JP5402282B2

JP5402282B2 - 回転電機

Info

Publication number: JP5402282B2
Application number: JP2009143578A
Authority: JP
Inventors: 康浩遠藤; 岳志朝永; 知彦宮本; 孝志満津; 正利鈴木; 功一藏薗; 亜富荒川
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-06-16
Filing date: 2009-06-16
Publication date: 2014-01-29
Anticipated expiration: 2029-06-16
Also published as: JP2011004472A

Description

この発明は、回転電機に関し、より特定的には、ロータ側から供給される冷却油において冷却される回転電機に関するものである。

従来、回転電機は、たとえば特開２００６−３２００８３号公報（特許文献１）、特開２００７−１５９３２５号公報（特許文献２）および特開２００７−３１２５６９号公報（特許文献３）に開示されている。

特開２００６−３２００８３号公報特開２００７−１５９３２５号公報特開２００７−３１２５６９号公報

特許文献１では、冷却油をロータの回転遠心力を利用して飛散させ、ステータのコイルエンドを冷却する構造が開示されている。

特許文献２では、シャフト給油路に連通する噴射ノズルから飛散される冷却油は、傾斜角度を有する反射コーンを経由してコイルエンドに供給する構造が開示されている。

特許文献３では、シャフト給油路に連通する油管がコイルエンド内径および外径側まで配置され、コイルエンド全体に冷却油を供給する構造が開示されている。

従来の技術では、コイルのうち、ロータに近い側は十分に冷却が行なわれるが、ロータから遠い部分での冷却媒体が流れにくく、冷却効率が低いという問題があった。

そこで、この発明は上述のような問題点を解決するためになされたものであり、コイルを均一に冷却することが可能な回転電機を提供することを目的とする。

この発明に従った回転電機は、ロータの回転遠心力を利用してロータの冷却油吐出口から冷却油を飛散させる回転電機であって、ティースを有するステータと、ステータに巻かれたコイルとを備え、ステータは、ティースに設けられて回転軸方向に延在する突出部を含み、コイル、ティースおよび突出部で囲まれた空間には、第一および第二の冷却油ガイド部が設けられ、ロータに近いステータ内径側から供給された冷却油が第一および第二の冷却油ガイド部に導かれてコイルの内周面および／またはステータ外径側のコイルエンドに達し、第一および第二の冷却油ガイド部間には隙間が設けられ、第一および第二の冷却油ガイド部は、突出部の前面から後ろ面に延びており、かつ、コイルエンドへ近づく側へ傾斜した平板形状である。

このように構成された回転電機では、コイル、ティースおよび突出部で囲まれた空間に送られた冷却油が冷却油ガイド部に沿って移動してコイルの表面と接触するため、任意のコイルの表面を冷却することができる。その結果、コイルを均一に冷却することが可能な回転電機を提供することができる。

好ましくは、ロータの冷却油吐出口から飛散する冷却油の方向と、ロータの回転軸と直交する平面において突出部の延びる方向とは、９０°よりも小さい角度をなす。

この発明の実施の形態１に従った回転電機が用いられる車両の駆動部分の構成を示す図である。図１で示す回転電機のステータおよびロータの一部分を拡大して示す平面図である。図１で示す回転電機で用いられる冷却油ガイド部の構成を詳細に示す斜視図である。図３中の矢印ＩＶで示す方向から見た突出部および冷却油ガイド部の正面図である。図３中の矢印Ｖで示す方向から見た突出部および冷却油ガイド部の側面図である。

以下、この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の実施の形態では同一または相当する部分については同一の参照符号を付し、その説明については繰返さない。

図１は、この発明の実施の形態に従った回転電機を備えた車両の駆動部の構成を説明するための図である。図１では、この発明に従った車輌に搭載される回転電機を駆動させるための電気回路をしている。図１を参照して、ＰＣＵ（パワーコントロールユニット）２７００は、コンバータ２７１０と、インバータ２７２０と、制御装置２７３０と、コンデンサＣ１，Ｃ２と、電源ラインＰＬ１〜ＰＬ３と、出力ライン２７４０Ｕ，２７４０Ｖ，２７４０Ｗとを含む。コンバータ２７１０は、バッテリ３０００とインバータ２７２０の間に接続され、インバータ２７２０は、出力ライン２７４０Ｕ，２７４０Ｖ，２７４０Ｗを介して回転電機２２００と接続される。

