JP7740189B2 - 水冷モータ - Google Patents

Description

本開示は、水冷モータに関する。

従来の水冷モータとして、特開２０２１－１１８５９０号公報には、モータ本体の外周面を覆う円筒形のウォータジャケットを設け、ウォータジャケットに冷却水を流動させることにより、モータ本体を冷却する技術が開示されている。

特開２０２１－１１８５９０号公報

冷却流路が設けられたハウジング内にステータを収容する冷却モータにおいて、ハウジングとして鋳物を用いる場合がある。鋳物には、製造時に鋳巣が形成されることがあり、ステータを鋳物で製造されたハウジングに焼き嵌めによって固定する場合には、ハウジングの内表面が削れ、鋳巣を介して、冷却流路の一部とステータの外表面とが連通することが起こり得る。このような場合には、安定してステータを冷却することが困難となる。

本開示は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、本開示の目的は、ステータを安定して冷却可能な水冷モータを提供することにある。

本開示に基づく水冷モータは、中心軸を有する環状のステータと、上記中心軸回りに上記ステータを囲い、内部に冷却流路が設けられた環状のハウジングと、を備える。上記ハウジングは、環状の非磁性の金属管と、上記中心軸回りに上記金属管を鋳包む鋳包み材とを含む。上記金属管は、上記ステータの径方向において、上記冷却流路よりも内側、かつ、上記ステータが有する外側面よりも外側に位置する。

上記構成によれば、ハウジングとして鋳物を用いて焼き嵌め等によってハウジングにステータを固定する際に、ハウジングの内表面が削れた場合であっても、金属管が冷却流路より内側、かつ、ステータの外側面より外側に位置することにより、鋳物に含まれる鋳巣を介して冷却流路とステータの外側面が連通することを防止することができる。これにより、安定してステータを冷却することができる。

上記本開示に基づく水冷モータにあっては、上記金属管が有する内側面は、上記ステータの上記外側面に当接してもよい。

上記構成によれば、冷却流路の内側に配置された金属管によってステータを直接冷却することができる。これにより、金属管とステータの外側面との間に他の物が介在する場合と比較して、冷却効率を高めることができる。

上記本開示に基づく水冷モータにあっては、上記ステータは、上記中心軸の軸方向の一方に端面を有するステータコアと、上記端面に設けられたエンドコイルとを含んでいてもよい。上記金属管は、上記端面よりも上記軸方向の上記一方側に突出する突出部を有していてもよい。この場合には、上記突出部は、絶縁部材を介して上記エンドコイルに熱的に接触していることが好ましい。

上記構成によれば、金属管に設けられた突出部によってエンドコイルを冷却することができる。

上記本開示に基づく水冷モータにあっては、上記鋳包み材は、上記鋳包み材は、上記径方向の外側に位置する第１壁部と、上記第１壁部よりも上記径方向の内側に位置する第２壁部とを含んでいてもよい。上記第１壁部と上記第２壁部との間の隙間に上記冷却流路が形成されていてもよい。上記金属管は、上記径方向において、上記第２壁部の内側に配置されていてもよい。この場合には、上記径方向における上記第２壁部の厚さは、上記径方向における上記第１壁部の厚さよりも小さいことが好ましい。

上記構成によれば、第２壁部を薄くすることで、冷却流路とステータの外周面との距離を短くすることができるため、冷却効率を高めることができる。また、第２壁部を薄くすることで製造コストを低減することもできる。

上記本開示に基づく水冷モータにあっては、上記第２壁部の上記厚さは、５ｍｍ以下であることが好ましい。このような厚さにすることにより、冷却効率を高めることができる。

上記本開示に基づく水冷モータにあっては、上記金属管が有する外側面は、凹凸形状を有していてもよい。

上記構成によれば、金属管を鋳包み材で鋳包みする際に、金属管の外側面と鋳包み材との接触面積を増加させることができる。これにより、熱伝導性を高めて冷却効率を高めることができる。また、金属管と鋳包み材とのアンカー効果を高めることができる。

