JP6801444B2

JP6801444B2 - ステータ

Info

Publication number: JP6801444B2
Application number: JP2016252327A
Authority: JP
Inventors: 宜史野沢
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-12-27
Filing date: 2016-12-27
Publication date: 2020-12-16
Anticipated expiration: 2036-12-27
Also published as: JP2018107917A

Description

本発明は、ステータに関し、特に、集中巻きのコイルを備えたステータに関する。

回転電機においては、ＡＴＦ（ＡｕｔｏｍａｔｉｃＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＦｌｕｉｄ）等の冷媒をステータ及びロータに供給して、ステータ及びロータを冷却している。特に、回転電機のステータコイルを冷却するためにステータコイルのコイルエンドに向けて冷媒を供給している。特許文献１には、ティースに取り付けられるインシュレータのコイルエンドに対応する部分に開口部を設けた構成が記載されている。この構成によれば、ロータ側から飛散する冷媒が開口部を通ってコイルエンドに供給されてコイルエンドが冷却される。

特許第５１６６５６６号公報

回転電機のステータの複数のティースに巻回される巻線の方法としては、分布巻の他に集中巻がある。集中巻は、１つのティースに１つの巻線が巻回されてコイルが構成されるものであり、各コイルが独立している。すなわち、隣接するコイル（コイルエンド）同士が離間している。

コイルの冷却は冷媒をコイルエンドに供給して行われる。ところが、集中巻のコイルでは、コイルエンドが離間しているため、このコイルエンド間の隙間に供給された冷媒は、コイルエンド間の空間を通過してしまい、コイルエンドの冷却に貢献していない。このため、コイルエンドの冷却効率の向上が望まれている。

そこで、本発明では、集中巻のコイルにおいて、コイルエンド間に供給された冷媒をコイルエンドに導いてコイルエンドの冷却性能を向上することを目的とする。

本発明のステータは、複数のティースと、各ティースにそれぞれ集中巻きされたコイルとを備え、コイルエンドに冷媒が供給されるステータであって、隣接する前記コイルエンド間の隙間を埋めるように、前記コイルエンド間に配置され、前記コイルエンド間に供給される前記冷媒を、前記コイルエンドに導く冷媒案内部材を有し、前記冷媒案内部材は、平板状の基部と、前記基部から前記ステータの軸方向に延出する支柱と、前記支柱の先端から前記ステータの周方向に延出する一対の腕と、を備え、前記冷媒案内部材の前記基部の上面、前記支柱の側面、前記腕のアーチ部及び隣接する前記コイルエンドのそれぞれの導線により囲まれた冷媒貯留部が形成されることを特徴とする。

本発明によれば、集中巻のコイルにおいて、コイルエンド間に供給された冷媒をコイルエンドに導いてコイルエンドの冷却性能を向上することができる。

回転電機の概略構成を示す断面図である。コイルエンドの拡大斜視図である。ステータの軸方向から見たコイルエンドの平面図である。冷媒案内部材の斜視図である。冷媒案内部材の変形例を備えた回転電機の概略構成を示す断面図である。ステータの軸方向から見たカセットコイルの温度分布を示す特性図である。

第１の実施形態における回転電機は、例えば、ハイブリッド自動車、電気自動車等に搭載されるモータジェネレータ１である。図１に示すように、モータジェネレータ１は、円環状のステータ１０と、ステータ１０の内側に配置されるロータ５０とを備えている。ステータ１０の内周面とロータ５０の外周面との間には、所定間隔のエアギャップＧが形成されている。

ステータ１０は、図１、２に示すように、ステータコア１１と、ステータコア１１に装着されるインシュレータ１５と、インシュレータ１５を介してステータコア１１に組付されるカセットコイルＣ０，Ｃ１，Ｃ２，・・・と、カセットコイルＣ０，Ｃ１，Ｃ２，・・・の間の隙間に取り付けられる冷媒案内部材３０とを備えている。

ステータコア１１は、円環状に打ち抜き加工された多数枚の電磁鋼板を軸方向に積層して一体に連結して構成された磁性体部品である。ステータコア１１は、円環状のステータヨーク１２と、ステータヨーク１２から内径側に突出する複数のティース１３とを含む。

