(57)【要約】      （修正有）【課題】冷却媒体をステータに直接供給する場合に、ステータの温度を均一とすることができるアキシャルギャップモータを提供する。【解決手段】シャフトは、水平に配置される。ロータは、シャフトに固定される。ステータは、ロータに対向する。冷却媒体供給管８は、ステータの周囲に配置され、冷却媒体をステータに吐出する複数の冷却媒体供給孔８２を有する。冷却媒体供給管８は、その最上部からロータの回転方向に沿って伸びる第１の部分より、最上部からロータの回転方向に対向する回転方向に沿って伸びる第２の部分から多くの冷却媒体を吐出する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水平に配置された回転軸と、
前記回転軸に固定されるロータと、
前記ロータに対向するステータと、
前記ステータの周囲に配置され、冷却媒体を前記ステータに吐出する複数の孔を有する供給管と、を備え、
前記供給管は、
その最上部から前記ロータの回転方向に沿って伸びる第１の部分より、前記最上部から前記ロータの回転方向に対向する回転方向に沿って伸びる第２の部分から多くの冷却媒体を吐出する
ことを特徴とするアキシャルギャップモータ。
【請求項２】
請求項１に記載のアキシャルギャップモータであって、
前記第２の部分の前記複数の孔の径は、
前記第１の部分の前記複数の孔の径より大きい
ことを特徴とするアキシャルギャップモータ。
【請求項３】
請求項１に記載のアキシャルギャップモータであって、
前記第２の部分の前記複数の孔のピッチは、
前記第１の部分の前記複数の孔のピッチより小さい
ことを特徴とするアキシャルギャップモータ。
【請求項４】
請求項１に記載のアキシャルギャップモータであって、
前記供給管は、
前記ステータの径方向外側かつ鉛直上側に配置される
ことを特徴とするアキシャルギャップモータ。
【請求項５】
請求項１に記載のアキシャルギャップモータであって、
前記供給管は、
円弧状であり、
前記複数の孔は、
前記鉛直上方向を０°とし、前記ロータの回転方向を正の角度としたときに、０〜９０°の範囲及び２７０〜３６０°の範囲に配置される
ことを特徴とするアキシャルギャップモータ。
【請求項６】
請求項１に記載のアキシャルギャップモータであって、
前記冷却媒体は、
前記ロータの回転方向に対向する回転方向に前記供給管を流れる
ことを特徴とするアキシャルギャップモータ。
【請求項７】
請求項１に記載のアキシャルギャップモータであって、
前記冷却媒体は、
前記ロータの回転方向と同じ方向に前記供給管を流れる
ことを特徴とするアキシャルギャップモータ。
【請求項８】
請求項１に記載のアキシャルギャップモータであって、
前記第２の部分の前記複数の孔の開口面積の総和は、
前記第１の部分の前記複数の孔の開口面積の総和より大きい
ことを特徴とするアキシャルギャップモータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アキシャルギャップモータに関する。
【背景技術】
【０００２】
アキシャルギャップモータは、円板状のロータとこれと対向して置かれたステータから構成される。ロータは、平板状の永久磁石を円周方向に複数個配置し、ステータは、コアとコイルとからなる電磁石を円周方向複数個配置している。ロータは、シャフトに取付けられている。シャフトはエンドブラケットに取付けられた軸受けにより支持されている。ステータは、外周側でハウジングに保持されている。ハウジングはエンドブラケットに結合されている。全閉型のアキシャルギャップモータの場合には、ハウジングとエンドブラケットとにより全方向を覆われている。
【０００３】
アキシャルギャップモータでは、体格当たりのトルクを大きくするためにステータの両側を２枚のロータではさみ、ステータの両側にギャップ面を形成した２ロータ１ステータの構成を為す。
【０００４】
