JP2013038875A

JP2013038875A - 回転電機

Info

Publication number: JP2013038875A
Application number: JP2011171884A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Suematsu; 真弘末松
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-08-05
Filing date: 2011-08-05
Publication date: 2013-02-21

Abstract

【課題】従来より簡易な構造で冷却液をコイルエンドに供給することができる回転電機を提供する。
【解決手段】内部に冷却液が通過する冷却液流路８４０を備え、コイルエンド１４３の外周から上方に離間した位置からステータコア１４１の軸方向に沿って延設される冷却パイプ８００を有する回転電機であって、コイルエンド１４３上方の冷却パイプ８００の外壁８０１と内壁８０２との間の肉厚部８０４は、ステータコア１４１上方の冷却パイプ８００の外壁８０１と内壁８０２との間の肉厚部８０３より厚く、コイルエンド１４３上方の肉厚部８０４には、冷却液流路８４０内の冷却液をコイルエンド１４３に供給する冷却液端部供給口８１０が設けられている。
【選択図】図３

Description

本発明は、回転電機を冷却する技術に関するものである。

自動車等の車両に搭載されるモータや発電機等の回転電機は、ロータと、ロータの周囲に配設され、ステータコイルが巻回されたステータとを備えている。そして、ロータの回転時にステータコイルに電流が流れると、ステータコイル等が発熱する。これらの発熱は、回転電機の運転効率（回転効率、発電効率）を低下させてしまう。したがって、回転電機の運転効率を維持するために、回転電機を冷却する必要がある。

例えば、特許文献１には、上方で飛散された潤滑油をフレーム上面に貯留し、フレームに設けた油滴下孔からその下方のコイルエンド（ステータコイルにより形成される）に向けて落下させて、コイルエンドを冷却する回転電機が開示されている。

また、例えば、特許文献２には、コイルエンドを冷却するための冷却液の流路をなす桶に、その流路の途中に設けられ、コイルエンドの表面に冷却液を供給するための供給口と、供給口に接続され供給口から流出した冷却液を伝わせるガイドとを設け、冷却液を桶の供給口からガイドを伝わせて、コイルエンドを冷却する回転電機が開示されている。

特開平８−２６１１５２号公報特開２００４−１８０３７６号公報特開２００３−１９９３１８号公報特開２００２−２４７８３０号公報

本発明の目的は、従来より簡易な構造で冷却液をコイルエンドに供給することができる回転電機を提供することにある。

本発明は、回転自在なロータと、前記ロータの周面に対向する環状のステータコア及び前記ステータコアに巻回されるコイルを有するステータと、前記コイルが前記ステータコアの軸方向端部位置から軸方向に張り出すコイルエンドが形成された回転電機であって、内部に冷却液が通過する冷却液流路を備え、前記コイルエンドの外周から上方に離間した位置から前記ステータコアの軸方向に沿って延設される冷却液流路基体を有し、前記コイルエンド上方の冷却液流路基体の外壁と内壁との間の肉厚部は、前記ステータコア上方の冷却液流路基体の外壁と内壁との間の肉厚部より厚く、前記コイルエンド上方の前記肉厚部には、前記冷却液流路内の冷却液を前記コイルエンドに供給する冷却液供給口が設けられている。

本発明によれば、従来より簡易な構造で冷却液をコイルエンドに確実に供給することができる。

本実施形態に係る冷却パイプの固定構造が適用される駆動ユニットの模式断面図である。図１の駆動ユニットのステータ周辺を示す拡大模式断面図である。本実施形態に係る冷却パイプの構成の一例を示す模式断面図である。（Ａ）は、冷却パイプの厚い肉厚部に形成された冷却液供給口内の冷却液の流れを説明する図であり、（Ｂ）は、冷却パイプの薄い肉厚部に形成された冷却液供給口内の冷却液の流れを説明する図である。本実施形態の冷却パイプの変形例を示す模式断面図である。

以下に、本発明の実施形態に係る冷却パイプの固定構造について説明する。

図１は、本実施形態に係る冷却パイプの固定構造が適用される駆動ユニットの模式断面図である。図１に示すように、駆動ユニット１は、回転電機１００，２００と、プラネタリギヤ機構３００と、減速機構４００と、デファレンシャル機構５００と、ドライブシャフト受け部６００と、ケーシング７００を備えている。回転電機１００，２００、プラネタリギヤ機構３００、減速機構４００およびデファレンシャル機構５００は、ケーシング７００内に設けられる。

回転電機１００，２００は、それぞれ、軸受け１２０，２２０を介してケーシング７００に回転可能に取り付けられた回転シャフト１１０，２１０と、回転シャフト１１０，２１０に取り付けられ、該シャフトを中心に回転自在なロータ１３０，２３０と、ロータ１３０，２３０の周面に対向する環状のステータ１４０，２４０とを有する。

