JP7276358B2 - 回転電機及び回転電機の冷却構造 - Google Patents
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例えば、特許文献1では、ステータのティース部に集中巻きしたコイルを、ティース部間のスロットに収容した回転電機において、スロットの内部空間に軸方向に延びる複数のパイプを並列配置し、かつこれらパイプの隙間及びパイプと前記コイルとの隙間に樹脂材料を充填して、ステータ内周側に向けて開口するスロットを閉塞する樹脂層を形成し、パイプ内に冷媒を流すようにした技術が開示されている。
特許文献1に開示の技術では、一定の冷却性能の向上は期待できるものの、構造が複雑になってしまい、製品として採用することは限定されてしまうという課題があった。
前記スロットに充填され、前記コイルを覆う第1の樹脂組成物と、
前記第1の樹脂組成物が充填されている領域に設けられ、内部を冷却剤が循環する、回転軸方向に延出する第1の冷却用流路と、を有する。
本発明の別の態様は、上記の冷却構造を有する回転電機である。
<概要>
本実施形態では、回転電機(電動機又、発電機または電動機/発電機の両用機)として電動機(モータ)に適用した例を説明する。図1はモータ100の回転軸方向と垂直な方向の縦断面図である。図2はモータ100の回転軸方向の縦断面図である。図3は、図1のスロット周辺を拡大して示した図である。
モータ100は、ステータ6のティース部7に分布巻きしたコイル9を、ティース部7間のスロット8に収容する。スロット8の内部空間でステータ6の内周側(ティース内周面6a近傍)で且つコイル9と隣接する位置に、軸方向に延びるコイル内側冷却用流路10(第1の冷却用流路)を配置する。さらに、これらスロット8の内部空間でコイル9またはコイル内側冷却用流路10を除く隙間に樹脂材料(以下「第1の樹脂組成物」ともいう)を充填して、コイル内側冷却用流路10に冷却液を流すことでステータ6を冷却する。モータ100をこの様な構造とすることで、ステータ6のコイル9より内周側(ティース内周面6a近傍)の位置にコイル9に隣接してコイル内側冷却用流路10を配置でき、発熱するコイル9を効率良く冷却することができる。
以下具体的に説明する。
モータ100は、ケース1と、ケース1の内部に収容されたロータ2(回転子)及びステータ6(固定子)を備える。
スロット8の内部空間でステータ6の内周6a側で且つコイル9と隣接する位置に、軸方向に延びるコイル内側冷却用流路10が設けられている。コイル内側冷却用流路10には冷却液、例えば冷却水が循環する。
以下では、ステータ6に樹脂材料(第1の樹脂組成物)を直接成形する方法を適用した例として説明する。
コイル内側冷却用流路10、絶縁層11、および各部材間の隙間に充填する樹脂材料(第1の樹脂組成物)は、熱伝導性の良い樹脂材料であることが望ましく、1種類の樹脂または部材毎に複数種の樹脂の組み合わせとすることができる。例えば、エポキシ樹脂およびフェノール樹脂からなる群より選択される1種または2種の熱硬化性樹脂を用いることができる。
ガラス転移温度Tg1を上記範囲とすることで、モータ100の耐熱性能を向上させ、高い出力を実現できる。
貯蔵弾性率の下限は、好ましくは30GPa以上、より好ましくは40GPa以上である。
貯蔵弾性率の上限は、好ましくは60GPa以下、より好ましくは50GPa以下である。
この観点においても、貯蔵弾性率を上記の範囲とすることで、モータ100の耐熱性能を向上させ、高い出力を実現できる。
樹脂厚みt1の下限は、好ましくは0.5mm以上、より好ましくは0.7mm以上である。樹脂厚みt1の上限は、好ましくは2.5mm以下、より好ましくは2.0mm以下である。
樹脂厚みt1を上記の範囲にすることで、絶縁性を適切に維持でき、かつ、コイル9で発生した熱を良好にコイル内側冷却用流路10に伝えることができる。
関係式P1の下限は、好ましくは0.4×10-4(m2K/W)以上、より好ましくは0.5×10-4(m2K/W)以上である。関係式P1の上限は、好ましくは2.5×10-3(m2K/W)以下、より好ましくは2×10-3(m2K/W)以下である。
