JP2004236376A

JP2004236376A - 内部冷却型電動機

Info

Publication number: JP2004236376A
Application number: JP2003018628A
Authority: JP
Inventors: Hisashi Sakata; 坂田　　尚志; Masaru Owada; 優大和田; Mitsuo Uchiyama; 光夫内山; Mikio Kishi; 幹雄岸; Masaji Kasuya; 正司粕谷
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-01-28
Filing date: 2003-01-28
Publication date: 2004-08-19

Abstract

【課題】より効率的な冷却が行われるようにする。
【解決手段】突極（１０）を構成する界磁鉄心（２０）の磁極端（２６）に向けて、複数列の界磁コイル（２８）を界磁コイル間の隙間（３０）に冷媒が流れるように一定の間隔を空けて配置させ、界磁鉄心に形成された界磁コイルと界磁鉄心と隣り合う界磁鉄心に形成された界磁コイルとの間に存在する空間（３２）には冷媒が流れないようにするための弾性スペーサー（３４）をその空間すべてを埋めるように介挿される。このため、弾性スペーサーはこの空間内で周囲の界磁コイルによってしっかりと保持される。また、弾性スペーサーはこの空間に流れ込もうとする冷媒を遮断するので、すべての冷媒は界磁コイルと界磁コイルとの間に形成されている隙間を流れる。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、より効率的な冷却を可能とする内部冷却型電動機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、内部冷却型電動機の一例として下記の特許文献１に記載されている電動機がある。この電動機は、ステ−タのスロット開口部をアンダープレートで閉鎖するとともに当該スロットの中央部にアンダープレートから延びるプレートを介在させ、前記スロットの中央部に形成される冷媒通路の断面積を小さくして冷却効率を向上させている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−１８６２０５号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような従来の内部冷却型電動機にあっては、冷媒通路の断面積は小さくできるものの、スロットの中央部に配置されたプレートは主にアンダープレートによって支えられることになるので、電動機の機械的なおよび電磁的な振動の影響を受けやすい。したがって、プレートの振動により冷媒通路としての流路抵抗が大きくなり、場合によってはその振動が巻線の絶縁皮膜を傷つける。
【０００５】
本発明は、このような従来の問題を解消するために成されたものであり、堅固な機械的構造を有し、より効率的な冷却を可能とする内部冷却型電動機の提供を目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記した課題を解決し、目的を達成するため、発明にかかる内部冷却型電動機は、複数の突極が環状に形成された固定子を備え、当該固定子に冷媒を供給することによって前記固定子を冷却する内部冷却型電動機であって、当該突極を構成する界磁鉄心の磁極端に向けて、複数列の界磁コイルを当該界磁コイル間の隙間に冷媒が流れるように一定の間隔を空けて配置させ、当該界磁鉄心に形成された界磁コイルと当該界磁鉄心と隣り合う界磁鉄心に形成された界磁コイルとの間に存在する空間には前記冷媒が流れないようにするための弾性スペーサーを介挿させて前記冷媒が前記界磁コイル間の隙間にのみ流れるようにしている。
【０００７】
隣り合う界磁鉄心の界磁コイルとの間に形成される空間には弾性スペーサーがその空間すべてを埋めるように介挿される。このため、弾性スペーサーはこの空間内で周囲の界磁コイルによってしっかりと保持される。また、この空間には冷媒は流れず、すべての冷媒は界磁コイルと界磁コイルとの間に形成されている隙間を流れることになる。
【０００８】
したがって、固定子は堅固な機械的構造となり、また、固定子の効率的な冷却も可能となる。
【０００９】
【発明の効果】
