特開 2024-13921 回転電機

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024013921

(43)【公開日】2024-02-01

(54)【発明の名称】回転電機

(51)【国際特許分類】

   H02K 9/06 20060101AFI20240125BHJP

   H02K 5/20 20060101ALI20240125BHJP

   H02K 9/19 20060101ALI20240125BHJP

【ＦＩ】

H02K9/06 B

H02K5/20

H02K9/19 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022116357

(22)【出願日】2022-07-21

(71)【出願人】

【識別番号】000116574

【氏名又は名称】愛三工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000394

【氏名又は名称】弁理士法人岡田国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】東 充志

(72)【発明者】

【氏名】山内 俊彦

【テーマコード（参考）】

5H605

5H609

【Ｆターム（参考）】

5H605AA01

5H605BB05

5H605BB10

5H605CC01

5H605DD13

5H609BB03

5H609BB19

5H609PP02

5H609PP05

5H609PP06

5H609PP07

5H609QQ02

5H609QQ04

5H609QQ08

5H609RR16

(57)【要約】

【課題】回転電機に密閉構造のケースを採用しても内側のロータまで効果的に冷却できるようにする。
【解決手段】一つの態様はケースとステータとステータの内側に配置されたロータとを備える回転電機であって、ロータコアを貫通する貫通孔により形成された内側通路と、ステータとケースの間に形成された外側通路と、内側通路と外側通路とを連通する連通路とを備える。回転電機はまたロータに固定されたファンと、ケースに設けられ冷却液を通すための冷却液通路と、外側通路内に設けられステータに向かって延びるフィンとを備える。ファンがロータとともに回転することにより内側通路、外側通路、連通路で形成される循環路内で空気が循環し、この循環する空気が内側通路を通り抜ける間にロータを冷却する。冷却液が通されたケースがステータコアとの間の熱伝導によりステータを冷却するとともにフィンを介して外側通路を通り抜ける空気を冷却する。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

回転電機であって、
ケースと、
前記ケースに固定されたステータコアを有するステータと、
前記ステータの内側に配置されたロータコアを有するロータと、
前記ロータコアを貫通する貫通孔により形成された概して軸方向に延びる内側通路と、
前記ステータと前記ケースの間に形成された概して軸方向に延びる外側通路と、
前記ロータと前記ステータの両端においてそれぞれ前記内側通路と前記外側通路とを連通する連通路と、
前記ロータに固定されたファンと、
前記ケースに設けられ冷却液を通すための冷却液通路と、
前記外側通路内に設けられ前記ステータに向かって延びるフィンとを備え、
前記ファンが前記ロータとともに回転することにより前記内側通路、前記外側通路、前記連通路で形成される循環路内で空気が循環し、この循環する空気が前記内側通路を通り抜ける間に前記ロータを冷却し、
前記冷却液が通された前記ケースが前記ステータコアとの間の熱伝導により前記ステータを冷却するとともに前記フィンを介して前記外側通路を通り抜ける空気を冷却する、回転電機。

【請求項2】

請求項１の回転電機であって、
前記ステータと前記ケースの間に前記ケースとは別体のフィン形成部材が配置され、
前記外側通路は前記フィン形成部材の内周面と前記ステータの外周面とにより形成され、
前記フィン形成部材の内周面に前記フィンが形成されている、回転電機。

【請求項3】

請求項２の回転電機であって、前記フィン形成部材は環状部材を積層して形成された筒状部材である、回転電機。

【請求項4】

請求項１の回転電機であって、前記ステータがコイルを備えており、前記ステータの少なくとも一方の端には空気が前記ステータの前記コイルの隙間を通り抜けるのを防ぐコイルカバーが設けられている、回転電機。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本技術は回転電機に関するものである。

