JP2011193571A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】ステータの信頼性及び冷却性能を高めることの可能な回転電機を提供する。
【解決手段】複数の電磁鋼板２１から形成されるステータ２は、コイル３を収容するスロット２３を有する。ステータ２の径方向内側にロータが回転可能に設けられる。ステータ２とケース５との微小隙間にオイルの流れる外側流路５３が形成される。複数の電磁鋼板２１は、径方向に異なる位置に板厚方向に通じる孔２４を有する。複数の電磁鋼板２１の孔２４が軸方向に連通することで、外側流路５３とスロット２３とを連通する第１連通溝２５がステータ２に形成される。これにより、オイルは外側流路５３から第１連通溝２５を通りスロット２３に流入する。このため、コイル３とステータ２との間の熱抵抗を小さくすることができる。また、電磁鋼板２１が連通溝によって周方向に分断されることが無いので、ステータ２の強度的な信頼性を保つことができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、回転電機に関する。

従来、車両に搭載されるモータ及び発電機などの回転電機は、スロットにコイルを収容したステータ、及びこのステータの径方向内側に回転可能に設けられたロータを備えている。ステータを構成する電磁鋼板とコイルとの間には絶縁体が配置されている。
一般に、コイルの発生する熱を液体を用いて冷却する液冷式の回転電機では、ステータから突出するコイルエンドにオイルを滴下している。このオイルは、コイルエンドの表面を経由し、絶縁体と電磁鋼板との隙間、又は絶縁体とコイルとの隙間に供給される。これにより、コイルとステータとの間の熱抵抗が小さくなり、コイルから発せられるジュール熱がオイルを伝熱し、ステータへ放熱される。

しかし、ステータを構成する複数の電磁鋼板は、製造上の公差により、スロットの内壁に凹凸を形成することがある。スロットの内壁を構成する電磁鋼板と絶縁体とが内壁の一部で接触すると、絶縁体と電磁鋼板との隙間にオイルが浸入することが困難になる。このため、絶縁体と電磁鋼板との隙間に空気層が残り、この空気層の熱抵抗が律速となってコイルとステータとの熱伝導を阻害するおそれがある。

特許文献１の第１実施形態では、特許文献１の明細書の段落「００４２」及び図２〜図６に記載されているように、ステータを構成する電磁鋼板に径方向に延びる冷却油路を形成し、この冷却油路によりステータの径外側とスロットとを連通している。ステータの径外側を流れるオイルは、冷却油路を経由しスロットに供給される。

また、特許文献１の第２実施形態では、特許文献１の明細書の段落「００６１」、「００６２」及び図８に記載されているように、電磁鋼板の所定枚数毎にスペーサを溶接で取り付け、ステータの径外側とスロットとを連通するギャップを形成している。ステータの径外側を流れるオイルは、ギャップを経由しスロットに供給される。

一方、特許文献２では、絶縁体にシリコンを塗布した後、スロット内に挿入することで、絶縁体とコイルとの隙間に形成される空気層をシリコンで埋めている。これにより、コイルの放熱性を高めている。

特開２００５−１２９８９号公報 特開２０００−５０５５２号公報

しかしながら、特許文献１の第１実施形態は、冷却油路により電磁鋼板が周方向に分断されるので、ステータの強度が低下するおそれがある。また、全てのスロットに対応して電磁鋼板に冷却油路を設けると、ステータの強度が大幅に低下するおそれがある。

また、特許文献１の第２実施形態では、ギャップを形成するためのスペーサが必要となるので、製造コストが高くなる。また、スペーサと電磁鋼板とを溶接することで、製造コストがさらに高くなると共に、溶接により電磁鋼板が変形することが懸念される。

さらに、特許文献２では、シリコンの塗りむらにより空気層を完全に排除することは困難である。この塗りむらをなくすため、例えば真空で絶縁体にシリコンを浸透させるいわゆる真空含浸などを用いると、製造コストが高くなる。

本発明は上記問題に鑑みてなられたものであり、その目的は、ステータの信頼性及び冷却性能を高めることの可能な回転電機を提供することにある。
また、他の目的は、製造コストを低減することの可能な回転電機を提供することにある。

