(57)【要約】  【課題】ステータコイルの近傍に冷却媒体を通流させるための冷却通路を形成することなく、しかもステータコイルを全長にわたって効率的に冷却できる電動機のコイル冷却構造を提供する。                                                                    【解決手段】電動機(100) は、ロータ(120) の外周面に対向して配され、その内周面に軸線と平行に延びステータコイル(112) が巻装された複数のリブ状突部(111a)を周方向に有するステータ(110) とを備えている。隣接する各リブ状突部(111a)に巻装されたステータコイル(112) 間の間隙(104) に密着して挿通され、その少なくとも一端部が高熱伝導体(114) を介して前記モータハウジング(101) に接続された線状の冷却媒体(113) を有している。発熱源であるステータコイル(112) の昇温熱は、前記線状の冷却媒体(113) を通って前記モータハウジング(101) に伝達され、効率的に外気へと放散される。  【選択図】図３
2006320104.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータハウジングに回転自在に支持されたロータ軸と、同ロータ軸と一体的に回転するロータと、同回転ロータの外周面に対向して配され、その内周面に軸線と平行に延びステータコイルが巻装された複数のリブ状突部を周方向に有するステータとを備えた電動機のコイル冷却構造であって、
隣接する前記リブ状突部に巻装されたステータコイル間の間隙に密接挿通され、その少なくとも一端部が高熱伝導体を介して前記モータハウジングに接続されてなる線状の冷却媒体を有してなることを特徴とする電動機のコイル冷却構造。
【請求項２】
前記線状の冷却媒体は、前記ステータコイルと同一の材質及び構造を有してなる請求項１記載のコイル冷却構造。
【請求項３】
前記線状の冷却媒体は、表面に絶縁被覆がなされた多数の細い金属線材から構成されてなる請求項１又は２に記載のコイル冷却構造。
【請求項４】
前記高熱伝導体は、銅系又はアルミ系の金属材料から構成されてなる請求項１〜３のいずれかに記載のコイル冷却構造。
【請求項５】
前記モータハウジングがハウジング用冷却手段を更に有してなる請求項１記載のコイル冷却構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電動機の発熱源となるステータに巻装されたステータコイルを効率的に冷却するためのコイル冷却構造に関する。なお、本発明における電動機とは、電動モータ、発電機、発電機兼用電動モータを含むものである。
【背景技術】
【０００２】
この種の電動機は多様な分野にて採用されるようになり、その設置空間の制約から小型化が強く求められており、同時に大容量化も要求される。電動機はステータと同ステータの内周面と微小な間隙をもたせて対設されるロータとを備えている。前記ステータは、両端面が閉塞された円筒状のモータハウジングの内周面に沿って固設されるリング状部材からなり、そのステータの内周面には軸線方向に平行なリブ状の突部を周方向に所要の間隔をおいて多数突設している。このリブ状突部はそれぞれが磁極を構成し、同リブ状突部の周面にはステータコイルが巻装される。電動機の駆動時にはステータコイルに電流が流れ、その抵抗のため発熱して電動機の内部を高温化させる。電動機の発熱源は、大半がステータコイルとロータ及びステータの各コアとにある。高温下では、ステータコイルの電気抵抗が増加し電動機の能力を大幅に低下させる。
【０００３】
上述のように、電動機の小型化と大容量化とを同時に達成しようとすれば、必然的に前記発熱源の発熱も大きくなり、電動機内部を極めて高温化させる。従って、発熱源、特に上記ステータコイルから発生する熱を機外に効率的に排出できれば、電動機を小型化したとしても大きな出力が得られるようになる。そのため、従来も、例えば特開２００２−２３３１０７号公報（特許文献１）、特開２００４−２０８４６１号公報（特許文献２）などに開示されているように、電動機のコイル冷却装置が多数提案されている。これらの冷却装置は、いずれも液体からなる冷却媒体をモータハウジング又はステータ、もしくはモータハウジングとステータとの間に冷却用ジャケット空間又は通路を形成して、前記ステータコイルを積極的に冷却しようとしている。
