JP4483948B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、回転電機に関し、特に、自動車などの車両に搭載される回転電機に関する。

モータなどの回転電機においては、コイルで発生した熱を如何に効率よく冷却するかが重要であり、従来種々の回転電機の冷却構造が提案されている。たとえば非特許文献１では、コイルエンド上方から供給される冷却油をコイルの周方向へ案内するために、コイルエンド下側に案内部材を設けた構造が提案されている。また特許文献１では、回転シャフトからステータコイルエンドに冷媒を供給する、回転電機の冷却構造が提案されている。また特許文献２では、回転シャフトまたはケース上部からコイルエンドに冷媒が供給される回転電機において、コイルエンドに多孔体を当接させ冷媒を保持する構造が提案されている。
特開２００５−７３３５１号公報 特開２００４−２１５３５３号公報 発明協会公開技報公技番号２００６―５０４７９８号

非特許文献１で提案されている冷却構造では、コイルエンド上方からのみ冷却油が供給されているために、コイルエンドへ冷却油が十分に供給されず、その結果コイルエンドが十分冷却されないという問題がある。コイルエンドへの冷却油の供給量を増加させるためには、ロータ側からもコイルエンドへ冷却油を供給することが考えられる。しかしながら、非特許文献１で提案されている案内部材が設けられている場合、案内部材によって冷媒の流れが妨げられるために、ロータ側からコイルエンドへの冷媒の供給が不十分となるという問題があった。

本発明は上記の問題に鑑みてなされたものであり、その主たる目的は、コイルエンドを効率的に冷却することのできる、回転電機を提供することである。

本発明に係る回転電機は、回転可能に設けられた回転シャフトと、回転シャフトに固設されたロータコアと、ロータコアの軸方向端面に対向して設けられ軸方向端面との間に冷媒通路を形成するエンドプレートと、を含む回転部と、回転シャフトの少なくとも一部を取り囲むハウジングと、ロータコアの周囲を取り囲み、ハウジングの内部に収納されたステータコアと、ステータコアに巻回されたステータコイルと、ハウジングに設置され、回転シャフトをハウジングに対して回転可能に保持する、軸受と、ハウジングの内部に設置され、回転部の回転半径方向内方側のステータコイルの表面に向かって延在する案内部材とを備える。ハウジングには、回転部の回転半径方向外方からステータコイルへ冷媒を供給する、固定側冷媒供給部が設けられている。案内部材とステータコアとの間には隙間が形成されている。冷媒通路から隙間を経由して、回転部の回転半径方向内方からステータコイルへ冷媒が供給される。案内部材には、冷媒が流通する貫通孔部が形成されている。軸受から、案内部材の貫通孔部を経由して、回転部の回転半径方向内方側のステータコイルの表面へ冷媒が供給される。

上記回転電機において好ましくは、冷媒通路には、ロータコアの軸方向端面を冷却する冷媒が流通する。

また好ましくは、案内部材は、回転シャフトよりも上方側に設置されている。
また好ましくは、案内部材は、回転部の回転軸方向に沿ってステータコイルへ接近するにつれて、回転部の回転半径方向内方側のステータコイルの表面と案内部材とが接近するように、回転部の回転半径方向内方へ向かって湾曲している。

本発明の回転電機によると、案内部材に貫通孔部が形成されているために、冷媒は案内部材の貫通孔部を通ってステータコイルへ流通できる。そのため、ステータコイルを効率的に冷却することができる。

以下、図面に基づいてこの発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において、同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰返さない。

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１の回転電機の詳細を示す断面図である。この回転電機は、典型的には、ハイブリッド車両に搭載され、車輪を駆動する駆動源や、エンジンなどの動力によって電気を発電する発電機として機能する。また、電気自動車などに搭載され、車輪を駆動する駆動源として利用される場合もある。

図１に示すように、回転電機は、回転可能に設けられた回転シャフト１０と、回転シャフト１０の一部を取り囲んでいるハウジング３０とを備える。ハウジング３０は、２つの軸受１２によって、回転シャフト１０を回転可能に保持する。回転電機は、回転シャフト１０が略水平となるように、配置されている。また回転電機は、ハウジング３０の内部に、回転シャフト１０に固設され、回転シャフト１０と共に回転可能に設けられたロータと、ロータの外周上に配置された環状のステータとを備える。

