(57)【要約】【課題】ステータの溝に溜まった冷却液の排出を従来より促進させる。【解決手段】ステータ１４がロータ１２と対向する内周面には、ロータ１２の回転方向Ｒと交差する方向に沿って溝５０が形成されている。溝５０の側面のうち、ロータ１２の回転方向Ｒと対向する側面は傾斜面５２となっており、ロータ１２の回転軸Ｒとは非平行に形成されている。ロータ１２の回転方向Ｒに沿って流れる空気流れは、傾斜面５２に衝突することによって傾斜面５２に沿う流れ６２となる。溝５０に溜まっている冷却液６４は傾斜面５２に沿う空気流れ６２に押されて溝５０から排出される。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータと、
円筒形状であって前記ロータを内部に収容し、前記ロータと間隙を空けて対向する内周面を有し、前記ロータから前記内周面に冷却液が供給されるステータと、
を備え、
前記ロータの回転方向と交差する方向に沿って前記内周面に溝が形成され、
前記溝の側面のうち前記ロータの回転方向と対向する側面は、前記ロータの回転軸と非平行に形成されていることを特徴とする回転電機。
【請求項２】
請求項１記載の回転電機であって、
前記内周面に配置された複数のティースの間に非磁性部材が配置され、
前記非磁性部材によって前記ロータの回転方向と対向する側面が形成されていることを特徴とする回転電機。
【請求項３】
請求項２記載の回転電機であって、
前記非磁性部材は、前記ティースに巻かれたコイルの保護膜と一体成形されてい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】
本願発明は、回転電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両等の動力機や発電機として機能する回転電機には、ロータ（回転子）およびステータ（固定子）が設けられている。ロータおよびステータは回転電機の出力や発電に伴って加熱される。そこで、ロータ及びステータの冷却手段として、従来から様々な手段が提案されている。例えば特許文献１ではロータの回転軸を中空構造としてこの中空部分に冷却液を供給し、ロータ回転時の遠心力を利用して冷却液をロータ回転軸からロータの外周側及びステータに供給している。また、特許文献２では、ステータのロータ寄りの部分に冷媒通路を設け、ステータとロータの両者を冷却している。また、特許文献３では、ステータの内周面側に冷却液を行き渡らせるために、ステータの外周面から内周面に貫通する貫通孔を設け、当該貫通孔から冷却液を内周面側に供給している。
【０００３】
これらの特許文献のうち、特許文献１においては、ロータの回転軸であるシャフトを中空構造にして流路を形成するとともに、この流路と接続して、シャフトに固定されたロータコアにも流路を形成している。シャフト内流路に冷却液を供給すると、ロータの回転に伴う遠心力により、冷却液はシャフト内流路からロータコアの流路に移動する。これによりロータコアやロータコアに埋め込まれた永久磁石等が冷却される。
【０００４】
ところで、ロータコアは鉄損を低減させるため、絶縁材料で覆われた薄い円盤状の鋼板を積層して形成される。積層体からなるロータコア内の流路を冷却液が流れる際に、積層された鋼板の隙間などからロータ外周方向に冷却液が漏れ出す。漏れ出した冷却液はロータコアの外周面と対向するステータの内周面に飛散する。
【０００５】
図９に従来技術に係るステータ１００を例示する。ステータ１００は中空の円筒形状をしており、中空部に図示しないロータを収容している。ステータの内周面１０２とロータコアの外周面はエアギャップと呼ばれるわずかな間隔を空けて対向している。
【０００６】
ステータ１００の内周面１０２には、ロータの外周面と対向するティース１０６の頂面１１０と、ティース１０６間に形成された溝１１２が交互に形成されている。溝１１２は、隣り合うティース１０６の互いに向かい合う壁面を側面とし、ティース１０６の壁面に挟まれた保護膜１０８の内周面１１４を底面として形成されている。ここで、保護膜１０８はティース１０６に巻かれたコイルを絶縁保護するために設けられている。
