JP2010246268A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】コイル各相を効率的に均一に冷却できる回転電機を提供する。
【解決手段】回転電機は、コイル１８０を冷却するための冷却液が流通する配管１２０を備え、回転シャフト３０の軸方向が略水平になるように設置されている。配管１２０は、回転シャフト３０に対し上側かつコイル１８０に対し外周側に配置された半円環形状の外側管と、回転シャフト３０に対し下側かつコイル１８０に対し内周側に配置された半円環形状の内側管と、外側管と内側管とを連結する連結管とを有する。配管１２０は、軸方向において絶縁部材１６０とコイル１８０の軸方向端部１８２との間に配置されている。配管１２０には、配管１２０の内部から外部へ冷却液を流出させる開口１３０が、径方向において隣接するコイル１８０の間に形成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、回転電機に関し、特に、ステータコアに装着されたコイルを冷却するための冷却液が流通する配管を備える回転電機に関する。

従来の回転電機の冷却構造は、たとえば、特開２００５−８６８９４号公報（特許文献１）、特開２００７−３１２５６９号公報（特許文献２）および特開２００６−３１１７５０号公報（特許文献３）に開示されている。

特開２００５−８６８９４号公報 特開２００７−３１２５６９号公報 特開２００６−３１１７５０号公報

従来の回転電機の冷却構造では、重力を利用した回転電機の上部側、外周側または側面側からの部分的な冷却液の吹きつけによって、コイルエンドに冷却液を供給することが行なわれている。また、回転電機の回転により発生する遠心力を利用した、回転電機の内側からの内周全面吹きかけによって、コイルエンドに冷却液を供給することが行なわれている。

しかし、コイルエンドにおけるコイルのＵＶＷ各相の分布は、回転電機の外周側、側面側、内周側の三面で異なる。従来のコイルエンドへの冷却液の吹きかけでは、ＵＶＷ相の一部の相にのみ冷却液が供給され、そのためＵＶＷ各相を均一に冷却することは困難であった。冷却液をコイルエンドのＵＶＷ各相に均一に供給するには、回転電機の外周側、側面側および内周側の三面を広範囲に覆うように冷却液の供給手段を設置する必要があるが、その設置は困難であった。

また、遠心力を利用して回転電機の内側から冷却液を吹きかける場合、回転電機の回転数の変動や、回転電機のロータを挟持するエンドプレートの形状などが影響して、冷却液が吹きかけられる位置がばらつく。このとき、ステータコアとコイルとを絶縁する絶縁部材に冷却液が当たったり、回転電機のステータとロータとの間の隙間に冷却液が流入することにより、回転電機の引き摺り損失が増大して燃費が悪化する問題があった。

本発明は上記の問題に鑑みてなされたものであり、その主たる目的は、コイル各相を効率的に均一に冷却することができる回転電機を提供することである。

本発明に係る回転電機は、回転可能に設けられた回転シャフトと、回転シャフトに固設されたロータと、ロータの周囲に配置されたステータとを備える。ステータは、環状に配置されたステータコアと、ステータコアに装着された絶縁部材と、絶縁部材を介在させてステータコアに装着されたコイルと、を含む。回転電機は、コイルを冷却するための冷却液が流通する配管をさらに備え、回転シャフトの軸方向が略水平になるように設置されている。配管は、半円環形状の外側管と、半円環形状の内側管と、連結管とを有する。外側管は、回転シャフトに対し上側、かつ、ステータコアの径方向においてコイルに対し外周側に配置されている。内側管は、回転シャフトに対し下側、かつ、径方向においてコイルに対し内周側に配置されている。連結管は、径方向に沿って延在し、外側管と内側管とを連結する。配管は、軸方向において絶縁部材とコイルの軸方向端部との間に配置されている。配管には、配管の内部から外部へ冷却液を流出させる開口が、径方向において隣接するコイルの間に形成されている。

上記回転電機において、回転シャフトに対し上側、かつ、径方向においてコイルに対し内周側に配置され、ステータコアの軸方向端面に当接する、半円環形状のシール部材をさらに備えてもよい。

本発明の回転電機によると、コイル各相を効率的に均一に冷却することができる。

本発明の一実施の形態に係る回転電機が適用されるハイブリッド車両の構成を示す概略図である。 回転電機のコイル付近の詳細を示す断面図である。 図２に示すＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う、回転電機の断面図である。 図３に示す回転電機の断面の変形例を示す図である。

