JP2014176203A - マルチギャップ型回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却性能に優れた小型高出力なマルチギャップ型モータ１を提供する。
【解決手段】モータ１のシャフト４には、内側コア７の内周面とシャフト径大部４ａの外周面との間に形成される内径側空間１３へオイルを導入する第１オイル導入路１６が設けられ、モータフレーム２の天方向には、外側コア８の外周面とモータフレーム２の内周面との間に形成される外径側空間１４へオイルを導入する第２オイル導入路１７と、側面コア９のサイド面とモータフレーム２の対向面との間に形成されるサイド空間１５へオイルを導入する第３オイル導入路１８が設けられている。この第１〜第３オイル導入路１８を通ってモータフレーム２の外部よりオイルが導入され、各オイル流出口１６ｂより内径側空間１３、外径側空間１４、およびサイド空間１５へオイルが噴出されることで、内側ステータ、外側ステータ、および側面ステータがオイル冷却される。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、車両用の電動機や発電機などに用いて好適なマルチギャップ型回転電機に関する。

従来技術として、特許文献１に記載されたモータがある。
このモータは、ロータの内径側と外径側とにそれぞれギャップを有して内側ステータと外側ステータとを配置したダブルステータ型モータであり、シングルステータ型モータと比較して高トルクを発生することが可能である。
また、同モータは、内外ステータの発熱がモータハウジングに伝導して、そのモータハウジングから外部へ放熱されるように、冷却性が考慮された構造を採用している。

特開２００７−２８２３３１号公報

ところで、モータの小型高出力化を図る上で、更なる冷却性能の向上を考えた場合、オイル等をハウジング内のモータ構成部品に直接噴射する流体冷却構造が考えられる。
しかし、以下の点で冷却性能が向上できず、結果的に小型高出力化できないという問題がある。モータの主な発熱源はステータであるが、外側ステータと比較して表面積が小さく伝熱経路も少ない内側ステータは、その内周面全体がベアリングケースに当接しているため、オイルとの接触面積が小さく、放熱されにくい構造となっている。このため、コイルの抵抗による発熱量を抑えることで、コイルを含むモータ構成部品の温度を許容値以内に抑える必要があり、コイルの断面積を太くする、すなわち低抵抗とする必要があり、結果としてモータ全体が出力の割りに大型化してしまう。
本発明は、上記事情に基づいて成されたものであり、その目的は、冷却性能に優れた小型高出力なマルチギャップ型回転電機を提供することにある。

本発明は、軸受を介してフレームに回転自在に支持される回転軸と、軸方向の一端面にロータディスクが固定され、このロータディスクを介して回転軸に連結される環状のロータと、このロータの径方向の内側と外側とにそれぞれギャップを有して配置される内側コアと外側コアを有し、且つ内側コアと外側コアとにそれぞれステータ巻線を巻装した内側ステータと外側ステータとを備えるマルチギャップ型回転電機であって、内側ステータの内径側には、内側コアの内周面の一部または全面を開放する空間（以下、内径側空間と呼ぶ）が確保され、回転軸には、フレームの外部より内径側空間へオイルを導入するための第１オイル導入路が形成され、この第１オイル導入路は、オイル流入口が回転軸の軸方向端面に開口して回転軸の軸中心部を軸方向に穿設された軸方向流路と、この軸方向流路と連通して径方向の外側へ延設され、内径側空間にオイル流出口が開口する径方向流路とを有することを特徴とする。

上記の構成によれば、内側ステータの内径側に内径側空間が確保されることで、内側コアの内周面の一部または全面がフレーム等に支持されることなく開放されている。なお、「開放」とは、内側コアの内周面の一部または全面が内側ステータを支持するフレーム等の支持部材に当接することなく内径側空間に露出している状態を言う。
これにより、第１オイル導入路を通って内径側空間へオイルを導入することにより、内側ステータを直接オイル冷却できるので、特許文献１の従来技術と比較して冷却性能が向上する。また、内側コアの内周面にオイルが接触するだけでなく、内側コアに巻装されるステータ巻線（特にコイルエンド部）にもオイルが接触することにより、ステータ巻線を直接オイルで冷却することも出来る。なお、内径側空間に開放された内側コアの内周面の面積が大きい程、オイルとの接触面積が増大するので、より冷却性能を向上できることは言うまでもない。

