JP2014204546A - 回転電機 - Google Patents

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Abstract

【課題】大型化又は冷却回路の複雑化を抑制しつつ、ステータの冷却効果を高めた回転電機を提供する。【解決手段】環状のステータ30、及び該ステータ30を内側に固定する筒状のモータハウジング22、該ステータ30の内側で回転するロータ31を有する回転電機において、モータハウジング22は、該モータハウジング22の周方向に延びる溝部35を内周面に備え、溝部35は、ステータ30の外周部が嵌合されることによって冷媒であるオイルが通過する冷却流路36を構成し、該溝部35の終端部35bは、モータハウジング22の中心軸に対して鉛直方向上側に設けられオイルをモータハウジング22内に吐出可能に拡開されている。【選択図】図5

Description

本発明は、インナーロータ型の回転電機に関する。
回転電機は、長時間の駆動等により、ステータのコア及びコイル、ロータの各々が発熱するため、冷却構造を備えている。一般的にハウジング内には、ロータの回転軸に設けられたベアリングへの給油を兼ねて、ステータ及びロータを冷却するためのオイルが供給されている。オイルは、ハウジングの一箇所に設けられた供給口からハウジング内に供給されることが多いが、この場合には環状に連なったステータコア全体を冷却することが難しかった。
特許文献1には、ステータ及びロータを収容するケース内に冷却水が通過可能な通路を備えた回転電機が提案されている(例えば、特許文献1参照)。この回転電機の冷却構造によれば、冷却され難いステータコアの軸方向中央部をケースに設けられた冷却通路によって冷却する効果が期待される。
特開2012−100521号公報
上記文献に記載された回転電機のように、水冷式の冷却構造及び油冷式の冷却構造の両方を兼ね備えたものは、ステータの冷却効果が高いものの、油冷式冷却回路及び水冷式冷却回路の両方を各々別に設けなければならない。その結果、ケースの大型化、冷却回路の複雑化を招来する。
本発明は、上記実情を鑑みてなされたものであり、その目的は、大型化又は冷却回路の複雑化を抑制しつつ、ステータの冷却効果を高めた回転電機を提供することにある。
上記問題点を解決する回転電機は、環状のステータ、及び該ステータを内側に固定する筒状のハウジング、該ステータの内側で回転するロータを有する回転電機において、前記ハウジングは、該ハウジングの周方向に延びる溝部を内周面に備え、前記溝部は、前記ステータの外周部が嵌合されることによって冷媒であるオイルが通過する冷却流路を構成し、該溝部の終端部は、前記ハウジングの中心軸に対して鉛直方向上側に設けられ前記オイルを前記ハウジング内に吐出可能に拡開されている。
この態様によれば、オイルが通過する冷却流路は、その壁部の一部がステータの外周部によって構成されるため、ステータの外周部は冷媒であるオイルに曝される。従ってステータはオイルによって直接冷却されるため、従来の冷却回路に比べステータの冷却効果を高め、ステータコア全体を大きな偏りなく冷却することができる。またオイルは終端部からハウジング内に吐出されるため、ステータコイルやロータも冷却することができる。このようにハウジングに設けられる冷却回路を油冷式として、ハウジング内でロータやステータコイルを冷却する冷却回路としても機能させたため、従来のように水冷式及び油冷式の冷却回路を備える回転電機に比べ、大型化を抑制することができる。
この回転電機について、前記終端部は、前記ハウジングの内周面のうち該ハウジングの中心軸に対して鉛直方向上側の上方領域であって、該上方領域を2つに区画した左側領域及び右側領域のうち前記ロータの回転方向において手前となる領域に設けられていることが好ましい。
この態様によれば、終端部は上方領域に設けられているため、重力に従って、終端部から吐出されたオイルをステータコイルやロータに散布することができる。また終端部は、左側領域及び右側領域のうちロータの回転方向手前に設けられている。即ちロータが右側領域から左側領域に向かって回転するとき、終端部は右側領域に設けられ、ロータが左側領域から右側領域に向かって回転するとき、終端部は左側領域に設けられる。このため終端部から吐出されたオイルは、ロータの回転に伴い、終端部が設けられた領域と反対側の領域に飛散される。例えば終端部が右側領域に設けられロータが右側領域から左側領域に向かって回転するとき、オイルはまず右側領域に吐出されてステータやロータに散布され、ロータの回転によって左側領域に運ばれて飛散する。従ってオイルを上下方向だけでなく左右方向にも大きな偏りなく拡散させることができる。
