(57)【要約】【課題】平角線導体をコイルの導線として用いた固定子において、冷却効率を向上させた固定子を提供する。【解決手段】円環状に接続される複数の分割コア１１のティース部１２に絶縁部材を介して平角線導体を複数列巻き回して第１巻線と第２巻線を形成し、この第２巻線と第２巻線の間の空間を冷媒流路１５として、巻線最内周の導体１６ａおよび１６ｂとの隙間Ｗｃと冷媒流路１５の短辺長さＷｊとの比Ｗｃ／Ｗｊを２０％以下となるようにすることで、隙間Ｗｃへの冷媒の流れ込みやそれによる滞留を防止し、冷媒流路１５にのみ冷媒が流れるようにして、冷却効率を高める。【選択図】            図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ティース部を備え、円環状に接続される複数の分割コアと、前記分割コアの前記ティース部に絶縁部材を介して平角線導体を巻き回すことにより形成された複数列の巻線と、
前記複数列の巻線同士の間の空間よりなる冷媒流路と、を有し、
前記巻線の最内周に位置する前記平角線導体と前記絶縁部材との隙間が、前記冷媒流路を構成する前記複数列の巻線間の間隔の２０％以下であることを特徴とする電動機の固定子。
【請求項２】
前記巻線の最内周に位置する前記平角線導体と前記絶縁部材との隙間に弾性材を有す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】
分割コア同士を円環状接続して固定子を形成した際に、分割コア同士の前記巻線間にできる前記空間に弾性材を設けたことを特徴とする請求項１または２記載の電動機の固定子。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一つに記載の電動機の固定子を用いたことを特徴とする電動機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電動機の固定子、およびこの固定子を用いた電動機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電動機の一つとして、固定子側にコイルを設けたタイプの電動機がある。この電動機の固定子に用いるコイルの導線のなかには、断面が長方形となった扁平な平角形状の導線を用いたものがある（たとえば、特許文献１参照）。なお、このようなコイルの導体をここでは、平角線導体と称する。
【０００３】
【特許文献１】
特開平５−２４３０３６号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような平角線導体を用いて固定子のコイルを形成した場合、固定子のティース部に平角線導体が平行に巻き回わされることになるため、積層コア角部の曲げによって、図１３に示すように、固定子コアのティース部１２の鋼板積厚方向中央部で平角線導体３１の湾曲による隙間３５が生じてしまう。
【０００５】
このような隙間は、平角線導体よりなる巻線を複数列形成し、それら複数列の巻線の間を、冷媒を通すための冷媒流路とした構造の固定子にあっては、冷媒の流れを滞留させて冷却効率を悪化させる原因となることがわかってきた。
【０００６】
そこで本発明の目的は、平角線導体よりなる巻線をコイルとして用いた固定子において、冷却効率を高めた電動機の固定子を提供することであり、またこれにより冷却効率の高い電動機を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を達成するための本発明は、ティース部を備え、円環状に接続される複数の分割コアと、前記分割コアの前記ティース部に絶縁部材を介して平角線導体を巻き回すことにより形成された複数列の巻線と、前記複数列の巻線同士の間の空間よりなる冷媒流路と、を有し、前記巻線の最内周に位置する前記平角線導体と前記絶縁部材との隙間が、前記冷媒流路を構成する前記複数列の巻線間の間隔の２０％以下であることを特徴とする電動機の固定子である。
【０００８】
また、上記課題を達成するための本発明は、上記固定子を用いたことを特徴とする電動機である。
