JP6087477B1 - 電動機 - Google Patents

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Abstract

電動機は、固定子鉄心1と、固定子鉄心1の内側に配置される回転子と、固定子鉄心1の軸方向の端面に配置されるカバー3aと、複数のコイルエンド2aとカバー3aとの間に配置されたモールド樹脂部4aと、カバー3aの径方向外側に配置されると共に、固定子鉄心1の径方向外側に配置された筒状のハウジングとを備える。またカバー3aは、固定子鉄心1と対向する第1の端面3a1側に設けられ、第1の内径の第1の内周部3a3と、第1の端面3a1の反対側の第2の端面3a2側に設けられ、第1の内径より大きい第2の内径の第2の内周部3a4と、第1の内周部3a3と第2の内周部3a4との境界部に設けられる段差部3a5と、を有する。

Description

本発明は、固定子と固定子の内側に配置される回転子とを備えた電動機に関する。
近年では、機械加工のタクト短縮に対応するため工業用途の電動機に対する高出力化および高トルク化の要求が高くなっている。電動機の高出力化および高トルク化に伴い、固定子に配置されたコイルの発熱量が大きくなる。そのためコイルで発生する熱を効率的に電動機の外部に排出する必要がある。
特許文献1には、コイルで発生する熱を効率よく外部に排出する電動機の構造が開示されている。特許文献1に開示された電動機の固定子は、環状の固定子鉄心と、固定子鉄心の周方向に離間して配置された複数のコイルと、複数のコイルのそれぞれのコイルエンドを包囲する筒状のカバーと、コイルエンドとカバーとの間に充填された熱伝導性樹脂と、固定子鉄心およびカバーの外周側に配置されるハウジングとを備える。
特許文献1に開示された電動機では、伝熱部材として熱伝導性樹脂が用いられている。そしてコイルエンドから発生した熱は、熱伝導性樹脂、カバー、およびハウジングの順で伝わり、または熱伝導性樹脂、カバー、固定子鉄心、およびハウジングの順で伝わる。そしてハウジングに伝わった熱は外部に排熱される。
特開2010−68699号公報
特許文献1に開示された電動機では、電動機の運転中における熱伝導性樹脂とカバーとの線膨張係数の差に起因してカバーが軸方向へ移動する。
特許文献1ではこのようなカバーの動きを防止する対策がなされていないため、カバーが軸方向に移動することにより、熱伝導性樹脂とカバーとの接触面積が低下し、またカバーと固定子鉄心の端面との間にも隙間が生じる。従って、熱伝導性樹脂からカバーへ伝わる熱量が低下し、さらにカバーから固定子鉄心へ伝わる熱量も低下する。そのため放熱性能が低下するという課題があった。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、放熱性能の低下を抑制可能な電動機を得ることを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の電動機は、環状の固定子鉄心と、前記固定子鉄心の周方向に配列された複数のコイルとを備える。本発明の電動機は、前記固定子鉄心の軸方向の端面に配置され、前記固定子鉄心の軸方向の端面から突出する前記複数のコイルのコイルエンドを包囲する筒状のカバーと、前記複数のコイルのコイルエンドのそれぞれと前記カバーとの間に配置された熱伝導性樹脂部とを備える。本発明の電動機のカバーは、固定子鉄心と対向する第1の端面側に設けられ、第1の内径の第1の内周部を有する。本発明の電動機のカバーは、前記第1の端面の反対側の第2の端面側に設けられ、前記第1の内径より大きい第2の内径の第2の内周部と、前記第1の内周部と前記第2の内周部との境界部に設けられる段差部とを有し、前記カバーは前記熱伝導性樹脂部の線膨張係数より小さい線膨張係数を有する材料で構成される。
本発明に係る電動機は、放熱性能の低下を抑制できるという効果を奏する。
本発明の実施の形態1に係る電動機の縦断面図 本発明の実施の形態1に係る電動機の固定子の縦断面図 図2に示すIII−III矢視断面図 図2に示すIV−IV矢視断面図 図2に示すV−V矢視断面図 図2に示す固定子の一端側の拡大図 図6に示すカバーの斜視図 本発明の実施の形態2に係る電動機の固定子の断面図 図8に示すIX−IX矢視断面図 図8に示すX−X矢視断面図 図8に示すXI−XI矢視断面図 図8に示す固定子の一端側の拡大図 本発明の実施の形態3に係る電動機の固定子の断面図 図13に示すXIV−XIV矢視断面図 図13に示すXV−XV矢視断面図 図13に示すXVI−XVI矢視断面図 図13に示す固定子の一端側の拡大図
以下に、本発明の実施の形態に係る電動機を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
実施の形態1.
