JP2014082841A - 電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】本明細書が開示する技術は、電動機に関し、ステータのコイルを効率よく冷却する技術を提供する。
【解決手段】本明細書が開示するモータ２は、ティースにコイル６が巻回されたステータ５を有しているとともに、内部に冷媒を有する。モータ２は、ティースのモータ軸方向の端面とコイル６の間をモータ半径方向に貫通する保水材１２を備える。本明細書が開示する技術によると、冷媒は、保水材１２の全体に拡がり、モータ半径方向の外側まで行きわたる。それゆえ、モータ半径方向の内側も外側も均等にコイル６を冷却することができる。
【選択図】図１

Description

本明細書が開示する技術は、電動機（モータ）に関する。本明細書が開示する技術は、特に、電気自動車など高出力で発熱の大きい電動機に適する。

電気自動車のモータなど、出力の大きいモータは発熱量も大きい。特に、大電流が流れるステータのコイルの発熱が大きい。モータ内には潤滑剤を兼ねた冷媒が導入されることがあるが、ステータのコイルはモータの半径方向（円筒形のロータ／ステータの半径方向）に幅を有するため、コイルの半径方向外側部分には冷媒が届き難く、冷却し難い。そこで、コイルを効率よく冷却する技術が提唱されている（特許文献１−３）。特許文献１の技術は、ロータ内に冷媒を誘導し、ロータの回転で冷媒を勢いよくステータに向けて飛ばし、半径方向外側のコイルエンドまで冷媒を行きわたらせる、というものである。なお、コイルエンドとは、ステータに巻回されたコイルのうち、モータ軸線方向においてステータの端部よりも外側（モータ軸線方向でステータ端部よりも外側）の部分をいう。なお、冷媒（潤滑剤）は、典型的にはオイルである。

特許文献２に開示されている技術は、ステータの軸方向の端部でコイルに接するように多孔体を配置し（すなわち、コイルエンドに接するように多孔体を配置し）、ステータのモータ半径方向の外側から多孔体へ冷媒を供給する。冷媒を吸収した多孔体でコイルを冷却する。また、特許文献３の技術は、特許文献１と同様にロータ内に冷媒を導きロータの回転力で冷媒を外側へ飛ばす。コイルエンドに冷却流体透過性のある緩衝材（布あるいはスポンジ）を取り付ける。ロータの高回転時、コイルエンドに当たる冷媒の勢いを緩衝材が緩和する。コイルエンドに冷媒が強く当たると冷媒が泡立ち、あるいは、跳ね返り、冷却効果が阻害される虞があるが、緩衝材がそれを抑制する。

特開２０１１−０９７７８４号公報 特開２００４−２１５３５３号公報 特開２０１１−１５１９６４号公報

本明細書が開示する技術も、特許文献１と同様にロータ内に冷媒を導き、ロータの回転力で冷媒を外側へ飛ばす。本明細書が開示する技術は、モータ半径方向外側のコイルエンドまで冷媒が良く行きわたる技術を提供する。

本明細書が開示するモータ（電動機）の一実施形態は、ティースにコイルが巻回されたステータを有しているとともに、内部に冷媒を有するモータであり、ティースのモータ軸方向の端面とコイルの間をモータ半径方向に貫通する保水材を備える。なお、「保水材」は、ここでは、水ではなく冷媒をよく吸収するものである。冷媒の主成分がオイルの場合は、ここでいう保水材は、その主成分のオイルをよく吸収するものである。保水材には、耐熱、耐オイル性が高く、かつ、液体をよく吸収する素材が好適である。例えば多孔質に形成されたシリコンや、毛細管現象が生じ易い素材が保水材に適する。

本明細書が開示する技術によると、冷媒は、保水材の全体に拡がり、モータ半径方向の外側まで行きわたる。それゆえ、モータ半径方向の内側も外側も均等にコイル（コイルエンド）を冷却することができる。また、保水材は、特許文献３の技術と同様に緩衝材としても機能し、ロータが射出する冷媒の泡立ちあるいは跳ね返りを抑制する。なお、本明細書が開示するモータでは、ロータ内部に冷媒を導く流路が備えられているとともに、ロータの端部に冷媒を飛び出させる射出孔が備えられており、その射出孔から、コイルエンドに向かって冷媒が噴出する。

本明細書が開示するモータでは、さらに、保水材とティースの軸方向端面との間、あるいは、保水材とコイルとの間に隙間が確保されているのがよい。隙間を設けることで、モータ半径方向の内側から外側へ、保水材内を冷媒がスムースに移動する。それゆえ、モータ半径方向外側へスムースに冷媒が供給され、高い冷却効果が期待できる。

保水材は、ステータのヨークに対向する環状部位と、ティース端面に沿って環状部位からモータ半径方向の内側に向かって伸びている細長部位とを有することが好ましい。ティースよりもモータ半径方向の外側に位置するヨークに対してできるだけ広い表面積の保水材を用い、冷却効果を高めることができる。また、ヨークを冷却することによって、モータ半径方向外側のコイルを間接的に冷却することができる。

