JP2015033299A - ステータコイルの冷却構造及びステータコイルの冷却構造の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易かつコンパクトなステータコイルの冷却構造を提供する。
【解決手段】ステータコイルのコイルエンド３に装着された冷却カバー７の内側に冷媒を流す冷却通路１０を形成する。コイルエンド３を構成する線材３Ａの隙間に浸透して固化することで冷却通路１０を画成する膜壁８を備える。冷却カバー７の内側には外周壁７Ａと内周壁７Ｂと底面７Ｃと膜壁８により冷却通路１０が画成され、冷却カバー７の底面７Ｃには冷却通路１０に連通する冷媒給排用のポート９が形成される。電動モータ１の可動に伴うコイルの発熱がコイルエンド３と冷却通路１０の冷媒を介して外部に放出され、ステータコイルの冷却が図られる。
【選択図】図１

Description

この発明は、電動モータや発電機などの回転電機のステータコイルへの冷却通路の形成に関する。

電動モータや発電機などの回転電機のステータコイルは、円筒形状のステータコアの内周に開口したスロットにコイルを巻線することで構成される。コイルの屈曲部であるコイルエンドはステータコアの両端面から軸方向に突出する。回転電機の運転に伴うコイルの発熱を放散させるために、特許文献１は、コイルエンドを冷却ジャケットで覆い、冷却ジャケットの内側に冷媒を流す冷媒通路を設けることを提案している。

鋼板の積層体であるステータコアの端面には絶縁用のベースプレートが装着され、ステータコアの内周面にはスロットを閉塞するアダプタが装着される。冷却ジャケットはベースプレートとアダプタに密着することで冷媒通路を密閉する。

特開２００６−２７１１５０号公報

従来技術によるステータコイルの冷却構造は、冷媒通路を画成するためにベースプレートやアダプタなど様々な部品を必要とし、そのために部品の数が多くなりコストが高いという問題がある。これらの部品はステータコアのティースに巻線を行った後に装着されるため、装着作業中に巻線の絶縁皮膜を損傷するおそれもある。さらにベースプレートやアダプタなどの部品を装着するためのスペースも必要であり、ステーアコア、ひいては回転電機の大型化を招く要因となる。

この発明は、ステーアコアの冷却構造に関する従来技術のこうした問題点を解決すべくなされたもので、簡易かつコンパクトなステータコイルの冷却構造を提供することを目的とする。

以上の目的を達成するために、この発明はステータコイルのコイルエンドに装着された冷却カバーの内側に冷媒を流す冷却通路を形成したステータコイルの冷却構造を提供する。冷却構造はコイルエンドを構成する線材の隙間に浸透して固化することで冷却通路を画成する膜壁を備えている。

冷却通路は冷却カバーと冷却カバー内に設けた膜壁によって画成される。したがって、冷却通路を画成するための部品数が少なく、安価に製造することができる。また、冷却通路の画成部材のために冷却カバーにスペースを確保する必要もなく、冷却通路を備えたステータコアをコンパクトに構成できる。結果として、回転電機の製造コストを削減することができる。

この発明の実施形態による電動モータの縦断面図である。 この発明の実施形態による膜壁の要部斜視図である。 この発明の実施形態によるカバー内部への充填剤の注入工程を説明するステータコイル要部の縦断面図である。 この発明の実施形態による膜壁形成工程を説明するステータコイル要部の縦断面図である。 この発明の実施形態による充填剤の取り出し工程を説明するステータコイル要部の縦断面図である。 この発明の実施形態による冷却通路の利用形態を説明する電動モータの縦断面図である。 この発明の実施形態による冷却通路の別の利用形態を説明する電動モータの縦断面図である。 膜壁の形成位置に関するこの発明の別の実施形態を示すステータコイル要部の縦断面図である。 膜壁の支持に関するこの発明のさらに別の実施形態を示すステータコイル要部の縦断面図である。

