KR20230020496A - 회전 전기 및 회전 전기의 냉각 구조 - Google Patents

회전 전기 및 회전 전기의 냉각 구조 Download PDF

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KR20230020496A
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와타루 고사카
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아츠노리 니시카와
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스미또모 베이크라이트 가부시키가이샤
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Abstract

모터(100)는, 복수의 티스부(7)를 갖는 스테이터(6)와, 티스부(7)에 감긴 코일(9)을 갖고, 코일(9)이 티스부(7)의 사이에 형성된 슬롯(8)을 가지며, 코일(9)이 슬롯(8)에 마련되어 있고, 냉각 구조로서, 슬롯(8)에 충전되며 코일(9)을 덮는 제1 수지 조성물과, 상기 제1 수지 조성물이 충전되어 있는 영역에 마련되고 내부를 냉각제가 순환하는 회전축 방향으로 뻗어 나오는 코일 내측 냉각용 유로(10)를 갖는다.

Description

회전 전기 및 회전 전기의 냉각 구조
본 발명은, 회전 전기 및 회전 전기의 냉각 구조에 관한 것이다.
모터(발동기)나 발전기와 같은 회전 전기에 있어서, 스테이터를 효율적으로 냉각하기 위하여, 스테이터의 외주에 배치되는 원통상의 케이스에 냉각용 재킷 구조를 배치하고, 스테이터로부터 케이스로 열을 빼내는 구조가 종래부터 제안되고 있다(종래기술).
예를 들면, 특허문헌 1에서는, 스테이터의 티스부에 집중 감기한 코일을, 티스부 간의 슬롯에 수용한 회전 전기에 있어서, 슬롯의 내부 공간에 축방향으로 뻗는 복수의 파이프를 병렬 배치하고, 또한 이들 파이프의 간극 및 파이프와 상기 코일의 간극에 수지 재료를 충전하여, 스테이터 내주 측을 향하여 개구되는 슬롯을 폐색하는 수지층을 형성하며, 파이프 내에 냉매를 흘려 보내도록 한 기술이 개시되어 있다.
일본 특허공보 4496710호
그러나, 상술한 종래기술에서는, 발열한 코일로부터 스테이터 코어로 전열시키고, 추가로 스테이터 코어로부터 케이스, 케이스로부터 냉각용 재킷으로 열의 이동 경로가 길기 때문에, 냉각 효율이 양호하지 않은 구조였다. 또, 코일과 스테이터 코어, 스테이터 코어와 케이스의 사이에는 미소(微小)한 간극이 존재하는 경우가 많고, 이것도 열의 이동을 방해하는 요인이 되어 있었다.
특허문헌 1에 개시된 기술에서는, 일정한 냉각 성능의 향상은 기대할 수 있지만, 구조가 복잡하게 되어 버려, 제품으로서 채용하는 것은 한정되어 버린다는 과제가 있었다.
본 발명은 이와 같은 상황을 감안하여 이루어진 것이며, 스테이터의 냉각 성능을 향상시키는 회전 전기의 냉각 구조를 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
본 발명의 일 양태는 회전 전기의 냉각 구조로서, 복수의 티스부를 갖는 스테이터와, 상기 티스부에 감긴 코일과, 상기 티스부의 사이에 형성된 슬롯을 갖고, 상기 코일이 상기 슬롯에 마련된 회전 전기의 냉각 구조이며,
상기 슬롯에 충전되고, 상기 코일을 덮는 제1 수지 조성물과,
상기 제1 수지 조성물이 충전되어 있는 영역에 마련되며, 내부를 냉각제가 순환하는, 회전축 방향으로 뻗어 나오는 제1 냉각용 유로를 갖는다.
본 발명의 다른 양태는, 상기의 냉각 구조를 갖는 회전 전기이다.
본 발명에 의하면, 스테이터의 냉각 성능을 향상시키는 회전 전기의 냉각 구조를 제공할 수 있다.
도 1은 제1 실시형태에 관한, 모터의 회전축 방향과 수직인 방향의 종단면도이다.
도 2는 제1 실시형태에 관한, 모터의 회전축 방향의 종단면도이다.
도 3은 제1 실시형태에 관한, 슬롯 주변을 확대하여 나타낸 도이다.
도 4는 제2 실시형태에 관한, 모터의 회전축 방향의 종단면도이다.
도 5는 제2 실시형태에 관한, 도 4의 단면도의 코일(9b) 주변을 확대하여 나타낸 도이다.
도 6은 제2 실시형태에 관한, 코일 단부(端部) 냉각용 유로가 마련된 영역의 회전축 방향과 수직인 방향의 종단면도이다.
<<제1 실시형태>>
<개요>
본 실시형태에서는, 회전 전기(전동기, 발전기 또는 전동기/발전기의 양용기)로서 전동기(모터)에 적용한 예를 설명한다. 도 1은 모터(100)의 회전축 방향과 수직인 방향의 종단면도이다. 도 2는 모터(100)의 회전축 방향의 종단면도이다. 도 3은, 도 1의 슬롯 주변을 확대하여 나타낸 도이다.
본 실시형태의 개요는 다음과 같다.
모터(100)는, 스테이터(6)의 티스부(7)에 분포 감기한 코일(9)을, 티스부(7) 간의 슬롯(8)에 수용한다. 슬롯(8)의 내부 공간에서 스테이터(6)의 내주 측(티스 내주면(6a) 근방)이며 또한 코일(9)과 인접하는 위치에, 축방향으로 뻗는 코일 내측 냉각용 유로(10)(제1 냉각용 유로)를 배치한다. 또한, 이들 슬롯(8)의 내부 공간에서 코일(9) 또는 코일 내측 냉각용 유로(10)를 제외한 간극에 수지 재료(이하 "제1 수지 조성물"이라고도 한다)를 충전하고, 코일 내측 냉각용 유로(10)에 냉각액을 흘려 보냄으로써 스테이터(6)를 냉각한다. 모터(100)를 이와 같은 구조로 함으로써, 스테이터(6)의 코일(9)보다 내주 측(티스 내주면(6a) 근방)의 위치에 코일(9)에 인접하여 코일 내측 냉각용 유로(10)를 배치할 수 있으며, 발열하는 코일(9)을 효율적으로 냉각할 수 있다.
