JP2008206302A - ステータ - Google Patents

Abstract

【課題】省スペース化に対応しつつ、効率よくコイルを冷却しうるステータを提供する。
【解決手段】ステータにおいて、分割コア１１のコイル１２のコイルエンド部Ｒceには、ペルチェ素子を有するサーモモジュール３０が配置され、コイル１２のコイルサイド部Ｒcsからコイルエンド部Ｒceに亘って熱伝導性接着剤２０が塗布されていて、サーモモジュール３０は熱伝導性接着剤２０によってコイル１２に固着されている。熱伝導性接着剤２０を介して、サーモモジュール３０により、最も高温になる領域であるコイルサイド部Ｒcsが冷却される。
【選択図】図２

Description

本発明は、コアにコイルを巻き付けてなるモータや発電機のステータの構造に係り、特にコイルの冷却対策に関する。

近年、各種電気機器、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、それらに用いられる回転電機（モータや発電機）に要求される性能が高度化してきている。たとえば、産業用モータ、電気自動車やハイブリッド車などにおいては、省スペース化が求められている。

かかる省スペース化が進行するにつれて、ステータ構造が高密度化され、内部で生じた熱をどのように逃がすか、あるいは、冷却するかが重要である。たとえば、特許文献１には、リニアモータのコイル部の第１の冷却パネルに熱電変換素子を、第２の冷却パネルに電熱変換素子を配置することにより、コイル熱を電力に変換した後、この電力でコイルを冷却する技術が開示されている。
特開２００６−３３９０９号公報

ところが、特許文献１の技術では、一律に熱電変換−電熱変換が行われるので、コイル温度を所望の温度に制御することが困難である。また、必ず２種の素子が必要であるために、コスト高を招くという不具合もある。さらに、省スペース化されたステータにおいては、もっとも高温になる部位に素子を設置できない事態もあるが、上記特許文献１の技術では、かかる事態への対処が未解決のままである。

本発明の目的は、省スペース化に対応しつつ、効率よくコイルを冷却しうるステータを提供することにある。

本発明のステータは、少なくとも１つのペルチェ素子を配備するとともに、コイル部材の少なくとも一部から前記ペルチェ素子まで延びる熱伝導性部材を設けたものである。

これにより、ペルチェ素子という１種類の素子によって、コイル部材における、ペルチェ素子の設置が困難な領域かつ高温領域である領域を、熱伝導性部材を介して冷却することが可能になる。つまり、空きスペースを利用して省スペース化に対応しつつ、冷却を必要とする部位を冷却することが可能になる。

熱伝導性部材として、ペルチェ素子をステータの一部に固着させる熱伝導性接着剤を用いることにより、コイルからの熱伝導機能とペルチェ素子の固着とを単一の部材で実現することができ、製造コストの削減を図ることができる。

ペルチェ素子を、温度検出手段の検出温度に応じて、冷却モードと発電モードとに切り換える制御手段をさらに備えることにより、コイル温度を適正範囲に収めつつ熱の有効利用を図ることができる。

ペルチェ素子が上下のコイルエンド部に取り付けられていて、熱伝導性接着剤が両側のコイルサイド部から各ペルチェ素子までそれぞれ延びていることにより、空きスペースをより有効に利用することができる。

本発明のステータによると、ペルチェ素子の設置が困難な領域かつ高温領域を、熱伝導性部材を介して冷却することができ、省スペース化に対応した冷却機能が得られる。

図１は、実施の形態における回転電機（モータや発電機）のステータの概略的な構造を示す平面である。図１に示すように、ステータは、複数の分割コア１１を環状に組み合わせた後、図示しないリング部材等を用いて外側から囲み込んで組み立てられる。図１に示すステータの内方には、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は、ヨーク部１１ａと、ヨーク部１１ａからロータ側に突出するティース部１１ｂと、ティース部１１ｂの先端部から広がる鍔部１１ｃとを有している。そして、ティース部１１ｂにコイルが巻き付けられるが、図１においては、図面を見やすくするために、コイルの図示が省略されている。

図２は、図１に示すII-II線における断面図である。図３は、図１に示すIII-III線における断面図である。図２，図３に示すように、分割コア１１のティース部１１ｂに、コイル１２が何層かに亘って巻き付けられている。実際には、コイル１２は、分割コアに直接巻き付けられることはほとんどなく、分割コア１１とコイル１２との間には、インシュレータ（絶縁体）が介在しているが、本発明の本質的な要素ではないので、図２，図３ではインシュレータの図示を省略している。コイル１２が巻き付けられる領域のうち，図２，図３における上下の領域は、コイル１２の端部（巻き始めや巻き終わりの部分）が存在することが多いのでコイルエンド部Ｒceと呼ばれ、２，図３における左右の領域は、各分割コア１１が隣接し合う領域なのでコイルサイド部Rcsと呼ばれている。

