(57)【要約】【課題】電場に反応して変形する特殊な材料を利用することにより、モータ或いは発電機を強制的に冷却する冷却構造を提供することを目的とする。【解決手段】  ロータコア１０と磁石２０との隙間、ステータコア４０とコイル５０の間の隙間、或いは、ロータ１０とステータ４０の間のエアーギャップに、電場に反応して変形する板状の冷媒輸送部材３０を変形可能に遊嵌したので、磁石の渦電流およびコイルの交流の電場の変動を利用し、冷媒輸送部材を繰り返し変形させることで、冷媒を各部の隙間に輸送し、特に磁石およびコイルの軸方向中央部を冷却することが可能となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータコアと磁石との隙間、ステータコアとコイルの間の隙間、或いは、ロータとステータの間のエアーギャップに、電場に反応して変形する板状の冷媒輸送部材を変形可能に遊嵌することを特徴とするモータ或いは発電機の冷却構造。
【請求項２】
前記冷媒輸送部材は、電場応答性高分子よりなることを特徴とする請求項１記載のモータ或いは発電機の冷却構造。
【請求項３】
前記電場応答性高分子は、誘電エラストマーであることを特徴とする請求項２記載のモータ或いは発電機の冷却構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータ或いは発電機を冷却するための冷却構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
永久磁石式（Permanent Magnet：ＰＭ）モータは、ローターの表面に磁石を配置する表面磁石型（SurfacePermanent Magnet：ＳＰＭ）モータと、ローターの内部に磁石を埋め込む埋込磁石型（Interior Permanent Magnet：ＩＰＭ）モータに分けられる。
【０００３】
ＩＰＭモータの場合、磁石はローターコアに埋め込まれているため、ローターに対して軸方向の中央部ほど、熱伝導による冷却効果が低く、磁石の中で最も高温になる。即ち、磁石の最高温度が軸方向の中央部で発生する。
そのため、磁石の最高温度がキューリー点を超えると、磁石が減磁するため、その温度と磁界の強さの組み合わせでモーターを設計しなければならないという制約がある。
【０００４】
モータの冷却構造としては、例えば、特許文献１の段落［００２９］に「更に、２つのファン５０，５１による反連結側の送風量（風圧）は、…電動機１０のロータ鉄心１７の外周面とステータ鉄心１８の内周面との間のギャップには、反連結側から連結側に向い軸方向に空気が流れる。したがって、一次銅損の発生源であるコイル１９ａ，１９ｂに近いステータ鉄心１８の内周面及び、二次銅損の発生源である二次銅体に近いロータ鉄心１７の外周面に対して、効果的な冷却が実行でき、冷却性能が向上する。」との記載があり、また、特許文献２の段落［００９６］に「…温度上昇値が最大となるロータバー１４の中央部分と回転子鉄心１３Ａの中央部分を、通風路３０を貫流する冷却空気によって冷却することができるので、ロータバー１４と回転子鉄心を均一に冷却することができ、…」との記載がある。
【特許文献１】特開平９−５６１１８号公報
【特許文献２】特開平９−２０５７５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１では、図２等に示されるように、フレーム１３に取り付けられた２つのファン５０，５１により、ロータ鉄心１７の外周面とステータ鉄心１８の内周面との間のギャップに軸方向に空気を強制的に流すことができ、また、特許文献２では、図１４等に示されるように、回転子鉄心１３Ａに径方向に形成される通風路３０を冷却空気が流れる。
しかし、回転体であるロータコアの内部を冷却することは、冷却ファン等の補助機器の設置が困難であるため、積極的には行われていなかった。
【０００６】
また、磁石は高温になると反磁界による減磁が発止するため、磁石とロータコアの損失による温度上昇と、磁石およびコイルで発生する磁束量の組み合わせで、磁石が減磁しないように設計する必要がある。
