JP2009130958A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】回転電機においてステータのコイルの冷却性能を向上させる。
【解決手段】ステータ鉄心２１の磁極ティース２３にインシュレータ２４を介して集中巻きされたコイル２５のコイルエンド部２５ａとの対向箇所において、インシュレータ２４と磁極ティース２３間に金属部材からなる伝熱プレート２６を介在させる。この伝熱プレート２６は、ステータ周方向に沿う幅Ｗｐが磁極ティース２３の周方向の幅Ｗｃよりも小さく（Ｗｐ＜Ｗｃ）なるように形成されている。
【選択図】図５

Description

本発明は、回転電機に係り、特にはステータ鉄心の磁極ティースに集中巻きされているコイルの冷却技術に関する。

回転電機は、ステータやロータが電流や磁界の作用によって発熱する。特に、ステータに着目すると、ステータ鉄心の周方向に沿って形成された各磁極ティースの周りにコイルが集中巻きされているものでは、コイルが銅損によって発熱する。このようなコイルの発熱を放置しておくと、回転電機の効率が低下し、所要の特性が得られなくなる。そこで、従来技術では、コイルの発熱を効率良く冷却して高効率化を実現するために様々な試みが行われている。

そのための従来技術として、例えば、ステータのコイルが磁極ティースから軸方向外方において露出したコイルエンド部の外側の面に、断面が波型のアルミニウム製や銅製のリング状の伝熱スペーサを樹脂モールドで固定し、コイルからの発熱をこの伝熱スペーサと樹脂モールドを介してハウジングや回転子を支持するブラケットに伝熱して冷却効果を高めるようにしたものが提案されている（例えば、下記の特許文献１参照）。

また、他の従来技術では、ステータのコイルエンド部とベアリングを介して回転子を支持するブラケットとの間にドーナッツ状のシリコンゴム等からなる高熱伝導絶縁体を密着して設け、これによって、コイルからの発熱を高熱伝導絶縁体を介してブラケットに伝熱することにより放熱性を高めるようにしたものが提案されている（例えば、下記の特許文献２参照）。

特開平１０−２９０５４３号公報 特開２０００−１１６０６３号公報

しかしながら、上記の特許文献１記載の従来技術では、コイルエンド部の外側の面に弾性を有する伝熱スペーサをモールド樹脂で固定しているため、その構造が複雑であり、しかも、弾性を有する伝熱スペーサをモールドする必要があるので製作が困難である。また、特許文献２記載の従来技術では、ハンドリングした際に大きく変形するドーナッツ状のシリコンゴムを搬送、位置決めする必要があるために生産性が悪い。また、特許文献１，２のいずれの従来技術においても、使用されているモールド樹脂やシリコンゴムといった合成樹脂の熱伝導率は、鉄等の金属製のものと比べると一桁以上小さいので伝熱部材としての伝熱特性が不十分である。

本発明は、このような従来の問題点を解消するためになされたもので、生産性を損なうことなく、ステータの磁極ティースに巻回されたコイルのコイルエンド部から効率的に放熱を行える回転電機を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明は、ハウジング内にはステータが取り付けられるとともに、このステータの内周にロータが回転自在に設けられ、上記ステータは、ステータ鉄心の周方向に沿って複数の磁極ティースが形成され、各磁極ティースの周りには絶縁材からなるインシュレータが被着されるとともに、このインシュレータの上にコイルが集中巻きされている回転電機において、次の構成を採用している。

すなわち、本発明では、上記コイルが上記磁極ティースから軸方向外方において露出したコイルエンド部の位置には、上記磁極ティースとインシュレータとの間に金属部材からなる伝熱プレートが両者に密着して介在され、この伝熱プレートは、そのステータ周方向に沿う幅Ｗｐが上記磁極ティースの周方向の幅Ｗｃよりも小さく（Ｗｐ＜Ｗｃ）なるように形成されていることを特徴としている。

