JP2016220298A - 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の冷却性能を向上させることである。
【解決手段】
本発明に係るアキシャルギャップ型回転電機は、ロータ(２０１)と、前記ロータの回転軸(２０２)の軸方向に沿って前記ロータと対向するステータ(１０１)と、前記ステータを冷却する流路(１０３)を形成する冷却器(１０２)と、を備え、前記ステータは、巻線(１０５)と当該巻線が巻かれるティース(１０６)により構成される電機子(１０４)と、前記ティースを保持する保持部材（１０８、１０９）と、を有し、前記冷却器は、前記流路が前記保持部材を挟んで前記電機子と向き合って配置される。
【選択図】図６

Description

本発明は、回転電機に関し、特に回転軸方向にギャップを介してロータとステータが配置されたアキシャルギャップ型回転電機に関する。

近年、アキシャルギャップ型回転電機には、大容量化が求められている。大容量化の一例としては、アキシャルギャップ型回転電機が電気自動車やハイブリッド車等の車載向けに適用される場合である（特許文献１）。アキシャルギャップ型回転電機の大容量化に伴い、コイル発熱により効率の低下や耐久信頼性の低下を招いてしまう、という問題があった。

アキシャルギャップ型回転電機のステータの多相電機子巻線を冷却する場合、その冷却機能を維持させるのに困難となる要因が２つある。

要因の１つ目は，冷却流路と多相電機子巻線の位置関係である。モータ外径側に冷却流路を設けた場合、ステータの外径側多相電機子巻線は冷却できる。しかし、ステータの内径側多相電機子巻線を同等に冷却させる事は難しい。なぜなら、内径側の多相電機子巻線から、外径側の冷却流路までの熱伝達経路の一部が、外径側多相電機子巻線と共通だからである。そのため、内径側多相電機子巻線の冷却力は外径側多相電機子巻線より劣る。その結果、外径側多相電機子巻線と内径側多相電機子巻線には温度差が生じる。

要因の２つ目は、磁束の通り方である。磁束は、アキシャルギャップ型回転電機の回転中、１つのティースから他方のティースへ、コアバックを経由して流れる。コアバックは薄い鉄板などで形成されているため、ティース以外の場所の磁束密度は高くなる。磁束密度が高い箇所は、渦電流が集中しているため、高温になる。

特開２００５−３４８５８９号公報

本発明に係るアキシャルギャップ型回転電機の課題は、冷却性能を向上させることである。

上記課題を解決する本発明に係るアキシャルギャップ型回転電機は、ロータ(２０１)と、前記ロータの回転軸(２０２)の軸方向に沿って前記ロータと対向するステータ(１０１)と、前記ステータを冷却する流路(１０３)を形成する冷却器(１０２)と、を備え、前記ステータは、巻線(１０５)と当該巻線が巻かれるティース(１０６)により構成される電機子(１０４)と、前記ティースを保持する保持部材（１０８、１０９）と、を有し、前記冷却器は、前記流路が前記保持部材を挟んで前記電機子と向き合って配置される。

本発明により、アキシャルギャップ型回転電機の冷却性能を向上させることが出来る。

アキシャルギャップ型回転電機１の外観斜視図である。 アキシャルギャップ型回転電機１の展開斜視図である。 電機子１０４の拡大斜視図である。 図１の矢印Ａ方向からみた場合の磁束の流れを示した概念図である。 冷却用の流路１０３と電機子１０４の位置関係を示した図である。 冷却器１０２を分離したステータ１０１の外観斜視図である。 流路１０３の形状に関する他の実施形態を示す透過図である。 流路１０３の形状に関する他の実施形態を示す透過図である。 流路１０３の形状に関する他の実施形態を示す透過図である。 流路１０３の形状に関する他の実施形態を示す透過図である。 、他の実施形態に係るアキシャルギャップ型回転電機２の部分的に分解した斜視図である。 図１１に係るアキシャルギャップ型回転電機２の分解斜視図である。 他の実施形態に係るアキシャルギャップ型回転電機３の部分的に分解した斜視図である。

