JP2015220937A - 回転電機の冷却構造 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ロータ32と一体的に回転可能にユニットケース1に支持されたロータ軸31と、このロータ軸31の内部に軸方向に形成され、潤滑油が流入する流入孔31cから潤滑油が排出される排出用貫通孔31dへ潤滑油が軸方向に移動可能に形成された冷却用冷媒流路31bと、を備え、冷却用冷媒流路31bに潤滑油を通過させてロータ軸31の冷却を行うようにした回転電機の冷却構造であって、冷却用冷媒流路31bの流入孔31cと排出用貫通孔31dとの間に、潤滑油の軸方向の流れを制限する仕切部材100を設けたことを特徴とする回転電機の冷却構造とした。
【選択図】図1
Description
この従来技術は、ロータ軸を内外二重に形成し、ロータ軸の一端から、内軸の軸心部に形成された冷媒導入孔に冷媒を導入し、その冷媒を外径方向の連通路を介して、内軸と外筒との間に形成された間隙通路に供給し、ロータの冷却を行う構造となっている。すなわち、ロータ軸の回転による遠心力により、冷媒導入孔の冷媒を外径方向の間隙通路に供給するようにしている。
例えば、従来の冷却構造を、車両のインホイールモータ式の駆動ユニットに適用した場合、車体や車輪などとの干渉を回避するために、駆動ユニットの小型化を図ると、冷媒の容量も少なくなる。このような条件で、ロータ軸を高回転で回転させ、ロータ軸内の流路からの冷媒の排出量が相対的に多くなった場合、ロータ軸内の流路への冷媒供給量が不足して、冷却性能が十分に得られないおそれがある。
ロータ軸の冷媒通路に冷媒を通過させてロータ軸の冷却を行うようにした回転電機の冷却構造において、前記冷媒流路の流入部と排出部との間に、前記冷媒の軸方向の流れを制限する仕切部材を設けたことを特徴とする。
したがって、冷媒の流入量が相対的に少ない場合でも、仕切部材を設けないものと比較して、冷媒溜まりによる冷却性能の向上を図ることが可能となる。
(実施の形態1)
実施の形態1の回転電機の冷却構造は、車両において駆動輪を駆動する駆動ユニットAに適用したものであり、まず、駆動ユニットAの全体構成について説明する。
図1は、実施の形態1のモータ軸冷却構造を備えた駆動ユニットAを示す断面図であり、以下、図1に基づき、駆動ユニットAの全体構成を説明する。
まず、駆動ユニットAの車両への搭載状態を簡単に説明する。
この駆動ユニットAは、車両の前輪FWを駆動輪として駆動させるために、車両の懸架装置に支持されたいわゆるインホイール形式の駆動ユニットである。
図1に示すように、この駆動ユニットAは、ユニットケース1からユニット出力軸2が車外方向(矢印OUT方向)に突出されている。
なお、各図において矢印UPが車両上方を示し、矢印OUTが車幅方向で車外方向を示し、矢印INが車幅方向で車内方向を示している。
次に、駆動ユニットAの構成について説明する。
ユニットケース1の内部には、電動モータ3と減速機構4とが収容されており、回転電機としての電動モータ3の回転が減速機構4により減速されてユニット出力軸2に伝達される。
まず、ユニットケース1の構造について説明する。
ユニットケース1は、電動モータ3の外径方向を覆うモータケース11と、減速機構4の外径方向を覆う減速機ケース12と、電動モータ3の車内方向の側部を覆うモータカバー13との3部品をボルトにより結合して構成されている。なお、モータカバー13の軸心部には、後述するレゾルバ37を覆う側部カバー13aが設けられている。
なお、電動モータ3およびモータ室14は、減速機構4および減速機室15よりも車両上方の位置に配置されている。
制御ユニット室17は、円筒状の制御ユニットケース18aおよび制御ユニットケース18aの軸方向の開口を塞ぐ制御ユニットカバー18bに覆われたドライ空間とされている。