이하 구체적으로 설명한다.
<모터(100)의 기본 구조>
모터(100)는, 케이스(1)와, 케이스(1)의 내부에 수용된 로터(2)(회전자) 및 스테이터(6)(고정자)를 구비한다.
케이스(1)는, 원통부(1a)와, 이 원통부(1a)의 축방향 양단을 폐색하는 측판부(1b, 1c)를 가져 구성된다. 케이스(1)의 재료로서, 예를 들면, 알루미늄 합금(주물 주조품)이나 수지 재료, 그들을 조합한 것을 이용할 수 있다. 측판부(1b, 1c)에는, 코일 내측 냉각용 유로(10)와 외부의 냉각 유로를 연결하는 외부 접속 유로(17)가 마련되어 있다.
로터(2)는, 케이스(1)의 내부에 수용되어 있다. 로터(2)의 중심에는 출력축으로서 회전축(3)이 장착되어 있다.
회전축(3)의 양단이 각각 베어링(4)을 개재하여 측판부(1b, 1c)에 지지되어 있다. 이로써, 로터(2)는 회전축(3)을 중심으로 회전 가능하게 되어 있다.
로터(2)에는 영구 자석(5)이 내장되어 있다. 구체적으로는, 도 1에 나타내는 바와 같이, 복수(여기에서는 8개)의 영구 자석(5)이 동일 원주 상에 등간격으로 배치되어 있다. 이때, 이웃하는 영구 자석(5)의 자극은 서로 상이하도록 설치되어 있다.
원통부(1a)의 내주에는 원통형의 스테이터(6)가, 로터(2)의 외주를 둘러싸도록 배치되어 고정되어 있다. 도 3에 나타내는 바와 같이, 스테이터(6)의 내주면(6a)과 로터(2)의 외주면(2a)의 사이에는 미소한 간극(에어 갭)이 마련되어 있다.
스테이터(6)에는 내주면(6a)을 향한 티스부(7)가 배열되어 있다. 여기에서는, 도 1에 나타내는 바와 같이, 24개의 티스부(7)가 마련되어 있다. 각 티스부(7)의 사이에 슬롯(8)이 마련되어 있다.
슬롯(8)에는 코일(9)이 분포 감기로 수용되어 있다. 티스부(7)는 상술한 영구 자석(5)과 대응하여 마련되고, 각 코일(9)을 순차적으로 여자(勵磁)해 감으로써, 이에 대응한 영구 자석(5)과의 흡인, 반발에 의하여 로터(2)가 회전한다.
<코일 내측 냉각용 유로(10)>
슬롯(8)의 내부 공간에서 스테이터(6)의 내주(6a) 측이며 또한 코일(9)과 인접하는 위치에, 축방향으로 뻗는 코일 내측 냉각용 유로(10)가 마련되어 있다. 코일 내측 냉각용 유로(10)에는 냉각액, 예를 들면 냉각수가 순환한다.
이 코일 내측 냉각용 유로(10)는 통 형상의 부품을 슬롯(8)에 삽입함으로써 형성 가능한 것 외에, 스테이터(6)에 수지 재료(제1 수지 조성물)를 직접 성형하는 방법에 의해서도 얻을 수 있다. 이 경우, 코일 내측 냉각용 유로(10)의 내벽(10a)은, 스테이터(6)에 주입된 수지 재료의 경화물(이하 "제1 수지 경화재"라고 한다)의 일부로서 구성된다.
코일 내측 냉각용 유로(10)가 통 형상의 부품으로서 마련되는 경우, 알루미늄 또는 알루미늄 합금과 같은 고열전도성의 비자성 금속이나, 고열전도성의 무기 재료를 이용할 수 있다. 또한, 상술한 슬롯(8)에 충전되는 수지 재료(제1 수지 조성물)와는 별개로 마련한 수지제의 통 형상의 부품이 이용되어도 된다.
이하에서는, 스테이터(6)에 수지 재료(제1 수지 조성물)를 직접 성형하는 방법을 적용한 예로서 설명한다.
하나의 슬롯(8)에 배치하는 코일 내측 냉각용 유로(10)의 수는 1개 또는 복수 개 중 어느 것이어도 되지만, 슬롯(8)의 공간폭이 좁은 상황에 있어서는 냉각액이 통과할 때의 유로 저항을 고려하여 유로의 단면적이 커지도록 개수는 적은 편이 바람직하다. 코일 내측 냉각용 유로(10)의 단면 형상은 본 실시형태와 같은 원형 외에, 사각이나 슬롯(8)의 형상에 맞출 수도 있다.
또, 본 실시형태에서는, 코일(9)은 복수의 슬롯(8)을 걸쳐 권장(卷裝)된 분포 감기이다. 따라서, 코일 내측 냉각용 유로(10)는, 하나의 분포 감기를 구성하는 슬롯(8)의 세트마다 적어도 하나 마련되도록 해도 된다. 예를 들면, 어느 코일(9)이 2개의 슬롯(8)을 걸쳐 권장되는 경우에, 일방의 슬롯(8)에는 코일 내측 냉각용 유로(10)를 마련하고, 타방의 슬롯(8)에는 코일 내측 냉각용 유로(10)를 마련하지 않도록 한다. 하나의 분포 감기를 구성하는 복수의 슬롯(8)의 세트에 있어서, 적어도 하나의 슬롯(8)에 코일 내측 냉각용 유로(10)가 마련되어 있으면, 코일(9)을 개재하여 코일 내측 냉각용 유로(10)가 마련되어 있지 않은 다른 슬롯(8)(즉 티스부(7))도 냉각할 수 있다.
