JP2011066948A

JP2011066948A - 電動機

Info

Publication number: JP2011066948A
Application number: JP2009212630A
Authority: JP
Inventors: Shigeki Karashi; 茂樹唐司; Hiroshi Ito; 寛志伊藤
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2009-09-15
Filing date: 2009-09-15
Publication date: 2011-03-31

Abstract

【課題】車両用電動機では、容量増大とコンパクト化に対応するための冷却性能の向上が課題となっている。
【解決手段】本発明は、電動機フレームに固定され固定子と、該固定子の外周部に設けられた複数の軸方向背面通風路と、前記電動機フレームに軸受を介して回転自在に支持された回転子軸と、前記固定子の内周部に前記固定子との間に隙間を介して配置され、内部に複数の軸方向回転子通風路を有し、前記回転子軸に固定された回転子とを備え、前記軸方向背面通風路と前記隙間及び前記回転子通風路に冷媒を通風させる電動機において、前記回転子の下流側端部に、前記軸方向回転子通風路と連通するような径方向通風路を備え、回転子内を通過した冷媒の一部を下流側の固定子端部に向けて吹き付ける構造としたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は電動機に係り、特に、固定子や回転子を冷却媒体で冷却する通風機構を備えた車両用に好適な電動機に関する。

一般に車両用電動機では、固定子（ステータ）や回転子（ロータ）に通風流路を設け、この通風流路に冷却媒体（例えば空気）を通風させて、ジュール損や鉄損などによって発熱するコイルや鉄芯（コア）などを冷却する構造が知られている。車両用電動機では、コンパクト化や容量増大に伴い発熱量が増大の傾向にあり、冷却性能向上が要求されている。

代表的な従来構造について、図５を用いて説明する。

図５に示す車両用電動機は、冷媒を外部から電動機本体内に送り込み、その冷媒を内部の各通風路に導いて各発熱部位を冷却し、各発熱部位を冷却することにより昇温した冷媒を外部に放出する開放型で、回転子に永久磁石を用いた車両用電動機である。図５（ａ）は車両用電動機全体を示した断面図（上側半分を図示）、図５（ｂ）は長手方向中心位置での断面図、図５（ｃ）は吸気部および排気部近傍を合わせて示した断面図である。

該図において、１はフレーム、２は固定子、３は固定子コイル、４は固定子鉄芯（コア）、５は背面ダクト、６は背面ダクト内に形成される背面通風路、７は固定子鉄芯固定材、８は固定子鉄芯固定材７に設けられた貫通孔である。固定子２は、内部の周方向に複数の固定子コイル３を配置し、固定子鉄芯４を長手方向に積層し、その両端部を固定子鉄芯固定材７によって固定して構成される。また、固定子２の外周部には、周方向に複数個の背面ダクト５が設置され、背面ダクト５の長手方向両端部は、固定子鉄芯固定材７に固定される。固定子鉄芯固定材７には、背面ダクト５内の背面通風路６と一致する部位に貫通孔８が設けられ、これによって固定子２の外表面の周方向に複数個の通風流路が構成される。

一方、９は回転子、１０は回転子鉄芯、１１は回転子９内に磁場を発生させる永久磁石、１２は回転子９内の周方向に複数個設けた回転子通風路、１３は回転子鉄芯固定材、１４は回転子鉄芯固定材に設けられた貫通孔である。回転子９は、内部の周方向に複数の永久磁石１１を配置し、回転子鉄芯１０を長手方向に積層し、その両端部を回転子鉄芯固定材１３によって固定して構成される。また、回転子鉄芯１０の周方向には、複数の貫通孔が設けられ、それを長手方向に積層することで、回転子通風路１２が形成される。回転子鉄芯固定材１３には、回転子通風路１２と一致する部位に貫通孔１４が設けられ、これによって回転子９内の周方向に複数個の通風流路が構成される。

また、１５は固定子２と回転子９間に形成される隙間であるエアギャップ、１６は回転子軸（シャフト）、１７は軸受、１８は外部の冷媒を電動機本体内に導く吸気ダクト、１９は吸気ダクト１８に設けられた吸気孔、２０は電動機内の冷媒を外部に排出するためにフレーム１に設けられた排気孔、２１は冷媒である。

このような従来構造によれば、外部に設けた送風機（図示していない）によって電動機本体に送風された冷媒は、吸気ダクト１８の吸気孔１９より電動機本体内に流入し、内部で背面通風路６，エアギャップ１５，回転子通風路１２に分岐して流れ、各部を冷却する。

