JP2006174550A - ディスク型回転電機のステータ構造 - Google Patents

ディスク型回転電機のステータ構造 Download PDF

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Akihiko Tan
愛彦 丹
Hirofumi Shimizu
宏文 清水
Jun Watanabe
純 渡辺
Takashi Kato
崇 加藤
Hisayuki Furuse
久行 古瀬
Kenta Suzuki
健太 鈴木
Noriyuki Ozaki
則之 尾崎
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Abstract

【課題】 抜熱性能の向上により大容量にも対応可能であると共に、ステータ強度の向上により大トルクにも対応可能であるディスク型回転電機のステータ構造を提供すること。
【解決手段】 永久磁石22を配置したロータ2と、ステータコア31,41とコイル32,42を有するステータ3,4と、を備え、前記ロータ2と前記ステータ3,4が軸方向に配設されたディスク型回転電機M1において、前記ステータ3,4は、回転電機ケースと一体化したステータ内周壁33,43とステータ外周壁34,44を有し、該内外周壁33,34及び内外周壁43,44との間に形成される空間を樹脂モールド36,46により埋め込み、かつ、前記ステータ内周壁33,43とステータ外周壁34,44とのそれぞれに内周壁冷媒路61,71と外周壁冷媒路62.72を設けた。
【選択図】 図1

Description

本発明は、ステータとロータが軸方向に対向配置されるディスク型回転電機のステータ構造の技術分野に属する。
永久磁石をロータ内部に埋め込んだ埋込磁石同期モータ(IPMSM:Interior Permanent Magnet Synchronus Motor)や永久磁石をロータ表面に張り付けた表面磁石同期モータ(SPMSM:Surface Permanent Magnet Synchronus Motor)は、損失が少なく、効率が良く、出力が大きい(マグネットトルクのほかにリラクタンストルクも利用できる)等の理由により、電気自動車用モータやハイブリッド車用モータ等の用途にその応用範囲を拡大している。
このような永久磁石同期モータであって、ステータとロータが軸方向に対向配置されるディスク型モータは、薄型化が可能であり、レイアウトに制限がある用途に使用されている(例えば、特許文献1参照)。
特開平11−187635号公報
しかしながら、従来のディスク型モータにおいて、例えば、ステータを固定するモータケースに冷媒路を設ける場合には、ステータ外周側のみに配設された冷媒路となり、冷却面積が狭くなり、大容量の回転電機には対応できない。また、ステータの外周部のみをモータケースに固定支持する場合は、ステータ強度を十分に高くすることができず、大トルクの回転電機に適用することができない、という問題があった。
本発明は、上記問題に着目してなされたもので、抜熱性能の向上により大容量にも対応可能であると共に、ステータ強度の向上により大トルクにも対応可能であるディスク型回転電機のステータ構造を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明では、永久磁石を配置したロータと、ステータコアとコイルを有するステータと、を備え、前記ロータと前記ステータが軸方向に配設されたディスク型回転電機において、
前記ステータは、回転電機ケースと一体化したステータ内周壁とステータ外周壁を有し、該内外周壁との間に形成される空間を樹脂モールドにより埋め込み、かつ、前記ステータ内周壁とステータ外周壁とのそれぞれに内周壁冷媒路と外周壁冷媒路を設けたことを特徴とする。
