JP2016220375A - アキシャルギャップ型電動発電機 - Google Patents

Abstract

【課題】軸方向の寸法を大きくすることなく、コイルを冷却できるアキシャルギャップ型電動発電機を提供する。
【解決手段】
アキシャルギャップ型電動発電機（２）は、ロータ（８）の回転軸（１０）の軸方向にロータ（８）とステータ（６）とが対向している。ステータ（６）はコイル（４２）を含み、ロータ（８）は磁石（５０）を含む。ステータ（６）は、冷却部材（２２）を介して、ロータ（８）及びステータ（６）を受容するケース（４）に固定されている。ロータ（８）は、ロータ（８）が回転したときに空気流を発生させるための空気流発生溝（５８）を有する。冷却部材（２２）は、ステータ（６）の外周縁に当接するとともに、放射溝（２６）を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電動機又は発電機として作動するアキシャルギャップ型電動発電機に関し、特に、コイルの冷却構造に特徴を有するアキシャルギャップ型電動発電機に関する。

電動機（モータ）又は発電機として作動するアキシャルギャップ型電動発電機は、ステータとロータとが、ロータの回転軸方向に対向しているため、ステータとロータとが半径方向に対向しているモータに比べて薄くできるという利点を有する。そのため、アキシャルギャップ型電動発電機は、自動車のクランク軸に同軸に直付けする発電機等、薄くすることが要求される電動機又は発電機に適用される。

例えば、特許文献１に記載のアキシャルギャップ型電動発電機は、コイルを有するステータと、磁石を有し、ステータを挟むように互いに対向する１対のロータとを備える。１対のロータの互いに相反する側には、冷却ファンが取り付けられている。冷却ファンは、取付面から回転軸方向に突出する板状のブレードによって空気流を発生させ、コイルで発生した熱を放散させている。

特開２００８−２４５３５６号公報

特許文献１に記載のアキシャルギャップ型電動発電機では、冷却ファンのブレードが回転軸方向に突出しているため、その分、アキシャルギャップ型電動発電機の回転軸方向の厚さが厚くなるという問題があった。

本発明は、上記問題に鑑み、コイルを冷却することができるとともに、薄型化されたアキシャルギャップ型電動発電機を提供することを目的とする。

本発明のある側面は、電動機又は発電機として作動するアキシャルギャップ型電動発電機（２，６４）であって、ケース（４，６６）と、前記ケースに受容されかつ回転可能に支持され、磁石（５０）を含むロータ（８）と、前記ケースに受容されかつ固定され、前記ロータの回転軸（１０）の軸方向において前記磁石に対向するコイル（４２）を含むステータ（６）と、前記ステータに対して半径方向外側に配置された冷却板（２２）とを備え、前記ケースには、半径方向内側に設けられた空気流入口（２０）と、半径方向外側に設けられた空気流出口（３２，７４）とが形成されており、前記ロータの軸方向を向いた端面に、半径方向に延在長さを有する空気流発生溝（５６，５８）が設けられ、前記冷却板の軸方向を向いた端面に、放射溝（２６）が半径方向に沿って設けられ、前記冷却板は、前記ステータの外周縁に当接していることを特徴とする。ここで、空気流発生溝が「半径方向に延在長さを有する」とは、空気流発生溝が、半径方向に沿って延在する場合のほか、湾曲又は半径方向に対して傾斜している場合を含むが、周方向に沿って延在している場合を含まない。

この構成によれば、冷却板によってコイルが冷却される。また、ロータの回転によって、空気流発生溝が、半径方向外側に向かう空気の流れを起こし、その空気流が、コイルを冷却するとともに、放射溝を流れることによってコイルから熱を伝達された冷却板を冷却する。また、空気流を発生させるための構造が溝であるため、電動発電機の軸方向の寸法は増大していない。

本発明の他の側面は、上記構成において、前記空気流入口が、前記ケースの軸方向の端面の半径方向内側に設けられ、前記空気流出口が前記ケースの外周面に設けられていることを特徴とする。

