(57)【要約】【課題】ロータの冷却性能に優れたモータを実現する。【解決手段】本発明の一形態に係るモータ１は、円筒形状のロータ３と、ロータ３の外周面を囲むように配置されたステータ４と、を備え、ステータ４が、ロータ３の回転軸を中心とした放射状に配置された複数のティース４ｅを有するステータコア４ａと、隣接するティース４ｅの間に挿入されたステータコイル４ｂと、を有するモータであって、ティース４ｅの内部に、ロータ３の外周面に冷却液を供給するための流路が形成されていると共に、ロータ３の外周面と対向するティース４ｅの先端面に、ティース４ｅの先端面とロータ３の外周面との間隔がロータ３の回転方向に向かって狭くなるように突起部４ｐが設けられている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒形状のロータと、
前記ロータの外周面を囲むように配置されたステータと、を備え、
前記ステータが、
前記ロータの回転軸を中心とした放射状に配置された複数のティースを有するステータコアと、
隣接する前記ティースの間に挿入されたステータコイルと、
を有するモータであって、
前記ティースの内部に、前記ロータの外周面に冷却液を供給するための流路が形成されていると共に、
前記ロータの外周面と対向する前記ティースの先端面に、当該ティースの先端面と前記ロータの外周面との間隔が前記ロータの回転方向に向かって狭くなるように突起部が設けられている、モータ。
【請求項２】
前記突起部は、非磁性材料で形成されている、請求項１に記載のモータ。
【請求項３】
前記突起部は、前記ロータの回転方向に向かうに従って前記ロータの外周面に近づくように傾斜する傾斜部を備える、請求項１又は２に記載のモータ。
【請求項４】
前記モータは、燃料電池用コンプレッサのモータである、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のモータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、モータの高回転化が要求されているが、モータの高回転化に伴い渦電流が発生して当該モータが発熱するため、一般的にモータを冷却機構によって冷却している。
【０００３】
例えば、特許文献１のモータは、ステータのスロットに挿入されたコイルを固定するための樹脂モールドにロータの軸方向に延在する溝を形成し、当該溝にオイルを流すことでステータを冷却する構成とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−２３３８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
モータは、ステータだけでなく、ロータも発熱する場合がある。しかしながら、特許文献１のモータは、ステータを冷却することはできるが、ロータにオイルを良好にかけることができず、ロータを十分に冷却できない可能性がある。
【０００６】
仮に、ロータにオイルを供給することができる構成としても、ロータとステータとの間の空気の流れは、ロータの回転によって当該ロータの周方向に沿ったものとなるので、当該空気の流れによってオイルが飛散してロータにオイルを良好にかけることができず、やはり、ロータを十分に冷却できない可能性がある。
【０００７】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、ロータの冷却性能に優れたモータを実現する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様に係るモータは、
円筒形状のロータと、
前記ロータの外周面を囲むように配置されたステータと、を備え、
前記ステータが、
前記ロータの回転軸を中心とした放射状に配置された複数のティースを有するステータコアと、
隣接する前記ティースの間に挿入されたステータコイルと、
を有するモータであって、
前記ティースの内部に、前記ロータの外周面に冷却液を供給するための流路が形成されていると共に、