【０００７】
ロータコアから漏れ出した冷却液はティース１０６の頂面１１０や溝１１２に飛散する。その後、ロータコア周りの空気流れにつられてティース１０６の頂面１１０に付着した冷却液は溝１１２に流れ込む。溝１１２に溜まった冷却液は、溝１１２の延びる方向に沿って（図９では回転軸方向）移動することによって溝１１２から排出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００９−１１８６８６号公報
【特許文献２】特開２００３−１１１３１９号公報
【特許文献３】特開２００５−１２９８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ここで、ロータの回転方向に沿ってエアギャップ内を流れる空気流れは、ロータの回転軸に平行に設けられた溝の側面に衝突して淀みとなり、溝の延びる方向（ロータの回転軸方向）には殆ど流れない。したがって、従来技術における溝内の冷却液には、溝の延びる方向の運動成分が殆ど発生せず、溝の延びる方向に沿った冷却液の移動が滞り、冷却液が溝から溢れてしまう場合があった。溝から溢れた冷却液はロータとステータとの間のエアギャップを埋めてしまい、ロータが冷却液を引きずりながら回転することになる。その結果、冷却液の粘性に起因するいわゆる引きずりトルクが生じ、回転電機の出力が所望の出力よりも低くなるおそれがあった。
【００１０】
そこで、本願発明は、ステータの溝に溜まった冷却液の排出を従来より促進させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本願発明は回転電機に関するものである。回転電機は、ロータと、円筒形状であってロータを内部に収容し、ロータと間隙を空けて対向する内周面を有し、ロータから内周面に冷却液が供給されるステータと、を備えている。また、ロータの回転方向と交差する方向に沿って内周面には溝が形成され、溝の側面のうちロータの回転方向と対向する側面は、ロータの回転軸と非平行に形成されている。
【００１２】
また、上記発明において、内周面に配置された複数のティースの間に非磁性部材が配置され、非磁性部材によってロータの回転方向と対向する側面が形成されていることが好適である。
【００１３】
また、上記発明において、非磁性部材は、ティースに巻かれたコイルの保護膜と一体成形されていることが好適である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明により、ステータの溝に溜まった冷却液の排出を従来より促進させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本実施形態に係る回転電機の断面図である。
【図２】本実施形態に係るステータの射視図である。
【図３】本実施形態に係るステータの断面図である。
【図４】本実施形態に係るステータの内周面の正面図である。
【図５】ロータの回転数と冷却液の流量との関係を説明する図である。
【図６】ロータの回転数と、ロータに発生する引きずりトルクとの関係を説明する図である。
【図７】別の実施形態に係る溝を説明する図である。
【図８】別の実施形態に係る溝を説明する図である。
【図９】従来技術に係るステータを例示する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１に、本実施形態に係る回転電機１０の断面図を示す。なお、図１では回転電機１０の回転軸Ｃを通り、回転軸Ｃと平行な平面における断面図を示している。また、本実施形態に係る回転電機１０は、例えば車両の動力源（モータ）や発電源（ジェネレータ）として使用される。
【００１７】
回転電機１０は、ロータ１２とステータ１４を備えている。回転電機１０を動力源として使用する際には、ステータ１４のコイル４０（後述する）とロータ１２の永久磁石（後述する）との電磁作用によりロータ１２を回転させる。この電磁作用は公知である為省略する。ロータ１２の回転はロータ１２のシャフト１８に接続された動力伝達機構に伝えられる。
【００１８】
