JP7251355B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、回転電機に関するものである。

回転電機の駆動時の固定子の発熱対策として、例えば固定子が内接するハウジングの外周面にフィン形状の放熱部を備えるものが周知である（例えば特許文献１参照）。

特開２０１９－２２２５０号公報

ハウジングの外周面には、放熱部とは別に取付部等の機能部が設けられることが多い。すると、取付部等の機能部が位置する部位は、機能部のない他の部位と比べて熱抵抗が高くなりがちである。つまり、ハウジングの周方向において熱抵抗が一様でないため、ハウジングに対する固定子の周方向位置の設定によっては、固定子の冷却に差が生じ得るといったことが課題としてあった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、固定子の効率的な冷却を可能とした回転電機を提供することにある。

上記課題を解決する回転電機は、筒状のハウジング（１２）と、前記ハウジングの周方向に沿う環状をなし前記ハウジングの内周面に固定された固定子コア（３１）と、を備えた回転電機であって、前記ハウジングは周方向において部分的に第１熱抵抗部（２５）を有し、該第１熱抵抗部は、前記ハウジングの周方向における前記第１熱抵抗部以外の部位（２１ａ）よりも熱抵抗が高く構成され、前記固定子コアは周方向において部分的に第２熱抵抗部（３４，４１）を有し、該第２熱抵抗部は、前記固定子コアの周方向における前記第２熱抵抗部以外の部位（３２ａ）よりも熱抵抗が高く構成され、前記第２熱抵抗部が前記第１熱抵抗部の径方向内側に位置する。

上記態様によれば、ハウジング側の熱抵抗が高い部位である第１熱抵抗部と、固定子コア側の熱抵抗が高い部位である第２熱抵抗部の位置を周方向に合わせることで、第１及び第２熱抵抗部の位置合わせ部分以外の箇所から効率的に放熱することが可能となる。その結果、回転電機全体としての放熱性を向上させることが可能となり、固定子の効率的な冷却が可能となる。

実施形態における回転電機の模式断面図。 （ａ）同形態における固定子の平面図、（ｂ）同形態における固定子の一部を拡大して示す平面図。 （ａ）変更例における固定子の平面図、（ｂ）同変更例における固定子の一部を拡大して示す平面図。

以下、回転電機の一実施形態について説明する。
図１及び図２（ａ）に示すように、本実施形態の回転電機１１は、略有底円筒状のハウジング１２と、ハウジング１２に取り付けられたカバー１３とを備える。また、回転電機１１は、ハウジング１２の内周面に固定された略円筒状の固定子１４と、固定子１４の内側で回転可能に支持された回転子１５とを備える。なお、本実施形態の回転電機１１は、例えば、換気扇や車両のラジエータ用の送風機の駆動源として用いられるものである。

回転子１５は、回転軸１６に固定された固定子鉄心に永久磁石が固定されたものである。回転軸１６は、ハウジング１２の底部２２及びカバー１３にそれぞれ固定された軸受１７によって回転可能に支持されている。また、回転軸１６は、軸方向一方側が外部に突出した状態で設けられ、その軸方向一方側に出力部１８が固定される。回転電機１１を換気扇や車両のラジエータ用の送風機として用いる場合には、出力部１８としてのプロペラファンが回転軸１６に固定される。

ハウジング１２は、円筒状の周壁２１と、周壁２１の軸方向の一端部を閉塞する底部２２を備えている。カバー１３は、周壁２１における底部２２とは反対側の軸方向端部である開放端部２３を塞いでいる。

図１及び図２（ａ）（ｂ）に示すように、周壁２１の開放端部２３には、ねじ部材２４が螺着されるねじ孔２５ａをそれぞれ有する複数のねじ係合部２５が形成されている。本実施形態では、ねじ係合部２５は、周方向において等角度間隔に４つ形成されている。各ねじ係合部２５は、周壁２１の外周面から径方向外側に突出するように形成されている。すなわち、各ねじ係合部２５は、周壁２１の周方向におけるねじ係合部２５以外の部位よりも径方向の厚さが厚く形成されている。また、各ねじ係合部２５は、開放端部２３から軸方向の中間位置まで軸方向に沿って形成されている（図１参照）。各ねじ係合部２５のねじ孔２５ａも、軸方向に沿って形成されている。ねじ部材２４は、カバー１３に貫通形成されたねじ挿通孔１３ａに挿通されるとともに、ハウジング１２側のねじ孔２５ａに螺着されている。これにより、カバー１３がハウジング１２の周壁２１に対して固定されている。

