JP2022034309A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】ステータ内部を効率よく冷却することが可能な回転電機を提供する。【解決手段】実施形態に係る回転電機１は、複数のティース１３が突設されたステータコア１１と、ティース１３間のスロット１４に挿入され、ステータコア１１に巻装されるステータコイル１５とを含むステータ１０と、ステータコア１１とギャップＧを介して回転可能に設けられたロータ２０と、ステータコア１１とステータコイル１５との間に設けられた多孔質部１６と、ステータコア１１の両端面から外側にそれぞれ突出するコイルエンド部１７を覆い、液密状に閉塞した２つの空間Ｓを形成するカバー部材１８と、２つの空間Ｓに所定の圧力差をもって収容され、一方の空間から多孔質部１６を介して他方の空間へと流れる冷却液Ｃと、スロット１４と、ギャップＧに面するティース１３の先端部との間をシールするシール部材１９とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、回転電機に関し、特に回転電機のステータの冷却構造に関する。

回転電機のステータでは、巻線でのジュール熱による発熱、ステータコアでの鉄損による発熱が生じるため、放熱する必要がある。特許文献１には、ステータの軸方向両側に突出するコイルエンド部をカバー部材で覆い、カバー部材の内部に冷却液を液密状に収容する冷却液室を設けて、ステータコイルの上端及び下端を冷却する回転電機が開示されている。

特許文献１では、ステータコイルを冷却する冷却液がスロットの径方向開口部からロータ側へ漏れ出るのを抑制するため、ステータコアの両端面にはシール部材が冷却液室に面してそれぞれ配置されている。シール部材にはステータコアのスロットの軸方向開口部のうち少なくとも径方向内側が閉じた形状であるコイル挿通穴が形成されており、冷却液室とスロット内部との間がセグメント導体の脚部周囲にあるコイル挿通穴の開口縁部によってシールされている。

特開２０１２－０９０４３４号公報

ステータの冷却方法としては、上述したコイルエンドを油冷する方法の他、ケース側に熱を逃がすことが考えられるが、コイルエンド部やステータコアの表面を冷却するのみであり、ステータ内部の冷却は熱伝導による間接冷却である。このように、いずれも発熱源であるステータ内部を直接冷やすことができず、効率よく冷却することができないという問題がある。特に、電磁鋼板の積層構造からなるステータコアでは、軸方向の熱伝導は電磁鋼板の積層方向であるため、熱伝導性が悪い。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、ステータ内部を効率よく冷却することが可能な回転電機を提供することである。

本発明の一態様に係る回転電機は、複数のティースが周方向に互いに間隔を置いて突設された筒状のステータコアと、前記ティース間に形成されたスロットに挿入され、前記ステータコアに巻装されるステータコイルとを含むステータと、前記ステータ内において、前記ステータコアと所定のギャップを介して、回転可能に設けられたロータと、前記ステータコアと前記ステータコイルとの間に設けられた多孔質部と、前記ステータコアの両端面から外側にそれぞれ突出するコイルエンド部を覆い、液密状に閉塞した２つの空間を形成するカバー部材と、２つの前記空間に所定の圧力差をもって収容され、一方の空間から前記多孔質部を介して他方の空間へと流れる冷却液と、前記スロットと、前記ギャップに面する前記ティースの先端部との間をシールするシール部材とを備えるものである。

本発明によれば、ステータ内部を効率よく冷却することが可能な回転電機を提供することができる。

実施の形態に係る回転電機の軸方向に沿った断面図である。 実施の形態に係る回転電機の一部を軸方向から見た図である。 図１のステータの斜視図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。各図における同等の構成要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。ここでは、ロータの回転軸方向及び筒状のステータの中心軸方向を単に軸方向という。また、この軸方向に直交する方向を径方向といい、上記中心軸上にある点を中心にその直交平面上に描かれる円の円周に沿う方向を周方向という。

図１は、実施の形態に係る回転電機１の軸方向に沿った断面図である。図２は、実施の形態に係る回転電機の一部を軸方向から見た図である。図３は、図１のステータ１０の斜視図である。なお、説明のため、図３ではカバー部材１８の図示を省略している。回転電機１は、例えば三相交流モータであり、ステータ１０、ロータ２０を備える。

ステータ１０は、ステータコア１１、ステータコイル１５、カバー部材１８を含む。ステータコア１１は、例えば、電磁鋼板をリング状に打ち抜き加工されたものを複数枚積層した円筒状の部材である。図２に示すように、ステータコア１１は、ヨーク１２、ティース１３、スロット１４を含む。周方向に沿って伸びる円環状のヨーク１２からは、複数のティース１３が形成されている。ティース１３は、周方向に互いに間隔をおいて配列されるとともに、ロータ２０の外周面に向けて径方向内側へ向かって突設されている。また、ティース１３は、ステータコア１１と同じ軸方向長さで軸方向に延伸するように形成されている。隣接するティース１３間には、それぞれスロット１４が形成されている。

