JP3791428B2 - 回転電機のステータ構造 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転電機のステータ構造に関し、特に、コイルの冷却に好適な回転電機のステータ構造に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来からステータコアの内周面に樹脂層をモールド成形することでスロット開口部を閉塞し、これにより画成したスロット内部を冷媒通路として使用するモータのステータ構造が知られており、例えば、特許第2716286号に開示されている。
【0003】
この従来技術によれば、冷媒通路であるスロット内部に冷媒を流すことでスロット内部に収納されているコイルを冷媒により直接冷却することができる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来例では、コイルが多重に積層巻される場合には、冷媒の流れに直接触れる巻層表面側のコイルはよく冷却されるのに対し、ステータコアに近い巻層下側のコイルは冷媒の流れから遠くその冷却が不十分となる恐れがあった。
【0005】
そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、コイルを一様に冷却可能な回転電機のステータ構造を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
第1の発明は、ステータコアの各スロットに絶縁体を配置し、絶縁体を挟んで各ティース部にコイルを巻装してスロット内に収装し、スロットのステータコア内周側の開口を閉塞することでスロット内を冷媒が流通可能な冷却通路とする回転電機のステータ構造において、絶縁体にスロット内の冷媒の一部を流通させる冷却空間を形成し、冷却空間のコイル側壁面の一部に横穴を設けて冷却空間をコイル側に開口させたことを特徴とする。
【0007】
前記絶縁体は、ティース部の側面からコイルと接触するバックコア部の表面に亙り配置されるものであり、冷却空間はティース部側面に面する部分およびまたはバックコア部に面する部分にモータの軸方向に貫通させて配置される。
【0008】
第2の発明は、ステータコアの各スロットに絶縁体を配置し、絶縁体を挟んで各ティース部にコイルを巻装してスロット内に収装し、スロットのステータコア内周側の開口を閉塞することでスロット内を冷媒が流通可能な冷却通路とする回転電機のステータ構造において、絶縁体とティース部およびまたはバックコア部との間に隙間を形成してスロット内の冷媒の一部を流通させる冷却空間に形成し、冷却空間のコイル側壁面の一部に横穴を設けて冷却空間をコイル側に開口させたことを特徴とする。
【0009】
前記絶縁体とティース部およびまたはバックコア部との間の隙間は、例えば、絶縁体側からティース部側面側およびまたはバックコア部側へ突出す突起を配置することで形成できる。
【0010】
第3の発明は、第1または第2の発明において、前記絶縁体は、熱伝導率の高い材料から構成したことを特徴とする。
【0011】
第4の発明は、第1または第2の発明において、前記絶縁体は、ヤング率の高い材料から構成したことを特徴とする。
【0012】
第5の発明は、第1または第2の発明において、前記絶縁体の横穴は、コイルと接する範囲全域に配置されていることを特徴とする。
【0013】
前記横穴は、コイルと接する壁面の範囲全域に亙る大きい横穴であっても、それより小さい横穴をコイルと接する壁面の範囲全域に亙り複数個配置するものであってもよい。また、前記横穴の形状は、角穴であっても、丸穴であってもよい。
【0014】
第6の発明は、第5の発明において、横穴は、その間隔がコイルの線径よりも小さく形成されていることを特徴とする。
【0015】
【発明の効果】
したがって、第1の発明では、ティース部に巻装されたコイルの巻層表面は冷却通路を通過する冷媒により冷却される一方、コイルの巻層内側は絶縁体の冷却空間を通過する冷媒により冷却されるため、積層巻された巻層位置による冷却のばらつきを抑制でき、一様に冷却できる。
【0016】
