JP2019134563A - 回転電機のステータ - Google Patents

Abstract

【課題】スロットの内部を効率良く冷却することができる回転電機のステータを提供する。【解決手段】回転電機のステータ１０は、複数のスロット１２が形成されたステータコア１１と、スロット１２に挿入される複数のコイルセグメント２０を含むコイル１５と、を備える。各スロット１２には、少なくとも第一コイルセグメント２０Ａと第二コイルセグメント２０Ｂとが径方向に重なるように配置される。両コイルセグメント２０Ａ、２０Ｂの重合面２１ａ、３１ａには、熱輸送シート４０が配置される。熱輸送シート４０は、ステータコア１１の両端面１３ａ、１３ｂから突出する冷媒受け部４１、４２と、スロット１２内にて両コイルセグメント２０Ａ、２０Ｂと熱交換を行う熱交換部４３と、を備える。【選択図】図６

Description

本発明は、例えば電気自動車又はハイブリッド自動車等に搭載可能な回転電機のステータに関する。

回転電機のステータは、ステータコアと、ステータコアに取り付けられるコイルと、を備える。近年では、コイルとして、複数のコイルセグメントが接合されることでコイルループが形成された、いわゆるセグメントコンダクタ型の回転電機が知られている（特許文献１参照）。

この種の回転電機を高出力化するためには、熱の発生源となるコイルを冷却する必要がある。従来、回転電機の冷却方式として、ステータコアの外側又はコイルエンドに水や油等の冷媒を供給して冷却を行う方式が多く用いられる。また、スロットに挿入されたコイル束層内にプレート状のヒートパイプを配置し、ヒートパイプ内の熱輸送によりスロットの内部を冷却する方式も提案されている（特許文献２参照）。

特開２００６−２１１７７９号公報 特開平１０−２４８２１１号公報

しかしながら、ステータコアの外側又はコイルエンドに冷媒を供給して冷却を行う方式では、スロットの内部の冷却効率が良くない。

また、特許文献２に記載の冷却方式は、ヒートパイプをコイル束層内に入れ込むために回転電機の製造工程が複雑化し、製造コストが高くなるという問題がある。また、ヒートパイプの熱輸送機能を実現可能なサイズを考慮すると、スロット内におけるコイル占有率が著しく低下することになる。

本発明は、スロットの内部を効率良く冷却することができる回転電機のステータを提供する。

本発明は、
複数のスロットが形成されたステータコアと、
前記複数のスロットの各々に挿入される複数のコイルセグメントを含むコイルと、を備える回転電機のステータであって、
各スロットには、少なくとも第一コイルセグメントと第二コイルセグメントとが径方向に重なるように配置され、
前記第一コイルセグメントと前記第二コイルセグメントとの重合面には、熱輸送シートが配置され、
該熱輸送シートは、少なくとも前記ステータコアの軸方向一端面から突出する冷媒受け部と、前記スロット内に位置し前記重合面で前記第一コイルセグメント及び第二コイルセグメントと熱交換を行う熱交換部と、を備える。

本発明によれば、第一コイルセグメントと第二コイルセグメントとの重合面には熱輸送シートが配置されるので、コイルエンドに供給された冷媒が冷媒受け部を介して熱交換部に案内される。そして、熱交換部で第一コイルセグメント及び第二コイルセグメントの熱を奪うことで、スロットの内部を効率良く冷却することができる。

第１実施形態の回転電機のステータの斜視図である。 図１に示すステータにおける第一コイルセグメントの斜視図である。 図１に示すステータにおける第二コイルセグメントの斜視図である。 図１に示すステータの一部分をステータコアの径方向外側から見た展開図である。 図４に示す第一コイルセグメント及び第二コイルセグメントの接合部分の近傍をステータコアの一端面側から見た斜視図である。 図１に示す回転電機のステータにおけるスロット部分の断面図である。 図１に示すステータのステータコアに、長方形の細長い熱輸送シートを配置した状態をステータコアの径方向内側から見た展開図である。 図１に示すステータのステータコアに、冷媒受け部が互いに連結された構造の熱輸送シートを配置した状態をステータコアの径方向内側から見た展開図である。 第２実施形態の回転電機のステータにおけるスロット部分の断面図である。 第３実施形態の回転電機のステータにおけるスロット部分の断面図である。 第４実施形態の回転電機のステータにおけるスロット部分の断面図である。

