JP2005198500A - 回転機 - Google Patents

Abstract

【課題】モータの小形化を図りつつ放熱性を高めたモータ，発電機を提供する。
【解決手段】モータの軸方向両端に位置するブラケット３０，４０の内側に放射状のリブ（突起３１）を配設した形状とし、そのリブ３１がステータの隣り合うコイルエンド１４の隙間に配置するようにモータを組み立てた構成とする。また、その突起３１を冷媒通路とすることで、より一層のステータ巻線の放熱性を向上し、高効率、小形軽量のモータを提供する。コイルエンド１４とブラケット内面間に熱伝導性，絶縁性に優れた弾性体を介在させてもよい。
【選択図】図４

Description

本発明は、ステータに複数配設された磁極ティースに、ステータコイルを各ティース毎に或るいは複数のティースを跨ぐようにして巻線した電動機，発電機等の回転機に関する。

産業用機器，家電製品，自動車等の分野では、省エネルギー化，省資源化のニーズに伴い、これら製品を駆動するモータの高効率化及び小形軽量化が要求されている。この要求に応えるために、ロータには、希土類高性能永久磁石を使用し、また、ステータには、高密度に巻線を施したブラシレスモータが、様々な分野で採用されはじめている。

ステータに巻線する方式を大別すると、集中巻線と分布巻線の２通りの方式がある。集中巻線とは、例えば、図２（ａ）に示すように各磁極ティース７毎にコイルを巻き回す巻線方式である。また、分布巻線とは、図８に示すように複数の磁極ティース７を跨ぐように巻回する巻線方式である。

集中巻線の方式としては、一般に、直巻線方式が用いられている。この方式は、ステータコアの内径において、エナメル線を通したノズルを駆動させ、ステータスロットに直接，巻線を施す方式である。ところが、この方式では、コアの内周側から線を捻りながら巻線するため、整列に巻線することはできず、線が交差する部分が多くなる。その結果、コイルエンド高さを低減するには、限界が生じていた。

また、分布巻線の方式としては、ステータコアの外部でエナメル線を型巻線した後、スロット開口部からコイルの両辺を同時に外径方向に向けてスロット内に強制的に滑り込ませて、線を挿入するインサータ方式が一般的であるが、巻線の高密度化およびコイルエンドの高さ低減には限界が生じていた。

そこで、集中巻線を高密度に巻線する方法として、ステータコアを分割する方法があり、例えば、特開平６−１０５４８７号公報，特開平６−２６１４７５号公報には、ボビン巻線したコイルを分割したコアに組み込む方式が示されている。また、分布巻線を高密度に巻線する方法として、特開平９−２１５２３８号公報には、コイルエンド形状を所定の形状に成形し、コイルエンド高さを低減する方法が示されている。

また、高負荷運転が要求されるモータの場合、運転時にステータコイルに生じるジュール熱が大きくなり、高効率モータを実現するには、冷却構造が重要となっている。この冷却方法として、特開平９−９５６１号公報には、ハウジング等に冷媒通路を備えたモータの冷却方式が示されている。

特開平６−１０５４８７号公報 特開平６−２６１４７５号公報 特開平９−２１５２３８号公報 特開平９−９５６１号公報

近年の回転機では、製品本体の更なる高効率，小形化の要求に伴い、モータ本体には、モータの薄形化と放熱性が重要となっている。

図１０に従来のモータの断面図を示す。なお、図中、１はモータ、２はハウジング、５はステータ、６はステータコア、１３はステータコイル、１４はステータコアのコイルエンド、１５は回転軸、１６，１７は軸受、１８はロータ、１９はロータに設けた永久磁石、２２はコイル結線部、２５はコネクタ、４１，４２はモータ軸方向に配置されるモータブラケットである。

図中のＬ寸法（モータ軸方向寸法）の短縮は、従来の技術のみでは限界が生じている。その理由は、第１に、ステータコイル１３からブラケット４１，４２までに、コイルエンド上部から軸方向に所定の絶縁距離を必要としていた。一方，ステータコイル１３の放熱は、接触しているコア６が主であり、コイルエンド１４の放熱は、コイルを通じコアへの放熱に依存していた。

また、モータの出力が大きくなると、コイルの線径も太くなるため、コイル間に無効な空隙が生じており、出力増大に伴い発熱量の増加にもかかわらず、熱伝導性の劣る空間が増加していた。

