JPWO2017145333A1 - アキシャルギャップ型回転電機 - Google Patents

アキシャルギャップ型回転電機 Download PDF

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Abstract

モータを構成するために必要な体格内で、アキシャルギャップ型回転電機の放熱性を大幅に向上する。軸方向に、固定子と回転子を有するアキシャルギャップ型回転電機において、前記固定子は、複数の固定子コアが周方向に配置され、該固定子コアにコイルが巻線されたものであり、金属製の中空管の内部に冷媒を封入したヒートパイプを、前記固定子の径方向外径部にできる隣り合うコイルとハウジングとの間の隙間に、前記コイルとの間に必要な絶縁距離を有して配置する。前記ヒートパイプは、回転軸方向であって反出力側方向に延伸され、反出力側のエンドブラケットの外で放熱フィンと接触している。

Description

本発明は、アキシャルギャップ型モータなどのアキシャルギャップ型の回転電機に関する。
産業機械の動力源として用いられる回転電機として、アキシャルギャップ型回転電機はモータ部分の薄型化や高イナーシャ化、高効率化などの特徴があるため、各種の用途に用いられている。アキシャルギャップ型回転電機は、一般的なラジアル型回転電機に比べて、比較的大きな径を持つディスク状の回転子を有する構造となっている。このため、決められた径の中にモータを構成しようとするとき、ディスクの径を大きくできるので、ラジアル型モータに比べて大きなトルクが得られるといった特徴を持っている。さらに大きなトルクを期待する場合に、一つの固定子に対して、軸方向に２つの回転子を有する構造のアキシャルギャップ型回転電機を構成することができる。この方式は、ディスク上に多くの界磁源である永久磁石を配置できるため、トルク発生に寄与する磁束量を増加させることが可能となる。
特許文献１では、１つの固定子と２つの回転子を有するアキシャルギャップ型モータの高効率化方法が提案されている。固定子の鉄心部分に、損失の低いアモルファス金属箔帯で構成した鉄心を用い、回転子磁石に渦電流損失などの損失の少ない材料を用いることにより、発生する損失を抑えることができるので、モータの効率を高めることができる。
一方、モータの高効率化のためには、放熱性を向上させることも必要である。特許文献２および特許文献３では、２つの回転子を有するアキシャルギャップ型のモータの、固定子に発生する熱の放熱経路設計に関して検討されている。特許文献２では、固定子コアとハウジングの間に導電性、高熱伝導部材を設け、固定子で発生したジュール熱をハウジングへ熱伝導させる放熱路を設けている。また、特許文献３では、隣り合うコアの間に、径方向に広がるフィンを配置し、フィンの外径方向端に冷媒を流す配管を結合して、ステータを冷却する方式が検討されている。
特開２０１２−１５７１５７号公報 特開２０１４−１７９１５号公報 特開２００８−９２７３５号公報
特許文献１などに示されるアキシャルギャップ型回転電機は、大きな径の円盤状回転子磁石を２枚有することによって、トルク出力を大きくすることが特徴である。一方、固定子が軸方向中央部に配置され、また、その固定子コアとコイルは、極ごとに独立して配置される構造となっている。このため、これらの固定子コアとコイルをモータのトルク反力に耐えられるように固定して保持する必要がある。しかも、軸方向両側には回転子が、狭小なギャップを介して配置されているため、軸方向中央部の径方向（外側または内側）部分を固定する構造となる。また、その固定用部材は、非導電性で、かつ、非磁性部材である必要があるため、樹脂材料でモールドする構造が一般的に採用されている。
固定子コアとコイルを樹脂で鋳込むモールド構造では、樹脂の熱伝導率が非常に低いために、モータの放熱性が極端に悪くなってしまう。樹脂材料の熱伝導率は、高いものでも１W/m・K程度であり、金属材料であるアルミニウムの２３０W/m・Kや、銅の４００W/m・K、鉄の７０W/m・Kに比べて低いために、モータの許容温度が決められた場合に放熱性能で発熱量が制限されてしまい、体格あたりのモータ容量が大きくとれないことになってしまう。
そこで、特許文献２では、高熱伝導部材を固定子に放熱経路として配置することで、軸方向の２面と限られた小さな断面積を利用して放熱性能を向上することが検討されている。しかし、この方法は高熱伝導部材を配置するスペースを大きく取れないこと、また、そのスペースを大きくするとモータの体格が軸方向に大きくなってしまう問題がある。
また、特許文献３のように、コイルの側面部分に放熱部材（フィン）として導電性の部材を配置すると、絶縁距離を必要とするため、有効な断面積に配置するコイルのボリュームが少なくなってしまい、モータの効率を損なう恐れがある。また、放熱部材の部分にコイル電流や磁石磁束による渦電流損失が発生し、さらに効率を低下させる恐れもある。
本発明は、モータを構成するために必要な体格内で、アキシャルギャップ型回転電機の放熱性を大幅に向上することを目的とする。
上記課題を解決するために、請求の範囲に記載の構成を採用する。
