JP2017093013A - アキシャルギャップ型回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】アキシャルギャップ型回転電機において、回転ロスを発生させることなく回転子の永久磁石を冷却する。【解決手段】アキシャルギャップ型回転電機は、固定子２、回転子３、ノズル部４及び配管５０を含む。回転子３は、内側面３１Ｓに永久磁石３２が固定される円盤状の基材３１を備え、固定子に対して軸方向に間隔を空けて配置されている。ノズル部４は、基材３１の外周縁近傍に配置され、基材３１の外側面３１Ｒの径方向中央に向かう方向に冷却流体Ｌを吐出する。配管５０は、ノズル部４に冷却流体Ｌを供給する供給配管５１を含む。ノズル部４から吐出され、外側面３１Ｒの径方向中央付近に降り注がれた冷却流体Ｌは、回転子３の回転に伴う遠心力で外側面３１Ｒ全体を潤し、永久磁石３２と熱交換する。【選択図】図１

Description

本発明は、モータや発電機等の回転電機に関し、特に、励磁コイルを備える固定子と、永久磁石を備える回転子とが、軸方向に間隔を空けて配置されるアキシャルギャップ型の回転電機に関する。

アキシャルギャップ型の回転電機は、固定子が回転子の外周側に設けられるラジアルギャップ型のものに比べて、薄型化が可能、大トルクが得られるといった利点があるため、電気自動車等への適用が期待されている。当該回転電機は、励磁コイルを備える固定子と、永久磁石を備える回転子とが、軸方向に微小な間隔（アキシャルギャップ）を空けて配置される構造を有する。前記回転子は、固定子に対向する内側面を備える円盤状の基材と、この基材の前記内側面に固定される複数の永久磁石とを含む。

前記永久磁石は、回転子の回転時において時間的に変化する磁界に曝されため、当該永久磁石には渦電流が誘起される。この渦電流に起因するジュール熱によって、永久磁石は発熱する。永久磁石が限界値を超過する温度まで熱を帯びると、その磁力が低下するという不具合が生じる。特許文献１には、この問題に鑑み、永久磁石に冷媒を直接供給して該永久磁石の発熱を抑制する技術が開示されている。

特開２０１２−２５３８９９号公報（図５）

しかしながら、特許文献１の手法によると、回転電機の回転ロスが発生することがある。すなわち、永久磁石を直接冷却する場合、冷媒の流通経路は、微小なアキシャルギャップを通過するものとならざるを得ない。冷媒としては、粘度が比較的高い絶縁油が一般的に用いられるが、このような冷媒をアキシャルギャップに流通させると、固定子及び回転子の対向面間において油の粘性抵抗が発生する。この粘性抵抗は、回転子の回転ロスを惹起する。また、粘性抵抗を帯びたまま無理に回転させると、絶縁油が空気との混合により発泡し、空気断熱によって冷却能力が低下するという問題も生じる。

本発明は、上記の問題に鑑みて為されたものであり、アキシャルギャップ型回転電機において、回転ロスを発生させることなく回転子の永久磁石を冷却することができる構造を提供することを目的とする。

本発明の一局面に係るアキシャルギャップ型回転電機は、磁性コア及び励磁コイルを備える固定子と、前記固定子と対向する内側面及び該内側面の反対側の外側面とを備える円盤状の基材と、前記基材の内側面に固定され該基材の回転中心軸の周囲に周方向に配列された複数の永久磁石とを備え、前記固定子に対して軸方向に間隔を空けて配置された回転子と、前記円盤状の基材の外周縁近傍に配置され、該基材の外側面の径方向中央に向かう方向に冷却流体を吐出するノズル部と、前記ノズル部に前記冷却流体を供給する配管と、を備える。

この回転電機によれば、ノズル部から吐出された冷却流体が、円盤状基材の外側面の径方向中心付近に降り注がれることになる。その後、注がれた冷却流体は、回転子の回転に伴う遠心力によって、前記外側面上を当該基材の径方向外側に向けて拡散するようになる。つまり、基材の外側面全体が前記冷却流体によって潤される状態となる。従って、基材の内側面に固定された永久磁石がジュール損失により発する熱と、外側面上を流通する冷却媒体とが、基材を介して熱交換することによって、前記永久磁石が冷却される。この冷却手法によると、冷却流体は固定子と回転子との間（アキシャルギャップ）には流通しないので、回転子に回転ロスを発生させることはない。

上記の回転電機において、前記ノズル部は、前記冷却流体を直線状に吐出する吐出口を備えることが望ましい。

この回転電機によれば、前記冷却流体を効率良く前記外側面の前記径方向中央付近まで届かせることができる。

上記の回転電機において、前記ノズル部は、前記冷却流体を拡散させて吐出する吐出口を備えることが望ましい。

この回転電機によれば、冷却流体が拡散状態で吐出されるので、たとえ回転子が停止した状態、つまり遠心力が発生していない状況下であっても、基材の外側面全体に冷却流体を行き渡らせることができる。

上記の回転電機において、前記配管は、前記励磁コイルの配置位置を経由する配管経路を有することが望ましい。

この回転電機によれば、前記冷却流体を流通させる配管を利用して、固定子の励磁コイルも冷却させることが可能となる。

この場合、前記励磁コイルは、コイル巻回層間に流体を通過させることが可能な層間通路を有し、前記配管経路は、前記層間通路を経由する配管経路である構成とすることが望ましい。

この回転電機によれば、冷却流体は、励磁コイルのコイル巻回層間に形成された層間通路を通過する。従って、励磁コイルと前記冷却流体とを直接的に熱交換させることができ、励磁コイルの冷却効率を向上させることができる。

