JP2006325369A - 電動モータの冷却装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】ステータコイルの冷却効率の向上を図る。
【解決手段】冷却液を通すための非磁性耐熱材料製の冷却チューブ3a、3bを、ステータ1の軸方向端部に、ロータ軸7aの周囲を一周するように円環状に配設し、該冷却チューブ3a、3bを、ステータコイルのコイルエンド2d、2eの断面の中心部に通した。この冷却チューブ3a、3bは、各U相コイル郡2a、V相コイル郡2b、W相コイル郡2cに均等に接するようにその中央部に配置させる。このようにすることで、発熱が最も高いコイルエンド2d、2e部を効率良く冷却することができる。
【選択図】 図1
【解決手段】冷却液を通すための非磁性耐熱材料製の冷却チューブ3a、3bを、ステータ1の軸方向端部に、ロータ軸7aの周囲を一周するように円環状に配設し、該冷却チューブ3a、3bを、ステータコイルのコイルエンド2d、2eの断面の中心部に通した。この冷却チューブ3a、3bは、各U相コイル郡2a、V相コイル郡2b、W相コイル郡2cに均等に接するようにその中央部に配置させる。このようにすることで、発熱が最も高いコイルエンド2d、2e部を効率良く冷却することができる。
【選択図】 図1
Description
本発明は、例えば電動式自動車の駆動源などに使用する電動モータの冷却装置に関するものである。
大出力の電動モータは、ステータに使用しているコイルが大きな熱を発するので、空冷以外のコイルに対する直接的な冷却対策を講じる必要がある。コイルを冷却しないと、コイルの温度上昇により電気抵抗が上がり、モータの出力効率が低下したり、コイルに施してあるワニスや絶縁紙などの熱劣化が進み、絶縁抵抗が下がって故障の原因となったりするからである。
従来、ステータのコイルを直接冷却するものとして、袋状ホースをステータのコイルエンドの外面に密着させ、コイルに発生する熱を袋状ホース内に流した冷媒で奪うようにしたものが知られている(例えば、特許文献1参照)。
特開平10−117463号公報
しかし、上記従来の技術では、袋状ホースをコイルエンドの外面に密着させるだけであるから、各相コイルに対する均等な冷却性能が期待できないという問題があった。
そこで、本発明は、上記事情を考慮し、ステータコイルの冷却効率の向上を図ることのできる電動モータの冷却装置を提供することを目的とする。
本発明の冷却装置は、冷却液を通すための非磁性耐熱材料製の冷却チューブを、ステータの軸方向端部に、ロータ軸の周囲を一周するように円環状に配設し、該冷却チューブを、ステータコイルのコイルエンドの断面の中心部に通したことを特徴とする。
本発明によれば、非磁性耐熱材料製の冷却チューブを、ステータコイルのコイルエンドの断面の中心部に通したので、電動モータ内で最も高温となるコイルエンドに発生する熱を冷却チューブで確実に奪うことができ、各相コイルを均等に冷却することができる。また、非磁性耐熱材料を冷却チューブの材料としているので、ワニス処理時の比較的高温環境やモータ運転時のコイルエンドの高温条件に対しての耐熱性能を保証することができると共に、コイルに流れる交番電流による自己発熱を抑制することができる。
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態を図面を用いて詳細に説明する。
「第1の実施の形態」
図1は第1の実施の形態の冷却装置を含む電動モータの断面図、図2はその冷却流路だけを取り出して示す斜視図 図3は冷却流路の系統を簡略的に示すブロック図、図4はコイルエンドの二相結束部の断面図、図5はコイルエンドの三相結束部の断面図である。
図1は第1の実施の形態の冷却装置を含む電動モータの断面図、図2はその冷却流路だけを取り出して示す斜視図 図3は冷却流路の系統を簡略的に示すブロック図、図4はコイルエンドの二相結束部の断面図、図5はコイルエンドの三相結束部の断面図である。
