JP2014023304A - 回転電機及び回転電機用ステータの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】トルク低減を抑制しつつ、引きずり損失の発生を防止することを可能とする回転電機を提供することである。
【解決手段】回転電機１０は、コア板を複数積層して形成され、ティース部４４を有するステータコア４０と、ティース部４４に装着されるステータコイル５０とを含むステータ３０と、ステータ３０の内側に設けられるロータ２０と、ステータコイル５０のコイルエンド５３を覆い、内部に冷却液を液密状に収容する冷却液室６２とを備える。ステータコア５０は、冷却液室６２が設けられている外端ステータコア板である第１クローズドスロットコア板４３と、第１クローズドスロットコア板４３から少なくとも一枚のコア板を隔てて軸方向内側に設けられた第２クローズドスロットコア板４５とを含み、ロータ２０は、第２クローズドスロットコア板４５よりも軸方向内側に配置される。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転電機及び回転電機用ステータの製造方法に関し、特に冷却能力に優れたステータコアの改良された構造及びその製造方法に関する。

従来から、環状のヨーク部の内周に径方向に突出して形成された複数のティース部を有するステータコアと、このティース部に巻回配置されたステータコイルを有するステータと、ステータの内周に回転可能に設けられたロータとを備える回転電機が知られている。このステータコイルは、例えば銅線等の導電性の高い金属からなり、その周囲は絶縁部材により被覆されている。

上記ステータコイルには電力供給線が接続されており、この電力供給線を介して外部から駆動電圧が印加され、ステータコイルに電流が流れる。このとき、ステータコイルを構成する銅線において電気抵抗による所謂銅損が生じ、ステータコイルが発熱する。発熱によるコイル温度の上昇は、ステータコイルの絶縁性能低下を招く可能性がある。このような絶縁性能の低下を防止するために、上記ステータコイルのコイルエンド部を冷却油等の冷却液によって冷却することが行われている。

本発明に関連する技術として、特許文献１には、ロータと、ステータと、ステータコイルのコイルエンド部を覆う冷却液室とを備える回転電機が開示されている。この回転電機では、ステータコアのスロット内と冷却液室とをシールすることで、冷却液室からスロット内への冷却油漏洩が防止されている。

また、上記特許文献１に変形例として示される回転電機では、スロットの開放端を軸方向全長にわたって閉じることにより、仮に、冷却液室から冷却油がスロット内に漏れた場合であっても、冷却油がロータ側に流れ出ないようにしている。

特開２０１２−０９０４３４号公報

上記特許文献１の回転電機では、シール部材とステータコイルの周囲を覆う絶縁紙等のインシュレータとの間に形成される僅かな隙間から冷却油がスロット内に漏れると、その冷却油がステータの内側に配置されるロータと接触することにより引きずり損失を生じてしまう。

また、上記特許文献１に変形例として示される回転電機では、スロットの開放端を閉じることにより、冷却油がロータ側に漏れることはないが、閉じられた部分で大きな漏れ磁束が生じ、これにより回転電機の出力トルクが低下してしまう問題があった。

本発明の目的は、トルク低減を抑制しつつ、引きずり損失の発生を防止することを可能とする回転電機を提供することである。

また、本発明の他の目的は、上記冷却能力の高い回転電機のステータでありながら、ステータコイルの装着が容易な回転電機用ステータの製造方法を提供することである。

本発明に係る回転電機は、コア板を複数積層して形成され、環状のヨーク部の内周に径方向に突出する複数のティース部を有したステータコアと、前記複数のティース部に装着されるステータコイルとを含むステータと、前記ステータの内側に回転可能に設けられたロータと、前記ステータコアの軸方向の少なくとも一端面の外側に設けられ、前記ステータコイルのコイルエンド部を覆い、内部に冷却液を液密状に収容する冷却液室と、を備える回転電機であって、前記ステータコアは、前記冷却液室が設けられている外端ステータコア板である第１クローズドスロットコア板と、この第１クローズドスロットコア板から少なくとも一枚のコア板を隔てて軸方向内側に設けられた第２クローズドスロットコア板とを含み、前記ロータは、前記第２クローズドスロットコア板よりも軸方向内側に配置されることを特徴とする。

