JP7380279B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、回転電機の水路構造に関する。

回転電機における固定子のコイルを効率よく冷却するために、固定子の外周に沿って筐体に冷却水の流路を設け、回転電機の固定子を水冷する冷却構造が種々提案されている。

特開２０１４－１０７８８８号公報 特開２００９－２４７０８５号公報

回転電機の筐体は、形状の自由度の高さや量産性などの観点から鋳造で製造されうる。鋳造品の筐体に上記のような冷却水の水路を設ける場合、中子を用いて筐体を鋳造することで筐体内に中空の水路を形成できる。このとき、冷却水入口と冷却水出口の間を分断して冷却水が一方に流れるように水路を形成すると、中子の耐久性が低くなって中子割れが生じやすくなってしまう。

また、冷却水の水路の圧力損失を低下させる観点からは、冷却水出口に向けて水路のサイズを絞って冷却水出口での流速を上げることが好ましい。しかし、冷却水出口に向けて水路のサイズを絞ると、水路の形状によってはヒートスポットが生じて冷却性能が低下する可能性がある。

本発明は、上記の状況に鑑みてなされたものであって、ヒートスポットの発生と水路の圧力損失を抑制するとともに、中子割れの可能性を低減できる回転電機の水路構造を提供する。

本発明の一態様の回転電機は、ロータおよびステータを有する回転電機本体と、回転電機本体を収容し、回転電機本体の周方向に沿って冷却水の主水路が配置される筐体と、を備える。筐体は、主水路の周方向一方側に冷却水を導入する冷却水入口と、冷却水入口と周方向に位置を揃えて冷却水入口から回転電機本体の軸方向に離れて配置され、主水路の周方向他方側からの冷却水を排出する冷却水出口と、周方向に延びて冷却水入口と冷却水出口の間を仕切り、主水路から冷却水出口へ向かう出口側流路を絞る第１の隔壁と、周方向に延びて冷却水入口と冷却水出口の間を仕切り、軸方向において冷却水入口に臨む第２の隔壁と、冷却水入口から周方向に延び、出口側流路から第１の隔壁を跨いだ主水路の周方向他方側の領域に、冷却水入口からの冷却水を導く補助流路と、を有する。主水路は、少なくとも第１の隔壁および第２の隔壁の間の中間領域と、補助流路とによって周方向一方側と周方向他方側が接続されている。

上記の回転電機において、第２の隔壁は、冷却水入口からの冷却水を補助流路と主水路の周方向一方側にそれぞれ導いてもよく、補助流路の幅は、冷却水入口から主水路の周方向一方側に接続される流路の幅より狭くてもよい。
上記の回転電機において、筐体は、鋳造により製造されてもよい。

本発明の一態様における回転電機の水路構造によれば、ヒートスポットの発生と水路の圧力損失を抑制するとともに、中子割れの可能性を低減できる。

本実施形態の回転電機ユニットの一例を示す斜視図である。 図１の平面図である。 図２のIII-III線断面図である。 本実施形態の水路構造を示す斜視図である。 本実施形態の水路構造の要部を示す図である。 比較例の水路構造を示す斜視図である。 比較例の水路構造の要部を示す図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
実施形態では説明を分かり易くするため、本発明の主要部以外の構造や要素については、簡略化または省略して説明する。また、図面において、同じ要素には同じ符号を付す。なお、図面に示す各要素の形状、寸法などは模式的に示したもので、実際の形状、寸法などを示すものではない。

図１は、本実施形態の回転電機ユニットの一例を示す斜視図である。図２は、図１の平面図である。図３は、図２のIII-III線断面図である。

図１に示す回転電機ユニット１は、第１ブラケット２と、第２ブラケット３を備え、全体形状が略円筒状に形成されている。第１ブラケット２および第２ブラケット３は、筐体の一例であって、いずれも鋳造により製造される。図１から図３において、回転電機ユニット１の回転軸（シャフト７）の延長方向（軸方向）を矢印Ａｘで示す。

