JP2005012961A - 回転電機における固定子のコイルエンド構造 - Google Patents

Abstract

【課題】電動機において、簡易な構造で効率的に、冷却油でステータコイルエンドを冷却する。
【解決手段】電動機のステータコア２０００のステータコイルエンド２０１０は、中空円筒の形状を有する。ステータコイルエンド２０１０は、ステータコイルエンド２０１０の表面であって、電動機の回転軸に垂直な方向に、ステータコイルエンド２０１０の外部からステータコイルエンド２０１０に供給される冷却油を誘導するための冷却油溝２０１２を、その円筒の円周上に有する。
【選択図】 図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、モータの構造に関し、特に、自動車等の車両に搭載される液冷のモータの構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車等の車両に搭載されるモータや発電機は、回転子（ロータ）と、その周囲に配設されステータコイルが巻き付けられたステータコアとを有する。モータはステータコイルに通電して回転力を得て、発電機はロータの回転によりステータコイルに流れる電流を取り出す。そして、ロータ回転時にステータコイルに電流が流れると、ステータコアやステータコイルが発熱する。これらの発熱は、モータや発電機の内部を貫通する磁束に影響を与え、運転効率を低下させる。運転効率を維持するため、モータや発電機を冷却する必要がある。
【０００３】
このようなモータや発電機は、ハウジングで覆われた形で車両に搭載される。従って、モータや発電機の冷却には、このハウジング内に冷却媒体の通路を設け、通路内を通過する冷媒による冷却、すなわち液冷が適用されることが多い。このとき、電動機のコイルについての絶縁性は確保しておく必要があるため、冷却は、ハウジング内でコイルと非接触の部位に設けられた冷媒路に冷却水を流す方法や、発熱部位近傍に絶縁性のある機械油等を流したり飛沫させたりする方法により行なわれる。機械油等の絶縁性の冷媒を用いる方法は、絶縁性を保持しつつハウジング内に冷媒路を設ける必要がないため、ハウジングを小型化することが可能であり、発熱部位の近傍に冷媒を供給できるため、冷却能力も大きい点で優れている。このような発熱を抑えるための冷却に関する技術が、以下の公報に開示されている。
【０００４】
特開平１１−２０６０６３号公報（特許文献１）は、動力伝達装置に組み込まれる電動機であって冷却油を用いて冷却する電動機を開示する。この電動機は、電機子鉄心と電機子鉄心に巻回された電機子コイルを有する電機子を備え、回転軸を回転させる作用を奏する電動機であって、電機子は、電機子を覆い、電機子コイルが電機子鉄心から軸方向にはみ出した部分であるコイルエンドの近傍に冷却剤が通過する空隙を有するカバーと、コイルエンドからカバーへの熱伝達を可能とする熱伝達部材とを有し、電動機の回転中において、電機子鉄心と前記カバーとの空隙に冷却剤を供給する供給油路とを備える。冷却材が通過する空隙は、カバーに形成された溝部と、溝部とコイルエンドとを仕切る仕切り板により構成される空隙であり、熱伝達部材は、コイルエンドと前記仕切り板との間の熱伝達が可能となるように樹脂成形された部材である。
【０００５】
特許文献１に開示された電動機によると、カバーに形成された溝部と仕切板の両者により冷媒路を形成するため、冷媒路の加工を容易に行うことができる。また、この仕切り板とコイルエンドとの間を樹脂で埋めることにより（モールドする）、先に形成された冷媒路を保持したまま、両者間の熱伝達を可能にすることができる。従来より、コイルエンドを樹脂でモールドすることにより、カバーへの熱伝達を可能にする技術は知られていたが、仕切り板により、冷媒路をコイルエンド近傍に残したまま、モールドすることが可能となった。この結果、コイルエンドの冷却を非常に効率的に行なうことができる。
【０００６】
実開昭６０−２４１６２号公報（特許文献２）は、固定子鉄心に設けられた固定子溝に複数の素線を束ねてなるコイル巻装するようにした巻線装置において、素線を、外形に複数個の長手方向に沿った切欠部を設けた多角素線によって構成し、巻回されて隣接する多角素線の相対する切欠部間に、固定子鉄心の長手方向両端部に連通する冷却媒体通路が形成される。
【０００７】
特許文献２に開示された巻線装置によると、従来の装置では素線の断面は切欠部を有さない丸断面であって隣接する素線間に十分な隙間がなかったのに対して、切欠部により隣接する素線間に冷却媒体が流れることになる。その結果、切欠部により形成される冷却媒体通路に冷却媒体が固定子コイルの長手方向に沿って連通して固定子溝内を流れて固定子鉄心と固定子コイルとを冷却する。
