JP2009017700A - 回転電機の冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】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。
【解決手段】回転電機の冷却装置は、ステータ１０２の外周側であって、保持部材１５０，１５２，１５４を回避するように設けられ、コイルエンド１０４に向けてオイルを吐出する吐出口１１０，１１２，２１０，２１２，３１０，３１２を有するオイルパイプ１００，２００，３００と、オイルパイプ１００，２００，３００にオイルを流通するオイルポンプとを含む。吐出口１１０，１１２，２１０，２１２，３１０，３１２は、回転軸の中心と保持部材１５０，１５２，１５４との間のコイルエンド１０４に向けて開口される。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転電機の冷却装置に関し、特に、回転電機のステータの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等の回転電機は、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含む。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、回転電機を冷却する必要がある。

このような回転電機は、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、回転電機の冷却には、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、回転電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、実開昭６２−１３２６６０号公報（特許文献１）は、回転子および軸内へは液を通さないで固定子側の冷媒液を回転子表面へ流し、回転子を冷却するようにして、通液による回転子のアンバランスを生じさせないようにし、コイルエンド各部へは冷媒液が均等に当たるようにし、もって回転子とコイルエンドとの冷却をバランスよく向上させる液体冷却回転電機を開示する。この液体冷却回転電機は、固定子鉄心に外周から半径方向に通じる冷媒の通液路を設けて固定子と回転子との間の空隙に連通するとともに、固定子鉄心の外周の端部に設けた冷媒液出口に末広がりの冷媒液ガイドを設け、このガイドの出口側が固定子のコイルエンドの円周方向に広がっていることを特徴とする。

この液体冷却回転電機によると、回転子内部へは冷媒液を通さないため、通液状態の変化による回転アンバランスを起こすことがない。また軸や回転子鉄心内部に通液路を設ける必要がないため、製作が要因になる効果がある。さらに、冷媒液出口から離れているコイルエンド部分にも冷媒液が供給されるのでコイルエンドに局部加熱を起こさずほぼ均等に冷却される効果がある。
実開昭６２−１３２６６０号公報

しかしながら、上述した公報に開示された液体冷却回転電機については、固定子の筐体への締結部位の熱による影響について何ら考慮されていない。

上述したとおり、固定子の冷却は、オイル等による液冷や筐体からの放熱により行なわれる。固定子が筐体にボルト等により締結される場合、外周側に突出した保持部材が回転軸の方向に沿って形成される。外周側に突出した保持部材には、回転軸方向に沿って貫通した開口部が形成され、締結部材は開口部を貫通して固定子を筐体に固定することとなる。このような保持部材が設けられると、筐体には構造上袋小路形状の部分が形成されるため、その部位に十分オイルが行き渡らない可能性がある。そのため、その部位においては温度が上昇しやすくなるという問題がある。また、筐体と固定子との間隙が大きいと、固定子の熱が筐体へと伝達しにくくなるため、放熱性が悪化するという問題がある。

そのため、オイルが行き渡りにくい部位では、コイルエンドの温度が局部的に高くなり、熱履歴による材料劣化が進行して、絶縁不良が発生する可能性がある。

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満遍なく冷却媒体を供給できる回転電機の冷却装置を提供することである。

第１の発明に係る回転電機の冷却装置は、ロータと略中空円筒形状を有するステータとから構成される回転電機の冷却装置である。ステータには、回転軸の方向に沿ってロータに対向するように形成されるティースにコイルが巻回される。コイルはステータ端面から突出した部分でコイルエンドを形成する。ステータの外周側に突出して、回転電機の筐体にステータを保持する保持部材が形成されている。この冷却装置は、ステータの外周側であって、保持部材を回避するように設けられ、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媒体通路と、冷却媒体通路に冷却媒体を流通するための流通手段とを含む。吐出口は、回転軸の中心と保持部材との間のコイルエンドに向けて開口される。

