JP2015116041A - 回転電機の冷却構造 - Google Patents

Abstract

【課題】ステータに対して冷媒を効率的に接触させて、高い冷却効率を実現可能な、新規かつ改良された回転電機の冷却構造を提供する。【解決手段】回転軸がほぼ水平方向に延在し、円柱状の外面を有するステータと、前記ステータを覆う内面を有するハウジングと、前記ステータの外面と前記ハウジングの内面との間の間隙により構成され、冷却用の流体が上方から下方へと流れる流体通路と、前記ハウジングの内面に部分的に設けられ、前記間隙を流れる流体と接触する間隙調整部と、を備える。【選択図】図３

Description

本発明は、回転電機の冷却構造に関する。

ハイブリッド自動車（ＨＥＶ）や電気自動車（ＥＶ）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、ステータコアと、ステータコアの外周面を内周面により接触保持するコアホルダとを備えた回転電機用のステータの冷却構造であって、コアホルダの外周面に冷媒を供給する冷媒供給路を備え、コアホルダが、コアホルダの外周面と内周面とを連通する貫通孔を複数有することでステータコアの外周面に冷媒を導入する構成が開示されている。

特開２０１１−３６０２４号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載されたステータの冷却構造は、ステータコアとコアホルダとが接触する構成となっている。したがって、ステータコアに対して冷媒が直接接触する面積が小さくなっている。コアホルダの外周面を流れる冷媒も存在するが、当該冷媒は、コアホルダを介して間接的にステータコアを冷却しているにすぎない。したがって、特許文献１に記載されたステータの冷却構造は、冷却効率が低いという問題があった

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、ステータに対して冷媒を効率的に接触させて、高い冷却効率を実現可能な、新規かつ改良された回転電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ステータと、前記ステータを覆う内面を有するハウジングと、前記ステータの外面と前記ハウジングの内面との間の間隙により構成され、冷却用の流体が上方から下方へと流れる流体通路と、前記ハウジングの内面に部分的に設けられ、前記間隙を流れる流体と接触する間隙調整部と、を備えることを特徴とする回転電機の冷却構造が提供される。

また、前記間隙調整部は、前記ハウジングの内面に間隙調整部材を取り付けることにより形成されるものであってもよい。

また、前記間隙調整部は、前記内面の円周方向に沿って延在するものであってもよい。

また、前記間隙調整部は、前記回転軸の軸方向に沿って複数設けられるものであってもよい。

また、前記間隙調整部は、一定間隔で複数設けられるものであってもよい。

また、前記間隙調整部が設けられた領域以外の領域は、前記ハウジングの内面が前記流体と接触しない領域であるものとしてもよい。

また、前記ハウジングは前記流体通路に前記流体を供給するための供給管を有し、前記間隙調整部は前記供給管の接続位置から前記内面の円周方向に沿って延在するものであってもよい。

また、前記間隙調整部は、前記ステータの発熱しやすい領域に対応する位置を含むように設けられるものであってもよい。

以上説明したように本発明によれば、回転電機のステータに対して冷媒を効率的に接触させて、回転電機の高い冷却効率を実現することが可能となる。

本発明の一実施形態に係る回転電機とその周辺の構成を示す斜視図である。 オイル分配管及びオイル排出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。 間隙調整部の一構成例によるオイルの流量の違いを示す説明図である。 間隙調整部が設けられた流体通路をオイルが流れる様子を示す模式図である。 間隙調整部の配置の一例を示す説明図である。 間隙調整部の配置の別の例を示す説明図である。 間隙調整部の別の構成例を示す説明図である。

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．回転電機の構成例］
まず、図１及び図２を参照して、本発明の一実施形態に係る回転電機１００とその周辺の構成について説明する。図１は、回転電機１００とその周辺の構成を示す斜視図であり、図２は、オイル分配管１６０及びオイル排出管１７０の位置で回転軸１１２と直交する方向に沿った断面図である。

回転電機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、回転電機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。

回転電機１００は、円柱状の外面１１４を有するステータ１１０と、ステータ１１０を覆う内面１２２を有するハウジング１２０とを有して構成されている。ステータ１１０を含む回転電機１００の本体部分は、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。