この電動モータM1は、ステータ1を内装した円筒状のハウジング4と、ハウジング4の前端開口を塞ぐフロントブラケット5と、後端開口を塞ぐリアブラケット6と、これら両ブラケット5、6にロータ軸7aの前後部をそれぞれ回転自在に保持されるロータ7とを有する。
この電動モータM1には、ステータ1のコイルを冷却する冷却装置の主要素として、ステータ1の外周を接触支持するハウジング4の肉厚内部に、主冷却液路8を構成する複数の縦孔4aが設けられ、ステータ1の軸方向の両端に冷却チュ−ブ3a、3bが設けられている。両端の冷却チュ−ブ3a、3bは、ロータ軸7aを一周するように円環状に配されている。
また、ハウジング4の前後端部またはフロントブラケット5やリアブラケット6に、主冷却液路8のUターン部5a、6aが設けられており、軸方向に平行に形成された縦孔4aは、何本かがグループになって、Uターン部5a、6aで全部直列につながっている。主冷却液路8は、これら縦孔4aの群と複数のUターン部5a、6aによって構成されている。
主冷却液路8及び冷却チュ−ブ3a、3bには、冷却液導入口6bから冷却液が導入され、冷却液導出口6cから冷却液が排出されるようになっている。これら冷却液導入口6b及び冷却液導出口6cはリアブラケット6に形成されている。リアブラケット6に設けられた冷却液導入口6bから供給された冷却液は、ハウジング4内部の縦孔4aを通り、フロントブラケット5やリヤブラケット6のUターン部5a、6aで折り返されながら、次々に縦孔4aを流れ、同じくリアブラケット6に設けられた冷却液導出口6cからモータ外部に排出される。
図1では、理解しやすくするために、冷却液導入口6bと冷却液導出口6cを、円周方向に180度離して同一断面上に記載しているが、実際は、図2に示すように、両者は近い位置に配置してあることが多い。
ステータ1は、電磁鋼板を複数枚軸方向に積層したもので、ステータ1に設けられたスロット(図示せず)内に、U相コイル郡2a、V相コイル郡2b、W相コイル郡2cを挿入し、ステータ1の両端部から飛び出した各コイル間に絶縁紙(図示せず)を挟み、その状態でコイルレーシング処理及びワニス充填処理を施すことにより、フロントブラケット側のコイルエンド2dとリアブラケット側のコイルエンド2eが形成(成形)されている。
コイルレーシング処理とは、ステータ1の両端部でUターンするコイル間に漏電防止用の絶縁紙を挟み込んだ後、絶縁紙を押さえて銅線のエナメルが振動で摩耗しないように耐熱糸で縛ることをいう。また、ワニス充填処理とは、コイルレーシングした後、ステータ1内に挿入されたコイル及びコイルエンド2d、2eに比較的熱伝導性のよいワニスを充填することで、熱伝導をよくし、コイルで発した熱をステータ1に効率よく放熱できるようにすると共に、コイルの移動(振動)を防止してエナメル被覆の摩耗を防ぐ目的で実施するものである。
このようにコイルエンド2d、2eを形成(成形)する時に、図4、図5に示すように、ステータ1の両端に配置した冷却チューブ3a、3bを、各コイルエンド2d、2eの断面の中心部に設置して、各相コイル2a、2b、2cを束ねる。中心部とは、冷却チューブ3a、3bが少なくとも複数の各相コイル2a、2b、2cに、同時に接触する位置をいう。
この場合の冷却チュ−ブ3a、3bは、非磁性耐熱材料で構成されている。例えば、耐熱樹脂製チューブを使用する場合は、フッ素ゴムチューブやポリイミドチューブが使用できる。また、耐熱樹脂チューブ以外に、非磁性ステンレスチューブ(SUS304)を使用することもできる。
図1、図2に示すように、主冷却液路8の冷却液導入口6bに近い位置にある1つの縦孔4aのフロントブラケット5側の孔端には、フロントブラケット5側のコイルエンド2d内部に配してある冷却チューブ3aの一端がコネクタ4bを介して接続されている。また、主冷却液路8の冷却液導出口6cに近い位置にある別の1つの縦孔4aの孔端には、前記冷却チューブ3aの他端がコネクタ4cを介して接続されている。これらのコネクタ4b、4cはネジ式のコネクタである。図10はその部分を拡大して示している。
