JP5832752B2 - 回転電機の冷却装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、回転電機の冷却装置に関する。

固定子コイルを有する回転電機は、固定子コイルへの通電に伴い動作中に発熱する。この発熱は、固定子に形成されるコイルエンドや固定子鉄心の温度上昇を引き起こし、回転電機の特性が悪化する要因となる。そこで、コイルエンドや固定子を冷却オイルや冷却ガスなどの冷却剤を用いた冷却装置により冷却するものがある。

特開２００５−２２９６７１号公報

本発明が解決しようとする課題は、大形化を招くことなく冷却を促進し、回転電機の特性の低下を招かない回転電機の冷却装置を提供することである。

実施形態の回転電機の冷却装置によれば、筐体内に固定子鉄心および固定子コイルを有する固定子と回転軸部材を有する回転子とを備えた回転電機に対し、冷却液を貯留する貯留室を有する冷却液タンクを、少なくとも固定子の軸方向の全長よりも長く形成し、回転電機が設置された状態において固定子の重力方向の上側に設ける。また、冷却液タンクの底部に、貯留室と固定子が設けられている筐体内の空間とを接続する接続孔が、固定子の軸方向の両端部に形成されるコイルエンドの上方に、当該コイルエンドの周方向に複数設けられている。

第１の実施形態の冷却装置の断面を模式的に示す図 第１の実施形態の冷却装置の図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面を示す図 第２の実施形態による図１相当図 第３の実施形態による図１相当図 第３の実施形態による図２相当図

以下、回転電機の冷却装置の複数の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下に説明する複数の実施形態において実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、説明を省略する。また、以下の説明では、回転電機の冷却装置を単に冷却装置と称する。

（第１の実施形態）
以下、第１の実施形態による冷却装置について、図１および図２を参照して説明する。
図１に示すように、本実施形態による冷却装置１０の冷却対象となる回転電機１１は、筐体１２内に固定子１３および回転子１４を備えている。固定子１３は、固定子鉄心１５および固定子コイル１６を有している。固定子鉄心１５は、例えば磁性鋼板を円環状に打ち抜いて成形した鉄心片を積層して円筒状に形成されている。この固定子鉄心１５は、内周側に、積層方向すなわち軸方向に延びる図示しないコイル挿入溝を複数有している。このコイル挿入溝は、固定子鉄心１５の内周側に、周方向の全域に渡って複数設けられている。

固定子コイル１６は、例えばＵ相、Ｖ相およびＷ相の三相からなるコイルであり、それぞれ固定子鉄心１５のコイル挿入溝に挿入されている。この固定子コイル１６は、コイル挿入溝に挿入された状態において、その一部が固定子鉄心１５の軸方向の両端部に露出している。固定子鉄心１５の両端部に露出した固定子コイル１６の一部は、周知のように、各相の固定子コイル１６を固定子鉄心１５の周方向外側に拡開して成形した後、ワニスなどが含浸される。これにより、コイルエンド１７が形成される。つまり、コイルエンド１７は、固定子鉄心１５の軸方向の両端部に形成されるとともに、固定子鉄心１５の周方向の全域に形成される。このような構成の固定子１３は、図示しない治具などにより筐体１２に取り付けられている。

回転子１４は、固定子１３の内周側に設けられており、回転子鉄心１８と回転軸部材１９とを有している。回転子鉄心１８は、例えば磁性鋼板を円板状に打ち抜いて成形した鉄心片を積層して形成されている。回転子鉄心１８は、図示しない磁石挿入孔と、磁石挿入孔に挿入された図示しない永久磁石とを有している。つまり、本実施形態の回転電機１１は、回転子鉄心１８の内部に永久磁石が埋め込まれた埋込磁石型電動機（ＩＰＭモータ）である。回転軸部材１９は、回転子鉄心１８の径方向の中心部に設けられている軸孔２０に圧入され、回転子鉄心１８に対して固定されている。なお、回転軸部材１９は、圧入に代えて、嵌合や挿入により回転子鉄心１８に固定してもよい。この回転軸部材１９は、回転子鉄心１８を挟んだ両端部側がそれぞれ軸受部材２１により回転可能に支持されている。本実施形態の場合、軸受部材２１としてベアリングを用いている。また、回転軸部材１９は、一方の端部すなわち図示右方の端部が筐体１２の外側に突出しており、図示しない駆動対象物を回転駆動する。回転軸部材１９と突出側の筐体１２との間は、図示しないパッキンなどにより水密且つ気密になっている。なお、回転軸部材１９は、中空に形成したものであってもよい。

