JP3470673B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、一般産業用回転電
機、また、車両用回転電機に関し、特に電気自動車、ハ
イブリット電気自動車用回転電機に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】産業用機器、家電製品、自動車等の省エ
ネルギー化、省資源化のニーズに伴い、これら製品を駆
動するモータの高効率化、小形軽量化が、要求されてい
る。特に、電気自動車、ハイブリット電気自動車では、
地球環境保護を狙いとした燃費向上とともに、限られた
搭載スペースへ取り付けることが必要であり、高効率で
小形な回転電機が要求されている。

【０００３】回転電機の効率を向上させるには、回転電
機の損失の中で、大きな割合を占めている銅損（Ｉ²Ｒ
で表されるジュール熱損、Ｉ：電流、Ｒ；巻線抵抗）の
低減が必要である。この損失を低減するには、巻線抵抗
Ｒを低減することが必要であり、それと共に、コイルの
冷却性の向上も必要である。

【０００４】巻線抵抗を低減する方法としては、周長を
短くすることが必要である。この方法として、分割コア
方式集中巻線がある。集中巻線とは、各磁極ティース毎
に線を巻回する巻線であり、複数の磁極ティースを跨ぐ
ように巻回する巻線形式を、分布巻線と呼ぶ。しかし、
両者とも、一体形のステータ鉄芯では、高密度に巻線す
ることには限界があり、分割コアに巻線することにによ
り巻線密度を向上する方法がある。従来の回転電機とし
て、特開平６−２６１４７５号公報には、ボビン巻線し
た集中巻コイルを分割した磁極ティース部に組み込み、
その磁極ティース部をコア本体に軸方向から組み立てる
方法が示されている。一般に、分割コア方式集中巻線
は、分布巻線に比べ、コイルエンド（コア端面から外側
にでたコイル部分）の高さを低く、かつコイル周長、巻
線抵抗を低減できる。

【０００５】一方、コイルを冷却する従来の方法とし
て、特開平１０−１１２９５７号公報記載の回転電機で
は、図９に示すようにステータ１の外周部を保持するフ
レーム２内に冷媒通路１２を設け、エンドブラケット４
に備えた冷媒通路１３と組み合わせることで、冷媒通路
を形成し、そこに冷媒を流すことによりステータコイル
２０の放熱を行っている。一般に、この冷却フレ−ム
は、熱伝導の良いアルミを材料とし、フレーム内に流路
となる深い溝を鋳造によって製作している。

【０００６】また、コイルエンドに発生した熱は、空気
中への放熱とステータコアから冷却部への放熱となるた
め、スロット内のコイルよりも放熱性が劣ることとな
る。そのため、特開平５−２３６７０５号公報記載のよ
うに、酸化アルミニウム粒子等を添加した樹脂でコイル
エンド周囲の空気を樹脂で埋めている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前記の巻線抵
抗を低減した集中巻は、コイルの冷却性の点では、同じ
コイル数で構成した分布巻線よりも劣ることとなる。こ
の要因は、分布巻線が、一つのスロット内にコイルの一
辺が収まる巻線構造であるのに対し、集中巻線は、１つ
のスロット内に２つのコイルを収めるため、分布巻線に
対し、放熱面積が約半分となるためである。さらに、分
割コア方式の場合、一体のコアとは異なり、分割面とな
るティースとコアバック間には、僅かであるが空隙が生
じており、コイルに生じた熱がコアバック及び冷却フレ
ームに伝わりにくくしている。このように、発熱するコ
イルから冷却部までの熱抵抗の増加が課題となってい
る。

【０００８】また、一般にモータハウジングからコイル
エンドまでの寸法は、コイル寸法のばらつきを考慮して
いるため大きく、周囲を樹脂材料で埋めるだけでは、熱
抵抗低減効果は少なかった。

【０００９】本発明は、上記の従来技術の問題点を解決
するものであり、その目的は、ステータコイルに発生し
た熱を効率よく放熱する回転電機を提供し、回転電機の
高効率化、小形軽量化、寿命向上を実現することにあ
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明は、集中巻ステータのコイルの冷却性を向上
するため、スロット内に冷媒通路を配置しており、その
結果、コイルの放熱面積が増え、熱抵抗を低減できる。
また、コアバック及びフレームを介した冷却とは異な
り、発熱するコイルにほぼ接した位置に冷媒通路を設け
ているため、効率よく放熱することができる。

