JP2011097761A - 回転電機用冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回転電機冷却装置において、ステータの冷却をより十分に行うことである。
【解決手段】回転電機冷却装置２０は、回転電機のロータ１２の周面に対向して設けられるステータ１４の上方外周面に沿って配置され、ステータ１４を冷却するための冷却液８の流路を形成する冷却液ガイド部２２と、冷却液ガイド部２２の配置方向に沿って相互に異なる吐出目標位置にそれぞれ向いて設けられる複数の吐出孔３２，３４を有し、各吐出孔３２，３４から冷却液８を冷却液ガイド部２２に吐出して供給する吐出用パイプ３０と、冷却液ガイド部２２に設けられ、複数の吐出孔３２，３４から吐出される冷却液８をそれぞれ区分する区分堰２４とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は回転電機用冷却装置に係り、特に、ステータを冷却する冷却液を供給する回転電機用冷却装置に関する。

モータや発電機等の回転電機のステータに巻回されたコイルに電流が流れると、コイルが発熱しコイルおよびステータコアの温度が上昇する。この温度上昇によって回転電機の効率が低下するため、温度上昇するコイルおよびステータを適切に冷却する必要があり、そのために冷却装置が用いられる。

例えば、特許文献１には、回転電機の冷却装置として、ステータコイルのコイルエンドに冷却油を供給する冷却油パイプがステータコアおよびコイルエンドの鉛直方向最上点の上方に回転軸方向に沿って配設され、吐出孔からコイルエンドの外周面における着油点に向かって冷却油を吐出することが述べられている。ここで冷却油パイプと吐出孔は、着油点における接線に対し２５度から３０度の入射角で冷却油が入射するように配置されていることが開示されている。

また、特許文献２には、回転電機内のコイルエンド外周から上方に離間した位置においてコイルエンド外周に沿って樋を延設し、樋の底面に複数の冷却液供給口が設けられることが開示されている。ここでは実施形態２として、樋がその流路の途中において各冷却液供給口の下流で冷却液を堰き止める堰を設けることが述べられ、実施形態３には、樋の頂部位置において底板と冷却液の流下方向である樋の長手方向と直交するように底板に立設される２つの遮蔽壁によって冷却液槽を設けることが述べられている。

特開２００６−１１５６５１号公報 特開２００４−１８０３４６号公報

従来技術に述べられているように、回転電機の冷却装置としては、ステータの上方に冷却液を流す流路としての樋等のガイドを設け、そのガイドに冷却液を供給し、そのガイドに設けられる吐出口からステータに向かって冷却液を吐出し、ステータを冷却することが行われる。

ところで、回転電機の小型化等の構造上の制約から、ガイドに対する冷却液の供給元をガイドの真上に設けることが困難な場合があると、ガイドに対する冷却液の供給がガイドの長手方向に対し必ずしも均等にできないことが生じる。また、ガイドを設ける場合に、回転電機全体が傾斜すると、ガイドにおける流れが不均一になることが生じ得る。このようにガイドに対する冷却液の供給が不均一になると、ステータの冷却を十分に行えないことが生じる。

本発明の目的は、ステータの冷却をより十分に行うことができる回転電機冷却装置を提供することである。他の目的は、ガイドに対する冷却液の供給元をガイドの真上に設けられない場合でもステータの冷却をより十分に行うことができる回転電機冷却装置を提供することである。さらに他の目的は、回転電機が傾斜してもステータの冷却をより十分に行うことができる回転電機冷却装置を提供することである。以下の手段は、これらの目的の少なくとも１つに貢献する。

本発明に係る回転電機用冷却装置は、ロータの周面に対向して設けられるステータの上方外周面に沿って配置され、ステータを冷却するための冷却液の流路を形成する冷却液ガイド部と、冷却液ガイド部の配置方向に沿って相互に異なる吐出目標位置にそれぞれ向いて設けられる複数の吐出孔を有し、各吐出孔から冷却液を冷却液ガイド部に吐出して供給する吐出用パイプと、冷却液ガイド部に設けられ、複数の吐出孔から吐出される冷却液をそれぞれ区分する区分堰と、を備えることを特徴とする。

