(57)【要約】【課題】  巻線の発熱を有効に電動機外に放熱できる高性能かつ小形の電動機を提供する。【解決手段】  本発明の電動機の固定子は、絶縁体となるボビンと固定子コアのティース部の間の空隙部を高熱伝導性の放熱充填剤で満たすことによって、巻線の発熱を電動機外に効率的に放熱させるものである。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定子コアと、
前記固定子コアの巻線形成領域に形成された絶縁体と、
前記巻線形成領域において前記絶縁体上に装着された巻線と、
前記固定子コアと前記絶縁体との間に充填された高熱伝導性の充填剤とを備えたことを特徴とする電動機の固定子。
【請求項２】
前記充填剤の熱伝導率が、０．１［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］以上、１０［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］
以下であることを特徴とする請求項１記載の電動機の固定子。
【請求項３】
前記充填剤の熱伝導率が、０．５［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］以上、５［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］以下であることを特徴とする請求項２記載の電動機の固定子。
【請求項４】
前記絶縁体が高熱伝導性樹脂で構成されたボビンであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の電動機の固定子。
【請求項５】
前記ボビンの熱伝導率が、１［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］以上、１０［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］以下であることを特徴とする請求項４記載の電動機の固定子。
【請求項６】
前記ボビンの熱伝導率が、２［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］以上、１０［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］以下であることを特徴とする請求項５記載の電動機の固定子。
【請求項７】
前記固定子コアは電磁鋼板を積層して形成された積層電磁鋼板により構成されたことを特徴とする請求項１乃至６記載の電動機の固定子。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれかに記載の固定子を備えた電動機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、各種産業用機器に使用される電動機の固定子およびその固定子を用いた電動機に関する。
【背景技術】
【０００２】
電動機の小形化、高性能化のためには、電気装荷の向上、磁気装荷の向上および効率的な冷却が求められる。特に、電動機の大きさは内部で発生する熱に制約されるため、電動機の小形化のためには発生熱の低減と発生熱の有効な冷却が必要となる。電動機の固定子としては、例えば、特許文献１乃至３に開示されたようなものがある。
【特許文献１】特開平１０−１２６９９７号公報
【特許文献２】特開２００１−１５７３９０号公報
【特許文献３】特開２００３−０７０２０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来の固定子においては、絶縁体であるボビンや絶縁フィルムと固定子コアのティース部の間には、空隙部が存在する。この空隙部は、例えば、製造上の加工精度や寸法公差によって生じる。コアの材料として多く用いられている、打ち抜いた鋼板を積層した積層電磁鋼板に生じる段差もその原因のひとつである。
巻線部に生じたジュール熱は、絶縁体と空隙部を介して固定子コアへと流れ、電動機の外に放熱される。この際、空隙部にある空気の熱伝導率が非常に小さいので、熱の流れの妨げとなる。さらに、空隙部が広いほど熱抵抗は大きくなり、巻線部の温度が上昇する。この温度が各要素を構成する材料の耐熱温度を超えた場合、電動機自体の機能に影響を与える可能性がある。
【０００４】
本発明の目的は、巻線の発生熱を効率よく放熱できる電動機の固定子を提供することである。
本発明の他の目的は、上記のような固定子を用いた、高性能かつ小形の電動機を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的の少なくとも一つを達成するため、本発明は以下の構成を備える。  
請求項１記載の発明は、固定子コアと、前記固定子コアの巻線形成領域に形成された絶縁体と、前記巻線形成領域において前記絶縁体上に装着された巻線と、前記固定子コアと前記絶縁体との間に充填された高熱伝導性の充填剤とを備えた電動機の固定子である。
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明の構成に加え、前記充填剤の熱伝導率が、０．１［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］以上、１０［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］以下である電動機の固定子である。
請求項３記載の発明は、請求項２記載の発明の構成に加え、前記充填剤の熱伝導率が、０．５［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］以上、５［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］未満である電動機の固定子である。
請求項４記載の発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載の発明の構成に加え、前記絶縁体が高熱伝導性樹脂で構成されたボビンである電動機の固定子である。
