JP4457785B2 - ディスク型回転電機のステータ構造 - Google Patents

Description

本発明は、ステータとロータが軸方向に対向配置されるディスク型回転電機のステータ構造の技術分野に属する。

永久磁石をロータ内部に埋め込んだ埋込磁石同期モータ（IPMSM：Interior Permanent Magnet Synchronus Motor）や永久磁石をロータ表面に張り付けた表面磁石同期モータ（SPMSM：Surface Permanent Magnet Synchronus Motor）は、損失が少なく、効率が良く、出力が大きい（マグネットトルクのほかにリラクタンストルクも利用できる）等の理由により、電気自動車用モータやハイブリッド車用モータ等の用途にその応用範囲を拡大している。

このような永久磁石同期モータであって、ステータとロータが軸方向に対向配置されるディスク型モータは、薄型化が可能であり、レイアウトに制限がある用途に使用されている（例えば、特許文献１参照）。
特開平１１−１８７６３５号公報

しかしながら、従来のディスク型モータにあっては、ステータコイル板をその外周部でブラケット（ケースに相当）に対し、スルーボルト（貫通ボルト）で軸方向に締め付けることで固定しているため、ボルト孔を開けるフランジ部をステータの外周に設定する必要があり、ディスク型モータの径拡大が避けられない、という問題があった。

上記目的を達成するため、本発明では、永久磁石を配置したロータと、前記永久磁石に対し軸方向側に配設され、ステータコアとステータコイルを有するステータと、樹脂よりも熱伝導性の良好な金属からなる円筒状の外周ケースと、を有し、前記ステータコアは、前記外周ケース内周と向き合う位置に平面部を有し、前記外周ケースは、前記外周ケースの内周側であって前記平面部と対向する位置に、前記外周ケースの内周側に突出する突出部を有し、該突出部の先端が平面形状であり、前記ステータの周りを前記樹脂による樹脂モールドにより包み込み、該樹脂モールドを前記外周ケース内面に対して拘束することとした。

上記目的を達成するため、本発明では、永久磁石を配置したロータと、ステータコアとステータコイルを有するステータと、を備え、前記ロータと前記ステータが軸方向に配設されたディスク型回転電機において、
前記ステータは、周りを樹脂モールドにより包み込み、前記樹脂モールドをケース内面に対して軸方向と周方向の少なくとも一方向に拘束した。

よって、本発明のディスク型回転電機にあっては、ステータの冷却性能の向上を図ると共に、ボルト等を用いることなくステータをケースに拘束することで、径の拡大を伴わない回転電機を構成することができる。

以下、本発明のディスク型回転電機のステータ構造を実施するための最良の形態を、図面に示す実施例１〜実施例５に基づいて説明する。

まず、構成を説明する。
図１は実施例１のステータ構造が適用された２ロータ・１ステータ構造のディスク型回転電機を示す全体断面図である。
実施例１のディスク型回転電機は、回転軸１と、ロータ２，２と、ステータ３と、回転電機ケース４（ケース）と、を備えていて、前記回転電機ケース４は、フロント側サイドケース４ａと、リヤ側サイドケース４ｂと、両サイドケース４ａ，４ｂにボルト結合された外周ケース４ｃにより構成されている。

前記回転軸１は、フロント側サイドケース４ａに設けられた第１軸受け５とリヤ側サイドケース４ｂに設けられた第２軸受け６によって回転自在に支持されている。

前記ロータ２，２は、前記回転軸１にステータ３を挟んだ２箇所位置に固定され、ステータ３から与えられる回転磁束に対し、永久磁石９，９に反力を発生させ、回転軸１を中心に回転するように、回転軸１に固定された電磁鋼鈑（強磁性体）によるロータベース８，８と、前記ステータ３との対向面に一部埋め込まれた複数の永久磁石９，９と、を有して構成されている。前記複数の永久磁石９は、隣接する表面磁極（Ｎ極，Ｓ極）が、互いに相違するよう配置されている。ここで、ロータ２，２とステータ３の間にはエアギャップ１０，１０と呼ばれる隙間が存在し、互いに接触することはない。

前記ステータ３は、前記外周ケース４ｃの内面に固定され、ステータコア１１と、ステータコイル１２と、を有して構成されている。前記ステータコイル１２は、図外の絶縁紙または絶縁体を介し、ステータコア１１に巻かれる。