この解決手段の従来技術として、コイルの組み込まれたステータを樹脂モールドし、コイルの電磁振動低減，ステータの剛性向上，コイルの放熱性向上を図る方法がある。

しかし、コイルと一体に行う樹脂部のモールド成形においては、コイルの絶縁皮膜を破壊して線間短絡が発生することも考えられる。

本発明は以上の点に鑑みてなされ、モールド成形と異なる手法により、モータの小形化を図りつつ放熱性を高めたモータを提供することにある。

また、低振動，高放熱性のモータを提供することも目的とする。

本発明の要旨は次の通りである。

第１の発明は、ステータに配設された磁極ティースにティース毎に或るいは複数のティースを跨ぐようにしてステータコイルを巻線した回転機において、モータの軸方向に配置されるモータブラケットの内側に、前記ステータコイルの隣合うコイルエンド間に生じる隙間に入り込む突起を設けたことを特徴とする。

第２の発明は、ステータに配設された磁極ティースにティース毎に或るいは複数のティースを跨ぐようにしてステータコイルを巻線した回転機において、モータの軸方向に配置されるモータブラケットの内側に、前記ステータコイルの隣合うコイルエンド間に生じる隙間に入り込むよう突出させた冷媒通路を設けたことを特徴とする。

第３の発明は、ステータに配設された磁極ティースにティース毎に或るいは複数のティースを跨ぐようにしてステータコイルを巻線した回転機において、モータの軸方向に配置されるモータブラケットの内面に絶縁性を有する弾性体を配置し、この弾性体が前記ステータコイルのコイルエンドと前記モータブラケット内面との間に介在することを特徴とする回転機。

ここで、上記発明の作用について説明する。

まず、説明に先立ち、ステータコイルの一般的傾向について説明する。モータの高出力化，高効率化に伴い、電流密度を低減する必要があり、コイルの線径は太くなる。したがって、巻線時に線の皮膜強度を保証するためには、線の最小曲げ半径は大きくなり、コイルエンド外形は円弧状となる。このとき、隣りあうコイルエンド間に生じる隙間は大きくなり、コイル間に無効な空隙を作っていた。

第１の発明では、この空隙にモータブラケットに設けた突起を入り込ませることで、実質的にモータブラケットとコイルエンド間を近接させることになり（換言すれば、コイルエンド間の無効な空隙をなくし）、その結果、コイルエンドから発生する熱を突起を介してモータブラケットに伝熱させる放熱経路も確保して放熱性能を高める。

第２の発明は、モータブラケットよりコイルエンド間の隙間に入り込むよう突出させた冷媒通路が第１の発明の突起としての機能をなし、特に、この突起が冷媒通路で構成されるので、より一層のステータコイルの放熱性能を高める。

第３の発明は、ステータコイルとモータブラケットとの間に伝熱性の良い弾性体を介在してモータに組み上げることにより、ステータコイルに線間短絡が生じることなく、しかも使用後はこの弾性体が放熱機構となってモータの低振動，高放熱性を実現させることが可能になる。

第１，第２の発明によれば、モールド成形と異なる手法により、モータの小形化を図りつつ（モータ軸長を長くすることなく）、放熱性（出力効率）を高めたモータを提供することができる。また、放熱性を高めるためにブラケット内面に設けた突起をリブで構成することにおり、ブラケットの強度向上を図ることができる。

また、第２の発明によれば、低振動，高放熱性のモータを提供し、さらに、コイルとブラケットとの間に弾性体部品を配置してモータに組み上げることにより、線間短絡が生じることなく、製品歩留まりを高めることができる。

本発明の実施例を図１〜図９により説明する。

図１は、本発明の一実施例を示すモータの縦断面図、図２はモータの集中巻ステータの概念図、図３は上記実施例のモータブラケットの斜視図、図４は上記実施例の要点を示す説明図、図５は上記実施例に用いるステータコイルの斜視図、図６は上記モータブラケットの製造の一例を示す説明図、図７は冷却配管を備えたブラケット斜視図である。

図１に示すように、モータ１は、ハウジング２と焼きばめ等で一体となったステータ５と、回転軸１５と焼きばめ等で一体となったロータ１８、及び回転軸１５を支持する軸受け１６，１７を組み込んだモータブラケット（以下、単にブラケットと称する）３０、４０から構成される。ブラケット３０，４０は、モータ軸方向の両端に配置される。

ステータコア６には、各磁極ティース７毎にステータコイル１３を巻線した集中巻線が施されている。コイル１３は所定のスロットに配置されることでステータ５が組立てられている。

ステータコイル１３の各コイルの結線部分２２は、モータの回転軸１５からみて（モータの径方向において）、コイルエンド１４の外側にモータの周方向に沿って配置されている。

ここで、ステータコイル１３の巻線形状について、図２を用いて説明する。図２（ａ）は、集中巻線を施したステータの斜視図、図２（ｂ）は、モータ軸からみてステータを展開した断面図である。

