JP2009296772A - 回転電機のコイルエンド冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回転電機のステータコアから突出するコイルエンドの冷却性を向上する。
【解決手段】回転電機（モータジェネレータ）のロータコアに固定されたエンドプレートの周端部からコイルエンド１１の突出端付近まで突出させた筒状のフランジ部を設けると共に、フランジ部の外周面を起伏させた第１冷媒拡散面２０、コイルエンド１１の端面１１ｂに対向するケース内壁面３ａおよびコイルエンド１１上方のケース内壁面３ｂを同様に起伏させて形成した第２冷媒拡散面２２及び第３冷媒拡散面２３を設け、冷媒孔１８，１９を通ってフランジ部の外周面に導かれた冷媒を、各冷媒拡散面２０，２２，２３によって多方向に拡散させることにより、コイルエンド１１の内周面１１ａ、端面１１ｂ、外周面１１ｃを良好に冷却する。
【選択図】図３

Description

本発明は、回転電機におけるステータコイルのステータコアから突出するコイルエンドを冷却する装置に関する。

特許文献１には、ロータコア端部（エンドプレート部分）に設けた冷媒吐出口の外周を、環状の突出部によって覆い、冷媒吐出口から吐出された冷媒をステータのコイルエンドに吹き付けて該コイルエンドを冷却する構造が開示されている。
特開２００１−１６８２６号

特許文献１に開示される構造では、冷媒はコイルエンドの内周面全体を効率よく冷却することができず、また、コイルエンドの外周面側に冷媒が供給されにくく、コイルエンドを十分に冷却できる構造ではなかった。

本発明は、このような従来の課題に着目してなされたもので、ステータのコイルエンドに冷媒を効率よく供給することにより、コイルエンドひいてはステータの冷却効果を高めることを目的とする。

本発明にかかるコイルエンドの冷却装置は、回転電機のロータに以下の各部Ａ〜Ｃを含んで構成される。

Ａ．前記ステータコア端部から突出するコイルエンドのロータ回転軸方向の端面に近接して対向する内壁面を有したケース
Ｂ．前記エンドプレートの周端部から、ロータ回転軸方向に前記ケースの内壁面と対向するコイルエンドの端面付近まで突出させて形成した筒状のフランジ部
Ｃ．前記フランジ部の外周面に起伏を設けて形成した第１冷媒拡散面
Ｄ．前記フランジ部の外周面に冷媒を導く冷媒通路

フランジ部外周面に導かれた冷媒は、遠心力を受けながら該外周面上の起伏する第１冷媒拡散面によって多方向に拡散し、コイルエンドのフランジ部に対向するロータ回転軸周りの内周面に広い範囲にわたって付着する。コイルエンド内周面に付着した冷媒の一部は、フランジ部外周面に落下し、第１冷媒拡散面によって多方向に拡散して再度コイルエンド内周面に付着するという動作を繰り返しながら、コイルエンド内周面を効率よく冷却する。

また、冷媒は回転遠心力等を受けて連続して供給され、フランジ部の突出端側に押し出された冷媒は、フランジ部突出端部付近から遠心力によって飛散し、コイルエンドの突出する端面と回転電機のケース内壁面との間を経由して、コイルエンド外周面に至り、該コイルエンドの外側端面及び外周面を冷却する。

このように、コイルエンド表面の広範囲に亘って冷媒を効率よく供給でき、コイルエンド、ひいてはステータの冷却効果を高めることができる。

本発明の実施の形態を、図を用いて説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係るコイルエンド冷却装置を備えた回転電機の概略構成を示す。

本実施形態の回転電機は、ハイブリッド車において電動機と発電機とを兼ねるモータジェネレータであり、ロータ１とステータ２とで構成され、Ｔ／Ａ（トランスアクスル）のケース３内に収納される。

ロータ１は、図示しないエンジン(内燃機関)のクランクシャフトに連動して回転するオイルポンプのポンプシャフト４の外周に、ポンプシャフト４と相対回転自由に軸受されたロータシャフト５と、電磁鋼板を積層して形成されロータシャフト５の外周に固定されたロータコア６と、ロータコア６の外周面近傍に埋設された複数の永久磁石７と、ロータコア６の両端を挟んで固定される非磁性体材料のエンドプレート８からなる。

ロータ１の外周に近接して配設されるステータ２は、ケース３に固定され、電磁鋼板を積層して形成されたステータコア９と、ステータコア９に形成された複数のスロットに巻回された３相のステータコイル１０からなり、ステータコイル１０のステータコア９から外側に突出した部分がコイルエンド１１を形成している。

