JP2020198688A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】上下方向に延在する軸線を有し、コイルを効果的に冷却できる回転電機を提供する。【解決手段】上下方向に延在する軸線を有する回転電機（１）であって、軸線２を中心とする円筒形をなし、下部にオイル溜まり２８を画定する底面３ｂを有するケース３と、ケース３によって軸線２の回りに回転可能に支持されたロータ４と、ケース３の内周面３ａ及びロータ４との間で、ケース３の内周面３ａ及び底面３ｂに隙間を空けてケース３に固定されたステータ５と、ステータ５の上部に冷却油を供給する冷却油供給部２５と、オイル溜まり２８の外周部に設けられ、ステータ５とケース３との間を流れ落ちる冷却油をロータ４の回転方向に偏向させるべくガイドする冷却油ガイド３０とを備える。【選択図】図１

Description

本開示は、上下方向に延在する軸線を有する回転電機に関する。

車両用の駆動装置として、ロータの回転中心が車両上下方向に延在するように取付部材を介して車体強度部材に取り付けられた偏平形モータと、扁平型モータの回転力を走行駆動輪に伝達する動力伝達機構とを備えたものが公知である（特許文献１参照）。この駆動装置によれば、例えば、偏平形モータを前席の下方に配置することにより、車高を抑制すると共に車両の低重心化や重量バランスを最適化することができる。

また、回転軸線を車両高さ方向に向けた電動機が左右の前輪の間や左右の後輪の間に配置される構成も公知である（特許文献２の図４参照）。この電動機は、走行駆動源や発電機として用いることができる回転電機の一例であり、ロータとステータとこれらを収容するケースとを備えている。ケースは、上下に分割可能な上ケースと下ケースとを有し、下ケースの側壁にはオイルポンプが取り付けられている。オイルポンプから吐出された油は電動機の各部に冷却油或いは潤滑油として供給される。電動機の巻線（コイル）の上端部には、上ケースに設けられた油路を介して冷却油が供給される。電動機の各部に供給された油はケースの底部に溜まり、オイルポンプにより吸い込まれて循環する。すなわちケースの下部には、油が貯留される貯留空間が底壁と側壁とにより形成されている。

特開２０１２−２９３６９号公報 特開２０１９−３９５５２号公報

このような姿勢で設けられる回転電機では、コイルの下端部が貯留空間に位置するように配置されることより、コイルが油によって冷却される。しかしながら、特許文献２記載の電動機では、ケース内の油面の変動時におけるエアレーションを防止するために、貯留空間を径方向内側空間と径方向外側空間とに分離する上下方向の軸線を中心とした略円筒状の隔壁が底壁部の上面から突設されている。従って、回転軸線に沿って設けられたシャフトの回転に伴い、径方向内側空間の油には旋回流が形成される一方、コイルが位置する径方向内側空間の油には旋回流が形成されず、コイルが効果的に冷却されない。

本発明は、このような背景に鑑み、上下方向に延在する軸線を有し、コイルを効果的に冷却できる回転電機を提供することを課題とする。

このような課題を解決するために、本発明のある実施形態は、上下方向に延在する軸線（２）を有する回転電機（１）であって、前記軸線を中心とする円筒形をなし、下部にオイル溜まり（２８）を画定する底面（３ｂ）を有するケース（３）と、前記ケースによって前記軸線の回りに回転可能に支持されたロータ（４）と、前記ケースの内周面（３ａ）及び前記ロータとの間で、前記ケースの前記内周面及び前記底面に隙間を空けて前記ケースに固定されたステータ（５）と、前記ステータの上部に冷却油を供給する冷却油供給部（２５）と、前記オイル溜まりの外周部に設けられ、前記ステータと前記ケースとの間を流れ落ちる冷却油を前記ロータの回転方向に偏向させるべくガイドする冷却油ガイド（３０）とを備える。