第2の発明では、第1の発明の効果に加えて、冷却空間が、ティース部およびまたはバックコア部の表面に露出しているため、ステータコアをも直接冷媒で冷却することができる。
【0017】
第3の発明では、第1または第2の発明の効果に加えて、絶縁体の熱伝導率が高いため、その熱抵抗を小さくでき、冷媒と発熱体であるコイルとの間に絶縁体が介在する部位においても、放熱性の悪化を抑えることができる。
【0018】
第4の発明では、第1または第2の発明の効果に加えて、絶縁体のヤング率が高いため、絶縁体の厚さを薄くでき、絶縁体の熱抵抗を小さくできる。
【0019】
第5の発明では、第1または第2の発明の効果に加えて、前記絶縁体にはコイルと接する範囲全域に横穴が配置されているため、横穴を通してコイルの全範囲が冷却空間を通過する冷媒と直接接触して熱交換され、冷媒による抜熱性能を確実に得ることができる。
【0020】
第6の発明では、第5の発明の効果に加えて、横穴の間隔が線径より小さいため、横穴が存在しない部分に位置するコイルに対しても隣接する横穴から冷媒が当該コイルに直接触れるので、全てのコイルで同様の冷却性能が確保できる。
【0021】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【0022】
図1、図2は回転電機の全体構成を示し、図1は回転軸を含む回転電機の断面図、図2はその横断面図である。回転電機としては、電動機、または発電機、または電動機兼発電機等があるが、以下では、電動機の一例である永久磁石式同期電動機により本発明を説明する。
【0023】
図1において、回転電機のケース1は、円筒板1Aと、この円筒板1Aの軸方向両端の開口を閉塞する側板1B、1Cからなる。ケース1内には、円柱形のロータ2が収容される。ロータ2は、その回転軸2Aがケース1の側板1B、1Cに軸受3で支持され、回転軸2Aと一体に回転自在となっている。ロータ2は、図2に示すように、複数の永久磁石4を等角度間隔に収容し、隣接する永久磁石4とは互に磁極を相違させて配置される。
【0024】
前記ケース1の円筒板1Aの内周面には、円筒形のステータコア5が、ロータ2の外周を取り囲むように配置される。ステータコア5の内周面とロータ2の外周面との間には、所定の間隙が設けられている。
【0025】
前記ステータコア5は、図2に示すように、複数個(本実施の形態では12個)に分割された分割コア10を円環状に連ねる分割コア構造に構成している。各分割コア10は、バックコア部11とティース部12とを備えて略T字状をなす。バックコア部11はケース1の円筒板1Aに嵌合されるリング部材に当接して他の分割コア10と共に環状に連なって継鉄部を構成する。
【0026】
前記ティース部12はバックコア部11からステータコア5の内周側に突出させて形成している。各分割コア10は略T字型の磁性鋼板を回転軸2Aの軸方向(図2の紙面に垂直方向、以下同一の方向を軸方向という)に所定厚さに積層しかつ一体に固定して構成する。なお、ステータコア5は分割コア10としているが、分割されていない環状のステータコアであってもよい。ケース1の内方に夫々突出するティース部12の間の凹部(溝部)はスロット13を構成する。
【0027】
各ティース部12には、その周囲に絶縁体15を配置した後、コイル16をスロット13に収挿し、コイルエンドをステータコア5側方に露出させて巻装する。絶縁体15はスロット13を構成するティース部12の側面からバックコア部11表面に亙る絶縁体側板15Aとティース部12の端面に配置する絶縁体端板15Bとで構成している。これらの絶縁体15の上から各ティース部12にコイル16を集中巻にて巻装する。コイル16の巻層は必要に応じて複数層に亙って巻回される。
【0028】
各ティース部12の先端間にはスロット13を閉塞するプレート17を配置し、プレート17と各ティース部12とは樹脂のシール部18で一体モールドする。スロット13内はコイル16を収挿した状態で冷却通路6となる。
【0029】
