(57)【要約】【課題】ステータ内部の熱を効率的に外部に放出することが可能な回転電機のステータ構造及びこれを備えた車両を提供すること。【解決手段】オープンスロットからなるスロット４２を有するステータコア３４と、スロット４２に挿入されるステータコイル３６と、ステータコア３４の一側面側に配置される放熱部３０と、記放熱部３０に連結され、内部に作動液を有する１つ以上のヒートパイプ部４６とを備え、ヒートパイプ部４６は、放熱部３０からステータコア３４の他側面の方向に延出しつつ、スロット４２内に配置されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セミオープンスロットを含むオープンスロットを有するステータコアと、
前記オープンスロットに挿入される磁界用コイルと、
少なくとも前記ステータコアの一側面側に配置される放熱部と、
前記放熱部に連結され、内部に作動液を有する１つ以上のヒートパイプ部と、
を備え、
前記ヒートパイプ部は、前記放熱部から前記ステータコアの他側面の方向に延出しつつ、前記オープンスロット内に配置されていることを特徴とする回転電機のステータ構造。
【請求項２】
請求項１記載の回転電機のステータ構造において、
前記放熱部と前記１つ以上のヒートパイプ部とによって構成されるヒートパイプユニットを複数備え、
前記複数のヒートパイプユニットは、前記放熱部が前記ステータコアの一側面側に配置された前記ヒートパイプユニットと、前記放熱部が前記ステータコアの他側面側に配置された前記ヒートパイプユニットとからなることを特徴とする回転電機のステータ構造。
【請求項３】
請求項１又は請求項２記載の回転電機のステータ構造において、
前記ヒートパイプ部は、前記オープンスロット内において、前記磁界用コイルよりも前記ステータコアの内径寄りに配置されていることを特徴とする回転電機のステータ構造。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の回転電機のステータ構造において、
前記ヒートパイプ部は、管状体を呈し、前記管状体の表面に強磁性体層を有することを特徴とする回転電機のステータ構造。
【請求項５】
請求項４記載の回転電機のステータ構造において、
前記強磁性体層は、前記オープンスロットの内面に臨む面にのみ表層されていることを特徴とする回転電機のステータ構造。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の回転電機のステータ構造において、
前記放熱部は、前記ステータコアの周方向に沿ってクリアランスを介して配置された複数のフィンと、前記複数のフィンを支持する支持板と、を有する放熱ユニットを備え、
前記各フィンは、板状体によって構成され、
前記板状体は、前記磁界用コイルのコイルエンドから外部に向かって前記回転電機の軸方向に沿って略平行に延出していることを特徴とする回転電機のステータ構造。
【請求項７】
請求項２記載の回転電機のステータ構造において、
前記ヒートパイプユニットは、分割構成された複数のヒートパイプユニットからなり、
前記複数のヒートパイプユニットは、前記ステータコアの全周にわたって配置されていることを特徴とする回転電機のステータ構造。
【請求項８】
請求項１乃至請求項７のいずれか１項記載の回転電機のステータ構造を備えることを特徴とする車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転電機のステータ構造及びこれを備えた車両に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、特許文献１には、オープンスロットに対して、コイルとヒートパイプとを配置した回転電機のステータ構造が開示されている。特許文献１に開示された冷却構造では、固定子鉄心のスロット底側コイルとスロット開口側コイルとの間に、プレート状のヒートパイプが配置されている。
【０００３】
特許文献１では、このように構成することで、コイル端部のスロット底側コイルとスロット開口側コイルとの間を通過する冷却ガスによって発熱部を冷却することができる、としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−２４８２１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、特許文献１に開示された回転電機のステータ構造では、スロット内径側からスロット外径側に向かって、内径側コイル、ヒートパイプ、外径側コイルという順序でスロット内に配置されている。内径側コイルがスロットの最大内径部に位置する配置となるため、内径側コイルに発生する鎖交磁束が大きくなる。これにより、内径側コイルに発生する渦電流が大きくなり、渦電流損が増加する。この結果、モータ効率が低下するおそれがある。
【０００６】