請求項１に係る発明によると、複数の電磁鋼板を積層して筒状に形成されるステータは、複数のティース及び隣り合うティースの間に形成される複数のスロットを有する。コイルはステータのスロット内に収容され、ティースに巻回される。ステータの径方向内側に回転可能に設けられるロータは、異種の磁極を周方向に交互に有する。ステータの径外側に冷却媒体の流れる外側流路がケースにより形成される。複数の電磁鋼板は、それぞれ径方向に異なる位置に板厚方向に通じる孔を有し、ステータは、複数の電磁鋼板の孔を軸方向に連通させることで、外側流路とスロットとを連通する第１連通溝を形成する。これにより、外側流路を流れる冷却媒体は第１連通溝を通りスロットに流入する。このため、コイルとステータとの間の熱抵抗が小さくなり、コイルの放熱性を向上することができる。このように、ステータの冷却性能を高めることで、コイル抵抗がジュール熱により大きくなることが抑制され、回転電機の回転性能を向上することができる。また、コイルの被膜の耐熱性超過による絶縁不良を抑制することができる。
さらに、ステータの第１連通溝は、複数の電磁鋼板の板厚方向に通じる孔により形成される。このため、特許文献１のように電磁鋼板が冷却油路によって周方向に分断されることが無い。このため、ステータの強度的な信頼性を保つことができる。

ところで、特許文献１の第１実施形態に記載の電動機では、ステータのスロットの数と同じ数の冷却油路を複数の電磁鋼板に形成し、この冷却油路を形成した複数の電磁鋼板を各スロットに対応させるため、各電磁鋼板を周方向に位置決めする必要があった。これに対し、請求項１に係る発明は、第１連通溝の形成に必要となる枚数の電磁鋼板に孔を設けることで、電磁鋼板を周方向に位置決めすることなく、ステータの全てのスロットに冷却媒体を供給することが可能となる。したがって、電磁鋼板を組付ける加工工数を低減することができる。
また、ステータの第１連通溝は、スペーサ等の部材を使用すること無く、電磁鋼鈑に孔を設け、この孔を軸方向に連通することによって形成することができるので、製造コストを低減することができる。

請求項２に係る発明によると、ステータの第１連通溝は、外側流路の冷却媒体を毛細管現象を利用してスロットへ供給することが可能な大きさに形成されている。これにより、ステータの第１連通溝は、回転電機が設置される向きに関わらず、全てのスロットに冷却媒体を供給することができる。

請求項３に係る発明によると、電磁鋼板の板厚をｔ（ｍ）、電磁鋼板の孔の幅をａ（ｍ）、ステータの第１連通溝の径方向の長さをｂ（ｍ）、冷却媒体の表面張力をσ（Ｎ／ｍ）、電磁鋼板の孔の内壁と冷却媒体との接触角をθ（°）、冷却媒体の密度をρ（ｋｇ／ｍ³）、重力加速度をｇ（ｍ／ｓ²）とすると、ステータの第１連通溝は、
２×（ａ＋ｔ）×σｃｏｓθ≧ａ×ｔ×ｂ×ρ×ｇ
の関係を満たすように形成される。

上記式の左辺は冷却媒体の表面張力による駆動力を示し、右辺は冷却媒体の重力を示す。したがって、冷却媒体の表面張力による駆動力が重力以上となるように第１連通溝を形成することで、毛細管現象を利用し、冷却媒体を外側流路からスロットへ供給することができる。
また、毛細管現象によりスロットへ供給される冷却媒体の量を調節することで、スロットからロータ側へ冷却媒体が漏出することを抑制することができる。したがって、ステータとロータとの間に冷却媒体が浸入することが抑制され、流体のせん断抵抗によるトルク損失を抑制することができる。

一般に、コイルと電磁鋼板との間には絶縁体が挿入されており、この絶縁体と電磁鋼板とが一部で接触している場合がある。この場合、接触箇所の軸方向の一方と他方との間の冷却媒体の流通が制限され、接触箇所の軸方向の一方または他方に空気層が形成されるおそれがある。そこで、請求項４に係る発明では、ステータのスロットを形成する電磁鋼板の内壁は、軸方向に延びる第２連通溝を有する。これにより、第２連通溝を冷却媒体が流れることで、絶縁体と電磁鋼板との間に冷却媒体を充満させることができる。