本発明の内部冷却型電動機によれば、隣り合う界磁鉄心の界磁コイルとの間に形成される空間を弾性スペーサーによって閉鎖し、界磁コイルと界磁コイルとの間に形成されている隙間のみを冷媒が流れるように構成したので、界磁コイルの冷却効率が向上するという効果を奏する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に添付図面を参照して、本発明にかかる内部冷却型電動機の好適な実施の形態を［実施の形態１］と［実施の形態２］に分けて詳細に説明する。
【００１１】
［実施の形態１］
図１は、本発明にかかる内部冷却型電動機の主に固定子の部分を示す分解斜視図であり、図２は、図１のＡ−Ａ断面図であり、図３は、図２のＢ−Ｂ断面図である。
【００１２】
本発明にかかる内部冷却型電動機は、図１および図２に示すように、複数の突極１０が環状に形成された固定子１００を備え、固定子１００には外部から冷媒を供給し、この冷媒によって固定子１００を強制的に冷却するように構成した電動機である。固定子１００は、突極１０ごとに分割できる８つの分割コア１５によって形成されている。
【００１３】
分割コア１５は、図３に示すように所定の形状に打ち抜いた薄い電磁鋼板１５ａを多数積層しこれらの電磁鋼板をカシメやレーザー溶接により結合することによって形成してある。
【００１４】
図２に示すように、各分割コア１５の界磁鉄心２０にはインシュレーター２２を介して平角線導体２４が巻回される。本実施の形態では、平角線導体２４は、界磁鉄心２０の外周側とその内周側の２箇所に巻回している。外周側に巻回された平角線導体２４は第１列目の界磁コイル２８ａを形成し、内周側に巻回された平角線導体２４は第２列目の界磁コイル２８ｂを形成する。
【００１５】
界磁コイル２８ａと界磁コイル２８ｂとは一定の間隔を空けて磁極端２６に向けて並列に配置され、その隙間３０には界磁コイル２８を冷却するための冷媒が流れる。したがって、隙間３０は結果的に冷媒通路を構成することとなる。
【００１６】
界磁鉄心２０に形成された界磁コイル２８とこの界磁鉄心２０と隣り合う界磁鉄心２０に形成された界磁コイル２８との間に存在する空間３２には、この空間３２に冷媒が流れ込まないようにするための弾性スペーサー３４が介挿される。本実施の形態では、弾性スペーサー３４を弾力性、耐油性、耐熱性を兼ね備えたフッ素系ゴムで形成している。弾性スペーサー３４は、図３（ａ）に示すように、通常は空間３２より小さいサイズ（空間３２よりも０．５ｍｍ程度小さい）の中空弾性体であり、この空間３２に挿入した後に、同図（ｂ）に示すように、その中空部３５に外部から媒体を注入することによって内圧を高め、弾性スペーサー３４を膨らませて空間３２を閉塞する。この媒体としては窒素などのガス類や油などの液体を用いる。媒体を注入することによって高められる弾性スペーサー３４の内圧は、冷媒の供給圧力（冷媒が界磁コイル２８間の隙間３０を流れるときの圧力）よりも高い圧力にする必要がある。本実施の形態では、冷媒の供給圧力０．１５ＭＰａに対して弾性スペーサー３４の内圧を０．２５ＭＰａ程度にする。
【００１７】
固定子１００には、図１に示すような円筒状のシールドプレート３６が固定子１００の内周面に沿って樹脂の射出成形により形成される。シールドプレート３６には、界磁鉄心２０の磁極端２６を臨む位置に磁極端露出孔３８が開口してある。したがって、磁極端２６は磁極端露出孔３８に嵌め込まれ固定子１００の内部に露出した状態となる。本実施の形態では突極１０が８つあるので、シールドプレート３６には８つの磁極端露出孔３８が形成されている。
【００１８】
隣接する突極１０との間には、図２に示すように、固定子１００の長手方向に延びるスロット４５が形成されている。このスロット４５は、シールドプレート３６の磁極端露出孔３８以外のスロット閉止部３６ａで閉止される。このスロット４５も突極１０と同じく８つあるので、シールドプレート３６には８つのスロット閉止部３６ａが存在する。
【００１９】
したがって、固定子１００の内部にシールドプレート３６が射出成形により形成されることで、そのスロット閉止部３６ａ（樹脂）がスロット４５の開口部に注入されスロット４５を閉止する。
【００２０】
本実施の形態で示す弾性スペーサー３４は、空間３２の一部、すなわち界磁コイル２８が対向している部分の空間を埋めるものであるため、シールドプレート３６のスロット閉止部３６ａと弾性スペーサー３４との間には空間が存在したままである。このため、この空間にはこの空間を埋めるアンダープレート４６が配置されている。アンダープレート４６は弾性スペーサー３６とは別体であっても良いが、本実施の形態のように、弾性スペーサー３６と一体的に形成しても良い。一体的に形成した場合には、アンダープレート４６となる部分も含めて弾性スペーサー３６と称される。
