JP2019154155A - 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、少なくとも一組の第一コイルセグメント２０と第二コイルセグメント３０とが径方向に重なるように配置される。第一コイルセグメント２０と第二コイルセグメント３０との重合面２１ａ、３１ａには、冷媒が通る冷媒パイプ４１が配置され、該冷媒パイプ４１は、絶縁性を有する。【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。

特開２００６−２１１７７９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。

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、少なくとも一組の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、冷媒が通る冷媒パイプが配置され、
該冷媒パイプは、絶縁性を有する。

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冷媒パイプが配置されるので、スロットの内部に位置するコイルセグメントを直接冷却することができる。また、冷媒パイプは絶縁性を有するので、第一コイルセグメントと第二コイルセグメントとを冷媒パイプにより絶縁することができる。

本発明の一実施形態の回転電機のステータの斜視図である。 図１のＡ−Ａ線断面図である。 図２のＢ−Ｂ線断面図である。 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２の一部分を模式的に示す模式図である。 冷媒パイプの組立を説明する説明図である。 冷媒パイプに円環パイプが取り付けられた説明図である。 冷媒パイプに円環パイプが取り付けられた状態を図８の矢印Ｃ方向から見た矢視図である。

以下、本発明の回転電機のステータの一実施形態を、添付図面に基づいて説明する。なお、図中、符号ＲＤはステータの径方向を示し、符号ＡＤはステータの軸方向を示し、符号ＣＤはステータの周方向を示す。

＜ステータ＞
図１〜図３に示すように、回転電機のステータ１０は、ステータコア１１と、コイル１５と、コイル１５を冷却する後述する冷却機構４０と、を備える。

＜ステータコア＞
ステータコア１１は、図１に示すように、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は、その内周面においてステータコア１１の周方向ＣＤに沿って等間隔に配列された複数のスロット１２を有する。スロット１２は、ステータコア１１の軸方向ＡＤの一方の端面１３ａから、ステータコア１１の軸方向ＡＤの他方の端面１３ｂまで延びる溝によって構成されている。

＜コイル＞
コイル１５は、ステータコア１１に形成された複数のスロット１２の各々に挿入され、且つ各スロット１２からステータコア１１の軸方向ＡＤの外側に突出する複数のコイルセグメントを備える。

この複数のコイルセグメントは、複数の第一コイルセグメント２０と、複数の第二コイルセグメント３０とから構成される。

図２及び図３に示すように、第一コイルセグメント２０及び第二コイルセグメント３０は、ステータコア１１の各スロット１２の外径側から交互に４個ずつ、合計８個のコイルセグメントが挿入されている。即ち、ステータコア１１の各スロット１２には、互いに隣接する４組の第一コイルセグメント２０及び第二コイルセグメント３０が挿入されている。

図４Ａに示すように、第一コイルセグメント２０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２０は、断面において径方向幅Ｈよりも周方向幅Ｗが長い。

第一コイルセグメント２０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ＡＤ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ＡＤの外側に突出した第二突出部２２ｂと、を備える。第一コイルセグメント２０は、いわゆるマグネットワイヤであり、図６に示すように、第一突出部２２ａ及び第二突出部２２ｂを構成する導体部１６のみが絶縁被膜１７で被覆されている。言い換えると、第一コイルセグメント２０の挿入部２１は絶縁被膜１７で被覆されておらず、導体部１６が露出している。

第一突出部２２ａの端部２３ａは、挿入部２１と略平行となるように、第一突出部２２ａの延びる方向と交差する方向に折り曲げられている。第二突出部２２ｂの端部２３ｂは、挿入部２１と略平行となるように、第二突出部２２ｂの延びる方向と交差する方向に折り曲げられている。

図４Ｂに示すように、第二コイルセグメント３０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。第二コイルセグメント３０は、断面において径方向幅Ｈよりも周方向幅Ｗが長い。