【００１１】また、このスロット内に配置した冷媒通路
は、２ｎ（ｎは整数）極ピッチでつながり、それ以外と
は電気的に絶縁された構成としている。スロット内に冷
媒通路として金属製配管を配設する場合、回転磁界発生
時における配管内の渦電流の発生が心配されるが、この
配管は、２ｎ極ピッチに電気的に結合されているため、
電位差が生じることがなく、渦電流は流れないため、回
転電機の損失増加に影響はない。この冷媒通路は、熱伝
導率の大きな金属材料（例えば、銅やアルミニウム）が
好ましい。

【００１２】上記のように、スロット内を通る冷媒通路
は、コイルエンド側でつながっており、また、回転電機
端面に設置したエンドブラケットに固定された構造であ
る。この構造の冷却装置に、ティースとコアバックを分
割したステータコアを用いた集中巻線を組み立てるた
め、巻線抵抗が少なく、冷却性能の高い回転電機を、容
易に組み立てることができる。

【００１３】また、ステータ本体端面及びコイル表面
と、冷媒通路との隙間は、熱伝導性の高いモールド樹脂
を充填しているため、さらに冷却性能が向上する。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下に本発明の一実施例を図面と
共に説明する。図１は、本発明の一実施例を示すモータ
の断面図、図２は、本発明の実施例における冷媒通路の
配置を示す集中巻モータの断面図、図３は、本発明の実
施例における冷媒通路とエンドブラケットを示す部分展
開図、図４は、本発明の実施例における冷媒通路をエン
ドブラケットに配設した斜視図、図５は、本発明の実施
例における冷媒通路の形状を示す斜視図、図６は、本発
明の実施例における集中巻コイルを巻線する巻枠と成形
型を示す斜視図、図７は、本発明の実施例における集中
巻コイルの断面成形方法を示す巻線後の巻枠断面図、図
８は、本発明の実施例におけるステータの組立を示す斜
視図である。

【００１５】図１に示すように、ステータ１には分割し
た１２個の磁極ティース２２がコアバック２１の内側に
放射状に配設している。これらの磁極ティース２２とコ
アバック２１は、それぞれ電磁鋼板を打抜き積層したコ
ア部品からなり、各磁極ティース２２毎にステータコイ
ル２３が巻線された集中巻線ステータである。３相での
電流駆動の場合、例えば、図１のようにＵ相、Ｖ相、Ｗ
相のコイルが順次周方向に配置した構成となる。また、
このステータ１に対し回転可能に保持されたロータ８
は、電磁鋼板を積層したコアの外周部に溝が作られてお
り、その溝に８個の磁石１６を埋め込んだ８極のロータ
である。この回転電機において、各コイルエンド上部に
冷媒通路２５、２６、２７、２８、２９、３０を配置
し、２極ピッチ毎の間隔でスロット内の冷媒通路と繋が
った冷却配管として構成されている。

【００１６】図１において、１２スロット８極の集中巻
モータとしたが、２４スロット１６極等にスロット数を
多くすることで、１磁極ティースあたりの巻線本数が減
り、コイルエンドを短くすることもできる。また、用途
に応じて他の組み合わせを採用しても良い。ロータにお
いても、図１には、埋め込み磁石型を示したが、ロータ
表面に永久磁石を配置した表面磁石型ロータでも良い。

【００１７】この冷却配管は、熱伝導性が良く、加工性
の良好な素材が良く、銅または、アルミ等を素材とした
ものが良い。ただし、金属製冷却配管の場合、コイルと
の絶縁が必要であるため、集中巻コイルのスロット絶縁
材により冷却配管との絶縁を確保した構成とすると良
い。また、逆に金属製配管の表面に絶縁皮膜をコ−ティ
ングする方法でも良い。図５に冷却配管の一つを示した
が、スロット内コイルと接触するＬの範囲及びコイルエ
ンドと接触するＷの範囲を中心に空間距離等を考慮し、
絶縁処理を行うと良い。ただし、この絶縁材は、所定の
絶縁耐熱性、絶縁耐圧が必要であり、例えば、フッ素樹
脂、テフロン、ポリアミド、シリコン等のコーティング
を行うとよい。このように、冷媒通路とコイルエンドに
絶縁材を介在させることにより、回転電機の使用条件等
により発生する恐れのあるコイルの絶縁皮膜破損による
絶縁不良を防ぐことができる。

