JP2007020382A - アキシャル型モータおよび冷却方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成で、より効果的なモータ冷却を行う。
【解決手段】アキシャル型モータ１０において、ステータ１６は所定のギャップ２２を介してロータ１４に対向配置されている。モータ１０のケース１８には、このギャップ２２の内周側端部２２ａに冷媒を導く注入口２４が形成されている。この注入口２４からギャップ２２の内周側端部２２ａに供給された冷媒２０は、ロータ１４の回転作用により、ギャップ２２の外周側端部２２ｂまで運搬される。この運搬の過程で、冷媒はロータ１４およびステータ１６の熱を除去する。そして、ギャップ２２の外側に放出された冷媒２２は、ケース１８の下方に設けられた排出口２５を介して、ケース外部に排出される。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷却機能を備えたモータ、特に、ロータおよびステータが回転軸に平行な向きに対向配置されたアキシャル型モータおよび当該モータの冷却方法に関する。

従来から、円板状のロータおよびステータを対向配置したアキシャル型モータが広く知られている。このアキシャル型モータは、比較的小型化が容易であるなどの理由から、電気自動車など種々の用途に用いられている。これらのモータは、その運転に伴いコイルからジュール熱等が発生して、発熱することが知られている。かかる発熱によってモータの温度が上昇すると、運転効率低下という問題を生じる。特に、永久磁石を用いる永久磁石型モータの場合は、温度上昇によって永久磁石の磁力が低下するため、モータの温度上昇は極力防止されることが望ましい。また、モータの温度上昇は、運転効率低下だけでなく、モータの寿命低下、具体的には、コイルやステータ鉄心の劣化という問題も招く。

そのため、従来からモータの冷却技術が多数提案されている。例えば、特許文献１には、モータのケース内に冷媒を充填するとともに、当該冷媒を循環させる扁平形交流電動機が開示されている。また、特許文献２には、ロータに潤滑油の通路である潤滑油路を形成したモータが開示されている。このモータでは、供給された潤滑油を、ロータの回転に伴う遠心力を利用して潤滑油路まで導き、この潤滑油でロータを冷却している。

特開平１０−２４３６１７号公報 特開２００３−１６９４４８号公報

しかしながら、特許文献１の技術では、ケース内に充填された冷媒の中でロータが回転駆動することになる。この場合、ロータが冷媒から抵抗を受けて、引き摺り損失と呼ばれる損失が生じ、モータの効率が低下する。また、特許文献２の技術では、冷媒循環のための経路を形成する必要がある。その結果、モータの構成が複雑になるだけでなく、コスト増加などの問題も生じる。また、冷媒とロータとの接触面積、すなわち、冷却面積が小さいため、冷却効率も低かった。

そこで、本発明は、簡易な構成で効率的な冷却ができ得るアキシャル型モータおよび冷却方法を提供することを目的とする。

本発明のアキシャル型モータは、略円板状のロータと、コイルが巻回された複数のティースを備え、所定のギャップを介してロータに対向配置されるステータと、ロータおよびステータを収容するケースと、ケース外部から注入された冷媒を前記ギャップの内周側端部へと導く注入口と、ロータの回転により前記ギャップの内周側端部から外周側端部に運ばれた冷媒をケース外部に排出する排出口と、を備えることを特徴とする。

好適な態様では、ロータまたはステータの少なくとも一方には、ギャップの内周側端部の体積を広げる開口溝が形成されている。開口溝は、外周側に向かうにつれてギャップの高さを小さくする形状であることが望ましい。例えば、開口溝の底面は、内周側に向かって傾斜したテーパ形状であることが望ましい。

開口溝は、少なくともステータに形成されることが望ましい。ステータ側に設けられた開口溝は、冷媒をロータ表面に導く形状であれば、尚、望ましい。例えば、ステータ側に設けられた開口溝の後端面は、ロータ表面に対して略直角であることが望ましい。また、ステータ側に設けられた開口溝の側面は、ロータ表面に対して略直角であることも望ましい。

他の好適な態様では、ステータは、ロータとの対向面が略平坦面である。例えば、ステータは、ティースとティースとの間にあるスロット空間に配され、当該スロット空間の上面を覆う接続部材を有することが望ましい。この接続部材に、ギャップの内周側端部の体積を広げる開口溝が形成されれば、尚、望ましい。

他の好適な態様では、ロータの対向面は、ステータ対向面に比べて、冷媒に対する濡れ性が高い。

他の好適な態様では、ステータは、ティースとティースとの間にあるスロット空間に配され、当該スロット空間の上面を覆う接続部材を有し、前記接続部材には、前記ロータの回転に伴い前記ギャップの外周側端部へと運ばれる冷媒の一部を、コイル方向に導く１以上の案内用開口が設けられている。この場合、前記案内用開口は、回転軸に対して所定方向に傾斜した貫通孔であることが望ましい。また、前記案内用開口は、長孔であることも望ましい。

