JP5476047B2 - 電動機および電動機ハウジング - Google Patents

Description

本発明は、電気的に独立した複数の巻線を有する電動機および電動機ハウジングに関する。

従来、電動機ハウジングの外周面にロータ回転軸方向に周方向複数のフィンを延設し、冷却ファンの駆動によりフィンに沿って冷却風を流すようにした電動機が知られている（例えば特許文献１参照）。この種の電動機では、電動機内部の巻線に引き出し線が接続され、この引き出し線は、ハウジングに設けられた開口部を貫通して電動機内から引き出され、ハウジングの外周面に取り付けられた端子台に接続される。

特開平９−９３８６５号公報

上述の電動機が電気的に独立した複数の巻線を有する場合、複数の引き出し線が開口部を貫通する。このため、開口部が大きくなり、端子台も大型化する。その結果、開口部や端子台によって冷却風の流れが大きく妨げられ、冷却風の妨げられた箇所の冷却が不完全となり、局所的に温度が高くなる。とくに引き出し線に大電流が流れる場合には、引き出し線が大径化するため、開口部がより大きくなり、局所的温度上昇が顕著である。通常、電動機の特性は、周囲温度と電動機の最高温度の差分を温度上昇値として、所定の温度上昇値以内となる負荷によって定義される。そのため、特定の箇所にて冷却が不完全となり局所的に温度が高い場所があると、均一に冷却された場合と比較して電動機の特性が下がることとなる。

本発明は、ロータコアを有するロータと、ロータコアの外周面との間に隙間を空けて配置されたステータコアと巻線とを有するステータと、ステータコアの外周面に密接して配置された、または、ステータコアの軸方向両端部に接合された電動機ハウジングと、を備え、巻線に接続された複数の引き出し線が電動機ハウジングを貫通して引き出されるとともに、電動機ハウジングの外周面に沿って冷却風が送風される電動機であって、電動機ハウジングには、複数の引き出し線のいずれかが貫通する複数の開口部が設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、電動機ハウジングに引き出し線貫通用の開口部を複数設けたので、個々の開口部の大きさを小さくすることができ、局所的温度上昇を抑えることができる。

本発明の第１の実施の形態に係る電動機の内部構成を概略的に示す図である。 図１のII−II線断面図である。 図１のハウジング円筒部の構成を示す斜視図である。 図３の比較例を示す図である。 図２の比較例を示す図である。 第１の実施の形態に係る電動機の冷却範囲を示す図である。 電動機の温度特性の一例を示す図である。 口出穴の位相差と引き出し線の長さの合計値との関係を示す図である。 図３の変形例を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係る電動機の内部構成を概略的に示す図である。 図１０のハウジング円筒部の構成を示す斜視図である。 図１０の変形例を示す図である。

−第１の実施の形態−
以下、図１〜図９を参照して本発明の第１の実施の形態について説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態に係る電動機の内部構成を概略的に示す図であり、図２は、図１のII−II線断面図（要部断面図）である。この電動機１００は、ロータ１（回転子）と、ステータ２（固定子）と、ハウジング３とを有し、例えば工作機械の主軸駆動用として用いられる。

図１に示すようにロータ１の回転軸１０は、その出力軸側および反出力軸側がそれぞれベアリング１５，１６により回転可能に支持されている。回転軸１０には、複数枚の電磁鋼板を積層してなるロータコア１１が一体に取り付けられ、ロータコア１１の外周面近傍に磁石１２が装着されている。回転軸１０の反出力側には冷却ファン１３が取り付けられ、冷却ファン１３の周囲にファンケース１４が配設されている。冷却ファン１３は回転軸１０と一体に回転し、冷却ファン１３の回転により図の矢印で示すようにハウジング３の外周面に沿って冷却風が送風され、電動機１００が冷却される。

ステータ２は、複数枚の電磁鋼板を積層してなる筒状のステータコア２０を有し、ステータコア２０はロータ１の外周面との間に隙間を空けて配置されている。図２に示すようにステータコア２０の内周面には、周方向等間隔に複数（図では１２個）のスロット孔２１が軸方向全長にわたって延設されている。