第１の発明によると、吐出口は回転軸の中心と保持部材との間のコイルエンドに向けて開口される。そのため、保持部材により筐体内において構造上袋小路形状となる部位に隣接するコイルエンドに直接的に冷却媒体が供給される。そのため、回転軸の中心と保持部材との間のコイルエンドにおける局部的な加熱が抑制されることとなる。これにより、熱履歴による材料劣化の進行による絶縁不良の発生を抑制することができる。また、筐体と固定子とのクリアランスが大きい場合であっても、冷却媒体により温度の上昇しやすい部位を冷却することができるため、放熱性の悪化を抑制することができる。したがって、固定子のコイルエンドに満遍なく冷却媒体を供給できる回転電機の冷却装置を提供することができる。

第２の発明に係る回転電機の冷却装置においては、第１の発明の構成に加えて、冷却媒体通路には、複数の吐出口が設けられる。複数の吐出口の開口方向は互いに異なる方向である。複数の吐出口のうちの少なくとも一つの吐出口は、回転軸の中心と保持部材との間のコイルエンドに向けて開口される。

第２の発明によると、複数の吐出口のうちの少なくとも一つの吐出口は、回転軸の中心と保持部材との間のコイルエンドに向けて開口される。これにより、回転軸の中心と保持部材との間のコイルエンドにおける局部的な加熱を抑制することができる。さらに、他の吐出口は、保持部材に隣接するコイルエンド以外の部分に開口されるため、冷却媒体の吐出によりコイルエンド全体に冷却媒体を接触させて、局部的な加熱を抑制することができる。

第３の発明に係る回転電機の冷却装置においては、第２の発明の構成に加えて、冷却媒体通路には、２つの吐出口が設けられる。２つの吐出口は、２つの吐出口から吐出された冷却媒体のコイルエンドに接触する範囲が、回転軸を中心として周方向に予め定められた角度の範囲になるように開口される。

第３の発明によると、２つの吐出口から吐出された冷却媒体のコイルエンドに接触する範囲が、回転軸を中心として周方向に予め定められた角度の範囲内に収まるように吐出口が開口される。これにより、２つの吐出口から吐出された冷却媒体を予め定められた角度の範囲内のコイルエンドに接触させることができるため、予め定められた角度の範囲内において局部的な加熱を抑制することができる。

第４の発明に係る回転電機の冷却装置においては、第１〜３のいずれかの発明の構成に加えて、保持部材は、前記ステータの外周側に複数個設けられる。冷却媒体通路は、保持部材の個数に対応するように複数個設けられる。

第４の発明によると、冷却媒体通路は、保持部材の個数に対応するように複数個設けられる。そのため、回転軸の中心と保持部材との間のコイルエンドに対して、冷却媒体を接触させることができるため、筐体の構造上袋小路形状となる部位における局部的な加熱を抑制することができる。

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り返さない。

本実施の形態に係る回転電機の冷却装置は、たとえば、車両に搭載される回転電機に適用される。回転電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、駆動源となるモータと発電源となるジェネレータとが搭載されるハイブリッド車、電気自動車または、燃料電池車である。なお、モータとジェネレータとを同一の回転電機により実現するようにしてもよい。

図１に示すように、本実施の形態に係る回転電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１００，２００，３００と、オイルポンプ（図示せず）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。

具体的には、ステータ１０２の外周側には、保持部材１５０，１５２，１５４が回転軸方向に沿って設けられる。保持部材１５０，１５２，１５４にはそれぞれ回転軸方向に沿って貫通する貫通穴１６０，１６２，１６４が形成される。貫通穴１６０，１６２，１６４には、それぞれ図示しないボルトが挿入されて、筐体１１４に直接あるいはナットにより締結されて、ステータ１０２が筐体１１４に固定される。なお、本実施の形態において、保持部材１５０，１５２，１５４がステータ１０２の外周側に等間隔に３箇所設けられるようにしたが、特に保持部材が形成される位置あるいはステータ１０２に形成される保持部材の個数に限定されるものではない。

筐体１１４は、ステータ１０２および保持部材１５０，１５２，１５４の外周面に沿って、ステータ１０２を収納するように形成される。そのため、筐体１１４の、保持部材１５０，１５２，１５４の外周部分と対向する部分において、オイルが行き渡りにくい、構造上の袋小路形状となる部分が形成される。

