JP5850327B2 - 車両用回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、乗用車やトラック等に搭載される車両用回転電機に関する。

従来から、ダイオードの負極側素子をハウジングに埋め込み、ハウジング内に冷却水を循環させることでこの負極側素子や固定子を冷却するようにした回転電機が知られている（例えば、特許文献１参照。）。この回転電機では、２つのハウジングを組み合わせることで、固定子の外周面と並行して周方向に沿って配置された冷却通路が形成されている。

また、環状水路の間に軸方向に延在する流路を周方向に沿って複数配置し、流入口から流出口までつづら折りに流路を形成した液冷式回転電機が知られている（例えば、特許文献２参照。）。この液冷式回転電機では、固定子の全周を覆うように冷却液の流路を形成することにより、固定子全体を均一に冷却することができる。

さらに、円筒状のモータケーシングとその軸方向両端のそれぞれに配置された２つの円盤状のモータケーシングとを組み合わせ、流入口と流出口のそれぞれに対応するように環状流路を設けるとともに環状流路内に堰き止め部を設け、さらに環状流路同士を結ぶ複数の連結流路を設けることにより、冷却の均一性を高め、かつ冷却液の圧損を低減するようにした液冷モータが知られている（例えば、特許文献３参照。）。

特開２００７−２０２２３４号公報 特開平７−３２２５６７号公報 特開２０１０−１１９２６５号公報

ところで、上述した特許文献１に開示された回転電機では、固定子の外周面全体を覆うように横断面が比較的大きい冷却通路が用いられており、この冷却流路に冷却水が流入する際に流路断面が急に拡張するため、流入した冷却水が主流と分流とに別れて固定子全体に沿う流れとはならず、冷却効率が悪いという問題があった。また、特許文献１の構成では、ハウジングに埋め込まれたダイオードの負極側素子を冷却しているが、この負極側素子が埋め込まれたハウジングの面（冷却面）は、別のハウジングの一部を介して冷却流路に接しており、この点でも冷却効率が悪いといえる。

また、上述した特許文献２に開示された液冷式回転電機では、環状水路間を１８０度向きを変えながら複数回往復して蛇行させて冷却液の流路が形成されているため、圧損が大きいという問題があった。圧損が大きくなると、この大きな圧損に応じた容量の高価なポンプが必要になり、冷却系統を含む製品全体のコストが増加する。

さらに、上述した特許文献３に開示された液冷モータでは、３つのモータケーシングを組み合わせることで冷却液の流路を形成しているため、これらの連結部分における液漏れを防止するためにシール箇所が少なくとも４箇所必要になり、シール箇所の数が多いためにシール性不良になるおそれがあって信頼性が低くなるという問題があった。また、環状流路同士を結ぶ複数の連結流路は、所定の間隔で配置されており、周方向に沿って部分的に配置されているだけであるため、連結流路が存在しない部分の冷却効率が悪いという問題があった。また、隔たった位置に配置された２つの環状流路のそれぞれに冷却液の流入口と流出口とが分散して配置されているため、これらに対応して別々に吸水管と配水管を取り付ける必要があり、他の部品と干渉しやすくなって搭載性が悪いという問題があった。なお、これらの点は、特許文献２に開示された液冷式回転電機についても同様である。

本発明は、このような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、冷却水を用いて効率よく冷却することができる車両用回転電機を提供することにある。また、本発明の他の目的は、冷却水の圧損を低減することができる車両用回転電機を提供することにある。さらに、本発明の他の目的は、信頼性の低下防止や搭載性向上が可能な車両用回転電機を提供することである。

上述した課題を解決するために、本発明の車両用回転電機は、固定子鉄心を有する固定子と、固定子鉄心を保持するフレームセンター部とを有する車両用回転電機において、フレームセンター部は、固定子鉄心の外周面と並行して周方向に沿って配置された冷却水路を有し、冷却水路には、一端に設けられた流入口と他端に設けられた流出口との間に、冷却水を周方向に複数に分流させる開口部を有する整流部が設けられている。
また、開口部は、複数の通水穴を有する。さらに、冷却水路の周方向に沿った数カ所に設けられた整流部の間隔を不等間隔にすること、開口部としての複数の通水穴として任意形状を組み合わせること、開口部としての複数の通水穴の配置間隔を不均等にすること、の少なくとも１つを有している。

