(57)【要約】【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の形成材料の線膨張係数は、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。【選択図】図８
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【特許請求の範囲】
【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。
【発明の詳細な説明】
【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のオイル等を冷却媒体として、回転電機は冷却されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第６４５９３０１号公報
【発明の概要】
【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】
【図１】一実施形態の回転電機の側断面図。
【図２】ステータの斜視図。
【図３】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。
【図４】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。
【図５】ステータの図３のＡ−Ａ線に沿った断面図。
【図６】ステータの図３のＢ−Ｂ線に沿った断面構造を示す略図。
【図７】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。
【図８】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。
【発明を実施するための形態】
【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、コイル線の配設範囲の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。
【符号の説明】
【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。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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