JP6749438B2

JP6749438B2 - 回転電機

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Publication number: JP6749438B2
Application number: JP2019027947A
Authority: JP
Inventors: 裕輔木本; 中村　成志; 成志中村
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2019-02-20
Filing date: 2019-02-20
Publication date: 2020-09-02
Anticipated expiration: 2039-02-20
Also published as: JP2020137269A; CN111600419B; CN111600419A

Description

本発明は、冷媒を流す流路が設けられた回転電機に関するものである。

従来、発熱体であるステータコアと巻線からなるステータの外側を覆うモータケース内に、モータケースの周方向に沿って環状の流路を設け、流路に冷却水を流すことによってステータを冷却する回転電機が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００８−１０９８１７号公報

上記のような従来の回転電機では、軸方向の流路の幅がステータの軸方向の幅よりも小さいため、ステータの軸方向の両端部分が十分に冷却されず、ステータを冷却する効率が悪いという課題があった。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、ステータを冷却する効率の向上を図ることのできる回転電機を得ることを目的とする。

本発明に係る回転電機は、シャフトと、シャフトに固定されたロータと、ロータの径方向外側に設けられてロータの外周を覆うステータと、ステータの径方向外側に設けられてステータの外周を覆い、ステータを保持する円筒状の保持フレームと、保持フレームの径方向外側に設けられて保持フレームの外周を覆う円筒状のハウジングと、保持フレーム及びハウジングの軸方向の両端部を覆う一対のブラケットとを備え、一対のブラケット間において保持フレームとハウジングとの間に冷媒を流す流路が形成されており、流路の軸方向の幅は、ステータの軸方向の幅よりも大きくなっている。

本発明の回転電機によれば、ステータを軸方向の両端部分まで十分に冷却することができる。よって、ステータを冷却する効率の向上を図ることができる。

本発明の実施の形態１における回転電機の軸方向に沿う断面図である。図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。実施の形態１における回転電機の変形例を示す図である。本発明の実施の形態２における回転電機の軸方向に沿う断面図である。実施の形態２における回転電機の変形例を示す図である。本発明の実施の形態３における回転電機の保持フレームを示す斜視図である。本発明の実施の形態３における回転電機の保持フレームの第１変形例を示す部分斜視図である。図７の保持フレームの断面を示す図である。本発明の実施の形態３における回転電機の保持フレームの第２変形例を示す斜視図である。本発明の実施の形態３における回転電機の保持フレームの第３変形例を示す斜視図である。本発明の実施の形態３における回転電機の保持フレームの第４変形例を示す斜視図である。本発明の実施の形態３における回転電機の保持フレームの第５変形例を示す斜視図である。本発明の実施の形態３における回転電機の保持フレームの第６変形例を示す斜視図である。本発明の実施の形態３における回転電機の保持フレームの第７変形例を示す斜視図である。図１４の保持フレームの断面を示す図である。本発明の実施の形態３における回転電機の保持フレームの第８変形例を示す斜視図である。図１６の保持フレームの断面を示す図である。本発明の実施の形態３における回転電機の保持フレームの第９変形例を示す斜視図である。図１８の保持フレームの断面を示す図である。本発明の実施の形態３における回転電機の保持フレームの第１０変形例を示す斜視図である。本発明の実施の形態３における回転電機の保持フレームの第１１変形例を示す斜視図である。本発明の実施の形態３における回転電機の保持フレームの第１２変形例を示す斜視図である。

以下、この発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における回転電機の軸方向に沿う断面図である。図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。

回転電機１は、ケース２と、ケース２の軸方向に沿ってケース２に回転可能に支持されたシャフト２０と、シャフト２０に固定されたロータ３０と、ロータ３０の外周を覆うステータ４０とを備えている。ここで「軸方向」とは、シャフト２０の回転軸に沿う方向を指すものとする。また「径方向」とは、シャフト２０の半径方向に沿う方向を指すものとする。さらに「周方向」とは、シャフト２０の外周に沿う方向を指すものとする。

シャフト２０とロータ３０とステータ４０とケース２とは、同心円状に配置されている。図１において、シャフト２０がケース２から突出している側、即ち図１の左側は、回転電機１の出力側であり、反対側は非出力側である。

ケース２は、円筒状のハウジング１０と、ハウジング１０の内側に間隔を空けて設けられた円筒状の保持フレーム５０と、ハウジング１０及び保持フレーム５０の軸方向の一端側を覆う第１ブラケット１１と、ハウジング１０及び保持フレーム５０の軸方向の他端側を覆う第２ブラケット１２とによって構成されている。ハウジング１０、第１ブラケット１１及び第２ブラケット１２は、金属または樹脂で形成されている。ハウジング１０と保持フレーム５０とは、同心円状に配置されている。