図２は実施例１のディスク型回転電機のステータ位置での縦断面図であり、図１及び図２に基づいて実施例１のステータ構造を説明する。

実施例１のステータ構造は、永久磁石９，９を配置したロータ２，２と、ステータコア１１とステータコイル１２を有するステータ３と、を備え、前記ロータ２，２と前記ステータ３が軸方向に配設されたディスク型回転電機において、前記ステータ３は、周りを樹脂モールド１３により包み込み、前記樹脂モールド１３を外周ケース４ｃの内面に対して軸方向と周方向に拘束している。

すなわち、前記ステータ３は、樹脂モールド１３が当接するケース内面に凹凸部を設け、その内側にステータコイル１２が巻き回されたステータコア１１を配置し、前記外周ケース４ｃをモールド成形型の一部とし、樹脂モールド成形することによりステータ３を外周ケース４ｃに一体的に位置決めしている。

ここで、前記外周ケース４ｃの内面に設けられた凹凸部は、図１および図２に示すように、前記ステータコア１１が設定される位置に符合する外周ケース４ｃの内面に設けられた断面方形状の拘束方形凸部１４である。そして、前記拘束方形凸部１４は、樹脂モールド１３をケース内面に対して軸方向拘束する軸方向対向面１４ａ，１４ａと、樹脂モールド１３をケース内面に対して周方向拘束する周方向対向面１４ｂ，１４ｂと、を有する。なお、前記拘束方形凸部１４以外にも、隣接するステータコア１１，１１の間の位置に符合するケース内面位置に、拘束方形凸部１４よりも内側突出量を大きくした拘束方形凸部１４’を設けている。この拘束方形凸部１４’も、軸方向対向面と周方向対向面を有し、軸方向および周方向の拘束性能をより高めたものとしている。

また、前記樹脂モールド１３により包まれたステータコア１１が当接する外周ケース４ｃの位置には、冷却ギャラリー１５を有する。この冷却ギャラリー１５は、図２に示すように、楕円断面の冷媒通路形状であり、前記ステータコイル１２を巻き回したステータコア１１の位置に符合する径方向位置と、隣接するステータコア１１，１１の間の位置に符合する径方向位置に形成している。

次に、作用を説明する。
まず、従来技術のように、ステータをケースに対しスルーボルトで軸方向に締め付け固定する場合、スルーボルトのボルト穴を開けるフランジ部が外径方向に突出することで、回転電機の径拡大が避けられない。ちなみに、ステータをスルーボルトにより締め付け固定する場合、ステータコイルを巻き回したステータコアによる外径に、２つのスルーボルト径を足し合わせた長さと、径方向の締め付け代による長さが加わることになる。

これに対し、実施例１のステータ構造では、樹脂モールド１３が当接するケース内面に凹凸部を設け、その内側にステータコイル１２が巻き回されたステータコア１１を配置し、外周ケース４ｃをモールド成形型の一部とし、樹脂モールド成形することによりステータ３を外周ケース４ｃに一体的に位置決めしている。

このように、ステータコイル１２付きステータコア１１の周りを包み込んでいる樹脂モールド１３を、外周ケース４ｃの内面に対して軸方向と周方向に拘束しているため、磁力による軸方向力及びトルク反力による周方向力に対し、ボルト等を用いることなくステータ３を外周ケース４ｃに拘束することができ、径拡大を伴わないディスク型回転電機を構成できる。

さらに、外周ケース４ｃの内面に設けられた凹凸部は、外周ケース４ｃの内面に設けられた断面方形状の拘束方形凸部１４であり、軸方向対向面１４ａ，１４ａと周方向対向面１４ｂ，１４ｂとを有するため、樹脂モールド１３をケース内面に対し、軸方向の拘束が確保されると共に周方向拘束が確保され、運転中において確実にステータ３の変位を拘束することができる。

加えて、外周ケース４ｃの内面に設けた拘束方形凸部１４は、複数のステータコア１１が設定される位置に符合するケース内面位置に設定されているため、発熱源であるステータコイル１２のより近傍位置に、樹脂に比べ熱伝導性の良好な外周ケース４ｃの金属部が存在することになり、冷却性能が向上する。

