JP6658627B2

JP6658627B2 - 回転電機

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Publication number: JP6658627B2
Application number: JP2017046384A
Authority: JP
Inventors: 尚人越野
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-03-10
Filing date: 2017-03-10
Publication date: 2020-03-04
Anticipated expiration: 2037-03-10
Also published as: CN108574352A; US20180262068A1; CN108574352B; JP2018152957A

Description

本発明は、回転電機の構造、特に、コイルエンドを冷却するための構造を設けた回転電機に関する。本発明の回転電機は、例えば、車両駆動用の電動機として車両に搭載される。

電動機やモータジェネレータ等の回転電機は、駆動に伴い銅損や鉄損、機械損といった損失が生じ、これら損失に応じた熱が発生する。この発熱により回転電機が過度に高温になると、部品の劣化や、永久磁石の減磁等を招く。そこで、従来から、ステータコイルのうち、ステータコアよりも軸方向外側に突出するコイルエンドに冷媒となる液体、例えば冷却油を噴射し、ステータコイルを冷却する技術が提案されている。

しかし、ステータコイルに冷却油を噴射する冷却方法は、冷却効率が低く、多量の冷却油をコイルエンドに噴射する必要があった。このため、コイルエンドに外面を覆うカバーを取り付け、カバーとコイルエンドとの間の空間に冷却油を流してコイルエンドを冷却する回転電機が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０−１２４６５８号公報

しかし、特許文献１に記載された回転電機では、コイルエンドの外側にカバーを取り付けるため、ステータの体格が大きくなってしまうとともに、部品点数が増加してしまうという問題があった。

そこで、本発明は、簡便な構成でステータを効率よく冷却することを目的とする。

本発明の回転電機は、円環状のヨークと、前記ヨークの内周側に突出する複数のティースと、各前記ティースの間に形成された複数のスロットとを有するステータコアと、前記ティースに対応する複数のリブと前記スロットに対応する複数の開口とを有し、前記ステータコアの軸方向端面に取り付けられる円環状のカフサと、前記スロットと前記開口とを通り、前記ティースと前記リブとに巻回されたコイルと、を含む回転電機であって、前記コイルは、前記カフサの軸方向外側に形成された円環状のコイルエンドを有し、前記カフサは、内径が前記コイルエンドの外径よりも大きく、コイルエンド側の面の外周から軸方向外側に延びる円筒状の外周側フランジを有し、前記外周側フランジの内周面と、前記コイルエンドの外周面と、前記カフサの前記コイルエンド側の面と共に外周側冷媒室を構成するように前記外周側フランジと前記コイルエンドとをモールドする樹脂を有することを特徴とする。ここで、円環状の前記カフサは、内径が前記コイルエンドの外形より大きい円環部と、前記円環部から前記ティースに対応する位置で内径方向に突出する複数のリブと、前記リブの内周を接続するリング部と、前記円環部の外周から軸方向に外側に延びる円筒状の外周側フランジとを有し、前記樹脂が、前記外周側フランジの内周面と、前記コイルエンドの外周面と、前記カフサの前記円環部と共に外周側冷媒室を構成するように前記外周側フランジと前記コイルエンドとをモールドしてもよい。

本発明の回転電機において、回転軸が重力方向と交差する姿勢で載置され、前記外周側冷媒室は、前記回転軸よりも重力方向上側に配置されて外部から前記外周側冷媒室に冷媒を導入する冷媒導入孔と、重力方向下端に配置されて前記外周側冷媒室から冷媒を排出する冷媒排出孔とを備えてもよい。

本発明の回転電機において、前記カフサは、外径が前記コイルエンドの内径よりも小さく、前記コイルエンド側の面の内周から軸方向外側に延びる円筒状の内周側フランジを有し、前記樹脂は、更に、前記内周側フランジの外周面と前記コイルエンドの内周面と前記カフサの前記コイルエンド側の面と共に内周側冷媒室を構成するように前記内周側フランジと前記コイルエンドとをモールドしてもよい。

