JP2008283730A5 - - Google Patents

Description

電動機用分割固定子、それを用いた電動機用固定子、および電動機用分割固定子の製造方法

本願発明は、電動機用分割固定子およびそれを用いた電動機用固定子に関するものである。特に、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および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。

電動機が有する巻線体（コイル）は、固定子のコアに巻線を巻き回すことで形成される。高い出力で、より小型化を実現するために、固定子等における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、磁力を高めることで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。

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る。また、巻線断面積あたりの電流値が一定とされる場合に、上記の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られた放熱部等から放熱される。また熱の一部は、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。

巻線体の外層部やコアの外周部は、冷却媒体で冷却するように構成されている。しかし、巻線体内部で発生する熱を、巻線体の外周部や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、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が確保されなければならない。この目的で、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、この樹脂製インシュレータは、電気絶縁性は高いものの、熱伝導率が低い。よってコアへの放熱が妨げられるため、巻線体の内部の温度が上昇しやすい。巻線体内部の温度の上昇は、巻線の絶縁被覆に悪影響を及ぼすことで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という問題がある。

この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することが提案されている。

特開２００１−１２８４０２号公報

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、このインシュレータには、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ている。この文献によれば、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、この穴部から露出するコア表面に押し付けられることで、コアと確実に接地される。それにより、熱の伝導が高められる。

しかしながら、この文献における構成では、高熱伝導体が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、巻線体内周部と上記高熱伝導体との間に、巻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高熱伝導体と接触しない。したがって、巻線体から高熱伝導体へ、熱を効率よく伝導させることはできない。

また、この文献における構成では、高熱伝導体の一部を穴部からインシュレータの外側に露出させることで、この露出部に巻線体の内周部から圧力が作用する。しかし、巻線体の内周部から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、高熱伝導体を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るので、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、この構成では、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、巻線体内部での温度上昇を防止できる電動機用分割固定子、およびそれを用いた電動機用固定子を提供することを課題としている。

本願発明の電動機用分割固定子は、コアと、巻線体と、絶縁性スペーサ部材と、樹脂充填材とを備えている。コアはティース部を有する。巻線体は、ティース部の周囲に巻線を巻き回すことにより形成されている。絶縁性スペーサ部材は、ティース部表面と巻線体の内周部との間に配置されて、巻線体の内周部をティース部表面から隙間をあけて保持している。樹脂充填材は、隙間に充填され、高熱伝導性を有している。すなわち本願発明は、コアと、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、ティース部表面と巻線体の内周部との間に配置されて、巻線体の内周部を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、隙間に充填された高熱伝導性の樹脂充填材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、隙間には高熱伝導性の樹脂充填材が充填されている。樹脂充填材は、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、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、樹脂充填材は、巻線体を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、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が形成されるのが好ましい。そして、この隙間に高熱伝導性の樹脂が充填されることになる。

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、巻線体の内周部から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、樹脂充填材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、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、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、巻線体内周部と、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。複数の棒状部が周方向に一定距離を開けて配置されると、巻線体の内周部が、すのこ状の形態を備えるスペーサ部材に保持されることになる。複数の棒状部は、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、隙間に充填されることができる。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樹脂充填材を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、樹脂充填材を隙間に充填できる開口部を設けるのが好ましい。開口部を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、巻線を巻き回して巻線体を生成した後にも、開口部を介して高熱伝導性樹脂を隙間に充填できる。またこの樹脂を巻線の巻回し層の第１層が形成された後に充填することもできる。

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を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（商標）接着剤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。このフィラーは、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複数の断面の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、この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。

コア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。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。本願発明を適用することにより、この凹凸に密着した樹脂充填材を形成できるため、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、少なくとも巻線が巻き回されるティース部の角部を覆うとともに、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、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、スペーサ部材を、熱伝導性の接着材で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たコアへの放熱を行なうこともできる。

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に記載した発明のように、本発明の電動機用固定子は、上述した複数の電動機用分割固定子が環状に組み付けられて構成される。

本発明の電動機用分割固定子の製造方法は、ティース部を有するコアと、このティース部の周囲に巻線を巻き回すことにより形成された巻線体とを備えた電動機用分割固定子の製造方法である。この製造方法においては、まずティース部表面の一部の上に、絶縁性スペーサ部材が設けられる。このスペーサ部材に巻線を掛け回すことにより、内周部がティース部表面の一部から隙間をあけて保持された巻線体が形成される。この隙間に、高熱伝導性の樹脂充填材が充填される。

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、巻線を巻き回す工程と樹脂充填材を充填する工程は、いずれが先に行なわれてもよい。

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巻線体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。

固定子１は、複数の分割固定子２を環状に組み合わされた後、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。すなわち、固定子１は、複数の分割固定子２が環状に組み付けられて構成されている。固定子１の内部に、永久磁石が設けられた図示しないロータが配置され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１の環状の形状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。これらの図に示すように、分割固定子２は、コア３と、巻線体７と、絶縁性スペーサ部材５Ａ、５Ｂと、樹脂充填材１２とを備えている。コア３はティース部４を有する。巻線体７は、ティース部４の周囲に巻線６を巻き回すことにより形成されている。絶縁性スペーサ部材５Ａ、５Ｂは、ティース部４表面と巻線体７の内周部との間に配置されて、巻線体７の内周部をティース部４表面から隙間をあけて保持している。樹脂充填材１２は、隙間に充填され、高熱伝導性を有している。以下に、この分割固定子２の構成について詳しく説明する。