そして、この制御ユニット室17に、モータ制御ユニット20が収容されている。
このモータ制御ユニット20は、モータコントローラやインバータやコンバータ等の電動モータ3を制御する制御機器類により構成される。なお、制御ユニット室17は、空冷フィン18dにより自然空冷が確保されている。
次に、電動モータ3及び減速機構4について説明する。
電動モータ3は、ロータ軸31と、ロータ32と、ステータ33と、ステータコイル34と、を有している。
ロータ軸31は、軸方向で車内方向の端部が第1ベアリング35によりモータカバー13に回転可能に支持され、軸方向で車外方向の端部が第2ベアリング36によりモータケース11に対し回転可能に支持されている。なお、第1ベアリング35は、軸方向でモータカバー13の内周位置で支持されている。一方、第2ベアリング36は、仕切壁11aに支持されている。なお、ロータ軸31のモータ軸中心線は、ユニット出力軸2のタイヤ軸中心線に対して車両上方(図1の矢印UP)にオフセット配置されている。
ステータ33は、ステータコイル34を巻き付けた積層のステータティースにより構成され、ロータ32の外周側にロータ32との間に径方向のエアギャップを介して配置されてモータケース11に固定されている。
次に、減速機構4について説明する。
減速機構4は、軸方向で車内側に配置された平行軸歯車列40と、軸方向で車外側に配置された遊星歯車機構50と、を備えている。
平行軸歯車列40は、電動モータ3のロータ軸31の回転をユニット出力軸2に対して第1段階の減速を行って、遊星歯車機構50に伝達し、遊星歯車機構50は、第2段階の減速を行ってユニット出力軸2に伝達する。したがって、平行軸歯車列40は相対的に高速回転を行い、遊星歯車機構50は相対的に低速回転を行う。
従動歯車42は、ユニットケース1のうちタイヤ軸中心線よりも下方位置に形成された潤滑油貯留部15aの潤滑油に一部浸漬して配置される。また、従動歯車42には、軸方向で遊星歯車機構50側の側面に、後述するピニオンキャリア53との干渉を避けるために軸方向で車内方向に凹ませた凹部42aが形成されている。
すなわち、モータケース11の仕切壁11aには、軸方向で車外方向に円筒部11cが立設されている。そして、この円筒部11cの内周と、従動軸43の車内方向の端部の外周との間に、第3ベアリング45が介在されている。
また、従動軸43の車外方向端部の先端部が、ユニット出力軸2の内周に挿入され、従動軸43の外周とユニット出力軸2の内周との間に第4ベアリング46が介在されている。なお、ユニット出力軸2の支持構造については後述する。
なお、遊星歯車機構50の回転中心軸は、従動歯車42とユニット出力軸2との回転中心軸(タイヤ軸中心線)と同軸に配置されている。
本実施の形態1では、図1の点線の矢印Bおよび実線の矢印Cにより示すように、減速機室15にて従動歯車42で掻き上げた潤滑油を、減速機室15の上部で受け止め、ロータ軸31を循環させることで、電動モータ3を冷却する冷却構造を備えている。
以下に、その構成を簡単に説明する。
この潤滑油供給構造部60は、図2に示す、キャッチャ61,61を備えている。
キャッチャ61,61は、車両前後方向でモータ中心軸を挟んで前後(矢印FR方向が車両前後方向)に一対設けられ、従動歯車42により掻き上げられた潤滑油を受け止めるために、下方に凹んだ凹形状に形成され、減速機ケース12に一体形成されている。
供給部材支持穴12aの潤滑油は、図1に示す潤滑油供給部材62を介して、ロータ軸31の軸心部に形成された潤滑油導入路31aに供給可能に形成されている。
