JP5751065B2

JP5751065B2 - ロータのエンドプレート、および回転電機

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Publication number: JP5751065B2
Application number: JP2011162253A
Authority: JP
Inventors: 義和中村
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-07-25
Filing date: 2011-07-25
Publication date: 2015-07-22
Anticipated expiration: 2031-07-25
Also published as: JP2013027244A

Description

本発明は、ロータのエンドプレート、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４，５に例示する回転電機２００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１１２と、ステータ１１２の中空部分に配置され、シャフト１１６を軸としてステータ１１２と対面して回転可能なロータ１１４とを備える。ロータ１１４の端部には、シャフト１１６の回転に伴いロータ１１４とともに回転するエンドプレート１１８，１２０が配置、固定されている。回転電機２００の作動時には、シャフト１１６を回転軸の軸心としてエンドプレート１１８，１２０を含むロータ１１４が回転し、発熱する。

回転電機の作動に伴うステータやロータの過熱を抑えるために、例えば、コイルエンドなどの冷却対象に向けて冷却媒体を噴出／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１〜７）。

特許文献１，２には、エンドプレートの、シャフトに対して周方向に複数の貫通孔を設け、ロータの回転速度に応じて異なる貫通孔から冷却媒体を冷却対象に向けて噴出させることについて開示されている。

特許文献３には、エンドプレートの、ロータコアの軸方向に対向する側面に、冷却剤案内部としての溝が形成されているモータ冷却構造について開示されている。

特許文献４には、回転電機のコイルエンド冷却装置において、エンドプレートとロータコア端面との間隙と、フランジ部の外周面とを、ロータ回転軸方向に対して斜めに傾斜する冷媒孔を設けたものについて開示されている。

特許文献５には、先端がコイルエンドの軸方向中央位置に配置されたガイド部を備える回転電機について開示されている。

特許文献６には、ステータコアの冷媒溝から、ステータコア端面とコイルエンドとの間に向けて噴出された冷媒が、冷媒ガイド部材のガイド部で受けられ、コイルエンドのステータコア端面と対向する部分の中心部に導かれるコイルエンド冷却装置について開示されている。

特許文献７には、ロータ内に、一方端側に油孔が形成されており、シャフト内から供給される磁石を冷却する冷却オイルが流通する磁石冷却用オイル流通路と、ステータの上方に、ステータを冷却するための冷却オイルが流通するステータ冷却用オイル流通路とが設けられたモータについて開示されている。

特開２００９−２７３２８５号公報特開２０１０−２７３５０４号公報特開２００３−００９４６７号公報特開２００９−２９６７７２号公報特開２００９−２８４６０３号公報特開２００９−２８４７１８号公報特開２００８−１７８２４３号公報

ところで、図４に示す回転電機２００は、冷却媒体を利用した複数の冷却機構を具備している。第１の冷却機構は、ロータ１１４の内部、例えばシャフト１１６の内部に冷却媒体を流通させた後、エンドプレート１１８，１２０から吐出された冷却媒体を、エンドプレート１１８，１２０の回転に伴う遠心力を利用してコイルエンド１２２ｂおよび／またはその近傍に飛散させる冷却機構である。図５では、経路Ａとして例示している。

一方、第２の冷却機構は、ステータ１１２の上方を、ロータ１１４の回転軸、つまりシャフト１１６に並行する方向に配置された冷媒流通管路１２４内に冷却媒体を流通させた後、冷却対象となるコイルエンド１２２ａ，１２２ｂの近傍に設けられた吐出孔１２４ａ，１２４ｂから吐出させる構成を有している。図５では、経路Ｂとして例示している。

図５に例示するように、経路Ａとして示す、エンドプレート１２０から吐出される冷却媒体は、エンドプレート１２０の回転により、特にコイルまたはコイルエンド１２２ｂの下方部分または内周部分に向けて飛散され、ステータ１１２の冷却に寄与する。しかし、エンドプレート１２０の回転によっては、飛散された冷却媒体をステータ１１２の冷却に十分に活用できない場合がありえた。