各ねじ係合部２５は、ねじ孔２５ａを有していることから、周壁２１の周方向におけるねじ係合部２５以外の部位（以下、低熱抵抗部２１ａと言う）よりも熱抵抗が高くなっている。すなわち、各ねじ係合部２５は第１熱抵抗部に相当する。なお、本実施形態の低熱抵抗部２１ａは、周壁２１の周方向におけるねじ係合部２５間の部位である。また、本実施形態の各ねじ係合部２５は、低熱抵抗部２１ａよりも径方向の厚さが厚いことからも、低熱抵抗部２１ａよりも熱抵抗が高くなっている。

また、ハウジング１２は、周壁２１の外周面から径方向外側に突出する複数の放熱フィン２６を備えている。複数の放熱フィン２６は、周方向において等角度間隔に設けられている。また、複数の放熱フィン２６は、放射状に設けられている。なお、本実施形態の放熱フィン２６は、周壁２１に一体成形されている。また、放熱フィン２６は、周壁２１の軸方向一端から軸方向他端まで形成されている。

軸方向視において、回転軸１６の軸線を中心とする同一円上に各放熱フィン２６の先端が位置するように構成されている。また、一部の放熱フィン２６は、ねじ係合部２５と周方向において同位置に形成されている。すなわち、ねじ係合部２５と同位置に形成された放熱フィン２６の軸方向の一部分は、ねじ係合部２５の外側面から突出している。このため、放熱フィン２６のねじ係合部２５から突出する部分においては、径方向への突出長さが短く（すなわち、表面積が少なく）、放熱性能が他部位に比べて低くなっている。

固定子１４は、ハウジング１２の周壁２１の内周面に固定された略円環状の固定子コア３１を有している。固定子コア３１は磁性体からなる。固定子コア３１は、金属板からプレス加工により成形された複数のコアシート３１ａ（図１参照）を軸方向に積層した構成をなしている。なお、本実施形態の各コアシート３１ａは電磁鋼板からなる。

固定子コア３１は、回転軸１６の周方向に沿う円環状をなす基部３２と、基部３２の内周面から径方向内側に延びる複数のティース３３とを備えている。複数のティース３３は、周方向において等角度間隔に設けられている。複数のティース３３には、図示しない巻線が装着される。

基部３２の外周面には、該基部３２の軸方向一端から他端まで軸方向に沿って延びる溶接溝３４が形成されている。本実施形態では、溶接溝３４は、周方向において等角度間隔に４つ形成されている。各溶接溝３４は、固定子コア３１を構成する各コアシート３１ａを互いに固定するための溶接により形成された溶接部３４ａを有している。溶接部３４ａは溶接痕であり、溶接溝３４内において径方向外側に突出する形状をなしている。

各溶接溝３４は、基部３２の周方向における溶接溝３４以外の部位（以下、低熱抵抗部３２ａと言う）よりも熱抵抗が高くなっている。すなわち、各溶接溝３４は、第２熱抵抗部及び外周溝に相当する。

なお、本実施形態の複数のコアシート３１ａは、１枚ずつまたは複数枚ずつ、周方向に隣り合う溶接溝３４の間の角度間隔だけ（すなわち、本実施形態では９０度）回転しつつ積層されている。

各溶接溝３４の周方向位置は、各ねじ係合部２５の周方向位置と一致している。すなわち、各溶接溝３４は、各ねじ係合部２５の径方向内側に位置している。本実施形態では、固定子１４の周方向における溶接溝３４の中心線がねじ孔２５ａの中心と重なっている。すなわち、溶接溝３４は、ねじ孔２５ａの径方向内側に位置している。また、溶接溝３４の周方向幅（換言すると開角度）は、ねじ孔２５ａの周方向幅（換言すると開角度）よりも小さく設定されている。これにより、溶接溝３４の周方向の全体がねじ孔２５ａの径方向内側に位置するように構成されている。

