JP2020188633A - 回転電機のステータ - Google Patents

Abstract

【課題】冷媒がエアギャップに浸入するのを抑制しつつ、コイルを効果的に冷却可能な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３０では、複数のコイルセグメント導体に、ステータコア３１の上面３１ａから突出したコイルエンド４１の先端部４１ｂ同士が接合されることで形成される複数の接合部４５が設けられる。ステータコア３１の上面３１ａには、全周に亘って接合部４５が径方向に並んで設けられ、且つ、径方向において、外径側における接合部４５の高さよりも内径側における接合部４５の高さが高い肩部４７が少なくとも１つ設けられる。冷媒供給部５０は、肩部４７、又は肩部４７よりも外径側の領域に冷媒を供給するように配置されている。【選択図】図１

Description

本発明は、回転電機のステータに関する。

回転電機では、ロータとステータとが径方向に対向して配置され、ロータとステータとの間にはエアギャップと呼ばれる隙間が設けられている(例えば、特許文献１、２)。近年、ハイブリッド自動車、電気自動車等に使用される回転電機では、コイルが複数のコイルセグメント導体から構成され、ステータコアの端面から突出した突出部の先端部同士が接合されることで電気回路が形成されている。また、コイルの発熱による性能劣化を抑制するためコイルに冷媒を供給し、ステータの温度上昇を抑制することが試みられている。

特開２００７−２２８７０８号公報 特許第３４８４４０７号公報

ところで、回転電機は、中心軸が鉛直方向を指向するように配置されることがある。セグメントコンダクタ型の回転電機を、中心軸が鉛直方向を指向するように配置し、コイルに上方から冷媒を供給すると、接合部を伝って冷媒がエアギャップに浸入する虞がある。エアギャップに冷媒が浸入すると、フリクションが増大し、回転電機の効率が悪化してしまう。

本発明は、冷媒がエアギャップに浸入するのを抑制しつつ、コイルを効果的に冷却可能な回転電機のステータを提供する。

本発明は、
所定の隙間を介してロータの外径側に対向して配置される回転電機のステータであって、
中心軸が鉛直方向を指向するように配置されたステータコアと、
該ステータコアに形成された複数のスロットに挿入され、且つ、前記ステータコアの上面から上方に突出する複数のコイルセグメント導体を含むコイルと、
前記コイルに上方から冷媒を供給する冷媒供給部と、を備え、
前記コイルセグメント導体には、前記ステータコアの上面から突出した突出部の先端部同士が接合されることで形成される複数の接合部が設けられ、
前記ステータコアの前記上面には、全周に亘って前記接合部が径方向に並んで設けられ、且つ、前記径方向において、外径側における前記接合部の高さよりも内径側における前記接合部の高さが高い肩部が少なくとも１つ設けられ、
前記冷媒供給部は、前記肩部、又は前記肩部よりも外径側の領域に前記冷媒を供給するように配置されている。

本発明によれば、冷媒がエアギャップに浸入するのを抑制しつつ、コイルを効果的に冷却することができる。

本発明の一実施形態であるステータを含む回転電機を模式的に示す断面図である。 図１の回転電機のステータの斜視図である。 図２のＡ−Ａ断面図である。 １本のコイルセグメント導体のみを外径側から見た側面図である。 冷媒供給パイプを斜め下方から見た下面図である。 冷媒供給パンを斜め上方から見た斜視図である。 第１変形例のステータを含む回転電機を模式的に示す断面図である。 第２変形例のステータを含む回転電機を模式的に示す断面図である。

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。先ず、本発明のステータを含む回転電機について図１を参照しながら説明する。なお、図中、符号ＲＤはステータの径方向を示し、符号ＡＤはステータの軸心方向（以下、軸方向と称する）を示し、符号ＣＤはステータの周方向を示す。

＜回転電機＞
図１に示すように、回転電機１０は、ロータ２０とステータ３０とを備え、ロータ２０とステータ３０とが径方向に対向して配置される。より具体的に説明すると、ステータ３０は、エアギャップと呼ばれる隙間１１を介してロータ２０の外径側に配置されている。