ハウジング１２０の内面１２２の中心軸と円柱状のステータ１１０の中心軸は一致しており、ハウジング１２０の内面１２２とステータ１１０の外面１１４との間には間隙１３２が設けられている。この間隙１３２によって、ハウジング１２０内部にオイル通路（流体通路）１３０が構成されている。

ハウジング１２０の上部には、流体通路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、ステータ１１０の回転軸１１２の方向に沿って配列された複数のオイル供給管１６０が接続されている。図１の例では、１列当たり５本配列されたオイル供給管１６０が、２列設けられている。オイル供給管１６０は、ハウジング１２０内部の流体通路１３０へ接続されている。

このような構成により、自由落下によりオイル管１５０からオイル供給部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から流体通路１３０内へ供給される。

流体通路１３０内に供給されたオイルは、重力によってステータ１１０に沿って下に流れ、流体通路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。したがって、回転電機１００のステータ１１０は、表面を流れるオイルによって冷却され、ステータ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及び図２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．流体通路］
次に、流体通路の構成について詳細に説明する。図３（ａ）は、ハウジング１２０の内面１２２に間隙調整部材２１０が設けられた流体通路１３０を示す説明図であり、図３（ｂ）は、間隙調整部２００の有無によるオイルの流量の違いを示す説明図である。図３（ａ）及び（ｂ）は、回転電機１００の回転軸１１２の延在方向に沿う断面のうち、流体通路１３０を含む領域を部分的に示した図であって、図１中のＡＡ断面矢視図に相当する。

図３（ａ）に示したように、本実施形態による回転電機１００では、ハウジング１２０の内面１２２に間隙調整部材２１０を取り付けることにより、間隙調整部２００が形成されている。間隙調整部材２１０は、間隙調整部２００を構成する凸部２１０ａを有する部材であって、ハウジング１２０の内面１２２の円周方向に延在して設けられている。間隙調整部２００を構成する凸部２１０ａもハウジング１２０の内面１２２の円周方向に延在して設けられる。また、凸部２１０ａは、回転軸１１２の軸方向（Ｚ方向）に沿って、一定の間隔で複数（５個）設けられている。

ハウジング１２０の内面１２２に間隙調整部材２１０が取り付けられることにより、流体通路１３０には、間隙の大きさが大きい領域１３０ａと、間隙の大きさが小さい領域１３０ｂとが形成される。間隙の大きさが大きい領域１３０ａでは、当該領域１３０ａを流れるオイルが、ステータ１１０の外面１１４に接する一方で間隙調整部材２１０に接しない程度の間隙が形成される。一方、間隙の大きさが小さい領域１３０ｂでは、当該領域１３０ｂを流れるオイルが、表面張力によりステータ１１０の外面１１４及び間隙調整部２００の両方に接する程度の間隙が形成される。

図３（ｂ）に示したように、間隙の大きさが小さい領域１３０ｂでは、表面張力の影響により、間隙調整部２００とステータ１１０の両方にオイルＣが接触するために、膜厚が厚い状態でオイルＣを流すことができる。一方、間隙の大きさが大きい領域１３０ａでは、表面張力によってオイルＣが領域１３０ｂに集められているために、膜厚が薄い状態でオイルＣが流れる。すなわち、流体通路１３０では、領域によってオイルＣの集まり方に差が生じている。

このオイルＣの集まり方の違いにより、オイルＣが集められた領域１３０ｂでは、重力によってオイルＣが下方に流れやすくなるため、オイルＣの流量が増加するとともに流速が速くなる。また、表面張力により領域１３０ｂにオイルＣが集められた状態であるために、例えば、回転電機１００を搭載した車両が加減速を繰り返した場合であっても、所定量のオイルＣを領域１３０ｂに保持することができる。