よって、本発明のディスク型回転電機のステータ構造にあっては、ステータ外周部のみに冷媒路を設ける場合に比べ、内周壁冷媒路と外周壁冷媒路によりステータの冷却面積を広く確保することが可能であるため、樹脂モールドを介してステータから熱を抜く抜熱性能が向上し、大容量の回転電機にも対応可能な冷却能力を得ることができる。それに加えて、ステータは、回転電機ケースを構成するステータ内周壁とステータ外周壁により、樹脂モールドを介して複数の面で支持されるため、ステータ支持強度が向上し、大トルクの回転電機にも適用可能となる。
以下、本発明のディスク型回転電機のステータ構造を実施するための最良の形態を、図面に示す実施例1〜実施例5に基づいて説明する。
まず、構成を説明する。
図1は実施例1のステータ構造が適用された1ロータ・2ステータ構造のディスク型回転電機を示す全体断面図である。
実施例1のディスク型回転電機M1は、回転軸1と、ロータ2と、第1ステータ3と、第2ステータ4と、シム5と、第1冷媒路閉塞部材6と、第2冷媒路閉塞部材7と、第1ボルト8と、第2ボルト9と、を備えている。
前記回転軸1は、第1冷媒路閉塞部材6に設けられた第1軸受け10と第2冷媒路閉塞部材7に設けられた第2軸受け11によって回転自在に支持されている。
前記ロータ2は、ロータベース21と永久磁石22により構成され、前記回転軸1に対し、第1ステータ3と第2ステータ4により軸方向に挟まれた位置に固定されている。前記ロータベース21は、回転軸1に固定された電磁鋼鈑(強磁性体)により構成され、両ステータ3,4から与えられる回転磁束に対し、永久磁石22,22に反力を発生させ、回転軸1と共に回転する。前記永久磁石22は、前記ロータベース21の両ステータ3,4との対向面位置に複数埋め込まれていて、周方向に隣接する表面磁極(N極,S極)は、互いに相違するよう配置されている。ここで、ロータ2と両ステータ3,4との間には、エアギャップ23,23と呼ばれる隙間が存在し、互いに接触することはない。
前記第1ステータ3と第2ステータ4は、前記ロータ2に対し軸方向に配設され、複数のステータコア31,41と、各ステータコア31,41に巻き回されたコイル32,42と、を有する。
前記第1ステータ3は、回転電機ケースと一体化したステータ内周壁33とステータ外周壁34を有し、該内外周壁33,34との間に形成される空間を樹脂モールド36により埋め込み、かつ、前記ステータ内周壁33とステータ外周壁34とのそれぞれに内周壁冷媒路61と外周壁冷媒路62を設けている。
前記ステータ内周壁33とステータ外周壁34とをステータ側壁35にて一体に連結することで、回転電機ケースの一部を構成している。なお、前記ステータコア31には、絶縁体37を介してコイル32が巻き回されている。そして、ステータコア31の一端面には、バックコア38が設けられ、該バックコア38は、ステータ側壁35に固定されている。また、ステータコア31とバックコア38とを合わせた軸方向長さは、ステータ内周壁33とステータ外周壁34の軸方向突出長と一致し、ステータコア31の他端面は、エアギャップ23を介してロータ2と対向している。すなわち、第1ステータ3は、図2に示すように、ドーナツ状ブロックとして構成される。
前記第2ステータ4は、回転電機ケースと一体化したステータ内周壁43とステータ外周壁44を有し、該内外周壁43,44との間に形成される空間を樹脂モールド46により埋め込み、かつ、前記ステータ内周壁43とステータ外周壁44とのそれぞれに内周壁冷媒路71と外周壁冷媒路72を設けている。
前記ステータ内周壁43とステータ外周壁44とをステータ側壁45にて一体に連結することで、回転電機ケースの一部を構成している。なお、前記ステータコア41には、絶縁体47を介してコイル42が巻き回されている。そして、ステータコア41の一端面には、バックコア48が設けられ、該バックコア48は、ステータ側壁45に固定されている。また、ステータコア41とバックコア48とを合わせた軸方向長さは、ステータ内周壁43とステータ外周壁44の軸方向突出長と一致し、ステータコア41の他端面は、エアギャップ23を介してロータ2と対向している。すなわち、第2ステータ4は、ドーナツ状ブロックとして構成される。
