JP7331623B2 - 回転電機及びステータ端板 - Google Patents

Description

本発明は、回転電機及びステータ端板に関する。

特許文献１には、固定子のスロットに配置した複数の棒導体を、絶縁体と平導体により構成した固定子端板により結線してコイルを形成することで、固定子の軸方向長さを小型化できるモータが開示されている。

特開２００１－２７５２８８号公報

モータ（回転電機）は、駆動時にコイルに流れる電流により発熱するため、コイルを適切に冷却する必用がある。コイルの冷却には、例えば固定子（ステータ）に冷媒を流通させることで行なわれる。ここで、特許文献１のようにコイルエンド部を固定子端板（ステータ端板）で結線を行なうように構成した場合は、ステータ端板の平導体が絶縁体の内部にあるため、適切に冷却することが容易ではなかった。

本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであり、ステータ端板により結線を行なうように構成された回転電機において、コイルエンド部を適切に冷却できる回転電機を提供することを目的とする。

本発明の一実施態様は、ステータとロータとを有する回転電機に適用される。ステータは、複数のコイル素子が挿通されるステータコアと、ステータコアの軸方向の端部に設けられるステータ端板とを備える。ステータ端板は、複数のコイル素子が結線される結線部材と、結線部材を保持する保持部材と、保持部材に形成され、結線部材を冷却する冷媒が流通する冷媒流路と、を備える。冷媒通路は保持部材の内側に径方向及び周方向に形成されるとともに、ステータ端板の外周部端面に並んで形成される冷媒入口と冷媒出口とを備えることを特徴とする。

本発明によると、コイルエンド部を結線部材で結線するステータ端板により構成される回転電機において、ステータ端板の保持部材に結線部材を冷却する冷媒流路を備えたので、結線部材を適切に冷却することができる。

図１は、本発明の実施形態の回転電機の断面図である。 図２は、本発明の実施形態のステータの説明図である。 図３は、本発明の実施形態のステータ端板の説明図である。 図４は、本発明の実施形態のステータ端板の保持部材の説明図である。 図５は、本発明の実施形態のステータ端板の断面図である。 図６は、本発明の実施形態のステータ端板の断面図である。

以下、図面等を参照して、本発明の実施形態について説明する。

図１は本実施形態の回転電機１の断面図である。

回転電機１は、ステータ１０及びロータ２０から構成され、図示しないバッテリから電力の供給を受けてロータ２０が回転することで、回転駆動力を発生する。

ステータ１０は、円環状に形成されたステータコア１１０と、ステータコア１１０に形成された複数のスロットに挿通されるコイル１２０とを備えて構成される。ステータコア１１０は、例えば電磁鋼板を積層して形成される。

コイル１２０は、複数のコイル素子１２１（図２参照）により構成される。ステータコア１１０の一方の端部（図中左側、以降「第１エンド１０ａ」と呼ぶ）では、コイル１２０が折り返されたコイルエンド１４０を形成する。

また、ステータコア１１０の他方の端部（図中右側、以降「第２エンド１０ｂ」と呼ぶ）では、コイル素子１２１がステータ端板１５０により互いに電気的に結線される。ステータ端板１５０の詳細は、図３で説明する。

ロータ２０は、円環状に形成されたロータコア２１０と、ロータコア２１０に形成された複数の磁石溝に挿入される永久磁石２２０とを備えて構成される。ロータ２０の中心にはロータシャフト３０が貫通して固定される。ロータコア２１０は、例えば電磁鋼板を積層して形成される。

回転電機１は、コイル１２０により形成されたＵ、Ｖ、Ｗ相の各相に電流が印加されることにより、ロータ２０に回転駆動力を発生させる。ロータ２０が発生する回転駆動力はロータシャフト３０を介して取り出される。

図２は、本実施形態のステータ１０の説明図である。

ステータ１０は、ステータコア１１０とステータ端板１５０とを備えて構成される。ステータコア１１０には、複数のコイル素子１２１がスロットに挿入されている。

コイル素子１２１は、銅又はその合金からなる平角線により構成され、Ｕ字形状に形成されている。

コイル素子１２１は、ステータコア１１０の第１エンド１０ａから第２エンド１０ｂに向かってスロットに挿入される。コイル素子１２１の開放端は、第２エンド１０ｂ側に突出する。

