(57)【要約】【課題】コイルエンドの冷却効率を飛躍的に向上させ、モータの大型化の防止、コイルエンド温度上昇の防止、さらにはモータ寿命の向上を達成することができるキャンドモータを提供する。【解決手段】キャンドモータは、回転子２と、回転子２を囲むキャン５と、キャン５の外周面に接触する固定子鉄心７と、固定子鉄心７から突出したコイルエンド１０を有するコイル１１と、コイルエンド１０が内部に配置されたコイルエンド室１２を形成するモータフレーム１５と、コイルエンド室１２内に配置された、電気絶縁性を有する無機材料粒子２５とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転子と、
前記回転子を囲むキャンと、
前記キャンの外周面に接触する固定子鉄心と、
前記固定子鉄心から突出したコイルエンドを有するコイルと、
前記コイルエンドが内部に配置されたコイルエンド室を形成するモータフレームと、
前記コイルエンド室内に配置された、電気絶縁性を有する無機材料粒子とを備えたことを特徴とするキャンドモータ。
【請求項２】
前記無機材料粒子は、ファインセラミックスからなる粒子であることを特徴とする請求項１に記載のキャンドモータ。
【請求項３】
前記ファインセラミックスは、炭化珪素（ＳｉＣ）または窒化アルミニウム（ＡｌＮ）であることを特徴とする請求項２に記載のキャンドモータ。
【請求項４】
前記無機材料粒子は、工業用ダイヤモンドからなる粒子であることを特徴とする請求項１に記載のキャンドモータ。
【請求項５】
前記コイルエンドの表面は、樹脂ワニス層で被覆されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のキャンドモータ。
【請求項６】
前記樹脂ワニス層は、多層の樹脂ワニス層であることを特徴とする請求項５に記載のキャンドモータ。
【請求項７】
前記樹脂ワニス層は、ファインセラミックスまたは工業用ダイヤモンドからなる粒子を含んでいることを特徴とする請求項５または６に記載のキャンドモータ。
【請求項８】
前記無機材料粒子は、前記コイルエンドの全体を包囲せず、前記コイルエンドの一部は前記コイルエンド室内で露出していることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載のキャンドモータ。
【請求項９】
前記コイルエンド室の内部は、樹脂壁によって第１部屋と第２部屋とに仕切られており、
前記無機材料粒子は前記第１部屋に充填されており、前記コイルエンドの最も外側の端部は前記第２部屋内に位置していることを特徴とする請求項８に記載のキャンドモータ。
【請求項１０】
前記樹脂壁は、ファインセラミックスまたは工業用ダイヤモンドからなる粒子を含んでいることを特徴とする請求項９に記載のキャンドモータ。
【請求項１１】
前記無機材料粒子は、直径の異なる複数の粒子から構成されていることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一項に記載のキャンドモータ。
【請求項１２】
前記無機材料粒子は、大直径粒子と、該大直径粒子よりも小さな直径を有する小直径粒子を含む混合粒子であることを特徴とする請求項１１に記載のキャンドモータ。
【請求項１３】
前記小直径粒子の直径は、１００μｍ以上であることを特徴とする請求項１２に記載のキャンドモータ。
【請求項１４】
前記大直径粒子の直径は、前記モータフレームの外壁と前記コイルエンドとの間に、少なくとも１２個の前記大直径粒子が配列されるような直径であることを特徴とする請求項１２または１３に記載のキャンドモータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、キャンドモータに関し、特に固定子のコイルエンドの冷却構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
キャンドモータは、固定子がモータフレームおよびキャンに囲包・密閉されて固定子が外気や外水から隔離された構造のモータである。このキャンドモータにおいては、固定子のコイルで発生した銅損等の電気的損失に起因する熱を、コイルから鉄心、鉄心からモータフレームおよびキャンに伝え、更に外気、外水へ伝達することによって熱放散し冷却を行っている。
