WO2021261533A1

WO2021261533A1 - 回転電機のステータ及び回転電機

Info

Publication number: WO2021261533A1
Application number: PCT/JP2021/023867
Authority: WO
Inventors: 道成福岡
Original assignee: 株式会社デンソー
Priority date: 2020-06-26
Filing date: 2021-06-23
Publication date: 2021-12-30
Also published as: JP2022007692A

Abstract

回転電機のステータ（１０）は、円筒状のハウジング（１１）と、ハウジングの内周面（１１ａ）に固定される円環状のステータコア（１２）と、ステータコアに巻装される巻線（１３）とを含む。ステータコアの外周縁部（１２ｃ）には、径方向外側のハウジングに向かって開口する複数の凹部（１５）が周方向に点在するように設けられる。各凹部には、ステータコア及びハウジングの直接接触部間の熱伝導よりも伝熱性に優れた伝熱材（１６）が充填される。ステータコアの外周長（Ｌ０）に対する、伝熱材が充填された各凹部の周方向幅（Ｗ１）の合計の比率である凹部比率が、７［％］以上３８［％］以下に設定される。

Description

回転電機のステータ及び回転電機

関連出願の相互参照

　本出願は、２０２０年６月２６日に出願された日本出願番号２０２０－１１０７９７号に基づくもので、ここにその記載内容を援用する。

　本開示は、回転電機のステータ及び回転電機に関する。

　回転電機のステータは、例えば巻線の巻装されたステータコアがハウジングの内周面に固定されてなる（特許文献１等参照）。ステータコアは、ロータの回転に伴う反トルクを受けるため、ハウジングに対して強固に固定することが求められる。

特許第５４８３８６２号公報

　ステータコアの固定に焼嵌めを用いる場合等、ステータコアの固定力を高めるための一つとして、ステータコアとハウジングとの間の締め代を大きく設定すると、ステータコア及びハウジングに相互に作用する応力も大きくなる。そこで、ハウジングに作用する応力への対応としてハウジングを厚くして強度を確保しようとすると、ハウジングの重量増、ひいては回転電機の重量増に繋がってしまう。

　一方で、ステータコアのティース部に巻装された巻線は、自身への通電により発熱する。巻線で発生した熱は、ステータコアにおいてティース部から環状部に、環状部からハウジングへと順次伝達されて、最終的にハウジングの周囲に放熱されるものであるが、その際の熱伝達をより効率的とし、回転電機の放熱性を高くすることも検討する必要があった。

　本開示の目的は、重量軽減と放熱性向上を図ることができる回転電機のステータ及び回転電機を提供することにある。

　本開示の第１の態様において、回転電機のステータは、円筒状のハウジングと、前記ハウジングの内周面に固定される円環状のステータコアと、前記ステータコアに巻装される巻線とを備える。前記ステータコアの外周縁部には、径方向外側の前記ハウジングに向かって開口する複数の凹部が周方向に点在するように設けられる。前記各凹部には、前記ステータコア及び前記ハウジングの直接接触部間の熱伝導よりも伝熱性に優れた伝熱材が充填される。前記ステータコアの外周長に対する、前記伝熱材が充填された前記各凹部の周方向幅の合計の比率である凹部比率が、７［％］以上３８［％］以下に設定されて構成される。

　本開示の第２の態様において、回転電機は、円筒状のハウジングと前記ハウジングの内周面に固定される円環状のステータコアと前記ステータコアに巻装される巻線とを有するステータと、前記巻線への通電に基づき前記ステータにて発生する回転磁界にて回転するロータとを備える。前記ステータコアの外周縁部には、径方向外側の前記ハウジングに向かって開口する複数の凹部が周方向に点在するように設けられるる。前記各凹部には、前記ステータコア及び前記ハウジングの直接接触部間の熱伝導よりも伝熱性に優れた伝熱材が充填される。前記ステータコアの外周長に対する、前記伝熱材が充填された前記各凹部の周方向幅の合計の比率である凹部比率が、７［％］以上３８［％］以下に設定されて構成される。

