JP2008283730A - 電動機用分割固定子、この分割固定子を備える電動機用固定子、この電動機用固定子を備える電動機及び電動機用分割固定子の製造方法 - 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させることができる電動機用分割固定子、これを用いた電動機用固定子及び電動機を提供する。
【解決手段】コア３と、上記コア３のティース部４に巻線を巻き回して形成された巻線体７と、上記ティース部表面と上記巻線体の内周部との間に配置されて、上記巻線体の内周部を上記ティース部表面から隙間１０をあけて保持する絶縁性スペーサ部材５Ａ，５Ｂと、上記隙間１０に充填された高熱伝導性の樹脂充填剤とを備え、上記巻線体内周部から上記樹脂充填材を介して上記コアに放熱できるように構成している。
【選択図】図５

Description

本願発明は、電動機用分割固定子、この分割固定子を備える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分割固定子等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、巻線断面積あたりの電流値を一定とする場合に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。また、巻線の軸方向に伝わって、巻線の導入部（コイルエンド部）からも放熱される。

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を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は電気絶縁性は高いものの熱伝導率が低く、コアへの放熱が妨げられる。このため、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、上記特許文献における構成では、上記高熱伝導体が上記巻線体の内周部から作用する圧力で変形できる量は限られている。したがって、上記巻線体内周部と上記高熱伝導体との間に、巻き線に沿う隙間が形成されるのは明らかである。このため、巻線体の内周部の巻線に対応した凹凸面のほとんどの部分が上記高熱伝導体と接触させられない。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も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への熱伝導性を高め、コア内部での温度上昇を防止できる電動機用分割固定子、これを用いた電動機用固定子及び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、上記コアのティース部に巻線を巻き回して形成された巻線体と、上記ティース部表面と上記巻線体の内周部との間に配置されて、上記巻線体の内周部を上記ティース部表面から隙間をあけて保持する絶縁性スペーサ部材と、上記隙間に充填された高熱伝導性の樹脂充填剤とを備えて構成したものである。

上記構成によれば、電気絶縁性のスペーサ部材によって、巻線体の内周部がコア表面から隙間をあけて保持されるため、巻線体の内周部とコア表面との絶縁性は確保される。また、上記隙間には、高熱伝導性の樹脂充填材が充填されている。上記樹脂充填材は、上記巻線体内周部の巻線に沿う凹凸を埋めるように充填されるため、巻線体の内周部の全面を上記高熱伝導性の樹脂に接触させることができる。したがって、巻線体で発生する熱を、上記巻線体内周部から上記樹脂充填剤を介して上記コアに効率よく放熱させることができる。しかも、上記樹脂充填材は、上記巻線体を上記コアに固定する接着材としても機能する。このため、巻線体や上記スペーサがコアから外れたり、移動あるいは変形したりするのを防止する効果も期待できる。

上記隙間の形態は限定されることはないが、請求項２に記載した発明のように、上記巻線の巻き回し方向と直交する方向に延びる短冊状に形成するのが好ましい。また、放熱性を向上させるために、上記隙間は上記巻線体の軸方向寸法に対応した長さに形成するのが好ましい。換言すると、柱状のティース部の母線に沿った短冊状の隙間を形成するのである。そして、上記隙間に高熱伝導性の樹脂が充填されることになる。

上記スペーサ部材の材質及び形態も、特に限定されることはない。本願発明では、上記巻線体の内周部から上記樹脂充填材を介した放熱量を大きくすることができるため、電気絶縁性能が高ければ種々の材質のスペーサ部材を採用することも可能となる。また、従来のインシュレータのような複雑な形状を要求されないため、成形性の悪い無機質系材料のスペーサ部材を採用することもできる。さらに、巻線を巻き回した後には、上記樹脂充填層によって巻線体がコアに対して接着固定されるため、巻線を巻き回す際の強度を確保できる材質・形態のスペーサ部材であればよい。なお、巻線を巻き回す工程を容易に行うため、上記スペーサ部材を、接着材を用いてあらかじめコアと一体化させておくのが好ましい。

