JP6574720B2 - 冷却機構 - Google Patents

Description

本発明は、ハイブリッド自動車や電気自動車等に搭載される電動機を冷却する冷却機構に関する。

ハイブリッド自動車や電気自動車等に搭載される電動機は、内側にコイルを備えた円筒形状のステータ（固定子）と、ステータの内側に回転可能に挿通され、永久磁石を備えたロータ（回転子）とを含んで構成されている。また、ステータの外周面にはロータの回転軸方向に延伸した突出部が複数設けられており、この突出部に形成された孔はステータを自動車側に固定するためのボルトを挿通する挿通孔として機能する。

電動機を動作させる際、ステータに含まれるコイルに通電すると、銅損（コイルの電気抵抗による損失）や、鉄損（ステータコア等の磁性材料の特性による損失）、機械損（摩擦等の機械的要因による損失）等の損失によって熱が生じる。このようにして生じた熱による電動機の温度上昇は、コイルへのダメージや、ロータに用いられる永久磁石の減磁を引き起こす要因となっていた。そこで、電動機には、ステータを冷却する冷却機構が設けられている。冷却機構は、例えば、鉛直上方からステータに冷却液を供給し、ステータの外周面に沿って冷却液を流下させてステータを冷却する（例えば、特許文献１）。

特許第５２５１９０３号公報

ロータの回転軸が水平方向（水平方向から４５度未満の所定の傾斜角分、傾斜する場合も含む）に沿うように電動機を設置する場合、ステータも、その中心軸が水平方向になるように設置される。この場合、冷却機構は、上述したように鉛直上方からステータの外周面に向かって冷却液を供給し、ステータは、自重で外周面を伝わる冷却液によって冷却される。

しかし、上述した従来のステータの場合、外周面に突出部が設けられている。このため、冷却液を鉛直上方から供給したとしても、突出部で堰き止められてしまい、ステータの外周面、特に、突出部の下方に配される外周面に冷却液を伝わらせることができない。

本発明は、このような課題に鑑み、ステータの外周面に冷却液を満遍なく行き渡らせることが可能な冷却機構を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の冷却機構は、円筒形状の本体部と、該本体部の外周面から径方向外方に突出するとともに該本体部の軸方向に延在する複数の突出部とを少なくとも有するステータと、所定の間隙を維持して該ステータの外面を囲繞するとともに該複数の突出部を介して該ステータが固定されるケースと、を備えた電動機を冷却する冷却機構であって、前記複数の突出部のうち最も鉛直上方に配される突出部であり、頂部が基端よりも鉛直上方に位置する第１突出部の上方に、該第１突出部と所定間隔離隔して設けられたリブと、前記ステータの上方から前記リブに向けて冷却液を噴射する噴射部と、を備え、前記リブは、前記噴射部によって噴射された冷却液の噴流を受け止めて、該リブと前記第１突出部との間に形成される液流路に該冷却液を導く受止面を有することを特徴とする。

また、前記ケースには、内周面から前記ステータ側に突出するとともに、少なくとも前記第１突出部が固定される壁部が設けられており、前記リブは、前記壁部に接触して設けられ、前記噴射部は、前記受止面と前記壁部との間に前記冷却液を噴射するとしてもよい。

また、前記リブは、前記ケースの内周面に設けられており、前記受止面は、基端から先端に向かうに従って鉛直下方に傾斜しているとしてもよい。

本発明によれば、ステータの外周面に冷却液を満遍なく行き渡らせることが可能となる。

電動機を説明する図である。 冷却液供給管を説明する図である。 リブを説明する図である。 ステータの軸方向のリブの位置を説明する図である。 比較例のシミュレーション結果を示す図である。 実施例１のシミュレーション結果を示す図である。 実施例２のシミュレーション結果を示す図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易にするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

