WO2022195920A1

WO2022195920A1 - 回転電機

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Publication number: WO2022195920A1
Application number: PCT/JP2021/031875
Authority: WO
Inventors: 英明後藤; 隆樹板谷
Original assignee: 日立Astemo株式会社
Priority date: 2021-03-18
Filing date: 2021-08-31
Publication date: 2022-09-22
Also published as: JPWO2022195920A1

Abstract

モータ（１００）（回転電機）は、ステータ（１０）と、ステータ（１０）を収納するハウジング（３０）と、を備える。ステータ（１０）は、ティース、ステータコア（１１）、固定部（１２）、貫通孔（１５）を備える。ティースには、コイル（１４）が巻回される。ステータコア（１１）は、ティースを保持する。固定部（１２）は、ステータコア（１１）の径方向の外側に形成され、ハウジング（３０）に固定される。貫通孔（１５）は、軸方向に沿って形成され、径方向から見て固定部（１２）とティースとに重なる位置に設けられる。

Description

回転電機

　本発明は、回転電機に関する。

　近年、モータの高速化による小型化が図られているが、高速化に伴いモータ電磁加振力の周波数も高くなるため、NV（Noise and Vibration）の低減が重要となっている。また、モータの高速化によるモータ損失の増加により冷却性能の向上が求められる。

　回転電機の性能低下を抑えながら省スペースで高い冷却性能を得ることのできるステータコアが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開2020-114085号公報

　ここで、電磁加振力の発生源であるティース部から音の発信源となるハウジング表面までの伝達経路の減衰比を大きくすることがNV低減に効果的である。

　しかし、特許文献１に開示されるような技術では、音の伝達経路の減衰比を大きくすることができず、ハウジングからの騒音を低減することができない。

　本発明の目的は、ティースに生じる電磁加振力に起因するハウジングからの騒音を低減することができる回転電機を提供することにある。

　上記目的を達成するために、本発明の回転電機は、ステータと、前記ステータを収納するハウジングと、を備え、前記ステータは、コイルが巻回されるティースと、前記ティースを保持するステータコアと、前記ステータコアの径方向の外側に形成され、前記ハウジングに固定される固定部と、軸方向に沿って形成され、径方向から見て前記固定部と前記ティースとに重なる位置に設けられる貫通孔と、を備える。

　本発明によれば、ティースに生じる電磁加振力に起因するハウジングからの騒音を低減することができる。上記した以外の課題、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。

本発明の実施形態によるモータの斜視図である。本発明の実施形態によるモータの断面図である。図２に示すステータの斜視図である。図２に示す貫通孔の作用の説明図（径方向断面）である。図２に示す貫通孔の作用の説明図（軸方向断面）である。貫通孔の変形例１を示す断面図である。図５Ａに示す貫通孔の効果を示す図である。貫通孔の変形例２を示す断面図である。図６Ａに示す貫通孔の効果を示す図である。貫通孔のその他の変形例を示す図である。周方向溝を示す斜視図である。開口部を１つ有する冷媒流入口の周辺の部分断面図である。開口部を２つ有する冷媒流入口の周辺の部分断面図である。シャフトとロータの内部に設けられる冷媒の流路を示す断面図である。

　以下、図面を用いて、本発明の実施形態によるモータ（回転電機）の構成について説明する。なお、各図において、同一符号は同一部分を示す。

　（モータの構成）
　図１に示すように、モータ１００は、主として、ステータ１０、ロータ２０、ハウジング３０から構成される。ロータ２０には、シャフト２７が取り付けられている。

　図２に示すように、モータ１００は、コイル１４とコア部（ステータコア１１）を有するステータ１０と、ステータ１０を収納するハウジング３０と、ハウジング３０に接続されかつ回転軸（シャフト２７）を支持するベアリング３１と、を備える。ステータ１０は、回転軸（シャフト２７）に沿う方向の貫通孔１５と、コア部（ステータコア１１）をハウジング３０に固定しかつ径方向の外側に形成される固定部１２と、を備える。図３に示すように、ステータ１０は、径方向の内側に形成されるティース部（ティース１３）を備える。貫通孔１５は、径方向から見た場合、固定部１２とティース部（ティース１３）に重なる位置に形成される。

　換言すれば、固定部１２は、コア部（ステータコア１１）の外面から径方向に突出する耳部として形成される。軸方向貫通孔（貫通孔１５）は、径方向から見た場合、耳部の全体と重なるように形成される。

　図４Ａ、４Ｂに示すように、貫通孔が設けられたステータコアの低剛性領域により、ステータに生じる電磁加振力がハウジングに伝達する経路上の減衰比を大きくすることができるため、ハウジングの表面から生じる騒音を低減することが出来る。

