JP2004112856A - 回転電機の冷却構造及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ステータコアを傷付けることなく、また、製造コストも安価な回転電機の冷却構造及びその製造方法を提供する。
【解決手段】ロータ２と、そのロータの周囲に配置され、ケース固定部材２０によってケースに固定されたステータ３とを有する回転電機の冷却構造であって、ステータ３は、複数のティース部６と、そのティース部の間のスロット部７とを有するステータコア３ａと、ティース部を周囲から取り囲み、前記スロット部の開口部分付近に突起部３５を有するティース包囲部材３１と、ティース包囲部材に巻装されたステータコイル３ｂと、ティース包囲部材の突起部に当接されて設けられ、スロット部の開口部分を閉塞して、そのスロット部を、冷媒が通流可能な冷媒通路にするスロット閉塞部材２２と、スロット閉塞部材をティース包囲部材に固定する閉塞部材固定手段２３とを備える。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転電機（モータ、ジェネレータ又はモータ兼ジェネレータなど）のステータを効率よく冷却する回転電機の冷却構造及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
回転電機（例えば、モータ、ジェネレータ又はモータ兼ジェネレータなど）において、ステータを効率よく冷却するために、ステータのスロット（ステータコイルが収装される溝部）の内部を冷媒通路として利用して、ステータコイルを直接冷却できるようにする技術が提案されている。このような冷媒通路を形成する方法としては、ステータ内周側及びスロット内部に金型を配置し、ステータコアと金型とによって画成された空間に樹脂材料を射出・充填して、これを硬化させてスロット開口部を閉塞することで、スロット内部を冷媒通路にしようとする方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平４−３６４３４３号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前述した従来技術では、充填した樹脂材料が硬化した後、ステータ内周側及びスロット内部に配置した金型を抜き取らなければならない。ところが、スロット内部に配置した細長い金型を引き抜く作業性は悪く、無理に抜き取ろうとするとステータコアを傷付けたり金型自体を変形させてしまうおそれがある。
【０００５】
本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、ステータコアを傷付けることなく、また、製造コストも安価な回転電機の冷却構造及びその製造方法を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、以下のような解決手段により、前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために、本発明の実施形態に対応する符号を付するが、これに限定されるものではない。
【０００７】
本発明は、ロータ（２）と、そのロータの周囲に配置され、ケース固定部材（２０）によってケースに固定されたステータ（３）とを有する回転電機の冷却構造であって、前記ステータ（３）は、複数のティース部（６）と、そのティース部の間のスロット部（７）とを有するステータコア（３ａ）と、前記ティース部を周囲から取り囲み、前記スロット部の開口部分付近に突起部（３５）を有するティース包囲部材（３１）と、前記ティース包囲部材に巻装されたステータコイル（３ｂ）と、前記ティース包囲部材の突起部に当接されて設けられ、前記スロット部の開口部分を閉塞して、そのスロット部を、冷媒が通流可能な冷媒通路にするスロット閉塞部材（２２）と、前記スロット閉塞部材を前記ティース包囲部材に固定する閉塞部材固定手段（２３）とを備えることを特徴とする。
【０００８】
【作用・効果】
