JP5120137B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、電気自動車で用いられる回転電機に関する。

地球温暖化の問題が深刻になるに従い、環境への負荷が低い電気自動車への注目が益々高くなってきており、電気自動車の要素技術として、様々な提案がなされてきている。例えば、電気自動車で用いられる回転電機（以降、モータと呼ぶ。）においては、運転中のモータ内部の温度を許容値に維持するため、ステータ外周に冷却水ジャケットを設け、ここに冷却水を循環させて冷却を行う水冷式のものが提案されている。

水冷式モータにおける冷却水ジャケットの構造としては、冷却能力の確保のため、ステータが挿入される内筒と冷却水ジャケットを構成する外筒との間を完全に中空化するものが提案されている。又、冷却効果を更に高めるため、冷却水の流れを考慮して、冷却水ジャケットの中空部分に放熱フィンを設けたものも提案されている（特許文献１）。

特開平８−１９２１８号公報

電気自動車におけるモータの運転回転数は、高効率領域を狙うため、最高回転数が約１００００ｒｐｍに達する。この際、電磁力による高周波の起振力がステータに印加され、ステータを保持する内筒部分が振動し、その振動により、モータケース全体が微振幅高周波で加振されて、数ｋＨｚの高い周波数の振動騒音が発生する。ところが、冷却水ジャケットを完全に中空化したモータは、そもそも、剛性を向上させにくい構造であり、高周波の起振力がステータに印加された場合、モータケースとしての構造的剛性が不十分であった。又、冷却水ジャケットの中空部分に放熱フィンを設け、内筒部と外筒部の間を一部の放熱フィンで接続した特許文献１に示すモータの場合、放熱フィンを厚くすると放熱効果が得られないため、薄い板状の部材で内筒と外筒とを接続することになる。従って、高周波の起振力がステータに印加された場合、モータケースとしての構造的剛性はまだ不十分であり、振動騒音を低減することは難しかった。更に、放熱フィンによって内筒と外筒とを接続する場合、内筒と外筒との間に形成される中空部分を径方向に大きくしなければ、中空部分を造形するための中子砂を排出することが困難になる。従って、放熱フィンによって内筒と外筒とを接続しようとするとモータそのものの外形が大きくなってしまうという問題があった。このように、電気自動車におけるモータでは、モータの外形を大きくすることなく振動を抑制するために、構造的剛性の向上、特に、ステータを保持する内筒部分の剛性向上が望まれている。

本発明は上記課題に鑑みなされたもので、剛性を向上させると共に、冷却効率の向上が可能な回転電機を提供することを目的とする。

上記課題を解決する第１の発明に係る回転電機は、
電気自動車に用いられる回転電機において、
ステータを保持する内筒と、
前記内筒との間に冷却水を流す空間を形成する外筒とを有し、
前記外筒の外周表面に、複数の軸方向リブと複数の周方向リブを設け、
前記内筒と前記外筒とを、前記空間に配置した複数の柱状の支柱で連結し、
前記軸方向リブ又は前記周方向リブの少なくとも一方の直下となる位置に、前記支柱を配置したことを特徴とする。

上記課題を解決する第２の発明に係る回転電機は、
上記第１の発明に記載の回転電機において、
前記支柱は、前記軸方向リブと前記周方向リブの交差する位置に配置したことを特徴とする。

上記課題を解決する第３の発明に係る回転電機は、
上記第１又は第２の発明に記載の回転電機において、
前記軸方向リブと前記周方向リブに囲まれた部分が、膜振動を発生しうる面積である場合には、前記軸方向リブと前記周方向リブに囲まれた部分の中央の直下となる位置に、前記支柱を更に配置したことを特徴とする。

本発明によれば、内筒と外筒との間に形成する空間に複数の支柱を配置し、これらの支柱により、内筒と外筒とを連結したので、回転電機のモータケース全体の寸法を大きくすることなく、又、殆ど重量増加を招くこともなく、内筒、外筒の剛性を向上させることができる。その結果、数ｋＨｚの振動周波数において、顕著な制振効果が発揮でき、又、多数の支柱による乱流により、冷却効率の向上を図ることができる。

