JP5955437B1 - 回転電機 - Google Patents

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Abstract

【課題】大型化することなく、集中巻のコイル部のコイルエンド部を簡便な方法で効率的に冷却できる回転電機を提供する。【解決手段】この電動機は、ハウジング2と、ロータ10と、ステータ20とを備えており、ハウジング2には、冷却液流路7となる空洞部が形成されている。ステータ20は、ステータコア21と、このステータコアに設けられた複数のコイル部50からなるステータコイル23と、コイル部50の各コイルエンド部25を覆ったコイルエンドカバー26とを有している。コイルエンドカバー26は、内周側壁面部と、外周側壁面部とを有し、この外周側壁面部は、冷却液流入口27が上部に形成され、またコイルエンドカバー26内を流下しコイルエンド部25と熱交換された前記冷却液を外部に排出する冷却液排出口が周方向に沿って形成されている。【選択図】図1

Description

この発明は、集中巻で構成された複数のコイル部からなるステータコイルがステータコアに巻装された回転電機に関する。
集中巻の電動機には、ステータコアに樹脂製のインシュレータを介してステータコイルが巻装されており、ステータコアの軸線方向の両側端面からコイルエンド部が突出している。そして、ステータコイルの冷却構造として、ステータ両端のコイルエンド部をステータコアとコイルエンドカバーとで完全密閉し、ステータの一端側のコイルエンドカバーの上部に冷却液供給口を形成し、ステータの他端側のコイルエンドカバーの下部に冷却液排出口を形成した電動機が知られている(例えば、特許文献1参照)。
特許第3661529号公報
しかしながら、特許文献1に記載の電動機の場合、ステータ上部のコイルエンド部に対しては熱交換前の冷却液が流れるものの、ステータ下部のコイルエンド部、及びステータの他端側のコイルエンド部については、ステータ上部のコイルエンド部との熱交換により高温化した冷却液が流れるため、それらのコイルエンド部の部位では、冷却が不十分となる問題点があった。
また、この電動機の場合、スロット解放部を密封部材で覆う場合、ステータ最内径部に密封部材を構成する必要がある。そのため、ロータがステータに対し回転可能とする径方向の隙間を確保するためには、ステータコアとロータコアとの空隙距離を大きくする必要があり、大型化するとともに、電動機の最大トルクが低下してしまう問題点もあった。
さらに、スロット解放部の一部でも密封できないと、ステータの一端部から他端部へ冷却液を送る際に冷却液が漏れてしまい、ロータとステータとの間に空隙に入り込み、ロータ回転時に冷却液がせん断されることで発熱してしまうため、冷却液が熱源となる問題点もあった。
この発明は、かかる問題点を解決することを課題とするものであって、大型化することなく、集中巻のコイル部のコイルエンド部を簡便な方法で効率的に冷却できる回転電機を提供することを目的とする。
この発明に係る回転電機は、
ハウジングと、このハウジング内に回転可能に設けられたロータと、このロータと空隙を介して前記ハウジングに固定されたステータと、を備え、
前記ハウジングは、上部に冷却液が流れる冷却液流路となる空洞部が形成されており、
前記ステータは、ステータコアと、このステータコアに導線が集中巻で構成された複数のコイル部からなるステータコイルと、前記コイル部の、前記ステータコアの軸線方向の両端面からそれぞれ突出した各コイルエンド部を覆ったコイルエンドカバーと、を有し、
前記コイルエンドカバーは、前記ステータコアの端面に対向した対向面の内周部に全周にわたって延びて設けられ先端面が前記端面に当接した内周側壁面部と、前記対向面の外周部に全周にわたって延びて設けられ先端面が前記端面に当接した外周側壁面部と、を有し、
前記内周側壁面部と協同して前記コイルエンド部を両周面から挟む前記外周側壁面部は、前記冷却液流路からの前記冷却液を前記コイルエンドカバー内に導く冷却液流入口が上部に形成され、また前記コイルエンドカバー内を流下し前記コイルエンド部と熱交換された前記冷却液を外部に排出する冷却液排出口が周方向に沿って形成されており、
