JP2009254042A

JP2009254042A - 回転電機

Info

Publication number: JP2009254042A
Application number: JP2008096015A
Authority: JP
Inventors: Makoto Abe; 阿部　　誠
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2008-04-02
Filing date: 2008-04-02
Publication date: 2009-10-29

Abstract

【課題】冷却媒体の粘度を低下させることができる回転電機を提供する。
【解決手段】ステータコア３の外周部には、ステータコア３の両端にそれぞれ冷却媒体の吐出口６ａ、６ｂを設けた媒体通路６を設け、コイル２のコイルエンド２Ｅ１から引き出されるリード線２Ｒを、媒体通路６の吐出口６ａから挿入してその媒体通路６内に配索し、その媒体通路６の途中に設けたリード線取出口１２から取り出す。これにより、リード線２Ｒで発熱した熱量を媒体通路６を流れるオイルに与えてそのオイルを温めることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、モータや発電機などの回転電機に関し、特に、コイルを巻回したステータコアの外周部に冷却媒体の媒体通路を設けた回転電機に関する。

従来の回転電機は、例えば、特許文献１に示すように、ステータコアに巻回したコイルの発熱部をオイルによって冷却するようになっており、ケースの底部に溜めたオイルをオイルポンプで吸引してステータの上方からコイル部分に吐出するようになっている。
特開２００６−１９７７７２号公報（第４−５頁、図４）

しかしながら、かかる従来の回転電機では、ステータのコイル部分を冷却するにあたって、オイルポンプによってケースの底部からステータの上方に冷却媒体であるオイルを循環させる構成であり、オイルの粘度が直接影響することになる。つまり、オイルは温度に応じて粘度が変化し、低温である程にその粘度が高くなって、特に、冬季などの低温時には粘度が著しく高くなってしまう。

従って、このように粘度が高くなった状態でオイルを循環させた場合は、そのオイルを循環させるエネルギーはオイルポンプから供給されるため、そのオイルポンプに大きな駆動力が要求され、オイルポンプの大型化やコストアップが余儀なくされてしまう。

そこで、本発明は、冷却媒体の粘度を低下させることができる回転電機を提供することを目的とする。

本発明は、コイルを巻回した環状のステータコアを有するステータと、該ステータコアの内周に回転自在に配置したロータと、前記ステータコアの外周部に設けて該ステータコアの両端にそれぞれ冷却媒体の吐出口を設けた媒体通路と、前記ステータおよび前記ロータを収納し、底部に循環用の冷却媒体を溜める媒体溜め部を設けたハウジングと、を備えた回転電機であって、前記コイルのコイルエンドから引き出されるリード線を、前記媒体通路の吐出口から挿入して該媒体通路内に配索し、当該媒体通路の途中に設けたリード線取出口から取り出したことを特徴とする。

本発明によれば、リード線を媒体通路内に配索したことにより、リード線で発熱した熱量を媒体通路を流れる冷却媒体に与えてその冷却媒体を温めることができる。これにより、媒体通路の吐出口から噴出する冷却媒体の粘度は低くなり、その低粘度の冷却媒体はステータコアに巻回したコイルを冷却した後にハウジングの媒体溜め部に溜められる。従って、コイルを冷却した後に媒体溜め部に溜められた冷却媒体は、媒体通路内に配索した前記リード線によって温められて温度が上昇しており、これによって冷却媒体の粘度を従来に比較して低くできる。

以下、本発明の実施形態を図面と共に詳述する。

（第１実施形態）
図１〜図３は、本発明にかかる第１の実施形態にかかる回転電機を示し、図１は、回転電機の側断面図、図２は、図１中II−II線に沿った断面図、図３は、図１中III−III線に沿った断面図である。

図１に示すように、本実施形態の回転電機１は、コイル２を巻回した環状のステータコア３を有するステータ４と、ステータコア３の内周に回転自在に配置したロータ５と、ステータコア３の外周部に設けてステータコア３の両端にそれぞれ冷却媒体の吐出口６ａ、６ｂを設けた媒体通路６と、ステータ４およびロータ５を収納し、底部に循環用の冷却媒体を溜める媒体溜め部７ａを設けたハウジング７と、を備えて概ね構成してある。

