JP2021069226A - 冷却管を備えた電動機のステータ - Google Patents

Abstract

【課題】電動機の性能を低下させずにステータの発熱を効率良く除去する。
【解決手段】電動機のステータ１は、円筒形のステータコア１０と、ステータコア１０に巻回された巻線１１と、ステータコア１０の軸方向端部に形成されたコイルエンド１１ａ、１１ｂに巻回した第１冷却管１２と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、電動機に関し、特に冷却管を備えた電動機のステータに関する。

巻線の発熱やステータコアの鉄損等による温度上昇は電動機の性能低下に直結する。従って、巻線やステータコア等のステータの熱を如何に放熱するかは重要な課題である。ステータの発熱を除去する手法としては、冷却ジャケットをステータコア外周に設ける構造、冷却経路をステータコアに設ける構造、冷却経路をコイルエンドに設ける構造等が知られている。斯かる先行技術としては後述の文献が公知である。

特許文献１には、固定子鉄芯内部の固定子巻線の外周領域に、軸方向に貫通するように設けられ且つ周方向に並んで配置された複数の冷却管が開示されている。

特許文献２には、固定子鉄心に嵌挿された冷却ジャケットであって、冷却ジャケットの円筒内部に螺旋状の複数の冷却水路を設けることが開示されている。

特許文献３には、ステータコアのスロットにコイルを収容し、ステータ内周面に開口するスロット開口部を閉塞してスロット内部に形成した冷媒通路が開示されている。

特許文献４には、頭部側コイルエンドと端部側コイルエンドとに密着して設けた略角形断面の液冷配管が開示されている。

特許文献５には、ステータの軸方向端部に、ロータ軸の周囲を一周するように円環状に配設した非磁性耐熱材料製の冷却チューブであって、コイルエンドの断面の中心部に通した冷却チューブが開示されている。

特許文献６には、ステータのステータ軸方向中央部に位置する冷却パイプが開示されている。

特許文献７には、積層スタックを貫通して延びる冷却ボアが開示されている。

特許文献８には、固定子鉄心の外周面に周方向で等間隔に固定した中空固定材に貫通孔が設けられ、貫通孔が冷却媒体を流す冷却路として機能することが開示されている。

特許文献９には、機械式ポンプからの冷却媒体を第１排出口からコイルエンド側に排出する第１冷却管と、電動式ポンプからの冷却媒体を第２排出口からコイルエンド側に排出する第２冷却管と、を備える冷媒供給装置が開示されている。

特開平０９−１４００９７号公報 特開平１０−３３６９６５号公報 特開２００３−００９４３６号公報 特開２００４−０４８９３９号公報 特開２００６−３２５３６９号公報 特開２００９−０３３８９８号公報 特開２０１３−１５８２３７号公報 特開２０１７−０８５７６５号公報 特開２０１７−０５２３８７号公報

冷却ジャケットをステータコア外周に設ける構造では、ステータコアが径方向で所定の厚みを必要とするため、冷却ジャケットから巻線まで距離があり、冷却効率が悪い。また、冷却ジャケットでは、ステータコアの軸方向端部に形成されたコイルエンドが冷却され難い。他方、冷却経路をステータコアのスロット内に設ける構造では、スロット内の巻線の占積率が低下するため、電動機の性能が低下し得る。

そこで、電動機の性能を低下させずにステータの発熱を効率良く除去する技術が求められている。

本開示の一態様は、円筒形のステータコアと、ステータコアに巻回された巻線と、ステータコアの軸方向端部に形成されたコイルエンドに巻回した第１冷却管と、を備える、電動機のステータを提供する。

本開示の一態様によれば、第１冷却管がコイルエンドに巻回されるため、ステータの発熱を効率良く除去できる。また、第１冷却管は巻線の形状を固定する緊縛機能を兼ね備えることができる。

一実施形態における電動機のステータの断面図である。 第１冷却管と第２冷却管を別個の管で配設したステータの斜視図である。 第１冷却管を螺旋状に巻回したコイルエンドの拡大図である。 第２冷却管を挿通する通孔の配置を示すステータコアの平面図である。 第１冷却管と第２冷却管を一続きの管で配設したステータの斜視図である。 冷却管の入口と出口を周方向で所定間隔に複数配置したステータの斜視図である。 第１冷却管をコイルエンドに沿って周方向に巻回したステータの斜視図である。