ロータ軸31は、図1および図3に示すように、内筒311と外筒312とにより、二重構造に形成されている。すなわち、外筒312は、一端の車外方向側からロータ32と軸方向に重なる範囲を超える深さの外筒軸心穴313が形成されている。そして、この外筒軸心穴313に、円筒状の内筒311が挿入されている。なお、図3では、外筒312は、図示の簡略化のために円筒状に表示している。
すなわち、前述の潤滑油供給部材62は、図1に示すように、筒状のハット断面形状に形成され、その大径部分が減速機ケース12の供給部材支持穴12aに嵌め込まれて、供給部材支持穴12aに同軸に支持されている。そして、潤滑油供給部材62の小径部分が、ロータ軸31の潤滑油導入路31aに、差し込まれ、供給部材支持穴12aとロータ軸31の潤滑油導入路31aとが連通され、キャッチャ61で受け止めた潤滑油を潤滑油導入路31aに供給可能に形成されている。
この冷却用冷媒流路31bは、内筒311の先端の大径部311aに軸方向に貫通された流入孔31cにより、潤滑油導入路31aに連通されている。
また、外筒312には、冷却用冷媒流路31bと、外筒312の外周とを連通し、冷却用冷媒流路31bから減速機室15への潤滑油の排出部となる排出用貫通孔31dが径方向に貫通して形成されている。この排出用貫通孔31dは、軸方向で、図1に示すように、オイルシール16と駆動歯車41との間の位置に形成されている。
すなわち、従動歯車42の回転により掻き上げられた潤滑油は、まず、キャッチャ61に受け止められる。そして、連通油路63を通り、供給部材支持穴12aおよび潤滑油供給部材62を介して、潤滑油導入路31aに供給される。
さらに、この潤滑油導入路31aに供給された潤滑油は、ロータ軸31の回転に伴い作用する遠心力により、以下の経路を通って、減速機室15に戻される。すなわち、潤滑油導入路31aに供給された潤滑油は、潤滑油導入路31aを軸方向で車内方向に進んで外筒軸心穴313の奥に達した後、減速機室15の方向に折り返して、流入孔31cを通って内筒311と外筒312との間の冷却用冷媒流路31bに供給される。そして、冷却用冷媒流路31bを外筒312の内周に沿って車外方向に進んだ後、排出用貫通孔31dを通って減速機室15に戻される。
本実施の形態1の特徴とする構成である仕切部材100について、図3、図4に基づいて説明する。
本実施の形態1では、冷却用冷媒流路31bの流入部としての流入孔31cと、排出部としての排出用貫通孔31dと、の間に、冷媒としての潤滑油の軸方向の流れを制限する仕切部材100が設けられている。
また、仕切部材100は、外筒312の外筒軸心穴313において、軸方向の中間部(好ましくは、ロータ32の軸方向で車外側端縁部よりも車外方向位置)の内周に、軸方向の移動が規制された状態で取り付けられている。この仕切部材100の軸方向の移動規制は、外筒312に対してきつく嵌合することで可能であるが、外筒軸心穴313の内周に外径方向に凹んだ係合溝を周方向に形成し、この溝に仕切部材100の外周部を外径方向に差し込んで取り付けるのが好ましい。
以下に、実施の形態1の回転電機の冷却構造の作用について説明する。
本実施の形態1では、減速機室15の底部に設けられた潤滑油貯留部15aに潤滑油が貯留されている。
ここで、電動モータ3が駆動すると、ロータ軸31が回転し、この回転が平行軸歯車列40により減速されて従動軸43に伝達される。そして、この従動軸43の回転が、さらに、遊星歯車機構50により減速されてユニット出力軸2に伝達され、前輪FWが回転される。
また、減速機室15において掻き上げられた潤滑油は、潤滑油供給構造部60のキャッチャ61,61にて受け止められ、ロータ軸31内に供給されてロータ軸31を冷却した後、減速機室15に戻される。なお、キャッチャ61,61は、モータ軸中心線に対して車両前後方向(図2の左右方向)の両側に設けているため、前進時、後退時のいずれの場合も潤滑油を受け止めることができる。
