JP5640835B2 - 回転電機冷却装置および回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、冷却装置および回転電機に関する。

ハイブリッド自動車や電気自動車等の車両には一般に、モータおよび／または発電機として機能し得る回転電機を備える。図４に例示する回転電機５０は、内側に中空部分を形成するように配設されたステータ１２と、ステータ１２の中空部分に配置され、シャフト１６を軸としてステータ１２と対面して回転可能なロータ１４とを備える。回転電機５０の作動時には、シャフト１６を回転軸の軸心としてエンドプレート１８，２０を含むロータ１４が回転し、発熱する。

回転電機の作動に伴うステータの過熱を抑えるために、例えば、コイルエンドに向けて冷却媒体を吐出させる回転電機の冷却技術が開示されている（例えば、特許文献１）。

特許文献１には、回転電機のコイルエンドに向けて冷却媒体を吐出する吐出口と、パイプ内圧を均等化させるための、吐出口の上流側に設けられた絞りとを備える冷却油パイプを備える回転電機の冷却装置について開示されている。

特許文献１に記載の冷却油パイプは、吐出口の上流側に絞りを設けることにより流速が上昇し、乱流遷移することで冷却油パイプの内部に負圧が発生する。このため、流路の下流側における流速の低下を抑制し、吐出孔からコイルエンドへ吐出される冷却油量を均等にすることができるものと考えられる。

特開２００６−１１５６５０号公報

ところで、図４に例示する回転電機５０には、コイルエンド２２ａ，２２ｂをそれぞれ冷却するための冷却装置１３０が設けられている。冷却装置１３０は、冷却媒体（冷媒）を送り出すための冷媒送出ポンプ２６と、冷却媒体を供給するための冷媒供給流路１２８と、冷媒供給流路１２８に連結され、冷却媒体をコイルエンド２２ａ，２２ｂに向けて吐出するための吐出孔１２４ａ，１２４ｂが設けられた冷媒吐出管１２４と、を含む。

図５は、図４に示す冷却装置の連結部分の構成の概略について説明するための図であり、図４において一点鎖線で囲んだ領域を部分的に断面視したものに相当する。図５に示すように、冷媒供給流路１２８の一端は、回転電機５０を収容するケース１３６の内壁１３８に開口されている。また、冷媒吐出管１２４の一端側は、ケース１３６の内壁１３８に開口された冷媒供給流路１２８に圧入され、固定されている。また、冷媒供給流路１２８の内部に圧入された冷媒吐出管１２４の上流側には、冷媒供給流路１２８から冷媒吐出管１２４側に向かって流通する冷却媒体の流量を制限するとともに、冷媒吐出管１２４側に送り出す冷却媒体の流速を上昇させるためのオリフィス１３３が形成された、冷媒吐出管１２４とは別部材として形成された流路絞り部材１３２が挿入され、配置されている。

図４、５に例示するような冷却装置１３０において、圧入や接触接合など、溶接や接着などによらない態様により冷媒供給流路１２８と冷媒吐出管１２４とが互いに装着され、接合部分から冷却媒体が漏出しない冷却媒体のシール構造で連結されている。このとき、ケース１３６の内壁１３８と冷媒吐出管１２４の間に、冷却媒体の流通には影響が生じない程度のわずかな隙間が生じ得る。また、例えば、回転電機５０の停止時には気密に保たれている場合であっても、回転電機５０の作動に伴うケース１３６の内外の温度変化等の諸条件によって冷媒供給流路１２８と冷媒吐出管１２４との接合部分にわずかな隙間が生じる場合もあり得る。

一方、オリフィス１３３を通過した冷却媒体は、流速が上昇した状態で維持されており、静圧が低下している。このとき、冷媒供給流路１２８と冷媒吐出管１２４との接合部分の圧力は、回転電機５０が収容された、ケース１３６内の圧力よりも低くなる場合がある。このため、ケース１３６内から冷媒供給流路１２８と冷媒吐出管１２４との接合部分に向けて空気が流入し易い環境条件となりがちである。

