JP2022007439A - Rotary electric machine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、回転電機、特に回転電機の冷却に関する。 The present invention relates to cooling of a rotary electric machine, particularly a rotary electric machine.
電気エネルギを回転の運動エネルギに変換する電動機、回転の運動エネルギを電気エネルギに変換する発電機、さらに電動機と発電機どちらにも機能する電気機器が知られている。以下において、これらの電気機器を総称して回転電機と記す。典型的な回転電機は、ロータと、ロータの外側を囲むように配置されたステータを有し、ステータは固定され、ロータは回転する。ロータおよびステータは、それぞれ磁路を形成するロータコアおよびステータコアを含む。ステータは、略円環または略円筒のヨークとヨークの内周面に間隔を空けて周方向に配列されて間にスロットを規定するティ-スとを有する。スロット内にコイルを形成するコイル導線が配置される。 Motors that convert electrical energy into rotational kinetic energy, generators that convert rotational kinetic energy into electrical energy, and electrical equipment that functions as both electric motors and generators are known. Hereinafter, these electric devices are collectively referred to as a rotary electric machine. A typical rotary machine has a rotor and a stator arranged so as to surround the outside of the rotor, the stator is fixed, and the rotor rotates. The rotor and stator include a rotor core and a stator core that form a magnetic path, respectively. The stator has a yoke of substantially annulus or a substantially cylinder and a tooth arranged in the circumferential direction at intervals on the inner peripheral surface of the yoke to define a slot between them. A coil lead wire forming a coil is arranged in the slot.
ロータコア内に冷却用の流体(以下、冷却液と記す。)を流してロータコア内部から冷却する回転電機が知られている。下記特許文献1には、冷却液が流れる流路(40,41a,41b,42a,42b,43,44a,44b)が形成されたロータコア(21)が示されている。流路(40等)を流れる冷却液により、ロータコア(21)が内部から冷却される。なお、上記の( )内の符号は、下記引用文献1で用いられている符号であり、本願の実施の形態の説明で用いられる符号とは関連しない。 A rotary electric machine is known in which a cooling fluid (hereinafter referred to as a coolant) is passed through the rotor core to cool the inside of the rotor core. The following Patent Document 1 shows a rotor core (21) in which a flow path (40, 41a, 41b, 42a, 42b, 43, 44a, 44b) through which a coolant flows is formed. The rotor core (21) is cooled from the inside by the coolant flowing through the flow path (40 or the like). The reference numerals in () above are the reference numerals used in the following cited document 1 and are not related to the reference numerals used in the description of the embodiments of the present application.
上記の特許文献1においては、ロータから吐出した冷却液は、ロータとステータの隙間を流れステータの内周面を冷却するものの、冷却液によってステータ内部を冷却することは考慮されていない。特に、電流が流れることにより発熱するコイル導線のうち、ステータの内周から離れた位置のコイル導線の冷却は考慮されていない。ステータのティースに流路を設け、コイル導線が配置されたスロットの底部に冷却液を送り、さらにステータのヨークを貫通する流路を設け、冷却液をステータの外周面から排出するようにすれば、コイル導線等のステータの内部構成の冷却が促進される。 In Patent Document 1 described above, the coolant discharged from the rotor flows through the gap between the rotor and the stator and cools the inner peripheral surface of the stator, but it is not considered that the inside of the stator is cooled by the coolant. In particular, among the coil conductors that generate heat due to the flow of an electric current, cooling of the coil conductors at a position away from the inner circumference of the stator is not taken into consideration. If a flow path is provided in the teeth of the stator, the cooling liquid is sent to the bottom of the slot in which the coil conductor is arranged, and a flow path is provided through the yoke of the stator so that the cooling liquid is discharged from the outer peripheral surface of the stator. , Cooling of the internal configuration of the stator such as coil conductors is promoted.