関係式P1の値を上記範囲とすることで、絶縁性を適切に維持でき、かつ、コイル9で発生した熱を良好にコイル内側冷却用流路10に伝えることができる。
本実施形態により、分布巻きのモータ100において、コイル9による発熱を隣接するコイル内側冷却用流路10へ効率良く放熱することができ、且つコイル9周辺の空間(すなわちスロット8)を樹脂材料に置き換えることで更に熱の移動を容易にすることができる。特に、コイル9とステータ6が樹脂材料で密着充填されるため、さらにコイル内側冷却用流路10の内壁10aがその樹脂材料で形成されていることから、それらの間での熱伝導が良好になる。これにより、ステータ6の冷却性能を向上させることができ、銅損(コイル9の巻き線自体の抵抗により消費される損失)の低減、モータ出力の向上、モータ100の小型化などが実現できる。
本実施形態のモータ100の特徴について冷却構造に着目して纏めて説明する。
(1)複数のティース部7を有するステータ6と、前記ティース部7に巻かれたコイル9と、ティース部7の間に形成されたスロット8とを有し、コイル9がスロット8に設けられたモータ100(回転電機の一例)の冷却構造であって、
スロット8に充填され、コイル9を覆う第1の樹脂組成物と、
前記第1の樹脂組成物が充填されている領域に設けられ、内部を冷却剤が循環する、回転軸方向に延出するコイル内側冷却用流路10(第1の冷却用流路)と、
を有する。
コイル9周辺の空間(すなわちスロット8)を樹脂材料に置き換えることで、コイル9に発生した熱の移動を効率的に行える。
(2)コイル内側冷却用流路10の内壁10aは、高熱伝導性の樹脂硬化材からなってもよい。
(3)前記樹脂硬化材は、前記第1の樹脂組成物が硬化した部材であってもよい。
コイル内側冷却用流路10の内壁10aを、スロット8に充填された第1の樹脂組成物が硬化した部材とすることで、冷却構造における構成要素の削減、それに伴う冷却性能の向上、製造工程の簡素化を実現できる。
(4)第1の樹脂硬化材の熱伝導率K1が1~10W/m・Kであってもよい。
(5)第1の樹脂硬化物のガラス転移温度Tg1が150℃以上であってもよい。
(6)第1の樹脂硬化物を、175℃で4時間加熱処理したサンプルに対して、動的粘弾性測定機を用いて、測定温度:-50℃~200℃、昇温速度:5℃/分、荷重:800gf、周波数:10Hz、3点曲げモードの条件で測定した、25℃における貯蔵弾性率が、20GPa以上70GPa以下であってもよい。
(7)コイル9のコイル側面部9bを覆う第1の樹脂硬化物の樹脂厚みt1が0.3mm以上3.0mm以下である。
樹脂厚みt1の下限は、好ましくは0.5mm以上、より好ましくは0.7mm以上である。樹脂厚みt1の上限は、好ましくは2.5mm以下、より好ましくは2.0mm以下である。樹脂厚みt1を上記の範囲にすることで、絶縁性を適切に維持でき、かつ、コイル9で発生した熱を良好にコイル内側冷却用流路10に伝えることができる。
(8)樹脂厚みt1と第1の樹脂硬化物の熱伝導率K1の関係式P1=t1/K1が0.3×10-4(m2K/W)以上3×10-3(m2K/W)以下である。
関係式P1の下限は、好ましくは0.4×10-4(m2K/W)以上、より好ましくは0.5×10-4(m2K/W)以上である。
関係式P1の上限は、好ましくは2.5×10-3(m2K/W)以下、より好ましくは2×10-3(m2K/W)以下である。
関係式P1の値を上記範囲とすることで、絶縁性を適切に維持でき、かつ、コイル9で発生した熱を良好にコイル内側冷却用流路10に伝えることができる。
(9)コイル内側冷却用流路10の内壁10aは、高熱伝導性の金属からなってもよい。
(10)コイル内側冷却用流路10の内壁10aは、高熱伝導性の無機材料からなってもよい。
(11)コイル内側冷却用流路10は、コイル9より前記回転軸方向側に設けられてもよい。
コイル内側冷却用流路10をこのような配置とすることで、コイル9全体を効率的に冷却できる。
(12)コイル9は複数のスロット8をまたいで巻装された分布巻きとして構成されてもよい。
