JP2008289245A - 回転電機の冷却構造 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成でロータコアが冷却される回転電機の冷却構造、を提供する。
【解決手段】回転電機であるモータジェネレータ１１の冷却構造は、ロータコア３０を含み、中心軸１０１を中心に回転するロータ２６を備える。ロータ２６は、ロータコア３０に対して中心軸１０１を中心とする径方向内側に配置されるオイル溜め部４１をさらに含む。オイル溜め部４１は、中心軸１０１を中心とする径方向外側に向けて凹形状で、かつ中心軸１０１の軸方向においてロータコア３０よりも突出した形状を有する。
【選択図】図１

Description

この発明は、一般的には、回転電機の冷却構造に関し、より特定的には、ステータのコイルエンド部に向けて供給された冷却油を利用して、ロータコアを冷却する回転電機の冷却構造に関する。

従来の回転電機の冷却構造に関して、たとえば、特開２００６−２４８４１７号公報には、強制潤滑方式を用いることなく、簡単な構成によってオイル冷却することを目的とした車両用ホイール駆動装置が開示されている（特許文献１）。特許文献１では、モータ軸が、ギヤ収納室からモータ収納室に連通する油流通孔を有する。ギヤ収納室でギヤによって掻き上げられ、飛散した潤滑油が油流通孔を通ってモータ収納室に導かれる。その潤滑油がロータの磁石装着部の内面に当てられることにより、ロータが冷却される。

また、特開２００６−７４９３０号公報には、ケース内に貯留される冷却液の液面高さをモータの回転数に応じて適正に制御することを目的とした電動車両用モータのロータ冷却装置が開示されている（特許文献２）。特許文献２では、モータの駆動軸およびその駆動軸に連結されたロータ軸内に冷却液が流通する。冷却液は、モータの回転数に応じてロータ軸内からモータのケース内に開放される。

また、特開２００３−９４６７号公報には、コイルの端末部に対する冷却効果を向上させることを目的としたモータ冷却構造が開示されている（特許文献３）。特許文献３では、ロータコアの外周側に、コイルが設けられたステータコアが配置されている。ロータシャフト内の軸方向油路に供給された冷却油が、ロータコアの両端のエンドプレートに形成した溝に案内されて、コイルの端末部に供給される。

また、特開２００３−１６９４４８号公報には、電動モータを、余分な部品やシールの必要なしに、ロータの一部分形状変更のみで冷却し得るようにするハイブリッド車両の駆動装置が開示されている（特許文献４）。特許文献４では、ロータ内周部に油だまりが形成されている。ロータ軸の中空孔から径方向潤滑油孔を経て流出した潤滑油が、ロータの回転に伴う遠心力を受けた場合にも油だまり内に止まる。
特開２００６−２４８４１７号公報 特開２００６−７４９３０号公報 特開２００３−９４６７号公報 特開２００３−１６９４４８号公報

モータ等の回転電機では、ステータコイルのみならずロータコアやロータコアに設けられる磁石も発熱する。このため、上述の特許文献１〜４ではロータコアに向けて冷却油が供給されている。しかしながら、ロータの軸内に油路を形成する必要があるため、冷却構造を簡易に構成することができない。

そこでこの発明の目的は、上記の課題を解決することであり、簡易な構成でロータコアが冷却される回転電機の冷却構造を提供することである。

この発明に従った回転電機の冷却構造は、ロータコアを含み、所定の軸線を中心に回転するロータを備える。ロータは、ロータコアに対して軸線を中心とする径方向内側に配置されるオイル溜め部をさらに含む。オイル溜め部は、軸線を中心とする径方向外側に向けて凹形状で、かつ軸線方向においてロータコアよりも突出した形状を有する。

このように構成された回転電機の冷却構造によれば、径方向外側に向けて凹形状で、かつロータコアよりも突出した形状を有するオイル溜め部をロータに設けることによって、オイルをオイル溜め部に溜め、そのオイルをロータの回転に伴う遠心力によりロータコアに向けて飛散させることができる。これにより、簡易な構成でロータコアを冷却することができる。

また好ましくは、ロータは、ロータコアを保持するロータコア保持部をさらに含む。ロータコア保持部には、オイル溜め部に対向してフィンが形成される。このように構成された回転電機の冷却構造によれば、オイル溜め部から飛散されたオイルと接触するロータコア保持部の面積を、フィンの形成によって増大させることができる。これにより、ロータコアの冷却を促進させることができる。