一方、経路Ｂとして示す、ステータ１１２の上方を流通する冷却媒体は、ステータコアの端面よりも外側に突出するコイルエンド１２２ｂ付近から吐出されると、コイルまたはコイルエンド１２２ｂの上方部分または外側部分を濡らしながら放熱し、回転電機の下部に降下する。しかし、構造上、コイルエンド１２２ｂの内側部分に冷却媒体を行き渡らせることは困難であり、特にコイルエンド１２２ｂの下方部分に冷却媒体を行き渡らせることは非常に困難である。

さらに、エンドプレート１２０の端面形状によっては、冷却媒体がエンドプレート１２０を伝ってステータ１１２とロータ１１４との間のエアギャップに侵入し、ロータ１１４の回転効率を低下させる等の不具合も生じえた。

本発明は、回転電機をより効率よく冷却させ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）内側部分に中空部分を有するステータと、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、前記ロータの軸方向の両端部分から突出するように前記ステータの端部に設けられたコイルエンドと、前記ロータの軸方向の端部に配置されるエンドプレートと、を備える回転電機であって、前記エンドプレートの外周部分において前記ロータの径方向に放射状に延びる径方向壁であって、周方向に複数配置された径方向壁と、隣り合う前記径方向壁を繋ぐように周方向に配置された周方向壁と、を備え、前記エンドプレートの外周部分には、前記径方向壁と前記周方向壁とで区画された凹形状の溝が形成されており、前記エンドプレートの軸方向端面は、少なくとも前記周方向壁の端部側が隆起するように傾斜しており、冷却媒体を前記ロータの回転軸に並行する方向に流通させるための冷媒流路をさらに備え、前記エンドプレートは、前記冷媒流路から流出し、前記凹形状の溝に一時的に貯留された冷却媒体を、前記エンドプレートの回転により前記コイルエンドに向けて飛散するように形成されていることを特徴とする回転電機。

（２）内側部分に中空部分を有するステータと、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、前記ロータの軸方向の両端部分から突出するように前記ステータの端部に設けられたコイルエンドと、前記ロータの軸方向の端部に配置されるエンドプレートと、を備える回転電機であって、前記エンドプレートの外周部分において前記ロータの径方向に放射状に延びる径方向壁であって、周方向に複数配置された径方向壁と、隣り合う前記径方向壁を繋ぐように周方向に配置された周方向壁と、を備え、前記エンドプレートは、前記ロータの内部を流通する冷却媒体を前記軸方向端面に吐出するための吐出孔を有し、前記吐出孔から吐出された前記冷却媒体を、前記エンドプレートの回転により前記コイルエンドに向けて飛散するように形成されていることを特徴とする回転電機。

（３）上記（２）に記載の回転電機において、前記エンドプレートの外周部分には、前記径方向壁と前記周方向壁とで区画された凹形状の溝が形成されており、前記エンドプレートの軸方向端面は、少なくとも前記周方向壁の端部側が隆起するように傾斜している、回転電機。

回転電機の作動時における冷却効率を向上させることが可能になる。

本発明の実施の形態におけ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に示す回転電機を部分的に拡大した模式図である。図１に示すエンドプレート２０のＡ−Ａ断面図である。回転電機の一例について説明するための図である。図４に示す回転電機を部分的に拡大した模式図である。

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、場合によってはその説明を省略する。また、図面中および各図面間における各部材の寸法比は必ずしも実際の寸法比に一致していない。

図１は、本発明の実施の形態における回転電機１００の一例について示したものである。図２は、図１に示す回転電機１００において、エンドプレート２０およびその近傍の構成の概略について説明するための、部分的に拡大した模式図である。図３は、図１に示すエンドプレート２０の構成の概略について説明するためのＡ−Ａ断面視した図である。なお、図１に示すエンドプレート１８およびその近傍の構成は、エンドプレート２０およびその近傍の構成とほぼ同様とすることができるため、その説明は省略する。

図１に例示する回転電機１００は、内側部分に中空部分を形成するように配設された、固定子としてのステータ１２と、ステータ１２の内側部分に配置され、シャフト１６を軸としてステータ１２と所定の空隙、いわゆるエアギャップを隔てて対面するように回転可能な、回転子としてのロータ１４とを備える。以下、シャフト１６の長手方向を「軸方向」、当該軸方向に垂直な方向を「径方向」、シャフト１６を軸としてロータ１４が回転可能な方向（ロータ１４の回転方向に対して反対方向を含む）を「周方向」と称する場合がある。また、「径方向」のうち、中心から離れて放射状に延びる方向を特に「放射方向」と称する場合もある。

