JP2023120891A - 回転電機ユニットの冷却システム - Google Patents

Abstract

【課題】コイルの発熱部を電力変換部とともに効率良く冷却することができるようにして、システム全体を小型化し、エネルギー効率の改善を図ることができる回転電機ユニットの冷却システムを提供する。【解決手段】回転電機ユニットの冷却システムは、ステータ１１、コイル１９、ロータ１２、ハウジング１４、電力変換部、及び冷却回路１６を備える。コイル１９はスロット１８を通してステータ１１に巻回される。冷却回路１６は、放熱部で冷却した冷却液を循環させる。ハウジング１４には、コイル冷却領域と、変換部冷却領域が設けられる。コイル冷却領域は、コイル１９のスロット１８内に配置される部分とステータ１１の外部に露出する部分に直接冷却液を流す。変換部冷却領域は、電力変換部に冷却液を流す。コイル冷却領域と変換部冷却領域は同じ冷却回路１６に接続される。【選択図】図２

Description

本発明は、車両等に搭載される回転電機ユニットの冷却システムに関するものである。

車両等に搭載される回転電機として、回転軸と一体に回転するロータと、ロータの径方向外側に配置されるステータと、を備え、ロータの外周に複数の永久磁石が配置されるとともに、ステータにコイルが巻回されたものがある。この種の回転電機は、運転中にステータのコイル部分が発熱し易い。

また、バッテリ等の電力源の直流電力を回転電機で使用する交流電力に変換する電力変換部が、回転電機と同じハウジング、若しくは、近接した別のハウジングに収容された回転電機ユニットが知られている。この種の回転電機ユニットで用いられる電力変換部も、使用時に電力変換素子が高熱を発する。

このため、この種の回転電機ユニットでは、コイルの発熱部と電力変換部の発熱部を夫々冷却できる冷却システムが採用されている。
従来の冷却システムの多くは、電力変換部のヒートシンクに冷却回路を通して冷却液を流し、ステータに巻回されたコイルには、機械動作部を潤滑するための潤滑液を散布、若しくは滴下するようにしている。

また、別の冷却システムとしては、ステータの外周側を取り囲むハウジングの周壁に冷却液の流れる周壁通路を設け、冷却回路から供給される冷却液を、周壁通路と、電力変換部のヒートシンクとに連続して流すものも知られている（例えば、特許文献１，２参照）。

国際公開第２０１２／０２１８６５号 特開２００６－１９７７８１号公報

しかしながら、電力変換部のヒートシンクに冷却回路を通して冷却液を流し、ステータのコイル部分に潤滑液を散布、若しくは、滴下する従来の冷却システムは、冷却液と潤滑液の二系統の供給通路を設ける必要がある。このため、この冷却システムを採用した場合には、システム全体が複雑化し、かつ、大型化し易い。

また、ハウジングの周壁通路と電力変換部に同じ冷却液を流す冷却システムは、ステータのコイルに対してハウジングの周壁を通して間接的に冷却液による冷却を行うことになる。このため、この冷却システムを採用した場合には、コイルの熱が冷却液を通して外部に放熱され難く、コイルに対する冷却性能を充分に高めることが難しい。

そこで本発明は、コイルの発熱部を電力変換部とともに効率良く冷却することができるようにして、システム全体を小型化し、エネルギー効率の改善を図ることができる回転電機ユニットの冷却システムを提供しようとするものである。

本発明に係る回転電機ユニットの冷却システムは、上記課題を解決するために、以下の構成を採用した。
即ち、本発明に係る回転電機ユニットの冷却システムは、スロット（例えば、実施形態のスロット１８）を有するステータ（例えば、実施形態のステータ１１）と、前記スロットを通して前記ステータに巻回されるコイル（例えば、実施形態のコイル１９）と、前記ステータに対して回転するロータ（例えば、実施形態のロータ１２）と、前記コイルが巻回された前記ステータと前記ロータを収容するハウジング（例えば、実施形態のハウジング１４）と、電力源（例えば、実施形態のバッテリ３０）の直流電力と前記コイルを流れる交流電力の電力変換を行う電力変換部（例えば、実施形態のＰＤＵ１５）と、放熱部（例えば、実施形態の放熱部５５）で冷却した冷却液を循環させる冷却回路（例えば、実施形態の冷却回路１６）と、を備え、前記ハウジングには、前記コイルの前記スロット内に配置される部分と前記ステータの外部に露出する部分に直接冷却液を流すコイル冷却領域（例えば、実施形態のコイル冷却室３５）と、前記電力変換部に冷却液を流す変換部冷却領域（例えば、実施形態の変換部冷却室４０）が設けられ、前記コイル冷却領域と前記変換部冷却領域は同じ前記冷却回路に接続されていることを特徴とする。

