JP5637909B2 - Cooling structure of rotating electric machine - Google Patents
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Description
本発明は、回転電機を冷却するための構造に関し、特にコイルエンドの冷却に関する。 The present invention relates to a structure for cooling a rotating electric machine, and more particularly to cooling of a coil end.
原動機として内燃機関と回転電機を備えたハイブリッド車両が知られている。回転電機は、車両を駆動する動力を発生する電動機として機能すると共に、制動時に車両の運動エネルギを電気エネルギに変換する発電機としても機能する。以下では、電動機と発電機およびこれら双方の機能を発揮し得る電気機器とを回転電機と記して説明する。回転電機が、内燃機関のトランスアクスルまたはトランスミッションと一体化されたハイブリッド車両用の動力装置が実用化されている。この動力装置においては、回転電機はトランスアクスル等のケース内に収められており、外気による直接冷却が望めず、トランスアクスル等の潤滑油あるいは液圧による機器制御用の作動液を介して冷却が行われている。 A hybrid vehicle including an internal combustion engine and a rotating electric machine is known as a prime mover. The rotating electrical machine functions as an electric motor that generates power for driving the vehicle, and also functions as a generator that converts kinetic energy of the vehicle into electric energy during braking. Hereinafter, an electric motor, a generator, and an electric device that can exhibit both functions will be described as a rotating electric machine. A power device for a hybrid vehicle in which a rotating electric machine is integrated with a transaxle or transmission of an internal combustion engine has been put into practical use. In this power unit, the rotating electrical machine is housed in a case such as a transaxle, and cannot be directly cooled by outside air, but can be cooled via lubricating oil such as a transaxle or hydraulic fluid for device control by hydraulic pressure. Has been done.
下記特許文献1には、回転軸を横にして設置される回転電機において、コイルエンドの上方からコイルエンドに向けて油を噴射して冷却する技術が記載されている。 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-151561 describes a technique in which oil is injected and cooled from above the coil end toward the coil end in a rotating electrical machine installed with the rotating shaft sideways.
回転電機のコイルエンドの温度を均一にしたいという要求がある。コイルエンドの一部に、冷却が不十分であるために温度が高い部分があると、この部分において耐熱性を担保する必要がある。そのために、冷却能力を高めたり、またはコイルに流す電流を制限したりする必要が生じる。 There is a demand to make the temperature of the coil end of a rotating electrical machine uniform. If a part of the coil end has a high temperature due to insufficient cooling, it is necessary to ensure heat resistance in this part. Therefore, it is necessary to increase the cooling capacity or limit the current flowing through the coil.
上記特許文献1の技術のように、コイルエンドに、その上方から冷却用の液体を掛けて冷却を行う場合、コイルエンドの下側部分に十分に液体がかからない部分が生じ、冷却が十分に行われないという問題がある。
When the cooling is applied to the coil end from above, as in the technique of the above-mentioned
本発明は、回転軸を横にして設置される回転電機のコイルエンド、特にコイルエンドの下側部分を効果的に冷却する構造を提供することを目的とする。 An object of this invention is to provide the structure which cools the coil end of the rotary electric machine installed with a rotating shaft sideways, especially the lower part of a coil end effectively.
本発明の回転電機の冷却構造は、回転電機の回転軸が横になるように設置され、この回転電機のコイルエンドに、コイルエンドの上方に設けられた液供給口より液体を供給して回転電機、特にそのコイルエンドを冷却するものである。コイルエンドは、コイル導線が束になっている部分であるが、コイル導線間またはコイル導線とコアの間に隙間のある部分がある。コイルエンドの上方から供給された液体は、一部がコイルエンド上側部分の前記コイル導線間等の隙間を通って下方に滴下する。本発明の回転電機の冷却構造は、この滴下してくる液体を受け、これを、コイルエンドの下側部分、特に回転電機の回転軸の直下の部分またはこれに隣接する部分に直接送る導液部材を有する。 The cooling structure for a rotating electrical machine according to the present invention is installed so that the rotating shaft of the rotating electrical machine lies sideways, and rotates by supplying liquid to the coil end of the rotating electrical machine from a liquid supply port provided above the coil end. It cools the electric machine, especially its coil end. The coil end is a part where the coil conductors are bundled, but there is a part with a gap between the coil conductors or between the coil conductor and the core. Part of the liquid supplied from above the coil end drops downwardly through a gap such as between the coil conductors in the upper part of the coil end. The rotating electrical machine cooling structure of the present invention receives the dropped liquid and sends it directly to the lower part of the coil end, particularly the part directly below the rotating shaft of the rotating electrical machine or the part adjacent thereto. It has a member.