この際の潤滑油の経路は、前述のように、潤滑油導入路31a、外筒軸心穴313の奥、流入孔31c、冷却用冷媒流路31b、排出用貫通孔31dを順に通る経路となる。そして、ロータ軸31が回転した際に、潤滑油に遠心力が作用し排出用貫通孔31dから外径方向に飛ばされることで、この経路に負圧が生じ、上述の潤滑油の流れとなる。そして、潤滑油が冷却用冷媒流路31bを通るときに、ロータ軸31の表面から熱を奪うことでロータ軸31および電動モータ3を冷却することができる。
また、駆動ユニットAは、車載性能の観点からは、ユニットケース1はできる限り小型に形成するのが好ましく、その際、潤滑油貯留部15aにおける潤滑油の容量が低下する。
したがって、ロータ軸31が高回転となると、冷却用冷媒流路31bにおける潤滑油量が減る一方、従動歯車42の掻き上げによる潤滑油貯留部15aの油面低下で、キャッチャ61に受け止められる油量、すなわち、ロータ軸31への供給油量が低下する。
このため、ロータ軸31内の潤滑油量が不足して電動モータ3に対する冷却性能の確保が難しくなるおそれがある。
このため、仕切部材100を設けないものと比較して、潤滑油とロータ32側との熱交換性能を確保でき、その分、冷却性能が向上する。
以下に、実施の形態1の回転電機の冷却構造の効果を列挙する。
1)実施の形態1の回転電機の冷却構造は、
ロータ32と一体的に回転可能にユニットケース1に支持されたロータ軸31と、
このロータ軸31の内部に軸方向に形成され、冷媒としての潤滑油が流入する流入部としての流入孔31cから潤滑油が排出される排出部としての排出用貫通孔31dへ潤滑油が軸方向に移動可能に形成された冷媒流路としての冷却用冷媒流路31bと、
を備え、前記冷却用冷媒流路31bに潤滑油を通過させて前記ロータ軸31の冷却を行うようにした回転電機の冷却構造であって、
前記冷却用冷媒流路31bの前記流入孔31cと前記排出用貫通孔31dとの間に、潤滑油の軸方向の流れを制限する仕切部材100を設けたことを特徴とする。
したがって、冷媒としての潤滑油が冷却用冷媒流路31bを流れる際に、仕切部材100により流れを制限される分だけ、流入孔31cと仕切部材100との間に冷媒が溜められる。これにより、冷却用冷媒流路31bに対する冷媒供給量が減少した場合であっても、流入孔31cと仕切部材100との間に潤滑油を確保して潤滑油溜まりを形成でき、冷却性能を向上させることができる。
前記仕切部材100を、前記冷却用冷媒流路31bの径方向で外径側の位置に配置したことを特徴とする。
したがって、ロータ軸31が回転する際に、潤滑油が遠心力により冷却用冷媒流路31bの外径方向側の面である外筒312の内周に沿って移動する際に、仕切部材100が、その移動を確実に規制して、冷却用冷媒流路31bに潤滑油を溜めることができる。
よって、上記1)の冷却性能の向上を確実に達成することができる。
前記流入孔31cを、ロータ32の軸方向の車内方向側端部に配置する一方、前記仕切部材100を、前記冷却用冷媒流路31bの軸方向で、ロータ32の軸方向の車外側端部に配置したことを特徴とする。
したがって、冷却用冷媒流路31bにおいて、仕切部材100による潤滑油溜まりを、ロータ32の軸方向の略全域に配置することができ、潤滑油溜まりの範囲が、これよりも軸方向に短い場合と比較して、ロータ軸31の冷却性能を確保することができる。
次に、他の実施の形態の回転電機の冷却構造について説明する。
なお、他の実施の形態を説明するのにあたり、実施の形態1と共通する構成には実施の形態1と同じ符号を付して説明を省略し、実施の形態1との相違点のみ説明する。
