(57)【要約】【課題】スロットに収納されたコイルの最も高温となる部分の冷却が効率的に行われる電機子を提供する。【解決手段】周方向に所定間隔で細長に形成された複数のスロット４４０を有する電機子コア４と、スロットに巻き込まれたコイル５と、コイルをスロット内に閉じ込めるようにスロットの開口領域に装着された磁性楔体６０とを備え、磁性楔体の長手方向に沿って磁性楔体を貫通する冷媒流路８１が形成されている。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
周方向に所定間隔で細長に形成された複数のスロットを有する電機子コアと、前記スロットに巻き込まれたコイルと、前記コイルを前記スロット内に閉じ込めるように前記スロットの開口領域に装着された磁性楔体とを備え、前記磁性楔体の長手方向に沿って前記磁性楔体を貫通する冷媒流路が形成されている電機子。
【請求項２】
前記冷媒流路は前記磁性楔体の横断面においてスロット深さ方向でコイル側に偏って配置されている請求項１に記載の電機子。
【請求項３】
前記磁性楔体の一端と接続する第１環状枠体と前記磁性楔体の他端と接続する第２環状枠体とが備えられ、前記第１環状枠体と前記２環状枠体のそれぞれには外部と冷媒の流通を行う外部流通路と連通する環状流路が形成され、前記第１環状枠体と前記２環状枠体のそれぞれに前記磁性楔体が接続されることにより前記冷媒流路と前記第１環状枠体と前記２環状枠体のそれぞれの環状流路が連通するように構成されている請求項１又は２に記載の電機子。
【請求項４】
前記第１環状枠体のための外部流通路と前記第２環状枠体のための外部流通路とが前記電機子コアの軸心を基準として相反する位置関係で配置されている請求項３に記載の電機子。
【請求項５】
前記磁性楔体と前記第１環状枠体と前記２環状枠体はそれぞれ別体で構成されている請求項３又は４に記載の電機子。
【請求項６】
前記磁性楔体は空気より高い透磁率を有する請求項１から５のいずれか一項に記載の電機子。
【請求項７】
前記磁性楔体は前記コイルより高い電気抵抗を有する請求項１から６のいずれか一項に記載の電機子。
【請求項８】
前記磁性楔体は前記電機子コアより高い電気抵抗を有する請求項１から６のいずれか一項に記載の電機子。
【請求項９】
前記スロットと前記磁性楔体とは前記電機子コアの内面側をその軸方向に細長に延びている請求項１から８のいずれか一項に記載の電機子。
【請求項１０】
前記コイルの断面が前記スロット内で整列配置可能な形状寸法を有しており、前記コイルは前記スロット内で予め設定された姿勢で配置されている請求項１から９のいずれか一項に記載の電機子。
【請求項１１】
前記コイルは矩形断面を有し、この矩形断面の幅は前記コイルが平積み積層で前記スロットにはめ込まれる寸法を有する請求項１０に記載の電機子。
【請求項１２】
前記コイルは矩形断面を有し、この矩形断面の幅は前記スロットの断面幅にほぼ一致している請求項１１に記載の電機子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、周方向に間隔をあけて軸方向に延びたスロットにコイルを巻き込んだ電機子、特にその冷却構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
回転電機（モータや発電機）に組み込まれる電機子を冷却する構造として、ステータコアのスロットの内部空間をそのまま冷媒流路としたものが知られている（例えば、特許文献１）。この冷却構造では、ステータコアの中心方向に突出した歯部の間に位置するコイル収容用のスロットの開口部付近にスロットを閉塞するプレートが配設され、このプレートが配設されたスロット開口部に樹脂充填することで作り出されたスロット内の閉鎖空間を冷媒通路としている。この冷媒通路を流れる冷媒によってステータコイルを直接冷却することで冷却効率を高めている。