JP5172199B2 - ステータ - Google Patents

Description

本発明は、コア体にコイルを巻き付けてなるステータ（モータや発電機）の構造に係り、特に分割コアの放熱機能向上対策に関する。

近年、電気自動車，ハイブリッド車，ロボットなどの新技術の進展に伴い、それらの駆動用の回転電機（モータや発電機）のステータに要求される性能が高度化してきている。たとえば、電気自動車やハイブリッド車においては、大電流を流すことやコンパクト化が求められている。

コイルに流す電流を増やす場合、コイル径を太くすると、コイル線材の剛性増大によるコイル巻きの困難さ、および渦損が増大するために、複数の細いコイルをコアに巻き付ける構造がしばしば採用されている。そこで、特許文献１に開示されるように、分割コアのスロット領域に敷設されたインシュレータにスロット領域を２つの部分スロット領域に分割する隔壁を設けて、各部分スロット領域に個別にコイルを巻き付けることにより、高密度のコイル構造を実現しようとするものがある。

特開平１１−２７８８６号公報

しかしながら、ステータにおけるコイル構造のコンパクト化を図りつつ、大電流化を進めると、スロット領域におけるコイルの発熱の密度も高くなり、コイルを被覆している絶縁膜を劣化させるなどの不具合が生じるおそれがある。

本発明の目的は、分割コアのコイルからの放熱性を向上させる手段を講ずることにより、コイル構造の高密度化と大電力化とに適したステータを提供することにある。

本発明のステータは、複数の分割コアをリング状に組立ててなるステータであって、分割コアの間隙に先端部が分割コアのバックヨーク側に延びるシート部材を設けたものである。

これにより、各分割コアのコイルで発生した熱が、シート部材を介して分割コアのバックヨーク側からスロット領域の外方に放出される。したがって、分割コアの内部構造がコンパクト化されても、内部温度の過上昇によりコイルを被覆している絶縁膜の劣化などを防止することができる。

シート部材の先端部は分割コアに取り付けられていてもよいが、分割コアを締め付けて固定するリング部材（たとえば焼嵌めリング）の外壁に取り付けられていることにより、簡単な構造で、分割コアの外方に熱を放出することができる。

シート部材の先端部が、ケーシング部材の外壁に取り付けられていることにより、さらに効果的に熱を放出することができる。

シート部材の先端部が、リング部材またはケーシング部材の外壁に取り付けられている場合には、リング部材の分割コアの間隙に対峙する部位に開口が形成されていて、シート部材が開口を通過していることにより、リング部材の締め付け力を維持しつつ、シート部材の先端部を分割コアの外方に引き出すことができる。

シート部材が、分割コアの各間隙にそれぞれ１対ずつ取り付けられていることにより、各分割コアの最上層のコイルから確実に熱を放出する放熱路が形成され、放熱機能が向上する。

シート部材は、グラファイトシートまたは金属箔によって構成されていることが好ましい。特に、グラファイトシートは、シート面方向に高い熱伝導率を有しているので、コイルの熱をできる限り遠方に放出することができるので、より高い放熱機能を発揮することができる。

各分割コアのティース部が、バックヨーク側がロータ側よりも深い段付き構造を有していることにより、ティース部に巻き付けられたコイルの最上層の高さ位置を揃えることが可能になる。したがって、コイルの最上層とシート部材との熱的接続状態が均一になり、放熱機能が向上する。

本発明のステータによると、コイルで発生した熱を効率よく分割コアまたはその外方に放出することができ、よって、コイルの絶縁膜の劣化などを防止することができる。

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１における回転電機（モータや発電機（ジェネレータ））のステータ１０の概略的な構造を示す断面図である。図２は、分割コア１１を焼嵌めリング２１によって組み立てた状態を説明するための斜視図である。図２に示すように、ステータ１０は、複数の分割コア１１を環状に組み合わせた後、リング部材である焼嵌めリング２１を用いて外側から囲み込んで組み立てられる。なお、見やすくするために、図２においては、分割コア１１と焼嵌めリング２１以外の部材の図示は省略されている。ステータ１０の内方には、永久磁石を設けたロータ（図示せず）が配置される。分割コア１１のバックヨーク側フランジ部１１ａと、ロータ側フランジ部１１ｂと間の領域をティース部１５という。ティース部１５にはコイルが巻き付けられるが、コイル１２が巻き付けられている領域全体を、スロット領域Ｒslという。スロット領域Ｒslの断面形状は、一般には台形または長方形である。

焼嵌めリング２１における分割コア１１同士の間隙に対峙する部位には、開口２３が形成されている。そして、図３および図４に拡大詳示するように、分割コア１１同士の間には、シート部材である１対のグラファイトシート２２が取り付けられていて、グラファイトシート２２は、分割コア１１のヨーク側フランジ部１１ａ間の隙間と開口２３とを通って焼嵌めリング２１の外方に延び、固定部材２４によって焼嵌めリング２１の外壁に取り付けられている。