請求項４に記載した発明のように、上記分割固定子を、柱状に成形されたティース部の母線に沿って配置された複数の棒状部を備えるスペーサ部材を設けて構成し、上記巻線体内周部と、上記ティース部表面とに囲まれる隙間に樹脂充填剤を充填して構成することができる。上記複数の棒状部を、周方向に一定距離を開けて配置すると、巻線体の内周部がすのこ状の形態を備える上記スペーサ部材に保持されることになる。上記複数の棒状部は、上記スペーサ部材に一体に形成することもできるし、複数の棒状部材を組み合わせて上記スペーサ部材を構成することもできる。

上記樹脂充填材は、巻線を巻き回す前でも、あるいは巻線を巻き回した後でも、上記隙間に充填することができる。巻線を巻き回す前であれば、ノズルやローラや吹き付け装置によって上記隙間に充填することができる。

一方、樹脂充填材を充填する場合、請求項３に記載したように、上記樹脂充填材を上記隙間に充填できる開口部を設けるのが好ましい。上記開口部を上記分割固定子の外面に開口するように形成することにより、上記巻線を巻き回して巻線体を生成した後にも、上記開口部を介して上記高熱伝導性樹脂を上記隙間に充填できる。また、巻線の巻回し層の第１層が形成された後に、上記樹脂を充填することもできる。

上記高熱伝導性の樹脂充填材も特に限定されることはない。たとえば、ポリアミド系樹脂を溶剤に溶かしたもの採用することができる。具体的には、住友スリーエム社製のジェット・メルト接着材のハイメルトシリーズ７３７５を採用し、これに熱伝導性のフィラーを配合して、高熱伝導性の樹脂充填材を構成することができる。上記フィラーは、絶縁性能を向上させるため、シリカやアルミナ等の無機系フィラーを採用するのが好ましい。

請求項５に記載した発明は、筒状部材の筒の軸方向と平行な断面間を切り欠いて形成された複数の部材からなるスペーサ部材と、上記複数の部材間に形成される隙間に充填された樹脂充填材とを備えて構成したものである。換言すると、従来のインシュレータ機能を、隙間を開けて配置される複数の部材からなるスペーサ部材によって確保するものである。

この形態を採用することにより、従来のインシュレータを装着するのと同様の手法でスペーサ部材を形成し、また組み付けることができる。各スペーサ部材の間に形成される隙間の幅や分割数も限定されることはない。たとえば、従来の筒状のインシュレータにおいて、巻線が直線状に巻回される部分を大きな幅で切り欠いて、２つのスペーサ部材に分割することができる。また、断面が略矩形に形成されたティース部の４つの角部に、従来のインシュレータ形状に対応するスペーサを設けることもできる。

上記コア部の形態も限定されることはなく、金属圧粉を焼結して形成したものや、電磁鋼板を積層したものを採用することができる。上記電磁鋼板を積層したコアにおいては、コア表面に、鋼板積層に起因する凹凸が形成されるが、本願発明を適用することにより、上記凹凸に密着した放熱樹脂充填層を形成できるため、高い放熱効果を期待できる。

本願の請求項６に記載した発明は、少なくとも上記巻線が巻き回されるティース部の角部を覆うとともに、上記巻線を巻き回すことのできる外周曲面を設けたスペーサ部材を設けたものである。

ティース部の角部では、巻線が傷まないように大きな曲率半径で巻線を巻き回す必要がある。したがって、上記巻線を巻き回すことのできる外周曲面を備えるスペーサ部材を設けることにより巻線の傷みを防止できるとともに、巻線をコア表面から隙間をあけて保持できる。上記曲面の曲率半径は限定されることはないが、巻線の半径の２倍以上の曲率半径に設定するのが望ましい。

