JP4563475B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、回転電機に係り、特に、コイルエンド部に冷媒をかけてコイルを冷却する機能を有する回転電機に関する。

従来、ハイブリッド車や電気自動車等の動力源として、回転電機またはモータが使用されている。モータは、円筒状をなすステータコアと、ステータコアの内周から径方向内側に向かって突設される複数のティース部に巻回されるコイルと、ステータ内に回転可能に保持されて外周またはその近傍に永久磁石を有するロータとを有している。そして、コイルに通電することによってステータ内に形成される磁界が周方向に変動または転移することで、ロータが回転駆動させるよう構成されている。

上記モータが作動されると、コイルに電流が流れることで発熱し、この熱はティース部からステータに伝導して鉄損等の原因となる。また、モータの作動状態によってはコイルに過大な電流が一時的または継続的に流れて異常昇温し、コイルが焼損する可能性もある。したがって、モータでは、通常、コイル温度を検出するためのサーミスタ等の温度センサをコイルエンド部に設置し、温度センサで検出されるコイル温度に基づいてモータ電流を制御することで、鉄損の抑制やコイル焼損の防止を図っている。また、特許文献１に開示されるように、作動油等の冷媒を用いてコイルを積極冷却することで、コイル温度の上昇を抑制して回転電機の過熱を防止しているモータもある。

特開２００５−８６８８２号公報

上記特許文献１に記載されるモータのように、コイルエンド部にサーミスタを接触配置してコイル温度を検出しようとすると、コイルを構成する各素線と平面状をなすサーミスタとは略線接触状態となって互いの接触面積が小さいものになる。そのため、サーミスタの表面上を作動油が流れると、サーミスタによって検出される温度は、コイルよりも低温である作動油の影響を大きく受けてしまって、コイル温度を正確に検出できないことがある。

本発明は、コイルエンド部に配置された温度検出手段に冷媒が直に接触しないようにすることでコイル温度を正確に検出できる回転電機を提供することにある。

本発明に係る回転電機は、筒状をなすステータコアと、ステータコアの内周に突設される複数のティース部に巻回されステータコアの軸方向両端部から突出するコイルエンド部を含むコイルと、コイルエンド部上に冷媒を流下させてコイルを冷却する冷却手段と、コイルエンド部に接触配置されてコイル温度を検出する温度検出手段と、を備える回転電機であって、前記冷却手段は、ステータコアと該ステータコアの外周に配置されるケース部材との間に設けられ外部からケース部材内に供給される冷媒をコイルエンド部へ向けて流すための冷媒流路と、冷媒流路を流れてきた冷媒を第１冷媒流と第２冷媒流とに分岐させてコイルエンド部へ向けてそれぞれ流下させるガイド部とを含み、前記ガイド部は、冷媒流路の軸方向端部を二股に分岐させて所定間隔を置いて２つの冷媒流出口が設けられた冷却流路の端部自体によって構成されており、前記温度検出手段は、前記２つの冷媒流出口からガイド部材を介さずに前記コイルエンド部へ向かって流れ落ちる第１冷媒流と第２冷媒流との間に対応するコイルエンド部上の位置に冷媒と直接接触しないように設けられていることを特徴とする。

また、本発明に係る回転電機において、前記ステータコアの軸方向を水平方向に沿うように配置されたときに、前記コイルエンド部は前記軸方向を中心とする環状をなしており、前記ガイド部はコイルエンド部の上方に位置するとともに、前記温度検出手段はコイルエンド部の最上部またはその近傍に配置されてもよい。

さらに、本発明に係る回転電機において、前記温度検出手段は、コイルエンド部との接触部以外は耐熱性の断熱部材で覆われていてもよい。

本発明に係る回転電機によれば、コイル温度を検出するための温度検出手段がコイルエンド部上を流下する冷媒に直接接触しないように設けられているため、冷媒温度の影響を受けることなく温度検出手段によってコイル温度を正確に検出することができる。