この構成によれば、ステータと前記ケースとの間を流れ落ちる冷却油が冷却油ガイドによってロータの回転方向に偏向されるため、オイル溜まりに溜まった冷却油にロータの回転方向の旋回流が形成される。これにより、コイルを効果的に冷却することができる。

上記構成において、前記冷却油ガイド（３０）が、前記ケース（３）の前記内周面（３ａ）の下部に沿って延在し、前記ロータ（４）の前記回転方向に下り勾配の傾斜面（３２ａ）をなす上面を有する板状のガイド部材（３１）を含むとよい。

この構成によれば、ガイド部材がケースの内周面の下部に沿って設けられる簡単な構成により、オイル溜まりに溜まった冷却油にロータの回転方向の旋回流を形成することができる。

上記構成において、前記ガイド部材（３１）が前記ケース（３）の前記内周面（３ａ）と協働して溝（３２）を形成し、当該溝の底面（３２ａ）が前記傾斜面をなすとよい。

この構成によれば、ガイド部材の上面を流れる冷却油がガイド部材の径方向内側に流れ落ちることを抑制し、ロータの回転方向に確実に冷却油を偏向させることができる。

上記構成において、前記ガイド部材（３１）が、前記ロータ（４）の前記回転方向の上流側に向けて先細の径方向の厚みを有するテーパ形状をなすとよい。

この構成によれば、オイル溜まりに溜まった冷却油がガイド部材の上流側の端部をテーパ形状に沿って円滑に流れ、旋回流がガイド部材によって阻害されることが抑制される。

上記構成において、前記ガイド部材（３１）が、前記ロータ（４）の前記回転方向の下流側に向けて先細の径方向の厚みを有するテーパ形状をなすとよい。

この構成によれば、オイル溜まりに溜まった冷却油がガイド部材の下流側の端部をテーパ形状に沿って円滑に流れ、旋回流がガイド部材によって阻害されることが抑制される。

上記構成において、前記ステータ（５）は、円環状のステータコア（１７）と、前記ステータコアの内面から突出する複数のティース（１８）と、複数の前記ティースに巻装されたコイル（１９）と、前記ステータコアの外周面から突出し、上下方向に延在する複数の突出部（２１）とを有し、前記ケース（３）は、前記突出部に対応して径方向外側に膨出し、前記突出部に隙間を空けて対向する複数の膨出部（２２）と、各膨出部の下端に形成され、対応する前記突出部を支持する複数の支持部（２３）とを備え、前記ガイド部材（３１）が、複数の前記支持部に対応するように個別に設けられているとよい。

この構成によれば、ステータコアの突出部とケースの膨出部との間を流れ落ちる冷却油が支持部に受け止められてガイド部材に捕捉される。これにより、旋回流を効果的に発生させることができる。

上記構成において、前記冷却油供給部（２５）が、前記コイル（１９）の上方に配置された環状の給油パイプ（２６）と、前記給油パイプの下部に形成された複数の給油ノズル（２７）とを有するとよい。

この構成によれば、給油パイプに複数の給油ノズルが形成された簡単な構成によってコイルの上端部に満遍なく冷却油を供給し、コイルを効果的に冷却することができる。

上記構成において、前記ロータ（４）が、前記軸線（２）に沿って延在する回転軸（１２）と、前記回転軸の下端に一体に回転するように設けられた補助翼（４０）とを有するとよい。

この構成によれば、ロータと一体に回転する補助翼により、オイル溜まりに溜まった冷却油の旋回流を強化することができる。

上記構成において、前記補助翼（４０）が、前記ケース（３）の前記底面（３ｂ）に沿って延在する円板部（４１）と、前記円板部の上面に突出形成された複数の翼部（４２）とを有するとよい。