以下、図面に基づいてこの発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において、
同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰返さない。

なお、以下に説明する実施の形態において、各々の構成要素は、特に記載がある場合を除き、本発明にとって必ずしも必須のものではない。また、以下の実施の形態において、個数、量などに言及する場合、特に記載がある場合を除き、上記個数などは例示であり、本発明の範囲は必ずしもその個数、量などに限定されない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の一実施の形態に係る回転電機１０が適用されるハイブリッド車両（ＨＶ：hybrid vehicle）の構成を示す概略図である。図１に示すように、ハイブリッド車両は、回転電機１０と、回転シャフト３０と、減速機構４０と、ディファレンシャル機構５０と、ドライブシャフト受け部６０とを備える。電動機または発電機としての機能を有する回転電機（モータジェネレータ）１０は、ロータ２０と、ステータ１４０とを含む。

ロータ２０は、回転シャフト３０に組付けられる。回転シャフト３０は、軸受を介在させて、ハイブリッド車両の駆動ユニットのハウジング部に回転可能に支持されている。ロータ２０は、回転シャフト３０に固設され、回転シャフト３０と共に回転可能に設けられている。環状のステータ１４０は、ロータ２０の周囲に配置されており、ロータ２０の外周に設けられている。

ステータ１４０の軸方向端面１７７，１７８は、カバー１３５によって覆われている。カバー１３５は、軸方向端面１７７，１７８との間に、密閉された空間１３６を形成している。ステータ１４０の軸方向端面１７７，１７８には、コイル１８０が装着されている。

コイル１８０は、ステータ１４０の軸方向端面１７７に対して軸方向（図１中に両矢印で示すＤＲ１方向）に突出している、コイルエンド部１８２を有する。コイルエンド部１８２には、端子台１１０が設置されている。端子台１１０は、ステータ１４０の軸方向端部に設置されている。

コイル１８０は、端子台１１０を介在させて、３相ケーブル９０によってＰＣＵ７０と電気的に接続されている。３相ケーブル９０は、Ｕ相ケーブル９１、Ｖ相ケーブル９２およびＷ相ケーブル９３からなる。コイル１８０は、Ｕ相コイル、Ｖ相コイルおよびＷ相コイルからなり、これらの３つのコイルの端子に、それぞれ、Ｕ相ケーブル９１、Ｖ相ケーブル９２およびＷ相ケーブル９３が接続されている。またＰＣＵ７０は、給電ケーブルによってバッテリ８０と電気的に接続されている。これにより、バッテリ８０とステータ１４０とが電気的に接続されている。

ロータ２０およびステータ１４０を含む回転電機１０から出力された駆動力は、減速機構４０からディファレンシャル機構５０を経由して、ドライブシャフト受け部６０に伝達される。ドライブシャフト受け部６０に伝達された駆動力は、図示しないドライブシャフトを経由して図示しない駆動輪に回転力として伝達されて、ハイブリッド車両を走行させる。

一方、ハイブリッド車両の回生制動時には、駆動輪は車体の慣性力により回転させられる。駆動輪からの回転力によりドライブシャフト受け部６０、ディファレンシャル機構５０および減速機構４０を経由して、回転電機１０が駆動される。このとき、回転電機１０は、発電機として作動する。回転電機１０により発電された電力は、ＰＣＵ７０内のインバータを経由して、バッテリ８０に蓄えられる。

本実施の形態の回転電機１０は、ハイブリッド車両に搭載され、車輪を駆動する駆動源およびエンジンなどの動力によって発電する発電機として機能するものに限られない。本実施の形態の回転電機１０は、燃料電池車や電気自動車などに搭載され、車輪を駆動する駆動源として利用されるものであってもよい。

図２は、回転電機１０のコイル１８０付近の詳細を示す断面図である。図２に示すように、ロータ２０は、回転シャフト３０の軸方向（すなわち、図２中に両矢印ＤＲ１で示す方向）に沿った円筒形状を有する。ロータ２０は、軸方向に積層された複数の電磁鋼板により構成されたロータコアと、そのロータコアに埋設された図示しない永久磁石とを有する。すなわち、回転電機１０は、ＩＰＭ（Interior Permanent Magnet）モータである。