次に、上記のように構成された回転電機１１の作用について説明する。
固定子１４の巻線に駆動電流が供給されると、固定子１４にて回転磁界が発生されて回転子１５が回転駆動され、回転子１５の回転軸１６と共に出力部１８（本実施形態ではプロペラファン）が回転する。このとき、巻線への通電により固定子１４で生じた熱はハウジング１２に伝わり、ハウジング１２から外部に放熱される。

ここで、固定子コア３１における基部３２の溶接溝３４が形成された部位は、ハウジング１２の周壁２１の内周面に接していないため、基部３２から周壁２１に熱が伝わりにくい。それに対し、基部３２の低熱抵抗部３２ａは、周壁２１の内周面に接しており、周壁２１に熱が伝わりやすくなっている。

また、ハウジング１２の周壁２１におけるねじ係合部２５が形成された部位では、内周側から外周側にかけて熱が伝わりにくい。それに対し、周壁２１の低熱抵抗部２１ａでは、内周側から外周側にかけて熱が伝わりやすい。

そして、本実施形態では、ハウジング１２側の熱抵抗が高い部位であるねじ係合部２５と、固定子コア３１側の熱抵抗が高い部位（すなわち、ハウジング１２側への伝熱性が低い部位）である溶接溝３４の位置を周方向に合わせている。これにより、ねじ係合部２５と溶接溝３４の位置合わせ部分以外の箇所（すなわち、ハウジング１２側の低熱抵抗部２１ａと固定子コア３１側の低熱抵抗部３２ａとが径方向に重なっている箇所）から効率的に放熱することが可能となっている。その結果、回転電機１１全体としての放熱性が向上されるようになっている。

なお、ハウジング１２の周壁２１に伝わった熱は、各放熱フィン２６から効率的に放熱される。そして、本実施形態では、出力部１８としてのプロペラファンによって発生される風が回転電機１１の軸方向に流れて各放熱フィン２６の近傍を通過することで、各放熱フィン２６から外部への放熱が促進されるようになっている。

ここで、本実施形態のねじ係合部２５は、周壁２１から径方向外側に突出する形状をなすため、放熱フィン２６の近傍を通過する風の好適な流れを妨げるおそれがあり、このことが、ねじ係合部２５における放熱性の悪化の一因となっている。従って、各低熱抵抗部２１ａ，３２ａが径方向に重なっている箇所から効率的に放熱させる構造とすることで、回転電機１１全体としての放熱性を向上させる効果をより顕著に得ることができる。

本実施形態の効果について説明する。
（１）回転電機１１における放熱性の低い箇所を周方向に集中させることで、回転電機１１全体としての放熱性を向上させることが可能となり、その結果、固定子１４の効率的な冷却が可能となる。

（２）ハウジング１２は、ねじ部材２４が螺着されるねじ孔２５ａを有するねじ係合部２５を備える。すなわち、ねじ係合部２５を備えることでハウジング１２の放熱性能が周方向において一様にならない構成において、固定子１４の効率的な冷却が可能となる。

（３）ハウジング１２の軸方向の一端部を閉塞するカバー１３を備えた構成において、固定子１４の効率的な冷却が可能となる。
（４）固定子コア３１は、複数のコアシート３１ａを互いに固定するための溶接部３４ａが形成された溶接溝３４を備える。すなわち、溶接溝３４を備えることで固定子コア３１の放熱性能が周方向において一様にならない構成において、固定子１４の効率的な冷却が可能となる。

（５）ハウジング１２は、固定子コア３１が内周面に固定される筒状の周壁２１と、周壁２１の外周面から突出する放熱フィン２６とを備える。これにより、ハウジング１２の周壁２１に伝わった熱を、各放熱フィン２６から効率的に放熱させることができる。