この構成によれば、空気流発生溝によって生じる空気の流れが、半径方向の内側から外側に向かいやすくなり、冷却効率を向上させることができる。

本発明の他の側面は、上記構成において、前記空気流出口（３２）が、前記冷却板の前記放射溝が形成された端面を前記ケース（４）の内面に当接させることにより画成された流路の出口として構成されたことを特徴とする。

この構成によれば、空気が電動発電機内を半径方向に直線的に流れるため、空気の流れが妨げられず、冷却効率を向上させることができる。

本発明の他の側面は、上記構成において、前記ステータが、前記コイルを支持する絶縁体からなる円板状の基板（４０）を含み、前記冷却板が、前記基板に当接する中心開口縁（２４）を有する金属又はセラミックからなることを特徴とする。

この構成によれば、冷却板が、ステータと略同一平面状に位置することになり、伝統発電機の軸方向の寸法の増大を防止できる。

本発明の他の側面は、上記構成において、前記中心開口縁は、前記ステータの外周及び両端面の外周側にコ字上に当接し、前記コイルの一部は、前記ステータの前記冷却板が当接する部分又はその近傍に配置されたことを特徴とする。

この構成によれば、冷却板とコイルとの接触面積が大きくなり、コイルからの放熱量を増大させることができる。

本発明の他の側面は、上記構成において、前記冷却板は、前記ステータの外周面及び前記ステータの一方の端面に当接する第１プレート部材（２８）と、前記ステータの他方の端面に当接するとともに前記第１プレートに積層される第２プレート部材（３０）とからなり、前記放射溝は、前記第１プレート及び前記第２プレートの相反する面に設けられたことを特徴とする。

この構成によれば、コ字状にステータに当接する冷却板の製造及び組み付けが容易になるとともに、放射溝が両面に設けられることにより、放熱効果が高まる。

本発明の他の側面は、上記構成において、前記空気流発生溝は、前記ロータの軸線方向における両端面に設けられたことを特徴とする。

この構成によれば、電動発電機の軸方向の寸法を増大させることなく、電動発電機内の対流を増大させ、冷却効果を高めることができる。

本発明の他の側面は、上記構成において、前記空気流発生溝（５６）は、前記ロータの前記ステータに対向する端面に設けられ、前記ロータの前記ステータに対向しない端面には、半径方向に延在長さを有する空気流発生リブ（６０）が設けられたことを特徴とする。

この構成によれば、電動発電機の軸方向の寸法の増大を抑えて、電動発電機内の対流を増大させ、冷却効果を高めることができる。

本発明によれば、コイルを冷却することができるとともに、薄型化されたアキシャルギャップ型電動発電機を提供することができる。

第１実施形態に係る電動発電機の断面図 第１実施形態に係る電動発電機のケースの蓋を示す平面図 第１実施形態に係る電動発電機のステータ及び冷却板を示す平面図 第１実施形態に係る電動発電機のステータを示す平面図 第１実施形態に係る電動発電機の空気流出口近傍の側面図 第１実施形態に係る電動発電機の空気流出口近傍の変形例を示す側面図 第１実施形態に係る電動発電機のロータを示す平面図 第１実施形態に係る電動発電機のロータを示す底面図及び側面図 第１実施形態に係る電動発電機のロータの変形例を示す底面図 第１実施形態に係る電動発電機のロータの他の変形例を示す底面図 第２実施形態に係る電動発電機の平面図 第２実施形態に係る電動発電機の断面図 第３実施形態に係る電動発電機の断面図

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。図１に示すように、電動発電機２は、ケース４と、ケース４に固定されたステータ６と、ケース４に回転可能に支持されたロータ８とを備える。以下の説明において、ロータ８の回転軸１０の方向を軸方向といい、軸方向に直交する方向を半径方向といい、ロータ８の回転方向を周方向という。