上記のアキシャルギャップ型回転電機において、前記基材は、前記外側面おける前記径方向中央の付近において軸方向に突設され、前記冷却流体の当たり面となる領域を有する凸部を備え、前記ノズル部は、前記当たり面に向けて前記冷却流体を吐出する吐出口を備えることが望ましい。

この回転電機によれば、冷却流体を凸部の当たり面に突き当てるように吐出させ、前記外側面の径方向中央付近に滴下させるという、冷却流体の供給形態を実現することができる。つまり、冷却流体を確実に前記外側面の径方向中央付近に供給することができる。

この場合、前記凸部は、前記外側面おける前記径方向中央の付近において軸方向に突設され、軸部材を取り付けるための円柱状のボス部であり、前記当たり面は前記ボス部の側周面であり、前記吐出口は、前記側周面に向けて前記冷却流体を吐出する構成であることが望ましい。

この回転電機によれば、軸部材を取り付けるボス部を利用して、冷却流体を確実に前記外側面の径方向中央付近に供給する構造を実現することができる。

上記の回転電機において、前記励磁コイルを、前記固定子の外周側から支持する環状のコイル支持部材と、前記コイル支持部材に対して軸方向に並んで配置され、前記コイル支持部材を保持する環状のリム部材と、をさらに備え、前記リム部材は、前記基材の前記外側面よりも軸方向外側に突出した内周面を備え、該内周面は前記外側面を取り囲んでおり、前記ノズル部は、前記内周面に配置され、前記配管の一部は前記リム部材の内部に形成されている構成とすることができる。

この回転電機によれば、コイル支持部材を保持するリム部材を利用して、配管の一部を構築すると共に、ノズル部を形成することができる。従って、当該回転電機における構成部品の数、配置スペースを抑制することができる。

本発明によれば、アキシャルギャップ型回転電機において、回転ロスを発生させることなく回転子の永久磁石を冷却することができる。従って、回転子の永久磁石が熱劣化することのない、アキシャルギャップ型回転電機を提供することができる。

本発明の実施形態に係るアキシャルギャップ型回転電機の構造を概略的に示す図である。 上記回転電機の固定子及び回転子の一般的な構造例を示す分解斜視図である。 上記回転電機の固定子及び回転子の他の構造例を示す分解斜視図である。 本発明の具体的実施形態に係る回転電機の斜視図である。 図４の回転電機の分解斜視図である。 図４の回転電機において、回転子を取り除いた状態を示す斜視図である。 励磁コイルの断面図である。 図５の要部拡大斜視図である。 図４の回転電機の径方向断面を伴う斜視図であり、冷却流体の吐出状態を示す図である。 本発明の変形実施形態に係る回転電機の径方向断面を伴う斜視図であり、冷却流体の吐出状態を示す図である。

以下、図面に基づいて、本発明の実施形態につき詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態に係るアキシャルギャップ型回転電機１の構造を概略的に示す図である。本発明において、アキシャルギャップ型回転電機１は、例えばモータ又は発電機、若しくはこれらの兼用機の形態をとり得る。本実施形態では、アキシャルギャップ型回転電機の好ましい一例として、アキシャルギャップ型ＤＣブラシレスモータを例示している。

［冷却機構付きアキシャルギャップ型回転電機の全体概略構造］
アキシャルギャップ型回転電機１は、ケーシング１０と、このケーシング１０からその一部が突出した回転軸１１とを備える。回転軸１１は、当該回転電機１がモータとして用いられる場合はトルクを発生する出力回転軸となり、発電機として用いられる場合は回転駆動力が入力される入力回転軸となる。

回転電機１は、ケーシング１０内に収容された円盤状の固定子２と、２個の円盤状の回転子３と、冷却流体Ｌを吐出するノズル部４とを含む。この回転電機１に、本実施形態では、回転子３の永久磁石を冷却する冷却機構として、冷却流体Ｌの循環系統５が付設されている。

固定子２と回転子３とは、回転軸１１の軸方向に並ぶように配置されている。本実施形態では、固定子２の一の円盤面に一方の回転子３が対向し、固定子２の他の円盤面に他方の回転子３が対向し、これにより２個の回転子３の間に固定子２が挟まれる形態の、ダブルロータ型の回転電機１を例示している。もちろん、回転電機１は、一の回転子３が一の固定子２と軸方向に対向配置されるシングルロータ型であっても良い。

各回転子３は、固定子２に対して軸方向に間隔Ｇを空けて配置されている。間隔Ｇは、いわゆるアキシャルギャップであり、その長さは１ｍｍ〜数ｍｍ程度である。回転軸１１は、円盤状の回転子３に、その回転中心と芯合わせして固定されている。２つの回転子３は、固定子２の中空部を貫通し、回転軸１１と同じ軸上に配置された連結軸（図略）によって互いに連結されている。

ここで、本実施形態に係る固定子２及び回転子３の具体的構造を説明する。図２は、固定子２及び回転子３の一例を示す分解斜視図である。図２には、回転子３の回転中心軸ＡＸ（回転軸１１の軸心）が示されている。固定子２は、周方向（回転子３の回転方向）に配列された複数の電磁石ユニット２０を含む。各電磁石ユニット２０は、扇形の磁性コア２１と、磁性コア２１に装着された励磁コイル２２とを備える。複数の磁性コア２１は、図略のコア支持部材によって支持され、回転中心軸ＡＸの軸回りに円環状に均等に配置されている。

