JP2007215335A - 電動機用固定子及びこの固定子を備える電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】巻線を巻き回して形成される巻線体の内周部からコア表面に効力よく放熱することができる電動機用分割固定子、及びこの固定子を用いた電動機を提供する。
【解決手段】コア３と、このコア３のティース部４に被着されるインシュレータ５と、このインシュレータ５を介して上記コア３に巻線６を巻き回して形成される巻線体７とを備える電動機用固定子１であって、上記インシュレータ１とこれが被着されるコア３との間に、少なくとも熱伝導性を有する接着層８を設けて構成される。
【選択図】図２

Description

本願発明は、電動機用固定子及びこの固定子を備える電動機に関するものである。詳しくは、電動機の巻線体で発生した熱を効率よくコアに逃がすことのできる電動機用固定子に関するものである。

ハイブリッド自動車や電気自動車では、自動車駆動のために電動機が用いられる。この駆動用電動機は、高出力・高効率化はもちろんのこと、小型化及び軽量化が求められる。このため、出力を低下させることなく、グラム単位及びミリメートル単位の減量及び小型化が要求される。

電動機においては、固定子のコアに巻線を巻き回して巻線体（コイル）が形成されるが、高い出力で、より小型化を実現するために、固定子等の巻線体の占積率を極限まで向上させることが求められる。また、磁力を高めて大きな出力を得るために、巻線には大きな電流が流される。

ところが、大きな電流を流すことにより、巻線の抵抗に起因して発生する熱量も大きくなり、また、占積率が大きくなるほど単位体積あたりの発熱量も大きくなる。巻線で発生した熱は隣接する各巻線間を横断して伝わり、一部は巻線体の外層部から放熱され、一部はインシュレータを介してコアに伝わり、固定子外周部に設けた放熱部等から放熱される。

上記巻線体の外層部や上記コアの外周部は、冷却媒体で冷却するように構成されているが、上記巻線体内部で発生する熱を、上記巻線体の外周部や上記コアに効率よく逃がすことができないと巻線体内部の温度が上昇する。一方、上記コアと上記巻線体内周部との間の電気絶縁性や巻線の保護機能も確保しなければならない。上記目的で、上記コアには、筒状の樹脂製インシュレータが被着されている。ところが、上記樹脂製インシュレータの熱伝導率が低いため、コアへの放熱が妨げられる。

また、上記インシュレータは、射出成形によって形成されることが多いが、成形の際に歪み等が生じる場合がある。しかも、巻線を巻き回す際や熱変形等によって、上記インシュレータに歪みが生じ、コア表面との間に隙間が形成されてしまうことも多い。上記隙間が生じると、インシュシレータからコアへの熱伝導性が低下することになる。特に、インシュレータの熱伝導性を高めるために、巻線を巻き回す部分の肉厚を薄く成形することが考えられるが、成形時や組立時の歪みが生じやすくなる。このため、インシュレータへの放熱が阻害されて、巻線体の内部の温度が上昇しやすい。巻線体内部の温度が上昇すると、巻線の絶縁被覆に悪影響を及ぼして絶縁性能を低下させ、さらに、電動機の出力低下や寿命の低下につながる。

上記問題を解決するため、上記インシュレータ一を高熱伝導性の部材を用いて形成したものが提案されている。

特開２００１−１２８４０２

上記特許文献に記載されている発明は、インシュレータの一部を高熱伝導体で置き換えたものである。すなわち、上記特許文献に記載されているインシュレータには、上記高熱伝導体を配置するための穴部が設けられており、この穴部に、熱伝導率の高い金属板や樹脂シートが嵌め込まれる。上記金属板や樹脂シートは、巻線内周部から作用する圧力によって、上記穴部から露出するコア表面に押し付けられ、コアとの接地を確実にして熱の伝導を高めることができるとしている。

しかしながら、特許文献における上記構成では、上記高熱伝導体を設けることができる部位は限られており、インシュレータの広い範囲にわたって穴部を形成することはできない。また、穴部を形成するには、インシュレータの強度を確保しなければならず、インシュレータの厚さが大きくなる。したがって、巻線体から上記高熱伝導体へ、熱を効率よく伝導させることはできない。