【０００３】
固定子の鉄心に挿入されているコイルの部位は、鉄心を経由してモータフレーム、キャンへの熱伝達により比較的容易に冷却される。しかし、鉄心から外側に突出したコイルエンドで発生した損失熱を外部に伝達することは難しい。これは、コイルエンドが空気などの比較的熱伝導率の低い雰囲気によって囲まれているからである。コイルエンドは、主として、鉄心に納められたコイルを経由して冷却される。つまり、コイルエンドの冷却は、鉄心に納められたコイルが冷却されたときのコイルと、コイルエンドとの温度差Δｔに比例した熱量の移動による冷却が主となり、コイルエンド表面からの熱放散は従となる。
【０００４】
特に、キャンドモータにおいては、固定子室が密閉構造となっているために、外気を導入してコイルエンドを強制冷却するなどの方法は採用できないのが一般的である。このため、キャンドモータのコイルエンドは冷却しにくく、温度上昇を低減するためには発生損失熱の低減や冷却表面積の増加などの対策を講ずる必要があり、モータが大型化するなどの欠点があった。
【０００５】
また、コイルエンドの冷却効率を改善するために、コイルの熱変形に追従して変形することができる樹脂（例えば、エポキシ、シリコンなど）、また樹脂にセラミックやミネラルのフィラーを混入したものなどを固定子室に充填し、コイルエンドの損失熱を効率的にモータフレームやキャンに伝導させ、冷却効率を改善するなどの試みがなされている。しかしながら、樹脂の熱伝導率、境界面における熱伝達率が高くないために、冷却効率の改善が難しい等の問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１２−２００１１７号公報
【特許文献２】特開２０１４−３８３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで、本発明は、コイルエンドの冷却効率を飛躍的に向上させ、モータの大型化の防止、コイルエンド温度上昇の防止、さらにはモータ寿命の向上を達成することができるキャンドモータを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様は、回転子と、前記回転子を囲むキャンと、前記キャンの外周面に接触する固定子鉄心と、前記固定子鉄心から突出したコイルエンドを有するコイルと、前記コイルエンドが内部に配置されたコイルエンド室を形成するモータフレームと、前記コイルエンド室内に配置された、電気絶縁性を有する無機材料粒子とを備えたことを特徴とするキャンドモータである。
【０００９】
前記無機材料粒子は、ファインセラミックスからなる粒子であることを特徴とする。
前記ファインセラミックスは、炭化珪素（ＳｉＣ）または窒化アルミニウム（ＡｌＮ）であることを特徴とする。
前記無機材料粒子は、工業用ダイヤモンドからなる粒子であることを特徴とする。
前記コイルエンドの表面は、樹脂ワニス層で被覆されていることを特徴とする。
前記樹脂ワニス層は、多層の樹脂ワニス層であることを特徴とする。
前記樹脂ワニス層は、ファインセラミックスまたは工業用ダイヤモンドからなる粒子を含んでいることを特徴とする。
【００１０】
前記無機材料粒子は、前記コイルエンドの全体を包囲せず、前記コイルエンドの一部は前記コイルエンド室内で露出していることを特徴とする。
前記コイルエンド室の内部は、樹脂壁によって第１部屋と第２部屋とに仕切られており、前記無機材料粒子は前記第１部屋に充填されており、前記コイルエンドの最も外側の端部は前記第２部屋内に位置していることを特徴とする。
前記樹脂壁は、ファインセラミックスまたは工業用ダイヤモンドからなる粒子を含んでいることを特徴とする。
【００１１】
前記無機材料粒子は、直径の異なる複数の粒子から構成されていることを特徴とする。
前記無機材料粒子は、大直径粒子と、該大直径粒子よりも小さな直径を有する小直径粒子を含む混合粒子であることを特徴とする。
前記小直径粒子の直径は、１００μｍ以上であることを特徴とする。