以下、本発明の各実施形態について、図面を参照して説明する。

［第１実施形態］
第１実施形態の回転電機のステータ１０は、図１及び図５に示すように、ステータコア１１と、ステータコアに取り付けられるコイル１５と、を備える。

ステータコア１１は、例えば複数の円環状の電磁鋼板が積層されて構成された円環状の部材である。ステータコア１１には、周方向に等間隔に複数のティース１６が設けられおり、隣接するティース１６間にスロット１２が形成されている。

スロット１２は、ステータコア１１の軸方向の一方の端面１３ａから、ステータコア１１の軸方向の他方の端面１３ｂまで延びる溝であり、ステータコア１１の内周面に開口部１２ａを有する。スロット１２は、径方向外側の底面１２ｃから開口部１２ａまで、周方向に向かい合う内壁面１２ｂが略直線状に径方向内側に向かって延びている。したがって、ステータコア１１の内周面には、周方向に沿って等間隔に複数の開口部１２ａが設けられている。

コイル１５は、複数のコイルセグメントから構成される。各コイルセグメントは、ステータコア１１に形成されたスロット１２の開口部１２ａから挿入され、コイルエンド１５ａ、１５ｂがステータコア１１の両端面１３ａ、１３ｂから軸方向の外側に突出する。

この複数のコイルセグメント２０は、複数の第一コイルセグメント２０Ａと、複数の第二コイルセグメント２０Ｂとから構成される。第一コイルセグメント２０Ａは、ステータコア１１の各スロット１２の外径側に挿入されている。第二コイルセグメント２０Ｂは、ステータコア１１の各スロット１２の内径側に挿入されている。

図２及び図３に示すように、第一コイルセグメント２０Ａ及び第二コイルセグメント２０Ｂは、例えば、銅線がワイヤ加工されて成形されてなる断面略矩形、且つ略クランク状の部材である。第一コイルセグメント２０Ａは、いわゆるマグネットワイヤであり、導体と、この導体を被覆する絶縁被膜と、で構成されている。

第一コイルセグメント２０Ａは、スロット１２に挿入された直線状の挿入部２１と、この挿入部２１の一端からステータコア１１の端面１３ａよりもステータコア１１の軸方向の外側に突出した第一突出部２２ａと、この挿入部２１の他端からステータコア１１の端面１３ｂよりも該軸方向の外側に突出した第二突出部２２ｂと、を備える。

第一突出部２２ａは、ステータコア１１の周方向に沿って図４における右方向に向かって延びている。第二突出部２２ｂは、ステータコア１１の周方向に沿って、第一突出部２２ａとは反対の方向（図４における左方向）に向かって延びている。

第二コイルセグメント２０Ｂは、スロット１２に挿入された挿入部３１と、ステータコア１１の端面１３ａよりもステータコア１１の軸方向の外側に突出した第三突出部３２ａと、ステータコア１１の端面１３ｂよりも該軸方向の外側に突出した第四突出部３２ｂと、を備える。

第三突出部３２ａは、ステータコア１１の周方向に沿って図４における左方向に向かって延びている。第四突出部３２ｂは、ステータコア１１の周方向に沿って、第三突出部３２ａとは反対の方向（図４における右方向）に向かって延びている。

図４及び図５に示すように、第一コイルセグメント２０Ａの端部２３ａは、この第一コイルセグメント２０Ａが挿入されているスロット１２（以下、挿入スロットともいう）に対してステータコア１１の周方向の一方の方向に離れた位置（具体的には挿入スロットから９つのスロット分、端面１３ａ側から見て時計回りに移動した位置）にある別のスロット１２に挿入された第二コイルセグメント２０Ｂの端部３３ａと接合されている。接合とは、導体を覆う絶縁被膜が溶けて導体同士が電気的に接続されることをいい、例えばレーザー溶接により行われる。なお、図４では、理解を容易にするため、コイル１５については、電気的に接続される一対の第一コイルセグメント２０Ａ及び第二コイルセグメント２０Ｂのみを抜き出して図示している。

