JP6137552B2

JP6137552B2 - 回転電機

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Publication number: JP6137552B2
Application number: JP2014140236A
Authority: JP
Inventors: 俊博武井
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2014-07-08
Filing date: 2014-07-08
Publication date: 2017-05-31
Anticipated expiration: 2034-07-08
Also published as: JP2016019349A; US10263498B2; US20160013705A1

Description

本発明は、例えば車両に搭載されて電動機や発電機として使用される回転電機に関する。

車両において電動機や発電機として使用される回転電機は、回転子と、この回転子と径方向に対向して配置される固定子コア、及びこの固定子コアに巻装された固定子巻線を有する固定子とを備えている。そして、このような回転電機では、固定子巻線に電流が流れると固定子巻線が発熱し、固定子の温度が上昇する。そのため、固定子が所定温度以上に上昇すると、例えば固定子を構成する部品の一部が熱により損傷する恐れがある。

そこで、特許文献１に開示されているように、温度検出素子を固定子に設置して、固定子の温度を検出することが公知である。特許文献１では、温度検出素子のセンサ部が金属部材の伝熱部に覆われるように取り付けて、伝熱部に伝達された熱をセンサ部の周囲からセンサ部に速やかに伝導するようにし、応答速度を高めるようにしている。そして、固定子の温度が上昇し、温度検出素子の検出温度が所定温度に到達すると、例えば電動機では、固定子巻線に供給する電流を遮断して、固定子の温度上昇を防止するようにしている。

また、固定子を冷却する方法として、固定子コアの軸方向両端面から外部に突出した固定子巻線のコイルエンド部に液体冷媒を滴下して冷却する冷却装置を用いることも公知である。

特開２００８−１３１７７５号公報

ところで、液体冷媒で冷却する冷却装置を採用した回転電機においては、固定子巻線のコイルエンド部に滴下された液体冷媒が温度検出素子に掛かると、温度検出素子は固定子巻線の温度ではなく、液体冷媒の温度を検出してしまう。そのため、固定子巻線の実際の温度と温度検出素子の検出温度との間に誤差が生じる。しかし、固定子の構成部品の熱による損傷を防止するためには、使用限界温度よりその誤差分低い温度を検出したときに、固定子巻線の発熱を抑制する必要があるため、その誤差が大きくなると回転電機の性能を十分に発揮することができない。

なお、温度検出素子に液体冷媒が掛からないようにするために、冷媒ガイド部材等を設けることが考えられる。しかし、冷媒ガイド部材を設けると、その分部品コストや組み付けコストの増大を招いたり、その分の配置スペースが必要になるため体格の大型化を招いたりする。また、冷媒ガイド部材が回転電機のハウジング等に取り付けられることから、振動により破損する要因を増やし、信頼性確認のために多大な労力が必要となる。さらには、冷媒ガイド部材が異相巻線との沿面距離を短縮させてしまうため、絶縁性能の低下を招くこととなる。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、液体冷媒が温度検出素子に掛からないようにして、固定子巻線の温度をより高精度に検出し得るようにした回転電機を提供することを解決すべき課題とするものである。

上記課題を解決するためになされた本発明は、
回転子（１４）と、前記回転子と径方向に対向して配置された固定子コア（３０）、及び、前記固定子コアに巻装された固定子巻線（４０）を有する固定子（２０）と、前記固定子巻線に設置された温度検出素子と、前記固定子巻線のコイルエンド部（４７，４８）に液体冷媒を滴下して冷却する冷却装置と、を備えた回転電機において、
前記固定子巻線は、外部装置と電気的に接続される複数の入出力線を有し、前記入出力線のうちの少なくとも１本が前記温度検出素子の鉛直上方に配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、固定子巻線は、外部装置と接続される複数の入出力線を有し、入出力線のうちの少なくとも１本が温度検出素子の鉛直上方に配置されている。これにより、固定子巻線のコイルエンド部に滴下された液体冷媒が温度検出素子に掛からなくなるので、固定子巻線の温度をより高精度に検出することができる。

なお、この欄及び特許請求の範囲で記載された各部材や部位の後の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的な部材や部位との対応関係を示すものであり、特許請求の範囲に記載された各請求項の構成に何ら影響を及ぼすものではない。

実施形態１に係る回転電機の軸方向に沿う断面図である。実施形態１に係る固定子全体の斜視図である。実施形態１において固定子コアのスロットに導体セグメントを挿入する状態を示す説明図である。実施形態１に係る固定子の一部を拡大して示す部分斜視図である。実施形態１に係る固定子の一部を軸方向から見た部分正面図である。図５のVI−VI線矢視断面図である。

