JP2014110716A - 電動機の固定子 - Google Patents

Abstract

【課題】カバーがハウジングに締まり嵌まらないようにする。
【解決手段】電動機の固定子（１００）は、コイル（１２）と、コイルを支持する固定子鉄心（１０）と、コイルのコイルエンド（１３ａ、１３ｂ）を包囲するように固定子鉄心に取付けられるカバー（２２ａ、２２ｂ）と、を具備し、カバーの外径は固定子鉄心の外径よりも少なくとも部分的に小さく、カバーの線膨張係数は固定子鉄心の線膨張係数よりも大きく、カバーが熱膨張されることにより、カバーは、固定子周りに配置されたハウジングに密着されるようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、電動機の固定子に関する。特に、本発明は、固定子鉄心の端面から突出するコイルエンドを被覆するカバーを備えた電動機の固定子に関する。

一般に、出力の高い電動機が求められている。しかしながら、電動機を高出力化すると、コイルから発生する熱を効率的に排出する必要がある。このため、従来、コイルから発生する熱を外部に効率的に排出することのできる種々の電動機が考案されている。

特許文献１、特許文献２および特許文献３には、電動機の固定子を筒体に挿入し、熱伝導性の高い絶縁性樹脂を固定子と筒体との間の隙間に充填することが開示されている。ところが、この場合には、固定子の外径が筒体の分だけ増加するので、筒体に挿入された固定子を既存のハウジングに配置できない可能性がある。

さらに、特許文献４には、二つのカバーがコイルエンドのそれぞれを包囲する構成が開示されている。この場合には、固定子の外径は変化しないので、前述した問題は生じない。また、カバーのみを準備すれば足りるので、筒体を用いる場合よりも安価で済む。

特許第3262716号公報 特開2008-178190号公報 特許第3775348号公報 特開2010-68699号公報

しかしながら、特許文献４においては、熱伝導性の高い材料でもってカバーを作成するので、カバーの温度が固定子鉄心に比べて上昇しやすいという問題がある。

また、固定子は、焼き嵌めによりハウジングに固定される場合が多い。従って、加熱されたハウジングに固定子を挿入する際などに、カバーが固定子鉄心よりも急速に加熱され、その結果、カバーが熱膨張してハウジングに締まり嵌まる場合がある。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、ハウジングに締まり嵌まることのないカバーを備えた電動機の固定子を提供することを目的とする。

前述した目的を達成するために１番目の発明によれば、コイルと、該コイルを支持する固定子鉄心と、該固定子鉄心の軸線方向端面から突出する前記コイルのコイルエンドを包囲するように前記固定子鉄心に取付けられるカバーと、を具備し、前記カバーの外径は前記固定子鉄心の外径よりも少なくとも部分的に小さく、前記カバーの線膨張係数は前記固定子鉄心の線膨張係数よりも大きく、前記カバーが熱膨張されることにより、前記カバーは、前記固定子周りに配置されたハウジングに密着されるようにした、電動機の固定子が提供される。
２番目の発明によれば、１番目の発明において、切欠部が前記カバーの末端の外側縁部に形成されている。
３番目の発明によれば、１番目の発明において、前記カバーの基端から末端まで延びる傾斜部が前記カバーの外面に形成されている。
４番目の発明によれば、１番目の発明において、湾曲部が前記カバーの末端の外側縁部に形成されている。
５番目の発明によれば、１番目の発明において、前記カバーの基端から末端まで延びる湾曲部が前記カバーの外面に形成されている。
６番目の発明によれば、１番目の発明において、前記カバーの外面には段部が形成されており、該段部の外径は、前記カバーの基端においては前記固定子鉄心の外径に等しくて前記カバーの末端においては前記固定子鉄心の外径よりも小さいようにした。
７番目の発明によれば、６番目の発明において、前記カバーの末端の外側縁部に切欠部または湾曲部が形成されている。

本発明においては、固定子をハウジングに挿入する際にカバーとハウジングとの間に微小な隙間を形成できる。従って、この隙間の存在によって、カバーの温度が上昇するのを抑えられる。このため、焼き嵌め途中でカバーがハウジングに締まり嵌まるのを防止することができる。