前記ロータの外周面と対向する前記ティースの先端面に、当該ティースの先端面と前記ロータの外周面との間隔が前記ロータの回転方向に向かって狭くなるように突起部が設けられている。
このような構成により、ロータとステータとの間の空気の流れに当該ロータの径方向成分が生成され、ロータとの間に供給される冷却液をロータに良好にかけることができる。そのため、ロータの冷却性能に優れている。
【０００９】
上述のモータにおいて、前記突起部は、非磁性材料で形成されていることが好ましい。
このような構成により、ステータの磁気特性が変化せず、モータ特性に悪影響を及ぼすことがない。
【００１０】
上述のモータにおいて、前記突起部は、前記ロータの回転方向に向かうに従って前記ロータの外周面に近づくように傾斜する傾斜部を備えることが好ましい。
このような構成により、ロータとステータとの間の空気の流れに当該ロータの径方向成分を良好に生成しつつ、ロータが回転する際の空気抵抗を抑制することができる。
【００１１】
上述のモータにおいて、前記モータは、燃料電池用コンプレッサのモータであることが好ましい。
燃料電池用コンプレッサのモータの回転数は高回転であるため、渦電流が発生して発熱し易く、上述のモータは好適である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、ロータの冷却性能に優れたモータを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施の形態のモータを模式的に示す断面図である。
【図２】実施の形態のモータにおけるロータ、及びステータコイルが装着された状態のステータを模式的に示す斜視図である。
【図３】実施の形態のモータにおけるロータ、及びステータコイルが省略された状態のステータを模式的に示す斜視図である。
【図４】実施の形態のモータにおけるステータのステータコアを模式的に示す平面図である。
【図５】実施の形態のモータにおけるステータの第１の鋼板を模式的に示す図である。
【図６】実施の形態のモータにおけるステータの第２の鋼板を模式的に示す図である。
【図７】実施の形態のモータにおけるステータのロータと向かい合う部分を拡大して示す図である。
【図８】突起部における傾斜部の好ましい傾きを説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。但し、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。
【００１５】
図１は、本実施の形態のモータを模式的に示す断面図である。図２は、本実施の形態のモータにおけるロータ、及びステータコイルが装着された状態のステータを模式的に示す斜視図である。図３は、本実施の形態のモータにおけるロータ、及びステータコイルが省略された状態のステータを模式的に示す斜視図である。
【００１６】
なお、図２では、ステータのステータコイルを簡略化して示している。また、図２及び図３では、ステータの積層鋼板を簡略化して示している。ここで、以下の説明では、説明を明確にするために、図１に示すようにモータの上下方向及び左右方向を規定する。なお、通常のモータの使用形態では、モータの上下方向が鉛直方向と一致し、モータの左右方向が水平方向と一致するが、これらの方向はモータの使用形態によって、適宜、変更される。
【００１７】
本実施の形態のモータ１は、ＦＣ（燃料電池）用コンプレッサのモータとして好適であり、図１に示すように、筐体２、ロータ３、ステータ４及び冷却機構５を備えている。但し、本実施の形態のモータ１は、ＦＣ用コンプレッサのモータとして構成しているが、他のモータであっても同様に実施することができる。
【００１８】
筐体２は、ロータ３及びステータ４を収容する第１の収容部２ａ、空気の吸気口２ｂ、吸気口２ｂから供給された空気を排出する排気口２ｃ、及び吸気口２ｂと排気口２ｃとを連通する第１の流路２ｄを備えている。
【００１９】
