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JP6405775B2 - ダブルステータ型回転電機 - Google Patents

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Description

本発明は、外側ステータと内側ステータの間にロータを介在させて構成されるダブルステータ型回転電機に関する。
従来では、ロータの外周面からの外側永久磁石の剥がれを防止するとともに、極力トルクの減少を抑制することを目的とするダブルステータ型モータに関する技術の一例が開示されている(例えば特許文献1を参照)。このダブルステータ型モータでは、アウターステータのコイルに対向させる外側永久磁石はロータコアに形成された嵌挿孔に嵌挿し、インナーステータのコイルに対向させる内側永久磁石は外側永久磁石に対応させてロータコアの内周面に装着する。
特開2007−282331号公報
モータの主な発熱源はステータであるが、外側ステータと比較して内側ステータは、全体がモータケースとロータ内周面に囲まれている。そのため、内側ステータはポンプからの冷媒がかかりにくく、放熱されにくい構造となっている。このため、コイルの抵抗による発熱量を抑えることで、コイルを含むモータ構成部品の温度を許容値以内に抑える必要がある。具体的には、コイルの断面積を太くする(すなわち低抵抗とする)必要があり、結果としてモータ全体が出力の割に大型化してしまう。
本発明はこのような点に鑑みてなしたものであり、冷却性能に優れ、小型高出力が可能なダブルステータ型回転電機を提供することを目的とする。
上記課題を解決するためになされた第1の発明は、外側多相巻線(26)が巻回される外側ステータ(14)と、内側多相巻線(24)が巻回される内側ステータ(17)と、前記外側ステータと前記内側ステータとの間にそれぞれギャップを介して配置されるロータ(16)とを有するダブルステータ型回転電機(10)において、前記外側多相巻線の一部である外側巻線部(26a)と、前記内側多相巻線の一部である内側巻線部(24a)と、前記外側巻線部と前記内側巻線部との間を渡る渡り部(15)と、からなる複数のU字状導体(UC)を有し、前記内側ステータに成形される複数の内側スロット(17s)のうちで、同一の前記内側スロットに入る一以上の前記U字状導体は、90度を含む所定範囲内の角度で捻られる捻り部位(15a)を有し、前記捻り部位は、少なくともその一部が前記内側ステータの内側ステータコア(17c)の回転軸方向延長上に設けられることを特徴とする。
この構成によれば、U字状導体の渡り部に沿って流れる冷媒は、捻り部位によって流れる速度や向きが変えられる。速度や向きが変えられた冷媒の一部は、内側スロットに誘導されるので、内側ステータや内側多相巻線を冷却することができる。したがって、全体として冷却性能を向上させることができ、出力を高めることができる。
第2の発明は、外側多相巻線(26)が巻回される外側ステータ(14)と、内側多相巻線(24)が巻回される内側ステータ(17)と、前記外側ステータと前記内側ステータとの間にそれぞれギャップを介して配置されるロータ(16)とを有するダブルステータ型回転電機(10)において、前記外側多相巻線の一部である外側巻線部(26a)と、前記内側多相巻線の一部である内側巻線部(24a)と、前記外側巻線部と前記内側巻線部との間を渡る渡り部(15)と、からなる複数のU字状導体(UC)を有し、前記渡り部は、径方向と交差する方向であって、前記ロータの回転方向に曲げられる折曲部位(15b)を有し、前記折曲部位は、前記外側ステータの外側ステータコア(14c)および前記内側ステータの内側ステータコア(17c)の回転軸方向延長上以外の部位に設けられることを特徴とする。
この構成によれば、冷媒はロータの回転に伴って遠心力が生じる。折曲部位は径方向と交差する方向かつロータの回転方向に曲げられるとともに、外側ステータコアおよび内側ステータコアの回転軸方向延長上以外の部位に設けられるので、冷媒は折曲部位に沿って渡り部の頂点あたりまで導かれる。よって渡り部に当たりはね返る冷媒が少なくなるので、冷却性能が向上する。したがって、全体として冷却性能を向上させることができ、出力を高めることができる。
なお、「第1多相巻線」と「第2多相巻線」は、個別の巻線(導体線,コイル)でもよく、一本の巻線(導体線,コイル)でもよい。多相の相数は、三相以上であれば問わない。「一本の巻線」には、複数の導体線を電気的に接続して一本状にしたものを含む。「外側ステータ」は内側ステータよりも外側(外径側や外周側とも呼ぶ。以下同じである。)に位置し、「内側ステータ」は外側ステータよりも内側(内径側や内周側とも呼ぶ。以下同じである。)に位置する。「ロータ」は、円形状(円環状や円筒状等を含む)に成形される。「橋梁部」は、永久磁石の少なくとも一面にかかる一部または全部を覆えば任意の形状で成形してもよい。「ダブルステータ型回転電機」は、回転する部材(例えば軸やシャフト等)を有する機器であれば任意である。例えば、発電機,電動機,電動発電機等が該当する。「巻回」は巻き回すことを意味し、巻いて装う「巻装」と同義に用いる。「U字状」は二つの端部と底部を有する形状であり、J字状やW字状等を含む。