本発明の回転電機によれば、磁極ティースとインシュレータとの間に金属部材からなる伝熱プレートを密着して介在し、かつ、伝熱プレートのステータ周方向に沿う幅Ｗｐが磁極ティースの周方向の幅Ｗｃよりも小さく（Ｗｐ＜Ｗｃ）なるように形成されているので、インシュレータのコイルエンド部側の肉厚を薄くすることができる。このため、コイルエンド部からの発熱をインシュレータを介してステータ鉄心の磁極ティースに効率良く伝熱することができ、回転電機の放熱性を高めることが可能となる。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１における回転電機の縦断面図、図２は図１のＸ−Ｘ線に沿う断面図、図３は図１のフレームとステータ部とを示す断面図、図４は図３の側面図、図５は図４のＹ−Ｙ線に沿う断面図である。

この実施の形態１の回転電機は、ハウジング１内にステータ２が取り付けられるとともに、このステータ２の内方にロータ３が設けられている。上記のハウジング１は、略円筒状のフレーム４を有し、このフレーム４の両端にそれぞれブラケット５，６が固定され、各ブラケット５，６にベアリング７，８が取り付けられている。また、ロータ３は、シャフト９とこのシャフト９の外周に一体的に固定された永久磁石１０とからなり、シャフト９が前後の両ベアリング７，８に回転自在に支持されている。

一方、上記のステータ２は、電磁鋼板をプレス積層したステータ鉄心２１を有し、このステータ鉄心２１の周方向に沿って複数のスロット２２が順次形成され、各スロット２２間に磁極ティース２３が設けられている。そして、各磁極ティース２３の周りには樹脂等で成型された絶縁材からなるインシュレータ２４が被着されるとともに、このインシュレータ２４の上にコイル２５が集中巻きされている。

さらに、この実施の形態１の特徴として、コイル２５が磁極ティース２３から軸方向外方において露出したコイルエンド部２５ａの対向位置には、磁極ティース２３とインシュレータ２４との間に鉄材等の金属部材からなる伝熱プレート２６が介在されている。

この伝熱プレート２６は、ステータ軸心方向から見た場合の形状は、平面視で略長方形をしている。そして、この伝熱プレート２６は、そのステータ径方向に沿う長さが磁極ティース２３の径方向厚さよりも若干長くなるように形成され、また、図５に示すように、伝熱プレート２６のステータ周方向に沿う幅Ｗｐは、磁極ティース２３の周方向の幅Ｗｃよりも幾分小さく（Ｗｐ＜Ｗｃ）なるように形成されている。さらに、伝熱プレート２６の厚さｔｐは、ステータ鉄心２１を構成する積層電磁鋼板の厚さｔｃよりも大きく（ｔｐ＞ｔｃ）なるように設定されている。このように設定することによって、インシュレータ２４のコイルエンド部２５ａ側の厚みｔｅを薄くすることができる。

すなわち、従来は、図６に示すように、コイル２５を磁極ティース２３に巻き付ける際、コイル２５の角部が膨らまないようにインシュレータ２４の角部に曲面Ｒを形成しているので、曲面Ｒに合わせて厚みｔｉを大きく設定する必要がある。これに対して、この実施の形態１では図５に示したように、伝熱プレート２６のステータ周方向に沿う幅Ｗｐを小さくすることによってインシュレータ２４の曲面Ｒの大きさに関係なく、コイルエンド部２５ａと対面する箇所のインシュレータ２４の厚みｔｅを小さく形成することができる。つまり、ｔｉ＝ｔｐ＋ｔｅとすれば、伝熱プレート２６の厚みｔｐを確保することでインシュレータ２４の厚みｔｅを小さくすることができる。

以上のように、従来では、コイルエンド部２５ａからの発熱が磁極ティース２３に伝熱するのをインシュレータ２４の厚さｔｉが厚いために阻害されていたのに対して、この実施の形態１では、伝熱プレート２６を設けることによってインシュレータ２４の厚さｔｅを薄くできるので、コイルエンド部２５ａからの発熱は、インシュレータ２４を介して伝熱プレート２６に効率良く伝熱され、さらにステータ鉄心２１からフレーム４に伝熱されて空気中に放熱される。これにより、コイルを効果的に冷却することができ、回転電機の放熱効率を高めることが可能となる。