本発明によれば、ステータのティース間のスロット開口部分をスロット閉塞部材で閉塞し、そのスロット閉塞部材を閉塞部材固定手段でティース包囲部材に固定して、スロット部を、冷媒が通流可能な冷媒通路として使用するので、ステータに傷をつけずに冷媒通路を成形することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、図面等を参照して、本発明の実施の形態について、さらに詳しく説明する。
（第１実施形態）
図１、図２は、本発明の第１実施形態における回転電機を示す断面図である。なお、図１は図２のＩ−Ｉ矢視図、図２は図１のＩＩ−ＩＩ矢視図になっている。
この回転電機は、ケース１と、ロータ２と、ステータ３とを備え、例えば、モータ、ジェネレータ又はモータ兼ジェネレータ等として機能するものである。
【００１０】
ケース１は、円筒部１ａと、この円筒部１ａの軸方向両端の開口部を閉塞する側板部１ｂ、１ｃとから構成されており、側板部１ｂ、１ｃはボルト等（図示略）によって円筒部１ａに固定されている。
【００１１】
ロータ２は、ケース１の内部に収容されている。このロータ２は、円柱形状のロータコア２ａと、このロータコア２ａの中心軸上に貫通配置される回転軸２ｂとから構成されており、回転軸２ｂの両端がそれぞれベアリング４を介して側板部１ｂ、１ｃに支持されている。したがって、ロータ２はケース１に対して回転自在となっている。また、ロータ２の外周面近傍には磁石８が設けられている。
【００１２】
ステータ３は、ケース１内であって、ロータ２の外周を取り囲むように配置されている。ステータ３は、ロータ２の外周を取り囲む円筒形状のステータコア３ａと、ステータコイル３ｂとを備える。ステータ３は、円筒部２０によってケース１に固定されている。
【００１３】
次に、図３（図１のＩＩＩ−ＩＩＩ矢視図）を参照してステータ３をより詳細に説明する。
【００１４】
ステータコア３ａは、円筒部１ａに沿うリング形状のバックコア５と、このバックコア５から半径方向内向きに突出するティース６とを備え、このティース６に絶縁キャップ３１が取り付けられて、その上からステータコイル３ｂが集中巻きされている。ここに、絶縁キャップ３１は、ティース６を周囲から取り囲むティース包囲部材である。また、絶縁キャップ３１は絶縁性能を有し、コア３０とステータコイル３ｂとの導通を防止する。なお、本実施形態では、絶縁キャップ３１は、図３に示した通りティース６の周側部分に設けられているが、さらにティース６のロータ対向面にも形成してもよい。
【００１５】
ステータコア３ａはティース６ごとに分割可能になっている。このため、ティース６へのステータコイル３ｂの集中巻き作業を容易に行うことができる。隣り合うティース６の間には、回転軸方向（図３に対する法線方向）へ延びる溝状のスロット７が形成されている。このスロット７の内部には、ティース６に巻装されたステータコイル３ｂが収容された状態となっている。ステータ３はケース１の円筒部１ａに圧入（焼き嵌め等）されており、したがってステータ３はケース１に対し固定された状態となっている。なお、この圧入によって隣接する分割コアのバックコア５が互いに密接するので、本実施形態のように分割構造を有するステータコア３ａであっても、磁気性能は一体のステータコアと変わりがない。
【００１６】
再び、図１に戻ってステータコイル３ｂを冷却するための構造について説明する。ステータ３の一方の端面から側板部１ｂまで円筒部２０が延びている。なお、本実施形態では、円筒部２０はステータ３（絶縁キャップ３１）と一体に形成されている。この円筒部２０の外周面と、円筒部１ａの内周面と、側板部１ｂの側面と、ステータ３の一端面とで環状の第１冷却液室１１が画成されている。円筒部２０の先端は、環状のシール部材２１を介して側板部１ｂに支持されている。ステータ３の反対側も同様の構造となっており、環状の第２冷却液室１３が形成されている。冷却用オイルは、側板部１ｂを貫通するオイル供給口１４から第１冷却液室１１に供給され、ステータ３内部に設けられた冷媒通路１５を流れて反対側の第２冷却液室１３へ供給され、側板部１ｃを貫通するオイル排出口１６から外部へ排出される。
【００１７】
