特許 7488298 電気機械用の固定子、電気機械、自動車

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-05-13

(45)【発行日】2024-05-21

(54)【発明の名称】電気機械用の固定子、電気機械、自動車

(51)【国際特許分類】

   H02K 1/20 20060101AFI20240514BHJP

【ＦＩ】

H02K1/20 C

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2022084408

(22)【出願日】2022-05-24

(65)【公開番号】P2022187991

(43)【公開日】2022-12-20

【審査請求日】2022-05-25

(31)【優先権主張番号】10 2021 114 737.9

(32)【優先日】2021-06-08

(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE

(73)【特許権者】

【識別番号】510238096

【氏名又は名称】ドクター エンジニール ハー ツェー エフ ポルシェ アクチエンゲゼルシャフト

【氏名又は名称原語表記】Ｄｒ． Ｉｎｇ． ｈ．ｃ． Ｆ． Ｐｏｒｓｃｈｅ Ａｋｔｉｅｎｇｅｓｅｌｌｓｃｈａｆｔ

【住所又は居所原語表記】Ｐｏｒｓｃｈｅｐｌａｔｚ １， Ｄ－７０４３５ Ｓｔｕｔｔｇａｒｔ， Ｇｅｒｍａｎｙ

(74)【代理人】

【識別番号】100202647

【弁理士】

【氏名又は名称】寺町 健司

(72)【発明者】

【氏名】トビアス エンゲルハルト

(72)【発明者】

【氏名】シュテファン エクスレン

【審査官】服部 俊樹

(56)【参考文献】

【文献】特開２０２０－０８９２６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－１５４１５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開昭５１－０４９４１０（ＪＰ，Ｕ）

【文献】実開昭６０－１８１１４９（ＪＰ，Ｕ）

【文献】国際公開第２０２０／１７４１８０（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００３－２５０２３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０２２－５２９３０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－１６６７０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開昭６１－００２７４８（ＪＰ，Ｕ）

【文献】実開昭５９－０５０５４７（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特表２０２１－５０５１１８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｋ １／２０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

積層固定子コア（２）を備える電気機械（１００）用の固定子（１）であって、前記積層固定子コア（２）が、固定子軸に平行な軸方向（Ａ）に沿って配置された固定子スロット（３）および前記固定子スロット（３）の半径方向内側を開口するスロットスリット（７）を有し、流体密スロット絶縁体（５）が、前記固定子スロット（３）の内壁面から前記スロットスリット（７）に亘って連続して延在することで、前記流体密スロット絶縁体（５）に囲まれた、前記固定子スロット（３）の内部空間（５´）および前記スロットスリット（７）内に突出する冷却チャネル（６）を画定しており、導電体（４）が前記固定子スロット（３）内の前記内部空間（５´）に配置され、前記冷却チャネル（６）は、前記軸方向（Ａ）に対して直交に定められた径方向（Ｒ）で前記導電体（４）から離間配置されており、前記内部空間（５´）は、内部に前記導電体（４）を配置するとともに前記導電体を直接的に冷却できるよう構成されており、前記スロットスリット（７）の周方向（Ｕ）の幅は、前記前記固定子スロット（３）の周方向（Ｕ）の幅よりも狭い、ことを特徴とする固定子（１）。

【請求項2】

前記積層固定子コア（２）のヨーク側の凹部（８）をさらに備え、前記流体密スロット絶縁体（５）が前記固定子スロット（３）の内壁面から前記凹部に亘って連続して延在して、前記凹部（８）内でもう一つの冷却チャネル（６）をさらに画定する、請求項１に記載の固定子（１）。

【請求項3】

前記冷却チャネル（６）が前記内部空間（５´）に流体接続される、請求項１に記載の固定子（１）。

【請求項4】

前記固定子（１）が、前記積層固定子コアの端面（２´）にエンドプレート（９）を有し、前記エンドプレート（９）が径方向部分（９．１）を有し、前記径方向部分（９．１）の主延在方向が前記径方向（Ｒ）に配置され、前記径方向部分（９．１）が、前記導電体（４）を、前記径方向部分（９．１）を通して前記固定子スロット（３）から前記固定子（１）の巻線オーバーハング領域（１０）に通すための開口部（９．３）と、前記冷却チャネル（６）を前記巻線オーバーハング領域（１０）に流体接続するためのさらなる開口部（９．４）とを有する、請求項１に記載の固定子（１）。

