JP5194784B2

JP5194784B2 - ステータおよびモータ

Info

Publication number: JP5194784B2
Application number: JP2007339047A
Authority: JP
Inventors: 孝博濟藤; 誉人竹内
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-12-28
Filing date: 2007-12-28
Publication date: 2013-05-08
Anticipated expiration: 2027-12-28
Also published as: JP2009165202A

Description

本発明はティースの外周にインシュレータを備えたステータと該ステータを具備するモータに関するものである。

自動車産業においては、ハイブリッド自動車や電気自動車のさらなる走行性能の向上を目指して、駆動用モータの高出力化、軽量化、小型化への開発が日々進められている。また、家電製品メーカーにおいても、各種家電製品に内蔵されるモータのさらなる小型化、高性能化への開発に余念がない。

モータの高出力化に伴い、モータ駆動時には従来モータのコイルに比して高い発熱が生じることになり、この熱はモータの出力ロスやコイル外周の絶縁部材の損傷による絶縁性阻害などの原因となることから、コイルに生じた熱を如何にステータに放熱するか、が大きな課題となっている。

ところで、図５の斜視図で示すように、ティースｂに絶縁素材で筒状のインシュレータｃを被せ、この外周にコイル（不図示）を形成する形態のステータでは、このインシュレータｃをコイル−コア間に介在させることで絶縁性を確保している。しかし、その一方でこのインシュレータがコイルからコアへの放熱性を阻害していることも事実であり、したがって、上記する高出力で高い発熱を生じるモータにおいては、インシュレータを具備しつつもコイルからコアへの放熱性能を高めることが急務の課題となっている。

インシュレータを備えたステータ（固定子）において、その放熱性を高めることを目的とした従来技術が特許文献１に開示されており、ここでは、コアとインシュレータの間に熱伝導性の接着層を介在させるものである。

特開２００７−２１５３３５号公報

特許文献１によれば、コアとインシュレータの間に熱伝導性の高い接着層を介在させることでコイルからコアへの放熱性が高まるとしている。ところで、コイルで生じた熱はインシュレータを介し、特許文献１の固定子ではさらに接着層を介してコアへ伝熱されるものである。本発明者等によれば、樹脂を成形型内で成形してインシュレータを製作する際に熱伝導率の異方性が生じ、図６で示すように、コイルａからティースｂへの放熱（矢印ｅ１）に重要となるインシュレータｃの厚み方向の熱伝導率が低くなり、実際の放熱に寄与が少ない方向への熱流れ（矢印ｅ２）を励起させるインシュレータｃの面内方向の熱伝導率が高くなる傾向にあることが特定されている。このことに鑑みれば、仮に特許文献１のごとくインシュレータとコアの間に高熱伝導率の接着層を介在させたとしても、インシュレータの厚み方向への熱伝導が低いことから、実際には効果的な放熱に至らないと考えられる。

本発明は、上記する問題に鑑みてなされたものであり、ティースの外周にインシュレータを備えたステータに関し、コイルからコアへの放熱性に優れたステータと、該ステータを具備するモータを提供することを目的とする。

前記目的を達成すべく、本発明によるステータは、円環状のヨークと該ヨークから径方向内側へ突出する複数のティースとを備えたステータコアと、該ティースの外周を包囲する樹脂素材のインシュレータと、該インシュレータの外周に形成されるコイルと、を具備するステータにおいて、前記ティースの側面に沿って前記ヨークの内部に延びる凹溝が形成されており、前記インシュレータの端部が該凹溝内に収容されているものである。

本発明のステータを構成するステータコアは、鋼板を積層させた鋼板積層体から形成されてもよいし、軟磁性金属粉末または軟磁性金属酸化物粉末が樹脂バインダーで被覆された磁性粉末を加圧成形してなる圧粉磁心から形成されてもよい。鋼板積層体を構成する鋼板素材としては、電磁鋼板をはじめ、冷延鋼板（ＳＰＣＣ）や熱延鋼板（ＳＰＨＣ）、炭素鋼（Ｓ４５Ｃ）などを使用することができる。また、圧粉磁心を構成する磁性金属粉末としては、鉄、鉄−シリコン系合金、鉄−窒素系合金、鉄−ニッケル系合金、鉄−炭素系合金、鉄−ホウ素系合金、鉄−コバルト系合金、鉄−リン系合金、鉄−ニッケル−コバルト系合金および鉄−アルミニウム−シリコン系合金などを用いることができる。