　上記回転電機のステータ及び回転電機によれば、ステータコアの外周縁部の周方向に点在して設けられる複数の凹部には、ステータコア及びハウジングの直接接触部間の熱伝導よりも伝熱性に優れた伝熱材がそれぞれ充填される。伝熱材は、熱源となる巻線が装着されるステータコアからハウジングへの熱伝導を促進する伝熱経路となり、ハウジングから周囲への放熱（大気への放熱や冷却水への放熱等）を効率的に行わせる。このような伝熱材を充填する凹部における凹部比率が７［％］以上３８［％］以下に設定されることで、ステータコアからハウジングへの伝熱性向上とハウジングの重量軽減との両立が図れ（図３参照）、ひいてはステータや回転電機の放熱性向上と重量軽減とが図れる。

　本開示についての上記目的およびその他の目的、特徴や利点は、添付の図面を参酌しながら下記の詳細な記述により、より明確になる。その図面は、
図１は、一実施形態における回転電機を直線状に展開した平面視図。図２は、同形態における回転電機の軸方向断面図。図３は、同形態における回転電機の構成部品の設定に係る説明図。図４は、同形態における回転電機の構成部品の設定に係る説明図。図５は、変形例における回転電機のステータの平面視図。図６は、変形例における回転電機のステータの平面視図。

　以下、回転電機のステータ及び回転電機の一実施形態について図面を用いて説明する。なお、図１等において本実施形態の回転電機Ｍを示すが、外形形状が本来円形状のものを直線状に展開して描いている。つまり、図１等において、矢印θ方向が回転電機Ｍの周方向、矢印ｒ方向が径方向である。

　本実施形態の回転電機Ｍは、通電により回転磁界を発生させるステータ１０と、ステータ１０にて発生した回転磁界を受けて回転するロータ２０とを備えている。

　ステータ１０は、ハウジング１１と、ステータコア１２と、巻線１３とを備えている。ハウジング１１は、金属製で円筒状をなし、内周面１１ａにステータコア１２が固定されている。ステータコア１２の固定において、本実施形態では焼嵌めが用いられている。すなわち、ハウジング１１の加熱膨張により内径が一旦大きくされたところでステータコア１２が挿入され、その後のハウジング１１の冷却収縮により本来の内径に戻ることで、ステータコア１２がハウジング１１の内周面１１ａに圧接する強固な固定状態となる。

　ステータコア１２は、磁性金属製で全体的に円環状をなしている。ステータコア１２は、バックヨークの機能を含む円環状の環状部１２ａと、環状部１２ａの周方向等間隔で径方向内側に延びる複数のティース部１２ｂとを有している。ステータコア１２は、環状部１２ａの外周縁部１２ｃがハウジング１１の内周面１１ａに圧接する。各ティース部１２ｂには、それぞれ巻線１３が巻装されている。巻線１３は、集中巻きや分布巻き等、いずれの巻回態様であってもよい。そして、各巻線１３に通電がなされると、各ティース部１２ｂの先端部であるステータコア１２の内側において回転磁界が発生する。

　ロータ２０は、外周面２０ａの周方向等間隔に複数の磁極が現れるように永久磁石（図示略）を有し、ステータコア１２の内側空間において回転可能に収容されている。そして、ステータ１０の各巻線１３への通電に基づきステータ１０にて発生する回転磁界を受け、ロータ２０は回転する。

　次に、本実施形態のステータ１０の固定構造及び放熱構造を説明する。

　本実施形態のステータ１０において、ハウジング１１は、周方向及び軸方向に厚さＴ０が一定に設定された単純な円筒形状をなすものである。ステータコア１２の外周縁部１２ｃに径方向外側に開口する複数の凹部１５が設けられている。換言すると、ステータコア１２は、外周縁部１２ｃの各凹部１５以外の当接部分にてハウジング１１の内周面１１ａと接触している。各凹部１５は、互いに同形状をなし、各ティース部１２ｂの周方向中心位置上にそれぞれ設けられ、ステータコア１２の外周縁部１２ｃの周方向等間隔に点在して設けられている。