磁性コア２１は、圧粉コアであることが好ましい。圧粉コアは、電気絶縁膜で被覆された鉄粉が強固に押し固められることによって形成されたコアである。渦電流を抑制するという観点からは、この圧粉コアに加え、複数枚の電磁鋼板の積層体からなる積層コアも用い得る。圧粉コアは、前記積層コアに比べて気密性が高く、また成型の自由度も高いため、磁性コア２１としてはより好ましい。本実施形態では、磁性コア２１は、その軸方向の両端面に鍔部２１１が形成されたボビン形状を有している。

励磁コイル２２は、ボビン形状の磁性コア２１を巻芯として絶縁電線が所要のターン数だけ巻回されてなる。励磁コイル２２への直流電流の通電によって、回転軸１１と平行な方向に磁性コア２１を貫く磁束が発生する。また、励磁コイル２２への直流電流の通電方向を正逆反転させることで、前記磁束の方向を反転させることができる。各励磁コイル２２へ通電及び通電方向の切り替えは、図略のドライバ回路によって制御され、これにより回転子３を回転軸１１回りに回転させる磁力線が形成される。

回転子３は各々、円盤状の基材３１と、この基材３１に固定される複数の永久磁石３２とを備えている。基材３１は、固定子２と対向する内側面３１Ｓと、この内側面３１Ｓの反対側の外側面３１Ｒとを備える。内側面３１Ｓ及び外側面３１Ｒは、共に回転中心軸ＡＸと直交する円形面である。各永久磁石３２は、軸方向視で扇形の平板型の磁石である。複数の永久磁石３２は、内側面３１Ｓの中心点Ｏ（回転中心軸ＡＸと交差する点）の周囲に、Ｓ極とＮ極とが周方向に交互に並ぶように、内側面３１Ｓの外周縁付近に、環状に配列されている。

円盤状の基材３１は、鋼材などの磁性体で形成された部材であり、上述の永久磁石３２の支持機能と、永久磁石３２のバックヨークとしての機能とを兼ねている。固定子２と対向する表面がＳ極に着磁されている永久磁石３２は、その裏面がＮ極となる。これに隣接する永久磁石３２は、表面がＮ極で裏面がＳ極である。基材３１は、これら永久磁石３２の裏面側を支持すると共に、裏面側のＳ極−Ｎ極との間に磁路を形成する役目を果たす。

永久磁石３２は、例えばエポキシ樹脂系接着剤のような接着剤を用いて、基材３１の内側面に固定される。これは、ネオジウム等からなる永久磁石３２と鋼材等からなる基材３１という、線膨張係数の異なる２つの部材を接合させるのに、接着剤が好適だからである。この他、ネジ等の固定具を用いて、永久磁石３２を基材３１に固定しても良い。この場合、固定具として皿頭ネジを用い、永久磁石３２には皿もみ部を設け、皿頭ネジを用いて当該永久磁石３２を基材３１に締結することが望ましい。この固定構造によれば、アキシャルギャップに固定具が突出しない構造とすることができる。

以上の通り構成された回転電機１において、問題となるのが、永久磁石３２の渦電流による発熱である。永久磁石３２は、回転子３の回転時に、時間的に変化する磁界に曝される。これにより、永久磁石３２には渦電流が誘起され、ジュール熱によって自己加熱するようになる。永久磁石３２が限界値を超過するまで高熱化すると、その磁力が低下し且つその磁力は回復せず、もはや当該永久磁石３２は使用不可となってしまう。また、接着剤を用いて基材３１に永久磁石３２を接着している場合は、永久磁石３２の発熱により接着剤が脆弱化し、永久磁石３２が基材３１から剥離する不具合が発生する場合がある。

図３は、渦電流を小さくする工夫を備えた、回転子３の構造例を示す分解斜視図である。ここに示す回転子３は、一の極を形成する永久磁石が、複数の磁石小片３２１、３２２、３２３からなる永久磁石ユニット３２０にて構成されている。つまり、図２に示した永久磁石３２を、円盤状基材３１の径方向に３個の磁石小片３２１、３２２、３２３に分割している。

分割された磁石小片３２１、３２２、３２３を用いることで、渦電流の発生量を小さくすることができる。しかしながら、たとえ永久磁石を分割して小容積化しても、これら磁石小片３２１、３２２、３２３には不可避的に渦電流が発生し、発熱する。とりわけ、回転電機１の回転速度を高速にすると、磁界変動の周期が早くなり、つまり電気磁気的周波数が高くなり、渦電流が大きくなる。

このように、永久磁石３２は渦電流に基づくジュール損失によって発熱し、この発熱は永久磁石３２を小片に分割しても十分には抑制できないことから、永久磁石３２を冷却する冷却機構が必要となる。この冷却機構として、本実施形態において回転電機１に付設されているのが、ノズル部４及び循環系統５である。

図１に概略的に示すように、ノズル部４は、ケーシング１０内において２つの回転子３の外周縁近傍に各々配置され、回転軸１１に向けて冷却流体Ｌを吐出する吐出口を備えている。詳しくは、ノズル部４は、図２若しくは図３に示している円盤状基材３１の外周縁近傍に配置され、該基材３１の外側面３１Ｒの径方向中央に向かう方向に冷却流体を吐出する吐出口を備えている。本実施形態では、永久磁石３２が担持されている基材３１の内側面３１Ｓには、冷却流体Ｌは供給されない。これは、アキシャルギャップに冷却流体Ｌが入り込むことによる、粘性抵抗の増加に伴う回転子３の回転ロスの発生を防ぐためである。なお、アキシャルギャップに冷却流体Ｌが入り込むことを防ぐために、回転子３とケーシング１０との間にシール部材などを設けても良い。