実施例１に係るモータの縦断面図である。 実施例１に係るオイル冷却装置を模式的に示す全体構成図である。 実施例１に係るオイル冷却装置を模式的に示す全体構成図である。 実施例２に係るモータの半断面図である。 図４に示すモータのＶ−Ｖ断面図である。 実施例３に係るモータの半断面図である。 図６に示すモータのＸＩ−ＸＩ断面図である。 実施例４に係るモータの縦断面図である。 実施例４に係るモータの縦断面図である。 実施例５に係るモータの縦断面図である。 実施例６に係るモータの縦断面図である。

本発明を実施するための形態を以下の実施例により詳細に説明する。

（実施例１）
実施例１は、本発明のマルチギャップ型回転電機を、例えばハイブリッド自動車のエンジンと変速機との間に配置される走行用モータに適用した事例を説明する。
実施例１のモータ１は、図１に示す様に、モータフレーム２と、このモータフレーム２に一組の軸受３を介して回転自在に支持されるシャフト４と、軸方向の一端面に固定されるロータディスク５を介してシャフト４に連結される環状のロータ６と、このロータ６の径方向の内外両側および軸方向他端側にそれぞれギャップを有して断面コの字型に配置されるステータコア（後述する）と、このステータコアに巻装される三相のステータ巻線（後述する）とで構成される。

シャフト４は、例えば、図示しないエンジンのクランク軸と変速機の被駆動軸との間に直結またはクラッチを介して連結される。このシャフト４は、軸方向の中央部に外径が大きく形成されたシャフト径大部４ａを有する。
ロータディスク５は、例えば、非磁性ＳＵＳ材によって形成され、シャフト４と同軸にロータ６を支持している。このロータディスク５は、シャフト径大部４ａの外周面に溶接等によって固定される円筒形のディスク固定部５ａを有し、このディスク固定部５ａからロータ６の軸方向一端側へ延びてロータ６の軸方向端面を支持している。なお、ロータ６とロータディスク５は、例えば、ロータ６を軸方向に挿通するスルーボルトあるいはリベット等によって固定される。

ロータ６は、例えば、複数枚の電磁鋼板を積層して構成されるロータ鉄心に永久磁石を埋設した永久磁石型ロータ、あるいはロータ鉄心の内外周にそれぞれ突極構造（物理的な凹凸形状）を設けた突極型ロータとして構成される。
ステータコアは、ロータ６の内径側に配置される内側コア７と、ロータ６の外径側に配置される外側コア８と、ロータ６の他端側に配置されて内側コア７と外側コア８とに連結される側面コア９とで構成される。内側コア７と外側コア８および側面コア９には、それぞれ同数のスロットが周方向に等ピッチに形成されている。
このステータコアは、例えば、周方向の複数箇所に固定用ステー（図示せず）が一体に設けられ、この固定用ステーをモータフレーム２にネジ等で締め付けて固定される。

ステータ巻線は、内側コア７のスロットに挿入される内側巻線１０と、外側コア８のスロットに挿入される外側巻線１１と、内側巻線１０と外側巻線１１とを直列に接続して側面コア９のスロットに挿入される側面巻線１２とを有する。なお、本発明の請求項１に記載した内側ステータは、内側コア７に内側巻線１０を巻装して構成され、外側ステータは、外側コア８に外側巻線１１を巻装して構成される。また、側面巻線１２は、本発明の請求項４〜６に記載した内外渡り線であり、本発明の請求項５に記載した側面ステータは、側面コア９に側面巻線１２（内外渡り線）を巻装して構成される。
上記のステータ巻線は、三相コイルの一端同士が結線されて中性点を形成し、他端部が公知のインバータ（図示せず）に接続され、このインバータを通じて励磁電流が供給される。