各スロット２１孔には、電気的に独立した三相交流用の巻線２２、すなわちＵ相用巻線２２ａ、Ｖ相用巻線２２ｂ、Ｗ相用巻線２２ｃがそれぞれ交互に配設されている。これら巻線２２のコイルエンド部２２ａにはそれぞれ引き出し線２３（ケーブル）が接続され、引き出し線２３を介して巻線２２に電力が供給されることで回転磁界が形成され、ロータ１が回転する。なお、図では、Ｕ相用の引き出し線２３をＵ１〜Ｕ４、Ｖ相用の引き出し線２３をＶ１〜Ｖ４、Ｗ相用の引き出し線２３をＷ１〜Ｗ４でそれぞれ示している。ＵＶＷ相の巻線２２はコイルエンド部２２ａでスター結線またはデルタ結線されている。

図１に示すようにハウジング３は、ステータコア２０の外周面に密接してステータコア２０を包囲する円筒部３０と、円筒部３０の両端を閉塞する側壁部３１，３２とを有し、電動機１００の外殻を形成する。側壁部３１，３２の内周面部にはベアリング１５，１６がそれぞれ支持されている。

図３は、第１の実施の形態に係るハウジング３のとくに円筒部３０の構成を示す斜視図であり、図４は図３の比較例としての円筒部３００を示す図である。円筒部３０の外周面には長手方向にわたって周方向複数の放熱用のフィン３３が突設され、冷却ファン１３の駆動による冷却風はフィン３３に沿って流れる（図４参照）。この冷却風の流れによりハウジング３の外周面から奪熱され、電動機１００が冷却される。

図３に示すように円筒部３０の反出力軸側の頂部および底部には、互いに対向するように巻線２２のコイルエンド部２２ａに面してそれぞれ口出穴３４が開口されている。円筒部３０の外周面には、各口出穴３４の近傍に溶接などによりそれぞれ端子台３５が取り付けられている。

図２に示すように１２本の引き出し線２２のうち、上半分の６本の引き出し線２３ａ（Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１，Ｕ４，Ｖ４，Ｗ４）は、引き出し線２３ａの近傍の上側の口出穴３４を貫通して引き出され、下半分の６本の引き出し線２３ｂ（Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２，Ｕ３，Ｖ３，Ｗ３）は、引き出し線２３ｂの近傍の下側の口出穴３４を貫通して引き出されている。上側の口出穴３４を貫通した引き出し線２３ａは頂部の端子台３５に接続され、下側の口出穴３４を貫通した引き出し線２３ｂは底部の端子台３５に接続される。

このように口出穴３４と端子台３５をハウジング３の上下にそれぞれ設けることで、各口出穴３４を貫通して端子台３５に接続される引き出し線２３の本数を少なくできる。したがって、図２に示すように各口出穴３４の周方向長さ３４ａを短くすることができ、各端子台３５も小型化できる。その結果、各口出穴３４に関して冷却風の流れが妨げられる範囲、すなわち冷却不完全箇所（図４参照）を狭めることができる。なお、冷却風の流れによる冷却範囲は、図６に点線で示している。冷却不完全箇所が分散されることで、電動機の局所的温度上昇を抑制できる。

これに対し、図４に示すようにハウジング３の頂部にのみ口出穴３４を開口して端子台３５を設けると、図５に示すように頂部の口出穴３４を貫通して全ての引き出し線２３を引き出す必要がある。したがって、口出穴３４の周方向長さ３４ｂが図２に示した長さ３４ａよりも長くなり、端子台３５も大型化する。その結果、冷却不完全箇所が大きくなり、局所的な温度上昇が顕著である。

図７は、電動機１００（例えばステータコア２０の外周面）の周方向の温度分布を示す図である。図中、実線は口出穴３４が２つの場合（図３）の特性、点線は口出穴が１つの場合（図４）の特性であり、これらは互いに同一の負荷条件の下で得られた特性である。なお、位相θは、図６に示すように頂部からの位相として定義する。

図７に示すように、口出穴３４が位置する冷却不完全箇所の位相においては、冷却風の流れが妨げられるため、口出穴３４から周方向に離れた位相と比較して、電動機１００の温度Ｔは高くなる。この冷却不完全箇所は、主に口出穴３４の両側を流れる冷却風により奪熱され、冷却される。