本発明は、上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、本発明のアキシャルギャップ型回転電機の一例を挙げるならば、軸方向に、固定子と回転子を有するアキシャルギャップ型回転電機において、前記固定子は、複数の固定子コアが周方向に配置され、該固定子コアにコイルが巻線されたものであり、金属製の中空管の内部に冷媒を封入したヒートパイプを、前記固定子の径方向外径部にできる隣り合うコイルとハウジングとの間の隙間に、前記コイルとの間に必要な絶縁距離を有して配置したものである。
本発明のアキシャルギャップ型回転電機において、前記ヒートパイプは、回転軸方向であって反出力側方向に延伸され、反出力側のブラケットと接触固定されているか、或いは、反出力側のエンドブラケットの外で放熱フィンと接触しているのが好ましい。
本発明により、モータを構成するために必要な体格内で、放熱性の大幅な向上が期待できる。これまでのモータと同一のハウジング枠内で、しかも固定子コア寸法や回転子の寸法を変更しないで、アキシャルギャップ型回転電機の放熱性を向上することが可能となる。また、同一の体格内での熱輸送を大きくすることができるため、同一体格でありながら、モータ出力を大きくすることができる。
さらに、これまで、放熱のためにハウジング材質は高放熱材料のアルミニウムで、放熱フィンの表面積を大きくするために複雑な形状であったが、放熱のためのハウジングが不要となり、モールド樹脂を筐体として利用することが可能となる。
上述した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
本発明の実施例１に係る２ロータ型アキシャルギャップ型回転電機の固定子と回転子、冷却用ヒートパイプの位置関係を示す斜視図である。 本発明の実施例１に係る２ロータ型アキシャルギャップ型回転電機の横断面図である。 図１で示した本発明の実施例１に係るアキシャルギャップ型回転電機の固定子と冷却用ヒートパイプの位置関係を示す軸方向断面図である。 図２Ａで示したアキシャルギャップ型回転電機の固定子の一部拡大図である。 一般的なラジアル型回転電機の構造を示す斜視図である。 一般的なアキシャルギャップ型回転電機の構造を示す斜視図である。 本発明の実施例１の冷却用ヒートパイプの凝縮側構造を示す斜視図である。 図４Ａで示した凝縮側構造の一部拡大図である。 本発明の実施例１の冷却用ヒートパイプを配置した産業用モータの凝縮側を示す外観斜視図である。 本発明の実施例１の冷却用ヒートパイプを配置した産業用モータの蒸発側と凝縮側構造を示す横断面図である。 本発明の凝縮部に使用する金属性フィンの構造を説明する斜視図である。 本発明の凝縮部に使用する金属性フィンの他の構造を説明する斜視図である。 本発明の凝縮部に使用する金属性フィンの他の構造を説明する斜視図である。 本発明の凝縮部に使用する金属性フィンの他の構造を説明する斜視図である。 本発明の冷却用ヒートパイプを保持するための構造を示す斜視図である。 本発明の冷却用ヒートパイプを保持するための構造を示す断面図である。 本発明の実施例２のヒートパイプ配置例を示す断面図である。 本発明の実施例２の他のヒートパイプ配置例を示す断面図である。 本発明の実施例３のハウジングを樹脂モールド構造としたアキシャルギャップ型回転電機を示す斜視図である。 本発明の実施例３のアキシャルギャップ型回転電機を示す断面図である。 本発明の実施例４のインバータを一体に実装したモータの斜視図である。 本発明の実施例４のインバータを一体に実装したモータの構造を説明する斜視図である。 本発明の実施例４のインバータを一体に実装したモータの冷却用ヒートパイプの配置を示す断面図である。 本発明の実施例４のインバータを一体に実装したモータの他の例を示す断面図である。 本発明の実施例５のポンプ一体型モータの冷却用ヒートパイプの配置を示す断面図である。
以下、図面等を用いて、本発明の実施形態について説明する。以下の説明は本発明の内容の具体例を示すものであり、本発明がこれらの説明に限定されるものではなく、本明細書に開示される技術的思想の範囲内において、当業者による様々な変更および修正が可能である。また、本発明を説明するための全図において、同一の機能を有するものは、同一の符号を付け、その繰り返しの説明は省略する場合がある。
図１Ａおよび図１Ｂは、本発明の実施例１に係るアキシャルギャップ型回転電機の固定子と回転子、また、冷却用金属管の位置関係を示す斜視図、および断面図である。
図１Ａに示す冷却用金属管１０（以下、ヒートパイプと称する。）は、熱伝導性の良い金属の管の内部に水などの冷媒を封入し、その冷媒が出ないように管の両端を溶接などにより封止して構成されたものである。管の内側部は、ウィックと呼ばれる細い細線や、金属の襞などが構成されており、金属管表面の熱を内部に伝えやすい構造となっている。また、ウィックには、冷媒が液体の時に毛細管現象を利用して、冷媒が冷媒密度の低いところに移動しやすくする効果もある。このようにして構成されたヒートパイプは、細いものではφ３ｍｍ程度からが実用化されており、パソコンＣＰＵなどの半導体パッケージなど、局所的に発熱密度が大きな熱源の熱輸送に利用されている。
