JP2017046455A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】この電動機は、大型化せず、部品点数も少なく、しかも簡単な作業で固定子を冷却することができる。【解決手段】この電動機は、固定子コイル２２の内径側に、コイルエンドの内径側を囲った可撓性を有するリング状のシール部材３４が設けられ、ハウジングの上部からハウジングの内部に流入した冷却油は、シール部材３４、コイルエンドカバー３２，３３及びコイルエンドにより形成されたコイルエンド油路３７，３８を流下するようになっている。【選択図】図１

Description

この発明は、ハウジング内を流下する冷却媒体を用いて固定子が冷却される回転電機に関する。

従来、環状のステータコアと、前記ステータコアの外周面側に配設される環状の外側カバーと、前記ステータコアの内周面側に配設される環状の内側カバーと、前記ステータコアの中心軸線方向における一端部側において前記外側カバーと前記内側カバーとによる開放部を塞ぐ、環状の第１コイルエンドカバーと、前記ステータコアの中心軸線方向における他端部側において前記外側カバーと前記内側カバーとによる開放部を塞ぐ、環状の第２コイルエンドカバーと、を備え、上記外側カバー、上記内側カバー、上記第１コイルエンドカバー及び上記第２コイルエンドカバーにより冷却ジャケットが構成されたステータが知られている（例えば、特許文献１）。

特許第５３２０１１８号公報

上記ステータでは、冷却ジャケットを配置するためのスペースが必要となり、ステータが大型化するとともに、冷却ジャケットを構成する多数の部材点数を必要とし、さらにはステータに冷却ジャケットを組み付ける、面倒な作業を伴うという問題点があった。

この発明は、かかる問題点を解決することを課題とするものであって、大型化せず、部品点数も少なく、しかも簡単な作業で固定子の冷却を可能にする回転電機を提供するものである。

この発明に係る回転電機は、
ハウジングと、
このハウジングを貫通したシャフトと、
前記ハウジングの内部に収納され前記シャフトに固定された回転子と、
前記ハウジングに固定され、前記回転子の外周面を囲い、環状の固定子鉄心及びこの固定子鉄心にコイルボビンを介して巻装された固定子コイルを有する固定子と、を備え、
前記固定子コイルは、前記固定子鉄心の両側端面から前記シャフトの軸線方向に沿って突出したコイルエンドを有する回転電機であって、
前記コイルエンドの全周にわたって前記軸線方向において対向してコイルエンドカバーが設けられ、
前記固定子コイルの内径側には、前記コイルエンドの内径側を囲った可撓性を有するリング状のシール部材が設けられ、
前記ハウジングの上部から前記ハウジングの内部に流入した冷却媒体は、前記シール部材、前記コイルエンドカバー及び前記コイルエンドにより形成されたコイルエンド冷媒流路を流下するようになっている。

この発明に係る回転電機によれば、固定子コイルの内径側に、コイルエンドの内径側を囲った可撓性を有するリング状のシール部材を設け、このシール部材、コイルエンドカバー及びコイルエンドにより形成されたコイルエンド冷媒流路を冷却媒体が流下するようになっているので、大型化せず、部品点数も少なく、しかも簡単な作業で固定子を冷却することができる。

この発明の実施の形態１の電動機を示す概略正断面図である。 図１の固定子の要部を示す部分斜視図である。 図１のコイルエンド油路内の冷却油の流れを示す図である。 図１のシール部材を展開したときを示す展開図である。 この発明の実施の形態２のシール部材の構成要素であるシール部材片を示す正面図である。 図５のシール部材片が固定子に組み付けられる様子を示す図である。 隣接したシール部材片同士の配置関係を示した図である。

以下、この発明の各実施の形態の電動機について図に基づいて説明するが、各図において同一、または相当部材、部位については、同一符号を付して説明する。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１の電動機を示す概略正断面図、図２は図１の固定子２の要部を示す部分斜視図である。
回転電機であるこの電動機は、インナーロータ型三相ブラシレス電動機であり、回転子１と、この回転子１との間に一定の空隙を介して回転子１の外周を囲って設けられた固定子２と、この固定子２の周側面を囲って固定子２を固定したアルミニウム製のセンターフレーム３と、このセンターフレーム３と同軸線であって負荷側に設けられたフロントフレーム４と、センターフレーム３と同軸線であって反負荷側に設けられたリアフレーム５と、を備えている。
なお、フロントフレーム４、センターフレーム３及びリアフレーム５によりハウジングを構成している。
フロントフレーム４の中心部では、負荷側軸受６が保持されており、リアフレーム５の中心部では、反負荷側軸受７が保持されている。負荷側軸受６及び反負荷側軸受７は、フロントフレーム４及びリアフレーム５の中心軸線上に延びて配置されたシャフト８を回転自在に支持している。

