JP6760103B2

JP6760103B2 - 回転電機の冷却構造

Info

Publication number: JP6760103B2
Application number: JP2017010528A
Authority: JP
Inventors: 聖今川; 智也杉山; 哲郎市川
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-01-24
Filing date: 2017-01-24
Publication date: 2020-09-23
Anticipated expiration: 2037-01-24
Also published as: JP2018121422A

Description

本明細書では、ステータおよびロータを備えた回転電機と、ステータコイルのコイルエンド部に冷却用の冷媒液を吐出する冷媒吐出機構と、を備えた回転電機の冷却構造を開示する。

回転電機は、周知の通り、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部に冷却用の冷媒液、例えば冷却油を噴射し、ステータコイル、ひいては、回転電機を冷却する技術が提案されている。

例えば、特許文献１には、電動モータ（回転電機）の側面部（コイルエンド部）を覆うサイドカバーを設け、当該サイドカバーに潤滑油が流れる油路と、当該潤滑油（冷却油）をステータの上側半円部分に向かって噴きかける複数の吐出孔と、を形成した冷却構造が開示されている。かかる技術によれば、ステータの上側半円部分に潤滑油がかかった後、重力の影響で、ステータの下側半円部分にも、潤滑油が流れていくため、ステータ全体を効果的に冷却できる。

特許第５７４０３１１号公報

ところで、回転電機の中には、ステータコイルの温度を検出するために、コイルエンド部に温度センサを取り付けたものがある。そして、この場合、温度センサで検知された温度に応じて、種々の制御パラメータを変更する。例えば、回転電機を熱から保護するために、ステータコイルの検出温度が過度に高い場合には、ステータコイルに流れる電流を制限し、銅損を低減することがある。また、ステータコイルの検出温度に応じて、冷媒液の吐出流量を調整することもある。このように、ステータコイルの温度に応じて、通電量や冷媒液の吐出流量を制御することで、回転電機をより確実に熱から保護できる。

しかし、温度センサは、通常、コイルエンド部に設けられることが多い。そのため、特許文献１等のように、コイルエンド部に冷媒液を吐出すると、温度センサに冷媒液がかかることがある。温度センサに、冷媒液がかかると、ステータコイルの実際の温度と、温度センサによる検出温度との乖離が大きくなり、結果として、通電量や冷媒液の吐出流量を適切に制御できなかった。

そこで、本明細書では、ステータコイルの温度の検出精度を維持しつつ、ステータを適切に冷却できる回転電機の冷却構造を提供することを目的とする。

本明細書で開示する回転電機の冷却構造は、ロータと、ステータと、を備えた回転電機と、ステータコイルのコイルエンド部の内部に埋め込まれ、前記ステータコイルの温度を検出する温度センサと、前記コイルエンド部に冷却用の冷媒液を吐出する冷媒吐出機構と、前記冷媒液が前記温度センサにかからないように、前記温度センサを覆うセンサカバーと、を備え、前記センサカバーは、前記コイルエンド部の端面の一部を覆うとともに、冷媒液の吐出点と温度センサとの間に介在する壁を含む、ことを特徴とする。

本明細書で開示する回転電機の冷却構造は、冷媒液が温度センサにかからないように、温度センサを覆うセンサカバーを備えているため、温度センサが冷媒液の影響を受けにくく、ステータコイルの温度の検出精度を高く維持することができる。また、温度センサが、センサカバーで覆われているため、冷媒液の吐出範囲を制限する必要がなく、コイルエンド部の広範囲に冷媒液を吐出でき、ステータを適切に冷却できる。

回転電機の概略縦断面図である。図１のＡ−Ａ断面図である。図１のＢ部拡大図である。図２のＣ−Ｃ断面図である。他の冷却構造の一例を示す図である。他の冷却構造の一例を示す図である。

以下、回転電機１０とその冷却構造について図面を参照して説明する。図１は、回転電機１０の概略縦断面図である。また、図２は、図１のＡ−Ａ断面図であり、図３は、図１のＢ部拡大図である。さらに、図４は、図２のＣ−Ｃ断面図である。なお、図１〜図３において、重力は、紙面の上から下に向かって作用しており、Ｚ軸方向が重力方向、および、Ｘ軸方向およびＹ軸方向が水平方向となる。

回転電機１０は、電動車両、例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車に搭載される。電動車両において、当該回転電機１０は、車両を走行させるための動力を発生する走行用モータとして用いられてもよいし、回生制動力やエンジンの余剰動力により発電するジェネレータとして用いられてもよい。電動車両において、回転電機１０は、その回転軸１２が、重力方向と略直交するような姿勢で載置されている。ただし、回転電機１０の姿勢は、その用途に応じて、適宜、変更されてもよく、例えば、回転軸１２と重力方向とが平行となってもよい。

