JP2015070622A - 回転動機の冷却構造 - Google Patents

Abstract

【課題】回転動機の本体とハウジングの間の空間に冷却用の流体を流す場合に、流体の表面張力により発生する偏流を確実に抑える。
【解決手段】本発明の回転動機の冷却構造は、回転軸１１２がほぼ水平方向に延在し、円柱状の外面１１４を有する回転動機の本体１１０と、回転動機の本体１１０を覆う円筒状の内面１２２を有するハウジング１２０と、回転動機の本体１１０の外面１１４とハウジング１２０の内面１２２との間の空間１３０から構成され、冷却用の流体が上から下へ流れる流体通路と、回転軸１１２の方向に延在するように設けられ、流体の流れ方向の上流側よりも空間１３０の幅を上側に拡大する溝１２４と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、回転動機の冷却構造に関する。

ハイブリッド自動車や電気自動車（ＥＶ車）で用いられるモータは、駆動に伴い温度上昇が生じるため、オイル等の流体を流して冷却が行われている。例えば、下記の特許文献１には、ロータ及びステータを収容する筒状のケースを備えた電動機において、ケースの内部に流体が流通可能な冷却用空間を有し、冷却用空間に面する外面に複数の溝（凹凸部）が形成された構成が記載されている。

特開２０１０−２０６９９４号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載されているような冷却用空間に流体（オイル）を流す場合、冷却用空間を構成する対向する壁面（外径面と内径面）の双方にオイルが接触し、表面張力の影響によりオイルの流れに偏流が生じる問題がある。より詳細には、オイルが冷却用空間の外径面及び内径面に接触して、表面積が最小になるようにオイルが挙動するため、オイルの流れに偏流が発生してしまう。特に、近時では、モータの小型化の要請により、冷却用空間の隙間が狭くなっており、冷却用空間を構成する対向する壁面の双方にオイルがより接触し易い状況となっている。このため、オイルの表面張力による偏流の問題がより顕著になっている。

冷却用空間を流れるオイルの流れに偏流が生じると、冷却用空間に均一にオイルが供給されなくなり、モータを均一に冷却することが困難となる。このため、モータの温度分布が不均一となり、モータが過熱してしまうなどの弊害が発生する可能性がある。

上記特許文献１に記載された溝（凹凸部）は、冷却用空間を流れる流体の接触面積を増大させて冷却効果を向上させるために設けられており、特許文献１はオイルの表面張力により偏流が発生することを何ら想定していない。このため、特許文献１に記載された技術では、オイルの表面張力による偏流を抑えることは困難である。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、回転動機の本体とハウジングの間の空間に冷却用の流体を流す場合に、流体の表面張力の影響で発生する偏流を確実に抑えることが可能な、新規かつ改良された回転動機の冷却構造を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、回転軸がほぼ水平方向に延在し、円柱状の外面を有する回転動機本体と、前記回転動機本体を覆う円筒状の内面を有するハウジングと、前記回転動機本体の前記外面と前記ハウジングの前記内面との間の空間から構成され、冷却用の流体が上から下へ流れる流体通路と、前記回転軸の方向に延在するように設けられ、流体の流れ方向の上流側よりも前記空間の幅を上側に拡大する拡大部と、を備える、回転動機の冷却構造が提供される。

上記構成によれば、拡大部が回転軸の方向に延在するように設けられ、拡大部によって、流体の流れ方向の上流側よりも流体通路の空間の幅が上側に拡大される。これにより、流体の上側に空気層が形成され、流体が上側の壁面に張り付くことが無くなり、表面張力の影響を抑えることが可能となる。従って、流体通路内の流体の偏流を確実に抑えることが可能となる。

また、前記空間の径方向の幅が所定間隔とされ、前記拡大部は、流体の流れ方向の上流側よりも前記空間の前記所定間隔の幅を上側に拡大するものであっても良い。

また、前記拡大部は、前記ハウジングの前記内面に設けられた溝から構成されるものであっても良い。

また、前記拡大部は、前記回転動機本体の前記外面に設けられた溝から構成されるものであっても良い。

また、前記流体通路に流体を供給する流体供給部を備え、前記拡大部は、前記流体供給部と前記空間が接続される部位よりも下方に設けられたものであっても良い。

以上説明したように本発明によれば、回転動機の本体とハウジングの間の空間に冷却用の流体を流す場合に、流体の表面張力により発生する偏流を確実に抑えることが可能となる。