前記コイルエンドカバーの前記対向面の上部には、前記冷却液流入口からの前記冷却液を分流し互いに周方向の反対方向の下側に導く溝形状のガイド部が形成されており、
前記ガイド部は、前記コイルエンドカバーの中心点を通る鉛直線との交差点から互いに反対の周方向に延びており、
このガイド部の終点と前記コイルエンドカバーの前記中心点とを結ぶ線の距離をR、
この線と前記鉛直線との交差する開き角をθ、
前記コイルエンドカバーの前記中心点と前記コイルエンドカバーの前記内周側壁面部とを結ぶ半径をrとすると、
前記距離R、前記開き角θ及び前記半径rとの間には、(R×sinθ)>rの関係が成立する
この発明に係る回転電機によれば、内周側壁面部と協同してコイルエンド部を両周面から挟む外周側壁面部は、前記冷却液流路からの冷却液をコイルエンドカバー内に導く冷却液流入口が上部に形成され、またコイルエンドカバー内を流下しコイルエンド部と熱交換された冷却液を外部に排出する冷却液排出口が周方向に沿って形成されているので、大型化することなく、集中巻のコイル部のコイルエンド部を簡便な方法で効率的に冷却することができる。
この発明の実施の形態1の電動機を示す概略側断面図である。 図1の矢印Aの部位を示す拡大図である。 図1のステータを示す斜視図である。 図3のステータを軸線方向において反対側から視た斜視図である。 図1のステータを示す正面図である。 図1のステータを示す正断面図である。 この発明の実施の形態2の電動機のコイルエンドカバーを示す正面図である。 図7のVIII-VIII線に沿った矢視断面図である。 図7の矢印Bの部位を示す拡大図である。 コイルエンドカバーの突出部の変形例を示す要部断面図である。 図10のXI-XI線に沿った矢視断面図である。 コイルエンドカバーの突出部の他の変形例を示す断面図である。 この発明の実施の形態3の電動機のコイルエンドカバーを示す正面図である。 図13の矢印Cの部位を示す拡大図である。 図13の矢印Dの部位を示す拡大図である。 この発明の実施の形態4における電動機の要部を示す斜視図である。 図16の要部分解断面図である。 図16の要部断面図である。
以下、この発明の回転電機の各実施の形態の電動機について図に基いて説明するが、各図において同一、または相当部材、部位については同一符号を付して説明する。
実施の形態1.
図1は、この発明の実施の形態1の、例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車などに搭載される電動機1の概略側断面図、図2は、図1の矢印Aの部位の拡大図、図3は、図1のステータ20を示す斜視図、図4は、図3のステータ20を軸線方向において反対側から視た斜視図、図5は、図1のステータ20を示す正面図、図6は、図1のステータ20を示す正断面図である。
電動機1は、第1ハウジング部2a及び第2ハウジング部2bで構成されたハウジング2と、このハウジング2内に回転可能に設けられたロータ10と、ハウジング2に固定されロータ10の外周に空隙を介して配置された円筒形状のステータ20と、を備えている。
上記ロータ10は、両端部で軸受3を介してハウジング2に対して回転自在に支持されたシャフト11と、シャフト11に嵌合され薄板鋼板で積層されて構成されたロータコア12と、このロータコア12に周方向に等分間隔で埋設された永久磁石13と、を備えている。この矩形状の永久磁石13は、磁極を構成する。
上記ステータ20は、円筒状のステータコア21と、このステータコア21の両端面に組み付けられたインシュレータと、このインシュレータを介してステータコア21に巻装されたステータコイル23と、ステータコア21の両端面側にそれぞれ設けられたコイルエンドカバー26と、を備えている。
上記ステータコア21は、3n個(nは整数)の分割コア部24から構成されている。各分割コア部24は、円弧上のバックヨーク部24aと、バックヨーク部24aの内周面において、周方向中央部からステータ20の中心軸線に向け径方向内側に突出するティース部24bとから構成されている。そして、ステータコア21は、複数の分割コア部24をバックヨーク部24aの周方向の側面同士を突き合わせて円環状に配列して構成されている。