回転子１は、シャフト８に嵌着され回転子１の軸線方向に積層された薄板鋼板で構成された回転子鉄心９と、この回転子鉄心９に周方向において間隔をおいてそれぞれ軸線方向に延びて形成された磁石収納孔に収納された永久磁石１０と、回転子鉄心９の負荷側端面に設けられ、反負荷側端面に設けられた反負荷側端板１２と協同して永久磁石１０の脱落を防止する負荷側端板１１と、回転子鉄心９の負荷側の内径部に設けられ回転子鉄心９をシャフト８に固定した固定部材１３と、有している。

固定子２は、円環状の固定子鉄心２１と、この固定子鉄心２１にコイルボビン２５を介して巻装された固定子コイル２２と、を有している。
固定子鉄心２１は、３ｎ個（ｎは整数）の分割固定子鉄心２３が環状に配列され、分割固定子鉄心２３同士は、鉄製の円筒形状であって鉄製のフレーム２４による焼きばめで互いに締結されている。
分割固定子鉄心２３は、固定子２の軸線方向に積層された薄板鋼板で構成されており、円弧状のバックヨーク部２６と、バックヨーク部２６の内周面において周方向の中心部から固定子鉄心２１の中心軸線に向け径方向の内側に突出したティース（図示せず）と、を有している。
コイルボビン２５は、複数の分割コイルボビン２０で構成され、各分割コイルボビン２０は、ティースを取り囲む筒状部（図示せず）と、筒状部のバックヨーク部２６側の端部から外側に突出した第１のフランジ２７と、筒状部のバックヨーク部２６側と反対側の端部から外側に突出した第２のフランジ２８とから構成されている。
固定子コイル２２は、Ｕ相に対応する複数のＵ相コイル部１５と、Ｖ相に対応する複数のＶ相コイル部１６と、Ｗ相に対応する複数のＷ相コイル部１７とから構成されている。
これら分割固定子コイルである、各Ｕ相コイル部１５、各Ｖ相コイル部１６、各Ｗ相コイル部１７は、ティースに分割コイルボビン２０を介してエナメル線である導線を集中巻きで巻回されて構成されている。
固定子鉄心２１の反負荷側端面の外径側には、全周にわたって延びたバスバーホルダ２９が設けられている。このバスバーホルダ２９内には、各相コイル部１５，１６，１７に給電する各バスバー３０を収納されている。

固定子鉄心２１の両側端面からシャフト８の軸線方向に突出した固定子コイル２２のコイルエンドは、複数のコイルエンド部である分割コイルエンド３１で構成されている。
各分割コイルエンド３１は、各相コイル部１５，１６，１７の各コイルエンド部である。
各分割コイルエンド３１の上記軸線方向のフロントフレーム４側及びリアフレーム５側には、それぞれ第１のコイルエンドカバー３２及び第２のコイルエンドカバー３３が各分割コイルエンド３１に対向して設けられている。
第１のコイルエンドカバー３２及び第２のコイルエンドカバー３３は、図３に示すように中心部に円孔が形成された円板であって、内径側に内側に折曲された端部を有している。

