JP2013009508A

JP2013009508A - 回転電機の冷却構造

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Publication number: JP2013009508A
Application number: JP2011140272A
Authority: JP
Inventors: Tomohiko Miyamoto; 知彦宮本; Shuhei Matsuzaka; 周平松坂; Koji Kato; 浩二加藤
Original assignee: Aisin AW Co Ltd; Toyota Motor Corp
Current assignee: Aisin AW Co Ltd; Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-06-24
Filing date: 2011-06-24
Publication date: 2013-01-10
Anticipated expiration: 2031-06-24
Also published as: US20140125165A1; US9729027B2; WO2012176052A2; WO2012176052A3; EP2724450A2; CN103620918B; EP2724450B1; EP2724450B8; JP5734765B2; WO2012176052A8; CN103620918A

Abstract

【課題】回転電機の冷却構造において、比較的単純な構成でコイルエンドの冷却範囲を広くして、コイルエンドの温度ばらつきを抑制することである。
【解決手段】回転電機冷却構造は、回転電機１０と、冷却部１２とを含む。回転電機１０は、軸方向両端部に設けられた一対のコイルエンド２２を有するステータ２０を含む。回転軸１６は、冷却液である油が流通する軸側冷媒通路３８を含み、軸側冷媒通路３８は、回転軸１６の外周面のコイルエンド２２よりも軸方向に関して外側に外れた位置に開口する噴出孔４２を有する。噴出孔４２は、コイルエンド２２に衝突した冷却液である油がコイルエンド２２の内周面Ｃ１，Ｃ２と軸方向端面Ａ１，Ａ２との両方に分流するように油を噴出可能とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転可能に設けられる回転軸と、ロータと、ロータの外径側に対向配置され、軸方向端部に設けられたコイルエンドを含むステータとを備える回転電機の冷却構造に関する。

従来から知られている、車両用電動機等の回転電機として、回転軸の外径側に固定されたロータと、ロータの外径側に対向配置されたステータとを備える構成がある。このような回転電機では、使用時にステータに設けられたステータコイルが発熱する場合がある。このことから、ステータコイルに冷媒である冷却液（例えば冷却油）を供給することにより、回転電機を冷却することが考えられる。

例えば、特許文献１では、シャフトの外径側に設けられたロータと、ロータの外径側に対向配置されたステータとを備え、シャフトの中心の軸方向に中心孔が設けられる回転電機が記載されている。また、中心孔から周方向に向かって貫通孔が設けられ、冷却液が流れる配管の先端が中心孔に挿入されている。中心孔に流入した冷却液は、貫通孔からステータコイルエンドに向かって吹き飛ばされ、ステータコイルエンドの径方向内側に衝突し、ステータコイルエンドは冷却液で冷却されるとされている。

特開２００１−９５２０５号公報

上記の特許文献１に記載された構成では、回転軸に設けられた貫通孔から噴出された冷却液がコイルエンドの内周面に衝突している。このため、コイルエンドの一方向である径方向内側に向く狭い面積部分にのみ冷却液がかかり、コイルエンドでの低温部と高温部との間の温度差が大きくなり、温度ばらつきが生じやすい。このため、高温部の温度を効率よく低下させる面から改良の余地がある。これに対して、それぞれコイルエンドの異なる方向に向く面に向かって冷却液を噴出させる複数の噴出孔を設けることも考えられる。ただし、この場合、複数の噴出孔の数が多くなり、構造が複雑となって、回転電機の冷却構造のコストが過度に上昇する可能性がある。このため、比較的単純な構成でコイルエンドの冷却範囲を広くして、コイルエンドの温度ばらつきを抑制することが望まれている。

本発明の目的は、回転電機の冷却構造において、比較的単純な構成でコイルエンドの冷却範囲を広くして、コイルエンドの温度ばらつきを抑制することである。

本発明に係る回転電機の冷却構造は、回転可能に設けられる回転軸と、回転軸の外径側に固定されたロータと、ロータの外径側に対向配置され、軸方向端部に設けられたコイルエンドを含むステータとを備える回転電機の冷却構造であって、回転軸は、冷却液が流通する軸側冷媒通路を含み、軸側冷媒通路は、回転軸の外周面のコイルエンドよりも軸方向に関して外側に外れた位置に開口する噴出孔を有し、噴出孔は、コイルエンドに衝突した冷却液が、コイルエンドの内周面と軸方向端面との両方に分流するように冷却液を噴出可能とすることを特徴とする回転電機の冷却構造である。