回転電機１０は、回転軸１２と、当該回転軸１２に固着されたロータ１４と、ロータ１４の外周囲に配されたステータ１６と、これらを収容する外装ケース１８と、を備えている。回転軸１２は、軸受３２を介して外装ケース１８に軸支されており、自転可能となっている。ロータ１４は、積層鋼板等からなるロータコア２４と、当該ロータコア２４内に埋め込まれる複数の永久磁石２６と、を備えた略環状部材である。ロータ１４は、回転軸１２に固着されており、回転軸１２は、当該ロータ１４と一体となって回転する。

ステータ１６は、ステータコア２０とステータコイル２２とを備えている。ステータコア２０は、積層鋼板等からなる略環状部材で、環状のヨークと、当該ヨークの内周から径方向内側に突出する複数のティースと、を備えている。各ティースには、ステータコイル２２を構成する巻線が巻回されている。この巻線の巻回方法は、巻線を一つのティースに巻回する集中巻でもよいし、巻線を複数のティースに跨って巻回する分布巻でもよい。いずれにしても、ステータ１６の軸方向両端には、ステータコイル２２のうち、ステータコア２０の軸方向端面から軸方向外側に突出した部分であるコイルエンド部２２ｅが存在している。

ステータコイル２２は、三相のコイル、すなわち、Ｕ相コイル、Ｖ相コイル、Ｗ相コイルを結線して構成される。コイルの結線態様は、特に限定されないが、本実施形態では、三相のコイルそれぞれの末端を、中性点で一括して接続したスター結線としている。回転電機１０を、電動機として使用する場合は、このステータコイル２２に三相交流電流を印加する。これにより、回転磁界が形成され、ロータ１４が回転する。また、回転電機１０を発電機として使用する場合には、車両の回生制動力やエンジンの余剰動力により、回転軸１２およびロータ１４が回転する。これにより、ステータコイル２２に電流が誘導される。

三相のコイルそれぞれの始端は、端子台３６（図１では図示せず、図２参照）に設けられた入出力端子３８に接続される。端子台３６は、ステータ１６の軸方向一端に取り付けられる部材で、入出力端子３８を有している。入出力端子３８は、三相のコイルそれぞれと、外部に設けられたインバータと、を電気的に中継する。なお、以下では、回転電機１０の軸方向両側のうち、この端子台３６および後述する温度センサ３４が設けられる側（図１における左側）を、「リード線側」と呼び、反対側（図１における右側）を「反リード線側」と呼ぶ。

リード線側のコイルエンド部２２ｅには、ステータコイル２２の温度を検出するための温度センサ３４が、設けられている。温度センサ３４は、図４に示す通り、コイルエンド部２２ｅの内部に埋め込まれている。温度センサ３４は、温度に応じた電気信号を出力できるのであれば、特に限定されず、例えば、サーミスタ等である。回転電機１０の駆動を制御する制御部（図示せず）は、回転電機１０を熱から保護するために、温度センサ３４の検出温度が高い場合には、ステータコイル２２に流れる電流を制限する。また、制御部は、温度センサ３４の検出温度に応じて、ステータコイル２２に吐出する冷却油（冷媒液）の吐出流量を調整する。

外装ケース１８は、ケース本体２８と、カバー３０と、ケース本体２８およびカバー３０の内面に取り付けられる二つの吐出プレート４６，５６と、に大別される。ケース本体２８は、軸方向一端（リード線側端部）が完全開口された略円筒形部材である。また、カバー３０は、ケース本体２８の開口を覆う部材で、ボルト等の固定手段により、ケース本体２８に固定される。この外装ケース１８の基本的な構成は、公知の従来技術を利用できるため、ここでの詳説は、省略する。以下では、主に、外装ケース１８に設けられた第１の吐出機構４０および第２の吐出機構４２について説明する。

カバー３０のうち、リード線側のコイルエンド部２２ｅとの対向面には、冷却油を吐出する第１の吐出機構４０が設けられている。また、ケース本体２８のうち、他端側（図１の右端側）のコイルエンド部２２ｅとの対向面には、冷却油を吐出する第２の吐出機構４２が設けられている。

第１の吐出機構４０は、図３に示すように、カバー３０の内面に形成された第１の冷却溝４４と、当該第１の冷却溝４４を覆う第１の吐出プレート４６と、で構成される。また、図２における二点鎖線は、第１の冷却溝４４および第１の吐出プレート４６の概略形状を示している。

