WO2012157659A1

WO2012157659A1 - 樹脂モールド回転機

Info

Publication number: WO2012157659A1
Application number: PCT/JP2012/062461
Authority: WO
Inventors: 小林　金也; 啓紀松本
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2011-05-19
Filing date: 2012-05-16
Publication date: 2012-11-22
Anticipated expiration: 2013-11-19
Also published as: JP2012244749A; US20140183984A1

Abstract

一部又は全部が樹脂でモールドされたモータでは、小形・高出力化に伴う、温度上昇による熱膨張により、樹脂に破壊応力以上の応力が加わり、クラックが発生する。　このため、本発明においては、樹脂によってモールドされる回転機において、互いに異なる場所にモールドされる複数のモールド樹脂間の間隙の一部又は全部を、モールド樹脂より熱伝導率が高くかつヤング率が低い材料で構成するとともに、これらモールド樹脂間を機械的に又は接着材で、若しくはその両者の方法により締結する。

Description

樹脂モールド回転機

　本出願は、一部又は全てが樹脂でモールドされた回転機に関する。

　回転機は、図１に示すように、電気エネルギーから機械的回転力を発生させるロータ１およびステータ２，ロータ１に接続され発生させた回転力を外部に伝える回転軸３および回転軸３を支えるベアリング４を、フレーム５やエンドブラケット６からなるハウジング内部に設けて収容する構造となっている。その結果外気からの塵やほこりの侵入を防ぎ、かつ防音効果を有している。さらに、駆動時においてはステータ巻線７には電流が流れることから、ステータ巻線７とフレーム５、もしくはエンドブラケット６の間の絶縁を確保するために、空間絶縁８が設けられている。

　上記回転機に対しては、昨今の省エネルギー・省資源化の観点から小型・軽量化が望まれており、高精度な３次元電磁界解析による構造最適化により回転機の小形・軽量化が実現されている。また材料開発技術の発展が回転機性能を改善させ、小形・軽量化に大きく寄与する報告も多い。その中でも１９７０年頃から工業用用途での使用されているエンジニアリングプラスチックは、金属材料に変わる新たな素材として注目されてきた。その結果回転機への適用も検討され、構成部品の一部に樹脂を適用した回転機が開発されている。その結果、ステータ巻線の絶縁強化および構造部材として役割を担うことで、小型化・軽量化が達成されている。

　しかしながら一般に樹脂の放熱性能は金属よりも数十～数百分の一程度に低下するために、樹脂の適用は部分的である場合や、発熱が比較的小さな小形クラスの回転機に限られている。また、現在ではサーボモータを中心に製品化が達成されているが、汎用モータ等の連続運転が必要な回転機に対しては、適用が困難である。従って、汎用モータを含めた中～大形クラス回転機への樹脂適用は、放熱性劣化を改善するための新たな放熱構造の採用が必須である。

　このような中で、特開２００８－１７８２５６号公報では、ステータとコイルエンド部に耐クラック性の高い樹脂を使う。また特開２００９－５００４８号公報では、樹脂をコイルの外周形状に沿った凸凹形状とする。

特開２００８－１７８２５６号公報特開２００９－５００４８号公報

　しかしながら、コイルエンドをモールド樹脂で封止したモータでは、小形・高出力化に伴う、温度上昇による熱膨張により、樹脂に破壊応力以上の応力が加わり、クラックが発生してしまうという問題が生じる。上記特許文献１では耐クラック性の高い樹脂は高額であるとともに樹脂材料そのものの改良ではクラック抑性に限界がある。上記特許文献２では樹脂をコイルの外周形状に沿った凸凹形状とすることだけではクラック抑性に関する効果が小さい。

　上記課題を解決するために、樹脂によってモールドされる回転電機において、互いに異なる場所にモールドされる少なくとも２つのモールド樹脂間の間隙の一部又は全部が、前記モールド樹脂より熱伝導率が高くかつヤング率が低い材料で構成され、前記モールド樹脂間が機械的に又は接着材により接着されるように構成する。

　また、モータの外周の一部若しくは前記樹脂より、熱伝導率が高い材料であり、かつ、前記間隙内の材料と接触させる。又は、分割樹脂間への挿入材は片面若しくは両面にて樹脂と接着性を有する材料で構成する。さらには間隙内の材料は流動性を有する材料で構成する。さらには、シリコーン，グラファイトシート，グラフェンを成分として持たせる。モールド樹脂の強度向上のためフィラーとして一部もしくは全部の最大外径が１００ｎｍ以下のものを含ませる。