次に、本発明のオイル冷却について説明する。
実施例１のモータ１は、内側コア７の内径側、外側コア８の外径側、および側面コア９のサイド側にそれぞれオイルが流れる空間が確保されている。以下、内側コア７の内径側に確保される空間を内径側空間１３、外側コア８の外径側に確保される空間を外径側空間１４、側面コア９のサイド側（図１の右側）に確保される空間をサイド空間１５と呼ぶ。 内径側空間１３は、図１に示す様に、内側コア７の内周面とシャフト径大部４ａおよびディスク固定部５ａの外周面との間に形成され、内側コア７の内周面の一部または全面が内径側空間１３に開放されている。
外径側空間１４は、外側コア８の外周面とモータフレーム２の内周面との間に形成され、外側コア８の外周面の一部または全面が外径側空間１４に開放されている。

サイド空間１５は、側面コア９の反ロータ側端面（以下、側面コア９のサイド面と呼ぶ）とモータフレーム２の対向面との間に形成され、側面コア９の一部または全面がサイド空間１５に開放されている。上記の「モータフレーム２の対向面」とは、本発明の請求項６に記載したサイド壁面であり、側面コア９に巻装される側面巻線１２との間に所定の隙間を有して側面コア９のサイド面と軸方向に対向して形成される。
同モータ１の回転軸およびモータフレーム２には、上記の内径側空間１３、外径側空間１４、およびサイド空間１５にそれぞれオイルを導入するための第１オイル導入路１６、第２オイル導入路１７、第３オイル導入路１８が形成される。また、モータフレーム２の底部（鉛直下方）には、内径側空間１３、外径側空間１４、およびサイド空間１５へ導入されたオイルをモータフレーム２の外部へ排出するためのオイル排出口１９が取り付けられている。

第１オイル導入路１６は、シャフト４の軸方向端面にオイル流入口１６ａが開口してシャフト４の軸中心部を軸方向に穿設された軸方向流路１６Ａと、この軸方向流路１６Ａと連通してシャフト径大部４ａの内部を径方向に延設された径方向流路１６Ｂとを有し、この径方向流路１６Ｂの下流端であるオイル流出口１６ｂがディスク固定部５ａを貫通して内径側空間１３に開口している。この径方向流路１６Ｂは、シャフト４の回転によってオイル流出口１６ｂの位置が円周方向に移動するので、シャフト径大部４ａに径方向流路１６Ｂを１本だけ設けても良いが、図１に示す様に、シャフト径大部４ａを径方向に貫通して２本設ける、あるいは、周方向に等間隔に３本以上設けることもできる。また、ディスク固定部５ａを貫通するオイル流出口１６ｂは、図１に示す様に、内側巻線１０のコイルエンド側へ向かって斜めに形成しても良い。
第２オイル導入路１７は、モータフレーム２の天方向にオイル流入口１７ａが開口して、このオイル流入口１７ａより鉛直下方に延設され、外径側空間１４の天方向にオイル流出口１７ｂが開口している。
第３オイル導入路１８は、第２オイル導入路１７と同様に、モータフレーム２の天方向にオイル流入口１８ａが開口して、このオイル流入口１８ａより鉛直下方に延設され、サイド空間１５の天方向にオイル流出口１８ｂが開口している。

