JP2012200068A

JP2012200068A - 回転電機

Info

Publication number: JP2012200068A
Application number: JP2011061944A
Authority: JP
Inventors: Tomohiko Miyamoto; 知彦宮本; Tetsuo Wakita; 哲夫脇田
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp; Aisin Corp
Priority date: 2011-03-22
Filing date: 2011-03-22
Publication date: 2012-10-18
Also published as: US20120242178A1

Abstract

【課題】回転電機において、コイルエンドを囲む冷却ジャケットからコイルのリード線を引き出す際に、冷媒が漏れることを抑制することである。
【解決手段】回転電機のステータは、ステータコア２２と、ステータコアの軸方向に沿って設けられるスロット内に巻回され、ステータコアの軸方向の前端と後端に巻回の端部がコイルエンドとして突き出し、巻線の一端がリード線５２，５４，５６として外部に引き出されるコイルと、ステータコア２２の軸方向の前端と後端との間を液密として、内部にコイルエンドと冷却オイルを収容する空間を有する環状の冷却ジャケット３０とを備える。冷却ジャケット３０は、コイルエンドの上端２５を基準位置としてその上方に予め定められた高さ位置ｈに設けられ、リード線５２，５４，５６が外部に引き出される開口部４０を有する。
【選択図】図３

Description

本発明は、回転電機に係り、特に、ステータのコイルエンドを囲む冷却ジャケットを備える回転電機に関する。

回転電機は、ロータとステータから構成され、ステータコアに巻回されるコイルに流れる電流とロータ磁極との相互作用で回転する。ステータコアに巻回されるコイルは通電によって発熱するので、冷却が行われる。

例えば、特許文献１には、モータジェネレータの冷却構造として、ステータコアのスロットにコイルを収容してステータコア内周面に開口するスロットの開口部を閉塞し、ステータコアの前端と後端にそれぞれの端部から突き出すコイルエンドを囲んで液密的な環状空間を形成する冷却ジャケットを備える構造が開示されている。ここでは、冷却ジャケットの下方に冷媒の入口、上方に冷媒の出口を設けることで、冷媒が上に行くほど温度上昇して密度が小さく軽くなり、浮力を伴って上方への流れが加速され流れが淀まないと述べられている。

特開２００５−３２３４１６号公報

特許文献１には、ステータコアから突出するコイルエンドを囲む冷却ジャケットを液密構造として冷媒を流して冷却を行うことが述べられている。ところで、ステータコアに巻回されるコイルは、通電するために外部に引き出されるリード線を有する。特許文献１では、冷却ジャケットを液密構造とするので、このリード線を冷却ジャケットから引き出す際のシールが複雑となることが考えられる。

本発明の目的は、コイルエンドを囲む冷却ジャケットからコイルのリード線を引き出す際に、冷媒が漏れることを抑制す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、軸方向を水平方向として配置されるロータと、ロータの外側に配置されるステータコアと、ステータコアの軸方向に沿って設けられるスロット内に巻回され、ステータコアの軸方向の前端と後端に巻回の端部がコイルエンドとして突き出し、巻線の一端がリード線として外部に引き出されるコイルと、ステータコアの軸方向の前端と後端との間を液密として、内部にコイルエンドと冷却オイルを収容する空間を有する環状の冷却ジャケットと、を備え、冷却ジャケットは、コイルエンドの上端を基準位置としてその上方に予め定められた高さ位置に設けられ、コイルのリード線が外部に引き出される開口部を有することを特徴とする。

また、本発明に係る回転電機において、冷却オイルの液面高さがコイルエンドの上端に設定されることが好ましい。

また、本発明に係る回転電機において、冷却ジャケットに設けられる開口部の高さ位置ｈは、冷却ジャケットの環状形状の外径Ｄと、コイルエンドの外径ｄと、回転電機の許容傾き角度θとに基づいて設定されることが好ましい。