この構成によれば、冷却油の撹拌抵抗の増大を抑制しつつ、オイル溜まりの外周部の旋回流を強化することができる。

このように本発明によれば、上下方向に延在する軸線を有し、コイルを効果的に冷却できる回転電機を提供することができる。

第１実施形態に係る電動機の断面図 図１に示す電動機の、上ケースを外した状態の平面図 冷却油の流れを示す電動機の断面図 図１に示す下ケースの平面図 図１に示す下ケースを一部破断して示す斜視図 冷却油の流れを示す下ケースの斜視図 第２実施形態に係る電動機の断面図 図６に示す下ケースを一部破断して示す斜視図

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。

≪第１実施形態≫
まず、図１〜図６を参照して本発明の第１実施形態について説明する。図１は、第１実施形態に係る電動機１の断面図である。電動機１は、車両の走行駆動トルクを出力する駆動源であり、軸線２を上下方向に延在させる姿勢で電気自動車やハイブリッド自動車等の車両に搭載される。なお、電動機１は回転電機の一例であり、発電機として用いられてもよい。

図１に示すように、電動機１は、軸線２を中心とする円筒形をなすケース３と、ケース３によって軸線２の回りに回転可能に支持されたロータ４と、ロータ４の外周側に配置され、ケース３に固定されたステータ５とを有している。ケース３は、上下に分割可能な上ケース６と下ケース７とを有し、ロータ４及びステータ５を収容する収容空間を内部に画定している。下ケース７は円筒形の側壁８と、側壁８の下端を塞ぐ底壁９とを有している。ここで言う円筒形とは、円環状の筒状であることを意味するものではなく、周方向の少なくとも一部において円筒に沿う形状をしていることを意味する。下ケース７の底壁９には、軸線２を中心として上方に突出する円環状のシャフト支持部１０が形成されている。上ケース６には、軸線２に沿う貫通孔１１が形成されている。

ロータ４は、軸線２に沿って上下方向に延在し、電動機１の出力軸をなす回転軸１２と、回転軸１２の周りに配置されたロータハブ１３と、ロータハブ１３に取り付けられたロータコア１４とを備えている。ロータハブ１３は、回転軸１２に一体に設けられていてもよく、特許文献２のように遊星歯車機構を介して回転軸１２に相対回転可能に設けられていてもよい。いずれの構成においても、ロータハブ１３の回転に伴って回転軸１２が回転する。回転軸１２は、下端において下ケース７のシャフト支持部１０にベアリング１５を介して回転可能に支持され、上部において上ケース６に設けられたベアリング１５を介して回転可能に支持されている。回転軸１２は上ケース６の貫通孔１１を貫通してケース３の上面から上方に突出している。ロータコア１４は、軸線２を中心とした略円筒形状の回転子鉄心であり、ロータハブ１３の外周面に嵌合して結合され、ロータハブ１３と一体に回転する。電動機１は埋込磁石同期モータであり、ロータコア１４には、複数の永久磁石が周方向に並べて埋め込まれる。なお、磁石を有しない同期リラクタンスモータやスイッチドリラクタンスモータ等として電動機１が構成されてもよい。

ステータ５は、ロータコア１４の外周面との間に径方向に所定長さのギャップを介し、且つケース３の内周面３ａとの間に隙間を空けて配置される。ステータ５は、軸線２を中心とする円環状のステータコア１７と、ステータコア１７の内面から突出する複数のティース１８と、複数のティース１８に巻装されたコイル１９とを備えている。コイル１９は、セグメントコンダクタ型コイルであり、分布巻によってティース１８に巻装されている。コイル１９の上端部はステータコア１７の上端面よりも上方に突出し、コイル１９の下端部はステータコア１７の下端面よりも下方に突出している。コイル１９の下端部、すなわちステータ５の下端部は、ケース３の底面３ｂに隙間を空けて配置される。

図２は、図１に示す電動機１の、上ケース６を外した状態の平面図である。図１及び図２に示すように、コイル１９に三相交流電流が供給されることによって回転磁界が発生し、ロータ４は図２に矢印Ｘで示すように時計回りに回転する。ステータ５は、ステータコア１７の外周面から突出し、上下方向に延在する複数の突出部２１を有している。本実施形態では、６つの突出部２１が周方向に一定の間隔に配置されている。各突出部２１は、上下方向に延在するボルト挿通孔を画定する締結用の突出片であり、ステータコア１７の高さの全長にわたってステータコア１７と一体に形成されている。

