JP7302464B2

JP7302464B2 - 回転電機

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Publication number: JP7302464B2
Application number: JP2019229095A
Authority: JP
Inventors: 隆志松本; 堅大田渕; 正周河
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2019-12-19
Filing date: 2019-12-19
Publication date: 2023-07-04
Anticipated expiration: 2039-12-19
Also published as: EP3840181A1; EP3840181B1; US11601023B2; CN113014014B; US20210194297A1; JP2021097556A; CN113014014A

Description

本発明は、回転電機の構造に関し、特にステータコアの構造に関する。

ステータコアの外周面に沿って冷媒を流してステータコア、或いはコイルエンドを冷却する構造が提案されている。例えば、ステータの軸方向端面に取付けられるステータカフサの一部をステータコアの円筒状の外周面の上に軸方向に延びるようにリブを張り出させ、外周面の上部からステータコアの外周面に沿って流れた冷媒をステータの軸方向端面に形成されるコイルエンドに導く構造が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、ステータコアの外周面に半径方向外側に突出して軸方向に延びる冷媒ガイドを設け、ステータコアの上部に供給されてステータコアの外周面に沿って流れる冷媒をコイルエンドに導く構造が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

また、ステータコアの外周面にステータコアの上部に供給された冷媒をステータコアの外周面に沿って流すようにステータコアの外周面に周方向に延びる溝を設ける構造が提案されている（例えば、特許文献３参照）。

特開２０１９－３００９８号公報特開２０１５－１１５９９４号公報特開２０１９－１２２１６０号公報

しかし、特許文献１から３に記載された従来技術の回転電機の冷却性能には改善する余地があった。そこで、本発明は、回転電機の冷却性能を向上させることを目的とする。

本発明の回転電機は、ケーシングと、ロータと、前記ロータの周囲に配置されるステータを有し、前記ロータの軸方向が水平方向となるように配置される回転電機であって、前記ロータは、ロータ内部からロータ外周面に連通し、前記ロータ内部から前記ロータ外周面に冷媒を導く冷媒流路を備え、前記ステータは、筒状のステータコアを備え、前記ステータコアは、コイルが巻回される複数のスロットと、内部から外周面に連通し、前記ロータの前記冷媒流路から前記ステータコアの前記内部に向かって流出した冷媒を前記ステータコアの前記外周面に導く複数の連通路と、前記外周面に設けられて軸方向に延びる複数の凸部と、前記外周面から半径方向に突出して軸方向に延びて前記ケーシングに固定される複数の固定部と、を備え、複数の前記連通路は、前記固定部以外に配置される各スロットから前記外周面にそれぞれ連通し、複数の前記凸部は、前記外周面の各前記連通路の各開口よりも重力方向下側にそれぞれ配置されていること、を特徴とする。

このように、ロータから供給される冷媒をステータコアに設けた連通路からステータコアの外周面に流すので、ステータコアの内部とステータコアの外周面の両方からステータコアを冷却することができ、冷却性能を向上させることができる。また、開口の重力方向下側に凸部を設けるので、ステータコアの外周面に沿って流れる冷媒をステータのコイルエンドに導くことができ、コイルエンドの冷却を行うことができる。更に、連通路を任意の場所に設けることができるので、ステータコアの特定の領域を冷却することができる。

また、これにより、ステータコアの上半部に配置された連通路に流れる冷媒は、ステータコアを内部から冷却して開口から外周面に流出した後、ステータコアの外周面を周方向又は軸方向に流れることでステータコアの外周面とコイルエンドとを冷却する。一方、ステータコアの下半部に配置された連通路に流れる冷媒はステータコアの下側部分を内部から冷却する。これにより、ステータコアを全周から冷却することができ冷却性能を向上させることができる。

本発明の回転電機において、複数の前記連通路と複数の前記凸部とは、前記スロットの周方向ピッチと同一のピッチで周方向に配置されてもよい。

このように、複数の連通路と複数の凸部とを前記スロットの周方向ピッチと同一のピッチで周方向に均等に配置するので、外周面における冷媒の流れを均一にすることができ、冷却性能を向上させることができる。

