JP2003274606A - 回転電機 - Google Patents

回転電機

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JP2003274606A JP2002073025A JP2002073025A JP2003274606A JP 2003274606 A JP2003274606 A JP 2003274606A JP 2002073025 A JP2002073025 A JP 2002073025A JP 2002073025 A JP2002073025 A JP 2002073025A JP 2003274606 A JP2003274606 A JP 2003274606A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】コントローラ（ステータ電流制御回路装置）特
にステータ電流断続用の半導体スイッチング素子とモー
タとの両方の冷却性に優れるとともに、体格、重量の増
大を抑止可能な回転電機を提供すること。 【解決手段】 冷却部材２、３は、ステータコア４の端
面とコイルエンド１５の外周面とにより区画される円筒
状空間部分に収容されて、コイルエンド１５の外周側の
ステータコア４の端面に密着している。また、冷却部材
３は径内側へ延在して軸受け１３を支持している。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、回転電機に関す
る。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】従来、
種々の液冷型回転電機及びインバータ一体型回転電機が
提案されている。また、特開平５−２９２７０３号公報
は、冷却液によりインバータとモータとの両方を液冷す
る液冷式インバータ一体型回転電機を提案している。し
かし、この液冷インバータ一体型の回転電機では、モー
タ端面にヒートシンクを介して液冷のインバータ（コン
トローラ）を固定する構造を採用しているので、装置体
格、重量が増大してしまうという欠点、及び、モータ冷
却性能が劣るという欠点があった。
【０００３】本発明は上記問題点に鑑みなされたもので
あり、コントローラ（ステータ電流制御回路装置）特に
ステータ電流断続用の半導体スイッチング素子とモータ
との両方の冷却性に優れるとともに、体格、重量の増大
を抑止可能な回転電機を提供することをその目的として
いる。
【０００４】
【課題を解決するための手段】請求項１記載の回転電機
は、内周部にスロットを有してハウジングに固定された
円筒状のステータコアと、前記ステータコアの両端面か
ら突出するコイルエンドを有して前記スロットに挿通さ
れるステータコイルと、内部に冷却剤通路を有して前記
ステータコアに密着する冷却部材と、前記冷却部材の表
面に固定されて前記ステータコイルの電流を制御する半
導体スイッチング素子を含むステータ電流制御回路と、
前記ステータコアの内周面に面して回転するロータとを
備える回転電機において、前記冷却部材が、内部に冷却
剤通路を有して前記ステータコアの端面と前記コイルエ
ンドの外周面とにより区画される円筒状空間部分に収容
されて前記ステータコアの前記端面に固定されている本
体部と、前記コイルエンドの外端面に対して所定の隙間
を有して前記本体部の内周面から径内側へ延在する板部
とを有していることを特徴としている。
【０００５】本発明によれば、ステータ電流制御用の半
導体スイッチング素子を冷却する液冷部材の本体部を、
従来においてアイドルスペースとなっていたステータコ
アの端面とコイルエンドの外周面とにより区画される円
筒状空間部分（このアイドルスペースの径方向厚さはほ
ぼステータコアのヨーク部の厚さに等しい）に収容し、
この本体部から冷却フィンかつ発熱回路部品のヒートシ
ンクをなす板部のみを径内方向に延設しているので、回
転電機の径方向寸法の増大及び軸方向寸法の増大を抑止
することができ、回転電機の体格、重量の増大を最小と
することができる。また、板部を設けたので、広い回路
実装可能面積を確保することができ、更に本体部および
板部によりコイルエンドに良好な機械的保護を与えるこ
ともできる。
【０００６】そのうえ、冷却部材は半導体スイッチング
素子を搭載してそれを良好に冷却するとともに、ステー
タコアの端面に密着するのでステータコア及びステータ
コアに装備される大発熱部材であるステータコイルを良
好に冷却することができる。また、上記した液冷式のコ
ントローラをヒートシンクを通じてモータの端面に密着
する場合に比較して、ステータコイルの端部とステータ
電流制御用の半導体スイッチング素子とを近接配置する
ことができるので、配線抵抗損失及び電磁放射ノイズの
低減を図ることができる。
【０００７】なお、冷却部材の表面とそれに対面するコ
イルエンドの表面との間に良熱伝導性の材料をたとえば