以下、本発明に係る回転電機の実施形態について図面を参照して具体的に説明する。

〔実施形態１〕
本実施形態の回転電機１は、車両用モータ（電動機）として用いられるものであって、図１に示すように、有底筒状の一対のハウジング部材１０ａ，１０ｂが開口部同士で接合されてなるハウジング１０と、ハウジング１０に軸受け１１，１２を介して回転自在に支承された回転軸１３に固定された回転子１４と、回転子１４の外側に回転子１４と径方向に対向して配置された固定子２０と、を備えている。

また、この回転電機１には、固定子２０の固定子巻線４０に冷却用の液体冷媒を供給する一対の管路１５、１６を備えた冷媒供給手段が設けられている。管路１５，１６は、ハウジング１０の内部と外部を連通するようにして、ハウジング部材１０ａ，１０ｂにそれぞれ貫通した状態で取り付けられている。各管路１５、１６の先端部には、液体冷媒を吐出する吐出口１５ａ，１６ａが設けられている。吐出口１５ａ，１６ａは、ハウジング１０内に収容された固定子巻線４０の第１及び第２コイルエンド部４７、４８のそれぞれの鉛直上方に開口している。

なお、この回転電機１には、吐出口１５ａ，１６ａから第１及び第２コイルエンド部４７、４８に吐出した液体冷媒を回収して再度吐出口１５ａ，１６ａから吐出するように循環させる回収手段（図示せず）や、加熱された液体冷媒を冷却する冷却器（図示せず）等が循環経路の途中に設けられており、これらの機器により固定子巻線４０（固定子２０）を冷却する冷却装置が構成されている。また、液体冷媒として、本実施形態ではＡＴＦを用いているが、従来の回転電機において使用される公知の液体冷媒を用いてもよい。

回転子１４は、固定子２０の内周側と向き合う外周側に、周方向に所定距離を隔てて配置された複数の永久磁石を有し、これら永久磁石により周方向に極性が交互に異なる複数の磁極が形成されている。回転子１４の磁極の数は、回転電機１の仕様により異なるため限定されるものではない。本実施形態の回転子１４は、１２極（Ｎ極：６、Ｓ極：６）とされている。

次に、固定子２０について図２〜図６を参照して説明する。固定子２０は、図２に示すように、周方向に配列された複数のスロット３１を有する円環状の固定子コア３０と、スロット３１に挿入配置された複数の導体セグメント（導体線）５０の端部同士が固定子コア３０の軸方向一方側で接続されて固定子コア３０に巻装された３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の固定子巻線４０と、を備えている。即ち、本実施形態の固定子巻線４０は、略Ｕ字形状の複数の導体セグメント５０を溶接により所定の状態に接続して固定子コア３０に巻装されているセグメント型のものである。

固定子コア３０は、軸方向に積層固定された複数の電磁鋼板により円環状に形成されている。この固定子コア３０の内周側には、固定子コア３０の内周面に開口し軸方向に貫通する複数のスロット３１が周方向に等間隔に配列されている。固定子コア３０に形成されたスロット３１の数は、回転子１４の磁極数（１２磁極）に対し、固定子巻線４０の１相あたり２個の割合で形成されている。本実施形態では、１２×３×２＝７２より、スロット数は７２個とされている。

固定子コア３０のスロット３１に巻装された固定子巻線４０は、略Ｕ字形状をなす複数の導体セグメント５０の開放端側の端部同士を溶接で互いに接合することにより構成されている。この導体セグメント５０は、矩形断面の導体と該導体の外周面を被覆する絶縁皮膜とからなる平角導線をＵ字形状に折り曲げることにより形成されている。

略Ｕ字形状に形成された導体セグメント５０は、図３に示すように、互いに平行な一対のストレート部５１，５１と、一対のストレート部５１，５１の一端を互いに連結するターン部５２とからなる。ターン部５２の中央部には、固定子コア３０の端面３０ａに沿って延びる頭頂段部５３が設けられており、頭頂段部５３の両側には、固定子コア３０の端面３０ａに対して所定の角度で傾斜した傾斜部５４が設けられている。なお、符号２４は、固定子コア３０と固定子巻線４０との間を電気絶縁するインシュレータである。