更に、磁石は外部からの電流の供給はないが、コイルの磁界の理想的な正弦波状変動とインバーターを用いた場合の擬似的な正弦波との差による、高調波成分の影響と、ステータスロットの配置による、空間的な磁束の乱れによる空間高調波の影響により、磁場が変動するために、磁石内部で渦電流が発生し、ジュール熱による温度上昇が発生する。
この渦電流低減のため、電流経路を短くして、抵抗を見かけ上大きくするために、磁石の分割が提案されている。
【０００７】
なお、ロータの内部を冷却するためには、ロータコアと磁石の隙間を空気等の冷媒が循環する必要があるが、通常、磁束を有効に使うため、コアと磁石の間の隙間は狭くなっており、単に隙間を設けた方法のみでは、冷媒の循環は困難である。
また、回転するロータコアの隙間に空気を強制的に送風するための、ファンの取り付けは、電源供給や大きさが大きくなる面から困難である。
一方、ステーターには、回転磁束を発生させるコイルが配置されているが、コイルは自身のジュール熱により加熱され、温度が上昇する。そのため、ステーターおいても、コイルとステータスロットとの隙間が小さく、外部からの冷却が困難である点はロータと同様であった。
【０００８】
特許文献１及び２には、上記問題点として挙げているロータ軸方向中央部を冷却する技術が開示されている。
しかし、特許文献１及び２は、ステータとロータのギャップ間は冷却できるものの、前記ギャップ近傍より発熱量が大きいロータの磁石やステータのコイル近傍を冷却するものではない。
また、特許文献１及び２に記載されるように、従来では、冷却のための補機（例えば、空冷ではファン、水冷ではポンプ）が必要となり、冷却用補機による電力損失が生じる。
本発明は、上記従来技術を鑑みてなされたものであり、電場に反応して変形する特殊な材料を利用することにより、モータ或いは発電機を強制的に冷却する冷却構造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】
斯かる目的を達成する本発明の請求項１に係るモータ或いは発電機の冷却構造は、ロータコアと磁石との隙間、ステータコアとコイルの間の隙間、或いは、ロータとステータの間のエアーギャップに、電場に反応して変形する板状の冷媒輸送部材を変形可能に遊嵌することを特徴とする。
【００１０】
上記目的を達成する本発明の請求項２に係るモータ或いは発電機の冷却構造は、請求項１において、前記冷媒輸送部材は、電場応答性高分子（ＥＡＰ：ElectroActive Polymer）よりなることを特徴とする。
【００１１】
上記目的を達成する本発明の請求項３に係るモータ或いは発電機の冷却構造は、請求項２において、前記電場応答性高分子は、誘電エラストマーであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明は、電場に反応して変形する板状の冷媒輸送部材（例えば、電場応答性高分子）を、ロータコアと磁石の間の隙間、ステータコアとコイルの間の隙間、或いは、ロータとステータの間のエアギャップに変形可能に遊嵌するので、磁石の渦電流およびコイルの交流の電場の変動を利用し、冷媒輸送部材を繰り返し変形させることで、冷媒を各部の隙間に輸送し、特に磁石およびコイルの軸方向中央部を冷却することが可能となる。
これにより、具体的には、以下の効果がある。
【００１３】
（１）モータの設計で制約のうちの一つである、磁石のもっとも温度が高い、軸方向中央部の磁石の温度が低下することで、同一電流の場合は、磁石の磁束量を大きくすることが可能となり、高出力化が可能となる。或いは、ステータ外形を変化させて、磁石を大きくすれば、体積エネルギー密度の向上、および効率の向上が可能となる。
【００１４】
（２）コイルの温度が低下するため、ジュール損失が、コイルの温度低下による抵抗値の低減により、小さくできる。さらに、最高温度が低下することで、絶縁の耐温度性が緩和され、絶縁のクラスを低めることが可能となり、コスト削減と、電流増加による出力の増加、また、効率の上昇が可能となる。
【００１５】
（３）冷媒の輸送に電場応答性高分子を用いているため、冷却に動力が不要となる。また、磁石の渦電流変化により電場応答性高分子が変化するので、補機が不要となり、補機電力損失が発生しない。また、補機の設置スペースやコストも不要となる。