【００２１】
空間３２に弾性スペーサー３４を挿入し、固定子１００の内部にシールドプレート３６を挿入してスロット閉止部３６ａでスロット４５を閉止し、図３に示すように、弾性スペーサー３４の中空部３５に媒体３７を所定の内圧になるまで注入して膨らませると、弾性スペーサー３４の外表面５０は界磁コイル２８ａの外表面５２に密着して、弾性スペーサー３４と界磁コイル２８ａとの隙間が完全にシールドされ、冷媒は第１列目の界磁コイル２８ａと第２列目の界磁コイル２８ｂとの間の隙間３０の間だけをたとえば図２の上方向から下方向に流れることになる。したがって、すべての冷媒がこの隙間３０だけを流れることになるので、界磁コイル２８を効率的に冷却することができる。
【００２２】
図４は、本発明にかかる内部冷却型電動機の軸方向断面図である。この内部冷却型電動機２００は、円筒状の継鉄１１０を有し、この継鉄１１０には図１に示した固定子１００が圧入される。継鉄１１０の両開口部は、負荷側ブラケット１２０ａと反負荷側ブラケット１２０ｂが溶接によって取り付けられ、継鉄１１０とブラケット１２０によって内部冷却型電動機２００の内部が密封され気密状態にされる。
【００２３】
負荷側ブラケット１２０ａと反負荷側ブラケット１２０ｂには、回転子１３０を回転自在に支持する負荷側軸受け１３５ａと反負荷側軸受け１３５ｂが設けられている。軸受け１３５内にはベアリング１３７が組み込まれ、このベアリング１３７によって回転子１３０のシャフト１３９が支持される。
【００２４】
回転子１３０は薄い電磁鋼板を多数積層して形成された電機子鉄心１４０とシャフト１３９とから構成される。電機子鉄心１４０の中心部分にはその長手方向にシャフト１３９の挿入穴が繰り抜かれ、この挿入穴にシャフト１３９を圧入することで電機子鉄心１４０とシャフト１３９とがしっかりと結合される。
【００２５】
電機子鉄心１４０の外周部に設けられた溝には永久磁石１４２が嵌め込まれ、電機子鉄心１４０の端部に取り付けたエンドプレート１４４によって永久磁石１４２を固定する。エンドプレート１４４はシャフト１３９に溶接によって取り付ける。
【００２６】
また、負荷側ブラケット１２０ａと反負荷側ブラケット１２０ｂには、固定子１００に取り付けられたシールドプレート３６のそれぞれの開口端に係合する負荷側シールリング１４６ａと反負荷側シールリング１４６ｂが設けられている。継鉄１１０に負荷側ブラケット１２０ａと反負荷側ブラケット１２０ｂを取り付ける際には、シールドプレート３６の両開口端をブラケット１２０のシールリング１４６に嵌め込む。
【００２７】
シールドプレート３６をシールリング１４６に嵌め込むと、シールドプレート３６によって内部冷却型電動機２００の内部が固定子１００側と回転子１３０側に区画されるとともに、継鉄１１０とブラケット１２０との間も第１冷媒室１５０ａと第２冷媒室１５０ｂの２つの冷媒室に区画される。固定子１００側と回転子１３０側はシールリング１４６によって完全に気密状態にされる。第１冷媒室１５０ａと第２冷媒室１５０ｂは、固定子１００に設けられている第１列目の界磁コイル２８ａと第２列目の界磁コイル２８ｂとの間の隙間３０のみを介して連通している。
【００２８】
さらに、負荷側ブラケット１２０ａには冷媒吐出口１５５が形成されており、反負荷側ブラケット１２０ｂには冷媒供給口１６０が形成されている。したがって、冷媒供給口１６０から供給された冷媒は、第２冷媒室１５０ｂに溜まり、界磁コイル２８間の隙間３０を図４の点線方向に向けて流れ、第１冷媒室１５０ａに流れ込み、冷媒吐出口１５５から流出する。
【００２９】
なお、本実施の形態では、媒体として窒素ガスや油を用いているが、これらのものに限られず、窒素ガスに以外のガスや液体、固体、ゲル状の流動体の使用が可能である。
【００３０】
［実施の形態２］
実施の形態１で説明した弾性スペーサー３４は、空間３２に挿入した後に媒体を注入して膨らませるものであるが、本実施の形態で使用する弾性スペーサーは、実施の形態１で使用した弾性スペーサー３４と全く同じ外形、寸法を有するものの、自己拡張型の弾性スペーサーである点で実施の形態１で説明した弾性スペーサー３４と相違する。
【００３１】
本実施の形態で示す弾性スペーサー３４Ａでは、図５に示すように、その中空部３５Ａにあらかじめ熱膨張体３９を収容してある。熱膨張体３９としては熱膨張率の大きい気体が好ましいため、本実施の形態では窒素ガスを用いている。この窒素ガスを弾性スペーサー３４Ａの中空部３５Ａに大気圧と同等の圧力で封入しておく。