また、樹脂モールド１３により包まれたステータコア１１が当接する外周ケース４ｃの位置には、冷却ギャラリー１５を有するため、樹脂モールド１３→外周ケース４ｃ→冷却媒体へと良好に熱の伝達が行われ、回転電機の冷却性能を上げることができる。

次に、効果を説明する。
実施例１のディスク型回転電機のステータ構造にあっては、下記に列挙する効果を得ることができる。

(1) 永久磁石９，９を配置したロータ２，２と、ステータコア１１とステータコイル１２を有するステータ３と、を備え、前記ロータ２，２と前記ステータ３が軸方向に配設されたディスク型回転電機において、前記ステータ３は、周りを樹脂モールド１３により包み込み、前記樹脂モールド１３を回転電機ケース４の内面に対して軸方向と周方向に拘束したため、ボルト等を用いることなくステータ３を回転電機ケース４に拘束することで、径の拡大を伴わない回転電機を構成することができる。

(2) 前記ステータ３は、樹脂モールド１３が当接するケース内面に凹凸部を設け、その内側にステータコイル１２が巻き回されたステータコア１１を配置し、前記外周ケース４ｃをモールド成形型の一部とし、樹脂モールド成形することによりステータ３を外周ケース４ｃに一体的に位置決めしたため、モールド成形型を簡略化しながら、凹凸嵌合によりステータ３を回転電機ケース４に強く拘束することができる。

(3) 前記拘束方形凸部１４は、樹脂モールド１３をケース内面に対して軸方向拘束する軸方向対向面１４ａ，１４ａと、樹脂モールド１３をケース内面に対して周方向拘束する周方向対向面１４ｂ，１４ｂと、を有するため、磁力による軸方向力およびトルク反力による周方向力に対し、確実にステータ３の変位を拘束することができる。

(4) 前記外周ケース４ｃの内面に設けられた凹凸部は、前記ステータコア１１が設定される位置に符合する外周ケース４ｃの内面に設けられた断面方形状の拘束方形凸部１４であるため、熱源であるステータコイル１２と外周ケース４ｃとが拘束方形凸部１４を介して近接し、ステータ冷却性能を向上させることができる。

(5) 前記樹脂モールド１３により包まれたステータコア１１が当接する外周ケース４ｃの位置には、冷却ギャラリー１５を有するため、樹脂モールド１３→外周ケース４ｃ→冷却媒体（冷却ギャラリー１５内）への熱伝達経路が確保され、ステータ３の冷却性能をさらに向上させることができる。

実施例２は、ケースの内面に設けられた凹凸部の断面形状を実施例１とは異ならせた例である。

すなわち、図３に示すように、前記外周ケース４ｃの内面に設けられた凹凸部を、前記ステータコア１１が設定される位置に符合するケース内面に設けられた断面方形状の拘束方形凹部１６と、断面Ｔ字状の拘束Ｔ字凸部１７と、の組み合わせとした。この拘束方形凹部１６と拘束Ｔ字凸部１７とは、複数の各ステータコア１１に対し交互に形成し、例えば、図３に示すように、回転軸１を介して対称位置にあらわれるようにする。なお、他の構成は実施例１と同様であるので、対応する構成に同一符号を付して説明を省略する。

次に、作用を説明すると、実施例２において、外周ケース４ｃの内面に設けた拘束Ｔ字凸部１７については、複数のステータコア１１が設定される位置に符合するケース内面位置に設定されているため、発熱源であるステータコイル１２のより近傍位置に、樹脂に比べ熱伝導性の良好な外周ケース４ｃの金属部が存在することになり、実施例１の拘束方形凸部１４と同様に、冷却性能が向上すると共に、樹脂モールド１３との凹凸嵌合が複雑な形状にてなされることで、軸方向および周方向の拘束機能が向上する。さらに、軸方向および周方向の拘束機能に関しては、拘束方形凹部１６と拘束Ｔ字凸部１７との組み合わせによっても向上を望むことができる。他の作用は、実施例１と同様である。

次に、効果を説明すると、実施例２のディスク型回転電機のステータ構造にあっては、実施例１の(1),(2),(3),(5)の効果に加え、下記の効果を得ることができる。