【０００９】
【発明の効果】
本発明の電動機の固定子によれば、巻線の最内周に位置する平角線導体と絶縁部材間に生じる隙間を、冷媒流路の短辺の長さ対して２０％以下に抑制することで、この隙間に流れ込む冷媒の量を抑制することが可能となる。これにより冷媒が冷媒流路に集中して、隙間への冷媒の流れ込みやそれによる滞留が少なくなるため、固定子の冷却効率を向上させることができる。
【００１０】
また、本発明の電動機は、上記のように冷却効率を向上させた固定子を用いたので、冷却効率が高く、効率のよい電動機となる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００１２】
（第１の実施の形態）
図１は本発明を適用した電動機の固定子の外観構成を示す斜視図であり、図２は図１に示した固定子の一つの分割コアを示す側面図であり、図３は図１に示した固定子の要部を示す断面図である。
【００１３】
この固定子１は、分割コア方式となっており、１つの極ごとに分割されている分割コア１１を互いに接続して円環状に形成したものである。
【００１４】
一つの分割コア１１は、図２および図３に示すように、ティース部１２を備え、このティース部１２に平角線導体を巻き回すことによって形成したコイル１０が設けられている。このコイル１０は、ティース部１２に平角線導体を巻き回すことによって形成された２列の巻線よりなる。固定子外側に位置するものを第１巻線１０ａ、固定子内側に位置するものを第２巻線１０ｂとする。
【００１５】
この第１巻線１０ａおよび第２巻線１０ｂは、いずれも分割コア１１のティース部１２の表面に設けられた絶縁部材１３を介して巻き回されている。
【００１６】
分割コア１１は、一般的に一つの分割コア１１の形状に打ち抜かれた電磁鋼板が積層され、カシメやレーザー溶接等により結合されたものである。そして、分割コア１１は、互いに接続されて円環状に組み立てられて固定子１となっている。分割コア１１同士の間には、スペーサ１４が設けられ、また、絶縁部材１３の内周側にもスペーサ１４ａが設けられている。
【００１７】
第１巻線１０ａと第２巻線１０ｂの間の空間は、スペーサ１４によって封止される形となり、この空間がコイル１０および分割コア１１の熱を抜熱するための冷媒が流れる冷媒流路１５となっている。
【００１８】
この冷媒流路１５は、第１巻線１０ａと第２巻線１０ｂの間でスペーサ１４により囲まれた矩形形状となっていて、その短辺長さＷｊ（すなわち、第１巻線１０ａと第２巻線１０ｂの間隔）は、第１巻線１０ａおよび第２巻線１０ｂの最内周に位置する平角線導体１６ａおよび１６ｂと絶縁部材１３との間の隙間Ｗｃの比率（Ｗｃ／Ｗｊ）を規定することで、所望の抜熱性能を得るようにしている。
【００１９】
図４は短辺長さＷｊと隙間Ｗｃの関係から熱性能実験を行った結果を示すグラフである。なお、図において縦軸は温度である。
【００２０】
この実験は、最内周に位置する平角線導体１６ａおよび１６ｂと絶縁部材１３との間の隙間Ｗｃが同じになるように、冷媒流路の短辺長さＷｊを変えた分割コア１１を作成し、この分割コア１１の冷媒流路１５に冷却油を流しながら、巻線に電流を印加して巻線の温度を計測した。温度計測は、巻線内部に熱電対を巻き込んでおいてその熱電対により計測した。なお、測定温度は温度が一定となった時点の温度である。
【００２１】
この図においては、比較のために通常の断面が円形のエナメル線よりなるコイルを用いた分割コアを製作して同じように冷媒を流して試験を行い、これを図中温度低減幅０℃の位置とした。したがって、本実験による温度低減幅は、この断面円形巻線に対する相対温度で示したものである。
【００２２】
実験においては、２本の分割コアを使用し、それらに挟まれた空間に冷媒を流して冷却性能を検証した。平角線導線を用いた巻線には厚さ０．７５ｍｍ×幅５ｍｍのエナメル絶縁被覆導体を使用し、比較対象としたエナメル線は直径φ２．２ｍｍのエナメル絶縁被覆銅線を使用して、これらを所定回数巻回したものである。冷媒は、鉱物系のオイルを使用した。
【００２３】