上記本開示に基づく水冷モータにあっては、上記金属管が有する凸部は、上記径方向の外側に位置する頂部と、上記径方向の内側に位置する根元部と、上記頂部と上記根元部とを接続する柱状部と、を含んでいてもよい。この場合には、上記頂部は、上記柱状部よりも広がった形状を有することが好ましい。

上記構成によれば、金属管の外側面と鋳包み材との接触面積をさらに高めることができる。これにより、冷却効率をさらに高めることができ、かつ、アンカー効果もさらに高めることができる。

本開示によれば、ステータを安定して冷却可能な水冷モータを提供することができる。

実施の形態１に係る水冷モータの斜視図である。 実施の形態１に係る水冷モータの冷却流路を示す図である。 図１に示すＩＩＩ－ＩＩＩ線に沿った断面図である。 実施の形態１に係る金属管の外周面を拡大して示す図である。 実施の形態２に係る水冷モータの斜視図である。

以下、本開示の実施の形態について、図を参照して詳細に説明する。なお、以下に示す実施の形態においては、同一のまたは共通する部分について図中同一の符号を付し、その説明は繰り返さない。また、実施の形態においては、水冷モータが、ハイブリッド自動車や電気自動車等の車両に搭載される走行用モータである場合を例示して説明するが、水冷モータは、走行用モータに限定されず、発電用モータやその他用途のモータ、車両用以外のモータ（発電機を含む）にも適用できる。

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係る水冷モータの斜視図である。図２は、実施の形態１に係る水冷モータの冷却流路を示す図である。図１および図２を参照して、実施の形態１に係る水冷モータ１００について説明する。

図１および図２に示すように、水冷モータ１００は、回転子１０、ステータ２０、ハウジング３０を備える。

回転子１０は、不図示のシャフトに接続されており、軸Ｃ１回りに回転可能に設けられている。回転子１０は、ロータコア１１を含んでいる。ロータコア１１は、複数の電磁鋼板が上記軸Ｃ１方向に積層されることで形成されている。ロータコア１１には、軸Ｃ１方向と平行な方向に貫通する複数の孔部（不図示）が設けられている。当該複数の孔部の各々に、永久磁石（不図示）が挿入されている。

ステータ２０は、ステータコア２１、エンドコイルを含むコイル２２、および、絶縁部材としての絶縁カバー２３を含む。ステータ２０は、中心軸を有する。当該中心軸は、上記軸Ｃ１と一致する。ステータコア２１は、円筒形状を有する。ステータコア２１は、ロータコア１１の外周側に、上記軸Ｃ１と同軸に配置されている。

ステータコア２１は、軸Ｃ１方向に積層された複数のプレートを含む。複数のプレートの各々は、たとえば、電磁鋼板に対して打ち抜き加工等を施して形成されている。

ステータコア２１は、径方向の外側に位置するバックヨーク部と、径方向の内側に位置する複数のティース部とを有する。複数のティース部は、周方向に間隔をあけて配置されており、周方向に隣り合うティース部の間には、スロットが形成されている。当該スロットにコイル２２が装着されている。

ステータコア２１は、軸Ｃ１方向の一方側に第１端面２１ｃを有する。上記コイル２２のうちエンドコイルは、当該第１端面２１ｃに設けられている。具体的には、上記コイル２２のうち当該第１端面２１ｃから軸Ｃ１方向の一方側に突出する部分がエンドコイルとなる。エンドコイルは、絶縁カバー２３によって覆われている。なお、エンドコイルは、軸Ｃ１方向におけるステータコア２１の両端面に設けられていてもよい。

ハウジング３０は、軸Ｃ１回りにステータ２０を囲む。ハウジング３０は、ステータ２０を径方向内側に収容する。ハウジング３０には、冷却流路Ｒが設けられている。冷却流路Ｒには冷媒として水が流れ、これにより、ステータ２０を冷却することができる。

