(57)【要約】【課題】ステータ径方向内側のステータコイルを冷却する能力の向上することができる回転電機のステータを提供する。【解決手段】回転電機のステータ１０は、ステータコア１２に形成された各スロット１６内においてステータコイル１８と接触するとともにステータ１０の径方向内端部を閉塞し、ステータコイル１８を冷却する冷却媒体が流通し、断面が矩形状の冷却配管２２と、ステータ１０の一方の軸方向端面に接し、各冷却配管２２が連結され、冷却媒体が流通する第１の連結配管２４と、ステータ１０の他方の軸方向端面に接し、各冷却配管２２が連結され、冷却媒体が流通する第２の連結配管２６と、を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステータコアに形成された複数のスロットにステータコイルが挿入された回転電機のステータであって、
各スロット内においてステータコイルと接触するとともにステータ径方向内端部を閉塞し、ステータコイルを冷却する冷却媒体が流通し、断面が矩形状の冷却配管と、
ステータの一方の軸方向端面に接し、各冷却配管が連結され、冷却媒体が流通する第１の連結配管と、
ステータの他方の軸方向端面に接し、各冷却配管が連結され、冷却媒体が流通する第２の連結配管と、を有すること、
を特徴とする回転電機のステータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータや発電機などの回転電機のステータに関し、特に、ステータコイルの冷却に関する。
【背景技術】
【０００２】
モータや発電機などの回転電機には、回転磁界を発生させてロータ（回転子）を回転させるステータ（固定子）が設けられている。ステータは略円筒形状のステータコアとステータコイルとを含み、ステータコアの内周に設けられた複数のティースにステータコイルが組み付けられ、ティース間の空間であるスロットにステータコイルが挿入されている。このような回転電機では、ステータコイルが大きな熱を発生し、ステータコイルを冷却しない場合は発熱抑制のために回転電機の負荷率制限が行われ、回転電機の出力が低下する原因となる。したがって、回転電機の出力低下を抑制するためにはステータコイルの冷却が必要である。
【０００３】
ステータコイルを冷却する従来装置として、冷却チューブをステータコイルのコイルエンド周方向とステータコア外側とに配置したものが用いられている（特許文献１）。
【０００４】
また、ロータへ向けて冷媒をミスト状に吐出する冷却パイプを、ステータのスロット内に配置したものが用いられている（特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−３２５３６９号公報
【特許文献２】実開平５−９５１７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
回転電機の動作中には、ロータからの磁束がステータティースの内端面からステータティースへ入り込む。この際、ステータティースの内端面では磁束が飽和し、磁束はステータティースの側面からスロット内のステータコイルへ向けて漏れる。漏れた磁束はステータコイルを通過して渦電流が発生し、ステータコイルが発熱する。ここで、スロット内のステータ径方向内側のステータコイルで磁束の漏れ量が多いため、当該箇所のステータコイルが発熱し易くなる。
【０００７】
特許文献１の装置では、ステータ径方向内側のステータコイルを冷却するための冷却チューブが設けられていないという問題があった。また、特許文献２の装置は、ロータを冷却して高温となった冷媒がステータのスロット内に戻り、ステータコイルを冷却する能力を低下させるという問題があった。
【０００８】
本発明は、回転電機のステータ径方向内側のステータコイルを冷却する能力の向上を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の回転電機のステータは、ステータコアに形成された複数のスロットにステータコイルが挿入されたステータであって、各スロット内においてステータコイルと接触するとともにステータ径方向内端部を閉塞し、ステータコイルを冷却する冷却媒体が流通し、断面が矩形状の冷却配管と、ステータの一方の軸方向端面に接し、各冷却配管が連結され、冷却媒体が流通する第１の連結配管と、ステータの他方の軸方向端面に接し、各冷却配管が連結され、冷却媒体が流通する第２の連結配管と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明は、回転電機のステータ径方向内側のステータコイルを冷却する能力を向上できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態の回転電機の構成を示す側面図である。
