JP2007202332A - 回転電機の冷却構造 - Google Patents

Abstract

【課題】鉄損の増加による冷却効率の低下がない上に、絶縁構造を設けて装置が大型化することがなく、複雑な配置形状にも対応することができる回転電機の冷却構造を提供する。
【解決手段】ステータコアの周囲にコイルが装着されたステータを有し、ステータを冷却するための冷却用冷媒を循環させる循環路を備えた回転電機の冷却構造において、循環路は、電気絶縁性樹脂材料により形成されてステータコア１０の外周部に配置され、配置された状態で電気絶縁性樹脂材料からなる封止部１３により封止される冷却パイプ１１を有する。冷却パイプ１１は、封止部１３から突出させたパイプ端部１１ａが、冷却パイプ１１に冷却用冷媒を送り込むチャンバ１４に連結されている。
【選択図】図１

Description

この発明は、回転電機の冷却構造に関し、特に、ステータを冷却するための冷却用冷媒を循環させる循環路を備えた回転電機の冷却構造に関する。

従来、ステータコイルに発生した熱を効率よく放熱するために、ステータのスロット内に良熱伝導性材の冷媒通路を配置した「回転電機」（特許文献１参照）が知られている。この「回転電機」は、ステータのスロット内に良熱伝導性材の冷媒通路を配置すると共に、コイルエンドと冷媒通路とを絶縁物を介して密着させて配置している。

このように、従来の「回転電機」のように、ステータ内に水路（冷媒通路）を形成して水冷しようとした場合、複雑な配置形状の水路を樹脂成型により形成するのは困難なことから、銅や鉄製の水冷パイプをステータ内に配置して水路を形成した後、樹脂で封止するといった方法が取られていた。
特開２００１−２３８３８７号公報

しかしながら、銅や鉄製の水冷パイプをステータ内に配置して水路を形成した場合、発熱の激しいコイル付近（特に、ステータ内周側が高温になる）に金属製部品、即ち、金属製パイプで形成した冷却水路を置くと、鉄損が増加して、冷却効率が低下する虞があった。その上、絶縁構造を設ける必要があるため、装置の大型化が避けられなかった。また、樹脂成型で水路を形成したとしても、形成することができる配置形状の複雑さにも限界がある。

この発明の目的は、鉄損の増加による冷却効率の低下がない上に、絶縁構造を設けて装置が大型化することがなく、複雑な配置形状にも対応することができる回転電機の冷却構造を提供することである。

上記目的を達成するため、この発明に係る回転電機の冷却構造は、ステータコアの周囲にコイルが装着されたステータを有し、前記ステータを冷却するための冷却用冷媒を循環させる循環路を備えた回転電機の冷却構造において、前記循環路は、電気絶縁性樹脂材料により形成されて前記ステータコアの外周部に配置され、配置された状態で電気絶縁性樹脂材料からなる封止部により封止される冷却パイプを有することを特徴としている。

この発明によれば、ステータコアの周囲にコイルが装着されたステータを有し、ステータを冷却するための冷却用冷媒を循環させる循環路を備えた回転電機の冷却構造は、循環路が、電気絶縁性樹脂材料により形成されてステータコアの外周部に配置された状態で、電気絶縁性樹脂材料からなる封止部により封止される冷却パイプを有している。このため、鉄損の増加による冷却効率の低下がない上に、絶縁構造を設けて装置が大型化することがなく、複雑な配置形状にも対応することができる。

以下、この発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。
図１は、この発明の一実施の形態に係る回転電機の冷却構造を有するステータコアの斜視図である。図１に示すように、ステータコア１０には、その両側面外側に冷却パイプ１１が配置されている。冷却パイプ１１は、ステータコア１０を冷却するための冷却用冷媒の循環路の一部を形成しており、冷却パイプ１１の内部空間を、冷却水等の冷却用冷媒が循環する。

ステータコア１０は、台形状端面を有する柱状体からなり、複数個を、互いに略等間隔離間させて円周状に配置することにより、円環状（リング状）のステータ（図示しない）を形成している。ステータコア１０の端面短辺によりステータの内径（Ｄｉ）が形成され、ステータコア１０の端面長辺によりステータの外径（Ｄｏ）が形成される。このステータコア１０の外周面には、コイル巻線１２ａを巻回して形成されたステータコイル１２が装着されている。