【請求項5】

前記開口部（９．３）が、前記巻線オーバーハング領域（１０）と前記冷却チャネル（６）の前記内部空間（５´）との間に流体密シール（９．７）を有する、請求項４に記載の固定子（１）。

【請求項6】

前記開口部（９．３）の縁部が、前記スロット絶縁体（５）の縁部に流体密に接続され、前記開口部（９．３）の前記縁部が、好ましくは前記スロット絶縁体（５）の前記縁部に溶接若しくは接着結合される又は前記スロット絶縁体（５）の前記縁部に成形される、請求項４に記載の固定子（１）。

【請求項7】

前記エンドプレート（９）が軸方向部分（９．５）を有し、前記軸方向部分（９．５）の主延在方向が前記軸方向（Ａ）に配置され、前記軸方向部分（９．５）がチャネル（９．６）を有し、前記チャネル（９．６）が、前記冷却チャネル（６）の主延在方向に沿って配置される、請求項４に記載の固定子（１）。

【請求項8】

前記エンドプレート（９）、特に前記径方向部分（９．１）が、前記積層固定子コア（２）の前記端面（２´）に接着結合される又は前記積層固定子コア（２）の前記端面（２´）に成形される、請求項４に記載の固定子（１）。

【請求項9】

請求項１に記載の固定子（１）を備える電気機械（１００）。

【請求項10】

請求項９に記載の電気機械（１００）を備える自動車（２００）。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、積層固定子コアを備える電気機械用の固定子であって、積層固定子コアが、固定子軸に平行な軸方向に沿って配置された固定子スロットを有し、導電体が固定子スロットに配置され、流体密スロット絶縁体が、導電体と積層固定子コアとの間で固定子スロットに配置される、固定子に関する。さらに、本発明は、固定子を備える電気機械、及び電気機械を備える自動車に関する。

【背景技術】

【0002】

電気機械、特に高性能電気機械は、運転中に冷却する必要がある。典型的には、電気機械の構成要素の温度適合性は出力制限効果を有し、その結果、冷却に特に注意が払われる。

【0003】

オイルなどの冷却液を電気機械の固定子の導電体に直接適用することが特に効果的であることが分かっている。このために、冷却液は通常、固定子の巻線オーバーハング領域に導入される。冷却液は、導電体に沿って、固定子の固定子スロットを通って、さらなる巻線オーバーハング領域に流れ込む。そこで、冷却液が固定子から出て、冷却液によって吸収された熱を放散することができる。

【0004】

先行技術で述べられている方法は非常に効率的であるが、導電体に沿って固定子スロットを通る冷却液の通過は、高い流れ抵抗を引き起こし、これは、それに対応して、冷却液の流れを生成するための強力なポンプを必要とし、ポンプに必要な高コスト、高重量、及び大きな設置空間につながる。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

したがって、本発明の目的は、先行技術の上記の欠点を有さず、冷却液の流れを生成するためのより小さく、したがってより軽く、より安価なポンプの使用を可能にする電気機械用の固定子を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

この目的は、積層固定子コアを備える電気機械用の固定子であって、積層固定子コアが、固定子軸に平行な軸方向に沿って配置された固定子スロットを有し、導電体が固定子スロットに配置され、流体密スロット絶縁体が、導電体と積層固定子コアとの間で固定子スロットに配置される、固定子であって、スロット絶縁体がそれぞれ、軸方向に対して直交に定められた径方向で導電体から離間配置された冷却チャネルを有する固定子によって実現される。

