JP6833543B2

JP6833543B2 - 回転電機

Info

Publication number: JP6833543B2
Application number: JP2017021624A
Authority: JP
Inventors: アンドレイピディン
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2017-02-08
Filing date: 2017-02-08
Publication date: 2021-02-24
Anticipated expiration: 2037-02-08
Also published as: JP2018129944A

Description

本発明は、回転電機に関し、特に、冷却液によってコイルエンドを冷却する回転電機に関する。

近年、電気自動車やハイブリッド自動車等のように回転電機を動力源として備えた車両が開発されている。このような回転電機においては、ステータコイルが巻回されたステータコアの内周部に永久磁石が固着されたロータが回転可能に支持されている。

回転電機が作動すると、ステータコア及びステータコイルが発熱する。この発熱を抑制すべく、冷却液をシャフトの内部を経由してロータコアの両端部に配設された端面板から、ステータコアのコイルエンドに向けて噴出させる冷却方式が知られている。

このような冷却方式では、シャフトの内部を経由して導入されたＡＴＦ（Automatic transmission fluid）などの冷却液を端面板からステータコイルのコイルエンドに向けて噴出させるため、端面板には径方向に複数の冷却液噴出口が設けられている（例えば、特許文献１参照）。これにより、ロータコアの回転速度によって異なる冷却液噴出口からコイルエンドに冷却液が噴出する。

特開２００９−２７３２８４号公報

しかしながら、このようなロータの端面板からコイルエンドに向けて冷却液を噴出する冷却方式の回転電機においては、ロータコアの回転速度に応じて選択的にコイルエンドの一部を冷却しているに過ぎず、コイルエンドの軸方向に亘って冷却液を供給できないため、十分に冷却することは困難であった。

本発明は、前述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、コイルエンドの軸方向に亘って冷却液を供給でき、冷却効果を高めることができる回転電機を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、
複数のスロット（例えば、後述の実施形態におけるスロット１４）が形成された円環状のステータコア（例えば、後述の実施形態におけるステータコア１３）と、前記スロットに挿入されるコイル（例えば、後述の実施形態におけるステータコイル１５）と、を有するステータ（例えば、後述の実施形態におけるステータ１０）と、
前記ステータコアの内径側に回転可能に配置されるロータコア（例えば、後述の実施形態におけるロータコア４１）と、該ロータコアの少なくとも一方の軸方向端面に配置される端面板（例えば、後述の実施形態における端面板５０、６０）と、を有するロータ（例えば、後述の実施形態におけるロータ４０）と、を備える回転電機（例えば、後述の実施形態における回転電機１）であって、
前記コイルは、コイルエンド（例えば、後述の実施形態におけるコイルエンド１５ａ、１５ｂ）が前記ステータコアの前記軸方向端面（例えば、後述の実施形態における軸方向端面１３ａ、１３ｂ）から突出しており、
前記端面板は、軸方向に貫通する貫通孔（例えば、後述の実施形態における貫通孔５１、６１）を有し、
冷却液を前記コイルエンドに向けて噴出する冷却液ガイド（例えば、後述の実施形態における冷却液ガイド７０）が前記端面板の前記貫通孔に接続され、
該冷却液ガイドは、前記貫通孔に連通する冷却液入口部（例えば、後述の実施形態における冷却液入口部７１）と、前記コイルエンドに対向するように開口する長穴形状の冷却液出口部（例えば、後述の実施形態における冷却液出口部７２）と、該冷却液入口部と該冷却液出口部とを繋ぐ冷却液流路（例えば、後述の実施形態における冷却液流路７３）と、を有し、
前記冷却液出口部において、前記長穴形状の一端部（例えば、後述の実施形態における一端部７２ａ）と他端部（例えば、後述の実施形態における他端部７２ｂ）を結んだ壁面部（例えば、後述の実施形態における壁面部７２ｃ）が前記端面板に対し傾斜している。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の回転電機あって、
前記冷却液ガイドは、周方向に等間隔で複数設けられている。