さらに、請求項７に記載した発明のように、上記スペーサ部材を、熱伝導性の接着材で上記コア表面に接着するのが好ましい。これにより、複数のスペーサ部材をコアに一体的に保持した状態で、巻線の巻回し作業を行うことができる。また、スペーサ部材を介してコアへ放熱させることもできる。

特に、電磁鋼板を積層して構成されるコア部を備える固定子では、角部における巻線の曲率半径を確保するために階段状の段部が生じるため、スペーサ部材内周部との間に隙間が形成されることが多い。角部に設けられる上記スペーサ部材を高熱伝導性の接着剤を用いてコアに固定することにより、上記隙間が高熱伝導性の接着剤で埋まり、巻線で発生する熱をスペーサ部材の底面を介してコアに伝導させることも可能となる。

請求項８に記載したように、本願発明には、複数の分割固定子が環状に組み付けられた電動機用固定子も含まれる。

本願の請求項９に記載した発明は、コアと、このコアのティース部に巻線を巻き回して形成された巻線体とを備え、環状に組み付けられて電動機の固定子を構成する分割固定子の製造方法であって、上記ティース部表面に、スペーサ部材を設ける工程と、上記巻線を上記スペーサ部材に掛け回すことにより、内周部が上記コアの表面から隙間をあけて保持された巻線体を形成する工程と、上記隙間に、高熱伝導性の樹脂充填材を充填する工程とを含むものである。

上記各工程を行う手法は特に限定されることはない。また、上記巻線を巻き回す工程と上記樹脂充填材を充填する工程は、いずれを先に行ってもよい。

本願発明により、絶縁性を確保しながら、巻線体の内周部からコア表面への熱伝導性を高めてコア内部での温度上昇を防止することが可能となる。

図１に示すように、本実施の形態は、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、上記環状の固定子の軸に直角な断面を示している。

図２から図６に、本願発明に係る分割固定子の第１の実施例を示す。

図２に示すように、分割固定子２は、粉体金属を圧縮成形等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に被着された樹脂製のスペーサ部材５Ａ，５Ｂと、このスペーサ部材５Ａ，５Ｂの外周に巻線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る。

図３に、図２に示すスペーサ部材の全体形状を示す。

上記スペーサ部材５Ａ，５Ｂは、図２に示すティース部４の全周に被着される従来の筒状インシュレータの形態を利用して形成したものである。すなわち、図３に示すように、上記スペーサ部材５Ａ，５Ｂは、上記コア３に被着される筒状形態の樹脂製インシュレータの側壁を、巻線の巻き回し方向と直交し、寸法Ｈだけ離間して設定される断面８，９間（筒状体の軸方向と平行な断面間）を切り欠くことにより形成されている。

図４に、上記一対のスペーサ部材５Ａ，５Ｂを、上記コア３に装着した状態の正面図を示す。この図に示すように、上記断面８と断面９の間に形成される隙間１０から、上記コア３の表面１１が露出した状態となる。上記コア３の露出表面１１は巻線６が直線状に巻き回される部分であり、この部分を切り欠いても巻線６の巻き回し作業に支障はない。上記コア３に巻線を巻き回すことにより、上記巻線体７の内周部と、上記コア３の表面１１と、上記一対の断面６，７間に上記スペーサ部材５Ａ，５Ｂの厚さに対応する隙間１０が形成される。

図５は、図４に示すスペーサ部材５Ａ，５Ｂを装着したコア３に巻線６を巻き回している状態を示すものであり、図２におけるＩＶ−ＩＶ線に沿う断面に対応するものである。この図に示すように、巻線体７の内周部と、上記スペーサ部材５Ａ，５Ｂの断面部８，９とコア３の露出表面１１の間に隙間１０が形成されている。

