JP2021052562A

JP2021052562A - 固定子および回転電機

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Publication number: JP2021052562A
Application number: JP2019175790A
Authority: JP
Inventors: 僚太中谷; Ryota Nakatani; 英男廣瀬; Hideo Hirose; 仁中園; Hitoshi Nakazono
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2019-09-26
Filing date: 2019-09-26
Publication date: 2021-04-01

Abstract

【課題】回転電機の固定子におけるコイルの温度のばらつきを低減する。【解決手段】回転電機１００の固定子４０は、軸方向に延在する複数のスロット４５が内周面における周方向の相異なる位置に形成された円筒状のコア部４１と、複数のスロット４５の各々の内側に位置する部分を含むコイル４２と、複数のスロット４５の各々の内側においてコイル４２に対してコア部４１の内周側に位置する保持体４３とを具備する。【選択図】図１

Description

本発明は、固定子および回転電機に関する。

円筒状のコア部の内周面に形成されたスロットの内側にコイルを収容した構成の回転電機が従来から提案されている。例えば特許文献１には、コイルに発生した熱を筐体に放散するための放熱体をスロット内に設置した構成が開示されている。

特開平８−２０５４７７号公報

スロットの内側においてコイルがコア部の径方向に移動する場合がある。コイルがスロットの底面に接触した状態においては、コイルに発生した熱がコア部に効率的に伝播する。しかし、コイルがスロットの底面から離間した状態においては、コイルに発生した熱がコア部に伝播し難い。以上の通り、スロット内におけるコイルの位置に応じて、コイルの温度にばらつきが発生するという課題がある。なお、コイルの温度のばらつきとは、例えば１個の回転電機における各スロット間の温度のばらつき、または、回転電機の個体間におけるコイルの温度のばらつきである。以上の事情を考慮して、本発明は、コイルの温度のばらつきを低減することを目的とする。

本発明の好適な態様に係る固定子は、回転電機の固定子であって、軸方向に延在する複数のスロットが内周面における周方向の相異なる位置に形成された円筒状のコア部と、前記複数のスロットの各々の内側に位置する部分を含むコイルと、前記複数のスロットの各々の内側において前記コイルに対して前記コア部の内周側に位置する保持体とを具備する。

本発明の好適な態様に係る回転電機は、円筒状の固定子と、前記固定子の内側に位置する回転子とを具備し、前記固定子は、軸方向に延在する複数のスロットが内周面における周方向の相異なる位置に形成された円筒状のコア部と、前記複数のスロットの各々の内側に位置する部分を含むコイルと、前記複数のスロットのうち１以上のスロットの内側において前記コイルに対して前記コア部の内周側に位置する保持体とを含む。

本発明の回転電機によれば、スロット内においてコイルがコア部の径方向に移動することが保持体により抑制されるから、コイルの温度のばらつきを低減できる。

第１実施形態における回転電機の構成を例示する断面図である。固定子の構成を例示する断面図である。１個のスロットを拡大した断面図である。保持体の斜視図である。径方向におけるコイルの位置が変化することの説明図である。コイルがスロットの底面に接触した状態の断面図である。コイルがスロットの底面から離間した状態の断面図である。変形例におけるスロットおよび保持体の断面図である。変形例におけるスロットおよび保持体の断面図である。変形例におけるスロットおよび保持体の断面図である。変形例における固定子の構成を例示する断面図である。

Ａ：実施形態
図１は、本発明の好適な形態に係る回転電機１００の構成を例示する断面図である。図１に例示される通り、本実施形態の回転電機１００は、筐体部１０と蓋部２０と回転子３０と固定子４０と回転軸５１と軸受５２と軸受５３とを具備するインナーロータ型の永久磁石式同期モータである。図１には、回転軸５１の中心軸Ｏを含む縦断面が図示されている。以下の説明においては、回転電機１００の回転軸５１における中心軸Ｏの方向を「軸方向」と表記する。また、回転軸５１の中心軸Ｏを中心とする円における円周の方向を「周方向」と表記し、当該円の半径の方向を「径方向」と表記する。

