(57)【要約】【課題】回転電機において、トルクの低下を抑制しながら冷却特性を向上することである。【解決手段】回転電機１０は、永久磁石２４が配置されるロータ２０、及びロータ２０の外周側に配置されるステータ３０を備え、ステータ３０は、円環状のヨーク３６とヨーク３６から内径側に突き出す複数のティース３８を形成した複数の磁性体薄板を積層したステータコア３２と、予め定められた極ピッチＰを形成するように複数のティース３８に巻回される各相コイル３４と、を含み、極ピッチＰと異なる配置ピッチで、ティース３８にヨーク３６の外周面の冷媒供給口４２からティース３８の先端面に向かって冷媒流路５０が設けられる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
永久磁石が配置されるロータ、及びロータの外周側に配置されるステータを備える回転電機であって、
ステータは、
円環状のヨークとヨークから内径側に突き出す複数のティースとを形成した複数の磁性体薄板を積層したステータコアと、
予め定められた極ピッチを形成するように複数のティースに巻回される各相コイルと、
を含み、
極ピッチと異なる配置ピッチで、ティースにヨーク外周面からティース先端面に向かって冷媒流路が設けられ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、回転電機に係り、特に、ステータに冷媒流路を設ける回転電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
永久磁石でロータの磁極を形成する方式の回転電機では、動作に伴うステータのコイルの発熱等によって永久磁石の温度が上昇し、永久磁石が減磁することが生じる。そのために、ステータを冷却すると共にロータも冷却することが望まれる。
【０００３】
特許文献1には、回転電機におけるステータコアのティースを構成する電気鋼板に冷媒が流れる溝を設けることが開示されている。溝は、ステータコアのバックヨーク外周面とティースの先端面を結んで設けられる。
【０００４】
特許文献２には、回転電機を構成する分割コアであるステータコアのそれぞれについて、外周面からスロットへ向かう径方向流路を設ける構造として、通常のスロット形状を有する第1電磁鋼板を積層する際に積層の中間の位置に、スロットを外径側に延ばす形状を有するように切欠きを設けた第２電磁鋼板と、スロットと分離し第２電磁鋼板の切欠きと重なり合う外周側切欠きが設けられる第３電磁鋼板とを積層して、軸方向と径方向とに食い違いを有する径方向流路を形成することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−５５６４５号公報
【特許文献２】特開２０１２−１８６８８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ステータコアのティースに外周側から内周側に冷媒流路を設けることで、ステータを冷却しながらロータに冷媒を供給して永久磁石を冷却できる。この方式では、冷媒流路の構造によってはステータにおける磁路が分断される。引用文献２のような分割コアのように全てのティースに冷媒流路が設けられると、磁路における磁気抵抗が高くなり、回転電機としてのトルクや効率が低下し、トルク変動が大きくなる。
【０００７】
本発明の目的は、トルクの低下を抑制しながら冷却特性を向上できる回転電機を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る回転電機は、永久磁石が配置されるロータ、及びロータの外周側に配置されるステータを備える回転電機であって、ステータは、円環状のヨークとヨークから内径側に突き出す複数のティースとを形成した複数の磁性体薄板を積層したステータコアと、予め定められた極ピッチを形成するように複数のティースに巻回される各相コイルと、を含み、極ピッチと異なる配置ピッチで、ティースにヨーク外周面からティース先端面に向かって冷媒流路が設けられることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る回転電機によれば、極ピッチと異なる配置ピッチでステータのティースに冷媒流路が設けられるので、極ピッチで配置される冷媒流路に比較して、磁気抵抗の増加が抑制される。これにより、トルクの低下、トルク変動を抑制しながら冷却特性を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明に係る実施の形態における回転電機の構成図である。図１（ａ）は、軸方向から見た構成図で、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。
