JP3780164B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発電機や電動機等の回転電気機械における樹脂モールドステータの冷却構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気エネルギーを機械エネルギーに変換する電気機器として、電動機（モータ）が知られている。電動機では電気系と機械系とが結合しており、磁界と導体との相対運動、磁界と電流との間の電磁力、磁気間の吸引力や反発力等を利用している。そして、電動機の一種として、回転運動を行う回転電機が知られており、直流モータや交流モータ等が使用されている。
【０００３】
回転電機、例えばＡＣサーボモータ等は図１３に示すように電機子鉄心１及び電機子巻線２を樹脂モールド９でモールドした電機子を使用し、図１４に示すように永久磁石３を有する回転子４、エンドブラケット６ａ、６ｂ等と組み合わせて構成される。電機子は電機子鉄板の積層体をかしめ、又はレーザ溶接等の手段で電機子鉄心１とし、この電機子鉄心１の溝部分に電機子巻線２を設けて形成される。電機子鉄板は例えば帯状鉄板を打抜いて形成されるが、この打抜き形状は、磁気回路として機能する本体部と、電機子をエンドブラケット６ａ、６ｂに固定するための通しボルト孔１５を設けた角部とからなるのが一般的である。回転子４は回転軸５を有し、軸受７ａ、７ｂによりエンドブラケット６ａ、６ｂに回転可能に保持される。負荷側エンドブラケット６ａは通しボルト孔１５及び外部取付ボルト孔を有しており、通しボルト孔１５及び通しボルト１０により電機子を固定しており、また、外部取付ボルト孔及び外部取付ボルトにより外部に取付けされる。尚、エンコーダ８を備えており、位置や速度検出等が行われる。
【０００４】
従来から電機子鉄心と電機子巻線間に樹脂モールド部材を封止し、そのモールド部材を介して熱を放熱するモールドステータ構造は一般的に行われている。例えば、図１２，図１３に示すように、電機子鉄心１と電機子巻線２を樹脂モールド部材で一体的にモールドしたモールドステータ構造としては特開平３−１９８６３６号公報で広く知られている。しかしながら、この構造では軸方向の熱伝達性が非常に悪く、樹脂モールド部材より熱を放熱する冷却構造有する回転電機においては小型化、軽量化を実現するには構造上限界があった。ここで図１２は図１４のＢ−Ｂ'断面矢視図であり、又、図１１は図１４のＡ−Ａ'断面矢視図である。図１２に示すように樹脂モールド９の厚さは電機子鉄板１の全周に渡って、概ね均一にモールドされており、その厚さは通常１ｍｍ程度である。
【０００５】
ＡＣサーボモータのように、電機子鉄板の積層体及び電機子巻線を樹脂モールドされ、冷却用ファンや外郭すなわち、ハウジング等が付いていない回転電機においては、電機子鉄心１が絶縁被覆で覆われた鉄板を積層して作られているので、電機子鉄心１及び電機子巻線２から発熱する熱量は、径方向に主に伝達し軸方向にはほとんど伝達しない。したがって発生した熱は図９に示すように、まず電機子の径方向に伝熱し（内部に斜線を施した矢印で示されるもの）、外周の樹脂モールド９を介し、負荷側のエンドブラケット６ａから冷却用モータ取付フランジ１４に伝熱され放熱し冷却される。尚、樹脂モールド９から外被への自然放熱はほとんど期待できない。よって、発生した熱をいかに外皮部分で軸方向に伝達して負荷側のエンドブラケット６ａに伝熱させられるかが冷却においては最重要である。すなわち、回転電機を小型、軽量化するためには軸方向の伝熱性能の向上が最重要である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記した回転電機の小型化、軽量化を実現するものであり、樹脂モールドされた電機子（モールドステータ）の冷却性能を向上した回転電機を提供することを目的としたものである。