なお、ステータコア３ａの端面には、ステータコア３ａとステータコイル３ｂとの短絡を防止する絶縁キャップ３１が設けられており、この絶縁キャップ３１の表面がステータ３の端面となっている。
【００１８】
再び、図３を参照して冷媒通路１５について詳細に説明する。冷媒通路１５はスロット７の一部であり、スロット７の半径方向内周側の開口部を、樹脂製のプレート（スロット閉塞部材）２２と樹脂モールド層（閉塞部材固定手段）２３とで閉塞して形成した空間が冷媒通路１５になっている。もともとスロット７は、軸方向の両端部分及び半径方向内周側が開口した溝状の空間であり、半径方向内周側の開口部分のみが閉塞され、両端部分は開口したままとなっている。この両端開口を介して第１冷却液室１１や第２冷却液室１３と冷媒通路１５とが連通している。
【００１９】
次に、図４、図５、図６を参照してステータ３（特に樹脂モールド層２３）の製造方法について説明する。
【００２０】
まず、略Ｔ字形状の電磁鋼板を多数枚積層して分割コア３０（バックコア５の一部と１つのティース６とを有する）を形成する（分割コア形成工程）。
【００２１】
そして、分割コア３０の前後からティース６を覆う絶縁キャップ（ティース包囲部材）３１を取り付ける（ティース包囲工程）。本実施形態では、この絶縁キャップ３１は、図４に示すように二分割構造となっている。絶縁キャップ３１には、端面絶縁部３２と、ティース絶縁部３３と、バックコア絶縁部３４と、突起部３５とが形成されている。端面絶縁部３２は、ティース６の端面とステータコイルとの短絡を防止する。ティース絶縁部３３は、端面絶縁部３２に連続して形成され、ティース６の側面（スロット７側の面）とステータコイルとの短絡を防止する。バックコア絶縁部３４は、絶縁キャップ３１の全周に渡って設けられ、バックコア５の側面（スロット７側の面）とステータコイルとの短絡を防止する。突起部３５は、絶縁キャップ３１の全周に渡って、バックコア絶縁部３４と並行して形成される。なお、図４では、絶縁キャップ３１は、ティース絶縁部３３で前後方向に二分割可能な構造となっているが、例えば、端面絶縁部３２で左右方向に分割可能な構造であってもよく、また、三分割以上に分割可能な構造であってもよい。
【００２２】
絶縁キャップ３１の材料としては、エポキシ樹脂やポリエステル樹脂などが使用可能であり、必要に応じ各種のバインダーを混入させて強度や線膨張率（圧力一定の下で温度変化によって物体の長さ変化が生ずるとき、その比率の温度変化に対する割合を示す量）を調整する。特に、絶縁キャップ３１の線膨張率が、コア３０の線膨張率とほぼ等しくなるように調整すれば、熱応力を低減させることができ、部品の信頼性を向上させることができる。
【００２３】
次の工程では、絶縁キャップ３１を取り付けた状態の分割コア３０にステータコイルを巻き回して分割ステータを形成する（分割ステータ形成工程）。このときステータコイルは、絶縁キャップ３１の端面絶縁部３２及びティース絶縁部３３に巻装される。端面絶縁部３２及びティース絶縁部３３の上下には、バックコア絶縁部３４及び突起部３５が形成されているので、ステータコイルの巻き崩れが防止され、巻装作業が容易にできる。なお、図５では図面が煩雑になることを避けるために、ステータコイルは３ターンのみ示しているが、実際には数十ターン巻装する。
【００２４】
次の工程では、複数個（本実施形態では１２個）の分割ステータを円環状に並べて円筒状のステータ３に組み上げ、その組み上げたステータ３を、円筒部１ａの内部へ圧入する（ステータ挿入工程）。なお、図５に円筒部１ａの内部へステータ３を圧入した状態を示す。
【００２５】
次の工程では、スロット７の開口部にプレート（スロット閉塞部材）２２を配置し、さらにステータ７の内周面（ティース６の先端面）に密接する円柱状の金型（モールド用金型）４０をステータ内周に配置する（閉塞部材・モールド型配置工程）。なお、図６にプレート２２及び金型４０を配置した状態を示す。
【００２６】
次の工程では、絶縁キャップ３１の側面と、プレート２２と、金型４０とで画成した空間４１にモールド樹脂を充填する（モールド樹脂充填工程）。このとき、プレート２２の内周側（ロータ側）の面２２ａに充填圧力が作用し、この圧力によってプレート２２のシール面２２ｂが絶縁キャップ３１の突起部３５に押し付けられる。このため、充填樹脂がスロット７の内部へ漏れ出すことがない。このようにして、スロット７が閉塞され、冷媒通路１５が形成される。
