(57)【要約】【課題】ステータ鉄心の軸方向におけるティースの端面とコイルエンドとの間に存在する間隙を利用するとともに、隣り合うコイルエンド間の隙間に冷却部材を設けた場合に比べてモータの軸方向寸法を増加させずにコイルエンドに対する冷却能力を向上させる。【解決手段】モータは、内周に複数のティース１６が設けられているステータ鉄心１７と、ティース１６に巻回されたステータコイル１９と、ステータ鉄心１７の内側に配設されたロータとを備えている。ステータコイル１９は、ステータ鉄心１７の軸方向の両側から突出するコイルエンド２２を有している。また、ステータ鉄心１７の軸方向におけるティース１６の端面２１とコイルエンド２２との間には間隙２５が存在している。そして、第１冷却管２６は冷媒が流通可能に構成されるとともに、第１冷却管２６の一部は間隙２５に配設されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内周に配列された複数のティースが設けられているステータ鉄心と、前記ティースに巻回されたステータコイルと、前記ステータ鉄心の内側に配設されたロータとを備えた回転電機であって、
前記ステータコイルは、前記ステータ鉄心の軸方向の両側から突出するコイルエンドを有し、
前記ステータ鉄心の軸方向における前記ティースの端面と前記コイルエンドとの間の間隙に、前記コイルエンドを冷却可能な冷却部材の一部が配設されている回転電機。
【請求項２】
前記冷却部材は、冷媒が流通可能な冷却管である請求項１に記載の回転電機。
【請求項３】
前記冷却管は、前記冷媒を強制的に循環させるポンプに接続されている請求項２に記載の回転電機。
【請求項４】
前記冷却管は、前記コイルエンドの基端部に沿うように屈曲した形状の複数の第１管と、前記間隙に配置可能な形状に形成された複数の第２管とが交互に接続されることで構成されている請求項２又は請求項３に記載の回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ステータ鉄心のティースにステータコイルが巻回されている回転電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
回転電機としては、環状のステータ鉄心の内周に設けられている複数のティースにステータコイルが巻回されて構成されたステータを備えるものがある。そして、このようなステータを備えた回転電機においては、運転時にステータコイルからジュール熱が生じ、このジュール熱は高負荷で回転電機が運転される場合には大きい。したがって、近年では、回転電機の更なる高効率化、小形化を実現するために、回転電機の放熱性が重要となっている。そこで、従来、モータブラケットの内側にリブ状突起が設けられ、各ステータコイルの隣り合うコイルエンド間に生じる隙間に入り込むようにリブ状突起が配置された回転機が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１に記載の回転機では、モータブラケットがモータ軸方向の両端に配置され、コイルエンド間の隙間にリブ状突起が入り込むことで、熱伝導性の劣るコイルエンド間の隙間を低減している。さらに、特許文献１では、リブ状突起に代えて冷却用配管をモータブラケットの内側に設け、冷却用配管で形成した流路に冷却水を循環することで、コイルエンドから発生する熱を放熱する技術も開示している。
【０００３】
また、その他に、コイルエンドを冷却する構造が設けられた回転電機として、コイルエンドの径方向最外側又は径方向最内側の平坦な主面に密着する平坦な冷却面を有する冷却部材を設けたコイルエンド接触冷却型回転電機が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
【特許文献１】特開２００５−１９８５００号公報
【特許文献２】特開２０００−１２５５１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、特許文献１に記載の回転機は、モータ軸方向の両端にモータブラケットを配置することでコイルエンド間に生じる隙間にリブ状突起又は冷却用配管を配置する構成である。そして、特許文献１に記載の回転機において、冷却用配管を用いてコイルエンドを冷却する場合には、コイルエンド間の隙間が小さいためその冷却用配管が確保可能な流路断面積も小さい。したがって、冷却用配管を流れる冷媒の流量は少なく、コイルエンドに対する冷却能力は低い。また、仮に、冷却用配管の冷却能力を上げるために冷却用配管の径を大きくした場合には、冷却用配管がコイルエンドよりもモータ軸方向の端側に設けられているため、回転機のモータ軸方向の寸法が増加してしまうという欠点がある。
【０００５】