周方向に配置された冷却水路内において冷却水を整流部を用いて複数に分流させることにより、主流と分流とに分かれることなく冷却水全体を周方向に流すことができ、冷却水を用いて効率よく冷却することができる。また、周方向に流路が配置された冷却水路を用いることにより、固定子鉄心全体を冷却することができる。さらに、冷却水を整流部を用いて複数に分流させているため、流路断面を急激に減少させることもなく、冷却水路を蛇行させる必要もないため、圧損を低減することができる。

また、上述した整流部は、フレームセンター部とは別部材で形成されていることが望ましい。これにより、整流部の製造が容易となり、製造工数を低減することができる。

また、上述した開口部が複数の通水穴を有することにより、冷却水の必要流量を確保することができるとともに、確実に圧損を低減することが可能となる。

また、上述した流入口と流出口は隣接して配置されていることが望ましい。これにより、給水管と配水管を１箇所にまとめて配置することが可能となり、車両に搭載する場合の搭載性を向上させることができる。

また、上述した整流部は、固定子鉄心の中心軸に沿った方向およびこの中心軸を中心とした径方向の少なくとも一方に対して、０°以外の所定の角度をなして配置されていることが望ましい。これにより、温度が高い特定の冷却面に冷却水を効率よく当てて冷却性をさらに向上させることができる。

また、上述したフレームセンター部の軸方向一端側に配置されたフレームリア部あるいはフレームフロント部をさらに備え、冷却水路は、フレームセンター部の軸方向一端側に開放している凹部の開放端部を、フレームリア部あるいはフレームフロント部によって閉塞することにより形成することが望ましい。これにより、フレームセンター部の凹部の軸方向一端側を閉塞することで冷却水路を構成することが可能となり、連結部分における液漏れを防止するためのシール箇所が２箇所で済むため、シール箇所の数が少なくシール性を確保することが容易であって信頼性の低下を防止することができる。

また、上述した開放端部の径方向幅が、凹部のそれ以外の部位の径方向幅よりも拡大していることが望ましい。特に、上述したそれ以外の部位から開放端部に向けて径方向幅が徐々に拡大していることが望ましい。冷却水路に抜き勾配を設けることにより、フレームセンター部の型を用いた製造が容易となり、製造工数の低減が可能となる。

また、上述した整流部は、耐錆性および耐腐食性を有する材質によって形成されていることが望ましい。これにより、整流部の破損による流路の急変を防止し、冷却面の冷却に必要な流量を維持することが可能となる。

一実施形態の車両用回転電機の全体構成を示す図である。 センター部とリア部によって形成される冷却水路の説明図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線拡大断面図である。 変形例の冷却水路を形成する凹部と整流部の詳細形状を示す部分断面図である。 図４に示した整流部の変形例を示す図である。

以下、本発明を適用した一実施形態の車両用回転電機について、図面を参照しながら説明する。図１は、一実施形態の車両用回転電機の全体構成を示す図である。図１に示す車両用回転電機１００は、フレーム１、固定子２、回転子３、電力変換器４、ブラシ装置５、制御装置６、回転センサ７、リアカバー８、プーリ９等を含んで構成されている。

フレーム１は、回転子３と固定子２を保持するためのものであり、リア部１Ａ、センター部１Ｂ、フロント部１Ｃの３つの分割部位によって構成されている。センター部１Ｂは、固定子２を内包する筒状部材であり、内部に冷却水路１１を構成する凹部１１Ａを有する。リア部１Ａは、センター部１Ｂの一方の軸方向端部であるリア側（反プーリ側）を塞ぐ円盤状部材である。冷却水路１１は、センター部１Ｂの一方の軸方向端部において開口し、この開口部の両側に気密性維持のためのＯリング１２が配置されており、これらのＯリング１２に当接するようにリア部１Ａを取り付けて凹部１１Ａの開口面を閉塞することにより冷却水路１１が形成される。また、リア部１Ａは、センター部１Ｂと反対側の軸方向端面に電力変換器４が取り付けられているとともに、内径寄りに冷却風をフレーム１内部に導入するための複数個の吸入窓１３が設けられている。