また、主冷却液路8の冷却液導入口6bに近い位置及び冷却液導出口6cに近い位置には、それぞれ、接続口をモータ軸方向(フロント方向)に向けた入口側分岐部6d及び出口側分岐部6eが形成されている。また、リアブラケット6側の冷却チューブ3bの一端及び他端には、それぞれ、前記接続口と反対向きでモータ軸方向(リア方向)を向いたコネクタ3c、3dがコイルエンド上に固設されている。そして、これらコネクタ3c、3dが、リアブラケット6の組み付け時に同時に、入口側分岐部6d及び出口側分岐部6eの接続口にそれぞれ接続されるようになっている。図11はその部分を拡大して示している。
従って、図3に簡略的に示すように、フロント側及びリア側の各冷却チューブ3a、3bは、それぞれ個別に主冷却液路8と並列に接続され、冷却液導入口6b及び冷却液導出口6cにつながる冷却液の供給路及び排出路に対して並列回路を構成する。
なお、図11に示すように、リア側の冷却チュ−ブ3bの両端のコネクタ3c、3dの外周部には、Oリング(オーリング)等のシール部材3eが取り付けてあるので、冷却液が漏れる心配は無い。
「第2の実施の形態」
図6は第2の実施の形態の冷却装置を含む電動モータの断面図、図7はその冷却流路だけを取り出して示す斜視図 図8は冷却流路の系統を簡略的に示すブロック図である。
図6は第2の実施の形態の冷却装置を含む電動モータの断面図、図7はその冷却流路だけを取り出して示す斜視図 図8は冷却流路の系統を簡略的に示すブロック図である。
この電動モータM2では、フロント側とリア側の両冷却チューブ3a、3bが、ステータ1の外周に設けた切欠1fに位置決めされた連通管3fにより直列に接続されて全体が一体化されており、その上で、ハウジング4内の主冷却液路8と並列に接続されている。この例では主冷却液路8と、冷却チューブ3b、3aの2並列回路となる。なお、連通管3fを通す切欠1fは、ステータ1の外周部の磁力線の流れの少ない位置を選んで設けられている。
図7に示すように、冷却液導入口6bに一番近い位置にあるフロント側のUターン部5aに分岐部4fが設けられ、そこにフロント側の冷却チュ−ブ3aの入口端が接続されている。また、冷却液導出口6cに近い位置に分岐部6fが設けられ、そこにリア側の冷却チュ−ブ3bの出口端が接続されている。これにより、図8に簡略化して示すように、連通管3fでつながった両冷却チュ−ブ3a、3bが、主冷却液路8と並列な関係になっている。その他の構成は前記第1の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。
この構成において、冷却液導入口6bに供給された冷却液は、主冷却液路8に流れると共に、分岐部6fを通ってフロント側とリア側の冷却チュ−ブ3a、3bを直列に流れた後、主冷却液路8を流れてきた冷却液と合流して、冷却液出口6cから外部に排出される。
「第3の実施の形態」
図9は第3の実施の形態の冷却装置を含む電動モータの断面図である。
図9は第3の実施の形態の冷却装置を含む電動モータの断面図である。
この電動モータM3のフロント部には、モータ出力を適正な回転数に減速する減速機9が組み合わせられている。減速機9内には、減速機9内の必要箇所に潤滑油(以下、ATFともいう。ATF=Automatic Transmission Fluid)を供給するためのオイルポンプ9aが設けられており、このオイルポンプ9aが吐出する圧油を適正な圧力に減圧したものを、冷却チューブ3a、3bに供給して冷却するようにしている。
オイルポンプ9aで発生したATFを、潤滑油主回路10aから減速機9の歯車等(図示せず)に供給すると共に、オリフィス10b等の減圧装置を介して電動モータM3側に供給する。
ATF供給部11aから、フロントブラケット5側のコイルエンド2d内を略1周するよう取り付けられた冷却チューブ3aに供給されたATFは、フロントとリアをつなぐ連通管3fを介してリアブラケット6側のコイルエンド2e内を略1周するよう取り付けられた冷却チューブ3bに供給される。その後、ATF排出部11bからレゾルバ室12にATFを排出し、ロータ軸7a内径部を通ってきた減速機9の歯車等(図示せず)を潤滑した残りのATFと合流した後、減速機9へのリターン回路(図示せず)を通り、減速機9のATF溜り(図示せず)に回収される。