分布巻きの場合、その構造上、銅損が増加してしまう傾向にあり、放熱を効果的に行うことが要請されている。そこで、上述のような構成の冷却構造を採用することで、分布巻きのような回転電機においても良好な冷却性能(放熱性能)を実現できる。
(13)コイル内側冷却用流路10は、一つの分布巻きを構成するスロット8の組毎に少なくとも一つ設けられてもよい。
分布巻きの場合、複数のスロット8を跨ぐことから、少なくとも一つのスロット8にコイル内側冷却用流路10があれば、コイル9を介してコイル内側冷却用流路10のない他のスロット8(ティース部7)も冷却できる。
(14)第1の樹脂組成物は、エポキシ樹脂およびフェノール樹脂からなる群より選択される1種または2種の熱硬化性樹脂からなってもよい。
第1の樹脂組成物としてこのような熱硬化性樹脂を用いることで、高い放熱性能を実現できる。
(15)上記の冷却構造を有する回転電機である。回転電機は、上述したモータ100(電動機)や発電機または電動機/発電機の両用機などである。
本実施形態のモータ100Aは、第1の実施形態のモータ100のコイル端部周辺の構造において異なっており、以下では主に異なる部分に着目して説明する。図4はモータ100Aの回転軸方向の縦断面図である。図5は本実施形態に係る、図4のコイル端部9a周辺を拡大して示した図である。図6は実施形態に係る、モータ100Aの回転軸方向と垂直な方向の縦断面図であって、特にコイル端部冷却用流路14が設けられた領域の断面図である。
モータ100Aは、第1の実施形態と同様に、ステータ6のティース部7に分布巻きしたコイル9を、ティース部7間のスロット8に収容する。スロット8の内部空間でステータ6の内周側(ティース内周面6a近傍)で且つコイル9と隣接する位置に、軸方向に延びるコイル内側冷却用流路10を配置する。これらスロット8の内部空間でコイル9またはコイル内側冷却用流路10を除く隙間に樹脂材料(第1の樹脂組成物)を充填する。
以下、コイル端部冷却用流路14に着目して具体的に説明する。
ステータ6の回転軸方向外側(図4や図5では横方向)に突き出したコイル9の端部の空間で、コイル端部9aの回転軸方向外側およびまたは円周方向外側に、円周方向に延伸するコイル端部冷却用流路14が設けられている。コイル端部冷却用流路14には冷却液、例えば冷却水が循環する。図6に示すように、コイル端部冷却用流路14は、例えば軸方向外側から見たときに、内部空間が環状に設けられており(図6では環状の一部を示している)、複数のコイル内側冷却用流路10が共通に接続される構成となっている。
コイル内側冷却用流路10、コイル端部冷却用流路14、コイル9、ステータ6、および各部材間の隙間に充填する樹脂材料(第1及び第2の樹脂組成物)は、熱伝導性の良い樹脂材料であることが望ましく、1種類の樹脂または部材毎に複数種の樹脂の組み合わせとすることができる。例えば、エポキシ樹脂およびフェノール樹脂からなる群より選択される1種または2種の熱硬化性樹脂を用いることができる。
ガラス転移温度Tg2を上記範囲とすることで、モータ100Aの耐熱性能を向上させ、高い出力を実現できる。
貯蔵弾性率の下限は、好ましくは30GPa以上、より好ましくは40GPa以上である。
貯蔵弾性率の上限は、好ましくは60GPa以下、より好ましくは50GPa以下である。
この観点においても、貯蔵弾性率を上記の範囲とすることで、モータ100Aの耐熱性能を向上させ、高い出力を実現できる。
樹脂厚みt2の下限は、好ましくは0.5mm以上、より好ましくは0.7mm以上である。樹脂厚みt2の上限は、好ましくは2.5mm以下、より好ましくは2.0mm以下である。
樹脂厚みt2を上記の範囲にすることで、絶縁性を適切に維持でき、かつ、コイル9で発生した熱を良好にコイル端部冷却用流路14に伝えることができる。
関係式P1の下限は、好ましくは0.4×10-4(m2K/W)以上、より好ましくは0.5×10-4(m2K/W)以上である。関係式P1の上限は、好ましくは2.5×10-3(m2K/W)以下、より好ましくは2×10-3(m2K/W)以下である。
関係式P2の値を上記範囲とすることで、絶縁性を適切に維持でき、かつ、コイル9で発生した熱を、コイル端部9aから良好にコイル内側冷却用流路14に伝えることができる。
