JP6572834B2

JP6572834B2 - 冷却構造を備えた回転電機

Info

Publication number: JP6572834B2
Application number: JP2016123828A
Authority: JP
Inventors: 侑生土屋; 服部　宏之; 宏之服部
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-06-22
Filing date: 2016-06-22
Publication date: 2019-09-11
Anticipated expiration: 2036-06-22
Also published as: JP2017229157A

Description

本発明は、回転電機に関するものである。

回転電機は永久磁石を内部にもつロータと、ロータの外周側に配置され且つコイルがステータコアに回巻されるステータとを有する。回転電機をモータとして動作させ機械的動力を得る場合は、コイルに電流を流してロータに回転力を付与する。また、回転電機により発電し電力を得る場合には、ロータを外部からの回転力により回転させ、コイルに発生する電流を取り出す。

この機械的動力又は電力を得る際に、ステータ内のコイルやロータ内の永久磁石は発熱する。コイルを被覆する絶縁材料の耐久温度や、温度によって増加する永久磁石の減磁を考慮すると、コイルと永久磁石は一定の温度以下にする必要があり、それらを内部に備える回転電機を冷却する必要がある。

回転電機の冷却は、冷却媒体として冷却水や油などの液体を用いる液冷方式によって行われることがある。

特許文献１には冷却液供給口からコイルやステータコアの外周面に直接冷却液を供給することについて開示されている。

特開２０１２−１９１８０９号公報

しかしながら、特許文献１において供給された冷却液はステータの外周面に沿って流れていくため、ステータの内部にあるロータを冷却しにくいという課題がある。

そこで、ステータコアにステータコアの内周面と外周面とを連通する流路を設け、ステータコアの外周面に供給される冷却液をステータコア内周側に位置するロータへ供給することで上述した課題を解決することが考えられる。

しかしながら、ステータの外周面に冷却液を供給すると、供給された冷却液の多くは勢いよくステータの外周面に沿って流れるため、冷却液にステータの外周面から内周面へと向う流れは発生しにくい。そのため、ステータの外周面と内周面とを連通する流路に冷却液を効率よく供給することができず、ステータ内周側に位置するロータに十分な冷却液を供給することができない。その結果、ロータを十分に冷却することができないという課題が生じる。

本発明は前述した課題を解決するためのものであり、ロータを十分に冷却可能な冷却構造を備えた回転電機を提供することにある。

中空部を有する円筒状のステータと、
前記ステータの中空部の内周側に配置され、回転軸を中心に回転するロータと、を有し、冷却液が前記ステータの外周面に供給され、前記ステータの外周面に沿って流れる回転電機において、
前記ステータは、前記ステータの内周面と前記ステータの外周面とを連通する連通流路と、
前記ステータの外周面から突出して前記ステータの外周面に沿って流れる冷却液を滞留させる谷部を前記ステータの外周面とで形成する突出部と、を備え、
前記ステータの外周面に形成される前記連通流路の開口部は、前記ステータの外周面と前記突出部とで形成される前記谷部に、かつ、前記突出部よりも前記ステータの外周面に沿って流れる冷却液の流れの上流側に設けられていることを特徴とする回転電機。

本発明の回転電機は、中空部を有する円筒状のステータに、ステータの外周面と内周面とを連通する連通流路と、ステータの外周面から突出してステータの外周面に沿って流れる冷却液を滞留させる谷部をステータの外周面とで形成する突出部とを備える。さらに、ステータの外周面に形成される連通流路の開口部はステータの外周面と突出部とで形成される谷部に、かつ、突出部よりもステータの外周面に沿って流れる冷却液の流れの上流側に設けられている。
従って、回転電機の外周面に供給された冷却液は外周面に沿って流れた後に、突出部にぶつかりステータの外周面と突出部とで形成される谷部に滞留し、連通流路を通して冷却液にステータの外周面から内周面に向う流れが発生する。その結果、ステータの外周面と内周面とを連通する流路の開口部に供給されやすくなる。
ゆえに、本発明の回転電機はステータの外周面に供給された冷却液を、効率よくステータの内周側にあるロータに供給し、ロータを十分に冷却することができる。

本発明に係る回転電機のステータを示す図である。本発明に係る回転電機の回転軸線Xを含む断面を示す図である。本発明に係る回転電機のステータの回転軸線Xに直交する断面を示す図である。本発明の他の例を示す図である。

