JP5672193B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、ステータコイルと外部電気機器とを電気的に接続する端末モジュールを覆うカバーユニットを備えた回転電機に関する。

周知の通り、回転電機には、ステータコアにステータコイルが巻回されたステータが設けられている。このステータコイルがステータコアの端部から突出したコイルエンド部には、当該ステータコイルと外部電気機器（例えば、二次電池など）を電気的に接続するための端末モジュールが設けられる。そして、この端末モジュールを、機械的、電気的に保護するための構成が従来から求められている。

また、回転電機は、電動機として機能するときにはステータコイルに通電してロータを回転させ、発電機として機能するときは、ロータの回転に伴いステータコイルに流れる電流を取り出す。つまり、電動機、発電機のいずれとして機能する場合でも、ステータコイルには電流が流れることになる。そして、ステータコイルに電流が流れると、ステータコアやステータコイルが発熱し、この熱を放置すると、回転電機の運転効率に影響を与えることが知られている。そこで、ステータコイルを効果的に冷却する手段も、従来から求められている。

特開２００９−２９０９２１号公報 特開２００７−２２８６６７号公報 特開２００５−２２９６７２号公報 特開２０１０−２８８８２号公報 特開２００６−２９６１０３号公報

端末モジュールを保護する技術としては、例えば、特許文献１に示すように、端末モジュールを樹脂モールドする技術が知られている。また、特許文献２においても、電子部品が実装され、電動機の固定子に組み付けられる基板のように、機械的、電気的保護が必要な部材を樹脂モールドで保護する技術が開示されている。

また、ステータコアを効率的に冷却する技術としては、特許文献３〜５などが知られている。特許文献３では、コイルエンド部の頂上部に冷却液を蓄える冷却槽を設け、頂上部から、コイルエンドに冷却液を供給する技術が開示されている。また、特許文献４には、冷却液の流れを阻害しがちな端子台に、冷却液の流路を形成する技術が開示されている。また、特許文献５には、モータケースの一部を径方向外側に膨出させて、動力線接続用の端子ボックスを形成し、その端子ボックスの径方向内側に冷媒流路を形成した技術が開示されている。

これらの技術を組み合わせることで、端末モジュールを機械的、電気的に保護しつつ、ステータコイルを効率的に冷却することが一応、可能となる。しかし、従来の技術は、いずれも、効率的な冷却を行なうための機構と、端末モジュールを保護する機構と、が別々に設けられていた。そのため、保護機構と冷却機構の組み付けに手間がかかるという問題があった。また、従来、端末モジュールの位置（端子の位置）とは無関係に、冷却機構を設けていたため、発熱量が高い端子周辺を効率的に冷却できていない場合が多かった。

そこで、本発明では、冷却を行なう機構と、端末モジュールを保護する機構と、簡易に組み付け可能で、効率的に冷却できる回転電機を提供することを目的とする。

本発明の回転電機は、シャフトを中心として回転するロータと、ステータコアおよびステータコイルを有するステータと、を備え、前記シャフトが略水平になるべく設置された回転電機であって、さらに、ステータコア端部から突出するコイルエンドの軸方向端面の頂上部に設けられ、前記ステータコイルと外部電気機器とを電気的に接続する端末モジュールと、前記端末モジュールを覆うカバー部と、上方から供給される冷却液を前記コイルエンドに導くガイド部と、を一体成形したカバーユニットと、を備えることを特徴とする。

好適な態様では、前記ガイド部は、前記コイルエンドの外周面に沿って延びる溝部材からなり、前記外周面との対向面に冷却液の漏出を許容する孔が１以上形成される。他の好適な態様では、前記ガイド部は、前記カバー部の周方向両側に一つずつ設けられる。

他の好適な態様では、前記カバー部は、前記端末モジュールの一部と係合する被係合部を備え、当該係合により前記カバーユニットが前記端末モジュールに取り付けられる。他の好適な態様では、前記カバーユニットのうち、端子を覆う部分は絶縁材料からなり、他の部分は、その表面に施された粉体塗装により絶縁が確保される。

本発明によれば、カバー部およびガイド部が一体成形されているため一度の組み付け作業で冷却を行なう機構および端末モジュールを保護する機構を組み付けることができる。また、コイルエンドの頂上部に端末モジュール、ひいては、端子を設けているため、発熱量の多い端子周辺を効率的に冷却できる。

本発明の実施形態である回転電機の概略構成図である。 回転電機の概略正面図である。 端末モジュールの取り付けの様子を示す図である。 カバーユニットの一部斜視図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施形態である回転電機１０の概略構成図である。この回転電機１０は、電動機または発電機としての機能を有するモータジェネレータであり、例えば、ハイブリッド車両などに搭載される。

