JP4586408B2 - モータジェネレータの冷却構造 - Google Patents

Description

本発明は、モータジェネレータの冷却構造に関し、特に、ステータコイルの液冷に好適なモータジェネレータの冷却構造に関するものである。

従来からモータジェネレータのステータコイルを冷却するため、ステータコア端面から環状に突出するコイルエンドを覆ってモータ内の空間から画成した環状空間を形成する冷却ジャケットを設け、冷却ジャケット内に冷媒としての冷却オイルを循環させるモータジェネレータの冷却構造が提案されている（特許文献１参照）。

これは、ステータコア端面のステータコイル内周側とステータコイル外周側にシールを介在させて冷却ジャケットの内外周端面をリング状に接触させてコイルエンドを収容する環状空間を形成している。
特許第２７１６２８６号明細書

しかしながら、上記従来例では、ステータコア両端の環状空間同士の間で一方の環状空間から他方の環状空間にスロットで形成した冷却流路を経由させて冷却オイルの全てを流通させるものであり、スロットで形成した冷却流路のステータコイルの占める空間を除いた残余の隙間を通して冷却オイルが流れるため、圧損が大きく、コイルエンドを含めて冷却に充分な流量を確保できないという課題があった。

そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、冷却に充分な流量を確保できるモータジェネレータの冷却構造を提供することを目的とする。

本発明は、ステータコアのスロットにコイルを収容し、ステータコア内周面に開口するスロットの開口部を閉塞してスロット内部を冷媒通路に形成し、前記ステータコアの前端及び後端に夫々の端部から突出したコイルエンドを囲繞して液密的な環状空間を形成する冷却ジャケットを備え、前記ステータコアの前端及び後端に夫々設けた冷却ジャケットの下方に軸方向に開口させて冷媒の入口を夫々形成すると共に夫々の冷却ジャケットの上方に冷媒の出口を形成し、冷媒を夫々の冷却ジャケットにおいて下方から上方へ流動させるようにした。
また、前記コイルエンドと冷却ジャケットとの間には、前記コイルエンドが冷却ジャケットの間に均一な隙間を有するように、コイルエンドの外周の環状凹部に嵌り合い、前記冷却ジャケットと一体若しくは別体の環状部材を備えるようにした。

したがって、本発明では、ステータコアのスロットにコイルを収容し、ステータコア内周面に開口するスロットの開口部を閉塞してスロット内部を冷媒通路に形成し、前記ステータコアの前端及び後端に夫々の端部から突出したコイルエンドを囲繞して液密的な環状空間を形成する冷却ジャケットを備え、前記ステータコアの前端及び後端に夫々設けた冷却ジャケットの下方に冷媒の入口を夫々形成すると共に夫々の冷却ジャケットの上方に冷媒の出口を形成し、冷媒を夫々の冷却ジャケットにおいて下方から上方へ流動させるようにした。このため、冷媒は冷却ジャケット内においてコイルエンドと冷却ジャケットとの間の隙間を通って冷却ジャケットの上方に向かって流れ、コイルエンドとの熱交換によりコイルエンドを冷却し、冷却ジャケット内を上方に流れるに連れて温度が上昇され、冷却ジャケットの上端の出口から排出される。このように冷媒は冷却ジャケット内を温度上昇しながら上方へ流れるため、密度が上方に移動するに連れて小さく軽くなり、浮力を伴って上方への流れが加速され、冷却ジャケット内の冷却オイルの流れに淀み等を生ずることなく冷却に充分な流量を流すことができる。
しかも、冷却ジャケットの下方に設ける冷媒の入口は、軸方向に開口させて配置しているため、冷却ジャケット内に噴出された冷却オイルは、コイルエンドに衝突してコイルエンドの内周側と外周側との隙間に回り込んで流れ、残余の冷却オイルはコイルエンドの側方の隙間を流れ、夫々の隙間を冷却ジャケットの上方に向かって流れる。このため、これらの隙間に均一な流量を確保して冷却オイルが流れることとなり、コイルエンドを有効に冷却することができる。
そして、コイルエンドと冷却ジャケットとの間には、スロット開口直近のコイルエンドの外周の環状凹部に嵌り合う環状部材を備えるため、コイルエンドの輪郭部と冷却ジャケットとの隙間が局部的に大きくなる部分がなく、コイルエンドの内外周部分および側面部分で隙間が均一とでき、冷却ジャケットに沿って曲げられながら流れるため、遠心力を受けて冷却ジャケットの外周側部分に多く流れるような作用を受けるが、冷却オイルが冷却ジャケットの外周側に集中して流れることを抑制でき、冷却オイルは隙間に分散されて均一な流速を持ってコイルエンドの全表面上を一様に流れ、コイルエンドを強制的に冷却できる。