＜ステータ＞
ステータ３０は、図２にも示すように、中心軸Ｐが鉛直方向を指向するように配置されたステータコア３１と、ステータコア３１に取り付けられるコイル４０と、冷媒ＣＬを供給する冷媒供給部５０と、を備える。

ステータコア３１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３１は、その内周面においてステータコア３１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３２を有する。スロット３２は、ステータコア３１の上面３１ａから下面３１ｂまで延びる溝によって構成されている。

コイル４０は、複数のＳ字状のコイルセグメント導体から構成され、ステータコア３１に形成された複数のスロット３２の各々に挿入され、且つ、ステータコア３１の上面３１ａから上方に突出したコイルエンド４１と、ステータコア３１の下面３１ｂから下方に突出したコイルエンド４２と、を備える。

本実施形態では、各スロット３２に８本のコイルセグメント導体が挿入される。また、ステータコア３１の上面３１ａから上方に突出したコイルエンド４１は、スロット３２近傍に位置する根元部４１ａと、先端部４１ｂと、根元部４１ａから先端部４１ｂに向かって周方向に延びる傾斜部４１ｃと、を有し、最外径側から１、３、５、７本目のコイルセグメント導体の傾斜部４１ｃは、周方向ＣＤで一方側に傾斜し、最外径側から２、４、６、８本目のコイルセグメント導体の傾斜部４１ｃは、周方向ＣＤで他方側に傾斜する。

複数のコイルセグメント導体には、ステータコア３１の上面３１ａから突出したコイルエンド４１の先端部４１ｂ同士が接合されることで複数の接合部４５が形成されるとともに、ステータコア３１の下面３１ｂから突出した隣接するコイルエンド４２の先端部４１ｂ同士も接合されており、接合部４５を介してコイルセグメント導体が導通することで、電気回路が形成される。即ち、外径側から１、２本目のコイルセグメント導体が接合され、３、４本目のコイルセグメント導体が接合され、５、６本目のコイルセグメント導体が接合され、７、８本目のコイルセグメント導体が接合される。これにより、本実施形態では、図２及び図３に示すように、ステータコアの上面３１ａには、全周に亘って４つの接合部４５が径方向に並んで設けられる。

なお、コイルセグメント導体としては、図２に示すようなＳ字形状のコイルセグメント導体を用いてもよく、ステータコア３１の下面３１ｂ側が連結された略Ｕ字形状のコイルセグメント導体を用いてもよい。略Ｕ字形状のコイルセグメント導体を用いる場合、複数のコイルセグメント導体には、ステータコア３１の上面３１ａにのみ、コイルエンド４１の先端部４１ｂ同士が接合されることで形成される複数の接合部４５が設けられる。

冷媒供給部５０は、ステータコア３１の上方（コイルエンド４１の上方）に配置される。冷媒供給部５０としては、図５に示すように、ステータコア３１の周方向に沿って延びる冷媒供給パイプ５１でもよく、図６に示すように、断面Ｕ字形状で全体として環状に形成された冷媒供給パン５２でもよい。冷媒供給パイプ５１及び冷媒供給パン５２には、冷媒ＣＬを滴下する複数の冷媒供給孔５３が所定の間隔で配置されている。図２及び図５において、符号５５は、冷媒供給パイプ５１をハウジングに固定する固定部である。

ここで、接合部４５は、全周に亘って、外径側から内径側に向かって高さが漸次的に高くなるように構成される。具体的には、図３に示すように、外径側から１番目（最外径側）の接合部４５の高さＨ１が最も低く、外径側から２番目の接合部４５の高さＨ２は外径側から１番目（最外径側）の接合部４５の高さＨ１よりも高く、外径側から３番目の接合部４５の高さＨ３が外径側から２番目の接合部４５の高さＨ２よりも高く、外径側から４番目（最内径側）の接合部４５の高さＨ４が最も高くなっている。即ち、Ｈ１＜Ｈ２＜Ｈ３＜Ｈ４となるように、接合部４５が配置される。したがって、本実施形態では、隣接する接合部４５の高さの違いから、階段状に３つの肩部４７が径方向に並んで設けられる。