ダブルステータ型回転電機の第1構成例を模式的に示す断面図である。 外側ステータ,ロータ,内側ステータを拡大して示す模式図である。 内側ギャップ,外側ギャップ,温度,トルクの関係例を説明する図である。 外側永久磁石と内側永久磁石の構成例を拡大して示す模式図である。 図1に示す矢印V方向から見た外側ステータ,ロータ,内側ステータの側面図である。 図5に示す矢印VI方向から見た渡り部と内側ステータの構成例を拡大して示す模式図である。 図6に示す矢印VII方向から見た渡り部と内側ステータの第1構成例を拡大して示す模式図である。 軸方向から見た渡り部の構成例を示す模式図である。 U字状導体の構成例を示す模式図である。 冷媒導入部の構成例を示す模式図である。 温度検出素子の装着例を示す模式図である。 図11に示す矢印XII方向から見た構成例を示す模式図である。 図11に示す円のXIII部位を拡大して示す模式図である。 ロータの一部を拡大して模式的に示す平面図である。 電磁鋼板の構成例を模式的に示す平面図である。 ロータとディスクの構成例を模式的に示す斜視図である。 外側多相巻線,ロータ,ディスクの構成例を示す模式図である。 ディスクの第1構成例を模式示す平面図である。 図18に示すディスクにかかるXIX−XIX線の断面図である。 貫通窓穴部とスロープ部の変形例を示す模式図である。 ディスクの第2構成例を模式示す平面図である。 内側多相巻線を構成する突出部位の構成例を示す模式図である。 ダブルステータ型回転電機の第2構成例を模式的に示す断面図である。 図6に示す矢印VII方向から見た渡り部と内側ステータの第2構成例を拡大して示す模式図である。
以下、本発明を実施するための形態について、図面に基づいて説明する。なお、各図は、本発明を説明するために必要な要素を図示し、実際の全要素を図示しているとは限らない。見易くするためにハッチングを行うため、ハッチングされた要素が必ずしも断面とは限らない。上下左右等の方向を言う場合には、図面の記載を基準とする。図1,図23を除いて、各図は一部分を示す。以下では、「ダブルステータ型回転電機」を単に「回転電機」と呼ぶことにする。
〔実施の形態1〕
実施の形態1は図1〜図22を参照しながら説明する。図1に示す回転電機10Aは、回転電機10の一例であって、ダブルステータ型の電動発電機である。当該回転電機10Aは、外側ステータ14(固定子),ロータ16(回転子),内側ステータ17(固定子),回転軸23(シャフト),ディスク25などをハウジング13内に有する。
ハウジング13は、上述した外側ステータ14,ロータ16,内側ステータ17,回転軸23,ディスク25などを収容できれば形状を問わない。ハウジング13と、回転軸23との間には軸受18(ベアリング)が介在される。よって、回転軸23はハウジング13に対して回転自在に支持される。回転軸23は、回転する限り、凹凸を含めて任意の形状で成形してよい。
ハウジング13の内部は、ポンプ19によって汲み上げられる冷媒20が流下し、冷媒20はシール部材SLによって封止される。冷媒20は、冷媒導入部11,12から導入され、外側ステータ14,ロータ16,内側ステータ17などを冷却した後に冷媒排出部22から排出される。冷媒導入部11から導入される冷媒20は、主に矢印D1に沿って流下し、外側ステータ14や外側多相巻線26などを冷却する。冷媒導入部11から放出される冷媒20が四方八方に分散するように、ハウジング13の内面側および外側ステータ14の外周面のうちで一方または双方について、放射状の誘導部(例えば凸状部や凹状部など)を設けるとよい。冷媒導入部12から導入される冷媒20は、主に矢印D2に沿って流下し、渡り部15,ロータ16,内側ステータ17,内側多相巻線24などを冷却する。冷媒排出部22から排出された冷媒20は貯留部21に戻される。貯留部21は、冷媒20を貯めておく部位,部材,容器等であり、冷媒20の冷却や加温を行ってもよい。冷媒20の流量は、後述する温度検出素子30(図11を参照)で検出した温度θに基づいて制御するとよい。具体的には、図示しない制御装置(例えばECUやコンピュータ等)が温度θに基づいて、ポンプ19の駆動を制御する。
ロータ16はディスク25に固定され、ディスク25は回転軸23に固定される。これらの固定方法は問わない。すなわち、ディスク25を介してロータ16と回転軸23とが固定される。ディスク25は、ロータ16と回転軸23を結合できれば、任意の形状で成形してよい。
外側ステータ14と内側ステータ17は、ロータ16を介して対向配置されるとともに、それぞれハウジング13の内壁面に固定される。各ステータの固定方法は問わない。外側ステータ14には外側多相巻線26が巻回され、内側ステータ17には内側多相巻線24が巻回される。具体的には、外側ステータ14のステータコア(「ステータ鉄心」とも呼ぶ。以下同じである。)に外側多相巻線26が巻回され、内側ステータ17のステータコアに内側多相巻線24が巻回される。以下では、内側多相巻線24および外側多相巻線26のうちで一方または双方を単に「巻線」と呼ぶことにする。
図2に示すように、本形態の外側多相巻線26と内側多相巻線24は、少なくとも一部が渡り部15によって結合(接続を含む)される。外側多相巻線26の一部である外側巻線部26aと、内側多相巻線24の一部である内側巻線部24aと、渡り部15とはU字状導体UCを構成する。U字状に成形された導体をU字状導体UCとして用いてもよい(図9を参照)。その他、外側多相巻線26,渡り部15,内側多相巻線24は、共通となる少なくとも一本の導体線で構成してもよい。
以下では、冷媒20によって外側ステータ14,ロータ16,内側ステータ17などを冷却するための構成例について、部位や部材ごとに説明する。
〔ギャップ〕
図2に示すように、外側ステータ14とロータ16との間には外側ギャップGoが設けられ、ロータ16と内側ステータ17との間には内側ギャップGiが設けられる。本形態では、内側ギャップGiが外側ギャップGoよりも大きくなるように設定する(Gi>Go)。各ギャップは、小さく(狭く)なるにつれて、磁束が流れ易くなりトルクが増える。その反面、大きく(広く)なるにつれて、冷媒20が流れ易くなり冷却性能が向上する。そこで、巻線の温度θと、トルクTと、ギャップの大きさ(幅)の関係について、図3を参照しながら説明する。