図４は、固定子コイル２２の内径側に配設されたリング状のシール部材３４を示す展開図である。
この可撓性であって絶縁紙からなるシール部材３４は、帯状の基部３６と、この基部３６に等分間隔で形成され根元部が円弧状の突出部３５とから構成されており、リング状のシール部材３４は、下部に欠落した欠落部３９を有している。
このシール部材３４は、フロントフレーム４側では、基部３６の一部が、分割コイルボビン２０の第２のフランジ２８と、分割固定子コイルである、各Ｕ相コイル部１５、各Ｖ相コイル部１６、各Ｗ相コイル部１７のそれぞれの内径側との間に挟まれている。また、シール部材３４の各突出部３５は、隣接した分割コイルエンド３１間の隙間に突入している。
そして、シール部材３４の基部３６、分割コイルエンド３１及び第１のコイルエンドカバー３２により第１のコイルエンド冷媒流路である第１のコイルエンド油路３７が形成されている。
同様に、このシール部材３４は、リニアフレーム５側では、基部３６の一部が、分割コイルボビン２０の第２のフランジ２８と、分割固定子コイルである、各Ｕ相コイル部１５、各Ｖ相コイル部１６、各Ｗ相コイル部１７のそれぞれの内径側との間に挟まれている。また、シール部材３４の各突出部３５は、隣接した分割コイルエンド３１間の隙間に突入している。
そして、シール部材３４の基部３６、分割コイルエンド３１及び第２のコイルエンドカバー３３により第２のコイルエンド冷媒流路である第２のコイルエンド油路３８が形成されている。

フロントフレーム４には、シャフト８の軸線に沿って視たときにＶ字状の一対の第１のコイル噴射孔４０が切欠き部３９の直上に形成されている。それぞれの第１のコイル噴射孔４０は、第１のコイルエンド油路３７の内部に指向している。
また、フロントフレーム４には、第１のコイル噴射孔４０のシャフト８の軸線方向の外側に、第１の軸受噴射孔４１が負荷側軸受６に指向して形成されている。
リニアフレーム５には、シャフト８の軸線に沿って視たときにＶ字状の一対の第２のコイル噴射孔４２が切欠き部３９の直上に形成されている。それぞれの第２のコイル噴射孔４２は、第２のコイルエンド油路３８の内部に指向している。
また、リニアフレーム５には、第２のコイル噴射孔４２のシャフト８の軸線方向の外側に、第２の軸受噴射孔４３が反負荷側軸受７に指向して形成されている。
センターフレーム３は、最上部に径方向に膨大して膨大部が形成されており、この膨大部の内部に、軸線方向に延びた油路４４が形成されている。
この油路４４は、第１のコイル噴射孔４０、第１の軸受噴射孔４１、第２のコイル噴射孔４２及び第２の軸受噴射孔４３にそれぞれ連通している。

上記構成の電動機では、ポンプ４６により圧送された冷却媒体である冷却油は、油路入口部４５からセンターフレーム３の内部の油路４４に流入し、フロントフレーム４側では、図１の矢印Ａに示すように、第１のコイル噴射孔４０から第１のコイルエンド油路３７内に向けて噴射される。
また、同時に、冷却油は、リアフレーム５側では、図１の矢印Ｂに示すように、第２のコイル噴射孔４２から第２のコイルエンド油路３８内に噴射される。
その後、図３の矢印Ｅに示すように、２方向に分かれた第１のコイルエンド油路３７及び第２のコイルエンド油路３８内の冷却油は、コイルエンド部である各分割コイルエンド３１を冷却しながら重力により矢印Ｆに示すように流下し、最終的には、第１のコイルエンド油路３７及び第２のコイルエンド油路３８の下側の下部空間を経由してハウジングの外部に排出される。

また、第１のコイルエンド油路３７及び第２のコイルエンド油路３８内の冷却油は、シール部材３４と、第１のコイルエンドカバー３２及び第２のコイルエンドカバー３３との間等からシール部材３４の内径側に漏れた場合には、そのまま図３の矢印Ｇに示すように、欠落部３９を通じて、第１のコイルエンド油路３７及び第２のコイルエンド油路３８からの冷却油と合流し、そのままハウジングの外部に排出される。

また、フロントフレーム４側では、冷却油は、図１の矢印Ｂに示すように、第１の軸受噴射孔４１から負荷側軸受６に向けて噴射される。
また、同時にリアフレーム５側では、冷却油は、図１の矢印Ｄに示すように、第２の軸受噴射孔４３から反負荷側軸受７に向けて噴射される。
この結果、冷却油は、負荷側軸受６及び反負荷側軸受７を冷却し、また潤滑する。