従来技術では、電機子巻線及び鉄心から発熱した熱は樹脂モールド部材を介して負荷側のエンドブラケットに流れ、モータ取付フランジに伝熱されて放熱される。よって、本発明の目的は、発熱部である電機子巻線と鉄心とモータ取付フランジの間の熱勾配及び熱伝導率を大きくし、かつ、接触部の熱抵抗を小さくして、回転電機の電機子巻線及び鉄心の温度上昇を低減することにある。すなわち、モータ内で一番温度の高くなりやすい電機子を効果的に冷却し、ひいてはモータ全体を効率良く冷却される。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は電機子鉄板の積層体（即ち電機子鉄心）及び電機子巻線を樹脂モールドで封止して一体化しモールドステータとした電機子と、この電機子の内側で回転する回転子と、電機子及び回転子を保持するエンドブラケットを有する回転電機において、そのモールドステータと負荷側のエンドブラケットとの対向部分に電機子鉄心のコアバック部を露出させ、負荷側のエンドブラケットに直接接触させる構造を有する回転電機である。
【０００８】
又、本発明はモールドステータ内部に金属体を電機子鉄心の積厚方向に対して複数箇所埋設し、そのモールドステータとエンドブラケットとの対向部に上記金属体の端部を露出させ、エンドブラケットに直接接触させる構造を有する回転電機である。
【０００９】
さらに、本発明は上記２つの構造を有する回転電機とすることで更に効果を発揮する。
【００１０】
又、本発明はモールドステータ内部に金属棒を電機子鉄心の外周面に接触するように埋設し、モールドステータと負荷側のエンドブラケットとの対向部まで上記金属棒を露出させ、負荷側のエンドブラケットに直接接触させる構造を有する回転電機である。
【００１１】
さらに本発明はモールドステータ内部に金属棒を電機子鉄心の外周面に接触するように埋設し、モールドステータと負荷側のエンドブラケットとの対向部まで上記金属棒の端部及び電機子鉄心のコアバック部を表面に露出させ、金属棒と合わせて、負荷側のエンドブラケットの対向部に接触させた構造を有する回転電機である。
【００１２】
又、通しボルト孔との対称になる位置に金属棒を挿入するための孔をモールドステータ内部に複数箇所設け、その孔に金属棒を埋設し、モールドステータと負荷側のエンドブラケットとの対向部分に電機子鉄心のコアバック部及び上記金属棒の端部を露出させ、負荷側のエンドブラケットに直接接触させる構造を特徴とする回転電機である。
【００１３】
そして、上記金属棒を挿入するための金属棒挿入孔に、電機子鉄心と接触する金属棒又は圧入可能な形状の金属体を埋設させた構造を有する回転電機である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について説明する。
【００１５】
実施例の回転電機の実施例について、図１〜図９を用いて説明する。
【００１６】
図１〜図７は、実施例のモールドステータの部分断面説明図である。図８は実施例の回転電機の断面説明図である。図９は実施例の回転電機の熱伝達回路断面説明図である。
【００１７】
実施例を説明する。本実施例の回転電機は図８に示すように、電機子鉄心１及び電機子巻線２からなる電機子、回転子４、エンドブラケット６ａ、６ｂ等からなる。電機子は複数の電機子鉄板１を積層し、電機子巻線２を施し、樹脂モールド９で固定して製造される。回転子４は回転軸５を有し、軸受７ａ、７ｂによりエンドブラケット６ａ、６ｂに回転可能に保持される。負荷側エンドブラケット６ａは通しボルト孔１５及び外部取付ボルト孔を有しており、通しボルト孔１５及び通しボルト１０により電機子を固定しており、また、外部取付ボルト孔及び外部取付ボルトにより外部に取付けされる。又、エンコーダ８を備えており、位置や速度検出等が行われる。モールド樹脂９は絶縁性と電動機の発熱による温度上昇を考慮して、耐熱性の高い樹脂を使用している。
【００１８】
