JP6312111B2 - 回転電機 - Google Patents
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Description
このような回転電機においては、固定子コアの鉄損が大きくなる高周波数動作領域において回転電機の運転効率を改善することができないという問題点があった。
この固定子コアに導線が巻装された複数の相コイル部からなる固定子コイルと、
この固定子コイルに接触して前記固定子コイルを冷却するとともに前記固定子コアとは隔離して設けられた冷却部と、を備えている。
図1は、この発明の実施の形態1に係るモータ1を示す断面図、図2は、図1の固定子3、フレーム4及び負荷側ブラケット41を示す斜視図、図3は、図1の固定子コイル35及びコイル固定部材58を示す斜視図、図4は、図1の冷却部である負荷側ヒートシンク411を示す斜視図、図5は、図1のV−V線に沿ったコイル固定部材58の矢視断面図である。
この回転電機であるモータ1は、10極12スロットの集中巻永久磁石モータであって、回転子2と、この回転子2との間に一定の空隙を介して回転子2の外周を囲って設けられた固定子3と、この固定子3の外周を空隙を介して囲い、固定子3を保持、固定する円筒状のフレーム4と、このフレーム4の軸線方向の負荷側に設けられた第1のブラケットである負荷側ブラケット41と、フレーム4の軸線方向の負荷側とは反対方向に設けられた第2のブラケットである反負荷側ブラケット42と、負荷側ブラケット41と固定子3との間に設けられたコイル固定部材58と、を備えている。
固定子3は、円環状の固定子コア33と、この固定子コア33に巻装された固定子コイル35と、を有している。
固定子コア33は、3n個(整数)の固定子コアピース63(この実施の形態では12個)から構成されている。積層鋼板で構成された固定子コアピース63は、円弧状のヨーク部31とヨーク部31の内周面において周方向の中央部から固定子3の中心軸線に向け径方向の内側に先端部が突出した突極部であるティース部32と、を有している。
固定子コイル35は、U相、V相及びW相の各相コイル部351をそれぞれ複数有している。
円環状の各相コイル部351は、ティース部32との間で隙間が生じるように導線である平角導体線が集中巻きで巻回されて構成され、内周が固定子コアピース63のティース部32の外周よりも大きくなっている。
負荷側ヒートシンク411は、コイル固定面61側のヒートスプレッタ部410と、ベースブラケット412側の表面に、周方向に延びた互いに並列の冷媒流路413を形成するフィン部4131と、この冷媒流路413の始端部に形成された冷媒流入口414と、冷媒流路413の終端部に形成された冷媒流出口415と、冷媒流路413の内径側及び外径側にそれぞれ周方向に延びて形成された2つのリング溝416と、を有する。
負荷側ヒートシンク411のベースブラケット412と反対側のコイル固定面61には、フッ素樹脂からなる絶縁コーティングが施されている。
ベースブラケット412は、負荷側ヒートシンク411側の表面に、周方向に延びた冷媒流路419と、この冷媒流路419の始端部に形成された冷媒流入ポート417と、冷媒流路419の終端部に形成された冷媒流出ポート418と、を有する。
負荷側ヒートシンク411とベースブラケット412とは、負荷側ヒートシンク411の内径側及び外径側にそれぞれ形成された一対のリング溝416のそれぞれに2つのOリング(図示せず)を配置した状態でボルト(図示せず)を用いて軸線方向に締結することで一体化されている。
なお、負荷側ヒートシンク411は、アルミ等の良熱伝導性部材で製造されることが望ましい。
なお、溝部581の軸線方向の深さは、渡り部351aの軸線方向の長さと略等しい。また、溝部581の径方向の長さは、渡り部351aの径方向の長さと略等しい。
即ち、溝部581の深さ寸法が断面矩形状の平角導体線の短手方向の寸法と略同じであり、また溝部581の径方向の長さ寸法が平角導体線の長手方向の寸法と略同じである。
各コイル固定部材58は、図5から分かるように、その幅Wが相コイル部351の内周の幅と略等しく製造され、各相コイル部351を周方向に沿って位置決め固定されている。各コイル固定部材58は、相コイル部351の曲げ部351bとの接触を避けるため、周方向の両側であってヒートシンク411側に曲げ部351bの曲げ半径よりも大きな切欠き部582が形成されている。
なお、各コイル固定部材58は、断熱性の部材で製作されるが、導電性部材の表面を断熱性処理して製作してもよい。
固定子コア33は、各固定子コアピース63が円環状の固定子ベース65を介して負荷側ヒートシンク411の反負荷側の表面に配置され、またそれぞれのティース部32に各相コイル部351が挿入されて、円環状に構成される。
