JP2011217438A - Cooling system for rotating electric machine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、回転電機の冷却装置に関する。特に、ステータコイルを冷却油等の冷却媒体によって冷却する回転電機の冷却装置に関する。 The present invention relates to a cooling device for a rotating electrical machine. In particular, the present invention relates to a cooling device for a rotating electric machine that cools a stator coil with a cooling medium such as cooling oil.
モータや発電機などの回転電機のコイルに電流が流れるとコイルが発熱し、回転電機の効率が低下する。そのため、発熱したコイルを適切に冷却する冷却装置が必要とされる。そこで、ステータコイルのコイルエンド等を冷却油によって冷却する回転電機の冷却装置が開示されている。 When a current flows through a coil of a rotating electrical machine such as a motor or a generator, the coil generates heat and the efficiency of the rotating electrical machine decreases. Therefore, a cooling device for properly cooling the generated coil is required. Therefore, a cooling device for a rotating electrical machine that cools a coil end or the like of a stator coil with cooling oil is disclosed.
特許文献1には、ステータコア及びステータのコイルエンドの上方であって、回転軸に平行な方向に沿って下方に開口した冷却油噴出口を備える回転電機の冷却装置が開示されている。ここでは、ステータコアよりもコイルエンドに供給する冷却油量を多くするために、ステータコアに向けられた冷却油噴出口よりコイルエンドに向けられた冷却油噴出口を大きくしている。
また、特許文献2には、コイルエンドに冷却油を供給する冷却油パイプ及び吐出穴を着油点における接線に対して25度以上30度以下の入射角θ1で冷却油が入射するように配置する技術が開示されている。 In Patent Document 2, the cooling oil pipe for supplying cooling oil to the coil end and the discharge hole are arranged so that the cooling oil enters at an incident angle θ1 of 25 degrees or more and 30 degrees or less with respect to the tangent at the oiling point. Techniques to do this are disclosed.
しかしながら、上記特許文献2に開示された技術では、いずれの冷却油噴出口も同一の穴径で設けられており、コイルエンド側面では油量が足りず、コイルエンド部分を十分に冷却できないという問題があった。 However, in the technique disclosed in Patent Document 2, all the cooling oil jet nozzles are provided with the same hole diameter, and the amount of oil is insufficient on the side surface of the coil end, so that the coil end portion cannot be sufficiently cooled. was there.
本発明の1つの態様は、回転軸方向におけるステータコアの端部に形成されるコイルエンドを冷却媒体によって冷却する回転電機の冷却装置であって、前記冷却媒体を供給するための冷却媒体路を備え、前記冷却媒体路は、前記コイルエンドの外周面に向けて前記冷却媒体を吐出するために、前記コイルエンドに正対向する方向に開口された第1の吐出穴と、前記第1の吐出穴と前記冷却媒体路の周方向にずれた位置に前記コイルエンドに正対向しない方向に向かって開口された第2の吐出穴と、を備え、前記第2の吐出穴は、前記第1の吐出穴よりも大きな開口径を有することを特徴とする。 One aspect of the present invention is a cooling device for a rotating electric machine that cools a coil end formed at an end portion of a stator core in a rotation axis direction with a cooling medium, and includes a cooling medium path for supplying the cooling medium. The cooling medium path has a first discharge hole opened in a direction facing the coil end in order to discharge the cooling medium toward the outer peripheral surface of the coil end, and the first discharge hole. And a second discharge hole opened in a direction not facing the coil end at a position shifted in the circumferential direction of the cooling medium path, wherein the second discharge hole is the first discharge hole. It has a larger opening diameter than the hole.
ここで、前記第2の吐出穴の数は、前記第1の吐出穴の数よりも多いことが好適である。 Here, it is preferable that the number of the second discharge holes is larger than the number of the first discharge holes.
また、前記冷却媒体路は、前記ステータコアに正対向する方向に開口された第3の吐出穴を備え、前記第3の吐出穴と前記冷却媒体路の周方向にずれた位置に吐出穴は備えないことが好適である。 The cooling medium path includes a third discharge hole opened in a direction facing the stator core, and the discharge hole is provided at a position shifted from the third discharge hole in the circumferential direction of the cooling medium path. It is preferred not to.
本発明によれば、回転電機を効果的に冷却することができる。 According to the present invention, the rotating electrical machine can be effectively cooled.