シャフト２０の出力側は、軸受１３を介して第１ブラケット１１に支持されている。シャフト２０の非出力側は、軸受１４を介して第２ブラケット１２に支持されている。

ロータ３０は、円筒形のロータコア３１、複数の永久磁石３４、円板状の第１端板３２及び第２端板３３によって構成されている。ロータコア３１は、シャフト２０に固定されている。

ロータコア３１は、高い透磁率および小さな鉄損を有する薄い鋼板を軸方向に積層することによって形成されている。

複数の永久磁石３４は、ロータコア３１内にロータコア３１の周方向に沿って埋め込まれている。複数の永久磁石３４の形状は直方体である。複数の永久磁石３４の材料は、例えばアルニコ、フェライト、ネオジムである。なお、図１及び図２では、複数の永久磁石３４を１つにまとめて簡略化して円筒状に示している。

第１端板３２は、ロータコア３１の出力側に取り付けられている。第２端板３３は、ロータコア３１の非出力側に取り付けられている。

ステータ４０は、円環状のステータコア４１と、ステータコア４１の軸方向の両端部分に設けられたコイル部４２とによって構成されている。ステータ４０は、ロータ３０に対して径方向外側に間隔を空けて配置されている。ステータ４０とロータ３０とは、同心円状に配置されている。

ステータコア４１は、円環状の保持フレーム５０の径方向内側に焼嵌によって保持されている。ステータコア４１は、ロータコア３１と同様に、高い透磁率および小さな鉄損を有する薄い鋼板を軸方向に積層することによって形成されている。

コイル部４２は、ステータコア４１の図示しないティース部に巻きつけられた導線によって形成されている。コイル部４２を構成する導線は、高い電気伝導率を有する銅製である。導線の断面形状は円形である。導線の断面形状は平角形状であってもよい。

保持フレーム５０は、円筒状のハウジング１０の径方向内側に間隔を空けて固定されている。保持フレーム５０とハウジング１０とは、同心円状に配置されている。保持フレーム５０は、ステータコア４１と同様の熱力学特性及び機械特性を有する鋼材で作成されている。このため、外部からの負荷、環境温度等によってステータコア４１が変形した場合には、保持フレーム５０も追従して変形する。よって、保持フレーム５０からステータコア４１が脱落することを抑制することができる。

保持フレーム５０の出力側の端面は、第１ブラケット１１の非出力側表面１１１に接触している。保持フレーム５０の非出力側の端面は、第２ブラケット１２の出力側表面１２１に接触している。保持フレーム５０は、溶接、ボルト、接着などの固定方法によって第１ブラケット１１及び第２ブラケット１２にそれぞれ固定されている。保持フレーム５０の径方向外側には、間隔を空けてハウジング１０が取り付けられている。

ハウジング１０の出力側の端面は、第１ブラケット１１の非出力側表面１１１に固定されている。ハウジング１０の非出力側の端面は、第２ブラケット１２の出力側表面１２１に固定されている。ハウジング１０は、溶接、ボルト、接着などの固定方法によって第１ブラケット１１及び第２ブラケット１２にそれぞれ固定されている。

ハウジング１０と保持フレーム５０との間には、保持フレーム５０の径方向外側表面５０１に沿って流路７０が形成されている。流路７０は、第１ブラケット１１と第２ブラケット１２との間、すなわち一対のブラケット間において、保持フレーム５０の径方向外側表面５０１とハウジング１０の径方向内側表面１０１との間に形成されている。流路７０は、シャフト２０の軸を中心とした環状に形成されている。流路７０には、発熱体であるステータ４０を冷却する冷媒が流される。

流路７０の軸方向の幅は、ステータ４０の軸方向の幅よりも大きくなっている。また、流路７０の軸方向の両端部分は、それぞれステータ４０の軸方向の両端部分よりも軸方向の外側に位置している。

流路７０の軸方向の両端部分には、それぞれＯ−リング８０が取り付けられている。Ｏ−リング８０は、流路７０を構成する保持フレーム５０と第１ブラケット１１及び第２ブラケット１２との結合部から冷媒が回転電機１の内部に漏れることを防止している。また、Ｏ−リング８０は、流路７０を構成するハウジング１０と第１ブラケット１１及び第２ブラケット１２との結合部から回転電機１の外部に冷媒が漏れることを防止している。