図3に示すように、内側ギャップGiが大きくなるにつれて、巻線の温度θは特性線L1(破線)で示すように低くなり、内側ステータ17で発生するトルクTも特性線L2(一点鎖線)や特性線L3(実線)で示すように小さくなる。特性線L3はギャップ増加に伴って低下するトルクを示す。特性線L2は、内側ギャップGiの増加に伴い低下するトルクTが、内側ギャップGiの増加による冷媒20の流量増加に伴ってトルクTの低下が抑えられていることを表している。巻線の温度θについて、許容限度を温度閾値θthとする。温度閾値θth以下となるように、物の出来栄えや取り付けのばらつきを考慮し、まず外側ギャップGoを設定する。また特性線L1に基づいて、温度閾値θth以下となるように、内側ギャップGiを設定する。特性線L2と特性線L3の内側ギャップGiにおける差分トルクΔTは、冷媒20の流量増加に伴って増加するトルク量であり、内側ギャップGiを外側ギャップGoよりも大きく設定しても、トルクTの低下を抑制することができる。
〔ステータのコア厚〕
図2に示すように、外側ステータ14外側ステータコア14cは全体が軸方向(図面左右方向,図1を参照)の長さである外側コア厚Woで成形される。内側ステータ17内側ステータコア17cは全体が軸方向の長さである内側コア厚Wiで成形される。本形態では、内側コア厚Wiが外側コア厚Woよりも小さく(薄く)なるように設定する(Wi<Wo)。冷媒20が同量である場合には、内側ステータ17が小さくなる分だけ大きく冷却することができる。
〔永久磁石〕
図4に示すように、ロータ16(具体的にはロータコア16c)には外側永久磁石M1と内側永久磁石M2が備えられる。外側永久磁石M1は、ロータ16の外側(図面上側)に備えられ、軸方向長さLm1で成形される。内側永久磁石M2は、ロータ16の内側(図面下側)に備えられ、軸方向長さLm2で成形される。本形態では、軸方向長さLm2が軸方向長さLm1よりも短くなるように設定する(Lm2<Lm1)。内側永久磁石M2の長さを短く設定することで、外側永久磁石M1と外側ステータ14が使える磁路が増える。磁気飽和を緩和し易くなるので、出力(トルク)を向上できる。
〔渡り部〕
渡り部15について、図5に円で示すVI部分を拡大して示すのが図6である。渡り部15は、後述する図8に示す折曲部位15bを設けてもよい。図6において矢印VII方向からみた状態を図7に示す。後述する図9において矢印VIII方向からみた状態を図8に示す。図8ではロータ16の図示を省略している。
図6,図7に示す渡り部15は、内側ステータ17側に導体を捻る捻り部位15aを有する。本形態の捻り部位15aは、90度(製造公差範囲内の角度を含む)で捻る。図7において、渡り部15に沿って流下する冷媒20は、その一部が捻り部位15aによって速度や向きが変えられる。図7の例では、矢印D3で示すように内側多相巻線24に沿って内側ステータ17の内側スロット17sに誘導される。そのため、内側多相巻線24や内側ステータ17を冷却することができる。なお、渡り部15は冷媒20の速度や向きを変えることができればよい。そのため、必ずしも90度には限らず、所定範囲(例えば45度から135度までの範囲)内の角度で捻ってもよい。
渡り部15の一部または全部は、図8に示すように折曲部位15bを有する。折曲部位15bは、径方向と交差する方向であって、ロータ16の回転方向(例えば矢印D4方向)に曲げられる部位である。図示するように、渡り部15の一部は矢印D5方向に曲げられる。曲げ方は任意であり、折れ線状に曲げてもよく、曲線状に曲げてもよい。ロータ16が回転する際、ロータ16に付着していた冷媒20は遠心力を受けて飛び散る。折曲部位15bがあることで、冷媒20が渡り部15に沿って流れやすくなり、U字状導体UCから落下し易くなる。冷媒20が渡り部15に留まらなくなるので、結果として渡り部15の冷却性能を向上させることができる。
〔多相巻線〕
外側多相巻線26,渡り部15および内側多相巻線24をU字状導体UCで構成する例を図9に示す。一つのU字状導体UCは、外側巻線部26a,渡り部15および内側巻線部24aで構成される。
外側巻線部26aは、外側スロット14sに巻回して収容される部位のほかに、接合部26jや斜行部26bなどを含む。斜行部26bは、径方向と交差する方向(斜行方向)に曲げられる部位である(図17を参照)。接合部26jは、外側巻線部26a(具体的には斜行部26b)の端部であって、異なる外側スロット14sに巻回して収容されるU字状導体UCどうしを接続する部位である。
内側巻線部24aは、内側スロット17sに巻回して収容される部位のほかに、接合部24jや斜行部24bなどを含む。斜行部24bは、径方向と交差する方向(斜行方向)に曲げられる部位である(図22を参照)。接合部24jは、内側巻線部24a(具体的には斜行部24b)の端部であって、異なる内側スロット17sに巻回して収容されるU字状導体UCどうしを接続する部位である。
多数のU字状導体UCを外側スロット14sや内側スロット17sに通し、U字状導体UCどうしを接合部24j,26jで接続する。各相について一本状の巻線(すなわち内側多相巻線24や外側多相巻線26)を構成することができる。
〔冷媒導入部〕
図1に示す矢印V方向から見た冷媒導入部12の構成例を図10に示す。図10に示す冷媒導入部12は、複数の導入口12aや、誘導路12bなどを有する。導入口12aは冷媒20を放出する部位である。導入口12aの数は問わない。誘導路12bは円弧状に成形され、各導入口12aに冷媒20を誘導する通路である。
冷媒導入部12は、ポンプ19で汲み上げられた冷媒20を主に渡り部15に向けて放出する。渡り部15は、周方向に並ぶので図5に示すような配置となる。複数の導入口12aから冷媒20を放出することで、全ての渡り部15に冷媒20を行き渡らせることができる。すなわち、渡り部15をくまなく冷却することができる。図示しないが、冷媒導入部11についても図10に示す冷媒導入部12と同様に構成してもよい。
