JP2009033898A - 回転電機の冷却構造 - Google Patents

Abstract

【課題】鉄損の増加による冷却効率の低下がない上に、絶縁構造を設けて装置が大型化することがなく、複雑な配置形状にも対応することができる回転電機の冷却構造を提供する。
【解決手段】周囲にステータコイル１１が装着されたステータコア１０を複数配列して形成され、ロータと回転軸方向に対向配置されたステータと、ステータを冷却するための冷却用冷媒を循環させる電気絶縁性樹脂材料により形成された循環路と、循環路に連通すると共にステータ内周１０ａ側に配置され、電気絶縁性材料により封止された冷却パイプ１２とを備える。冷却パイプ１２は、ステータのステータ軸方向中央部に位置している。
【選択図】図１

Description

この発明は、回転電機の冷却構造に関し、特に、ステータを冷却するための冷却用冷媒を循環させる循環路を備えた回転電機の冷却構造に関する。

従来、ステータコイルに発生した熱を効率よく放熱するために、ステータのスロット内に良熱伝導性材の冷媒通路を配置した「回転電機」（特許文献１参照）が知られている。この「回転電機」は、ステータのスロット内に良熱伝導性材の冷媒通路を配置すると共に、コイルエンドと冷媒通路とを絶縁物を介して密着させて配置している。

このように、従来の「回転電機」のように、ステータ内に水路（冷媒通路）を形成して水冷しようとした場合、複雑な配置形状の水路を樹脂成型により形成するのは困難なことから、銅や鉄製の水冷パイプをステータ内に配置して水路を形成した後、樹脂で封止するといった方法が取られていた。
特開２００１−２３８３８７号公報

しかしながら、銅や鉄製の水冷パイプをステータ内に配置して水路を形成した場合、発熱の激しいコイル付近（特に、ステータ内周側が高温になる）に金属製部品、即ち、金属製パイプで形成した冷却水路を置くと、鉄損が増加して、冷却効率が低下する虞があった。その上、絶縁構造を設ける必要があるため、装置の大型化が避けられなかった。また、樹脂成型で水路を形成したとしても、形成することができる配置形状の複雑さにも限界がある。

この発明の目的は、鉄損の増加による冷却効率の低下がない上に、絶縁構造を設けて装置が大型化することがなく、複雑な配置形状にも対応することができる回転電機の冷却構造を提供することである。

上記目的を達成するため、この発明に係る回転電機の冷却構造は、周囲にコイルが装着されたステータコアを複数配列して形成され、ロータと回転軸方向に対向配置されたステータと、前記ステータを冷却するための冷却用冷媒を循環させる電気絶縁性樹脂材料により形成された循環路と、前記循環路に連通すると共にステータ内周側に配置され、電気絶縁性材料により封止された冷却パイプとを備えることを特徴としている。

この発明によれば、ロータと回転軸方向に対向配置されたステータは、周囲にコイルが装着されたステータコアを複数配列して形成され、電気絶縁性樹脂材料により形成された循環路に連通してステータ内周側に配置された、電気絶縁性材料により封止された冷却パイプを介して、ステータを冷却するための冷却用冷媒が循環する。
このため、鉄損の増加による冷却効率の低下がない上に、絶縁構造を設けて装置が大型化することがなく、複雑な配置形状にも対応することができる。

以下、この発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。
図１は、この発明の一実施の形態に係る回転電機の冷却構造を有するステータコアの斜視図である。図１に示すように、ステータコア１０の周囲には、ステータコイル（コイル）１１が装着されており、装着されたステータコイル１１を取り囲むように、冷却パイプ１２が配置されている。
ステータコア１０は、台形状端面を有する柱状体からなり、複数個を、互いに略等間隔離間させて円周状に配列することにより、円環状（リング状）のステータ（図示しない）を形成している。このステータは、ロータ（図示しない）とロータ回転軸方向に対向配置されており、ロータとステータがアキシャル（軸）方向に対向するアキシャルギャップ構造のモータ（回転電機）を構成している。