この実施例では、上記隙間１０に高熱伝導性の樹脂充填材１２を充填し、この樹脂充填材が硬化する前に巻線６が巻き回されて巻線体７が形成される。上記巻線体７の内周部は、上記スペーサ部材５Ａ，５Ｂを介して、上記コア露出表面１１から上記スペーサ部材の厚さに対応する隙間１０をあけて保持されており、上記隙間１０に上記樹脂充填材１２が隙間なく充填されている。

図６に、図５におけるＶＩ−ＶＩ線に沿う断面を示す。この図は、巻線体７が完成した後の状態を示すものである。図６に示すように、巻線体７の内周部が上記コア３のティース部４の表面から隙間１０をあけて保持されており、この隙間１０に樹脂充填材１２が充填されている。本実施例では、上記コアのティース部４の表面を段付き状に形成して、巻線の占積率を向上させるように構成されており、上記スペーサ部材５Ａ，５Ｂも上記断面に対応した段付き状に形成されている。これにより、スペーサ部材自体の厚さを薄く設定することができ、上記隙間１０の厚さも小さくできる。また、上記樹脂充填層における熱伝導性を向上させることもできる。

上記構成を採用することにより、上記巻線体７の内周面と上記コアの露出表面１１との間に形成した隙間１０を上記樹脂充填材１２で埋めて、この樹脂充填材１２を介して上記コア３に熱を逃がすことができる。しかも、上記樹脂充填材１２が、上記巻線体７の内周部と上記スペーサ部材５Ａ，５Ｂとを、コア３の表面に固定する接着材としても機能するため、上記巻線体７が変形したりずれたりするのを防止することもできる。

上記樹脂充填材１２は特に限定されることはなく、高い熱伝導性と電気絶縁性がある樹脂充填材であればよい。少なくとも、従来の樹脂製インシュレータより高い熱伝導性があれば、充分な効果を期待できる。たとえば、上記樹脂充填材を、ポリアミド系樹脂を溶剤に溶かしたものにアルミナ、シリカ等の無機フィラーを配合して構成することができる。具体的には、樹脂材料として住友スリーエム社製のジェット・メルト接着材のハイメルトシリーズ７３７５を採用し、これにアルミナ、シリカ等のフィラーを配合して、上記樹脂充填材を構成することができる。

図７に、本願発明に係る分割固定子の第２の実施例を示す。なお、図７も、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。

この実施例では、巻線体７を保持する４つのスペーサ部材１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄを略矩形のコア３の４つの角部に設けたものである。上記スペーサ部材１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄは、図３に示す一対のスペーサ部材５Ａ，５Ｂをさらに２分割した形態を採用することもできるし、他の形態を採用することもできる。上記スペーサ部材は、あらかじめ上記コアの表面に接着しておくのが好ましい。

図７に示す構成を採用することにより、巻線体７の内周部とコア３の間の広い範囲に隙間１０を設けて上記樹脂充填材１２を充填することができる。このため、コア３に対する高い放熱性を得ることができる。

図８に、スペーサ部材の第３の実施例を示す。図８も、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。

図８に示す実施例は、隙間１０の幅をさらに拡大するとともに、巻線体７を隙間１０をあけて確実に保持するため、角部のスペーサ部材１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃ，１４Ｄに加えて、長手方向面の中央部に棒状のスペーサ部材１４Ｅ，１４Ｆを追加したものである。上記スペーサ部材１４Ｅ，１４Ｆを追加することにより、上記巻線体７の内周部とコア３の露出表面１１との間の隙間の大きさを精度高く設定することができ、厚さが非常に小さい隙間を設定することも可能となる。また、大きな露出表面１１を設けることも可能となる。上記棒状のスペーサ部材１４Ｅ，１４Ｆは、角部のスペーサ部材と一体的に形成することもできるし、各々別体に形成することもできる。