〔温度検出素子〕
巻線の温度θを検出する温度検出素子30の配置例について、図11〜図13を参照しながら説明する。図11,図12に示す温度検出素子30は、渡り部15の相互間における隙間SP1に配置される。温度検出素子30は温度θを検出できればよく、例えばサーミスタが該当する。温度検出素子30に接続される信号線31は、温度θを含む信号を図示しない制御装置に伝達する。渡り部15は放射状に設けられるので、渡り部15の相互間はテーパ状になる。そのため、幅広側から温度検出素子30を差し込むことで、温度検出素子30の大きさにかかわらず確実に固定することができる。なお、渡り部15は図8に示す折曲部位15bを設けてもよい。
図13に示すように、温度検出素子30を固定部材32で覆って固定してもよい。固定部材32の材質(材料を含む)は問わない。例えば、温度検出素子30の耐熱温度範囲内で溶融する絶縁性の樹脂でもよい。この樹脂を用いる場合は、溶融している間に温度検出素子30を内包させ、渡り部15の端部かつ相互間に掛止する。こうして固定部材32は図面左右方向に突起32aが生じて抜け防止になる「熱かしめ」が行える。
〔ロータ〕
ロータ16の構成例について図14,図15を参照しながら説明する。図14に示すロータ16は、ロータコア16c,外側永久磁石M1,内側永久磁石M2などを有する。ロータコア16cは、例えば図15に示す形状で加工された電磁鋼板16pを複数積層して成形する。電磁鋼板16pの厚みや、積層する枚数に応じてロータ16の厚みを適切かつ容易に設定することができる。
ロータコア16cは、収容部16s,穴部16h,第2凹部16d,凹状部16eなどを有する。収容部16sは、外側永久磁石M1を収容する部位であり、外側永久磁石M1よりも大きく成形される。すなわち収容部16sに外側永久磁石M1を収容しても、外側永久磁石M1で埋まらない空間が存在する。穴部16hは、ロータコア16cとディスク25とを固定する固定用部材27を通す貫通穴である(図17を参照)。第2凹部16dは、凹状部16eの相互間(磁極間)におけるロータコア16cの内周面に設けられる凹状の部位である。凹状部16eは、内側永久磁石M2を収容する部位である。
外側永久磁石M1は、収容部16sの外側面16oに固定される。内側永久磁石M2は、収容部16sの内側面16iに固定され、非固定面M2fがカバーされずに露出する。外側永久磁石M1と内側永久磁石M2は、いずれも固定方法を問わず、各々の個数も任意に設定してよい。例えば相数に対応する極対数でもよく、分割して数を増やしてもよい。図14では、複数の分割永久磁石M1a,M1bで外側永久磁石M1を構成する。区別し易くするため、分割永久磁石M1a,M1bおよび内側永久磁石M2について異なるハッチ線を施す。外側永久磁石M1と内側永久磁石M2は、径方向に互いに反対方向に磁化される。
ロータコア16cは、外周面の縁部どうしを架橋する橋梁部16bを有する。橋梁部16bは、外側永久磁石M1の一部または全部を覆う。この橋梁部16bは、ロータコア16cの表面(外側面;図面上側)に凹凸が生じないように、縁部と連続するように成形するとよい。橋梁部16bの厚さ(径方向幅)は任意に設定してよい。
橋梁部16bは磁気回路の一部となり得るので、外側ステータ14との間で磁束が流れ易くなる。橋梁部16bの厚さは、磁束が流れ易くするには小さく(薄く)するのがよく、橋梁部16bの剛性を高めるには大きく(厚く)するのがよいので、双方を考慮して設定するとよい。
ロータコア16cには、分割永久磁石M1aと分割永久磁石M1bを区画する区画部16aを設けてもよい。区画部16aを設ける場合は、橋梁部16bと区画部16aは結合されてT字状の形状になる。
図15には、上述した電磁鋼板16pの加工例を示す。磁石用穴部Ha,Hbは、いずれもロータコア16c,橋梁部16b,区画部16aで囲まれる穴部である。磁石用凹部Hcは、内側に成形される凹部(あるいは切欠部)である。図14に示すように、磁石用穴部Haには分割永久磁石M1aを収容し、磁石用穴部Hbには分割永久磁石M1aを収容する。磁石用凹部Hcには内側永久磁石M2を収容する。
〔ディスク〕
ディスク25(25A,25B)の構成例について、図16〜図21を参照しながら説明する。図16,図17に示すように、ディスク25Aは第1凹部25aを備える。第1凹部25aは、ディスク25Aの外周部かつロータコア16cと接する面に設けられる。固定用部材27および座面部材28によってロータ16とディスク25Aを固定した状態では、第1凹部25aとロータ16の端面部とで断面が溝状(凹状)になる。
固定用部材27は任意の材料で成形してよいが、磁束を流し易くするために磁性体で成形するとよい。例えば図示するように、固定用部材27の一端側(図面左側)にフランジを成形し、他端側(図面右側)でかしめるとよい。また、ディスク25に設けられるネジ穴に締結可能なネジ部材を用いてもよく、ディスク25に設けられるネジ穴に挿入した状態で溶接してもよい。座面部材28は、ロータコア16c,外側永久磁石M1,内側永久磁石M2などを押さえ付けて固定する部材である。
図17に示すように、第1凹部25aと収容部16sとは繋がっている。そのため、外側ステータ14に巻回される外側多相巻線26の立ち上がり部の隙間26gから流下する冷媒20は、一部が矢印D6に示すように流れる。すなわち、第1凹部25aに入った後、収容部16s(外側永久磁石M1で埋められない空間)を流れる。このように冷媒20が流れるため、外側多相巻線26だけでなく、ロータ16の外側永久磁石M1(M1a,M1b)を冷却することができる。
