(57)【要約】【課題】ステータの放熱が促進される回転電機の冷却構造、を提供する。【解決手段】回転電機であるモータジェネレータの冷却構造は、モータケース２１と、ボルト挿入孔５７が形成され、モータケース２１に収容されるステータ５０と、ボルト挿入孔５７に挿入され、ステータ５０をモータケース２１に締結するボルト５６とを備える。ボルト５６は、熱媒体が封入された中空部５８を有し、ヒートパイプとして機能する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケース体と、
貫通孔が形成され、前記ケース体に収容されるステータと、
前記貫通孔に挿入され、前記ステータを前記ケース体に締結するボルトとを備え、
前記ボルトは、熱媒体が封入された中空部を有し、ヒートパイプとして機能する、回転電機の冷却構造。
【請求項２】
前記ボルトは、前記ケース体に締結される締結部を含み、
前記中空部は、前記貫通孔の貫通方向に延び、前記締結部の内側にまで延びる、請求項１に記載の回転電機の冷却構造。
【請求項３】
前記ステータは、前記貫通孔の貫通方向に積層された複数の電磁鋼板を含む、請求項１または２に記載の回転電機の冷却構造。
【請求項４】
前記ケース体は、前記ステータの外周上に配置される側部と、前記ステータの軸方向において前記側部の一端に配置される底部とを含み、
前記ステータと前記側部との間に隙間が形成され、
前記底部に前記ステータが締結される、請求項１から３のいずれか１項に記載の回転電機の冷却構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、一般的には、回転電機の冷却構造に関し、より特定的には、ステータがケース体にボルト締結される回転電機の冷却構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の回転電機の冷却構造に関して、たとえば、特開２００２−３１５２３５号公報には、分割鉄心を用いた固定子の組み立てを容易にすることを目的としたモータが開示されている（特許文献１）。特許文献１に開示されたモータは、巻線が巻回された複数の分割型鉄心を環状に配置して回転磁界を発生する固定子と、固定子を固定するハウジングとを備える。固定子は、その一端面側をハウジングに嵌入し、鉄心を貫通するスルーボルトで他端面側からハウジングに取り付けられる。
【０００３】
また、特開２００３−２０４６５６号公報には、長時間の高温環境の中でも安定した冷却性を維持することを目的とした自動車用交流発電機が開示されている（特許文献２）。特許文献２では、発電電圧を制御する制御部が、締結部材によってリヤブラケットに固定されている。制御部の熱は、締結部材を介してリヤブラケットに伝達される。
【特許文献１】特開２００２−３１５２３５号公報
【特許文献２】特開２００３−２０４６５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
モータ等の回転電機では、コイルやコイルが巻回されるステータコアの発熱を避けることができない。このため、この熱をいかに効率良くステータから放熱させるかが問題となる。しかしながら、上述の特許文献に開示されたモータや自動車用交流発電機では、ステータからの放熱に関して改善の余地がある。
【０００５】
そこでこの発明の目的は、上記の課題を解決することであり、ステータの放熱が促進される回転電機の冷却構造を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に従った回転電機の冷却構造は、ケース体と、貫通孔が形成され、ケース体に収容されるステータと、貫通孔に挿入され、ステータをケース体に締結するボルトとを備える。ボルトは、熱媒体が封入された中空部を有し、ヒートパイプとして機能する。
【０００７】
このように構成された回転電機の冷却構造によれば、ボルトをヒートパイプとして機能させることにより、ステータで発生した熱を、中空部に封入された熱媒体を介在させてケース体に伝える。これにより、ステータからケース体への放熱を促進させることができる。
【０００８】
