JP5408011B2 - 回転電機用冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は回転電機用冷却装置、特にステータを冷却する冷却液が流れる流路の改良に関する。

回転電機は、ロータと、ロータの周囲に配置されたステータとを有する。ステータは、コイルを有し、このコイルに電流が流れることにより回転磁界が発生する。この回転磁界とロータとの間に働く電磁的作用により、ロータが回転する。

一般的に、ステータのコイルは、このコイルに流れる電流により発熱する。コイルが発熱すると、ステータの温度が上昇して、回転電機の効率が低下してしまう。そこで、冷却液によりスタータを冷却する例がある。

下記特許文献１には、冷却液が流れる樋を有する回転電機が記載されている。樋は、ステータのコイルエンドの上方外周部に沿って配置され、樋の底面には孔が形成される。そして、その孔に、冷却液をコイルエンドに向かって導くガイドが接続される。樋とガイドは、ともに冷却液が流れる流路であり、これらを以降、単にガイド部と記す。

特開２００４−１８０３７６号公報

上記特許文献１の回転電機においては、上述したように、ステータのコイルエンドの上方に設けられるガイド部を介して冷却液がステータに供給され、ステータを冷却することができる。

ところで、回転電機の小型化などの構造上の制約から、ガイド部に対する冷却液の供給元が、ガイド部の真上に設けられない場合がある。この場合、その供給元からの冷却液がガイド部の長手方向、言い換えればステータの周方向に対して均等に供給されない可能性がある。また、回転電機全体が傾斜すると、ガイド部における冷却液の流れが不均一になる可能性がある。これらのように、ガイド部における冷却液の流れが不均一になると、ステータを十分に冷却することができないという問題が生じる。

本発明の目的は、ガイド部に対する冷却液の供給元がガイド部の真上になく、または回転電機が傾斜したとしても、ステータを十分に冷却することができる回転電機用冷却装置を提供することにある。

本発明は、ロータと、ロータの周囲に配置されるステータとを有する回転電機を冷却する回転電機用冷却装置において、ステータの上方外周部に沿って配置され、冷却液をステータに導く第一及び第二ガイド部と、ステータの鉛直方向の頂部からずれたオフセット位置に配置され、冷却液を第一ガイド部に供給する供給部と、第一ガイド部に設けられ、供給部から供給される冷却液の流れの一部を堰き止める堰部と、堰部より供給部側の第一ガイド部に形成され、堰部により堰き止められた冷却液が流れ出す流出孔と、を有し、第一ガイド部は、堰部を通り抜けた冷却液をステータに導き、第二ガイド部は、堰部により堰き止められ、流出孔から流出する冷却液を受け止めてステータに導くことを特徴とする。

また、ステータは、このステータの軸方向端部から張り出す領域であるコイルエンドを含むコイルを有し、第一及び第二ガイド部は、コイルエンドに外周面に沿って配置されることが好ましい。

また、第一及び第二ガイド部は、一体に接続されることが好ましい。

本発明の回転電機用冷却装置によれば、ガイド部に対する冷却液の供給元がガイド部の真上になく、または回転電機が傾斜したとしても、ステータを十分に冷却することができる

本実施形態に係る回転電機用冷却装置の構成を示す図である。 図１のＡ方向から見た図である。 図１のＢ方向から見た図である。

以下、本発明に係る回転電機用冷却装置の実施形態について、図を用いて説明する。一例として、電気自動車を挙げ、この自動車に原動機として搭載される回転電機の冷却装置について説明する。なお、本発明は、電気自動車の回転電機に設けられる冷却装置に限らず、その他の回転電機に設けられるものであってもよい。例えば、工場に設置される機器の動力として利用される回転電機などにも適用できる。

また、以下で説明するガイド部、供給部等の形状は説明のための例示であって、回転電機の形状等に応じて適宜変更が可能である。

以下、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、本文中の説明においては、必要に応じそれ以前に述べた符号を用いるものとする。

図１は、本実施形態に係る回転電機用冷却装置の構成を示す図であり、図２は、図１のＡ方向から見た図であり、図３は、図１のＢ方向から見た図である。なお、これらの図に、相互に直交する３つの基準軸としてＸＹＺ軸が示されている。ここで、Ｘ軸は回転電機の回転軸の長手方向、Ｚ軸は重力方向に平行な鉛直方向、Ｙ軸はＸ軸とＺ軸に直交する軸である。

