JP6205796B2 - 回転電機のステータ - Google Patents

Description

本発明は、ステータコアに通電することによりロータを駆動する回転電機のステータに関する。

従来、ハイブリッド車や電機自動車に搭載される発電電動機などの回転電機には、コイルを有するステータを外周側に配置し、磁石を有するロータを内周側に配置したインナーロータ回転磁石形のものが多用されている。この種のステータとして、コイルが巻回された複数のティースを円環状に配列し、これをステータホルダの内側に圧入して保持し、ステータホルダの軸方向の一端部に設けたフランジでハウジングに取付るものが知られている。このようなステータを有する回転電機において、ロータを回転させるためにステータのコイルに通電すると、コイルにジュール熱が発生する。この発生した熱が高温となると、ステータに巻回配置されたコイルの絶縁皮膜が溶け絶縁不良を生じたり、高熱によってロータの磁石の磁力が低下したりするおそれがあった。このような高熱によるダメージを受ける前にコイルへの電流を制御する保護制御を行うため、回転電機のステータの温度を検出することが重要である。

特許文献１に開示された回転電機においては、分割コアに貫通孔を形成する溝を設け、組み立てられたコアに形成された貫通孔に温度検出素子からの導線ラインを配線し、温度検出素子は予めかご状に形成された固定子用（ステータ用）コイルのコイル支柱に取り付けられることが記載されている。このように、導線ラインを、コアに設けられた貫通孔を通じて外部に導くという構造をとることで、固定子用コイルに直接温度検出素子を取り付けることが可能となり、冷却油の影響を受けることなく、より精度良く回転電機の温度を検出できるとする。

特許文献２では、ステータコアとコイルのコイルエンドのトンネル状間隙に、ガイドで固定された温度検出素子を挿入するというものが記載されている。これによって、温度検出素子の検出面が確実にコイル表面に接触するとともに、メンテナンス時にステータから容易に取り出せるとする。

特許文献３では、温度検出センサが固定子（ステータ）コイルのコイルエンドから離間して配置され、コイルエンドから引き出された引出導体の温度を温度検出センサで検出することで、固定子コイルの温度を検出することが記載されている。これによって、固定子コイルを冷却する冷却油が、温度検出センサを冷却しないようにし、温度検出精度の低下を防止するとしている。

特開２００５−３１２１５１号公報 特開２００３−９２８５８号公報 特開２００１１−３０２８８号公報

しかし、特許文献１のものでは、温度検出素子（温度センサ）を設置するために、ステータコアに専用の貫通孔を形成することが必要であるため、ステータコアの製造型のコストを増加させる要因となる。また、発熱体であるコイルの放熱は、ステータコアを通じて行われるため、ステータコアに設けられた貫通孔に導線ラインを配置した位置にある温度検出素子では、ステータコアによる放熱の影響を受けて検出精度が低下するおそれがあった。

特許文献２のものでは、コイルエンドに温度検出素子（温度センサ）を装着するため、ロータの回転に伴う掻き上げによって循環される冷却油の影響を受けやすく、検出精度が低下するおそれがあった。

特許文献３のものでは、コイルエンドからコイルを引き出すことにより、冷却油の影響は受け難くなるが、コイルを引き出すための構造が必要となる。また、引き出しに使用される引出導体は放熱性が良いと考えられることから、コイルの実際の最高温度（最大温度）が測定できないおそれがあった。

また、コイルへの電流を制御する保護制御を行うため、最大温度となるコイルの温度を検出することが必要となるが、回転電機のコイルは通常複数個あり、複数個のコイルのうち最大温度となるコイルの場所を特定するのが困難であった。

