JP2021090306A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却用の流体をロータ外周からステータに向けて吐出する回転電機において、スロット内でコアとコイルを絶縁するスロット紙の損傷を抑制する。【解決手段】ステータ２４のティース３２は、回転軸線の方向において２つのティースセグメント４２，４３に分割されている。ティースセグメントの互いに対向する端面４２ａ，４３ａのスロットに臨む縁には段差５０が形成されている。スロット紙４８の縁４８ｃは、段差５０の範囲内に位置する。【選択図】図３

Description

本発明は、回転電機に関し、特にコアとコイルを絶縁するスロット紙の配置に関する。

電気エネルギを回転の運動エネルギに変換する電動機、回転の運動エネルギを電気エネルギに変換する発電機、さらに電動機と発電機どちらにも機能する電気機器が知られている。以下において、これらの電気機器を総称して回転電機と記す。典型的な回転電機は、ロータと、ロータの外側を囲むように配置されたステータを有し、ステータは固定され、ロータは回転する。ロータおよびステータは、それぞれ磁路を形成するロータコアおよびステータコアを含む。

ロータコア内に冷却用の流体を流してこれらのコアを内部から冷却する回転電機が知られている。下記特許文献１には、冷却用の流体が流れる流路（４０，４１ａ，４１ｂ，４２ａ，４２ｂ，４３，４４ａ，４４ｂ）が形成されたロータコア（２１）が示されている。流路（４０等）を流れる流体によりロータコアが内部から冷却される。流路（４０等）は、ロータコア（２１）の外周面に開口しており、流路（４０等）を通った流体は、この開口からステータ（１０）に向けて吐出される。ステータは、典型的には、周方向に間隔を空けて配置されたティースと、ティースに導線が巻回されて形成されたコイルとを含み、ティースとコイルの間には、絶縁のためのスロット紙が配置される場合がある。なお、上記の（ ）内の部材名および符号は、下記特許文献１で用いられている部材名および符号であり、本願の実施形態の説明で用いられる符号とは関連しない。

特開２０１６−５４６０８号公報

ロータ外周から吐出された冷却用の流体は、ステータに当たり、このときスロット紙を損傷する場合がある。特に、ティースがロータの回転軸線方向において隙間を空けて分割され、この隙間にむけて流体が吐出される場合、スロット紙が冷却用の流体の噴流に曝されるとスロット紙が損傷する可能性がある。

本発明は、冷却用の流体をロータ外周からステータに向けて吐出する回転電機において、スロット紙の損傷を抑制すること目的とする。

本発明に係る回転電機は、回転軸線を規定するロータシャフトであって、当該ロータシャフトの外周面に開口し冷却液が送られるシャフト内流路が形成されたロータシャフトと、ロータシャフトが中心を貫通しているロータコアであって、内側端がシャフト内流路の開口に対向し、外側端が当該ロータコアの外周面に開口したロータコア内流路が形成されたロータコアと、円環または円筒形状のヨークとヨークの内周面に間隔を空けて周方向に配列されたティースとを有し、ロータコアの外周を囲むように配置されたステータコアと、ティースに導線を巻回して形成されたコイルと、隣り合うティース間の空間であるスロット内の、ステータコアとコイルの間に配置されたスロット紙と、を備える。さらに、ティースは、ロータコア内流路の外側端に対応する位置に隙間を作るように、ロータの回転軸線方向において隣接して配置された２つのティースセグメントを含む。さらにまた、スロット紙は、個々の前記ティースセグメントに対応して配置され、隙間を挟んで対向するティースセグメントの互いに対向する端面のスロットに臨む縁には、スロット紙に対応して段差が設けられており、スロット紙の段差に対応する縁が、段差の範囲内に位置している。

ティースセグメントの隣接セグメントに対向する端面に、スロット紙に対応するよう段差を設けたことにより、ティースセグメントのスロット紙に当たる角が、隣接するティースセグメント間の隙間から退避し、スロット紙の縁がティースセグメント間の隙間から退避するようにできる。これにより、吐出される冷却液がスロット紙に直接当たらないようにして、スロット紙の損傷を抑制することができる。