第二コイルセグメント３０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ＡＤの外側に突出した第一突出部３２ａと、ステータコア１１の端面１３ｂよりも該軸方向ＡＤの外側に突出した第二突出部３２ｂと、を備える。第二コイルセグメント３０は、いわゆるマグネットワイヤであり、第一突出部３２ａ及び第二突出部３２ｂを構成する導体部１６のみが絶縁被膜１７で被覆されている。言い換えると、第二コイルセグメント３０の挿入部３１は絶縁被膜１７で被覆されておらず、導体部１６が露出している。

第一突出部３２ａの端部３３ａは、挿入部３１と略平行となるように、第一突出部３２ａの延びる方向と交差する方向に折り曲げられている。第二突出部３２ｂの端部３３ｂは、挿入部３１と略平行となるように、第二突出部３２ｂの延びる方向と交差する方向に折り曲げられている。

図５に示すように、挿入部２１がスロット１２に挿入された第一コイルセグメント２０の第一突出部２２ａは、ステータコア１１の周方向ＣＤに沿って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ＣＤに沿って、第一突出部２２ａとは反対の方向（左方向）に向かって延びている。

同様に、挿入部３１がスロット１２に挿入された第二コイルセグメント３０の第一突出部３２ａは、ステータコア１１の周方向ＣＤに沿って左方向に向かって延びている。第二突出部３２ｂは、ステータコア１１の周方向ＣＤに沿って、第一突出部３２ａとは反対の方向（右方向）に向かって延びている。

なお、図５では、理解を容易にするため、コイル１５については、一本の第二コイルセグメント３０とこの第二コイルセグメント３０と電気的に接続される二本の第一コイルセグメント２０のみを抜き出して図示している。

第一コイルセグメント２０の端部２３ａは、この第一コイルセグメント２０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ＣＤの一方の方向に離れた位置（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３０の端部３３ａと接合されている。なお、接合とは、導体部１６同士が電気的に接続されることをいう。

また、この第一コイルセグメント２０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ＣＤの他方の方向に離れた位置（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３０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２０の端部２３ａと第二コイルセグメント３０の端部３３ａの接合と、第一コイルセグメント２０の端部２３ｂと第二コイルセグメント３０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。

＜冷却機構＞
続いてコイル１５を冷却する冷却機構４０について主に図６〜図９を参照しながら説明する。
冷却機構４０は、各スロット１２内において第一コイルセグメント２０と第二コイルセグメント３０との重合面２１ａ、３１ａに配置される複数の冷媒パイプ４１と、各スロット１２の両側、即ちステータコア１１の両端面１３ａ、１３ｂよりも軸方向ＡＤにおいて外側に配置された複数対の円環パイプ４２と、を備える。

冷媒パイプ４１は、内部に冷媒の流路が形成された断面矩形状の絶縁材から構成され、図６及び図７に示すように、外径側から第一コイルセグメント２０、冷媒パイプ４１、第二コイルセグメント３０、冷媒パイプ４１、第一コイルセグメント２０、・・・と、コイルセグメントと冷媒パイプ４１が径方向に交互に配置されている。即ち、本実施形態のように各スロット１２内に８本のコイルセグメントが配置されたステータ１０においては、７本の冷媒パイプ４１が配置される。

冷媒パイプ４１は、図８及び図９に示すように、軸方向ＡＤにおいて一端側で円環パイプ４２に接続されるとともに、他方側で円環パイプ４２に接続され、一方の円環パイプ４２から冷媒が供給され、内部の流路を通って他方の円環パイプ４２に排出される。

一対の円環パイプ４２は、スロット１２内に配置された冷媒パイプ４１と同数（本実施形態では７組）設けられており、各組の円環パイプ４２は、直列に接続されてもよく、並列に接続されてもよい。

