JP2005253263A - 電動機の冷却装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 コイルエンドに満遍なく冷却媒体を供給する。
【解決手段】 電動機の冷却装置は、ステータ102の外周側に設けられ、ロータ106の方向と、ロータ106の方向と異なるステータ102の周方向とに分けて、ステータコイルエンド104にオイルを吐出する吐出口110を有するオイルパイプ100を含む。ロータ106の方向と異なるステータ102の周方向のステータコイルエンド104に向けて吐出されるオイルの供給量は、ロータ106の方向のステータコイルエンド104に向けて吐出されるオイルの供給量よりも多い。
【選択図】 図1

Description

本発明は、電動機の冷却装置に関し、特に、電動機のステータコイルエンドに向けて冷却媒体を吐出する吐出口を有する冷却装置に関する。
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(回転効率、発電効率)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。
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。したがって、モータや発電機の冷却には、このハウジング内に冷却液の通路を設け、通路内を通過する冷却液による冷却、すなわち液冷が適用されることが多い。このとき、電動機のステータ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、ハウジング内でステータコイルと非接触の部位に設けられた冷却液通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却液を用いる方法は、絶縁性を保持しつつハウジング内に冷却液通路を設ける必要がない。そのため、ハウジングを小型化することが可能である。また、この方法は、発熱部位の近傍に冷却液を供給できるため、冷却能力も大きい点で優れている。このような構造を含み、車両に搭載されるモータの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
たとえば、特開平8−130856号公報(特許文献1)は、油冷のモータにおいて、オイルポンプの吐出油量が少ない時でも、確実にステータコイルの冷却を行うモ−タの冷却回路を開示する。このモータの冷却回路は、ケ−スの周壁内側に固定され、内周に複数のスロットを形成された円筒状のコアと、コアの複数のスロットに巻かれたステータコイルと、コアの端部で円周方向に形成されたステータコイルエンドを有するステ−タと、ステ−タの半径方向内側に配置され、ケ−スに回転自在に支持されたロ−タとからなるモ−タと、オイルポンプと、オイルポンプから吐出される油をモ−タの上部に供給する供給油路とを有する。冷却回路は、噴射面と、噴射面に形成され、供給油路から供給される油を噴射する噴射口とを有する冷却油噴射部を備える。冷却油噴射部は、その噴射面の端部を隣接するケ−スの周壁内面に対して不連続に配置される。噴射面の端部は、ステータコイルエンドの上部に位置づけられる。
特許文献1に開示されるモータの冷却回路によると、オイルポンプの吐出油量が多いとき、供給油路から供給される油は、冷却油噴射部の噴射面に形成された噴射口から勢いよく噴射され、直接ステータコイルエンドへ供給される。また、オイルポンプの吐出油量が少ないとき、油は噴射口から勢いよく噴射されず、冷却油噴射部の噴射面を伝って下方へ流れる。しかしながら、噴射面の端部は、ケ−スの内壁と同一面にならないように不連続とされる。さらに、噴射面の端部がステータコイルエンド上部に位置している。そのため、油は噴射面の端部から滴となってステータコイルエンドに落下する。したがって、オイルポンプの吐出量が少ないときでも確実に油をステータコイルエンドへ供給することができる。
特開平8−130856号公報