ステータコア１０の端面短辺によりステータ内周が形成され、ステータコア１０の端面長辺によりステータ外周が形成される。このステータコア１０の周囲に装着されたステータコイル１１は、後述するインシュレータ１５（図参照）の上にコイル巻線を巻回して形成されている。
冷却パイプ１２は、ステータコア１０を冷却するための冷却用冷媒の循環路の一部を形成しており、冷却パイプ１２の内部空間を、冷却水等の冷却用冷媒が循環する。この冷却パイプ１２は、電気絶縁性樹脂材料からなる管体により形成され、ステータコア１０の一方の側面のステータ軸方向中央部をステータ外周側からステータ内周側へ、続いて、コア内周面１０ａのステータ軸方向中央部を通り、更に、ステータコア１０の他方の側面のステータ軸方向中央部を、ステータ内周側からステータ外周側へ戻る、ステータコア１０の端面と略平行な逆向きコ字状に屈曲して形成されている。

即ち、冷却パイプ１２は、ステータ軸（ステータコア軸）方向中央部に位置して、ステータ内周側であるコア内周面１０ａに沿って配置されている。
この冷却パイプ１２は、ステータコア１０へステータコイル１１が巻回される際に、ステータコイル１１と共に巻き込まれる。冷却パイプ１２を、ステータコイル１１と一緒に巻き込むことにより、コイル中心部付近を冷却することができるので、冷却性能が向上する。
このように、冷却パイプ１２を、高温になるステータコイル１１のステータ内周側に位置するように、コア内周面１０ａに沿って配置した後、その状態で電気絶縁性樹脂材料により封止する。

電気絶縁性樹脂材料により封止された冷却パイプ１２は、ステータコア１０の外周面側に突出させた端部（パイプ端部）を、冷却パイプ１２に冷却用冷媒を送り込むチャンバ（図示しない）に連結している。
この冷却パイプ１２により、ステータコア１０の一方の側面の外周側から送り込まれた冷却用冷媒は、コア内周面１０ａに沿ってステータ内周側を通り、他方の側面のステータ外周側へと送り出されるので、冷却用冷媒によって、ステータコイル１１に発生した熱を効率よく放熱することができる。
即ち、冷却パイプ１２は、冷却パイプ１２がステータコイル１１を囲むように、ステータ軸方向略中央に配置され、特に、温度が最も高くなるステータコイル１１のステータ内周側（コア内周面１０ａ）部分を冷却することができる。

このため、アキシャルギャップ型回転電機のステータにおいて、最も温度が高くなるステータ内周を冷却することができるので、冷却性能を向上することができる。加えて、鉄損の増加による冷却効率の低下がない上に、絶縁構造を設けて装置が大型化することがなく、複雑な配置形状にも対応できる、回転電機の冷却構造とすることができる。
また、冷却パイプ１２を、ステータ軸方向略中央に配置したことにより、熱が籠もり易いステータ軸方向中心部付近を効率良く冷却することができるので、冷却性能を向上することができる。

図２は、図１のステータコイルの他の配置例（その１）を示し、（ａ）はステータコアの構成説明図、（ｂ）は（ａ）のＢから見た構成説明図である。図２に示すように、ステータコア１０の周囲には、ステータコイル１１が分割して装着されている。ステータコイル１１を、ステータ軸（ステータコア軸）方向上下に分割して（（ｂ）参照）巻回することにより、分割配置された上下両コイル間には、ステータコア１０のステータ軸方向略中央の全周囲に渡って溝状の凹所１３が形成される（（ｂ）参照）。そして、凹所１３のステータ外周側に、分割配置された上下両コイル間を繋ぐ巻線渡し部１１ａを位置させている（（ｂ）参照）。
この凹所１３には、巻線渡し部１１ａを配置したステータ外周側を除いて、周囲のステータコイル１１内に埋設した状態に、冷却パイプ１２が配置されている。