冷却パイプ１１は、管状の電気絶縁性樹脂材料により、ステータコア１０の側面上端近傍を外周側から内周側へ、内周側でステータ中心軸方向に沿って下方へ向かい、側面下端近傍を内周側から外周側へ戻る、ステータ径方向に沿う逆向きコ字状に屈曲して形成されている。このように、冷却パイプ１１を、高温になるステータコイル１２のステータ内周側に位置するように、ステータコア１０の外側に配置した後、配置した状態で電気絶縁性樹脂材料により封止する。

この冷却パイプ１１により、ステータコア１０の側面上端近傍の外周側から送り込まれた（図中、Ｉｎ参照）冷却用冷媒は、ステータ内周側を通って、側面の下端近傍外周側へと送り出される（図中、Ｏｕｔ参照）ので、冷却用冷媒によって、ステータコイル１２に発生した熱を効率よく放熱することができる。

図２は、冷却パイプとチャンバの接続状態を示す説明図である。図２に示すように、電気絶縁性樹脂材料からなる封止部１３により封止された冷却パイプ１１は、封止部１３からステータコア１０の外周面側に突出させた端部（パイプ端部）１１ａを、冷却パイプ１１に冷却用冷媒を送り込むチャンバ１４に連結している。
冷却パイプ１１とチャンバ１４の連結は、冷却パイプ１１とチャンバ１４を熱可塑性樹脂材料により形成することで、冷却パイプ１１の封止後に、チャンバ１４の側面とチャンバ１４の側面に挿入した冷却パイプ１１の端部１１ａとを溶着接合して行う。これにより、冷却パイプ１１とチャンバ１４が確実に連結されるので、連結部分から冷却用冷媒が漏れ出るのを防止することができる。

図３は、冷却パイプと封止部の接続状態を示す説明図である。図３に示すように、冷却パイプ１１と冷却パイプ１１を封止する封止部１３は、界面を形成することがない構造を有している。つまり、冷却パイプ１１と封止部１３を溶着可能に熱可塑性樹脂材料により形成して冷却パイプ１１を封止することにより、冷却パイプ１１と封止部１３は溶着一体化されて界面が形成されない状態になる。このため、冷却パイプ１１と封止部１３の間に冷却用冷媒が漏れ出ることを防止することができる。

図４は、冷却パイプの他の配置例を示し、（ａ）はステータコイル装着前の説明図、（ｂ）はステータコイル装着後の説明図である。図４に示すように、ステータコア１０の内周側には、装着するステータコイル１２のコイル巻線１２ａの巻回方向と略直角に交差する方向に、即ち、円環状（リング状）のステータの中心軸方向に沿う、ステータコア１０の縦軸方向に、冷却パイプ１１が配置されている。

そして、ステータコア１０に冷却パイプ１１を配置した後、ステータコア１０の側方に配置した巻線用治具１５を、ステータコア１０の外周に沿って回るように移動させて（（ａ）、矢印参照）、冷却パイプ１１の上から、ステータコア１０の外周面にコイル巻線１２ａを巻回する。従って、冷却パイプ１１は、コイル巻線１２ａに巻き止められてステータコイル１２の内側に位置することになる（（ｂ）参照）。その後、ステータコイル１２により冷却パイプ１１を覆った状態のまま、封止部（図示しない）により封止する。
このように、冷却パイプ１１を、ステータコア１０の内周側に、ステータコア１０の縦軸方向に沿って配置し、且つ、ステータコイル１２で巻き止めた状態に装着することにより、冷却性能を向上させることができる。

図５は、冷却パイプのつぶれを防止する方法を示し、（ａ）は芯材を用いた説明図、（ｂ）は液体を封入した説明図である。図５に示すように、ステータコア１０に冷却パイプ１１を装着した後、封止部１３により冷却パイプ１１を封止するが、このとき、冷却パイプ１１がつぶれてしまう虞がある。

