JP2006014522A - 電動機の冷却構造 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡素な構造で冷却効率を向上できる電動機の冷却構造の提供を図る。
【解決手段】 沸点温度がケース９内の許容限界温度以下の冷媒２２を、ケース９内に貯蔵した。電動機１の運転時、冷媒２２がケース９内の構成部品（主にコイルエンド３ｂ）の熱を受けて気化し且つ冷却部位としてのケース９で液化することを交互に繰り返しながら、ケース９内の熱を効率的にケース９に伝達して電動機１外に放出できる。結果、ポンプおよび噴霧手段などを付設するまでもなく、つまり電動機１を大型化することなく効率的に電動機１内を冷却できる
【選択図】図２

Description

本発明は、電動機の冷却構造に関する。

電動機は、コイル（磁力発生部）およびステータ鉄心（固定子コア）を有する略筒状のステータ（固定子）と、ステータの内周側の配置されステータの磁力によって回転するロータ（回転子）と、ステータおよびロータを内側に収容し且つ電動機の外装を形成する略筒状のケースと、を備えて構成されている。

電動機の運転時には主にコイルが発熱する。このときステータ鉄心に埋設されているコイルの本体部はステータ鉄心およびケースを通じて除々に冷却されるが、固定子コアから突設だれ且つ気体に露出しているコイルエンド（磁気発生部の突出部）は、冷却されにくい。

そこで従来の電動機の冷却構造には、特許文献１に開示されるように電動機にオイルポンプを付設し、このオイルポンプでケース内の底部に溜まった冷却油を汲み上げて噴射ノズルから冷却油を噴射させるものがある。

冷却油は、コイルエンドにかかりコイルエンドを冷却する。なお、噴射される冷却油の一部は、毛細血管現象によりケースの内周面とステータ鉄心の外周面との間の隙間に浸入し、ステータ鉄心とケースと間の熱抵抗を減少する。
特開２００３−３２４９０１号公報（第１図）

しかしながら、従来の電動機の冷却構造では、オイルポンプを付設することで電動機の構造が複雑化し、電動機が出力性能以上のサイズになってしまう傾向がある。

本発明はこのような従来技術をもとに為されたもので、電動機の大型化を抑えつつ効率的に電動機内を冷却できる冷却構造の提供を目的とする。

前記目的を達成するために、本発明の電動機の冷却構造は、磁力を発生させる磁力発生部および該磁力発生部を固定する固定子コアを有する固定子と、前記固定子の磁力によって回転する回転子と、前記固定子および前記回転子を内側に収容するケースと、を備え、
前記ケース内に、沸点温度が前記ケース内の許容限界温度より低い冷媒を貯留したものである。

この発明によれば、ケース内の構成部品の温度が上昇すると、冷媒が、発熱部位としてのケース内の構成部品の熱を受けて気化し且つ放熱部位としてのケースに熱を与えて液化することを交互に繰り返す。これにより、ケース内を効率的に冷却できる。このため、ポンプおよび噴霧手段などを付設するまでもなく、つまり電動機を大型化することなく電動機内を効率的に冷却できる。

以下、この発明の一実施形態を図面に基づき説明する。

本実施形態の電動機の冷却構造について図１〜図６を参照しながら説明する。

「電動機」
まず電動機１の構成について説明する。図１はこの実施形態で用いる電動機の軸方向に沿う縦断面図で図２におけるＩ−Ｉ断面図、図２は図１におけるＩＩ−ＩＩ断面図、図５及び図６は図１及び図２中におけるＶ−Ｖ断面図である。

電動機１（この実施例では交流電動機の同期方式とする）は、固定子２と、回転子５と、ケース９と、備えている。

固定子２は、略円柱状の回転子５の外周側を取り囲むように略円筒状に形成されている。固定子２は、磁束を発生する磁力発生部としてのコイル３と、このコイル３を保持するとともに磁束が通る磁路を形成する固定子コア４と、を備えている。なお、コイル３は、固定子コア４に埋設されるコイル本体部３ａと、固定子コア４の軸方向両端面４ｂから軸方向に突出するコイルエンド（磁気発生部の突出部）３ｂと、備えている。コイルエンド３ｂは固定子コア４の軸方向端面４ｂとケース９両端面９ｄとの間に形成される空間Ｓに露出している。

