JP5233441B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、回転電機に関し、詳しくは、冷却用液体を固定子巻線にかけて冷却を行う回転電機に関する。

電動機および発電機として使用される回転電機には、たとえば、特許文献１に記載されたものがある。

特許文献１には、スロットが設けられた環状の固定子鉄心と、固定子鉄心に装着された固定子巻線とを有する固定子を備え、固定子巻線は、スロットに巻装された６つの相巻線を備え、６つの相巻線は、電気角で３０度の位相差をもつ２つずつの相巻線同士をそれぞれ相間渡り部により接続され、相間渡り部が、固定子巻線のコイルエンドから軸方向に離間して、かつ、互いに径方向に重ならないように周方向にずれて配列されており、相間渡り部が、相巻線から軸方向に引き出された導体線と、コイルエンドから軸方向に離間した位置で導体線を接続する接続部材とから構成されている車両用交流発電機が記載されている。さらに、相間渡り部が、コイルエンドから軸方向に離間して、かつ、互いに径方向に重ならないよう周方向にずれて配列されることが記載されている。

この発電機では、固定子巻線などの冷却のために、固定子や回転子の間に冷却風が流れている。そして、この発電機では、相間渡り部が、上記のように配列されることで、冷却風が流れる通風路での通風抵抗の増加が抑制され、冷却風の風量低下が防がれている。

しかしながら、冷却用の冷媒が気体ではなく液体である場合には、相間渡り部を通過する液体が多くなり、液体が固定子巻線の全体に拡がらないので、液体を効率よく冷却に使えず、冷却性が十分でないという問題があった。
特許第３６７２８４６号公報

本発明は上記実状に鑑みてなされたものであり、冷却用液体により固定子巻線が冷却される回転電機において、冷却性に優れた回転電機を提供することを課題とする。

課題を解決するための手段及び効果

上記課題を解決するために本発明者等は固定子巻線の渡り部の構成に関して検討を重ねた結果、本発明をなすに至った。

すなわち、請求項１に記載の本発明の回転電機は、周方向に交互に異なる複数の磁極を形成している回転子と、回転子と内周側または外周側で向き合う、深さ方向が径方向に一致するスロットを周方向に複数有する固定子コアと、周方向の異なるスロットに収容されるスロット収容部と、スロットの外部でスロット収容部同士を接続している接続部と、を有するように複数の導線を固定子コアに組み付けてなる固定子巻線と、固定子巻線の固定子コアより突出したコイルエンドに冷却用液体をかける冷却液供給手段と、を備えた回転電機であって、固定子巻線は、複数の導線のうち同相の電力が流れる導線の端部同士を接続する渡り部をコイルエンドから突出して有し、複数の渡り部は、その周方向位置が一部のみ重なっており、冷却用液体は、複数の渡り部の少なくとも一つにかけられることを特徴とする。

請求項１に記載の回転電機は、周方向位置の一部が重なった複数の渡り部に冷却用液体がかけられる。冷却用液体は、周方向位置の重なった渡り部に沿って固定子巻線の全体に拡がる。これにより、本発明の回転電機は、冷却用液体を用いて固定子巻線を冷却する回転電機において、固定子巻線の冷却性に優れたものとなった。

請求項２に記載の本発明の回転電機は、請求項１において、冷却液供給手段は、コイルエンドの径方向外方でありかつ渡り部の鉛直方向上方に、冷却用液体が吐出する少なくとも一つの吐出口を有することを特徴とする。

請求項２に記載の回転電機は、渡り部の鉛直上方に開口した吐出口から吐出した冷却用液体は、下方に配置された周方向に重なりを持つ渡り部にかかり、その後に渡り部に沿って拡がる。これにより、固定子巻線の冷却性を向上することができる。

請求項３に記載の本発明の回転電機は、請求項２において、複数の渡り部は、その周方向位置が吐出口が位置する周方向位置の両側に広がっていることを特徴とする。

請求項３に記載の回転電機は、渡り部にかけられた冷却用液体が、両側に拡がるように渡り部にそって流れる。これにより、冷却用液体を効率よく固定子巻線の冷却に用いることができ、固定子巻線の冷却性を更に向上することができる。