インシュレータ１５は、ステータコア１１とカセットコイルＣ０，Ｃ１，Ｃ２，・・・との間に介在される絶縁性の樹脂部材であり、ティース１３に固定されている。

カセットコイルＣ０，Ｃ１，Ｃ２，・・・は、集中巻されたコイルであり、１つのティース１３に１つの絶縁皮膜付き導線が所定巻数で巻回されたコイルである。絶縁皮膜付き導線としては、銅線等からなる断面略矩形の平角線が用いられる。

次に、冷媒案内部材３０について、図２〜４を参照して詳しく説明する。冷媒案内部材３０は絶縁性の樹脂部材である。図２、３に示すように、ティース１３には、インシュレータ１５を介してカセットコイルＣ０，Ｃ１，Ｃ２，・・・が組み付けられている。カセットコイルＣ０，Ｃ１，Ｃ２，・・・は、それぞれ独立してティース１３に取り付けられているので、カセットコイルＣ０，Ｃ１，Ｃ２，・・・のコイルエンドＣ０ａ，Ｃ１ａ，Ｃ２ａ，・・・の間には隙間が形成されているが、この隙間を埋めるように、当該隙間には冷媒案内部材３０が取り付けられている。

冷媒案内部材３０は、図３、４に示すように、平板状の基部３１と、基部３１からステータ１０の軸方向に延出する支柱３２と、支柱３２の先端からステータ１０の周方向に延出する一対の腕３３，３３とを備えている。

基部３１は、ステータ１０の径方向においてカセットコイルＣ０のコイルエンドＣ０ａと略同じ長さを有している。基部３１の径方向の両端には、インシュレータ１５に係合する切り欠き３１ａ，３１ａがそれぞれ形成されている。

支柱３２の先端から一対の腕３３，３３が延び出ることによって略Ｔ字形状をなしている。支柱３２及び一対の腕３３，３３は、基部３１のステータ１０の径方向において４つ配置されている。これら４つの配置間隔は、コイルエンドＣ０ａの導線の径と略同様である。

４つの支柱３２及び一対の腕３３，３３は、それぞれ同じ形状であるので、１つの支柱３２及び一対の腕３３，３３について説明する。支柱３２は、ステータ１０の径方向に対して斜めに傾いて基部３１に設けられている。また、支柱３２のステータ１０の軸方向の高さ（長さ）は、冷媒案内部材３０がコイルエンドＣ０ａ，Ｃ１ａの間に取り付けられたときに支柱３２の端面がコイルエンドＣ０ａ，Ｃ１ａの端面と略同じ高さになるように設定されている。

一対の腕３３，３３は、支柱３２から互いに逆方向に延出しており、図２、３に示すように、一方側に延出する腕３３は、コイルエンドＣ０ａの導線の隙間入り込んでいる。また、他方側に延出する腕３３は、コイルエンドＣ１ａの導線の隙間入り込んでいる。すなわち、腕３３，３３は、コイルエンドＣ０ａ，Ｃ１ａの導線間の隙間の幅及び長さと、略同じ幅及び長さを有している。

また、腕３３，３３は、支柱３２から半アーチ状（図４参照）に形成されており、このアーチ部の湾曲は、コイルエンドＣ０ａ，Ｃ１ａの導線の湾曲に対応している。つまり、冷媒案内部材３０がコイルエンドＣ０ａ，Ｃ１ａの間に取り付けられたときに、腕３３，３３は、コイルエンドＣ０ａ，Ｃ１ａの導線に略密着する。

ここで、冷媒案内部材３０がコイルエンドＣ０ａ，Ｃ１ａの間に取り付けられたときの、冷媒案内部材３０の基部３１、支柱３２及び腕３３，３３と、コイルエンドＣ０ａ，Ｃ１ａの導線との取付状態について説明する。図２、３に示すように、冷媒案内部材３０がコイルエンドＣ０ａ，Ｃ１ａの間に取り付けられると、冷媒案内部材３０の基部３１の両端の切り欠き３１ａ，３１ａがインシュレータ１５に係合して、冷媒案内部材３０はインシュレータ１５に保持される。なお、このとき、冷媒案内部材３０を接着剤やワニス等によりインシュレータ１５、カセットコイルＣ０等に固定してもよい。また、インシュレータ１５がない場合には、コイルエンドＣ０ａ，Ｃ１ａに固定してもよい。