巻線（ステータコイル１３）の巻枠形状及び巻線条件を決定する際、線の最小曲げ半径と巻線張力は、用いるエナメル線の皮膜強度から、巻線時に皮膜を劣化させない条件を選定する。例えば、皮膜にポリアミドイミドを用いたエナメル線では、最小曲げ半径ｒは、線径ｄの半分以上、好ましくは線径ｄ以上である。したがって、コイルの線径ｄが太くなるにつれて、コイルの最小曲げ半径ｒも大きくなる。よって、集中巻線方式によってステータコイル１３を製作する場合、図２（ｂ）に示したように、隣り合うコイル同士の間でコイルエンド高さｈ以内にほゞ断面三角形の隙間２９が生じる。

この隙間２９は、放射状に各コイルエンド１４間に生じることとなり、ステータコイル１３及び磁極ティース７と同数となる。この隙間が大きいほど、モータ外部への放熱効率が低下する。したがって、この隙間を低減すること、又はこの隙間を活用することで、モータの高効率，小形軽量化を図ることができる。以下にその具体例を示す。

図３にブラケット３０の内側で、コイルエンド１４間の隙間２９と対応する位置（ほぼ同じ位置）に、放射状にリブ状の突起（以下、リブと称する）３１を設けた例を示す。このブラケット３０を用いてモータを組立た後の断面図が図１である。リブ３１はモータの径方向に延び、また隣り合うティース７間の中心線に対応する位置に配置されて、モータ組立後にコイルエンド１４間の隙間２９に入り込む。ブラケット４０も上記同様に内側にリブ３１を有する。

このようにブラケット３０，４０にリブ３１を設けて、コイルエンド１４間に生じる隙間２９に配置することで、リブ３１を介してブラケット３０，４０へのステータコイルの放熱性を高めることができる。また、リブ３１は、コイルエンド１４間の既存の隙間２９に収まるため、モータ全体の軸方向長さを長くすることなく、ブラケットの強度を向上させることができる。

この放射状に設けたリブ３１は、ステータコイルのコイルエンド１４間に配置するため、コイル数あるいはティースの数と同数以下となる。このブラケット３０，４０は、内側のリブ形状も一体に成形することが望ましく、従来の加工方法と同様、例えばアルミニウム等を素材として鋳造，型鍛造等により加工すると良い。

次に、リブ３１の寸法について、図４により説明する。図４は、ステータコア６にコイル１３を組み込んだステータ５と、ブラケット３０，４０及びリブ３１と関係を示す概念図（モータ軸からみてステータを展開した断面図）である。

図４において、線径φｄのエナメル線を周方向にｎ層の線が並ぶように巻線をした場合、コイルエンド外径の円弧半径Ｒは、線径の最小曲げｒで表すと、Ｒ≧（ｒ＋ｎ×ｄ）となる。ここで、図４に示すように、コイルエンド１４とブラケット３０（４０）の隙間をａ、リブ３１との隙間をｂとし、１辺ｓのほぼ正三角形のリブについて考えると、ｓ＝（３−√２）・Ｒ＋ａ−√２・ｂとなる。

例えば，ｄ＝φ1.6，ｒ＝ｄ，ｎ＝５，ａ＝ｂ＝１とすると、一辺ｓ＝１４．８の断面がほぼ正三角形（台形状）のリブを配置することができる。したがって、このリブ３１をブラケット３０，４０内側に放射状に配置することで、熱伝導性の劣る空隙が低減するため、発熱源となるコイルエンドの放熱性を高めることができる。また、ブラケットの剛性を高めることができ、回転時の軸振動およびブラケット等に発生する振動を低減させることができる。

上記リブ付きブラケット３０，４０を組み立てたモータにおいて、コイル１３とブラケット３０，４０との絶縁耐圧を保証するためには、図４のａおよびｂの寸法は、絶縁空間距離以上とすることが望ましいが、上記ブラケットとコイルとの間に絶縁材料を配置することで耐圧を保証してもよい。この場合、コイル１３とブラケット３０，４０間に絶縁材を介在した状態で、図４中の寸法ａ，ｂをほぼ０とすることができ、さらに絶縁材料の熱伝達率を空気より大きくすることで放熱性（冷却性）を高めることができる。