アキシャルギャップ型回転電機は、図１Ａに示すように、１つの固定子１００と２つの回転子２００，３００で構成される。紙面下側に示す回転子２００は、永久磁石３を周方向に有する回転子である。永久磁石回転子では、Ｎ極とＳ極で対となった磁極が回転方向に周期的に並ぶ構造である。図１Ａでは、リング状の円盤状磁石は、周方向に１０極の磁極が並ぶ構造となっている。１つの磁極は、扇形形状となっており、等角度ピッチで円周上に並ぶ構造となっている。この磁極は、一極あたり１つの、または複数の分割された磁石を貼り付けることによっても同様の回転子構造が得られる。この永久磁石回転子２００，３００は、図1Ｂの断面図に示すように、通常は永久磁石３と構造体回転子ヨーク５の間に継鉄部４を有している。継鉄部４は、永久磁石３からの磁束を通すために軟磁性材料で構成される。永久磁石３の磁束は直流成分であるため、渦電流損失の影響が少ないために、磁石裏側の磁性体は、炭素鋼（Ｓ４５Ｃ）や磁性ステンレス鋼などで構成される場合もある。モータの効率を高めることを目的とする場合、固定子側で作る回転磁界、交番磁界による影響で発生する渦電流損を抑えるために、薄い電磁鋼板を積層するなどして渦電流を発生させにくい構造の継鉄部４を構成する。図において、符号７は回転子の回転軸を表す。
固定子１００は、図１Ａに示すように、略扇形形状の固定子コア（鉄心）１が周方向に配置され、その固定子コアの周囲に固定子コイル２が巻かれている構造で構成される。この固定子１００は、ハウジング６に固定（保持）される必要があるため、周方向に配置された図示の場合は９個の固定子コア１とコイル２を図１Ｂに示すような固定子モールド樹脂部８によって、ハウジング６と一体化して構成する。これによって、固定子コア１および固定子コイル２は、ハウジング６に固定されるため、回転子がトルク出力するときの反力を受け止めてモータとして動作可能となる。このような固定子においては、固定子コイル２や固定子コア１で発生した熱を外部に放熱することが困難となる。なぜなら、通常、金属の熱伝導率は、鉄で７０W/m・K、アルミニウムで２３０W/m・K、銅で４００W/m・Kと高いが、樹脂の場合は熱伝導率が大きいものでも１W/m・K程度しか無い。モータ（固定子コイル、固定子コア）で発生した熱は熱伝導性の良いハウジング６へ伝達されて、ハウジング表面から放熱されることが一般的であるが、２つの回転子を有するアキシャルギャップ型モータの場合には、伝熱経路に必ず樹脂が入るため、固定子の内部に熱がこもりやすいことが問題となる。そこで、実施例１では、図１Ａまたは図１Ｂに示すように、固定子の径方向最外径部の隣り合うコイル間の隙間に、必要な絶縁距離を設けて、水などの冷媒を封入した金属製の管（ヒートパイプ）を配置し、そのヒートパイプの片端をアキシャルギャップ型モータの固定子軸方向部に配置させ、他方の片端を軸方向へと延伸させて配置させる構成とした。これにより、ヒートパイプの内部に封入された冷媒は、モータの固定子に近い部分では、モータ固定子コイルの電流によって発生するジュール熱によって暖められ、冷媒が蒸発しその蒸気が管の内部をとおって上昇し、他方の片端の空気と触れる部分では放熱することによって、蒸気が凝縮して冷媒が液体に戻される物理現象により、効率的にモータ固定子部と外部空気との間の熱輸送を行うようにしている。ヒートパイプの熱伝導率は、銅などの金属に比べて５０〜１００倍と高い熱伝導率を実現することができる。このため、コイルとコイルの隙間に配置できる小さな断面積のヒートパイプであっても、大きな熱を輸送することができる。ヒートパイプの固定は、固定子をハウジングと一体にモールドする時に樹脂で一体化するようにできるため、ヒートパイプ以外の新たな追加部品を必要とすることが無い。
図２Ａおよび図２Ｂは、図１Ａおよび図１Ｂで説明したヒートパイプの配置を軸方向断面で説明する図面である。図２Ａに示すように固定子１００のコイル２は、固定子コア１の周囲に巻かれる形状となっており、略扇形の形状となる。巻線の角部は、R形状となり、隣り合うコイルとコイルの間には、細いヒートパイプ１０を配置するための隙間ができる。図２Ｂにその隙間の詳細部の形状を示す。図２Ｂで示すコイル２とハウジング６の間には、電圧仕様に応じて必要な空間距離が定められており、この距離を守ってコイルの配置をする必要がある。図示しているモータは、２００V程度の電圧で駆動する産業用モータの事例を示しており、エナメル被膜などで構成されるコイルの端部から、金属体への空間距離は、２．４mm以上必要とされる。コイルの周方向端部と、ハウジング６までの距離は、端末の渡り線などを配置する必要があるために、それよりも大きく取る必要があり、樹脂で埋めなければならない空間が大きく必要となっている。この樹脂部は、前述したとおり、熱伝導率が非常に悪いため、放熱性が著しく低下するという問題がある。そこで、図２Ｂに示すように、隣り合うコイル間とハウジングとの間にできる微小な隙間に、空間距離２．４mmを確保しながら細径のヒートパイプ１０を配置する構造とした。この例では、φ３ｍｍのヒートパイプが必要な空間距離を保って配置できる寸法関係となっている。