さらに、電動機の運転時にハウジングが或る温度に到達するとカバーが熱膨張し、カバーの外径が固定子鉄心の外径に等しくなる。このため、カバーがハウジングの内面に密着するようになり、熱伝導効率を高めることができる。

本発明に係る電動機の固定子の構成を示す断面図である。 図１に示されるコイルエンド部分の第一の拡大図である。 コイルエンド部分の第二の拡大図である。 コイルエンド部分の第三の拡大図である。 コイルエンド部分の第四の拡大図である。 コイルエンド部分の第五の拡大図である。 コイルエンド部分の第六の拡大図である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の図面において同様の部材には同様の参照符号が付けられている。理解を容易にするために、これら図面は縮尺を適宜変更している。
図１は、本発明に係る電動機の固定子の構成を示す断面図である。図１に示されるように、電動機の固定子１００は、固定子鉄心１０、コイル１２、モールド樹脂１４、およびエンドカバー２２ａ、２２ｂを備えている。また、固定子１００は、ハウジング１１０内に焼き嵌めなどにより配置される。

固定子鉄心１０は、円筒状の鉄心であり、輪状の磁性鋼板を積層することにより製造されている。固定子鉄心１０の内部には中空孔１１が形成されている。この中空孔１１にはモールド樹脂１４（樹脂充填材）を注入する際に使用する治具または電動機の回転子（図示しない）が挿入される。

固定子鉄心１０はコイル１２を支持しており、コイル１２の端部であるコイルエンド部分１３ａ、１３ｂは、固定子鉄心１０の軸線方向の端面から外側に突出している。また、図１に示されるようにコイルエンド部分１３ａの端部からは、コイル１２に電源を供給するためのリード線１８が外部に導出されている。

本実施形態のエンドカバー２２ａ、２２ｂは略円筒状の部材であり、伝熱性の高い材料、例えば樹脂により形成されている。図１に示されるように、エンドカバー２２ａ、２２ｂはコイルエンド部分１３ａ、１３ｂのそれぞれを周方向に被覆するように固定子鉄心１０に取付けられている。また、図１から分かるように、エンドカバー２２ａ、２２ｂの最大外径Ｈ０は、固定子鉄心１０の外径Ｗ０に等しい。

モールド樹脂１４は、コイルエンド部分１３ａ、１３ｂとエンドカバー２２ａ、２２ｂとの間の空間に注入され充填され、固化されたものである。モールド樹脂１４とエンドカバー２２ａ、２２ｂとは、モールド樹脂１４の外周面において密着している。そのため、コイルエンド部分１３ａ、１３ｂから発生した熱は、モールド樹脂１４およびエンドカバー２２ａ、２２ｂを介して外部のハウジング１１０に排熱される。

図２Ａは、コイルエンド部分の第一の拡大図である。図２Ａにおいては、一方のコイルエンド部分１３ａが示されているが、他方のコイルエンド部分１３ｂも同様であるものとする。さらに、簡潔にする目的で、図２Ａにおいてはハウジング１１０の図示を省略している。これらのことは、後述する図２Ｂ〜図４Ｂについても同様である。

図２Ａに示されるように、エンドカバー２２ａの外側縁部には切欠部４１が形成されている。従って、エンドカバー２２ａ、２２ｂの末端におけるエンドカバー２２ａ、２２ｂの末端外径Ｈ１は、固定子鉄心１０の外径Ｗ１よりも小さい。切欠部４１が形成されていないエンドカバー２２ａ、２２ｂの残りの部分においては、エンドカバー２２ａ、２２ｂの最大外径Ｈ０は、固定子鉄心１０の外径Ｗ０に等しい。

このような構成においては、固定子１００をハウジング１１０に配置する際に、エンドカバー２２ａ、２２ｂの末端とハウジングとの間に微小な隙間が形成される。また、固定子１００は、通常、焼き嵌めによりハウジング１１０に固定される。本発明においては、焼き嵌めにより固定子１００をハウジング１１０に固定する場合であっても、微小な隙間が存在するので、エンドカバー２２ａ、２２ｂの温度が急激に上昇するのを抑えることができる。このため、焼き嵌め途中でカバーがハウジングに締まり嵌まってしまうのを防止することが可能となる。