この方法としては、コイルエンド１４に絶縁処理する方法と、ブラケット内側に絶縁処理する方法がある。コイルエンド１４を絶縁処理する方法として、コイルエンド上部（端部）を覆うように折り曲げたフィルム状の絶縁材料を配置した後、ブラケットを組み立てる方法でもよいし、フィルム状の絶縁材料の他、シートワニス等の熱硬化性樹脂を用いて固着してもよい。また、ブラケット３０，４０内側を絶縁処理する方法として、ブラケットの内側に、絶縁材料を電着塗装したり、ブラケット内側のリブ形状を覆うように折り曲げたフィルム状の絶縁材料を配置し固着してもよい。絶縁材料としては、絶縁条件を満足する材料を選定する。例えば，ＰＰＳ，ＰＥＴ，ポリアミド，ナイロン等のフィルム材，また，アラミド紙と貼り合わせた複合材等を用いると良い。

また、絶縁材フィルムの他、図９（ｂ）に示したように、ブラケット３０の内側に、シリコン樹脂等で成形した耐熱性，絶縁性に優れた弾性体３６を配置しても良い。この弾性体をブラケット・コイルエンド間に介在したモータを組み立てることで、コイルエンドとブラケットの空隙を低減し、冷却性（コイル放熱性）の向上及びステータの振動低減ができる。

次に、ステータコイル１３の巻線形状について、図５により説明する。

図５（ａ）にステータコイル１３を巻き回す絶縁材の形状を示し、（ｂ）に巻線後のコイル形状を示す。

絶縁材（巻線枠）２０の形状をコイルエンド部において、一部切り欠いた形状とすることで、コイルの外形が見える形となる。その結果、上述したように、コイルエンドの外形から生じる空隙を利用することができる。このとき、図５においては絶縁材２０の形状を、モータの径方向からみて、ほぼ十字形状としたが、コイル外形に沿う形であれば、他の形状でも良く、例えば長丸形状でもよい。

また、図５（ｂ）に示したように、コイル端末２２をコイルエンドにおいて、モータ外径側に配置することで、両端のコイルエンド高さをほぼ同じ寸法にすることができる。このコイルの絶縁材２０としても、前記同様のフィルム材または成形した樹脂ボビンを用いると良い。

図６に上記ブラケットの別の態様を示す。本例では、ブラケット３２の内側に、ブラケットと別途に成形したリブ部品（ブロック）３１´（図１，図３，図４のリブ３１に相当するもの）を接合した実施例を示した。断面台形または略三角形状のブロック３１´を、ブラケット３０の内側でコイル間の隙間２９に合う位置に、所定数配置し得るように接合した形状であり、前記リブ付きブラケット３０と同様の効果がある。この接合方法は、強度を満足した条件であれば、ネジ締結，接着，溶接等を選択してよいが、強度が強く，熱による変形がない点からネジ締結が望ましい。

このリブ部品とコイルとの絶縁方法としては、前記方法同様に、リブ及びブラケットとコイル間に絶縁材料を配置しても良い。また、リブ部品の表面のみに絶縁処理を施したり、あるいは、強度，耐熱性に優れたＰＰＳ，ＰＥＥＫ等のエンジニアリングプラスチック材料をリブ部品として使用しても良い。また、リブ部品及びコーティング材として、絶縁性が高く、熱伝導性の良い材料、例えばシリコン材を用いても良い。

図７に本発明の他の実施例におけるブラケット３３の態様を示す。

本例は、ブラケット３３の内面に前述した突起形状のリブとほぼ同位置に、これに代わって冷却用配管（冷媒通路）３５を配置した実施例を示した。冷却用配管３５は、ブラケット３３の内側に、ステータコイルの隣合うコイルエンド間に生じる隙間２９に入り込むよう突出させたものであり、他の要素は、図１の構成と同様にしてある。

この配管３５で形成した流路に冷却水を循環することで、特にコイルエンドから発生する熱を放熱することができる。このとき、軸方向寸法を長くすることなく、発熱源であるコイルに近い位置に冷却流路を設けることで、冷却性能を向上させることができる。この配管部品は、銅またはアルミ等，熱伝導性の優れた材料が良く、管を曲げ成形することによって容易に製造できる。

また図７において、配管部品とブラケットを別部品として示したが、ロストワックス法により、予め所定の流路をブラケットに設けた形状に鋳造しても良い。

そして、この配管部品とコイルとの絶縁方法としては、前記方法同様に，配管及びブラケットとコイル間に絶縁材料を配置しても良い。また，配管部品の表面のみにテフロンコーティング（「テフロン」は登録商標名）等の絶縁処理を施してもよい。このように絶縁処理を施した場合、前記同様に、コイルと冷却用配管との隙間をほぼ０としても良い。