図４は、流体通路１３０をオイルが流れる様子を示した模式図であって、オイルがステータ１１０上を流れる様子を、間隙調整部材２１０を透過して表した図である。図４中、間隙調整部材２１０は点線で示されている。図４に示したように、オイル供給管１６０から供給されたオイルは、重力によってステータ１１０に沿って下方に流れる。このとき、間隙の大きさが小さい領域１３０ｂにはより多くのオイルが集まり、重量が大きくなることから、領域１３０ａよりもオイルが流れやすくなっていることが理解できる。これにより、領域１３０ｂを流れるオイルの流量が増加し、ステータ１１０の冷却効率が高められている。また、隣接する領域１３０ａについても、領域１３０ｂを流れるオイルの影響により、オイルが流れやすくなる。

また、図３（ｂ）に示す例では、領域１３０ａは、オイルＣが集められた領域１３０ｂによって挟まれており、車両が加減速を繰り返した場合であっても、領域１３０ａのオイルＣも保持されやすくなっている。特に、間隙調整部２００が軸方向（Ｚ方向）に沿って一定の間隔で複数設けられているために、ステータ１１０の外面１１４全体にわたってオイルＣを保持することができる。したがって、オイルＣの流れに偏りを生じさせることなく、ステータ１１０の外面１１４全体に沿って安定的にオイルＣを流すことができるとともに、流れるオイルＣの流量を全体として増加させることができる。その結果、車両の状態にかかわらず、ステータ１１０の冷却効率を高めることができる。

領域１３０ａ及び領域１３０ｂの間隙の大きさはオイルの粘度を考慮して適宜設定可能である。ただし、領域１３０ａの間隙の大きさが小さすぎると、オイルが表面張力によりステータ１１０及び間隙調整部材２１０に接してしまうおそれがある。また、領域１３０ｂの間隙の大きさが小さすぎると、十分な量のオイルを領域１３０ｂに集めることができないおそれがある一方、領域１３０ｂの間隙の大きさが大きすぎると、オイルが間隙調整部２００又はステータ１１０に接しなくなるおそれがある。

オイルの粘度によって形成されるオイルの膜厚は異なるが、例えば、領域１３０ａの間隙の大きさを１０ｍｍ以上にし、領域１３０ｂの間隙の大きさを３ｍｍ程度にすることができる。間隙の大きさをこのようにすることにより、間隙の大きさが小さい領域１３０ｂにオイルを集めて、領域１３０ｂを流れるオイルの流量を増加させることができる。

図５は、間隙調整部２００の配置の一例を示す説明図である。図５は、ステータ１１０の外面１１４に沿うように、あるいは、ハウジング１２０の内面１２２に沿うように湾曲した間隙調整部２００を平面的に示した図であって、図５中の符号Ｔ及びＢで示した位置が、図２中に符号Ｔ及びＢで示した位置に相当する。

図５に示した例では、間隙調整部２００を構成する凸部２１０ａは、オイル供給管１６０の接続位置から、ハウジング１２０の内面１２２の円周方向に沿って延在している。ただし、オイル排出管１７０の接続位置では、オイルが効率良く排出されるように、間隙調整部２００がオイル排出管１７０の接続位置に重ならないようにされている。

オイル供給管１６０から流体通路１３０内に供給されたオイルは、オイル供給管１６０の接続位置からオイル排出管１７０の接続位置に至るまで、間隙の大きさが小さい領域１３０ｂを相対的に多い流量で、かつ、速い流速で流れる。同時に、間隙の大きさが大きい領域１３０ａにおいても、ステータ１１０の外面１１４に沿ってオイルが流れる。したがって、ステータ１１０の外面１１４全体に沿って、より多くの流量のオイルが流れるようになり、冷却効率を高めることができる。

図６は、間隙調整部２００の配置の別の例を示す説明図であって、図５と同様に間隙調整部２００を平面的に示している。図６に示した例は、ステータ１１０における発熱しやすい領域２２０を効率的に冷却できるように構成したものである。図６に示したように、間隙調整部２００を構成する凸部２１０ａは、領域２２０に対応する位置に重なるように、ハウジング１２０の内面１２２の円周方向に沿って延在している。

