JP3823990B2 - 回転電機および回転電機の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、回転電機および回転電機の製造方法に関する。

回転電機（モータ、または発電機、またはモータ兼発電機）において、ステータを効率良く冷却するために、ステータのスロット（ステータコイルが収装される溝部）の内部を冷媒通路として利用して、ステータコイルを直接冷却できるようにしたものが、例えば特許文献１や特許文献２に提案されている。

このうち、特許文献１の回転電機は、スロットの開口部にペースト状の樹脂を充填して硬化させた後、ステータ内周面にセラミック材料を吹き付けて遮蔽層を形成してスロット開口部を閉塞し、これによって画成されたスロット内部に冷媒を流通させるものである。しかしながら、このような方法では、スロット開口部の幅がある程度以上大きいとペースト状の樹脂を充填することが困難となる。

一方、特許文献２の回転電機では、ステータ内周側とスロット内部に金型を配置し、ステ一夕コアと金型によって画成された空間にエンジニアプラスチック材料を射出・充填して、これを硬化させることでスロット開口部を閉塞する。この方法は、特許文献１のものと異なり、スロット開口部の幅の大きさに関係なく採用することが可能であり、かつ、セラミック材料の吹き付けといった特殊な加工工程を必要とせず、比較的安価に冷媒通路を形成することができる。
特開昭５３−９５２０７号公報 特開平４−３６４３４３号公報

しかしながら、この特許文献２の方法では、充填したエンジニアプラスチック材料が硬化した後、ステータ内周側とスロット内部にそれぞれ配置した金型を抜き取る必要がある。このため、スロット内部に配置した金型を抜き取る際、ステータコアを構成する薄い電磁鋼板が金型に引きずられて捲れあがったり、ステータコアが傷ついたりする不具合を生じる可能性がある。

また、金型を抜き取った後の空間は冷媒通路の一部となるが、この空間はステータコイルから離れているため、ここに多量の冷媒が流れても良好なコイル冷却効果は得られず、この空間の分だけ、かえって無駄に冷媒通路の通路断面積が拡がってしまう。このため、所望のオイル冷却効果を達成するために冷媒の流量が多く必要となり、冷媒を循環させるポンプの容量を大きくせざるを得ない。

本発明は、このような問題点に着目してなされたもので、ステータのスロット内部を冷媒通路として利用する回転電機またはその製造方法において、冷媒通路の製造を合理的に行うことができ、また高い冷却効率を得ることができるものを提供することを目的とする。

第１の発明では、スロットにコイルを収容してなるステータを備え、前記スロットの開口部を閉塞することによりスロット内部に冷媒通路を形成する回転電機において、前記ステータのスロット開口部付近に形成される溝部に収装されたときに、その溝部に対して遊びを有するプレートと、このプレートの外側面上に樹脂の充填により形成され、充填圧力によってプレートの内側面を前記溝部に押し付けて密着させ、溝部に対するプレートの遊びをなくしてシールする樹脂層とを備え、前記プレートと前記樹脂層により前記スロットの開口部を閉塞する。

第２の発明では、第１の発明において、前記溝部は、前記ステータのスロット開口部付近に突設された突起部と、この突起部よりもスロットの内側に突設されたストッパー部との間の溝部であり、前記プレートは、前記樹脂充填時の圧力によってスロット内側方向に押し込まれたときに、前記ストッパー部に密着支持される。

第３の発明では、ケース内周に円筒状に配置されたステータのスロット開口部を閉塞してスロット内部に冷媒通路を形成する回転電機の製造方法において、前記ステータのスロット開口部付近に形成される溝部に、その溝部に対して遊びを有するプレートを収装し、ステータの内周面に対して金型をセットし、前記金型と前記プレートの外側面との間の空間に樹脂を充填して、充填圧力によってプレートの内側面を前記溝部に密着支持して前記スロット開口部を閉塞してシールする。