次に、本実施例の回転電機の伝熱構造について図９を用いて説明する。一般的には電機子鉄板１の積層体及び電機子巻線２を樹脂モールドし、冷却用ファンや外郭すなわち、アルミや鋳物ハウジング等が付いていない回転電機において、例えば、ＡＣサーボモータの電機子鉄板１及び電機子巻線２から発熱する熱量は、図９の内部に斜線を施した矢印で示すように、その大部分が樹脂モールド９を介して負荷側のエンドブラケット６ａに流れ、モータ取付フランジ１４に伝熱され、放熱される。また、図９の点線の矢印で示すように電機子巻線２を伝わって軸方向に電熱される。尚、エンコーダ８は電子機器部品なため、断熱材１１を介して取り付けられる断熱構造になっており、熱遮断している。又、樹脂モールド９から外被への自然放熱はほとんど期待できない。よって、電機子鉄心１及び電機子巻線２での発熱をいかに負荷側のエンドブラケット６ａに伝熱させられるかが冷却においては最重要である。
【００１９】
図８のＢ−Ｂ‘断面を図１０に示すように、コイル２は絶縁物たとえばボビン１８の上に巻かれている。コイルは良熱伝導体の電気銅であり、周方向は絶縁被膜で覆われている。よって電機子巻線から発熱する熱は、熱伝導の良い軸方向を伝わり、コイルエンド部から樹脂モールド９（熱伝導率１．２Ｗ／ｍ・Ｋ）を介して伝熱する経路と、熱伝導の悪い周方向あるいは径方向からボビン１８、電機子鉄心１に伝わり、モールド樹脂９を介して伝熱する経路があるが、図９に示すように前者が主である。絶縁物例えば、ＰＢＴ等で出来ているボビン材の熱伝導率（０．２７Ｗ／ｍＫ）はコイルの軸方向の熱伝導率（３６０Ｗ／ｍＫ）と比べ、明らかに熱伝導は悪い。よって、コイルからの発熱する熱源は、コイルエンドより熱を引くこととなる。
【００２０】
次に電機子鉄心１の積層体に使用される電磁鋼板は、その表面が絶縁皮膜で覆われているので、電磁鋼板の積層体の軸方向の熱伝導率（０．６８３Ｗ／ｍＫ）は周方向あるいは径方向（１６．８Ｗ／ｍＫ）と比べ、非常に悪い。よって、電機子鉄心から発生した熱は図９に示すように軸方向より径方向に流れ、樹脂モールド９を介して負荷側のエンドブラケット６ａに伝わる。そのエンドブラケット６ａの材質は通常、アルミダイカスト（ＡＤＣ１２）等であり、その熱伝導率は１００Ｗ／ｍＫ程度である。又、モータ取付用フランジ１４をアルミニウム部材とすれば、熱伝導率は１３８Ｗ／ｍＫとなり、モールド樹脂９の熱伝導性がそれらと比べて極めて悪く、断熱していることが分かる。よってこの電機子で発生した熱をいかに負荷側のエンドブラケット６ａに伝熱するかがキーポイントになる。
【００２１】
上に示したようにモールドステータの軸方向の熱伝導性を改善すれば、樹脂モールドされた電機子の冷却性能を向上することができ、モータ内で一番温度の高くなりやすい電機子を効果的に冷却し、ひいては回転電機全体を効率良く冷却できる。
【００２２】
以下に、小型化、軽量化を実現する具体的な実施形態について、図を用いて説明する。
【００２３】
まず、本発明の第１の実施形態について説明する。
【００２４】
図１は図８のＡ−Ａ断面を示した本発明の第１の実施形態で、モールドステータと負荷側のエンドブラケット６ａとの嵌合面部分に勘合する樹脂モールドされた電機子鉄心１のコアバック部１ａを露出させ、その面を負荷側エンドブラケット６ａに直接、突き当てて接触させる構造としている。このとき電機子鉄心のコアバック部１ａが直接、負荷側のエンドブラケット６ａに接しているため、効果的に熱を引くことができ、効率よく冷却することが可能となっている。
【００２５】