第１オイル導入路１６、第２オイル導入路１７、および第３オイル導入路１８の各オイル流入口１６ａ、１７ａ、１８ａと、モータフレーム２に取り付けられたオイル排出口１９は、例えば、図２に示すオイル循環回路に接続される。このオイル循環回路には、オイルを循環させるためのオイルポンプ２０と、加熱されたオイルを冷却するためのオイル冷却器２１と、図示しないオイルフィルタ等を備える。
なお、図２に示すオイル循環回路は、モータ冷却用の独立した循環系として構成されているが、例えば、図３に示す様に、変速機２２の潤滑、油圧制御、冷却に用いられるオイル循環回路と共用することもできる。すなわち、トランスミッションオイル（ＡＴフルード、ＣＶＴフルードなど）をモータ冷却用オイルとして利用することもできる。

（実施例１の作用および効果）
実施例１のモータ１は、図１に示した様に、内側コア７の内径側、外側コア８の外径側、および側面コア９のサイド側にそれぞれオイルを流すことができる空間１３、１４、１５を有しているので、オイル冷却によってステータの発熱を低減できる。具体的には、図中の矢印線Ａで示す様に、第１オイル導入路１６を通って内径側空間１３へ導入されるオイルが内側コア７の内周面および内側巻線１０のコイルエンド側へ向かって噴出することで、内側ステータを効果的に冷却できる。同様に、図中の矢印線Ｂで示す様に、第２オイル導入路１７を通って外径側空間１４へ導入されるオイルが外側コア８の外周面に噴出されることで、外側ステータを効果的に冷却できる。さらに、図中の矢印線Ｃで示す様に、第３オイル導入路１８を通ってサイド空間１５へ導入されるオイルが側面コア９のサイド面および側面コア９のスロットより突き出る側面巻線１２に向かって噴出されることで、側面ステータを効果的に冷却できる。

上記の様に、内側ステータ、外側ステータ、および側面ステータを効果的にオイル冷却できるので、特許文献１の従来技術と比較して冷却性能が大きく向上し、小型高出力なモータ１を提供できる。
また、実施例１のステータコアは、固定用ステーが一体に設けられ、この固定用ステーをモータフレーム２にネジ等で締め付けて固定されるので、内側コア７の内周面、外側コア８の外周面、および側面コア９のサイド面とモータフレーム２とが当接する面積を小さくできる。言い換えると、内径側空間１３に開放される内側コア７の内周面の面積、外径側空間１４に開放される外側コア８の外周面の面積、および、サイド空間１５に開放される側面コア９のサイド面の面積を広く確保できる。これにより、ステータコアとオイルとの接触面積が増大するので、冷却性能がより向上する。

以下、本発明に係る他の実施例（実施例２〜６）を説明する。
なお、実施例１と同一名称で記載した部品および構成等は、実施例１と同一番号を付与して、実施例１と重複する説明は省略する。
（実施例２）
この実施例２は、図４に示す様に、第２オイル導入路１７のオイル流出口１７ｂが開口するモータフレーム２の内周表面に突出部２３を設けた事例である。
この突出部２３は、オイル流出口１７ｂより噴出するオイルの流れを誘導するもので、例えば、図５に示す様に、オイル流出口１７ｂの近傍よりより放射状に設けられている。これにより、オイルの流れが特定の方向に偏ることがなく、図示矢印線で示す様に、突出部２３に案内されて放射状に拡散するので、外側ステータに対する冷却性能がさらに向上する。なお、突出部２３を立てる代わりに、モータフレーム２の内周面に溝を凹設することもできる。

（実施例３）
この実施例３は、図６に示す様に、側面コア９のサイド面と対向するモータフレーム２の対向面に突出部２４を設けた事例である。
この突出部２４は、第３オイル導入路１８のオイル流出口１８ｂより噴出するオイルの流れを誘導するもので、例えば、図７に示す様に、モータフレーム２の対向面を円周方向に延びて設けられている。これにより、オイル流出口１８ｂより噴出するオイルが、そのまま鉛直下方へのみ流れることを防止でき、図示矢印線で示す様に、突出部２４によって円周方向に誘導できるので、側面ステータに対する冷却性能がさらに向上する。
なお、実施例２の事例と同様、突出部２４を立てる代わりに、モータフレーム２の対向面に溝を凹設することもできる。