以下、図を参照して本発明を実施するための形態について説明する。

図１は、アキシャルギャップ型回転電機１の外観斜視図である。図２は、アキシャルギャップ型回転電機１の展開斜視図である。図３は、電機子１０４の拡大斜視図である。

アキシャルギャップ型回転電機１は、電気エネルギーを機械エネルギーに変換して回転トルクを発生するだけでなく、このアキシャルギャップ型回転電機１に外部から加えられる機械エネルギーを電力に変換する機能を有する。

図２に示されるように、ステータ１０１は、電機子１０４と、軸方向保持部材１０８と、コアバック１０９と、冷却器１０２と、を含んで構成される。

冷却器１０２はアルミ材の削り出しまたは鋳造品で製作され、この冷却器１０２の一部に流路１０３が形成される。また冷却器１０２は、入出力用配管１１０を有し、入出力用配管１１０を介して冷媒を供給及び排出し、冷媒を循環させている。

図３に示されるように、電機子１０４は、巻線１０５と、磁性材料主に鉄製のティース１０６と、を含んで構成される。ティース１０６には、巻線１０５が１回以上捲回される。ティース１０６に１回以上捲回された多相電機子巻線において、その終端の一方の巻線端１０７ａはインバータ装置（不図示）のＵ相、Ｖ相、Ｗ相のいずれかに接続されており、他方の巻線端１０７ｂは、中性点としてまとめられている(不図示)。

複数の電機子１０４が周方向に沿って並べられ、軸方向保持部材１０８によって保持される。軸方向保持部材１０８は、例えばアルミ材であり、電機子１０４の軸方向の位置決めを担っている。

さらに複数の電機子１０４は、磁性材料のコアバック１０９と接触する。コアバック１０９は、電機子１０４の径方向の位置決めを担っている。このコアバック１０９の表面には絶縁剤、及びさび止め剤が塗布されている。冷却器１０２は流路１０３と繋がる開口部を形成し、この開口部はコアバック１０９によって塞がれる。保持部材１０８とコアバック１０９と冷却器１０２は、ボルトやかしめにより相互に締結される。

なお、本実施形態においては、軸方向保持部材１０８とコアバック１０９は、電機子１０４の保持部材として機能するが、いずれか一方を用いて保持部材としてもよく、また軸方向保持部材１０８とコアバック１０９が一体に形成されたものが保持部材としてもよい。

ロータ２０１は、シャフト２０２と、周方向に配置された複数の磁石２０３と、複数の磁石２０３を嵌め込む凹部を形成する磁石ヨーク２０４と、磁石保持部材２０５と、を含んで構成される。磁石２０３は、たとえば永久磁石であり、フェライト磁石やネオジウムなどの磁石である。しかし、ロータ２０１は永久磁石型の同期電動機に限定するものではなく、誘導電動機やリラクタンストルク電動機または発電機などに幅広く応用できる。

磁石ヨーク２０４は、磁性材料であり、磁石２０３の磁力を増すために用いられる。磁石保持部材２０５は、例えば、ステンレス製であり、回転時の磁石２０３の飛散を防止する機能を担っている。

図４は、図１の矢印Ａ方向からみた場合の磁束の流れを示した概念図である。図５は、冷却用の流路１０３と電機子１０４の位置関係を示した図である。

ロータ２０１が回転している時、点線矢印で示された磁束は、第１磁石２０３Ａ、第１電機子１０４Ａ、コアバック１０９、第２電機子１０４Ｂ、第２磁石２０３Ｂ、磁石ヨーク２０４の順に流れる。磁束がコアバック１０９を通過するときに渦電流が発生する。この渦電流がコアバック１０９を加熱させる。

図２や図５に示されるように、冷却器１０２は、流路１０３がコアバック１０９（つまり保持部材）を挟んで電機子１０４と向き合って配置される。これにより、渦電流により生じたコアバック１０９の熱は、冷却器１０２に備えられた流路１０３に流れる冷却媒体によって冷却される。そして、ステータ１０１の内径側と外径側の電機子の温度をほぼ均一にできる。