本発明の回転電機において、複数の前記凸部は、軸方向の一端から他端まで延びてもよい。

これにより、連通路の開口から流れ出た冷媒を効果的にコイルエンドに導くことができ、コイルエンドの冷却性能を向上させることができる。

本発明の回転電機において、複数の前記連通路は、軸方向中央部に配置されてもよい。

これにより、ステータコアを内部から軸方向に均一に冷却して冷却性能を向上させることができる。また、連通路の開口から凸部の軸方向両端側に向かう冷媒の流れを均一にでき、冷却性能を向上させることができる。

本発明の回転電機において、前記凸部は、断面形状が四角形状又は台形形状でもよい。

これにより、凸部の根元とステータコアの外周面との間に冷媒を軸方向に流す流路を構成することができ、冷媒を効果的にコイルエンドに導くことができる。

本発明の回転電機において、前記ステータコアは、円環状の電磁鋼板を積層して筒状に構成されており、複数の前記連通路と複数の前記凸部とは、それぞれ前記ロータの回転中心軸に対して軸対象に配置されてもよい。

これにより、電磁鋼板を転積する場合であっても複数の連通路と複数の凸部とを構成することができる。

本発明は、回転電機の冷却性能を向上させることができる。

実施形態の回転電機の断面図である。実施形態の回転電機におけるステータコアの斜視図である。図１に示す回転電機をＡ－Ａから見た図で、ステータコアの積層電磁鋼板の一端面を軸方向から見た図である。図１に示す回転電機をＢ－Ｂから見た図で、連通路が形成された電磁鋼板の上半の一部を軸方向から見た図である。図１に示す回転電機をＢ－Ｂから見た図で、連通路が形成された電磁鋼板の下半の一部を軸方向から見た図である。冷媒の流れを示すステータの側面の模式図である。他の実施形態の回転電機のステータコアを形成する電磁鋼板の内で連通路が形成された電磁鋼板を軸方向から見た図である。他の実施形態の回転電機のステータコアを形成する電磁鋼板の内で連通路が形成された電磁鋼板を軸方向から見た図である。他の実施形態の回転電機のステータコアを軸方向から見た図である。

以下、図面を参照しながら実施形態の回転電機１００について説明する。ここで、回転電機１００は、モータであっても良いし発電機であっても良いしモータジェネレータであってもよい。図１に示すように、回転電機１００は、ロータ５０と、ロータ５０の周囲に配置されるステータ１０を有しており、ロータ５０の軸方向が水平方向となるように配置されている。

ステータ１０は、ステータコア１１と、コイル１８と、コイルエンド１９とを含んでいる。図２に示すように、ステータコア１１は、ヨーク１５と、ヨーク１５から半径方向内側に突出するティース１６と、ティース１６の間に形成されたスロット１７と、内部から外周面に連通する複数の連通路２０と、外周面に設けられて軸方向に延びる複数の凸部３０と、ケーシングに固定される固定部４０とを有している。

図３に示すように、ステータコア１１は、ヨーク１５、ティース１６、スロット１７、凸部３０、固定部４０の形状に打ち抜かれた円環状の電磁鋼板１２を積層して円筒状に形成したものである。電磁鋼板１２は、積層するとそれぞれヨーク１５、ティース１６、スロット１７、凸部３０、固定部４０を形成するヨーク形成部１５ａ、ティース形成部１６ａ、スロット形成部１７ａ、凸部形成部３０ａ、固定部形成部４０ａを含んでいる。ここで、凸部形成部３０ａは半丸形状となっている。

図４に示すように、ステータコア１１の軸方向中央部の電磁鋼板１３と、電磁鋼板１３の他端側に積層される電磁鋼板１４は、他の部分の電磁鋼板１２と異なり、ティース１６を形成するティース形成部１６ｂが図３の電磁鋼板１２のティース形成部１６ａよりも狭く、また、ティース形成部１６ｂの半径方向の長さも電磁鋼板１２のティース形成部１６ａの半径方向の長さよりも短くなっている。また、スロット形成部１７ｂの幅は電磁鋼板１２のスロット形成部１７ａの幅よりも広くなっている。電磁鋼板１３，１４を軸方向に積層すると、電磁鋼板１２を積層した場合に形成されるティース１６よりも幅が狭く、半径方向長さが短いティース１６Ｓが形成される。