本実施形態の回転電機の回転軸線に直交する断面を模式的に示す図である。 本実施形態の回転電機の回転軸線を含む断面を模式的に示す図である。 図１，２に示される回転電機のティースを模式的に示す斜視図である。 ステータの、回転軸線に直交する断面を模式的に示す図である。 図４に示すＶ−Ｖ線によるステータの断面を模式的に示す図である。 図４に示すVI−VI線によるステータの断面を模式的に示す図である。 ステータを構成するコアプレート、特に、ティースを形成する突起部を有するコアプレートを示す図である。 ステータを構成するコアプレート、特に、ティースに段差を形成するためのコアプレートを示す図である。 ステータを構成するコアプレート、特に、ティースに隙間を形成し、さらにヨーク内に冷却液の流路を形成するためのコアプレートを示す図である。 ステータを構成するコアプレート、特に、ティースに隙間を形成し、さらにヨーク内に冷却液の流路を形成するためのコアプレートを示す図である。

以下、本発明の実施形態を図面に従って説明する。図１および図２は、本実施形態の回転電機１０の断面を模式的に示す図である。図１は回転電機１０の軸線に直交する断面、特に図２に示すＩ−Ｉ線における断面を示す図であり、図２は軸線を含む断面、特に図１に示すII−II線における断面を示す図である。

回転電機１０は、ロータ１２と、ロータ１２を取り囲むように同軸配置されたステータ１４を備える。ロータ１２は、略円筒形状のロータコア１６と、ロータコア１６の中心を貫通しているロータシャフト１８を含む。ロータシャフト１８の中心線が、ロータ１２の回転軸線Ａである。ロータコア１６は、電磁鋼板を所定の形状に加工したロータコアプレート２０を、回転軸線Ａの方向に積層して形成されている。ロータコア１６の外周面近傍には、永久磁石２２が配置されている。この回転電機１０では、径方向外側に向けて開いたＶ字を形成する２個の永久磁石２２で１つの磁極が形成されている。図示するように、ロータ１２の磁極の数は８つである。ステータ１４は、ステータコア２４とステータコア２４に巻装されたコイル２６を含む。ステータコア２４は、電磁鋼板を所定の形状に加工したステータコアプレート２８を積層して形成されている。ステータコア２４は、略円環または略円筒形状のヨーク３０と、ヨーク３０の内周面に、周方向に沿って間隔を空けて配列されたティース３２を有する。この回転電機１０においては、ティース３２の数は１２である。隣接するティース３２の間の空間はスロット３４と呼ばれている。ティース３２にコイル導線３６が巻回されてコイル２６が形成されている。

ロータシャフト１８は中空シャフトであって、この中空空間を冷却液が流れる。冷却液は、ロータ１２を支持する軸受等を潤滑する潤滑油を用いることができる。ロータシャフト１８には、中空空間と外周面とをつなぐように径方向に沿って延びるシャフト内流路３８が形成され、シャフト内流路３８はロータシャフト１８の外周面に開口している。シャフト内流路３８を通して冷却液がロータシャフト１８の外周面に送られる。ロータコア１６には、ロータコア内流路４０が形成されている。ロータコア内流路４０の径方向において内側の端は、ロータシャフト１８の外周面に形成された、シャフト内流路３８の開口に対向する。また、ロータコア内流路４０の径方向において外側の端は、ロータコア１６の外周面に開口している。冷却液は、シャフト内流路３８とロータコア内流路４０を通ってロータコア１６の外周に送られ、ロータコア内流路４０の、ロータコア外周面に形成された開口から吐出される。

図３〜６は、ティース３２およびその周囲の構成を示す図であり、図３が斜視図、図４が図２に示すＩ−Ｉ線におけるステータ１４の断面図、図５が図４に示すＶ−Ｖ線による断面図、図６が図４に示すVI−VI線による断面図である。図１〜６を参照して、ステータ１４の構成を説明する。

ティース３２は、回転軸線Ａの方向（図３において上下方向）において、間に隙間を作るように隣接して配置された２つのティースセグメント４２，４３を含む。２つのティースセグメント４２，４３の間の隙間をセグメント間隙間４４と記す。セグメント間隙間４４は、回転軸線Ａの方向においてティースセグメント４２，４３の端面４２ａ，４３ａによって画定され、径方向において外側がヨーク３０の内周面３０ａによって画定される。セグメント間隙間４４は、径方向において内側はロータ１２の外周面に向けて開放しており、また、周方向において両側がスロット３４に向けて開放している。セグメント間隙間４４の位置は、ロータコア内流路４０の径方向外側の端と対応している。例えば、セグメント間隙間４４は、回転軸線Ａの方向において、ロータコア内流路４０の外側端と同じ位置に配置されている。

ステータコア２４のヨーク３０には、ヨーク内流路４６が形成されている。ヨーク内流路４６の径方向において内側の端は、セグメント間隙間４４に対して開口し、外側の端がヨーク３０の外周面に開口している。

