JP2012223075A - 回転電機の冷却構造 - Google Patents

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Abstract

【課題】ロータコアがより均一に冷却される回転電機の冷却構造、を提供する。
【解決手段】モータジェネレータ10の冷却構造は、中心軸101の軸方向に貫通する貫通孔41が形成され、その貫通孔41の内部にオイルが流通するオイル通路42を形成するロータコア21と、ロータコア21に設けられる永久磁石27とを有するロータ20を備える。貫通孔41は、オイル通路42の断面積Sがオイル流れの上流側よりも下流側の方で大きくなるように形成される。
【選択図】図1

Description

この発明は、一般的には、回転電機の冷却構造に関し、より特定的には、ロータコアに冷媒を流通させるための冷媒通路が形成される回転電機の冷却構造に関する。
従来の回転電機の冷却構造に関して、たとえば、実開平6−48355号公報には、回転子の冷却効率を向上させることを目的とした回転電機の回転子が開示されている(特許文献1)。特許文献1に開示された回転電機の回転子においては、回転子鉄心に、回転子軸に対して傾斜して延びる風孔が形成されている。
また、特開2009−273284号公報には、ステータコアを含むモータの冷却を効率的に行なうことを目的としたモータが開示されている(特許文献2)。特許文献2に開示されたモータにおいては、ロータコアの両端部に配置されたエンドプレートに、冷却液を流通させるための冷却液流路と、冷却液流路に流れる冷却液をコイルエンドに向けて噴射させるための冷却液噴出口とが形成されている。
実開平6−48355号公報 特開2009−273284号公報
上述の特許文献1に開示されるように、ロータの回転に伴って発熱するロータコアを冷却するために、ロータの回転軸方向に延びる冷媒通路をロータコアに形成する構造が用いられている。しかしながら、このように形成された冷媒通路に冷媒を流通させると、冷媒の温度は、ロータコアからの受熱によって徐々に上昇してゆく。結果、冷媒流れの上流側よりも下流側で冷媒による冷却能力が低下し、ロータコアを均一に冷却することができないという懸念が生じる。
そこでこの発明の目的は、上記の課題を解決することであり、ロータコアがより均一に冷却される回転電機の冷却構造を提供することである。
この発明に従った回転電機の冷却構造は、回転軸方向に貫通する貫通孔が形成され、その貫通孔の内部に冷媒が流通する冷媒通路を形成するロータコアと、ロータコアに設けられる磁石とを有するロータを備える。貫通孔は、冷媒通路の断面積が冷媒流れの上流側よりも下流側の方で大きくなるように形成される。
このように構成された回転電機の冷却構造によれば、貫通孔は、冷媒通路の断面積が冷媒流れの上流側よりも下流側の方で大きくなるように形成されるため、冷媒通路を流れる冷媒とロータコアとの接触面積が、冷媒流れの上流側よりも下流側で大きくなる。これにより、ロータコアからの受熱によって冷媒温度が上昇する傾向にある冷媒流れの下流側において、冷媒とロータコアとの間の熱交換を促進させることができる。結果、磁石の発熱によって高温となったロータコアを、より均一に冷却することができる。
また好ましくは、回転電機の冷却構造は、ロータコアの外周上に配置されるステータコアと、ステータコアに巻回されるコイルとを有するステータをさらに備える。コイルは、ロータの回転軸方向におけるステータコアの端面から突出するコイルエンド部を含む。冷媒通路は、ロータから排出された冷媒がコイルエンド部に向かうように、ロータの回転軸に対して傾斜して延びる。
このように構成された回転電機の冷却構造によれば、ロータコアを冷却した後の冷媒を利用して、コイルエンド部を冷却することができる。
また好ましくは、磁石は、ロータコアに埋設され、ロータの回転軸方向に延伸する。このように構成された回転電機の冷却構造によれば、磁石の発熱によって高温となったロータコアを、ロータの回転軸方向において均一に冷却することができる。
また好ましくは、貫通孔は、冷媒通路と磁石との間の距離が冷媒流れの上流側よりも下流側の方で小さくなるように形成される。このように構成された回転電機の冷却構造によれば、冷媒通路と発熱源である磁石との間が、冷媒流れの上流側よりも下流側で近接する。これにより、冷媒流れの下流側において冷媒とロータコアとの間の熱交換をさらに促進させ、ロータコアをより均一に冷却することができる。
以上に説明したように、この発明に従えば、ロータコアがより均一に冷却される回転電機の冷却構造を提供することができる。
