(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
周方向に配置した複数のステータピースをステータ支持ボルトおよび樹脂により一体化して成るステータの内周および外周の双方に互いに異極の多極対となるように永久磁石を備えたロータを同軸状に配置し、各ロータを複合電流によってそれぞれ駆動するようにした二重ロータ構造の回転電機の冷却構造であって、
隣接するステータピース間にそれぞれ冷却用流路を設けるとともに、該冷却用流路の近傍かつ前記ロータの内の少なくとも極対数が多い方のロータ側のステータピースヨークの先端部から最短距離の位置に、前記ステータ支持ボルトを配置することを特徴とする回転電機の冷却構造。
【請求項２】
前記冷却用流路としてパイプを使用するとともに、該パイプの外部空間を樹脂により充填することを特徴とする請求項１記載の回転電機の冷却構造。
【請求項３】
前記パイプは、周方向の一部に肉厚を増加させた部分を有することを特徴とする請求項１または２記載の回転電機の冷却構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ステータの内周および外周の双方にロータを同軸状に配置して成る二重ロータ構造の回転電機において効率的に冷却を行うための冷却構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
二重ロータ構造の回転電機の従来例としては、例えば特開平１１−２７５８２６号公報に記載されたものがある。この従来例の回転電機は、複数のステータピースを周方向に配置したステータコアから成る分割型ステータの内外周にそれぞれインナーロータおよびアウターロータを同軸状に配置し、各ロータを複合電流によってそれぞれ駆動するようにした、二重ロータ構造の回転電機として構成されている。この従来の回転電機は、二重ロータ構造とすることにより、回転電機をコンパクト化するようにしている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来例の回転電機においては、熱の発生源となるステータはその内外周に配置されるインナーロータおよびアウターロータに挟まれる構造になっており、かつ、ステータの軸方向両端部はケースによって包囲されるため、ステータから発生された熱が回転電機の内部にこもり易くなり、冷却効率が良くなかった。
【０００４】
本発明は、ステータから発生された熱を回転電機の外部に効率良く逃がすことができる回転電機の冷却構造を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の第１発明は、周方向に配置した複数のステータピースをステータ支持ボルトおよび樹脂により一体化して成るステータの内周および外周の双方に互いに異極の多極対となるように永久磁石を備えたロータを同軸状に配置し、各ロータを複合電流によってそれぞれ駆動するようにした二重ロータ構造の回転電機の冷却構造であって、隣接するステータピース間にそれぞれ冷却用流路を設けるとともに、該冷却用流路の近傍かつ前記ロータの内の少なくとも極対数が多い方のロータ側のステータピースヨークの先端部から最短距離の位置に、前記ステータ支持ボルトを配置することを特徴とする。
【０００６】
請求項２に記載の第２発明は、前記冷却用流路としてパイプを使用するとともに、該パイプの外部空間を樹脂により充填することを特徴とする。
【０００７】
請求項３に記載の第３発明は、前記パイプは、周方向の一部に肉厚を増加させた部分を有することを特徴とする。
【０００８】
【発明の効果】
第１発明によれば、隣接するステータピース間にそれぞれ設けられた冷却用流路の近傍かつ、互いに異極の多極対となるように永久磁石を備えたロータの内の少なくとも極対数が多い方のロータ側のステータピースヨークの先端部から最短距離の位置に、ステータ支持ボルトが配置されているので、極対数が多い方のロータ側のみにステータ支持ボルトが配置されている場合には、回転電機における最大の熱損失である極対数が多い方のロータ側のステータピースヨークの先端部で発生した鉄損の熱が、前記ステータ支持ボルトによって逃げることにより熱抵抗が軽減され、熱伝導が良好になるので、冷却効率が向上し、また、極対数が多い方および少ない方のロータ側の双方にステータ支持ボルトが配置されている場合には、アウターロータ側のステータピースヨークの先端部で発生した鉄損の熱およびインナーロータ側のステータピースヨークの先端部で発生した鉄損の熱のそれぞれが、当該先端部から最短距離の位置に配置したステータ支持ボルトを介して冷却用流路へ伝導されることになり、前記２個所の先端部から冷却用流路までの間の熱抵抗が軽減されるので、冷却効率がさらに向上する。