上記ステータコイル23は、各分割コア部24のティース部24bにインシュレータ部22を介して導線を集中巻きして形成された各コイル部50で構成されている。この各コイル部50は、分割コア部24の両端部からそれぞれ軸線方向に突出したコイルエンド部25を有している。そして、ステータコイル23は、例えば周方向に沿ってU相のコイル部50、V相のコイル部50、W相のコイル部50、U相のコイル部50・・・で配置され、またそれぞれの各相のコイル部50が例えばデルタ形結線されて、三相交流巻線を構成している。
ここで、分割コア部24にインシュレータ部22を介してコイル部50が巻装されたものが分割ステータ部であり、この各分割ステータ部を、分割ステータ部の周方向の側面同士を突き合わせて円環状に配列したものがステータ20である。
この実施の形態の電動機1では、給電部(図示せず)を通じて各相のコイル部50に電流が流れる。
その結果、ステータ20には回転磁界が発生し、この回転磁界に引っ張られるようにしてロータ10が回転する結果、またロータ10と一体のシャフト11も回転し、そのトルクは外部に伝達される。
上記ハウジング2は、最上部に径外側方向に突出し、かつ軸線方向に帯状に延びた冷却液流路7を形成する空洞部が形成されている。この空洞部は、ロータ10、ステータ20を収納したハウジング2の内部空間とは第1噴出孔8、第2噴出孔9を介して連通している。
ハウジング2の外側には外部ポンプ(図示せず)が設けられており、この外部ポンプから圧送された冷却液5は、ハウジング2の入口(図示せず)を通じて冷却液流路7内に入り、図1の矢印イ、ロに示す方向、即ちコイル部50の両コイルエンド部25側にそれぞれ流れるようになっている。このうち、第1噴出孔8を通過した冷却液5は、コイルエンド部25もしくはコイルエンドカバー26の内壁に向けて流下する。
また、第2噴出孔9を通過した冷却液5は、コイルエンドカバー26の軸線方向の外側を通って軸受3に向けて流下する。
コイルエンドカバー26は、ステータコア21の軸線方向であって両コイルエンド部25のそれぞれの外側に配置されている。
上記コイルエンドカバー26は、ステータコア21の端面に対向した対向面29の内周部に全周にわたって延びて設けられ先端面がステータコア21の端面に当接した内周側壁面部52と、対向面29の外周部に全周にわたって延びて設けられ先端面がステータコア21の端面に当接し内周側壁面部52と対向した外周側壁面部54と、を有している。
外周側壁面部54は、最上部に冷却液流路7からの冷却液5をコイルエンドカバー26内に導く冷却液流入口27が形成されている。また、外周側壁面部54は、冷却液流入口27の下側にコイルエンドカバー26内を流下しコイルエンド部25と熱交換された冷却液5をコイルエンドカバー26の外部に排出する冷却液排出口51が形成されている。この冷却液排出口51は、スリット形状であり、ほぼ全周に沿って形成されている。
このように、この円環状のコイルエンドカバー26は、各コイルエンド部25を全周にわたって内周側壁面部52及び外周側壁面部54で径方向において挟んだ断面略コの字形状になっている。
この実施の形態1の電動機1では、ハウジング2の第1噴出孔8から噴出された冷却液5は、大気開放された後、両コイルエンドカバー26内に冷却液流入口27を通じて供給され、コイルエンド部25とコイルエンドカバー26との隙間に形成された、図2に示す流路28を、ステータ20の上部から下部へと流下する。
この冷却液5は、流下しながらコイルエンド部25との間で熱交換され、その後熱交換後の高温化した冷却液5は、コイルエンドカバー26の全周にわたって形成された冷却液排出口51を通じてコイルエンドカバー26の外部へ排出される。
その後、冷却液5は、ハウジング2の下部に形成された排出口(図示せず)を通じてハウジング2の外部に排出される。
従って、高温化した冷却液5のステータ20内での滞留が防止され、下側に配置されたコイルエンド部25の冷却効果が特に向上し、より効率的なステータコイル23の冷却が実現できる。
また、コイルエンドカバー26は、大気解放型とし、ステータ20に組み付けるだけの構造とすることで、完全密閉構造で必要であったコイルエンドカバー内部へ冷却液を供給するための配管、ステータとカバーとの隙間を無くすための機構や部品が不要となり、大型化することなく、安価で簡便な方法で冷却構造を実現することができる。
実施の形態2.