第１ブラケット２は、軸方向の一端側（図中右側）が開口され、軸方向の他端側（図中左側）が底面部２ａで塞がれた有底円筒形状である。第１ブラケット２の内部空間には、図３に示すように、コイルが巻回されたステータ４と、永久磁石が配置されたロータ５を備えるインナーロータ型のモータ本体６（回転電機本体の一例）が収容される。また、第１ブラケット２における底面部２ａの径方向中央部には、軸受け８が設けられている。軸受け８は、ロータ５が外周に固定されているシャフト７の負荷側を回転可能に支持する。シャフト７は、軸受け８を挿通して第１ブラケット２の外側に突出している。

第２ブラケット３は、第１ブラケット２の一端側の開口を塞ぐ円板状の部材である。第２ブラケット３の径方向中央部には、シャフト７の反負荷側の端部を回転可能に支持する軸受け９が設けられている。

図２、図３に示すように、第１ブラケット２の底面部２ａから立ち上がった円筒状の側面部２ｂには、冷却水を流す帯状の水路１０がモータ本体６の周方向に沿って配置されている。水路１０は、モータ本体６のステータ４の外周に沿って第１ブラケット２の内部に環状に配置されている。図３に示すように、水路１０は、第１ブラケット２の鋳造時に中子を用いて側面部２ｂの内側に形成されている。

冷却水は、第１ブラケット２の側面部２ｂに形成された冷却水入口１１から水路１０に導入される。水路１０に流入した冷却水は、第２ブラケット３の一端側の面に接続される冷却水出口１２から外部に排出される。

ここで、図６、図７を参照しつつ、比較例の水路構造の構成例を説明する。図６は、比較例の水路構造を示す斜視図である。図７は、比較例の水路構造の要部を示す図である。図６、図７では、冷却水入口１１および冷却水出口１２の近傍の構成を実線で示し、その他の部分は水路２０の輪郭を破線で示す。また、図７の左右方向は水路２０の周方向に対応し、図７の上下方向は軸方向に対応する。なお、上記の水路２０の形状は、第１ブラケット２の鋳造で使用される中子の形状に対応するものである。

比較例の水路構造では、冷却水入口１１と冷却水出口１２が軸方向に並んで配置されている。冷却水入口１１と冷却水出口１２の間は、図７中上側から下向きに延び、冷却水入口１１と冷却水出口１２の間で折れ曲がる折れ線状の第１の切り欠き２１と、図７中下側から上向きに延びる第２の切り欠き２２とによって水路２０が仕切られている。冷却水入口１１の上側には、第１の切り欠き２１と第２の切り欠き２２の間に小幅の補助流路２３が形成されている。この補助流路２３は、水路２０を周方向に一部繋ぐことで中子の強度を向上させる補強リブとしての機能を担う。

また、冷却水出口１２は、第１の切り欠き２１の近傍に設けられている。冷却水出口１２の下側には、冷却水出口１２の位置から第２の切り欠き２２を越える位置まで周方向に沿って延びる隔壁２４が形成されている。隔壁２４は、冷却水出口１２近傍での水路２０の幅を絞ることで、冷却水出口１２に向かう冷却水の流速を上げる機能を担う。
なお、第１の切り欠き２１、第２の切り欠き２２および隔壁２４は、中子においてはいずれも空洞となる。

比較例の水路構造では、冷却水入口１１から流入する冷却水は、図７の右側と、補助流路２３にそれぞれ流れる。冷却水入口１１から図７の右側に向かう冷却水は、環状に形成される水路２０を周方向に沿って流れ、図７の左側に導かれる。一方、冷却水入口１１から補助流路２３に流れる冷却水は、隔壁２４と第１の切り欠き２１の間から冷却水出口１２に導かれるか、あるいは隔壁２４に沿って図７の左側に向けて流れる。そして、水路２０を周方向に沿って流れた冷却水と、補助流路２３を通過して図７の左側に流れた冷却水は合流し、隔壁２４で仕切られた上側の出口側流路２５から冷却水出口１２に導かれる。

冷却水出口１２の近傍においては、隔壁２４で仕切られた上側の出口側流路２５から冷却水出口１２に向けて冷却水が引き込まれる。そのため、水路２０内において出口側流路２５から隔壁２４を跨いだ領域（図７中一点鎖線で囲んだ領域）は、冷却水が流れにくくヒートスポットとなりやすい。
また、比較例の水路構造では、補助流路２３により水路２０を周方向に繋いでいるが、補助流路２３の箇所が細いので中子の割れが生じやすい。