ハウジング３０は、鋳包み材３１と、金属管３２と、流路形成部材３３とを含む。鋳包み材３１は、軸Ｃ１回りに金属管３２を鋳包む。これにより、鋳包み材３１と金属管３２は、一体化されている。鋳包み材３１としては、たとえば、アルミニウム等の非磁性体の金属材料によって構成されている。金属管３２は、環状に設けられており、非磁性を有する。金属管３２は、筒状形状を有する。金属管３２は、たとえば、鋼管等により構成されている。

流路形成部材３３は、冷媒としての水が流れる流路を形成する。流路形成部材３３は、樹脂部材によって構成されていてもよい。流路形成部材３３は、後述するように、鋳包み材３１の第１壁部３１１（図３参照）と第２壁部３１２との間の隙間に配置されている。流路形成部材３３は、第１部分３３１と第２部分３３４とを含む。

第１部分３３１は、軸Ｃ１方向の一方側に位置する。第１部分３３１は、第１基部３３２と、複数の第１延在部３３３を有する。第１基部３３２は、環状形状を有する。複数の第１延在部３３３は、第１基部３３２から軸Ｃ１方向の他方側に突出するように設けられている。複数の第１延在部３３３は、所定のピッチで周方向に並んで配置されている。

第２部分３３４は、軸Ｃ１方向の他方側に位置する。第２部分３３４は、第２基部３３５と、複数の第２延在部３３６とを有する。第２基部３３５は、軸Ｃ１方向において距離を持って第１基部３３２に対向するように配置されている。

複数の第２延在部３３６は、第２基部３３５から軸Ｃ１方向の一方側に突出するように設けられている。複数の第２延在部３３６は、所定のピッチで周方向に並んで配置されている。複数の第２延在部３３６は、複数の第１延在部３３３から周方向からずれて配置されている。周方向に互いに隣り合う第１延在部３３３の間に、第２延在部３３６が配置されている。

流路形成部材３３がこのように設けられていることにより、冷却流路Ｒが、蛇行しながら周方向に延びるように設けられる。なお、冷却流路Ｒの形状は上記に限定されない。たとえば、第１部分３３１および第２部分３３４の形状を変更し、冷却流路Ｒを蛇行しながら軸方向に延びるように形成してもよい。

図３は、図１に示すＩＩＩ－ＩＩＩ線に沿った断面図である。図３を参照して、水冷モータ１００の詳細について説明する。

鋳包み材３１は、第１壁部３１１、第２壁部３１２、および接続部３１３を含む。第１壁部３１１は、上記径方向の外側に位置し、鋳包み材３１の外周壁部を構成する。第２壁部３１２は、第１壁部３１１よりも上記径方向の内側に位置する。第２壁部３１２は、第１壁部３１１と離れて配置されており、第１壁部３１１と第２壁部３１２との間には隙間が形成されている。当該隙間に上述の流路形成部材３３が配置されることで、当該隙間に冷却流路Ｒが形成される。なお、軸Ｃ１方向の他方側において、第１壁部３１１と第２壁部３１２とは接続部３１３によって接続されている。

径方向における第２壁部３１２の厚さｄ２は、第１壁部３１１の厚さｄ１よりも薄い。第２壁部３１２の厚さｄ２は、たとえば５ｍｍ以下であることが好ましい。

第２壁部３１２を薄くすることで、冷却流路Ｒとステータ２０が有する外側面（より特定的にはステータコア２１の外周面２１ａ）との距離を短くすることができるため、冷却効率を高めることができる。また、第２壁部３１２を薄くすることで製造コストを低減することもできる。

金属管３２は、ステータ２０の径方向において、冷却流路Ｒよりも内側、かつ、ステータ２０が有する外周面２１ａ（図３参照）よりも外側に位置する。

金属管３２は、内側面としての内周面３２ａ、および外側面としての外周面３２ｂを有する。金属管３２は、軸Ｃ１方向の他方側に位置する端部に食い込み部３２ｄを有する。食い込み部３２ｄは、鋳包み材３１に食い込んでいる。食い込み部３２ｄは、周囲が鋳包み材３１で覆われている。

