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技術 回転電機

出願人 トヨタ紡織株式会社
発明者 荒井安成
出願日 2019年4月12日 (1年10ヶ月経過) 出願番号 2019-076317
公開日 2020年10月22日 (4ヶ月経過) 公開番号 2020-174496
状態 未査定
技術分野 回転電機の鉄心
主要キーワード 配設範囲 コイル線同士 断面四角 ケース底壁 無方向性ケイ素鋼 金属板同士 金属板間 各金属板
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2020年10月22日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (9)

課題

冷却効率の向上を図ることのできる回転電機を提供する。

解決手段

電動機は、金属板23が積層されてなるステータコア20と、同ステータコア20に巻回されたステータコイル21とを有する。金属板23におけるステータコイル21が巻回される部分は、回転軸方向に曲がった形状をなしている。ステータコイル21の形成材料線膨張係数は、ステータコア20の形成材料の線膨張係数よりも大きい。ステータコイル21は、金属板23における曲がった形状の部分を平らにする方向にステータコア20を締め付けた状態で同ステータコア20に巻回されている。

概要

背景

特許文献1に記載の回転電機は、金属板が積層された構造の鉄心であるステータコアや、同ステータコアに巻回された巻線であるステータコイルを有している。こうした回転電機が作動すると、ステータコアやステータコイルの発熱に伴って同回転電機の温度が高くなる。そのため通常、回転電機内の空気や回転電機の内部に供給される冷却用オイル等を冷却媒体として、回転電機は冷却されている。

概要

冷却効率の向上をることのできる回転電機を提供する。電動機は、金属板23が積層されてなるステータコア20と、同ステータコア20に巻回されたステータコイル21とを有する。金属板23におけるステータコイル21が巻回される部分は、回転軸方向に曲がった形状をなしている。ステータコイル21の形成材料線膨張係数は、ステータコア20の形成材料の線膨張係数よりも大きい。ステータコイル21は、金属板23における曲がった形状の部分を平らにする方向にステータコア20を締め付けた状態で同ステータコア20に巻回されている。

目的

本発明は、そうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、冷却効率の向上を図ることのできる回転電機を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
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牽制数
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請求項1

金属板が積層されてなる鉄心と、同鉄心に巻回された巻線とを有する回転電機であって、前記鉄心を構成する金属板の少なくとも一部は、同金属板における前記巻線が巻回される部分が前記回転電機の回転軸方向に曲がった形状をなしており、前記巻線は、前記鉄心の形成材料よりも線膨張係数が大きい形成材料からなるとともに、前記曲がった形状の部分を平らにする方向に前記鉄心を締め付けた状態で同鉄心に巻回されている、回転電機。

請求項2

前記鉄心は、前記巻線が巻回される部分が前記回転軸方向における一方側に凸状をなす態様で湾曲した金属板と、前記巻線が巻回される部分が前記回転軸方向における他方側に凸状をなす態様で湾曲した金属板と、が交互に並ぶ態様で積層されてなる請求項1に記載の回転電機。

請求項3

前記巻線は、断面四角状のものである請求項1または2に記載の回転電機。

請求項4

前記巻線の形成材料はアルミニウムである請求項1〜3のいずれか一項に記載の回転電機。

技術分野

0001

本発明は、鉄心および巻線を有する回転電機に関するものである。

背景技術

0002

特許文献1に記載の回転電機は、金属板が積層された構造の鉄心であるステータコアや、同ステータコアに巻回された巻線であるステータコイルを有している。こうした回転電機が作動すると、ステータコアやステータコイルの発熱に伴って同回転電機の温度が高くなる。そのため通常、回転電機内の空気や回転電機の内部に供給される冷却用オイル等を冷却媒体として、回転電機は冷却されている。

先行技術

0003

特許第6459301号公報

発明が解決しようとする課題

0004

近年における回転電機の高効率化の影響によって、回転電機の内部におけるステータコアとステータコイルとの隙間やステータコイルのコイル線同士の隙間、すなわち冷却媒体が侵入する隙間が小さくなっている。そして、これが冷却媒体による回転電機の冷却効率の向上を阻む一因になっている。

0005

本発明は、そうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、冷却効率の向上を図ることのできる回転電機を提供することにある。

課題を解決するための手段

0006

上記課題を解決するための回転電機は、金属板が積層されてなる鉄心と、同鉄心に巻回された巻線とを有する回転電機であって、前記鉄心を構成する金属板の少なくとも一部は、同金属板における前記巻線が巻回される部分が前記回転電機の回転軸方向に曲がった形状をなしており、前記巻線は、前記鉄心の形成材料よりも線膨張係数が大きい形成材料からなるとともに、前記曲がった形状の部分を平らにする方向に前記鉄心を締め付けた状態で同鉄心に巻回されている。

