JP2004180498A - 巻き線冷却及びスロット充填が最適化された、集中巻きコイル式電動モーター - Google Patents

Abstract

【課題】 巻き線冷却及びスロット充填を最適化する。
【解決手段】 集中巻きコイル式電動モーター１０の巻き線冷却及びスロット充填の最適化は、モーターの巻き線冷却をスロット充填因子の減少無しに最大化し、モーターのトルク密度及び効率を改善する。モーターは矩形ステータースロットにより分離された台形形状のステーター歯を備えたステーター１２を使用する。各ステーター歯の回りに配置された巻き線１６はスロットを部分的に占め、各グループの巻き線間に矩形空間を残す。冷却管１８は、該残余空間に配置される。冷却管の矩形形状は、冷却管が隣接する巻き線の全ての外側一巻き部分と接触可能にし、冷却管と巻き線との間の効率的な熱伝導を提供する。冷却管がステーターの通常未使用の部分に配置されるので、モーターのスロット充填因子は減少せず、モーターの効率的な冷却は、高電流作動を可能にし、モーターのトルク密度及び効率を改善する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、概して、集中巻きコイル式電動モーターに係り、より詳しくは、高い充填因子及び高いトルク密度を有する、集中巻きコイル式電動モーターの最適化された巻き線冷却及びスロット充填に関する。

電動モーターのステーターになし得る、トルク密度即ちモーターの単位重量当たりのトルクを増大させる２つの主要な変更が存在している。一つの主要な変更は、ステーター巻き線の数を増大させることである。スロット充填因子、即ちモーター体積のうち巻き線により占められるパーセンテージが大きくなるほど、モーターのトルクは大きくなる。モーターのスロット充填因子を増大させることは、モーターの効率も増大させる。しかし、トルクを改善するためのこの方法は、ステーターの形状及びサイズにより物理的に制限される。モーターのトルク密度を増大させるため用いられる、他の主要な変更は、ステーター巻き線を通って流れる電流の量を増大させることを含んでいる。この方法も、物理的な問題により制限される。ステーター巻き線を通って流れる電流の増大は、抵抗即ちオーム加熱に起因して、モーター加熱の増大を引き起こす。

増大した量の電流がステーター巻き線を通って流れるとき、該ステーター巻き線を受容可能な作動温度に維持させるための各種の冷却方法が存在している。これらの方法は、電動モーターを取り囲む冷却ジャケットと、巻き線と接触する冷却管とを備え、及び、巻き線を冷却剤中に浸漬させることさえも含んでいる。電動モーターの外側回りの冷却ジャケットは、モーター内の非常に深いところにあるためジャケット内を循環する冷却剤により効率的に冷却されることができず、巻き線を効率的に冷却することができない。冷却管は、巻き線を冷却する上でより良い仕事をなし得るが、それらは、冷却管をモーターの内部に適合させるため、ステーターを再形成し、巻き線の数を減少させることにつながる。かくして、現存する冷却管の設計は、スロット充填因子を減少させると共に、巻き線を最適な温度にまで冷却された状態に維持するために、トルク密度を犠牲にすることになる。加えて、現存する冷却管の設計は、一般に、モーターの各巻き線と接触しないこととなり、かくして、ホットスポット及び不均一冷却へと導く。冷却剤中に巻き線を直接浸漬させる方法に対しても同じことが云える。巻き線の幾つかを無くすことにより、冷却剤のために空間を作られなければならない。かくして、モーターのトルク密度は低下する。

従って、巻き線の冷却が最大化されると同時に、ステーター内で冷却するため使用される空間が最小化され、最大スロット充填因子を可能にし、かくしてモーターのトルク密度及び効率を最大にするように最適化された巻き線冷却及び集中巻きコイル式電動モーターのスロット充填に対する必要性が存在している。

上記課題を解決するため、本発明の一態様に係る電動モーターは、複数のステーター歯を有するステーターであって、該ステーター歯の各々が台形の断面を有し、該ステーター歯の各々が隣接するステーター歯からステータースロットにより間隔を隔てられている、ステーターと、ステーター歯の各々を取り巻くと共に、ステータースロットに占有されていない残り部分を残した状態でステータースロットの一部分を占める、巻き線コイルと、ステータースロットの各々の占有されていない残り部分に配置された冷却管と、を備えて構成される。