接合部４５の高さを変える手段としては、図４を参照して、コイルセグメント導体の径方向位置に応じてステータコアの上面３１ａに対する傾斜部４１ｃの傾斜角度αを変えることで実現される。傾斜角度αが、最内径側に位置する接合部４５を構成するコイルセグメント導体で最も大きく、外径側に向かうに従って傾斜角度αを小さくすることで、外径側から内径側に向かって高さが漸次的に高くなる。言い換えると、接合部の高さが低いほど、ステータコア３１の上面３１ａに対する傾斜部４１ｃの傾斜角度αを小さくする。この手段によれば、周方向で隣り合う接合部４５間に位置する傾斜部４１ｃも外径側から内径側に向かって高さが漸次的に高くなる。

さらに、ステータコア３１の上面３１ａに対する傾斜部４１ｃの傾斜角度αが、最内径側に位置する接合部４５を構成するコイルセグメント導体で最も大きいので、渦電流損失による発熱量が大きい最内径側のコイルセグメント導体に早く冷媒ＣＬを行き渡らせることができる。また、最内径側に位置する接合部４５を構成するコイルセグメント導体の曲げ成形が小さくてよいので、絶縁被膜を薄くすることができる。したがって、その分だけステータコア３１のティース幅を内径側で増やすことができ、回転電機のトルクを増やすことができる。また、ステータコア３１のティース幅を増やす代わりに、導体を太くしてもよい。これにより、断面積が増加することで銅損を低減でき、さらに熱伝導率の小さい絶縁被膜が薄くなるので冷却効率が向上する。

また、接合部４５の高さを変える他の手段としては、図３に示すように、先端部４１ｂが根元部４１ａよりも外径側に位置するようにコイルエンド４１を外径側に倒してもよい。接合部４５の高さが低いほど、先端部４１ｂが根元部４１ａよりも外径側に位置するように倒すことで接合部４５の高さを調整することができる。なお、言うまでもなく、コイルセグメント導体の径方向位置に応じてステータコアの上面３１ａに対する傾斜部４１ｃの傾斜角度αを変えながら、且つ、先端部４１ｂが根元部４１ａよりも外径側に位置するようにコイルエンド４１を外径側に倒してもよい。

このように構成された回転電機のステータ３０において、冷媒供給部５０の冷媒供給孔５３は、いずれかの肩部４７、又は最内径側の肩部４７よりも外径側の領域に冷媒ＣＬを供給するように配置される。これにより、冷媒供給部５０からコイルエンド４１に冷媒ＣＬを滴下すると、冷媒ＣＬは、内径側から外径側に、即ちロータ２０とステータ３０との間の隙間１１から離れる方向に流れる。したがって、冷媒供給部５０から接合部４５に供給された冷媒ＣＬが内径側に流れてロータ２０とステータ３０との隙間１１であるエアギャップに浸入するのを抑制できる。

また、冷媒供給部５０は、複数の冷媒供給孔５３が所定の間隔で配置されているので、全周に亘ってコイル４０に均等に冷媒ＣＬを供給することができる。

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、上記実施形態では、各スロット３２に８本のコイルセグメント導体が挿入されていたが、これに限らず６本でも４本でも、８本以上でもよい。また、必ずしも、外径側から内径側に向かって接合部４５の高さが漸次的に高くなっている必要はなく、径方向において、外径側における接合部４５の高さよりも内径側における接合部４５の高さが高い肩部４７を少なくとも１つ設けられていればよい。

一般化すると、ステータコア３１の上面３１ａに、ｎを２以上の整数とした場合にｎ個の接合部４５が径方向に並んで設けられている場合、最外径側に位置する接合部４５を１番目、最内径側に位置する接合部４５をｎ番目とすると、全周に亘って、最内径側に位置する接合部４５の高さが、最も高く、ｎ−１番目に位置する接合部４５の高さは、ｎ番目に位置する接合部４５の高さ以下であればよい。これにより、冷媒供給部５０から接合部４５に供給された冷媒ＣＬがエアギャップに浸入するのをより適切に抑制できる。