このような固定子１３および回転子１４を備えた回転電機１１は、図示しない駆動回路から例えばＰＷＭ制御による駆動信号が各相の固定子コイル１６に対して供給される。その結果、固定子１３と回転子１４との間に回転力が働き、回転子１４すなわち回転軸部材１９が回転軸Ｌを中心に回転する。本実施形態の場合、回転電機１１は、例えば電気自動車やいわゆるハイブリッド自動車などに搭載される車載用の駆動モータとして利用することを想定している。この場合、回転電機１１は、回転軸が重力方向に対してほぼ垂直になるように車両に設置される。すなわち、回転電機１１は、回転軸部材１９がほぼ水平になる状態で設置される。以下、図１に示すように、重力に沿った方向を上下として説明する。

冷却装置１０は、回転電機１１の筐体１２の上側に設けられている。すなわち、冷却装置１０は、回転電機１１が設置された状態において、固定子１３よりも重力方向の上側に設けられている。冷却装置１０は、蓋部３０、壁部３１および底部３２を有する冷却液タンク３３を備えている。これら蓋部３０、壁部３１および底部３２は、貯留室３４を形成している。この貯留室３４は、冷却液としての冷却オイル３５を貯留している。冷却液タンク３３は、固定子鉄心１５の両端部に形成されるコイルエンド１７を含めた固定子１３の軸方向の全長よりも長く形成されている。また、冷却液タンク３３は、図２に示すように、その幅が回転子１４の直径とほぼ同等または回転子１４の直径よりも若干大きく形成されている。つまり、本実施形態の冷却液タンク３３は、回転電機１１の軸方向の全長とほぼ等しい長さを有し、回転電機１１の上面側をほぼ覆う直方体形状に形成されている。換言すると、冷却液タンク３３の底部３２は、重力方向において貯留室３４と固定子１３との間に設けられている。

冷却液タンク３３の底部３２には、図１および図２に示すように、複数の接続孔３６が設けられている。各接続孔３６は、コイルエンド１７の上方に位置して設けられており、底部３２の上面側と下面側すなわち貯留室３４と冷却液タンク３３の外側とを接続している。ここで、「接続孔」とは、本実施形態のように軸方向が長く形成された溝状のスリットや、円形状あるいは楕円形状の孔など他の形状も含んでいる。つまり、接続孔３６は、貯留室３４と冷却液タンク３３の外部とを接続するものであれば、任意の形状にすることができる。

一方、回転電機１１の上側の筐体１２には、冷却液タンク３３の複数の接続孔３６に対応する位置に複数の供給孔３７が設けられている。この供給孔３７は、接続孔３６とほぼ同一の形状に形成され、筐体１２の外部と固定子１３が収容されている筐体１２内の空間３８とを接続している。より具体的には、供給孔３７は、固定子１３の上方を覆う筐体１２の一部に設けられており、冷却液タンク３３が設けられている側の筐体１２の外部と、固定子１３が設けられている筐体１２の内部とを接続している。つまり、冷却液タンク３３の貯留室３４と筐体１２内の空間３８とは、接続孔３６および供給孔３７により互いに連通している。

また、冷却液タンク３３の壁部３１には、貯留室３４に接続する補給口３９が設けられている。補給口３９は、図２に示すように、循環ポンプ４０に接続された補給管部４１に接続している。補給管部４１は、循環ポンプ４０が駆動されると、貯留室３４に冷却オイル３５を補給する。また、筐体１２内部の下部側には、下方に窪んだ冷却液溜まり４２と、この冷却液溜まり４２に接続する排出口４３とが設けられている。排出口４３は、排出管部４４に接続しており、排出管部４４は、排出口４３と反対側の端部が循環ポンプ４０に接続している。