他の本発明である冷却方法は、略円板状のロータと、所定のギャップを介してロータに対向配置されるステータと、ロータおよびステータを収容するケースと、を備えたアキシャル型モータの冷却方法であって、ケースに設けられた注入口を介して冷媒を、ケース外部からロータとステータとの間のギャップの内周側端部に導き、ロータの回転により生じるギャップ内の圧力差により冷媒をギャップの外周側端部まで運搬し、ギャップの外周側端部から放出された冷媒を、ケースに設けられた排出口を介してケース外部に排出することを特徴とする。

好適な態様では、注入口から注入される冷媒量は、ケース内部が冷媒で充満されない程度の量である。より望ましくは、注入口から注入される冷媒量は、ギャップ内部が冷媒で充満されない程度の量である。

他の好適な態様では、前記ロータの回転に伴い前記ギャップの外周側端部へと運ばれる冷媒の一部を、ステータの一部に形成した１以上の案内用開口を介して、コイル方向に導くことにより、コイルの冷却も行う。

本発明によれば、ロータの回転作用を利用して冷媒の運搬を行うため、冷媒通路等が不要となる。また、ケース内部が冷媒で充満されないため、引き摺り損失等を低減できる。その結果、簡易な構成で、効率的なモータ冷却が可能となる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施形態であるアキシャル型モータ１０の概略断面図である。また、図２は、図１におけるＡ−Ａ断面図である。図１，２における矢印は、後述する冷媒２０の流れを示している。

当該モータ１０の回転軸１２は、図示しないベアリング等によってケース１８に回転自在に固定されている。この回転軸１２には、ロータ１４が固着されており、回転軸１２とともに回転するようになっている。ロータ１４は、略円板形状であり、その内部には永久磁石（図示せず）が複数配列されている。

一方、ケース１８の内側には、略環状のステータ１６が、円板状のロータ１４を挟むように二つ配されている。すなわち、各ステータ１６は、所定のギャップ２２を介してロータ１４に対向配置されている。ステータ１６には、ロータ１４に向かって突出するティース２６が複数形成されている。各ティース２６には、導線が巻かれてコイル２８が形成され、磁極が構成される。そして、このコイル２８に順次電柱を流すことによりティース２６が磁化し、回転磁界が形成される。その結果、ロータ１４の永久磁石が、この回転磁界と相互作用して、ロータ１４が回転し、動力を得ることができる。

ここで、コイル２８を通電し、このモータ１０を運転させた場合、ジュール熱等に起因する温度上昇が生じる。一方、ロータ１４の鉄心には渦電流に起因する発熱が生じ、ロータ１４の温度上昇をもたらす。温度上昇が生じるとロータ１４の永久磁石の磁力が低下し、モータ１０の運転効率が低下するという問題がある。また、温度上昇は、コイル２８等の寿命低下を招くという問題もある。これらの問題を防止するためには、ロータ１４およびステータ１６を効率的に冷却することが必要となる。そこで、本実施形態は、ロータ１４の回転作用を利用して、モータ１０冷却用の液体である冷媒２０をロータ１４およびステータ１６の全面に循環させている。以下、これについて詳説する。

本実施形態では、冷却用の液体である冷媒２０をロータ１４およびステータ１６の間に存在するギャップ２２に供給することを特徴の一つとしている。具体的には、冷媒２０は、ケース１８に設けられた注入口２４から注入される。注入口２４は、回転軸１２の周囲に複数（図１，２では四つの場合を例示）設けられており、ケース１８外部から供給された冷媒２０を、ギャップ２２の内周側端部２２ａまで導く。ギャップ２２の内周側端部２２ａに到達した冷媒２０は、ロータ１４の回転作用により外周側へと導かれる。すなわち、略円板状のロータ１４と、略環状のステータ１６との間には、略環状のギャップ２２が形成される。ロータ１４が高速回転すると、このギャップ２２の内周側と外周側には圧力差が生じる。具体的には、ギャップ２２の内周側は高圧に、ギャップ２２の外周側は低圧になる。この内外圧力差によって、ギャップ２２の内周側端部に到達した冷媒２０は、外周側へと運搬される。この内周側から外周側への移動の際に、冷媒２０は、ロータ１４の表面およびステータ１６の表面と接触し、これらから熱を除去していく。その結果、ロータ１４およびステータ１６の冷却が図られ、モータ１０の運転効率低下が防止される。ギャップ２２の外周側端部２２ｂまで到達した冷媒２０は、ケース１８とロータ１４およびステータ１６との間に形成される空間１９に放出された後、重力によってケース１８の下方へと落下する。落下した冷媒２０は、ケース１８の下端に形成された排出口２５からケース１８外部へと放出される。

以上の説明から明らかなように、本実施形態では、冷媒２０をロータ１４とステータ１６との間のギャップ２２に供給し、ロータ１４の回転作用を利用して当該冷媒２０を内周側から外周側へと移動させている。そのため、冷媒運搬のための専用の経路等が不要となる。その結果、モータ１０の構成を簡易化でき、コストも低減できる。また、冷媒２０がロータ１４およびステータ１６の表面に直接接触するため、高い冷却効果を得られる。