第４の発明では、第３の発明において、前記溝部は、前記ステータのスロット開口部付近に突設された突起部と、この突起部よりもスロットの内側に突設されたストッパー部との間の溝部であり、前記プレートは、前記樹脂充填時の圧力によってスロット内側方向に押し込まれたときに、前記ストッパー部に密着支持される。

本発明によれば、ステータのスロット開口部付近に形成される溝部に、その溝部に対して遊びを有するプレートを収装し、このプレートの外側面上に樹脂の充填してプレートの溝部に対する遊びをなくすように樹脂層を形成して、前記プレートと前記樹脂層により前記スロットの開口部を閉塞する。したがって、この遊びの存在により、プレートの内側面（スロットの内側方向を向く面）は、樹脂層の充填時の圧力で、溝部の支持面に押し付けられて密着し、充填された樹脂がスロット内部に漏れ出すことを防止できる。
なお、樹脂のシール方法としては、充填圧力を利用しない方法もとり得る。例えば、隣り合うティース部間の間隔Ｗ１（図６参照）よりもプレートの幅Ｗ２（図７参照）を僅かに大きく設定しておくことにより、プレートを溝に挿着したときに、プレートの側部が溝の底部に略密着した状態とする方法もとり得る。
しかし、このような方法では、間隔Ｗ１の精度管理が難しい。
したがって、本発明のように充填圧力によってプレートを溝部に密着させる方が確実である。

以下、添付図面に基づいて、本発明の実施の形態について説明する。

図１には、回転電機（モータ、または発電機、またはモータ兼発電機）の側断面図を示す。

図示されるように、回転電機のケース１は、円筒板１Ａと、この円筒板１Ａの軸方向両端の開口を閉塞する側板１Ｂ、１Ｃからなる。

ケース１内には、円柱形のロータ２が収容される。ロータ２は、その回転軸２Ａの両端がそれぞれベアリング３を介して側板１Ａ、１Ｂに支持され、回転軸２Ａを中心に回転自在となっている。また、ロータ２の外周面近傍には、磁石４が設けられている。

円筒板１Ａの内周面には、円筒形のステータ５が、ロータ２を取り囲むように挿着される。ステータ５の内周面とロータ２の外周面との間には、所定の間隙が設けられている。

ステータ５の軸方向両端には、断面コの字型のリング状のオイルジャケット１０、１１が、それぞれ取り付けられている。これらのオイルジャケット１０、１１の内側とステ一タ５の端面との間には、オイル室１２、１３が形成される。オイル室１２には、オイルジャケット１０に形成されて円筒板１Ａを貫通するオイル供給口１６を介して、冷却用オイルが供給される。この冷却オイルは、ステータ５内に形成された冷媒通路２９（図２参照）を流通してオイル室１３へ導かれる。オイル室１３に導かれた冷却オイルは、オイルジャケット１１に形成されて円筒板１Ａを貫通するオイル排出口１７から外部へ排出される。

図２は、図１のＸ−Ｘ断面の一部を示す図である。

図示されるように、ステータ５は、ステータコア２０と、このステータコア２０に巻装されるコイル３０とから構成される。

スタータコア２０は、所定個数（本実施の形態では１２個）の分割コア２１を、円環状に連ねて構成される（分割コア構造）。各分割コア２１は、略Ｔ字型の電磁鋼板を、ロータ２の回転軸２Ａ方向（図２の紙面に垂直方向）に所定枚数積層して形成される（図４参照）。なお、図２には、ステータコア２０を構成する１２個の分割コア２１のうち、３個を示している。

ステータコア２０は、ケース１の円筒板１Ａ内周面に沿うリング状のバックコア部２２と、このバックコア部２２からステータコア２０の内周側半径方向に突出する複数のティース部２３とを備える。隣接するティース部２３の間の凹部（溝部）は、スロット２５となる。コイル３０は、各ティース部２３に集中巻きされることにより、スロット２５内部に収容された状態となっている。