冷媒供給流路１２８と冷媒吐出管１２４との接合部分に生じたわずかな隙間から外気が流入すると、冷却媒体に空気が混ざった状態になり、吐出孔１２４ａ，１２４ｂから単位時間当たりに吐出される冷却媒体の量が低下し、コイルエンド２２ａ，２２ｂの冷却効率が低下する場合がある。

本発明は、複数の部材を連結した冷却媒体流路を有する冷却装置において、回転電機の冷却効率の低下を抑制することを目的とする。

本発明の構成は、以下の通りである。

（１）内側に中空部分を形成するステータと、前記中空部分に配置され、前記ステータと対面して回転可能なロータと、を備え、ケースに収容された回転電機を冷却するための回転電機冷却装置であって、前記回転電機を冷却する冷媒を前記ケースの内部に供給するための、前記ケースの内側に開口された冷媒供給流路と、少なくとも一部が前記冷媒供給流路に挿入されて接合されることで連結され、前記冷媒供給流路から流入した前記冷媒を冷却対象に向けて吐出させるための吐出孔を有する冷媒吐出管と、前記冷媒吐出管において、前記冷媒供給流路の内部に挿入された部分に設けられ、流路断面積が前記冷媒供給流路の流路断面積よりも小さい流路絞り部と、を有し、前記冷媒供給流路と前記冷媒吐出管との接合部は、前記流路絞り部よりも前記冷媒の流通方向に対して上流側に配置される回転電機冷却装置。

（２）上記（１）に記載の冷却装置において、前記流路絞り部が、前記冷媒供給流路に挿入された前記冷媒吐出管の上流側端部に形成された、回転電機冷却装置。

（３）上記（１）または（２）に記載の冷却装置において、前記冷却対象が、前記ステータにおいて、前記ロータの回転軸方向の両端部分から突出するコイルエンドを含む、回転電機冷却装置。

（４）ケースに収容された回転電機であって、内側部分に中空部分を形成するステータと、前記中空部分に配置され、前記ステータと対面して回転可能なロータと、前記回転電機を冷却する冷媒を前記ケースの内部に流通させるための、前記ケースの内側に開口された冷媒供給流路と、前記冷媒を冷却対象に向けて吐出させるための吐出孔を有し、少なくとも一部が前記冷媒供給流路に挿入されて接合されることで連結された冷媒吐出管と、前記冷媒吐出管において、前記冷媒供給流路の内部に挿入された部分に設けられた、流路断面積が前記冷媒供給流路の流路断面積よりも小さい流路絞り部と、を有し、前記冷媒供給流路と前記冷媒吐出管との接合部は、前記流路絞り部よりも前記冷媒の流通方向に対して上流側に配置される、回転電機。

（５）上記（４）に記載の回転電機において、前記流路絞り部が、前記冷媒供給流路に挿入された前記冷媒吐出管の上流側端部に形成される、回転電機。

（６）上記（４）または（５）に記載の回転電機において、前記冷却対象が、前記ステータにおいて、前記ロータの回転軸方向の両端部分から突出するコイルエンドを含む、回転電機。

複数の部材を連結した冷却媒体流路を有する冷却装置において、回転電機の作動時におけるステータの冷却効率の低下を抑制することが可能となる。

本発明の実施の形態における冷却装置を備える回転電機の構成の概略について説明するための図である。 図１に示す冷媒吐出管２４と冷媒供給流路２８の連結部分の構成の概略について説明するための図である。 図１に示す冷媒吐出管２４のＢ−Ｂ断面図である。 冷却装置を備える回転電機の一例について説明するための図である。 図４に示す冷媒吐出管１２４と冷媒供給流路１２８の連結部分の構成の概略について説明するための図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。なお、各図面において同じ構成については同じ符号を付し、その説明を省略する場合がある。また、各図面に示された部材の寸法比は必ずしも実態に則していない。