ステータコイル１５は、スロット１４に挿入され、１つ又は複数のティース１３の周囲に巻装されている。ステータコイル１５は、例えば絶縁被覆された銅線によって形成される。ステータコイル１５は、ステータコア１１のスロット１４内に位置する軸方向部分とステータコア１１の軸方向両端面から外側にそれぞれ突出するコイルエンド部１７とを有する。

図３に示すように、コイルエンド部１７は、軸方向から見ると略環状をなしている。図１を参照すると、ステータコア１１の両端面から外側に突出する２つのコイルエンド部１７は、それぞれカバー部材１８により覆われている。カバー部材１８は、液密状に閉塞した２つの空間Ｓａ、Ｓｂを形成する。軸方向両側にそれぞれ設けられる２つのカバー部材１８は同じ構成を有する。

カバー部材１８は、断面がコ字状の部材であって、略環状のコイルエンド部１７の全周を覆うように環状に形成されている。カバー部材１８は、例えば、絶縁性及び非磁性の特性を有する樹脂材料によって形成される。２つの空間Ｓａ、Ｓｂには、図示しない供給口から供給される冷却液Ｃが収容されている。冷却液Ｃの供給口及び排出口は、両側のカバー部材１８にそれぞれ形成される。冷却液Ｃとしては、冷却油や、冷却水等が用いられ得る。

ステータ１０の冷却によって昇温した冷却液Ｃは、図示しない排出口を介して外部に排出され、クーラ等で放熱して降温した後にオイルポンプ等によって再び空間Ｓａ、Ｓｂに循環供給される。

ステータコア１１の外周部には、ボルト挿通部３０が径方向外側に膨出して形成されている。ボルト挿通部３０は複数形成され、周方向に均等に配置されている。ボルト挿通部３０の内部には、ボルト挿通穴が軸方向に貫通して形成されている。一方、カバー部材１８の外周部には、上記ステータコア１１のボルト挿通部３０に対応する形状のタブ３３が形成されている。タブ３３には貫通穴が形成されている。

図１に示す例では、ボルト３１が、上側のカバー部材１８のタブ３３の貫通穴、ボルト挿通部３０のボルト挿通穴、下側のカバー部材１８のタブ３３の貫通穴に軸方向一方側（上側）から挿通され、軸方向他方側（下側）においてナット３２を螺合して締め付けることによりステータコア１１とカバー部材１８とが締結される。

ステータ１０内には、ロータ２０が回転可能に設けられている。ロータ２０は、円柱状のロータコア２１と、ロータコア２１の中心に貫通して固定されるロータシャフト２２を含む。ロータコア２１の外周面とステータコア１１の内周面との間には、ギャップＧが径方向に均等な幅で周方向全周にわたって形成されている。すなわち、各ティース１３の先端部（径方向内側端部）は、ロータ２０の外周面とギャップＧを空けて径方向に対向配置されている。

図２に示すように、ロータコア２１の外周部近傍の内部には、複数の永久磁石２３が周方向に等間隔で埋設されている。図２に示す例では、一対のＶ字状に形成された磁石挿入孔内にそれぞれ一対の永久磁石２３が挿入され、磁極が構成されているが、永久磁石２３の配置はこれに限定されない。

図２に示すように、スロット１４内において、ステータコア１１とステータコイル１５との間には、多孔質部１６が設けられている。図１においては、多孔質部１６が配置される領域を一点鎖線で示している。多孔質部１６は、ステータコア１１とステータコイル１５との電気的絶縁を図るスロット紙の代わりに設けられる。また、多孔質部１６は、スロット１４においてステータコイル１５を固定する機能をする。

多孔質部１６としては、例えば、シート状の絶縁基材と、絶縁基材の両面に形成された発泡接着層とを含むものが用いられる。この場合、一方側の発泡接着層がステータコイル１５に向かい合い、他方側の発泡接着層がスロット１４の内周面に向かい合う。絶縁基材としては、耐熱性と絶縁性を有する樹脂材料をシート状に成形したものを用いることができる。樹脂材料としては、ポリフェニレンスルファイド（ＰＰＳ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、エポキシ樹脂等が用いられる。