【００１８】図２に、図１の冷媒通路２５、２８のみを
配置した場合のステータ断面図を示す。回転電機駆動時
すなわち回転磁界発生時において、図２に示す磁場が発
生したとき、スロット内の冷媒通路が良導電性金属の場
合、図に示した冷媒通路２５ａ、２５ｂ、２８ａ、２８
ｂには、周囲に同じ磁界が発生しているため、軸方向で
かつ同じ方向に電流が流れようとするが、それぞれ電気
的に連結しているため、電位差が生じることなく、電流
は流れない。よって、損失を増加することなく、スロッ
ト内に金属製冷媒通路を配置することができる。この結
果、各スロット内に冷却配管を配置することができ、放
熱面積を約２倍に増加でき、また、コイルにほぼ接した
位置に冷媒通路を設けることで、全体の熱抵抗を低減す
ることができ、モータの温度上昇を抑えることができ
る。

【００１９】図１、図２に示した１２スロット８極の３
相集中巻モータの場合、１２／８＝３／２となり、極数
２に対し３スロット分が相当する構成であるため、図２
から明らかなように、冷媒通路を２極、４極、６極ピッ
チ、すなわち３スロット、６スロット、９スロットピッ
チに配置することができる。すなわち、２ｎ極（ｎは整
数）ピッチに配置可能である。そのほか、２４スロット
１６極、４８スロット１６極等も同様である。また、図
１に示したように、６個の配管を径方向に２層にずらし
て配置することで、軸方向の小形化を図ることができ
る。しかも、３相の巻線に対する冷却配管に対して、２
種類の形状で対応することができ、部品製作が容易とな
る。

【００２０】図３には、図１に示した冷媒通路２５につ
いて、ステータとエンドブラケットとの関係を部分的に
展開した図を示した。この図において、冷媒通路１個所
のみ図示し、他は省略した。また、図４は、冷媒通路２
５とエンドブラケットのみ示した斜視図であり、図５
は、冷却配管の形状を示した図である。冷媒通路２５
は、図１、２、３に示したように、スロット内に通って
おり、コイルエンド２０の上面でつながっている。ま
た、その両端面は、エンドブラケット４に配管されてお
り、エンドブラッケット側の冷媒通路１３と水路として
結合されている。しかし、２ｎ極（ｎは整数）ピッチ以
外の他の冷媒通路と電気的には接続できないため、エン
ドブラケットとの接続部には、冷却配管の表面に絶縁性
のある非導電性材および開口封止材を介して配管してい
る。

【００２１】また、スロット内のコイル及びコイルエン
ドからの放熱性を向上するため、コイル表面と配管の空
隙を削減し接触させた構成とする。そのため、図５、図
６に示したように、整列巻線用の巻枠４０に、コイル２
３を巻線後、スロット内コイル成形型を図面横方向から
ｐ２の圧力で成形する。このとき、巻枠上型４１と巻枠
下型４４は、図面上下方向からｐ１の圧力で支持してい
る。この圧力及び巻枠、成形型の寸法を所定の値に設定
し管理することで、コイル断面を所定の寸法に成形でき
る。このとき、整列巻線したコイルの断面を成形する力
としては、絶縁皮膜を損傷しない条件として、例えば、
ポリアミドイミドを絶縁皮膜とした電線を整列巻線した
場合、３５ｋｇ／mm²以下が良い。

【００２２】また、スロット内コイルを成形後、その成
形型４５が巻枠４０の所定の距離で接した状態を維持し
ながら、コイルエンド成形型４７をモータ軸方向に移動
させて加圧することで、コイルエンドの上面においても
所定の寸法に成形することができる。この結果、コイル
のスロット内断面寸法のばらつき、また、コイルエンド
上面の寸法ばらつきが低減される。また、このコイル成
形と同様に、冷媒通路２５においても、図５に示したス
ロット内コイルとの接触範囲Ｌ、およびコイルエンドと
の接触範囲Ｗを所定の寸法に圧縮成形および曲げ成形を
することで、冷媒通路２５の寸法ばらつきが低減でき
る。この結果、従来では、スロット内の２つのコイル間
に生じる隙間の寸法が所定の寸法となり、この隙間に冷
却通路を配置することで、コイル２３と冷却配管２５と
の空隙を低減できる。

【００２３】図６、７にて説明したように所定の寸法と
なるように整列巻線後、スロット内の断面成形をしたコ
イル、さらには、その成形とともにコイルエンドを軸方
向に成形することでコイル外形寸法のばらつきを低減し
たコイル２３を製作する。そして、図９に示したよう
に、各磁極ティース毎に分割したティース２２をエンド
ブラケットに配設された冷媒通路２５に挿入し、前記コ
イル２３をそのティースに組み付ける。全コイルをティ
ースに組み付けた後、内径側でコイル組した全ティース
を把持し（図示せず）、そのティースとコイル及び冷媒
通路を組み立てた部品にコアバックを軸方向から挿入す
ることにより、冷媒通路付きステータを組み立てること
ができる。よって、スロット内に冷媒通路を配置するこ
とができるため放熱面積を増加でき、また、コイル寸法
のばらつき低減により冷媒通路とコイルとの隙間を少な
く設定し組み立てることができ、コイルと冷媒通路との
熱抵抗を低減できる。