請求項５に係る発明によると、第２連通溝の内径は、ステータのスロットを形成する電磁鋼板の内壁の軸方向の側に形成された面取り部よりも小さい。これにより、電磁鋼板の面取り部と絶縁体との間に冷却媒体が保持される。したがって、ステータの冷却性能を高めることができる。

請求項６に係る発明によると、複数の電磁鋼板を積層して筒状に形成されるステータは、軸方向に延びる複数のティース及び隣り合うティースの間に形成される複数のスロットを有する。コイルはステータのスロット内に収容され、ティースに巻回される。ステータの径方向内側に回転可能に設けられるロータは、異種の磁極を周方向に交互に有する。冷却媒体供給手段は、ステータのスロットからコイルが軸方向に突出するコイルエンドに冷却媒体を供給する。ステータのスロットを形成する電磁鋼板の内壁は、軸方向に延びる第２連通溝を有する。これにより、冷却媒体供給手段によりコイルエンドに供給された冷却媒体は、第２連通溝を経由し、電磁鋼板と絶縁体との間に充満する。したがって、ステータの冷却性能を高めることができる。

本発明の第１実施形態による回転電機の断面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線の断面図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線の断面図である。 本発明の第１実施形態による回転電機の要部拡大図である。 本発明の第１実施形態による回転電機の要部拡大図である。 本発明の第１実施形態による回転電機の要部拡大図である。 本発明の第１実施形態による回転電機の第１連通溝の特性図である。 本発明の第１実施形態による回転電機の第１連通溝の特性図である。 本発明の第２実施形態による回転電機の要部拡大図である。 本発明の第２実施形態による回転電機の要部拡大図である。 本発明の第２実施形態による回転電機の要部拡大図である。 第１比較例の回転電機のステータの平面図である。 第１比較例の回転電機のステータの斜視図である。 第２比較例の回転電機の要部拡大図である。

以下、本発明による複数の実施形態を図面に基づいて説明する。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態による回転電機を図１〜図８に示す。本実施形態の回転電機１は、ブラシレスモータであり、図１及び図２に示すように、ステータ２、コイル３、ロータ４及びケース５等を備えている。
ステータ２は、複数の電磁鋼板２１を積層して筒状に形成されている。ステータ２は、軸方向に延びる複数のティース２２、及びこの複数のティース２２の間に形成されるスロット２３を有する。
コイル３は、各ティース２２に巻回され、スロット２３内に収容されている。なお、スロット２３の内壁とコイル３との間には、絶縁体３１が設けられている。絶縁体３１は、絶縁紙、絶縁シート又は樹脂等により構成される。
ステータ２の径方向外側の外壁とケース５の内壁とが嵌め合わされることで、ステータ２はケース５に固定される。

ロータ４は、ステータ２の径方向内側に回転可能に設けられている。ロータ４は、Ｓ極とＮ極とが周方向に交互に着磁されている。ロータ４の軸中心に形成された軸孔４１にシャフト４２が固定されている。シャフト４２の軸方向の両端はケース５に設けられた軸受５１に嵌合している。
この構成により、コイル３に通電されるとステータ２は回転磁界を形成し、ロータ４及びシャフト４２がステータ２及びケース５に対し正逆回転する。

ケース５には、冷却媒体供給手段としてのオイル供給口５２が設けられている。オイル供給口５２から供給される冷却媒体としてのオイルは、ステータ２のスロット２３からコイル３が軸方向に突出するコイルエンド３２に滴下される。なお、図１では、紙面上側を重力方向上側とし、紙面下側を重力方向下側とする。
コイルエンド３２に滴下されたオイルは、コイルエンド３２の表面を伝わり、電磁鋼板２１と絶縁体３１との隙間、又はコイル３と絶縁体３１との隙間に浸入する。また、オイルは、ケース５の内壁とステータ２の径方向外側の外壁との間に形成された微小隙間である外側流路５３を毛細管現象により浸入する。