しかしながら、特許文献1に開示されるモータの冷却回路のように別々の供給油路にそれぞれ設けられた2ヶ所の噴射口から冷却油を供給する場合、図6(A)および(B)に示すように、噴射口302,304は、冷却油がロータ310側に流れ込まないような位置にそれぞれ設けられる。これは、ロータ310側に大量に冷却油が流れ込むと、冷却油がその粘性によりロータ310の回転の抵抗となる、いわゆる引きずり損失が生じるからである。このとき、噴射口302,304から噴射された冷却油は、ステータ306に巻着されたステータコイルのステータコイルエンド308の周方向に沿って流れ落ちる。そのため、ステータコイルエンド308の上部において、冷却油が供給されない領域300が生じる。その結果、ステータコイルエンド308の冷却性能が悪化するという問題があった。
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、ステータコイルエンドに満遍なく冷却媒体を供給できる電動機の冷却装置を提供することである。
第1の発明に係る電動機の冷却装置は、ロータとステータとから構成される電動機のステータコイルエンドを冷却媒体により冷却する電動機の冷却装置である。電動機の冷却装置は、ステータの外周側に設けられ、ロータの方向と、ロータの方向と異なるステータの周方向とに分けて、ステータコイルエンドに冷却媒体を吐出する吐出口を有する冷却媒体通路を含む。ロータの方向と異なるステータの周方向のステータコイルエンドに向けて吐出される冷却媒体の供給量は、ロータの方向のステータコイルエンドに向けて吐出される冷却媒体の供給量よりも多い。
第1の発明によると、ステータの外周側に設けられ、ロータの方向と、ロータの方向と異なるステータの周方向とに分けて、ステータコイルエンドに冷却媒体を吐出する吐出口を有する冷却媒体通路を含む。ロータの方向と異なるステータの周方向のステータコイルエンドに向けて吐出される冷却媒体の供給量は、ロータの方向のステータコイルエンドに向けて吐出される冷却媒体の供給量よりも多い。たとえば、複数の開口部を有する吐出口において、ロータの方向のステータコイルエンドに向けて設けられる開口部の面積を、ロータの方向と異なるステータの周方向のステータコイルエンド向けて設けられる開口部の面積よりも小さくする。このとき、ロータの方向と異なるステータの周方向のステータコイルエンドに向けて吐出される冷却媒体の供給量は、ロータの方向のステータコイルエンドに向けて吐出される冷却媒体の供給量よりも多くなる。ロータの方向の冷却媒体の供給量を、ロータにおいて引きずり損失が生じない程度の量にすると、ロータにおいて引きずり損失を生じることなく、ステータコイルエンドの上部にも冷却媒体を供給することができる。その結果、ステータコイルエンドにおける冷却媒体の被覆率を向上させることができる。冷却媒体の被覆率を向上させることにより、ステータコイルエンドにおける冷却効率を向上させることができる。したがって、ステータコイルエンドに満遍なく冷却媒体を供給できる電動機の冷却装置を提供することができる。
第2の発明に係る電動機の冷却装置においては、第1の発明の構成に加えて、吐出口は、ロータの方向のステータコイルエンドに向けて設けられる開口部と、ロータの方向と異なるステータの周方向のステータコイルエンドに向けて設けられる開口部とを含む。
第2の発明によると、吐出口は、ロータの方向のステータコイルエンドに向けて設けられる開口部と、ロータの方向と異なるステータの周方向のステータコイルエンドに向けて設けられる開口部とを含む。これにより、ロータの方向と、ロータの方向と異なるステータの周方向とに分けて、ステータコイルエンドに冷却媒体を吐出する吐出口を形成することができる。そのため、ロータの方向の冷却媒体の供給量を、ロータにおいて引きずり損失を生じない程度の量にすると、ロータにおいて引きずり損失を生じることなく、コイルエンドの上部にも冷却媒体を供給することができる。その結果、コイルエンドにおける冷却媒体の被覆率を向上させることができる。
第3の発明に係る電動機の冷却装置においては、第1の発明の構成に加えて、吐出口は、ロータの方向のステータコイルエンドに向けて設けられる開口部とロータの方向と異なるステータの周方向のステータコイルエンドに向けて設けられる開口部とが連続して形成される形状を有する。