また好ましくは、ボルトは、ケース体に締結される締結部を含む。中空部は、貫通孔の貫通方向に延び、締結部の内側にまで延びる。このように構成された回転電機の冷却構造によれば、熱媒体の熱を効率良くケース体に伝えることができる。
【０００９】
また好ましくは、ステータは、貫通孔の貫通方向に積層された複数の電磁鋼板を含む。このように構成された回転電機の冷却構造によれば、複数の電磁鋼板間に介在する微小な空気層等に起因して、ステータ内の熱伝導が電磁鋼板の積層方向において阻害される。これに対して、ボルトをヒートパイプとして機能させることにより、電磁鋼板の積層方向におけるステータ内の熱伝導を促進させることができる。
【００１０】
また好ましくは、ケース体は、ステータの外周上に配置される側部と、ステータの軸方向において側部の一端に配置される底部とを含む。ステータと側部との間に隙間が形成される。底部にステータが締結される。このように構成された回転電機の冷却構造によれば、ステータと側部との間に隙間が形成されるため、ステータからケース体への放熱を効率良く行なうことが難しい。これに対して、ボルトをヒートパイプとして機能させることにより、ステータからステータが締結される底部への放熱を促進させることができる。
【発明の効果】
【００１１】
以上説明したように、この発明に従えば、ステータの放熱が促進される回転電機の冷却構造を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下で参照する図面では、同一またはそれに相当する部材には、同じ番号が付されている。
【００１３】
図１は、この発明の実施の形態におけるモータジェネレータの冷却構造が適用された駆動ユニットを模式的に表わす断面図である。図中に示す駆動ユニットは、ガソリンエンジンやディーゼルエンジン等の内燃機関と、充放電可能な２次電池（バッテリ）とを動力源とするハイブリッド車両に搭載されている。
【００１４】
図１を参照して、駆動ユニットは、モータジェネレータ１１を含む。モータジェネレータ１１は、電動機もしくは発電機としての機能を有する回転電機である。モータジェネレータ１１は、ロータ３０と、ステータ５０と、モータケース２１とを含む。ロータ３０の外周上にステータ５０が配置されている。中心軸１０１は、水平方向に延びる。ロータ３０およびステータ５０は、モータケース２１に収容されている。ステータ５０は、モータケース２１に固定されている。
【００１５】
ロータ３０は、仮想軸である中心軸１０１の軸方向に円筒状に延びる形状を有する。ロータ３０は、複数の電磁鋼板３２を含む。複数の電磁鋼板３２は、中心軸１０１の軸方向に積層されている。ロータ３０は、中心軸１０１の軸方向に延びるシャフト４３に固定されている。シャフト４３は、図示しない軸受けを介してモータケース２１に対して回転自在に支持されている。モータケース２１には、孔２４が形成されている。孔２４には、シャフト４３が挿通されている。シャフト４３は、複数の歯車を含んで構成された減速機構１４に接続されている。ロータ３０には、永久磁石３１が埋設されている。ロータ３０は、シャフト４３とともに中心軸１０１を中心に回転する。
【００１６】
ロータ３０は、ＩＰＭ（Interior Permanent Magnet）ロータである。ロータ３０は、これに限らず、ロータ表面に磁石が貼り付けられるＳＰＭ（surface permanent magnet）ロータであってもよい。
【００１７】
ステータ５０は、中心軸１０１の軸方向に円筒状に延びる形状を有する。ステータ５０は、複数の電磁鋼板５２を含む。複数の電磁鋼板５２は、中心軸１０１の軸方向に積層されている。電磁鋼板５２は、薄板形状を有する。電磁鋼板５２は、一方の周縁を把持した場合に他方の周縁が鉛直下方向に垂れる程度の薄板形状を有する。電磁鋼板５２は、たとえば１ｍｍ以下の厚みを有する。積層された複数の電磁鋼板５２は、たとえば溶接やかしめ等の手段により互いに結合されている。
【００１８】
ステータ５０は、中心軸１０１が延びる方向の一方端に端面５０ａを含み、他方端に端面５０ｂを含む。端面５０ａおよび端面５０ｂは、中心軸１０１に直交する平面内で延在する。