この発明の実施の形態1におけるモータジェネレータの冷却構造が適用された車両用駆動ユニットを模式的に表わす断面図である。 図1中のII−II線上に沿ったモータジェネレータを示す断面図である。 図1中のIII−III線上に沿ったモータジェネレータを示す断面図である。 図1中のIV−IV線上に沿ったモータジェネレータを示す断面図である。 図1中の矢印Vに示す方向から見たモータジェネレータを示す端面図である。 この発明の実施の形態2におけるモータジェネレータの冷却構造を示す断面図である。 図6中のVII−VII線上に沿ったモータジェネレータを示す断面図である。 図6中のVIII−VIII線上に沿ったモータジェネレータを示す断面図である。
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、以下で参照する図面では、同一またはそれに相当する部材には、同じ番号が付されている。
(実施の形態1)
図1は、この発明の実施の形態1におけるモータジェネレータの冷却構造が適用された車両用駆動ユニットを模式的に表わす断面図である。図中に示す車両用駆動ユニットは、ガソリンエンジンやディーゼルエンジン等の内燃機関と、充放電可能な2次電池(バッテリ)から電力供給を受けるモータとを動力源とするハイブリッド自動車に設けられている。
図1を参照して、車両用駆動ユニットは、モータジェネレータ10を有する。モータジェネレータ10は、ハイブリッド自動車の走行状態に合わせて電動機もしくは発電機として機能する回転電機である。
モータジェネレータ10は、その構成部品として、ロータ20およびステータ30を有する。ロータ20は、仮想軸である中心軸101を中心に回転する。すなわち、中心軸101がロータ20の回転軸である。ロータ20の外周上には、ステータ30が配置されている。
ロータ20は、ロータコア21と、エンドプレート22およびエンドプレート23と、複数の永久磁石27とを有する。ロータコア21は、中心軸101の軸方向に延びる。ロータコア21は、中心軸101の軸方向に積層された複数枚の電磁鋼板から構成されている。ロータコア21は、中心軸101の軸方向に距離を隔てて設けられた図示しないベアリングにより回転自在に支持されている。ロータコア21は、複数の歯車を含んで構成された減速機構15に接続されている。
ロータコア21の一方端には、オイルポンプ12が設けられている。オイルポンプ12は、ロータコア21の回転に伴ってオイルを吐出するギヤ式オイルポンプである。オイルポンプ12から吐出されたオイルは、モータジェネレータ10の各部を冷却もしくは潤滑するため、ロータ20に導入される。
なお、ロータ20にオイルを供給する手段は、図中に示すようなポンプに限られず、たとえば、ギヤによって掻き揚げられたオイルをキャッチタンクに集合させ、そのオイルを重力によりロータ20に導く機構であってもよい。
ロータコア21は、中心軸101が延びる方向の一方端側に面する端面21aと、中心軸101が延びる方向の他方端側に面する端面21bとを有する。端面21aおよび端面21bは、それぞれ、中心軸101に直交する平面内で延在している。端面21aおよび端面21bは、中心軸101の軸方向において両端に配置された電磁鋼板の表面により構成されている。
エンドプレート22およびエンドプレート23は、中心軸101を中心とする円盤状の形状を有する。エンドプレート22は、端面21aと接触するように設けられ、エンドプレート23は、端面21bと接触するように設けられている。エンドプレート22およびエンドプレート23は、中心軸101の軸方向における両側からロータコア21を挟持するように設けられている。エンドプレート22およびエンドプレート23は、ロータコア21を構成する複数枚の電磁鋼板を一体に保持するために設けられている。エンドプレート22は、中心軸101が延びる方向の一方端側に面する端面22aを有し、エンドプレート23は、中心軸101が延びる方向の他方端側に面する端面23bを有する。
図2は、図1中のII−II線上に沿ったモータジェネレータを示す断面図である。なお、図中には、中心軸101を中心とした周方向の90°の範囲のモータジェネレータの断面が示されている。
図1および図2を参照して、複数の永久磁石27は、ロータコア21に設けられている。本実施の形態では、永久磁石27がロータコア21に埋設されている。永久磁石27は、中心軸101の軸方向に延伸して設けられている。
より具体的には、ロータコア21には、複数の磁石挿入孔28が形成されている。磁石挿入孔28は、端面21aおよび端面21bに開口するようにロータコア21を貫通する。磁石挿入孔28は、中心軸101の軸方向に延びている。複数の磁石挿入孔28は、中心軸101を中心とする周方向に互いに間隔を隔てて形成されている。複数の永久磁石27は、それぞれ複数の磁石挿入孔28に挿入されることによってロータコア21に埋設されている。