アキシャルギャップモータでの損失の多くは電磁石を構成するコイルやコアで発生する。損失は熱となり熱伝導によりコア、コア支持部材これと接するハウジングへ伝えられ、最終的には外気に放熱される。これとは別の経路として内部の気体の熱伝達によりステータからロータへ熱が伝えられる。ロータ、シャフトに伝えられた熱は、熱伝導によりベアリングそしてエンドブラケットに伝えられ、一部は、熱伝達によりハウジングに伝えられ最終的には外気に放熱される。放熱されなかった熱により、ステータとロータの温度が上昇する。ロータの磁石温度が上昇すると磁力が低下し、アキシャルギャップモータの効率が低下する。
【０００５】
アキシャルギャップモータを、ハイブリッド自動車又は電気自動車に搭載する場合には、大きなトルクが必要となる。トルクの増大に伴い、コイルに流れる電流も増し、コイルとコアで発生する熱が大きくなる。そのため、従来の熱伝達によりハウジングから周囲の空気へ放熱して冷却するだけでは、充分にアキシャルギャップモータの冷却を行うことができない。
【０００６】
一方、ステータの冷却に冷却媒体を用いたアキシャルギャップモータが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１では、コイルを密閉構造とし冷却媒体を循環させることでコイルとコアとの冷却を行っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−２６１０８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１の冷却方式では、以下のような課題がある。コイルとコアとを密閉して、この密閉空間に冷却媒体を流し冷却を行っているため冷却媒体がコイルとコアのみに供給される。冷却媒体が供給されないコア支持部材やシャフトなどは冷却が行われない。また、コイルとコアに冷却媒体を流す密閉構造とするために、流路を形成した後、流路の密閉構造の確認や不具合が発生した場合にはこの修復が必要となり生産性が低下する。
【０００９】
そこで、本願発明者は、冷却媒体をステータに直接供給して冷却媒体の熱伝達を利用し冷却を促進し、この温度上昇を抑制することを検討した。ここで、アキシャルギャップモータの回転時にはロータの回転による気流が発生する。その結果、単に冷却冷媒を供給しただけでは、供給された冷却媒体はロータの気流により飛散し、冷却すべき所望の場所に均一に供給することができないことを本願発明者は発見した。
【００１０】
すなわち、密閉構造を用いずに冷却媒体をステータに直接供給する場合、コイルの冷却媒体の供給量の分布に偏りがあり、このためコイルの温度が均一とならない場合があることがわかった。コイルの温度が不均一であると、コイルの温度が均一である場合に比べて高温のコイル温度によりアキシャルギャップモータの運転条件が制約される。
【００１１】
本発明の目的は、冷却媒体をステータに直接供給する場合に、ステータの温度を均一とすることができるアキシャルギャップモータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明は、水平に配置された回転軸と、前記回転軸に固定されるロータと、前記ロータに対向するステータと、前記ステータの周囲に配置され、冷却媒体を前記ステータに吐出する複数の孔を有する供給管と、を備え、前記供給管は、その最上部から前記ロータの回転方向に沿って伸びる第１の部分より、前記最上部から前記ロータの回転方向に対向する回転方向に沿って伸びる第２の部分から多くの冷却媒体を吐出する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、冷却媒体をステータに直接供給する場合に、ステータのコイルの温度を均一とすることができる。上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るアキシャルギャップモータの分解斜視図である。
【図２】図１に示すエンドブラケットに設けられた冷却媒体供給管の斜視図である。
【図３】本発明を実施しない場合の冷却媒体のステータ上での挙動の模式図である。