次いで、アキシャルギャップ型モータとラジアルギャップ型モータの違いを、図３Ａおよび図３Ｂを用いて説明する。図３Ａおよび図３Ｂには、一般的なラジアルギャップ型回転電機とアキシャルギャップ型回転電機の構造比較を、それぞれ斜視図で示している。図３Ａは、ラジアルギャップ型回転電機を示し、図３Ｂは、アキシャルギャップ型回転電機を示している。本比較例では、どちらも同一のハウジング６に実装される場合を想定して図示している。このとき、ラジアルギャップ型回転電機は、スロットと呼ばれる巻線（コイル）１２を実装するための溝を有する電磁鋼板を軸方向に積層した固定子鉄心１１をハウジング６の内径部に構成する。さらに、その内側部分には、永久磁石１３を回転軸１７上に実装した回転子が構成されている。このとき、回転子と固定子の対向面積は、回転子の径φｄと軸長Ｌで決まり、その大きさは、π×φｄ×Lとなる。ハウジングの径に対して回転子径は固定子の内側となるため、φｄは小さめである。なお、図において、符号９はエンドブラケットを、符号１５はベアリングを表す。
一方、図３Ｂに示すアキシャルギャップ型回転電機は、２枚の永久磁石３を実装した回転子を備えるものを図示している。こちらの構造では、回転子磁石３と固定子コア１の対向面積は、回転子径φＤがハウジングの内径いっぱいまで使用することができるために、大きな面積となる。図示したモデルでは、対向面積は、π/4×φＤ2×２倍となる。この値は、先に示したラジアルギャップ型回転電機に比べてこのモデルでは約３倍となっている。このことから、アキシャルギャップ型回転電機は同一径のハウジング内に実装する場合には、ラジアルギャップ型回転電機に比べて大きなトルクが得られる利点があることがわかる。
ここで、ラジアル型回転電機の場合、固定子鉄心１１は、通常は電磁鋼板（鉄）で構成され、銅の巻線１２と固定子を構成している。この固定子鉄心は、焼嵌めや圧入等によってハウジング６に固定されるため、熱伝導性の良い金属で結合される構造となる。このため、固定子コイルで発生する電流によるジュール熱や、鉄心１１の鉄損で発生する熱をハウジングに伝達しやすい構造となっていることがわかる。アキシャルギャップ型モータの場合は、磁石と固定子の対向面積を大きくしてトルクを３倍にし、出力を大きくすることができるが、出力に対する損失の割合が同じ（効率が同じ）であれば、出力を大きくした分、発熱量が多くなることがわかる。このとき、前述したとおり、樹脂で固定子を保持する構造のアキシャルギャップ型モータの場合、増えた発熱量を熱輸送することができなければ、同一体格内でのモータ出力増加が無駄になってしまう。
そこで、本発明では２つの回転子を有するアキシャルギャップ型回転電機の出力向上を狙い、前述したヒートパイプ配置による放熱性向上を実現する。図４Ａおよび図４Ｂに、放熱性を向上するための放熱面積と放熱量を拡大するためのヒートパイプ凝縮部の放熱フィン送風構造を示す。図４Ａには、本実施例のヒートパイプが配置されたモータ反出力軸側のエンドブラケット部の構造を、斜視図で示している。固定子から延伸されたヒートパイプ１０は、軸受を保持するエンドブラケット９の嵌合穴を接触させながら貫通して、更に延伸して配置されている。この延伸されたヒートパイプ１０の先端部には、円盤状で、ヒートパイプ１０が接触するように開けられた穴を有する熱伝導性の良い金属性の放熱フィン２３を複数枚接触させた構造としている。さらに、このフィン２３には、モータの軸方向端部に取り付けられた外扇ファン２１によって、ラジアル方向に風が流れるように構成され、放熱フィン２３に多量の風があたる構造とした。これにより、ヒートパイプの凝縮部は。放熱フィンへの伝熱と、風による空気への熱輸送によって凝縮性能が大幅に改善される。図４Ｂには放熱フィン部の詳細構造を示す。放熱フィン２３は、薄い金属性の板を複数枚重ねた構造として、その板間には風が通り抜けるためのギャップを有する。これにより、内側からの風は、外側部に抜けることができるので、放熱性を高めることができる。
図５Ａおよび図５Ｂには、図４Ａおよび図４Ｂで示した凝縮部構造の実際に製品適用構造の例を示す。産業用モータでは、外扇ファン２１のカバー２２が付く形となる。このカバーの軸方向端部は、メッシュ状になっており、軸方向に風を吸い込むことができるようになっている。図５Ａに示すように、外観上は現状の産業用モータと変わるものでは無く、部品を追加することなく現状のファンカバーを採用することができる。図５Ｂには、冷却風の経路を示している。軸方向端部からの風は、ラジアルファン２１で周方向に向きを変えられ、ヒートパイプ１０端部の放熱フィン２３にあたってモータハウジング部６へと流れる構造としている。
図６Ａ〜図６Ｄには、放熱フィンの各種形態を示している。図６Ａは、単純な円盤を複数枚重ねてフィン２３とする構成である。図６Ａで示した円盤状だと、平板からプレス打ち抜きなどによって作成されるため、材料の利用率が悪い。図６Ｂは、この欠点を補うために、細いフープ状の部材から、孔のみをプレスで等ピッチに加工し、加工されたものをエッジワイズに巻き取って構成するようにした形状を示している。これにより、材料の利用率が格段に向上できる。図６Ｃは、分割した板をつなぎ合わせる形状を示している。こちらも材料の利用率向上が期待できる。また、エッジワイズに曲げる工程を必要としないので、比較的簡易な設備で製作することが可能である。図６Ｄは、積層構造でなく、ヒートシンクブロックとして構成する構造である。放熱性を高めるために、表面に溝加工などの凹凸を施し放熱表面積を高める構造とすることが望ましい。