すなわち、コイル素子１２１は、第２エンド１０ｂの開放端からステータコア１１０のスロットを経由してステータコア１１０の第１エンド１０ａ側に露出する。ここで、コイル素子１２１は、第１エンド１０ａにおいてＵターンして再びスロットを経由して、第２エンド１０ｂの至るように形成されている。

コイル素子１２１の端部（開放端）は、ステータ１０の第２エンド１０ｂに突出し、ステータ端板１５０により互いに結線される。ステータ端板１５０がコイル素子１２１を互いに結線することで、Ｕ、Ｖ、Ｗ相を有するコイル１２０が構成される。

第１エンド１０ａにおいては、コイル素子１２１の折り返し部分が集積されたコイルエンド１４０が形成される。なお、コイル素子１２１は、開放端部を除きその表面に絶縁性の被膜が形成されており、コイル素子１２１同士が接触した場合にも、互いに電気的に絶縁される。

第２エンド１０ｂにおいて、コイル素子１２１の突出高さがそれぞれ異なるように形成されている。コイル素子１２１の突出高さは、ステータ端板１５０の端板１５１の位置に対応する。

ステータ端板１５０は、３つの端板（１５１ａ、１５１ｂ、１５１ｃ）から構成されている。コイル素子１２１の突出高さは、これら３つの端板（１５１ａ、１５１ｂ、１５１ｃ）の位置にそれぞれ対応する。具体的には、コイル素子１２１の突出高さが最も低いものが、第２エンド１０ｂに最も近い側の端板１５１ｃで結線され、コイル素子１２１の突出高さが二番目に低いものが、第２エンド１０ｂから二番目に近い端板１５１ｂで結線され、コイル素子１２１の突出高さが最も高いものが、第２エンド１０ｂから最も遠い側の端板１５１ａで結線される。

このように、第２エンド１０ｂ側に突出したコイル素子１２１が、ステータ端板１５０により結線されることで、Ｕ、Ｖ、Ｗ相を有するスター結線（またはデルタ結線）のコイル１２０が構成される。なお、ステータ端板１５０は、コイル１２０をバッテリに接続するための取り出し線も備える。

ここで、一般的な回転電機において、ステータ端部のコイルエンド部（特に第２エンド）では、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相を互いに避けながらコイルを結線してステータへと折り返す必用があり、コイルエンド部が複雑な形状となり軸方向に突出するため、回転電機を小型化するためには制約が大きかった。

これに対して、本実施形態のようにステータ１０の第２エンド１０ｂのコイルエンド部の結線を平板状のステータ端板１５０で行なうことで、コイルエンド部の軸方向の高さを抑えることができ、回転電機１を小型化することができる。

一方で、ステータ端板１５０は、その内部に導体が埋め込まれているため、コイルエンド部の外側から冷媒を流すことによる冷却では、ステータ端板１５０の内部の導体（結線部材６０、図３参照）を十分に冷却することが難しいという課題がある。

そこで、本実施形態の回転電機１は、ステータ端板１５０に冷媒が流通する流路を設けることで、ステータ端板１５０を適切に冷却できるように構成した。

図３は、本実施形態のステータ端板１５０を構成する端板１５１ａの説明図であり、図４は、端板１５１ａを構成する保持部材５０の説明図である。

図３は端板１５１ａを軸方向から見た図である。なお、端板１５１ｂ、１５１ｃの構成は、結線部材６０の構成を除いて同様であるため、その説明は省略する。

端板１５１ａは、保持部材５０と、結線部材６０と、冷媒流路７０とを備えて構成される。

本実施形態のステータコア１１０は、周方向に複数のスロットが備えられると共に、１つのスロットに複数のコイル素子１２１が挿通されている。端板１５１は、これら複数のコイル素子１２１の端部が挿通するコイル孔６２を有する。

保持部材５０は、ステータコア１１０の断面形状とほぼ同一の円環径状を有する非導電性の樹脂により形成される。

結線部材６０は、コイル孔６２を貫通するコイル素子１２１の端部を、他のコイル素子１２１の端部へと結線する部材である。結線部材６０は、銅又はその合金からなる平角線により構成される。保持部材５０において、結線部材６０の外形に適う形状に溝６１が形成されているので、結線部材６０を溝６１に嵌装することにより、結線部材６が保持部材５０に固定される。