以下、本発明のモータジェネレータの冷却構造を各実施形態に基づいて説明する。

（第１実施形態）
図１〜図５は、本発明を適用したモータジェネレータの冷却構造の第１実施形態を示し、図１は第１実施形態の冷却構造の概略図、図２は第１実施例のステータコアを含む冷却構造の断面図、図３は第１実施例の冷却構造の取付け状態を示す断面図、図４は第１実施例の冷却構造の斜視図、図５は第２実施例の冷却構造の斜視図である。

図１において、モータジェネレータのケース１は、円筒板１Ａと、この円筒板１Ａの軸方向両端の開口を閉塞する側板１Ｂ、１Ｃからなる。ケース１内には、円柱形のロータ２が収容される。ロータ２は、その回転軸２Ａの両端がそれぞれベアリング３を介して側板１Ｂ、１Ｃに支持され、回転軸２Ａを中心に回転自在となっている。円筒板１Ａの内周面には、円筒形のステータコア５が、ロータ２の外周を取り囲むように配置される。ステータコア５の内周面とロータ２の外周面との間には、所定の間隙が設けられている。

前記ステータコア５の軸方向の両端とケース１の内側との間には、環状の空間を形成するよう断面コ字状の電気絶縁材料から形成した冷却ジャケット６を夫々介挿して、冷却ジャケット６とステータコア５の端面との間に夫々環状の冷却空間を形成している。冷却ジャケット６内にはステータコア５端面から突出したコイルエンド７Ａを夫々収容し、冷却ジャケット６の底壁６Ａは夫々ケース側板１Ｂ、１Ｃに当接し、外周壁６Ｂはケース円筒部１Ａの内面に嵌合して保持され、外周壁６Ｂと内周壁６Ｃとの夫々の端部がステータコア５端面にシールを介在させて当接している。

前記冷却ジャケット６のケース１内の下方部分の底面６Ａには夫々のケース側板１Ｂ、１Ｃを貫通させてオイル供給口６Ｄが設けられ、冷却用オイルがオイル供給口６Ｄを介して冷却ジャケット６内に供給される。この冷却用オイルは冷却ジャケット６内のコイルエンド７Ａとの隙間空間をコイルエンド７Ａを冷却しつつ上方へ流れる。冷却ジャケット６のケース１上端側の外周壁６Ｂには、ケース円筒部１Ａを貫通させて設けたオイル排出口６Ｅを備え、前記冷却用オイルはオイル排出口６Ｅから外部に排出されるよう構成している。

前記ステータコア５には、図示しないが、ティース部に巻付けたステータコイルを収容したスロットを備え、スロットのステータコア５内周側のスリット開口は樹脂等で塞いで冷却オイルがロータ２側に洩れないように構成しており、このスロット空間はステータコイルを収容して左右の冷却ジャケット６内を連通させる冷却通路を構成している。このため、左右の冷却ジャケット６内に圧力差を設けることにより、一方の冷却ジャケット６内から他方の冷却ジャケット６内にスロットによる冷却通路を経由させて冷却オイルが流通するように構成することができる。