電磁鋼板２１は、板厚方向に通じる孔２４を有している。この孔２４は、図３に示すように、それぞれの電磁鋼板２１の径方向に異なる位置に形成されている。電磁鋼板２１は、第１層目の電磁鋼板Ａから第５層目の電磁鋼板Ｅまでが一組となり、第１連通溝２５を形成する。つまり、複数の電磁鋼板２１が積層されることで、各電磁鋼板２１の孔２４が軸方向に連通し、外側流路５３とスロット２３とを連通する第１連通溝２５が形成される。

図４〜図６に示すように、外側流路５３を流れるオイルは、第１層目の電磁鋼板Ａに設けられた孔２４に浸入する。次に、このオイルは、毛細管現象により、第２層目の電磁鋼板Ｂに設けられた孔２４に浸入する。このようにしてオイルは、第１層目の電磁鋼板Ａから第５層目の電磁鋼板Ｅを順に進み、電磁鋼板２１と絶縁体３１との隙間に浸入する。図４〜図６では、オイルが各電磁鋼板の孔を順に浸入する様子を破線の矢印で示している。

第１連通溝２５は、オイルを毛細管現象によりスロット２３へ供給することの可能な大きさに形成されている。
ここで、電磁鋼板２１の板厚をｔ（ｍ）、電磁鋼板２１の孔２４の幅をａ（ｍ）、ステータ２のコアバック２８の長さ（第１連通溝２５の径方向の長さ）をｂ（ｍ）、オイルの表面張力をσ（Ｎ／ｍ）、電磁鋼板２１の孔２４の内壁とオイルとの接触角をθ、オイルの密度をρ（ｋｇ／ｍ³）、重力加速度をｇ（ｍ／ｓ²）とする。
ステータ２の第１連通溝２５は、下記の式を満たすように形成される。
２×（ａ＋ｔ）×σｃｏｓθ≧ａ×ｔ×ｂ×ρ×ｇ
なお、上記式の左辺はオイルの表面張力による駆動力Ｆσを示し、右辺はオイルの重力Ｆｇを示している。

電磁鋼板２１の板厚ｔとステータ２のコアバック２８の長さｂが設定された場合における孔２４の幅ａの設定可能な範囲を図７に示す。なお、ｔ＝０．４ｍｍ、ｂ＝１４ｍｍとする。
図７では、境界線Ｐよりも紙面左側で、重力Ｆｇが表面張力Ｆσよりも小さい。このため、孔２４の幅ａは、ａ₀以下に設定すればよい。

次に、孔２４の幅ａと電磁鋼板２１の板厚ｔが設定された場合におけるステータ２のコアバック２８の長さｂの設定可能な範囲を図８に示す。なお、ａ＝５ｍｍ、ｔ＝０．４ｍｍとする。
図８では、境界線Ｑよりも紙面左側で、重力Ｆｇが表面張力Ｆσよりも小さい。このため、ステータ２のコアバック２８の長さｂは、ｂ₀以下に設定すればよい。
これにより、重力方向下側にステータ２のコアバック２８があり、重力方向上側にスロット２３がある場合であっても、スロット２３にオイルを供給することができる。つまり、周方向の全てのスロット２３にオイルを供給することができる。

（第１比較例）
ここで、第１比較例の回転電機のステータを図１２及び図１３に示す。
比較例では、図１２に示すように、ステータ２００を構成する電磁鋼板２０１に径方向に延びる冷却油路２０２が形成されている。また、図１３に示すように、冷却油路２０２を形成した電磁鋼板２０１を各スロット２０３に対応させるため、それぞれの電磁鋼板２０１を周方向に位置決めして積層している。
このため、比較例では、電磁鋼板２０１が冷却油路２０２によって周方向に分断され、ステータ２００の強度が低下するおそれがある。また、全てのスロット２０３に対応して電磁鋼板２０１に冷却油路２０２を設けると、ステータ２００の強度が大幅に低下するおそれがある。さらに、電磁鋼板２０１を周方向に位置決めして積層しなければならないので、加工工数が増大することが懸念される。