そして、本実施の形態では、各分割コア１１の上下のコイルエンド部Rceにおけるコイル１２の上に、熱電変換素子であるペルチェ素子を用いたサーモモジュール３０が取付られている。サーモモジュール３０には、電気配線３１，３２を介して外部電力が供給されている。また、各分割コア１１の左右のコイルサイド部Rcsにおけるコイル１２の上に、温度検出手段である温度センサ４０が取り付けられている。図２には図示が省略されているが、各温度センサ４０は、それぞれ上下いずれかのサーモモジュール３０に信号線で接続されており、温度センサ４０で検出された温度信号がサーモモジュール３０に入力される。

また、コイルエンド部Rceおよびコイルサイド部Rcsに亘って、つまりコイル１２の全集に亘って、熱伝導性部材である熱伝導性接着剤２０が塗布されており、この熱伝導性接着剤２０によりサーモモジュール３０および温度センサ４０がコイル１２に固着されている。本発明の熱伝導性部材は、熱伝導性接着剤２０に限定されるものではなく、カーボンシートなどを用いることもできる。ただし、熱伝導性接着剤２０を用いることにより、コイル１２の熱をサーモモジュール３０（ペルチェ素子）まで伝導する機能と、サーモモジュールを固着する機能とを１つの部材で実現することができ、製造コストの削減を図ることができる。なお、図２の破線に示すように、サーモモジュール３０の表面側に、外部につながる熱伝導部材を設けてもよい。

熱伝導性接着剤２０は、樹脂材料を溶媒に溶かした樹脂溶液に高熱伝導性を有するフィラーを配合して被覆材を形成したものである。熱伝導性接着剤としては、エポキシ樹脂をベースとして、Ａｕ，Ｎｉ，Ｃｕなどの金属や、ＢＮ，ＳｉＣ，ＡｌＮ，Ａｌ_２Ｏ_３，ＳｉＮ，ＢＣ，ＳｉＯ_２，ＭｇＯ，ＺｎＯ，ＴｉＯ_２などのセラミックスをフィラーとして含有させたものが適している。本実施形態においては、熱伝導性接着剤には、絶縁体であることが求められるので、特に、セラミックスで熱伝導率の大きい材料をフィラーとすることが好ましい。

たとえば、ＢＮの熱伝導率は約２１０（Ｗ／ｍ・Ｋ）であり、ＳｉＣの熱伝導率は約２７０（Ｗ／ｍ・Ｋ）であり、ＡｌＮの熱伝導率は約１７０（Ｗ／ｍ・Ｋ）であり、樹脂材料の熱伝導率（０．２Ｗ／ｍ・Ｋ前後）よりも極めて高い。また、Ａｌ_２Ｏ_３の熱伝導率は約３６（Ｗ／ｍ・Ｋ）であり、ＢＮ等に比べると低いが、価格が安いので、フィラーを混入させるための製造コストの増大を抑制することができる利点がある。

図４は、サーモモジュール３０の切り換え制御を説明する図である。図５は、検出温度に応じたサーモモジュールのモードを示す図である。図４において、詳細構造の図示は省略するが、サーモモジュール３０は、数個から数十個のペルチェ素子を直列に接続して構成されている。概念的には、図４に示すように、ｐ型素子３４を共通電極３３とｐ電極３７との間に介在させ、ｎ型素子３５を共通電極３３とｎ電極３６との間に介在させて構成されている。共通電極３３はコイル１２に接しており、ｐ電極３７とｎ電極３６とは表面が開放されているとともに電源に接続されている。そして、電源電圧をｐ電極３７−ｎ電極３６間に印加すると、ｐ型素子３４では正孔の流れが生じ、ｎ型素子３５では電子の流れが生じることによるペルチェ効果を利用して、共通電極３３−ｐ電極３７間、および共通電極３３−ｎ電極３６間で熱を移動させる。つまり、共通電極３３では吸熱が生じるので、コイル１２が冷却されることになる。この吸熱は、直下に存在するコイルエンド部Ｒceだけでなく、熱伝導性接着剤２０を介してコイルサイド部Ｒcsにも伝わるので、コイル１２全体を効率よく冷却することができる。一方、ｐ電極３７およびｎ電極３６は発熱するが、この熱は図２の破線に示す熱伝導部材によって、外部に放出される。ただし、この熱伝導部材がなくてもよい。