前記内周壁冷媒路61,71と外周壁冷媒路62,72は、図3に示すように、ステータ端部から軸方向に2つの有底環状溝を形成し、該有底環状溝の形成により開口したステータ端部にO−リング12,13によりシール性を保ちながら第1冷媒路閉塞部材6と第2冷媒路閉塞部材7を固定することで構成している。なお、内周壁冷媒路61と外周壁冷媒路62は、図2に示すように、それぞれ冷媒供給口61a,62aと、冷媒排出口61b,62bとを有する。なお、内周壁冷媒路71と外周壁冷媒路72も同様である。
前記シム5は、前記ステータ外周壁34,44と同じ内径と外径を持つ環状部材であり、軸方向長さは、前記エアギャップ23,23を最適に管理するように設定される。そして、電動機ケースは、ステータ内周壁33,43と、ステータ外周壁34,44と、ステータ側壁35,45と、シム5と、第1冷媒路閉塞部材6及び第2冷媒路閉塞部材7により、全体として一体的に構成されている。
次に、作用を説明する。
実施例1のディスク型回転電機M1のステータ構造にあっては、ステータ外周部のみに冷媒路を設ける場合に比べ、第1内周壁冷媒路61と第1外周壁冷媒路62により第1ステータ3の冷却面積を広く確保することが可能であるし、第2内周壁冷媒路71と第2外周壁冷媒路72により第2ステータ4の冷却面積を広く確保することが可能である。このため、樹脂モールド36,46を介して両ステータ3,4から熱を抜く抜熱性能が向上し、大容量の回転電機にも対応可能な冷却能力を得ることができる。
それに加えて、両ステータ3,4は、回転電機ケースを構成するステータ内周壁33,43とステータ外周壁34,44により、樹脂モールド36,37を介し、少なくとも内外周の複数の面で支持される。このため、ステータ支持強度が向上し、大トルクの回転電機にも適用可能となる。
さらに、回転電機ケースの一部を、ステータ内周壁33,43とステータ外周壁34,44とをステータ側壁35,45にて一体に連結することで構成した。このため、両ステータ3,4は、内周と外周と軸方向端面との3方向の面にて支持されることで、内外周支持に比べ、ステータ支持強度はさらに高いものとなる。
また、第1内周壁冷媒路61と第1外周壁冷媒路62は、ステータ端部から軸方向に2つの有底環状溝を形成し、該有底環状溝の形成により開口したステータ端部にシール性を保ちながら第1冷媒路閉塞部材6を固定することで構成し、第2内周壁冷媒路71と第2外周壁冷媒路72は、ステータ端部から軸方向に2つの有底環状溝を形成し、該有底環状溝の形成により開口したステータ端部にシール性を保ちながら第2冷媒路閉塞部材7を固定することで構成した。このため、これら冷媒路61,62,71,72を有底環状溝を形成するだけの簡単な加工にて得ることができる。加えて、両冷媒路閉塞部材6,7は、回転電機ケースの一部を構成することで、両冷媒路閉塞部材6,7を有さないものと比べ、ステータ支持強度はさらに高いものとなる。
次に、効果を説明する。
実施例1のディスク型回転電機M1のステータ構造にあっては、下記に列挙する効果を得ることができる。
(1) 永久磁石22を配置したロータ2と、ステータコア31,41とコイル32,42を有するステータ3,4と、を備え、前記ロータ2と前記ステータ3,4が軸方向に配設されたディスク型回転電機M1において、前記ステータ3,4は、回転電機ケースと一体化したステータ内周壁33,43とステータ外周壁34,44を有し、該内外周壁33,34及び内外周壁43,44との間に形成される空間を樹脂モールド36,46により埋め込み、かつ、前記ステータ内周壁33,43とステータ外周壁34,44とのそれぞれに内周壁冷媒路61,71と外周壁冷媒路62.72を設けたため、抜熱性能の向上により大容量にも対応することができると共に、ステータ強度の向上により大トルクにも対応することができる。