環状に形成したステータコア３は、それの周方向に等間隔をもって複数の歯部が放射状に突出しており、それら各歯部の外周にコイル２がそれぞれ巻回している。従って、コイル２は図１中左右方向に巻回されることになり、また、コイル２は全ての歯部に順次連続して巻回して、１箇所のコイルエンド２Ｅ１からリード線２Ｒを取り出してある。このとき、リード線２Ｒは最上方に位置するコイルエンド２Ｅ１から取り出すようになっている。

また、媒体通路６は、図２、図３に示すように、ステータコア３の上端に接触するハウジング７の内周に形成してあり、吐出口６ａ、６ｂは最上方のコイルエンド２Ｅ１、２Ｅ２に対応した位置に開口している。

ハウジング７には、図１に示すように、媒体通路６の長さ方向（図１中左右方向）のほぼ中央部に連通する媒体導入路８を形成してあり、その媒体導入路８から冷却媒体として用いるオイルを媒体通路６に供給し、その両端の吐出口６ａ、６ｂからコイルエンド２Ｅ１、２Ｅ２に向かって噴出するようになっている。そして、吐出口６ａ、６ｂから噴出したオイルは、コイルエンド２Ｅ１、２Ｅ２からコイル２全体を伝って冷却しつつ媒体溜め部７ａへと落下する。

媒体溜め部７ａに溜められたオイルは、媒体排出路９から図示省略した循環ポンプに吸引された後、媒体導入路８へと供給されて循環するようになっている。

ロータ５は、それの中心軸上に配置した回転軸１０に結合して、その回転軸１０の両端部１０ａ、１０ｂをベアリング１１を介してハウジング７に回転支持してある。そして、上述したリード線２Ｒを介してコイル２に通電することによりロータ５が回転し、その回転出力を回転軸１０の一端部（図中左端部）１０ａから取り出すようになっている。

ここで、本実施形態では、コイル２のコイルエンド２Ｅ１から引き出されるリード線２Ｒを、媒体通路６の吐出口６ａから挿入してその媒体通路６内に配索し、その媒体通路６の途中に設けたリード線取出口１２から取り出すようになっている。

本実施形態の回転電機１は３相モータとして構成してあり、そのためリード線２Ｒは、図２に示すように、Ｕ相の２ＲｕとＶ相の２ＲｖとＷ相の２Ｒｗとの３本となり、それら３本のリード線２Ｒｕ、２Ｒｖ、２Ｒｗをまとめて吐出口６ａから媒体通路６内に挿入してある。

リード線取出口１２は、図１に示すように、媒体通路６に連通して媒体導入路８から外れた位置、特に本実施形態では媒体導入路８に対してリード線２Ｒを挿入した吐出口６ａとは反対側に形成してある。そして、媒体通路６に配索したリード線２Ｒをリード線取出口１２に導入して図示省略した端子台に結線するようになっている。勿論、リード線取出口１２にはオイルが導入されるが、そのリード線取出口１２の先端部は前記端子台の取付部分によって閉塞してある。

以上の構成により本実施形態の回転電機１によれば、コイルエンド１２Ｅ１から引き出したリード線２Ｒを媒体通路６内に配索したことにより、リード線２Ｒで発熱した熱量を媒体通路６を流れるオイルに与えてそのオイルを温めることができる。これにより、媒体通路６の吐出口６ａ、６ｂから噴出するオイルの粘度は低くなり、その低粘度のオイルはステータコア３に巻回したコイル２を冷却した後にハウジング７の媒体溜め部７ａに溜められる。従って、コイル２を冷却した後に媒体溜め部７ａに溜められたオイルは、媒体通路６内に配索したリード線２Ｒによって温められて温度が上昇しており、これによってオイルの粘度を従来に比較して低くできる。これにより、媒体溜め部７ａのオイルを循環する際のエネルギー消費を減少できる。

