JP3774863B2

JP3774863B2 - 回転電機

Info

Publication number: JP3774863B2
Application number: JP2002073030A
Authority: JP
Inventors: 孝史鳥井; 誠志中村
Original assignee: Denso Corp; Toyota Motor Corp
Current assignee: Denso Corp; Toyota Motor Corp
Priority date: 2002-03-15
Filing date: 2002-03-15
Publication date: 2006-05-17
Anticipated expiration: 2022-03-15
Also published as: JP2003274605A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転電機に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
従来、種々の液冷型回転電機及びインバータ一体型回転電機が提案されている。また、特開平５−２９２７０３号公報は、冷却剤によりインバータとモータとの両方を液冷する液冷式インバータ一体型回転電機を提案している。しかし、この液冷インバータ一体型の回転電機では、モータ端面にヒートシンクを介して液冷のインバータ（コントローラ）を固定する構造を採用しているので、装置体格、重量が増大してしまうという欠点、及び、モータ冷却性能が劣るという欠点があった。
【０００３】
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、コントローラ（ステータ電流制御回路装置）特にステータ電流断続用の半導体スイッチング素子とモータとの両方の冷却性に優れるとともに、体格、重量の増大を抑止可能な回転電機を提供することをその目的としている。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の回転電機は、内周部にスロットを有してハウジングに固定された円筒状のステータコアと、前記ステータコアの両端面から突出するコイルエンドを有して前記スロットに挿通されるステータコイルと、内部に冷却剤通路を有して前記ステータコアに密着する冷却部材と、前記冷却部材の表面に固定されて前記ステータコイルの電流を制御する半導体スイッチング素子と、前記ステータコアの内周面に面して回転するロータとを備える回転電機において、
前記冷却部材は、前記ステータコアの端面と前記コイルエンドの外周面とにより区画される円筒状空間部分に収容されて、前記コイルエンドの外周側の前記ステータコアの端面に密着することを特徴としている。
【０００５】
本発明によれば、ステータ電流制御用の半導体スイッチング素子を冷却する冷却部材を、従来においてアイドルスペースとなっていたステータコアの端面とコイルエンドの外周面とにより区画される円筒状空間部分（このアイドルスペースの径方向厚さはほぼステータコアのヨーク部の厚さに等しい）に収容しているので、回転電機の径方向寸法の増大及び軸方向寸法の増大を抑止又は０とすることができ、回転電機の体格、重量の増大を最小とすることができる。そのうえ、冷却部材は半導体スイッチング素子を搭載してそれを良好に冷却するとともに、ステータコアの端面に密着するのでステータコア及びステータコアに装備される大発熱部材であるステータコイルを良好に冷却することができる。また、上記した液冷式のコントローラをヒートシンクを通じてモータの端面に密着する場合に比較して、ステータコイルの端部とステータ電流制御用の半導体スイッチング素子とを近接配置することができるので、配線抵抗損失及び電磁放射ノイズの低減を図ることができる。
【０００６】
なお、冷却部材の表面とそれに対面するコイルエンドの表面との間に良熱伝導性の材料をたとえば樹脂モールドなどの方法で充填することもでき、この場合にはステータコイルの冷却性も更に向上することができる。
【０００７】
請求項１記載の構成によれば更に、前記冷却部材が、前記ステータコアの両端面に個別に密着する一対の環状冷却部材を有する。ただし、この場合には、一方の環状冷却部材に半導体スイッチング素子やその他の回路部品を搭載すればよい。このようにすれば、ステータコアの冷却性を一層向上することができる。
【０００９】
請求項１記載の構成によれば更に、前記環状冷却部材が、前記冷却剤通路が軸方向外側に開口する環状の筒部と、前記筒部の外端面に密着して前記冷却剤通路を密閉する輪板状の蓋板部とを有するので、冷却剤通路を容易に形成することができ、かつ、その液漏れも容易に防止することができる。
【００１０】