【背景技術】

【0002】

電気モータなどの回転電機のケース内部を冷却する方法には様々なものがある。例えば特開平０９－２１９９５４号公報に開示されている誘導モータでは、ロータの軸に取り付けられたファンで外気を取り込んで固定子の周辺部を冷却している。また、特開２０２１－１９７８２６号公報に開示されている誘導モータでは、外側のファンで外気を導入してロータの軸受けを冷却するとともに、内側のファンで内気を循環させてロータの内部とステータの周辺部を冷却している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開平０９－２１９９５４号公報

【特許文献2】特開２０２１－１９７８２６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

外気でケースの外表面を冷却するだけではステータの内側で回転するロータまで十分に冷却することができない。また、外気をケース内に導入することにより冷却する方式では当然ながらケースを密閉構造とすることはできない。したがって、回転電機に密閉構造のケースを採用しても内側のロータまで効果的に冷却できるようにする技術が望まれる。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本技術のひとつの態様は回転電機であって、ケースと、ケースに固定されたステータコアを有するステータと、ステータの内側に配置されたロータコアを有するロータと、ロータコアを貫通する貫通孔により形成された概して軸方向に延びる内側通路と、ステータとケースの間に形成された概して軸方向に延びる外側通路と、ロータとステータの両端においてそれぞれ内側通路と外側通路とを連通する連通路と、ロータに固定されたファンと、ケースに設けられ冷却液を通すための冷却液通路と、外側通路内に設けられステータに向かって延びるフィンとを備え、ファンがロータとともに回転することにより内側通路、外側通路、連通路で形成される循環路内で空気が循環し、この循環する空気が内側通路を通り抜ける間にロータを冷却し、冷却液が通されたケースがステータコアとの間の熱伝導によりステータを冷却するとともにフィンを介して外側通路を通り抜ける空気を冷却する。これにより、循環路内の空気を冷却することができるため、ケースが密閉構造であっても冷却効率を高く維持できる。

【0006】

実施形態によっては、ステータとケースの間にケースとは別体のフィン形成部材が配置され、外側通路はフィン形成部材の内周面とステータの外周面とにより形成され、フィン形成部材の内周面に前記フィンが形成されている。この構造を採用することによりフィンを容易に形成できる。また、フィンをケースに直接形成する必要がないため、ケースの応力集中を避けることができ、例えばケースの破損によって冷却液がケース内に侵入するの防ぐことができる。

【0007】

実施形態によっては、フィン形成部材は環状部材を積層して形成された筒状部材である。これにより狭い間隔で配置された薄いフィンを容易に形成することができる。

【0008】

実施形態によっては、ステータがコイルを備えており、ステータの少なくとも一方の端には空気がステータのコイルの隙間を通り抜けるのを防ぐコイルカバーが設けられている。これによりコイルの隙間を通る循環路が生じにくいため、結果的にファンを冷却した空気が外側通路に誘導されることとなり、フィンとの熱交換の効率が向上する。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】一つの実施形態としてフィン形成部材を備えた電気モータを軸線に沿って切断した断面図である。

【図2】電気モータの蓋を取り外し、ケース、フィン形成部材、ステータを軸線に沿った方向に（図１の右側から）見た図である。

【図3】ステータとフィン形成部材からなるアセンブリをケースから分離した分解図である。

【図4】図３のアセンブリをステータとフィン形成部材とに分離した分解図である。

【図5】一つの実施形態としてのフィン形成部材の製造方法を示す斜視図である。

【図6】別の実施形態としてコイルカバーを備えた電気モータを軸線に沿って切断した断面図である。

【図7】ステータとコイルカバーからなるアセンブリを単独で示す斜視図である。

【図8】図７のコイルカバーを単独で示す斜視図である。

【図9】図８のコイルカバーを反対側から見た斜視図である。

【図10】さらに別の実施形態としてのコイルカバーを備えた電気モータを軸線に沿って切断した断面図である。

【図11】ステータとコイルカバーからなるアセンブリを単独で示す斜視図である。

【図12】図１１のコイルカバーを単独で示す斜視図である。

【図13】さらに別の実施形態としてフィン形成部材とコイルカバーを兼ね備えた電気モータを軸線に沿って切断した断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

