JP2023077131A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】 従来に比べて冷却効率を向上させることが可能な回転電機の一例を開示する。【解決手段】 シャフト９の冷却孔９Ａに冷媒流通管１３が挿入され、当該冷媒流通管１３の外周面１３Ａに、冷却通路９Ｃを流通する冷媒の流れを乱す乱流誘起部１５が設けられている。これにより、冷却通路９Ｃを流通する冷媒の温度境界層が成長することが阻害され得る。したがって、冷媒及びシャフト９間の熱伝達率の低下が抑制され得るので、従来に比べて冷却効率を向上させることが可能となる。【選択図】 図１

Description

本開示は、冷却機構を備える回転電機に関する。

例えば、特許文献１に記載の電動モータは、ロータシャフト内に冷却孔が設けられ、当該冷却孔に冷媒供給管が挿入されているとともに、当該冷媒供給管から冷媒を供給することにより、ロータ等の機器を冷却している。

登録実用新案第２５７１３０２号公報

本開示は、従来に比べて冷却効率を向上させることが可能な回転電機の一例を開示する。

ステータ（３）、ロータ（５）及びハウジング（７）を備えるとともに、ロータシャフト（９）内に冷却孔（９Ａ）が設けられた回転電機は、例えば、以下の構成要件のうち少なくとも１つを備えることが望ましい。

すなわち、当該構成要件は、冷却孔（９Ａ）に挿入され、当該冷却孔（９Ａ）に沿って延びる冷媒流通管（１３）であって、冷却用の冷媒が流通する冷媒流通管（１３）と、冷媒流通管（１３）の外周面（１３Ａ）に設けられ、当該外周面（１３Ａ）と冷却孔（９Ａ）の内壁（９Ｂ）との隙間（９Ｃ）を流通する冷媒の流れを乱す乱流誘起部（１５）とである。

これにより、当該回転電機では、冷媒流通管（１３）の外周面（１３Ａ）と冷却孔（９Ａ）の内壁（９Ｂ）との隙間（９Ｃ）を流通する冷媒の温度境界層が成長することが阻害され得る。したがって、冷媒及びロータシャフト（９）間の熱伝達率の低下が抑制され得るので、従来に比べて冷却効率を向上させることが可能となる。

因みに、上記各括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的構成等との対応関係を示す一例であり、本開示は上記括弧内の符号に示された具体的構成等に限定されない。

第１実施形態に係る電動モータを示す図である。 第１実施形態に係る乱流誘起部を示す図である。 第２実施形態に係る乱流誘起部を示す図である。 第３実施形態に係る乱流誘起部を示す図である。

以下の「発明の実施形態」は、本開示の技術的範囲に属する実施形態の一例を示すものである。つまり、特許請求の範囲に記載された発明特定事項等は、下記の実施形態に示された具体的構成や構造等に限定されない。

なお、各図に付された方向を示す矢印及び斜線等は、各図相互の関係及び各部材又は部位の形状を理解し易くするために記載されたものである。したがって、本開示に示された発明は、各図に付された方向に限定されない。斜線が付された図は、必ずしも断面図を示すものではない。

少なくとも符号が付されて説明された部材又は部位は、「１つの」等の断りがされた場合を除き、少なくとも１つ設けられている。つまり、「１つの」等の断りがない場合には、当該部材は２以上設けられていてもよい。本開示に示された歯車付電動モータは、少なくとも符号が付されて説明された部材又は部位等の構成要素、並びに図示された構造部位を備える。

（第１実施形態）
＜１．電動モータの概要＞
本実施形態は、電動車両等の輸送機器に用いられる電動モータに本開示に係る回転電機の一例が適用されたものである。なお、本願に係る電動車両とは、電動モータのみで走行可能な車両、及び電動モータと内燃機関とを併用して走行可能な車両等をいう。

電動モータ１は、図１に示されるように、ステータ３、ロータ５、ハウジング７及び冷媒流通管１３等を少なくとも備える。因みに、電動モータ１は、埋込磁石型（ＩＰＭ）型の同期リラクタンス電動機である。

このため、ステータ３は、回転磁界を発生させるコイルにより構成されている。ロータ５は、突極性を構成するための空隙及び当該空隙に埋設された永久磁石等を有する。ハウジング７は、ステータ３及びロータ５等を収納するケーシングを構成する。

ロータ５のシャフト９は、当該ロータ５に一体化されて当該ロータ５を支持する。当該シャフト９は、少なくとも２つの軸受１０、１１を介してハウジング７に回転可能に支持されている。なお、軸受１０は、シャフト９の長手方向一端側（図１では、右端側）に配置されている。軸受１１は、長手方向他端側（図１では、左端側）に配置されている。