金属管３２のうち食い込み部３２ｄよりも軸Ｃ１方向の一方側に位置する部分においては、内周面３２ａは、鋳包み材３１に覆われておらず、鋳包み材３１から露出している。これにより、金属管３２の内周面３２ａは、ステータ２０の外側面（より特定的には、ステータコア２１の外周面２１ａ）に当接する。この結果、金属管３２とステータ２０の外周面との間に他の物が介在する場合と比較して、冷却効率を高めることができる。なお、金属管３２の内周面３２ａとステータ２０との外周面との間には、隙間が形成されていてもよい。

また、上記においては、食い込み部３２ｄよりも軸Ｃ１方向の一方側に位置する金属管３２の内周面３２ａが鋳包み材３１から露出する場合を例示して説明したが、これに限定されず、金属管３２の内周面３２ａは鋳包み材３１によって覆われていてもよい。すなわち、金属管３２とステータ２０の外側面との間に鋳包み材３１が介在していてもよい。この場合においては、鋳包み材３１の内表面とステータ２０の外側面とを当接させることで、良好な冷却効率を維持することができる。

図４は、実施の形態１に係る金属管の外周面を拡大して示す図である。図４を参照して、金属管３２の外周面３２ｂについて説明する。

図４に示すように、金属管３２の外周面３２ｂは、凹凸形状を有する。凹凸形状は、外周面３２ｂに設けられた複数の突起部５１によって構成されている。複数の突起部５１の各々は、外周面３２ｂから上記径方向外側に向けて突出するように設けられている。

複数の突起部５１の各々は、根元部５２、頂部５３、および柱状部５４を含む。根元部５２は、径方向の内側に位置する。頂部５３は、径方向の外側に位置し、先端部を構成している。柱状部５４は、頂部５３と根元部５２とを接続する。頂部５３は、柱状部５４よりも広がった形状を有している。

外周面３２ｂが凹凸形状を有することにより、金属管３２を鋳包み材３１で鋳包んだ状態においては、外周面３２ｂと鋳包み材３１との接触面積を増加させることができる。これにより、熱伝導性を高めて冷却効率を高めることができる。また、凸部が鋳包み材３１に食い込み、凹部に鋳包み材３１が食い込むことにより、金属管３２と鋳包み材とのアンカー効果を高めることができる。さらに、凹凸形状が上記の複数の突起部５１によって構成されることにより、接触面積をさらに増加させ、冷却効率およびアンカー効果を顕著に高めることができる。

上記の複数の突起部５１が設けられた金属管３２は、遠心鋳造法を用いて形成することができる。具体的には、鋳型の内周面に離型材を設け、当該離型材を加熱して発泡させる。この状態で、鋳型に溶融金属を注油することで、離型材の発泡状態に応じて複数の突起部５１が形成される。

本実施の形態に係る水冷モータ１００にあっては、ステータ２０は、焼き嵌めによってハウジング３０に固定される。上述のように、ハウジング３０の鋳包み材３１は鋳物によって構成されている。このため、ステータ２０（より特定的にはステータコア２１）を鋳包み材３１に焼き嵌めする場合には、鋳包み材３１の内表面が削れて、鋳巣がステータ２０側に露出することが起こり得る。

このような場合であっても、金属管３２が冷却流路Ｒより内側、かつ、ステータ２０の外側面より外側に位置することにより、鋳巣を介して冷却流路とステータの外側面が連通することを防止することができる。これにより、安定してステータを冷却することができる。

（実施の形態２）
図５は、実施の形態２に係る水冷モータの斜視図である。図５に示すように、実施の形態２に係る水冷モータ１００Ａは、実施の形態１に係る水冷モータ１００と比較した場合に、金属管３２Ａの構成が相違する。その他の構成については、ほぼ同様である。

金属管３２Ａには、突出部３５が設けられている。突出部３５は、ステータコア２１の第１端面２１ｃよりも軸Ｃ１方向の一方側に突出する。突出部３５は、絶縁カバー２３を介して上記エンドコイルに熱的に接触している。