ケース４は、前蓋１２と後蓋１４とを備える。ケース４は、平面視で、軸方向においてステータ６及びロータ８と重なる円形部分と、その外側に形成された概ね正方形外縁を形成するフランジ部分とを有する。図２に、前蓋１２の平面図を示す。前蓋１２には、電動発電機２を対象物に取り付けるための取付用穴１６、及び前蓋１２と後蓋１４とを互いに締結するためのボルト用穴１８が隅部に形成されており、また、空気を電動発電機２内に導入するための空気流入口２０が、半径方向の回転軸１０よりの部分に形成されている。後蓋１４にも、取付用穴１６、ボルト用穴１８及び空気流入口２０が、前蓋１２のものと軸方向に整合する位置に形成されている。ケース４の素材は、金属であることが好ましい。

図１及び図３〜図６を参照して、ステータ６及び冷却板２２を説明する。ステータ６は、冷却板２２を介してケース４に固定されている。冷却板２２は、平面視において外縁が前蓋１２及び後蓋１４の外縁に略整合し、取付用穴１６及びボルト用穴１８が、前蓋１２及び後蓋１４のものと軸方向に整合する位置に形成されている。冷却板２２は、前蓋１２、冷却板２２及び後蓋１４のボルト用穴１８に挿通される図示しないボルトによって、ケース４に固定される。冷却板２２は、平面視で、中心に円形の開口を画成する中心開口縁２４を有し、中心開口縁２４において、ステータ６の外周縁を把持している。冷却板２２は、アルミニウム等の金属やセラミックのように熱伝導率の高い素材からなる。

冷却板２２には、軸方向を向いた両端面に、中心開口縁２４から外縁まで半径方向に延びる放射溝２６が複数形成されている。図４に示すように、冷却板２２は、第１プレート２８及び第２プレート３０を互いに重ね合わせて形成される。第１プレート２８及び第２プレート３０の互いに相反する端面に放射溝２６が形成されている。第１プレート２８及び第２プレート３０の半径方向の内側の内縁部によって、中心開口縁２４が形成され、第１プレート２８の内縁部においては、放射溝２６が形成された側とは反対側の端面は、ステータ６の外周縁部の一方の端面及び外周縁部の外周面に当接するように段状に形成されており、第２プレート３０の内縁部においては、放射溝２６が形成された側とは反対側の端面が、ステータ６の外周縁部の他方の端面に当接する。ケース４及び冷却板２２の外縁においては、放射溝２６を有する冷却板２２を外縁部においては平板状を呈する前蓋１２及び後蓋１４が挟持することによって、放射溝２６と前蓋１２又は後蓋１４の軸線方向を向いた端面とが空気流出口３２を画成する。なお、図５に示すように、冷却板２２の第１プレート２８を、軸方向の端面の一方に放射溝２６を有し、反対側の端面の内縁部でステータ６に当接する第１サブプレート３４と、第１サブプレート３４と第２プレート３０とに挟まれて、内周縁でステータ６の外周面に当接す第２サブプレート３６とによって構成してもよい。

図３及び６に示すように、ステータ６は、中心に開口３８を有する円板状の基板４０と、基板４０に取り付けられて周方向に沿って互いに略等間隔に配置された複数のコアレスのコイル４２とを備える。開口３８は、図１に示すように、ロータ８の回転軸１０を挿通させるためのものである。基板４０は、樹脂を素材とし、複数のコイル４２とともにインサートモールドによって成形される。コイル４２の端面は、基板４０を構成する樹脂で薄く覆われていても、露出していてもよい。コイル４２の軸は、回転軸１０の軸方向と平行である。基板４０には、複数のコイル４２の各々のコイル軸にそって貫通するステータ穴４４が形成されている。ステータ６の外周側において、コイル４２の外周側の巻線部分は、ステータ６の外周縁又はその近傍に位置する。

冷却板２２の中心開口縁２４は、ステータ６の外周側に全周に渡って当接し、その部分には、コイル４２が配置され、コイルの巻線部分の端面が、基板４０内に埋め込まれているか又は基板４０から露出している。冷却板２２がアルミニウム等の導電体からなる場合は、冷却板２２とコイル４２の巻線部分の端面との間に絶縁体が配置される。例えば、絶縁体は、基板４０を構成する樹脂や、コイル４２の巻線を覆うエナメルである。冷却板２２は、ステータ６の外周側におけるコイル４２の巻線部分の幅の約１／４〜１／２程度を覆っている。