冷媒流路７０は、冷媒が流通する流路である。冷媒流路７０は、結線部材６０に近接する複数の流路を有して形成され、冷媒により結線部材６０を冷却する。冷媒流路７０は、冷媒入口７１及び冷媒出口７２にそれぞれ連通する。冷媒入口７１から流入した冷媒は、各冷媒流路７０を循環した後、冷媒出口７２から排出される。

次に、結線部材６０の構成について説明する。

本実施形態の結線部材６０は、３つの異なる形状の結線部材６０ａ、６０ｂ、６０ｃを有している。

結線部材６０ａは、コイル孔６２ａを通過したコイル素子１２１に結線すると共に、コイル孔６２の組よりも外周を経由して、コイル孔６２ｂを通過したコイル素子１２１に結線する。結線部材６０ｂは、コイル孔６２ｃを通過したコイル素子１２１に結線すると共に、コイル孔６２の組よりも外周で結線部材６０ａよりも内周側を経由した後にコイル孔６２の組よりも内周側を経由して、コイル孔６２ｄを通過したコイル素子１２１に結線する。結線部材６０ｃは、コイル孔６２ｅを通過したコイル素子１２１を結線すると共に、コイル孔６２の組よりも内周で結線部材６０ｂよりも内周側を経由した後に、コイル孔６２ｆを通過したコイル素子１２１に結線する。

図３に示す例では、これら結線部材６０ａ、６０ｂ、６０ｃが、周方向に所定間隔で配置されている。

このように、異なる形状の結線部材６０ａ、６０ｂ、６０ｃが周方向に所定間隔で配置されることで、一組のコイル素子１２１が、互いに電気的に結線される。結線部材６０とコイル素子１２１との結線は、例えば溶接により行なわれる。

次に、保持部材５０の構成を説明する。

図４は保持部材５０の一部を拡大した概略構成図である。保持部材５０は、円板状の樹脂部材に、結線部材６０がはまり込む溝６１と、コイルが貫通するコイル孔６２と、冷媒入口７１と、冷媒出口７２とが形成される。

溝６１は、結線部材６０（６０ａ、６０ｂ、６０ｃ）の外形形状に対応した形状に形成される。この溝６１は、保持部材５０の外周付近の一箇所と内周付近の二箇所で、円環状に連続した円環状部７７ａ、７７ｂ、７７ｃを有する。

図５に示すように、これら円環状部７７ａ、７７ｂ、７７ｃでは、その幅が結線部材６０の幅よりも若干大きく形成されているので、結線部材６０と円環状部７７ａ、７７ｂ、７７ｃとの間に隙間を有する。また、この円環状部７７ａ、７７ｂ、７７ｃの底面（結線部材６０がステータ１０の軸方向で溝６１と接する面）には、結線部材６０との間に若干の隙間を有する凹部７７ｄが形成される。凹部７７ｄは、円環状部７７ａ、７７ｂ、７７ｃに対応して設けられる。

さらに、３枚の端板１５１ａ、１５１ｂ、１５１ｃの外側（第２エンド１０ｂの軸方向外側）には、シール部材１５２（１５２ａ、１５２ｂ、１５２ｃ）が設けられている。

端板１５１ａでは、結線部材６０が配置される溝６１は上方側に開放しており、この上方側をシール部材１５２ａが覆うことで、溝６１と結線部材６０の周囲の隙間とシール部材１５２ａとで囲繞された空間が、冷媒流路７０（７０ａ、７０ｂ、７０ｃ）を構成する。同様に、端板１５１ｂ及び端板１５１ｃにおいても、その上方を覆うシール部材１５２ｂ及び１５２ｃにより溝６１と結線部材６０の周囲の隙間とシール部材１５２ａとで囲繞された空間が、冷媒流路７０（７０ａ、７０ｂ、７０ｃ）を構成する。

なお、円環状部７７ａ、７７ｂ、７７ｃ以外の溝６１では、溝６１と結線部材６０との隙間が発生しないように形成され、冷媒が流通しないように構成される。これにより、コイル素子１２１と結線部材６０との接合部付近に冷媒が侵入することがない。

図３を参照すると、冷媒流路７０は、端板１５１ａの最外周に環状に形成される冷媒流路７０ａと、端板１５１ａの内周側に環状に形成される冷媒流路７０ｂと、端板１５１ａの最内周に環状に形成される冷媒流路７０ｃと、からなる。