なお流路１０３の断面形状は、円形、弦を持つ円形、多角形でもよく、入出力用配管１１０に冷媒が流入後に複数本の流路に分岐するようにしてもよい。

また図５に示されるように、回転軸（シャフト２０２）方向から見た場合、流路１０３の径方向の幅Ｗは、巻線１０５の外周側と重なるように形成される。これにより、発熱量が大きい巻線１０５と流路１０３が広い面積で対向することになり、電機子１０４の放熱性を向上させることができる。なお、本実施形態においては、流路１０３は、巻線１０５の外周側のみ対向させるようにしたが、巻線１０５の内周側を含めて対向させてもよい。

また図２に示されるように、コアバック１０９が冷却器１０２の開口部を塞ぐことで、流路空間が流路１０３及びコアバック１０９によって形成される。つまり、コアバック１０９自体に、冷媒が直接接触することになり、コアバック１０９の冷却性能を大きく向上させることができる。

図６は、冷却器１０２を分離したステータ１０１の外観斜視図である。冷却器１０２には、流路１０３が加工されていない部分に鋲螺用の穴１１１が加工されている。冷却器１０２は、鋲螺用の締結強度や鋲螺の呼径や材質に応じた厚み１１４を有することで、冷却器１０２の強度が確保される。

冷却器１０２は、これら鋲螺(不図示)によって、コアバック１０９と締結される。または、軸方向保持部材１０８とコアバック１０９と冷却器１０２をまとめて締結してもよい。または、冷却器１０２と保持部材１０８とコアバック１０９を、ボンドや接着剤などで接着してもよい。この場合も、冷却器１０２の強度を確保するため、冷却器１０２とコアバック１０９との接続部は、一定以上の厚みを持つ。また、外径側Ｏリング１１２と内径側Ｏリング１１３が、冷却流路１０３から冷却媒体が漏出しないように、備え付けられている。

図７は、流路１０３の形状に関する他の実施形態を示す透過図である。冷却媒体は、図７の奥行き方向に配置される配管１１０Ａから流入した後、外径側に設けられた冷却流路、外径から内径に向かって形成された冷却流路、内径側に設けられた冷却流路、外径方向に向けて設けられた冷却流路の順に流れる。

具体的には、第１流路１０３Ａは、第１ティース１０６Ａと第２ティース１０６Ｂとの間の空間１１７Ａと対向して形成される。第２流路１０３Ｂは、第２ティース１０６Ｂと第３ティース１０６Ｃとの間の空間１１７Ｂと対向して形成される。第３流路１０３Ｃは、第２ティース１０６Ｂの側部であって前記回転軸に遠い側の空間１１７Ｃと対向して形成されかつ第１流路１０３Ａと第２流路１０３Ｂを繋ぐ。流路１０３は、第１流路１０３Ａと、第２流路１０３Ｂと、第３流路１０３Ｃと、を含んで構成される。

このように流路１０３を蛇行させることにより、細い流路断面積を小さくでき、冷媒の流速を上げることができ、冷却性能を向上させることができる。またステータ１０１の内径側と外径側の両方に流路１０３を形成させ、内径側と外径側を同時に冷却でき、ステータ１０１の内径側と外径側の電機子の温度をほぼ均一にできる。また蛇行する流路間に形成された隔壁により冷却器１０２の強度を高めることができる。

図８は、流路１０３の形状に関する他の実施形態を示す透過図である。図７に示された流路１０３と異なるところは、第３流路１０３Ｃよりも内径側に形成されかつ第１流路１０３Ａと第２流路１０３Ｂを繋ぐ第４流路１０３Ｄを設けたことである。これら第１流路１０３Ａないし第４流路１０３Ｄが周方向に連続して形成されることで、流路１０３が梯子状に形成されることになる。

これにより、冷却面積を広くできる。また、ティース１０６の内径側や、ティース１０６の外径側や、複数のティース１０６の間や、ティース１０６自体、に対して流路１０３を選択的に対向にさせることができ、冷却効率を向上させることができる。また図７に示された実施形態と同様に流路間に形成された隔壁により冷却器１０２の強度を高めることができる。

また、冷却媒体の流量が、第１流路１０３Ａないし第４流路１０３Ｄで不均一の場合は、流量の多い流路の断面を小さくしたり、流路の途中にフィンを形成したりすることで、流量をコントロールすることができる。具体的には、例えば、第１流路１０３Ａないし第４流路１０３Ｄの幅や高さを小さくして圧損を高める方法がある。他にもフィンを、例えば第３流路１０３Ｃや第４流路１０３Ｄの流入側に設けることで冷却流路断面積を一時的に狭くする事で流入量を減らす事などがある。