ここで、供給される冷媒２０の量は、ケース１８の内部が冷媒２０で充満させられない程度の量であることが望ましい。さらに、ギャップ２２の内部が冷媒２０で充満させられない程度の量であれば、なお、望ましい。すなわち、ケース１８の内部が液体である冷媒２０で充満させられた場合、ロータ１４の回転により、冷媒２０に、せん断応力が働くことになる。このせん断応力は、モータ１０のエネルギー損失、いわゆる、引き摺り損失となり、モータの運転効率低下の原因となる。また、ギャップ２２の内部が、液体である冷媒２０で充満させられた場合も、低い値ながらせん断応力が働き、引き摺り損失となる。かかる引き摺り損失を防止、または、低減するためには、供給される冷媒２０の量を、ケース１８の内部、より望ましくは、ギャップ２２の内部が、冷媒２０で充満されない程度の量とすることが望ましいのである。

ケース１８の内部が冷媒２０で充満されることを防止するためには、単位時間内で供給される冷媒量を、単位時間内で排出口２５から排出される冷媒量より少なくすればよい。また、ギャップ２２の内部が冷媒２０で充満されることを防止するためには、単位時間内で供給される冷媒量を、単位時間内でギャップ２２の外周側端部２２ｂから放出される冷媒量より少なくすればよい。ギャップ２２の外周側端部２２ｂから放出される冷媒量は、ロータ１４の回転数等に基づいて推測することができるため、ロータ１４の回転数等に基づいて供給する冷媒量を推測すればよい。

ところで、効率的な冷却を実現するためには、供給された冷媒２０の全てが、ギャップ２２内を通過することが望ましい。また、ギャップ２２の内周側と外周側とで充分な圧力差が生じることが必要となる。かかる条件を充足するために、本実施形態では、ステータ１６の上面を略平坦面としている。これについて図３、図４を用いて説明する。図３は通常のアキシャル型モータ１０で用いられるステータ１６、図４は本実施形態におけるステータ１６の一部斜視図である。

通常のアキシャル型モータ１０では、図３に示すように複数のティース２６が突出配置されたステータ１６が用いられる。各ティース２６の間には、底面まで延びる隙間、いわゆるスロット３０が形成されている。そして、このスロット３０の空間を利用して、各ティース２６にコイル２８が巻回される。ただし、コイル２８はティース２６の上面まで巻回されるのではなく、その途中で終わることが多い。また、隣接するティース２６に巻回されたコイル２８とコイル２８との間には、やはり、隙間が生じやすい。つまり、従来のステータ１６の場合、その上面は平坦ではなく、凹凸が多かった。このようにステータ１６上面に凹凸が多数あると、ギャップ２２に供給された冷媒２０が適切にギャップ２２外周端まで運搬されないという問題があった。

すなわち、従来のステータ１６では、ギャップ２２、すなわち、ステータ１６の上方に供給された冷媒２０の一部は、重力や液圧によって、スロット３０空間に落ち込み、ギャップ２２の外周側端部２２ｂまで到達しない場合があった。また、スロット３０空間とギャップ２２とが連通されていることにより、ギャップ２２の内周側と外周側との圧力差が生じにくく、冷媒２０の運搬力が低下するという問題もあった。

そこで、本実施形態では、図４に図示するようにティース２６とティース２６との間を接続する接続部材３２を設けている。接続部材３２は、ステータ１６の上面を略平坦面にするべく、ティース２６とティース２６との間に配置される部材である。この接続部材３２は、ステータ１６に生じる磁界に影響を与えないために、非磁性材料から形成されることが望ましい。あるいは、ティース２６との接触部分に非磁性材料からなるテープを介在させてもよい。この接続部材３２は、スロット３０の横断面と同じ形状の横断面を有しており、スロット３０の上面を完全に覆うことができる。また、接続部材３２は、図示しない固定手段によって、その上面高さがティース２６の上面高さと同じになるように固定される。ただし、この接続部材３２の厚さは、ティース２６の厚さより小さい。したがって、ティース２６の上面高さと接続部材３２の上面高さとを合わせた場合には、接続部材３２の下方に空間が形成される。この空間を利用してコイル２８がティース２６に巻回される。

かかる接続部材３２を設けることにより、ステータ１６の上面は、略平坦面となり、ギャップ２２に供給された冷媒２０の落ち込み等が防止される。また、ギャップ２２は、その外周端および内周端のみが開口した半閉鎖空間となる。そのため、ロータ１４の回転作用により、ギャップ２２の外周側と内周側とに大きな圧力差が生じ、大きな冷媒運搬力が得られる。

さらに、本実施形態では、この接続部材３２の内周側端部に、開口溝３４を設けている。これについて図５、図６を用いて説明する。図５は図４におけるＢ−Ｂ断面図、図６は図４におけるＣ部拡大図である。

図５に示すとおり、接続部材３２の内周側端部には開口溝３４が形成されている。この開口溝３４によって、ギャップ２２の内周側端部２２ａが大きく広がることになる。ここで、冷媒２０は、ギャップ２２の内周側端部２２ａに供給され、この内周側端部２２ａを通ってギャップ２２の外周側へと運搬される。したがって、ギャップ２２の内周側端部２２ａとはギャップ２２内に供給される冷媒２０の入り口である。この冷媒２０の入り口が広くなることにより、入り口付近での冷媒２０の滞留が防止され、効率的な冷媒２０の運搬が可能となる。