また、本発明に係る回転電機は、複数のオープンスロットコア板と、一部に配置されるクローズドスロットコア板とを積層し、各スロットにステータコイルを嵌挿配置する回転電機用ステータの製造方法であって、前記オープンスロットコア板と前記クローズドスロットコア板とを所定の順序で積層する第１工程と、前記クローズドスロットコア板の閉止端部を切り開いてスロットを開放する第２工程と、積層ステータコアのスロットに前記ステータコイルを嵌挿配置する第３工程と、前記切り開かれた閉止端部を曲げ戻して前記スロットを閉止する第４工程と、を含むことを特徴とする。

本発明に係る回転電機によれば、ステータコアの冷却液室が設けられている外端ステータコア板である第１クローズドスロットコア板はスロットの開放端が閉じられている。これにより、スロットの軸方向端部は、ステータコイル、ステータコイルを絶縁するインシュレータ及び第１クローズドスロットコア板の上記閉じられた部分によって塞がれることとなり、冷却液室内の冷却液がスロット内に漏れることを防止することができる。

そして、本発明に係る回転電機によれば、第１クローズドスロットコア板の軸方向内側に、更に、第２クローズドスロットコア板が設けられている。これにより、仮に、上記インシュレータと第１クローズドスロットコア板との間に形成された僅かな隙間から冷却液が漏れた場合であっても、第２クローズドスロットコア板によって当該冷却液がロータの外側に導かれ、第１クローズドスロットコア板と第２クローズドスロットコア板の間から当該冷却液がステータの外側に排出される。これにより、第２クローズドスロットコア板よりもさらに軸方向内側に設けられたロータに冷却液が接触することがないため引きずり損失の発生を防止することができる。

さらに、本発明に係る回転電機によれば、スロットの開放端を閉じているのは少数枚のクローズドスロットコア板のみであるため漏れ磁束の増加を最小限に抑えることにより、出力トルクの低減を抑制することができる。

また、本発明に係る回転電機用ステータの製造方法によれば、従来と同様にスロットが開放した複数のオープンスロットコア板と、いずれか一部に配置される本発明において特徴的なクローズドスロットコア板とを積層し、各スロットにステータコイルを嵌挿配置する組み立て作業を容易に行うことが可能となる。すなわち、上記オープンスロットコア板とクローズドスロットコア板とは所定の順序で積層される。次に、上記クローズドスロットコア板は、そのスロットの閉止端部が切り開かれ、ステータコイルを受け入れるために開放される。そして、この開放されたクローズドスロットコア板のスロットと、もともと開放しているオープンスロットコア板のスロットにステータコイルを嵌挿配置することが出来る。最後に、上記切り開かれたクローズドスロットコア板の閉止端部が曲げ戻され、スロットを閉止してステータの製造を完了する。

本発明に係る回転電機の実施の形態において、回転電機の軸方向断面図である。 本発明に係る回転電機の実施の形態において、軸方向から見た回転電機のステータコアのオープンスロットコア板の部分拡大図である。 本発明に係る回転電機の実施の形態において、軸方向から見た回転電機のステータコアのクローズドスロットコア板の部分拡大図である。 本発明に係る回転電機の実施の形態において、クローズドスロットコア板の閉止端部を切り開いた状態（ａ）及び曲げ戻した状態（ｂ）を示す図である。

以下に、本発明に係る回転電機の実施の形態について添付図面を参照しながら詳細に説明する。この説明において、具体的な形状、材料、数値、方向等は、本発明の理解を容易にするための例示であって、用途、目的、仕様等にあわせて適宜変更することができる。

図１は、回転電機１０の軸方向断面図である。図２は、軸方向から見た回転電機１０のステータコア４０のオープンスロットコア板４１の部分拡大図である。図３は、軸方向から見た回転電機１０のステータコア４０の第１クローズドスロットコア板４３の部分拡大図である。回転電機１０は、ロータ２０とステータ３０とを備えるモータジェネレータである。ロータ２０は、無方向性電磁鋼板を打ち抜き加工することで環状に形成されたコア板を複数積層して構成されたロータコア２２と、ロータコア２２の外周面近傍を軸方向に貫通する複数の矩形の貫通孔に嵌挿された複数の永久磁石（不図示）とを備える回転子である。ロータ２０は、ステータ３０の内側に回転可能に設けられている。

