JP7031343B2 - 回転電機の冷却構造 - Google Patents

Description

本開示は、回転電機の冷却構造に係り、特に、回転電機を含むハウジングの底部に冷媒が貯留される回転電機の冷却構造に関する。

ハイブリッド車両では、回転電機及び変速機等の動力伝達機構がトランスアクスルのハウジング内に収容されるので、外気による直接冷却が望めない。そこで、動力伝達機構用の潤滑油が回転電機等の冷却に用いられる。

特許文献１には、車両用回転電機のロータのエンドプレートにおいて、ロータの軸方向端面からさらに軸方向外側に突き出す放熱構造を設け、その放熱構造に軸方向に延びる複数の溝部を設けることが述べられている。回転電機が動作し、ステータの上方から冷媒が落下すると、コイルを通過乃至透過してきた冷媒は、回転するロータのエンドプレートの突き出す放熱構造の外周面に当たって跳ね返され、再びコイルに向かうので、広範囲に冷媒を掛けることができると述べている。

特開２００９－２６１０７２号公報

回転電機を含むハウジングの底部に冷媒としての潤滑油が貯留される構造において、貯留されている冷媒を回転電機の上方側に設けられる冷媒供給路に送り込む手段の１つは、冷媒を汲み上げて冷媒供給路に送り込む冷媒圧送ポンプである。もう１つは、ハウジング内に回転電機と共に動力伝達機構としてのギアを含む場合、ギアによって冷媒を掻き上げてハウジングの上方側に設けた冷媒キャッチタンクに一旦貯め、そこから冷媒を冷媒供給路に送り込む方法である。

いずれの手段を用いるにしても、ハウジングの底部に貯留されている冷媒が冷媒供給路に送り込まれる量が少ない場合は、回転電機の冷却のための冷媒滴下量は不十分となる。ハウジングの底部に貯留されている冷媒が冷媒供給路に送り込まれる量が多い場合でも、冷媒供給路からステータのコイルエンドへ滴下した冷媒は、コイルエンドを素通りすることが多く、回転電機の全体を均等に冷却することが難しい。そこで、冷媒供給路へ供給される冷媒量の多寡にかかわらず、回転電機を均等に冷却できる回転電機の冷却構造が要望される。

本開示に係る回転電機の冷却構造は、ステータ及びロータを含む回転電機と、内部の収容空間にステータ及びロータを収容し、底部に冷媒を貯留しているハウジングと、ロータの軸方向端面に設けられ、ロータの回転に伴ってハウジング内に貯留された冷媒を汲み上げて回転電機を冷却する水車型プレートと、を備える。

上記構成によれば、ロータの回転に伴って、水車型プレートによって冷媒を汲み上げるので、冷媒供給路へ供給される冷媒量の多寡にかかわらず、ロータコア及びステータのコイルエンドを均等に冷却できる。

上記構成の回転電機の冷却構造によれば、冷媒供給路へ供給される冷媒量の多寡にかかわらず、回転電機を均等に冷却できる。

実施の形態における回転電機の冷却構造を含むトランスアクスル構造の断面図である。 図１のＩＩ－ＩＩ線からＣ’側を見た図である。 図１のＩＩＩ－ＩＩＩ線からＣ’側を見た図である。 図１のロータを抜き出して示す斜視図である。 図４のＣ’側から見た図である。 図４のロータの断面図である。 実施の形態における回転電機の冷却構造の作用効果を示す図で、ギアが高速回転で冷媒の液面の高さ位置が低い場合の例である。 実施の形態における回転電機の冷却構造の作用効果を示す図で、ギアが低速回転等で冷媒の液面の高さ位置が高い場合の例である。 他の実施の形態を示す図である。

以下に図面を用いて本開示に係る実施の形態につき詳細に説明する。以下に述べる形状、寸法、材質、ギアの歯数、水車型プレートの水車型歯部の数、回転電機の極数、ティースの数等は、説明のための例示であって、回転電機の冷却構造の仕様等により、適宜変更が可能である。また、以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

回転電機を収容するハウジングの底部に冷媒としての潤滑油が貯留される構造において、貯留されている冷媒を回転電機の上方側に設けられる冷媒供給路に送り込む手段としては２つあるが、初めに、ギアによる冷媒の掻き揚げ法について述べる。その次に、冷媒圧送ポンプを用いる方法について述べる。