＜２．冷却機構＞
＜２．１ 冷却機構の概要＞
電動モータ１は冷却機構を備える。冷却機構は、ロータ５等の電動モータ１を構成する機器を冷却する。当該冷却機構は、冷媒流通管１３、及び乱流誘起部１５等を有して構成されている。

冷媒流通管１３は、冷却用の冷媒が流通する管である。当該冷媒流通管１３は、冷却孔９Ａに挿入された状態で当該冷却孔９Ａに沿って延びている。冷却孔９Ａは、シャフト９の長手方向に沿って、当該長手方向一端から他端側に延びる坑である。

つまり、冷却孔９Ａの延び方向一端は、シャフト９の長手方向一端にて開口し、冷却孔９Ａの延び方向他端は、シャフト９の長手方向他端側にて閉塞されている。そして、冷媒流通管１３の延び方向一端（図１では、右端）は、冷却孔９Ａの外部に位置している。冷媒流通管１３の延び方向他端（図１では、左端）は、冷却孔９Ａの内部に位置している。

このため、冷媒流通管１３は、延び方向一端側がハウジング７に支持され、かつ、延び方向他端にて冷却孔９Ａ内と連通した構成となっている。因みに、本実施形態に係る冷媒は、水にエチレングリコール等が混合された液体である。

冷却機構は、冷媒流通管１３等に加え、電動ポンプ（図示せず。）及び放熱器（図示せず。）等も有する。電動ポンプは、冷媒を電動モータ１と放熱器との間で循環させる。放熱器は、電動モータ１から流出した冷媒を大気又は冷却水と熱交換して冷媒を冷却する。

なお、本実施形態では、放熱器にて冷却された冷媒は、冷媒流通管１３に供給される。冷媒流通管１３の延び方向一端から当該冷媒流通管１３に流入した冷媒は、当該延び方向他端から冷媒流通管１３から流出して冷却孔９Ａに流入する。

冷却孔９Ａに流入した冷媒は、冷媒流通管１３の外周面１３Ａと冷却孔９Ａの内壁９Ｂとの隙間９Ｃ（以下、冷却通路９Ｃという。）を流通して、シャフト９の長手方向一端から冷却通路９Ｃの外に流出する。

そして、冷却通路９Ｃにてロータ５から吸熱して温度が上昇した冷媒は、電動ポンプにて吸引されて放熱器に送水される。放熱器にて冷却された冷媒は、再び、冷媒流通管１３に供給される。

＜２．２ 冷媒流通管及び乱流誘起部の詳細＞
乱流誘起部１５は、冷媒流通管１３の外周面１３Ａに設けられ、冷却通路９Ｃを流通する冷媒の流れを乱す。当該乱流誘起部１５は、シャフト９の長手方向他端側、つまり冷媒流通管１３の延び方向他端側に設けられている。

本実施形態に係る乱流誘起部１５は、図２に示されるように、少なくとも１つ（本実施形態では、複数）の溝部１５Ａにより構成されている。各溝部１５Ａは、長手方向他端側（図２の左端側）から長手方向一端側（図２の右端側）に延びている。

そして、各溝部１５Ａは、長手方向他端（図２の左端）側の端面１５Ｂまで延びて当該端面１５Ｂにて冷却孔９Ａと連通している。つまり、各溝部１５Ａの端面１５Ｂ側は、当該端面１５Ｂにて開放されている。

さらに、各溝部１５Ａは、冷媒流通管１３の延び方向と交差（本実施形態では、直交）する方向に向けて凸となるように屈曲している。具体的には、各溝部１５Ａは、当該溝部１５Ａの延び方向略中央にて屈曲している。

そして、当該屈曲の方向は、冷媒流通管１３の周方向に向けて凸となる方向である。なお、本実施形態に係る各溝部１５Ａは、内壁９Ｂの回転の向き（図２の二点鎖線の矢印の向き）に凸となるように屈曲している。

なお、本実施形態に係る乱流誘起部１５では、溝部１５Ａに加えて、冷媒導入溝１５Ｃも設けられている。冷媒導入溝１５Ｃは、端面１５Ｂと反対側にて各溝部１５Ａと連通する環状の溝部である。当該冷媒導入溝１５Ｃは、当該反対側から各溝部１５Ａに冷媒を導くための溝部である。

＜３．本実施形態に係る電動モータの特徴＞
本実施形態では、冷媒流通管１３に乱流誘起部１５が設けられている。これにより、冷却通路９Ｃを流通する冷媒の温度境界層が成長することが阻害され得る。したがって、冷媒及びシャフト９間の熱伝達率の低下が抑制され得るので、従来に比べて冷却効率を向上させることが可能となる。

また、シャフト９が回転することにより、乱流誘起部１５に誘起された冷媒流れによる動圧により、乱流誘起部１５が恰も動圧流体軸受のごとく機能するので、冷媒流通管１３の軸振れが抑制され得る。