請求項３に係る発明は、請求項１又は２に記載の回転電機であって、
前記コイルエンドは、径方向内側から見て少なくとも最内径側の各コイルが前記端面板に対し所定の方向に傾斜しており、
前記冷却液出口部の前記壁面部の前記端面板に対する傾斜角度（例えば、後述の実施形態における傾斜角度α）は、前記コイルの前記端面板に対する傾斜角度（例えば、後述の実施形態における傾斜角度β１、β２）と略等しい。

請求項４に係る発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の回転電機であって、
前記冷却液入口部は、長穴形状を有し、
前記冷却液ガイドは、前記冷却液入口部の該長穴形状が周方向に延びるように取り付けられ、
前記冷却液ガイドは前記冷却液入口部から前記冷却液出口部に向かって捻れるように形成されることで、前記冷却液流路が滑らかに湾曲している。

請求項５に係る発明は、請求項１〜４いずれか１項に記載の回転電機であって、
前記冷却液ガイドは樹脂部材によって形成されている。

請求項６に係る発明は、請求項１〜５いずれか１項に記載の回転電機であって、
前記ロータコアには、ロータシャフト（例えば、後述の実施形態におけるロータシャフト４２）に設けられた冷却液導入部（例えば、後述の実施形態における冷却液導入部４３）と前記貫通孔とを接続する冷却液導入路（例えば、後述の実施形態における冷却液導入路４４）が形成されている。

請求項７に係る発明は、請求項１〜６のいずれか１項に記載の回転電機であって、
前記端面板は、前記ロータコアの一方の軸方向端面に配置される第１端面板（例えば、後述の実施形態における端面板５０）と、他方の軸方向端面に配置される第２端面板（例えば、後述の実施形態における端面板６０）と、を備え、
前記冷却液ガイドは、前記第１端面板と前記第２端面板の両方に設けられている。

請求項１の発明によれば、端面板の貫通孔には冷却液をコイルエンドに向けて噴出する冷却液ガイドが接続され、冷却液出口部において長穴形状の一端部と他端部を結んだ壁面部が端面板に対し傾斜しているので、壁面部に案内された冷却液は遠心力による径方向の速度成分に加えて、壁面部に押されることで軸方向の速度成分を持つ。このように冷却液出口部の壁面部に沿って噴出した冷却液が軸方向の速度成分を持つことで、コイルエンドの軸方向に亘って冷却液を供給でき、冷却効果を高めることができる。

請求項２の発明によれば、冷却液ガイドが周方向に等間隔で複数設けられているので、ロータの回転に伴って継続的にコイルエンドに冷却液を供給できる。

請求項３の発明によれば、冷却液ガイドの壁面部の傾斜角度は、コイルエンドの少なくとも最内径側の各コイルの傾斜角度と略等しいので、コイルエンドを構成するコイルの隙間に冷却液が浸入することで冷却効果をより高めることができる。

請求項４の発明によれば、冷却液ガイドは冷却液入口部から冷却液出口部に向かって捻れるように形成されることで冷却液流路が滑らかに湾曲しているので、冷却液をスムーズに排出できる。

請求項５の発明によれば、冷却液ガイドは樹脂部材によって形成されているので、冷却液ガイドが取り付けられた場合でも回転電機の重量化を回避できる。

請求項６の発明によれば、ロータコアには、ロータシャフトに設けられた冷却液導入部と貫通孔とを接続する冷却液導入路が形成されているため、軸心給油によるコイル冷却が可能になる。

