JP2012253869A - 回転機 - Google Patents

Abstract

【課題】ティースを介した放熱量を増大させることにより、コイルを効率的に冷却することができる回転機を提供する。
【解決手段】回転軸の周りで回転可能なロータと、ロータの周りに配置されるステータ３０とを備える回転機であって、ステータ３０は、ロータの回転方向に沿って配列形成された複数のティース３１ｂを有するステータコア３１と、ティース３１ｂに巻回されるコイル３２とを備えており、ティース３１ｂは、全てがロータの回転方向に垂直な方向に対して傾けて形成されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、電動機や発電機等の回転機に関する。

周知の通り、電動機や発電機等の回転機は、ステータ（固定子）とロータ（回転子）とを備えており、ロータの回転運動エネルギーを電気エネルギーに変換し、或いは電気エネルギーをロータの回転運動エネルギーに変換する機器である。ハイブリッド車（ＨＶ：Hybrid Vehicle）や電気自動車（ＥＶ：Electric Vehicle）等の車両に設けられる電動機は、車両を走行させる動力を発生する動力発生源として用いられるばかりでなく、エネルギーを有効利用するために、車両の運動エネルギーを電気エネルギーとして回収する発電機（回生ブレーキ）としても用いられる。

上述したハイブリッド車や電気自動車等の車両に設けられる回転機は、車載スペースを低減するために小型化であり、また、走行性能を向上させるために高出力であることが要求される。このように出力密度が高まると回転機の発熱量が多くなるため、回転機を効率良く冷却する冷却技術が重要になる。以下の特許文献１〜７には、回転機のステータに設けられているコイルを効率的に冷却する様々な技術が開示されている。

例えば、以下の特許文献１，２には、冷却効率を高めるべくコイルの端部（コイルエンド部）に冷却油を供給する技術が開示されており、以下の特許文献３，４には、冷媒が供給される冷却パイプをコイルの周囲等に設置する技術が開示されている。また、以下の特許文献５には、ステータに設けられたティースの一側面に傾斜をつけて平角線導体を巻回することにより平角線導体とスロットに導かれる冷媒との接触面積を増大させる技術が開示されており、以下の特許文献６には、巻線間に冷却流路を形成する技術が開示されており、以下の特許文献７には、ステータの一部をなすステータコアの外周部近傍に冷却媒体通路を形成する技術が開示されている。

特開２０１０−１２４６５９号公報 特開２００９−１７１７５５号公報 特開２００９−３３８９８号公報 特開２００５−１６８２６５号公報 特開２００４−１０４９１７号公報 特許第３７４１０３１号公報 特開平７−８７７１１号公報

ところで、上述した特許文献３〜６に開示された技術のように、冷却パイプ等を用いてコイルの周囲に冷媒を供給し、或いはコイルが配置されるスロット内に冷媒を供給する等の構成にすれば、確かにコイルの冷却効率を高めることができると考えられる。しかしながら、小型化が要求される回転機においては、上述の特許文献３〜６に開示された技術をそのまま適用することができないことが考えられる

このため、このような回転機においては、上記の技術を用いることなく冷却効率を高める必要がある。ここで、回転機のコイルは、ステータに形成されたティースの周囲に巻回されており、コイルで発せられた熱は熱抵抗が小さいティースを介してステータの外部に放出されるものが多いと考えられる。このような、ティースを介して放出される熱量を増やすことができれば、上述した特許文献３〜６に開示された技術を用いなくとも、冷却効率を高めることができると考えられる。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、ティースを介した放熱量を増大させることにより、コイルを効率的に冷却することができる回転機を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の回転機は、回転軸（１０）の周りで回転可能なロータ（２０）と、該ロータの周りに配置されるステータ（３０）とを備える回転機（１）において、前記ステータは、前記ロータの回転方向（Ｄ１）に沿って配列形成された複数のティース（３１ｂ）を有するステータコア（３１）と、該ティースに巻回されるコイル（３２）とを備えており、前記ティースは、全てが前記ロータの回転方向に垂直な方向に対して傾けて形成されていることを特徴としている。
また、本発明の回転機は、前記ティースの間の隙間が、前記コイルが収容されるスロット（３１ｃ）とされており、前記ティースの先端部が、前記スロットの開口部の一部を覆うように前記ロータの回転方向に延びる形状であることを特徴としている。
また、本発明の回転機は、前記ティースの先端部が、前記ロータの回転方向の一方向に延びる部分の長さと他方向に延びる部分の長さとが異なることを特徴としている。
また、本発明の回転機は、前記ティースが、根本部の断面積と先端部の断面積とが異なるように形成されていることを特徴としている。
また、本発明の回転機は、外部からの冷媒（ＯＬ）を前記コイルのコイルエンド部（３２ａ）に供給する冷媒供給口（Ｐ１）を備えることを特徴としている。