図１は、本発明の実施の形態における冷却装置を備える回転電機の構成の概略について説明するための図である。

図１に示す回転電機１０は、ステータコア１３と、ステータコア１３を巻回するように配設されたコイル２２（「ステータコイル」とも称する）とを含み、内側に中空部分を形成する、固定子としてのステータ１２と、該中空部分に配置されてステータ１２の内側部分と対面し、シャフト１６を軸として回転可能な、回転子としてのロータ１４と、ステータコア１３の両端に突出するように形成されたコイルエンド２２ａ，２２ｂと、本実施の形態における冷却対象であるコイルエンド２２ａ，２２ｂに冷却媒体を吐出させて回転電機１０を冷却するための冷却装置３０と、を備え、例えば、ステンレス鋼、アルミニウム合金、アルミニウムなどの金属材料で形成されたケース３６に収容されている。他の実施の形態として、熱可塑性または熱硬化性の樹脂（例えば、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、ポリアミドなど）などで形成されたケース３６を適用してもよい。

ステータコア１３を巻回するコイル２２は例えば、図示しないＵ相コイル、Ｖ相コイル、Ｗ相コイルからなる三相コイルなど、複数の相コイルを構成する複数の巻線により形成させることができ、また、要求されるステータ１２および／または回転電機１０の性能や生産コスト等に応じて、いわゆる分布巻や集中巻など、種々の態様の巻線構造を形成させることができる。また、コイル２２として、例えば、丸線、角線、平角線など、種々の断面形状を有するコイル線を適用することができる。

冷却装置３０は、冷媒送出ポンプ２６と、冷媒供給流路２８と、冷媒吐出管２４と、を含む。冷却装置３０は、例えば、電動式または機械式の冷媒送出ポンプ２６を利用して、内部に回転電機１０が収容されたケース３６に隣接または近接する図示しないギヤ室内のギヤオイルまたは図示しない自動変速装置内のＡＴフルードなどの潤滑剤の少なくとも一部を、冷媒供給流路２８から冷媒吐出管２４に順に流通させて、冷媒吐出管２４に形成された吐出孔２４ａ，２４ｂからコイルエンド２２ａ，２２ｂに向けて吐出させる構成を有している。他の実施の形態として、冷媒吐出管２４にコイル２２および／またはロータ１４に向けて冷却媒体を吐出させることができる別の吐出孔をさらに設け、冷却媒体が冷却する冷却対象にコイル２２やロータ１４を含める構成とすることもできる。

また、冷媒吐出管２４から吐出され、ケース３６内に溜まった冷却媒体を、回転電機１０が収容されたケース３６の外部に排出させるための冷媒排出流路２９を設け、冷媒送出ポンプ２６に戻す構成とすることができる。また、冷媒送出ポンプ２６から送出された冷却媒体の一部を図示しないギヤ室または自動変速装置に戻す分岐路３１を設けることもできる。

図２は、図１に示す回転電機１０において、冷媒吐出管２４と冷媒供給流路２８との連結部分の構成の概略について説明するための模式図である。図２において、図１に示す領域Ａに相当する部分については、部分的に断面視している。

図２において、冷媒吐出管２４の一方（冷却媒体の流通方向に対して上流側）端部、すなわち冷媒供給流路２８に挿入される側の端部には、流路絞り部３３が設けられている。また、少なくとも流路絞り部３３よりも冷媒吐出管２４の他方（冷却媒体の流通方向に対して下流側）端部寄りには、冷媒吐出管２４の外周部分から張り出した張り出し部２４１が形成されている。実施の形態において、冷媒供給流路２８の形状に制限は無いが、少なくとも冷媒供給流路２８の断面積よりも小さくなるように流路絞り部３３で流路断面積が制限され、冷媒吐出管２４に送り込まれる冷却媒体の流量が適切になるように成形されたものが好ましい。なお、流路絞り部３３は、必ずしも冷媒供給流路２８に挿入される側の端部に設けなくても良いが、成形の容易性の観点からは、冷媒吐出管２４の端部に設けることが好適である。

また、冷媒吐出管２４の他方端部は、冷媒供給流路２８から流入した冷却媒体を、吐出孔２４ａ，２４ｂから適切に吐出させるために、閉塞されている。冷媒吐出管２４の両端が開口した管状部材を冷媒吐出管２４として適用する場合には、例えば、ゴムまたは樹脂製の閉塞栓などで閉塞させて配置し、冷却媒体の流通に伴う振動や騒音を防止または抑制する態様とすることもできる。

