JP2015195648A - モータ - Google Patents

Abstract

【課題】大型化や全体重量の増加を抑制しつつ、回転体および静止体を十分に冷却することができるモータを提供する。【解決手段】軸線Ｏ回りに回転する回転体３と、前記回転体３を外周側から覆う静止体４とを備えるモータ１であって、前記軸線Ｏ方向で前記回転体３に対向し、且つ、前記軸線Ｏよりも下方に設けられ、液体冷媒を噴射する噴射口３１と、前記噴射口３１に対して前記回転体３の回転数に応じた流量の前記液体冷媒を供給する冷媒供給装置１５と、を備える。【選択図】図１

Description

この発明は、モータに関するものである。

車両駆動用のモータ等にあっては、コイルや永久磁石の発熱が大きくなる場合がある。コイルの発熱は、絶縁破壊を生じさせ、永久磁石の発熱は、不可逆減磁による性能劣化を生じさせてしまう可能性がある。
特許文献１には、コイルが発熱し易い状態の場合にコイル側へ冷媒を供給する一方で、永久磁石が発熱し易い状態の場合に永久磁石に冷媒を供給する流通切換手段を備えたモータが提案されている。

さらに特許文献２には、冷却機構によるモータの大型化を抑制するために、ロータのエンドプレートに二種類の冷却油通路と、これらを切り替える通路切替機構とを形成する技術が記載されている。この特許文献２は、低回転領域では第一冷却油通路に冷媒を流し、高回転領域では第二冷却油通路に冷媒を流すようになっている。第二冷却油通路には、永久磁石に対応する位置に大開口冷却油通路が形成され、ロータを効果的に冷却できるようになっている。

また一方で、複数の平角線の束で構成されたコイルセグメントを有するモータが知られている（例えば、特許文献３参照）。このコイルセグメントは、例えば、一対の脚部と、これら脚部を一方の端部で接続する頭部とからなる複数のＵ字状のコイルセグメントを、各脚部がステータのスロットを通って突き出るように配置し、スロットから突出した脚部の突出部分を対応するもの同士で接合して構成される。

特開２００９−１１８６８６号公報 特開２０１１−０１０４８９号公報 特開２０１２−１６５６２４号公報

特許文献１，２に記載されたモータは、それぞれステータ冷却用の冷却油通路、および、ロータ冷却用の冷却油通路を設けていることで、構造が複雑化するとともに部品点数が増加して、全体重量が増加してしまうという課題がある。
また、特に、コイルセグメントを有するモータの場合、コイルセグメント同士が接合されるコイルエンドの発熱が大きくなる傾向にある。しかし、周方向で隣り合うコイルセグメント間を液体冷媒が伝わり難い形状であるため、とりわけ下方に配置されたコイルセグメントのコイルエンドに十分な冷却媒体を供給できない可能性がある。

この発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、大型化や全体重量の増加を抑制しつつ、回転体および静止体を十分に冷却することができるモータを提供するものである。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、軸線（例えば、実施形態における軸線Ｏ）回りに回転する回転体（例えば、実施形態におけるロータ３）と、前記回転体を外周側から覆う静止体（例えば、実施形態におけるステータ４）とを備えるモータ（例えば、実施形態におけるモータ１）であって、前記軸線方向で前記回転体に対向し、且つ、前記軸線よりも下方に設けられ、液体冷媒（例えば、実施形態におけるＡＴＦ）を噴射する噴射口（例えば、実施形態における噴射口３１）と、前記噴射口に対して前記回転体の回転数に応じた流量の前記液体冷媒を供給する冷媒供給装置（例えば、実施形態における機械式オイルポンプ１５）と、を備える。

請求項２に記載した発明は、請求項１に記載の発明において、前記冷媒供給装置が、前記回転体が定トルク制御領域内の回転数である場合に、前記噴射口から噴射される前記液体冷媒が前記回転体よりも下方の静止体に直接到達する第一流量とする一方で、前記回転体が定トルク制御領域よりも高回転数の場合に、前記噴射口から噴射される前記液体冷媒が前記回転体に直接到達するように前記第一流量よりも多い第二流量とする。

請求項３に記載した発明は、請求項２に記載の発明において、前記回転体が前記定トルク制御領域よりも高回転数の場合に、前記回転体の径方向における前記液体冷媒の到達位置が、前記回転体に設けられる磁石の内側端部（例えば、実施形態における内側端部３２）と前記回転体の外周面（例えば、実施形態における外周面１２）との間の範囲である