請求項２記載の構成は請求項１記載の回転電機において、前記両環状冷却部材の蓋板部が、前記両環状冷却部材の前記筒部及び前記ステータコアを挟んで前記スルーボルトにより軸方向に締結されているので、両環状冷却部材をステータコアに良好に密着できると同時に両環状冷却部材の液漏れを良好に防止することができる。
【００１１】
請求項３記載の構成は請求項２記載の回転電機において、前記両環状冷却部材の前記冷却剤通路が、前記環状冷却部材の径方向断面において螺旋状に凹設され、前記蓋板部が、前記螺旋状の冷却剤通路の両端に面して冷却剤注入部及び冷却剤排出部を有するので、配管長が長く、冷却剤の入り口、出口温度差が大きく流量あたりの冷却性能及び外部の放熱器の放熱効率が高い冷却通路を容易に実現することができる。
【００１２】
請求項４記載の構成は請求項１乃至３のいずれか記載の回転電機において、前記両冷却部材又は前記両筒部が、前記ステータコアの外周面に密着する円筒状のステータコア囲包筒部を有するので、ステータコアの冷却性を一層改善することができると同時に、ステータコアの機械的な保護効果を奏することができる。
【００１３】
請求項５記載の構成は請求項１記載の回転電機において、前記半導体スイッチング素子が、前記冷却部材の外端面又は前記環状冷却部材の外端面に固定されているので、半導体スイッチング素子がコイルエンドや冷却剤通路の邪魔にならず、全体体格の増大を最小限に抑止しつつ各半導体スイッチング素子や回路部品を平面配置することができるので、各部品間の配線が容易となる。
【００１４】
請求項６記載の構成は請求項５記載の回転電機において、前記半導体スイッチング素子が固定された前記冷却部材の外端面又は前記環状冷却部材の外端面を囲包するカバー部材を有するので、これら半導体スイッチング素子や回路部品を良好に機械保護することができる。
【００１５】
請求項７記載の構成は請求項３記載の回転電機において、前記冷却部材の外端面又は前記環状冷却部材の外端面に固定されて前記カバー部材から突出するとともに、前記半導体スイッチング素子に給電する外部電源接続用の電源端子を有するので、半導体スイッチング素子への給電が簡単となる。
【００１６】
請求項８記載の構成は請求項３記載の回転電機において、前記ロータの端面に形成された遠心ファンを前記コイルエンドの径内側に有する。このようにすれば、この遠心ファンから出た空気流が、コイルエンドを貫通して径方向に流れた後、環状冷却部材にて冷却されるので、この空気流を循環させることにより、耐環境性に優れた密閉モータ構造において、ロータやステータコイルを良好に冷却することができる。
【００１７】
請求項９記載の構成は請求項８記載の回転電機において、前記冷却部材が、前記遠心ファンにより形成される循環空気経路中に突出する冷却フィンを有するので、一層の冷却効果向上を図ることができる。
【００１８】
請求項１０記載の構成は請求項１記載の回転電機において、前記両環状冷却部材が、軸受けを介して前記ロータの軸を回転自在に支承するので、ステータコアが固定されてロータを回転自在に支持し、ステータコア、ステータコイル及びロータを囲包保護する機械部材としてのハウジングを兼ねることができるので、部品点数の削減と重量の大幅な低減を図ることができる。
【００１９】
【発明を実施するための態様】
本発明の回転電機の好適な態様を図面を参照して以下に説明する。この回転電機は３相ブラシレスＤＣモータであるが、もちろん他の形式の回転電機でもよいことは当然である。
（全体構造）
１は略リング状のフロントフレーム、２は略リング状のエンドトフレーム、３は輪板状のエンドプレート、４はステータコア、５はステータコイル、６はロータ、７は回転軸、８は冷却ファン、９はスルーボルト、１０は半導体スイッチング素子、１１は樹脂カバーである。フロントプレート、フロントフレーム１、エンドトフレーム２、エンドプレート３は、アルミダイキャストにより製造されている。
【００２０】
なお、図１では図示を省略しているが、エンドフレーム１とエンドプレート３との接合状態と全く同様に、図示しないフロントプレートが固定されている。この実施例は、エンドフレーム２とフロントフレーム１とは同一形状とされ、エンドプレート３と図示しない上記フロントプレートとは冷却剤通路やステータコイルの端部の貫通孔などがなく、半導体スイッチング素子を含むコントローラが外端面に実装されていない点をのぞいて同一構造とされている。
【００２１】
エンドフレーム２の後端外周部およびエンドプレート３の外周部には径方向外側に貫通孔（図示省略）をもつ鍔部１１、１２が突設されており、同様に、フロントフレーム１の後端外周部およびフロントプレートの外周部にも径方向外側に貫通孔（図示省略）をもつ鍔部（図示せず）が突設されている。スルーボルト９がこれら貫通孔を貫通してボルト締めされ、これにより、図示しないフロントプレート、フロントフレーム１、エンドフレーム２、ステータコア４、エンドプレート３の順に軸方向に重ねられてスルーボルト９により一体化されている。
【００２２】