また、本発明に係る回転電機の冷却構造において、好ましくは、噴出孔は、回転軸において、軸方向に対し傾斜する方向に設けられている。

また、本発明に係る回転電機の冷却構造において、好ましくは、噴出孔は、コイルエンドの内周面と軸方向端面とが交わる角部に向くように設けられている。

本発明に係る回転電機の冷却構造によれば、噴出孔が、回転軸の外周面のコイルエンドよりも軸方向に関して外側に外れた位置に開口し、コイルエンドに衝突した冷却液が、コイルエンドの内周面と軸方向端面との両方に分流するように冷却液を噴出可能とするので、１つの噴出孔から噴出される冷却液によりコイルエンドの内周面と軸方向端面との両方を直接冷却できる。このため、比較的単純な構成でコイルエンドの冷却範囲を広くして、コイルエンドの温度ばらつきを抑制することができる。

本発明に係る実施形態の回転電機の冷却構造の概略断面図である。本発明に係る実施形態において、コイルエンドが、冷却水により冷却液である油を介して冷却される様子を示す模式図である。比較例の回転電機の冷却構造を、一部を省略して示す図１に対応する図である。

以下において、図１、図２を用いて本発明に係る実施形態を説明する。本実施形態の回転電機の冷却構造は、例えば電気自動車や、燃料電池車や、エンジン及びモータを車両の駆動源として搭載するハイブリッド車両を駆動する走行用のモータとして、または、発電機として、または、その両方の機能を有するモータジェネレータとして使用する回転電機に適用する。例えば、回転電機をモータジェネレータとして使用する場合、主として発電機として使用する第１モータジェネレータ（ＭＧ１）でも、主として走行用モータとして使用する第２モータジェネレータ（ＭＧ２）でも、いずれでも本実施形態の回転電機冷却構造を適用できる。

図１は、本実施形態の回転電機の冷却構造の概略断面図である。図１に示すように、回転電機冷却構造は、回転電機１０と、回転電機１０を冷却する冷却部１２とを備える。回転電機１０は、ケーシングであるモータケース１４に軸受により回転可能に支持された回転軸１６と、回転軸１６の中間部の外径側に固定されたロータ１８と、ロータ１８の外径側にエアギャップを介して対向配置されたステータ２０とを備える。ステータ２０は、モータケース１４の内周面に固定されている。このような回転電機１０は、冷媒であり、冷却液である油を、ステータ２０に設けられたコイルエンド２２に供給することにより冷却する。

すなわち、ステータ２０は、複数の電磁鋼板を軸方向に積層することにより構成され、積層体等の磁性材により形成されるステータコア２４と、ステータコア２４の内周面の周方向複数個所に径方向に突出形成されたティース２６と、ティース２６に巻装された複数相（例えば３相の）ステータコイル２８とを含む。ステータコイル２８において、ステータコア２４の軸方向両側面よりも外側に突出する部分により、一対のコイルエンド２２が形成されている。ステータコア２４は、モータケース１４の内面に固定されている。複数相のステータコイル２８は、集中巻きまたは分布巻きでステータコア２４に巻装されている。

モータケース１４は、ステータ２０とロータ１８とを収容している。ロータ１８は、複数の電磁鋼板を軸方向に積層することにより構成される積層体等の磁性材により形成されるロータコア３０と、ロータコア３０の周方向複数個所に配置された永久磁石（図示せず）とを含む。永久磁石は、ロータ１８の径方向、または径方向に対し傾斜した方向に着磁している。ロータコア３０の軸方向両側に一対のエンドプレート（図示せず）を設けて、一対のエンドプレートによりロータコア３０を軸方向両側から挟持することもできる。

また、図示の例では、ステータ２０の軸方向長さを、ロータ１８の軸方向長さよりも大きくしている。このため、各コイルエンド２２の軸方向外端面Ａ１，Ａ２は、ロータ１８の軸方向両端面Ｂ１，Ｂ２よりも軸方向外側（「軸方向外側」とは、回転軸１６の軸方向両端に近い側をいい、逆に「軸方向中央側」とはロータ１８の軸方向中央に近い側をいう。本明細書全体及び特許請求の範囲で同じである。）に設けられている。

このような回転電機１０では、複数相のステータコイル２８に複数相の交流電流を流すことで、ステータ２０に回転磁界を生じさせ、ロータ１８を回転軸１６とともに回転させることができる。なお、以上は、回転電機１０が永久磁石型回転電機である場合を説明したが、ロータ１８にロータコイルを設ける等により、回転電機１０を誘導電動機等とすることもできる。

