(57)【要約】【課題】隙間無く高密度に巻回されているコイルを効率的に冷却することができる回転機を提供する。【解決手段】回転軸の周りで回転可能なロータと、ロータの周りに配置されるステータ３０とを備える回転機であって、ステータ３０は、ロータの回転方向に沿って配列形成された複数のティース３１ｂを有するステータコア３１と、ティース３１ｂに巻回されるコイル３２とを備えており、ティース３１ｂは、断面形状がコイル３２との間の隙間Ｃ１と隣接するティースに巻回されるコイル３２の間の隙間との少なくとも一方が設けられる形状である。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸の周りで回転可能なロータと、該ロータの周りに配置されるステータとを備える回転機において、
前記ステータは、前記ロータの回転方向に沿って配列形成された複数のティースを有するステータコアと、該ティースに巻回されるコイルとを備えており、
前記ティースは、断面形状が前記コイルとの間及び隣接するティースに巻回されるコイルの間の少なくとも一方に隙間が設けられる形状である
ことを特徴とする回転機。
【請求項２】
前記ティースの少なくとも１つの側面には、前記コイルとの間に隙間を設けるための凹部が形成されていることを特徴とする請求項１記載の回転機。
【請求項３】
前記ティースに形成される前記凹部は、断面形状が三角形状、円弧形状、及び矩形形状の何れかであることを特徴とする請求項２記載の回転機。
【請求項４】
前記ティースは、断面形状が円形又は楕円形状であることを特徴とする請求項１記載の回転機。
【請求項５】
外部からの冷媒を、前記ティースと前記コイルとの間に設けられる隙間及び前記隣接するティースに巻回されるコイル間に設けられる隙間の少なくとも一方に供給する冷媒供給部を備えることを特徴とする請求項１から請求項４の何れか一項に記載の回転機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電動機や発電機等の回転機に関する。
【背景技術】
【０００２】
周知の通り、電動機や発電機等の回転機は、ステータ（固定子）とロータ（回転子）とを備えており、ロータの回転運動エネルギーを電気エネルギーに変換し、或いは電気エネルギーをロータの回転運動エネルギーに変換する機器である。ハイブリッド車（ＨＶ：Hybrid Vehicle）や電気自動車（ＥＶ：Electric Vehicle）等の車両に設けられる電動機は、車両を走行させる動力を発生する動力発生源として用いられるばかりでなく、エネルギーを有効利用するために、車両の運動エネルギーを電気エネルギーとして回収する発電機（回生ブレーキ）としても用いられる。
【０００３】
上述したハイブリッド車や電気自動車等の車両に設けられる回転機は、車載スペースを低減するために小型化であり、また、走行性能を向上させるために高出力であることが要求される。このように出力密度が高まると回転機の発熱量が多くなるため、回転機を効率良く冷却する冷却技術が重要になる。以下の特許文献１，２には、回転機のステータに設けられているコイルの冷却効率を高める技術が開示されている。
【０００４】
具体的に、以下の特許文献１には、固定子コアに設けられるティース部の角部に段差を形成して絶縁性樹脂をモールドすることにより、角部以外のティース部の表面に絶縁性樹脂を薄肉にすることで冷却効率を高める技術が開示されている。また、以下の特許文献２には、円環状ステータコアのティースとコイルとがモータの回転軸線方向において隙間無く接するよう、回転軸線方向に沿うティースの側面を回転軸線方向において中高となる凸面にすることで冷却効率を高める技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−２６８５８６号公報