また、本発明に係る回転電機において、開口部にはめ込まれ、リード線を通す穴を有する蓋部を有することが好ましい。

上記構成によれば、回転電機は、ステータコアの軸方向の前端と後端との間を液密として、内部にコイルエンドと冷却オイルを収容する空間を有する環状の冷却ジャケットを備える。そして、冷却ジャケットは、コイルエンドの上端を基準位置としてその上方に予め定められた高さ位置に設けられ、コイルのリード線が外部に引き出される開口部を有する。冷却ジャケットの中の冷却オイルは、コイルエンドを冷却するためであるので、コイルエンドの上方にリード線を引き出すために開口部を設けることで、冷却オイルが外部に漏れることはない。このように簡単な構造で、冷却オイルが漏れることなくコイルのリード線を外部に引き出すことができる。

また、回転電機において、冷却オイルの液面高さがコイルエンドの上端に設定されるので、コイルエンドの絶縁と冷却とを十分に行うことができる。

また、回転電機において、冷却ジャケットに設けられる開口部の高さ位置ｈは、冷却ジャケットの環状形状の外径Ｄと、コイルエンドの外径ｄと、回転電機の許容傾き角度θとに基づいて設定されるので、回転電機が傾いても、冷却オイルが外部に漏れることが抑制される。

また、回転電機において、開口部にはめ込まれ、リード線を通す穴を有する蓋部を有するので、冷却オイルが外部に漏れることをさらに抑制できる。

本発明に係る実施の形態の回転電機におけるステータ部分の斜視図である。本発明に係る実施の形態の回転電機における断面図である。本発明に係る実施の形態の回転電機において、ステータにおける軸方向の端面から見た様子を示す側面図である。本発明に係る実施の形態の回転電機において、冷却ジャケットの開口部の高さ位置の設定を説明する図である。ステータの冷却ジャケットに開口部を設ける他の例を説明する図である。図５において、ステータにおける軸方向の端面から見た様子を示す側面図である。図６を用いて、ステータの冷却ジャケットの開口部に蓋部を設ける様子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、回転電機として、ステータコアにＵ相、Ｖ相、Ｗ相の３相コイルが巻回され、３本のリード線がコイルエンドから引き出される３相回転電機を述べるが、これは説明のための例示であって、これ以外の構成の回転電機であって、コイルエンドが冷却される一方で、コイルエンドから外部に引き出されるリード線がある回転電機であればよい。また、回転電機として車両搭載用のものを述べるが、これも説明のための例示であって、車両搭載用以外の用途の回転電機であってもよい。

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から図３は、車両搭載用の３相回転電機１０の中でステータ２０の構成を抜き出して示す図で、図１は斜視図、図２は断面図、図３はステータの軸方向の端面から見た側面図である。図２に示されるように、回転電機１０は、ロータ１２と、ロータ１２の外側に配置されるステータ２０を含んで構成され、ロータ１２およびステータ２０の中心軸１４は、その軸方向を水平方向として配置される。そのことを示すために、図１から図３に、直交する３軸であるＸＹＺ軸の方向を示した。ここで、Ｚ軸方向は重力方向で、Ｘ軸方向は中心軸１４に沿った水平方向で、Ｙ軸方向はＸ軸に直交する水平方向である。すなわち、回転電機１０は、出力軸が水平方向に配置される横置き型である。

ステータ２０は、ステータコア２２と、コイルエンド２４，２６と、冷却ジャケット３０，３２を含んで構成される。

ステータコア２２は、ステータ２０の本体部に相当する円筒状部材で、所定形状に打ち抜かれた電磁鋼板を複数枚積層して構成される。ステータコア２２は、内周側から外周方向に径方向に延びるスロットと呼ばれる溝が周方向に沿って複数個設けられる。隣接するスロットの間の電磁鋼板部分はティースと呼ばれ、このティースにステータコイルが巻回される。３相回転電機１０の場合、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３つの相に対応して、Ｕ相コイル、Ｖ相コイル、Ｗ相コイルが予め定められた巻線配置で、ステータコア２２のティースの周り、すなわち、スロットの中に巻回される。

コイルエンド２４，２６は、ステータコア２２のティースの周りに巻回されたコイルが、ステータコア２２の軸方向の両端における端部２１，２３から突き出た部分のことである。コイルエンド２４，２６は、ステータコア２２の端部２１，２３の外側に、円環状に巻線が集合した形状を有する。