ロータ２０の、軸方向における両端部には、エンドプレート２２が設けられている。エンドプレート２２は、ロータコアを構成する電磁鋼板の積層構造を軸方向に対して挟持する。永久磁石に対向する電磁鋼板の端部が磁化されたとき、磁力の作用によって電磁鋼板が分離しようとする力が働くが、エンドプレート２２を配置して電磁鋼板の積層構造を挟持することにより、電磁鋼板の分離を防止する。エンドプレート２２は、ねじ止め、かしめ、圧入などの任意の方法によって、回転シャフト３０に固定されており、回転シャフト３０の回転に伴って回転運動を行なう。

ステータ１４０は、断面形状環状の筒状に配置されたステータコア１４１と、このステータコア１４１の外周に装着されたリング１８１と、ステータコア１４１に巻回されて装着された複数のコイル１８０とを含む。ステータコア１４１は、両矢印ＤＲ１で示す軸方向に積層された、複数の電磁鋼板から構成されている。なお、ロータコアおよびステータコア１４１は、電磁鋼板に限定されず、たとえば圧粉磁心から構成されてもよい。

コイル１８０とステータコア１４１との間には絶縁部材１６０が介在しており、絶縁部材１６０によってコイル１８０とステータコア１４１との間の絶縁が確保されている。絶縁部材１６０は、コイル１８０とステータコア１４１との間の絶縁を確保する。コイル１８０は、ステータコア１４１に装着された絶縁部材１６０を介在させて、ステータコア１４１に巻回されて装着されている。

ステータコア１４１には、ステータコア１４１の軸方向端面１７７を覆うカバー１３５が接合されている。カバー１３５は、高い耐熱性と絶縁性とを有するＰＰＳ（Polyphenylene Sulfide）に代表される樹脂材料を用いて、半筒状に形成されている。カバー１３５は、内面がコイル１８０に対向するようにコイル１８０に被せられて配置され、カバー１３５の内部に空間１３６を形成する。この空間１３６内に冷却油に代表される冷却液を流動させ、コイル１８０のコイルエンド部１８２近傍やステータコア１４１の軸方向端面１７７を油冷することにより、回転電機１０の作動時に発生する熱を除去し、コイル１８０およびステータコア１４１を冷却することができる。

カバー１３５の内部には、配管１２０が設けられている。配管１２０は、たとえばインサート成形によって、樹脂製のカバー１３５の内部に一体成形される。冷却液は、配管１２０の内部１２１を流通して、配管１２０に形成された開口１３０を経由して空間１３６内に供給され、コイル１８０およびステータコア１４１を冷却する。冷却液は、配管１２０に形成された開口１３０を経て、配管１２０の内部１２１から外部へ流出する。カバー１３５には、開口１３０が形成されている配管１２０の一部を露出させて、配管１２０からの冷却液の流出を妨げないための、切欠部１３７が形成されている。

図２に示すように配管１２０は、軸方向において、絶縁部材１６０と、コイル１８０の一方の軸方向端部を形成するコイルエンド部１８２との間に配置されている。配管１２０に形成された開口１３０が、コイル１８０の一部と対向し、配管１２０から流出する冷却液がコイル１８０へ到達してコイル１８０を冷却できるように、配管１２０は配置されている。

図３は、図２に示すＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う、回転電機１０の断面図である。ここで、回転電機１０は、回転シャフト３０の延在方向である両矢印ＤＲ１に示す軸方向が、略水平になるように設置されている。軸方向が略水平に配置された回転電機１０に対し、図３中に示す矢印ＤＲ４は鉛直上向き方向を示し、図３中に示す矢印ＤＲ５は鉛直下向き方向を示す。

回転電機１０は、軸方向が水平方向に一致するように配置されていれば、後述するように重力の作用によって最も効率的に冷却液を流通できるので望ましい。ただし、軸方向が水平方向に対し、重力の作用による冷却液の流通が阻害されない程度の角度を有するように、回転電機１０が傾斜して配置されていてもよい。たとえば、水平方向に対し軸方向が４５°以下の角度を形成するように回転電機１０を配置することができる。

図３に示すように、配管１２０は、半円環形状の外側管１２４と、半円環形状の内側管１２８と、外側管１２４に連結されて外部から外側管１２４へ冷却液を供給する供給管１２２とを有する。配管１２０はまた、外側管１２４と内側管１２８とを連結する連結管１２６を有する。連結管１２６は、延在方向がほぼ水平方向に沿うように配置されている。外側管１２４は、連結管１２６に対し相対的に上側に配置されている。内側管１２８は、連結管１２６に対し相対的に下側に配置されている。