【０００４】
前記特許文献１によれば、モータハウジングとステータとの間に形成される上記ジャケット空間に加えて、ステータに巻装されたステータコイルを樹脂により固めるとともに、ステータコイルの折返し部にステータの両縁端部から大きく張り出す樹脂フランジ部を形成して、その樹脂フランジ部の周面に冷媒液を付与して冷却する。この樹脂フランジ部の周面の冷却により、ステータの樹脂フランジ部の周面から放熱がなされ、一方でステータの樹脂フランジ部の内部では、ステータコイルの発熱による多量の熱が樹脂フランジの周面へと移動する。このとき同時に、ステータとロータとの間でも多量の熱の移動があるため、ステータコイルが樹脂で固定されたステータの内部温度及びロータの表面温度が低下して運転時の温度上昇をより抑えることができるとしている。
【０００５】
前記特許文献２によれば、ステータのステータコイルを巻装する部位に合成樹脂材料からなる絶縁層を形成するとともに、その絶縁層を挟んで外側にアルミニウムなどからなる熱伝導部材を配し、その熱伝導部材と前記絶縁層との間、又は前記熱伝導部材に冷却媒体を通すための冷却通路を形成している。前記ステータコイルは前記熱伝導部材の外周に巻装される。絶縁部材は、ステータとステータコイルとが導通することを防止する。前記熱伝導部材の周囲に巻装されているステータコイルが発熱しても、その熱が熱伝導部材に伝達され、冷却通路に通流している冷却媒体によって吸熱されてステータコイルを全長にわたり冷却する。
【特許文献１】特開２００２−２３３１０７号公報
【特許文献２】特開２００４−２０８４６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このように、従来の電動機におけるコイル冷却構造は、ステータコイルの回りに液体通路を設けるとともに、同液体通路内を冷却液を積極的に通すためのポンプを要するばかりでなく、電動機の構造及び加工を複雑化している。また、特に上記特許文献１のごとく樹脂フランジを介してステータコイルの折返し端部を冷却することは、一般的に樹脂は断熱性が高いことから冷却効率を上げることは極めて難しい。また特許文献２のようにステータコアとステータコイルとの間に断熱材と熱伝導部材とが介装するときは、ステータのステータコイルが巻装される空間が小さくなりコイルの占積率が低くなることになり、反対に特許文献２のような構造を採用せずに、ステータコイルの断面積を大きくして発熱を抑える方が得策である。
【０００７】
本発明は、こうした従来の課題を解消すべくなされたものであり、具体的にはステータコイルの近傍に冷却媒体を通流させるための冷却通路を形成することなく、しかもステータコイルを全長にわたって効率的に冷却できる電動機のコイル冷却構造を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
かかる目的は、本発明の主要な構成である、モータハウジングに回転自在に支持されたロータ軸と、同モータ軸と一体的に回転するロータと、同回転ロータの外周面に対向して配され、その内周面に軸線と平行に延びステータコイルが巻装された複数のリブ状突部を周方向に有するステータとを備えた電動機のコイル冷却構造であって、前記リブ状突部に巻装され隣接するステータコイル間の間隙に密着挿通され、その少なくとも一端部が高熱伝導体を介して前記モータハウジングに接続固定されてなる線状の冷却媒体を有していることによって効果的に達成される。
【０００９】
前記線状の冷却媒体は、前記ステータコイルと同一の材質及び構造を有していてもよく、或いはステータコイルとは異なる材質からなる表面に絶縁被覆がなされた多数の細い金属線材又は金属棒から構成されていてもよい。一方、モータハウジングの内壁面と前記冷却媒体の端部との間に介装される前記高熱伝導体は、銅系又はアルミ系の金属材料から構成されていることが望ましく、また前記モータハウジングに、空冷式又は液冷式のハウジング専用の冷却手段を更に設けることができる。