円環状の固定子ベース65は、例えばポリフェニレンスルファイド(PPS)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、またはフッ素樹脂等の熱伝導率の低いプラスチックで構成されている。また、固定子ベース65は、固定子コア33との接触側面に12個の固定子ベースピン部115を有し、この固定子ベースピン部115に負荷側ピン穴105を嵌合することで各固定子コアピース63の負荷側が位置決めされる。
固定子ベース65は、耐熱性の高い材料で構成されるのが望ましい。また、上記例ではプラスチックを挙げたが、断熱性の無機材料、グラスウール、または真空断熱材等で構成されてもよい。
なお、この例では、固定子コア33とフレーム4との間には空隙に充填された断熱性の空気により断熱れているが、グラスウール、炭化コルク、ウレタンフォーム、または真空断熱材等の断熱部材を設けることで一層断熱の効果を向上させることができる。
また、この反負荷側コイル内周固定部材69に対向して、1つのリング状で断面コ字形状の反負荷側コイル外周固定部材70が配置されている。各相コイル部351の反負荷端部は、反負荷側コイル内周固定部材69と反負荷側コイル外周固定部材70とで挟み込まれ、それぞれの反負荷側コイル内周固定部材69は反負荷側コイル外周固定部材70に対してボルト(図示せず)等で固定されて反負荷側コイル固定部材99を構成する。
そして、反負荷側ブラケット42がフレーム4に取り付けられることで、反負荷側ブラケット42に形成されたコイル固定溝71内に反負荷側コイル外周固定部材70が嵌め合わされることで、固定子コイル35の反負荷側は、固定される。
反負荷側ブラケット42のコイル固定溝71には、反負荷側コイル外周固定部材70が軸線方向において空隙部を有して嵌め合わされる。この空隙部には弾性部材が充填されてもよい。
また、反負荷側ブラケット42及びシャフト21の反負荷側端部には、シャフト21の回転位置を検出する回転位置センサ75が取り付けられている。
なお、弾性部材は、金属メッシュまたは金属バネ等で構成されることが望ましいが、ゴム、スポンジ、またはこれらの合成部材で構成されてもよい。
その結果、固定子コア33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回転子2が回転し、また回転子2のシャフト21も回転し、そのトルクは負荷側に伝達される。
また、固定子コイル35は、図5に示すように、各相コイル部351の渡り部351aがヒートシンク411に面接触しており、固定子コイル35が冷却される結果、固定子コイル35の銅損が低減されるとともに、固定子コア33を介さずして負荷側ヒートシンク411に直接熱を放出する構造であるので、固定子コア33は、固定子コイル35の耐熱温度に関係なく温度を上昇させることができる。
また。固定子コイル35と固定子コア33のティース部32の周方向の側面との間に、ゴム、グラスウール、炭化コルク、ウレタンフォーム、または真空断熱材等の断熱部材を設けることで一層断熱効果を向上させることができる。即ち、図15に示すように、固定子コイル35の各相コイル部351と固定子コア33の各ティース部32との間に断熱部材36を挿入してもよい。断熱部材36は、相コイル部351と固定子コア33とを熱的に離間させている。
これに対して、この実施の形態1のモータ1によれば、固定子コア33とフレーム4との間には、空隙があり、固定子コア33の径方向の熱膨脹に対してはその空隙で吸収されるので、固定子コア33の応力が抑制され、固定子コア33のヒステリシス損失を低減することができる。
また、固定子コア33とフレーム4との間の空隙に空気が介在しており、固定子コア33の熱がフレーム4に伝われにくく、固定子コア33に発生する鉄損による発熱で温度がより上昇し、固定子コア33の抵抗率が上昇することで渦電流損失が低減される結果、固定子コア33の鉄損をより低減することができる。
このようにしても同様の効果を奏する。
また、ヒートシンク411の冷媒流路413は、図4に示すように3つに限らず、1つもしくは2つでもよい。このような構造においては冷媒流路413の圧力損失を低減することができる。
図7は、この発明の実施の形態2に係るモータ1の固定子3を示す斜視図、図8はこの発明の実施の形態2に係るモータ1の固定子コイル35Aとコイル固定部材58Aとの関係を示す斜視図である。
図7において、固定子コア33Aは60個のティース部32Aを有し、固定子コア33Aをティース部32Aの周方向中央部を分割面に含むように周方向に60等分した60個の固定子コアピース63Aから構成される。