또, 슬롯(8)과 코일(9)의 사이에는 절연층(11)을 마련한다. 절연층(11)은 절연지나 절연성의 수지 재료에 의하여 형성할 수 있으며, 스테이터(6)에 코일(9)을 삽입하기 전에 배치하는 편이 바람직하다. 단, 후술하는 슬롯(8)의 내부 공간에서 코일(9) 또는 코일 내측 냉각용 유로(10)를 제외한 간극에 수지 재료(제1 수지 조성물)를 충전하는 것에 의해서도 형성할 수 있다. 이 경우, 코일 내측 냉각용 유로(10)의 내벽(10a)은, 제1 수지 조성물의 경화물로 이루어지는 절연층(11)에 의하여 구성된다.
그리고, 슬롯(8)에 코일 내측 냉각용 유로(10), 절연층(11), 코일(9)을 배치한 후에 각 부재 간의 간극에 수지 재료를 충전하여 고정한다. 이 수지 재료는 코일(9)의 발열에 견딜 수 있는 것으로 한다.
<제1 수지 조성물>
코일 내측 냉각용 유로(10), 절연층(11), 및 각 부재 간의 간극에 충전하는 수지 재료(제1 수지 조성물)는, 열전도성이 양호한 수지 재료인 것이 바람직하고, 1종류의 수지 또는 부재마다 복수 종의 수지의 조합으로 할 수 있다. 예를 들면, 에폭시 수지 및 페놀 수지로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종의 열경화성 수지를 이용할 수 있다.
제1 수지 조성물의 경화물인 제1 수지 경화재의 열전도율 K1은 1~10W/m·K이다. 열전도율 K1의 하한은, 바람직하게는 2W/m·K 이상이며, 보다 바람직하게는 3W/m·K 이상이다. 열전도율 K1의 상한은, 특별히 한정하지 않지만, 현실적인 값으로서 10W/m·K이다.
제1 수지 경화물의 유리 전이 온도 Tg1이 150℃이상이다.
유리 전이 온도 Tg1을 상기 범위로 함으로써, 모터(100)의 내열 성능을 향상시키고, 높은 출력을 실현할 수 있다.
제1 수지 경화물을, 175℃에서 4시간 가열 처리한 샘플에 대하여, 동적 점탄성 측정기를 이용하여, 측정 온도: -50℃~200℃, 승온 속도: 5℃/분, 하중: 800gf, 주파수: 10Hz, 3점 굽힘 모드의 조건에서 측정한, 25℃에 있어서의 저장 탄성률이, 20GPa 이상 70GPa 이하이다.
저장 탄성률의 하한은, 바람직하게는 30GPa 이상, 보다 바람직하게는 40GPa 이상이다.
저장 탄성률의 상한은, 바람직하게는 60GPa 이하, 보다 바람직하게는 50GPa 이하이다.
이 관점에 있어서도, 저장 탄성률을 상기의 범위로 함으로써, 모터(100)의 내열 성능을 향상시키고, 높은 출력을 실현할 수 있다.
코일(9)의 코일 측면부(9b)를 덮는 제1 수지 경화물의 수지 두께 t1은, 예를 들면 0.3mm 이상 3.0mm 이하이다.
수지 두께 t1의 하한은, 바람직하게는 0.5mm 이상, 보다 바람직하게는 0.7mm 이상이다. 수지 두께 t1의 상한은, 바람직하게는 2.5mm 이하, 보다 바람직하게는 2.0mm 이하이다.
수지 두께 t1을 상기의 범위로 함으로써, 절연성을 적절히 유지할 수 있으며, 또한, 코일(9)에서 발생한 열을 양호하게 코일 내측 냉각용 유로(10)에 전달할 수 있다.
수지 두께 t1과 제1 수지 경화물의 열전도율 K1의 관계식 P1=t1/K1은, 예를 들면 0.3Х10-4(m2K/W) 이상 3Х10-3(m2K/W) 이하이다.
관계식 P1의 하한은, 바람직하게는 0.4Х10-4(m2K/W) 이상, 보다 바람직하게는 0.5Х10-4(m2K/W) 이상이다. 관계식 P1의 상한은, 바람직하게는 2.5Х10-3(m2K/W) 이하, 보다 바람직하게는 2Х10-3(m2K/W) 이하이다.
관계식 P1의 값을 상기 범위로 함으로써, 절연성을 적절히 유지할 수 있으며, 또한, 코일(9)에서 발생한 열을 양호하게 코일 내측 냉각용 유로(10)에 전달할 수 있다.
또, 절연층(11)의 성형 방법으로서는 특별히 한정은 하지 않지만, 인서트 성형을 이용할 수 있다. 이때, 분포 감기한 코일(9)을 배치한 슬롯(8)에, 코일 내측 냉각용 유로(10)에 대응하는 금형(金型) 구조(중첩 구조(nested structure))를 배치하여 인서트 성형한다.
이상과 같이 하여, 스테이터(6)의 각 슬롯(8)에 형성된 코일 내측 냉각용 유로(10)를 측판부(1b, 1c)의 내측에 배치하는 유로 접속 부품(12)에 접속하고, 측판부(1b 및 1c)의 냉각액 출입구에 더 접속함으로써 모터(100)를 냉각 가능하게 한다. 유로 접속 부품(12)은, 도시한 바와 같이, 독립적인 부품으로서 구성되고, 코일 내측 냉각용 유로(10)의 단부에 장착되는 구성이어도 되며, 측판부(1b, 1c)와 일체가 된 구성이어도 되고, 코일 내측 냉각용 유로(10)와 외부 접속 유로(17)를 적절히 연통할 수 있으면 된다.
코일 내측 냉각용 유로(10), 유로 접속 부품(12) 및 측판부(1b, 1c)의 각 접합부에는 냉각액의 누설을 방지하기 위하여 필요한 패킹, O링, 시일재 등을 배치한다.
유로 접속 부품(12)은, 유로 홈의 디자인을 조정함으로써 다수 존재하는 코일 내측 냉각용 유로(10)로의 냉각수의 흘려 보내는 방법을 제어할 수 있다. 동일하게, 유로 접속 부품(12)의 유로 홈의 디자인을 조정함으로써, 냉각수의 출입구를 어느 일방의 측판부(1b, 1c)에 집약 배치하거나, 원통부(1a)에 출입구를 배치할 수 있다.