以下に図面を参照して、この発明の実施形態を説明する。

回転電機としての電動モータ１は、ステータコア２にコイルを巻線したステータと、ステータの内側で回転するロータ４とを備える。ロータ４は回転軸５を備える。

ステータコア２は鋼板を軸方向に積層することで構成され、円筒形状をなす。ステータコア２の内周には軸方向のスロットが等しい角度間隔で形成される。これらのスロットにコイルが巻線される。巻線の屈曲部、すなわちコイルエンド３はステータコア２から軸方向両側にそれぞれ突出する。

コイルエンド３はリング状の略コの字形断面の冷却カバー７により覆われる。回転軸５はベアリング６を介して冷却カバー７に回転自由に支持される。冷却カバー７の内側には膜壁８が形成される。

図２を参照すると、膜壁８はエポキシ樹脂またはシリコン樹脂などの高分子材料で構成され、コイルエンド３のコイルの線材３Ａの間に浸潤し、固化することで膜壁８を構成する。膜壁８を形成する高分子材料は、冷却カバー７の壁面との密着性やコイルエンド３Ａに付着したワニスとの密着性に優れた材料を選ぶことが望ましい。

再び図１を参照すると、冷却カバー７は３つの壁面、すなわち外周壁７Ａと、内周壁７Ｂと、外周壁７Ａと内周壁７Ｂを接続する底面７Ｃとからなる。図に示すように、冷却カバーの内周壁７Ｂと外周壁７Ａとは、いずれもステータコア２の端面に達しておらず、内周壁７Ｂとステータコア２の端面との間、及び外周壁７Ａとステータコア２の端面との間には、それぞれリング状の隙間が形成される。一方、膜壁８は外周壁７Ａと内周壁７Ｂとの間にコイルエンド３を横断して設けられる。

その結果、冷却カバー７の内側には外周壁７Ａと内周壁７Ｂと底面７Ｃと膜壁８により冷却通路１０が画成される。冷却カバー７の底面７Ｃには冷却通路１０に連通する冷媒給排用のポート９が形成される。電動モータ１の稼動時には、冷却通路１０に冷媒が満たされる。これにより電動モータ１の可動に伴うコイルの発熱がコイルエンド３と冷却通路１０の冷媒を介して外部に放出され、ステータコイルの冷却が図られる。

以上のステータコイルの冷却構造は次に説明する製造プロセスにより製造される。

図３を参照すると、ポート９を閉じた状態で冷却カバー７の内側に液状の充填剤１１を注入する。充填剤１１は例えば加熱することで液化する蝋で構成される。充填剤１１の注入作業は次のように行なう。

すなわち、図１の左側の冷却カバー７の開口部が上向きとなるようにステータを支持しつつ行、冷却カバー７の外周壁７Ａとステータコア２の端面との隙間から液状の充填剤１１を冷却カバー７内に注入する。この作業は、ステータコア２の内側にロータ４が収装され、回転軸５はベアリング６を介して冷却カバー７に回転自由に支持された状態で行なわれる。

次に図４を参照すると、所定レベルまで充填剤１１を注入した後、注入した充填剤１１を固化させる。充填剤１１に蝋を用いる場合には、常温へと冷却される過程で充填剤１１が固化する。

充填剤１１が固化した状態で、冷却カバー７の外周壁７Ａとステータコア２の端面との隙間から、充填剤１１の表面を覆うようにエポキシ樹脂やシリコン樹脂などの高分子材料の液状樹脂を注入する。注入された樹脂は図２に示すようにコイルエンド３の線材３Ａの間に浸透し、冷却カバー７の外周壁７Ａと内周壁７Ｂの間に薄膜を形成する。樹脂にはあらかじめ硬化剤を混入しておく。注入後一定時間が経過すると、硬化剤の作用により、薄膜は外周を冷却カバー７の外周壁７Ａに接着し、内周を冷却カバー７の内周壁７Ｂに接着した膜壁８を形成する。

図５を参照すると、この状態で充填剤１１を冷却カバー７から取り出す。充填剤１１に蝋を用いる場合は、冷却カバー７を加熱して充填剤１１を再び液状化させ、ポート９から流出させる。充填剤１１のこの加熱に伴って膜壁８も加熱される。したがって、膜壁８を構成する高分子材料は、充填剤１１の融点を上回る耐熱温度を有する材料で構成する必要がある。