図１は、ハイブリッド車両に搭載されるトランスアクスル構造１０の断面図である。トランスアクスル構造１０は、内燃機関等の原動機からの出力を変速して駆動輪へと送り出す動力伝達機構の一種であり、一般的には変速機と減速機構とを含む。内燃機関に加え回転電機の出力により走行を行うハイブリッド車両においては、動力伝達機構と共に１台または２台の回転電機をトランスアクスルケースであるハウジング１２内に収容する。

回転電機の冷却構造１１は、回転電機５０、ハウジング１２、冷媒３０、水車型プレート１００，１０２を含んで構成される。これらの構成要素は、すべてトランスアクスル構造１０に含まれる。以下に、回転電機の冷却構造１１の各構成要素について述べる。

ハウジング１２は、動力伝達機構収容部１４と回転電機収容部１６に区画される。動力伝達機構収容部１４には、動力伝達機構が収容される。図１では、動力伝達機構の一部であるギア４０が示される。回転電機収容部１６には、回転電機５０と、回転電機５０に取付けられる水車型プレート１００，１０２とが収容される。ハウジング１２において、動力伝達機構収容部１４と回転電機収容部１６とは、隔壁で区画的には仕切られるが、ギア４０と回転電機５０との間を仕切る隔壁に設けられる連通部１８によって互いに空間的につながっている。

図１に、ハウジング１２に関し直交する３方向として、上下方向、軸方向、幅方向を示す。上下方向は、重力方向に平行な方向で、下方に向かう方向が重力方向で、上方に向かう方向が反重力方向である。軸方向は、ギア４０及び回転電機５０の軸方向Ｃ－Ｃ’に平行な方向である。Ｃ方向はギア４０側、Ｃ’は回転電機５０側である。軸方向は、上下方向に垂直な方向であり、重力方向に垂直な方向であるので、水平方向でもある。トランスアクスル構造１０の仕様によっては、ギア４０及び回転電機５０の軸方向を同一軸方向としなくてもよく、また、軸方向は上下方向に垂直な方向でなくてもよい。ここでは、以下で述べる冷媒３０の掻き上げのために、軸方向Ｃ－Ｃ’は、ギア４０及び回転電機５０の軸方向であり、かつ、水平方向とする。幅方向は、ハウジング１２の軸方向Ｃ－Ｃ’に直交する奥行方向で、図１の場合、紙面に垂直な方向である。

キャッチタンク部２０は、ハウジング１２においてギア４０の上方側に設けられる受け皿状の部品である。冷媒供給路２２は、ハウジング１２において回転電機５０の上方側に設けられるパイプ状の部品である。冷媒供給路２２は、ハウジング１２に設けられた連通部２４によってキャッチタンク部２０と接続される。冷媒供給路２２は、下方側に、回転電機５０に向かって開口する複数の冷媒吐出口２６，２８を有する。

動力伝達機構及び回転電機５０の潤滑と冷却を兼ねる流体３０は、動力伝達機構収容部１４と回転電機収容部１６とに跨って、ハウジング１２の底部に貯留される。潤滑と冷却を兼ねる流体３０としては、オートマチックトランスミッションフルード(Ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｆｌｕｉｄ：ＡＴＦ)が用いられる。ＡＴＦは、自動変速機油と呼ばれ、ギアオイルの一種である。以下では、特に断らない限り、潤滑と冷却を兼ねる流体３０としてのＡＴＦを冷媒３０と呼ぶ。

連通部１８によって動力伝達機構収容部１４と回転電機収容部１６とは空間的につながっているので、冷媒３０の液面３２は、動力伝達機構収容部１４と回転電機収容部１６とで同じレベルである。液面３２の高さ位置を示すために、軸方向Ｃ－Ｃ’から測った液面３２の高さ位置をＬＶと示す。液面３２の高さ位置は、ハウジング１２の底部に貯留される冷媒３０の量によって変動する。図１の例では、液面３２の高さ位置をＬＶ２と示す。

