(57)【要約】【課題】冷却方法を改良し、回転電機の小型化・高性能化を実現する。【解決手段】固定子鉄心３３を圧粉磁心材料で形成し、この固定子鉄心３３に鍔状の付加領域３３ａを追加することによって、磁束線３５の偏向による磁路の確保と冷却可能領域３６の拡大を実現する。このような構成としたのは、固定子鉄心３３内の磁束は固定子コイル３４周囲で固定子から回転子の磁石にわたって発生するところ、固定子鉄心３３内は磁束に応じて損失熱が発生すると同時に固定子コイル３４自身の電流損としての発熱も加わるので、固定子鉄心３３内で磁束を取り巻く領域に冷媒流路３６を設定することが望ましいからである。つまり、固定子鉄心３３は、固定子コイル３４によって発生し、固定子鉄心３３内を通過する磁束線３５の稠密部と干渉しない領域である固定子鉄心の内部または表面に冷媒流路３６を備えることが好適である。【選択図】図８
2005143268.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
界磁束発生源である回転子と、
前記回転子を回転させる回転磁界を発生する複数相の固定子コイルが複数組固定子鉄心に巻回されて構成された固定子と、
を含むアキシャル型の回転電機において、
前記固定子鉄心は、
固定子コイルが巻回される複数のティースと、
前記ティースの少なくとも一端側径方向に鍔状に形成されて固定子コイルを支持するバックヨークと、
を含むとともに、ティースとバックヨークとは圧粉磁心材料によって一体成形され、さらに、
固定子コイルによって発生し、固定子鉄心内を通過する磁束線の稠密部と干渉しない領域である固定子鉄心の内部または表面に冷媒流路を備えることを特徴とする回転電機。
【請求項２】
界磁束発生源である回転子と、
前記回転子を回転させる回転磁界を発生する複数相の固定子コイルが複数組固定子鉄心に巻回されて構成された固定子と、
を含むアキシャル型の回転電機において、
前記固定子鉄心は、
固定子コイルが巻回される複数のティースと、
前記ティースの少なくとも一端側径方向に鍔状に形成されて固定子コイルを支持するバックヨークと、
を含むとともに、少なくとも前記バックヨークは圧粉磁心材料によって成形され、さらに、
固定子コイルによって発生し、固定子鉄心内を通過する磁束線の稠密部と干渉しない領域である固定子鉄心の内部または表面に冷媒流路を備えることを特徴とする回転電機。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の回転電機において、
前記固定子鉄心は、固定子コイルがそれぞれ巻回された分割鉄心の集合体であり、この分割鉄心ごとに前記冷媒流路が形成されていることを特徴とする回転電機。
【請求項４】
請求項１又は２に記載の回転電機において、
前記固定子鉄心は一体成形され、この一体成形された固定子鉄心全体に渡って前記冷媒流路が形成されていることを特徴とする回転電機。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１に記載の回転電機において、
前記冷媒流路の出入口部は、前記固定子鉄心のコイル設置面以外の面、または、前記固定子鉄心の回転子側以外の面に設けられていることを特徴とする回転電機。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１に記載の回転電機において、
前記冷媒流路の壁面には、耐腐食膜が形成されていることを特徴とする回転電機。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１に記載の回転電機において、
前記冷媒流路は、フィン状に形成されていることを特徴とする回転電機。
【請求項８】
界磁束発生源である回転子と、
前記回転子を回転させる回転磁界を発生する複数相の固定子コイルが複数組固定子鉄心に巻回されて構成された固定子と、
を含むアキシャル型の回転電機において、
前記回転子は、
固定子コイルが巻回される固定子鉄心を収納するとともに、固定子鉄心の固定子コイル設置側に開口端部を有するケース部と、
前記ケース部の開口端部に設置され、ケース部と協働して固定子鉄心を密閉するための収納筐体を形成するカバー部と、
を備え、
前記収納筐体と前記固定子コイルが巻回される固定子鉄心との間に形成される空間を液体冷媒の冷媒流路とすることを特徴とする回転電機。
【請求項９】
請求項８に記載の回転電機において、
前記収納筐体のカバー部は、固定子鉄心と協働して形成されることを特徴とする回転電機。
【請求項１０】
請求項８又は９に記載の回転電機において、
前記収納筐体を形成するケース部とカバー部は、非磁性の絶縁材料で形成されることを特徴とする回転電機。
【請求項１１】
請求項８〜１０のいずれか１に記載の回転電機において、
前記固定子コイルは表面を絶縁紙によって包まれており、その周囲を冷媒流路に導入される液体冷媒によって浸されることにより抜熱されることを特徴とする回転電機。
【請求項１２】
請求項８〜１１のいずれか１に記載の回転電機において、
前記ケース部は、
液体冷媒を冷媒流路に導入する流入ガイドと、
液体冷媒を冷媒流路から導出する流出ガイドと、
を備えることを特徴とする回転電機。
【請求項１３】
請求項８〜１２のいずれか１に記載の回転電機において、
前記液体冷媒は、流量制御可能な流体ポンプによって冷媒流路を循環することを特徴とする回転電機。
【請求項１４】
請求項８〜１３のいずれか１に記載の回転電機において、