以上のプロセスで、充填剤１１を冷却カバー７から取り出した後は、冷却カバー７の内側に、コイルエンド３Ａを包含し、膜壁８により密閉された冷却通路１０が形成される。冷却カバー７のポート９を介して冷却通路１０に冷媒を充填することで、ステータコイルの冷却構造は完成する。

冷却通路１０に冷媒が充填された状態で、電動モータ１を運転すると、ステータコイルが発熱する。この発熱はステータコア２の両端から突出するコイルエンド３Ａから冷却通路１０の冷媒へと放出される。

この実施形態によれば、冷却カバー７の内側のコイルエンド３Ａを横断して外周壁７Ａと内周壁７Ｂとをつなぐ膜壁８を形成するのみで、冷却通路１０を形成することができる。したがって、冷却通路１０を画成するための部品数が少なく、ステータコイルの冷却を安価に実現することができる。また、冷却通路１０の画成部材のためのスペース確保も不要であり、冷却通路１０を備えたステータコイルをコンパクトに構成できる。結果として、電動モータ１の製造コストを削減することができる。

膜壁８を高分子材料で構成することにより、冷却通路１０は高い液密性を保つことができる。また、従来技術で用いられていた液密性確保のための数多くの部材を省略することかできる。したがって、この点においても、電動モータ１の製造コストの削減に好ましい効果をもたらす。

この実施形態に示された製造プロセスによれば、充填剤１１の上に高分子材料の薄膜を形成した後、薄膜の硬化を待って充填剤１１を取り除くことで、独立した膜壁８を形成する。したがって、冷却通路１０を画成する膜壁８の形成作業を単純化できるとともに、冷却通路１０の形成に際してコイルエンド３を損傷するおそれもない。したがって、電動モータ１の製造における生産性の向上に好ましい効果が得られる。

また、冷却カバー７に設けた冷媒給排用のポート９を用いて充填剤１１を取り出すので、冷却カバー７に専用の充填剤取り出し口を設ける必要がない。したがって、冷却カバー７の構成が複雑にならず、製造工程も簡素化できる。

冷却通路１０については、様々な利用形態が考えられる。

図６を参照すると、ここでは、冷却カバー７に流入ポート９Ａと流出ポート９Ｂからなる複数のポート９を形成し、流入ポート９Ａから冷媒を冷却通路１０に常時供給し、流出ポート９Ｂから冷媒を冷却通路１０の冷媒を常時排出する。排出した冷媒はラジエータなどの冷却メカニズムで冷却した後再び流入ポート９Ａに供給される。このように、ポート９を介して冷却通路１０に冷媒を循環させることで、電動モータ１の冷却効率を高めることができる。

図７を参照すると、ここでは、冷却通路１０に冷媒を充填した後、冷却カバー７のポート９をプラグ１３で塞いでいる。この場合には、冷媒は冷却通路１０内に常時留まることになる。この場合には冷媒を外部の冷却メカニズムとの間で循環させる場合と比べて冷却効率は低いものの、それなりの冷却効率を維持しつつ、電動モータ１の構成を単純化することができる。

なお、この実施形態では、膜壁８を冷却カバー７の外周壁７Ａと内周癖の間に形成している。しかしながら、膜壁８の形成位置はこれに限定されない。冷却カバー７の外周壁７Ａ、内周壁７Ｂ、及びこれらをつなぐ底面７Ｃという3個の壁面のうちの任意の2個の壁面を接続する形で膜壁８を形成することが可能である。このように、この発明はステータコイルの冷却構造の設計の自由度を高めるうえでも好ましい効果をもたらす。

図８を参照して、膜壁８の形成位置に関するこの発明の別の実施形態を説明する。

この実施形態では、冷却カバー７は外周壁７Ａと底面７Ｃのみで構成され、内周壁７Ｂは省略される。冷却カバー７の外周壁７Ａと底面７Ｃとの間に膜壁８が形成される。この場合には、冷却カバーの外周壁７Ａと、底面７Ｃと、膜壁８に囲まれた領域が冷却通路１０となる。この実施形態によれば、冷却通路１０の断面積は小さくなるものの、図１の実施形態と同様に最小限の部品数で冷却通路１０を画成でき、ステータコイルの冷却を安価に実現することができる。したがって、コンパクトで冷却性能に優れた電動モータ１を安価に製造することが可能となる。