図７は、最内径側にのみ肩部４７が設けられた例であり、図８は、肩部４７が内径側から外径側に連続して設けられた例である。

また、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） 所定の隙間（隙間１１）を介してロータの外径側に対向して配置される回転電機のステータ（ステータ３０）であって、
中心軸（中心軸Ｐ）が鉛直方向を指向するように配置されたステータコア（ステータコア３１）と、
該ステータコアに形成された複数のスロット（スロット３２）に挿入され、且つ、前記ステータコアの上面（上面３１ａ）から上方に突出する複数のコイルセグメント導体を含むコイル（コイル４０）と、
前記コイルに上方から冷媒（冷媒ＣＬ）を供給する冷媒供給部（冷媒供給部５０）と、を備え、
前記複数のコイルセグメント導体には、前記ステータコアの上面から突出した突出部（コイルエンド４１）の先端部（先端部４１ｂ）同士が接合されることで形成される複数の接合部（接合部４５）が設けられ、
前記ステータコアの前記上面には、全周に亘って前記接合部が径方向に並んで設けられ、且つ、前記径方向において、外径側における前記接合部の高さよりも内径側における前記接合部の高さが高い肩部（肩部４７）が少なくとも１つ設けられ、
前記冷媒供給部は、前記肩部、又は前記肩部よりも外径側の領域に前記冷媒を供給するように配置されている、回転電機のステータ。

（１）によれば、ステータコアの上面には、全周に亘って接合部が径方向に並んで設けられており、冷媒供給部は、外径側における接合部の高さよりも内径側における接合部の高さが高い肩部、又は肩部よりも外径側の領域に冷媒を供給するように配置されているので、コイルを効果的に冷却しながら、冷媒供給部から接合部に供給された冷媒が内径側に流れてロータとステータとの隙間であるエアギャップに浸入するのを抑制できる。

（２） （１）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前記上面には、ｎを２以上の整数とした場合にｎ個の前記接合部が前記径方向に並んで設けられており、
最外径側に位置する前記接合部を１番目、最内径側に位置する前記接合部をｎ番目とすると、
全周に亘って、
前記最内径側に位置する前記接合部の高さが、最も高く、
ｎ−１番目に位置する前記接合部の高さは、ｎ番目に位置する前記接合部の高さ以下である、回転電機のステータ。

（２）によれば、ステータコアの全周に亘って、最内径側に位置する接合部の高さが、最も高く、且つ、ｎ−１番目に位置する接合部の高さは、ｎ番目に位置する接合部の高さ以下であるので、冷媒供給部から接合部に供給された冷媒がエアギャップに浸入するのをより適切に抑制できる。

（３） （１）又は（２）記載の回転電機のステータであって、
全周に亘って、前記外径側から前記内径側に向かって前記接合部の高さが漸次的に高くなる、回転電機のステータ。

（３）によれば、ステータコアの全周に亘って、外径側から内径側に向かって接合部の高さが漸次的に高くなるので、冷媒供給部から接合部に供給された冷媒がエアギャップに浸入するのをより適切に抑制できる。

（４） （２）又は（３）記載の回転電機のステータであって、
前記突出部は、根元部（根元部４１ａ）から前記先端部に向かって周方向に延びる傾斜部（傾斜部４１ｃ）を有し、
前記ステータコアの前記上面に対する前記傾斜部の傾斜角度（傾斜角度α）が、最内径側に位置する前記接合部を構成する前記コイルセグメント導体で最も大きい、回転電機のステータ。

（４）によれば、ステータコアの上面に対する傾斜部の傾斜角度が、最内径側に位置する接合部を構成するコイルセグメント導体で最も大きいので、発熱量の大きい最内径側のコイルに早く冷媒を行き渡らせることができる。

（５） （４）に記載の回転電機のステータであって、
前記接合部の高さが低いほど、前記ステータコアの前記上面に対する前記傾斜部の前記傾斜角度が小さい、回転電機のステータ。

