JP7137053B2 - 回転機 - Google Patents

Description

本発明は、例えば自動車用試験装置に適用される回転機に関するものである。

供試体である電動機、発電機、エンジン、パワートレイン等の車輛駆動系などの特性等を評価するための自動車用試験装置には、供試体の出力軸に連結されて「擬似負荷」或いは「擬似駆動源」として機能する回転機（ダイナモ装置）が用いられている。

回転機は、円筒状のケーシングと、そのケーシング内に配置されたステータ及びロータとを備えており、シャフト回りに固定したロータをシャフトと一体回転可能に構成している。例えば自動車用試験装置の回転機は、高速回転且つ大容量化が求められ、通常のモータに比べて発熱量が多くなり、ケーシング内部におけるステータやロータからの発熱を抑制する必要がある。

例えば、特許文献１には、シャフトの軸心部に軸方向に延伸する給油路（軸中穴）と、給油路に連通するラジアル孔（噴射ノズル）とを形成し、噴射ノズルからケーシング内に噴射された冷却油によってステータコイルを冷却する冷却機構が開示されている。このような冷却機構によって、発熱体であるステータコイルに対する冷却性能が得られる。

ところで、近時の回転機には、高速回転化と同時に低慣性化も要求され、小径化及び小型化が図られている。ステータにおいて、コイル線とリード線を溶接（蝋付け）によって接続すると、溶接部分及びその周辺部分が他の部分よりも嵩張ることになり、小型化を図る上では採用し難い。そこで、例えば、特許文献２に開示されているように、ステータコイルのコイル線をそのままハウジングの外に引き出して外部でリード端子部に接続する構成が採用される場合がある。

特開２００７－１５９３２５号公報 特許第４６０８７７５号公報

ところが、コイル線はハウジング内において冷却機構による冷却を想定された線径であるため、ハウジングの外に引き出したコイル線（口出線）は冷却されないことにより、発熱量が大きくなり、断線に至るおそれもある。特に、自動車試験に用いられる回転機は、自動車試験に必要なパワーも求められるため、消費電力が大きく、小型化が進むにつれて回転機全体の温度が上昇し易いことから、有効な発熱対策を講じることが肝要である。

なお、特開２０１３－１７２４８６号公報には、ハウジング内にリード端子部を設け、ステータコイルのうちコイルエンドよりもリード端子部側の部分であるリード線を、ハウジング内に設けられた油供給部から油をリード線に形成した孔に向かって噴出することで内部に浸み込んだ油でコイルを冷却し、併せてリード線も冷却する構成が開示されている。しかしながら、ハウジング内にリード端子部を設ける構成は、ハウジングの大型化を招来するものであり、小型化に反する構成である。

本発明は、このような問題に着目してなされたものであって、主たる目的は、ハウジング内にステータ及びロータを備え、ステータコイルのコイル線をハウジングの外に直接引き出してリード端子部に接続する構成において、ハウジング外に引き出したコイル線（口出線）を効果的に冷却することが可能な回転機を提供することにある。

すなわち本発明は、一端部に供試体が接続可能なシャフトと、シャフトの軸回りに設けたロータと、ロータ及びシャフトの少なくとも一部を内部空間に収容可能なケーシングと、ケーシング内に固定したステータとを備えた回転機に関する。そして、本発明に係る回転機は、ステータとして、ステータコアと、ステータコアのステータティースに巻回したコイル巻線とを備え、コイル巻線のうちケーシングの外部に引き出した口出線を、ケーシングの外部に設けたリード端子部のリードバーに接続したものを適用し、冷媒を噴射することによって口出線の外表面の少なくとも一部を冷却する冷却機構を備えていることを特徴としている。

このような本発明に係る回転機によれば、コイル巻線のうちケーシング外に直接引き出した口出線を冷却機構によって冷却する構成であるため、口出線の発熱を効果的に抑制することができるとともに、噴射した冷媒による気流を形成することで、口出線が配置されているケーシング外の空間を冷却し、口出線及びリードバーに対する冷却効率を向上させることができる。