図18,図19に示すディスク25Aは、第1穴251を有する。第1穴251の数は任意に設定してよい。第1穴251は、内側多相巻線24に対向する部位に設けられ(図16を参照)、貫通窓穴部25hとスロープ部25sを有する。貫通窓穴部25hは、軸方向(図18では図面前後方向)に貫通してあけられる穴である。スロープ部25sは、貫通窓穴部25hよりも回転軸23側(図18では図面下側)で非貫通状に設けられる傾斜面である。このスロープ部25sは、図19に示すように貫通窓穴部25hに繋がるように設けられる。貫通窓穴部25hとスロープ部25sは、図18に示す合成方向FFに沿って設けるとよい。図18の構成例では、貫通窓穴部25hとスロープ部25sをいずれも平面から見て円形状に成形する。合成方向FFは、遠心力方向CFと回転力方向RFとのベクトル和で示される。遠心力方向CFは、冷媒20が遠心力を受けるベクトル成分である。回転力方向RFは、ディスク25Aの回転力を受けるベクトル成分である。
ディスク25Aが回転すると、冷媒20は合成方向FFに流れる。スロープ部25sと貫通窓穴部25hは合成方向FFに沿うので、冷媒20を確実に内側多相巻線24に向けて誘導することができる。よって、ディスク25Aに流下した冷媒20によって、内側多相巻線24も冷却することができる(図16,図19を参照)。
上述した第1穴251の変形例を図20に示す。図18に示す第1穴251は、スロープ部25sが貫通窓穴部25hに内接する構成である。これに対して、図20(A)に示す構成例では、貫通窓穴部25hの一部がスロープ部25sよりも合成方向FFにはみ出す。図20(B)に示す構成例では、貫通窓穴部25hの半分以上がスロープ部25sよりも合成方向FFにはみ出す。図20(C),図20(D)に示す構成例は、それぞれ図20(A),図20(B)に示す構成例と類似する。ただし、スロープ部25sを平面から見て四角形状に成形する点が相違する。図示しないが、貫通窓穴部25hとスロープ部25sについて平面から見た形状は、円形状や四角形状に限らず任意の形状で成形してもよい。例えば、楕円形状や、四角形状を除く多角形状などが該当する。
図21に示すディスク25Bは、第2穴252を有する。第2穴252の数は任意に設定してよい。第2穴252は、内側多相巻線24に対向する部位に設けられ(図16を参照)、傾斜して貫通する穴である。傾斜する方向は、図18に示す合成方向FFがよい。第2穴252は、図面上側の穴径を図面下側の穴径よりも大きく成形してもよい。なお、スロープ部25sは図19に示す直線的な成形に限られず、お椀状や湾曲状などのような曲線的な成形としてもよい。
図示しないが、上述した第1穴251と第2穴252を混在させたディスク25を構成してもよい。
〔突出部位〕
内側多相巻線24のうち内側ステータ17から突出する突出部位24pの構成例を図22に示す。ただし、図22ではロータ16の図示を省略する。突出部位24pは、斜行部24bや接合部24jなどを有する(図9を参照)。斜行部24bは、径方向と交差する方向、すなわちロータ16の回転方向(例えば矢印D8方向)と交差する方向に曲げられる。このように曲げるのは、異なる外側スロット14sに巻回して収容されるU字状導体UCどうしを接合部24jで接続し易くするためでもある。
ロータ16が回転する際、ロータ16に付着していた冷媒20は遠心力を受けて飛び散る。斜行部24bがあることで、冷媒20は斜行部24b(すなわち矢印D9方向)に沿って流れた後に落下する。冷媒20が斜行部24bに留まらなくなるので、結果として斜行部24b(ひいては接合部24j)の冷却性能を向上させることができる。
内側多相巻線24(特に図2に示す内側スロット17sに収容される部位;内側巻線部24a)には、絶縁材29を巻くとよい。図示しないが、外側多相巻線26についても同様に絶縁材29を巻くとよい。絶縁材29は、電気的に絶縁するだけでなく、巻線の表面に施される絶縁膜を保護する。絶縁材29により、巻線をスロットに収容する際に、絶縁膜が損傷するのを防止することができる。
〔実施の形態2〕
実施の形態2は図23を参照しながら説明する。なお図示および説明を簡単にするため、特に明示しない限り、実施の形態1で用いた要素と同一の要素には同一の符号を付して説明を省略する。よって、主に実施の形態1と相違する点を説明する。
図23に示す回転電機10Bは、回転電機10の一例であって、ダブルステータ型の電動発電機である。当該回転電機10Bは、外側ステータ14,ロータ16,内側ステータ17,回転軸23,ディスク25などをハウジング13内に有する。
回転電機10Bが回転電機10Aと相違するのは、回転軸23に冷媒導入部50を設けた点である。よって、冷媒導入部11,12のほかに、冷媒導入部50からも冷媒20がハウジング13に供給される。回転軸23が回転すると、冷媒20は遠心力を受けるので、矢印D10で示すように径方向に放出される。回転軸23を冷却するだけでなく、内側ステータ17や内側多相巻線24を積極的に冷却することができる。
〔他の実施の形態〕
以上では本発明を実施するための形態について実施の形態1,2に従って説明したが、本発明は当該形態に何ら限定されるものではない。言い換えれば、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施することもできる。例えば、次に示す各形態を実現してもよい。
上述した実施の形態1,2では、内側ステータ17側に備える渡り部15の捻り部位15aは、隙間が生じないように捻る構成とした(図7を参照)。この形態に代えて、図24に示すように捻り部位15aの相互間に隙間SP3を生じさせる構成としてもよい。例えば図24に示す複数(4本)の渡り部15について各々の捻り部位15aの半径を異ならせる。この構成によれば、渡り部15を流下した冷媒20は、図7に示す矢印D3のように流れるだけでなく、隙間SP3から落下して下側に位置する内側スロット17sに入る渡り部15に流れる。よって、渡り部15を網羅的に冷却することができる。