また好ましくは、回転電機の冷却構造は、コイルエンド部を含み、ロータの外周上に配置されるステータをさらに備える。コイルエンド部は、軸線方向においてオイル溜め部がロータコアよりも突出する位置で、オイル溜め部の外周上に配置される。コイルエンド部に供給された冷却油がオイル溜め部に滴下する。このように構成された回転電機の冷却構造によれば、コイルエンド部に供給された冷却油をオイル溜め部に溜め、その冷却油をロータコアに向けて飛散させることができる。

また好ましくは、オイル溜め部は、軸線方向においてロータコアの中心側で相対的に深く、端部側で相対的に浅い凹形状を有する。このように構成された回転電機の冷却構造によれば、軸線方向におけるロータコアの中心側で、より多くのオイルをオイル溜め部に溜めることができる。軸線方向におけるロータコアの中心側では、端部側と比較して、ロータコアで生じた熱が放熱され難い傾向がある。このため、そのロータコアの中心側に対してより多くのオイルを飛散させることで、ロータコアを効率良く冷却することができる。

以上説明したように、この発明に従えば、簡易な構成でロータコアが冷却される回転電機の冷却構造を提供することができる。

この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下で参照する図面では、同一またはそれに相当する部材には、同じ番号が付されている。

（実施の形態１）
図１は、この発明の実施の形態１におけるモータジェネレータの冷却構造が適用された駆動ユニットを模式的に表わす断面図である。図中に示す駆動ユニットは、ガソリンエンジンやディーゼルエンジン等の内燃機関と、充放電可能な２次電池（バッテリ）とを動力源とするハイブリッド車両に搭載されている。

図１を参照して、駆動ユニットは、モータジェネレータ１１を含む。モータジェネレータ１１は、電動機もしくは発電機としての機能を有する回転電機である。モータジェネレータ１１は、ロータ２６と、ステータ２８と、ケース体としてのモータケース２１とを含む。ロータ２６の外周上にステータ２８が配置されている。ロータ２６は、仮想軸である中心軸１０１を中心に回転する。中心軸１０１は、水平方向に延びる。ロータ２６およびステータ２８は、モータケース２１に収容されている。ステータ２８は、モータケース２１に固定されている。

ロータ２６は、ロータシャフト４３を含む。ロータシャフト４３は、中心軸１０１の軸方向に延びる。ロータシャフト４３は、図示しない軸受けを介してモータケース２１に対して回転自在に支持されている。ロータシャフト４３は、複数の歯車を含んで構成された減速機構１４に接続されている。ロータ２６は、ロータコア保持部４６を含む。ロータコア保持部４６は、ロータシャフト４３の外周上に配置されている。ロータコア保持部４６は、ステータ２８と対向して配置されている。ロータコア保持部４６は、ロータシャフト４３と一体に形成されている。

ロータ２６は、ロータコア３０を含む。モータジェネレータ１１の駆動時、ロータコア３０に磁界が発生する。ロータコア３０は、中心軸１０１の軸方向に円筒状に延びる形状を有する。ロータコア３０は、ロータコア保持部４６により保持されている。ロータコア３０は、複数の電磁鋼板３２からなる。複数の電磁鋼板３２は、中心軸１０１の軸方向に積層されている。積層された複数の電磁鋼板３２の両側には、エンドプレート３３が配置されている。ロータコア３０には、永久磁石３１が埋設されている。ロータ２６は、ＩＰＭ（Interior Permanent Magnet）ロータである。ロータ２６は、これに限らず、ロータ表面に磁石が貼り付けられるＳＰＭ（surface permanent magnet）ロータであってもよい。

ステータ２８は、ステータコア５０を含む。ステータコア５０は、中心軸１０１の軸方向に円筒状に延びる形状を有する。ステータコア５０は、複数の電磁鋼板５２からなる。複数の電磁鋼板５２は、中心軸１０１の軸方向に積層されている。ステータコア５０は、中心軸１０１が延びる方向の一方端に端面５０ａを含み、他方端に端面５０ｂを含む。端面５０ａおよび５０ｂは、中心軸１０１に直交する平面内で延在する。

ステータコア５０には、コイル５１が巻回されている。コイル５１は、たとえば絶縁被膜された銅線から形成されている。コイル５１は、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相コイルを含む。これら各相コイルに対応する端子が、端子台１７に接続されている。端子台１７は、インバータ１８を介してバッテリ１９に電気的に接続されている。インバータ１８は、バッテリ１９からの直流電流をモータ駆動用の交流電流に変換するとともに、回生ブレーキにより発電された交流電流を、バッテリ１９に充電するための直流電流に変換する。