図７Ａおよび図７Ｂは、アキシャルギャップ型モータの固定子コア１とコイル２、絶縁ボビン２７とヒートパイプ１０の保持構造に関しての構造例を示す。図７Ａは、固定子の１極分の磁極構造を示している。略台形の断面を有する固定子コア１の周囲に樹脂性の絶縁ボビン２７を介して、その周囲に固定子コイル２の巻線が施されている。その樹脂ボビン２７の軸方向端部の周方向の外径側のハウジングと接する部分には、固定子コア１と接触するように放熱板２６が配置されている。この放熱板２６の形状は、固定子の絶縁ボビン２７と位置決めするための穴に加え、隣り合う磁極の放熱板と結合するための穴が形成される構造となっている。この、隣り合う磁極との結合穴の部分に、本発明のヒートパイプ１０を挿入し、保持させる構造とした。放熱板２６は、固定子コア１を電気的にハウジング等の筐体部品に接触させてアース接続する機能も有しており、各磁極の放熱板２６がハウジングと接触することが望ましい。ヒートパイプ１０は、導電材料で構成されるため、放熱板２６への圧入構成により、電気的な接触が期待でき、これが、エンドブラケットや、放熱フィンと電気的に接続されるため、アースを構成することが可能となる。図７Ｂには、上記の記述内容を断面図で示した。横方向断面図で示すと、固定子コア１は、樹脂ボビン２７で保持され、軸方向の上部、下部に、樹脂ボビン２７よりも固定子コア１を突出させる構造となっている。その突出させた外径側部分の樹脂ボビン２７のつば部に放熱板２６を配置し、樹脂ボビン２７と放熱板２６の全体で固定子コア１の軸方向長と同一になるように構成している。樹脂ボビン２７があることで、固定子コイル２から放熱板２６、ハウジング６、ヒートパイプ１０の絶縁距離が確保できることがわかる。
本実施例では、軸方向に、１つの固定子と、その固定子の両側に２つの回転子を有するアキシャルギャップ型回転電機について説明したが、軸方向に、１つの固定子と１つの回転子を有するアキシャルギャップ型回転電機などの、その他のアキシャルギャップ型回転電機についても本放熱構造を適用することができる。
本実施例においては、軸方向に、固定子と回転子を有するアキシャルギャップ型回転電機において、金属製の中空管の内部に冷媒を封入したヒートパイプを、固定子の径方向外径部にできる隣り合うコイルとハウジングとの間の隙間に、コイルとの間に必要な絶縁距離を有して配置し、そのヒートパイプの片端を固定子に配置し、他方の片端を回転軸方向に延伸し、反出力側のエンドブラケットに接触固定させる構造とし、または、そのエンドブラケットを貫通して更に延伸し、放熱フィンと接触させる構造とする。これにより、ヒートパイプの内部に封入された冷媒は、固定子に近い部分では、固定子コイルの電流によって発生するジュール熱によって暖められ、冷媒が蒸発しその蒸気が管の内部をとおって移動し、片端の放熱フィンと接触する部分では放熱することによって、蒸気が凝縮して液体に戻されて、効率的に固定子部と放熱フィン部との熱輸送を行うことができる。これにより、アキシャルギャップ型回転電機の放熱性を大幅に向上することができる。
図８Ａおよび図８Ｂに、本発明の実施例２のヒートパイプの配置を改良したアキシャルギャップ型回転電機を示す。ヒートパイプは、金属製の部材で構成されるため、モータの固定子磁束の影響によって、多少なりともヒートパイプ部に渦電流損失が発生する。この渦電流損失は、固定子コイルに近ければ近いほど発生する。このため、熱を伝熱しやすくするには近い方が良いが、損失を低減するには遠い方が良いといった矛盾が生ずる。そこで、その対策として、渦電流損失が出にくい部分へのヒートパイプの配置が必要となる。図には、ヒートパイプを配置する箇所の一例を示した。
図８Ａは、固定子磁極９極のモータの巻き線配置例を示している。磁石極数８極や１０極の９スロットモータでは、図８Ａに示すような巻線配置となる。この時のモータ電流の流れ方を矢印で図示している。Ｕ相のモータ電流は、Ｕ＋とＵ−のコイル間では、必ず逆方向に電流が流れるため、その電流による磁束は、その中央部では打ち消され磁束の変化量はゼロとなる。このため、同相で電流の向きの異なるコイル間では渦電流の発生が無いことが予想される。このため、図示のように、ヒートパイプ１０をそのような関係のところだけに配置すると、渦電流の影響を受けないことになる。図では、斜線でハッチングした６箇所だけにヒートパイプを実装する例を示している。
図８Ｂは、上記と同様に１２スロット（固定子磁極数１２個）の場合を図示している。１２スロットの場合、回転子磁極数が１０または１４などの場合に、図示のようなコイル配置となる。この時、各相のコイルは隣り合うコイルが逆向きに通電するような構成となるため、同相磁極が反対方向に流れる電流をつくる部分が一か所置きに現れることになる。このよう箇所にヒートパイプ１０を配置することで、渦電流損失の影響を無くして熱を伝達する機能のみが期待できる構成をつくることができる。
本実施例によれば、ヒートパイプを、同相で電流の向きが異なるコイル間にのみ配置したので、実施例１の効果に加えて、固定子コイルを流れる電流に基づく渦電流損失を減少させることができる。