本構造による主な発熱としては、固定子コイル３でのジュール損、固定子鉄芯４での鉄損、回転子９内の永久磁石１１での渦電流損が挙げられる。これらによる発熱に対して、背面通風路６、エアギャップ１５、回転子通風路１２の３つの通風流路に冷媒を通風させて各部を冷却する。

車両用電動機では、コンパクト化および容量増大の傾向にあり、それに対応するためには、冷却性能向上が必要となっている。発熱を有する固体壁と流体との交換熱量Ｑｗは、固体壁温度をＴｗ、流体温度をＴｆ、熱伝達率をα、伝熱面積をＡｗとすると、次式で表される。
Ｑｗ＝αＡｗ（Ｔｗ−Ｔｆ）

交換熱量を増大させるためには、伝熱面積Ａｗや熱伝達率αを増大させれば良いことが分かる。

伝熱面積の増大には、対象となる部位にフィンなどを設ける構造が一般的に知られている。また、熱伝達率の増大には、流路面積を減少させ冷媒速度を増大させることが考えられる。

特開２００２−２１８６８７号公報

しかしながら、コンパクト化の傾向にある車両用電動機において、狭い通風路内にフィンなどの構造物を設けることは容易ではなく、製作工数増大によりコストが増加するという問題があった。また、流路の通風抵抗が増し、冷媒流量を確保できなくなるという問題もあった。

一方、流路面積を減少させ熱伝達率を増加させる構造でも、通風抵抗の増大により、冷媒流量を確保できなくなるという問題があった。

例えば、熱伝達率増大による冷却性能を向上させる構造として、特許文献１が公知である。固定子コイル端部において、コイルエンド群と固定子鉄芯のティース部とに狭い通風路を形成し、その部位の冷媒速度を増大させ、固定子の冷却性能を向上させたものである。しかし、狭い通風路では、その部位の冷媒流量を確保できず、冷却性能の向上が期待できない恐れがあった。

本発明は上述の点に鑑みなされたもので、その目的とするところは、容量増大やコンパクト化に影響されることなく冷却性能が十分に確保される電動機を提供することにある。

本発明の電動機は、上記目的を達成するために、電動機フレームと、該電動機フレームに固定され固定子と、該固定子の外周部に設けられた複数の軸方向背面通風路と、前記電動機フレームに軸受を介して回転自在に支持された回転子軸と、前記固定子の内周部に前記固定子との間に隙間を介して配置され、内部に複数の軸方向回転子通風路を有し、前記回転子軸に固定された回転子とを備え、前記軸方向背面通風路と前記隙間及び前記回転子通風路に冷媒を通風させる電動機において、前記回転子の下流側端部に、前記軸方向回転子通風路と連通するような径方向通風路を備えていることを特徴とする。

本発明の電動機によれば、回転子内に設けた複数の軸方向通風路に導かれた冷媒の一部が、下流側端部では軸方向通風路に連結された径方向通風路によって径方向外側向きの流れとなり、回転子外部へ放出されるため、その冷媒によって下流側固定子コイル端部を冷却でき、固定子コイルの温度を低減できると共に、径方向通風路から吹き出される冷媒は、回転子の回転による周方向成分も有するため、回転子下流部に旋回流を形成でき、固定子コイル端部の雰囲気温度を攪拌し均一化できるので、固定子コイルなどの周方向温度分布の不均一を緩和できる効果があり、容量増大やコンパクト化に影響されることなく冷却性能が十分に確保される電動機を得ることができる。

本発明の電動機の一例としての車両用電動機を示し、図１（ａ）は全体構造の上側半分を示した断面図、図１（ｂ）は回転子鉄芯固定部材部分を示した断面図、図１（ｃ）は回転子下流側端部を示した断面図である。（実施例１）本発明の回転子から放出される冷媒流れを示した図であり、図２（ａ）は径方向通風路を通って回転子の外表面から放出される冷媒流れの概略を示した図、図２（ｂ）は回転子の背面に形成される冷媒流れの概略を示した図である。（実施例１）本発明の第２の実施例である回転子下流側端部の通風構造を示した概略図であり、図３（ａ）が回転子鉄芯固定部材部分を示した断面図、図３（ｂ）が回転子下流側端部を示した断面図である。（実施例２）本発明の第３の実施例である回転子下流側端部の通風構造を示した概略図であり、図４（ａ）が回転子下流側端部を示した断面図、図４（ｂ）が回転子下流側端部の通風構造の拡大図である。（実施例３）従来例としての車両用電動機を示し、図５（ａ）は車両用電動機全体の上側半分を示した断面図、図５（ｂ）は長手方向中心位置での断面図、図５（ｃ）は吸気部および排気部近傍を合わせて示した断面図である。