最外周の冷媒流路７０ａは、結線部材６０ａの形状（円弧部分）に対応して形成されると共に、保持部材５０においてほぼ環状に流路が形成されて、結線部材６０ａを主に冷却する。同様に、内周側の冷媒流路７０ｂは、結線部材６０ｂの形状（円弧部分）に対応して形成されると共に、保持部材５０においてほぼ環状に流路が形成されて、結線部材６０ｂを主に冷却する。最内周の冷媒流路７０ｃは、結線部材６０ｃの形状（円弧部分）に対応して形成されると共に、保持部材５０においてほぼ環状に流路が形成されて、結線部材６０ｃを主に冷却する。

なお、本実施形態では、冷媒は、電気絶縁性を有する流体（例えば潤滑油）が用いられる。絶縁性の流体を冷媒に用いることで、冷媒が直接接する結線部材６０の表面に絶縁性の被膜を形成することを省略することができる。なお、結線部材６０の表面に絶縁性の被膜を形成してもよく、その場合は、冷媒に非絶縁性の流体（冷却水等）を用いることができる。なお、冷媒は液体ではなく気体（空気）であってもよい。

図５は、ステータ端板１５０の断面図であり、図３のＩＶ－ＩＶに対応する。

図５に示すように、ステータ端板１５０は、３枚の端板１５１（１５１ａ、１５１ｂ、１５１ｃ）と、シール部材１５２（１５２ａ、１５２ｂ、１５２ｃ）とが積層されて構成される。最も外側の端板１５１ａの外側にシール部材１５２ａが設けられる。端板１５１ａと端板１５１ｂとの間にシール部材１５２ｂが挟持され、端板１５１ｂと端板１５１ｃとの間にシール部材１５２ｃが挟持される。なお、シール部材１５２は、例えば非導電性の樹脂により薄板状に形成される。

図６は、ステータ端板１５０の冷媒入口７１付近の断面図であり、図３のＶ－Ｖに対応する。なお、冷媒出口７２についても同様の構成である。

図６に示すように、冷媒入口７１は、端板１５１ａ、１５１ｂ、１５１ｃをそれぞれ貫通して形成されている。冷媒入口７１は、各端板１５１ａ、１５１ｂ、１５１ｃにおいて、連通路７３に接続する。連通路７３は冷媒流路７０ａに連通すると共に、周方向の経路を経由して、冷媒流路７０ｂと７０ｃとに連通する。

冷媒入口７１において、端板１５１ａと１５１ｂとの間は、冷媒の漏れを防止するためのリング部材７５ａが嵌装されており、冷媒入口７１以外への冷媒の流出を防止する。同様に、端板１５１ｂと１５１ｃとの間は、リング部材７５ｃが嵌装されており、冷媒入口７１以外への冷媒の流出を防止する。端板１５１ｃの下方側（ステータコア１１０側）は閉鎖されている。

このような構成により、ステータ端板１５０に冷媒流路７０を設けることができ、結線部材６０を適切に冷却できる。

以上説明したように、本発明の実施形態における回転電機１は、ステータ１０とロータ２０とを有する。ステータ１０は、複数のコイル素子１２１が挿通されるステータコア１１と、ステータコア１１の軸方向の端部に設けられるステータ端板１５０とを備える。ステータ端板１５０は、複数のコイル素子１２１を互いに結線する結線部材６０と、結線部材６０を保持する保持部材５０と、保持部材５０に形成され、結線部材６０を冷却する冷媒が流通する冷媒流路７０と、を備えて構成される。

本実施形態は、このように構成されることによって、コイルエンド部を結線部材６０で結線するステータ端板１５０により構成される回転電機１において、ステータ端板１５０に、結線部材６０を冷却する冷媒が流通する冷媒流路７０を備えたので、コイルエンド部を適切に冷却することができる。コイルエンド部が適切に冷却されることで、回転電機１のトルクを向上させることができる。

また、コイルエンド部を適切に冷却できるので、熱対策のためのステータ端板１５０の樹脂の耐熱性やコイルの絶縁被膜の耐熱性を高める必要がなくなるので、回転電機１の製造コストを削減することができる。

また、本実施形態では、保持部材５０は、結線部材６０が配置される溝６１が形成され、保持部材５０の結線部材６０が配置される端面が、絶縁性のシール部材１５２により封止され、結線部材６０、溝６１及びシール部材１５２で形成される隙間が冷媒流路７０を形成するので、結線部材６０を冷却する冷媒流路の構造を簡易にすることができるので、回転電機１の製造コストを削減することができる。