（電動機１００）
図１は、本実施形態にかかる電動機１００を説明する図であり、ロータ１３０の回転軸方向から見た図である。なお、図１中、ロータ１３０の回転軸の方向（軸方向）をＸ軸とする。電動機（モータジェネレータ）１００は、ハイブリッド自動車や電気自動車のトランスミッション等に採用され、ステータ１１０と、ケース１２０と、ロータ１３０と、冷却機構１４０とを含んで構成される。また、ここで電動機１００は、ロータ１３０の回転軸が水平方向から所定の傾斜角（例えば、５．７度程度）、傾斜して設置されている。

ステータ１１０は、ステータコア１１２と、コイル１１４とを含んで構成される。ステータコア１１２の本体部１１６は、円筒形状であり、本体部１１６の径方向内側には、複数の巻装部（不図示）が形成されており、巻装部に巻線が巻装されてコイル１１４が形成される。なお、ステータ１１０の軸方向（図１中、Ｘ軸方向）におけるコイル１１４の両端は、樹脂等の絶縁体で構成されるモールド部によって封止されている。コイル１１４の両端をモールド部で封止することにより、コイル１１４がケース１２０等の金属で形成された部材と短絡してしまう事態を回避することができる。

本体部１１６の外周面１１６ａには、径方向外方に突出するとともに、本体部１１６の軸方向（図１中、Ｘ軸方向）に延在した突出部１１８が設けられている。本実施形態において、突出部１１８は、本体部１１６の周方向に所定間隔離隔して複数箇所（本実施形態では、３箇所）設けられている。以下、突出部１１８のうち、最も鉛直上方に位置する突出部１１８を第１突出部１１８ａ、最も鉛直下方に位置する突出部１１８を第２突出部１１８ｂ、第１突出部１１８ａと第２突出部１１８ｂとの間に位置する突出部１１８を第３突出部１１８ｃと称する。

また、突出部１１８には、本体部１１６の軸方向に貫通する貫通孔１１８ｄが設けられており、貫通孔１１８ｄに不図示の固定具（ボルト）が挿通され、ステータ１１０が固定具によって後述するケース１２０に固定される。こうして、ケース１２０は、所定の間隔を維持してステータ１１０の外面を囲繞することとなる。

ロータ１３０は、永久磁石を含んで構成され、シャフト１３２によって、ステータ１１０の中心孔１１０ａに回転自在に挿通される。具体的に説明すると、ロータ１３０は、その外周面がステータ１１０の内周面と離間した状態で、シャフト１３２に固定されており、シャフト１３２はベアリング（不図示）によってケース１２０に回転自在に軸支される。つまり、ロータ１３０は、ケース１２０に回転自在に軸支されることとなる。シャフト１３２は、内側に冷却液が流通するように、中空状に形成されている。シャフト１３２に流通する冷却液は、後述する冷却液供給管１５０とは異なる経路でシャフト１３２内に供給される。

冷却機構１４０は、冷却液供給管１５０と、リブ１６０とを含んで構成され、オイル等で構成される冷却液をステータ１１０の外周（本体部１１６の外周面１１６ａ）に供給することで、ステータ１１０を冷却する。

冷却液供給管１５０は、ステータ１１０の軸方向（図１中、Ｘ軸方向）に延在した管であり、不図示の冷却液供給手段によって冷却液が導入される。

図２は、冷却液供給管１５０を説明する図であり、図２（ａ）は冷却液供給管１５０の拡大断面図であり、図２（ｂ）、図２（ｃ）は冷却液の流れを説明する図である。

図２（ａ）に示すように、冷却液供給管１５０（噴射部）には、供給口１５２と、噴射口１５４（噴射部）とが形成されている。供給口１５２は、冷却液供給管１５０におけるステータ１１０に臨む方向、すなわち鉛直下方に形成されている。したがって、冷却液供給管１５０に導入された冷却液は、供給口１５２を通じてステータ１１０の外面（ステータコア１１２の本体部１１６の外周面１１６ａ）に供給されることとなる。そして、供給口１５２を通じて供給された冷却液は、本体部１１６の外周面１１６ａに沿って（外周面１１６ａを伝って）、鉛直下方に流下し、ケース１２０に形成された不図示の回収口を通じて回収される。