図１、図７及び図８を参照してロータ８を説明する。ロータ８は、軸方向においてステータ６を挟むように１対設けられており、１対のロータ８の各々は、ステータ６に対して、隙間を開けて対向している。ロータ８は、回転軸１０に固定されており、回転軸１０は、ケース４に固定された軸受４６によって回転可能に支持されている。１対のロータ８の各々は、ステータ６を対象面として、概ね互いに鏡像対称形をなす。

ロータ８は、概ね円板状を呈する基板４８と、基板４８上に周方向に沿って互いに略等間隔で配置された永久磁石５０とを備える。基板４８には、中心に回転軸１０を嵌合する開口５２と、磁石５０よりも半径方向の内側において軸方向に貫通するロータ穴５４とが形成されている。ロータ８と冷却板２２とが互いに衝突しないように、ロータ８の基板４８の外周縁は、冷却板２２の中心開口縁２４よりも半径方向の内側に位置する。

磁石５０は、軸方向においてコイル４２に対向するように配置される。ステータ６に対向する側のロータ８の端面においては、磁石５０の表面が基板４８の表面よりもステータ側に位置するように、磁石５０が基板４８に取り付けられて、互いに隣接する磁石５０の側面と基板４８の表面とによって、半径方向に延在する第１空気流発生溝５６が形成されている。ステータ６に対向しない側のロータ８の端面においては、基板４８にロータ穴５４の近傍から外周縁まで半径方向に延在する第２空気流発生溝５８が形成されている。第２空気流発生溝５８に代えて、図９に示すように、空気流発生リブ６０を設けてもよい。また、ロータ８の回転方向が一定の場合には、図１０に示すように、第２空気流発生溝５８を変形して、ロータ８の回転によって半径方向の外側に向かって空気が流れるように湾曲又は半径方向に対して傾斜させてもよい。

図１に示すように、ケース４内に、リゾルバ６２を配置してもよい。

次に、電動発電機２の作用について説明する。電動発電機２は、電動機（モータ）又は発電機として作動する。

熱伝導率の高い冷却板２２が、コイル４２を含むステータ６に当接しているため、コイル４２で発生した熱は、冷却板２２に伝わってコイル４２が冷却される。冷却板２２に伝わった熱は、直接又はケース４を介して空気中に放出される。空気以外の流体を冷却媒体として冷却板２２又はケース４に接触させてもよい。また、冷却板２２は、放射溝２６を有するため、表面積が大きくて放熱しやすい。

また、ロータ８が回転すると、第１空気流発生溝５６及び第２空気流発生溝５８によって、ケース４内に、半径方向外側に向かう空気の流れが生じる。図８に示すように、第１空気流発生溝５６及び第２空気流発生溝５８が半径方向に沿って形成されている場合、ロータの回転の向きが左右のいずれであっても、半径方向の外側に向かう空気の流れを起こすことができる。図１に示された破線の矢印は、空気の流れを示す。空気は、空気流入口２０から流入し、空気流出口３２から流出する。その間の経路は、主に、ロータ８のステータ６に対向していない側の面とケース４との間を流れた後、放射溝２６とケース４によって形成された流路に流入する経路と、ロータ穴５４を通過し、ロータ８のステータ６に対向している側の面とステータ６との間を流れた後、放射溝２６とケース４によって形成された流路に流入する経路とに分かれる。この空気の対流によって、コイル４２を直接冷却するとともに、コイル４２の熱を受けた冷却板２２及びケース４を冷却する。

また、ステータ６は、ステータ穴４４を有することによって、表面積が大きくなり、コイル４２の熱の放熱量が大きくなっている。

第１空気流発生溝５６及び第２空気流発生溝５８によって、空気流を生成するため、ロータ８の端面から突出するリブを設ける場合に比べて軸方向の寸法を小さくすることができる。また、第１空気流発生溝５６は、磁石５０の表面と基板４８の表面との段差によって形成されているため、第１空気流発生溝５６を作成するために基板４８の軸方向の厚さを厚くする必要がない。