図8において、固定子コイル35Aは、導体線の周方向一端が挿入されたスロット(隣り合うティース部32Aの間の空間)から数えて周方向に6個目のスロットに導体線の他端が挿入されるように巻線されて構成される。
コイル固定部材58Aは周方向に10個均等に配置されている。各コイル固定部材58Aは、モータ1の負荷側から視て、最外周の相コイル部351Aの周方向の中央部と、径方向中央部の相コイル352Aの反時計側の端部と、最内周の相コイル353Aの時計側の端部とを収納し、コイル固定部材58A及び各相コイル部351A,352A,353Aは負荷側ヒートシンク411Aに対して固定する。
反負荷側コイル内周固定部材(図示せず)は、コイル固定部材58Aが配置された周方向位置にそれぞれ対向して10個配置されている。そして、この反負荷側コイル内周固定部材についても、コイル固定部材58Aと同様に、モータ1の負荷側から視て、最外周の相コイル部351Aの周方向の中央部と、径方向中央部の相コイル352Aの反時計側の端部と、最内周の相コイル353Aの時計側の端部とを収納し、固定する。
このようにして、モータ1は10極60スロットの分布巻モータに構成される。
固定子コイル35Aは固定子コア33Aに接触しないように空隙を持つように巻線されている。
他の構成は、実施の形態1のモータ1と同じである。
図9はこの発明の実施の形態3のモータ1を示す断面図である。
この実施の形態のモータ1では、反負荷側ブラケット42は周方向に12個のピン部100を有する。
反負荷側ブラケット42のピン部100は固定子コアピース63の各々に設けられた反負荷側ピン穴110に嵌合し、固定子コアピース63の位置決めを行うとともに、固定子コアピース63を軸線方向に押し付けることで負荷側ブラケット41とともに挟み込み固定する。
反負荷側ブラケット42は、固定子コア33の径方向外側に周方向に等分間隔で配置された複数の連結部材であるボルト150により、負荷側ブラケット41と連結される。
他の構成は、実施の形態1のモータ1と同様である。
図10はこの発明の実施の形態3に係るモータ1を示す断面図である。
この実施の形態のモータ1では、反負荷側ブラケット42は、第2のヒートシンクである反負荷側ヒートシンク421と反負荷側ブラケットベース422とから構成される。
反負荷側ヒートシンク421は、固定子コイル35の軸線方向相当位置に3つの並列な冷媒流路を有する。
反負荷側ヒートシンク421と反負荷側ブラケットベース422とは液状パッキンを塗布後密着固定される。
反負荷側コイル外周固定部材70は、例えばポリフェニレンスルファイド(PPS)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、またはフッ素樹脂等の熱伝導率の低いプラスチックで構成される。
その他の構造は、実施の形態1のモータ1と同じである。
なお、図示していないが、反負荷側ヒートシンク421の冷媒流路と負荷側ヒートシンク411の冷媒流路とは、フレーム4に設けられた冷媒往路および冷媒復路によって接続されるとよい。
このようにすれば、モータ1に冷媒を供給する冷媒流入ポートおよび冷媒流出ポートが1つですみ、小型化することができる。
固定子コア33は、断熱部材である反負荷側コイル外周固定部材70で第2のヒートシンクである反負荷側ヒートシンク421と断熱されて固定される。
図11はこの発明の実施の形態5に係るモータ1の固定子コアピース63を示す斜視図である。
固定子コアピース63のピン挿入穴639は、径方向に延びた小判穴であり、このピン挿入穴639に固定子ベースピン部115が挿入される。
その他の構成は実施の形態1と同様である。
これによって固定子コア33のヒステリシス損失の悪化を防ぐことができると共に、モータ1の耐久性を高めることができる。
図12は、実施の形態6に係るモータ1の固定子3を示す斜視図、図13は、図12の固定子断熱ケース700及び固定子コア33を示す分解斜視図である。
この実施の形態では、固定子コア33は、固定子断熱ケース700に覆われ外部と熱絶縁されている。固定子コイル35は、固定子断熱ケース700で覆われ固定される。
固定子断熱ケース700は、軸方向において2分割されており、固定子コア33の軸方向の両側端面からそれぞれ挟み込むようにして固定子コア33に装着される。
固定子断熱ケースは、PPS、PEEK、またはフッ素樹脂等の熱伝導率の低いプラスチック、低熱伝導性無機材料、グラスウール、炭化コルク、ウレタンフォーム、もしくは真空断熱材等で構成される。
フレーム4、負荷側ブラケット41、反負荷側ブラケット42に囲まれる容器内には冷却オイルが貯められている。
冷却オイルは、負荷側ブラケット41を介して冷却される。