【図４】本発明を実施しない場合の冷却媒体のステータ上での供給量分布の模式図である。
【図５】本発明の第１の実施形態に係る冷却媒体のステータ上での供給量分布の模式図である。
【図６】本発明の第１の実施形態に係る冷却媒体供給孔の変化の模式図である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る冷却媒体供給孔のピッチの変化の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を用いて、本発明の第１〜第２の実施形態に係るアキシャルギャップモータの構成及び作用効果を説明する。以下の説明は本発明の具体的内容を示すものであり、本発明がこれらに限定されるものではなく、本明細書に開示される技術思想の範囲内において当業者による様々な変更および修正が可能である。また、本発明を説明するための全図において、同一の機能を有するものは、同一の符号を付け、その繰り返しの説明は省略する場合がある。
【００１６】
（第1の実施形態）
図１から図６を用いて、第１の実施形態に係るアキシャルギャップモータについて説明する。図１は本実施形態のアキシャルギャップモータ１の分解斜視図である。図２はエンドブラケットに設けられた冷却媒体供給管の斜視図である。図３は本発明を実施しない場合の冷却媒体のステータ上での挙動の模式図である。図４は本発明を実施しない場合の冷却媒体のステータ上での供給量の分布の模式図である。図５は本発明の第１の実施形態に係る冷却媒体のステータ上での供給量分布の模式図である。図６は本発明の第１の実施形態に係る冷却媒体供給孔の変化の模式図である。なお、図１、図３に示したように概略紙面下方に向かって重力が作用するものとする。
【００１７】
図１のアキシャルギャップモータ１は、１ステータ２ロータ型といわれるものである。ロータ３（３１、３２）は、ステータ２を挟んで軸方向に対向して配置される第１ロータ３１及び第２ロータ３２と、により構成される。ステータ２は、コア２２と、コア２２を支持する支持部材２３と、軸方向に対して第１ロータ３１に近い側の支持部材２３の側方に配置される第１コイル２１ａと、軸方向に対して第２ロータ３２に近い側の支持部材２３の側方に配置される第２コイル２１ｂ（不図示）と、により構成される。
【００１８】
流路部は、第１ロータ３１の径方向の側部を通る第１流路部と、第２ロータ３２の径方向の側部を通る第２流路部と、により構成される。排出口は、第１排出口と第２排出口と、により構成されている。第１排出口は、第１流路部と繋がり、軸方向において第１ロータ３１よりも第１コイル２１ａの近くに設けられる。第２排出口は、第２流路部と繋がり、軸方向において第２ロータ３２よりも第２コイル２１ｂの近くに設けられる。
【００１９】
本実施形態のアキシャルギャップモータ１は円板状のロータ３（３１、３２）とこれにギャップを介して対向したステータ２、ロータ３の内周でロータ３に接続されたシャフト４、このシャフト４を支持するここでは図示しない軸受、この軸受が取り付けられたエンドブラケット６２、このエンドブラケット６２とステータ２の外周に接続されたハウジング６１とから構成されている。筐体６は、ステータ２とロータ３とを収納し、冷却冷媒供給管８（図２）を保持する円筒状のハウジング６１と、ハウジング６１の両端に取り付けられるエンドブラケット６２と、から構成される。
【００２０】
ロータ３は、図示しない磁石とこれを保持する構造材やバックヨークなどで構成されている。ロータ３は、シャフト４（回転軸）に固定されている。ステータ２は、コア２２、これに巻かれたコイル２１とコア２２を支持する支持部材２３から構成されている。ステータ２は、ロータ３と軸方向に沿って対向している。ステータ２のコイル２１は、銅線またはアルミ線を用いる。コア２２は電磁鋼板やアモルファス箔を積層したものまたは圧粉磁心などの軟磁性体を用いる。ロータ３の磁石は、フェライト磁石やネオジム磁石などを用いる。なお、シャフト４（回転軸）は、水平（重力方向に垂直）に配置される。