請求項４に記載した発明は、請求項１から３の何れか一項に記載の発明において、前記静止体が、平角線の束から構成されるコイルセグメント（例えば、実施形態におけるコイル１８）を有する。

請求項１に記載した発明によれば、噴射口から噴射する液体冷媒は、その流量に応じて到達点が上下に変化するため、例えば、流量が多い場合には、上方に配置される回転体に液体冷媒を直接到達させることができる一方で、流量が少ない場合には、回転体よりも下方に配置される静止体に液体冷媒を直接到達させることができる。また、回転数に応じて流量を変化させるため、モータの運転状態に応じて噴射口から噴射される液体冷媒による冷却箇所を切り替えることができる。したがって、複雑な構造を用いずに２つの冷却対象である回転体と静止体とを選択的に冷却することができるため、大型化や全体重量の増加を抑制しつつ、回転体および静止体を十分に冷却することができる。

請求項２に記載した発明によれば、定トルク制御領域内の回転数である場合は、銅損等により静止体のコイルの発熱が大きくなるため、第一流量によって噴射口から噴射される液体冷媒を静止体に直接到達させて静止体の下部を冷却することができる。また、定トルク制御領域よりも高回転数となる場合には、静止体の発熱は低減して渦電流損等により回転体の永久磁石の発熱が大きくなるので、第二流量によって噴射口から噴射される液体冷媒を回転体に直接到達させて回転体の下部を冷却することができる。

請求項３に記載した発明によれば、磁石を積極的に冷却することができるため、可逆減磁を抑制して性能低下を低減することができる。

請求項４に記載した発明によれば、平角線の束から構成されるコイルセグメントのうち、静止体の下部に配置されるコイルセグメントのコイルエンドを冷却することができる。したがって、周方向で隣り合うコイルセグメント間を液体冷媒が伝わり難い場合であっても、コイルセグメントのコイルエンドに生じる発熱を低減して、信頼性を向上することができる。

この発明の実施形態におけるモータの縦断面図である。 この発明の実施形態におけるステータの分解斜視図である。 この発明の実施形態における機械式オイルポンプの回転数に対する吐出流量のグラフである。 この発明の実施形態における図１の下部側のコイルの端部周辺の拡大図である。 この発明の実施形態におけるモータ回転数に応じたＡＴＦの噴射距離の違いを示す図である。 この発明の実施形態におけるモータの出力特性と冷却箇所とを示す図である。

次に、この発明の一実施形態におけるモータを図面に基づき説明する。ここで、この実施形態の説明においては、自動車等の車両の駆動源として用いられるモータを一例に説明する。
図１は、この発明の実施形態におけるモータの縦断面図である。
図１に示すように、この実施形態のモータ１は、ケース２内に、ロータ（回転体）３と、ステータ（静止体）４と、を備えている。
ロータ３は、水平方向を向く軸線Ｏ回りに回転する。ロータ３は、回転軸６と、ロータ本体７と、永久磁石８と、を備えている。

回転軸６は、その両端部が軸受９を介して回転自在にケース２に支持されている。回転軸６は、ロータ本体７に形成された貫通孔１０に挿通されてロータ本体７に固定されている。
ロータ本体７は、珪素鋼板等の円盤状の磁性材を軸線Ｏ方向に複数積層することで円筒状に形成されている。このロータ本体７は、軸線Ｏ方向に貫通する複数の磁石取付孔１１を有している。

磁石取付孔１１は、ロータ本体７の外周面１２に沿って周方向に間隔をあけて整列して配されている。
永久磁石８は、磁石取付孔１１の内部に圧入等により挿入され固定されている。永久磁石８は、ロータ本体７の軸線Ｏ方向の長さと同等の範囲に配されている。ここで、この実施形態におけるロータ３には、軸線Ｏ方向のロータ本体７の端面１３を塞ぐように端面板１４が取り付けられている。

図２は、この発明の実施形態におけるステータの分解斜視図である。
図１、図２に示すように、ステータ４は、ロータ３の外周側を覆う円筒状に形成されている。ステータ４の内周面１６は、上述したロータ３の外周面１２と一定の間隙を有して配置されている。ステータ４は、ステータコア１７と、コイル（コイルセグメント）１８とを備えている。

ステータコア１７は、軸線Ｏ方向に貫通する複数のスロット１９を備えている。これらスロット１９は、ステータコア１７の内周面１６から径方向外側に向かって延びるように形成されている。また、これらスロット１９は、周方向に間隔をあけて配され、軸線Ｏ方向から見て放射状に形成されている。スロット１９は、内周面１６に形成されたスリット２０を介してステータコア１７の内周側の空間と連通している。