図１乃至図３に示すように、ロータ３は、円筒形状を基本形態としており、磁石３ａ、筒体３ｂ及びエンドプレート３ｃを備えている。磁石３ａは、ロータ３の左右方向に貫通部が延在する円筒形状に形成されている。筒体３ｂは、ロータ３の左右方向に貫通部が延在する円筒形状に形成されており、磁石３ａに圧縮応力が付与されるように、筒体３ｂの貫通部に磁石３ａが圧入されている。エンドプレート３ｃは、磁石３ａの貫通部と略等しい内径を有する貫通部を有し、磁石３ａを当該磁石３ａの左右方向から挟み込むように筒体３ｂの貫通部に嵌め込まれている。
【００２０】
図１に示すように、このようなロータ３の磁石３ａ及びエンドプレート３ｃの貫通部には、モータ１の左右方向に延在する回転軸６が圧入されている。そして、ロータ３は、筐体２の第１の収容部２ａに収容された状態で、回転軸６を介して筐体２に回転可能に支持されている。
【００２１】
本実施の形態では、モータ１の左右方向からロータ３を挟み込むように回転軸６にスペーサ７、ベアリング８及びシール材９が設けられており、ベアリング８及びシール材９を介して回転軸６が筐体２に回転可能に支持されている。これにより、ロータ３が回転軸６を介して筐体２に回転可能に支持されることになる。
【００２２】
回転軸６の右側部分には、ロータ３の回転角度を検出するためのレゾルバ１０が設けられている。そして、回転軸６の右端部にねじ込まれたナット１１の軸力で、ロータ３、左右のスペーサ７、左右のベアリング８、シール材９、レゾルバ１０を当該回転軸６に形成されたフランジ部６ａとの間で締結してロータ３と回転軸６を回転可能に支持している。ちなみに、本実施の形態では、筐体２に形成された第２の収容部２ｅにレゾルバ１０が収容されているが、レゾルバ１０の配置は限定されない。
【００２３】
回転軸６の左側部分（回転軸６のフランジ部６ａより左側の部分）は、筐体２の第１の流路２ｄに突出している。そして、回転軸６の左側部分には、筐体２の第１の流路２ｄ内に配置されたタービン１２が通されており、タービン１２を回転軸６のフランジ部６ａとの間で固定するように当該回転軸６の左端部にナット１３がねじ込まれている。そのため、回転軸６が回転すると、筐体２の吸気口２ｂから吸い込まれた空気は、タービン１２で圧縮されて筐体２の排気口２ｃから排気され、例えば、ＦＣスタックに供給される。
【００２４】
図２及び図３に示すように、ステータ４は、ロータ３を囲むように配置されており、筐体２の第１の収容部２ａに収容された状態で当該筐体２に固定されている。
【００２５】
図２に示すように、ステータ４は、ステータコア４ａ及びステータコイル４ｂを備えている。図１及び図３に示すように、ステータコア４ａは、複数枚の鋼板４ｃを積層して成り、挿入部４ｄ、ティース４ｅ及びスロット４ｆを備えている。なお、鋼板４ｃの詳細な形状については後述する。
【００２６】
図３に示すように、挿入部４ｄは、ステータ４の略中央を左右方向に貫通するように形成されており、当該挿入部４ｄにロータ３が挿入されている。ティース４ｅは、ロータ３の回転軸ＡＸ１（図１）を中心とした放射状に配置されており、隣接するティース４ｅの間にスロット４ｆが形成されている。そして、所定のティース４ｅにステータコイル４ｂが捲回されるように、スロット４ｆにステータコイル４ｂが挿入されており、ステータコイル４ｂが樹脂モールドされている。但し、ステータコイル４ｂは、樹脂モールドされていなくてもよい。また、ステータコイル４ｂは、捲回されていなくてもよく、ステータコア４ａに装着されていればよい。
【００２７】
冷却機構５は、ロータ３及びステータ４を冷却する。図１に示すように、本実施の形態の冷却機構５は、ポンプ５ａ及び冷却器５ｂを備えている。ポンプ５ａは、筐体２における第１の収容部２ａの下方に形成された受け部２ｆに溜まった冷却液を冷却器５ｂに送り出す。
【００２８】
ちなみに、冷却液は、一般的にベアリング８を潤滑するために用いられているＡＴＦ（Automatic transmission fluid）などのオイルが好適である。
【００２９】
冷却器５ｂは、ポンプ５ａから送り出された冷却液を冷却して筐体２に形成された第２の流路２ｇに供給する。第２の流路２ｇには、ベアリング８に冷却液を導く第３の流路２ｈ、ステータ４のステータコア４ａに冷却液を導く第４の流路２ｉ、及びステータ４のステータコイル４ｂに冷却液を導く第５の流路２ｊが接続されている。