また、モータケース１４の下部内側に冷却液である潤滑油等の油の溜まり部３２が設けられている。溜まり部３２の油は、オイルポンプ３４によって回転軸１６へ供給可能としている。すなわち、本実施の形態の回転電機冷却構造に設けられた冷却部１２は、油を流す接続路であるオイル経路３６と、オイル経路３６に設けられたオイルポンプ３４とを備える。オイルポンプ３４は、駆動により、溜まり部３２から油を汲み上げ、回転電機１０に油を供給する。

また、回転軸１６の内部に軸側冷媒通路３８が設けられている。軸側冷媒通路３８は、回転軸１６の内部の中心軸上に設けられた軸方向通路４０と、軸方向通路４０に連通する複数の噴出孔４２とを含む。すなわち、軸方向通路４０の軸方向２個所位置のそれぞれで、軸方向に関してコイルエンド２２よりも軸方向外側に外れた位置の周方向複数個所に、軸方向に対し傾斜した方向にそれぞれ伸びる直線状の噴出孔４２が設けられている。各噴出孔４２は、軸方向通路４０に径方向（「径方向」とは、回転軸１６の中心軸に対し直交する方向をいう。本明細書全体及び特許請求の範囲で同じである。）内端を接続するとともに、各噴出孔４２の径方向外端を回転軸１６の外周面に開口させている。すなわち、回転軸１６は、回転可能に設けられ、冷却液である油が流通する軸側冷媒通路３８を含む。また、軸側冷媒通路３８は、回転軸１６の外周面の各コイルエンド２２よりも軸方向に関してそれぞれ外側に外れた位置に開口する複数の噴出孔４２を有する。

また、各噴出孔４２は、コイルエンド２２の内周面Ｃ１，Ｃ２と軸方向端面Ａ１，Ａ２とが交わる角部Ｇ１，Ｇ２に向くように設けられている。このため、各噴出孔４２は、コイルエンド２２に衝突した冷却液が、コイルエンド２２の内周面Ｃ１，Ｃ２と軸方向端面Ａ１，Ａ２との両方に分流するように油を噴出可能としている。

また、回転軸１６に設けられた軸側冷媒通路３８にオイル経路３６の下流端が挿入され、回転軸１６の回転にかかわらずオイル経路３６から軸側冷媒通路３８に油を供給可能としている。また、モータケース１４の下部に設けられた排出口４４が、オイル経路３６の上流端に接続されている。すなわち、オイル経路３６は、モータケース１４の下部と軸側冷媒通路３８とを接続している。軸側冷媒通路３８の、オイル経路３６の接続側とは反対側の端部（図１の右端部）開口は、図示しない塞ぎ部材により塞いでいる。また、冷媒として機能する油として、例えば、オートマチックトランスミッションフルード（ＡＴＦ）等の、変速装置の潤滑に使用する油を使用できる。

また、モータケース１４の底部の内部や、底部外側にウォータジャケット４６（図２）を設けることで、ウォータジャケット４６にＬＬＣ等の冷却水を流すこともできる。ウォータジャケット４６は、モータ側冷却水経路であり、モータケース１４外の外部冷却水経路（図示せず）と接続されている。外部冷却水経路には、熱交換器（図示せず）が設けられ、熱交換器で外部を通過する空気との熱交換により、冷却水が冷却される。図２は、本実施形態において、コイルエンドが、冷却水により冷却液である油を介して冷却される様子を示す模式図である。この場合、図２に示すように、ＭＧで示す回転電機１０が油（ＡＴＦ）４８により冷却され、モータケース１４とウォータジャケット４６とを介して油４８が、冷却水５０により冷却される。

なお、図１に戻って、排出口４４からオイル経路３６に排出された油を、オイルパン等で冷却したり、外気または冷却水と油とを熱交換させる適宜の熱交換部で冷却してから、軸側冷媒通路３８に油を供給することもできる。

また、ステータ２０の軸方向両側に設ける一対のコイルエンド２２の一方または両方のコイルエンド２２の外周面の周辺部に温度センサ（図示せず）を設けて、温度センサによりコイルエンド２２の温度を検出することもできる。

このような回転電機冷却構造の使用時には、オイルポンプ３４が駆動することで、油の溜まり部３２から軸側冷媒通路３８に油が供給され、噴出孔４２からコイルエンド２２の角部Ｇ１，Ｇ２に向けて、径方向外側に向かうほどステータ２０の軸方向中央側になるように傾斜する方向に噴出される。