オイル供給管１６０から流体通路１３０内に供給されたオイルは、間隙の大きさが小さい領域１３０ｂによって、ステータ１１０の発熱しやすい領域２２０に対応する位置に積極的に集められる。したがって、領域２２０では、表面張力によってオイルが集められ、安定的にオイルが流される。同時に、間隙の大きさが大きい領域１３０ａにおいても、ステータ１１０の外面１１４に沿ってオイルが流れる。したがって、ステータ１１０の外面１１４全体をオイルが流れることでステータ１１０が冷却されるとともに、発熱しやすい領域２２０についてはより効率的に冷却されるようになる。

また、図６に示した例では、凸部２１０ａがオイル供給管１６０の接続位置にも重なるように設けられている。したがって、流体通路１３０に導入されるオイルを、間隙の大きさが小さい領域１３０ｂに確実に導くことができる。

以上説明したように本実施形態によれば、ハウジング１２０の内面に、流体通路１３０を流れるオイルと接触する間隙調整部２００を部分的に設けたことにより、表面張力によって、間隙調整部２００を設けた領域１３０ｂにオイルを集めることができる。このように、流体通路１３０の間隙の大きさを領域によって異ならせることで、間隙の大きさが小さい領域１３０ｂを流れるオイルの流量を、間隙の大きさが大きい領域１３０ａを流れるオイルの流量よりも多くすることができる。これにより、重力によってオイルが下方に流れやすくなり、オイルの流量を全体的に増加させることができる。したがって、オイルによるステータ１１０の冷却効率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、複数の凸部２１０ａを有する、ハウジング１２０とは別体の間隙調整部材２１０をハウジング１２０の内面１２２に取り付けることにより間隙調整部２００を設けたが、本発明はかかる例に限定されない。例えば、図７（ａ）に示したように、ハウジング１２０の内面１２２の形状自体を加工して凸部１２０ａを形成して間隙調整部２００を設けてもよい。また、図７（ｂ）に示したように、ハウジング１２０の内面１２２に、別の間隙調整部材として、それぞれ別個のスペーサ部材２３０を取り付けて、間隙調整部２００を形成してもよい。

１００ 回転電機
１１０ ステータ
１１２ 回転軸
１１４ 外面
１２０ ハウジング
１２０ａ 凸部
１２２ 内面
１３０ 流体通路
１３０ａ 間隙の大きさが大きい領域
１３０ｂ 間隙の大きさが小さい領域
１３２ 間隙
１６０ オイル供給管
１７０ オイル排出管
２００ 間隙調整部
２１０ 間隙調整部材
２１０ａ 凸部
２２０ 発熱しやすい領域
２３０ スペーサ部材

Claims (8)

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ステータと、
   前記ステータを覆う内面を有するハウジングと、
   前記ステータの外面と前記ハウジングの内面との間の間隙により構成され、冷却用の流体が上方から下方へと流れる流体通路と、
   前記ハウジングの内面に部分的に設けられ、前記間隙を流れる流体と接触する間隙調整部と、
   を備えることを特徴とする回転電機の冷却構造。
2. 前記間隙調整部は、前記ハウジングの内面に間隙調整部材を取り付けることにより形成されることを特徴とする請求項１に記載の回転電機の冷却構造。
3. 前記間隙調整部は、前記内面の円周方向に沿って延在することを特徴とする請求項１又は２に記載の回転電機の冷却構造。
4. 前記間隙調整部は、前記回転軸の軸方向に沿って複数設けられることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の回転電機の冷却構造。
5. 前記間隙調整部は、一定間隔で複数設けられることを特徴とする請求項４に記載の回転電機の冷却構造。
6. 前記間隙調整部が設けられた領域以外の領域は、前記ハウジングの内面が前記流体と接触しない領域であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の回転電機の冷却構造。
7. 前記ハウジングは前記流体通路に前記流体を供給するための供給管を有し、前記間隙調整部は前記供給管の接続位置から前記内面の円周方向に沿って延在することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の回転電機の冷却構造。
8. 前記間隙調整部は、前記ステータの発熱しやすい領域に対応する位置を含むように設けられることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の回転電機の冷却構造。
   

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