【００３０】
これにより、第２の流路２ｇに供給された冷却液は、第３の流路２ｈを介してベアリング８に供給（例えば、滴下）される。また、第２の流路２ｇに供給された冷却液は、第４の流路２ｉを介してステータ４のステータコア４ａに供給（例えば、滴下）される。さらに、第２の流路２ｇに供給された冷却液は、第５の流路２ｊを介してステータ４のステータコイル４ｂに供給（例えば、滴下）される。
【００３１】
その結果、ベアリング８、ステータ４のステータコア４ａ及びステータコイル４ｂを冷却することができる。ちなみに、供給された冷却液は、筐体２の受け部２ｆに集められ、再び、ポンプ５ａで冷却器５ｂに送り出される。
【００３２】
ここで、本実施の形態のモータ１は、ステータ４だけでなく、ロータ３の冷却性能に優れた構成とされており、ステータ４を介してロータ３に冷却液を供給できる構成とされている。図４は、本実施の形態のモータにおけるステータのステータコアを模式的に示す平面図である。図５は、本実施の形態のモータにおけるステータの第１の鋼板を模式的に示す図である。図６は、本実施の形態のモータにおけるステータの第２の鋼板を模式的に示す図である。図７は、本実施の形態のモータにおけるステータのロータと向かい合う部分を拡大して示す図である。図８は、突起部における傾斜部の好ましい傾きを説明するための図である。
【００３３】
図４に示すように、本実施の形態のステータ４のステータコア４ａは、筐体２の第４の流路２ｉの直下部分にステータ４の上下方向に貫通する貫通部４ｇを備えている。貫通部４ｇは、例えば、ステータ４の左右方向及び前後方向の略中央に配置されている。このような貫通部４ｇを形成するために、本実施の形態では、ステータコア４ａの鋼板４ｃとして、第１の鋼板４ｈ及び第２の鋼板４ｉを組み合わせて用いている。但し、さらに他の鋼板を組み合わせてステータコア４ａを構成してもよい。また、貫通孔４ｇの配置は、ステータコア４ａの内部であればよい。
【００３４】
第１の鋼板４ｈは、磁性鋼板から成り、例えば、図５に示すように、環状部４ｊ、放射状部４ｋ及び固定部４ｌを備えている。環状部４ｊは、例えば、ステータ４の左右方向から見て略円環状に形成されている。
【００３５】
放射状部４ｋは、ステータ４のティース４ｅを成し、例えば、ステータ４の左右方向から見て環状部４ｊの中心から外方に向かうに従って幅が広くなり、放射状部４ｋの先端部は、ロータ３の外周面と当該ロータ３の径方向に間隔を開けて配置され、放射状部４ｋの根元部は、環状部４ｊの内周面に接続されている。そして、隣接する放射状部４ｋの間にスロット４ｆを形成するための第１の切り欠き部４ｍが形成されている。
【００３６】
固定部４ｌは、環状部４ｊの外周面から当該環状部４ｊの中心に対して外方に向かって突出しており、筐体２に固定される。固定部４ｌは、例えば、ステータ４を筐体２に固定するためのボルト（図示を省略）が通される貫通部４ｎを備えている。
【００３７】
図６に示すように、第２の鋼板４ｉは、第１の鋼板４ｈと略等しい構成とされているため、重複する説明は省略するが、貫通部４ｇを形成するための第２の切り欠き部４ｏを備えている。第２の切り欠き部４ｏは、環状部４ｊ及び放射状部４ｋを貫通するように形成されており、一方の端部が放射状部４ｋの先端部に到達し、他方の端部が環状部４ｊの外周面に到達している。そして、第２の切り欠き部４ｏは、例えば、ステータ４の上下方向に延在している。但し、第２の切り欠き部４ｏは、湾曲していたり、ジグザグ状であったり、幅の異なる部分を有していたり、してもよい。
【００３８】
このような第２の鋼板４ｉを積層してステータコア４ａにおける貫通部４ｇが形成される部分を形成し、第１の鋼板４ｈを積層してステータコア４ａの他の部分を形成すると、図４に示すような貫通部４ｇを有するステータコア４ａを形成することができる。このようなステータコア４ａの構成により、筐体２の第４の流路２ｉから供給された冷却液の一部は、ステータコア４ａの貫通部４ｇに向かって落下し、貫通部４ｇを通ってロータ３に供給される。