ケース３の側壁８は、突出部２１に対応して径方向外側に膨出し、突出部２１に隙間を空けて対向する複数の膨出部２２と、各膨出部２２の下端に形成され、対応する突出部２１を支持する複数の支持部２３とを備えている。本実施形態では、ケース３の側壁８が円筒形の一部において拡大する形状に形成されており、ケース３の側壁８には３つの膨出部２２が形成されている。一方、ケース３には突出部２１を支持するために６つの支持部２３が形成されている。

各支持部２３は、ステータ５を締結するためのボルトが螺合するねじ孔を備えるボスであり、ステータ５の突出部２１の下面が当接する支持面をなす上面をケース３の底面３ｂよりも高い位置に備えている。すなわち、各支持部２３の上面はケース３の内周面３ａの一部ではなく、上記ケース３の内周面３ａは、ケース３の側壁８の内面のうち、支持面を除いた部分を指している。支持面の径方向外側、すなわち各支持部２３の外周部には円弧溝２４が形成されている。支持面よりも低い位置では、ケース３の内周面３ａは円筒形をしており、径方向外側に膨出していない。

ケース３内の上部には、ステータ５の上部に冷却油を供給する冷却油供給部２５が設けられている。冷却油供給部２５は、コイル１９の上方に配置された環状の給油パイプ２６と、給油パイプ２６の下部に形成された複数の給油ノズル２７とを有しており、複数の給油ノズル２７からコイル１９の上端に冷却油を供給する。

図３は、冷却油の流れを示す電動機１の断面図である。図３に示すように、コイル１９の上端に供給された冷却油は、コイル１９を冷却し、ステータ５の内面又は外面を伝って流れ落ちてステータ５を冷却し、ケース３の下部に溜まる。すなわち、ケース３は、内周面３ａと底面３ｂとにより下部にオイル溜まり２８を画定する。コイル１９の下端はオイル溜まり２８に貯留された冷却油（その油面２９を図１及び図３に想像線で示す）に油没している。このような簡単な構成の冷却油供給部２５により、コイル１９の上端部に満遍なく冷却油が供給され、コイル１９が効果的に冷却される。

図４は、図１に示す下ケース７の平面図であり、図５は、図１に示す下ケース７を一部破断して示す斜視図である。図４及び図５に示すように、オイル溜まり２８の外周部には、複数のガイド部材３１が設けられている。各ガイド部材３１は、ステータ５（図３）とケース３（図３）との間を流れ落ちる冷却油をロータ４の回転方向に偏向させるべくガイドする冷却油ガイド３０を構成するものであり、６つの支持部２３に対応するように周方向に等間隔をなす６箇所に設けられている。

各ガイド部材３１は、ケース３の下部にて内周面３ａ及び底面３ｂに当接するように設けられた円弧状に湾曲した板状をなす板状部材である。各ガイド部材３１は、ロータ４の回転方向（図２に示す矢印Ｘ）の上流側に向けて先細の径方向の厚みを有するテーパ形状をなすと共に、ロータ４の回転方向の下流側に向けて先細の径方向の厚みを有するテーパ形状をなしている。各ガイド部材３１は、ケース３の内周面３ａにおける膨出部２２の周方向長さよりも長い周方向長さを有している。各ガイド部材３１は、ロータ４の回転方向において、上流側の端部が膨出部２２の上流側の端部に整合し、下流側の端部が膨出部２２の下流側の端部よりも下流側に位置するように配置されている。

各ガイド部材３１の上面は、ケース３の内周面３ａと協働して、ロータ４の回転方向に延在する溝３２を形成している。溝３２は、ロータ４の回転方向の上流側において浅く、ロータ４の回転方向の下流側において深く形成されている。すなわち、溝３２の底面３２ａはロータ４の回転方向に下り勾配の傾斜面をなしている。溝３２の下流端はロータ４の回転方向の下流側に向けて開放されている。