【特許文献２】特開２００７−２４４０６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、上述した特許文献１，２に開示された技術は、基本的にステータコアのティースとコイルとの間の熱抵抗を低減し、コイルからティースへの熱伝導量を増加させることにより冷却効率を高めるものである。このため、特許文献１，２に開示された技術では、ステータのティースの周囲にコイルが隙間無く高密度に巻回される。かかる技術によって、コイルを十分に冷却できる場合には特に問題は生じない。
【０００７】
しかしながら、小型化されて出力密度が高められた電動機は、モータの発熱量が飛躍的に増大する。このため、上述した特許文献１，２に開示された技術のように、ティースの周囲にコイルが隙間無く高密度に巻回されている場合には、コイルを十分に冷却できない場合が考えられる。すると、コイルの温度が上昇し易くなり、損失（発熱）が大きくなる虞があるという問題があった。
【０００８】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、隙間無く高密度に巻回されているコイルを効率的に冷却することができる回転機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明の回転機は、回転軸（１０）の周りで回転可能なロータ（２０）と、該ロータの周りに配置されるステータ（３０）とを備える回転機（１）において、前記ステータは、前記ロータの回転方向に沿って配列形成された複数のティース（３１ｂ）を有するステータコア（３１）と、該ティースに巻回されるコイル（３２）とを備えており、前記ティースは、断面形状が前記コイルとの間及び隣接するティースに巻回されるコイルの間の少なくとも一方に隙間（Ｃ１、Ｃ２）が設けられる形状であることを特徴としている。
また、本発明の回転機は、前記ティースの少なくとも１つの側面には、前記コイルとの間に隙間を設けるための凹部（Ｒ１〜Ｒ３）が形成されていることを特徴としている。
ここで、本発明の回転機は、前記ティースに形成される前記凹部が、断面形状が三角形状、円弧形状、及び矩形形状の何れかであることを特徴としている。
或いは、本発明の回転機において、前記ティースは、断面形状が円形又は楕円形状であることを特徴としている。
また、本発明の回転機は、外部からの冷媒（ＯＬ）を、前記ティースと前記コイルとの間に設けられる隙間及び前記隣接するティースに巻回されるコイル間に設けられる隙間の少なくとも一方に供給する冷媒供給部（Ｓ２）を備えることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、ステータコアが有するティースの断面形状を、コイルとの間及び隣接するティースに巻回されるコイルの間の少なくとも一方に隙間が設けられる形状にしているため、ティースの周囲に隙間無く高密度に巻回されているコイルを効率的に冷却することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１実施形態による回転機としてのモータの構成を示す側断面図である。
【図２】図１中のＡ−Ａ線に沿うステータの断面矢視図である。
【図３】本発明の第１実施形態におけるステータの拡大図である。
【図４】本発明の第１実施形態におけるティースの変形例を示す断面図である。
【図５】本発明の第２実施形態におけるステータの拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照して本発明の実施形態による回転機について詳細に説明する。尚、以下の実施形態では、回転機が、外部から供給される電流（例えば、三相交流電流）により回転駆動されるモータ（電動機）である場合を例に挙げて説明する。
【００１３】
〔第１実施形態〕
図１は、本発明の第１実施形態による回転機としてのモータの構成を示す側断面図である。図１に示す通り、モータ１は、回転軸１０、ロータ２０（回転子）、ステータ３０（固定子）、及びハウジング４０を備えており、外部から供給される電流によってロータ２０とステータ３０との間に磁力が作用してロータ２０が回転することにより回転軸１０が回転駆動される。尚、以下では、回転軸１０が延びている図１中の左右方向を「軸方向」という。