前記液体冷媒を冷却するための冷却手段を備えることを特徴とする回転電機。
【請求項１５】
界磁束発生源である回転子と、
前記回転子を回転させる回転磁界を発生する複数相の固定子コイルが複数組固定子鉄心に巻回されて構成された固定子と、
を含むアキシャル型の回転電機において、
前記固定子鉄心は、
固定子コイルが巻回される複数のティースと、
前記ティースの少なくとも一端側径方向に鍔状に形成されて固定子コイルを支持するバックヨークと、
を含むとともに、ティースとバックヨークとは圧粉磁心材料によって一体成形され、さらに、
固定子コイルによって発生し、固定子鉄心内を通過する磁束線の稠密部と干渉しない領域である固定子鉄心の内部または表面に第１の冷媒流路を備え、
前記回転子は、
固定子コイルが巻回される固定子鉄心を収納するとともに、固定子鉄心の固定子コイル設置側に開口端部を有するケース部と、
前記ケース部の開口端部に設置され、ケース部と協働して固定子鉄心を密閉するための収納筐体を形成するカバー部と、
を備え、
前記収納筐体と前記固定子コイルが巻回される固定子鉄心との間に形成される空間を第２の冷媒流路とすることを特徴とする回転電機。
【請求項１６】
界磁束発生源である回転子と、
前記回転子を回転させる回転磁界を発生する複数相の固定子コイルが複数組固定子鉄心に巻回されて構成された固定子と、
を含むアキシャル型の回転電機において、
前記固定子鉄心は、
固定子コイルが巻回される複数のティースと、
前記ティースの少なくとも一端側径方向に鍔状に形成されて固定子コイルを支持するバックヨークと、
を含むとともに、少なくとも前記バックヨークは圧粉磁心材料によって成形され、さらに、
固定子コイルによって発生し、固定子鉄心内を通過する磁束線の稠密部と干渉しない領域である固定子鉄心の内部または表面に第１の冷媒流路を備え、
前記回転子は、
固定子コイルが巻回される固定子鉄心を収納するとともに、固定子鉄心の固定子コイル設置側に開口端部を有するケース部と、
前記ケース部の開口端部に設置され、ケース部と協働して固定子鉄心を密閉するための収納筐体を形成するカバー部と、
を備え、
前記収納筐体と前記固定子コイルが巻回される固定子鉄心との間に形成される空間を第２の冷媒流路とすることを特徴とする回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転電機、特に、固定子を液体冷媒によって直接冷却することを特徴とする回転電機の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
回転電機の小型化・高性能化を実現するには、熱負荷の増大に対応する技術が必要である。特に、電気自動車やハイブリッド車の実用化が行われている現在、回転電機のさらなる小型化・高性能化が求められている。
【０００３】
回転電機の発熱は、固定子内の鉄心とコイル（あるいは磁石）、回転子内の磁石（あるいは鉄心とコイル）のように、構成要素の磁束発生領域で発生する。固定子（あるいは回転子）内でコイルを巻回される鉄心は発熱量が大きく、回転数依存性がコイルより大きいことから高回転化に伴い発熱密度も増大する。さらに、鉄心にはコイル発熱も加わるため、コイル近傍の鉄心は冷却の必要性が大きい。
【０００４】
例えば、回転電機の発熱密度は、(1)汎用モータで０．１Ｗ／ｃｍ3以下であり、(2)小型・高負荷モータから０．２〜０．６Ｗ／ｃｍ3へ増大し、(3)高回転化を図ったモータでは１〜１０Ｗ／ｃｍ3にも推移する。(1)で示した汎用モータでは現状実用化されている空冷方式を適当とするが、(2),(3)に至っては液体による冷却方式を取らざるを得ない。
【０００５】
従来から、モータに代表される回転電機の液体冷媒による固定子冷却については、いくつかの技術が開示されている。これらのモータは同軸円筒状のラジアル型モータを対象とし、固定子内に冷媒流路が設けられている。下記特許文献１に記載されているモータでは、固定子のヨーク部において軸に沿った冷媒流路を設定している。しかしながら、鉄心には、効果的な磁束確保のために積層鋼鈑を用いることを前提としている。このような積層鋼鈑を用いた構造では、任意の流路を設定することは困難であり、冷媒流路として設定できるのは軸に並行な流路のみである。そして、ポンプ、熱交換器を含めた冷却閉回路を構成するためには、冷媒流路を形成する積層鋼鈑を多数結合する継ぎ手が必要であるものの、積層鋼鈑を対象とする限り溶接構造やネジ構造を採ることは困難である。また、積層鋼鈑を用いた構造では、冷媒の漏れ発生は不可避となり、実用的ではない。冷媒漏れの改善として、固定子の冷媒流路に別途流路管を挿入することも可能ではあるが、この場合には冷媒流路内面と流路管外表面との間に接触熱抵抗が存在するので液体直接冷却の効果を大きく減ずることになる。したがって、下記特許文献１に記載されている発明のような従来技術での液体冷媒による固定子の直接冷却は、実現性の少ないものである。
【０００６】
さらに、下記特許文献２には、同じくラジアル型モータのヨーク部外周面に溝加工を施し、外殻ケースとの間を液体冷媒流路とする発明が開示されている。この発明の場合には、冷媒流路が円周状であり、ケースとの間に設置される液体シールに複雑な機構を必要とする。さらに、磁束との干渉を避けるためにコイルから離れた領域に流路を設定する必要があり、直接冷却の効果を減少させてしまうことになる（その他同様の技術として、例えば、下記特許文献３参照）。
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−１６５４１０号公報