以下、図１〜図５を用いて、本発明に係る回転電機の実施形態を詳細に説明する。なお、本発明に係る回転電機は、電気自動車に好適なものである。

図１は、本発明に係る回転電機の実施形態の一例を示す図であり、図１（ａ）は、その径方向断面図であり、図１（ｂ）は、その軸方向断面図である。まず、図１を用いて、本発明に係る回転電機の構成の概略を説明する。

図１（ａ）、（ｂ）に示すように、本実施例の回転電機（モータ）１は、回転軸となるシャフト２と、シャフト２に同軸に支持され、複数の永久磁石３を有するロータ４と、ロータ４と適宜な間隔を保ってロータ４の周囲に配設され、複数のコイル５を有する円筒状のステータ６とを有しており、内筒１０の内側にステータ６が保持され、内筒１０の両端部に配設されたブラケット７、８により、軸受と共にシャフト２、ロータ４が支持される構造である。

そして、内筒１０の外周には、内筒１０との間に冷却水を流す空間を形成する外筒１１が設けられている。所謂、冷却水ジャケットと呼ばれる構成である。本実施例のモータ１においては、内筒１０と外筒１１との間の空間は、完全な中空ではなく、図１（ａ）、（ｂ）に示すように、この空間に配置した多数の支柱１２ａ、１２ｂ、１２ｃにより、内筒１０と外筒１１とが連結されている。内筒１０、外筒１１及び支柱１２ａ、１２ｂ、１２ｃにより、冷却水が流れる流路２０（ドット部分参照）が形成される。又、支柱１２ａ、１２ｂ、１２ｃは、放熱フィンのような細長いものではなく、円柱形状となっている。なお、本実施例では、一例として、円柱形状の支柱を図示しているが、例えば、楕円柱、三角柱、四角柱、多角柱、星形断面柱等でもよい。

又、外筒１１の外周表面には、剛性向上、膜振動防止のため、その軸方向に軸方向リブ１３ａが、その周方向に周方向リブ１３ｂが複数設けられている。

又、外筒１１の外周表面からテント状に突き出すように、冷却水の給水部１４及び排水部１５が設けられており、給水部１４及び排水部１５に、各々、給水口１４ａ及び排水口１５ａが設けられて、これらの給水口１４ａ、排水口１５ａを用いて、流路２０への冷却水の給排が行われる。

又、外筒１１には、砂抜穴１６も複数設けられている。この砂抜穴１６は、鋳造後、中子となった砂を抜き取るためのものであり、その後、蓋により封止される。

ここで、図２〜図５も参照して、流路２０について説明する。なお、図１を含め、各図同士を対比しやすいように、モータ１の底部を０°とする角度を併記している。

なお、図２、図３は、図１に示したモータ１の外観と内部の流路２０との関係を示す図であり、各々、図２（ａ）は、図１（ａ）の上方からの外観図であり、図２（ｂ）は、図１（ａ）の下方からの外観図であり、図３（ａ）は、図１（ａ）の左方からの外観図であり、図３（ｂ）は、図１（ａ）の右方からの外観図である。又、図４は、図１〜図３に示したモータ１内部の流路２０の形状を図示した斜視図であり、図５は、図４に示す流路２０を０°から矢印方向に展開した展開図である。

本実施例のモータ１では、内筒１０と外筒１１との間に形成する流路２０に多数の支柱１２ａ、１２ｂ、１２ｃを配置し、これらの支柱１２ａ、１２ｂ、１２ｃにより、内筒１０と外筒１１とを連結している。その結果、内筒１０の剛性を支柱１２ａ、１２ｂ、１２ｃで連結された外筒１１の剛性により向上させ、ステータ６の高周波振動を内筒１０及び外筒１１双方で抑制している。更に、外筒１１の外周表面に軸方向リブ１３ａ、周方向リブ１３ｂを複数設け、外筒１１自体の剛性を更に向上させることにより、内筒１０の剛性を更に向上させて、ステータ６の高周波振動を内筒１０及び外筒１１双方で更に抑制している。なお、内筒１０、外筒１１の剛性を向上させることは、これらの固有振動数を向上させることを意味し、内筒１０、外筒１１の剛性を向上させて、ステータ６の高周波振動に共振しない領域まで固有振動数を向上させれば、振動騒音を低減することが可能になる。