図９は、流路１０３の形状に関する他の実施形態を示す透過図である。内径側流路１０３Ｆは、複数のティース１０６のいずれか又は全てと対向して形成される。外径側流路１０３Ｅは、回転軸に対して内周側流路１０３Ｆよりも外側に形成される。中間流路１０３Ｇは、内径側流路１０３Ｆと外径側流路１０３Ｅを繋ぐ。つまり流路１０３の全体形状は、冷却器１０２内を１周した後に折り返してもう１周する形状である。

なお、冷却媒体は、配管１１０Ａから流入した後、外径側流路１０３Ｅ、中間流路１０３Ｇ、内径側流路１０３Ｆの順に流れる。本実施形態の流路形状は、コアバック１０９の内径側及び外径側を重点的に冷却する。

図１０は、流路１０３の形状に関する他の実施形態を示す透過図である。図１０に示される流路１０３が、図９と異なるのは、中間流路１０３Ｈが、周方向と径方向が合成された方向に形成され、複数のティース１０６と対向して形成される。つまり外径側流路１０３Ｅと内径側流路１０３Ｆと中間流路１０３Ｈとより、流路１０３はらせん状を形成する。本実施形態においては、中間流路１０３Ｈは、３つのティース１０６と対向するが、２つであってもよい。これにより、中間流路１０３Ｈで発生する圧損の影響を小さくすることができる。

なお、図７ないし図１０に示される実施形態においては、時計回りに冷却媒体が流れる例を示しているが、配管１１０Ｂから冷却媒体を流入させて、反時計周りに流しても同じ効果が得られる。また、図７ないし図１０に示される実施形態においては、配管１１０Ａから流入した後、ステータ１０１の外径側に設けられた流路から流れ始める構造であるが、配管１１０Ａから流入した後、ステータ１０１の内径側に設けられた冷却流路から流れ始める構造としてもよい。また、流路１０３の角部、つまり第１流路１０３Ａと第３流路１０３Ｃの接続部は、直角、面取り、角Ｒを設ける事が選択できる。流路１０３の断面形状は、円形、弦を持つ円形、多角形でもよい。冷却流路１０３が、冷却器１０２に流入後に複数の流路に分岐してもよい。また、図７ないし図１０に示される実施形態においては、配管１１０Ａまたは配管１１０Ｂは、回転軸方向に突出するように取付けられているが、突出方向が径方向に向いていてもよい。

図１１は、他の実施形態に係るアキシャルギャップ型回転電機２の部分的に分解した斜視図である。図１２は、図１１に係るアキシャルギャップ型回転電機２の分解斜視図である。

本実施形態においては、ステータ１０１は、第１ステータ１０１Ａと第２ステータ１０１Ｂとにより構成される。冷却器１０２は第１ステータ１０１Ａと第２ステータ１０１Ｂによって挟まれ、第１ステータ１０１Ａ及び第２ステータ１０１Ｂは冷却器１０２に固定される。

図１２に示されるように、第１ステータ１０１Ａは第１軸方向保持部材１０８Ａと第１コアバック１０９Ａとを含んで構成され、第２ステータ１０１Ｂは第２軸方向保持部材１０８Ｂと第２コアバック１０９Ｂとを含んで構成される。なお、第１軸方向保持部材１０８Ａと第１コアバック１０９Ａを併せて第１保持部材として機能し、第２軸方向保持部材１０８Ｂと第２コアバック１０９Ｂを併せて第１保持部材として機能する。

ロータ２０１は、第１ロータ２０１Ａと第２ロータ２０１Ｂとにより構成される。第１ロータ２０１Ａは、第１ステータ１０１Ａに対して、冷却器１０２が配置された側とは反対側に配置される。第２ロータ２０１Ｂは、第２ステータ１０１Ｂに対して、冷却器１０２が配置された側とは反対側に配置される。