【００３９】
ちなみに、図示を省略するが、積層された第１の鋼板４ｈ及び第２の鋼板４ｉの固定部４ｌの貫通部４ｎ及び筐体２に形成された固定治具にボルトを通してナットをねじ込むことで、ステータ４を筐体２に固定することができる。但し、ステータ４の筐体２への固定手段は、上述の限りでなく、ステータ４を筐体２に固定できればよい。
【００４０】
ここで、ロータ３は回転しているので、ロータ３とステータ４との間の空気の流れは、ロータ３の周方向に沿ったものとなる。そのため、ステータ４の貫通部４ｇを通ってロータ３に供給される冷却液は、空気の流れに乗って飛散してしまい、ロータ３に良好に供給されない可能性がある。そこで、本実施の形態の第１の鋼板４ｈ及び第２の鋼板４ｉ、しいてはステータ４は、ロータ３とステータ４との間の空気の流れの径方向成分（回転軸ＡＸ１方向への成分）を生成できる構成とされている。
【００４１】
詳細には、図７に示すように、第１の鋼板４ｈ及び第２の鋼板４ｉにおける放射状部４ｋの先端部（即ち、ステータコア４ａにおけるティース４ｅの先端面）には、放射状部４ｋの先端部とロータ３の外周面との間隔が当該ロータ３の回転方向Ｒに向かって狭くなるように突起部４ｐが設けられている。このような突起部４ｐは、ステータ４の左右方向の全域又は一部に配置されている。
【００４２】
これにより、ロータ３とステータ４との間の空気の流れに当該ロータ３の径方向成分が生成され、ステータコア４ａの貫通部４ｇを通ってロータ３に供給される冷却液をロータ３に良好にかけることができる。そのため、本実施の形態のモータ１は、ロータ３の冷却性能に優れた構成にすることができる。しかも、ロータ３とステータ４との空気の流れの当該ロータ３の周方向成分で冷却液がステータコア４ａの挿入部４ｄにかかり、ステータ４も良好に冷却することができる。
【００４３】
図７に示すように、突起部４ｐは、例えば、ロータ３の回転方向Ｒに向かうに従って当該ロータ３の外周面に近づくように傾斜する傾斜部４ｑを備えているとよい。これにより、ロータ３とステータ４との間の空気の流れに当該ロータ３の径方向成分を良好に生成しつつ、ロータ３が回転する際の空気抵抗を抑制することができる。そのため、ロータ３の出力低下を抑制することができる。
【００４４】
ここで、突起部４ｐの傾斜部４ｑの好ましい傾きを考察する。例えば、図８に示すように、ロータ３の半径をｒとし、ロータ３の回転軸ＡＸ１からステータコア４ａのティース４ｅの先端面における突起部４ｐが設けられていない部分までの距離をｒ＋ｃとし、傾斜部４ｑはティース４ｅの先端面と当該ティース４ｅの中心線Ｌ１との交点からロータ３の回転方向Ｒに向かうに従って当該ロータ３の外周面に近づくように傾斜しているとする。なお、座標系は、図８に示すようにロータ３の回転軸ＡＸ１を原点とするｘｙ座標を用いる。
【００４５】
ロータ３の外周の方程式は以下の＜式１＞となる。
＜式１＞  ｘ２＋ｙ２＝ｒ２
【００４６】
傾斜部４ｑ上で延在する直線Ｌ２の方程式は以下の＜式２＞となる。
＜式２＞  ｙ＝ａｘ＋ｒ＋ｃ
【００４７】
ロータ３の外周と直線Ｌ２との交点は以下の＜式３＞で表すことができる。
＜式３＞  ｘ２＋（ａｘ＋ｒ＋ｃ）２＝ｒ２
【００４８】
上述の交点で直線Ｌ２がロータ３に接するには、＜式３＞のｘに関する２次方程式の解の判別式が以下の＜式４＞を満たす必要がある。
＜式４＞  ｛ａ（ｒ＋ｃ）｝２−（ａ２＋１）｛（ｒ＋ｃ）２−ｒ２｝＝０
【００４９】
＜式４＞から傾きａを求め、ａ＝ｔａｎθを求めると、直線Ｌ２がロータ３の外周に接する際の当該直線Ｌ２の傾き角度θが求まる。
【００５０】
ロータ３に積極的に冷却液をかけたいので、＜式４＞から求めた直線Ｌ２の傾き角度θよりも大きい値が好ましい。例えば、ｒ＝２９ｍｍ、ｃ＝２ｍｍとすると、直線Ｌ２の傾き角度θ≒２８．５ｄｅｇであり、このような値より大きな値であればロータ３に冷却液がかかりやすくなる。但し、直線Ｌ２の傾き角度θを大きくし過ぎると、ロータ３が回転する際の空気抵抗が大きくなることが予想されるため、直線Ｌ２、即ち、傾斜部４ｑの傾き角度θは約３０ｄｅｇ以上４５ｄｅｇ以下であることが好ましい。