ステータ３０は、無方向性電磁鋼板を打ち抜き加工することで環状に形成されたコア板を複数積層して構成されたステータコア４０と、ステータコア４０に装着されたステータコイル５０と、冷却液室６２を形成する液密カバー６０とを備える。ステータコア４０を構成するコア板として、オープンスロットコア板４１、第１クローズドスロットコア板４３及び第２クローズドスロットコア板４５が用いられており、これらの詳細な説明は後述する。

ステータコア４０は、環状のヨーク部４２と、ヨーク部４２の内周側に形成された複数のティース部４４とを有する。ティース部４４は、ヨーク部４２から内周に径方向に突出する形状を有している。そして、周方向に隣接するティース部４４間には、スロット４８が形成されている。

ステータコイル５０は、複数のティース部４４に装着される平角巻線からなる。ステータコイル５０は、例えば銅線等の導電性の高い金属からなり、その周囲をインシュレータ５２でステータコア４０から絶縁されている。また、ステータコイル５０は、実施形態において、導体セグメント巻線方式にて巻回され、Ｕ字状の導体セグメントを所望のスロット４８にステータの軸方向に沿って挿入し、スロット４８から出た脚部を次の導体セグメント脚部に順次接続してコイルが形成される。この方式によれば、クローズドスロットコア板がある場合でも、ステータコイル５０の巻回を問題なく行うことが出来る。

ステータコイル５０は、ステータコア４０の軸方向両端面から外側にそれぞれ突出するコイルエンド５３を有し、このコイルエンド５３を冷却することで、ステータコイル５０の発熱を抑制している。コイルエンド５３の冷却は、冷却液室６２で行われ、この冷却液室６２はステータコア４０の両端面にそれぞれ固定された液密カバー６０を含む。

液密カバー６０は、断面が略コ字状の部材であって、周方向全周にわたってコイルエンド５３を覆うように環状に形成されている。液密カバー６０は、例えば絶縁性および非磁性の特性を有する樹脂材料によって形成され、ネジ止めや接着等によってステータコア４０に固定される。なお、軸方向両側のコイルエンド５３の形状および大きさに応じて、上記２つの液密カバー６０の形状および大きさを異ならせてもよい。図示した実施形態において、液密カバー６０はステータコア４０の両端面に設けられているが、本発明において、回転電機１０の発熱と冷却液室６２の冷却能力とを勘案して、一方の液密カバー６０のみで充分な冷却を行うことができる場合もある。

液密カバー６０によって形成される冷却液室６２内には、図示しない冷却油供給口から供給される冷却油が収容されている。この冷却油がコイルエンド５３、ひいてはステータコイル５０全体を効率的に冷却することができる。その結果、ステータコイル５０の絶縁性能を維持することができる。

ここで、冷却液室６２に冷却油を供給するための冷却油供給口は、軸方向両側の液密カバー６０にそれぞれ形成されてもよいし、又は、軸方向両側の液密カバー６０内の２つの冷却液室６２を図示しない連通路で連通させ、１つの冷却油供給口から一方の冷却液室６２に供給された冷却油が上記連通路を介して他方の冷却液室６２に供給されるように構成されてもよい。

なお、ステータコイル５０の冷却によって昇温した冷却油は、図示しない冷却油排出口を介して外部に排出され、オイルクーラ等で放熱して降温した後にオイルポンプ等によって再び冷却液室６２に循環供給されるようになっている。

次に、ステータコア４０の積層構造について詳説する。ステータコア４０は、オープンスロットコア板４１と、第１クローズドスロットコア板４３及び第２クローズドスロットコア板４５を積層することで構成される。ここで、図１に示されるように、２つの第１クローズドスロットコア板４３は、ステータコア４０の冷却液室６２側の端部に配置されている外端ステータコア板である。また、図１に示されるように、２つの第２クローズドスロットコア板４５は、上記２つの第１クローズドスロットコア板４３からそれぞれ一枚のオープンスロットコア板４１を隔てて軸方向内側で、かつ、ロータ２０よりも軸方向外側に配置されている。つまり、ロータ２０は、２つの第２クローズドスロットコア板４５よりも軸方向内側に配置されている。そして、ステータコア４０の積層構造のうち、２つの第１クローズドスロットコア板４３と２つの第２クローズドスロットコア板４５以外の残りのコア板は、オープンスロットコア板４１である。