次に、上記した構成の冷却装置１０の作用について説明する。
前述した通り、回転電機１１は、固定子コイル１６への通電に伴い動作中に発熱する。そのため、回転電機１１の特性の悪化を抑制するためには回転電機１１の冷却が重要になる。しかし、上記したような構成の回転電機１１では、冷却対象となるコイルエンド１７は、軸方向の両端部に形成されるとともに、固定子１３の周方向の全域に形成される。このため、コイルエンド１７を冷却するために冷却剤を供給する配管を複数箇所に設けると、配管部材を設置する設置スペースが増大する。そして、この設置スペースの増大は、設置スペースが限られていることが多い本実施形態のような車載用の回転電機１１では懸念される事項である。そこで、本実施形態の冷却装置１０は、以下のようにして、設置スペースの増大を抑制しつつ、回転電機１１の冷却を行っている。

冷却装置１０は、冷却液タンク３３の貯留室３４に、例えば鉱油系のＡＴＦ（Automatic Transmission Fluid）である冷却オイル３５を貯留している。この冷却オイル３５は、固定子コイル１６の腐食や浸食を低減するため、例えば硫黄含有量が１％未満の低硫黄含有油を用いることが望ましい。固定子コイル１６への通電に伴い発生した熱は、固定子１３を介して筐体１２に伝達され、回転電機１１全体の温度を上昇させる。また、筐体１２に伝達された熱は、冷却液タンク３３の底部３２を介して貯留室３４内の冷却オイル３５に伝達される。このとき、冷却オイル３５は、上記したように冷却液タンク３３が回転電機１１の上面部をほぼ覆っていることから、回転電機１１の上面部のほぼ全域において熱を吸収する。換言すると、冷却装置１０の冷却液タンク３３は、それ自体が固定子鉄心１５やコイルエンド１７を間接的に冷却する冷却器として機能する。これにより、冷却オイル３５による熱の吸収、すなわち、回転電機１１からの放熱が促される。

また、冷却液タンク３３は、コイルエンド１７の上方に位置する底部３２に接続孔３６を有している。この接続孔３６は、筐体１２の供給孔３７とともに、貯留室３４と固定子１３側の空間３８とを接続している。そのため、貯留室３４に貯留されている冷却オイル３５は、これら接続孔３６および供給孔３７を経由して図１および図２に矢印Ａにて示すようにコイルエンド１７に供給される。このとき、冷却液タンク３３が固定子１３に対して重力方向の上側に設けられていることから、冷却オイル３５は、重力による自然滴下によってコイルエンド１７に滴下する。そして、冷却オイル３５は、コイルエンド１７に供給される。すなわち、接続孔３６と供給孔３７とにより形成される経路すなわち冷却オイル３５をコイルエンド１７に供給するための供給経路は、重力方向に延びている。そして、各接続孔３６からは、冷却オイル３５の自重により均等に冷却オイル３５が供給される。これにより、コイルエンド１７は、ポンプなどの供給手段を用いることなく、重力による自然流下によって供給される冷却オイル３５により直接的に冷却される。

さて、コイルエンド１７に供給された冷却オイル３５は、回転電機１１の下部に設けられている冷却液溜まり４２に一旦貯留される。そして、循環ポンプ４０の駆動が開始されると、排出口４３から排出され、排出管部４４および補給管部４１を経由して貯留室３４に貯留される。このとき、冷却オイル３５は、図示しない例えば空冷式のオイルクーラーなどにより冷却された後、貯留室３４に貯留される。そして、再び貯留室２４において回転電機１１から発生した熱を吸収するとともに、接続孔３６から滴下されてコイルエンド１７を直接的に冷却する。このように、冷却装置１０は、冷却オイル３５を還流しながら、回転電機１１の全体を冷却しつつ、コイルエンド１７を直接的に冷却する。