このように、熱伝導性の悪いモールド樹脂で被覆されたモールドステータから電機子鉄心のコアバック部の表面を露出させることで、電機子鉄心１及び電機子巻線２からの発熱を、モールド樹脂９で断熱せずに効率よく負荷側のエンドブラケット６ａへ伝えることができ、モールドステータの冷却性能が向上する。さらに電機子のコイルエンド部の接続方法をプリント基板を用いた接続方式とする。アースを取るために電機子鉄心１にアースピンを挿入する場合は、予めアースピン用の穴を電機子鉄板の積層方向に沿って貫通させておき、その穴に熱伝導性の優れる金属体（金属棒など）を挿入、もしくは圧入し、その金属体を負荷側のエンドブラケット６ａに突き当てる構造を取ることでヒートパイプの役目をすることになり更に冷却効率が上がる。又、本モールドステータ構造は図１２に示すような従来の構造と較べ、電機子鉄心部１ａとモールド樹脂部９の割合は本実施形態では樹脂モールド部分が多くなっており、電磁鋼板の比重に較べて、モールド樹脂の比重は約１／７程度のため、さらに軽量化が可能になる。さらに、本構造では、振動及び騒音抑制に寄与する。一般に、モータ駆動時においては通しボルト孔１５内に通す通しボルト１０が節となって振動するため、通しボルト孔１５付近では梁の歪が大となり、曲率大となる。そこで図１や図１０に示すように通しボルト孔１５付近のモールド樹脂９を厚くすることで、振動を抑制できる。又、通しボルト孔１５間の最大減衰部においては、コアバック１９が厚すぎると振動変位が小さくなり、通しボルト孔１５付近の歪が小さくなり、モールド樹脂９のダンピングが生かせるという上記内容に反するため良くないので、その部分はコアバック１ａを薄くすることが望ましい。このように本構造では冷却性能向上に加えて、振動及び騒音低減にも寄与することが可能になる。
【００２６】
次に、本実施例の回転電機の製造方法について説明する。本実施例において、通常の方法で電機子鉄板の積層して電機子鉄心１を形成し、この電機子鉄心１の溝部分に電機子巻線２を設け、コアバック部１ａがモールドで覆われないようなモールド型を製作し、すなわち、コアバック部１ａを型に当てるように電機子鉄心１を設置し、その型にモールド樹脂を注入し、モールドステータを製造する。
【００２７】
本発明の第２の実施形態について説明する。図２は図８のＡ−Ａ断面を示した本発明の第２の実施形態で、モールドステータ内部に熱伝導性の優れる金属体、例えば、アルミニウム部材のアルミバー１６を電機子鉄心の積厚方向に対して、複数箇所埋設し、そのモールドステータと負荷側のエンドブラケット６ａとの嵌合面まで、モールドステータからアルミバー１６を露出させ、負荷側のエンドブラケット６ａに直接、突き当てる構造とする。電機子鉄心１及び電機子巻線２から発生した熱量はモールド樹脂９を介して、熱伝導の良いアルミバー１６に伝熱する。このときアルミバー１６は負荷側のエンドブラケット６ａに直接、接しているため、効率よく熱を引くことができ、効果的に冷却することが可能となる。尚、第２の実施例は本発明の適用の１例として、材質等においても、本実施例に制限されるものではなく、熱伝導性の良い材質であれば同様の構成が可能である。したがって発明の主旨が実現できれば、いかなる数量、材質であっても良い。
【００２８】
次に、本実施例の回転電機の製造方法について説明する。本実施例において、アルミバー１６の負荷側のエンドブラケット６ａとの嵌合部がモールド樹脂で覆われないように型を製作し、すなわち、アルミバー１６を型に当てるように電機子を設置してモールドする。その他は既に説明した第１の実施形態と同じである。
【００２９】
次に本発明の第３の実施形態について説明する。図３は図８のＡ−Ａ断面を示した本発明の第３の実施形態で、上記に述べた第１の実施形態と第２の実施形態の複合構造の場合である。
【００３０】
従って、この第３の実施形態は第１の実施形態のメリットにより得られるメリットに加えて、第２の実施形態のメリットも得られることができ、より一層、効率よく冷却することが可能となる。
【００３１】
