JP2010259146A - モータステータおよび分割ステータ - Google Patents

Abstract

【課題】モータステータを効果的に冷却する。
【解決手段】複数の分割ステータ２０を円周状に配置してモータステータを構成する。各分割ステータ２０は、外周側の周辺分割コア部３ａと、周辺コア部から中心方向に伸びるティース部３ｂと、ティース部に巻回されたコイル２を含む。コイル２の内周側の幅である内周長Ｌｉｎ、周辺コア部の外周長さである外周長Ｌｏｕｔ、前記コイルの内周側の半径である内周半径Ｒｉｎ、周辺コア部の半径である外周半径Ｒｏｕｔとした場合に、Ｌｉｎ／Ｒｉｎ＜Ｌｏｕｔ／Ｒｏｕｔを満す。そして、複数の分割ステータ３ａが、それぞれくさび形の熱伝導フィン５を介して円周状に配置されてドーナツ状になるとともに、熱伝導フィン５が熱伝導性がよい非磁性体で形成される。
【選択図】図２

Description

本発明は、複数の分割ステータを円周状に配置して形成したモータステータおよび分割ステータに関する。

従来より、各種のモータが広く普及しているが、特に大出力のモータでは、高負荷、低回転域において、電流量増加に伴うコイルでの銅損発熱によるコイルの温度上昇が問題になる。例えば、コイルの絶縁被覆材として使用されているエナメルの耐熱温度などからモータには作動温度上限が存在し、作動温度をそれ以下にしなければならない。そこで、モータの駆動制御範囲を作動温度が上限温度以下になるように限定したり、モータを大型化して作動温度の上昇を抑制したりしている。しかし、このような手法では、小型で大出力のモータを得ることが難しい。

このため、冷却機構を設けて、温度上昇を抑制する手段も採られている。特許文献１には、分割ステータの軸方向両端部を保持するステータ支持部材を有し、このステータ支持部材を良熱伝導材で構成して放熱を促進すること、およびステータ支持部材内に冷却流路を設けることが示されている。

特許文献２には、ステータ内部に油の流通する流路を設け、ステータを冷却する構成が示されている。

特許文献３には、ステータのコイルを配置するスロットに冷却通路を形成する構成が示されている。

特開２００１−３５９２５６号公報 特開２００４−３２０９７４号公報 特開２００４−３２０９７４号公報

しかし、特許文献１では、コアの中心部分についての冷却およびその部分のコイルの冷却が難しい。特許文献２においても、ステータ全体を効果的に冷却するのが難しく、コイル全体を効果的に冷却することが難しい。また、特許文献３では、冷媒である油を均一に循環することが難しく、全体として効果的に冷却することが難しいという問題があった。

本発明は、複数の分割ステータを円周状に配置して形成したモータステータであって、各分割ステータは、外周側の周辺コア部と、周辺コア部から中心方向に伸びるティース部と、ティース部に巻回されたコイルを含み、前記コイルの内周側の幅である内周長Ｌｉｎ、周辺コア部の外周長さである外周長Ｌｏｕｔ、前記コイルの内周側の半径である内周半径Ｒｉｎ、周辺コア部の半径である外周半径Ｒｏｕｔとした場合に、Ｌｉｎ／Ｒｉｎ＜Ｌｏｕｔ／Ｒｏｕｔを満し、複数の分割ステータが、それぞれくさび形の熱伝導フィンを介して円周状に配置されてドーナツ状になるとともに、前記熱伝導フィンが熱伝導性がよい非磁性体で形成されることを特徴とする。

また、前記熱伝導フィンは、銅またはアルミニウムで形成することが好適である。

また、前記熱伝導フィンは、モータステータの半径方向に伸びるスリットにより、一部が軸方向において複数枚の部分に分割されており、熱伝導フィンの内部における軸方向において周回する渦電流の発生を抑制することが好適である。

また、前記熱伝導フィンは、軸方向において複数枚の部分に分割されており、熱伝導フィンの内部における軸方向において周回する渦電流の発生を抑制することが好適である。

本発明によれば、熱良導体から形成された伝熱フィンをコイルに接触させることで、この伝熱フィンを介し、コイルの効果的な放熱が行える。特に、伝熱フィンは、非磁性体から構成されているため、伝熱フィンを介し磁束が漏れることを防止することができる。