電磁鋼板１３には、スロット形成部１７ｂの底部から半径方向外側に延びる内径側スリット２１が延びている。また、電磁鋼板１４には、図３中に破線で示すように、内径側の端部が内径側スリット２１の外径側の端部に軸方向に対向し、半径方向外側に向かって外周面まで延びる外径側スリット２２が設けられている。電磁鋼板１３，１４を軸方向に積層すると、内径側スリット２１と外径側スリット２２とはステータコア１１の内部と外周面とを連通する連通路２０を構成する。また、外径側スリット２２の外周面の端部は、連通路２０の外周面の開口２３を構成する。

電磁鋼板１２，１３，１４の凸部形成部３０ａは周方向に並べて配置されており、電磁鋼板１３，１４の内径側スリット２１と外径側スリット２２とは凸部形成部３０ａの間に周方向に並べて複数配置されている。ただし、固定部形成部４０ａが設けられる領域には、凸部形成部３０ａ、内径側スリット２１と外径側スリット２２は設けられていない。このため、電磁鋼板１２，１３，１４を積層すると、固定部４０が形成される外周面を除く外周面には、軸方向の一端から他端まで延びる複数の半丸形状断面の凸部３０が周方向に並ぶように形成される。また、外周面の周方向に隣接する凸部３０の間には、１つの連通路２０が周方向に並ぶように形成される。このように、凸部３０と連通路２０とは、ステータコア１１の固定部４０を除く外周面に全周に配置される。また、実施形態のステータコア１１では、電磁鋼板１２，１３，１４の各凸部形成部３０ａと内径側スリット２１と外径側スリット２２とは周方向に等間隔で配置されている。このため、ステータコア１１の固定部４０を除く外周面には連通路２０と凸部３０とが均等に配置されている。また、図４に示すように、電磁鋼板１３，１４の内径側スリット２１と外径側スリット２２とをスロット１７或いはティース１６の周方向ピッチと同様の間隔で周方向に配置してもよい。この場合、連通路２０は、ティース１６の周方向ピッチと同様のピッチで周方向に均等に配置される。

図３，４に示すように、電磁鋼板１２，１３，１４を積層して形成されたスロット１７，１７Ｓの中にはコイル１８が巻装され、図１に示すように、ステータコア１１の軸方向端面には、コイルエンド１９が形成される。図４に示すように、電磁鋼板１３，１４を積層して形成されるスロット１７Ｓは、電磁鋼板１２を積層して形成されるスロット１７よりも幅が広いので、ティース１６とコイル１８との間には、隙間があいている。

図１に示すように、ロータ５０は、シャフト５１と、ロータコア６１とを備えている。シャフト５１は中心に軸方向に延びる中心孔５２が設けられており、軸方向の中央部には、中心孔５２からシャフト５１の外周面に延びる複数の貫通孔５３が設けられている。

ロータコア６１は、円環状の電磁鋼板６２を積層して円筒形状に形成したものである。シャフト５１に設けられた貫通孔５３に対応する軸方向中央部の電磁鋼板６３には、ステータコア１１を構成する電磁鋼板１３と同様の内径側スリット６３ａが設けられている。また、電磁鋼板６３の一端側に積層される電磁鋼板６４には、ステータコア１１を構成する電磁鋼板１４と同様の外径側スリット６４ａが設けられている。電磁鋼板６３，６４を積層すると内径側スリット６３ａと外径側スリット６４ａとはロータコア６１の内面と外周面とを連通する連通路６５を形成する。

そして、シャフト５１の貫通孔５３とロータコア６１の連通路６５とは、ロータ内部からロータ外周面に連通してロータ５０の内部から外周面に冷媒を導く冷媒流路６８を構成する。

以下、図面を参照しながら、このように配置された回転電機１００における冷媒の流れとステータ１０、ロータ５０の冷却について説明する。

図１中に矢印８２に示すように、冷媒は、シャフト５１の他端側から中心孔５２の中に流入する。冷媒は、中心孔５２の中を一端側に向かって軸方向に流れていく。そして、冷媒は、図１中に矢印８３で示すように、シャフト５１の貫通孔５３から半径方向外側に向かって流れ、ロータコア６１の内径側スリット６３ａ、外径側スリット６４ａを通ってロータコア６１の外周面から半径方向外側に流出する。