また、本発明に係る回転電機冷却装置において、区分堰は、両側の区分をそのままにして中間で分離され、冷却液ガイド部が複数の分離ガイドに分離されることが好ましい。

また、本発明に係る回転電機用冷却装置において、吐出用パイプは、ステータの鉛直方向の頂部からずれたオフセット位置に配置されることが好ましい。

また、本発明に係る回転電機用冷却装置において、冷却液ガイド部は、ステータに巻回されるコイルがステータの軸方向端部から張り出す領域であるコイルエンドの外周面に沿って配置されることが好ましい。

上記構成により、回転電機用冷却装置は、ロータの周面に対向して設けられるステータの上方外周面に沿って配置される冷却液ガイド部に区分堰が設けられ、吐出用パイプの複数の吐出孔から吐出される冷却液をそれぞれ区分する。これにより、冷却液ガイド部の各区分に冷却液を均等に近く供給することができ、回転電機をより十分に冷却することができる。また、回転電機が傾斜しても区分堰によって冷却液の区分が行われるので、回転電機が傾斜したときでもステータの冷却をより十分に行うことができる。

また、回転電機冷却装置において、区分堰は、両側の区分をそのままにして中間で分離され、冷却液ガイド部が複数の分離ガイドに分離されるので、各分離ガイドに冷却液を均等に近く供給することができ、回転電機をより十分に冷却することができる。また、回転電機が傾斜しても各分離ガイドによって冷却液の区分が行われるので、回転電機が傾斜したときでもステータの冷却をより十分に行うことができる。

また、回転電機用冷却装置において、吐出用パイプは、ステータの鉛直方向の頂部からずれたオフセット位置に配置されるので、冷却液ガイド部に対する冷却液の供給元を冷却液ガイド部の真上に設けられない場合でもステータの冷却をより十分に行うことができる。

また、回転電機用冷却装置において、冷却液ガイド部は、ステータに巻回されるコイルがステータの軸方向端部から張り出すコイルエンドの外周面に沿って配置される。ステータの発熱源はコイルであるので、コイルエンドを冷却することで効果的にステータを冷却することができる。

本発明に係る実施の形態の回転電機冷却装置が設けられる回転電機の様子を説明する正面図である。 図１に対応する側面図である。 他の実施形態の回転電機冷却装置が設けられる回転電機の様子を説明する図である。 本発明に係る実施の形態の回転電機冷却装置の作用を説明する図である。 比較例として、従来技術の回転電機冷却装置の作用を説明する図である。

以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。以下では、回転電機冷却装置として、車両に搭載される回転電機に設けられるものを説明するが、車両搭載用以外の回転電機に設けられるものであってもよい。例えば、工場設置の回転電機等であってもよい。

また、以下で説明する冷却液ガイド部、吐出用パイプ等の形状は説明のための例示であって、回転電機の形状等に応じて適宜変更が可能である。

以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、本文中の説明においては、必要に応じそれ以前に述べた符号を用いるものとする。

図１は、車両に搭載される回転電機に用いられる回転電機冷却装置２０の構成を説明する正面図であり、図２はこれに対応する側面図である。ここでは、回転電機として、回転軸１０に取り付けられるロータ１２と、ロータ１２の周面に対向して設けられるステータ１４とが示されている。ステータ１４は、ステータコア１６と、ステータコア１６に巻回されるコイルがステータの軸方向端部から張り出す領域であるコイルエンド１８として示されている。

なお、これらの図に、相互に直交する３つの基準軸としてＸＹＺ軸が示されている。ここで、Ｘ軸は回転軸１０の長手方向、Ｚ軸は重力方向に平行な鉛直方向、Ｙ軸はＸ軸とＺ軸に直交する軸である。

回転電機冷却装置２０は、冷却液ガイド部２２と吐出用パイプ３０とを含んで構成される。なお、図１には、回転電機冷却装置２０の直接的な構成要素ではないが、冷却液８が図示されている。冷却液８としては、冷却油、冷却水等を用いることができ、冷却油は回転電機の潤滑油を兼ねるものとしてもよい。

冷却液ガイド部２２は、ステータ１４の上方外周面に沿って配置され、ステータ１４を冷却するための冷却液８の流路を形成する機能を有する部材である。具体的には、ステータ１４の上方外周面に沿うように湾曲し、ステータ１４に向かい合って底部を有し、底部の反対側は開口し、両端部も開口している湾曲樋部材である。

もっとも、底部の反対側が閉じられている湾曲管状部材を冷却液ガイド部として用いることもできる。この場合には、後述する吐出用パイプ３０の吐出口に対応する位置に開口部が設けられる。また、冷却液ガイド部２２の湾曲する両先端部である両端部を閉じた形状としてもよい。