オープンスロットコア板４１は、スロット４８を開放するコア板であり、ヨーク部４２とティース部４４とを含む。図２に示されるように、ステータコイル５０は、インシュレータ５２によって絶縁され、ステータコア４０のスロット４８に巻回配置されている。そして、オープンスロットコア板４１のスロット４８は、内径側に開放端部４７が形成されており、スロット４８の内径側を開放している。

第１クローズドスロットコア板４３及び第２クローズドスロットコア板４５は、スロット４８を閉止するコア板であり、図３に示されるように、ヨーク部４２とティース部４４とスロット４８の開放端を閉じる閉止端部４９とを含む。本実施形態においては、ステータコイル５０は導体セグメント巻回方式にて形成されている。すなわち、ステータコイル５０を形成する各素線はそれぞれＵ字状の導体セグメントに分割されており、この結果、各導体セグメントはステータの軸方向からスロットに挿入され、ステータコアが図示の如く第１クローズドスロットコア板４３および第２クローズドスロットコア板４５のように閉止端部４９によって各スロットが閉止されていても、ステータコイル５０の組み立てが可能である。また、上記導体セグメント巻線以外のコイル、例えば、予め巻回された巻線コイルであるステータコイル５０をステータコア４０の内径側からスロット４８に嵌挿配置する際には、閉止端部４９の周方向の中央部に位置する切断部４９ａを切り開いて、ステータコイル５０をスロット４８に嵌挿配置した後、再び閉止端部４９の切断部４９ａの両側を曲げ戻す操作を行う。なお、第２クローズドスロットコア板４５は、第１クローズドスロットコア板４３と同様に切り開いて曲げ戻す操作を行うため、詳細な説明は省略する。

続いて、上記構成からなる回転電機１０の作用について、図１〜図３を用いて説明する。本実施形態の回転電機１０では、上述したように冷却液室６２が設けられている外端ステータコア板である第１クローズドスロットコア板４３の閉止端部４９が閉止されている。このためスロット４８の軸方向端部は、ステータコイル５０、インシュレータ５２及び第１クローズドスロットコア板４３の閉止端部４９によって塞がれることとなり、これにより冷却液室６２内の冷却油がスロット４８内に漏れることを防止することができる。

また、上述したように、第２クローズドスロットコア板４５が第１クローズドスロットコア板４３から一枚のオープンスロットコア板４１を隔てて軸方向内側に配置されている。したがって、仮に、ステータコイル５０を絶縁するインシュレータ５２と第１クローズドスロットコア板４３との間に形成された僅かな隙間から冷却油が漏れた場合であっても、第２クローズドスロットコア板４５によって当該冷却油がロータ２０の外側に導かれ、第１クローズドスロットコア板４３と第２クローズドスロットコア板４５の間から当該冷却油がステータ３０の外側に排出される。これにより、第２クローズドスロットコア板４５よりも軸方向内側に設けられたロータ２０に冷却油が接触することがないため引きずり損失の発生を防止することができる。

本実施形態の回転電機１０によれば、スロット４８の開放端を閉じているのは少数枚の第１クローズドスロットコア板４３と第２クローズドスロットコア板４５のみであるため閉止端部４９からの漏れ磁束の増加を最小限に抑えることにより、出力トルクの低減を抑制することができる。

次に、回転電機１０のステータ３０の製造方法について説明する。図４は、ステータコア４０をステータ軸から見た模式図であり、図４（ａ）は、第１クローズドスロットコア板４３及び第２クローズドスロットコア板４５の閉止端部４９を切断部４９ａから切り開いた状態を示す図であり、図４（ｂ）はステータコイルの嵌挿後に閉止端部４９を曲げ戻した状態を示す図である。

まず、無方向性電磁鋼板を打ち抜き加工することでオープンスロットコア板４１、第１クローズドスロットコア板４３及び第２クローズドスロットコア板４５を形成する。

次いで、複数のオープンスロットコア板４１及びクローズドスロットコア板４３，４５を所定の順序で積層して、ステータコア４０を形成する。

続いて、図３に示されるように、第１クローズドスロットコア板４３の閉止端部４９を切断部４９ａで切断し、図４（ａ）に示されるように、切断部４９ａの両側を軸方向に曲げる。また、第２クローズドスロットコア板４５についても同様に切断して、切断部４９ａの両側を軸方向に曲げる。これにより、スロット４８の開放端が、軸方向全長にわたって開放された状態となり、ステータコイル５０を受け入れることができる。これをステータコア４０の全周に行う。