ノズル部４の好ましい吐出口は、冷却流体Ｌを直線状に吐出する吐出口、すなわちスプレーパターン（吐出される流体の、吐出方向と直交する断面の形状）が点状となる吐出口である。このような吐出口であれば、冷却流体Ｌを効率良く外側面３１Ｒの径方向中央付近まで届かせることができる。このほか、前記吐出口は、冷却流体Ｌを拡散させて吐出する吐出口、すなわちスプレーパターンが円形、楕円、矩形、線状等であっても良い。但し、スプレー角が大きすぎると、冷却流体Ｌが径方向中央まで十分に到達しない懸念があるので、スプレー角は６０°程度以下に設定することが望ましい。後記の具体的実施形態でも例示するが、冷却流体Ｌを直線状に吐出するノズル部と拡散して吐出するノズルとを併用しても良い。

循環系統５は、配管５０、ポンプＰ、貯油槽５３及び三方弁５５を含む。配管５０は、ケーシング１０内を通して冷却流体Ｌを循環させる配管であり、供給配管５１と、回収配管５２とを含む。供給配管５１は、ノズル部４へ冷却流体Ｌを供給するための配管である。回収配管５２は、ケーシング１０内においてノズル部４から吐出された冷却流体Ｌを、当該ケーシング１０から回収するための配管である。好ましくは、回転子３の下方に冷却流体Ｌの回収パンが設置され、該回収パンの底面に回収配管５２の終端が接続される。

ポンプＰは、供給配管５１と回収配管５２との間に組み入れられ、供給配管５１を通してノズル部４から冷却流体Ｌを吐出させる液流を発生させる。さらにポンプＰは、回収配管５２を通して冷却流体Ｌを回収する液流を発生させる。貯油槽５３は、所要量の冷却流体Ｌを貯留する。冷却流体Ｌは、電気絶縁性の液体であることが望ましく、例えば絶縁油を用いることができる。

貯油槽５３と配管５０とは、中継配管５４及び三方弁５５を介して接続されている。三方弁５５の３つの出入口の内、常時「開」とされる２つの出入口には供給配管５１と回収配管５２とが各々接続され、必要に応じて開閉される残り１つの出入口には中継配管５４の下流端が接続されている。回転電機１の動作中において、図略のコントローラによる制御下、三方弁５５を通して適量の冷却流体Ｌが配管内に充填されている状態で、ポンプＰが駆動される。これにより、ノズル部４から冷却流体Ｌが吐出され、回転子３の永久磁石３２の冷却の役目を果たした冷却流体Ｌがケーシング１０から回収される液体流が配管５０内に形成される。

このような回転電機１によれば、ノズル部４から吐出された冷却流体Ｌは、円盤状基材３１の外側面３１Ｒの径方向中心付近に降り注がれることになる。その後、注がれた冷却流体Ｌは、回転子３の回転に伴う遠心力によって、外側面３１Ｒ上を当該基材３１の径方向外側に向けて拡散するようになる。つまり、外側面３１Ｒ全体が冷却流体Ｌによって潤される状態となる。これにより、基材３１の内側面３１Ｓに固定された永久磁石３２がジュール損失により発する熱と、外側面上を流通する冷却媒体とが、基材３１を介して熱交換する。この熱交換によって、永久磁石３２が冷却される。このような冷却機構によればと、冷却流体Ｌは固定子２と回転子３との間の間隔Ｇ（アキシャルギャップ）には流通しないので、回転子３に回転ロスを発生させることはない。

［回転電機の具体的実施形態］
以下、上述の冷却機構を備えた回転電機１の具体的な構成例を示す。図４は、本発明の具体的実施形態に係る回転電機１の斜視図、図５はその分解斜視図、図６は、図４の回転電機１において、回転子３を取り除いた状態を示す斜視図である。図５に方向表示を付記している通り、Ｘ方向が回転電機１の回転中心軸が延びる軸方向、Ｙ方向が回転子３（基材３１）の径方向である。アキシャルギャップ型回転電機１は、固定子２、この固定子２を軸方向において挟み込む一対の回転子３、冷却流体Ｌを吐出するノズル部４０、冷却流体Ｌを流通させる冷却配管５００、環状のコイル支持部材６、及びこのコイル支持部材６を軸方向において挟み込む一対のリム部材７を含む。

固定子２及び回転子３は、先に図２に基づき説明したものと基本的には同じである。固定子２は、磁性コア２１と、磁性コア２１に装着された励磁コイル２２とを含む複数の電磁石ユニット２０を備える。回転子３は各々、円盤状の基材３１と、この基材３１の内側面３１Ｓに固定される複数の永久磁石３２とを備える。これらの基本構成については上述の通りであるので割愛し、特に追加説明を要する点のみを説明する。

本実施形態の回転電機１は、冷却流体Ｌにより、回転子３の永久磁石３２だけでなく、固定子２の励磁コイル２２も冷却する構成を備える。励磁コイル２２の冷却を可能とするため、冷却流体Ｌを流通させる配管経路は励磁コイル２２の配置位置を経由するものとされ、また、励磁コイル２２のコイル巻回層間には、次述の通り、冷却流体Ｌを通過させることが可能な層間通路Ｇが形成されている。

図７は、固定子２の一つの電磁石ユニット２０の軸方向に沿った断面図である。電磁石ユニット２０は、実際には−Ｘ側の回転子３用及び＋Ｘ側の回転子３用の磁性コア２１及び励磁コイル２２を備える（図８、図９参照）が、図７では、これらを図示簡略化のために一体的に描いている。励磁コイル２２を構成する巻線としては、断面形状が細長い長方形である平角線２２１が用いられる。平角線２２１は、固定子２の径方向（Ｙ方向）中央側に相当する磁性コア２１の底部２２Ｂでは密に巻回されている。一方、平角線２２１は、磁性コア２１の径方向外側に相当する上部２２Ｕでは、層間通路２２Ｇをコイル巻回層間に形成するギャップ巻きで巻回されている。