ステータ１０２には、溝あるいは筒形状の複数のスロット（図示せず）を有する。複数のスロット間には、回転軸に沿ってロータ１０６に対向するようにティース（図示せず）が形成される。ティースには、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、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１１６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。

図２に示すように、筐体１１４の内部には、オイルポンプ１１８がさらに設けられる。オイルポンプ１１８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。

なお、オイルポンプ１１８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。

オイルポンプ１１８には、オイルパイプ１００，２００，３００の一方端がそれぞれ接続される。なお、図２においては、説明の便宜上、オイルパイプ２００，３００を図示せずオイルパイプ１００のみを示す。本実施の形態においてオイルパイプは、３つ設けられるとして説明するが、保持部材の個数に対応した個数であれば、特に限定されるものではない。本実施の形態において、オイルパイプの本数は保持部材の個数と同一である。

図１に戻って、オイルパイプ１００，２００，３００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１００，２００，３００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１００，２００，３００は、保持部材１５０，１５２，１５４を回避するように、ステータ１０２の外周側に設けられる。

オイルパイプ１００，２００，３００の内部には、オイルポンプ１１８から供給される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く、冷却媒体は、液体であってもよいし、気体であってもよい。オイルパイプ１００の途中であって、コイルエンド１０４に対向する位置には、吐出口１１０，１１２が設けられる。さらに、オイルパイプ２００の途中であって、コイル１０４に対向する位置には、吐出口２１０，２１２が設けられる。さらに、オイルパイプ３００の途中であって、コイルエンド１０４に対向する位置には、吐出口３１０，３１２が設けられる。

オイルパイプ１００は、ステータ１０２よりも外周側、かつ、筐体１１４の上方側の位置であって、ロータ１０６の回転軸の略真上に設けられる。なお、図１の紙面上方が鉛直上方向に対応するものである。オイルパイプ１００，２００，３００は、ステータ１０２の周方向に沿って略等間隔になるように設けられる。なお、オイルパイプ１００，２００，３００の位置は、後述する吐出口の位置が特定されれば、特に上述した位置に設けられることに限定されるものではない。

本実施の形態においては、オイルパイプ１００，２００，３００に設けられる吐出口１１０，１１２，２１０，２１２，３１０，３１２が、回転軸の中心とステータの外周側の保持部材１５０，１５２，１５４との間のコイルエンド１０４に向けて開口される点を特徴する。なお、吐出口１１０，１１２，２１０，２１２，３１０，３１２の形状は、特に限定されるものではない。

具体的には、吐出口１１０，１１２のうちのいずれか一方が、回転軸の中心と保持部材１５０との間のコイルエンド１０４の部分に向けて開口される。本実施の形態においては、吐出口１１２が保持部材１５０に隣接するコイルエンド１０４の部分に向けて開口される。

なお、吐出口１１０，１１２は、２箇所に限定されるものではなく、複数の吐出口のうちの少なくとも一つが回転軸の中心と保持部材１５０との間のコイルエンド１０４の部分に向けて開口されればよい。

また、本実施の形態においては、２つの吐出口１１０，１１２から吐出されたオイルのコイルエンドに接触する範囲が、ロータ１０６の回転軸を中心として周方向に予め定められた角度の範囲内に収まるように２つの吐出口１１０，１１２は開口される。予め定められた角度の範囲は、特に限定されるものではないが、たとえば、３０度から４５度である。

さらに、吐出口２１０，２１２のうちのいずれか一方が、回転軸の中心と保持部材１５２との間のコイルエンド１０４の部分に向けて開口される。本実施の形態においては、吐出口２１２が回転軸の中心と保持部材１５２との間のコイルエンド１０４の部分に向けて開口される。

なお、吐出口２１０，２１２は、２箇所に限定されるものではなく、複数の吐出口のうちの少なくとも一つが回転軸の中心と保持部材１５２との間のコイルエンド１０４の部分に向けて開口されればよい。