前記シール部18はステータコア5の側方から突出する円筒状の延長部18Aを備える。これら延長部18Aの先端はケース1の側板1B、1Cに液密に係合してステータコア5側方に夫々画成した環状の冷却ジャケット7A、7Bを形成する。冷却ジャケット7A、7Bは、コイル16のエンドコイル部分を収容し、互に冷却通路6を介して連通する。冷却ジャケット7A、7Bには、円筒板1Aを貫通する入口8Aが開口し、冷却ジャケット7Bには、同じく円筒板1Aを貫通する出口8Bが開口している。
【0030】
図3は、コイル16を巻装する前の絶縁体側板15Aの構成を分割コア10に組み合わせて示すものである。コイル16は、さらに図示していない絶縁端板15Bをティース部12端面に組み合わせて各絶縁体15上に巻装される。
【0031】
前記絶縁体側板15Aは、ティース部12の側面に接触して絶縁する側辺部20とバックコア部11に接触して絶縁する底辺部21とからなるL字状に形成される。側辺部20はティース部12側面に平行な2枚の壁20A、20Bと両壁20A、20Bを連結する支持壁20Cとで箱状断面をなし、内部に軸方向に貫通する冷却空間9を備える。前記冷却空間9と冷却ジャケット7A、7Bとは冷却空間9の端面開口9Aを介して連通する。平行な2枚の壁20A、20Bのティース部12側面から離れた一方の壁20Bには、前記冷却空間9とスロット13側とを別に連通させる横穴22を形成する。
【0032】
図4は、コイル16の巻装後の分割コア10を示し、図中左半分には分割コア10の正面図であり、図中右半分にはコイル16、絶縁体側板15A、および、分割コア10の断面図である。図4に示すように、絶縁体15上に積層してコイル16が巻装された分割コア10においては、コイル16の巻装範囲外に前記冷却空間9の端面開口9Aの一部が開口する。
【0033】
この分割コア10を組み合わせてケース1内に、図1、2に示すステータコア5に形成して収容し、シール部18により冷却通路6と各冷却ジャケット7A、7Bを形成して回転電機のステータ構造が構成される。このステータ構造においては、両冷却ジャケット7A、7Bに開口して、冷却通路6と絶縁体15に形成した冷却空間9の夫々の開口端が開口している。
【0034】
以上説明した実施の態様の回転電機のステータ構造においては、入口8Aから冷媒としての冷却オイルが冷却ジャケット7Aに供給される。冷却用オイルは冷却ジャケット7Aからステータコア5内に形成した冷却通路6(図2参照)を流通して、反対側の冷却ジャケット7Bへ導かれ、出口8Bから外部へ排出される。一方の冷却ジャケット7Aから他方の冷却ジャケット7Bへ流れる冷却オイルは、スロット13内において、冷却通路6と冷却空間9とを経由して流通する。
【0035】
前記冷却通路6を流れる冷却オイルは、ティース部12に積層巻されたコイル16の積層表面側に触れ、コイル16を積層表面側から冷却する。
【0036】
他方、冷却空間9へは部分的に開口する端面開口9Aを経由して冷却オイルが流れ込み、他方の部分的に開口する端面開口9Aを経由して冷却オイルが流出する。冷却空間9に流入した冷却オイルはコイル16の接する壁20Bを介してコイル16を積層内側から冷却する一方、壁20Bに設けた横穴22を介して積層内側のコイル16に接触して積層内側のコイル16を直接冷却する。即ち、横穴22が設けられた範囲においては、冷却オイルによりコイル16を直接冷却し、この範囲外においては、壁20Bを介してコイル16を間接的に冷却する。
【0037】
コイル16はバックコア部11を除いて、冷却通路6による積層表面側と絶縁体15を経由しての積層内側との両面から冷却されるため、コイル温度にムラが生ずることなく均一に冷却できる。したがって、コイル温度が部分的に上昇して生ずる銅損を抑えることができ、回転電機の出力を向上できる。
【0038】
前記横穴22は、コイル16が巻かれた範囲全面をカバーする大きさの穴とする場合には、コイル16の積層内側全面が流通する冷却オイルと接触させることができ、好適である。しかしながら、絶縁体側板15Aの強度確保の面からは、大きい穴としないでコイル16が巻かれた範囲全面に多数の穴を配置するのがよい。横穴22は、図示例のように、四角形の長穴や多角形の角穴であっても、丸穴であってもよい。横穴22としてコイル16に沿った複数の長穴で構成する場合には、長穴同士の間隔をコイル16の線形より小さく形成すると、各コイル16に直接冷却オイルを触れさせることができ、積層内側の全てのコイル16を一様に冷却できる。