本発明において、口出線に沿って延在するヒートシンク部をリードバーに設け、ヒートシンク部に口出線を接触させる構成を採用すれば、ヒートシンク部によって熱容量を増加し、外部へ伝熱して放熱することが可能になり、口出線に対する冷却効率をさらに向上させることができる。感電等のリスクを考慮した場合、リードバーには余計な部分を設けないことが一般的であるが、感電等のリスクの無いところで使用するリードバーであれば、ヒートシンク部を付加することで、口出線に対する十分な冷却能力を発揮する放熱性の高いリードバーを比較的簡単な構成で実現できる。

本発明の「冷却機構」は、冷媒を噴射することによって口出線の外表面の少なくとも一部を冷却するものであればよく、特に、口出線に対して所定の２方向から冷媒を噴射するものであれば、口出線に対して１方向から冷媒を噴射する構成と比較して、口出線に対する冷却効率が高まる。この場合、冷却機構として、冷媒を扇状に噴出する冷媒噴射部を備えたものを適用し、リードバーを挟む所定の２方向のうち一方の方向から口出線に対して冷媒を噴射する冷媒噴射部の噴射角度と、他方の方向から口出線に対して冷媒を噴射する前記冷媒噴射部の噴射角度の位相を相互に異ならせれば、各冷媒噴射から噴出する冷媒同士の衝突を回避して、口出部が配置されている空間に噴出した冷媒の勢いを保って冷たい気流を効率良く形成することができ、口出線に対する冷却能力が高まる。

本発明によれば、コイル巻線のうちケーシングの外部に引き出してリード端子部のリードバーに接続する口出線に対して、冷媒を噴射する冷却機構を備えているため、回転高速化及び小型化に伴って生じるステータの口出線の発熱を効果的に抑制することが可能な回転機を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る回転機の断面模式図。 同実施形態に係る回転機の要部拡大断面模式図。 図２におけるＡ方向矢視図。 図２におけるａ－ａ線断面模式図。 同実施形態におけるリードバーを示す図。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。

本実施形態に係る回転機１は、図１、図２及び図３（図２は図１の要部拡大図であり、図３は図２のＡ方向矢視図である）に示すように、円筒状のケーシング２と、ケーシング２内に固定したステータ３と、シャフト４と、シャフト４の軸回りに設けたロータ５とを備えている。本実施形態に係る回転機１は、例えば自動車用試験装置に適用されるダイナモ装置として機能するものであり、自動車用試験装置に適用した場合、回転機１に連結された供試体（自動車に用いられる回転体（パワートレイン）等、図示省略）の特性を測定することが可能である。ここで、供試体の種類により、回転機１は「擬似負荷」として機能したり、「擬似駆動源」として機能する。

ケーシング２は、シャフト４の軸方向Ｘに沿って横臥姿勢で配置される概略円筒状のケーシング本体２１と、ケーシング本体２１の一端部に取り付けた供試体側カバー２２Ａと、ケーシング本体２１の他端部に取り付けた反供試体側カバー２２Ｂとを備えている（図１参照）。なお、「供試体側，反供試体側」は、「負荷側，反負荷側」、「一次側，二次側」とも称される。供試体側カバー２２Ａ及び反供試体側カバー２２Ｂは、それぞれ中心部に供試体側軸受６Ａ、反供試体側軸受６Ｂを収容可能な凹部２３Ａ，２３Ｂを有するものである。

供試体側軸受６Ａ及び反供試体側軸受６Ｂは、供試体側カバー２２Ａ、反供試体側カバー２２Ｂの凹部２３Ａ,２３Ｂ内にそれぞれ収容された状態で、シャフト４を回転可能に支持するものである。供試体側カバー２２Ａには、厚み方向に貫通する貫通孔２４を形成し、この貫通孔２４を通じてシャフト４の一端４Ａ近傍部分（供試体側端部）をケーシング２の外部に表出させている。一方、反供試体側カバー２２Ｂには貫通孔は形成されておらず、シャフト４の他端近傍部分４Ｂは、反供試体側カバー２２Ｂの凹部２３Ｂ内に収容された状態にある。なお、反供試体側カバー２２Ｂに、シャフト４の他端４Ｂを含む所定部分に接続可能な接続部を有する反供試体側サブカバー（図示省略）を装着可能に構成することもできる。