また、この実施の形態では、コイル固定部材58、反負荷側コイル内周固定部材69及び反負荷側コイル外周固定部材70は不要であるが、その他の構成は実施の形態1のモータ1と同様である。
上記実施の形態では、冷却オイルは、フレーム4、負荷側ブラケット41、反負荷側ブラケット42に囲まれる容器内に貯められており外部には取出されないが、オイルポンプ等でフレーム4等に取り付けた配管を通じてモータ1の外部に取出し、外部の冷却器で冷却した後モータ1に戻すようにしてもよい。この場合、負荷側ブラケット41には冷媒流路が構成されず、一体の部材で構成されるので、負荷側ブラケット41の構成が簡単になり、モータ1の耐久性を高めることができる。
このような構成にすれば固定子断熱ケース700の継ぎ目が無くなり、断熱性能を一層向上することができるため、固定子コア33の損失低減効果を向上することができる。
また、この実施の形態では、固定子断熱ケース700は、固定子コア33の外周面を覆っていないが、固定子コア33の外周面も覆ってもよい。
こうすることで、固定子コア33が外周側から冷却オイルによって冷却されることを防止でき、固定子コア33の損失低減効果をさらに向上させることができる。
図14は、実施の形態7に係る回転子2を示す斜視図である。
この実施の形態では、回転子2の回転子コア23の軸方向両側にファン705が設けられている。フレーム4のファン705と対向する位置であって隣接した相コイル部351間には等間隔に片側に12個ずつ計24個の通気穴(図示せず)が形成されている。
ファン705は、円盤状のプレート710の一方の面に半径方向に延びた19個の板状の羽部711が設けられて遠心ファンを構成している。
負荷側ブラケット41は、冷媒流路419を有さず、一体部材で製作される。
その他の構造は実施の形態6のモータ1と同様である。
フレーム4の24個の通気穴が、隣接した相コイル部351間に形成されているため、相コイル部351間を抜けてコイルエンド部を冷却した風は、モータ1の外部に通気穴を通じて排出されるため、モータ1内の温度を低減できる。
固定子コア33は、固定子断熱ケース700により冷却風から断熱されるため、鉄損により温度が上昇することで電気抵抗が増加し、うず電流損失が低減される。
また、モータは、スイッチトリラクタンスモータまたはシンクロナスリラクタンスモータ等の永久磁石を持たないモータ、もしくは永久磁石の代わりに導体バーを有する誘導モータであってもよい。
また、コイル固定部材58と固定子ベース65とが一体部材であってもよい。
この構成にすれば、部品点数を少なくすることができ、取付部分を削減することができることから、モータ1を小型化することができる。
また、コイル固定部材58は、固定子コイル35の相コイル部351のコイルエンド部を負荷側ヒートシンク411に密着固定するものであればよく、またコイル固定部材58の溝部581は、例えばU字または台形状などコの字型以外の形状であってもよい。
また、負荷側ヒートシンク411の冷媒流路413は、図4に示すように3つに限らず、4つ以上であってもよい。
この構成によれば、冷媒流路413の表面積を大きくすることができ、熱交換性を高めることができる。
また、負荷側ヒートシンク411の冷媒流路413は、2つのOリングで気密を確保しているが、液状パッキンまたは金属ガスケット等を用いて気密を確保してもよい。
また、負荷側ヒートシンク411のコイル固定面61の表面は、シリコーン樹脂コーティングまたはアルマイト処理で絶縁されてもよく、また、別部材の絶縁部材を張り付けられてもよい。
また、各実施の形態では、冷却部である負荷側ヒートシンク411は、相コイル部351の負荷側のコイルエンド部に接触していたが、この冷却部を反負荷側のコイルエンド部に接触するように配置してよい。
この場合には、コイル固定部材58も、反負荷側に配置される。
また、コイル固定部材58は、1つの相コイル部351に対して2つ以上取り付けられたものでもよい。
この構成によれば、相コイル部351のコイルエンド部のヒートシンク411に対する密着性が向上し、冷却性を向上し、温度バラツキを低減することができる。
また、固定子コア33は、複数の固定子コアピース63で構成されたが、連続的に接続された一体であってもよい。
また、この発明は、モータ1以外に、回転電機である、発電機、発電電動機にも適用できる。
Claims (12)
- 回転子の外周を囲い、ヨーク部、このヨーク部の内周面から前記回転子の中心軸線に向け径方向の内側に先端部が突出した複数のティース部を有する固定子コアと、
この固定子コアに導線が巻装された複数の相コイル部からなる固定子コイルと、
