WO2011125864A1 - ギア一体型電動モータおよび電気車 - Google Patents

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integrated electric
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秀一 寺門
森　英明
松延　豊
恵 山村
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Astemo Ltd
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Hitachi Automotive Systems Ltd
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/006—Structural association of a motor or generator with the drive train of a motor vehicle
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K9/00—Arrangements for cooling or ventilating
    • H02K9/22—Arrangements for cooling or ventilating by solid heat conducting material embedded in, or arranged in contact with, the stator or rotor, e.g. heat bridges
    • H02K9/225—Heat pipes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
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    • H02K7/10—Structural association with clutches, brakes, gears, pulleys or mechanical starters
    • H02K7/116—Structural association with clutches, brakes, gears, pulleys or mechanical starters with gears
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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
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    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/64—Electric machine technologies in electromobility

Definitions

  • the present invention relates to a gear-integrated electric motor in which a gear mechanism and a motor body are contained in a housing, and an electric vehicle equipped with the gear-integrated electric motor.
  • an electric motor As a drive source of a mobile unit such as a hybrid electric vehicle (HEV), an electric vehicle (EV), or an electric railway vehicle, it is necessary to make the small size, light weight and high output compatible.
  • the size of the motor and the cooling performance of the motor are closely related, and even with the same size, it is possible to obtain higher output by improving the cooling performance. For this reason, in order to improve the cooling performance, various ideas for providing a fin, adding a dedicated cooling system consisting of a fan and a pump, and expanding a heat dissipation area have been accumulated.
  • a gear-integrated electric motor includes a motor that generates a driving force by an electrical input, a gear mechanism that converts the driving force of the motor, and a housing that contains the motor and the gear mechanism.
  • Gear mechanism arrangement of the housing which is used in a horizontal posture in which the motor shaft and the gear output shaft are substantially horizontal, and which is above the evaporation region with respect to the vertical direction in the horizontal posture.
  • the heat pipe includes at least one heat pipe having a condensation part disposed in the area.
  • the heat pipe is preferably embedded in a member of the housing.
  • the connection between the evaporator and the condenser of the heat pipe is disposed between the motor shaft and the gear output shaft.
  • oil such as lubricating oil is contained in the motor disposition area of the housing, and the evaporation portion is disposed at or near the oil retention portion. It is preferable to do.
  • at least a part of the evaporation portion is preferably in contact with a stator portion of the motor.
  • the plurality of heat pipes is provided, and the plurality of heat pipes is a gear mechanism arrangement area in a first area close to the motor.
  • the portion including the condensation portion of the heat pipe and the portion including the evaporation portion of the heat pipe are parallel to the motor axis. Preferably embedded in the housing member.
  • the gear-integrated electric motor of the first aspect is mounted in a horizontal posture, and the vehicle travels by the driving force from the gear output shaft of the gear-integrated electric motor. It has a traveling mechanism.
  • the cooling performance of the motor can be improved while suppressing the increase in weight.
  • FIG. 2 is a plan view of a gear-integrated electric motor 100.
  • FIG. 2 is a side view of the gear-integrated electric motor 100.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA of FIG. It is a figure which shows the housing main body 8a in which the groove
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a thermal relationship between a motor 1 and a gear mechanism 2 in the present embodiment. It is a figure which shows the case where the evaporation part 3e of the heat pipe 3 is made to contact the stator core end surface of the motor stator 1b.
  • FIG. 6 is a diagram showing a gear-integrated motor 100 in which a motor housing 81 and a gear mechanism housing 82 are integrated by a fastener 80.
  • FIG. 2 is a diagram showing a rear drive unit of a hybrid electric vehicle 1000 equipped with a gear-integrated electric motor 100.
  • FIG. 1 is a plan view of the gear-integrated electric motor 100
  • FIG. 2 is a side view of the gear-integrated electric motor 100. As shown in FIG.
  • a gear-integrated electric motor 100 used for rear drive of a hybrid electric vehicle (HEV) 1000 will be described as an example.
  • a rear axle 101 provided with a rear wheel 102 is connected to a gear shaft 2s of a gear-integrated electric motor 100 described later.
  • the motor 1 of the gear-integrated electric motor 100 is driven and controlled by the inverter device 103 using the battery 104 as a power supply.
  • the housing 8 of the present embodiment is constituted by a housing main body 8a in which a motor housing portion 801 and a gear mechanism housing portion 802 are formed, and an end bracket 8b covering the side surface of the housing main body 8a. Electric power is supplied to the motor 1 from a power supply unit (not shown), and when the gear mechanism 2 is driven by the motor 1, the gear shaft 2s which is an output shaft is rotationally driven. The gear shaft 2s applies a driving force to, for example, the rear axle of the vehicle. 1s is a motor shaft.
  • the heat pipe 3 is provided on the housing body 8a.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line AA of FIG.
  • the motor housing portion 801 is provided with a motor 1.
  • the motor stator 1 b to which the winding 10 is applied is fixed in a cylindrical motor housing portion 801 by press fitting or the like.
  • a motor rotor 1a is rotatably disposed in the motor stator 1b.
  • the motor shaft 1s of the motor rotor 1a is supported by bearings 12 provided on the housing body 8a and the end bracket 8b.
  • the gear 11 fixed to the motor shaft 1 s meshes with a gear 22 provided in the gear mechanism 2.
  • the gear mechanism 2 is provided with a plurality of gears.
  • FIG. 4 shows the heat pipe disposition side of the housing main body 8a.
  • the housing main body 8a is formed with the motor housing portion 801 in which the motor 1 is provided and the gear mechanism housing portion 802 in which the gear mechanism 2 is provided.
  • various structures such as ribs for disposing the motor 1 and the gear mechanism 2 are formed in the respective housing portions 801 and 802,
  • FIG. 4 shows a schematic shape of the housing main body 8a, Their detailed structure has been omitted.
  • a groove 803 for embedding the heat pipe 3 is formed on the side surface of the housing body 8a.