樹脂モールドなどの方法で充填することもでき、この場
合にはステータコイルの冷却性も更に向上することがで
きる。
【０００８】請求項２記載の構成は請求項１記載の回転
電機において、前記本体部が、前記冷却剤通路が軸方向
外側に開口する環状の筒部を有し、前記板部が、前記筒
部の外端面に密着して前記冷却剤通路を密閉する。
【０００９】このようにすれば、スルーボルトにより、
板部を筒部に密着させると同時に、これら本体部をステ
ータコアの端面に密着させることができ、ステータコア
の冷却効果を向上するとともに簡単に冷却剤通路を完成
させることができる。
【００１０】なお、上記本体部は、ステータコアの両端
面に個別に密着させることができ、この場合でもスルー
ボルトにより両本体部を一挙にかつ良好にステータコア
に固定でき、液漏れも良好に防止するすることができ
る。
【００１１】冷却剤通路は螺旋状に形成することが好適
であり、この螺旋状の冷却剤通路への冷却剤の出入は、
板部に設けられて軸方向に延設された孔を通じて行うこ
とが好適である。
【００１２】本体部は、ステータコアの外周面に密着す
る円筒状のステータコア囲包筒部を有することができ、
この場合には、冷却部材がステータコアを機械的に保護
するハウジングとしての機能を兼ねることができると同
時に、ステータコア囲包筒部の追設によりステータコア
冷却効果を更に一層向上することができる。
【００１３】請求項３記載の構成は請求項１記載の回転
電機において、前記板部が、軸受けを介して前記ロータ
の軸を回転自在に支承するので、ステータコアが固定さ
れてロータを回転自在に支持し、ステータコア、ステー
タコイル及びロータを囲包保護する機械部材としてのハ
ウジングを兼ねることができ、部品点数の削減と重量の
大幅な低減を図ることができる。
【００１４】請求項４記載の構成は請求項１記載の回転
電機において、前記ステータ電流制御回路が、広い平面
面積を確保できる板部の外端面に固定されているので、
ステータ電流制御回路がコイルエンドや冷却剤通路の邪
魔にならず、全体体格の増大を最小限に抑止しつつ各半
導体スイッチング素子や回路部品を平面配置することが
でき、各部品間の配線も容易となる。
【００１５】請求項５記載の構成は請求項４記載の回転
電機において、前記板部が、前記コイルエンドから略軸
方向外側に突出するステータコイルの端部が貫通する貫
通孔を有する。これにより、大電流、大インダクタンス
の配線の距離を短縮することができるので、抵抗損失の
低減と電磁放射ノイズの低減を図ることができる。
【００１６】請求項６記載の構成は請求項５記載の回転
電機において、前記貫通孔に嵌入されたギャップ付き磁
気コアと、前記ギャップに配設された磁電変換素子とを
有する。これにより、取り付けが容易でない電流センサ
の固定をステータコイル配線長さの延長を招くことなく
容易に実現することができる。
【００１７】
【発明を実施するための態様】本発明の回転電機の好適
な態様を図面を参照して以下に説明する。この回転電機
は３相ブラシレスＤＣモータであるが、もちろん他の形
式の回転電機でもよいことは当然である。 （全体構造）１は略リング状のフロントフレーム、２は
略リング状のエンドトフレーム、３は輪板状のエンドプ
レート、４はステータコア、５はステータコイル、６は
ロータ、７は回転軸、８は冷却ファン、９はスルーボル
ト、１０は半導体スイッチング素子、１１は樹脂カバー
である。フロントプレート、フロントフレーム１、エン
ドトフレーム２、エンドプレート３は、アルミダイキャ
ストにより製造されている。
【００１８】なお、図１では図示を省略しているが、エ
ンドフレーム１とエンドプレート３との接合状態と全く
同様に、図示しないフロントプレートが固定されてい
る。この実施例は、エンドフレーム２とフロントフレー
ム１とは同一形状とされ、エンドプレート３と図示しな
い上記フロントプレートとは冷却剤通路やステータコイ
ルの端部の貫通孔などがなく、半導体スイッチング素子
を含むコントローラが外端面に実装されていない点をの
ぞいて同一構造とされている。
【００１９】エンドフレーム２の後端外周部およびエン
ドプレート３の外周部には径方向外側に貫通孔（図示省
略）をもつ鍔部１１、１２が突設されており、同様に、
フロントフレーム１の後端外周部およびフロントプレー
トの外周部にも径方向外側に貫通孔（図示省略）をもつ
鍔部（図示せず）が突設されている。スルーボルト９が
これら貫通孔を貫通してボルト締めされ、これにより、
図示しないフロントプレート、フロントフレーム１、エ
ンドフレーム２、ステータコア４、エンドプレート３の
順に軸方向に重ねられてスルーボルト９により一体化さ
れている。
【００２０】フロントプレート及びエンドプレート３の
内周面には軸受け１３が嵌入され、これら一対の軸受け
１３（一つのみ図示）は、回転軸７が回転自在に支承し
ている。回転軸７にはロータ６が嵌着、固定され、ロー