　一括モールドで作成した樹脂を切断して製造する。さらには、樹脂表面に亀裂を刻み込んで製造する。又は、挿入材として耐部分放電材で構成する。モータの外側から、ネジにて締結する。

　本発明によれば、熱膨張で樹脂にクラックの発生を抑制し、かつ分割樹脂間の熱伝導率を高めることができる。

従来の回転機を説明するための回転機断面図。本発明の実施例を説明するための回転機軸方向端部断面図。本発明の実施例によるノイズ特性変化を説明した図。本発明の実施例を説明するための回転機軸方向端部断面図。本発明の実施例を説明するための回転機断面図。本発明の実施例を説明するための回転機概略図。本発明の実施例を説明するための間隙内の材料構造図。本発明の実施例を説明するための他の間隙の材料構造図。本発明の実施例を説明するための他の間隙の材料構造図。本発明の実施例を説明するための他の間隙の材料構造図。本発明の実施例を説明するための他の回転機断面図。本発明の実施例を説明するための回転機軸方向端部断面図。本発明の実施例を説明するための他の回転機断面図。本発明の実施例を説明するための他の回転機断面図。本発明の実施例を説明するための他の回転機断面図。

　以下実施例を説明する。

　以下本発明の実施例を、図１～図７，図９～図１１及び図１２を用いて説明する。以下の図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係，各層厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。従って、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。

　図２は、本発明の一実施形態による回転機断面図である。この実施形態は、従来の実施形態を示す図１において、フレーム５およびエンドブラケット６を取り除き、かつステータ巻線７周りを樹脂９でモールドし、またエンドブラケット６を樹脂９で成型した構造になっている。

　従来の回転機では、図１に示すようにステータ巻線７とフレーム５およびエンドブラケット６との間は空間絶縁８によって絶縁されている。その結果、本実施形態によれば、ステータ巻線７を樹脂９でモールドすることでこの空間絶縁８を縮小することが可能となり、回転機の小型化が可能となる。

　さらに本実施形態においては、これまで金属材料からなるフレーム５あるいはエンドブラケット６を大幅に樹脂化していることから、例えば図３に示すようにインバータ駆動モータを樹脂化したモータのキャリア周波数－ノイズ特性が、従来の実施例によるキャリア周波数－ノイズ特性と比較して変化する。従って騒音が低下するキャリア周波数で駆動することにより、低騒音化が図れる。

　加えてエンドブラケット６とステータ巻線７周りの樹脂９を一括成型している。その結果部品数が低減され、また軽量化にも寄与する。また樹脂９の接触界面がなくなることから接触熱抵抗低減され、熱的にも有利となる。

　さらに、図２の実施形態においては、樹脂の熱膨張率は一般に金属と比較して大きいために、回転機に使用される金属材料との熱膨張差により、樹脂９にクラックが発生しやすい。

　そのため、樹脂９にシリカやアルミナ等のフィラーを多量添加することが望ましい。その結果、樹脂９の熱膨張率を金属と同程度まで低減することができ、熱応力が低減されることから樹脂９にクラックの発生するのを抑制することができる。

　さらに上記実施形態においては、図２に示すように樹脂９表面に熱伝導性の高い材料１０を接触するように設けている。熱伝導性の高い材料１０をステータ２の一部およびベアリング４の一部にも接触するように設けている。その結果、樹脂９部から熱伝導性の高い材料１０へ熱が伝わるだけでなく、発熱部であるステータ２およびベアリング４に直接接触させていることから、より多くの熱を熱伝導性の高い材料１０に伝えることができる。

　さらに上記実施形態においては、回転機下部に設置台である放熱部１１が設けられており、熱伝導性の高い材料１０の一部を放熱部１１に接触させている。図１に示す従来の回転機においては、回転機で発生した熱の一部は、金属材料からなるフレーム５およびエンドブラケット６を経由して、回転機を固定するフランジや設置台等の放熱部１１へ送られ放熱されていた。

　そのため、本実施形態においても発熱部であるステータ２およびベアリング４から、熱伝導性の高い材料１０を介して放熱部１１への放熱経路ができるために、ステータ巻線７に樹脂を適用しかつエンドブラケット６を樹脂９で成型した回転機においても、過剰な温度上昇を抑制することができる。

　上記実施形態は、熱伝導性の高い材料１０を張り付ける位置が設置台のみならずフランジ等の回転機を支える放熱部１１であっても、回転機温度よりも温度が低い箇所であれば、熱流速が発生することから本実施例の効果が得られる。