以下、本発明の各実施形態を図面を参照しながら説明する。

第１の実施形態に係る冷却構造を備えた回転電機について、図１〜図３を用いて説明する。図２に示すように、回転電機１０は、円筒形状のステータ１００と、ステータ１００の円筒形状と同軸に配置される円柱形状のロータ４００を有する。ロータ４００の中心を回転軸４０３が貫通している。図１及び図３に示すステータ１００は、内周に周方向に沿って凹凸が配列されたステータコア１０１を含む。ステータコア１０１の内周に設けられた凹部分（以下スロットと記載）にはコイルが収められ、このコイルが凸部分（以下ティースと記載）に巻回されてコイル３００が形成されている。コイル３００に電力を供給することにより、ステータ１００の内側の空間にロータを回転させる磁界を形成する。

ステータコア１０１の外周には、外周縁から外側に延びた３個の突出部１０４が設けられている。突出部１０４には貫通孔が開けられている。これらの貫通孔には、ボルトが貫通して、積層された鋼板を結束する。突出部１０４および貫通孔数は、３個以外であってもよい。

さらに、ステータコア１０１にはステータコア１０１の内周面と外周面とを連通する連通流路（以下、流路という）１０５が３つ設けられている。ステータコア外周面には流路入口として１０５ａ、１０５ｂ、１０５ｃが形成されている。本実施例においてはティース１０２の先端には流路入口１０５ａ、１０５ｂ、１０５ｃの出口として、それぞれ流路出口１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃが形成されている。また、ステータコア１０１と一定の距離を離して、ステータコア１０１の外周面に向かって冷却液を供給する冷却液供給管２００が設けられている。

ロータ４００は、全体として円筒形状であり、ステータ１００の内周、特にティース１０２の先端に僅かの隙間をもって配置される。ロータ４００はロータコア４０１の外周面または外周面近傍に永久磁石４０２が埋設されている。また、ロータコア４０１の周方向にリラクタンスの異なる部分を設け、これと回転磁界との相互作用にてロータ４００を回転するようにすることもできる。回転軸４０３は、ロータ４００と一体に回転するようロータ４００に対して固定されている。回転電機１０を電動機として機能させる場合は、回転軸４０３は、ロータで発生した回転力を外部に出力する出力軸となり、発電機として機能させる場合は、外部からの回転力を回転電機に入力するための入力軸となる。

回転電機１０が自動車のトランスアクスル内に配置されるものである場合、冷却液はトランスアクスルの潤滑油または作動液とすることができる。冷却液は、不図示のポンプにより供給され冷却液供給管２００の端の開口である冷却液供給口２０１より、ステータコア１０１の外周面に供給される。冷却液供給管２００は、図において管状の態様で示しているが、回転電機１０を収めるケース（例えば、トランスアクスルケース）に孔をあけることにより形成された流路であってもよい。

回転電機１０の冷却構造においては、冷却液供給口２０１は図３に示すようにステータ１００の回転軸線の鉛直上方に配置され、ここから冷却液をステータコア１０１の外周面に供給する。冷却液供給口２０１の位置は、前記の鉛直上方位置からずれていても、また２個以上設けられてもよい。

コイル３００に電流を流すとコイル３００は発熱する。スロット１０３内のコイルにおいては、発生した熱は周囲のステータコア１０１に伝わる。また、回転電機の高速回転領域では、永久磁石４０２に発生する渦電流により永久磁石が発熱し、熱は周囲のロータコア４０１に伝わる。よって、ステータコア１０１とロータコア４０１を備える回転電機１０の効率的な冷却が求められる。

ステータコア１０１の外周面に供給された冷却液は、図１、図３中の破線矢印の方向に、ステータコア１０１の外周面に沿って流れる。冷却液供給口２０１から供給される冷却液は、冷却液供給口２０１の真下に位置する流路入口１０５ｂに集中的に供給されるのではなく、ステータコア１０１の外周面に拡散しながら供給される。そのため、仮に流路入口として１０５ｂのみが形成される構成であると、流路入口１０５ｂを外れてステータコア１０１の外周面に供給された冷却液は、流路１０５に供給されずロータコア４０１を十分に冷却できないおそれがある。そこで、流路入口をステータコア１０１の外周面に複数個形成することで、ロータ４００の冷却性能を向上させることが考えられる。しかしながら、ステータコア１０１の外周面に沿って流れる冷却液は勢いよくステータの外周面に沿って流れていくため、冷却液にステータコア１０１の外周面から内周面に向う流れは発生しにくい。そのため、ステータコア１０１の外周面と内周面とを連通する流路に冷却液を効率よく供給することができず、十分にロータ４００を冷却できないおそれがある。