【０００９】
第２発明によれば、前記冷却用流路としてパイプを使用し、該パイプの外部空間を樹脂により充填するから、樹脂成型時に挿入する金型を引き抜くことを考慮して金型の抜き勾配を確保する必要が無くなり、冷却用流路およびステータ支持ボルト間の距離ならびに冷却用流路およびコイル間の距離を最短距離とするように樹脂の肉厚を調整することが可能になるので、さらに熱抵抗を低減することができる。
【００１０】
第３発明によれば、前記パイプは、周方向の一部に肉厚を増加させた部分を有しているので、前記極対数が多い方のロータ側のステータピースヨークの先端部で発生した鉄損の熱が前記先端部から最短距離の位置に配置したステータ支持ボルトを介して冷却用流路へ伝導される際に、前記肉厚を増加させた部分を前記ステータ支持ボルトに近接させることにより効率的に熱伝導されることになり、さらに冷却効率が向上する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。
図１は本発明の第１実施形態の冷却構造を適用する回転電機の概略断面図である。本実施形態の回転電機は、図１に示すように、インナーロータシャフト９の中心軸線（モータの中心軸線）Ｃ上に、同軸状に、内側から外側に向かって、インナーロータ７、ステータ１およびアウターロータ８を順次配置した二重ロータ構造の回転電機となっており、アウターロータ８の外周にはアウターロータシェル１０が結合されている。
【００１４】
上記回転電機において、インナーロータ７およびアウターロータ８間に位置するステータ１は、周方向に配置した複数のステータピース２をアウターロータ８寄りの位置でスタータ支持ボルト６によりブラケット５に固定した後に樹脂により一体化して構成されており、ステータ１の内周および外周に配置されるインナーロータ７およびアウターロータ８は、複合電流によってそれぞれ駆動されるように構成されている。なお、上記スタータ支持ボルト６としては、所望の強度を確保するために鉄製のボルトを用いるものとする。
【００１５】
図２は本発明の第１実施形態の回転電機の冷却構造の要部の構成を示す図である。インナーロータ７およびアウターロータ８はそれぞれ、図２に示すように、インナー磁石１１およびアウター磁石１２を備えており、インナー磁石１１およびアウター磁石１２は、軸線方向に磁界が発生するようにステータピース２の外周に巻回されるコイル１３を軸線方向で挟み込むように配置される、互いに異極の多極対の永久磁石より成る。なお、本実施形態においては、アウターロータ８のアウター磁石１２の方が、インナーロータ７のインナー磁石１１よりも極対数が多い構成となっているものとする。
【００１６】
ところで、本実施形態の回転電機の冷却構造は、複数のステータピース２を周方向に配置してスタータ支持ボルト６によりブラケット５に固定したときに形成される隣接ステータピース２間の空間内に、冷媒を流すための冷却用流路１４を設けることにより構成されている。ここで、冷却用流路１４は、上記隣接ステータピース２間の空間内を樹脂１５で充填する際に、断面形状が図２に示す二等辺三角形となる金型（図示せず）を冷却用流路１４を形成すべき位置に挿入し、樹脂１５が固まった後に上記金型を抜くことにより形成されるため、軸線方向に所定の抜き勾配を有している。
【００１７】
なお、上記樹脂１５の充填時には、スタータ支持ボルト６が貫通する空間を確保するために、断面形状が円形となる図示しない金型をスタータ支持ボルト６を通すべき位置に挿入しておくものとする。その際、上記スタータ支持ボルト６を通すべき位置は、冷却用流路１４の近傍かつ極対数が多い方のロータであるアウターロータ８側のステータピースヨークの先端部（図２のＡ部およびＢ部）から最短距離の位置であることが後述するように熱伝導を良好にする上で好ましいので、図２に示すように「Ａ部またはＢ部から最短距離かつ冷却用流路１４の近傍の位置」に設定する。
【００１８】
次に、本実施形態の回転電機の冷却構造における冷却作用について詳細に説明する。
