JP3775348B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固定子（ステータコイル）のコイルエンド部から出る熱を冷却する冷却機構を備えた回転電機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
特開平１０−５１９８９号公報に示されるように、固定子（ステータ）のコイルエンド部とフレーム（ケーシング）との間に熱伝導樹脂を充填するとともに充填樹脂より更に熱伝導率の高い金属材料を挿入することで放熱効率を向上させる方法が提案されている。
【０００３】
また、車両用発電機の様に小型，高出力を要求されるものでは、特開２０００−２０９８１３号公報に開示されるように、フレーム部分に冷却冷媒通路を形成し、冷却冷媒を流すとともに、固定子（ステータコイル）のコイルエンド部とフレーム（ケーシング）との間にシリコーン樹脂を充填をしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記前者の従来技術は、金属材料より成る熱伝導部材をフレームの両端部に嵌合させる為、作業工数が増加し、生産性が悪くなり、また、構成部品の増加によるコスト上昇という問題がある。
【０００５】
上記後者の従来技術では、冷却冷媒通路の形成が複雑で作業性が悪く、熱伝導充填樹脂として、シリコーン樹脂を使用しているため、線膨張係数が、固定子
（ステータ）コアやコイル，フレームの材質より一桁大きい為、高温時は、内径側に膨張し、回転子（ロータ）と接触したり、膨張係数の差により、フレームと充填樹脂との間に過大な応力が発生し、フレームや固定子コイルに繰り返し応力が発生する問題が生じた。また、シリコーン樹脂は、高価な為、製造コストが上昇する問題もあった。
【０００６】
本発明の目的は、上記従来技術の問題点に鑑み、部品数を増加させることなく、固定子（ステータ）コイルとフレーム間の熱伝達を確実に行い、固定子（ステータ）コイルの放熱効率を上昇させ、充填樹脂とフレーム及びコイル間の応力の発生を抑制し、回転電機の信頼性を向上させることである。
【０００７】
また、別の目的は組立作業性の良い回転電機フレームを得ることにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明では上記目的の少なくとも一つを達成するために、以下の少なくとも一つに示す如く構成される。
【０００９】
１．回転電機フレームがアルミ製で、固定子の外周を取り巻く冷却冷媒通路を備えている場合には、固定子と回転電機フレームとの間に線膨張係数がアルミの線膨張係数以上の不飽和ポリエステル樹脂を充填した。
【００１０】
２．固定子の外周に冷却冷媒通路を備えた回転電機フレームを有し、当該回転機フレームと前記固定子との間に絶縁樹脂を充填したものにおいては、前記絶縁樹脂と前記回転電機フレームとの接合面に樹脂捕獲手段の凹凸溝を形成した。
【００１１】
３．椀状の回転電機フレーム，筒状の固定子コアと当該筒状の固定子コアに巻装され、前記筒状コアの両側にコイルエンド部を有する固定子コイルとからなる固定子を備え、前記椀状の回転電機フレームの内壁に前記固定子コアが嵌合固定されており、前記コイルエンド部が前記フレームの内側に樹脂材でモールド固定されている回転電機において、前記椀状の回転電機フレームには空洞が形成されており、前記固定子コイルのエンドコイル部と前記コア外周部を覆っており、前記空洞部には冷却冷媒が通流される。
【００１２】
４．回転電機のフレームであって、片側が開放され、他側に底部を有する椀状をなし、内周に固定子が固定される内側フレームと、回転電機の外郭を形成する外側筒状フレームとが、反底部側で繋がった一体成形品として構成されており、且つ、前記内側フレームと外側フレームとの間に空洞が形成されている。
【００１３】
５．片側が開放され、他側に底部を有する椀状をなしており、さらに内周面と外周面との間に前記底部側が開放し前記開放側が閉じた筒状の空洞部が形成されているアルミ製の回転電機のフレームと、前記空洞部の開放側に装着され前記開放端を密閉する封止部材と、前記椀状のフレームの開放端側に装着され中央に軸受を備えたブラケットと、前記椀状のフレームの底部中央に固定された別の軸受と、前記軸受間に支承される回転子とを備え、前記フレームの空洞部に冷却冷媒が注入されている。