図２に示すように、分割固定子２は、粉体金属が圧縮成形等された後に焼結され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とを備えている。

図３に、図２に示すスペーサ部材５Ａ，５Ｂの全体形状を示す。

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されたものである。すなわち、図３に示すように、スペーサ部材５Ａ，５Ｂは、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がコア３に装着された状態の正面図を示す。この図に示すように、断面８と断面９との間に形成される隙間１０から、コア３の表面１１が露出している。コア３の露出表面１１は巻線６（図４において図示せず）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。コア３に巻線６を巻き回すことにより、巻線体７の内周部と、コア３の表面１１と、一対の断面８，９との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が装着されたコア３に巻線６が巻き回されている状態を示すものであり、図２におけるＶ−Ｖ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、スペーサ部材５Ａ，５Ｂの断面部８，９の各々と、コア３の露出表面１１とに囲まれた隙間１０が形成されている。

本実施例では、隙間１０に高熱伝導性の樹脂充填材１２が充填され、この樹脂充填材１２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。巻線体７の内周部は、スペーサ部材５Ａ，５Ｂを介して、コア３の露出表面１１からスペーサ部材５Ａ，５Ｂの厚さに対応する隙間１０をあけて保持されている。そして、隙間１０に樹脂充填材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が完成され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いる。そして隙間１０に樹脂充填材１２が充填されている。本実施例では、コア３のティース部４の表面が段付き状に形成されることで、巻線の占積率が向上している。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５Ａ，５Ｂ自体の厚さを小さく設定することができ、隙間１０の厚さも小さくできる。また、樹脂充填材１２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、巻線体７の内周面とコア３の露出表面１１との間に形成された隙間１０が樹脂充填材１２で埋められるので、この樹脂充填材１２を介してコア３に熱を逃がすことができる。しかも、樹脂充填材１２が、巻線体７の内周部とスペーサ部材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。このため、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。

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（商標）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Ｖ−Ｖ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が、略矩形のコア３の４つの角部に設けられている。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、あらかじめコア３の表面に接着され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との間の広い範囲に隙間１０を設けて樹脂充填材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Ｖ−Ｖ線に沿う断面に対応する断面を示すものである。

図８に示す実施例においては、隙間１０の幅がさらに拡大されるとともに、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が追加されている。上記スペーサ部材１４Ｅ，１４Ｆを追加することにより、巻線体７の内周部とコア３の露出表面との間の隙間１０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１０を設定することも可能となる。また、コア３に大きな露出表面を設けることも可能となる。棒状のスペーサ部材１４Ｅ，１４Ｆは、角部のスペーサ部材１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃ，１４Ｄ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。

なお上記実施の形態では、従来のインシュレータの形態を利用してスペーサ部材が構成されたが、巻線６が巻き回されることができるとともに、巻線体７の内周部をコア３表面から隙間１０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部材を採用することができる。

また、上記実施の形態では、巻線６が巻き回される前に、隙間１０に樹脂充填材１２が充填されたが、本発明はこれに限定されるものではない。分割固定子２の外面から隙間１０に通じる開口部をコア３本体やスペーサ部材に設け、この開口部を介して、巻線６が巻き回された後あるいは巻き回し作業の途中に樹脂充填材１２を隙間１０に充填することもできる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の固定子の構成を概略的に示す断面図である。 図１に示す固定子を構成する分割固定子の構成を概略的に示す断面図である。 図２に示す分割固定子が有するスペーサ部材の第１の実施例の全体形状を示す斜視図である。 図３に示すスペーサ部材がコアに装着された状態を示す正面図である。 図３に示すスペーサ部材が装着されたコアに巻線が巻き回されている状態を示す図であり、図２のＶ−Ｖ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が装着されたコアに巻線が巻き回され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が装着されたコアに巻線が巻き回され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
１０ 隙間
１２ 樹脂充填材

Claims (9)

1. ティース部を有するコアと、
   前記ティース部の周囲に巻線を巻き回すことにより形成された巻線体と、
   前記ティース部表面と前記巻線体の内周部との間に配置されて、前記巻線体の内周部を前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、
   前記隙間に充填された高熱伝導性の樹脂充填材と、を備える電動機用分割固定子。
2. 前記隙間は、前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. 前記樹脂充填材を前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. 前記ティース部は、母線を有する柱状形状に成形され、
   前記スペーサ部材は、前記母線に沿って配置された複数の棒状部を有する、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電動機用分割固定子。
5. 前記スペーサ部材は、筒状部材の筒の軸方向と平行な複数の断面の間を切り欠いて形成された複数の部材を有し、
   前記隙間は、前記複数の部材間に形成されている、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の電動機用用分割固定子。
6. 前記スペーサ部材は、少なくとも前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、前記巻線を巻き回すことのできる外周曲面を有する、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の電動機用分割固定子。
7. 前記スペーサ部材は、前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１項に記載の電動機用分割固定子。
8. 請求項１から請求項７のいずれか１項に記載された複数の電動機用分割固定子が環状に組み付けられて構成される、電動機用固定子。
9. ティース部を有するコアと、前記ティース部の周囲に巻線を巻き回すことにより形成された巻線体とを備えた電動機用分割固定子の製造方法であって、
   前記ティース部表面の一部の上に、絶縁性スペーサ部材を設ける工程と、
   前記巻線を前記スペーサ部材に掛け回すことにより、内周部が前記ティース部表面の一部から隙間をあけて保持された巻線体を形成する工程と、
   前記隙間に、高熱伝導性の樹脂充填材を充填する工程とを備えた、電動機用分割固定子の製造方法。

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