コンバータ２７１０に接続されるバッテリ３０００は、たとえばニッケル水素やリチウムイオン等の二次電池である。バッテリ３０００は、発生した直流電圧をコンバータ２７１０に供給し、また、コンバータ２７１０から受ける直流電圧によって充電される。

コンバータ２７１０は、パワートランジスタＱ１，Ｑ２とダイオードＤ１，Ｄ２と、リアクトルＬとからなる。パワートランジスタＱ１，Ｑ２は、電源ラインＰＬ２，ＰＬ３間
に直列に接続され、制御装置２７３０からの制御信号をベースに受取る。ダイオードＤ１，Ｄ２は、それぞれパワートランジスタＱ１，Ｑ２のエミッタ側からコレクタ側へ電流を流すようにパワートランジスタＱ１，Ｑ２のコレクタ−エミッタ間にそれぞれ接続される。リアクトルＬは、バッテリ３０００の正極と接続される電源ラインＰＬ１に一端が接続され、パワートランジスタＱ１，Ｑ２の接続点に他端が接続される。

このコンバータ２７１０は、リアクトルＬを用いてバッテリ３０００から受ける直流電圧を昇圧し、その昇圧した昇圧電圧を電源ラインＰＬ２に供給する。また、コンバータ２７１０は、インバータ２７２０から受ける直流電圧を降圧してバッテリ３０００を充電する。

インバータ２７２０は、Ｕ相アーム２７５０Ｕ、Ｖ相アーム２７５０ＶおよびＷ相アーム２７５０Ｗからなる。各相アームは、電源ラインＰＬ２，ＰＬ３間に並列に接続される。Ｕ相アーム２７５０Ｕは、直列に接続されたパワートランジスタＱ３，Ｑ４を含み、Ｖ相アーム２７５０Ｖは、直列に接続されたパワートランジスタＱ５，Ｑ６を含み、Ｗ相アーム２７５０Ｗは、直列に接続されたパワートランジスタＱ７，Ｑ８を含む。ダイオードＤ３〜Ｄ８は、それぞれパワートランジスタＱ３〜Ｑ８のエミッタ側からコレクタ側へ電流を流すようにパワートランジスタＱ３〜Ｑ８のコレクタ−エミッタ間にそれぞれ接続される。そして、各相アームにおける各パワートランジスタの接続点は、出力ライン２７４０Ｕ，２７４０Ｖ，２７４０Ｗを介してモータジェネレータとしての回転電機２２００の各相コイルの反中性点側にそれぞれ接続されている。

インバータ２７２０は、制御装置２７３０からの制御信号に基づいて、電源ラインＰＬ２から受ける直流電圧を交流電圧に変換して回転電機２２００へ出力する。また、インバータ２７２０は、回転電機２２００によって発電された交流電圧を直流電圧に整流して電源ラインＰＬ２に供給する。

コンデンサＣ１は、電源ラインＰＬ１，ＰＬ３間に接続され、電源ラインＰＬ１の電圧レベルを平滑化する。また、コンデンサＣ２は、電源ラインＰＬ２，ＰＬ３間に接続され、電源ラインＰＬ２の電圧レベルを平滑化する。

制御装置２７３０は、モータトルク指令値、回転電機２２００の各相電流値、およびインバータ２７２０の入力電圧に基づいて回転電機２２００の各相コイル電圧を演算し、その演算結果に基づいてパワートランジスタＱ３〜Ｑ８をオン／オフするＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号を生成してインバータ２７２０へ出力する。

また、制御装置２７３０は、上述したモータトルク指令値およびモータ回転数に基づいてインバータ２７２０の入力電圧を最適化するためのパワートランジスタＱ１，Ｑ２のデューティ比を演算し、その演算結果に基づいてパワートランジスタＱ１，Ｑ２をオン／オフするＰＷＭ信号を生成してコンバータ２７１０へ出力する。

さらに、制御装置２７３０は、回転電機２２００によって発電された交流電力を直流電力に変換してバッテリ３０００を充電するため、コンバータ２７１０およびインバータ２７２０におけるパワートランジスタＱ１〜Ｑ８のスイッチング動作を制御する。