本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

実施例のモータの縦断面図である。 ステータの端面をモータ軸方向からみた平面図である。 図２の矢印Ａの方向から見たステータの部分拡大図である。

図面を参照して実施例のモータ２（電動機）を説明する。図１に、モータ２の縦断面図を示す。モータ２は、主要な部品としてロータ４とステータ５を備える。また、モータ２は、ケース内にオイルポンプ４４を備える。オイルポンプ４４は、ロータ４の主軸３に固定されたギア４２と、オイルポンプ４４のシャフトに固定されたギア４３を介して、主軸３の回転で駆動される。

オイルポンプ４４は、ケース内部の冷媒を汲み上げ、流路４５へと圧送する。ここでは、冷媒は、潤滑剤を兼ねたオイルである。流路４５は、回転継手４１を介して主軸内流路２１に繋がっており、冷媒はオイルポンプ４４から主軸３の内部へと導かれる。主軸内流路２１はロータ内流路２２に繋がっており、ロータ内流路２２は、ロータの軸方向の両端に開口部２２ａを備えている。オイルポンプ４４で圧送される冷媒は、流路４５、主軸内流路２１、ロータ内流路２２を通り、ロータの回転力により、ロータの軸方向の両端の開口部２２ａ（射出孔）から勢いよく飛び出す（図１の矢印が冷媒の流れを示している）。このようにモータ２は、冷媒をロータ内に導く流路（流路４５、主軸内流路２１、ロータ内流路２２）を備えており、ロータ４の軸方向の端部から冷媒を飛び出させる。なお、ここで、「軸方向」とは、主軸３の伸びる方向であり、「モータ軸方向」と別言することもできる。図面においてＺ軸方向がモータ軸方向に相当する。他方、Ｘ軸方向とＹ軸方向は、モータ半径方向に相当する。

冷媒は、ロータ４の端部に設けられた開口部２２ａ（射出孔）からステータ５の軸方向端部に向かって噴出する。ステータ５の軸方向の両端にはコイルエンド６ａ、６ｂ、６ｃが位置している。なお、コイル６は、ステータ５のティース（後述）に巻回されているが、ステータ５の端部よりもモータ軸方向の外側の部位をコイルエンドと称する。モータ２は、ＵＶＷ３相交流モータであり、ステータ５にはＵ層コイル、Ｖ層コイル、及び、Ｗ層コイルの３種類のコイルが巻回されており、夫々のコイルエンドをＵ層コイルエンド６ａ、Ｖ層コイルエンド６ｂ、Ｗ層コイルエンド６ｃと称する。図１に示すように、コイルエンド６ａ−６ｃは、モータ半径方向に並んで位置し、Ｕ層コイルエンド６ａが半径方向で最もロータ４に近く、Ｗ層コイルエンド６ｃが最も半径方向外側に位置する。それゆえ、ロータ端部の開口部２２ａ（射出孔）から噴出した冷媒は半径方向の最も内側に位置するＵ層コイルエンド６ａには多く当たり、最も外側に位置するＷ層コイルエンド６ｃに当たる冷媒は、Ｕ層コイルエンド６ａに当たる量と比較すると少ない。なお、Ｕ層コイルエンド６ａ、Ｖ層コイルエンド６ｂ、及び、Ｗ層コイルエンド６ｃを総称する場合は、コイルエンド６、あるいは単にコイル６と称する。

実施例のモータ２では、ステータ５の端面とコイルエンド６の間をモータ半径方向に貫通する保水材１２が配置されており、保水材１２が冷媒をモータ半径方向の外側まで行きわたらせる。保水材１２内を拡散した冷媒がモータ半径方向外側のＷ層コイルエンド６ｃを冷却する。詳しくは、ロータ端部の開口部２２ａから噴出した冷媒は、ロータ４の近くで保水材１２に吸収され、その後、保水材１２の内部を拡散してモータ半径方向外側へと移動する。保水材１２の存在により、モータ半径方向外側に位置するコイル（Ｗ層コイルエンド６ｃ）にも冷媒が行きわたり、冷却される。

保水材１２は、例えば、シリコンで作られた多孔質材やスポンジなどである。保水材１２は、オイルの一種である冷媒（潤滑剤）を吸収する。またその冷媒は、モータの熱で温度が高くなっている可能性がある。それゆえ、保水材１２は、耐油性と耐熱性が高い材料で作られる。シリコンは、耐油性と耐熱性に優れており、保水材１２の材料に適している。