【図２】本発明に係る実施の形態の回転電機のステータコアにおける冷媒流路の構成を示す図である。図２（ａ）は、冷媒流路の形成を示す模式図であり、（ｂ）は、図１（ｂ）のステータコアの部分を示す断面図であり、（ｃ）は、冷媒流路を形成する３種類の磁性体薄板の積層順序を示す分解図である。
【図３】他の冷媒流路の配置例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき詳細に説明する。以下では、車両搭載用の回転電機を述べるが、これは説明のための例示であって、車両搭載用以外の用途に用いられる回転電機でも構わない。以下に述べる寸法、形状、材質、極数、極ピッチの角度、ティースの数等は、説明のための例示であって、回転電機の仕様等により、適宜変更が可能である。また、以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１２】
図１は、車両搭載用の回転電機１０の構成を示す図である。図１（ａ）は、回転電機１０の軸方向から見た図である。（ｂ）は、（ａ）のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。図１には、回転電機１０の周方向θ、径方向Ｒ、軸方向Ｚを示した。径方向Ｒは、内径側から外径側に向かう方向を＋Ｒとし、軸方向Ｚは、図１（ａ）の紙面の裏側から紙面の手前側に向かう方向Ｚを＋Ｚとする。
【００１３】
回転電機１０は、車両が力行するときは電動機として機能し、車両が制動時にあるときは発電機として機能するモータ・ジェネレータで、三相同期型回転電機である。回転電機は、図１に示されるロータ２０と、ロータ２０の外周側に所定のギャップである隙間１２を隔てて配置される円環状のステータ３０とで構成される。
【００１４】
ロータ２０は、ロータコア２２と、複数の永久磁石２４と、ロータコア２２に設けられる中心穴２６に挿入固定されるロータ回転軸を含む。図１ではロータ回転軸の図示を省略した。ロータコア２２は、所定の形状に成形された複数の磁性体薄板を積層して形成される円環状の磁性体部品である。磁性体薄板としては、電磁鋼板を用いることができる。磁性体薄板の積層体に代えて、磁性粉末を一体化成形したものを用いてもよい。ロータ２０が回転電機１０に用いられるときには、ロータコア２２と一体化されたロータ回転軸の軸方向の両端が軸受によって回転自在に支持され、ステータ３０との磁気的協働作用により、ロータコア２２と共にロータ回転軸が回転する。回転電機１０においては、中心穴２６に設けられるロータ回転軸がトルクを出力する出力軸となる。
【００１５】
永久磁石２４は、ロータコア２２の周方向にそって予め定められた数で設けられ、ロータコア２２の磁極を形成する磁石である。図１では、８つの永久磁石２４が設けられ、磁極数＝８で、磁極の間隔である極ピッチＰは、機械角度で（３６０度／８）＝４５度である。永久磁石２４はＲ方向に沿って着磁され、隣り合う磁極では、永久磁石の着磁方向は互いに逆方向である。図１では隣り合う３つについて永久磁石２３，２４，２５として示したが、永久磁石２４においてロータコア２２の外周側がＮ極、内周側がＳ極に着磁されるときは、永久磁石２３，２５においてロータコア２２の外周側がＳ極、内周側がＮ極に着磁される。かかる永久磁石２３，２４，２５としては、ネオジムと鉄とホウ素を主成分とするネオジム磁石、サマリウムとコバルトを主成分とするサマリウムコバルト磁石等の希土類磁石が用いられる。場合によっては、フェライト磁石、アルニコ磁石等を用いてもよい。
【００１６】
ステータ３０は、ステータコア３２と、ステータコア３２に巻回されるコイル３４を含んで構成される。図１（ａ）では、Ｗ相コイルの一部をコイル３４として示した。
【００１７】
ステータコア３２は、円環状の磁性体部品で、外周側円環状のヨーク３６とヨーク３６から内周側に突き出す複数のティース３８とを含む。隣接するティース３８の間の空間は、スロット４０である。ティース３８は、コイル３４が巻回されてステータ３０の回転磁極となる突出部である。極数は、ロータ２０と同じ８で、ティース３８の総数は、（極数８）×（相数３）＝２４である。極ピッチＰは、機械角度で（３６０度／８）＝４５度である。ティース３８の間隔は、機械角度で（３６０度／２４）＝１５度である。
【００１８】
かかるステータコア３２は、ヨーク３６とティース３８を含み、スロット４０が形成されるように所定の形状に成形された円環状の磁性体薄板を複数積層したものが用いられる。磁性体薄板としては、電磁鋼板を用いることができる。磁性体薄板の形状としては、冷媒流路５０，５２，５４のために３種類の形状を用いるが、その詳細は後述する。
【００１９】
コイル３４は、１つのティース３８に１つの相巻線が所定巻数で巻回された集中巻型コイルである。図１では詳細な図示を省略したが、Ｕ相巻線、Ｖ相巻線、Ｗ相巻線がそれぞれ８つのティース３８に集中巻される。