以下に、本発明に係る実施の形態について添付図面を参照しながら詳細に説明する。この説明において、具体的な形状、材料、数値、方向等は、本発明の理解を容易にするための例示であって、用途、目的、仕様等にあわせて適宜変更することができる。

図１は、本発明の一実施形態である回転電機１０の一部側面を含む断面図である。回転電機１０は、略円筒状をなすステータコア１２を有する。ステータコア１２は、多数の電磁鋼板を積層して構成されることができる。また、ステータコア１２は、その内周に径方向内側に向かって突設される複数のティース部１４を有している。ティース部１４の周囲には、エナメル線等の素線を巻回してなるコイル１６が配置されている。コイル１６は、ステータコア１２の軸方向両端部から外方にそれぞれ突出する部分１８を含んでおり、この部分がコイルエンド部と称される。

コイルエンド部１８は、ステータコア１２の軸方向を水平方向に沿うように回転電機１０が配置されたとき、ステータコア１２と同軸上の略円環状をなすよう構成されている（図３参照）。ここで「略」円環状としているのは、回転電機１０が例えば三相交流モータであるとき、互いに隣接するＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各相コイル間に絶縁のための隙間や絶縁物を介在させてある場合も含むことを意図したものである。

ステータコア１２の外周には、両端が開口した円筒状のケース部材２０が接触配置されている。ケース部材２０は、伝熱性の良い金属材料で形成されており、ステータコア１２および後述するロータを収容する収容部材であるとともに、ステータコア１２から伝わった熱を外部に放熱する放熱部材としても機能する。

ケース部材２０の軸方向両端の開口は、ケース部材２０に対してボルト締結等の方法で取り付けられるカバー部材２２によってそれぞれ閉鎖されている。カバー部材２２もまた、ケース部材２０と同様に、伝熱性の良い金属材料で形成されるのが好ましい。

ステータコア１２内には、円柱状をなす回転子またはロータ２４が配置されている。ロータ２４は、ロータ２４の中心を貫通して軸方向両端から延伸する回転軸２６によって、ステータコア１２のティース部１４との間に所定隙間を空けた状態で回転可能に保持されている。回転軸２６は、カバー部材２２に組み込まれた軸受け部材またはベアリング２８を介して回転電機１０の外部にそれぞれ延伸している。ただし、回転軸２６の一方は、回転電機１０の外部に突出することなく、カバー部材２２の軸受け部材２８で回転可能に支持されているところで終端していてもよい。なお、図１においてロータ２４および回転軸２６は、側面視状態で示される。

ロータ２４は、その外周部またはその近傍内部において周方向に均等配置された複数の永久磁石（図示せず）を含んでいる。これにより、外部電源から電圧を印加してコイル１６に通電することによって、ステータコア１２内に形成される磁界が周方向に変動または転移することで、ロータ２４が回転駆動されることになる。

軸方向の一方のコイルエンド部１８には、コイル温度を検出するための温度検出手段である１つの温度センサ、例えばサーミスタ３０が接触配置されている。サーミスタ３０は、図１に示すようにステータコア１２の軸方向を水平方向に沿うように回転電機１０が配置されたとき、コイルエンド部１８の最上部近傍の軸方向端面に設置されている。

図１に示す回転電機１０の上部または最上部において、ステータコア１２とケース部材２０との間には、冷却手段の一部を構成する冷媒流路３２が設けられている。詳細には、冷媒流路３２は、ケース部材２０の内周面に軸方向に沿って延伸形成された溝からなり、この溝の下方がステータコア１２の外周面で閉じられることで流路として構成されている。また、冷媒流路３２は、ステータコア１２よりも若干長く形成されており、ステータコア１２によって塞がれていない両端部が冷媒流出口３４になっている。