一般的に、回転電機において発生する熱損失としては、以下に説明する２種類の鉄損および、コイルで発生する銅損が挙げられる。鉄損分布を考察した場合、ステータピース２のアウターロータ８側のヨークの先端部（図２のＡ部およびＢ部）およびインナーロータ７側のヨークの先端部で発生する鉄損があるが、極対数が多い方のロータであるアウターロータ８側のステータピースヨークの先端部（図２のＡ部およびＢ部）で発生する鉄損の方が大きくなるため、回転電機における最大の熱損失となることから、この鉄損に対して冷却対策を施すのが最も効果的である。
【００１９】
本実施形態では、隣接ステータピース２間の空間内に冷却用流路１４を設けたため、冷却用流路１４に近接するコイル１３からの熱やステータピース２の中央部からの熱の熱伝導は良好になる。しかし、このままでは、最大の熱損失を発生するステータピース２のアウターロータ８側のヨークの先端部（図２のＡ部およびＢ部）から冷却用流路１４までの距離がレイアウト上遠くなるため、熱伝導が良好にならない。
【００２０】
そこで、本実施形態では、冷却用流路１４の近傍かつアウターロータ８側のステータピースのヨークの先端部から最短距離の位置に、熱伝導率の高い部材であるステータ支持ボルト６を配置するようにしている。なお、本実施形態では熱伝導率の高い部材としてステータ支持ボルト６を使用しているが、これに限定されるものではなく、鉄製、銅製、アルミニウム製等の熱伝導率の高い材質の部材をステータ支持ボルト６に類似の形状にしたものであれば、どのようなものを用いても良い。
【００２１】
これにより、Ａ部、Ｂ部で発生した鉄損の熱は、Ａ部、Ｂ部から最短距離の位置に配置したステータ支持ボルト６が鉄製なので樹脂に比べて熱伝導率が桁違いに大きくなる（したがって熱伝導率が高くなる）ため、図２に多数の矢印で示した熱流速ベクトルの分布状態から明らかなように、該ステータ支持ボルト６を介して効率良く冷却用流路１４へ伝導されることになる。よって、Ａ部、Ｂ部から冷却用流路１４までの間の熱抵抗が軽減されるので、熱伝導が良好になり、冷却効率が向上する。
【００２２】
また、本実施形態では、ステータ支持ボルト６をブラケット５に締結固定しているので、ボルト単体で配置した場合よりも熱容量特性が向上することになる。これにより、コイル１３部の瞬時銅損やステータピースヨークの先端部（図２のＡ部およびＢ部）の瞬時鉄損の大きさは回転電機の回転数と同期するので、ステータ支持ボルト６の熱時定数よりも小さくなる。よって、短時間の温度サイクルにおける最大値Tmaxおよび最小値Tmin間の変化が緩和されることになり、樹脂１５自体の温度劣化を防止することができる。
【００２３】
図３は本発明の第２〜第４実施形態の冷却構造を適用する回転電機の概略断面図であり、図４は本発明の第２実施形態の回転電機の冷却構造の要部の構成を示す図である。第２〜第４実施形態の回転電機は、図１に示す第１実施形態の回転電機に対し、隣接ステータピース２間の空間内に設けるスタータ支持ボルト６を１本から２本に増加させる変更を加えたものである。
【００２４】
すなわち、この第２実施形態の回転電機は、図３に示すように、軸線Ｃ方向において互いに逆方向からスタータ支持ボルト６を挿入するように構成されている。これらスタータ支持ボルト６の内、アウターロータ８側のスタータ支持ボルト６は上記第１実施形態と同一の位置に配置するものとするが、インナーロータ７側のスタータ支持ボルト６は、「インナーロータ７側のステータピースヨークの先端部（図４のＣ部およびＤ部）から最短距離かつ冷却用流路１４の近傍の位置」に配置するものとする。
【００２５】
第２実施形態によれば、図４に多数の矢印で示した熱流速ベクトルの分布状態から明らかなように、Ａ部、Ｂ部で発生した鉄損の熱は、Ａ部、Ｂ部から最短距離の位置に配置した熱伝導率の高い部材であるステータ支持ボルト６を介して効率良く冷却用流路１４へ伝導され、さらに、Ｃ部、Ｄ部で発生した鉄損の熱は、Ｃ部、Ｄ部から最短距離の位置に配置した熱伝導率の高い部材であるステータ支持ボルト６を介して冷却用流路１４へ効率良く伝導されるので、Ａ部、Ｂ部から冷却用流路１４までの間の熱抵抗およびＣ部、Ｄ部から冷却用流路１４までの間の熱抵抗のそれぞれが軽減されるので、熱伝導がさらに良好になり、冷却効率がさらに向上する。
【００２６】
図５は本発明の第３実施形態の回転電機の冷却構造の要部の構成を示す図である。この第３実施形態の回転電機の冷却構造は、上記第２実施形態の回転電機の冷却構造に対し、冷却用流路を構成する部材を変更したものである。
