JP5267091B2 - 回転電機用ステータ - Google Patents

Description

本発明は、回転電機用ステータに係り、特にコイルからステータコアへの伝熱性を向上させた回転電気用ステータに関する。

従来、ハイブリッド車等の電動車両の動力源として回転電機が用いられている。この回転電機は、略円筒状をなすステータ（固定子とも称す）と、ステータ内に回転可能に配置され外周部に永久磁石を有するロータ（回転子とも称す）とを含む。ステータは、略円筒状のステータコアの内面に周方向に均等間隔で突設される複数のティース部にコイルが巻回されて構成される。ステータのコイルに電流が流れることでステータ内に磁界が形成され、この磁界が周方向に変動または転移することによって、永久磁石を有するロータが回転駆動されるようになっている。

コイルに電流が流れることでジュール熱による発熱が生ずる。特に、コイルに大きな電流が流れる車両用回転電機では上記発熱量が大きいため、コイルの熱的損傷を防止しつつ回転電機の高効率作動状態を維持するには、上記コイルで生じた熱を効率よくステータコアを介して外部に放熱することが重要になる。そのために、特許文献１では、ステータの軸方向両端部からそれぞれ突出するコイルエンド部を円環状に絶縁被覆するためのモールド材に高熱伝導率の電気絶縁部材を用い、この電気絶縁部材を各ティース部間に形成されてコイルが配置されているスロット内にも充填することが述べられている。

特開２００５−３２８６８９号公報

しかしながら、高熱伝導率の電気絶縁材料は、回転電機においてコイルエンド部のモールド材として一般的に用いられる電気絶縁材料に比べると高価である。したがって、このように高価な高熱伝導率の電機絶縁材料を上記特許文献１記載のようにコイルエンド部のモールド材としても使用すると、ステータひいては回転電機の製造コストが大幅に増加してしまう。

本発明の目的は、製造コストを抑制しつつコイルからステータコアを介して外部への放熱を効率よく行える回転電機用ステータを提供する。

本発明に係る回転電機用ステータは、ステータコアの内周に突設された複数のティース部に巻回状態に配置されるコイルについてステータコアの軸方向両端から突出するコイルエンド部が第１の電気絶縁部材でモールドされる回転電機用ステータであって、前記ステータコアおよび前記コイルとは別部材として形成され、前記ステータコアと前記コイルとの絶縁性確保のために前記ティース部に被着される電気絶縁性のインシュレータを備え、前記インシュレータと前記コイルとの間に第２の電気絶縁部材を充填し、該第２の電気絶縁部材には高熱伝導率の材料が用いられ、第１の電気絶縁部材には低熱伝導率の材料が用いられることを特徴とする。

本発明に係る回転電機用ステータにおいて、前記インシュレータは、前記ティース部と略同じ大きさの内部空間を有する筒状部と、該筒状部の一端部から突出するフランジ部とが一体成形により形成され、前記第２の電気絶縁部材は前記インシュレータの筒状部と前記コイルとの間に充填されてもよい。

また、本発明に係る回転電機用ステータにおいて、前記インシュレータの筒状部のステータ軸方向外側の端面には、前記筒状部の周囲に配置された前記コイルを軸方向に位置を決める突起部が形成されていてもよい。

この場合、前記インシュレータの筒状部のステータ周方向に対向する側壁面であって前記第２の電気絶縁部材との接触面には複数の溝部が形成されていてもよい。前記溝部の幅または深さは、第２の電気絶縁部材に高熱伝導率を付与するために分散されるフィラーの粒子径よりも大きく形成されていることが好ましい。

本発明に係る回転電機用ステータによれば、コイルとティース部に被着されたインシュレータとの間に高熱伝導率の第２の電気絶縁部材が充填されていることで、コイルからインシュレータを介してステータコアの一部であるティース部への伝熱が円滑に行われ、ステータコアを介して外部への放熱を効率よく行うことができる。また、コイルエンド部のモールドには低熱伝導率の第１の電気絶縁部材が用いられるため、大幅な製造コスト増加を抑制できる。

以下に、本発明に係る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、本発明の一実施形態である回転電機用ステータ（以下、適宜に「ステータ」とだけいう）１０のコイルエンド部モールド前の状態を示す斜視図であり、図２は、コイルエンド部モールド後のステータ１０の斜視図である。