本発明のステータは、ステータコアを形成するティースの外周に樹脂素材で筒状のインシュレータを形成し、この外周にコイルを形成してなるものであり、コイルに通電された際に該コイルで生じる熱をインシュレータの厚み方向に流してコアに放熱することに加えて、インシュレータの面内方向に流れる熱をも効果的にコアに放熱することにより、コイルからコアへの放熱性を高めたものである。

そのための特徴として、ヨーク（ステータコア）の内部、より具体的には、ティースの側面に沿い、ヨーク内に伸びるラインで該ヨーク内に凹溝を形成しておき、ティースの周囲を囲繞するようにインシュレータを形成するとともに、該インシュレータの端部を上記する凹溝内に収容させるようにしたものである。なお、インシュレータの樹脂素材としては、フェノール樹脂（ＰＦ）、エポキシ樹脂（ＥＰ）、不飽和ポリエステル樹脂（ＵＰ）、ポリウレタン（ＰＵＲ）、ナイロン（ＰＡ）などの熱硬化性樹脂、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリスチレン（ＰＳ）、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ樹脂）、アクリル樹脂（ＰＭＭＡ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）などの熱可塑性樹脂などを使用することができる。

積層鋼板からステータコアを形成する場合には、予め凹溝が形成された電磁鋼板等を積層し、かしめるだけでよいし、圧粉磁心からステータコアを形成する場合には、圧粉磁心成形用の成形型のキャビティを凹溝が形成できるキャビティ形状にしておけばよい。

ティースの外周に樹脂素材のインシュレータを形成する方法の一つとして、成形型内に凹溝が形成されたステータコアを収容し、樹脂を型内に射出成形することにより、ティースを囲繞するとともに凹溝内にも樹脂が充填硬化されたインシュレータを形成する方法がある。また、その他の方法として、比較的硬度が低く、可撓性のある箱型のインシュレータを予め成形しておき、これをティースの先端から嵌め込むとともに押圧することでインシュレータの端部を凹溝内に押し込む方法などもある。

なお、ヨーク内での凹溝の長さが長すぎると、ステータコア自体の強度を低下させることになる。また、磁束の流れを阻害するラインで凹溝が形成されたのでは、モータの回転性能やトルク性能に影響を与えてしまう。したがって、この磁束の流れを（極力）阻害することなく、また、ステータコアの強度（剛性）を（極力）低下させることのない、凹溝の（ライン）形状、凹溝のステータコア内への長さ、が設定されるのがよい。

上記する凹溝のライン形状としては、ティースに沿う直線状にヨーク内に延びる形態、ヨーク内に直線状に延び、折れ点を介して所定の角度でティースの反対側へ折れ曲がる形態などがあるが、上記する磁束の流れを阻害しないことを勘案すれば、ヨーク内においてティースの反対側へ湾曲して形成される形態が好ましい。

本発明者等の検証によれば、上記する本発明のようなステータコアと、図５で示す従来のステータコアを比較した場合に、従来のものに比してコイルからの放熱量を６０％程度も高めることができる、という解析結果が得られている。

上記するインシュレータを備えたステータコアに対し、そのヨーク側のスロット壁面に絶縁紙を設けることにより、該絶縁紙とインシュレータにてコイルおよびステータコア間の絶縁が図られる。

上記するステータコアを具備するモータは、従来構造のモータに比してコイルからステータコアへの放熱性能が格段に高められている。したがって、近時その量産が盛んなハイブリッド自動車や電気自動車の駆動用モータにおいて、その出力性能の高まりに応じてその発熱量も大きくなっていることに鑑みれば、上記する本発明のステータコアを具備するモータはこれらハイブリッド車等の駆動用モータに特に好適である。しかも、上記する本発明のステータコアは、ヨークの一部に凹溝を設け、この凹溝にインシュレータの端部を収容させただけの簡易な構造であり、本発明のステータコアの製造方法は製造コストを何等高騰させるものではない。