【特許文献２】特開平０８−３２２１７０号公報
【特許文献３】特開平０５−２３６７０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
背景技術で列挙した従来の技術では、現在の電気自動車やハイブリッド車などにおいて求められている回転電機のさらなる小型化・高性能化を実現することは困難である。
【０００９】
特に、電気自動車やハイブリッド車などで採用されているアキシャル型モータでは、固定子内の鉄心は軸方向の磁束発生を想定しているので、小型化・高性能化の困難性が顕著となる。従来のラジアル型モータに用いられている積層鋼鈑をアキシャル型モータに利用しようとすれば、その鉄心は鋼鈑の半径方向の積層、つまり円筒状薄板を積み重ねた形態で鉄心を形作らなければならないのである。電気絶縁を施しながら密着した状態で鋼鈑を積層させ、アキシャル型モータの鉄心を作成するのは現実的に困難である。また、積層鋼鈑への直接冷却には、任意の冷却流路が設定できなくなってしまうという問題もある。したがって、必然的に損失熱量が大きく、強い冷却を必要とするような積層鋼鈑を用いるアキシャル型モータは、実現していないのが現状である。
【００１０】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、回転電機の小型化・高性能化を図るための新たな鉄心冷却構造を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る回転電機は、界磁束発生源である回転子と、前記回転子を回転させる回転磁界を発生する複数相の固定子コイルが複数組固定子鉄心に巻回されて構成された固定子と、を含むアキシャル型の回転電機において、前記固定子鉄心は、固定子コイルが巻回される複数のティースと、前記ティースの少なくとも一端側径方向に鍔状に形成されて固定子コイルを支持するバックヨークと、を含むとともに、ティースとバックヨークとは圧粉磁心材料によって一体成形され、さらに、固定子コイルによって発生し、固定子鉄心内を通過する磁束線の稠密部と干渉しない領域である固定子鉄心の内部または表面に冷媒流路を備えることを特徴とする。
【００１２】
本発明に係る別の回転電機は、界磁束発生源である回転子と、前記回転子を回転させる回転磁界を発生する複数相の固定子コイルが複数組固定子鉄心に巻回されて構成された固定子と、を含むアキシャル型の回転電機において、前記固定子鉄心は、固定子コイルが巻回される複数のティースと、前記ティースの少なくとも一端側径方向に鍔状に形成されて固定子コイルを支持するバックヨークと、を含むとともに、少なくとも前記バックヨークは圧粉磁心材料によって成形され、さらに、固定子コイルによって発生し、固定子鉄心内を通過する磁束線の稠密部と干渉しない領域である固定子鉄心の内部または表面に冷媒流路を備えることを特徴とする。
【００１３】
本発明に係る回転電機において、前記固定子鉄心は、固定子コイルがそれぞれ巻回された分割鉄心の集合体であり、この分割鉄心ごとに前記冷媒流路が形成されていることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明に係る回転電機において、前記固定子鉄心は一体成形され、この一体成形された固定子鉄心全体に渡って前記冷媒流路が形成されていることを特徴とする。
【００１５】
さらに、本発明に係る回転電機において、前記冷媒流路の出入口部は、前記固定子鉄心のコイル設置面以外の面、または、前記固定子鉄心の回転子側以外の面に設けられていることを特徴とする。
【００１６】
またさらに、本発明に係る回転電機において、前記冷媒流路の壁面には、耐腐食膜が形成されていることを特徴とする。
【００１７】
さらにまた、本発明に係る回転電機において、前記冷媒流路は、フィン状に形成されていることを特徴とする。
【００１８】
本発明に係る他の回転電機は、界磁束発生源である回転子と、前記回転子を回転させる回転磁界を発生する複数相の固定子コイルが複数組固定子鉄心に巻回されて構成された固定子とを含むアキシャル型の回転電機であって、前記回転子は、固定子コイルが巻回される固定子鉄心を収納するとともに、固定子鉄心の固定子コイル設置側に開口端部を有するケース部と、前記ケース部の開口端部に設置され、ケース部と協働して固定子鉄心を密閉するための収納筐体を形成するカバー部とを備え、前記収納筐体と前記固定子コイルが巻回される固定子鉄心との間に形成される空間を液体冷媒の冷媒流路とすることを特徴とする。
【００１９】
また、本発明に係る他の回転電機において、前記収納筐体のカバー部は、固定子鉄心と協働して形成されることを特徴とする。
【００２０】
さらに、本発明に係る他の回転電機において、前記収納筐体を形成するケース部とカバー部は、非磁性の絶縁材料で形成されることを特徴とする。
【００２１】
またさらに、本発明に係る他の回転電機において、前記固定子コイルは表面を絶縁紙によって包まれており、その周囲を冷媒流路に導入される液体冷媒によって浸されることにより抜熱されることを特徴とする。
【００２２】
さらにまた、本発明に係る他の回転電機において、前記ケース部は、液体冷媒を冷媒流路に導入する流入ガイドと、液体冷媒を冷媒流路から導出する流出ガイドとを備えることを特徴とする。
【００２３】
また、本発明に係る他の回転電機において、前記液体冷媒は、流量制御可能な流体ポンプによって冷媒流路を循環することを特徴とする。
【００２４】