ロータ１２及びステータ１４はケーシング１６内に収容されている。ロータ１２はシャフト１８とロータコア２０を含んで構成されている。シャフト１８はロータ１２の回転軸として機能し、軸受２６を介してケーシング１６に回転自在に保持されている。シャフト１８の一端はケーシング１６から延びて減速器等の動力伝達機構と接続している。
【００１９】
また、シャフト１８は中空構造であり、シャフト１８内には回転軸Ｃ方向に沿ってシャフト内流路２４が形成されている。さらにシャフト１８には、シャフト内流路２４からシャフト１８の外周面まで貫通する連絡流路２８が設けられている。連絡流路２８は後述するロータコア２０の両脇に設けられている。さらに、シャフト内流路２４はケーシング１６の底部における冷却液溜まり３０から冷却液を引き込む循環ポンプ３２と接続している。
【００２０】
シャフト１８にはロータコア２０が固定されている。ロータコア２０は絶縁体で覆われた円盤状の薄い鋼板が積層した略円柱形状の積層体から構成される。積層体の両端は流路壁２２によって固定されている。さらにロータコア２０には、回転軸に沿って設けられたロータコア内流路３４が周方向に沿って複数本形成されている。また、ロータコア２０には、永久磁石（図示せず）が鋳込み等によって複数個埋め込まれている。
【００２１】
ロータコア２０の端部（円柱の上面及び底面）を支持する流路壁２２は断面がΓ形状であり、ロータコア２０の両端にはロータコア２０と流路壁２２とで区画された空間が形成されている。この空間はシャフト１８の連絡流路２８とロータコア内流路３４とを接続する流路として機能する。また、流路壁２２には貫通孔３６が設けられている。冷却液は貫通孔３６からロータ１２外に飛び出し、ステータ１４に到達する。
【００２２】
ステータ１４は、ステータコア３８とコイル４０を含んで構成される。図２にステータ１４の射視図を示す。なお、図２に示すステータ１４は発明の説明を容易にするための模式図であり、実際のステータ１４と比べて後述するティース４２の数を減らし、また鋼板の積層数も減らしている。
【００２３】
ステータコア３８はロータ１２を内部に収容する略円筒形状からなり、内周面、外周面、及び内周面と外周面とを繋ぐ側面とを備えている。また、ステータコア３８はロータ１２と同様に、鉄損を低減させるために絶縁材料で覆われた薄い鋼板を積層することによって形成されている。
【００２４】
ステータコア３８の内周面には、周方向に沿って複数個のティース４２が設けられている。ティース４２はロータ１２の回転中心に向かって延びる略角柱形状をしており、その頂面４４が図示しないロータコア２０の外周面と所定の間隔Ｄ（図１参照）を空けて対向している。この間隔はエアギャップと呼ばれる。
【００２５】
また、図示しない絶縁紙等を介してティース４２の周りにコイル４０が巻かれる。さらにコイル４０は樹脂等の絶縁材料からなる保護膜４６によって被覆され、絶縁保護されている。
【００２６】
また、隣り合うティース４２の間には溝５０が形成されている。この溝５０は、隣り合うティース４２の互いに向かい合う壁面を側面とし、保護膜４６の内周面４８（ロータコア２０の外周面と対向する面）を底面として形成されている。
【００２７】
図４にステータコア３８の内周面の正面図を示す。溝５０はロータ１２の回転方向Ｒと交差する方向に沿って延びている。ここで、溝５０の側面のうち、ロータ１２の回転方向Ｒと対向する側面は、ロータ１２の回転軸Ｃとは非平行に形成された傾斜面５２となっている。ここで、ロータ１２の回転方向Ｒと対向する側面とは、各ティース４２においてロータ１２の回転方向Ｒから見て下流側に位置する側面を指している。後述するように、傾斜面５２を備えることによって、溝５０内の冷却液の排出が促進され、冷却液が溝５０から溢れることを防ぐことができる。
【００２８】
ここで、溝５０の傾斜角度θは、ロータ１２の回転軸Ｃに対して４度以上８度以下であることが望ましい。４度より角度が小さいと冷却液の排出効果が弱くなってしまう。また８度よりも角度が大きいとティース４２の頂面４４の面積が小さくなり、コイル４０により発生する磁界が弱まってしまうおそれがある。
【００２９】