また、特許文献２に記載のコイルエンド接触冷却型回転電機において、冷却部材が設けられるのはコイルエンドの径方向最外側又は径方向最内側のみである。したがって、このコイルエンド接触冷却型回転電機では、コイルエンド周辺に存在するその他のスペースを十分に活用できていない。
【０００６】
本発明は、前記問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、ステータ鉄心の軸方向におけるティースの端面とコイルエンドとの間に存在する間隙を利用するとともに、隣り合うコイルエンド間の隙間に冷却部材を設けた場合に比べてモータの軸方向寸法を増加させずにコイルエンドに対する冷却能力を向上させることができる回転電機を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記の目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、内周に配列された複数のティースが設けられているステータ鉄心と、前記ティースに巻回されたステータコイルと、前記ステータ鉄心の内側に配設されたロータとを備えた回転電機であって、前記ステータコイルは、前記ステータ鉄心の軸方向の両側から突出するコイルエンドを有し、前記ステータ鉄心の軸方向における前記ティースの端面と前記コイルエンドとの間の間隙に、前記コイルエンドを冷却可能な冷却部材の一部が配設されていることを要旨とする。
【０００８】
この発明では、冷却部材は、その一部がステータ鉄心の軸方向におけるティースの端面とコイルエンドとの間の間隙に配置された状態で設けられており、冷却部材をコイルエンドよりも軸方向の端側に設けなくとも、コイルエンドを冷却できる。また、ティースの端面とコイルエンドとの間には隣り合うコイルエンド間の隙間よりも大きな間隙が存在するため、冷却部材を十分な冷却能力を有する大きさにして間隙に配置することができる。したがって、隣り合うコイルエンド間の隙間に冷却部材を設けた場合に比べて、モータの軸方向寸法を増加させることなくコイルエンドに対する冷却能力を向上させることができる。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記冷却部材は、冷媒が流通可能な冷却管であることを要旨とする。
この発明では、冷却管内を流通する冷媒がコイルエンドと熱交換を行うため、中実体からなる冷却部材を用いる場合に比べてステータコイルから発生した熱を効率よく除去することができる。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記冷却管は、前記冷媒を強制的に循環させるポンプに接続されていることを要旨とする。
この発明では、冷媒が冷却管内において自然に循環するように構成した場合よりも冷却管内において冷媒を円滑に循環させることができるため、ステータコイルから発生した熱を効率よく除去することができる。
【００１１】
請求項４に記載の発明は、請求項２又は請求項３に記載の発明において、前記冷却管は、前記コイルエンドの基端部に沿うように屈曲した形状の複数の第１管と、前記間隙に配置可能な形状に形成された複数の第２管とが交互に接続されることで構成されていることを要旨とする。
【００１２】
この発明では、基端部に沿うように第１管を配置するとともに第２管を間隙に配置した状態で交互に接続することで、コイルエンドの基端部に沿いつつ一部が各間隙に入り込んだ状態でステータ鉄心の周方向に延びる冷却管を形成することができる。したがって、連続して蛇行するように延びている冷却管を間隙に配置する場合に比べて冷却管をコイルエンドの近くに容易に配置することができ、ステータコイルから発生した熱を効率よく除去することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、ステータ鉄心の軸方向におけるティースの端面とコイルエンドとの間に存在する間隙を利用するとともに、隣り合うコイルエンド間の隙間に冷却部材を設けた場合に比べてモータの軸方向寸法を増加させずにコイルエンドに対する冷却能力を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明を具体化した一実施形態を図１〜図４にしたがって説明する。
図１に示すように、回転電機としてのモータ（電動機）１１は、回転軸１２がモータハウジング１３に装着された図示しない軸受を介して回転可能に支持されている。回転軸１２には永久磁石型のロータ（回転子）１４が一体回転可能に取り付けられている。そして、ロータ１４の外周を囲むステータ（固定子）１５は、モータハウジング１３の内周部に図示しない固定手段を介して固定されている。
【００１５】