発泡接着層は、加熱によって膨張して硬化する熱硬化性樹脂からなり、それ自体が接着性を有する。発泡接着層は、加熱による膨張で厚さが初期状態の数倍に厚くなり、多孔質化する。樹脂材料としては、エポキシ系の発泡樹脂材料を用いることができる。ステータコア１１を加熱処理することにより、発砲接着層が膨張して、ステータコア１１とステータコイル１５との間が多孔質部１６で充填される。また、多孔質部１６がスロット１４の内壁面及びステータコイル１５に押し付けられることで、ステータコイル１５が多孔質部１６を介してステータコア１１に固定される。

なお、多孔質部１６として、シート状の絶縁基材の一方の表面に発泡層を、他方の表面に接着層を積層して形成された三層構造のものを用いてもよい。この場合、発泡層がステータコア１１側に、接着層がステータコイル１５側に向けられる。

図３に示すように、両側のカバー部材１８にそれぞれ形成された供給口から、各空間Ｓａ、Ｓｂに供給された冷却液Ｃは、２つの空間Ｓａ、Ｓｂに所定の圧力差を持って収容される。図１に示す例では、上側の空間Ｓａに収容される冷却液Ｃの圧力は、下側の空間Ｓｂに収容される冷却液Ｃの圧力よりも高い。したがって、図１に示したように、下側の空間Ｓｂへの冷却液Ｃの流入量は、上側の空間Ｓａへの流入量よりも少なくなる。

このため、図１、３中白抜き矢印で示されるように、一方の空間Ｓａに収容された冷却液Ｃは、多孔質部１６を介して、他方の空間Ｓｂへと流れる。そして、図３に一点鎖線で示すように、冷却液Ｃは各空間Ｓａ、Ｓｂ内を循環し、各排出口から排出される。このため、図１に示したように、下側の空間Ｓｂからの冷却液Ｃの流出量は、上側の空間Ｓａからの流入量よりも多くなる。

このように、実施の形態によれば、冷却液Ｃは、コイルエンド部１７の軸方向外面および径方向内外面に接触するだけでなく、スロット１４内に侵入し、ステータコア１１内部及びステータコイル１５の軸方向部分を直接冷却することができる。これによりステータ１０を効率よく冷却することができ、ステータコイル１５の絶縁性能の維持及び向上を図るとともに、ステータコイル１５に流すモータ電流の電流密度を高くしてモータ出力を有効に増加させることができる。

また、図２に示すように、周方向に隣接するティース１３の先端部間には、シール部材１９が設けられている。シール部材１９は、スロット１４と、ギャップＧに面するティース１３の先端部との間をシールする。シール部材１９は、例えば、例えば樹脂等の絶縁材料により構成することができる。これにより、スロット１４内に侵入した冷却液Ｃがステータ１０とロータ２０との間のギャップＧに流出することを防止することができる。これにより、スロット１４内に流れる冷却液Ｃが減少して冷却性能が低下するのを、防止することが可能となる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、軸方向両側のコイルエンド部１７の形状及び大きさに応じて、上記２つのカバー部材１８の形状及び大きさを異ならせてもよい。この場合、スロット１４内に配置された多孔質部１６を冷却液Ｃが通るように、軸方向両側の空間Ｓａ、Ｓｂそれぞれへの冷却液Ｃの流入量を調整すればよい。

また、多孔質部１６として、接着剤を浸み込ませた多孔質絶縁基材からなるものを用いてもよい。さらに、多孔質絶縁基材からなる多孔質部１６にワニスを含浸させて硬化させ、ステータコイル１５をスロット１４内に固定してもよい。

１ 回転電機
１０ ステータ
１１ ステータコア
１２ ヨーク
１３ ティース
１４ スロット
１５ ステータコイル
１６ 多孔質部
１７ コイルエンド部
１８ カバー部材
１９ シール部材
２０ ロータ
２１ ロータコア
２２ ロータシャフト
２３ 永久磁石
３０ ボルト挿通部
３１ ボルト
３２ ナット
３３ タブ
Ｓａ、Ｓｂ 空間
Ｇ ギャップ
Ｃ 冷却液

Claims (1)

1. 複数のティースが周方向に互いに間隔を置いて突設された筒状のステータコアと、前記ティース間に形成されたスロットに挿入され、前記ステータコアに巻装されるステータコイルとを含むステータと、
   前記ステータコアと所定のギャップを介して回転可能に設けられたロータと、
   前記ステータコアと前記ステータコイルとの間に設けられた多孔質部と、
   前記ステータコアの両端面から外側にそれぞれ突出するコイルエンド部を覆い、液密状に閉塞した２つの空間を形成するカバー部材と、
   ２つの空間に所定の圧力差をもって収容され、一方の空間から前記多孔質部を介して他方の空間へと流れる冷却液と、
   前記スロットと、前記ギャップに面する前記ティースの先端部との間をシールするシール部材と、
   を備える、
   回転電機。

Images