なお、保持フレーム５０とハウジング１０とを溶接によって固定している場合には、Ｏ−リング８０を取り付けなくてもよい。Ｏ−リング８０を取付けない場合には、流路７０の径方向の幅がＯ−リング８０の外径寸法に依存しない。このため、流路７０の径方向の幅をＯ−リング８０の厚みよりも小さくすることができる。よって、回転電機１の外径を小さくすることができる。

図２に示すように、ハウジング１０の径方向外側には、流路７０に冷媒を供給する供給口７１及び冷媒を流路７０から排出する排出口７２が設けられている。この例では、流路７０内に軸方向に延びる流路ストッパ７３が設けられている。流路ストッパ７３は、流路７０内を仕切る壁である。

供給口７１と排出口７２とは、流路ストッパ７３を間に挟んで流路７０の両側に近接して設けられている。供給口７１から供給された冷媒は、図２の流路７０を反時計回りに流れ、排出口７２から排出される。

ステータ４０の発熱は、保持フレーム５０に伝達される。保持フレーム５０に伝達された熱は、流路７０を流れる冷媒に伝達される。保持フレーム５０から熱が伝達されて高温となった冷媒は、流路７０の排出口７２から回転電機１の外部に排出される。回転電機１の外部に排出された高温の冷媒は、図示しない冷却機構によって冷却される。冷却機構によって冷却された冷媒は、供給口７１から流路７０に戻される。外部に設けられた冷却機構を介して冷媒を循環させているため、流路７０内には常に温度の低い冷媒が流れる。よって、ステータ４０を迅速に冷却することができる。

このように、実施の形態１の回転電機１は、発熱体であるステータ４０の径方向外側に流路７０を設けて常に温度の低い冷媒を循環させている。このため、ステータ４０の発熱を、冷媒を介して迅速に放散することができる。

また、流路７０の軸方向の幅を、ステータ４０の軸方向の幅よりも大きくしている。さらに、流路７０の軸方向の両端部分を、それぞれステータ４０の軸方向の両端部分よりも軸方向の外側に位置させている。このため、ステータ４０を軸方向の両端部分まで十分に冷却することができる。よって、ステータ４０の発熱をさらに迅速に放散することができ、ステータ４０を冷却する効率の向上を図ることができる。

また、流路７０の軸方向の両端部分は、それぞれＯ−リング８０でシールされている。このため、保持フレーム５０とハウジング１０との結合部から冷媒が漏れるのを防止することができる。よって、ケース２の内部に冷媒が侵入することによる漏電の発生を抑制することができる。さらに、流路７０から冷媒が漏れ出ることによる冷却性能の低下を抑制することができる。

なお、実施の形態１では、流路７０内に流路ストッパ７３を設けて、供給口７１と排出口７２とを流路ストッパ７３を挟んで近接させて配置した。しかし、供給口７１及び排出口７２の配置は、これに限るものではない。例えば、図３に示す変形例のように、供給口７１と排出口７２とを、シャフト２０を挟んで流路７０の対向する位置に配置してもよい。

この例では、供給口７１から供給された冷媒は、図３の流路７０内を時計回り方向と反時計回り方向とに分岐して流れる。分岐して流路７０を流れる冷媒は、排出口７２付近で合流して排出口７２から排出される。分岐することによって、流路７０を流れる冷媒の流量は、実施の形態１の回転電機１の流路７０を流れる冷媒の半分程度になる。しかし、流路７０内に流路ストッパ７３がないため、流路７０内の圧力損失が低下する。このため、冷媒の送出に必要なポンプの能力を低減させることができる。

実施の形態２．
次に、実施の形態２における回転電機１について、図４を用いて説明する。実施の形態２における回転電機１は、保持フレーム５０の形状が実施の形態１とは異なる。他の構成は、実施の形態１と同様である。

実施の形態２における回転電機１の保持フレーム５０の出力側には、保持フレーム５０の径方向外側表面５０１から径方向外側に突出するフランジ部５１が形成されている。フランジ部５１の出力側表面５１１は、第１ブラケット１１の非出力側表面１１１に接触している。フランジ部５１は、溶接、ボルト、接着などの固定方法によって第１ブラケット１１に固定されている。保持フレーム５０の非出力側の端面は、第２ブラケット１２の出力側表面１２１に接触している。保持フレーム５０は、溶接、ボルト、接着などの固定方法によって第２ブラケット１２に固定されている。