0007

上記構成では、回転電機の温度が低いときには、鉄心を構成する金属板同士の隙間が小さい状態で保たれる。そして、回転電機の作動に伴って鉄心および巻線の温度が高くなると、このとき鉄心の熱膨張量よりも巻線の熱膨張量が大きくなるため、同巻線による鉄心の締め付け力が弱くなる。これにより、金属板が復元して曲がった状態に戻るようになるため、鉄心を構成する金属板間に隙間が生じるようになる。上記構成によれば、こうした隙間を回転電機の冷却のための隙間、詳しくは空気などの冷却媒体が入り込む隙間として利用することができる。したがって、回転電機の冷却効率の向上を図ることができる。

発明の効果

0008

本発明によれば、冷却効率の向上を図ることができる。

図面の簡単な説明

0009

一実施形態の回転電機の側断面図。
ステータの斜視図。
ステータのティース部およびその周辺を拡大して示す側面図。
金属板のティース部にあたる部分の曲げ形状を示す断面図。
ステータの図3のA−A線に沿った断面図。
ステータの図3のB−B線に沿った断面構造を示す略図。
高温時におけるステータの図3のA−A線に沿った断面図。
高温時におけるステータの図3のB−B線に沿った断面構造を示す略図。

実施例

0010

以下、回転電機の一実施形態について説明する。
図1に示すように、回転電機としての電動機10は永久磁石界磁式の同期モータであり、ステータ11およびロータ12が収容されたケース13を有している。このケース13は、筒状をなすケース本体14と、同ケース本体14の一方の開口を塞ぐケース蓋壁15と、ケース本体14の他方の開口を塞ぐケース底壁16とを有している。

0011

電動機10のステータ11は、鉄心としてのステータコア20や、巻線としてのステータコイル21を有している。ステータコア20は略円筒形状をなしており、ケース本体14の内部に固定されている。ステータコイル21は、上記ステータコア20における中心孔22の周囲に巻回されている。ステータ11の詳細については後述する。

0012

電動機10のロータ12は、ロータコア30とロータシャフト31とを有している。ロータコア30は円筒状をなしている。ロータシャフト31は、ロータコア30の中心孔32に挿通された状態で同ロータコア30と一体になっている。

0013

ケース底壁16には支持孔33が設けられている。またケース蓋壁15の内面には円筒状の支持筒部34が突設されている。これら支持孔33および支持筒部34は、ロータシャフト31を回転可能に支持する軸受けとして機能する。本実施形態では、ロータシャフト31の一端が上記支持孔33に挿入されるとともに他端が上記支持筒部34に挿入された状態で、同ロータシャフト31がケース13に支持されている。

0014

ケース蓋壁15の上部におけるステータコイル21に対向する部分にはオイル貫通孔40が形成されている。また、ケース底壁16の上部におけるステータコイル21に対向する部分にはオイル貫通孔41が形成されている。これらオイル貫通孔40,41は、冷却用のオイルが通過するオイル通路として機能する。

0015

電動機10にはオイルポンプ43が接続されている。オイルポンプ43の吸入ポートはケース13の下部に接続されており、同オイルポンプ43の吐出ポートはケース13外面における各オイル貫通孔40,41の開口部分に接続されている。

0016

本実施形態の電動機10では、図1中にドットハッチングで示すように、ケース13の下部にオイルが溜まっている。電動機10の作動に際してオイルポンプ43が作動すると、ケース13下部のオイルがオイルポンプ43によって汲み上げられるとともに、オイル貫通孔40,41を介してケース13内に供給されて、ステータコイル21に掛けられる。本実施形態では、このようにしてステータ11に掛けられるオイルと同ステータ11との熱交換を通じて、ステータ11が冷却されるようになっている。

0017

以下、ステータ11の具体構造について説明する。
図2および図3に示すように、ステータコア20は、中心孔を有する円板状の金属板23が複数枚(例えば数百枚)積層された積層構造をなしている。金属板23は電磁鋼板(詳しくは、無方向性ケイ素鋼板)によって形成されている。

0018

ステータコア20には、断面略扇形状で電動機10の回転軸方向に貫通するスリット24が複数設けられている。各スリット24は、ステータコア20の内周面において開口するとともに同ステータコア20の径方向に延びる形状をなしている。複数のスリット24は、ステータコア20の周囲方向において等間隔で並ぶように配置されている。