好ましくは、ステータースロットは、矩形断面を有する。好ましくは、冷却管は、平坦な矩形断面を有する細長い管から構成され、流体マニホルドへの接続に適合した円形断面を有する端部分を更に備え、電気的絶縁材料が形成される。また、冷却管は、高い電気抵抗及び低い透磁率を有する材料、例えば、非磁性のステンレス鋼を含んでいてもよい。まあた、好ましくは、巻き線コイルは、平打巻きされた巻き線コイルを備え、矩形断面を有する導体の巻き線から構成される。更に好ましくは、冷却管は、平打巻きされたコイルの巻き線の各々と接触し、冷却管と巻き線コイルとの間に、熱伝導性接着剤が充填される空洞部が更に備えられる。

本発明の別の好ましい態様の電動モーターは、複数のステーター歯を有し、且つ、該ステーター歯の各々が台形の断面を有する、ステーターと、予め平打巻きされた複数の巻き線コイルであって、該複数のコイルの各々は、ステーター歯の各々を取り巻くように配置されると共に、一定の厚さを有する、複数の巻き線コイルと、複数の冷却管であって、該複数の冷却管の各々は、複数の予め巻かれた巻き線コイルのうち隣接するコイル間に配置されると共に、一定の厚さを有する、複数の冷却管と、複数のステータースロットであって、該複数のステータースロットの各々は、矩形断面を有し、且つ、複数のステーター歯のうち隣接する歯を分離すると共に、隣接する該ステーター歯を取り巻く前記予め巻かれた巻き線コイルの結合した厚さと冷却管の厚さとを加えた厚さ分に概略相当する幅を有する、複数のステータースロットと、を備える。

本願の発明及び方法は、添付図面を参照にして次の詳細の説明を検討したとき理解されるであろう。

本発明の一実施例に係る、最適化された巻き線冷却及びスロット充填を用いる、集中巻きコイル式モーターは、スロット充填因子を減少させること無く効率的な冷却を可能にする最適化された冷却管を利用する。本発明に係る、そのような最適化された巻き線冷却を利用する集中巻きコイル式電動モーターは、例えば、ハイブリッド自動車においてその用途が見い出される。しかし、本発明の範囲又は用途をそれに限定するものではなく、任意の特定の用途に適用することができる。

図１は、ハイブリッド自動車で使用するための電動モーター１０を概略的に示している。図２は、電動モーター１０で使用するためのステーター１２の一部分を示している。電動モーター１０は、例えば、スイッチ式リラクタンスモーター等で構成することができる。電動モーター１０は、ステーター１２内で回転するローター１４から構成される。ステーターは、幾つかのステーター歯２０を有し、それらの各々はステータースロット２２により分離されている。図示の実施例によれば、２４個のステーター歯がモーター内で使用される。しかし、モーターの設計に応じて、より多くの又はより少ない数のステーター歯を使用することができる。導電巻き線コイル１６は、組成が銅で断面が矩形であるのが好ましく、ステーター歯２０を取り囲み、部分的には充填ステータースロット２２を取り囲む。本発明の好ましい実施例では、巻き線コイルが平打巻き（edge wound;エッジ巻き）されているところ、巻き線コイル１６も、例えば平打巻き等がなされてもよい。各ステータースロットに残っている空間に配置され、隣接する巻き線と接触しているものは、冷却管１８である。冷却管１８は、高い電気抵抗及び低い透磁率を有する材料、例えば、非磁性ステンレス鋼、クプラ−ニッケル（cupra-nickel）等々から構成されるのが好ましい。高い電気抵抗及び低い透磁率を有する材料の使用は、モーターにおいて渦電流損失を最小にする。「高い電気抵抗」及び「低い透磁率」といった用語は、電動モーター構成の当業者に知られている用語であり、当業者は、特定の用途で使用するため必要に応じてこれらの用語に合致する材料を如何に選択するべきかを知っている。巻き線コイルと冷却管との間の任意の空気空洞部には、モーター構成部品を接着結合させ、コイルから冷却管へと熱を伝導させる目的を持つ熱伝導接着材料（図面には混乱を避けるため図示せず）が充填されている。この材料として、例えば、熱伝導結合エポキシ等々を用いることができる。この材料は、巻き線コイルから冷却管へと熱を有効に伝達すると共に、冷却管を当該箇所に保持する。