そこで、冷却パイプ１１の内部空間に、線膨張率が冷却パイプ１１を形成するパイプ材料より大きい材料からなり、且つ、内部空間を略隙間無く埋めることができる芯材１６を挿入しておき、この状態で封止部１３による封止を行い、封止後、芯材１６を抜き取る（（ａ）参照）。また、冷却パイプ１１の内部空間に、例えば、加圧器１７を用いて液体Ｌ等を加圧して封入することでパイプ内圧を高めた状態にし、この状態で封止部１３による封止を行い、封止後、液体Ｌ等を抜き取る（（ｂ）参照）。これにより、冷却パイプ１１を封止するときに加わる圧力で冷却パイプ１１がつぶれてしまうのを、防止することができる。

図６は、冷却パイプとチャンバを一体化した例の斜視説明図である。図６に示すように、冷却パイプ１１とチャンバ１４を一体化したチャンバ一体冷却パイプ１８を形成し、このチャンバ一体冷却パイプ１８により、ステータコア１０を冷却するための冷却用冷媒を循環させる。チャンバ一体冷却パイプ１８は、各ステータコア１０に配置した各冷却パイプ１１の、側面上端側が送り込み側チャンバ１４ａに、側面下端側が送り出し側チャンバ１４ｂに、それぞれ接続されており、封止する前に、各冷却パイプ１１と各チャンバ１４ａ，１４ｂを接合一体化して形成する。従って、チャンバ一体冷却パイプ１８により、冷却用冷媒が、送り込み側チャンバ１４ａから冷却パイプ１１を経て送り出し側チャンバ１４ｂへと流れる連通路が形成される。

つまり、チャンバ一体冷却パイプ１８は、ステータコア１０のステータ周方向両側及び内周側縦軸方向に配置されて、一端が、ステータコア１０の外周側上端近傍に位置する送り込み側チャンバ１４ａに、他端が、送り込み側チャンバ１４ａに近接して並置された送り出し側チャンバ１４ｂに、それぞれ連通している。
各冷却パイプ１１と各チャンバ１４ａ，１４ｂの接合は、各チャンバ１４ａ，１４ｂに、予め、冷却パイプ１１と接続するための継ぎ手用金具（図示しない）をインサート成型しておき、この継ぎ手用金具を介して行う。ステータコア１０にチャンバ一体冷却パイプ１８を配置した後、絶縁性材料からなる封止部でチャンバ一体冷却パイプ１８を封止する。

このように、チャンバ１４から冷却パイプ１１迄を一体としたチャンバ一体冷却パイプ１８を形成することにより、封止部により封止する前に、チャンバ一体冷却パイプ１８からの冷却用冷媒の漏洩チェックを済ませることができるので、完成後の製品検査が容易になり、製造コストの低減が可能になる。

図７は、チャンバ一体冷却パイプの他の例を示し、（ａ）は全体の斜視説明図、（ｂ）は屈曲前の斜視説明図、（ｃ）はステータコアに合わせて屈曲した際の斜視説明図である。図７に示すように、チャンバ一体冷却パイプ１９は、チャンバ一体冷却パイプ１８（図６参照）における、ステータコア１０の両側に配置された２本の冷却パイプ１１をその送り出し側チャンバ１４ｂとの接続部を連結して一体化した、１本の冷却パイプ２０を形成し、ステータコア１０の上端側で、送り込み側チャンバ１４ａと送り出し側チャンバ１４ｂに接続している（（ａ）参照）。その他の構成及び作用は、チャンバ一体冷却パイプ１８と同様である。

チャンバ一体冷却パイプ１９の、送り込み側チャンバ１４ａと送り出し側チャンバ１４ｂは、共にステータコア１０の外周側上端近傍に配置されており、冷却パイプ２０は、一端が送り込み側チャンバ１４ａに、他端が送り出し側チャンバ１４ｂに、それぞれ連通している。つまり、冷却パイプ２０は、チャンバ一体冷却パイプ１８（図６参照）における、送り込み側チャンバ１４ａに連通する一方の冷却パイプ１１と送り出し側チャンバ１４ｂに連通する他方の冷却パイプ１１が、ステータコア１０の外周側下端近傍で接続した形状を有している（（ａ）参照）。