【作用効果】
【００１０】
本発明によれば、ステータの隣り合うリブ状突部の各周面に巻装されるステータコイルの間に形成される間隙に、或いはステータコイル束の細線間に、熱伝導率の高い線状の冷却媒体を密着させて挿通して、その端部を高熱伝導体を介してモータハウジングに接触させて固定しているため、ステータコイルの発熱は、同コイルに密接する各線状の冷却媒体に伝達されて高熱伝導体へと導かれたのち、熱容量が大きく且つ外気と接するモータハウジングから外気へと放散される。前記線状の冷却媒体は、リテーナコイルの折返し端部の間に延在しているため、リテーナコイルの折曲げ端部を冷却するだけでなく、その折返し端部間に沿ってほぼリテーナコイルの全長にわたり効率的に冷却する。
【００１１】
前記線状の冷却媒体には、ステータコイルと同質で且つ同一の構造を採用することができる。通常、ステータコイルは巻きやすさを考慮して複数の細線の束を１本のステータコイルとして使われるが、前記線状の冷却媒体も同様の細線とする場合には、１本のステータコイル束の内部に形成される間隙、或いは隣接するステータコイル束の細線間に形成される間隙に挿通させやすく、更にはそれらの間隙の横断面形状にも馴染みやすい。なお、前記線状の冷却媒体として、隣接するステータコイル束の間に形成される間隙に挿入する場合には、表面に絶縁膜を有する金属棒材を使うことも可能であり、この金属棒材と細線を混用することにより、線材の挿入しやすさに加えて、ステータコイル束の構成線材と冷却媒体としての線材とがよく密着して、冷却効率を高める。
【００１２】
前記冷却媒体としての線材は、両端が切断され、その両端をそれぞれ一対の前記高熱伝導体に接続することもできるが、他端部よりもステータコイルの折返し端部が大きく膨出する一端だけを前記高熱伝導体に接続するとともに他端部を絶縁処理する方が、高熱伝導体の設置空間が１／２となり、しかも一端部を前記高熱伝導体に接続しても、冷却効率の面から差ほどの差が生じないことから好ましい。更に本発明にあっては、モータハウジング自体にも液体又は空冷による冷却手段を備えるようにすれば、ステータの冷却が助長されステータコイルをより効果的に冷却できるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の代表的な実施形態を図面を参照して更に具体的に説明する。
図１は、本発明に係るコイル冷却構造を備えた電動機を模式的に示す横断面図、図２は図１のII-II 線断面図である。
【００１４】
電動機１００は、円筒状のモータハウジング１０１の内径面に固設されるステータ１１０と、前記モータハウジング１０１の前後側壁部１０１ｂの中心に軸受１０２を介して回転自在に支承されるロータ軸１０３と、前記ステータ１１０の内周側に配されて前記ロータ軸１０３と一体に回転するロータ１２０とを備えている。ステータ１１０は、複数枚の電磁鋼板を前記ロータ軸の軸線方向に積層して形成された円筒状のステータコア１１１と、同ステータコア１１１の内径部から軸線に沿って突出する複数のリブ状突部１１１ａに巻装されるステータコイル１１２とから構成される。前記リブ状突部１１１ａは磁極を構成し、図示例によれば、ステータコア１１１の内周方向に等しい間隔をおいて８極が形成されている。各リブ状突部１１１ａにステータコイル１１２が巻装され、その一部であるコイル折返し端部１１２ａがステータコア１１１から電磁鋼板の積層方向に突出している。このときのステータコイル１１２の巻装の仕方は、集中巻き方式によるか、或いは分布巻き方式によるかのいずれであってもよい。
【００１５】
ステータ１１０の内周側に配されるロータ１２０は、外周側に磁極となる複数のリブ状突部１２１ａを有するロータコア１２１をロータ軸１０３に固定して構成されている。ロータコア１２１はロータ軸１０３を中心とする円筒形状を呈し、前記リブ状突部１２１ａの外周側端面は前記ステータコア１１１の上記リブ状突部１１１ａと微小な隙間をおいて配される。本実施形態によれば、前記ロータコア１２１のリブ状突部１２１ａの数、つまり極数は６つであり、前記ステータコア１１１の極数よりも２極少なく形成されている。
【００１６】