コイル１２は、銅合金からなる導電性の線材を樹脂絶縁膜によって被覆して構成されている。また、分割コア１１のティース部１５の底面は、バックヨーク側フランジ部１１ａに隣接する部位では深く、ロータ側フランジ部１１ｂに隣接する部位では浅く、両部位の中間部位ではその中間の深さになるように、３段の段付き構造となっている。このように、段付き構造にすることにより、最上層のコイル１２が共通の高さ位置に揃うので、
グラファイトシート２２とコイル１２と接触状態を均一化することができる。

図５は、グラファイトシートを広げて示す平面図である。同図に示すように、グラファイトシート２２は、幅広部２２と絞り部２２ｂとを有している。そして、幅広部２２ａが分割コア１１の最上層のコイル１２に接しており、絞り部２２ｂが焼嵌めリング２１の開口２２を通過して外方に延びている。そして、グラファイトシート２２の絞り部２２ｂの先端部は、固定部材２４により、固定部材２４により焼嵌めリング２１の外壁に固着されている。固定部材２２は、たとえばスプリング付き留め具でもよいし、単に樹脂接着剤でもよい。また、分割コア１１同士の間の領域において、グラファイトシート２２は、接着剤によってコイル１２に固着されていてもよいし、分割コア１１同士の間の締め付け力によって、コイル１２に固定されていてもよい。また、グラファイトシート２２の幅広部２２ａは、図４に示す分割コア１１のほぼ幅全体に広がっている。なお、グラファイトシート２２が接着剤でコイル１２に固定される場合には、その幅広部２２ａが、図４に示す分割コア１１の側面におけるコイル１２に接する領域まで拡大されていてもよい。

グラファイトシート２２としては、たとえば松下電器産業株式会社製の「ＰＧＳグラファイトシート」を用いることができる。ＰＧＳグラファイトシートのシート面方向の熱伝導率は、６００〜８００（Ｗ／Ｍ・Ｋ）であり（厚さ約０．１ｍｍのもの）、純銅の約２倍，アルミニウムの約３倍という高さである。したがって、分割コア１１から遠方に離れた部位にも効率よく放熱することが可能になる。

ここで、本実施の形態において、図１に示す焼嵌めリング２１の厚さは約１０mmである。そして、グラファイトシート２２の幅広部２２ａの幅は、ステータ１０の厚さにほぼ等しく、長さは分割コア１１のバックヨーク側フランジ部１１ａとロータ側フランジ部１１ｂとの間の距離にほぼ等しい５ｃｍ程度であり、厚さは約０．１ｍｍである。焼嵌めリング２１の開口２３の幅は約２ｃｍであり、グラファイトシート２２の絞り部２２ｂの幅は２ｃｍ以下（たとえば１．８ｃｍ）であり、長さは約１５ｍｍである。

ただし、本発明のシート部材は、必ずしもグラファイトシートに限られるものでもなく、銅，銅合金，アルミニウム，アルミニウム合金などの金属の箔を用いてもよいものとする。

図６（ａ）〜（ｃ）は、グラファイトシート２２の取付方法のバリエーションを示す断面図である。図６（ａ）に示す構造においては、１対のグラファイトシート２２が、絶縁膜２６を挟んで各分割コア（図示を省略）の最上層のコイル１２に接している。絶縁膜２６としては、接着剤を用いてもよいし、樹脂シートを用いてもよい（締め付け力による固定の場合）。

図６（ｂ）に示す構造においては、１枚のグラファイトシート２２が、それぞれ絶縁膜２６を挟んで両側の最上層のコイル１２に接している。この場合にも、絶縁膜２６としては、接着剤を用いてもよいし、樹脂シートを用いてもよい（締め付け力による固定の場合）。この場合、グラファイトシート２２は、焼嵌めリング２１の開口２３を通過した後、２つの分割コア１１のいずれの側に延びてもよい。

図６（ｃ）に示す構造においては、１対のグラファイトシート２２が設けられており、グラファイトシート２２の間に絶縁膜２６が介在している。そして、各グラファイトシート２２と最上層のコイル１２との間には絶縁膜が設けられていない。コイル１２は、線材を絶縁膜で被覆して形成されているので、このような構造であっても、コイル１２同士の短絡が生じるおそれはほとんどない。したがって、図６（ｃ）に示す構造においても、絶縁膜２６がなくてもよい。

なお、図１，図３には示されていないが、一般的なステータの構造においては、インシュレータを介してコイル１２が巻き付けられている。インシュレータは、電気絶縁性を確保することを主目的として設けられるものであるが、同時にこれに巻き付けられるコイル１２を保護する機能も有している。本実施形態においても、インシュレータが設けられているが、発明の主要部を理解しやすくするために、図示を省略している。インシュレータのコーナー部はコイル１２の損傷を防ぐために、曲面状に形成されている。