図２は、センター部１Ｂとリア部１Ａによって形成される冷却水路１１の説明図である。図２に示すように、冷却水路１１は、横断面がＣ字形状を有しており、その一方端に対応するリア部１Ａの一部に冷却水の流入口１１Ｂが、他方端に対応するリア部１Ａの一部に冷却水の流出口１１Ｃが設けられている。流入口１１Ｂと流出口１１Ｃは、隣接して配置されている。また、これらの流入口１１Ｂおよび流出口１１Ｃのそれぞれには、冷却水用配管１１Ｄ（図１）が接続されて冷却液の供給および排出が行われる。さらに、冷却水路１１には、流入口１１Ｂと流出口１１Ｃとの間に、冷却水を周方向に複数に分流させる開口部を有する整流部１１Ｅが設けられている。このような冷却水路１１に冷却水を流すことにより、フレーム１が冷却される。

フロント部１Ｃは、センター部１Ｂの他方の軸方向端部であるフロント側（プーリ側）を塞ぐ円盤状部材であり、回転子３を挟んでリア部１Ａと反対側に位置している。フロント部１Ｃには、外径側に冷却風をフレーム１の外部に排出するための複数の排出窓１４が形成されている。

固定子２は、回転子３と対向配置されており、固定子鉄心２１およびこの固定子鉄心２１に巻回された固定子巻線２２とを有する。例えば、固定子巻線２２は、断面が四角形形状を有するＵ字状の導体セグメントを固定子鉄心２１の一方の軸方向端面側から固定子鉄心２１の各スロットに挿通し、スロットから各導体セグメントの飛び出し端部を固定子鉄心２１の他方の軸方向端面側に必要な長さだけ突出させ、各導体セグメントの飛び出し端部を周方向にそれぞれ捻り、各導体セグメントの飛び出し端部の先端部（接合部）を所定の組み合わせで溶接によって接合することにより構成されている。このようにして、直線部とターン部とを有するＵ字状の導体セグメントを溶接にて複数本直列接続することにより多相巻線（例えば三相巻線）としての固定子巻線２２が形成されている。

回転子３は、界磁極としてのポールコア３１、３２と、これらを磁化させる界磁巻線３３と、回転軸３４と、周方向に隣接するポールコア３１、３２の各爪状磁極部の間に配置されてこれらの間に生じる漏れ磁束を低減する永久磁石３５と、ポールコア３１、３２のそれぞれの軸方向端面に取り付けられた冷却ファン３６、３７とを備えている。なお、永久磁石３５は、必要性能に合わせて、有無を含めて、適宜、個数を選択してもよい。また、吸入窓１３側の冷却ファン３７をフロント部１Ｃの方向へ冷却風を押し込む羽根形状とし、排出窓１４側の冷却ファン３６を遠心方向へ冷却風を排出する羽根形状とすることによって、冷却風量を増やして、界磁巻線３３や永久磁石３５の冷却性を向上させることができる。この回転子３は、フレーム１のセンター部１Ｂおよびフロント部１Ｃのそれぞれに設けられたベアリングボックスに収納される一対のベアリングにより回転自在に保持されている。また、回転軸３４の前端にはプーリ９がナットにより結合されている。さらに、フレーム１のリア部１Ａの外側に位置する回転軸３４の後端には、界磁巻線３３の両端のそれぞれに接続された一対のスリップリングが設けられている。これらのスリップリングには、ブラシ装置５に備わった一対のブラシが摺動可能な状態で接触しており、制御装置６から励磁電流が供給される。

電力変換器４は、固定子巻線２２に接続されて、固定子巻線２２に誘起された交流起電力を直流に変換する動作（発電動作時）と、車両に搭載されたバッテリ（図示せず）に蓄積された直流電力を交流に変換して固定子巻線２２に供給する動作（電動動作時）の少なくとも一方を行う。電力変換器４は、固定子巻線２２のそれぞれの相巻線に接続された一対の負極側素子４０および正極側素子４２を複数組備えている。本実施形態では、負極側素子４０および正極側素子４２のそれぞれは、フレーム側端部がフレーム１のリア部１Ａの軸方向端面に放熱部材４９を介して接触しており、反フレーム側端部が冷却風の通風路Ｗに露出するように取り付けられている。