タ６の外周面はステータコア４の内周面に電磁ギャップ
を挟んで対面している。
【００２１】ステータコイル５は、ステータコア４の内
周部に軸方向に貫設されたスロット１４に貫装され、ス
テータコイル５の軸方向両端部はステータコア４から突
出してコイルエンド１５を構成している。なお、図１に
おけるステータコイル５の図示は模式的になされている
が、この種のステータコイル５の形状、構造はもはや周
知事項であるので、更なる説明は省略する。
【００２２】冷却ファン８は、従来同様に、ロータ６の
両端面に固定されている。この実施例ではこの冷却ファ
ン８は遠心ファンとされている。
【００２３】半導体スイッチング素子１０はエンドプレ
ート３の外端面に固定されている。エンドプレート３の
外端面には、このステータコイル５の電流を制御するた
めのコントローラが実装されている。半導体スイッチン
グ素子１０はこのコントローラの一部をなす三相インバ
ータ回路のスイッチング素子を構成している。この種の
コントローラ、三相インバータ回路、半導体スイッチン
グ素子１０についてはもはや周知事項であるので、更な
る説明は省略する。
【００２４】樹脂カバー１１は、鍔付き輪板形状を有し
てエンドプレート３の外端面に締結され、上記コントロ
ーラを囲包、保護している。
【００２５】１６は、エンドプレート３の外端面に固定
されたコネクタであり、このコネクタは樹脂カバー１１
に設けた窓を貫通して軸方向に突出している。コネクタ
１６にはＤＣ電源ケーブル１７および外部コントローラ
との通信用ケーブル（図示せず）が装着され、ＤＣ電源
ケーブル１７は、コネクタ１６及び図示しないブスバー
を通じて上記コントローラにＤＣ電力を給電している。
【００２６】（変形態様）上記実施例では、共通のスル
ーボルト９により、上記各部材を軸方向に締結したが、
更に、フロントプレートとフロントフレーム１とだけを
締結するボルト、ナットと、エンドプレート３とエンド
フレーム２とだけを締結するボルト、ナットとを追加す
ることも好適である。このようにすれば、スルーボルト
９を緩めた場合でも後述する冷却剤通路から液漏れが生
じることがない。 （冷却構造）次に、この実施例の特徴構成をなすモータ
及び半導体スイッチング素子（又はコントローラ）の冷
却構造を説明する。なお、フロント側の冷却構造はエン
ド側のそれと全く同じであるので、エンド側の冷却構造
のみを説明する。
【００２７】エンドフレーム２は、ステータコア４の端
面とコイルエンド１５の外周面とにより区画される円筒
状空間部分に収容される円筒状の本体部２１と、本体部
２１と前端外周から前方に突出する円筒状の筒部２２と
を有している。
【００２８】本体部２１内には螺旋状に冷却剤通路２３
が形成されており、冷却剤通路２３は図１において４重
に形成されている。冷却剤通路２３は、本体部２１の後
端面に開口しており、本体部２１の後端面はエンドプレ
ート３の前端面に密着し、スルーボルト９により冷却剤
通路２３は密閉されている。
【００２９】エンドプレート３の前端面にもエンドフレ
ーム２の冷却剤通路２３と径方向同位置に冷却剤通路３
１が凹設されており、螺旋状の冷却剤通路３１の一端に
は冷却剤注入パイプ３２が、他端には冷却剤排出パイプ
３３が一体に形成されている。これにより、互いに一体
に構成された冷却剤通路２３、３１には外部ポンプによ
り冷却剤が循環されている。３４はエンドプレート３の
前端面に凹設された２つのリング溝に挿入されて液漏れ
を防止するＯリングである。
【００３０】本体部２１の前端面はステータコア４の後
端面の外周部にスルーボルト９により圧着されており、
また、筒部２２の内周面はステータコア４の外周面に熱
伝導グリスを介して嵌着されている。これにより、ステ
ータコア４は、冷却剤により良好に冷却されることがで
きる。
【００３１】本体部２１の内周面とコイルエンド１５の
外周面との間には環状の隙間が形成されており、これに
より、冷却ファン８Ｎより形成された遠心冷却風は、コ
イルエンド１５を貫通してそれを冷却しつつ本体部２１
の内周面に達して冷却される。２４は、本体部２１の内
周面に形成された冷却フィンであり、冷却フィン２４は
遠心冷却風を良好に冷却する。その後、遠心冷却風は、
エンドプレート３の前端面に沿って径内側に流れ、エン
ドプレート３の冷却フィン３５により冷却されて冷却フ
ァン８に戻る。
【００３２】また、冷却剤は、半導体スイッチング素子
１０のヒートシンクを兼ねるエンドプレート３を良好に
冷却するので、エンドプレート３の外端面に実装された
半導体スイッチング素子１０は良好に冷却され、軸受け
１３の過熱も防止される。 （ステータコイル配線取り出し構造）次に、ステータコ
イル５の端部導体５０を引き出すためのステータコイル
配線取り出し構造について、図２を参照して以下に説明
する。
【００３３】エンドプレート３には３本の端部導体５０
を取り出すための貫通孔３５が３カ所に分けて形成され