なお、本実施形態では、ケース部材２０に溝を形成して冷媒流路を構成したが、これに限定されるものではなく、ステータコア１２の外周上部に溝を形成して冷媒流路を構成してもよい。

ケース部材２０の上部には、軸方向中央位置で冷媒流路３２に連通する冷媒供給口３６が形成されている。また、ケース部材２０の下部であって軸方向の両端側には、回転電機１０内の下部に溜まる冷媒を排出するための冷媒排出口３８がそれぞれ形成されている。

ケース部材２０の冷媒供給口３６は、供給経路または配管４０を介してポンプ４２に接続されている。また、ケース部材２０の冷媒排出口３８は、フィンやラジエタ等の放熱部４４を経由する排出経路または配管４６を介してポンプ４２に接続されている。これにより、ポンプ４２の作動によって冷媒が回転電機１０に循環供給されるようになっている。ここで、本実施形態の回転電機１０における冷媒には、潤滑機能を併せ持つ冷却オイル（以下、適宜に「オイル」とだけいう）が好適に用いられる。

温度センサ３０が設けられている側のステータコア１２の端面には、冷却手段の一部を構成するガイド部材（ガイド部）５０が固定されている。ガイド部材５０は、冷媒流路３２の冷媒流出口３４に対応する位置に、若干の下方傾斜を付けて設けられている。このように下方傾斜させることで、冷媒流出口３４から排出される冷媒量が少ない場合でも円滑にコイルエンド部１８へと流下させることができる。

図２は、ガイド部材５０を上方から見た様子を示す部分拡大図である。ガイド部材５０は、略Ｙ字状の上面視形状および略コ字状断面を有する樋のようなもので、冷媒流路３２を流れてきて冷媒流出口３４から流出したオイルを第１冷媒流５２と第２冷媒流５４とに分岐させてコイルエンド部１８へ向けてそれぞれ流下させる機能を有する。また、図示するように、温度センサ３０は、ガイド部材５０からコイルエンド部１８へ向かってそれぞれ流れ落ちる第１冷媒流５２と第２冷媒流５４との間に対応するコイルエンド部１８上の位置に配置されている。

続いて、上記構成からなる回転電機１０におけるコイルエンド部１８の冷却動作について図３も参照しつつ説明する。

回転電機１０において、外部電源から電圧が印加されてコイル１６に通電されると、ステータコア１２内に形成される磁界が周方向に変動または転移することによってロータ２４が回転駆動される。このとき、コイル１６に電流が流れることで発熱し、コイル温度が上昇する。コイル温度は、温度センサ３０によって検出され、この検出温度に基づいて図示しない制御装置はコイル温度が所定上限値を超えないようにコイル電流を制御する。

また、回転電機１０が力行状態で駆動されているとき、上記制御装置は必要に応じてポンプ４２を作動させて回転電機１０にオイルを循環供給する。ポンプ４２の作動によって供給経路４０を介して冷媒供給口３６に供給されたオイルは、冷媒流路３２を軸方向両側へとそれぞれ流れて冷媒流出口３４からそれぞれコイルエンド部１８へ向かって流出する。

温度センサ３０が設けられていない側のコイルエンド部１８には、冷媒流出口３４から流出したオイルが、略円環状をなすコイルエンド部１８の外周面の最上部に流れ落ち、そこから一部が外周面に沿って両側へ流れ落ち、一部はコイルエンド部１８の軸方向端面に沿って流れ落ち、一部がコイルエンド部１８を構成する素線間の小さい隙間を縫うようして流れ落ちる。このようにオイルがコイルエンド部１８を上方から下方へ流れることによって、コイルエンド部１８およびコイル１６のステータコア１２内に位置する部分が冷却される。

コイルエンド部１８から流れ落ちて回転電機１０内の下部に溜まったオイルは、冷媒排出口３８から抜き出されて排出経路４６経由でポンプ４２へ還流するが、その過程で放熱部４４を通過する際に放熱することでオイル温度が低下し、これにより冷却効率が良好に保たれる。