回転子５は、磁石を内蔵し磁路を形成する略円柱形状の回転子コア６と、回転子コア６の中心軸線上に設けられ外部に回転力を伝達する出力軸７と、を備えている。

ケース９は、上述の回転子５および固定子２を収容する。このケース９は、筒状（この例では円筒状）のケース本体１４と、ケース本体１４の前端開口部を覆う前部カバー１５と、ケース本体１４の後端開口部を覆う後部カバー１６と、を備えている。ケース本体１４には、固定子コア４の外周面に沿って円筒状に形成され且つ固定子コア４を嵌合する嵌合部９ａを備えている。また、前部カバー１５および後部カバー１６には、軸受８を介して回転子５の出力軸７が回転自在に支持されている。なお、ケース９内部は、図示せぬシール部材などにより気密性が確保されている。

電動機１後端側（図１中左側）には、出力軸７の回転角度を検出する回転センサ（本実施例ではレゾルバ）が設置されている。この回転センサとしてのレゾルバは、レゾルバ固定子１８とレゾルバ回転子１９とを備えて構成されており、レゾルバカバー１７で覆われている。レゾルバ回転子１９は、出力軸７端部に固定されて出力軸７すなわち回転子５と一体的に回転する。一方、レゾルバ固定子１８は、レゾルバ回転子１９の外周側に配置され、コイル３すなわち固定子２と相対位置が一致している。これにより、レゾルバは、レゾルバ固定子１８とレゾルバ回転子１９との位置関係により、固定子２のコイル３と回転子５内の磁石との位置関係を検出できるようになっている。

また、コイル３にはリード線（図示せぬ）を介して回転子５の回転力を制御する制御器（図示せぬ）が接続されている。この制御器からコイル３に電流が供給されることで、固定子２に磁界が発生し回転子５が回転する。

「電動機の冷却構造」
次に、電動機１の冷却構造について説明する。

この実施形態の電動機１の冷却構造は主な特徴点が２つある。第１に、電動機１のケース９内の空間Ｓに、図１および図２に示すように冷媒２２が貯留されている。第２に、電動機１のケース９には、図１および図２に示すように他の冷媒（この例では冷却水２７）を流通される冷却通路（上部冷却通路２８及び下部冷却通路２９）が設けられている。

「貯留された冷媒」
まず、ケース９内の空間Ｓに貯留された冷媒２２について説明する。

冷媒２２の液面は、回転子コア６の最下端より低く且つ少なくとも１以上のコイルエンド３ｂが浸る高さに設定されている。冷媒２２には例えばトリクロロエチレン（沸点：８７℃）やメチルデトラヒドロフラン（沸点：８０℃）が用いられ、冷媒２２の沸点温度はケース９内の許容限界温度（ケース９内の構成部品２、５に故障が生じる虞がある温度：例えば２００℃）以下に設定されている。特にこの実施形態では冷媒２２の沸点温度は図３に示すように発熱部位としてのコイルエンド３ｂの通常運転時の温度（電動機1が効率よく運転できるコイルエンド３ｂの温度：例えば１００℃）以下で且つ放熱部位としてのケース９の通常運転時（例えば５０℃）の温度以上に設定されている。

「冷却通路」
次に、冷却水２７を流通する冷却通路２８、２９について説明する。

図示省略するが上部冷却通路２８および下部冷却通路２９は、一端に冷却水２７をケース９外から導入するための入口を有し、且つ、他端にケース９外に排出するための出口を有して、電動機１外の冷媒循環回路に接続されている。これにより、ケース９に伝達された熱を電動機１外に効率的に排出できるようになっている。