【００２０】
コイル３４は、絶縁皮膜付きの導体を１つのティース３８に所定の巻数で集中巻し、巻き終わりを渡り線３５によって次の同相のティース３８に延ばし、そこで所定の巻数で集中巻し、これをステータコア３２の周方向に沿った一周について繰り返して形成される。ステータコア３２の軸方向の両端側でコイル３４の巻線の外周側が突き出す部分はコイルエンドと呼ばれる。コイル３４を集中巻でなく、複数のティース３８にまたがって１つの相巻線を形成する分布巻としてもよい。
【００２１】
絶縁皮膜付き導線の素線としては、銅線、銅錫合金線、銀メッキ銅錫合金線等を用いることができる。素線としては、断面形状が矩形の平角線が用いられる。絶縁皮膜としては、ポリアミドイミドのエナメル皮膜が用いられる。これに代えて、ポリエステルイミド、ポリイミド、ポリエステル、ホルマール等を用いることができる。
【００２２】
冷媒流路５０，５２，５４は、ヨーク３６の外周面からティース３８の先端面に向かって設けられ、冷媒７０（図１（ｂ）参照）を流してステータ３０を冷却しながらロータ２０を冷却するための流路である。冷媒７０は、ヨーク３６の外周面に設けられる冷媒供給口４２から冷媒流路５０，５２，５４を通り、ティース３８の内周側先端から流れ出る。流れ出た冷媒７０は、流れ出た箇所のロータ２０の外周面を冷却すると共に、ロータ２０とステータ３０の間の隙間１２を通ってロータ２０の外周面を軸方向に流れ、永久磁石２４を冷却する。
【００２３】
かかる冷媒７０としては、冷却水、冷却油等を用いることができる。場合によっては、空気を冷媒として用いてもよい。冷媒７０の供給や循環に流体ポンプを用いてもよい。
【００２４】
冷媒流路は１つ設けるのみでもよいが、冷却効率を向上させるには複数の冷媒流路を設けることがよい。その場合に、好ましくは周方向に沿って等間隔に設けることがよい。複数の冷媒流路を配置する場合には、冷媒流路を全てのティース３８に配置せずに、極ピッチＰと異なる配置ピッチで配置する。冷媒流路がステータ３０の磁極であるティース３８に設けられるので、磁気回路における磁気抵抗が高くなり、回転電機１０のトルクが低下し、これに伴いトルク変動が大きくなることが生じ得る。極ピッチと異なる冷媒流路の配置は、これを抑制するためである。
【００２５】
図１（ａ）の例では、３つの冷媒流路５０，５２，５４が配置される。極ピッチＰ＝（３ティース間隔）であるので、これ以外の配置ピッチで冷媒流路５０，５２，５４を配置する。図１（ａ）の例では、冷媒流路５０と冷媒流路５２との間、冷媒流路５２と冷媒流路５４との間、冷媒流路５４と冷媒流路５０との間は、いずれも８ティース間隔である。これによって、トルク低下、トルク変動を抑制しながら、ステータ３０と共に、ロータ２０の永久磁石２４を効果的に冷却することができる。
【００２６】
ステータコア３２における冷媒流路の構成は、冷媒流路５０，５２，５４のいずれにおいても同じであるので、以下では、冷媒流路５０について述べる。図１（ｂ）に示すように、冷媒流路５０は、ステータコア３２の軸方向のほぼ中央の位置に１箇所設けられる。ステータコア３２の軸方向に沿って２箇所以上設けるものとしてもよい。
【００２７】
冷媒流路５０は、ヨーク３６の外周面に設けられる冷媒供給口４２からティース３８の内周側先端に向かって真っ直ぐ設けられる流路ではなく、図１（ｂ）に示すように、軸方向と径方向とに食い違いのある屈曲流路である。屈曲流路にする理由は、１枚の磁性体薄板に対し、径方向に沿ってヨーク３６からティース３８に真っ直ぐな流路を設けようとすると、磁性体薄板が分断されるので、これを避け、磁気回路における磁気抵抗が増加するのを抑制するためである。なお、１枚の磁性体薄板に溝を設ける方法も考えられるが、やはり磁気抵抗が高くなる。
【００２８】
冷媒流路５０の屈曲構造は、３種類の磁性体薄板８０，８２，８４を用いて形成される。図２は、冷媒流路５０の屈曲構造の形成を示す図である。図２（ａ）は、冷媒流路５０の形成を示す模式図であり、（ｂ）は、図１（ｂ）と同様にステータコア３２の部分を示す断面図であり、（ｃ）は、３種類の磁性体薄板８０，８２，８４の積層順序を示す分解図である。
【００２９】
ステータコア３２は、３種類の磁性体薄板８０，８２，８４を予め定められた順序で積層して形成される。３種類の磁性体薄板８０，８２，８４の平面図が図３（ｃ）に示される。
【００３０】
磁性体薄板８０は、ティース３８とスロット４０が形成された形状を有する。冷媒流路５０を設けない従来技術では、この磁性体薄板８０を所定の枚数積層することでステータコアが形成される。
【００３１】