上記の構成により、放熱部で冷却された冷却液が冷却回路内に供給されると、その冷却液はハウジング内の変換部冷却領域とコイル冷却領域とを流れる。変換部冷却領域に流入した冷却液は、電力変換部の発熱部を冷却し、コイル冷却領域に流入した冷却液は、コイルのうちの、スロット内に配置される部分とステータの外部に露出する部分を直接冷却する。

前記スロットは、前記ステータに軸方向に沿って設けられ、前記コイル冷却領域は、前記コイルうちの、前記ステータの軸方向の一端から外部に露出した部分を密閉状態で覆う第１覆い室（例えば、実施形態の第１覆い室２２）と、前記コイルうちの、前記ステータの軸方向の他端から外部に露出した部分を密閉状態で覆う第２覆い室（例えば、実施形態の第２覆い室２３）と、を有し、前記第１覆い室には冷却液の流入部（例えば、実施形態の連通孔３７）が設けられ、前記第２覆い室には冷却液の流出部（例えば、実施形態の流出口３９）が設けられ、前記第１覆い室と前記第２覆い室は、前記ステータの前記スロットを通して相互に連通するようにしても良い。

この場合、流入部から第１覆い室に冷却液が流入されると、その冷却液は、コイルのうちの、ステータの軸方向の一端から外部に露出した部分を冷却する。この後、第１覆い室内の冷却液は、ステータのスロットを通って第２覆い室内に流入する。スロット内を通過する冷却液は、スロット内のコイルを冷却する。また、第２覆い室内に流入した冷却液は、コイルのうちの、ステータの軸方向の他端から外部に露出した部分を冷却し、その後、流出部を通って第２覆い室の外部に流出する。
このようにして冷却液がコイル冷却領域内を流れると、ステータに巻回されたコイルは、コイルのうちの、ステータの軸方向の一端と他端から外部に露出した部分と、スロット内に挿通された部分を冷却液によって直接冷却されることになる。したがって、本構成を採用した場合には、ステータに巻回されたコイルののほぼ全域を冷却液によって効率良く冷却することができる。

前記冷却回路を流れる冷却液は電気絶縁性の冷却液であることが望ましい。

この場合、電気的な短絡を招くことなく電力変換部とコイルの発明部を冷却することができる。

前記変換部冷却領域内では、前記電力変換部の全体が前記冷却液内に没するようにしても良い。

この場合、電気的な短絡を招くことなく、電力変換部の全体を直接冷却液によって冷却することができる。したがって、本構成を採用した場合には、電力変換部の冷却効率をより高めることができる。

前記コイル冷却領域と前記変換部冷却領域は、連通孔（例えば、実施形態の連通孔３７）によって相互に連通するコイル冷却室（例えば、実施形態のコイル冷却室３５）と変換部冷却室（例えば、実施形態の変換部冷却室４０）によって構成され、前記放熱部から冷却液が流れ出す側を冷却回路の上流側としたときに、前記変換部冷却室と前記コイル冷却室は、前記コイル冷却室が前記変換部冷却室よりも下流側となるように前記冷却回路に直列に接続されるようにしても良い。

この場合、冷却回路の放熱部から流れる冷却液が、相対的に発熱温度の低い電力変換部を最初に冷却し、変換部冷却室を通過した冷却液が、相対的に発熱温度の高いコイルの発熱部を冷却することになる。このため、本構成を採用した場合には、電力変換部とコイルを冷却液によって効率良く冷却することができる。