また、電動機の運転時にハウジングが或る温度に到達するとエンドカバー２２ａ、２２ｂが熱膨張し、エンドカバー２２ａ、２２ｂの末端における末端外径Ｈ１が固定子鉄心の外径Ｗ０に等しくなる。このため、エンドカバー２２ａ、２２ｂの末端近傍の外周面もハウジングの内面に密着するようになる。従って、電動機の運転時には、発熱体としてのエンドカバー２２ａ、２２ｂが、熱除去部としてのハウジング１１０に密着するようになる。このため、電動機の運転時に、エンドカバー２２ａ、２２ｂからの熱をハウジング１１０に効率的に伝えられる。すなわち、本発明においては、エンドカバー２２ａ、２２ｂの全体に亙ってエンドカバー２２ａ、２２ｂの外径と固定子鉄心１０との外径とが等しい従来技術の固定子１００と同様な熱除去効果を得ることができる。

ところで、エンドカバー２２ａ、２２ｂの末端外径Ｈ１は以下の式（１）により定められる。
Ｈ１＝Ｗ０×｛１＋σ０（ＴーＴｒ）｝／｛１＋σ１（ＴーＴｒ）｝ （１）
式（１）において、σ０は固定子鉄心１０の材料の線膨張係数（１／℃）であり、σ１はエンドカバー２２ａ、２２ｂの材料の線膨張係数（１／℃）であり、Ｔはエンドカバー２２ａ、２２ｂの末端が熱膨張してハウジング１１０に密着するときのハウジング１１０の温度（℃）、Ｔｒは室温（℃）である。

線膨張係数σ０、σ１は使用される材料に応じて定まる。従って、本発明においては、固定子１００が配置されるハウジング１１０とエンドカバー２２ａ、２２ｂとが密着する温度を決定すれば、末端外径Ｈ１を算出することができる。この温度Ｔは、線膨張係数σ０、σ１を考慮して実験などにより予め求められる。

図２Ａに示される一つの実施形態においては、固定子鉄心１０を形成する電磁鋼板の線膨張係数σ０は約１１．２ｘ１０−６［１／℃］、その外径はＷ０＝約φ１８０．０［ｍｍ］である。エンドカバー２２ａ、２２ｂは例えばアルミニウム合金から形成され、その線膨張係数σ１は２３ｘ１０−６［１／℃］である。さらに、非運転時の筐体温度Ｔｒを２５℃とし、エンドカバー２２ａ、２２ｂの末端がハウジング１１０に密着するときの温度ＴをＴ＝５０［℃］に設定する。このような場合には、式（１）より、エンドカバー２２ａ、２２ｂの末端外径はＨ１＝１７９．９４７［ｍｍ］であると算出される。式（１）を利用することにより、エンドカバー２２ａ、２２ｂの末端外径Ｈ１を容易に求められ、従って、適切な形状のエンドカバー２２ａ、２２ｂを作成することができる。

また、エンドカバー２２ａ、２２ｂおよびモールド樹脂１４が膨張・収縮する際に固定子１００のコイル１２に掛かる応力を緩和するために、エンドカバー２２ａ、２２ｂおよびモールド樹脂１４は線膨張係数が互いに近いのが望ましい。また、同様な理由により、エンドカバー２２ａ、２２ｂおよびモールド樹脂１４の線膨張係数は、固定子鉄心１０の材料の線膨張係数およびハウジングの線膨張係数よりも大きいことが要求される。

図２Ｂはコイルエンド部分の第二の拡大図である。図２Ｂにおいては、エンドカバー２２ａ、２２ｂの基端から末端まで延びる傾斜部４２がエンドカバー２２ａ、２２ｂの外周面に形成されている。図２Ｂから分かるように、傾斜部４２は基端から末端に向かって先細になるように形成されている。また、傾斜部４２の末端でもあるエンドカバー２２ａ、２２ｂの末端の外径が前述した末端外径Ｈ１と同じになるように傾斜部４２が形成される。この場合には、図２Ａに示される切欠部４１と比較して、傾斜部４２を容易に形成することができる。