第１の冷却溝４４は、カバー３０のうち、コイルエンド部２２ｅと対向する位置に形成された溝である。この第１の冷却溝４４は、図２から明らかな通り、コイルエンド部２２ｅの、重力方向上側半分の範囲（すなわち、略１８０度の範囲）に亘って、周方向に延びる半円弧形状である。

第１の吐出プレート４６は、第１の冷却溝４４よりも十分に幅広の円弧状のプレートである。この第１の吐出プレート４６も、第１の冷却溝４４と同様に、コイルエンド部２２ｅの、重力方向上側半分の範囲（すなわち、略１８０度の範囲）に亘って、周方向に延びる半円弧形状である。第１の吐出プレート４６は、ボルト等により、カバー３０の内面に固着される。このとき、第１の吐出プレート４６は、カバー３０の内面に液密に密着するとともに、第１の冷却溝４４を完全に覆う。そして、これにより、カバー３０と第１の吐出プレート４６との間に、冷却油が流れる冷媒路５２が形成される。

第１の吐出プレート４６には、周方向に間隔を開けて並ぶ複数の吐出孔４８が形成されている。各吐出孔４８は、第１の吐出プレート４６を厚み方向に貫通しており、冷媒路５２に流れる冷却油は、この吐出孔４８を介して外部に噴出する。したがって、冷却油は、冷媒路５２から吐出孔４８を介して軸方向に噴出し、リード線側のコイルエンド部２２ｅの軸方向端面に当たることになる。そして、この冷却油により、ステータコイル２２が冷却される。

なお、図２の例では、吐出孔４８は、コイルエンド部２２ｅの重力方向上半分の範囲にのみ設けられている。そのため、吐出直後の冷却油は、コイルエンド部２２ｅの重力方向上半分の範囲にのみ当たることになるが、コイルエンド部２２ｅに当たった後の冷却油は、重力により、下方に移動していくため、冷却油は、コイルエンド部２２ｅのほぼ全面に行き渡ることになる。

第２の吐出機構４２も、第１の吐出機構４０とほぼ同じ構造を有している。すなわち、第２の吐出機構４２は、ケース本体２８の内面において周方向に延びる第２の冷却溝５４と、当該第２の冷却溝５４を覆う第２の吐出プレート５６と、で構成される。第２の吐出プレート５６は、ケース本体２８の内面に液密に密着するとともに、第２の冷却溝５４を完全に覆う。第２の吐出プレート５６には、周方向に間隔を開けて並ぶ複数の吐出孔が形成されている。冷却油は、冷媒路５２から吐出孔を介して軸方向に噴出し、反リード線側のコイルエンド部２２ｅの軸方向端面に当たる。

外装ケース１８の外側には、図１に示すように、冷却油を、第１の吐出機構４０および第２の吐出機構４２に導く冷媒通路６２が設けられている。この冷媒通路６２は、途中で二股に分岐する。分岐後の冷媒通路６２は、第１の冷却溝４４および第２の冷却溝５４に連通している。また、コイルエンド部２２ｅに吐出された冷却油は、重力により、下方に落下し、外装ケース１８の底に溜まる。外装ケース１８の底部には、この貯留する冷却油を回収するための回収通路（図示せず）が接続されている。回収通路を介して回収された冷却油は、自然冷却された後、再び、冷媒通路６２を介して、第１、第２の吐出機構４０，４２に供給される。

回転電機１０には、さらに、温度センサ３４に冷却油がかかることを抑制するために、当該温度センサ３４を覆うためのセンサカバー５０が設けられている。センサカバー５０は、少なくとも、温度センサ３４に冷却油がかかることを抑制できるのであれば、その形状等は、特に限定されない。図示例において、センサカバー５０は、温度センサ３４周辺に設けられており、コイルエンド部２２ｅの軸方向端面、内周面、外周面を覆う壁を有した断面略コ字状の部材である。また、センサカバー５０の材質は、特に限定されないが、冷却油に起因する温度センサ３４の検出温度低下を抑制するために、伝熱性の低い材質、例えば、樹脂等であることが望ましい。

かかるセンサカバー５０を設ける理由について説明する。従来の回転電機１０では、ステータコイル２２を冷却するための冷却油の一部が、当該ステータコイル２２に取り付けられた温度センサ３４にもかかっていた。この場合、温度センサ３４の検出温度が低下し、ステータコイル２２の実温度と検出温度との乖離が大きくなる。

ここで、既述した通り、回転電機１０の制御部は、回転電機１０を熱から保護するために、温度センサ３４の検出温度に基づいて、通電量や冷却油の流量等を制御している。したがって、温度センサ３４に冷却油がかかり、ステータコイル２２の実温度よりも低い温度が検出されると、回転電機１０を熱から適切に保護することができない。