また、ヒートパイプが効率良く冷却するためには、発熱部と放熱部との温度差に基づいてヒートパイプ内に充填された作動液を変位させ、この作動液の変位によって熱量を移動させる必要がある。特許文献１に開示された回転電機のステータ構造では、コイルのコイルエンド（渡り部）にヒートパイプが収納されていることによって放熱しにくくなると共に、表面積を大きくとることが困難であるため、放熱による温度低下が小さくなる。これにより発熱部と放熱部との温度差が生じにくいため、冷却能力を向上させることが困難となる。
【０００７】
本発明は、前記の点に鑑みてなされたものであり、ステータ内部の熱を効率的に外部に放出することが可能な回転電機のステータ構造及びこれを備えた車両を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記の目的を達成するために、本発明は、セミオープンスロットを含むオープンスロットを有するステータコアと、前記オープンスロットに挿入される磁界用コイルと、少なくとも前記ステータコアの一側面側に配置される放熱部と、前記放熱部に連結され、内部に作動液を有する１つ以上のヒートパイプ部と、を備え、前記ヒートパイプ部は、前記放熱部から前記ステータコアの他側面の方向に延出しつつ、前記オープンスロット内に配置されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明では、ステータ内部の熱を効率的に外部に放出することが可能な回転電機のステータ構造及びこれを備えた車両を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態に係る回転電機のステータ構造が適用されたステータを含む動力装置を車両後方からみた断面模式図である。
【図２】電動機内に配置されたステータコア、放熱部、及び、ヒートパイプ部を示す拡大斜視図である。
【図３】図２に示すステータコイルを省略して、ステータコア、放熱部、及び、ヒートパイプ部を簡素化した拡大斜視図である。
【図４】図３に示すヒートパイプユニットを示す斜視図である。
【図５】図４のＶ−Ｖ線に沿った縦断面拡大図である。
【図６】スロット内において、ステータコイルとヒートパイプとの位置関係を示す断面模式図である。
【図７】管状体の表面において、強磁性体層が被覆された面を示す拡大断面模式図である。
【図８】本発明の他の実施形態に係る回転電機のステータ構造が適用されたステータコアの斜視図である。
【図９】図８に示すステータコイルを省略して、ステータコア、放熱部、及び、ヒートパイプ部を簡素化した拡大斜視図である。
【図１０】図９に示す一対のヒートパイプユニットを示す斜視図である。
【図１１】本出願人が案出した比較例に係るヒートパイプユニットの斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１２】
図１は、本発明の実施形態に係る回転電機のステータ構造が適用されたステータを含む動力装置を車両後方からみた断面模式図、図２は、電動機内に配置されたステータコア、放熱部、及び、ヒートパイプ部を示す拡大斜視図である。なお、各図において、「前後」は、車両前後方向、「左右」は、左右方向（車幅方向）、「上下」は、車両上下方向（鉛直上下方向）をそれぞれ示している。
【００１３】
本実施形態では、電気自動車（車両）のパワーユニットとして使用される動力装置１０に電動機（回転電機）１２が組み込まれた例を挙げて以下説明する。なお、車両は、電気自動車に限定されるものではなく、例えば、ハイブリッド自動車やプラグインハイブリッド自動車等の他の車両にも適用することが可能である。
【００１４】
この動力装置１０は、電気自動車に搭載されて電力を回転力に変換すると共に、変換された回転力を駆動輪に伝達し、電気自動車を駆動させるための駆動源として機能する。
【００１５】
図１に示されるように、動力装置１０は、左右方向に沿って延在するロータシャフト１４を有する電動機１２を備えている。この電動機１２は、電気エネルギをロータシャフト１４の回転運動に変換するものである。
【００１６】
電動機１２は、ロータシャフト（シャフト）１４と、ハウジング１６と、ロータ１８及びステータ２０とを備えて構成されている。ロータシャフト１４は、ハウジング１６に配置されたベアリング２２ａ、２２ｂを介して回転自在に軸支されている。ステータ２０には、該ステータ２０からロータシャフト１４の軸方向に沿って突出する左右のコイルエンド２４、２４が設けられている。
【００１７】
ハウジング１６の内部には、ロータ１８及びステータ２０等を収容するモータ室（内部空間）が形成されている。ハウジング１６の上部には、向かって右側のコイルエンド２４に向かって作動油（冷媒）を送給する作動油供給路２６がロータシャフト１４の軸方向に沿って延在している。また、ハウジング１６の上部には、作動油供給路２６によって送給された作動油（冷媒）を、コイルエンド２４に向かって滴下する滴下口２８と、後記する放熱部３０に向かって滴下する滴下口３２とがそれぞれ設けられている。