また、この第一コイルセグメント２０Ａの端部２３ｂは、挿入スロットに対してステータコア１１の周方向の他方の方向に離れた位置（具体的には挿入スロットから９つのスロット分、端面１３ａ側から見て反時計回りに移動した位置）にある更に別のスロット１２に挿入された第二コイルセグメント２０Ｂの端部３３ｂと接合されている。

このように、第一コイルセグメント２０Ａの端部２３ａと第二コイルセグメント２０Ｂの端部３３ａの接合と、第一コイルセグメント２０Ａの端部２３ｂと第二コイルセグメント２０Ｂの端部３３ｂの接合とが繰り返されることでコイルループが形成されている。

コイル１５は、このコイルループを複数有し、これら複数のコイルループが選択的に接続されることで、複数相（例えばＵ相、Ｖ相、Ｗ相）の電力線を構成している。

図６に示すように、第一コイルセグメント２０Ａと第二コイルセグメント２０Ｂとの互いの重合面２１ａ、３１ａの間には、熱輸送シート４０が配置されている。

第一コイルセグメント２０Ａ、第二コイルセグメント２０Ｂ及び熱輸送シート４０は、ステータコア１１の内側に開口した各スロット１２の開口部１２ａ（図５参照）から各スロット１２に挿入される。具体的には、第一コイルセグメント２０Ａをスロット１２に挿入した後に、熱輸送シート４０がスロット１２に挿入され、その後更に、第二コイルセグメント２０Ｂがスロット１２に挿入される。これにより、熱輸送シート４０が両コイルセグメント２０Ａ、２０Ｂ間に挟まれた状態で、スロット１２内に配置される。このように第一コイルセグメント２０Ａ、第二コイルセグメント２０Ｂ及び熱輸送シート４０が、ステータコア１１の内側に開口した各スロット１２の開口部１２ａから各スロット１２に挿入されるので、組立性がよい。

熱輸送シート４０は、ステータコア１１の軸方向（図６の矢印Ａの方向）の両端面１３ａ、１３ｂから突出する冷媒受け部４１、４２と、スロット１２内に位置する熱交換部４３と、を備える。冷媒受け部４１、４２は、コイルエンド１５ａ、１５ｂに供給された冷媒Ｍを吸収し、熱交換部４３に案内する。熱交換部４３は、第一コイルセグメント２０Ａ及び第二コイルセグメント２０Ｂと重合面２１ａ、３１ａで熱交換する。

熱輸送シート４０は、メッシュ状のシートであり、毛細管現象によりその内部を冷媒Ｍが移動可能である。なお、メッシュ状には、規則正しく網目が形成された織布、不規則に網目が形成された不織布、繊維束を重ねたもの等が含まれる。また、熱輸送シートの材質は、天然繊維でも化学繊維でもよい。天然繊維としては綿が好ましく、化学繊維としてはレーヨン、キュプラ、ナイロン、ポリエステル、アクリル、ポリウレタン等が好ましい。

図７Ａに示す熱輸送シート４０は、スロット１２毎に細長い長方形の帯状に形成されている。これにより極めて簡易な構造の熱輸送シート４０を使用して、スロット１２の内部を冷却可能である。一方、図７Ｂに示す熱輸送シート４０は、隣り合う複数のスロット１２に配置される熱輸送シート４０が、ステータコア１１の軸方向両端面１３ａ、１３ｂから突出する冷媒受け部４１、４２で連結された構造を有している。これにより、熱輸送シート４０の数を少なくでき、熱輸送シート４０の配置工数を低減できる。

このように、第一コイルセグメント２０Ａ及び第二コイルセグメント２０Ｂの互いの重合面２１ａ、３１ａの間に熱輸送シート４０が配置されることで、コイルエンド１５ａ、１５ｂに供給された冷媒Ｍが冷媒受け部４１、４２を介して熱交換部４３に案内される。そして、熱交換部４３で第一コイルセグメント２０Ａ及び第二コイルセグメント２０Ｂの熱を冷媒Ｍが奪うことでこれまで冷却することが難しかったスロット１２の内部を冷却することができる。また、熱量によっては冷媒Ｍが蒸発するので気化熱を利用してスロット１２の内部をより効果的に冷却することができる。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態の回転電機のステータ１０について説明する。第１実施形態では、ステータコア１１のスロット１２に、コイルセグメント２０が２本だけ挿入されているが、コイルセグメント２０の数は３本以上であってもよい。