第3の発明によると、吐出口は、ロータの方向のステータコイルエンドに向けて設けられる開口部とロータの方向と異なるステータの周方向のステータコイルエンドに向けて設けられる開口部とが連続して形成される形状を有する。これにより、ロータの方向およびロータの方向と異なるステータの周方向の2方向にわたって、ステータコイルエンドに冷却媒体を吐出する吐出口を形成することができる。そのため、ロータの方向の冷却媒体の供給量を、ロータにおいて引きずり損失を生じない程度の量にすると、ロータにおいて引きずり損失を生じることなく、コイルエンドの上部にも冷却媒体を供給することができる。その結果、コイルエンドにおけるオイルの被覆率を向上させることができる。
第4の発明に係る電動機の冷却装置においては、第2または3の発明の構成に加えて、ロータの方向と異なるステータの周方向のステータコイルエンドに向けて設けられる開口部は、ロータの方向のステータコイルエンドに向けて設けられる開口部よりも面積が小さい。
第4の発明によると、ロータの方向と異なるステータの周方向のステータコイルエンドに向けて設けられる開口部は、ロータの方向のステータコイルエンドに向けて設けられる開口部よりも面積が小さい。これにより、ロータの方向の冷却媒体の供給量がロータにおいて引きずり損失を生じない程度の量になるように開口部の面積を設定すると、ロータにおいて引きずり損失を生じることなく、コイルエンドの上部にも冷却媒体を供給することができる。その結果、コイルエンドにおけるオイルの被覆率を向上させることができる。
第5の発明に係る電動機の冷却装置においては、第1〜4のいずれかの発明の構成に加えて、吐出口は、電動機を収納する筐体内に設けられ、ステータコイルエンドの上部に配設される冷却媒体通路に設けられる。
第5の発明によると、吐出口は、電動機を収納する筐体内に設けられ、ステータコイルエンドの上部に配設される冷却媒体通路に設けられる。これにより、冷却媒体通路にロータの方向と、ロータの方向と異なるステータの周方向とに分けてステータコイルエンドに冷却媒体を吐出する吐出口を設けることにより、2ヶ所の噴射口を別々の冷却媒体通路に設ける必要がなくなる。そのため、冷却媒体通路の構成を簡素にできるため、搭載位置の制約が少なく、さらに、部品点数を少なくすることができる。その結果、コストおよび重量の低減が図れる。
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態に係る電動機の冷却装置について説明する。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り返さない。
本実施の形態に係る電動機の冷却装置は、たとえば、車両に搭載される電動機に適用される。電動機が搭載されている車両は、特に限定されるものではないが、たとえば、ハイブリッド車、電気自動車または、燃料電池車である。
<第1の実施の形態>
図1(A)および(B)に示すように、本実施の形態に係る電動機の冷却装置を有する車両において、筐体114の内部には、ステータ102と、ロータ106と、オイルパイプ100と、オイルポンプ112とが設けられる。
ステータ102は、本実施の形態においては、中空円筒形状を有するが、本発明は特にこれに限定されない。ステータ102は、筐体114に、たとえば、ボルト等の締結により固定される。ステータ102には、溝あるいは筒形状の複数のスロットを有する。複数のスロットには、ステータコイル116が巻着される。ステータコイル116が巻着されたステータ102は、ステータ102の回転軸と平行な方向に露出するステータコイル116の端部である、ステータコイルエンド104を有する。
ステータコイル116には、車両に搭載されるバッテリ(図示せず)からインバータ(図示せず)等を介して電力が供給される。ステータコイル104に供給される電力は、ECU(Electronic Control Unit)(図示せず)により制御される。
ロータ106には、回転軸となるロータシャフト108が設けられる。ロータシャフト108は、筐体114に設けられるベアリング(図示せず)により回転自在に支持される。また、ロータ106の内部には、永久磁石が設けられる。なお、ロータ106の内部には、励磁電流の供給を受けて磁力を発生するロータコイルが設けられていてもよい。
オイルポンプ112は、本実施の形態においては、たとえば、筐体114内に設けられ、ロータ106の回転にともなって作動するギアポンプを用いるが、特に限定されるものではない。たとえば、筐体114の内部あるいは外部に設けられる電動ポンプであってもよい。