図1は本発明の実施の形態1に係る電動機の縦断面図である。図2は本発明の実施の形態1に係る電動機の固定子の縦断面図である。図3は図2に示すIII−III矢視断面図である。図4は図2に示すIV−IV矢視断面図である。図5は図2に示すV−V矢視断面図である。図2,3では図1に示す回転子200の図示が省略されている。図6は図2に示す固定子の一端側の拡大図である。図7は図6に示すカバーの斜視図である。
以下、図1から図7を参照して実施の形態1に係る電動機300の構成を説明する。
電動機300は、固定子100と、固定子100を構成する固定子鉄心1の内側に配置される回転子200と、固定子鉄心1の径方向外側に配置される筒状のハウジング10とを備える。
固定子鉄心1は、電磁鋼板から打ち抜かれた複数の環状の薄板を積層して成る。固定子鉄心1は、その内部に中空孔11を有する。
図3に示すように、固定子鉄心1は、周方向に複数のスロット12を有する。複数のスロット12のそれぞれにはコイル2が配置されている。
複数のスロット12のそれぞれに配置されたコイル2と複数のスロット12のそれぞれの内周面との間には、熱伝導性樹脂部であるモールド樹脂部4が設けられる。モールド樹脂部4の材料はエポキシ樹脂または不飽和ポリエステル樹脂である。モールド樹脂部4は、複数のスロット12のそれぞれに充填されたこれらの材料が硬化したものである。
複数のコイル2のそれぞれの一端側のコイルエンド2aは、固定子鉄心1の一端面1aから軸方向に突出している。軸方向は回転中心軸線Cが伸びる方向を示す。
固定子鉄心1の一端面1aには、複数のコイルエンド2aを包囲する筒状のカバー3aが配置される。
カバー3aは、モールド樹脂部4の線膨張係数より小さい線膨張係数を有する材料で構成される。
カバー3aの材料は、アルミニウム合金、オーステナイト系ステンレス合金、銅合金、鋳鉄、鋼、または鉄合金である。
アルミニウム合金としては、押出用途に使用されるA6063、または棒材に使用されるA5056がカバー3aの材料として用いられる。
オーステナイト系ステンレス合金としては、SUS303、またはSUS304がカバー3aの材料として用いられる。
銅合金としては、クロム銅またはベリリウム銅がカバー3aの材料として用いられる。
鋳鉄としては、FC200に代表されるねずみ鋳鉄、またはFCD400に代表される球状黒鉛鋳鉄がカバー3aの材料として用いられる。
鋼としては、SC450に代表される炭素鋼、またはSTKMに代表される機械構造用炭素鋼管材がカバー3aの材料として用いられる。
鉄合金としては、SCMに代表されるクロムモリブデン鋼がカバー3aの材料として用いられる。
カバー3aは、固定子鉄心1の一端面1aに取付けられる。
実施の形態1では、固定子鉄心1の一端面1aに予め窪みを形成し、カバー3aの端面に突起を形成する。そしてカバー3aの突起を固定子鉄心1の窪みに嵌め合わせることでカバー3aが取付けられる。固定子鉄心1の一端面1aに取付けられたカバー3aは、その外径が固定子鉄心1の外径と等しくなるように加工される。
固定子鉄心1の一端側には、複数のコイルエンド2aのそれぞれを覆う熱伝導性樹脂部であるモールド樹脂部4aが形成される。モールド樹脂部4aの材料は不飽和ポリエステル樹脂である。モールド樹脂部4aは、コイルエンド2aとカバー3aの間に充填された不飽和ポリエステル樹脂が硬化したものである。
モールド樹脂部4aは、コイルエンド2aの径方向外側とカバー3aとの間に形成される。またモールド樹脂部4aは、コイルエンド2aの径方向内側に形成される。さらにモールド樹脂部4aは、コイルエンド2aの軸方向先端側に形成される。
モールド樹脂部4aは、複数のコイルエンド2aのそれぞれの外周面全体に密着し、またカバー3aの内周面全体に密着する。モールド樹脂部4aの固定子鉄心1側の面は、固定子鉄心1の一端面1aと接している。