上部冷却通路２８は、図１、２に示すようにケース９の天井部位に設けられている。

上部冷却通路２８は、図１に示すように軸方向に沿って延在し且つ図２に示すようにケース９の内周面に沿って円周方向に等間隔に複数配列されている。隣接する上部冷却通路２８同士は、Ｕターン状に連結しており（図示せず）これにより全体として蛇行状の一の通路となっている（後述の下部冷却通路２９の形状を参照）。

また、上部冷却通路２８は、図１に示すように軸方向に沿って固定子コア４の上方部分とコイルエンド３ｂの上方部分とに亘って設けられている。固定子コア４の上方部分は、固定子コア４の外周面を嵌合する嵌合部９ａに対応する。また、コイルエンド３ｂの上方部分は、空間Ｓ（図中符号Ｍおよび符号Ｎに対応する部分）の上方部分に対応する。

一方、下部冷却通路２９は、図１、２に示すようにケース９の底部に設けられ、図２に示すように回転子コア６の最下端より下方に位置し且つ冷媒２２の液面よりも下方に位置している。

下部冷却通路２９は、図１に示すように軸方向に沿って延在し且つ図２に示すようにケース９の内周面に沿って円周方向に等間隔に複数配列されている。隣接する下部冷却通路２９同士は、Ｕターン状に連結しておりこれにより全体として蛇行状の一の通路となっている（図５および図６参照）。

また、下部冷却通路２９は、図１に示すように軸方向に沿って固定子コア４の下方部分（一般部２９ａ）と、コイルエンド３ｂの下方部分（拡幅部２９ｂ）と、に亘って設けられている。固定子コア４の下方部分は、固定子コア４の外周面を嵌合する嵌合部９ａに対応する。また、コイルエンド３ｂの下方部分は、冷媒２２が貯留する空間Ｓ（図中符号Ｍおよび符号Ｎに対応する部分）の下方部分に対応する。

図５および図６に示すように一般部２９ａと拡幅部２９ｂとの境界には開閉弁２６が設けられている。この開閉弁２６の開閉により一般部２９ａのみに冷却水を流通させるか、一般部２９ａおよび拡幅部２９ｂに冷却水を流通させるか、を調整できるようになっている。図５に示すように一般部２９ａのみに冷却水を流通させる場合は、対応する固定子コア４のみを冷却できる。また、図６に示すように一般部２９ａおよび拡幅部２９ｂに冷却水を流通させる場合は、対応する固定子コア４に加えてコイルエンド３ｂが浸された液相冷媒２２ａを冷却できる。

「作用」
次に、本実施形態の作用について説明する。

図示せぬ制御器からの要求出力に応じて、リード線を介して三相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）のコイル３に電流が流れると、固定子２のコイル３で発生する磁束と、回転子５の磁石と、の磁場作用により回転子５が回転する。この回転子５の回転をケース９外に露出する出力軸７から取り出して、動力として利用できる。この時、コイル３は発熱する。

コイル３（主にコイル本体部３ａ）で発生した熱は、コイル３（主にコイル本体部３ａ）→固定子コア４→ケース９の嵌合部９ａ→冷却通路２８、２９を流通する冷却水２７を通じて、電動機１外に排出される。

一方、コイルエンド３ｂで発生した熱は、冷媒２２を介してケース９外に放熱される。つまり、コイルエンドの温度が冷媒２２の沸点以上に上昇すると、発熱部位としてのコイルエンド３ｂに接触する冷媒２２ａがコイルエンド３ｂの熱を受けて気化（２２ｂ）し且つ放熱部位としてのケース９に熱を与えて液化（滴下２２ｃ）することを交互に繰り返す（図４参照）。これにより、ケース９または固定子コアに直接接触していないコイルエンド３ｂで発生した熱を、効率的にケース９外に放熱できるようになっている。このため、従来のようにポンプおよび噴霧手段などを付設するまでもなく電動機１内を効率的に冷却できる。

