JP4355555B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、回転電機、特に、固定子を液体冷媒によって直接冷却することを特徴とするラジアル型の回転電機の改良に関する。

ラジアル型回転電機の小型化・高性能化を実現するには、熱負荷の増大に対応する技術が必要である。特に、電気自動車やハイブリッド車の実用化が行われている現在、回転電機のさらなる小型化・高性能化が求められている。

ラジアル型回転電機の発熱は、固定子内の鉄心とコイル（あるいは磁石）、回転子内の磁石（あるいは鉄心とコイル）のように、構成要素の磁束発生領域で発生する。また、固定子（あるいは回転子）内でコイルを巻回される鉄心は発熱量が大きく、回転数依存性がコイルより大きいことから高回転化に伴い発熱密度も増大する。さらに、鉄心にはコイル発熱も加わるため、コイル近傍の鉄心は冷却の必要性が大きい。

例えば、回転電機の発熱密度は、(1)汎用モータで０．１Ｗ／ｃｍ³以下であり、(2)小型・高負荷モータから０．２〜０．６Ｗ／ｃｍ³へ増大し、(3)高回転化を図ったモータでは１〜１０Ｗ／ｃｍ³にも推移する。(1)で示した汎用モータでは現状実用化されている空冷方式を適当とするが、(2),(3)に至っては液体による冷却方式を取らざるを得ない。

従来から、モータに代表される回転電機の液体冷媒による固定子冷却については、いくつかの技術が開示されている。これらのモータは同軸円筒状のラジアル型モータを対象とし、固定子内に冷媒流路が設けられている。下記特許文献１に記載されているモータでは、固定子のヨーク部において軸に沿った冷媒流路を設定している。しかしながら、鉄心には、効果的な磁束確保のために積層鋼鈑を用いることを前提としている。このような積層鋼鈑を用いた構造では、任意の流路を設定することは困難であり、冷媒流路として設定できるのは軸に並行な流路のみである。そして、ポンプ、熱交換器を含めた冷却閉回路を構成するためには、冷媒流路を形成する積層鋼鈑を多数結合する継ぎ手が必要であるものの、積層鋼鈑を対象とする限り溶接構造やネジ構造を採ることは困難である。また、積層鋼鈑を用いた構造では、冷媒の漏れ発生は不可避となり、実用的ではない。冷媒漏れの改善として、固定子の冷媒流路に別途流路管を挿入することも可能ではあるが、この場合には冷媒流路内面と流路管外表面との間に接触熱抵抗が存在するので液体直接冷却の効果を大きく減ずることになる。したがって、下記特許文献１のような従来技術での液体冷媒による固定子の直接冷却は、実現性の少ないものである。

さらに、下記特許文献２には、同じくラジアル型モータのヨーク部外周面に溝加工を施し、外殻ケースとの間を液体冷媒流路とする発明が開示されている。この発明の場合には、冷媒流路が円周状であり、ケースとの間に設置される液体シールに複雑な機構を必要とする。さらに、磁束との干渉を避けるためにコイルから離れた領域に流路を設定する必要があり、直接冷却の効果を減少させてしまうことになる（その他同様の技術として、例えば、下記特許文献３参照）。

特開２００２−１６５４１０号公報 特開平０８−３２２１７０号公報 特開平０５−２３６７０５号公報

背景技術で説明した通り、従来技術では、現在の電気自動車やハイブリッド車などにおいて求められている回転電機のさらなる小型化・高性能化を実現することは困難である。したがって、ラジアル型の回転電機においては、発熱量と発熱密度の高い固定子鉄心を冷却効果の高い液体冷媒によって直接冷却可能とすることによって、ラジアル型回転電機の小型化・高性能化を図る技術が求められていた。