図３には、同一相の隣接する２個のスロット３１Ａ，３１Ｂに挿入配置される２個で一組の導体セグメント５０Ａ，５０Ｂが示されている。この場合、２個の導体セグメント５０Ａ，５０Ｂは、それらの一対のストレート部５１，５１が、同一のスロット３１ではなく、隣接した２個のスロット３１Ａ，３１Ｂに別々に軸方向一端側から挿入される。即ち、図３の右側にある２個の導体セグメント５０Ａ，５０Ｂにおいて、一方の導体セグメント５０Ａは、一方のストレート部５１が一のスロット３１Ａの最外層（第８層）に挿入され、他方のストレート部５１が固定子コア３０の反時計回り方向に向けて１磁極ピッチ（ＮＳ磁極ピッチ）離れた他のスロット（図示せず）の第７層に挿入される。

そして、他方の導体セグメント５０Ｂは、一方のストレート部５１がスロット３１Ａと隣接したスロット３１Ｂの最外層（第８層）に挿入され、他方のストレート部５１が固定子コア３０の反時計回り方向に向けて１磁極ピッチ（ＮＳ磁極ピッチ）離れた他のスロット（図示せず）の第７層に挿入される。即ち、２個の導体セグメント５０Ａ，５０Ｂは、周方向に１スロットピッチずれた状態に配置される。このようにして、全スロット３１に対して偶数本の導体セグメント５０のストレート部５１が挿入配置される。本実施形態の場合には、各スロット３１内に、合計８本のストレート部５１が径方向１列に整列した状態で収容されている。

スロット３１から軸方向他端側へ延出した一対のストレート部５１，５１の開放端部は、固定子コア３０の端面３０ａに対して所定の角度をもって斜めに斜行するように互いに周方向反対側へ捻られて、略半磁極ピッチ分の長さの斜行部（図示せず）が形成されている。そして、固定子コア３０の軸方向他端側において、導体セグメント５０の所定の斜行部の先端部同士が例えば溶接により接合されて所定のパターンで電気的に接続される。即ち、所定の導体セグメント５０が直列に接続されることにより、固定子コア３０のスロット３１に沿って周方向に波巻きにて巻回された３本の相巻線（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）を有する固定子巻線４０が形成される。

なお、固定子巻線４０の各相について、基本となるＵ字形状の導体セグメント５０により、固定子コア３０の周方向に８周する巻線（コイル）が形成される。しかし、固定子巻線４０の各相について、出力用引き出し線（出力線５５ａ，５５ｂ，５５ｃ（図２参照））及び中性点用引き出し線（入力線（図示せず））と接続されたセグメント、並びに１周目と２周目、・・・、７周目と８周目をそれぞれ接続するターン部を有するセグメントは、基本となる導体セグメント５０とは異なる異形セグメント（図示せず）で構成される。これら異形セグメントを用いて、固定子巻線４０の各相の巻線端が星型結線により結線される。

なお、各出力線５５ａ，５５ｂ，５５ｃの先端には、外部装置（図示せず）と電気的に接続される端子部材５６（図２参照）がそれぞれ取り付けられている。これら出力線５５ａ，５５ｂ，５５ｃは、各相巻線と端子部材５６の間に位置する導線のことである。また、入力線（図示せず）についても同じである。

上記のように構成された固定子巻線４０の軸方向一端側には、図２に示すように、固定子コア３０の一端側の端面３０ａから突出した導体セグメント５０の複数のターン部５２が固定子コア３０の径方向に積層されてなる円環状の第１コイルエンド部４７が形成されている。また、固定子巻線４０の軸方向他端側には、固定子コア３０の他端側の端面３０ｂから突出した導体セグメント５０の複数の斜行部及び溶接接合部が固定子コア３０の径方向に積層されてなる円環状の第２コイルエンド部４８が形成されている。

第１コイルエンド部４７には、固定子巻線４０の温度を検出する温度検出素子としてのサーミスタ６０が設置されている。サーミスタ６０は、図４〜図６に示すように、固定子２０の軸方向が水平方向を向くように設置される固定子２０に対して、円環状の第１コイルエンド部４７の下方部（時計の５時の位置）に設置されている。即ち、サーミスタ６０は、第１コイルエンド部４７の最外周側に位置する渡り線（測温対象導線）５０ｃにセンサ部が接触した状態に設置されている。

このサーミスタ６０は、固定子巻線４０に供給される電流をオン・オフ制御する制御部（図示せず）と配線６１を介して電気的に接続されて、検出した固定子巻線４０の温度情報を、制御部に常時送信するようにされている。なお、上記の制御部は、サーミスタ６０から送信される固定子巻線４０の検出温度が所定温度に到達したときに、固定子巻線４０に供給する電流を遮断して、固定子２０の温度上昇を防止するようにされている。