このように、ステータコイル１１を、ステータ軸方向上下に分割して巻回し、ステータコア１０のコア軸方向中央付近に冷却パイプ１２を配置するスペースを設けると共に、分割配置された上下両コイル間の巻線渡し部１１ａをステータ外周側に位置させることにより、巻線渡し部１１ａが邪魔になること無く、冷却パイプ１２をステータコア１０により接近させて配置することができる。よって、冷却性能の向上を図ることができる。
図３は、図１のステータコイルの他の配置例（その２）を示す構成説明図である。図３に示すように、ステータコア１０に、ステータコイル１１をステータ軸方向上下に分割して巻回する（図２参照）際、隣接するステータコア１０のそれぞれで互いにステータ軸方向上下にずらすようにする。つまり、分割コイル間の凹所１３を、隣接するステータコア１０のそれぞれで互いにステータ軸方向上下にずらして形成する。

そして、隣接するステータコア１０のそれぞれで互いにステータ軸方向上下にずれて位置する凹所１３に、冷却パイプ１２を配置すると共に、隣接する各ステータコア１０に巻回されたステータコイル１１の凸部１１ｂを位置させている。各ステータコア１０に分割して巻回されるステータコイル１１は、その凸部１１ｂが、隣接するステータコア１０の間で互いにステータ軸方向上下にずれるようにしている。
このように、凹所１３に冷却パイプ１２を配置した後に生じた、凹所１３の余剰空間に、隣接するステータコア１０のステータコイル１１の凸部１１ｂが入り込むように、ステータコイル１１を巻回すると共にステータコア１０を配置する。つまり、巻回されたステータコイル１１の凹凸が隣接するステータコア１０同士で嵌め合うようにステータコアを配置する。この結果、冷却パイプ１２を配置した後に凹所１３に生じる空間を有効的に活用することができるので、無駄スペースが減り、占積率を向上させることができる。

図４は、図１の冷却パイプの電気絶縁性樹脂材料による封止例を示す構成説明図である。図４に示すように、冷却パイプ１２が配置されたステータコア１０には、電気絶縁性樹脂材料による２回の樹脂封止が行われる。ステータコア１０は、先ず、ステータコイル１１が巻回された状態で、電気絶縁性樹脂材料による一度目の樹脂封止（サブモールド）が施されてサブ封止部１４ａが形成され、続いて、サブ封止部１４ａに覆われた分割コイル間の凹所１３に冷却パイプ１２を配置した後、サブ封止部１４ａ全体を覆って電気絶縁性樹脂材料による二度目の樹脂封止（本モールド）が行われ、本封止部１４ｂが形成される。

つまり、ステータは、ステータコイル１１を巻回して樹脂封止したステータコア１０に、冷却パイプ１２を配置し、配置した冷却パイプ１２を更に樹脂封止をして形成される。このように、段階的に二度の樹脂封止が行われることにより、ステータコア１０を封止する電気絶縁性樹脂材料からなる本封止部１４ｂには、一度目の樹脂封止と二度目の樹脂封止の間で樹脂界面ができるため、万が一、冷却パイプ１２から水漏れが発生したとしても、樹脂界面を通ってステータコア１０外へと漏れた水が排出されるので、樹脂封止されたステータコイル１１の絶縁を保つことができる。

図５は、図１の冷却パイプの他の配置例を示す構成説明図である。図５に示すように、ステータコア１０とステータコア１０の周囲に巻回されるステータコイル１１との間に位置するインシュレータ１５の内部、即ち、インシュレータ１５のステータ内周側部分に、内部冷却パイプ１６が配置されている。この内部冷却パイプ１６は、冷却パイプ１２と同様の機能を有し、例えば、インシュレータ１５と一体的に形成される。
図６は、図５の配置例における冷却パイプの連結状態を示し、（ａ）は隣接ステータコア間における説明図、（ｂ）は（ａ）のＢから見た説明図である。図６に示すように、隣接するステータコア１０のそれぞれの内部冷却パイプ１６は、連通路部材１７を介して、ステータ周方向（ステータコア配列方向）に沿って連結されており、それぞれの内部冷却パイプ１６と連通路部材１７の各開口部を連結することにより連通している。