ロータは、回転シャフト１０に固設されたロータコア１１を含む。またロータは、複数の電磁鋼板を貫通するようにロータコア１１に形成されている磁石挿入孔内に埋設された、永久磁石１３を含む。すなわち、回転電機は、ＩＰＭ（Interior Permanent Magnet）モータである。またロータは、ロータコア１１の軸方向の端面に対向して設けられた、エンドプレート１４を含む。

永久磁石１３は、磁石挿入孔内に充填された樹脂によって接着固定されている。ロータコア１１は、回転シャフト１０の回転軸に沿った円筒形状を有する。ロータコア１１は、回転シャフト１０の軸方向に積層された複数の電磁鋼板から構成されている。

ロータコア１１の両側の軸方向端面に設けられた２枚のエンドプレート１４は、電磁鋼板の積層構造を軸方向に対して挟持する。永久磁石１３に対向する電磁鋼板の端部が磁化されたとき、磁力の作用によって電磁鋼板が分離しようとする力が働くが、エンドプレート１４を配置して電磁鋼板の積層構造を挟持することにより、電磁鋼板の分離を防止する。エンドプレート１４は、ねじ止め、かしめ、圧入などの任意の方法によって、回転シャフト１０に固定されており、回転シャフト１０の回転に伴って回転運動を行なう。

ステータは、ロータコア１１の周囲を取り囲むように環状に形成されたステータコア２０と、ステータコア２０に巻回されたステータコイルとを含む。ステータコア２０は、ロータコア１１の外周側の表面に対してわずかな隙間を介在させて対向するように、形成されている。ステータコア２０は、ハウジング３０の内部に収納されており、回転シャフト１０の軸方向に積層された複数の電磁鋼板から構成されている。なお、ロータコア１１およびステータコア２０は、電磁鋼板に限定されず、たとえば圧粉磁心から構成された一体的なものであってもよい。

ステータコア２０には、回転シャフト１０の軸方向に沿った方向にステータコア２０を貫通するようにスリットが形成されており、このスリットにステータコイルが巻着される。ステータコイルは、ハウジング３０の内部に収納されており、ステータコア２０のスロットに配置された絶縁部材を介在させて、ステータコア２０に固定される。ステータコア２０に巻着されたステータコイルの端部が、ステータコア２０の両側の側方に、コイルエンド２１として形成される。

また、ハウジング３０の内部に、案内部材２２が設置されている。案内部材２２は、略水平に配置されている回転シャフト１０よりも、上方側に設置されている。案内部材２２は、回転シャフト１０の軸方向に延在するように形成されている。案内部材２２は、ステータコイルの、回転部の回転半径方向内方側（回転シャフト１０に近接する側）の表面２１ｂに向かって延在するように、形成されている。

図２は、図１に示す回転電機の一部を拡大視した拡大断面図である。図２に示すように、回転シャフト１０は、軸受１２によって回転可能に支持されている。軸受１２は、ハウジング３０に設置されており、回転シャフト１０をハウジング３０に対して回転可能に保持する。図１および図２では、軸受１２は、転動体を玉とする転がり軸受として図示されているが、転動体がころである転がり軸受であってもよく、またすべり軸受であっても構わない。軸受１２には、転動体と外輪および内輪とによって形成される空間に潤滑性を付与するための、潤滑油が供給される。

回転シャフト１０は、中空に形成されている。回転シャフト１０の内部には、回転シャフト１０の回転の中心軸である回転中心軸Ｏを含むように、軸方向に沿って延びる、冷媒通路４１が形成されている。また回転シャフト１０の内部には、回転シャフト１０の径方向に沿って延びる、冷媒通路４２が形成されている。回転シャフト１０は、回転中心軸Ｏの延在方向が水平方向に沿うように、配置されている。

エンドプレート１４と、ロータコア１１の軸方向端面１１ａとの間には、冷媒通路４３が形成されている。エンドプレート１４には、冷媒通路４３と、ハウジング３０の内部空間とを連通する、開口４４が形成されている。