リード線５２，５４，５６は、３相回転電機１０のＵ相コイル、Ｖ相コイル、Ｗ相コイルのそれぞれの一方端から外部に引き出される引出線である。リード線５２，５４，５６はコイルエンド２４，２６のいずれか一方側から引き出される。図２に示されるように、ステータコア２２の軸方向の両端の２つの端部２１，２３の内、−Ｚ方向の端部を前端、＋Ｚ方向の端部を後端と呼ぶことにすると、ここでは、前端の端部２１の側のコイルエンド２４からリード線５２，５４，５６が引き出されている。このように、ステータ２０の軸方向の前端と後端を定義すると、図３は、前端の端部２１から見た側面図である。なお、Ｕ相コイル、Ｖ相コイル、Ｗ相コイルのそれぞれの他方端は相互に接続されて、中性点とされる。

冷却ジャケット３０は、ステータコア２２の軸方向の前端の端部２１との間を液密として、内部にコイルエンド２４と冷却オイル６０を収容する空間を有する環状部材である。この環状部材は、内部が中空のドーナツ形状を半分に切った円環状バス形状を有し、その半分に切ったところの開口部がステータコア２２の軸方向の前端の端部２１と向かい合い、円環状バスのくぼんだ底面壁と端部２１とで囲まれた空間が、コイルエンド２４と冷却オイル６０の収容空間となる。

冷却ジャケット３０とステータコア２２の軸方向の前端の端部２１との間から冷却オイル６０が漏れないように、冷却ジャケット３０の円環状開口部とステータコア２２の前端の端部２１との間は、液密となるように密着して配置される。なお、ステータコア２２の内周側は、上記のようにスロットの開口部があるので、このスロットの内周側の開口部も、適当なシール材で液密とされる。例えば、樹脂でスロットの内周側の開口部が塞がれる。

冷却ジャケット３２も同様に、ステータコア２２の軸方向の後端の端部２３との間を液密として、内部にコイルエンド２６と冷却オイル６０を収容する空間を有する環状部材である。

冷却オイル６０は、電気絶縁性を有する油で、コイルエンド２６を冷却する機能と、複数の巻線が重なっているコイルエンド２４，２６において巻線相互間の絶縁を確保する機能を有する。冷却ジャケット３０に設けられる供給口２８は、冷却オイル６０が冷却ジャケット３０側に供給されるオイル流入口で、排出口２９は、冷却ジャケット３０側に供給された冷却オイル６０が冷却ジャケット３０とステータコア２２のスロットと冷却ジャケット３２を循環して外部に排出されるオイル流出口である。

ここでは、冷媒である冷却オイル６０として、車両に搭載されるトランスミッション装置を潤滑するＡＴＦと呼ばれる潤滑油を３相回転電機１０にも循環させて用いることができる。その場合は、供給口２８、排出口２９は、図示されていないトランスミッション装置の潤滑油経路に接続される。

冷却ジャケット３０の＋Ｚ方向の上端部に設けられる開口部４０は、コイルエンド２４から引き出されるリード線５２，５４，５６を通すための穴である。リード線５２，５４，５６は、冷却ジャケット３０の内部に収容されるコイルエンド２４からこの開口部４０を通って外部に引き出される。

冷却オイル６０はコイルエンド２４の部分に供給されれば冷却機能と絶縁確保機能を満たせるので、冷却オイル６０の液面位置６１はコイルエンド２４の上端２５までとすることができる。そこで、コイルエンド２４の上端２５よりも上方に開口部４０を設け、その開口部４０からリード線５２，５４，５６を引き出すことにすれば、冷却オイル６０が開口部４０から溢れることもなく、リード線５２，５４，５６を簡単に外部に引き出すことができる。

ところで、開口部４０の開口面積が広すぎると、開口部４０から冷却オイル６０が外部に漏れることがあり得るので、開口部４０はできるだけ小さい穴寸法であることが好ましい。したがって、リード線５２，５４，５６は、開口部４０のところで根元部分５０として１箇所に集められ、開口部４０を通って十分外側に出たところで、外部と接続するために、適当な間隔で離されて分けられる。