このような励磁コイル２２であれば、上部２２Ｕにおいて層間通路２２Ｇが確保されているので、図７において矢印Ａ２１及びＡ２２で示す通り、流体を軸方向に通過させることが可能となる。本実施形態では、永久磁石３２を冷却する冷却流体Ｌを運ぶ配管の経路が、この層間通路２２Ｇを経由するように設定されている。つまり、冷却流体Ｌが層間通路２２Ｇを通過する。従って、励磁コイル２２と冷却流体Ｌとを直接的に熱交換させることができ、励磁コイル２２を効率的に冷却させることができる。

図８は、図５の要部拡大斜視図、図９は、図４に示す回転電機１の径方向断面を伴う斜視図である。図４、図５、図９を参照して、回転子３の外側面３１Ｒには、ボス部３３（凸部）が軸方向外側に突設されている。ボス部３３は、外側面３１Ｒにおける径方向中央付近に配置された円柱状の凸部であり、回転子３の中心点３Ｃ（回転中心軸が外側面３１Ｒと交差する点）と同軸である。ボス部３３は、回転軸１１（軸部材）をインロー形式で取り付けるための突起である。ボス部３３は、外側面３１Ｒの平面よりも軸方向外側に突出した環状の側周面３３Ｈ（当たり面）を有している。

特に図６、図９を参照して、固定子２は、複数の磁性コア２１を径方向内側において支持するコア支持部材２３を備える。コア支持部材２３は、軸方向に貫通する軸受け孔２３Ｈを有する円筒状部材であり、その外周面に磁性コア２１の底部２２Ｂを支持する支持部を有し、内周面に半円溝２４を有している。この半円溝２４には軸受けボール２５が収容されている。

軸受け孔２３Ｈには、回転軸１１の軸線上に配置された連結軸１２が挿通されている。連結軸１２は、−Ｘ側の回転子３と＋Ｘ側の回転子３とを、ボス部３３の裏面側の位置において互いに連結する円柱状の部材である。連結軸１２の外周面には、軸受けボール２５を収容する溝部が備えられている。すなわち、連結軸１２はコア支持部材２３の軸受け孔２３Ｈにおいて、軸受けボール２５を介して回転自在に軸支されている。

コイル支持部材６は、励磁コイル２２の径方向外側に配置され、固定子２の外周側から励磁コイル２２（電磁石ユニット２０）を支持する環状の部材である。コイル支持部材６としては、非磁性体で剛性の高い部材が選ばれ、例えばＦＲＰを好適な材料として例示することができる。

特に図８、図９を参照して、固定子２の電磁石ユニット２０は、一対の回転子３に各々対応して配置されている。すなわち、−Ｘ側の回転子３の永久磁石３２に対してアキシャルギャップを介して−Ｘ側用の磁性コア２１が対向配置され、その磁性コア２１に−Ｘ側用の励磁コイル２２が巻回されている。同様に、＋Ｘ側の回転子３の永久磁石３２に対してアキシャルギャップを介して＋Ｘ側用の磁性コア２１が対向配置され、その磁性コア２１に＋Ｘ側用の励磁コイル２２が巻回されている。コイル支持部材６は、これら−Ｘ側用及び＋Ｘ側用の励磁コイル２２に対して、各々配置されている。コイル支持部材６の周方向の適所からは、励磁コイル２２の終端部２２Ｅが引き出されている。終端部２２Ｅには、給電用のリード線（図略）が接続される。

一対のリム部材７は、コイル支持部材６に対して軸方向に並んで配置され、コイル支持部材６を保持する環状の金属製部材である。図６も参照して、リム部材７は、内周面７１、外周面７２、外側側面７３及び内側側面７４を備えている。コイル支持部材６は、一対の内側側面７４の間において挟持されている。

内周面７１は、回転子３の外径よりもやや大きい内径を有する環状面であり、この内周面７１の内側に回転子３が収容されている。内周面７１の、当該回転電機１の据え付け時において上端となる位置付近には、冷却流体Ｌを吐出するノズル部４０が取り付けられる円形開口７１１が穿孔されている。また、当該回転電機１の据え付け時において下端となる位置付近には、吐出された冷却流体Ｌを回収する回収孔７１２が設けられている。内周面７１は、図４に示す通り、回転子３が連結軸１２に組み付けられた状態で、基材３１の外側面３１Ｒを取り囲むと共に、この外側面３１Ｒよりも軸方向外側に突出している。これにより、円形開口７１１は外側面３１Ｒよりも軸方向外側に位置する領域を有しており、ノズル部４０から外側面３１Ｒに冷却流体Ｌを噴射することが可能となっている。

外周面７２は、コイル支持部材６の外周面と略同一の外径を有する環状面である。外周面７２には、径方向にリム部材７を貫通する複数の受けネジ孔７２１が、周方向にほぼ等間隔で穿孔されている。この受けネジ孔７２１には、両端にネジ切り部を有する継ぎ手７２２の片端が螺合されている。

外側側面７３は、軸方向と直交する環状平面である。外側側面７３には、軸方向にリム部材７を貫通する複数のボルト孔７３１が、周方向にほぼ等間隔で穿孔されている。ボルト孔７３１に対応して、コイル支持部材６にもボルト孔（図示せず）が軸方向に穿孔されている。一対のリム部材７の各ボルト孔７３１と、一組のコイル支持部材６のボルト孔とが位置合わせされた状態で、これらのボルト孔に締め付け用のボルト７３２がそれぞれ挿通され、ナット７３３（図９参照）によって締結されている。この締結によって、コイル支持部材６とリム部材７とは一体化されている。なお、外側側面７３には、ケーシング１０の一部を構成する蓋部材（図略）が取り付けられ、外側面３１Ｒと内周面７１とで区画される空間（冷却流体Ｌで潤される空間である）は密閉される。