複数のコイル2のそれぞれの他端側のコイルエンド2bは、固定子鉄心1の他端面1bから軸方向に突出している。
固定子鉄心1の他端面1bには、複数のコイルエンド2bを包囲する筒状のカバー3bが配置される。
カバー3aと同様の材料で構成されるカバー3bは、固定子鉄心1の他端面1bに取付けられる。
実施の形態1では、固定子鉄心1の他端面1bに予め窪みを形成し、カバー3bの端面に突起を形成する。そしてカバー3bの突起を固定子鉄心1の窪みに嵌め合わせることでカバー3bが取付けられる。固定子鉄心1の他端面1bに取付けられたカバー3bは、その外径が固定子鉄心1の外径と等しくなるように加工される。
固定子鉄心1の他端側には、複数のコイルエンド2bのそれぞれを覆う熱伝導性樹脂部であるモールド樹脂部4bが形成される。モールド樹脂部4bの材料は不飽和ポリエステル樹脂である。モールド樹脂部4bは、コイルエンド2bとカバー3bの間に充填されたこれらの不飽和ポリエステル樹脂が硬化したものである。
モールド樹脂部4bは、コイルエンド2bの径方向外側とカバー3bとの間に形成される。またモールド樹脂部4bは、コイルエンド2bの径方向内側に形成される。またモールド樹脂部4bは、コイルエンド2bの軸方向先端側に形成される。
モールド樹脂部4bは、複数のコイルエンド2bのそれぞれの外周面全体に密着し、またカバー3bの内周面全体に密着する。モールド樹脂部4bの固定子鉄心1側の面は、固定子鉄心1の他端面1bと接している。
コイル2には絶縁処理が施され、リード線20に接続される。コイル2にはリード線20を介して電力が供給される。
回転子200は、電磁鋼板から打ち抜かれた複数の環状の薄板を積層して成る回転子鉄心5と、回転子鉄心5のスロット内及び軸方向先端側に環状に配置されたアルミニウム導体6とを備える。
回転子200は、固定子鉄心1の軸心と同軸に、固定子鉄心1の中空孔11内に配置される。
筒状のハウジング10は、2つのカバー3a,3bのそれぞれの径方向外側に配置されると共に、固定子鉄心1の径方向外側に配置される。
ハウジング10の内径は、固定子鉄心1の外径と等しい。カバー3a,3bのそれぞれ外径は、ハウジング10の内径と等しい。
固定子鉄心1は、焼き嵌めまたは冷やし嵌めにより、ハウジング10の内側に配置される。
次にカバー3aの構造を具体的に説明する。
図6,7において、カバー3aは、固定子鉄心1と対向する第1の端面3a1側に設けられ、第1の内径の第1の内周部3a3と、第1の端面3a1の反対側の第2の端面3a2側に設けられ、第1の内径より大きい第2の内径の第2の内周部3a4とを有する。
またカバー3aは、第1の内周部3a3と第2の内周部3a4との境界部に設けられる段差部3a5を有する。実施の形態1では、段差部3a5の面は固定子鉄心1の一端面1aと平行な平面状である。
図1に示すカバー3bもカバー3aと同様に構成されている。
以下、電動機300が動作する時の熱の伝達経路を説明する。
電動機300の運転時にコイルエンド2aで発生した熱は、モールド樹脂部4aに伝わり、モールド樹脂部4aに伝わった熱は、カバー3aに伝わる。
カバー3aに伝わった熱の一部は、カバー3aと固定子鉄心1との接触面を経由して固定子鉄心1に伝わる。固定子鉄心1に伝わった熱は、固定子鉄心1の外周面からハウジング10に伝わり、ハウジング10の表面から放出される。
またカバー3aに伝わった熱の一部は、カバー3aとハウジング10の接触面を経由してハウジング10に伝わる。ハウジング10に伝わった熱は、ハウジング10の表面から放出される。
電動機300の運転時には、コイルエンド2aで発生した熱により、カバー3aとモールド樹脂部4aの双方が膨張する。