オイルパイプ100は、筐体114の内部に配設される通路である。本実施の形態において、たとえば、オイルパイプ100は、筐体114の内部に固定されるパイプである。
オイルパイプ100の内部には、冷却媒体である機械油等のオイルが流れる。なお、冷却媒体は、絶縁性があれば、オイルに特に限定されるものではない。オイルパイプ100の一方端は、吐出口110を有する。そして、オイルパイプ100の他方端は、オイルポンプ112に接続される。
オイルパイプ100が設けられる位置は、ステータ102の外周側でかつ筐体114の上方であれば特に限定されるものではないが、本実施の形態においては、ロータ106の回転軸のほぼ真上に設けられる。
オイルパイプ100には、ステータコイルエンド104に向けてオイルを吐出する吐出口110が設けられる。吐出口110は、オイルパイプ100からロータ106の方向と、ロータ106の方向と異なるステータ102の方向とに分けて、ステータコイルエンド104に冷却媒体であるオイルが供給できるような形状を有する。たとえば、本実施の形態において、吐出口110は、図2に示すように、オイルパイプ100に設けられる吐出口110は、ロータ106の方向のステータコイルエンド104に向けて設けられる開口部202と、ロータ106の方向と異なるステータ102の周方向のステータコイルエンド104に向けて設けられる開口部200,204とを有する。なお、ロータ106の方向およびロータ106の方向と異なるステータの周方向のステータコイルエンド104に向けて設けられる開口部の個数については特に限定されるものではない。
このとき、吐出口110は、開口部202の面積が開口部200,204の面積よりも小さくなるように形成される。
以上のような構造に基づく、本実施の形態に係る電動機の冷却装置の動作について、図3(A)および(B)を参照して説明する。
ECUによる制御を受けて車両に搭載されるバッテリからステータコイル116に供給された電力により、ステータ102において、磁界が発生する。発生した磁界によりロータ106は、回転力を得る。そして、ロータシャフト108を中心に回転する。
ロータシャフト108の回転にともなって、オイルポンプ112が作動する。このとき、オイルポンプ112は、筐体114内のステータ102の下部に溜まっているオイルを汲み上げる。
オイルポンプ112は、オイルパイプ100にオイルを圧送する。吐出されたオイルは、オイルパイプ100を通って吐出口110に到達する。吐出口110において、ロータ106の方向およびロータ106の方向と異なるステータ102の周方向のそれぞれのステータコイルエンド104に向けてオイルが吐出される。
このとき、ロータ106の方向と異なるステータ102の周方向のステータコイルエンド104に向けて吐出されたオイルは、ステータコイルエンド104の周方向に沿って、ステータ102の下部に流れ落ちる。オイルがステータコイルエンド104を流れ落ちる間に、ステータコイルエンド104からオイルへと熱が伝わる。
一方、ロータ106の方向のステータコイルエンド104に向けて吐出されたオイルは、ステータコイルエンド104の上部に接触する。このとき、ステータコイルエンド104からオイルへと熱が伝わる。ステータコイルエンド104に接触した後のオイルは、ステータ102の下部に流れ落ちる。吐出口110においては、開口部202の面積が開口部200,204の面積よりも小さくなるように形成される。そのため、ロータ106の方向と異なるステータ102の周方向に向けて吐出されるオイルの供給量は、ロータ106の方向に向けて吐出されるオイルの供給量よりも多い。
ステータ102の下方に流れ落ちたオイルは、オイルポンプ112により汲み上げられて、再びオイルパイプ100に圧送される。
以上のようにして、本実施の形態に係る電動機の冷却装置によると、ステータの外周側に設けられ、ロータの方向と、ロータの方向と異なるステータの周方向とに分けて、ステータコイルエンドにオイルを吐出する吐出口を有するオイルパイプを含む。ロータの方向と異なるステータの周方向のステータコイルエンドに向けて吐出されるオイルの供給量は、ロータの方向のステータコイルエンドに向けて吐出されるオイルの供給量よりも多い。複数の開口部を有する吐出口において、ロータの方向のステータコイルエンドに向けて設けられる開口部の面積を、ロータの方向と異なるステータの周方向のステータコイルエンド向けて設けられる開口部の面積よりも小さくする。