　さらには、放熱部１１あるいはこれに準ずる箇所以外に、例えばヒートシンク等の放熱を促進させる部材に接触させることで、本実施例の効果がさらに得られる。

　図４は、上記実施形態における回転機を軸方向端部から見た断面図である。本実施形態においては放熱部に放熱を促進するためのファン１２を設けることで、本実施例の効果がさらに得られる。本実施例においては、回転機で発生した熱を、熱伝導性の高い材料１０にて能動的かつ集約的に放熱部に熱を誘導している。

　そのため、放熱部を局所的に冷却することで、回転機全体の冷却を行うことができ、放熱部を局所的に冷却するためのファン１２はごく小型，低出力のものでも十分であり、小型のファン１２でも十分な効果を得ることができる。これより、樹脂９モールドされた回転機に冷却素子を取り付けることによる体格の増加を最小限に抑えながらも、本実施例による温度低減効果を得ることができる。

　さらに、上記実施形態における熱伝導性の高い材料１０がシート状の材料で、かつシート状の材料が樹脂９表面，ステータ２およびベアリング４に貼付、もしくは塗布されてもよい。熱伝導性の高い材料１０がシート状の材料である場合、シートを張り付けることによる回転機体格の増加は最小限に抑えることができるために、回転機の温度上昇を抑制しつつ、より小型な回転機を得ることができる。

　上記熱伝導性の高い材料１０がカーボングラファイトを含むシート状の材料（以下、グラファイトシート）であると更に好ましい。グラファイトシートはシート平面方向の熱伝導率が１０００Ｗ／ｍＫに近い商品も存在し、きわめて熱伝導性が高い。

　また、比較的柔軟であり、回転機の外部の局面形状に合わせて変形させることも可能である。薄くて軽く、金属板などを使うよりも回転機本体の重量・体格を小さくでき、かつ放熱性を大幅に改善することができる。さらにグラファイトシートはノイズシールド効果も有することから、回転機内部からの電磁波を遮断することができる。

　回転機とグラファイトシートとの接着は、十分な接着圧で樹脂表面に張り付けることが望ましく、また隙間なく接着させることが望ましい。十分な接着が得られない場合は、熱抵抗の低い接着剤で張り付けることが望ましい。その結果、回転機からの発熱がグラファイトシートに効率的に伝わり、より多くの熱を熱伝導性の高い材料１０へ伝えることができる。

　図５では、まずはモータ内側部にてモールド樹脂１３を成型する。モールド樹脂１３を成型後、間隙１５に間隙材１９を形成する。その後、モータの外側部にモールド樹脂１４を成型する。

　図５における間隙１５内の間隙料１９はモールド樹脂１３，モールド樹脂１４より熱伝導率が高くかつヤング率が小さな材料で構成する。この間隙内を構成する材料の形状を図７～図１０を用いて説明する。間隙材１９が樹脂よりヤング率が小さいので、モールドしたモータコイルから発生する熱による樹脂の膨張や、モータ停止時の冷却により、樹脂が縮小する際の樹脂のクラック発生が抑制される。さらに、間隙に挿入する材料の熱伝導率が高く、かつ外部の高熱伝導材１０に接続させているので、モータコイル部分から発生する熱に対する、冷却性能が向上する。

　なお、図５や、図８，図１０の様に、モータコイルに接触する部分には間隙材をいれず、この部分は同一の樹脂でモールドすることで、モータコイルに接触する部分の耐絶縁破壊特性を維持できる。図５のモールド樹脂１３，モールド樹脂１４を安定に結合させるには図５，図６におけるネジ締結板１８上のネジ１７を用いて機械的に締結するのが望ましい。

　図７，図８の両面に樹脂と接着性を有する材料２０とすることで樹脂との接着性を向上させることができる。具体的にはシリコーンの様なエラストマを主成分とする材料とするのが望ましい。さらには応力緩和特性の向上には図９，図１０の様に流動性の高い材料２２を接着性のある材料２１で挟み込むのが望ましい。また流動性を有する材料２２に熱伝導率が高いグラファイトシートやグラフェンなどを間隙材１９の成分を持たせるのが望ましい。

　図５以外の樹脂の分割方法としては、図１１の様に樹脂を軸と水平の方向に３個に分割する方法と図１２の様に軸に垂直な方向に３個に分割する方法が望ましい。

　以下、本発明の第２の実施例を図１，図４，図５，図８及び図９を用いて説明する。

　この実施例においては、図１に示す従来の実施形態を示す回転機において、フレーム５およびエンドブラケット６を取り除き、かつステータ巻線７周りを樹脂９でモールドし、またエンドブラケットを樹脂９で成型した構造になっている。樹脂９は、熱応力によるクラック発生抑制を目的としてステータ２コアの構成材料と熱膨脹率を一致させるために、シリカおよびアルミナフィラーを多量添加してある。