しかし、ステータ外周面からの冷却液の排出を阻害する要因があると、所期の冷却性が得られない。例えば、回転電機が、その回転軸線が重力方向に対して交差するように配置される場合、ステータの上部では、冷却液が重力の影響を受け、ステータコア外周面に達せず、排出されずに滞留または逆流する場合が想定され、新たな冷却液の供給を阻害し冷却性が低下する場合がある。また、ステータの位置決めをするために、ステータを収めるケースにステータ外周面に当接するいくつかの壁面を設けた場合、当該壁面が冷却液の流路の排出口を塞ぎ冷却液が排出されず滞留または逆流し、冷却性が低下する場合がある。 However, if there is a factor that hinders the discharge of the cooling liquid from the outer peripheral surface of the stator, the desired cooling property cannot be obtained. For example, when the rotary electric machine is arranged so that its rotation axis intersects the direction of gravity, the coolant is affected by gravity at the upper part of the stator, does not reach the outer peripheral surface of the stator core, and stays without being discharged. Alternatively, backflow may occur, which may hinder the supply of new coolant and reduce the cooling performance. Further, in order to position the stator, when the case for accommodating the stator is provided with some wall surfaces that come into contact with the outer peripheral surface of the stator, the wall surfaces block the discharge port of the flow path of the coolant and the coolant is not discharged and stays. Or it may flow backward and the cooling performance may decrease.
本発明は、ステータの外周面から排出されず滞留または逆流する冷却液を減少させることを目的とする。 An object of the present invention is to reduce the amount of coolant that is not discharged from the outer peripheral surface of the stator and stays or flows back.
本発明に係る回転電機は、外周面に冷却液を吐出する吐出口が形成され、重力方向に対して回転軸線が交差するように配置されたロータと、ロータの外周を囲むように配置されたステータコアとを含み、ステータコアは、円環または円筒形のヨークと、ヨークの内周面に間隔を空けて周方向に配列されて間にスロットを規定するティースとを有する。回転電機は、さらに一部がスロット内に配置されてティースに巻装されたコイルを含む。 In the rotary electric machine according to the present invention, a discharge port for discharging coolant is formed on the outer peripheral surface, and the rotor is arranged so that the rotation axes intersect with each other in the direction of gravity, and the rotor is arranged so as to surround the outer circumference of the rotor. Including a stator core, the stator core has an annular or cylindrical yoke and teeth that are spaced circumferentially arranged on the inner peripheral surface of the yoke and define a slot between them. The rotary machine further includes a coil that is partially placed in a slot and wound around a tooth.
ティースには、吐出口から吐出された冷却液をスロットの底部に送るティース流路が形成され、ヨークには、径方向に延びて、当該ヨークの、スロットの底部を規定する内周面と当該ヨークの外周面とにそれぞれ開口し、スロットの底部からヨークの外周面に冷却液を送るヨーク内径方向流路と、全周にわたって周方向に延び、ヨーク内径方向流路と交差し、ヨーク内径方向流路を流れる冷却液の一部を周方向に送るヨーク内周方向流路とが形成されている。 The teeth are formed with a teeth flow path that sends the coolant discharged from the discharge port to the bottom of the slot, and the yoke has an inner peripheral surface of the yoke that extends radially and defines the bottom of the slot. A yoke inner diameter direction flow path that opens to the outer peripheral surface of the yoke and sends cooling liquid from the bottom of the slot to the outer peripheral surface of the yoke, and extends in the circumferential direction over the entire circumference, intersects the yoke inner diameter direction flow path, and intersects the yoke inner diameter direction. An inner circumferential flow path of the yoke is formed to send a part of the cooling liquid flowing through the flow path in the circumferential direction.
ステータ上部において、ステータコアの外周面から排出されなかった冷却液の少なくとも一部がヨーク内周方向流路に流れることで、冷却液の滞留および逆流が防止される。 At the upper part of the stator, at least a part of the coolant not discharged from the outer peripheral surface of the stator core flows into the flow path in the inner peripheral direction of the yoke, so that the coolant is prevented from staying and backflowing.