  • the evaporator 3 e is disposed in the motor disposition area S 1 (near the motor 1) of the housing 8, and the condensation section 3 c is disposed in the gear mechanism disposition area S 2 (near the gear mechanism 2).
  • a connection 300 which is arranged and connects them is provided so as to be arranged between the motor shaft 1s and the gear shaft 2s.
  • the heat pipe 3 is a tubular container in which the working fluid is enclosed in a gas-liquid two-phase state, but the heat pipe 3 used in the present embodiment uses gravity to return the working fluid. A gravity heat pipe is used. Therefore, the heat pipe 3 is attached such that the condensation portion 3c is at a higher position than the evaporation portion 3e in the vertical direction of the gear integrated motor 100.
  • the heat pipe 3 is fixed to the groove 803 by caulking, welding or soldering.
  • a loop heat pipe As a heat pipe having no restriction on the positional relationship between the condenser 3c and the evaporator 3e, a loop heat pipe, a dream pipe (oscillating flow heat pipe), etc. are also known.
  • the heat transport type per heat pipe cross-sectional area is much larger in the heat pipe type using gravity. Therefore, a gravity type heat pipe is suitable for HEVs and EVs that have severe restrictions on mounting space.
  • FIG. 5 and 6 schematically show the thermal relationship between the motor 1 and the gear mechanism 2.
  • FIG. 5 shows the case of a conventional gear-integrated motor
  • FIG. 6 shows the case of the present embodiment. Indicates In the conventional gear-integrated motor shown in FIG. 5, since the heat pipe 3 is not provided, only the housing 8 thermally connects the motor 1 and the gear mechanism 2.
  • the other parts except the motor housing part 801, the gear mechanism housing part 802 and the groove 803 are described as being filled with metal members, but in practice In order to reduce the weight, it is designed to make the thickness as thin as possible. Further, also in the region between the motor housing portion 801 and the gear mechanism housing portion 802, the weight is reduced by providing a cavity or the like.
  • the conventional gear-integrated motor is structurally integrated by the housing 8, but no consideration is given to thermal integration for interlocking the temperatures of the motor 1 and the gear mechanism 2, The thermal resistance between the motor 1 and the gear mechanism 2 has not been reduced.
  • FIG. 5 (a) the thermal structure of the housing 8 having such a structure is shown as the thermal structure 4. As shown in FIG. That is, the motor 1 and the gear mechanism 2 are thermally connected by the thermal structure 4.
  • FIG. 5 (b) conceptually shows the temperature history of the gear-integrated motor shown in FIG. 5 (a). Since the thermal integration is insufficient and the thermal resistance of the thermal structure 4 is large, only the thermal capacity of the motor 1 alone contributes to the short-time load, as shown in FIG. 5 (b), the gear mechanism The temperature rise of 2 (curve 2c) is small, whereas the temperature rise of the motor 1 (curve 1c) is large.
  • the motor 1 and the gear mechanism 2 are thermally connected by the heat pipe 3 in addition to the thermal structure 4,
  • the thermal resistance between the motor 1 and the gear mechanism 2 is significantly reduced.
  • part of the heat loss of the motor 1 is dissipated to the ambient air via the gearbox 2 side, and the temperature of the gear mechanism 2 is a curve 2c, as shown in FIG. 6 (b).
  • the temperature of the motor 1 decreases from curve 1 c to curve 1 p as shown by curve 2 p. That is, since the heat capacity of the gear mechanism 2 can be utilized, the thermal time constant of the cooling system of the motor 1 can be increased, and the temperature rise of the motor 1 under a short time load can be suppressed.
  • the evaporation portion 3e of the heat pipe 3 provided in the housing main body 8a may be brought into contact with the end face of the stator core of the motor stator 1b as shown in FIG. Thereby, heat transport from the motor 1 to the gear mechanism 2 can be performed more effectively.
  • the evaporator 3e may be in direct thermal contact with the stator coil 10 as long as it is electrically and structurally acceptable.
  • the motor 1 is disposed by disposing the evaporation portion 3e at or near the place where the oil 13 in the lower part of the motor 1 is stagnant. It is possible to eliminate that the temperature near the stagnation point of the oil 13 becomes relatively high compared to the others.
  • the heat pipe 3 is provided in the housing main body 8a, but as shown in FIG. 8, the heat pipe 3 may be embedded in end brackets 8b provided on both side surfaces of the housing main body 8a.
  • 8 (a) and 8 (b) are views showing the inner surface side of the end bracket 8b.
  • the groove 804 is formed so as to avoid the region 1c facing the motor 1 and the region 2c facing the gear mechanism 2, and the heat pipe 3 is bent and embedded in the groove 804. I made it.
  • a linear groove 805 is formed, and the linear heat pipe 3 is embedded in the groove 805.
  • the heat pipe 3 does not interfere with the motor 1 and the gear mechanism 2 even if the heat pipe 3 faces the areas 1c and 2c indicated by the two-dot chain line, as shown in FIG. Placement is possible.
  • the heat pipe 3 when the heat pipe 3 is provided on the end bracket 8b, the heat of the motor 1 is transmitted like the housing body 8a, the end bracket 8b, and the heat pipe 3.
  • the oil when oil is enclosed in the housing 2 of the gear box 2 or the motor 1 for lubrication or cooling, the oil intrudes into the gap between the heat pipe 3 and the housing 8 or the end bracket 9, The effect of improving the thermal contact can be expected.
  • a filler resin or the like having good thermal conductivity may be provided between the heat pipe 3 and the housing main body 8a or the motor stator 1b opposed to the heat pipe 3.
  • the heat pipe 3 By embedding the heat pipe 3 in the end bracket 8b as shown in FIG. 8, the heat pipe 3 can be attached without almost increasing the external size of the geared electric motor 100, that is, the mounting volume. Further, by burying the heat pipe 3, the effect of suppressing the vibration of the heat pipe 3 can be expected as compared with the case where the heat pipe 3 is not embedded. Although the heat pipe 3 is embedded in the inner surface of the end bracket 8b in FIG. 8, it may be embedded in the outer surface side.