請求項４に記載の本発明の回転電機は、請求項１において、冷却液供給手段は、冷却用液体を複数の渡り部に吹き付けることを特徴とする。

請求項４に記載の回転電機は、冷却用液体を複数の渡り部に吹き付ける。これにより、周方向位置の一部が重なった複数の渡り部に冷却用液体をかけることができるので、冷却用液体を効率良く固定子巻線の冷却に用いることができ、固定子巻線の冷却性を向上することができる。

請求項５に記載の本発明の回転電機は、請求項４において、冷却用液体を複数の渡り部に内周側から吹き付けることを特徴とする。

請求項５に記載の回転電機は、冷却用液体を内周側から周方向位置の一部が重なった複数の渡り部に冷却用液体を吹き付けることにより、冷却用液体を効率良く固定子巻線の冷却に用いることに加え、内部の回転子の回転による遠心力とも相まって、固定子巻線全体に冷却用液体を拡げることができるので、固定子巻線の冷却性をさらに向上することができる。

以下、本発明を具体的な実施の形態を用いて説明する。

（第一実施形態）
本発明に係る回転電機１は、図１に示すように、略有底筒状の一対のハウジング部材１００、１０１とが開口部同士で接合されてなるハウジング１０と、ハウジング１０に軸受け１１０、１１１を介して回転自在に支承される回転軸２０に固定された回転子２と、ハウジング１０の内部で回転子２を包囲する位置でハウジング１０に固定された固定子３と、を備えている。

また、回転電機１は、ハウジング１０の内部と外部を連通し、冷却用液体が吐出する吐出口１２が先端部に開口した管路１３をハウジング部材１０１に貫通した状態で備えた冷却液供給手段を有する。吐出口１２は、ハウジング１０内に収容された固定子３の固定子巻線４のコイルエンドの鉛直上方に開口している。なお、吐出口１２から吐出した冷却用液体を回収するための手段および回収された冷却用液体を冷却液供給手段に供給して循環させる回収手段（図示せず）がもうけられている。

回転子２は、永久磁石により周方向に交互に異なる磁極を、固定子３の内周側と向き合う外周側に複数形成している。回転子２の磁極の数は、回転電機により異なるため限定されるものではない。本形態の回転電機では、８極（Ｎ極：４、Ｓ極：４）の回転子が用いられている。

固定子３は、図２に示すように、固定子コア３０と、複数の各相巻線から形成される三相の固定子巻線４と、を備えた構成を有している。

固定子コア３０は、内周に複数のスロット３１が形成された円環状を有している。複数のスロット３１は、その深さ方向が径方向と一致するように形成されている。固定子コア３０に形成されたスロット３１の数は、回転子２の磁極数に対し、固定子巻線４の一相あたり２個の割合で形成されている。すなわち、８×３×２＝４８個のスロット３１が形成されている。

固定子コア３０は、所定の数の分割コアを周方向に配設して形成されている。本実施形態においては、２４個である。分割コアは、ひとつのスロット３１を区画するとともに、周方向で隣接する分割コアとの間でひとつのスロットを区画する形状（径方向内方に伸びるティース部と、ティース部が形成されるバックコア部）に形成されている。

固定子コア３０（を構成する分割コア）は、厚さの電磁鋼板を積層させて形成されている。なお、積層された電磁鋼板の間には、絶縁薄膜が配置されている。なお、固定子コア３０は、この電磁鋼板の積層体からだけでなく、従来公知の金属薄板および絶縁薄膜を用いて形成してもよい。

固定子巻線４は、複数の巻線４０を所定の巻回方法で巻回してなる。固定子巻線４を構成する巻線４０は、図３（Ａ）に示したように、銅製の導体４１と、導体４１の外周を覆い導体４１を絶縁する内層４２０及び外層４２１からなる絶縁皮膜４２とから形成されている。内層４２０および外層４２１を合わせた絶縁皮膜４２の厚みは、１００μｍ〜２００μｍの間に設定されている。このように、内層４２０および外層４２１からなる絶縁皮膜４２の厚みが厚いので、巻線４０同士を絶縁するために巻線４０同士の間に絶縁紙等を挟み込んで絶縁する必要がなくなっているが、線材同士を絶縁するために絶縁紙を配してもよい。