図２および図３に示すように、ステータコア５の両端にはステータコア５を構成する継鉄と同一形状をなす絶縁材からなるベースプレート８が配列され、ベースプレート８を含めてステータコイル７をスロット内に巻装している。ステータコイル７のコイルエンド７Ａは、一つのスロットから冷却ジャケット６内で方向変換して隣接するスロットへ巻装されるために、冷却ジャケット６内でスロット開口から軸方向に離れるに連れて半径方向外側に膨張する輪郭形状で巻装される。この結果、冷却ジャケット６内周とコイルエンド７Ａの輪郭との間の隙間は、スロット開口の直近部分の外周側において大きくなる。このスロット開口直近の外周側隙間には、図４に示すように、コイルエンド７Ａの外周と冷却ジャケット６内周とに嵌り合う環状部材９が挿入され、コイルエンド７Ａの輪郭部と冷却ジャケット６との隙間が局部的に大きくなる部分をなくして、コイルエンド７Ａの内外周部分および側面部分で均一となるよう構成している。前記環状部材９は、冷却ジャケット６と一体若しくは別体とし、冷却ジャケット６と同じ材料若しくは他の電気絶縁性材料により形成する。

前記オイル供給口６Ｄは、図３に示すように、冷却ジャケット６の底壁６Ａから側板１Ａ、１Ｂ側に突出させて形成され、外周にシールリング１０が嵌合している。側板１Ｂ、１Ｃには、前記オイル供給口６Ｄに軸方向から係合する供給口１２が開口され、供給口１２には側板１Ｂ、１Ｃ内に設けた供給通路１３を経由して図示しない冷却オイルの供給ポンプに供給バルブ等を介して接続されている。図３においては、冷却ジャケット６の外周壁６Ｂはケース側板１Ｂ、１Ｃの内壁面に嵌合することにより位置決め保持されるものを示している。

以上の構成になるモータジェネレータの冷却構造においては、各オイル供給口６Ｄから冷却ジャケット６内に冷却オイルを供給すると、冷却オイルは冷却ジャケット６内においてコイルエンド７Ａと冷却ジャケット６との隙間を通って冷却ジャケット６の上方に向かって流れていく。冷却オイルはコイルエンド７Ａとの熱交換によりコイルエンド７Ａを冷却し、温度上昇される。このため、冷却オイルは冷却ジャケット６内を上方に流れるにつれて温度が上昇され、冷却ジャケット６の上端のオイル排出口６Ｅから図示しない配管によりオイルクーラを経由してオイルタンクに戻される。冷却オイルは上記冷却ジャケット６内を温度上昇しながら上方へ流れるため、密度が上方に移動するに連れて小さく軽くなるため、浮力を伴って上方への流れが加速される。このため、冷却ジャケット６内の冷却オイルの流れに淀み等を生ずることなく流すことができる。

また、冷却ジャケット６下部のオイル供給口６Ｄを軸方向に配置しているため、冷却ジャケット６内に噴出された冷却オイルは、コイルエンド７Ａに衝突してコイルエンド７Ａの内周側と外周側との隙間に回り込んで流れ、残余の冷却オイルはコイルエンド７Ａの側方の隙間を流れ、夫々の隙間を冷却ジャケット６の上方に向かって流れる。したがって、これらの隙間に均一な流量を確保して冷却オイルが流れることとなり、コイルエンド７Ａを有効に冷却することができる。

また、冷却ジャケット６下部のオイル供給口６Ｄを軸方向に配置して、ケース側板１Ｂ、１Ｃに設けられた油路１２、１３と、軸方向に嵌合するようにしているため、冷却ジャケット６をケース円筒部１Ａ内面に嵌合させてその端面をステータコア５端面に当接させて組付け、ケース側板１Ｂ、１Ｃをその側面に組付けるのみでオイル供給口６Ｄと供給流路１２、１３との嵌合が完了し、組付け作業性が向上でき、生産性を向上できる。

また、供給口６Ｄより流入した冷却オイルは、冷却ジャケット６に沿って曲げられながら流れるため、遠心力を受けて冷却ジャケット６の外周側部分に多く流れるような作用を受けるが、スロット開口直近の外周側隙間には、図４に示すように、コイルエンド７Ａの外周と冷却ジャケット６内周とに嵌り合う環状部材９が挿入され、コイルエンド７Ａの輪郭部と冷却ジャケット６との隙間が局部的に大きくなる部分をなくして、コイルエンド７Ａの内外周部分および側面部分で均一となるよう構成している。このため、冷却オイルは冷却ジャケット６の外周側に集中して流れることが抑制でき、冷却オイルは分散されて均一な流速を持ってコイルエンド７Ａの全表面上を一様に流れ、コイルエンド７Ａを強制的に冷却する。このため、コイルエンド７Ａの温度上昇を抑え、電気エネルギーの損失を少なくでき、エンドコイル７Ａの発熱によるモータジェネレータの破損を防止することができる。