本実施形態では、流路接続部品12は、側板部1b、1cの内部壁1dと、コイル内側冷却用流路10の端部10c及びコイル端部冷却用流路14の端部14dとによって挟まれて配置されている。コイル内側冷却用流路10、流路接続部品12および側板部1b、1cの各接合部には冷却液の漏れを防止する為に必要なパッキン、Oリング、シール材などを配置する。なお、流路接続部品12は、第1の実施形態と同様に、独立した部品として構成され、コイル内側冷却用流路10の端部に取り付けられる構成でもよいし、側板部1b、1cと一体となった構成でもよく、コイル内側冷却用流路10、コイル端部冷却用流路14及び外部接続流路17とを適切に連通できればよい。
本実施形態により、分布巻きのモータ100Aにおいて、コイル9による発熱を隣接するコイル内側冷却用流路10およびコイル端部冷却用流路14へ効率良く放熱することができ、且つコイル9周辺の空間(すなわちスロット8およびコイルの軸方向端部空間)を樹脂材料に置き換えることで更に熱の移動を容易にすることができる。
本実施形態のモータ100Aの特徴について冷却構造に着目して纏めて説明する。
本実施形態のモータ100Aによれば、第1の実施形態のモータ100の特徴・機能(1)~(15)と同様の特徴・機能を有するとともに、次の特徴・機能(16)~(22)を有する。
(16)ステータ6の軸方向両端に突き出したコイル端部9aを覆う第2の樹脂組成物を硬化した第2の樹脂硬化物(絶縁層13)と、
前記コイル内側冷却用流路(第1の冷却用流路)と接続しており、前記コイル端部9aを覆う前記第2の樹脂硬化物(絶縁層13)の領域に設けられ、前記コイル端部9aの回転軸方向外側を冷却剤が循環する、円周方向に延伸するコイル端部冷却用流路14(第2の冷却用流路)と、を有してもよい。
(17)第2の樹脂組成物は第1の樹脂組成物の適用範囲と同等とし、同一の樹脂組成物または異なる樹脂組成物を硬化して得られる。
(18)コイル端部冷却用流路14(第2の冷却用流路)の内壁は、第2の樹脂硬化物を備えてなる。すなわち、コイル端部冷却用流路14の構成の少なくとも一部が第2の樹脂硬化物からなってもよい。
(19)コイル端部9aを覆う第2の樹脂硬化物(絶縁層13)の樹脂厚みt2が0.3mm以上3mm以下であってもよい。
(20)樹脂厚みt2と第2の樹脂硬化物(絶縁層13)の熱伝導率K2の関係式P2=t2/K2が0.3×10-4(m2K/W)以上3×10-3(m2K/W)以下であってもよい。
(21)ステータ6の周囲に筒状に設けられた筐体筒部1aと筐体筒部1aの両端の開口を閉塞する筐体側板部1b、1cと有する筐体1と、
コイル端部9aを覆う第2の樹脂硬化物(絶縁層13)と筐体側板部1b、1cとの間に設けられた連結部(流路接続部品12)と、を有し、
コイル端部冷却用流路14は、第2の樹脂硬化物(絶縁層13)と、連結部12と備える。
(22)連結部(流路接続部品12)は、筐体側板部1b、1cからコイル端部9aに向かって一体に突出して設けられている。
1a 円筒部1a
1b、1c 側板部
2 ロータ
2a ロータ外周面
3 回転軸
4 ベアリング
5 永久磁石
6 ステータ
7 ティース部
8 スロット
9 コイル
9a コイル端部
9b コイル側面部
10 コイル内側冷却用流路
10a 内壁
11、13 絶縁層
14 コイル端部冷却用流路
14a 内壁
14b 端部側方冷却用流路
14c コイル端部冷却用流路本体
100、100A モータ
Claims (18)
- 複数のティース部を有するステータと、前記ティース部に巻かれたコイルと、前記コイルが前記ティース部の間に形成されたスロットとを有し、前記コイルが前記スロットに設けられた回転電機の冷却構造であって、
前記スロットに充填され、前記コイルを覆う第1の樹脂組成物と、
前記第1の樹脂組成物が充填されている領域に設けられ、内部を冷却剤が循環する、回転軸方向に延出する第1の冷却用流路と、
を有し、
前記第1の冷却用流路の内壁は、高熱伝導性の第1の樹脂硬化材が硬化した部材で構成されており、
