JP4645200B2

JP4645200B2 - 回転電機のステータおよび回転電機

Info

Publication number: JP4645200B2
Application number: JP2005009230A
Authority: JP
Inventors: 靖治竹綱; 晋吾雪吹
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-01-17
Filing date: 2005-01-17
Publication date: 2011-03-09
Anticipated expiration: 2025-01-17
Also published as: JP2006197774A

Description

この発明は、回転電機のステータおよび回転電機に関し、より特定的には流体によってコイルを冷却するための構造を有する回転電機のステータおよび回転電機に関する。

従来、モータ等の回転電機は、回転磁界を発生させるための複数のコイルを備えた中空円筒状のステータと、そのステータの内周側に配置された回転磁界の作用によって回転トルクを発生するロータとで構成されている。たとえば、このような回転電機は、近年注目を浴びている電気自動車やハイブリッド自動車および燃料電池自動車等に動力源として用いられる。

特開２０００−１９７３１１号公報（特許文献１）には、このような回転電機のコイル冷却構造が開示されている。この冷却構造では、回転電機のアウタコアにコイルを固定する樹脂モールドの内部に、中空形状のバスバーをモールドしてこのバスバーで冷却路を形成する。このバスバーに絶縁オイルを流通させて樹脂モールド内のコイルの冷却を行なっている。
特開２０００−１９７３１１号公報特開平７−７９５４４号公報

特開２０００−１９７３１１号公報（特許文献１）に開示された冷却構造では、コイルと冷却通路との間に厚みの厚い樹脂が存在しているため、冷却能力が低いという問題がある。車両用動力源としてモータを使用する場合は大出力が要求されるためモータを負荷の厳しい条件で使用しなければならない。加えて車両は搭載スペースが限られているのでモータの小型化および軽量化が要求されている。

しかし、スペースの限られた車載用のモータとして一層の小型化を図ると、負荷の厳しい条件でモータを運転するとコイルやステータコアに熱がこもりやすくなる。したがって、コイルやステータコアで発生した熱を素早く放熱することにより、コイル配線に被覆されているエナメル被膜や、コイルとステータとの間の絶縁を確保するための絶縁紙の焼損を防止する工夫が必要となる。換言すれば、モータは、このような不具合が発生しない範囲の運転条件でしか使用できないため、放熱を良くする必要がある。

この発明は、ステータの冷却能力が向上した回転電機のステータおよび回転電機を提供することである。

この発明は、要約すると、回転電機のステータであって、ステータコアと、ステータコアに巻回されたコイルと、内部にロータを収容する環状形状を有し、コイルをモールドしてステータコアに固定支持する樹脂部とを備える。ロータの回転軸に垂直な樹脂部の面には、冷却のための流体をコイルに近づけるように導くための溝が設けられる。

好ましくは、溝の内壁からは、コイルのステータコアに巻回された部分の一部が樹脂部に埋没されていない状態で露出する。

好ましくは、溝は、環状形状であり、溝を構成する樹脂部の壁部には流体を流入させる第１の切欠部と流体を流出させる第２の切欠部とが設けられる。

より好ましくは、第１の切欠部は第２の切欠部よりも大きい。

好ましくは、溝の底部には、流体の流路を複数に分岐する仕切り壁が設けられる。

より好ましくは、溝は、環状形状であり、溝を構成する樹脂部の壁部には流体を流入させる第１の切欠部と流体を流出させる第２の切欠部とが設けられる。仕切り壁には、流体を流入させる第３の切欠部と流体を流出させる第４の切欠部とが設けられる。

この発明の他の局面に従うと、回転電機であって、冷却するための流体を循環させる循環装置と、循環装置から流体の供給を受けて流体供給口から流体を噴出するケースと、ケースに収容されるステータおよびロータとを備える。ステータは、ステータコアと、ステータコアに巻回されたコイルと、内部にロータを収容する環状形状を有し、コイルをモールドしてステータコアに固定支持する樹脂部とを含む。ロータの回転軸に垂直な樹脂部の面には、冷却のための流体をコイルに近づけるように導くための溝が設けられる。

本発明によれば、コイル−冷却油間の熱抵抗が大幅に低減され、回転電機の効率的な冷却が可能となる。したがって、負荷の厳しい条件で動作可能でかつ小型化された回転電機を実現することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳しく説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。