さらにそのプレートをスロット内方側から支持するために歯部から突出形成されたストッパ部の根元に非磁性体部が形成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−６１２８５号公報（段落番号０００２−００２５、図３）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述したようなステータとして構成された電機子ではコイルの最も中心方向側に位置する内周領域に渦電流損が発生してコイル温度が高くなるという問題が発生するので、特に平角線（断面矩形状の従来のコイル線に比べて断面積が大きなコイル線）等の導体断面積が大きいコイルを用いた電機子におけるコイルの冷却では、コイルの内周端部の冷却が最も重要である。しかしながら、上記特許文献１による冷却構造では、コイルの中心方向を向いた内周端面は歯部から延びたストッパ部によって覆われており、コイルは実質的にはその側面でのみ冷媒と接触している。このため、最も冷却効果が要求されるコイルの最内周端部の冷却がストッパ部にじゃまされて不十分となる可能性がある。
このような実情に鑑み、本発明の目的は、スロットに収納されたコイルの最も高温となる部分の冷却が効率的に行われる電機子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するため、本発明による電機子は、周方向に所定間隔で細長に形成された複数のスロットを有する電機子コアと、前記スロットに巻き込まれたコイルと、前記コイルを前記スロット内に閉じ込めるように前記スロットの開口領域に装着された磁性楔体とを備え、前記磁性楔体の長手方向に沿って前記磁性楔体を貫通する冷媒流路が形成されている。
【０００６】
この構成では、電機子との相互作用によってトルクを発生させる相手側要素に近接しているスロット開口領域に装着された磁性楔体に冷媒流路を形成しているので、この冷媒流路を流れる冷媒は、相手側要素に近接しているより高温となるコイル部分を優先的に冷却することになる。従って、本発明による構成では特許文献１で示した形態では、コイルの側面に冷媒流路を形成しているような上記従来技術に比べ、最も高温となっているコイル部分を集中的に冷却することができる。例えば、この電機子がロータを外囲するステータとして適用された場合、ステータのコイルを収容しているスロットの開口領域、つまりステータの最内周側に磁性楔体が位置することになり、その磁性楔体に冷媒流路が形成されているので、温度が最も高くなるコイルの最内側部分を効率的に冷却することができる。
【０００７】
本発明の好適な実施形態の１つでは、前記冷媒流路は前記磁性楔体の横断面においてスロット深さ方向でコイル側に偏って配置されている。この構成を採用することにより、さらにコイルに対する冷却効果を高めることができる。
【０００８】
本発明の好適な実施形態の１つでは、前記磁性楔体の一端と接続する第１環状枠体と前記磁性楔体の他端と接続する第２環状枠体とが備えられ、前記第１環状枠体と前記２環状枠体のそれぞれには外部と冷媒の流通を行う外部流通路と連通する環状流路が形成され、前記第１環状枠体と前記２環状枠体のそれぞれに前記磁性楔体が接続されることにより前記冷媒流路と前記第１環状枠体と前記２環状枠体のそれぞれの環状流路が連通するように構成されている。この構成により、一方の環状枠体の環状流路に流入した冷媒は多数の磁性楔体の冷媒流路に振り分けられ、この冷媒流路を通過することでコイルと熱交換した冷媒は再び他方の環状枠体の環状流路に流入することにより回収される。また、第１環状枠体と前記２環状枠体と多数の磁性楔体によって円柱状フレーム構造体が作り出され、全体として高い剛性を有することができる。つまり、この構成を採用することで、磁性楔体に形成された冷媒流路に対して効率よく冷媒を給排する目的と、多数の磁性楔体を一体的な構造体として強固にする目的とを同時に果たすことができる。
【０００９】
さらに好適な形態として、前記第１環状枠体のための外部流通路と前記第２環状枠体のための外部流通路とが前記電機子コアの軸心を基準として相反する位置関係で配置されることで、一方の外部流通路から供給されるとともに他方の外部流通路へ排出される冷媒の流れがスムーズになり、偏りの少ない冷却効果が得られる。
【００１０】
上述した、多数の磁性楔体と環状枠体とからなる構造体を低コストで製作するために、磁性楔体と第１環状枠体と第２環状枠体がそれぞれ別体で構成されることが提案される。これにより、この構造体は、実質的に1種類の環状枠体と1種類の磁性楔体で構築することができる。