なお、上記に説明したように、ロータ20は、永久磁石27がロータコア21に埋設されるIPM(Interior Permanent Magnet)タイプのロータであるが、これに限らず、ロータコアの表面に磁石が貼り付けられるSPM(surface permanent magnet)タイプのロータであってもよい。また、ロータコア21は、電磁鋼板に限られず、圧粉磁心から構成されてもよい。
ステータ30は、ステータコア36およびコイル37を有する。ステータコア36は、中心軸101の軸方向に円筒状に延びる形状を有する。ステータコア36は、ロータコア21との間に微小な隙間を設けて、ロータコア21の外周上に配置されている。ステータコア36は、中心軸101の軸方向に積層された複数枚の電磁鋼板から構成されている。ステータコア36は、中心軸101が延びる方向の一方端側に面する端面36aと、中心軸101が延びる方向の他方端側に面する端面36bとを有する。端面21aと端面36aとは、略同一平面上に延在するように配置され、端面21bと端面36bとは、略同一平面上に延在するように配置されている。
コイル37は、ステータコア36に巻回されている。コイル37は、たとえば絶縁被膜された銅線から構成されている。コイル37は、コイルエンド部37Pおよびコイルエンド部37Qを有する。コイルエンド部37Pおよびコイルエンド部37Qは、それぞれ、端面36aおよび端面36bから中心軸101の軸方向に突出するように形成されている。中心軸101の軸方向から見た場合に、コイルエンド部37Pおよびコイルエンド部37Qは、それぞれ、端面36aおよび端面36b上において、中心軸101を中心に環状に周回する形態に設けられている。
コイル37は、U相、V相およびW相コイルを含んで構成されている。これら各相コイルは、インバータ13を介してバッテリ14に電気的に接続されている。インバータ13は、バッテリ14からの直流電流をモータ駆動用の交流電流に変換するとともに、回生ブレーキにより発電された交流電流を、バッテリ14に充電するための直流電流に変換する。
モータジェネレータ10から出力された動力は、減速機構15からディファレンシャル機構16を介してドライブシャフト受け部17に伝達される。ドライブシャフト受け部17に伝達された動力は、ドライブシャフトを介して図示しない車輪に回転力として伝達される。
一方、ハイブリッド自動車の回生制動時には、車輪は車体の慣性力により回転させられる。車輪からの回転力によりドライブシャフト受け部17、ディファレンシャル機構16および減速機構15を介してモータジェネレータ10が駆動される。このとき、モータジェネレータ10が発電機として作動する。モータジェネレータ10により発電された電力は、インバータ13を介してバッテリ14に蓄えられる。
図3は、図1中のIII−III線上に沿ったモータジェネレータを示す断面図である。図4は、図1中のIV−IV線上に沿ったモータジェネレータを示す断面図である。
図1から図4を参照して、ロータコア21には、複数の貫通孔41がさらに形成されている。
貫通孔41は、中心軸101の軸方向に沿って延び、ロータコア21を貫通するように形成されている。貫通孔41は、ロータコア21の端面21aおよび端面21bに開口するように形成されている。複数の貫通孔41は、中心軸101を中心にその周方向に互いに間隔を隔てて形成されている。貫通孔41は、中心軸101を中心とする周方向において永久磁石27に対応する位置に形成されている。貫通孔41は、永久磁石27と隣り合う位置で永久磁石27の延伸方向に沿って延びている。貫通孔41は、円形の開口形状を有する。
本実施の形態におけるモータジェネレータ10の冷却構造においては、貫通孔41の内部にオイル通路42が形成されている。オイル通路42には、オイルポンプ12から吐出され、ロータ20に導入された冷媒としてのオイルが、ロータコア21の端面21a側から端面21b側に向けて流通される。
貫通孔41は、ロータコア21を中心軸101に直交する平面により切断した場合のオイル通路42の断面積Sが、オイル流れの上流側よりも下流側の方で大きくなるように形成されている。貫通孔41は、オイル通路42の断面積Sが、中心軸101の軸方向においてロータコア21の端面21a側から端面21b側に向かうに従って大きくなるように形成されている。貫通孔41は、オイル通路42の断面積Sが、中心軸101の軸方向において、端面21aで最も小さく、端面21bで最も大きくなるように形成されている。貫通孔41は、オイル通路42の断面積Sが、中心軸101の軸方向において連続的に変化するように形成されている。