図７の各特性を比較すると、口出穴３４が１つの場合は、口出穴３４の周方向長さが長いため、口出穴３４の両側を流れる冷却風によって冷却不完全箇所を十分に冷却することはできない。このため、口出穴３４の設けられた位相における温度上昇幅が大きく、周方向の温度アンバランスも大きい。

これに対し、口出穴３４が２つの場合は、各口出穴３４の周方向長さが短いため、口出穴３４の両側を流れる冷却風によって冷却不完全箇所を効果的に冷却することができる。このため、口出穴３４の設けられた位相における温度上昇幅は小さく、周方向の温度アンバランスも小さい。したがって、例えば最大温度により電動機１００の駆動を制限するとき、口出穴３４が２つの場合には、口出穴３４が１個の場合よりも電動機１００に、より大きな負荷をかけることができる。

本実施の形態では、ハウジング３の上下に口出穴３４を設け、図２に示すように各引き出し線２３をいずれか近い方の口出穴３４から引き出すようにしたので、口出穴３４が１つの場合（図５）よりも引き出し線２３の長さを短くすることができる。これによりコイルエンド部２２ａの寸法を抑えることができ、電動機全体を小型化できる。また、引き出し線２３を流れる電流の経路が短くなるため、コイルエンド部２２ａにおける発熱も抑えることができる。

図８は、周方向に隣り合う口出穴３４の位相差Δθと引き出し線２３の長さの合計値Ｌとの関係を示す図である。本実施の形態では、口出穴３４の位相差Δθが１８０°であり、この場合には口出穴３４が１個の場合、つまり位相差Δθが０°の場合と比較し、引き出し線２３の長さの合計値Ｌは約半分になる。図より、位相差Δθが９０°以上であれば、長さの合計値Ｌが十分に小さくなる。口出穴３４の個数をｎとするとき、各口出穴３４は３６０／ｎ°の位相差Δθで周方向に均等に配置するのが好ましいが、少なくとも９０°の位相差Δθで口出穴３４を配置すれば、引き出し線２３の長さの合計値Ｌを十分に小さくできる。

第１の実施の形態によれば以下のような作用効果を奏することができる。
（１）引き出し線２３の貫通用の口出穴３４を、ハウジング３に周方向複数設けるようにしたので、各口出穴３４を貫通する引き出し線２３の本数を少なくすることができ、個々の口出穴３４の周方向長さ３４ａを短くできる。これにより冷却不完全箇所が分散され、局所的温度上昇を抑えることができる。
（２）口出穴３４を複数設けることにより、各口出穴３４の近傍に配置する端子台３５も小型化できる。これによりハウジング３の外周面から端子台３５が大きく突出することを防止でき、電動機１００の取り付けの自由度が向上する。
（３）複数の口出穴３４のうち、より近傍にある口出穴３４からそれぞれ引き出し線２３を引き出すので、引き出し線２３の長さを短くすることができ、電流の流れによる発熱を抑えることができる。また、コイルエンド部２２ａの寸法を抑えることができ、電動機１００の小型化が可能である。

なお、以上の実施の形態では、口出穴３４をハウジング３の周方向２箇所に等間隔に設けたが、口出穴３４は等間隔に設けなくてもよい。但し、口出穴３４の位相差Δθが大きいほど図７の温度分布を低減できる点、および口出穴３４の位相差Δθが小さすぎると端子台３５の十分な取り付けスペースが得られない点を考慮し、各口出穴３４は概ね周方向に９０°以上離して設けることが好ましい。

以上の実施の形態では、口出穴３４を周方向に２個設ける場合について説明したが、口出穴３４を周方向に３個以上設けてもよい。図９は、口出穴３４を周方向等間隔に３個設けた例であり、これにより個々の口出穴３４の周方向長さを一層短くすることができ、周方向の温度のアンバランスをより低減できる。各口出穴３４の位相差Δθは９０°以上であることが好ましい。

−第２の実施の形態−
図１０，１１を参照して本発明の第２の実施の形態について説明する。第２の実施の形態が第１の実施の形態と異なるのは、ハウジング円筒部３０の形状である。すなわち、第１の実施の形態では、ハウジング３の異なる位相に複数の口出穴３４を設けるようにしたが、第２の実施の形態では、ハウジング３の同位相に複数の口出穴３４を設ける。以下では、第１の実施の形態との相違点を主に説明する。