  • the heat pipe 3 If the heat pipe 3 is broken, the internal working fluid may leak and become nonfunctional. Therefore, by burying the heat pipe 3 on the inner surface side of the end bracket 8b as shown in FIG. 8, the heat pipe 3 can be protected from flying objects such as stones by the end bracket 8b or the housing main body 8a. The effect of preventing the deterioration of the cooling performance can be obtained.
  • the heat pipe 3 can be arrange
  • a cavity 806 is formed between the motor accommodation portion 801 and the gear mechanism accommodation portion 802, and the heat pipe 3 is disposed in the cavity 806.
  • the evaporator 3e of the heat pipe 3 is fixed to the wall 801a of the motor housing 801, and the condenser 3c is fixed to the wall 802a of the gear mechanism housing 802.
  • the attachment posture of the heat pipe 3 is important.
  • one of the bad road conditions where the driving force of the motor 1 is required is a steep slope, and the heat pipe 3 is predetermined even when the slope is steep. It is necessary to secure the heat transport performance of the That is, it is necessary to arrange the condensing part 3c to be positioned vertically above the evaporating part 3e when it is steeply inclined, and the condensing part 3c needs to be inclined so that the working fluid can be returned. is there.
  • the angle ⁇ is an angle between the axial direction vector 6 of the condensation portion 3 c of the heat pipe 3 and the horizontal direction. If the angle ⁇ is larger than the inclination angle required for the vehicle on which the gear integrated electric motor 100 is mounted, the angle in the extending direction of the heat pipe 3 (the angle with respect to the horizontal direction) becomes larger than the maximum inclination angle.
  • the heat transport performance of the heat pipe 3 can be secured. For example, when the gradient required for the vehicle is 20%, the heat pipe 3 may be disposed so that the angle ⁇ is 11.3 degrees or more.
  • the heat pipe 3 using the working fluid when the temperature of the working fluid becomes lower than the melting point, it solidifies, and there arises a problem that the circulation of the working fluid and the heat transport of the heat pipe 3 can not be performed.
  • the problem of freezing occurs at temperatures lower than 0 ° C.
  • one of the bad road conditions under which the driving force of the motor 1 for HEV or EV is required is a condition of traveling on a slippery road surface such as a snowy road or an ice burn at low temperature. Even when used under such a low temperature condition, the heat pipe 3 needs to exhibit a predetermined heat transport performance.
  • FIG. 10 shows the inner surface side (the side facing the housing 8a) of the end plate 8b, and a plurality of heat pipes 3L, 3S are provided on the inner surface of the end plate 8b.
  • FIG. 11 is a view showing the shape of the heat pipe 3S.
  • the heat pipe 3L also has the same shape as the heat pipe 3S.
  • the heat pipe 3S is bent in a U-shape, and the connection portion 300 substantially parallel to the end face of the housing body 8a is embedded on the inner surface side of the end plate 8b (not shown) (see FIG. 10).
  • One end including the evaporation portion 3e of the heat pipe 3S and the other end including the condensation portion 3c are bent in the direction of the housing main body 8a with respect to the connection portion 300 and embedded in the housing main body 8a There is.
  • the heat pipe 3 is bent in a U-shape, and the method of embedding the condensing part 3c and the evaporating part 3e in the thickness direction of the housing body 8a (axial direction of the motor 1) is shown in FIG.
  • the present invention can also be applied to the configuration shown in FIG. 2 and the configuration shown in FIG.
  • the whole of the evaporating part 3e is disposed close to the motor 1 which is a heat generating part, and the whole of the condensing part 3c is Can be brought close to the gear mechanism 2.
  • the condensation portion 3c of the heat pipe 3S is disposed in a region relatively close to the motor 1 (a region C on the left side of an alternate long and short dash line in FIG. 10) of the housing body 8a.
  • the condensation part 3c of the heat pipe 3L is disposed in an area (area D on the right side of the dashed dotted line in FIG. 10) farther from the motor 1 than in the case of the heat pipe 3S.
  • two types of heat pipes 3L and 3S are provided regarding the arrangement form.
  • the heat pipes 3L and 3S are frozen at a low temperature.
  • the condensation part 3c of the heat pipe 3S relatively close to the motor 1 becomes high temperature due to heat generation of the motor 1, and exceeds the melting point of the working fluid.
  • the heat pipe 3S functions to transfer the heat of the motor 1 to the gear mechanism 2 side.
  • the outside temperature at this time is low, the temperature difference between the motor stator 1b, the motor rotor 1a and the gear mechanism 2 is large, and the cooling performance is sufficient only with the heat pipe 3S having the condensing portion 3c on the side close to the motor 1. You can get it.
  • the heat unit 3 As described above, in the present embodiment, as a means for securing the performance of the heat pipe 3 at low temperature, the heat unit 3 has the heat pipe 3S close to the motor 1 and the heat unit 3c disposed far from the motor 1 Two types of heat pipes with the pipe 3L were provided. As a result, even when the temperature is low, the heat pipe 3S functions immediately after the start of the motor, and as the temperature of the gear mechanism 2 thereby rises, the heat pipe 3L having a higher heat transport capacity comes to function.
  • a heat pipe 3 whose working fluid has a melting point lower than ambient temperature (freezing point) such as a fluorine-based inert refrigerant is used.
  • a variable conductance heat pipe is used that is filled with an inert non-condensable gas, such as helium, along with the working fluid water.
  • the heat transport amount of the heat pipe 3 is allowed to decrease, and the melting point is within the operating temperature range.
  • the heat pipes containing the working fluid of melting point a, melting point b, melting point c, ... may be used in combination.
  • the motor 1 and the gear mechanism 2 are housed in the common housing main body 8a, but as shown in FIG. 12, they may be housed in different housings.
  • the motor 1 is housed in a motor housing 81
  • the gear mechanism 2 is housed in a gear mechanism housing 82.
  • the motor housing 81 and the gear mechanism housing 82 are integrated by the fastener 80.
  • the heat pipe 3 is embedded on the outer peripheral side of the motor housing 81 and the gear mechanism housing 82. Even with such a structure, the same cooling performance improvement effect as that of the above embodiment can be obtained.