　さらに樹脂接着面とは反対の面にコーティング材を設けたグラファイトシート１０１を、回転機外周部および軸方向端部に張り付け、かつグラファイトシート１０１の一部をステータ２コア，ベアリング４および設置部である４つの放熱部１１の一部に張り付けた。さらに、むき出しとなったステータ２上周方向にアルミニウムを用いて形成したファン１２を設けている。ファン１２の取り付けは箇所には、ステータ２との接触熱抵抗の低減を目的に放熱ゲルを塗布した。

　ここで、図９，図１０での接着性を有する材料２１として１００μｍのシリコーンを主成分とする両面接着材を選定する。図９，図１０にて接着性を有する材料２１の間には流動性を有する材料２２が組み込まれている。流動性を有する材料２２としては樹脂より熱伝導率が高く、放熱性の高いゲル材を選定する。また図５，図６の様に外側のグラファイトシート１０１に、この間隙材１９と熱的に接続させる。さらに、図５，図７，図８の様にコイル部分には間隙材１９を接触させない。

　その後、樹脂１４でモールド後、図５，図６の様に両側からネジ１７とネジ締結板１８を活用して、モールド樹脂１３，１４を締結する。ネジはモールド樹脂１３のところまで到達させる必要がある。

　これにより、耐絶縁破壊特性を維持しながら、モールド樹脂１３，１４の放熱性と応力緩和特性向上が可能である。これにより熱膨張と、冷却による収縮時の応力集中を低減でき、クラック発生が抑えられる。

　熱応力シミュレーションから、従来の図１の構造に比較し、図５の構造では最大応力が１／３以下であった。

　以下、本発明の第３の実施例を図１１，図１３及び図１４を用いて説明する。

　本実施例では図１１の様に横方向に間隙ができる様に樹脂をモールドする。ここでモータコイルと間隙材を接触させない様にする。間隙材の形状は図１３若しくは、図５と図１１の組み合わせや、図１４の様な形状も可能である。さらに、図１０も含め、実施例１，２で記載した全ての分割形状の組み合わせも可能である。

　ここで、全ての間隙の経路が外側の高熱伝導樹脂１０と接続しているので、実施例１に比べ、放熱性がより高まる。このため、クラック発生がより、抑制される。

　以下、本発明の第４の実施例を図９及び図１０を用いて説明する。

　本実施例では図９，図１０の流動性を有する材料２２としてエラストマー又はグラファイト又はグラフェン若しくは、その内の二つ以上で構成する。ここでエラストマーはヤング率が樹脂より小さいため、応力集中を抑え、グラファイトとグラフェンは高熱伝導率が高いので、放熱性を高める効果がある。

　以下、本発明の第５の実施例を図５，図１１～図１３及び図１４を用いて説明する。

　本実施例では図５のモールド樹脂１３，１４，１６を別の場所でモールドし分解して、モータに組み込む若しくは、全体モールド後に樹脂の一部を切り取り、間隙材を挿入する。何れの場合も、組み立てが容易になる。

　以下、本発明の第６の実施例を図５，図１１～図１３及び図１４を用いて説明する。

　本実施例では図５，図１１～図１４におけるモールド樹脂材料１３，１４に添加されるフィラーの一部もしくは全部の最大外径が１００ｎｍ以下とすると、モールド樹脂自体の強度を向上できる。このため、モールド樹脂のクラック発生を抑制できる。

　以下、本発明の第７の実施例を図５を用いて説明する。

　本実施例では、図５に示すように、回転機におけるステータと、該ステータに設けられたステータ巻線と、前記ステータ及び前記ステータ巻線の一部および全部が樹脂によってモールドされることによりステータ巻線が絶縁された回転機を想定する。

　ここで、カーボングラファイトが樹脂内部もしくは外部に設けられ、該カーボングラファイトと前記樹脂外部にある、ファンからなる冷却部と接続された放熱部とが連結し、ステータ外部の一部もしくは全部にもカーボングラファイトが塗布されている。これにより冷却性能を向上できる

　以下、本発明の第８の実施例を図１５を用いて説明する。

　本実施例では、図１５に示すように、回転機におけるステータと、該ステータに設けられたステータ巻線と、前記ステータ及び前記ステータ巻線の一部および全部が樹脂によってモールドされることによりステータ巻線が絶縁された回転機を想定する。