　各凹部１５は、周方向幅Ｗ１がティース部１２ｂの幅Ｗ０の略半分の長さ、径方向深さＤ１が図２に示すコア材１２ｘの１枚の厚さＴ１と同等となるように、本実施形態ではそれぞれ設定されている。ここで、本実施形態のステータコア１２は、磁性金属板材から打ち抜かれた互いに同形状をなす複数枚のコア材１２ｘが同図２に示す矢印ａ方向である軸方向に積層された積層型として構成されている。また、各凹部１５は、ステータコア１２の軸方向に連続して形成されている。

　各凹部１５には、それぞれ伝熱材１６が充填されている。伝熱材１６は、軟質高粘度のシリコン系樹脂を基材として金属粉又はセラミック粉若しくはその両方を添加したゲル状をなし、優れた伝熱性及び密着性を有する塗布材料である。すなわち、伝熱材１６は、熱源となる巻線１３を含むステータコア１２からハウジング１１に熱伝達を効率的に行うために設けられている。伝熱材１６は、ステータコア１２をハウジング１１に組み付けた後に各凹部１５内に充填され、さらに軸方向の全体に亘って充填されている。

　上記より、本実施形態のステータ１０の固定構造としては、ステータコア１２の外周縁部１２ｃの各凹部１５以外の当接部分がハウジング１１の内周面１１ａに対して圧接した状態での固定となっている。その際、本実施形態では焼嵌めによる固定手法を用いていることから、ステータコア１２及びハウジング１１は、互いに１［ＭＰａ］以上の高い面圧が作用する圧接状態での固定となっている。

　一方で、ステータコア１２の外周縁部１２ｃの各凹部１５以外の当接部分がハウジング１１の内周面１１ａに直接接触しているものの、互いの接触面、特に本実施形態のように複数のコア材１２ｘを用いる積層型のステータコア１２では、その接触面である外周縁部１２ｃの周面の平面度はさほど高くない。そのため、ステータコア１２とハウジング１１との接触面間には、断熱効果の高い空気が多く介在することになる。

　これを踏まえ、本実施形態のステータ１０の放熱構造としては、伝熱性及び密着性に優れた伝熱材１６がステータコア１２の各凹部１５内に充填される構成となっている。伝熱材１６は、密着性に優れることでステータコア１２とハウジング１１とのそれぞれに密着して空気の介在を極めて小さくし、伝熱性に優れることで自身を通じてステータコア１２からハウジング１１への熱伝導を効率的とする。つまり、ステータコア１２とハウジング１１との直接接触する部分よりも各凹部１５内に充填した伝熱材１６自身を含む経路を熱伝導を促進する伝熱経路とし、巻線１３にて発生した熱の多くがその伝熱経路を通ってステータコア１２からハウジング１１に、最終的にハウジング１１の周囲に放熱されるものとなっている。ちなみに、回転電機Ｍの放熱構造が例えば空冷式であれば大気に放熱、水冷式であれば冷却水に放熱される。

　次に、本実施形態のステータ１０の合理的な構成となるハウジング１１の厚さＴ０、ステータコア１２の凹部１５、及び伝熱材１６の各設定について説明する。

　ステータコア１２の外周長Ｌ０に対する凹部１５の周方向幅Ｗ１の合計比率（以下、単に凹部１５の比率という）と、ハウジング１１の厚さＴ０、すなわちハウジング１１の重量ＷＴとの相関関係について図３を用いて説明する。また、凹部１５の比率、すなわち凹部１５内に充填された伝熱材１６のハウジング１１及びステータコア１２間の介在率と、その両者間の伝熱率ＨＴとの相関関係について図４を用いて説明する。