【０００８】
【特許文献１】
特開平１１−２０６０６３号公報
【０００９】
【特許文献２】
実開昭６０−２４１６２号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した特許文献に開示された電動機では、以下に示すような問題点がある。
【００１１】
特許文献１に開示された電動機では、ステータのコイルエンドの冷却を効率的に行なうために、コイルエンドを樹脂でモールドしつつ、コイルエンド付近に油路を形成している。樹脂でモールドする際には、コイルエンド付近に油路の一部を形成する溝部を構成して、この溝部をＯリングでシールした上で、仕切り板で塞いでいる。このようにして、コイルエンドには、冷却用の油が流れる油路が形成され、またコイルエンドは樹脂でモールドされており、冷却用の油路と熱伝達による熱交換が可能としたのでコイルエンドがこの冷却油により冷却される。しかしながら、このようにステータのコイルエンドを油路をその近傍に形成しながら樹脂でモールドすることは、構造が非常に複雑なものになって、製作には非常に多くの工数が必要になる。このため、コストアップにつながる。また、このように加工することは、電動機の重量を増加させることになり、車重の増加は究極的には車両の燃費の悪化につながる。
【００１２】
特許文献２に開示された巻線装置では、ステータコアの内部の巻線である素線の断面形状を丸断面ではなく切欠部を有する断面にして十分な隙間を設けて、長手方向に冷却媒体を流通させるようにする。しかしながら、ステータコアのコイルエンドにおける冷却効率を高めるものではない。
【００１３】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであって、その目的は、固定子のコイルエンドにそのコイルエンドの外部から冷却媒体が供給されてコイルエンドが冷却される回転電機において、簡易な構造であって、かつ効率的にコイルエンドを冷却することができる、回転電機における固定子のコイルエンドの構造を提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
第１の発明に係るコイルエンド構造は、回転軸を中心に回転する回転子と、回転子の周面に対向した固定子とを有する回転電機における固定子のコイルエンドの構造である。このコイルエンド構造は、コイルエンドの表面であって回転軸に垂直な方向に、コイルエンドに供給される冷却媒体を誘導するための誘導手段を有するものである。
【００１５】
第１の発明によると、回転電機は、たとえば車両に搭載される液冷式の電動モータであって、ロータである回転子と、その周囲に固定子であるステータとを有する。ステータのコイルエンドには、コイルエンドの表面であって回転軸に垂直な方向に誘導手段である誘導溝などが設けられる。この誘導手段は、コイルエンドに供給される冷却媒体を回転軸に垂直な方向に誘導する。回転電機が回転軸を水平にして車両に搭載され、コイルエンドの上方から冷却油が滴下される場合に、誘導手段が滴下された冷却油を回転軸に垂直な方向に導いて、回転軸の方向に流れないようにする。すなわち誘導手段により、冷却油はコイルエンドの円周方向に沿って（重力にしたがって）落下して、コイルエンドをその表面から冷却する。その結果、固定子のコイルエンドにそのコイルエンドの外部から冷却媒体が供給されてコイルエンドが冷却される回転電機において、簡易な構造で効率的にコイルエンドを冷却することができる。
【００１６】
第２の発明に係るコイルエンド構造においては、第１の発明の構成に加えて、誘導手段は、コイルエンドの表面に設けられた溝により構成される構造を有する。
【００１７】
第２の発明によると、コイルエンドの表面に設けられた溝に冷却油が誘導されて、コイルエンドの円周に沿って冷却油が導かれて、コイルエンドを冷却することができる。
【００１８】
第３の発明に係るコイルエンド構造においては、第１の発明の構成に加えて、コイルエンドは中空円筒形状を有するものであって、誘導手段は、コイルエンドの円筒表面の円周に設けられた溝により構成されるものである。
【００１９】
第３の発明によると、コイルエンドの円筒表面の円周に設けられた溝に冷却油がコイルエンドの円周に沿って導かれて、コイルエンドを冷却することができる。
【００２０】
第４の発明に係るコイルエンド構造は、第１〜３のいずれかの発明の構成に加えて、冷却媒体が冷却用の液体である、回転電機に適用されるものである。
【００２１】