図12に分布巻コイルの一例(4極24スロットモータ)を示す。
「本実施の形態の作用・効果」
以上説明したように、上記の実施の形態では、冷却液を通すための非磁性耐熱材料製の冷却チューブ3a、3bを、ステータ1の軸方向端部に、ロータ軸7aの周囲を一周するように円環状に配設し、該冷却チューブ3a、3bを、ステータコイルのコイルエンド2d、2eの断面の中心部に通している。
以上説明したように、上記の実施の形態では、冷却液を通すための非磁性耐熱材料製の冷却チューブ3a、3bを、ステータ1の軸方向端部に、ロータ軸7aの周囲を一周するように円環状に配設し、該冷却チューブ3a、3bを、ステータコイルのコイルエンド2d、2eの断面の中心部に通している。
従って、電動モータ内で最も高温となるコイルエンド2d、2eに発生する熱を冷却チューブ3a、3bで確実に奪うことができ、各相コイル2a、2b、2cを均等に冷却することができる。また、非磁性耐熱材料を冷却チューブ3a、3bの材料としているので、ワニス処理時の高温環境やモータ運転時のコイルエンド2d、2eの高温条件に対しての耐熱性能を保証することができると共に、コイルに流れる交番電流による自己発熱を抑制することができる。
また、上記実施の形態において、コイルエンド2d、2eは、ステータ1のスロット内に銅線コイルを挿入し、冷却チューブ3a、3bをU相コイル2a群、V相コイル2b群、W相コイル2c群の略中央となる位置に一体的に束ねて形成(成形)したものであり、その状態で、コイルレーシング処理、ワニス充填処理が施されてなる。
従って、各相コイル2a、2b、2cをほぼ均等に冷却することが可能となり、コイルの温度差で相間電流値がばらつく等の問題を防止でき、モータ性能を維持しやすくなる効果が得られる。
また、冷却チューブ3a、3bの材料に耐熱樹脂を用いた場合は、コイルに流れる交番電流による自己発熱を防止することができる上に、万が一銅線コイルの被覆に傷が生じた場合に、冷却チューブ3a、3bを介在した各相コイル間のショートや絶縁低下が防止できる。更に樹脂チューブの柔軟性を利用することで、冷却チューブ3a、3bと銅線コイルの接触面積が増大し、より大きな冷却効果が得られる。
特に、耐熱樹脂材料として柔軟性の高いフッ素ゴムを用いた場合は、冷却チューブ3a、3bと銅線コイルの接触面積を更に増大することが可能となり、より大きい冷却効果が得られる。
また、耐熱樹脂材料として比較的硬度のあるポリイミドを用いた場合は、ある程度の柔軟性を利用した冷却効果と、高剛性による成形作業性の両立が可能となる。更にポリイミドの剛性を利用し肉厚の薄い冷却チューブを製作することが可能となるので、比較的大径の冷却液流路を確保でき、薄肉化の伝熱効果と合わせ、より高い冷却効果が期待できる。
また、冷却チューブ3a、3bの材料に非磁性ステンレス(例えば、SUS304)を用いた場合は、コイルに流れる交番電流による自己発熱の発生を防止することができる上に、剛性が非常に高いことで、コイルエンド2d、2eの成形時にコイルエンド2d、2eの体積縮小を目的に圧縮成形を実施しても、冷却チューブ3a、3bの変形、潰れを防止でき、冷却チューブ3a、3bとしての機能を確保することが可能となる。
また、上記第1実施の形態では、ステータ1の外周面と接触しステータ1を支持する筒状のハウジング4の肉厚内部に主冷却液路8が形成されており、冷却チューブ3a、3bが、冷却液の供給路及び排出路に対し主冷却液路8と並列に接続されている。
従って、ハウジング4内部の主冷却液路8に通す冷却液を、並列的にコイルエンド2d、2eに配した冷却チューブ3a、3bにも流すことができ、冷却チューブ3a、3bに冷却液を流す目的だけで特別な動力源(冷却ポンプ)を備える必要がない。