分割コア部３と伝熱フィン部５の構成を示す図である。 分割コア部４にコイル２を巻回した分割ステータ２０の構成を示す図である。 インシュレータ４の平面図を示す図である。 分割ステータ２０を複数配置した状態を示す図である。 分割コア３と伝熱フィン部５の他の構成を示す図である。 分割コア３と伝熱フィン部５のさらに他の構成を示す図である。 締結リング１の構成を示す図である。 締結リング１内に複数の分割ステータ２０を焼きばめした状態を示す図である。 締結リング１とケース６の間に冷媒流路７を形成した状態を示す図である。 冷媒流路７をオーリングでシールした状態を示す図である。 コア部３および伝熱フィン部の磁束線の状態を示す図である。 伝熱フィン部５の材質の影響を示す図である。 伝熱フィン部５の他の構成例を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。

図１は、分割ステータの分割コア部３と伝熱フィン部５の部分を軸方向から見た平面図である。分割コア部３は、外側に円周上に配置される周辺コア部３ａと、この周辺コア部３ａの中央部分から内側方向に伸びるティース部３ｂとからなっている。周辺コア部３ａの両端部分には、内側に伸びるくさび型の伝熱フィン部５が形成されている。

本実施形態においては、周辺コア部３ａは半径方向の厚み一定の部分であって、側部に位置するくさび型の伝熱フィン部５を含まないものとしている。すなわち、周辺分割コア部３ａは、伝熱フィン部５を介して、隣の周辺分割コア部３ａに接続され、所定数の分割コア部３を円周状に並べることでドーナツ状のステータコアが形成される。この例では、周辺コア部３ａの両側に伝熱フィン部５が設けられているので、隣接する２つの分割ステータの伝熱フィン部５が合体して１つの伝熱フィン部５として機能することになる。

ここで、伝熱フィン部５は、分割コア部３、ティース部３ｂとは、別材料で構成されている。本実施形態では、分割コア部３は、電磁鋼板を積層して形成されており、伝熱フィン部５は銅で形成されている。特に、伝熱フィン部５は、熱伝導率がよい非磁性体で構成することが好ましい。従って、上述した、銅、アルミニウムなどが好適である。このように、熱伝導がよい材料を用いることによって、コイル２において発生した熱を効果的に伝導することができる。そして、伝熱フィン部５を非磁性体により構成することで、分割コア部３から伝熱フィン部５に磁束が漏れ出ることを防止でき、コイル２により発生する磁束をティース部３ａからロータに有効に作用させることができる。

そして、図２に示すように、分割コア部３のティース部３ｂの周囲には、図３に示すインシュレータ４を介し、コイル２が巻回されて、分割ステータ２０が構成される。なお、図２においては、インシュレータ４を省略して記載してある。コイル２は、薄板状の銅製平型導線からなり、これを複数回ティース部３ｂに巻回して形成された半径方向に伸びるコイルである。この例において、コイル２の半径方向の中心側の端面（内周側端面）は、ティース部３ｂの中心側の端面（内周側端面）とほぼ同一面を形成している。ティース部３ｂは、平面形状が内側に向けて断面積が減少する台形状である、ステータの周辺部から中心へ向く角柱状となっており、このティース部３ａの周囲にインシュレータ４を介しコイル２が巻回される。

コイル２は平型導線の一重巻であり、その幅自体は一定であるため、コイル２の外側端はティース部３ｂの外周と同様に中心側に向けて徐々に先すぼまりとなる。本例では、コイル２のステータ中心側端面と、ティース部３ｂの端面はほぼ同一面となっているが、必ずしも同一面を形成する必要はない。しかし、コイル２をなるべく多く効率的に収容するためには、コイル２の中心側の面とティース部３ｂ中心側の面はほぼ同一面であることが好ましい。

また、伝熱フィン部５は、コイル２の内周側面まで伸びて、内周側においてもある程度の大きさを持っていてもよいが、コイル２をなるべく多く収容するためには、半径方向内側のある程度の部分においてコイル２の円周方向外側が直接隣接のコイル２と接触する方がよい。

本実施形態の分割ステータ２０において、コイル２の内周側（中心側）の幅である内周長をＬｉｎ、伝熱フィン部５を除いた周辺分割コア部３ａの外周側の幅である外周長をＬｏｕｔ、前記コイル２の内周側の半径である内周半径をＲｉｎ、周辺分割コア部３ａの半径である外周半径をＲｏｕｔとした場合、Ｌｉｎ／Ｒｉｎ＜Ｌｏｕｔ／Ｒｏｕｔを満す。一方、伝熱フィン部５を含めた周辺分割コア部３ａの外周長さを外周長Ｌｏｕｔとした場合には、Ｌｉｎ／Ｒｉｎ＝Ｌｏｕｔ／Ｒｏｕｔとなる。従って、伝熱フィン部５を含めた分割ステータを円周状に配置することで、ドーナツ状のモータステータが得られる。