このサーミスタ６０の鉛直上方には、第１コイルエンド部４７に滴下された液体冷媒が直接サーミスタ６０に掛からないようにするために、外部装置と電気的に接続される３本の出力線５５ａ，５５ｂ，５５ｃのうちの１本の出力線５５ａが配置されている。この場合、サーミスタ６０の鉛直上方に配置された出力線５５ａは、図５に示すように、水平方向に対して所定角度θ傾斜して概ねストレート状に延伸している。また、サーミスタ６０の鉛直上方に配置された出力線５５ａとサーミスタ６０は、両者間に所定の隙間Ｓが形成されて、互いに平行となる状態に配置されている。

なお、出力線５５ａとサーミスタ６０との間の隙間Ｓは、傾斜した出力線５５ａに付着した液体冷媒が雫となって出力線５５ａを伝って斜め下方に流動する際に、液体冷媒の雫がサーミスタ６０に接触しない程度の大きさに形成される。

サーミスタ６０の鉛直上方に配置された出力線５５ａは、鉛直上方から見たときにサーミスタ６０の長手方向及び幅方向の全範囲においてサーミスタ６０とオーバラップしている。即ち、当該出力線５５ａは、図５に示すように、サーミスタ６０の長手方向の長さ寸法Ｌ１の全範囲においてオーバラップしている。なお、サーミスタ６０の鉛直上方に配置された出力線５５ａのストレート部は、サーミスタ６０の長手方向の長さ寸法Ｌ１よりも長くされており、サーミスタ６０の長手方向両側に所定長さＬ２，Ｌ３突出している。

また、サーミスタ６０の鉛直上方に配置された出力線５５ａは、図６に示すように、サーミスタ６０の幅寸法Ｗ１の約２．５倍の幅寸法Ｗ２を有し、サーミスタ６０の幅方向の幅寸法Ｗ１の全範囲においてオーバラップしている。この場合、当該出力線５５ａは、サーミスタ６０が設置されている渡り線５０ｃの鉛直上方に配置された渡り線５０ｄに接触した状態に配置されている。これにより、サーミスタ６０は、当該出力線５５ａの幅寸法Ｗ２と渡り線５０ｄの幅寸法Ｗ４を合わせた幅寸法の範囲内に位置するように配置されている。なお、サーミスタ６０の鉛直上方に配置された当該出力線５５ａと渡り線５０ｄは、サーミスタ６０の幅寸法Ｗ１と渡り線５０ｃの幅寸法Ｗ３を合わせた幅寸法の３倍程度の範囲に配置することが好ましい。

次に、上記のように構成された本実施形態の回転電機１の作用について説明する。本実施形態の回転電機１は、固定子２０の固定子巻線４０への通電により運転が開始されると、回転子１４の回転に伴って回転軸１３が回転し、回転軸１３から他の機器に駆動力が供給される。このとき、固定子巻線４０への通電により固定子巻線４０が発熱するため、固定子巻線４０の第１コイルエンド部４７に設置されたサーミスタ６０により、固定子巻線４０の温度が検出され、その検出温度の情報が制御部に常時送信される。また、回転電機１の運転開始と同時に冷却装置が作動し、管路１５，１６の吐出口１５ａ，１６ａから第１及び第２コイルエンド部４７，４８に冷却用の液体冷媒が吐出される。吐出口１５ａ，１６ａから吐出された液体冷媒は、固定子巻線４０の第１及び第２コイルエンド部４７，４８の外周面に上方から滴下される。

第１コイルエンド部４７に滴下された液体冷媒は、第１コイルエンド部４７の導線を伝って下方に流動し、通電により発熱した固定子巻線４０を冷却する。このとき、サーミスタ６０の鉛直上方に、サーミスタ６０の長手方向及び幅方向の全範囲においてオーバラップするように配置された出力線５５ａがカバーとして機能することによって、下方に流動する液体冷媒がサーミスタ６０に直接掛かることがない。

また、出力線５５ａは、水平方向に対して所定角度θ傾斜しているため、出力線５５ａに付着した液体冷媒は、傾斜した出力線５５ａを伝って斜め下方に流動するので、サーミスタ６０に液体冷媒が付着することがない。これにより、発熱した固定子巻線４０の温度をより高精度に検出することが可能となる。さらに、サーミスタ６０の鉛直上方に配置された出力線５５ａとサーミスタ６０の間に隙間Ｓが形成されているため、出力線５５ａに付着した液体冷媒が、傾斜した出力線５５ａを伝って斜め下方に流動するので、サーミスタ６０に雫となって落下することもない。