【００１４】
回転軸１０は、ロータ２０の回転駆動力を外部に伝達するための軸部材である。この回転軸１０は、ロータ２０に挿通されて固定されており、ハウジング４０に設置された軸受Ｂ１，Ｂ２によって回転自在に支持されている。このため、回転軸１０及びロータ２０は、回転軸１０の回転軸線の周りで一体的に回転する。尚、軸受Ｂ１，Ｂ２としては、例えばアンギュラ玉軸受等の転がり軸受を用いることができる。
【００１５】
ロータ２０は、回転軸１０に取り付けられて回転軸１０の周りで回転可能に構成されている。具体的に、ロータ２０は、ロータコア２１、永久磁石２２、及びエンドプレート２３を備える。ロータコア２１は、磁性体からなる板材としての電磁鋼板を複数積層して構成され、上述した回転軸１０が挿通される円環形状の部材である。
【００１６】
永久磁石２２は、例えば軸方向に延びる直方体形状の磁石であり、ロータコア２１のステータ３０側に、ロータコア２１の外周に沿って一定の間隔をもって複数埋設されている。これにより、ロータコア２１の外周に沿って交番磁界が形成される。エンドプレート２３は、ロータコア２１の軸方向（電磁鋼板の積層方向）両側端部に設けられ、ロータコア２１を軸方向に挟持する円盤形状の部材である。
【００１７】
ステータ３０は、ステータコア３１及びコイル３２を備えており、回転軸１０の回転方向に沿ってロータ２０の周囲を取り囲むようにハウジング４０の一部をなす胴体部材４１の内周面に固定されて、外部からコイル３２に供給される電流に応じてロータ２０の外周方向に沿う回転磁界を形成する。ステータ３０に設けられるステータコア３１は、上述したロータ２０のロータコア２１と同様に、磁性体からなる板材としての電磁鋼板を複数積層して構成される円環形状の部材であり、その内周側にはロータ２０が配設される。このステータコア３１は、その内周面とロータ２０の外周面との間に予め設定された大きさの環状の間隙（エアギャップＧ）が形成されるように、その内径が設定されている。
【００１８】
図２は、図１中のＡ−Ａ線に沿うステータの断面矢視図である。図２に示す通り、ステータコア３１は、円環形状のヨーク３１ａと、ヨーク３１ａの周方向Ｄ１に沿って配列形成された複数のティース３１ｂとを有する。隣接するティース３１ｂの間の隙間は、コイル３２が介挿されるスロット３１ｃとされる。尚、図２においては、複雑化を避けるため、ティース３１ｂ及びスロット３１ｃが８個ずつ設けられたステータコア３１を図示しているが、これらの数は任意に設定することができる。また、図２では、隣接するティース３１ｂに巻回されるコイル３２を離間させて図示しているが、これらコイル３２はスロット３１ｃ内で接触していても良い。
【００１９】
ステータコア３１に設けられるティース３１ｂは、スロット３１ｃに介挿されたコイル３２に三相交流が供給されることによって磁極として機能するものであり、ヨーク３１ａの中心に向かって突出するように形成されている。このティース３１ｂの先端部は、スロット３１ｃの開口部の一部を覆うようにヨーク３１ａの周方向Ｄ１に延びる形状である。つまり、ティースの先端部には、周方向Ｄ１の一方向Ｄ１１に延びるように形成された突出部Ｑ１と、周方向Ｄ１の他方向Ｄ１２に延びるように形成された突出部Ｑ２とが形成されている。ティース３１ｂの先端部をかかる形状にするのは、ロータ２０とステータ３０との間の磁気的な結合を高めてモータ１の性能を向上させるとともに、スロット３１ｃに収容されるコイルの飛び出しを防止するためである。
【００２０】
図３は、本発明の第１実施形態におけるステータの拡大図であって、（ａ）は斜視透視図であり、（ｂ）はステータに設けられるティースの断面図である。尚、図３（ａ）では、隣接するティース３１ｂに巻回されるコイル３２を離間させて図示しているが、これらコイル３２は、図３（ｂ）に示す通り、接触していても良い。図３に示す通り、ティース３１ｂの根本部（突出部Ｑ１，Ｑ２が形成された先端部を除く部分）は、４つの側面からなる略四角柱状である。この４つの側面のうち、ヨーク３１ａの周方向Ｄ１に交差する２つの側面には、断面形状が三角形状である凹部Ｒ１が形成されている。