（実施例４）
この実施例４は、実施例１に記載した第２オイル導入路１７を廃止して、第１オイル導入路１６のみを設けた事例、または第１オイル導入路１６と第３オイル導入路１８を設けた事例である。
第１オイル導入路１６を設けることで、内側ステータを効果的にオイル冷却できることは実施例１で説明した通りである。
実施例１と大きく異なる点は、少なくとも第２オイル導入路１７を廃止したことに加えて、外径側空間１４も無くしたことである。つまり、外側ステータは、図８に示す様に、外側コア８の外周面がモータフレーム２の内周面に全面に渡って当接している。

これにより、外側ステータの発熱がモータフレーム２に伝わるので、モータフレーム２から外部へ放熱されることで、外側ステータの発熱を抑えることができる。
また、側面ステータは、側面コア９が外側コア８と機械的に結合され、且つ、側面コア９の一部がモータフレーム２と接触しているので、第３オイル導入路１８を設けなくても、側面ステータの発熱を抑えることは可能である。但し、図９に示す様に、第３オイル導入路１８を設けて、実施例１と同様に、オイル冷却によって側面ステータの冷却性能を向上させることもできる。

（実施例５）
この実施例５は、図１０に示す様に、実施例１に記載した第３オイル導入路１８を廃止して、第１オイル導入路１６と第２オイル導入路１７を設けた事例である。
側面ステータは、実施例４で説明した様に、側面コア９が外側コア８と機械的に結合され、且つ、側面コア９の一部がモータフレーム２と接触しているので、外側ステータがオイル冷却されることにより、側面ステータの発熱を抑えることは可能である。よって、第３オイル導入路１８を廃止した構成でも、特許文献１と比較して冷却性能の向上を図ることは可能である。

（実施例６）
この実施例６は、図１１に示す様に、ステータコアが内側コア７と外側コア８とで構成され、且つ、第２オイル導入路１７を廃止した事例である。
この場合、外側コア８は、実施例４で説明した様に、外側コア８の外周面がモータフレーム２の内周面に全面に渡って当接している。これにより、外側ステータの発熱がモータフレーム２に伝わるので、第２オイル導入路１７を廃止しても、モータフレーム２から外部へ放熱されることで外側ステータの発熱を抑えることができる。
また、ステータコアは、実施例１に記載した側面コア９を持たないので、内側巻線１０と外側巻線１１とを直列に接続する内外渡り線（実施例１に記載した側面巻線１２に相当する）は、サイド空間１５に露出した状態で配設される。これに対し、第３オイル導入路１８を設けることで、内外渡り線１２を直接オイル冷却できるので、側面コア９を持たない構成でも、特許文献１と比較して冷却性能を向上できる。

１ モータ（マルチギャップ型回転電機）
２ モータフレーム（フレーム）
３ 軸受
４ シャフト（回転軸）
５ ロータディスク
６ ロータ
７ 内側コア
８ 外側コア
１０ 内側巻線（ステータ巻線）
１１ 外側巻線（ステータ巻線）
１２ 側面巻線（内外渡り線）
１３ 内径側空間
１４ 外径側空間
１５ サイド空間
１６ 第１オイル導入路
１６Ａ 軸方向流路（第１オイル導入路）
１６Ｂ 径方向流路（第１オイル導入路）
１７ 第２オイル導入路
１８ 第３オイル導入路

Claims (6)