ステータ１５は、略円環状で、その内側に複数のティース１６が等間隔に配列された状態で形成されたステータ鉄心１７が設けられている。ステータ鉄心１７には、ステータ鉄心１７の周方向において隣り合うティース１６によってスロット１８が形成されるとともに、各ティース１６には、一つのティース１６を間に挟んで隣り合うスロット１８を通されることでステータコイル（巻線）１９が巻回されている。すなわち、ステータコイル１９は、集中巻によってティース１６に巻回されている。そして、図２に示すように、ステータコイル１９は、ステータ鉄心１７の軸方向の両端部２０から突出するコイルエンド２２を有している。なお、図２では、ステータ鉄心１７の軸方向の両端部２０から突出するコイルエンドのうち、一方の端部２０から突出するコイルエンド２２のみ図示する。
【００１６】
コイルエンド２２は、ステータ鉄心１７の軸方向におけるティース１６の端面２１との間に隣り合うコイルエンド２２間に存在する隙間よりも大きな間隙２５が存在する状態に形成されている。コイルエンド２２には、各基端部２３に沿いつつ一部が各間隙２５に入り込んだ状態でステータ鉄心１７の周方向に延びるように形成された金属製の冷却部材としての第１冷却管２６が設けられている。なお、コイルエンド２２の基端部２３は、スロット１８から延出するとともにステータ鉄心１７の端部２０に近い部分である。
【００１７】
図３（ａ）に示すように、第１冷却管２６は、ステータ鉄心１７の軸方向から見た場合に、スロット１８から延出する二つの基端部２３と対応する部分においてテーパ状となるように屈曲するとともに、各基端部２３と接している。第１冷却管２６は、異なる形状の複数の第１管２７及び複数の第２管２８が交互に接続されることで構成されている。第１管２７は、隣り合う間隙２５を亘るように屈曲して略逆Ｕ字状に形成されるとともに、一つのスロット１８から延出する二つの基端部２３に沿うような形状に形成されている。第２管２８は、両端部２８ａ，２８ｂがそれぞれ基端部２３の互いに対向する周方向側面２３ａに沿うように略Ｕ字状に屈曲して形成されるとともに、間隙２５に配置されている。図３（ｂ）に示すように、第１管２７には、その第１端部２７ａの先端に、第１管２７の管路と連通するとともに縮径した挿入部２７ｃが形成されている。挿入部２７ｃは、第２管２８の第１端部２８ａの管路開口２８ｃに嵌挿可能に形成されている。第１管２７の第２端部２７ｂ及び第２管２８の第２端部２８ｂは、第１管２７の第１端部２７ａ及び第２管２８の第１端部２８ａと同様の構成である。
【００１８】
一方、図２に示すように、全ての連結部２４の外周部２４ａには、金属製の第２冷却管２９がステータ鉄心１７の周方向に三周するように巻き付けられている。なお、連結部２４は、コイルエンド２２の両方の基端部２３間に設けられている部分である。
【００１９】
そして、第１冷却管２６及び第２冷却管２９は、それぞれの入口側端部２６ａ，２９ａ（図１参照）がモータ１１の外部に導出されるとともに図示しない循環管路の第１端部に接続されている。また、第１冷却管２６及び第２冷却管２９は、それぞれの出口側端部２６ｂ，２９ｂ（図１参照）がモータ１１の外部に導出されるとともに図示しない循環管路の第２端部に接続されている。循環管路には、その途中に図示しないポンプが設けられ、ポンプによって冷媒が強制的に循環管路、第１冷却管２６、第２冷却管２９を循環するように構成されている。第１，第２冷却管２６，２９は、ステータ鉄心１７の軸方向における両端部２０に形成されるとともにコイルエンド２２全体を覆う樹脂モールド部３０によって固定されている。なお、樹脂モールド部３０を構成する樹脂には熱伝導性を高めるためにセラミックスが混合されるとともに、耐熱性及び絶縁性を有している。
【００２０】
次に、第１冷却管及び第２冷却管の組み付け方法について説明する。
まず、第１冷却管２６及び第２冷却管２９を組み付ける前に、ステータ鉄心１７のティース１６にステータコイル１９を集中巻きで巻回する。その後、第１冷却管２６を組み付ける工程に移行する。
【００２１】
そして、図４の１点鎖線で示すように第１管２７を一つのスロット１８から延出する二つの基端部２３と対応する位置にステータ鉄心１７の外周側から配置して、二つの基端部２３に沿う状態にする。また、図４の２点鎖線で示すように、ステータ鉄心１７の内周側から間隙２５と対応するようにコイルエンド２２の一対の基端部２３間に第２管２８を配置する。そして、第１管２７の第１端部２７ａに設けられた挿入部２７ｃを第２管２８の管路開口２８ｃ（図３（ｂ）参照）に嵌挿して、第２管２８の第１端部２８ａと第１管２７の第１端部２７ａとを接続する。さらに、図４の点線で示すように、第１管２７が配置された二つの基端部２３と周方向において隣り合う二つの基端部２３と対応する位置に別の第１管２７を配置する。そして、第１管２７の第２端部２７ｂに設けられた挿入部２７ｃを第２管２８の管路開口に嵌挿して、第２管２８の第２端部２８ｂと第１管２７の第２端部２７ｂとを接続する。以下、同様の作業を繰り返し行って、交互に第１管２７と第２管２８とを接続することで、基端部２３に沿いつつ各間隙２５に一部が入り込んだ状態でステータ鉄心１７の周方向に一周する第１冷却管２６を形成する。そして、次に、予め三周巻かれてコイルエンド２２の連結部２４の外周部２４ａを包囲できるように形成された管を準備する。そして、三周巻かれた状態の管を連結部２４の外周部２４ａに嵌め付けて、第２冷却管２９として構成する。その後、樹脂モールド部３０をステータ鉄心１７の端部２０に形成することで、第１，第２冷却管２６，２９の組み付けが完了する。