また、この実施の形態１のように、伝熱プレート２６の厚さｔｐを積層されている電磁鋼板の厚さｔｃよりも厚くすると、より一層無理なくインシュレータ２４のコイルエンド部側の厚さｔｅを薄くできるので、回転電機の放熱効率を高める上で有効である。

実施の形態２．
図７は本発明の実施の形態２における回転電機のフレームとステータとを示す断面図、図８は図７の側面図、図９はこの実施の形態２の伝熱プレートを示し、同図（ａ）は側面図、同図（ｂ）は正面図である。なお、上記の実施の形態１と同一もしくは同等の構成部分には同一符号を用いて説明を省略する。

この実施の形態２における回転電の特徴は、伝熱プレート２６がコイルエンド部２５ａと対面する巻線部２６ａと、この巻線部２６ａの一端から延長された受熱部２６ｂとを有し、両者２６ａ，２６ｂによってその側面が略Ｌ字状をしている。

そして、巻線部２６ａは、実施の形態１の場合と同様に、磁極ティース２３とインシュレータ２４との間に介在され、これによってコイルエンド部２５ａに対面する箇所のインシュレータ２４の肉厚ｔｅが必要最小限になるようにしている。

また、受熱部２６ｂは、コイルエンド部２５ａの形状に沿うように、巻線部２６ａの一端からステータ軸心方向に向けて延長されるとともに、ステータ周方向に沿ってコイルエンド部２５ａの周方向の幅と同程度に左右に張り出し形成されている。そして、この受熱部２６ｂは、ステータ外周側に位置するように配置されており、これによって受熱部２６ｂは、コイルエンド部２５ａの外周部分にインシュレータ２４を介して当接している。

以上のように、この実施の形態２では、コイルエンド部２５ａの発熱を伝熱プレート２６の巻線部２６ａと受熱部２６ｂの二面で受けるので、コイルエンド部２５ａの発熱を効率的に伝熱プレート２６からステータ鉄心２１を介してフレーム４に伝熱することができ、回転電機の放熱効率を一層高めることができる。

実施の形態３．
図１０は本発明の実施の形態３における回転電機のフレームとステータを示す断面図、図１１は図１０の側面図、図１２はこの実施の形態３の伝熱プレートを示し、同図（ａ）は側面図、同図（ｂ）は正面図である。なお、上記の実施の形態１と同一もしくは同等の構成部分には同一符号を用いて説明を省略する。

この実施の形態３における回転電機の特徴は、伝熱プレート２６において、実施の形態２の場合と同様、巻線部２６ａの一端からステータ軸心方向に向けて受熱部２６ｂが延長され、さらに、この受熱部２６ｂからは、逆Ｌ字状にフレーム当接部２６ｃが延設されている。そして、巻線部２６ａが磁極ティース２３とインシュレータ２４との間に介在され、また、受熱部２６ｂがコイルエンド部２５ａの外周部分にインシュレータ２４を介して当接し、さらにフレーム当接部２６ｃがハウジング１の内周面に当接している。

以上のように、この実施の形態３では、コイルエンド部２５ａの発熱を伝熱プレート２６の巻線部２６ａと受熱部２６ｂの二面で受け、これをフレーム当接部２６ｃからフレーム４に直接に伝熱できるように構成されているので、コイルエンド部２５ａの発熱をさらに効率的に伝熱プレート２６を介してフレーム４に伝熱することができ、回転電機の放熱効率を一層高めることができる。

実施の形態４．
図１３は本発明の実施の形態４における回転電機のフレームとステータを示す断面図、図１４は図１３の側面図、図１５はこの実施の形態４の伝熱プレートを示し、同図（ａ）は側面図、同図（ｂ）は正面図である。なお、上記の実施の形態１と同一もしくは同等の構成部分には同一符号を用いて説明を省略する。

この実施の形態４における回転電機の特徴は、伝熱プレート２６において、実施の形態２の場合と同様、巻線部２６ａの一端からステータ軸心方向に向けて受熱部２６ｂが延長され、さらに、この受熱部２６ｂのステータ外周側の端部が延設されてフィン部２６ｄが形成されている。そして、このフィン部２６ｄがフレーム４の外周に形成された貫通穴４ａを通してフレーム４の外周面よりも外方に突出されている。

