JP6350375B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、例えば車両等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。

従来、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、界磁として働くロータと、このロータと径方向に対向して配置される電機子として働くステータとを備えている。そして、ステータは、周方向に配列された複数のスロットを有するステータコアと、このステータコアのスロットに巻装されてステータコアの軸方向端面から軸方向外方へ突出するコイルエンドが形成されたステータコイルと、を備えている。

上記の回転電機においては、ステータコイルに電流が流れると、ステータコイルが発熱することから、回転電機の焼損を防ぐために冷却する必要がある。そこで、例えば特許文献１，２には、冷却液供給部から供給される冷却液によりステータコイルのコイルエンドを冷却するようにした回転電機の冷却構造が開示されている。

特開２０１２−２１００２７号公報 特開２００７−２０３３４号公報

ところで、上記特許文献１，２のように、ステータコイルのコイルエンドに冷却液を供給して冷却する場合、上方又は斜め上方からコイルエンドに供給された冷却液は、その多くがコイルエンドの導体線間に形成された空隙を通って落下する。そのため、多くの冷却液は、十分な冷却の役割を果たさずに無駄に落下してしまっていることになる。ステータコイルにとって、冷却液による望ましい冷却としては、円筒状のコイルエンドの外周に沿って冷却液が冷却しつつ落下する構造である。また、回転電機を駆動させる電気回路部品は、当然に発熱するものであるため、現状以上の冷却能力を得られれば、電気回路の更なる小型化や高性能化が可能となる。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、冷却液を有効利用してより良好な冷却効果を得られ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、
ハウジング（１０）と、前記ハウジングに回転可能に支承された回転軸（２０）と、前記回転軸の外周に嵌合固定されたロータ（２３）と、前記ロータの外側で径方向に対向して配置された円環状のステータコア（３１）、及び前記ステータコアに巻装されて前記ステータコアの軸方向端面から軸方向外方へ突出するコイルエンド（３６）が形成されたステータコイル（３５）を有するステータ（３０）と、前記コイルエンドに冷却液を供給して冷却する冷却装置（４０）と、を備えた回転電機において、
前記ハウジングは、前記冷却液が供給される前記コイルエンドの鉛直方向下方に位置して、前記コイルエンドから落下する冷却液を受ける冷却液受け部（１５ｂ）を有し、前記冷却液受け部の内側に電気回路部品（１７）及びヒートシンク（１８）の少なくとも一方が設置されていることを特徴とする。

この構成によれば、ハウジングは、冷却液が供給されるコイルエンドの鉛直方向下方に位置して、コイルエンドから落下する冷却液を受ける冷却液受け部を有し、冷却液受け部の内側に電気回路部品及びヒートシンクの少なくとも一方が設置されている。そのため、コイルエンドからハウジングの冷却液受け部に落下した冷却液でハウジングを冷却して、冷却液受け部の内部に設置されている電気回路部品又はヒートシンクを冷却することができる。これにより、冷却液を有効利用してハウジングや電気回路部品を冷却することができるので、より良好な冷却効果を得ることができる。

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された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に係るステータコイルを構成する導体線の部分斜視図である。 変形例１に係るステータコイルを構成する導体線の部分斜視図である。 実施形態２に係る回転電機の軸方向に沿う断面図である。 実施形態２に係るハウジングの蓋部の斜視図である。 実施形態２に係るハウジングの蓋部の冷却液受け部に落下した冷却液の流れを示す説明図である。 実施形態２においてコイルエンドから冷却液受け部に落下した冷却液の流れを示す説明図である。 変形例２に係るハウジングの蓋部の斜視図である。 変形例２に係るハウジングの蓋部の分解斜視図である。

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、車両用モータとして用いられるものであって、図１に示すように、ハウジング１０と、回転軸２０と、ロータ２３と、ステータコア３１及びステータコイル３５を有するステータ３０と、冷却装置４０と、を備えている。なお、以下の説明において、図１の左側を軸方向一端側とし、図１の右側を軸方向他端側とする。また、図１の上下方向を鉛直方向とする。

ハウジング１０は、軸方向一端側に開口を有する有底筒状に形成されて軸方向が水平方向となるように設置される筒状本体部１１と、筒状本体部１１の開口を覆蓋する円盤状の蓋部１５とからなる。筒状本体部１１及び蓋部１５は、伝熱特性の良いアルミ系や鉄系の金属で形成されている。筒状本体部１１の開口側端部の上方部には、冷却装置４０により搬送される冷却液をハウジング１０内下方に吐出する吐出口１２が設けられている。この吐出口１２は、ステータコイル３５の軸方向一方側に形成されたコイルエンド３６の鉛直方向上方位置に設けられている。また、筒状本体部１１の軸方向他端側の底壁下方部には、吐出口１２からハウジング１０内に吐出されてハウジング１０底部に溜まった冷却液をハウジング１０の外部に排出する排出口１３が設けられている。