図1は、本発明の実施の形態による回転電機の冷却装置100の内部側面図を示す。図2は、図1のラインX−Xに沿った断面部分拡大図である。
FIG. 1 shows an internal side view of a
回転電機の冷却装置100は、ステータコア10、ロータ12、コイルエンド14a,14b、回転シャフト16、冷却油パイプ18及び装置ケース20を含んで構成される。
The rotating electrical
ステータコア10は、回転軸方向に電磁鋼板を積層してかしめることによって形成される。ステータコア10は、装置ケース20に設置される。ステータコア10には、ステータ磁界を形成するためのコイル24が巻回される。ロータ12は、回転シャフト16に取り付けられる。回転シャフト16は、ロータ12と連動して回転するこの回転電機の回転軸である。回転シャフト16は、装置ケース20内においてロータ12が回転可能となるように装置ケース20に設置される。
The
ロータ12の内部にはロータ磁界を形成するための永久磁石が配置される。ロータ12によって形成されるロータ磁界と、ステータコア10のコイル24に電流を流すことによって形成されるステータ磁界と、の相互作用によってロータ12が回転シャフト16と連動して回転軸の周りを回転する。
A permanent magnet for forming a rotor magnetic field is disposed inside the
コイルエンド14a,14bは、ステータコア10に巻回されたコイル24によって回転軸方向におけるステータコア10の両側に形成される。
The coil ends 14 a and 14 b are formed on both sides of the
冷却油パイプ18は、コイルエンド14a,14bを含むステータコア10を冷却するための冷却油を供給するための給油管である。冷却油パイプ18は、例えば、塩化ビニル等のプラスチック材料やステンレス等の金属で構成することができる。塩化ビニル等のプラスチックで冷却油パイプ18を構成する場合、型を用いて必要な形状を得ることができる。冷却油パイプ18は、回転シャフト16の回転軸に沿って、ステータコア10およびコイルエンド14a,14bの上方に配設される。特に、図2に示すように、冷却油パイプ18は、回転シャフト16の回転軸の中心を通る垂線L1上に沿って配置することが好適である。冷却油パイプ18には、回転軸方向において少なくともコイルエンド14a,14bの上方に位置するようにそれぞれ吐出穴26a,26b,26cが設けられる。吐出穴26a,26b,26cは、コイルエンド14a,14bの両方の上方に設けることが好適である。また、コイルエンド14a,14bの上方以外の場所にも吐出穴26d等を設けてもよい。
The
冷却油パイプ18は、オイルポンプ(図示しない)に接続され、冷却油パイプ18内に冷却油を供給する。オイルポンプは、例えば、機械式のギアポンプや電動式ポンプ等を含んで構成される。オイルポンプを動かすことによって、冷却油パイプ18を介して、吐出穴26a,26b,26cから吐出される冷却油がそれぞれコイルエンド14a,14bの上方からコイルエンド14a,14bに供給される。
The
図2には、冷却油パイプ18の吐出穴26a,26b,26cから吐出される冷却油28の軌跡も併せて示している。なお、冷却油パイプ18に設けられる吐出穴26a,26b,26cからの冷却油28の吐出の軌跡はいずれの場所に設けられた場合であって同様であるので、ここではコイルエンド14aの上方に設けられた吐出穴26a,26b,26cについて代表的に説明する。
FIG. 2 also shows the locus of the cooling oil 28 discharged from the
図2に示されるように、吐出穴26bは、冷却油パイプ18のコイルエンド14aに正対向する位置に開口される。例えば、冷却油パイプ18をステータコア10の上方に設置した場合には鉛直下向きに開口すればよい。これにより、吐出穴26bから吐出される冷却油28は、コイルエンド14aの最上点Bに着油する。また、吐出穴26a,26cは、それぞれ吐出穴26bに対して正対向する位置から冷却油パイプ18の周方向にずれた位置に開口される。例えば、冷却油パイプ18をステータコア10の上方に設置した場合には斜め下向きに開口される。吐出穴26a,26cから吐出される冷却油28は、コイルエンド14aの最上点Bから両周方向にずれた着油点A及びCに着油する。
As shown in FIG. 2, the
吐出穴26bから吐出された冷却油28は、コイルエンド14aの下方に向けて流れ落ちる。また、吐出穴26a,26cから吐出された冷却油28も、コイルエンド14aの外周上を伝いつつコイルエンド14aの下方に向けて流れ落ちる。このとき、冷却油28は、コイルエンド14bから熱を奪いつつコイルエンド14bの下方へ流れ落ちる。
The cooling oil 28 discharged from the
ここで、吐出穴26a,26cは、吐出穴26bよりも大きな穴径とすることが好適である。具体的には、吐出穴26a,26cの穴径は、吐出穴26bの穴径の1.1倍以上2倍以下とすることがより好適である。このように、コイルエンド14a,14bの側面に着油点A及びCを有する吐出穴26a,26cを設けると共に、吐出穴26a,26cの穴径を吐出穴26bの穴径よりも大きくすることによって、冷却により多くの油量を必要とするコイルエンド14a,14bにより多くの冷却油28を供給することができ、コイルエンド14a,14bの側面を効果的に冷却することができる。
Here, it is preferable that the