次に、図４、図５を参照しつつ、本実施形態の水路構造の構成例を説明する。図４は、本実施形態の水路構造を示す斜視図である。図５は、本実施形態の水路構造の要部を示す図である。図４、図５においても、冷却水入口１１および冷却水出口１２の近傍の構成を実線で示し、その他の部分は水路１０の輪郭を破線で示す。また、図５の左右方向は水路１０の周方向に対応し、図５の上下方向は軸方向に対応する。なお、上記の水路１０の形状は、第１ブラケット２の鋳造で使用される中子の形状に対応するものである。

本実施形態の水路構造では、上記の比較例と同様に、冷却水入口１１と冷却水出口１２が軸方向（第１方向の一例）に並んで配置されている。冷却水入口１１と冷却水出口１２の間には、それぞれ周方向（第２方向の一例）に沿って延びる第１の隔壁１３と第２の隔壁１４が並列に形成されている。また、図５において冷却水出口１２の右側には、図５中上側から第１の隔壁１３の位置まで下向きに延びる第１の切り欠き１５が形成される。また、図５において冷却水入口１１の左側には、図５中下側から上向きに延び、その先端部が第２の隔壁１４と対向する第２の切り欠き１６が形成されている。

第１の隔壁１３は、図５中上側の面１３ａが冷却水出口１２に臨み、冷却水出口１２の位置から第２の切り欠き１６を超える位置まで周方向に沿って延びている。第１の隔壁１３は、比較例と同様に、冷却水出口１２近傍での水路１０の幅を絞ることで、冷却水出口１２に向かう冷却水の流速を上げる機能を担う。

第２の隔壁１４は、図５中下側の面１４ａが冷却水入口１１に臨み、第１の切り欠き１５の位置から第２の切り欠き１６の位置まで周方向に沿って延びている。また、第２の隔壁１４と第２の切り欠き１６の間には、周方向に沿って延びる補助流路１７が形成されている。第２の隔壁１４は、冷却水入口１１からの冷却水を図５の右側の流路と、図５の左側の補助流路１７に導く機能を担う。
なお、第１の隔壁１３、第２の隔壁１４、第１の切り欠き１５および第２の切り欠き１６は、中子においてはいずれも空洞となる。

本実施形態の水路構造では、冷却水入口１１から流入する冷却水は、図５の右側の流路と、図５の左側に向かう補助流路１７にそれぞれ流れる。冷却水入口１１から図５の右側に向かう冷却水の一部は、環状に形成される水路１０を周方向に沿って流れ、図５の左側に導かれる。

また、冷却水入口１１から図５の右側に向かう冷却水の残りは、第２の隔壁１４を回り込んで第１の隔壁１３と第２の隔壁１４で仕切られた中間領域１８に流れる。なお、この中間領域１８を流れる冷却水の一部は、第１の隔壁１３と第１の切り欠き１５の間から冷却水出口１２にも導かれる。

また、冷却水入口１１から補助流路１７に流れる冷却水は、第２の切り欠き１６を越えて、第１の隔壁１３よりも下側に位置する領域に向けて流れる。ここで、補助流路１７の幅Ｗ１は、第２の隔壁１４の下側の面１４ａとこれに対向する内壁１９ａの間に形成される流路の幅Ｗ２よりも狭い（Ｗ１＜Ｗ２）。したがって、補助流路１７を流れる冷却水の流速は、第２の隔壁１４の面１４ａと内壁１９ａの間を流れる冷却水の流速よりも速くなる。

以上のように、補助流路１７からの冷却水は、第１の隔壁１３よりも下側に位置する領域に高い流速で流れ込む。本実施形態では、冷却水出口１２近傍での水路１０の幅を第１の隔壁１３で絞っても、後述の出口側流路１９から第１の隔壁１３を跨いだ下側の領域に冷却水の流れが生じるので、当該領域がヒートスポットになりにくい。