この回転電機について、前記流路を前記オイルが流れる方向及び前記ロータの回転方向は逆方向であることが好ましい。
この態様によればオイルが流れる方向及びロータの回転方向は逆方向であるため、吐出方向に拡散するオイルに対し反対方向に回転するロータが衝突する。従ってオイルを周囲に飛散させる拡散性を高くすることができる。
この回転電機について、前記流路を前記オイルが流れる方向及び前記ロータの回転方向は同方向であることが好ましい。
この態様によればオイルが流れる方向及びロータの回転方向は同方向であるため、ロータ回転方向と同じ方向に吐出されるオイルがロータに衝突することによって、特にロータ回転方向に飛散させることができる。
この回転電機について、前記溝部は、前記ステータを隙間嵌め状態で収容することが好ましい。
この態様によれば、溝部の壁部の一部をステータによって構成しつつ、ステータを溝部に隙間嵌め状態で収容させるので、ステータ及び溝部の間に設けられた微小な隙間からもオイルをハウジング内に散布できる。このため、散布されるオイルの偏りを抑制することができる。
この回転電機について、前記溝部の始端部及び前記終端部は、前記ハウジングの内周面のうち該ハウジングの中心軸に対して鉛直方向上側の上方領域であって、該上方領域を2つに区画した左側領域及び右側領域のうち同じ領域に設けられていることが好ましい。
この態様によれば、溝部の始端部及び終端部は、同じ上方領域であって、左側領域及び右側領域のうち同じ領域に設けられているので、冷却流路を流れるオイルによってステータの外周部のうちほぼ全域を冷却することができる。
この回転電機について、前記溝部の始端部は、前記ハウジング内の鉛直方向下方に設けられたオイルパン、及び前記オイルパンから前記オイルを送り出すポンプを有する冷却回路に接続されていることが好ましい。
この態様によれば、溝部の始端部は、ハウジング内の下方に設けられたオイルパン及びポンプを有する冷却回路に接続されているので、オイルは、オイルパン、ポンプ、及び溝部によって構成される冷却流路を循環する。即ち冷却流路を流れるオイルを圧送するためのポンプを別途設けなくてもよい。このため冷却構造の複雑化又は大型化を抑制することができる。
本発明に係る回転電機の一実施形態であって、該回転電機を備える駆動装置を示す断面図。 同回転電機が備えるハウジングを示す斜視図。 図1におけるA−A線における回転電機の横断面を模式的に示す図。 同回転電機のステータ及びハウジングの要部断面を模式的に示す図。 同回転電機の縦断面を模式的に示す図。 同回転電機の横断面を模式的に示す図。 本発明に係る回転電機の変形例であって、その横断面を模式的に示す図。 (a)〜(c)は本発明に係る回転電機の変形例であって、ステータ及びハウジングの横断面を模式的に示す図。
以下、回転電機を、ハイブリッド車両に搭載されるモータージェネレータに具体化した一実施形態について説明する。該ハイブリッド車両は、ガソリンエンジンやディーゼルエンジン等のエンジンと、2次電池から電力供給されるモータージェネレータとを動力源とする。
図1に示すようにハイブリッドシステムの駆動装置10は、図示しないクラッチ、及びモータユニット11を備えている。モータユニット11は、回転電機としてのモータ20及びオイルポンプ28を備えている。尚、本実施形態のモータ20は、電動機及び発電機として機能するが、説明の便宜上単に「モータ」という。また、駆動装置10は、クラッチ及びモータユニット11のほかに、エンジン、トランスミッションを備えている。モータ20は、加速時等に電動機としてエンジン駆動をアシストし、減速時等に発電機として機能して制動力を付与するとともに二次電池を蓄電する。
モータ20の中心には回転軸21が設けられ、その一端はエンジン側のフライホイール(図示略)に対し、クラッチによって係脱可能に連結されている。該フライホイールには、エンジンのクランク軸(図示略)が連結されている。回転軸21にはレリーズフォーク13及びスライダ14が連結されている。レリーズフォーク13及びスライダ14は、クランク軸及び回転軸21を接続及び遮断する。