供試体側軸受６Ａ及び反供試体側軸受６Ｂは、外周面を供試体側カバー２２Ａ、反供試体側カバー２２Ｂによってそれぞれ固定され、シャフト４に対する摺接面を内周面に設定したものである。なお、図１等では、カバー（供試体側カバー２２Ａ、反供試体側カバー２２Ｂ）をケーシング本体２１に取り付けるための部材やボルト等を省略している。本実施形態の回転機１では、ケーシング本体２１及びカバー（供試体側カバー２２Ａ、反供試体側カバー２２Ｂ）によって仕切られるケーシング２の内部空間２Ｓを外部空間から隔離した気密性の高い空間に維持することができる。なお、本実施形態の回転機１は、ケーシング２を支持する受台７により任意の設置面上に据え付けることが可能である（図１参照）。

ケーシング２の内部空間２Ｓに配置されるロータ５は周知のものを適用することができるため、詳細な説明は省略する。

ステータ３は、ステータコア３１と、ステータコア３１のステータティースに巻回したコイル巻線と、ステータ３のうち軸方向Ｘにおける両端部に配置したコイルエンド３２とを備え、コイル巻線のうちケーシング２の外部に直接引き出した口出線３３をリード端子部Ｌに接続したものである。なお、コイルエンド３２と口出線３３の間にはコイル結線部３０が形成されている（図１及び図２参照）

ここで、本実施形態の回転機１は、図１等に示すように、反供試体側のコイルエンド３２の上方であって且つケーシング２の外部である所定箇所にリード端子部Ｌを配置し、コイル巻線のうちケーシング２の外部に引き出した口出線３３を、リード端子部ＬのリードバーＬ１に接続している。口出線３３の先端部分には圧着端子３４をかしめて取り付け、圧着端子３４をボルト及びナットを用いてリードバーＬ１に固定することによって、口出線３３をリードバーＬ１に電気的・機械的に接続している（図２及び図３参照）。

本実施形態では、リードバーＬ１として、図５（同図（ａ）,（ｂ）,（ｃ）はリードバーＬ１の側面図、正面図、平面図である）に示すように、リードバー本体Ｌ２と、リードバー本体Ｌ２の下端から下方に延材するヒートシンク部Ｌ３を備えたものを適用している。本実施形態のリードバーＬ１は、リードバー本体Ｌ２及びヒートシンク部Ｌ３を一体に有する例えば銅製のものである。リードバー本体Ｌ２は、上端部に主回線接続用ターミナルＴを取り付けるためのネジ孔Ｌ２ａを形成した横断面略正方形状のブロック体である。ヒートシンク部Ｌ３は、リードバー本体Ｌ２の下向き面における奥行き方向Ｙ（水平面内においてシャフト４の軸方向Ｘに直交する方向）中央部分から下方に延伸する平板状（プレート状）をなし（図５（ｂ）参照）、奥行き方向Ｙに対向する両側面Ｌ３１,Ｌ３２の表面積をシャフト４の軸方向Ｘに対向する面の表面積よりも大きく設定したものである。ここで、ヒートシンク部Ｌ３とリードバーＬ１との境界をヒートシンク部Ｌ３の始端Ｌ３３（基端）とした場合、ヒートシンク部Ｌ３の始端Ｌ３３から終端Ｌ３４（末端）までの高さ寸法は、リードバー本体Ｌ２の高さ寸法よりも大きく、ヒートシンク部Ｌ３の始端Ｌ３３近傍に、奥行き方向Ｙに貫通するネジ孔Ｌ３ａを形成し、このネジ孔Ｌ３ａを利用して口出線３３をリードバーＬ１に取り付けることができる。

本実施形態の回転機１は、ケーシング２の外部に引き出された口出線３３と、リード端子部Ｌのうち少なくともリードバーＬ１に対する口出線３３の接続部分を収容可能なダクトＤをケーシング２の上部に設けている（図１等参照）。ヒートシンク部Ｌ３の終端Ｌ３４は、ダクトＤの底面（下面）近傍あたり、換言すれば、ダクト空間ＤＳとケーシング２の内部空間２Ｓとの境界部分近傍あたりに到達している（図２参照）。