導液部材は、コイルエンドの上側部分から滴下する冷却用の液体を受ける開口を有する溝形状を有するものとでき、導液部材の底部に、当該導液部材が受けた前記液体を、回転電機の回転軸の近傍を通過するよう滴下させるための滴下孔を設けるようにできる。 The liquid introduction member may have a groove shape having an opening for receiving a cooling liquid dropped from the upper portion of the coil end, and the liquid received by the liquid introduction member is placed on the bottom of the liquid introduction member. A dripping hole for dripping so as to pass through the vicinity of the rotation axis can be provided.
また、導液部材の底部の外面に、下方に向けて導液片を立設させることができ、当該導液片は、導液片の下端から滴下する前記液体が、前記回転軸の近傍を通過する位置に設けるようにできる。 Further, a liquid guiding piece can be erected downward on the outer surface of the bottom portion of the liquid guiding member, and the liquid dropping piece has the liquid dripping from the lower end of the liquid guiding piece in the vicinity of the rotating shaft. It can be provided at a passing position.
本発明の回転電機の冷却構造によれば、コイルエンド下側部分の回転軸の直下の部分またはその近傍の部分を効率よく冷却することができる。 According to the cooling structure for a rotating electrical machine of the present invention, the portion immediately below the rotating shaft of the lower portion of the coil end or the portion in the vicinity thereof can be efficiently cooled.
以下、本発明の実施形態を、図面に従って説明する。図1および図2は、本発明に係る回転電機10の冷却構造の概略構成を示す図である。図1は回転電機10の回転軸線に直交する断面図、図2は回転軸線を含む断面図である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. 1 and 2 are diagrams showing a schematic configuration of a cooling structure for a rotating
回転電機10は、円筒または円環形状のステータ12と、ステータ12の円筒形状と同軸に配置される円柱または円板形状のロータ14を有する。ロータ14の中心を回転軸16が貫通している。ステータ12は、内周に周方向に沿って凹凸が配列されたステータコア18を含む。ステータコア18の内周に設けられた凹部分にはコイル導線が収められ、このコイル導線が凸部分を巻くようにされてコイル20が形成されている。コイル20に電力を供給することにより、ステータ12の内側の空間に回転する磁界を形成する。言い換えれば、電力を供給したときに回転磁界が形成されるようにコイル20がステータコア18に巻回されている。
The rotating
ステータコア18内周の凸部分はティース、凹部分はスロットとも呼ばれる。ステータコア18の端面に隣接する領域では、複数のコイル導線が複雑に束ねられている。このコイル導線の束ねられた部分は、コイルエンドと呼ばれ、以降コイルエンドを符号22により示す。
The convex portion of the inner periphery of the
図1においては、コイルエンド22は簡略化して示されている。コイルエンド22は、実際には図3に例示すように、コイル導線が複雑に束ねられたものである。束ねられたコイル導線の間、およびコイル導線とステータコア18の間には、隙間があいている部分がある。コイルエンド22は、全体として断面が方形の円環形状であり、ステータコア18の円筒端面に隣接して位置する。また、以下の説明において、コイルエンド22の、回転電機10の回転軸線を通る水平面より上側の部分と下側の部分を、コイルエンド上側部分22a,コイルエンド下側部分22bと記す。
In FIG. 1, the
ロータ14は、全体として円筒形状であり、ステータ12の内周、特にティース先端に僅かの隙間をもって配置される。ロータ14は、ステータ12により形成される回転磁界と相互作用して回転するように、例えば、その外周面または外周面近傍に永久磁石が埋設されている。また、ロータ14の周方向にリラクタンスの異なる部分を設け、これと回転磁界との相互作用にてロータ14を回転するようにすることもできる。回転軸16は、ロータ14と一体に回転するようロータに対して固定されている。回転電機10を電動機として機能させる場合は、回転軸16は、ロータで発生した回転力を外部に出力する出力軸となり、発電機として機能させる場合は、外部からの回転力を回転電機に入力するための入力軸となる。