【0039】
横穴22が配置されていない部分においては、壁20Bを介して間接的にコイル16を冷却する。この場合、絶縁体側板15Aを構成している素材自体を熱伝導率の高い材料を用いることで冷却効率を高めることができる。また、ヤング率の高い材料を用いる場合には、機械的強度が高いため壁20Bの厚さを薄くでき、壁20Bの伝熱距離を短縮でき伝熱損失を小さくでき、冷却効率を高めることができる。
【0040】
本実施の態様にあっては、ティース部12に巻装されたコイル16の巻層表面は冷却通路6を通過する冷媒により冷却される一方、コイル16の巻層内側は絶縁体15の冷却空間9を通過する冷媒により冷却されるため、積層巻された巻層位置による冷却のばらつきを抑制でき、一様に冷却できる。
【0041】
絶縁体15の熱伝導率を高くすると、その熱抵抗を小さくでき、冷媒と発熱体であるコイル16との間に絶縁体15Aが介在する部位においても、放熱性の悪化を抑えることができる。
【0042】
絶縁体15のヤング率を高くすると、絶縁体15の厚さを薄くでき、絶縁体15の熱抵抗を小さくできる。
【0043】
前記絶縁体15にはコイル16と接する範囲全域に横穴22が配置されているため、横穴22を通してコイル16の全範囲が冷却空間9を通過する冷媒と直接接触して熱交換され、冷媒による抜熱性能を確実に得ることができる。
【0044】
横穴22の間隔をコイル16の線径より小さくすると、横穴22が存在しない部分に位置するコイル16に対しても隣接する横穴22から冷媒が当該コイル16に直接触れるので、全てのコイル16で同様の冷却性能が確保できる。
【0045】
図5〜図7は、絶縁体と横穴の形状を夫々相違させた絶縁体側板の変形例を示す。図5に示す絶縁体側板15Aにおいては、ティース部12の側面に接触する壁20Aを取り払って突起23により接触する形状としている。また、横穴22の形状が、複数の丸穴に変更されている。
【0046】
この絶縁体側板15Aにおいては、ティース部12の側面に接触させて設置した場合に、ティース部12の側面との間で冷却空間9を形成する。冷却空間9に流れ込む冷却オイルは、横穴22を介して積層内側のコイル16を冷却する一方、ティース部12を直接冷却する。コイル16は、絶縁体15の底辺部21に接触している部分を除いて、積層表面側と積層内側の両方向から冷却される。丸穴で形成した横穴22は、図示例のように千鳥型に配列することで冷却オイルを均等に積層内側のコイル16に接触させる。
【0047】
図6に示す絶縁体側板15Aにおいては、ティース部12に接触する側辺部20は一枚の板で形成され、底辺部21において、突起24によりバックコア部11から離間した壁21Aを備え、この壁21Aに軸方向に延びる長穴よりなる横穴22を複数列配置して構成している。
【0048】
この絶縁体側板15Aをステータコア5に配置してコイル16を複数列積層して巻線した場合には、バックコア部11との間で冷却空間9が形成される。冷却空間9の軸方向開口端9Aは、巻線したコイル16と干渉することなく開口する。冷却オイルは、開口端9Aから冷却空間9に流れ込み、横穴22を介してバックコア部11に面するコイル16を冷却する。冷却空間9の冷却オイルはバックコア部11を直接冷却する。したがって、コイル16は、冷却通路6による冷却オイルの冷却と合わせてティース部12の側面に面する部分を除いて三方向から冷却される。
【0049】
図7に示す絶縁体側板15Aにおいては、バックコア部11とティース部12側面とに接する突起23、24により、側辺部20と底辺部21との壁20B、21Aが共にバックコア部11とティース部12側面から離間させて冷却空間9が配置される。冷却空間9を構成する壁20B、21Aには、軸方向に延びる長穴からなる横穴22を複数列配置して構成している。
【0050】