第４の発明によると、液冷の回転電機において、簡易な構造で効率的にコイルエンドを冷却することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがってそれらについての詳細な説明は繰返さない。
【００２３】
なお、以下の説明においては、本発明における回転電機を電動機として説明するが、本発明は電動機に限定されて適用されるものではない。たとえば、発電機などの回転電機に適用するようにしてもよい。
【００２４】
図１を参照して、本発明の実施の形態に係る車両に搭載される電動機について説明する。車両には図１に示すように回転軸を水平あるいはほぼ水平な状態にして搭載される。
【００２５】
図１は、このような電動機の断面図を示す。図１（Ａ）に電動機の縦断面図を、図１（Ｂ）に電動機の横断面図を示す。この電動機は、２つのベアリング１０２０により回転自在に支持されたロータ１０１０と、ロータ１０１０の外周方向に設置された固定子部とから構成される。このロータ１０１０は、ベアリング１０２０により支持され、回転軸１０００を中心として回転して、回転トルクを車両のパワートレーンに伝達する。
【００２６】
ロータ１０１０に対応して、わずかなギャップを介して対向した位置には、固定子部としてステータコア２０００とステータコイルエンド２０１０とが設けられる。ステータコア２０００には、回転軸に平行な方向にステータコア２０００を貫通するように設けられたスリットに、コイルが巻着される。このコイルに電流が流されて、ステータコア２０００は、ロータ１０１０を回転させるための磁界を発生させる。このステータコア２０００に巻着されたコイルの端部がコイルエンド２０１０として形成されている。これらの構成部品である、回転軸１０００、ロータ１０１０、ベアリング１０２０、ステータコア２０００、ステータコイルエンド２０１０は、ハウジング３０００内に収められている。
【００２７】
ハウジング３０００には、ステータコイルエンド２０１０の上方の位置に、ステータコイルエンド２０１０に冷却油を滴下する冷却油滴下部２１００が設けられている。この冷却油滴下部２１００は、たとえば、オイルポンプにより供給される冷却油をステータコイルエンド２０１０に滴下、噴霧、噴射するノズル等により構成される。この冷却油滴下部２１００によりステータコイルエンド２０１０に供給された冷却油によりステータコイルエンド２０１０が冷却される。
【００２８】
図２に、図１（Ａ）の２−２断面の拡大図を示す。図２に示すように、ステータコイルエンド２０１０には、その円周方向に冷却油溝２０１２が形成されている。この冷却油溝２０１２は、ステータコイルエンド２０１０の全周に渡って設けられていても、少なくとも上半分に設けられていてもよい。
【００２９】
また、ステータコイルエンド２０１０における冷却油溝２０１２の回転軸方向の位置は、ステータコイルエンド２０１０の略中央であれば良い。このような冷却油溝２０１２をステータコイルエンド２０１０の略中央に設ける場合、ステータコア２０００の磁路形成には影響することがないように設計される。通常、このようなステータコイルエンド２０１０に冷却油溝２０１２を設けても、特段、ステータコア２０００の磁路形成には影響することはない。
【００３０】
このように形成された冷却油溝２０１２により、冷却油滴下部２１００から滴下された冷却油が導かれ、ステータコイルエンド２０１０が冷却される。
【００３１】
以上のような構造を有する電動機における、ステータコア２０００のコイルに電流を流すことによりステータコイルエンド２０１０に発生した熱の放熱について説明する。
【００３２】
電動機が回転軸１０００を中心として回転して、車両を駆動するためには、ステータコア２０００のコイルに、所定の電流（たとえば、車両を走行させるために必要とされるトルクを発生するための電流）が流される。このとき、この電流によりステータコイルエンド２０１０が発熱、あるいはステータコア２０００での発熱がステータコイルエンド２０１０に熱伝導されて、ステータコイルエンド２０１０が発熱する。
【００３３】
このとき、冷却油滴下部２１００からステータコイルエンド２０１０の冷却油溝２０１２に冷却油が滴下される。このときの状態を図３に示す。図３（Ａ）は、冷却油が流れる状態を表わす電動機の縦方向の断面図を、図３（Ｂ）は、図３（Ａ）におけるＢ−Ｂ断面図である。
【００３４】
冷却油滴下部２１００からステータコイルエンド２０１０の冷却油溝２０１２に滴下された冷却油は、図３（Ｂ）に示すように、冷却油溝２０１２に留められ、それから重力にしたがって図３（Ａ）に示すように、冷却油溝２０１２に沿って下方に流れる。冷却油溝２０１２は、中空円筒形状を有するステータコイルエンド２０１０の表面に設けられているので、冷却油は、ステータコイルエンド２０１０の円周に沿って、少なくとも上半分を流れる。