［実施の形態１］
図１は、本発明の回転電機のステータの正面図である。

図２は、図１におけるＩＩ−ＩＩ断面における断面図である。

図１、図２を参照して、ステータ１は、ステータコア８と、ステータコア８のコア部にそれぞれ巻回されたコイル１１〜２２と、内部にロータを収容する環状の形状を有し、コイル１１〜２２を樹脂モールドしてステータコア８に固定支持する樹脂部２とを含む。

図２においては上下の断面とステータの円筒状の内側面が見えている。円筒状内側面にはステータコア８Ａ〜８Ｅの頭部が見えている。

樹脂部２のロータと回転軸に垂直な面には、冷却のための流体である冷却油をコイル１１〜２２に近づけるように導くための溝部３０が設けられている。この溝部３０は樹脂部２から突出した壁部３，４，５によって構成されている。なおハイブリッド自動車では、冷却油としてＡＴＦ（Automatic Transmission Fluid）が用いられることが多い。

溝部３０の内壁からは、コイル１１〜１２の一部が樹脂部に埋没されていない状態で露出している。この露出している一部は、ステータコア８に巻回されたコイル部分の回転軸手前方向の部分である。冷却油が直接コイルに接触するのでコイルの熱が冷却油に伝達されやすく、冷却効率が向上する。

溝部３０は、環状形状であり、溝部３０を構成する樹脂部２の壁部には、冷却油を流入させる切欠部７と冷却油を流出させる切欠部６とが設けられる。切欠部７は切欠部６より大きく設定されており、これにより冷却油が溝の下側部分に溜まりやすいのでコイルは冷却油に浸漬状態となりやすく、さらに冷却効率が向上する。

ステータコアがコイルにセットされた後に成形型内部に挿入され、射出成形によって樹脂部２が形成される。この成形により樹脂部の断面形状を凹型として冷却油の通路となる溝部３０が一体的に形成される。

冷却油は、重力方向上側の切欠部７から供給され、コイル１１〜２２を冷却しながらモールドで囲まれた環状の溝に沿って流れ、重力方向下側の切欠部６から順次排出される。

モールドで形成された溝部３０の内部には、たとえば冷却油ができるだけコイル１１〜２２に均等にかかり、コイルから冷却油への熱伝達を良好にするために成形時に適宜冷却油を導くための突起部を溝部３０の内部に設けてもよい。

なお、図１、図２に示した構成では、コイルの一部を樹脂モールドの外表面から剥き出しにした例を示したが、剥き出しにまではしなくても樹脂モールドに溝部を設けてコイルの近傍に冷却油を導くような構造とすればコイル冷却には一定の効果はある。

図３は、図１の切欠部７への冷却油の供給を説明するための回転電機５０の断面図である。

図３を参照して、回転電機５０は、ステータ１と、ステータ１の内部に配置されるロータ３２と、ステータ１およびロータ３２を収容するケース３４と、ケース３４に固定されロータ３２の回転軸４２を回転自在に支持するボールベアリング３８，４０と、回転軸４２に取付けられケース３４の外側に取付けられるオイルポンプ３６とを含む。ステータ１はボルト５３によってケース３４に固定されている。

ケース３４には、ケース内側の油溜まり４４からオイルを吸込むためのオイル吸込路４６およびオイルポンプ３６から送出されるオイルを冷却のためにステータ１に供給するオイル吐出路４８が設けられている。オイル吐出路４８の終端部にはオイル吐出口５１，５２が設けられておりステータ１の切欠部７の中央部分に冷却油が供給される。

冷却油は、まずケース下部の油溜まり４４からオイルポンプ３６によって汲み上げられ、ケース３４に設けられたオイル吸込路４６からオイルポンプ３６を介してオイル吐出路４８を通りステータの切欠部７に供給される。供給された冷却油は、ステータ１を冷却した後重力落下により油溜まり４４に戻る。油溜まり４４とオイルポンプ３６との途中にオイルクーラを入れてもよい。

溝部３０は図１に示したように壁部３，４および５によって囲まれているため、冷却油はコイル１１〜２２の露出部の大部分にかかり、かつ重力方向下側のモールド切欠部６へと誘導される。このため、冷却油は図３のロータ３２とステータ１との間のエアギャップには流れて行かない。

ステータ１とロータ３２間のエアギャップに冷却油が入り込むと、これを剪断するために動力損失が発生する。壁部５が設けられているためこのような動力損失を防止することができる。