実施の形態2の回転電機の冷却構造は、冷却用冷媒流路31bにおいて、仕切部材200よりも潤滑油が流入する流入部205側に軸方向に延びる軸方向溝202および突起203を周方向に交互に形成した例である。
また、実施の形態2では、内筒204の外周を、突起203の内径方向の先端部により支持するようにしている。なお、実施の形態2では、内筒204の軸方向の先端部外周と、外筒201の内周との間に形成される径方向の空間であって、冷却用冷媒流路31bの軸方向で車内方向の端部が潤滑油の流入部205となる。
2-1)実施の形態2の回転電機の冷却構造は、
冷却用冷媒流路31bに、流路断面積を増加させる溝としての軸方向溝202を形成したことを特徴とする。
したがって、軸方向溝202を形成しないものと比較して、仕切部材200により形成される潤滑油溜まりにおけるロータ軸231における潤滑油との接触面積の拡大を図ることが可能になり、この接触面積拡大による冷却性能向上を図ることが可能となる。
前記ロータ軸231は、内筒204と外筒201との間に間隙を設けた二重構造として、前記間隙部分に前記冷却用冷媒流路31bを設け、
前記軸方向溝202は、前記外筒201の内周に設けたことを特徴とする。
ロータ軸231における、潤滑油との接触面である軸方向溝202を外筒201に形成したため、このような溝を内筒側に設けた場合と比較して、電動モータ3の発熱部分から潤滑油の接触面までの熱伝達抵抗を低く抑えることができる。よって、ロータ軸231における潤滑油への熱伝達性能、すなわち、冷却性能を高い水準で確保することができる。
前記軸方向溝202を、前記流入部205と前記仕切部材200との間に設けたことを特徴とする。
このように、軸方向溝202を、流入部205と仕切部材200との間にのみ形成したため、軸方向溝202を、外筒軸心穴313において仕切部材200よりも車外方向にまで設けたものと比較して、仕切部材200の設置が容易となる。すなわち、仕切部材200を、突起203の端面に面で当接させるようにしたため、仕切部材200を突起203に当接させない場合と比較して、仕切部材200の挿入作業が容易となり、組付作業性が向上する。
実施の形態3の回転電機の冷却構造は、実施の形態2の変形例であり、図8に示すように、ロータ軸331の外筒301において、周方向に隣り合う軸方向溝302どうしを連通する周方向溝304を複数形成した例である。なお、仕切部材300は、実施の形態2と同様に、突起303の端面に当接させている。
3-1)実施の形態3の回転電機の冷却構造は、
外筒301において、溝として軸方向の軸方向溝302と円周方向の周方向溝304とを連通させて形成させたことを特徴とする。
したがって、冷却用冷媒流路31bでは、仕切部材300により形成される潤滑油溜まり部分の潤滑油に、円周方向の流れが生じるため、このような円周方向の流れが生じないものと比較して、外筒301と潤滑油との接触時間が増えて熱伝達効果が向上する。加えて、オイル溜まり部分における上記円周方向の流れにより、この潤滑油溜まり部分に対流が生じ、外筒301の表面近傍の潤滑油だけが局所的に熱伝達されるのを抑制して、伝達された熱を分散でき、熱伝達効果が向上する。
実施の形態4の回転電機の冷却構造は、実施の形態1に示した構造において、図9に示すように、ロータ軸431において、仕切部材400よりも流入孔31c(図9では図示省略)側の外筒401の内周に螺旋状の溝402を形成した例である。
なお、仕切部材400は、溝402を形成するために厚肉に形成された部分の端面に当接されて固定されている。また、実施の形態4では、図示を省略した内筒は、実施の形態1と同様に大径部(311a)により外筒401に支持されている。
さらに、この潤滑油溜まりでは、螺旋状の溝402により、潤滑油が周方向に移動するため、外筒401との接触時間が長くなるとともに対流が生じ、溝402を形成しないものと比較して、熱伝達効果が向上する。