本発明の実施の形態において、冷媒吐出管２４としては、例えば、所望の長さ、厚み、および流路断面積を有する、ステンレス鋼、アルミニウム合金、アルミニウム、もしくはその他の金属材料、または、熱可塑性もしくは熱硬化性の樹脂（例えば、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、ポリアミドなど）で形成された直管に、吐出孔となる所望の形状を有する開口を径方向に穿設することにより作製することができる。冷媒吐出管２４の一端または両端に形成される、流路絞り部３３を含む開口は、直管の作製時に予め形成されたものであっても、事後的に加工されるものであってもよい。

一方、冷媒供給流路２８の、冷却媒体の流通方向に対して下流側端部は、回転電機１０を収容するケース３６の内壁３８に開口されている。また、冷媒供給流路２８の下流側端部において、内壁３８の外周部分の一部または全体を囲むように切り欠かれた係止部３８１が形成されている。

流路絞り部３３が設けられた冷媒吐出管２４の一端部を、冷媒供給流路２８の開口部分に対して挿入させると、冷媒吐出管２４の張り出し部２４１が係止部３８１と当接することにより係止される。このとき、張り出し部２４１と係止部３８１とが互いに接触接合されることで冷媒吐出管２４と冷媒供給流路２８とが適切に連結される。ここで、「接触接合」とは、冷媒吐出管２４と冷媒供給流路２８とが少なくとも環状に線接触接合され、より好ましくは張り出し部２４１と係止部３８１とがほぼ全体にわたり面接触接合されることで冷媒供給流路２８と冷媒吐出管２４との接触部分から冷却媒体が漏出しないように緊密に接触し、接合することをいう。より好適な接触接合を実現するために、必要に応じて、予め張り出し部２４１および／または係止部３８１の表面の一部または全体を、例えば、研磨などの周知の手法を用いて適切に表面処理することが好ましい。

本発明の実施の形態において、張り出し部２４１や係止部３８１の形状は、図２に例示したものに限らず、冷媒供給流路２８と冷媒吐出管２４との接合部分から冷却媒体が漏出しない限りにおいていかなる形状であってもよい。また、係止部３８１は、冷媒吐出管２４と一体に成形されたものでなくてもよく、冷媒吐出管２４とは異なる材料で形成されたものであってもよい。また、例えば、張り出し部２４１のみをケース３６と互いに接触接合させる態様とすることもできる。別の実施の形態として、冷媒吐出管２４の外側部分と冷媒供給流路２８の内側部分とを互いに接触接合させる態様では、張り出し部２４１および／または係止部３８１は、場合によっては省くこともできる。

図３は、図１に示す冷媒吐出管２４のＢ−Ｂ断面図である。コイルエンド２２ａの近傍に形成された吐出孔２４ａは、例えば、所定の流路断面積を有する冷媒吐出管２４を径方向に穿設した形状を有している。また、図１に示すように、吐出孔２４ａ，２４ｂはそれぞれ、冷媒吐出管２４の最近傍に配置されているコイルエンド２２ａ，２２ｂだけでなく、ロータ１４の外側部分に設けられたコイルエンド２２ａ，２２ｂのほぼ全体にわたり、冷却媒体を適切に吐出できるように形成することができる。つまり、吐出孔２４ａ，２４ｂはそれぞれ、図３に例示するような配置に代えて、例えば、図１に示すコイルエンド２２ａ，２２ｂおよび／または冷却対象の形状に応じて、鉛直方向および／または軸方向に対し対称または非対称に複数配置させる態様とすることもできる。また、冷却媒体の流れ方向に対して上流側に配置された吐出孔２４ａと、冷却媒体の流れ方向に対して上流側に配置された吐出孔２４ｂとの形状は、同じであっても異なっていてもよい。

このような構成を有する冷却装置３０において、流路絞り部３３を通過した冷却媒体は、流速が上昇した状態で維持されており、静圧が低下している。一方、冷媒供給流路２８と冷媒吐出管２４との接合部分は、流路絞り部３３よりも冷却媒体の流通方向に対して上流側に配置されている。このため、流路絞り部３３の下流側において負圧が発生した場合であっても、流路絞り部３３の下流側には、例えば冷媒供給流路２８と冷媒吐出管２４との接合部分に相当するような、外気が流入し得る構成を有していない。このため、冷媒供給流路２８から吐出孔２４ａ，２４ｂに向けて送られる冷却媒体への外気（空気）のかみこみは起こらず、吐出孔２４ａ，２４ｂから吐出される冷却媒体の流量低下を抑制できる。