本発明の一実施形態に係る回転動機とその周辺の構成を示す斜視図である。 任意の一つのオイル分配管の位置で回転軸と直交する方向に沿った断面を示す模式図である。 ハウジングの内面に溝を設けた場合に、本体の表面にオイルが流れる様子を示す模式図である。 本体側に溝を設けた例を示す模式図である。 図２の比較例として、溝を設けていない例を示す断面図である。 図２の比較例として、溝を設けていない例を示す断面図である。 図５及び図６の比較例において、オイル分配管から空間へオイルを供給した際にオイルが偏流する様子を示す模式図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

［１．回転動機の構成例］
まず、図１を参照して、本発明の一実施形態に係る回転動機１００とその周辺の構成について説明する。図１は、回転動機１００とその周辺の構成を示す斜視図である。回転動機１００は、一例として電気自動車、ハイブリッド自動車等に用いられるもので、電力により駆動される電動機（モータ）としての機能を有する。また、回転動機１００は、その回転軸１１２が車両の駆動輪により駆動され、駆動輪の駆動力によって発電を行う発電機としての機能も有する。

回転動機１００は、円柱状の外面１１４を有する本体１１０と、円筒状の内面１２２を有するハウジング１２０とを有して構成され、本体１１０はハウジング１２０によって覆われている。本体１１０は、電力の供給を受けて回転駆動する回転軸１１２を備える。回転軸１１２は、ハウジング１２０の外部に突出している。

円筒状のハウジング１２０の中心軸と円柱状の本体１１０の中心軸は一致しており、ハウジング１２０の内径と本体１１０の外径との間には、径方向の幅が数ｍｍ程度の比較的狭い空間１３０が設けられている。この空間１３０によって、ハウジング１２０内部にオイル通路（流体通路）が構成されている。

ハウジング１２０の上部には、空間１３０へオイルを供給するオイル供給部１４０が設けられている。オイル供給部１４０には、上方に接続されたオイル管１５０から冷却用のオイルが供給される。オイル供給部１４０の下部には、本体１１０の回転軸１１２の方向に沿って複数のオイル供給管１６０が接続されている。オイル供給管１６０は、ハウジング１２０内部の空間１３０へ接続されている。

このような構成により、オイル管１５０から自由落下によりオイル供給部１４０へ供給されたオイルは、オイル供給部１４０で回転軸１１２の延在する方向に分配されて、オイル供給管１６０から空間１３０内へ供給される。なお、本実施形態では冷却用の流体としてオイルを例示するが、水など他の流体を用いても良い。

空間１３０内に供給されたオイルは、空間１３０に沿って下に流れ、空間１３０の最下部に接続されたオイル排出管１７０からオイルパン１８０へと流れる。従って、回転動機１００の本体１１０は、表面を流れるオイルによって冷却され、本体１１０の過熱が抑えられる。オイルパン１８０に溜まったオイルは、ポンプ１９０の駆動によってオイル管１５０へ戻される。なお、図１では図示を省略するが、オイルは回転軸１１２が接続されたトランスミッションにも供給され、オイルによってトランスミッションの潤滑が行われる。

［２．オイル通路の構成例］
図２は、任意の一つのオイル供給管１６０の位置で回転軸１１２と直交する方向に沿った断面を示す模式図である。図２では、断面の右上の１／４の領域を示している。図２に示すように、ハウジング１２０の内面１２２は円筒状の面とされ、本体１１０の外面１１４との間に所定の隙間が設けられることによって空間１３０が形成されている。なお、空間１３０による隙間の径方向の幅は、例えば２〜３ｍｍ程度である。オイル供給管１６０から空間１３０に供給されたオイルは、本体１１０の外面１１４及びハウジング１２０の内面１２２に沿って図２中の矢印Ａ方向に流れる。