(6) 前記外周ケース４ｃの内面に設けられた凹凸部を、前記ステータコア１１が設定される位置に符合するケース内面に設けられた断面方形状の拘束方形凹部１６と、断面Ｔ字状の拘束Ｔ字凸部１７と、の組み合わせであるため、軸方向および周方向の高い拘束機能を達成することができる。

実施例３は、ケースの内面に設けられた凹凸部の断面形状を実施例１，２とは異ならせた例である。

すなわち、図４および図５に示すように、前記外周ケース部４ｃの内面に設けられた凹凸部を、前記ステータコア１１が設定される位置に符合するケース内面に設けられた断面方形状であり、かつ、軸方向に貫通穴を有する拘束穴付き方形凸部１８とした。なお、他の構成は実施例１と同様であるので、対応する構成に同一符号を付して説明を省略する。

次に、作用を説明すると、実施例３の拘束穴付き方形凸部１８は、複数のステータコア１１が設定される位置に符合するケース内面位置に設定されているため、発熱源であるステータコイル１２のより近傍位置に、樹脂に比べ熱伝導性の良好な外周ケース４ｃの金属部が存在することになり、実施例１の拘束方形凸部１４と同様に、冷却性能が向上する。加えて、拘束穴付き方形凸部１８と樹脂モールド１３とは、単に凹凸嵌合するだけでなく軸方向に貫通穴に樹脂モールド１３が入り込んだロック状態にて拘束されることで、軸方向および周方向に限らずあらゆる方向に対する拘束機能が向上する。なお、他の作用は実施例１と同様であるので説明を省略する。

次に、効果を説明すると、実施例３のディスク型回転電機のステータ構造にあっては、実施例１の(1),(2),(3),(5)の効果に加え、下記の効果を得ることができる。

(7) 前記外周ケース部４ｃの内面に設けられた凹凸部を、前記ステータコア１１が設定される位置に符合するケース内面に設けられた断面方形状であり、かつ、軸方向に貫通穴を有する拘束穴付き方形凸部１８であるため、冷却性能を向上させることができると共に、軸方向および周方向に限らずあらゆる方向に対する拘束機能を向上させることができる。

実施例４は、１ロータ・１ステータのディスク型回転電機におけるモールド成形を示す例である。

実施例４は、図６(a)に示すように、回転電機ケース４がフロント側ケース４ｄとリヤ側カバー４ｅにより構成され、回転軸１に１枚のロータ２が固定され、前記フロント側ケース４ｄに円周上に多数のステータコア１１が配列された１組のステータ３を固定している。すなわち、１ロータ・１ステータによるディスク型回転電機としている。そして、図６(b)に示すように、ステータコアベース１１’とフロント側ケース４ｄとの間に位置決めピン１９（位置決め手段）を有する。なお、図６(b)において、２０はモールド成形型である。なお、他の構成は実施例１と同様であるので、対応する構成に同一符号を付して説明を省略する。

次に、作用を説明すると、ステータ３の樹脂モールド１３を形成するときは、
1) フロント側ケース４ｄに対し、位置決めピン１９を用い、ステータコイル１２付きのステータコア１１を位置決めする。
2) ステータコア１１が位置決めされたフロント側ケース４ｄに対し、モールド成形型２０を位置決め設定する。このモールド成形型２０を位置決め設定は、位置決め段部２０ａとフロント側ケース４ｄの軸受け用段部４ｄ’との嵌合により、フロント側ケース４ｄに対し軸方向と径方向に位置決めされる。
3) フロント側ケース４ｄにモールド成形型２０を位置決め設定した状態で、樹脂供給孔２０ｂから溶融樹脂を供給する。
4) 樹脂が固化したらモールド成形型２０を外す。
以上の工程を経過することで、樹脂モールド１３が形成される。

よって、樹脂モールド１３の成形時にステータコア１１の位置を保持しておくことが可能となり、回転電機の製作の容易さ、及び、性能の安定化が図れる。なお、他の作用は実施例１と同様であるので説明を省略する。

次に、効果を説明すると、実施例４のディスク型回転電機のステータ構造にあっては、実施例１，２，３の効果に加え、下記の効果を得ることができる。

(8) 前記ステータコアベース１１’とフロント側ケース４ｄとの間に位置決めピン１９を有するため、回転電機を容易に製作することができると共に、回転電機の性能の安定化を図ることができる。