モータ20の回転軸21の他端には、トランスミッションの入力軸15が連結されている。回転軸21には、エンジン及びモータ20の少なくとも一方により回転トルクが付与される。
さらにモータユニット11は、クラッチ及びモータ20を収容するモータハウジング22を備えている。モータハウジング22は略筒状をなし、その内部空間は仕切壁23によってクラッチ室25及びモータ室26に区画されている。クラッチ室25及びモータ室26は、回転軸21の軸方向に沿ってエンジン側から順に配設されている。
仕切壁23は多段円板状をなし、トランスミッション側へ窪む凹部23aと、トランスミッション側に突出した筒状の支持部23bを有している。支持部23bには、ベアリング27を介してモータ20の回転軸21が軸支されている。仕切壁23のフライホイール側には、凹部23aの開口を覆うフロントリテーナ24が固定される。フロントリテーナ24には、回転軸21が遊挿されている。また仕切壁23及びフロントリテーナ24によって区画される空間にはオイルポンプ28が設けられている。オイルポンプ28はギヤポンプであって、ケース28a内に駆動ギヤ、及び該駆動ギヤと噛合する従動ギヤを収容している(いずれも図示略)。該駆動ギヤはモータ20の回転軸21に対してスプライン結合されている。
このオイルポンプ28には吸入配管29と図示しないオイルパイプが連結されている。吸入配管29は、モータハウジング22の底部に設けられたオイルパン22aに接続され、貯留されたオイルをオイルポンプ28に供給する。またオイルポンプ28の下流に設けられたオイルパイプは、オイルポンプ28とモータ室26側とを接続する。これらのオイルパン22a、吸入配管29、オイルポンプ28は冷却回路を構成する。この冷却回路には、オイルクーラー、バルブが適宜設けられる。冷媒として機能するオイルは、ベアリング27の潤滑、ステータ30及びロータ31の冷却を目的として冷却回路内を循環する。
またモータハウジング22のトランスミッション側の他端には、リアリテーナ37を介してトランスミッションハウジング42が連結されている。リアリテーナ37は、トランスミッションハウジング42の内側に設けられたトランスミッション室43とモータ室26とを区画している。またリアリテーナ37は円環状をなし、オイルシール部及びベアリング27を介して、回転軸21を回転自在に軸支している。
(モータの構成)
次にモータ20の構成について説明する。モータ20は、インターロータ型のブラシレスDCモータであって、ステータ30及びロータ31を有している。ステータ30は、複数のステータセグメント30sを有している。ステータセグメント30sは、複数の磁性鋼板を積層したステータコア30a及びステータコイル30bを有している。ステータセグメント30sの構成は特に限定されないが、例えばプラスチック等からなるインシュレータ(図示略)にステータコア30aを収容し、ステータコイル30bをインシュレータの外側に巻回している。
このステータセグメント30sが互いに連結されることによって、ステータ30は全体として円環状をなしている。連結されたステータセグメント30sの外周には固定リング33が嵌合され、各ステータセグメント30sを互いに締結している。また固定リング33の軸方向における一方の端面には鍔部33aが複数箇所に設けられている。鍔部33aは、ステータ30をモータハウジング22の内周面に固定するために設けられている。本実施形態では鍔部33aは断面略L字状をなし、固定リング33の壁部から該壁部と同じ方向に延び、途中で外側に向かって屈曲している。この鍔部33aをモータハウジング22にボルト等によって固定することによって、ステータ30はモータハウジング22に対して固定される。またステータコイル30bは露出された状態で巻回されている。またステータコイル30bはU,V,Wの3相に分別され、各相のコイルはそれぞれ図示しないバッテリに接続されている。