  • the heat pipe 3 when the heat pipe 3 is frozen or damaged, or when the working fluid condensate can not return, a predetermined amount of heat transport can not be secured.
  • the heat pipe 3 has a characteristic that the amount of reflux falls below the amount of evaporation when it exceeds a certain amount of heat transport, making it impossible to transport heat.
  • the temperature in the motor 1 is monitored by a thermistor or the like, it is possible to detect a temperature abnormality. Further, when temperature abnormality is detected, overheat of the motor 1 can be avoided by reducing the output of the motor 1 for control.
  • the heat pipe 3 is disposed between the gear mechanism 2 and the motor 1, the evaporator 3e of the heat pipe 3 is on the motor side, the condenser 3c is on the gear mechanism 2 side, and the condenser 3c is the evaporator.
  • the motor shaft 1s and the gear shaft 2s are parallel to each other
  • the motor shaft 1s and the gear shaft 2s are similarly applicable to a gear-integrated electric motor having a configuration in which the motor 1 and the gear mechanism 2 are disposed such that the direction is the same.

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Abstract

　ギア一体型電動モータは、電気入力により駆動力を発生するモータ(1)と、モータの駆動力を変換するギア機構(2)と、モータおよびギア機構を内包するハウジング(8)とを備え、モータ軸(1s)およびギア出力軸(2s)がほぼ水平となる水平姿勢で使用され、ハウジングのモータ配置領域に配置された蒸発部(3e)と、水平姿勢における鉛直方向に関して蒸発部よりも上側であってハウジングのギア機構配置領域に配置された凝縮部(3c)とを有するヒートパイプ(3)を、少なくとも一つ備える。

Description

ギア一体型電動モータおよび電気車
　本発明は、ギア機構とモータ本体とがハウジング内に内包されたギア一体型電動モータ、および、そのギア一体型電動モータを搭載する電気車に関する。
　ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）や電気自動車（ＥＶ）、さらには電気鉄道車両のような移動体の駆動源として電動モータを利用する場合には、小型・軽量と高出力を両立させなければならない。一般的にモータの体格とモータの冷却性能には密接な関係があり、同一体格でも冷却性能を向上させることにより、より高い出力を得ることが可能である。このため、冷却性能を向上させるべく、フィンを設けたり、ファンとポンプからなる専用の冷却系を付加したり、放熱面積拡大のための様々な工夫が積み重ねられてきた。
　例えば、特許文献１では、ヒートパイプと放熱器からなる冷却系を付加する例が挙げられている。モータと放熱器とをヒートパイプで接続し、ヒートパイプを介して放熱器に熱輸送した熱を、放熱器から空気中に放熱するようにしている。
日本国特開２００４－５０９９０号公報
　しかしながら、ＨＥＶやＥＶ等では、単に冷却面積を増やすだけでは不十分な場合が出てきた。追加した放熱器が機能するためには、熱が放熱器まで伝わる必要があるが、ＨＥＶやＥＶでは短時間の間欠動作が前提となるため、熱が放熱器に伝わる前にモータの温度が上昇し、許容値に達してしまう可能性がある。
　このような状況を回避するためには、例えば、モータ自身の熱容量を大きくすればよいが、モータの重量増加を伴い、燃費の悪化を招くという問題が生じる。特許文献１のようにヒートパイプと放熱器とを用いる構成においても、モータ損失に見合った放熱面積の放熱器が必要であり、重量増加を避けられない。
　本発明の第１の態様によると、ギア一体型電動モータは、電気入力により駆動力を発生するモータと、モータの駆動力を変換するギア機構と、モータおよびギア機構を内包するハウジングとを備え、モータ軸およびギア出力軸がほぼ水平となる水平姿勢で使用され、ハウジングのモータ配置領域に配置された蒸発部と、水平姿勢における鉛直方向に関して蒸発部よりも上側であってハウジングのギア機構配置領域に配置された凝縮部とを有するヒートパイプを、少なくとも一つ備える。
　本発明の第２の態様によると、第１の態様のギア一体型電動モータにおいて、ヒートパイプを、ハウジングの部材内に埋設するのが好ましい。
　本発明の第３の態様によると、第１の態様のギア一体型電動モータにおいて、ヒートパイプの蒸発部と凝縮部との間の接続部を、モータ軸とギア出力軸との間に配置するのが好ましい。