ＰＣＵ２７００においては、コンバータ２７１０は、制御装置２７３０からの制御信号に基づいて、バッテリ３０００から受ける直流電圧を昇圧して電源ラインＰＬ２に供給する。そして、インバータ２７２０は、コンデンサＣ２によって平滑化された直流電圧を電源ラインＰＬ２から受け、その受けた直流電圧を交流電圧に変換して回転電機２２００へ出力する。

また、インバータ２７２０は、回転電機２２００の回生動作によって発電された交流電圧を直流電圧に変換して電源ラインＰＬ２へ出力する。そして、コンバータ２７１０は、コンデンサＣ２によって平滑化された直流電圧を電源ラインＰＬ２から受け、その受けた直流電圧を降圧してバッテリ３０００を充電する。

図２は、図１で示す回転電機のステータおよびロータの一部分を拡大して示す平面図である。図２を参照して、回転電機２２００は、外周側に位置するステータ２２１０と、ステータ２２１０に取囲まれるように内周側に位置するロータ２２２０とを有する。

ロータ２２２０は、回転軸（図示せず）を中心として回転することが可能であり、電磁鋼板の中に永久磁石が埋込まれた形状とされている。ロータ２２２０には冷却油吐出口２２２１が設けられる。冷却油吐出口２２２１からは矢印２２２２で示す方向に冷却油が供給されてこの冷却油がステータ２２１０を冷却する。冷却油吐出口２２２１から供給される冷却油は、ロータ２２２０と接続される、回転電機となるシャフトから供給される。

ステータ２２１０は電磁鋼板を積層することで形成されている。ステータ２２１０には複数のティース２２１１が設けられている。各々のティース２２１１にコイル２２３０が巻かれている。コイル２２３０は、Ｕ相、Ｖ相、およびＷ相の３相を構成するコイルである。すなわち、この実施の形態に従った回転電機は３相交流モータである。また、この実施の形態では集中巻きの例を示しているが分布巻きであってもよい。

各々のティース２２１１には、軸方向に延在する突出部２２１２が設けられている。突出部２２１２は、たとえば絶縁体によって構成される。突出部２２１２の両側に流体制御機構としての冷却油ガイド部２２１３，２２１４が設けられている。冷却油ガイド部２２１３，２２１４は、共にステータ２２１０の内周側から外周側へ向かって延びる。冷却油ガイド部２２１３が下側に位置し、冷却油ガイド部２２１４が上側に位置する。これらの２枚の冷却油ガイド部２２１３，２２１４間には隙間が設けられている。矢印３０１０で示すように、冷却油ガイド部２２１３上を冷却油が流れ、矢印３０２０で示すように冷却油ガイド部２２１４上を冷却油が流れる。

図２で示すロータ２２２０の回転軸に直交する平面において、突出部２２１２の延びる方向（矢印２２１２ａで示す方向）と、冷却油が噴出する方向（矢印２２２２ａで示す方向）とは、９０°よりも小さい角度をなす。矢印２２２２ａで示す方向は、矢印２２２２で示す広がりを有する噴出方向のうち、最も流速が速い部分における方向を示している。さらに、ロータ２２２０の回転により矢印２２２２ａと矢印２２１２ａとのなす角度は変化するが、矢印２２２２ａで示す流れが突出部２２１２に衝突する速度が最も大きくなるロータ２２２０の回転位相における矢印２２２２ａと矢印２２１２ａとのなす角度が９０°未満となる必要がある。

図３は、図１で示す回転電機で用いられる冷却油ガイド部の構成を詳細に示す斜視図である。図３を参照して、ティース２２１１上にはインシュレータとしての突出部２２１２が設けられている。突出部２２１２の前面２２１２ｆはロータと向き合い、後面２２１２ｈはステータ２２１０の外周面側に位置している。

冷却油ガイド部２２１３，２２１４は、突出部２２１２の前面２２１２ｆから後ろ面２２１１２ｈに延びるように設けられており、かつ図３中の上側（コイルエンド２２３１へ近づく側へ延びる。なお、この例では、冷却油ガイド部２２１３、２２１４が傾斜している例を示している。具体的には、冷却油ガイド部２２１３，２２１４の延びる方向は、前面２２１２ｆに対して０度を超え９０度未満の角度をなしている。これに拘らず、冷却油ガイド部２２１３，２２１４の延びる方向は、前面２２１２ｆと直交していてもよい。また、この例では、２枚の板状の冷却油ガイド部２２１３，２２１４を設ける例を示しているが、この枚数に関しては制限されるものではなく、より少ない、またはより多い冷却油ガイド部２２１３，２２１４を設けてもよい。また、冷却油ガイド部２２１３，２２１４の形状も、図３で示すような平板形状だけでなく、湾曲した形状であってもよい。