このとき、ロータの方向と異なるステータの周方向のステータコイルエンドに向けて吐出されるオイルの供給量は、ロータの方向のステータコイルエンドに向けて吐出されるオイルの供給量よりも多くなる。ロータの方向のオイルの供給量を、ロータにおいて引きずり損失が生じない程度の量にすると、ロータにおいて引きずり損失を生じることなく、ステータコイルエンドの上部にもオイルを供給することができる。その結果、ステータコイルエンドにおけるオイルの被覆率を向上させることができる。オイルの被覆率を向上させることにより、ステータコイルエンドにおける冷却効率を向上させることができる。したがって、ステータコイルエンドに満遍なくオイルを供給できる電動機の冷却装置を提供することができる。
また、オイルパイプにロータの方向と、ロータの方向と異なるステータの周方向とに分けてステータコイルエンドにオイル体を吐出する吐出口を設けることにより、2ヶ所の噴射口を別々のオイル通路に設ける必要がなくなる。そのため、オイル通路の構成を簡素にできるため、搭載位置の制約が少なく、さらに、部品点数を少なくすることができる。その結果、コストおよび重量の低減が図れる。
なお、本実施の形態において、ロータ106の回転軸のほぼ真上にオイルパイプ100を設けたが、特に限定されない。たとえば、オイルパイプ100の搭載の都合でパイプの位置をロータ106の回転軸の真上に設けることができない場合においても、吐出口110に有する開口部200,202,204の開口位置を変更することにより、ステータコイルエンド104の所望の位置にオイルを吐出することができる。
<第2の実施の形態>
以下、本発明の第2の実施の形態に係る電動機の冷却装置について説明する。
本実施の形態に係る電動機の冷却装置は、上述の第1の実施の形態に係る電動機の冷却装置と比較して、吐出口110に代えて吐出口110と形状の異なる吐出口118を含む。それ以外の構成は、上述の第1の実施の形態に係る電動機の冷却装置の構成と同じである。同じ構成については同じ参照符号を付している。それらの機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明はここでは繰り返さない。
図4に示すように、オイルパイプ100に設けられる吐出口118は、ロータ106の方向のステータコイルエンド104に向けて設けられる開口部212と、ロータ106の方向と異なるステータ102の周方向のステータコイルエンド104に向けて設けられる開口部210,214とが連続して形成される形状を有する。
このとき、吐出口118は、ロータ106方向のステータコイルエンド104に向けて設けられる開口部212の面積がロータ106方向と異なるステータ102の周方向のステータコイルエンド104に向けて設けられる開口部210,214のいずれかの面積よりも小さくなるように形成される。
吐出口118は、図5(A)に示すように、パイプ100に円形状の開口部をたとえば、切削等の機械加工により形成される。そして、吐出口118は、円形状の開口部において径方向から挟むようにしてオイルパイプ100に力を加えることにより、図5(B)に示すように、円形状の開口部の中央部を絞るように変形させて形成される。なお、吐出口118は、上述のような加工方法の他、切削等の機械加工により、図5(B)に示すような形状を直接的に形成してもよい。
以上のような構造に基づく、本実施の形態に係る電動機の冷却装置の動作については、上述の第1の実施の形態に係る電動機の冷却装置の動作と同様に、ECUによる制御を受けて車両に搭載されるバッテリからステータコイル116に供給された電力により、ステータ102において、磁界が発生する。発生した磁界によりロータ106は、回転力を得る。そして、ロータシャフト108を中心に回転する。
ロータシャフト108の回転にともなって、オイルポンプ112が作動する。このとき、オイルポンプ112は、筐体114内のステータ102の下部に溜まっているオイルを汲み上げる。
オイルポンプ112は、オイルパイプ100にオイルを圧送する。吐出されたオイルは、オイルパイプ100を通って吐出口118に到達する。吐出口118において、ロータ106の方向およびロータ106の方向と異なるステータ102の周方向のそれぞれのステータコイルエンド104に向けてオイルが吐出される。