図９Ａおよび図９Ｂは、本発明の実施例３のヒートパイプを内蔵配置するアキシャルギャップ型モータを示す。図９Ａに示すモータのハウジング３１には、樹脂材料やセラミックなどの非導電性、かつ、非磁性の材料を採用する構成を示す。これらの非金属材料は、一般的に熱伝導率が低く、樹脂材料では、１W/m・Kと金属材料の１／１００程度の熱伝導率しか無い。セラミック材料では、窒化アルミニウムなどで１５０W/m・Kと高いものもあるが、窒化ケイ素などの材料で２０W/m・Kと金属材料に比べれば低い値となっている。このことから、これらの材料によるモータ内部の放熱は期待できないと考えられるため、モータのハウジング表面の表面積を高めるような放熱フィンを無くす構造となっている。放熱フィン構造を無くし、これらの材料でネックとなる強度不足を解消するために、肉厚部を増やすなどの剛性を高める構造となっている。モータのハウジングからの放熱が無い代わりに、図５Ａおよび図５Ｂで示したのと同様に、モータ固定子コイルの隙間に、ヒートパイプを配置し、その熱を軸方向端部へと移送する構造をとっている。
図９Ｂに断面図を示す。モータのハウジング３１は、非導電性かつ非磁性の材料で形成され、固定子コアとコイルをモールドする樹脂で一体にモールド成形されている。そして、固定子コアとコイルが配置され、樹脂モールドされた軸方向中央部から、ヒートパイプ１０は、軸方向端部へと延伸する。ヒートパイプ１０は、図５Ａおよび図５Ｂの場合と同様に、エンドブラケット９および放熱フィン２３と接触し、軸方向端部に配置された外扇ファン２１で風があたるように構成されている。これにより、ヒートパイプ１０は、高温になる蒸発部と、風が当たって低温になる凝固部が構成されて、熱移送を可能とすることができる。また、モータの非磁性かつ非導電性のハウジング部３１には、モータのコイルで発生する磁束によって発生する渦電流損失が全く発生しなくなるため、発熱自体が大幅に減少する構成にもなっている。このため、移送して放熱する熱量は、モータのコイルから発生するジュール損失分と固定子コアに発生する鉄損分だけで良いことになる。モータの鉄心を、アモルファスや、低損失の電磁鋼板で構成することによって、さらに熱量を低減することも可能となる。なお、モータのハウジング３１を、固定子コアとコイルをモールドする樹脂と同一材料とし、一体に構成すれば、固定子の製造が容易となる。
本実施例によれば、モータのハウジング部を樹脂などの非磁性かつ非導電性材料で構成したので、ハウジング部で発生する渦電流損失を無くし、回転電機の放熱性を向上することができる。
図１０Ａ〜図１０Ｃに、本発明の実施例４の制御装置一体型のアキシャルギャップ型モータの構成事例を示す。本実施例のアキシャルギャップ型モータは、永久磁石同期モータであり、その制御にインバータを必要とする。永久磁石同期モータは、汎用インバータを別体としてケーブル接続して使用する場合が一般的であるが、本実施例で説明するアキシャルギャップ型モータは、図３Ｂで説明したように、磁石と固定子コアの対向面積を大きく取ることができるので、比較的薄型で大トルク、大出力を得ることができる特徴がある。このため、モータ部分を薄型に構成することができるため、モータを制御するための制御装置であるインバータを例えば軸方向端部に取付けて構成しても、通常の産業用モータとほぼ同一の大きさとすることができる。
図１０Ａには、インバータを軸方向端部に取り付けた構成例を示す。アキシャルギャップ型モータの端部にインバータを実装し、そのインバータは、図５Ａ等で示した、外扇ファンのカバーのようなインバータカバー４３を付けることで、モータの外観が一般的な産業用モータとなる構成となっている。
図９Ｂは、カバー４３を外したインバータ実装状態を示している。モータの後ろ側エンドブラケット９に、パワー半導体の熱を吸収するためのヒートシンク４５を配置し、インバータ冷却用の軸流ファン４４をそのヒートシンク４５の溝の方向、すなわち風が流れやすい方向に対して風が流れるよう配置し、熱を冷却するように構成している。モータやインバータのパワー素子からの熱の影響を受けにくい回転軸方向の外側にインバータ制御基板４０を実装する構成となっている。
図９Ｃに、図９Ｂで示したインバータを実装するモータ構造の断面図を示す。モータ部は、モータの固定子コア１を軸方向中心にして、２つの回転子構造体ヨーク５を有するアキシャルギャップ型モータを構成している。モータの固定子外径側からは、本発明のヒートパイプ１０が紙面右方向にエンドブラケット９を貫通して延伸している。エンドブラケット９には、ヒートシンク４５が実装され、そのヒートシンク４５にヒートパイプ１０が接触するように構成されている。ヒートシンク１０は、側方に取り付けられた軸流ファン４４によって下側から上向きに風が流れるように配置されている。ヒートシンク４５の表面には、ＩＧＢＴなどのパワー素子４１が密着した状態で取付られており、そこで発生した熱がヒートシンク４５に伝わりやすいように構成されている。更にパワー素子４１の外側部分にインバータ制御基板４０が構成されており、インバータ制御基板を構成する部分は、インバータ防水ケース４２によっておおわれている。