この実験では交流電動機で発生する鋼板から鉄損が発生しないため、実物のモータよりも温度は低くなるが、巻線からの放熱効果を検証する上では、その影響を排除できるため適した構成となっている。
【００２４】
実験は、これら２極の巻線を直列に接続して直流電源から電流を印加した。その際に温度が上昇していくが、流量および冷媒入口温度を一定として、温度が定常状態になったところで測定を実施している。
【００２５】
図からわかるように、隙間Ｗｃと冷媒流路の短辺長さＷｊとの比Ｗｃ／Ｗｊが大きくなると温度低減幅、すなわち冷却性能が低下する傾向が見られる。特にその比Ｗｃ／Ｗｊが２０％を越えると、従来巻線によるものよりも温度低減幅が逆に高くなってしまっている。
【００２６】
これは、第１巻線１０ａおよび第２巻線１０ｂの最内周に位置する平角線導体１６ａおよび１６ｂと絶縁部材１３との間の隙間が冷媒流路に対して相対的に大きくなると、この隙間部分において、冷媒の滞留が起こり、その分冷媒の流れが妨げられて、冷却効率が低下するものと考えられる。
【００２７】
これは、逆に言うと、隙間Ｗｃと冷媒流路の短辺長さＷｊとの比Ｗｃ／Ｗｊを小さくすることで、この隙間部分内への冷媒の流入や滞留を少なくすることができ、冷媒が流れやすくなって冷媒の流速が高まり、巻線と冷媒との熱伝達率が向上するものである。
【００２８】
したがって、本第１の実施の形態においては、この最内周に位置する平角線導体１６ａおよび１６ｂと絶縁部材１３との間の隙間Ｗｃを短辺長さＷｊの２０％以下に抑制することで最内周に位置する平角線導体１６ａおよび１６ｂと絶縁部材１３との間の隙間部分に流れ込む冷媒の量を少なくし、冷媒の本流を冷媒流路１５に集中させることで、熱伝達率を高めコイル温度の上昇を抑制し、さらに均熱化を促進することができる。
【００２９】
なお、最内周に位置する平角線導体１６ａおよび１６ｂと絶縁部材１３との間の隙間Ｗｃを短辺長さＷｊの２０％以下としたのは、図４からわかるように、これ以上Ｗｃ／Ｗｊが大きくなると断面円形巻線の場合と比較して効果がないからである。一方、下限値については、理想的には最内周に位置する平角線導体１６ａおよび１６ｂと絶縁部材１３との間の隙間Ｗｃは０であることが好ましいが、実際には、巻線を巻き回す際の加工精度により異なるため、巻線を巻き回す際の加工精度の下限値が隙間Ｗｃの下限であり、それに合わせて、Ｗｃ／Ｗｊが２０％以下となるように、短辺長さＷｊを決めるとよい。
【００３０】
次に、このような巻線構造の製造方法について説明する。
【００３１】
図５〜１１は、本第１の実施の形態における分割コア部分の製造方法を説明するための説明図である。
【００３２】
まず、図５に示すように、分割コア１１のティース部１２の表面に絶縁部材１３を取り付ける。分割コア１１は前述したように、電磁鋼板を所定の形状に打ち抜板ものを積層して構成したものである。
【００３３】
絶縁部材１３は分割コア１１の積層方向で２分割されており（第１絶縁部材１３ａと第２絶縁部材１３ｂ）、これらを積層方向の両側から挿入することでティース部１２を絶縁する。また、第１絶縁部材１３ａおよび第２絶縁部材１３ｂには、ともに巻線が外に出ないようにフランジ１３ｃが設けられている。
【００３４】
また、絶縁部材１３の一方の端面には（ここでは図示するように第２絶縁部材１３ｂ側）、後に２列に巻き回される平角度導体３１を電気的に接合する渡線が挿入される渡線溝２２が設けられる。
【００３５】
図６および図７は、固定子の外側の第１巻線１０ａを巻き回し始める作業を示した図である。なお、図６、図７、および後述する図８、図９では巻き回し部の状況を明瞭に示すために絶縁部材のフランジを省略した。
【００３６】
渡線溝２２に渡線２３に挿入し、平角線導体３１先端の皮膜を剥離して渡線２３に当接させる。この状態で超音波接合機などを使用して両者を接合する。
【００３７】
続いて、図７に示すように、１ターン目が巻き回されて２ターン目に差し掛かるところで、接合部上の平角線導体３１の皮膜を剥離した部分に絶縁シート２４を載せる。その後、この絶縁シート２４を挟み込むようにして所定の巻き数まで平角線導体３１を巻き回して第１の巻線を形成する。