モータハウジング22の内周面には、溝部35が凹設されている。この溝部35には、固定リング33、又は固定リング33及びステータコア30aの一部が嵌合される。図2に示すように、溝部35は長尺状に形成され、モータハウジング22の周方向に沿って延びている。溝部35は、始端部35a、終端部35b及びモータハウジング22の内周面に沿って延びる中間部35cから構成される。モータハウジング22は、終端部35bが鉛直方向上側に位置する状態でエンジン側及びトランスミッション側に固定されている。尚、「鉛直方向上側」とは、モータハウジング22の中心軸X1よりも上方となる位置をいう。
溝部35の始端部35a及び終端部35bは、モータハウジング22の内周面のうち、中心軸X1よりも鉛直方向上側の上方領域ZHであって、上方領域ZHを鉛直軸Y1を中心に2つに区画した上方右側領域Z1及び上方左側領域Z2にのうち、上方右側領域Z1に配置される。また始端部35aは、モータハウジング22の中心軸X1と同じ高さ位置、又は中心軸X1よりも鉛直方向上側であって、終端部35bよりも鉛直方向下側に設けられている。
さらに始端部35aはモータハウジング22の厚み方向に貫通し、両端はモータハウジング22の外周面及び内周面でそれぞれ開口している。外周面側における開口は、溝部35の入口であって、図示しないパイプを介してオイルポンプ28に接続されている。また始端部35aのうち内周面側における開口は、中間部35cの底面に設けられている。即ち、溝部35は、オイルパン22a、オイルポンプ28等を有する冷却回路の一部を構成している。
中間部35cは、モータハウジング22の内周面に沿った略C字状をなしており、短手方向における幅はステータ30の外周部(固定リング33)の幅よりも若干大きく形成されている。
図3に示すように、始端部35aから終端部35bに向かうオイルの流れ方向は、ロータ31の回転方向R1とは逆の方向である。即ちオイルの流れ方向は、図3中時計回り方向であるが、ロータ31の回転方向R1は反時計回り方向である。さらに始端部35a及び終端部35bが設けられる上方右側領域Z1は、ロータ31の回転方向R1の手前である。
さらに終端部35bの端縁の鉛直軸Y1に対する角度θは、鉛直軸Y1から0°以上90°未満の角度位置が好ましく、45°の角度位置が最も好ましい。本実施形態では、終端部35bは、所定の長さを有し、鉛直軸Y1に対して約30°の位置から45°まで延びている。
図2に示すように終端部35bは、中間部35cに比較してその幅が拡大されている。終端部35bは、中間部35cとの境界に、幅が徐々に拡大する拡開部35dを有している。図3に示すように、さらに終端部35bは、深さ方向に傾斜するテーパ部35eを有している。テーパ部35eは、終端部35bの長手方向の端縁に向かって溝の深さが小さくなるように形成されている。溝部35をこのような形状にすることにより、終端部35bの端縁に到達したオイルの飛散方向が広がる。
図3に示すように、溝部35はステータ30の外周部が嵌合されることによりオイルが通過する流路36を構成する。即ち、ステータ30の外周面が流路36の壁部の一部を構成する。図4に示すように、中間部35cの幅は固定リング33の幅よりも若干大きいため、中間部35c及び固定リング33の間には、微小な隙間G1が設けられる。隙間G1の幅は0.1mm程度である。この隙間G1からも僅かながらオイルが漏れて、ステータ30を伝って流れてステータコア30a及びステータコイル30bを冷却する。
図5に示すように、終端部35bの幅はステータ30の幅よりも大きく、ステータ30の外周部の両側には間隙G2が設けられている。図6に拡大して示すように、この間隙G2は、中間部35c及び固定リング33の間に設けられる隙間G1よりも大きい。このため冷却流路34を通過して終端部35bに到達したオイルは、間隙G2からモータ室26内に吐出される。間隙G2から吐出したオイルは、ステータコア30a、ステータコイル30b及びロータ31に散布され、それらから熱を奪って冷却する。
図1に示すようにロータ31は、回転軸21に支持されたロータ支持部31a、ロータ支持部31aに支持された電磁鋼鈑31b、電磁鋼鈑31bに埋設された永久磁石31cを有している。また電磁鋼鈑31bは、ステータコア30aに対してエアギャップを介して対向している。
(動作)
次に本実施形態の回転電機の動作について説明する。回転軸21がクラッチを介してクランク軸に連結された状態において、加速時等にはモータ20の回転力が回転軸21を介してクランク軸に伝達される。回転軸21の回転によりオイルポンプ28内が負圧となり、オイルパン22aに貯留されたオイルが吸入配管29を介して吸引され、冷却流路34に圧送される。