外層４２１はナイロン等の絶縁材、内層４２０は外層よりもガラス転移温度の高い熱可塑性樹脂またはポリアミドイミド等の絶縁材で形成されている。これにより、回転電機に発生する熱により外層４２１は内層４２０よりも早く軟化するので、同じスロット３３に設置されている巻線４０同士が外層４２１同士で熱接着する。その結果、同じスロット３３に設置されている複数の巻線４０が一体化し巻線４０同士が剛体化するので、スロット３３内の線巻線４０の機械的強度が向上する。また、過剰な振動が発生しても、内層４２０と導体４１の接着箇所よりも内層４２０と外層４２１との接着箇所が先に剥離するので、内層４２０と導体４１との接着を維持し絶縁を確保できる。

さらに、固定子巻線４の巻線４０は、図３（Ｂ）に示したように、内層４２０および外層４２１からなる絶縁皮膜４２の外周をエポキシ樹脂等からなる融着材４３で被覆してもよい。これにより、回転電機に発生する熱により融着材４３は絶縁皮膜４２よりも早く溶融するので、同じスロット３３に設置されている複数の巻線４０同士が融着材４３同士により熱接着する。その結果、同じスロット３３に設置されている複数の巻線４０が一体化し巻線４０同士が鋼体化することで、スロット３３の巻線４０の機械的強度が向上する。

固定子巻線４を構成する巻線４０の絶縁皮膜４２には、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）よりなる皮膜を用いても良い。

固定子巻線４は、図４に示すように、それぞれ二本の三相巻線（Ｕ１，Ｕ２，Ｖ１，Ｖ２，Ｗ１，Ｗ２）により形成されている。

また、固定子巻線４は、複数の巻線４０を所定の形状に巻回してなる。固定子巻線４を構成する巻線４０は、固定子コア３０の内周側で周方向に沿って波巻きされた形状で成形されている。そして、固定子コア３０に形成されたスロット３１に収容される直線上のスロット収容部４４と、隣り合ったスロット収容部４４同士を接続するターン部４５と、を備えている。スロット収容部４４は、所定のスロット数（たとえば、３相×２個＝６個）ごとのスロット３１に収容され、ターン部４５は、固定子コア３０の軸方向の端面から突出して形成されている。

固定子巻線４は、複数の巻線４０を一方の端部がスロット３１の最外周側で固定子コア３０の軸方向の端面から突出した状態で、周方向に沿って波状に巻装した状態で形成されている。固定子巻線４の巻線４０の他方の端部は、スロット３１の最内周側で固定子コア３０の軸方向の端面から一方の端部と同一方向に突出している。そして、同一のスロット３１には、二本の巻線４０が巻装される。同一スロット３１に収容される二つのスロット収容部４４を有する。同一のスロット３１に収容される二つのスロット収容部４４は、周方向で隣り合ったスロット３１の深さ方向での位置が交互に位置するように設置されている。

そして、固定子巻線４は、同相（Ｕ１とＵ２，Ｖ１とＶ２，Ｗ１とＷ２）の巻線の端部同士が渡り部４６で接合されている。渡り部４６は、図５に示すように、固定子コア３０から突出したターン部４５の端面より突出して形成されている。渡り部４６は、周方向に沿ってのびる略コ字状を有している。各相を接続するそれぞれの渡り部４６は、図５に示すように、周方向での位置が一部のみが重なり合っており、周方向の全体が重なり合っていない。すなわち、それぞれの渡り部４６は、周方向の端部が、内周面側あるいは外周面側が露出している。

固定子３は、図１に示すように、固定子巻線４の渡り部４６が鉛直方向の上方側に位置するような状態でハウジング１０内に収容される。このとき、渡り部４６の全体が占める周方向位置の中央部が、鉛直方向で最も上方に位置する。そして、吐出口１２は、回転軸２０の軸心から渡り部４６の周方向の中央部を結んだ径方向の外方（鉛直方向上方）に開口している。

本実施形態の回転電機１は、冷却液供給手段により吐出口１２から冷却用液体が吐出する。この冷却用液体は、本実施形態ではＡＴＦを用いているが、従来の回転電機において使用される液体のいずれを用いてもよい。