さらに、本発明に係る他の回転電機において、前記液体冷媒を冷却するための冷却手段を備えることを特徴とする。
【００２５】
本発明に係るまた別の回転電機は、界磁束発生源である回転子と、前記回転子を回転させる回転磁界を発生する複数相の固定子コイルが複数組固定子鉄心に巻回されて構成された固定子とを含むアキシャル型の回転電機であって、前記固定子鉄心は、固定子コイルが巻回される複数のティースと、前記ティースの少なくとも一端側径方向に鍔状に形成されて固定子コイルを支持するバックヨークとを含むとともに、ティースとバックヨークとは圧粉磁心材料によって一体成形され、さらに、固定子コイルによって発生し、固定子鉄心内を通過する磁束線の稠密部と干渉しない領域である固定子鉄心の内部または表面に第１の冷媒流路を備え、前記回転子は、固定子コイルが巻回される固定子鉄心を収納するとともに、固定子鉄心の固定子コイル設置側に開口端部を有するケース部と、前記ケース部の開口端部に設置され、ケース部と協働して固定子鉄心を密閉するための収納筐体を形成するカバー部とを備え、前記収納筐体と前記固定子コイルが巻回される固定子鉄心との間に形成される空間を第２の冷媒流路とすることを特徴とする。
【００２６】
本発明に係るさらに別の回転電機は、界磁束発生源である回転子と、前記回転子を回転させる回転磁界を発生する複数相の固定子コイルが複数組固定子鉄心に巻回されて構成された固定子と、を含むアキシャル型の回転電機であって、前記固定子鉄心は、固定子コイルが巻回される複数のティースと、前記ティースの少なくとも一端側径方向に鍔状に形成されて固定子コイルを支持するバックヨークと、を含むとともに、少なくとも前記バックヨークは圧粉磁心材料によって成形され、さらに、固定子コイルによって発生し、固定子鉄心内を通過する磁束線の稠密部と干渉しない領域である固定子鉄心の内部または表面に第１の冷媒流路を備え、前記回転子は、固定子コイルが巻回される固定子鉄心を収納するとともに、固定子鉄心の固定子コイル設置側に開口端部を有するケース部と、前記ケース部の開口端部に設置され、ケース部と協働して固定子鉄心を密閉するための収納筐体を形成するカバー部と、を備え、前記収納筐体と前記固定子コイルが巻回される固定子鉄心との間に形成される空間を第２の冷媒流路とすることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、回転電機の性能特性に影響を及ぼすことなく、しかも冷却効果の高い液体を冷媒として発熱量と発熱密度の高い「固定子鉄心のみ」あるいは「固定子鉄心と固定子コイル」を直接冷却することができる。このように冷却効果を高めることによって、小型化・高性能化を実現した回転電機を提供することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
発明を実施するための好適な実施形態について、図面を用いて説明する。なお、本実施形態は、アキシャル型モータに本発明を適用した場合を例示して説明する。ただし、本発明の技術的範囲は下記実施形態に記載の範囲には限定されず、下記実施形態に多様な変更又は改良を加えることが可能である。その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【００２９】
実施形態１
まず、本実施形態が適用されるアキシャル型モータの構造について説明する。図１は、アキシャル型モータの断面概略図である。また、図２は図１で例示されるアキシャル型モータの回転子を示しており、図３は図１で例示されるアキシャル型モータの固定子を示している。
【００３０】
アキシャル型モータは、永久磁石１１を複数内在する円板状の回転子１０と、その両側に配置される固定子１２から構成されている。回転子１０は、永久磁石１１によって界磁束発生源となり、固定子１２から発生する回転磁界に従って回転可能となっている。一方、固定子１２は、固定子鉄心１３が有するティース１３ａ部分に固定子コイル１４が巻回された複数の極を持つものであり、図１で例示するアキシャル型モータの場合には、２つの固定子１２が同軸に配置されている。また、固定子１２は、図３（ｂ）で示されるように、磁極を構成するための固定子コイル１４および固定子鉄心１３を同心線上に多数配置する必要がある。そこで、固定子鉄心１３は複数のティース１３ａを備えており、このティース１３ａの一端側は、複数の固定子コイル１４を嵌め込むことができるようにリング状のバックヨーク１３ｂに配設されている。すなわち、固定子１２は、回転子１０を回転させるための回転磁界を発生する複数相の固定子コイル１４が複数組固定子鉄心１３に巻回されることによって構成されている。なお、固定子鉄心１３は、図４で例示するように極全体が単一の固定子鉄心１３として構成されても良いし、図５で例示するように一極ごとに分割された鉄心１５を構成し、この鉄心１５の集合体として固定子鉄心１３を形成することとしても良い。
【００３１】
ここで、従来の積層鋼鈑によって形成された固定子鉄心について説明する。図６は、積層鋼鈑で構成された従来の固定子鉄心の構造を示す図である。また、図７は、積層鋼鈑で構成された固定子鉄心を通過する磁束線の方向と、磁束線を避けることによって設けることが可能な冷媒流路の設置可能領域を示している。
【００３２】