本発明によれば、ロータの回転方向に沿ってステータに配列形成されたティースの全てをロータの回転方向に垂直な方向に対して傾けて形成することにより、コイルとティースとの接触面積を増大させることができるため、ティースを介した放熱量を増大させてコイルを効率的に冷却することができるという効果がある。

本発明の一実施形態による回転機としてのモータの構成を示す側断面図である。 本発明の一実施形態による回転機が備えるステータを抜き出して示す側断面図である。 図２中のＡ−Ａ線に沿う断面矢視図である。 ステータに形成されるティースの拡大図である。 本発明の一実施形態におけるティースの変形例を示す図である。 本発明の一実施形態におけるティースの他の変形例を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態による回転機について詳細に説明する。尚、以下の実施形態では、回転機が、外部から供給される電流（例えば、三相交流電流）により回転駆動されるモータ（電動機）である場合を例に挙げて説明する。

図１は、本発明の一実施形態による回転機としてのモータの構成を示す側断面図である。図１に示す通り、モータ１は、回転軸１０、ロータ２０（回転子）、ステータ３０（固定子）、及びハウジング４０を備えており、外部から供給される電流によってロータ２０とステータ３０との間に電磁力が作用してロータ２０が回転することにより回転軸１０が回転駆動される。尚、以下では、回転軸１０が延びている図１中の左右方向を「軸方向」という。

回転軸１０は、ロータ２０の回転駆動力を外部に伝達するための軸部材である。この回転軸１０は、ロータ２０に挿通されて固定されており、ハウジング４０に設置された軸受Ｂ１，Ｂ２によって回転自在に支持されている。このため、回転軸１０及びロータ２０は、回転軸１０の回転軸線の周りで一体的に回転する。尚、軸受Ｂ１，Ｂ２としては、例えばアンギュラ玉軸受等の転がり軸受を用いることができる。

ロータ２０は、回転軸１０に取り付けられて回転軸１０の周りで回転可能に構成されている。具体的に、ロータ２０は、ロータコア、永久磁石、及びエンドプレートを備える。ロータコアは、磁性体からなる板材としての電磁鋼板を複数積層して構成され、上述した回転軸１０が挿通される円環形状の部材である。永久磁石は、例えば軸方向に延びる直方体形状の磁石であり、ロータコアのステータ３０側に、ロータコアの外周に沿って一定の間隔をもって複数埋設されている。これにより、ロータコアの外周に沿って交番磁界が形成される。エンドプレートは、ロータコアの軸方向（電磁鋼板の積層方向）両側端部に設けられ、ロータコアを軸方向に挟持する円盤形状の部材である。

ステータ３０は、ステータコア３１及びコイル３２を備えており、回転軸１０の回転方向に沿ってロータ２０の周囲を取り囲むようにハウジング４０の一部をなす胴体部材４１の内周面に固定されて、外部からコイル３２に供給される電流に応じてロータ２０の外周方向に沿う回転磁界を形成する。図２は、本発明の一実施形態による回転機が備えるステータを抜き出して示す側断面図である。また、図３は、図２中のＡ−Ａ線に沿う断面矢視図である。