ティース部２３の先端付近の両側面（スロット２５の開口部付近の内周面）には、突起部２６が突設されている。また、この突起部２６よりもティース部２３の基端側（スロット２５の内側）には、ストッパー部２７が突設されている。そして、突起部２６とストッパー部２７との間の溝は、後述するプレート４０が装着されるプレート保持溝２８となる。後述するように、ストッパー部２７は、樹脂層５０の充填時にプレート４０を支持する機能と、ティース部２３へのコイル３０の巻回範囲を規定する機能とを果たすものである。

各スロット２５の開口部は、プレート４０と樹脂層５０により閉塞される。これにより、スロット２５内部の空間は画成され、冷却用オイルが流通する冷媒通路２９となる。

プレート４０は、スロット２５の開口に配設される本体部４１と、この本体部４１裏面の略中央部からスロット２５内部側に延び出す脚部４２とからなる（図７参照）。また、樹脂層５０は、プレート４０の外側面（スロット２５の外側方向、つまりステータコア５の内周側を向く面）４３の上に、樹脂を射出・充填して形成されるものである。

プレート４０の両側は、前述したプレート保持溝２８内に収装されている。プレート４０の本体部４１とプレート保持溝２８の寸法は、本体部４１とプレート保持溝２８の間に適当な遊びが生じるように、設計されている。この遊びの存在により、プレート４０（本体部４１）の内側面（スロット２５の内側方向を向く面）は、樹脂層５０の充填時の圧力で、ストッパー部２７の支持面（プレート４０の本体部４１側を向く面）に押し付けられて密着する。充填された樹脂がスロット２５内部に漏れ出すことを防止できる。この場合、プレート４０を弾性部材（例えば樹脂）で形成しておけば、プレート４０にストッパー部２７が食い込み、より確実なシールを行うことができる。また、プレート４０は、ストッパー部２７により支持されることで、適切な位置に固定される。

プレート４０の脚部４２は、スロット２５の略中央部に配設され、その断面積により、冷媒通路２９の通路断面積を小さくする機能を果たす。これにより、冷媒通路２９はコイル３０近傍の狭い断面積のものとされ、冷媒（例えば冷却用オイル）はコイル３０近傍の狭い断面積を流通するので、効率的な冷却を行うことができ、また冷媒通路２９を流通する冷却用オイルの量を低減できる。つまり、同じ冷却オイル流量で比較した場合、冷媒通路２９の通路断面積を減少させると流速が大きくなって冷却効率が向上するため、同じ冷却効果を得るために必要となるオイル循環用ポンプの容量を小さくすることが可能となる。なお、冷媒通路２９の通路断面積をどの程度減少させるかは、脚部４２の幅（断面積）によって調整することができる。

脚部４２の長さは、プレート４０が、前述した遊び分、ストッパー部２７側に押し込まれたときにも、スロット２５の底部（バックコア部２２）との間に隙間ができる長さに設定される。これにより、プレート４０の内側面とストッパー部２７の支持面によるシールが阻害されないようになっている。

ただし、この隙間は、充填圧力によってプレート４０（本体部４１）が変形したときには、脚部４２の先端がスロット２５の底部に接触する程度の幅とされる。これにより、プレート４０の変形が、この隙間によって規定される所定量以内に制限される。また、このようにプレート４０の変形量が制限されるならば、プレート４０の材料として比較的やわらかい（剛性の小さい）材料を選択し、かつ、充填圧力を比較的高く設定することが可能となるので、プレート４０の内側面とストッパー部２７の支持面との密着性を高め、結果として、より確実なシールを行なうことができることになる。

つぎに、図３から図８にしたがって、本実施の形態の回転電機の製造方法について説明する。

まず、図３に示すような型穴６１を用いたプレス加工により、略Ｔ字型の電磁鋼板を形成し、所定枚数ずつ積層する。これにより、図４に示すような分割コア２１を、ステータコア５を構成するのに必要な個数（本実施の形態では１２個）、形成する。

