JP2014017980A - 回転機 - Google Patents

Abstract

【課題】効率良く冷却でき、しかもコストの増大を抑えた冷却機構を備える、回転機を提供する。
【解決手段】回転軸に設けられた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とを備える回転機である。ステータは、円環状のヨーク３４と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３５とを有する電磁鋼板３３が複数枚積層されて形成されたステータコア３１と、ティース３５に巻回されたコイルとを備えて構成されている。ステータコア３１の各電磁鋼板３３には、ヨーク３４の外周部に冷却媒体が流通する冷却路４２として機能する複数の切欠部３７ａ、３７ｂが形成されている。切欠部３７ａ、３７ｂの少なくとも一部は、ティース３５の後端側に配置されて、フラックスバリアとしても機能する。
【選択図】図２

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、ある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。

前記の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としては、車載スペースを低減するために小型であることが要求されるとともに、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機構が重要になる。

回転機を効率良く冷却する冷却機構として、以下の特許文献１には、ステータを構成する複数の積層鋼板に貫通穴をあけ、この貫通穴にパイプを通してこのパイプを冷媒流路として用いる技術が開示されている。

特開平７−２９８５２４号公報

しかしながら、前記特許文献１に開示された冷却機構では、積層鋼板に新たに貫通穴をあけ、さらにこの貫通穴にパイプを通す必要があり、従来に比べ加工工程が増えたり部品点数が増えることにより、コストが増大するといった課題がある。

本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、効率良く冷却でき、しかもコストの増大を抑えた冷却機構を備える、回転機を提供することにある。

本発明の回転機は、回転軸に設けられた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、円環状のヨークと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とを有する電磁鋼板が複数枚積層されて形成されたステータコアと、前記ティースに巻回されたコイルとを備えて構成され、
前記ステータコアの前記各電磁鋼板には、前記ヨークの外周部に冷却媒体が流通する冷却路として機能する複数の切欠部が形成され、
前記切欠部の少なくとも一部は、前記ティースの後端側に配置されて、フラックスバリアとしても機能することを特徴とする。

また、前記回転機においては、前記積層された電磁鋼板のうちの内部に配置された電磁鋼板の少なくとも一枚には、隣り合って形成された前記切欠部の間に該切欠部同士を連通させる切欠連通部が形成されていることが好ましい。

また、前記回転機においては、前記積層された電磁鋼板のうちの内部に配置された電磁鋼板の少なくとも二枚には、隣り合って形成された前記切欠部の間に該切欠部同士を連通させる切欠連通部が形成されており、前記二枚の電磁鋼板は、積層されてステータコアに形成された際に、前記切欠連通部が互いに重ならないように配置されていることが好ましい。

本発明の回転機によれば、ステータコアを形成する各電磁鋼板に、ヨークの外周部に冷却媒体が流通する冷却路として機能する複数の切欠部を形成しているので、前記切欠部に冷却媒体を流通させることにより、回転機の冷却効率を高めることができる。
また、前記切欠部の少なくとも一部をフラックスバリアとして機能させているので、従来のフラックスバリアを有するステータコアに比べ、新たな加工工程を増やすことなく、また部品点数を増やすことなくステータコアを形成することができ、したがってコストの増大を抑えることができる。

本発明の回転機をモータに適用した場合の一実施形態の側断面図である。 （ａ）はステータコアの概略構成を示す斜視図、（ｂ）はステートコアをジャケット内に組み込んだ状態を示す斜視図である。 （ａ）〜（ｃ）は電磁鋼板の平面図である。

以下、本発明の回転機をその実施形態に基づいて詳しく説明する。なお、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）によって転駆動するモータ（電動機）である場合を例にして説明する。

図１は、本発明の回転機をモータに適用した場合の一実施形態を示す図であり、モータの概略構成を示す側断面図である。図１中符号１はモータであり、このモータ１は、回転軸１０と、ロータ２０（回転子）と、ステータ３０（固定子）と、ハウジング４０とを備えて構成されている。このモータ１は、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との間に磁力が作用し、ロータ２０が回転することにより、回転軸１０を回転駆動する。なお、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部材である。この回転軸１０は、ロータ２０に挿通されて該ロータ２０に固定されており、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。これにより、回転軸１０及びロータ２０は、回転軸１０の軸回り方向に一体に回転するようになっている。なお、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、ロータコア２１、永久磁石２２、及びエンドプレート２３を備えたもので、前述したように回転軸１０に外挿した状態に取り付けられて回転軸１０とともに回転軸１０の軸周り方向に回転可能に設けられている。ロータコア２１は、磁性体からなる板材としての電磁鋼板を複数枚積層して形成されたもので、前記回転軸１０が挿通される孔部（図示せず）を形成した円環形状の部材である。