実施例５は、実施例１〜４でのケース内面の凹凸部による樹脂モールドの拘束に代えてケース内面の形状を多角形とすることで樹脂モールドを拘束するようにした例である。

すなわち、図７に示すように、前記ステータ３は、樹脂モールド１３が当接する回転電機ケース４の内面を多角形内面２１とし、その内側にステータコイル１２が巻き回されたステータコア１１を配置し、前記回転電機ケース４をモールド成形型の一部とし、樹脂モールド成形することによりステータ３を回転電機ケース４に一体的に位置決めしたものである。前記回転電機ケース４の多角形内面２１は、ステータコイル１２を巻き回したステータコア１１の数に対応する数の辺面２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，…を有する。なお、他の構成は実施例１と同様であるので、対応する構成に同一符号を付して説明を省略する。

次に、作用を説明すると、回転電機ケース４の内面を円形ではなく多角形内面２１に成形することで、周方向の拘束状態が得られ、かつ、凹凸部の場合に比べ樹脂モールド１３に発生する応力が小さく強度的には有利となる。なお、樹脂モールド１３の軸方向拘束については、例えば、実施例４をベースとし、１ロータ・１ステータのディスク型回転電機とした場合には、フロント側ケース４ｄの内面が、樹脂モールド１３が軸方向に変位しようとする場合の拘束面となる。

次に、効果を説明すると、実施例５のディスク型回転電機のステータ構造にあっては、実施例１の(1)の効果に加え、下記に列挙する効果を得ることができる。

(9) 前記ステータ３は、樹脂モールド１３が当接する回転電機ケース４の内面を多角形内面２１とし、その内側にステータコイル１２が巻き回されたステータコア１１を配置し、前記回転電機ケース４をモールド成形型の一部とし、樹脂モールド成形することによりステータ３を回転電機ケース４に一体的に位置決めしたため、凹凸部の場合に比べ樹脂モールド１３に発生する応力が小さく強度的には有利としながら、周方向の確実な拘束状態を得ることができる。

(10) 前記回転電機ケース４の多角形内面２１は、ステータコイル１２を巻き回したステータコア１１の数に対応する数の辺面２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，…を有するため、熱源であるステータコイル１２と回転電機ケース４とが辺面２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，…を介して近接し、ステータ冷却性能を向上させることができる。

以上、本発明のディスク型回転電機のステータ構造を実施例１〜実施例５に基づき説明してきたが、具体的な構成については、これらの実施例に限られるものではなく、特許請求の範囲の各請求項に係る発明の要旨を逸脱しない限り、設計の変更や追加等は許容される。

例えば、実施例１〜５では、ケース内面に設けた凹凸部として、周方向あるいは軸方向あるいは両方に対向面を有する構成とすることで、確実にステータの変位を拘束する例を示したが、ケース内面の形状ばかりではなく、ケース内面の粗さ（例えば、ローレット加工など）を利用しても良いし、ケース内面にピンを打ち込んで立てても同様の効果が得られる。要するに、樹脂モールドをケース内面に対して軸方向と周方向の少なくとも一方向に拘束するものであれば、具体的な手段は実施例１〜５に限られない。

実施例１〜５では、樹脂モールドが当接するケース壁内に冷却媒体が存在する冷却ギャラリーを設ける例を示したが、ケース内面に設けた凸部に冷媒路を形成しても良く、この場合、ケース壁内の冷却ギャラリーのみに比べ、より良好な冷却性能が得られる。

実施例４では、ステータコアとケースとの間に位置決め手段を有する例を示したが、ステータコアとモールド成形型との間に位置決め手段を有するようにしても良い。

実施例１〜５では、ディスク型回転電機として、ロータとステータとの間に軸方向のエアギャップを有する例を示したが、ロータとステータとの間には、例えば、油膜が存在するだけで、実質的にエアギャップが存在しないようなディスク型回転電機に対しても適用することができる。