【図２】本発明の実施形態のステータの拡大図である。
【図３】本発明の実施形態のステータの内周側から見た配管構造を示す図である。
【図４】比較例の回転電機の構成を示す側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。図１は、本実施形態の回転電機の構成を示している。図１に示すように、回転電機は、円筒状のステータ１０と、ステータ１０の内側に設けられたロータ３４と、図示しない軸受に回転可能に支持され、ロータ３４を回転可能にするシャフト３２と、を備えている。
【００１３】
ステータ１０は、略円筒状のステータコア１２と、ステータコア１２の内径側に形成される複数のティース１４と、ステータコア１２の周方向に隣り合うティース１４の間に形成されるスロット１６と、を備えている。また、ティース１４にはステータコイル１８が巻回され、スロット１６にステータコイル１８が挿入されている。ステータコア１２は複数の電磁鋼板を積層して形成されており、図示しない外筒に圧入することによって固定されている。
【００１４】
図２はステータ１０を拡大して示す図であり、図３はステータ１０の内周側から見た配管構造２０を示す図である。図１から図３に示すように、ステータ１０には、ステータコイル１８を冷却する配管構造２０が組み付けられている。図１に示すように、配管構造２０は、ステータ１０の各スロット１６に設けられる冷却配管２２と、リング形状の第１の連結配管２４と、リング形状の第２の連結配管２６と、冷媒供給配管２８と、冷媒排出配管２９と、を備えている。図２と図３に示すように、冷却配管２２は、各スロット１６内においてステータコイル１８と接触するとともにステータ１０の径方向内端部を閉塞し、ステータコイル１８を冷却する冷却媒体が流通し、断面が矩形状に形成されている。図３に示すように、第１の連結配管２４は、ステータ１０の一部分であるティース１４の一方の軸方向端面に接し、各冷却配管２２が連結され、冷却媒体が流通する。図３に示すように、第２の連結配管２６は、ティース１４の他方の軸方向端面に接し、各冷却配管２２が連結され、冷却媒体が流通する。図１に示すように、冷媒供給配管２８は、第１の連結配管２４に連結され、図示しない冷媒タンクから冷却媒体を供給する。冷媒排出配管２９は、第２の連結配管２６に連結され、図示しない冷媒タンクへ冷却媒体を排出する。
【００１５】
図１に示すように、第１の連結配管２４は、冷媒供給配管２８が連結されている一端部とこの端部に隣り合う他端部では、配管が不連続になっている。また、第２の連結配管２６は、冷媒排出配管２９が連結されている一端部とこの端部に隣り合う他端部では配管が不連続になっている。このように構成された第１の連結配管２４と第２の連結配管２６により、冷却供給配管２８から冷媒排出配管２９へ流れる冷却媒体の流れが一方向に規定されている。
【００１６】
本実施形態では、配管構造２０は、ステータ１０とは別に形成された上でステータ１０に組み付けられる。本実施形態の配管構造２０は、次のように製造される。冷却配管２２と第１の連結配管２４と第２の連結配管２６と冷媒供給配管２８と冷媒排出配管２９とは、それぞれの形状に合わせた型枠に絶縁性の耐熱樹脂材を流し込むことによって、それぞれ形成される。冷却配管２２は、長手方向の長さがスロット１６の軸方向長さと略同じであり、流路断面が矩形状のパイプに形成される。第１の連結配管２４は、リング状であり、長さがステータ１０の内周長さと略同じであり、流路断面が矩形状に形成される。また、第１の冷却配管２４は、冷却配管２２の一端に連結するための開口である第１連結部が複数形成されている。また、第１の連結配管２４の長手方向の一端部には冷媒供給配管２８に連結するための開口である冷媒供給部が形成されている。第１の連結配管２４の長手方向の両端面は閉塞されている。第２の連結配管２６は、リング状であり、長さがステータ１０の内周長さと略同じであり、流路断面が矩形状に形成される。