永久磁石２２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２１のステータ３０側、すなわち外周側に、ロータコア２１の外周に沿って一定の間隔で複数埋設されている。これにより、ロータコア２１の外周に沿って交番磁界が形成されるようになっている。エンドプレート２３は、ロータコア２１の軸方向（電磁鋼板の積層方向）の両側端にそれぞれ設けられたもので、ロータコア２１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とコイル３２とを備えて構成されている。このステータ３０は、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の一部をなすジャケット４１の内周面に固定されている。これによってステータ３０は、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。

ステータコア３１は、図２（ａ）に示すように磁性体からなる板材としての電磁鋼板３３を複数枚積層して形成された円筒形状の部材であり、図１に示したようにその内部にロータ２０を位置させている。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）が形成されるように、その内径が設定されている。

ステータコア３１を形成する電磁鋼板３３（３３ａ、３３ｂ、３３ｃ）は、図３（ａ）〜（ｃ）に示すように円環状のヨーク３４と、その内周縁に形成された複数のティース３５とを有して形成されている。ティース３５は、前記ロータ２０の回転方向に沿ってヨーク３４の内周縁に配列されている。隣り合うティース３５、３５の間の隙間は、コイル３２が介挿されるスロット３６となっている。なお、図２（ａ）、（ｂ）、図３（ａ）〜（ｃ）では、構造を簡略化して分かり易くするため、各電磁鋼板３３（３３ａ、３３ｂ、３３ｃ）にそれぞれティース３５を４つしか形成していないが、実際にはそれ以上の多くのティース３５が形成されているものとする。これらティース３５の数は任意に設定することができる。

これらティース３５には、図１に示したようにコイル３２が巻回されている。コイル３２は、隣り合うティース３５、３５間で離間するように巻回されていてもよく、スロット３６内で接触するように巻回されていてもよい。

図３（ａ）〜（ｃ）に示すティース３５は、スロット３６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、ヨーク３４の中心に向かって突出するように形成されている。このティース３５の先端部は、図示しないものの、スロット３６の開口部の一部を覆うようにヨーク３４の周方向に延びた形状となっていてもよい。ティース３５の先端部をこのような形状にすれば、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ことがとともに、スロット３６に収容されるコイル３２の飛び出しを防止することができる。

また、図２（ａ）に示したステータコア３１を形成する電磁鋼板３３のうち、その両側端に配置される電磁鋼板３３（３３ａ）には、図３（ａ）に示すようにヨーク３４の外周部におけるティース３５の後端側の位置、すなわちティース３５の先端側と反対の側に、Ｖカットされてなる第１切欠部３７ａが形成されている。第１切欠部３７ａは、応力を逃がすとともに、磁束の効率をかせぐために遠回りしないで空気の層にあたるようにしたフラックスバリアとして機能するものである。

また、電磁鋼板３３ａには、隣り合って配置された前記第１切欠部３７ａ、３７ａ間に、第１切欠部３７ａと同形状の第２切欠部３７ｂが形成されている。隣り合うティース３５、３５間、すなわちスロット３６と対応する位置に形成されており、したがってフラックスバリアとしては機能しないものである。

そして、本発明では、第１切欠部３７ａはフラックスバリアとして機能するとともに、冷却路としても機能するようになっている。また、第２切欠部３７ｂはフラックスバリアとしては機能しないものの、冷却路としては機能するようになっている。すなわち、ステータコア３１は複数枚の電磁鋼板３３が積層されて形成されるが、全ての電磁鋼板３３において第１切欠部３７ａ、第２切欠部３７ｂはそれぞれ同じ位置に形成されており、図２（ａ）に示すようにこれら第１切欠部３７ａ、第２切欠部３７ｂは電磁鋼板３３の積層方向において重なるように配置されている。したがって、これら重ねられた第１切欠部３７ａ、第２切欠部３７ｂは互いに連通して一つの溝部を形成している。そして、ここに冷却媒体が流通させられることにより、第１切欠部３７ａ、第２切欠部３７ｂはそれぞれ冷却路として機能するようになっている。