この絶縁体側板15をステータコア5に配置してコイル16を複数列積層して巻線した場合には、ティース部12側面とコイル16との間、および、バックコア部11とコイル16との間の二箇所に冷却空間9が形成される。ティース部12の側面に位置するコイル16は、ティース部12の側面の冷却空間9を流れる冷却オイルが横穴22を介して接触することで冷却される。また、バックコア部11に面するコイル16は、バックコア部11表面の冷却空間9を流れる冷却オイルが横穴22を介して接触することで冷却される。また、冷却通路6に面するコイル16は、冷却通路6を流れる冷却オイルによって冷却される。つまり、コイル16は全周面から冷却され、その温度ムラが確実に抑制される。また、冷却空間を通過する冷却オイルは、側辺部20においては、ティース部12を直接冷却し、底辺部21においては、バックコア部11を直接冷却することができる。
【0051】
上記各変形例にあっては、第1の実施の形態により得られる効果に加えて、冷却空間9が、ティース部12およびまたはバックコア部11の表面に露出しているため、ステータコア5をも直接冷媒で冷却することができる。
【0052】
なお、上記実施形態において、回転電機として永久磁石式同期電動機を例にとって説明しているが、図示はしないが、誘導電動機であっても、SRモータであっても、また、その他のモータであってもよく、発電機であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態を示すステータ構造を備えた回転電機の断面図。
【図2】図1のA−A線に沿う断面図。
【図3】同じくステータを構成する分割コアと絶縁体側板との組み合わせ状態を示す正面図。
【図4】図3に示す分割コアにコイルを巻装した状態を左半分にコイル表面を含めて示す正面図、右半分にコイルを断面して示す断面図。
【図5】絶縁体の変形例を示す正面図(A)、および、側面図(B)。
【図6】絶縁体の別の変形例を示す正面図(A)、および、側面図(B)。
【図7】絶縁体のさらに別の変形例を示す正面図(A)、および、側面図(B)。
【符号の説明】
1 ケース
2 ロータ
3 軸受
4 永久磁石
5 ステータコア
6 冷却通路
7A、7B 冷却ジャケット
8A 入口
8B 出口
9 冷却空間
10 分割コア
11 バックコア部
12 ティース部
13 スロット
15 絶縁体
15A 絶縁体側板
15B 絶縁体端板
16 コイル
20 側辺部
20A、20B 壁
21 底辺部
22 横穴
23、24 突起
Claims (6)
- ステータコアの各スロットに絶縁体を配置し、絶縁体を挟んで各ティース部にコイルを巻装してスロット内に収装し、スロットのステータコア内周側の開口を閉塞することでスロット内を冷媒が流通可能な冷却通路とする回転電機のステータ構造において、
絶縁体にスロット内の冷媒の一部を流通させる冷却空間を形成し、冷却空間のコイル側壁面の一部に横穴を設けて冷却空間をコイル側に開口させたことを特徴とする回転電機のステータ構造。 - ステータコアの各スロットに絶縁体を配置し、絶縁体を挟んで各ティース部にコイルを巻装してスロット内に収装し、スロットのステータコア内周側の開口を閉塞することでスロット内を冷媒が流通可能な冷却通路とする回転電機のステータ構造において、
絶縁体とティース部およびまたはバックコア部との間に隙間を形成してスロット内の冷媒の一部を流通させる冷却空間に形成し、冷却空間のコイル側壁面の一部に横穴を設けて冷却空間をコイル側に開口させたことを特徴とする回転電機のステータ構造。 - 前記絶縁体は、熱伝導率の高い材料から構成したことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の回転電機のステータ構造。
- 前記絶縁体は、ヤング率の高い材料から構成したことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の回転電機のステータ構造。
- 前記絶縁体の横穴は、コイルと接する範囲全域に配置されていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の回転電機のステータ構造。
- 横穴は、その間隔がコイルの線径よりも小さく形成されていることを特徴とする請求項5に記載の回転電機のステータ構造。
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