また、第２の連結配管２６は、冷却配管２２の他端に連結するための開口である第２連結部が複数形成されている。また、第２の連結配管２６の長手方向の一端部には冷媒排出配管２９に連結するための開口である冷媒排出部が形成されている。第２の連結配管２６の長手方向の両端面は閉塞されている。冷媒供給配管２８は、第１の連結配管２４の冷媒供給部に連結するための一端と、冷媒タンクに連結するための他端と、を備えるパイプに形成される。冷媒排出配管２９は、第２の連結配管２６の冷媒排出部に連結するための一端と、冷媒タンクに連結するための他端と、を備えるパイプに形成される。
【００１７】
次に、各配管を組み合わせる。各冷却配管２２は、一端が第１の連結配管２４の第１連結部に熱溶着で連結され、他端が第１の連結部に対応する第２の連結配管２６の第２連結部に熱溶着で連結される。このように、第１の連結配管２４と第２の連結配管２６と複数の冷却配管２２をそれぞれ連結することにより、格子状の構造が形成される。また、冷媒供給配管２８は第１の連結配管２４の冷媒供給部に熱溶着で連結され、冷媒排出配管２９は第２の連結配管２６の冷媒排出部に熱溶着で連結される。このようにして、配管構造２０が形成される。
【００１８】
次に、上述のように形成された配管構造２０を、ステータ１０に組み付ける。第１の連結配管２４は、長手方向の両端面が閉塞されているため、図１に示すように冷媒供給配管２８が連結されている一端と左側に隣接する他端とが不連続に形成されている。また、第２の連結配管２６は、長手方向の両端面が閉塞されているため、長手方向端が不連続に形成されている。このように、配管構造２０は両端のリング形状の各配管が不連続であるため、容易に変形することができる。配管構造２０は、外周方向から内周方向へ変形され、冷媒供給配管２８が曲げられ、第１の連結配管２４からステータ１０の内周に通される。第１の連結配管２４と第２の連結配管２６がティース１４の軸方向端面と略同じ位置になったところで、変形した配管構造２０を元に戻す。冷却配管２２がスロット１６に一致するように周方向の位置決めが行われ、冷却配管２２がスロット１６に押し込まれる。このように配管構造２０をステータ１０に組み付けることにより、図２に示すように、冷却配管２２は、ステータコイル１８に接し、スロット１６のステータ１０の径方向内端部を閉塞するように配置される。また、図３に示すように、配管構造２０は、第１の連結配管２４と第２の冷却配管２６がティース１４をステータ１０の軸方向両側から挟み込むように配置される。
【００１９】
ステータ１０に組み付けられた配管構造２０には、回転電機が運転状態の場合に冷却媒体が流通する。冷却媒体は、図示しない冷媒タンクから冷媒供給配管２８を介して第１の連絡配管２４に供給される。第１の連結配管２４を通る冷却媒体は、各冷却配管２２へ供給される。冷却配管２２に供給された冷却媒体は、冷却配管２２に接するステータコイル１８と熱交換し、第２の連結配管２６へ移動する。冷却配管２２から第２の冷却配管２６に移動した冷却媒体は、冷媒排出配管２９を介して冷媒タンクへ排出される。本実施形態では、冷却媒体としてＡＴＦを用いている。
【００２０】
以上のように、本実施形態に係る回転電機によれば、冷却配管２２によって、回転電機のステータ１０の径方向内側のステータコイル１８を冷却する能力を向上できる。したがって、ステータコイル１８の発熱を抑制するために回転電機の負荷率制限を行わなくてもよく、回転電機の出力を維持することができる。また、冷却配管２２を通る冷却媒体がＡＴＦであるので、冷間時にはＡＴＦウォーマーとして機能することができる。また、ロータ３４からの放射熱を冷却配管２２によって吸収できるため、ロータ３４を冷却することもできる。また、冷却配管２２を通る冷却媒体によってロータ３４の温度を下げることができるため、ロータ３４の磁石に耐熱温度が低いものを用いることができる。その結果、ロータ３４の磁石の耐熱温度を高くするために用いられるレアアース（たとえば、ジスプロシウム）の使用量を削減でき、回転電機のコスト低減や材料調達リスクの低減ができる。
【００２１】
ところで、配管構造２０がステータに組み付けられない場合、ステータコイルのステータ径方向内側を冷却できないだけでなく、次のような問題が生じる可能性がある。
【００２２】