また、上記高熱伝導体の一部を上記穴部からインシュレータの外側に露出させて、巻線体の内周部から圧力が作用するように構成しているが、巻線体の内周部から上記高熱伝導体に均等な圧力が作用するとは考えられない。したがって、上記高熱伝導体を上記コア表面に対して、充分な圧力で均等に密着させることはできないことになり、上記高熱伝導体からコア表面へ効率よく熱を伝導させることはできない。

さらに、上記構成では、インシュレータに穴部を形成し、さらに、この穴部に上記高熱伝導体を嵌め込まなければならないため、製造作業が極めて面倒になることは明らかである。

本願発明は、上記問題を解決し、巻線を巻き回して形成される巻線体の内周部からコア表面に効率よく放熱することができる電動機用固定子及びこの固定子を備える電動機を提供することを課題としている。

本願発明は、コアと、このコアのティース部に被着されるインシュレータと、このインシュレータを介して上記コアに巻線を巻き回して形成される巻線体とを備える電動機用固定子であって、上記インシュレータとこれが被着されるコアとの間に、少なくとも熱伝導性を有する接着層を設けて構成される。

上記接着層は、上記コア表面とインシュレータ内面の微視的な隙間を埋めるとともに、インシュレータ内面をコア表面に接着し、インシュレータの歪み等に起因する隙間の発生を防止することができる。したがって、インシュレータからコアへの熱伝導性を格段に高めることができる。

請求項２に記載した発明のように、上記接着層は、電気絶縁性能を備えているのが望ましい。なお、上記インシュレータで電気絶縁性を確保できるのではあれば、熱伝導性のより高い金属系材料等を用いた接着層を形成することもできる。

上記接着層を構成する手法は特に限定されることはないが、請求項３に記載した発明のように、上記接着層を熱伝導性及び電気絶縁性を有する樹脂製接着剤又は接着フィルムから構成できる。また、請求項４に記載した発明のように、上記接着層を、熱伝導性の無機フィラーを含んで形成することができる。

上記熱伝導性の接着剤は、たとえば、エポキシ系の耐熱樹脂材料に、アルミナ等の熱伝導性フィラーを配合した市販のものを採用することができる。この種の接着剤として、ロックタイト社製の「３８６０」や、ナガセケムテック社製の「ＸＮＲ３６３１」等を採用することができる。これら、接着剤は、熱伝導性のみならず、電気絶縁性能も兼ね備えている。

また、上記熱伝導性の接着フィルムも市販されており、たとえば、新日鉄化学社製のエスアレックス（登録商標）のＮＥＸ−１４０等を採用できる。

本願発明は、種々の形態のコアに適用することができる。たとえば、請求項５に記載した発明のように、金属粉体焼結成形法によって一体形成されたコアに適用できる。金属粉体を焼結して形成されるコアは、形状の自由度が大きいが、焼結する際に大きく収縮するため、寸法誤差や、表面の荒れ等が生じやすく、インシュレータとの間に隙間が形成されやすい。このため、上記隙間に熱伝導性の接着層を形成することにより、熱伝導性能を格段に高めることができる。

一方、請求項６に記載した発明のように、複数の鋼板を積層して形成されたコアに、本願発明を適用することもできる。この場合も、上記鋼板を積層することに起因する凹凸が表面に生じやすく、インシュレータとの間に隙間が形成されやすい。特に、積層体の角部には、インシュレータ内面のアール形状に対応して寸法の異なる鋼板が積層されることによる段付き部が形成される。このため、インシュレータの内周曲面と積層体の上記段付き部との間に大きな隙間が形成されやすい。したがって、この部分において、熱伝導性が大きく阻害されている。

請求項７に記載したように、上記段付部と上記インシュレータ内面との間に形成される隙間に熱伝導性を有する接着剤を充填することにより、上記部分の熱伝導性を大幅に改善することができる。

また、インシュレータの厚さを薄くすれば、それだけ熱伝導性は高まる。ところが、上述したように、巻線を巻き回す際等に上記部分が変形しやすく、ある程度の強度は確保する必要があった。

一方、本願発明では、インシュレータを上記接着層でコア表面に接着できるため、装着後にインシュレータが変形することはない。したがって、電気絶縁性を確保できる極限まで厚さを減じることが可能となる。また、電気絶縁性の接着層を設けることにより、上記インシュレータの電気絶縁性能を補完することも可能となる。