そして、冷媒流通管１３の軸振れが抑制されるので、冷媒流通管１３とシャフト９との間の隙間を小さくすることができる。したがって、シャフト９の外径寸法を小さくすることが可能となり得るので、ロータ５及び電動モータ１の小型化が可能となり得る。

本実施形態に係る冷媒流通管１３は、図１に示されるように、片持支持構造であるので、ロータ５の回転振動により冷媒流通管１３が共振すると、冷媒流通管１３の先端（図１の左端）において大きな振幅の振動が発生する可能性がある。

これに対して、本実施形態では、当該先端側である長手方向他端側（図２の左端側）に乱流誘起部１５が設けられ、かつ、当該乱流誘起部１５が恰も動圧流体軸受のごとく機能するので、効果的に冷媒流通管１３の振動を抑制でき得る。したがって、冷媒流通管１３とシャフト９（内壁９Ｂ）との接触を抑制でき得る。

各溝部１５Ａの端面１５Ｂ側は、当該端面１５Ｂにて開放されている。これにより、冷媒を確実に各溝部１５Ａに導入することが可能となり得る。したがって、各溝部１５Ａが端面１５Ｂにて開放されていない構成に比べて、冷媒を効率よく溝部１５Ａに導入でき得る。

延いては、乱流誘起部１５を確実に動圧流体軸受として機能させることができ得るとともに、冷却通路９Ｃを流通する冷媒流れを確実に乱すことが可能となり得る。つまり、従来に比べて冷却効率を確実に向上させることが可能となるとともに、冷媒流通管１３の振幅が大きくなることが抑制され得る。

各溝部１５Ａは、冷媒流通管１３の周方向に向けて凸となるように屈曲している。これにより、高速回転時により動圧が高くなるので、冷媒流通管１３の振動抑制効果が向上し得るとともに、冷却通路９Ｃを流通する冷媒流れを確実に乱すことが可能となり得る。

（第２実施形態）
上述の実施形態に係る各溝部１５Ａは溝幅及び溝深さが溝部１５Ａの部位によらず一定であった、これに対して、本実施形態に係る各溝部１５Ｄでは、図３に示されるように、当該溝部１５Ｄの断面積が、長手方向他端側（図３の左端側）から長手方向一端側（図３の右端側）に向かうほど縮小している。

具体的には、本実施形態に係る各溝部１５Ｄでは、溝深さＤが部位によらず一定であるのに対して、溝幅Ｗが長手方向他端側（図３の左端側）から（図３の右端側）に向かうほど縮小している。このため、本実施形態では、外周面１３Ａに投影された各溝部１５Ｄは、三角形状となる。

これにより、本実施形態では、シャフト９がいずれの向きに回転しても、確実に動圧を発生せることができ得るとともに、流れを乱すことができ得るので、従来に比べて冷却効率を確実に向上させることが可能となるとともに、冷媒流通管１３の振幅が大きくなることが抑制され得る。

なお、上述の実施形態と同一の構成要件等は、上述の実施形態と同一の符号が付されている。このため、本実施形態では、重複する説明は省略されている。

（第３実施形態）
本実施形態は、第２実施形態の変形例である。すなわち、第２実施形態では、外周面１３Ａに投影された各溝部１５Ｄが二等辺三角形状となるように各溝部１５Ｄが構成されていた。

これに対して、本実施形態に係る各溝部１５Ｅは、図４に示されるように、外周面１３Ａに投影された各溝部１５Ｄが、周方向に傾いた三角形状となるように各溝部１５Ｄが構成されている。

つまり、外周面１３Ａに投影された各溝部１５Ｄを三角形とし、外周面１３Ａに投影された冷媒流通管１３の中心軸線を中心軸線としたとき、本実施形態では、当該三角形の中線が中心軸線に対して傾いている。そして、当該中線のうち当該三角形の頂点に対応する部位は、中心軸線に対して内壁９Ｂの回転の向き（図４の二点鎖線の矢印の向き）にずれている。

（その他の実施形態）
上述の実施形態では、輸送機器に用いられる電動モータに本開示に係る回転電機を用いた。しかし、本開示はこれに限定されない。すなわち、当該開示は、例えば、その他用途に用いられる回転電機であってもよい。

上述の実施形態では、本開示に係る回転電機を電動モータ（電動機）として利用した例であった。しかし、本開示はこれに限定されない。すなわち、当該開示に係る回転電機は、例えば、回生制動用の発電機としても利用可能である。

上述の実施形態では、冷却された冷媒が冷媒流通管１３から流入し、冷却通路９Ｃを流通して外部に流出する構成であった。しかし、本開示はこれに限定されない。すなわち、当該開示は、例えば、冷却された冷媒が冷却通路９Ｃに流入し、冷媒流通管１３を経由して外部に流出する構成であってもよい。