円筒状のモータハウジング１０１は、円筒部１０１ａと、円筒部１０１ａの前後開口を閉塞する略円形の側壁部１０１ｂとから構成される。本実施形態によれば、前記モータハウジング１０１には冷却液（油）の流通路１０１ｃが全体を連通して形成されており、その液体導入口１０１ｃ−１と液体導出口１０１ｃ−２は、図示せぬ外部のポンプと配管を介して接続され、電動機の作動時には冷却液を積極的に循環させる。この冷却液の循環により、ステータコイル１１２の冷却効率をより高めることができる。
【００１７】
本発明に係るコイル冷却構造によれば、単にコイル折返し端部１１２ａだけを積極的に冷却するに止まらず、ステータコイル１１２のほぼ全長にわたって効率よく冷却することができる。本発明の主要な後述するコイル冷却構造に加えて、上述のようにモータハウジング１０１の内部通路に冷却液を循環させるようにしてもよいが、このときの冷却液の循環は補助的なものであり、本発明にあっては必ずしも冷却液の循環は不要である。図３〜図６は本発明の最も特徴部をなす電動機のコイル冷却構造を備えたステータ１１０の代表的な例を示している。
【００１８】
本実施形態によるステータ１１０は、従来と同様に、薄肉の電磁鋼板を積層して形成された円筒状のステータコア１１１の内周面に、磁極としての８個のリブ状突部１１１ａが中心軸線に向けて延設されている。ただし、本実施形態では前記ステータコア１１１は各リブ状突部１１１ａごとに周方向に分割して製作され、その分割された略Ｔ字状断面をもつステータコア部分の周方向の側面同士を順次密着固定して仕上げられる。これらの各リブ状突部１１１ａには定法に従いステータコイル１１２が巻装される。このとき隣接する各リブ状突部１１１ａに、それぞれ巻装されるステータコイル１１２の間には間隙１０４が生じる。この隣接するステータコイル１１２の間に生じる間隙１０４に、本発明の特徴部を構成する熱伝導率の高い線状の冷却媒体１１３が軸線方向に沿って挿通される。
【００１９】
前記ステータコイル１１２は、リブ状突部１１１ａの周囲に巻きやすくするため、表面が絶縁被覆された複数本の細線を束ねた形で１本とされ、これをリブ状突部１１１ａの周囲に巻装する。本実施形態では、前記線状の冷却媒体１１３として前記ステータコイル１１２を切断して得られる複数の細い線材が使われる。すなわち、ステータコイル線材を前記リブ状突部１１１ａの長さに、モータハウジング１０１の内壁面に高熱伝導体１１４を介して接続できる十分な長さを加えた長さをもって切断し、これを結束することなく使用する。前記高熱伝導体１１４は、例えば銅系又はアルミ系等の熱伝導性の高い金属材料からなるブロック片から構成され、止めネジ１０５によりモータハウジング１０１の内壁面に固着するためのネジ孔１１４ａが形成されている。
【００２０】
上述のようにして得られた複数本の細い線材１１３ａからなる前記冷却媒体１１３を、一端部を前記高熱伝導体１１４を介してモータハウジング１０１の内壁面に接続できる十分な長さを残して、隣接するステータコイル１１２の間に生じる前記間隙１０４にステータコイル１１２の構成線材１１２ｂと密着させながら結束しない状態で挿通させる。このとき、冷却媒体１１３はステータコイル１１２と同一材料をバラバラの状態で使っているため、ステータコイル１１２の構成線材間によく馴染んで挿通される。この挿通が完了した時点で、前記冷却媒体１１３の前記一端部を前記高熱伝導体１１４に接続するとともに、その他端部を絶縁処理する。
【００２１】
なお、前記高熱伝導体１１４を予めモータハウジング１０１の内壁面に止めネジ１０５で固着しておき、冷却媒体１１３の挿通後の一端を前記高熱伝導体１１４に接続させてもよく、或いは冷却媒体１１３の前記一端部を予め前記高熱伝導体１１４に接続させておき、その後に上記間隙１０４に挿通させるようにしてもよい。また本実施形態では、前記冷却媒体１１３としてステータコイル１１２の切断線材を用いたが、図７に示すように冷却媒体専用の複数本からなる太い線材１１３ｂを使うこともできる。この太い線材１１３ｂを使うときは、前記間隙１０４に挿通しやすいばかりでなく押し込みやすいため、この太い線材１１３ｂを前記間隙１０４に挿通させるとき密着するステータコイル１１２の構成線材１１２ｂをリブ状突部１１１ａ側へと押し付ける力が働き、ステータコイル１１２との密接度が増えるとともに、ステータコイル１１２自体をリブ状突部１１１ａ、すなわちステータコア１１１との密接度も増加して、より効率的な冷却が達成される。