図２，図３に示す通り、ステータ３０に設けられるステータコア３１は、上述したロータ２０のロータコアと同様に、磁性体からなる板材としての電磁鋼板を複数積層して構成される円環形状の部材であり、その内周側にはロータ２０が配設される。このステータコア３１は、その内周面とロータ２０の外周面との間に予め設定された大きさの環状の間隙（エアギャップＧ：図１参照）が形成されるように、その内径が設定されている。

具体的に、ステータコア３１は、図３に示す通り、円環形状のヨーク３１ａと、ヨーク３１ａの周方向に沿って配列形成された複数のティース３１ｂとを有する。隣接するティース３１ｂの間の隙間は、コイル３２が介挿されるスロット３１ｃとされる。尚、図３においては、複雑化を避けるため、ティース３１ｂ及びスロット３１ｃが８個ずつ設けられたステータコア３１を図示しているが、これらの数は任意に設定することができる。

ステータコア３１に設けられるティース３１ｂは、スロット３１ｃに介挿されたコイル３２に三相交流が供給されることによって磁極として機能するものであり、全てがロータ２０の回転方向Ｄ１に垂直な方向に対して傾けて形成されている。つまり、ティース３１ｂは、従来のように突出方向が回転軸１０の回転軸線に向かうように形成されている訳ではなく、突出方向が回転軸１０の回転軸線からずれた方向となるように形成されている。但し、ステータコア３１の内周面（ティース３１の先端部）の位置は、従来のものと同じである。

このように、ティース３１ｂの全てをロータ２０の回転方向Ｄ１に垂直な方向に対して傾けて形成するのは、ティース３１ｂを介した放熱量を増大させることにより、コイル３２を効率的に冷却するためである。図４は、ステータに形成されるティースの拡大図であって、（ａ）は本実施形態に係るティースを示す図であり、（ｂ）は従来のティースを示す図である。いま、図４（ａ）に示す通り、本実施形態に係るティース３１ｂの根本部から先端部までの長さをＬ１とし、図４（ｂ）に示す通り、従来のティースの根本部から先端部までの長さをＬ２とする。

図４（ａ），（ｂ）に示す通り、ロータ２０の回転方向Ｄ１に垂直な方向に対して傾けた状態にティース３１ｂを形成すると、ティース３１ｂの根本部から先端部までの長さＬ１を従来のティースの根本部から先端部までの長さＬ２よりも長くすることができる。これにより、ティース３１ｂの側面とコイル３２との接触面積を増大することができ冷却効率を高めることができる。

また、図３に示す通り、ティース３１ｂの先端部は、スロット３１ｃの開口部の一部を覆うようにロータ２０の回転方向Ｄ１に延びる形状である。つまり、ティースの先端部には、ロータの回転方向Ｄ１の一方向Ｄ１１に延びるように形成された突出部Ｑ１と、ロータの回転方向Ｄ１の他方向Ｄ１２に延びるように形成された突出部Ｑ２とが形成されている。尚、回転方向Ｄ１における突出部Ｑ１，Ｑ２の長さは同じである。ティース３１ｂの先端部を以上の形状にするのは、ロータ２０とステータ３０との間の磁気的な結合を高めてモータ１の性能を向上させるとともに、スロット３１ｃに収容されるコイルの飛び出しを防止するためである。

尚、本実施形態のモータ１は、ロータ２０の回転方向が図３中の回転方向Ｄ１であるもの（正転及び逆転が可能なもの）を例に挙げているが、回転方向が図３中の一方向Ｄ１１又は他方向Ｄ１２に固定されているものもある。このような、モータにおいて、ティース３１ｂを傾ける方向は、ロータ２０の回転方向に沿う方向であっても良く、ロータ２０の回転方向とは反対の方向に沿う方向であっても良い。

コイル３２は、ステータコア３１に形成されたスロット３１ｃに介挿されており、外部から供給される電流に応じた磁極を形成する。ここで、コイル３２は、三相交流のうち、Ｕ相の電流が供給される第１コイル、Ｖ相の電流が供給される第２コイル、及びＷ相の電流が供給される第３コイルからなり、これら第１〜第３コイルが、ステータコア３１の周方向に順次配列されている。このため、コイル３２に三相交流が供給されると、ステータコア３１の内周面に沿って回転磁界が形成される。