この実施の形態による電動機によれば、第１のコイルエンド油路３７、第２のコイルエンド油路３８を形成するに際して、各分割コイルエンド３１の内径側を可撓性を有するシール部材３４でリング状に囲っているので、各分割コイルエンド３１等の寸法バラツキを吸収して第１のコイルエンド油路３７、第２のコイルエンド油路３８を、大型化することなく簡単に形成することができる。
また、シール部材３４は、絶縁紙で薄肉であり、固定子コイル２２の占積率の低下を抑制することができる。
また、シール部材３４は、基部３６と、この基部３６に等分間隔で形成され根元部が円弧状の突出部３５とから構成され、展開したときに帯状の平板であり、例えば打ち抜き加工で簡単に形成される。
また、第１のコイルエンド油路３７内に流入する冷却油は、Ｖの字状に配置された、第１のコイル噴射孔４０により、異なる２方向に分流されており、第１のコイルエンドカバー３２に噴射衝突するも、その跳ね返りによる第１のコイルエンド油路３７からの冷却油のこぼれが抑制される。
同様に、第２のコイルエンド油路３８内に流入する冷却油も、Ｖの字状に配置された、第２のコイル噴射孔４２により、異なる２方向に分流されており、第２のコイルエンドカバー３３に噴射衝突するも、その跳ね返りによる第２のコイルエンド油路３８からの冷却油のこぼれも抑制される。

また、シール部材３４は、基部３６の一部が各分割コイルエンド３１と各分割コイルボビン２０の第２のフランジ２８との間に挟持されており、第１のコイルエンド油路３７及び第２のコイルエンド油路３８のそれぞれの内径側が分割コイルエンド３１に接している。
従って、冷却油量が少ない場合でも、第１のコイルエンド油路３７、第２のコイルエンド油路３８内の冷却油は、リング状のシール部材３４の外周面、即ち第１のコイルエンド油路３７、第２のコイルエンド油路３８の内径側を流下し、シール部材３４に当接した分割コイルエンド３１に衝突し、各分割コイルエンド３１を確実に冷却することができる。
また、固定子コイル２２の構成要素である各導線同士は、ワニスで固定されるが、このワニスをそのまま用いてシール部材３４を分割コイルエンド３１に固定することができるので、シール部材３４を固定するための新たな構造を設けることなしにシール部材３４を分割コイルエンド３１に固定することができる。

また、シール部材３４は、絶縁紙で構成されているので、シール部材３４が損傷した場合でも電気系統に影響を与えない。また、シール部材３４を各分割コイルエンド３１と各分割コイルボビン２０との間に挟持しても固定子コイル２２の絶縁に与える影響を少なく抑えることができる。

また、シール部材３４は、隣接した分割コイルエンド３１間の空隙に突入する複数の突出部３５が間隔をおいて複数形成されているので、上記空隙は突出部３５で塞がれ、第１のコイルエンド油路３７及び第２のコイルエンド油路３８での冷却油に対するシール性が確保され、分割コイルエンド３１の冷却性能が確保される。

また、シール部材３４は、第１のコイル噴射孔４０、第２のコイル噴射孔４２の直下に、シール部材３４の内側からの冷却油が流下する欠落部３９が形成されているので、第１のコイルエンド油路３７及び第２のコイルエンド油路３８から漏れ出た冷却油は、欠落部３９を通じて第１のコイルエンド油路３７及び第２のコイルエンド油路３８を流下した冷却油と合流し、そのままハウジングの外部に排出される。
従って、ハウジングの外部に排出された冷却油は、再びポンプ４６によりハウジングの内部に供給され、各分割コイルエンド３１の冷却に供される。
また、欠落部３９を有しない完全円形のシール部材の場合には、第１のコイルエンド油路３７及び第２のコイルエンド油路３８から漏れ出た冷却油が固定子２と回転子１との間のエアギャップに達する水位まで貯留した場合には、回転子１の回転負荷を増大させることになるが、シール部材３４に欠落部３９を形成することで、このような事態を防止することができる。

また、シール部材３４は、単一部材であるので、第１のコイルエンド油路３７及び第２のコイルエンド油路３８のシール性が確保され、さらに部品点数が削減されることによって、製品の低コスト化、生産性向上が可能となる。