外側管１２４と内側管１２８とは、回転シャフト３０の仮想の中心軸と中心を共有する円環の一部形状である半円環形状に形成されている。外側管１２４は、回転シャフト３０に対し上側に配置されている。内側管１２８は、回転シャフト３０に対し、下側に配置されている。

図３中に示す両矢印ＤＲ２は、環状に配置されたステータコア１４１の周方向を示す。また両矢印ＤＲ３は、ステータコア１４１の径方向を示す。ステータコア１４１には複数のコイル１８０（すなわち、複数組のＵ相コイル、Ｖ相コイルおよびＷ相コイル）が巻回されている。図３に示すように、複数のコイル１８０は環状に配置されている。ステータコア１４１の径方向において、外側管１２４はコイル１８０に対し外周側に配置されており、内側管１２８はコイル１８０に対し内周側に配置されている。

連結管１２６は、径方向に沿って延在するように配置されている。連結管１２６は、コイル１８０の内周側から外周側にまで至るように延在し、コイル１８０を跨ぐように配置されている。外側管１２４と内側管１２８とは、回転電機１０の上下方向における中央部において、連結管１２６によって互いの端部同士が繋げられている。

外側管１２４は、環状に配置されたコイル１８０のうち上側の半数のコイル１８０に、径方向外側から対向するように配置されている。内側管１２８は、環状に配置されたコイル１８０のうち下側の半数のコイル１８０に、径方向内側から対向するように配置されている。外側管１２４および内側管１２８に形成された開口１３０は、径方向において、隣接する複数のコイル１８０の間に形成されている。開口１３０は、コイル１８０間の間隙１８４に向いて、開口１３０から流出する冷却液が間隙１８４へ流れるように形成されている。

図３中に示す矢印は、冷却液の流れを示す。冷却液の一部は、回転電機１０の外部から供給管１２２を経由して外側管１２４へ流通し、外側管１２４に形成された開口１３０から流出して、上側に配置されたコイル１８０間の間隙１８４へ流れる。冷却液の一部は、外側管１２４の開口１３０から流出せずに連結管１２６へ至り、連結管１２６から内側管１２８へ流通し、内側管１２８に形成された開口１３０から流出して、下側に配置されたコイル１８０間の間隙１８４へ流れる。

このように冷却液の流れを形成することにより、上側半分のコイル１８０には、外周側から内周へ向かって冷却液を供給し、下側半分のコイル１８０には、内周側から外周へ向かって冷却液を供給することが可能となる。このとき冷却液は、重力による落下に逆らわないよう流れているので、重力落下を有効に活用して、効率的に上下両側のコイル１８０に冷却液を供給することができる。

開口１３０は、軸方向においてコイル１８０と対向する位置に形成され、かつ周方向において隣接するコイル１８０間に形成されているために、全てのコイル１８０を狙って冷却液を吹きかけることが可能とされている。したがって、ＵＶＷ各相全てのコイル１８０を、限られた領域の中で、効率的に均一に冷却することができる。

図４は、図３に示す回転電機１０の断面の変形例を示す図である。コイル１８０よりも径方向外側において、配管１２０（すなわち、外側管１２４）は、樹脂製のカバー１３５により保持されている。外側管１２４は上側にのみ設けられているため、外側管１２４を保持するためには、コイル１８０の外径側のカバー１３５を、図３に示す円筒形状でなく、図４に示すように円筒の半分の形状に形成してもよい。つまり、回転電機１０の下部では、内側管１２８を内部に保持するための、内周側のカバー１３５のみが形成されていてもよい。

このようにすれば、カバー１３５を簡素化することができるので、カバー１３５を作製するために必要な樹脂の材料コストを低減することができる。図３および図４に示すカバー１３５は樹脂成形品であるため、適切な金型を準備することで、図４に示す形状のカバー１３５を作製する場合の製造コストの増加を回避することができる。

図２および図３に戻って、上側半分のステータコア１４１のコイル１８０に対して内径側（すなわち下側）の位置において、カバー１３５に固定されたシール部材１５０が設けられている。シール部材１５０は、ステータコア１４１の軸方向端面１７７に当接する先端部１５２と、カバー１３５に保持された根元部１５４とを有する。シール部材１５０は、回転シャフト３０に対し上側、かつ、径方向においてコイル１８０に対し内周側に配置されている。シール部材１５０は、たとえばゴム系材料などのカバー１３５よりも軟質の樹脂材料が用いられて、図３に示すように半円環形状に形成されている。