前記冷却回路の前記変換部冷却室よりも上流側には、バッテリ（例えば、実施形態のバッテリ３０）を冷却するバッテリ冷却部（例えば、実施形態のバッテリ冷却部４５）が直列に接続されるようにしても良い。

この場合、冷却回路の放熱部から流れる冷却液が最初に発熱温度の最も低いバッテリを冷却し、その後にバッテリ冷却部を通過した冷却液が電力変換部とコイルの発熱部を順次冷却するようになる。このため、本構成を採用した場合には、バッテリを、電力変換部やコイルとともに冷却液によって効率良く冷却することができる。

本発明に係る回転電機ユニットの冷却システムは、コイルのスロット内に配置される部分とステータの外部に露出する部分に直接冷却液を流すコイル冷却領域と、電力変換部に冷却液を流す変換部冷却領域が、同じ冷却回路に接続されている。このため、一系統の液体の供給系でありながら、コイルの発熱部を電力変換部とともに効率良く冷却することができる。
したがって、本発明に係る回転電機ユニットの冷却システムを採用した場合には、コイルの発熱部を電力変換部とともに効率良く冷却できるため、システム全体を小型化し、エネルギー効率を改善することができる。

図１は、実施形態の冷却システムの全体構成図である。 図２は、実施形態の回転電機ユニットの断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本実施形態の回転電機ユニット１０の冷却システム１の概略的な全体構成図である。
回転電機ユニット１０は、例えば、電動車両の駆動源に用いられる。図１に示すように、回転電機ユニット１０は、回転磁界を発生するステータ１１と、ステータ１１で発生した回転磁界を受けて回転するロータ１２と、ロータ１２に同軸に設けられた回転軸１３と、ステータ１１を内部で保持し、ロータ１２とステータ１１を内部に収容するハウジング１４と、直流電力と交流電力の電力変換を行う電力変換部であるＰＤＵ１５（Power Drive Unit）と、発熱部を冷却するための冷却液を循環させる冷却回路１６と、を備えている。回転軸１３は、例えば、車両の減速機構１７に連結されている。
なお、冷却回路１６内に流す冷却液は、例えば、フッ素系不活性液等の電気絶縁性の冷却液が用いられている。

ＰＤＵ１５は、車両の電力源であるバッテリ３０の直流電力を交流電力に変換し、三相の交流電流を後述するコイル１９に流す。また、ＰＤＵ１５は、ロータ１２の回転によって回生発電された交流電力を直流電力に変換し、変換された電力を直流電流として取り出すこともできる。

冷却回路１６は、冷却液の熱を外部に放熱する（冷却液を冷却する）放熱部５５と、冷却液を回路内に送り出す送給ポンプ６０と、を備えている。放熱部５５は、例えば、ヒートポンプ回路５０の低温側の熱交換部に配置されている。ヒートポンプ回路５０は、低温側の熱交換部で放熱部５５の熱を吸熱し、高温側の熱交換部５１で外部や他の機器に放熱する。

送給ポンプ６０を通して放熱部５５から送り出された冷却液は、車両の電力源であるバッテリ３０を内部に収容したバッテリ冷却部４５と、回転電機ユニット１０の内部を通って放熱部５５に戻される。
以下では、冷却回路１６について、放熱部５５を起点とし、送給ポンプ６０の作用によって放熱部５５から冷却液が流れ出す側を上流側と称し、送給ポンプ６０の作用によって放熱部５５に冷却液が戻る側を下流側と称する。

図２は、回転電機ユニット１０の具体的な縦断面図である。
図２に示すように、回転電機ユニット１０のステータ１１は、孔あき円板状の複数の電磁鋼板が板厚方向に積層され、全体が略円筒形状に形成されている。ステータ１１には、軸方向に沿って延びる複数のスロット１８が形成されている。複数のスロット１８は、ステータ１１に円周方向等間隔に形成されている。ステータ１１には、スロット１８を通してコイル１９（通電用コイル）が巻回されている。コイル１９は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の三相のコイルから成る。各コイル１９は、スロット１８内に挿通され、一部（例えば、ステータ１１に対する巻回部の端部や渡り線部）がステータ１１の軸方向の一端部と他端部から外部に露出している。

