JP5216038B2

JP5216038B2 - 回転電動機

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Publication number: JP5216038B2
Application number: JP2010070146A
Authority: JP
Inventors: 則久岩崎; 潤之介中津川; 裕治榎本; 正司北村
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2010-03-25
Filing date: 2010-03-25
Publication date: 2013-06-19
Anticipated expiration: 2030-03-25
Also published as: JP2011205775A; CN102201718B; US20110234028A1; US8513842B2; CN102201718A

Description

本発明は、回転電動機に関する。

回転電動機、特に永久磁石同期電動機は小形かつ高効率という特長を活かして家電や産業或いは自動車等への適用用途を拡大している。
特に近年では、これら用途で機器内における省スペース化が要求されていることから、その上で電動機の小型化は必須である。電動機を小型化にし、小型化前と同程度の出力を発生させる電動機を設計する際に問題となるのは熱である。

小型かつ高出力な電動機は、発生する熱量に対して放熱面積が小さいため、電動機内部が高温になり特性が劣化する。これにより引き起こされる問題は巻線抵抗の上昇や永久磁石の熱減磁等が挙げられる。

このような背景から電動機の小型・高出力化を目指す上で、放熱性の良い様々な検討がされている。
放熱性を向上させる従来技術として特許文献１、特許文献２があげられる。
まず、特許文献１は電動機の固定子と固定子枠との間に柔軟性に優れた熱伝導部材層を設けることによって放熱性を向上させるものである。

また特許文献２は固定子の積層によってできる凹凸の空隙を埋めるべく、固定子と固定子枠との間に金属皮膜を成形し、焼嵌め時に空隙に金属皮膜を充填させるように製造するものである。

特開２００７−２３６０４５号公報特願平６−３０５４６０号公報

特許文献１は、固定子と固定子枠との間に柔軟性に優れた熱伝導部材層を設ける技術である。しかし、この種の熱伝導部材の多くは面方向に対しての熱伝導性は優れるものの、垂直方向に対しての熱伝導性は悪い。そのため、固定子から固定子枠への放熱は期待できない。

また特許文献２は、固定子と固定子枠との間に金属皮膜を成形する技術である。しかし、金属皮膜が固定子と固定子枠の空隙部にしっかりと充填される保証がないため、効果がはっきりと見えない。

本発明の目的は、放熱性に優れた小型で高出力な回転電動機を提供することにある。

上記目的は、複数の磁極を有する固定子と、この固定子に施された固定子巻線と、前記固定子を支える固定子枠と、前記固定子に所定の空隙を介して回転可能に支持された回転子と、前記固定子枠の両端を閉じるエンドカバーからなり、前記固定子と前記固定子枠と前記エンドカバーで形成される空気層に樹脂を含侵し、前記固定子巻線から前記エンドカバーにかけて高熱伝導性の部材を一体成形した回転電動機において、前記回転電動機における回転子の発熱部位の軸方向両端から前記回転子を支持する軸にかけて高熱伝導性の部材を這わせることにより達成される。

また上記目的は、複数の磁極を有する固定子と、この固定子に施された固定子巻線と、前記固定子を支える固定子枠と、前記固定子に所定の空隙を介して回転可能に支持された回転子と、前記固定子枠の両端を閉じるエンドカバーからなり、前記固定子と前記固定子枠と前記エンドカバーで形成される空気層に樹脂を含侵し、前記固定子から前記エンドカバーにかけて高熱伝導性の部材を一体成形した回転電動機において、前記回転電動機における回転子の発熱部位の軸方向両端から前記回転子を支持する軸にかけて高熱伝導性の部材を這わせることにより達成される。