ステータ１０は、略円筒状をなすステータコア１２と、ステータコア１２の内周に沿って均等配置される複数のティース部１４とを含む。ステータコア１２は、環状をなす電磁鋼板を複数積層して連結することによって構成されてもよいし、あるいは、強磁性粉体の加圧成型および焼結によって一体に形成されてもよい。ステータコア１２の軸方向一端外周部には、図示しないカバー部材をボルト固定するための貫通穴を含むタブ状の３つの取り付け部２０が径方向外側へ張り出して形成されている。

なお、ステータコア１２は、１つのティース部を有する分割コアを円環状に複数配列した後、その外側に円筒状部材を焼嵌めや圧入等の方法で装着して組み立てられる分割タイプのものであってもよい。

ステータコア１２の内周には、周方向に均等間隔で複数のティース部１４が径方向内側へ向かって突設されている。各ティース部１４の周囲には、例えばエナメル線等の絶縁被覆導線を軸方向に所定回数だけ巻回して構成されるコイル１６が配置されている。各コイル１６は、ステータコア１２の軸方向端部から両側に突出するコイルエンド部１８を含む。

コイルエンド部１８は、コイル１６がティース部１４に周囲に配置された後、図２に示すように、例えばワニス、エポキシ系樹脂等の絶縁性樹脂を用いてモールド成形された第１の電気絶縁部材２４によって覆われている。第１の電気絶縁部材２４は、円環状をなしてステータコア１２の軸方向両端面１３からそれぞれ突出している。第１の電気絶縁部材２４は、ステータコア１２内側に設置される円柱状の内金型とステータコア１２の端面１３を覆って設けられる外金型とを用いた射出成形によって形成されることができる。第１の電気絶縁部材２４は、ステータコア１２の内周側においてもコイル１６を覆うように形成されているが、ティース部１４の径方向内側の端面は第１の電気絶縁部材２４で覆われることなく露出した状態になっている。

図３は、図２に示すステータ１０を内側から見たときに互いに隣接する２つのティース部１４を示す部分平面図であり、図４は、ティース部１４、ティース部１４に被着されるインシュレータ３０、およびインシュレータ３０を介してティース部１４に固定されるコイル１６を示す分解斜視図である。なお、図３においては、見やすくして理解を容易にするためにコイル１６の径方向内側を覆っている第１の電気絶縁部材２４の図示を省略している。

ティース部１４は、略直方体状をなしてステータコア１２の内面に突設されている。インシュレータ３０は、ティース部１４と略同じ大きさの内部空間を有する矩形の筒状部３２と、筒状部３２の一端部から略ロ字状をなして外側に突出するフランジ部３４とを含む。インシュレータ３０は、電気絶縁性樹脂により一体成形されており、筒状部３２がティース部１４にほぼ隙間無く被着されてその外周にコイル１６が配置されたときにティース部１４とコイル１６間の絶縁性確保に必要な距離に相当する厚みに形成されている。

また、インシュレータ３０において、筒状部３２の上記軸方向に対向する両端面（図３および４における上下の端面）には、コイル１６を装着するときにコイル１６を軸方向に関して正確に位置決めするための突起部３６がそれぞれ形成されている。この突起部３６は、フランジ部３４の縁部と面一になる高さに形成されており、インシュレータ３０がティース部１４に被着されたときにステータコア１２の端面１３とも面一になるよう設定されている。

図４に示すように、インシュレータ３０は、筒状部３２内にティース部１４を挿入するようにしてステータコア１２に取り付けられ、フランジ部３４がステータコア１２の内周面１５，１７に接着されることによってステータコア１２に固定される。ここで、上記内周面１５は、ティース部１４の軸方向両側に位置するステータコア１２の内面であり、上記内周面１７は、隣接するティース部１４間に形成されるスロット２２の径方向底面に相当するステータコア１２の内面である。

図３に示すように、隣接するティース部１４間のスロット２２において、ティース部１４を覆うインシュレータ３０の筒状部３２とコイル１６との間には、第２の電気絶縁部材４０が充填されている。図３において、第２の電気絶縁部材４０は点描部分で示されている。上記第２の電気絶縁部材４０は、コイル１６を構成する絶縁被覆導線がインシュレータ３０の筒状部３２の表面に直接接触することを妨げるものではなく、上記絶縁被覆導線とインシュレータ３０の筒状部３２の表面との間に形成されて伝熱抵抗が大きくなる微小な空隙を埋めるために充填されるものである。