筐体部１０は、回転子３０と固定子４０とを収容する中空のハウジングである。具体的には、筐体部１０は、側壁部１１と底面部１２とを具備する。側壁部１１は、円筒状の部分である。底面部１２は、軸方向における側壁部１１の端部に位置する円盤状の部分である。底面部１２の周縁から側壁部１１が軸方向に突出すると換言してもよい。側壁部１１において底面部１２とは反対側の端部には円形の開口が形成される。なお、図１においては側壁部１１と底面部１２とが一体に形成された構成を例示したが、別体で形成された側壁部１１と底面部１２とを相互に固定することで筐体部１０を構成してもよい。

側壁部１１には、軸方向に相互に間隔をあけて複数の冷却流路１３が形成される。複数の冷却流路１３の各々は、周方向に沿う所定幅の空間である。各冷却流路１３に例えば冷却水または冷却オイル等の冷媒が循環することで回転電機１００は冷却される。

蓋部２０は、筐体部１０の開口を覆う円盤状のブラケットである。蓋部２０は、例えばネジまたはボルト等の締結具（図示略）により側壁部１１の端面に締着される。筐体部１０と蓋部２０とにより包囲された空間に回転子３０と固定子４０とが収容される。筐体部１０および蓋部２０は、例えばアルミニウム等の高剛性の材料で形成される。

筐体部１０の底面部１２には円形状の貫通孔Ｈ1が形成される。底面部１２には、貫通孔Ｈ1と同心に軸受５２が設置される。他方、蓋部２０には円形状の貫通孔Ｈ2が形成される。蓋部２０には、貫通孔Ｈ2と同心に軸受５３が設置される。軸受５２および軸受５３の各々は、回転軸５１を回転可能に支持する玉軸受である。回転軸５１は、貫通孔Ｈ1および貫通孔Ｈ2を介して筐体部１０の外側に突出する。回転子３０は、筐体部１０の内側において回転軸５１に固定される。回転子３０は、例えば複数の永久磁石（図示略）が設置された円筒状の構造体である。

図２は、固定子４０の構成を例示する断面図である。回転軸５１の中心軸Ｏに垂直な横断面が図２に図示されている。図１に例示された固定子４０の断面は、図２におけるａ−ａ線の断面に相当する。

図１および図２に例示される通り、固定子４０は、筐体部１０に収容された円筒状の構造体である。回転子３０は、固定子４０の内側に位置する。具体的には、回転子３０の外周面は、固定子４０の内周面に隙間をあけて対向する。回転子３０は、回転軸５１とともに固定子４０に対して回転する。

図１に例示される通り、固定子４０の外周面は筐体部１０における側壁部１１の内周面に接触する。したがって、側壁部１１に形成された複数の冷却流路１３は固定子４０を包囲する。すなわち、各冷却流路１３は、固定子４０の周囲に冷媒を循環させる。固定子４０は、例えば焼嵌めにより筐体部１０に固定される。なお、例えばネジまたはボルト等の締結具により固定子４０を筐体部１０に締着してもよい。

図１および図２に例示される通り、本実施形態の固定子４０は、円筒状のコア部４１と複数のコイル４２と複数の保持体４３とを具備する。コア部４１は、内周面における周方向の相異なる位置に複数のスロット４５が形成された構造体である。例えば複数の電磁鋼板の積層によりコア部４１が形成される。なお、複数の分割コアを周方向に配列することでコア部４１を構成してもよい。

図３は、任意の１個のスロット４５の近傍を拡大した断面図である。図２および図３に例示される通り、複数のスロット４５の各々は、軸方向に延在する有底の溝部である。本実施形態におけるスロット４５の内周面は、連続的な曲面である。具体的には、図３に例示される通り、スロット４５の内周面は、底面４５０と第１内壁面４５１と第２内壁面４５２とを含む。第１内壁面４５１と第２内壁面４５２とは、軸方向に延在する壁面であり、周方向に相互に間隔をあけて対向する。底面４５０は、第１内壁面４５１と第２内壁面４５２とにわたる湾曲面である。各スロット４５における第１内壁面４５１と第２内壁面４５２との間隔は、当該スロット４５の底面４５０に近い位置ほど大きい。なお、図２に例示される通り、コア部４１は、軸方向に延在する複数の隔壁部４７が円筒状の外周部４８の内周面に形成された構造体とも換言される。複数の隔壁部４７は、周方向に相互に間隔をあけて形成される。周方向に相互に隣合う２個の隔壁部４７の間隔がスロット４５である。