図８に示す第２実施形態では、８本のコイルセグメント２０Ａ〜２０Ｈがスロット１２に挿入されている。そして、ステータコア１１の径方向外側から数えて６番目に配置されたコイルセグメント２０Ｆと７番目に配置されたコイルセグメント２０Ｇとの間に、熱輸送シート４０が配置されている。

上記のように、スロット１２にコイルセグメント２０が３本以上挿入されている場合でも、最も熱が溜まりやすいコイルセグメント間（本実施形態では、コイルセグメント２０Ｆ、２０Ｇ間）に熱輸送シート４０を配置することにより、スロット１２の内部を効率良く冷却することができる。

［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態の回転電機のステータ１０について説明する。
図９に示す第３実施形態では、ステータコア１１の径方向外側から数えて４番目に配置されたコイルセグメント２０Ｄと５番目に配置されたコイルセグメント２０Ｅとの間にも、熱輸送シート４０が配置されている。その他の構成は、第２実施形態と同様である。

このように、各スロット１２に配置される熱輸送シート４０の数は一つに限らず、熱が溜まりやすいコイルセグメント間（本実施形態では、コイルセグメント２０Ｆ、２０Ｇ間とコイルセグメント２０Ｄ、２０Ｅ間）にそれぞれ熱輸送シート４０を配置したことにより、スロット１２の内部を第２実施形態よりも更に効率良く冷却することができる。なお、熱輸送シート４０の数は２つに限らず、例えば隣接する全てのコイルセグメント２０Ａ〜２０Ｈ間に熱輸送シート４０を配置してもよい。

［第４実施形態］
次に、本発明の第４実施形態について説明する。
図１０に示す第４実施形態の回転電機のステータ１０では、スロット１２の底面１２ｃとコイルセグメント２０Ａとの間にも、熱輸送シート４０が配置されている。その他の構成は、第３実施形態と同様である。

このように、スロット１２の底面１２ｃと最外径側のコイルセグメント２０との間にも熱輸送シート４０を配置することで、熱輸送シート４０によって、スロット１２の底面１２ｃ及びコイルセグメント２０Ａの熱を奪うことができるので、スロット１２の内部を更に効率良く冷却することができる。

なお、前述した実施形態は、適宜、変形、改良、等が可能である。
例えば、熱輸送シート４０は、冷媒受け部４１、４２を両端に備えているが、冷媒受け部４１、４２の少なくとも一方を省略することも可能である。

本明細書には少なくとも以下の事項が記載されている。なお、括弧内には、上記した実施形態において対応する構成要素等を示しているが、これに限定されるものではない。

（１） 複数のスロット（スロット１２）が形成されたステータコア（ステータコア１１）と、
前記複数のスロットの各々に挿入される複数のコイルセグメント（コイルセグメント２０）を含むコイル（コイル１５）と、を備える回転電機のステータ（ステータ１０）であって、
各スロットには、少なくとも第一コイルセグメント（第一コイルセグメント２０Ａ）と第二コイルセグメント（第二コイルセグメント２０Ｂ）とが径方向に重なるように配置され、
前記第一コイルセグメントと前記第二コイルセグメントとの重合面（重合面２１ａ、３１ａ）には、熱輸送シート（熱輸送シート４０）が配置され、
該熱輸送シートは、少なくとも前記ステータコアの軸方向一端面（端面１３ａ、１３ｂ）から突出する冷媒受け部（冷媒受け部４１、４２）と、前記スロット内に位置し前記重合面で前記第一コイルセグメント及び第二コイルセグメントと熱交換を行う熱交換部（熱交換部４３）と、を備える、回転電機のステータ。

（１）によれば、第一コイルセグメントと第二コイルセグメントとの重合面には熱輸送シートが配置されるので、コイルエンドに供給された冷媒が冷媒受け部を介して熱交換部に案内される。そして、熱交換部で第一コイルセグメント及び第二コイルセグメントの熱を奪うことでこれまで冷却することが難しかったスロット内部を冷却することができる。また、熱量によっては冷媒が蒸発するので気化熱を利用してスロット内部の導体をより効果的に冷却することができる。