以下、添付図面を参照して本開示の実施形態を詳細に説明する。各図面において、同一又は類似の構成要素には同一又は類似の符号が付与されている。また、以下に記載する実施形態は、特許請求の範囲に記載される発明の技術的範囲及び用語の意義を限定するものではない。本明細書において、用語「入力側」とは電動機の動力線側を意味し、用語「出力側」とは電動機の出力軸側を意味することに留意されたい。

図１は本実施形態における電動機のステータ１を示している。本例のステータ１は、例えばスピンドルモータ用のステータであるが、巻線をステータに巻回する電動機であれば、他の電動機にも適用してもよい。ステータ１は、円筒形のステータコア１０と、ステータコア１０に巻回された巻線１１と、ステータコア１０の軸方向Ｘの端部に形成されたコイルエンドに巻回した第１冷却管１２と、を備えている。さらに、ステータ１は、ステータコア１０に軸方向Ｘへ穿設された通孔１３と、通孔１３に挿通された第２冷却管１４と、を備えていてもよい。第１冷却管１２と第２冷却管１４には冷却装置１５から冷媒が供給される。第１冷却管１２に流れる冷媒によってコイルエンドの発熱が除去され、第２冷却管１４に流れる冷媒によってステータコア１０の発熱が除去される。第１冷却管１２と第２冷却管１４は、別個の管で形成してもよいし、又は一続きの管で形成してもよい。

さらに、ステータ１は、ステータコア１０の周方向外周部に配設された冷却ジャケット１６を備えてもよい。冷却ジャケット１６は、螺旋状の冷却溝１６ａを外周面に有するように磁性材料等で形成され、例えば焼嵌め等によってステータコア１０に固定される。冷却ジャケット１６に供給する冷媒と、第１冷却管１２及び第２冷却管１４に供給する冷媒とを共通化してもよい。冷媒の共通化のため、ステータ１は分岐ジョイント１７を用いることができる。分岐ジョイント１７は、供給側分岐ジョイント１７ａと、排出側分岐ジョイント１７ｂと、を備えるとよい。

ステータ１は、ステータコア１０、巻線１１、及び冷却ジャケット１６によって形成される隙間に充填された熱伝導樹脂１８を備えているとよい。例えば隙間としては、ステータコア１０と冷却ジャケット１６との間の隙間、ステータコア１０の通孔１３と第２冷却管１４との間の隙間、及びステータコア１０のスロット（図４を参照。）と巻線１１との間の隙間等がある。熱伝導樹脂１８は、モールド樹脂でもよいし、又は斯かる隙間に含侵させた含侵樹脂でもよい。また、熱伝導樹脂１８は、熱伝導率を向上させるため、マトリックス樹脂中で相互連鎖した熱伝導フィラーを備えているとよい。熱伝導フィラーとしては、例えば窒化アルミニウム、酸化マグネシウム、窒化ホウ素、アルミナ、無水炭酸マグネシウム、酸化ケイ素、酸化亜鉛等を用いてもよい。

図２は第１冷却管１２と第２冷却管１４を別個の管で配設したステータ１を示している。ステータ１は、２本の第１冷却管１２と、１本の第２冷却管１４とを備えている。入力側のコイルエンド１１ａの第１冷却管１２は入口ＩＮ１と出口ＯＵＴ１を有し、出力側のコイルエンド１１ｂの第１冷却管１２が入口ＩＮ３と出口ＯＵＴ３を有している。また、ステータコア１０の通孔１３に挿通された第２冷却管１４は、入口ＩＮ２と出口ＯＵＴ２を有している。別個の管の一方（第１冷却管１２）はコイルエンド１１ａ、１１ｂに入ってコイルエンド１１ａ、１１ｂから出ていき、別個の管の他方（第２冷却管１４）はステータコア１０に入ってステータコア１０から出ていく。第１冷却管１２と第２冷却管１４を別個の管で構成することにより、製造時における冷却管の配設作業を容易に行うことが可能になる。