本発明の回転電機において、回転軸が重力方向と交差する姿勢で載置され、前記内周側冷媒室は、前記回転軸よりも重力方向上側に配置されて前記内周側冷媒室からロータに冷媒を掛けるロータ用冷媒供給孔を備えてもよい。

本発明は、簡便な構成でステータを効率よく冷却することができる。

本発明の実施形態における回転電機のステータの外形を示す斜視図である。図１に示すステータの構造を示す分解斜視図である。図１に示すステータコアの軸方向端面に配置されたカフサを示す斜視図である。図１に示す導体セグメントを折り曲げ、溶接してコイルを形成した状態のステータを示す斜視図である。図４に示すステータのコイルエンドを樹脂モールドした状態を示す断面図である。図５に示すステータを組み込んだ回転電機の冷媒導入孔と冷媒排出孔との配置と冷媒の流れとを示す側面図である。図６に示す冷媒導入孔、冷媒排出孔を形成するためにカフサに設けたスリットを示す斜視図である。本発明の他の実施形態の回転電機のカフサを示す斜視図である。図８に示すカフサを図２に示すステータコアに取り付け、導体セグメントを折り曲げ、溶接してコイルを形成した状態のステータを示す斜視図である。図９に示すステータのコイルエンドを樹脂モールドした状態を示す断面図である。図１０に示すステータを組み込んだ回転電機の冷媒導入孔と冷媒排出孔とロータ用冷媒供給孔との配置と冷媒の流れとを示す側面図である。

以下、図面を参照しながら本実施形態の回転電機１００について説明する。図１に示すように、本実施形態の回転電機１００は、ステータ１０のリード側のコイルエンド３５とカフサ４０とを樹脂５０で、反リード側のコイルエンド３６を樹脂６０でそれぞれ一体にモールドしたものである。なお、図１に示すステータ１０は、コイルエンド３５の側にコイル３０の入出力端子（図示せず）が取り付けられているので、以下の説明では、ステータ１０のコイルエンド３５の側をリード側、コイルエンド３６の側を反リード側という。

図２に示すように、ステータ１０は、ステータコア２０と、ステータコア２０の軸方向端面２０ａ，２０ｂに取り付けられるカフサ４０と、ステータコア２０とカフサ４０とに巻回されるコイル３０とで構成される。

ステータコア２０は、多数の電磁鋼板を積層して構成されている。ステータコア２０は、ステータ１０の周方向に沿って延びる円環状のヨーク２１と、ヨーク２１の内周面よりステータ１０の径方向内側へ突出する複数のティース２２とを備えている。複数のティース２２はステータ１０の周方向に互いに等間隔で配置されている。ステータ１０の周方向に隣接するティース２２の間にはスロット２３が形成されている。複数のスロット２３は、ステータ周方向に互いに等間隔で配置されている。各ティース２２及び各スロット２３は、ステータ１０の軸方向に沿って延びている。

図２に示すように、ステータコア２０のリード側の軸方向端面２０ａには、カフサ４０が取り付けられている。カフサ４０は、絶縁性の樹脂成形部材であり、例えば、エポキシ樹脂から形成されている。図３に示すように、カフサ４０は、リード側の軸方向端面２０ａのヨーク２１に接する円環状の円環板４１と、円環板４１からティース２２に対応する位置で内径方向に突出するリブ４３と、リブ４３の内周を接続するリング４２とを備えている。隣接するリブ４３の間の空間は、スロット２３の空間と対応する位置に配置される開口４４を構成する。また、カフサ４０は、円環板４１の外周からリード側の軸方向外側に向かって延びる円筒状の外周側フランジ４５を有している。

図２に示すように、ステータコア２０の反リード側の軸方向端面２０ｂには、先に説明したカフサ４０が裏返しに取り付けられている。反リード側の軸方向端面２０ｂに取り付けられたカフサ４０の外周側フランジ４５は、円環板４１の外周から反リード側の軸方向外側に向かって延びている。

コイル３０は、ステータコア２０の周方向における全てのスロット２３に挿入された複数の導体セグメント３１によって構成される。なお、図２には、一対の導体セグメント３１しか示されていないが、導体セグメント３１はステータコア２０の全てのスロット２３に挿入される。