（２） （１）に記載の回転電機のステータであって、
前記熱輸送シートは、毛細管現象により冷媒が移動可能である、回転電機のステータ。

（２）によれば、冷媒受け部から熱交換部まで毛細管現象を利用して冷媒を供給することができる。

（３） （２）に記載の回転電機のステータであって、
前記熱輸送シートは、メッシュ状である、回転電機のステータ。

（３）によれば、簡易な構成で毛細管現象を利用した熱輸送シートを形成できる。

（４） （１）〜（３）のいずれかに記載の回転電機のステータであって、
前記ステータコアの内周面には、各スロットの開口部（開口部１２ａ）が設けられ、
前記複数のコイルセグメントは、前記複数のスロットの各々の前記開口部から挿入され、
前記熱輸送シートは、前記開口部から挿入される、回転電機のステータ。

（４）によれば、ステータコアの内周面に形成された開口部からコイルセグメント及び熱輸送シートが挿入されるので、組立性がよい。

（５） （１）〜（４）のいずれかに記載の回転電機のステータであって、
隣り合うスロットに配置される前記熱輸送シートは、前記冷媒受け部が連結されている、回転電機のステータ。

（５）によれば、隣り合うスロットに配置される熱輸送シートは、ステータコアの軸方向一端面から突出する冷媒受け部で連結されているので、熱輸送シートの数を少なくでき、熱輸送シートの配置工数を低減できる。

（６） （１）〜（５）のいずれかに記載の回転電機のステータであって、
前記第一コイルセグメントは、前記スロットの最も外径側に配置され、
前記スロットの底面（底面１２ｃ）と前記第一コイルセグメントとの対向面には、前記熱輸送シートが配置されている、回転電機のステータ。

（６）によれば、熱交換部でスロットの底面及び第一コイルセグメントの熱を奪うことでこれまで冷却することが難しかったスロット内部を冷却することができる。

（７） （１）〜（６）のいずれかに記載の回転電機のステータであって、
各スロットには、複数の前記熱輸送シートが配置されている、回転電機のステータ。

（７）によれば、スロット内部の導体をさらに効果的に冷却することができる。

１０ 回転電機のステータ
１１ ステータコア
１２ スロット
１２ａ 開口部
１２ｃ 底面
１３ａ 端面
１３ｂ 端面
１５ コイル
２０ コイルセグメント
２０Ａ 第一コイルセグメント
２０Ｂ 第二コイルセグメント
２１ａ 重合面
３１ａ 重合面
４０ 熱輸送シート
４１ 冷媒受け部
４２ 冷媒受け部
４３ 熱交換部

Claims (7)

1. 複数のスロットが形成されたステータコアと、
   前記複数のスロットの各々に挿入される複数のコイルセグメントを含むコイルと、を備える回転電機のステータであって、
   各スロットには、少なくとも第一コイルセグメントと第二コイルセグメントとが径方向に重なるように配置され、
   前記第一コイルセグメントと前記第二コイルセグメントとの重合面には、熱輸送シートが配置され、
   該熱輸送シートは、少なくとも前記ステータコアの軸方向一端面から突出する冷媒受け部と、前記スロット内に位置し前記重合面で前記第一コイルセグメント及び第二コイルセグメントと熱交換を行う熱交換部と、を備える、回転電機のステータ。
2. 請求項１に記載の回転電機のステータであって、
   前記熱輸送シートは、毛細管現象により冷媒が移動可能である、回転電機のステータ。
3. 請求項２に記載の回転電機のステータであって、
   前記熱輸送シートは、メッシュ状である、回転電機のステータ。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の回転電機のステータであって、
   前記ステータコアの内周面には、各スロットの開口部が設けられ、
   前記複数のコイルセグメントは、前記複数のスロットの各々の前記開口部から挿入され、
   前記熱輸送シートは、前記開口部から挿入される、回転電機のステータ。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の回転電機のステータであって、
   隣り合うスロットに配置される前記熱輸送シートは、前記冷媒受け部が連結されている、回転電機のステータ。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の回転電機のステータであって、
   前記第一コイルセグメントは、前記スロットの最も外径側に配置され、
   前記スロットの底面と前記第一コイルセグメントとの対向面には、前記熱輸送シートが配置されている、回転電機のステータ。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の回転電機のステータであって、
   各スロットには、複数の前記熱輸送シートが配置されている、回転電機のステータ。

Images