すなわち、通常、ある空間に流入する流体は、空間の入り口付近で体積が急激に絞られることにより、流速が大幅に低下し、場合によっては、入り口近傍で渦を形成する。かかる流速の低下が生じると、冷媒２０の運搬効率が低下し、ひいては冷却効率が低下する。しかし、本実施形態では、開口溝３４によって、ギャップ２２の内周側端部２２ａ、すなわち、冷媒２０の入り口が広げられているため、流速の低下等が生じることなく、効率的な冷媒運搬が可能となる。

また、開口溝３４は、径方向に長尺となっている。この開口溝３４に沿って冷媒２０が流れることにより、冷媒２０には径方向の流れが生じ、迅速にギャップ２２の外周側端部２２ｂまで運搬される。その結果、ギャップ２２の内部に滞留する冷媒量が低下し、引き摺り損を低減できる。なお、本実施形態では、接続部材３２に開口溝３４を設けているが、ギャップ２２の内周側端部２２ａが広がるのであれば、当然、他の部位に開口溝を設けてもよい。例えば、ティース２６の上面や、ロータ１４の表面に溝を設けてもよい。ただし、ティース２６の上面に溝を設ける場合は、磁界に影響を与えない位置に設ける。また、ロータ１４の表面に設ける場合は、ロータ１４の回転バランスを崩さないように、同じ形状の複数の溝を、均等に設ける。

本実施形態の開口溝３４は、上面から見た場合に、略扇形状となっている。これは、ティース２６の形状等に合わせるためである。したがって、開口溝３４の幅Ｗは、外周側に向かうほど、徐々に大きくなっている。この溝幅Ｗの増加に合わせるべく、本実施形態の開口溝３４は、外周側に向かうにつれて、徐々に、溝深さＨが小さくなる形状、具体的には、内周側に傾斜したテーパ形状の底面３４ａを有している。このように溝深さＨを外周側に向かうにつれて、徐々に小さくすることで、周方向断面積の変化を防止している。すなわち、開口溝底面が水平であった場合には、周方向断面積は、外周側に向かうにつれて増加することになる。このように空間の断面積が徐々に増加すると、空間内を通過する流体の流速も徐々に低下する、いわゆる拡大損失を生じることになる。本実施形態では、この拡大損失を防止するために、溝幅Ｗの増加に応じて、溝深さＨを減少させている。

また、開口溝３４の底面を、内周側に向かって傾斜させることにより、ロータ１４の表面に向かう冷媒２０の量を増加させることができる。記述したように、ロータ１４に設けられた永久磁石は、温度上昇に伴い、その磁力が低下する。したがって、モータ１０の運転効率向上のためには、ロータ１４の冷却が極めて重要となる。そこで、本実施形態では、開口溝の３４底面を内周側に向かって傾斜したテーパ形状、換言すれば、外周側に向かうにつれてロータ１４の表面に近づく形状としている。これにより、冷媒２０にロータ１４方向への力が働き、ロータ１４表面と接触する冷媒量を増加できる。その結果、ロータ１４の冷却効率を向上できる。

さらに、本実施形態では、開口溝３４の外周側端面、すなわち、後端面３４ｂを回転軸１２に略平行な立ち壁としている。後端面３４ｂを回転軸１２に略平行とすることで、当該後端面３４ｂに衝突した冷媒２０が回転軸方向、換言すれば、ロータ１４の表面にむかって跳ね上がる。その結果、ロータ１４の表面に接触する冷媒２０の量が増加し、ロータ１４の冷却効率を向上できる。

また、開口溝３４の側面３４ｃ、すなわち、ティース２６の側面も回転軸１２に略平行な立ち壁となっている。これにより、側面３４ｃに衝突した冷媒２０に、回転軸方向の力が働く。すなわち、回転遠心力により周方向の流速ベクトルが働いていた冷媒２０が、側面３４ｃに衝突することにより、当該周方向の流速ベクトルが回転軸方向の流速ベクトルへと変換される。これにより、ロータ１４の表面に接触する冷媒量が増加し、ロータ１４の冷却効率をより向上できる。

なお、この開口溝３４の形状は、一例であり、当然ながら、他の形状であってもよい。例えば、図７（Ａ）に示すように、開口溝３４の底面３４ａと後端面３４ｂとの接続部分３４ｄを円弧状にしてもよい。かかる形状とすることで、冷媒２０の流れの向きの変換（径方向から回転軸方向）がよりスムーズに行われ、より効率的なロータ１４冷却が可能となる。また、図７（Ｂ）に示すように、接続部材３２の上面まで傾斜を続ける形状、換言すれば、後端面がない形状としてもよい。かかる形状とすることで、冷媒２０に連続してロータ１４の表面に向かう力が働く。その結果、多量の冷媒２０がロータ１４の表面に接触し、ロータ１４の冷却効率を向上できる。あるいは、図８に示すように、開口溝３４を二段階の傾斜で構成するとともに、この傾斜に応じてロータ１４にも傾斜を形成してもよい。これにより、冷媒２０がより確実にロータ１４の表面に向かうことになり、ロータの冷却効率を向上できる。