이상의 구성의 모터(100)에서는, 예를 들면, 냉각수는, 도시 좌측의 측판부(1b)의 외부 접속 유로(17)로부터 모터(100)의 내부로 도입된다. 모터(100) 내부에 도입된 냉각수는, 유로 접속 부품(12)을 거쳐 코일 내측 냉각용 유로(10)를 순환하고, 측판부(1c) 측의 유로 접속 부품(12)을 거쳐, 측판부(1c)의 외부 접속 유로(17)로부터 외부로 배출된다.
<코일 내측 냉각용 유로(10)의 작용·효과>
본 실시형태에 의하여, 분포 감기의 모터(100)에 있어서, 코일(9)에 의한 발열을 인접하는 코일 내측 냉각용 유로(10)로 효율적으로 방열할 수 있으며, 또한 코일(9) 주변의 공간(즉 슬롯(8))을 수지 재료로 대체함으로써 열의 이동을 더 용이하게 할 수 있다. 특히, 코일(9)과 스테이터(6)가 수지 재료로 밀착 충전되기 때문에, 또한 코일 내측 냉각용 유로(10)의 내벽(10a)이 그 수지 재료로 형성되어 있음으로써, 그들 사이에서의 열전도가 양호해진다. 이로써, 스테이터(6)의 냉각 성능을 향상시킬 수 있으며, 구리 손실(코일(9)의 권선(捲線) 자체의 저항에 의하여 소비되는 손실)의 저감, 모터 출력의 향상, 모터(100)의 소형화 등을 실현할 수 있다.
<모터(100)(회전 전기)의 특징·기능의 정리>
본 실시형태의 모터(100)의 특징에 대하여 냉각 구조에 착목하여 정리하여 설명한다.
(1) 복수의 티스부(7)를 갖는 스테이터(6)와, 상기 티스부(7)에 감긴 코일(9)과, 티스부(7)의 사이에 형성된 슬롯(8)을 갖고, 코일(9)이 슬롯(8)에 마련된 모터(100)(회전 전기의 일례)의 냉각 구조이며,
슬롯(8)에 충전되고, 코일(9)을 덮는 제1 수지 조성물과,
상기 제1 수지 조성물이 충전되어 있는 영역에 마련되며, 내부를 냉각제가 순환하는, 회전축 방향으로 뻗어 나오는 코일 내측 냉각용 유로(10)(제1 냉각용 유로)를 갖는다.
코일(9) 주변의 공간(즉 슬롯(8))을 수지 재료로 대체함으로써, 코일(9)에 발생한 열의 이동을 효율적으로 행할 수 있다.
(2) 코일 내측 냉각용 유로(10)의 내벽(10a)은, 고열전도성의 수지 경화재로 이루어져도 된다.
(3) 상기 수지 경화재는, 상기 제1 수지 조성물이 경화된 부재여도 된다.
코일 내측 냉각용 유로(10)의 내벽(10a)을, 슬롯(8)에 충전된 제1 수지 조성물이 경화된 부재로 함으로써, 냉각 구조에 있어서의 구성 요소의 삭감, 그에 따르는 냉각 성능의 향상, 제조 공정의 간소화를 실현할 수 있다.
(4) 제1 수지 경화재의 열전도율 K1이 1~10W/m·K여도 된다.
(5) 제1 수지 경화물의 유리 전이 온도 Tg1이 150℃이상이어도 된다.
(6) 제1 수지 경화물을, 175℃에서 4시간 가열 처리한 샘플에 대하여, 동적 점탄성 측정기를 이용하여, 측정 온도: -50℃~200℃, 승온 속도: 5℃/분, 하중: 800gf, 주파수: 10Hz, 3점 굽힘 모드의 조건에서 측정한, 25℃에 있어서의 저장 탄성률이, 20GPa 이상 70GPa 이하여도 된다.
(7) 코일(9)의 코일 측면부(9b)를 덮는 제1 수지 경화물의 수지 두께 t1이 0.3mm 이상 3.0mm 이하이다.
수지 두께 t1의 하한은, 바람직하게는 0.5mm 이상, 보다 바람직하게는 0.7mm 이상이다. 수지 두께 t1의 상한은, 바람직하게는 2.5mm 이하, 보다 바람직하게는 2.0mm 이하이다. 수지 두께 t1을 상기의 범위로 함으로써, 절연성을 적절히 유지할 수 있으며, 또한, 코일(9)에서 발생한 열을 양호하게 코일 내측 냉각용 유로(10)에 전달할 수 있다.
(8) 수지 두께 t1과 제1 수지 경화물의 열전도율 K1의 관계식 P1=t1/K1이 0.3Х10-4(m2K/W) 이상 3Х10-3(m2K/W) 이하이다.
관계식 P1의 하한은, 바람직하게는 0.4Х10-4(m2K/W) 이상, 보다 바람직하게는 0.5Х10-4(m2K/W) 이상이다.
관계식 P1의 상한은, 바람직하게는 2.5Х10-3(m2K/W) 이하, 보다 바람직하게는 2Х10-3(m2K/W) 이하이다.
관계식 P1의 값을 상기 범위로 함으로써, 절연성을 적절히 유지할 수 있으며, 또한, 코일(9)에서 발생한 열을 양호하게 코일 내측 냉각용 유로(10)에 전달할 수 있다.
(9) 코일 내측 냉각용 유로(10)의 내벽(10a)은, 고열전도성의 금속으로 이루어져도 된다.
(10) 코일 내측 냉각용 유로(10)의 내벽(10a)은, 고열전도성의 무기 재료로 이루어져도 된다.
(11) 코일 내측 냉각용 유로(10)는, 코일(9)보다 상기 회전축 방향 측에 마련되어도 된다.
코일 내측 냉각용 유로(10)를 이와 같은 배치로 함으로써, 코일(9) 전체를 효율적으로 냉각할 수 있다.
(12) 코일(9)은 복수의 슬롯(8)을 걸쳐 권장된 분포 감기로서 구성되어도 된다.