　本発明の第４の態様によると、第１の態様のギア一体型電動モータにおいて、ハウジングのモータ配置領域には潤滑油などのオイルが内包され、蒸発部をオイルの滞留部またはその近傍に配置するのが好ましい。
　本発明の第５の態様によると、第１の態様のギア一体型電動モータにおいて、蒸発部の少なくとも一部を、モータのステータ部に接触させるのが好ましい。
　本発明の第６の態様によると、第１の態様のギア一体型電動モータにおいて、ヒートパイプを複数備え、複数のヒートパイプは、ギア機構配置領域であってモータに近接する第１の領域に凝縮部が配置された第１のヒートパイプと、ギア機構配置領域であって第１の領域よりもモータから離れている第２の領域に凝縮部が配置された第２のヒートパイプと、で構成されるのが好ましい。
　本発明の第７の態様によると、第１の態様のギア一体型電動モータにおいて、ヒートパイプの凝縮部を含む部分、およびヒートパイプの蒸発部を含む部分を、それぞれモータ軸に対して平行となるようにハウジング部材内に埋設するのが好ましい。
　本発明の第８の態様によると、電気車は、第１の態様のギア一体型電動モータが水平姿勢で搭載され、ギア一体型電動モータのギア出力軸からの駆動力により車両走行を行わせる走行機構を備える。
　本発明の第９の態様によると、第８の態様の電気車において、水平方向に対するヒートパイプの延在方向の角度を、電気車に要求される最大勾配角よりも大きく設定するのが好ましい。
　本発明によれば、重量増加を抑えつつモータの冷却性能を向上させることができる。
ギア一体型電動モータ１００の平面図である。 ギア一体型電動モータ１００の側面図である。 図１のＡ－Ａ断面図である。 ヒートパイプ３を埋め込むための溝８０３が形成されたハウジング本体８ａを示す図である。 従来のギア一体型モータの場合の、モータ１とギア機構２との熱的な関係を説明する図である。 本実施の形態におけるモータ１とギア機構２との熱的な関係を示す説明する図である。 ヒートパイプ３の蒸発部３ｅを、モータステータ１ｂのステータコア端面に接触させた場合を示す図である。 エンドブラケット８ｂに形成されたヒートパイプ埋設用の溝を示す図であり、（ａ）は曲線状の溝８０４を示し、（ｂ）は直線状の溝８０５を示す。 ハウジング本体８ａの空洞８０６内に設けられたヒートパイプ３を示す図である。 エンドブラケット８ｂに設けられたヒートパイプ３Ｌ，３Ｓを示す図である。 ヒートパイプ３Ｓの形状を示す図である。 モータハウジング８１とギア機構ハウジング８２とを締結具８０によって一体化して成るギア一体型モータ１００を示す図である。 ギア一体型電動モータ１００が搭載されたハイブリッド電気自動車１０００の、リア駆動部を示す図である。
　以下、図を参照して本発明を実施するための形態について説明する。尚、以下においては、主にハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）用のモータに本発明を適用した場合について説明するが、本発明の適用はこれに限られるものでない。
－第１の実施の形態－
　図１～４は本発明によるギア一体型電動モータの第１の実施の形態を示す図である。図１はギア一体型電動モータ１００の平面図であり、図２はギア一体型電動モータ１００の側面図である。
　なお、以下では、図１３に示すように、ハイブリッド電気自動車(ＨＥＶ)１０００のリア駆動に用いられるギア一体型電動モータ１００を例に説明する。リア車輪１０２が設けられたリア車軸１０１は、後述するギア一体型電動モータ１００のギア軸２ｓに接続されている。ギア一体型電動モータ１００のモータ１は、バッテリ１０４を電源としてインバータ装置１０３により駆動制御される。
　図２に示すように、ギア一体型電動モータ１００においては、モータ１とギア機構２とはハウジング８に内包されている。本実施の形態のハウジング８は、モータ収容部８０１とギア機構収容部８０２とが形成されたハウジング本体８ａと、ハウジング本体８ａの側面を覆うエンドブラケット８ｂとで構成されている。モータ１には不図示の電源部から電力が供給され、モータ１によりギア機構２を駆動すると、出力軸であるギア軸２ｓが回転駆動される。ギア軸２ｓは、例えば車両のリア側車軸に駆動力を与える。１ｓはモータ軸である。ハウジング本体８ａにはヒートパイプ３が設けられている。
　図３は、図１のＡ－Ａ断面を示す図である。モータ収容部８０１にはモータ１が設けられている。巻き線１０が施されたモータステータ１ｂは、円筒状のモータ収容部８０１内に圧入等により固定されている。モータステータ１ｂの内部には、モータロータ１ａが回転可能に配置されている。モータロータ１ａのモータ軸１ｓは、ハウジング本体８ａおよびエンドブラケット８ｂに設けられた軸受１２によって支持されている。モータ軸１ｓに固定されたギア１１は、ギア機構２に設けられたギア２２と噛合している。ギア機構２には複数のギアが設けられている。
　図４は、ハウジング本体８ａのヒートパイプ配設側を示したものである。ハウジング本体８ａには上述したように、モータ１が設けられるモータ収容部８０１と、ギア機構２が設けられるギア機構収容部８０２とが形成されている。なお、各収容部８０１，８０２にはモータ１およびギア機構２を配置するためのリブなど各種の構造体が形成されているが、図４はハウジング本体８ａの概略形状を示したものであり、それらの詳細構造は省略した。ハウジング本体８ａの側面には、ヒートパイプ３を埋め込むための溝８０３が形成されている。
　図２に示すように、ヒートパイプ３は、蒸発部３ｅがハウジング８のモータ配置領域Ｓ１（モータ１の近傍）に配置され、凝縮部３ｃがギア機構配置領域Ｓ２（ギア機構２の近傍）に配置され、それらを繋ぐ接続部３００がモータ軸１ｓとギア軸２ｓとの間に配置されるように設けられている。ヒートパイプ３は管状の容器の中に作動流体を気液二相状態として封入したものであるが、本実施の形態で用いられているヒートパイプ３には、重力を利用して作動流体を還流させる重力式のヒートパイプが用いられている。そのため、ギア一体型モータ１００の鉛直方向に関して、凝縮部３ｃが蒸発部３ｅよりも高い位置となるようにヒートパイプ３は取り付けられている。ヒートパイプ３は、カシメ、溶接もしくは半田付け等により溝８０３に固定される。