【００２７】
以上のようにしてモールド樹脂を充填したら、モールド樹脂が硬化するのを待って金型４０を引き抜いて取り外す（モールド型取外工程）。空間４１に充填されて硬化した樹脂が図３の樹脂モールド層２３である。なお、このとき、プレート２２は引き抜くことなく、冷媒通路１５の一部として使用する。このため、ステータに傷をつけずに冷媒通路を形成することができる。また、樹脂モールド層２３を形成する工程で同時に円筒部２０の形成を行うことが可能であり、本実施形態の図１では、樹脂モールド層２３及び円筒部２０が一体となっている場合を例示している。
【００２８】
本実施形態によれば、冷媒通路を形成するために充填するモールド樹脂がコイル側に流れ込むことを防止する手段として樹脂プレートを使用し、樹脂充填後は、その樹脂プレートを引き抜くことなく、冷媒通路の一部として使用するので、ステータに傷をつけずに冷媒通路を成形することができる。
【００２９】
また、従来の方法では、金型とステータコアとの隙間から充填したモールド樹脂が漏出しやすかった。そのため、そのような漏出を防止するために、金型を高精度で仕上げなければならなかった。しかし、本実施形態によれば、プレートが回転軸（ロータ）側からステータコア側に向かって押し付けられるので、プレートのステータコアに対する密着性が向上し、充填モールド樹脂の漏出を防止することができる。そのため、金型の精度を緩和することができ、また、ワークそのものも必要な精度も低下することから、大量生産が可能となり、コスト低減を図ることができ、量産性も向上する。
【００３０】
さらに、ステータコアのティース部先端付近に樹脂プレートを保持するためには、例えば、ティース部の先端を広げて、樹脂プレート保持部を形成することが考えられる。しかし、ティース部は電磁鋼板であるので、そのようにするとティース部からロータコアへ向かって磁束が漏れてしまい、電磁気性能が悪化する。ところが、本実施形態によれば、ステータコア（ティース部）自体の大きさは変わらず、樹脂製の絶縁キャップを設けて、その絶縁キャップによってプレートを保持するので、良好な電磁気性能を維持しつつ、低コストで高性能な冷却構造を得ることが可能である。
【００３１】
なお、ステータコア先端部の絶縁キャップが、ステータコアのティース部の先端部分を囲むように設ければ、より強固にステータコアと接合する。
また、絶縁キャップは、最終モールド時の材料との相性のよい材料で作るとよい。ここで相性のよいとは、具体的には、同材料等、接合強度の高いものであることが必要である。このようにすれば、後工程で成形する樹脂モールドは、絶縁キャップと接合するので、ステータコアでの接合面がなくなり樹脂同士の接合面となるので接合強度を向上させることができるからである。また、さらにその材料を電磁鋼板（ステータコア）と近い熱膨張率の材料にすれば熱応力による亀裂を防ぐことができる。さらに、プレート（スロット閉塞部材）２２の材料を、樹脂モールド層（閉塞部材固定手段）２３の材料と、同一又は接合強度の高い材料とすることで、さらに信頼性の向上を図ることができる。
【００３２】
さらにまた、本実施形態では、あらかじめ成形された絶縁キャップをステータコアに被せて形成するので、製造コストを低く抑えることができる。
【００３３】
また、絶縁キャップの形状が、コイルとステータの相対する面にも広がっているので、ステータコアの積層面の隙間から冷却液が漏れてしまうことを防止可能である。
【００３４】
（第２実施形態）
図７は、本発明の第２実施形態における回転電機を示す断面図である。
【００３５】
なお、以下に示す各実施形態では、前述した第１実施形態と同様の機能を果たす部分には同一の符号を付して重複する説明を適宜省略する。
【００３６】
第１実施形態では、円筒部２０はステータ３（絶縁キャップ３１）と一体に形成されている場合を例示して説明したが、本実施形態では、円筒部２０はステータ３（絶縁キャップ３１）と別体に形成されている。この場合は、例えば、図７に示すように円筒部２０を側板部１ｂ、１ｃに溶接等で取り付け、円筒部２０とステータ３との間に円環状のシール部材５１を挟み込むようにするとよい。