巻線１０４の巻線端１０７は、まずステータ１０１Ａとステータ１０１Ｂのそれぞれで、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の正側電機子巻線と負側電機子巻線がまとめられる。その後、ステータ１０１Ａとステータ１０１Ｂのそれぞれでまとめられた巻線１０４と直列または並列に接続される。互い接続された巻線１０４の一方の端部はインバータ装置のＵ相，Ｖ相，Ｗ相のいずれかに接続される。互い接続された巻線１０４の他方の端部は、中性点としてまとめられる(不図示)。本実施形態のアキシャルギャップ型回転電機２は、インバータ装置１台で駆動される。

本実施形態に係る冷却器１０２は、図５、図７ないし図１０に示された流路１０３の形状のいずれかを為す、
1対のロータによってステータを挟むようなダブルアキシャルギャップ型回転電機は、ステータがロータに挟まれているため、空気による冷却があまり期待できない。そこで、本実施形態のようにステータ１０１Ａとステータ１０１Ｂの間に冷却器１０２を配置し、アキシャルギャップ型回転電機２の中央部から冷却することにより、ステータ１０１Ａとステータ１０１Ｂ及びアキシャルギャップ型回転電機２を効率良く冷却することができる。

図１３は、他の実施形態に係るアキシャルギャップ型回転電機３の部分的に分解した斜視図である。図１１及び図１２に示されたアキシャルギャップ型回転電機２と異なる点は、第１ロータ２０１Ａと第２ロータ２０１Ｂがアキシャルギャップ型回転電機３の中央部に配置され、第１ロータ２０１Ａ及び第２ロータ２０１Ｂが第１ステータ１０１Ａと第２ステータ１０１Ｂに挟まれる。さらに冷却器１０２は、第１ステータ１０１Ａに固定される第１冷却器１０２Ａと、第２ステータ１０１Ｂに固定される第２冷却器１０２Ｂと、により構成される。

第１ステータ１０１Ａは、第１軸方向保持部材１０８Ａと第１コアバック１０９Ａとを含んで構成され、第２ステータ１０１Ｂは第２軸方向保持部材１０８Ｂと第２コアバック１０９Ｂとを含んで構成される。なお、第１軸方向保持部材１０８Ａと第１コアバック１０９Ａを併せて第１保持部材として機能し、第２軸方向保持部材１０８Ｂと第２コアバック１０９Ｂを併せて第１保持部材として機能する。

ステータを１対設けるダブルアキシャルギャップ型回転電機の構造を採用する理由は高トルクを出力させるためであり、高い冷却性能が求められる。そこで本実施形態により、冷却性能を向上させ、高出力化を見込めるようになる。

１…アキシャルギャップ型回転電機、２…アキシャルギャップ型回転電機、３…アキシャルギャップ型回転電機、１０１…ステータ、１０１Ａ…第１ステータ、１０１Ｂ…第２ステータ、１０２…冷却器、１０２Ａ…第１冷却器、１０２Ｂ…第２冷却器、１０３…流路、１０３Ａ…第１流路、１０３Ｂ…第２流路、１０３Ｃ…第３流路、１０３Ｄ…第４流路、１０３Ｅ…外径側流路、１０３Ｆ…内径側流路、１０３Ｇ…中間流路、１０３Ｈ…中間流路、１０４…電機子、１０４Ａ…第１電機子、１０４Ｂ…第２電機子、１０５…巻線、 １０６…ティース、１０６Ａ…第１ティース、１０６Ｂ…第２ティース、１０６Ｃ…第３ティース、１０７…巻線端、１０７ａ…一方の巻線端、 １０７ｂ…他方の巻線端、 １０８…軸方向保持部材、１０８Ａ…第１軸方向保持部材、１０８Ｂ…第２軸方向保持部材、１０９…コアバック、１０９Ａ…第１コアバック、１０９Ｂ…第２コアバック、１１０…入出力用配管、１１０Ａ…配管、１１０Ｂ…配管、１１１…穴、１１２…外径側Ｏリング、 １１３…内径側Ｏリング、１１４…厚さ、１１７Ａ…空間、１１７Ｂ…空間、１１７Ｃ…空間、２０１…ロータ、２０１Ａ…第１ロータ、２０１Ｂ…第２ロータ、２０２…シャフト、 ２０３…磁石、２０３Ａ…第１磁石、２０４…磁石ヨーク、２０５…磁石保持部材