図３は第１冷却管１２を螺旋状に巻回したコイルエンド１１ａの拡大図である。第１冷却管１２がコイルエンド１１ａに位置する巻線１１の束に螺旋状に巻回されることにより、第１冷却管１２は、発熱したコイルエンド１１ａを冷却する機能と、コイルエンド１１ａに位置する巻線１１の束を緊縛して巻線１１の形状を固定する機能と、を兼ね備えている。電動機の性能を損なわずに冷却機能と緊縛機能を実現するため、第１冷却管１２は、電気絶縁性、耐熱性、軟性等の特性を有する材料で形成されることが好ましい。軟性材料としては、例えばフッ素樹脂、ウレタン樹脂等の軟質樹脂が好適である。

図４は第２冷却管を挿通する通孔１３の配置を示している。ステータコア１０は、周方向内周部に所定間隔で形成された複数のスロット１９を備えており、例えば連続する３つのスロット１９毎に巻線１１が巻回される。通孔１３は、巻線１１によって電磁誘導される磁束に影響を与えないように、隣接するスロット１９の中間に、且つステータコア１０の外周部近傍に形成されるとよい。複数の通孔１３がステータコア１０の径方向Ｙで概ね同じ位置に配置される。通孔１３に挿通される第２冷却管は、電気絶縁性、耐熱性等の特性を有する材料（例えば金属、樹脂等）で形成されればよく、必ずしも軟性材料でなくてもよい。

図１を再び参照すると、第１冷却管１２、第２冷却管１４を備えたステータ１においては、これら冷却管を流れる冷媒による結露を防止するため、冷媒を冷却管へ供給する前に、冷媒温度を露点より高い温度に制御するとよい。これにより、巻線１１における腐食、短絡等を未然に防止できる。

図５は第１冷却管１２と第２冷却管１４を一続きの管で配設したステータ２を示している。本例のステータ２は、図２に示すステータ１の変形例であり、一続きの管（第１冷却管１２と第２冷却管１４）がコイルエンド１１ａ、１１ｂとステータコア１０との間で行き来する。本例のステータ２は一続きの管を２本備え、２本の管は、コイルエンド１１ａ、１１ｂとステータコア１０との間で交互に行き来し、２つの入口ＩＮ１−ＩＮ２と出口ＯＵＴ１−ＯＵＴ２を有している。第１冷却管１２と第２冷却管１４を一続きの管で形成することにより、冷却管の入口ＩＮ１−ＩＮ２と出口ＯＵＴ１−ＯＵＴ２が電動機の入力側又は出力側に纏められる。これにより、冷却管の配置スペースを比較的小さくことが可能になる。

図２及び図５で示す実施形態において、別個の管又は一続きの管の入口ＩＮ１、ＩＮ２は電動機の出力側に配置してもよい。これにより、冷たい冷媒が、発熱し易い出力側に先に供給されるため、冷却効率を一層高めることが可能になる。

図６は第１冷却管１２又は第２冷却管１４の入口と出口をステータコア１０の周方向で所定間隔に複数配置したステータ３を示している。本例のステータ３は図５に示すステータ２の変形例であり、４本の管がコイルエンド１１ａ、１１ｂとステータコア１０との間で交互に行き来し、４つの入口ＩＮ１−ＩＮ４と出口ＯＵＴ１−ＯＵＴ４を有している。２本の管の入口ＩＮ１−ＩＮ２は周方向で例えば０°の位置に配置され、２本の管の入口ＩＮ３−ＩＮ４は周方向で例えば１８０°の位置に配置されている。これにより、冷たい冷媒が１８０°毎に供給されるため、ステータ３の冷却性能を向上させることが可能になる。