ここで、ケース９の天井部分は上部冷却通路２８により他の部分より冷却されているため、このケース９の天井部分で多くの気相冷媒２２ｂが凝縮する。凝縮した冷媒２２ｃは、各突起部２４の頂点に集まり突起部２４の下方のコイルエンド３ｂ（コイルエンドのうち冷媒に浸っていないコイルエンド３ｂ）に滴下する。これにより、冷媒２２に浸っていないコイルエンド３ｂも冷却される。なお、コイルエンド３ｂに滴下した冷媒２２ｃもコイルエンド３ｂから熱を奪って再び気化し、気化と液化のサイクルを繰り返す（図４参照）。

また、コイルエンド３ｂの温度が上昇して冷媒２２の沸点温度より高いときは、拡幅部２９ｂにも冷却水２７が流通するようにバルブ２６が開かれる。このため、ケース９内の底部に貯留する液相冷媒２２ａが蒸発しきって無くなることはなく、コイルエンド３ｂの熱は、コイルエンド３ｂ→貯留する液相冷媒２２ａ→下部冷却通路２９の拡幅部２９ｂを流れる冷却水２７→ケース９外の経路を辿って、ケース９外に運びだすこともできるようになっている。

一方、電動機１起動直後などコイルエンド３ｂの温度が低く冷媒２２が沸点温度以下のときは、拡幅部２９ｂに冷却水２７が流通しないようにバルブ２６が閉じられる。このため、冷媒２２およびコイルエンド３ｂが過冷却されない。これは、冷媒２２が過冷却状態であると、冷媒２２の相状態の変化を利用したコイルエンド３ｂの冷却ができなくなるからである。また、コイル３が過冷却状態であると、コイル３の磁力が過大となり回転子５の出力制御が困難になるからでもある。

「効果」
この実施形態によれば以下のような効果を得ることができる。

この実施形態によれば、沸点温度がケース９内の許容限界温度以下の冷媒２２をケース９内に貯蔵した構造である。そのため、電動機１の運転時、冷媒２２がケース９内の構成部品（この例では主にコイルエンド３ｂ）の熱を受けて気化し且つ冷却部位としてのケース９で液化することを交互に繰り返しながら、ケース９内の構成部品（この例では主にコイルエンド３ｂ）の熱を効率的にケース９に伝達して電動機１外に放出する。結果、ポンプおよび噴霧手段などを付設するまでもなく、つまり電動機１を大型化することなく効率的に電動機１内を冷却できる。

また、この実施形態によれば、貯留する冷媒２２ａが少なくともコイルエンド３ｂに接する構造である。そのため、冷媒２２はケース９内で最も高温になるコイルエンド３ｂの熱を受ける。そのため冷媒２２の気化が促進されて冷媒２２の相状態変化が活発化されることで、ケース９内をさらに効率的に冷却できる。また、最も高温になるコイルエンドを効率的に冷却できる。

また、この実施形態によれば、貯留する冷媒２２ａが少なくともコイルエンド３ｂに接し且つ回転子に接しない構造である。そのため、一旦、冷媒２２がコイルエンド３ｂから奪った熱を、ケース９に伝達する前に温度の低い回転子５に奪われずにすむ。そのため、さらに効率的にコイルエンド３ｂの熱を電動機１外に放熱できる。

また、この実施形態によれば、ケース９にはコイルエンド３ｂの上方に上部冷却通路２８を備える構造である。そのため、冷媒２２の結露・滴下をコイルエンド３ｂの上方に集中させることができる。これにより、液相冷媒２２ａに浸っていないコイルエンド３ｂも効率的に冷却できる。なお、他の冷媒（冷却水２７）の温度は、放熱部位としてのケース９の通常運転時の温度よりも低く設定されている。これにより、ケース９に伝達された熱は、冷却水２７により速やかにケース９外に排出されることとなる。