【００３２】
この弾性スペーサー３４Ａを図５（ａ）に示すように空間３２に挿入しておくと、次のようにして空間３２を閉塞することになる。電動機が起動し界磁電流によって界磁コイル２８ａが発熱すると、弾性スペーサー３４Ａ内の熱膨張体３９が界磁コイル２８ａの熱を奪って膨張する。このため、同図（ｂ）に示すように、弾性スペーサー３４Ａの外表面５０ａは界磁コイル２８ａの外表面５２に密着し、弾性スペーサー３４Ａと界磁コイル２８ａとの隙間が完全にシールドされる。
【００３３】
本実施の形態の場合、電動機が起動してから界磁コイル２８ａがある程度の温度になるまでは、弾性スペーサー３４Ａと界磁コイル２８ａとの間には若干の隙間がある。したがって、冷媒を送り出すポンプの圧損が減少する。
【００３４】
なお、本実施の形態では、熱膨張体３９として窒素ガスを用いているが、界磁コイル２８ａの温度によって弾性スペーサー３４Ａの内圧が一定の圧力以上に高められるものであれば、窒素ガスに以外のガスや液体、固体、ゲル状の流動体の使用が可能である。
【００３５】
以上のように、本発明にかかる内部冷却型電動機では、固定子１００に供給される冷媒が全て界磁コイル２８の隙間３０を流れるようにしたので、所望の冷媒速度を容易に得ることができ、界磁コイル２８から発生した熱が効率的に運搬できる。その結果、冷媒を供給するポンプの能力が従来と同一であれば、電動機の冷却効率を向上させることができ、また、冷却効率が従来と同一のままで良ければポンプの能力を低下させることができる。
【００３６】
また、弾性スペーサー３４、３４Ａは、空間３２のサイズよりも小さいサイズであるから、弾性スペーサーの挿入が容易であり、組み立てが非常に楽になる。また、弾性スペーサーは中空弾性体であるので、界磁コイル２８に接触しても界磁コイルの絶縁皮膜を傷つけることもない。
【００３７】
本発明にかかる内部冷却型電動機は請求項ごとに次のような効果を奏することになる。
【００３８】
請求項１に記載の発明にあっては、界磁コイルと界磁コイルとの間に形成されている隙間のみを冷媒が流れるので、界磁コイルの冷却を効率的に行うことができるという効果を奏する。
【００３９】
請求項２に記載の発明にあっては、冷媒供給口から供給された冷媒は、一方の冷媒室に溜まり、界磁コイル間の隙間を流れ、他方の冷媒室に流れ込み、冷媒吐出口から流出するので、固定子の冷却を効率的に行うことができるという効果を奏する。
【００４０】
請求項３に記載の発明にあっては、弾性スペーサーは中空弾性体であり、またそのサイズは、空間のサイズよりも小さいサイズであるので、弾性スペーサーの空間への挿入が容易であり、界磁コイルの絶縁皮膜を傷つけることもない。
【００４１】
請求項４に記載の発明にあっては、弾性スペーサーの内圧を冷媒の注入によって高めるようにしたので、その内圧を冷媒の注入圧を勘案した最適な圧力に設定することができる。
【００４２】
請求項５に記載の発明にあっては、弾性スペーサーの内圧を内部に収容した膨張体の吸熱によって高めるようにしたので、組み立て時の作業効率を向上させることができる。
【００４３】
請求項６に記載の発明にあっては、固定子を分割コアによって形成しているので、平角線導体の巻回が容易になり、組み立て時の作業効率を向上させることができる。
【００４４】
請求項７に記載の発明にあっては、平角線導体を巻回することによって界磁コイルを形成したので、界磁コイルの断面形状は四角形状になり、弾性スペーサーとの密着性が向上する。
【００４５】
請求項８に記載の発明にあっては、シールプレートと弾性スペーサーとの間にアンダープレートが配置されているので、弾性スペーサーのスロットからの脱落を防止できる。
【００４６】
請求項９に記載の発明にあっては、アンダープレートを弾性スペーサーと一体的に形成したので、空間内に弾性スペーサーを挿入すると同時にアンダープレートも挿入されることになり、組み立て時の工数を削減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる内部冷却型電動機の主に固定子の部分を示す分解斜視図である。
【図２】図１のＡ−Ａ断面図である。
【図３】第１の実施の形態にかかる図２のＢ−Ｂ断面図であり、（ａ）は拡張前の弾性スペーサーの介挿状態を、（ｂ）は拡張後の弾性スペーサーの介挿状態をそれぞれ示したものである。