一方、本実施の形態においては、図４に示すように、ｐ電極３７，ｎ電極３６への接続を電源側と共通電極側とに切り換える制御手段であるスイッチング素子３８（ＣＭＯＳＦＥＴ等）がそれぞれ設けられている。そして、図５に示すように、温度センサ４０の温度検出信号に応じ、検出温度が設定値Ｔｓ（たとえば２００°Ｃ程度）以上の場合（冷却モード）には、スイッチング素子３８が電源側の接点Ｐ１に導通されて、上述の作用によるコイル１２の冷却が行われる。一方、温度センサ４０の検出温度が設定値Ｔｓ未満になると（発電モード）、スイッチング素子３８が端子Ｐ２に導通するように切り換えられる。そのとき、ｐ電極３７，ｎ電極３６では、それまでの発熱作用によって温度が上昇しているので、ｐ電極３７，ｎ電極３６は高温状態にある。この状態で、電力供給が切断されると、ｐ電極３７，ｎ電極３６と共通電極３３との温度差によって、図４に示す方向とは逆方向の正孔，電子の流れが生じる。その結果、ゼーペック効果による電位差が生じ、発電が行われる。そして、この電力は、利用系に送られて、ステータを部品として有するモータ等や、モータ等が配置される自動車などに搭載されている他の部材の駆動用電力として利用されることになる。

本実施の形態によると、最も高温になるコイルサイド部Rceには、サーモモジュール３０を配置するスペースがないことに着目し、サーモモジュール３０をスペース的制約が小さいコイルエンド部Rceに設置する一方、コイルサイド部Ｒcsからコイルエンド部Rceに亘って熱導電性接着剤２０を塗布する構成としたので、コイルサイド部Rceの発熱を速やかに吸収し、コイル温度の上昇を抑制することができる。また、従来のように、熱電変換素子と電熱変換素子との２種類の素子を用いるのではなく、１種類の素子だけで、コイル１２を効率よく冷却することができる。

ただし、本発明のペルチェ素子（サーモモジュール３０）を配置する部位は、ステータの一部であればよく、コイルエンド部Rceである必要はない。たとえば、分割コア１１に凹部を形成して凹部内にペルチェ素子を配置してもよいし、図１では図示が省略されているが、各分割コア１１を固定するための締結リングに溝や孔を形成してその内部にペルチェ素子を配置してもよい。

また、温度センサ４０の検出温度に応じて、必要以上に低温まで冷却することなく、検出温度が設定値Ts以下になると、それまでの冷却作用のために高温状態にあるｐ電極３７，ｎ電極３６と共通電極３３との温度差を利用して、発電を行うようにしたので、外部から供給する電力を必要最小限に抑制することができる。

（他の実施の形態）
上記実施の形態では、上下のコイルエンド部Rceにサーモモジュール３０（ペルチェ素子）を配置したが、いずれか一方のコイルエンド部Rceのみにサーモモジュールを配置して、１つのサーモモジュール３０によって両側のコイルサイド部Ｒcsを寝伝導性接着剤２０を介して冷却するようにしてもよい。その場合には、冷却機能，発電機能は低下するものの、上記実施の形態の基本的な効果を発揮することができる。

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。

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

実施の形態におけるステータの概略的な構造を示す平面図である。 図１に示すII−II線における断面図である。 図１に示すIII−III線における断面図である。 サーモモジュール３０の切り換え制御を説明する図である。 検出温度に応じたサーモモジュールのモードを示す図である。

符号の説明

１０ ステータ
１１ 分割コア
１１ａ ヨーク部
１１ｂ ティース部
１１ｃ 鍔部
１２ コイル
２０ 熱伝導性接着剤（熱伝導性部材）
３０ サーモモジュール
３１，３２ 電気配線
３３ 共通電極
３４ ｐ型素子
３５ ｎ型素子
３６ ｎ電極
３７ ｐ電極
３８ スイッチング素子（制御手段）
４０ 温度センサ
Ｐ１，Ｐ２ 接点
Ｒce コイルエンド部
Ｒcs コイルサイド部

Claims (4)

1. 磁気材料を主成分として構成されたコアと、
   前記コアに巻き付けられたコイル部材と、
   少なくとも１つのペルチェ素子と、
   前記コイル部材の少なくとも一部から前記ペルチェ素子まで延びる熱伝導性部材と、
   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、
   前記熱伝導性部材は、前記ペルチェ素子をステータの一部に固着させる熱伝導性接着剤である、ステータ。
3. 請求項１または２記載のステータにおいて、
   コイル温度を検出するための温度検出手段と、
   前記ペルチェ素子を、前記温度検出手段の検出温度に応じて、冷却モードと発電モードとに切り換える制御手段と、
   をさらに備えている、ステータ。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載のステータにおいて、
   前記ペルチェ素子は、前記コイル部材の上下のコイルエンド部に取り付けられており、
   前記熱伝導性接着剤は、前記コイル部材の両側のコイルサイド部から各ペルチェ素子までそれぞれ延びている、ステータ。

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