図４を参照して、本実施形態の配管構造２０を備えていない、比較例の回転電機に生じ得る問題について示す。スロット６６はステータ径方向内側が開放されているため、シャフト７２から供給され、シャフト７２およびロータ７４を冷却して高温となった冷却液（ＡＴＦ）が飛散して入り込み、ステータコイル６８の温度上昇を引き起こす可能性がある。また、スロット６６はステータ径方向内側が開放されているため、ＡＴＦが滞留し易く、ステータ６０とロータ７４の間のエアギャップにおいてＡＴＦに起因する引き摺り抵抗が大きくなり、回転電機の出力損失が生じる。また、スロット６６の隙間にロータ７４からの異物が飛散することがあり、スロット６６内のステータコイル６８に異物が衝突し、ステータ径方向内端部に設けられた絶縁紙の劣化が生じ、ステータコイル６８の絶縁性が低下する可能性がある。
【００２３】
本実施形態の回転電機は、冷却配管２２によってスロット１６のステータ径方向内端部を閉塞しているため、シャフト３２から供給されるＡＴＦがスロット１６に入り込むことを冷却配管２２によって防ぐことができ、高温のＡＴＦによるステータコア１８の温度上昇を防ぐことができる。また、冷却配管２２がスロット１６を閉塞することによって、ティース１４とスロット１６とによって形成されるステータ１０の内周面の凹凸を平滑化することができ、ＡＴＦがスロット１６に滞留することがなく、ＡＴＦに起因する引き摺り損失を抑制することができる。また、ロータ３４からの飛散物がステータコイル１８に衝突することを冷却配管２２によって防ぐことができ、ステータコイル１８の絶縁性を維持することができる。さらに、冷却配管２２は絶縁体である樹脂によって形成されているため、ステータコイル１８のステータ径方向内端部における絶縁紙等の絶縁処理を不要にすることができる。
【００２４】
また、比較例の回転電機には、次のような問題もある。比較例のステータコア６２は、本実施形態の回転電機のステータコア１２と同様に、複数の電磁鋼板を積層して形成され、図示しない外筒に圧入することによって固定されている。ティース６４の内周の積層鋼板はステータ６０の軸方向から押さえ込まれていないため、ティース６４で積層鋼板の開きが生じ、回転電機の出力低下が生じたり、鋼板の振動による騒音、振動特性（ＮＶ特性）が悪化したりする。一方、ティース６４をダボかしめ等によって固定すると、磁束の通路にとって重要なティース６４の磁気特性が変化し、回転電機の出力低下が生じる。
【００２５】
本実施形態の回転電機は、ティース１４をダボかしめ等によって固定していない場合であっても、冷却配管２２と第１の連結配管２４と第２の連結配管２６がステータコア１２のティース１４を包み込み、ティース１４を鋼板の積層方向両側から挟み込んで積層方向に抑え込む。その結果、ティース１４における積層鋼板の開きを抑制することができ、回転電機の出力低下を抑制することができ、ＮＶ特性を向上することができる。本実施形態では、第１の連結配管２４と第２の連結配管２６は断面が矩形状に形成されているため、ティース１４との接触面を多くとることができ、鋼板を積層方向から抑え込む力を広範囲に及ぼすことができるため、より効果的に積層鋼板の開きを抑制できる。また、ティース１４をダボかしめ等で固定しなくてもよいため、回転電機の出力低下を抑制することができる。
【００２６】
以上のように、本実施形態の回転電機によれば、配管構造２０がステータ１０に組み付けてあるため、ステータ径方向内側のステータコイルを冷却する能力を向上できるのみならず、上述した様々な効果を奏する。
【００２７】
本実施形態では、第１の連結配管２４と第２の連結配管２６は断面矩形状に形成されているが、これに限られない。第１の連結配管２４と第２の連結配管２６は、積層鋼板の開きを抑制でき、冷却媒体を適切に流通できれば、どのような形状であってもよい。
【符号の説明】
【００２８】
１０  ステータ、１２  ステータコア、１４  ティース、１６  スロット、１８  ステータコイル、２０  配管構造、２２  冷却配管、２４  第１の連結配管、２６  第２の連結配管、２８  冷媒供給配管、２９  冷媒排出配管、３２  シャフト、３４  ロータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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