ステータコア３１は、図２（ｂ）に示すように円筒形状のジャケット４１の内部孔内に装着されることにより、このジャケット４１の内周面との間に前記第１切欠部３７ａ、第２切欠部３７ｂによる溝部からなる冷却路４２を形成している。この冷却路４２のうちの一つ、例えば最上部に位置する冷却路４２には、図１に示すようにジャケット４１を貫通して設けられた冷媒供給管Ｐ１が接続されている。これによって冷却路４２には、冷媒供給管Ｐ１によって供給された冷却媒体、すなわち冷却オイルＯＬが、流通させられるようになっている。

また、図２（ａ）に示したステータコア３１を形成する電磁鋼板３３のうち、その両側端に配置された電磁鋼板３３（３３ａ）の間に挟持された電磁鋼板３３、すなわち積層された電磁鋼板３３のうち内部に配置された電磁鋼板３３には、図３（ｂ）に示すように隣り合って形成された第１切欠部３７ａと第２切欠部３７ｂとの間に、該切欠部３７ａ、３７ｂ同士を連通させる第１切欠連通部３８ａを形成した電磁鋼板３３ｂが含まれている。さらに、図３（ｃ）に示すように隣り合って形成された第１切欠部３７ａと第２切欠部３７ｂとの間に、該切欠部３７ａ、３７ｂ同士を連通させる第２切欠連通部３８ｂを形成した電磁鋼板３３ｃも含まれている。

電磁鋼板３３ｂと電磁鋼板３３ｃとは、それぞれの第１連通切欠部３８ａ、第２連通切欠部３８ｂが連通させる切欠部３７ａ、３７ｂの位置が異なっている。すなわち、図３（ｂ）に示した電磁鋼板３３ｂでは、各第２切欠部３７ｂに対して、それぞれ時計回り方向に位置する第１切欠部３７ａを連通させるように、第１連通切欠部３８ａが形成されている。一方、図３（ｃ）に示した電磁鋼板３３ｃでは、各第２切欠部３７ｂに対して、それぞれ反時計回り方向に位置する第１切欠部３７ａを連通させるように、第２連通切欠部３８ａが形成されている。

そして、このような構成からなる電磁鋼板３３ｂ、電磁鋼板３３ｃは、図２（ａ）に示すように、ステータコア３１の両側端に配置された電磁鋼板３３ａの間において交互に配置されている。したがって、電磁鋼板３３の積層方向にて隣り合う電磁鋼板３３ｂと電磁鋼板３３ｃとは、各第１切欠部３７ａ、第２切欠部３７ｂはそれぞれ積層方向に重なるものの、第１連通切欠部３８ａと第２連通切欠部３８ｂとは積層方向に重ならないようになっている。

このような構成のもとにステータコア３１は、第１切欠部３７ａ、第２切欠部３７ｂによる溝部からなる冷却路４２が、第１連通切欠部３８ａ、第２連通切欠部３８ｂを介して全てが連通している。すなわち、例えば図３（ａ）の上部に位置する第２切欠部３７ｂは、図３（ｂ）に示した電磁鋼板３３ｂの第１連通切欠部３８ａによって時計回り方向に隣り合う第１切欠部３７ａに連通する。この第１切欠部３７ａは、図３（ｃ）に示した電磁鋼板３３ｃの第２連通切欠部３８ｂによってさらに時計回り方向に隣り合う第２切欠部３７ｂに連通する。そして、この第２切欠部３７ｂも、同様にして時計回り方向に隣り合う第１切欠部３７ａに連通する。

また、図３（ａ）の上部に位置する第２切欠部３７ｂは、図３（ｃ）に示した電磁鋼板３３ｃの第２連通切欠部３８ｂによって反時計回り方向に隣り合う第１切欠部３７ａに連通する。この第１切欠部３７ａは、図３（ｂ）に示した電磁鋼板３３ｂの第１連通切欠部３８ｂによってさらに反時計回り方向に隣り合う第２切欠部３７ｂに連通する。そして、この第２切欠部３７ｂも、同様にして反時計回り方向に隣り合う第１切欠部３７ａに連通する。
したがって、前述したようにステータコア３１は、第１切欠部３７ａ、第２切欠部３７ｂによる溝部からなる冷却路４２が、第１連通切欠部３８ａ、第２連通切欠部３８ｂを介して全てが連通している。