また、吐出穴26a,26cの穴径を吐出穴26bの穴径よりも大きくする代りに、又は大きくすることに加えて、図3に示すように吐出穴26a,26cの数を吐出穴26bの数よりも多くしてもよい。この場合、吐出穴26a,26cの各々の合計面積が、吐出穴26bの合計面積よりも大きくなるようにすることがより好適である。例えば、吐出穴26bを1つ設けた場合、吐出穴26bと同程度の大きさの吐出穴26a,26cをそれぞれ2つずつ設けることが好適である。これによって、吐出穴26a,26cの穴径を吐出穴26bの穴径よりも大きくした場合と同様に、コイルエンド14a,14bの側面により多くの冷却油28を供給することができ、コイルエンド14a,14bの側面を効果的に冷却することができる。また、吐出穴26a,26b,26cの穴径を同一にして、開口面積を穴の数で調整できるので加工がより容易となる。
Further, instead of or in addition to making the hole diameters of the
なお、冷却油パイプ18および吐出穴26a,26cは、図2に示すように、冷却油28のコイルエンド14a,14bへの入射角がθ1となるように配置することが好適である。すなわち、冷却油パイプ18の吐出穴26a,26cから吐出された冷却油28が着油点A,Cにおけるコイルエンド14a又は14bの外周円の接線L3に対して入射角θ1で入射するようにする。
The cooling
この入射角θ1は、コイルエンド14a,14bへの冷却油28の着油率が最大となるように決定することが好適である。そして、コイルエンド14a,14bへの冷却油28の着油率を最大とするには、コイルエンド14a,14bへの冷却油28の入射角θ1を25°以上30°以下とすることが望ましい。コイルエンド14a,14bへの冷却油28の入射角θ1が25°よりも鋭角のときは、ある一定の流速uを有する冷却油28がコイルエンド14a,14bの着油点A,Cに衝突すると、コイルエンド14a,14bの表面で反射してコイルエンド14a,14bの外部へ跳ね飛ぶ量が多くなる。したがって、コイルエンド14a,14bへの冷却油28の着油率は低下する。一方、コイルエンド14a,14bへの冷却油28の入射角θ1が30°よりも鈍角のときは、ある一定の流速uを有する冷却油28がコイルエンド14a,14bの着油点A,Cに衝突すると、コイルエンド14a,14bから外部へ飛散する冷却油28の量が増大する。したがって、コイルエンド14a,14bへの冷却油28の着油率は低下する。このように、コイルエンド14a,14bへの冷却油28の着油率は、コイルエンド14a,14bへの冷却油28の入射角θ1が25°以上30°以下の範囲で最大となる。 It is preferable that the incident angle θ1 is determined so that the oil landing rate of the cooling oil 28 on the coil ends 14a and 14b is maximized. And, in order to maximize the rate of the cooling oil 28 landing on the coil ends 14a, 14b, it is desirable that the incident angle θ1 of the cooling oil 28 on the coil ends 14a, 14b is 25 ° or more and 30 ° or less. When the incident angle θ1 of the cooling oil 28 to the coil ends 14a and 14b is an acute angle than 25 °, the cooling oil 28 having a certain flow velocity u collides with the oil landing points A and C of the coil ends 14a and 14b. The amount of reflection on the surfaces of the coil ends 14a and 14b and jumping to the outside of the coil ends 14a and 14b increases. Therefore, the oil deposit rate of the cooling oil 28 to the coil ends 14a and 14b is lowered. On the other hand, when the incident angle θ1 of the cooling oil 28 to the coil ends 14a and 14b is an obtuse angle than 30 °, the cooling oil 28 having a certain flow velocity u reaches the oil landing points A and C of the coil ends 14a and 14b. When the collision occurs, the amount of the cooling oil 28 scattered from the coil ends 14a and 14b to the outside increases. Therefore, the oil deposit rate of the cooling oil 28 to the coil ends 14a and 14b is lowered. As described above, the oil oil landing rate of the cooling oil 28 to the coil ends 14a and 14b becomes the maximum when the incident angle θ1 of the cooling oil 28 to the coil ends 14a and 14b is in the range of 25 ° to 30 °.