コイル３２は、ステータコア３１に対してコイルエンド部３２ａがステータコア３１の両端部から突出する状態に取り付けられる。つまり、図２に示す通り、ステータコア３１の左側の端部Ｅ１からコイルエンド部３２ａが左方向に突出するとともに、ステータコア３１の右側の端部Ｅ２からコイルエンド部３２ａが突出した状態に取り付けられる。尚、コイル３２の全てがこのような状態でステータコア３１に取り付けられるため、コイルエンド部３２ａは、図２に示す通り、ステータコア３１の端部Ｅ１，Ｅ２に沿って円状に配列される。

また、ステータコア３１の端部Ｅ１，Ｅ２には、コイルエンド部３２ａの根本部分を覆うように、端部Ｅ１，Ｅ２に沿う円環形状のモールド部材３３ａ，３３ｂがそれぞれ形成されている。ここで、コイルエンド部３２ａの全てを覆わずに、コイルエンド部３２ａの根本部分のみをモールド部材３３ａ，３３ｂで覆うのは、冷却用のオイルＯＬを用いた冷却を可能としつつ、そのオイルがロータ２０とステータ３０との隙間であるエアギャップＧに侵入するのを防止するためである。

つまり、コイルエンド部３２ａの根本部分のみをモールド部材３３ａ，３３ｂで覆い、根本部分以外の部分を露出させることで、冷却用のオイルをコイルエンド部３２ａの露出部分に直接かけることが可能となり、これによりステータ３０（コイル３２）を効率的に冷却することとしている。尚、詳細は後述するが、ハウジング４０を構成する左側壁部材４２及右側壁部材４３の一部をなす隔壁部４２ｂ，４３ｂの先端部をモールド部材３３ａ，３３ｂでシールし、ロータ２０が配設される空間Ｓ１とコイルエンド部３２ａが配設される空間Ｓ２とを分離することで、オイルがエアギャップＧに侵入することを防止している。

また、図３に示す通り、ステータコア３１内部には、ステータコア３１に形成されたスロット３１ｃ内部の隙間を埋めるように、モールド部材３３ａ，３３ｂと同様のモールド部材３３ｃが形成される。このモールド部材３３ｃは、スロット３１ｃに介挿されたコイル３２を固定してスロット３１内におけるコイル３２の振動を防止するとともに、コイル３２の冷却効率を高めるために設けられる。

コイル３２は、電流が流れることにより発熱源になるため、コイルエンド部３２ａの根本部分を覆うモールド部材３３ａ，３３ｂ及びスロット３１ｃ内においてコイル３２を固定するモールド部材３３ｃは、高い熱伝導率を有することが望ましい。例えば、酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）や酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）等の絶縁性を有する熱伝導フィラーが混入された熱伝導性樹脂を用いてモールド部材３３ａ，３３ｂ，３３ｃを形成するのが望ましい。

ハウジング４０は、胴体部材４１、左側壁部材４２、及び右側壁部材４３からなり、その内部に回転軸１０の一部、ロータ２０、及びステータ３０を収容するとともに、モータ１の外形を成す。胴体部材４１は、鉄合金等によって形成されており、軸方向両端が開口している円筒形状の部材である。この胴体部材４１の内周面には、上述したステータ３０が固定されている。

また、胴体部材４１の鉛直方向上部には、外部から供給される冷却用のオイルＯＬ（冷媒）をハウジング４０の内部に配設されたコイルエンド部３２ａに導くオイル供給口Ｐ１（冷媒供給口）が設けられている。このオイル供給口Ｐ１は、ステータコア３１の端部Ｅ１から左側に突出したコイルエンド部３２ａの露出部分（モールド部材３３ａにより覆われていない部分）の上方、及び、端部Ｅ２から右側に突出したコイルエンド部３２ａの露出部分（モールド部材３３ｂにより覆われていない部分）の上方の各々において、回転軸１０の回転方向に沿う複数箇所に設けられている。