この場合、オイルを循環させる循環ポンプが電動である場合は電力消費量を少なくできるとともに、オイルの循環にエンジン駆動力を用いた場合は燃費悪化を抑制できる。

また、媒体通路６内に配索するリード線２Ｒを吐出口６ａから媒体通路６内に挿入してあるため、その吐出口６ａから噴出するオイルは、吐出口６ａに挿入したリード線２Ｒを伝ってそのリード線２Ｒが引き出されるコイルエンド２Ｅ１部分、つまり、そのコイルエンド２Ｅ１上部の最外周部に供給される。これにより、リード線２Ｒを取り出したコイルエンド２Ｅ１の冷却性能を向上することができる。

更に、リード線２Ｒを伝ってコイルエンド２Ｅ１部分にオイルを積極的に供給できることにより、回転電機１の長時間の使用による暖機時や夏季などの雰囲気温度が高い場合には、コイルエンド２Ｅ１で最も温度が高くなるリード線２Ｒとコイルエンド２Ｅ１の密集部を効率的に冷却できる。

（第２実施形態）
図４、図５は、本発明の第２実施形態を示し、図４は、一方の吐出口の拡大図、図５は、他方の吐出口の拡大図である。なお、前記第１実施形態と同一構成部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

本実施形態の回転電機１は、第１実施形態に対して、媒体通路６を、リード線２Ｒ（２Ｒｕ、２Ｒｖ、２Ｒｗ）の占有部分を除いた両端部６Ｅ１、６Ｅ２の媒体通過断面積Ａ１、Ａ２をほぼ等しく形成した点が主に異なる。

詳しくは、図４に示すように、一方の吐出口６ａには３本のリード線２Ｒｕ、２Ｒｖ、２Ｒｗが挿入されて、その吐出口６ａを有する端部６Ｅ１の実質的なオイル通過面積は狭くなる。これに対して、図５に示すように、他方の吐出口６ｂにはリード線２Ｒが挿入されていないことから、その吐出口６ｂを有する端部６Ｅ２はその断面積全体が実質的なオイル通過面積となる。そこで、媒体通路６の片側の端部６Ｅ１の通路面積を、反対側の端部６Ｅ２の通路面積よりも３本のリード線２Ｒｕ、２Ｒｖ、２Ｒｗの断面積総和分だけ拡張することにより、片側の端部６Ｅ１の媒体通過断面積Ａ１（図４参照）と反対側の端部６Ｅ２の媒体通過断面積Ａ２（図５参照）とを等しくしてある。

以上の構成により本実施形態の回転電機１によれば、第１実施形態と同様の作用効果を奏することに加えて、媒体通路６を、リード線２Ｒの占有部分を除いた両端部６Ｅ１、６Ｅ２の媒体通過断面積Ａ１、Ａ２をほぼ等しく形成してある。これにより、媒体通路６の両端部の吐出口６ａ、６ｂから噴出するオイル量をほぼ等量とすることができる。

従って、本実施形態では片側のコイルエンド２Ｅ１と反対側のコイルエンド２Ｅ２をほぼ等条件で冷却できるため、両側のコイルエンド２Ｅ１、２Ｅ２を温度を平均化して、従来と同等損失で比較した場合に回転電機１Ａの最高温度を低減できる。換言すれば、従来と同等温度上昇で比較した場合に回転電機の出力向上を図ることができる。

（第３実施形態）
図６〜図８は、本発明の第３実施形態を示し、図６は、回転電機の側断面図、図７は、図６中VII−VII線に沿った断面図、図８は、図６中VIII−VIII線に沿った要部拡大断面図である。なお、前記第１実施形態と同一構成部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

本実施形態の回転電機１は、図６に示すように、基本的に第１実施形態とほぼ同様の構成となり、コイル２のコイルエンド２Ｅ１から引き出されるリード線２Ｒを、媒体通路６の一方の吐出口６ａから挿入してその媒体通路６内に配索し、その媒体通路６の途中に設けたリード線取出口１２から取り出すようになっている。本実施形態にあっても、リード線２ＲはＵ相（２Ｒｕ）、Ｖ相（２Ｒｖ）、Ｗ相（２Ｒｗ）の３本を備えている。