本実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
・ねじ係合部２５の数、及び溶接溝３４の数は上記実施形態に限定されるものではなく、構成に応じて適宜変更可能である。また、ねじ係合部２５と溶接溝３４とが互いに同数でなくてもよい。

・上記実施形態のように溶接溝３４がねじ孔２５ａの径方向内側に位置することが好ましいが、ねじ孔２５ａの径方向内側でなくても、ねじ係合部２５の径方向内側の位置に設定されていればよい。

・固定子コア３１の第２熱抵抗部の構成は上記実施形態に限定されるものではない。
固定子コア３１の第２熱抵抗部の変更例を図３（ａ）（ｂ）を参照して説明する。なお、以下の説明及び図３（ａ）（ｂ）において上記実施形態と同じ符号は、同一の構成を示すものであって、先行する説明を参照する。

図３（ａ）（ｂ）に示す固定子１４は、基部３２の外周面にキー溝４１を備えている。キー溝４１は、周方向において等角度間隔に４つ形成されている。各キー溝４１は、基部３２の軸方向一端から他端まで軸方向に沿って延びている。また、固定子コア３１は、４つの溶接溝３４を周方向において等角度間隔に備えている。溶接溝３４とキー溝４１とは、周方向において等角度間隔に交互に形成されている。各キー溝４１は、基部３２の周方向における溶接溝３４及びキー溝４１以外の部位（すなわち、周方向に隣り合う溶接溝３４とキー溝４１の間の部位）よりも熱抵抗が高くなっている。すなわち、各キー溝４１は、第２熱抵抗部及び外周溝に相当する。

４つのキー溝４１のうちの１つは、ハウジング１２の周壁２１の内周面に形成された溝４３に対して周方向に位置合わせされている。そして、当該キー溝４１とハウジング１２側の溝４３からなる孔にキー部材４２が嵌合されることで、ハウジング１２と固定子コア３１同士が周方向に位置決めされ、それらの回り止めとなっている。なお、この例では、上記実施形態で説明したコアシート３１ａの回転積層構造を有するため、キー部材４２が嵌合されないキー部材４２が存在する。

各キー溝４１の周方向位置は、各ねじ係合部２５の周方向位置と一致している。すなわち、各キー溝４１は、各ねじ係合部２５の径方向内側に位置している。また、詳しくは、キー溝４１は、ねじ孔２５ａの径方向内側に位置することが好ましい。

上記のような構成によれば、回り止め用のキー溝４１を固定子コア３１に備えた構成において、回転電機１１における放熱性の低い箇所を周方向に集中させることで、回転電機１１全体としての放熱性を向上させることが可能となる。その結果、固定子１４の効率的な冷却が可能となる。なお、キー溝４１の数は４つに限定されるものではなく、構成に応じて適宜変更可能である。また、上記の例では、溶接溝３４をねじ係合部２５の径方向内側に配置していないが、これに限らず、溶接溝３４とキー溝４１の両方を同一または個別のねじ係合部２５の径方向内側に配置してもよい。

・上記実施形態では、ねじ係合部２５のねじ孔２５ａにねじ部材２４が螺着される構成としたが、これ以外に例えば、スルーボルトが挿通される孔を有するねじ係合部としてもよい。

・上記実施形態では、ねじ係合部２５を、ハウジング１２にカバー１３を固定するための部位として構成したが、これ以外に例えば、回転電機１１を被取付部に固定するための部位として構成してもよい。

・上記実施形態では、ねじ係合部２５が周壁２１の外周面から径方向外側に突出するが、これに限らず、周壁２１を周方向全体に亘って一様な厚さとしてもよい。この構成であっても、ねじ孔２５ａが周壁２１における熱抵抗となるため、ねじ孔２５ａの径方向内側に固定子コア３１側の第２熱抵抗部（すなわち、溶接溝３４またはキー溝４１）を配置することで、上記実施形態と略同様の効果が得られる。

・放熱フィン２６に軸方向における抜き勾配をつけることで、成形の際の型抜きが容易となる。
・上記実施形態の放熱フィン２６は周壁２１に一体成形されたが、これに限らず、周壁２１とは別体として構成してもよい。