前記大直径粒子の直径は、前記モータフレームの外壁と前記コイルエンドとの間に、少なくとも１２個の前記大直径粒子が配列されるような直径であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、コイルエンドで発生した熱は、固定子鉄心のみならず、無機材料粒子を経由してモータフレームに伝達され、モータフレームから放熱される。したがって、コイルエンドを効率よく冷却することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態に係るキャンドモータを示す断面図である。
【図２】コイルエンドの表面を樹脂ワニス層で被覆した実施形態を示す図である。
【図３】コイルエンドの一部をコイルエンド室内で露出させた実施形態を示す図である。
【図４】無機材料粒子の移動を制限する樹脂壁がコイルエンド室内に配置された実施形態を示す図である。
【図５】空間内での長手方向の粒子の接触点数は、粒子のサイズが大きいほど少なくなることを示す図である。
【図６】単一直径の粒子の配列と、直径の異なる２種以上の粒子の配列を示す図である。
【図７】大直径粒子と小直径粒子から構成された混合粒子の充填率と、この場合の小直径粒子の体積配分率の計算結果を示す図である。
【図８】キャンドモータの拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るキャンドモータを示す断面図である。図１に示すように、キャンドモータは、モータ軸１に固定された回転子２と、回転子２を囲むキャン５と、キャン５の外周面に接触する固定子鉄心７と、固定子鉄心７から外側に突出したコイルエンド１０を有するコイル１１と、コイルエンド１０が内部に配置されたコイルエンド室１２を形成するモータフレーム１５とを備えている。
【００１５】
モータフレーム１５は、モータハウジングまたはモータケーシングとも呼ばれる。このモータフレーム１５は、円筒状の外壁１５ａと、外壁１５ａの両端を塞ぐ端壁１５ｂと、外壁１５ａの内側に配置された円筒状の内壁１５ｃとを有する。内壁１５ｃは端壁１５ｂに接続されており、円筒状のキャン５は内壁１５ｃに固定されている。モータフレーム１５の端壁１５ｂ、内壁１５ｃ、およびキャン５により、モータフレーム１５内には液室１７が形成されている。この液室１７には液体が封入されている。モータフレーム１５の端壁１５ｂには、軸封装置１８が固定されており、モータフレーム１５とモータ軸１との間のすき間は、軸封装置１８によって封止されている。
【００１６】
モータ軸１は、２つのラジアル軸受２０と、１つのスラスト軸受２２とによって回転可能に支持されている。ラジアル軸受２０、スラスト軸受２２、および回転子２は、液室１７内に配置されており、液室１７を満たす液体中に浸漬されている。
【００１７】
モータフレーム１５の外壁１５ａ、内壁１５ｃ、端壁１５ｂ、およびキャン５によって密閉空間がモータフレーム１５内に形成されている。固定子鉄心７、およびコイルエンド１０を有するコイル１１は、この密閉空間内に配置されている。コイルエンド１０を収容するコイルエンド室１２は、密閉空間の一部からなる。より具体的には、コイルエンド室１２は、モータフレーム１５の外壁１５ａ、内壁１５ｃ、端壁１５ｂ、および固定子鉄心７の側面によって形成されている。
【００１８】
コイルエンド室１２内には、電気絶縁性を有する球状の無機材料粒子２５が配置されている。好ましくは、コイルエンド室１２の全体が無機材料粒子２５で満たされる。無機材料粒子２５の具体例としては、高熱伝導率、高体積抵抗率のファインセラミックス、または工業用ダイヤモンドからなる粒子が挙げられる。
【００１９】
コイルエンド１０で発生した熱は、コイルエンド１０の表面から無機材料粒子２５に伝えられ、さらにモータフレーム１５に伝えられ、そしてモータフレーム１５から外部の気体または液体に放散される。本実施形態では、コイルエンド１０の全体または一部に熱伝導率の高い無機材料粒子２５を接触させることによって、空気の場合と比較すると、ファインセラミックスは６０００倍〜８０００倍の冷却能率、工業用ダイヤモンドは４万倍〜８万倍の冷却能率が期待できる（ただしこれは材料自体の冷却能率であり、冷却構造の熱通過の能率比ではない）。