【００２１】
このように凹部Ｒ１をティース３１ｂの根本部に形成するのは、ティース３１ｂの周囲にコイル３２が隙間無く高密度に巻回されていても、コイル３２を効率的に冷却するためである。つまり、ティース３１の根本部に凹部Ｒ１が形成されていると、ティース３１の根本部の周囲にコイル３２を巻回したときにティース３１ｂとコイル３２との間に隙間Ｃ１が設けられる。この隙間Ｃ１に冷却用のオイルＯＬを供給すれば、コイル３２を直接冷却することができるため、コイル３２を効率的に冷却することができる。
【００２２】
図４は、本発明の第１実施形態におけるティースの変形例を示す断面図である。図４（ａ）に示す通り、ティース３１ｂは、断面形状が円弧形状である凹部Ｒ２がヨーク３１ａの周方向Ｄ１に交差する２つの側面に形成されているものであっても良い。また、図４（ｂ），（ｃ）に示す通り、ティース３１ｂは、断面形状が三角形状である凹部Ｒ１、或いは断面形状が円弧形状である凹部Ｒ２が、ヨーク３１ａの周方向Ｄ１に沿う２つの側面に形成されているものであっても良い。
【００２３】
また、図４（ｄ）に示す通り、ティース３１ｂは、断面形状が三角形状である凹部Ｒ１が根本部の全ての側面（ヨーク３１ａの周方向Ｄ１に交差する２つの側面及びヨーク３１ａの周方向Ｄ１に沿う２つの側面）に形成されているものであっても良い。これは、断面形状が円弧形状である凹部Ｒ２が形成される場合についても同様である。更には、図４（ｅ）に示す通り、断面形状が矩形形状である凹部Ｒ３が根本部の全ての側面に形成されているものであってもよく、同様の凹部Ｒ３がヨーク３１ａの周方向Ｄ１に交差する２つの側面のみに形成され、或いはヨーク３１ａの周方向Ｄ１に沿う２つの側面のみに形成されているものであっても良い。
【００２４】
ティース３１ｂに形成される凹部の形状は、以上説明した断面形状が三角形状である凹部Ｒ１、断面形状が円弧形状である凹部Ｒ２、及び断面形状が矩形形状である凹部Ｒ３に制限されることはなく任意の形状にすることができる。このティース３１ｂに形成される凹部の形状は、例えば必要となる冷却性能、ティースの大きさや形状、ティースの強度等に応じて適宜決定される。
【００２５】
コイル３２は、ティース３１ｂの各々の周囲に巻回された状態でステータコア３１に形成されたスロット３１ｃに介挿されており、外部から供給される電流に応じた磁極を形成する。ここで、コイル３２は、三相交流のうち、Ｕ相の電流が供給される第１コイル、Ｖ相の電流が供給される第２コイル、及びＷ相の電流が供給される第３コイルからなり、これら第１〜第３コイルが、ステータコア３１の周方向に順次配列されている。このため、コイル３２に三相交流が供給されると、ステータコア３１の内周面に沿って回転磁界が形成される。
【００２６】
コイル３２は、ステータコア３１に対してコイルエンド部３２ａがステータコア３１の両端部から突出する状態に取り付けられる。つまり、図１に示す通り、ステータコア３１の軸方向左側における端部からコイルエンド部３２ａが左方向に突出するとともに、ステータコア３１の軸方向右側における端部からコイルエンド部３２ａが突出した状態に取り付けられる。
【００２７】
また、ステータコア３１の両端部には、回転軸１０と同心にされた円環状の仕切部材３３ａ，３３ｂがそれぞれ設けられている。これら仕切部材３３ａ，３３ｂは、ロータ２０が配設される空間Ｓ１とコイルエンド部３２ａが配設される空間Ｓ２（冷媒供給部）とを分離するために設けられる。仕切部材３３ａ，３３ｂによって、空間Ｓ１，Ｓ２が分離されることにより、オイル供給口Ｐ１から供給される冷却用のオイルＯＬがエアギャップＧに侵入することを防止しつつ、ステータコア３１のティース３１ｂとコイル３２との間に設けられた隙間Ｃ１にオイルＯＬを供給することができる。尚、図示は省略しているが、ティース３１ｂの先端部に形成された突出部Ｑ１，Ｑ２の間はモールド等されており、突出部Ｑ１，Ｑ２の間からオイルＯＬがエアギャップＧに侵入するのを防止する対策が講じられている。
【００２８】