また上記目的は、前記回転電動機が回転子に永久磁石を有する永久磁石型回転電動機であることにより達成される。

また上記目的は、前記回転電動機が回転子に２次側導体を有する誘導型回転電動機であることにより達成される。

また上記目的は、前記固定子枠の内側と前記エンドカバーの内側の少なくとも一方に凹凸を設け、前記樹脂の接触面積を大きくすることにより達成される。

また上記目的は、前記固定子の内側と前記エンドカバーの内側の少なくとも一方に設けた凹凸の角部に所定の曲率を設けることにより達成される。

また上記目的は、前記固定子と前記固定子枠との間に高熱伝導性の部材を設け、樹脂と一体成形することにより達成される。

また上記目的は、前記固定子枠に設ける凹凸を周方向に配置することにより達成される。

また上記目的は、前記固定子枠に設ける凹凸を軸方向に配置することことにより達成される。

本発明によれば、放熱性に優れた小型で高出力な回転電動機を提供できる。

本発明の実施例１の構造を示すモータ断面図である。本発明の実施例２の構造を示すモータ断面図である。本発明の実施例３の構造を示すモータ断面図である。本発明の実施例４の構造を示すモータ断面図である。本発明の実施例５の構造を示すモータ断面図である。本発明の実施例６の構造を示すモータ断面図である。本発明の実施例７の構造を示す図である。本発明の実施例８の構造を示す回転子断面図である。本発明の実施例９の構造を示すモータ断面図である。本発明の実施例１０の構造を示す固定子断面図である。本発明の実施例１１の構造を示す固定子断面図である。本発明の実施例１２の構造を示す固定子断面図である。本発明の実施例１３の構造を示す図である。本発明の実施例１４の構造を示す図である。

さて、永久磁石同期電動機は上述したように小形で高効率という特長を備えている。この特長を維持しつつ放熱性能の高い永久磁石同期電動機の開発を本発明の発明者らが種々検討したところ、発明者らは熱伝導部材としてグラファイトシートに注目した。

グラファイトシートは平面方向への熱伝導率が厚み方向への熱伝導率よりも優れており、機器で発生するホットスポットの軽減や熱源から放熱器へ効率良く熱を伝える事が可能である。また、比重が軽く機器の軽量化や基板への荷重負荷を軽減できるなどを考慮すると、家電や産業或いは自動車等への応用にはグラファイトシートは好適な材料と言える。

このことから、本発明の発明者らは小型・軽量化が要求されている回転型電動機の放熱にグラファイトシートを採用することを検討した。特にグラファイトシートは面方向の熱伝導が極めて優れていることから、回転型電動機用回転子のコイルから発生する熱を回転軸方向に逃がすにはグラファイトシートが極めて良好であることを発明者らは見出したものである。
その結果、以下のごとき実施例を得た。

以下、図１〜図１０を参照して本発明の一実施例を高放熱構造を有する回転電動機を例に説明する。尚、以下の実施例では回転電動機として永久磁石式回転電機を例に挙げて説明するが、同様の構造をもつ誘導電動機およびリラクタンスモータ等においても適用可能である。

図１は本発明の一実施例を備えた回転電動機の部分断面図である。
図１において、本第１の実施例を備えた回転電動機は複数の磁極を有する固定子１００を備えている。この固定子１００には固定子巻線１０１が施されている。固定子１００は固定子枠１０２によって固定され、固定子枠１０２の両端には回転電動機の軸方向に閉じるエンドカバー１０３が取付けられている。回転子１０４は固定子１００にギャップを介して配置されている。回転軸１０５は回転子１０４の回転動力を伝えるものである。樹脂１０６は固定子１００からエンドカバー１０３にかけて形成される空気層に含侵されたものである。高熱伝導性のシート１０７は樹脂１０６の中に一体成形され、固定子巻線１０１とエンドカバー１０３をつなぐ４００[W/m・K]以上の熱伝導率を持つものである。

一般に回転電動機における主な発熱源は固定子と固定子巻線と回転子であり、図１では固定子１００と固定子巻線１０１と回転子１０４に対応する。

本実施例では固定子１００と固定子巻線１０１の放熱効果を向上させることにある。従来構造では固定子１００による発熱は固定子枠１０２を介してエンドカバー１０３に伝わることで放熱していた。固定子巻線１０１による発熱は固定子１００を介して同様にエンドカバー１０３に伝わることで放熱していた。

本実施例では、固定子１００と固定子巻線１０１で発生した熱は従来構造の固定子とエンドカバーから形成される空気層部を空気よりも高い熱伝導率を有する樹脂で含侵させることにより、熱が伝わり易い構造としたものである。

