JP2012191809A - 回転電機の冷却構造 - Google Patents

Abstract

【課題】回転軸を横にして設置される回転電機において、上方から供給される冷却液のコイルエンド下側部分への供給を改善する。
【解決手段】コイルエンドの上方に配置された冷却液供給口２６から供給される冷却液のうち、コイルエンド上側部分２２ａを通過して、その内周から滴下する冷却液を導液部材２８で受ける。導液部材２８の底部に設けられた滴下孔３２より冷却液を滴下する。滴下した冷却液は、回転軸１６の近傍を通過し、コイルエンド下側部分２２ｂの、回転軸１６の直下に隣接する部分に直接送られる。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転電機を冷却するための構造に関し、特にコイルエンドの冷却に関する。

原動機として内燃機関と回転電機を備えたハイブリッド車両が知られている。回転電機は、車両を駆動する動力を発生する電動機として機能すると共に、制動時に車両の運動エネルギを電気エネルギに変換する発電機としても機能する。以下では、電動機と発電機およびこれら双方の機能を発揮し得る電気機器とを回転電機と記して説明する。回転電機が、内燃機関のトランスアクスルまたはトランスミッションと一体化されたハイブリッド車両用の動力装置が実用化されている。この動力装置においては、回転電機はトランスアクスル等のケース内に収められており、外気による直接冷却が望めず、トランスアクスル等の潤滑油あるいは液圧による機器制御用の作動液を介して冷却が行われている。

下記特許文献１には、回転軸を横にして設置される回転電機において、コイルエンドの上方からコイルエンドに向けて油を噴射して冷却する技術が記載されている。

特開平０８−１３０８５６号公報

回転電機のコイルエンドの温度を均一にしたいという要求がある。コイルエンドの一部に、冷却が不十分であるために温度が高い部分があると、この部分において耐熱性を担保する必要がある。そのために、冷却能力を高めたり、またはコイルに流す電流を制限したりする必要が生じる。

上記特許文献１の技術のように、コイルエンドに、その上方から冷却用の液体を掛けて冷却を行う場合、コイルエンドの下側部分に十分に液体がかからない部分が生じ、冷却が十分に行われないという問題がある。

本発明は、回転軸を横にして設置される回転電機のコイルエンド、特にコイルエンドの下側部分を効果的に冷却する構造を提供することを目的とする。

本発明の回転電機の冷却構造は、回転電機の回転軸が横になるように設置され、この回転電機のコイルエンドに、コイルエンドの上方に設けられた液供給口より液体を供給して回転電機、特にそのコイルエンドを冷却するものである。コイルエンドは、コイル導線が束になっている部分であるが、コイル導線間またはコイル導線とコアの間に隙間のある部分がある。コイルエンドの上方から供給された液体は、一部がコイルエンド上側部分の前記コイル導線間等の隙間を通って下方に滴下する。本発明の回転電機の冷却構造は、この滴下してくる液体を受け、これを、コイルエンドの下側部分、特に回転電機の回転軸の直下の部分またはこれに隣接する部分に直接送る導液部材を有する。

導液部材は、コイルエンドの上側部分から滴下する冷却用の液体を受ける開口を有する溝形状を有するものとでき、導液部材の底部に、当該導液部材が受けた前記液体を、回転電機の回転軸の近傍を通過するよう滴下させるための滴下孔を設けるようにできる。

また、導液部材の底部の外面に、下方に向けて導液片を立設させることができ、当該導液片は、導液片の下端から滴下する前記液体が、前記回転軸の近傍を通過する位置に設けるようにできる。

本発明の回転電機の冷却構造によれば、コイルエンド下側部分の回転軸の直下の部分またはその近傍の部分を効率よく冷却することができる。

本発明に係る回転電機の回転軸線に直交する断面を示す図である。 本発明に係る回転電機の回転軸線を含む断面を示す図である。 回転電機のステータ、特にコイルエンドにおけるコイル導線の様態を示す図である。 導液部材の他の例を示す図である。 導液部材の更に他の例を示す図である。 導液部材の更に他の例を示す図である。 導液部材の更に他の例を示す図である。