そして、水路１０を周方向に沿って流れた冷却水と、補助流路１７を通過した冷却水と、第１の隔壁１３と第２の隔壁１４で仕切られた中間領域１８を流れる冷却水は合流し、第１の隔壁１３で仕切られた上側の出口側流路１９から冷却水出口１２に導かれる。第１の隔壁１３によって冷却水出口１２近傍での水路１０の幅が絞られることで、冷却水出口１２に向かう冷却水の流速が上がり、冷却水の水路１０の圧力損失を抑制できる。

また、本実施形態では、周方向に沿って延びる第１の隔壁１３と第２の隔壁１４によって冷却水入口１１と冷却水出口１２の間が仕切られるが、第１の隔壁１３と第２の隔壁１４の間の中間領域１８と、補助流路１７によって水路１０が周方向に繋がっている。そのため、補助流路２３のみで水路２０を周方向に繋ぐ比較例の構成と比べると、中子の強度を確保しやすくなるので中子割れを生じにくくできる。また、本実施形態では、上記の構成により鋳造後に水路１０内から中子の砂を排出することも容易となる。

なお、第１の隔壁１３と第２の隔壁１４の間の中間領域１８は、軸方向において冷却水入口１１と冷却水出口１２に挟まれた位置にあり、冷却水入口１１および冷却水出口１２は冷却水が大量に流れることからいずれも十分な冷却が行われる。そのため、中間領域１８を通る冷却水の流量に拘わらず、冷却水入口１１および冷却水出口１２に挟まれた中間領域１８はヒートスポットになりにくい。

本発明は、上記実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の改良並びに設計の変更を行ってもよい。

例えば、上記実施形態では回転電機がモータである場合を説明したが、回転電機は発電機であってもよい。
また、上記実施形態の水路構造において、例えば、冷却水入口１１、冷却水出口１２、第１の隔壁１３、第２の隔壁１４および補助流路１７の位置関係や延長方向は、回転電機の軸方向又は周方向と一致していなくてもよい。

加えて、今回開示された実施形態は、全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

１…回転電機ユニット、２…第１ブラケット、３…第２ブラケット、４…ステータ、５…ロータ、６…モータ本体、７…シャフト、１０…水路、１１…冷却水入口、１２…冷却水出口、１３…第１の隔壁、１４…第２の隔壁、１５…第１の切り欠き、１６…第２の切り欠き、１７…補助流路、１８…中間領域、１９…出口側流路

Claims (3)

1. ロータおよびステータを有する回転電機本体と、
   前記回転電機本体を収容し、前記回転電機本体の周方向に沿って冷却水の主水路が配置される筐体と、を備え、
   前記筐体は、
   前記主水路の周方向一方側に冷却水を導入する冷却水入口と、
   前記冷却水入口と前記周方向に位置を揃えて前記冷却水入口から前記回転電機本体の軸方向に離れて配置され、前記主水路の周方向他方側からの冷却水を排出する冷却水出口と、
   前記周方向に延びて前記冷却水入口と前記冷却水出口の間を仕切り、前記主水路から前記冷却水出口へ向かう出口側流路を絞る第１の隔壁と、
   前記周方向に延びて前記冷却水入口と前記冷却水出口の間を仕切り、前記軸方向において前記冷却水入口に臨む第２の隔壁と、
   前記冷却水入口から前記周方向に延び、前記出口側流路から前記第１の隔壁を跨いだ前記主水路の周方向他方側の領域に、前記冷却水入口からの冷却水を導く補助流路と、を有し、
   前記主水路は、少なくとも前記第１の隔壁および前記第２の隔壁の間の中間領域と、前記補助流路とによって前記周方向一方側と前記周方向他方側が接続されている
   回転電機。
2. 前記第２の隔壁は、前記冷却水入口からの冷却水を前記補助流路と前記主水路の周方向一方側にそれぞれ導き、
   前記補助流路の幅は、前記冷却水入口から前記主水路の前記周方向一方側に接続される流路の幅より狭い
   請求項１に記載の回転電機。
3. 前記筐体は、鋳造により製造される
   請求項１または請求項２に記載の回転電機。
   

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