また、車両搭載用の回転電機１０は、走行中の振動等で傾斜することがある。出力軸が水平方向に配置される横置き型の場合、出力軸周りに傾斜することで、開口部４０から冷却オイル６０が溢れ出ることがあり得る。図３で、その傾き角度θを図示した。この傾き角度θによって、開口部４０が中心軸１４を回転中心として傾き角度θだけ傾くと、冷却オイル６０の液面位置６１を基準とした開口部４０の高さ位置ｈが小さな値となる。したがって、ｈがゼロからマイナスとなると、開口部４０から冷却オイル６０が溢れ出ることが生じる。

そこで、回転電機１０が傾斜しても冷却オイル６０が開口部４０から溢れ出ることがないように、開口部４０の高さ位置が設定される。開口部４０の高さ位置は、冷却ジャケット３０の環状形状の外形と、コイルエンド２４の外形と、回転電機１０の許容傾き角度とに基づいて設定することができる。

図４は、冷却ジャケット３０の円環形状の外径をＤ、半径をＲとし、コイルエンド２４の円環形状の外径をｄ、半径をｒとし、これらの円環形状の中心位置はいずれも中心軸１４と一致する構造を例として、開口部４０の高さ位置の設定の仕方を説明する模式図である。ここでは、回転電機１０が傾斜していないときの冷却オイル６０の液面位置６１がコイルエンド２４の上端２５の位置として、回転電機１０が傾斜したときに、開口部４０がどのように傾くかが示される。

ここでは、回転電機１０が傾斜していないときの開口部４０の高さ位置を、液面位置６１であるコイルエンド２４の上端２５を基準位置として、そこから上方にｈ離れた位置であるとして示されている。ここで上方とは、＋Ｚ方向で、重力方向と逆方向である。そのときのＹ方向、つまり水平方向に沿った開口部４０の端部の高さ位置が両端位置７０，７２で示されている。

図４に示されるように、回転電機１０が傾き角度でθ傾くと、開口部４０の両端位置７０，７２を結ぶ線が中心軸１４の周りにθ回転する。図４の紙面で反時計方向にθ傾くと、開口部４０の端部の高さ位置は、両端位置７４，７６となる。このように、開口部４０の端部の高さ位置が当初の端部の高さ位置から変わり、両端位置７４，７６の一方側は下方に移動し、冷却オイル６０の液面位置６１まで下がることがある。また、図４の紙面で時計方向にθ傾くと、開口部４０の端部の高さ位置は、両端位置７８，８０となる。ここでも開口部４０の端部の高さ位置が当初の端部の高さ位置から変わり、両端位置７８，８０の他方側は下方に移動し、冷却オイル６０の液面位置６１まで下がることがある。

図４では、傾き角度θのときに、開口部４０の端部の高さ位置がちょうど液面位置６１となるときの様子が示されている。傾き角度θで、開口部４０の端部が液面位置６１と一致するとき、液面位置６１を基準とした元々の開口部４０の高さ位置ｈは、図４に示されるように、ｈ＝（Ｒ²−ｒ²）^1/2×ｔａｎθと計算される。したがって、回転電機１０が水平位置にあるときに、液面位置６１であるコイルエンド２４の上端２５から上方に、この高さ位置ｈとなるところに、開口部４０を設ければ、回転電機１０が傾き角度θで傾いても、開口部４０から冷却オイル６０が溢れることがない。

上記では、冷却ジャケット３０とコイルエンド２４が中心軸１４を同心軸とする円環形状としたが、同心配置でなく、コイルエンド２４に対し、冷却ジャケット３０が上方に偏心配置されるものとしてもよい。また、冷却ジャケット３０は円形以外の環状形状であってもよい。いずれの場合も、開口部４０の高さ位置は、冷却ジャケット３０の環状形状の外形と、コイルエンド２４の外形と、回転電機１０の許容傾き角度とに基づいて設定することができる。

このように、冷却ジャケット３０において、予め設定された高さ位置に開口部４０を設けることで、冷却オイル６０を溢れ出すことなく、リード線５２，５４，５６を外部に引き出すことができるが、そのためには、上記のように、リード線５２，５４，５６の根元部分５０を集めることが必要である。