また、本実施の形態においては、２つの吐出口２１０，２１２から吐出されたオイルのコイルエンドに接触する範囲が、ロータ１０６の回転軸を中心として周方向に予め定められた角度の範囲内に収まるように２つの吐出口１１０，１１２は開口される。予め定められた角度の範囲は、特に限定されるものではないが、たとえば、３０度から４５度である。

さらに、吐出口３１０，３１２のうちのいずれか一方が、回転軸の中心と保持部材１５４との間のコイルエンド１０４の部分に向けて開口される。本実施の形態においては、吐出口３１２が回転軸の中心と保持部材１５４との間のコイルエンド１０４の部分に向けて開口される。

なお、吐出口３１０，３１２は、２箇所に限定されるものではなく、複数の吐出口のうちの少なくとも一つが回転軸の中心と保持部材１５４との間のコイルエンド１０４の部分に向けて開口されればよい。

また、本実施の形態においては、２つの吐出口３１０，３１２から吐出されたオイルのコイルエンドに接触する範囲が、ロータ１０６の回転軸を中心として周方向に予め定められた角度の範囲内に収まるように２つの吐出口３１０，３１２は開口される。予め定められた角度の範囲は、特に限定されるものではないが、たとえば、３０度から４５度である。

本実施の形態においては、ステータ１０２に巻回されたコイルの回転軸方向について一方端のコイルエンド１０４側にオイルを吐出する吐出口１１０，１１２，２１０，２１２，３１０，３１２について説明したが、図２に示すように、他方端のコイルエンド１２０側においても同様にコイルエンド１２０に向けてオイルパイプ１００，２００，３００に開口された吐出口からオイルが吐出される。その詳細な説明は繰り返さない。

以上のような構造に基づく、本実施の形態に係る回転電機の冷却装置の動作について、図３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１１８が作動する。このとき、オイルポンプ１１８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１１８は、オイルパイプ１００，２００，３００にオイルを圧送する。オイルパイプ１００に圧送されたオイルは、オイルパイプ１００を流通して吐出口１１０，１１２に到達する。吐出口１１０から吐出されたオイルは、図３の矢印に示すように、コイルエンド１０４に接触しつつ重力に応じて、コイルエンド１０４の周方向に沿うように筐体１１４の下部に流通する。吐出口１１２から吐出されたオイルは、回転軸の中心と保持部材１５０との間のコイルエンド１０４の部分に接触しつつ重力に応じて、コイルエンド１０４の周方向に沿うように筐体１１４の下部に流通する。

オイルパイプ２００に圧送されたオイルは、オイルパイプ２００を流通して吐出口２１０，２１２に到達する。吐出口２１０から吐出されたオイルは、コイルエンド１０４に接触しつつ重力に応じて、コイルエンド１０４の周方向に沿うように筐体１１４の下部に流通する。吐出口２１２から吐出されたオイルは、回転軸の中心と保持部材１５２との間のコイルエンド１０４の部分に接触しつつ重力に応じて、コイルエンド１０４の周方向に沿うように筐体１１４の下部に流通する。

オイルパイプ３００に圧送されたオイルは、オイルパイプ３００を流通して吐出口３１０，３１２に到達する。吐出口３１０から吐出されたオイルは、コイルエンド１０４に接触しつつ重力に応じて、コイルエンド１０４の周方向に沿うように筐体１１４の下部に流通する。吐出口３１２から吐出されたオイルは、回転軸の中心と保持部材１５４との間のコイルエンド１０４の部分に接触しつつ重力に応じて、コイルエンド１０４の周方向に沿うように筐体１１４の下部に流通する。

コイルエンド１０４に向けて吐出されたオイルは、ステータ１０２の下部に流れ落ちる間に、コイルエンド１０４からオイルへと熱が伝達される。なお、コイル１１６側も同様であるため、その詳細な説明は繰り返さない。ステータ１０２の下方に流れ落ちたオイルは、オイルポンプ１１８により汲み上げられて、再びオイルパイプ１００，２００，３００に圧送される。