【００１９】
ステータ５０には、コイル５１が巻回されている。コイル５１は、たとえば絶縁被膜された銅線から形成されている。コイル５１は、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相コイルを含む。これら各相コイルに対応する端子が、端子台１７に接続されている。端子台１７は、インバータ１８を介してバッテリ１９に電気的に接続されている。インバータ１８は、バッテリ１９からの直流電流をモータ駆動用の交流電流に変換するとともに、回生ブレーキにより発電された交流電流を、バッテリ１９に充電するための直流電流に変換する。
【００２０】
モータジェネレータ１１から出力された動力は、減速機構１４からディファレンシャル機構１５を介してドライブシャフト受け部１６に伝達される。ドライブシャフト受け部１６に伝達された動力は、ドライブシャフトを介して図示しない車輪に回転力として伝達される。
【００２１】
一方、ハイブリッド車両の回生制動時には、車輪は車体の慣性力により回転させられる。車輪からの回転力によりドライブシャフト受け部１６、ディファレンシャル機構１５および減速機構１４を介してモータジェネレータ１１が駆動される。このとき、モータジェネレータ１１が発電機として作動する。モータジェネレータ１１により発電された電力は、インバータ１８を介してバッテリ１９に蓄えられる。
【００２２】
図２は、図１中のＩＩ−ＩＩ線上に沿ったモータジェネレータの端面図である。図中には、モータジェネレータ１１の巻線構造が模式的に表わされている。
【００２３】
図１および図２を参照して、ステータ５０は、鍔部５４Ａ、５４Ｂおよび５４Ｃを含む（以下、特に区別しない場合には鍔部５４と呼ぶ）。鍔部５４は、電磁鋼板５２に一体に形成されている。複数の鍔部５４が、中心軸１０１を中心とする周方向に間隔を隔てて形成されている。鍔部５４Ａ、鍔部５４Ｂおよび鍔部５４Ｃは、等間隔に配置されている。鍔部５４は、ステータ５０の周縁から中心軸１０１を中心とする半径方向外側に向かって突出する。
【００２４】
ステータ５０には、電磁鋼板５２の積層方向に貫通するボルト挿入孔５７が形成されている。ボルト挿入孔５７は、各電磁鋼板５２の鍔部５４に形成されている。ボルト挿入孔５７は、ステータ５０を貫通する。ボルト挿入孔５７は、中心軸１０１の軸方向に延び、端面５０ａおよび端面５０ｂにそれぞれ開口する。なお、ボルト挿入孔５７が形成される数は３つに限られず、適宜変更される。
【００２５】
ステータ５０は、中心軸１０１を中心に環状に延びるヨーク部５０ｙと、ヨーク部５０ｙの周方向に所定の間隔を隔てて配列され、ヨーク部５０ｙの内周面からその径方向内側に突出する複数のティース部５０ｔとを含む。互いに隣り合うティース部５０ｔと、ヨーク部５０ｙとに囲まれた空間には、スロット部５０ｓが形成されている。スロット部５０ｓは、ロータ３０に対向する位置で開口する。
【００２６】
コイル５１は、Ｕ相コイル５１Ｕ、Ｖ相コイル５１ＶおよびＷ相コイル５１Ｗを含む。コイル５１は、いわゆる分布巻きによってステータ５０に巻回されている。
【００２７】
その形態について説明すると、Ｕ相コイル５１Ｕ、Ｖ相コイル５１ＶおよびＷ相コイル５１Ｗは、周方向に連続して並ぶ複数個のティース部５０ｔの周りを周回するように、それぞれ複数箇所に設けられている。Ｕ相コイル５１Ｕ、Ｖ相コイル５１ＶおよびＷ相コイル５１Ｗは、その複数個のティース部５０ｔの両側にあるスロット部５０ｓと、端面５０ａおよび端面５０ｂ上を通るように巻回されている。Ｕ相コイル５１Ｕ、Ｖ相コイル５１ＶおよびＷ相コイル５１Ｗは、挙げた順に外周側から内周側に並んで巻回されている。Ｕ相コイル５１Ｕ、Ｖ相コイル５１ＶおよびＷ相コイル５１Ｗは、互いに周方向にずれた位置でティース部５０ｔに巻回されている。
【００２８】
なお、コイル５１は、分布巻きに限定されず、コイル５１が１つの磁極ごとにティース部５０ｔに集中的に巻回される、いわゆる集中巻きによってステータ５０に巻回されてもよい。
【００２９】
図３は、図１中の２点鎖線ＩＩＩで囲まれた範囲を示す断面図である。図１および図３を参照して、モータケース２１は、金属から形成されている。冷媒が流通するウォータジャケットがモータケース２１に形成されてもよい。