内側側面７４は、外側側面７３と平行な環状平面である。内側側面７４には、各電磁石ユニット２０の励磁コイル２２の、図７に示した上部２２Ｕに対向する位置に、開口７４１が穿孔されている。また、リム部材７の内部には、この開口７４１を一端側の開口とし、外周面７２の受けネジ孔７２１を他端側の開口とする、エルボ型の内部空間であるエルボ通路７０Ｅ（配管の一部）が形成されている。このエルボ通路７０Ｅには、内周面７１の円形開口７１１も連通している。

コイル支持部材６の径方向内側には、励磁コイル２２の周囲に密閉空間を形成するための隔壁６１が設けられている。隔壁６１は、開口７４１に対向する位置に開口を有している。内側側面７４と隔壁６１との間であって開口７４１の周囲には、シールリング７５が介在されている。

ノズル部４０は、円形開口７１１を塞ぐように、リム部材７の内周面７１に配置されている。ノズル部４０は、冷却流体Ｌを吐出する吐出口４１を備えている。吐出口４１からの冷却流体Ｌの吐出方向は、図９に示している通り、回転子３（基材３１）の径方向中央に向かう方向である。吐出口４１の形状は、ここでは冷却流体Ｌを直線状に吐出することができる形状に設定されている。

冷却流体Ｌは、基材３１の外側面３１Ｒよりもやや径方向外側に配置されている。そして、吐出口４１から吐出される冷却流体Ｌのターゲット位置は、外側面３１Ｒから突設されたボス部３３の側周面３３Ｈ（当たり面）に設定されている。つまり、冷却流体Ｌが側周面３３Ｈへ向かうよう、吐出口４１が配向されている。このため、吐出口４１から吐出される冷却流体Ｌは、外側面３１Ｒと略平行に径方向内側へ進行し、側周面３３Ｈ（実際は回転軸１１の根元部分であるインロー接続部分）に突き当たることになる。

冷却配管５００は、先に図１に示した循環系統５の配管５０の一部に相当する配管であり、導入管５０１、導出管５０２及び複数の中継管５０３を含む。この冷却配管５００は、励磁コイル２２（層間通路２２Ｇ）及びノズル部４０に冷却流体Ｌを供給する配管である。導入管５０１は、−Ｘ側のリム部材７へ冷却流体Ｌを導入する配管であり、図１の供給配管５１に相当する。導出管５０２は、＋Ｘ側のリム部材７から引き出され、消費されなかった冷却流体Ｌを回収する配管であり、図１に当て嵌めるならば、回収配管５２に接続される配管である。中継管５０３は、導入管５０１と導出管５０２とを連通させるためのＵ字型の配管であり、−Ｘ側及び＋Ｘ側のリム部材７間に架け渡されている。

導入管５０１及び導出管５０２の終端部には、各々固定接続用のナット５６が外嵌されている。これらナット５６は、リム部材７に一端側のネジ部が螺合されている継ぎ手７２２の他端側、つまりリム部材７の外周面７２から径方向外方に突出した側のネジ部に螺合されている。中継管５０３の両終端部にも、ナット５６が各々外嵌されており、一端側のナット５６は＋Ｘ側のリム部材７の、他端側のナット５６は−Ｘ側のリム部材７の継ぎ手７２２のネジ部に、それぞれ螺合されている。

図８、図９を特に参照して、上記の通りナット５６が継ぎ手７２２に接続されることにより、導入管５０１の内部空間と−Ｘ側のリム部材７が備える一つのエルボ通路７０Ｅとが連通する。また、中継管５０３の内部空間は、その一端側において＋Ｘ側のリム部材７の一つのエルボ通路７０Ｅと連通し、他端側において、−Ｘ側のリム部材７の前記エルボ通路７０Ｅよりも時計方向に一つシフトした他のエルボ通路７０Ｅと連通する。−Ｘ側及び＋Ｘ側のリム部材７の、互いに対向するエルボ通路７０Ｅ同士は、開口７４１及び励磁コイル２２内の層間通路２２Ｇを通して連通している。

従って、図中、矢印Ａ１、Ａ２、Ａ３で示す通り、順次導入管５０１、−Ｘ側エルボ通路７０Ｅ、層間通路２２Ｇ、＋Ｘ側エルボ通路７０Ｅ、中継管５０３を通過する流体流路が形成される。他の中継管５０３同士、中継管５０３と導出管５０２との間においても同様な流体流路が形成されている。このため、導入管５０１から導出管５０２に至るまで、−Ｘ側及び＋Ｘ側エルボ通路７０Ｅを交互に経由しながら延びる一筆書き状の流体流路が形成される。かかる流体流路に冷却流体Ｌが流通される。そして、最も導入管５０１に近い−Ｘ側及び＋Ｘ側のエルボ通路７０Ｅを冷却流体Ｌが通過する際、それぞれ−Ｘ側及び＋Ｘ側のノズル部４０を通過することになる。

なお、上記の中継管５０３の配置、リム部材７に形成するエルボ通路７０Ｅは一例であり、種々変更することが可能である。例えば、中継管５０３を−Ｘ側及び＋Ｘ側のリム部材７間に架け渡すのではなく、−Ｘ側又は＋Ｘ側のリム部材７の時計方向に隣接する継ぎ手７２２間を中継管５０３で接続するようにしても良い。また、ノズル部４０は、−Ｘ側及び＋Ｘ側のリム部材７に一つずつ設けるのではなく、内周面７１に周方向に所定間隔を置いて複数設けるようにしても良い。