　図３に示すように、凹部１５の比率が１５［％］以上２０［％］以下がハウジング１１の厚さＴ０及び重量ＷＴが最も小さくできる最良範囲である。なお、このときのハウジング１１の重量ＷＴを基準重量とし、グラフにてゼロと設定する。凹部１５の比率が１５［％］未満又は２０［％］を超える範囲では、ともにハウジング１１の厚さＴ０が増加し、これに伴って重量ＷＴが増加する。

　具体的には、凹部１５の比率が１５［％］未満の範囲で次第に比率が小さくなるほど、凹部１５内に充填する伝熱材１６が少なく、伝熱材１６を介した伝熱経路が次第に少なくなる。そのため、ステータコア１２からハウジング１１への熱伝導が上記最良範囲よりも小さくなる。つまり、ステータコア１２に熱が籠もる傾向となるため、巻線１３での発熱が進むと、ステータコア１２の方がハウジング１１よりも大きく熱膨張することとなる。すると、ハウジング１１に作用する応力が増大するため、それに耐え得るようにハウジング１１の厚さＴ０を厚くする必要が生じ、重量ＷＴが増加傾向となる。

　また、凹部１５の比率が２０［％］を超える範囲で次第に比率が大きくなるほど、凹部１５内に充填する伝熱材１６が多く、伝熱材１６を介した伝熱経路が次第に多くなる。そのため、ステータコア１２からハウジング１１への熱伝導が上記最良範囲よりも促進される。つまり、伝熱性だけを考慮すれば、より好ましいと言える。一方で、ステータコア１２からハウジング１１に伝達する傾向となるため、巻線１３での発熱が進んでも、ステータコア１２とハウジング１１との熱膨張が近似して進むこととなる。そのため、ステータコア１２とハウジング１１との間の焼嵌めの締め代を大きく設定する必要が生じ、このことでも結果的にハウジング１１の厚さＴ０を厚く、重量ＷＴが増加傾向となる。

　結果として、凹部１５の比率が１５［％］以上２０［％］以下がステータコア１２からハウジング１１への熱伝導とハウジング１１の重量ＷＴとの両面から最良範囲ということが言える。ただし、それより広い１０［％］以上２９［％］以下の範囲であっても、ハウジング１１の重量ＷＴが１ポイント大きくなるだけで済むより好ましい範囲であると言える。さらに、それより広い７［％］以上３８［％］以下の範囲であっても、ハウジング１１の重量ＷＴが２ポイント大きくなるだけで済む好ましい範囲であると言える。

　また、伝熱材１６の選定については、凹部１５の比率の設定と合わせて検討する。ステータコア１２からハウジング１１への伝熱率ＨＴを図４に示す設定値αに設定した場合、例えば凹部１５の比率を２５［％］に決定したとすると、第１伝熱材１６ａから第３伝熱材１６ｃのうち、第２伝熱材１６ｂと第３伝熱材１６ｃとを用いれば、伝熱率ＨＴが設定値α以上となる。ここで、第１伝熱材１６ａから第３伝熱材１６ｃは、第１伝熱材１６ａから第２伝熱材１６ｂ、第３伝熱材１６ｃとなるほど次第に伝熱性能に優れるものである。そして、第３伝熱材１６ｃは伝熱性に優れ設定値αに対する裕度が大きいが、伝熱性に優れるものほど高価となると仮定すれば、伝熱性・価格の両面から第２伝熱材１６ｂを回転電機Ｍに用いる伝熱材１６として選定するのが好ましいということになる。

　なお、図４は、凹部１５内への伝熱材１６の充填率が１００［％］であることを想定しているが、凹部１５に対する実際の伝熱材１６の充填塗布において１００［％］が煩雑な場合、凹部１５の比率に充填率を掛け算することで伝熱材１６の選定が可能である。具体的には、凹部１５の比率を２５［％］に決定したとすると、充填率が８０［％］とすれば、凹部１５の比率を２０［％］と読み替えて伝熱材１６の選定を行う。すると、伝熱率ＨＴを設定値α以上とするには今度は第２伝熱材１６ｂが不適となり、より伝熱性に優れた伝熱材１６を改めて選定するということになる。ちなみに本実施形態では、凹部１５に対する伝熱材１６の充填率は５０［％］以上であることが好ましいと考えている。