図２に示すように、ハウジング１２０の内面１２２には、上側に溝１２４が設けられている。そして、溝１２４によって空間１３０の幅が上方向に拡大され、溝１２４は、空間１３０の幅をオイル流れ方向の上流側よりも上側に拡大する拡大部として機能する。溝１２４は、図２において、鉛直方向の中心線Ｃに対して対称な位置にも設けられている。溝１２４は、オイル供給管１６０と比較的近い位置に設けられ、回転軸１１２に沿った方向に延在して設けられている。なお、図２では、溝１２４の部分のみで空間１３０の幅をオイル流れ方向の上流側よりも上側に拡大しているが、溝１２４が形成された位置よりも下流の全域で、空間１３０の幅をオイル流れ方向の上流側よりも上側に拡大しても良い。

複数のオイル供給管１６０から空間１３０へ供給されたオイルは、回転軸１１２の方向に沿って分散し、重力により本体１１０の外面１１４に沿って空間１３０内を上から下へ流れる。図２に示すように、オイルが溝１２４に到達するまでは、オイルが本体１１０の外面１１４とハウジング１２０の内面１２２の双方に接触している。このため、オイルの流れは表面張力の影響を受ける。

一方、オイルが溝１２４の位置に達すると、溝１２４によって内面１２２の径が拡大され、空間１３０の径方向の幅が拡大されるため、空気層が形成され、オイルがハウジング１２０と接触しないようになる。これにより、オイルの表面張力の影響が緩和され、溝１２４よりも下流では、オイルは本体１１０の外面１１４のみと接触する。従って、オイルがハウジング１２０の内面１２２から離れるため、表面張力の影響が無くなり、オイルがスムーズに流れるようになる。このように、ハウジング１２０の内面１２２に溝１２４を設けたことにより、オイルの表面張力を制御することができ、空間１３０内でオイルが偏流することを確実に抑止することが可能になるため、オイルを本体１１０の外面１１４の全面に均一に流すことが可能である。

［３．オイル通路内のオイルの流れ］
図３は、ハウジング１２０の内面１２２に溝１２４を設けた場合に、本体１１０の外面１１４にオイルが流れる様子（シミュレーション結果）を示す模式図である。図３では、説明の便宜上、ハウジング１２０の図示を省略している。また、図３中において、黒塗りの部分はオイルが流れている領域を示している。図３に示すように、溝１２４を設けたことによりオイルの表面張力の影響を抑えることができるため、オイルが回転軸１１２の方向に拡がり、オイルを本体１１０の外面１１４の全域に均一に流すことが可能となる。これにより、本体１１０の温度分布を均一にすることが可能となり、本体１１０が局所的に過熱してしまうことを確実に抑止できる。

また、表面張力の影響を無くすことで、本体１１０の高温領域を部分的に冷却するなど、より高精度なオイルの流れの制御が可能となる。従って、流路を適宜設定することでオイルを所望の部位に流すことも可能となる。

なお、図３に示すように、本体１１０の軸方向の両端にはリブ１１６が設けられており、リブ１１６の外周とハウジング１２０の内面１２２が当接することで、オイルが本体１１０の軸方向の端面１１８に到達しないように構成されている。

以上のように、オイルに対して重力方向の上側に溝１２４を設けることによって、オイルとハウジング１２０との間に空気層を形成することができ、オイルがハウジング１２０の内面１２２と接触しないようにすることができる。オイル排出管１７０の近くでオイルが偏流する場合は、オイルに対して重力方向の上側となる本体１１０側に溝を設ける。図４は、本体１１０側に溝１１９を設けた例を示す模式図であって、オイル排出管１７０の位置で回転軸１１２と直交する方向に沿った断面を示している。図４に示すように、本体１１０側に溝１１９を設けることで、オイルと本体１１０との間に空気層を形成することができ、オイルが本体１１０の外面１１４と接触しないようにすることができる。これにより、オイル排出管１７０の近くにおいても、表面張力の影響を抑えて偏流の発生を抑止することが可能となる。

図５及び図６は、図２の比較例として、溝１２４を設けていない例を示す断面図である。図５は、オイル供給管１６０からオイルを流し始めた比較的初期の段階を示しており、図６はオイルが本体１１０の下方まで流れた状態を示している。図５及び図６に示すように、溝１２４を設けていない場合は、オイルが本体１１０の外面１１４とハウジング１２０の内面１２２の双方に接触し、表面張力の影響が大きくなる。このため、オイルが本体１１０の外面１１４とハウジング１２０の内面１２２の双方に張り付いた状態となり、表面張力により表面積が最小になるようにオイルが挙動するため、オイルに偏流が生じる。特に、空間１３０の径方向の幅が狭くなるほど、オイルが外面１１４と内面１２２の双方に張り付き易くなり、表面張力の影響が大きくなる。