【００３８】
図８は、固定子内側の第２巻線１０ｂを巻き回す状況を示した図である。
【００３９】
第２巻線１０ｂも、先に説明した第１巻線１０ａと同様に巻き回しを行うが、第１巻線１０ａと反対方向に巻き回して形成する。
【００４０】
したがって、図８に示すように、渡線２３に平角線導体３１の先端の皮膜を剥離して渡線２３に当接させ、超音波接合機などを使用して両者を接合する。このとき、第１巻線１０ａと第２巻線１０ｂとの間隔（すなわち、冷媒流路の短辺長さＷｊ）が、Ｗｃ／Ｗｊ≦２０％となるように第２巻線１０ｂの位置決めする。その後、前述した第１巻線１０ａと同様に、１ターン目を巻いた後に絶縁シート２４を接合部上に載せて所定回数巻き回しを行う。
【００４１】
以上により、図９に示すように、第１巻線１０ａおよび第２巻線１０ｂの形成が終了する。
【００４２】
このように本第１の実施の形態によれば、第１巻線１０ａおよび第２巻線１０ｂの最内周に位置する平角線導体３１と絶縁部材１３間に生じる隙間Ｗｃの長さを冷媒流路の短辺長さＷｊに対して２０％以下に抑制することとしたので、隙間Ｗｃに流れ込む冷媒の量を抑制することが可能となり、これにより冷媒が冷媒流路に集中して、隙間Ｗｃでの淀みの発生が少なくなり、冷却効率を向上させ、コイル温度やコア自体の温度を均熱化することができる。
【００４３】
（第２の実施の形態）
図１０は、第２の実施の形態における分割コア１１の巻線を巻き回す前の状態を示す図面である。
【００４４】
本第２の実施の形態は、絶縁部材１３と巻線の最内周に位置する平角線導体３１と間に、弾性材を設けた固定子である。
【００４５】
その他の構成は、前述した第１の実施の形態と同様であるので、それらの説明は省略する。
【００４６】
図１０に示すように、本第２の実施の形態においては、分割コア１１のティース部１２に設けられた絶縁部材１３のスロット内部に相当する面（分割コア同士が隣接する面）に弾性材である弾性シート１９を貼り付けたものである。
【００４７】
このように弾性シート１９を設けた状態で、前述した第１の実施の形態と同様にして第１巻線１０ａおよび第２巻線１０ｂを形成する。
【００４８】
このとき、第１巻線１０ａおよび第２巻線１０ｂとなる平角線導体３１は、その断面積に応じて適切な張力を負荷して密に巻き回していくのであるが、スロット中央部では巻線が湾曲して隙間が生じる。本第２の実施の形態では、この隙間に相当する部分に、弾性シート１９が貼り付けられているため、隙間が弾性シート１９によって埋められることになる。
【００４９】
これにより、スロット上下部の巻線が強く絶縁部材１３に接触する部分では弾性シート１９が圧力で変形して無駄なデッドスペースを生じさせずに密着させることができる。したがって、巻線の最内周に位置する平角線導体３１と絶縁部材１３間に生じる隙間は、ほぼ完全になくすことができるようになり、前述した第１の実施の形態におけるＷｃ／Ｗｊの比はほぼ０％にまで近づけることができ、冷媒が冷媒流路に集中して、隙間への冷媒の流れ込みやそれによる滞留が少なくなるため、固定子の冷却効率を向上させることができる。
【００５０】
なお、この弾性シート１９としては、たとえば、シリコーン樹脂や合成ゴム、スポンジなどの発泡系の樹脂材料などシートを使用することができる。
【００５１】
このように、本第２の実施の形態によれば、弾性シート１９が巻線と絶縁部材１３の間に介在することで隙間が発生せず、冷媒流路に流れる冷媒が隙間に流れ込んで滞留するのを防止することができる。したがって、これにより、前述した第１の実施の形態と同様に、巻線各部の熱伝達率が安定してヒートスポットなどが発生することを抑制することが可能となる。
【００５２】
また、これにより、巻線時に表面の絶縁皮膜が弾性体と接触するため皮膜に対するダメージが抑制され絶縁性能も向上する。
【００５３】
（第３の実施の形態）
図１１は、第３の実施の形態を説明するための分割コア同士が隣接する部分の断面図である。
【００５４】