【００１８】
ステータ２０は、環状に形成され、ハウジング１６の内周面に取り付けられている。ステータ２０は、ステータコア３４と、ステータコア３４に取り付けられたステータコイル（磁界用コイル）３６とを有し、ロータ１８に対して回転磁界を作用させる。ステータコイル３６の左右側の端面から突出した導線部分によってコイルエンド２４が構成される。このコイルエンド２４は、後記するティース３８（図３参照）に巻回された導線を折り返した部分によって形成される。
【００１９】
ステータコア３４は、ロータ１８を囲むように環状に形成されている。このステータコア３４は、例えば、周方向に沿って分割された複数のピースが互いに連結されることで形成される分割型ステータ、又は、複数枚の電磁鋼板が軸方向に積層されることで形成される積層型ステータのいずれであってもよい。
【００２０】
図３に示されるように、ステータコア３４は、環状のヨーク４０と、複数のティース３８と、複数のスロット４２とを有する。なお、本実施形態のスロット４２は、径方向の内側が閉じられておらず、隣接するティース３８、３８の先端同士の間に開口するスリット４４が形成されたオープンスロットで構成されている（図７参照）。スリット４４は、その奥側に形成されたスロット４２と連通している。なお、本実施形態では、スロット４２を、オープンスロットによって形成しているがこれに限定されるものではなく、例えば、セミオープンスロットによって形成してもよい。
【００２１】
ステータコイル３６は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相からなる３相のコイルである。本実施形態では、ステータコイル３６を、例えば、互いに連結されて使用される複数のセグメントコイル（分割導線）によって構成されている。
【００２２】
図２に示されるように、ステータコア３４の一側面側（ロータシャフト１４の軸方向に沿った一端側）でステータコイル３６のコイルエンド２４に近接する部位には、後記するように多数の放熱フィンで構成された放熱部３０が配置されている。この放熱部３０には、図４に示されるように、内部に作動液５４（図５参照）を有するヒートパイプ部４６の一端部が連結されている。放熱部３０とヒートパイプ部４６とによってヒートパイプユニット４８が構成されている。なお、放熱部３０は、ヒートパイプ部４６の軸方向に沿った一端部にのみ配置され、ヒートパイプ部４６の他端部は自由端４６ａとなっている。
【００２３】
ヒートパイプ部４６は、放熱部３０からステータコア３４の他側面の方向に向かって延出すると共に、側面視してステータコア３４の周方向に沿って配置された複数のスロット４２内（内径側）にそれぞれ収容されて支持されている。ヒートパイプ部４６は、ロータシャフト１４の回転軸と略平行に延出し、ステータコア３４の一側から他側に沿って延在する管状体５０を有する。管状体５０は、軸方向に沿った一端部のみが放熱部３０に連結されて片持ち支持されている。
【００２４】
図５の拡大断面図に示されるように、この管状体５０は、例えば、銅等の熱伝導性の良好な材料で成形された中空のパイプ本体と、パイプ本体の内壁に沿って断面環状に設けられたウィック（毛細血管構造）５２と、パイプ本体の通路内に真空密閉された作動液（例えば、水）５４とを備えて構成されている。
【００２５】
各管状体５０の軸直断面は、四隅角部がＲ面で面取りされた中空の略矩形状に形成されている。管状体５０の表面は、強磁性体層５６によって被覆されている。この強磁性体層５６は、例えば、鉄等の強磁性材料で形成された薄い膜体によって形成されている。
【００２６】
また、強磁性体層５６は、スロット４２の内面に臨む管状体５０の３つの面のみに表層されている。すなわち、図７に示されるように、スロット４２の内面に臨む第１面５８ａ、第２面５８ｂ、及び、第３面５８ｃに強磁性体層５６が設けられ、スロット４２の内面に臨まない内径側の第４面５８ｄには、強磁性体層５６が設けられていない。強磁性体層５６で被覆される部分は、鎖交磁束変化が大きいスロット４２の内面に臨む面のみでよいからである。
【００２７】
なお、本実施形態では、各管状体５０の軸直断面を略矩形状で形成することで、第１面〜第３面５８ａ〜５８ｃにのみ強磁性体層５６を設けているが、これに限定されるものではない。強磁性体層５６を、少なくともスロット４２の内面に臨む管状体５０の面のみに設けることが好ましい。
【００２８】
図６に示されるように、各スロット４２内には、ステータコア３４の径方向外側でスロット４２の奥側に複数のステータコイル３６（セグメントコイル）が配置されている。また、各スロット４２内には、奥側（外径側）と反対側のスリット４４側（開口側）に管状体５０が配置されている。すなわち、ヒートパイプ部４６の管状体５０は、スロット４２内においてステータコイル３６よりも内径寄りで、スロット４２内で最も内径側に配置されている。なお、管状体５０の最も内径側に位置する面（第４面５８ｄ）は、ティース３８の先端面と略面一又は先端面より内径側に位置し、ティース３８の先端面から内径側に突出しないように配置されている（図７参照）。