複数のコイル４２の各々は、各隔壁部４７に巻回される。なお、各コイル４２の巻回の態様は任意である。例えば、各コイル４２は、１個の隔壁部４７に巻回されてもよいし複数の隔壁部４７にわたり巻回されてもよい。また、相異なる電流が供給される２束により各コイル４２が形成されてもよい。図１から図３に例示される通り、複数のコイル４２の各々は、スロット４５の内側（すなわち、第１内壁面４５１と第２内壁面４５２との間）に位置する部分を含む。

図３に例示される通り、各スロット４５の第１内壁面４５１における回転子３０側の周縁（以下「上縁」という）Ｅ1には、当該上縁Ｅ1に沿って軸方向に延在する第１突起部４５５が形成される。第１突起部４５５は、第１内壁面４５１から周方向（第２内壁面４５２側）に突出する突起である。同様に、各スロット４５の第２内壁面４５２における回転子３０側の周縁（以下「上縁」という）Ｅ2には、当該上縁Ｅ2に沿って軸方向に延在する第２突起部４５６が形成される。第２突起部４５６は、第２内壁面４５２から周方向（第１内壁面４５１側）に突出する突起である。第１突起部４５５と第２突起部４５６との間隙Ｄは、コア部４１内に発生する磁界を局所的に漏洩させるポールピースとして機能する。

複数の保持体４３の各々はスロット４５の内側に設置される。コア部４１に形成された全部のスロット４５に保持体４３が収容される。各スロット４５内の保持体４３は、当該スロット４５内のコイル４２を当該スロット４５の底面４５０側（すなわちコア部４１の外周側）に保持するための構造体である。

図４は、保持体４３の斜視図である。図４に例示される通り、保持体４３は、軸方向のスロット４５に沿う長尺状の部材である。本実施形態の保持体４３は、軸方向に沿う角柱状の部材である。図１に例示される通り、保持体４３の全長は、軸方向におけるコア部４１の寸法（すなわち全長）と略同等である。各スロット４５にコイル４２が収容された状態において、保持体４３は、軸方向におけるスロット４５の一端から挿入される。

図３に例示される通り、保持体４３は、スロット４５の内側においてコイル４２に対してコア部４１の内周側（すなわちコイル４２よりも回転軸５１の中心軸Ｏに近い位置）に位置する。すなわち、保持体４３と底面４５０との間にコイル４２が位置する。第１突起部４５５および第２突起部４５６は、保持体４３に対してコア部４１の内周側に位置する。すなわち、第１突起部４５５または第２突起部４５６とコイル４２との間に保持体４３が位置する。

保持体４３は、例えば、ジアリルフタレート樹脂で形成された積層板、または、ガラス繊維とエポキシ樹脂とを含む積層板（エポキシガラス）等の絶縁体により形成される。保持体４３の透磁率はコア部４１の透磁率を下回る。したがって、コア部４１およびコイル４２により発生する磁界に対する保持体４３の影響を低減できる。

図３および図４に例示される通り、保持体４３は、第１面Ｆ1と第２面Ｆ2と第３面Ｆ3と第４面Ｆ4とを側面とする四角柱である。第１面Ｆ1と第４面Ｆ4とは実質的に平行な平面であり、第２面Ｆ2および第３面Ｆ3の各々は、第１面Ｆ1および第４面Ｆ4に対して傾斜する平面である。具体的には、保持体４３の横断面は、第４面Ｆ4に対して第１面Ｆ1に近い位置ほど横幅が増加する台形状（例えば等脚台形）である。

