(57)【要約】【課題】ステータコアとケースとの間で熱伝導部材を安定的に保持することができる回転電機及び回転電機の製造方法を提供すること。【解決手段】ケースと、ケース内に設けられ、円環状のステータコアにコイルが巻き付けられたステータと、ステータコアの径方向内側に回転自在に設けられたロータと、を備えた回転電機であって、金属片と、熱伝導性を有し金属片を保持する保持部材と、からなる熱伝導部材をステータコアとケースとの間に設けた。【選択図】図１
2020137140.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケースと、
前記ケース内に設けられ、円環状のステータコアにコイルが巻き付けられたステータと、
前記ステータコアの径方向内側に回転自在に設けられたロータと、
を備えた回転電機であって、
金属片と、熱伝導性を有し前記金属片を保持する保持部材と、からなる熱伝導部材を前記ステータコアと前記ケースとの間に設けたことを特徴とする回転電機。
【請求項２】
ステータコアとケースとの間に周方向に離間した一対のガイド部材を挿入し、前記一対のガイド部材間に、金属片と前記金属片よりも低融点の低融点合金とからなる熱伝導部材を充填した後、前記一対のガイド部材間の間隔を狭めるように前記熱伝導部材を圧縮し、前記ステータコアの径方向内側に配置したヒーターからの熱により前記低融点合金を溶融させた後、一定時間及び所定温度で保持することにより、前記ステータコアと前記低融点合金、及び、前記ケースと前記低融点合金、を金属接合させることを特徴とする回転電機の製造方法。
【請求項３】
ステータコアの外周面及びケースの内周面にそれぞれ熱伝導シートを貼り付けて、前記外周面と前記内周面との間に隙間が生じるように前記ケース内に前記ステータコアを組み付けた後、前記外周面と前記内周面とに貼り付けられた一対の前記熱伝導シート間に金属板を圧入することを特徴とする回転電機の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転電機及び回転電機の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、ステータコアとケースとの間に、波状の熱伝導部材を配置し、ステータコア及びケースと、熱伝導部材との接触面積を確保して、放熱性能の向上を図ることができるとされた回転電機が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１７−１６９３２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、回転電機において、ステータコアとケースとの間で熱伝導部材を安定的に保持するという観点では、改善の余地があった。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、ステータコアとケースとの間で熱伝導部材を安定的に保持することができる回転電機及び回転電機の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る回転電機は、ケースと、前記ケース内に設けられ、円環状のステータコアにコイルが巻き付けられたステータと、前記ステータコアの径方向内側に回転自在に設けられたロータと、を備えた回転電機であって、金属片と、熱伝導性を有し前記金属片を保持する保持部材と、からなる熱伝導部材を前記ステータコアと前記ケースとの間に設けたことを特徴とするものである。
【０００７】
また、本発明に係る回転電機の製造方法は、ステータコアとケースとの間に周方向に離間した一対のガイド部材を挿入し、前記一対のガイド部材間に、金属片と前記金属片よりも低融点の低融点合金とからなる熱伝導部材を充填した後、前記一対のガイド部材間の間隔を狭めるように前記熱伝導部材を圧縮し、前記ステータコアの径方向内側に配置したヒーターからの熱により前記低融点合金を溶融させた後、一定時間及び所定温度で保持することにより、前記ステータコアと前記低融点合金、及び、前記ケースと前記低融点合金、を金属接合させることを特徴とするものである。
【０００８】