以上説明した本実施形態による冷却装置１０では、冷却オイル３５を貯留する冷却液タンク３３を回転電機１１のほぼ上面を覆う大きさに形成している。これにより、回転電機１１の動作中に発生した熱は、回転電機１１の全体において冷却オイル３５に吸収される。したがって、回転電機１１からの放熱を促すことができ、回転電機１１の特性を維持することができる。
また、本実施形態による冷却装置１０は、固定子１３の両端部に形成されるコイルエンド１７の上方に接続孔３６を設けている。そのため、貯留室３４に貯留されている冷却オイル３５は、接続孔３６を経由してコイルエンド１７に供給される。これにより、各コイルエンド１７に対してそれぞれ配管部材を設けることなく、コイルエンド１７の冷却が可能になる。したがって、設置スペースの増大を抑制することができる。

また、本実施形態による冷却装置１０では、底部３２が回転電機１１の上面をほぼ覆う大きさに形成されているので、任意の位置に接続孔３６を設けることができ、より効率的な冷却を行うことができる。
また、本実施形態による冷却装置１０は、冷却オイル３５を供給することによりコイルエンド１７を直接的に冷却する。これにより、コイルエンド１７の冷却効率を向上させることができ、回転電機１１の発熱を低減することができる。すなわち、回転電機１１の特性を維持することができる。

また、本実施形態による冷却装置１０は、冷却オイル３５を重力による自然滴下によりコイルエンド１７に供給する。つまり、冷却装置１０は、冷却オイル３５を供給する場合において、配管部材による抵抗などの影響を受けることがない。また、供給経路が重量区方向に沿って形成されていることから、冷却オイル３５を水平方向に流す必要がない。すなわち、冷却オイル３５を供給する場合、圧送ポンプなどを設ける必要がない。したがって、冷却装置１０本体だけでなく、その周辺装置も含めた設置スペースの増大を招くことがない。さらに、圧送ポンプなどを設ける必要がないため、冷却装置１０を作動させるための消費電力が削減される。したがって、本実施形態のように回転電機１１を電気自動車やハイブリッド自動車など搭載することを想定している場合、冷却装置１０の搭載を促すことができる。

（第２の実施形態）
次に第２の実施形態による冷却装置について図３を参照して説明する。
第２の実施形態による冷却装置は、冷却液タンクの底部に設ける接続孔の位置が第１の実施形態と異なっている。なお、回転電機の構成は、第１の実施の形態とほぼ同一であるため詳細な説明は省略する。

図３に示すように、第２の実施形態による冷却装置５０は、冷却液タンク３３の底部３２に、固定子鉄心１５の上方に位置する接続孔５１を有している。また、回転電機１１の筐体１２には、固定子鉄心１５の上方に位置して、接続孔５１に対応する位置に供給孔５２が形成されている。すなわち、第２の実施形態の場合、冷却装置５０が直接的に冷却する冷却対象は、固定子鉄心１５である。上記したように、固定子コイル１６は、固定子鉄心１５のコイル挿入孔に挿入されている。このため、固定子コイル１６から生じる熱は、固定子鉄心１５に直接的に伝達される。

そこで、本実施形態による冷却装置５０は、接続孔５１と供給孔５２とを設けることにより、冷却液タンク３３の貯留室３４に貯留されている冷却オイル３５を図３に矢印Ａにて示すように直接的に固定子鉄心１５に供給する。これにより、固定子鉄心１５の冷却が促進され、回転電機１１の発熱を効率よく抑制することができる。したがって、回転電機１１の特性を維持することができる。

また、本実施形態による冷却装置５０は、固定子１３の全長において最も熱が籠もりやすいと想定される軸方向の中央部に接続孔５１を設けている。このため、より効率的に固定子鉄心１５を冷却することができる。
なお、本実施形態による冷却装置５０は、第１の実施形態と同様に、回転電機１１からの放熱を促すことにより回転電機１１の特性を維持することができる、あるいは、冷却装置５０の設置スペースを低減できるなどの効果を得られることは勿論である。