図９を参照して、この発明のさらに別の実施形態を説明する。

この実施形態では、図１の実施形態と同様に、冷却カバー７の外周壁７Ａと内周壁７Ｂとの間に膜壁８を形成する。この実施形態ではさらに、冷却カバー７の外周壁７Ａと内周壁７Ｂの膜壁８の形成位置に予め溝１２を形成しておく。膜壁８の形成手順は図１の実施形態と同じである。すなわち、充填剤１１を冷却カバー７に注入し、固化させた後に、高分子材料を充填剤１１の上に注入し、コイルエンド３の線材３Ａの隙間に浸透させることで薄膜を形成する。

このとき、高分子材料が溝１２に侵入して固化することで、膜壁８は冷却カバー７の外周壁７Ａ及び内周壁７Ｂに対して強固に密着する。その結果、充填剤１１を取り除いた後の膜壁８の強度を向上させることができる。

以上のように、この発明をいくつかの特定の実施例を通じて説明して来たが、この発明は上記の各実施例に限定されるものではない。当業者にとっては、クレームの技術範囲でこれらの実施例にさまざまな修正あるいは変更を加えることが可能である。

以上のように、この発明をいくつかの特定の実施形態を通じて説明して来たが、この発明は上記の各実施形態に限定されるものではない。当業者にとっては、特許請求の範囲内でこれらの実施形態にさまざまな修正あるいは変更を加えることが可能である。

例えば、上記の各実施形態は電動モータを対象としているが、この発明は発電機にも適用可能である。

また、上記の各実施形態では、冷却カバー７への充填剤１１の充填を、冷却カバー７の外周壁７Ａとステータコア２の端面との隙間から行なっているが、冷却カバー７への充填剤１１の充填をポート９を介して行なうことも可能である。

１ 電動モータ
２ ステータコア
３ コイルエンド
３Ａ 線材
４ ロータ
５ 回転軸
６ ベアリング
７ 冷却カバー
７Ａ 外周壁
７Ｂ 内周壁
７Ｃ 底面
８ 膜壁
９ ポート
９Ａ 流入ポート
９Ｂ 流出ポート
１０ 冷却通路
１１ 充填剤
１２ 溝
１３ プラグ

Claims (6)

1. ステータコイルのコイルエンドに装着された冷却カバーの内側に冷媒を流す冷却通路を形成したステータコイルの冷却構造において、
   コイルエンドを構成する線材の隙間に浸透して固化することで前記冷却通路を画成する膜壁を備えたことを特徴とするステータコイルの冷却構造。
2. 冷却カバーは冷却通路を画成する複数の壁面を有し、膜壁は前記複数の壁面のうちの任意の２壁面間に形成される、ことを特徴とする請求項１のステータコイルの冷却構造。
3. 膜壁は高分子材料で構成される、ことを特徴とする請求項１または２のステータコイルの冷却構造。
4. 前記冷却カバーの内側の前記膜壁に対応する位置にあらかじめ溝を形成した、ことを特徴とする請求項１から３のいずれかのステータコイルの冷却構造。
5. ステータコイルのコイルエンドに装着された冷却カバーの内側に冷媒を流す冷却通路を形成したステータコイルの冷却構造の製造方法において、
   ステータコイルのコイルエンドに装着された冷却カバーの内側に充填剤を注入して固化させ、
   固化した充填剤の上に液状の樹脂を注入して膜状に拡散させ、
   樹脂の硬化後に、充填剤を取り出す、ことを特徴とするステータコイルの冷却構造の製造方法。
6. 前記冷却カバーは冷媒給排用のポートを備え、前記充填剤は冷媒給排用のポートから取り出される、ことを特徴とする請求項５のステータコイルの冷却構造の製造方法。

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