そこで、本発明の第１の実施形態における回転電機１０の冷却構造では、冷却液供給管２００からステータコア１０１の外周面に供給された冷却液は、ステータコア外周面に沿って図１、図３中の破線矢印で示す方向に流れ、突出部１０４とステータコア１０１との外周面とで形成される谷部で滞留することに着目し、突出部１０４とステータコア１０１の外周面とで形成される谷部（図３に示される斜線部の領域）に流路入口１０５ａ、１０５ｃを形成している。

突出部１０４によって、ステータコアの外周面に沿って流れる冷却液を滞留させることで、冷却液にステータの外周面から内周面に向う流れを発生させる。その結果、流路入口１０５ａ、１０５ｃに供給できる冷却液を、流路入口が谷部に場合に比して増加させる、なわち、ロータ４００へ供給できる冷却液を増加させることができる。そして、ロータ４００冷却性能は向上する。

本発明の第１の実施形態においては、ロータ４００の冷却性能を向上させる最適な構成として流路出口１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃはティース１０２の先端部に設けられているが、流路出口をスロット部１０３に設け、コイル３００を冷却した後に、ロータ４００へ供給される構成としても良い。

流路入口１０５ａ、１０５ｃ、が突出部１０４とステータコアの外周面とで形成される谷部、かつ突出部１０４より冷却液流れ上流に形成されるのであれば、流路１０５の形状は図３に示される形状に限定されず、例えば直線形状であっても良い。また流路の本数は増減しても良い。例えば、流路入口１０５ｂと流路出口１０６ｂは無くても良い。

第２の実施形態に係る冷却構造を備えた回転電機について、図４を用いて説明する。

第２の実施形態においては、本発明の第１の実施形態のように積層された鋼鈑を結束する突出部１０１を用いるではなく、突出部５００として冷却ガイドを用いている。突出部５００はステータコア１８外周面に流れる冷却液の流れをコントロールする。

突出部５００とステータコア１０１の外周面とで形成される谷部に、流路入口１０５ｄを設けることで、ステータコア１０１の外周面の冷却液流れをコントロールしながら、図４には図示されていないロータ４００の冷却性能を向上させることができる。その他ステータコアの突出部としてステータコアを補強するためのリブを用いたりしても良い。

以上説明したように、本発明の実施形態に係る回転電機の冷却構造の主たる特徴はステータの内周面と外周面とを連通する流路と、ステータの外周面から突出する突出部と、を備え、ステータの外周面に形成されている流路の開口部はステータコアの外周面と突出部とで形成される谷部に、かつ、前記突出部より冷却液流れの上流側に設けることにある。

上述した本発明の特徴を備えることで、ロータへ効率よく冷却液を供給することができる。

１０回転電機、１００ステータ、１０１ステータコア、１０２ティース、１０３スロット、１０４突出部、１０５流路（連通流路）、２００冷却液供給管、２０１冷却液供給口、３００コイル、４００ロータ、４０１ロータコア、４０２永久磁石、４０３回転軸

Claims

中空部を有する円筒状のステータと、
前記ステータの中空部の内周側に配置され、回転軸を中心に回転するロータと、を有し、冷却液が前記ステータの外周面に供給され、前記ステータの外周面に沿って流れる回転電機において、
前記ステータは、前記ステータの内周面と前記ステータの外周面とを連通する連通流路と、
前記ステータの外周面から突出して前記ステータの外周面に沿って流れる冷却液を滞留させる谷部を前記ステータの外周面とで形成する突出部と、を備え、
前記ステータの外周面に形成される前記連通流路の開口部は、前記ステータの外周面と前記突出部とで形成される前記谷部に、かつ、前記突出部よりも前記ステータの外周面に沿って流れる冷却液の流れの上流側に設けられている
ことを特徴とする回転電機。