（第３の実施形態）
次に第３の実施形態による冷却装置について図４および図５を参照して説明する。
第３の実施形態による冷却装置は、接続孔の構成と冷却液タンクに放熱部材を設けている点とが第２の実施形態と異なっている。なお、回転電機の構成は、第２の実施の形態とほぼ同一であるため、詳細な説明は省略する。
図４に示すように、第３の実施形態の冷却装置６０は、固定子鉄心１５の上方において、軸方向に複数の接続孔６１を有している。これにより、固定子鉄心１５の軸方向の全域に亘って図４に矢印Ａにて示すように均等に冷却オイル３５が供給される。したがって、固定子鉄心１５の全体を冷却することができ、回転電機１１の発熱を抑制することができる。

また、本実施形態による冷却装置６０は、その蓋部３０に放熱部材としての放熱器６２が取り付けられている。この放熱器６２は、複数の放熱フィン６３を有している。これにより、冷却液タンク３３の見かけ上の表面積が増加し、冷却液タンク３３からの放熱が促進される。換言すると、冷却液タンク３３の貯留室３４に貯留されている冷却オイル３５の放熱が促進される。その結果、温度が低下した冷却オイル３５は、回転電機１１から発生する熱をさらに吸収することになる。したがって、回転電機１１の冷却を促進することができる。なお、放熱フィン６３を蓋部３０と一体に形成し、蓋部３０そのものが冷却器として機能するようにしてもよい。

この場合、図５に示すように、冷却液タンク３３の壁部３１に放熱器７０を設けてもよい。図５の場合、放熱器７０の放熱フィン７１は、冷却液タンク３３の壁部３１と一体に形成されている。回転電機１１を設置する場合、少なくとも回転電機１１の直径に相当する設置スペースは確保されていることが想定される。そのため、放熱器７０の放熱フィン７１を冷却液タンク３３の壁部３１に設けることにより、回転電機１１の幅と同程度の大きさまで大きく形成できる。換言すると、放熱器７０を回転電機１１の幅と同程度まで大きく形成したとしても、予め確保されている設置スペース内に収まり、設置スペースの増加を招くことがない。なお、放熱フィン７１を壁部３１と別体に形成してもよい。

（その他の実施形態）
回転電機１１は、各実施形態で例示した埋込磁石型電動機だけでなく、表面磁石型電動機（ＳＰＭモータ）であってもよい。
各実施形態の接続孔を組み合わせてもよい。すなわち、冷却液タンク３３の底部３２に、図１に示すようにコイルエンド１７の上方に接続孔３６を設けるとともに、図３に示すように固定子鉄心１５の上方に接続孔５１を設けてもよい。これにより、固定子１３全体の冷却を促進することができる。この場合、図４にて示す第３の実施形態のように、軸方向に複数の接続孔６１を設けてもよい。

第３の実施形態における放熱器６２と放熱器７０とを共に設けてもよい。勿論、それらを個別に、あるいは共に、第１の実施形態の冷却装置１０や第２の実施形態の冷却装置５０に適用してもよい。
各実施形態では説明の簡略化のため補給管部４１および排出管部４４を水平に設けた例を示したが、補給管部４１を若干上方に向けて配置し、排出管部４４を若干下方に向けて配置してもよい。すなわち、貯留室３４から補給管部４１への冷却オイル３５の逆流と、排出管部４４から冷却液溜まり４２への冷却オイル３５の逆流とを防止するようにしてもよい。この場合、設置スペースの増大を招かないように、補給管部４１を冷却液タンク３３の蓋部３０よりも上方に突出しない程度、また、排出管部４４を回転電機１１の再下端部よりも下方に突出しない程度にすることが望ましい。或いは、補給口３９の位置を貯留室３４に上限量の冷却オイル３５が貯留されたときの上限水位よりも上方に設けたり、排出口４３を冷却液溜まり４２の最下端部に設けてもよい。