実施例１〜５では、ディスク型回転電機と述べているが、それはディスク型モータとして適用しても良いし、また、ディスク型ジェネレータとして適用しても良い。また、実施例１〜５では、２ロータ・１ステータと１ロータ・１ステータのディスク型回転電機への適用例を示したが、１ロータ・２ステータのディスク型回転電機等、ステータとロータの数が実施例とは異なるディスク型回転電機にも適用することができる。

実施例１のステータ構造が適用されたディスク型回転電機を示す全体断面図である。 実施例１のディスク型回転電機のステータ構造が適用されたステータを示す一部断面図である。 実施例２のステータ構造が適用されたディスク型回転電機の全体断面およびステータ一部断面を示す図である。 実施例３のステータ構造が適用されたディスク型回転電機を示す全体断面図である。 実施例３のディスク型回転電機のステータ構造が適用されたステータを示す一部断面図である。 実施例４のステータ構造が適用されたディスク型回転電機の全体断面および樹脂モールド成形状態を示す図である。 実施例５のディスク型回転電機のステータ構造が適用されたステータを示す一部断面図である。

符号の説明

１ 回転軸
２ ロータ
３ ステータ
４ 回転電機ケース
５ 第１軸受け
６ 第２軸受け
８ ロータベース
９ 永久磁石
１０ エアギャップ
１１ ステータコア
１２ ステータコイル
１３ 樹脂モールド
１４ 拘束方形凸部（凹凸部）
１５ 冷却ギャラリー
１６ 拘束方形凹部（凹凸部）
１７ 拘束Ｔ字凸部（凹凸部）
１８ 拘束穴付き方形凸部（凹凸部）
１９ 位置決めピン（位置決め手段）
２０ モールド成形型
２１ 多角形内面
２１ａ，２１ｂ，２１ｃ 辺面

Claims (9)

1. 永久磁石を配置したロータと、
   前記永久磁石に対し軸方向側に配設され、ステータコアとステータコイルを有するステータと、
   樹脂よりも熱伝導性の良好な金属からなる円筒状の外周ケースと、
   を有し、
   前記ステータコアは、前記外周ケース内周と向き合う位置に平面部を有し、
   前記外周ケースは、前記外周ケースの内周側であって前記平面部と対向する位置に、前記外周ケースの内周側に突出する突出部を有し、該突出部の先端が平面形状であり、
   前記ステータの周りを前記樹脂による樹脂モールドにより包み込み、該樹脂モールドを前記外周ケース内面に対して拘束することを特徴とするディスク型回転電機。
2. 請求項１に記載のディスク型回転電機において、
   前記突出部は、軸方向と周方向に、樹脂モールドを前記外周ケースの内面に対して拘束する対向面を有することを特徴とするディスク型回転電機。
3. 請求項２に記載のディスク型回転電機において、
   前記突出部は、断面方形状の拘束方形凸部であることを特徴とするディスク型回転電機。
4. 請求項２に記載のディスク型回転電機において、
   前記突出部は、断面方形状の拘束方形凹部と、断面Ｔ字状の拘束Ｔ時凸部との組み合わせであることを特徴とするディスク型回転電機。
5. 請求項２に記載のディスク型回転電機において、
   前記突出部は、断面方形状であり、かつ、軸方向に貫通孔を有する拘束穴付き方形凸部であることを特徴とするディスク型回転電機。
6. 請求項１に記載のディスク型回転電機において、
   前記ステータは、樹脂モールドが当接するケース内面を多角形内面とし、その内側にステータコイルが巻き回されたステータコアを配置し、前記外周ケースをモールド成形が他の一部とし、樹脂モールド成形することによりステータをケースに一体的に位置決めしたことを特徴とするディスク型回転電機。
7. 請求項６に記載のディスク型回転電機において、
   前記ケースの多角形内面は、ステータコイルを巻き回したステータコアの数に対応する数の辺面を有することを特徴とするディスク型回転電機。
8. 請求項１ないし７いずれか１つに記載のディスク型回転電機において、
   前記ステータコアと前記外周ケース、あるいは、前記ステータコアとモールド成形型との間に位置決め手段を有することを特徴とするディスク型回転電機。
9. 請求項１ないし８いずれか１つに記載のディスク型回転電機において、
   前記樹脂モールドにより包まれたステータコアが当接するケース位置に冷却ギャラリーを有することを特徴とするディスク型回転電機。

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