【００１１】
磁性楔体は電機子のコイルと相手側要素との間に介装されるので、その電気的及び磁気的な特性が重要である。従って、本発明の好適な実施形態の１つでは、コイルに対する磁束遮断性を向上させるため、磁性楔体は空気より高い透磁率を有している。また、別な好適実施形態では、磁性楔体自体に電流が流れて銅損が発生することを抑制するため、磁性楔体はコイルより高い電気抵抗を有している。同様な目的で、好適実施形態の１つでは、磁性楔体は積層板より高い電気抵抗を有している。
【００１２】
この電機子が最も効果的に適用される形態の１つは、ロータを外囲するステータとして適用されることであり、その場合には、前記スロットと前記磁性楔体とは前記電機子コアの内面側をその軸方向に細長に延びている。従って、磁性楔体がわずかな弾性を有している場合、冷媒流路の形成によって中空体とされた磁性楔体をスロットに差し込まれる際の容易性と、差し込まれた後の自己保持安定性が得られる。
さらに、本発明の好適な実施形態の１つでは、前記コイルの断面が前記スロット内で整列配置可能な形状寸法を有しており、前記コイルは前記スロット内で予め設定された姿勢で配置されている。この構成により、スロット内でのコイルの収まりがよく、また予め設定した姿勢でコイルは配置することができる。従って、スロット内での磁性楔体との位置関係も想定範囲から逸脱することがない。特に、前記コイルとして、矩形断面を有し、この矩形断面の幅は前記コイルが平積み積層で前記スロットにはめ込まれる寸法を有する、平角線と呼ばれるコイル線を採用するならば、特には、矩形断面を有し、この矩形断面の幅は前記スロットの断面幅にほぼ一致しているコイル線を採用するならば、コイル巻き線時のコイルの取り扱いが容易となる。また、このようなスロット幅奉公の寸法が比較的大きい平角線を用いることにより渦電流が発生しやすくなり、その結果大きく発生しがちな熱は、冷媒流路を形成した磁性楔体によって冷却することができるので、平角線のもつ利点だけを有効に生かすことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明による回転子を組み込んだ回転電機の断面図である。
【図２】図1による回転電機の分解斜視図である。
【図３】コイルコアの平面図である。
【図４】磁性楔体が第１環状枠体及び第２環状枠体と接続する前の状態を示している斜視図である。
【図５】磁性楔体が第１環状枠体及び第２環状枠体と接続した後の状態を示している斜視図である。
【図６】磁性楔体ユニットがステータコアに組み付けられた状態を示している斜視図
【図７】スロットに装着された磁性楔体の断面図である。
【図８】磁性楔体と環状枠体との接続構造を説明する説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本願に係る電機子を採用した回転電機を図面に基づいて説明する。図１は、回転電機Ｍの回転軸心Ｘに沿った断面図であり、図２は、回転電機１の構成の概略を説明するための分解斜視図である。図１、２から理解できるように、回転電機Ｍは、カバー１１によって閉鎖される円筒状のケース本体１０内に、ロータ２と本願に係る電機子としてのステータ３とを備えて構成されている。この組付け状態で、回転電機１の回転軸心Ｘであるロータ２の回転軸心はステータ３の中心軸心と一致しており、ロータ２を支持している回転軸９はケース本体１０とカバー１１に装着された一対のベアリングに回転可能に支持されている。以下の説明では、回転電機１の回転軸心Ｘでもあるステータ３の中心軸心Ｘに基づいて、軸方向、周方向、径方向が定義されている。
【００１５】
ステータ３は、電機子コアとしてのステータコア４と、コイル５と、磁性楔体ユニット６とから構成されている。ステータコア４は、図２に示す様に概略リング状の鋼板であるステータ積層板４０（以下単に積層板と略称する）を多数枚積層して構成される。積層方向は、軸方向Ｘと一致している。各積層板４０の外周部には、周方向均等に３箇所、径方向に突出する突起片としての固定部４１が設けられており、各固定部４１にステータコア４をケース本体１０に締結固定するためのボルト挿通孔４１ａが設けられている。積層構造体であるステータコア４は締付具としての締結ボルトでケース本体１０に形成された固定面に締結固定される。