第１および第２の実施形態では、各接続孔から冷却オイル３５を自重により均等に供給する例を示したが、不均等に供給するようにしてもよい。すなわち、冷却オイル３５の供給量を調整する接続孔の大きさは、固定子鉄心１５やコイルエンド１７の発熱状況に応じて適宜設定すればよい。例えば第１の実施形態では、接続孔３６の大きさを変えることにより、冷却オイル３５の供給量を変更することができる。したがって、コイルエンド１７において特に発熱が大きい部位に対応する接続孔３６や供給孔３７の大きさを大きくすることにより、効率的な冷却を行うことができる。あるいは、第２の実施形態において、熱が籠もりやすいと想定される固定子鉄心１５の軸方向の中央部に位置する接続孔５１を大きくしてもよい。また、図２や図４に示す固定子鉄心１５の周方向に配置される接続孔を、それぞれ異なる大きさにしてもよい。

接続孔の大きさは、適宜設定すればよい。例えば、コイルエンド１７は一般的にワニスを含浸させているものの、隙間が生じることがある。そのため、コイルエンド１７に供給された冷却オイル３５は、コイルエンド１７の表面を流れる場合と、コイルエンド１７の内側に浸潤する場合とが存在する。このため、例えば図２に例示した接続孔５１の場合、どの接続孔５１をどの程度の大きさにするかは、回転電機１１の仕様などに応じて適宜選択あるいは試行して設定すればよい。

冷却液タンク３３の底部３２を水平な平面形状に形成したが、これに限定されない。例えば、底部３２に凹凸を設けたり、曲面状に形成したりしてもよい。
以上説明したように、少なくともひとつの実施形態によれば、筐体内に固定子鉄心および固定子コイルを有する固定子と回転軸部材を有する回転子とを備えた回転電機に対し、冷却オイルを貯留する貯留室を有する冷却液タンクを、少なくとも固定子の軸方向の全長よりも長く形成し、回転電機が設置された状態において固定子の重力方向の上側に設けている。また、冷却液タンクの底部に、貯留室と、固定子が設けられている筐体内の空間とを接続する接続孔を設けている。これにより、回転電機を冷却するための配管部材などが不要となる。したがって、冷却装置を設置するために必要な設置スペースの増大を抑制しつつ、回転電機の特性を維持することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

図面中、１０、５０、６０は冷却装置（回転電機の冷却装置）、１１は回転電機、１２は筐体、１３は固定子、１４は回転子、１５は固定子鉄心、１６は固定子コイル、１７はコイルエンド、１８は回転子鉄心、１９は回転軸部材、３２は底部、３３は冷却液タンク、３４は貯留室、３５は冷却オイル（冷却液）、３６、５１、６１は接続孔、３８は空間（筐体内の空間）、６２、７０は放熱器（放熱部材）を示す。

Claims (3)

1. 筒状の筐体と、
   前記筐体内に設けられ、内周側に複数のコイル挿入溝が形成された円筒状の固定子鉄心および前記コイル挿入溝に挿入された固定子コイルを有する固定子と、
   前記回転子の内周側に設けられ、前記筐体と同軸に設けられている回転軸部材を有する回転子と、を備えた回転電機を冷却する回転電機の冷却装置であって、
   冷却液を貯留する貯留室を形成する壁部、および前記壁部とともに前記貯留室を形成する水平な底部を有する冷却液タンクを備え、
   前記冷却液タンクは、少なくとも前記固定子の軸方向の全長よりも長く形成され、前記回転電機が設置された状態において前記固定子の重力方向の上側に設けられ、
   前記水平な底部は、前記貯留室と前記固定子が設けられている前記筐体内の空間に開口する供給孔とを重力方向に沿って接続する接続孔が、前記固定子の軸方向の両端部に形成されるコイルエンドの上方に、当該コイルエンドの軸方向に沿って長く形成された溝状で、当該コイルエンドの周方向に沿って複数設けられていることを特徴とする回転電機の冷却装置。
2. 前記水平な底部は、前記固定子の上方に前記接続孔を有することを特徴とする請求項１記載の回転電機の冷却装置。
3. 前記冷却液タンクに取り付けられ、または、前記冷却液タンクと一体に形成され、前記冷却液タンクの熱を放出する放熱部材をさらに備えることを特徴とする請求項１または２記載の回転電機の冷却装置。
   

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