ハウジング１０の出力側の端面は、フランジ部５１の非出力側表面５１２に固定されている。ハウジング１０の非出力側の端面は、第２ブラケット１２の出力側表面１２１に固定されている。ハウジング１０は、溶接、ボルト、接着などの固定方法によってフランジ部５１及び第２ブラケット１２にそれぞれ固定されている。

流路７０の軸方向の両端部分には、それぞれＯ−リング８０が取り付けられている。Ｏ−リング８０は、流路７０を構成する保持フレーム５０と第２ブラケット１２との結合部から冷媒が回転電機１の内部に漏れることを防止している。また、Ｏ−リング８０は、流路７０を構成するハウジング１０と保持フレーム５０及び第２ブラケット１２との結合部から回転電機１の外部に冷媒が漏れることを防止している。

なお、実施の形態２では、保持フレーム５０は、フランジ部５１の出力側表面５１１によって第１ブラケット１１の非出力側表面１１１に固定されていた。しかし、図５に示す変形例のように、ハウジング１０に固定してもよい。

この例では、ハウジング１０の出力側の端部に、ハウジング１０の他の部位よりも内径の大きい段差部１０２が設けられている。保持フレーム５０のフランジ部５１は、ハウジング１０の段差部１０２に嵌め込まれてハウジング１０に固定されている。この場合には、ハウジング１０とフランジ部５１の接触面積が増えるため、流路７０のシール性が向上する。なお、実施の形態２では、フランジ部５１は第１ブラケット１１側に形成されていたが、これに限定されるものではない。例えばフランジ部５１は、第２ブラケット１２側に形成されていてもよい。

実施の形態３．
次に、実施の形態３における回転電機１について、図６を用いて説明する。実施の形態３の回転電機１は、保持フレーム５０の径方向外側の表面形状が、実施の形態１，２とは異なる。他の構成は、実施の形態１，２と同様である。

図６は、実施の形態３の回転電機１を構成する保持フレーム５０の斜視図である。保持フレーム５０の径方向外側表面５０１には、軸方向及び周方向に並ぶ複数の凹部５２が設けられている。

複数の凹部５２は、保持フレーム５０の径方向外側に開口部を有する円柱状に形成されている。複数の凹部５２は、軸方向及び周方向に等間隔で配置されている。

ステータ４０の発熱は、保持フレーム５０を介して冷媒に伝達される。これにより、ステータ４０は冷却される。冷媒の熱伝導率及び冷媒の流量を一定とすると、流路７０による冷却効果は、冷媒の流速及び冷媒と接触する径方向外側表面５０１の表面積に依存する。

流路７０における冷媒の流速は、保持フレーム５０とハウジング１０との隙間が小さくなるほど速くなる。しかし、保持フレーム５０とハウジング１０との隙間を小さくすると、流路７０内を流れる冷媒の圧力損失が大きくなる。このため、冷媒を流路７０内に送出するポンプの能力を上げる必要が生じる。

保持フレーム５０の径方向外側表面５０１の表面積は、径方向外側表面５０１が平滑な面である場合に最も小さい。従って、径方向外側表面５０１の表面積は、径方向外側表面５０１に凹凸を設けることによって増やすことができる。しかし、流路７０内に冷媒の流れを遮る凸部を設けると、保持フレーム５０とハウジング１０との隙間を小さくした場合と同様に冷媒の圧力損失が大きくなる。

そこで、実施の形態３における回転電機１では、保持フレーム５０の径方向外側表面５０１に複数の凹部５２を設けることによって、径方向外側表面５０１の表面積を増加させている。これにより、流路７０内を流れる冷媒の圧力損失を大きくすることなく、ステータ４０を冷却する効率の向上を図ることができる。

なお、実施の形態３の保持フレーム５０では、複数の凹部５２の形状を、径方向外側に開口部を有する円柱状に形成していた。しかし、複数の凹部５２の形状は、これに限るものではない。例えば、複数の凹部５２の形状は、図７の部分斜視図及び図８の断面図に示す第１変形例の保持フレーム５０のように、半球状であってもよい。