左側壁部材４２は、円板形状の底板部４２ａと円筒形状の隔壁部４２ｂとを有する部材である。この左側壁部材４２は、隔壁部４２ｂが胴体部材４１の内部に配設されるように、底板部４２ａが胴体部材４１の左端部に取り付けられる。左側壁部材４２の一部をなす底板部４２ａは、その中心部に軸受Ｂ１の取り付け孔が形成されており、その外周部にオイル溜まりＯＰのオイルＯＬを外部に排出するオイル排出口Ｐ２が設けられている。

また、左側壁部材４２の一部をなす隔壁部４２ｂは、ステータコア３１（モールド部材３３ａ）の内径と同程度の外径を有し、その先端部がモールド部材３３ａに接触した状態に取り付けられて、ロータ２０が配設される空間Ｓ１とステータコア３１の左側においてコイルエンド部３２ａが配設される空間Ｓ２とを分離する。つまり、隔壁部４２ｂの先端部がモールド部材３３ａによってシールされることにより、空間Ｓ１，Ｓ２が分離される。

右側壁部材４３は、左側壁部材４２と同様に、円板形状の底板部４３ａと円筒形状の隔壁部４３ｂとを有する部材である。この右側壁部材４３は、隔壁部４３ｂが胴体部材４１の内部に配設されるように、底板部４３ａが胴体部材４１の右端部に取り付けられる。右側壁部材４３の一部をなす底板部４３ａは、その中心部に軸受Ｂ２の取り付け孔が形成されており、その外周部にオイル溜まりＯＰのオイルＯＬを外部に排出するオイル排出口Ｐ２が設けられている。

また、右側壁部材４３の一部をなす隔壁部４３ｂは、ステータコア３１（モールド部材３３ｂ）の内径と同程度の外径を有し、その先端部がモールド部材３３ｂに接触した状態に取り付けられて、ロータ２０が配設される空間Ｓ１とステータコア３１の右側においてコイルエンド部３２ａが配設される空間Ｓ２とを分離する。つまり、隔壁部４３ｂの先端部がモールド部材３３ｂによってシールされることにより、空間Ｓ１，Ｓ２が分離される。

次に、上記構成におけるモータ１の動作について簡単に説明する。外部からの三相交流がモータ１に供給されると、三相交流の各相の電流がステータ３０に設けられたコイル３２（第１〜第３コイル）に流れ、供給される電流に応じてロータ２０の回転方向に沿って回転磁界が形成される。すると、外周に沿って交番磁界が形成されたロータコアがこの回転磁界と相互作用し、吸引力及び反発力が生ずることによりロータ２０が回転し、これにより回転軸１０がロータ２０と一体に回転して回転軸１０の回転駆動力が外部に伝達される。

また、モータ１の駆動時には、不図示のポンプ等によって冷却用のオイルＯＬがオイル供給口Ｐ１にそれぞれ供給され、空間Ｓ２内に配設されたコイルエンド部３２の露出部分における複数箇所に滴下される。コイルエンド部３２に滴下されたオイルＯＬは、コイルエンド部３２ａの露出部を伝って下方に移動する。ここで、コイルエンド部３２の複数箇所にオイルＯＬが滴下されることにより、ステータコア３１の端部に沿って配列されたコイルエンド部３２ａの全体に対してオイルＯＬを行き渡らせることができるため、コイルエンド部３２ａを効率的に冷却することができる。

また、コイル３２で発せられた熱は、ティース３１ｂを介してヨーク３１ａに伝わることによってもステータ２０の外部に放出される。ここで、本実施形態では、ティース３１ｂの全てがロータ２０の回転方向Ｄ１に垂直な方向に対して傾けて形成されているため、ティース３１ｂを介した放熱量を増大させることができる。よって、本実施形態では、ティース３１ｂを介した放熱の増大とオイルＯＬによるコイルエンド部３２ａの冷却とによって、コイル３２の全体を効率的に冷却することができる。

また、左側壁部材４２の隔壁部４２ｂがモールド部材３３ａによってシールされ、右側壁部材４３の隔壁部４３ｂがモールド部材３３ｂによってシールされることにより、ステータコア３１の左右両側において、ロータ２０が配設される空間Ｓ１とコイルエンド部３２ａが配設される空間Ｓ２とが分離される。このため、オイル供給口Ｐ１から空間Ｓ２内にオイルＯＬが供給されても、オイルＯＬがエアギャップＧに侵入するのを防止することができる。