本発明は、ラジアル型回転電機の小型化・高性能化を図るための全く新しい鉄心冷却構造を提供することによって、ラジアル型回転電機の小型化・高性能化を図るものである。

本発明に係る回転電機は、界磁束発生源である回転子と、前記回転子を回転させる回転磁界を発生する複数相の固定子コイルが複数組固定子鉄心に巻回されて構成された固定子と、を含むラジアル型の回転電機において、前記固定子鉄心は、固定子コイルが巻回される複数のティースと、前記ティースの一端側に配設されるバックヨークであって、前記固定子鉄心の軸方向にティースの端面よりも突出する鍔部を有するバックヨークと、を備え、前記複数のティースと前記バックヨークとが圧粉磁心材料によって形成され、前記バックヨークには、内部に冷媒流路が設けられ、前記冷媒流路は、前記ティースの背面中心に沿って固定子鉄心の軸方向に延びる軸方向部と、周方向に隣接する前記軸方向部を繋ぐ、前記鍔部に設けられた転向部と、を有する。

一方、本発明に係る別の回転電機において、前記固定子鉄心は圧粉磁心材料によって一体成形され、この一体成形された固定子鉄心全体に渡って前記冷媒流路が形成されていることを特徴とする。

さらに、本発明に係る回転電機において、前記冷媒流路の出入口部は、前記固定子鉄心のコイル設置面以外の面、または、前記固定子鉄心の回転子側以外の面に設けられていることを特徴とする。

またさらに、本発明に係る回転電機において、前記冷媒流路の壁面には、耐腐食膜が形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、回転電機の性能特性への影響を抑制し、しかも冷却効果の高い液体を冷媒として、発熱量と発熱密度の高い固定子鉄心を直接冷却することができる。このように冷却効果を高めることによって、小型化・高性能化を実現した回転電機を提供することが可能となる。

発明を実施するための好適な実施形態について、図面を用いて説明する。なお、本発明の技術的範囲は下記実施形態に記載の範囲には限定されず、下記実施形態に多様な変更又は改良を加えることが可能である。その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

まず、本実施形態が適用されるラジアル型モータの構造について説明する。図１は、従来のラジアル型モータの構成を示す図であり、（ａ）はラジアル型モータの軸方向の断面概略図であり、（ｂ）はラジアル型モータの径方向の断面概略図である。

本実施形態におけるラジアル型モータは、永久磁石を複数内在する円筒状の回転子１０と、鉄心材料（固定子鉄心）１１に固定子コイル１２が巻回された複数の極を持つ固定子１３とを同軸で配置するものである。回転子１０は、永久磁石によって界磁束発生源となり、固定子１３から発生する回転磁界に従って回転可能となっている。一方、固定子１３は、固定子鉄心１１が有するティース１１ａ部分に固定子コイル１２が巻回されたものであり、図１で例示するラジアル型モータの場合には、８極モータを示している。また、固定子鉄心１１が備える複数のティース１１ａの一端（外）側には、複数の固定子コイル１２を嵌め込むことができるようにバックヨーク１１ｂが配設されており、これらが固定子鉄心１１を構成している。すなわち、固定子１３は、回転子１０を回転させるための回転磁界を発生する複数相の固定子コイル１２が複数組固定子鉄心１１に巻回されることによって構成されている。なお、固定子鉄心１１は、極全体が単一の固定子鉄心１１として構成されても良いし、一極ごとに分割された鉄心を構成し、この鉄心の集合体として固定子鉄心１１を形成することとしても良い。

さらに、従来の積層鋼鈑によって形成された固定子鉄心について詳細に説明する。図２は、積層鋼鈑で構成されたラジアル型モータの固定子鉄心の一部を示す図である。図２では、積層鋼鈑で構成された固定子鉄心を通過する磁束線１５の方向と、磁束線１５を避けることによって設けることが可能な冷媒流路の設置可能領域１６を示している。