ギア４０は、ハイブリッド車両において、変速機と減速機構とを含む動力伝達機構の一部で、ここでは、ハウジング１２の底部に貯留される冷媒３０を掻き上げて、キャッチタンク部２０に移す要素の例として述べる。図２は、図１のＩＩ－ＩＩ線からＣ’側を見た図で、ギア４０、ハウジング１２の底部に貯留される冷媒３０、キャッチタンク部２０及び冷媒供給路２２の関係を示す図である。

ギア４０は、外周に沿って複数の歯部４２を有し、回転軸４４の周りに回転する歯車である。図２において回転軸４４の周りの円弧矢印で、ギア４０の回転方向を示す。ギア４０は、回転軸４４よりも下方側で冷媒３０に浸かっている。

ここで、ギア４０が回転軸４４の周りに円弧矢印の方向に回転すると、ギア４０の歯部４２が、冷媒３０を上方側に掻き上げ、液面３２より上方側に掻き上げられた冷媒３０はその勢いでハウジング１２の上方に設けられたキャッチタンク部２０に移される。キャッチタンク部２０に移された冷媒３０の部分を冷媒３４と示す。冷媒３４は、連通部２４を通って冷媒供給路２２を流れ、複数の冷媒吐出口２６，２８から下方側に滴下する冷媒３６となる（図３参照）。

図１に戻り、回転電機５０は、図示しない駆動回路の制御によって、車両が力行するときは電動機として機能し、車両が制動時にあるときは発電機として機能するモータ・ジェネレータで、三相同期型の回転電機である。回転電機５０は、固定子であるステータ６０と、ステータ６０の内径側に所定の間隔を隔てて配置される回転子であるロータ８０とで構成される。

水車型プレート１００，１０２は、回転電機５０に取付けられ、外周に沿って複数の冷媒受面１０６（図３参照）を有する水車型歯車である。水車型プレート１００，１０２は、ハウジング１２の底部に貯留される冷媒３０を汲み上げて回転電機５０に掛けて冷却し、また、回転電機５０のコイルエンド７２を通過して下方側に落ちてくる冷媒３６を上方側に跳ね返して回転電機５０に掛けて冷却する。一般的な水車は、外周に設けられた複数の流体受面が移動する流体によって押されることで回転軸の周りに回転する。しかしながら、本実施の形態の水車型プレート１００，１０２は、回転軸の周りに回転することで外周に設けられた複数の冷媒受面１０６を流体受面として流体を移動させる働きをする。

図３は、図１のＩＩＩ－ＩＩＩ線からＣ’側を見た図で、回転電機５０のステータ６０、ロータ８０、冷媒供給路２２及び水車型プレート１００の関係を示す図である。

ステータ６０は、ステータコア６２と、ステータコイル６４とを含む。ステータコア６２は、円環状の磁性体部品で、円環状のバックヨーク６６とバックヨーク６６から内径側に突き出す複数のティース６８とを含む。隣接するティース６８の間の空間は、スロット７０である。図３の例では、ティース６８の数とスロット７０の数は同数で、３の倍数である２４である。

かかるステータコア６２は、バックヨーク６６とティース６８とを含み、ティース６８及びスロット７０が形成されるように所定の形状に成形された円環状の磁性体薄板を所定枚数で軸方向に積み重ねた積層体である。磁性体薄板の両面には電気的絶縁処理が施される。磁性体薄板の材質としては、珪素鋼板の一種である電磁鋼板を用いることができる。磁性体薄板の積層体に代えて、磁性粉末を一体化成形したものをステータコア６２としてもよい。

ステータコイル６４は、三相の分布巻コイルで、ステータコア６２のスロット７０に挿通されティース６８に巻回されて形成される。分布巻に代えて集中巻としてもよい。ステータコア６２に巻回されたステータコイル６４がステータコア６２の軸方向端面から突き出した部分は、コイルエンド７２と呼ばれる。

ロータ８０は、回転軸８２と、ロータコア８４と、ロータコア８４の複数の磁石挿入孔にそれぞれ配置される永久磁石８６，８７とを含んで構成される。

回転軸８２は、ロータコア８４と一体化され、軸方向の両端は軸受を介して回転自在にハウジング１２に支持される。ステータ６０のステータコイル６４に駆動電流が供給されるとこれによって発生する回転磁界と永久磁石８６，８７とが協働し、ロータコア８４と共に回転軸８２が回転する。このように、回転電機５０においては、回転軸８２がトルクを出力する出力軸となる。