案内部材２２は、ハウジング３０に固定されている。案内部材２２は、回転シャフト１０の軸方向に延在するように形成されている。また案内部材２２は、ステータコイルの上方側から下方側へ向かって湾曲する、湾曲部２２ａを含む。湾曲部２２ａにおいて、案内部材２２は、回転シャフト１０の径方向に湾曲している。案内部材２２は、回転部の回転半径方向内方へ向かって湾曲している。案内部材２２は、回転部の回転軸方向（回転中心軸Ｏの延在方向）に沿ってステータコイルへ接近するにつれて、回転部の回転半径方向内方側のステータコイルの表面２１ｂと案内部材２２とが接近するように、湾曲している。

案内部材２２とステータコア２０とは接触しておらず、案内部材２２とステータコア２０との間には隙間４５が形成されている。また案内部材２２には、厚み方向に案内部材２２を貫通する、貫通孔部４６が形成されている。

ハウジング３０には、外部からハウジング３０の内部空間に冷媒を導く、冷媒供給孔４７が形成されている。

回転シャフト１０、ロータコア１１、軸受１２の内輪、永久磁石１３およびエンドプレート１４は、回転中心軸Ｏを中心として回転可能に設けられている、回転部に含まれる。一方、軸受１２の外輪、ステータコア２０、コイルエンド２１、案内部材２２およびハウジング３０は、回転部を保持する固定部に含まれる。

次に、図２に従って、実施の形態１の回転電機の冷却構造について説明する。ステータコア２０の周囲に設けられたステータコイルに通電すると、ステータコア２０は磁力を発生させ、その磁力でロータコア１１が回転する。このときにステータコイルに流れる電流によりジュール熱が発生して、ステータコア２０、ステータコイル、コイルエンド２１が発熱する。回転電機の安定運転のためには、この発熱を除去することが重要である。そのため回転電機は、ステータコイルのコイルエンド２１に冷媒が供給されて、ステータコイルの熱量を奪い去るような構造とされている。

コイルエンド２１を冷却するための冷却油は、ハウジング３０側から供給される。ステータコイル上方のハウジング３０に形成された冷媒供給孔４７を経由して、矢印Ｆ８に示すように、回転部の回転半径方向外方（回転電機の上方側）から、コイルエンド２１へ冷却油を供給する。冷却油は、コイルエンド２１の表面２１ａに接触した後、矢印Ｆ９に示すように、重力の作用により回転部の回転半径方向内方側（回転電機の下方側）へと流れる。

つまり、冷媒供給孔４７は、回転部の回転半径方向外方から、ステータコイルのコイルエンド２１の、回転部の回転半径方向外方の表面２１ａへ、ステータコイルを冷却するための冷媒を供給する、ハウジング３０に設けられた固定側冷媒供給部に含まれる。

また、コイルエンド２１を冷却するための冷却油は、ロータ側からも供給される。中空の回転シャフト１０の内部に形成された冷媒通路４１内へ外部から供給された冷却油は、矢印Ｆ１に示すように、冷媒通路４１の内部を回転中心軸Ｏに沿うように流れる。回転シャフト１０は回転しているので遠心力が発生し、冷却油は冷媒通路４１の壁面に沿って流れる。この遠心力の作用によって、冷媒通路４２に到達した冷却油の一部は、矢印Ｆ２に示すように冷媒通路４２へ流入し、回転シャフト１０の径方向外側に向かって、冷媒通路４２の内部を流れる。

その後冷却油は、冷媒通路４３へ流入し、矢印Ｆ３に示すように冷媒通路４３の内部を流通して、ロータコア１１の軸方向端面１１ａを冷却する。冷却油はさらに矢印Ｆ４に示すように、開口４４へ到り、開口４４からハウジング３０の内部空間へと流れる。冷却油にはロータの回転により発生する遠心力が作用しているために、冷却油は開口４４からロータの外周側へ向かって噴霧されて飛散する。そして冷却油は、矢印Ｆ５に示すように、ステータコイルのコイルエンド２１の、回転部の回転半径方向内方側の表面２１ｂに到達して、コイルエンド２１を冷却する。案内部材２２とステータコア２０との間に隙間４５が形成されているために、開口４４から噴霧された冷却油が隙間４５を経由して、コイルエンド２１の表面２１ｂに到達できる構造となっている。