図７及び図８に示すように、第一コイルセグメント２０、第二コイルセグメント３０及び冷媒パイプ４１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２０をスロット１２に挿入した後に、冷媒パイプ４１がスロット１２に挿入され、該冷媒パイプ４１が一対の円環パイプ４２に接続される。その後更に、第二コイルセグメント３０、冷媒パイプ４１が挿入され、該冷媒パイプ４１が一対の円環パイプ４２に接続され、これが順に繰り返される。これにより、冷媒パイプ４１が両コイルセグメント２０、３０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２０、第二コイルセグメント３０及び冷媒パイプ４１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。

ここで、上述したように、第一コイルセグメント２０の挿入部２１及び第二コイルセグメント３０の挿入部３１は絶縁被膜１７で被覆されておらず導体部１６が露出しているので、図６に示すように、導体部１６が冷媒パイプ４１と直接接触する。冷媒パイプ４１が発熱体である第一コイルセグメント２０及び第二コイルセグメント３０と直接接触することで、冷却効率が向上する。また、冷媒パイプ４１は、絶縁材から構成されることで絶縁性を有するので、スロット１２内に隣接して配置された第一コイルセグメント２０及び第二コイルセグメント３０が冷媒パイプ４１によって絶縁される。これにより、第一コイルセグメント２０及び第二コイルセグメント３０の挿入部２１、３１の絶縁被覆処理が不要となり製造工数を削減できる。また、スロット１２内に冷媒パイプ４１が挿入されることで、コイル１５の占積率が低下するが、挿入部２１、３１の絶縁被覆を省略することで、占積率の低下を抑制できる。

なお、各スロット１２には、同相のセグメントコイルのみが挿入される場合と、異相のセグメントコイルが挿入される場合がある。この場合、絶縁がより必要な異相のコイルセグメント間に配置された冷媒パイプの厚さを、同相のコイルセグメント間に配置された冷媒パイプの厚さよりも厚くすることで、必要な絶縁性能を確保しつつ、コイルの占積率を上げることができる。

一方、第一コイルセグメント２０及び第二コイルセグメント３０の第一突出部２２ａ、３２ａ及び第二突出部２２ｂ、３２ｂはそれぞれ絶縁被膜１７で被覆されているので、スロット１２外は絶縁被膜１７により一方、第一コイルセグメント２０及び第二コイルセグメント３０間の絶縁性能が確保されている。

このように構成された冷却機構４０では、一方の円環パイプ４２から冷媒パイプ４１に冷媒が供給され、冷媒パイプ４１の内部の流路を通って他方の円環パイプ４２に排出される。第一コイルセグメント２０及び第二コイルセグメント３０の互いの重合面２１ａ、３１ａの間に冷媒パイプ４１が配置されることで、冷媒パイプ４１で第一コイルセグメント２０及び第二コイルセグメント３０の熱を冷媒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。

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、冷媒パイプ４１の数や形状は、適宜変更することができる。また、第一コイルセグメント２０及び第二コイルセグメント３０の挿入部２１、３１も、導体部１６が絶縁被膜１７で被覆されていてもよい。
また、冷媒パイプ４１は、第一コイルセグメント２０及び第二コイルセグメント３０の重合面２１ａ、３１ａに限らず、スロット１２の壁面と最外径側のコイルセグメントとの間に配置されていてもよい。

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、少なくとも一組の第一コイルセグメント（第一コイルセグメント２０）と第二コイルセグメント（第二コイルセグメント３０）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、冷媒が通る冷媒パイプ（冷媒パイプ４１）が配置され、
該冷媒パイプは、絶縁性を有する、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冷媒パイプが配置されるので、スロットの内部に位置するコイルセグメントを直接冷却することができる。また、冷媒パイプは絶縁性を有するので、第一コイルセグメントと第二コイルセグメントとを冷媒パイプにより絶縁することができる。

（２） （１）に記載の回転電機のステータであって、
前記コイルセグメントは、導体部（導体部１６）が前記冷媒パイプと直接接触する、回転電機のステータ。

（２）によれば、冷媒パイプが発熱体であるコイルセグメントと直接接触するので、冷却効率が向上する。また、コイルセグメントの導体部が絶縁性を有する冷媒パイプと直接接触するので、コイルセグメントの絶縁被覆処理が不要となり製造工数を削減できるとともに、コイルの占積率の低下を抑制できる。