ロータ１３０，２３０は、ぞれぞれ、ロータコアと、ロータコアに埋設された磁石とを有する。ロータコアは、例えば鉄又は鉄合金などの板状の磁性体を積層することにより構成される。磁石は、例えば、ロータコアの外周近傍にほぼ等間隔を隔てて配置される。

ステータ１４０，２４０は、それぞれ、リング上のステータコア１４１，２４１と、ステータコア１４１，２４１に巻回されるステータコイル１４２，２４２と、を有する。ステータコイル１４２，２４２は、ステータ１４０，２４０の軸方向端部位置から軸方向に張り出す領域としてコイルエンド１４３，２４３が形成されている。また、ステータコイル１４２，２４２は、それぞれ、ケーブルを介してバッテリ（不図示）と電気的に接続されている。

ステータコア１４１，２４１は、鉄または鉄合金などの板状の磁性体を積層することにより構成される。ステータコア１４１，２４１の内周面上には複数のティース部（不図示）およびティース部間に形成される凹部としてのスロット部（不図示）が形成されている。スロット部は、ステータコア１４１，２４１の周側に開口するように設けられる。

駆動ユニット１の動作時において、エンジン（不図示）から出力された動力は、シャフト２に伝達され、プラネタリギヤ機構３００により２経路に分割される。

上記２経路のうちの一方は、減速機構４００から、デファレンシャル機構５００を介してドライブシャフト受け部６００に伝達される経路である。ドライブシャフト受け部６００に伝達された駆動力は、ドライブシャフト（不図示）を介して車輪（不図示）に回転力として伝達される。

もう一方は、回転電機１００を駆動させて発電する経路である。回転電機１００は、プラネタリギヤ機構３００により分配されたエンジン（不図示）の動力により発電する。回転電機１００により発電された電力は、車両の走行状態や、バッテリの状態に応じて使い分けられる。例えば、車両の通常走行時および急加速時においては、回転電機１００により発電された電力はそのまま回転電機２００を駆動させる電力となる。一方、バッテリにおいて定められた条件の下では、回転電機１００により発電された電力は、不図示のインバータおよびコンバータを介してバッテリに蓄えられる。

回転電機２００は、バッテリに蓄えられた電力および回転電機１００により発電された電力のうちの少なくとも一方の電力により駆動する。回転電機２００の駆動力は、減速機構４００からデファレンシャル機構５００を介してドライブシャフト受け部６００に伝達される。このようにすることで、回転電機２００からの駆動力によりエンジンの駆動力をアシストしたり、回転電機２００からの駆動力のみにより車両を走行させたりすることができる。

一方、ハイブリッド車両の回生制動時には、車輪は車体の慣性力により回転させられる。車輪からの回転力によりドライブシャフト受け部６００、デファレンシャル機構５００および減速機構４００を介して回転電機２００が駆動される。このとき、回転電機２００が発電機として作動する。このように、回転電機２００は、制動エネルギーを電力に変換する回生ブレーキとして作用する。回転電機２００により発電された電力は、インバータを介してバッテリに蓄えられる。なお、回転電機１００，２００の用途は、ハイブリッド車に限定されず、他の電動車両（例えば、燃料電池車や電動自動車）に搭載されてもよい。

上記のように構成される駆動ユニット１において、回転電機１００，２００のステータコイル１４２，２４２は、駆動力の発生時、および発電時に発熱する。そして、冷却ポンプ等を用いて、後述するようにケーシング内に固定された冷却パイプ内に、冷却液（オイル）を流入させて、冷却パイプに設けられた冷却液供給口から冷却液を回転電機１００，２００、特にステータコイル１４２，２４２のコイルエンド１４３，２４３等に向かって滴下し、回転電機１００，２００を冷却する。以下に、冷却パイプの構造等について説明するが、必ずしも冷却パイプのような管状のものに制限されるものではなく、例えば、上面が開口した、断面Ｕ字型の桶状のもの等でもよい。

図２は、図１の駆動ユニットのステータ周辺を示す拡大模式断面図である。図２に示すように、本実施形態に係る冷却パイプ８００は、ケーシング７００内に固定され、コイルエンド１４３の外周上方の離間した位置からステータコア１４１の軸方向に沿って延設されている。本実施形態の冷却パイプ８００は、一方のコイルエンド１４３からステータコア１４１の軸方向に沿って他方のコイルエンド１４３に亘って延設されている。ここで、コイルエンド１４３の外周上方は、冷却パイプ８００から冷却液をコイルエンド１４３に滴下することを考慮すると、コイルエンド１４３の鉛直方向上方であることが望ましいが、鉛直方向に限定されるものではなく、コイルエンド１４３の冷却ポイント等によっては鉛直方向上方に対して所定角傾けた方向（略鉛直方向上方）であってもよい。