ここで、このようなステータコア３１を構成する各電磁鋼板３３（３３ａ、３３ｂ、３３ｃ）は、例えば矩形状等に形成された電磁鋼板を打ち抜き加工することで形成される。すなわち、各電磁鋼板３３ａ、３３ｂ、３３ｃについては、それぞれ一回の打ち抜き加工でティース３５やスリット３６、第１切欠部３７ａ、第２切欠部３７ｂが同時に形成される。また、第１連通切欠部３８ａ、第２連通切欠部３８ｂについても、同じ打ち抜き加工で同時に形成される。したがって、これら電磁鋼板３３（３３ａ、３３ｂ、３３ｃ）については、フラックスバリアとなる第１切欠部３７ａを有する従来の電磁鋼板と、実質的に同じ加工工程（打ち抜き加工）で作製されるようになっている。

図１に示すようにステータコア３１の両端部には、回転軸１０と同心に形成された円筒状の仕切部材４３ａ、４３ｂがそれぞれ設けられている。これら仕切部材４３ａ、４３ｂは、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（冷媒供給部）とを分離するために設けられている。仕切部材４３ａ、４３ｂによって空間Ｓ１、Ｓ２を分離していることにより、冷媒供給管Ｐ１から供給される冷却用オイルＯＬがエアギャップＧに侵入することを防止しつつ、ステータコア３１の前記冷却路４２内に冷却用オイルＯＬを流通させることが可能になっている。なお、図示は省略しているが、ティース３５の先端部間にはモールド等がなされており、ティース３５の先端部間から冷却用オイルＯＬがエアギャップＧに侵入することが防止されている。

ハウジング４０は、ジャケット４１、左側壁部材４４、及び右側壁部材４５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を収容している。ジャケット４１は、アルミニウム等によって形成された円筒状の部材であり、例えば内部に冷却水を流通させることにより、ステータ３０を外部から冷却することが可能になっている。

また、ジャケット４１の鉛直方向最上部には、前述したように外部から供給される冷却用オイルＯＬ（冷媒）をステータコア３１の冷却路４２に供給するための、冷媒供給管Ｐ１が設けられている。この冷媒供給管Ｐ１は、ステータコア３１の軸方向の一端側に配置されており、前記切欠部３７ａ、３７ｂによる溝部からなる冷却路４２の、最上部に位置する冷却路４２の一端側に連通して配置されている。
また、ジャケット４１の鉛直方向下部には、ステータコア３１の冷却路４２を通ってハウジング４０内の空間Ｓ２に流れ出た冷却オイルＯＬを、ハウジング４０外に排出するための冷媒排出管Ｐ２が設けられている。なお、冷媒供給管Ｐ１及び冷媒排出管Ｐ２は、冷却効率を高めるため複数箇所に設けられていてもよい。

左側壁部材４４及び右側壁部材４５は、アルミニウムや鉄合金等によって形成された略円板形状の部材であって、その外径がジャケット４１の外径と同程度に設定されており、ジャケット４１の左開口部位及び右開口部位を閉塞するようにそれぞれ取り付けられている。これら左側壁部材４４及び右側壁部材４５の中心部には、回転軸１０を支持する軸受Ｂ１、Ｂ２が介挿される円形形状の穴部がそれぞれ形成されている。

次に、前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２１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が回転する。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オイルＯＬが冷媒供給管Ｐ１に供給される。すると、冷却用オイルＯＬはステータコア３１の最上部に位置する冷却路４２に供給され、ステータコア３１内を通ってステータコア３１を直接冷却する。その際、前述したように第１切欠部３７ａ、第２切欠部３７ｂによる溝部からなる冷却路４２は、第１連通切欠部３８ａ、第２連通切欠部３８ｂを介して全てが連通しているため、最上部に位置する冷却路４２に供給された冷却用オイルＯＬは、供給圧によって冷却路４２の一端側から他端側に流れるとともに、自重によって下方の冷却路４２に順次流れていく。そして、最終的には最下部の冷却路４２に流れ着いた後、ステータコア３１を出て冷媒排出管Ｐ２に流入し、外部に排出される。