　ヒートパイプ３の一端を加熱し、他端を冷却すると、加熱側（蒸発部３ｅ）で作動流体の蒸発が起こり、蒸気が冷却側に到達し、冷却側（凝縮部３ｃ）で凝縮、凝縮液が容器の壁面を伝って再び加熱側（蒸発部３ｅ）に戻る。この作動流体の循環および相変化を繰り返すことにより、蒸発部３ｅから凝縮部３ｃへ熱を輸送する。凝縮液が蒸発部３ｅへと還流する際に重力を利用するため、蒸発部３ｅを凝縮部３ｃより下方としている。
　一般的には、凝縮部３ｃと蒸発部３ｅの位置関係に制約がないヒートパイプとして、ループヒートパイプやドリームパイプ（振動流型ヒートパイプ）なども知られている。しかし、これらのヒートパイプに比べ、重力を利用するタイプのヒートパイプの方がヒートパイプ断面積あたりの熱輸送量は大幅に大きい。そのため、実装スペースに厳しい制約があるＨＥＶやＥＶ用としては、重力式のヒートパイプが好適である。もちろん、ループヒートパイプやドリームパイプを使用しても構わない。
　図５，６はモータ１とギア機構２との熱的な関係を模式的に示したものであり、図５は従来のギア一体型モータの場合を示し、図６は本実施の形態の場合を示す。図５に示す従来のギア一体型モータでは、ヒートパイプ３が設けられていないので、モータ１とギア機構２とを熱的に接続するものは，ハウジング８によってのみとなっている。
　図４に示したハウジング本体８ａの概略図では、モータ収容部８０１，ギア機構収容部８０２および溝８０３を除くその他の部分は金属部材で満たされているように記載されているが、実際には、軽量化を図るべく肉厚をなるべく薄くするように設計されている。また、モータ収容部８０１とギア機構収容部８０２との間の領域においても、空洞を設けるなどして軽量化を図っている。
　このように、従来のギア一体型モータでは、ハウジング８によって構造的には一体化されているが、モータ１とギア機構２との温度を連動させる熱的一体化の配慮がなされておらず、モータ１とギア機構２との間の熱抵抗の低減が図れていなかった。図５（ａ）では、そのような構造のハウジング８の熱的な構造を熱的構造体４で示した。すなわち、モータ１とギア機構２とは、熱的構造体４によって熱的に接続されていることになる。
　図５（ｂ）は、図５（ａ）に示すギア一体型モータの温度履歴を概念的に示したものである。熱的な一体化が不充分で熱的構造体４の熱抵抗が大きいため、短時間負荷に対してはモータ１単独の熱容量しか寄与せず、図５（ｂ）に示すように、ギア機構２の温度上昇（曲線２ｃ）は小さく、それに対してモータ１の温度上昇（曲線１ｃ）は大きくなる。
　一方、本実施の形態の場合には、図６（ａ）に示すように、熱的構造体４に加えて、ヒートパイプ３によってモータ１とギア機構２とが熱的に接続されており、図５（ａ）に対してモータ１とギア機構２との間の熱抵抗が大幅に低減される構造としている。このような構造とすることにより、モータ１の熱損失の一部がギアボックス２側を経由して周囲空気に放散され、図６（ｂ）に示すように、ギア機構２の温度は曲線２ｃから曲線２ｐのように上昇し、モータ１の温度は曲線１ｃから曲線１ｐのように低下する。すなわち、ギア機構２の熱容量を活用できるので、モータ１の冷却系の熱時定数を増やすことができ、短時間負荷時におけるモータ１の温度上昇を抑えることができる。
　さらに、ヒートパイプ３を追加するだけで、特許文献１の構成のように放熱器を別に設ける必要がないので、重量増加を抑えることができる。なお、図２や図４に示すようにハウジング８に埋設されている場合には、逆に、溝の部分のハウジング部材より軽くなる場合もある。
　なお、ハウジング本体８ａに設けられたヒートパイプ３の蒸発部３ｅを、図７に示すようにモータステータ１ｂのステータコア端面に接触させるようにしても良い。それにより、モータ１からギア機構２への熱輸送をより効果的に行うことができる。もちろん電気的、構造的に許容されるのであれば、蒸発部３ｅをステータコイル１０に直接熱接触させても構わない。また、ギアボックス２あるいはモータ１のハウジング８内にオイル１３が封入されている場合、モータ１下部のオイル１３が滞留している場所またはその近くに蒸発部３ｅを配置することにより、モータ１においてオイル１３の滞留箇所付近の温度が他に比べ、比較的高温になることを解消することができる。
（変形例）
　上述した実施の形態では、ハウジング本体８ａにヒートパイプ３を設けたが、図８に示すように、ハウジング本体８ａの両側面に設けられたエンドブラケット８ｂに埋設するようにしても良い。図８（ａ），（ｂ）はエンドブラケット８ｂの内面側を示す図である。図８（ａ）に示す例では、モータ１に対向する領域１ｃおよびギア機構２に対向する領域２ｃを避けるように溝８０４を形成し、その溝８０４内にヒートパイプ３を曲げて埋設するようにした。
　一方、図８（ｂ）に示す例では、直線的な溝８０５を形成し、その溝８０５内に直線状のヒートパイプ３を埋設するようにした。エンドブラケット８ｂに埋設する場合、ヒートパイプ３が二点鎖線で示す領域１ｃ、２ｃに対向していても、モータ１およびギア機構２と干渉することがないので、図８（ｂ）のような配置が可能である。
　このようにエンドブラケット８ｂにヒートパイプ３を設けた場合、モータ１の熱は、ハウジング本体８ａ、エンドブラケット８ｂ、ヒートパイプ３のように伝達される。ただし、潤滑あるいは冷却のために、ギアボックス２あるいはモータ１のハウジング８内にオイルが封入されている場合には、オイルが、ヒートパイプ３とハウジング８もしくはエンドブラケット９の隙間に侵入し、両者の熱接触を向上させる効果が期待できる。また、ヒートパイプ３と対向するハウジング本体８ａまたはモータステータ１ｂとの間に、熱伝導性の良い充填物（樹脂等）を設けるようにしても良い。
　図８のようにヒートパイプ３をエンドブラケット８ｂに埋設する構造とすることにより、ギア一体型電動モータ１００の外形サイズ、つまり実装容積をほとんど増やすことなくヒートパイプ３を付設することができる。また、ヒートパイプ３を埋設する構造とすることにより、埋設しない場合に比べ、ヒートパイプ３の振動を抑制する効果も期待できる。なお、図８では、ヒートパイプ３をエンドブラケット８ｂの内側の面に埋設したが、外面側に埋設してもよい。