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、回転電機に使用されるステータに配設される複数のコイルのうち、最大温度となるコイルの温度を検出する回転電機のステータを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明の構成上の特徴は、ハウジングの組付け部にステータホルダを介して組み付けられるステータコア内に、それぞれ巻回されて円環状に並べられる複数相のコイルと、前記複数相のコイルに給電する給電部と、ロータの回転で掻き上げられて前記コイルの発熱を冷却する冷却油を前記ハウジング内の底部で貯留する冷却油貯留部とを備え、前記ロータの回転軸が水平方向に配置される回転電機のステータであって、前記ステータコアの頂上より前記ロータの回転方向に沿って少し下がった位置であり、かつ、前記ロータの掻き上げによる前記冷却油が循環しにくい位置である前記ステータコア上部の最大温度位置に配設された前記コイルの間に、該コイルの温度を検出する温度センサが配され、前記ステータコアの前記最大温度位置に対応する前記ハウジングの組付け部には、前記ステータホルダとの間で半径方向に所定寸法で離間する離間スペースが、前記ステータホルダの円周方向に沿って所定の幅で設けられることである。

これによると、温度センサは、ステータコアの頂上よりロータの回転方向に沿って少し下がった位置であり、かつ、ロータの掻き上げによる冷却油が循環しにくい位置であるステータコア上部の最大温度位置に配設されたコイルの間に配される。冷却油は、ハウジング底部の冷却油貯留部に貯留され、冷却油の粘着性により回転するロータの外周面に沿って上方に掻き上げられ、掻き上げられた冷却油が重力によって冷却油貯留部に落下するという循環の間に、冷却油が接触したコイルを冷却する。そのため、冷却油の循環する量の少ないステータコア上部に配設されたコイルの間に温度センサを配することで、冷却油で冷却されることの最も少ない最大温度となるコイルの温度を検出することができる。これによって、過熱保護のためのマージンをなくし、必要以上の出力を持つ大型回転電機とすることがなくなり回転電機の小型化を図ることができる。
また、ハウジングの組み付け部とステータホルダとの間に離間スペースが設けられることで、コイルに生じた発熱がハウジングを通して放熱されることが妨げられる。これによって、離間スペースに対応するステータコアの位置は、冷却油が循環しにくい位置であることと相俟って、最大発熱位置となる。

請求項２に係る発明の構成上の特徴は、前記離間スペースには、前記給電部の端子が配される請求項１記載の回転電機のステータであることである。

これによると、給電部の端子を接続するために形成された既存のスペースが、離間スペースとなる。新たに専用の離間スペースを設けることが不要となるので、既存の製造型および加工設備を使用することができ、製造コストの増加を防止することができる。

請求項３に係る発明の構成上の特徴は、前記コイルは、前記ステータコアの各ティース毎に集中巻回された集中巻コイルであり、前記温度センサは、前記複数の集中巻コイルのうちの隣接する集中巻コイルの間に配される請求項１又は２に記載の回転電機のステータであることである。

集中巻コイルは、隣接するコイル間にスペースを設けやすいので、極めて容易に温度センサを配置することができる。

本発明に係る第１実施形態におけるハイブリッド車両の駆動力の制御系統および伝達系統を示す概略図である。 本発明に係る実施形態の回転電機を有する車両用駆動力伝達構造の断面図である。 ハウジングに組み付けられたステータの平面図である。 ステータコアのコイル間に配された温度センサを示す拡大された斜視図である。 コイル間に配された温度センサを示す断面図である。 ロータの掻き上げによる冷却油の循環を示す図である。

（実施例１）
本発明に係る回転電機のステータの実施形態を、二つの駆動源を有するハイブリッド車両に使用される電動モータについて説明する。車両の駆動源としてのエンジン（ＥＧ）１４と電動モータ（回転電機に対応）２との間には、図１に示すように、湿式多板クラッチであるノーマルクローズタイプのクラッチ６が介装されている。クラッチ６は、エンジン１４と電動モータ２との間の接続を接離してトルク伝達を断続している。また、電動モータ２には、車両の自動変速機１６に直列に接続されており、自動変速機１６には、図示しない車両の駆動輪が図示しないディファレンシャル装置を介して接続されている。エンジン１４、電動モータ２、自動変速機１６は制御装置（ＥＣＵ）７によって制御されている。電動モータ２にはステータ１０内の温度を検出する温度センサ（サーミスタ素子）１５が設けられ、検出された温度に基づいて後述するコイル５２の過熱防止のための保護制御が制御装置（ＥＣＵ）７によって行なわれる。クラッチ６には、クラッチ６の接続・遮断状態を作動させる図略の油圧回路、油圧回路への油圧の供給をおこなうオイルポンプ９が設けられ、油圧回路に設けられた電磁切替弁１１及びオイルポンプ９を制御装置７が作動させてクラッチ６に適正な油圧を供給する。さらに、制御装置７は、自動変速機１６のシフトバルブを作動させる電磁ソレノイド（図示せず）と接続されており、エンジン１４の回転速度、車両速度、シフト位置等に基づき、自動変速機の作動を制御している。