本実施の形態では、分割コア１１を固定する固定部材として、焼嵌めリング２１を設けたが、焼嵌めリング２１とは異なる原理によって分割コア１１同士を固定するリング部材を設けてもよい。

本実施の形態では、グラファイトシート２２の先端部を焼嵌めリング２１の外壁に固定する構造を採用したが、グラファイトシート２２の先端部を分割コア１１のバックヨーク側フランジ部１１ａの外壁に取り付ける構造としてもよい。たとえば、焼嵌めリング２１の開口２３を拡大するか、焼嵌めリングを２つの細いリングに離して分割することにより、分割コア１１のバックヨーク側フランジ部１１ａの一部を焼嵌めリング２１によって覆わずに露出させた構造を採ることができる。そして、バックヨーク側フランジ部１１ａの露出している部分の外壁に、固定部材２４によってグラファイトシート２２の先端部を取り付けることができる。この場合、固定部材２４やグラファイトシート２２によってステータ１０の外形寸法がほとんど増大することがない、という利点がある。

本発明によると、分割コア１１の最上層のコイル１２に接するシート部材（本実施の形態におけるグラファイトシート２２）が設けられ、シート部材の先端部が、分割コア１１を固定するリング部材（本実施の形態における焼嵌めリング２１）などに固定されているので、コイル１２で発生する熱を外部に効率よく放出することができる。したがって、ステータ１０の分割コア１１の構造がコンパクト化されても、コイル１２を被覆する絶縁膜の劣化、などの不具合を防止することができる。

本実施の形態では、シート部材であるグラファイトシート２２の先端部をステータの外壁に取り付けた例について説明したが、グラファイトシート２２の先端部を、モータやジェネレータを収納したケーシングに取り付けてもよい。

（他の実施の形態）
上記開示された本発明の実施の形態の構造は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれらの記載の範囲に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内でのすべての変更を含むものである。

上記実施の形態１においては、コイル１２の断面形状を円形としてが、本発明のコイル１２の断面形状は、四角形，六角形など各種多角形であってもよい。

上記実施の形態１においては、ティース部１５の底面を３段の段付き構造にしたが、本発明の分割コアにおけるティース部の底面は必ずしも段付き構造でなく、フラットな構造であってもよい。また、３段の段付き構造でなくても、よく、たとえば２段、４段などの段付き構造であってもよい。さらに、スロット領域Ｒslの断面形状が、矩形であってもよい。

本発明のステータは、ハイブリッド車、電気自動車、燃料電池，ロボットなどに配置されるモータや発電機（ジェネレータ）等に利用することができる。

実施の形態１におけるステータの概略的な構造を示す断面図である。 分割コアを焼嵌めリングによって組み立てた状態を説明するための斜視図である。 図１の一部を拡大して示す部分断面図である。 図３に示す焼嵌めリングの開口付近の側面図である。 実施の形態１におけるグラファイトシートを広げて示す平面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、グラファイトシートの取付方法のバリエーションを示す断面図である。

１０ ステータ
１１ 分割コア
１１ａ バックヨーク側フランジ部
１１ｂ ロータ側フランジ部
１２ コイル
１５ ティース部
２１ 焼嵌めリング
２２ グラファイトシート
２２ａ 幅広部
２２ｂ 絞り部
２３ 開口
２４ 固定部材
２６ 絶縁膜

Claims (7)

1. 複数の分割コアをリング状に組立ててなるステータであって、
   前記各分割コアのティース部に巻き付けられたコイル部材と、
   前記各分割コアをバックヨーク側から締め付けて固定するリング部材と、
   前記分割コアの間隙に取り付けられ、先端部が分割コアのバックヨーク側に延びるシート部材と、
   を備えているステータ。
2. 請求項１記載のステータにおいて、
   前記シート部材の先端部は、前記リング部材の外壁に取り付けられている、ステータ。
3. 請求項１記載のステータにおいて、
   ケーシング部材をさらに備え、
   前記シート部材の先端部は、前記ケーシング部材の外壁に取り付けられている、ステータ。
4. 請求項２または３記載のステータにおいて、
   前記リング部材の前記分割コアの間隙に対峙する部位には、開口が形成されており、
   前記シート部材は、前記開口を通過している、ステータ。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載のステータにおいて、
   前記シート部材は、前記分割コアの各間隙にそれぞれ１対ずつ取り付けられている、ステータ。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載のステータにおいて、
   前記シート部材は、グラファイトシートまたは金属箔によって構成されている、ステータ。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載のステータにおいて、
   前記各分割コアのティース部は、バックヨーク側がロータ側よりも深い段付き構造を有している、ステータ。

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