ここで、第３突出部１１８ｃは、鉛直上方側の基端１１８ｃａが、径方向に最も突出した部分である頂部１１８ｃｂより鉛直上方に配されているため、供給口１５２から供給された冷却液は、図２（ｂ）中、実線の矢印で示すように、第３突出部１１８ｃを伝って流れることとなる。したがって、第３突出部１１８ｃおよび第３突出部１１８ｃの下方に位置する本体部１１６の外周面に冷却液が満遍なく行き渡り、冷却液の液膜（油膜）が形成されることとなる。

一方、第１突出部１１８ａは、鉛直上方の基端１１８ａａが頂部１１８ａｂより鉛直下方に配されている。このため、供給口１５２から供給された冷却液は、図２（ｂ）、（ｃ）中、破線の矢印で示すように、第１突出部１１８ａによって堰き止められることとなる。したがって、第１突出部１１８ａおよび第１突出部１１８ａの下方に位置する本体部１１６の外周面１１６ａには、冷却液が到達せず、冷却液の液膜が形成されなくなってしまう（図２（ｃ）中、ハッチングで示す）。

特に、ハイブリッド自動車や電気自動車等に使用される電動機は、大きい駆動力を得るために大電流が流され、また、駆動とエネルギー回生とが繰り返される等、使用環境が厳しいので、発熱による温度上昇を抑制することが重要になっている。しかし、従来、冷却液供給管１５０には、供給口１５２しか形成されていなかったため、第１突出部１１８ａおよび第１突出部１１８ａの下方に位置する本体部１１６の外周面１１６ａを冷却することができず、ステータ１１０の冷却が不均一になってしまうという課題があった。

そこで、冷却液供給管１５０における第１突出部１１８ａに臨む方向に冷却液を噴射させる噴射口１５４を形成し、噴射口１５４から噴射された冷却液の噴流（ジェット流）で第１突出部１１８ａを乗り越えさせる（図３（ｃ）中、実線の矢印で示す）構成が考えられる。しかし、この構成では、冷却液がケース１２０の内周面に衝突して、ケース１２０を伝って流下してしまい、本体部１１６の外周面１１６ａには冷却液を行き渡らせることができず、冷却液の液膜が形成されない。

そこで、本実施形態の冷却機構１４０では、リブ１６０を備え、本体部１１６（ステータ１１０）の外周面１１６ａに冷却液を満遍なく行き渡らせ、冷却液の液膜を形成させる。

図３は、リブ１６０を説明する図であり、図３（ａ）は噴射口１５４から噴射された冷却液の噴流の流れを説明する図であり、図３（ｂ）、（ｃ）はリブ１６０近傍の拡大図である。

図３に示すように、リブ１６０は、第１突出部１１８ａの上方に、第１突出部１１８ａと所定間隔離隔して設けられる。したがって、リブ１６０と第１突出部１１８ａとの間には、間隙が形成され、この間隙が後述する液流路１６４となる。なお、本実施形態においてリブ１６０は、液流路１６４が第１突出部１１８ａのうち、最も鉛直上方に位置する箇所の上方に形成されるように、ケース１２０の内周面から径方向内側に突出して設けられる。

リブ１６０には、噴射口１５４から噴射された冷却液の噴流（図３中、実線の矢印で示す）を受け止めて、液流路１６４に冷却液を導く受止面１６２が形成されている。つまり、噴射口１５４は、ステータ１１０の上方からリブ１６０に向けて冷却液を噴射していると言える。本実施形態において、受止面１６２は、基端１６２ａから先端１６２ｂに向かうに従って鉛直下方に傾斜している面である。