電動モータ２は、ハイブリッド車両の車輪駆動用の同期モータである。しかしながら、本発明はこれに限定されるべきものではなく、家庭用電器に設けられるモータあるいは、一般的な産業用機械を駆動するモータといったあらゆる電動モータに適用することが可能である。

なお、説明中において、回転軸線方向または軸方向という場合、特に断らなければ、電動モータ２に含まれたロータ４の水平方向の回転軸ＣＬに沿った方向、図２における左右方向を意味する。また、図１および図２において、左方を電動モータ２およびクラッチ６の前方をいい、右方を後方ということがあるが、実際の車両上における方向とは無関係である。

図２に示すように、モータハウジング（ハウジングに対応）８は、ロータ４およびステータ１０を内臓した状態で、前方をモータカバー（ハウジングの一方の側壁に該当する）１２により封止されている。モータハウジング８は軽金属として例えばアルミ合金製である。

図１および図２に示した電動モータ２が搭載された車両は、エンジン１４により走行する場合、エンジン１４が自動変速機１６を介して駆動輪を回転させる。また電動モータ２により走行する場合、電動モータ２が自動変速機１６を介して駆動輪を回転させる。この時、クラッチ６をレリーズさせて、エンジン１４と電動モータ２との間の接続を解除している。さらに、電動モータ２は、クラッチ６を介してエンジン１４により駆動され、発電機としても機能する。

モータカバー１２の内周端には、軸受１８を介してクラッチ６の入力軸２０が、回転軸ＣＬを中心に回転可能に取付けられている。回転軸ＣＬは、エンジン１４および自動変速機１６の出力軸２２の回転軸でもある。入力軸２０はエンジン１４のクランクシャフト（図略）と、図示しないフライホイール及び回転振動を吸収するためのダンパを介して接続されている。

また、入力軸２０は、クラッチ６の係合部２４を介して、クラッチドラム（クラッチアウタ）２６と接続されている。係合部２４は、クラッチドラム２６の押圧部に係合された複数の第１クラッチプレートとしてのセパレートプレート２８と、入力軸２０の支持部に係合された複数の第２クラッチプレートとしての摩擦プレート３０とを有している。セパレートプレート２８と摩擦プレート３０とが係脱することにより、入力軸２０とクラッチドラム２６との間が断続される。

クラッチドラム２６は、電動モータ２のロータ４に連結されるとともに、半径方向内方へと延びて、内端において出力軸２２とスプライン嵌合している。また、クラッチドラム２６とモータハウジング８の支持壁部３２との間には双方の間で相対回転が可能なように、複列アンギュラベアリング３４が介装されている。

電動モータ２のロータ４は、クラッチドラム２６を介して、モータハウジング８に回転可能に取付けられている。ロータ４は、ロータコア３９、マグネット４１及び支持部材４０を有している ロータコア３９は、磁路の一部を構成するとともに、マグネット４１が収容される円環状の部材である。ロータコア３９は、積層された複数の円環状の電磁鋼板（珪素鋼板）３６が積層されて構成され、複数の電磁鋼板３６は一対の保持プレート３８により挟持され、これに支持部材４０を貫通させて端部がかしめられることで形成されている。ロータコア３９には、軸方向（前後方向）に貫通する貫通孔が、周方向に複数形成されている。

マグネット４１は、磁束を発生する棒状の部材である。マグネット４１は、ロータコア３９の貫通孔に収容されている。マグネット４１は、ロータコア３９の外周面に、周方向に交互に異なる磁極が形成されるように、電磁鋼板３６の板厚方向に着磁されている。