貫通孔41は、底部43および頂部44を有する。底部43は、ロータコア21を中心軸101に直交する任意の平面により切断した場合に永久磁石27と最も近接して位置する貫通孔41の部位である。底部43は、貫通孔41を規定する貫通孔41の側壁のうち、中心軸101を基準に最も外周側に配置されている。頂部44は、ロータコア21を中心軸101に直交する任意の平面により切断した場合に永久磁石27と最も離れて位置する貫通孔41の部位である。頂部44は、中心軸101を中心とする半径方向において、底部43と対向する位置に設けられている。
図3および図4中に示すように、貫通孔41は、底部43近傍において貫通孔41を規定する側壁の曲率が、オイル流れの上流側ほど大きく、オイル流れの下流側ほど小さくなるように形成されている。
図1中に示すように、貫通孔41は、オイル通路42と永久磁石27との間の距離L1、言い換えれば、貫通孔41の底部43と永久磁石27との間の距離L1が、オイル流れの上流側よりも下流側の方で小さくなるように形成される。さらに本実施の形態では、貫通孔41は、貫通孔41の頂部44と永久磁石27との間の距離L2が、中心軸101の軸方向において一定となるように形成されている。このような構成により、貫通孔41は、全体として、中心軸101の軸方向に対して傾斜して延びている。
なお、貫通孔41は、上記形状に限られず、オイル通路42の断面積Sがオイル流れの上流側よりも下流側の方で大きくなるという条件のもと、適宜変更されてもよい。
具体的には、貫通孔41は、円形以外の開口形状、たとえば、矩形や多角形、楕円などの開口形状を有してもよい。貫通孔41は、オイル通路42の断面積Sが、中心軸101の軸方向において断続的に変化するように形成されてもよい。貫通孔41は、貫通孔41の頂部44と永久磁石27との間の距離L2が、オイル流れの上流側よりも下流側の方で大きくなるように形成されてもよいし、小さくなるように形成されてもよい。貫通孔41は、中心軸101を中心とする周方向において永久磁石27に対応する位置からずれた位置、たとえば、周方向に隣り合う2つの永久磁石27の中心位置に形成されてもよい。
ロータ20の回転に伴って永久磁石27が発熱し、その熱がロータコア21に伝わる。一方、ロータコア21に供給されたオイルは、ロータ20の回転によって発生する遠心力を受けるため、図3および図4中に示すように貫通孔41の底部43側と接触しながらオイル通路42を流れる。この間、オイルとロータコア21との間で熱交換されることにより、永久磁石27で発生した熱が放熱される。この際、オイルの温度は、ロータコア21からの受熱によって徐々に上昇するため、オイル通路42におけるオイル流れの上流側よりも下流側でオイルによる冷却能力が低下する傾向がある。
これに対して、本実施の形態では、オイル通路42の断面積Sがオイル流れの上流側よりも下流側の方で大きくなるように、貫通孔41が形成されている。このような構成により、オイル通路42を流れるオイルとロータコア21との接触面積は、図3および図4中に示すように、オイル流れの上流側よりも下流側の方が大きくなる(s1<s2)。これにより、オイルとロータコア21との間の熱交換をオイル流れの下流側で促進させ、オイルの温度上昇に起因する冷却能力の低下を補うことができる。
加えて、本実施の形態では、オイル通路42と永久磁石27との間の距離L1がオイル流れの上流側よりも下流側の方で小さくなるように、貫通孔41が形成されている。このような構成により、永久磁石27からオイル通路42への伝熱距離をオイル流れの下流側ほど小さくして、オイルとロータコア21との間の熱交換をさらに促進させることができる。また、オイルは、遠心力を受けながら、内周側から外周側へと傾斜する貫通孔41の底部43上を流れるため、オイルの流速がオイル流れの下流側ほど高くなる。これにより、オイルによってロータコア21の熱を奪う頻度が高くなるため、ロータコア21の冷却効率を向上させることができる。
以上の理由により、オイル温度が上昇するオイル流れの下流側においてロータコア21の冷却効率を向上させ、ロータコア21を中心軸101の軸方向において均一に冷却することができる。
図5は、図1中の矢印Vに示す方向から見たモータジェネレータを示す端面図である。図1および図5を参照して、エンドプレート22には、オイル供給孔51およびオイル排出孔52が形成されている。オイル供給孔51は、中心軸101を中心とする半径方向外側に延び、貫通孔41に連通している。オイルポンプ12によりロータ20に導入されたオイルは、オイル供給孔51を通じてオイル通路42に供給される。