The
コイル20に電流を流すと発熱する。スロット内のコイル導線においては、発生した熱は周囲のステータコアに流れる。しかし、コイルエンド22においては、周囲に熱の良導体がなく温度が上昇しやすい。よって、コイルエンド22の効率的な冷却が望まれている。前述の特許文献1においては、液体による冷却、特に、コイルエンドに、その上方から液体を掛けて冷却を行っている。液体は、気体よりも熱伝導性が良いため、効率的な冷却が期待できる。また、上方から液体を掛け、この液体がコイルエンドを伝って流れる際に熱を奪うようにすることにより、コイルエンドを液体に浸す場合に比べて、液体の量を少なくすることができる。
When a current is passed through the
回転電機10の冷却においても、コイルエンド22の上方から液体を掛けてコイルエンドの冷却を行っている。回転電機10が自動車のトランスアクスル内に配置されるものである場合、冷却用の液体は、トランスアクスルの潤滑油または作動液とすることができる。以下、コイルエンド22を冷却するための液体を冷却液と記す。冷却液は、不図示のポンプにより供給され冷却液供給管24の端の開口である冷却液供給口26より、コイルエンド22に供給される。冷却液供給管24は、図において管状の態様で示しているが、回転電機10を収めるケース(例えば、トランスアクスルケース)に孔をあけることにより形成された流路であってもよい。この場合、冷却液供給口は、前記流路がケースの部材表面に開いた開口である。
Also in the cooling of the rotating
回転電機10の冷却構造においては、冷却液供給口26は図1に示すように回転電機10の回転軸線の鉛直上方に配置され、ここから冷却液をコイルエンド22の外周面に掛ける。冷却液供給口26の位置は、前記の鉛直上方位置からずれていても、また2個以上設けられてもよい。また、冷却液は、冷却液供給口26から一旦樋形状の案内流路を介して、コイルエンド22の一つまたは複数の位置に掛けられてもよい。コイルエンド22の外周面に掛けられた冷却液は、図1中の矢印Y1,Y2,Y3で示すように、コイルエンド22に沿って下方に向けて流れる。コイルエンド下側部分22bでは、下方に行くに従ってコイルエンド22の傾きが少なくなり、コイルエンドに沿って流れず、矢印Y4に示すようにコイルエンド22から離れ、滴下する冷却液が増える。このため、下側部分22bの左右方向において中央部分には、冷却液が十分に供給されない場合がある。また、コイルエンド下側部分22bでは、冷却液がコイルエンド22の外周側に偏り、内周側に十分に供給されない場合がある。さらに、コイルエンド22を伝って流れる冷却液は、流れる間にコイルエンドから熱を奪い、自身の温度が上昇する。このために、コイルエンドの下側で冷却能力が足りない場合がある。
In the cooling structure of the rotating
前述のように、コイルエンド22はコイル導線の間およびコイル導線とステータコアの間に多数の隙間を有している。冷却液供給口26より供給される冷却液は、その一部が、コイルエンド上側部分22aにおいて、この隙間を通って、コイルエンド22の外周側から内周側に至り、ここから滴下する。この滴下する冷却液は、コイル下側部分22bに向かうが、回転軸16が邪魔になり、これの真下の部分には供給されない。前述したように、コイルエンドに沿って供給される冷却液が不足しがちであるコイルエンド下側部分22bは、回転軸16の真下の部分も含む。したがって、コイルエンド下側部分22bにおいて、回転軸16の真下の部分およびこれに隣接する部分に供給される冷却液を増加させることが望まれる。
As described above, the
回転電機10の冷却構造は、コイルエンド上側部分22aを通過して、コイルエンド22の内周から滴下する冷却液を受け、受けた冷却液をコイルエンドの、回転軸の真下の部分およびこれに隣接する部分に導く、または送るための導液部材28を備える。導液部材28は、回転軸16の上方に配置され、回転軸16に向けて滴下する冷却液を、回転軸16に達する前に受ける。これにより、回転軸16に掛かって回転軸16の回転によって飛散する冷却液を少なくし、冷却に寄与する冷却液の量を多くすることができる。また、導液部材28は、回転軸16の真上より、更に外側(図1において左右方向)に延びていて良い。これにより、より広範囲で滴下する冷却液を受けることができる。
The cooling structure of the rotating
図2によく表されるように、導液部材28の横断面形状(長手方向に直交する方向の断面形状)は方形で上方が開口し、これにより導液部材28は溝または樋形状を呈する。長手方向の端には、端壁30が設けられ、溝形状の端からの冷却液の流出を防止している。横断面形状は、方形以外の形状でよく、例えば半円形状としてもよい。上方の開口により滴下してくる冷却液を受け入れる。導液部材28の底面には、受け入れた冷却液をコイルエンド下側部分22bの回転軸の真下およびこれに隣接する部分に冷却液を送るための孔32が設けられている。この孔32から滴下した冷却液が、回転軸の真下に隣接する部分に滴下する。つまり、冷却液は孔32から滴下されることによって、コイルエンド22を伝って送られるのではなく、回転軸の真下に隣接する部分に直接送られる。以降、孔32を滴下孔32と記す。
As well represented in FIG. 2, the cross-sectional shape (cross-sectional shape in the direction perpendicular to the longitudinal direction) of the