図４は、冷却油を供給する他の構成について説明するための図である。

図５は、図４のＶ−Ｖ断面における断面図である。

図４、図５は、図３で示したステータ１およびロータ３２を備えた回転電機５０の構成において、オイルポンプ３６に換えてケース３４外部に取付けられる冷却油を供給する構成を示している。

ロータ３２の回転軸４２には出力ギヤ１５２が固定されている。ギヤ１５０は、出力ギヤ１５２よりも大径に構成されており、モータケース３４外においてそれらが相互に噛み合わされている。ギヤ１５０の下部は、第１油室１５４内に貯留されている潤滑油に浸漬されている。

第１油室１５４には、隔壁１５６によって区分された第２油室１５８が併設されており、潤滑油はそれぞれに貯留される。第２油室１５８は、図３の油溜り４４に通じている。隔壁１５６は、高さ方向の中間部に絞り油路（オリフィス）１６０を備えているため、第２油室１５８に貯留されている潤滑油は、絞り油路１６０を通して流入量を制限されつつ第１油室１５４内に供給されることとなる。

また、出力ギヤ１５２の上方には油受け板１６２がほぼ水平に配置されており、それとギヤボックス１６４との間の空間１６６内には、冷却油供給口１１８が１対設けられている。

そのため、ロータ３２の回転軸４２の回転に伴って、出力ギヤ１５２に噛み合わされている大径ギヤ１５０が水平方向に伸びる回転軸１６８回りに回転すると、第１油室１５４内に貯留されている潤滑油が大径ギヤ１５０により掻き上げられる。

そして、潤滑油は、空間１６６に送り込まれて冷却油供給口１１８を通してモータケース３４内に冷却油として供給される。すなわち、回転電機は、その回転軸４２の回転に伴って第１油室１５４内の冷却油が供給されることにより、その回転電機自身を冷却することとなる。なお、冷却油供給口１１８は図４のオイル吐出路４８に相当する。

このとき、第１油室１５４内に貯留された潤滑油は、それに下部を浸漬された大径ギヤ１５０が回転軸４２の回転に伴って回転することによって掻き上げられ、モータケース３４内に供給される。第１油室１５４に第２油室１５８から供給される潤滑油の量は、隔壁１５６に設けられている絞り油路１６０で制限される。そのため、第１油室１５４内に貯留される潤滑油が一定量に保たれるので、潤滑油が過剰となってそこに浸漬される大径ギヤ１５０の攪拌抵抗による損失を抑制しつつ、モータケース３４内に十分な量の冷却油を供給して回転電機を安定して冷却することができる。

図６は、実施の形態１における冷却油の流れについて説明するための図である。

図６を参照して、冷却油は、重力方向上側の切欠部７から供給され、コイル１１〜２２を冷却しながらモールドで囲まれた環状の溝に沿って流れ、重力方向下側の切欠部６から順次排出される。

以上説明したように、実施の形態１に示した冷却構造では、コイルを一部剥き出しとしているので樹脂モールドを介することによる熱抵抗分が減少し放熱経路がコイルの発熱から直接冷却油に伝達される経路となる。このため、コイル−冷却油間の熱抵抗が大幅に低減され、モータの効率的な冷却が可能となる。したがって、負荷の厳しい条件で動作可能でかつ小型化された回転電機を実現することができる。

なお、実施の形態１では、コイルの一部を樹脂モールドの外表面から剥き出しにした例を示したが、剥き出しにまではしなくても樹脂モールドに溝部を設けてコイルの近傍に冷却油を導くような構造とすればコイル冷却には一定の効果はある。

［実施の形態２］
図７は、実施の形態２のステータ２００の形状を示した図である。

図７を参照して、ステータ２００は、図１に示したステータ１の構成に加えて溝部３０の中央部分に冷却油の流路を複数に分岐するための仕切り壁２０２，２０４をさらに設けた点が図１に示したステータ１と異なる。他の部分の構成については、ステータ２００は図１のステータ１と同様であるので説明を繰返さない。

図８は、図７のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ断面における断面図である。

図８を参照して、溝部３００は仕切り壁２０４によって２つに区切られ、２つに区切られた溝部３００の各々の底部にはコイル１４が一部露出している。このようにオイル流路を分割することにより、冷却油ができるだけコイル１１〜２２に均等にかかり冷却がより良好に行なわれる。図７におけるＰ１，Ｐ２部分は、このように流路を分割することにより冷却油がかかりやすくなり特に冷却効率が向上する部分である。

実施の形態２に係る発明は、実施の形態１に係る発明の奏する効果に加えて、複数のコイルをより均等に冷却することが可能となる。

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。本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。