上述した実施の形態1,2では、外側永久磁石M1は2つの分割永久磁石M1a,M1bで構成した(図14を参照)。この形態に代えて、外側永久磁石M1は3つ以上の分割磁石で構成してもよい。また、内側永久磁石M2を2つ以上の分割磁石で構成してもよい。内側永久磁石M2を分割磁石で構成する場合は、外側永久磁石M1を構成する分割磁石の個数よりも少なく設定するとよい。図14に示す区画部16aと同様に、分割磁石どうしを区画する区画部を必要に応じて設けてもよい。永久磁石を分割するか否かの相違に過ぎないので、実施の形態1,2と同様の作用効果を得ることができる。
上述した実施の形態1,2では、回転電機10(10A,10B)は、ダブルステータ型の電動発電機として構成した(図1,図23を参照)。この形態に代えて、ダブルステータ型の発電機として構成してもよく、ダブルステータ型の電動機として構成してもよい。回転電機10の使用目的に応じて構成すればよい。単に機能が相違するに過ぎないので、実施の形態1,2と同様の作用効果を得ることができる。
上述した実施の形態1,2では、内側永久磁石M2を内側面16iに固定する構成とした(図14を参照)。この形態に代えて、図2に示す橋梁部16b(外側橋梁部)と同様にして、ロータコア16cの内縁部どうしを架橋する内側橋梁部を設け、当該内側橋梁部とロータコア16cとの間に内側永久磁石M2を収容して固定する構成としてもよい。内側橋梁部が内側永久磁石M2を保持する機能を担うので、内側永久磁石M2をより強固に固定することができる。内側橋梁部は磁気回路の一部となり得るので、内側ステータ17との内側ギャップGiを実質小さくでき、磁束がより流れ易くなる。
上述した実施の形態1,2では、ポンプ19と貯留部21をハウジング13の外部に配置する構成とした(図1,図23を参照)。この形態に代えて、ポンプ19および貯留部21の一方または双方をハウジング13の内部に配置する構成としてもよい。配置の相違に過ぎないので、実施の形態1,2と同様の作用効果を得ることができる。
上述した実施の形態1,2では、ポンプ19を備える構成とした(図1,図23を参照)。この形態に代えて、複数のポンプ19を備える構成としてもよい。例えば、冷媒導入部11に冷媒20を送るポンプ19と、冷媒導入部12に冷媒20を送るポンプ19を備える。個別に冷媒20の流量を調整することができるので、ハウジング13に収容する要素を確実に冷却することができる。その他は、ポンプ19の数が相違するに過ぎないので、実施の形態1,2と同様の作用効果を得ることができる。
上述した実施の形態1,2では、ポンプ19で汲み上げた冷媒20をハウジング13の天井部に設けられる冷媒導入部11,12から導入する構成とした(図1,図23を参照)。この形態に代えて、冷媒導入部12から導入する冷媒20だけで冷却可能な場合は、冷媒導入部11を無くしてもよい。また、冷媒導入部11,12以外の箇所から冷媒20をハウジング13内に導入する構成としてもよい。この場合は、冷却を目的とする巻線,ステータ,ロータを冷却することができる。
〔作用効果〕
上述した実施の形態1,2および他の実施の形態によれば、以下に示す各効果を得ることができる。
(1)回転電機10(10A,10B)において、外側多相巻線26の一部である外側巻線部26aと、内側多相巻線24の一部である内側巻線部24aと、外側巻線部26aと内側巻線部24aとの間を渡る渡り部15からなる複数のU字状導体UCを有し、内側ステータ17に成形される複数の内側スロット17sのうちで、同一の内側スロット17sに入る一以上のU字状導体UCは、90度を含む所定範囲内の角度で捻られる捻り部位15aを有し、捻り部位15aは少なくともその一部が内側ステータ17の内側ステータコア17cの回転軸方向延長上に設けられる構成とした(図2,図6,図7を参照)。この構成によれば、U字状導体UCの渡り部15に沿って流れる冷媒20は、捻り部位15aによって流れる速度や向きが変えられる。速度や向きが変えられた冷媒20の一部は、内側スロット17sに誘導されるので、内側ステータ17や内側多相巻線24を冷却することができる。したがって、全体として冷却性能を向上させることができ、出力を高めることができる。
(2)回転電機10(10A,10B)において、外側多相巻線26の一部である外側巻線部26aと、内側多相巻線24の一部である内側巻線部24aと、外側巻線部26aと内側巻線部24aとの間を渡る渡り部15と、からなる複数のU字状導体UCを有し、渡り部15は、径方向と交差する方向であって、ロータ16の回転方向に曲げられる折曲部位15bを有し、折曲部位15bは外側ステータ14の外側ステータコア14cおよび内側ステータ17の内側ステータコア17cの回転軸方向延長上以外の部位に設けられる構成とした(図2,図8を参照)。この構成によれば、冷媒20はロータ16の回転に伴って遠心力が生じる。折曲部位15bは径方向と交差する方向かつロータ16の回転方向に曲げられるとともに、外側ステータコア14cおよび内側ステータコア17cの回転軸方向延長上以外の部位に設けられるので、冷媒20は折曲部位15bに沿って渡り部15の頂点あたりまで導かれる。渡り部15に留まる冷媒20が少なくなるので、冷却性能が向上する。したがって、全体として冷却性能を向上させることができ、出力を高めることができる。
(3)内側ステータ17とロータ16との間に設けられる内側ギャップGiは、ロータ16と外側ステータ14との間に設けられる外側ギャップGoよりも大きくなるように構成した(図1,図2,図3,図23を参照)。この構成によれば、U字状導体UCの渡り部15に沿って冷媒20が流下し、外側ギャップGoよりも大きな内側ギャップGiに冷媒20が流れ易くなって流量が増える。内側ギャップGiを流れる冷媒20は、内側ステータ17を冷やすだけでなく、ロータ16の回転に伴って遠心力が生じるために、外側多相巻線26や外側ステータ14をも冷やす。したがって、全体として冷却性能を向上させることができ、出力を高めることができる。