以下、本発明の実施形態を、図面に従って説明する。図１および図２は、本発明に係る回転電機１０の冷却構造の概略構成を示す図である。図１は回転電機１０の回転軸線に直交する断面図、図２は回転軸線を含む断面図である。

回転電機１０は、円筒または円環形状のステータ１２と、ステータ１２の円筒形状と同軸に配置される円柱または円板形状のロータ１４を有する。ロータ１４の中心を回転軸１６が貫通している。ステータ１２は、内周に周方向に沿って凹凸が配列されたステータコア１８を含む。ステータコア１８の内周に設けられた凹部分にはコイル導線が収められ、このコイル導線が凸部分を巻くようにされてコイル２０が形成されている。コイル２０に電力を供給することにより、ステータ１２の内側の空間に回転する磁界を形成する。言い換えれば、電力を供給したときに回転磁界が形成されるようにコイル２０がステータコア１８に巻回されている。

ステータコア１８内周の凸部分はティース、凹部分はスロットとも呼ばれる。ステータコア１８の端面に隣接する領域では、複数のコイル導線が複雑に束ねられている。このコイル導線の束ねられた部分は、コイルエンドと呼ばれ、以降コイルエンドを符号２２により示す。

図１においては、コイルエンド２２は簡略化して示されている。コイルエンド２２は、実際には図３に例示すように、コイル導線が複雑に束ねられたものである。束ねられたコイル導線の間、およびコイル導線とステータコア１８の間には、隙間があいている部分がある。コイルエンド２２は、全体として断面が方形の円環形状であり、ステータコア１８の円筒端面に隣接して位置する。また、以下の説明において、コイルエンド２２の、回転電機１０の回転軸線を通る水平面より上側の部分と下側の部分を、コイルエンド上側部分２２ａ，コイルエンド下側部分２２ｂと記す。

ロータ１４は、全体として円筒形状であり、ステータ１２の内周、特にティース先端に僅かの隙間をもって配置される。ロータ１４は、ステータ１２により形成される回転磁界と相互作用して回転するように、例えば、その外周面または外周面近傍に永久磁石が埋設されている。また、ロータ１４の周方向にリラクタンスの異なる部分を設け、これと回転磁界との相互作用にてロータ１４を回転するようにすることもできる。回転軸１６は、ロータ１４と一体に回転するようロータに対して固定されている。回転電機１０を電動機として機能させる場合は、回転軸１６は、ロータで発生した回転力を外部に出力する出力軸となり、発電機として機能させる場合は、外部からの回転力を回転電機に入力するための入力軸となる。

コイル２０に電流を流すと発熱する。スロット内のコイル導線においては、発生した熱は周囲のステータコアに流れる。しかし、コイルエンド２２においては、周囲に熱の良導体がなく温度が上昇しやすい。よって、コイルエンド２２の効率的な冷却が望まれている。前述の特許文献１においては、液体による冷却、特に、コイルエンドに、その上方から液体を掛けて冷却を行っている。液体は、気体よりも熱伝導性が良いため、効率的な冷却が期待できる。また、上方から液体を掛け、この液体がコイルエンドを伝って流れる際に熱を奪うようにすることにより、コイルエンドを液体に浸す場合に比べて、液体の量を少なくすることができる。

回転電機１０の冷却においても、コイルエンド２２の上方から液体を掛けてコイルエンドの冷却を行っている。回転電機１０が自動車のトランスアクスル内に配置されるものである場合、冷却用の液体は、トランスアクスルの潤滑油または作動液とすることができる。以下、コイルエンド２２を冷却するための液体を冷却液と記す。冷却液は、不図示のポンプにより供給され冷却液供給管２４の端の開口である冷却液供給口２６より、コイルエンド２２に供給される。冷却液供給管２４は、図において管状の態様で示しているが、回転電機１０を収めるケース（例えば、トランスアクスルケース）に孔をあけることにより形成された流路であってもよい。この場合、冷却液供給口は、前記流路がケースの部材表面に開いた開口である。