ところがカバー3aおよびモールド樹脂部4aはそれぞれの線膨張係数が異なるため、カバー3aとモールド樹脂部4aとの間には熱膨張差が生じる。モールド樹脂部4aはカバー3aよりも膨張するため、モールド樹脂部4aに密着しているカバー3aには、固定子鉄心1側とは反対側に移動する力が作用する。
実施の形態1の電動機300によれば、この熱膨張差が生じても、段差部3a5によりカバー3aの移動が制限される。すなわち段差部3a5と対向する位置にモールド樹脂部4aが存在するため、カバー3aは軸方向の移動が制限される。
これによりモールド樹脂部4aとカバー3aとの接触面積が低下することを抑制できる。またカバー3aの第1の端面3a1と固定子鉄心1の一端面1aとの間に生じる隙間を抑制できる。
従って、モールド樹脂部4aからカバー3aへ伝わる熱量の低下が抑制される。さらにカバー3aから固定子鉄心1へ伝わる熱量の低下が抑制される。これにより放熱性能の低下を抑制できる。
なお図1,2に示すカバー3bは、カバー3aと同様に構成してもよい。これにより、カバー3bの軸方向の移動が制限され、カバー3aのみに段差部3a5を備える場合に比べて、固定子100のより一層の品質の向上が図れる。
また実施の形態1では、段差部3a5が固定子鉄心1の一端面1aと平行な平面状であるが、段差部3a5の面は、固定子鉄心1の一端面1aに対して傾斜していてもよい。ただし固定子鉄心1の一端面1aと平行な平面状にすることで、傾斜状の平面に比べて、カバー3aとモールド樹脂部4aとの係合が確実になるという効果を得ることができる。
実施の形態2.
図8は本発明の実施の形態2に係る電動機の固定子の断面図である。図9は図8に示すIX−IX矢視断面図である。図10は図8に示すX−X矢視断面図である。図11は図8に示すXI−XI矢視断面図である。図12は図8に示す固定子の一端側の拡大図である。
実施の形態2の固定子100−1は、実施の形態1のカバー3a,3bの代わりにカバー3a−1,3b−1を備える。以下、実施の形態1と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分について述べる。カバー3a−1とカバー3b−1は同様に構成されているため、以下ではカバー3a−1の構成を説明し、カバー3b−1の構成の説明は省略する。
カバー3a−1は、実施の形態1のカバー3aと同様に第1の内周部3a3、第2の内周部3a4、および段差部3a5を有する。
さらにカバー3a−1は突起7を有する。突起7は、段差部3a5と第2の内周部3a4との間に配置され、第2の内周部3a4からカバー3a−1の径方向内側に向けて突出する。突起7の数は1つでもよいし、複数でもよい。
図11には4つの突起7を有するカバー3a−1の構成例が示される。4つの突起7は、それぞれが固定子鉄心1の周方向に互いに離間して配列され、第2の内周部3a4からカバー3a−1の径方向内側に向けて突出する。
カバー3a−1をこのように構成することで、カバー3a−1の内側に充填されたモールド樹脂部4aは、カバー3a−1の第1の内周部3a3、第2の内周部3a4、段差部3a5および突起7に密着する。
段差部3a5および突起7に密着するモールド樹脂部4aにより、カバー3a−1は軸方向の移動が制限される。
さらに突起7により、電動機300の運転中に発生する振動に起因した、カバー3a−1の周方向への回転が防止される。
突起7を2つ以上設けることにより、突起7が1つの場合に比べてカバー3a−1の周方向への回転をより確実に防ぐことができる。
なお図1,2に示すカバー3bは、実施の形態2のカバー3a−1と同様に構成してもよい。これにより、カバー3bの軸方向の移動が制限されると共に、カバー3bの円周方向への回転が防止される。従って、カバー3a−1のみに段差部3a5および突起7を備える場合に比べて、固定子100−1の品質のより一層の向上が図れる。
実施の形態3.