上半部のステータコア１１では、ロータコア６１の外周面から半径方向外側に流出した冷媒は、図４中の矢印８６のように、ティース１６Ｓとコイル１８との間の隙間からスロット１７Ｓの中に流入する。そして、図４中の矢印８７に示すように、ステータコア１１の内径側スリット２１、外径側スリット２２を通って図６中の矢印８９ａ、図４中の矢印８８に示すように、ステータコア１１の外周面の開口２３から外周面に流れ出る。ステータコア１１の外周面に流れ出た冷媒は、図６中の矢印８９ａに示すように、外周面に沿って重力方向下側に向かって流れた後、図６中の矢印８９ｂに示すように開口２３よりも重力方向下側に位置する凸部３０に沿って軸方向に流れ、コイルエンド１９に到達する。

一方、下半部のステータコア１１ではロータコア６１の外周面から半径方向外側に流出した冷媒は、図５中の矢印９６のように、ティース１６Ｓとコイル１８との間の隙間からスロット１７Ｓの中に流入する。そして、図１中の矢印９５に示すように、ステータコア１１の内径側スリット２１、外径側スリット２２を通ってステータコア１１の外周面の開口２３から外周面に流れ出る。外周面に流れ出た冷媒は、図５中の矢印９８に示すように、表面張力で外周面と凸部３０の表面に沿って重力方向下側に向かって流れ、凸部３０の下端から重力方向下側に落下する。また、重力方向下側への角度が大きくなると、図５中の矢印９９、図６中の矢印９９ａに示すように、開口２３からそのまま重力方向下側に落下する。

以上説明したように、実施形態の回転電機１００は、ロータ５０から供給される冷媒をステータコア１１に設けた連通路２０からステータコア１１の外周面に流すので、ステータコア１１の内部とステータコア１１の外周面の両方からステータコア１１を冷却することができ、冷却性能を向上させることができる。また、連通路２０の開口２３の重力方向下側に凸部３０を設けるので、ステータコア１１の外周面に沿って流れる冷媒をステータ１０のコイルエンド１９に導くことができ、コイルエンド１９の冷却を行うことができる。

また、実施形態の回転電機１００は、ステータコア１１の固定部４０を除く外周面の全周に複数の連通路２０と複数の凸部３０とを配置しているので、ステータコア１１の上半部に配置された連通路２０に流れる冷媒は、ステータコア１１を内部から冷却して開口２３から外周面に流出した後、ステータコア１１の外周面を周方向又は軸方向に流れることでステータコア１１の外周面とコイルエンド１９とを冷却する。一方、ステータコア１１の下半部に配置された連通路２０に流れる冷媒はステータコア１１の下側部分を内部から冷却する。これにより、ステータコア１１を全周から冷却することができ冷却性能を向上させることができる。

また、実施形態の回転電機１００は、複数の連通路２０と複数の凸部３０とを周方向に均等に配置するので、外周面における冷媒の流れを均一にすることができ、冷却性能を向上させることができる。

更に、実施形態の回転電機１００は、固定部４０を除く外周面の全周に複数の連通路２０と複数の凸部３０とを配置しているので、特許文献１，２に記載された従来技術の様に、冷媒をステータコア１１の様に冷媒リブを軸方向に分割して冷媒を周方向に流す流路を設ける必要がない。このため、複数の凸部３０を軸方向の一端から他端まで延ばす配置とすることができる。これにより、より多くの冷媒をコイルエンド１９に流すことができる。

また、回転電機１００は、ステータコア１１の連通路２０を軸方向中央部に配置しているので、ステータコア１１を内部から軸方向に均一に冷却して冷却性能を向上させることができる。また、連通路２０の開口２３から凸部３０の軸方向両端側に向かう冷媒の流れを均一にでき、冷却性能を向上させることができる。

以上説明した実施形態の回転電機１００のステータコア１１において、電磁鋼板１２，１３，１４の各凸部形成部３０ａと内径側スリット２１と外径側スリット２２とを図１に示すシャフト５１の回転中心軸５５に対して軸対象に配置するようにしてもよい。この場合、電磁鋼板１２，１３，１４を転積してステータコア１１を構成することができる。

また、以上説明した回転電機１００のステータコア１１の凸部３０は半円形状断面として説明したが、これに限らず、図７に示すように電磁鋼板１２，１３，１４の凸部形成部３２ａを四角或いは台形形状として、電磁鋼板１２，１３，１４を積層して断面形状が四角形状、或いは台形形状の凸部３２を形成してもよい。この場合、連通路２０が水平方向よりも重力方向下側に向かって延びる場合でも、凸部３２の根元とステータコア１１の外周面との間に冷媒を軸方向に流す流路を構成することができ、冷媒を効果的にコイルエンド１９に導くことができる。