回転電機１０の冷却構造においては、冷却液供給口２６は図１に示すように回転電機１０の回転軸線の鉛直上方に配置され、ここから冷却液をコイルエンド２２の外周面に掛ける。冷却液供給口２６の位置は、前記の鉛直上方位置からずれていても、また２個以上設けられてもよい。また、冷却液は、冷却液供給口２６から一旦樋形状の案内流路を介して、コイルエンド２２の一つまたは複数の位置に掛けられてもよい。コイルエンド２２の外周面に掛けられた冷却液は、図１中の矢印Ｙ１，Ｙ２，Ｙ３で示すように、コイルエンド２２に沿って下方に向けて流れる。コイルエンド下側部分２２ｂでは、下方に行くに従ってコイルエンド２２の傾きが少なくなり、コイルエンドに沿って流れず、矢印Ｙ４に示すようにコイルエンド２２から離れ、滴下する冷却液が増える。このため、下側部分２２ｂの左右方向において中央部分には、冷却液が十分に供給されない場合がある。また、コイルエンド下側部分２２ｂでは、冷却液がコイルエンド２２の外周側に偏り、内周側に十分に供給されない場合がある。さらに、コイルエンド２２を伝って流れる冷却液は、流れる間にコイルエンドから熱を奪い、自身の温度が上昇する。このために、コイルエンドの下側で冷却能力が足りない場合がある。

前述のように、コイルエンド２２はコイル導線の間およびコイル導線とステータコアの間に多数の隙間を有している。冷却液供給口２６より供給される冷却液は、その一部が、コイルエンド上側部分２２ａにおいて、この隙間を通って、コイルエンド２２の外周側から内周側に至り、ここから滴下する。この滴下する冷却液は、コイル下側部分２２ｂに向かうが、回転軸１６が邪魔になり、これの真下の部分には供給されない。前述したように、コイルエンドに沿って供給される冷却液が不足しがちであるコイルエンド下側部分２２ｂは、回転軸１６の真下の部分も含む。したがって、コイルエンド下側部分２２ｂにおいて、回転軸１６の真下の部分およびこれに隣接する部分に供給される冷却液を増加させることが望まれる。

回転電機１０の冷却構造は、コイルエンド上側部分２２ａを通過して、コイルエンド２２の内周から滴下する冷却液を受け、受けた冷却液をコイルエンドの、回転軸の真下の部分およびこれに隣接する部分に導く、または送るための導液部材２８を備える。導液部材２８は、回転軸１６の上方に配置され、回転軸１６に向けて滴下する冷却液を、回転軸１６に達する前に受ける。これにより、回転軸１６に掛かって回転軸１６の回転によって飛散する冷却液を少なくし、冷却に寄与する冷却液の量を多くすることができる。また、導液部材２８は、回転軸１６の真上より、更に外側（図１において左右方向）に延びていて良い。これにより、より広範囲で滴下する冷却液を受けることができる。

図２によく表されるように、導液部材２８の横断面形状（長手方向に直交する方向の断面形状）は方形で上方が開口し、これにより導液部材２８は溝または樋形状を呈する。長手方向の端には、端壁３０が設けられ、溝形状の端からの冷却液の流出を防止している。横断面形状は、方形以外の形状でよく、例えば半円形状としてもよい。上方の開口により滴下してくる冷却液を受け入れる。導液部材２８の底面には、受け入れた冷却液をコイルエンド下側部分２２ｂの回転軸の真下およびこれに隣接する部分に冷却液を送るための孔３２が設けられている。この孔３２から滴下した冷却液が、回転軸の真下に隣接する部分に滴下する。つまり、冷却液は孔３２から滴下されることによって、コイルエンド２２を伝って送られるのではなく、回転軸の真下に隣接する部分に直接送られる。以降、孔３２を滴下孔３２と記す。