なお、上記の実施の形態１では、リング状のシール部材３４の各突出部３５の周方向の寸法は均一であるが、各突出部３５の周方向の寸法を冷却油の下流側が上流側と比較して小さくすることで、冷却油の流速が高く、冷却油が漏れ易い上流側では、隣接した分割コイルエンド３１間の空隙に配置された突出部３５での隙間を小さくしつつ、冷却油の流速が低く、冷却油が漏れ難い下流側では空隙に配置された突出部３５での隙間を大きくすることで、冷却油の漏れを最小限に抑えながら、固定子２に対するシール部材３４の組み付け性の向上が図れる

実施の形態２．
図５は、この発明の実施の形態２の電動機のシール部材片５０を示す正面図、図６は、図５のシール部材片５０が固定子２に組み付けられる様子を示す、固定子２の要部斜視図である。
この実施の形態では、シール部材３４Ａは、基部５１と、基部５１の両端部に形成された突出片部５２とからなるシール部材片５０を複数用いて構成される。
即ち、シール部材３４Ａは、隣接した分割コイルエンド３１間の空隙に突入する突出片部５２同士を重ねてリング状形成されている。
また、シール部材片５０は、図７に示すように、シール部材３４Ａの中心を通る鉛直線に近い方のものが、遠い方のものよりも上側に配置されている。
また、このシール部材３４Ａも、実施の形態１のシール部材３４と同様に、欠落部３９を有する。
他の構成は、実施の形態１の電動機と同じである。

この実施の形態では、固定子鉄心２１をフレーム２４に圧入する際に、個々のシール部材片５０の基部５１の一部を、分割コイルボビン２０の第２のフランジ２８と、分割固定子コイルである、各Ｕ相コイル部１５、各Ｖ相コイル部１６、各Ｗ相コイル部１７との間に挿入して、個々のシール部材片５０を固定子コイル２２に取付ける。
この際、軸線方向の高さが異なる分割固定子鉄心２３に各相コイル部１５，１６，１７が巻装されてなる各分割固定子に、シール部材片５０を取付けた場合には、個々のシール部材片５０の軸線方向の高さ位置にバラツキが生じる。
しかしながら、シール部材片５０は、可撓性を有しているので、第１のコイルエンドカバー３２、第２のコイルエンドカバー３３に撓んで当接するので、各分割固定子の軸線方向の寸法バラツキは吸収される。

また、シール部材片５０は、シール部材３４Ａの中心を通る鉛直線に近い方のものが、遠い方のものよりも上側に配置されているので、隣接したシール部材片５０間からの冷却油の漏れを抑制することができる。

なお、実施の形態２では、一つの分割固定子に対して一つのシール部材片５０で対応していたが、一つのシール部材片５０で複数個の分割固定子を賄ってもよい。

なお、上記各実施の形態では、固定子２は、複数の分割固定子鉄心２３と、この各分割固定子鉄心２３に分割コイルボビン２０を介して巻装された複数の分割固定子コイルである、Ｕ相コイル部１５、Ｖ相コイル部１６、Ｗ相コイル部１７と、有し、Ｕ相コイル部１５、Ｖ相コイル部１６、Ｗ相コイル部１７は、分割固定子鉄心２３の両側端面からシャフト８の軸線方向に沿って突出した複数の分割コイルエンド３１を有する電動機について説明したが、これは一例に過ぎない。
例えば、固定子鉄心に周方向に等間隔で軸線方向に延びて形成された各スロットに、各相のコイル部が、集中巻き、波巻等で巻装された電動機であってもこの発明は適用できる。
また、ハウジングは、フロントフレーム４、センターフレーム３及びリアフレーム５で構成されたが、フロントフレームとセンターフレームとを一体にし、またはセンターフレームとリアフレームとを一体にしたハウジングであってもよい。
また、回転子１は、永久磁石１０を有するものに限定されず、回転子鉄心に巻線が巻装された回転子であってもよい。
また、上記各実施の形態では、回転電機として電動機の場合について説明したが、発電機であってもこの発明は、適用できる。