従って、ステータコイル１０に供給する電流による磁界でロータ１を回転させて、ロータシャフト５を出力軸とすることで、電動機として動作し、また、ロータシャフト５を入力軸として、ロータ１の回転によりステータコイル１０に電流を発生させることで、発電機として動作する。

かかる構成を有した回転電機（モータジェネレータ）を電動機または発電機として動作する際に、ロータ１と共にステータ２が発熱するため、冷媒をコイルエンド１１に供給して冷却する。

次に、コイルエンド１１の冷却装置について説明する。

ポンプシャフト４の中心軸部には、冷媒（潤滑油：ＡＴＦ）を導入する冷媒導入路１２および冷媒導入路１２から径方向に分岐してポンプシャフト４の外周面に至る分岐路１３が形成される。

ポンプシャフト４の外周面とロータシャフト５の内周面との間に空隙を設け、この空隙を、前記分岐路１３から流出した冷媒を軸方向両側に分配する分配通路１４として形成する。分配通路１４のロータ１両端部に位置する部分は、径方向に拡張して冷媒溜まり１４ａとして形成してある。

ロータシャフト５には、冷媒溜まり１４ａに臨む内周面部分と外周面とを貫通する冷媒導入孔１５が形成される。

各エンドプレート８は、ロータコア６端面側の周端部を突出して形成し、ロータコア６端面との間に、冷媒導入孔１５に連通する間隙１６を形成する。

各エンドプレート８には、その周端部からロータ回転軸方向にコイルエンド１１の突出端付近まで突出する筒状のフランジ部１７が設けられる。

フランジ部１７の内周側に近接した位置で、エンドプレート８をロータ回転軸方向に貫通する冷媒孔１８、フランジ部１７の内外周面間を貫通する冷媒孔１９が設けられる。

フランジ部８の外周面には、複数の円錐状の突起２０ａ（図２参照）を並べて形成した第１冷媒拡散面２０が設けられる。

フランジ部８外周面のロータコア６端面側の端部には、コイルエンド１１の突出する方向に向かってロータ回転軸からの径が増大する傾斜面２１が形成される。

ケース３上部でコイルエンド１１に対向する部分にも同様の複数の円錐状突起を並べて形成される冷媒拡散面を設ける。この冷媒拡散面は、コイルエンド１１のロータ回転軸方向の端面１１ｂに対向する部分の上部に形成した第２冷媒拡散面２２と、コイルエンド１１のロータ回転軸周りの外周面１１ｃに対向する部分に形成した第３冷媒拡散面２３とからなる。

以上のように構成されたコイルエンドの冷却装置の作用を、図３を参照して説明する。

ポンプシャフト４の端部には、図示しないオイルポンプが連結されており、該オイルポンプから吐出された冷媒は、ポンプシャフト４の冷媒導入路１２内に導入され、分岐路１３から分配通路１４に流出して、該分配通路１４内を図示左右方向に分配される
分配された冷媒は、両側の冷媒溜まり１４ａ、間隙１６を経て冷媒孔１８から流出し、フランジ部１７内周面上を伝って冷媒孔１９から遠心力によって噴出し、コイルエンド内周面１１ａの冷媒孔１９に対向する部分に衝突する。

コイルエンド１１の内周面１１ａに衝突した冷媒は、フランジ部１７の外周面に跳ね返され、第１冷媒拡散面２０の円錐状突起に案内されて多方向に拡散し、内周面１１ａ全体に満遍なく当たって付着する。

また、一部の冷媒は、コイルエンド１１の内周面１１ａに当たって再度跳ね返されて、フランジ部１７の外周面に戻される。ケース３上部のコイルエンド内周面１１ａからは、該内周面１１ａに付着した冷媒の一部が重力により落下してフランジ部１７の外周面に戻される。このようにしてフランジ部１７の外周面に戻された冷媒は、再び遠心力を受け第１冷媒拡散面２０によって多方向に拡散し、コイルエンド１１の内周面１１ａに供給されるという動作を繰り返す。

以上のように、コイルエンド１１の内周面１１ａは、効率よく供給される冷媒によって十分に冷却される。

一方、冷媒はオイルポンプからの吐出力および回転遠心力を受けてフランジ部１７の外周面に供給され続けるので、冷媒孔１９を中心として、フランジ部１７の外周面上を放射状に広がる。

ロータコア６端面側に広がって、または、コイルエンド１１の内周面１１ａから跳ね返って傾斜面２１に至った冷媒は、傾斜面２１の傾斜により（ロータコア６端面から離れるほど外径が増大して遠心力が増大することにより）、ロータコア６端面から離れる方向に移動して戻され、あるいは、コイルエンド１１の内周面１１ａに向けて拡散する。