そして、本実施形態の回転機１は、コイル巻線のうちケーシング２の外部に引き出した口出線３３の先端部分を、圧着端子３４を介してリードバーＬ１部のうちヒートシンク部Ｌ３の始端Ｌ３３近傍に取り付け、口出線３３のうち先端部分（圧着端子３４）からダクト空間ＤＳとケーシング２の内部空間２Ｓとの境界近傍位置までに亘る領域をヒートシンク部Ｌ３に接触させている。したがって、ヒートシンク部Ｌ３は、口出線３３に沿って延材するものであるといえる。

本実施形態では、ヒートシンク部Ｌ３の両側面Ｌ３１,Ｌ３２をフラットな面に設定し、各側面Ｌ３１,Ｌ３２にそれぞれ口出線３３を複数本（図示例では２本）並べて配置している。なお、ヒートシンク部Ｌ３の放熱性を高めるために、両側面Ｌ３１,Ｌ３２をそれぞれ放熱フィン形状またはリブ形状に設定し、各面Ｌ３１,Ｌ３２の表面積を増加させてもよい。

本実施形態の回転機１は、図４（同図は図２のａ－ａ線断面模式図である）に示すように、シャフト４の軸方向Ｘにヒートシンク部Ｌ３を挟む位置に口出線３３を配置し、１体のヒートシンク部Ｌ３に合計４本の口出線３３を接触させている。本実施形態の回転機１は、平面視においてシャフト４の軸方向Ｘと直交する方向（奥行き方向Ｙ）にリードバーＬ１を所定ピッチで３体配置し、リードバーＬ１毎に同相（Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相）の口出線３３を接続している。

ダクトＤは、図４に示すように、四角筒状のダクト本体Ｄ１を主体としてなり、ダクト本体Ｄ１のうちシャフト４の軸方向Ｘに対向する側壁Ｄ２に、後述する冷媒噴射部９１を収容可能な凹部Ｄ２３を有するものである。ダクトＤの内部空間（ダクト空間ＤＳ）はケーシング２の内部空間２Ｓと連通している。ダクトＤの上方は、樹脂モールド材Ｄ４によって蓋封されている。本実施形態では、リードバーＬ１のうち、口出線３３の接続部分よりも上方の領域であるリードバー本体Ｌ２とダクトＤの上方開口部Ｄ５との間に樹脂モールド材Ｄ４を設け（図２等参照）、ダクト空間ＤＳを外部から隔離した気密状態に設定している。なお、本実施形態の回転機１は、リードバーＬ１の上端部を主回線接続用ターミナルＴに固定し、主回線接続用ターミナルＴに主回路配線Ｃを接続している。主回線接続用ターミナルＴは、リード端子部Ｌの一部を構成するものである。

そして、本実施形態に係る回転機１は、冷媒を噴射することによって口出線３３の外表面の少なくとも一部を冷却する冷却機構９を備えている。冷却機構９は、口出線３３に対して所定の２方向から冷媒を噴射するものである。本実施形態では、冷媒として油（冷却油）を適用している。冷却機構９は、冷媒を扇状に噴出する冷媒噴射部９１を備えている。図２及び図４には、冷媒の噴射形状を２点鎖線で模式的に示している。本実施形態では、リードバーＬ１のうちシャフト４の軸方向Ｘにおいてヒートシンク部Ｌ３を挟んで対向する位置に冷媒噴射部９１（噴射ノズル）を配置し、一方の冷媒噴射部９１（相対的に供試体側の位置に配置した冷媒噴射部９１）による冷媒の噴射角度と、他方の冷媒噴射部９１（相対的に反供試体側の位置に配置した冷媒噴射部９１）による冷媒の噴射角度の位相を相互に異ならせている。具体的には、一方の冷媒噴射部９１から噴射する冷媒が略水平面内で扇状に広がるように噴射角度を設定し、他方の冷媒噴射部９１から噴射する冷媒が略鉛直面内で扇状に広がるように噴射角度を設定している（図示省略）。すなわち、一方の冷媒噴射部９１による冷媒の噴射角度と、他方の冷媒噴射部９１による冷媒の噴射角度の位相を９０度または略９０度異ならせている。もちろん９０度以外の角度位相に設定することもできる。