請求項５記載の発明は、請求項４記載の発明の構成に加え、前記ボビンの熱伝導率が、１［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］以上、１０［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］以下である電動機の固定子である。
請求項６記載の発明は、請求項５記載の発明の構成に加え、前記ボビンの熱伝導率が、２［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］以上、１０［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］以下である電動機の固定子である。
請求項７記載の発明は、請求項１乃至６のいずれかの記載の発明の構成に加え、前記固定子コアは電磁鋼板を積層して形成された積層電磁鋼板により構成された電動機の固定子である。
請求項８記載の発明は、請求項１乃至７のいずれかに記載の固定子を備えた電動機である。
【発明の効果】
【０００６】
請求項１乃至７記載の発明によれば、絶縁体と固定子コアとの間を高熱伝導性の充填剤を充填することにより、巻線の発生した熱を効率よく放熱できるようになるため、巻線の温度上昇を可能な限り抑えることが可能になる。特に、積層電磁鋼板を用いて形成された固定子コアにおいて、積層電磁鋼板の段差によって生じる空隙部にも充填剤が効果的に充填されるので、効率の良い放熱が実現できる。
請求項８記載の発明によれば、請求項１乃至６記載の固定子コアを電動機に適用することにより、より多くの電流を巻線に流すことが可能となり、高トルクの電動機を実現することができる。さらに、請求項１乃至６記載の固定子コアを採用することにより、より径の小さな巻線を用いることが可能となるので、小形化した電動機を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。本実施形態で参酌する図面では、発明の理解を容易にするため、各要素が模式的に示されている。本欄においては、前出の要素と同じ要素に同一名称及び符号を付すことにより、その説明が省略されることもある。
【０００８】
図１には、本発明の実施形態を示す電動機の固定子１００の断面図が示されている。固定子１００は固定子コア１を備える。固定子コア１はヨーク部２およびティース部３を有し、図１におけるティース部３の凹部（巻線形成領域）に巻線が形成される。本実施形態では、この固定子コア１は周知の方法により電磁鋼板を積層して形成された積層電磁鋼板により構成されているが、電動機の固定子コアとして機能を果たすものであれば、これに限定されるものではない。
【０００９】
ティース部３の巻線形成領域には絶縁体であるボビン５が形成され、このボビン５上には巻線４が装着されている。このボビン５とティース部３との間の空隙部には高熱伝導性の充填剤６が充填されている。本実施形態では、充填剤６により空隙部を充填しているので、積層電磁鋼板の段差によって生じる空隙部にも充填剤が効果的に充填される。この充填剤６を介して巻線４で発生される熱を効果的に放熱することができる。
【００１０】
本実施形態では、高熱伝導性の充填剤として、酸化アルミニウムの微粉末のフィラーを含有するシリコーングリースが用いられた。この充填剤のほかにも、熱伝導率が高く放熱に有効である充填剤であれば、本発明の実施に適用可能である。
例えば、フィラーとしては酸化アルミニウムの他にも酸化ケイ素、酸化チタン、酸化マグネシウム、炭化ケイ素、窒化アルミニウム、或いは窒化ケイ素などの高熱伝導性のセラミックスを用いることができる。
【００１１】
本実施形態の充填剤については、熱伝導性の観点を主として選択される。従たる観点としては絶縁特性も考慮されるが、固定子コアとしての基本的な絶縁特性は絶縁体であるボビンが担っているので、充填剤自体の絶縁特性を主として考慮する必要がない。従って、導電性の金属系や炭素系のフィラーであっても、本実施形態に適用できる。さらに、シリコーングリースの他にもオイル系を用いたコンパウンド、エマルジョン性組成物、エストラマー系組成物、樹脂系組成物も本実施形態に適用できる。
【００１２】
ここで、本実施形態における高熱伝導性の充填剤（熱伝導率＝４［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］）により構成された固定子コアを用いた電動機と、比較例１として高熱伝導性のフィラーを含まない液晶ポリマー樹脂（熱伝導率＝０．３［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］）により構成された固定子コアを用いた電動機とを作成し、定格条件で駆動させて比較を行った。その結果、本実施形態の電動機の巻線の温度上昇が５５［Ｋ］であったのに対し、比較例１の電動機の巻線の温度上昇が１４３［Ｋ］であった。本実施形態の構成によれば、空隙部を有する比較例１の構成に比べ、８８［Ｋ］の巻線の温度上昇を低減できた。巻線の温度上昇の低減は、結果的に電動機の小形化、高性能化に大変有効なことである。
【００１３】
図２には、本発明の第２の実施形態として、巻線の温度上昇の、固定子コアとボビンの空隙長さ依存性が示されている。本実施形態では、空隙部を充填剤（熱伝導率＝２［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］）により充填された固定子コアを用いた電動機と、比較例２として空隙部を有する固定子コアを用いた電動機とを作成し、定格条件で駆動させて比較を行った。図２において実線部が本実施形態における結果を示し、点線部が比較例２の結果を示す。
【００１４】
比較例２においてはコアとボビンの空隙が広いほど、その長さにほぼ比例して巻線の温度上昇が増大しているのに対し、本実施形態では、空隙が広くなっても巻線の温度上昇はほぼ一定であり、また、その温度も低い状態を維持している。この結果から、本実施形態の構成によれば、巻線の温度上昇を低減できる効果だけでなく、電動機の各部品の加工精度や寸法公差を大幅に緩和できるので、実際に工業製品としての電動機を製造する際に顕著な効果が期待できる。