そして、本実施形態が第１実施形態と主に異なる点は、図６〜図８に示すように、片側のコイルエンド２Ｅ１に対応した一方の吐出口６ａから挿入した３本のリード線２Ｒｕ、２Ｒｖ、２Ｒｗのうち、少なくとも１本の特定のリード線２ＲＳの途中を他方の吐出口６ｂから引き出し、その引き出した折返し部分Ｔを反対側のコイルエンド２Ｅ２の端部に対応させて配置したことにある。

具体的には、リード線２Ｒｖと共に一方の吐出口６ａから挿入した他のリード線２Ｒｕ、２Ｒｗは、媒体通路６内に配索してリード線取出口１２から取り出されるが、特定のリード線２ＲＳとしたリード線２Ｒｖは、それの途中を他方の吐出口６ｂから引き出して、その引き出した先端部に位置する折返し部分Ｔを反対側のコイルエンド２Ｅ２の端部に対応させてある。従って、媒体通路６の反対側の端部６Ｅ２には、図８に示すように、リード線２Ｒｖが往復して配索されることになる。

また、上述した特定のリード線２ＲＳは、３本のリード線２Ｒｕ、２Ｒｖ、２Ｒｗのうち全体長が最も短くなるＶ相のリード線２Ｒｖに設定し、かつ、リード線取出口１２の媒体通路６に対する長さ方向の位置を、３本のリード線２Ｒｕ、２Ｒｖ、２Ｒｗの各全体長がほぼ等長となるように設定してある。

つまり、最も短くなるＶ相のリード線２Ｒｖは、これを折り返したことにより長く稼ぐことが可能となり、そのリード線２Ｒｖの延長分は、リード線取出口１２から折返し部分Ｔに至る長さＬ０の２倍の長さとなる。このため、リード線取出口１２と他方の吐出口６ｂまでの距離Ｌ１、つまり、リード線取出口１２の媒体通路６に対する長さ方向の位置を調節しておくことにより、３本のリード線２Ｒｕ、２Ｒｖ、２Ｒｗの各全体長をほぼ等長とすることが可能となる。

以上の構成により本実施形態の回転電機１によれば、第１実施形態と同様の作用効果を奏することに加えて、一方の吐出口６ａから挿入した３本のリード線２Ｒｕ、２Ｒｖ、２Ｒｗのうち、特定のリード線２Ｒｖの途中を他方の吐出口６ｂから引き出し、その引き出した折返し部分（先端部）Ｔを反対側のコイルエンド２Ｅ２の端部に対応させて配置してあるので、媒体通路６の両端部の吐出口６ａ、６ｂからオイルが噴出する際、他方の吐出口６ｂから噴出するオイルは、その吐出口６ｂから引き出したリード線２Ｒｖを伝ってコイルエンド２Ｅ２の端部に供給することができる。これにより、一方の吐出口６ａから噴出するオイルが、リード線２Ｒｕ、２Ｒｖ、２Ｒｗを伝って一方のコイルエンド２Ｅ１の端部に供給できることと相俟って、両側のコイルエンド２Ｅ１、２Ｅ２にほぼ等しい冷却条件を与えることができ、ひいては、コイル２全体の冷却効率を向上することができる。

また、特定のリード線２Ｒｖを全体長が最も短くなるＶ相に設定し、かつ、リード線取出口１２の媒体通路６に対する長さ方向の位置を、３本のリード線２Ｒｕ、２Ｒｖ、２Ｒｗの各全体長をほぼ等長となるように設定したので、３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）のインピーダンスの平均化を図ることができる。これにより、３相のインピーダンスのばら付きを低減しつつ冷却性能の向上を図ることができる。

勿論、本実施形態にあっても、第２実施形態に示したように、リード線２Ｒの占有部分を除いた両端部６Ｅ１、６Ｅ２の媒体通過断面積Ａ１、Ａ２をほぼ等しく形成しておくことが好ましい。