1. 軸受（３）を介してフレーム（２）に回転自在に支持される回転軸（４）と、
   軸方向の一端面にロータディスク（５）が固定され、このロータディスク（５）を介して前記回転軸（４）に連結される環状のロータ（６）と、
   このロータ（６）の径方向の内側と外側とにそれぞれギャップを有して配置される内側コア（７）と外側コア（８）を有し、且つ前記内側コア（７）と前記外側コア（８）とにそれぞれステータ巻線を巻装した内側ステータと外側ステータとを備えるマルチギャップ型回転電機（１）であって、
   前記内側ステータの内径側には、前記内側コア（７）の内周面の一部または全面を開放する空間（以下、内径側空間（１３）と呼ぶ）が確保され、
   前記回転軸（４）には、前記フレーム（２）の外部より前記内径側空間（１３）へオイルを導入するための第１オイル導入路（１６）が形成され、この第１オイル導入路（１６）は、オイル流入口（１６ａ）が前記回転軸（４）の軸方向端面に開口して前記回転軸（４）の軸中心部を軸方向に穿設された軸方向流路（１６Ａ）と、この軸方向流路（１６Ａ）と連通して径方向の外側へ延設され、前記内径側空間（１３）にオイル流出口（１６ｂ）が開口する径方向流路（１６Ｂ）とを有することを特徴とするマルチギャップ型回転電機。
2. 請求項１に記載したマルチギャップ型回転電機（１）において、
   前記外側ステータの外径側には、前記外側コア（８）の外周面の一部または全面を開放する空間（以下、外径側空間（１４）と呼ぶ）が確保され、
   前記フレーム（２）には、前記フレーム（２）の外部より前記外径側空間（１４）へオイルを導入するための第２オイル導入路（１７）が形成され、この第２オイル導入路（１７）は、前記フレーム（２）の天方向にオイル流入口（１７ａ）が開口して、このオイル流入口（１７ａ）より鉛直下方に延設され、前記外径側空間（１４）の天方向にオイル流出口（１７ｂ）が開口していることを特徴とするマルチギャップ型回転電機。
3. 請求項２に記載したマルチギャップ型回転電機（１）において、
   前記第２オイル導入路（１７）のオイル流出口（１７ｂ）が開口する前記フレーム（２）の内周表面には、前記オイル流出口（１７ｂ）より前記外径側空間（１４）へ流出するオイルの流れを誘導して拡散させるための突出部（２３）または溝が設けられていることを特徴とするマルチギャップ型回転電機。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載したマルチギャップ型回転電機（１）において、
   前記ステータ巻線は、前記内側コア（７）に巻装される内側巻線（１０）と、前記外側コア（８）に巻装される外側巻線（１１）と、軸方向の他端側で前記ロータ（６）を跨いで前記内側巻線（１０）と前記外側巻線（１１）とを接続する内外渡り線（１２）とを有し、
   前記フレーム（２）の内部には、前記内外渡り線（１２）を配設するための空間（以下、サイド空間（１５）と呼ぶ）が確保され、
   前記フレーム（２）には、前記フレーム（２）の外部より前記サイド空間（１５）へオイルを導入するための第３オイル導入路（１８）が形成され、この第３オイル導入路（１８）は、前記フレーム（２）の天方向にオイル流入口（１８ａ）が開口して、このオイル流入口（１８ａ）より鉛直下方に延設され、前記サイド空間（１５）の天方向にオイル流出口（１８ｂ）が開口していることを特徴とするマルチギャップ型回転電機。
5. 請求項４に記載したマルチギャップ型回転電機（１）において、
   軸方向の他端側で前記内側コア（７）と前記外側コア（８）とに連結され、且つ、前記ロータ（６）の他端側にギャップを有して配置される側面コア（９）を有し、この側面コア（９）に前記内外渡り線（１２）が巻装されて側面ステータを構成していることを特徴とするマルチギャップ型回転電機。
6. 請求項４または５に記載したマルチギャップ型回転電機（１）において、
   前記フレーム（２）は、前記内外渡り線（１２）との間に所定の隙間を有して前記サイド空間（１５）の軸方向の他端側を区画するサイド壁面を有し、このサイド壁面には、前記第３オイル導入路（１８）の流出口より前記サイド空間（１５）へ流出するオイルの流れを周方向へ誘導するための突出部（２４）または溝が設けられていることを特徴とするマルチギャップ型回転電機。

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