図１０は、本発明の第２の実施の形態に係る電動機の内部構成を概略的に示す図であり、図１１は、図１０のハウジング円筒部３０の斜視図である。なお、図１〜図９と同一の箇所には同一の符号を付す。図１０，１１に示すように第２の実施の形態では、ハウジング３の円筒部３０の頂部の出力軸側および反出力軸側には、それぞれ口出穴３４が開口され、各口出穴３４の近傍にそれぞれ端子台３５が取り付けられている。

１２本の引き出し線２３のうち、半数（２３ａ）は反出力軸側のコイルエンド部２２ａに接続され、残りの半数（２３ｂ）は出力軸側のコイルエンド部２２ｂに接続されている。これら引き出し線２３ａ，２３ｂは、それぞれ出力軸側および反出力軸側の口出穴３４を貫通して引き出され、端子台３５に接続されている。

このように第２の実施の形態では、引き出し線２３の貫通用の口出穴３４を、ハウジング３の出力軸側および反出力軸側にそれぞれ設けたので、第１の実施の形態と同様、各口出穴３４を貫通する引き出し線２３の本数を少なくすることができる。これにより、各口出穴３４の周方向長さを短くすることができ、冷却不完全箇所の範囲を狭めることができる。また、複数の口出穴３４をハウジング３の同位相に設けることにより、冷却不完全箇所の範囲を狭めることができ、冷却効率の悪化を十分に抑えることができる。

なお、上記実施第１の形態（図３）では、ハウジング３の頂部および底部にそれぞれ口出穴３４を設け、上記第２の実施の形態（図１１）では、ハウジング３の頂部に複数の口出穴３４を設けたが、ハウジング３に複数の口出穴３４を設けるのであれば、開口部としての口出穴３４の形状や配置はこれに限らない。ハウジング３の外周面に長手方向全長にわたってフィン３３を突設したが、電動機ハウジングの形状はいかなるものでもよい。例えば図１２に示すようにハウジング３の円筒部３０を長手方向に２分割し、各円筒部３０ａ，３０ｂをステータコア２０の両端部にそれぞれ接合するようにしてもよい。冷却ファン１３の取付位置や形状はいかなるものでもよく、電動機１００とは別体で冷却装置を設けて冷却風を送風するようにしてもよい。

本発明は、工作機械の主軸駆動用の電動機に限らず、ハウジング３の表面に冷却風が送風される他の電動機にも同様に適用できる。すなわち、本発明の特徴、機能を実現できる限り、本発明は実施の形態の電動機に限定されない。

１ ロータ
２ ステータ
３ ハウジング
２３ 引き出し線
３０ 円筒部
３４ 口出穴
３５ 端子台

Claims (4)

1. ロータコアを有するロータと、
   前記ロータコアの外周面との間に隙間を空けて配置されたステータコアと巻線とを有するステータと、
   前記ステータコアの外周面に密接して配置された、または、前記ステータコアの軸方向両端部に接合された電動機ハウジングと、を備え、
   前記巻線に接続された複数の引き出し線が前記電動機ハウジングを貫通して引き出されるとともに、前記電動機ハウジングの外周面に沿って冷却風が送風される電動機であって、
   前記電動機ハウジングには、前記複数の引き出し線のいずれかが貫通する複数の開口部が設けられていることを特徴とする電動機。
2. 請求項１に記載の電動機において、
   前記複数の開口部は、前記電動機ハウジングの周方向に少なくとも９０度以上の位相差でそれぞれ設けられていることを特徴とする電動機。
3. 請求項１に記載の電動機において、
   前記複数の開口部は、前記電動機ハウジングの周方向同位相における電動機出力軸側および反出力軸側にそれぞれ設けられていることを特徴とする電動機。
4. 請求項１〜３のいずれか１項記載の電動機において、
   前記各開口部の近傍の前記電動機ハウジングの外周面に、前記複数の引き出し線が接続される端子台がそれぞれ設けられていることを特徴とする電動機。

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