次に本発明の第４の実施形態について説明する。図４は図８のＡ−Ａ断面を示した本発明の第４の実施形態で、この実施形態の特徴は、電機子鉄心コアバック１ａがアルミバー１６に複数箇所直接、接している点にあり、図示のように熱伝導の優れる金属体１６のみ、負荷側のエンドブラケット６ａに接するように形成されている。この第４の実施形態によれば、電機子鉄心１とアルミバー１６が直接、接触しているので両者の接触部の熱抵抗が小さく、その結果、電機子鉄心１からの発熱を直接、アルミバー１６に効果的に伝熱でき、そしてこの熱を負荷側のアルミバー１６を通してエンドブラケット６ａに伝えることができるので軸方向の熱伝導性が大幅に改善される。
【００３２】
次に本発明の第５の実施形態について説明する。図５は図８のＡ−Ａ断面を示した本発明の第５の実施形態で、図４に示した第４の実施形態において、電機子鉄心１のコアバック部１ａも負荷側のエンドブラケット６ａに直接、接触させる構造である。すなわち、第１の実施形態と第４の実施形態の複合構造である。従って、この第５の実施形態によれば、第４の実施形態により得られるメリットに加えて、第１の実施形態のメリットも得ることができ、より一層、軸方向の熱伝導性を改善でき、さらに効率よく冷却することが可能となる。
【００３３】
次に本発明の第６の実施形態について説明する。図６は図８のＡ−Ａ断面を示した本発明の第６の実施形態で、図３に示した第３の実施形態において、電機子鉄心１の内部に通しボルト孔１５と基準線の４５度にあるＯ−Ｘ線の対称な位置にアルミバー１６を挿入するためのアルミバー孔１７を複数箇所設け、その孔１７にアルミバー１６を複数埋設し、そのモールドステータと負荷側のエンドブラケット６ａとの嵌合面部分に勘合する、樹脂モールドされた電機子鉄心１のコアバック部１ａ及びアルミバー１６を露出させ、負荷側のエンドブラケット６ａに直接、突き当てる構造である。図示のように、第３の実施形態により得られるメリットに加えて、電機子鉄心１の形状が対称性になり、回転する機器であるモータにおいては重要である。又、モータ駆動時においては通しボルト孔１５内に通す通しボルト１０が節となって振動するため、通しボルト孔付近では梁の歪が曲率大となる。そこで図６や図１０に示すように本構造ではモールド樹脂９のダンピングを生かし、通しボルト孔１５付近のモールド樹脂９を厚くすることで、振動を抑制できる。又、各通しボルト孔１５の間の最大減衰部においてはコアバック１ａが厚すぎると振動変位が小さくなり、通しボルト１５付近の歪が小さくなり、モールド樹脂９のダンピングが生かせる上記内容と反するため良くない。さらにアルミバー１５を挿入する孔１７があるため、振動の節が増え、最大振幅が小さくなる。このように本構造では冷却性能向上に加えて、振動及び騒音低減にも寄与することが可能になる。
【００３４】
次に本発明の第７の実施形態について説明する。図７は図８のＡ−Ａ断面を示した本発明の第７の実施形態で、この実施形態の特徴は、電機子に熱伝導性の優れた金属体（金属棒）が複数箇所直接接するように挿入されている点であり、その他の構成は第６の実施形態と同じである。この第７の実施形態によれば、電機子と熱伝導の優れる金属体が直接接触させられているので、接触部による熱抵抗がなく、熱伝導性が大幅に良くなるので、冷却性能が向上するという効果がある。
【００３５】
以上、上記各実施形態によれば、モールドステータの軸方向の熱伝導性が大幅に改善され、樹脂モールドされた電機子の冷却性能向上が実現可能となる。よって、モータ内で一番温度の高くなりやすい固定子を効果的に冷却し、ひいては回転電機全体を効率良く冷却されることになる。これによって、回転電機の小型化、軽量化を実現できる。すなわち、材料費の低減され、安価な回転電機を提供できる。さらに、電機子巻線のコイル部接続基板或いはエンコーダの信頼性や寿命も向上される。
【００３６】
従って、同等出力の回転電機を小型化、軽量化して提供することが可能になる。
【００３７】
さらにモータ体格低減による機械設備等小型化に寄与することが可能になる。
【００３８】
【発明の効果】