以上の説明から理解できるように、本発明のステータコアとこれを具備するモータによれば、従来のステータコア（およびモータ）に比して、コイルからコアへの放熱性を格段に高めることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明のステータを形成するステータコアの一実施の形態の斜視図であり、図２は図１のステータコアからなる本発明のステータの斜視図であり、図３は図２のステータにおける、コイルからの放熱を模式的に説明した図である。

図１は、ステータコアの一部を取り出した斜視図であり、特に、ヨーク２から径方向内側へ一つのティース１が突出する部分を拡大した図である。実際のステータコアは、円環状のヨーク２に対し、径方向内側へ極数に対応した数のティース１が形成されている。

このステータコアは、電磁鋼板を積層させた鋼板積層体から形成されてもよいし、軟磁性金属粉末または軟磁性金属酸化物粉末がシリコーン樹脂やシリカ等の樹脂バインダーで被覆された磁性粉末を加圧成形してなる圧粉磁心から形成されてもよい。

このステータコアでは、ティース１の側面に沿うラインの凹溝２１がヨーク２内に形成されている。より具体的には、ヨーク２の内部において、ティース１の側面に沿って延び、かつティース１と反対側に湾曲状に開いた形状の凹溝２１が形成される。

この凹溝２１の形成方法に関し、ステータコアが圧粉磁心からなる場合は、ステータコアの加圧成形のための成形型のキャビティ形状を凹溝２１が形成される形状としておけばよいし、ステータコアが電磁鋼板積層体からなる場合には、各電磁鋼板から凹溝２１を打ち抜き加工等した後に鋼板積層体を形成すればよい。

このステータコアをインシュレータ形成用の成形型（不図示）のキャビティ内に収容し、該キャビティ内に樹脂を充填して射出成形することにより、図２で示すステータが形成される。なお、図２は図１に対応するように示されたものであり、射出成形後のステータを示している。射出成形後のステータは、ティース１の外周、および凹溝２１内に樹脂が充填硬化されてインシュレータ４が形成される。ここで、インシュレータ４の樹脂素材としては、フェノール樹脂（ＰＦ）、エポキシ樹脂（ＥＰ）、不飽和ポリエステル樹脂（ＵＰ）、ポリウレタン（ＰＵＲ）、ナイロン（ＰＡ）などの熱硬化性樹脂、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリスチレン（ＰＳ）、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ樹脂）、アクリル樹脂（ＰＭＭＡ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）などの熱可塑性樹脂、の中のいずれか一種を使用することができる。

図２で示すステータは、ステータコアにインシュレータ４が形成されるとともに、ヨーク２のスロット内壁に絶縁紙５が配設されている。

実際には、図２で示すステータのティース１（インシュレータ４）まわりに不図示のコイルが巻装されることにより、インシュレータ４および絶縁紙５にてコイルとステータコアとの絶縁が図られる。

なお、図示を省略するが、ヨーク２に形成される凹溝の形状は、図１，２に示す形態以外にも、ヨーク２に直線状に形成される形態や、直線状の部分と折れ点を介してこの直線状の部分に対して所定角度で折れ曲がる鉤状の形態など、任意の形態を選定できる。尤も、ティースからヨークを通る磁束の流れを勘案し、可及的に、この磁束の流れを阻害しない形状（ライン形状）の凹溝とするのが良く、そのためには、図１，２で示す湾曲形状の凹溝であるのが好ましい。

また、凹溝２１のヨーク２内への延び長（長さ）も、凹溝を形成することによるステータコア自体の強度低下と、凹溝を形成してこの内部にインシュレータが収容されることによる放熱性能アップと、の双方を勘案して決定されるのがよい。

図３は、図２で示すインシュレータの外周にコイルが形成されたステータを具備するモータに関し、コイルに通電された際のコイルからステータコアへの熱の流れ（放熱）を模式的に示したものである。