なお、図２においては溝５０の側面のうち、ロータ１２の回転方向Ｒと対向しない側面（各ティース４２においてロータ１２の回転方向Ｒから見て上流側に位置する側面）を、ロータ１２の回転軸Ｃと平行に設けているが、この形状に限られない。ロータ１２の回転方向Ｒと対向しない側面を傾斜面５２と平行となるように形成しても良いし、溝５０の幅が回転軸Ｃ方向に沿って末広がりに広がるように形成しても良い。
【００３０】
次に、図１に戻り、本実施形態に係る回転電機１０における冷却液の流れについて説明する。なお、本実施形態における冷却液として、例えばオートマチックトランスミッションフルード等の冷却オイルが使用される。循環ポンプ３２はケーシング１６の底部における冷却液溜まり３０からシャフト内流路２４に冷却液を送り込む。シャフト内流路２４に送り込まれた冷却液は、ロータ１２の回転に伴う遠心力により連絡流路２８に流れる。連絡流路２８を抜けた冷却液の一部は貫通孔３６からロータ１２の外部に飛び出し、ステータ１４に到達する。これによりステータ１４が冷却される。また他の一部はロータコア内流路３４に流入する。冷却液がロータコア内流路３４を流れることで、ロータコア２０及びロータコア２０に埋め込まれた図示しない永久磁石等が冷却される。
【００３１】
ここで、ロータコア内流路３４を流れる冷却液の一部は、ロータ１２の回転に伴う遠心力の作用で、ロータコア２０を構成する積層鋼板間の隙間や、積層鋼板と流路壁２２との隙間に漏れ出す。漏れ出した冷却液はロータコア２０の外表面からステータ１４の内周面（ティース４２の頂面４４や溝５０）に飛散する。さらにティース４２の頂面４４に飛散した冷却液は、上述したエアギャップにおいてロータ１２の回転方向Ｒに流れる空気流れによって溝５０に集められる。
【００３２】
ここで、エアギャップを流れる空気流れの一部は溝５０に集められた冷却液６４を溝５０外に押し流す。図３に示すように、ロータ１２の周囲を流れる空気流れ６０の一部がロータ１２から剥離する。さらに図４に示すように、剥離した空気流れ６２は溝５０の傾斜面５２に衝突し、これによって流れの方向がロータ１２の回転方向Ｒに沿った方向から傾斜面５２に沿った方向、すなわち溝５０の延びる方向に変化する。流れ方向が変化した空気流れ６２は溝５０の延びる方向に沿って冷却液６４を押し流す。これによって冷却液６４が溝５０から排出される。また、ティース４２の頂面４４から溝５０に流れ込む冷却液も、傾斜面５２に衝突することによって流れの向きがロータ１２の回転方向Ｒに沿った向きから溝５０の延びる方向に変化し、溝５０に溜まっている冷却液６４を溝５０外に押し出す。
【００３３】
このように、エアギャップを流れる空気流れやティース４２の頂面４４から溝５０に流入する冷却液の流れ方向を、傾斜面５２によって溝５０の延びる方向に変化させることで、溝５０に溜まった冷却液６４の排出が促進される。これにより、溝５０から冷却液６４が溢れることを防ぐことができる。
【００３４】
ここで、溝５０に流入する冷却液（ステータ１４の内周面に飛散する冷却液）と、溝５０から排出される冷却液との関係を図５に示す。図５は、溝５０に流入する冷却液量と、溝５０から排出される冷却液量との関係を、ロータ１２の回転数別に示している。溝５０に流入する冷却液量は実線で示され、溝５０から排出される冷却液量は４種類のドット（塗りつぶし円●、塗りつぶし三角▲、塗りつぶし四角■、白抜き円○）で示されている。それぞれのドットは溝５０に溜まった冷却液６４の液膜厚ｔ（図４参照）が異なっており、液膜の厚い順に塗りつぶし円、塗りつぶし三角、塗りつぶし四角、白抜き円となっている。
【００３５】
図５を参照すると、液膜厚ｔが比較的薄いとき（例えばｔ＝ｔ４）には溝５０への流入量Ｑinが溝５０からの排出量Ｑoutを上回っている（Ｑin＞Ｑout）。一方、液膜厚ｔが比較的厚いとき（例えばｔ＝ｔ２）には溝５０からの排出量Ｑoutが溝５０への流入量Ｑinを上回っている（Ｑin＜Ｑout）。これらのことから、液膜厚ｔ４とｔ２との間に、溝５０への流入量Ｑinと溝５０からの排出量Ｑoutが等しくなる（Ｑin＝Ｑout）ような液膜厚が存在することが理解される。
【００３６】