（第１実施形態の効果）
第１実施形態では、複数の電磁鋼板２１に設けた孔２４を軸方向に連通し、外側流路５３とスロット２３とを連通する第１連通溝２５をステータ２に形成している。このため、外側流路５３を流れるオイルが第１連通溝２５を通りスロット２３に流入する。これにより、コイル３とステータ２との間の熱抵抗が小さくなり、コイル３の放熱性を向上することができる。このように、ステータ２の冷却性能を高めることで、ジュール熱によりコイル抵抗が大きくなることが抑制される。これにより、回転電機１の回転性能を向上することができる。また、コイル３の被膜の耐熱性超過による絶縁不良を抑制することができる。

さらに、第１実施形態では、複数の電磁鋼板２１に孔を設け、その電磁鋼板２１を一組として第１連通溝２５を形成する。このため、第１比較例のように、電磁鋼板が冷却油路によって周方向に分断されることが無い。したがって、ステータ２の強度的な信頼性を保つことができる。
また、第１実施形態では、第１連通溝２５を形成する一組の電磁鋼板２１には、ステータ２の全てのスロット２３に対応するように孔２４が設けられている。このため、電磁鋼板２１の周方向の位置決めをすること無く、一組の電磁鋼板２１により全てのスロット２３にオイルを供給することが可能である。このため、第１比較例のように、電磁鋼板を周方向に位置決めして積層する必要が無い。したがって、電磁鋼板２１を組付ける加工工数を低減することができる。

さらに、本実施形態では、ステータ２の第１連通溝２５は、毛細管現象を利用することで、重力方向下側の外側流路５３のオイルを重力方向上側のスロット２３へ供給することが可能である。これにより、回転電機１は、車両等に設置される向きに関わらず、全てのスロット２３にオイルを供給することができる。
また、毛細管現象によりスロット２３へ供給されるオイルの量を調節することで、スロット２３からロータ４側へオイルが漏出することを抑制することができる。したがって、ステータ２とロータ４との間にオイルが浸入することが抑制され、流体のせん断抵抗によるトルク損失を抑制することができる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態による回転電機を図９〜図１１に示す。
図９は、ステータ２及びコイル３の要部を拡大した平面図である。図１０は、ステータ２のスロット２３の内壁を形成する電磁鋼板２１の拡大図である。図１１は、ステータ２及びコイル３の要部を拡大した断面図である。
図９及び図１０に示すように、ステータ２のスロット２３の内壁を形成する電磁鋼板２１の内壁には、軸方向に延びる第２連通溝２６が形成されている。第２連通溝２６の内径は、電磁鋼板２１の軸方向の側に形成された面取り部２７よりも小さく形成されている。
第２連通溝２６は、例えば研磨などにより各電磁鋼板２１に形成される。なお、第２連通溝２６は、電磁鋼板２１を積層した後に形成しても良い。この場合、複数の電磁鋼板２１に形成される第２連通溝２６は、軸方向に直線状になる。

図１で示したオイル供給口５２から供給されるオイルは、コイルエンド３２に滴下され、コイルエンド３２の表面から電磁鋼板２１と絶縁体３１との隙間、又はコイル３と絶縁体３１との隙間に浸入する。このオイルは、第２連通溝２６を経由し、電磁鋼板２１と絶縁体３１との間に充満する。このとき、第２連通溝２６の内径は、電磁鋼板２１の面取り部２７よりも小さいので、電磁鋼板２１の面取り部２７と絶縁体３１との間にオイルが確実に保持される。

（第２比較例）
ここで、第２比較例の回転電機のステータ及びコイルの要部を拡大した断面図を図１４に示す。
比較例では、絶縁体３１と電磁鋼板Ｆの内壁とが接触している。このため、コイルエンド３２の表面から電磁鋼板２１と絶縁体との隙間に軸方向の一方から浸入したオイルは、接触箇所２１１で流通が制限される。これにより、接触箇所２１１の軸方向の他方に空気層２１２が形成される。したがって、コイル３と電磁鋼板２１との間の熱抵抗が大きくなり、コイル３の熱をステータ２に放熱することが困難になる。