4-1)実施の形態4の回転電機の冷却構造は、
前記溝402を、前記ロータ軸431の軸心を中心とする螺旋状に形成したことを特徴とする。
したがって、上述のように、仕切部材400により形成された潤滑油溜まりにおいて周方向の流れが生じるため、熱伝達効果が促進されて、冷却性能が向上する。
加えて、溝402は、螺旋状に形成しているため、加工が容易であり、製造コストを抑えることが可能である。
実施の形態5の回転電機の冷却構造は、実施の形態1〜実施の形態4とは潤滑油の流れる方向を異ならせた例である。
このように排出部をロータ軸531の軸方向両端部に有する構造は、例えば、モータ室14もウエット空間とした構造などに採用することができる。
例えば、実施の形態では、冷媒流路は、周方向で全周につながったものを示したが、これに限定されず、周方向で区画された複数の冷媒流路を設けた構造としてもよい。この場合、仕切部材は、全ての冷媒流路に設けてもよいが、必要な冷却性能に応じ、複数の冷媒流路のうちの一部に選択的に設けることも可能である。
また、実施の形態では、仕切部材として金属製で、薄板リング状のものを示したが、その材質や形状は、これに限定されない。例えば、仕切部材として、樹脂製など金属製以外のものを用いることも可能である。また、その形状も、冷媒の軸方向の流れを制限可能な形状であれば、断面形状が、円形や多角形状など実施の形態で示した矩形断面以外の形状としてもよい。
3 電動モータ(回転電機)
31 ロータ軸
31a 潤滑油導入路
31b 冷却用冷媒流路(冷媒流路)
31c 流入孔(流入部)
31d 排出用貫通孔(排出部)
32 ロータ
100 仕切部材
200 仕切部材
201 外筒
202 軸方向溝
204 内筒
205 流入部
231 ロータ軸
300 仕切部材
301 外筒
302 軸方向溝
304 周方向溝
402 (螺旋状の)溝
Claims (7)
- ロータと一体的に回転可能にケースに支持されたロータ軸と、
このロータ軸の内部に軸方向に形成され、冷媒が流入する流入部から前記冷媒が排出される排出部へ前記冷媒が軸方向に移動可能に形成された冷媒流路と、
を備え、前記冷媒流路に前記冷媒を通過させて前記ロータ軸の冷却を行うようにした回転電機の冷却構造であって、
前記冷媒流路の前記流入部と前記排出部との間に、前記冷媒の軸方向の流れを制限する仕切部材を設けたことを特徴とする回転電機の冷却構造。 - 請求項1に記載の回転電機の冷却構造において、
前記仕切部材を、前記冷媒流路の径方向で外径側の位置に配置したことを特徴とする回転電機の冷却構造。 - 請求項1または請求項2に記載の回転電機の冷却構造において、
前記冷媒流路に、流路断面積を増加させる溝を形成したことを特徴とする回転電機の冷却構造。 - 請求項3に記載の回転電機の冷却構造において、
前記ロータ軸は、内筒と外筒との間に間隙を設けた二重構造として、前記間隙部分に前記冷媒流路を設け、
前記溝は、前記外筒の内周に設けたことを特徴とする回転電機の冷却構造。 - 請求項3または請求項4に記載の回転電機の冷却構造において、
前記溝を、前記流入部と前記仕切部材との間に設けたことを特徴とする回転電機の冷却構造。 - 請求項3〜請求項5のいずれか1項に記載の回転電機の冷却構造において、
前記溝を、軸方向の溝と円周方向の溝とを連通させて形成したことを特徴とする回転電機の冷却構造。 - 請求項3〜請求項5のいずれか1項に記載の回転電機の冷却構造において、
前記溝を、前記ロータ軸の軸心を中心とする螺旋状に形成したことを特徴とする回転電機の冷却構造。
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