一方、軸受１２を潤滑するために供給される潤滑油もまた、ステータコイルのコイルエンド２１を冷却するための、ロータ側から供給される冷媒となり得る。軸受１２の転動体と内輪および外輪との間に外部から給油され、軸受１２を潤滑した潤滑油には、軸受１２の内輪の回転運動により発生する遠心力が作用する。そのため、ハウジング３０の内部空間側へ潤滑油が流れると、矢印Ｆ６に示すように、潤滑油は回転電機の回転半径方向外方へ流れる。潤滑油が案内部材２２に到達すると、矢印Ｆ７に示すように、案内部材２２に形成された貫通孔部４６を通って、案内部材２２よりも回転部の回転半径方向外方側のハウジング３０の内部空間へ流れる。潤滑油は、案内部材２２よりも下方側からハウジング３０の内部空間へ供給されており、貫通孔部４６を案内部材２２の下方側から上方側へ貫通するように、案内部材２２の上方側へ流れる。

図３は、ステータ側から見た案内部材の俯瞰図である。図３に示すように、ステータコア２０にはステータコイルが巻回され、円形を成すように配置されて、ステータを構成している。案内部材２２は、ステータの円形状の周方向に沿って湾曲する板形状に形成されている。案内部材２２には貫通孔部４６が形成されており、そのため矢印Ｆ７に示すように、冷媒は貫通孔部４６を経由して、回転電機の回転半径方向内方側から回転半径方向外方側へ流通できる構造となっている。一方、矢印Ｆ５に示すように、ステータに近接する側の、案内部材２２の形成されていない隙間４５（図２参照）を経由して、冷媒は回転電機の回転半径方向内方側から回転半径方向外方側へ流通できる構造となっている。

つまり、冷媒通路４１〜４３および開口４４、ならびに、軸受１２は、回転部の回転半径方向内方から、ステータコイルのコイルエンド２１の、回転部の回転半径方向内方側の表面２１ｂを冷却するための冷媒を供給する、回転部に設けられた回転側冷媒供給部に含まれる。

ハウジング３０の冷媒供給孔４７から供給された冷却油、および、軸受１２を経由して供給される潤滑油は、それぞれ矢印Ｆ１０、Ｆ１１に示すように、案内部材２２を伝うように、回転中心軸Ｏの軸方向に沿ってステータコア２０に近接する方向に流れる。そして上記冷却油および潤滑油は、ステータコイルのコイルエンド２１の、回転部の回転半径方向内方側の表面２１ｂへ流通し、ステータコイルを冷却する。案内部材２２は、ステータコイルのコイルエンド２１の下方側である、コイルエンド２１の表面２１ｂへ冷媒を流通させる。

案内部材２２に貫通孔部４６が形成されているために、軸受１２を潤滑するために供給される潤滑油は、軸受１２からハウジング３０の内部空間を経由し、貫通孔部４６内を流通してコイルエンド２１の表面２１ｂへ到達することができる。そして潤滑油は、ステータコイルを冷却する冷媒として、コイルエンド２１の表面２１ｂへ供給される。

案内部材２２には、ステータコイルの上方側から下方側へ向かって湾曲する、湾曲部２２ａが形成されている。案内部材２２は、コイルエンド２１に近接するにつれて、回転電機の上方側から下方側へ位置するような形状となっている。図２に示すように、ハウジング３０に固定されている側の案内部材２２の端部に対して、コイルエンド２１に近接する側の案内部材２２の端部は、相対的に回転電機の下方側に位置している。案内部材２２がこのような形状に形成されているために、冷媒は重力の作用する方向に沿って上方側から下方側へ流れ、矢印Ｆ１０およびＦ１１に示すように、案内部材２２に沿ってコイルエンド２１側へ冷媒が流通しやすくなっている。したがって、コイルエンド２１の、回転部の回転半径方向内方側の表面２１ｂへ確実に冷媒を供給することができるので、ステータコイルを効率的に冷却することができる。