再び、図２を参照すると、ステーター１２は、ステーター歯２０が断面台形であり、即ち、ステーター歯がローター１４に近づくほど断面が狭くなりローターから離れるほど幅広くなるように設計されていることがわかる。このステーター歯の形状は、ステーター歯における磁気経路のリラクタンスを減少させることにより、一定幅を有するステーター歯を超えて、トルク密度を改善させる。更には、台形ステーター歯形状は、後述されるように、モーターアッセンブリの複雑さを減少させる、スロット２２の矩形断面をもたらす。スロット２２は、各スロット開口が、２つの巻き線コイルの幅、即ち２つの隣接するコイルからの巻き線の幅よりも幅広くなるように設計されている。このステータースロット幅は、予め巻かれた巻き線コイルが、組み立て中に、干渉無しに、ステータースロット歯の各々の回りに簡単に挿入されることを可能にする。巻き線コイルがステーター歯の各々の回りに挿入された後、各ステータースロットの占有されていない矩形部分は残っている。次に、冷却管が各ステータースロットの占有されていない部分に置かれ、好ましくは、隣接する巻き線コイルと物理的及び熱的に接触した状態で配置される。ステータースロットの数、並びに、よって巻き線コイル及び冷却管の数は、ステータースロットの数に依存する。図示の実施例によれば、２４個のステータースロット、及び、かくして、２４個の巻き線コイル及び２３個の冷却管が、モーター内で使用されるが、より大きい数又はより小さい数のスロット、冷却管又は巻き線コイルも使用することができる。ステーター歯への巻き線コイルの容易な組み立てを可能にする、ステータースロットの占有されていない部分は、冷却管のためでないならば、未使用となるところである。かくして、冷却管は、冷却管を配置しないならばステーターの未使用部分となるはずのところでの、それらの配置に起因して、モーターのスロット充填因子を減少させること無しに効率的な冷却を可能にする。

図３及び図４は、本発明の一実施例に係る冷却管の形状を概略的に示している。冷却管１８は、スロット２２に挿入される冷却管の一部分に関して断面が矩形であり、冷却管の両端部では断面が円形となり、冷却管が円形から矩形へと移り変わるところの冷却管の両端部では短区分を備える。冷却管は、冷却剤が、冷却管の一方の端部から他方の端部へ自在に流れることを可能にするように設計される。冷却管の円形端部は、冷却管を通して冷却剤を流れさせる、入口及び出口マニホルドを密封させるように構成されている。そのようなマニホルドは、周知されており、図面には示されていない。電気絶縁材料のコーティング２４が、冷却管の矩形部分を覆っており、巻き線の回りの短絡を防止する。コイルからコイル、一巻き部分から一巻き部分への短絡も防止される。このコーティングは、例えば、冷却管の矩形部分の回りを覆う電気絶縁テープ等を用いることができる。冷却管は、連続する冷却管の回りでの誘導電流の循環を減少させるため、マニホルドからも電気的に絶縁されている。このことは、例えば、マニホルド上でプラスチックシール及びＯリングを利用し、かくして電気的絶縁を提供すると共に漏れ耐性シール部を形成することにより、なすことができる。その代わりに、冷却管を巻き線及びマニホルドから電気的に絶縁するため、幾つかの方法が存在している。そのような方法として、例えば、冷却管の端部を絶縁ニス等の電気的絶縁材料で被覆する方法が挙げられる。モーターの端部ベルを、マニホルドを提供又はこれに適合させるため変形してもよい。スロット２２の矩形断面を提供するステーター形状と結合された、冷却管の矩形断面部分は、冷却管が隣接する巻き線コイルの全ての外側一巻き部分と接触することを可能にする。平打巻きコイルに関しては、冷却管の矩形部分は、巻き線のあらゆる一巻き部分と接触する。このようにして、冷却管は、冷却管と巻き線コイルとの間で非常に効率的な熱伝導を達成することができる。

かくして、本発明によれば、上述された必要性に合致した、集中巻きコイル式電動モーターの最適化された巻き線冷却並びにスロット充填が提供されたことは明らかである。モーターは、効率的な巻き線冷却並びに最大化されたスロット充填因子を提供し、かくして、モーター効率を改善し、モーターが高い電流で駆動することを可能にする。

本発明は、その特定の実施例を参照して説明され図示されたが、本発明を開示された実施例に限定するものではない。例えば、巻き線コイルは、必ずしも矩形導体ワイヤで巻かれる必要もなければ、平打巻きされる必要もない。冷却管は、列挙されたものとは異なる、低い伝導度で低い透磁率の材料から形成されてもよく、特定の用途に対して知られた態様で当該材料を選択することができる。当業者は、そのような実施例の多数の変更及び変形が、本発明の精神から逸脱すること無く可能となること認めるであろう。従って、添付された請求の範囲内に包含される当該変更及び変形の全てが本発明の範囲に含まれるように意図されている。