(4)内側ステータ17の内側ステータコア17cの回転軸方向延長上の渡り部15が含まれるU字状導体UCの相互間に形成される隙間SP1にはU字状導体UC(特に渡り部15)の温度θを検出する温度検出素子30を備える構成とした(図11〜図13を参照)。この構成によれば、温度検出素子30は内側ステータコア17cの回転軸方向延長上の渡り部15が含まれるU字状導体UCの相互間に形成される隙間SP1に設けられるので、U字状導体UCに挟まれる格好となりコイルと当接する面積が広く得られてコイルの温度θを安定して検出することができる。隙間SP1はU字状導体UCの相互間に形成されるので、温度検出素子30が突出するのを防止できる。放射状に設けられるU字状導体UC(コイル)の相互間はテーパ状になり、隙間スペースが広くなるため、温度検出素子30が大型化しても安定して装着することができる。温度検出素子30で検出した温度θに基づいて冷媒20の流量を制御することにより、全体として冷却性能を向上させることができ、出力を高めることができる。
(5)ロータ16は内側ステータ17と対向する部位に設けられる複数の内側永久磁石M2を有し、一以上の内側永久磁石M2は非固定面M2fがカバーされずに露出している構成とした(図14を参照)。この構成によれば、冷媒20が直に内側永久磁石M2の表面を冷却するために冷却効果が向上する。カバーするための保護部材が不要になるので、保護部材に関するコストを低減することができる。保護部材の厚み分だけ内側永久磁石M2を厚く成形できるので、内側永久磁石M2の磁力を高めることができる。
(6)回転軸23とロータコア16cとを連結するディスク25(25A,25B)を有し、ディスク25は外周部かつロータコア16cと接する面に設けられる第1凹部25aを有し、第1凹部25aと外側ステータ14の端面部の隙間26gとは軸方向に少なくとも一部がオーバーラップし、第1凹部25aと外側永久磁石M1をロータ16に収容する収容部16sとはロータ16の端面部で繋がっている構成とした(図16,図17を参照)。この構成によれば、隙間26gから落下した冷媒20は、第1凹部25aとロータ16の端面部とからなる溝(凹み)で受け、ロータ16の収容部16sに誘導される。よって、ロータ16や外側永久磁石M1などを積極的に冷却することができる。
(7)ロータ16のロータコア16cは、内側ステータ17と対向する部位(すなわち内側面16i)に設けられる複数の内側永久磁石M2と、隣り合う内側永久磁石M2の相互間における内面に設けられる第2凹部16dとを有する構成とした(図14を参照)。この構成によれば、第2凹部16dにも冷媒20が入るので、ロータ16を内側から積極的に冷却することができ、冷却性能を向上させることができる。
(8)回転軸23とロータコア16cとを連結するディスク25(25A,25B)を有し、ディスク25は、内側多相巻線24に対向する部位であって軸方向に貫通してあけられる貫通窓穴部25hと、貫通窓穴部25hよりも回転軸23側で非貫通状に成形されて貫通窓穴部25hに繋がるスロープ部25sとからなる一以上の第1穴251と、内側ステータ17の巻線に対向する部位であって軸方向と交差する方向にあけられる一以上の第2穴252と、のうちで一方または双方を有する構成とした(図16,図18〜図21を参照)。この構成によれば、貫通窓穴部25hの内面に付着する冷媒20を遠心力で内側多相巻線24に誘導する。ディスク25の表面に付着する冷媒20を合成方向FFに流し、スロープ部25sや貫通窓穴部25h(あるいは第2穴252)を介して内側多相巻線24に誘導する。こうして内側多相巻線24を積極的に冷却することができ、冷却性能を向上させることができる。
(9)内側多相巻線24は、内側ステータ17から突出する部位である突出部位24pを有し、突出部位24pはロータ16の回転方向(図22の矢印D8方向)と交差する方向に曲げられる斜行部24bを含む構成とした(図22を参照)。この構成によれば、ロータ16が回転することにより回転方向に飛ばされた冷媒20が斜行部24bに沿って流れるだけでなく、斜行部24b相互間の隙間に入り易くなる。内層側の斜行部24bまで浸透し易くなるので、内側多相巻線24の冷却性能を向上させることができる。
(10)内側ステータ17の内側ステータコア17c全体にかかる軸方向の長さである内側コア厚Wi(コア厚)は、外側ステータ14の外側ステータコア14c全体にかかる軸方向の長さである外側コア厚Wo(コア厚)よりも薄く設定した構成とした(図2を参照)。この構成によれば、内側ステータ17の大きさが外側ステータ14よりも小さくなるので、通電に伴う発熱を抑制することができる。また、ディスク25の軸方向出っ張り高さを外側多相巻線26と同等以下に抑えられるため(図1,図23を参照)、内側ステータ17の内側コア厚Wi予め低く設定することで回転電機10全体の軸長を抑制することができる。
(11)内側ステータ17と対向する部位のロータ16に設けられる内側永久磁石M2の軸方向長さLm2は、外側ステータ14と対向する部位のロータ16に設けられる外側永久磁石M1の軸方向長さLm1よりも短く設定した構成とした(図4を参照)。ロータコア16cは外側永久磁石M1や内側永久磁石M2に限らず、外側ステータ14や内側ステータ17からの磁束が入り込むために磁気飽和状態になり易い。この構成によれば、軸方向長さLm2を短くすることで外側永久磁石M1と外側ステータ14との間で使える磁路が増し、磁気飽和を緩和して出力を向上させることができる。また、内側ステータ17の体格を抑制して発熱が抑えられるので、内側永久磁石M2も小さくすることでコストを低減することができる。
10(10A,10B) ダブルステータ型回転電機
14 外側ステータ