図４に示すように、分割コア２１は、左右に張り出す円弧状のバックコア部２２Ａ（ステータコア２０のバックコア部２２の一部を構成する）と、このバックコア部２２Ａから円弧内側に略直角に延び出すティース部２３（ステータコア２０のティース部２３となる）とを備える。ティース部２３の先端付近には、先端側から、突起２６、プレート保持溝２８、ストッパー部２７が形成されている。

つぎに、図５に示すように、各分割コア２１のティース部２３（ストッパー部２７よりも内側部分）に線材を巻回して、コイル３０を形成する。このコイル巻線は、所定の巻数（ターン数）で、所定層にわたって行われる。

本実施の形態では、まず、第１層の６ターンの巻線が、ティース部２３の基端から先端に向けて、バックコア部２２Ａの直後からストッパー２５直前までの範囲に、隙間無く線材を巻き回すことによりなされる。続いて、この第１層目の巻き終わりから折り返して、この第１層目の線材の上に、ティース部２３の先端側から基端側へ向かう第２層目の５ターンを巻き回す。以下、同様にして、第３層目の４ターンの巻線、第４層目の３ターンの巻線、第５層目の１ターンの巻線が順次実行される。これにより、分割コア２１のティース部２３には、合計２０ターンの巻線がなされる。分割コア構造であれば、このようなコイル巻装作業を容易に行なうことができる。

つぎに、図６に示すように、コイル３０が巻装された状態の１２個の分割コア２１を、ケース１の内側に円筒状に配置し、ケース１の円筒板１Ａ内周面に沿って挿着する（図６には、ケース１に挿着された１２個の分割コア２１のうち、３個を取りだして示す）。この円筒板１Ａへの挿着は、例えば焼き嵌めによってなされる。この挿着により、１２個の分割コア２１は互いにバックコア部２２Ａの両側で密接する。これにより、一体構造のステータと同様の機能を持つステータ５が形成される。

つぎに、図８に示すように、プレート４０（図７に示す）を、本体部４１の両側がプレート保持溝２８に装着され、また脚部４２がスロット２５内部に収容されるように、ステータ５のスロット２５に、ロータ２の回転軸方向（図８の紙面に垂直な方向）から差し込む。なお、この場合、プレート４０とプレート保持溝２８の間には、ある程度の遊びが存在している。

つぎに、図９に示すように、ステータ５の内周面５Ａに対して金型６２をセットする。そして、プレート４０（本体部４１）の外側面４３と金型６２との間に画成される空間６３に、所定の圧力で樹脂を射出・充填し、樹脂が硬化したら金型６２を取り出す。これにより、硬化した樹脂からなる樹脂層５０が、プレート４０の外側面４３上に形成される（図２参照）。

この樹脂充填工程においては、樹脂充填時の充填圧力によって、プレート４０の外側面４３が、ステータ５のストッパ部２７支持面に密着し、充填される樹脂がスロット２５の内部へ漏れ出さないように、シールがなされる。また、所定の圧力をもって樹脂が充填されるので、空間６３の隅々まで樹脂が行き渡り、良好な樹脂層５０を得ることができる。

また、このように、樹脂層５０は、樹脂充填後も取り除かれることがないプレート４０の外側面４３上に形成され、スロット２５内部には中子（金型）が用いられない。したがって、樹脂層５０の形成後に中子の取り外しをする必要がなく、電磁鋼板の捲れ上がり等の問題が生じることはない。

なお、樹脂のシール方法としては、充填圧力を利用しない方法もとり得る。例えば、隣り合うティース部２３間のプレート保持溝２８の間隔Ｗ１（図６参照）よりもプレート４０の本体部４１の幅Ｗ２を僅かに大きく設定しておくことにより、プレート４０をプレート保持溝２８に挿着したときに、プレート４０の側部がプレート保持溝２８の底部に略密着した状態とする方法もとり得る。このような方法は、一体構造のステータコアを用いる場合には有効であるが、本実施形態のようにステータコア２０を分割コア構造とする場合には、間隔Ｗ１の精度管理が難しい。したがって、分割コア構造のステータコアを採用する場合には、本実施の形態のように充填圧力によってプレート４０をストッパー部２７に密着させる方が確実である。