突出部３５は、第１片部３５１、第２片部３５２、および第３片部３５３を有する。第１片部３５１は、軸Ｃ１方向の一方側に位置する金属管３２Ａの端部の一部から軸Ｃ１方向の一方側に沿って突出する。第２片部３５２は、絶縁カバー２３の周面の一部に周方向に沿って当接する。第３片部３５３は、第１片部３５１と第２片部３５２とを接続する。

なお、突出部３５の形状は上記に限定されず、第１片部３５１が軸Ｃ１方向の一方側に向かうにつれて軸Ｃ１に近づくように傾斜し、直接絶縁カバー２３に接触してもよい。突出部３５は、軸Ｃ１方向の一方側に位置する金属管３２Ａの端部の一部から軸Ｃ１方向の一方側に沿って突出する部分が絶縁カバー２３に接触する形状であれば、適宜の形状を採用することができる。

上記のような突出部３５を設けることにより、突出部３５によってエンドコイルを冷却することができる。

以上、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

１０ 回転子、１１ ロータコア、２０ ステータ、２１ ステータコア、２１ａ 外周面、２１ｃ 第１端面、２２ コイル、２３ 絶縁カバー、３０ ハウジング、３１ 鋳包み材、３２，３２Ａ 金属管、３２ａ 内周面、３２ｂ 外周面、３２ｄ 食い込み部、３３ 流路形成部材、３５ 突出部、５１ 突起部、５２ 根元部、５３ 頂部、５４ 柱状部、１００，１００Ａ 水冷モータ、３１１ 第１壁部、３１２ 第２壁部、３１３ 接続部、３３１ 第１部分、３３２ 第１基部、３３３ 第１延在部、３３４ 第２部分、３３５ 第２基部、３３６ 第２延在部、３５１ 第１片部、３５２ 第２片部、３５３ 第３片部、Ｃ１ 軸、Ｒ 冷却流路。

Claims (7)

1. 中心軸を有する環状のステータと、
   前記中心軸回りに前記ステータを囲い、内部に冷却流路が設けられた環状のハウジングと、を備え、
   前記ハウジングは、環状の非磁性の金属管と、前記中心軸回りに前記金属管を鋳包む鋳包み材とを含み、
   前記金属管は、前記ステータの径方向において、前記冷却流路よりも内側、かつ、前記ステータが有する外側面よりも外側に位置する、水冷モータ。
2. 前記金属管が有する内側面は、前記ステータの前記外側面に当接する、請求項１に記載の水冷モータ。
3. 前記ステータは、前記中心軸の軸方向の一方に端面を有するステータコアと、前記端面に設けられたエンドコイルとを含み、
   前記金属管は、前記端面よりも前記軸方向の前記一方側に突出する突出部を有し、
   前記突出部は、絶縁部材を介して前記エンドコイルに熱的に接触しており、
   前記エンドコイルは、前記突出部によって冷却されている、請求項１または２に記載の水冷モータ。
4. 前記鋳包み材は、前記径方向の外側に位置する第１壁部と、前記第１壁部よりも前記径方向の内側に位置する第２壁部とを含み、
   前記第１壁部と前記第２壁部との間の隙間に前記冷却流路が形成されており、
   前記金属管は、前記径方向において、前記第２壁部の内側に配置されており、
   前記径方向における前記第２壁部の厚さは、前記径方向における前記第１壁部の厚さよりも小さい、請求項１または２に記載の水冷モータ。
5. 前記第２壁部の前記厚さは、５ｍｍ以下である、請求項４に記載の水冷モータ。
6. 前記金属管が有する外側面は、凹凸形状を有する、請求項１または２に記載の水冷モータ。
7. 前記凹凸形状は、前記金属管の前記外側面に設けられた複数の突起部によって構成されており、
   前記突起部は、前記径方向の外側に位置する頂部と、前記径方向の内側に位置する根元部と、前記頂部と前記根元部とを接続する柱状部と、を含み、
   前記頂部は、前記柱状部よりも広がった形状を有する、請求項６に記載の水冷モータ。