図3に示すように、始端部35aから冷却流路34内に導入されたオイルは、始端部35aの出口側開口から中間部35cに導入される。中間部35cに導入されたオイルは、オイルポンプ28からの圧力により、モータハウジング22をほぼ一周し終端部35bに到達する。このときオイルとステータ30とが接触することにより、オイルは、固定リング33を介してステータコア30aの熱を吸収する。また、溝部35とステータ30との間の隙間G1から微量のオイルが漏れ、ステータコア30a、ステータコイル30b及びロータ31に散布される。
図5に示すように、終端部35bに到達したオイルは、中心軸X1に対して斜め上方からモータハウジング内に吐出される。このときオイルは、その流れ方向に沿って吐出されるが、オイルの流れ方向と反対方向に回転するロータ31に衝突することによって、上下方向だけでなく左右方向に飛散する。このオイルにより、ステータコイル30b及びロータ31が冷却される。またロータ31に付着したオイルの一部は、ロータ31の回転によって上方右側領域Z1から上方左側領域Z2へ運ばれ、遠心力によって上方左側領域Z2のステータコイル30b等に飛散する。このため、オイルを左右で大きな偏りなく散布することができるので、ステータ30及びロータ31の冷却効率を高めることができる。
ステータ30及びロータ31を冷却したオイルは、重力に従ってオイルパン22aに落ち、冷却回路を循環する。
以上説明したように、上記実施形態に記載の回転電機によれば、以下に列挙する効果が得られるようになる。
(1)上記実施形態によれば、オイルが通過する冷却流路34は、その壁部の一部がステータ30の外周部によって構成されるため、ステータ30の外周部は冷媒であるオイルに曝される。従ってステータ30はオイルによって直接冷却されるため、従来の冷却回路に比べステータ30の冷却効果を高め、ステータコア30a全体を大きな偏りなく冷却することができる。またオイルは、溝部35の終端部35bからモータハウジング内に吐出されるため、ステータコイル30bやロータ31も冷却することができる。このようにモータハウジング22に設けられる冷却回路を油冷式としてロータ31やステータコイル30bの冷却回路としても機能させたため、従来のように水冷式及び油冷式の冷却回路を備える回転電機に比べ、大型化を抑制することができる。
(2)上記実施形態によれば、溝部35の終端部35bは上方領域ZHに設けられているため、重力に従って、終端部35bから吐出されたオイルをステータコイル30bやロータ31に散布することができる。また終端部35bは、上方左側領域Z2及び上方右側領域Z1のうちロータ31の回転方向手前の上方右側領域Z1に設けられている。このため終端部35bから吐出されたオイルは、ロータ31の回転に伴い、終端部35bが設けられた領域と反対側の上方左側領域Z2に飛散される。従ってオイルを上下方向だけでなく左右方向にも大きな偏りなく拡散させることができる。
(3)上記実施形態によれば、オイルが流れる方向及びロータ31の回転方向は逆方向であるため、吐出方向に拡散するオイルに対し反対方向に回転するロータ31が衝突する。従ってオイルを周囲に飛散させる拡散性を高くすることができる。
(4)上記実施形態によれば、溝部35の壁部の一部をステータ30によって構成しつつ、ステータ30を溝部35に隙間嵌め状態で収容させるので、ステータ30及び溝部35の間に設けられた微小な隙間G1からもオイルをモータハウジング内に散布できる。このため、散布されるオイルの偏りを抑制することができる。
(5)上記実施形態では、溝部35の始端部35a及び終端部35bを同じ上方右側領域Z1に設けたので、冷却流路34を流れるオイルによってステータ30の外周部のうちほぼ全域を冷却することができる。このためステータ30の冷却効率を高めることができる。
(6)上記実施形態では、溝部35の始端部35aは、オイルパン22a、及びオイルパン22aからオイルを送り出すオイルポンプ28を有する冷却回路に接続されている。このため、オイルは、オイルパン22a、オイルポンプ28、及び溝部35によって構成される冷却流路34を循環する。即ち冷却流路34を流れるオイルを圧送するためのポンプを別途設けなくてもよい。このため冷却構造の複雑化又は大型化を抑制することができる。