回転電機１０は、ロータ１２と、ステータ１４とを有する。

ロータ１２は、回転軸１６と同心の円筒状の磁性体であり、例えば電磁鋼板をＸ軸方向に積層して構成される。ロータ１２には、永久磁石（図示せず）が周方向に配置される。回転軸１６は、回転電機１０のハウジング（図示せず）に配置される軸受（図示せず）により回転可能に支持される。

ステータ１４は、ロータ１２の周囲に僅かな隙間を空けて配置される。ステータ１４は、中空の円筒形状をしたステータコア１８を有する。ステータコア１８は磁性体であり、例えば電磁鋼板をＸ軸方向に積層して形成される。ステータコア１８は、図示しないが、環状のヨークと、このヨークの内周から径方向内側に向けて突出し、円周方向に所定の間隔をおいて配置されたティースとを有する。ティースの間の、溝状の空間であるスロットには、導体が通される。この導体が、スロットを通しつつ、ティースに巻きつけられることでコイル２０を形成する。

コイル２０には、導体が、あるスロットから他のスロットに橋渡しされる、いわゆるコイルエンド２２と呼ばれる部分がある。コイルエンド２２は、図２に示されるように、ステータ１４のＸ軸方向端部から張り出す領域である。本実施形態のコイル２０は、このコイル２０の延在方向、すなわちＸ軸方向に対して、垂直な断面形状が方形形状とされており、具体的には、エッジワイズコイル（Edge Width Coil）などの平角線が採用されている。このため、丸線を巻回して形成されるコイルと比較して、スロット内に収容されるコイル２０の占積率（コイルの断面に占める導体の割合）の向上が図られ、またコイル２０からの放熱性も優れている。

このように構成される回転電機１０においては、コイル２０の通電より、ステータ１４に回転磁界が発生し、この回転磁界に吸引される力が永久磁石を有するロータ１２に発生して、ロータ１２が回転する。

回転電機用冷却装置３０は、冷却液をステータ１４に導くガイド部３２と、ガイド部３２に冷却液を供給する供給部３４とを有する。冷却液は、冷却油、冷却水等を用いることができ、冷却油は回転電機１０の潤滑油を兼ねるものとしてもよい。

ガイド部３２は、ステータ１４の上方外周面に沿って配置され、ステータ１４を冷却するための冷却液の流路を形成する。具体的には、ガイド部３２は、図２，３に示されるように、ステータ１４のコイルエンド２２の上方外周面に沿って配置される。ステータ１４の発熱源はコイル２０であるので、コイルエンド２２のみを冷却することで、ガイド部３２の小型化を図りつつ、ステータ１４を効率的に冷却することが可能となる。なお、本発明はこの構成に限定されず、ガイド部３２をステータコア１８、またはステータコア１８及びコイルエンド２２の上方外周面に沿って配置することができる。

ガイド部３２は、ステータ１４の上方外周面に沿うように湾曲し、ステータ１４に向かい合って底部を有し、底部の反対側は開口し、両端部も開口している湾曲樋部材である。なお、図２には、ステータ１４の対するガイド部３２の位置関係のみが示され、ガイド部３２の湾曲樋部材の詳細な構成は省略されている。

本実施形態においては、ガイド部３２が湾曲樋部材である場合について説明したが、この構成に限定されず、底部の反対側が閉じられている湾曲管状部材をガイド部として用いることもできる。この場合には、後述する供給部３４の吐出口４４に対応する位置と、第一ガイド部３６の流出孔４８に対応する位置とに開口部がそれぞれ設けられる。また、ガイド部３２の湾曲する両先端部である両端部を閉じた形状としてもよい。

本実施形態のガイド部３２は、周方向に並ぶように設けられた第一ガイド部３６と第二ガイド部３８を有し、これらのガイド部３６，３８は、一体に接続される。この構成により、回転電機用冷却装置３０の構成部品の数が削減され、組み立て工数の低減を図ることができる。なお、本発明はこの構成に限定されず、第一及び第二ガイド部３６，３８が、互いに間隔をあけて、ステータ１４の上方外周面に沿ってそれぞれ配置されてもよい。