ところで、本発明では実施形態１による基本構成を採用した場合に、オイルの粘度を従来に比較して低くして、オイルを循環する際のエネルギー消費を減少できる。そこで、その時の回転電機（モータ）１の消費エネルギーの削減量の試算結果を以下に説明する。

（前提条件）
１）モータ相抵抗を２０゜Ｃにおいて３５（ｍΩ）とする。

２）リード線２Ｒを３００（ｍｍ）延長し、その部分をオイルと共存させた場合の相抵抗増を０．５３（ｍΩ／ｍ）で１．５パーセントの増加とする。

３）巻線の１相断面積の総和を１０．２１（ｍｍ^２）とする。

４）最大電流を２９０（Ａｒｍｓ）とする。

５）媒体通路６の断面積を５０（ｍｍ^２）とする。

尚、オイルの比熱および密度の値はＡＴＦ（マチックＪ）を用いるものとする。

（計算結果）
発熱増＝３×２９０^２×０．５３×１０^−３＝１３４（Ｗ／ｍ）＝０．１３４（Ｗ／ｍｍ）
温度上昇（オイルと銅が銅の発熱で温度上昇）＝０．１３４÷（１．９×０．０００８５６７×５０×０．３＋０．０９２×０．０８９×１０．２１×０．３）＝２．７１（Ｋ／ｓｅｃ）
以上の結果から油量を１Ｌ／ｍｉｎとすると、およそ、２．７１×５０×３００÷１００００００×６０＝２．４４（Ｋ）だけ温度上昇する。

よって、リード線２Ｒが存在する媒体通路６内のオイルの動粘度は、
（ａ）初期２０゜Ｃで５３．５→４７（ｍｍ^２／ｓ）で１０パーセント程度低減する。

（ｂ）初期０゜Ｃで１６０→１３５（ｍｍ^２／ｓ）で１５パーセント程度低減する。尚、この場合、温度低下による発熱減も考慮するものとする。

（ｃ）初期−３０゜Ｃで２０００→１６００（ｍｍ^２／ｓ）で２０パーセント程度低減する。尚、この場合、温度低下による発熱減も考慮するものとする。

この場合の計算結果の詳細を図９に示し、動粘度の低減率を図１０に示した。

次に、図１１に上下のオイル循環でオイルポンプ性能を消費する場合の循環径路を、（ａ）に冷機状態と（ｂ）に通電状態とによって模式的に示す。

この場合、（ａ）の冷機状態では本発明と従来とも｛粘度２＝抵抗２｝となってその効果は見られないが、（ｂ）の通電状態では本発明が｛粘度１．７＝抵抗１．７｝となり、従来が｛粘度１．８５＝抵抗１．８５｝となって、本発明の方が約１０パーセント低減できる。

同図のように上下のオイル循環でオイルポンプ性能を消費する場合、０゜Ｃでは抵抗で８パーセント低減できる。その効果は低温時ほど大きくなる。これにより、２００Ｗ仕様ポンプを使用している場合、１８４Ｗ仕様へと低減でき、オイルポンプを８パーセント小型化できる。

また、オイルポンプにエンジン駆動力を利用した場合は、車両燃費をＬＡ４で１．５パーセント×０．０８＝０．１２パーセントの燃費改善が見込める。

図１２に上部の循環のみでオイルポンプ性能を消費する場合の受感経路を、（ａ）に冷機状態と（ｂ）に通電状態とによって模式的に示す。

この場合、（ａ）の冷機状態では本発明と従来とも｛粘度１＝抵抗１｝となってその効果は見られないが、（ｂ）の通電状態では本発明が｛粘度１＝抵抗０．８５｝となり、従来が｛粘度１＝抵抗１｝となって、本発明の方が約１５パーセント低減できる。

同図のように上部の循環のみでオイルポンプ性能を消費する場合、０゜Ｃでは抵抗で１５パーセント低減できる。その効果は低温時ほど大きくなる。これにより、２００Ｗ仕様ポンプを使用している場合、１７０Ｗ仕様へと低減できるため、オイルポンプを１５パーセント小型化できる。この場合、車両燃費効果は０．２３パーセントとなる。