さらに、冷却ジャケット６はステータコア５の端部とケース側板１Ｂ、１Ｃとの間に挟んでケース円筒部１Ａ内面に嵌合させて位置決め保持しているため、ケース円筒部１Ａの外径が大きくなることがなく、小型のモータジェネレータを得ることができる。

図５は、冷却構造の第２実施例を示し、第１実施例のように、スロット開口直近のコイルエンド７Ａの外周と冷却ジャケット６内周とに嵌り合う環状部材９により、コイルエンド７Ａの輪郭部と冷却ジャケット６との隙間が局部的に大きくなる部分をなくしてコイルエンド７Ａの内外周部分および側面部分で均一とすることに代えて、コイルエンド７Ａの輪郭形状を冷却ジャケット６の内周面形状に沿うような形状に成形したものである。

このように、コイルエンド７Ａの輪郭形状を、冷却ジャケット６の断面形状に沿う、例えば、四辺形とすることによっても、冷却ジャケット６とコイルエンド７Ａとの隙間を一様にでき第１実施例と同様の効果を得ることができる。しかも、前記隙間は、第１実施例のように別部材である環状部材９を挿入するものでなく、コイルエンド７Ａの輪郭形状を成形するものであるため、コイルエンド７Ａ輪郭と冷却ジャケット６との隙間を第１実施例より大きく形成することができる。このため、通路面積を大きくでき、流通させる冷却オイルの流量を増加でき、コイルエンド７Ａの冷却能力を向上できる。

本実施形態においては、以下に記載する効果を奏することができる。

（ア）ステータコア５のスロットにコイル７を収容し、ステータコア５内周面に開口するスロットの開口部を閉塞してスロット内部を冷媒通路に形成し、前記ステータコア５の前端及び後端に夫々の端部から突出したコイルエンド７Ａを囲繞して液密的な環状空間を形成する冷却ジャケット６を備え、前記ステータコア５の前端及び後端に夫々設けた冷却ジャケット６の下方に冷媒の入口６Ｄを夫々形成すると共に夫々の冷却ジャケット６の上方に冷媒の出口６Ｅを形成し、冷媒を夫々の冷却ジャケット６において下方から上方へ流動させるようにした。このため、冷媒は冷却ジャケット６内においてコイルエンド７Ａと冷却ジャケット６との間の隙間を通って冷却ジャケット６の上方に向かって流れ、コイルエンド７Ａとの熱交換によりコイルエンド７Ａを冷却し、冷却ジャケット６内を上方に流れるにつれて温度が上昇され、冷却ジャケット６の上端の出口６Ｅから排出される。このように冷媒は冷却ジャケット６内を温度上昇しながら上方へ流れるため、密度が上方に移動するに連れて小さく軽くなり、浮力を伴って上方への流れが加速され、冷却ジャケット６内の冷却オイルの流れに淀み等を生ずることなく冷却に充分な流量を流すことができる。

（イ）冷却ジャケット６の下方に設ける冷媒の入口６Ｄは、軸方向に開口させて配置しているため、冷却ジャケット６内に噴出された冷却オイルは、コイルエンド７Ａに衝突してコイルエンド７Ａの内周側と外周側との隙間に回り込んで流れ、残余の冷却オイルはコイルエンド７Ａの側方の隙間を流れ、夫々の隙間を冷却ジャケット６の上方に向かって流れる。このため、これらの隙間に均一な流量を確保して冷却オイルが流れることとなり、コイルエンド７Ａを有効に冷却することができる。また、冷却ジャケット６下部のオイル供給口６Ｄを軸方向に配置して、ケース側板１Ｂ、１Ｃに設けられた油路１２、１３と、軸方向に嵌合させることができ、冷却ジャケット６をケース円筒部１Ｂ、１Ｃ内面に嵌合させてその端面をステータコア５端面に当接させて組付け、ケース側板１Ｂ、１Ｃをその側面に組付けるのみでオイル供給口６Ｄと供給流路１２、１３との嵌合が完了し、組付け作業性が向上でき、生産性を向上できる。