コイル１８は、いわゆるセグメントコンダクタ式のコイルである。一つのコイル１８は、複数の平角線の束により形成されている。一つのコイル１８は、Ｕ字状に湾曲形成されており、一対の脚部２１と、これら脚部２１を連結する頭部（コイルエンド）２２とを備えている。コイル１８は、軸線Ｏ方向におけるステータコア１７の第一端面１７ａ側から、その脚部２１がスロット１９に挿入される。

脚部２１は、スロット１９に第一端面１７ａ側から挿入されると、軸線Ｏ方向におけるスロット１９の第二端面側（図示せず）から端部（コイルエンド）２３が突出する。これら端部２３は、周方向に曲げられて、対応する他のコイル１８の端部２３に溶接等により接合される。頭部２２は、それぞれ周方向に並んで重なるように配置される。また、端部２３も、それぞれ周方向に並んで重なるように配置される。これら頭部２２、および、端部２３は、ステータコア１７の第一端面１７ａ、および、第二端面から軸線Ｏ方向外側に向かって突出している。これら頭部２２、および、端部２３は、ロータ３よりも軸線Ｏ方向外側まで延びている。

図１に示すように、ケース２は、ロータ３、および、ステータ４の軸線Ｏ方向に間隔をあけて、軸線Ｏに直交する方向に延びる円盤状の縦壁２５を備えている。縦壁２５は、ロータ３、および、ステータ４の軸線Ｏ方向外側を覆い、その中心部２４には、上述した軸受９を収容する収容部２６が形成されている。

縦壁２５には、その下端部２７に、供給配管２８が接続されている。この供給配管２８は、機械式オイルポンプ（冷媒供給装置）１５に接続されて、液体冷媒であるＡＴＦ（Automatic Transmission Fluid）を供給する。供給配管２８は、ステータ４の下方を軸線Ｏ方向に向かって配索されている。

図３は、この発明の実施形態における機械式オイルポンプの回転数に対する吐出流量のグラフである。
この実施形態における機械式オイルポンプ１５は、回転軸６の回転が伝達されることで作動するようになっている。そのため、図３に示すように、回転軸６が高回転のときには、機械式オイルポンプ１５から吐出されるＡＴＦの流量が多くなり、回転軸６が低回転のときには、機械式オイルポンプ１５から吐出されるＡＴＦの流量が少なくなる。また、回転数の上昇に伴う突出量の増加率は、回転数が高くなるほど緩やかになっている。

図１に示すように、縦壁２５は、冷媒通路２９を有している。冷媒通路２９は、供給配管２８から供給されるＡＴＦを縦壁２５の下端部２７から中心部２４まで流すための流路を形成している。冷媒通路２９により中心部２４まで流れたＡＴＦは、回転軸６の内部に形成された通路３０を通じて、例えば、ケース２の上部等に送られる。

ここで、図１において、図示都合上、記載を省略しているが、ステータ４の上方には、ＡＴＦを吐出する上部吐出口が配置されている。この上部吐出口から吐出したＡＴＦ（図１中、矢印で示す）は、ステータ４の上部に配されるコイル１８の頭部２２および端部２３に接触した後、周方向両側に重力により流下して、周方向に並んだ頭部２２および端部２３を順次冷却する。

図４は、この発明の実施形態における図１の下部コイルエンド周辺の拡大図である。
図１、図４に示すように、縦壁２５には、噴射口３１が形成されている。この噴射口３１は、冷媒通路２９に流れるＡＴＦの一部を、ケース２内側に噴射するための孔である。この噴射口３１は、鉛直方向で回転軸６よりも下方に形成されている。噴射口３１は、水平方向（言い換えれば、回転軸６の軸線Ｏ方向）に向かって延びる断面円形や断面矩形などに形成されており、ＡＴＦをロータ３、および、ステータ４側に噴射する。

噴射口３１は、軸線Ｏ方向でロータ３に対向する位置、より具体的には、ロータ３の端面板１４に対向する位置に形成されている。この実施形態における噴射口３１は、上下方向で、最も下側に位置する永久磁石８と、永久磁石８の下方に位置するロータ本体７の外周面１２との間に配されている。