図１において、ステータ１２は、ステータコア１３と、ステータコア１３に巻回または装着されたコイル２２（「ステータコイル」とも称する）とを含み、構成されている。また、ステータ１２の両端に突出するようにコイルエンド２２ａ，２２ｂが形成されている。一方、ロータ１４は、ロータコア（図示せず）と、ロータ１４の端部に配置、固定され、シャフト１６の回転に伴いロータ１４とともに回転するエンドプレート１８，２０とを含み、構成されている。

回転電機１００がモータとして機能するときには、二次電池や燃料電池などの電源からの直流電力を、必要に応じて昇圧コンバータを用いて所望の電圧に昇圧させて、インバータにより多相交流電力に変換した後にコイル２２に通電し、ロータ１４を回転させる。一方、回転電機１００が発電機として機能するときには、ロータ１４の回転によってコイル２２に電流が流れ、このとき得られた電力は回生電力として二次電池等に充電され、または補機等の電子機器に供給され、駆動電力として消費される。

コイル２２は例えば、図示しない複数の相コイル（例えば、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）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１００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により構成することができる。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、シャフト１６（またはロータ１４）の内部に導入された冷却媒体を、誘導路３８を経由してエンドプレート２０に誘導し、吐出孔４０からエンドプレート端面２１を経て、冷却対象５０の特に下方部分および内周部分に向けて飛散させる第１の冷却機構（図２に示す経路Ａ参照）と、冷媒送出ポンプ２６と、冷媒供給流路２８と、冷媒流通管路２４と、を含み、吐出孔２４ａ，２４ｂから冷却対象５０の特に上方部分および外周部分に向けて吐出させる第２の冷却機構（図２に示す経路Ｂ参照）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１００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却媒体として冷媒流通管路２４に流通させる構成を有することができる。冷媒流通管路２４は、ロータ１４の回転軸に並行するように配置されている。冷媒流通管路２４を流通する冷却媒体は、吐出孔２４ａ，２４ｂから冷却対象であるコイルエンド２２ａ，２２ｂに向けてそれぞれ吐出されるよう構成されている。他の実施の形態として、冷媒流通管路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。冷媒流通管路２４をより安定に保持するために、例えば図示しないブラケットなどの固定化部材を用いてケース３６に固定してもよい。

また、冷媒流通管路２４に設けられた吐出孔２４ａ，２４ｂや、エンドプレート１８，２０設けられた吐出孔から吐出され、ケース３６内に溜まった冷却媒体を、回転電機１００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、第２の冷却機構としてシャフト１６の内部に導入することができ、また、第２の冷却機構において利用される別の冷媒送出ポンプをさらに設けることもできる。また、冷媒送出ポンプ２６から送出された冷却媒体を図示しないギヤ室または自動変速装置に戻し、場合によっては循環させる図示しない分岐路を設けることもできる。

図２，３に示すように、エンドプレート２０の外周部分に、周方向壁４２と、径方向壁４８とが設けられている。径方向壁４８は、ロータ１４の周方向に複数配置されており、各径方向壁４８はそれぞれ、ロータ１４の径方向に放射状に延びた形状を有している。一方、周方向壁４２は、隣り合う径方向壁４８を繋ぐように周方向に配置されており、エンドプレート２０の外周部分には、径方向壁４８と周方向壁４２とで区画された凹形状の溝４４が形成されている。なお、エンドプレート２０に配置される径方向壁４８の形状および／または数は、図３に例示するものと相違しても構わない。

実施の形態において、エンドプレート２０の軸方向端面（エンドプレート端面）２１は、少なくとも周方向壁４２の端部である飛散誘導端４６側が隆起するように傾斜しており、エンドプレート２０の回転に応じて冷却対象５０に適切に飛散させることができるように構成されている。エンドプレート端面２１は、ある一定の傾きを持った傾斜面であってもよく、図２に例示するように断面が弧状または湾曲形状であってもよい。