コイルエンド２４において、Ｕ相コイル、Ｖ相コイル、Ｗ相コイルのそれぞれの一方端は、回転電機１０の極数にもよるが、中心軸１４を中心位置として、周方向に沿った角度で３０度から６０度の範囲の中で、均等角度間隔で引き出される。例えば、４５度の角度範囲でそのまま３つのリード線を引き出すとすると、それらを通す開口部の穴はかなり大きなものとなる。

図５、図６は、コイルエンド２４におけるＵ相コイル、Ｖ相コイル、Ｗ相コイルのそれぞれの一方端を根元部分で集めることをしないで、そのまま外部に引き出すときのステータ１００の様子を示す図である。図５は図１に対応する斜視図、図６は図３に対向する側面図である。

このステータ１００では、冷却ジャケット１０２の開口部１０４は、かなり大きな切り欠きとなっている。この大きな切り欠きである開口部１０４から、コイルエンド２４におけるＵ相コイル、Ｖ相コイル、Ｗ相コイルのそれぞれの一方端１０６，１０８，１１０は、根元部分で集めることをしないで、そのまま外部に引き出すことができる。したがって、ステータコア２２のコイルエンド２４からのリード線５２，５４，５６の根元部分の処理が不要となる。

その反面、開口部１０４がかなり大きな切り欠きとなるので、開口部１０４から冷却オイル６０が溢れ出ない液面位置１１２がかなり下方となる。冷却オイル６０の排出口１１４もかなり下方の高さ位置で設けられることになる。したがって、コイルエンド２４，２６の冷却性能、絶縁確保性能に対する要求があまり高くない回転電機について、図５、図６の構造が有効となる。

図７のステータ１２０は、図５、図６の開口部１０４に、シール１２２を設けたものである。シール１２２は、３本のリード線５２，５４，５６を通すための通し穴１３２，１３４，１３６を有して、開口部１０４を塞ぐ蓋部材である。シール１２２は、通し穴１３２，１３４，１３６のところで２つに分かれる２体構造とすることができる。このように、開口部１０４にシール１２２を設けることで、冷却オイル６０の液面位置６１を図１から図３で説明したものと同程度にすることができる。

図１から図３で説明した構造の開口部４０についても、図７で説明したシール１２２と同様なものを用いることができ、それにより、冷却オイル６０の溢れ出しをさらに抑制することができる。

本発明に係る回転電機は、コイルエンドを冷却する回転電機に利用できる。

１０回転電機、１２ロータ、１４中心軸、２０，１００，１２０ステータ、２１，２３端部、２４，２６コイルエンド、２５上端、２８供給口、２９，１１４排出口、３０，３２，１０２冷却ジャケット、４０，１０４開口部、５０根元部分、５２，５４，５６リード線、６０冷却オイル、６１，１１２液面位置、７０，７２，７４，７６，７８，８０（開口部の）両端位置、１０６，１０８，１１０（コイルの）一方端、１２２シール、１３２，１３４，１３６穴。

Claims

軸方向を水平方向として配置されるロータと、
ロータの外側に配置されるステータコアと、
ステータコアの軸方向に沿って設けられるスロット内に巻回され、ステータコアの軸方向の前端と後端に巻回の端部がコイルエンドとして突き出し、巻線の一端がリード線として外部に引き出されるコイルと、
ステータコアの軸方向の前端と後端との間を液密として、内部にコイルエンドと冷却オイルを収容する空間を有する環状の冷却ジャケットと、
を備え、
冷却ジャケットは、
コイルエンドの上端を基準位置としてその上方に予め定められた高さ位置に設けられ、コイルのリード線が外部に引き出される開口部を有することを特徴とする回転電機。
請求項１に記載の回転電機において、
冷却オイルの液面高さがコイルエンドの上端に設定されることを特徴とする回転電機。
請求項２に記載の回転電機において、
冷却ジャケットに設けられる開口部の高さ位置ｈは、冷却ジャケットの環状形状の外径Ｄと、コイルエンドの外径ｄと、回転電機の許容傾き角度θとに基づいて設定されることを特徴とする回転電機。
請求項１に記載の回転電機において、
開口部にはめ込まれ、リード線を通す穴を有する蓋部を有することを特徴とする回転電機。