図13は本発明の実施の形態3に係る電動機の固定子の断面図である。図14は図13に示すXIV−XIV矢視断面図である。図15は図13に示すXV−XV矢視断面図である。図16は図13に示すXVI−XVI矢視断面図である。図17は図13に示す固定子の一端側の拡大図である。
実施の形態3の固定子100−2は、実施の形態1のカバー3aの代わりにカバー3a−2を備える。以下、実施の形態1と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分について述べる。カバー3a−2とカバー3b−2は同様に構成されているため、以下ではカバー3a−2の構成を説明し、カバー3b−2の構成の説明は省略する。
カバー3a−2は、実施の形態1のカバー3aと同様に第1の内周部3a3、第2の内周部3a4、および段差部3a5を有する。
さらにカバー3a−2は突起8を有する。突起8は、第2の内周部3a4に配置され、第2の内周部3a4からカバー3a−2の径方向内側に向けて突出する。突起8の数は1つでもよいし、複数でもよい。
図16には4つの突起8を有するカバー3a−2の構成例が示される。4つの突起8は、それぞれが固定子鉄心1の周方向に互いに離間して配列され、第2の内周部3a4からカバー3a−2の径方向内側に向けて突出する。
カバー3a−2をこのように構成することで、カバー3a−2の内側に充填されたモールド樹脂部4aは、カバー3a−2の第1の内周部3a3、第2の内周部3a4、段差部3a5および突起8に密着する。
段差部3a5および突起8に密着するモールド樹脂部4aにより、カバー3a−2は軸方向の移動が制限される。
さらに突起8により、電動機300の運転中に発生する振動に起因した、カバー3a−2の周方向への回転が防止される。
突起8を2つ以上設けることにより、突起8が1つの場合に比べてカバー3a−2の周方向への回転をより確実に防ぐことができる。
なお、複数の突起8の代わりに、周方向に連続した環状部材を第2の内周部3a4に設けた場合、以下のような問題が生じる。
(1)環状部材と段差部3a5との間には環状の溝部が形成されることとなる。この溝部にモールド樹脂部4aが充填されると、電動機300の運転時に生じるカバー3a−2とモールド樹脂部4aとの間の熱膨張差に起因して、溝部に充填されたモールド樹脂部4aにせん断応力が作用する。このせん断応力により、モールド樹脂部4aにクラックが生じる。
(2)クラックが生じると、モールド樹脂部4a内に熱が伝わり難くなり、放熱性が低下する。
(3)またクラックが生じると、モールド樹脂部4aの一部が欠けて電動機300の内部に脱落して、運転に支障が出る場合がある。
実施の形態3の固定子100−2では、突起8が用いられているため、電動機300の運転中に膨張したモールド樹脂部4aは、軸方向の移動が制限されず、カバー3a−2の第2の端面3a2側に逃げることができる。従って熱膨張差に起因するせん断応力が軽減され、モールド樹脂部4aにクラックが生じることがなく、電動機300の品質が向上する。
なお図1,2に示すカバー3bは、実施の形態3のカバー3a−2と同様に構成してもよい。これにより、カバー3bの軸方向の移動が制限されると共に、カバー3bの円周方向への回転が防止される。従って、カバー3a−2のみに段差部3a5および突起8を備える場合に比べて、固定子100−2の品質のより一層の向上が図れる。
また実施の形態1から3の固定子鉄心は、電磁鋼板を複数枚積層したものに限定されない。固定子鉄心は、鋼材を円筒状に加工した一体型鉄心、樹脂および鉄粉を混ぜたものを固めた樹脂鉄心、または磁性粉を加圧成形した圧粉鉄心でもよい。固定子鉄心の種類は目的および用途によって使い分けられる。