ハウジング１４には、コイル１９のスロット１８内に配置される部分と、ステータ１１の軸方向外側に露出する部分と、に冷却液を流すコイル冷却室３５が形成されている。
コイル冷却室３５は、ステータ１１の軸方向の一端部を円環状に取り囲む第１覆い室２２と、ステータ１１の軸方向の他端部を同様に円環状に取り囲む第２覆い室２３と、を有する。第１覆い室２２と第２覆い室２３は、例えば、ハウジング１４の軸方向両側の外側端部の側壁１４ｓによって形成されている。第１覆い室２２は、コイル１９のうちの、ステータ１１の軸方向の一端部から外部に露出した部分を外側から密閉状態で覆っている。同様に、第２覆い室２３は、コイル１９のうちの、ステータ１１の軸方向の他端部から外部に露出した部分を外側から密閉状態で覆っている。第１覆い室２２と第２覆い室２３は、ステータ１１に軸方向に沿って設けられた複数のスロット１８を通して相互に連通している。

ステータ１１の各スロット１８と、当該スロット１８に挿通されるコイル１９の間には隙間が設けられている。第１の覆い室２２と第２の覆い室２３の間は、各スロット１８とコイル１９の隙間を通して冷却液が流通する。具体的には、冷却回路１６の冷却液が第１覆い室２２内に流入すると、その冷却液は各スロット１８とコイル１９の隙間を通って第２覆い室２３内に流れ込む。

また、上述したＰＤＵ１５は、ハウジング１４内のコイル冷却室３５の径方向外側位置に取り付けられている。ハウジング１４には、ＰＤＵ１５に冷却液を流す変換部冷却室４０が形成されている。変換部冷却室４０は、ＰＤＵ１５を取り囲むように形成されている。換言すると、変換部冷却室４０内に配置されたＰＤＵ１５は、変換部冷却室４０の内部において冷却液内に没する。
なお、本実施形態では、コイル冷却室３５がコイル１９の発熱部（スロット１８内に配置される部分とステータ１１の外部に露出する部分）に冷却液を流すコイル冷却領域を構成し、変換部冷却室４０が電力変換部（ＰＤＵ１５）に冷却液を流す変換部冷却領域を構成している。

ハウジング１４の軸方向の一方の端部側には、冷却回路１６の上流側通路１６ｕが接続される流入口３８と、冷却回路１６の下流側通路１６ｌが接続される流出口３９が形成されている。流入口３８は、変換部冷却室４０の軸方向の一方の端部に連通し、流出口３９は、コイル冷却室３５のうちの、第２覆い室２３部分に連通している。変換部冷却室４０の軸方向の他方の端部は、連通孔３７を介して、コイル冷却室３５のうちの、第１覆い室２２部分に連通している。

本実施形態では、ハウジング１４の内部が径方向外側の変換部冷却室４０と、径方向内側のコイル冷却室３５とに隔成され、変換部冷却室４０とコイル冷却室３５とが比較的に内径の小さい連通孔３７によって連通している。
なお、連通孔３７は、第１覆い室２２における冷却液の流入部を構成しており、流出口３９は、第２覆い室２３における冷却液の流出部を構成している。

冷却回路１６の上流側から流入口３８に流入した冷却液は、変換部冷却室４０の内部を軸方向の一方の端部から他方の端部に向かって流れ、変換部冷却室４を通過した冷却液は連通孔３７を通ってコイル冷却室３５の第１覆い室２２部分に流入する。第１覆い室２２に流入した冷却液は、第１覆い室２２内に臨むコイル１９の端部を冷却し、その後にステータ１１の各スロット１８の内部を流通して第２覆い室２３側に流れ込む。各スロット１８を流通する冷却液は、コイル１９のうちの、スロット１８に挿通されている部分を冷却する。第２覆い室２３に流入した冷却液は、第２覆い室２３内に臨むコイル１９の端部を冷却し、その後に流出口３９から冷却回路１６の下流側に流出する。
冷却液は、この間に変換部冷却室４０内のＰＤＵ１５とコイル冷却室３５内のコイル１９の発熱部を冷却する。