以上のように、この実施の形態４では、コイルエンド部２５ａの発熱を伝熱プレート２６の巻線部２６ａと受熱部２６ｂの二面で受け、これをフィン部２６ｄからフレーム４の外部である外気中に直接放熱することができるので、コイルエンド部２５ａの発熱を効率的に冷却でき、回転電機の放熱効率を一層高めることができる。

なお、実施の形態１〜４において、インシュレータ２４に伝熱プレート２６を例えばインサートモールド等の手法で一体成型することによって、生産性を向上させることができる。また、伝熱プレート２６の材料として鉄材を用いれば、高い伝熱性を維持するとともに、伝熱プレート２６をステータ鉄心２１の磁路の一部として利用することが可能となり、回転電機のトルク特性等を向上させることができる。また、伝熱プレート２６の材料としてアルミ材または銅材を用いれば、伝熱性を向上させることができる。

本発明の実施の形態１における回転電機の縦断面図である。 図１のＸ−Ｘ線に沿う断面図である。 図１のフレームとステータとを示す断面図である。 図３の側面図である。 図４のＹ−Ｙ線に沿う断面図である。 図５に対応する従来のコイルエンド部近傍の断面図である。 本発明の実施の形態２における回転電機のフレームとステータとを示す断面図である。 図７の側面図である。 本発明の実施の形態２における回転電機の伝熱プレートを示し、同図（ａ）は側面図、同図（ｂ）は正面図である。 本発明の実施の形態３における回転電機のフレームとステータとを示す断面図である。 図１０の側面図である。 本発明の実施の形態２における回転電機の伝熱プレートを示し、同図（ａ）は側面図、同図（ｂ）は正面図である。 本発明の実施の形態４における回転電機のフレームとステータとを示す断面図である。 図１３の側面図である。 本発明の実施の形態４における回転電機の伝熱プレートを示し、同図（ａ）は側面図、同図（ｂ）は正面図である。

符号の説明

１ ハウジング、２ ステータ、３ ロータ、５，６ ブラケット、
７，８ ベアリング、９ シャフト、１０ 永久磁石、２１ ステータ鉄心、
２２ スロット、２３ 磁極ティース、２４ インシュレータ、２５ コイル、
２５ａ コイルエンド部、２６ 伝熱プレート、２６ａ 巻線部、２６ｂ 受熱部、
２６ｃ フレーム当接部、２６ｄ フィン部。

Claims (6)

1. ハウジング内に取り付けられたステータと、上記ステータの内周に回転自在に設けられたロータを備え、上記ステータは、ステータ鉄心の周方向に沿って複数の磁極ティースが形成され、各磁極ティースの周りには絶縁材からなるインシュレータが被着されるとともに、このインシュレータの上にコイルが集中巻きされている回転電機において、
   上記コイルが上記磁極ティースから軸方向外方において露出したコイルエンド部の位置には、上記磁極ティースとインシュレータとの間に金属部材からなる伝熱プレートが両者に密着して介在され、この伝熱プレートは、ステータ周方向に沿う幅Ｗｐが上記磁極ティースの周方向の幅Ｗｃよりも小さく（Ｗｐ＜Ｗｃ）なるように形成されていることを特徴とする回転電機。
2. 上記伝熱プレートは、上記磁極ティースとインシュレータとの間に介在される巻線部と、この巻線部のステータ外周側の位置から軸心方向に向けて上記コイルエンド部の形状に沿って延長された受熱部とを有することを特徴とする請求項１記載の回転電機。
3. 上記伝熱プレートは、そのステータ外周側の端部が延設されて上記ハウジングの内周面に当接されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の回転電機。
4. 上記伝熱プレートは、そのステータ外周側の端部が延設されて上記ハウジングの外周面よりも外方に突出されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の回転電機。
5. 上記ステータ鉄心は厚さｔｃの電磁鋼板を積層したものであって、上記伝熱プレートの巻線部の厚さｔｐはｔｐ＞ｔｃになるように形成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項４項のいずれか１項に記載の回転電機。
6. 上記伝熱プレートは、鉄材、アルミ材、銅材の内のいずれか一つの素材からなることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の回転電機。

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