【００２２】
以上のコイル冷却構造を備えた本実施形態による電動機によれば、電動機の駆動時又は回生時にはステータコイル１１２に電流が流れ、この電流の一部によってコイル自体が発熱する。また、ステータコイル１１２が発生する磁束の一部がステータ１１０及びロータ１２０を発熱させる。その結果、コイルの温度が上昇して電気抵抗が増加し、ますます高温化する。
【００２３】
本実施形態によれば、上述のように高温化しようとするステータコイル１１２の発熱時の熱は、隣接するステータコイル１１２の間隙１０４に挿通された線状の冷却媒体１１３に伝達され、高熱伝動体１１４を介してモータハウジング１０１へと効率的に移動し、モータハウジング１０１の冷却液通路１０１ｃを流れる冷却液に吸収されるとともに外気へと放散されるため、ステータコイル１１２のほぼ全体にわたって効率よく冷却されることになる。また、前記モータハウジング１０１自体も冷却液通路１０１ｃを流れる冷却液により冷却されているため、発熱して昇温しようとするステータ１１０及びロータ１２０を冷却し、ステータコイル１１２の更なる昇温を抑制し、極めて効率的な冷却が可能となる。その結果、ステータコイル１１２の電気抵抗が小さくなり、ステータコイル１１２に大きな電流を流すことができ、電動機１００の最高回転数を高くでき、或いは電動機１００の最大出力を維持した状態で電動機１００を小型化することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の代表的な実施形態に係るコイル冷却構造を備えた電動機を模式的に示す横断面図である。
【図２】図１のII-II 線に沿った断面図である。
【図３】前記コイル冷却構造を備えたステータの一部を内面側から見た斜視図である。
【図４】同ステータの一部である分割ステータを上方から見た斜視図である。
【図５】同分割ステータの底面図である。
【図６】同ステータの部分的な横断面図である。
【図７】上記コイル冷却構造に使用される線状の冷却媒体の変形例を示す部分的な横断面図である。
【符号の説明】
【００２５】
１００                電動機
１０１                モータハウジング
１０１ａ              円筒部
１０１ｂ              側壁部
１０１ｃ              冷却液流通路
１０１ｃ−１          液体導入口
１０１ｃ−２          液体導出口
１０２                軸受
１０３                ロータ軸
１０４                間隙
１０５                止めネジ
１１０                ステータ
１１１                ステータコア
１１１ａ              リブ状突部（磁極）
１１２                ステータコイル
１１２ａ              折返し端部
１１２ｂ            （ステータコイルの）構成線材
１１３                線状の冷却媒体
１１３ａ            （冷却媒体の）細い線材
１１３ｂ            （冷却媒体の）太い線材
１１４ａ              ネジ孔
１２０                ロータ
１２１                ロータコア
１２１ａ              リブ状突部（磁極）
【図１】
2006320104.tif 000003
【図２】
2006320104.tif 000004
【図３】
2006320104.tif 000005
【図４】
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【図５】
2006320104.tif 000007
【図６】
2006320104.tif 000008
【図７】
2006320104.tif 000009