また、冷却油パイプ18および吐出穴26a,26cは、吐出穴26a,26cから吐出された冷却油28の着油点A,Cがコイルエンド14a,14bの最上点Bからコイルエンド14a,14bの円周方向に角度θ2だけ傾いた位置となるように配置することが好適である。すなわち、垂線L1を回転軸まわりに角度θ2だけ回転した直線L2がコイルエンド14a,14bの外周円と交差する点を冷却油28の着油点A,Cとするように、冷却油パイプ18および吐出穴26a,26cを設ける。
Further, the cooling
この角度θ2は、冷却油28によるコイルエンド14a,14bの被油率が最大となるように決定することが好適である。そして、冷却油28によるコイルエンド14a,14bの被油率を最大とするには、角度θ2が略30°となるようにすればよい。コイルエンド14a,14bへの冷却油28の着油点A,Cを規定する傾斜角θ2が30°よりも鋭角のときは、冷却油パイプ18から吐出された冷却油28が着油点A,Cに着油すると、冷却油28は、環状のコイルエンド14a,14bを伝わることなくコイルエンド14a,14bを突き抜ける。したがって、冷却油28によるコイルエンド14a,14bの被油率は非常に小さくなり、冷却油28によるコイルエンド14a,14bの冷却機能は十分なものにならない。また、ロータ12に大量の冷却油28が流れ込むため、冷却油28の粘性によりロータ12の回転抵抗となり、回転電機の効率を悪化させる可能性がある。一方、傾斜角θ2が30°よりも鈍角のときは、着油点A,Cに冷却油パイプ18から吐出された冷却油28が着油すると、冷却油はコイルエンド14a,14bを伝わって下方へ流れ落ちる。しかしながら、傾斜角θ2が30°よりも小さい範囲、すなわち、両側の着油点A,Cの間のコイルエンド14a,14bの上部側においては、冷却油28が供給されず、全体としてコイルエンド14a,14bの被油率を大きくすることはできない。
This angle θ2 is preferably determined so that the oil coverage of the coil ends 14a, 14b by the cooling oil 28 is maximized. In order to maximize the oil coverage of the coil ends 14a and 14b by the cooling oil 28, the angle θ2 may be set to approximately 30 °. When the inclination angle θ2 that defines the oil landing points A and C of the cooling oil 28 to the coil ends 14a and 14b is an acute angle of more than 30 °, the cooling oil 28 discharged from the cooling
なお、コイルエンド14a,14bの上方以外のステータコア10の領域では、冷却油パイプ18に吐出穴26dを冷却油パイプ18の延伸方向に沿って1つずつ設けることが好適である。すなわち、コイルエンド14a,14b以外の領域では、吐出穴26dと冷却油パイプ18の周方向にずれた位置には吐出穴を設けないことが好適である。例えば、吐出穴26dは、冷却油パイプ18のステータコア10に対向する位置に設ければよい。すなわち、冷却油パイプ18をステータコア10の上方に設置した場合には鉛直下向きに開口すればよい。これは、コイルエンド14a,14b以外の領域では、鉛直下向きに吐出穴26dを設ければ冷却に必要十分な量の冷却油をステータコア10に供給することができるからである。また、吐出穴26dを不要に多数設けることなく、回転電機の冷却装置100の加工工程を低減し、製造コストも低減することができる。
In addition, in the region of the
また、本実施の形態においては、冷却油を供給する冷却油パイプ18は、ステータコア10及びコイルエンド14a,14bの鉛直方向最上点の上方に配設され、かつ、1本の配管からなるものとしたが、これに限定されるものではなく、複数本の冷却油パイプ18によって構成されてもよい。例えば、ステータコア10及びコイルエンド14a,14bの鉛直上方に複数本の冷却油パイプ18をロータ12の回転軸方向に沿って並べて配置してもよい。さらに、冷却油パイプ18は、装置ケース20に固設されるものとしたが、ステータコア10に固設されてもよい。
Further, in the present embodiment, the cooling
また、本発明による回転電機の冷却装置は、近年大きく注目されているハイブリッド自動車(HybridVehicle)や電気自動車(ElectricVehicle)において好適である。ハイブリッド自動車は、エンジンに加え、直流電源とインバータとインバータによって駆動される回転電機(モータジェネレータ)とを動力源とする自動車である。また、電気自動車は、直流電源とインバータとインバータによって駆動される回転電機(モータジェネレータ)とを動力源とする自動車である。このようなハイブリッド自動車や電気自動車などの車両においては、高出力化、低燃費化、小型化、低コスト化、高信頼性などの諸特性が要求されるところ、本実施の形態における回転電機の冷却装置100によれば、回転電機の冷却性が向上することにより回転電機をより高負荷で駆動させることができ、その結果、車両の高出力化を実現できる。また、効果的な冷却により回転電機の効率低下を抑制でき、その結果、車両の低燃費化を実現できる。さらに、回転電機の体格増大を伴なわないので、車両の小型化や軽量化、低コスト化などに寄与することができる。また、さらに、回転電機の冷却性が十分に確保されることによって回転電機の信頼性も向上する。