上述の実施形態に係る冷媒は、エチレングリコールが混合された水であった。しかし、本開示はこれに限定されない。すなわち、当該開示は、例えば、オイルやガス等の流体を冷媒とした構成であってもよい。

上述の実施形態に係る乱流誘起部１５は、動圧流体軸受としても機能する構成であった。しかし、本開示はこれに限定されない。すなわち、当該開示は、例えば、動圧流体軸受として機能しない乱流誘起部１５であってもよい。

上述の実施形態に係る乱流誘起部１５は、長手方向他端側（図１の左端側）のみに設けられた構成であった。しかし、本開示はこれに限定されない。すなわち、当該開示は、例えば、長手方向一端側（図１の右端側）のみに設けられた構成、長手方向中央のみに設けられた構成、又は長手方向全域に設けられた構成等であってもよい。

上述の実施形態に係る乱流誘起部１５は溝部１５Ａ、１５Ｄ、１５Ｅにより構成されていた。しかし、本開示はこれに限定されない。すなわち、当該開示は、例えば、凸部により構成された乱流誘起部１５であってもよい。

上述の実施形態では、乱流誘起部１５が冷媒流通管１３の外周面１３Ａのみに設けられていた。しかし、本開示はこれに限定されない。すなわち、当該開示は、例えば、冷却孔９Ａの内壁９Ｂに乱流誘起部が設けられた構成であってもよい。

上述の実施形態における乱流誘起部１５を構成する溝部の形状は、図２～図４に示された形状に限定されない。すなわち、当該溝部の形状は、冷媒流通管１３の延び方向と平行に延びる真っ直ぐな溝部等、その他の形状であってもよい。なお、図２においては、冷媒導入溝１５Ｃが廃止された構成であってもよい。

上述の実施形態に係る各溝部１５Ａは、当該溝部１５Ａの延び方向略中央にて周方向に向けて凸となるように屈曲していた。しかし、本開示はこれに限定されない。すなわち、当該開示は、例えば、延び方向略中央からずれた位置にて当該延び方向に対して傾斜した方向に凸となるように屈曲した溝部１５Ａであってもよい。

上述の実施形態に係る各溝部１５Ａは、内壁９Ｂの回転の向きに凸となる屈曲形状であった。しかし、本開示はこれに限定されない。すなわち、当該開示は、各溝部１５Ａが内壁９Ｂの回転の向きと反対向きに凸となるように屈曲した構成であってもよい。

上述の実施形態に係る各溝部１５Ａの断面積は、延び方向いずれの部位であっても同一であった。しかし、本開示はこれに限定されない。すなわち、当該開示は、例えば、延び方向中央、つまり屈曲した部位に近づくほど、溝深さが小さくなるように断面積が小さくなる構成であってもよい。

さらに、本開示は、上述の実施形態に記載された開示の趣旨に合致するものであればよく、上述の実施形態に限定されない。したがって、上述した複数の実施形態のうち少なくとも２つの実施形態が組み合わせられた構成、又は上述の実施形態において、図示された構成要件もしくは符号を付して説明された構成要件のうちいずれかが廃止された構成であってもよい。

１… 電動モータ ３…ステータ ５… ロータ
７… ハウジング ９…シャフト ９Ａ… 冷却孔
９Ｃ… 隙間（冷却通路） １３…冷媒流通管
１５… 乱流誘起部 １５Ａ…溝部

Claims (5)

1. ステータ、ロータ及びハウジングを備えるとともに、ロータシャフト内に冷却孔が設けられた回転電機において、
   前記冷却孔に挿入され、当該冷却孔に沿って延びる冷媒流通管であって、冷却用の冷媒が流通する冷媒流通管と、
   前記冷媒流通管の外周面に設けられ、当該外周面と前記冷却孔の内壁との隙間を流通する冷媒の流れを乱す乱流誘起部と
   を備える回転電機。
2. 前記冷媒流通管は、長手方向一端側が前記ハウジングに支持された片持支持構造であって、長手方向他端にて前記冷却孔と連通しており、
   さらに、前記乱流誘起部は、少なくとも前記長手方向他端側に設けられている請求項１に記載の回転電機。
3. 前記乱流誘起部は、前記長手方向他端側から前記長手方向一端側に延びる溝部により構成されており、
   前記溝部の断面積は、前記長手方向他端側から前記長手方向一端側に向かうほど縮小している請求項１又は２に記載の回転電機。
4. 前記乱流誘起部は、前記長手方向他端側から前記長手方向一端側に延びる溝部により構成されているとともに、前記冷媒流通管の周方向に凸となるように屈曲している請求項１又は２に記載の回転電機。
5. 前記溝部は、前記長手方向他端の端面まで延びて当該端面にて前記冷却孔と連通している請求項３又は４に記載の回転電機。

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