以上のことから、ロータ１２の回転初期においては液膜厚ｔが薄く、溝５０への流入量Ｑinが溝５０からの排出量Ｑoutを上回る（Ｑin＞Ｑout）ことから溝５０に冷却液が徐々に溜め込まれることが理解される。さらに時間が経過して冷却液膜が所定の厚さになると冷却液６４の流入量と排出量が等しくなり（Ｑout＝Ｑin）、その後はＱout＝Ｑinの状態が継続することが理解される。このことから、溝５０の最少幅Ｗ（図４）は冷却液６４の流入量と排出量が等しくなる（Ｑout＝Ｑin）ときの膜厚以上の幅であることが好適である。これによって冷却液６４が溝５０から溢れることを防ぐことができる。具体的には、溝５０の最小幅Ｗを１ｍｍ〜２ｍｍにすることが好適である。
【００３７】
また、図６に、本実施形態における回転電機１０（溝５０に傾斜面５２を設ける）と従来の回転電機（溝５０の側面が回転軸Ｃに平行）における、回転数と引きずりトルクとの関係を示す。図６では本実施形態における回転電機１０を塗りつぶし円●で示し、従来技術における回転電機を白抜き円○で示す。溝５０の側面を回転軸Ｃと平行にした従来の回転電機は回転数の増加に伴って引きずりトルクが急増しているのに対し、溝５０の側面を傾斜面５２とした本実施形態における回転電機は、回転数が増加しても引きずりトルクが殆ど変わらないことが理解される。このことから、本実施形態における回転電機１０は、引きずりトルクの発生を防ぎ、所望のトルクを出力することができることが理解される。
【００３８】
なお、上述した実施形態においては、溝５０の傾斜面５２をロータコア２０を構成する積層鋼板によって形成していたが、図７に示すように、積層鋼板とは別部材の非磁性材料からなる壁部材６６を溝５０に設置することで傾斜面５２を形成するようにしても良い。壁部材６６は、ティース４２の壁面に当接する当接面６８と、ティース４２の壁面に当接面６８を当接させたときに、ロータ１２の回転軸Ｃに対して非平行となる傾斜面５２とを備えた略三角柱形状の部材から構成されている。上述した図４のように、薄板状の鋼板を積層することにより傾斜面５２を形成しようとすると、鋼板の溝幅を一枚ずつ変更しなければならず、また滑らかな傾斜面５２を形成するために高度な加工技術が要求され、コスト増加の原因となるが、上述の方法であればそのような加工を行う必要がない。
【００３９】
さらに、図７に示すような壁部材６６を設ける代わりに、保護膜４６の材料で傾斜面５２を形成しても良い。この場合、保護膜４６と傾斜面５２を一体成形することが好適である。一体成形することにより、傾斜面５２を形成する時間を短縮できる等の利点がある。
【符号の説明】
【００４０】
１０  回転電機、１２  ロータ、１４  ステータ、１６  ケーシング、１８  シャフト、２０  ロータコア、２２  流路壁、２４  シャフト内流路、２６  軸受、２８  連絡流路、３２  循環ポンプ、３４  ロータコア内流路、３６  貫通孔、３８  ステータコア、４０  コイル、４２  ティース、４４  頂面、４６  保護膜、４８  内周面、５０  溝、５２  傾斜面、６４  冷却液、６６  壁部材、６８  当接面。
【図１】
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【図３】
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【図５】
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【図６】
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【図２】
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【図４】
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【図７】
2012044753.tif 000009
【図８】
2012044753.tif 000010
【図９】
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