、台座の線膨張率は、１５から１９．５［／℃］の範囲内であることが必要であることが判明した。さらに良い鉄損値を得るためには、αｃ／αｓの値が、（２）式を満たすことが望ましい。
【００２４】
１．２５  ＜  αｃ／αｓ  ＜  １．３５  …  （２）
【００２５】
【表１】
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【００２６】
また、台座が、質量％で、Ｃ：１．００〜３．３０％、Ｓｉ：１．００〜２．００％、Ｍｎ：０．３５〜１．５０％、Ｎｉ：５．００〜７０．００％、Ｃｒ：０．１０〜５．５０％、Ｃｕ：０．０１〜２０．００％を含有し、残部鉄及び不可避的不純物からなる鋳鉄であることが好ましい。各成分がこの範囲であれば、（１）式を満たす鋳鉄台座を制作でき、好ましい。
【００２７】
さらに、台座鋳鉄の成分を制限し、質量％で、２．８０〜３．００％、Ｓｉ：１．２０〜１．９０％、Ｍｎ：０．４０〜１．１０％、Ｎｉ：１３．００〜２２．００％、Ｃｒ：０．０１〜１．７０％、Ｃｕ：０．０１〜０．０５％を含有し、残部鉄及び不可避的不純物からなる鋳鉄であると、線膨張率は１６．３〜１７．５［／℃］となり、（２）式を満たすことができ、好ましい。
【００２８】
また、押さえリングの成分が、上記の台座の成分範囲と同じ範囲にある場合は、固定子の上下面における拘束が均一になるため、さらに好ましい。
【実施例】
【００２９】
図３に示すように、内部が冷媒（ＨＦＣ）によって満たされ、ケース５に囲まれ、固定子６を台座７にボルト８と押さえリング９で固定する電動機において、台座７と押さえリング９にニッケルと銅を比較的多く含有する高合金系鋳鉄（線膨張率１７．１［／℃］。成分は、表２に示す）を用い、電動機を作成した。次に、比較のために、同一形状であるが、台座２と押さえリング４を低合金鋳鉄（線膨張率１１．２［／℃］。成分は、表２に示す）とアルミ（線膨張率２３．０［／℃］）で作成したものを用意した。電磁鋼板は、線膨張率が１３．０［／℃］のものを使用した。運転条件は、７５ｒｐｍ、１０Ｎｍにおいて、１時間連続運転とした。鉄損の測定は、１時間の連続運転直後において、入力電力から７５ｒｐｍ×１０Ｎｍで算出される出力値、電流×電圧で算出される巻線での発熱量、および、事前に測定したベアリング等で生じる機械損失を差し引いた値で定義した。
【００３０】
その結果、本発明である線膨張率１７．１［／℃］の高合金系鋳鉄製台座と押さえリングを用いた電動機における固定子の鉄損は３．６３［Ｗ／ｋｇ］となり、線膨張率１１．２［／℃］の低合金鋳鉄製台座と押さえリングに比べて１０％、線膨張率２３．０［／℃］のアルミ製台座と押さえリングに比べて１４％低い鉄損を得た。
【００３１】
さらに、巻き線の方法は、非特許文献１の４６ページに紹介されているような分布巻きでも、集中巻きでも、上記と同等の効果を得た。
【００３２】
【表２】
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【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】鉄損の残留応力依存性を示す図。
【図２】一般的な電動機の模式図。
【図３】本発明の形態および本発明を示す電動機の断面図。
【図４】固定子の鉄損および固定子と台座の線膨張率の比の関係を示す図。
【符号の説明】
【００３４】
１    磁束密度０．７Ｔにおける鉄損の残留応力依存性
２    磁束密度１．０Ｔにおける鉄損の残留応力依存性
３    磁束密度１．３Ｔにおける鉄損の残留応力依存性
４    磁束密度１．５Ｔにおける鉄損の残留応力依存性
５    本発明の形態および本発明を示す電動機のケース
６    本発明の形態および本発明を示す電動機の固定子
７    本発明の形態および本発明を示す電動機の台座
８    本発明の形態および本発明を示す電動機のボルト
９    本発明の形態および本発明を示す電動機の押さえリング
１０    本発明の形態および本発明を示す電動機の巻線
１１    本発明の形態および本発明を示す電動機の軸受け
１２    本発明の形態および本発明を示す電動機の回転子
１３    一般的な電動機の固定子
１４    一般的な電動機の台座
１５    一般的な電動機の押さえリング
１６    一般的な電動機のボルト
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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