前述した従来の固定子鉄心２３では、積層鋼鈑が半径方向に積層されるため、コイル２４の中心軸方向に発生し、固定子鉄心２３内を通る磁束線２５を径方向へ迂回させることは困難であった。これは、径方向の磁束経路では積層面を通過しなければならず、磁気抵抗が増加してしまうためである。このことは、積層鋼鈑製の固定子鉄心２３が有する磁束線２５の通過方向の制約から、磁束経路を回避した領域に設けられる冷媒流路の設置可能領域２６が小さくならざるを得ないということを示している。すなわち、積層鋼鈑製の固定子鉄心２３では、図６のハッチング部分で示されるような積層鋼鈑の付加領域２３ａを設定することによって磁路の拡大による磁束線の偏向を図り、冷媒流路の拡大を図るという対策を採ることはできないということである。
【００３３】
一方、図８は、本発明をアキシャル型モータの固定子鉄心に適用した場合における固定子鉄心を通過する磁束線の方向と、磁束線を避けることによって設けることが可能な冷媒流路の設置可能領域を示している。本発明の特徴点は、従来積層鋼鈑で構成されていた固定子鉄心を圧粉磁心材料で構成するところにある。
【００３４】
ここで、圧粉磁心材料とは、微小鉄粉材料に電気絶縁性の皮膜を施した後、加圧成型するものであり、絶縁材同士が圧着接合するためにバルク材のようなブロックとして所望の形態をした製品を得ることができるものである。この圧粉磁心材料による成型品は、全体が微小な鉄粉の集合体となっているため、任意の三次元形状を単体で形作ることができる。マクロ的に観ると電気的、熱的な異方性がないので、内部の磁束線方向に制限がなく、磁束線の三次元的な偏向を可能にするという大きな特徴を有している。
【００３５】
このような特徴を有する圧粉磁心材料によって固定子鉄心３３を形成することにより、磁束線３５に三次元性が許容されるので、鉄心から抜ける磁束線３５に周方向のみならず、径方向への偏向分が加わることになる。さらに、積層鋼鈑では無意味であった径方向に鍔状に設けられる付加領域３３ａを追加することにより、磁路の拡大を図ることが可能となる。したがって、全磁束線３５が鉄心の全側面に分配されることから鉄心背面の冷却可能領域３６が広がることになるのである。なお、図８（ｂ）および図８（ｃ）では、冷媒流路設置可能領域３６を従来の場合と本実施形態の場合とを比較して表しているが、本実施形態における冷媒流路設置可能領域３６が背面から観て円周方向はもちろん半径方向にも広がり、さらに鉄心内深く設定可能となっていることが示されている。
【００３６】
このように、本実施形態では、固定子鉄心３３を圧粉磁心材料で形成し、この固定子鉄心３３に鍔状の付加領域３３ａを追加することによって、磁束線３５の偏向による磁路の確保と冷却可能領域３６の拡大を実現することができる。なお、固定子鉄心３３内の磁束は固定子コイル３４周囲で固定子から回転子の磁石にわたって発生するところ、固定子鉄心３３内は磁束に応じて損失熱が発生すると同時に固定子コイル３４自身の電流損としての発熱も加わるので、固定子鉄心３３内で磁束を取り巻く領域に冷媒流路３６を設定することが望ましい。つまり、固定子コイル３４によって発生し、固定子鉄心３３内を通過する磁束線３５の稠密部と干渉しない領域である固定子鉄心の内部または表面に冷媒流路３６を備えることが必要なのである。
【００３７】
次に、具体的な冷媒流路の構成について説明する。図９は、図８で示した固定子鉄心３３の流路設定可能領域３６を側面から見た図である。図９は、半径方向から見た場合を示す断面図である。図９では単一極を例示しており、固定子鉄心３３内部には必要除熱量を確保する冷媒流路３６ａが設置される。従来の固定子鉄心２３と比較して、非常に広い領域を冷媒流路３６ａとすることが可能となっている。なお、以下に説明する本実施形態では、冷媒出入口部３７をコイル３４設置側の反対面とすることを特徴としている。単一極の集合体では極間側への取り出しも可能ではあるが、コイル反対側の方が利便性は高いためである。ただし、冷媒流路の冷媒出入口部３７は、固定子鉄心のコイル設置面以外の面、または、固定子鉄心の回転子側以外の面に設けることが可能である。
【００３８】
図１０は、背面の広い面積に冷媒流路３６ａを設定する例で、ロストワックスなどの加圧成型の特徴を利用した鋳造技術の応用で実現させることができる。冷媒出入口部３７は背面から自由度のあるケース側へ取り出すことにより圧粉磁心材料とのシール性も良く、漏れのない実用的な流路構成とすることができる。
【００３９】
図１１は、固定子コイル３４の発熱ポイントに対応するために、鉄心内部かつコイル３４近傍へ冷媒流路３６ａを設定するものである。冷媒流路３６ａの接続などは図１０と同様である。
【００４０】
図１２は、従来の積層鋼鈑を用いた固定子鉄心において、鉄心表面を冷媒流路２６ａとした場合を例示する図である。図１２で例示する従来の固定子鉄心では、切削等の機械加工によって冷媒流路２６ａを形成しているが、同様の方法を本発明にも適用することが可能である。図１３がその実施例であり、図９で示した流路設定可能領域３６に対応した領域に機械加工による冷媒流路３６ａを形成したものである。磁束の三次元性から冷媒流路３６ａを壁面から深く設定できる。また、フィン状の形態をとることによって伝熱面積を増加し、冷却効果を増加させることも可能である。図１３で例示されるフィン状の冷媒流路３６ａでは、鉄心内部流路と比較して冷媒流路を簡便に実現できるという特徴がある。モータケース２８，３８との間の冷媒流路形成となるためＯリングなどの液体冷媒の漏れ防止機構を付加する必要があるが、アキシャル型モータを対象とする場合には、平面同士の接合となるのでその実現は容易なものとなる。
【００４１】
図１４は、圧粉磁心材料の特徴を活かした鉄心表面への冷媒流路形成例を示している。熱負荷に応じた流路長さ（面積）をコイル反対面に設定するものである。冷媒出入口部３７は、やはりコイル反対側に設定することが好適である。