また、この実施形態によれば、ケース９には、固定子コア４の上方およびコイルエンド３ｂの上方に上部冷却通路２８を備える構造である。そのため、上述の効果に加え、固定子コア４に埋設されるコイル３の本体部３ａの熱も、固定子コア４→ケース９（の嵌合部９ａ）→上部冷却通路２８を通じて電動機１外に効率的に排出できる。

また、この実施形態では、上部冷却通路２８はケース９の軸方向に向けて延在している構造である。そのため、冷却通路２８の形状を複雑化せずに固定子コア４およびコイルエンド３ｂの双方を冷却水２７により効率的に冷却できる。

また、この実施形態によれば、ケース９には冷媒２２の貯留する空間Ｓの下方位置に下部冷却通路２９（拡幅部２９ｂ）を備える構造である。そのため、必要に応じてケース９内の底部に貯留する液冷媒２２ａが蒸発しきって無くなることを防止できる。また、下部冷却通路２９（拡幅部２９ｂ）を流れる冷却水２７によりコイルエンド３ｂの熱をケース９外に運びだすこともできる。

また、この実施形態では、コイルエンド３ｂの温度が冷媒２２の沸点温度以上にとき下部冷却通路２９の拡幅部２９ｂに冷却水２７を流し、一方、コイルエンド３ｂの温度が冷媒２２の沸点温度以下にとき下部冷却通路２９の拡幅部２９ｂに冷却水２７を流さない。そのため、コイルエンド３ｂが過冷却状態になることが防止される。

また、この実施形態によれば、下部冷却通路２９は固定子コア４の下方および空間Ｓの下方に設けられている。そのため、固定子コア４およびコイルエンド３ｂの双方を冷却水２７により効率的に冷却できる。

また、この実施形態によれば、下部冷却通路２９はケース９の軸方向に向けて固定子コア４の下方および空間Ｓの下方に跨って設けられている。そのため、冷却通路２９の形状が複雑化せずにすむ。

また、この実施形態によれば、コイルエンド３ｂの上方にケース９内周面に、下方に向けて突設された突起部２４を設けた構造である。そのため、突起部２４に結露した冷媒が集まりコイルエンド３ｂに滴下冷媒が集中しやすい。そのため、液相冷媒２２ａに浸っていないコイルエンド３ｂも十分に冷却できる。

特に、この実施形態によれば、冷媒２２の沸点温度は、通常運転時におけるコイルエンド３ｂの温度以下であって且つ通常運転時におけるケース９の天井部位の温度以上である。そのため、冷媒の状態変化が活発になり、コイルエンド３ｂ全体を効率よく冷却できる。

なお、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で本実施形態を変更することができる。例えば、下記のような変更が可能である。

冷媒２２の沸点・凝縮温度などを決定する冷媒の種類は、電動機の性能及びコイルエンドの発熱温度により決定することでできる。

また、冷却通路２８、２９に流す冷媒は、冷却水に限られず例えば空気などを流してもよい。

また、ケース９内周面に設けた突起部２４は、本実施形態の形状に限られるものではなくコイルエンド３ｂ上部に冷媒の滴下を集められるような形状であればよい。

また、上記実施形態では下部冷却通路２９の拡幅部２９ｂを開閉する開閉弁２６を設けたが、流路を変更できる構成であれば開閉構造はどのような構造であってもよい。

また、開閉弁を開閉するタイミングは冷媒２２の温度や冷却水２７の温度を基準としてもよい。

また、上記実施形態では冷却通路２８、２９の形状は蛇行状であるが、冷却通路２８、２９の形状は互いに平行に複数配列される流路として構成してもよい。

本発明の一実施形態にかかる電動機の冷却構造を示す断面図であって、図２中Ｉ−Ｉ線に沿う断面図。 図１中ＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図 この実施形態の電動機の構成部品と冷媒の温度との関係を示す模式図。 この実施形態の冷媒の状態変化を示す模式図。 図１および図２中Ｖ−Ｖ線に沿う概略断面図であって、下部冷却通路の拡幅部を閉じて一般部のみに冷媒を流通させた状態を示す模式図。 図１および図２中Ｖ−Ｖ線に沿う概略断面図であって、下部冷却通路の一般部および拡幅部に冷媒を流通させた状態を示す模式図。