また、本実施形態では、冷媒は絶縁性の流体であり、結線部材６０は、その表面に絶縁性の被膜を有さないことができるので、回転電機１の製造コストを削減することができる。

また、本実施形態では、ステータ端板１５０は、結線部材６０と保持部材５０と冷媒流路７０とを有する端板１５１ａ、１５１ｂ、１５１ｃが積層されて構成され、端板１５１ａ、１５１ｂ、１５１ｃは、結線部材６０が配置される端面が、絶縁性のシール部材１５２により封止されるので、端板１５１において、媒体の漏れを防止するためのシール部材と、結線部材６０同士の絶縁を行なうシール部材とを共通の部材とすることができ、回転電機１の製造コストを削減することができる。

また、本実施形態では、端板１５１は、それぞれ、冷媒流路７０に冷媒を流通させる冷媒入口７１及び冷媒出口７２を備え、冷媒入口７１及び冷媒出口７２において、冷媒をシールして漏れを防止するリング部材７５が端板１５１と端板１５１との間に設けられるので、端板１５１ごとに冷媒を流通させる構成を設ける必要がなく、ステータ端板１５０の構成を簡略化できるので、回転電機１の製造コストを削減することができる。

なお、以上のように説明した本実施形態の回転電機１では、ステータ１０の第２エンド１０ｂにステータ端板１５０を備える例を示したがこれに限られず、第１エンド１０ａにも同様の構成のステータ端板を備えてもよい。このように構成した場合は、ステータ１０に挿通されるコイル素子１２１は、棒状の導体とすることができる。

また本実施形態では、冷媒流路７０が結線部材６０の周囲に形成され、冷媒が直接結線部材に接するように構成したが、冷媒流路７０と結線部材６０とを別の構成としてもよい。具体的には、保持部材５０において、結線部材６０に近接して、独立した冷媒流路７０を形成してもよい。

１ 回転電機
１０ ステータ
１０ａ 第１エンド
１０ｂ 第２エンド
２０ ロータ
３０ ロータシャフト
５０ 保持部材
６０ 結線部材
６１ 溝
６２ コイル孔
７０ 冷媒流路
７１ 冷媒入口
７２ 冷媒出口
７３ 連通路
７５ リング部材
１２０ コイル
１２１ コイル素子
１５０ ステータ端板
１５１ 端板
１５２ シール部材

Claims (5)

1. ステータとロータとを有する回転電機であって、
   前記ステータは、複数のコイル素子が挿通されるステータコアと、前記ステータコアの軸方向の端部に設けられるステータ端板とを備え、
   前記ステータ端板は、
   複数の前記コイル素子を互いに結線する結線部材と、
   前記結線部材を保持する保持部材と、
   前記保持部材に形成され、前記結線部材を冷却する冷媒が流通する冷媒流路と、
   を備え、
   前記冷媒流路は前記保持部材の内部に径方向及び周方向に形成されるとともに、前記ステータ端板の外周部端面に並んで形成される冷媒入口と冷媒出口と、を備えて構成される
   回転電機。
2. 請求項１に記載の回転電機であって、
   前記保持部材は、前記結線部材が配置される溝が形成され、
   前記保持部材の前記結線部材が配置される端面が、絶縁性のシール部材により封止され
   前記結線部材、前記溝及び前記シール部材で形成される隙間が前記冷媒流路を形成する
   回転電機。
3. 請求項２に記載の回転電機であって、
   前記冷媒は絶縁性の流体であり、
   前記結線部材は、その表面に絶縁性の被膜を有さない
   回転電機。
4. 請求項２又は３に記載の回転電機であって、
   前記ステータ端板は、前記結線部材と前記保持部材と前記冷媒流路とを有する端板と、前記シール部材とが積層されて構成される
   回転電機。
5. 回転電機のステータに備えられるステータコアの軸方向の端部に設けられるステータ端板であって、
   複数のコイル素子を互いに結線する結線部材と、
   前記結線部材を保持する保持部材と、
   前記保持部材に形成され、前記結線部材を冷却する冷媒が流通する冷媒流路と、
   を備え、
   前記冷媒流路は前記保持部材の内部に径方向及び周方向に形成されるとともに、前記ステータ端板の外周部端面に並んで形成される冷媒入口と冷媒出口と、を備えるステータ端板。

Images