この内部冷却パイプ１６の内、２個は、モータケース（図示しない）の冷媒循環路に連通する連通パイプ（図示しない）に、それぞれの開口部を接合して連結されており、連通パイプを介して、ステータコア１０を冷却するための冷却用冷媒が内部冷却パイプ１６に送り込まれる。つまり、ステータコア１０は、インシュレータ１５のステータ内周側部分に設けられた内部冷却パイプ１６を通る冷却用冷媒により、冷却される。
このように、ステータコア１０とステータコイル１１の間に介在させたインシュレータ１５の内部に、内部冷却パイプ１６を配置することにより、ステータコア１０とステータコイル１１の二つの発熱体を一度に冷却することができるので、冷却性能が向上する。

また、インシュレータ１５に設けられた内部冷却パイプ１６と連通パイプは、開口部を接合することにより連通されているので、ステータ内周側にも容易に冷却用冷媒を供給することができる。
また、インシュレータ１５に設けられた内部冷却パイプ１６は、ステータ周方向に沿って隣接するステータコア１０同士が連結されていることから、冷却用冷媒を供給するために必要な連通パイプとの接合が一箇所で済むので、ステータの組み立てが容易になる。

この発明の一実施の形態に係る回転電機の冷却構造を有するステータコアの斜視図である。 図１のステータコイルの他の配置例（その１）を示し、（ａ）はステータコアの構成説明図、（ｂ）は（ａ）のＢから見た構成説明図である。 図１のステータコイルの他の配置例（その２）を示す構成説明図である。 図１の冷却パイプの電気絶縁性樹脂材料による封止例を示す構成説明図である。 図１の冷却パイプの他の配置例を示す構成説明図である。 図５の配置例における冷却パイプの連結状態を示し、（ａ）は隣接ステータコア間における説明図、（ｂ）は（ａ）のＢから見た説明図である。

符号の説明

１０ ステータコア
１０ａ コア内周面
１１ ステータコイル
１１ａ 巻線渡し部
１１ｂ 凸部
１２ 冷却パイプ
１３ 凹所
１４ａ サブ封止部
１４ｂ 本封止部
１５ インシュレータ
１６ 内部冷却パイプ
１７ 連通路部材

Claims (9)

1. 周囲にコイルが装着されたステータコアを複数配列して形成され、ロータと回転軸方向に対向配置されたステータと、
   前記ステータを冷却するための冷却用冷媒を循環させる電気絶縁性樹脂材料により形成された循環路と、
   前記循環路に連通すると共にステータ内周側に配置され、電気絶縁性材料により封止された冷却パイプと
   を備えることを特徴とする回転電機の冷却構造。
2. 前記冷却パイプは、前記ステータのステータ軸方向中央部に位置していることを特徴とする請求項１に記載の回転電機の冷却構造。
3. 前記コイルは、ステータ軸方向上下に分割して巻回され、分割コイル間の巻線渡し部をステータ外周側に位置させたことを特徴とする請求項２に記載の回転電機の冷却構造。
4. 前記分割コイル間の凹所を、隣接する前記ステータコアのそれぞれで互いにステータ軸方向上下にずらして形成し、前記凹所に、前記冷却パイプを配置すると共に隣接する前記各ステータコアのコイル凸部を位置させたことを特徴とする請求項３に記載の回転電機の冷却構造。
5. 前記ステータは、前記コイルを巻回して樹脂封止したステータコアに、前記冷却パイプを配置し、配置した前記冷却パイプを更に樹脂封止をして形成されることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の回転電機の冷却構造。
6. 前記冷却パイプは、前記ステータコアに巻回される前記コイルと共に巻き込まれることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の回転電機の冷却構造。
7. 前記冷却パイプは、前記ステータコアと前記ステータコアの周囲に巻回される前記コイルとの間に位置するインシュレータの内部に、配置されていることを特徴とする請求項１に記載の回転電機の冷却構造。
8. 前記冷却パイプは、前記インシュレータと一体的に形成され、連通パイプを介して前記循環路に連通することを特徴とする請求項７に記載の回転電機の冷却構造。
9. 隣接する前記ステータコアのそれぞれの前記冷却パイプは、ステータ周方向に沿って連結されていることを特徴とする請求項８に記載の回転電機の冷却構造。

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