前述した従来のラジアル型モータの固定子鉄心１１では、積層鋼鈑が軸方向に積層されるため、コイル１２の中心軸方向に発生し、固定子鉄心１１内を通る磁束線１５を軸方向へ迂回させることは困難であった。これは、軸方向の磁束経路では積層面を通過しなければならず、磁気抵抗が増加してしまうためである。このことは、積層鋼板製の固定子鉄心１１が有する磁束線１５の通過方向の制約から、磁束経路を回避した領域に設けられる冷媒流路の設置可能領域１６が小さくならざるを得ないということを示している。すなわち、積層鋼板製の固定子鉄心１１では、磁束線１５の経路は積層鋼鈑に沿った方向以外に設定することができないので、任意の冷却流路を設定することによって冷媒流路の拡大を図るという対策を採ることが非常に困難であるということを示している。なお、図２に示される冷媒流路の設置可能領域１６は、ラジアル型モータの固定子鉄心に積層鋼鈑を用いる場合に共通となる、一般的な冷却流路である。

そこで、本発明では、従来積層鋼鈑で構成されていた固定子鉄心を圧粉磁心材料で構成することとした。本実施形態におけるラジアル型モータについて、図面を用いて説明する。

図３は、本発明をラジアル型モータの固定子鉄心に適用した場合における、固定子鉄心の一部を示す図である。図３では、固定子鉄心２３を通過する磁束線２５の方向と、磁束線２５を避けることによって設けることが可能な冷媒流路２６の設置可能領域を示している。また、図４は、本実施形態におけるラジアル型モータの構成を示す図であり、（ａ）はラジアル型モータの軸方向の断面概略図であり、（ｂ）はラジアル型モータの径方向の断面概略図である。

ここで、圧粉磁心材料とは、微小鉄粉材料に電気絶縁性の皮膜を施した後、加圧成型するものであり、絶縁材同士が圧着接合するためにバルク材のようなブロックとして所望の形態をした製品を得ることができるものである。この圧粉磁心材料による成型品は、全体が微小な鉄粉の集合体となっているため、任意の三次元形状を単体で形作ることができる。マクロ的に観ると電気的、熱的な異方性がないので、内部の磁束線方向に制限がなく、磁束線の三次元的な偏向を可能にするという大きな特徴を有している。

このような特徴を有する圧粉磁心材料によって固定子鉄心２３を形成することにより、磁束線２５に三次元性が許容されるので、鉄心から抜ける磁束線２５に周方向のみならず、軸方向への偏向分が加わることになる。さらに、積層鋼鈑では無意味であった軸方向に鍔状に設けられる付加領域２３ａを追加することにより、磁路の拡大を図ることが可能となる。したがって、全磁束線２５が鉄心の軸方向全体に分配されることから鉄心背面の冷却可能領域２６が広がることになるのである。なお、図３（ｂ）および図３（ｃ）では、冷媒流路設置可能領域２６について従来の場合と本実施形態の場合とを比較して表しているが、本実施形態における冷媒流路設置可能領域２６が背面から観て円周方向はもちろん軸方向にも広がり、さらに鉄心内深く設定可能となっていることが示されている。

このように、本実施形態によれば、固定子鉄心２３を圧粉磁心材料で形成し、この固定子鉄心２３に鍔状の付加領域２３ａを追加することによって、磁束線２５の偏向による磁路の確保と冷却可能領域２６の拡大を実現することができる。なお、固定子鉄心２３内の磁束は固定子コイル２２周囲で固定子から回転子の磁石にわたって発生するところ、固定子鉄心２３内は磁束に応じて損失熱が発生すると同時に固定子コイル２２自身の電流損としての発熱も加わるので、固定子鉄心２３内で磁束を取り巻く領域に冷媒流路２６を設定することが望ましい。つまり、固定子コイル２２によって発生し、固定子鉄心２３内を通過する磁束線２５の稠密部と干渉しない領域である固定子鉄心の内部または表面に冷媒流路２６を備えることが好適なのである。