（ウ）第１実施例によれば、コイルエンド７Ａと冷却ジャケット６との間には、スロット開口直近のコイルエンド７Ａの外周の環状凹部に嵌り合う環状部材９を備えるため、コイルエンド７Ａの輪郭部と冷却ジャケット６との隙間が局部的に大きくなる部分がなく、コイルエンド７Ａの内外周部分および側面部分で隙間が均一とでき、冷却オイルが冷却ジャケット６の外周側に集中して流れることを抑制でき、冷却オイルは隙間に分散されて均一な流速を持ってコイルエンド７Ａの全表面上を一様に流れ、コイルエンド７Ａを強制的に冷却できる。

（エ）第２実施例によれば、コイルエンド７Ａは、冷却ジャケット６内面との隙間が均一となるようその外形輪郭が成形されているため、コイルエンド７Ａの輪郭部と冷却ジャケット６との隙間が局部的に大きくなる部分がなく、コイルエンド７Ａの内外周部分および側面部分で隙間が均一とでき、冷却オイルが冷却ジャケット６の外周側に集中して流れることを抑制でき、冷却オイルは隙間に分散されて均一な流速を持ってコイルエンド７Ａの全表面上を一様に流れ、コイルエンド７Ａを強制的に冷却できる。

（第２実施形態）
図６および図７は、本発明を適用したモータジェネレータの冷却構造の第２実施形態を示し、図６は第１実施例の冷却構造の斜視図、図７は第２実施例の冷却構造の斜視図である。本実施形態においては、冷却ジャケットとコイルエンドの輪郭部分との間に流路ガイドを配置することでコイルエンド内周側に冷却オイルを流し、結果としてコイルエンド全周に均一に冷却オイルを流すようにしたものである。なお、図１〜図５と同一装置には同一符号を付してその説明を省略ないし簡略化する。

図６に示す、本実施形態の第１実施例の冷却ジャケット６においては、環状部材９は省略され、冷却ジャケット６の内面には円周方向のガイド壁１５を突設させて配置し、冷却オイルの流れ方向を規制するようにしている。その他の構成は第１実施形態と同様に構成している。

前記ガイド壁１５は冷却ジャケット６とコイルエンド７Ａとの間の隙間により形成される冷却オイルの流路を複数に分割しており、夫々の分割流路に流れる冷却オイルはその分割流路に沿ってコイルエンド７Ａと熱交換することでコイルエンド７Ａを冷却して流れ、冷却ジャケット６の上端のオイル排出口６Ｅから排出される。前記ガイド壁１５は、冷却ジャケット６の上端部近傍の範囲と下端部近傍の範囲では設置を省略して、流路への流入および流出時はガイド壁１５による規制を無くし、ガイド壁１５により規制した流路を流れる間はガイド壁１５に沿って流入や流出のない状態で流すようにしてもよい。このように構成することにより、ガイド壁１５がない場合における冷却オイルの冷却ジャケット６外周側へ偏る流れを規制して、コイルエンド７Ａの全周の隙間に一様な流速によって冷却オイルが流れるようにできる。

また、ガイド壁１５をオイル供給口６Ｄからの供給オイルの大部分がコイルエンド７Ａの内周側に寄るように偏流させ、ガイド壁１５から隣の流路に漏れた冷却オイルがコイルエンド７Ａの外周流れとなるように形成してもよい。また、ガイド壁１５の適宜箇所に切欠き１５Ａを設けて、コイルエンド７Ａの内周流れを切欠き１５Ａを通して外周流れに分流させるようにしてもよい。

図７は、冷却構造の第２実施例を示し、第１実施例のようにガイド壁１５を冷却ジャケット６の内面に設けた突条により形成することに代えて、コイルエンド７Ａの外形輪郭を成形する際に、ガイド壁１５となる部分を突出させて成形することにより、コイルエンド７Ａ自体にガイド壁１５Ｂを形成したものである。また、必要に応じて、ガイド壁１５Ｂをオイル供給口６Ｄからの供給オイルの大部分がコイルエンド７Ａの内周側に寄るように偏流させ、ガイド壁１５Ｂから隣の流路に漏れた冷却オイルがコイルエンド７Ａの外周流れとなるように形成してもよい。また、ガイド壁１５Ｂの適宜箇所に切欠き１５Ｃを設けて、コイルエンド７Ａの内周流れを切欠き１５Ｃを通して外周流れに分流させるようにしてもよい。