また、実施形態の回転電機１００のステータコア１１では、凸部３０の間に１つの連通路２０或いは開口２３が配置されることとして説明したが、これに限らず、図８に示すように、凸部３０の間に複数の連通路２０、或いは開口２３が配置されるように構成してもよい。

実施形態の回転電機１００のでは、凸部３０と連通路２０とは、ステータコア１１の固定部４０を除く外周面に全周に配置されることとして説明したが、これに限らず、例えば、図９に示すように、重力方向上側から周方向に３０°程度傾斜した部分に左右対象に２つの凸部３０と連通路２０とを配置してもよい。この場合、ステータコア１１の一方の側面には１つの開口２３と１つの凸部３０とが配置される。この場合、凸部３０は開口２３よりも重力方向下側に配置されているので、開口２３から流出した冷媒は、外周面に沿って下側に向かって流れた後、凸部３０に沿って軸方向に流れてコイルエンド１９を冷却することができる。

また、開口２３、凸部３０を回転電機１００の熱発生の多い部分、或いは冷却しにくい部位に配置することにより、回転電機１００をより効率的に冷却することができる。この場合、開口２３と凸部３０とを１つだけ配置するようにしてもよい。

また、実施形態の回転電機１００では、ステータコア１１は、電磁鋼板を積層した円筒形状として説明したが、電磁鋼板を積層したものではなく、例えば、鉄紛を圧縮成形したようなものでもよい。また、ステータコア１１は、内径面が円筒状のロータコア６１の外径に沿った円筒面の筒状であれば、外径面は円筒形状でなくてもよく、例えば、６角形、八角形等の多角形形状でもよい。

１０ステータ、１１ステータコア、１２，１３，１４，６２，６３，６４電磁鋼板、１５ヨーク、１５ａヨーク形成部、１６，１６Ｓティース、１６ａ，１６ｂティース形成部、１７，１７Ｓスロット、１７ａ，１７ｂスロット形成部、１８コイル、１９コイルエンド、２０，６５連通路、２１，６３ａ内径側スリット、２２，６４ａ外径側スリット、２３開口、３０，３２凸部、３０ａ，３２ａ凸部形成部、４０固定部、４０ａ固定部形成部、５０ロータ、５１シャフト、５２中心孔、５３貫通孔、５５回転中心軸、６１ロータコア、６８冷媒流路、１００回転電機。

Claims

ケーシングと、ロータと、前記ロータの周囲に配置されるステータを有し、前記ロータの軸方向が水平方向となるように配置される回転電機であって、
前記ロータは、ロータ内部からロータ外周面に連通し、前記ロータ内部から前記ロータ外周面に冷媒を導く冷媒流路を備え、
前記ステータは、筒状のステータコアを備え、
前記ステータコアは、コイルが巻回される複数のスロットと、内部から外周面に連通し、前記ロータの前記冷媒流路から前記ステータコアの前記内部に向かって流出した冷媒を前記ステータコアの前記外周面に導く複数の連通路と、前記外周面に設けられて軸方向に延びる複数の凸部と、前記外周面から半径方向に突出して軸方向に延びて前記ケーシングに固定される複数の固定部と、を備え、
複数の前記連通路は、前記固定部以外に配置される各スロットから前記外周面にそれぞれ連通し、
複数の前記凸部は、各前記連通路の各開口よりも重力方向下側にそれぞれ配置されていること、
を特徴とする回転電機。
請求項１に記載の回転電機であって、
複数の前記連通路と複数の前記凸部とは、前記スロットの周方向ピッチと同一のピッチで周方向に配置されていること、
を特徴とする回転電機。
請求項１又は２に記載の回転電機であって、
複数の前記凸部は、軸方向の一端から他端まで延びていること、
を特徴とする回転電機。
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、
複数の前記連通路は、軸方向中央部に配置されていること、
を特徴とする回転電機。
請求項１から４のいずれか１項に記載の回転電機であって、
前記凸部は、断面形状が四角形状又は台形形状であること、
を特徴とする回転電機。
請求項１又は２に記載の回転電機であって、
前記ステータコアは、円環状の電磁鋼板を積層して筒状に構成されており、
複数の前記連通路と複数の前記凸部とは、それぞれ前記ロータの回転中心軸に対して軸対象に配置されていること、
を特徴とする回転電機。