図３Ａはコイルエンド部分の第三の拡大図である。図３Ａにおいては、エンドカバー２２ａ、２２ｂの末端の外側縁部に湾曲部４３が形成されている。図３Ａから分かるように、湾曲部４３はエンドカバー２２ａ、２２ｂの末端に向かって先細になるように形成されている。また、湾曲部４３の末端でもあるエンドカバー２２ａ、２２ｂの末端の外径が前述した末端外径Ｈ１と同じになるように湾曲部４３が形成される。なお、コイルエンド部分の第四の拡大図である図３Ｂに示されるように、湾曲部４４がエンドカバー２２ａ、２２ｂの基端から末端まで延びるよう形成されていてもよい。図３Ａに示される湾曲部４３と比較して、湾曲部４４を容易に形成できるのが分かるであろう。

図４Ａはコイルエンド部分の第五の拡大図である。図４Ａにおいては、エンドカバー２２ａ、２２ｂの基端近傍における外周面に段部４５が形成されている。図４Ａから分かるように、エンドカバー２２ａ、２２ｂの基端における段部４５の外径Ｈ０は固定子鉄心１０の外径Ｗ０に等しい。そして、エンドカバー２２ａ、２２ｂの末端における段部４５の外径は固定子鉄心１０の外径Ｗ０よりも小さく、前述した末端外径Ｈ１に等しい。

さらに、図４Ｂはコイルエンド部分の第六の拡大図である。図４Ｂに示されるエンドカバー２２ａ、２２ｂには、前述したのと同様な段部４５が形成されている。そして、エンドカバー２２ａ、２２ｂの末端の外側縁部には湾曲部４６が形成されている。この湾曲部４６は、前述した湾曲部４３と異なり、湾曲部４６の末端における外径が前述した末端外径Ｈ１よりも小さい。なお、湾曲部４６の代わりに、切欠部（図示しない）を形成するようにしてもよい。さらに、図面には示さないものの、図４Ａにおいて外径が末端外径Ｈ１に相当するエンドカバー２２ａ、２２ｂの領域Ｌ全体に亙って、傾斜部または湾曲部が形成されていてもよい。

このように図２Ｂ〜図４Ｂに示される実施形態においても、図２Ａを参照して説明したのと同様な効果が得られるのが分かるであろう。なお、基端の外径が固定子鉄心１０の外径Ｗ０に等しくて末端の外径が末端外径Ｈ１に対応するあらゆる形状のエンドカバー２２ａ、２２ｂは本発明の範囲に含まれるものとする。

１０ 固定子鉄心
１１ 中空孔
１２ コイル
１３ａ、１３ｂ コイルエンド部分（コイルエンド）
１４ モールド樹脂
１８ リード線
２２ａ、２２ｂ エンドカバー（カバー）
４１ 切欠部
４２ 傾斜部
４３ 湾曲部
４４ 湾曲部
４５ 段部
４６ 湾曲部
１００ 固定子
１１０ ハウジング

Claims (7)

1. コイルと、
   該コイルを支持する固定子鉄心と、
   該固定子鉄心の軸線方向端面から突出する前記コイルのコイルエンドを包囲するように前記固定子鉄心に取付けられるカバーと、を具備し、
   前記カバーの外径は前記固定子鉄心の外径よりも少なくとも部分的に小さく、
   前記カバーの線膨張係数は前記固定子鉄心の線膨張係数よりも大きく、
   前記カバーが熱膨張されることにより、前記カバーは、前記固定子周りに配置されたハウジングに密着されるようにした、電動機の固定子。
2. 切欠部が前記カバーの末端の外側縁部に形成されている、請求項１に記載の固定子。
3. 前記カバーの基端から末端まで延びる傾斜部が前記カバーの外面に形成されている、請求項１に記載の固定子。
4. 湾曲部が前記カバーの末端の外側縁部に形成されている、請求項１に記載の固定子。
5. 前記カバーの基端から末端まで延びる湾曲部が前記カバーの外面に形成されている、請求項１に記載の固定子。
6. 前記カバーの外面には段部が形成されており、該段部の外径は、前記カバーの基端においては前記固定子鉄心の外径に等しくて前記カバーの末端においては前記固定子鉄心の外径よりも小さいようにした、請求項１に記載の固定子。
7. 前記カバーの末端の外側縁部に切欠部または湾曲部が形成されている、請求項６に記載の固定子。

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