・上記実施形態のハウジング１２から放熱フィン２６を省略した構成としてもよい。
・上記実施形態のハウジング１２において、内部に冷却液を循環させる冷却構造を加えてもよい。

・出力部１８はプロペラファンに限定されるものではなく、回転電機１１の用途に応じて出力部１８の構成を適宜変更可能である。

１１…回転電機、１２…ハウジング、１３…カバー、２１…周壁、２１ａ…低熱抵抗部、２４…ねじ部材、２５…ねじ係合部（第１熱抵抗部）、２５ａ…ねじ孔、２６…放熱フィン、３１…固定子コア、３１ａ…コアシート、３２ａ…低熱抵抗部、３４…溶接溝（第２熱抵抗部、外周溝）、３４ａ…溶接部、４１…キー溝、４２…キー部材。

Claims (9)

1. 筒状のハウジング（１２）と、
   前記ハウジングの周方向に沿う環状をなし前記ハウジングの内周面に固定された固定子コア（３１）と、を備えた回転電機であって、
   前記ハウジングは周方向において部分的に第１熱抵抗部（２５）を有し、該第１熱抵抗部は、前記ハウジングの周方向における前記第１熱抵抗部以外の部位（２１ａ）よりも熱抵抗が高く構成され、
   前記固定子コアは周方向において部分的に第２熱抵抗部（３４，４１）を有し、該第２熱抵抗部は、前記固定子コアの周方向における前記第２熱抵抗部以外の部位（３２ａ）よりも熱抵抗が高く構成され、
   前記第２熱抵抗部が前記第１熱抵抗部の径方向内側に位置する、回転電機。
2. 前記ハウジングは、前記固定子コアが内周面に固定される筒状の周壁（２１）と、前記周壁の外周面から突出する放熱フィン（２６）とを備え、
   前記放熱フィンは、前記第１熱抵抗部の外周面から突出する放熱フィンを含む、請求項１に記載の回転電機。
3. 前記固定子コアの外周面には、軸方向に沿って延びる前記第２熱抵抗部としての外周溝（３４，４１）が形成されている、請求項１又は請求項２に記載の回転電機。
4. 前記固定子コアは、軸方向に積層された複数のコアシート（３１ａ）からなり、
   前記固定子コアは、前記複数のコアシートを互いに固定するための溶接部（３４ａ）が形成された前記外周溝としての溶接溝（３４）を備える、請求項３に記載の回転電機。
5. 前記固定子コアは、前記ハウジングと前記固定子コア同士を周方向に位置決めするキー部材（４２）が嵌合される前記外周溝としてのキー溝（４１）を備える、請求項３又は請求項４に記載の回転電機。
6. 前記固定子コアの外周面には、軸方向に沿って延びる前記第２熱抵抗部としての外周溝（３４，４１）が形成されており、
   前記固定子コアは、軸方向に積層された複数のコアシート（３１ａ）からなり、
   前記固定子コアは、前記複数のコアシートを互いに固定するための溶接部（３４ａ）が形成された前記外周溝としての溶接溝（３４）を備えるとともに、
   前記固定子コアは、前記ハウジングと前記固定子コア同士を周方向に位置決めするキー部材（４２）が嵌合される前記外周溝としてのキー溝（４１）を備えており、
   前記キー溝及び前記溶接溝のうち前記キー溝が前記第１熱抵抗部の径方向内側に位置する、請求項１に記載の回転電機。
7. 前記ハウジングは、前記固定子コアが内周面に固定される筒状の周壁（２１）と、前記周壁の外周面から突出する放熱フィン（２６）とを備える、請求項６に記載の回転電機。
8. 前記ハウジングは、ねじ部材（２４）が挿通又は螺着される孔（２５ａ）を有する前記第１熱抵抗部としてのねじ係合部（２５）を備える、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の回転電機。
9. 前記ハウジングの軸方向の一端部を閉塞するカバー（１３）を備え、
   前記カバーは、前記ねじ部材によって前記ハウジングに固定されている、請求項８に記載の回転電機。

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