請求項７の発明によれば、冷却液ガイドは、第１端面板と第２端面板の両方に設けられているので、両側のコイルエンドを適切に冷却できる。

本発明の一実施形態の回転電機の斜視図である。ステータの一方のコイルエンドの正面図である。ステータの他方のコイルエンドの斜視図である。４本のセグメントコイルが１列に整列したコイルセグメント群の斜視図である。冷却液の流れを示す回転電機の断面図である。（ａ）冷却液ガイドの斜視図であり、（ｂ）端面板に取り付けられた冷却液ガイドの側面図である。図６（ｂ）のＡ−Ａ線の断面図である。一方のコイルエンド側から見た回転電機の部分斜視図である。他方のコイルエンド側から見た回転電機の部分斜視図である。径方向内側から見たコイルエンドの傾斜を示す図である。

以下、本発明の一実施形態の回転電機を、添付の図面に基づいて説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。

図１〜図３に示すように、本実施形態の回転電機１は、ステータ１０と、ステータ１０の内周部に配置されたロータ４０と、を備える、所謂インナーロータ型の回転電機である。

ステータ１０は、軸方向に貫通する複数のスロット１４が周方向に所定の間隔で配置されたステータコア１３と、スロット１４に収容される複数相（例えば、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）のステータコイル１５と、を備える。

ステータコイル１５は、図４に示すように、互いに平行に延設される一対の脚部２１ａ、２１ｂと、両脚部２１ａ、２１ｂを一方の端部で接続する連結部２２と、を有し、断面長方形状の平角線３０からなる複数の略Ｕ字状のコイルセグメント２３を、４本ごとに１列に整列させて束とした複数のコイルセグメント群２０から構成されている。

各コイルセグメント２３の一方の脚部２１ａは、図２に示すように、一方のスロット１４の径方向内側の部分に挿入され、他方の脚部２１ｂは、一方のスロット１４から所定数のスロット離れた位置にある他方のスロット１４の径方向外側の部分にそれぞれ挿入される。

複数のコイルセグメント群２０がステータコア１３に配置されると、本実施形態では８本のコイルセグメント２３が１つのスロット１４内に配置される。また、図２に示すように、ステータコア１３の軸方向の一端側では、複数のコイルセグメント群２０の連結部２２が周方向に連続し、且つ、周方向で隣り合う連結部２２同士が軸方向から見て部分的に重なるように配置されることでコイルエンド１５ａが形成される。

さらに、図３に示すように、ステータコア１３の軸方向の他端側では、スロット１４から突出した脚部２１ａ、２１ｂが周方向に折り曲げられて、同相のコイルと接合されることでコイルエンド１５ｂが形成される。本実施形態では、最内径側に位置するコイルセグメントの脚部２１ａが周方向一方側に折り曲げられ、この最内径側に位置するコイルセグメント２３の外径側に位置する２つのコイルセグメント２３の脚部２１ａ、２１ａは周方向他方側に折り曲げられ、さらに外径側に位置する２つのコイルセグメント２３の脚部２１ａ、２１ｂは周方向一方側に折り曲げられている。

図１に戻って、一端側のコイルエンド１５ａはステータコア１３の一端側の軸方向端面１３ａから軸方向に突出するとともに、他端側のコイルエンド１５ｂもステータコア１３の他端側の軸方向端面１３ｂから軸方向に突出する。また、コイルエンド１５ａは、４本のコイルセグメント２３が整列された状態となったまま配置されているため、図８及び図１０に示すように４本のコイルセグメント２３が径方向内側から見て同じ方向に傾斜する。一方、コイルエンド１５ｂは、図９及び図１０に示すように、最内径側に位置するコイルセグメント２３のみが径方向内側から見て同じ方向に傾斜する。なお、径方向内側から見てコイルエンド１５ａ、１５ｂの傾斜したコイルセグメント２３間の隙間には後述する冷却液が浸入可能となっている。

ステータ１０の内周部に配置されたロータ４０は、図５に示すように、ロータコア４１と、ロータコア４１に収容される複数の永久磁石４５と、一対の端面板５０、６０と、ロータシャフト４２とを備える。