一般に空気の熱伝導率は約０.０３[W/m・K]であり、本実施例で使用される樹脂の熱伝導率は０.３〜３[W/m・K]程度であるため、熱伝導率では約１０〜１００倍程度の差がある。しかし、金属と比較すると熱伝導率は著しく低い。

そこでさらなる放熱効果を向上させるため、本実施例では固定子巻線１０１とエンドカバー１０３の間にグラファイトシート等の高熱伝導性のシート１０７を円環状に樹脂と一体成形した。これにより軸方向への熱伝導率を大幅に向上させることができる。グラファイトシートは熱伝導率が４００[W/m・K]以上であり、アルミや銀等の高熱伝導部材よりも熱伝導率が高く、柔軟性に優れているため樹脂の中に一体成形することも容易な部材である。

このシート１０７は図１の紙面上、巻線１０１の左右端に取付けられている。具体的は左側の巻線１０１と左側のエンドカバー１０３とを熱的に接続するシート１０７が取付けられ、右側の巻線１０１と右側のエンドカバー１０３とを熱的に接続するシート１０７が取付けられている。このシート１０７は上述したようにグラファイトシートであり、平面方向への熱伝導率が厚み方向への熱伝導率よりも優れているため巻線１０１の熱をエンドカバー１０３に効率よく伝えることができる。しかもシート１０７は回転軸１０５方向に対して平面方向に取付けられるため回転電動機の径方向に厚くなることはなく、小型化に貢献できる。

図２は、本発明の第２の実施例を備えた回転電動機の断面図である。
図２において、本第２の実施例の構造は、図１に示す実施例とほぼ同じ構造であり、図２に示すように固定子巻線１０１とエンドカバー１０３とを高熱伝導シート１０８と１０９で熱的に接続したものである。そしてこの高熱伝導シート１０８と１０９は２枚以上重ねて組み合わせたものである。

これにより固定子巻線１０１からエンドカバー１０３へ伝わる熱経路の断面積が大きくなるため、固定子巻線１０２端部からの放熱効果をより大きく向上させることができる。しかも上述したように、シートは回転軸１０５方向に対して平面方向に取付けられるためシート１０８と１０９のように、２枚になっても回転電動機の径方向に厚くなることはない。

図３は、本発明の第３の実施例を備えた回転電動機の断面図である。
図３において、第３の実施例の構造は、第１の実施例と第２の実施例とほぼ同じ構造を示し、固定子巻線１０１の端部とエンドカバー１０３とを図３に示すように高熱伝導シート１０８と１０９で熱的に接続したものである。そして本実施例では２枚以上の高熱伝導シートを径方向に所定の距離を空けて配置したものである。この２枚の高熱伝導シート１０８と１０９との間には樹脂１０６が介在されている。

これにより放熱効果をより向上させることができる。さらに、固定子巻線１０１の発熱分布が径方向に対して異なる場合、発熱が大きな個所にシートを配置すること等により放熱効果をさらに向上させることができる。

なお、上述したように、シートは回転軸１０５方向に対して平面方向に取付けられるためシート１０８と１０９のように、２枚になっても回転電動機の径方向に厚くならないことは言うまでもない。

図４は、本発明の第４の実施例を備えた回転電動機の断面図である。
図４において、本第４の実施例の構造は、第１の実施例〜第３の実施例において、固定子巻線１０１からエンドカバー１０３に放熱経路を設けたものに対し、図４に示すように固定子１００とエンドカバー１０３とを高熱伝導シート１０７で熱的に接続したものである。

こうすることにより、固定子１００による発熱を集中的に放熱させることができる。例として、構造的に固定子部分での発熱が大きなモータに対して効果的であり、また回転数が高くなることによって固定子での発熱が大きくなるため、回転数が高い領域で使用されるモータ等に対して効果的である。

図５は、本発明の第５の実施例を備えた回転電動機の断面図である。
図５において、本第５の実施例の構造は、第４の実施例とほぼ同じ構造であるが、図５に示すように固定子１００とエンドカバー１０３とを高熱伝導シート１０８と１０９とを２枚以上重ねて熱的に接続したものである。こうすることにより、固定子１００からエンドカバー１０３へ伝わる熱の経路に対する断面積が向上するため、放熱効果をより大きく向上させることができる。