Moreover, the cooling device for a rotating electrical machine according to the present invention is suitable for a hybrid vehicle (Hybrid Vehicle) and an electric vehicle (Electric Vehicle) which have attracted much attention in recent years. A hybrid vehicle is a vehicle that uses a DC power source, an inverter, and a rotating electrical machine (motor generator) driven by the inverter as a power source in addition to an engine. An electric vehicle is a vehicle that uses a DC power source, an inverter, and a rotating electrical machine (motor generator) driven by the inverter as a power source. Such vehicles such as hybrid vehicles and electric vehicles require various characteristics such as high output, low fuel consumption, small size, low cost, and high reliability. According to the
10 ステータコア、12 ロータ、14a,14b コイルエンド、14b コイルエンド、16 回転シャフト、18 冷却油パイプ、20 装置ケース、24 コイル、26a,26b,26c,26d 吐出穴、28 冷却油、100 冷却装置。
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記冷却媒体を供給するための冷却媒体路を備え、
前記冷却媒体路は、前記コイルエンドの外周面に向けて前記冷却媒体を吐出するために、前記コイルエンドに正対向する方向に開口された第1の吐出穴と、前記第1の吐出穴と前記冷却媒体路の周方向にずれた位置に前記コイルエンドに正対向しない方向に向かって開口された第2の吐出穴と、を備え、
前記第2の吐出穴は、前記第1の吐出穴よりも大きな開口径を有することを特徴とする回転電機の冷却装置。 A cooling device for a rotating electrical machine that cools a coil end formed at an end portion of a stator core in a rotation axis direction with a cooling medium,
A cooling medium path for supplying the cooling medium;
The cooling medium path includes a first discharge hole opened in a direction facing the coil end in order to discharge the cooling medium toward the outer peripheral surface of the coil end, and the first discharge hole. A second discharge hole opened toward a direction not facing the coil end at a position shifted in the circumferential direction of the cooling medium path,
The cooling device for a rotating electric machine, wherein the second discharge hole has a larger opening diameter than the first discharge hole.
前記第2の吐出穴の数は、前記第1の吐出穴の数よりも多いことを特徴とする回転電機の冷却装置。 The cooling device for a rotating electric machine according to claim 1,
The number of the second discharge holes is larger than the number of the first discharge holes.
前記冷却媒体路は、前記ステータコアに正対向する方向に開口された第3の吐出穴を備え、前記第3の吐出穴と前記冷却媒体路の周方向にずれた位置に吐出穴は備えないことを特徴とする回転電機の冷却装置。 A cooling device for a rotating electrical machine according to claim 1 or 2,
The cooling medium path includes a third discharge hole opened in a direction directly opposite to the stator core, and no discharge hole is provided at a position shifted in the circumferential direction of the third discharge hole and the cooling medium path. A cooling device for a rotating electric machine.
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