また、本発明に係る回転電機の製造方法は、ステータコアの外周面及びケースの内周面にそれぞれ熱伝導シートを貼り付けて、前記外周面と前記内周面との間に隙間が生じるように前記ケース内に前記ステータコアを組み付けた後、前記外周面と前記内周面とに貼り付けられた一対の前記熱伝導シート間に金属板を圧入することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る回転電機及び回転電機の製造方法は、ステータコアとケースとの間で熱伝導部材を安定的に保持することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、実施形態１に係る回転電機の構造を部分的に示した図である。
【図２】図２は、ステータコアとケースとの間に熱伝導部材が挿入された状態を示した図である。
【図３】図３は、実施形態１に係る回転電機の製造方法において、ステータコアとケースとの間に熱伝導部材を設ける手順の一例を示したフローチャートである。
【図４】図４は、実施形態２に係る回転電機の構造を部分的に示した図である。
【図５】図５は、ケース内にステータコアを挿入している状態を示した図である。
【図６】図６は、一対の熱伝導シート間に金属板を圧入している状態を示した図である。
【図７】図７は、実施形態２に係る回転電機の製造方法において、ステータコアとケースとの間に熱伝導部材を設ける手順の一例を示したフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
［実施形態１］
以下に、本発明に係る回転電機の実施形態１について説明する。なお、本実施形態により本発明が限定されるものではない。
【００１２】
図１は、実施形態１に係る回転電機１の構造を部分的に示した図である。図１に示すように、モータなどの回転電機１は、ステータ２、ケース３、熱伝導部材４、ロータ５、及び、ロータ軸６などによって構成されている。ステータ２は、ケース３内に設けられた固定子であって、複数枚の円環状の電磁鋼板を積層して構成されたステータコア２１と、ステータコア２１に巻き付けられたコイル２２とを有している。また、ケース３は、アルミニウム製であって、内筒３１と外筒３２との間に水路３３が形成された水冷ジャケットとして機能する。回転子であるロータ５は、回転軸部材であるロータ軸６に固定されており、ステータコア２１の径方向内側にロータ軸６を中心に回転自在に設けられている。
【００１３】
ステータコア２１とケース３の内筒３１との間には、熱伝導部材４が複数設けられている。なお、図１には、複数の熱伝導部材４のうちの１つだけ図示している。また、複数の熱伝導部材４は、ステータコア２１の周方向で等間隔に配置されていることによって、ケース３に対するステータコア２１の位置ずれを抑制することが可能となる。
【００１４】
熱伝導部材４は、汎用金属（鉄、アルミニウム及びマグネシウムなど）の微粉、金属繊維、箔、線、及び、網状などの複数の金属片である金属熱伝導フィラー４１と、金属熱伝導フィラー４１よりも低融点であって１２０［℃］〜１８０［℃］で溶融する複数の低融点合金４２と、によって構成されている。このため、熱伝導部材４を低融点合金４２だけで構成する場合よりも、汎用金属からなる金属熱伝導フィラー４１を使用することによって低融点合金４２の使用量を減らすことが可能となり、低コスト化を図ることが可能となる。
【００１５】
実施形態１に係る回転電機１では、熱伝導部材４を構成する複数の金属熱伝導フィラー４１と複数の低融点合金４２とを、ステータコア２１とケース３の内筒３１との間の隙間に充填し、低融点合金４２を加熱して溶融させる。これにより、溶融された低融点合金４２に複数の金属熱伝導フィラー４１が混入するとともに、ステータコア２１の外周面２１１及びケース３の内周面３１１が低融点合金４２と金属接合される。ステータコア２１の外周面２１１及びケース３の内周面３１１と低融点合金４２とが金属接合されることによって、ステータコア２１の外周面２１１及びケース３の内周面３１１と、熱伝導部材４との接触面積を確保して、放熱性能の向上を図ることができる。
【００１６】