0019

ステータコイル21は集中巻のものであり、ステータコア20における隣り合うスリット24に挟まれた部分(ティース部25)に巻回されたコイル状をなしている。詳しくは、ステータコイル21は、コイル線配設範囲外形断面が略長方形状になるとともにティース部25の周囲で環状をなすように、同ティース部25に複数回にわたって巻回されている。ステータコイル21の形成材料はアルミニウムであり、同ステータコイル21を構成するコイル線は断面四角状をなしている。

0020

各スリット24の内部には隣り合うスロットのステータコイル21の一部が配置される。各スリット24における二つのステータコイル21の間には、その隙間を埋める形状のスペーサ26が配設されている。このスペーサ26は、絶縁性を有する合成樹脂によって形成されている。

0021

図4に示すように、ステータコア20の各金属板23における上記ティース部25にあたる部分は、回転軸方向の一方(図4における上方または下方)に凸状をなす態様でステータコア20の径方向(図4の左右方向)において湾曲する形状になっている。なお図4では、各金属板23の曲げ形状の理解を容易にするために、各金属板23の厚さや湾曲の度合いを誇張して示している。

0022

そして、ステータコア20は、同一のティース部25を見た場合に、同ティース部25にあたる部分が回転軸方向における一方側(図4の上側)に凸状をなす態様で湾曲した金属板23と、ティース部25にあたる部分が回転軸方向における他方側(図4の下側)に凸状をなす態様で湾曲した金属板23とが交互に並ぶ態様で積層されている。

0023

本実施形態では、ステータコア20へのステータコイル21の組み付けに際して、同ステータコア20のティース部25にステータコイル21を巻回する作業が、各金属板23における湾曲した形状の部分を平らにする方向にティース部25を締め付ける態様で行われる。これにより、図5に示すように、本実施形態のステータコア20では、隣り合う金属板23のティース部25にあたる部分が弾性変形して互いに密着した状態になっている。なお図5では、各金属板23の形状の理解を容易にするために、金属板23の厚さを誇張して示している。

0024

以下、こうしたステータ11を有する電動機10による作用について説明する。
本実施形態では、ステータコア20にステータコイル21を組み付ける際に、金属板23の積層方向においてステータコア20のティース部25を締め付けるようにステータコイル21が設けられる。これにより、隣り合う金属板23同士の隙間が小さい状態になっている。そのため、図5および図6に示すように、電動機10の作動停止時や作動継続時間が短いときなど、ステータ11の温度が低いときには、ステータコア20を構成する金属板23同士の隙間が小さい状態で保たれる。なお図6では、各金属板23の形状の理解を容易にするために、各金属板23の形状を単純化して示している。このときには、ケース13内におけるステータコア20のティース部25周辺の隙間、すなわち冷却用のオイルが侵入する隙間が小さくなる。とはいえ、ステータ11の温度が低く、冷却用オイルによる高い冷却能力が求められる状況ではないため、冷却能力の不足を招く可能性は低い。

0025

本実施形態では、ステータコイル21の形成材料(アルミニウム)の線膨張係数がステータコア20の形成材料(ケイ素鋼板)の線膨張係数よりも大きい。そのため、電動機10の作動に伴ってステータ11の温度が高くなると、このときのステータコイル21の熱膨張量がステータコア20の熱膨張量よりも大きくなる。

0026

ここで、コイル状のステータコイル21の外周面のうちのステータコア20の周囲方向側の両面は、スペーサ26に接触して支持されている。そのため、ステータコイル21の熱膨張に際して同ステータコイル21の周囲方向への変形は抑えられる。したがって、ステータコイル21の熱膨張に際して同ステータコイル21は回転軸方向に伸張する態様で変形するようになる。

0027

図7および図8に示すように、こうしたステータコイル21の変形によって、同ステータコイル21によるステータコア20の回転軸方向における締め付け力が弱くなるため、各金属板23の上記ティース部25にあたる部分が復元して湾曲した状態に戻るようになる。その結果、隣り合う金属板23における上記ティース部25に当たる部分の間に隙間が生じるようになる。本実施形態によれば、こうした隙間を電動機10の冷却のための隙間、詳しくは冷却用オイルが入り込む隙間として利用することができる。これにより、電動機10の冷却効率の向上を図ることができる。

0028

なお図7では、金属板23間に生じる隙間の理解を容易にするために、ステータコア20の伸張の度合いや、隣り合う金属板23の隙間、金属板23とステータコア20との隙間などを誇張して示している。本実施形態では、実際には、ステータコイル21は回転軸方向においてステータコア20よりも数百マイクロメートルだけ多く伸張する。また図8では、各金属板23の形状の理解を容易にするために、各金属板23の形状を単純化して示している。