本発明の回転電機のステータの正面図である。図１におけるＩＩ−ＩＩ断面における断面図である。図１の切欠部７への冷却油の供給を説明するための回転電機５０の断面図である。冷却油を供給する他の構成について説明するための図である。図４のＶ−Ｖ断面における断面図である。実施の形態１における冷却油の流れについて説明するための図である。実施の形態２のステータ２００の形状を示した図である。図７のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ断面における断面図である。

符号の説明

１，２００ステータ、２樹脂部、３，４，５壁部、６，７切欠部、８，８Ａ〜８Ｅステータコア、１１〜２２コイル、３０，３００溝部、３２ロータ、３４ケース、３６オイルポンプ、３８，４０ボールベアリング、４２，１６８回転軸、４６オイル吸込路、４８オイル吐出路、５０回転電機、５１，５２オイル吐出口、５３ボルト、１０８出力軸、１１８冷却油供給口、１５０ギヤ、１５２出力ギヤ、１５４，１５８油室、１５６隔壁、１６０絞り油路、１６２油受け板、１６４ギヤボックス、１６６空間、２０２，２０４仕切り壁。

Claims

ステータコアと、
前記ステータコアに巻回されたコイルと、
内部にロータを収容する環状形状を有し、前記コイルをモールドして前記ステータコアに固定支持する樹脂部とを備え、
前記ロータの回転軸に垂直な前記樹脂部の面には、冷却のための流体を前記コイルに近づけるように導くための溝が設けられ、
前記溝は、前記ロータの回転軸に沿う方向に突出した前記環状形状の外周側の第１の壁部と内周側の第２の壁部に挟まれて形成される、回転電機のステータ。
前記溝の内壁からは、前記コイルの前記ステータコアに巻回された部分の一部が前記樹脂部に埋没されていない状態で露出する、請求項１に記載の回転電機のステータ。
前記溝は、環状形状であり、
前記溝を構成する前記樹脂部の壁部には前記流体を流入させる第１の切欠部と前記流体を流出させる第２の切欠部とが設けられる、請求項１または２に記載の回転電機のステータ。
前記第１の切欠部は前記第２の切欠部よりも大きい、請求項３に記載の回転電機のステータ。
前記溝の底部には、前記流体の流路を複数に分岐する仕切り壁が設けられる、請求項１に記載の回転電機のステータ。
前記溝は、環状形状であり、
前記溝を構成する前記樹脂部の壁部には前記流体を流入させる第１の切欠部と前記流体を流出させる第２の切欠部とが設けられ、
前記仕切り壁には、前記流体を流入させる第３の切欠部と前記流体を流出させる第４の切欠部とが設けられる、請求項５に記載の回転電機のステータ。
冷却するための流体を循環させる循環装置と、
前記循環装置から前記流体の供給を受けて流体供給口から前記流体を噴出するケースと、
前記ケースに収容されるステータおよびロータとを備え、
前記ステータは、
ステータコアと、
前記ステータコアに巻回されたコイルと、
内部に前記ロータを収容する環状形状を有し、前記コイルをモールドして前記ステータコアに固定支持する樹脂部とを含み、
前記ロータの回転軸に垂直な前記樹脂部の面には、冷却のための流体を前記コイルに近づけるように導くための溝が設けられ、
前記溝は、前記ロータの回転軸に沿う方向に突出した前記環状形状の外周側の第１の壁部と内周側の第２の壁部に挟まれて形成される、回転電機。
前記溝の内壁からは、前記コイルの前記ステータコアに巻回された部分の一部が前記樹脂部に埋没されていない状態で露出する、請求項７に記載の回転電機。
前記溝は、環状形状であり、
前記溝を構成する前記樹脂部の壁部には前記流体を流入させる第１の切欠部と前記流体を流出させる第２の切欠部とが設けられる、請求項７または８に記載の回転電機。
前記第１の切欠部は前記第２の切欠部よりも大きい、請求項９に記載の回転電機。
前記溝の底部には、前記流体の流路を複数に分岐する仕切り壁が設けられる、請求項７に記載の回転電機。
前記溝は、環状形状であり、
前記溝を構成する前記樹脂部の壁部には前記流体を流入させる第１の切欠部と前記流体を流出させる第２の切欠部とが設けられ、
前記仕切り壁には、前記流体を流入させる第３の切欠部と前記流体を流出させる第４の切欠部とが設けられる、請求項１１に記載の回転電機。