図７は、図５及び図６の比較例において、オイル供給管１６０から空間１３０へオイルを供給した際にオイルが偏流する様子（シミュレーション結果）を、オイルの供給開始から２．０秒後まで時系列に示した模式図である。図７においても、図３と同様にハウジング１２０の図示を省略している。また、図３と同様、図７中において、黒塗りの部分はオイルが流れている領域を示している。オイルが本体１１０の外面１１４とハウジング１２０の内面１２２の双方に接触した状態で流れると、図７に示すように、表面積が最小になるようにオイルが挙動するため、オイルが偏って流れ、本体１１０の外面１１４の全域に均一にオイルを流すことが困難となる。このため、本体１１０の温度分布が不均一となり、オイルによる本体１１０の冷却を効率良く行うことができない。

図７に示す例では、オイルの供給開始から１．０秒後以降では、図中に示した一点鎖線Ｉ−Ｉ’よりも右側の領域にオイルが偏って流れている。このため、本体１１０の特に一点鎖線Ｉ−Ｉ’よりも左側の領域の冷却を十分に行うことができなくなる。

以上のように、本体１１０の外面１１４とハウジング１２０の内面１２２の両方にオイルが接触した状態でオイルが流れると、表面張力の影響により偏流が発生することが判る。このため、ハウジング１２０に溝１２４を設け、ハウジング１２０の内面１２２にオイルが接触しないようにすることで、表面張力の影響を最小限に抑えることができる。従って、図３に示したように、オイルを本体１１０の外面１１４の全域に均一に流すことが可能となる。これにより、本体１１０の温度分布が均一となり、オイルによる本体１１０の冷却効果を大幅に向上させることが可能となる。

以上説明したように本実施形態によれば、本体１１０の外面１１４とハウジング１２０の内面１２２の間の空間１３０に、上方向に空間１３０の幅を拡大する溝１２４を設けたことにより、オイルとハウジング１２０の内面１２２が接触しないようにすることができる。これにより、オイルの表面張力の影響を抑えることができ、オイルが偏流してしまうことを確実に抑止できる。従って、本体１１０の温度分布を均一にすることができ、オイルによる冷却効果を大幅に高めることが可能となる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上記実施形態では、本体１１０の外面１１４とハウジング１２０の内面１２２の間の空間１３０に、上方向に空間１３０の幅を拡大する溝１２４を設けたが、本発明はかかる例に限定されない。例えば、図２において、本体１１０側に溝を設けることで、下方向に空間１３０の幅を拡大する溝を設け、オイルとハウジング１２０の内面１２２との間に空気層を形成しても良い。

１００ 回転動機
１１０ 本体
１１２ 回転軸
１１４ 外面
１１９ 溝
１２０ ハウジング
１２２ 内面
１２４ 溝
１３０ 空間

Claims (5)

1. 回転軸がほぼ水平方向に延在し、円柱状の外面を有する回転動機本体と、
   前記回転動機本体を覆う円筒状の内面を有するハウジングと、
   前記回転動機本体の前記外面と前記ハウジングの前記内面との間の空間から構成され、冷却用の流体が上から下へ流れる流体通路と、
   前記回転軸の方向に延在するように設けられ、流体の流れ方向の上流側よりも前記空間の幅を上側に拡大する拡大部と、
   を備えることを特徴とする、回転動機の冷却構造。
2. 前記空間の径方向の幅が所定間隔とされ、前記拡大部は、流体の流れ方向の上流側よりも前記空間の前記所定間隔の幅を上側に拡大することを特徴とする、請求項１に記載の回転動機の冷却構造。
3. 前記拡大部は、前記ハウジングの前記内面に設けられた溝から構成されることを特徴とする、請求項１に記載の回転動機の冷却構造。
4. 前記拡大部は、前記回転動機本体の前記外面に設けられた溝から構成されることを特徴とする、請求項１に記載の回転動機の冷却構造。
5. 前記流体通路に流体を供給する供給管を備え、
   前記拡大部は、前記供給管と前記空間が接続される部位よりも下方に設けられたことを特徴とする、請求項１に記載の回転動機の冷却構造。