Claims (9)

1. ロータ(２０１)と、
   前記ロータの回転軸(２０２)の軸方向に沿って前記ロータと対向するステータ(１０１)と、
   前記ステータを冷却する流路(１０３)を形成する冷却器(１０２)と、を備え、
   前記ステータは、巻線(１０５)と当該巻線が巻かれるティース(１０６)により構成される電機子(１０４)と、前記ティースを保持する保持部材（１０８、１０９）と、を有し、
   前記冷却器は、前記流路が前記保持部材を挟んで前記電機子と向き合って配置され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であって、
   前記冷却器は、前記流路と繋がる開口部を形成し、
   前記保持部材は、前記開口部を塞ぐアキシャルギャップ型回転電機。
3. 請求項１又は２に記載のアキシャルギャップ型回転電機であって、
   前記流路は、前記巻線の対向領域に沿って形成され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であって、
   前記ティースは、周方向に配置される第１ティース(１０６Ａ)、第２ティース(１０６Ｂ)及び第３ティース(１０６Ｃ)を含んで構成され、
   前記流路は、
   前記第１ティースと前記第２ティースとの間の空間(１１７Ａ)と対向して形成される第１流路(１０３Ａ)と、
   前記第２ティースと前記第３ティースとの間の空間(１１７Ｂ)と対向して形成される第２流路(１０３Ｂ)と、
   前記第２ティースの側部であって前記回転軸に遠い側の空間(１１７Ｃ)と対向して形成されかつ当該第１流路と当該第２流路を繋ぐ第３流路(１０３Ｃ)と、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であって、
   前記流路は、
   前記第３流路よりも回転軸に近い側に形成されかつ当該第１流路と当該第２流路を繋ぐ第４流路(１０３Ｄ)と、を有するアキシャルギャップ型回転電機。
6. 請求項１ないし３に記載のいずれかのアキシャルギャップ型回転電機であって、
   前記ティースは、周方向に複数設けられ、
   前記流路は、
   前記複数のティースのいずれかと対向して形成される内径側流路（１０３Ｆ）と、
   前記回転軸に対して前記内周側流路よりも外側に配置される外径側流路（１０３Ｅ）と、
   前記内径側流路と前記外径側流路を繋ぐ中間流路（１０３Ｇ）と、を有す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であって、
   前記中間流路は、周方向と径方向が合成された方向に形成されかつ前記複数のティースのいずれか２つ以上と対向して形成されるアキシャルギャップ型回転電機。
8. 請求項１ないし７に記載のいずれかのアキシャルギャップ型回転電機であって、
   前記ロータは、第１ロータ(２０１Ａ)と、前記ステータを挟んで前記第１ロータ(２０１Ａ)と対向して配置される第２ロータ(２０１Ｂ)と、により構成され、
   前記ステータは、
   前記冷却器と前記第１ロータとの間に配置される第１電機子(１０４Ａ)と、
   当該第１電機子を保持する第１保持部材と、
   前記冷却器と前記第２ロータとの間に配置される第２電機子(１０４Ｂ)と、
   当該第２電機子を保持する第２保持部材と、を有し、
   前記流路は、前記第１電機子と前記第２電機子との間に配置されるように形成されるアキシャルギャップ型回転電機。
9. 請求項１ないし７に記載のいずれかのアキシャルギャップ型回転電機であって、
   前記ステータは、
   前記ロータの一方側に配置される第１電機子(１０４Ａ)と、
   当該第１電機子を保持する第１保持部材(１０８Ａ)と、
   前記ロータを挟んで当該第１電機子とは反対側に配置される第２電機子(１０４Ｂ)と、
   当該第２電機子を保持する第２保持部材(１０８Ｂ)と、を有し、
   前記冷却器は、
   前記第１保持部材を挟んで前記ロータと対向して配置されかつ当該第１保持部材に接続される第１冷却器と、
   前記第２保持部材を挟んで前記ロータと対向して配置されかつ当該第２保持部材に接続される第２冷却器と、を有するアキシャルギャップ型回転電機。

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