尚、上記実施形態は、以下のように適宜変更して実施することもできる。
・ステータ30は、溝部35にしまり嵌め状態又はシール材で固定してもよい。この場合、モータハウジング22を熱膨張させる等してステータ30を挿入したのち、冷却してステータ30をしまり嵌め状態で固定するか、樹脂等によってステータ30及び溝部35の隙間を埋めてもよい。
・図7に示すように、オイルの流れ方向とロータ31の回転方向と同じ方向としてもよい。この場合、溝部35の構成は上記実施形態と同様でもよいが、始端部35a及び終端部35bを、ロータ31の回転方向の手前側である上方左側領域Z2に設けることが好ましい。始端部35a及び終端部35bを上方左側領域Z2に設けることによって、ロータ31の回転に伴い、オイルを上方左側領域Z2から上方右側領域Z1へ拡散させることができる。
・上記実施形態では始端部35a及び終端部35bは上方右側領域Z1に設けたが、互いに異なる領域に配置することも可能である。図8(a)に示すように、始端部35aを鉛直方向下側の下方右側領域Z3に設けてもよい。この場合でも、ステータ30の外周部における270°以上を冷却することができる。また図8(b)に示すように、始端部35aを鉛直軸Y1の下方に配置してもよい。この場合には、上記実施形態よりも冷却効果は低下するものの、図中左半分に配置されたステータ30を冷却流路34を流れるオイルによって冷却し、右半分に配置されたステータ30を終端部35bから吐出するオイルによって冷却することができる。さらに図8(c)に示すように、終端部35bを鉛直方向において真上に配置してもよい。尚、図8(a)〜図8(c)は全てロータ31の回転方向が上記実施形態と同じ方向である。ロータ31の回転方向が逆に変更されたときは、終端部35bの位置は上方左側に変更される。
・上記実施形態では、回転電機をハイブリッド自動車に搭載されるモータジェネレータに具体化したが、単なる発電機又は電動機に具体化してもよい。また車両の動力源ではなく、他の装置の駆動源として用いられてもよい。
20…回転電機としてのモータ、22…ハウジングとしてのモータハウジング、22a…オイルパン、30…ステータ、31…ロータ、34…冷却流路、R1…回転方向、X1…中心軸、Z1…上方右側領域、Z2…上方左側領域、ZH…上方領域、ZL…下方領域、35…溝部、35a…始端部、35b…終端部、36…流路。

Claims (7)

  1. 環状のステータ、及び該ステータを内側に固定する筒状のハウジング、該ステータの内側で回転するロータを有する回転電機において、
    前記ハウジングは、該ハウジングの周方向に延びる溝部を内周面に備え、
    前記溝部は、前記ステータの外周部が嵌合されることによって冷媒であるオイルが通過する冷却流路を構成し、該溝部の終端部は、前記ハウジングの中心軸に対して鉛直方向上側に設けられ前記オイルを前記ハウジング内に吐出可能に拡開されていることを特徴とする回転電機。
  2. 前記終端部は、前記ハウジングの内周面のうち該ハウジングの中心軸に対して鉛直方向上側の上方領域であって、該上方領域を2つに区画した左側領域及び右側領域のうち前記ロータの回転方向において手前となる領域に設けられている請求項1に記載の回転電機。
  3. 前記流路を前記オイルが流れる方向及び前記ロータの回転方向は逆方向である請求項2に記載の回転電機。
  4. 前記流路を前記オイルが流れる方向及び前記ロータの回転方向は同方向である請求項3に記載の回転電機。
  5. 前記溝部は、前記ステータを隙間嵌め状態で収容する請求項1〜4のいずれか1項に記載の回転電機。
  6. 前記溝部の始端部及び前記終端部は、前記ハウジングの内周面のうち該ハウジングの中心軸に対して鉛直方向上側の上方領域であって、該上方領域を2つに区画した左側領域及び右側領域のうち同じ領域に設けられている請求項1〜5のいずれか1項に記載の回転電機。
  7. 前記溝部の始端部は、前記ハウジング内の鉛直方向下方に設けられたオイルパン、及び前記オイルパンから前記オイルを送り出すポンプを有する冷却回路に接続されている請求項1〜6のいずれか1項に記載の回転電機。
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