本第３の実施の形態は、分割コア１１が円環上に組み付けた状態（図１参照）において、隣接する分割コア同士の間に配置したスペーサ１４と各分割コア１１に形成されている第１巻線１０ａおよび第２巻線１０ｂとの間にスペーサ用弾性シート２０を設けたものである。
【００５５】
その他の構成は、前述した第１の実施の形態または第２の実施の形態と同様であるので、それらの説明は省略する。
【００５６】
このスペーサ用弾性シート２０は、隣接する分割コア同士の巻線間にできる略三角形の空間より、スペーサ用弾性シート２０とスペーサ１４を合わせた大きさがわずかに大きくなる程度の厚さとなるようにしている。具体的には、たとえばスペーサ１４自体は略三角形の空間の寸法よりもわずかに小さい寸法で製作しておいて、それに配置前の状態でスペーサ用弾性シート２０を巻き付けて、略三角形の空間よりわずかに大きくなるように製作するとよい。
【００５７】
これにより、分割コア１１が円環状に組みつけられたときに、隣接する分割コア１１の第１巻線１０ａおよび第２巻線１０ｂによって、スペーサ用弾性シート２０が押さえつけられてスペーサ用弾性シート２０が変形する。このとき、スペーサ用弾性シート２０は、第１巻線１０ａおよび第２巻線１０ｂの湾曲頂部となるスロット内の積厚方向中央部では強く接触するため大きく変形し、隙間が生じやすいスロット出入り口付近での変形は小さくその部分の隙間を埋めることになる。
【００５８】
これにより、第１巻線１０ａおよび第２巻線１０ｂのスロット内部での湾曲による浮き上がりやスペーサ１４と第１巻線１０ａおよび第２巻線１０ｂの間に隙間が発生することを防止することができる。
【００５９】
また、このスペーサ用弾性シート２０が第１巻線１０ａおよび第２巻線１０ｂとスペーサ１４の間にできるわずかな隙間をも完全に埋めてしまうので、略三角形の空間に冷媒が流れることを防止することができる。これにより、冷媒は第１巻線１０ａおよび第２巻線１０ｂ間に設けられた冷媒流路１５にのみに流れて、高効率なコイル抜熱が可能となる。
【００６０】
なお、このスペーサ用弾性シート２０としては、たとえば、シリコーン系樹脂や合成ゴム、スポンジなどの発泡系の樹脂材料などを使用することができる。
【００６１】
このように、本第３の実施の形態によれば、隣接する分割コア同士の間にできる空間に、スペーサ１４と共にスペーサ用弾性シート２０を設けたので、スペーサ１４と巻線との隙間を略完全に埋めることができるようになり、冷媒がこの隙間に流れ込んで滞留することなどが防止されて、冷媒の流れがよくなるので、ヒートスポットが発生しにくくなり、コイル温度の均熱化が促進される。
【００６２】
また、スペーサ１４の表面に弾性材であるスペーサ用弾性シート２０が存在するため、電線表面の絶縁皮膜を損傷することがない。
【００６３】
さらには、このスペーサ用弾性シート２０が柔軟に変形するため、スペーサ挿入時の反力も小さくなり折損などのトラブルを未然に防止することが可能となる。
【００６４】
なお、本第３の実施の形態においては、スペーサ１４の周囲にスペーサ用弾性シート２０を巻き付けることとしたが、これに代えてスペーサ１４の巻線と接触する面にのみ弾性材（弾性シート１９）を貼り付けるようにしても同じ効果が得られる。また、スペーサ１４自体を弾性材によって略三角形の空間よりもわずかに大きく製作して用いても同様の効果を得ることができる。
（第４の実施の形態）
第４の実施の形態は、上述した第１の実施の形態による固定子を使用した電動機である。
【００６５】
図１２は第４の実施の形態における電動機を示す断面図である。
【００６６】
本第４の実施の形態では、前述した第１の実施の形態による固定子１を用いた電動機である。
【００６７】
この電動機７は、固定子１内部にロータ７１を配設して、固定子１をカバー７２、ケース８１、およびシールドプレート８２によって封止し、内部に冷媒を流すようにしたものである。
【００６８】
ロータ７１は、電磁鋼板が積層されたロータコア７３と、ロータコア７３に圧入結合されたシャフト７４からなり、ロータコア７３には永久磁石７５が挿入され、エンドプレート７６により内封されている。このエンドプレート７６は、シャフト７４に溶接結合されている。ロータ７１は、カバー７２に組み込まれたベアリング７７により支持されている。