　本実施形態の効果について説明する。

　（１）本実施形態では、ステータコア１２の外周縁部１２ｃの周方向に点在して設けられる複数の凹部１５には、ステータコア１２及びハウジング１１の直接接触部間の熱伝導よりも伝熱性に優れた伝熱材１６がそれぞれ充填される。伝熱材１６は、熱源となる巻線１３が装着されるステータコア１２からハウジング１１への熱伝導を促進する伝熱経路となり、ハウジング１１から周囲への放熱（大気への放熱や冷却水への放熱等）を効率的に行わせる。このような伝熱材１６を充填する凹部１５のステータコア１２の外周長Ｌ０に対する比率は、本実施形態では７［％］以上３８［％］以下に設定されることで、ステータコア１２からハウジング１１への伝熱性向上とハウジング１１の重量軽減との両立を図ることができる（図３参照）。これにより、ステータ１０や回転電機Ｍの放熱性向上と重量軽減とを図ることができる。

　（２）伝熱材１６を充填する凹部１５の比率を好ましくは１０［％］以上２９［％］以下、より好ましくは１５［％］以上２０［％］以下に設定することで、ステータコア１２からハウジング１１への伝熱性向上とハウジング１１の重量軽減との両効果をより確実に得ることができる。

　本実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。

　・図５に示すように、ティース部１２ｂを環状部１２ａよりも飽和磁束密度が大きい軟磁性材料にて構成してもよい。このようにすれば、ティース部１２ｂでの磁気抵抗が低減でき、巻線１３での発熱抑制が期待できる。

　・図６に示すように、ティース部１２ｂを環状部１２ａに対して別部材の組付態様にて構成、この場合、環状部１２ａの内周縁部に嵌合凹部１２ａ１を、ティース部１２ｂの基端部にその嵌合凹部１２ａ１と嵌合する嵌合凸部１２ｂ１を設けて構成してもよい。このようにすれば、例えばティース部１２ｂに巻線１３を巻装後にティース部１２ｂを環状部１２ａに組み付けるようにすれば、巻線１３のティース部１２ｂへの巻装を容易に行うことができる。

　またこの態様において、ティース部１２ｂと環状部１２ａとの間に、ティース部１２ｂ及び環状部１２ａの直接接触部間の熱伝導よりも伝熱性に優れた例えば上記伝熱材１６と同一構成の伝熱材１７を介在させて構成してもよい。このようにすれば、ティース部１２ｂと環状部１２ａとが別部材の組付態様であっても、伝熱材１７がティース部１２ｂから環状部１２ａへの熱伝導を促進する伝熱経路となり、巻線１３からハウジング１１への熱伝導を効率的に行うことができる。

　・上記の他、ステータコア１２の構成を適宜変更してもよい。例えば、複数のコア材１２ｘを積層した積層型のステータコア１２であったが、樹脂に磁性粉体を混ぜて成形した成形型であってもよい。

　・伝熱材１６を充填する凹部１５の形状や位置を適宜変更してもよい。

　・伝熱材１６を軟質高粘度のシリコン系樹脂を基材として金属粉又はセラミック粉若しくはその両方を添加して構成したが、材料はこれに限らず適宜変更してもよい。

　上記実施形態及び変更例から把握できる技術的思想について記載する。

　（Ａ）前記伝熱材が充填された前記各凹部の凹部比率が、１０［％］以上２９［％］以下に設定されて構成された、請求項６に記載の回転電機。

　（Ｂ）前記伝熱材が充填された前記各凹部の凹部比率が、１５［％］以上２０［％］以下に設定されて構成された、上記（Ａ）に記載の回転電機。

　（Ｃ）前記ステータコアは、バックヨークの機能を含む円環状の環状部と、前記環状部の周方向等間隔で径方向内側に延びる複数のティース部とを有するものであり、
　前記ティース部は、前記環状部よりも飽和磁束密度が大きい材料にて構成された、請求項６及び上記（Ａ）（Ｂ）のいずれか１項に記載の回転電機。