【００１６】
図３に示すように、積層板４０の内周面には均等な配置ピッチで多数のスロット部４３が形成されている。このスロット部４３は積層板４０を貫通しており、スロット部４３の開口幅（周方向長さ）はその配置ピッチのほぼ半分程度である。従って、各スロット部４３の間にスロット部４３の幅とほぼ同じ幅でスロット部４３の深さと同じ高さを有する歯部４４が作り出される。従って、多数の積層板４０を積層してステータコア４を組み上げると、そのステータコア４には各積層板４０のスロット部４３が軸方向に直列することにより、軸方向に延びた細長いスロット４３０が作り出される。同時に、組み上げられたステータコア４の内面には、櫛歯状に突出する軸方向に延びた長手歯４４０が作り出される。コイル５は、長手歯４４０を巻き込み支持体として巻き込むようにスロット４３０に収容される。
【００１７】
図２から理解できるように、コイル５が巻き込み収容されたスロット４３０の開口領域にコイル５を閉じ込めるように磁性楔体ユニット６が装着される。磁性楔体ユニット６は、多数の細長い磁性楔体６０と、これらの磁性楔体６０の一端と接続する第１環状枠体６１と、磁性楔体６０の他端と接続する第２環状枠体６２と、第１環状枠体６１から軸方向外側に延びた第１外部流通筒体６３と、第２環状枠体６２から軸方向外側に延びた第２外部流通筒体６４とからなる。図４は、磁性楔体６０の一端がまず第２環状枠体６２によって接続され、その磁性楔体６０の他端が第１環状枠体６１と接続される直前の状態を示している斜視図である。図５は磁性楔体６０が第１環状枠体６１及び第２環状枠体６２と接続された一体連結状態を示している斜視図である。図６は磁性楔体ユニット６がステータコア４０に組み付けられた状態を示している斜視図である。第１環状枠体６１と第２環状枠体６２とは、全てのスロット４３０に装着された磁性楔体６０の両端に対して接続することができる形状寸法を有している。
【００１８】
図７に示すように、磁性楔体６０の断面はスロット部４３の開口幅方向両側壁に密着する寸法を有するほぼ四角形であり、その内部に空気やオイルなどの冷媒が流通する冷媒流路８１が形成されている。この冷媒流路８１はスロット部４３の深さ方向、つまり径方向においてコイル５側に偏って配置されており、コイル５に対する冷却効率を高めている。図７では冷媒流路８１の断面は四角形となっているが、任意の形状を採用することができる。さらにこの実施形態では、コイル５として比較的小さな丸断面のコイル線ではなく、平角線と呼ばれている、比較的大きな矩形断面を有するコイル線が用いられている。特にここでは、図７から理解できるように、その矩形断面の幅は、スロット部４３の断面幅とほぼ一致しており、１つのコイル断面がほとんど隙間なくスロット部４３にはめ込まれる寸法関係となっている。コイル５は、そのようなコイル断面が平積みで数段積層される巻き線形態となっている。もちろんこのような巻き線形態に限定されているわけではなく、スロット部４３の断面幅方向に複数並置させて積み重ねる形態を採用してもよい。このような平角線を用いることで、コイル５はスロット部４３内で前もって設定されたような姿勢で整列することになる。
【００１９】
図８に部分的に示すように、第１環状枠体６１及び第２環状枠体６２の断面もほぼ四角形であり、その内部に冷媒が流通する環状流路８２が形成されている。各環状枠体６１、６２の磁性楔体６０と接続する箇所には磁性楔体６０の端部が嵌入される嵌入孔６１ａと６２ａが設けられている。また、環状枠体６１、６２に完全に嵌入された状態において磁性楔体６０の冷媒流路８１と環状流路８２とが連通するように、磁性楔体６０の両端部の環状流路８２に向き合う両壁に連通孔６０ａが設けられている。さらに、図５に示されているが、第１環状枠体６１と嵌入接続する第１外部流通筒体６３及び第２環状枠体６２と嵌入接続する第２外部流通筒体６４にも冷媒が流通する外部流通流路８３が形成されている。外部流通筒体６３、６４と環状枠体６１、６２との連結構造は、環状枠体６１、６２と磁性楔体６０との連結構造に類似する形態とすることができるし、その他の接続構造を採用してもよい。
【００２０】