図7は、この発明の実施の形態2の電動機1のコイルエンドカバー26を内側から視たときを示す正面図、図8は、図7のVIII-VIII線に沿った矢視断面図、図9は、図7の矢印Bの部位を示す拡大図である。
この実施の形態では、各コイルエンド部25と対向する各コイルエンドカバー26の軸線方向の対向面29には、周方向に延びた溝であるガイド部30が形成されている。
このガイド部30は、コイルエンドカバー26の上部においてコイルエンドカバー26の中心点Oを通る鉛直線を左右対称にして周方向に延びている。
ここで、この左右に延びたガイド部30の終点Eとコイルエンドカバー26の中心点O
とを結ぶ線の距離をR、ガイド部30の終点Eとコイルエンドカバー26の中心点Oとを結ぶ線と鉛直線との交差する開き角をθ、コイルエンドカバー26の中心点Oとコイルエンドカバー26の内周側壁面部52とを結ぶ半径をrとすると、(1)式の関係がある。
(R×sinθ)>r・・・・(1)
また、この実施の形態では、コイルエンドカバー26の対向面29には、径方向に延びた断面台形状の径方向に延びた突出部31が周方向に等間隔で複数設けられている。この突出部31は、図5に示す隣接したコイル部50間の窪み部32に対向している。
他の構成は、実施の形態1の電動機1と同じである。
ところで、特開2013-38929号公報には、コイルエンド部の軸線方向の端部の頂上面に冷却液を分散させるガイド部を備えた回転電機が記載されている。
この回転電機は、このガイド部を備えたことで大型化するとともに、冷却液は、ステータ20の上部から下部へとコイルエンドカバーの内周付近を流れることとなり、冷却液が拡散できないという問題点がある。
この電動機に対して、この実施の形態の電動機1によれば、コイルエンドカバー26の対向面29に、ハウジング2から噴出した冷却液5をコイルエンドカバー26の最上部から両周方向にガイド部30を形成したので、電動機1を大型化することなく水平方向側に配置されたコイル部50にも冷却液5を円滑に供給することができる。
さらに、ガイド部30の上記距離Rは、(R×sinθ)>rの関係にあるので、ガイド部30の終点Eの直下は、コイルエンドカバー26の内周側壁面部52よりも径方向の外側にあり、ガイド部30を通じて流下した冷却液5は、終点Eを通過した後も内周側壁面部52の径方向の外側の対向面29に沿って流下するので、冷却液5の拡散が強化され、よりコイルエンド部25の効率的な冷却が実現できる。
なお、(R×sinθ)>rの関係が成立しない場合であっても、ガイド部30は、冷却液流入口27からの冷却液5を分流し互いに周方向の反対方向の下側に導くことで、冷却液5を拡散しコイルエンド部25を効率的に冷却する効果がある。
また、この実施の形態では、コイルエンドカバー26の対向面29に、径方向に延びた突出部31が周方向に等間隔で複数設けられているので、窪み部32とコイルエンドカバー26の突出部31とにより挟まれた隙間が冷却液5の流路となり、図9に示すように、冷却液5は、突出部31を配置したことにより突出部31を跨ぐ流れ(α)と、突出部31を径方向外側から迂回する流れ(β)とができる結果、コイルエンド部25の径方向の外側に冷却液5を拡散させることができ、より効率的なコイルエンド部25の冷却が実現できる。
なお、この実施の形態においては、各突出部31は、断面略台形形状で一定であるが、ステータコイル23のコイル部50の巻線パターンによっては、隣接したコイルエンド部25間の窪み部32と、突出部31との間の隙間がほぼ一定になるように形成してもよい。
図10は、突出部31の変形例を示すコイルエンドカバー26の要部断面図、図11は図10のXI-XI線に沿った矢視断面図であり、
この例は、コイルエンド部25の軸線方向に沿って切断した断面形状が2段形状であり、この形状に合わせてコイルエンドカバー26の突出部31の高さがh1、h2に示すように異なるようにすることで、窪み部32と、突出部31との間の隙間をほぼ一定にしている。
また、図12は、さらに突出部31の変形例を示すコイルエンドカバー26の要部断面図であり、この突出部31は、図10のものと比較して広がり角(Δ)が小さい例であり、この例も突出部31の広がり角(Δ)を調整することで、窪み部32と、突出部31との間の隙間をほぼ一定した例である。
実施の形態3.