一方、温度センサ３０が設けられる側のコイルエンド部１８には、図３に示すように、冷媒流出口３４から流出したオイル５６がガイド部材５０によって第１冷媒流５２と第２冷媒流５４とに分岐して、コイルエンド部１８の外周面最上部を挟んで両側にそれぞれ流れ落ちる。そこから、オイルは、一部がコイルエンド部１８の外周面に沿って両側へ流れ落ち、一部がコイルエンド部１８の軸方向端面に沿って流れ落ち、一部はコイルエンド部１８を構成する素線間の小さい隙間を縫うようして流れ落ちるが、上述したようにガイド部材５０からコイルエンド部１８へ向かってそれぞれ流れ落ちる第１冷媒流５２と第２冷媒流５４との間に対応するコイルエンド部１８上の位置に配置されている温度センサ３０にオイルがかかる又は接触することはない。これにより、温度センサ３０は、オイル温度の影響を受けることなくコイル温度を正確に検出することができ、この検出温度に基づいて上記制御装置はコイル温度を抑制して焼損等から保護するための制御を確実に実行することができる。

なお、本実施形態では、温度センサ３０をコイルエンド部１８の軸方向端面に設置したが、図２，３において点線で示すように、コイルエンド部１８の外周面上であって最上部位置に温度センサを設置してもよい。

次に、図４，５を参照して、冷媒流路３２を流れてきたオイルを第１冷媒流５２および第２冷媒流５４に分岐させるガイド部の変形例について説明する。上記ガイド部材５０は、上方が開放した樋形状をなすものとしたが、図４に示すようにパイプ状または管状のガイド部材６０を代替として用いてもよい。ガイド部材６０は、冷媒流出口３４に連結される矩形開口部６２が形成された基端部６４と、基端部６４から二股に分岐して各開口端がそれぞれ下方に向いた第１ノズル６６および第２ノズル６８とから構成される。このようなガイド部材６０を用いれば、冷媒流出口３４からオイルが高圧で流出する場合でも、第１ノズル６２から噴出する第１冷媒流５２および第２ノズル６４から噴出する第２冷媒流５４をコイルエンド部１８上の所望位置にそれぞれ掛け流すことができる。

また、図５に示すように、上記のようなガイド部材５０，６０を省略し、冷媒流路３２の軸方向端部を二股に分岐させて所定間隔を置いた２つの冷媒流出口３４ａ，３４ｂを設けることにより、第１冷媒流５２および第２冷媒流５４を形成してもよい。この場合、冷媒流路３２の端部自体がガイド部を構成しており、これによっても上記ガイド部材５０，６０と同様の効果を奏する。

次に、図６を参照して本発明に係る別の実施形態の回転電機１１について説明するが、ここでは上記回転電機１０と異なる部分についてのみ説明することとし、上記回転電機１０と同一の構成要素には同一符号を付して重複する説明を省略する。

図６（ａ）は、図２と同様にガイド部材５０を上方から見た様子を示す部分拡大図であり、図６（ｂ）はガイド部材の形状を変更した例を示す図である。

本実施形態の回転電機１１では、コイルエンド部１８の軸方向端面に接触配置されている温度センサ３０の周囲が耐熱性の断熱部材７０で覆われていることだけが上記回転電機１０とは異なっている。断熱部材７０は、冷媒にオイルを用いる場合には耐油性のある材料、例えばフッ素系樹脂又はゴム等で形成されるのが好ましい。このように断熱部材７０で被覆された温度センサ３０は、ガイド部材５０から第１冷媒流５２および第２冷媒流５４として流下するオイルがかかったとしてもセンサ表面には直に接触しないため、オイル温度の影響を受けることなくコイル温度を正確に検出することができる。