(2) 前記回転電機ケースは、ステータ内周壁33,43とステータ外周壁34,44とをステータ側壁35,45にて一体に連結することで構成したため、両ステータ3,4は、内周と外周と軸方向端面との3方向の面にて支持されることで、内外周支持に比べ、ステータ支持強度をさらに高いものとすることができる。
(3) 前記内周壁冷媒路61,71と外周壁冷媒路62,72は、ステータ端部から軸方向に2つの有底環状溝を形成し、該有底環状溝の形成により開口したステータ端部にシール性を保ちながら冷媒路閉塞部材6,7を固定することで構成したため、簡単な加工にて冷媒路を構成することができると共に、両冷媒路閉塞部材6,7を有さないものと比べ、ステータ支持強度をさらに高いものとすることができる。
実施例2は、外周壁冷媒路の流路断面積を、内周壁冷媒路の流路断面積より小さく設定した例である。
すなわち、実施例2のディスク型回転電機M2のステータ構造は、図4に示すように、第2外周壁冷媒路72’は、第2内周壁冷媒路71の流路断面積に比べ、流路断面積を小さく設定している。なお、他の構成は実施例1と同様であるので、対応する構成に同一符号を付して説明を省略する。
次に、作用を説明すると、ステータ外周壁44に設けられた第2外周壁冷媒路72’は、ステータ内周壁43に設けられた第2内周壁冷媒路71の流路断面積に比べ、流路断面積を小さく設定しているため、同じ流量の冷媒を第2外周壁冷媒路72’と第2内周壁冷媒路71に供給した場合、冷媒の流速は第2内周壁冷媒路71より第2外周壁冷媒路72’の方が増加する。この結果として、第2外周壁冷媒路72’側での冷媒への熱伝達率が向上するので、ステータ内周壁43に比べて発熱量の大きいステータ外周壁44の抜熱性能が向上し、第2ステータ4をより均一に冷却することができる。なお、第1ステータ3についても同様の作用を示す。また、他の作用は、実施例1と同様であるため説明を省略する。
次に、効果を説明すると、実施例2のディスク型回転電機M2のステータ構造にあっては、実施例1の(1),(2),(3)の効果に加え、下記の効果を得ることができる。
(4) 第2外周壁冷媒路72’は、第2内周壁冷媒路71の流路断面積に比べ、流路断面積を小さく設定したため、ステータ内周壁43に比べて発熱量の大きいステータ外周壁44の抜熱性能が向上し、第2ステータ4をより均一に冷却することができる。
実施例3は、ステータ内周壁の径方向壁厚を、ステータ外周壁の径方向壁厚に比べて薄く設定した例である。
すなわち、実施例3のディスク型回転電機M3のステータ構造は、図5に示すように、ステータ内周壁43は、ステータ外周壁44の径方向壁厚t1に比べ、径方向壁厚t2(<t1)を薄く設定している。なお、他の構成は実施例1と同様であるので、対応する構成に同一符号を付して説明を省略する。
次に、作用を説明すると、ステータ内周壁43は、ステータ外周壁44の径方向壁厚t1に比べ、径方向壁厚t2を薄く設定しているため、第2ステータ4の内側のスペースを有効に利用することができ、スペース効率が向上する。なお、第1ステータ3についても同様の作用を示す。また、他の作用は、実施例1と同様であるため説明を省略する。
次に、効果を説明すると、実施例3のディスク型回転電機M3のステータ構造にあっては、実施例1の(1),(2),(3)の効果に加え、下記の効果を得ることができる。
(5) ステータ内周壁43は、ステータ外周壁44の径方向壁厚t1に比べ、径方向壁厚t2を薄く設定したため、ステータの内側のスペースを有効に利用することができ、スペース効率を向上させることができる。
実施例4は、内周壁冷媒路と外周壁冷媒路に加え、ステータ側壁にステータ側壁冷媒路を設けた例である。
実施例4のディスク型回転電機M4のステータ構造は、図6に示すように、内周壁冷媒路71と外周壁冷媒路72に加え、ステータ側壁45にステータ側壁冷媒路73を設けている。そして、前記ステータ側壁冷媒路73は、前記内周壁冷媒路71と外周壁冷媒路72の両方の冷媒路と連通し、1つの冷媒路を構成している。なお、他の構成は実施例1と同様であるので、対応する構成に同一符号を付して説明を省略する。