冷媒案内部材３０の腕３３，３３は、コイルエンドＣ０ａ，Ｃ１ａの導線間に入り込み、この導線間の隙間を埋める。また、腕３３，３３のアーチ部が、コイルエンドＣ０ａ，Ｃ１ａの導線を接触して壁となり、基部３１の上面、支柱３２の側面、腕３３，３３のアーチ部、コイルエンドＣ０ａ，Ｃ１ａの導線により囲まれた冷媒貯留部Ａが形成される。冷媒貯留部Ａは、一時的にＡＴＦ（冷媒）を貯留することができる。なお、冷媒貯留部ＡへのＡＴＦの流れ込みやＡＴＦの貯留については後述する。

図１に戻り、ロータ５０は、中空の回転軸５１と、この回転軸５１の外周に固定されたロータコア５２と、ロータコア５２に埋め込まれた図示しない永久磁石とを備えている。ロータコア５２は、ステータコア１１と同様に、それぞれ略円環状に打ち抜き加工された多数枚の電磁鋼板を軸方向に積層して一体に連結して構成されている。また、ロータコア５２は、ステータコア１１と略同じ軸方向長さを有しており、軸方向の端面同士が略面一となっている。

回転軸５１の内部には、図示しないオイルポンプからＡＴＦが供給される冷媒流路５１ａが設けられている。冷媒流路５１ａは回転軸５１の中空部分を利用して形成されている。回転軸５１の周面には、径方向に開口する冷媒流路５１ｂが設けられている。

ロータコア５２の内部には、冷媒流路５１ｂに連通する冷媒流路５２ａが設けられている。冷媒流路５２ａは、ロータコア５２の周方向に複数設けられており、それぞれロータコア５２の径方向に延在している。冷媒流路５２ａのロータコア５２の内側端部には、ロータコア５２の軸方向の両端面にそれぞれ開口する冷媒流路５２ｂが接続している。冷媒流路５２ｂのロータコア５２の両端面の各開口が冷媒吐出口５２ｃを形成している。

また、冷媒流路５１ｂ、冷媒流路５２ａ及び冷媒流路５２ｂは、ロータ５０の周方向において複数設けられている。そして、図示しないオイルポンプから圧送されるＡＴＦは、図中、矢印Ｆ１，Ｆ２で示すように、冷媒流路５１ａ，５１ｂ，５２ａ，５２ｂを通って冷媒吐出口５２ｃから吐出される。

続いて、ＡＴＦによるカセットコイルＣ０，Ｃ１，Ｃ２・・・の冷却について説明する。図１に示すように、冷媒吐出口５２ｃから吐出されたＡＴＦは、ロータ５０の回転遠心力によって、図中矢印Ｆ２で示すように、コイルエンドＣ０ａ，Ｃ１ａ，Ｃ２ａ，・・・に向かって飛散する。すなわち、ロータコア５２とステータコア１１とは、軸方向の端面同士が略面一であるので、ＡＴＦは回転遠心力によってステータコア１１の全周に亘って飛散する。

飛散したＡＴＦは、コイルエンドＣ０ａ，Ｃ１ａ，Ｃ２ａ，・・・に衝突して、コイルエンドＣ０ａ，Ｃ１ａ，・・・を冷却する。また、コイルエンドＣ０ａ，Ｃ１ａ，Ｃ２ａ，・・・の間に飛散したＡＴＦは、冷媒案内部材３０に衝突して両側のコイルエンドＣ０ａ，Ｃ１ａ，Ｃ２ａ，・・・に案内される。すなわち、冷媒案内部材３０に衝突したＡＴＦは冷媒貯留部Ａに入り込み、両側のコイルエンドＣ０ａ，Ｃ１ａ，Ｃ２ａ，・・・に接触して、コイルエンドＣ０ａ，Ｃ１ａ，Ｃ２ａ，・・・を冷却する。また、コイルエンドＣ０ａ，Ｃ１ａ，Ｃ２ａ，・・・に衝突したＡＴＦが、コイルエンドＣ０ａ，Ｃ１ａ，Ｃ２ａ，・・・の導線を伝わって冷媒貯留部Ａに入り込む。さらに、ＡＴＦが、冷媒案内部材３０の腕３３，３３を伝わって隣接するコイルエンドＣ０ａ，Ｃ１ａ，Ｃ２ａ，・・・に伝わることもある。つまり、コイルエンドＣ０ａ，Ｃ１ａ，Ｃ２ａ，・・・の間に供給されるＡＴＦは、冷媒案内部材３０による冷媒貯留部Ａに一時的に貯留されて、隣接するコイルエンドＣ０ａ，Ｃ１ａ，Ｃ２ａ，・・・を冷却する。