【００２７】
すなわち、この第３実施形態の回転電機は、隣接するステータピース２間にそれぞれ冷却用流路１７を設けるために、断面形状が図５に示す中空二等辺三角形となる所定肉厚のパイプ（例えば金属製のパイプ）１６を使用している。なお、パイプ１６の外部空間（パイプ１６と、ステータピース２、コイル１３およびステータ支持ボルト６との間の空間）を、上記第１、第２実施形態と同様に樹脂１５で充填するものとする。
【００２８】
第３実施形態によれば、冷却用流路１７を設けるためにパイプ１６を使用するから、上記第１、第２実施形態のように樹脂成型時に挿入する金型の抜き勾配を確保する必要が無くなり、冷却用流路１７およびステータ支持ボルト６間の距離ならびに冷却用流路１７およびコイル１３間の距離が最短距離となるように樹脂１５の肉厚を調整することにより、熱抵抗をさらに低減することができる。
【００２９】
なお、上記においては、パイプ１６を使用して冷却用流路１７を設ける構成を上記第２実施形態の回転電機の冷却構造に適用したが、パイプ１６を使用して冷却用流路１７を設ける構成を上記第１実施形態の回転電機の冷却構造に適用してもよい。
【００３０】
図６（ａ）は本発明の第４実施形態の回転電機の冷却構造の要部の構成を示す図であり、図６（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ、第４実施形態において冷却用流路を形成するためのパイプの断面図および側面図である。この第４実施形態の回転電機の冷却構造は、上記第３実施形態の回転電機の冷却構造に対し、冷却用流路を構成するパイプの形状を変更したものである。
【００３１】
すなわち、この第４実施形態の回転電機に使用するパイプ１８は、上記第３実施形態の回転電機に使用するパイプ１６とほぼ同一の形状のパイプ（例えば金属製のパイプ）であり、ほぼ同一断面積の冷却用流路１７が形成されているが、上記第３実施形態のパイプ１６のように全周に亘って同一肉厚になっておらず、図６（ｂ）、（ｃ）に示すように、周方向の一部（アウターロータ８側のステータ支持ボルト６に面した部分）に、肉厚を増加させるためのフィン１９が多数形成されており、これらのフィン１９は、例えば図６（ｃ）に示すように、ほぼ等間隔に配置するものとする。なお、これらフィン１９は、図６（ａ）に示すように、ステータ支持ボルト６に近接配置するものとする。
【００３２】
第４実施形態によれば、冷却用流路１７を設けるために多数のフィン１９を有する金属製のパイプ１８を使用するから、極対数が多い方のロータであるアウターロータ８側のステータピースヨークの先端部で発生した鉄損の熱が前記先端部から最短距離の位置に配置したステータ支持ボルト６を介して冷却用流路１７へ伝導される際に、上記鉄損の熱はステータ支持ボルト６から金属製のパイプ１８の多数のフィン１９を経て冷却用流路１７へ効率的に熱伝導されることになり、さらに冷却効率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１実施形態の冷却構造を適用する回転電機の概略断面図である。
【図２】  本発明の第１実施形態の回転電機の冷却構造の要部の構成を示す図である。
【図３】  本発明の第２〜第４実施形態の冷却構造を適用する回転電機の概略断面図である。
【図４】  本発明の第２実施形態の回転電機の冷却構造の要部の構成を示す図である。
【図５】  本発明の第３実施形態の回転電機の冷却構造の要部の構成を示す図である。
【図６】  （ａ）は本発明の第４実施形態の回転電機の冷却構造の要部の構成を示す図であり、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ、第４実施形態において冷却用流路を形成するためのパイプの断面図および側面図である。
【符号の説明】
１  ステータ
２  ステータピース
５  ブラケット
６  ステータ支持ボルト
７  インナーロータ
８  アウターロータ
９  インナーロータシャフト
１０  アウターロータシェル
１１  インナー磁石
１２  アウター磁石
１３  コイル
１４，１７  冷却用流路
１５  樹脂
１６，１８  パイプ
１９  フィン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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