モータジェネレータ１１から出力された動力は、減速機構１４からディファレンシャル機構１５を介してドライブシャフト受け部１６に伝達される。ドライブシャフト受け部１６に伝達された動力は、ドライブシャフトを介して図示しない車輪に回転力として伝達される。

一方、ハイブリッド車両の回生制動時には、車輪は車体の慣性力により回転させられる。車輪からの回転力によりドライブシャフト受け部１６、ディファレンシャル機構１５および減速機構１４を介してモータジェネレータ１１が駆動される。このとき、モータジェネレータ１１が発電機として作動する。モータジェネレータ１１により発電された電力は、インバータ１８を介してバッテリ１９に蓄えられる。

図２は、図１中のＩＩ−ＩＩ線上に沿ったモータジェネレータの端面図である。図中には、モータジェネレータ１１の巻線構造が模式的に表わされている。

図１および図２を参照して、ステータコア５０は、中心軸１０１を中心に環状に延びるヨーク部５０ｙと、ヨーク部５０ｙの周方向に所定の間隔を隔てて配列され、ヨーク部５０ｙの内周面からその径方向内側に突出する複数のティース部５０ｔとを含む。互いに隣り合うティース部５０ｔと、ヨーク部５０ｙとに囲まれた空間には、スロット部５０ｓが形成されている。スロット部５０ｓは、ロータ２６に対向する位置で開口する。

コイル５１は、Ｕ相コイル５１Ｕ、Ｖ相コイル５１ＶおよびＷ相コイル５１Ｗを含む。コイル５１は、いわゆる分布巻きによってステータコア５０に巻回されている。

その形態について説明すると、Ｕ相コイル５１Ｕ、Ｖ相コイル５１ＶおよびＷ相コイル５１Ｗは、周方向に連続して並ぶ複数個のティース部５０ｔの周りを周回するように、それぞれ複数箇所に設けられている。Ｕ相コイル５１Ｕ、Ｖ相コイル５１ＶおよびＷ相コイル５１Ｗは、その複数個のティース部５０ｔの両側にあるスロット部５０ｓと、端面５０ａおよび端面５０ｂ上を通るように巻回されている。Ｕ相コイル５１Ｕ、Ｖ相コイル５１ＶおよびＷ相コイル５１Ｗは、挙げた順に外周側から内周側に並んで巻回されている。Ｕ相コイル５１Ｕ、Ｖ相コイル５１ＶおよびＷ相コイル５１Ｗは、互いに周方向にずれた位置でティース部５０ｔに巻回されている。

ステータ２８は、コイルエンド部５１Ｅを含む。ステータコア５０の端面５０ａおよび端面５０ｂから突出するコイル５１の部分により、コイルエンド部５１Ｅが形成されている。コイルエンド部５１Ｅは、束ねられたコイル５１の集まりからなる。コイルエンド部５１Ｅは、中心軸１０１を中心として環状に延びるリング形状を有する。コイルエンド部５１Ｅは、中心軸１０１の軸方向においてロータコア３０よりも突出するように配置されている。

続いて、図１中のモータジェネレータ１１の冷却構造について説明する。図１を参照して、ロータ２６は、オイル溜め部４１を含む。オイル溜め部４１は、中心軸１０１を中心に環状に延在する。オイル溜め部４１は、ロータコア３０に対して、中心軸１０１を中心とする径方向内側に配置されている。中心軸１０１を中心とする径方向において、ロータコア３０とロータシャフト４３との間にオイル溜め部４１が配置されている。中心軸１０１を中心とする径方向において、オイル溜め部４１とステータ２８との間にロータコア３０が配置されている。オイル溜め部４１は、ロータシャフト４３と一体に形成されている。オイル溜め部４１は、ロータシャフト４３と別体に形成されてもよい。この場合、たとえば溶接やボルト等の固定手段を用いて、オイル溜め部４１がロータシャフト４３に対して固定される。

オイル溜め部４１は、中心軸１０１を中心とする径方向外側に向けて凹となる凹形状を有する。すなわち、オイル溜め部４１は、ロータコア３０およびステータ２８に向けて凹となる凹形状を有する。

オイル溜め部４１は、底部４１ｐと縁部４１ｑとを含む。底部４１ｐは、ロータコア３０の内周側に配置されている。縁部４１ｑは、中心軸１０１の軸方向において、底部４１ｐの両端に配置されている。底部４１ｐは、中心軸１０１の軸方向に沿って筒状に延在する。縁部４１ｑは、底部４１ｐから中心軸１０１を中心とする径方向外側に傾斜するように形成されている。縁部４１ｑは、エンドプレート３３と対向するように形成されている。