このように、本発明の実施の形態によれば、冷媒供給流路２８と冷媒吐出管２４とが例えばメタルタッチ接合など、溶接や接着などによらない手法により連結された場合において、流路絞り部３３を冷媒吐出管２４と一体とすることにより、回転電機１０の冷却効率の低下を抑制することができる。

本発明は、車両などの移動体に搭載されるモータジェネレータなど、冷却媒体を用いて冷却する様式の回転電機において利用することが可能である。

１０，５０ 回転電機、１２ ステータ、１３ ステータコア、１４ ロータ、１６ シャフト、１８，２０ エンドプレート、２２ コイル、２２ａ，２２ｂ コイルエンド、２４，１２４ 冷媒吐出管、２４ａ，２４ｂ，１２４ａ，１２４ｂ 吐出孔、２６ 冷媒送出ポンプ、２８，１２８ 冷媒供給流路、２９ 冷媒排出流路、３０，１３０ 冷却装置、３１ 分岐路、３３ 流路絞り部、３６，１３６ ケース、３８，１３８ 内壁、１３２ 流路絞り部材、１３３ オリフィス、２４１ 張り出し部、３８１ 係止部。

Claims (6)

1. 内側に中空部分を形成するステータと、
   前記中空部分に配置され、前記ステータと対面して回転可能なロータと、
   を備え、ケースに収容された回転電機を冷却するための回転電機冷却装置であって、
   前記回転電機を冷却する冷媒を前記ケースの内部に供給するための、前記ケースの内側に開口された冷媒供給流路と、
   少なくとも一部が前記冷媒供給流路に挿入されて接合されることで連結され、前記冷媒供給流路から流入した前記冷媒を冷却対象に向けて吐出させるための吐出孔を有する冷媒吐出管と、
   前記冷媒吐出管において、前記冷媒供給流路の内部に挿入された部分に設けられ、流路断面積が前記冷媒供給流路の流路断面積よりも小さい流路絞り部と、
   を有し、
   前記冷媒供給流路と前記冷媒吐出管との接合部は、前記流路絞り部よりも前記冷媒の流通方向に対して上流側に配置されることを特徴とする回転電機冷却装置。
2. 請求項１に記載の回転電機冷却装置において、
   前記流路絞り部が、前記冷媒供給流路に挿入された前記冷媒吐出管の上流側端部に形成されることを特徴とする回転電機冷却装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の回転電機冷却装置において、
   前記冷却対象が、前記ステータにおいて、前記ロータの回転軸方向の両端部分から突出するコイルエンドを含むことを特徴とする回転電機冷却装置。
4. ケースに収容された回転電機であって、
   内側部分に中空部分を形成するステータと、
   前記中空部分に配置され、前記ステータと対面して回転可能なロータと、
   前記回転電機を冷却する冷媒を前記ケースの内部に流通させるための、前記ケースの内側に開口された冷媒供給流路と、
   前記冷媒を冷却対象に向けて吐出させるための吐出孔を有し、少なくとも一部が前記冷媒供給流路に挿入されて接合されることで連結された冷媒吐出管と、
   前記冷媒吐出管において、前記冷媒供給流路の内部に挿入された部分に設けられた、流路断面積が前記冷媒供給流路の流路断面積よりも小さい流路絞り部と、
   を有し、
   前記冷媒供給流路と前記冷媒吐出管との接合部は、前記流路絞り部よりも前記冷媒の流通方向に対して上流側に配置されることを特徴とする回転電機。
5. 請求項４に記載の回転電機において、
   前記流路絞り部が、前記冷媒供給流路に挿入された前記冷媒吐出管の上流側端部に形成されることを特徴とすることを特徴とする回転電機。
6. 請求項４または請求項５に記載の回転電機において、
   前記冷却対象が、前記ステータにおいて、前記ロータの回転軸方向の両端部分から突出するコイルエンドを含むことを特徴とする回転電機。

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