なお、ステータコア２１の外周面２１１及びケース３の内周面３１１と低融点合金４２との金属接合は、溶融による密着接合のため熱抵抗が低い。よって、たとえ部分的に接合していなくても焼き嵌めと比較して熱抵抗が低く冷却性能が高い。また、熱伝導部材４では、金属熱伝導フィラー４１を用いることによって、高熱伝導性樹脂と比較して約１０倍の熱伝導率を見込むことができる。
【００１７】
なお、低融点合金４２の加熱方法としては、回転電機１全体を加熱してもよいし、低融点合金４２のみ、または、低融点合金４２の近傍を部分的に加熱してもよい。
【００１８】
金属熱伝導フィラー４１は、低融点合金４２と濡れ性が良いため、より細部に含浸することが可能である。また、金属熱伝導フィラー４１としては、熱伝導部材４の熱伝導性を損なわずに嵩密度を上げて、溶融前の低融点合金４２とともにステータコア２１とケース３の内筒３１との間の隙間に充填された際に、適度に空間を形成するものが望ましい。
【００１９】
また、熱伝導部材４０は、金属熱伝導フィラー４１と低融点合金４２との複合材として予め作製しておき、その複合材である熱伝導部材４０をステータコア２１とケース３の内筒３１との間の隙間に挿入するようにしてもよい。
【００２０】
低融点合金４２の融点の下限としては、回転電機１を常用で駆動させた際のステータコア２１の温度が８０［℃］程度であるため、その温度よりも高ければ良く、余裕率を見込んで１３０［℃］以上の融点を持つ低融点合金を使用するのが望ましい。また、低融点合金４２の融点の上限としては、エナメル被覆限界の１８０［℃］程度であるが、加熱時の過昇温などを見込んで１７０［℃］以下とするのが望ましい。
【００２１】
また、低融点合金４２を溶融させた後、一定時間、所定温度で保持するのが好ましい。これにより、ステータコア２１の外周面２１１及びケース３の内周面３１１と低融点合金４２とを拡散によって可能な限り金属接合させることができる。なお、前記一定時間は、ステータコア２１の外周面２１１及びケース３の内周面３１１の表面状態によって異なる。ステータコア２１の外周面２１１及びケース３の内周面３１１には、瞬時に酸化膜を除去して低融点合金４２と金属接合されるように、フッ化セシウムなどの粉末を塗布してもよい。
【００２２】
また、低融点合金４２を溶融させた後、一定時間、所定温度で保持する時点において、ステータコア温度とケース温度とに温度差を設けることによって、界面に圧縮応力を付与するとともに、この初期の圧縮応力を調整するようにしてもよい。
【００２３】
例えば、ステータコア２１の外径が２００［ｍｍ］で締め代０．１［ｍｍ］分の残留応力を付与したい場合には、１３８［℃］で溶融する低融点合金４２を使用し、全体雰囲気温度１４０［℃］、ケース温度１４０［℃］、ステータコア温度１７０［℃］として、ステータコア２１とケース３との温度差を３０［℃］に設定する。これにより、低融点合金４２の複合層が優先的に弾性変形し、計算上では、締め代０．１１７［ｍｍ］分の残留応力を均一に発生させることが可能となる。
【００２４】
また、ステータコア２１とケース３の内筒３１との間に、ステータコア２１の円周方向で離間した一対のガイド部材を設置し、この一対のガイド部材を前記円周方向へ移動させることにより、ステータコア２１とケース３の内筒３１との間の隙間に充填した熱伝導部材４（金属熱伝導フィラー４１及び低融点合金４２）の充填密度を増加させるなど、充填密度を調整するようにしてもよい。これにより、金属熱伝導フィラー４１と低融点合金４２とで構成された弾性率の低い熱伝導部材４によるステータコア２１への締め付け力を緩和させることが可能となる。
【００２５】
さらに、低融点合金４２の溶融状態においても、上面方向ガイド部材及び一対のガイド部材に圧力をかけて、ステータコア２１の外周面２１１及びケース３の内周面３１１と低融点合金４２との密着性を高めるようにしてもよい。また、低融点合金４２を溶融させるために、局所加熱を行う場合には、一対のガイド部材とヒーターとを繋げることによって、一対のガイド部材を加熱するようにしてもよい。
【００２６】
次に、実施形態１に係る回転電機１でのステータコア２１とケース３との間に熱伝導部材４を設ける手順について説明する。図２は、ステータコア２１とケース３との間に熱伝導部材４が挿入された状態を示した図である。図３は、実施形態１に係る回転電機１の製造方法において、ステータコア２１とケース３との間に熱伝導部材４を設ける手順の一例を示したフローチャートである。