また、図２に示されるように、冷却液ガイド部２２は、ステータコア１６とコイルエンド１８のそれぞれの上方外周面に沿って配置されているが、これをコイルエンド１８の上方外周面に沿ってのみ配置するものとできる。ステータ１４の発熱源はコイルであるので、コイルエンド１８のみを冷却することで、小型の冷却液ガイド部でありながら効率的にステータ１４を冷却することが可能となる。

冷却液ガイド部２２は、図１に示されるように、回転電機が通常の姿勢関係にあるときの鉛直方向軸であるＺ軸に対して対称な配置関係で、ステータ１４の上方外周面に沿って配置される。ここで上方とは＋Ｚ軸方向をいうので、冷却液ガイド部２２の頂部１１は、Ｚ軸と交わる位置となる。

冷却液ガイド部２２の底部に設けられる複数の冷却液供給口２５は、冷却液ガイド部２２を流れる冷却液をステータ１４に向かって流下させて供給するための孔である。冷却液供給口２５は、冷却液ガイド部２２の長手方向に沿って一定間隔で設けられる。もっとも、冷却液ガイド部２２の湾曲形状を考慮して、頂部１１から離れるに従って徐々に配置間隔を変更するものとしてもよい。

冷却液ガイド部２２に設けられる区分堰２４は、冷却液ガイド部２２を複数の部分に分離する分離手段である。ここでは、冷却液ガイド部２２を２つの区分ガイド２６，２８に区分する仕切壁として区分堰２４が示されている。区分数は後述する吐出用パイプ３０の吐出孔３２，３４の数に対応して２つであるが、場合によってさらに区分数を増やすものとしてもよい。なお、区分堰２４の機能等については後述する。

吐出用パイプ３０は、図示されていない冷却液供給源から冷却液８が供給されるパイプである。冷却液供給源としては、回転電機の底部から冷却液を汲み上げるポンプ等を用いることができる。場合によっては、回転電機のロータ１２の回転を利用して冷却液を汲み上げて吐出用パイプ３０に供給するものとできる。また、回転電機の外側に配置される独立の冷却液循環ポンプ等を用いることもできる。

吐出用パイプ３０は、冷却液ガイド部２２の頂部１１の真上ではなく、そこからオフセットした位置に、回転電機の軸方向に沿って、冷却液ガイド部２２の上方外周に平行に少し離間して配置される。このオフセットは、回転電機と回転電機冷却装置２０等を含む回転電機システムの小型化等で、吐出用パイプ３０が冷却液ガイド部２２の頂部１１の真上に配置できないとき等に生じる。

吐出用パイプ３０に設けられる２つの吐出孔３２，３４は、冷却液ガイド部２２の長手方向である配置方向に沿って、相互に異なる吐出目標位置にそれぞれ向いて設けられ、冷却液８をそれらの吐出目標位置に吐出させるための孔である。ここでは吐出目標位置が、先ほどの区分堰２４によって区分される２つの区分ガイド２６，２８のそれぞれとされる。

すなわち、吐出孔３２は、区分ガイド２６に向かって開口し、吐出孔３２から吐出される冷却液８は、区分ガイド２６に供給され、区分ガイド２８には供給されない。また、吐出孔３４は、区分ガイド２８に向かって開口し、吐出孔３４から吐出される冷却液８は、区分ガイド２８に供給され、区分ガイド２６には供給されない。

先ほどの区分堰２４は、これら吐出孔３２，３４からそれぞれ吐出された冷却液８が、それぞれの吐出目標とする区分ガイド２６，２８にそれぞれ正しく供給されるようにする機能を有する。また、区分堰２４は、一方の区分ガイドに一旦供給された冷却液８が他方の区分ガイドに流れ込むことを防止する機能を有する。例えば、区分ガイド２６に供給された冷却液８は、この区分堰２４によって区分ガイド２８に流れ込むことができず、逆に区分ガイド２８に供給された冷却液８は区分ガイド２６に流れ込みことができない。このように、区分堰２４は、冷却液８を各区分ガイド２６，２８に分離する分離手段である。

なお、図３に示すように、区分堰２４を中央部で切断し、２つの分離ガイド２７，２９に分離するものとしてもよい。この場合には、区分堰は、両側の区分をそのままにして中間で分離され、冷却液ガイド部２３が複数の分離ガイド２７，２９に分離されることになる。