以上の詳細な説明からも明らかなようにモールドステータの軸方向の熱伝導性が大幅を改善され、樹脂モールドされた電機子の冷却性能向上が実現可能となる。よって、モータ内で一番温度の高くなりやすい電機子を効果的に冷却し、ひいては回転電機全体を効率良く冷却されることになる。これによって、回転電機の小型化、軽量化を実現できる。又、材料費等も低減され、安価な回転電機を提供できる。さらに、電機子巻線のコイル部接続基板或いはエンコーダの信頼性や寿命が向上される。
【００３９】
従って、同等出力の回転電機を小型化、軽量化して提供することが可能になる。
【００４０】
さらにモータ体格低減による機械設備等小型化に寄与することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に関する電機子構造の第１実施例の部分断面説明図（図８のＡ−Ａ断面）。
【図２】本発明に関する電機子構造の第２実施例の部分断面説明図（図８のＡ−Ａ断面）。
【図３】本発明に関する電機子構造の第３実施例の部分断面説明図（図８のＡ−Ａ断面）。
【図４】本発明に関する電機子構造の第４実施例の部分断面説明図（図８のＡ−Ａ断面）。
【図５】本発明に関する電機子構造の第５実施例の部分断面説明図（図８のＡ−Ａ断面）。
【図６】本発明に関する電機子構造の第６実施例の部分断面説明図（図８のＡ−Ａ断面）。
【図７】本発明に関する電機子構造の第７実施例の部分断面説明図（図８のＡ−Ａ断面）。
【図８】本発明に関する回転電機の断面説明図。
【図９】本発明に関する回転電機の熱伝達回路断面説明図。
【図１０】本発明に関する電機子構造の第１実施例の部分断面説明図（図８のＡ−Ａ‘断面）。
【図１１】従来の電機子構造の部分断面説明図。
【図１２】従来の電機子構造の部分断面説明図。
【図１３】従来の電機子構造の断面説明図。
【図１４】従来の回転電機の断面説明図
【符号の説明】
１…電機子鉄心、 １ａ…コアバック、 １ｂ…ティース、 ２…電機子巻線、 ３…永久磁石、 ４…回転子、 ５…回転軸、 ６ａ…負荷側のエンドブラケット、 ６ｂ…反負荷側のエンドブラケット、 ７ａ…軸受、 ７ｂ…軸受、８…エンコーダ、 ９…樹脂モールド、 １０…通しボルト、 １１…断熱材、 １２…エンドカバー、 １３…コイルエンド接続用基板、 １４…モータ取付フランジ、 １５…通しボルト孔、 １６…アルミバー、 １７…アルミバー孔、 １８…絶縁物（ボビン）。

Claims (2)

1. 電機子鉄板を積層した電機子鉄心および電機子巻線を樹脂モールドで封止して樹脂モールドステータとした電機子と、
   前記電機子の内側に配置した回転子と、
   前記電機子と前記回転子を保持する負荷側エンドブラケットおよび反負荷側エンドブラケットを備えた回転電機において、
   前記モールドステータ内部の複数箇所に金属棒を前記電機子鉄心の側面に接触するように、また前記電機子鉄板の積厚方向に対して埋設し
   前記モールドステータと前記負荷側エンドブラケットとの対向部に前記金属棒の端部を露出させて前記負荷側エンドブラケットの対向部に直接接触させた構造とすることを特徴とする回転電機。
2. 電機子鉄板を積層した電機子鉄心および電機子巻線を樹脂モールドで封止して樹脂モールドステータとした電機子と、
   前記電機子の内側に配置した回転子と、
   前記電機子と前記回転子を保持する負荷側エンドブラケットおよび反負荷側エンドブラケットを備えた回転電機において、
   前記モールドステータと前記負荷側エンドブラケットとの対向部に前記電機子鉄心のコアバック部を露出させ負荷側エンドブラケットの対向部に直接接触させた構造、および前記モールドステータ内部の複数箇所に金属棒を前記電機子鉄板の外周面に接触するように、また前記の積厚方向に対して埋設し
   前記モールドステータと前記負荷側エンドブラケットとの対向部に前記金属棒の端部を露出させて前記負荷側エンドブラケットの対向部に直接接触させた構造とすることを特徴とする回転電機。

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