以上のようにして、本実施の形態に係る回転電機の冷却装置によると、保持部材により筐体内において構造上袋小路形状となる部位に隣接するコイルエンドに直接的にオイルが供給されるため、回転軸の中心と保持部材との間のコイルエンドの部分における局部的な加熱が抑制されることとなる。これにより、熱履歴による材料劣化の進行による絶縁不良の発生を抑制することができる。また、筐体と固定子とのクリアランスが大きい場合であっても、オイルにより温度の上昇しやすい部位を冷却することができるため、放熱性の悪化を抑制することができる。したがって、固定子のコイルエンドに満遍なく冷却媒体を供給できる回転電機の冷却装置を提供することができる。

さらに、複数の吐出口のうちの少なくとも一つの吐出口は、回転軸の中心と保持部材との間のコイルエンドに向けて開口される。これにより、回転軸の中心と保持部材との間のコイルエンドにおける局部的な加熱を抑制することができる。さらに、他の吐出口は、保持部材に隣接するコイルエンド以外の部分に開口されるため、オイルの吐出によりコイルエンド全体にオイルを接触させて、局部的な加熱を抑制することができる。

２つの吐出口から吐出されたオイルのコイルエンドに接触する範囲が、回転軸を中心として周方向に予め定められた角度の範囲内に収まるように吐出口が開口される。これにより、２つの吐出口から吐出されたオイルを予め定められた角度の範囲内のコイルエンドに接触させることができるため、予め定められた角度の範囲内において局部的な加熱を抑制することができる。

オイルパイプは、保持部材の個数に対応するように複数個設けられる。そのため、回転軸の中心と保持部材との間のコイルエンドに対して、オイルを接触させることができるため、筐体の構造上袋小路形状となる部分における局部的な加熱を抑制することができる。

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。

本実施の形態に係る回転電機の冷却装置の概略の構成を示す図（その１）である。 本実施の形態に係る回転電機の冷却装置の概略の構成を示す図（その２）である。 本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。

符号の説明

１００，２００，３００ オイルパイプ、１０２ ステータ、１０４，１２０ コイルエンド、１０６ ロータ、１０８ ロータシャフト、１１０，１１２，２１０，２１２，３１０，３１２ 吐出口、１１４ 筐体、１１６ ステータコイル、１１８ オイルポンプ、１５０，１５２，１５４ 保持部材、１６０，１６２，１６４ 貫通穴。

Claims (4)

1. ロータと略中空円筒形状を有するステータとから構成される回転電機の冷却装置であって、
   前記ステータには、回転軸の方向に沿って前記ロータに対向するように形成されるティースにコイルが巻回され、前記コイルは前記ステータ端面から突出した部分でコイルエンドを形成し、
   前記ステータの外周側に突出して、前記回転電機の筐体に前記ステータを保持する保持部材が形成されており、
   前記冷却装置は、
   前記ステータの外周側であって、前記保持部材を回避するように設けられ、前記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媒体通路と、
   前記冷却媒体通路に前記冷却媒体を流通するための流通手段とを含み、
   前記吐出口は、前記回転軸の中心と前記保持部材との間のコイルエンドに向けて開口される、回転電機の冷却装置。
2. 前記冷却媒体通路には、複数の吐出口が設けられ、
   前記複数の吐出口の開口方向は互いに異なる方向であって、
   前記複数の吐出口のうちの少なくとも一つの吐出口は、前記回転軸の中心と前記保持部材との間のコイルエンドに向けて開口される、請求項１に記載の回転電機の冷却装置。
3. 前記冷却媒体通路には、２つの吐出口が設けられ、
   ２つの吐出口は、２つの吐出口から吐出された冷却媒体のコイルエンドに接触する範囲が、回転軸を中心として周方向に予め定められた角度の範囲になるように開口される、請求項２に記載の回転電機の冷却装置。
4. 前記保持部材は、前記ステータの外周側に複数個設けられ、
   前記冷却媒体通路は、前記保持部材の個数に対応するように複数個設けられる、請求項１〜３のいずれかに記載の回転電機の冷却装置。

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