蓋部１５は、リング板状の基板部１５ａと、基板部１５ａの内周端から軸方向他端側（軸方向内側）に突出する円筒状の外側筒部１５ｂと、外側筒部１５ｂの軸方向他端部から軸中心に向かって広がるリング板状の先端壁部１５ｃと、先端壁部１５ｃの内周端から軸方向一端側（軸方向外側）に突出する円筒状の内側筒部１５ｄとからなる。この蓋部１５は、基板部１５ａの外周端部が筒状本体部１１の開口部に固着されている。そして、先端壁部１５ｃが、筒状本体部１１に設けられた吐出口１２よりも軸方向他端側に位置していることによって、外側筒部１５ｂが、吐出口１２の鉛直方向下方に位置するようにされている。これにより、外側筒部１５ｂは、吐出口１２から吐出された冷却液を受ける冷却液受け部を構成している。

蓋部１５の外側筒部１５ｂと先端壁部１５ｃと内側筒部１５ｄにより区画される空間には、駆動回路などを搭載したプリント基板や、コンデンサ、トランジスタ、半導体スイッチング素子など、回転電機１を駆動するための電気回路部品１７が設置されている。これら電気回路部品１７は、外側筒部１５ｂ、先端壁部１５ｃ及び内側筒部１５ｄの何れかに接触した状態で固定されている。

回転軸２０は、その軸方向両端が一対のベアリング２１ａ，２１ｂを介してハウジング１０に回転可能に支承されている。具体的には、回転軸２０は、筒状本体部１１の軸方向他端側の底壁中央に形成された円孔に装着されたベアリング２１ｂと、蓋部１５の内側筒部１５ｄの内周に装着されたベアリング２１ａとを介して支承されている。なお、蓋部１５の内側筒部１５ｄの内周に装着されたベアリング２１ａの軸方向一端側には、シール部材２２が配置されている。

回転軸２０の軸方向中央部の外周には、円環状のロータ２３が同軸状に嵌合固定されている。このロータ２３は、円筒状のロータコア２４の内部に等方性リング磁石２５が同軸状に配置されたものである。これにより、ロータコア２４の外周部には、周方向に極性が交互に異なる複数の磁極（本実施形態の場合、８極（Ｎ極：４、Ｓ極：４））が形成されている。

ステータ３０は、円環状に形成されて周方向に配列された複数のスロット（図示せず）を有するステータコア３１と、ステータコア３１のスロットに所定の方法で巻装された三相のステータコイル３５とを備えている。このステータ３０は、ハウジング１０の筒状本体部１１の内周面にステータコア３１の外周部が固定されることにより、ロータ２３の外側で径方向に対向してハウジング１０内に収容配置されている。

ステータコイル３５を構成する導体線３８は、図２に示すように、スロットに収容されるスロット収容部３８ａと、異なるスロットに収容された２本のスロット収容部３８ａをスロットの外部で接続するコイルエンド部３８ｂとを有する。本実施形態では、コイルエンド部３８ｂが山形状に形成されたものが用いられている。

ステータコイル３５の軸方向両側には、ステータコア３１の軸方向端面から軸方向外方へそれぞれ突出する多数のコイルエンド部３８ｂによって円環状に形成されたコイルエンド３６，３７が形成されている。これらコイルエンド３６，３７は、山形状のコイルエンド部３８ｂの集合体により形成されているので、隣接するコイルエンド部３８ｂ間に所定の隙間が形成されている。

本実施形態の場合、軸方向一端側のコイルエンド３６は、筒状本体部１１に設けられた吐出口１２の鉛直方向下方に位置している。これにより、吐出口１２からコイルエンド３６の最上部に向かって冷却液が吐出され、コイルエンド３６から落下する冷却液が蓋部１５の外側筒部１５ｂ（冷却液受け部）で受けられるようにされている。

冷却装置４０は、吐出口１２に冷却液を搬送するポンプ４３と、加熱された冷却液の熱を放出させる放熱器４４とを備えている。これらポンプ４３及び放熱器４４は、ハウジング１０の排出口１３から吐出口１２へ冷却液を搬送する配管で接続された冷却液の循環回路上に設置されている。即ち、本実施形態の冷却装置４０では、吐出口１２からコイルエンド３６に吐出された冷却液は、コイルエンド３６から外側筒部１５ｂ（冷却液受け部）に落下する。落下した冷却液は、ハウジング１０の底部に設けられた排出口１３からポンプ４３に戻され、ポンプ４３から放熱器４４を経由して低温化された後、再び吐出口１２から吐出されるように循環回路が形成されている。なお、冷却液としては、例えばＡＴＦなど、従来の回転電機において用いられる公知の冷却液を用いることができる。