図３と、これに対応する従来ステータの場合を示した図６とを比較すると双方の相違がより明らかとなる。図６で示す従来ステータにおけるコイルからステータコアへの熱の流れに対して、図３で示すステータコアでは、コイル３からインシュレータ４の厚み方向への流れｅ１に加えて、インシュレータ４の面内方向の熱の流れ、具体的には、インシュレータ４の面内を流れて凹溝２１内のインシュレータ端部４１を介してステータコアのヨーク２への熱の流れｅ２が促進される。この結果、コイル３からステータコアへの放熱性能が従来ステータに比して格段に向上する。

[放熱性能に関する解析とその結果]
本発明者等は、従来構造のステータと図２で示す本発明のステータに関する各解析モデルを作成し、一定条件におけるコイル発熱時における双方の放熱性を検証した。

モデルの一部を図４に示しているが、図４ａは、ティースの側面部分を覆うインシュレータ一般部と湾曲状の端部とからなる実施例のモデルの一部であり、この湾曲状の端部がヨークの凹溝内に収容されるものであり、図４ｂは、従来のインシュレータモデルの一部であるティース側面部分の各解析モデルである。

その解析条件に関し、本発明の実施例にかかる解析モデルの解析条件を表１に、従来構造の解析モデルの解析条件を表２にそれぞれ示す。また、実施例、比較例の解析結果を表３に示す。なお、この解析での熱収支は定常状態を仮定している。

上記する解析の結果、ヨークに形成された凹溝部におけるインシュレータ端部からヨークへの放熱量は、コイルからインシュレータの厚み方向への放熱量の６０％にも及び、結果として、従来構造の比較例に比して実施例のそれは、１．６倍も向上することが実証された。また、この解析結果は、熱収支が過渡状態、すなわち、コイル温度が上昇している途中において、コイル温度の上昇を従来構造のステータに比して格段に抑制できることを意味している。

したがって、ヨーク内に磁束の流れを極力阻害しないような図示のごとき凹溝を形成し、インシュレータの端部をこの凹溝内にも収容することにより、モータの回転性能、トルク性能を低下させることなく、コイルからステータコアへの放熱性に優れたステータ、ひいてはモータを得ることができる。

以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。

本発明のステータを形成するステータコアの一実施の形態の斜視図である。図１のステータコアからなる本発明のステータの斜視図である。図２のステータにおける、コイルからの放熱を模式的に説明した図である。放熱性能に関する解析で使用したインシュレータの一部を示した模式図であり、（ａ）は本発明のステータにかかる実施例モデルを示しており、（ｂ）は従来のステータにかかる比較例モデルを示した図である。従来のステータの斜視図である。図５のステータにおける、コイルからの放熱を模式的に説明した図である。

符号の説明

１…ティース、２…ヨーク、２１…凹溝、３…コイル、４…インシュレータ、４１…インシュレータ端部、５…絶縁紙

Claims

円環状のヨークと該ヨークから径方向内側へ突出する複数のティースとを備えたステータコアと、該ティースの外周を包囲する樹脂素材のインシュレータと、該インシュレータの外周に形成されるコイルと、を具備するステータにおいて、
前記ティースの側面に沿って前記ヨークの内部に延び、さらにヨークの内部でティースの反対側へ湾曲する凹溝が形成されており、該凹溝の湾曲した先端は該ヨーク内に留まっており、前記インシュレータの端部が凹溝の前記先端に収容されていて、
コイルからステータコアへの熱の流れが、インシュレータの厚み方向を流れてステータコアへ流れることに加えて、インシュレータの面内を流れて凹溝の前記先端にあるインシュレータの前記端部からステータコアへ流れることを含んでいるステータ。
ヨーク側のスロット壁面に絶縁紙が設けられ、該絶縁紙と前記インシュレータにてコイルおよびステータコア間の絶縁が図られている、請求項１に記載のステータ。
請求項１または２に記載のステータの前記インシュレータ外周にコイルが形成され、該ステータの内部にロータを具備するモータ。