【００１４】
好ましくは、前記ブラケットは前記フレームの端面においてねじ止めにより固定されている。
【００１５】
好ましくは、前記封止部材の外側を被う別のブラケットが前記ブラケットとは反対側の端部に取り付けられていて、当該別のブラケットと前記封止部材との間にブラシが配置されている。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下本実施例の回転電機の基本的構成を説明する。
【００１７】
回転電機は椀状のフレーム２を有する。
【００１８】
筒状の固定子コア４と、この筒状の固定子コア４に巻装され、当該固定子コア４の両端にコイルエンド（渡り線部を含む）３Ａ，３Ｂを有する固定子コイル３とからなる固定子３０を有する。
【００１９】
椀状のフレーム２の内壁に固定子３０の固定子コア４の外周が嵌合固定されており、固定子コイル３がフレーム２の内側に熱伝導性絶縁樹脂材５でモールド固定されている。
【００２０】
椀状のフレーム２の内部には空洞１Ａが形成されており、当該空洞１Ａは椀状のフレーム２の内壁に嵌合固定された固定子コイル３のコイルエンド部３Ｂとコア４の外周部を覆っている。
【００２１】
空洞１Ａには冷却冷媒（実施例ではエンジン冷却水）が通流される。
【００２２】
フレーム２は片側が開放され、他側に底部１０を有する椀状をなしており、さらに内周面１０Ａと外周面１０Ｂとの間に底部１０側が開放し（１Ｂ）、フレーム２の開放側が閉じた（１Ｃ）筒状の空洞１Ａが形成されている。
【００２３】
そして、フレーム２はアルミダイカストで成形される。
【００２４】
空洞１Ａの開放側（１Ｂ）に装着され開放端（１Ｂ）を密閉する封止部材（センタープレート１５，Ｏリング１７）を備える。
【００２５】
椀状のフレーム２の開放端側に装着され、中央に軸受（ベアリング７）を備えたブラケット（フロントブラケット９）と、椀状のフレーム２の底部１０の中央に固定された別の軸受（ベアリング８）と、軸受間（ベアリング７，８間）に支承される回転子とを備えフレーム２の空洞１Ａに冷却冷媒が注入される。
【００２６】
フロントブラケット９はフレーム２の端面にねじ９１でねじ止め固定されている。
【００２７】
封止部材（センタープレート１５，Ｏリング１７）の外側を被う別のブラケット（リヤブラケット１２）がフロントブラケット９とは反対側の端部に取り付けられていて、当該別のブラケット（リヤブラケット１２）と封止部材（センタープレート１５，Ｏリング１７）との間にブラシ１３が配置されている。
【００２８】
フレーム２と固定子３０との間に絶縁樹脂５が充填されており、絶縁樹脂５とフレーム２との接合面には図２に示す如く樹脂捕獲手段の凹凸溝１６が形成されている。
【００２９】
以下、本実施例による回転電機について、図面に基づいてさらに詳細に説明する。
【００３０】
図１は、本実施例による車両用交流発電機の一実施形態を断面図で示したものである。冷却水路１を具備したフレーム２は、固定子コイル３を巻装した固定子コア４を内径側に嵌合，固定し、前記固定子コイル３の周囲およびコイルエンド部とフレーム２の内周面間、固定子コア４のスロット部には、熱伝導性絶縁樹脂５（不飽和ポリエステル）が射出成形等で充填されている。固定子コア４の内径側には、回転子６がベアリング７，８を介し、フロントブラケット９およびフレーム２の椀状壁面の底部１０により、支持されている。プーリ１１は、エンジン等の駆動源とベルトを介し接続され、回転子６を回転駆動する。リヤブラケット１２内には、ブラシ１３，固定子コイル３からの出力電流を整流するダイオード１４、発電機の出力を制御するレギュレータ等が設置されている。センタープレート１５は、フレーム２の冷却水路１をシールするとともに、ダイオード１４が圧入されており、冷却水にて、ダイオード１４を冷却する。本実施例では、フレーム２は、アルミダイカスト。固定子コイル３は、耐熱絶縁皮膜電線（ポリアミドイミド電線等）。固定子コア４は、積層鉄心である。ここで、積層鉄心の線膨張係数α１は、１.１８×１０^-5／℃ 、固定子コイル３の線膨張係数α２は、