図６は、本発明の第６の実施例を備えた回転電動機の断面図である。
図６において、本第６の実施例の構造は、図２で示す第２の実施例と同じ原理であり、異なる点は高熱伝導シート１０８と１０９のように２枚以上の高熱伝導シートを所定の距離を空けて配置する構造となっている。所定の距離間には樹脂１０６が充填されている。こうすることにより、固定子の発熱分布が異なる場合にも放熱効果を向上させることができる。例えば、固定子のティース部での発熱やコアバック部の発熱に対してそれぞれ柔軟に対応可能となる。

図７は、本発明の第７の実施例を備えた高熱伝導シートの斜視図である。
図７において、本実施例は、図１〜図６で示した高熱伝導シート１０７、１０８、１０９を周方向に間隔を空けて配置をする構造となっている。こうすることにより、高熱伝導シートを円環状に作成する必要がなく、一体成形を容易にできる。特に第６の実施例で示すように、固定子のティースからエンドカバーにかけて高熱伝導シートを配置する場合、ティースとティースの間に固定子巻線が配置されているため、円環状のシートではティース軸方向の表面に近づけられない。このような場合、高熱伝導シートをティース間隔の幅で切断し、周方向に配置することで、高熱伝導シートの性能を最大限に活かせる構造となる。

図８は、本発明の第８の実施例を備えた回転電動機の断面図である。
図８において、本実施例は回転電動機の回転子部分に関する構造であり、図８(a)では回転電動機において回転する回転子に用いられるコア１０４と、このコア１０４の表面に張り付けられた磁石１１０と、回転子の動力を伝える軸１０５と、磁石１１０の軸方向両端からコア１０４の端面を這い、軸１０５に埋め込まれた高熱伝導性のシート１１１からなる。つまり、磁石１１０の端部と軸１０５とを高熱伝導シート１１１で熱的に接続したものである。

このような構造とすることで、磁石１１０で発生する熱を直接的に軸１０５へ伝えることができ、熱が回転子内部にこもるのを防ぐことができる。

従来構造では磁石での発熱は固定子コアを介して軸に伝わる経路であるが、軸に直接熱を伝えることで回転子コアの温度上昇を抑えることができ、軸から外部媒体または外気へ放熱することで放熱効果を向上させることができる。よって軸へ直接熱を伝えることに大きなメリットがある。

図８(b)については磁石１１０が回転子コア１０４の内部に埋め込まれている埋め込み型磁石モータを想定しており、同様の原理が適用可能である。また回転子に２次側導体が含まれている誘導電動機においても同様の原理が可能であり、発熱する２次側導体から軸にかけて高熱伝導シートを這わせることにより、同様の効果が得られる。

図９は、本発明の第９の実施例を備えた回転電動機の断面図である。
図９において、本実施例の構造は、図９に示すように、固定子１００とエンドカバー１０３の間だけでなく、固定子１００と固定子枠１０２の間にも樹脂１０６を含侵させる構造である。通常、固定子を固定子枠へ組み込むには、固定子枠を熱することにより固定子枠の内周を膨張させ、固定子を挿入した後、固定子枠を冷却することで固定子枠を凝縮させ、圧縮することにより、固定子と固定子枠を固定する。この圧縮時に固定子枠内周から固定子枠中心に向かって大きな応力が発生し、固定子が押さえつけられる。この圧縮応力によって固定子が歪み、固定子の特性が劣化してしまう。

この特性の劣化が発熱の要因となるため、上記のように固定子と固定子枠との間に樹脂を含侵することで、樹脂がクッション代わりになり、圧縮応力を低減できる。また従来構造では固定子と固定子枠が金属同士で密着していた構造であったが、本構造では樹脂を間に挟むために、放熱効果が悪くなる。

そこで、固定子巻線１０１や固定子１００からエンドカバー１０３にかけて軸方向へ高熱伝導シート１０８、１０９を円環状または所定の幅に切断されたものを周方向に所定の距離を空けて配置し、樹脂１０６と一体成形することにより、軸方向からの放熱経路を設け、放熱効果を向上させることができる。また、固定子と固定子枠の間に樹脂を挟むことで、固定子で発生した振動を樹脂が吸収してくれるため、固定子枠へ振動が直接伝わらない構造となり、振動・騒音の低減効果も得られる。この時、モータの径が大きくなり過ぎないように含侵する樹脂の量を固定子の圧縮応力低減と放熱効果から最適設計する必要がある。