容量増大やコンパクト化に影響されることなく冷却性能が十分に確保される電動機を提供するという目的を簡単な構成で実現した。

本発明の一実施例について、図１及び図２を用いて説明する。

本発明の車両用電動機の全体構成は、回転子の下流側端部構造を除いて、図５に示した従来の車両用電動機と同様であるため、本実施例の特徴以外の説明は省略する。

図１及び図２において、２２は回転子９の下流側端部の回転子鉄芯固定材１３に設けたダクトカバー、２３は回転子鉄芯固定材の外表面とダクトカバー２２とで構成された径方向通風路、２４は回転子９の回転方向、２５は径方向通風路２３を通って回転子９の外表面から放出される冷媒の速度である。

本実施例の構造では、回転子９の下流側端部の回転子鉄芯固定材１３に設けた貫通孔１４を覆うようにダクトカバー２２が設置されている。本実施例では、回転子鉄芯固定材１３の貫通孔１４は、周方向に８つ設けてあり、それに対して１つ間隔でダクトカバー２２を設置した場合の例を示した。本構造では、回転子鉄芯固定材１３の外表面に設置したダクトカバー２２により、回転子９の下流側端部には、回転子鉄芯固定材１３の貫通孔１４に連通した径方向通風路２３が形成される。

そして、回転子９内の複数の回転子通風路１２内に流入した冷媒２１は、回転子９での発熱部位を冷却しながら回転子９の下流側端部へと向かう。回転子９の下流側端部において、冷媒２１の一部は、回転子鉄芯固定材１３の貫通孔１４より回転子９背面に放出され、他は回転子鉄芯固定材１３の貫通孔１４に連通した径方向通風路２３を通って、回転子９の外表面から固定子コイル３の下流側端部に向けて放出される。

本実施例の構造とすれば、回転子鉄芯固定材１３の貫通孔１４より回転子９の背面に放出される冷媒により軸受１７を冷却できるとともに、径方向通風路２３を通って回転子９外表面から放出される冷媒によって、固定子コイル３も冷却できる。車両用電動機においては、固定子コイル３でのジュール損による発熱が大きいため、その冷却性能向上に効果がある。

図２において、２６は径方向通風路２３を通って回転子９の外表面から放出される冷媒流れの径方向速度、２７は径方向通風路２３から放出される冷媒の周方向速度、２８は回転子９の背面に形成される旋回流である。

該図に示す如く、径方向通風路２３を通って回転子９から外表面に放出される冷媒２１は、径方向速度２６と周方向速度２７の合成となる。そのため、回転子９の背面外周部には旋回流２８が形成され、これにより固定子コイル端部周囲の冷媒は攪拌されることになり、温度が均一化される。そのため、その近傍に位置する固定子コイル３の周方向温度分布の不均一を緩和できる効果も期待できる。

また、本実施例の構造のように、新たな通風流路を付加すると、一般的に通風抵抗が増大し、流入する冷媒流量を低下させる恐れがある。しかし、本実施例による通風構造では、回転子９の下流側端部に径方向通風路２３を設置する構造であるため、回転子９の回転により径方向通風路２３内に駆動圧が生じ、通風流路を付加したことによる通風抵抗の増大による冷媒流量の低下を防止できる。

回転子９に備えた径方向通風路２３に生じる駆動圧ΔＰは、ρを冷媒密度、ωを角速度、Ｒ₁を回転子軸中心から回転子通風路の中心までの距離、Ｒ₂を回転子軸中心から半径方向通風路出口までの距離とすると次式で定義される。

本実施例の構造による冷媒流量の増減は、径方向通風路２３の付加による通風損失と回転による駆動圧の大小関係で決まる。

一般的な車両用電動機の体格，条件から半径方向通風路を付加したことによる通風損失の増大分は５０〜１００Ｐａ程度、それに対し、回転による駆動圧は１５０Ｐａ程度で、両者の関係は、通風損失＜駆動圧となり、回転子９内に流入する冷媒流量は、増大する傾向にある。また、Ｒ₂の長さ、すなわちダクトカバー２２の長さを調節すれば、駆動圧を変更できるため、回転子９内への冷媒流量を従来構造と同程度にすることも容易にできる。