フロントプレート及びエンドプレート３の内周面には軸受け１３が嵌入され、これら一対の軸受け１３（一つのみ図示）は、回転軸７が回転自在に支承している。回転軸７にはロータ６が嵌着、固定され、ロータ６の外周面はステータコア４の内周面に電磁ギャップを挟んで対面している。
【００２３】
ステータコイル５は、ステータコア４の内周部に軸方向に貫設されたスロット１４に貫装され、ステータコイル５の軸方向両端部はステータコア４から突出してコイルエンド１５を構成している。なお、図１におけるステータコイル５の図示は模式的になされているが、この種のステータコイル５の形状、構造はもはや周知事項であるので、更なる説明は省略する。
【００２４】
冷却ファン８は、従来同様に、ロータ６の両端面に固定されている。この実施例ではこの冷却ファン８は遠心ファンとされている。
【００２５】
半導体スイッチング素子１０はエンドプレート３の外端面に固定されている。エンドプレート３の外端面には、このステータコイル５の電流を制御するためのコントローラが実装されている。半導体スイッチング素子１０はこのコントローラの一部をなす三相インバータ回路のスイッチング素子を構成している。この種のコントローラ、三相インバータ回路、半導体スイッチング素子１０についてはもはや周知事項であるので、更なる説明は省略する。
【００２６】
樹脂カバー１１は、鍔付き輪板形状を有してエンドプレート３の外端面に締結され、上記コントローラを囲包、保護している。
【００２７】
１６は、エンドプレート３の外端面に固定されたコネクタであり、このコネクタは樹脂カバー１１に設けた窓を貫通して軸方向に突出している。コネクタ１６にはＤＣ電源ケーブル１７および外部コントローラとの通信用ケーブル（図示せず）が装着され、ＤＣ電源ケーブル１７は、コネクタ１６及び図示しないブスバーを通じて上記コントローラにＤＣ電力を給電している。
【００２８】
（変形態様）
上記実施例では、共通のスルーボルト９により、上記各部材を軸方向に締結したが、更に、フロントプレートとフロントフレーム１とだけを締結するボルト、ナットと、エンドプレート３とエンドフレーム２とだけを締結するボルト、ナットとを追加することも好適である。このようにすれば、スルーボルト９を緩めた場合でも後述する冷却剤通路から液漏れが生じることがない。
（冷却構造）
次に、この実施例の特徴構成をなすモータ及び半導体スイッチング素子（又はコントローラ）の冷却構造を説明する。なお、フロント側の冷却構造はエンド側のそれと全く同じであるので、エンド側の冷却構造のみを説明する。
【００２９】
エンドフレーム２は、ステータコア４の端面とコイルエンド１５の外周面とにより区画される円筒状空間部分に収容される円筒状の本体部２１と、本体部２１と前端外周から前方に突出する円筒状の筒部２２とを有している。
【００３０】
本体部２１内には螺旋状に冷却剤通路２３が形成されており、冷却剤通路２３は図１において４重に形成されている。冷却剤通路２３は、本体部２１の後端面に開口しており、本体部２１の後端面はエンドプレート３の前端面に密着し、スルーボルト９により冷却剤通路２３は密閉されている。
【００３１】
エンドプレート３の前端面にもエンドフレーム２の冷却剤通路２３と径方向同位置に冷却剤通路３１が凹設されており、螺旋状の冷却剤通路３１の一端には冷却剤注入パイプ３２が、他端には冷却剤排出パイプ３３が一体に形成されている。これにより、互いに一体に構成された冷却剤通路２３、３１には外部ポンプにより冷却剤が循環されている。３４はエンドプレート３の前端面に凹設された２つのリング溝に挿入されて液漏れを防止するＯリングである。
【００３２】
本体部２１の前端面はステータコア４の後端面の外周部にスルーボルト９により圧着されており、また、筒部２２の内周面はステータコア４の外周面に熱伝導グリスを介して嵌着されている。これにより、ステータコア４は、冷却剤により良好に冷却されることができる。
【００３３】
本体部２１の内周面とコイルエンド１５の外周面との間には環状の隙間が形成されており、これにより、冷却ファン８Ｎより形成された遠心冷却風は、コイルエンド１５を貫通してそれを冷却しつつ本体部２１の内周面に達して冷却される。２４は、本体部２１の内周面に形成された冷却フィンであり、冷却フィン２４は遠心冷却風を良好に冷却する。その後、遠心冷却風は、エンドプレート３の前端面に沿って径内側に流れ、エンドプレート３の冷却フィン３５により冷却されて冷却ファン８に戻る。
【００３４】
また、冷却剤は、半導体スイッチング素子１０のヒートシンクを兼ねるエンドプレート３を良好に冷却するので、エンドプレート３の外端面に実装された半導体スイッチング素子１０は良好に冷却され、軸受け１３の過熱も防止される。
（ステータコイル配線取り出し構造）
次に、ステータコイル５の端部導体５０を引き出すためのステータコイル配線取り出し構造について、図２を参照して以下に説明する。