以上のように、本実施形態の回転電機１によれば、固定子巻線４０は、外部装置と接続される複数の出力線５５ａ，５５ｂ，５５ｃのうちの１本の出力線５５ａがサーミスタ６０の鉛直上方に配置されている。そのため、固定子巻線４０の第１コイルエンド部４７に滴下された液体冷媒がサーミスタ６０に直接掛からなくなるので、通電により発熱した固定子巻線４０の温度をより高精度に検出することができる。これにより、サーミスタ６０の温度検出結果に基づいて、固定子巻線４０に供給される電流をオン・オフ制御する制御部の電流制限を掛ける判断基準を上げることができるので、より良好なモータ性能を発揮し易くなる。

また、液体冷媒がサーミスタ６０に掛からないようにするために、冷媒ガイド等の特別な部材が不要であるため、コストの増大や体格の大型化を招くことがなく、信頼性の確認も不要となる。さらに、特別な部材を設置せずに済むため、異相巻線との沿面距離を短縮させてしまうことがない。

また、本実施形態では、サーミスタ６０の鉛直上方に配置されている出力線５５ａは、鉛直上方から見たときにサーミスタ６０の長手方向及び幅方向の全範囲においてサーミスタ６０とオーバラップしているので、液体冷媒がサーミスタ６０により確実に掛からないようにすることができる。

また、本実施形態では、サーミスタ６０の鉛直上方に配置されている出力線５５ａとサーミスタ６０との間に所定の隙間Ｓが形成されているので、１２Ｖ系にあるサーミスタ６０と高電圧系のモータ導線との間の絶縁性を確保することができる。

また、本実施形態では、サーミスタ６０の鉛直上方に配置されている出力線５５ａが水平方向に対して所定角度θ傾斜している。そのため、出力線５５ａに付着した液体冷媒は、傾斜した出力線５５ａを伝って斜め下方に流動させることができるので、サーミスタ６０への液体冷媒の付着を防止することができる。これにより、発熱した固定子巻線４０の温度をより高精度に検出することができる。さらに、サーミスタ６０の鉛直上方に配置された出力線５５ａとサーミスタ６０の間に隙間Ｓが形成されていることから、出力線５５ａに付着した液体冷媒を、サーミスタ６０に雫となって落下させることなく、傾斜した出力線５５ａを伝って確実に流動させることができる。

〔他の実施形態〕
本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更することが可能である。

例えば、上記の実施形態では、３本の出力線５５ａ，５５ｂ，５５ｃのうちの１本の出力線５５ａがサーミスタ６０の鉛直上方に配置されていたが、３本の出力線５５ａ，５５ｂ，５５ｃのうちの２本以上の出力線をサーミスタ６０の鉛直上方に配置するようにしてもよい。また、出力線５５ａ，５５ｂ，５５ｃに代えて、或いは出力線５５ａ，５５ｂ，５５ｃに加えて、入力線をサーミスタ６０の鉛直上方に配置するようにしてもよい。本発明においては、サーミスタ６０の鉛直上方により多くの入出力線を配置することにより、固定子巻線４０の第１コイルエンド部４７に滴下された液体冷媒がサーミスタ６０により一層掛かり難くすることができる。

なお、上記の実施形態は、本発明に係る回転電機をモータ（電動機）に適用した例であるが、本発明は、車両に搭載される回転電機として、電動機あるいは発電機、さらには両者を選択的に使用し得る回転電機にも利用することができる。

１…回転電機、１４…回転子、２０…固定子、３０…固定子コア、３１…スロット、４０…固定子巻線、４７…第１コイルエンド部、４８…第２コイルエンド部、５５ａ，５５ｂ，５５ｃ…出力線、６０…サーミスタ（温度検出素子）、Ｓ…隙間。

Claims

回転子（１４）と、前記回転子と径方向に対向して配置された固定子コア（３０）、及び、前記固定子コアに巻装された固定子巻線（４０）を有する固定子（２０）と、前記固定子巻線に設置された温度検出素子（６０）と、前記固定子巻線のコイルエンド部（４７，４８）に液体冷媒を滴下して冷却する冷却装置と、を備えた回転電機において、
前記固定子巻線は、外部装置と電気的に接続される複数の入出力線（５５ａ，５５ｂ，５５ｃ）を有し、前記入出力線のうちの少なくとも１本が前記温度検出素子の鉛直上方に配置されていることを特徴とする回転電機。
前記温度検出素子の鉛直上方に配置されている前記入出力線は、鉛直上方から見たときに前記温度検出素子の長手方向及び幅方向の全範囲において前記温度検出素子とオーバラップしていることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
前記温度検出素子の鉛直上方に配置されている前記入出力線と前記温度検出素子との間に隙間（Ｓ）が形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の回転電機。
前記温度検出素子の鉛直上方に配置されている前記入出力線は、水平方向に対して傾斜していることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の回転電機。