【００２４】また、前記冷媒通路とステータ本体端面及
びコイル表面と冷媒通路とには、組立に必要な隙間が生
じているため、その隙間を埋める熱伝導性モールド樹脂
を充填すると良い。また、熱伝導性シートを介在させる
ことで熱伝導性を向上させてもよい。

【００２５】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、ス
テータのスロット内に良熱伝導性材の冷媒通路を配置
し、２ｎ極（ｎは整数）ピッチ毎の間隔で結合している
ため、コイルの放熱面積が増加し、コイルの冷却性を向
上できる。また、ステータ鉄芯がコアバックとティース
に分割した構造であり、コイルエンドと前記冷媒通路と
を絶縁物を介して密着させて配置しており、巻線抵抗が
少なく、冷却性能の高い回転電機を、容易に組み立てる
ことができる。また、ステータ本体端面及びコイル表面
と、冷媒通路との隙間は、熱伝導性の高いモールド樹脂
を充填しているため、さらに冷却性能が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のモータの断面図。

【図２】本発明の冷媒通路の配置を示す集中巻モータの
断面図。

【図３】本発明の冷媒通路とエンドブラケットを示す部
分展開図。

【図４】本発明の冷媒通路をエンドブラケットに配設し
た斜視図。

【図５】本発明の冷媒通路の形状を示す斜視図。

【図６】本発明の集中巻コイルを巻線する巻枠と成形型
を示す斜視図。

【図７】本発明の集中巻コイルの断面成形方法を示す巻
線後の巻枠断面図。

【図８】本発明のステータの組立を示す斜視図。

【図９】従来技術のモータ斜視図。

【符号の説明】

１…ステータ、２…フレーム、３・４…エンドブラケッ
ト、５…回転軸、６・７…軸受け、８…ロータ、９…結
線部、１０…コイルエンド、１１…スロット、１２…フ
レームの冷媒通路、１３…エンドブラケットの冷媒通
路、１４…冷媒入口、１５…冷媒出口、１６…磁石、２
０…コイル、２１…コアバック、２２…ティース、２３
…集中巻コイル、２４…絶縁材、２５・２５ａ・２５ｂ
・２６・２７・２８・２８ａ・２８ｂ・２９・３０…ス
ロット内冷媒通路、３２…開口封止材、３３…絶縁材、
４０…巻枠、４１…巻枠上型、４２…巻枠芯がね上部、
４３…巻枠芯がね、 ４４…巻枠下型、４５・４６…ス
ロット内コイル成形型、４７…コイルエンド成形型、５
０…巻線軸。

フロントページの続き (72)発明者 渋川 末太郎 茨城県ひたちなか市大字高場2520番地 株式会社日立製作所 自動車機器グルー プ内 (72)発明者 田島 文男 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株式会社日立製作所 日立研究所内 (56)参考文献 特開 平10−327558（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−42497（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−75271（ＪＰ，Ａ) 実開 平３−77260（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H02K 3/22 H02K 1/18

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ステータに配設された磁極ティースの各磁
   極ティース毎にステータコイルを巻線したステータと、
   このステータに対し回転可能に保持されたロータ、及び
   前記ステータを冷却する冷媒通路を備えた冷却機構を有
   する回転電機において、ステータのスロット内に良熱伝
   導性金属からなる冷媒通路を配設し、前記冷媒通路が、
   ２ｎ極（ｎは整数）ピッチ毎の間隔で電気的に結合され
   ており、２ｎ極ピッチ以外の冷媒通路は電気的に絶縁さ
   れていることを特徴とする回転電機。
2. 【請求項２】請求項１記載の回転電機において、ステー
   タ鉄芯がコアバックとティースに分割した構造であり、
   コイルエンドと前記冷媒通路とを絶縁物介して密着させ
   て配置したことを特徴とする回転電機。
3. 【請求項３】請求項２記載の回転電機において、ステー
   タ本体端面及びコイル表面と冷媒通路との隙間を埋める
   熱伝導性モールド樹脂を充填していることを特徴とする
   回転電機。