オイル溜め部４１は、中心軸１０１の軸方向においてロータコア３０よりも突出した形状を有する。オイル溜め部４１がロータコア３０よりも突出する位置で、オイル溜め部４１の外周上にはコイルエンド部５１Ｅが配置されている。オイル溜め部４１とコイルエンド部５１Ｅとが、ロータコア３０を介在させずに直接、対向する。

なお、オイル溜め部４１の形状は、図１中に示す形状に限られず適宜変更される。たとえば、縁部４１ｑが底部４１ｐから直角に立ち上がるように形成されてもよいし、オイル溜め部４１が全体として湾曲した凹形状を有してもよい。

モータジェネレータ１１は、オイル供給部６１を含む。オイル供給部６１は、モータケース２１に形成された油路により構成されている。オイル供給部６１は、ロータ２６およびステータ２８を収容するモータケース２１内の空間に開口する。オイル供給部６１は、ロータ２６よりも鉛直方向の上側に配置されている。オイル供給部６１は、オイル溜め部４１よりも鉛直方向の上側に配置されている。オイル供給部６１は、コイルエンド部５１Ｅに向けてオイルを供給する。

オイル供給部６１は、上記の構成に限られず適宜変更される。図１中では、端面５０ａから突出するコイルエンド部５１Ｅにのみオイルが供給されるが、端面５０ｂから突出するコイルエンド部５１Ｅにもオイルが供給されるように、オイル供給部６１が設けられてもよい。コイルエンド部５１Ｅ以外のステータ２８の部位にオイルを供給するように、オイル供給部６１が設けられてよい。特定部位にオイルを供給するのではなく、モータケース２１内の空間にオイルを飛散させるように、オイル供給部６１が設けられてもよい。

オイル供給部６１からコイルエンド部５１Ｅに向けてオイルが供給される。重力によってコイルエンド部５１Ｅから滴下したオイルは、凹形状を有するオイル溜め部４１に溜まる。この際、オイル溜め部４１は中心軸１０１の軸方向においてロータコア３０よりも突出した形状を有するため、コイルエンド部５１Ｅから滴下するオイルを効率良くオイル溜め部４１に溜めることができる。オイル溜め部４１に溜まったオイルは、ロータ２６の回転に伴う遠心力によってロータコア３０に向けて飛散する。この際、オイル溜め部４１は中心軸１０１の軸方向においてロータコア３０よりも突出した形状を有するため、オイルをロータコア３０の全長に渡って飛散させることができる。また、縁部４１ｑはエンドプレート３３と対向するように形成されるため、ロータコア３０とともに発熱するエンドプレート３３に向けてオイルを飛散させることができる。ロータコア保持部４６を介してオイルとロータコア３０との間で熱交換が行なわれることにより、ロータコア３０が冷却される。

この発明の実施の形態１における回転電機としてのモータジェネレータ１１の冷却構造は、ロータコア３０を含み、所定の軸線としての中心軸１０１を中心に回転するロータ２６を備える。ロータ２６は、ロータコア３０に対して中心軸１０１を中心とする径方向内側に配置されるオイル溜め部４１をさらに含む。オイル溜め部４１は、中心軸１０１を中心とする径方向外側に向けて凹形状で、かつ中心軸１０１の軸方向においてロータコア３０よりも突出した形状を有する。

このように構成された、この発明の実施の形態１におけるモータジェネレータ１１の冷却構造によれば、コイルエンド部５１Ｅの冷却のためオイル供給部６１から供給されたオイルを利用して、ロータコア３０を冷却することができる。本実施の形態では、ロータシャフト４３等に特殊な油路を設ける必要がなく、部品点数も増やさずに、ロータコア３０の冷却能力を向上させることができる。

特に本実施の形態では、コイル５１が分布巻きによってステータコア５０に巻回されている。この場合、図２中に示すように、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の各コイルがステータコア５０の端面５０ａおよび５０ｂ上に重なって配置されるため、コイルエンド部５１Ｅの体格が大きくなる。このため、ロータコア３０に直接、オイルを吹き付けようとしても、コイルエンド部５１Ｅによって遮られる懸念が生じる。これに対して、本実施の形態では、オイルを一時的にオイル溜め部４１に溜め、このオイルを遠心力によってロータコア３０に向けて飛散させるため、コイルエンド部５１Ｅの形状にかかわらずロータコア３０に十分なオイルを供給することができる。