導体セグメント３１はＵ字形状であり、２つの直線状の脚３１ａと、これらを連結する湾曲部３１ｂとを備えている。導体セグメント３１の脚３１ａを、反リード側のカフサ４０の開口４４、スロット２３に挿入すると、脚３１ａはリード側のカフサ４０の開口４４から軸方向外側に向かって突出する。カフサ４０の開口４４から突出した脚３１ａの部分は周方向に折り曲げられ、図４に示すように他の導体セグメント３１の脚３１ａと溶接される。これにより、導体セグメント３１はスロット２３と開口４４を通り、ティース２２とリブ４３に巻回されるコイル３０となる。リード側の折り曲げ部分３２と溶接部分３３とはリード側のコイルエンド３５を形成する。また、反リード側のカフサ４０の開口４４からは導体セグメント３１の湾曲部３１ｂが軸方向外側に向かって突出している。この湾曲部３１ｂは、反リード側のコイルエンド３６を形成する。リード側のコイルエンド３５も、反リード側のコイルエンド３６も略円環状の外形形状となっている。

図５に示すように、カフサ４０の外周側フランジ４５の内径Ｄｆ１は、コイルエンド３５の外径Ｄｃ１よりも大きい。このため、ステータコア２０と、カフサ４０と、導体セグメント３１とを図４に示すような状態に組みたてた状態においては、コイルエンド３５の外周面３５ａと、カフサ４０の外周側フランジ４５の内周面４５ｂとの間には半径方向に（（Ｄｆ１−Ｄｃ１）／２）の隙間があいている。また、外周側フランジ４５のステータコア２０の軸方向端面２０ａからの高さはＬ１で、導体セグメント３１の折り曲げ部分３２よりも軸方向外側に突出している。

ステータコア２０と、カフサ４０と、導体セグメント３１とを図４に示すような状態に組みたてた状態で、図５に示すように、ステータコア２０の軸方向端面２０ａからの高さがＨ１からＨ２の部分を樹脂５０でモールドする。図５に示すように、外周側フランジ４５のステータコア２０の軸方向端面２０ａからの高さＬ１は、モールドした樹脂５０のステータコア２０の軸方向端面２０ａからの高さＨ１よりも高いので、高さＬ１と高さＨ１の間の外周側フランジ４５の先端部分は、樹脂５０、コイルエンド３５と共にモールドされる。一方、高さＨ１とカフサ４０の円環板４１のコイルエンド側の面４１ａとの間で、外周側フランジ４５の内周面４５ｂとコイルエンド３５の外周面３５ａとの間には、樹脂５０が入り込まない。このため、樹脂５０のステータコア２０の側の面５０ａと、外周側フランジ４５の内周面４５ｂと、コイルエンド３５の外周面３５ａと、カフサ４０の円環板４１のコイルエンド３５の側の面４１ａとは円環状の外周側冷媒室５１を構成する。

図５を参照して説明したステータ１０のステータコア２０の内径側に図６に示すように、回転軸７１を有するロータ７０を組み込んで回転電機１００を構成し、回転電機１００の回転軸７１が重力方向と交差するように、例えば、電動車両等に搭載する。外周側冷媒室５１の回転軸７１よりも重力方向上側には外部から外周側冷媒室５１に冷媒を導入する冷媒導入孔５３を設ける。また、外周側冷媒室５１の重力方向下端には外周側冷媒室５１から冷媒を排出する冷媒排出孔５４を設ける。冷媒導入孔５３は、ステータ１０の重力方向上側に配置された冷媒供給管８０に設けられたノズル８１から冷媒が噴出される方向（図６に矢印ａで示す）に沿って斜め上方向に向かって開いている。