【0007】

本発明による固定子は、かなり軽量であり、より安価な、より小型のポンプの使用を可能にする。冷却チャネルは、流れ抵抗を顕著に減少させ、それと同時に、導電体の冷却の効率がほとんど損なわれず、特に巻線オーバーハングの冷却の効率がまったく損なわれない。さらに、より低い流れ抵抗は、ポンプの耐用年数を大幅に延ばす。

【0008】

導電体は、特に矩形断面を有する導体レールであることが好ましい。導電体はヘアピン要素であることが特に好ましい。

【0009】

スロット絶縁体がＰＥＥＫから製造されることが好ましい。スロット絶縁体が固定子スロットに挿入されることが考えられる。しかし、スロット絶縁体が固定子スロットに積層又は成形されることも考えられる。

【0010】

スロット絶縁体の使用により、積層固定子コアを打抜きして組み立てることができる。しかし、積層固定子コアが、溶接、好ましくはレーザ溶接によって、又は焼き付けエナメルの塗布によって固定子の背面に沿って組み立てられることも考えられる。

【0011】

固定子は、内側回転子機械の固定子であることが好ましい。

【0012】

本発明の有利な実施形態及び発展形態は、従属請求項及び図面を参照した説明で見ることができる。

【0013】

本発明の好ましい実施形態によれば、冷却チャネルが、積層固定子コアのスロットスリットに配置される。それにより、有利には、固定子の電磁特性をわずかにしか損なわない又はまったく損なわない冷却チャネルの配置が可能になる。スロットスリットへのスロット絶縁体の突出部として冷却チャネルが設けられることが考えられる。特に、冷却チャネルが、積層固定子コアの回転方向で導電体を越えて突出しない。

【0014】

本発明の別の好ましい実施形態によれば、冷却チャネルが、積層固定子コアのヨーク側の凹部に配置される。それにより、有利には、ヨーク側での導電体の非常に良好な冷却が得られる。凹部及び冷却チャネルが、積層固定子コアの回転方向で導電体を越えて突出せず、好ましくは回転方向で導電体よりも小さい広がりを有することが好ましい。

【0015】

本発明の別の好ましい実施形態によれば、導電体がスロット絶縁体の内部空間に配置され、冷却チャネルが内部空間に流体接続される。これは、有利には、冷却液が冷却チャネルと内部空間との両方を通って流れることを可能にし、その過程で、低い流れ抵抗で導電体が冷却液によって直接作用を及ぼされ、したがって冷却されることを可能にする。

【0016】

本発明の別の好ましい実施形態によれば、導電体がスロット絶縁体の内部空間に配置され、冷却チャネルが内部空間から流体密に分離される。言い換えると、導電体は間接的に冷却される。内部空間からの冷却チャネルの流体分離により、スロット絶縁体の非常に安定した構造が可能になる。冷却チャネルを内部空間から分離するために好ましくは提供される隔壁が、スロット絶縁体を補強し、固定子の製造中の取扱いを大幅に改善する。

【0017】

本発明の別の好ましい実施形態によれば、固定子が、積層固定子コアの端面にエンドプレートを有し、エンドプレートが径方向部分を有し、径方向部分の主延在方向が径方向に配置され、径方向部分が、導電体を、径方向部分を通して固定子スロットから固定子の巻線オーバーハング領域に通すための開口部と、冷却チャネルを巻線オーバーハング領域に流体接続するためのさらなる開口部とを有する。その結果、積層固定子コアに対して巻線オーバーハング領域が閉じられ、巻線オーバーハング領域から回転子と固定子との間の電気機械のエアギャップに冷却液が流出して、そこで大きな摩擦損失をもたらすのを防ぐことを可能にする。

【0018】

エンドプレートが端面に流体密に固定され、それによりエンドプレートと端面との間に冷却液が入らないことを保証することが好ましい。さらに、エンドプレート自体が流体密であることが好ましい。

【0019】

エンドプレートが電気絶縁材料から製造されることが好ましい。エンドプレートが、プラスチック、好ましくは繊維強化プラスチックから製造されることが考えられる。

【0020】

本発明の別の好ましい実施形態によれば、開口部が、巻線オーバーハング領域と冷却チャネルの内部空間との間に流体密シールを有する。これは、有利には、特に固定子スロット内の導電体の間接的な冷却の場合に、冷却液が巻線オーバーハング領域から内部空間に流出しないことを保証する。