さらに、ロータ１４の冷却効率を向上させるために、本実施形態では、ロータ１４表面の冷媒２０に対する濡れ性を、ステータ１６表面のそれより高くしている。冷媒２０に対する濡れ性とは、冷媒２０との接触性や、接触した冷媒２０の保持力等を示すパラメータで、この濡れ性が高いほど冷媒２０との接触性が高く、また、接触した冷媒２０の保持力が高い。ロータ１４の表面の濡れ性をステータ１６のそれより高くすることで、より多少の冷媒２０がロータ１４に接触し、ロータ１４の冷却効率をより向上できる。

この濡れ性は、コーティング等によって容易に変えることができる。したがって、冷媒２０が油性である場合には、ステータ１６の表面に撥油性コーティング（例えば、フッ素コーティングなど）を施せばよい。また、冷媒が水性である場合には、ステータ１６の表面に撥水性コーティング（例えば、フッ素コーティングなど）を施せばよい。あるいは、逆に、ロータ１４の表面に親油性、親水性コーティングを施してもよい。

次に、本実施形態の冷却効果について説明する。はじめに、開口溝３４を設ける効果について簡単に説明する。図９（Ａ）は開口溝３４が無い場合における冷媒の流れを、図９（Ｂ）は開口溝３４を設けた場合における冷媒２０の流れを概略的に示す図である。図９から明らかなように、開口溝３４が無い場合、注入口２４から供給された冷媒２０は、ギャップ２２の内周側端部２２ａで一時的に滞留した後、ギャップ２２内部に至る。このとき、冷媒２０には、回転しているロータ１４から直接受ける周方向の力と、ギャップ２２内の圧力差による径方向の力と、が生じている。そして、この両者の力を受けて、冷媒２０は、回転軸１２を中心とした渦状の軌跡を描いて移動する。

一方、開口溝３４を設けた場合、注入口２４から供給された冷媒２０は、ギャップ２２の内周側端部２２ａで滞留することなく、スムーズにギャップ２２内部に導かれる。また、このギャップ２２の内周側端部２２ａにおいて、冷媒２０は、径方向に長尺の開口溝３４に沿って流れることにより、当該冷媒２０に径方向の力が生じる。つまり、開口溝３４がある場合、冷媒２０には、回転しているロータ１４から直接受ける周方向の力と、ギャップ２２内の圧力差による径方向の力と、さらに、開口溝３４に沿って流れることにより生じる径方向の力と、が生じることになる。その結果、冷媒２０は、ほぼ径方向に流れることができ、開口溝３４が無い場合に比べて短時間でギャップ２２の外周側端部２２ｂに到達することができる。換言すれば、冷媒２０のギャップ２２内での滞留時間が短くなる。これにより、多量の冷媒２０を供給しても、ギャップ２２内が冷媒２０で充満されることがなく、引き摺り損失を低減できる。また、冷媒２０が短時間でギャップ２２の外側に放出されることで、多量の冷媒２０供給が可能となり、ギャップ２２内における冷媒２０の流量を増加できる。その結果、冷却効率をより向上できる。

図１０は、開口溝３４の有無による流量の相違を示すグラフである。図１０において、破線は開口溝３４が無い場合を、実線は開口溝３４がある場合を示している。また、横軸はロータ１４の回転数を、縦軸は単位時間内にギャップ２２の内部の所定位置を通過した冷媒２０の量、すなわち、流量を示している。図１０から明らかなように、開口溝３４を設けた場合、冷媒２０の流用が大幅に増加していることが分かる。これは、開口溝３４を設けることにより、冷媒２０の流速が大幅に増加するためである。

図１１は、開口溝３４の有無による引き摺り損失の相違を示すグラフである。図１１において、破線は開口溝３４溝が無い場合を、実線は開口溝３４がある場合を示している。また、横軸はロータ１４の回転数を、縦軸はモータ１０に生じた損失（引き摺り損失）を示している。図１１から明らかなように、開口溝３４を設けた場合、引き摺り損失は大幅に低減されていることが分かる。これは、開口溝３４を設けることにより、冷媒２０の流速が増加し、その結果、ギャップ２２の内部に存在する冷媒量が低下することに起因する。

次に、ロータ１４の冷却効果について図１２を用いて説明する。図１２（Ａ）は冷却を行わない場合の、図１２（Ｂ）は開口溝３４を設けずに冷却した場合の、図１２（Ｃ）は開口溝３４を設けて冷却した場合のロータ１４の温度分布を示す図である。図１２において温度が高いほど濃い色で図示している。