従って、チャンバ一体冷却パイプ１９により、送り込み側チャンバ１４ａから、ステータコア１０の一方の側面を上端近傍から内周側を経て下端近傍を通り、外周側でステータコア１０の他方の側面に移って、一方の側面を下端近傍から内周側を経て上端近傍を通り、送り出し側チャンバ１４ｂへと向かう、一連の連通路が形成される。
このチャンバ一体冷却パイプ１９を形成する場合、先ず、送り込み側チャンバ１４ａと送り出し側チャンバ１４ｂを上下方向に並べて配置し、Ｕ字状の冷却パイプ２０の一端を送り込み側チャンバ１４ａに、他端を送り出し側チャンバ１４ｂに、それぞれ接続して、冷却パイプ２０を、両チャンバ１４ａ，１４ｂの配置方向と略直交する側方に位置させる（（ｂ）参照）。

次に、両チャンバ１４ａ，１４ｂを、コイル１２が装着されたステータコア１０の外周側に配置して、冷却パイプ２０を、ステータコア１０を両側から挟み込むようにステータコア１０の両側面上端近傍に位置させる。そして、冷却パイプ２０のステータコア１０の内周側から突出する部分を、ステータコア１０の内周側面に沿って、下方に略直角に折り曲げる（（ｃ）参照）。
その後、下方に折り曲げた冷却パイプ２０を、ステータコア１０の内周側面下端近傍で、外周面側に略直角に折り曲げて、屈曲先端を、ステータコア１０の外周側面下端近傍に位置させる（（ａ）参照）。

図８は、図７のチャンバ一体冷却パイプの他の例の斜視説明図であり、図９は、コイル巻線巻回時にチャンバが邪魔になる状態の説明図である。図８に示すように、チャンバ一体冷却パイプ１９は、屈曲先端を、ステータコア１０の外周側面下端近傍に位置させずに、ステータコア１０の内周側面下端近傍に位置させるように、形成しても良い。つまり、冷却パイプ２０を、ステータコア１０の内周側面下端近傍で外周面側に略直角に折り曲げることなく、ステータコア１０の内周側面に沿って配置したままにする。

これにより、チャンバ一体冷却パイプ１９の冷却パイプ２０を、高温になるステータコイル１２のステータ内周側に位置させることができ、その上、ステータコア１０の側方に配置した巻線用治具１５を、ステータコア１０の外周に沿って回るように移動させて（図８、矢印参照）、冷却パイプ２０の上から、ステータコア１０の外周面にコイル巻線１２ａを巻回することができる。

つまり、図９に示すように、冷却パイプ１１を、ステータコア１０の内周側に、即ち、円環状（リング状）のステータの中心軸方向に沿う、ステータコア１０の縦軸方向に、配置した場合（図４参照）、ステータコア１０の下端近傍に配置される送り出し側チャンバ１４ｂが、巻線用治具１５によるコイル巻線１２ａの巻回時（図８、矢印参照）に邪魔になってしまう。
しかしながら、両チャンバ１４ａ，１４ｂを、ステータコア１０の上端近傍に配置したことにより、巻線用治具１５によるコイル巻線１２ａの巻回時に邪魔になることがない。これは、図７に示すチャンバ一体冷却パイプ１９についても同様である。

上述したように、回転電機の冷却構造は、ステータコア１０を冷却するための冷却用冷媒の循環路を、樹脂チューブからなる冷却パイプ１１により形成している。即ち、予め、樹脂で成形した冷媒通路をステータコア１０内に組み込み、その後、樹脂で封止することにより、冷媒通路を簡易に形成しながら、鉄損の増加による冷却効率が低下を無くし、冷却効率を向上させることができる。その上、冷媒通路を、コイル巻線１２ａを巻回する際に巻き込んでしまえことで、冷却性能が更に向上する。