本願発明を適用することにより、請求項８に記載したように、上記インシュレータの巻線を巻き回す部位の厚さを０．５ｍｍ以下に設定することが可能となった。

本願発明は、種々の形態の固定子に適用できる。たとえば、請求項９に記載したように、環状に組み合わされて電動機の固定子を構成する分割固定子に適用することができる。

また、電動機の形式等も限定されることはなく、請求項１０に記載したように、インシュレータを備える種々の電動機に適用することができる。

図１に示すように、本実施の形態は、各々巻線体を設けた複数の分割固定子を環状に組合せて構成される電動機用集中巻固定子１の各分割固定子２に本願発明を適用したものである。

上記固定子１は、複数の分割固定子２を環状に組み合わせた後、図示しないリング部材等を用いて外側から囲みこんで固定されて組み立てられる。上記固定子１の内部に、永久磁石を設けた図示しないロータを配置して電動機が構成される。なお、図１は、分割固定子２から構成される固定子１の全体構造が理解できるように、固定子の軸に直角な断面を示している。

図２に、第１の実施の形態に係る分割固定子２の断面を示す。この分割固定子２は、粉体金属を圧縮成形した後に焼結して形成される強磁性体のコア３と、このコア３のティース部４に被着される筒状のインシュレータ５と、このインシュレータ５に巻線６を巻き回して形成される巻線体７とを備えて構成されている。

本実施の形態では、上記ティース部４の表面と、上記インシュレータ５との間に、接着層８が設けられている。上記接着層８は、樹脂接着材料に熱伝導性の高い無機フィラー等を配合して構成される接着剤を充填して形成されており、市販の熱伝導性接着剤を採用することができる。なお、上記接着層８は、上記インシュレータ内面あるいは上記コアの外面に上記接着剤を塗布した後、これらを組み付けることにより形成される。

たとえば、上記接着層８を、ロックタイト社製の「３８６０」や、ナガセケムテック社製の「ＸＮＲ３６３１」等を用いて形成することができる。また、市販されている、熱伝導性の接着フィルムを利用することもできる。

図３に、上記接着層８の近傍の構造を模式的に示す。この図に示すように、コア３の表面には、微視的な凹凸が存在している。また、インシュレータの内面にも、樹脂の歪み等に起因する凹凸が存在する。したがって、上記インシュレータ５と上記コア３とをそのまま接触させただけでは、どうしても隙間が生じることになる。この隙間には、空気が存在するため断熱層として作用し、インシュレータ５からコア３への熱の伝導を妨げることになる。

本実施の形態では、上記インシュレータ５と上記コア３との間に、熱伝導性の高い上記接着層８を形成しているため、この間に隙間が生じることはない。しかも、上記インシュレータ５は、上記コア３の表面に強固に接着される。したがって、巻線６を巻き回す際や、電動機の使用時に不用意な力が作用しても、上記インシュレータ８が変形することはない。このため、上記インシュレータ５と上記コア３との間に隙間が生じるのを防止できる。

しかも、上記接着層８は熱伝導性が高いため、上記巻線体７の内周部から上記コア３への熱伝導を高めることができる。さらに、上記接着層８は、電気絶縁性も兼ね備えているため、上記インシュレータと共働して絶縁性能を高めることにもなる。

また、図２に示すように、本実施の形態では、コアのティース部４に、傾斜段部９を設けて、巻線６を密度高く巻き回せるように構成している。上記インシュレータ５も、上記傾斜段部９の形態に応じた複雑な形状に形成されている。したがって、成形の際に歪み等が生じやすく、インシュレータ５をそのまま上記コア３に装着したのでは、上記コア３との間に隙間が生じることが多い。

本実施の形態では、上記コア３と上記インシュレータ５との間に接着層８を設けているため、上記インシュレータ５と上記コア３との間に、隙間が生じることはなくなった。しかも、上記接着層８は、上記インシュレータの強度及び電気絶縁性を補完する効果もあることから、上記インシュレータ５の厚さを、０．５ｍｍ以下の厚さまで減じることが可能となった。この結果、上記インシュレータ５における熱伝導性が格段に高まり、巻線体６の内周部から上記コアへの放熱量を格段に増加させることができる。