図５は、この発明の実施形態におけるモータ回転数に応じたＡＴＦの噴射距離の違いを示す図である。
図５に示すように、噴射口３１から噴射されるＡＴＦは、重力により放物線を描いて落下する。この噴射口３１から噴射されるＡＴＦは、噴射口３１の孔径が一定である場合、機械式オイルポンプ１５からの吐出されるＡＴＦの流量に応じて放物線の角度、すなわち噴射距離が変化する。モータ回転数が低回転（例えば、５００ｒｐｍ程度）である場合には、噴射口３１から噴射されるＡＴＦの水平方向の距離が短くなる。また、モータ回転数が高回転になるほど、噴射口３１から噴射されるＡＴＦの水平方向の距離が長くなる。ここで、機械式オイルポンプ１５から吐出されるＡＴＦの流量の増減に応じて、冷媒通路２９の内部圧力が昇降するため、ＡＴＦの噴射距離は、冷媒通路２９の内部圧力に応じて変化すると言うこともできる。

図６は、この発明の実施形態におけるモータの出力特性と冷却箇所とを示す図である。
一般に、車両駆動用のモータは、図６に示すような出力特性を示す。図６は、縦軸をトルク［Ｎｍ］、横軸を回転数［ｒｐｍ］としたグラフである。モータの出力特性は、例えばモータの形状や体格などに応じて最高回転数、最大トルク等が変化する。この図６に示すグラフにおいて、所定の回転数までは、最大トルクが一定となる定トルク制御領域となる。また、このグラフにおいて、所定回転数ａを超えると、最大トルクが減少するトルク減少領域となる。このトルク減少領域においては、回転数が上昇するに従って最大トルクの減少率が徐々に低下している。

定トルク制御領域では、コイル１８の銅損等による発熱が大きくなる一方で、トルク減少領域では、永久磁石８の渦電流損などによる発熱が大きくなる傾向がある。そのため、定トルク制御領域では、噴射口３１から噴射されるＡＴＦによる冷却箇所をコイル１８とし、トルク減少領域では、噴射口３１から噴射されるＡＴＦによる冷却箇所をロータ３とする。噴射口３１から噴射されるＡＴＦによる冷却箇所は、ロータ３およびコイル１８のうち、回転軸６の鉛直下方に位置する箇所である。ロータ３については、回転するため実質的にロータ３の全周が冷却される。

図５、図６に示すように、機械式オイルポンプ１５は、モータ回転数が所定回転数ａより高回転となった場合に、噴射されたＡＴＦが端面板１４に直接到達する流量（以下、単に第一流量と称する）となる。一方で、モータ回転数が所定回転数ａ以下となった場合に、噴射されたＡＴＦがコイルの１８の端部２３に直接到達する流量（以下、単に第二流量と称する）となる。ＡＴＦの流量は、モータ回転数に応じて変化するため、第二流量は、第一流量よりも多い。

この実施形態において、所定回転数ａよりもモータ回転数が高回転の場合には、モータ回転数の上昇と共にＡＴＦの到達高さが上方に移動する。同様に所定回転数ａよりもモータ回転数が低回転の場合には、モータ回転数の低下と共にＡＴＦの到達位置が、軸方向で縦壁２５側に移動する。また、この実施形態においては、第一流量の場合、ＡＴＦの到達位置は、ロータ３の径方向で永久磁石８の内側端部３２（図４参照）とロータ３の外周面１２との間の領域となる。

つまり、モータ回転数が定トルク制御領域内の回転数である場合には、ＡＴＦによって回転軸６の鉛直下方に配されるコイル１８の端部２３が冷却される。コイル１８の端部２３のうち、回転軸６の鉛直下方に配されていないものについては、上方から流下されるＡＴＦによって冷却が行われる。一方で、モータ回転数が定トルク制御領域を超える回転数である場合には、ロータ３の永久磁石８の近傍が冷却される。

したがって、上述の実施形態によれば、ＡＴＦの流量が多い場合には、ロータ３にＡＴＦを直接到達させることができる一方で、ＡＴＦの流量が少ない場合には、ロータ３よりも下方に配置されるステータ４にＡＴＦを直接到達させることができる。また、モータ回転数に応じてＡＴＦの流量が変化するため、モータ１の運転状態に応じて噴射口３１から噴射されるＡＴＦによる冷却箇所を切り替えることができる。その結果、複雑な構造を用いずに２つの冷却対象であるロータ３とステータ４とを選択的に冷却することができる。そのため、モータ１の大型化や重量増加を抑制しつつ、ロータ３およびステータ４を十分に冷却することができる。