図13は、この発明の実施の形態3の電動機1のコイルエンドカバー26を示す正面図、図14は、図13の矢印Cの部位の拡大図、図15の矢印Dの部位の拡大図である。
この実施の形態では、コイルエンドカバー26の突出部31と、コイルエンドカバー26の内周側壁面部52との間には、径方向に隙間53が設けられている。
また、この実施の形態の電動機1のステータ20は18スロットであり、ステータ20の直上部では、突出部31は、隣接したコイル部50間の窪み部32に対向している。
この例では、X軸より上部には突出部31が9個設けられ、ステータ20の鉛直方向(Y軸)を基準として、Y軸の左右にそれぞれ4個の突出部31が直上部に突出部31が1個設けている。
なお、突出部31の数は、ステータ20の内径,スロット数によって変更してもよいが、ステータ20の水平方向(X軸)を基準として、X軸より上部の範囲において少なくともY軸の左右に1個設ければよい。
また、ステータ20の直下部、及びその周方向の一定の領域には、突出部31は、設けられていない。
他の構成は、実施の形態1の電動機1と同じである。
この実施の形態では、図14に示すように、突出部31を通過する冷却液5は、突出部31を跨ぐ流れ(α)と、突出部31を径方向外側から迂回する流れ(β)と、突出部31の径方向内側の隙間53を通る流れ(γ)との3方向の流れができる。
これにより、ステータ20の上部から下部へと流れる流れ(α+γ)とステータ20の横方向に広がる流れ(β)により、突出部31を通過し3つの流れが合流する際、各流れの表面張力の関係が(α+γ)>βとなる。
従って、βの流れが(α+γ)の流れに引き寄せられ、突出部31直下とコイルエンドカバー26の径方向内側とで囲まれた領域Fにも冷却液5を広げることができるため、より効率的なコイルエンド部25の冷却が実現できる。
また、この実施の形態では、突出部31の数は、ステータ20の水平方向(X軸)を基準として、X軸より上部の範囲において、少なくともY軸の左右に1個設けられているので、ステータ20の左右方向に冷却液5を拡散することができるため、よりコイルエンド部25の効率的が冷却を実現できる。
また、ステータ20の直下部、及びその周方向の一定の領域には、突出部31が設けられていないので、図15に示すように、ステータ20の最下部での冷却液5の流れは、突出部31によるステータ20の径外側方向へ排出する、図14に示す流れ(β)が無くなり、冷却液の自重落下による流れ(α1)と、カバー内周壁面を伝わる流れ(γ1)によってY軸に向けて冷却液5を集めることが可能となる。
これによりステータ20の最下部のコイルエンド部25へも冷却液5を十分に供給することができるため、より効率的なコイルエンド部25の冷却が実現できる。
実施の形態4.
図16は、この発明の実施の形態4における電動機1の要部を示す斜視図である。
この実施の形態では、各分割コア部24の両端面に組み付けられたインシュレータ部22には、ステータ20の軸線方向外側に向けて平坦部33及び突起部34が設けられている。また、コイルエンドカバー26の突起部34に対向する部位には、平坦部35と突起部34の直径以上の穴36が設けられている。
他の構成は、実施の形態1の電動機1と同じである。
この実施の形態の電動機1によれば、インシュレータ部22に巻装されるコイルエンド部25の高さH1とインシュレータ部22の平坦部33の高さH2、コイルエンドカバー26の平坦部35の高さH3だけで、コイルエンド部25とコイルエンドカバー26との流路高さH4を規定することができる。
これにより、冷却液5の流量が変更となっても、簡便な方法で最適な流路高さH4を設定することができる。
また、インシュレータ部22の突起部34に固定部材40を嵌入して、コイルエンドカバー26を固定部材40とインシュレータ部22で挟み込んで固定することで、安価で簡便な方法で冷却構造を実現することができる。
なお、上記各実施の形態では、ステータコア21は、複数の分割コア部24で構成されていたが、一体のものであってもよい。
また、コイルエンドカバー26の冷却液排出口51は、一か所ではなく、ほぼ全周に複数に分けて形成してもよい。
また、回転電機として電動機1について説明したが、この発明は、発電機、発電電動機にも適用できる。