16 ロータ
17 内側ステータ
20 冷媒
24 内側多相巻線
26 外側多相巻線
Gi 内側ギャップ
Go 外側ギャップ

Claims (11)

  1. 外側多相巻線(26)が巻回される外側ステータ(14)と、内側多相巻線(24)が巻回される内側ステータ(17)と、前記外側ステータと前記内側ステータとの間にそれぞれギャップを介して配置されるロータ(16)とを有するダブルステータ型回転電機(10)において、
    前記外側多相巻線の一部である外側巻線部(26a)と、前記内側多相巻線の一部である内側巻線部(24a)と、前記外側巻線部と前記内側巻線部との間を渡る渡り部(15)と、からなる複数のU字状導体(UC)を有し、
    前記内側ステータに成形される複数の内側スロット(17s)のうちで、同一の前記内側スロットに入る一以上の前記U字状導体は、90度を含む所定範囲内の角度で捻られる捻り部位(15a)を有し、
    前記捻り部位は、少なくともその一部が前記内側ステータの内側ステータコア(17c)の回転軸方向延長上に設けられることを特徴とするダブルステータ型回転電機。
  2. 外側多相巻線(26)が巻回される外側ステータ(14)と、内側多相巻線(24)が巻回される内側ステータ(17)と、前記外側ステータと前記内側ステータとの間にそれぞれギャップを介して配置されるロータ(16)とを有するダブルステータ型回転電機(10)において、
    前記外側多相巻線の一部である外側巻線部(26a)と、前記内側多相巻線の一部である内側巻線部(24a)と、前記外側巻線部と前記内側巻線部との間を渡る渡り部(15)と、からなる複数のU字状導体(UC)を有し、
    前記渡り部は、径方向と交差する方向であって、前記ロータの回転方向に曲げられる折曲部位(15b)を有し、
    前記折曲部位は、前記外側ステータの外側ステータコア(14c)および前記内側ステータの内側ステータコア(17c)の回転軸方向延長上以外の部位に設けられることを特徴とするダブルステータ型回転電機。
  3. 前記内側ステータと前記ロータとの間に設けられる内側ギャップ(Gi)は、前記ロータと前記外側ステータとの間に設けられる外側ギャップ(Go)よりも大きくなるように構成したことを特徴とする請求項1から2のいずれか一項に記載のダブルステータ型回転電機。
  4. 前記内側ステータの内側ステータコア(17c)の回転軸方向延長上にある前記渡り部が含まれる前記U字状導体の相互間に形成される隙間(SP1)には、前記U字状導体の温度を検出する温度検出素子(30)を備え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ダブルステータ型回転電機。
  5. 前記ロータは、前記内側ステータと対向する部位に設けられる複数の内側永久磁石(M2)を有し、
    一以上の前記内側永久磁石は、非固定面(M2f)がカバーされずに露出していることを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載のダブルステータ型回転電機。
  6. 回転軸(23)と前記ロータのロータコア(16c)とを連結するディスク(25,25A,25B)を有し、
    前記ディスクは、外周部かつ前記ロータコアと接する面に設けられる第1凹部(25a)を有し、前記第1凹部と、前記外側ステータの端面部の隙間(26g)とは、軸方向に少なくとも一部がオーバーラップし、
    前記第1凹部と、外側永久磁石(M1)を前記ロータに収容する収容部(16s)とは、前記ロータの端面部で繋がっていることを特徴とする請求項5に記載のダブルステータ型回転電機。
  7. 回転軸(23)と前記ロータのロータコア(16c)とを連結するディスク(25,25A,25B)を有し、
    前記ディスクは、
    前記内側多相巻線に対向する部位であって軸方向に貫通してあけられる貫通窓穴部(25h)と、前記貫通窓穴部よりも前記回転軸側で非貫通状に成形されて前記貫通窓穴部に繋がるスロープ部(25s)とからなる一以上の第1穴(251)と、
    前記内側ステータの巻線に対向する部位であって前記軸方向と交差する方向にあけられる一以上の第2穴(252)と、
    のうちで一方または双方を有することを特徴とする請求項1から5のいずれか一項に記載のダブルステータ型回転電機。
  8. 前記ロータのロータコア(16c)は、
    前記内側ステータと対向する部位に設けられる複数の内側永久磁石(M2)と、
    隣り合う前記内側永久磁石の相互間における内面に設けられる第2凹部(16d)と、
    を有することを特徴とする請求項1から7のいずれか一項に記載のダブルステータ型回転電機。
  9. 前記内側多相巻線は、前記内側ステータから突出する部位である突出部位(24p)を有し、
    前記突出部位は、前記ロータの回転方向と交差する方向に曲げられる斜行部(24b)を含むことを特徴とする請求項1から8のいずれか一項に記載のダブルステータ型回転電機。
  10. 前記内側ステータの内側ステータコア(17c)全体にかかる軸方向の長さであるコア厚(Wi)は、前記外側ステータの外側ステータコア(14c)全体にかかる軸方向の長さであるコア厚(Wo)よりも薄く設定したことを特徴とする請求項1から9のいずれか一項に記載のダブルステータ型回転電機。
  11. 前記内側ステータと対向する部位の前記ロータに設けられる内側永久磁石(M2)の軸方向長さ(Lm2)は、前記外側ステータと対向する部位の前記ロータに設けられる外側永久磁石(M1)の軸方向長さ(Lm1)よりも短く設定したことを特徴とする請求項1から10のいずれか一項に記載のダブルステータ型回転電機。
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