ガイド部３２におけるステータ１４の外周面に対向する湾曲領域は、図１に示されるように、回転電機１０が通常の姿勢関係にあるときの鉛直方向軸であるＺ軸に対して対称な配置関係で、ステータ１４の上方外周面に沿って配置される。

ガイド部３２の底部には、複数の冷却液供給口４０が形成される。具体的には、第一及び第二ガイド部３６，３８の底部には、冷却液供給口４０が、それぞれ７個と５個形成される。これらの冷却液供給口４０は、ガイド部３２を流れる冷却液をステータ１４に向かって流下させて供給するための孔である。冷却液供給口４０は、ガイド部３２の長手方向に沿って所定の間隔で設けられる。なお、冷却液供給口４０の数は一例であって、本発明は冷却液供給口４０の合計の数１２個に限定されない。

ガイド部３２は、第一及び第二ガイド部３６，３８を分けるための分離壁４２を有する。分離壁４２は、第一及び第二ガイド部３６，３８間における冷却液の流れを遮断する。

供給部３４は、図示されていない冷却液供給源から冷却液が供給される流路である。冷却液供給源としては、回転電機１０の底部から冷却液を汲み上げるポンプ等を用いることができる。ポンプの代わりに、ロータ１２の回転を利用して冷却液を汲み上げて供給部３４に供給することもできる。また、回転電機１０の外側に配置される独立の冷却液循環ポンプ等を用いることもできる。

供給部３４は、ステータ１４の頂部の真上ではなく、そこからオフセットした位置に、Ｘ軸方向に沿って、ガイド部３２の上方外周に平行に少し離間して配置される。このオフセットは、回転電機１０と回転電機用冷却装置３０等を含む回転電機システムの小型化等で、供給部３４がステータ１４の頂部の真上に配置できないとき等に生じる。ここで、ステータ１４の頂部とは、図１に示される、ステータ１４の上方外周部とＺ軸とが交わる部分である。

供給部３４には、吐出孔４４が形成される。吐出孔４４は、冷却液をガイド部３２に吐出させるための孔である。具体的には、吐出孔４４は、第一ガイド部３６の端部の開口３６ａに向かって開口し、吐出孔４４から吐出される冷却液は、第一ガイド部３６に供給され、第二ガイド部３８には供給されない。

本実施形態の回転電機用冷却装置３０は、第一ガイド部３６に設けられる堰部４６と、堰部４６より供給部３４側の第一ガイド部３６に形成される流出孔４８とを有する。

堰部４６は、第一ガイド部３６における冷却液が流れる流路面積を小さくするように形成される。具体的には、堰部４６は、樋の下部を塞ぐように形成される。この構成により、堰部４６は、供給部３４から供給される冷却液の流れの一部を堰き止める。

流出孔４８は、図１に示されるように、第一ガイド部３６の樋の側壁に形成される孔、言い換えれば切り欠きである。この構成により、堰部４６で堰き止められた冷却液を流出孔４８から流出させることができる。そして、第二ガイド部３８は、図３に示されるように、流出孔４８から流出した冷却液を受け止めることができるように配置される。

上記構成の作用を以下に詳細に説明する。図示されていない冷却液供給源から冷却液が供給部３４に供給されると、供給部３４の吐出孔４４から冷却液が第一ガイド部３６に向かって吐出される。このときに、吐出孔４４から吐出された冷却液は、第一ガイド部３６の開口領域３６ａから第一ガイド部３６に供給される。

そして、堰部４６の作用によって、第一ガイド部３６を流れる冷却液の一部が堰き止められる。堰部４６を超えて通り抜けた冷却液は、その後も第一ガイド部３６の中を流れ、その底部の冷却液供給口４０から流下して、ステータ１４のコイルエンド２２に供給される。

一方、堰部４６により堰き止められた冷却液の一部が流出孔４８から流出し、第二ガイド部３８に供給される。その後、冷却液は、第二ガイド部３８の中を流れ、その底部の冷却液供給口４０から流下して、ステータ１４のコイルエンド２２に供給される。

このように冷却液がステータ１４に供給されることにより、ステータ１４が冷却される。ステータ１４に供給された冷却液は、ステータ１４を伝って回転電機１０の下部に流れ落ち、図示されていない冷却液回収部によって回収され、冷却液供給源に戻される。このようにして冷却液はステータ１４を冷却しながら循環する。