図１０は、本発明の第１０の実施例を備えた回転電動機の断面図である。
図１０において、本実施例の構造は、図９に示す第９の実施例を応用した例であり、図１０に示すように固定子枠１１２の内側とエンドカバー１０３の内側に凹凸１１４、１１５を設ける構造となっている。

こうすることで、樹脂と固定子枠との接着面積を広くし、接着強度を向上させることができる。また樹脂を含侵して固める場合、固める個所に尖った角が存在するとクラックと呼ばれるひびが入る現象が発生し易い。そこで凹凸の角部に所定の曲率を設けることによりクラックを防止することができる。

図１１は、本発明の第１１の実施例を備えた回転電動機の断面図である。
本実施例の構造は、第１０の実施例を応用したものであり、図１１に示すように第１１の実施例において、固定子１００と固定子枠１１２との間に含侵してある樹脂１０６の中に高熱伝導シート１１６を円環状または所定の幅に切断されたものを周方向に所定の距離を空けて配置し、樹脂１０６と一体成形した構造となる。

こうすることにより軸方向だけでなく、径方向への放熱効果も向上できる。さらに第１０の実施例で述べたように、固定子にかかる圧縮応力の低減効果も得られる。

図１２は、本発明の第１２の実施例を備えた回転電動機の断面図である。
図１２において、本実施例の構造は、第１０の実施例と第１１の実施例を応用させたものであり、高熱伝導シート１０８、１０９と固定子巻線１０１との絶縁距離１１７をモータの大きさに応じて距離を変える構造となっている。

一般にスロット絶縁と同等だと仮定すると、絶縁に必要な距離として０.２５[mm]程度以上の間隔を空ける必要があるが、樹脂の種類等によっては絶縁距離が変わり、絶縁距離に対して柔軟に対応できる。

図１３は、本発明の第１３の実施例を備えた固定枠の斜視図である。
図１３において、本実施例の構造は、第１０の実施例に関連して、固定子枠１１２に設ける凹凸を周方向に配置するような構造となっている。

こうすることで、軸方向に短い固定子に関しても樹脂との接着強度を広くできる構造となる。また、凹凸の間隔を狭くすることで接触面積を増やす構造にもできる。この場合、凹凸の幅が狭すぎると固定子枠自身の強度が弱くなるので、接触面積と固定子枠１０２の強度との関係における最適値で設計するのが良い。

図１４は、本発明の第１４の実施例を備えた固定枠の斜視図である。
図１４において、本実施例の構造は、第１０の実施例に関連して、固定子枠１１２に設ける凹凸を軸方向に配置するような構造となっている。

こうすることで、外径の大きなモータに対して接着強度を広くできる構造となる。また、凹凸の間隔を狭くすることで接触面積を増やす構造にもできる。この場合も第１３の実施例同様に、接触面積と固定子枠の強度との関係における最適値で設計するのが良い。

以下に、本発明の第１５の実施例による高放熱構造を有する回転電動機を図４〜図６を用いて説明する。

図４〜図６において、固定子１００に用いる材料を２.２[T]以上の飽和磁束密度を有する鉄心と、回転子１０４に配置される永久磁石を１.３７[T]以上の磁束密度を有する永久磁石を適用し、固定子１００からエンドカバー１０３へ直接熱を伝える構造となる。

一般に永久磁石は固定子巻線に発生する電流によってつくられる磁界と温度によって減磁という永久磁石の磁力が無くなる現象が発生する。この磁力が無くなる許容値を保磁力といい、保磁力が高いものほど減磁しにくい永久磁石であるといえる。しかし、保磁力の高い永久磁石は磁石そのものの磁束密度が低く、モータに使用する場合は回転力が与えにくい。逆に保磁力の低い永久磁石は磁束密度が高く、回転力を与え易い。