図３に例示される通り、第１面Ｆ1はスロット４５の底面４５０に対向する。すなわち、第１面Ｆ1と底面４５０との間にコイル４２が位置する。したがって、コイル４２が底面４５０から離間することが第１面Ｆ1により阻止される。本実施形態においては第１面Ｆ1がコイル４２に接触する。なお、第１面Ｆ1がコイル４２を底面４５０側に押圧してもよい。

第２面Ｆ2はスロット４５の第１内壁面４５１に接触する。第３面Ｆ3はスロット４５の第２内壁面４５２に接触する。第４面Ｆ4の横幅（周方向の寸法）は、第１突起部４５５と第２突起部４５６との間隙Ｄよりも大きい。したがって、保持体４３が第１突起部４５５と第２突起部４５６との間隙Ｄを通過してスロット４５内から抜けることは抑制される。以上の説明から理解される通り、第１突起部４５５と第２突起部４５６とは、コア部４１内の磁界を局所的に漏洩させるポールピースを構成するほか、保持体４３がスロット４５内から抜けることを抑制するための構造としても機能する。したがって、保持体４３を保持するための構造をポールピースとは別個に設置する構成と比較して、固定子４０の構成が簡素化されるという利点がある。なお、実際には、スロット４５内にワニス等の充填材が充填および固化されるが、充填材の図示は便宜的に省略した。

以上の構成において、コイル４２に発生した熱は、スロット４５の内周面（第１内壁面４５１，第２内壁面４５２または底面４５０）からコア部４１に伝播する。コア部４１の熱は、筐体部１０の冷却流路１３内を循環する冷媒に放散される。したがって、コイル４２の温度の上昇が抑制される。本実施形態においては、固定子４０の周囲に冷却流路１３が形成されるから、コイル４２からコア部４１に伝播した熱を効率的に冷媒に放散できる。したがって、コイル４２の温度の上昇を効果的に抑制できる。

ここで、保持体４３をスロット４５内に設置しない構成（以下「対比例」という）においては、スロット４５内においてコイル４２が径方向に移動する場合がある。例えば、複数のコイル４２の外形または寸法を調整する工程において、図５に例示される通り、コア部４１に巻回された複数のコイル４２が、治具９０により軸方向の両側から押圧される。以上の工程においては、図５の例示の通り、治具９０からの押圧力によりコイル４２がスロット４５内において湾曲し、結果的に径方向におけるコイル４２の位置が目標の位置から変化する場合がある。図６は、対比例の構成のもとで、スロット４５内においてコイル４２が底面４５０に接触する状態の模式図であり、図７は、スロット４５内においてコイル４２が底面４５０から離間した状態の模式図である。

コイル４２が底面４５０に接触する図６の状態においては、コイル４２に発生した熱がコア部４１に対して効率的に伝播する。したがって、コイル４２の温度の上昇が効果的に抑制される。他方、コイル４２が底面４５０から離間した図７の状態においては、コイル４２からコア部４１に対する熱の伝播が図６の状態と比較して低減される。したがって、図７の状態においてはコイル４２が図６と比較して高温となる。以上の説明の通り、対比例においては、スロット４５内におけるコイル４２の位置に応じて当該コイル４２の温度にばらつきが発生する。

以上の事情を背景として、本実施形態においては、コイル４２に対してコア部４１の内周側に保持体４３が設置されるから、例えば図５に例示した工程において、スロット４５内でコイル４２が径方向に移動することが保持体４３により抑制される。したがって、対比例と比較してコイル４２の温度のばらつきを低減できる。本実施形態においては特に、スロット４５に沿う長尺状の保持体４３が利用されるから、軸方向における広い範囲にわたり、スロット４５内においてコイル４２が径方向に移動することが抑制される。したがって、コイル４２の温度のばらつきを低減できるという効果は格別に顕著である。

また、本実施形態においては、スロット４５の底面４５０に近い位置ほど第１内壁面４５１と第２内壁面４５２との間隔は大きい。したがって、第１内壁面４５１と第２内壁面４５２とが相互に平行である構成（例えば後掲の図８の構成）と比較して、コイル４２および保持体４３を収容するための容積をスロット４５に確保し易いという利点がある。