回転電機１０は、ロータ１２と、ステータ１６を有している。ロータ１２は、シャフト１４に組付けられる。シャフト１４は、軸受を介してケース（図示せず）に回転可能に支持されている。回転電機１０は、当該シャフト１４が水平になるように設置される。ロータ１２は、シャフト１４に固設され、シャフト１４と共に回転可能に設けられている。環状のステータ１６は、ロータ１２の周囲に設けられており、ロータ１２の外周に配置されている。

ステータ１６は、ステータコア１８とステータコイル２０とに大別される。ステータコア１８は、内周側に突出した複数のティースを有しており、互いに隣接するティースの間には、内周側に開口したスロットが形成される。この各ティースには、ステータコイル２０が巻回される。このステータコイル２０の一部は、ステータコア１８の端部から突出し、コイルエンド部２２を形成する。コイルエンド部２２の軸方向端面には、ステータコイル２０と外部電気機器とを電気的に接続する端末モジュール２４が設けられている。本実施形態では、この端末モジュール２４を電気的、機械的に保護するためにカバーユニット４０を取り付けているが、これについては後述する。

ステータコイル２０は、端末モジュール２４を介して、３相ケーブル２６によってパワーコントロールユニット（ＰＣＵ）３２と電気的に接続されている。３相ケーブル２６は、Ｕ相ケーブル、Ｖ相ケーブルおよびＷ相ケーブルからなる。ステータコイル２０は、Ｕ相ステータコイル、Ｖ相ステータコイルおよびＷ相ステータコイルからなり、これらの３つのステータコイル２０の一端は、端末モジュール２４を介して、Ｕ相ケーブル、Ｖ相ケーブルおよびＷ相ケーブルが接続される。また、各相のステータコイル２０の他端は、端末モジュール２４を介して互いに結合され、中性点を構成する。ＰＣＵ３２は、給電ケーブルによってバッテリ３４と電気的に接続されており、これにより、バッテリ３４とステータ１６とが電気的に接続される。

この回転電機１０をハイブリッド車両に搭載した場合、ロータ１２およびステータ１６を含む回転電機１０から出力された駆動力は、減速機構やディファレンシャル機構、ドライブシャフトなどを経由して駆動輪に回転力として伝達されて、ハイブリッド車両を走行させる。一方、ハイブリッド車両の回生制動時には、駆動輪は車体の慣性力により回転させられる。駆動輪からの回転力によりドライブシャフト、ディファレンシャル機構、減速機構などを経由して、回転電機１０が駆動される。このとき、回転電機１０は、発電機として作動する。回転電機１０により発電された電力は、ＰＣＵ３２内のインバータを経由して、バッテリ３４に蓄えられる。

回転電機１０の運転時には、ステータコイル２０を成すリード線２７の抵抗によって、電気エネルギの一部が熱エネルギに変換され、ステータコイル２０が発熱する。この発熱による温度上昇を抑えるべく、回転電機１０には、コイルエンド部２２の表面に冷却液を供給する機構が設けられている。この機構には、シャフト１４と平行に設置され、冷却液が流れるパイプ２８が設けられている。このパイプ２８には、コイルエンド部２２に冷却液を吐出する油穴３０が形成されており、当該油穴３０から落下した冷却液がコイルエンド部２２を通過していくことで、コイルエンド部２２（ひいては、ステータコイル２０）が冷却される。コイルエンド部２２を通過した冷却液は、ケースの下方に貯留する。このケース下方に貯留された冷却液はポンプ（図示せず）で汲み上げられ、再度、パイプ２８へ供給される。本実施形態では、このパイプ２８から供給された冷却液を効率的に、コイルエンド部２２に分散して導くためのガイド部４８を、カバーユニット４０に設けている。

次に、このカバーユニット４０の構成について図２〜図４を参照して説明する。図２は、回転電機１０の概略正面図である。また、図３は、端末モジュール２４の取り付け状態を示す図である。さらに、図４は、カバーユニット４０の一部斜視図である。

図２に示すように、本実施形態では、コイルエンド部２２の頂上付近に、カバーユニット４０を設けている。このカバーユニット４０は、端末モジュール２４を電気的・機械的に保護するカバー部４２と、冷却液の流れをガイドするガイド部４８と、が一体成形された部材である。本実施形態では、このカバーユニット４０全体を、耐熱性を備えた絶縁材料で構成している。なお、コストなどの問題がある場合は、端子を覆う部分のみを絶縁材料で形成し、他の部分は、安価な非絶縁材料で形成するとともに、その表面に絶縁性確保のための塗装（例えば粉体塗装など）を施すようにしてもよい。かかる構成とすることで、高い絶縁性が求められる端子周辺は、確実に絶縁されるとともに、他の部分についても、ある程度の絶縁性能を、安価に実現できる。