［電気モータ］
以下、各種実施形態について図面を参照しながら説明する。なお以下の実施形態のうち実質的な差異がない部分については類似の符号を付し説明は繰り返さない。図１は、一つの実施形態としての電気モータ１０、具体的には同期モータを示している。以下ではこの同期モータを用いて説明するが、以下に説明する特徴は特にこれに限定するものではなく、電機子と界磁がいずれに配置されているかにかからわず、ロータがステータの内側で回転する構造を有する回転電機に適用することが可能である。例えば、誘導モータや直流モータなど同期モータ以外の電気モータや、さらには発電機にも適用することも可能である。

【0011】

図１に示すように、電気モータ１０は、密閉型のケース（ハウジング）１２と、ケース１２に保持された概して円筒状のステータ１４と、ステータ１４の内側に配置されたロータ１６とを備える。ステータ１４は、周方向に沿って配置された複数のティース１８を有するステータコア２０と、このティース１８に巻かれたコイル２２とを備える。図には集中巻きコイルを示しているが、分布巻きコイルとしてもよい。各コイル２２の巻き線はステータ１４の片側に引き出され、バスバー２４や端子を介して電源あるいは外部回路に接続される。ロータ１６は、周方向に沿って配置された複数の永久磁石２６を有するロータコア２８と、ロータコア２８の軸線に沿って貫通する挿通孔に挿入されて固定されたシャフト３０とを備える。シャフト３０は両端で軸受３２、３４を介してケース１２に回転可能に支持される。

【0012】

［遠心ファンと冷却風の循環路］
ロータ１６の一端（図１では右端）には、ケース１２内の空気を冷却風として循環させるための遠心ファン３６が取り付けられる。例えば、遠心ファン３６はステータ１４の巻き線が引き出される側（左端）とは反対側に配置することができる。

【0013】

図１、図２に示すように、ロータコア２８には、冷却風の内側通路４０となる軸方向に貫通する少なくとも一つの貫通孔３８が形成される。この内側通路４０は冷却風の循環路の内側部分となる。電気モータ１０が作動しロータ１６が回転すると、遠心ファン３６が連動して回転することにより内側通路４０の中の空気が径方向外向きに吹き出される。電気モータ１０の作動中に発熱したロータ１６のロータコア２８や永久磁石２６は遠心ファン３６によって循環させられた冷却風によって冷却される。貫通孔３８の内側面には熱交換の効率を高めるためのフィン３９を設けることもできる。

【0014】

図２、図４に示すように、ステータコア２０は外周面に冷却風の外側通路４２を形成するための軸方向に延びる少なくとも一つの溝４４を有する。図４では１２本の溝４４が形成されている。この溝４４は冷却風の循環路の外側部分となる外側通路４２を形成する。溝４４は周方向に間隔をおいて複数形成される。例えば、コイル２２あるいはティース１８に対応する位置に配置される。溝４４は図に示したように軸方向に平行に延びる一定の幅を有するものとすることができるが、これに限定されない。

【0015】

図１に示すように、冷却風の循環路は、上記の軸方向に延びる外側通路４２と内側通路４０の他、コイル２２の両端とケース１２（蓋４６を含む）との間に形成された径方向に延びる二つの連通路４８、５０によって構成される。図１で見ると、遠心ファン３６から右側の連通路４８を径方向外側に向かって吹き出した冷却風は、外側通路４２を左向きに通り、左側の連通路５０を径方向内側に向かって流れ、内側通路４０を右向きに通って戻る。