　ステータ１０に生じる電磁加振力の伝達経路および減衰メカニズムについて詳細に説明する。本実施形態では、ステータコア１１のコアバック部であって、固定部１２（耳部）の内径側に軸方向貫通孔（貫通孔１５）を設けている。穴形状(剛性)の違いにより、以下に示すように、特定の周波数成分を低減することができる。

　本実施形態では、ステータ１０は固定部１２を介してハウジング３０に固定される。ティース部（ティース１３）にはコイル１４に通電することにより電磁加振力が生じる。電磁加振力がハウジング３０に伝達する伝達経路上に貫通孔１５を設ける。貫通孔１５により伝達経路の剛性が低下し、減衰比が大きくなるため、ハウジング３０の表面での等価放射パワーレベルを低減できる。また、貫通孔１５の形状により伝達経路の剛性を調整することで伝達経路のばね定数が変化(周波数=SQRT(k/m))し、任意の周波数を低減できる。ここで、k=ばね定数、m=質量、SQRTは、引数の平方根を返す関数を示す。

　前述の通り、ステータ１０のティース部（ティース１３）に生じた電磁加振力はステータコア１１からボルト及び固定面等を介してハウジング３０に伝達し、ハウジング３０の表面から騒音として放射される。上記伝達経路において、ティース１３からハウジング３０への伝達経路の途中であるコアバック部に軸方向の貫通孔１５を設けることにより、伝達経路上に低剛性領域を設けることで、減衰比を大きくできる。伝達経路の減衰比が大きくなることで、ハウジング３０の表面に生じる騒音が低減できる。

　なお、軸方向貫通孔（貫通孔１５）をコアバック外周部の全周に設けることで冷却性能が向上する。また、全周に貫通孔１５を設けることで全体の放射パワーレベルがさらに低減する。

　上記の特徴は次のようにまとめることもできる。

　図２、３に示すように、モータ１００（回転電機）は、少なくとも、ステータ１０と、ステータ１０を収納するハウジング３０と、を備える。ステータ１０は、ティース１３、ステータコア１１、固定部１２、貫通孔１５を備える。ティース１３には、コイル１４が巻回される。ステータコア１１は、ティース１３を保持する。固定部１２は、ステータコア１１の径方向の外側に形成され、ハウジング３０にボルト等の固定部材で固定される。貫通孔１５は、軸方向に沿って形成され、径方向から見て固定部１２とティース１３とに重なる位置に設けられる。これにより、ティース１３に生じる電磁加振力に起因するハウジング３０からの騒音を低減することができる。

　図３に示す貫通孔１５は、ステータコア１１の全周にわたって複数設けられる。貫通孔１５に油等の絶縁性の冷媒を流すことは必須ではないが、全周にわたって設けられた貫通孔１５に冷媒を流す場合には、ステータ１０を周方向に均一に冷却することができる。

　（貫通孔の変形例１）
　図５Ａの例では、貫通孔１５は、固定部１２ごとに１つ設けられ、固定部１２に隣接する複数のティース１３の径方向の外側を覆う。換言すれば、貫通孔１５の軸方向の断面は、長方形状であり、複数のティース１３にまたがる。これにより、図５Ｂに示すように、低周波数側の等価放射パワーレベルを低減することができる。

　（貫通孔の変形例２）
　図６Ａの例では、貫通孔１５は、固定部１２ごとに複数設けられる。複数の貫通孔１５は、固定部１２に隣接する複数のティース１３の径方向の外側を覆う。これにより、図６Ｂに示すように、高周波数側の等価放射パワーレベルを低減することができる。

　（貫通孔のその他の変形例）
　図７に示すように、ステータコア１１に設ける軸方向貫通孔（貫通孔１５）の形状を変更することで剛性を調整し、振動伝達経路のばね定数を変化(周波数=SQRT(k/m))させることで任意の周波数を低減できる。ここで、k=ばね定数、m=質量、SQRTは、引数の平方根を返す関数を示す。

　（周方向溝）
　モータの高速化によるモータ損失の増加により従来のウォータジャケット方式による冷却では冷却性能が不足してしまう問題がある。ここで、冷媒として絶縁性のあるATF（Automatic Transmission Fluid）等の油を用い、ステータコアを直接冷却することが効果的である。

　図８に示すように、ハウジング３０は、冷媒が流れる筒状の周方向溝３４Ａを形成する溝形成部３４を有する。溝形成部３４は、ステータ１０のコイルエンド端面（図２の端面１１Ａ）に向かって形成されかつ当該コイルエンド端面に接続することにより軸方向貫通孔（貫通孔１５）と周方向溝３４Ａとを繋げる。