【００３７】
本実施形態によれば、円筒部２０を側板部１ｂ、１ｃに対して、簡単、確実に固定することができる。
【００３８】
（第３実施形態）
図８は、本発明の第３実施形態における分割コアを示す図である。図８（Ａ）は全体斜視図であり、図８（Ｂ）は断面図である。
【００３９】
先の実施形態においては、絶縁キャップ３１は、あらかじめ二分割構造で形成していたが、本実施形態では、分割コア３０に樹脂モールドして、端面絶縁部３２、ティース絶縁部３３、バックコア絶縁部３４及び突起部３５を直接形成している。すなわち、この実施形態では、電磁鋼板を積層して分割コア３０を得た後に１回目の樹脂モールド成形を行って絶縁キャップ３１を形成して図８に示す状態とし、続いて２回目の樹脂モールド成形を行って樹脂モールド層２３を形成する。材料としては、不飽和ポリエステルにバインダーを混ぜて、強度、線膨張率を調整したものを使う。また場合によっては、ＰＰＳ樹脂などを使ってもよい。
【００４０】
通常、樹脂とステータコア（金属）との接合強度は高くないが、本実施形態では、ティース６は先端側で拡がる形状となっているので、樹脂部とステータコア部とが強固に結合する。なお、接合面の凹凸を意図的に大きくし、接合強度を向上させることも効果的である。
【００４１】
また、図８（Ｂ）に示すように、樹脂モールド層によってステータコアのティース部全面を囲むように被覆すれば、より強固にステータコアと接合する。製造コスト等を考慮して、全面を被覆するか、一部を被覆するかを決めればよい。
【００４２】
本実施形態によれば、ステータコア先端部に樹脂モールドによって、プレートを保持してから成形するので、ティース部からロータコアへ向かって磁束が漏れるといった電磁気性能の悪化を、さらに確実に防止することができる。
【００４３】
また、ティース６は先端側で拡がる形状としているので、樹脂部とステータコア部との結合強度が高い。
【００４４】
なお、以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明と均等であることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態における回転電機を示す断面図である。
【図２】本発明の第１実施形態における回転電機を示す断面図である。
【図３】図１のＩＩＩ−ＩＩＩ矢視図である。
【図４】ステータの製造方法について説明する図である。
【図５】円筒部の内部へステータを圧入した状態を示す図である。
【図６】プレート及び金型を配置した状態を示す図である。
【図７】本発明の第２実施形態における回転電機を示す断面図である。
【図８】本発明の第３実施形態における分割コアを示す図である。
【符号の説明】
１　ケース
２　ロータ
３　ステータ
３ａ　ステータコア
３ｂ　ステータコイル
５　バックコア
６　ティース
７　スロット
１５　冷媒通路
２２　プレート
２３　樹脂モールド層
３１　絶縁キャップ
３５　突起部
４０　金型

Claims (13)

1. ロータと、そのロータの周囲に配置され、ケース固定部材によってケースに固定されたステータとを有する回転電機の冷却構造であって、
   前記ステータは、
   複数のティース部と、そのティース部の間のスロット部とを有するステータコアと、
   前記ティース部を周囲から取り囲み、前記スロット部の開口部分付近に突起部を有するティース包囲部材と、
   前記ティース包囲部材に巻装されたステータコイルと、
   前記ティース包囲部材の突起部に当接されて設けられ、前記スロット部の開口部分を閉塞して、そのスロット部を、冷媒が通流可能な冷媒通路にするスロット閉塞部材と、
   前記スロット閉塞部材を前記ティース包囲部材に固定する閉塞部材固定手段とを備える
   ことを特徴とする回転電機の冷却構造。
2. 前記ティース包囲部材は、前記ティース部に合わせて、あらかじめ形状が形成されている部材であって、そのティース部に装着して前記ステータを形成する