【００２０】
高熱伝導率、高体積抵抗率のファインセラミックスの具体例は、炭化珪素（ＳｉＣ）または窒化アルミニウム（ＡｌＮ）である。空気および各種材料の熱伝導率は、以下の通りである。
空気：０．０２４１Ｗ／ｍ・Ｋ（常圧、０℃）
ヘリウム：０．１５５Ｗ／ｍ・Ｋ（常圧、２５℃）
鉄：８０Ｗ／ｍ・Ｋ
アルミニウム：２２２〜２３６Ｗ／ｍ・Ｋ
炭化珪素（ＳｉＣ）：２００Ｗ／ｍ・Ｋ
窒化アルミニウム（ＡｌＮ）：１６０Ｗ／ｍ・Ｋ
工業用ダイヤモンド：１０００〜２０００Ｗ／ｍ・Ｋ（常圧、０℃）
【００２１】
図２に示すように、コイルエンド１０の表面を樹脂ワニス層２６で被覆することが好ましい。樹脂ワニス層２６は、亀裂・剥離の生じにくい保護緩衝層を構成することができる。好ましくは、コイルエンド１０の熱膨張に良く追従しやすい多層の樹脂ワニス層２６が使用される。多層の樹脂ワニス層２６は、薄膜の樹脂ワニスの塗布、硬化、乾燥を繰り返すことで形成することができる。
【００２２】
樹脂ワニス層２６は、コイルエンド１０と無機材料粒子２５との摩擦による、コイルエンド１０の絶縁層のダメージを防止することができる。このコイルエンド１０の表面に形成する保護緩衝層に使用する樹脂ワニス層２６には、ファインセラミックまたは工業用ダイヤモンドの粒子を添加してもよい。このような高い熱伝導率を有する粒子を含んだ樹脂ワニス層２６は、厚みがあるものであっても、コイルエンド１０から無機材料粒子２５への熱伝導を妨げにくい。
【００２３】
コイルエンド１０全体が無機材料粒子２５に埋没していなくても十分に高い冷却効果を得ることができるため、図３に示すように、コイルエンド１０の一部（特に熱変形時の変位量の多いコイルエンド１０の最も外側の端部）をコイルエンド室１２内で露出させ、自由に熱変形させることによってコイルエンド１０の一部に応力が集中することを防止する構造とすることも可能である。
【００２４】
コイルエンド１０の一部をコイルエンド室１２内に露出させる構造の場合、無機材料粒子２５が、モータの電磁加振力や負荷からの振動によって相対的に大きく移動したり、無機材料粒子２５の隙間に気体が入り込み充填率が悪くなって冷却効果が低下するおそれがある。そこで、コイルエンド１０の一部を露出する構造を採用する場合には、図４に示すように、無機材料粒子２５の移動を制限する樹脂壁２８がコイルエンド室１２内に配置されることが好ましい。この樹脂壁２８は環状の仕切り壁であり、コイルエンド室１２は、樹脂壁２８によって第１部屋１２Ａと第２部屋１２Ｂとに仕切られる。無機材料粒子２５は第１部屋１２Ａに充填され、前記コイルエンド１０の最も外側の端部、すなわち露出部は第２部屋１２Ｂ内に位置している。この構造を採用することで、継続的に高い冷却効果を維持することが可能である。この樹脂壁２８も、ファインセラミックスまたは工業用ダイヤモンドの粒子を含んでもよい。このような高い熱伝導率を有する粒子を含んだ樹脂壁２８は、冷却効果を妨げにくい。
【００２５】
無機材料粒子２５は、直径の異なる複数の粒子から構成されていることが好ましい。例えば、無機材料粒子２５は、大直径粒子と小直径粒子を含んだ混合粒子から構成されている。これは、直径の異なる粒子の混合体は、以下に説明するように、熱伝導率を向上させることができるからである。
【００２６】
後述する参考文献１に示すように、大気圧付近の粒子の熱伝導率は、粒子の直径が大きいほど大となる。これは、単一サイズの粒子の場合、サイズによらず充填率は０．６５程度となるが、図５に示すように、空間内での長手方向の粒子の接触点数は、粒子のサイズが大きいほど少なくなり、従って熱抵抗は小となるからである。この場合、図６に示すように、直径の異なる２種またはそれ以上の粒子を用いれば、単一直径の粒子よりも充填率を高くすることができ、熱伝導率のさらなる向上が期待できる。
【００２７】