また、モータハウジング８の内周面には、ロータ４の外周側に所定の隙間を置いて半径方向に対向するように、電動モータ２のステータ１０が取付けられている。ステータ１０は、ステータホルダ４２とステータコア４６とにより主に構成されている。ステータコア４６は、複数の分割コア４６ａがステータホルダ４２の円筒部４４内に円環状に並ぶことで形成されている。まとめられたステータコア４６の内周面には回転磁界発生用の複数相のコイル５２が円環状に配されている（図２及び図３参照）。

各分割コア４６ａは、複数の珪素鋼板（電磁鋼板）が積層されることにより形成されたティース４８を備えている。ティース４８には一対のボビン５０，５１が装着され、ボビン５０，５１はティース４８の外周面を囲むように互いに嵌合している。さらに、ボビン５０，５１の回りには、前述の回転磁界を発生させるためのコイル５２が巻回されている。このコイル５２は、コイル５２が各ティース４８に集中巻回されたいわゆる集中巻方式である。

図３におけるステータコア４６の上部位置（最大温度位置）に配設された複数のコイル５２のうちの一組の隣接するコイル５２の間には、温度センサとしてのサーミスタ素子（ＮＴＣ 「Ｎｅｇａｔｉｖｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ」) １５が配置されている。サーミスタ素子１５はホルダブラケット１５ａ内に収容された状態で、隣り合ったコイル５２間に挿入されている。ホルダブラケット１５ａは、合成樹脂材料により一体に形成され、ホルダブラケット１５ａからは、サーミスタ素子１５に接続されたセンサ配線１５ｂが引き出されている。センサ配線１５ｂは、ステータ１０上を取り回された後外部へと導出されている。サーミスタ素子１５が検出したコイル温度の信号はセンサ配線１５ｂを通じて制御装置（ＥＣＵ）７に送信され、制御装置（ＥＣＵ）７は過負荷となる電流が電動モータ２に流れないように保護制御がなされる。

ステータコア４６の下部位置には、配設された複数のコイル５２のうちの一組の隣接するコイル５２の間にサーミスタ素子１７が配置されている。この下部位置に配設されたサーミスタ素子１７は、主に冷却油６６の温度を検出するもので、上部位置に配設されたサーミスタ素子１５と同様にホルダブラケット１７ａ内に収容され、検出された冷却油６６の温度はセンサ配線１７ｂを通じて制御装置（ＥＣＵ）７に送信される。

ボビン５０，５１は、コイル５２とステータコア４６との間を絶縁するため樹脂で構成されている。コイル５２は、Ｕ相コイル、Ｖ相コイル、Ｗ相コイルからなり、これらをＹ結線して構成されている。ステータコア４６の半径方向外方において対向するように円環状のバスリング５３が形成されている。これらのステータコア４６の周囲に巻回されたコイル５２はバスリング５３および後述する端子収容部７０に配されたステータコイル７１を介して外部のインバータ（図略）と接続される。

ステータホルダ４２は鋼板をプレス成型して形成されており、図３に示すように、筒状の円筒部４４と、円筒部４４の軸方向端部から半径方向外方に延びた４箇所のフランジ部５４を有している。フランジ部５４は、ステータ１０をモータハウジング８に取付けるために、円筒部４４の端部円周上において、互いに所定の間隔を有するように配置されている。また、フランジ部５４同士の間には、フランジ部５４よりも幅狭の外周フランジ５６が形成されている。

フランジ部５４には、それぞれ互いに近接して設けられた一対の組付孔５８が貫通している。組付孔５８は全て同径に形成され、フランジ部５４が全て同形状を呈するように、すべてのフランジ部５４において同位置に形成されている。

ステータコア４６はステータホルダ４２の内周面に、例えば以下の焼き嵌めにより取付けられる。まず、ステータホルダ４２を所定温度に加熱することにより、その内周が拡張する。次に、加熱されたステータホルダ４２の円筒部４４に対してティース４８のバックヨーク部（図示せず）を互いに当接させて複数の分割コア４６ａを円環状に並べた状態で挿入していく。複数の分割コア４６ａが円筒部４４内に挿入された後、ステータホルダ４２は冷却されて収縮し、ステータコア４６を強固に保持することができる。