ロータ４０のロータコア４１の一端側の軸方向端面４１ａには一方の端面板５０が、他端側の軸方向端面４１ｂには他方の端面板６０が、それぞれ配置されている。端面板５０、６０の外周側には、それぞれ軸方向に貫通する貫通孔５１、６１が周方向に沿って等間隔に複数設けられている。貫通孔５１、６１には、冷却液をコイルエンド１５ａに向けて噴出する冷却液ガイド７０が接続されている。冷却液ガイド７０は、樹脂部材によって、端面板５０、６０とは別体に形成され、端面板５０、６０に固定されている。

ロータコア４１には、ロータシャフト４２に設けられた冷却液導入部４３と貫通孔５１、６１とを接続すべく冷却液導入路４４が形成されている。

冷却液ガイド７０は、図６及び図７に示すように、貫通孔５１、６１に連通する冷却液入口部７１と、コイルエンド１５ａ、１５ｂに対向するように開口する冷却液出口部７２と、冷却液入口部７１と冷却液出口部７２とを繋ぐ冷却液流路７３と、を備える。冷却液ガイド７０は、冷却液入口部７１から冷却液出口部７２に向かって回転方向に対し捻れるように形成されることで、軸方向から径方向外側に捻れるように冷却液流路７３が滑らかに湾曲している。

冷却液入口部７１は、長穴形状を有し、長穴形状が周方向に延びるように端面板５０、６０の表面Ｈに取り付けられている。

冷却液出口部７２は、冷却液入口部７１と同じく長穴形状を有し、コイルエンド１５ａ、１５ｂに対向するように径方向外側に向かって開口するとともに、長穴形状の一端部７２ａと他端部７２ｂを結んだ壁面部７２ｃが端面板５０、６０の表面Ｈに対し傾斜している。

具体的には、図１０に示すように、冷却液出口部７２の壁面部７２ｃが端面板５０の表面Ｈに対し傾斜する傾斜角度をα１、コイルエンド１５ａを構成する各スロット１４に配置された内径側の４本のコイルセグメント２３が端面板５０の表面Ｈに対し傾斜する傾斜角度をβ１とすると、傾斜角度α１は傾斜角度β１と略等しくなるように形成されている。

同様に、冷却液出口部７２の壁面部７２ｃが端面板６０の表面Ｈに対し傾斜角度をα２、コイルエンド１５ｂを構成する各スロットの最内径側のコイルセグメント２３が端面板５０の表面Ｈに対し傾斜する傾斜角度をβ２とすると、傾斜角度α２は傾斜角度β２と略等しくなるように形成されている。なお、傾斜角度β１と傾斜角度β２は等しくても、異なっていてもよく、傾斜角度β１と傾斜角度β２が等しければ、傾斜角度α１と傾斜角度α２も等しくなり、傾斜角度β１と傾斜角度β２が異なれば、傾斜角度α１と傾斜角度α２も異なることになる。

このように、冷却液出口部７２の壁面部７２ｃが端面板６０の表面Ｈに対し傾斜することで、壁面部７２ｃに案内された冷却液は遠心力による径方向の速度成分に加えて軸方向の速度成分を持つ。即ち、図６（ｂ）に示すように、冷却液出口部７２から吐出する冷却液は、壁面部７２ｃに押されて回転速度によらず軸方向の速度成分を持つようになる。

次に、本発明の一実施形態の冷却液ガイド７０の機能について詳述する。
図８〜図１０の白抜きの矢印に示すように、ステータ１０に電力が供給されてロータ４０が回転すると、ＡＴＦである冷却液は、図５に示すように、ロータシャフト４２に設けられた冷却液導入部４３を通過しロータコア４１の冷却液導入路４４内に流入する。

そして、冷却液導入路４４内に流入した冷却液は、左右に分かれて端面板５０、６０の貫通孔５１、６１を通過して、それぞれ冷却液ガイド７０の冷却液入口部７１に案内される。