次に、図１１及び図１２を参照して、第２実施形態に係る電動発電機６４について説明する。説明に当たって、第１実施形態の同様の構成については、その説明を省略し、同一の符号を付す。第２実施形態に係る電動発電機６４は、主に、ケース６６及び冷却板６８の形状が第１実施形態と異なる。

ケース６６及び冷却板６８は、平面視で略円形を呈し、ケース６６の前蓋７０と後蓋７２とは、互いに外縁部を全周カシメ又は部分カシメすることにより結合される。冷却板６８は、前蓋７０と後蓋７２とに挟持されることによってケース６６に固定される。冷却板６８は、放射溝２６を有する点、並びに、第１プレート６８Ａ及び第２プレート６８Ｂにより形成されてステータ６の外周縁部と当接する点においては、第１実施形態と同様である。

空気流出口７４は、前蓋７０及び後蓋７２のそれぞれの外縁部近傍に、軸方向に向けて設けられている。ロータ８の回転によって生じた空気流は、空気流入口２０からケース６６内に流入し、ロータ８とケース６６との間を通過した後、又はロータ穴５４及びロータ８とステータ６との間を通過した後、放射溝２６とケース６６とによって形成される流路に入り、空気流出口７４から排出される。

次に、図１３を参照して第３実施形態に係る電動発電機７６について説明する。説明に当たって、第１実施形態の同様の構成については、その説明を省略し、同一の符号を付す。第３実施形態に係る電動発電機７６は、主に、第１実施形態における冷却板２２に相当する機能が、ケース７８の一部をなす放熱部材８０によってなされる点で第１実施形態と異なる。

ケース７８は、平面視で、第１実施形態と同様にフランジ部分が正方形形状を呈するが、第２実施形態のように円形としてもよい。ケース７８は、前蓋８２、後蓋８４、及びケース７８の外周面を形成して前蓋８２及び後蓋８４に挟持される放熱部材８０を備える。前蓋８２及び後蓋８４の放熱部材８０を挟持する面の一部、例えば、外周を形成する４つの辺の中央部に設けられた凹部と放熱部材８０とによって、第１通気口８６が形成される。

放熱部材８０は、断面視でＬ字状を呈する第１放熱部材８８と、断面視で矩形を呈する第２放熱部材９０とを備える。第１放熱部材８８のＬ字状に屈折した面と、第２放熱部材９０の１つの面が断面視でコ字形状を形成し、このコ字形状の面が、ステータ６の外周面及び軸方向を向いた両端面の外延部に当接している。ステータ６の放熱部材８０が当接する部分には、コイル４２の巻線部分の端面が、基板４０内に埋め込まれているか又は基板４０から露出している。放熱部材８０がアルミニウム等の導電体からなる場合は、放熱部材８０とコイル４２の巻線部分の端面との間には絶縁体が配置される。例えば、絶縁体は、基板４０を構成する樹脂や、コイル４２の巻線を覆うエナメルである。放熱部材８０は、ステータ６の外周側におけるコイル４２の巻線部分の幅の約１／４〜１／２程度を覆っている。

前蓋８２及び後蓋８４には、第１実施形態と同様のボルト用穴１８（図２参照）が形成されており、第１放熱部材８８及び第２放熱部材９０にも対応するボルト用穴（図示せず）が形成されている。第１放熱部材８８及び第２放熱部材９０は、前蓋８２及び後蓋８４のボルト用穴１８並びに第１放熱部材８８及び第２放熱部材９０のボルト用穴に挿通される図示しないボルトによって、前蓋８２及び後蓋８４に固定され、ステータ６を挟持する。

１対のロータ９２のステータ６に対向する端面には、第１実施形態と同様に第１空気流発生溝５６が設けられている。１対のロータ９２のステータ６に対向しない端面には、第１実施形態の第２空気流発生溝５８に相当する構成は設けられていない。代わりに、第１実施形態の空気流入口２０に相当する位置に、第１実施形態の空気流入口２０よりも開口面積が大きい第２通気口９４が設けられている。