　（Ｄ）前記ステータコアは、バックヨークの機能を含む円環状の環状部と、前記環状部の周方向等間隔で径方向内側に延びる複数のティース部とを有し、前記ティース部は、前記環状部に対して別部材の組付態様にて構成されるものであり、
　前記ティース部と前記環状部との間には、前記ティース部及び前記環状部の直接接触部間の熱伝導よりも伝熱性に優れた伝熱材が介在されて構成された、請求項６及び上記（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）のいずれか１項に記載の回転電機。

　本開示は、実施例に準拠して記述されたが、本開示は当該実施例や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。

Claims

　円筒状のハウジング（１１）と、前記ハウジングの内周面（１１ａ）に固定される円環状のステータコア（１２）と、前記ステータコアに巻装される巻線（１３）とを備えた回転電機のステータ（１０）であって、
　前記ステータコアの外周縁部（１２ｃ）には、径方向外側の前記ハウジングに向かって開口する複数の凹部（１５）が周方向に点在するように設けられるとともに、
　前記各凹部には、前記ステータコア及び前記ハウジングの直接接触部間の熱伝導よりも伝熱性に優れた伝熱材（１６）が充填され、
　前記ステータコアの外周長（Ｌ０）に対する、前記伝熱材が充填された前記各凹部の周方向幅（Ｗ１）の合計の比率である凹部比率が、７［％］以上３８［％］以下に設定されて構成された、回転電機のステータ。
　前記伝熱材が充填された前記各凹部の凹部比率が、１０［％］以上２９［％］以下に設定されて構成された、請求項１に記載の回転電機のステータ。
　前記伝熱材が充填された前記各凹部の凹部比率が、１５［％］以上２０［％］以下に設定されて構成された、請求項２に記載の回転電機のステータ。
　前記ステータコアは、バックヨークの機能を含む円環状の環状部（１２ａ）と、前記環状部の周方向等間隔で径方向内側に延びる複数のティース部（１２ｂ）とを有するものであり、
　前記ティース部は、前記環状部よりも飽和磁束密度が大きい材料にて構成された、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の回転電機のステータ。
　前記ステータコアは、バックヨークの機能を含む円環状の環状部（１２ａ）と、前記環状部の周方向等間隔で径方向内側に延びる複数のティース部（１２ｂ）とを有し、前記ティース部は、前記環状部に対して別部材の組付態様にて構成されるものであり、
　前記ティース部と前記環状部との間には、前記ティース部及び前記環状部の直接接触部間の熱伝導よりも伝熱性に優れた伝熱材（１７）が介在されて構成された、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の回転電機のステータ。
　円筒状のハウジング（１１）と前記ハウジングの内周面（１１ａ）に固定される円環状のステータコア（１２）と前記ステータコアに巻装される巻線（１３）とを有するステータ（１０）と、前記巻線への通電に基づき前記ステータにて発生する回転磁界にて回転するロータ（２０）とを備えた回転電機（Ｍ）であって、
　前記ステータコアの外周縁部（１２ｃ）には、径方向外側の前記ハウジングに向かって開口する複数の凹部（１５）が周方向に点在するように設けられるとともに、
　前記各凹部には、前記ステータコア及び前記ハウジングの直接接触部間の熱伝導よりも伝熱性に優れた伝熱材（１６）が充填され、
　前記ステータコアの外周長（Ｌ０）に対する、前記伝熱材が充填された前記各凹部の周方向幅（Ｗ１）の合計の比率である凹部比率が、７［％］以上３８［％］以下に設定されて構成された、回転電機。