また実施の形態1から3の回転子200は誘導電動機用の回転子でもよいし、同期電動機用の回転子でもよい。
また実施の形態2,3の突起7,8の形状は、図示例に限定されるものではなく、第2の内周部3a4からカバー3a−1,3a−2の径方向内側に向けて突出する形状であればよい。突起7,8の形状は、その先端が湾曲した突形状でもよい。また、その先端幅が第2の内周部3a4からカバー3a−1,3a−2の径方向内側に向かうにつれて拡大または縮小するくさび形状でもよい。突起7,8の径方向の幅に関しては、コイルエンド2aに接触しない長さに調整すればよい。突起7,8の軸方向の幅に関しては、段差部3a5から第2の端面3a2までの長さと等しくてもよいし、段差部3a5から第2の端面3a2までの長さ未満でもよい。
以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。
1 固定子鉄心、1a 一端面、1b 他端面、2 コイル、2a,2b コイルエンド、3a,3a−1,3a−2,3b,3b−1,3b−2 カバー、3a1 第1の端面、3a2 第2の端面、3a3 第1の内周部、3a4 第2の内周部、3a5 段差部、4,4a,4b モールド樹脂部、5 回転子鉄心、6 アルミニウム導体、7,8 突起、10 ハウジング、11 中空孔、12 スロット、20 リード線、100,100−1,100−2 固定子、200 回転子、300 電動機。

Claims (6)

  1. 環状の固定子鉄心と、
    前記固定子鉄心の周方向に配列された複数のコイルと、
    前記固定子鉄心の軸方向の端面に配置され、前記固定子鉄心の軸方向の端面から突出する前記複数のコイルのコイルエンドを包囲する筒状のカバーと、
    前記複数のコイルのコイルエンドのそれぞれと前記カバーとの間に配置された熱伝導性樹脂部と、
    を備え、
    前記カバーは、
    前記固定子鉄心と対向する第1の端面側に設けられ、第1の内径の第1の内周部と、
    前記第1の端面の反対側の第2の端面側に設けられ、前記第1の内径より大きい第2の内径の第2の内周部と、
    前記第1の内周部と前記第2の内周部との境界部に設けられる段差部と、
    を有し、
    前記カバーは前記熱伝導性樹脂部の線膨張係数より小さい線膨張係数を有する材料で構成されることを特徴とする電動機。
  2. 前記カバーは、前記段差部と前記第2の内周部との間に配置され、前記第2の内周部から前記カバーの径方向内側に向けて突出する突起を有することを特徴とする請求項1に記載の電動機。
  3. 前記カバーは、前記段差部と前記第2の内周部との間に配置され、前記固定子鉄心の周方向に互いに離間して配列され、前記第2の内周部から前記カバーの径方向内側に向けて突出する複数の突起を有することを特徴とする請求項1に記載の電動機。
  4. 前記カバーは、前記第2の内周部に配置され、前記第2の内周部から前記カバーの径方向内側に向けて突出する突起を有することを特徴とする請求項1に記載の電動機。
  5. 前記第2の内周部に配置され、前記固定子鉄心の周方向に互いに離間して配列され、前記第2の内周部から前記カバーの径方向内側に向けて突出する突起を有することを特徴とする請求項1に記載の電動機。
  6. 前記段差部は、前記固定子鉄心の軸方向の端面と平行な平面状であることを特徴とする請求項1から請求項5の何れか一項に記載の電動機。
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