このように、内筒１０と外筒１１を多数の支柱１２ａ、１２ｂ、１２ｃで連結することにより、内筒１０の剛性を向上させることができるが、本実施例のモータ１では、支柱１２ａ、１２ｂ、１２ｃの配置位置を工夫することにより、内筒１０の剛性の更なる向上を図っている。支柱１２ａ、１２ｂ、１２ｃの配置は、図５を参照すると、一見ランダムに見えるが、基本的には、以下の規則に従って配置されている。

具体的には、支柱１２ｂは、軸方向リブ１３ａ又は周方向リブ１３ｂの少なくとも一方の直下となる位置に基本的に配置されており、場合によっては、方向リブ１３ａ又は周方向リブ１３ｂの少なくとも一方の近傍となる位置に配置されていたり、軸方向リブ１３ａと周方向リブ１３ｂが交差する部分の直下となる位置に配置されていたりしている。この支柱１２ｂは、軸方向リブ１３ａ及び周方向リブ１３ｂの幅の２倍程度の外径となっており、この支柱１２ｂの外径を基準にして、支柱１２ａの外径をより大きく、支柱１２ｃの外径をより小さく設定している。

又、支柱１２ｃも、軸方向リブ１３ａ又は周方向リブ１３ｂの少なくとも一方の直下となる位置に配置されているが、支柱１２ｃは、支柱１２ｂの外径より小さい。これは、近傍に給水部１４があり、給水口１４ａから供給される冷却水の流れの抵抗にならないようにするためである。但し、支柱１２ｃの外径は、軸方向リブ１３ａ及び周方向リブ１３ｂの幅よりは大きい。なお、給水口１４ａ及び排水口１５ａの直下に支柱があると圧損が増えるため、これらの部分に支柱は設けていない（図５参照）。

一方、支柱１２ａは、軸方向リブ１３ａと周方向リブ１３ｂに囲まれた部分の中央の直下となる位置に配置されている。これは、軸方向リブ１３ａと周方向リブ１３ｂに囲まれた部分の面積が広い場合、膜振動を発生するおそれがあるからである。従って、軸方向リブ１３ａと周方向リブ１３ｂに囲まれた部分が、膜振動を発生しうる面積である場合には、それらが囲む部分の中央の直下となる位置に、つまり、剛性が低くなると予想される部分に、支柱１２ｂの外径より大きい支柱１２ａを配置するようにしている。これにより、軸方向リブ１３ａと周方向リブ１３ｂに囲まれた部分の剛性を向上させて、膜振動を抑制することができる。なお、本実施例では、図５に示す展開図の中央線Ｃ上に支柱１２ａが配置される場合が多い。

このように、支柱１２ｂ、１２ｃを軸方向リブ１３ａ、周方向リブ１３ｂの直下又は近傍に配置して、支柱１２ｂ、１２ｃを軸方向リブ１３ａ、周方向リブ１３ｂと結合させており、又、支柱１２ａを剛性が低くなると予想される部分に配置している。このような構成により、内筒１０、外筒１１を含むモータケース全体の剛性を更に向上させることができる。従って、本実施例のモータ１でも、ステータ６が起振源となって、高周波振動が内筒１０、外筒１１へ放射状に伝達されるが、モータケース全体の剛性が高いため、図６に示すように、２ｋＨｚを超える振動周波数において、顕著に制振できることを確認できた。なお、図６は、従来例（支柱無し）及び本発明（支柱有り）において、振動周波数に対する振動伝達の大きさをグラフ化したものである。