【００２９】
図４に示されるように、放熱部３０は、ステータコア３４の周方向に沿ってクリアランスを介して配置された複数のフィン５９と、複数のフィン５９を支持する支持板６０とを有する放熱ユニット６２で構成されている。各フィン５９は、側面視して略矩形状を呈する薄い板状体によって構成されている。複数の板状体は、略円弧状を呈する支持板６０に支持され、ステータコイル３６のコイルエンド２４から外部に向かってロータシャフト１４の軸方向に沿って略平行に延出している。
【００３０】
図２に示されるように、ヒートパイプユニット４８は、周方向に沿って分割構成された複数のヒートパイプユニット４８で構成されている。複数のヒートパイプユニット４８は、ステータコア３４の全周にわたって配置されている。なお、本実施形態では、周方向に沿って約９０度に４分割構成された４つのヒートパイプユニット４８で構成した場合を例示しているが、これに限定されるものではない。なお、ステータコイル３６が取り付けられたステータコア３４に対する組付時において、各ヒートパイプユニット４８を、ステータコア３４の内径側から挿入するようにしてもよいし、又は、ロータシャフト１４の軸方向に沿って挿入するようにしてもよい。
【００３１】
図１に戻って、ロータ１８は、ロータシャフト１４に固定される図示しない複数の鋼板と、複数の鋼板間に設けられた図示しない永久磁石とを備え、ステータ２０が生成する回転磁界によって回転するように設けられている。
【００３２】
本実施形態に係るステータ構造が適用された動力装置１０は、基本的に以上のように構成されるものであり、次にその作用効果について説明する。
【００３３】
本実施形態では、ステータコア３４の一側面側（ロータシャフト１４の一端側）でステータコイル３６のコイルエンド２４に近接する部位に放熱部３０が配置されている。また、ヒートパイプ部４６は、放熱部３０からステータコア３４の他側面の方向に延出しつつ、スロット４２内に配置されている。
【００３４】
ステータコア３４のスロット４２内部は、発熱し易く、且つ、熱がこもり易くなっている。本実施形態では、ヒートパイプ部４６内に封入された作動液５４を介して、ステータコア３４のスロット４２内部（発熱部）の熱（図２の網点参照）をコイルエンド２４に近接して配置された放熱部３０のフィン５９に移動させることができる（図２の太線破線参照）。放熱部３０のフィン５９に移動した熱は、表面積が大きく冷却効果が高められた多数のフィン５９によって外部に放熱される。また、放熱部３０のフィン５９は、滴下口３２から吐出される作動油（冷媒）によっても冷却される。
【００３５】
また、本実施形態において、ステータコア３４内部は、電動機１２の回転駆動による損失によって熱せられ、一方、放熱部３０のフィン５９は、滴下口３２から吐出される作動油等によって冷却される。このステータコア３４内部と、コイルエンド２４に近接する放熱部３０のフィン５９との間で温度差が発生する。この発生する温度差に起因してヒートパイプ部４６内の作動液が循環し、熱の移動が自動的に遂行される。この結果、本実施形態では、ステータコア３４内部の熱を効率的に外部に放出することができる。
【００３６】
さらに、本実施形態では、ヒートパイプ部４６（管状体５０）が、スロット４２（オープンスロット又はセミオープンスロット）内において、ステータコイル３６よりもステータコア３４の内径寄りに配置されている。これにより、本実施形態では、スロット４２内の最大内径部にステータコイル３６が配置されることを回避することで、ステータコイル３６における渦電流の発生を抑制することができる。
【００３７】
ステータコア３４の内径側は、磁束変化が大きいので、ヒートパイプ部４６には、大きな渦電流が生ずるのを低減するため、ヒートパイプ部４６の表層に強磁性体の薄膜体で被覆された強磁性体層５６が設けられている。これにより、本実施形態では、強磁性体層５６によって磁気遮蔽を行うことができる。また、強磁性体層５６の膜厚を薄くすることで、強磁性体層５６自体に発生する渦電流損を抑制することができる。
【００３８】
さらにまた、本実施形態では、管状体５０を被覆する強磁性体層５６が、スロット４２の内面に臨む３つ面（第１面５８ａ、第２面５８ｂ、及び、第３面５８ｃ）にのみ表層されている（図参照）。これにより、本実施形態では、管状体５０の全面ではなく、鎖交磁束変化が大きいスロット４２内に臨む面のみを強磁性体層５６で磁気遮蔽することができる。
【００３９】
さらにまた、本実施形態では、放熱部３０が、ステータコア３４の周方向に沿ってクリアランスを介して配置された複数のフィン５９と、この複数のフィン５９を支持する支持板６０と、を有する放熱ユニット６２を備えている。各フィン５９は、板状体によって構成され、この板状体は、ステータコイル３６のコイルエンド２４から外部に向かってロータシャフト１４（電動機１２）の軸方向に沿って略平行に延出している。