분포 감기의 경우, 그 구조상, 구리 손실이 증가되어 버리는 경향이 있으며, 방열을 효과적으로 행할 것이 요청되고 있다. 따라서, 상술한 바와 같은 구성의 냉각 구조를 채용함으로써, 분포 감기와 같은 회전 전기에 있어서도 양호한 냉각 성능(방열 성능)을 실현할 수 있다.
(13) 코일 내측 냉각용 유로(10)는, 하나의 분포 감기를 구성하는 슬롯(8)의 세트마다 적어도 하나 마련되어도 된다.
분포 감기의 경우, 복수의 슬롯(8)을 걸치는 점에서, 적어도 하나의 슬롯(8)에 코일 내측 냉각용 유로(10)가 있으면, 코일(9)을 개재하여 코일 내측 냉각용 유로(10)가 없는 다른 슬롯(8)(티스부(7))도 냉각할 수 있다.
(14) 제1 수지 조성물은, 에폭시 수지 및 페놀 수지로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종의 열경화성 수지로 이루어져도 된다.
제1 수지 조성물로서 이와 같은 열경화성 수지를 이용함으로써, 높은 방열 성능을 실현할 수 있다.
(15) 상기의 냉각 구조를 갖는 회전 전기이다. 회전 전기는, 상술한 모터(100)(전동기)나 발전기 또는 전동기/발전기의 양용기 등이다.
<<제2 실시형태>>
본 실시형태의 모터(100A)는, 제1 실시형태의 모터(100)의 코일 단부 주변의 구조에 있어서 상이하며, 이하에서는 주로 상이한 부분에 착목하여 설명한다. 도 4는 모터(100A)의 회전축 방향의 종단면도이다. 도 5는 본 실시형태에 관한, 도 4의 코일 단부(9a) 주변을 확대하여 나타낸 도이다. 도 6은 실시형태에 관한, 모터(100A)의 회전축 방향과 수직인 방향의 종단면도이며, 특히 코일 단부 냉각용 유로(14)가 마련된 영역의 단면도이다.
본 실시형태의 개요는 다음과 같다.
모터(100A)는, 제1 실시형태와 동일하게, 스테이터(6)의 티스부(7)에 분포 감기한 코일(9)을, 티스부(7) 간의 슬롯(8)에 수용한다. 슬롯(8)의 내부 공간에서 스테이터(6)의 내주 측(티스 내주면(6a) 근방)이며 또한 코일(9)과 인접하는 위치에, 축방향으로 뻗는 코일 내측 냉각용 유로(10)를 배치한다. 이들 슬롯(8)의 내부 공간에서 코일(9) 또는 코일 내측 냉각용 유로(10)를 제외한 간극에 수지 재료(제1 수지 조성물)를 충전한다.
또, 본 실시형태의 큰 특징 중 하나로서, 스테이터(6)의 회전축 방향 외측으로 돌출된 코일(9)의 코일 단부(9a)를 수지 재료(제2 수지 조성물)의 경화물인 절연층(13)으로 덮고, 코일 단부(9a)의 회전축 방향 외측 및/또는 둘레 방향 외측에, 둘레 방향으로 연신하는 코일 단부 냉각용 유로(14)를 형성한다
모터(100A)를 이와 같은 구조로 함으로써, 스테이터(6)의 코일(9)보다 내주 측(티스 내주면(6a) 근방)의 위치에 코일(9)에 인접하여 코일 내측 냉각용 유로(10)를 배치할 수 있으며, 코일(9)의 회전축 방향 단부의 위치에도 코일(9)에 인접하여 코일 단부 냉각용 유로(14)를 더 배치할 수 있어, 발열하는 코일(9)을 효율적으로 냉각할 수 있다.
이하, 코일 단부 냉각용 유로(14)에 착목하여 구체적으로 설명한다.
<코일 단부 냉각용 유로(14)>
스테이터(6)의 회전축 방향 외측(도 4나 도 5에서는 가로 방향)으로 돌출된 코일(9)의 단부의 공간에서, 코일 단부(9a)의 회전축 방향 외측 및 또는 둘레 방향 외측에, 둘레 방향으로 연신하는 코일 단부 냉각용 유로(14)가 마련되어 있다. 코일 단부 냉각용 유로(14)에는 냉각액, 예를 들면 냉각수가 순환한다. 도 6에 나타내는 바와 같이, 코일 단부 냉각용 유로(14)는, 예를 들면 축방향 외측에서 보았을 때에, 내부 공간이 환상으로 마련되어 있고(도 6에서는 환상의 일부를 나타내고 있다), 복수의 코일 내측 냉각용 유로(10)가 공통으로 접속되는 구성으로 되어 있다.
코일 단부(9a)에 배치하는 코일 단부 냉각용 유로(14)는, 회전축 방향 외측 또는 둘레 방향 외측에 둘레 방향으로 연신하도록 배치해도 되지만, 냉각 효율을 높이는 관점에서, 코일(9)에 대향하는 수로면(14a)의 면적을 크게 하기 위하여 회전축 방향 외측 및 둘레 방향 외측의 양방에 배치하는 것이 바람직하다.
즉, 코일 단부 냉각용 유로(14)는, 회전축 방향 외측의 영역에 마련된 코일 단부 냉각용 유로 본체(14c)와, 둘레 방향 외측의 영역에 마련된 단부 측방 냉각용 유로(14b)를 갖는다. 단부 측방 냉각용 유로(14b)는, 보다 구체적으로는, 코일 단부(9a)의 외주 측 측면과 원통부(1a)의 사이의 공간에, 코일 단부 냉각용 유로 본체(14c)로부터 뻗어 나오도록 마련되어 있다. 둘레 방향의 수로 길이는 1주분이 연속한 상태여도 되지만, 둘레 방향으로 복수 분할하는 구조로 해도 된다. 코일 단부 냉각용 유로(14)의 용량(체적)은, 순환하는 냉각수의 용량, 순환 속도 등을 고려하여, 설정된다.
코일 단부 냉각용 유로(14)(코일 단부 냉각용 유로 본체(14c), 단부 측방 냉각용 유로(14b))는, 스테이터(6) 및 코일(9)의 회전축 방향 단부(즉 코일 단부(9a))에 수지 재료(제2 수지 조성물)를 직접 성형하는 방법에 의하여 얻을 수 있다. 이 경우, 코일 단부 냉각용 유로(14)의 내벽(14a)은, 코일 단부(9a)에 주입된 경화물의 일부로서 구성된다.