又、本実施例のモータ１では、剛性を向上させるだけでなく、冷却効率の向上を図る工夫もなされている。

具体的には、前述の支柱１２ａ、１２ｂ、１２ｃは、単にモータケースの剛性を向上させるだけではなく、流れる冷却水に乱流を生成して、熱伝達率を向上させる役割も果たしている。これは、冷却水の流れに淀みがあると、熱がこもってしまい、冷却水への熱伝達率が低下するが、支柱１２ａ、１２ｂ、１２ｃの周囲には乱流（カルマン渦）が生成されるため、これにより撹拌作用を促し、冷却水の淀みを低減して、ステータ６から冷却水への熱伝達率を向上させることができるからである。本実施例のモータ１では、多数の支柱１２ａ、１２ｂ、１２ｃを配置しているため、多くの乱流が生成され、撹拌作用が多く促され、熱伝達率を向上させて、モータ１自体の冷却性能を向上させることができる。

又、給水口１４ａ（給水部１４）と排水口１５ａ（排水部１５）との間に、流路２０の幅を狭めるオリフィス部２１を形成しており、これにより、給水口１４ａから供給された冷却水がすぐに排水口１５ａから排出されないように、冷却水自体の短絡を抑制している。オリフィス部２１は、順流と逆流（短絡側の流れ）の割合が、例えば、７対３となるように形成されている。

又、凹部２２は、モータ１の固定部材や配線部材等を配置するために形成された部分であるが、それだけではなく、凹部２２も、流路２０の両脇を流れる冷却水の流れに乱流を生成し、冷却水の淀みを低減して、熱伝達率を向上させる役割を果たしている。

なお、図４は、モータ１内部の流路２０の形状を抜き出して図示した斜視図であるが、これは、モータ１のモータケース部分を鋳造する際の中子形状に相当するものでもある。例えば、特許文献１に示された回転電機では、中子形状の厚さを厚くしないと、細長い冷却フィンの鋳造は難しく、必然的に、モータケースの外径が大きくなる。これに対して、本実施例のモータ１では、円柱状の支柱を鋳造すればよいので、中子形状の厚さを厚くする必要はなく、モータケースの外径が大きくなることはなく、又、殆ど重量増加を招くことはない。このように、本実施例のモータ１においては、鋳造時のことも考慮した中子形状となっており、これによりモータ１のモータケースが作りやすくなり、量産性へ大いに寄与する。

本発明に係る回転電機は、電気自動車に好適なものである。

本発明に係る回転電機の実施形態の一例を示す図であり、（ａ）は、その径方向断面図であり、（ｂ）は、その軸方向断面図である。 図１に示した回転電機の外観と内部の流路との関係を示す図であり、（ａ）は、図１（ａ）の上方からの外観図であり、（ｂ）は、図１（ａ）の下方からの外観図である。 図１に示した回転電機の外観と内部の流路との関係を示す図であり、（ａ）は、図１（ａ）の左方からの外観図であり、（ｂ）は、図１（ａ）の右方からの外観図である。 図１〜図３に示した回転電機内部の流路の形状を図示した斜視図である。 図４に示した回転電機内部の流路の展開図である。 従来例（支柱無し）、本発明（支柱有り）において、振動周波数に対する振動伝達の大きさを示すグラフである。

符号の説明

１ モータ
１０ 内筒
１１ 外筒
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ 支柱
１３ａ 軸方向リブ
１３ｂ 周方向リブ
１６ 砂抜穴
２０ 流路（中子形状）
２１ オリフィス

Claims (3)

1. 電気自動車に用いられる回転電機において、
   ステータを保持する内筒と、
   前記内筒との間に冷却水を流す空間を形成する外筒とを有し、
   前記外筒の外周表面に、複数の軸方向リブと複数の周方向リブを設け、
   前記内筒と前記外筒とを、前記空間に配置した複数の柱状の支柱で連結し、
   前記軸方向リブ又は前記周方向リブの少なくとも一方の直下となる位置に、前記支柱を配置したことを特徴とする回転電機。
2. 請求項１に記載の回転電機において、
   前記支柱は、前記軸方向リブと前記周方向リブの交差する位置に配置したことを特徴とする回転電機。
3. 請求項１又は請求項２に記載の回転電機において、
   前記軸方向リブと前記周方向リブに囲まれた部分が、膜振動を発生しうる面積である場合には、前記軸方向リブと前記周方向リブに囲まれた部分の中央の直下となる位置に、前記支柱を更に配置したことを特徴とする回転電機。

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