上記構成の作用を以下に詳細に説明する。図示されていない冷却液供給源から冷却液８が吐出用パイプ３０に供給されると、吐出用パイプ３０の吐出孔３２，３４から冷却液８が冷却液ガイド部２２に向かって吐出される。このときに、吐出孔３２から吐出された冷却液８は冷却液ガイド部２２の区分ガイド２６に供給され、吐出孔３４から吐出された冷却液８は冷却液ガイド部２２の区分ガイド２８に供給される。

そして、区分堰２４の作用によってこの冷却液８の吐出がきちんと区分され、また、区分ガイド２６に一旦供給された冷却液８は区分ガイド２８に流れ込むことがなく、逆に区分ガイド２８に一旦供給された冷却液８は区分ガイド２６に流れ込むことがない。換言すれば、吐出用パイプ３０は、２つの吐出孔３２，３４を用いて、区分堰２４をまたいで冷却液ガイド部２２に向かって冷却液８を吐出する。これによって、冷却液８は、冷却液ガイド部２２において、区分堰２４によって区分され仕切られた２つの区分ガイド２６，２８に分かれて供給されることになる。

冷却液ガイド部２２の２つの区分ガイド２６，２８にそれぞれ供給された冷却液８は、それぞれの区分ガイドの中を流れ、その底部の冷却液供給口２５から流下して、ステータ１４に供給される。これによってステータ１４が冷却される。ステータ１４に供給された冷却液８は、ステータ１４を伝って回転電機の下部に流れ落ち、図示されていない冷却液回収部によって回収され、冷却液供給源に戻される。このようにして冷却液８はステータ１４を冷却しながら循環する。

図４は、回転電機が傾斜した場合の回転電機冷却装置２０の作用を説明する図である。傾斜は、Ｙ軸、Ｚ軸が図１に対し回転していることで示されている。回転電機冷却装置２０は回転電機と相対的位置関係が固定されるので、回転電機が傾斜すると回転電機冷却装置２０も同様に傾斜する。この傾斜によって、吐出用パイプ３０の２つの吐出孔３２，３４の吐出方向が鉛直方向に対し、図１と異なる方向となる。

この場合でも、区分堰２４があるので、この傾斜にもかかわらず、吐出孔３２から吐出された冷却液８は冷却液ガイド部２２の区分ガイド２６に供給され、吐出孔３４から吐出された冷却液８は冷却液ガイド部２２の区分ガイド２８に供給される。つまり、回転電機の傾斜に関係なく、冷却液８は、２つの区分ガイド２６，２８にきちんと分配される。この分配により、回転電機の回転にもかかわらず、冷却液８はステータ１４を十分に冷却することができる。

図５は、図１、図４と比較するために、区分堰を設けない冷却液ガイド部２１を用いる従来技術の作用を説明する図である。この場合も、吐出用パイプ３１は、冷却液ガイド部２１の頂部１１の真上ではなく、そこからオフセットした位置に配置されるものとする。そして、吐出用パイプ３１に設けられる吐出孔３３は１種類で、冷却液ガイド部２１の底面にほぼ垂直に冷却液８を吐出すように開口が設けられている。

図５の左側の図は、回転電機が通常の姿勢状態の場合で、図１に対応する状態を示す図である。ここで、吐出用パイプ３１は上記のように冷却液ガイド部２１の頂部１１の真上からオフセットして配置されるので、吐出孔３３から吐出された冷却液８は、その流速によっては冷却液ガイド部２１の頂部１１を越えて向こう側に流れることができないことが生じる。つまり、冷却液ガイド部２１に供給された冷却液８の流速によっては、図５で例示的に×印で示した位置から向こう側に冷却液８が供給されないことが生じる。これによってステータ１４の冷却が不十分となることが生じる。

これを補うために冷却液８の量を増やすと、吐出孔３３が１つであるので、冷却液ガイド部２１の吐出目標位置に集中して吐出が行われるため、冷却液ガイド部２１から冷却液８が溢れることが生じやすくなる。冷却液ガイド部２１を大きくすると、回転電機システムが大型化する。