図２に示すように冷却パイプ８００の一端にはゴムキャップ８３０が取り付けられ、冷却パイプ８００の他端には支持リング８２０が取り付けられている。ケーシング７００に冷却パイプ８００を固定する際には、支持リング８２０が取り付けられた側の冷却パイプ８００の端部が、ケーシング７００の挿入口７１０に挿入され、支持リング８２０を介してケーシング７００に支持される。そして、ゴムキャップ８３０上からカバー７２０が組み付けられる。この際、ゴムキャップ８３０はカバー７２０側に圧入されて弾性変形し、冷却パイプ８００がケーシング７００に固定される。また、冷却パイプ８００の他端が挿入口７１０に挿入されることにより、ケーシング７００に設けられた流路９００に接続され、冷却パイプ８００（具体的には、後述する冷却パイプ８００内に設けられる冷却液流路）と流路９００とが連通される。なお、ケーシング７００への冷却パイプ８００の固定方法についてはこれに制限されるものではない。

図３は、本実施形態に係る冷却パイプの構成の一例を示す模式断面図である。図３に示すように、冷却パイプ８００の内部には、冷却液が通過する冷却液流路８４０が形成されている。また、冷却パイプ８００の側面には、冷却液流路８４０と連通し、冷却液流路８４０内の冷却液をコイルエンド１４３等に滴下する冷却液供給口（８１０，８１１）が設けられている。なお、本実施形態では、回転電機１００の外周側に冷却パイプ８００を設ける例について説明するが、冷却パイプ８００は回転電機２００の外周側に設けられてもよい。

図３に示すように、冷却パイプ８００の外壁８０１と内壁８０２との間の肉厚部において、ステータコア１４１上方の冷却パイプ８００の肉厚部８０３よりコイルエンド１４３上方の冷却パイプ８００の肉厚部８０４の方が厚く形成されている。そして、コイルエンド１４３上方の冷却パイプ８００の肉厚部８０４には、冷却液流路８４０内の冷却液をコイルエンド１４３に滴下するための冷却液供給口８１０が形成されている。また、本実施形態では、ステータコア１４１上方の冷却パイプ８００の肉厚部８０３には、冷却液流路８４０内の冷却液をステータコア１４１に滴下するための冷却液供給口８１１が形成されている。以下、コイルエンド１４３上方の冷却パイプ８００の肉厚部８０４に設けられる冷却液供給口８１０を冷却液端部供給口８１０と称し、ステータコア１４１の上方の冷却パイプ８００の肉厚部８０３に設けられる冷却液供給口８１１を冷却液中央供給口８１１と称する。

回転電機１００を冷却する際は、冷却ポンプ（不図示）を駆動させて、冷却液を流路９００に供給し、流路９００を介して冷却パイプ８００内の冷却液流路８４０に流入させる。そして、冷却液流路８４０を通過する冷却液を冷却液中央供給口８１１、冷却液端部供給口８１０から、コイルエンド１４３やステータコア１４１に向けて吐出させ、回転電機１００の冷却を行う。

ここで、冷却液供給口から吐出される際の冷却液の流れについて考える。

図４（Ａ）は、冷却パイプの厚い肉厚部に形成された冷却液供給口内の冷却液の流れを説明する図であり、図４（Ｂ）は、冷却パイプの薄い肉厚部に形成された冷却液供給口内の冷却液の流れを説明する図である。図４（Ａ）に示す冷却パイプ８００ａの外壁８０１ａと内壁８０２ａとの間の肉厚部ｔ１は、図４（Ｂ）に示す冷却パイプ８００ｂの外壁８０１ｂと内壁８０２ｂとの間の肉厚部ｔ２より厚い（ｔ１＞ｔ２）。すなわち、図４（Ａ）に示す冷却液供給口８１０ａは冷却パイプ８００ａの厚い肉厚部ｔ１に形成されているため、ある程度の供給口の長さが確保されている。より具体的には、図４（Ａ）に示す冷却液供給口８１０ａの長さは、図４（Ｂ）に示す冷却パイプ８００ｂの薄い肉厚部ｔ２に形成された冷却液供給口８１１ａの長さと比較して長い。そうすると、図４（Ａ）に示すように、冷却パイプ８００ａの厚い肉厚部ｔ１に形成された冷却液供給口８１０ａから供給される冷却液は、冷却液供給口８１０ａを流れる間に整流され、冷却液供給口８１０ａから当初狙った方向に吐出され易くなる。一方、図４（Ｂ）に示すように、冷却パイプ８００ｂの薄い肉厚部ｔ２に形成された冷却液供給口８１１ａでは、冷却液供給口８１１ａの長さが短いため、冷却液は整流され難く、当初狙った方向から外れて冷却液供給口８１１ａから吐出され易くなる。また、例えば、冷却液の粘性や流量が変化した場合、冷却液供給口の直径を広く設計した場合等でも、冷却パイプの厚い肉厚部に形成された冷却液供給口の方が、冷却パイプの薄い肉厚部に形成された冷却液供給口より、冷却液は当初狙った方向に吐出され易い。