フランジ部１７の突出端側に広がった冷媒は、該突出端部から遠心力を伴ってコイルエンド１１の端面１１ｂとこれに対向するケース３の内壁面３ａとの間に向かって飛散し、多くの冷媒は、ケース３の内壁面３ａに当たる。

ケース３の内壁面３ａに当たった冷媒の一部は、跳ね返されてコイルエンド１１の端面１１ｂに当たり、一部はさらに跳ね返ってケース３の内壁面３ａに当たる。このように、冷媒の一部は、ケース３の内壁面３ａとコイルエンド１１の端面３ｃとの間を往復しながらコイルエンド１１の外周側方向へ移動する。

また、ケース３の内壁面３ａには、連続して飛散する冷媒が付着して層状の油膜ＯLが形成される。この油膜に飛散する冷媒が当たる際の衝撃によって、油膜ＯLから一部の冷媒が離脱し、飛散する。飛散した冷媒の一部は対向するコイルエンド１１の端面１１ｂに当たって付着する。さらに、フランジ部１７から飛散する冷媒の一部は、直接コイルエンド１１の端面１１ｂに当たって付着する。

このようにしてコイルエンド１１の端面１１ｂに供給された冷媒により、該端面１１ｂも十分に冷却される。

ケース３の上部において、上記のようにケース３の内壁面３ａに当たって跳ね返され、あるいは、油膜ＯLから離脱した一部の冷媒は、コイルエンド１１の上方に飛散する。また、フランジ部１７から飛散した冷媒から押し上げ力を受けることにより、油膜ＯLの中の一部の冷媒はケース３の内壁面３ａを伝って上方に移動する。

このように、油膜ＯLの上方に移動して、あるいは下方から飛散してケース３の内壁面３ａの第２冷媒拡散面２２に至った冷媒は、第２冷媒拡散面２２の円錐状突起に誘導されてコイルエンド１１の上方に拡散する。

コイルエンド１１上方に拡散した冷媒の一部は、そのまま落下してコイルエンド１１の外周面１１ｃに付着し、また、コイルエンド１１上方のケース内壁面３ｂに当たった冷媒は、該内壁面３ｂに設けられた第３冷媒拡散面２３の円錐状突起によって多方向に拡散分散して落下し、コイルエンド１１の外周面１１ｃの広範囲に亘って付着する。

このようにして連続して上部のコイルエンド１１の外周面１１ｃに付着した冷媒は、外周面１１ｃを伝って流下し、外周面１１ｃ全体を効率よく冷却する。

以上のように、本実施形態によれば、コイルエンド１１の突出する端面１１ｂ付近まで延ばしたフランジ部１７を設けると共に、冷媒を多方向に拡散させる第１冷媒拡散面２０、第２冷媒拡散面２２、第３冷媒拡散面２３を設けたことにより、コイルエンド１１の内周面１１ａ、端面１１ｂ、外周面１１ｃに満遍なく、かつ、効率よく冷媒を供給して、コイルエンド１１、ひいてはステータコイル１０全体と、該ステータコイル１０を巻回するステータコア９からなるステータ２全体を効率よく冷却することができる。

ここで、第２冷媒拡散面２２は簡易的には省略してよいが、第２冷媒拡散面２２を設けることで、冷媒がコイルエンド１１の上方に誘導され、コイルエンド１１の外周面１１ｃに供給される冷媒量を増加することができる。

第３冷媒拡散面２３も簡易的には省略してよいが、第３冷媒拡散面２３を設けることで、コイルエンド１１の上方に導かれた冷媒を、コイルエンド１１の外周面１１ｃ全体に満遍なく供給して該外周面１１ｃの冷却効率を高めることができる。第３冷媒拡散面２３は、付着した冷媒がケース３の周方向に流れにくくして、多くの冷媒をコイルエンド１１の外周面１１ｃに落下させて冷却効率を高める効果も有する。

これらの第２冷媒拡散面２２、第３冷媒拡散面２３は、重力に逆らって冷媒を供給することとなるケース３の上部において冷媒を所望の方向に拡散させる作用を有するものであるから、基本的にはケース３の上部のみに設ければよく、加工コストを低減できる。特に、ケース３の底部に溜まる冷媒にコイルエンド１１の下端部が浸る場合には、底部においてもコイルエンド１１の冷却は十分である。