１ 回転子、２ 固定子、３ センターフレーム、４ フロントフレーム、５ リアフレーム、６ 負荷側軸受、７ 反負荷側軸受、８ シャフト、９ 回転子鉄心、１０ 永久磁石、１１ 負荷側端板、１２ 反負荷側端板、１３ 固定部材、１５ Ｕ相オイル部（分割固定子コイル）、１６ Ｖ相オイル部（分割固定子コイル）、１７ Ｗ相オイル部（分割固定子コイル）、２０ 分割コイルボビン、２１ 固定子鉄心、２２ 固定子コイル、２３ 分割固定子鉄心、２４ フレーム、２５ コイルボビン、２６ バックヨーク部、２７ 第１のフランジ、２８ 第２のフランジ、２９ バスバーホルダ、３０ バスバー、３１ 分割コイルエンド（コイルエンド部）、３２ 第１のコイルエンドカバー、３３ 第２のコイルエンドカバー、３４，３４Ａ シール部材、３５ 突出部、３６ 基部、３７ 第１のコイルエンド油路（第１のコイルエンド冷媒流路）、３８ 第２のコイルエンド油路（第２のコイルエンド冷媒流路）、３９ 欠落部、４０ 第１のコイル噴射孔、４１ 第１の軸受噴射孔、４２ 第２のコイル噴射孔、４３ 第２の軸受噴射孔、４４ 油路、４５ 油路入口部、４６ ポンプ、５０ シール部材片、５１ 基部、５２ 突出片部。

Claims (11)

1. ハウジングと、
   このハウジングを貫通したシャフトと、
   前記ハウジングの内部に収納され前記シャフトに固定された回転子と、
   前記ハウジングに固定され、前記回転子の外周面を囲い、環状の固定子鉄心及びこの固定子鉄心にコイルボビンを介して巻装された固定子コイルを有する固定子と、を備え、
   前記固定子コイルは、前記固定子鉄心の両側端面から前記シャフトの軸線方向に沿って突出したコイルエンドを有する回転電機であって、
   前記コイルエンドの全周にわたって前記軸線方向において対向してコイルエンドカバーが設けられ、
   前記固定子コイルの内径側には、前記コイルエンドの内径側を囲った可撓性を有するリング状のシール部材が設けられ、
   前記ハウジングの上部から前記ハウジングの内部に流入した冷却媒体は、前記シール部材、前記コイルエンドカバー及び前記コイルエンドにより形成されたコイルエンド冷媒流路を流下するようになっている回転電機。
2. 前記シール部材は、前記コイルエンドと前記コイルボビンの端部に形成されたフランジとの間に挟持されている請求項１に記載の回転電機。
3. 前記シール部材は、下部に欠落した欠落部を有する欠円形状である請求項１または２に記載の回転電機。
4. 前記シール部材は、絶縁紙である請求項１〜３の何れか１項に記載の回転電機。
5. 前記シール部材は、単一部材である請求項１〜４の何れか１項に記載の回転電機。
6. 前記コイルエンドは、前記固定子鉄心の、前記シャフトの前記軸線に先端部が指向した各ティースに、導線が巻回されてなる複数のコイルエンド部で構成され、
   前記シール部材は、隣接した前記コイルエンド部間の空隙に突入する複数の突出部が間隔をおいて複数形成されている請求項５に記載の回転電機。
7. 前記シール部材の前記突出部は、前記冷却媒体の下流側が上流側と比較して周方向の幅が狭い請求項６に記載の回転電機。
8. 前記コイルエンドは、前記固定子鉄心の、前記シャフトの前記軸線に先端部が指向した各ティースに、導線が巻回されてなる複数のコイルエンド部で構成され、
   前記シール部材は、隣接した前記コイルエンド部間の空隙に突入する突出片部を両端部に有する複数のシール部材片で構成され、
   前記シール部材は、隣接した前記シール部材片の前記突出片部同士を重ねてリング状に形成されている請求項１〜４の何れか１項に記載の回転電機。
9. 各前記シール部材片は、前記シール部材の中心を通る鉛直線に近い方のものが、遠い方のものよりも上側に配置されている請求項８に記載の回転電機。
10. 前記固定子は、複数の分割固定子鉄心と、この各分割固定子鉄心に分割コイルボビンを介して巻装された複数の分割固定子コイルと、有し、
    前記分割固定子コイルは、前記分割固定子鉄心の両側端面から前記シャフトの前記軸線方向に沿って突出した複数の分割コイルエンドを有する請求項１〜９の何れか１項に記載の回転電機。
11. 前記冷却媒体は、冷却油である請求項１〜１０の何れか１項に記載の回転電機。

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