本実施形態の回転電機１においては、吐出口１２から吐出した冷却用液体は、下方に位置する渡り部４６の外周側にかかる。そして、渡り部４６の外周面に沿って下方に流れ、渡り部４６の周方向の端部から下方に流れ落ち、別の渡り部４６の外周側にかかる。これを繰り返して、全ての渡り部４６の外周面に冷却用液体がかかる。これにより、渡り部４６が冷却用液体により冷却される。

渡り部４６にかかった冷却用液体は、渡り部４６を構成する巻線４０に沿って固定子コア３０方向に流れ、スロット収容部４４およびターン部４５に沿って流れて固定子巻線４の全体に拡がる。これにより、固定子巻線４が冷却される。

さらに、吐出口１２から吐出した冷却用液体のうち、渡り部４６にかからなかった冷却用液体は、固定子巻線４のターン部４５よりなるコイルエンドにかかり、スロット収容部４４およびターン部４５に沿って流れて固定子巻線４の全体に拡がる。これにより、固定子巻線４が冷却される。

このように、本実施形態の回転電機１は、渡り部４６がコイルエンドから突出して形成されたことで、冷却用液体による固定子巻線４の冷却性に優れたものとなった。

なお、吐出口１２は、渡り部に対応した位置に、複数箇所、設けてもよい。

（第二実施形態）
本実施形態は、冷却液供給手段の構成が異なる以外は第一実施形態と同様な構成の回転電機である。本実施形態の回転電機１の構成を、図６に示した。

本実施形態の冷却液供給手段は、ハウジング１０の内部と外部を連通し、冷却用液体が吐出する吹き出し口１４が先端部に開口した管路１５をハウジング部材１０１に貫通した状態で備えている。吹き出し口１４は、上方に位置する渡り部４６に向けて、渡り部４６の内周面側に冷却用液体を吹き付ける。

本実施形態においても、第一実施形態と同様に、渡り部４６に冷却用液体を吹き付けることができ、第一実施形態と同様な効果を発揮するとともに、内部の回転子の回転による遠心力とも相まって、固定子巻線全体に冷却用液体を拡げることができるので、固定子巻線の冷却性をさらに向上することができる。

第一実施形態の回転電機の断面図である。 第一実施形態の回転電機の固定子の斜視図である。 第一実施形態の回転電機の固定子巻線を構成する各相巻線の断面図である。 第一実施形態の回転電機の固定子巻線の結線を示す図である。 第一実施形態の回転電機の固定子巻線の渡り部を示す斜視図である。 第二実施形態の回転電機の断面図である。

符号の説明

１：回転電機
２：回転子
３：固定子 ３０：固定子コア
４：固定子巻線

Claims (5)

1. 周方向に交互に異なる複数の磁極を形成している回転子と、
   該回転子と内周側または外周側で向き合う、深さ方向が径方向に一致するスロットを周方向に複数有する固定子コアと、
   周方向の異なる該スロットに収容されるスロット収容部と、該スロットの外部で該スロット収容部同士を接続している接続部と、を有するように複数の導線を該固定子コアに組み付けてなる固定子巻線と、
   該固定子巻線の該固定子コアより突出したコイルエンドに冷却用液体をかける冷却液供給手段と、
   を備えた回転電機であって、
   該固定子巻線は、複数の該導線のうち同相の電力が流れる該導線の端部同士を接続する渡り部を該コイルエンドから突出して有し、
   複数の該渡り部は、その周方向位置が一部のみ重なっており、
   該冷却用液体は、複数の該渡り部の少なくとも一つにかけられることを特徴とする回転電機。
2. 前記冷却液供給手段は、前記コイルエンドの径方向外方でありかつ前記渡り部の鉛直方向上方に、前記冷却用液体が吐出する少なくとも一つの吐出口を有する請求項１記載の回転電機。
3. 複数の前記渡り部は、その周方向位置が前記吐出口が位置する周方向位置の両側に広がっている請求項２記載の回転電機。
4. 前記冷却液供給手段は、前記冷却用液体を複数の前記渡り部に吹き付ける請求項１記載の回転電機。
5. 前記冷却用液体を複数の前記渡り部に内周側から吹き付ける請求項４記載の回転電機。

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