図１は、本発明の一実施例に係るモーター１０を断面で示した図である。 図２は、本発明の一実施例に係るステーターの一部分を断面で示した図である。 図３は、本発明の一実施例に係る冷却管１８の斜視図である。 図４は、本発明の一実施例に係る冷却管１８の断面図である。

符号の説明

１０ 集中巻きコイル式電動モーター
１２ ステーター
１４ ローター
１６ 巻き線コイル
１８ 冷却管
２０ ステーター歯
２２ ステータースロット
２４ 電気絶縁コーティング

Claims (20)

1. 電動モーターであって、
   複数のステーター歯を有するステーターであって、該ステーター歯の各々が台形の断面を有し、該ステーター歯の各々が隣接するステーター歯からステータースロットにより間隔を隔てられている、前記ステーターと、
   前記ステーター歯の各々を取り巻くと共に、前記ステータースロットに占有されていない残り部分を残した状態で前記ステータースロットの一部分を占める、巻き線コイルと、
   前記ステータースロットの各々の前記占有されていない残り部分に配置された冷却管と、
   を備える、電動モーター。
2. 前記ステータースロットは、矩形断面を有する、請求項１に記載の電動モーター。
3. 前記冷却管は、平坦な矩形断面を有する、細長い管から構成される、請求項１に記載の電動モーター。
4. 前記冷却管は、流体マニホルドへの接続に適合した円形断面を有する端部分を更に備える、請求項３に記載の電動モーター。
5. 前記冷却管に形成された電気的絶縁材料を更に備える、請求項３に記載の電動モーター。
6. 前記冷却管は、高い電気抵抗及び低い透磁率を有する材料を含む、請求項３に記載の電動モーター。
7. 前記冷却管は、非磁性のステンレス鋼を含む、請求項６に記載の電動モーター。
8. 前記巻き線コイルは、平打巻きされた巻き線コイルを備える、請求項１に記載の電動モーター。
9. 前記巻き線コイルは、矩形断面を有する導体の巻き線を備える、請求項８に記載の電動モーター。
10. 前記冷却管は、前記平打巻きされたコイルの巻き線の各々と接触する、請求項８に記載の電動モーター。
11. 前記冷却管と前記巻き線コイルとの間に、熱伝導性接着剤が充填される空洞部を更に備える、請求項１０に記載の電動モーター。
12. 前記巻き線コイルは、矩形断面を有する導体の巻き線を備える、請求項１に記載の電動モーター。
13. 電動モーターであって、
    複数のステーター歯を有し、且つ、該ステーター歯の各々が台形の断面を有する、ステーターと、
    予め平打巻きされた複数の巻き線コイルであって、該複数のコイルの各々は、前記ステーター歯の各々を取り巻くように配置されると共に、一定の厚さを有する、前記複数の巻き線コイルと、
    複数の冷却管であって、該複数の冷却管の各々は、前記複数の予め巻かれた巻き線コイルのうち隣接するコイル間に配置されると共に、一定の厚さを有する、前記複数の冷却管と、
    複数のステータースロットであって、該複数のステータースロットの各々は、矩形断面を有し、且つ、前記複数のステーター歯のうち隣接する歯を分離すると共に、隣接する該ステーター歯を取り巻く前記予め巻かれた巻き線コイルの結合した厚さと冷却管の厚さとを加えた厚さ分に概略相当する幅を有する、前記複数のステータースロットと、
    を備える、電動モーター。
14. 前記複数の冷却管は、複数の非磁性ステンレス鋼製の冷却管を備える、請求項１３に記載の電動モーター。
15. 前記複数の冷却管の各々と前記複数の予め巻かれた巻き線コイルの隣接するコイルとの間に熱伝導性接着剤を更に備える、請求項１３に記載の電動モーター。
16. 前記複数の冷却管の各々は、矩形断面を有する平坦部分を備える、請求項１３に記載の電動モーター。
17. 前記複数の冷却管の各々に連結された流体マニホルドを更に備える、請求項１６に記載の電動モーター。
18. 予め巻かれて平打巻きされた前記複数の巻き線コイルの各々は、前記複数の冷却管の各々と熱的に接触する、請求項１３に記載の電動モーター。
19. 前記複数の予め巻かれて平打巻きされた巻き線コイルは、矩形断面を有する導体の平打巻きされた巻き線コイルを備える、請求項１３に記載の電動モーター。
20. 前記複数の冷却管に電気的絶縁材料を更に備える、請求項１３に記載の電動モーター。

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