図７は第１冷却管１２をコイルエンド１１ａ、１１ｂに沿って周方向に巻回したステータ４を示している。本例のステータ４は図２に示すステータ１の変形例であり、第１冷却管１２と第２冷却管１４が別個の管で配設されている。本例の第１冷却管１２は、入力側と出力側のコイルエンド１１ａ、１１ｂに位置する巻線の束に沿って周方向に巻回されている点で前述のものとは異なる。第１冷却管１２は、コイルエンド１１ａ、１１ｂの外周に巻回されているが、コイルエンド１１ａ、１１ｂの内周に巻回されてもよい。第１冷却管１２は、発熱したコイルエンド１１ａ、１１ｂを冷却する機能と、コイルエンド１１ａ、１１ｂに位置する巻線１１の束を緊縛して巻線１１の形状を固定する機能と、を兼ね備えている。

以上の実施形態によれば、第１冷却管１２がコイルエンド１１ａ、１１ｂに巻回されるため、ステータ１の発熱を効率良く除去できる。また、第１冷却管１２は巻線１１の形状を固定する緊縛機能を兼ね備えることができる。

本明細書において種々の実施形態について説明したが、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、以下の特許請求の範囲に記載された範囲内において種々の変更を行えることを認識されたい。

１、２、３、４ ステータ
１０ ステータコア
１１ 巻線
１１ａ、１１ｂ コイルエンド
１２ 第１冷却管
１３ 通孔
１４ 第２冷却管
１５ 冷却装置
１６ 冷却ジャケット
１７ 分岐ジョイント
１８ 熱伝導樹脂
１９ スロット
Ｘ 軸方向
Ｙ 径方向

Claims (14)

1. 円筒形のステータコアと、
   前記ステータコアに巻回された巻線と、
   前記ステータコアの軸方向端部に形成されたコイルエンドに巻回した第１冷却管と、
   を備える、電動機のステータ。
2. 前記第１冷却管は、前記コイルエンドに位置する前記巻線の束に螺旋状に巻回されているか、又は前記コイルエンドに位置する前記巻線の束に沿って周方向に巻回されている、請求項１に記載の電動機のステータ。
3. 前記第１冷却管は前記コイルエンドに位置する前記巻線の束を緊縛していて前記巻線の形状を固定する、請求項１又は２に記載の電動機のステータ。
4. 前記第１冷却管が軟性材料で形成されている、請求項１から３のいずれか一項に記載の電動機のステータ。
5. 前記ステータコアに軸方向で穿設された通孔と、前記通孔に挿通された第２冷却管と、をさらに備える、請求項１から４のいずれか一項に記載の電動機のステータ。
6. 前記ステータコアの内周部に所定間隔で形成された複数のスロットをさらに備え、前記通孔は、隣接する前記スロットの中間に且つ前記ステータコアの外周部近傍に形成されている、請求項５に記載の電動機のステータ。
7. 前記第１冷却管と前記第２冷却管が別個の管で又は一続きの管で形成されている、請求項５又は６に記載の電動機のステータ。
8. 前記別個の管の一方は前記コイルエンドに入って前記コイルエンドから出ていき、前記別個の管の他方は前記ステータコアに入って前記ステータコアから出ていく、請求項７に記載の電動機のステータ。
9. 前記一続きの管は前記コイルエンドと前記ステータコアとの間で行き来し、前記一続きの管の入口と出口が前記電動機の入力側又は出力側に纏められている、請求項７に記載の電動機のステータ。
10. 前記別個の管又は前記一続きの管の入口が前記電動機の出力側に配置されている、請求項７から９のいずれか一項に記載の電動機のステータ。
11. 前記第１冷却管又は前記第２冷却管の入口と出口は前記ステータコアの周方向で所定間隔に複数配置されている、請求項５から１０のいずれか一項に記載の電動機のステータ。
12. 前記ステータコアの外周部に配設された冷却ジャケットをさらに備え、前記冷却ジャケットに供給する冷媒と前記第１冷却管及び前記第２冷却管の少なくとも一方に供給する冷媒を共通化した、請求項５から１１のいずれか一項に記載の電動機のステータ。
13. 前記ステータコア、前記巻線、及び前記冷却ジャケットによって形成される隙間に充填された熱伝導樹脂をさらに備える、請求項１２に記載の電動機のステータ。
14. 前記熱伝導樹脂がモールド樹脂又は含侵樹脂である、請求項１３に記載の電動機のステータ。

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