【００１６】
（４）電場応答性高分子板はフイルム状の材料のため、従来の絶縁構成の一部に加えるのみで配置できるので、構造面の設計変更は軽微であり、導入が容易である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
電場応答性高分子よりなる板状の冷媒輸送部材として、例えば、誘電エラストマー製の板を、
・ステータコアとコイルの間の隙間（スロット）
・ロータコアと磁石との隙間（ＩＰＭの磁石穴）
・ロータとステータの間のエアーギャップに
、電場により変形可能に遊嵌するものである。
従って、誘電エラストマー製の板に、交流電流あるいは渦電流により、電界を与えて連続的に変形を発生させ、ＥＰＡの体積膨張・収縮により、狭い隙間に冷媒（空気等）を送り、冷却を行うことができる。
【００１８】
ここで、電場応答性高分子は、電場に反応して変形（歪んだり、長さや体積が変化すること、圧力を発生することも含む）する高分子であり、技術的には次の３種類に分けられる。
１）誘電体の電歪効果を用いるもの、
２）イオン交換膜内のイオンの移動によるもの、
３）ポリマーの構造が変化するもの等
電場応答性高分子の一種類である誘電エラストマーは、強い電場の中に置かれると、電場と垂直な方向に膨張することが知られている。
【実施例１】
【００１９】
本発明の第１の実施例に係るモータ冷却構造を図１及び図２（ａ）（ｂ）に示す。
本実施例は、図１に示すように、ロータコア１０と磁石２０との隙間に、つまり、ロータの磁石近傍に、電場応答性高分子（ＥＡＰ：ElectroActive Polymer）よりなる板状の冷媒輸送部材（以下、電場応答性高分子板と言う）３０を変形可能に遊嵌する。
【００２０】
即ち、電場応答性高分子板３０と、ロータコア１０、磁石２０との間には、冷媒として空気が存在するよう、また、電場による電場応答性高分子板３０の変形を阻害しない程度の隙間を介在させる。電場応答性高分子板３０は薄いフィルム状のものである。
電場応答性高分子は、誘電エラストマとして、アクチュエータとしての適用が研究されており、電場を与えることで、材料が変形する特性を持っている。
【００２１】
本実施例では、電場応答性高分子板３０を、ロータコア１０と磁石２０の間に挿入することで、スロット高調波による、渦電流では、磁石１個内に大きな渦電流を発生しているので、電場応答性高分子に繰り返しの電場が与えられ、電場応答性高分子の変形が繰り返し発生する。
更に、電流高調波によりさらに、周波数の高い変形も重畳する。このような電場の印加により、電場応答性高分子は繰り返し変形するので、冷媒を軸方向の端部から、反対側の端部まで輸送することが可能となる。
【００２２】
例えば、本実施例に係るモータ冷却構造の縦断面を図２（ａ）（ｂ）に示す通り、時刻ｔ１における磁場と時刻ｔ２における磁場を異ならせると、電場応答性高分子板３０は正弦波状のまま移動するように変形し、電場応答性高分子板３０と、ロータコア１０、磁石２０との間に介在する冷媒としての空気が図中左右方向に矢印で示すように輸送（供給・排出）されることになり、従って、従来冷却が困難であった、ロータ中央部の磁石の冷却を可能なる。
【実施例２】
【００２３】
本発明の第２の実施例に係るモータ冷却構造を図３に示す。
本実施例は、図３に示すように、ステータコア４０とコイル５０の間の隙間に、つまり、ステータのコイル近傍に、電場応答性高分子よりなる板状の冷媒輸送部材３０を変形可能に遊嵌する。
即ち、電場応答性高分子板３０と、ステータコア４０、コイル５０との間には、冷媒として空気が存在するよう、また、電場による電場応答性高分子板３０の変形を阻害しない程度の隙間を介在させる。
【００２４】
本実施例においては、ステータコア４０とコイル５０との隙間に、電場応答性高分子板３０を配置するので、交流電流がコイル５０を流れているため、電場応答性高分子板３０に繰り返しの電場が与えられている。
従って、本実施例においても、電場応答性高分子板３０が繰り返し変形するので、冷媒の輸送が可能となり、コイルの冷却が可能となる。
【００２５】
加えて、モータの場合、コイルを回転方向に角度をつけて配置して、スロット間の磁束の変動を緩和する「スキュー」構造を用いている場合が多い。