　換言すれば、周方向溝３４Ａはハウジング３０のステータ固定部(溝形成部３４)にステータ１０に向かって開口する溝として設けられる。軸方向貫通孔（貫通孔１５）は軸方向に貫通する孔としてステータコア１１に設けられる。ステータ１０をハウジング３０の固定面（ステータ固定面３３）に固定することで周方向溝３４Ａと軸方向貫通孔（貫通孔１５）がステータコア端面で接続される。周方向溝３４Ａに冷媒を供給することにより軸方向貫通孔（貫通孔１５）へ冷媒が供給され、ステータ１０を直接冷却することができる。

　なお、周方向溝３４Ａは、すべての軸方向貫通孔（貫通孔１５）に連通するように、ステータ１０側を開口とした筒上の形状で溝形成部３４に形成される。図８に示すハウジング３０は、図９Ａに示すように、溝（周方向溝３４Ａ）に冷媒を供給する１つの開口部３５Ａを有する冷媒流入口３５を備える。

　上記の特徴は次のようにまとめることもできる。ハウジング３０は、ステータ１０の貫通孔１５に接続され、冷媒が流れる筒状の溝（周方向溝３４Ａ）を備える。これにより、ステータ１０を冷却することができる。

　（冷媒流入口の変形例）
　図９Ｂの例では、ハウジング３０は、溝（周方向溝３４Ａ）に冷媒を供給する２つ以上の開口部３５Ａを有する冷媒流入口３５を備える。

　周方向溝３４Ａに冷媒を供給する冷媒流入口３５の周方向溝３４Ａに対する開口部３５Ａを増やすことにより、周方向溝３４Ａ内での流速が一定となり、軸方向貫通孔（貫通孔１５）への冷媒の流入量が一様となるため、ステータ１０内での温度勾配が緩和される。

　なお、冷媒流入口３５は、ハウジング３０内に設けられ周方向溝３４Ａと、冷媒を冷却する冷媒冷却装置（不図示）とを連通する機能を有する。図９Ｂに示す冷媒流入口３５は、周方向溝３４Ａへの開口部３５Ａ(連通部)を２箇所以上有し、冷媒冷却装置との連通路は１箇所である。

　（シャフトとロータ）
　図１０の例では、モータ１００は、冷媒が流れる第１流路（流路２９）を有するシャフト２７と、第２流路（流路２２）を有するロータ２０と、を備える。ロータ２０の第２流路（流路２２）は、シャフト２７の第１流路（流路２９）に接続され、溝（周方向溝３４Ａ）の側のコイル１４に冷媒を供給する。

　詳細には、モータ１００は、第１エンドリング（エンドリング２３）と、第２エンドリング（エンドリング２４）を備える。第１エンドリング（エンドリング２３）は、ロータ２０の一方の端面に設けられ、シャフト２７の第１流路（流路２９）とロータ２０の第２流路（流路２２）とを接続する第３流路（流路２５）を有する。第２エンドリング（エンドリング２４）は、ロータ２０の他方の端面に設けられ、ロータ２０の第２流路（流路２２）からの冷媒を溝（周方向溝３４Ａ）の側のコイル１４に導く第４流路（流路２６）を有する。

　図２に示す構造では、周方向溝３４Ａと軸方向貫通孔（貫通孔１５）は連通するように固定されるため、周方向溝３４Ａ側のコイルエンドへ冷媒を供給することが出来ない。そこで、ロータ２０へ冷媒を供給する際に、反周方向溝側から周方向溝側へ冷媒を供給するような構造とすることで、ロータ２０を冷却した冷媒が周方向溝側へ排出されるようにし、ロータ２０より排出された冷媒を用いて周方向溝側のコイルエンドを冷却する。両コイルエンドを冷媒により冷却することで温度勾配を低減することができる。

　以上説明したように、本実施形態によれば、ティース１３に生じる電磁加振力に起因するハウジング３０からの騒音を低減することができる。また、モータ１００の冷却性能を向上することができる。

　なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上述した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。

　また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

　上記実施形態の構成は、ＰＭ（Permanent Magnet）モータ、誘導モータ等の種々のモータに適用することができる。なお、本発明の実施形態は、以下の態様であってもよい。