制御装置６は、ブラシ装置５を介して回転子３の界磁巻線３３に供給する励磁電流を制御するとともに、電力変換器４に備わった負極側素子４０および正極側素子４２のオンオフ制御を行う。回転センサ７は、回転子３の位置を検出する。制御装置６では、電動動作時にこの検出結果に基づいて負極側素子４０および正極側素子４２のオンオフ制御が行われる。

リアカバー８は、ブラシ装置５、電力変換器４、制御装置６、回転センサ７等の電気部品を覆ってこれらを異物から保護する。このリアカバー８は、負極側素子４０および正極側素子４２のそれぞれの反フレーム側端部の外径側に、通風路Ｗの一方端となる吸入窓８０を有する。

図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線拡大断面図であり、冷却水路１１を形成する凹部１１Ａと整流部１１Ｅの詳細形状が示されている。図３に示すように、センター部１Ｂに形成された凹部１１Ａは、軸方向一端側に開放しているとともに、この開放端部の径方向幅ｗ１が冷却水路１１のそれ以外の部位の径方向幅ｗ２よりも拡大している。具体的には、それ以外の部位から開放端部に向けて径方向幅がｗ２からｗ１に向けて徐々に（テーパ状に）拡大している。また、この凹部１１Ａは、固定子鉄心２１の外周面全体を覆うことができるように軸方向の深さが設定されている。

整流部１１Ｅは、冷却水路１１の周方向に沿った数カ所に設けられている。図２に示す例では、等間隔で５箇所に整流部１１Ｅが設けられているが、整流部１１Ｅの間隔を不等間隔にしたり、５以外の数にしてもよい。それぞれの整流部１１Ｅは、凹部１１Ａの横断面と同じ形状を有しており、複数の通水穴１１Ｆからなる開口部を有する。図３に示す例では、円形（一部は長穴）の複数の通水穴１１Ｆが等間隔に設けられている。また、整流部１１Ｅは、センター部１Ｂとは別部材で形成されている。具体的には、耐錆性および耐腐食性を有する材質（例えば、樹脂材や金属メッキ処理を施した金属材料）を用いた別部材によって整流部１１Ｅが形成されている。なお、センター部１Ｂと同じ材質の材料（例えば、アルミニウム）でこの整流部１１Ｅを形成するようにしてもよい。また、冷却水路１１に対する整流部１１Ｅの取り付け方法としては、圧入したり、かしめたり、接着材を用いて固定したり、冷却水路１１の内外周面の対応位置に凹部を設けてこの凹部に挿入するなどの方法が考えられる。

このように、本実施形態の車両用回転電機１００では、周方向に配置された冷却水路１１内において冷却水を整流部１１Ｅを用いて複数に分流させることにより、主流と分流とに分かれることなく冷却水全体を周方向に流すことができ（図２では冷却水の流れが矢印で示されている）、冷却水を用いて効率よく冷却することができる。また、周方向に流路が配置された冷却水路１１を用いることにより、固定子鉄心２１全体を冷却することができる。さらに、冷却水を整流部１１Ｅを用いて複数に分流させているため、流路断面を急激に減少させることもなく、冷却水路１１を蛇行させる必要もないため、圧損を低減することができる。

また、整流部１１Ｅをセンター部１Ｂとは別部材で形成することにより、整流部１１Ｅの製造が容易となり、製造工数を低減することができる。特に、整流部１１Ｅを、耐錆性および耐腐食性を有する材質によって形成することにより、整流部１１Ｅの破損による流路の急変を防止し、冷却面の冷却に必要な流量を維持することが可能となる。

また、整流部１１Ｅの開口部を複数の通水穴１１Ｆによって構成しているため、冷却水の必要流量を確保することができるとともに、確実に圧損を低減することが可能となる。また、流入口１１Ｂと流出口１１Ｃを隣接配置することにより、給水管（給水用の冷却水用配管１１Ｄ）と配水管（排水用の冷却水用配管１１Ｄ）を１箇所にまとめて配置することが可能となり、隔たった位置に別々に配置する場合に比べて、車両に搭載する場合の搭載性を向上させることができる。