【００２１】
図１ではエンドブラケット６２のＡ面（シャフトに垂直な端面）として図示した出力軸側に冷却媒体供給管入口８３と冷却媒体供給管出口８４が設けられている。図示されていないＢ面とした反出力軸側にも同様に冷却媒体供給管入口８３と冷却媒体供給管出口８４が設けられている。図１では、冷却媒体供給管入口８３が右側で、冷却媒体供給管出口８４が左側となっているが、この逆の配置、すなわち冷却媒体供給入口８３が左側で、冷却媒体供給管出口８４が右側でも機能的には問題がない。アキシャルギャップモータ１の搭載形態により適宜選択することができる。また、図示しないが冷却媒体を回収するための冷却媒体排出口がハウジング６１の下部に設けられている。
【００２２】
冷却媒体供給管８は、図２に示すように、冷却媒体供給管８の外周側曲げ半径Ｒ２から冷却媒体供給管８の内周側曲げＲ１を引いた分の厚みで形成される。また、冷却媒体供給管８は、周方向において、回転軸を中心に冷却媒体供給管の円弧の角度θの円弧状で形成される。図２のＯは、冷却媒体供給管８の曲げの円弧中心を表している。冷却媒体供給管８の断面は、一例として、台形状である。冷却媒体供給管８は、中空の管で冷却媒体供給管８の傾斜面８１に冷却媒体供給孔８２が複数開口した構造となっている。冷却媒体供給管８の円弧の角度（図２中Θで表記）は、冷却媒体供給孔８２を図１の横方向（図の側面方向）にも設けることができるようにするため概略１８０°以上の角度であることが好ましい。
【００２３】
なお、図２では、冷却媒体供給孔８２の直径はｄｈであり、隣接する冷却媒体供給孔８２のピッチは、θpである。これらの詳細については、図５及び図６を用いて後述する。
【００２４】
本実施形態のアキシャルギャップモータ１の動作を説明する。図に示さないインバータや交流電源を用いコイル２１に通電すると、ステータ２表面に交番磁界が形成される。この交番磁界と磁石によるロータ３の静磁界とが吸引、反発することでロータ３が回転子トルクを発生する。
【００２５】
次に、図３を用いて、冷却媒体供給８の冷却媒体供給管８より供給された冷却媒体の挙動について説明する。図３は、図１のＢ面と示した反出力側よりステータ２のコイル２１を図示し、これに冷却媒体の流れを模式的に黒塗りの矢印で示したものである。角度は既述のようにアキシャルギャップモータ天頂部を０°これより左回りに角度を付与してある。
【００２６】
以下、図３を用いて、本発明を実施しない比較例として、冷却媒体供給管８の冷却媒体供給孔８２より均一な冷媒供給量を供給した場合の冷却媒体の挙動について説明する。アキシャルギャップモータ１の外部に設置された図に示さない冷却媒体供給系から冷却媒体が冷却媒体供給管８に接続する冷却媒体供給管入口８３より供給される。冷却媒体供給管８に供給された冷却媒体は、冷却冷媒供給孔８２より噴出（吐出）しステータ２の上半分側コイル２１の外径側の外径側コイルエンド２１１に供給される。
【００２７】
この後、供給された冷却媒体はコア２２と隣接するコア２２の間のコイル２１（コア間コイル２１２）、コア２２や支持部材２３の上を流れて冷却を行う。その後、上半部側コイル２１の内径側の内径側コイルエンド２１３を流れて、回転しているシャフト４により飛散される。シャフト４により飛散された冷却媒体は滴下した位置より回転方向前方約９０°のＣ点付近に集中する。この残りの滴下した冷却媒体は回転するシャフト４の面を滑り、滴下した位置より回転方向後方約９０°のＤ点付近に集中的に飛散される。
【００２８】
Ｃ点付近に飛散された冷却媒体は下半分側の内径側コイルエンド２１３を伝わり、他の内径コイルエンド２１３へと流れる。内径コイルエンド２１３に流れた冷却媒体は下半分のスロット間コイル２１２と下半分のコア２２と支持部材２３とを流れステータ２の外周を１８０°（最下部）に向かって流れる。Ｄ点の冷却媒体もＣ点の冷却媒体と同様の挙動をする。
【００２９】