図１２から明らかなように、冷媒２０をギャップ２２内に供給することによりロータ１４が大幅に冷却されることが分かる。ただし、開口溝３４が無い場合、ロータ１４の中心部（ギャップ２２の内周側端部付近）はある程度冷却されるものの、外周側より僅かに内側部分、すなわち、ギャップ２２の内周側端部２２ａおよび外周側端部２２ｂのいずれからも離れた部分については冷却効果が低いことが分かる。これは、開口溝３４を設けないため、冷媒２０の移動経路が長くなったことに起因する。すなわち、冷媒２０は、ギャップ２２の内部を移動するにつれ、ロータ１４およびステータ１６からの熱を吸収していく。冷媒２０の移動経路が長くなれば、その移動途中で熱吸収力が低下し、ロータ１４の充分な冷却が出来なくなるのである。その結果、適切なロータ冷却ができず、最も、熱がこもりやすい部分の温度が上昇する。

一方、開口溝３４を設けた場合は、図９（Ｂ）に示すように冷媒２０の移動経路が短く、また、冷媒２０の流量も多い。その結果、冷媒２０は、充分な熱吸収能力を維持したまま、ギャップ２２の外周側端部２２ｂまで運搬される。その結果、ロータ１４の全面を適切に冷却することができる。

以上、説明したように本実施形態によれば、モータの運転効率を低下させることなく、簡易な構成でモータの冷却が可能となる。特に、開口溝３４を設けて、ギャップ２２の内周側端部２２ａを広げることにより、より効果的な冷却ができ、また、モータのエネルギ損失をより低減できる。

なお、上記実施形態は、一例であり、冷媒をギャップ２２の内周側端部２２ａから供給できる構成であれば、他の構成であってもよい。したがって、場合によっては、開口溝３４を設けなくてもよい。また、ロータおよびステータ表面の濡れ性は同じ程度であってもよい。また、ステータの表面を略平坦面にするための接続部材も無くてもよく、場合によっては、スロット空間はギャップ２２に対して開口した状態でもよい。また、上記の実施形態では接続部材３２をティース２６と別部材としているが、当該接続部材３２をティース２６と一体形成してもよい。例えば、図１３に示すようにティース２６の上方に左右に張り出して接続部材として機能する張り出し部４０を形成し、当該張り出し部４０に開口溝３４を設けるとともに、当該張り出し部４０の下方にコイル２８を巻回するようにしてもよい。

次に、他の実施形態について図１４を用いて説明する。図１４は、他の実施形態であるアキシャル型モータにおけるステータ１６の部分斜視図である。この実施形態において、ステータ１６は、既述の実施形態と同様に、ロータ１４と対向配置され、ロータ１４とステータ１６とのギャップ２２に冷媒２０が供給される。そして、ロータ１２が回転すると、ギャップ２２の内周側端部２２ａと外周側端部２２ｂで生じる圧力差やロータ回転で生じる遠心力等により冷媒が搬送される構成となっている。これにより、ロータ１２の冷却が実現されている。

さらに、本実施形態では、搬送される冷媒２０の一部をコイル２８の方向に導き、ロータ１４の冷却と同時にコイル２８の冷却も行うべく、ステータ１６の構成を上述の実施形態と変えている。これについて詳説する。

本実施形態においても、ステータ１６のティース２６とティース２６との間には、接続部材３２が設けられており、ステータ１６の上面は略平坦面となっている。そして、当該接続部材３２の下方に形成された空間を利用してコイル２８がティース２６に巻回されている。

本実施形態では、この接続部材３２に、搬送される冷媒２０の一部をコイル２８方向に導くための案内用開口５０を設けている。案内用開口５０は、接続部材３２に設けられ、接続部材３２の上面からコイル２８の方向へと延びる貫通孔である。この案内用開口５０の形状や数、大きさは特に限定されないが、図１４では、案内用開口５０として垂直下方に延びる丸孔を例示している。ギャップ２２に供給された冷媒２０の一部は、この案内用開口５０によって、コイル２８方向へと導かれる。

次に、このステータ１６を用いたアキシャル型モータ１０における冷媒２０の流れについて図１５を用いて説明する。図１５は、図１４におけるＤ−Ｄ相当の位置でのアキシャル型モータ１０の断面図である。

本実施形態においても、上述の実施形態と同様に、冷媒２０が注入口２４からギャップの内周側端部２２ａに供給される。ギャップの内周側端部２２ａに供給された冷媒２０の一部は、ロータ１４の表面に衝突するとともに、微粒化される。また、一部の冷媒２０は、微粒化されることなくロータ１４の表面に液膜を形成し、ロータ１４とともに回転搬送される。この回転搬送の過程において、液膜として存在していた冷媒２０も、また、微粒化される。この微粒化された冷媒２０は、ギャップ２２内部の圧力差およびロータ１４の回転により生じる遠心力により、ギャップ外周側端部２２ｂへと搬送される。この搬送の過程で、冷媒２０はロータ表面に直接、接触する。そのため、高いロータ冷却効果が得られる。ロータ冷却に関与した冷媒２０は、最終的には、ギャップの外周側端部２２ｂからギャップ２２の外側に放出され、ケース１８に設けられた排出口２５から外部に排出される。