ロータコア８４は、所定枚数の磁性体材料の薄板を積層した積層体である。積層体に用いられる磁性体材料の薄板は、回転軸８２の外形を通す中心穴、複数の永久磁石８６を挿入するための磁石挿入孔等を含んで、磁性体の薄板シートを打ち抜き加工等で所定の形状に成形された円環状の磁性体薄板である。積層の際に、中心穴、複数の磁石挿入孔は、積層方向である軸方向Ｃ－Ｃ’に沿って貫通するように位置決めが行われる。かかる磁性体薄板としては、電磁鋼板を用いることができる。

ロータコア８４を磁性体薄板の積層体とするのは、ロータコア８４に生じ得る渦電流を抑制するためで、所定の形状に成形される前の磁性体薄板のシート体の両面には、絶縁コート等の絶縁処理が施される。これによって、積層された各磁性体薄板の間は、電気的に絶縁され、外部変動磁界により発生し得る渦電流を小さなループに分割し、渦電流損失を抑制することができる。回転電機５０の仕様によっては、磁性体薄板の積層体に代えて、磁性粉末を一体化成形したものをロータコア８４としてもよい。

磁石挿入孔に挿入される永久磁石８６，８７は、ロータ８０の磁極を形成する。各磁極は、２つの永久磁石８６，８７を一対として構成される。図３の例では、磁極数は８である。各磁極における一対の永久磁石８６，８７は、互いに所定の傾斜角度をなして略Ｖ字形に配置される。略Ｖ字形とは、一対の永久磁石８６，８７の互いに向かい合う間隔が外周側に向かうほど大きくなる配置形状である。永久磁石８６，８７は、略矩形形状の断面を有する細長い棒状の磁石で、棒状の長さは、それぞれロータコア８４の軸方向の全長よりやや短く設定される。永久磁石８６，８７を磁石挿入孔に埋め込んで固定するために、樹脂が用いられる。

冷媒供給路２２は、回転電機５０の上方側に配置され、キャッチタンク部２０から流れてくる冷媒３４を流すパイプ状の部品で、下方側に冷媒吐出口２６が開口する。冷媒吐出口２６は、回転電機５０の回転軸８２の中心を通る上下方向の軸Ｄ上ではなく、軸Ｄからロータ８０の回転方向の上流側にΔＳだけオフセットして配置される。これによって、冷媒吐出口２６から滴下される冷媒３６は、ロータ８０の外周に沿って回転方向の下流側のみならず上流側にも流れることができ、コイルエンド７２及びこれに近接するステータコア６２を周方向に沿ってほぼ均等に冷却することができる。

水車型プレート１００は、ロータ８０の回転軸８２に固定して取付けられ、ロータ８０が図３に円弧矢印で示す回転方向に回転する場合に、ロータ８０と一体となって回転する水車型歯車である。水車型プレート１００は、外周に複数の水車型歯部１０４を有する。図３の例では、水車型歯部１０４の数は８である。水車型歯部１０４は、回転方向に対し非対称の歯形状を有する。歯形状における回転方向の下流側の冷媒受面１０６は、冷媒３０，３６を受け止める平坦面である。水車型プレート１００の８つの冷媒受面１０６は、それぞれ、回転軸８２からの見込角度で４５度おきに放射状に径方向に延びる。歯形状における回転方向の上流側の逃げ面１０８は、歯形状の最外周側から最内周側に向かって滑らかに変化する曲線状の面である。この曲線状によって、冷媒受面１０６からあふれた冷媒３０，３６は、ロータ８０の回転方向の上流側に流れて、次の冷媒受面１０６によって受け止められる。