ている。図２は貫通孔３５の一つを示す。貫通孔３５に
は一部が切り欠かれた略Ｃ字状のフェライトコア３６が
固定されている。
【００３４】エンドプレート３の外端面にはプリント基
板３７が固定されており、プリント基板３７には制御回
路用の回路部品３８が実装されている。プリント基板３
７の裏面にはホール素子３９を内蔵する電流検出器４０
が固定されており、電流検出器４０は、フェライトコア
３６の切り欠き部４１に挿入されている。
【００３５】ステータコイル５の端部導体５０は、フェ
ライトコア３６及びプリント基板３７を軸方向に貫通し
てブスバー４２を通じて半導体スイッチング素子１０の
交流出力端子に接続されている。
【００３６】このように構成すれば、フェライトコア３
６の取り付けが簡単となり、プリント基板３７の回路素
子実装面ほ有効利用することができる。 （変形態様）上記実施例の変形態様を図３に示す。
【００３７】この態様では、上記エンドフレーム２とエ
ンドプレート３とを一体化して、底付き円筒状のエンド
フレーム１００としたものである。このエンドフレーム
１００はステータコア４の後端面とコイルエンド１５の
外周面とで区画される空間に外周面側から凹設されたリ
ング溝１０２を有し、このリング溝１０２には冷却剤が
流れるパイプ１０３が巻着されている。このようにすれ
ば、上記と同様の冷却効果および体格増加抑制効果を得
ることができ、部品点数を削減することができる。な
お、冷却剤としては液体又は気体のどちらでもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の回転電機の一実施例を示す軸方向部
分断面図である。
【図２】 図１の部分拡大軸方向断面図である。
【図３】 変形態様を示す軸方向部分断面図である。
【符号の説明】
２ エンドフレーム（冷却部材） ３ エンドプレート（冷却部材） ４ ステータコア ５ ステータコイル ６ ロータ ７ 回転軸 ８ 冷却ファン ９ スルーボルト １０ 半導体スイッチング素子
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中村 誠志 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 Ｆターム(参考） 5H609 BB19 PP02 PP06 PP08 PP16 QQ04 QQ05 QQ12 QQ23 RR32 RR36 RR40 RR67 RR69 RR73 RR74 SS07 5H611 AA01 PP02 QQ05 RR02 UA04 UB01

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】内周部にスロットを有してハウジングに固
    定された円筒状のステータコアと、 前記ステータコアの両端面から突出するコイルエンドを
    有して前記スロットに挿通されるステータコイルと、 内部に冷却剤通路を有して前記ステータコアに密着する
    冷却部材と、 前記冷却部材の表面に固定されて前記ステータコイルの
    電流を制御する半導体スイッチング素子を含むステータ
    電流制御回路と、 前記ステータコアの内周面に面して回転するロータと、 を備える回転電機において、 前記冷却部材は、 内部に冷却剤通路を有して前記ステータコアの端面と前
    記コイルエンドの外周面とにより区画される円筒状空間
    部分に収容されて前記ステータコアの前記端面に固定さ
    れている本体部と、 前記コイルエンドの外端面に対して所定の隙間を有して
    前記本体部の内周面から径内側へ延在する板部と、 を有していることを特徴とする回転電機。
  2. 【請求項２】請求項１記載の回転電機において、 前記本体部は、 前記冷却剤通路が軸方向外側に開口する環状の筒部を有
    し、 前記板部は、 前記筒部の外端面に密着して前記冷却剤通路を密閉する
    ことを特徴とする回転電機。
  3. 【請求項３】請求項１記載の回転電機において、 前記板部は、 軸受けを介して前記ロータの軸を回転自在に支承するこ
    とを特徴とする回転電機。
  4. 【請求項４】請求項１記載の回転電機において、 前記ステータ電流制御回路は、 前記板部の外端面に固定されていることを特徴とする回
    転電機。
  5. 【請求項５】請求項４記載の回転電機において、 前記板部は、 前記コイルエンドから略軸方向外側に突出するステータ
    コイルの端部が貫通する貫通孔を有することを特徴とす
    る回転電機。
  6. 【請求項６】請求項５記載の回転電機において、 前記貫通孔に嵌入されたギャップ付き磁気コアと、前記
    ギャップに配設された磁電変換素子とを有することを特
    徴とする回転電機。
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