【００２７】
まず、図２に示すように、ケース３内にステータコア２１を組み付けて、ステータコア２１とケース３の内筒３１との間に、ステータコア２１の円周方向で離間した一対のガイド部材７を挿入する（ステップＳ１）。例えば、外径が２００［ｍｍ］のステータコア２１の外周面２１１と、有底円筒状のケース３の内周面３１１との間の隙間が２［ｍｍ］となるように、ケース３内にステータ２を設置し、不図示のボルトによってケース３の底面とステータコア２１とを固定する。次に、窒化ホウ素（ＢＮ）を塗布した鉄製の一対のガイド部材７を、ステータコア２１とケース３との間に、ステータコア２１の周方向で３箇所に設置する。
【００２８】
次に、図５に示すように、ステータコア２１とケース３の内筒３１との間の隙間であって、一対のガイド部材７間に、複数の金属熱伝導フィラー４１と薄板状の低融点合金４２とからなる熱伝導部材４を充填する（ステップＳ２）。例えば、３箇所それぞれの一対のガイド部材７に対して、ステータコア周方向で一対のガイド部材７間に、アルミニウム箔（厚さ０．５［ｍｍ］）を切断して５［ｍｍ］角とした金属熱伝導フィラー４１と、１３８［℃］で溶融する薄板状の低融点合金４２（（株）ヤマトメタル製）とを充填する。金属熱伝導フィラー４１と低融点合金４２との体積比としては、例えば、３：７である。
【００２９】
次に、一対のガイド部材７間の間隔を狭めるようにして、熱伝導部材４を圧縮する（ステップＳ３）。例えば、３箇所それぞれの一対のガイド部材７を、ステータコア周方向で一対のガイド部材７が互いに近づくように移動させて、約５［ｋＰａ］の圧力により熱伝導部材４を圧縮し、熱伝導部材４の充填率を高める。
【００３０】
次に、ステータコア２１の径方向内側に配置したヒーター８によってステータコア２１を加熱し、その加熱されたステータコア２１の熱などによって、低融点合金４２を溶融させる（ステップＳ４）。例えば、ステータコア２１の径方向内側にヒーター８を配置し、ステータコア２１の温度を昇温した状態で１４０［℃］の雰囲気の炉へ投入し、締め代０．１［ｍｍ］分の残留応力を付与するために、ステータ温度を１７０［℃］まで上昇させて低融点合金４２を溶融させる。その後、低融点合金４２を体積減少分だけ追加して溶融させ、熱伝導部材４を所定高さとした後、熱伝導部材４を上方から窒化ホウ素（ＢＮ）を塗布した鉄板（厚さ１．５［ｍｍ］）によって加圧して熱伝導部材４の上面を整える。
【００３１】
次に、低融点合金４２が溶融した状態で、一定時間、所定温度で保持し、ステータコア２１の外周面２１１と低融点合金４２、及び、ケース３の内周面３１１と低融点合金４２、とを金属接合させ（ステップＳ５）、その後、冷却する（ステップＳ６）。例えば、低融点合金４２を溶融させた後、２分間（ただし、作業時間を含まず）、炉内雰囲気温度１４０［℃］で保持した後、炉外にて空冷する。
【００３２】
このようにして製造された実施形態１に係る回転電機１においては、ステータコア２１の外周面２１１及びケース３の内周面３１１と低融点合金４２とを金属接合させて、ステータコア２１とケース３との間で、熱伝導部材４を安定的に保持することができる。
【００３３】
［実施形態２］
以下に、本発明に係る回転電機の実施形態２について説明する。なお、実施形態２に係る回転電機１において、実施形態１に係る回転電機１と共通する部分については、その説明を適宜省略する。
【００３４】
図４は、実施形態２に係る回転電機１の構造を部分的に示した図である。実施形態２に係る回転電機１においては、ステータコア２１とケース３との間に、熱伝導部材４Ａが設けられている。熱伝導部材４Ａは、アルミニウムや銅などからなる金属片である金属板４３と、ステータコア径方向で対向する一対のシート状の弾性樹脂である熱伝導シート４４ａ，４４ｂと、によって構成されている。なお、図４には、熱伝導部材４Ａを１つだけ図示しているが、熱伝導部材４Ａをステータコア２１の周方向で複数配置してもよい。
【００３５】