滴下孔３２の位置は、ここから滴下する冷却液が回転軸１６の近傍を通過する位置に設けられる。好ましくは、滴下孔３２は、図１に示すように回転軸１６の両側に設けることができる。滴下孔３２から滴下した冷却液は、冷却液が不足しがちな、コイルエンド下側部分２２ｂの内周側に供給される。また、回転軸１６の近傍を通過させて滴下することにより、回転軸１６の真下に隣接する部分に冷却液を供給することができ、ここから、コイルエンド２２の傾斜により回転軸１６の真下の部分へ冷却液を供給することができる。

導液部材２８の底部の外面には、外面から突出した部材３４が立設されている。この部材３４は板形状とすることができ、その突出端から冷却液を滴下させる。この部材３４を以下、導液片３４と記す。導液片３４は、前述のように板形状を有し、板面が導液部材２８の長手方向を向くように配置される。また、横方向の寸法は、図２に示すように、導液部材２８の幅と同じでよく、また下に向けて細くなるようにしてもよい。したがって、導液部材２８の長手方向から見た導液片３４は、下向きに狭くなった台形、または三角形とすることができる。また、導液片３４は、均一な厚さの板でなくてもよい。例えば、導液部材２８の底部に近い基部で厚く、先端部で薄くしてもよい。滴下孔３２から流れ出た冷却液は、粘性により、滴下孔３２から直接滴下されず、導液部材２８の底部外面を伝って導液部材の長手方向に流れる場合がある。導液片３４は、この流れを止めて、導液片３４先端から冷却液が滴下するようにする。

導液片３４は、前述の滴下孔３２に隣接して設けることができる。図１に示すように滴下孔３２の外側に設けることにより、導液部材２８の端へと流れ、そこから滴下する冷却液を少なくすることができる。導液片３４の下端から滴下される冷却液も、コイルエンド下側部分２２ｂの、回転軸１６の真下に隣接する部分の内周面に直接送られる。導液部材２８から冷却液が滴下される位置は、回転軸１６の真下の部分に供給するためには、この部分になるべく近いことが好ましい。このために、滴下される冷却液が回転軸の近傍を通過することが好ましい。しかしながら、コイルエンド下側部分２２ｂにおいて内周側に供給される冷却液が不足するという観点からみれば、回転軸１６からやや離れた位置に滴下することも考慮してよい。例えば、回転軸線の真下からの角度θについて左右にθ＝４５°の位置に滴下するようにできる。もちろん、これより内側であってよく、例えばθ＝３０°の位置に、またはθ＝３０°より内側の位置に滴下するようにもできる。

また、図２においては、導液部材２８は、ロータ１４の一方の側（図において左側）に配置しているが、両側に配置することもできる。この場合、冷却液供給管２４の途中に孔をあけるなどして、右側のコイルエンドにも冷却液が掛かるようにすることが好ましい。

図４は、導液部材の他の例を示す図である。導液部材４０は、前述の導液部材２８と同様に溝または樋形状を有している。その相違点は、滴下孔４２と導液片４４の関係にある。滴下孔４２は、導液部材４０の底面にあけられ、導液片４４の厚みの中を通って、導液片４４の下端に開口している。滴下孔４２から流れ出した冷却液は、導液部材４０の底部の外面を伝うことなく、滴下孔４２の開口した位置から、滴下される。

図５は、導液部材の更に他の例を示す図である。導液部材４６は、前述の導液部材２８と同様に溝または樋形状を有し、溝の底面が傾斜している形状である。傾斜は、滴下孔４８に向かって下るように付けられている。また、滴下孔４８の周囲において、導液部材４６の底部の外面が滴下孔４８に向けて下るように傾斜している。これにより、滴下孔４８から流出する冷却液が底部外面を伝って左右に流れることが抑制される。