このように、この発明によれば、ステータコアの周囲にコイルが装着されたステータを有し、ステータを冷却するための冷却用冷媒を循環させる循環路を備えた回転電機の冷却構造は、循環路が、電気絶縁性樹脂材料により形成されてステータコアの外周部に配置された状態で、電気絶縁性樹脂材料からなる封止部により封止される冷却パイプを有しているので、鉄損の増加による冷却効率の低下がない上に、絶縁構造を設けて装置が大型化することがなく、複雑な配置形状にも対応することができる。

この発明の一実施の形態に係る回転電機の冷却構造を有するステータコアの斜視図である。 冷却パイプとチャンバの接続状態を示す説明図である。 冷却パイプとチャンバの他の接続状態を示す説明図である。 冷却パイプの他の配置例を示し、（ａ）はステータコイル装着前の説明図、（ｂ）はステータコイル装着後の説明図である。 冷却パイプのつぶれを防止する方法を示し、（ａ）は芯材を用いた説明図、（ｂ）は液体を封入した説明図である。 冷却パイプとチャンバを一体化した例の斜視説明図である。 チャンバ一体冷却パイプの他の例を示し、（ａ）は全体の斜視説明図、（ｂ）は屈曲前の斜視説明図、（ｃ）はステータコアに合わせて屈曲した際の斜視説明図である。 図７のチャンバ一体冷却パイプの他の例の斜視説明図である。 コイル巻線巻回時にチャンバが邪魔になる状態の説明図である。

符号の説明

１０ ステータコア
１１ 冷却パイプ
１１ａ 端部
１２ ステータコイル
１２ａ コイル巻線
１３ 封止部
１４ チャンバ
１４ａ 送り込み側チャンバ
１４ｂ 送り出し側チャンバ
１５ 巻線用治具
１６ 芯材
１７ 加圧器
１８ チャンバ一体冷却パイプ
１９ チャンバ一体冷却パイプ
２０ 冷却パイプ
Ｌ 液体

Claims (10)

1. ステータコアの周囲にコイルが装着されたステータを有し、前記ステータを冷却するための冷却用冷媒を循環させる循環路を備えた回転電機の冷却構造において、
   前記循環路は、電気絶縁性樹脂材料により形成されて前記ステータコアの外側に配置され、配置された状態で電気絶縁性樹脂材料からなる封止部により封止される冷却パイプを有することを特徴とする回転電機の冷却構造。
2. 前記冷却パイプは、前記封止部から突出させたパイプ端部が、前記冷却パイプに冷却用冷媒を送り込むチャンバに連結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。
3. 前記冷却パイプ及び前記チャンバは、溶着可能に熱可塑性樹脂材料により形成されていることを特徴とする請求項２に記載の回転電機の冷却構造。
4. 前記冷却パイプ及び前記封止部は、溶着可能に熱可塑性樹脂材料により形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の回転電機の冷却構造。
5. 前記冷却パイプは、前記コイルを形成するコイル巻線の巻回方向と交差する方向に配置され、前記冷却パイプの上から巻回した前記コイル巻線に巻き止められていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の回転電機の冷却構造。
6. 前記冷却パイプの内部空間には、封止時、線膨張率が前記冷却パイプを形成するパイプ材料より大きい材料からなる芯材を装着し、或いは、パイプ内圧を高めるために液体を加圧して封入することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の回転電機の冷却構造。
7. 前記冷却パイプは、前記冷却パイプに冷却用冷媒を送り込むチャンバに接合されて、前記チャンバと一体化したチャンバ一体冷却パイプ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。
8. 前記チャンバには、前記冷却パイプを接合するための継ぎ手手段がインサート成型されていることを特徴とする請求項７に記載の回転電機の冷却構造。
9. 前記チャンバ一体冷却パイプは、前記ステータコアのステータ周方向両側及び内周側縦軸方向に配置されて、一端が、前記ステータコアの外周側上端近傍に位置する送り込み側チャンバに、他端が、前記ステータコアの外周側上端近傍に位置する送り出し側チャンバに、それぞれ連通していることを特徴とする請求項７または８に記載の回転電機の冷却構造。
10. 前記チャンバ一体冷却パイプは、前記ステータコアの外周側下端近傍に配置されていることを特徴とする請求項９に記載の回転電機の冷却構造。

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