本願発明は、上述の実施の形態に限定されることはない。実施の形態では、従来のインシュレータの形態を利用してスペーサ部材を構成したが、巻線を巻き回すことができるとともに、巻線体の内周部を上記コア表面から隙間をあけて保持できるものであれば種々の形態のスペーサを採用することができる。

また、実施の形態では、巻線を巻回す前に、上記隙間１０に樹脂充填剤１２を充填したが、上記分割固定子の外面から上記隙間に通じる開口部をコア本体やスペーサ部材に設け、巻線を巻き回した後あるいは巻き回し作業の途中に樹脂充填剤を上記隙間に充填することもできる。

本発明の固定子の全体構成を示す図である。 図１に示す固定子を構成する分割固定子の拡大断面図である。 上記分割固定子に設けられるスペーサの第１の実施例の全体形状を示す斜視図である。 図３に示すスペーサをコアに装着した状態を示す正面図である。 図３に示すスペーサを装着したコアに巻線を巻き回している状態を示す図であり、図２のＩＶ−ＩＶ線に沿う断面に対応する断面図である。 図５におけるＶＩ−ＶＩ線に沿う断面図である。 第２の実施例に係るスペーサ部材を装着したコアに巻線を巻き回している状態を示す図であり、図５に対応する断面図である。 第３の実施例に係るスペーサ部材を装着したコアに巻線を巻き回している状態を示す図であり、図５に対応する断面図である。

符号の説明

１ 固定子
２ 分割固定子
３ コア
４ ティース部
５Ａ スペーサ部材
５Ｂ スペーサ部材
６ 巻線
７ 巻線体
１１ 隙間
１２ 樹脂充填材

Claims (9)

1. コアと、
   上記コアのティース部に巻線を巻き回して形成された巻線体と、
   上記ティース部表面と上記巻線体の内周部との間に配置されて、上記巻線体の内周部を上記ティース部表面から隙間をあけて保持する絶縁性スペーサ部材と、
   上記隙間に充填された高熱伝導性の樹脂充填剤と、を備える電動機用分割固定子。
2. 上記隙間は、上記巻線の巻き回し方向と直交する方向に延びる短冊状に形成されている、請求項１に記載の電動機用分割固定子。
3. 上記樹脂充填材を上記隙間に充填できる開口部を備える、請求項１又は請求項２のいずれかに記載の電動機用分割固定子。
4. 柱状に成形されたティース部の母線に沿って配置された複数の棒状部を備えるスペーサ部材と、
   上記巻線体内周部と、上記ティース部表面とに囲まれる隙間に充填された樹脂充填剤とを備える、請求項１から請求項３のいずれかに記載の電動機用分割固定子。
5. 筒状部材の筒の軸方向と平行な断面間を切り欠いて形成された複数の部材からなるスペーサ部材と、
   上記複数の部材間に形成される隙間に充填された樹脂充填材とを備える、請求項１から請求項４のいずれかに記載の電動機用分割固定子。
6. 少なくとも上記巻線が巻き回されるティース部の角部を覆うとともに、上記巻線を巻き回すことのできる外周曲面を設けたスペーサ部材を備える、請求項１から請求項５のいずれかに記載の電動機用分割固定子。
7. 上記スペーサ部材は、上記コア表面に熱伝導性の接着材で接着されている、請求項１から請求項６のいずれかに記載の電動機用分割固定子。
8. 請求項１から請求項７に記載した複数の分割固定子が環状に組み付けられた、電動機用固定子。
9. コアと、このコアのティース部に巻線を巻き回して形成された巻線体とを備え、環状に組み付けられて電動機の固定子を構成する分割固定子の製造方法であって、
   上記ティース部表面に、スペーサ部材を設ける工程と、
   上記巻線を上記スペーサ部材に掛け回すことにより、内周部が上記コアの表面から隙間をあけて保持された巻線体を形成する工程と、
   上記隙間に、高熱伝導性の樹脂充填材を充填する工程とを含む、電動機用分割固定子の製造方法。

Images