次に、分布巻線を施したステータについての実施例を図８，図９を用いて説明する。

図８に、３相分布巻ステータの斜視図を示す。

３相のコイル１３ａ，１３ｂ，１３ｃは、それぞれ、磁極ティース７を複数個跨いだ形で挿入（巻線）されており、また、ステータコイルは，１３ａ，１３ｂ，１３ｃの順にコアに挿入され、コイルエンドは、モータ軸から径方向にみて３層に重なり合う形となる。

図において、ステータコイル１３ａ〜１３ｃは、ほぼ整列巻線され、各層のコイルの外形がほぼ同じ形状となるように高精度に製作，挿入している。

このとき、前記集中巻線を施したステータと同様に、隣り合うコイルとの間にほぼ同じ形状となる空隙２９が生じる。したがって，図９（ａ）に示したように、前記集中巻線を施したステータ同様に、ブラケット３０の内側に、コイル間の隙間２９とほぼ同じ位置で、かつ放射状に突起形状のリブ３１を設けて、このリブ３１を隙間２９に入り込ませることで、前記実施例と同様の効果を得ることができる。

また、図９（ｂ）に示したように、ブラケット３０の内側に、シリコン樹脂等で成形した耐熱性，熱伝導性，電気絶縁性に優れた弾性体３６を配置した実施例を示した。この弾性体を配置したブラケットを用いてモータを組み立てることで、ブラケットとコイルエンド間に弾性体３６が介在して、コイルエンドとブラケットの空隙を低減し、この弾性体を介した放熱による冷却性の向上、及びステータの振動低減ができる。

図９（ａ）において、リブ３１は、ブラケット３０に一体の部品として示したが、前記同様にリブを別部品として締結することでブラケットを補強しても良い。また、リブ部品をシリコン材、エンジニアリングプラスチック等を用いたり、銅、アルミ等熱伝導性の良い材料にシリコン，テフロン等の絶縁材をコーティングして製作することで、コイルとブラケット間に生じる空隙を低減し、コイルの放熱性を高めても良い。

上記説明において、モータについての説明としたが、本発明は、広く回転機に適用できるものであり、発電機においても、同様の効果を得ることができる。

本発明の一実施例を示すモータの縦断面図。 モータの集中巻ステータの概念図。 上記実施例のブラケットの斜視図。 上記実施例の要点を示す説明図。 上記実施例に用いるステータコイルの斜視図。 上記実施例に係る補強リブ部品を用いたブラケットの斜視図。 本発明の他の実施例に係る冷却配管を備えたブラケットの斜視図。 本発明の他の実施例に用いる分布巻ステータの斜視図。 上記実施例に用いるブラケットの斜視図。 従来技術のモータを示す断面図。

符号の説明

１…モータ、２…ハウジング、５…ステータ、６…ステータコア、１３…コイル、１４…コイルエンド、１５…回転軸、１６、１７…軸受け、１８…ロータ、１９…永久磁石、２０…絶縁材、２２…コイルの結線部、２５…端子、２９…隣り合うコイル間に生じる空隙、３０、３２、３３、４０…ブラケット、３１…リブ、３１´…補強リブ部品、３５…冷却用配管（冷媒通路）。

Claims (7)

1. ステータに配設された磁極ティースにティース毎に或るいは複数のティースを跨ぐようにしてステータコイルを巻線した回転機において、
   モータの軸方向に配置されるモータブラケットの内側に、前記ステータコイルの隣合うコイルエンド間に生じる隙間に入り込む突起を設けたことを特徴とする回転機。
2. 前記突起は、前記モータブラケットの内側に放射状の配設されたリブ状突起よりなる請求項１記載の回転機。
3. ステータに配設された磁極ティースにティース毎に或るいは複数のティースを跨ぐようにしてステータコイルを巻線した回転機において、
   モータの軸方向に配置されるモータブラケットの内側に、前記ステータコイルの隣合うコイルエンド間に生じる隙間に入り込むよう突出させた冷媒通路を設けたことを特徴とする回転機。
4. 前記モータブラケットの内側と前記ステータコイルのコイルエンド間に絶縁部材を介在させてなる請求項１ないし３のいずれか１項記載の回転機。
5. 前記絶縁部材は、前記モータブラケットの内面及びコイルエンドの一方或るいは双方に絶縁処理を施すことで形成されている請求項４記載の回転機。
6. 前記絶縁部材は、弾性を有する部材により構成される請求項４又は５記載の回転機。
7. ステータに配設された磁極ティースにティース毎に或るいは複数のティースを跨ぐようにしてステータコイルを巻線した回転機において、
   モータの軸方向に配置されるモータブラケットの内面に絶縁性を有する弾性体を配置し、この弾性体が前記ステータコイルのコイルエンドと前記モータブラケット内面との間に介在することを特徴とする回転機。
   

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