また、上記第1実施の形態では、ハウジング4の肉厚内部に軸方向に沿って主冷却液路8を構成する複数の縦孔4aが形成され、主冷却液路8の冷却液導入口6bに近い位置にある1つの縦孔4aの孔端に冷却チューブ3aの一端がコネクタ4bを介して接続され、主冷却液路8の冷却液導出口6cに近い位置にある別の1つの縦孔4aの孔端に冷却チューブ3aの他端がコネクタ4cを介して接続されている。
従って、主冷却液路8と冷却チューブ3a、3bとにそれぞれ流す冷却液の分岐を比較的容易に実施することができ、結果的に製造コストの低減が図れる。
また、主冷却液路8の冷却液導入口6bに近い位置及び冷却液導出口6cに近い位置にそれぞれ、接続口をモータ軸方向に向けた入口側分岐部6d及び出口側分岐部6eが形成され、冷却チューブ3a、3bの一端及び他端にそれぞれ、前記接続口と反対向きでモータ軸方向を向いたコネクタ3c、3dが設けられ、それらコネクタ3c、3dが、ハウジング4の端面開口を塞ぐリアブラケット6の組み付け時に同時に、入口側分岐部6d及び出口側分岐部6eの接続口にそれぞれ接続可能とされているので、冷却チューブ3a、3b単独の組み付け作業時間が不要となり、結果的に製造コストの低減が図れる。
また、冷却チューブ3a、3bが、ステータ1の両端部にそれぞれに円環状に配設され、各冷却チューブ3a、3bがステータコイルの両端のコイルエンド2d、2eの断面の中心部に通されているので、冷却チューブ3a、3bを用いたコイルエンド2d、2eからの放熱量を約2倍に高める効果がある。
特に、上記第1実施の形態では、各冷却チューブ3a、3bがそれぞれ個別に主冷却液路8と並列に接続されているので、各冷却チューブ3a、3bに並列に冷却液を流すことができ、両コイルエンド2d、2eをほぼ同じ温度に冷却することができる。
また、上記第2実施の形態では、両冷却チューブ3a、3bが、ステータ1の外周の切欠1fに位置決めされる連通管3fにより直列に接続されて一体化され、その上で、主冷却液路8と並列に接続されているので、主冷却液路8からの分岐の数を減らすことができ、組み付け作業性の向上が図れる。また、接続部の加工が半減するので、結果的に製造コストの低減が図れる。
また、上記第3実施の形態では、冷却チューブ3a、3bに流す冷却液として、電動モータM3と組み合わせて使用される減速機9内のオイルポンプ9aの発生する潤滑用圧油を分岐して使用するので、冷却チュ−ブ3a、3b専用の動力源(オイルポンプ)を必要としない上、万一冷却チューブ3a、3bが破損して冷却液がコイルエンド2d、2e内に漏れた場合でも、漏れるのは潤滑油であるから、各相コイル間の絶縁低下の危険を減らすことができる。
なお、上記実施の形態では、冷却チューブ3a、3b、冷却チューブの連通管3fが単数列である場合を説明したが、複数列の冷却チューブを配置することで更に高い冷却効果が得られる。また分布巻コイル以外に、例えば集中巻コイルにおいても同様の冷却効果が得られる。
M1,M2,M3…電動モータ
1…ステータ
1f…切欠
2a…U相コイル郡
2b…V相コイル郡
2c…W相コイル郡
2d,2e…コイルエンド
3a,3b…冷却チュ−ブ
4…ハウジング
4a…縦孔
3c,3d、4b,4c…コネクタ
5…フロントブラケット
6…リアブラケット
6b…冷却液導入口
6c…冷却液導出口
7…ロータ
7a…ロータ軸
8…主冷却液路
9…減速機
9a…オイルポンプ 30…カーボンナノチューブ
1…ステータ
1f…切欠
2a…U相コイル郡
2b…V相コイル郡
2c…W相コイル郡
2d,2e…コイルエンド
3a,3b…冷却チュ−ブ
4…ハウジング
4a…縦孔
3c,3d、4b,4c…コネクタ
5…フロントブラケット
6…リアブラケット
6b…冷却液導入口
6c…冷却液導出口
7…ロータ
7a…ロータ軸
8…主冷却液路
9…減速機
9a…オイルポンプ 30…カーボンナノチューブ
Claims (13)
- 冷却液を通すための非磁性耐熱材料製の冷却チューブを、ステータの軸方向端部に、ロータ軸の周囲を一周するように円環状に配設し、該冷却チューブを、ステータコイルのコイルエンドの断面の中心部に通した