【００３０】
モータケース２１は、側部２１ｍと底部２１ｎとを含む。側部２１ｍは、中心軸１０１の軸方向に筒状に延びる形状を有する。側部２１ｍは、ステータ５０の外周を取り囲むように形成されている。底部２１ｎは、中心軸１０１の軸方向における側部２１ｍの一端に配置されている。孔２４は、底部２１ｎに形成されている。ステータ５０は、底部２１ｎに載置されている。底部２１ｎとステータ５０の端面５０ｂとが、面接触する。
【００３１】
モータケース２１には、雌ねじ２６が形成されている。雌ねじ２６は、底部２１ｎに形成されている。モータジェネレータ１１は、ボルト５６を含む。ボルト５６は、ボルト挿入孔５７に挿通されるとともに、雌ねじ２６に螺合されている。ステータ５０は、ボルト５６によってモータケース２１に締結されている。ボルト５６は、電磁鋼板５２の積層方向に締結力を発生させ、ステータ５０をモータケース２１に対して結合させる。ボルト５６は、金属から形成されている。
【００３２】
ボルト５６は、頭部５６ｊと軸部５６ｋとを含む。頭部５６ｊは、ステータ５０の端面５０ａ上に位置決めされる。軸部５６ｋは、ボルト挿入孔５７に挿入されるとともに、雌ねじ部２６に螺合される。ボルト５６は、モータケース２１に締結される締結部５６ｐを含む。締結部５６ｐは、軸部５６ｋのうちの雌ねじ２６に螺合される部分である。
【００３３】
図３を参照して、図中では、ボルト５６の断面形状が示されている。ボルト５６は、中空部５８を含む。中空部５８は、ボルト５６の内部の空間により形成されている。中空部５８は、軸部５６ｋに形成されている。中空部５８は、頭部５６ｊおよび軸部５６ｋの間で連なるように形成されてもよい。中空部５８は、軸部５６ｋに軸方向、つまりボルト挿入孔５７の貫通方向に沿って延びる。中空部５８は、積層された複数の電磁鋼板５２の一方端と他方端との間で連続して延びる。中空部５８は、締結部５６ｐの内側にまで延びる。
【００３４】
図４は、図３中のＩＶ−ＩＶ線上に沿ったボルトの断面図である。図３および図４を参照して、ボルト５６は、毛細管構造としての溝形状が形成された内壁５９を含む。内壁５９に囲まれた位置に中空部５８が形成されている。中空部５８は、真空状態で封止されている。中空部５８には、水やフレオン、アンモニアなどの図示しない熱媒体が少量、封入されている。このような構成により、ボルト５６は、ヒートパイプとして機能する。
【００３５】
なお、図３および図４中では、ボルト５６に１本の中空部５８が形成されているが、これに限らず、互いに間隔を設けて複数本の中空部５８がボルト５６に形成されてもよい。内壁５９に形成される毛細管構造および中空部５８に封入される熱媒体は適宜、変更される。
【００３６】
図１および図３を参照して、モータジェネレータ１１の駆動時、電磁鋼板５２の発熱やコイル５１の発熱に起因して、ステータ５０の温度が上昇する。本実施の形態では、ステータ５０の熱が、中空部５８に封入された熱媒体に吸収される。これにより、熱媒体は、蒸発し、ステータ５０の内側からモータケース２１の内側に向かって移動する。モータケース２１の内側に到達した熱媒体は、モータケース２１と熱交換を行なうことによって、熱を放出する。熱媒体は、液体に戻り、内壁５９に形成された溝形状による毛細管作用によって、ステータ５０の内側に向けて移動する。ステータ５０の内側に戻った熱媒体は、再びステータ５０の熱を吸収する。このようなサイクルの繰り返しにより、ステータ５０の熱がモータケース２１に放熱される。
【００３７】
図５は、図１中のステータ内の熱伝導を説明するための図である。図５を参照して、本実施の形態では、ステータ５０が積層された複数の電磁鋼板５２を含む。この場合、ボルト５６による締結力にもかかわらず、複数の電磁鋼板５２の間に微小な空気層が形成される。このため、ステータ５０内の熱伝導率は、各電磁鋼板５２の延在方向（中心軸１０１を中心とする径方向）と比較して、複数の電磁鋼板５２の積層方向（中心軸１０１の軸方向）において小さくなる。これに対して、本実施の形態では、ヒートパイプとして機能するボルト５６を設けることによって、複数の電磁鋼板５２の積層方向における熱伝導を促進させることができる。