符号の説明

１：電動機
２：固定子
３：コイル（磁気発生部）
３ａ：コイル本体部
３ｂ：コイルエンド（磁気発生部の突出部）
４：固定子コア
５：回転子
６：回転子コア
７：出力軸
８：軸受
９：ケース
１４：ケース本体
１５：前部カバー
１６：後部カバー
２２：冷媒
２２ａ：液相冷媒
２２ｂ：気相冷媒
２２ｃ：滴
２４：突起
２６：バルブ
２７：冷却水（他の冷媒）
２８：上部冷却通路
２９：下部冷却通路
２９ｂ：拡幅部

Claims (10)

1. 磁力を発生させる磁力発生部および該磁力発生部を固定する固定子コアを有する固定子と、
   前記固定子の磁力によって回転する回転子と、
   前記固定子および前記回転子を内側に収容するケースと、
   を備え、
   前記ケース内に、沸点温度が前記ケース内の許容限界温度より低い冷媒を貯留したことを特徴とする電動機の冷却構造。
2. 請求項１に記載の電動機の冷却構造であって、
   前記ケース内の底部に溜まる冷媒は、前記磁気発生部のうちの前記固定子コアから突出する突出部に接触していることを特徴とする電動機の冷却構造。
3. 請求項１に記載の電動機の冷却構造であって、
   前記ケース内の底部に溜まる冷媒は、前記回転子とは接触せず且つ前記磁気発生部のうち前記固定子コアから突出する突出部に接触していることを特徴とする電動機の冷却構造。
4. 請求項１に記載の電動機の冷却構造であって、
   前記回転子の回転軸が略水平方向に向けられた構造であり、
   前記磁力発生部は、前記固定子コアの軸方向端面から該軸方向端面と前記ケース内面との間に形成される空間に向けて突出する突出部を備え、
   前記ケース内の前記空間の底部に溜まる冷媒は、その液面が前記回転子よりも下方に位置し且つ少なくとも１つの前記磁気発生部の突出部よりも上方に位置することを特徴とする電動機の冷却構造。
5. 請求項２〜４の何れか１項に記載の電動機の冷却構造であって、
   前記ケースには、前記磁気発生部の突出部の上方に上部冷却通路を備えることを特徴とする電動機の冷却構造。
6. 請求項２〜４の何れか１項に記載の電動機の冷却構造であって、
   前記ケースには、前記固定子コアの上方および前記磁気発生部の突出部の上方に上部冷却通路を備えることを特徴とする電動機の冷却構造。
7. 請求項２〜６の何れか１項に記載の電動機の冷却構造であって、
   前記ケースには、少なくとも前記冷媒の貯留部の下方に下部冷却通路を備えることを特徴とする電動機の冷却構造。
8. 請求項７に記載の電動機の冷却構造であって、
   前記下部冷却通路を、前記磁気発生部の突出部が前記冷媒の沸点温度以上のときに使用し且つ前記冷媒の沸点以下のときには使用しないことを特徴とする電動機の冷却構造。
9. 請求項２〜８の何れか１項に記載の電動機の冷却構造であって、
   前記ケース内周面のうち前記磁気発生部の突出部の上方には、下方に向けて突設された突起部を備えることを特徴とする電動機の冷却構造。
10. 請求項１〜９の何れか１項に記載の電動機の冷却構造であって、
    前記冷媒は、
    その沸点温度が、前記電動機の通常運転時における前記磁気発生部の突出部の温度以下であって且つ前記電動機の通常運転時における前記ケースの天井部位の温度以上であることを特徴とする電動機の冷却構造。
    
    

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