受止面１６２を備える構成により、噴射口１５４から噴射された冷却液の流速を低下させることができ、液流路１６４および液流路１６４の下流側（リブ１６０の下流側）に液溜まり（図３（ｃ）中、クロスハッチングで示す）を形成させることが可能となる。これにより、液溜まりから第１突出部１１８ａに沿って（第１突出部１１８ａを伝って）、冷却液を流下させることができ、第１突出部１１８ａおよび第１突出部１１８ａの下方に位置する本体部１１６の外周面１１６ａにも、冷却液を行き渡らせて冷却液の液膜を形成させることが可能となる。したがって、ステータ１１０の冷却を均一化することができる。

図４は、ステータ１１０の軸方向のリブ１６０の位置を説明する図である。図４に示すように、本実施形態において、ケース１２０における、ステータ１１０の軸方向（図４中、Ｘ軸方向）に位置する端部であって、鉛直下方に配される端部には、内周面１２２からステータ１１０側に突出する壁部１２４が設けられている。そして、リブ１６０は、壁部１２４と内周面１２２とに接触するように、ケース１２０と一体形成されている。

また、本実施形態において、リブ１６０は、ケース１２０の内周面１２２のうち、ステータ１１０の軸方向に延在する第１突出部１１８ａに対向する位置全体に亘って設けられるのではなく、第１突出部１１８ａに対向する位置の一部に設けられる。本実施形態では、図４に示すように、壁部１２４から所定距離、ステータ１１０の軸方向（図４中、Ｘ軸方向）側に延在したリブ１６０が内周面１２２に設けられる。上記したように、電動機１００は、ロータ１３０の回転軸が水平方向から所定の傾斜角、傾くように設置されている。すなわち、ステータ１１０の軸も所定の傾斜角、傾くように設置されている。このため、リブ１６０が、ステータ１１０の軸方向（図４中、Ｘ軸方向）の一部にのみ設けられていても、リブ１６０の受止面１６２に衝突した冷却液を自重で本体部１１６の外周面１１６ａ全体に行き渡らせることが可能となる。

また、本実施形態において、噴射口１５４は、受止面１６２と壁部１２４との間（図４中、Ａで示す）に冷却液を噴射する。これにより、噴射口１５４から噴射された冷却液の流速をさらに低下させることができるとともに、受止面１６２と壁部１２４との間で冷却液の少なくとも一部を堰き止めることが可能となる。したがって、堰き止められた冷却液をリブ１６０の中央（図４中、Ｘ軸方向におけるＡに示す位置とＢに示す位置との間）に戻すことができる。これにより、液流路１６４およびリブ１６０の下流側に形成される液溜まりを大きくすることができる。

以上説明したように、本実施形態にかかる冷却機構１４０によれば、リブ１６０を備える構成により、受止面１６２によって噴射口１５４から噴射された冷却液の流速を低下させて、液流路１６４に導くことができ、第１突出部１１８ａの上方に液溜まりを形成することが可能となる。これにより、冷却液の噴流がケース１２０の内周面１２２に衝突してしまう事態を回避するとともに、第１突出部１１８ａおよび第１突出部１１８ａの下方に位置する本体部１１６の外周面１１６ａに冷却液を行き渡らせることが可能となる。したがって、ステータ１１０の外周面（本体部１１６の外周面１１６ａ）に冷却液の液膜を満遍なく形成させることが可能となり、ステータ１１０を均一に冷却することができる。

（シミュレーション）
比較例、実施例１、実施例２の各構成における冷却液の流れについてシミュレーションを行った。なお、比較例は、リブ１６０を備えない構成、実施例１、２は、リブ１６０を備える構成である。また、実施例１は、噴射口１５４が、受止面１６２におけるステータ１１０の軸方向の壁部１２４と逆側の端部（図４のＢの位置）に冷却液を噴射する構成、実施例２は、噴射口１５４が受止面１６２と壁部１２４との境界（図４のＡの位置）に冷却液を噴射する構成である。

図５は、比較例のシミュレーション結果を示す図であり、図６は、実施例１のシミュレーション結果を示す図であり、図７は、実施例２のシミュレーション結果を示す図である。なお、図５〜図７中、冷却液を黒色で示す。