冷却液入口部７１に達した冷却液は、図６及び図７の黒矢印で示すように、冷却液流路７３にて軸方向から径方向外側に捻れるように滑らかに方向が変換され、遠心力による径方向速度成分が付加される。続いて冷却液は、径方向外側に向かって開口する冷却液出口部７２よりコイルエンド１５ａ、１５ｂに向けて噴出される。

このとき、冷却液出口部７２は、長穴形状を有し、長穴形状の一端部７２ａと他端部７２ｂを結んだ壁面部７２ｃが端面板５０、６０の表面Ｈに対し傾斜しているため、冷却液出口部７２から吐出する冷却液は、壁面部７２ｃに押されて回転速度によらず軸方向の速度成分を持つようになる。これにより、冷却液出口部７２から吐出する冷却液は、遠心力による径方向外側への移動に加えて軸方向に広がっていくことになる。

また、上述したように、この冷却液出口部７２の軸方向に対する傾斜角度α１、α２は、コイルセグメント２３の軸方向に対する傾斜角度β１、β２と略等しくなるように形成されている。そのため、冷却液出口部７２から吐出する冷却液は、コイルセグメント２３の傾斜角度β１、β２と同じ角度で散布されることになる。

これにより、冷却液出口部７２から吐出する冷却液は、傾斜角度β１及びβ２のコイルセグメント２３間の隙間に沿うように供給され、軸方向及び遠心力による速度成分によって外径側のコイルセグメント２３に隙間から順次広がっていく。そのため、コイルエンド１５ａの軸方向に亘って冷却液を供給でき、コイルエンド１５ａ、１５ｂの広範囲に冷却液を吹き付けることができて、ステータコイル１５を適切に冷却することができる。

以上説明したように、本実施形態に係る回転電機１によれば、端面板５０、６０の貫通孔５１、６１には冷却液をコイルエンド１５ａ、１５ｂに向けて噴出する冷却液ガイド７０が接続され、冷却液出口部７２において長穴形状の一端部７２ａと他端部７２ｂを結んだ壁面部７２ｃが端面板５０、６０に対し傾斜しているので、壁面部７２ｃに案内された冷却液は遠心力による径方向の速度成分に加えて、壁面部７２ｃに押されることで軸方向の速度成分を持つ。このように冷却液出口部７２の壁面部７２ｃに沿って噴出した冷却液が軸方向の速度成分を持つことで、コイルエンド１５ａ、１５ｂの軸方向に亘って冷却液を供給でき、冷却効果を高めることができる。

また、冷却液ガイド７０が周方向に等間隔で複数設けられているので、ロータ４０の回転に伴って継続的にコイルエンド１５ａ、１５ｂに冷却液を供給できる。

また、冷却液ガイド７０の壁面部７２ｃの傾斜角度α１、α２は、コイルエンド１５ａ、１５ｂの少なくとも最内径側の各コイルの傾斜角度β１、β２と略等しいので、コイルエンド１５ａ、１５ｂを構成するコイルの隙間に冷却液が浸入することで冷却効果をより高めることができる。

また、冷却液ガイド７０は冷却液入口部７１から冷却液出口部７２に向かって捻れるように形成されることで冷却液流路７３が滑らかに湾曲しているので、冷却液をスムーズに排出できる。

また、冷却液ガイド７０は樹脂部材によって形成されているので、冷却液ガイド７０が取り付けられた場合でも回転電機１の重量化を回避できる。

また、ロータコア４１には、ロータシャフト４２に設けられた冷却液導入部４３と貫通孔５１、６１とを接続する冷却液導入路４４が形成されているため、軸心給油によるコイル冷却が可能になる

さらに、冷却液ガイド７０は、両方の端面板５０、６０に設けられているので、両側のコイルエンド１５ａ、１５ｂを適切に冷却できる。なお、冷却液ガイド７０は、必ずしも両側の端面板５０、６０に設けられている必要はなく、いずれか一方の端面板５０、６０に設けられていればよい。