【００６９】
固定子１は、固定子１の外周側を覆うケース８１に圧入結合されている。また、固定子１は、内側にシールドプレート８２が設けられている。
【００７０】
カバー７２とケース８１は、外周で溶接などにより結合されている。一方、シールドプレート８２は、カバー７２に組み込まれているシールリング溝７９に挿入当接されている。これにより、固定子１は、カバー７２、ケース８１、およびシールドプレート８２によってケース部材が形成されて封止された状態となっている。
【００７１】
そして、カバー７２には冷媒の流入口９１と吐出口９２がそれぞれ設けられていて、内部に冷媒が流れるようにしており、固定子１が冷媒により冷却される。
【００７２】
この電動機７において、冷媒は、カバー７２の流入口９１から供給され、カバー７２とケース８１とシールドプレート８２によって形成された冷媒溜り室９３から、コイル１０の第１巻線１０ａと第２巻線１０ｂの間の空間である冷媒流路１５を通過し、冷媒溜り室９４へ抜けて、吐出口９２から吐出される。
【００７３】
これにより、冷媒がコイル１０を形成している平角線導体１０ａおよび１０ｂの間を通ることで、巻線から発生する熱を抜熱する。特に、固定子として前述した第１の実施の形態による固定子１を用いていることで、その冷却効率が高い。したがって、同じ大きさの電動機であればより高速回転、高出力の電動機を得ることができる。
【００７４】
なお、本第４の実施の形態では、上述した第１の実施の形態による固定子１を用いた電動機として説明したが、これは当然に、第２または３の実施の形態による固定子を用いたものであってもよい。
【００７５】
また、本第４の実施の形態では、ロータ内部に永久磁石を設けた電動機としているが、この他にもロータを鉄心のみで構成した誘導電動機なども同様に製作することが可能である。
【００７６】
以上本発明を適用した実施の形態を説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限定されるものではなく、当業者において様々な変形が可能であることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した電動機の固定子の外観構成を示す斜視図である。
【図２】図１に示した固定子の一つのコアを示す側面図である。
【図３】図１に示した固定子の要部を示す断面図である。
【図４】冷媒流路の短辺長さＷｊと、巻線と絶縁部材間の隙間Ｗｃと関係から熱性能実験を行った結果を示すグラフである。
【図５】分割コア部分の製造方法を説明するための説明図である。
【図６】図５に続く、分割コア部分の製造方法を説明するための説明図である。
【図７】図６に続く、分割コア部分の製造方法を説明するための説明図である。
【図８】図７に続く、分割コア部分の製造方法を説明するための説明図である。
【図９】図８に続く、分割コア部分の製造方法を説明するための説明図である。
【図１０】第２の実施の形態における分割コア１１の巻線を巻き回す前の状態を示す図面である。
【図１１】第３の実施の形態を説明するための分割コア同士が隣接する部分の断面図である。
【図１２】第４の実施の形態における電動機を示す断面図である。
【図１３】従来のコイル巻線を示す図面である。
【符号の説明】
１…固定子
１０…コイル
１０ａ…第１巻線
１０ｂ…第２巻線
１１…分割コア
１２…ティース部
１３…絶縁部材
１４…スペーサ
１９…弾性シート
２０…スペーサ用弾性シート
２２…渡線溝
２３…渡線
２４…絶縁シート
３１…平角線導体
７１…ロータ
７２…カバー
７３…ロータコア
７４…シャフト
７５…永久磁石
７６…エンドプレート
７７…ベアリング
７９…シールリング溝
８１…ケース
８２…シールドプレート
９１…流入口
９２…吐出口
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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