一方、エンドプレート２０の周縁部に形成された凹形状の溝４４には、図２に示す経路Ｂを経て流出した冷却媒体の一部が一時的に貯留する。溝４４に貯留した冷却媒体は、エンドプレート２０の回転に応じて径方向壁４８に当たり、冷却対象５０のうち、特にコイルエンド１２２ｂの側方部分に向けて飛散する。このため、外周部分に周方向壁および径方向壁が設けられていないエンドプレートが設けられた回転電機と比較して、回転電機の作動時における冷却効率が向上する。

また、エンドプレート２０の周縁部に溝４４を有することにより、冷却媒体がエンドプレート２０の壁面を伝ってステータ１２とロータ１４の間のエアギャップへ侵入することを防止または抑制することができる。特に、溝４４を構成する周方向壁４２の内壁４３を、軸方向の端部側に向けて傾斜させると、冷却媒体のエアギャップへの侵入がより効果的に抑制されるため、好適である。

本発明の実施の形態において、エンドプレート１８，２０は、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金など、従来のエンドプレートと同様の材料を用いて作製することができる。また、エンドプレート１８，２０を構成する周方向壁や径方向壁など、あらゆる部位を一体に成形してもよく、必要に応じて複数の部材を適用してもよい。

本発明の実施の形態によれば、回転電機を収容する筐体内に導入された冷却媒体をより有効に活用して回転電機をより効率よく冷却させることができる。

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。

１２，１１２ステータ、１３ステータコア、１４，１１４ロータ、１６，１１６シャフト、１８，２０，１１８，１２０エンドプレート、２１エンドプレート端面、２２コイル、２２ａ，２２ｂ，１２２ａ，１２２ｂコイルエンド、２４，１２４冷媒流通管路、２４ａ，２４ｂ，４０，１２４ａ，１２４ｂ吐出孔、２６冷媒送出ポンプ、２８冷媒供給流路、２９冷媒排出流路、３０冷却装置、３６ケース、３８誘導路、４２周方向壁、４３内壁、４４溝、４６飛散誘導端、４８径方向壁、５０冷却対象、１００，２００回転電機。

Claims

内側部分に中空部分を有するステータと、
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、
前記ロータの軸方向の両端部分から突出するように前記ステータの端部に設けられたコイルエンドと、
前記ロータの軸方向の端部に配置されるエンドプレートと、
を備える回転電機であって、
前記エンドプレートの外周部分において前記ロータの径方向に放射状に延びる径方向壁であって、周方向に複数配置された径方向壁と、
隣り合う前記径方向壁を繋ぐように周方向に配置された周方向壁と、
を備え、
前記エンドプレートの外周部分には、前記径方向壁と前記周方向壁とで区画された凹形状の溝が形成されており、
前記エンドプレートの軸方向端面は、少なくとも前記周方向壁の端部側が隆起するように傾斜しており、
冷却媒体を前記ロータの回転軸に並行する方向に流通させるための冷媒流路をさらに備え、
前記エンドプレートは、前記冷媒流路から流出し、前記凹形状の溝に一時的に貯留された冷却媒体を、前記エンドプレートの回転により前記コイルエンドに向けて飛散するように形成されていることを特徴とする回転電機。
内側部分に中空部分を有するステータと、
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、
前記ロータの軸方向の両端部分から突出するように前記ステータの端部に設けられたコイルエンドと、
前記ロータの軸方向の端部に配置されるエンドプレートと、
を備える回転電機であって、
前記エンドプレートの外周部分において前記ロータの径方向に放射状に延びる径方向壁であって、周方向に複数配置された径方向壁と、
隣り合う前記径方向壁を繋ぐように周方向に配置された周方向壁と、
を備え、
前記エンドプレートは、前記ロータの内部を流通する冷却媒体を前記軸方向端面に吐出するための吐出孔を有し、
前記吐出孔から吐出された前記冷却媒体を、前記エンドプレートの回転により前記コイルエンドに向けて飛散するように形成されていることを特徴とする回転電機。
請求項２に記載の回転電機において、
前記エンドプレートの外周部分には、前記径方向壁と前記周方向壁とで区画された凹形状の溝が形成されており、
前記エンドプレートの軸方向端面は、少なくとも前記周方向壁の端部側が隆起するように傾斜していることを特徴とする回転電機。