【００２２】
次に、前記のように構成されたモータ１１の作用を説明する。
モータ１１が負荷状態で駆動される場合は、ステータコイル１９に通電されてロータ１４に回転磁界が作用し、回転磁界とロータ１４に設けられた図示しない永久磁石の磁束との作用によりロータ１４が回転する。このとき、ステータコイル１９に対する通電によって、ステータコイル１９からはジュール熱が発生するが、このジュール熱は、第１冷却管２６及び第２冷却管２９を流れる冷媒によって吸収される。ジュール熱を吸収した冷媒は、モータ１１の外部に導出されている循環管路を流れ、モータ１１の外部において放熱する。そして、循環管路を流れる冷媒は、ポンプによって再び、第１冷却管２６及び第２冷却管２９に送り出されて、コイルエンド２２から発生したジュール熱を除去する。
【００２３】
また、第１冷却管２６は、一部が各間隙２５に入り込んだ状態でステータ鉄心１７の周方向に延びるように構成されているため、モータ１１における軸方向の寸法は増加しない。そして、各間隙２５は隣り合うコイルエンド２２間に存在する隙間よりも大きく、第１冷却管２６には、コイルエンド２２間に存在する隙間に配置された管よりも多くの冷媒を流すことができる。
【００２４】
この実施形態によれば以下の効果を得ることができる。
（１）ステータコイル１９は、ステータ鉄心１７の軸方向の両端部２０から突出するコイルエンド２２を有している。そして、ステータ鉄心１７の軸方向におけるティース１６の端面２１とコイルエンド２２との間には、隣り合うコイルエンド２２間の隙間よりも大きな間隙２５が存在し、間隙２５に第１冷却管２６が入り込んだ状態でステータ鉄心１７の周方向に延びている。したがって、隣り合うコイルエンド２２間の隙間に冷却管を配置する場合に比べて、モータ１１の軸方向寸法を増加させることなく、コイルエンド２２に対する冷却能力を向上させることができる。
【００２５】
（２）第１冷却管２６の管路では、冷媒が流通している。したがって、冷媒がコイルエンド２２と熱交換を行うことでステータコイル１９から発生したジュール熱を除去するため、中実体からなる冷却部材を用いる場合に比べてステータコイル１９から発生したジュール熱を効率よく除去することができる。
【００２６】
（３）第１冷却管２６は、循環管路を介して冷媒を強制的に循環させるポンプと接続されている。したがって、第１冷却管２６内において冷媒が自然に流れるように構成した場合よりも、第１冷却管２６内において単位時間当たりに流れる冷媒の流量を増加させることができ、ステータコイル１９から発生した熱を効率よく除去することができる。
【００２７】
（４）第１冷却管２６は、複数の第１管２７と複数の第２管２８とが交互に接続されることで構成されている。そして、第１管２７は、一つのスロット１８から延出する二つの基端部２３に沿うような形状に形成されるとともに、第２管２８は間隙２５に配置可能な形状に形成されている。したがって、第１冷却管２６はコイルエンド２２の基端部２３に沿いつつ一部が各間隙２５に入り込んだ状態となるように形成することができる。したがって、連続している管を間隙に配置する場合に比べて第１冷却管２６をコイルエンド２２に近づけて配置することができ、ステータコイル１９から発生した熱を効率よく除去することができる。
【００２８】
（５）第１冷却管２６は、コイルエンド２２を覆う樹脂モールド部３０によってコイルエンド２２に固定されている。したがって、樹脂モールド部３０を形成するときに同時に第１冷却管２６を固定することができるため、第１冷却管２６を固定する作業を簡単に行うことができる。
【００２９】
（６）連結部２４の外周部２４ａには、コイルエンド２２を冷却可能な第２冷却管２９が設けられている。したがって、第１冷却管２６の他に第２冷却管２９によってもコイルエンド２２を冷却するため、コイルエンド２２に対する冷却効果をより高めることができる。
【００３０】
実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように構成してもよい。
○  冷却部材の表面に絶縁処理を施してもよい。例えば、第１，第２冷却管２６，２９の表面に絶縁処理を施すことで、第１，第２冷却管２６，２９とコイルエンド２２との間の電気絶縁性を確保してもよい。