図４から図６は、ロータ８０及びこれと一体の水車型プレート１００，１０２を抜き出して示す図である。図４は、全体斜視図である。ロータ８０の８対の永久磁石８６，８７については、一対のみを示す。図４に示されるように、永久磁石８６，８７は、ロータ８０の軸方向に延びる棒状の磁石である。水車型プレート１００，１０２は、ロータコア８４の両端面に密接してロータ８０に固定して取付けられる。水車型プレート１００，１０２が周方向に沿って有する複数の水車型歯部１０４のそれぞれは、軸方向に沿って同じ形状である。換言すれば、外周に複数の水車型歯部１０４を有する平板状の歯車である。水車型プレート１００，１０２のロータ８０への固定方法は、回転軸８２とカシメまたはキー部品を用いた固定、あるいは、圧入止め等を用いることができる。ロータコア８４は磁性体であるので、水車型プレート１００，１０２は、ロータコア８４の性能に影響を与えない非磁性体で構成される。非磁性体としては、樹脂を用いることができる。

図５は、軸方向のＣ’側から見た図である。見る方向が図３と異なるのみで、各要素の内容は図３と同様であるので、詳細な説明を省略する。図６は、軸方向Ｃ－Ｃ’に沿った断面図である。

上記構成の作用効果を図７と図８を用いて、さらに詳細に説明する。図７、図８は、いずれも図１に対応する図であるが、冷媒３０の液面３２の高さ位置を示すＬＶが図１のＬＶ２と異なる。図７の液面３２の高さ位置ＬＶ１は、ＬＶ２より大きく、液は浅い。図８の液面３２の高さ位置ＬＶ３は、ＬＶ２より小さく、液は深い。

図７における冷媒３０の液面３２の高さ位置ＬＶ１は、ギア４０の歯部４２が冷媒３０に浸かっているが、水車型プレート１００，１０２の水車型歯部１０４は冷媒３０に浸かっていない高さ位置である。この高さ位置ＬＶ１は、ギア４０が高速回転で、ハウジング１２の底部に貯留されている冷媒３０のギア４０による掻き上げ量が大きい場合に生じ、冷媒３０の液面３２が低下している状態である。この状態においては、キャッチタンク部２０に十分な量の冷媒３４があり、冷媒供給路２２にも十分な量の冷媒３４が供給されるので、冷媒吐出口２６から滴下される冷媒３６も十分な量である。この場合においては、水車型プレート１００，１０２による冷媒３０の汲み上げは生じない。

冷媒吐出口２６から滴下される冷媒３６は、ロータ８０のコイルエンド７２に滴下され、冷媒吐出口２６の真下付近のコイルエンド７２を通過する。そのままでは、ステータコア６２の外周面及びコイルエンド７２の一部を冷却できるが、ステータコア６２の端面、ロータコア８４、永久磁石８６，８７を冷却できない。しかしながら、コイルエンド７２を通過した冷媒３６は、回転している水車型プレート１００，１０２の水車型歯部１０４で受け止められ、水車型歯部１０４の冷媒受面１０６により跳ね返されて、上方側に飛び散り拡散する。上方側に拡散した冷媒３６は、ステータコア６２、ロータコア８４、永久磁石８６，８７に掛けられるので、これらを広い範囲で均一に冷却できる。これが、図７の場合における水車型プレート１００，１０２の作用効果である。

図８における冷媒３０の液面３２の高さ位置ＬＶ３は、ギア４０の歯部４２も水車型プレート１００，１０２の水車型歯部１０４も冷媒３０に浸かっている高さ位置である。この高さ位置ＬＶ３は、ギア４０が低速回転または回転を停止しており、ハウジング１２の底部に貯留されている冷媒３０のギア４０による掻き上げ量が小さいかほとんどない場合に生じ、冷媒３０の液面３２が高くなっている状態である。この状態においては、キャッチタンク部２０に冷媒３４がないか、あっても僅かな量で、冷媒供給路２２にも冷媒３４が供給されないか供給されても僅かな量であるので、冷媒吐出口２６から冷媒３６は滴下されず、滴下されてもごく僅かな量である。しかしながら、水車型プレート１００，１０２の水車型歯部１０４は冷媒３０に浸かっているので、水車型歯部１０４の冷媒受面１０６によって冷媒３０が汲み上げられる。汲み上げられた冷媒３０は、上方側に飛び散り拡散する。上方側に拡散した冷媒３６は、ステータコア６２、ロータコア８４、永久磁石８６，８７に掛けられるので、これらを広い範囲で均一に冷却できる。これが、図８の場合における水車型プレート１００，１０２の作用効果である。