また、センター部１Ｂの軸方向一端側に開放している凹部１１Ａの開放端部を、リア部１Ａ（あるいはフロント部１Ｃでもよい）によって閉塞することにより冷却水路１１を形成しており、凹部１１Ａの軸方向一端側を閉塞することで冷却水路１１を構成することが可能となる。したがって、これらの連結部分における液漏れを防止するためにシール箇所（Ｏリング１２）が２箇所で済むため、シール箇所の数が少なくシール性を確保することが容易であって信頼性の低下を防止することができる。

また、凹部１１Ａの開放端部の径方向幅ｗ１を、凹部１１Ａのそれ以外の部位の径方向幅ｗ２よりも拡大させて冷却水路１１に抜き勾配を設けているため、センター部１Ｂの型を用いた製造（例えば、アルミダイカストによる製造）が容易となり、製造工数の低減が可能となる。また、凹部１１Ａの開放端部の径方向幅ｗ１を拡大することにより、負極側素子４０および正極側素子４２が取り付けられたリア部１Ａの表面を冷却水で直接冷却するとともに、冷却水で冷却する面積を拡大することができるため、リア部１Ａを介して負極側素子４０および正極側素子４２を効率よく冷却することが可能となる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形実施が可能である。例えば、上述した実施形態では、凹部１１Ａの開放端部の径方向幅ｗ１がそれ以外の部位の径方向幅ｗ２よりも拡大している冷却水路１１について説明したが、凹部の全体について径方向幅が一定の冷却水路を用いるようにしてもよい。

図４は、変形例の冷却水路を形成する凹部１１Ａ’と整流部１１Ｅ’の詳細形状を示す部分断面図である。図４に示すように、センター部１Ｂ’に形成された凹部１１Ａ’は、軸方向一端側に開放しているとともに、全体が一定の径方向幅を有している。また、整流部１１Ｅ’は、整流部１１Ｅと同様に、冷却水路１１’の周方向に沿った数カ所に設けられている。それぞれの整流部１１Ｅ’は、凹部１１Ａ’の横断面と同じ形状を有しており、複数の通水穴１１Ｆ’からなる開口部を有する。図４に示す例では、円形の複数の通水穴１１Ｆ’が等間隔に設けられている。

図５は、図４に示した整流部１１Ｅ’の変形例を示す図である。図４では、等間隔に配置され、形状が円形の通水穴１１Ｆ’を示したが、四角形形状（図５（Ａ））、大きさが不均一（図５（Ｂ））、長穴形状（図５（Ｃ））、任意形状の組み合わせ（図５（Ｄ））、配置間隔が不均等（図５（Ｅ））、ジグザグに配置（図５（Ｆ））、任意形状と不均等間隔の組み合わせ（図５（Ｇ））など変形例が考えられる。整流部１１Ｅ’を平板状とするのではなく、また、図５（Ｈ）に示すように、パイプ状の部材に通水穴１１Ｆ’を形成するようにしてもよい。なお、図５に示した変形例は、図４に示した整流部１１Ｅ’に対するものであるが、図３に示した整流部１１Ｅに対しても図５に示した変形例を適用してもよい。

また、上述した実施形態では、回転軸３４（固定子鉄心２１の中心軸）に沿った方向（回転軸３４と平行な向き）であって、回転軸３４を中心とした径方向と一致するように板状の整流部１１Ｅ、１１Ｅ’の向きを設定したが、少なくとも一方について０°以外の所定の角度をなすように整流部１１Ｅ、１１Ｅ’の設置角度を設定するようにしてもよい。例えば、回転軸３４を中心とした径方向に対して、０°以外の所定の角度をなすように整流部１１Ｅ、１１Ｅ’を取り付けることにより、開口部の各通水穴１１Ｆ、１１Ｆ’を通った直後の冷却水の向きを周方向から内径側あるいは外径側に向けてずらすことができる。したがって、固定子鉄心２１の外周面側に配置されて高い温度となる冷却水路１１、１１’の内周側の側面に冷却水を押し当てることができ、温度が高い冷却面を効率よく冷却することができる。一方、回転軸３４に沿った向きと非平行となるように整流部１１Ｅ、１１Ｅ’を取り付けることにより、開口部の各通水穴１１Ｆ、１１Ｆ’を通った直後の冷却水の向きを周方向からリア側あるいはフロント側に向けてずらすことができる。したがって、負極側素子４０や正極側素子４２が取り付けられて高い温度となる冷却水路１１、１１’のリア側の面（リア部１Ａの表面）に冷却水を押し当てることができ、温度が高い冷却面を効率よく冷却することができる。