コイルエンド２２の角部Ｇ１，Ｇ２に衝突した油は、コイルエンド２２の内周面Ｃ１，Ｃ２と軸方向端面Ａ１，Ａ２との両方の面に分流され、コイルエンド２２の内周面Ｃ１，Ｃ２をステータ２０の軸方向中央側に流れ、コイルエンド２２の軸方向端面Ａ１，Ａ２を径方向外側へ流れ、いずれの場合もその後、溜まり部３２に向け流下する。溜まり部３２に溜まった油はオイルポンプ３４で吸い上げられ、回転軸１６の軸側冷媒通路３８に向け吐出され、このことが繰り返される。この結果、ステータ２０の各コイルエンド２２が冷却される。

上記の回転電機冷却構造によれば、各噴出孔４２が、回転軸１６の外周面の同じ側（図１の左側または右側）のコイルエンド２２よりも軸方向に関して外側に外れた位置に開口し、各コイルエンド２２に衝突した油が、各コイルエンド２２の内周面Ｃ１，Ｃ２と軸方向端面Ａ１，Ａ２との両方の面に分流するように油を噴出可能とする。このため、１つの噴出孔４２から噴出される油によりコイルエンド２２の内周面Ｃ１（またはＣ２）と軸方向端面Ａ１（またはＡ２）との両方を直接冷却できる。このため、過度に多くの噴出経路を使用することなく、比較的単純な構成で、各コイルエンド２２の冷却範囲を広くして、各コイルエンド２２の温度ばらつきを抑制することができる。

これに対して、図３は、比較例の回転電機の冷却構造を、一部を省略して示す、図１に対応する図である。図３では、図１に示したモータケース１４（図１参照）及びモータケース１４外のオイル経路３６（図１参照）を省略している。図３の比較例では、回転軸１６に外嵌したロータコア３０の軸方向両側に一対のエンドプレート５２を配置し、一対のエンドプレート５２によりロータコア３０を軸方向両側から挟んでいる。各エンドプレート５２の内部には、ロータ側冷媒通路（図示せず）が設けられている。

また、回転軸１６の中心軸上に軸側冷媒通路３８の軸方向通路４０を形成するとともに、軸方向通路４０の軸方向中間部２個所位置からそれぞれ複数個放射状に伸びる径方向部（図示せず）を形成している。さらに、各径方向部の径方向外端を回転軸１６の外周面に開口させるとともに、各エンドプレート５２の内部に形成した複数個のロータ側冷媒通路（図示せず）の一端に通じさせている。各ロータ側冷媒通路の他端は、各エンドプレート５２の外周面で、同じ側（図３の左側または右側）のコイルエンド２２の軸方向端面Ａ１，Ａ２よりも軸方向に関して内側、すなわち中央側に開口させている。このため、軸側冷媒通路３８に供給された冷却液である油は、各エンドプレート５２の外周面から各コイルエンド２２の内周面に向け噴出される。噴出された油は、各コイルエンド２２の内周面を軸方向外側に向かって流れ、その後流下する。

このような比較例では、回転軸１６の内部からエンドプレート５２を通じて噴出された油がコイルエンド２２の内周面Ｃ１，Ｃ２に衝突している。このため、各コイルエンド２２の一方向である径方向内側に向く狭い面積部分にのみ油がかかり、各コイルエンド２２の別方向である軸方向外側に向く端面Ａ１，Ａ２には油がかからない。したがって、各コイルエンド２２での低温部と高温部との間の温度差が大きくなり、温度ばらつきが生じやすい。このため、通常、温度センサが取り付けられる高温部となる各コイルエンド２２の外周面の温度が高くなりやすく、各コイルエンド２２の外周面の温度を効率よく低下させる面から改良の余地がある。このため、比較例では、各コイルエンド２２の冷却範囲を広くして、各コイルエンド２２の温度ばらつきを抑制することが望まれている。

これに対して、上記の図１、図２に示した実施形態の回転電機冷却構造では、比較的単純な構成で、各コイルエンド２２の広い面積部分に効率よく油がかかるようにすることができ、各コイルエンド２２の温度差を小さくして各コイルエンド２２の温度ばらつきを抑制することができる。このため、各コイルエンド２２のうちで、最も高温となりやすい外周面の温度を低下させることができるとともに、各コイルエンド２２の温度ばらつきを小さくすることができる。したがって、温度センサを取付可能な取り付け部位の範囲を広くすることもできる。また、ステータ２０を所望の温度に低下させるために必要な油量を少なくできるので、オイルポンプ３４の駆動力の低減を図れ、回転電機冷却構造を車両に搭載する場合の燃費の低減を図れる。さらに、ステータコイル２８の使用時の温度を低下できるので、ステータコイル２８の絶縁性能を緩く、すなわち低く設定しても、回転電機１０に必要とされる性能を維持できる。このため、絶縁性能で余裕がある分、回転電機１０の耐圧性能を高くでき、性能向上を図れる。