ハウジング４０は、胴体部材４１、左側壁部材４２、及び右側壁部材４３からなり、その内部に回転軸１０の一部、ロータ２０、及びステータ３０を収容するとともに、モータ１の外形を成す。胴体部材４１は、鉄合金等によって形成されており、軸方向両端が開口している円筒形状の部材である。この胴体部材４１の内周面には、上述したステータ３０が固定されている。
【００２９】
また、胴体部材４１の鉛直方向上部には、外部から供給される冷却用のオイルＯＬ（冷媒）をハウジング４０内の空間Ｓ２に導くオイル供給口Ｐ１が設けられており、胴体部材４１の鉛直方向下には、ハウジング４０内の空間Ｓ２を介したオイルＯＬをハウジング４０外に排出するオイル排出口Ｐ２が設けられている。尚、オイル供給口Ｐ１及びオイル排出口Ｐ２は、冷却効率を高めるため複数箇所に設けられていても良い。
【００３０】
左側壁部材４２及び右側壁部材４３は、鉄合金等によって形成された略円板形状の部材であって、その外径が胴体部材４１の外径と同程度に設定されており、胴体部材４１の左開口部位及び右開口部位を閉塞するようにそれぞれ取り付けられている。これら左側壁部材４２及び右側壁部材４３の中心部には、回転軸１０を支持する軸受Ｂ１，Ｂ２が介挿される円形形状の穴部がそれぞれ形成されている。
【００３１】
次に、上記構成におけるモータ１の動作について簡単に説明する。外部からの三相交流がモータ１に供給されると、三相交流の各相の電流がステータ３０に設けられたコイル３２（第１〜第３コイル）に流れ、供給される電流に応じてロータ２０の回転方向に沿って回転磁界が形成される。すると、外周に沿って交番磁界が形成されたロータコアがこの回転磁界と相互作用し、吸引力及び反発力が生ずることによりロータ２０が回転し、これにより回転軸１０がロータ２０と一体に回転して回転軸１０の回転駆動力が外部に伝達される。
【００３２】
また、モータ１の駆動時には、不図示のポンプ等によって冷却用のオイルＯＬがオイル供給口Ｐ１に供給されて空間Ｓ２内に導かれる。空間Ｓ２に導かれたオイルＯＬは、コイルエンド部３２ａに滴下されてコイルエンド部３２ａを伝って下方に移動し、或いはステータコア３１のティース３１ｂとコイル３２との間に設けられた隙間Ｃ１に供給される。これにより、コイル３２のコイルエンド部３２ａがオイルＯＬによって直接冷却されるとともに、ティース３１ｂに巻回されているコイル３２の内周部がオイルＯＬによって直接冷却されるため、コイル３２の全体を効率的に冷却することができる。
【００３３】
ここで、ハウジング４０の内部は、仕切部材３３ａ，３３ｂによって、ロータ２０が配設される空間Ｓ１とコイルエンド部３２ａが配設される空間Ｓ２とに分離されているため、オイル供給口Ｐ１から空間Ｓ２内にオイルＯＬが供給されても、オイルＯＬがエアギャップＧに侵入するのを防止することができる。尚、コイルエンド部３２ａを伝って下方に移動したオイルＯＬ及び隙間Ｃ１を介して下方に移動したオイルＯＬは、オイル排出口Ｐ２を介して外部に排出される。
【００３４】
以上の通り、本実施形態では、断面形状が三角形状、円弧形状、又は矩形形状の凹部Ｒ１〜Ｒ３をステータコア３１のティース３１ｂに形成することで、ティース３１ｂとコイル３２との間に隙間Ｃ１を設けている。これにより、ティース３１ｂとコイル３２との間の隙間Ｃ１にオイルＯＬを供給することが可能になり、コイル３２を効率的に冷却することができる。
【００３５】
〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態による回転機としてのモータについて説明する。本実施形態のモータは、全体構成が第１実施形態のモータ１とほぼ同様であるが、ステータコア３１に設けられるティースの断面形状が第１実施形態のモータ１とは異なる。図５は、本発明の第２実施形態におけるステータの拡大図であって、（ａ）は斜視透視図であり、（ｂ）はステータに設けられるティースの断面図である。尚、図５においては、図３に示す部材に相当する部材については、同一の符号を付してある。また、図５（ａ），（ｂ）では、隣接するティース３１ｂに巻回されるコイル３２を離間させて図示しているが、これらコイル３２は、図３（ｂ）と同様に、接触していても良い。