図５から理解できるように、組み付けられた磁性楔体ユニット６において、第１外部流通筒体６３と第２外部流通筒体６４とが軸心Ｘを基準として相反する位置関係、この図面では磁性楔体ユニット６の中心点に対して点対称となるように配置されている。これにより、例えば、第１外部流通筒体６３の外部流通流路８３に冷媒供給口を接続するとともに第２外部流通筒体６４の外部流通流路８３に冷媒排出口を接続すると冷媒の給排流路が作り出される。冷媒源から流れ込んできた冷媒は、第１環状枠体６１の環状流路８２、各磁性楔体６０の冷媒流路８１、第２環状枠体６２の環状流路８２、さらに第２外部流通筒体６４の外部流通流路８３を流れて排出される。これにより、コイル５の内周先端部は冷媒によって強制冷却される。もちろん、これとは逆に、第２外部流通筒体６４を冷媒供給口に接続し、第１外部流通筒体６３を冷媒排出口に接続してもよい。または、切換弁等を用いて、冷媒供給口を冷媒排出口に、冷媒排出口を冷媒供給口に変更することにより、冷媒流路の流れを正逆変更し、詰まり等の抑制に役立ててもよい。
【００２１】
磁性楔体ユニット６の磁性楔体６０は、コイル５が収納されたスロット４３０の開口に装着され、ロータ２に接近して向き合っているので、その電気的及び磁気的な特性が重要となる。例えば、ロータ２からの磁束がコイル５に入らないように遮断すること、ロータ２が高回転しているときの逆起電力の発生を防止すること、磁性楔体６０自体に電流が流れることによる銅損及び鉄損の発生を防止すること、などが磁性楔体６０に要求される。このため、この磁性楔体６０は、以下の特性を有するように製造されている；
（１）磁性楔体６０は空気より高い透磁率を有する。
（２）磁性楔体６０はコイル５より高い電気抵抗を有する。
（３）磁性楔体６０は積層板４０より高い電気抵抗を有する。
このような特性を備えるため、好ましくは、磁性楔体６０は磁性粉を樹脂で固めるという製法で製造される。なお、第１環状枠体６１及び第２環状枠体６２はコイル５やロータ２と向き合う面積が小さいので磁性楔体６０と同様な特性を要求されことはないが、同じ材料で製造してもよいし、別な材料を用いてよい。
【００２２】
〔別実施形態〕
（１）上記実施の形態では、電機子は、いわゆる径方向にロータとステータが並んでいるラジアルタイプの回転電機に適用されていた。しかしながら、本発明による電機子は、軸方向にロータとステータが並んでいるアキシャルタイプの回転電機に適用することも可能である。その場合、径方向に放射状に形成されたスロット内に磁性楔体が装着され、その両端が小径の環状枠体と大径の環状枠体に接続される。ここでも、環状枠体は、上記実施の形態と同様、多数の磁性枠体を束ねて剛性を与えるとともに、磁性枠体に対して冷媒を給排する役割を果たす。磁性楔体の内部を流れる冷媒によってスロット内に収容された最も高温となるコイル部分が効果的に冷却される。
（２）上記実施の形態では、電機子は固定側、つまりステータとして形成されたものであったが、回転側の電機子、つまりロータとして形成されたものにも適用可能である。
（３）上記実施の形態では、磁性楔体６０、第１環状枠体６１、第２環状枠体６２、第１外部流通筒体６３、第２外部流通筒体６４はそれぞれ別体で構成され、挿入（嵌入）連結によって接続されていたが、いずれかの部材同士を一体的に構成するようにしてもよい。また、それぞれの挿入（嵌入）連結のための連結構造は、図示された形態に限定されるわけではない。さらに、外部流通筒体の本数も任意に選択可能である。
【符号の説明】
【００２３】
２：ロータ
３：ステータ
４：ステータコア（電機子コア）
５：コイル
６：磁性楔体ユニット
１０：ケース本体
４０：ステータ積層板
４１：固定部
４３：スロット部
４３０：スロット
４４：歯部
４４０：長手歯
６０：磁性楔体
６１：第１環状枠体
６２：第２環状枠体
６３：第１外部流通筒体
６４：第２外部流通筒体
８１：冷媒流路
８２：環状流路
８３：外部流通流路
Ｘ：軸心（回転軸心）
【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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