【0021】

本発明の別の好ましい実施形態によれば、開口部の縁部が、スロット絶縁体の縁部に流体密に接続され、開口部の縁部が、好ましくはスロット絶縁体の縁部に溶接若しくは接着結合される又はスロット絶縁体の縁部に成形される。これは、冷却液がエンドプレートと端面との間の開口部に入らず、そこからエアギャップに入らないことを保証する有利な方法である。

【0022】

さらなる開口部の縁部が、スロット絶縁体の縁部に、特に冷却チャネルの縁部に流体密に接続され、開口部の縁部が、好ましくはスロット絶縁体の縁部に溶接若しくは接着結合される又はスロット絶縁体の縁部に成形されることが好ましい。

【0023】

本発明の別の好ましい実施形態によれば、エンドプレートが軸方向部分を有し、軸方向部分の主延在方向が軸方向に配置され、軸方向部分がチャネルを有し、チャネルが、冷却チャネルの主延在方向に沿って配置される。これにより、有利には、エアギャップを封止するために追加のキャンを提供する必要がないことが保証される。同時に、チャネルは、軸方向部分によって流れ抵抗が増加されないという効果を有する。

【0024】

しかし、固定子及び／又は好ましくは電気機械がキャンを備えることも考えられ、キャンはチャネルを有し、チャネルは冷却チャネルの主延在方向に沿って配置される。

【0025】

本発明の別の好ましい実施形態によれば、エンドプレート、特に径方向部分が、積層固定子コアの端面に接着結合される又は積層固定子コアの端面に成形される。有利には、これは、冷却液が巻線オーバーハング領域からエンドプレートと端面との間の領域に逃げるのを防ぐために、非常に良好な封止を保証する。

【0026】

冒頭で述べた目的を達成するための本発明のさらなる主題は、本発明による固定子を備える電気機械である。

【0027】

冒頭で述べた目的を達成するための本発明のさらなる主題は、本発明による電気機械を備える自動車である。

【0028】

本発明による固定子に関連して上で開示したすべての詳細、特徴、及び利点は、本発明による電気機械及び本発明による自動車にも同様に関連する。

【0029】

本発明のさらなる詳細、特徴、及び利点は、図面及び図面を参照した好ましい実施形態の以下の説明から明らかになろう。図面は、本発明の例示的実施形態を単に例示するものであり、本発明の概念を限定するものではない。

【図面の簡単な説明】

【0030】

【図1】本発明の例示的実施形態による固定子の詳細を概略的に示す図である。

【図2】本発明の例示的実施形態による固定子の詳細を概略的に示す図である。

【図3】本発明の例示的実施形態による電気機械を備えた、本発明の例示的実施形態による自動車を概略的に示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0031】

図１の（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ、本発明の例示的実施形態による固定子１の詳細を概略的に示す。

【0032】

図１（ａ）は、固定子１の一部を示す。図１（ａ）は、３つの固定子スロット３を有する積層固定子コア２を示す。導電体４、好ましくはヘアピン巻線の一部が、固定子スロット３に配置される。導電体４と積層固定子コア２との間に、好ましくはＰＥＥＫから製造された電気絶縁性のスロット絶縁体５が設けられる。

【0033】

スロット絶縁体５は流体密である。これにより、冷却液、例えばオイルがスロット絶縁体５を通って流れ、スロット絶縁体５の内部空間５’に配置された導電体４に直接作用して冷却することが可能になる。スロット絶縁体５を流体密にすることは、冷却液がスロットスリット７を通って固定子１と回転子（図３を参照）との間の領域（「エアギャップ」と呼ぶ）に入り、そこで大きな摩擦損失をもたらすのを防ぐ効果的な手段である。