次に、具体的な冷媒流路の構成について説明する。図５は、図３で示した固定子鉄心２３の流路設定可能領域２６を側面から見た図である。図５は、半径方向から見た場合を示す断面図である。図５では単一極を例示しており、固定子鉄心２３内部には必要除熱量を確保する冷媒流路２６ａが設置される。従来の固定子鉄心１３と比較して、非常に広い領域を冷媒流路２６ａとすることが可能となっている。なお、以下に説明する本実施形態では、冷媒出入口部２７をコイル２２設置側の反対面とすることを特徴としている。単一極の集合体では極間側への取り出しも可能ではあるが、コイル反対側の方が利便性は高いためである。ただし、冷媒流路の冷媒出入口部２７は、固定子鉄心のコイル設置面以外の面、または、固定子鉄心の回転子側以外の面に設けることが可能である。

図６は、背面の広い面積に冷媒流路２６ａを設定する例で、ロストワックスなどの加圧成型の特徴を利用した鋳造技術の応用で実現させることができる。流路出入口２７は背面から自由度のあるケース側へ取り出すことにより圧粉磁心材料とのシール性も良く、漏れのない実用的な流路構成とすることができる。

図７は、固定子コイル２２の発熱ポイントに対応するために、鉄心内部かつコイル２２近傍へ冷媒流路２６ａを設定するものである。冷媒流路２６ａの接続などは図６と同様である。

図８は、従来の積層鋼鈑を用いた固定子鉄心において、鉄心表面を冷媒流路１６ａとした場合を例示する図である。図８で例示する従来の固定子鉄心では、切削等の機械加工によって冷媒流路１６ａを形成しているが、同様の方法を本発明にも適用することが可能である。図９がその実施例であり、図５で示した流路設定可能領域２６に対応した領域に機械加工による冷媒流路２６ａを形成したものである。磁束の三次元性から冷媒流路２６ａを壁面から深く設定できる。また、フィン状の形態をとることによって伝熱面積を増加し、冷却効果を増加させることも可能である。図９で例示されるフィン状の冷媒流路２６ａでは、鉄心内部流路と比較して冷媒流路を簡便に実現できるという特徴がある。なお、本実施形態では、モータケース１８，２８との間に冷媒流路を形成するため、Ｏリングなどの液体冷媒の漏れ防止機構を付加する必要がある。

図１０は、圧粉磁心材料の特徴を活かした鉄心表面への冷媒流路形成例を示している。熱負荷に応じた流路長さ（面積）をコイル反対面に設定するものである。冷媒出入口部２７は、やはりコイル反対側に設定することが好適である。

なお、本発明は固定子コイルの巻き方によらず適用することが可能である。すなわち、集中巻き、分布巻きの違いによらず冷媒流路２６ａを設定可能である。また、鉄心の極分割方法によらず、単一極の場合または多極集合体の場合のいずれにも適用することができる。

次に、ラジアル型モータの全外観形状を示して本実施形態を説明する。図１１は、従来のラジアル型モータの固定子の外観形状を示すものであり、ティースの円周外表面側に軸方向の内部流路４６ａを設けるものである（これを外表面から見て溝加工する例もある）。軸方向の冷媒出入口４７はシールを介して側板を押し当てるほか無く、冷媒の漏れ防止は容易でない。これに対して、本発明を適用した場合の実施例を図１２に示す。ティースの円周外表面側は磁束へ影響を与えない観点から冷媒流路５６ａとして適切な領域であり、そこへの流路設定は従来技術と同じである。しかし、鉄心を圧粉磁心材料とすることから、軸方向端面を延長した鍔状の付加領域５２ａを設けることにより、付加領域５２ａへの流路設定が流路転向部５６ｂとして可能となる。したがって、冷却能の大きい直列流路を磁束に影響を与えず構成することができる。また、外表面に冷媒出入口部を設定することができるので、従来技術では困難であった漏れの無い冷媒流路５６ａを容易に設けることが可能となる。

以上の説明について図１３にまとめて示して説明すると、鉄心を圧粉磁心材料で形成した場合の冷媒流路構成は、鉄心内の磁束可能方向が３次元的に任意であることから、(1)磁束の影響の少ない領域に鉄心部を拡大してそこに流路を形成することができ、(2)従来の積層鋼鈑では磁束の影響が強く、流路形成が困難な領域でも磁束の方向を別方向に変えることにより、磁束の影響が弱い領域に対して冷媒流路の設定が可能となり、(3)磁束の影響の少ない領域に鉄心部を拡大し、そこに磁束を導くことによって固定子のヨーク厚さを薄くし、モータの小型化を図ることができる、という従来技術には無い効果を得ることができる。