また、上述した実施形態では、リア部１Ａに流入口１１Ｂと流出口１１Ｃを設けたが、フロント部１Ｃにこれらを設けるようにしてもよい。また、上述した実施形態では、発電動作と電動動作の両方を行うことが可能な車両用回転電機について説明したが、いずれか一方の動作のみを行う車両用回転電機についても本発明を適用することができる。また、上述した実施形態では、リア部１Ａ、センター部１Ｂ、フロント部１Ｃによってフレーム１を構成したが、センター部１Ｂとフロント部１Ｃを一体成形するようにしてもよい。

上述したように、本発明によれば、周方向に配置された冷却水路内において冷却水を整流部を用いて複数に分流させることにより、主流と分流とに分かれることなく冷却水全体を周方向に流すことができ、冷却水を用いて効率よく冷却することができる。

１ フレーム
１Ａ リア部
１Ｂ センター部
１Ｃ フロント部
２ 固定子
３ 回転子
４ 電力変換器
８ リアカバー
１１ 冷却水路
１１Ａ 凹部
１１Ｂ 流入口
１１Ｃ 流出口
１１Ｅ 整流部
１１Ｆ 通水穴
２１ 固定子鉄心
１００ 車両用回転電機

Claims (8)

1. 固定子鉄心を有する固定子と、前記固定子鉄心を保持するフレームセンター部とを有する車両用回転電機において、
   前記フレームセンター部は、前記固定子鉄心の外周面と並行して周方向に沿って配置された冷却水路を有し、
   前記冷却水路には、一端に設けられた流入口と他端に設けられた流出口との間に、冷却水を周方向に複数に分流させる開口部を有する整流部が設けられており、
   前記開口部は、複数の通水穴を有し、
   前記冷却水路の周方向に沿った数カ所に設けられた前記整流部の間隔を不等間隔にすること、前記開口部としての前記複数の通水穴として任意形状を組み合わせること、前記開口部としての前記複数の通水穴の配置間隔を不均等にすること、の少なくとも１つを有することを特徴とする車両用回転電機。
2. 請求項１において、
   前記整流部は、前記フレームセンター部とは別部材で形成されていることを特徴とする車両用回転電機。
3. 請求項１または２において、
   前記流入口と前記流出口は隣接して配置されていることを特徴とする車両用回転電機。
4. 請求項１〜３のいずれかにおいて、
   前記整流部は、前記固定子鉄心の中心軸に沿った方向およびこの中心軸を中心とした径方向の少なくとも一方に対して、０°以外の所定の角度をなして配置されていることを特徴とする車両用回転電機。
5. 請求項１〜４のいずれかにおいて、
   前記フレームセンター部の軸方向一端側に配置されたフレームリア部あるいはフレームフロント部をさらに備え、
   前記冷却水路は、前記フレームセンター部の軸方向一端側に開放している凹部の開放端部を、前記フレームリア部あるいは前記フレームフロント部によって閉塞することにより形成することを特徴とする車両用回転電機。
6. 請求項５において、
   前記開放端部の径方向幅が、前記凹部のそれ以外の部位の径方向幅よりも拡大していることを特徴とする車両用回転電機。
7. 請求項６において、
   前記それ以外の部位から前記開放端部に向けて径方向幅が徐々に拡大していることを特徴とする車両用回転電機。
8. 請求項２において、
   前記整流部は、耐錆性および耐腐食性を有する材質によって形成されていることを特徴とする車両用回転電機。

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