【００１５】
図３には、本発明の第３の実施形態として、巻線の温度上昇の、充填剤およびボビンの熱伝導率依存性が示されている。本実施形態では、高熱伝導性の樹脂により形成されたボビンを用いた電動機と、比較例３として高熱伝導性のフィラーを含まない液晶ポリマー樹脂により形成されたボビンを用いた電動機とを作成し、定格条件で駆動させて比較を行った。どちらの空隙部にも熱伝導率を変化させた充填剤が充填されている。図３において実線部が高熱伝導性の樹脂により形成されたボビンを用いた電動機における巻線の温度変化を示し、点線部が比較例３における巻線の温度変化を示す。
【００１６】
この結果から、空隙部に充填剤を満たすことによって、巻線の温度上昇が劇的に低減していること、その効果はボビンの熱伝導率の大小には依存しないことが分かる。ここで、充填剤の熱伝導率が０．１［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］以上の範囲においては巻線の温度上昇の削減効果が大きく、その温度も低い状態を維持していることが分かる。一方、熱伝導率が１０［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］以上になると、温度上昇の低減効果は飽和状態にあることが分かる。ここで、熱伝導率を上げるためには前述のような高熱伝導性のフィラーを充填剤中に含有させることになる。フィラーの含有量が多くなれば熱伝導性は上がるが、一方で充填剤の粘度が向上するので、充填剤を空隙部に充填する際の作業効率が低下する。従って、飽和状態になる熱伝導率の最低値である１０［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］以下が本実施形態を実施する際の好適な範囲と考える。
【００１７】
本実施形態では、充填剤の熱伝導率は０．１［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］以上１０［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］以下の範囲が好適である。
また、フィラーの含有量が増えると充填剤の誘電率も増大するので、上述の作業効率及び所望の誘電率等の要素を考慮しながら、充填剤の熱伝導率を上述の範囲内で適宜設定する。これら種々の観点から、発明者の知見では、充填剤の熱伝導率は０．５［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］以上５［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］以下が望ましい。
【００１８】
なお、本実施形態における熱伝導率の測定は、ＪＩＳ  Ａ  １４１２−２に基づき、京都電子工業社製ＴＰＡ−５０１を用いてホットディスク法（熱流計法）により行った。
【００１９】
図４には、本発明の第４の実施形態として、電動機の巻線の温度上昇の、ボビンの熱伝導率依存性が示されている。本実施形態では、空隙部を充填剤（熱伝導率＝２［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］）により充填された固定子コアを用いた電動機と、比較例４として空隙部を有する固定子コアを用いた電動機とを作成し、定格条件で駆動させて比較を行った。図４において実線部が本実施形態における結果を示し、点線部が比較例４の結果を示す。
【００２０】
この結果から、ボビンには熱伝導性樹脂を用いた方が巻線の温度上昇の低減効果が大きいことが分かる。特に、熱伝導率が１［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］以上１０［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］以下で巻線の温度上昇の低減効果が大きいことが分かる。発明者の知見では、２［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］以上１０［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］以下の範囲が望ましい。
【００２１】
本実施形態のボビンに用いた高熱伝導性樹脂については、液晶ポリマー樹脂にフィラーとして酸化アルミニウムを分散させた複合化樹脂材料が用いられた。この液晶ポリマー樹脂のほかにも、ナイロン樹脂やＰＰＳ樹脂など機械的強度に優れ成形性の良い樹脂であれば、本実施形態に適用できる。また、高熱伝導性樹脂に分散させるフィラーについても、前記高熱伝導性樹脂に含有させるフィラーと同様に各種高熱伝導性のセラミックスを用いることができる。加えて、ガラス繊維など他のフィラーが存在していても問題ない。
【産業上の利用可能性】
【００２２】
本発明の電動機の固定子によれば、高性能かつ小形化の電動機を実現できるので、産業用機器などに用いられる電動機およびそれを搭載した装置全般に広く適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る電動機の固定子の断面図
【図２】本発明の第２の実施形態に係るコアとボビンの空隙長さに対する巻線温度上昇の依存性を示す図
【図３】本発明の第３の実施形態に係る充填剤とボビンの熱伝導率に対する電動機の巻線温度上昇の依存性を示す図
【図４】本発明の第４の実施形態に係るボビンの熱伝導率に対する電動機の巻線温度上昇の依存性を示す図
【符号の説明】
【００２４】
１００  固定子
１      固定子コア
２      ヨーク部
３      ティース部
４      巻線
５      ボビン
６      高熱伝導性の充填剤
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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