　なお、ヒートパイプ３が破損すると、内部の作動流体が漏れて機能しなくなる恐れがある。したがって、図８のようにエンドブラケット８ｂの内面側にヒートパイプ３を埋設する構造とすることにより、エンドブラケット８ｂもしくはハウジング本体８ａによって、石などの飛来物からヒートパイプ３を保護することができ、冷却性能の低下を防止する効果を得ることができる。
　ところで、ハウジング本体８ａの構造が図９に示すように形状の場合、ハウジング本体８ａの端面ではなく、内部領域にもヒートパイプ３を配置することができる。図９に示す例では、モータ収容部８０１とギア機構収容部８０２との間に空洞８０６が形成されており、ヒートパイプ３はその空洞８０６内に配置されている。そして、ヒートパイプ３の蒸発部３ｅはモータ収容部８０１の壁部８０１ａに固定され、凝縮部３ｃはギア機構収容部８０２の壁部８０２ａに固定されている。
　上述したように、ヒートパイプ３の作動流体の還流時には重力を利用するため、ハウジング８にヒートパイプ３を取り付ける場合には、ヒートパイプ３の取り付け姿勢が重要となる。特に、車両搭載のギア一体型電動モータの場合、モータ１の駆動力が要求される悪路条件の一つに急勾配の登板が挙げられ、急勾配で傾斜した際にもヒートパイプ３が所定の熱輸送性能を確保する必要がある。すなわち、急勾配で傾斜した際に、凝縮部３ｃが蒸発部３ｅよりも鉛直上方に位置するような配置とするとともに、作動流体の還流が可能なように凝縮部３ｃが傾斜している必要がある。
　上述した図２において、角度θは、ヒートパイプ３の凝縮部３ｃの軸方向ベクトル６と水平方向との成す角度である。この角度θが、ギア一体型電動モータ１００が搭載される車両に要求される勾配角よりも大きければ、ヒートパイプ３の延在方向の角度（水平方向に対する角度）が最大勾配角よりも大きくなり、ヒートパイプ３の熱輸送性能を確保することができる。例えば、車両に要求される勾配が２０％の場合、角度θが１１．３度以上となるようにヒートパイプ３を配置すればよい。
　図１０，１１は本発明の第２の実施の形態を示す図である。作動流体を用いるヒートパイプ３においては、作動流体の温度が融点以下になると凝固してしまい、作動流体の循環ひいてはヒートパイプ３の熱輸送ができなくなる問題が発生する。例えば、潜熱が大きいということから作動流体として一般的に用いられる水の場合は、０℃以下になると凍結の問題が発生する。一方、ＨＥＶもしくはＥＶ用のモータ１の駆動力が要求される悪路条件の一つに、雪道やアイスバーンなど低温時にすべりやすい路面を走行する条件が挙げられる。このような低温状況下で使用された場合においても、ヒートパイプ３は所定の熱輸送性能を発揮する必要がある。
　そこで、第２の実施の形態では、図１０，１１のような構成を採用することで、低温時のヒートパイプ３の性能を確保できるようにした。図１０はエンドプレート８ｂの内表面側（ハウジング８ａに対向する側）を示したものであり、エンドプレート８ｂの内表面には、複数のヒートパイプ３Ｌ，３Ｓが設けられている。
　図１１は、ヒートパイプ３Ｓの形状を示す図である。なお、図示は省略したが、ヒートパイプ３Ｌもヒートパイプ３Ｓと同様の形状をしている。ヒートパイプ３Ｓはコの字形状に折れ曲がっており、ハウジング本体８ａに端面にほぼ平行な接続部３００は、図示しないエンドプレート８ｂの内表面側に埋設されている（図１０参照）。ヒートパイプ３Ｓの蒸発部３ｅを含む一方の端部、および、凝縮部３ｃを含む他方の端部は、接続部３００に対してハウジング本体８ａ方向に折れ曲がっていて、ハウジング本体８ａ内に埋設されている。
　なお、図１１に示すようにヒートパイプ３をコの字形状に屈曲させて、凝縮部３ｃおよび蒸発部３ｅをハウジング本体８ａの厚さ方向（モータ１の軸方向）に埋設する方法は、図２に示す構成や、図４に示すような構成に対しても適用することができる。このように、凝縮部３ｃおよび蒸発部３ｅをハウジング本体８ａの厚さ方向に埋設することで、蒸発部３ｅの全体を発熱部であるモータ１に近接して配置するとともに、凝縮部３ｃの全体をギア機構２に近接させることができる。
　ヒートパイプ３Ｓの凝縮部３ｃは、ハウジング本体８ａの比較的にモータ１に近い領域（図１０の一点鎖線の左側の領域Ｃ）に配置されている。一方、ヒートパイプ３Ｌの凝縮部３ｃは、モータ１に対してヒートパイプ３Ｓの場合よりも遠くに離れた領域（図１０の一点鎖線の右側の領域Ｄ）に配置されている。このように、図１０に示した例では、配置形態に関して２つの種類のヒートパイプ３Ｌ，３Ｓを備えるようにした。
　このような構成で、低温時においてヒートパイプ３Ｌ，３Ｓが凍結している場合を考える。モータ１が駆動開始されると、まず、モータ１に比較的近いヒートパイプ３Ｓの凝縮部３ｃがモータ１の発熱により高温になり、作動流体の融点を超える。その結果、ヒートパイプ３Ｓが機能して、モータ１の熱をギア機構２側に伝達される。また、このときの外気温が低いことから、モータステータ１ｂ、モータロータ１ａとギア機構２との温度差が大きく、モータ１に近い側に凝縮部３ｃがあるヒートパイプ３Ｓのみで十分な冷却性能を得ることができる。
　さらに、モータ１の負荷が続き、ギア機構２側が温められてくると、モータ１から遠い側に凝縮部３ｃがあるヒートパイプ３Ｌの作動流体が次第に融解され、ついには、全てのヒートパイプ３Ｌ，３Ｓが機能するようになる。両方のヒートパイプ３Ｌ，３Ｓが機能するようになった場合、ヒートパイプ３Ｌの方が両端の温度差が大きいので、熱輸送量が飛躍的に増加する。
　このように、本実施の形態では、低温時のヒートパイプ３の性能を確保する手段として、凝縮部３ｃがモータ１に近いヒートパイプ３Ｓと、凝縮部３ｃをモータ１から遠く離して配置したヒートパイプ３Ｌとの２種類のヒートパイプを設けるようにした。それにより、低温時であってもモータ起動直後からヒートパイプ３Ｓが機能し、それによるギア機構２の温度上昇につれて、より熱輸送能力の高いヒートパイプ３Ｌが機能するようになる。