また、ステータコア２０は電磁鋼板が積層された構造であるため、その側面（ストッパー部２７の支持面も含む）に多少の凸凹が生じるのは避けられない。この凸凹の程度によっては、ストッパー部２７やティース部２３の側面にプレート４０の本体部４１を密着させてもシール性が十分に確保できない場合も考えられる。このような場合は、プレート保持溝２８やプレート４０の本体部に予め接着剤を塗布してから、プレート４０を装着することが望ましい。

以上のように、本実施の形態によれば、樹脂層５０はプレート４０の外側面４３上への樹脂の充填により形成されるが、このプレートは、スロット２５の内部に設けられる中子（金型）とは異なり、樹脂層５０とともにスロット２５の開口部の閉塞部材となるもので、樹脂層５０の形成後にも取り除かれるものではないので、樹脂層の形成後の作業（例えば中子を用いた場合にこれを取り外す作業）によって、ステータを構成する電磁鋼板が捲れ上がったり、ステータが傷ついたりする不都合が生じる余地はない。また、樹脂は必要な圧力で充填されるので、充填すべき空間６３の隅々まで樹脂が行き渡り、良好な樹脂層を得ることができる。したがって、スロット２５の内部を冷媒通路２９として利用するタイプの回転電機を効率的に製造でき、製造された回転電機の性能は高いものとできる。

また、プレート４０には脚部４２が備えられるので、この脚部４２の断面積分だけ、冷媒通路２９の通路断面積が狭くなり、冷却効率が高められ、必要となる冷媒量を低減することができる。また、この場合、脚部４２がスロット２５の略中央に配設されることにより、冷媒通路２９をコイル３０の近傍に形成でき、冷却効率を高めることができる。

また、樹脂充填時の圧力で押されたプレート４０は、その内側面において、ストッパー部２７の支持面に密着して支持されるので、樹脂がスロット２５の内部に漏れ出すことを効果的に防止できる。したがって、スロット２５内への樹脂の漏れだしによって、回転電機の性能が低下することはない。また、この場合に、プレートを弾性部材（例えば樹脂）で形成すれば、ストッパー部２７がプレート４０に食い込むことで、ストッパー部２７とプレート４０の間に高い密着度が得られ、より確実なシールを行うことができる。

また、プレート４０は充填圧力により押し込まれた場合でも、脚部４２がスロット２５の底部（バックコア部２２）に当接することはなく、プレート４０とストッパー部２７の密着によるシールがが阻害されることはない。一方、プレート４０（本体部４１）が変形した場合には、脚部４２がスロット２５の底部に当接することにより、この変形が制限される。したがって、プレート４０を剛性の小さなものとしたうえで、充填圧力を比較的高く設定することが可能となり、結果として、プレートとストッパー部の密着度を高めて、より確実なシールを行なうことができる。

図１０は、本発明の他の実施の形態におけるプレートを示す斜視図である。

図示されるように、本実施の形態においては、上記実施の形態におけるプレート４０の代わりに、本体部のみからなり、脚部を有さないプレート４５が用いられる。プレートの材料として比較的固い（剛性の大きい）材料を選択した場合には、脚部によって変形を制限する必要がないので、図１０に示すような脚部を持たない形状のプレート４５を採用することができる。なお、冷媒通路２９の通路断面積の調整を行なう必要があるときは、脚部と同様の凸部をプレート中央に設ければ良い。