【0034】

流れる冷却液に抗する流れ抵抗を低減するために、導電体４から径方向Ｒに離間配置された冷却チャネル６が設けられる。流れ抵抗がより低いことで、より小さく、より軽く、より安価なポンプを使用して冷却液の流れを生成することが可能である。ここに示される実施形態では、冷却チャネル６は、積層固定子コア２のヨーク側の凹部８、及びスロットスリット７に設けられている。それにより、導電体４の均一な冷却が実現される。

【0035】

導電体４のより良い機械的支持のために、冷却チャネル６が周方向Ｕで導電体４を越えて延びない。

【0036】

図１（ｂ）は、本発明の別の好ましい実施形態による固定子１の一部を概略的に示す。図１（ａ）に示される固定子と同様に、固定子１は、固定子スロット３に配置された導電体４を有する。スロット絶縁体５は導電体４の周りに配置され、スロットスリット７及び積層固定子コア２のヨーク側の凹部８において冷却チャネル６が径方向Ｒで導電体から離間配置されている。

【0037】

ここに示される例示的実施形態は、冷却チャネル６と、導電体４が配置されるスロット絶縁体５の内部空間５’との間に隔壁６’が配置されている点で、図１（ａ）での実施形態とは異なる。隔壁６’は流体密であり、冷却液が冷却チャネル６から内部空間５’に入るのを防ぐ。

【0038】

導電体４の間接的な冷却により、図１（ａ）に示される例示的実施形態に比べて冷却効率がわずかに低下するが、隔壁６’は、スロット絶縁体５の剛性を大幅に高め、固定子１の製造中の取扱いの改善に寄与する。

【0039】

図２は、本発明の例示的実施形態による固定子１の詳細を斜視図で概略的に示す。図２は、積層固定子コア２の端面２’に配置された電気絶縁性の流体密エンドプレート９を示す。

【0040】

エンドプレート９は径方向部分９．１を有し、径方向部分９．１は、端面２’に流体密に接続される。径方向部分９．１は、導電体４を固定子スロット（図１（ａ）及び（ｂ）を参照）から巻線オーバーハング領域１０に通すための開口部９．３を有する。さらに、径方向部分９．１はさらなる開口部９．４を有し、開口部９．４を通して、冷却チャネル６が巻線オーバーハング領域１０に接続される。

【0041】

高い密封性を保証し、エンドプレート９と端面２’との間の巻線オーバーハング領域１０から冷却液が出るのを防ぐために、開口部９．３の縁部及びさらなる開口部９．４の縁部はスロット絶縁体５に流体密に接続される。

【0042】

さらに、開口部９．３の領域で、固定子１は、巻線オーバーハング領域１０から内部空間（図１（ａ）及び（ｂ）を参照）への冷却液の浸入を防ぐシール９．７を有する。

【0043】

エンドプレート９は、軸方向Ａに延びる軸方向部分９．５をさらに有する。軸方向部分９．５は、冷却液が巻線オーバーハング領域１０から回転子空間（図示せず）に、したがってエアギャップに入るのを防ぐ。流れ抵抗をさらに低減するために、軸方向部分９．５はチャネル９．６を有し、チャネル９．６は、スロットスリット（図１（ａ）及び（ｂ）を参照）に配置された冷却チャネル６の前で軸方向Ａに延びる。

【0044】

図３は、本発明の例示的実施形態による電気機械１００を備えた、本発明の例示的実施形態による自動車２００を概略的に示す。電気機械１００は、本発明の例示的実施形態による回転子１１及び固定子を備える。

【符号の説明】

【0045】

１ 固定子
２ 積層固定子コア
２’ 端面
３ 固定子スロット
４ 導電体
５ スロット絶縁体
５’ 内部空間
６ 冷却チャネル
６’ 隔壁
７ スロットスリット
８ 凹部
９ エンドプレート
９．１ 径方向部分
９．３ 開口部
９．４ さらなる開口部
９．５ 軸方向部分
９．６ チャネル
９．７ シール
１０ 巻線オーバーハング領域
１１ 回転子
１００ 電気機械
２００ 自動車
Ａ 軸方向
Ｒ 径方向
Ｕ 周方向

【図1】

【図2】

【図3】