【００３５】
ステータコイルエンド２０１０の円周の上半分を流れた冷却油は、一部冷却油の粘性が低い場合には、ステータコイルエンド２０１０の円周の下側にまで回り込んでハウジング３０００の底面に落下する。この作動油は、オイルポンプなどにより循環されて、冷却油滴下部２１００に供給され、再度冷却油溝２０１２に導かれてステータコイルエンド２０１０を冷却する。
【００３６】
図４（Ａ）および図４（Ｂ）に、冷却油溝２０１２がないステータコイルエンド２０１１を有する電動機における冷却油の流れの状態を示す。図４も図３と同様に、図４（Ａ）は、冷却油が流れる状態を表わす電動機の縦方向の断面図を、図４（Ｂ）は、図４（Ａ）におけるＢ−Ｂ断面図である。
【００３７】
冷却油滴下部２１００からステータコイルエンド２０１１に滴下された冷却油は、図４（Ｂ）に示すように、冷却油溝２０１２がないので、ステータコイルエンド２０１１上に留まることなく、回転軸１０００に平行な方向に流れる。特に、ステータコイルエンド２０１１は、曲面形状を有するので、冷却油溝２０１２がないと、冷却油滴下部２１００から適下された後にすぐにステータコイルエンド２０１１を冷却することなく、重力にしたがって図４（Ａ）に示すように、下方に流れ落ちてしまう。このように、冷却油は、ステータコイルエンド２０１１と十分に接触することがないので、ステータコイルエンド２０１１を十分に冷却油で冷却することができない。
【００３８】
以上のようにして、本実施の形態に係る電動機によると、ステータコイルエンドの表面に、冷却油を回転軸に垂直な方向であって、ステータコイルエンドの曲面形状に沿った方向に誘導するための、冷却油溝を設けた。ステータコイルエンドは曲面形状を有するので、この冷却油溝がない従来の電動機では冷却油は直ちに軸方向にも流れてしまい、ステータコイルエンドを冷却することがなかった。しかしながら、冷却溝があると、この冷却油溝に沿って冷却油がステータコイルエンドに沿うように流れ落ちて行くので、このときにステータコイルエンドと冷却油との間で熱交換が行なわれることにより、ステータコイルエンドが冷却される。
【００３９】
このようにして、ステータコイルエンドにそのコイルエンドの外部に設けられた冷却油滴下部から冷却媒体が供給されてコイルエンドが冷却される回転電機において、簡易な構造であって、かつ効率的にコイルエンドを冷却することができる、回転電機におけるステータコイルエンドの構造を提供することができる。
【００４０】
なお、上述した実施の形態において、ステータコイルエンド２０１０に設けられる冷却油溝２０１２を形成する方法は、特に限定されない。
【００４１】
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と考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて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ことが意図される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る電動機の断面図である。
【図２】ステータ部分の拡大図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る電動機における冷却油の流れを示す図である。
【図４】従来の電動機における冷却油の流れを示す図である。
【符号の説明】
１０００ 回転軸、１０１０ ロータ、１０２０ ベアリング、２０００ ステータコア、２０１０，２０１１ ステータコイルエンド、２０１２ 冷却油溝、２１００ 冷却油滴下部、３０００ ハウジング。

Claims (4)

1. 回転軸を中心に回転する回転子と、前記回転子の周面に対向した固定子とを有する回転電機における固定子のコイルエンド構造であって、
   前記コイルエンドの表面であって前記回転軸に垂直な方向に、前記コイルエンドに供給される冷却媒体を誘導するための誘導手段を有する、コイルエンド構造。
2. 前記誘導手段は、前記コイルエンドの表面に設けられた溝により構成される、請求項１に記載のコイルエンド構造。
3. 前記コイルエンドは中空円筒形状を有し、
   前記誘導手段は、前記コイルエンドの円筒表面の円周に設けられた溝により構成される、請求項１に記載のコイルエンド構造。
4. 前記冷却媒体は、冷却用の液体である、請求項１〜３のいずれかに記載のコイルエンド構造。

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