次に、この開放された第１クローズドスロットコア板４３及び第２クローズドスロットコア板４５のスロット４８と、もともと開放しているオープンスロットコア４１のスロット４８にインシュレータ５２が包まれたステータコイル５０を嵌挿配置する。

そして、図４（ｂ）に示されるように、第１クローズドスロットコア板４３及び第２クローズドスロットコア板４５の閉止端部４９を曲げ戻すことでスロット４８の開放端を閉止する。これをステータコア４０の全周に行って回転電機１０のステータ３０の製造を完了する。

上述したように回転電機１０のステータ３０の製造方法によれば、従来と同様にスロット４８が開放された複数のオープンスロットコア板４１と、スロット４８が閉止された第１クローズドスロットコア板４３及び第２クローズドスロットコア板４５とを積層し、各スロット４８にステータコイル５０を嵌挿配置する組み立て作業を容易に行うことが可能となる。

なお、本発明は上述した実施形態および変形例に限定されるものではなく、本願の特許請求の範囲に記載された事項およびその均等な範囲において種々の改良や変更が可能である。

例えば、本実施形態の回転電機１０で用いられる冷却液は、冷却油であるものとして説明したが、冷却液がこれに限定されるものではなく、例えば、冷却水（たとえばＬＬＣ）等の他の冷却液が用いられてもよい。

また、本実施形態の回転電機１０では、第１クローズドスロットコア板４３及び第２クローズドスロットコア板４５の数はそれぞれ２つずつであるとして説明したが、これらの数は２つに限定されない。例えば、２つの第１クローズドスロットコア板４３のみにより冷却液室６２からスロット４８内への冷却油の漏れを完全に防止できる場合には第２クローズドスロットコア板４５を設ける必要がなく、この場合は第１クローズドスロットコア板４３の閉止端部４９のみを切り開き、ステータコイル５０をスロット４８に嵌挿配置して、その後、第１クローズドスロットコア板４３の閉止端部４９を曲げ戻すことでステータ３０の製造を完了することができる。

１０ 回転電機、２０ ロータ、２２ ロータコア、３０ ステータ、４０ ステータコア、４１ オープンスロットコア板、４２ ヨーク部、４３ 第１クローズドスロットコア板、４４ ティース部、４５ 第２クローズドスロットコア板、４７ 開口端部、４８ スロット、４９ 閉止端部、４９ａ 切断部、５０ ステータコイル、５２ インシュレータ、５３ コイルエンド、６０ 液密カバー、６２ 冷却液室。

Claims (2)

1. コア板を複数積層して形成され、環状のヨーク部の内周に径方向に突出する複数のティース部を有したステータコアと、前記複数のティース部に装着されるステータコイルとを含むステータと、
   前記ステータの内側に回転可能に設けられたロータと、
   前記ステータコアの軸方向の少なくとも一端面の外側に設けられ、前記ステータコイルのコイルエンド部を覆い、内部に冷却液を液密状に収容する冷却液室と、
   を備える回転電機であって、
   前記ステータコアは、前記冷却液室が設けられている外端ステータコア板である第１クローズドスロットコア板と、この第１クローズドスロットコア板から少なくとも一枚のコア板を隔てて軸方向内側に設けられた第２クローズドスロットコア板とを含み、
   前記ロータは、前記第２クローズドスロットコア板よりも軸方向内側に配置されることを特徴とする回転電機。
2. 複数のオープンスロットコア板と、一部に配置されるクローズドスロットコア板とを積層し、各スロットにステータコイルを嵌挿配置する回転電機用ステータの製造方法であって、
   前記オープンスロットコア板と前記クローズドスロットコア板とを所定の順序で積層する第１工程と、
   前記クローズドスロットコア板の閉止端部を切り開いてスロットを開放する第２工程と、
   積層ステータコアのスロットに前記ステータコイルを嵌挿配置する第３工程と、
   前記切り開かれた閉止端部を曲げ戻して前記スロットを閉止する第４工程と、
   を含むことを特徴とする回転電機用ステータの製造方法。

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