これは、モータは通常、全閉型という構造で、雨水が浸入する場所で使用される場合でも大丈夫な構造となっており、インバータを実装する場合でもその仕様に耐える必要があるためである。インバータ防水ケース４２で覆われた、インバータ部全体を、外扇ファンのカバーのようなインバータカバー４３で覆うことにより、通常の産業用モータと同様の外観と、風の流れを実現することができる。ただし、軸流ファンの風の流れる向きは逆方向でも良い。これは、通常の産業用モータの場合は、ラジアルファンによって、図５Ｂで示したように、風はモータの終端部から取込み、外周側へと流れ、それをハウジングの表面に流すようにするが、図１０Ｃのようにインバータのパワー素子を冷却した後の風は、温まっているために、モータ表面に流すと逆効果となる場合もあるため、インバータを冷却した風は、軸流ファンからすぐに外に吐き出す形態をとることも必要である。
また、軸流ファン４４は、インバータ防水ケース４２の外に構成されるため、防水構造のものを採用することが望ましい。また、このモータは、横置き型のモータとなっているが、ヒートパイプの性質上、蒸発部で蒸発した蒸気が上昇し、蒸散部で液体になったものが重力で下に向かって移動する構造が望ましいのではあるが、前述したとおりに、ヒートパイプでは、内部にウィックと呼ばれる細線や内側の襞が、毛細管現象によって液体を密度の低い部分に移送させる効果が期待できるため、横置きでも、蒸散した液体が、高温部へと戻って蒸発する効果が期待できるものである。
図１１に、インバータを実装するアキシャルギャップ型モータの別の構成を示した。この例は、モータのエンドブラケット９にヒートシンクを配置すると、モータへインバータのパワー素子の熱が伝わって、モータ部やベアリングの温度上昇を招く恐れがあるために、それを改善した構造である。モータのエンドブラケット９の外に、防水のインバータ室を設け、インバータのパワー素子４１を終端部方向に向けて実装する。その終端部側にヒートシンク４５、または放熱フィンを配置し、その外側に防水ファン４４を実装し、ファンカバー４３で覆う構造である。この場合、本実施例のヒートパイプ１０は、再終端部のヒートシンク４５まで延伸させ、そのヒートシンク４５に接触するように構成する。外扇ファン４４の風の向きは、どちらでも良いが、前述したとおり、パワー素子の温度によって決めることが望ましい。
本実施例によれば、アキシャルギャップ型モータの軸方向端部にインバータ等の制御装置を一体に取り付けることにより、通常の産業用モータとほぼ同一の大きさで、持ち運びなど使い勝手の良いモータを提供することができる。
図１２は、本発明の実施例５の、モータに機械部品を一体化して実装したアキシャルギャップ型モータを示す。図１２では、ポンプを一体化する事例を示している。アキシャルギャップ型のモータでは、そのモータ体格が薄型となるために、機械部品との一体化がコンパクトに出来る利点がある。図１２では、モータの軸端に水の入るポンプ室３３と、モータ部を隔離するための隔壁３８を介して回転軸７がポンプのインペラ３２と接続されている。なお、符号３４はポンプケースを表す。本実施例のヒートパイプ１０は、隔壁３８を貫通して、水の入っているポンプ室３３へと延伸して実装する。これにより、ヒートパイプ１０の蒸発部をモータ部として、凝縮部をポンプ室として熱をモータ部より水へと移送することが可能となる。この場合、水の冷却能力にもよるが、放熱フィンなどの部材は不要となる。なお、図では、ポンプ一体型のモータを説明したが、ポンプに限らずモータで駆動されるその他の機械部品と一体化することができる。
本実施例によれば、アキシャルギャップ型モータの軸方向端部にポンプを一体に構成し、固定子に設けたヒートパイプをポンプ室まで延伸したので装置を大型化することなく、アキシャルギャップ型モータの放熱性を大幅に向上することができる。
１ 固定子コア（鉄心）
２ 固定子コイル（巻線）
３ 永久磁石
４ 回転子継鉄部
５ 回転子構造体ヨーク
６ ハウジング
７ 回転軸
８ 固定子モールド樹脂部
９ エンドブラケット
１０ ヒートパイプ
１１ ラジアル型回転電機固定子コア
１２ ラジアル型回転電機固定子コイル
１３ ラジアル型回転電機永久磁石
１５ ベアリング
２１ 外扇ファン
２２ ファンカバー
２３ 冷却フィン
２６ 放熱板
２７ 絶縁ボビン
３１ 樹脂モールドハウジング
３２ インペラ
３３ ポンプ室
３４ ポンプケース
３８ 隔壁
４０ インバータ制御基板
４１ パワー素子
４２ インバータケース
４３ インバータカバー
４４ 軸流ファン
４５ ヒートシンク
１００ 固定子
２００，３００ 回転子

Claims (15)

  1. 軸方向に、固定子と回転子を有するアキシャルギャップ型回転電機において、
    前記固定子は、複数の固定子コアが周方向に配置され、該固定子コアにコイルが巻線されたものであり、
    金属製の中空管の内部に冷媒を封入したヒートパイプを、前記固定子の径方向外径部にできる隣り合うコイルとハウジングとの間の隙間に、前記コイルとの間に必要な絶縁距離を有して配置したことを特徴とす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おいて、