電動機１は以上のように構成されている。次に、このように構成された電動機１の作用効果について説明する。

図３を参照して説明したように、冷却油供給部２５からコイル１９の上端部に供給された冷却油は、ステータ５の内面又は外面を伝って流れ落ちる。突出部２１が設けられていない部分では、ステータ５の外面を流れ落ちるオイルは、油没するコイル１９の下端をからオイル溜まり２８に溜まったオイルに合流する。一方、突出部２１が設けられた部分では、突出部２１と膨出部２２との間を流れ落ちる冷却油は、支持部２３の外周部に設けられた円弧溝２４に捕捉される。

図６は、冷却油の流れを示す図５に対応する下ケース７の斜視図である。図６に示すように、円弧溝２４に捕捉された冷却油は、ロータ４の回転方向（図２の矢印Ｘ）において、突出部２１の上流側及び下流側にて円弧溝２４から排出される。円弧溝２４から排出された冷却油は、ケース３の内周面３ａを伝って落ち、ガイド部材３１の溝３２によって捕捉されることによってロータ４の回転方向の下流側へ偏向される。

このように、電動機１が冷却油をガイドする冷却油ガイド３０をオイル溜まり２８の外周部に備えることにより、ステータ５とケース３との間を流れ落ちる冷却油が冷却油ガイド３０によってロータ４の回転方向に偏向される。これにより、オイル溜まり２８に溜まった冷却油にロータ４の回転方向の旋回流が形成され、旋回流によりコイル１９が効果的に冷却される。

冷却油ガイド３０は、ケース３の内周面３ａの下部に沿って延在し、ロータ４の回転方向に下り勾配の傾斜面をなす上面を有する板状のガイド部材３１を含んでいる。このように、ガイド部材３１がケース３の内周面３ａの下部に沿って設けられる簡単な構成により、ロータ４の回転方向の旋回流がオイル溜まり２８に溜まった冷却油に形成される。

ガイド部材３１がケース３の内周面３ａと協働して溝３２を形成し、溝３２の底面３２ａが傾斜面をなすことにより、ガイド部材３１の上面を流れる冷却油がガイド部材３１の径方向内側に流れ落ちることが抑制され、ロータ４の回転方向に確実に冷却油が偏向する。

ガイド部材３１は、ロータ４の回転方向の上流側に向けて先細の径方向の厚みを有するテーパ形状をなしており、オイル溜まり２８に溜まった冷却油がガイド部材３１の上流側の端部をテーパ形状に沿って円滑に流れる。これにより、旋回流がガイド部材３１によって阻害されることが抑制される。

またガイド部材３１は、ロータ４の回転方向の下流側に向けて先細の径方向の厚みを有するテーパ形状をなしており、オイル溜まり２８に溜まった冷却油がガイド部材３１の下流側の端部をテーパ形状に沿って円滑に流れる。これによっても、旋回流がガイド部材３１によって阻害されることが抑制される。

そしてガイド部材３１が複数の支持部２３に対応するように個別に設けられている。これにより、ステータコア１７の突出部２１とケース３の膨出部２２との間を流れ落ちる冷却油が支持部２３に受け止められてガイド部材３１に捕捉され、旋回流が効果的に発生する。

≪第２実施形態≫
次に、図７及び図８を参照して本発明の第２実施形態について説明する。なお、第１実施形態と同一又は同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

図７は、第２実施形態に係る電動機１の断面図であり、図８は、図７に示す下ケース７を一部破断して示す斜視図である。図７及び図８に示すように、本実施形態では、ロータ４が、回転軸１２の下端に一体に回転するように設けられた補助翼４０を有している。補助翼４０は、ケース３の底面３ｂに沿って延在する円板部４１と、円板部４１の上面に突出形成された複数の翼部４２とを有している。