（第２実施形態の効果）
第２実施形態では、絶縁体３１と電磁鋼板２１の内壁との接触箇所でオイルの流通が制限されることなく、電磁鋼板２１と絶縁体３１との間に充満する。したがって、ステータ２の冷却性能を高めることができる。
また、第２連通溝２６は、例えば研磨などにより形成することが可能であるので、ステータ２の製造コストを低減することができる。

（他の実施形態）
上述した実施形態では、回転電気としてブラシレスモータについて説明した。これに対し、本発明は、ブラシレスモータ以外の電動機、又は発電機としての回転電気に適用してもよい。
上述した実施形態では、第１層目の電磁鋼板Ａから第５層目の電磁鋼板Ｅまでの５枚が一組となって第１連通溝２５を形成した。これに対し、本発明は、２枚以上の電磁鋼板が一組となって第１連通溝を形成すればよい。また、第１連通溝を形成する電磁鋼板は一組以上あればよい。
このように、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、各実施形態を組み合わせることに加え、発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の形態で実施することができる。

１：回転電機、２：ステータ、３：コイル、４：ロータ、５：ケース、２１：電磁鋼板、２２：ティース、２３：スロット、２４：孔、２５：第１連通溝、２６：第２連通溝、５３：外側流路

Claims (6)

1. 複数のティース及び隣り合う前記ティースの間に形成される複数のスロットを有し、複数の電磁鋼板を積層して筒状に形成されるステータと、
   前記ステータの前記スロット内に収容され、前記ティースに巻回されるコイルと、
   前記ステータの径方向内側に回転可能に設けられ、異種の磁極を周方向に交互に有するロータと、
   前記ステータの径外側に冷却媒体の流れる外側流路を形成するケースと、を備え、
   複数の前記電磁鋼板は、それぞれ径方向に異なる位置に板厚方向に通じる孔を有し、
   前記ステータは、複数の前記電磁鋼板の前記孔を軸方向に連通することで、前記外側流路と前記スロットとを連通する第１連通溝を形成することを特徴とする回転電機。
2. 前記ステータの前記第１連通溝は、前記外側流路の冷却媒体を毛細管現象を利用して前記スロットへ供給することが可能な大きさに形成されていることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
3. 前記電磁鋼板の板厚をｔ（ｍ）、前記電磁鋼板の孔の幅をａ（ｍ）、前記ステータの前記第１連通溝の径方向の長さをｂ（ｍ）、冷却媒体の表面張力をσ（Ｎ／ｍ）、前記電磁鋼板の前記孔の内壁と冷却媒体との接触角をθ（°）、冷却媒体の密度をρ（ｋｇ／ｍ³）、重力加速度をｇ（ｍ／ｓ²）とすると、
   前記ステータの前記第１連通溝は、
   ２×（ａ＋ｔ）×σｃｏｓθ≧ａ×ｔ×ｂ×ρ×ｇ
   の関係を満たすように形成されることを特徴とする請求項１または２に記載の回転電機。
4. 前記ステータの前記スロットを形成する前記電磁鋼板の内壁は、軸方向に延びる第２連通溝を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の回転電機。
5. 前記第２連通溝の内径は、前記ステータの前記スロットを形成する前記電磁鋼板の内壁の軸方向の側に形成された面取り部よりも小さいことを特徴とする請求項４に記載の回転電機。
6. 複数のティース及び隣り合う前記ティースの間に形成される複数のスロットを有し、複数の電磁鋼板を積層して筒状に形成されるステータと、
   前記ステータの前記スロット内に収容され、前記ティースに巻回されるコイルと、
   前記ステータの径方向内側に回転可能に設けられ、異種の磁極を周方向に交互に有するロータと、
   前記ステータの前記スロットから軸方向に前記コイルが突出するコイルエンドに冷却媒体を供給する冷却媒体供給手段と、を備え、
   前記ステータの前記スロットを形成する前記電磁鋼板の内壁は、軸方向に延びる第２連通溝を有することを特徴とする回転電機。

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