【００５１】
なお、突起部４ｐは、突起部４ｐにおけるロータ３側の先端部の微分係数が当該突起部４ｐの先端部を通るロータ３への接線の傾きより大きく、且つロータ３が回転する際の空気抵抗を抑制することができる形状であればよい。そのため、突起部４ｐにおけるロータ３と対向する面は、湾曲形状や階段形状でもよい。また、突起部４ｐは、ステータコア４ａのティース４ｅの先端面の全域に形成されていてもよく、一部に形成されていてもよい。
【００５２】
ここで、突起部４ｐは、非磁性材料で形成するとよい。例えば、オーステナイトなどの非磁性材料で突起部４ｐを形成し、当該突起部４ｐを第１の鋼板４ｈ又は第２の鋼板４ｉの放射状部４ｋの先端面に設けるとよい。これにより、ステータ４の磁気特性が変化せず、モータ特性に悪影響を及ぼすことがない。
【００５３】
このように本実施の形態のモータ１は、ステータコア４ａのティース４ｅの先端面に、ティース４ｅの先端面とロータ３の外周面との間隔が当該ロータ３の回転方向に向かって狭くなるように突起部４ｐが設けられた構成である。これにより、ロータ３とステータ４との間の空気の流れに当該ロータ３の径方向成分が生成され、ステータコア４ａの貫通部４ｇを通ってロータ３に供給される冷却液をロータ３に良好にかけることができる。そのため、本実施の形態のモータ１は、ロータ３の冷却性能に優れた構成にすることができる。特に、ＦＣ用コンプレッサのモータの回転数は例えば４万回転に達するために、渦電流が発生して発熱し易く、本実施の形態のモータ１は好適である。
【００５４】
本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
【００５５】
例えば、冷却液をステータ４の貫通部４ｇに落下させることが難しい形態でモータ１が配置されている場合、筐体２の第４の流路２ｉとステータ４の貫通部４ｇとを接続管で接続すればよい。つまり、モータ１は、図１の形態に限らず、例えば、図１の左右方向が鉛直方向に一致する形態で用いることもできる。
【００５６】
例えば、本実施の形態のモータ１は、ステータ４のステータコイル４ｂ及びベアリング８を冷却可能な構成としているが、これらの冷却系統は省略されてもよい。
【符号の説明】
【００５７】
１  モータ
２  筐体ｍ２ａ  第１の収容部、２ｂ  吸気口、２ｃ  排気口、２ｄ  第１の流路、２ｅ  第２の収容部、２ｆ  受け部、２ｇ  第２の流路、２ｈ  第３の流路、２ｉ  第４の流路、２ｊ  第５の流路
３  ロータ、３ａ  磁石、３ｂ  筒体、３ｃ  エンドプレート
４  ステータ
４ａ  ステータコア
４ｂ  ステータコイル
４ｃ  鋼板、４ｄ  挿入部、４ｅ  ティース、４ｆ  スロット、４ｇ  貫通部
４ｈ  第１の鋼板
４ｉ  第２の鋼板
４ｊ  環状部
４ｋ  放射状部
４ｌ  固定部
４ｍ  第１の切り欠き部
４ｎ  貫通部
４ｏ  第２の切り欠き部
４ｐ  突起部
４ｑ  傾斜部
５  冷却機構、５ａ  ポンプ、５ｂ  冷却器
６  回転軸、６ａ  フランジ部
７  スペーサ
８  ベアリング
９  シール材
１０  レゾルバ
１１、１３  ナット
１２  タービン
【図１】
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【図２】
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【図３】
2018029410.tif 000005
【図４】
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【図５】
2018029410.tif 000007
【図６】
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【図７】
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【図８】
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