　ここで、ヒートパイプが樹脂内部もしくは外部に設けられ、該ヒートパイプと前記樹脂外部にある、ファンからなる冷却部と接続された放熱部とが連結されている。これにより冷却性能を向上できる。

１　ロータ，２　ステータ，３　回転軸，４　ベアリング，５　フレーム，６　エンドブラケット，７　ステータ巻線，８　空間絶縁，９　樹脂，１０　熱伝導性の高い材料，１１　放熱部，１２　ファン，１３，１４，１６　モールド樹脂，１５　間隙，１７　ネジ，１８　ネジ締結板，１９　間隙材，２０　両面接着性を有し、モールド樹脂より熱伝導率が高く、ヤング率が低い材料，２１　接着性を有する材料，２２　流動性を有する材料，２３　ヒートパイプ，１０１　グラファイトシート

Claims

　樹脂によってモールドされる回転電機において、
　互いに異なる場所にモールドされる少なくとも２つのモールド樹脂間の間隙の一部又は全部が、前記モールド樹脂より熱伝導率が高くかつヤング率が低い材料で構成され、前記モールド樹脂間が機械的に又は接着材により接着されたことを特徴とする樹脂モールド回転電機。
　請求項１記載の樹脂モールド回転電機において、
　モータの外周の一部若しくは全てに、前記モールド樹脂より熱伝導率が高い材料で構成され、かつ、前記間隙の材料と接触していることを特徴とする樹脂モールド回転電機。
　請求項１記載の樹脂モールド回転電機において、
　前記間隙の材料の片面若しくは両面にて、前記モールド樹脂と接着性を有する材料で構成することを特徴とする樹脂モールド回転電機。
　請求項１記載の樹脂モールド回転電機において、
　前記間隙の材料が流動性を有する材料で構成されることを特徴とする樹脂モールド回転電機。
　請求項１記載の樹脂モールド回転電機において、
　前記間隙の材料がシリコーンを成分として持つことを特徴とする樹脂モールド回転電機。
　請求項１記載の樹脂モールド回転電機において、
　前記間隙の材料がエラストマーを成分として持つことを特徴とする樹脂モールド回転電機。
　請求項１記載の樹脂モールド回転電機において、
　前記間隙の材料として、グラファイトシート若しくはグラフェンを成分として持つことを特徴とする樹脂モールド回転電機。
　請求項１記載の樹脂モールド回転電機において、
　前記樹脂は、一括モールドで作成した樹脂を切断して製造されたことを特徴とする樹脂モールド回転電機。
　請求項１記載の樹脂モールド回転電機において、
　前記樹脂は、樹脂表面に亀裂を刻みこんで製造されたことを特徴とする樹脂モールド回転電機。
　請求項１記載の樹脂モールド回転電機において、
　分割方向と直角方向にモータの外側から、ネジにて締結することを特徴とする樹脂モールド回転電機。
　請求項１記載の樹脂モールド回転電機において、
　前記モールド樹脂内の材料に添加されるフィラーの最大外径が１００ｎｍ以下であることを特徴とする樹脂モールド回転電機。
　請求項１記載の樹脂モールド回転電機において、
　ステータと、
　前記ステータに設けられたステータ巻線と、
　前記ステータ及び前記ステータ巻線の一部および全部が樹脂によってモールドされることによりステータ巻線が絶縁され、
　ヒートパイプあるいは物質の状態変化に伴う熱量の移動によって熱を外部に伝える材料が樹脂内部もしくは外部に設けられ、
　前記ヒートパイプあるいは前記材料が、前記樹脂外部にある放熱部と連結されていることを特徴とする樹脂モールド回転機。
　請求項１記載の樹脂モールド回転電機において、
　ステータと、
　前記ステータに設けられたステータ巻線と、
　前記ステータ及び前記ステータ巻線の一部および全部が樹脂によってモールドされることによりステータ巻線が絶縁され、
　カーボングラファイトが樹脂内部もしくは外部に設けられ、
　前記カーボングラファイトと、前記樹脂外部に備えられた放熱部とが連結し、
　前記放熱部は、ファンからなる冷却部と接続され、
　ステータ外部の一部もしくは全部にもカーボングラファイトが塗布されていることを特徴とする樹脂モールド回転電機。
　樹脂によってモールドされる樹脂モールド回転電機において、
　少なとも２つのモールド樹脂の間が、前記樹脂より熱伝導率が高くかつヤング率が低い材料で構成され、前記樹脂の間が機械的に又は接着材により接着されことを特徴とする樹脂モールド回転電機。