一方、冷媒２０の注入時、または、冷媒２０の搬送過程において、ロータ１４の表面で跳ね返った冷媒２０の一部は、ステータ１６表面に至る。スタータ１６表面の冷媒２０の一部は、回転するロータ１４の面上の冷媒液膜に引き摺られることにより、外周側端部２２ｂへと搬送される。したがって、ステータ１６表面に接触する冷媒２０の搬送速度は、回転するロータ１４表面に接触する冷媒２０のそれに比べて、遅い。故に、ステータ１６表面に接触する冷媒２０は、旋回放射流れを生じながら、緩い速度で外周側端部２２ｂへと搬送される。

この搬送の過程で、ステータ１６表面の冷媒２０は、案内用開口５０に落ち込み、コイル２８へと導かれる。コイル２８へと導かれた冷媒２０は、コイル２８に直接接触しながら流れていき、最終的に、ケース１８に設けられた排出口２５から排出される。このとき、冷媒２０は、コイルに直接接触するため、高いコイル冷却効果が得られる。その結果、モータの高効率化が実現できる。

ここで、コイル冷却に用いられる冷媒２０は、ロータ１４表面で跳ね返り、ステータ１６表面に至った冷媒２０である。換言すれば、もともと、ロータ冷却には寄与していなかった冷媒２０である。かかる冷媒２０を、コイル冷却に利用することにより、ロータ冷却効率を下げることなく、コイル冷却を実現することができる。

また、ギャップ２２の内部が冷媒２０で充満した場合、ロータ１４の回転力の一部が、冷媒２０へのせん断応力となり、いわゆる、引き摺り損失と呼ばれるエネルギー損失が生じる。本実施形態では、余分な冷媒２０は、コイル２８へと導かれるため、ギャップ２２の内部での冷媒飽和が生じにくくなっている。その結果、モータ１０の効率低下をより確実に防止できる。

また、本実施形態では、ロータ冷却に使用される部材である接続部材３２に案内用開口５０を形成し、冷媒２０をコイル２８へと導いている。したがって、改めて、コイル冷却専用の部材を設ける必要がない。つまり、本実施形態によれば、簡易な構成で、ロータ冷却とコイル冷却の両方を実現できる。

以上の説明から明らかなように、本実施形態によれば、ロータ１４の冷却効率を下げることなく、コイル２８の冷却を簡易な構成で実現できる。その結果、モータ１０の駆動効率をより向上できる。

なお、本実施形態では、案内用開口５０として、単純な丸孔のみを例示したが、当然、他の形状であってもよい。例えば、図１６において符号５０ａで図示するような、長孔を案内用開口としてもよい。この場合、案内用開口５０ｂは、ステータの径方向に長尺な長孔であることが望ましい。ステータの径方向に長尺な長孔であれば、コイル２８の広い面積に多量の冷媒２０を導くことができる。その結果、コイル冷却効率をより向上できる。

また、図１６において符号５０ｂで図示するような、回転軸に対して傾斜した貫通孔を案内用開口としてもよい。案内用開口５０ｂを傾斜した貫通孔とすることで、コイル２８に導かれる冷媒２０に当該傾斜方向の流れを付与することができる。換言すれば、案内用開口５０ｂの傾斜方向を調整することで、コイル２８に導かれる冷媒の流れを調整することができ、所望の位置へ冷媒２０を導くことができる。冷媒２０の導く位置を調整して、冷媒２０を効率的にコイル冷却でき得る位置に導くことにより、コイルの冷却効率をより向上できる。

また、既述したように、ステータ表面に接触する冷媒２０には、旋回放射流れが生じる。換言すれば、ステータ表面に接触する冷媒２０には、周方向（図１６における矢印Ｓ方向）の流れが付与されている。案内用開口は、この周方向の流れを阻害しないような形状としてもよい。具体的には、図１６において符号５０ｃで図示するように、ステータ表面の冷媒２０の流れ方向Ｓと同方向に傾斜した貫通孔５０ｃを案内用開口としてもよい。かかる構成とすることで、コイル２８に導かれる冷媒２０の流速を向上でき、ひいては、冷媒２０の流量を向上できる。その結果、コイル冷却効率を向上できる。

本発明の実施形態であるアキシャル型モータの概略断面図である。 図１におけるＡ−Ａ断面図である。 従来のアキシャル型モータにおけるステータの一部斜視図である。 本実施形態のステータの一部斜視図である。 図４におけるＢ−Ｂ断面図である。 図４におけるＣ部拡大図である。 開口溝の形状の他の例を示す図である。 ステータおよびロータの形状の他の例を示す図である。 冷媒の流れ軌跡を示す図であり、（Ａ）は開口溝が無い場合を、（Ｂ）は開口溝がある場合を示す。 開口溝の有無による冷媒の流量の相違を示すグラフである。 開口溝の有無による引き摺り損失の相違を示すグラフである。 ロータの冷却効率を示す図であり、（Ａ）は冷却無しの場合を、（Ｂ）は開口溝無しで冷却した場合を、（Ｃ）は開口溝有りで冷却した場合を示す。 ステータの形状の他の例を示す図である。 他の実施形態であるアキシャル型モータのステータの部分斜視図である。 他の実施形態におけるアキシャル型モータの断面図である。 案内用開口の他の形態を例示する図である。