図６に示すように、冷媒供給管８０のノズル８１から矢印ａに示す方向に噴出した冷媒は、冷媒導入孔５３を通って外周側冷媒室５１の中に流入する。外周側冷媒室５１に流入した冷媒は、図６の矢印ｂに示すように、円環状の外周側冷媒室５１に充満してコイルエンド３５の外周面３５ａに沿って重力方向下側に向かって流れていく。この際、冷媒はコイルエンド３５の外周面３５ａを冷却する。コイルエンド３５を冷却した冷媒は、外周側冷媒室５１の重力方向下端に向かって流れ、図６の矢印ｃに示すように、外周側冷媒室５１の重力方向下端に配置された冷媒排出孔５４から外部に向かって流出する。また、円環状の外周側冷媒室５１に流入した冷媒の一部は、図６の矢印ｄのように、コイルエンド３５とカフサ４０のリブ４３との間の隙間を通って半径方向に重力方向下向きに流れ、樹脂５０とカフサ４０の内周側のリング４２との間の軸方向の隙間からロータ７０に掛かる。

このように、本実施形態の回転電機１００は、カフサ４０の外周側フランジ４５とコイルエンド３５とを樹脂５０で一体にモールドし、樹脂５０と、外周側フランジ４５の内周面４５ｂと、コイルエンド３５の外周面３５ａと、カフサ４０の円環板４１のコイルエンド３５の側の面４１ａとによって円環状の外周側冷媒室５１を構成する。これにより、特許文献１に記載された従来技術の回転電機のように、コイルエンドに別部品のカバーを取り付けることなくコイルエンド３５の外周面３５ａに沿って冷媒を流す外周側冷媒室５１を構成することができる。また、コイルエンド３５の外側にカバーを取り付ける必要が無いのでステータ１０の体格を小さくできる。

外周側冷媒室５１は、冷媒の流量が少ない場合でも冷媒とコイルエンド３５とを接触させることができるので効率良くコイルエンド３５を冷却することができる。このように、本実施形態の回転電機１００は、簡便な構成でステータ１０を効率よく冷却することができるとともに、ステータ１０の体格を小さくすることができる。

以上説明した実施形態では、リード側のコイルエンド３５とカフサ４０とを樹脂５０で一体にモールドして外周側冷媒室５１を形成することとして説明したが、反リード側も同様に、コイルエンド３６とカフサ４０とを樹脂６０で一体にモールドして外周側冷媒室が形成される。

なお、冷媒導入孔５３、冷媒排出孔５４は、樹脂５０、６０をモールドした後で加工してもよいし、図７に示すように、カフサ４０の外周側フランジ４５にスリット４７を設け、樹脂５０、６０によってカフサ４０とコイルエンド３５、３６とを一体にモールドすることにより、外周側フランジ４５に孔が形成されるようにして構成してもよい。

次に図７から図１１を参照しながら、他の実施形態について説明する。先に図１から図７を参照して説明したのと同様の部分には同様の符号を付して説明は省略する。

本実施形態の回転電機２００は、図８に示すように、図１から図７を参照して説明した実施形態の回転電機１００のカフサ４０に内周側フランジ４６を設け、図９に示すように、ステータコア２０にカフサ４０と導体セグメント３１とを組み付けた後、図１０に示すように、樹脂５０によって内周側フランジ４６とコイルエンド３５とを一体にモールドし、樹脂５０と、内周側フランジ４６の外周面４６ａと、コイルエンド３５の内周面３５ｂと、カフサ４０のリング４２のコイルエンド３５の側の面４２ａと、によって円環状の内周側冷媒室５２を構成したものである。

図１０に示すように、カフサ４０の内周側フランジ４６の内径Ｄｆ２は、コイルエンド３５の内径Ｄｃ２よりも小さい。このため、ステータコア２０と、カフサ４０と、導体セグメント３１とを図９に示すような状態に組みたてた状態においては、コイルエンド３５の内周面３５ｂと、カフサ４０の内周側フランジ４６の外周面４６ａとの間には半径方向に（（Ｄｃ２−Ｄｆ２）／２）の隙間があいている。また、内周側フランジ４６のステータコア２０の軸方向端面２０ａからの高さはＬ１で、導体セグメント３１の折り曲げ部分３２よりも軸方向外側に突出している。