ここで、上述したように、ティース部３ｂの周囲とコイル２の内周側との間には、合成樹脂製のインシュレータ４が配置されている。図３には、インシュレータ４の平面図が示されており、図４にも、内側から見たインシュレータ４の一部が示されている。インシュレータ４は、ティース部３ｂの側面を覆う部分４ａと、ティース部３ｂの上部、下部の一部に配置した部分４ｃ，４ｄと、周辺分割コア部３ａの内周面に沿った部分４ｂとを有し、これによってコイル２をティース部３ｂおよび周辺分割コア部３ａから隔離している。さらに、インシュレータ４の一部は、コイル２の上部にも配置され、ここがコイル２の周辺回路との接続用配線を支持する部分４ｅを構成している。また、インシュレータ４のティース側の部分４ａの先端部は、周方向に少し広がるつばを有しており、コイル２の内周側の端面を保持するようになっている。

図４は、３つの分割ステータ２０を円周状に配置した状態を示しており、１つの分割ステータ２０は分割コア部３とコイル２とインシュレータ４を記載し、１つの分割ステータ２０は分割コア部３とインシュレータ４を記載し、もう１つの分割ステータは、分割コア部３のみを記載している。

図５には、分割ステータ２０の分割コア部３の他の構成例について示してある。この例では、伝熱フィン部５を周辺分割コア部３ａの一端側のみに配置している。このような分割ステータ２０を用いても、上述の場合と同様にして、これを円周状に配置して、モータステータを形成することができる。なお、図５の構成の方が、図１の構成より、製造しやすいというメリットがある。しかし、分割コア３内の磁路がティース部３ｂに対して対称になるという点では図１の構成の方が好適である。

図６には、伝熱フィン部５の内の別材料で形成する部分を周辺コア部３ｂから内側に伸びる部分にのみ形成した例を示す。すなわち、図６において伝熱フィン部５の周辺コア部３ａの延長線から内側に伸びる部分５ａが非磁性体（アルミニウムまたは銅）で形成され、周辺コア部３ａから横方向に延長された部分は周辺コア部３ａと一体の電磁鋼板で形成されている。なお、この例でも、伝熱フィン部５を周辺コア部３ａの両側に分割して配置することも可能であるが、製作容易性の観点から図６のような構成の方が好ましい。

ここで、モータステータを形成する場合には、まず分割ステータ２０の分割コア部３にインシュレータ４を配置する。次に、インシュレータ４にコイル２をはめ込む。そして、このようにしてできた分割ステータ２０を円周状に並べ、これを締結リング１内に焼きばめする。すなわち、熱した状態の締結リング１内に分割ステータを円周状に並べたものを収容し、温度を低下させて締め付ける。図７に締結リング１の構成例を示し、図８に複数の分割ステータを焼きばめした状態を示す。

図９、図１０には、冷媒流路１２を締結リング１の外側に直接形成する構成を示す。すなわち、締結リング１に収容されたモータステータは、ケース１０内に収められる。そして、このケース１０と、締結リング１の間に、冷媒流路１２が形成されている。この冷媒流路１２は、ケース１０または締結リング１の表面に設けた凸条や、仕切り凸条によって、螺旋流路としたり、複数の並列流路とすることができる。また、この例では、冷媒流路１２の上下は、オーリング１４によりシールしている。このような、オーリング１４によるシールによって、簡単に冷媒流路のシールを行うことができる。なお、ケース１０には、冷媒の流入管および流出管を設け、冷媒流路１２に冷媒を流通すればよい。また、冷媒としては各種の液体が利用可能であるが、水や油（ＡＴＦオイルなど）が好適である。