放熱部材８０は、アルミニウム等の金属やセラミックのような熱伝導率の高い素材からなるため、コイル４２からの熱伝達が大きい。また、コ字状にステータ６に当接するため、放熱部材８０とコイル４２との互いの接触面積が大きく、コイル４２の放熱量が増加する。ケース７８の内部と外部との間では、第１通気口８６及び第２通気口９４によって、通気され、ケース７８の内部では、ステータ穴４４及びロータ穴５４とによって通気されるため、コイル４２の放熱が促進される。

以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されることなく幅広く変形実施することができる。例えば、第３実施形態において、放熱部材に放射溝を設けてもよい。また、放射溝を冷却板や放熱部材ではなく、前蓋及び後蓋の冷却板又は放熱部材に当接する部分に設けてもよい。ロータは、ステータを挟んで１対設けるのではなく、ステータの一方の端面に近接して対向するように１つだけ設けてもよい。

２，６４，７６...電動発電機
４，６６，７８...ケース
６...ステータ
８，９２...ロータ
１０...回転軸
２０...空気流入口
２２，６８...冷却板
２４...中心開口縁
２６...放射溝
２８...第１プレート
３０...第２プレート
３２...空気流出口
４０...ステータの基板
４２...コイル
４４...ステータ穴
４８...ロータの基板
５０...磁石
５４...ロータ穴
５６...第１空気流発生溝
５８...第２空気流発生溝

Claims (8)

1. 電動機又は発電機として作動するアキシャルギャップ型電動発電機であって、
   ケースと、
   前記ケースに受容されかつ回転可能に支持され、磁石を含むロータと、
   前記ケースに受容されかつ固定され、前記ロータの回転軸の軸方向において前記磁石に対向するコイルを含むステータと、
   前記ステータに対して半径方向外側に配置された冷却板と、
   を備え、
   前記ケースには、半径方向内側に設けられた空気流入口と、半径方向外側に設けられた空気流出口とが形成されており、
   前記ロータの軸方向を向いた端面に、半径方向に延在長さを有する空気流発生溝が設けられ、
   前記冷却板の軸方向を向いた端面に、放射溝が半径方向に沿って設けられ、
   前記冷却板は、前記ステータの外周縁に当接していることを特徴とするアキシャルギャップ型電動発電機。
2. 前記空気流入口が、前記ケースの軸方向の端面の半径方向内側に設けられ、前記空気流出口が前記ケースの外周面に設けられていることを特徴とする請求項１に記載のアキシャルギャップ型電動発電機。
3. 前記空気流出口が、前記冷却板の前記放射溝が形成された端面を前記ケースの内面に当接させることにより画成された流路の出口として構成されたことを特徴とする請求項１又は２に記載のアキシャルギャップ型電動発電機。
4. 前記ステータが、前記コイルを支持する絶縁体からなる円板状の基板を含み、
   前記冷却板が、前記基板に当接する中心開口縁を有する金属又はセラミックからなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のアキシャルギャップ型電動発電機。
5. 前記中心開口縁は、前記ステータの外周及び両端面の外周側にコ字上に当接し、前記コイルの一部は、前記ステータの前記冷却板が当接する部分又はその近傍に配置されたことを特徴とする請求項４に記載のアキシャルギャップ型モータ。
6. 前記冷却板は、前記ステータの外周面及び前記ステータの一方の端面に当接する第１プレート部材と、前記ステータの他方の端面に当接するとともに前記第１プレートに積層される第２プレート部材とからなり、前記放射溝は、前記第１プレート及び前記第２プレートの相反する面に設けられたことを特徴とする請求項５に記載のアキシャルギャップ型モータ。
7. 前記空気流発生溝は、前記ロータの軸線方向における両端面に設けられたことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のアキシャルギャップ型モータ。
8. 前記空気流発生溝は、前記ロータの前記ステータに対向する端面に設けられ、前記ロータの前記ステータに対向しない端面には、半径方向に延在長さを有する空気流発生リブが設けられたことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のアキシャルギャップ型モータ。

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