カバー部４２は、端末モジュール２４を覆うように、当該端末モジュール２４に取り付けられる。端末モジュール２４は、ステータ１６に巻回されたステータコイル２０を、外部電気機器（バッテリ３４など）と電気的に接続するためのモジュールで、コイルエンド部２２の軸方向端面に設置される。端末モジュール２４の構成としては種々の形態が考えられるが、本実施形態の端末モジュール２４は、図３に示すように、各相のステータコイル２０の一端２０ａが接続されるモジュール側端子６４ａと、各相のステータコイル２０の他端２０ｂが接続される中性点用端子６０、および、これらの端子６０，６４を保持するホルダ６６を備えている。

ホルダ６６は、絶縁性材料からなる略弧状の部材で、その内部には、中性点バスバー６２が設けられている。また、ホルダ６６の外周側端部には、モジュール側端子６４ａを保持する端子保持部６６ａが、周方向に三つ並んでいる。また、ホルダ６６の周方向両端近傍には、カバーユニット４０との結合に用いられる係合孔６８が形成されている。

モジュール側端子６４ａは、各相ごとに一つずつ、合計三つ設けられており、略Ｕ字状に屈曲した導電性金属から構成されている。このモジュール側端子６４ａの一側面には、ステータコイル２０の一端２０ａが接続され、他側面には、外部電気機器との接続に利用されるリード線２７が接続される。

中性点用端子６０も、各相ごとに一つずつ、合計三つ設けられている。この中性点用端子６０と中性点バスバー６２は、導電性材料からなり、互いに一体成形される。中性点バスバー６２の外周縁から、径方向外側に突出した中性点用端子６０の側面には、ステータコイル２０の他端２０ｂが連結される。そして、この中性点用端子６０および中性点バスバー６２を介して、三相のステータコイル２０が中性点結合される。

本実施形態では、この端末モジュール２４、ひいては、ステータコイル２０の端部が、ステータ１６の頂上部に位置するように回転電機１０を設置している。これは、冷却をより効率的に行なうためであるが、これについては後に詳説する。

ここで、これまでの説明で明らかなとおり、端末モジュール２４の周辺には、電気的接続のための端子６０，６４が多数あり、確実な絶縁が求められる。そこで、本実施形態では、カバーユニット４０のカバー部４２で、この端末モジュール２４全体を覆い、端末６０，６４の周辺を確実に絶縁している。

カバー部４２は、端末モジュール２４全体を覆うべく、端末モジュール２４の形状に対応した略弧状となっている。また、端末モジュール２４のうち、モジュール側端子６４ａは、径方向外側に大きく突出しているため、カバー部４２にも、当該突出したモジュール側端子６４ａを覆う突出部４４が設けられている。

カバーユニット４０は、このカバー部４２の裏面から突出形成されるランス部４６（図４参照）を介して端末モジュール２４に組み付けられる。ランス部４６は、端末モジュール２４の一部と係合する被係合部として機能するものである。このランス部４６は、カバー部４２の周方向両端に設けられており、当該ランス部４６の先端近傍には、段的に幅拡大した後、先端に近づくにつれ、幅細となるカエシ４６ａが形成されている。このランス部４６を端末モジュール２４に形成された係合孔６８に挿入した際、カエシ４６ａが係合孔６８の周縁に係合する（ひっかかる）ことで、カバーユニット４０が端末モジュール２４に組み付けられる。

カバー部４２の周方向両端には、ガイド部４８が設けられている。ガイド部４８は、上方から供給された冷却液を分散してコイルエンド部２２に導く部材である。本実施形態におけるガイド部４８は、コイルエンド部２２の外周面に沿って延びる溝部材である。ガイド部４８は、コイルエンド部２２の外周面に対向する底面５０と当該底面５０の両側から立脚する側壁５２とを備えた断面略Ｕ字形状となっている。

ガイド部４８の周方向下端は、開口しており、当該ガイド部４８に供給された冷却液は、当該ガイド部４８に沿って流れた後、ガイド部４８の下端からコイルエンド部２２の周面に供給される。また、ガイド部４８の底面５０には、供給された冷却液の通過を許容する通過孔５４が複数、形成されている。ガイド部４８に供給された冷却液の一部は、この通過孔５４も通過し、コイルエンド部２２に供給される。そして、かかる構成とすることで、冷却液をコイルエンド部２２の広範囲に分散して供給することができ、より効率的な冷却が可能となる。なお、通過孔５４の数や大きさは、希望する分散態様に応じて、適宜、変更されてもよい。例えば、ガイド部４８の上端側付近のコイルエンド部２２を優先的に冷却した場合には、当該上端側付近に比較的、大径の通過孔５４を形成し、当該上端側付近に多量の冷却液が供給されるようにしてもよい。