また、冷媒流路に導入される液体冷媒については、油、水、フレオン、フロリナート、ＣＯ₂など冷却作動流体とできるもので有ればどのようなものを用いても良い。さらに、冷媒流路の壁面には、冷媒流路を構成する圧粉磁心材料の長寿命化のために、その表面に有機あるいは無機の耐腐食膜を形成することが好適である。

従来のラジアル型モータの構成を示す図であり、（ａ）はラジアル型モータの軸方向の断面概略図であり、（ｂ）はラジアル型モータの径方向の断面概略図である。 積層鋼鈑で構成されたラジアル型モータの固定子鉄心の一部を示す図である。 本発明をラジアル型モータの固定子鉄心に適用した場合における、固定子鉄心の一部を示す図である。 本実施形態におけるラジアル型モータの構成を示す図であり、（ａ）はラジアル型モータの軸方向の断面概略図であり、（ｂ）はラジアル型モータの径方向の断面概略図である。 図３で示した固定子鉄心の流路設定可能領域を側面から見た図である。 本実施形態における固定子鉄心に形成される具体的な冷媒流路の構成例を示す図である。 本実施形態における固定子鉄心に形成される具体的な冷媒流路の構成例を示す図である。 従来の積層鋼鈑を用いた固定子鉄心において、鉄心表面を冷媒流路とした場合を例示する図である。 本実施形態の固定子鉄心において、鉄心表面を冷媒流路とした場合を例示する図である。 圧粉磁心材料の特徴を活かした鉄心表面への冷媒流路形成例を示す図である。 従来のラジアル型モータの固定子の外観形状を示す図である。 本発明をラジアル型モータの固定子に適用した場合の実施例を示す図である。 本発明の全体概要を説明するための図である。

符号の説明

１０ 回転子、１１，２３ 固定子鉄心、１１ａ ティース、１１ｂ バックヨーク、１２，２２ 固定子コイル、１３ 固定子、１５，２５ 磁束線、１６，２６，５６ａ 冷媒流路設置可能領域、１８，２８ モータケース、２３ａ，５２ａ 付加領域、１６ａ，２６ａ 冷媒流路、２７，４７ 冷媒出入口部、４６ａ 内部流路、５６ｂ 流路転向部。

Claims (4)

1. 界磁束発生源である回転子と、
   前記回転子を回転させる回転磁界を発生する複数相の固定子コイルが複数組固定子鉄心に巻回されて構成された固定子と、
   を含むラジアル型の回転電機において、
   前記固定子鉄心は、
   固定子コイルが巻回される複数のティースと、
   前記ティースの一端側に配設されるバックヨークであって、前記固定子鉄心の軸方向にティースの端面よりも突出する鍔部を有するバックヨークと、
   を備え、
   前記複数のティースと前記バックヨークとが圧粉磁心材料によって形成され、
   前記バックヨークには、内部に冷媒流路が設けられ、
   前記冷媒流路は、前記ティースの背面中心に沿って固定子鉄心の軸方向に延びる軸方向部と、周方向に隣接する前記軸方向部を繋ぐ、前記鍔部に設けられた転向部と、を有する、
   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、前記固定子鉄心は、圧粉磁性材料によって一体成形され、この一体成形された固定子鉄心全体に渡って前記冷媒流路が形成されていることを特徴とする回転電機。
3. 請求項１または２に記載の回転電機において、前記冷媒流路の出入口部は、前記固定子鉄心のコイル設置面以外の面、または、前記固定子鉄心の回転子側以外の面に設けられていることを特徴とする回転電機。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の回転電機において、前記冷媒流路の壁面には、耐腐食膜が形成されていることを特徴とする回転電機。

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