이하에서는, 스테이터(6) 및 코일(9)의 회전축 방향 단부(즉 코일 단부(9a))에 수지 재료를 직접 성형하는 방법을 적용한 예로서 설명한다.
스테이터(6)에 코일 내측 냉각용 유로(10), 절연층(11), 코일(9), 코일 단부 냉각용 유로(14)를 배치한 후에 각 부재 간의 간극에 수지 재료를 충전하여 고정한다. 이 수지 재료는 코일(9)의 발열에 견딜 수 있는 것으로 한다.
<제2 수지 조성물>
코일 내측 냉각용 유로(10), 코일 단부 냉각용 유로(14), 코일(9), 스테이터(6), 및 각 부재 간의 간극에 충전하는 수지 재료(제1 및 제2 수지 조성물)는, 열전도성이 양호한 수지 재료인 것이 바람직하고, 1종류의 수지 또는 부재마다 복수 종의 수지의 조합으로 할 수 있다. 예를 들면, 에폭시 수지 및 페놀 수지로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종의 열경화성 수지를 이용할 수 있다.
코일 단부 냉각용 유로(14)에 대해서는 수로 형상을 구성한 금형에 의하여 성형한다. 절연층(11), 코일 내측 냉각용 유로(10), 코일 단부 냉각용 유로(14)의 각종 성형은 동시에 실시해도 되지만 단계적으로 실시할 수도 있으며, 성형 부위마다 수지 재료를 변경할 수도 있다. 예를 들면, 코일 내측 냉각용 유로(10)를 성형할 때는 제1 수지 조성물을 수지 재료로서 사용하고, 코일 단부 냉각용 유로(14)를 성형할 때는 제1 수지 조성물과는 상이한 제2 수지 조성물을 수지 재료로서 사용한다.
제2 수지 조성물은, 제1 실시형태에서 설명한 제1 수지 조성물의 적용 범위와 동등하게 하고, 동일한 수지 조성물 또는 상이한 수지 조성물을 경화하여 얻어진다. 구체적으로는 다음과 같다.
제2 수지 조성물의 경화물인 제2 수지 경화재의 열전도율 K2는 1~10W/m·K이다. 열전도율 K2의 하한은, 바람직하게는 2W/m·K 이상이며, 보다 바람직하게는 3W/m·K 이상이다. 열전도율 K2의 상한은, 특별히 한정하지 않지만, 현실적인 값으로서 10W/m·K이다.
제2 수지 경화물의 유리 전이 온도 Tg2가 150℃이상이다.
유리 전이 온도 Tg2를 상기 범위로 함으로써, 모터(100A)의 내열 성능을 향상시키고, 높은 출력을 실현할 수 있다.
제2 수지 경화물을, 175℃에서 4시간 가열 처리한 샘플에 대하여, 동적 점탄성 측정기를 이용하여, 측정 온도: -50℃~200℃, 승온 속도: 5℃/분, 하중: 800gf, 주파수: 10Hz, 3점 굽힘 모드의 조건에서 측정한, 25℃에 있어서의 저장 탄성률이, 20GPa 이상 70GPa 이하이다.
저장 탄성률의 하한은, 바람직하게는 30GPa 이상, 보다 바람직하게는 40GPa 이상이다.
저장 탄성률의 상한은, 바람직하게는 60GPa 이하, 보다 바람직하게는 50GPa 이하이다.
이 관점에 있어서도, 저장 탄성률을 상기의 범위로 함으로써, 모터(100A)의 내열 성능을 향상시키고, 높은 출력을 실현할 수 있다.
코일(9)의 코일 측면부(9b)를 덮는 제2 수지 경화물의 수지 두께 t2가 0.3mm 이상 3.0mm 이하이다.
수지 두께 t2의 하한은, 바람직하게는 0.5mm 이상, 보다 바람직하게는 0.7mm 이상이다. 수지 두께 t2의 상한은, 바람직하게는 2.5mm 이하, 보다 바람직하게는 2.0mm 이하이다.
수지 두께 t2를 상기의 범위로 함으로써, 절연성을 적절히 유지할 수 있으며, 또한, 코일(9)에서 발생한 열을 양호하게 코일 단부 냉각용 유로(14)에 전달할 수 있다.
수지 두께 t2와 제2 수지 경화물의 열전도율 K2의 관계식 P2=t2/K2가 0.3Х10-4(m2K/W) 이상 3Х10-3(m2K/W) 이하이다.
관계식 P1의 하한은, 바람직하게는 0.4Х10-4(m2K/W) 이상, 보다 바람직하게는 0.5Х10-4(m2K/W) 이상이다. 관계식 P1의 상한은, 바람직하게는 2.5Х10-3(m2K/W) 이하, 보다 바람직하게는 2Х10-3(m2K/W) 이하이다.
관계식 P2의 값을 상기 범위로 함으로써, 절연성을 적절히 유지할 수 있으며, 또한, 코일(9)에서 발생한 열을, 코일 단부(9a)로부터 양호하게 코일 내측 냉각용 유로(14)로 전달할 수 있다.
<유로 접속 부품(12)>
본 실시형태에서는, 유로 접속 부품(12)은, 측판부(1b, 1c)의 내부벽(1d)과, 코일 내측 냉각용 유로(10)의 단부(10c) 및 코일 단부 냉각용 유로(14)의 단부(14d)에 의하여 사이에 끼워져 배치되어 있다. 코일 내측 냉각용 유로(10), 유로 접속 부품(12) 및 측판부(1b, 1c)의 각 접합부에는 냉각액의 누설을 방지하기 위하여 필요한 패킹, O링, 시일재 등을 배치한다. 또한, 유로 접속 부품(12)은, 제1 실시형태와 동일하게, 독립적인 부품으로서 구성되며, 코일 내측 냉각용 유로(10)의 단부에 장착되는 구성이어도 되고, 측판부(1b, 1c)와 일체가 된 구성이어도 되며, 코일 내측 냉각용 유로(10), 코일 단부 냉각용 유로(14) 및 외부 접속 유로(17)를 적절히 연통할 수 있으면 된다.