このときの冷却媒体の供給量の分布を図４に示す。図４の縦軸は冷却媒体の相対供給量で横軸は図３と同様に付与した角度である。コイル２１下半分に供給される冷却媒体の量は９０°から１８０°にかけて多くなる。これに対して１８０°から２７０°にかけて冷却媒体の量は少なくなる。そのためコイル２１の下半分側に大きな温度分布の偏りを発生させる。
【００３０】
これに対し、上記のような回転するシャフト４による冷却媒体のステータ２の下半分への飛散を考慮する。具体的には、冷却媒体を冷却媒体供給管８の冷却媒体供給孔８２より均一に供給するのではなく、シャフトの回転による供給量の差が発生することを考慮して、予め逆の偏りを与えて供給した場合について以下に述べる。本実施形態では、図３に示すようにロータは紙面に向かって左回転をしており、冷却媒体の供給方向はこれに対向するように右回転すなわち９０°から０°そして２７０°へ向かって供給されているものとする。
【００３１】
従って、０°より９０°の冷却媒体の供給量を２７０°から０°の冷却媒体の供給量より少なくする。このようにすると、シャフト４の回転により前方へ飛散されＣ点に供給される冷却媒体の量が減り、残りのシャフト４の面を滑りＤ点へ供給される冷却媒体の量が増える。その結果、下半分側のコイル２１へ供給される冷却媒体の量は図５に示すようにほぼ均一となり、下半分側のコイル２１の温度が均一となる。この場合に上半分側のコイル２１への冷却媒体供給量に分布が少し発生するが、この分布を与えなかった場合の下半分側の冷却媒体供給量の分布より遥かに小さいため、上半分側のコイル２１に発生する温度分布は小さく問題にならない。
【００３２】
上記を実現するためには冷却媒体供給孔８２どうしの間隔すなわち、ピッチθpを一定にして図６に示すように冷却媒体供給孔８２の直径dhを変化させる。図６の縦軸は冷却媒体供給孔の直径で、横軸は図３同様に付与した角度である。冷却冷媒供給孔８２の供給方向の前半の直径dh1に対して後半の孔の直径dh2を相対的に大きく、dh1＜dh2となるようにする。ここで冷却冷媒供給孔８２が０°から９０°そして２７０°から３６０°までしかないのは、図２の説明で述べたようにステータの上半分側の外周に冷媒供給管８を設け、冷却冷媒供給孔８２をθで１８０度としているためである。以下の説明でも同様とする。
【００３３】
すなわち、冷却媒体供給管８は、ステータの径方向外側かつ鉛直上側に配置される。なお、冷却媒体供給管８は、円弧状であり、複数の冷却媒体供給孔８２は、鉛直上方向を０°とし、ロータ３の回転方向を正の角度としたときに、０〜９０°の範囲及び２７０〜３６０°の範囲に配置される。
【００３４】
これに対して、冷却媒体の供給方向とロータ３の回転方向が同じ場合には、供給方向の前半を増加させるようにする。この場合も冷却媒体相対供給量の図３同様に付与した角度に対する分布は、図６と同じようになる。この場合には冷却媒体は２７０°から０°そして９０°に向かって供給されるため、その前半すなわち２７０°から０°で冷却媒体相対供給量が多くなる。
【００３５】
本実施形態で取り上げなかった、ロータの回転が図３のように紙面に向かって左回転でない場合、すなわち右回転の場合についても同様の方法で下半分側コイル２に供給される冷却媒体の量を均一とすることができる。
【００３６】
このように、冷却媒体供給管８は、ステータ２の周囲に配置され、冷却媒体をステータ２に吐出する複数の冷却媒体供給孔８２を有する。冷却媒体供給管８は、その最上部からロータ３の回転方向に沿って伸びる第１の部分より、最上部からロータ３の回転方向に対向する回転方向に沿って伸びる第２の部分から多くの冷却媒体を吐出する。
【００３７】
本実施形態では、第２の部分の複数の孔の直径ｄｈ２は、第１の部分の複数の孔の直径ｄｈ１より大きい。換言すれば、第２の部分の複数の孔の開口面積の総和は、第１の部分の複数の孔の開口面積の総和より大きい。
【００３８】