しかし、ケース３の底部に溜まる冷媒にコイルエンド１１が浸らず、コイルエンド１１下部の冷却が不足する場合は、図示のように、ケース３の上部と同様の第２冷媒拡散面２２、第３冷媒拡散面２３を設け、これらに導かれて拡散する冷媒を、コイルエンド１１の下部に供給して十分に冷却する構成としてもよい。さらには、第２冷媒拡散面２２、第３冷媒拡散面２３をケース３のロータ回転軸周りの全周に亘って設けてもよい。

また、フランジ部１７のロータコア６側の端部に設けた傾斜面２１により、傾斜面２１に至った冷媒を傾斜面２１上に沿ってロータコア６と反対側に戻すことで、冷媒がロータコア６外周面とステータコア９内周面との間隙Ｇに進入することを抑制できる。

これにより、間隙Ｇ内に進入した冷媒による引き摺り損失ひいては、当該回転電機の出力損失を減少することができると共に、コイルエンド１１の冷却に寄与する冷媒量の損失を抑制して冷却効率をより高めることができる。

図４は、本実施形態とは異なる形状を有した冷媒拡散面の実施形態（第２の実施形態）を示し、第１冷媒拡散面２０’（および第３冷媒拡散面２３’）を、半球状の凹部２０ａ’（２３ａ’）を複数並べて形成した構成としてもよく、同様に冷媒を多方向に拡散する効果が得られる。半球状の凹部の代わりに円錐状の凹部としてもよい。冷媒拡散面の形状は、これらに限らず、先細りの突起や底窄まりの凹部を並べて形成される形状など、冷媒を多方向に拡散できる形状であればよい。また、冷媒拡散面は、エンドプレートやケースを加工して形成できるが、別体に形成した部材を、エンドプレートやケースに取り付けて形成してもよい。

また、冷却孔１８および冷却孔１９は、最低１個ずつ設ければよいが、エンドプレート８の周方向に等間隔毎に複数個ずつ設ければ、冷却効率をより高めることができる。

図５は、第３の実施形態を示し、上記のように周方向に複数個設けた冷却孔１９ａ〜１９ｄのフランジ部１７の軸方向における位置をずらす構成としたものであり、コイルエンド１１内周面全体を、冷媒孔１９ａ〜１９ｄから異なる軸方向位置に向けて噴出する冷媒によって直接冷却することができ、冷却効率がより向上する。

また、図６に示す第４の実施形態のように、複数の冷却孔１９ａ’〜１９ｃ’の孔軸の方向を、異ならせることによっても、同様にコイルエンド１１内周面全体が、冷媒孔１９ａ’〜１９ｃ’から異なる方向に噴出する冷媒によって直接冷却されて冷却効率がより向上する。

図７は、第５の実施形態を示し、エンドプレート８とロータコア６端面との間隙１６と、フランジ部１７の外周面とを、ロータ回転軸方向に対して斜めに傾斜する冷媒孔２４を設けて直接連通させる。

冷媒は冷媒孔２４から噴出して一部が直接コイルエンド１１の内周面１１ａに衝突した後、フランジ部１７の外周面に跳ね返され、一部は、フランジ部１７外周面を伝ってフランジ部１７の突出方向に流動する。遠心力を受けながら第１冷媒拡散面２０によってコイルエンド１１の内周面１１ａ全体に拡散する冷媒によって、該内周面１１ａを効率よく冷却し、さらに、コイルエンド１１の端面１１ｂおよび外周面１１ｃを冷却することは、上記各実施形態と同様である。

本実施形態では、冷媒が、冷媒孔２４を通ってフランジ部１７の突出する方向に供給されるため、傾斜面２１側に冷媒が流れ込むことを抑制し、ロータコア６外周面とステータコア９内周面との間隙Ｇへの冷媒の進入防止効果を高めることができる。

なお、以上の実施形態では、ステータコアの両端部から突出する２個のコイルエンドに対して同様の対称的な構成を有した冷却装置を設けたが、２個のコイルエンドの周辺構造が相違し、本発明に係る冷却装置の適用によって一方のコイルエンドのみに効果が得られるような場合は、該一方のコイルエンドのみに対して適用すればよいことは勿論である。

また、本発明が適用される回転電機は、実施形態に示した車両用のモータジェネレータに限らず、一般の回転電機に適用できる。

本発明の一実施形態に係るコイルエンド冷却装置を備えた回転電機の概略構成を示す断面図 同上実施形態の冷媒拡散面の形状を示す斜視図 同上実施形態の要部の作用を示す断面図 冷媒拡散面の形状が異なる第２の実施形態を示す斜視図 冷媒孔の位置が異なる第３の実施形態を示す斜視図 冷媒孔の孔軸方向が異なる第４の実施形態を示す斜視図 冷媒通路が異なる第５の実施形態を示す断面図