保水材１２の形状を説明する。図２に、ステータ５の端面をモータ軸方向から見た平面図を示す。図２に示すように、ステータ５は、環状のヨーク８と、ヨーク８の内側からモータ半径方向の内側（モータの中心）へ向かって伸びる複数のティース７で構成されており、保水材１２は、ヨーク８に対向する環状部位１３と、ティース端面に沿って環状部位１３からモータ半径方向の内側（モータの中心）へ向かって伸びる細長部位１４で構成される。本実施例のステータ５は１２個のティース７ａ−７ｍを有しており、夫々のティースの端面に細長部位１４が対向している。なお、Ｕ層コイルは、ティース７ａ、７ｂ、７ｃをひとまとめにして巻回されており、図２では、Ｕ層コイルエンド６ａがティース７ａ、７ｂ、７ｃの上に描かれている。Ｕ層コイルは、また、ティース７ｅ、７ｆ、７ｇをひとまとめにして巻回されており、別のＵ層コイルエンド６ａがティース７ｅ、７ｆ、７ｇの上に描かれている。さらに別のＵ層コイルがティース７ｉ、７ｊ、７ｋをひとまとめにして巻回されている。Ｖ層コイル、Ｗ層コイルについても同様である。

また、図２によく示されているように、細長部位１４は、ステータ５の端面と、Ｕ層コイルエンド６ａ、Ｖ層コイルエンド６ｂ、及び、Ｗ層コイルエンド６ｃの間を通っている。このように、保水材１２は、モータ半径方向の内側から外側までティースに沿って伸びており、最外側では環状のヨーク８に対向するように環状に形成されている。即ち、保水材１２は、モータ半径方向の外側でヨーク８に対向して大きなボリュームを有している。モータ半径方向の内側で吸収された冷媒は、細長部位１４内をモータ半径方向の外側へと移動し、このボリュームの大きな部位に蓄えられる。蓄えられた冷媒により、モータ半径方向外側のＷ層コイルだけでなく、ヨーク８も冷却される。

図２の矢印Ａの方向から見たステータ部分拡大図を図３に示す。図３によく示されているように、保水材１２はステータ５の端面に貼着されており、コイルエンド６との間に隙間Ｓｐが確保されている。保水材１２とコイルエンド６の間に隙間Ｓｐが確保されていることで、モータ半径方向の内側で保水材１２に吸収された冷媒はスムーズにモータ半径方向の外側へと移動することができる。

上記したように、実施例のモータ２は、ステータ５のモータ軸方向の両端に保水材１２を備える。保水材１２は、ステータのティースの端面とコイルの間をモータの半径方向に貫通している。また、モータ２は、ロータ内へ冷媒を導き、ロータのモータ軸方向の端部からコイルエンドに向かって噴出させる。噴出した冷媒は保水材１２に吸収され、保水材１２の内部をモータ半径方向の外側へと移動する。保水材１２によって冷媒がモータ半径方向の外側へと運ばれるので、モータ半径方向の外側に位置するコイルやヨークが効率よく冷却される。

保水材１２はステータやコイルよりも柔らかいので、ロータ４の端部から射出される冷媒の泡立ちや跳ね返りを防止する利点も有する。

実施例で説明した技術の留意点を述べる。保水材１２は、シリコンの多孔質材以外の材料で作られていてもよい。例えば、ヒートパイプのウイックのように、毛細管現象により液体を移送することのできる材料であってもよい。

実施例のモータ２は、ステータ５の両端の夫々に保水材１２を備えていた。本明細書が開示する技術は、ステータ５の両端の一方だけに保水材１２を備えるものであってもよい。また、保水材は、全てのティースに対して備えられている必要はなく、例えば、周方向に並ぶ複数のティースに対して一つおきに保水材が備えられていてもよい。実施例のモータ２では、保水材１２とコイル６の間に隙間Ｓｐが設けられていた。隙間が存在した方がよいが、隙間が無くとも、保水材に相応の効果を期待することができる。また、保水材はコイルに密着し、保水材とステータ端面との間に隙間が設けられていてもよい。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２：モータ
３：主軸
４：ロータ
５：ステータ
６：コイルエンド（コイル）
７：ティース
８：ヨーク
１２：保水材
１３：環状部位
１４：細長部位
２１：主軸内流路
２２：ロータ内流路
２２ａ：開口部
４１：回転継手
４２、４３：ギア
４４：オイルポンプ
４５：流路

Claims (4)

1. ティースにコイルが巻回されたステータを有しているとともに、内部に冷媒を有する電動機であり、
   ティースのモータ軸方向の端面とコイルの間をモータ半径方向に貫通する保水材を備えていることを特徴とする電動機。
2. 保水材とティースの軸方向端面との間、あるいは、保水材とコイルとの間に隙間が確保されていることを特徴とする請求項１に記載の電動機。
3. 前記保水材は、ステータのヨークに対向する環状部位と、ティース端面に沿って環状部位からモータ半径方向の内側に向かって伸びている細長部位とを有することを特徴とする請求項１又は２に記載の電動機。
4. ロータ内部に冷媒を導く流路を備えているとともにロータの端部に冷媒を飛び出させる射出孔を備えていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の電動機。

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