図７は、大直径粒子と小直径粒子から構成された混合粒子の充填率と、この場合の小直径粒子の体積配分率の計算結果を示す図である。大直径粒子と小直径粒子は、ともに球状である。図７の横軸は小直径粒子の直径（０．０８ｍｍ〜１ｍｍ）、縦軸は混合粒子の無限空間内の充填率と小直径粒子の体積分配率である。充填率と体積配分率は、後述する参考文献２に示す方法に従って算出した。図７には、大直径粒子の直径ＤＬ２ｍｍ、５ｍｍ、１０ｍｍの各場合について充填率と体積配分率を計算した結果を示す。なお、計算には、後述する参考文献３等に記載された単一直径球形粒子の充填率実験結果を用いた。
【００２８】
この計算結果によれば、大直径粒子と小直径粒子から構成された混合粒子の充填率は、小直径粒子が小さいほど、また大直径粒子が大きいほど高くなる。即ち、粒子の骨格部分は大直径粒子で形成し、その隙間を小直径粒子で埋めることで全体の充填率を向上させることができる。計算に用いた大直径粒子単独の充填率０．６５に対して、最良の場合、混合粒子の充填率は０．９近くまで、即ち３８％以上向上する。ただし、後述する参考文献４に記載されているように小直径粒子の直径をあまり小さくすると、小直径粒子同士が付着し、かえって充填率を減少させることがある。参考文献４によれば、小直径粒子の付着限界直径は８８μｍであるので、実用的には小直径粒子の直径は０．１ｍｍ（１００μｍ）以上とすることが望ましい。一実施形態では、小直径粒子の直径は、０．１ｍｍ以上であり、大直径粒子の直径よりも小さい。
【００２９】
図８にキャンドモータの拡大図を示す。通常、コイルエンド１０は電磁鋼板からなる固定子鉄心７の側面からコイルエンド室１２内の気中に突き出た構造を有する。このため、コイルエンド１０から発生した熱は、気体を介してモータフレーム１５の外壁１５ａに伝達され、さらに外部に放熱される。本実施形態では、コイルエンド室１２の内部に、熱伝導に優れかつ電気的に不導体の大直径粒子２５ａと小直径粒子２５ｂとの混合粒子からなる無機材料粒子２５を充填することにより、コイルエンド１０で発生した熱を高い効率でモータ外部へ放熱することが可能である。
【００３０】
図７の計算では、粒子の充填空間として無限空間を仮定している。このような条件下では、大直径粒子２５ａの直径が大きいほど充填率が大となる計算結果を示す。一方、コイルエンド１０が配置される実際の有効空間は、モータフレーム１５の内壁１５ｃ、外壁１５ａ、端壁１５ｂ、および固定子鉄心７の側面で囲まれた環状空間内からコイルエンド１０の体積を除いた残余の比較的狭い空間であるため、充填可能な大直径粒子２５ａのサイズには上限がある。
【００３１】
具体的には、球状の大直径粒子２５ａの直径は以下のように規定することが合理的である。参考文献３によれば、粒子の充填率が無限空間内での粒子の充填率と実質的に同等とみなされるのは、立方体の空間内に粒子が２０００個以上配置される場合である。従って、立方体の空間の一辺あたりの粒子の個数は、(2000)1/3≒12個となる。
【００３２】
そこで、図８において、コイルエンド１０の表面から主要放熱面であるモータフレーム１５の外壁１５ａの内面までの平均距離をＬとすると、この平均距離Ｌの間に大直径粒子２５ａが１２個以上あれば、そのような配置は、無限空間内の配置とほぼ同等とみなすことができる。粒子配置数が１２個未満であると、立方体空間に占める球形粒子間の隙間の割合が相対的に大きくなることから、充填率は無限空間の場合に比べて減少する。
【００３３】
具体的例として、出力５０００ｋＷの高圧４極キャンドモータのコイルエンド１０の冷却に本発明を適用する例を説明する。図８のモータフレーム１５の外壁１５ａの内径ＤＭＯを１０００ｍｍ、コイルエンド１０の平均外径ＤＣＯを８７０ｍｍとすると、コイルエンド１０から主要放熱面までの平均距離Ｌは６５ｍｍである（Ｌ＝（ＤＭＯ−ＤＣＯ）／２＝６５ｍｍ）。従って、この場合は、大直径粒子２５ａの望ましい直径ＤＬは約５ｍｍとなる（ＤＬ＝Ｌ／１２＝６５／１２≒５ｍｍ）。
【００３４】
以上をまとめると、無機材料粒子２５の充填によるコイルエンド１０の望ましい冷却態様は、以下の通りである。
（１）無機材料粒子２５は、大直径粒子と小直径粒子を含む混合粒子であることが望ましい。
（２）粒子の熱伝導効果の観点から、小直径粒子は可能な限り小さいことが望ましく、大直径粒子は可能な限り大きいことが望ましい。