スロット３４は、ティースセグメント４２，４３の側面４２ｂ，４３ｂと、ヨーク３０の内周面３０ａにより画定される。コイル２６を形成するコイル導線３６は、スロット３４内において回転軸線Ａの方向に沿って延びている。スロット３４内において、コイル２６のスロット３４内に位置する部分とステータコア２４の間には、コイル２６とステータコア２４を絶縁するためのスロット紙４８が配置されている。

スロット紙４８は、略コの字形状を有し、コの字の縦画に相当する面４８ａがヨークの内周面３０ａに沿って配置され、コの字の横画に相当する２つの面４８ｂがティースセグメントの側面４２ｂ，４３ｂに沿って配置される。以降、面４８ａをスロット紙４８の底面４８ａ、面４８ｂをスロット紙の側面４８ｂと記す。スロット紙の側面４８ｂは、スロット３４内のコイル導線３６が、ティースセグメントの側面４２ｂ，４３ｂに直接接しないようにコイル導線３６が配置された幅（径方向の寸法）に対応して配置される。具体的には、スロット紙の側面４８ｂの径方向の寸法は、コイル導線３６が配置された範囲と同じか、若干広く設定されている。１つのスロット３４に独立した２つのスロット紙４８が、２つのティースセグメント４２，４３に対応するように配置される。ステータ作製時、スロット紙４８は、スロット３４に対し、回転軸線Ａの方向に沿って挿入されてよく、また径方向内側から挿入されてもよい。また、スロット紙は、２つの独立したスロット紙に代えて、底面が共通であり、側面が２つのティースセグメント４２，４３に対応して分離している形態であってもよい。

回転軸線Ａの方向において隣接する２つのティースセグメント４２，４３の互いに対向する端面４２ａ，４３ａには段差５０が形成されている。段差５０は、端面４２ａ，４３ａのスロット３４に臨む縁に設けられている。段差５０の径方向の寸法は、図６に示されように、スロット紙４８の径方向の寸法に対応し、具体的には、スロット紙４８の寸法と同じかやや大きい。また、スロット紙４８の段差に対応する縁、すなわちセグメント間隙間４４に臨む縁４８ｃは、段差５０の範囲ｈ内に位置している。

このスロット紙の縁４８ｃの配置により、コイル導線３６と、コイル導線３６に隣接するティースセグメント４２，４３の角にスロット紙４８が介在し、コイル導線３６の絶縁被覆の損傷が抑制される。また、スロット紙４８の縁４８ｃがセグメント間隙間４４から退避した位置となり、セグメント間隙間４４に向けて吐出される冷却液の吐出流に直接曝されなくなり、スロット紙４８の変形、損傷が抑制される。

図７から図１０は、ステータコアプレート２８の形状を示す図である。図７から図１０において各プレート２８は上側半分が示されており、下側半分は上側半分と対称である。ステータコアプレート２８は、セグメント間隙間４４、段差５０およびヨーク内流路４６を形成するために複数種類のプレートから形成される。最も数の多いプレートは、図７に示す、ティース３２となる突起部５２を有するプレートである。このプレートを第１ステータコアプレート２８Ａと記す。第１ステータコアプレート２８Ａは、円環形状の円環部５４を有し、突起部５２は円環部５４の内周縁に沿って間隔を空けて配列されている。

図８に示すプレートは、段差５０を形成するために、第１ステータコアプレート２８Ａの突起部５２よりやや細い部分を有する突起部５６を有するプレートであり、これを第２ステータコアプレート２８Ｂと記す。この突起部５６は、第１ステータコアプレート２８Ａの突起部５２と共にティース３２を形成する。第２ステータコアプレート２８Ｂは、第１ステータコアプレート２８Ａの円環部５４と同形状の円環部５８を有し、突起部５６が円環部５８の内周縁に沿って間隔を空けて配列されている。図８において、第１ステータコアプレート２８Ａの突起部５２が一点鎖線で示されており、これに比べ、突起部５６は、一部において細くなっている。第１ステータコアプレート２８Ａを積層し、続けて第２ステータコアプレート２８Ｂを積層することで、端部に段差が形成され、これがティースセグメントに端面４２ａ，４３ａの段差５０となる。

図９に示すプレートは、径方向に沿って延びるスリット６０が形成された円環形状を有し、これを第３ステータコアプレート２８Ｃと記す。第３ステータコアプレート２８Ｃは、スリット６０が設けられていることを除いて第１および第２ステータコアプレート２８Ａ，２８Ｂの円環部５４，５８と同一形状である。スリット６０は、径方向において内側に設けられ、第３ステータコアプレート２８Ｃの内周縁に達して、径方向内方に向けて開放している。