図５に示す比較例では、冷却液供給管１５０から噴射された冷却液がケース１２０の内周面１２２を伝って流下してしまい、第１突出部１１８ａおよび第１突出部１１８ａの下方に位置する本体部１１６の外周面１１６ａには冷却液が殆ど接触しないことが分かった。

また、図６に示す実施例１では、冷却液がリブ１６０の受止面１６２に衝突することにより、比較例と比較して、第１突出部１１８ａおよび第１突出部１１８ａの下方に位置する本体部１１６の外周面１１６ａにも冷却液が行き渡り、冷却液の液膜が形成されることが確認された。

また、図７に示す実施例２では、受止面１６２と壁部１２４との間で冷却液を堰き止めているため、液溜まりを大きく形成することができ、実施例１と比較して、冷却液が行き渡らない箇所を低減できることが確認できた。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上記実施形態において、ステータ１１０の軸が水平方向から所定の傾斜角、傾いて設置される構成を例に挙げたため、リブ１６０が第１突出部１１８ａに対向する位置の一部にのみ設けられる場合について説明した。しかし、ステータ１１０の軸が水平方向に配される場合、すなわち、ロータ１３０の回転軸が水平方向になるように電動機１００を設置する場合には、リブ１６０は、ケース１２０の内周面１２２のうち、第１突出部１１８ａに対向する位置全体に亘って設けられるとよい。

また、上記実施形態では、受止面１６２と壁部１２４との間に冷却液が噴射される構成を例に挙げて説明した。しかし、冷却液は、少なくとも受止面１６２に衝突するように噴射されればよい。

また、上記実施形態では、リブ１６０がケース１２０の内周面１２２に設けられる構成を例に挙げて説明した。しかし、リブ１６０は、第１突出部１１８ａの上方に、第１突出部１１８ａと所定間隔離隔して設けられれば、設置位置に限定はなく、例えば、ステータ１１０に設けられていてもよい。

本発明は、ハイブリッド自動車や電気自動車等に搭載される電動機を冷却する冷却機構に利用できる。

１００ 電動機
１１０ ステータ
１１６ 本体部
１１６ａ 外周面
１１８ 突出部
１１８ａ 第１突出部
１１８ａａ 基端
１１８ａｂ 頂部
１２０ ケース
１２２ 内周面
１２４ 壁部
１４０ 冷却機構
１５０ 冷却液供給管（噴射部）
１５４ 噴射口（噴射部）
１６０ リブ
１６２ 受止面
１６２ａ 基端
１６２ｂ 先端
１６４ 液流路

Claims (3)

1. 円筒形状の本体部と、該本体部の外周面から径方向外方に突出するとともに該本体部の軸方向に延在する複数の突出部とを少なくとも有するステータと、所定の間隙を維持して該ステータの外面を囲繞するとともに該複数の突出部を介して該ステータが固定されるケースと、を備えた電動機を冷却する冷却機構であって、
   前記複数の突出部のうち最も鉛直上方に配される突出部であり、頂部が基端よりも鉛直上方に位置する第１突出部の上方に、該第１突出部と所定間隔離隔して設けられたリブと、
   前記ステータの上方から前記リブに向けて冷却液を噴射する噴射部と、
   を備え、
   前記リブは、前記噴射部によって噴射された冷却液の噴流を受け止めて、該リブと前記第１突出部との間に形成される液流路に該冷却液を導く受止面を有することを特徴とする冷却機構。
2. 前記ケースには、内周面から前記ステータ側に突出するとともに、少なくとも前記第１突出部が固定される壁部が設けられており、
   前記リブは、前記壁部に接触して設けられ、
   前記噴射部は、前記受止面と前記壁部との間に前記冷却液を噴射することを特徴とする請求項１に記載の冷却機構。
3. 前記リブは、前記ケースの内周面に設けられており、
   前記受止面は、基端から先端に向かうに従って鉛直下方に傾斜していることを特徴とする請求項１または２に記載の冷却機構。