このガイド部４８に冷却液を供給するパイプ２８は、図２に示すように、各ガイド部４８の上流側端部の真上に設置されている。そして、このパイプ２８に設けられた油穴３０から吐出された冷却液が、各ガイド部４８の上流側端部に供給される。

ここで、記述したように、このガイド部４８は、カバー部４２と一体成形されている。その結果、従来技術に比して、カバー部４２材およびガイド部４８材の組み付け作業を大幅に簡易化できる。すなわち、従来技術では、端末モジュール２４を覆うカバー部４２材と、冷却液をガイドするガイド部４８材を、をそれぞれ別体としていた。その結果、カバー部４２材を組み付ける作業に加え、ガイド部４８材を組み付ける作業も必要であった。ガイド部４８材は、その構成にもよるが、例えば、溶接などの手法により組みつけられていた。しがって、従来技術では、カバーを組み付ける作業に加え、ガイド部４８材の位置決めを行い、その後、ガイド部４８材を溶接する、といった作業が必要になり、非常に手間であった。

一方、本実施形態では、カバー部４２とガイド部４８が一体成形されている。そのため、カバー部４２を端末モジュール２４に組み付けることで、ガイド部４８のコイルエンド部２２に対する位置も固定される。その結果、本実施形態によれば、カバー部４２の組み付け作業さえ行なえば、ガイド部４８の組み付け作業、例えば、ガイド部４８の位置決めや溶接を別途行なう必要はない。その結果、従来に比して、カバー部４２およびガイド部４８の組み付け作業を大幅に簡易化できる。

また、既述したように、本実施形態では、コイルエンド部２２の頂上部に端末モジュール２４を設けている。そして、この端末モジュール２４を保護するカバーの周方向両側に冷却液をガイドするガイド部４８を設けている。かかる構成とすることで、端子の周辺を、両側から冷却することができる。すなわち、端子周辺は、発熱量が多く、高温になりやすい。かかる端子周辺の両側に、ガイド部４８を介して冷却液が供給されることにより、この高温になりやすい端子周辺が優先的に冷却される。そして、その結果、高温化に伴う効率低下などを効果的に防止できる。

なお、これまで説明した構成は、一例である。したがって、カバー部４２およびガイド部４８が一体成形され、かつ、端末モジュール２４がステータ１６の頂上部に設けられる構成であれば、その他の部分は、適宜、変更されてもよい。例えば、本実施形態では、ガイド部４８をカバー部４２の周方向端部に接続させているが、ガイド部４８の位置をより頂上部側にずらし、ガイド部４８とカバー部４２との周方向範囲が一部重複するようにしてもよい。また、ガイド部４８は、二つに限らず、一つ、または、より多数としてもよい。例えば、カバー部４２の周方向両側に設けられる二つのガイド部４８に加えて、または、当該二つのガイド部４８に替えて、頂上部付近に位置するガイド部を設けてもよい。また、本実施形態では、カバーユニット４０を、ランス部４６を用いた係合により、端末モジュール２４に組み付けているが、当然ながら、他の固定方法、例えば、嵌合や、螺合などを用いて組みつけてもよい。

１０ 回転電機、１２ ロータ、１４ シャフト、１６ ステータ、１８ ステータコア、２０ ステータコイル、２２ コイルエンド部、２４ 端末モジュール、２８ パイプ、３４ バッテリ、４０ カバーユニット、４２ カバー部、４４ 突出部、４６ ランス部、４８ ガイド部、５４ 通過孔、６０ 中性点用端子。

Claims (5)

1. シャフトを中心として回転するロータと、ステータコアおよびステータコイルを有するステータと、を備え、前記シャフトが略水平になるべく設置された回転電機であって、さらに、
   ステータコア端部から突出するコイルエンドの軸方向端面の頂上部に設けられ、前記ステータコイルと外部電気機器とを電気的に接続する端末モジュールと、
   前記端末モジュールを覆うカバー部と、上方から供給される冷却液を前記コイルエンドに導くガイド部と、を一体成形したカバーユニットと、
   を備えることを特徴とする回転電機。
2. 請求項１に記載の回転電機であって、
   前記ガイド部は、前記コイルエンドの外周面に沿って延びる溝部材からなり、前記外周面との対向面に冷却液の漏出を許容する孔が１以上形成される、ことを特徴とする回転電機。
3. 請求項１または２に記載の回転電機であって、
   前記ガイド部は、前記カバー部の周方向両側に一つずつ設けられる、ことを特徴とする回転電機。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の回転電機であって、
   前記カバー部は、前記端末モジュールの一部と係合する被係合部を備え、当該係合により前記カバーユニットが前記端末モジュールに取り付けられる、ことを特徴とする回転電機。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の回転電機であって、
   前記カバーユニットのうち、端子を覆う部分は絶縁材料からなり、他の部分は、その表面に施された粉体塗装により絶縁が確保される、ことを特徴とする回転電機。

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