（５）によれば、接合部の高さが低いほど、ステータコアの上面に対する傾斜部の傾斜角度が小さいので、傾斜部の傾斜角度によって接合部の高さを調整することができる。

（６） （２）〜（５）のいずれかに記載の回転電機のステータであって、
前記突出部は、前記接合部を含む前記先端部と、前記スロットの出口に位置する根元部（根元部４１ａ）と、を有し、
前記接合部の高さが低いほど、前記先端部が前記根元部よりも前記外径側に位置する、回転電機のステータ。

（６）によれば、接合部の高さが低いほど、先端部が根元部よりも外径側に位置するので、先端部を外径側に倒すことによって接合部の高さを調整することができる。

（７） （２）〜（６）のいずれかに記載の回転電機のステータであって、
前記冷媒供給部は、複数の冷媒供給孔（冷媒供給孔５３）が所定の間隔で配置されている、回転電機のステータ。

（７）によれば、冷媒供給部は、複数の冷媒供給孔が所定の間隔で配置されているので、全周に亘ってコイルに均等に冷媒を供給することができる。

１１ 隙間
３０ ステータ
３１ ステータコア
３１ａ 上面
３２ スロット
４０ コイル
４１ コイルエンド（突出部）
４１ａ 根元部
４１ｂ 先端部
４１ｃ 傾斜部
４５ 接合部
４７ 肩部
５０ 冷媒供給部
５３ 冷媒供給孔
Ｐ 中心軸
α 傾斜角度
ＣＬ 冷媒

Claims (7)

1. 所定の隙間を介してロータの外径側に配置される回転電機のステータであって、
   中心軸が鉛直方向を指向するように配置されたステータコアと、
   該ステータコアに形成された複数のスロットに挿入され、且つ、前記ステータコアの上面から上方に突出する複数のコイルセグメント導体を含むコイルと、
   前記コイルに上方から冷媒を供給する冷媒供給部と、を備え、
   前記複数のコイルセグメント導体には、前記ステータコアの上面から突出した突出部の先端部同士が接合されることで形成される複数の接合部が設けられ、
   前記ステータコアの前記上面には、全周に亘って前記接合部が径方向に並んで設けられ、且つ、前記径方向において、外径側における前記接合部の高さよりも内径側における前記接合部の高さが高い肩部が少なくとも１つ設けられ、
   前記冷媒供給部は、前記肩部、又は前記肩部よりも外径側の領域に前記冷媒を供給するように配置されている、回転電機のステータ。
2. 請求項１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前記上面には、ｎを２以上の整数とした場合にｎ個の前記接合部が前記径方向に並んで設けられており、
   最外径側に位置する前記接合部を１番目、最内径側に位置する前記接合部をｎ番目とすると、
   全周に亘って、
   前記最内径側に位置する前記接合部の高さが、最も高く、
   ｎ−１番目に位置する前記接合部の高さは、ｎ番目に位置する前記接合部の高さ以下である、回転電機のステータ。
3. 請求項１又は２に記載の回転電機のステータであって、
   全周に亘って、前記外径側から前記内径側に向かって前記接合部の高さが漸次的に高くなる、回転電機のステータ。
4. 請求項２又は３に記載の回転電機のステータであって、
   前記突出部は、前記スロットの出口に位置する根元部から前記先端部に向かって周方向に延びる傾斜部を有し、
   前記ステータコアの前記上面に対する前記傾斜部の傾斜角度が、最内径側に位置する前記接合部を構成する前記コイルセグメント導体で最も大きい、回転電機のステータ。
5. 請求項４に記載の回転電機のステータであって、
   前記接合部の高さが低いほど、前記ステータコアの前記上面に対する前記傾斜部の前記傾斜角度が小さい、回転電機のステータ。
6. 請求項２〜５のいずれか１項に記載の回転電機のステータであって、
   前記突出部は、前記接合部を含む前記先端部と、前記スロットの出口に位置する根元部と、を有し、
   前記接合部の高さが低いほど、前記先端部が前記根元部よりも前記外径側に位置する、回転電機のステータ。
7. 請求項２〜６のいずれか１項に記載の回転電機のステータであって、
   前記冷媒供給部は、複数の冷媒供給孔が所定の間隔で配置されている、回転電機のステータ。

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