この固定子コイルに接触して前記固定子コイルを冷却するとともに前記固定子コアとは隔離して設けられた冷却部と、
を備え、
前記固定子コアと前記冷却部とは、熱絶縁部材を介して隔離されて断熱されており、
前記熱絶縁部材は、前記固定子コアにおける軸線方向の一方の端面と、前記冷却部における軸線方向の他方の端面とに接触している回転電機。 - 前記相コイル部と前記固定子コアとの間には断熱部材が挿入されており、前記断熱部材は、前記相コイル部と前記固定子コアとを熱的に離間させている請求項1に記載の回転電機。
- 前記冷却部は、前記固定子コアの軸線方向において前記固定子コアの一方の端面に対向して設けられた第1のヒートシンクであり、
前記相コイル部のコイルエンド部は、前記相コイル部のコイルエンド部に設けられた断熱性のコイル固定部材により前記第1のヒートシンクに面接触して固定されている請求項1または請求項2に記載の回転電機。 - 前記相コイル部は、前記導線が前記ティース部に集中巻きによりリング状に形成され、前記コイル固定部材は、相コイル部の内側から前記コイルエンド部を収納した溝部を有している請求項3に記載の回転電機。
- 回転子の外周を囲い、ヨーク部、このヨーク部の内周面から前記回転子の中心軸線に向け径方向の内側に先端部が突出した複数のティース部を有する固定子コアと、
この固定子コアに導線が巻装された複数の相コイル部からなる固定子コイルと、
この固定子コイルに接触して前記固定子コイルを冷却するとともに前記固定子コアとは隔離して設けられた冷却部と、
を備え、
前記冷却部は、前記固定子コアの軸線方向において前記固定子コアの一方の端面に対向して設けられた第1のヒートシンクであり、
前記相コイル部のコイルエンド部は、前記相コイル部のコイルエンド部に設けられた断熱性のコイル固定部材により前記第1のヒートシンクに面接触して固定されており、
前記相コイル部は、前記導線が複数の前記ティース部を飛び越えて巻回された分布巻きで構成され、
前記コイル固定部材は、前記相コイル部の前記固定子コアの前記軸線方向の内側から前記コイルエンド部を収納した溝部を有している回転電機。 - 前記固定子コアを囲って設けられた円筒形状のフレームの内周面と、前記固定子コアの外周面との間には、空隙が形成されている請求項3から請求項5までの何れか1項に記載の回転電機。
- 前記固定子コアは、その軸方向の両端面が軸方向に挟み込まれることにより前記フレームに対して固定され、前記固定子コアの外周面と前記フレームの内周面とが径方向に接触しない請求項6に記載の回転電機。
- 回転子の外周を囲い、ヨーク部、このヨーク部の内周面から前記回転子の中心軸線に向け径方向の内側に先端部が突出した複数のティース部を有する固定子コアと、
この固定子コアに導線が巻装された複数の相コイル部からなる固定子コイルと、
この固定子コイルに接触して前記固定子コイルを冷却するとともに前記固定子コアとは隔離して設けられた冷却部と、
を備え、
前記冷却部は、前記固定子コアの軸線方向において前記固定子コアの一方の端面に対向して設けられた第1のヒートシンクであり、
前記相コイル部のコイルエンド部は、前記相コイル部のコイルエンド部に設けられた断熱性のコイル固定部材により前記第1のヒートシンクに面接触して固定されており、
前記固定子コアを囲って設けられた円筒形状のフレームの内周面と、前記固定子コアの外周面との間には、空隙が形成されており、
前記フレームの前記第1のヒートシンク側の一端部には、前記第1のヒートシンクを構成要素とするとともに前記フレームの一方の面を閉じる第1のブラケットが設けられ、
この第1のブラケットと反対側の前記フレームの他端部には、前記フレームの他方の面を閉じる第2のブラケットが設けられ、
前記固定子コアは、複数個の固定子コアピースから構成され、
前記固定子コアピースの端面には、前記固定子コアピースが前記第1のブラケットに対して前記固定子コアの径方向に移動可能にする、小判穴が形成されている回転電機。 - 対向した、前記第1のブラケット及び前記第2のブラケットは、前記固定子コアの径方向の外側に設けられた複数の連結部材の両端部にそれぞれ接続されている請求項8に記載の回転電機。
- 前記第2のブラケットには、前記固定子コアの前記軸線方向において前記固定子コアの他方の端面に対向して設けられた第2のヒートシンクが設けられている請求項8または請求項9に記載の回転電機。
- 前記第1のヒートシンクには、冷媒流路が形成されている請求項3から請求項10までの何れか1項に記載の回転電機。
- 前記導線と前記ティース部との間に断熱性媒体が介在している請求項1から請求項11までの何れか1項に記載の回転電機。
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