このような構造の場合、コイルの軸方向の電場の変化が、磁石との位置関係で発生するので、軸方向での電場応答性高分子の変形が変わり、軸方向への冷媒の輸送が助長される。
【実施例３】
【００２６】
本発明の第３の実施例に係るモータ冷却構造を図４に示す。
本実施例は、図４に示すように、ロータコア１０とステータコア４０の間のエアーギャップに、つまり、ロータとステータ間に、電場応答性高分子よりなる板状の冷媒輸送部材３０を変形可能に遊嵌する。
【００２７】
即ち、電場応答性高分子板３０と、ロータコア１０、ステータコア４０との間には、冷媒として空気が存在するよう、また、電場による電場応答性高分子板３０の変形を阻害しない程度の隙間を介在させる。
本実施例においては、ロータコア１０とステータコア４０間のエアーギャップに電場応答性高分子板３０を配置するものであり、前述した実施例と同様に、ロータコア１０とステータコア４０間のギャップに冷媒を循環させることが可能となり、ローターおよびステータを冷却することが可能となる。
【実施例４】
【００２８】
本発明の第４の実施例に係るモータ冷却構造を図５〜７に示す。
本実施例は、電場応答性高分子の形状を工夫した変形例に関するものである。
即ち、実施例１〜３においては、電場応答性高分子板３０は薄いフィルム状であったが、電場応答性高分子はこのような形状に限られるものではなく、棒状や厚い板状とすることも可能である。
【００２９】
例えば、図５に示すように、ロータコア１０と磁石２０との隙間であって、磁石２０の両側面に、言い換えると、半径方向に対して垂直な側面に、棒状の電場応答性高分子３１を変形可能に遊嵌したものとすることができる。
また、図６に示すように、ロータコア１０と磁石２０との隙間であって、磁石２０の両側面に、言い換えると、半径方向に対して垂直な側面に、厚い板状の電場応答性高分子３２を変形可能に遊嵌したものとすることができる。
【００３０】
電場応答性高分子３１，３２は、薄いフィルム状に比べて、単位長さ当たりの電場応答による歪み量が同じでも変形量は厚みが厚い方が大きくなり、輸送量が増大し冷却性能が向上するという利点がある。
更には、図７に示すように、ロータコア１０と磁石２０との隙間であって、磁石２０の両側面に、言い換えると、半径方向に対して垂直な側面に、棒状と板状を組み合わせた形状の電場応答性高分子３３を変形可能に遊嵌したものとすることができる。
【００３１】
その他については、前述した実施例と同様な構成であり、同様な作用効果を奏する。
なお、棒状や板状の電場応答性高分子とフィルム状の電場応答性高分子を合わせて使用しても良い。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明は、モータを冷却するための冷却構造としてだけでなく、発電機を冷却するための冷却構造として広く利用可能なものである。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の第１の実施例に係るモータ冷却構造を示す横断面図である。
【図２】本発明の第１の実施例に係るモータ冷却構造の電界作用時の変形状態を示す縦断面図である。
【図３】本発明の第２の実施例に係るモータ冷却構造を示す横断面図である。
【図４】本発明の第３の実施例に係るモータ冷却構造を示す横断面図である。
【図５】本発明の第４の実施例に係るモータ冷却構造（棒状の電場応答性高分子）を示す横断面図である。
【図６】本発明の第４の実施例に係るモータ冷却構造（板状の電場応答性高分子）の電界作用時の変形状態を示す縦断面図である。
【図７】本発明の第４の実施例に係るモータ冷却構造（棒状と板状の組み合わせ形状の電場応答性高分子）を示す横断面図である。
【符号の説明】
【００３４】
１０  ロータコア
２０  永久磁石
３０  電場応答性高分子板（フィルム状）
４０  ステータコア
５０  コイル
【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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