（３） （２）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及び前記第二コイルセグメントは、それぞれ前記ステータコアの一端面よりも前記ステータコアの軸方向の外側に突出した第一突出部（第一突出部２２ａ、第一突出部３２ａ）と、前記ステータコアの他端面よりも前記軸方向の外側に突出した第二突出部（第二突出部２２ｂ、第二突出部３２ｂ）と、を備え、
前記第一突出部及び前記第二突出部は、前記導体部が絶縁被膜（絶縁被膜１７）で被覆されている、回転電機のステータ。

（３）によれば、コイルセグメントの突出部は絶縁被膜で被覆されているので、スロット内は冷媒パイプによってセグメントコイル間の絶縁性能が確保され、スロット外は絶縁被膜によりセグメントコイル間の絶縁性能が確保される。

（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、
前記冷媒パイプは、各スロットの軸方向両側に配置された円環パイプ（円環パイプ４２）に接続されている、回転電機のステータ。

（４）によれば、冷媒パイプは各スロットの軸方向両側に配置された円環パイプに接続されているので、軸方向一方側に配置された円環パイプから冷媒パイプに冷媒が供給され、軸方向他方側に配置された円環パイプに冷媒が排出されることで、冷媒を循環させることができる。

（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、
前記スロットの内部には、複数のコイルセグメントが配置され、
径方向で重なり合うコイルセグメント間には、前記冷媒パイプが配置され、
異相のコイルセグメント間に配置された前記冷媒パイプの厚さは、同相のコイルセグメント間に配置された前記冷媒パイプの厚さよりも厚い、回転電機のステータ。

（５）によれば、絶縁がより必要な異相のコイルセグメント間に配置された冷媒パイプの厚さを、同相のコイルセグメント間に配置された冷媒パイプの厚さよりも厚くすることで、必要な絶縁性能を確保しつつ、コイルの占積率を上げることができる。

（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及び前記冷媒パイプは、前記複数のスロットの各々の前記開口部から挿入される、回転電機のステータ。

（６）によれば、コイルセグメント及び冷媒パイプをスロットの開口部から挿入することで、容易に組み立てることができる。

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
１５ コイル
１６ 導体部
１７ 絶縁被膜
２０ 第一コイルセグメント
３０ 第二コイルセグメント
２１ａ 重合面
２２ａ 第一突出部
２２ｂ 第二突出部
３１ａ 重合面
３２ａ 第一突出部
３２ｂ 第二突出部
４１ 冷媒パイプ
４２ 円環パイプ

Claims (6)

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、少なくとも一組の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、冷媒が通る冷媒パイプが配置され、
   該冷媒パイプは、絶縁性を有する、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、
   前記コイルセグメントは、導体部が前記冷媒パイプと直接接触する、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、
   前記第一コイルセグメント及び前記第二コイルセグメントは、それぞれ前記ステータコアの一端面よりも前記ステータコアの軸方向の外側に突出した第一突出部と、前記ステータコアの他端面よりも前記軸方向の外側に突出した第二突出部と、を備え、
   前記第一突出部及び前記第二突出部は、前記導体部が絶縁被膜で被覆されている、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、
   前記冷媒パイプは、各スロットの軸方向両側に配置された円環パイプに接続されている、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、
   前記スロットの内部には、複数のコイルセグメントが配置され、
   径方向で重なり合うコイルセグメント間には、前記冷媒パイプが配置され、
   異相のコイルセグメント間に配置された前記冷媒パイプの厚さは、同相のコイルセグメント間に配置された前記冷媒パイプの厚さよりも厚い、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及び前記冷媒パイプは、前記複数のスロットの各々の前記開口部から挿入される、回転電機のステータ。
   

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