本実施形態の回転電機ユニット１０では、変換部冷却室４０とコイル冷却室３５は、コイル冷却室３５が変換部冷却室４０よりも下流側となるように冷却回路１６に直列に接続されている。また、本実施形態では、図１に示すように、バッテリ３０を冷却するバッテリ冷却部４５は、変換部冷却室４０よりも上流側になるように冷却回路１６に直列に接続されている。

以上のように、本実施形態の冷却システム１は、回転電機ユニット１０のコイル１９のうちのスロット１８内に配置される部分とステータ１１の外部に露出する部分に直接冷却液を流すコイル冷却領域（コイル冷却室３５）と、ＰＤＵ１５に冷却液を流す変換部領域（変換部冷却室４０）が、同じ冷却回路１６に接続されている。このため、構造が簡単な一系統の冷却液の供給系でありながら、ＰＤＵ１５とコイル１９の発熱部を効率良く冷却することができる。
したがって、本実施形態の冷却システム１を採用した場合には、コイル１９の発熱部をＰＤＵ１５とともに効率良く冷却できるため、システム全体を小型化し、エネルギー効率を改善することができる。

また、本実施形態の冷却システム１は、ハウジング１４内のコイル冷却室３５（コイル冷却領域）が、コイル１９のうちの、ステータ１１の軸方向の一端から露出した部分を密閉状態で覆う第１覆い室２２と、ステータ１１の軸方向の他端から露出した部分を密閉状態で覆う第２覆い室２３と、有する。そして、第１覆い室２２には、冷却液の流入部である連通孔３７が設けられ、第２覆い室２３には、冷却液の流出部である流出口３９が設けられている。また、第１覆い室２２と第２覆い室２３はステータ１１のスロット１８を通して相互に連通している。このため、連通孔３７を通して第１覆い室２２に流入した冷却液は、ステータ１１の軸方向の一端側に露出するコイル１９部分を冷却し、その後、スロット１８内を第２覆い室２３方向に流れる際にスロット１８内のコイル１９部分を冷却する。さらに、第２覆い室２３内に流出した冷却液は、ステータ１１の軸方向の他端側に露出するコイル１９部分を冷却した後に流出口３９から外部に流出する。
したがって、本構成を採用した場合には、ステータ１１に巻回されたコイル１９のほぼ全域に冷却液を強制的に流すことができるため、コイル１９に対する冷却効率を大幅に高めることができる。

また、本実施形態の冷却システム１は、冷却回路を流れる冷却液としてフッ素系不活性液等の電気絶縁性の冷却液を採用している。このため、本構成を採用した場合には、電気的な短絡を招くことなく、ＰＤＵ１５とコイル１９の発熱部を直接冷却液によって冷却することができる。

さらに、本実施形態の冷却システム１では、ＰＤＵ１５の全体が変換部冷却室４０内で冷却液内に没する構成とされている。このため、電気的な短絡を招くことなく、ＰＤＵ１５の全体を直接冷却液によって冷却することができる。したがって、本構成を採用した場合には、ＰＤＵ１５の冷却効率をより高めることができる。

また、本実施形態の冷却システム１は、コイル冷却室３５が変換部冷却室４０よりも下流側となるように、変換部冷却室４０とコイル冷却室３５を冷却回路１６に直列に接続している。このため、冷却回路１６の放熱部５５から流れる冷却液が、相対的に発熱温度の低いＰＤＵ１５を変換部冷却室４０において最初に冷却し、変換部冷却室４０を通過した冷却液が、その後に相対的に発熱温度の高いコイル１９の発熱部を冷却することになる。したがって、本構成を採用した場合には、ＰＤＵ１５とコイル１９を効率良く冷却することができる。

さらに、本実施形態の冷却システム１では、冷却回路１６の変換部冷却室４０よりも上流側に、バッテリ３０を冷却するバッテリ冷却部４５が直列に接続されている。このため、
発熱温度の最も低いバッテリ３０を冷却液によって最初に冷却し、その後にバッテリ冷却部４５を通過した冷却液によってＰＤＵ１５とコイル１９の発熱部を順次冷却することができる。したがって、本構成を採用した場合には、ＰＤＵ１５とコイル１９の発熱部だけでなく、バッテリをも効率良く冷却することができる。