このとき、ロータ106の方向と異なるステータ102の周方向のステータコイルエンド104に向けて吐出されたオイルは、ステータコイルエンド104の周方向に沿って、ステータ102の下部に流れ落ちる。オイルがステータコイルエンド104を流れ落ちる間に、ステータコイルエンド104からオイルへと熱が伝わる。
一方、ロータ106の方向のステータコイルエンド104に向けて吐出されたオイルは、ステータコイルエンド104の上部に接触する。このとき、ステータコイルエンド104からオイルへと熱が伝わる。ステータコイルエンド104に接触した後のオイルは、ステータ102の下部に流れ落ちる。吐出口118においては、開口部212の面積が開口部210,214の面積よりも小さくなるように形成される。そのため、ロータ106の方向と異なるステータ102の周方向に向けて吐出されるオイルの供給量は、ロータ106の方向に向けて吐出されるオイルの供給量よりも多い。
ステータ102の下方に流れ落ちたオイルは、オイルポンプ112により汲み上げられて、再びオイルパイプ100に圧送される。
以上のようにして、本実施の形態に係る電動機の冷却装置によると、上述の第1の実施の形態に係る電動機の冷却装置が有する効果に加えて、以下の効果を有する。すなわち、本実施の形態において、吐出口の開口部を、ロータの方向と、ロータの方向と異なるステータの周方向との2方向にわたって連続して形成する。これにより、開口部を2方向に形成する場合と比較して、ステータコイルエンドに対して、より満遍なくオイルを供給することができる。
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。
第1の実施の形態に係る電動機の冷却装置の概略の構成を示す図である。 第1の実施の形態に係る吐出口の形状を示す図である。 第1の実施の形態に係る吐出口から吐出したオイルの流れを示す図である。 第2の実施の形態に係る吐出口の形状を示す図である。 第2の実施の形態に係る吐出口の加工方法を示す図である。 従来の電動機の冷却装置の概略の構成を示す図である。
符号の説明
100 オイルパイプ、102 ステータ、104 ステータコイルエンド、106 ロータ、108 ロータシャフト、110,118 吐出口、112 オイルポンプ、114 筐体、116 ステータコイル、200,202,204,210,212,214 開口部、300 領域、302,304 噴射口、306 ステータ、308 ステータコイルエンド、310 ロータ、312 ロータシャフト。

Claims (5)

  1. ロータとステータとから構成される電動機のステータコイルエンドを冷却媒体により冷却する電動機の冷却装置であって、
    前記ステータの外周側に設けられ、前記ロータの方向と、前記ロータの方向と異なるステータの周方向とに分けて、前記ステータコイルエンドに冷却媒体を吐出する吐出口を有する冷却媒体通路を含み、
    前記ロータの方向と異なるステータの周方向の前記ステータコイルエンドに向けて吐出される前記冷却媒体の供給量は、前記ロータの方向の前記ステータコイルエンドに向けて吐出される前記冷却媒体の供給量よりも多い、電動機の冷却装置。
  2. 前記吐出口は、前記ロータの方向の前記ステータコイルエンドに向けて設けられる開口部と、前記ロータの方向と異なるステータの周方向の前記ステータコイルエンドに向けて設けられる開口部とを含む、請求項1に記載の電動機の冷却装置。
  3. 前記吐出口は、前記ロータの方向の前記ステータコイルエンドに向けて設けられる開口部と前記ロータの方向と異なるステータの周方向の前記ステータコイルエンドに向けて設けられる開口部とが連続して形成される形状を有する、請求項1に記載の電動機の冷却装置。
  4. 前記ロータの方向と異なるステータの周方向の前記ステータコイルエンドに向けて設けられる開口部は、前記ロータの方向の前記ステータコイルエンドに向けて設けられる開口部よりも面積が小さい、請求項2または3に記載の電動機の冷却装置。
  5. 前記吐出口は、前記電動機を収納する筐体内に設けられ、前記ステータコイルエンドの上方に配設される冷却媒体通路に設けられる、請求項1〜4のいずれかに記載の電動機の冷却装置。
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