図４及び図５に、本願発明の第２の実施の形態を示す。この実施の形態は、本願発明を、鋼板を積層して形成されるコア１３を備える固定子に適用したものである。なお、図４は、図２におけるＩＶ−ＩＶ線に沿う断面に対応する断面を示すものである。また、本実施の形態では、コア１３以外は、上記第１の実施の形態と同様の部材を使用しているため、同一の符号を付してある。

この図に示すように、コア１３は、複数の電磁鋼板１４を積層して形成されている。上記鋼板は、打ち抜き形成されているため、縁部は平坦状をしておらず、積層部分に凹凸が生じる。このため、インシュレータ５の内面との間に比較的大きな隙間が形成されやすい。

さらに、図５に示すように、鋼板の積層方向端部近傍では、角部をインシュレータの内側曲面に沿わせるように、段階的に寸法が増加する鋼板１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃが積層されている。このため、上記鋼板の積層端部には階段状の段部１８が形成される。図５から明らかなように、上記段部１８と、上記インシュレータ５の内側曲面との間には、上記段部１８に起因する大きな隙間１９が形成されることになる。したがって、そのままでは、上記隙間１９によって、熱の移動が大きく阻害され、インシュレータ５からコア１３への放熱性が低下することになる。

本実施の形態では、上記コア３と上記インシュレータ５の間に、接着層２０を設けることにより、上記隙間１９が熱伝導性の接着剤で埋まり、この部分の熱伝導性を格段に高めることができる。また、上記部分のみならず、インシュレータ５の装着面のほぼ全域に接着層８が形成されているため、熱伝導性がさらに高まる。

この結果、複数の鋼板を積層したコア１３を備える固定子においても、インシュレータ５とコア３との間の熱伝導性を改善し、放熱効果を格段に高めることができる。

本実施の形態では、上記接着層を、接着剤によって成形したが、放熱性の接着シートによって形成することもできる。

また、実施の形態では、本願発明を分割固定子に適用したが、インシュレータを備える他の形式の固定子に適用しても同様の効果を得ることができる。

複数の分割固定子から構成される環状固定子の全体構成を示す図である。 第１の実施の形態に係る分割固定子を示す断面図である。 図２に示す分割固定子に設けた接着層の構造を示す拡大断面図である。 第２の実施の形態に係る分割固定子の断面図であり、図２のＩＶ−ＩＶ線に沿う断面に対応する断面図である。 図４に示す固定子の要部の拡大断面図である。

符号の説明

１ 固定子
２ 分割固定子
３ コア
４ ティース部
５ インシュレータ
６ 巻線
７ 巻線体
８ 接着層

Claims (10)

1. コアと、このコアのティース部に被着されるインシュレータと、このインシュレータを介して上記コアに巻線を巻き回して形成される巻線体とを備える電動機用固定子であって、
   上記インシュレータとこれが被着されるコアとの間に、少なくとも熱伝導性を有する接着層を設けた、電動機用固定子。
2. 上記接着層は電気絶縁性を備えて構成されている、請求項１に記載の電動機用固定子。
3. 上記接着層は、熱伝導性及び電気絶縁性を有する樹脂接着剤又は接着フィルムから構成されている、請求項２に記載の電動機用固定子。
4. 上記接着層は、熱伝導性の無機フィラーを含んで形成されている、請求項１から請求項３のいずれかに記載の電動機用固定子。
5. 上記コアが、金属粉体焼結成形法によって一体形成されたものである、請求項１から請求項４のいずれかに記載の電動機用固定子。
6. 上記コアが、複数の鋼板を積層して形成されている、請求項１から請求項４のいずれかに記載の電動機用固定子。
7. 積層した鋼板の段付部と上記インシュレータ内面との間に形成される隙間に、少なくとも熱伝導性を有する接着剤が充填されている、請求項６に記載の電動機用固定子。
8. 上記インシュレータの巻線を巻き回す部位の厚さは０．５ｍｍ以下であり、この部位が上記接着層を介してコアに接着されている、請求項１から請求項７のいずれかに記載の電動機用固定子。
9. 上記固定子は、環状に組み合わされて電動機の固定子を構成する分割固定子である、請求項１から請求項８のいずれかに記載の電動機用固定子。
10. 請求項１から請求項９のいずれかに記載の電動機用固定子を備える、電動機。
    
    

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