【００３１】
○  冷却管を固定する方法を変更してもよい。コイルエンド２２を覆うような樹脂モールド部３０を形成しなくとも、例えば、樹脂を第１冷却管２６とコイルエンド２２との間にだけ介在するように設け、コイルエンド２２を樹脂で覆わずに第１冷却管２６を固定してもよい。また、レーシングテープで第１冷却管２６をコイルエンドに縛り付けてもよい。
【００３２】
○  冷却部材を複数設けてもよい。例えば、モータ１１が大型で複数の第１冷却管２６を配置できるような大きさの間隙２５であれば、第１冷却管２６を複数設けてもよい。
○  第２冷却管２９を省略してもよい。例えば、コイルエンド２２に対する冷却効果よりも、モータ１１の体格の小型化を優先する場合には、第２冷却管２９を省略して、第１冷却管２６だけでコイルエンド２２を冷却するように構成してもよい。
【００３３】
○  冷却管の一部に溜まり部を形成してもよい。例えば、第２管２８の代わりに冷媒を貯留可能な溜まり部を設け、溜まり部に第１管２７の第１，第２端部２７ａ，２７ｂの挿入部２７ｃが嵌挿可能な開口部を形成する。そして、溜まり部を間隙２５に配置した状態で第１管２７の第１，第２端部２７ａ，２７ｂを接続すれば、第１管２７と溜まり部とで冷却部材を構成することができる。
【００３４】
○  冷却管の位置を変更してもよい。例えば、ステータ鉄心１７の端部２０及びコイルエンド２２の基端部２３の両方と接する位置に第１冷却管２６を配置してもよい。このように構成した場合、第１冷却管２６は、ステータ鉄心１７を介してステータコイル１９を冷却することができるため、ステータコイル１９から発生した熱を効率よく除去することができる。
【００３５】
○  冷却管の流路において、強制的に冷媒を循環させる代わりに、冷媒が自然に循環するように冷却管を構成してもよい。例えば、冷却管をヒートパイプで構成してもよい。この場合、冷却管としてのヒートパイプは、各間隙２５に入り込んだ状態に延ばし、一部をモータ１１の外部に導出して冷却部（凝縮部）として構成する。そして、ヒートパイプは、コイルエンド２２と熱交換を行い、ヒートパイプ内の間隙２５と対応する部分の液体が蒸発することでステータコイル１９から発生したジュール熱を除去する。そして、蒸発した蒸気は冷却部に向かって流れ、冷却部に至ると冷却され、蒸気から凝縮して液体となる。その後、液体はコイルエンド２２と接する部分にまで還流し、再び、ステータコイル１９から発生したジュール熱を除去する。
【００３６】
○  冷却部材を冷却管としての第１冷却管以外の部材に変更してもよく、熱伝導率の高い樹脂を冷却部材として用いてもよい。例えば、樹脂にセラミックスを混入して、熱伝導率の高い樹脂として作成し、この樹脂を冷却部材として用いてもよい。この場合、ステータコイル１９から発生した熱は、コイルエンド２２を介して速やかに冷却部材に移行することができるため、ステータコイル１９から発生した熱を除去することができる。また、熱伝導率が高い樹脂として、ガラス繊維を含んだエポキシ樹脂からなる樹脂を用いてもよい。また、第１冷却管の場合と同様に、第２冷却管の代わりに、熱伝導率の高い樹脂をコイルエンド２２の連結部２４の外周部２４ａに設けてもよい。
【００３７】
○  ティースに対するステータコイルの巻き付け方法を変更してもよい。例えば、ステータコイルを分布巻によってティースに対して巻き付けてもよい。
○  永久磁石のないロータに変更してもよい。例えば、誘導電動機のかご型ロータを用いてもよい。
【００３８】
○  モータに限らず、発電機に適用してもよい。
前記した実施形態から把握できる技術思想を以下に記載する。
○前記コイルエンドの先端部に接した状態で前記ステータ鉄心の周方向に延びるとともに冷媒が流通可能な冷却部材がさらに設けられた請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の回転電機。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】モータの模式図。
【図２】ステータの模式部分斜視図。
【図３】（ａ）はステータの模式部分図、（ｂ）は第１管及び第２管の端部を示す模式部分斜視図。
【図４】第１冷却管の組み付け方法を説明する模式部分図。
【符号の説明】
【００４０】
１１…回転電機としてのモータ、１４…ロータ、１６…ティース、１７…ステータ鉄心、１９…ステータコイル、２１…端面、２２…コイルエンド、２３…基端部、２４…連結部、２５…間隙、２６…冷却部材としての第１冷却管、２７…第１管、２８…第２管。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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