また、複数の凹部５２の形状は、図９の斜視図に示す第２変形例の保持フレーム５０のように、開口部が楕円形状の柱状であってもよい。

また、複数の凹部５２の形状は、図１０の部分斜視図に示す第３変形例の保持フレーム５０のように、開口部が三角形の三角柱状であってもよい。

また、複数の凹部５２の形状は、図１１の部分斜視図に示す第４変形例の保持フレーム５０のように、開口部が三角形の三角錐状であってもよい。

また、複数の凹部５２の形状は、図１２の部分斜視図に示す第５変形例の保持フレーム５０のように、開口部が四角形の四角柱状であってもよい。

また、複数の凹部５２の形状は、図１３の部分斜視図に示す第６変形例の保持フレーム５０のように、開口部が四角形の四角錐状であってもよい。

また、複数の凹部５２の形状は、図１４の部分斜視図及び図１５の断面図に示す第７変形例の保持フレーム５０のように、開口部が円形の円錐状であってもよい。

また、複数の凹部５２の形状は、図１６の部分斜視図及び図１７の断面図に示す第８変形例の保持フレーム５０のように、開口部が多角形の柱状であってもよい。

また、複数の凹部５２の形状は、図１８の部分斜視図及び図１９の断面図に示す第９変形例の保持フレーム５０のように、開口部が多角形のドーム状であってもよい。

なお、第２変形例の楕円の開口部、第３〜６変形例及び第８，９変形例の多角形の開口部は、冷媒の流れる方向に対してどのような向きで配置してもよい。

また、実施の形態３では、複数の凹部５２は、軸方向及び周方向に多数配置していた。しかし、複数の凹部５２の配置は、これに限るものではない。例えば、図２０に示す第１０変形例の保持フレーム５０のように、複数の凹部５２を、周方向の一方向にのみ多数配置してもよい。

さらに、図２１の斜視図に示す第１１変形例の保持フレーム５０のように、複数の凹部５２を、軸方向に２つ配置し、周方向に多数配置してもよい。なお、第１０変形例及び第１１変形例では、複数の凹部５２の形状を長方形の開口部を有する柱状とした。しかし、複数の凹部５２の形状は、これに限るものではない。例えば複数の凹部５２の形状は、第１変形例から第９変形例のうちのいずれかの形状であってもよい。さらに、複数の凹部５２は、第１変形例から第１１変形例までの複数の凹部５２を組み合わせたものであってもよい。

また、実施の形態３の保持フレーム５０及び第１変形例から第９変形例の保持フレーム５０では、複数の凹部５２を、格子状に配置していた。しかし、複数の凹部５２の配置は、これに限るものではない。例えば、複数の凹部５２は、図２２に示す第１２変形例のように、千鳥状に配置してもよい。第１変形例から第１２変形例の複数の凹部５２は、実施の形態３の複数の凹部５２と同様の効果を有する。

１回転電機、２ケース、１０ハウジング、１１第１ブラケット、１２第２ブラケット、１３，１４軸受、２０シャフト、３０ロータ、３１ロータコア、３２第１端板、３３第２端板、３４永久磁石、４０ステータ、４１ステータコア、４２コイル部、５０保持フレーム、５１フランジ部、５２凹部、７０流路、７１供給口、７２排出口、７３流路ストッパ、８０Ｏ−リング、１０１径方向内側表面、５０１径方向外側表面。

Claims

シャフトと、
前記シャフトに固定されたロータと、
前記ロータの径方向外側に設けられて前記ロータの外周を覆うステータと、
前記ステータの径方向外側に設けられて前記ステータの外周を覆い、前記ステータを保持する円筒状の保持フレームと、
前記保持フレームの径方向外側に設けられて前記保持フレームの外周を覆う円筒状のハウジングと、
前記保持フレーム及び前記ハウジングの軸方向の両端部を覆う一対のブラケットと
を備え、
前記一対のブラケット間において、前記保持フレームと前記ハウジングとの間に冷媒を流す流路が形成されており、
前記流路の軸方向の幅は、前記ステータの軸方向の幅よりも大きくなっており、
前記保持フレームは、軸方向の一端側から径方向外側に突出するフランジ部を有しており、
前記ハウジングの軸方向の一端側には、前記ハウジングの他の部位よりも内径の大きい段差部が設けられており、
前記フランジ部は、前記段差部に嵌め込まれて前記ハウジングに固定されている回転電機。
前記流路を形成する前記保持フレームの径方向外側表面には、複数の凹部が設けられている請求項１に記載の回転電機。
前記凹部は、軸方向及び周方向のうち少なくともいずれか一方向に並んでいる請求項２に記載の回転電機。
前記複数の凹部は、格子状に配置されている請求項２に記載の回転電機。
前記複数の凹部は、千鳥状に配置されている請求項２に記載の回転電機。
前記流路の軸方向の両端部分には、それぞれＯ−リングが取り付けられている請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の回転電機。