以上で、回転電機５０を含むハウジング１２の底部に冷媒３０が貯留される構造において、貯留されている冷媒３０を回転電機５０の上方側に設けられる冷媒供給路２２に送り込む手段の１つであるギア４０による冷媒３０の掻き揚げ法についての説明を終了する。次に、もう１つの手段として、冷媒圧送ポンプを用いる方法について述べる。図９は、図１のギア４０に代えて、冷媒圧送ポンプ１１０と、ハウジング１２の底部側から冷媒３０を汲み上げ、汲み上げた冷媒３４をキャッチタンク部２０に送り込む圧送管路１１２を用いる例を示す図である。回転電機の冷却構造１３は、トランスアクスル構造１０に含まれる回転電機５０、ハウジング１２、冷媒３０、及び、水車型プレート１００，１０２と、トランスアクスル構造１０の外側に配置される冷媒圧送ポンプ１１０及び圧送管路１１２を含んで構成される。冷媒圧送ポンプ１１０の動作は図示しないポンプ制御部によって制御される。

図９では、冷媒３０の液面３２の高さ位置として図１のＬＶ２と同じである状態を示す。ここで、ポンプ制御部によって冷媒圧送ポンプ１１０が動作すると、図７と同様の状態となる。すなわち、液面３２の高さ位置はＬＶ１となる。この場合の水車型プレート１００，１０２の作用効果は、図７で述べたものと同じである。ポンプ制御部によって冷媒圧送ポンプ１１０の動作が停止されると、図８と同様の状態となる。すなわち、液面３２の高さ位置はＬＶ３となる。この場合の水車型プレート１００，１０２の作用効果は、図８で述べたものと同じである。

上記構成の回転電機の冷却構造１１，１３によれば、ロータ８０の回転に伴って、水車型プレート１００，１０２によって冷媒３０を汲み上げる。これにより、冷媒供給路２２へ供給される冷媒３０の量の多寡にかかわらず、ロータコア８４及びステータ６０のコイルエンド７２を含め、回転電機５０を均等に冷却できる。

１０ トランスアクスル構造、１１，１３ 回転電機の冷却構造、１２ ハウジング、１４ 動力伝達機構収容部、１６ 回転電機収容部、１８，２４ 連通部、２０ キャッチタンク部、２２ 冷媒供給路、２６，２８ 冷媒吐出口、３０，３４，３６ 冷媒（潤滑と冷却を兼ねる流体）、３２ 液面、４０ ギア、４２ 歯部、４４ 回転軸、５０ 回転電機、６０ ステータ、６２ ステータコア、６４ ステータコイル、６６ バックヨーク、６８ ティース、７０ スロット、７２ コイルエンド、８０ ロータ、８２ 回転軸、８４ ロータコア、８６，８７ 永久磁石、１００，１０２ 水車型プレート、１０４ 水車型歯部、１０６ 冷媒受面（流体受面）、１０８ 逃げ面、１１０ 冷媒圧送ポンプ、１１２ 圧送管路。

Claims (1)

1. ステータ及びロータを含む回転電機と、
   動力伝達機構としてのギアと、
   内部の収容空間に前記ステータ及び前記ロータを収容する回転電機収容部と、前記ギアを収容する動力伝達機構収容部とを有し、底部に冷媒を貯留しているハウジングと、
   前記ロータの軸方向端面に設けられ、前記ロータの回転に伴って回転する水車型プレートと、を備え、
   前記ハウジングは、
   前記回転電機の上方に設けられ、前記ステータ及び前記ロータに前記冷媒を滴下可能な冷媒供給路と、
   前記冷媒供給路と連通し、前記ギアの上方に設けられたキャッチタンク部と、を有し、
   前記ギアは、回転に伴って、前記ハウジング内に貯留している前記冷媒を掻き上げて、前記キャッチタンク部に汲み上げ、
   前記水車型プレートは、
   前記冷媒供給路に前記冷媒が少ない場合には、前記ロータの回転に伴って前記ハウジング内に貯留された前記冷媒を汲み上げて前記回転電機を冷却し、
   前記冷媒供給路に前記冷媒が多い場合には、前記冷媒供給路から滴下する前記冷媒を跳ね返して、上方に拡散させて前記回転電機を冷却する、
   回転電機の冷却構造。

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