（３）冷却効果を減ずる粒子同士の付着防止の観点から、小直径粒子の直径は０．１ｍｍ以上であることが望ましい。
（４）高充填率の観点から、大直径粒子の上限直径は、コイルエンド１０からモータフレーム１５の外壁１５ａまでの平均距離の間に大直径粒子が１２個以上配置されるように選定することが望ましい。
【００３５】
参照文献１：「材料」、第２６巻第２８５号（昭和５２年６月）、７１〜７５頁、粉体の熱伝導率に及ぼす大気圧の影響、若島久男、寺岡貞一  著
参照文献２：「Powder  Technology,35,(1983)」  p159-p166  、"Estimation of the Co-ordination Number in a Multi-Component Mixture of Spheres"、Michitaka Suzuki and Toshio Oshima
参照文献３：「土木学会第６０回年次学術講演会（平成１７年９月）」、混合砂礫の空隙率と河床変動に伴う空隙率の変化、藤田正治  他著
参照文献４：「粉体工学会誌」Vol.22  No.9,  612-617頁  (1985)、粒度分布のある付着性球形ランダム充填層の空間率推定、鈴木道隆、大島敏男  著
【００３６】
上述した参考文献２は、複数の径の球体粒子の組合せが空間に充填された場合、１つの粒子が他の粒子と接触する点の数を算出する方法について述べられた論文である。この論文は、単一の径の粒子、または２つの径の組合せなど粒子が、一定の容器に充填された場合に、粒子同士がお互いに接触する点の数を算出するためのシミュレーション技法を提供する。この技法によれば、１つの粒子が他の粒子が何点で接触するか（コーディネートナンバー）が算出できる。従って、１つの粒子の周りに他の粒子がどのように配置されるか知ることが可能である。このような配置シミュレーションを粒子ごとに実施していけば、異なる径の組合せによる混合粒子が一定の空間の中にどのように配置されるかを求めることができるので、このシミュレーション結果を基に異径混合粒子の充填率が計算できる。
【００３７】
この技法は粒子の径が１種、２種のみならず更に多くの組合せにおいても技法の演繹が可能（論文では５種まで）であり、それが実験的にも証明されたと記載されている。図７の２直径球形粒子の充填率計算結果はこの技法に基づいて得られたものである。
【００３８】
上述した実施形態は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を実施できることを目的として記載されたものである。上記実施形態の種々の変形例は、当業者であれば当然になしうることであり、本発明の技術的思想は他の実施形態にも適用しうる。したがって、本発明は、記載された実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲によって定義される技術的思想に従った最も広い範囲に解釈されるものである。
【符号の説明】
【００３９】
１      モータ軸
２      回転子
５      キャン
７      固定子鉄心
１０      コイルエンド
１１      コイル
１２      コイルエンド室
１５      モータフレーム
１８      軸封装置
２０      ラジアル軸受
２２      スラスト軸受
１７      液室
２５      無機材料粒子
２６      樹脂ワニス層
２８      樹脂壁
【図１】
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【図２】
2017153230.tif 000004
【図３】
2017153230.tif 000005
【図４】
2017153230.tif 000006
【図５】
2017153230.tif 000007
【図６】
2017153230.tif 000008
【図７】
2017153230.tif 000009
【図８】
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