1 電動機、2 ハウジング、3 軸受、5 冷却液、7 冷却液流路、8 第1噴出孔、9 第2噴出孔、10 ロータ、11 シャフト、12 ロータコア、13 永久磁石、20 ステータ、21 ステータコア、22 インシュレータ部、23 ステータコイル、24a バックヨーク部、24b ティース部、24 分割コア、25 コイルエンド部、26 コイルエンドカバー、27 冷却液流入口、28 流路、29 対向面、30 ガイド部、31 突出部、32 窪み部、33 平坦部、34 突起部、35 平坦部、36 穴、40 固定部材、50 コイル部、51 冷却液排出口、52 内周側壁面部、53 隙間、54 外周側壁面部。

Claims (6)

  1. ハウジングと、このハウジング内に回転可能に設けられたロータと、このロータと空隙を介して前記ハウジングに固定されたステータと、を備え、
    前記ハウジングは、上部に冷却液が流れる冷却液流路となる空洞部が形成されており、
    前記ステータは、ステータコアと、このステータコアに導線が集中巻で構成された複数のコイル部からなるステータコイルと、前記コイル部の、前記ステータコアの軸線方向の両端面からそれぞれ突出した各コイルエンド部を覆ったコイルエンドカバーと、を有し、
    前記コイルエンドカバーは、前記ステータコアの端面に対向した対向面の内周部に全周にわたって延びて設けられ先端面が前記端面に当接した内周側壁面部と、前記対向面の外周部に全周にわたって延びて設けられ先端面が前記端面に当接した外周側壁面部と、を有し、
    前記内周側壁面部と協同して前記コイルエンド部を両周面から挟む前記外周側壁面部は、前記冷却液流路からの前記冷却液を前記コイルエンドカバー内に導く冷却液流入口が上部に形成され、また前記コイルエンドカバー内を流下し前記コイルエンド部と熱交換された前記冷却液を外部に排出する冷却液排出口が周方向に沿って形成されており、
    前記コイルエンドカバーの前記対向面の上部には、前記冷却液流入口からの前記冷却液を分流し互いに周方向の反対方向の下側に導く溝形状のガイド部が形成されており、
    前記ガイド部は、前記コイルエンドカバーの中心点を通る鉛直線との交差点から互いに反対の周方向に延びており、
    このガイド部の終点と前記コイルエンドカバーの前記中心点とを結ぶ線の距離をR、
    この線と前記鉛直線との交差する開き角をθ、
    前記コイルエンドカバーの前記中心点と前記コイルエンドカバーの前記内周側壁面部とを結ぶ半径をrとすると、
    前記距離R、前記開き角θ及び前記半径rとの間には、(R×sinθ)>rの関係が成立する回転電機。
  2. 前記コイルエンドカバーの前記対向面には、隣接したコイル部間の窪み部に対向して前記窪み側に突出して径方向に延びた突出部が設けられている請求項1に記載の回転電機。
  3. 前記突出部と前記内周側壁面部との間には隙間が設けられている請求項に記載の回転電機。
  4. 前記コイルエンドカバーを前記ステータの軸線方向に沿って視たときに、前記突出部は、前記コイルエンドカバーの上半部であって前記コイルエンドカバーの中心点を通る鉛直線に対して両側に少なくとも1個設けられている請求項またはに記載の回転電機。
  5. 前記突出部は、各前記コイルエンド部のうち少なくとも最下部に位置するコイルエンド部と対向する前記コイルエンドカバーの部位を除いて周方向に沿って複数個配置されている請求項の何れか1項に記載の回転電機。
  6. 前記ステータコアは、周方向に間隔をあけて径方向に沿って切断した分割コア部から構成され、
    前記ステータコイルは、各前記分割コア部のティース部にインシュレータ部を介して前記コイル部が設けられ、
    前記インシュレータ部は、前記ステータの軸線方向外側に向けて平坦部及び突起部が設けられ、
    前記コイルエンドカバーの、前記インシュレータ部の前記突起部に対向する部位には、前記突起部が挿入される穴が形成され、
    前記コイルエンドカバーは、前記穴に挿入された前記突起部の先端部に固定された固定部材により前記インシュレータ部に固定される請求項1〜の何れか1項に記載の回転電機。
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