이상과 같이 하여, 스테이터(6)의 각 슬롯(8)에 형성된 코일 내측 냉각용 유로(10) 및 코일 단부에 형성된 코일 단부 냉각용 유로(14)를 측판부(1b, 1c)의 내측에 배치하는 유로 접속 부품(12)에 접속하고, 측판부(1b 및 1c)의 냉각액 출입구에 더 접속함으로써 모터(100)를 냉각 가능하게 한다.
유로 접속 부품(12)은, 코일 단부 냉각용 유로(14)의 둘레 방향의 분할 구조와 함께, 유로 홈의 디자인을 조정함으로써 다수 존재하는 코일 내측 냉각용 유로(10)로의 냉각수의 흘려 보내는 방법을 제어할 수 있다. 동일하게, 유로 접속 부품(12)의 유로 홈의 디자인을 조정함으로써, 냉각수의 출입구를 어느 일방의 측판부(1b, 1c)에 집약 배치하거나, 원통부(1a)에 출입구를 배치할 수 있다.
<코일 내측 냉각용 유로(10), 코일 단부 냉각용 유로(14)의 작용·효과>
본 실시형태에 의하여, 분포 감기의 모터(100A)에 있어서, 코일(9)에 의한 발열을 인접하는 코일 내측 냉각용 유로(10) 및 코일 단부 냉각용 유로(14)로 효율적으로 방열할 수 있으며, 또한 코일(9) 주변의 공간(즉 슬롯(8) 및 코일의 축방향 단부 공간)을 수지 재료로 대체함으로써 열의 이동을 더 용이하게 할 수 있다.
코일 단부(9a)에 있어서도, 제1 실시형태의 공간 방열로부터, 수지 재료를 개재하여 코일 단부 냉각용 유로(14)까지의 접촉식 전열이 됨으로써 열전도가 양호해진다. 이로써, 스테이터(6)의 냉각 성능을 향상시킬 수 있으며, 구리 손실(코일(9)의 권선 자체의 저항에 의하여 소비되는 손실)의 저감, 모터 출력의 향상, 모터(100)의 소형화 등을 실현할 수 있다.
<모터(100A)(회전 전기)의 특징·기능의 정리>
본 실시형태의 모터(100A)의 특징에 대하여 냉각 구조에 착목하여 정리하여 설명한다.
본 실시형태의 모터(100A)에 의하면, 제1 실시형태의 모터(100)의 특징·기능 (1)~(15)와 동일한 특징·기능을 가짐과 함께, 다음의 특징·기능 (16)~(22)를 갖는다.
(16) 스테이터(6)의 축방향 양단으로 돌출된 코일 단부(9a)를 덮는 제2 수지 조성물을 경화한 제2 수지 경화물(절연층(13))과,
상기 코일 내측 냉각용 유로(제1 냉각용 유로)와 접속하고 있으며, 상기 코일 단부(9a)를 덮는 상기 제2 수지 경화물(절연층(13))의 영역에 마련되고, 상기 코일 단부(9a)의 회전축 방향 외측을 냉각제가 순환하는, 둘레 방향으로 연신하는 코일 단부 냉각용 유로(14)(제2 냉각용 유로)를 가져도 된다.
(17) 제2 수지 조성물은 제1 수지 조성물의 적용 범위와 동등하게 하고, 동일한 수지 조성물 또는 상이한 수지 조성물을 경화하여 얻어진다.
(18) 코일 단부 냉각용 유로(14)(제2 냉각용 유로)의 내벽은, 제2 수지 경화물을 구비하여 이루어진다. 즉, 코일 단부 냉각용 유로(14)의 구성의 적어도 일부가 제2 수지 경화물로 이루어져도 된다.
(19) 코일 단부(9a)를 덮는 제2 수지 경화물(절연층(13))의 수지 두께 t2가 0.3mm 이상 3mm 이하여도 된다.
(20) 수지 두께 t2와 제2 수지 경화물(절연층(13))의 열전도율 K2의 관계식 P2=t2/K2가 0.3Х10-4(m2K/W) 이상 3Х10-3(m2K/W) 이하여도 된다.
(21) 스테이터(6)의 주위에 통 형상으로 마련된 케이스 통부(1a)와 케이스 통부(1a)의 양단의 개구를 폐색하는 케이스 측판부(1b, 1c)를 갖는 케이스(1)와,
코일 단부(9a)를 덮는 제2 수지 경화물(절연층(13))과 케이스 측판부(1b, 1c)의 사이에 마련된 연결부(유로 접속 부품(12))를 갖고,
코일 단부 냉각용 유로(14)는, 제2 수지 경화물(절연층(13))과, 연결부(12)를 구비한다.
(22) 연결부(유로 접속 부품(12))는, 케이스 측판부(1b, 1c)로부터 코일 단부(9a)를 향하여 일체로 돌출되어 마련되어 있다.
이상, 본 발명의 실시형태에 대하여 설명했지만, 이들은 본 발명의 예시이며, 상기 이외의 다양한 구성을 채용할 수도 있다. 예를 들면, 코일(9)의 감음 방법은 분포 감기에 한정되지 않고, 집중 감기나 그 외의 감음 방법에 있어서도, 비슷한 냉각 기능을 발휘시킬 수 있다. 또, 코일 내측 냉각용 유로(10)의 배치를, 슬롯(8)의 코일(9)보다 로터 외주면(2a) 측으로 했지만, 케이스(1)(원통부(1a)) 측이어도 되고, 나아가서는 양방이어도 된다.
이 출원은, 2020년 6월 5일에 출원된 일본 출원 특원 2020-098293호 및 2021년 1월 6일에 출원된 일본 출원 특원 2021-000721을 기초로 하는 우선권을 주장하며, 그 개시의 모두를 여기에 원용한다.