磁性体薄板８２は、磁性体薄板８０においてヨーク３６に窓部７２を設けた構造を有する。窓部７２は、冷媒流路５０が設けられるティース３８に対応した周方向位置に形成される。窓部７２の周方向に沿った幅寸法は、ティース３８の幅寸法よりも小さめに設定される。窓部７２の内径側の辺の位置は、スロット４０の外径側底部の位置とほぼ同じか、やや外径側の位置に設定される。窓部７２の外径側の辺の位置は、ヨーク３６の外周端よりも内径側に設定される。したがって、窓部７２の径方向に沿った長さ寸法Ｄ1は、ヨーク３６の径方向幅寸法よりも短い。
【００３２】
磁性体薄板８４は、磁性体薄板８０において２つの切欠部７４，７６を設けた構造を有する。２つの切欠部７４，７６は、ステータコア３２の径方向に沿って延び、互いにＤ2の間隔で離間し、冷媒流路５０が設けられるティース３８に対応した周方向位置に形成される。離間距離Ｄ2は、磁性体薄板８２の窓部７２の径方向に沿った長さ寸法Ｄ1よりも長い。切欠部７４，７６の周方向に沿った幅寸法は、磁性体薄板８２の窓部７２の周方向に沿った幅寸法よりも小さく設定される。
【００３３】
切欠部７４は、磁性体薄板８４の外周側から所定の長さで切り込まれる。切欠部７４の所定の長さは、磁性体薄板８４を磁性体薄板８２に外周面を一致するように重ねたときに、切欠部７４の内径側の底部が、磁性体薄板８２の窓部７２の外径側の辺の位置よりも内径側に来るように設定される。
【００３４】
切欠部７６は、磁性体薄板８４の冷媒流路５０が設けられるティース３９の先端面から所定の長さで外径側に切り込まれる。切欠部７６の所定の長さは、磁性体薄板８４を磁性体薄板８２に外周面を一致するように重ねたときに、切欠部７６の外径側の底部が、磁性体薄板８２の窓部７２の内径側の辺の位置よりも外径側に来るように設定される。
【００３５】
図２（ａ）は、磁性体薄板８２と磁性体薄板８４とをそれぞれの外周面を一致するように重ねたときに、切欠部７４と窓部７２と切欠部７６の重なり関係を示す模式図である。ここに示されるように、磁性体薄板８２と磁性体薄板８４を重ねることで、径方向と積層方向である軸方向とに食い違いを有する屈曲流路として冷媒流路５０が形成される。すなわち、冷媒供給口４２に供給された冷媒７０は、切欠部７４−（切欠部７４と窓部７２とが重なる開口部）−窓部７２−（窓部７２と切欠部７６とが重なる開口部）−切欠部７６を通ってロータ２０に面する隙間１２に流れ出し（図１（ｂ）の矢印付冷媒の流れを参照）軸方向に沿って軸方向端部に流れる。これにより、冷媒７０は、滞留することなく、ロータ２０が回転するときに冷媒７０を引きずることも抑制され、ステータコア３２を冷却しながら、ロータ２０の永久磁石２４を冷却できる。
【００３６】
ステータコア３２は、図２（ｂ）に示すように、−Ｚ方向から＋Ｚ方向に向かって、（複数枚の磁性体薄板８０）−（１枚の磁性体薄板８２）−（１枚の磁性体薄板８４）−（１枚の磁性体薄板８２）−（複数枚の磁性体薄板８０）の順に積層して形成される。これによって、冷媒流路５０によって生じる磁気回路の磁気抵抗の増加を抑制し、ロータ２０の永久磁石２４の冷却を効率的に行うことができる。
【００３７】
上記では、冷媒流路５０，５２，５４の３つを用いたが、極ピッチＰと異なる配置ピッチで配置できる数であれば、３以外の数でもよい。回転電機１０が三相型であるときは、冷媒流路の数は、３の倍数が好ましい。図３は、６つの冷媒流路５０，５２，５４，５６，５８，６０を用いる例を示す図である。この配置の場合でも、図１の回転電機１０と同様の作用効果を奏する。
【００３８】
上記構成の回転電機１０の作用効果をまとめると、以下の通りである。まず、冷媒７０がステータ３０の外周側から内周側に流れ、冷媒７０が隙間１２に供給されてロータ２０の表面を冷却でき、永久磁石２４を冷却できる。これによって永久磁石２４の減磁が抑制され、永久磁石２４の使用量を削減できる。例えば、保持力が高いが高価な希土類磁石の使用量を削減できる。また、回転電機１０の冷却能力が向上するので、回転電機１０の運転範囲を拡大できる。さらに、回転電機１０の小型化を図ることができる。また、極ピッチＰと異なる配置ピッチで冷媒流路を配置するので、冷媒流路による磁気回路の磁気抵抗の増加を抑制でき、回転電機１０のトルク低下、トルク変動を抑制できる。これによって、回転電機１０の振動が抑制され、騒音が抑制される。
【符号の説明】
【００３９】
１０  回転電機、１２  隙間、２０  ロータ、２２  ロータコア、２３，２４，２５  永久磁石、２６  中心穴、３０  ステータ、３２  ステータコア、３４  コイル、３５  渡り線、３６  ヨーク、３８，３９  ティース、４０  スロット、４２  冷媒供給口、５０，５２，５４，５６，５８，６０  冷媒流路、７０  冷媒、７２  窓部、７４，７６  切欠部、８０，８２，８４  磁性体薄板。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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