本実施形態では、前述したように、コイルエンド１４３上方の冷却パイプ８００の肉厚部８０４を厚くして、その厚い肉厚部８０４に冷却液端部供給口８１０が設けられている。したがって、冷却液端部供給口８１０から供給される冷却液は、冷却液端部供給口８１０を流れる間に整流されるため、冷却液端部供給口８１０からの冷却液の吐出方向のズレは抑制される。その結果、冷却液は冷却液端部供給口８１０から当初狙ったコイルエンド１４３に向かって吐出され、コイルエンド１４３を効率的に冷却することができる。コイルエンド１４３は、ステータコア１４１等の他の部分と比べて発熱による温度上昇が高いため、コイルエンド１４３を効率的に冷却することが、回転電機の性能を維持する上で重要である。本実施形態では、コイルエンド上方の冷却パイプの肉厚部を厚くし、この厚い肉厚部に冷却液供給口を設けるという簡易な構成で、コイルエンドを的確に冷却することが可能となる。

図５は、本実施形態の冷却パイプの変形例を示す模式断面図である。図５に示す冷却パイプ８００ｃは、コイルエンド１４３上方の冷却パイプ８００ｃ内の冷却液流路８４０ａの幅をステータコア１４１上方の冷却パイプ８００ｃ内の冷却液流路８４０ａの幅より狭くすることにより、コイルエンド１４３上方の冷却パイプ８００ｃの肉厚部８０４をステータコア１４１上方の冷却パイプ８００ｃの肉厚部８０３より厚くしたものである。このような構成によっても、冷却液端部供給口８１０から供給される冷却液は、冷却液端部供給口８１０を流れる間に整流されるため、冷却液端部供給口８１０からの冷却液の吐出方向のズレは抑制される。しかし、装置の設計上、ステータと冷却パイプとの干渉を考慮し、コイルエンド上方のデッドスペースを有効に活用することができる点で、図３に示す冷却パイプ８００のように、冷却パイプ８００内に形成される冷却液流路８４０の流路幅を変更することなく、コイルエンド１４３上方の冷却パイプ８００の肉厚部８０４を厚くし、ステータコア１４１上方の冷却パイプ８００の肉厚部８０３を薄くすることが望ましい。

コイルエンド上方の冷却パイプの肉厚部の厚みは、冷却液の粘性、流量、冷却液端部供給口の直径との関係により適宜設定されるものである。

冷却パイプの材質は、金属、樹脂等特に制限されるものではないが、コイルエンド上方の冷却パイプの肉厚部を厚く、ステータ上方の冷却パイプの肉厚部を薄くする等の肉厚部の変更を容易に形成することができる点で、樹脂を用いることが好ましい。

１駆動ユニット、２シャフト、１００，２００回転電機、１１０，２１０回転シャフト、１３０，２３０ロータ、１４０，２４０ステータ、１４１，２４１ステータコア、１４２，２４２ステータコイル、１４３，２４３コイルエンド、３００プラネタリギヤ機構、４００減速機構、５００デファレンシャル機構、６００ドライブシャフト受け部、７００ケーシング、７１０挿入口、７２０カバー、８００，８００ａ，８００ｂ，８００ｃ冷却パイプ、８０１，８０１ａ，８０１ｂ外壁、８０２，８０２ａ，８０２ｂ内壁、８０３肉厚部、８０４肉厚部、８１０，８１０ａ冷却液供給口又は冷却液端部供給口、８１１，８１１ａ冷却液供給口又は冷却液中央供給口、８２０支持リング、８３０ゴムキャップ、８４０，８４０ａ冷却液流路、９００流路、ｔ１，ｔ２肉厚部。

Claims

回転自在なロータと、前記ロータの周面に対向する環状のステータコア及び前記ステータコアに巻回されるコイルを有するステータと、前記コイルが前記ステータコアの軸方向端部位置から軸方向に張り出すコイルエンドが形成された回転電機であって、
内部に冷却液が通過する冷却液流路を備え、前記コイルエンドの外周から上方に離間した位置から前記ステータコアの軸方向に沿って延設される冷却液流路基体を有し、
前記コイルエンド上方の冷却液流路基体の外壁と内壁との間の肉厚部は、前記ステータコア上方の冷却流路基体の外壁と内壁との間の肉厚部より厚く、
前記コイルエンド上方の前記肉厚部には、前記冷却液流路内の冷却液を前記コイルエンドに供給する冷却液供給口が設けられていることを特徴とする回転電機。