また、ステータコア４６をステータホルダ４２に取付ける方法として、常温における圧入を適用してもよい。さらに、圧入によりステータコア４６をステータホルダ４２内に保持させる場合、ステータコア４６と円筒部４４との間に接着剤を介在させ、その保持力を増大させてもよい。

ステータコア４６が組付けられたステータホルダ４２は、例えばボルト６４によって、モータハウジング８のボス部（組付け部）６０に設けられた取付穴６２に固定される。

モータハウジング８の底部には冷却油６６を貯留する冷却油貯留部６８が設けられ、冷却油貯留部６８にはロータ４の外周下部が浸漬可能な量の冷却油６６が貯められている。

モータハウジング８のボス部６０には、図３において上部位置の右側に、ステータコア４６の前記最大温度位置に対応して、端子収容部（離間スペースに対応する）７０が設けられている。端子収容部７０は、ステータホルダ４２との間で半径方向に所定寸法で離間するとともに、ステータホルダ４２の円周方向に沿って所定の幅で設けられている。Ｕ，Ｖ，Ｗの各同一相毎にまとめられたステータコイル（給電部）７１の３つの端子７２と、図略のインバータ等と接続された給電ケーブルの３つのケーブル端子７４とが、それぞれターミナル固定ボルト７６で端子収容部７０に共締めされ、互いに導通する。

次に、上記のように構成された回転電機のステータの使用状態を以下に説明する。ステータホルダ４２がモータハウジング８に固定された状態で、電動モータ２に例えば三相交流電流を供給すると、ステータ１０において回転磁界が発生し、回転磁界に起因する吸引力または反発力によって、ステータ１０に対してロータ４が回転する。そして、図６に示すように、冷却油６６に浸漬されたロータ４の回転によって、ロータ４の外周下部に付着した冷却油６６が掻き上げられてステータコア４６の内周に環状に配設されたコイル５２に接触する。その際、冷却油６６は、ロータ４の回転によってステータ１０の上部にまで掻き上げられる間に重力によって落下する。また、上部まで掻き上げられた冷却油６６は、ロータ４の上部外周に沿って移動する間にも落下する。そして、図６に示すように、ロータ４の上部であって、回転の頂上から少し下がった付近に位置するステータ１０のコイル５２に冷却油６６が循環する量が少なくなる。そのため、この最も冷却油が循環しにくい位置のコイル５２が、冷却油６６の冷却の影響が少なくて、前述の最大温度位置に配設されたコイル５２となる。そして、この最大温度位置に対応するモータハウジング８のボス部６０には、ステータホルダ４２との離間スペースとなる端子収容部７０が設けられている。そのため、ステータ１０からモータハウジング８に逃げる放熱が妨げられる。これらによって、この最大温度位置にあるコイル５２より、ステータ１０内のコイル５２中での最大温度を検出することができる。制御装置７は、検出された最大温度に基づいて電動モータ２に印加する電流の量を制御する。

上述の説明から明らかなように、上記実施形態における回転電機のステータによると、 サーミスタ素子１５は、ロータ４の掻き上げによる冷却油６６が循環しにくく、ステータコア４６上部の最大温度位置に配設されたコイル５２の間に配される。冷却油６６は、モータハウジング８底部の冷却油貯留部６８に貯留され、冷却油６６の粘着性により回転するロータ４の外周面に沿って上方に掻き上げられ、掻き上げられた冷却油６６が重力によって冷却油貯留部６８に落下するという循環の際に、冷却油６６が接触したコイル５２を冷却する。そのため、冷却油６６の循環する量の少ないステータコア４６上部に配設されたコイル５２の間にサーミスタ素子１５を配することで、冷却油６６で冷却されることの最も少ない最大温度となるコイル５２の温度を検出することができる。これによって、加熱保護によるマージンをなくし、必要以上の出力を持つ大型電動モータとすることがなくなるので電動モータ２の小型化を図ることができる。