このように、コイルエンド７Ａ自体にガイド壁１５Ｂを設けることによっても、第１実施例と同様に、ガイド壁１５Ｂがない場合における冷却オイルの冷却ジャケット６外周側へ偏る流れを規制して、コイルエンド７Ａの全周の隙間に一様な流速によって冷却オイルが流れるようにできる。

なお、上記実施形態において、上記ガイド壁１５、１５Ｂとして、冷却ジャケット６の内面若しくはコイルエンド７Ａ外周の突条で形成したものについて説明したが、図示はしないが、冷却ジャケット６若しくはコイルエンド７Ａとは別体に形成していずれか一方に固定するものであってもよい。

本実施形態においては、第１実施形態における効果（ア）、（イ）に加えて以下に記載した効果を奏することができる。

（オ）コイルエンド７Ａと冷却ジャケット６内面との隙間空間に、冷媒の入口６Ｄから出口６Ｅに向かう分割された流れを形成するガイド壁１５、１５Ｂを設けるため、入口６Ｄから流入した冷却オイルをコイルエンド７Ａ内周側に優先的に誘導でき、コイルエンド７Ａの外周側に偏って流れることを抑制して、コイルエンド７Ａの全表面に均一な流速を有した冷却オイルを行渡らせることができる。

（カ）隣接する流路同士で冷媒を流通させるようガイド壁１５を、必要に応じて切欠く（１５Ａ、１５Ｃ）ことにより、分割された流路同士で過不足なく冷却オイルを流すことができ、コイルエンド７Ａ全周で均一な流速の冷却オイルを行渡らせることができる。

本発明の一実施形態を示すモータジェネレータの冷却構造の概略構成図。 同じく第１実施例のステータコアを含む冷却構造の断面図。 第１実施例の冷却構造の取付け状態を示す断面図。 第１実施例の冷却構造を示す斜視図。 第２実施例の冷却構造を示す斜視図。 本発明の第２実施形態における第１実施例のモータジェネレータの冷却構造を示す斜視図。 第２実施例の冷却構造を示す斜視図。

符号の説明

１ ケース
２ ロータ
５ ステータコア
６ 冷却ジャケット
７ コイルエンド
８ ベースプレート
９ 環状部材
１５、１５Ｂ ガイド壁
１５Ａ、１５Ｃ 切欠き

Claims (3)

1. ステータコアのスロットにコイルを収容し、ステータコア内周面に開口するスロットの開口部を閉塞してスロット内部を冷媒通路に形成し、前記ステータコアの前端及び後端に夫々の端部から突出したコイルエンドを囲繞して液密的な環状空間を形成する冷却ジャケットを備えるモータジェネレータの冷却構造において、
   前記ステータコアの前端及び後端に夫々設けた冷却ジャケットの下方に軸方向に開口させて冷媒の入口を夫々形成すると共に夫々の冷却ジャケットの上方に冷媒の出口を形成し、冷媒を夫々の冷却ジャケットにおいて下方から上方へ流動させるようにし、
   前記コイルエンドと冷却ジャケットとの間には、前記コイルエンドが冷却ジャケットの間に均一な隙間を有するように、コイルエンドの外周の環状凹部に嵌り合い、前記冷却ジャケットと一体若しくは別体の環状部材を備えることを特徴とするモータジェネレータの冷却構造。
2. 前記コイルエンドと冷却ジャケット内面との隙間空間には、冷媒の入口から出口に向かう分割された流れを形成するガイド壁を設けたことを特徴とする請求項１に記載のモータジェネレーターコイルエンド冷却構造。
3. 前記ガイド壁は、隣接する流路同士で冷媒を流通させるよう切欠かれていることを特徴とする請求項２に記載のモータジェネレーターコイルエンド冷却構造。