【００４２】
なお、本発明は固定子コイルの巻き方によらず適用することが可能である。すなわち、図１５で例示されるような集中巻き、分布巻きの違いによらず冷媒流路３６ａを設定可能である。また、鉄心の極分割方法によらず、単一極の場合または多極集合体の場合のいずれにも適用することができる。
【００４３】
以上説明したように、鉄心を圧粉磁心材料で形成した場合の冷媒流路構成は、鉄心内の磁束可能方向が３次元的に任意であることから、(1)磁束の影響の少ない領域に鉄心部を拡大してそこに流路を形成することができ、(2)従来の積層鋼鈑では磁束の影響が強く、流路形成が困難な領域でも磁束の方向を別方向に変えることにより、磁束の影響が弱い領域に対して冷媒流路の設定が可能となり、(3)磁束の影響の少ない領域に鉄心部を拡大し、そこに磁束を導くことによって固定子のヨーク厚さを薄くし、モータの小型化を図ることができる、という従来技術には無い効果を得ることができる。
【００４４】
なお、本実施形態では、ティース１３ａとバックヨーク１３ｂから成る固定子鉄心１３を圧粉磁心材料によって一体成形した場合を例示して説明した。しかしながら、本発明はこの様な実施形態に限られるものではなく、例えば、ティース１３ａを珪素鋼鈑などの電磁鋼鈑とし、バックヨーク１３ｂを圧粉磁心材料として固定子鉄心１３を構成することも好適である。この場合、鉄心から抜ける磁束線３５は、ティース１３ａ部分においては等方向性を有しつつ、バックヨーク１３ｂ部分においては三次元性を許容されるので、一体成形の場合と同様に磁路の拡大が可能となり、鉄心背面の冷却可能領域３６が広がることになる。
【００４５】
また、本実施形態によれば磁束線３５の磁路を十分に確保することができるので、鉄心背面の冷却可能領域３６を拡大するだけではなく、固定子鉄心１３の小型化・軽量化を図ることも可能である。したがって、本発明によれば、回転電機の性能特性に影響を及ぼすことなく、回転電機の小型化・高性能化を実現することが可能である。
【００４６】
冷媒流路に導入される液体冷媒については、油、水、フレオン、フロリナート、ＣＯ2など冷却作動流体とできるもので有ればどのようなものを用いても良い。さらに、冷媒流路の壁面には、冷媒流路を構成する圧粉磁心材料の長寿命化のために、その表面に有機あるいは無機の耐腐食膜を形成することが好適である。
【００４７】
図１６は、鉄心直接冷却の効果を油を用いた場合について比較したものである。モータ回転数３,０００ｒｐｍにおいて、固定子を冷却しない場合（モータは外気雰囲気）の部材温度上昇は著しく、その耐熱限界をはるかに超えている。モータケースを水冷する従来技術では、冷却効果はあるものの耐熱限界をやはり超えてしまう。これは鉄心とモータケース間の接触熱抵抗に要因があり、その改善効果の大きいことは予想されるものの実現性は乏しい。一方、本発明を用いた鉄心直接油冷の場合には、耐熱限界を容易に克服できることが判る。
【００４８】
実施形態２
先に説明した実施形態１では、固定子鉄心に冷媒流路を形成し、この冷媒流路に導入される液体冷媒によって直接固定子鉄心を冷却することを特徴とする回転電機について説明した。一方、本実施形態では、固定子鉄心のみならず固定子コイルをも液体冷媒によって直接冷却することができる回転電機について説明する。
【００４９】
まず、本実施形態が適用されるアキシャル型モータの構造について説明する。図１７は、従来のアキシャル型モータの概略断面を示す図である。
【００５０】
従来のアキシャル型モータは、永久磁石を複数内在する円板状の回転子１１０と、その両側に配置される固定子１１２とから構成されている。回転子１１０は、永久磁石によって界磁束発生源となり、固定子１１２から発生する回転磁界に従って回転可能となっている。一方、固定子１１２は、固定子鉄心１１３が有するティース部分に固定子コイル１１４が巻回された複数の極を持つという構造を有している。つまり、固定子１１２は、回転子１１０を回転させるための回転磁界を発生する複数相の固定子コイル１１４が複数組固定子鉄心１１３に巻回されることによって構成されている。図１７で例示するアキシャル型モータの場合には、２つの固定子１１２が同一の軸１１１に配置されている。また、回転子１１０と固定子１１２の間には所定の空間ギャップ１１５が存在しており、モータ駆動には、この空間ギャップ１１５が適正な値に設定されている必要がある。さらに、回転子１１０と固定子１１２はモータケース１１６に収納されることにより、アキシャル型モータが構成されている。
【００５１】
次に、本実施形態に係るアキシャル型モータについて図面を用いて説明する。図１８は、本実施形態に係るアキシャル型モータの概略断面を示す図である。本実施形態で特徴的なことは、固定子１１２をモータケース１２０という収納筐体で密閉し、このモータケース１２０と固定子１１２との間に形成される空間を液体冷媒の冷媒流路１２３としたことである。なお、アキシャル型モータの性能を維持するために、回転子１１０と固定子１１２の間に存在する空間ギャップ１１５は、本実施形態においても所定の値を維持されていることはいうまでもない。
【００５２】
モータケース１２０は、ケース部１２２とカバー部１２１という２つの部材によって形成されている。ケース部１２２は、固定子コイル１１４が巻回される固定子鉄心１１３を収納可能であるとともに、固定子鉄心１１３の固定子コイル１１４設置側に開口端部１２２ａを有した形状を備えている。一方、カバー部１２１は、ケース部１２２の開口端部１２２ａに設置されることにより、ケース部１２２と協働して固定子１１２を密閉するための収納筐体であるモータケース１２０を形成することになる。