このように本実施例の構造にすれば、新たな通風流路を付加して通風抵抗が増大し、冷媒流量が低下することもない。

本発明の第２の実施例について、図３を用いて説明する。

本実施例の構造では、回転子９の下流側端部の回転子鉄芯固定材１３の一部に、回転子通風路１２に連通するような径方向通風溝２９を設けている。本実施例では、回転子鉄芯固定材１３に径方向通風溝２９と貫通孔１４をそれぞれ４個ずつ設け、それぞれを交互に配置した例を示した。

本実施例の構造とすれば、回転子９の下流側端部において、新たな設置部材を設けることなく、回転子通風路１２に連通した径方向通風路を形成でき、実施例１と同様の効果を期待できる。さらに、回転子９を構成する部品点数を増加させることがなく、回転子９の重量増大を防止でき、コンパクト化の効果もある。

本発明の第３の実施例について、図４を用いて説明する。

図４において、３０は回転子鉄芯固定材１３に設置する傾斜付きダクトカバー、３１は傾斜付きダクトカバーの内面に設置する傾斜板である。

本実施例では、回転子９の下流側端部の回転子鉄芯固定材１３の外表面の一部に傾斜板３１が設置され、さらに回転子鉄芯固定材１３に設けた貫通孔１４を覆うように傾斜付きダクトカバー３０が設置されている。

本実施例の構造とすれば、回転子９の下流側端部において、回転子通風路１２と連通する部位より径方向外側に向かうほど下流方向への傾斜を有した径方向通風路２３を形成できる。そのため、径方向通風路２３を通って回転子９の外表面から放出される冷媒の流れを、固定子コイル３の端部方向に向けることができ、固定子コイル３のさらなる冷却性能向上が期待できる。

固定子と回転子を備えた電動機や発電機などの回転電機において、回転子内に複数の軸方向通風路を有する構造に対して本発明を用いれば、冷却性能を向上できる。特に、固定子コイルの温度低減に有効である。

１フレーム
２固定子
３固定子コイル
４固定子鉄芯
５背面ダクト
６背面通風路
７固定子鉄芯固定材
８固定子鉄芯固定材の貫通孔
９回転子
１０回転子鉄芯
１１永久磁石
１２回転子通風路
１３回転子鉄芯固定材
１４回転子鉄芯固定材の貫通孔
１５エアギャップ
１６回転子軸
１７軸受
１８吸気ダクト
１９吸気孔
２０排気孔
２１冷媒
２２ダクトカバー
２３径方向通風路
２４回転方向
２５径方向通風路から放出される冷媒の速度
２６径方向通風路から放出される冷媒の径方向速度
２７径方向通風路から放出される冷媒の周方向速度
２８旋回流
２９径方向通風溝
３０傾斜付きダクトカバー
３１傾斜板

Claims

電動機フレームと、該電動機フレームに固定され固定子と、該固定子の外周部に設けられた複数の軸方向背面通風路と、前記電動機フレームに軸受を介して回転自在に支持された回転子軸と、前記固定子の内周部に前記固定子との間に隙間を介して配置され、内部に複数の軸方向回転子通風路を有し、前記回転子軸に固定された回転子とを備え、前記軸方向背面通風路と前記隙間及び前記回転子通風路に冷媒を通風させる電動機において、
前記回転子の下流側端部に、前記軸方向回転子通風路と連通するような径方向通風路を備えていることを特徴とする電動機。
請求項１に記載の電動機において、
前記径方向通風路は、複数の前記回転子通風路の一部分のみと連通していることを特徴とする電動機。
請求項１又は２に記載の電動機において、
前記径方向通風路は、前記回転子の回転子鉄芯固定材の外表面に設けられたダクトカバーと前記回転子鉄芯固定材の外表面とで構成されていることを特徴とする電動機。
請求項１又は２に記載の電動機において、
前記径方向通風路は、前記回転子の回転子鉄芯固定材の内表面に径方向通風溝を設けて構成されていることを特徴とする電動機。
請求項１乃至４のいずれかに記載の電動機において、
前記径方向通風路は、前記軸方向回転子通風路と連通する部分より前記回転子の径方向外側に向かうほど下流方向への傾斜を有していることを特徴とする電動機。