このように、本実施形態に係るモータステータでは、１つの分割ステータ２０におけるコイル２の外周が直接伝熱フィン５に接触する。このため、コイル２において発生した熱が伝熱フィンに容易に伝わる。そして、この伝熱フィン５は、分割コア部３の間にも存在し、締結リング１にまで至るくさび型をしている。従って、コイル２で発生した熱が、伝熱フィン５を介し、締結リング１にまで容易に伝達される。そして、締結リング１の外側には冷媒が流通しているため、冷媒にまで熱が効果的に放散できる。従って、コイル２の発熱量が多くても、温度上昇を抑えることができ、高出力のモータを得ることが可能になる。また、伝熱フィン５は、くさび型をしており、コイル２の熱をより多く伝達する部分の体積がより大きくなっており、熱の効果的な伝達が達成される。そして、伝熱フィン部５を非磁性体で構成することによって、伝熱フィン部５を有することによる磁力線の流れに対する影響を排除して、好適なモータ駆動を達成することが可能となる。

図１１には、伝熱フィン部５を周辺コア部３と同じ電磁鋼板で形成した場合の磁束線の状態（左側）と、図６に示すように伝熱フィン部５の内側に伸びる部分のみをアルミニウムで形成した場合の磁束線の状態（右側）を示してある。このように、伝熱フィン部５の一部（コイル２で挟まれる部分）をアルミで形成することで、磁束の漏れをほぼなくすことができる。このように、伝熱フィン部５の一部をアルミニウムで形成することで、モータの出力トルクを５％程度向上できることが確認されている。

図１２には、伝熱フィン部５の材質の影響を示してある。標準構造は伝熱フィン部５を設けずコイル間の間隙には合成樹脂を充填したもの、Ｃｏｒｅは伝熱フィン部５を電磁鋼板で形成したもの、Ａｌは伝熱フィン部５のコイル２間に位置する部分をアルミニウムで形成したもの、Ｃｕは伝熱フィン部５のコイル２間に位置する部分を銅で形成したものを示している。

このように、伝熱フィン部５を電磁鋼板（熱伝導率１７Ｗ／ｍ／Ｋ）に代えて、アルミニウム（熱伝導率１６５Ｗ／ｍ／Ｋ）にすることで２１°Ｃ、銅（熱伝導率４００Ｗ／ｍ／Ｋ）にすることで２８°Ｃの低減を図ることができる。従って、本実施形態の構成を取ることによって、モータにおいてより高負荷（高出力トルク）の運転が可能となる。

図１３は、伝熱フィン部５の他の構成を示す図である。この例では、伝熱フィン部５をモータの回転軸方向において複数枚の部分に分割している。図１３の右上の例では、中心方向からスリットを形成して複数の板状部分５ａに分割している。なお、複数の板状部分５ａは、外周側において、接続されている。このような構成によって、図１３の左側に示すような伝熱フィン部５の軸方向に平行な面（体積）内における渦電流の発生を防止して、軸に垂直な面内（板状部分５ａ内）の渦電流に限定することができる。これによって、伝熱フィン部５における渦損失を約１／１０に軽減することが可能である。

１ 締結リング、２ コイル、３ 分割コア部、３ａ 周辺コア部、４ インシュレータ、５ 伝熱フィン部、１０ ケース、１２ 冷媒流路、１４ オーリング、２０ 分割ステータ。

Claims (4)

1. 複数の分割ステータを円周状に配置して形成したモータステータであって、
   各分割ステータは、
   外周側の周辺コア部と、周辺コア部から中心方向に伸びるティース部と、ティース部に巻回されたコイルを含み、
   前記コイルの内周側の幅である内周長Ｌｉｎ、周辺コア部の外周長さである外周長Ｌｏｕｔ、前記コイルの内周側の半径である内周半径Ｒｉｎ、周辺コア部の半径である外周半径Ｒｏｕｔとした場合に、Ｌｉｎ／Ｒｉｎ＜Ｌｏｕｔ／Ｒｏｕｔを満し、
   複数の分割ステータが、それぞれくさび形の熱伝導フィンを介して円周状に配置されてドーナツ状になるとともに、前記熱伝導フィンが熱伝導性がよい非磁性体で形成されることを特徴とするモータステータ。
2. 請求項１に記載のモータステータにおいて、
   前記熱伝導フィンは、銅またはアルミニウムで形成することを特徴とするモータステータ。
3. 請求項１または２に記載のモータステータにおいて、
   前記熱伝導フィンは、モータステータの半径方向に伸びるスリットにより、一部が軸方向において複数枚の部分に分割されており、熱伝導フィンの内部における軸方向において周回する渦電流の発生を抑制することを特徴とするモータステータ。
4. 請求項１または２に記載のモータステータにおいて、
   前記熱伝導フィンは、軸方向において複数枚の部分に分割されており、熱伝導フィンの内部における軸方向において周回する渦電流の発生を抑制することを特徴とするモータステータ。

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