次に、作用を説明すると、内周壁冷媒路71と外周壁冷媒路72に加え、ステータ側壁45にステータ側壁冷媒路73を設けているため、コイル42のみならず、ステータコア41やバックコア48も併せて冷却することができる。さらに、ステータ側壁冷媒路73は、内周壁冷媒路71と外周壁冷媒路72の両方の冷媒路と連通し、1つの冷媒路を構成しているため、冷却系統を1つだけに減らすことができ、構造が単純化されるので、工数やコストの削減が可能となる。なお、第1ステータ3についても同様の作用を示す。また、他の作用は、実施例1と同様であるため説明を省略する。
次に、効果を説明すると、実施例4のディスク型回転電機M3のステータ構造にあっては、実施例1の(2),(3)の効果に加え、下記の効果を得ることができる。
(6) 内周壁冷媒路71と外周壁冷媒路72に加え、ステータ側壁45にステータ側壁冷媒路73を設けたため、コイル42のみならず、ステータコア41やバックコア48も併せて冷却することができる。
(7) 前記ステータ側壁冷媒路73は、前記内周壁冷媒路71と外周壁冷媒路72の両方の冷媒路と連通し、1つの冷媒路を構成しているため、冷却系統を1つだけに減らすことができ、構造が単純化されるので、工数やコストの削減を図ることができる。
実施例5は、ステータ内周壁の回転軸に対向する部分に凹凸部を設け、該凹凸部と回転軸との間に軸受けを介装した例である。
すなわち、実施例5のディスク型回転電機M3のステータ構造は、図7に示すように、前記ステータ内周壁43は、回転軸1に対向する内側部分に凹凸部43aを設け、該凹凸部43aと回転軸1との間に第2軸受け11を介装している。なお、他の構成は実施例1と同様であるので、対応する構成に同一符号を付して説明を省略する。
次に、作用を説明すると、ステータ内周壁43には、回転軸1に対向する内側部分に凹凸部43aを設け、該凹凸部43aと回転軸1との間に第2軸受け11を介装したため、第2軸受け11により軸方向の荷重を受けることができる。また、ステータ内周壁43の内側部分に第2軸受け11を介装するようにしたため、ステータ内周部分のスペースを有効に利用することができ、スペース効率が向上する。なお、第1ステータ3についても同様の作用を示す。また、他の作用は、実施例1と同様であるため説明を省略する。
次に、効果を説明すると、実施例5のディスク型回転電機M5のステータ構造にあっては、実施例4の効果に加え、下記の効果を得ることができる。
(8) 前記ステータ内周壁43は、回転軸1に対向する内側部分に凹凸部43aを設け、該凹凸部43aと回転軸1との間に第2軸受け11を介装したため、軸方向の荷重を受けることができると共に、ステータ内周部分のスペース有効利用により、スペース効率を向上させることができる。
以上、本発明のディスク型回転電機のステータ構造を実施例1〜実施例5に基づき説明してきたが、具体的な構成については、これらの実施例に限られるものではなく、特許請求の範囲の各請求項に係る発明の要旨を逸脱しない限り、設計の変更や追加等は許容される。
例えば、実施例1〜5では、ディスク型回転電機として、ロータとステータとの間に軸方向のエアギャップを有する例を示したが、ロータとステータとの間には、例えば、油膜が存在するだけで、実質的にエアギャップが存在しないようなディスク型回転電機に対しても適用することができる。
実施例1〜5では、ディスク型回転電機と述べているが、それはディスク型モータとして適用しても良いし、また、ディスク型ジェネレータとして適用しても良い。また、実施例1〜5では、1ロータ・2ステータのディスク型回転電機への適用例を示したが、2ロータ・1ステータのディスク型回転電機や1ロータ・1ステータのディスク型回転電機等、ステータとロータの数が実施例とは異なるディスク型回転電機にも勿論適用することができる。