同様に計算すると、−３０゜Ｃでは抵抗を２０パーセント低減でき、２００Ｗ仕様ポンプを使用している場合に１６０Ｗ仕様へ低減できるため、オイルポンプを２０パーセント小型化できる。この場合、車両燃費効果は０．３パーセントとなる。

図１３にオイルの種類による動粘度−温度特性を示し、αはＡＴＦ、βはマチックＪ低粘度油、γはＷＳ、δは高級エンジンオイルである。因に、εは純水を示す。また、図１４にオイルの温度上昇特性を示す。

なお、本発明の回転電機は前記第１〜第３実施形態に例をとって説明したが、これら実施形態に限ることなく本発明の要旨を逸脱しない範囲で他の実施形態を各種採用することができる。例えば、３相の回転電機に限ることなく単相の回転電機であっても本発明を適用することができる。

本発明の第１実施形態における回転電機の側断面図。図１中II−II線に沿った断面図。図１中III−III線に沿った断面図。本発明の第２実施形態における一方の吐出口の拡大図。本発明の第２実施形態における他方の吐出口の拡大図。本発明の第３実施形態における回転電機の側断面図。図６中VII−VII線に沿った断面図。図６中VIII−VIII線に沿った要部拡大断面図。回転電機の消費エネルギー削減量の計算結果を表形式で示す説明図。オイルの動粘度の低減率をグラフで示す説明図。上下のオイル循環でオイルポンプ性能を消費する場合の循環径路を、（ａ）に冷機状態と（ｂ）に通電状態とによって示す模式図。上部の循環のみでオイルポンプ性能を消費する場合の受感経路を、（ａ）に冷機状態と（ｂ）に通電状態とによって示す模式図。オイルの種類による動粘度−温度特性を示す説明図。オイルの温度上昇特性を示す説明図。

符号の説明

１回転電機
２コイル
２Ｅ１、２Ｅ２コイルエンド
２Ｒリード線
２ＲｕＵ相のリード線
２ＲｖＶ相のリード線
２ＲｗＷ相のリード線
２ＲＳ特定のリード線
３ステータコア
４ステータ
５ロータ
６媒体通路
６ａ、６ｂ吐出口
７ハウジング
７ａ媒体溜め部
１２リード線取出口
Ａ１、Ａ２媒体通過断面積
Ｔ折返し部分

Claims

コイルを巻回した環状のステータコアを有するステータと、
前記ステータコアの内周に回転自在に配置したロータと、
前記ステータコアの外周部に設けて該ステータコアの両端にそれぞれ冷却媒体の吐出口を設けた媒体通路と、
前記ステータおよび前記ロータを収納し、底部に循環用の冷却媒体を溜める媒体溜め部を設けたハウジングと、
を備えた回転電機であって、
前記コイルのコイルエンドから引き出されるリード線を、前記媒体通路の吐出口から挿入して該媒体通路内に配索し、当該媒体通路の途中に設けたリード線取出口から取り出したことを特徴とする回転電機。
前記媒体通路は、前記リード線の占有部分を除いた両端部のそれぞれの媒体通過断面積を相互にほぼ等しく形成したことを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
前記リード線は、片側のコイルエンドから引き出される複数本が設けられ、それら複数本のリード線を当該片側のコイルエンドに対応した一方の吐出口から挿入し、かつ、複数本のリード線のうち少なくとも１本の特定のリード線の途中を他方の吐出口から引き出し、その引き出した折返し部分を反対側のコイルエンドの端部に対応させて配置したことを特徴とする請求項１または２に記載の回転電機。
前記特定のリード線は、複数本のリード線のうち全体長が最も短くなるリード線に設定し、かつ、前記リード線取出口の前記媒体通路に対する長さ方向の位置を、複数本のリード線の各全体長がほぼ等長となるように設定したことを特徴とする請求項３に記載の回転電機。