【0016】

［ウォータージャケット］
図２に示すように、ケース１２にはウォータージャケットを形成するための冷却水を満たす水路５２が設けられる。水路５２はステータ１４に対応する範囲にわたって形成された円筒状の空隙とすることができるが、これに限定されず、同様の範囲にわたって形成された螺旋状の通路や複数の環状の通路などとすることもできる。水路５２に通される冷却水は、電気モータ１０の冷却中、図示しない循環システムによって循環させられる。水路５２の冷却水によって冷却されたケース１２は、モータの作動中に発熱したステータ１４から熱伝導により熱を吸収することによりステータ１４を冷却する。また冷却水によって冷却されたケース１２は、ロータ１６を冷却して温度が上昇した冷却風がステータコア２０に形成された外側通路４２を吹き抜ける間に冷却風から熱を吸収する。冷却水の代わりに水以外の冷却液を用いることも可能である。

【0017】

［フィン形成部材］
図２～図４に示すように、本技術の一つの態様として、電気モータ１０は、ケース１２とステータコア２０の間にフィン形成部材６０を備える。フィン形成部材６０は概して円筒状であり、内周面から内方に延びるフィン６２を有する。フィン６２は軸方向に延びる細長い突起である。フィン６２はステータコア２０に形成された各溝４４に対応する位置に少なくとも一つ、好ましくは複数形成される。図では一例として一つの溝４４に対し５枚のフィン６２が形成されている。各フィン６２は図に示すようにステータコア２０に形成された溝４４に沿って連続的に延びる薄板状とすることができるが、このような形状に限定されず、熱交換に適した任意の形状とすることができる。フィン形成部材６０はアルミや銅など熱伝導性の高い材料で形成される。これによりケース１２とステータコア２０の間の熱伝導を促進し、ステータ１４の冷却効率を妨げないようにすることができる。筒状のフィン形成部材６０はステータコア２０の外側に圧入や焼き嵌めにより取り付けられる（図４参照）。このようにしてフィン形成部材６０が装着されたステータ１４は、圧入や焼き嵌めによりケース１２の内側に取り付けられる（図３参照）。

【0018】

以上に説明したような別体のフィン形成部材６０を用いることにより、ケースに切削などで直接フィンを形成する場合と比べて薄肉のフィン６２を狭い間隔で形成することが容易となる。例えば、フィンを一体的に有するケースを鋳造やダイカストで製造することは、金型の強度や鋳抜き技術の制限から困難である。また、切削によりケースにフィンを形成するには加工時間が多くかかる。さらには、別体のフィン形成部材６０を用いることにより、ケース１２の内周面を円形などの単純な形状とすることができ、結果的にケース１２の負荷の低減することができる。フィンを直接ケースに形成した場合、各フィンの付け根に応力が集中するため、そこがケースに亀裂が生じる起点となりやすい。一方で、ケース１２の内周面を単純な形状とすれば応力集中が起きにくく、ケース１２の強度の向上につながる。フィン形成部材６０はケース１２よりも薄く作ることができるため、外力を受けても柔軟に変形し、応力集中が生じにくい。仮にフィン形成部材６０が応力集中により多少変形しても、ケース１２とステータコア２０との間に拘束されるため、熱伝導の面で機能的に問題が生じにくい。

【0019】

図５に示すように、フィン形成部材６０は例えば多数の薄い環状部材６４を軸方向に積層することにより製造する。個々の環状部材６４は例えばプレスで打ち抜くことにより製造できる。積層された環状部材６４同士はレーザー、超音波、かしめ、接着剤による接着、含侵など任意の適切な方法で接合することができる。環状部材６４の板厚は一つのフィン６２の厚さ（周方向の寸法）よりも小さくすることができる。これによりフィン６２の加工性や寸法精度が向上する。積層する環状部材６４の数はフィン形成部材６０の軸方向の長さに応じて決めることができ、例えば数十枚あるいは百枚以上とすることができる。

【0020】

図示しない別の実施形態として、フィン形成部材６０は単一の円筒状部材とする代わりに、分割された複数の部材で構成することもできる。また別の実施形態として、ステータコア２０の外周面に溝４４を形成する代わりにフィン形成部材６０の内周面に溝を形成し、フィンをその溝の中に形成することも可能である。