0029

また本実施形態では、電動機10の運転に伴ってステータ11の温度が高くなったときには、ステータコイル21とステータコア20との熱膨張量の差によって、回転軸方向におけるステータコイル21とステータコア20との隙間が大きくなる。本実施形態によれば、隙間が大きくなる分だけ同隙間に冷却用オイルが侵入し易くなるため、電動機10の冷却効率の向上を図ることができる。

0030

本実施形態によれば、以下に記載する効果が得られるようになる。
(1)電動機10の冷却効率の向上を図ることができる。
(2)ステータコア20の構造を、同一のティース部25を見た場合に、ティース部25にあたる部分が回転軸方向における一方側に凸状をなす態様で湾曲した金属板23と、上記ティース部25にあたる部分が回転軸方向における他方側に凸状をなす態様で湾曲した金属板23とが交互に並ぶ態様で積層される構造にした。そのため、金属板23の積層方向においてステータコア20を締め付けるようにステータコイル21を設けることにより、各金属板23を弾性変形させて、隣り合う金属板23同士の隙間が小さい状態にすることができる。しかも、温度上昇によるステータコア20およびステータコイル21の熱膨張に伴って同ステータコイル21によるステータコア20のティース部25の締め付け力が小さくなると、各金属板23が復元して湾曲した状態に戻るようになる。このようにして、隣り合う金属板23同士の隙間を大きくすることができる。

0031

(3)ステータコイル21を構成するコイル線は断面四角状をなしている。これにより、ステータコイル21を構成するコイル線同士が面接触する構造にすることができる。そのため、コイル線同士が線接触(あるいは点接触)する構造のステータと比較して、ステータコイル21が熱膨張する際にコイル線同士を安定した状態で支持させることができる。したがって、各コイル線の位置を容易に管理することができ、ひいては同ステータコイル21の変形態様を容易に管理することができる。

0032

(4)ステータコイル21の形成材料をアルミニウムにするとともに、ステータコア20の形成材料をケイ素鋼板にした。そのため、銅製のステータコイルが採用される電動機と比較して、ステータコイル21とステータコア20との熱膨張量の差を大きくすることができる。これにより、ステータ11が熱膨張するときにおいてステータコイル21によるステータコア20の締め付け力を弱め易くすることができるため、同ステータコア20を構成する金属板23間に隙間を生じさせ易くすることができる。

0033

なお、上記実施形態は、以下のように変更して実施してもよい。
・ステータコア20へのステータコイル21の組み付けを、隣り合う金属板23のティース部25にあたる部分を密着させる態様で行うことに限らず、隣り合う金属板23のティース部25にあたる部分間に若干の隙間が空く態様で行うようにしてもよい。こうした構成によっても、ステータ11が熱膨張するときにおいて、ステータコア20とステータコイル21との熱膨張量の差を利用して、隣り合う金属板23間の隙間を大きくすることができる。そして、この隙間に冷却用のオイルが侵入し易くなるため、その分だけ電動機10の冷却効率を向上させることができる。

0034

・スリット24に配置されるスペーサ26を省略してもよい。この場合には、同一のスリット24に配置される二つのステータコイル21同士が接触して互いに支持されるように、それらステータコイル21を、コイル線の配設範囲の外形断面が略台形状をなすように配設すればよい。

0035

・金属板23における前記ティース部25にあたる部分を、同金属板23の径方向において湾曲する形状にすることに代えて、金属板23の周囲方向において湾曲する形状にしてもよい。

0036

・金属板23における前記ティース部25にあたる部分を湾曲した形状にする構成を、複数の金属板23の一部についてのみ適用するようにしてもよい。
・金属板23における前記ティース部25にあたる部分を曲げる曲げ形状は、回転軸方向に曲がる形状であれば、任意の曲げ形状に変更可能である。

0037

断面円形状のコイル線を巻回すことによってステータコイル21を設けるようにしてもよい。
・ステータコイル21の形成材料を銅にしてもよい。

0038

・鉄心としてのロータコアおよび巻線としてのロータコイルを有するブラシモータのロータに、鉄心を構成する金属板を回転軸方向に曲がった形状にする構成と、同金属板における曲がった形状の部分を平らにする方向に鉄心を締め付けた状態で巻線を巻回す構成とを適用してもよい。

0039

・上記実施形態の回転電機は、ケース内の空気を冷却媒体としてステータの冷却を行う回転電機にも適用することができる。

0040

10…電動機、11…ステータ、12…ロータ、13…ケース、14…ケース本体、15…ケース蓋壁、16…ケース底壁、20…ステータコア、21…ステータコイル、22…中心孔、23…金属板、24…スリット、25…ティース部、26…スペーサ、30…ロータコア、31…ロータシャフト、32…中心孔、33…支持孔、34…支持筒部、40,41…オイル貫通孔、43…オイルポンプ。

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