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、通常使用状態において回転軸２０が水平方向を向き、冷却液を吐出する吐出口１２が鉛直方向上方側に位置するようにして車両の所定位置に設置される。そして、ステータ３０のステータコイル３５への通電により運転が開始されると、ロータ２３の回転に伴って回転軸２０が回転し、回転軸２０から駆動力伝達装置等を介して他の機器に駆動力が供給される。

また、これと同時に、冷却装置４０のポンプ４３及び放熱器４４が作動を開始し、吐出口１２からコイルエンド３６に向かって冷却液が吐出される。吐出された冷却液は、各コイルエンド部３８ｂを伝って冷却しつつ下方へ流動する。このとき、コイルエンド３６を構成するコイルエンド部３８ｂが山形状に形成されていることから、冷却液の一部は、隣接するコイルエンド部３８ｂ間に形成された隙間から抜け落ちて、外側筒部１５ｂ（冷却液受け部）に落下する。これにより、落下した冷却液は、外側筒部１５ｂ（冷却液受け部）を冷却しつつ下方に流動することによって、蓋部１５の全体及び蓋部１５に設置された電気回路部品１７をも冷却するので、良好な冷却効果が得られる。

その後、外側筒部１５ｂ（冷却液受け部）から落下した冷却液は、ハウジング１０の底部に設けられた排出口１３からポンプ４３に戻され、ポンプ４３から放熱器４４を経由して低温化された後、再び吐出口１２から吐出される。これにより、循環回路を循環する冷却液により回転電機１の冷却が繰り返し行われる。

以上のように、本実施形態の回転電機１によれば、ハウジング１０の蓋部１５は、冷却液が供給されるコイルエンド３６の鉛直方向下方に位置して、コイルエンド３６から落下する冷却液を受ける外側筒部１５ｂ（冷却液受け部）を有し、外側筒部１５ｂ（冷却液受け部）の内側に電気回路部品１７が設置されている。そのため、コイルエンド３６からハウジング１０の外側筒部１５ｂ（冷却液受け部）に落下した冷却液でハウジング１０を冷却して、外側筒部１５ｂ（冷却液受け部）の内部に設置されている電気回路部品１７を冷却することができる。これにより、冷却液を有効利用してハウジング１０や電気回路部品１７を冷却することができるので、より良好な冷却効果を得ることができる。

また、本実施形態のコイルエンド３６は、山形状のコイルエンド部３８ｂの集合体により形成されているので、隣接するコイルエンド部３８ｂ間に所定の隙間が形成されている。そのため、コイルエンド３６に吐出された冷却液のうち、その隙間から外側筒部１５ｂ（冷却液受け部）に抜け落ちた冷却液を利用して、蓋部１５（ハウジング）や電気回路部品１７を効果的に冷却することができる。

〔変形例１〕
上記の実施形態１では、ステータコイル３５を構成する導体線３８のコイルエンド部３８ｂが、山形状に形成されていたが、図３に示す導体線３９のように、２本のスロット収容部３９ａをスロットの外部で接続するコイルエンド部３９ｂの形状を階段形状にしてもよい。このようにすれば、コイルエンド３６の隣接するコイルエンド部３９ｂ間に形成される隙間の大きさを調整することができる。また、コイルエンド３６を密な状態にして、コイルエンド３６の軸方向への突出高さを低くすることが可能となる。

〔実施形態２〕
実施形態２の回転電機２は、実施形態１のものと基本的構成が同じであるが、実施形態１に対して、電気回路部品１７を収納するケース１６と、ヒートシンク１８と、案内溝１９が付加されている点で実施形態１と異なる。よって、実施形態１の回転電機１と共通する部材については詳しい説明は省略し、図４〜図７を参照して、異なる点及び重要な点について説明する。なお、実施形態１と共通する部材は同じ符号を用いる。

実施形態２では、駆動回路などを搭載したプリント基板や、コンデンサ、トランジスタ、半導体スイッチング素子など、回転電機２を駆動するための電気回路部品１７は、基台１７Ａ上に設置されて、基台１７Ａと共にケース１６に収納されている。ケース１６は、ハウジング１０の筒状本体部１１及び蓋部１５と同様に、伝熱特性の良いアルミ系や鉄系の金属で形成されている。このケース１６は、蓋部１５の基板部１５ａの軸方向一端側端面に接触した状態で固着されている。