Ｂ：変形例
以上に例示した各態様に付加される具体的な変形の態様を以下に例示する。以下の例示から任意に選択された２以上の態様を、相互に矛盾しない範囲で適宜に併合してもよい。

（１）保持体４３およびスロット４５の具体的な形状は、前述の形態に例示した形状に限定されない。例えば、図８の例示の通り、第１内壁面４５１と第２内壁面４５２とが相互に平行である形状のスロット４５をコア部４１に形成してもよい。図８においてはスロット４５の底面４５０が平坦面である構成が例示されている。また、前述の形態においては、断面形状が台形状である保持体４３を例示したが、図８の例示の通り、保持体４３の断面形状を長方形状としてもよい。図９に例示される通り、断面形状が円形（例えば真円，楕円または長円）である円柱状の保持体４３を利用してもよい。

（２）前述の形態においては、保持体４３の第１面Ｆ1がコイル４２に接触する構成を例示したが、図１０の例示の通り、第１面Ｆ1がコイル４２から離間してもよい。また、図１０に例示される通り、第２面Ｆ2が第１内壁面４５１から離間した構成、または、第３面Ｆ3が第２内壁面４５２から離間した構成も想定される。

（３）前述の形態においては、コア部４１の全部のスロット４５に保持体４３を設置したが、コア部４１の複数のスロット４５のうちの一部のみに保持体４３を設置してもよい。例えば、２個以上のスロット４５を１周期として周期毎に１個の保持体４３を設置してもよい。

（４）前述の形態においては、コア部４１の全長にわたる保持体４３を例示したが、図１１に例示される通り、コア部４１と比較して短い保持体４３をスロット４５内に設置してもよい。径方向におけるコイル４２の移動は、図５の例示からも理解される通り、軸方向におけるコイル４２の中央部の近傍で顕著となる。したがって、図１１に例示される通り、軸方向におけるコア部４１の中央部の近傍に保持体４３を設置すれば、径方向におけるコイル４２の移動を保持体４３により充分に抑制できる。

１００…回転電機、１０…筐体部、１１…側壁部、１２…底面部、２０…蓋部、３０…回転子、４０…固定子、４１…コア部、４２…コイル、４３…保持体、４５…スロット、４５０…底面、４５１…第１内壁面、４５２…第２内壁面、４７…隔壁部、４８…外周部、４５５…第１突起部、４５６…第２突起部、５１…回転軸、５２，５３…軸受、Ｆ1…第１面、Ｆ2…第２面、Ｆ3…第３面、Ｆ4…第４面。

Claims

回転電機の固定子であって、
軸方向に延在する複数のスロットが内周面における周方向の相異なる位置に形成された円筒状のコア部と、
前記複数のスロットの各々の内側に位置する部分を含むコイルと、
前記複数のスロットの各々の内側において前記コイルに対して前記コア部の内周側に位置する保持体と
を具備する固定子。
前記保持体は、前記スロットに沿う長尺状の部材である
請求項１の固定子。
前記保持体の透磁率は、前記コア部の透磁率を下回る
請求項１または請求項２の固定子。
前記スロットの内周面は、周方向に間隔をあけて対向する第１内壁面と第２内壁面とを含み、
前記第１内壁面の上縁には当該第１内壁面から突出する第１突起部が形成され、
前記第２内壁面の上縁には当該第２内壁面から突出する第２突起部が形成される
請求項１から請求項３の何れかの固定子。
前記スロットの底面に近い位置ほど前記第１内壁面と前記第２内壁面との間隔は大きい
請求項４の固定子。
円筒状の固定子と、
前記固定子の内側に位置する回転子とを具備し、
前記固定子は、
軸方向に延在する複数のスロットが内周面における周方向の相異なる位置に形成された円筒状のコア部と、
前記複数のスロットの各々の内側に位置する部分を含むコイルと、
前記複数のスロットのうち１以上のスロットの内側において前記コイルに対して前記コア部の内周側に位置する保持体とを含む
回転電機。
前記固定子と前記回転子とを収容する筐体部を具備し、
前記筐体部は、前記固定子の周囲に冷媒を循環させる冷却流路を有する
請求項６の回転電機。