図１１は、本発明のさらに他の実施の形態における回転電機のステータ５の一部を示す断面図である。

本実施の形態では、プレート４０の脚部４２が、スロット２５の底部２５Ａ（バックコア部２２）に当接し、またプレート４０の外側面は、突起部２６の内側面（スロット２５の内側を向く面）に当接し密着する。つまり、本実施の形態では、プレート４０の脚部４２をスロット底部２５Ａに当接する長さとすることにより、プレート４０がスロット底部２５Ａに支持されるようにし、この結果として、プレート４０の外側面が突起部２６に密着して、樹脂充填時にシールがなされるようにしている。このような構成によれば、ティース部２３の側面に上記実施形態のようなストッパー部２７を突設する必要がなく、ティース部２３の形状を単純化することができ、電磁鋼板の打ち抜き加工の際に有利である。

なお、このような構成で樹脂充填時のシールを行なうには、ステータコア２０の各部の寸法精度を比較的高くする必要がある。このため、本実施の形態では、精度を確保しやすい一体構造のステータコアを用いている。ただし、プレート４０の外側面４３と突起部２７の支持面との密着性が確保できるのであれば、分割構造のステータコアに、このような構成を適用しても良い。

本発明の実施の形態における回転電機を示す断面図である。 同じく図１のＸ−Ｘ断面の一部を示す断面図である。 同じく電磁鋼板のプレス加工用型穴形状を示す図である。 同じく分割コアを示す斜視図である。 同じく分割コアにコイルを巻装した状態を示す断面図である。 同じくステータコアをケース円筒部に装着した状態を示す断面図である。 同じくプレートを示す斜視図である。 同じくステータコアにプレートを装着した状態を示す断面図である。 同じく樹脂層の形成を示す断面図である。 本発明の他の形態におけるプレートを示す斜視図である。 本発明の他の実施の形態における回転電機の一部を示す断面図である。

符号の説明

５ ステータ
２０ ステータコア
２１ 分割コア
２２ バックコア部
２３ ティース部
２５ スロット
２６ 突起部
２７ ストッパー部
２８ プレート保持溝
２９ 冷媒通路
３０ コイル
４０ プレート
４１ 本体部
４２ 脚部
４３ 外側面

Claims (4)

1. スロットにコイルを収容してなるステータを備え、前記スロットの開口部を閉塞することによりスロット内部に冷媒通路を形成する回転電機において、
   前記ステータのスロット開口部付近に形成される溝部に収装されたときに、その溝部に対して遊びを有するプレートと、
   このプレートの外側面上に樹脂の充填により形成され、充填圧力によってプレートの内側面を前記溝部に押し付けて密着させ、溝部に対するプレートの遊びをなくしてシールする樹脂層と、
   を備え、
   前記プレートと前記樹脂層により前記スロットの開口部を閉塞する
   ことを特徴とする回転電機。
2. 前記溝部は、前記ステータのスロット開口部付近に突設された突起部と、この突起部よりもスロットの内側に突設されたストッパー部との間の溝部であり、
   前記プレートは、前記樹脂充填時の圧力によってスロット内側方向に押し込まれたときに、前記ストッパー部に密着支持される、
   ことを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
3. ケース内周に円筒状に配置されたステータのスロット開口部を閉塞してスロット内部に冷媒通路を形成する回転電機の製造方法において、
   前記ステータのスロット開口部付近に形成される溝部に、その溝部に対して遊びを有するプレートを収装し、
   ステータの内周面に対して金型をセットし、
   前記金型と前記プレートの外側面との間の空間に樹脂を充填して、充填圧力によってプレートの内側面を前記溝部に密着支持して前記スロット開口部を閉塞してシールする、
   ことを特徴とする回転電機の製造方法。
4. 前記溝部は、前記ステータのスロット開口部付近に突設された突起部と、この突起部よりもスロットの内側に突設されたストッパー部との間の溝部であり、
   前記プレートは、前記樹脂充填時の圧力によってスロット内側方向に押し込まれたときに、前記ストッパー部に密着支持される、
   ことを特徴とする請求項３に記載の回転電機の製造方法。

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