［冷却動作の説明］
図１に示した冷却流体Ｌの循環系統５が、図４〜図９に示した回転電機１に適用されているものとして、冷却動作を説明する。この場合、リム部材７の内周面７１に設けられている回収孔７１２（図６）は、図略の回収パンを介して回収配管５２に繋がれる。既述の通り、導入管５０１は供給配管５１に、導出管５０２は回収配管５２に接続される。

励磁コイル２２への通電が開始されることによって、回転電機１が始動する。回転子３は、回転中心軸の軸回りに回転を開始し、永久磁石３２はジュール損失によって発熱し始める。回転電機１の始動に伴い、循環系統５のポンプＰの駆動も開始される。ポンプＰの駆動により、図８及び図９に示すように、導入管５０１、−Ｘ側エルボ通路７０Ｅ、層間通路２２Ｇ、＋Ｘ側エルボ通路７０Ｅ及び中継管５０３を含む流体流路には、矢印Ａ１、Ａ２、Ａ３で示す方向に冷却流体Ｌの液流が発生する。シールリング７５などによって気密性が確保されているので、前記流体流路内には加圧された冷却流体Ｌが流通することになる。

導入管５０１から導入された冷却流体Ｌは、−Ｘ側のエルボ通路７０Ｅを通過する際に−Ｘ側のノズル部４０を経由し、層間通路２２Ｇを通過して＋Ｘ側のエルボ通路７０Ｅを通過する際に＋Ｘ側のノズル部４０を経由する。従って、各々のノズル部４０の吐出口４１からは、図９に示しているように冷却流体Ｌが直線状に吐出される。吐出された冷却流体Ｌは、基材３１の外側面３１Ｒの径方向中央に向かい、回転している回転子３の、ボス部３３の側周面３３Ｈに大部分が突き当たる。

回転子３は回転しているので、側周面３３Ｈに降り注がれた冷却流体Ｌは、遠心力によって、外側面３１Ｒを伝って基材３１の径方向外側へ向かうようになる。また、回転に伴い、側周面３３Ｈの全周に冷却流体Ｌが降り注ぐ。これにより、外側面３１Ｒの全体が冷却流体Ｌで潤った状態となる。つまり、外側面３１Ｒの表面が、径方向外側へ流動する冷却流体Ｌの薄層で覆われた状態となる。

永久磁石３２は、ボス部３３よりも径方向外側の位置において、基材３１の内側面３１Ｓに固定されている。従って、上記の流動する冷却流体Ｌの薄層は、永久磁石３２の固定位置の背面を通過することになる。この通過の際、冷却流体Ｌは基材３１を介して永久磁石３２と熱交換し、ジュール損失より発生した熱を奪う。これにより、永久磁石３２は冷却される。

冷却流体Ｌが層間通路２２Ｇを通過する際、励磁コイル２２と直接的に熱交換し、当該励磁コイル２２を冷却する。冷却流体Ｌが中継管５０３を通して時計方向下流側へ向かうに連れて、熱交換する励磁コイル２２の個数が増加するので、冷却流体Ｌは熱を帯びるようになる。しかし、ノズル部４０は、冷却流体Ｌの流通方向において最上流側の導入管５０１付近に配置されているので、熱交換により熱を帯びる前、若しくは１回だけ励磁コイル２２と熱交換しただけの冷却流体Ｌを吐出口４１から吐出させることができる。

遠心力により外側面３１Ｒの外周縁まで流動した冷却流体Ｌは、リム部材７の内周面７１で受け止められる。その後、冷却流体Ｌは、重力によって内周面７１を伝って回収孔７１２に至る。冷却流体Ｌは、回収孔７１２から図略の回収パンに回収され、回収配管５２に導かれる。また、ノズル部４０から吐出されず、リム部材７を周回して導出管５０２に戻った冷却流体Ｌも回収配管５２に導かれる。回収された冷却流体Ｌは、ポンプＰの駆動によって、再び導入管５０１に向けて供給される。以上の動作により、永久磁石３２及び励磁コイル２２が冷却される。

［変形実施形態］
図１０は、本発明の変形実施形態に係る回転電機１Ａの径方向断面を伴う斜視図である。上記実施形態では、一つのリム部材７に一つのノズル部４０が配置され、該ノズル部４０が直線状に冷却流体Ｌを吐出する吐出口４１を備える例を示した。図１０の変形実施形態では、一つのリム部材７に複数のノズル部が配置されると共に、スプレーパターンが異なるノズル部が採用された例を示している。

回転電機１Ａは、リム部材７の内周面７１に、冷却流体Ｌの吐出用のノズル部として、直線吐出用のノズル部４０と、拡散吐出用の拡散ノズル部４０Ａとを備えている。ノズル部４０と拡散ノズル部４０Ａとは、内周面７１の周方向に交互に配置されている。この変形例では、リム部材７内部の全てのエルボ通路７０Ｅに対して、各々ノズル部取り付け用の円形開口７１１が穿孔される。

ノズル部４０は、上記実施形態で説明した通り、冷却流体Ｌを直線状に吐出する吐出口４１を備える。一方、拡散ノズル部４０Ａは、拡散するスプレーパターンＬＡで冷却流体Ｌを吐出する吐出口４１Ａを備える。スプレーパターンＬＡは、例えば円形又は楕円であり、冷却流体Ｌが噴霧状に吐出されるものである。