ここで、冷却冷媒供給管８より噴出した冷却媒体は、上半分側のコイル、コアや支持部材を流れる。この後、冷却媒体は回転するシャフトに滴下しシャフトを冷却した後、飛散される。飛散された冷却媒体は下半分のコイル２１、コア２２や支持部材２３を冷却する。ステータ２の上半分側より供給される冷却媒体量をシャフト４の回転による供給量の差が発生することを考慮して、予め逆の偏りを与えてシャフトの回転により均一となるように供給する。そのため、ステータ２の下半分側では、冷却媒体の供給量の分布が均一となり、コイル２１、コア２２や支持部材２３からなるステータ２を均一に冷却できる。
【００３９】
以上説明したように、本実施形態によれば、冷却媒体をステータに直接供給する場合に、ステータの温度を均一とすることができる。
【００４０】
（第２の実施形態）
本実施形態でも、ロータ３の回転方向は図３の紙面に向かって左回転とし、冷却媒体の供給方向はこれと対向する向きの紙面に向かって右回転とする。シャフト４の回転による供給量の差が発生することを考慮して、予め逆の偏りを与えて供給するには、冷却媒体供給孔８２の直径dhを一定にして図７に示すように冷却媒体供給孔８２のピッチθpを変化させる。図７の縦軸は冷却媒体供給孔のピッチで、横軸は図３同様に付与した角度である。冷却媒体供給孔８２の供給方向の前半のピッチθp1に対して後半の孔のピッチθp2を相対的に小さく、θp1＞θp2となるようにする。このようにすると、冷却媒体の供給の前半では冷却媒体供給孔８２の数が後半より少なくなり、冷却媒体が後半で上半分側のコイル２に多く供給されるようになる。
【００４１】
これに対して、冷却媒体の供給方向とロータの回転方向が同じ場合には、供給方向の前半を増加させるようにする。この場合も図３同様に付与した角度に対する冷却媒体相対供給量の分布は、図７と同じようになる。
【００４２】
このように、第２の部分の複数の冷却媒体供給孔８２のピッチθp2は、第１の部分の複数の冷却媒体供給孔８２のピッチθp1より小さい。換言すれば、第２の部分の複数の孔の開口面積の総和は、第１の部分の複数の孔の開口面積の総和より大きい。
【００４３】
本実施形態では、冷却媒体供給孔８２の加工において、同一のドリルなどで加工を行い、ピッチを変更するだけで良いため、製作性が向上する。すなわち、加工の工数を削減することができる。
【００４４】
以上説明したように、本実施形態によれば、冷却媒体をステータに直接供給する場合に、ステータの温度を均一とすることができる。また、制作性が向上する。
【００４５】
なお、第１の実施形態と第２の実施形態の両方、すなわち冷却媒体供給孔８２のピッチθpと冷却媒体供給孔８２の直径dhとの両方を調整して、供給される冷却媒体の供給量を、冷却媒体の供給方向とロータの回転方向が対向する場合には、供給方向の後半で増加させ、冷却媒体の供給方向とロータの回転方向が同じ場合には、供給方向の前半を増加させることが出来る。
【００４６】
本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【００４７】
上記実施形態では、アキシャルギャップモータは、２ロータ１ステータ型であるが、１ロータ１ステータ型、1ロータ２ステータ型などであってもよい。
【符号の説明】
【００４８】
１…アキシャルギャップモータ
２…ステータ
３…ロータ
４…シャフト
６…筐体
８…冷却媒体供給管
２１…コイル
２１ａ…第１コイル
２１ｂ…第２コイル
２２…コア
２３…支持部材
６１…ハウジング
６２…エンドブラケット
８１…冷却冷媒供給管の傾斜面
８２…冷却媒体供給孔
８３…冷却冷媒供給管入口
８４…冷却冷媒供給管出口
２１１…外径側コイルエンド
２１２…スロット間コイル（コア間コイル）
２１３…内径側コイルエンド
Ｏ…冷却媒体供給管８の曲げの円弧中心
Ｒ１…冷却媒体供給管８の内周側曲げ半径
Ｒ２…冷却媒体供給管８の外周側曲げ半径
ｄｈ…冷却媒体供給孔の直径
Θ…冷却媒体供給管の円弧の角度
θp…冷却媒体供給孔のピッチ
【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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