【0021】

［コイルカバー］
図６に示すように、本技術の別の態様として、電気モータ１０は、冷却風がステータ１４のコイル２２の隙間７２（図２参照）を通って循環するのを防ぐためのコイルカバー７０を備える。一つの実施形態として、コイルカバー７０はステータ１４の巻き線が引き出される側とは反対側、すなわち遠心ファン３６と同じ側に配置することができる。通常、隣接するコイル２２の間には隙間７２があるため、カバーが設けられていないと空気がその隙間７２を自由に行き来できる。特にその隙間７２がステータコア２０の外周面に形成された外側通路４２よりも広い場合には、ロータ１６に形成された内側通路４０とコイル２２の隙間７２とを循環する空気の流れが生じてしまう。コイルカバー７０が存在するとコイル２２の隙間７２を通る経路が遮断され、結果的にステータコア２０の外周面に形成された外側通路４２に誘導される。

【0022】

図７～図９に示すように、コイルカバー７０は、ロータ１６の端やシャフト３０を避けるための穴７４を有する概して環状の板部材として形成することができる。コイルカバー７０は、樹脂、ゴム、非磁性金属など、磁束の流れに影響を与えにくい材料で形成することができる。

【0023】

コイルカバー７０には、ステータ１４側の面に、封鎖突起７６、７７を少なくとも一つ設けることができる。封鎖突起７６、７７はステータコア２０のティース１８の間に差し込んで隙間を埋めることができるような相補的な形状とすることができる。例えば、ティース１８がＨ字状断面（図６参照）を有する場合、ティース１８の外側フランジ７８の間に嵌合する外周側の封鎖突起７６と、内側フランジ７９の間に嵌合する内周側の封鎖突起７７とを設けることができる。

【0024】

また、コイルカバー７０には、封鎖突起７６、７７とは反対側の面に、ケース１２の蓋４６によって押さえられる押さえ突起８２を設けることができる。これによりコイルカバー７０が蓋によってステータ１４に対して定位置に保持される（図６参照）。

【0025】

図１０に示すように、別の実施形態として、コイルカバー８０はステータ１４の巻き線が引き出される側に配置することもできる。この場合、図１１、図１２に示すように、コイルカバー８０には巻き線の引き出し部８３を通すための挿通孔８４を必要な数だけ設ける。この実施形態でも、遠心ファン３６と同じ側に配置した前述のコイルカバー７０（図６参照）と同様の効果を発揮する。

【0026】

［フィンとコイルカバーの併用］
図１３に示すように、実施形態によっては、以上に説明したフィン６２とコイルカバー７０（または８０）は併用することができる。このようにすれば、冷却風の循環経路の最適化とフィン６２での熱交換の促進との相乗効果により、特に内側のロータ１６の冷却効率を高めることができる。

【0027】

以上、具体的な実施形態について説明したが、本技術はこれらの実施形態に限定されるものではなく、当業者であれば本技術の目的を逸脱することなく様々な置換、改良、変更を施すことが可能である。

【符号の説明】

【0028】

１０ 電気モータ
１２ ケース
１４ ステータ
１６ ロータ
１８ ティース
２０ ステータコア
２２ コイル
２４ バスバー
２６ 永久磁石
２８ ロータコア
３０ シャフト
３２、３４ 軸受
３６ 遠心ファン
３８ 貫通孔
３９ フィン
４０ 内側通路
４２ 外側通路
４４ 溝
４６ 蓋
４８、５０ 連通路
５２ 水路
６０ フィン形成部材
６２ フィン
６４ 環状部材
７０ コイルカバー
７２ コイルの隙間
７４ 穴
７６、７７ 封鎖突起
７８ 外側フランジ
７９ 内側フランジ
８０ コイルカバー
８２ 押さえ突起
８３ 巻き線の引き出し部
８４ 挿通孔

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】