前記第1の樹脂硬化材のガラス転移温度Tg1が150℃以上である、回転電機の冷却構造。 - 複数のティース部を有するステータと、前記ティース部に巻かれたコイルと、前記コイルが前記ティース部の間に形成されたスロットとを有し、前記コイルが前記スロットに設けられた回転電機の冷却構造であって、
前記スロットに充填され、前記コイルを覆う第1の樹脂組成物と、
前記第1の樹脂組成物が充填されている領域に設けられ、内部を冷却剤が循環する、回転軸方向に延出する第1の冷却用流路と、
を有し、
前記第1の冷却用流路の内壁は、高熱伝導性の第1の樹脂硬化材が硬化した部材で構成されており、
前記第1の樹脂硬化材を、175℃で4時間加熱処理したサンプルに対して、動的粘弾性測定機を用いて、測定温度:-50℃~200℃、昇温速度:5℃/分、荷重:800gf、周波数:10Hz、3点曲げモードの条件で測定した、25℃における貯蔵弾性率が、20GPa以上70GPa以下である、回転電機の冷却構造。 - 前記第1の樹脂硬化材の熱伝導率K1が1~10W/m・Kである、請求項1または2に記載の回転電機の冷却構造。
- 前記コイルの側面部を覆う前記第1の樹脂組成物の樹脂厚みt1が0.3mm以上3.0mm以下である、請求項1から3までのいずれか1項に記載の回転電機の冷却構造。
- 前記樹脂厚みt1と前記第1の樹脂組成物の熱伝導率K1の関係式P1=t1/K1が0.3×10-4(m2K/W)以上3×10-3(m2K/W)以下である、請求項4に記載の回転電機の冷却構造。
- 前記第1の冷却用流路は、前記コイルより前記回転軸方向側に設けられている、請求項1から5までのいずれか1項に記載の回転電機の冷却構造。
- 前記コイルは複数のスロットをまたいで巻装された分布巻きとして構成されている、請求項1から6までのいずれか1項に記載の回転電機の冷却構造。
- 前記第1の冷却用流路は、一つの分布巻きを構成するスロットの組毎に少なくとも一つ設けられている、請求項7に記載の回転電機の冷却構造。
- 前記第1の樹脂組成物は、エポキシ樹脂およびフェノール樹脂からなる群より選択される1種または2種の熱硬化性樹脂からなる、請求項1から8までのいずれか1項に記載の回転電機の冷却構造。
- 前記ステータの軸方向両端に突き出したコイル端部を覆う第2の樹脂組成物を硬化した第2の樹脂硬化物と、
前記第1の冷却用流路と接続しており、前記コイル端部を覆う前記第2の樹脂硬化物の領域に設けられ、前記コイル端部の回転軸方向外側を冷却剤が循環する、円周方向に延伸する第2の冷却用流路と、
を有する請求項1から9までのいずれか1項に記載の回転電機の冷却構造。 - 前記第2の樹脂組成物は第1の樹脂組成物の適用範囲と同等とし、同一の樹脂組成物または異なる樹脂組成物を硬化して得られる、請求項10に記載の回転電機の冷却構造。
- 前記第2の冷却用流路の内壁は、前記第2の樹脂硬化物を備えてなる、請求項10または11に記載の回転電機の冷却構造。
- 前記コイル端部を覆う前記第2の樹脂硬化物の樹脂厚みt2が0.3mm以上3mm以下である、請求項10から12までのいずれか1項に記載の回転電機の冷却構造。
- 前記樹脂厚みt2と前記第2の樹脂硬化物の熱伝導率K2の関係式P2=t2/K2が0.3×10-4(m2K/W)以上3×10-3(m2K/W)以下である、請求項13に記載の回転電機の冷却構造。
- 前記ステータの周囲に筒状に設けられた筐体筒部と前記筐体筒部の両端の開口を閉塞する筐体側板部と有する筐体と、
前記コイル端部を覆う前記第2の樹脂硬化物と前記筐体側板部との間に設けられた連結部と、を有し、
前記第2の冷却用流路は、前記第2の樹脂硬化物と、前記連結部と備える、請求項10から14までのいずれか1項に記載の回転電機の冷却構造。 - 前記連結部は、前記筐体側板部から前記コイル端部に向かって一体に突出して設けられている、請求項15に記載の回転電機の冷却構造。
- 前記連結部は、前記筐体側板部と別体として設けられている、請求項15に記載の回転電機の冷却構造。
- 請求項1から17までのいずれか1項に記載の冷却構造を有する回転電機。
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