【００３５】
エンドプレート３には３本の端部導体５０を取り出すための貫通孔３５が３カ所に分けて形成されている。図２は貫通孔３５の一つを示す。貫通孔３５には一部が切り欠かれた略Ｃ字状のフェライトコア３６が固定されている。
【００３６】
エンドプレート３の外端面にはプリント基板３７が固定されており、プリント基板３７には制御回路用の回路部品３８が実装されている。プリント基板３７の裏面にはホール素子３９を内蔵する電流検出器４０が固定されており、電流検出器４０は、フェライトコア３６の切り欠き部４１に挿入されている。
【００３７】
ステータコイル５の端部導体５０は、フェライトコア３６及びプリント基板３７を軸方向に貫通してブスバー４２を通じて半導体スイッチング素子１０の交流出力端子に接続されている。
【００３８】
このように構成すれば、フェライトコア３６の取り付けが簡単となり、プリント基板３７の回路素子実装面ほ有効利用することができる。
（変形態様）
上記実施例の変形態様を図３に示す。
【００３９】
この態様では、上記エンドフレーム２とエンドプレート３とを一体化して、底付き円筒状のエンドフレーム１００としたものである。このエンドフレーム１００はステータコア４の後端面とコイルエンド１５の外周面とで区画される空間に外周面側から凹設されたリング溝１０２を有し、このリング溝１０２には冷却剤が流れるパイプ１０３が巻着されている。このようにすれば、上記と同様の冷却効果および体格増加抑制効果を得ることができ、部品点数を削減することができる。なお、冷却剤としては液体又は気体のどちらでもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の回転電機の一実施例を示す軸方向部分断面図である。
【図２】図１の部分拡大軸方向断面図である。
【図３】変形態様を示す軸方向部分断面図である。
【符号の説明】
２エンドフレーム（冷却部材）
３エンドプレート（冷却部材）
４ステータコア
５ステータコイル
６ロータ
７回転軸
８冷却ファン
９スルーボルト
１０半導体スイッチング素子

Claims

内周部にスロットを有してハウジングに固定された円筒状のステータコアと、
前記ステータコアの両端面から突出するコイルエンドを有して前記スロットに挿通されるステータコイルと、
内部に冷却剤通路を有して前記ステータコアに密着する冷却部材と、
前記冷却部材の表面に固定されて前記ステータコイルの電流を制御する半導体スイッチング素子と、
前記ステータコアの内周面に面して回転するロータと、
を備える回転電機において、
前記冷却部材は、前記ステータコアの端面と前記コイルエンドの外周面とにより区画される円筒状空間部分に収容されて、前記コイルエンドの外周側の前記ステータコアの端面に密着し、
前記冷却部材は、
前記ステータコアの両端面に個別に密着する一対の環状冷却部材を有し、
前記環状冷却部材は、
前記冷却剤通路が軸方向外側に開口する環状の筒部と、前記筒部の外端面に密着して前記冷却剤通路を密閉する輪板状の蓋板部とを有することを特徴とする回転電機。
請求項１記載の回転電機において、
前記両環状冷却部材の蓋板部は、
前記両環状冷却部材の前記筒部及び前記ステータコアを挟んで前記スルーボルトにより軸方向に締結されていることを特徴とする回転電機。
請求項２記載の回転電機において、
前記両環状冷却部材の前記冷却剤通路は、
前記環状冷却部材の径方向断面において螺旋状に凹設され、
前記蓋板部は、
前記螺旋状の冷却剤通路の両端に面して冷却剤注入部及び冷却剤排出部を有することを特徴とする回転電機。
請求項１乃至３のいずれか記載の回転電機において、
前記両冷却部材又は前記両筒部は、
前記ステータコアの外周面に密着する円筒状のステータコア囲包筒部を有することを特徴とする回転電機。
請求項１記載の回転電機において、
前記半導体スイッチング素子は、前記冷却部材の外端面又は前記環状冷却部材の外端面に固定されていることを特徴とする回転電機。
請求項５記載の回転電機において、
前記半導体スイッチング素子が固定された前記冷却部材の外端面又は前記環状冷却部材の外端面を囲包するカバー部材を有することを特徴とする回転電機。
請求項３記載の回転電機において、
前記冷却部材の外端面又は前記環状冷却部材の外端面に固定されて前記カバー部材から突出するとともに、前記半導体スイッチング素子に給電する外部電源接続用の電源端子を有することを特徴とする回転電機。
請求項３記載の回転電機において、
前記ロータの端面に形成された遠心ファンを前記コイルエンドの径内側に有することを特徴とする回転電機。
請求項８記載の回転電機において、
前記冷却部材は、
前記遠心ファンにより形成される循環空気経路中に突出する冷却フィンを有することを特徴とする回転電機。
請求項１記載の回転電機において、
前記両環状冷却部材は、軸受けを介して前記ロータの軸を回転自在に支承することを特徴とする回転電機。