すなわち、この実施の形態では、ロータ２２２０のエンドプレートに形成された、ステータを冷却するための冷却油吐出口２２２１から放出された油の流れを、コイルエンド２２３１とティース２２１１間に形成されたインシュレータ端部翼としての冷却油ガイド部２２１３，２２１４を利用し、流れを整えることでコイルエンド２２３１の内部へ冷却を導入している。流体制御機構としての冷却油ガイド部２２１３，２２１４により、油の流れをコイルエンド２２３１の内周壁面へと導き、コイル２２３０の冷却を強化する。

図４は、図３中の矢印ＩＶで示す方向から見た突出部および冷却油ガイド部の正面図である。図４を参照して、ティース２２１１の主表面と直交するように延びる突出部２２１２の前面２２１２ｆはほぼ矩形状である。この前面２２１２ｆの両側に長方形の冷却油ガイド部２２１３，２２１４が設けられていてもよい。内周側から供給される冷却油は矢印３０１０，３０２０で示されるように、冷却油ガイド部２２１３，２２１４に沿って上方向（コイルエンド２２３１方向）へ流れる。これにより、コイルエンド２２３１を十分に冷却することが可能となる。

図５は、図３中の矢印Ｖで示す方向から見た突出部および冷却油ガイド部の側面図である。図５を参照して、突出部２２１２の側面に接触するように冷却油ガイド部２２１３，２２１４が配置されている。冷却油ガイド部２２１３，２２１４は互いに平行に設けられているが、これに限られるものではなく、冷却油ガイド部２２１３が冷却油ガイド部２２１４に対して傾斜して配置されていてもよい。また、冷却油ガイド部２２１３，２２１４がコイルエンド２２３１に達するように延びていてもよい。

このように構成された回転電機においては、コイル２２３０、突出部２２１２およびティース２２１１で囲まれた空間には冷却油をガイドするための冷却油ガイド部２２１３，２２１４が設けられている。ロータ２２２０側から供給された冷却油が冷却油ガイド部２２１３，２２１４に導かれてコイル２２３０の内周面またはコイルエンド２２３０の外径側に達する。これにより、コイル２２３０全体を均一に冷却することが可能となる。

今回開示された実施の形態はすべ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および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

２２００回転電機、２２１０ステータ、２２１１ティース、２２１２ｆ前面、
２２１２突出部、２２１２ｈ後面、２２１３，２２１４冷却油ガイド部、２２２０ロータ、２２２１冷却油吐出口、２２３０コイル、２２３１コイルエンド、２７１０コンバータ、２７２０インバータ、２７３０制御装置、２７４０Ｕ，２７４０Ｖ，２７４０Ｗ出力ライン、３０００バッテリ。

Claims

ロータの回転遠心力を利用してロータの冷却油吐出口から冷却油を飛散させる回転電機であって、
ティースを有するステータと、前記ステータに巻かれたコイルとを備え、
前記ステータは、前記ティースに設けられて回転軸方向に延在する突出部を含み、
前記コイル、前記ティースおよび前記突出部で囲まれた空間には、第一および第二の冷却油ガイド部が設けられ、
前記ロータに近い前記ステータ内径側から供給された冷却油が第一および第二の前記冷却油ガイド部に導かれて前記コイルの内周面および／または前記ステータ外径側のコイルエンドに達し、
前記第一および第二の冷却油ガイド部間には隙間が設けられ、
前記第一および第二の冷却油ガイド部は、前記突出部の前面から後ろ面に延びており、かつ、コイルエンドへ近づく側へ傾斜した平板形状である、回転電機。
前記ロータの冷却油吐出口から飛散する冷却油の方向と、前記ロータの回転軸と直交する平面において前記突出部の延びる方向とは、９０°よりも小さい角度をなす、請求項１に記載の回転電機。