このように、コイルエンドＣ０ａ，Ｃ１ａ，Ｃ２ａ，・・・の間が離間していても、冷媒案内部材３０によって、コイルエンドＣ０ａ，Ｃ１ａ，Ｃ２ａ，・・・の間に供給されるＡＴＦや、コイルエンドＣ０ａ，Ｃ１ａ，Ｃ２ａ，・・・から冷媒案内部材３０に流れ落ちるＡＴＦを、隣接するコイルエンドＣ０ａ，Ｃ１ａ，Ｃ２ａ，・・・の冷却に利用することができる。このため、コイルエンドＣ０ａ，Ｃ１ａ，Ｃ２ａ，・・・により多くのＡＴＦを供給することができる。つまり、コイルエンドＣ０ａ，Ｃ１ａ，Ｃ２ａ，・・・とＡＴＦとの接触時間を長くすることができ、コイルエンドＣ０ａ，Ｃ１ａ，Ｃ２ａ，・・・の冷却性能を向上することができる。

その結果、モータジェネレータ１の動作時間を長くすることができる。また、カセットコイルＣ０，Ｃ１，Ｃ２，・・・の冷却に使用するＡＴＦを有効に利用することができるので、ＡＴＦ量を低減することができる。さらに、冷却性能を向上することができるのでモータジェネレータ１の小型化を図ることもできる。

なお、コイルエンドＣ０ａ，Ｃ１ａ，Ｃ２ａ，・・・に取り付ける冷媒案内部材３０を円環状に連結して一体形成してもよい。また、図１において、支柱３２をコイルエンドＣ０ａ，Ｃ１ａ，Ｃ２ａ，・・・の端面よりも突出させて、腕３３，３３をコイルエンドＣ０ａ，Ｃ１ａ，Ｃ２ａ，・・・の端面よりも突出させてもよい。この場合、ステータ１０の外径側に位置する腕３３，３３よりも、内径側の腕３３，３３の突出量を小さくすることが好ましい。すなわち、ステータ１０の外径側の腕３３，３３から、内径側に向かって、腕３３，３３の突出量を順に小さくする。このように腕３３，３３の突出量を変えることによって、冷媒吐出口５２ｃから飛散するＡＴＦを、コイルエンドＣ０ａ，Ｃ１ａ，Ｃ２ａ，・・・の間に集めやすくなり、コイルエンドＣ０ａ，Ｃ１ａ，Ｃ２ａ，・・・の冷却性能をさらに向上することができる。

次に、第２の実施形態について、図５、６を参照して説明する。以下に説明する第２の実施形態において、第１の実施形態において説明した構成要素と同様の構成要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。

図５に示すように、モータジェネレータ２は、モータジェネレータ２の軸方向と水平方向とが略平行となるように車両に配置されている。冷媒案内部材４０は、冷媒案内部材３０と略同様の形状であるが、冷媒案内部材４０の支柱４２及び腕４３，４３は、ステータ１０の外径側から内径側に向かって、腕４３，４３のコイルエンドＣ０ａからの突出量が大きくなっている。

ロータ６０の回転軸６１及びロータコア６２には、ＡＴＦの冷媒流路は設けられておらず、第２の実施形態では、図５において矢印Ｆ３で示すように、モータジェネレータ２の上方（ステータ１０の外径側）からＡＴＦを滴下または吹き付けて、ＡＴＦをモータジェネレータ２に供給している。