なお、コイル５１は、分布巻きに限定されず、コイル５１が１つの磁極ごとにティース部５０ｔに集中的に巻回される、いわゆる集中巻きによってステータコア５０に巻回されてもよい。この場合、分布巻きの場合と比較してロータコア３０で発生する熱量が大きくなるため、本発明をより有効に適用することができる。

本実施の形態では、ロータコア３０およびステータコア５０がそれぞれ電磁鋼板３２および５２から形成される場合を説明したが、電磁鋼板に限定されず、たとえば圧粉磁心等、他の磁性材料から形成されてもよい。また、本発明における回転電機の冷却構造を、電気自動車に搭載されるモータや、一般的な産業用モータに適用してもよい。本発明における回転電機の冷却構造を、車両用ホイールに配置され、車輪を駆動するモータ、いわゆるインホイールモータに適用してもよい。

（実施の形態２）
本実施の形態では、図１中のモータジェネレータ１１の冷却構造の各種変形例について説明を行なう。以下、実施の形態１におけるモータジェネレータ１１の冷却構造と重複する構造については、説明を繰り返さない。

図３は、図１中のモータジェネレータの冷却構造の第１変形例を示す断面図である。図３を参照して、ロータコア保持部４６は、内側面４６ｃを含む。内側面４６ｃは、オイル溜め部４１と対向して延在する。本変形例では、内側面４６ｃにフィン４７が形成されている。このような構成により、オイル溜め部４１から飛散したオイルがロータコア保持部４６と接触する面積が増大する。これにより、ロータコア３０の冷却能力を向上させることができる。

図４は、図１中のモータジェネレータの冷却構造の第２変形例を示す断面図である。図４を参照して、本変形例では、オイル溜め部４１が、中心軸１０１の軸方向におけるロータコア３０の中心側で相対的に深く、端部側で相対的に浅い凹形状を有する。オイル溜め部４１が有する凹形状の深さは、中心軸１０１の軸方向においてロータコア３０の端部側から中心側に向かうに従って徐々に深くなる。この場合、中心軸１０１の軸方向においてロータコア３０の中心側で、より多くのオイルがオイル溜め部４１に溜まる。

中心軸１０１の軸方向におけるロータコア３０の中心側では、両側により多くの電磁鋼板３２が配置されるため、ロータコア３０で発生した熱が放熱され難い。このため、本変形例によれば、中心軸１０１の軸方向におけるロータコア３０の中心側において、ロータコア３０により多くのオイルを飛散させ、ロータコア３０を効率良く冷却することができる。

このように構成された、この発明の実施の形態２におけるモータジェネレータ１１の冷却構造によれば、実施の形態１に記載の効果と同様の効果を得ることができる。

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。

この発明の実施の形態１におけるモータジェネレータの冷却構造が適用された駆動ユニットを模式的に表わす断面図である。 図１中のＩＩ−ＩＩ線上に沿ったモータジェネレータの端面図である。 図１中のモータジェネレータの冷却構造の第１変形例を示す断面図である。 図１中のモータジェネレータの冷却構造の第２変形例を示す断面図である。

符号の説明

１１ モータジェネレータ、２６ ロータ、２８ ステータ、３０ ロータコア、４１ オイル溜め部、４６ ロータコア保持部、４７ フィン、５０ ステータコア、５１ コイル、５１Ｅ コイルエンド部、１０１ 中心軸。

Claims (4)

1. ロータコアを含み、所定の軸線を中心に回転するロータを備え、
   前記ロータは、前記ロータコアに対して前記軸線を中心とする径方向内側に配置されるオイル溜め部をさらに含み、
   前記オイル溜め部は、前記軸線を中心とする径方向外側に向けて凹形状で、かつ前記軸線方向において前記ロータコアよりも突出した形状を有する、回転電機の冷却構造。
2. 前記ロータは、前記ロータコアを保持するロータコア保持部をさらに含み、
   前記ロータコア保持部には、前記オイル溜め部に対向してフィンが形成される、請求項１に記載の回転電機の冷却構造。
3. コイルエンド部を含み、前記ロータの外周上に配置されるステータをさらに備え、
   前記コイルエンド部は、前記軸線方向において前記オイル溜め部が前記ロータコアよりも突出する位置で、前記オイル溜め部の外周上に配置され、
   前記コイルエンド部に供給された冷却油が前記オイル溜め部に滴下する、請求項１または２に記載の回転電機の冷却構造。
4. 前記オイル溜め部は、前記軸線方向において前記ロータコアの中心側で相対的に深く、端部側で相対的に浅い凹形状を有する、請求項１から３のいずれか１項に記載の回転電機の冷却構造。

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