    前記ヒートパイプは、回転軸方向であって反出力側方向に延伸され、反出力側のエンドブラケットと接触固定されていることを特徴とす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おいて、
    前記ヒートパイプは、回転軸方向であって反出力側方向に延伸され、反出力側のエンドブラケットの外で放熱フィンと接触していることを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機。
  4. 請求項３に記載のアキシャルギャップ型回転電機おいて、
    前記放熱フィンは、円盤状であり、ヒートパイプが嵌合される穴が周方向に開けられており、当該穴にヒートパイプが接触固定されることを特徴と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おいて、
    前記円盤状の放熱フィンは、金属の板を円盤状に打ち抜きされた平板構造であることを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機。
  6. 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、
    前記円盤状の放熱フィンは、金属の細い板を円盤状にエッジワイズに巻き取ったらせん状構造であることを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機。
  7. 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、
    前記円盤状の放熱フィンは、金属の短冊状の板をつなぎ合わせた構造であることを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機。
  8. 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、
    前記円盤状の放熱フィンは、金属のブロックで構成され、その表面には表面積を増大するための凹凸が形成されていることを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機。
  9. 請求項１に記載のアキシャルギャップ型回転電機おいて、
    軸方向に、１つの固定子と、該固定子の両側に２つの回転子を有し、
    少なくとも前記固定子コア、前記コイルおよび前記ヒートパイプがモールド樹脂によってモールドされていることを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機。
  10. 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、
    前記ヒートパイプは、同相で電流の向きが異なる隣り合うコイル間にのみ配置することを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機。
  11. 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、
    前記ヒートパイプは、固定子コアの樹脂ボビン端部に配置される、アース機能を有する放熱板に接触固定されることを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機。
  12. 請求項１に記載のアキシャルギャップ型回転電機おいて、
    ハウジング部を非磁性かつ非導電性の材料で構成し、
    少なくとも前記ハウジング部、前記固定子コア、前記コイルおよび前記ヒートパイプがモールド樹脂でモールドされていることを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機。
  13. 請求項１に記載のアキシャルギャップ型回転電機おいて、
    反出力側のエンドブラケット部に回転電機制御装置のパワー素子冷却用ヒートシンクを配置し、さらにその外側部に回転電機制御装置の制御基板を配置し、前記ヒートシンクに前記ヒートパイプを接触固定したことを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機。
  14. 請求項１に記載のアキシャルギャップ型回転電機おいて、
    反出力側のエンドブラケット部に回転電機制御装置の制御基板を配置し、さらにその外側部に回転電機制御装置のパワー素子冷却用ヒートシンクを配置し、当該ヒートシンクに前記ヒートパイプを接触固定したことを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機。
  15. 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、
    回転電機の出力軸側にポンプを一体に取り付け、前記ヒートパイプを前記ポンプのポンプ室へ延伸したことを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機。
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