　（１）．コイル１４とコア部（ステータコア１１）を有するステータ１０と、前記ステータ１０を収納するハウジング３０と、前記ハウジング３０に接続されかつ回転軸（シャフト２７）を支持するベアリング３１と、を備え、前記ステータ１０は、前記回転軸（シャフト２７）に沿う方向の貫通孔１５と、当該コア部（ステータコア１１）を前記ハウジング３０に固定しかつ径方向の外側に形成される固定部１２と、当該径方向の内側に形成されるティース部（ティース１３）と、を備え、前記貫通孔１５は、前記径方向から見た場合、前記固定部１２と前記ティース部（ティース１３）に重なる位置に形成される回転電機。

　（２）．前記ハウジング３０は、冷媒が流れる(筒状の)周方向溝３４Ａを形成する溝形成部３４を有し、前記溝形成部３４は、前記ステータ１０のコイルエンド端面（端面１１Ａ）に向かって形成されかつ当該コイルエンド端面に接続することにより前記軸方向貫通孔（貫通孔１５）と前記周方向溝３４Ａとを繋げる。

　（３）．ハウジング３０のステータ固定面３３に設けられた周方向溝３４Ａに冷媒を供給する冷媒流入口３５をハウジング３０内に設ける。前記冷媒流入口３５の周方向溝３４Ａに対する開口部３５Ａを２つ以上設けてもよい。

　（４）．周方向溝３４Ａに供給された冷媒は軸方向貫通孔（貫通孔１５）を通過し反固定面側のコイルエンド部へ供給される。シャフト２７に設けられた流路２９へ供給された冷媒はロータエンドリング（エンドリング２３）に設けられた流路２５を介してロータコア２１内の流路２２へ供給される。ロータ２０から排出された冷媒が周方向溝３４Ａ側のコイルエンドへ供給される。

　（１）－（４）により、ステータに生じる電磁加振力をハウジングへ伝わりにくくすることにより、ハウジング表面における等価放射パワーレベルが低減され騒音が改善される。固定部１２（耳部）の内径側に設けた孔の形状を変更することにより、任意の周波数成分を低減することで、NV最大値の低減または特定周波数成分の低減による音色の調整ができる。

１０…ステータ
１１…ステータコア
１１Ａ…端面
１２…固定部
１３…ティース
１４…コイル
１５…貫通孔
２０…ロータ
２１…ロータコア
２３、２４…エンドリング
２２、２５、２６、２９…流路
２７…シャフト
２８…ギア
３０…ハウジング
３１…ベアリング
３２…ギアボックス
３３…ステータ固定面
３４…溝形成部
３４Ａ…周方向溝
３５…冷媒流入口
３５Ａ…開口部
１００…モータ

Claims

　ステータと、前記ステータを収納するハウジングと、を備え、
　前記ステータは、
　コイルが巻回されるティースと、
　前記ティースを保持するステータコアと、
　前記ステータコアの径方向の外側に形成され、前記ハウジングに固定される固定部と、
　軸方向に沿って形成され、径方向から見て前記固定部と前記ティースとに重なる位置に設けられる貫通孔と、
　を備える回転電機。
　請求項１に記載の回転電機であって、
　前記ハウジングは、
　前記ステータの前記貫通孔に接続され、冷媒が流れる筒状の溝を備える
　ことを特徴とする回転電機。
　請求項２に記載の回転電機であって、
　前記ハウジングは、
　前記溝に冷媒を供給する２つ以上の開口部を有する冷媒流入口を備える
　ことを特徴とする回転電機。
　請求項２に記載の回転電機であって、
　冷媒が流れる第１流路を有するシャフトと、
　前記シャフトの第１流路に接続され、前記溝の側の前記コイルに冷媒を供給する第２流路を有するロータと、を備える
　ことを特徴とする回転電機。
　請求項２に記載の回転電機であって、
　前記貫通孔は、
　前記固定部ごとに１つ設けられ、
　前記固定部に隣接する複数の前記ティースの径方向の外側を覆う
　ことを特徴とする回転電機。
　請求項２に記載の回転電機であって、
　前記貫通孔は、
　前記固定部ごとに複数設けられ、
　複数の前記貫通孔は、
　前記固定部に隣接する複数の前記ティースの径方向の外側を覆う
　ことを特徴とする回転電機。
　請求項２に記載の回転電機であって、
　前記貫通孔は、
　前記ステータコアの全周にわたって複数設けられる
　ことを特徴とする回転電機。
　請求項４に記載の回転電機であって、
　前記ロータの一方の端面に設けられ、前記シャフトの第１流路と前記ロータの第２流路とを接続する第３流路を有する第１エンドリングと、
　前記ロータの他方の端面に設けられ、前記ロータの第２流路からの冷媒を前記溝の側の前記コイルに導く第４流路を有する第２エンドリングと、を備える
　ことを特徴とする回転電機。