ステータコア２０と、カフサ４０と、導体セグメント３１とを図９に示すような状態に組みたてた状態で、図１０に示すように、ステータコア２０の軸方向端面２０ａからの高さがＨ１からＨ２の部分を樹脂５０でモールドする。図１０に示すように、内周側フランジ４６のステータコア２０の軸方向端面２０ａからの高さＬ１は、モールドした樹脂５０のステータコア２０の軸方向端面２０ａからの高さＨ１よりも高いので、高さＬ１と高さＨ１の間の内周側フランジ４６の先端部分は、樹脂５０、コイルエンド３５と共にモールドされる。一方、高さＨ１とカフサ４０のリング４２のコイルエンド側の面４２ａとの間で、内周側フランジ４６の外周面４６ａとコイルエンド３５の内周面３５ｂとの間には、樹脂５０が入り込まない。このため、樹脂５０のステータコア２０の側の面５０ａと、内周側フランジ４６の外周面４６ａと、コイルエンド３５の内周面３５ｂと、カフサ４０のリング４２のコイルエンド３５の側の面４２ａとは円環状の内周側冷媒室５２を構成する。

以上説明した実施形態では、リード側のコイルエンド３５とカフサ４０とを樹脂５０で一体にモールドして内周側冷媒室５２を形成することとして説明したが、反リード側も同様に、コイルエンド３６とカフサ４０とを樹脂６０で一体にモールドして内周側冷媒室が形成される。

図１１に示すように、回転電機２００は、内周側冷媒室５２の回転軸７１よりも重力方向上側に内周側冷媒室５２からロータ７０に冷媒を掛けるロータ用冷媒供給孔５５が設けられている。

先に説明した回転電機１００と同様、冷媒供給管８０のノズル８１から矢印ａに示す方向に噴出した冷媒は、図１１に示すように、冷媒導入孔５３を通って外周側冷媒室５１に中に流入する。外周側冷媒室５１に流入した冷媒は、図１１の矢印ｂに示すように、円環状の外周側冷媒室５１に充満してコイルエンド３５の外周面３５ａに沿って重力方向下側に向かって流れていく。この際、冷媒はコイルエンド３５の外周面３５ａを冷却する。コイルエンド３５を冷却した冷媒は、外周側冷媒室５１の重力方向下端に向かって流れ、図１１の矢印ｃに示すように、外周側冷媒室５１の重力方向下端に配置された冷媒排出孔５４から外部に向かって流出する。

また、円環状の外周側冷媒室５１に流入した冷媒の一部は、図１１の矢印ｅ、ｆに示すように、コイルエンド３５とカフサ４０のリブ４３との間の隙間を通って半径方向に重力方向下向きに流れ、内周側冷媒室５２に流入する。内周側冷媒室５２に流入した冷媒は、内周側冷媒室５２に充満してコイルエンド３５の内周面３５ｂに沿って重力方向下側に向かって流れていく。この際、冷媒は、コイルエンド３５の内周面３５ｂを冷却する。そして、図１１の矢印ｈ、ｃに示すように、コイルエンド３５とカフサ４０のリブ４３との間の隙間を通って内周側冷媒室５２から外周側冷媒室５１に向かって流れ、外周側冷媒室５１の重力方向下端に配置された冷媒排出孔５４から外部に向かって流出する。また、円環状の外周側冷媒室５１から内周側冷媒室５２に流入した冷媒の一部は、ロータ用冷媒供給孔５５を通ってロータ７０の外面に掛かり、ロータ７０を冷却する。

このように、本実施形態の回転電機２００は、カフサ４０の内周側フランジ４６とコイルエンド３５とを樹脂５０で一体にモールドし、樹脂５０と、内周側フランジ４６の外周面４６ａと、コイルエンド３５の内周面３５ｂと、カフサ４０のリング４２のコイルエンド３５の側の面４２ａとによって円環状の内周側冷媒室５２を構成している。これにより、特許文献１に記載された従来技術の回転電機のように、コイルエンドに別部品のカバーを取り付けることなくコイルエンド３５の内周面３５ｂに沿って冷媒を流す内周側冷媒室５２を構成することができ、ステータ１０の体格を小さくすることがてきる。