【００５３】
続いて、本実施形態に係るアキシャル型モータをより明確に説明するために、図１９を用いて説明する。図１９は、本実施形態に係るアキシャル型モータの構造を説明するための要部斜視図であり、図１９（ａ）はカバー部１２１が装着された状態を示しており、図１９（ｂ）はカバー部１２１を取り外した状態を示している。
【００５４】
まず、固定子コイル１１４が巻回された固定子鉄心１１３を、ケース部１２２に所定の空間を残して収納する（図１９（ｂ）参照）。次に、カバー部１２１をケース部１２２の開口端部１２２ａに設置することによって固定子１２０は密閉状態となる（図１９（ａ）参照）。図１９で例示するアキシャル型モータでは、カバー部１２１には開口部１２１ａがあり、この開口部１２１ａには、ちょうど固定子鉄心１１３のティース部１１３ａが嵌り込むように形成されている。したがって、図１９で示す実施形態では、ケース部１２２とカバー部１２１および固定子鉄心１１３が協働して収納筐体であるモータケース１２０を形成することになる。このように形成されたモータケース１２０と固定子１１２の間には所定の空間が存在しており、この空間を液体冷媒の冷媒流路１２３とするのである。
【００５５】
なお、モータケース１２０を形成するケース部１２２とカバー部１２１は、非磁性の絶縁材料で形成されることが好ましい。また、固定子コイル１１４は、冷却媒体に直接接触することになるため、表面を絶縁紙によって包まれている。その上で、固定子コイル１１４の周囲を冷媒流路に導入される液体冷媒によって浸され、抜熱されることになる。
【００５６】
図２０は、上述のように形成された本実施形態に係るアキシャル型モータに冷却媒体としてのオイルを導入した状態を示す図である。図中のハッチング部が冷媒流路１２３に導入されたオイル１３０を示している。図２０からも明らかな通り、固定子鉄心１１３と固定子コイル１１４およびモータケース１２０全てがオイル１３０に接触することになるので、本発明によれば非常に大きな冷却効果が発揮されることになる。
【００５７】
次に、図２１、図２２、図２３を用いて冷媒流路１２３に対する液体冷媒（オイル１３０）の導入方法について説明する。図２１はケース部１２２が備える液体冷媒の導入手段を説明するための図であり、図２２は液体冷媒の流れ方向を示す図であり、図２３は液体冷媒の流量制御機構を説明するための図である。
【００５８】
図２１、図２２において示されるように、ケース部１２２の底面には、液体冷媒を冷媒流路１２３に導入するための流入ガイド１３１と液体冷媒を冷媒流路１２３から導出するための流出ガイド１３２が設けられている。図２１（ｂ）で示す通り、これら流入ガイド１３１と流出ガイド１３２は、それぞれ固定子鉄心１１３の内周面と外周面に沿った位置に設置されることが好適であり、液体冷媒の流れをスムーズにすることによって、より冷却効果を高めることが可能となる。なお、流入ガイド１３１と流出ガイド１３２は、逆側に設置されても同様の効果を発揮することができるので、本実施形態は、図２２（ｂ）で示す流動方向に限定されるものではない。また、流入ガイド１３１と流出ガイド１３２をつなぐ配管中には、液体冷媒を循環させるためのポンプ１３３が設置されている（図２３参照）。このポンプ１３３は、液体冷媒の流量制御を行うことが可能であり、流量制御を行うことによって液体冷媒の循環流量を管理し、アキシャル型モータの最適な温度管理を行うことが可能となる。
【００５９】
固定子鉄心１１３と固定子コイル１１４およびモータケース１２０から熱を吸収した液体冷媒を冷却する手段として、例えば図２４に示すように、冷媒流路１２３中にフィン１３４を設け、フィン１３４から熱を奪い冷却媒体であるオイル１３０の抜熱を行うことが可能である。また、オイルクーラを用いてオイル１３０の抜熱を行っても良い。
【００６０】
なお、モータケース１２０を構成するケース部１２２とカバー部１２１の構造については、前述した形状に限られるものではなく、例えば、図２５の（ａ）〜（ｄ）で示されるような様々な変形例を適用することが可能である。すなわち、固定子１１２を密閉することができ、固定子１１２との間に冷媒流路１２３とすることが可能な空間を設けることができればよい。
【００６１】
以上説明した実施形態２について、その効果を確認するために、固定子鉄心、固定子コイル、モータケースの熱伝導解析を行い、内部の冷却効果を調べた。図２６、図２７、図２８は、その結果を示す図である。
【００６２】
本熱伝導解析では、現象の周期性と発熱分布を考慮し、アキシャル型モータの１/12を解析対象とした。固定子コイル１４０には絶縁紙１４１が巻かれた状態で解析を行っている。図２６に熱伝導解析の境界条件を示す。また、図２７には、（ａ）本発明により冷却した場合、（ｂ）鉄心部１４２に流路を設置し冷却した場合、（ｃ）モータケース１４３を冷却した場合、についての結果を示す。
【００６３】
解析条件として、（ｃ）モータケース１４３を冷却した場合は水冷とし、ケースを全て冷却する条件とした。モータケース１４３を冷却した場合、固定子コイル１４０に巻かれた絶縁紙１４１と固定子鉄心１４２間の接触熱抵抗の影響でコイル温度が下がらないことが分かった。
【００６４】