１.６５×１０^-5／℃、アルミダイカストの線膨張係数α４は、２.３１×１０^-5／℃、不飽和ポリエステルの線膨張係数α３は、２.０〜３.５×１０^-5／℃である。本実施例の発電機の運転状態でのフレーム２の内周面の温度は、平均１２０℃。固定子コイル３の温度は、平均２００℃。例えば、フレーム２の内径φ128mm、不飽和ポリエステルの線膨張係数２.８×１０^-5／℃ の場合、本実施例によれば、停止状態から運転状態に移ると、熱膨張によるフレーム２と充填樹脂の締代ろは、０.１７mm 、フレーム２に発生する応力は、９.２kg／mm²であり、アルミダイカストの耐力の１／２程度である。一方、従来のシリコン樹脂（線膨張係数１.５×１０^-4／℃ ）を充填した場合、熱膨張によるフレーム２と充填樹脂の締代ろは、１.７３mm と約１０倍の値となってしまう。更に、従来からコイル封入に使用される低線膨張タイプの不飽和ポリエステル(例えば、線膨張係数１.２×１０^-5／℃）の場合、熱膨張によるフレーム２と充填樹脂の締代ろは、−0.01mmとなり、フレーム２と充填樹脂間に隙間が発生し、充填樹脂からフレーム２への熱伝達を妨げてしまう。従って、本実施例によれば、フレーム２の内周面には、過大な応力は発生せず、適度な緊迫力により、確実な熱伝達が得られ、放熱効率を向上できる。
【００３１】
また、本実施例において、充填樹脂を椀型壁面側より注入することで、充填末端が、開放している反椀型側となり、ショートモールド等の充填不足を目視にて、容易に確認でき、品質を向上できる。
【００３２】
更に、本実施例では、フレーム２の内周面の複数の溝１６に充填樹脂が充填され、成形型からの脱型が確実となり、生産性が向上する。また、複数の溝１６により、充填樹脂からフレーム２への伝熱面積が拡大し、放熱効率を向上できる。
【００３３】
図３は、本実施例における、出力端子部の絶縁構造を示す断面図である。出力端子１８とフレーム２及びセンタープレート１５との絶縁を確保する為、フレーム２の椀状底部に充填樹脂流入穴１９を設け、前記出力端子端部を覆う突起２０を前記充填樹脂にて一体に成形しており、絶縁部品を増やすこと無く、出力端子を確実に絶縁できる。
【００３４】
本実施例の回転電機における実施の態様は以下の通りである。
【００３５】
１．環状の固定子コアと該固定子コアに巻装した固定子コイルと前記固定子コアの外周部と嵌合固定されるフレームで構成され、コイルが挿入されている前記固定子コアのスロット部と前記固定子コアの両端面とフレーム内周面間の固定子コイルエンド部に熱伝導性絶縁樹脂を充填した回転電機の固定子において、前記固定子コアの線膨張係数α１と前記固定子コイルの線膨張係数α２と充填される熱伝導性絶縁樹脂の線膨張係数α３と前記フレームの線膨張係数α４との間に
α１＜α２＜α４≦α３が成立するよう構成した。
【００３６】
２．固定子コアは、圧延鋼板または珪素鋼板より成る積層コア，固定子コイルは、銅線に耐熱絶縁樹脂皮膜を形成したエナメル線，充填される熱伝導性絶縁樹脂は、不飽和ポリエステル，フレームはアルミダイカストより構成した。
【００３７】
３．フレームは、片側が椀状であり、コイルを巻装した固定子コアを椀状と対抗する開放部から軸方向に挿入，嵌合，固定した後、成形型にて、熱伝導性絶縁樹脂を前記フレームの椀状壁面に設けた樹脂注入口から注入し、前記固定子コア，コイル，フレームを一体成形した。
【００３８】
４．固定子コイルのエンド部と対向するフレーム内周面に複数の溝を形成した。
【００３９】
５．フレームの椀状底部に充填樹脂流入穴を設け、出力端子端部を覆う突起を充填樹脂にて一体に成形した。
【００４０】
以下実施例の効果を説明する。
【００４１】
本実施例による回転電機の固定子（ステータ）コイルとフレーム間に充填される熱伝導絶縁樹脂は、線膨張係数α３がフレームの線膨張係数α４とほぼ等しいか、若干大きい為、回転電機の運転状態では、フレームと充填樹脂間に緊迫力が発生し、確実な密着状態を保持でき、充填樹脂からフレームへの効率良い熱伝達が得られる。
【００４２】
また、熱伝導絶縁樹脂の不飽和ポリエステル樹脂は、接着力が低い為、コイルと樹脂間の熱膨張による相対変位の影響を緩和でき、コイル表面の絶縁皮膜の損傷によるレアショート等の絶縁不良を回避でき、信頼性が向上する。