【図４】本発明にかかる内部冷却型電動機の軸方向断面図である。
【図５】第２の実施の形態にかかる図２のＢ−Ｂ断面図であり、（ａ）は拡張前の弾性スペーサーの介挿状態を、（ｂ）は拡張後の弾性スペーサーの介挿状態をそれぞれ示したものである。
【符号の説明】
１０…突極、
１５…分割コア、
１５ａ…電磁鋼板、
２０…界磁鉄心、
２２…インシュレーター、
２４…平角線導体、
２６…磁極端、
２８…界磁コイル、
２８ａ…第１列目の界磁コイル、
２８ｂ…第２列目の界磁コイル、
３０…隙間、
３２…空間、
３４、３４Ａ…弾性スペーサー、
３５…弾性スペーサーの中空部、
３６…シールドプレート、
３６ａ…スロット閉止部、
３７…媒体、
３８…磁極端露出孔、
３９…熱膨張体、
４０…磁極端の内周面、
４５…スロット、
４６…アンダープレート、
５０…弾性スペーサーの外表面、
５２…界磁コイルの外表面、
１００…固定子、
１１０…継鉄、
１２０…ブラケット、
１２０ａ…負荷側ブラケット、
１２０ｂ…反負荷側ブラケット、
１３０…回転子、
１３５…軸受け、
１３５ａ…負荷側軸受け、
１３５ｂ…反負荷側軸受け、
１３７…ベアリング、
１３９…シャフト、
１４０…電機子鉄心、
１４２…永久磁石、
１４４…エンドプレート、
１４６…シールリング、
１４６ａ…負荷側シールリング、
１４６ｂ…反負荷側シールリング、
１５０ａ…第１冷媒室、
１５０ｂ…第２冷媒室、
１５５…冷媒吐出口、
１６０…冷媒供給口、
２００…内部冷却型電動機。

Claims

複数の突極が環状に形成された固定子を備え、当該固定子に冷媒を供給することによって前記固定子を冷却する内部冷却型電動機であって、
当該突極を構成する界磁鉄心の磁極端に向けて、複数列の界磁コイルを当該界磁コイル間の隙間に冷媒が流れるように一定の間隔を空けて配置させ、
当該界磁鉄心に形成された界磁コイルと当該界磁鉄心と隣り合う界磁鉄心に形成された界磁コイルとの間に存在する空間には前記冷媒が流れないようにするための弾性スペーサーを介挿させ、
前記冷媒が前記界磁コイル間の隙間にのみ流れるように構成したことを特徴とする内部冷却型電動機。
複数の突極が環状に形成された固定子を円筒状の継鉄の内側に取り付け、
当該継鉄の両開口部に回転子を支持するブラケットを取り付け、
隣接する突極との間に形成される当該固定子の長手方向に延びるスロットを閉止するとともに前記継鉄と前記両ブラケットとの間に２つの冷媒室を区画するための円筒状のシールドプレートを、当該シールドプレートの両開口端を前記それぞれのブラケットに形成されたシールリングに嵌め込んで取り付け、
前記突極を構成する界磁鉄心には、その磁極端に向けて、複数列の界磁コイルを当該界磁コイル間の隙間に冷媒が流れるように一定の間隔を空けて配置させ、
当該界磁鉄心に形成された界磁コイルと当該界磁鉄心と隣り合う界磁鉄心に形成された界磁コイルとの間に存在する空間には前記冷媒が流れないようにするための弾性スペーサーを介挿させ、
一方のブラケットに冷媒供給口を形成するとともに他方のブラケットに冷媒吐出口を形成し、
当該冷媒供給口から流入した冷媒が一方の冷媒室から前記界磁コイル間の隙間を流れて他方の冷媒室に流れ込み当該冷媒吐出口から流出するように構成したことを特徴とする内部冷却型電動機。
前記弾性スペーサーは、前記空間よりも小さいサイズの中空弾性体であり、前記空間に挿入後に当該中空弾性体の内圧を高めて拡張させ前記空間を閉塞するものであることを特徴とする請求項１または２記載の内部冷却型電動機。
前記中空弾性体の内圧は、前記中空弾性体の中空部に外部から媒体を注入することによって高めることを特徴とする請求項３記載の内部冷却型電動機。
前記中空弾性体の中空部に熱膨張体を収容し、前記中空弾性体の内圧は、前記界磁コイルの熱を当該熱膨張体が吸熱することによって高められることを特徴とする請求項３記載の内部冷却型電動機。
前記固定子は、突極ごとに分割できる複数の分割コアによって形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の内部冷却型電動機。
前記界磁コイルは、平角線導体を巻回することによって形成されることを特徴とする請求項１または２記載の内部冷却型電動機。
前記スロットには、前記シールドプレートと前記弾性スペーサーとの間に存在する空間を埋めるアンダープレートが配置されていることを特徴とする請求項２記載の内部冷却型電動機。
前記アンダープレートは前記弾性スペーサーと一体的に形成されていることを特徴とする請求項７記載の内部冷却型電動機。