【００３８】
図６は、図１中のＶＩ−ＶＩ線上に沿ったモータジェネレータの断面図である。図中では、ステータ５０の外形が２点鎖線によって表わされている。図６を参照して、モータケース２１の側部２１ｍとステータ５０との間には、隙間８０が形成されている。側部２１ｍは、ステータ５０と非接触である。この場合、ステータ５０からモータケース２１への放熱は、底部２１ｎを通じての経路に限られる。このため、ステータ５０からモータケース２１に効率良く熱を伝えることができず、ステータ５０の温度上昇が問題となり易い。これに対して、本実施の形態では、ヒートパイプとして機能するボルト５６を設けることによって、ステータ５０からモータケース２１への放熱を効率良く行なうことができる。
【００３９】
なお、ボルト挿入孔５７の内壁とボルト５６との間に樹脂製のスリーブが挿入されてもよい。これにより、ステータ５０の熱を効率良く中空部５８の熱媒体に吸収させることができる。また、ボルト５６のねじの呼び（JIS B 0205に規定）がＭ（ｋ）であるとすると、締結部５６ｐの長さは、２ｋ以上であることが好ましい。締結部５６ｐの長さは、３ｋ以上であることがさらに好ましい。これらの場合、ボルト５６とモータケース２１との締結長さを十分に確保することで、熱媒体の熱を効率良くモータケース２１に伝えることができる。
【００４０】
この発明の実施の形態におけるモータジェネレータ１１の冷却構造は、ケース体としてのモータケース２１と、貫通孔としてのボルト挿入孔５７が形成され、モータケース２１に収容されるステータ５０と、ボルト挿入孔５７に挿入され、ステータ５０をモータケース２１に締結するボルト５６とを備える。ボルト５６は、熱媒体が封入された中空部５８を有し、ヒートパイプとして機能する。
【００４１】
このように構成された、この発明の実施の形態におけるモータジェネレータ１１の冷却構造によれば、ヒートパイプとして機能するボルト５６を設けることによって、ステータ５０からモータケース２１への放熱を促進させることができる。また、ステータ５０を冷却するための新たな部品を設ける必要がないため、簡易な構成で上記効果を奏することができる。
【００４２】
なお、本実施の形態では、ロータ３０およびステータ５０がそれぞれ電磁鋼板３２および５２から形成される場合を説明したが、電磁鋼板に限定されず、たとえば圧粉磁心等、他の磁性材料から形成されてもよい。また、本発明における回転電機の冷却構造を、電気自動車に搭載されるモータや、一般的な産業用モータに適用してもよい。本発明における回転電機の冷却構造を、車両用ホイールに配置され、車輪を駆動するモータ、いわゆるインホイールモータに適用してもよい。
【００４３】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】この発明の実施の形態におけるモータジェネレータの冷却構造が適用された駆動ユニットを模式的に表わす断面図である。
【図２】図１中のＩＩ−ＩＩ線上に沿ったモータジェネレータの端面図である。
【図３】図１中の２点鎖線ＩＩＩで囲まれた範囲を示す断面図である。
【図４】図３中のＩＶ−ＩＶ線上に沿ったボルトの断面図である。
【図５】図１中のステータ内の熱伝導を説明するための図である。
【図６】図１中のＶＩ−ＶＩ線上に沿ったモータジェネレータの断面図である。
【符号の説明】
【００４５】
１１  モータジェネレータ、２１  モータケース、２１ｍ  側部、２１ｎ  底部、５０  ステータ、５２  電磁鋼板、５６  ボルト、５６ｐ  締結部、５７  ボルト挿入孔、５８  中空部。
【図１】
2008289244.tif 000003
【図２】
2008289244.tif 000004
【図３】
2008289244.tif 000005
【図４】
2008289244.tif 000006
【図５】
2008289244.tif 000007
【図６】
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