その際、ハウジング４０の内部は、仕切部材４３ａ、４３ｂによってロータ２０が配設されている空間Ｓ１とコイル３２が配設されている空間Ｓ２とに分離されているため、ステータコア３１の冷却路４２の途中から冷却用オイルＯＬが一部流出しても、冷却用オイルＯＬがエアギャップＧに侵入するのが防止されている。なお、このように冷却路４２の途中から流出した冷却用オイルＯＬは、冷媒排出管Ｐ２を通って外部に排出される。
また、モータ１の駆動時には、前記した冷却用オイルＯＬによる冷却とは別に、ジャケット４１の内部に冷却水を流通させることにより、ステータ３０を外部からも冷却するようにしてもよい。

本実施形態のモータ１にあっては、ステータコア３１を形成する各電磁鋼板３３（３３ａ、３３ｂ、３３ｃ）に、冷却用オイルＯＬが流通する冷却路４２として機能する複数の切欠部３７ａ、３７ｂを形成しているので、前記切欠部３７ａ、３７ｂに冷却用オイルＯＬを流通させることにより、例えばジャケット４１に冷媒を通してコイル３２を冷却する場合に比べ、より効率的にコイル３２を冷却することができ、したがってモータ１の冷却効率を高めることができる。

また、第１切欠部３７ａをフラックスバリアとして機能させているので、従来のフラックスバリアを有するステータコアに比べ、新たな加工工程を増やすことなく、また部品点数を増やすこともなくステータコア３１を形成することができ、したがってコストの増大を抑えることができる。

また、積層された電磁鋼板３３のうちの内部に配置された電磁鋼板３３ｂ（３３ｃ）に、第１切欠部３７ａと第２切欠部３８ｂとを連通させる切欠連通部３８ａ（３８ｂ）を形成しているので、切欠部３７ａ（３７ｂ）によって形成される冷却路４２間を切欠連通部３８ａ（３８ｂ）で連通させることができ、したがって冷却用オイルＯＬをステータコア３１全体に流通させることができる。

さらに、切欠連通部として第１切欠連通部３８ａと第２切欠連通部３８ｂとを設け、これら切欠連通部３８ａ、３８ｂが互いに重ならないように配置しているので、ステータコア３１全体に冷却用オイルＯＬを効率良く流通させることができる。したがって、モータ１の冷却効率をより高めることができる。

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、本発明は前記実施形態に制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
例えば、前記実施形態では、フラックスバリアとして機能する切欠部（第１切欠部３７ａ）とフラックスバリアとして機能しない切欠部（第２切欠部３７ｂ）を共に形成したが、ティースの数が多い場合などでは、全ての切欠部を、フラックスバリアとして機能するようにティースの後端側に形成配置してもよい。

また、前記実施形態では、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、３２…コイル、３３、３３ａ、３３ｂ、３３ｃ…電磁鋼板、３４…ヨーク、３５…ティース、３７ａ…第１切欠部（切欠部）、３７ｂ…第２切欠部（切欠部）、３８ａ…第１連通切欠部（連通切欠部）、３８ｂ…第２連通切欠部（連通切欠部）、４２…冷却路、ＯＬ…冷却用オイル（冷却媒体）

Claims (3)

1. 回転軸に設けられた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、円環状のヨークと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とを有する電磁鋼板が複数枚積層されて形成されたステータコアと、前記ティースに巻回されたコイルとを備えて構成され、
   前記ステータコアの前記各電磁鋼板には、前記ヨークの外周部に冷却媒体が流通する冷却路として機能する複数の切欠部が形成され、
   前記切欠部の少なくとも一部は、前記ティースの後端側に配置されて、フラックスバリアとしても機能することを特徴とする回転機。
2. 前記積層された電磁鋼板のうちの内部に配置された電磁鋼板の少なくとも一枚には、隣り合って形成された前記切欠部の間に該切欠部同士を連通させる切欠連通部が形成されていることを特徴とする請求項１記載の回転機。
3. 前記積層された電磁鋼板のうちの内部に配置された電磁鋼板の少なくとも二枚には、隣り合って形成された前記切欠部の間に該切欠部同士を連通させる切欠連通部が形成されており、
   前記二枚の電磁鋼板は、積層されてステータコアに形成された際に、前記切欠連通部が互いに重ならないように配置されていることを特徴とする請求項１記載の回転機。

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