滴下孔32の位置は、ここから滴下する冷却液が回転軸16の近傍を通過する位置に設けられる。好ましくは、滴下孔32は、図1に示すように回転軸16の両側に設けることができる。滴下孔32から滴下した冷却液は、冷却液が不足しがちな、コイルエンド下側部分22bの内周側に供給される。また、回転軸16の近傍を通過させて滴下することにより、回転軸16の真下に隣接する部分に冷却液を供給することができ、ここから、コイルエンド22の傾斜により回転軸16の真下の部分へ冷却液を供給することができる。
The position of the dropping
導液部材28の底部の外面には、外面から突出した部材34が立設されている。この部材34は板形状とすることができ、その突出端から冷却液を滴下させる。この部材34を以下、導液片34と記す。導液片34は、前述のように板形状を有し、板面が導液部材28の長手方向を向くように配置される。また、横方向の寸法は、図2に示すように、導液部材28の幅と同じでよく、また下に向けて細くなるようにしてもよい。したがって、導液部材28の長手方向から見た導液片34は、下向きに狭くなった台形、または三角形とすることができる。また、導液片34は、均一な厚さの板でなくてもよい。例えば、導液部材28の底部に近い基部で厚く、先端部で薄くしてもよい。滴下孔32から流れ出た冷却液は、粘性により、滴下孔32から直接滴下されず、導液部材28の底部外面を伝って導液部材の長手方向に流れる場合がある。導液片34は、この流れを止めて、導液片34先端から冷却液が滴下するようにする。
A
導液片34は、前述の滴下孔32に隣接して設けることができる。図1に示すように滴下孔32の外側に設けることにより、導液部材28の端へと流れ、そこから滴下する冷却液を少なくすることができる。導液片34の下端から滴下される冷却液も、コイルエンド下側部分22bの、回転軸16の真下に隣接する部分の内周面に直接送られる。導液部材28から冷却液が滴下される位置は、回転軸16の真下の部分に供給するためには、この部分になるべく近いことが好ましい。このために、滴下される冷却液が回転軸の近傍を通過することが好ましい。しかしながら、コイルエンド下側部分22bにおいて内周側に供給される冷却液が不足するという観点からみれば、回転軸16からやや離れた位置に滴下することも考慮してよい。例えば、回転軸線の真下からの角度θについて左右にθ=45°の位置に滴下するようにできる。もちろん、これより内側であってよく、例えばθ=30°の位置に、またはθ=30°より内側の位置に滴下するようにもできる。
The
また、図2においては、導液部材28は、ロータ14の一方の側(図において左側)に配置しているが、両側に配置することもできる。この場合、冷却液供給管24の途中に孔をあけるなどして、右側のコイルエンドにも冷却液が掛かるようにすることが好ましい。
In FIG. 2, the
図4は、導液部材の他の例を示す図である。導液部材40は、前述の導液部材28と同様に溝または樋形状を有している。その相違点は、滴下孔42と導液片44の関係にある。滴下孔42は、導液部材40の底面にあけられ、導液片44の厚みの中を通って、導液片44の下端に開口している。滴下孔42から流れ出した冷却液は、導液部材40の底部の外面を伝うことなく、滴下孔42の開口した位置から、滴下される。
FIG. 4 is a diagram illustrating another example of the liquid introduction member. The
図5は、導液部材の更に他の例を示す図である。導液部材46は、前述の導液部材28と同様に溝または樋形状を有し、溝の底面が傾斜している形状である。傾斜は、滴下孔48に向かって下るように付けられている。また、滴下孔48の周囲において、導液部材46の底部の外面が滴下孔48に向けて下るように傾斜している。これにより、滴下孔48から流出する冷却液が底部外面を伝って左右に流れることが抑制される。
FIG. 5 is a diagram illustrating still another example of the liquid introduction member. The
図6は、導液部材の更に他の例を示す図である。導液部材50は、導液部材28と同様に溝または樋形状を有し、導液部材28との相違点は導液片54の形状である。導液片54は、回転軸16の側方を下方に延び、その先端が内側に曲がって回転軸16の真下の部分に達している。滴下孔52から滴下した冷却液は、導液片の折れ曲がった先端部54aに当たり、ここから導液片54を伝って、先端に達し、ここから滴下する。また、滴下孔52から流れ出し導液片54を伝う冷却液も、導液片54の先端に達し、ここから滴下する。導液片54の先端が回転軸16の真下部分に進入しているため、コイルエンド下側部分22bの回転軸16の真下の部分に冷却液を供給することができる。
FIG. 6 is a diagram illustrating still another example of the liquid introduction member. The
図7は、導液部材の更に他の例を示す図である。導液部材56は、回転軸16の上方を覆うように配置された円弧状に湾曲した板状の部材である。導液部材56の両端は、回転軸16の側方近傍に位置する。コイルエンド上側部分22aを通過して滴下する冷却液は、導液部材56に掛かると、冷却液の粘性により導液部材56を伝って流れ、導液部材56の両端から滴下する。この両端の位置は、回転軸16の近傍であるので、コイルエンド下側部分22bの、回転軸16の真下部分に隣接する部分に冷却液が滴下される。導液部材56は湾曲した板形状であるが、湾曲した溝とすることもできる。この例では、導液部材56がなければ回転軸16に掛かる冷却液を導液部材56で受け、回転軸16側方へ導く。冷却液が回転している回転軸16に掛かると、冷却液は周囲に飛散して、ほとんどはコイルエンド下側部分22bに向かわない。導液部材56を用いることで、飛散してしまう冷却液をコイルエンド下側部分22bに送ることができる。