上記第２の電気絶縁部材４０には、コイルエンド部１８のモールドに用いる第１の電気絶縁部材２４よりも高熱伝導率の材料を用いる。このようにコイル１６とインシュレータ３０との間に高熱伝導率の第２の電気絶縁部材４０を充填することで、コイル１６に通電したときに生じる熱をスロット２２内において第２の電気絶縁部材４０を介してティース部１４に円滑に伝熱することができ、ステータコア１２を介して外部への放熱を効率よく行うことができる。

スロット２２内において互いに隣接するコイル１６間には、コイルエンド部１８のモールド材である第１の電気絶縁部材２４が充填されている。これは、コイルエンド部１８のモールド成形時にスロット２２の軸方向開口端部から注入されて充填される。隣接するコイル１６間に上記高熱伝導率の第２の電気絶縁部材４０ではなく従来からコイルエンド部のモールド材として用いられている比較的低熱伝導率の第１の電気絶縁部材２４を充填するのは、隣接するコイル１６間については熱伝導性を考慮する必要が無く、電気絶縁性が確保されていれば足りるからである。

ただし、スロット２２内において隣接するコイル１６間の隙間は小さいため、比較的高価な第２の電気絶縁部材４０を充填したとしても製造コストへの影響は限定的であるため許容される。

上記第２の電気絶縁部材４０は、ティース部１４に被着されるインシュレータ３０上にコイル１６を固定する接着剤で構成されることができる。この接着剤は、予め巻回状態に形成されているコイル１６をインシュレータ３０の筒状部３２に装着する際に、インシュレータ３０側かコイル１６側の少なくともいずれかに塗布されていればよい。

また、上記第２の電気絶縁部材４０は、インシュレータ３０とコイル１６との間だけでなく、コイル１６の内部、すなわちコイル１６を構成する絶縁被覆素線間に形成される隙間にも充填されてもよい。このようにすれば、コイル１６からティース部１４への伝熱効率をより高めることができる。コイル１６の内部に第２の電気絶縁部材４０を充填するには、例えば、溶剤で液状にした絶縁性樹脂をコイル１６に含浸させてから乾燥させる、あるいは、液状の熱硬化性樹脂をコイル１６に含浸させてから加熱して硬化させる等の方法を用いることができる。

さらに、上記第２の電気絶縁部材４０は、第１の電気絶縁部材２４とは異なる材料からなっていてもよいし、あるいは、第１の電気絶縁部材２４と同じ材料に高熱伝導率付与のために絶縁性のフィラー（例えば、アルミナ粉末、窒化ケイ素粉末等）を分散したものを用いてもよい。

上記のように、本実施形態の回転電機用ステータ１０によれば、隣接するティース部間に形成されるスロット２２内において、ティース部１４に被着されるインシュレータ３０とコイル１６との間に高熱伝導率の第２の電気絶縁部材４０が充填されていることで、コイル１６からインシュレータ３０を介してティース部１４への伝熱がより円滑に行われる。その結果、ステータコア１２を介して外部への放熱を効率よく行うことができ、上記ステータ１０を用いた回転電機の放熱性能を高めることができる。また、コイルエンド部１８のモールドには従来からの比較的低熱伝導率の第１の電気絶縁部材２４が用いられるため、大幅な製造コスト増加につながることもない。

なお、上記ステータ１０では、ティース部１４の径方向内側端面を除くステータコア１２の内面を覆うインシュレータ３０が設けられているが、これを省略して、スロット２２内においてコイル１６とティース部１４との間に第２の電気絶縁部材４０だけが介在されるよう構成してもよい。

次に、図５，６を参照して、変形例である回転電機用ステータ１１について説明するが、この回転電機用ステータ１１は上記ステータ１０とインシュレータのみが異なるため、ここではその相違点だけを説明することとし、上記ステータ１０と同一の構成要素には同一符号を付して重複する説明を省略する。

図５は、ステータ１１を径方向内側から見たときのティース部１４、インシュレータ３１の筒状部３２、第２の電気絶縁部材４０およびコイル１６の部分拡大断面図であり、図６はインシュレータ３１の斜視図である。