図５の右側の図は、回転電機が傾斜した場合で、図４に対応する状態を示す図である。
この傾斜状態は、吐出用パイプ３０の吐出孔３３から供給された冷却液８が冷却液ガイド部２１を流れることに対し有利な方向である。したがって、吐出孔３３から吐出された冷却液８は、冷却液ガイド部２１の頂部１１を越えて向こう側に流れることができる。

これに対し、傾斜が逆方向となると、その傾斜が不利に働く。すなわち、吐出孔３３から吐出された冷却液８は、その流速によっては冷却液ガイド部２１に供給された位置から頂部１１に向かってほとんど流れることができず、下方にのみ流れて、ステータ１４を均一に冷却できないことが生じる。

このように、従来技術の構成によれば、回転電機の傾斜状態、冷却液ガイド部２１における冷却液８の流速によって、冷却液ガイド部２１に冷却液８が不均一に流れ、その冷却液供給口２５からステータ１４に供給される冷却液８に偏りが生じる。したがって、ステータ１４を十分に冷却できないことが生じる。

これに対し図１、図４の構成によれば、２つの吐出孔３２，３４と区分堰２４の作用によって、回転電機の傾斜に関係なく、２つの区分ガイド２６，２８に冷却液８が分配されるので、ステータ１４を十分に冷却できる。また、２つの吐出孔３２，３４からの冷却液８の吐出流速に関係なく、２つの区分ガイド２６，２８に冷却液８が分配されるのでステータ１４を十分に冷却できる。

さらに、吐出用パイプ３０から２方向に分けて吐出されるので、各区分ガイド２６，２８に供給される冷却液８が吐出孔が１つの場合に比べ少ない量となるので、冷却液ガイド部２２から冷却液８が溢れにくくなり、冷却液ガイド部２２の小型化を図ることができる。

また、吐出用パイプ３０の２つの吐出孔３２，３４の吐出量を加減することで、２つの区分ガイド２６，２８に供給される冷却液８の量を変更できる。図１、図４の例では、オフセットがあるので、区分堰２４の左右の区分ガイド２６，２８がカバーするステータ１４の領域が均等ではない。区分ガイド２８の方が区分ガイド２６に比べ、冷却を受け持つステータ１４の部分が広いので、その分冷却液８を多めに供給することが好ましい。このような冷却液８の分配量の調整を、吐出孔３２，３４からの吐出量で行うことができる。例えば、区分ガイド２８に向かい合う吐出孔３４の孔径と、区分ガイド２６に向かい合う吐出孔３２の孔径とを異ならせ、吐出孔３４からの吐出量を吐出孔３２からの吐出量より多くするものとできる。

本発明に係る回転電機冷却装置は、回転電機のステータを冷却する冷却液を供給する冷却装置に利用できる。

８ 冷却液、１０ 回転軸、１１ 頂部、１２ ロータ、１４ ステータ、１６ ステータコア、１８ コイルエンド、２０ 回転電機冷却装置、２１，２２，２３ 冷却液ガイド部、２４ 区分堰、２５ 冷却液供給口、２６，２８ 区分ガイド、２７，２９ 分離ガイド、３０，３１ 吐出用パイプ、３２，３３，３４ 吐出孔。

Claims (4)

1. ロータの周面に対向して設けられるステータの上方外周面に沿って配置され、ステータを冷却するための冷却液の流路を形成する冷却液ガイド部と、
   冷却液ガイド部の配置方向に沿って相互に異なる吐出目標位置にそれぞれ向いて設けられる複数の吐出孔を有し、各吐出孔から冷却液を冷却液ガイド部に吐出して供給する吐出用パイプと、
   冷却液ガイド部に設けられ、複数の吐出孔から吐出される冷却液をそれぞれ区分する区分堰と、
   を備えることを特徴とする回転電機用冷却装置。
2. 請求項１に記載の回転電機冷却装置において、
   区分堰は、両側の区分をそのままにして中間で分離され、冷却液ガイド部が複数の分離ガイドに分離されることを特徴とする回転電機冷却装置。
3. 請求項１に記載の回転電機用冷却装置において、
   吐出用パイプは、ステータの鉛直方向の頂部からずれたオフセット位置に配置されることを特徴とする回転電機冷却装置。
4. 請求項１に記載の回転電機用冷却装置において、
   冷却液ガイド部は、ステータに巻回されるコイルがステータの軸方向端部から張り出す領域であるコイルエンドの外周面に沿って配置されることを特徴とする回転電機用冷却装置。

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