本実施形態の回転機１は、リードバーＬ１を所定ピッチで３体配置し、各リードバーＬ１を挟んで対向する位置にそれぞれ冷媒噴射部９１を配置している。図４に示すように、リードバーＬ１を境に一方の側に配置された３つの冷媒噴射部９１は、ダクトＤの一方の側壁Ｄ２に所定ピッチで設けた凹部Ｄ２３に収容され、当該側壁Ｄ２の外側に密着状態で配置したダクト側壁カバーＤ６の内部に形成した共通の第１マニホールド９２に連結されている。同様に、リードバーＬ１を境に他方の側に配置された３つの冷媒噴射部９１は、ダクトＤの他方の側壁Ｄ２に所定ピッチで設けた凹部Ｄ２３に収容され、当該側壁Ｄ２の外側に密着状態で配置したダクト側壁カバーＤ６の内部に形成した共通の第２マニホールド９３に連結されている。各マニホールド（第１マニホールド９２、第２マニホールド９３）の始端は冷媒供給口として機能する。

以上の構成を有する本実施形態に係る回転機１は、コイル巻線のうちケーシング２の外部に引き出した口出線３３を、ケーシング２の外部に設けたリード端子部ＬのリードバーＬ１に接続している構成であり、ケーシング２外に引き出した口出線３３及びリードバーＬ１を冷却機構９によって冷却することができ、口出線３３及びリードバーＬ１の発熱を効果的に抑制することが可能であるとともに、噴射した冷媒による気流をダクト空間ＤＳ内に形成することで、口出線３３が配置されているダクト空間ＤＳを冷却し、ケーシング２外に引き出された口出線３３及びリードバーＬ１に対する冷却効率を向上させることができる。

さらに、本実施形態の回転機１は、ダクト空間ＤＳとケーシング２の内部空間２Ｓを連通させているため、冷却機構９によってダクト空間ＤＳに噴出した冷媒が、ミスト状になってケーシング２の内部空間２Ｓにも流れ、ケーシング２内に配置されたステータ３のコイルエンド３２等の発熱体に対する冷却作用を発揮する。なお、本実施形態の回転機１は、ケーシング２の下部に冷媒排出口２６を設け（図１参照）、この冷媒排出口２６から冷媒をケーシング２外に排出可能に構成している。

特に、本実施形態に係る回転機１は、口出線３３に沿って延在するヒートシンク部Ｌ３をリードバーＬ１に設け、ヒートシンク部Ｌ３に口出線３３を接触させる構成であるため、ヒートシンク部Ｌ３を設けていない構成と比較して、リードバーＬ１において口出線３３の冷却に寄与する放熱領域を拡大して、熱容量を増やすことができる。これにより、コイル巻線で生じた熱が口出線３３を伝ってからリードバーＬ１のヒートシンク部Ｌ３に移り、リードバーＬ１の外部へ放熱することが可能になり、口出線３３に対する冷却効率をさらに向上させることが可能である。

加えて、本実施形態に係る回転機１は、冷却機構９として、冷媒を扇状に噴出する冷媒噴射部９１を備えたものを適用し、リードバーＬ１を挟む所定の２方向のうち一方の方向から口出線３３に対して冷媒を噴射する冷媒噴射部９１の噴射角度と、他方の方向から口出線３３に対して冷媒を噴射する冷媒噴射部９１の噴射角度の位相を相互に異ならせているため、各冷媒噴射部９１から噴射する冷媒同士の衝突を回避して、口出部が配置されている空間に噴出した冷媒の勢いを保って冷たい気流を効率良く形成することができ、冷却能力が高まる。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、本発明の「冷却機構」は、冷媒を噴射することによって口出線の外表面の少なくとも一部を冷却するものであればよく、リードバーを挟んで対向配置する冷媒噴射部から口出線に対して冷媒を扇状に噴射する角度（噴射角度）の位相が同じであってもよい。

また、本発明では、口出線に対して一方向からのみ冷媒を噴射する冷却機構を採用することも可能である。さらには、冷媒を扇状ではなく円錐状に噴射する冷却機構を適用してもよい。