1 케이스
1a 원통부(1a)
1b, 1c 측판부
2 로터
2a 로터 외주면
3 회전축
4 베어링
5 영구 자석
6 스테이터
7 티스부
8 슬롯
9 코일
9a 코일 단부
9b 코일 측면부
10 코일 내측 냉각용 유로
10a 내벽
11, 13 절연층
14 코일 단부 냉각용 유로
14a 내벽
14b 단부 측방 냉각용 유로
14c 코일 단부 냉각용 유로 본체
100, 100A 모터

Claims (23)

  1. 복수의 티스부를 갖는 스테이터와, 상기 티스부에 감긴 코일을 갖고, 상기 코일이 상기 티스부의 사이에 형성된 슬롯을 가지며, 상기 코일이 상기 슬롯에 마련된 회전 전기의 냉각 구조로서,
    상기 슬롯에 충전되고, 상기 코일을 덮는 제1 수지 조성물과,
    상기 제1 수지 조성물이 충전되어 있는 영역에 마련되며, 내부를 냉각제가 순환하는, 회전축 방향으로 뻗어 나오는 제1 냉각용 유로를 갖는 회전 전기의 냉각 구조.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 냉각용 유로의 내벽은, 고열전도성의 제1 수지 경화재로 이루어지는, 회전 전기의 냉각 구조.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 수지 경화재는, 상기 제1 수지 조성물이 경화된 부재인, 회전 전기의 냉각 구조.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제1 수지 경화재의 열전도율 K1이 1~10W/m·K인, 회전 전기의 냉각 구조.
  5. 청구항 3 또는 청구항 4에 있어서,
    상기 제1 수지 경화재의 유리 전이 온도 Tg1이 150℃이상인, 회전 전기의 냉각 구조.
  6. 청구항 3 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 수지 경화재를, 175℃에서 4시간 가열 처리한 샘플에 대하여, 동적 점탄성 측정기를 이용하여, 측정 온도: -50℃~200℃, 승온 속도: 5℃/분, 하중: 800gf, 주파수: 10Hz, 3점 굽힘 모드의 조건에서 측정한, 25℃에 있어서의 저장 탄성률이, 20GPa 이상 70GPa 이하인, 회전 전기의 냉각 구조.
  7. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 코일의 측면부를 덮는 상기 제1 수지 조성물의 수지 두께 t1이 0.3mm 이상 3.0mm 이하인, 회전 전기의 냉각 구조.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 수지 두께 t1과 상기 제1 수지 조성물의 열전도율 K1의 관계식 P1=t1/K1이 0.3Х10-4(m2K/W) 이상 3Х10-3(m2K/W) 이하인, 회전 전기의 냉각 구조.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 냉각용 유로의 내벽은, 고열전도성의 금속으로 이루어지는, 회전 전기의 냉각 구조.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 냉각용 유로의 내벽은, 고열전도성의 무기 재료로 이루어지는, 회전 전기의 냉각 구조.
  11. 청구항 1 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 냉각용 유로는, 상기 코일보다 상기 회전축 방향 측에 마련되어 있는, 회전 전기의 냉각 구조.
  12. 청구항 1 내지 청구항 11 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 코일은 복수의 슬롯을 걸쳐 권장(卷裝)된 분포 감기로서 구성되어 있는, 회전 전기의 냉각 구조.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 제1 냉각용 유로는, 하나의 분포 감기를 구성하는 슬롯의 세트마다 적어도 하나 마련되어 있는, 회전 전기의 냉각 구조.
  14. 청구항 1 내지 청구항 13 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 수지 조성물은, 에폭시 수지 및 페놀 수지로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종의 열경화성 수지로 이루어지는, 회전 전기의 냉각 구조.
  15. 청구항 1 내지 청구항 14 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스테이터의 축방향 양단으로 돌출된 코일 단부를 덮는 제2 수지 조성물을 경화한 제2 수지 경화물과,
    상기 제1 냉각용 유로와 접속하고 있으며, 상기 코일 단부를 덮는 상기 제2 수지 경화물의 영역에 마련되고, 상기 코일 단부의 회전축 방향 외측을 냉각제가 순환하는, 둘레 방향으로 연신하는 제2 냉각용 유로를 갖는 회전 전기의 냉각 구조.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 제2 수지 조성물은 제1 수지 조성물의 적용 범위와 동등하게 하고, 동일한 수지 조성물 또는 상이한 수지 조성물을 경화하여 얻어지는, 회전 전기의 냉각 구조.
  17. 청구항 15 또는 청구항 16에 있어서,
    상기 제2 냉각용 유로의 내벽은, 상기 제2 수지 경화물을 구비하여 이루어지는, 회전 전기의 냉각 구조.
  18. 청구항 15 내지 청구항 17 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 코일 단부를 덮는 상기 제2 수지 경화물의 수지 두께 t2가 0.3mm 이상 3mm 이하인, 회전 전기의 냉각 구조.
  19. 청구항 18에 있어서,
    상기 수지 두께 t2와 상기 제2 수지 경화물의 열전도율 K2의 관계식 P2=t2/K2가 0.3Х10-4(m2K/W) 이상 3Х10-3(m2K/W) 이하인, 회전 전기의 냉각 구조.
  20. 청구항 15 내지 청구항 19 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스테이터의 주위에 통 형상으로 마련된 케이스 통부와 상기 케이스 통부의 양단의 개구를 폐색하는 케이스 측판부를 갖는 케이스와,
    상기 코일 단부를 덮는 상기 제2 수지 경화물과 상기 케이스 측판부의 사이에 마련된 연결부를 갖고,
    상기 제2 냉각용 유로는, 상기 제2 수지 경화물과, 상기 연결부를 구비하는, 회전 전기의 냉각 구조.
  21. 청구항 20에 있어서,
    상기 연결부는, 상기 케이스 측판부로부터 상기 코일 단부를 향하여 일체로 돌출되어 마련되어 있는, 회전 전기의 냉각 구조.
  22. 청구항 20에 있어서,
    상기 연결부는, 상기 케이스 측판부와 별체로서 마련되어 있는, 회전 전기의 냉각 구조.
  23. 청구항 1 내지 청구항 22 중 어느 한 항에 기재된 냉각 구조를 갖는 회전 전기.
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