そこで、かかる問題を避けるために、温度センサ３４に冷却油がかからないように、冷却油の吐出範囲を制限して狭くすることも考えられる。しかし、冷却油の吐出範囲を狭くすると、その分、ステータコイル２２の冷却効率が低下する。そこで、本明細書で開示する回転電機１０では、温度センサ３４周辺をセンサカバー５０で覆い、温度センサ３４に冷却油がかからないようにしている。その結果、冷却油による温度センサ３４の冷却を抑制しつつ、ステータコイル２２の広範囲に冷却油をかけることができる。結果として、ステータコイル２２を効果的に冷却することができる。また、温度センサ３４に冷却油がかかりにくくなるため、温度センサ３４での検出温度と、ステータコイル２２の実温度との乖離が小さくなる。結果として、ステータコイル２２の実際の状態に適した通電量、冷媒吐出流量が選択されやすくなるため、ステータコイル２２をより適切に冷却できる。

以上の説明から明らかな通り、本明細書で開示する冷却構造は、温度センサ３４の周囲を覆って、当該温度センサ３４に冷却油がかからないようにするセンサカバー５０を有している。そのため、ステータコイル２２の温度の検出精度を維持しつつ、ステータ１６を適切に冷却できる。

なお、これまで説明した構成は、一例であり、少なくとも、冷媒液が温度センサ３４にかからないように、温度センサ３４を覆うセンサカバー５０を有しているのであれば、その他の構成は、適宜、変更されてもよい。例えば、温度センサ３４の設置箇所や、個数は、適宜、変更さてもよい。例えば、リード線側のコイルエンド部２２ｅに替えて、または、加えて、反リード線側のコイルエンド部２２ｅにも、温度センサ３４を設けてもよい。

また、冷媒液の吐出機構も、適宜、変更されてもよい。例えば、図５に示すように、吐出プレート４６を廃止し、替わりに、カバー３０（外装ケース１８）の外面に、冷却溝４４を、内面に吐出孔４８を設けてもよい。この場合、カバー３０の外面には、冷却溝４４を覆う板材６０を取り付ければよい。また、吐出孔４８の位置や、個数は、適宜、変更されてもよく、例えば、複数の吐出孔４８が、３６０度の全範囲に、均等に配されてもよい。

また、これまでは、冷媒液を、軸方向に吐出する冷媒吐出機構のみを例示したが、冷媒吐出機構は、冷媒液を、径方向に吐出する構成でもよい。例えば、図６に示すように、回転軸１２またはロータ１４の外周面に吐出孔４８を形成し、当該吐出孔４８から冷媒液を吐出するようにしてもよい。この場合、ロータ１４および回転軸１２の回転に伴い生じる遠心力により、冷媒液が径方向に勢いよく噴出し、コイルエンド部２２ｅに当たる。この場合でも、冷媒液がかからないように、温度センサ３４を覆うセンサカバー５０を設けておけば、ステータコイル２２の温度を正確に検出できる。

また、センサカバー５０は、少なくとも、冷媒液の吐出点と温度センサ３４との間に介在する壁を有しているのであれば、その形状は、限定されない。従って、例えば、図５に示すように、コイルエンド部２２ｅの軸方向端面との対向面から軸方向に冷媒液を吐出する場合には、センサカバー５０は、当該コイルエンド部２２ｅの軸方向端面を覆う略平板状でもよい。また、図６に示すように、コイルエンド部２２ｅの径方向内側から径方向に冷媒液を吐出する場合には、センサカバー５０は、当該コイルエンド部２２ｅの内周面を覆う略平板状でもよい。

１０回転電機、１２回転軸、１４ロータ、１６ステータ、１８外装ケース、２０ステータコア、２２ステータコイル、２２ｅコイルエンド部、２４ロータコア、２６永久磁石、２８ケース本体、３０カバー、３２軸受、３４温度センサ、３６端子台、３８入出力端子、４０第１の吐出機構、４２第２の吐出機構、４４第１の冷却溝、４６第１の吐出プレート、４８吐出孔、５０センサカバー、５２冷媒路、５４第２の冷却溝、５６第２の吐出プレート、６０板材、６２冷媒通路。

Claims

ロータと、ステータと、を備えた回転電機と、
ステータコイルのコイルエンド部の内部に埋め込まれ、前記ステータコイルの温度を検出する温度センサと、
前記コイルエンド部に冷却用の冷媒液を吐出する冷媒吐出機構と、
前記冷媒液が前記温度センサにかからないように、前記温度センサを覆うセンサカバーと、
を備え、
前記センサカバーは、前記コイルエンド部の端面の一部を覆うとともに、冷媒液の吐出点と温度センサとの間に介在する壁を含む、
ことを特徴とする回転電機の冷却構造。