さらに、モータ回転数が定トルク制御領域内の回転数である場合は、第一流量によって噴射口３１から噴射されるＡＴＦをステータ４に直接到達させてステータ４の下部、とりわけコイル１８の端部２３を冷却することができる。また、モータ回転数が定トルク制御領域よりも高回転となる場合には、第二流量によって噴射口３１から噴射されるＡＴＦをロータ３に直接到達させてロータ３の下部を冷却することができる。

また、ロータ３の径方向におけるＡＴＦの到達位置は、ロータ３に設けられる永久磁石８の内側端部３２とロータ３の外周面１２との間の範囲であるため、永久磁石８を積極的に冷却することができる。その結果、永久磁石８の可逆減磁を抑制してモータ１の性能低下を低減することができる。

さらに、平角線の束から構成されるセグメントコンダクタ式のコイル１８のうち、ステータ４の下部に配置されるコイル１８の端部２３を冷却することができる。その結果、周方向で隣り合うコイル１８間をＡＴＦが伝わり難い場合であっても、コイル１８の端部２３に生じる発熱を低減して、信頼性を向上することができる。

また、モータ回転数に連動する機械式オイルポンプ１５によって、ＡＴＦの吐出量を調整できるため、複雑な制御や機構を用いることなしに、冷却箇所を変更することができる。

なお、この発明は上述した各実施形態の構成に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で設計変更可能である。
例えば、上述した実施形態においては、液体冷媒としてＡＴＦを用いる場合について説明したが、ＡＴＦ以外の液体冷媒であってもよい。

さらに、上述した実施形態においては、コイル１８の端部２３をＡＴＦにより冷却する場合について説明したが、コイル１８の頭部２２であってもよい。

また、上述した実施形態においては、ＡＴＦを供給配管２８、および、冷媒通路２９を介して、モータ１の下方から回り込むようにして噴射口３１に供給する場合について説明した。しかし、この構成に限られず、例えば、上方から回り込むように配索されて噴射口３１に連通する流路を形成し、この流路を介してＡＴＦを噴射口３１に供給するようにしても良い。

さらに、上述した実施形態においては、セグメントコンダクタ式のコイル１８を備えるモータ１を一例に説明したが、ロータ３に永久磁石８を備え、ステータ４の周方向全周に渡って巻き線を備えるモータであればよい。

また、上述した実施形態においては、モータ１の回転により作動する機械式オイルポンプを一例に説明したが、モータ１の運転状態に応じてＡＴＦの吐出流量を、ロータ３を冷却可能な流量と、ステータ４を冷却可能な流量との間で変化可能な装置であればよく、モータ１の回転により作動する機械式オイルポンプに限られない。

さらに、上述した実施形態においては、車両駆動用のモータについて説明したが、車両駆動用のモータに限られない。
また、上述した実施形態においては、ロータ３が端面板１４を備える場合について説明したが、端面板１４を省略しても良い。

１ モータ
３ ロータ（回転体）
４ ステータ（静止体）
８ 永久磁石（磁石）
１２ 外周面
１５ 機械式オイルポンプ（冷媒供給装置）
１８ コイル（コイルセグメント）
３１ 噴射口
３２ 内側端部
Ｏ 軸線

Claims (4)

1. 軸線回りに回転する回転体と、前記回転体を外周側から覆う静止体とを備えるモータであって、
   前記軸線方向で前記回転体に対向し、且つ、前記軸線よりも下方に設けられ、液体冷媒を噴射する噴射口と、
   前記噴射口に対して前記回転体の回転数に応じた流量の前記液体冷媒を供給する冷媒供給装置と、を備えるモータ。
2. 前記冷媒供給装置は、
   前記回転体が定トルク制御領域内の回転数である場合に、前記噴射口から噴射される前記液体冷媒が前記回転体よりも下方の静止体に直接到達する第一流量とする一方で、前記回転体が定トルク制御領域よりも高回転数の場合に、前記噴射口から噴射される前記液体冷媒が前記回転体に直接到達するように前記第一流量よりも多い第二流量とする請求項１に記載のモータ。
3. 前記回転体が前記定トルク制御領域よりも高回転数の場合に、前記回転体の径方向における前記液体冷媒の到達位置は、前記回転体に設けられる磁石の内側端部と前記回転体の外周面との間の範囲である請求項２に記載のモータ。
4. 前記静止体は、平角線の束から構成されるコイルセグメントを有する請求項１から３の何れか一項に記載のモータ。