また、モータハウジング８のボス部６０とステータホルダ４２との間に端子収容部７０を設けることで、コイル５２に生じた発熱がモータハウジング８を介して放熱されることが妨げられる。これによって、端子収容部７０に対応するステータコア４６の位置は、冷却油６６が循環しにくい位置であることと相俟って、最大発熱位置となる。

また、給電部の端子を接続するために形成された既存の端子収容部７０は離間スペースとなる。そのため、モータハウジング８のボス部６０に、新たに専用の離間スペースを設けることが不要となり、既存の製造型および加工設備を使用することができ、製造コストの増加を防止することができる。

また、本実施形態で使用された集中巻コイルは、隣接するコイル５２間にスペースを設けやすいので、極めて容易にサーミスタ素子１５を配置することができる。

なお、上記実施形態において、温度センサをサーミスタ素子としたが、これに限定されず、例えば熱電対素子でもよい。

また、ステータコアを分割コアとしたが、これに限定されず、例えば一体のコアでもよい。

また、ステータコイルにおけるコイルの巻回方式を集中巻としたが、これに限定されず、例えば、分布巻でもよい。

また、モータハウジングをアルミを母材とするアルミ合金製としたが、これに限定されず、例えば、マグネシウムやチタンを母材とする軽合金製でもよい。

また、上記実施形態における入力軸２０と出力軸２２とを反転させる構成としてもよく、例えば、上記実施形態における出力軸２２にエンジンを連結して新入力軸とし、入力軸２０を電動モータのロータと一体的に回転する構成とし新出力軸としてもよい。

また、本発明における自動変速機は、一般的に変速機として用いられる遊星歯車変速機以外にも、無段変速機や、一般的に手動変速機で採用される同期噛合式歯車変速機であってもよい。

また、第１クラッチプレートをセパレートプレート、第２クラッチプレートを摩擦プレートとしたが、これに限定されず、例えば、第１クラッチプレートを摩擦プレートとし、第２クラッチプレートをセパレートプレートとしてもよい。

本発明は、上記しかつ図面に示した実施形態のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施できる。

２・・・回転電機（電動モータ）、４・・・ロータ、８・・・ハウジング（モータハウジング）、１０・・・ステータ、１４・・・エンジン、１５・・・温度センサ（サーミスタ素子）、４２・・・ステータホルダ、４６・・・ステータコア、４８・・・ティース、６０・・・組付け部（ボス部）、６６・・・冷却油、６８・・・冷却油貯留部、７０・・・離間スペース（端子収容部）、７１・・・給電部（ステータコイル）、ＣＬ・・・回転軸。

Claims (3)

1. ハウジングの組付け部にステータホルダを介して組み付けられるステータコア内に、それぞれ巻回されて円環状に並べられる複数相のコイルと、前記複数相のコイルに給電する給電部と、ロータの回転で掻き上げられて前記コイルの発熱を冷却する冷却油を前記ハウジング内の底部で貯留する冷却油貯留部とを備え、前記ロータの回転軸が水平方向に配置される回転電機のステータであって、
   前記ステータコアの頂上より前記ロータの回転方向に沿って少し下がった位置であり、かつ、前記ロータの掻き上げによる前記冷却油が循環しにくい位置である前記ステータコア上部の最大温度位置に配設された前記コイルの間に、該コイルの温度を検出する温度センサが配され、前記ステータコアの前記最大温度位置に対応する前記ハウジングの組付け部には、前記ステータホルダとの間で半径方向に所定寸法で離間する離間スペースが、前記ステータホルダの円周方向に沿って所定の幅で設けられる回転電機のステータ。
2. 前記離間スペースには、前記給電部の端子が配される請求項１に記載の回転電機のステータ。
3. 前記コイルは、前記ステータコアの各ティース毎に集中巻回された集中巻コイルであり、
   前記温度センサは、前記複数の集中巻コイルのうちの隣接する集中巻コイルの間に配される請求項１又は２に記載の回転電機のステータ。

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