以下、本発明の実施形態を図面に従って説明する。図1~4は、本実施形態に係る回転電機10の断面を模式的に示す図である。図1は回転電機10の出力軸の回転軸線Aを含む断面であり、この断面の位置が図2~4においてI-I線で示されている。図2は回転軸線Aに直交する断面、特に図1中のII-II線における断面図、図3は回転軸線Aに直交する断面、特に図1中のIII-III線における断面図、図4は回転軸線Aに直交する断面、特に図1中のIV-IV線における断面図である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. 1 to 4 are views schematically showing a cross section of the rotary
回転電機10は、ロータ12と、ロータ12を取り囲むように同軸配置されたステータ14を備える。ロータ12は、略円筒形状のロータコア16と、ロータコア16の中心を貫通しているロータシャフト18を含む。ロータシャフト18が回転電機10の出力軸である。ロータ12は、ロータシャフト18が重力方向と交差する方向となるように、例えば水平から±20°の範囲で、または水平から±10°の範囲で、または水平に配置されて使用される。ロータシャフト18の中心線が、ロータ12の回転軸線Aである。この回転軸線Aに沿う方向を軸線方向、直交する方向を半径方向、回転軸線Aを中心とした円周に沿う方向を周方向と記す。ロータコア16は、電磁鋼板を所定の形状に加工したロータコアプレート20を、回転軸線Aの方向に積層して形成されている。ロータコア16の外周面近傍には、永久磁石(不図示)が配置されている。
The rotary
ステータ14は、ステータコア24とステータコア24に巻装されたコイル26を含む。ステータコア24は、電磁鋼板を所定の形状に加工したステータコアプレート28を積層して形成されている。ステータコア24は、略円環または略円筒形状のヨーク30と、ヨーク30の内周面に、周方向に沿って間隔を空けて配列されたティース32を有する。この回転電機10においては、ティース32の数は8個である。隣接するティース32の間の空間はスロット34と呼ばれている。スロット34は、隣接するティース32の互いに対向する側面と、ヨーク30の内周面とによって規定され、半径方向内側と軸線方向の端は開放している。
The
ティース32にコイル導線36が巻回されてコイル26が形成されている。コイル26を形成するコイル導線36は、例えば断面が長方形である平角導線であり、スロット34内において、軸線方向に延びている。この回転電機10において、コイル26は分布巻きコイルであり、各スロット34内でコイル導線36が径方向に1列に配置されている。
A
ロータシャフト18は、中空シャフトであり、この中空空間を通じて冷却液が供給される。冷却液は、軸受や摺動部分を潤滑する潤滑油であってよい。ロータシャフト18には、中空空間と外周面をつなぐように半径方向に沿って延びるシャフト内流路38が形成され、シャフト内流路38はロータシャフト18の外周面に開口している。シャフト内流路38を通して冷却液がロータシャフト18の外周面に送られる。ロータコア16には、ロータコア内流路40が形成されている。ロータコア内流路40の半径方向において内側の端は、ロータシャフト18の外周面に形成された、シャフト内流路38の開口に対向する。また、ロータコア内流路40の半径方向において外側の端は、ロータコア16の外周面に開口している。この開口を吐出口40aと記す。冷却液は、シャフト内流路38とロータコア内流路40を通ってロータコア16の外周に送られ、ロータコア内流路40の吐出口40aからステータ14に向けて吐出される。
The
図1~4において、ロータコア内流路40は、簡単のために、ロータコア16の内周面と外周面を同一のロータコアプレート20に形成された連続した1本の流路にて示している。実際には、ロータコア内流路40は、流路をいくつかに分け、個々の分けられた流路を異なるロータコアプレート20に形成し、これらのロータコアプレート20を隣接させて積層することにより部分的な流路をつないで形成されている。
In FIGS. 1 to 4, the rotor core
図5は、ステータコア24の一部、特に1つのティース32を含む部分を模式的に示す斜視図である。ティース32は、軸線方向(図5において上下方向)において2つに分割されており、分割されたそれぞれの部分をティースセグメント32A,32Bと記す。1つのティース32を構成するティースセグメント32Aと32Bの間には、隙間42が空けられている。隙間42は、軸線方向において、ロータコア内流路の吐出口40aと同じ位置に設けられ、吐出口40aから吐出された冷却液が、隙間42内に送り込まれる。
FIG. 5 is a perspective view schematically showing a part of the
図2は、ティース32が存在する、つまりティースセグメント32A,32Bを含む断面を代表する図である。これに対し、図3,4は、ティース32の隙間42の位置における断面であり、図3は軸線方向において隙間42の中央位置での断面を示し、図4は中央からずれた位置での断面を示している。ヨーク30内部には、冷却液が流れる流路が形成されており、流路は径方向に延びるヨーク内径方向流路44と、周方向に延びるヨーク内周方向流路46を含む。ヨーク内径方向流路44、ヨーク内周方向流路46共に、分けられたいくつかの流路を異なるステータコアプレート28に形成し、これらのステータコアプレート28を隣接させて積層することにより、部分的な流路をつないで形成されている。
FIG. 2 is a diagram representing a cross section in which the