　なお、図１０，１１のように凝縮部３ｃの配置形態を異ならせる代わりに、ヒートパイプ３内の作動流体の成分を変えることにより、図１０，１１に示す実施形態と同様の作用効果を得ることもできる。例えば、フッ素系不活性冷媒のような融点が周囲温度（氷点）よりも低いものを作動流体としたヒートパイプ３を使用する。あるいは、作動流体の水と一緒に、不活性かつ動作温度範囲で非凝縮性の気体、例えばヘリウムを封入した可変コンダクタンスヒートパイプを使用する。また、外気温が低い場合にはモータロータ１ａとモータステータ１ｂとの許容温度差が大きくなることから、ヒートパイプ３の熱輸送量が小さくなることを許容して、動作温度範囲内に融点がある、融点ａ、融点ｂ、融点ｃ、…の作動流体をおのおの封入したヒートパイプを、組み合わせて使用するようにしても良い。
　なお、上述した実施の形態では、共通のハウジング本体８ａ内にモータ１とギア機構２を収納するようにしたが、図１２に示すように、別々のハウジングに収納するようにしても良い。図１２に示す例では、モータ１はモータハウジング８１に収納され、ギア機構２はギア機構ハウジング８２内に収納されている。モータハウジング８１とギア機構ハウジング８２とは締結具８０によって一体化される。ヒートパイプ３は、モータハウジング８１およびギア機構ハウジング８２の外周側に埋設されている。このような構造であっても、上記実施の形態と同様の冷却性能向上効果を得ることができる。
　ところで、先述のように、ヒートパイプ３が凍結したり破損したりした場合や、作動流体の凝縮液が還流できないような姿勢になった場合には、所定の熱輸送量が確保できなくなる。また、ヒートパイプ３にはある熱輸送量を超えると還流量が蒸発量を下回り、熱輸送できなくなるという特性がある。これらの場合については、モータ１内の温度をサーミスタなどでモニタすれば、温度異常により検知することが可能である。また、温度異常を検知した場合には、制御上モータ１の出力を低減させることによりモータ１の過熱を回避できる。
　また、上記実施の形態においては、電気車の一種であるハイブリッド電気自動車(ＨＥＶ)用のモータについて説明したが、他の電気車、例えば電気自動車や電気鉄道車両、電動建設機械や、ギア一体型電動モータを備える産業機械についても、同様に適用可能である。いずれの場合においても、ギア機構２とモータ１との間にヒートパイプ３を、ヒートパイプ３の蒸発部３ｅがモータ側、凝縮部３ｃがギア機構２側であって、凝縮部３ｃが蒸発部３ｅより上方となるように配置することにより、上述の実施の形態と同様の作用効果を得ることができる。なお、上述した実施の形態では、モータ軸１ｓとギア軸２ｓとが互いに平行となるようにモータ１とギア機構２とが配置される場合を例に説明したが、モータ軸１ｓとギア軸２ｓとが同一方向を向くようにモータ１とギア機構２とが配置される構成のギア一体型電動モータにも、本発明は同様に適用できる。
　上述した各実施形態はそれぞれ単独に、あるいは組み合わせて用いても良い。それぞれの実施形態での効果を単独あるいは相乗して奏することができるからである。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。
　上記では、種々の実施の形態および変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。
　次の優先権基礎出願の開示内容は引用文としてここに組み込まれる。
　日本国特許出願２０１０年第８５１２０号（２０１０年４月１日出願）

Claims (9)

  1. 　電気入力により駆動力を発生するモータと、前記モータの駆動力を変換するギア機構と、前記モータおよび前記ギア機構を内包するハウジングとを備え、モータ軸およびギア出力軸がほぼ水平となる水平姿勢で使用されるギア一体型電動モータであって、
    　前記ハウジングのモータ配置領域に配置された蒸発部と、前記水平姿勢における鉛直方向に関して前記蒸発部よりも上側であって前記ハウジングのギア機構配置領域に配置された凝縮部とを有するヒートパイプを、少なくとも一つ備えたギア一体型電動モータ。
  2. 　請求項１に記載のギア一体型電動モータにおいて、
    　前記ヒートパイプを、前記ハウジングの部材内に埋設したギア一体型電動モータ。
  3. 　請求項１に記載のギア一体型電動モータにおいて、
    　前記ヒートパイプの前記蒸発部と前記凝縮部との間の接続部を、前記モータ軸と前記ギア出力軸との間に配置したギア一体型電動モータ。
  4. 　請求項１に記載のギア一体型電動モータにおいて、
    　前記ハウジングのモータ配置領域には潤滑油などのオイルが内包され、前記蒸発部を前記オイルの滞留部またはその近傍に配置したギア一体型電動モータ。
  5. 　請求項１に記載のギア一体型電動モータにおいて、
    　前記蒸発部の少なくとも一部を、前記モータのステータ部に接触させたギア一体型電動モータ。
  6. 　請求項１に記載のギア一体型電動モータにおいて、
    　前記ヒートパイプを複数備え、
    　前記複数のヒートパイプは、前記ギア機構配置領域であって前記モータに近接する第１の領域に前記凝縮部が配置された第１のヒートパイプと、前記ギア機構配置領域であって前記第１の領域よりも前記モータから離れている第２の領域に前記凝縮部が配置された第２のヒートパイプと、で構成されるギア一体型電動モータ。
  7. 　請求項１に記載のギア一体型電動モータにおいて、
    　前記ヒートパイプの前記凝縮部を含む部分、および前記ヒートパイプの前記蒸発部を含む部分を、それぞれモータ軸に対して平行となるように前記ハウジング部材内に埋設したギア一体型電動モータ。
  8. 　請求項１に記載のギア一体型電動モータが前記水平姿勢で搭載され、
    　前記ギア一体型電動モータの前記ギア出力軸からの駆動力により車両走行を行わせる走行機構を備えた電気車。
  9. 　請求項８に記載の電気車において、
    　水平方向に対する前記ヒートパイプの延在方向の角度を、電気車に要求される最大勾配角よりも大きく設定した電気車。
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