【００４３】
さらに、椀状フレームにおける固定子コイルとフレーム内周間への熱伝導絶縁樹脂の充填方法として、椀状壁面に樹脂注入口を設け、成形型にて、フレームの反椀状方向へ熱伝導絶縁樹脂を注入充填することで、硬化，脱型後、充填末端側の充填状態を目視確認でき、信頼性を確保できる。
【００４４】
また更に、本実施例による回転電機の固定子コイルのエンド部に対向するフレーム内周面に複数の溝をあらかじめ形成し、固定子コア，固定子コイル，フレームを熱伝導絶縁樹脂にて一体成形することで、熱伝導絶縁樹脂とフレーム内周面の接触面積が拡大し、放熱効率を向上できる。
【００４５】
更に、熱伝導絶縁樹脂がフレーム内周面の溝に充填されおり、アンカー効果により、固定子コア，コイル，充填樹脂が、確実に一体となっており、成形型から容易に脱型でき、生産性の向上が図れる。
【００４６】
更に、出力端子部の絶縁部材を充填樹脂にて一体成形できるので、部品点数削減と絶縁部材組付け作業を廃止でき、生産性の向上が図れる。
【００４７】
【発明の効果】
本発明によれば、フレーム内周と充填樹脂の確実な密着が得られ、固定子コイルの放熱効率を向上でき、より高出力な回転電機を提供できる。
【００４８】
また別の発明では冷却冷媒通路の形成が簡単になった。
【００４９】
更に別の発明では冷却冷媒通路を備えた回転電機の生産性が向上した。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による回転電機の一実施形態を示す断面図である。
【図２】図１の部分拡大図である。
【図３】図１の出力端子構造を示す断面図である。
【符号の説明】
１…冷却水路、２…フレーム、３…固定子コイル、４…固定子コア、５…熱伝導性絶縁樹脂、６…回転子、７，８…ベアリング、９…フロントブラケット、
１０…底部、１１…プーリ、１２…リヤブラケット、１３…ブラシ、１４…ダイオード、１５…センタープレート、１６…溝、１７…Ｏリング、１８…出力端子、１９…充填樹脂流入穴、２０…突起。

Claims (6)

1. 固定子と、該固定子の外周に設けられた回転電機フレームとの間に絶縁樹脂を充填した回転電機であって、
   前記回転電機フレームは、アルミ製で、冷却冷媒通路を備えており、
   前記絶縁樹脂は、成形型を用いて射出成形により充填され、線膨張係数がアルミの線膨張係数以上の不飽和ポリエステル樹脂であり、
   前記不飽和ポリエステル樹脂の前記線膨張係数は、２.８〜３.５×１０^-5／℃であって、回転電機の運転状態では、前記回転電機フレームと前記絶縁樹脂との間に緊迫力が発生するようになっており、
   前記絶縁樹脂と前記回転電機フレームとの接合面には、樹脂捕獲手段が設けられていることを特徴とする回転電機。
2. 請求項１記載の回転電機において、
   前記回転電機フレームは、片側が開放され、他側に底部を有する椀状をなしており、さらに内周面と外周面との間に前記底部側が開放し前記開放側が閉じた筒状の空洞部が形成されており、
   前記空洞部は、前記冷却冷媒通路を形成していることを特徴とする回転電機。
3. 請求項２記載の回転電機において、
   前記ブラケットは、前記回転電機フレームの端面において、ねじ止めにより固定されていることを特徴とする回転電機。
4. 請求項２記載の回転電機において、
   前記封止部材の外側を被う別のブラケットが前記ブラケットとは反対側の端部に取り付けられていて、当該別のブラケットと前記封止部材との間にブラシが配置されていることを特徴とする回転電機。
5. 請求項２記載の回転電機において、
   前記回転電機フレームは、コイルを巻装した固定子コアを前記椀状と対向する開放部から軸方向に挿入，嵌合，固定した後、前記成形型にて、前記絶縁樹脂を前記回転電機フレームの前記椀状の底部に設けた樹脂注入口から注入し、前記固定子コア，コイル，回転電機フレームを一体成形したことを特徴とする回転電機。
6. 請求項５記載の回転電機において、
   出力端子の絶縁部材を、前記固定子と前記回転電機フレームとの間に充填した前記絶縁樹脂と一体に成形したことを特徴とする回転電機。

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