図１０に示すプレートは、径方向に沿って延びるスリット６２が形成された円環形状を有し、これを第４ステータコアプレート２８Ｄと記す。第４ステータコアプレート２８Ｄは、スリット６２が設けられていることを除いて第１および第２ステータコアプレート２８Ａ，２８Ｂの円環部５４，５８と同一形状である。スリット６２は、径方向において外側に設けられ、第４ステータコアプレート２８Ｄの外周縁に達して、径方向外方に向けて開放している。

回転電機１０において、第１から第４ステータコアプレート２８Ａ，２８Ｂ，２８Ｃ，２８Ｄは、回転軸線Ａの方向において中央に第３ステータコアプレート２８Ｃが配置され、これに隣接して第４ステータコアプレート２８Ｄが配置され、その外側に第２ステータコアプレート２８Ｂが、さらに外側に第１ステータコアプレート２８Ａが配置される。各ステータコアプレート２８Ａ〜２８Ｄはそれぞれ複数枚積層されて、所定の寸法の流路、段差およびティースセグメントが形成される。

第３および第４ステータコアプレート２８Ｃ，２８Ｄを積層し、これを積層された第１および第２ステータコアプレート２８Ａ，２８Ｂで挟むことで、回転軸線Ａの方向において分割されたティース３２が形成される。分割された２つの部分がティースセグメント４２，４３となる。ティースセグメント４２，４３の間のセグメント間隙間４４に隣接する側に第２ステータコアプレート２８Ｂを配置することで、ティースセグメントの端面４２ａ，４３ａに段差５０が形成される。

また、第３ステータコアプレート２８Ｃと第４ステータコアプレート２８Ｄを隣接配置すると、スリット６０の径方向外側の端部と、スリット６２の径方向内側の端部が重なり、両者がつながる。これにより、ヨーク３０の内周面と外周面をつなぐヨーク内流路４６が形成される。

さらに、第２ステータコアプレート２８Ｂと第３ステータコアプレート２８Ｃの間に、第２ステータコアプレート２８Ｂの円環部５８と同形状のステータコアプレートを挟んでもよい。これにより、セグメント間隙間４４とヨーク内流路４６の寸法を独立して定めることができる。

ティースを分割する位置は、回転軸線Ａの方向において中央でなくてもよい。また、ロータから流体が吐出する位置を回転軸線Ａの方向において複数設け、これに対応してティースを分割するようにしてよく、この場合、ティースは３つ以上のティースセグメントに分割される。

１０ 回転電機、１２ ロータ、１４ ステータ、１６ ロータコア、１８ ロータシャフト、２０ ロータコアプレート、２２ 永久磁石、２４ ステータコア、２６ コイル、２８ ステータコアプレート、３０ ヨーク、３２ ティース、３４ スロット、３６ コイル導線、３８ シャフト内流路、４０ ロータコア内流路、４２，４３ ティースセグメント、４２ａ，４３ａ ティースセグメントの端面、４２ｂ，４３ｂ ティースセグメントの側面、４４ セグメント間隙間、４６ ヨーク内流路、４８ スロット紙、４８ａ スロット紙の底面、４８ｂ スロット紙の側面、４８ｃ スロット紙の縁、５０ 段差。

Claims (1)

1. 回転軸線を規定するロータシャフトであって、当該ロータシャフトの外周面に開口し冷却液が送られるシャフト内流路が形成されたロータシャフトと、
   前記ロータシャフトが中心を貫通しているロータコアであって、内側端が前記シャフト内流路の開口に対向し、外側端が当該ロータコアの外周面に開口したロータコア内流路が形成されたロータコアと、
   円環または円筒形状のヨークと前記ヨークの内周面に間隔を空けて周方向に配列されたティースとを有し、前記ロータコアの外周を囲むように配置されたステータコアと、
   前記ティースに導線を巻回して形成されたコイルと、
   隣り合う前記ティース間の空間であるスロット内の、前記ステータコアと前記コイルの間に配置されたスロット紙と、
   を備えた回転電機であって、
   前記ティースは、前記ロータコア内流路の前記外側端に対応する位置に隙間を作るように、前記回転軸線の方向において隣接して配置された２つのティースセグメントを含み、
   前記スロット紙は、個々の前記ティースセグメントに対応して配置され、隙間を挟んで対向する前記ティースセグメントの互いに対向する端面の前記スロットに臨む縁には、前記スロット紙に対応して段差が設けられており、前記スロット紙の前記段差に対応する縁が、前記段差の範囲内に位置する、
   回転電機。
   

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