   ことを特徴とする請求項１に記載の回転電機の冷却構造。
3. 前記ティース包囲部材は、モールド樹脂で前記ティース部を被覆して形成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の回転電機の冷却構造。
4. 前記ティース包囲部材は、前記ティース部を囲むように全周に形成されていることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の回転電機の冷却構造。
5. 前記ティース包囲部材は、前記ステータコイルと前記ステータコアとの相対する面のほぼ全面又は一部に形成されている
   ことを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の回転電機の冷却構造。
6. 前記ティース包囲部材は、絶縁材料によって形成されている
   ことを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の回転電機の冷却構造。
7. 前記ティース包囲部材は、前記閉塞部材固定手段の材料と同一の材料又は前記閉塞部材固定手段の材料との接合強度が高い材料によって形成されている
   ことを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の回転電機の冷却構造。
8. 前記ティース包囲部材は、線膨張率が、前記ステータコアの線膨張率とほぼ等しい材料によって形成されている
   ことを特徴とする請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の回転電機の冷却構造。
9. 前記ティース包囲部材は、前記ケース固定部材と一体に形成されている
   ことを特徴とする請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載の回転電機の冷却構造。
10. 前記ティース包囲部材は、前記ケース固定部材と別体に形成されている
    ことを特徴とする請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載の回転電機の冷却構造。
11. 前記閉塞部材固定手段は、線膨張率が、前記ステータコアの線膨張率とほぼ等しい材料によって形成されている
    ことを特徴とする請求項１から請求項１０までのいずれか１項に記載の回転電機の冷却構造。
12. 前記ティース部及び前記ティース包囲部材は、互いに接触する面が凹凸面となっている
    ことを特徴とする請求項１から請求項１１までのいずれか１項に記載の回転電機の冷却構造。
13. 複数の電磁鋼板を積み重ねて、ひとつの分割コアを形成する分割コア形成工程と、
    前記分割コア形成工程で形成された分割コアのティース部の周囲を、ティース包囲部材で取り囲むティース包囲工程と、
    前記ティース包囲工程で設けられたティース包囲部材にステータコイルを巻装して、分割ステータを形成する分割ステータ形成工程と、
    前記分割ステータ形成工程で形成された複数の分割ステータを、円環状に配置して円筒状のステータを形成し、そのステータをケースの内部に挿入するステータ挿入工程と、
    前記ステータ挿入工程でケース内に挿入されたステータのティース部間のスロット開口部分に、そのスロット開口部分を閉塞するスロット閉塞部材を配置し、前記ステータの内周にモールド型を配置する閉塞部材・モールド型配置工程と、前記閉塞部材・モールド型配置工程で配置されたスロット閉塞部材及びモールド型の隙間にモールド樹脂を充填して、その充填圧力によって、前記スロット閉塞部材を前記ティース包囲部材に密着させることで、前記ティース部間のスロット部を、冷却媒体を通過可能な冷却通路にするモールド樹脂充填工程と、
    前記モールド樹脂充填工程で充填したモールド樹脂が硬化した後に、前記モールド型を引き抜いて取り外すモールド型取外工程と
    を備えることを特徴とする回転電機の冷却構造の製造方法。

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