【００３６】
図５に示す通り、本実施形態において、ティース３１ｂの根本部は円柱状である。従って、ティース３１ｂの断面形状は円形である。このようにティース３１ｂの断面形状を円形形状にするのは、第１実施形態と同様に、ティース３１ｂの周囲にコイル３２が隙間無く高密度に巻回されていても、コイル３２を効率的に冷却するためである。つまり、ティース３１ｂの根本部の断面形状を円形にすると、ティース３１ｂの根本部の周囲にはコイル３２が円環状に巻回されるため、隣接するティース３１ｂに巻回されるコイル３２の間に隙間Ｃ２が設けられる。この隙間Ｃ２に冷却用のオイルＯＬを供給すれば、コイル３２を直接冷却することができるため、コイル３２を効率的に冷却することができる。
【００３７】
ここで、図３（ｂ）に示す通り、ティース３１ｂの断面形状が略四角柱状である場合には、ティース３１ｂに巻回されるコイル３２の形状が四角環形状になる。このため、隣接するティース３１ｂに巻回されるコイル３２が接触していると（或いは、接触するほど近接していると）、コイル３２の間にオイルＯＬを供給することが困難になり、コイル３２の冷却効率を高めることはできない。これに対し、本実施形態のように、ティース３１ｂの断面形状を円形にすると、ティース３１ｂに巻回されるコイル３２の形状は円環形状になる。すると、仮に隣接するティース３１ｂに巻回されるコイル３２が接触していたとしても、コイル３２の間に隙間Ｃ２が設けられてコイル３２の間にオイルＯＬを供給することが容易になるため、コイル３２の冷却効率を高めることができる。
【００３８】
以上の通り、本実施形態では、ステータコア３１のティース３１ｂの断面形状を円形にすることで、隣接するティース３１ｂに巻回されるコイル３２の間に隙間Ｃ２を設けている。これにより、隣接するティース３１ｂに巻回されるコイル３２の間に隙間Ｃ２にオイルＯＬを供給することが可能になり、コイル３２を効率的に冷却することができる。尚、ティース３１ｂの断面形状は、円形状以外に楕円形状であっても良い。
【００３９】
以上、本発明の実施形態による回転機について説明したが、本発明は上記実施形態に制限されず、本発明の範囲内で自由に変更が可能である。例えば、上記実施形態では、ステータコア３１が磁性体からなる板材としての電磁鋼板を複数積層して形成されるものである場合を例に挙げて説明したが、粉状の磁性材料を加圧成型することによって形成されるものであっても良い。
【００４０】
また、上記第１実施形態ではティース３１ｂとコイル３２との間に隙間Ｃ１を設け、上記第２実施形態では隣接するティース３１ｂに巻回されるコイル３２の間に隙間Ｃ２を設ける例について説明したが、これら第１，第２実施形態を組み合わせてもよい。例えば、ティース３１ｂの根本部の断面形状を円形にするとともに根本部の側面に凹部を形成して、ティース３１ｂとコイル３２との間の隙間Ｃ１と隣接するティース３１ｂに巻回されるコイル３２の間の隙間Ｃ２とを設けても良い。隙間Ｃ１，Ｃ２の双方を設けることで、コイル３２の冷却効率を更に高めることが可能である。
【００４１】
更に、上記実施形態では、電動機の一種であるモータを例に挙げて説明したが、発電機にも本発明を適用することができる。
【符号の説明】
【００４２】
１            モータ
１０          回転軸
２０          ロータ
３０          ステータ
３１          ステータコア
３１ｂ        ティース
３２          コイル
Ｃ１，Ｃ２    隙間
ＯＬ          オイル
Ｒ１〜Ｒ３    凹部
Ｓ２          空間
【図１】
2013021759.tif 000003
【図２】
2013021759.tif 000004
【図３】
2013021759.tif 000005
【図４】
2013021759.tif 000006
【図５】
2013021759.tif 000007