ことを特徴とする電動モータの冷却装置。 - 請求項1に記載の電動モータの冷却装置であって、
前記コイルエンドは、ステータのスロット内に銅線コイルを挿入し、前記冷却チューブをU相コイル群、V相コイル群、W相コイル群の略中央となる位置に一体的に束ねて成形したものであり、その状態で、コイルレーシング処理、ワニス充填処理が施されてなる
ことを特徴とする電動モータの冷却装置。 - 請求項1または2に記載の電動モータの冷却装置であって、
前記冷却チューブが耐熱樹脂製チューブよりなる
ことを特徴とする電動モータの冷却装置。 - 請求項3に記載の電動モータの冷却装置であって、
前記耐熱樹脂製チューブがフッ素ゴムチューブである
ことを特徴とする電動モータの冷却装置。 - 請求項3に記載の電動モータの冷却装置であって、
前記耐熱樹脂製チューブがポリイミドチューブである
ことを特徴とする電動モータの冷却装置。 - 請求項1または2に記載の電動モータの冷却装置であって、
前記冷却チューブがステンレスチューブよりなる
ことを特徴とする電動モータの冷却装置。 - 少なくとも請求項1〜6の何れか一つに記載の電動モータの冷却装置であって、
前記ステータの外周面と接触しステータを支持する筒状のハウジングの肉厚内部に主冷却液路が形成されており、
前記冷却チューブが、冷却液の供給路及び排出路に対し前記主冷却液路と並列に接続されている
ことを特徴とする電動モータの冷却装置。 - 請求項7に記載の電動モータの冷却装置であって、
前記ハウジングの肉厚内部に軸方向に沿って前記主冷却液路を構成する複数の縦孔が形成され、前記主冷却液路の冷却液導入口に近い位置にある1つの前記縦孔の孔端に前記冷却チューブの一端がコネクタを介して接続され、前記主冷却液路の冷却液導出口に近い位置にある別の1つの前記縦孔の孔端に前記冷却チューブの他端がコネクタを介して接続されている
ことを特徴とする電動モータの冷却装置。 - 請求項7に記載の電動モータの冷却装置であって、
前記主冷却液路の冷却液導入口に近い位置及び冷却液導出口に近い位置にそれぞれ、接続口をモータ軸方向に向けた入口側分岐部及び出口側分岐部が形成され、前記冷却チューブの一端及び他端にそれぞれ、前記接続口と反対向きでモータ軸方向を向いたコネクタがコイルエンド上に固設され、それらコネクタが、前記ハウジングの端面開口を塞ぐブラケットの組み付け時に同時に、前記入口側分岐部及び出口側分岐部の接続口にそれぞれ接続可能とされている
ことを特徴とする電動モータの冷却装置。 - 少なくとも請求項1〜6の何れか一つに記載の電動モータの冷却装置であって、
前記冷却チューブがステータの両端部に個別にそれぞれ円環状に配設され、各冷却チューブがステータコイル両端のコイルエンドの断面の中心部に通されている
ことを特徴とする電動モータの冷却装置。 - 請求項7に記載の電動モータの冷却装置であって、
前記冷却チューブがステータの両端部に個別にそれぞれ円環状に配設され、各冷却チューブがステータコイル両端のコイルエンドの断面の中心部に通されており、しかも、各冷却チューブがそれぞれ個別に前記主冷却液路と並列に接続されている
ことを特徴とする電動モータの冷却装置。 - 請求項7に記載の電動モータの冷却装置であって、
前記冷却チューブがステータの両端部に個別にそれぞれ円環状に配設され、各冷却チューブがステータコイル両端のコイルエンドの断面の中心部に通され、しかも、両冷却チューブが、ステータ外周の切欠に位置決めされる連通管により直列に接続されて一体化され、その上で、両冷却チューブが前記主冷却液路と並列に接続されている
ことを特徴とする電動モータの冷却装置。 - 少なくとも請求項1〜12の何れか一つに記載の電動モータの冷却装置であって、
前記冷却チューブに流す冷却液として、電動モータと組み合わせて使用される減速機内のオイルポンプの発生する潤滑用圧油が分岐して使用される
ことを特徴とする電動モータの冷却装置。
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