【００４０】
これにより、本実施形態では、放熱作用をなすフィン５９と、熱の輸送作用をなす管状体５０とを連結した簡素な構造によって冷却機構を構成することができると共に、容易に製造することができる。
【００４１】
さらにまた、本実施形態では、ヒートパイプユニット４８が、周方向に沿って分割構成された複数のヒートパイプユニット４８で構成されている。この複数のヒートパイプユニット４８は、ステータコア３４の全周にわたって配置されている。これにより、本実施形態では、周方向に沿って分割構成された各ヒートパイプユニット４８を、例えば、ロータシャフト１４の軸方向に沿って挿入し、又は、ステータコア３４の内径側から挿入することで、ステータコア３４に対して容易に組み付けることができる。これにより、本実施形態では、組立工程を簡素化して製造効率を向上させることができる。
【００４２】
次に、本発明の他の実施形態について説明する。なお、図に示す実施形態と同一の構成要素には、同一の参照符号を付してその詳細な説明を省略する。
【００４３】
図８は、本発明の他の実施形態に係る回転電機のステータ構造が適用されたステータコアの斜視図、図９は、図８に示すステータコイルを省略して、ステータコア、放熱部、及び、ヒートパイプ部を簡素化した拡大斜視図、図１０は、図９に示す一対のヒートパイプユニットを示す斜視図である。
【００４４】
他の実施形態では、放熱部３０がステータコア３４の一側面側に配置された第１ヒートパイプユニット４８ａと、第１ヒートパイプユニット４８ａと反対側で、放熱部３０がステータコア３４の他側面側に配置された第２ヒートパイプユニット４８ｂとから構成されている点で前記実施形態と相違している。なお、第１ヒートパイプユニット４８ａと第２ヒートパイプユニット４８ｂとは、互いに同じく構成されている。
【００４５】
また、他の実施形態において、第１ヒートパイプユニット４８ａと第２ヒートパイプユニット４８ｂとは、互いに接続されておらず非接触状態に保持されている。すなわち、一側に配置されたヒートパイプ４６部の自由端４６ａと、他側に配置された支持板６０との間には、間隙６４が形成されて電気的に非導通状態となっている。
【００４６】
他の実施形態では、ステータコア３４の内部（発熱部）で発生した熱を、ステータコア３４の一側面側に配置された第１ヒートパイプユニット４８ａ、ステータコア３４の他側面側に配置された第２ヒートパイプユニット４８ｂの両方向で放熱することができる。この結果、他の実施形態では、ステータコア３４の内部で発生した熱を一側面側及び他側面側の両方の放熱部３０、３０で放熱することで、効率的に熱引きを行うことができる。
【００４７】
図１１は、本出願人が案出した比較例に係るヒートパイプユニットの斜視図である。この比較例では、他の実施形態のような間隙６４が形成されておらず、一側に配置されたヒートパイプ部４６の自由端４６ａと、他側に配置された支持板６０とが互いに連結されて、電気的に導通状態となっている。このため、比較例では、ヒートパイプ部４６に循環電流が流れ（図１１中の太線破線参照）、この循環電流によってロータ１８からの磁束を妨げる方向に磁束が発生する。このため、ヒートパイプ部４６において有効に働く磁束が小さくなり、電流に対する出力（電動機の駆動トルク）が小さくなるという不具合がある。
【００４８】
これに対し、図２に示される実施形態、及び、図８に示される他の実施形態では、ヒートパイプ部４６を循環する循環電流が発生しないため、上記のような不具合が発生しない。
【００４９】
なお、このような動力装置１０を図示しない車両に搭載することで、ステータコイル３６やステータコア３４の内部等に対する冷却効率を向上させることが可能な車両を得ることができる。
【符号の説明】
【００５０】
１２    電動機（回転電機）
３０    放熱部
３４    ステータコア
３６    ステータコイル（磁界用コイル）
４２    スロット（オープンスロット）
４６    ヒートパイプ部
４８、４８ａ、４８ｂ  ヒートパイプユニット
５０    管状態
５６    強磁性体層
５９    フィン
【図１】
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【図２】
2020014283.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2020014283.tif 000007
【図６】
2020014283.tif 000008
【図７】
2020014283.tif 000009
【図８】
2020014283.tif 000010
【図９】
2020014283.tif 000011
【図１０】
2020014283.tif 000012
【図１１】
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