本実施形態の回転電機用冷却装置３０によれば、堰部４６と流出孔４８により冷却液を第一及び第二ガイド部３６，３８に均等に近く供給することができ、回転電機１０をより十分に冷却することができる。

また、本実施形態の回転電機用冷却装置３０によれば、回転電機１０が傾斜しても、ステータ１４の冷却をより十分に行なうことができる。この作用について、以下に詳細に説明する。

回転電機１０の傾斜とは、Ｙ軸、Ｚ軸が図１に対し回転している状態のことである。回転電機用冷却装置３０は回転電機１０と相対的位置関係が固定されるので、回転電機１０が傾斜すると回転電機用冷却装置３０も同様に傾斜する。この場合でも、堰部４６と流出孔４８があるので、この傾斜にもかかわらず、供給部３４から第一ガイド部３６に供給された冷却液は、その一部がそのまま第一ガイド部３６を流れ、その残りが切り欠き部４８から第二ガイド部３８に供給される。つまり、回転電機１０の傾斜に関係なく、冷却液は、第一及び第二ガイド部３６，３８にきちんと分配される。この分配により、回転電機１０の回転にもかかわらず、冷却液はステータ１４を十分に冷却することができる。

また、本実施形態の回転電機用冷却装置３０によれば、供給部３４が、ステータ１４の鉛直方向の頂部からずれたオフセット位置に配置されるので、ガイド部３２に対する冷却液の供給元をガイド部３２の真上に設けられない場合であっても、ステータ１４の冷却を十分に行なうことができる。

本実施形態においては、堰部４６が、第一ガイド部３６の樋の下部を塞ぐように形成される場合について説明したが、本発明はこの構成に限定されない。第一ガイド部３６の流路面積が小さくなり、冷却液の流れの一部を堰き止めることができるのであれば、貫通孔を有する壁を第一ガイド部３６の流路に設けることもできる。

本実施形態においては、流出孔４８が、第一ガイド部３６の側壁に形成される場合について説明したが、本発明はこの構成に限定されない。堰部４６で堰き止められた冷却液を第二ガイド部３８に分配できるのであれば、底面に流出孔４８を設けることができる。このように、堰部４６と流出孔４８は、分配される冷却液の流量を考慮して、それらの形状を適宜設定することができる。

本実施形態においては、回転電機１０が永久磁石型モータである場合について説明したが、本発明はこの構成に限定されない。ステータ１４が、発熱体であるコイル２０を有するのであれば、回転電機１０が、他の種類、例えば誘導巻線型であってもよい。

１０ 回転電機、１２ ロータ、１４ ステータ、１６ 回転軸、１８ ステータコア、２０ コイル、２２ コイルエンド、３０ 回転電機用冷却装置、３２ ガイド部、３４ 供給部、３６ 第一ガイド部、３８ 第二ガイド部、４０ 冷却液供給口、４２ 分離壁、４４ 吐出孔、４６ 堰部、４８ 流出孔。

Claims (3)

1. ロータと、ロータの周囲に配置されるステータとを有する回転電機を冷却する回転電機用冷却装置において、
   ステータの上方外周部に沿って配置され、冷却液をステータに導く第一及び第二ガイド部と、
   ステータの鉛直方向の頂部からずれたオフセット位置に配置され、冷却液を第一ガイド部に供給する供給部と、
   第一ガイド部に設けられ、供給部から供給される冷却液の流れの一部を堰き止める堰部と、
   堰部より供給部側の第一ガイド部に形成され、堰部により堰き止められた冷却液が流れ出す流出孔と、
   を有し、
   第一ガイド部は、堰部を通り抜けた冷却液をステータに導き、
   第二ガイド部は、堰部により堰き止められ、流出孔から流出する冷却液を受け止めてステータに導く、
   ことを特徴とする回転電機用冷却装置。
2. 請求項１に記載の回転電機用冷却装置において、
   ステータは、このステータの軸方向端部から張り出す領域であるコイルエンドを含むコイルを有し、
   第一及び第二ガイド部は、コイルエンドに外周面に沿って配置される、
   ことを特徴とする回転電機用冷却装置。
3. 請求項１または２に記載の回転電機用冷却装置において、
   第一及び第二ガイド部は、一体に接続される、
   ことを特徴とする回転電機用冷却装置。

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