シール部材１５０は、カバー１３５とステータコア１４１の軸方向端面１７７との間をシールして、カバー１３５に囲まれた空間１３６の内部と外部とを液密に密封する。そのため、外側管１２４から空間１３６内に供給された冷却液は、図３に示すように、コイル１８０間の間隙１８４を通過してシール部材１５０の外周部へ至ると、シール部材１５０の外周縁に沿って周方向に下方向へ流れる。

つまり、シール部材１５０は、冷却液がシール部材１５０を通過してシール部材１５０よりも内径側へ流れ込むことを抑制している。回転電機１０の上側半分では、シール部材１５０によって、ロータ２０とステータ１４０との間の隙間２４（図２参照）への冷却液の流入が抑制されている。

一方、回転電機１０の下側半分では、内側管１２８は隙間２４よりも径方向外側に配置されており、開口１３０は内側管１２８の外周側に形成されている。そのため、内側管１２８から流出する冷却液は、内側管１２８から外周へ向かって流れ、隙間２４へ流入することはない。

このように配管１２０とシール部材１５０とを配置することにより、回転電機１０の全体において隙間２４への冷却液の流入を抑制することができる。そのため、ロータ２０がステータ１４０に対し相対回転するときに、隙間２４内の冷却液を引き摺りながら回転してロータ２０の回転運動が妨げられることを回避できる。したがって、回転電機１０の運転時における引き摺り損失を低減し、より効率的に回転電機１０を駆動させて燃費を向上することができる。

シール部材１５０は、回転電機１０の上側半分において隙間２４への冷却液の流入を防止できるものであればよい。そのため、回転電機１０の上側半分の内周側のみに、半円環形状のシール部材１５０を配置すればよい。隙間２４は円筒形状に形成されているのに対し、半円環形状に形成されたシール部材１５０を用いることで、隙間２４全体への冷却液の流入を抑制できる。したがって、回転電機１０を構成する部品をより簡略化でき、シール部材１５０を作製するために必要な材料コストを低減することができる。

以上のように本発明の実施の形態について説明を行なったが、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。この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。

本発明は、ハイブリッド車両および電気自動車などに搭載され、発電機や駆動源として使用される、車両に搭載される回転電機として好適に用いられ得る。

１０ 回転電機、２０ ロータ、２２ エンドプレート、２４ 隙間、３０ 回転シャフト、１２０ 配管、１２１ 内部、１２２ 供給管、１２４ 外側管、１２６ 連結管、１２８ 内側管、１３０ 開口、１３５ カバー、１３６ 空間、１３７ 切欠部、１４０ ステータ、１４１ ステータコア、１５０ シール部材、１５２ 先端部、１５４ 根元部、１６０ 絶縁部材、１７７，１７８ 軸方向端面、１８０ コイル、１８２ コイルエンド部、１８４ 間隙。

Claims (2)

1. 回転可能に設けられた回転シャフトと、
   前記回転シャフトに固設されたロータと、
   前記ロータの周囲に配置されたステータとを備える、回転電機において、
   前記ステータは、
   環状に配置されたステータコアと、
   前記ステータコアに装着された絶縁部材と、
   前記絶縁部材を介在させて前記ステータコアに装着されたコイルと、を含み、
   前記回転電機は、前記コイルを冷却するための冷却液が流通する配管をさらに備え、前記回転シャフトの軸方向が略水平になるように設置されており、
   前記配管は、
   前記回転シャフトに対し上側、かつ、前記ステータコアの径方向において前記コイルに対し外周側に配置された、半円環形状の外側管と、
   前記回転シャフトに対し下側、かつ、前記径方向において前記コイルに対し内周側に配置された、半円環形状の内側管と、
   前記径方向に沿って延在し、前記外側管と前記内側管とを連結する連結管と、を有し、
   前記配管は、前記軸方向において前記絶縁部材と前記コイルの軸方向端部との間に配置されており、
   前記配管には、前記配管の内部から外部へ冷却液を流出させる開口が、前記径方向において隣接する前記コイルの間に形成されている、回転電機。
2. 前記回転シャフトに対し上側、かつ、前記径方向において前記コイルに対し内周側に配置され、前記ステータコアの軸方向端面に当接する、半円環形状のシール部材をさらに備える、請求項１に記載の回転電機。

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