以上の通り、本実施形態では、ティース３１ｂの全てをロータ２０の回転方向Ｄ１に垂直な方向に対して傾けて形成しており、ティース３１ｂを介した放熱量を増大させることができるため、コイル３２を効率的に冷却することができる。尚、上記実施形態では、ティース３１ｂを介した放熱の増大とオイルＯＬによるコイルエンド部３２ａの冷却とを併せた例について説明したが、オイルＯＬによるコイルエンド部３２ａの冷却が不要であれば省略が可能である。

図５は、本発明の一実施形態におけるティースの変形例を示す図である。以上説明した実施形態では、図５（ａ）に示す通り、ロータの回転方向Ｄ１の一方向Ｄ１１に延びる突出部Ｑ１と、ロータの回転方向Ｄ１の他方向Ｄ１２に延びる突出部Ｑ２（長さは突出部Ｑ１と同じ）とがティース３１ｂの先端部に形成された例について説明した。しかしながら、これら突出部Ｑ１，Ｑ２は、必ずしも長さが同じである必要はなく、図５（ｂ）に示す通り、ティース３１ｂに対して非対称に形成されていても良い。或いは、図５（ｃ）に示す通り、突出部Ｑ１，Ｑ２が省略されて、スロット３１ｃがオープンスロットとされていても良い。

図６は、本発明の一実施形態におけるティースの他の変形例を示す図である。以上説明した実施形態では、図６（ａ）に示す通り、ティース３１ｂの側面（ロータ２０の回転方向Ｄ１に対して交差する側面Ｈ１，Ｈ２）が平行に形成されている例を挙げて説明した。しかしながら、これらティース３１ｂの側面Ｈ１，Ｈ２は、図６（ｂ）に示す通り、根本部から先端部にかけて徐々に狭くなるよう（ティース３１ｂが先細りして断面積が徐々に小さくなるよう）形成されていても良い。或いは、図６（ｃ）に示す通り、根本部から先端部にかけて徐々に太くなるよう（ティース３１ｂが先太りして断面積が徐々に大きくなるよう）形成されていても良い。

以上、本発明の実施形態による回転機について説明したが、本発明は上記実施形態に制限されず、本発明の範囲内で自由に変更が可能である。例えば、上記実施形態では、電動機の一種であるモータを例に挙げて説明したが、発電機にも本発明を適用することができる。

１ モータ
１０ 回転軸
２０ ロータ
３０ ステータ
３１ ステータコア
３１ｂ ティース
３１ｃ スロット
３２ コイル
３２ａ コイルエンド部
Ｄ１ 回転方向
ＯＬ オイル
Ｐ１ オイル供給口

Claims (5)

1. 回転軸の周りで回転可能なロータと、該ロータの周りに配置されるステータとを備える回転機において、
   前記ステータは、前記ロータの回転方向に沿って配列形成された複数のティースを有するステータコアと、該ティースに巻回されるコイルとを備えており、
   前記ティースは、全てが前記ロータの回転方向に垂直な方向に対して傾けて形成されている
   ことを特徴とする回転機。
2. 前記ティースの間の隙間は、前記コイルが収容されるスロットとされており、
   前記ティースの先端部は、前記スロットの開口部の一部を覆うように前記ロータの回転方向に延びる形状である
   ことを特徴とする請求項１記載の回転機。
3. 前記ティースの先端部は、前記ロータの回転方向の一方向に延びる部分の長さと他方向に延びる部分の長さとが異なることを特徴とする請求項２記載の回転機。
4. 前記ティースは、根本部の断面積と先端部の断面積とが異なるように形成されていることを特徴とする請求項１から請求項３の何れか一項に記載の回転機。
5. 外部からの冷媒を前記コイルのコイルエンド部に供給する冷媒供給口を備えることを特徴とする請求項１から請求項４の何れか一項に記載の回転機。

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