この特性をうまく利用するため、固定子に用いる材料との最適な組み合わせを選ぶことを目的とする。本実施例で用いる磁石は磁束密度が高く、保磁力が低い磁石であり、固定子に用いる材料は飽和磁束密度が高く、少ない電流で高い磁束密度が出力可能な材料である。この固定子材料と永久磁石を組み合わせることにより、少ない電流でモータの回転力を大きくでき、少ない電流により温度上昇も低く、磁石にかかる磁界の強さも弱い。よって保磁力の低い永久磁石であっても減磁することなく、高回転力が出力可能なモータ構造となる。

本発明によれば、電動機を小型化した上で、樹脂と高熱伝導シートの一体成形により、さらに放熱効果を向上させることができる。また、固定子と固定子枠の間に樹脂を含侵することにより、固定子にかかる圧縮応力を低減できるため固定子の鉄損を低減することができる。同様に固定子で発生した振動が固定子枠に伝わりづらくなるため振動・騒音低減効果も期待できる。

１００・・・固定子、１０１・・・固定子巻線、１０２・・・固定子枠、１０３・・・エンドカバー、１０４・・・回転子コア、１０５・・・軸、１０６・・・樹脂、１０７・・・高熱伝導シート (固定子軸方向用１枚のみ)、１０８・・・高熱伝導シート (固定子軸方向用２枚組み合わせるときの１枚)、１０９・・・高熱伝導シート(固定子軸方向用２枚組み合わせるときの１枚)、１１０・・・回転子磁石、１１１・・・高熱伝導シート(回転子用)、１１２・・・固定子枠 (凹凸あり)、１１３・・・エンドカバー(凹凸あり)、１１４・・・凹凸部 (固定子枠内側)、１１５・・・凹凸部 (エンドカバー内側)、１１６・・・高熱伝導シート(固定子径方向用)、１１７・・・固定子巻線と高熱伝導シートの距離。

Claims

複数の磁極を有する固定子と、この固定子に施された固定子巻線と、前記固定子を支える固定子枠と、前記固定子に所定の空隙を介して回転可能に支持された回転子と、前記固定子枠の両端を閉じるエンドカバーからなり、
前記固定子と前記固定子枠と前記エンドカバーで形成される空気層に樹脂を含侵し、前記固定子巻線から前記エンドカバーにかけて高熱伝導性の部材を一体成形した回転電動機において、
前記回転電動機における回転子の発熱部位の軸方向両端から前記回転子を支持する軸にかけて高熱伝導性の部材を這わせることを特徴とする回転電動機。
複数の磁極を有する固定子と、この固定子に施された固定子巻線と、前記固定子を支える固定子枠と、前記固定子に所定の空隙を介して回転可能に支持された回転子と、前記固定子枠の両端を閉じるエンドカバーからなり、
前記固定子と前記固定子枠と前記エンドカバーで形成される空気層に樹脂を含侵し、前記固定子から前記エンドカバーにかけて高熱伝導性の部材を一体成形した回転電動機において、
前記回転電動機における回転子の発熱部位の軸方向両端から前記回転子を支持する軸にかけて高熱伝導性の部材を這わせることを特徴とする回転電動機。
請求項１又は２のいずれかに記載の回転電動機において、
前記回転電動機が回転子に永久磁石を有する永久磁石型回転電動機であることを特徴とする回転電動機。
請求項１又は２のいずれかに記載の回転電動機において、
前記回転電動機が回転子に２次側導体を有する誘導型回転電動機であることを特徴とする回転電動機。
請求項１又は２のいずれかに記載の回転電動機において、
前記固定子枠の内側と前記エンドカバーの内側の少なくとも一方に凹凸を設け、前記樹脂の接触面積を大きくすることを特徴とする回転電動機。
請求項５に記載の回転電動機において、
前記固定子の内側と前記エンドカバーの内側の少なくとも一方に設けた凹凸の角部に所定の曲率を設ける構造を特徴とする回転電動機。
請求項５又は６のいずれかに記載の回転電動機において、
前記固定子と前記固定子枠との間に高熱伝導性の部材を設け、樹脂と一体成形することを特徴とする回転電動機。
請求項５乃至７のいずれかに記載の回転電動機において、
前記固定子枠に設ける凹凸を周方向に配置することを特徴とする回転電動機。
請求項５乃至７のいずれかに記載の回転電動機において、
前記固定子枠に設ける凹凸を軸方向に配置することを特徴とする回転電動機。