符号の説明

１ ロータ
２ ステータ
３ ケース
３ａ コイルエンド端面に対向するケース内壁面
３ｂ コイルエンド上方のケース内壁面
４ ポンプシャフト
５ ロータシャフト
６ ロータコア
８ エンドプレート
９ ステータコア
１０ ステータコイル
１１ コイルエンド
１１ａ コイルエンドの内周面
１１ｂ コイルエンドの端面
１１ｃ コイルエンドの外周面
１２ 冷媒導入路
１３ 分岐路
１４ 分配通路
１５ 冷媒導入孔
１６ 間隙
１７ フランジ部
１８，１９，１９ａ〜１９ｄ，１９ａ’〜１９ｃ’，２４ 冷媒孔
２０，２０’ 第１冷媒拡散面
２０ａ 突起
２０ａ’ 凹部
２１ 傾斜面
２２ 第２冷媒拡散面
２３，２３’ 第３冷媒拡散面

Claims (13)

1. ロータコアの端部にエンドプレートが固定されたロータと、ステータコアの端部からコイルエンドが突出するステータと、を有する回転電機のコイルエンド冷却装置であって、
   前記ステータコア端部から突出するコイルエンドのロータ回転軸方向の端面に近接して対向する内壁面を有したケースと、
   前記エンドプレートの周端部から、ロータ回転軸方向に前記ケースの内壁面と対向するコイルエンドの端面付近まで突出させて形成した筒状のフランジ部と、
   前記フランジ部の外周面に起伏を設けて形成した第１冷媒拡散面と、
   前記フランジ部の外周面に冷媒を導く冷媒通路と、
   を含んで構成される回転電機のコイルエンド冷却装置。
2. 前記コイルエンドの端面に対向するケースの内壁面に起伏を設けて第２冷媒拡散面を形成した請求項１に記載の回転電機のコイルエンド冷却装置。
3. 前記コイルエンドのロータ回転軸周りの外周面に対向するケースの内壁面に起伏を設けて第３冷媒拡散面を形成した請求項１または請求項２に記載の回転電機のコイルエンド冷却装置。
4. 前記第２冷媒拡散面を、ケースの上部のみに設けた請求項２に記載の回転電機のコイルエンド冷却装置。
5. 前記第３冷媒拡散面を、ケースの上部のみに設けた請求項３または請求項４に記載の回転電機のコイルエンド冷却装置。
6. 前記冷媒拡散面は、先細まり状の突起を複数個並べて形成される請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載の回転電機のコイルエンド冷却装置。
7. 前記冷媒拡散面は、底すぼまり状の凹部を複数個並べて形成される請求項１〜請求項５に記載の回転電機のコイルエンド冷却装置。
8. 前記フランジ部外周面のロータコア端面側の端部が、コイルエンドの突出する方向に向かってロータ回転軸からの径が増大する傾斜面に形成されている請求項１〜請求項７のいずれか１つに記載の回転電機のコイルエンド冷却装置。
9. 前記冷媒通路は、冷媒が導かれる前記エンドプレートとロータコア端面との間隙と、前記エンドプレートの前記フランジ部より内周側で前記間隙に臨む部分をロータ回転軸方向に貫通して形成した冷媒孔と、前記フランジ部の内外周面間を貫通して形成した冷媒孔と、を含んで構成される請求項１〜請求項８のいずれか１つに記載の回転電機のコイルエンド冷却装置。
10. 前記フランジ部の内外周面間を貫通する冷媒孔が複数個形成され、各冷媒孔のロータ回転軸方向の位置が異なるように配設される請求項９に記載の回転電機のコイルエンド冷却装置。
11. 前記フランジ部の内外周面間を貫通する冷媒孔は、該フランジ部の周方向に複数個形成され、各冷媒孔のロータ回転軸方向の位置を相互に異なるように配設される請求項１０に記載の回転電機のコイルエンド冷却装置。
12. 前記フランジ部の内外周面間を貫通する冷媒孔は複数個配設され、各冷媒孔の孔軸の方向が相互に異なるように配設される請求項８に記載の回転電機のコイルエンド冷却装置。
13. 前記冷媒通路は、冷媒が導かれる前記エンドプレートとロータコア端面との間隙と、前記エンドプレートの前記間隙に臨む部分と前記フランジ部のロータ回転軸周りの外周面との間を貫通して形成した冷媒孔と、を含んで構成される請求項１〜請求項８のいずれか１つに記載の回転電機のコイルエンド冷却装置。

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