なお、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更が可能である。
例えば、上記の実施形態では、電力変換部（ＰＤＵ１５）を冷却する変換部冷却領域と、コイル１９の発熱部を冷却するコイル冷却領域が、相互間を仕切られたかたちで変換部冷却室４０とコイル冷却室３５としてハウジング１４の内部に配置されている。しかし、変換部冷却領域とコイル冷却領域の間に充分な離間距離を持たせることができる場合には、変換部冷却領域とコイル冷却領域の間には必ずしも仕切り配置する必要はない。

また、上記の実施形態では、車両の駆動源に用いられる回転電機ユニットの冷却システムについて説明したが、回転電機ユニットの冷却システムは、車両の駆動源に用いるものに限定されない。
また、上記の実施形態では、冷却回路１６の放熱部５５がヒートポンプ回路５０の低温側熱交換部で冷却する例について説明したが、冷却回路１６の放熱部５５の冷却手段はこれに限定されない。放熱部５５は、空冷やラジエータ等によって冷却するようにしても良い。

１…冷却システム
１０…回転電機ユニット
１１…ステータ
１２…ロータ
１４…ハウジング
１５…ＰＤＵ（電力変換部）
１６…冷却回路
１８…スロット
１９…コイル
２２…第１覆い室
２３…第２覆い室
３０…バッテリ（電力源）
３５…コイル冷却室（コイル冷却領域）
３７…連通孔（流入部）
３９…流出口（流出部）
４０…変換部冷却室（変換部冷却領域）
４５…バッテリ冷却部
５５…放熱部

Claims (6)

1. スロットを有するステータと、
   前記スロットを通して前記ステータに巻回されるコイルと、
   前記ステータに対して回転するロータと、
   前記コイルが巻回された前記ステータと前記ロータを収容するハウジングと、
   電力源の直流電力と前記コイルを流れる交流電力の電力変換を行う電力変換部と、
   放熱部で冷却した冷却液を循環させる冷却回路と、を備え、
   前記ハウジングには、
   前記コイルの前記スロット内に配置される部分と前記ステータの外部に露出する部分に直接冷却液を流すコイル冷却領域と、
   前記電力変換部に冷却液を流す変換部冷却領域が設けられ、
   前記コイル冷却領域と前記変換部冷却領域は同じ前記冷却回路に接続されていることを特徴とする回転電機ユニットの冷却システム。
2. 前記スロットは、前記ステータに軸方向に沿って設けられ、
   前記コイル冷却領域は、
   前記コイルうちの、前記ステータの軸方向の一端から外部に露出した部分を密閉状態で覆う第１覆い室と、
   前記コイルうちの、前記ステータの軸方向の他端から外部に露出した部分を密閉状態で覆う第２覆い室と、を有し、
   前記第１覆い室には冷却液の流入部が設けられ、
   前記第２覆い室には冷却液の流出部が設けられ、
   前記第１覆い室と前記第２覆い室は、前記ステータの前記スロットを通して相互に連通していることを特徴とする請求項１に記載の回転電機ユニットの冷却システム。
3. 前記冷却回路を流れる冷却液は電気絶縁性の冷却液であることを特徴とする請求項１または２に記載の回転電機ユニットの冷却システム。
4. 前記変換部冷却領域内では、前記電力変換部の全体が前記冷却液内に没していることを特徴とする請求項３に記載の回転電機ユニットの冷却システム。
5. 前記コイル冷却領域と前記変換部冷却領域は、連通孔によって相互に連通するコイル冷却室と変換部冷却室によって構成され、
   前記放熱部から冷却液が流れ出す側を冷却回路の上流側としたときに、前記変換部冷却室と前記コイル冷却室は、前記コイル冷却室が前記変換部冷却室よりも下流側となるように前記冷却回路に直列に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の回転電機ユニットの冷却システム。
6. 前記冷却回路の前記変換部冷却室よりも上流側には、バッテリを冷却するバッテリ冷却部が直列に接続されていることを特徴とする請求項５に記載の回転電機ユニットの冷却システム。

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