なお、コイルエンド２１を冷却した後の冷媒は、ハウジング３０の下部に設けられた図示しないオイルパンに向かって流れ、オイルパン内に集められて回収される。

以上説明したように、実施の形態１の回転電機では、ステータコイルのコイルエンド２１の、回転部の回転半径方向内方側の表面２１ｂへ冷媒を流通させる案内部材２２に、貫通孔部４６が形成されている。そのため、軸受１２を経由して矢印Ｆ６に示すようにハウジング３０の内部空間内に流れる冷媒は、矢印Ｆ７に示すように案内部材２２の貫通孔部４６を経由して、ステータコイルのコイルエンド２１へ流通できる。したがって、回転電機の固定側冷媒供給部に加え、回転側冷媒供給部からもステータコイルへ冷媒を供給することができるので、ステータコイルを効率的に冷却することができる。

また、図１に示すように、案内部材２２は回転電機の回転シャフト１０よりも上方側のみに設置されている。回転電機の回転シャフト１０よりも下方側においては、回転部から供給されコイルエンド２１へ到達した冷媒は、重力の作用によって、コイルエンド２１に沿ってコイルエンド２１の表面を伝うように、コイルエンド２１の上方側から下方側へと流れることができる。そのため、回転電機の回転シャフト１０よりも下方側については、案内部材２２が設置されていなくても、コイルエンド２１の上方側および下方側の両方共に冷媒を供給することができると考えられる。

回転シャフト１０よりも上方側については、案内部材２２が回転電機の回転シャフト１０よりも上方側に設置されている構成によって、回転部から供給される冷媒が回転シャフト１０の下方側へ確実に到達する。つまり、案内部材２２が回転電機の回転シャフト１０よりも上方側に設置されている構成では、確実にステータコイルの下方側へ冷媒を供給することができるので、ステータコイルを効率的に冷却することができる。また、案内部材２２が回転電機の回転シャフト１０よりも上方側のみに設置されているために、案内部材２２が回転電機のハウジング３０内部の全周に形成されている構成に対して、回転電機の製造コストを低減することができる。

（実施の形態２）
実施の形態１の説明では、軸受１２ならびに冷媒通路４１〜４３および開口４４のいずれからも、ステータコイルのコイルエンド２１へ冷媒が供給されている。実施の形態１では、軸受１２および冷媒通路４１〜４３の両方を経由して、ステータコイルへ冷媒が導かれている。しかし、本発明の回転電機はこの構成に限られるものではない。回転電機は、軸受１２および冷媒通路４１〜４３の少なくともいずれか一方を経由して、ステータコイルへ冷媒が供給される構成であってもよい。

図４は、実施の形態２の回転電機の一部を拡大視した拡大断面図である。実施の形態２の回転電機は、案内部材２２の形状および配置が図４に示すような構成となっている点で、上述した実施の形態１とは異なっている。具体的には、図４に示すように、案内部材２２はステータコア２０の軸方向端面に取り付けられ固定されている。ステータコア２０から離れる側の案内部材２２の端部と、ハウジング３０との間には、隙間４５が形成されるように、案内部材２２は形成されている。案内部材２２には、板状の部材の厚み方向に案内部材２２を貫通する、貫通孔部４８が形成されている。

実施の形態２の回転電機の冷却構造は、矢印Ｆ８に示すように、コイルエンド２１の、回転部の回転半径方向外方側の表面２１ａへ、冷媒供給孔４７を経由して冷却油が供給される。冷却油はコイルエンド２１の表面２１ａに接触した後、矢印Ｆ９に示すように、重力の作用により回転電機の下方側へと流れる。また、軸受１２からハウジング３０の内部空間側へ流れた潤滑油は、矢印Ｆ６に示すように、回転電機の外周側へ流れ、案内部材２２に到達する。その後潤滑油は、矢印Ｆ７に示すように、隙間４５を経由して、案内部材２２よりも上方側へ流通し、案内部材２２よりも外周側のハウジング３０の内部空間へ流れる。

ハウジング３０の冷媒供給孔４７から供給された冷却油、および、軸受１２を経由して供給される潤滑油は、それぞれ矢印Ｆ１０、Ｆ１１に示すように、案内部材２２を伝うように、回転中心軸Ｏの軸方向に沿った方向に流れ、ステータコイルのコイルエンド２１の、回転部の回転半径方向内方側の表面２１ｂへ流通し、ステータコイルを冷却する。その後冷媒は、矢印Ｆ１２に示すように、案内部材２２に形成された貫通孔部４８を通って、ハウジング３０の下部に設けられた図示しないオイルパンに回収される。