ヨーク内径方向流路44は、軸線方向において隙間42と同じ位置のスロット34の底部に開口した第1部分44A(図4参照)と、ヨーク30の外周面、つまりステータコア24の外周面に開口した第2部分44B(図3参照)とを含む。第1部分44Aの径方向外側端部と第2部分44Bの径方向内側端部が軸線方向において隣接することにより、両者がつながり、ヨーク30の内周面と外周面をつなぐ流路が形成される。
The yoke inner diameter direction flow
ヨーク内周方向流路46は、ヨーク内径方向流路の第1部分44Aと交差するように、周方向に延びる第1部分46Aと、ヨーク内径方向流路の第2部分44Bとは離れて形成され周方向に延びる第2部分46Bを含む。ヨーク内周方向流路の第1部分46Aおよび第2部分46Bは、周方向に対する接線方向に延びる直線形状を有しているが、これに限らず円弧形状に形成されてもよい。ヨーク内周方向流路の隣接する第1部分46Aと第2部分46Bの端部同士が軸線方向において隣接することにより、両者がつながり、ヨーク30の内部を貫く全周にわたって延びるヨーク内周方向流路46が形成される。図6には、ヨーク内周方向流路の第1部分46Aと第2部分46Bがつながる様子が示されており、第1部分46Aが破線で、第2部分46Bが実線で示されている。ヨーク内周方向流路46は、ヨーク30内に埋められたように、つまりヨーク30を構成する部材で周囲が囲まれて形成されている。
The yoke inner peripheral
ヨーク内周方向流路46において、第1部分46Aの径方向寸法より第2部分46Bの径方向寸法を小さくし、さらに回転軸線Aから遠い位置に配置してよい。ティース32周囲の磁性体部分が増加することにより、磁路の断面を大きくすることができる。
In the inner
ロータコア内流路40から吐出された冷却液は、スロット34と、ティース32を分割して形成された隙間42を通ってスロット34の底部に送られる。ティース32の隙間42は、吐出された冷却液をスロット34の底部に送るティース内流路として機能する。スロット34の底部に送られる際、冷却液がコイル導線36に接触し、コイル導線36が冷却される。冷却液は、スロット34の底部からヨーク内径方向流路44に流入する。回転軸線Aより下方のヨーク内径方向流路44においては、冷却液は、ロータ12からの吐出時の慣性および重力の作用により、そのまま同じヨーク内径方向流路44を流れてヨーク30の外周面から排出される。回転軸線Aより上方のヨーク内径方向流路44においては、冷却液に作用する重力は、吐出時の慣性と逆に作用し、重力の影響が大きい場合、冷却液はヨーク30の外周面に達することができない場合がある。このような冷却液の少なくとも一部がヨーク内周方向流路46の一部に流れ、この流路を通って、下方に流れ、下方に配置される別のヨーク内径方向流路44を通ってヨーク30の外周面から排出される。
The coolant discharged from the
ステータ14を、回転電機10を収めるケースに位置決めする場合、ケースの内壁面やケースから立設した壁の壁面をステータコア24の外周面に当接して位置決めしてもよい。図7には、ケース48の内壁面により位置決めされたステータ14が示されている。ケース48は、ステータ14の外周面、すなわちステータコア24の外周面に沿って、ステータ14を取り囲むように配置された位置決め壁面48aを有する。図示する例の場合、位置決め壁面48aは、4個所に配置されている。図7において、右端に位置する位置決め壁面48aは、1つのヨーク内径方向流路44をふさいでおり、ここからの冷却液の排出を阻害している。ヨーク内径方向流路44からの排出が阻害された冷却液は、ヨーク内周方向流路46と伝って下方に流れ、別のヨーク内径方向流路44から排出される。位置決め壁面48aによって一部のヨーク内径方向流路44がふさがれても他のヨーク内径方向流路44から冷却液を排出することができる。ヨーク内周方向流路を設けることで、位置決め壁面48aを設ける位置に関して設計の自由度が高まる。ただし、最も下方に位置するヨーク内径方向流路44は、ふさがれないようにする必要がある。
When the
この回転電機10においては、図4に示す断面形状のステータコアプレートが、図3に示す断面形状のステータコアプレートの両側に配置され、これを挟むように位置するが、逆に配置されてもよい。また、図3に示す断面形状のステータコアプレートの片側のみに図4に示す断面形状のコアプレートが配置されてもよい。
In the rotary
ティースは、3個以上のティースセグメントに分割されてよく、この場合、ティースセグメント間の隙間のそれぞれに対応してヨーク内径方向流路およびヨーク内周方向流路を形成してよい。ティース内流路として、ティースセグメント間の隙間ではなく、スロットを規定するティースの壁面に径方向に沿って設けられた溝を採用することもできる。 The teeth may be divided into three or more tooth segments, in which case a yoke inner diameter flow path and a yoke inner circumference flow path may be formed corresponding to each of the gaps between the teeth segments. As the flow path in the teeth, instead of the gap between the teeth segments, a groove provided along the radial direction on the wall surface of the teeth defining the slot can be adopted.