また、冷媒とコイルエンド３５の外周面３５ａと内周面３５ｂとを接触させることができるので冷媒流量が少ない場合でも、より効率良くコイルエンド３５を冷却することができる。更に、内周側冷媒室５２からロータ７０に冷媒を掛けることができるので、ステータ１０と共にロータ７０も冷却することができる。

１０ステータ、２０ステータコア、２０ａ、２０ｂ軸方向端面、２１ヨーク、２２ティース、２３スロット、３０コイル、３１導体セグメント、３１ａ脚、３１ｂ湾曲部、３２折り曲げ部分、３３溶接部分、３５、３６コイルエンド、３５ａ、４６ｂ外周面、３５ｂ、４５ｂ内周面、４０カフサ、４１円環板、４１ａ、４２ａ，５０ａ面、４２リング、４３リブ、４４開口、４５外周側フランジ、４６内周側フランジ、４７スリット、５０、６０樹脂、５１外周側冷媒室、５２内周側冷媒室、５３冷媒導入孔、５４冷媒排出孔、５５ロータ用冷媒供給孔、７０ロータ、７１回転軸、８０冷媒供給管、８１ノズル、１００、２００回転電機。

Claims

円環状のヨークと、前記ヨークの内周側に突出する複数のティースと、各前記ティースの間に形成された複数のスロットとを有するステータコアと、
前記ティースに対応する複数のリブと前記スロットに対応する複数の開口とを有し、前記ステータコアの軸方向端面に取り付けられる円環状のカフサと、
前記スロットと前記開口とを通り、前記ティースと前記リブとに巻回されたコイルと、を含む回転電機であって、
前記コイルは、前記カフサの軸方向外側に形成された円環状のコイルエンドを有し、
前記カフサは、内径が前記コイルエンドの外径よりも大きく、コイルエンド側の面の外周から軸方向外側に延びる円筒状の外周側フランジを有し、
前記外周側フランジの内周面と、前記コイルエンドの外周面と、前記カフサの前記コイルエンド側の面と共に外周側冷媒室を構成するように前記外周側フランジと前記コイルエンドとをモールドする樹脂を有する回転電機。
請求項１に記載の回転電機であって、
円環状の前記カフサは、内径が前記コイルエンドの外形より大きい円環部と、前記円環部から前記ティースに対応する位置で内径方向に突出する複数のリブと、前記リブの内周を接続するリング部と、前記円環部の外周から軸方向に外側に延びる円筒状の外周側フランジとを有し、
前記樹脂が、前記外周側フランジの内周面と、前記コイルエンドの外周面と、前記カフサの前記円環部と共に外周側冷媒室を構成するように前記外周側フランジと前記コイルエンドとをモールドする回転電機。
請求項１又は２に記載の回転電機であって、
回転軸が重力方向と交差する姿勢で載置され、
前記外周側冷媒室は、前記回転軸よりも重力方向上側に配置されて外部から前記外周側冷媒室に冷媒を導入する冷媒導入孔と、重力方向下端に配置されて前記外周側冷媒室から冷媒を排出する冷媒排出孔と備える回転電機。
請求項１から３のいずれか１項に記載の回転電機であって、
前記カフサは、外径が前記コイルエンドの内径よりも小さく、前記コイルエンド側の面の内周から軸方向外側に延びる円筒状の内周側フランジを有し、
前記樹脂は、更に、前記内周側フランジの外周面と前記コイルエンドの内周面と前記カフサの前記コイルエンド側の面と共に内周側冷媒室を構成するように前記内周側フランジと前記コイルエンドとをモールドする回転電機。
請求項４に記載の回転電機であって、
回転軸が重力方向と交差する姿勢で載置され、
前記内周側冷媒室は、前記回転軸よりも重力方向上側に配置されて前記内周側冷媒室からロータに冷媒を掛けるロータ用冷媒供給孔を備える回転電機。