次に、実施形態２に係る回転電機１でのステータコア２１とケース３との間に熱伝導部材４Ａを設ける手順について説明する。図５は、ケース３内にステータコア２１を挿入している状態を示した図である。図６は、一対の熱伝導シート４４ａ，４４ｂ間に金属板４３を圧入している状態を示した図である。図７は、実施形態２に係る回転電機１の製造方法において、ステータコア２１とケース３との間に熱伝導部材４Ａを設ける手順の一例を示したフローチャートである。
【００３６】
まず、図５に示すように、ステータコア２１の外周面２１１とケース３の内周面３１１とに、それぞれ熱伝導シート４４ａ，４４ｂを貼り付ける（ステップＳ１１）。例えば、ステータコア径方向で、ステータコア２１の熱を逃がしたい部分の外周面２１１、及び、ケース３の内周面３１１に、それぞれ熱伝導シート４４ａ，４４ｂを接着剤によって接着させて貼り付ける。
【００３７】
次に、図５に示すように、ケース３内にステータコア２１を挿入して組み付ける（ステップＳ１２）。例えば、熱伝導シート４４ａ，４４ｂを貼った状態で、ケース３内にステータコア２１（ステータ２）を組み付ける。なお、熱伝導シート４４ａ，４４ｂを貼った状態で、ケース３内にステータコア２１を無理なく組み付けられるように、ステータコア２１の外周面２１１とケース３の内周面３１１との間の隙間Ｇ（図６参照）は設定されている。例えば、ケース３内にステータコア２１を組み付けた状態において、隙間Ｇは０．５［ｍｍ］〜１［ｍｍ］程度存在することが好ましい。
【００３８】
次に、一対の熱伝導シート４４ａ，４４ｂ間に金属板４３を圧入し、密着度の高い熱伝導経路を形成する（ステップＳ１３）。このように、実施形態２に係る回転電機１の製造方法においては、ステータコア２１及びケース３の内筒３１にそれぞれ貼り付けられた一対の熱伝導シート４４ａ，４４ｂ間に金属板４３を圧入して、ステータコア２１とケース３との間に熱伝導部材４Ａを設けて、ステータコア２１からケース３への熱伝達経路を形成するため、焼き嵌め等とは異なり常温で作業することができる。
【００３９】
このようにして製造された実施形態２に係る回転電機１においては、ステータコア２１の外周面２１１及びケース３の内周面３１１に、それぞれ貼り付けられた熱伝導シート４４ａ，４４ｂ間に金属板４３を圧入するため、ステータコア２１とケース３との間で、熱伝導部材４Ａを安定的に保持することができる。
【００４０】
なお、金属板４３には、圧入を容易にするために油や放熱グリスを塗布することが望ましい。また、金属板４３は、モータ停止時及び駆動時の温度分布による径変化が生じても、伝熱に必要な密着度を保てる厚みと面粗度とすることが好ましい。
【００４１】
また、金属板４３は、一対の熱伝導シート４４ａ，４４ｂとそれぞれ対向する各表面に複数の凹み形状または貫通孔を有していてもよい。これにより、一対の熱伝導シート４４ａ，４４ｂ間への金属板４３の圧入時に、前記複数の凹み形状または貫通孔へ、一対の熱伝導シート４４ａ，４４ｂが入り込むことによって、モータ停止時及び駆動時に金属板４３が移動して、ずれ落ちたり脱落したりするのを抑制することができる。さらには、金属板４３をケース３にねじ止めしてもよい。なお、金属板４３の前記各表面は、凹み形状や貫通孔に替えて、溝形状や波板形状を有していてもよい。また、金属板４３は、ステータコア軸線方向の端縁にテーパーが設けられたり、研磨などによって表面の凹凸を滑らかにする処理が施されたりしてもよい。
【符号の説明】
【００４２】
１  回転電機
２  ステータ
３  ケース
４，４Ａ  熱伝導部材
２１  ステータコア
３１  内筒
４１  金属熱伝導フィラー
４２  低融点合金
４３  金属板
４４ａ，４４ｂ  熱伝導シート
２１１  外周面
３１１  内周面
【図１】
2020137140.tif 000003
【図２】
2020137140.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2020137140.tif 000007
【図６】
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【図７】
2020137140.tif 000009