FIG. 7 is a diagram illustrating still another example of the liquid introduction member. The
図4〜図7に示す導液部材40,46,50,56も、ロータ14の軸方向において両側に配置するようにできる。
The
供給される冷却液が少なく温度が高くなりやすい、コイルエンド下側部分の回転軸16の真下の部分およびこれに隣接する部分に冷却液を供給することによりコイルエンドの温度むらを減少させることができ、より多くの電流をコイルに流すことが許容される。よって、回転電機の電流密度向上が図られ、小形化、駆動力の増加が期待できる。なお、以上の説明においては、車両のトランスアクスル内に配置された回転電機を挙げたが、冷却液を直接コイルエンドに掛けてコイルエンドの冷却を行う他の回転電機についても上述の各導液部材等を適用することができる。
It is possible to reduce the temperature unevenness of the coil end by supplying the coolant to the portion immediately below the rotating
10 回転電機、12 ステータ、14 ロータ、16 回転軸、22 コイルエンド、22a コイルエンド上側部分、22b コイルエンド下側部分、26 冷却液供給口、28,40,46,50,56 導液部材、32,42,48,52 滴下孔、34,44,54 導液片。
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記回転電機のコイルエンドに、上方から冷却用の液体を供給する液供給口と、
コイルエンドの上側部分を通過して滴下する前記液体を受け、受けた前記液体を、コイルエンドの前記回転軸の真下の部分またはこれに隣接する部分に直接送る導液部材と、
を有し、
前記導液部材は、コイルエンドの上側部分から滴下する前記液体を受ける開口を有する溝形状を有し、
前記導液部材の底部には、当該導液部材が受けた前記液体を、前記回転軸の近傍を通過するよう滴下させるための滴下孔が設けられた、
回転電機の冷却構造。 A cooling structure for a rotating electrical machine installed with a rotating shaft sideways,
A liquid supply port for supplying a cooling liquid from above to the coil end of the rotating electrical machine;
A liquid introduction member that receives the liquid dripping through the upper portion of the coil end and sends the received liquid directly to a portion of the coil end directly below or adjacent to the rotating shaft;
I have a,
The liquid guiding member has a groove shape having an opening for receiving the liquid dripped from the upper part of the coil end,
A dripping hole for dripping the liquid received by the liquid guiding member so as to pass through the vicinity of the rotating shaft is provided at the bottom of the liquid guiding member.
Cooling structure for rotating electrical machines.
前記導液部材の底部の外面には、下方に向けて導液片が立設され、当該導液片は、導液片の下端から滴下する前記液体が、前記回転軸の近傍を通過する位置に設けられている、
回転電機の冷却構造。 A cooling structure for a rotating electrical machine according to claim 1 or 2 ,
On the outer surface of the bottom portion of the liquid introduction member, a liquid introduction piece is erected downward, and the liquid introduction piece is a position where the liquid dripping from the lower end of the liquid introduction piece passes near the rotating shaft. Provided in the
Cooling structure for rotating electrical machines.
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