実施の形態２では、冷媒通路４１〜４３の内部を流通してロータコア１１の軸方向端面１１ａを冷却した冷却油に関しては、案内部材２２がコイルエンド２１への冷却油の流れを遮るために、コイルエンド２１へ流通する冷却油の量は小さいと考えられる。しかしながら、軸受１２を経由してハウジング３０の内部空間に流れた潤滑油は、ステータコイルのコイルエンド２１の、回転部の回転半径方向内方側の表面２１ｂへ流通し、コイルエンド２１の表面２１ｂを冷却する。したがって、回転電機の回転部側からステータコイルへ冷媒を供給することができるので、ステータコイルを効率的に冷却することができる。

なお、案内部材２２の取付け位置、寸法、形状については、固定側冷媒供給部および回転側冷媒供給部の各々の冷却能力に応じて、調整することができる。また、実施の形態１の隙間４５および貫通孔部４６、実施の形態２の隙間４５および貫通孔部４８など、案内部材に形成された貫通孔部の寸法、および、案内部材と回転電機の固定部との間の寸法についても、固定側冷媒供給部および回転側冷媒供給部の各々の冷却能力に応じて、調整することができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。この発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

実施の形態１の回転電機の詳細を示す断面図である。 図１に示す回転電機の一部を拡大視した拡大断面図である。 ステータ側から見た案内部材の俯瞰図である。 実施の形態２の回転電機の一部を拡大視した拡大断面図である。

符号の説明

１０ 回転シャフト、１１ ロータコア、１１ａ 軸方向端面、１２ 軸受、１３ 永久磁石、１４ エンドプレート、２０ ステータコア、２１ コイルエンド、２１ａ，２１ｂ 表面、２２ 案内部材、２２ａ 湾曲部、３０ ハウジング、４１，４２，４３ 冷媒通路、４４ 開口、４５ 隙間、４６，４８ 貫通孔部、４７ 冷媒供給孔、Ｆ１〜Ｆ１２ 冷媒の流れ、Ｏ 回転中心軸。

Claims (4)

1. 回転可能に設けられた回転シャフトと、前記回転シャフトに固設されたロータコアと、前記ロータコアの軸方向端面に対向して設けられ前記軸方向端面との間に冷媒通路を形成するエンドプレートと、を含む回転部と、
   前記回転シャフトの少なくとも一部を取り囲むハウジングと、
   前記ロータコアの周囲を取り囲み、前記ハウジングの内部に収納されたステータコアと、
   前記ステータコアに巻回されたステータコイルと、
   前記ハウジングに設置され、前記回転シャフトを前記ハウジングに対して回転可能に保持する、軸受と、
   前記ハウジングの内部に設置され、前記回転部の回転半径方向内方側の前記ステータコイルの表面に向かって延在する案内部材とを備え、
   前記ハウジングには、前記回転部の回転半径方向外方から前記ステータコイルへ冷媒を供給する、固定側冷媒供給部が設けられており、
   前記案内部材と前記ステータコアとの間には隙間が形成されており、
   前記冷媒通路から前記隙間を経由して、前記回転部の回転半径方向内方から前記ステータコイルへ冷媒が供給され、
   前記案内部材には、冷媒が流通する貫通孔部が形成されており、
   前記軸受から、前記案内部材の前記貫通孔部を経由して、前記回転部の回転半径方向内方側の前記ステータコイルの表面へ冷媒が供給される、回転電機。
2. 前記冷媒通路には、前記ロータコアの前記軸方向端面を冷却する冷媒が流通する、請求項１に記載の回転電機。
3. 前記案内部材は、前記回転シャフトよりも上方側に設置されている、請求項１または請求項２に記載の回転電機。
4. 前記案内部材は、前記回転部の回転軸方向に沿って前記ステータコイルへ接近するにつれて、前記回転部の回転半径方向内方側の前記ステータコイルの表面と前記案内部材とが接近するように、前記回転部の回転半径方向内方へ向かって湾曲している、請求項３に記載の回転電機。

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