ノズル部４０及び拡散ノズル部４０Ａとも、冷却流体Ｌを基材３１の外側面３１Ｒにおいてボス部３３に向けて吐出する。ノズル部４０から吐出される冷却流体Ｌは、既述の通り、ボス部３３の側周面３３Ｈに専ら突き当たる。これに対し、拡散ノズル部４０Ａから吐出される冷却流体Ｌは、図１０においてスプレーパターンＬＡで通り、拡散噴霧されるので、側周面３３Ｈへ至る前に外側面３１Ｒを潤す。

すなわち、回転子３の遠心力が作用しなくとも、拡散ノズル部４０Ａから吐出される冷却流体Ｌは外側面３１Ｒを湿潤化させ得る。従って、回転電機１Ａによれば、回転子３の回転時には、ノズル部４０から吐出される冷却流体Ｌを遠心力で外側面３１Ｒに行き渡らせることができるだけでなく、回転子３の停止時においても、拡散ノズル部４０Ａから吐出される冷却流体Ｌにて、外側面３１Ｒを覆うことができる。このように、本変形実施形態によれば、回転子３の回転時及び停止時の双方において、冷却流体Ｌを外側面３１Ｒに十分に行き渡らせ、永久磁石３２と熱交換させることができる。

この他、本発明は様々な変形実施形態を採り得る。例えば、上記実施形態では、基材３１の外周縁近傍にノズル部を配置する例として、コイル支持部材６を挟み込んで固定するリム部材７の内周面７１にノズル部４０を埋め込む態様を示した。これに代えて、リム部材７とは別個に、冷却流体Ｌを吐出するノズル部を基材３１の外周縁近傍に配置し、該ノズル部に冷却流体Ｌを供給するチューブ等を設けるようにしても良い。

また、回収配管５２にオイルクーラー等を設置し、熱交換を終えて回収した冷却流体Ｌを冷却するようにしてもよい。或いは、リム部材７の径方向外側に突出している中継管５０３を空冷することで、冷却流体Ｌを冷却しても良い。さらに、励磁コイル２２への冷却流体Ｌの供給を省き、ノズル部４０だけに冷却流体Ｌを供給する態様としても良い。

以上説明した本発明に係るアキシャルギャップ型回転電機１によれば、回転ロスを発生させることなく回転子３の永久磁石３２を冷却することができる。従って、永久磁石３２がジュール損失による発熱で熱劣化することのない、アキシャルギャップ型回転電機１を提供することができる。

１ アキシャルギャップ型回転電機
２ 固定子
２１ 磁性コア
２２ 励磁コイル
２２Ｇ 層間通路
３ 回転子
３１ 円盤状の基材
３１Ｓ 内側面
３１Ｒ 外側面
３２ 永久磁石
３３ ボス部（凸部）
３３Ｈ 側周面（当たり面）
４、４０、４０Ａ ノズル部
４１、４１Ａ 吐出口
５ 循環系統
５０、５００ 配管
６ コイル支持部材
７ リム部材
７１ 内周面
Ｇ 間隔（アキシャルギャップ）

Claims (8)

1. 磁性コア及び励磁コイルを備える固定子と、
   前記固定子と対向する内側面及び該内側面の反対側の外側面とを備える円盤状の基材と、前記基材の内側面に固定され該基材の回転中心軸の周囲に周方向に配列された複数の永久磁石とを備え、前記固定子に対して軸方向に間隔を空けて配置された回転子と、
   前記円盤状の基材の外周縁近傍に配置され、該基材の外側面の径方向中央に向かう方向に冷却流体を吐出するノズル部と、
   前記ノズル部に前記冷却流体を供給する配管と、
   を備えるアキシャルギャップ型回転電機。
2. 請求項１に記載のアキシャルギャップ型回転電機において、
   前記ノズル部は、前記冷却流体を直線状に吐出する吐出口を備える、アキシャルギャップ型回転電機。
3. 請求項１に記載のアキシャルギャップ型回転電機において、
   前記ノズル部は、前記冷却流体を拡散させて吐出する吐出口を備える、アキシャルギャップ型回転電機。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のアキシャルギャップ型回転電機において、
   前記配管は、前記励磁コイルの配置位置を経由する配管経路を有する、アキシャルギャップ型回転電機。
5. 請求項４に記載のアキシャルギャップ型回転電機において、
   前記励磁コイルは、コイル巻回層間に流体を通過させることが可能な層間通路を有し、
   前記配管経路は、前記層間通路を経由する配管経路である、アキシャルギャップ型回転電機。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載のアキシャルギャップ型回転電機において、
   前記基材は、前記外側面おける前記径方向中央の付近において軸方向に突設され、前記冷却流体の当たり面となる領域を有する凸部を備え、
   前記ノズル部は、前記当たり面に向けて前記冷却流体を吐出する吐出口を備える、アキシャルギャップ型回転電機。
7. 請求項６に記載のアキシャルギャップ型回転電機において、
   前記凸部は、前記外側面おける前記径方向中央の付近において軸方向に突設され、軸部材を取り付けるための円柱状のボス部であり、
   前記当たり面は前記ボス部の側周面であり、
   前記吐出口は、前記側周面に向けて前記冷却流体を吐出する、アキシャルギャップ型回転電機。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載のアキシャルギャップ型回転電機において、
   前記励磁コイルを、前記固定子の外周側から支持する環状のコイル支持部材と、
   前記コイル支持部材に対して軸方向に並んで配置され、前記コイル支持部材を保持する環状のリム部材と、をさらに備え、
   前記リム部材は、前記基材の前記外側面よりも軸方向外側に突出した内周面を備え、該内周面は前記外側面を取り囲んでおり、
   前記ノズル部は、前記内周面に配置され、前記配管の一部は前記リム部材の内部に形成されている、アキシャルギャップ型回転電機。
   

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