符号の説明

１０ アキシャル型モータ、１２ 回転軸、１４ ロータ、１６ ステータ、１８ ケース、２０ 冷媒、２２ ギャップ、２４ 注入口、２５ 排出口、２６ ティース、２８ コイル、３０ スロット、３２ 接続部材、５０ 案内用開口。

Claims (19)

1. 略円板状のロータと、
   コイルが巻回された複数のティースを備え、所定のギャップを介してロータに対向配置されるステータと、
   ロータおよびステータを収容するケースと、
   ケース外部から注入された冷媒を前記ギャップの内周側端部へと導く注入口と、
   ロータの回転により前記ギャップの内周側端部から外周側端部に運ばれた冷媒をケース外部に排出する排出口と、
   を備えることを特徴とするアキシャル型モータ。
2. 請求項１に記載のアキシャル型モータであって、
   ロータまたはステータの少なくとも一方には、ギャップの内周側端部の体積を広げる開口溝が形成されていることを特徴とするアキシャル型モータ。
3. 請求項２記載のアキシャル型モータであって、
   開口溝は、外周側に向かうにつれてギャップの高さを小さくする形状であることを特徴とするアキシャル型モータ。
4. 請求項３に記載のアキシャル型モータであって、
   開口溝の底面は、内周側に向かって傾斜したテーパ形状であることを特徴とするアキシャル型モータ。
5. 請求項２から４のいずれか１項に記載のアキシャル型モータであって、
   開口溝は、少なくともステータに形成されることを特徴とするアキシャル型モータ。
6. 請求項５に記載のアキシャル型モータであって、
   ステータに設けられた開口溝は、冷媒をロータ表面に導く形状であることを特徴とするアキシャル型モータ。
7. 請求項６に記載のアキシャル型モータであって、
   ステータに設けられた開口溝の後端面は、ロータ表面に対して略垂直であることを特徴とするアキシャル型モータ。
8. 請求項６または７に記載のアキシャル型モータであって、
   ステータに設けられた開口溝の側面は、ロータ表面に対して略垂直であることを特徴とするアキシャル型モータ。
9. 請求項１から８に記載のアキシャル型モータであって、
   ステータは、ロータとの対向面が略平坦面であることを特徴とするアキシャル型モータ。
10. 請求項９に記載のアキシャル型モータであって、
    ステータは、ティースとティースとの間にあるスロット空間に配され、当該スロット空間の上面を覆う接続部材を有することを特徴とするアキシャル型モータ。
11. 請求項１０に記載のアキシャル型モータであって、
    接続部材に、ギャップの内周側端部の体積を広げる開口溝が形成されることを特徴とするアキシャル型モータ。
12. 請求項１から１１のいずれか１項に記載のアキシャル型モータであって、
    ロータの対向面は、ステータの対向面に比べて、冷媒に対する濡れ性が高いことを特徴とするアキシャル型モータ。
13. 略円板状のロータと、所定のギャップを介してロータに対向配置されるステータと、ロータおよびステータを収容するケースと、を備えたアキシャル型モータの冷却方法であって、
    ケースに設けられた注入口を介して冷媒を、ケース外部から前記ギャップの内周側端部に導き、
    ロータの回転により生じるギャップ内の圧力差により、冷媒をギャップの外周側端部まで運搬し、
    ギャップの外周側端部から放出された冷媒を、ケースに設けられた排出口を介してケース外部に排出することを特徴とする冷却方法。
14. 請求項１３に記載の冷却方法であって、
    注入口から注入される冷媒量は、ケース内部が冷媒で充満されない程度の量であることを特徴とする冷却方法。
15. 請求項１３に記載の冷却方法であって、
    注入口から注入される冷媒量は、ギャップ内部が冷媒で充満されない程度の量であることを特徴とする冷却方法。
16. 請求項１から１２のいずれか１項に記載のアキシャル型モータであって、
    ステータは、ティースとティースとの間にあるスロット空間に配され、当該スロット空間の上面を覆う接続部材を有し、
    前記接続部材には、前記ロータの回転に伴い前記ギャップの外周側端部へと運ばれる冷媒の一部を、コイル方向に導く１以上の案内用開口が設けられていることを特徴とするアキシャル型モータ。
17. 請求項１６に記載のアキシャル型モータであって、
    前記案内用開口は、回転軸に対して所定方向に傾斜した貫通孔であることを特徴とするアキシャル型モータ。
18. 請求項１６または１７に記載のアキシャル型モータであって、
    前記案内用開口は、長孔であることを特徴とするアキシャル型モータ。
19. 請求項１３から１５のいずれか１項に記載の冷却方法であって、さらに、
    前記ロータの回転に伴い前記ギャップの外周側端部へと運ばれる冷媒の一部を、ステータの一部に形成した１以上の案内用開口を介して、コイル方向に導くことにより、コイルの冷却も行うことを特徴とする冷却方法。

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