尚、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。
例えば、本実施形態においては、冷却液ガイド７０は、端面板５０、６０と別体としているが、端面板５０、６０と一体的に成形されていてもよい。

また、冷却液ガイド７０の冷却液出口部７２は、長穴形状を有しているが、この長穴形状には、楕円、長方形等が含まれる。

また、本実施形態においては、ステータコイル１５を、捻り加工を施した複数のＵ字型導体（セグメントコンダクタ）に分割したコイルセグメント２３による構成としているが、他の巻き線構造においても冷却液が軸方向の速度分布を持つことにより、同様に高い冷却効果を得ることが可能である。

また、本実施形態においては、冷却液ガイド７０を樹脂製としているが、金属類など他の部材で形成されていてもよい。

１回転電機
１０ステータ
１３ステータコア
１３ａ軸方向端面
１３ｂ軸方向端面
１４スロット
１５ステータコイル
１５ａコイルエンド
１５ｂコイルエンド
４０ロータ
４１ロータコア
４２ロータシャフト
４３冷却液導入部
４４冷却液導入路
５０端面板（第１端面板）
５１貫通孔
６０端面板（第２端面板）
６１貫通孔
７０冷却液ガイド
７１冷却液入口部
７２冷却液出口部
７２ａ一端部
７２ｂ他端部
７２ｃ壁面部
７３冷却液流路
α 傾斜角度
β１傾斜角度
β２傾斜角度

Claims

複数のスロットが形成された円環状のステータコアと、前記スロットに挿入されるコイルと、を有するステータと、
前記ステータコアの内径側に回転可能に配置されるロータコアと、該ロータコアの少なくとも一方の軸方向端面に配置される端面板と、を有するロータと、を備える回転電機であって、
前記コイルは、コイルエンドが前記ステータコアの前記軸方向端面から突出しており、
前記端面板は、軸方向に貫通する貫通孔を有し、
冷却液を前記コイルエンドに向けて噴出する冷却液ガイドが前記端面板の前記貫通孔に接続され、
該冷却液ガイドは、前記貫通孔に連通する冷却液入口部と、前記コイルエンドに対向するように開口する長穴形状の冷却液出口部と、該冷却液入口部と該冷却液出口部とを繋ぐ冷却液流路と、を有し、
前記冷却液出口部において、前記長穴形状の一端部と他端部を結んだ壁面部が前記端面板に対し傾斜している、回転電機。
請求項１に記載の回転電機であって、
前記冷却液ガイドは、周方向に等間隔で複数設けられている、回転電機。
請求項１又は２に記載の回転電機であって、
前記コイルエンドは、径方向内側から見て少なくとも最内径側の各コイルが前記端面板に対し所定の方向に傾斜しており、
前記冷却液出口部の前記壁面部の前記端面板に対する傾斜角度は、前記コイルの前記端面板に対する傾斜角度と略等しい、回転電機。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の回転電機であって、
前記冷却液入口部は、長穴形状を有し、
前記冷却液ガイドは、前記冷却液入口部の該長穴形状が周方向に延びるように取り付けられ、
前記冷却液ガイドは前記冷却液入口部から前記冷却液出口部に向かって捻れるように形成されることで、前記冷却液流路が滑らかに湾曲している、回転電機。
請求項１〜４いずれか１項に記載の回転電機であって、
前記冷却液ガイドは樹脂部材によって形成されている、回転電機。
請求項１〜５のいずれか１項に記載の回転電機であって、
前記ロータコアには、ロータシャフトに設けられた冷却液導入部と前記貫通孔とを接続する冷却液導入路が形成されている、回転電機。
請求項１〜６のいずれか１項に記載の回転電機であって、
前記端面板は、前記ロータコアの一方の軸方向端面に配置される第１端面板と、他方の軸方向端面に配置される第２端面板と、を備え、
前記冷却液ガイドは、前記第１端面板と前記第２端面板の両方に設けられている、回転電機。