また、上記のように温度センサ３０を断熱部材７０で覆った場合には、図６（ｂ）に示すように、冷媒流出口３４から流出したオイルを分岐させずに一条の冷媒流５３としてコイルエンド部１８に向けて流れ落とす樋形状のガイド部材５１を用いて、あるいは、ガイド部材を省略して冷媒流出口３４から流出したオイルを直に、コイルエンド部１８の外周面最上部に流れ落とすようにしてもよい。この場合、コイルエンド部１８の軸方向端面に沿って断熱部材７０上にもオイルが流れるが、断熱部材７０による断熱作用によって温度センサ３０がオイル温度の影響を受けることを抑制することができる。

なお、上記回転電機１０，１１では１つの温度センサ３０でコイル温度を検出するものとして説明したが、複数の温度センサを用いてコイル温度を検出する回転電機に本発明が適用されてもよい。

本発明の一実施形態である回転電機の一部側面を含む断面図である。 図１におけるガイド部材を上方から見た様子を示す部分拡大図である。 ガイド部材から流下したオイルがコイルエンド部上を流れ落ちる様子を模式的に示す図である。 ガイド部材の変形例を示す斜視図である。 冷媒流路の端部をガイド部とした例を示す部分断面図である。 本発明の別の実施形態である回転電機において温度センサが断熱部材で覆われている様子を示す、図２と同様の図である。

符号の説明

１０，１１ 回転電機、１２ ステータコア、１４ ティース部、１６ コイル、１８ コイルエンド部、２０ ケース部材、２２ カバー部材、２４ ロータ、２６ 回転軸、２８ 軸受け部材またはベアリング、３０ 温度センサ、３２ 冷媒流路、３４，３４ａ，３４ｂ 冷媒流出口、３６ 冷媒供給口、３８ 冷媒排出口、４０ 供給経路または配管、４２ ポンプ、４４ 放熱部、４６ 排出経路または配管、５０，５１，６０ ガイド部材、５２ 第1冷媒流、５３ 冷媒流、５４ 第２冷媒流、５６ オイル、６４ 基端部、６６ 第１ノズル、６８ 第２ノズル、７０ 断熱部材。

Claims (3)

1. 筒状をなすステータコアと、ステータコアの内周に突設される複数のティース部に巻回されステータコアの軸方向両端部から突出するコイルエンド部を含むコイルと、コイルエンド部上に冷媒を流下させてコイルを冷却する冷却手段と、コイルエンド部に接触配置されてコイル温度を検出する温度検出手段と、を備える回転電機であって、
   前記冷却手段は、ステータコアと該ステータコアの外周に配置されるケース部材との間に設けられ外部からケース部材内に供給される冷媒をコイルエンド部へ向けて流すための冷媒流路と、冷媒流路を流れてきた冷媒を第１冷媒流と第２冷媒流とに分岐させてコイルエンド部へ向けてそれぞれ流下させるガイド部とを含み、前記ガイド部は、冷媒流路の軸方向端部を二股に分岐させて所定間隔を置いて２つの冷媒流出口が設けられた冷却流路の端部自体によって構成されており、
   前記温度検出手段は、前記２つの冷媒流出口からガイド部材を介さずに前記コイルエンド部へ向かって流れ落ちる第１冷媒流と第２冷媒流との間に対応するコイルエンド部上の位置に冷媒と直接接触しないように設けられていることを特徴とする回転電機。
2. 請求項１に記載の回転電機において、
   前記ステータコアの軸方向を水平方向に沿うように配置されたときに、前記コイルエンド部は前記軸方向を中心とする環状をなしており、前記ガイド部はコイルエンド部の上方に位置するとともに、前記温度検出手段はコイルエンド部の最上部またはその近傍に配置されることを特徴とする回転電機。
3. 請求項１または２に記載の回転電機において、
   前記温度検出手段は、コイルエンド部との接触部以外は耐熱性の断熱部材で覆われていることを特徴とする回転電機。

Images