ステータコアを磁性粉末を圧縮成形した圧粉コアとする場合には、ヨーク内径方向流路およびヨーク内周方向流路を分割せずに、1つの径方向に沿って、また1つの周方向に沿って真っ直ぐに延びる流路を構成することが可能になる。 When the stator core is a compact core obtained by compression molding magnetic powder, the yoke inner diameter flow path and the yoke inner circumference flow path are not divided, but are along one radial direction and one circumferential direction. It becomes possible to construct a flow path that extends straight.
10 回転電機、12 ロータ、14 ステータ、16 ロータコア、18 ロータシャフト、20 ロータコアプレート、24 ステータコア、26 コイル、28 ステータコアプレート、30 ヨーク、32 ティース、32A ティースセグメント、32B ティースセグメント、34 スロット、36 コイル導線、38 シャフト内流路、40 ロータコア内流路、40a 吐出口、42 隙間(ティース内流路)、44 ヨーク内径方向流路、46 ヨーク内周方向流路。 10 rotary electric machine, 12 rotors, 14 stators, 16 rotor cores, 18 rotor shafts, 20 rotor core plates, 24 stator cores, 26 coils, 28 stator core plates, 30 yokes, 32 teeth, 32A teeth segments, 32B teeth segments, 34 slots, 36 coils. Conductor wire, 38 shaft inner flow path, 40 rotor core inner flow path, 40a discharge port, 42 gap (teeth inner flow path), 44 yoke inner diameter direction flow path, 46 yoke inner circumference direction flow path.
Claims (1)
円環または円筒形のヨークと、前記ヨークの内周面に間隔を空けて周方向に配列されて間にスロットを規定するティースとを有し、前記ロータの外周を囲むように配置されたステータコアと、
一部が前記スロット内に配置され、前記ティースに巻装されたコイルと、
を含み、
前記ティースに、前記吐出口から吐出された冷却液を前記スロットの底部に送るティース流路が形成され、
前記ヨークに、径方向に延びて、当該ヨークの、前記スロットの底部を規定する内周面と当該ヨークの外周面とにそれぞれ開口し、前記スロットの底部から前記ヨークの外周面に冷却液を送るヨーク内径方向流路と、全周にわたって周方向に延び、前記ヨーク内径方向流路と交差し、前記ヨーク内径方向流路を流れる冷却液の一部を周方向に送るヨーク内周方向流路とが形成されている、
回転電機。
A rotor that is arranged so that the axis of rotation intersects the direction of gravity and has a discharge port that discharges coolant on the outer peripheral surface.
A stator core having an annular or cylindrical yoke and teeth arranged in the circumferential direction at intervals on the inner peripheral surface of the yoke to define a slot between them, and arranged so as to surround the outer periphery of the rotor. When,
A coil, part of which is placed in the slot and wound around the teeth,
Including
A teeth flow path is formed in the teeth to send the coolant discharged from the discharge port to the bottom of the slot.
It extends radially into the yoke and opens into the inner peripheral surface of the yoke, which defines the bottom of the slot, and the outer peripheral surface of the yoke, respectively, and a coolant is applied from the bottom of the slot to the outer peripheral surface of the yoke. A yoke inner peripheral flow path that extends in the circumferential direction over the entire circumference of the yoke inner diameter direction flow path to be sent, intersects the yoke inner diameter direction flow path, and sends a part of the coolant flowing in the yoke inner diameter direction flow path in the circumferential direction. And are formed,
Rotating machine.
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