実施例1のステータ構造が適用されたディスク型回転電機を示す全体断面図である。 実施例1のディスク型回転電機のステータ構造を示す図1のA−A線断面図である。 実施例1のディスク型回転電機のステータ構造を示す図1のB部拡大断面図である。 実施例2のディスク型回転電機の第2ステータ構造を示す拡大断面図である。 実施例3のディスク型回転電機の第2ステータ構造を示す拡大断面図である。 実施例4のディスク型回転電機の第2ステータ構造を示す拡大断面図である。 実施例5のディスク型回転電機の第2ステータ構造を示す拡大断面図である。
符号の説明
M1 ディスク型回転電機
1 回転軸
2 ロータ
21 ロータベース
22 永久磁石
23 エアギャップ
3 第1ステータ(ステータ)
31 ステータコア
32 コイル
33 ステータ内周壁
34 ステータ外周壁
35 ステータ側壁
36 樹脂モールド
37 絶縁体
38 バックコア
4 第2ステータ(ステータ)
41 ステータコア
42 コイル
43 ステータ内周壁
44 ステータ外周壁
45 ステータ側壁
46 樹脂モールド
47 絶縁体
48 バックコア
5 シム
6 第1冷媒路閉塞部材(冷媒路閉塞部材)
61 内周壁冷媒路
62 外周壁冷媒路
63 ステータ側壁冷媒路
7 第2冷媒路閉塞部材(冷媒路閉塞部材)
71 内周壁冷媒路
72 外周壁冷媒路
73 ステータ側壁冷媒路
8 第1ボルト
9 第2ボルト
10 第1軸受け
11 第2軸受け
12,13 O−リング

Claims (8)

  1. 永久磁石を配置したロータと、ステータコアとコイルを有するステータと、を備え、前記ロータと前記ステータが軸方向に配設されたディスク型回転電機において、
    前記ステータは、回転電機ケースと一体化したステータ内周壁とステータ外周壁を有し、該内外周壁との間に形成される空間を樹脂モールドにより埋め込み、かつ、前記ステータ内周壁とステータ外周壁とのそれぞれに内周壁冷媒路と外周壁冷媒路を設けたことを特徴とするディスク型回転電機のステータ構造。
  2. 請求項1に記載のディスク型回転電機のステータ構造において、
    前記回転電機ケースは、ステータ内周壁とステータ外周壁とをステータ側壁にて一体に連結することで構成したことを特徴とするディスク型回転電機のステータ構造。
  3. 請求項1または2に記載のディスク型回転電機のステータ構造において、
    前記内周壁冷媒路と外周壁冷媒路は、ステータ端部から軸方向に2つの有底環状溝を形成し、該有底環状溝の形成により開口したステータ端部にシール性を保ちながら冷媒路閉塞部材を固定することで構成したことを特徴とするディスク型回転電機のステータ構造。
  4. 請求項1乃至3の何れか1項に記載のディスク型回転電機のステータ構造において、
    前記外周壁冷媒路は、内周壁冷媒路の流路断面積に比べ、流路断面積を小さく設定したことを特徴とするディスク型回転電機のステータ構造。
  5. 請求項1乃至4の何れか1項に記載のディスク型回転電機のステータ構造において、
    前記ステータ内周壁は、ステータ外周壁の径方向壁厚に比べ、径方向壁厚を薄く設定したことを特徴とするディスク型回転電機のステータ構造。
  6. 請求項2乃至5の何れか1項に記載のディスク型回転電機のステータ構造において、
    前記内周壁冷媒路と外周壁冷媒路に加え、前記ステータ側壁にステータ側壁冷媒路を設けたことを特徴とするディスク型回転電機のステータ構造。
  7. 請求項6に記載のディスク型回転電機のステータ構造において、
    前記ステータ側壁冷媒路は、前記内周壁冷媒路と外周壁冷媒路のうち、少なくとも一方の冷媒路と連通し、1つの冷媒路を構成していることを特徴とするディスク型回転電機のステータ構造。
  8. 請求項1乃至7の何れか1項に記載のディスク型回転電機のステータ構造において、
    前記ステータ内周壁は、回転軸に対向する内側部分に凹凸部を設け、該凹凸部と回転軸との間に軸受けを介装したことを特徴とするディスク型回転電機のステータ構造。
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