ヒートシンク１８は、伝熱特性の良いアルミ系や鉄系、銅系等の金属で方体ブロック状に形成されている。このヒートシンク１８は、軸方向他端側の半部分が蓋部１５の外側筒部１５ｂ（冷却液受け部）の内周面に接触した状態で蓋部１５と一体に設けられている。また、ヒートシンク１８の軸方向一端側の半部分は、ケース１６内に収容された基台１７Ａに埋め込まれて、基台１７Ａ及びケース１６と接触した状態に配置されている。これにより、ヒートシンク１８は、蓋部１５の外側筒部１５ｂと基台１７Ａ及びケース１６との間で伝熱機能を果たすようにされている。即ち、冷却液で冷却される外側筒部１５ｂ（冷却液受け部）により、基台１７Ａ及びケース１６を冷却するようにされている。

実施形態２のハウジング１０を構成する蓋部１５は、実施形態１と同様に、基板部１５ａと、外側筒部１５ｂと、先端壁部１５ｃと、内側筒部１５ｄとからなるが、冷却液受け部として機能する外側筒部１５ｂの外周面に案内溝１９が設けられている点で異なる。案内溝１９は、図５及び図６に示すように、外側筒部１５ｂの外周面の上方側で周方向に延びる円弧状に形成されている。これにより、コイルエンド３６から落下した冷却液を周方向両側へ振り分けて案内するようにされている。案内溝１９の周方向両側で最下方に位置する溝端部１９ａは、内周側から外周側に向かって下降傾斜する傾斜面とされている。

案内溝１９の両溝端部１９ａの最下端は、回転軸２０の回転中心線Ｏを通る水平線Ｌ１よりも上方に位置するように設定されている。即ち、図７に示すように、コイルエンド３６の上方中央部に吐出された冷却液が最も掛かり難い部位は、コイルエンド３６の水平線Ｌ１が通る付近の外周側部位（図７のＡ部）である。よって、その部位（図７のＡ部）を狙って冷却液を流動させるためには、案内溝１９の最下方に位置する周方向両側の溝端部１９ａを、水平線Ｌ１よりも天面側に位置するように設定することが望ましい。

以上のように構成された実施形態２の回転電機２は、実施形態１の回転電機１と同様の作用及び効果を奏する。特に、実施形態２では、ヒートシンク１８が、蓋部１５の外側筒部１５ｂ（冷却液受け部）の内周面に接触した状態で一体に設けられているため、良好な冷却効果を得ることができる。

また、蓋部１５の外側筒部１５ｂ（冷却液受け部）には、コイルエンド３６から落下した冷却液を周方向両側へ振り分けて案内する案内溝１９を有する。そのため、コイルエンド３６から一旦落下した冷却液を、コイルエンド３６の冷却液が最も掛かり難い部位へ戻して再利用することができるので、効率よく冷却することができる。

〔変形例２〕
上記の実施形態２では、蓋部１５の外側筒部１５ｂ（冷却液受け部）に設けられた案内溝１９は、外側筒部１５ｂの外周部を直接切り欠いた状態に形成されていたが、図８及び図９に示すように、実施形態２の案内溝１９と同様に形成された案内溝１９を有するリング部材１９０を外側筒部１５ｂの外周面に嵌着するようにしてもよい。

〔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１，２では、本発明の回転電機をモータ（電動機）に適用した例を説明したが、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うる回転電機にも適用することができる。

１…回転電機、 １０…ハウジング、 １５ｂ…外側筒部（冷却液受け部）、 １７…電気回路部品、 １８…ヒートシンク、 １９…案内溝、 ２０…回転軸、 ２３…ロータ、 ３０…ステータ、 ３１…ステータコア、 ３５…ステータコイル、 ３６，３７…コイルエンド、 ３８，３９…導体線、 ３８ｂ，３９ｂ…コイルエンド部。

Claims (4)

1. ハウジング（１０）と、前記ハウジングに回転可能に支承された回転軸（２０）と、前記回転軸の外周に嵌合固定されたロータ（２３）と、前記ロータの外側で径方向に対向して配置された円環状のステータコア（３１）、及び前記ステータコアに巻装されて前記ステータコアの軸方向端面から軸方向外方へ突出するコイルエンド（３６）が形成されたステータコイル（３５）を有するステータ（３０）と、前記コイルエンドに冷却液を供給して冷却する冷却装置（４０）と、を備えた回転電機において、
   前記ハウジングは、前記冷却液が供給される前記コイルエンドの鉛直方向下方に位置して、前記コイルエンドから落下する冷却液を受ける冷却液受け部（１５ｂ）を有し、前記冷却液受け部の内側に電気回路部品（１７）及びヒートシンク（１８）の少なくとも一方が設置されていることを特徴とする回転電機。
2. 前記ヒートシンクは、前記ハウジングの前記冷却液受け部と接触した状態で一体に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
3. 前記冷却液受け部は、前記コイルエンドから落下した冷却液を周方向両側へ振り分けて案内する案内溝（１９）を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の回転電機。
4. 前記ステータコイルを構成する導体線（３８，３９）のコイルエンド部（３８ｂ，３９ｂ）は、山形状又は階段形状に形成され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。

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