また、（ｂ）鉄心部１４２を冷却した場合と（ａ）本発明の冷却では、オイル冷却とし、熱伝達率も同じ条件とした。（ｂ）固定子鉄心１４２の直接冷却の場合は、（ｃ）モータケース１４３冷却の場合と異なり、固定子鉄心１４２は効果的に冷却され、一定の効果が有ることが分かった。しかし、固定子コイル１４０に巻かれた絶縁紙１４１と固定子鉄心１４２間の接触熱抵抗の影響でコイル温度は下がらなかった。
【００６５】
一方、（ａ）本発明により冷却した場合では、固定子コイル１４２に巻かれた絶縁紙１４１と固定子鉄心１４２間にオイルが浸漬するため接触熱抵抗の影響が小さくなり、モータ全体で温度差が殆どなくなることが確認された。また、固定子コイル１４０、固定子鉄心１４２を直接冷却するので、冷却効果が大きいことが確認された。
【００６６】
次に、半径方向の温度結果を図２８に示す。図２８（ｂ）の結果からも分かるように、本発明により冷却した場合では、固定子コイル１４０と固定子鉄心１４２間の温度差が殆どない。また、モータケース温度との温度差も他の冷却に比べ小さいことが確認できた。以上の解析結果から、本発明による冷却効果が明らかとなった。
【００６７】
実施形態３
以上説明した２つの実施形態１および実施形態２を組み合わせることによって、さらなる冷却効果を発揮した回転電機を実現することが可能である。これらの組合せは、求める回転電機の要求性能によって任意に選択することが可能であり、最適な冷却方式を採用することによって、最大限の能力を発揮する回転電機を実現することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】アキシャル型モータの断面概略図である。
【図２】図１で例示されるアキシャル型モータの回転子を示す図である。
【図３】図１で例示されるアキシャル型モータの固定子を示す図である。
【図４】極全体が単一の固定子鉄心として構成さる場合のアキシャル型モータの固定子鉄心を示す図である。
【図５】アキシャル型モータの固定子鉄心が一極ごとに分割された鉄心の集合体である場合における、分割鉄心の１つを例示する図である。
【図６】積層鋼鈑で構成された従来の固定子鉄心の構造を示す図である。
【図７】積層鋼鈑で構成された固定子鉄心を通過する磁束線の方向と、磁束線を避けることによって設けることが可能な冷媒流路の設置可能領域を示す図である。
【図８】本発明をアキシャル型モータの固定子鉄心に適用した場合における固定子鉄心を通過する磁束線の方向と、磁束線を避けることによって設けることが可能な冷媒流路の設置可能領域を示す図である。
【図９】図８で示した固定子鉄心の流路設定可能領域を側面から見た図である。
【図１０】本発明における冷媒流路の設定例を示す図である。
【図１１】本発明における冷媒流路の設定例を示す図である。
【図１２】従来の積層鋼鈑を用いた固定子鉄心において、鉄心表面を冷媒流路とした場合を例示する図である。
【図１３】図１２で示した従来の冷媒流路を本発明に適用した場合を例示する図である。
【図１４】圧粉磁心材料の特徴を活かした鉄心表面への冷媒流路形成例を示す図である。
【図１５】本発明が固定子コイルの巻き方によらず適用可能であることを説明するための図である。
【図１６】鉄心直接冷却の効果を油を用いた場合について比較した図である。
【図１７】従来のアキシャル型モータの概略断面を示す図である。
【図１８】本発明に係るアキシャル型モータの概略断面を示す図である。
【図１９】本発明に係るアキシャル型モータの構造を説明するための要部斜視図であり、（ａ）はケース部が装着された状態を示しており、（ｂ）はケース部を取り外した状態を示している。
【図２０】本発明に係るアキシャル型モータに冷却媒体としてのオイルを導入した状態を示す図である。
【図２１】本発明に係るアキシャル型モータのケース部が備える液体冷媒の導入手段を説明するための図である。
【図２２】本発明に係るアキシャル型モータにおける液体冷媒の流れ方向を示す図である。
【図２３】本発明に係るアキシャル型モータにおける液体冷媒の流量制御機構を説明するための図である。
【図２４】本発明に係るアキシャル型モータにおける液体冷媒の冷却手段を例示する図である。
【図２５】本発明に係るアキシャル型モータにおけるモータケースの様々な変形例を示す図である。
【図２６】熱伝導解析の境界条件を示す図である。
【図２７】熱伝導解析の解析結果を示す図である。
【図２８】熱伝導解析におけるアキシャル型モータの半径方向の温度結果を示す図である。
【符号の説明】
【００６９】
１０  回転子、１１  永久磁石、１２  固定子、１３，２３，３３  固定子鉄心、１３ａ  ティース、１３ｂ  バックヨーク、１４，２４，３４  固定子コイル、１５  （分割）鉄心、２３ａ，３３ａ  付加領域、２５，３５  磁束線、２６，３６  冷媒流路設置可能領域、２６ａ，３６ａ  冷媒流路、２８，３８  モータケース、３７  冷媒出入口部、１１０  回転子、１１１  軸、１１２  固定子、１１３，１４２  固定子鉄心、１１３ａ  ティース部、１１４，１４０  固定子コイル、１１５  空間ギャップ、１１６，１２０，１４３  モータケース、１２１  カバー部、１２１ａ  開口部、１２２  ケース部、１２２ａ  開口端部、１２３  冷媒流路、１３０  オイル、１３１  流入ガイド、１３２  流出ガイド、１３３  ポンプ、１３４  フィン、１４１  絶縁紙。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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