このようにロータ４が補助翼４０を有することにより、ロータ４の回転と共に補助翼４０が回転し、オイル溜まり２８に溜まった冷却油の旋回流が強化される。

また、補助翼４０が、ケース３の底面３ｂに沿って延在する円板部４１と、円板部４１の上面に突出形成された複数の翼部４２とを有することにより、冷却油の撹拌抵抗の増大が抑制されつつ、オイル溜まり２８の外周部の旋回流が強化される。

以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されることなく幅広く変形実施することができる。例えば、各部材や部位の具体的構成や配置、数量等は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲であれば適宜変更可能である。一方、上記実施形態に示した各構成要素は必ずしも全てが必須ではなく、適宜選択することができる。

１ 電動機（回転電機）
２ 軸線
３ ケース
３ａ 内周面
３ｂ 底面
４ ロータ
５ ステータ
１２ 回転軸
１７ ステータコア
１８ ティース
１９ コイル
２１ 突出部
２２ 膨出部
２３ 支持部
２５ 冷却油供給部
２６ 給油パイプ
２７ 給油ノズル
２８ オイル溜まり
３０ 冷却油ガイド
３１ ガイド部材
３２ 溝
３２ａ 底面（傾斜面）
４０ 補助翼
４１ 円板部
４２ 翼部

Claims (9)

1. 上下方向に延在する軸線を有する回転電機であって、
   前記軸線を中心とする円筒形をなし、下部にオイル溜まりを画定する底面を有するケースと、
   前記ケースによって前記軸線の回りに回転可能に支持されたロータと、
   前記ケースの内周面及び前記ロータとの間で、前記ケースの前記内周面及び前記底面に隙間を空けて前記ケースに固定されたステータと、
   前記ステータの上部に冷却油を供給する冷却油供給部と、
   前記オイル溜まりの外周部に設けられ、前記ステータと前記ケースとの間を流れ落ちる冷却油を前記ロータの回転方向に偏向させるべくガイドする冷却油ガイドとを備えることを特徴とする回転電機。
2. 前記冷却油ガイドが、前記ケースの前記内周面の下部に沿って延在し、前記ロータの回転方向に下り勾配の傾斜面をなす上面を有する板状のガイド部材を含むことを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
3. 前記ガイド部材が前記ケースの前記内周面と協働して溝を形成し、当該溝の底面が前記傾斜面をなすことを特徴とする請求項２に記載の回転電機。
4. 前記ガイド部材が、前記ロータの回転方向の上流側に向けて先細の径方向の厚みを有するテーパ形状をなすことを特徴とする請求項３に記載の回転電機。
5. 前記ガイド部材が、前記ロータの回転方向の下流側に向けて先細の径方向の厚みを有するテーパ形状をなすことを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の回転電機。
6. 前記ステータは、円環状のステータコアと、前記ステータコアの内面から突出する複数のティースと、複数の前記ティースに巻装されたコイルと、前記ステータコアの外周面から突出し、上下方向に延在する複数の突出部とを有し、
   前記ケースは、前記突出部に対応して径方向外側に膨出し、前記突出部に隙間を空けて対向する複数の膨出部と、各膨出部の下端に形成され、対応する前記突出部を支持する複数の支持部とを備え、
   前記ガイド部材が、複数の前記支持部に対応するように個別に設けられていることを特徴とする請求項３〜請求項５のいずれかに記載の回転電機。
7. 前記冷却油供給部が、前記コイルの上方に配置された環状の給油パイプと、前記給油パイプの下部に形成された複数の給油ノズルとを有することを特徴とする請求項６に記載の回転電機。
8. 前記ロータが、前記軸線に沿って延在する回転軸と、前記回転軸の下端に一体に回転するように設けられた補助翼とを有することを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれかに記載の回転電機。
9. 前記補助翼が、前記ケースの前記底面に沿って延在する円板部と、前記円板部の上面に突出形成された複数の翼部とを有することを特徴とする請求項８に記載の回転電機。

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