本発明では、供試体側から口出線に向かって冷媒を噴射する冷媒噴射部と、反供試体側から口出線に向かって冷媒を噴射する冷媒噴射部とを複数のリードバーが並ぶ方向に交互に配置した回転機を構成することもできる。

回転機の仕様によっては、冷却機構の冷媒として、冷却油以外の流体や気体を採用しても構わない。つまり、冷却機構による冷却方式は、油冷、水冷、空冷等どのような方式であってもよく、冷媒によって口出線の発熱を奪う能力（冷却能力）が向上する。

また、シャフトとして、軸心部分に軸方向に延伸する冷媒の供給路であるメイン冷媒路と、メイン冷媒路に連通しシャフトのラジアル方向に延伸するサブ冷媒路とを備え、メイン冷媒路に供給した冷媒をサブ冷媒路の終端（出口）からケーシングの内部空間に放出することで、ケーシング内において熱を帯びるロータ等のパーツに対する冷却処理も実行可能に構成した回転機であってもよい。ケーシング内を冷却する機構をハウジングに設けた回転機であっても構わない。

リードバーのヒートシンク部の形状やサイズは適宜変更することができる。特に、ヒートシンク部は、口出線に沿って延在するものであることが好ましく、口出線が高さ方向以外の方向に直線状また曲線状に配置される構成であれば、ヒートシンク部も口出線の配線形状に応じた形状にすればよい。

リードバーが、それぞれ別体のリードバー本体とヒートシンク部を備えたものであってもよい。ヒートシンク部を備えていないリードバーを採用しても構わない。銅以外の素材（材料）でリードバーを構成することも可能である。

口出線をリードバーに接続する態様は、圧着端子を用いたカシメ処理に限定されず、適宜の処理で口出線をリードバーに電気的・機械的に接続すればよい。また、口出線はコイル線の素線の束ねたものだけのものであってもよいし、素線の束を適宜の被覆材（例えば可撓性の絶縁被覆材）で被覆したものであってもよい。

また、本発明に係る回転機は、自動車用試験装置に適用されるものに限定されず、用途に応じた仕様に変更することができる。

その他、各部の具体的構成についても上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

１…回転機
２…ケーシング
３…ステータ
３３…口出線
４…シャフト
５…ロータ
９…冷却機構
９１…冷媒噴射部
Ｌ…リード端子部
Ｌ１…リードバー
Ｌ３…ヒートシンク部

Claims (4)

1. 一端部に供試体が接続可能なシャフトと、
   前記シャフトの軸回りに設けたロータと、
   前記ロータ及び前記シャフトの少なくとも一部を内部空間に収容可能なケーシングと、
   前記ケーシング内に固定したステータと、を備えた回転機であって、
   前記ステータは、ステータコアと、前記ステータコアのステータティースに巻回したコイル巻線とを備え、前記コイル巻線のうち前記ケーシングの外部に引き出した口出線を、前記ケーシングの外部に設けたリード端子部のリードバーに接続したものであり、
   前記リード端子部のうち少なくとも前記リードバーに対する前記口出線の接続部分を収容可能なダクトと、
   前記ダクトの内部空間に冷媒を噴射することによって前記口出線の外表面の少なくとも一部を冷却する冷却機構とを備え、
   前記ダクトの内部空間が前記ケーシングの内部空間と連通していることを特徴とする回転機。
2. 前記リードバーに、前記口出線に沿って延在するヒートシンク部を設け、当該ヒートシンク部に前記口出線を接触させている請求項１に記載の回転機。
3. 前記冷却機構は、前記口出線に対して所定の２方向から冷媒を噴射するものである請求項１又は２に記載の回転機。
4. 前記冷却機構は、冷媒を扇状に噴出する冷媒噴射部を備え、前記リードバーを挟む所定の２方向のうち一方の方向から前記口出線に対して冷媒を噴射する前記冷媒噴射部の噴射角度と、他方の方向から前記口出線に対して冷媒を噴射する前記冷媒噴射部の噴射角度の位相を相互に異ならせている請求項３に記載の回転機。

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