インシュレータ３１の筒状部３２について周方向に対向する側壁面であって第２の電気絶縁部材４０との接触面には、複数の溝部３５が径方向に沿って平行に形成されている。各溝部３５は、インシュレータ３１のフランジ部３４の表面にも連続して形成されている。上述したように、インシュレータ３１の厚みｔは、コイル１６とティース部１４間の絶縁性確保に必要な距離に相当するように設定されている。したがって、上記溝部３５が形成されることで、インシュレータ３１による絶縁機能を維持しつつ溝部３５の底部が薄肉部として形成されることにより伝熱抵抗を小さくできると共に、各溝部３５内にも第２の電気絶縁部材４０が充填されることによりインシュレータ３１と第２の電気絶縁部材４０との接触面積が増大し、第２の電気絶縁部材４０からインシュレータ３１を介してのティース部１４への伝熱効率を高めることができる。

上記のように、絶縁性のフィラーを分散して第２の電気絶縁部材４０に高熱伝導率を付与する場合には、上記溝部３５の幅ｗまたは深さｄを上記フィラーの粒子径よりも大きく設定されるのが好ましい。これにより、インシュレータ３１の溝部３５内にフィラーを含む第２の電気絶縁部材４０が十分に充填されることができ、伝熱効率の向上に寄与することができる。

本発明の一実施形態である回転電機用ステータのコイルエンド部モールド前の状態を示す斜視図である。 図１においてコイルエンド部にモールド成形を施した後の回転電機用ステータの斜視図である。 図２に示す回転電機用ステータを内側から見たときに互いに隣接する２つのティース部を示す部分平面図である。 ティース部、ティース部に被着されるインシュレータ、およびインシュレータを介してティース部に固定されるコイルを示す分解斜視図である。 変形例のインシュレータを示す部分拡大図である。 変形例のインシュレータを示す全体斜視図である。

符号の説明

１０，１１ 回転電機用ステータ、１２ ステータコア、１３ 軸方向端面、１４ ティース部、１５，１７ 内周面、１６ コイル、１８ コイルエンド部、２０ 取り付け部、２２ スロット、２４ 第１の電気絶縁部材、３０，３１ インシュレータ、３２ 筒状部、３４ フランジ部、３５ 溝部、３６ 突起部、４０ 第２の電気絶縁部材。

Claims (5)

1. ステータコアの内周に突設された複数のティース部に巻回状態に配置されるコイルについてステータコアの軸方向両端から突出するコイルエンド部が第１の電気絶縁部材でモールドされる回転電機用ステータであって、
   前記ステータコアおよび前記コイルとは別部材として形成され、前記ステータコアと前記コイルとの絶縁性確保のために前記ティース部に被着される電気絶縁性のインシュレータを備え、
   前記インシュレータと前記コイルとの間に第２の電気絶縁部材を充填し、該第２の電気絶縁部材には高熱伝導率の材料が用いられ、第１の電気絶縁部材には低熱伝導率の材料が用いられることを特徴とする回転電機用ステータ。
2. 請求項１に記載の回転電機用ステータにおいて、
   前記インシュレータは、前記ティース部と略同じ大きさの内部空間を有する筒状部と、該筒状部の一端部から突出するフランジ部とが一体成形されて構成され、前記第２の電気絶縁部材は前記インシュレータの筒状部と前記コイルとの間に充填されていることを特徴とする回転電機用ステータ。
3. 請求項１または２に記載の回転電機用ステータにおいて、
   前記インシュレータの筒状部のステータ軸方向外側の端面には、前記筒状部の周囲に配置された前記コイルを軸方向に位置を決める突起部が形成されていることを特徴とする回転電機用ステータ。
4. 請求項３に記載の回転電機用ステータにおいて、
   前記インシュレータの筒状部のステータ周方向に対向する側壁面であって前記第２の電気絶縁部材との接触面には複数の溝部が形成されていることを特徴とする回転電機用ステータ。
5. 請求項４に記載の回転電機用ステータにおいて、
   前記溝部の幅または深さは、第２の電気絶縁部材に高熱伝導率を付与するために分散されるフィラーの粒子径よりも大きく形成されていることを特徴とする回転電機用ステータ。

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