図６は、導液部材の更に他の例を示す図である。導液部材５０は、導液部材２８と同様に溝または樋形状を有し、導液部材２８との相違点は導液片５４の形状である。導液片５４は、回転軸１６の側方を下方に延び、その先端が内側に曲がって回転軸１６の真下の部分に達している。滴下孔５２から滴下した冷却液は、導液片の折れ曲がった先端部５４ａに当たり、ここから導液片５４を伝って、先端に達し、ここから滴下する。また、滴下孔５２から流れ出し導液片５４を伝う冷却液も、導液片５４の先端に達し、ここから滴下する。導液片５４の先端が回転軸１６の真下部分に進入しているため、コイルエンド下側部分２２ｂの回転軸１６の真下の部分に冷却液を供給することができる。

図７は、導液部材の更に他の例を示す図である。導液部材５６は、回転軸１６の上方を覆うように配置された円弧状に湾曲した板状の部材である。導液部材５６の両端は、回転軸１６の側方近傍に位置する。コイルエンド上側部分２２ａを通過して滴下する冷却液は、導液部材５６に掛かると、冷却液の粘性により導液部材５６を伝って流れ、導液部材５６の両端から滴下する。この両端の位置は、回転軸１６の近傍であるので、コイルエンド下側部分２２ｂの、回転軸１６の真下部分に隣接する部分に冷却液が滴下される。導液部材５６は湾曲した板形状であるが、湾曲した溝とすることもできる。この例では、導液部材５６がなければ回転軸１６に掛かる冷却液を導液部材５６で受け、回転軸１６側方へ導く。冷却液が回転している回転軸１６に掛かると、冷却液は周囲に飛散して、ほとんどはコイルエンド下側部分２２ｂに向かわない。導液部材５６を用いることで、飛散してしまう冷却液をコイルエンド下側部分２２ｂに送ることができる。

図４〜図７に示す導液部材４０，４６，５０，５６も、ロータ１４の軸方向において両側に配置するようにできる。

供給される冷却液が少なく温度が高くなりやすい、コイルエンド下側部分の回転軸１６の真下の部分およびこれに隣接する部分に冷却液を供給することによりコイルエンドの温度むらを減少させることができ、より多くの電流をコイルに流すことが許容される。よって、回転電機の電流密度向上が図られ、小形化、駆動力の増加が期待できる。なお、以上の説明においては、車両のトランスアクスル内に配置された回転電機を挙げたが、冷却液を直接コイルエンドに掛けてコイルエンドの冷却を行う他の回転電機についても上述の各導液部材等を適用することができる。

１０ 回転電機、１２ ステータ、１４ ロータ、１６ 回転軸、２２ コイルエンド、２２ａ コイルエンド上側部分、２２ｂ コイルエンド下側部分、２６ 冷却液供給口、２８，４０，４６，５０，５６ 導液部材、３２，４２，４８，５２ 滴下孔、３４，４４，５４ 導液片。

Claims (3)

1. 回転軸を横にして設置される回転電機の冷却構造であって、
   前記回転電機のコイルエンドに、上方から冷却用の液体を供給する液供給口と、
   コイルエンドの上側部分を通過して滴下する前記液体を受け、受けた前記液体を、コイルエンドの前記回転軸の真下の部分またはこれに隣接する部分に直接送る導液部材と、
   を有する回転電機の冷却構造。
2. 請求項１に記載の回転電機の冷却構造であって、
   前記導液部材は、コイルエンドの上側部分から滴下する前記液体を受ける開口を有する溝形状を有し、
   前記導液部材の底部には、当該導液部材が受けた前記液体を、前記回転軸の近傍を通過するよう滴下させるための滴下孔が設けられた、
   回転電機の冷却構造。
3. 請求項２に記載の回転電機の冷却構造であって、
   前記導液部材の底部の外面には、下方に向けて導液片が立設され、当該導液片は、導液片の下端から滴下する前記液体が、前記回転軸の近傍を通過する位置に設けられている、
   回転電機の冷却構造。

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