なお、回転電機１０の回転軸１６が使用時に回転し、回転に伴って噴出孔４２から噴出される油には遠心力が作用するが、回転軸１６の回転速度にかかわらず、噴出された油が各コイルエンド２２の角部Ｇ１，Ｇ２に衝突し、内周面Ｃ１，Ｃ２と軸方向端面Ａ１，Ａ２とに分流するようにすることが実用性を高くする面から好ましい。ただし、回転電機１０の特定の回転速度の範囲のみで、噴出孔４２から噴出された油が各コイルエンド２２の角部Ｇ１，Ｇ２に衝突し、内周面Ｃ１，Ｃ２と軸方向端面Ａ１，Ａ２とに分流するようにすることもできる。また、噴出孔４２から噴出された油がコイルエンド２２の角部Ｇ１，Ｇ２に衝突するのであれば、図１に示すように噴出された油が直線状になる場合に限定せず、下流側に向かってラッパ状に広がるように油を噴出させることもできる。

また、図１の実施形態で、図１に二点鎖線で示すように、オイルポンプ３４から吐出された油が、回転軸１６の軸側冷媒通路３８に供給されるとともに、モータケース１４の上側から各コイルエンド２２の上面に向けて噴出させ、油を流下させることにより各コイルエンド２２を冷却することもできる。この場合も、各噴出孔４２から噴出された油により軸方向端面Ａ１，Ａ２と内周面Ｃ１，Ｃ２との両方を冷却できるので、各コイルエンド２２の上側から噴出される油の量を減らすことができ、その場合でも、比較的単純な構成でコイルエンド２２の冷却範囲を広くして、コイルエンド２２の温度ばらつきを抑制できる。

また、モータケース１４内に、他の回転電機のロータ及びステータや、遊星歯車装置等の変速機構を設けることもできる。例えば、ハイブリッド車両の動力発生機構であるトランスアクスルユニットを構成するトランスアクスルケースにより、モータケースの機能を持たせることもできる。

また、図１の構成で、ロータコア３０の軸方向両側に一対のエンドプレートを配置し、一対のエンドプレートによりロータコア３０を軸方向両側から挟む場合、軸側冷媒通路３８を構成する各噴出孔４２は、回転軸１６の外周面において、軸方向に関して各エンドプレートの外側面よりも軸方向外側に外れた位置で開口させる。

なお、各コイルエンド２２は、ワニス等により固めることにより構成することができるが、樹脂中に包埋して樹脂コイルエンドを形成することもできる。また、ロータコア３０は、複数の鋼板を積層してなる積層体により構成する以外に、磁性粉末を加圧成形してなる圧粉磁心により構成することもできる。また、冷却液として、油以外、例えば冷却水等を用いることもできる。

１０回転電機、１２冷却部、１４モータケース、１６回転軸、１８ロータ、２０ステータ、２２コイルエンド、２４ステータコア、２６ティース、２８ステータコイル、３０ロータコア、３２溜まり部、３４オイルポンプ、３６オイル経路、３８軸側冷媒通路、４０軸方向通路、４２噴出孔、４４排出口、４６ウォータジャケット、４８油（ＡＴＦ）、５０冷却水、５２エンドプレート。

Claims

回転可能に設けられる回転軸と、
回転軸の外径側に固定されたロータと、
ロータの外径側に対向配置され、軸方向端部に設けられたコイルエンドを含むステータとを備える回転電機の冷却構造であって、
回転軸は、冷却液が流通する軸側冷媒通路を含み、
軸側冷媒通路は、回転軸の外周面のコイルエンドよりも軸方向に関して外側に外れた位置に開口する噴出孔を有し、
噴出孔は、コイルエンドに衝突した冷却液が、コイルエンドの内周面と軸方向端面との両方に分流するように冷却液を噴出可能とすることを特徴とする回転電機の冷却構造。
請求項１に記載の回転電機の冷却構造において、
噴出孔は、回転軸において、軸方向に対し傾斜する方向に設けられていることを特徴とする回転電機の冷却構造。
請求項１または請求項２に記載の回転電機の冷却構造において、
噴出孔は、コイルエンドの内周面と軸方向端面とが交わる角部に向くように設けられていることを特徴とする回転電機の冷却構造。