このように、モータジェネレータ２の上方からＡＴＦを供給する場合、腕４３，４３においてＡＴＦを集めやすくなり、コイルエンドＣ０ａ，Ｃ１ａ，Ｃ２ａ，・・・の冷却性能を向上することができる。

また、冷媒案内部材４０は、必要に応じて所定のコイルエンドＣ０ａ，Ｃ１ａ，Ｃ２ａ，・・・の間にのみに取り付けてもよい。図６に、冷媒案内部材４０を適用していない、モータジェネレータ２の軸方向から見た、カセットコイルＣ０，Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４，Ｃ５，Ｃ６，Ｃ７，Ｃ８，Ｃ９，Ｃ１０，Ｃ１１の温度分布の特性の一例を示す。図６では、モータジェネレータ２の中心Ｐに対して、ステータ１０の周方向に１２個のカセットコイルＣ０，Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４，Ｃ５，Ｃ６，Ｃ７，Ｃ８，Ｃ９，Ｃ１０，Ｃ１１が等間隔に配置されている。なお、図６において、中心Ｐから離れるに従って温度が高くなることを示している。

熱は上方に伝わるので、下方に位置するカセットコイルＣ４，Ｃ５，Ｃ６，Ｃ７，Ｃ８，よりも上方に位置するカセットコイルＣ０，Ｃ１，Ｃ２，Ｃ１０，Ｃ１１のほうが高温になる傾向がある。図６に示す例では、特に、カセットコイルＣ０、Ｃ１０が高温になっている。

この場合、カセットコイルＣ０両側、すなわち、カセットコイルＣ０，Ｃ１のコイルエンドＣ０ａ，Ｃ１ａの間の隙間、カセットコイルＣ０，Ｃ１１のコイルエンドＣ０ａ，Ｃ１１ａの間の隙間に冷媒案内部材４０をそれぞれ取り付ける。また、カセットコイルＣ１０両側、すなわち、カセットコイルＣ１０，Ｃ１１のコイルエンドＣ１０ａ，Ｃ１１ａの間の隙間、カセットコイルＣ９，Ｃ１０のコイルエンドＣ９ａ，Ｃ１０ａの間の隙間に、冷媒案内部材４０をそれぞれ取り付ける。

このように、冷媒案内部材４０を特定コイルエンド間の隙間に取り付けることにより、特定コイルエンドを冷却することができる。このため、モータジェネレータ２の配置や、他の部品等の配置等に応じて、カセットコイルＣ０，Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４，Ｃ５，Ｃ６，Ｃ７，Ｃ８，Ｃ９，Ｃ１０，Ｃ１１のうち特定カセットコイルが高温になる場合に、その特定カセットコイルの冷却性能を向上することができる。その結果、冷媒案内部材４０の使用数を低減することができ、冷媒案内部材４０の部品数を抑制することもできる。

１，２モータジェネレータ、１０ステータ、１１ステータコア、１２ステータヨーク、１３ティース、１５インシュレータ、３０，４０冷媒案内部材、３１，４１基部、３２，４２支柱、３３，４３腕、５０，６０ロータ、５１，６１回転軸、５２，６２ロータコア、Ａ冷媒貯留部、Ｃ０〜Ｃ１１カセットコイル、Ｃ０ａ〜Ｃ１１ａコイルエンド。

Claims

複数のティースと、各ティースにそれぞれ集中巻きされたコイルとを備え、コイルエンドに冷媒が供給されるステータであって、
隣接する前記コイルエンド間の隙間を埋めるように、前記コイルエンド間に配置され、前記コイルエンド間に供給される前記冷媒を、前記コイルエンドに導く冷媒案内部材を有し、
前記冷媒案内部材は、平板状の基部と、前記基部から前記ステータの軸方向に延出する支柱と、前記支柱の先端から前記ステータの周方向に延出する一対の腕と、を備え、
前記冷媒案内部材の前記基部の上面、前記支柱の側面、前記腕のアーチ部及び隣接する前記コイルエンドのそれぞれの導線により囲まれた冷媒貯留部が形成されることを特徴とするステータ。