オイル排出孔52は、オイル供給孔51の経路上から中心軸101を中心とする半径方向外側に延び、端面22aに開口している。端面22aにおけるオイル排出孔52の開口面の延長上には、コイルエンド部37Pが位置する。オイル供給孔51を流通するオイルの一部は、オイル排出孔52を通じてコイルエンド部37Pに向けて排出される。
エンドプレート23には、オイル排出孔53が形成されている。オイル排出孔53は、中心軸101の軸方向における貫通孔41の延長上に形成され、端面23bに開口している。オイル排出孔53は、貫通孔41とともにオイル通路42を形成している。オイル排出孔53は、中心軸101の軸方向において端面23bに近づくほど拡径するように形成されている。貫通孔41およびオイル排出孔53は、ロータ20から排出されたオイルがコイルエンド部37Qに向かうように、中心軸101に対して傾斜して延びている。
このような構成により、本実施の形態では、ロータコア21に供給される前のオイルの一部を利用して、コイルエンド部37Pを冷却するとともに、ロータコア21を冷却した後のオイルを利用して、コイルエンド部37Qを冷却することができる。
以上に説明した、この発明の実施の形態1におけるモータジェネレータ10の冷却構造についてまとめて説明すると、本実施の形態における回転電機としてのモータジェネレータ10の冷却構造は、回転軸としての中心軸101の軸方向に貫通する貫通孔41が形成され、その貫通孔41の内部に冷媒としてのオイルが流通する冷媒通路としてのオイル通路42を形成するロータコア21と、ロータコア21に設けられる磁石としての永久磁石27とを有するロータ20を備える。貫通孔41は、オイル通路42の断面積がオイル流れの上流側よりも下流側の方で大きくなるように形成される。
このように構成された、この発明の実施の形態1におけるモータジェネレータ10の冷却構造によれば、オイル通路42の断面積Sがオイル流れの上流側よりも下流側の方で大きくなるように貫通孔41が形成されるため、ロータコア21をロータ20の回転軸方向において均一に冷却することができる。これにより、ロータコア21の冷却能力を、ロータコア21の温度分布が高くなる位置を基準に設定するという必要がなくなる。結果、オイルポンプ12の小型化を図ることができ、延いては、オイル供給のためのエネルギ損失を小さく抑えることにより、ハイブリッド自動車の燃費を向上させることができる。
なお、本実施の形態では、本発明における回転電機の冷却構造をハイブリッド自動車に搭載されるモータジェネレータに適用した場合を説明したが、これに限られず、電気自動車に搭載されるモータや、一般的な産業用モータに適用してもよい。
(実施の形態2)
図6は、この発明の実施の形態2におけるモータジェネレータの冷却構造を示す断面図である。図7は、図6中のVII−VII線上に沿ったモータジェネレータを示す断面図である。図8は、図6中のVIII−VIII線上に沿ったモータジェネレータを示す断面図である。
なお、本実施の形態におけるモータジェネレータの冷却構造は、実施の形態1におけるモータジェネレータ10の冷却構造と比較して、基本的には同様の構造を備える。以下、重複する構造についてはその説明を繰り替えさない。
図6から図8を参照して、貫通孔41は、オイル通路42の断面積Sがオイル流れの上流側よりも下流側の方で大きくなるように形成されている。本実施の形態においては、貫通孔41が、高さHおよび幅Bを有する矩形の開口形状を有する。貫通孔41の底部43は、オイル流れの上流側から下流側に向かうほど永久磁石27に近接するように階段状に形成されている。貫通孔41の頂部44は、頂部44と永久磁石27との間の距離が変化しないように、中心軸101の軸方向において平面状に形成されている。貫通孔41は、高さHおよび幅Bがオイル流れの上流側よりも下流側で大きくなるように形成されている。
このように構成された、この発明の実施の形態2におけるモータジェネレータの冷却構造によれば、実施の形態1に記載の効果を同様に得ることができる。
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。
この発明は、主に、動力源としてモータを備える車両に適用される。
10 モータジェネレータ、12 オイルポンプ、13 インバータ、14 バッテリ、15 減速機構、16 ディファレンシャル機構、17 ドライブシャフト受け部、20 ロータ、21 ロータコア、21a,21b,22a,23b,36a,36b 端面、22,23 エンドプレート、27 永久磁石、28 磁石挿入孔、30 ステータ、36 ステータコア、37 コイル、37P,37Q コイルエンド部、41 貫通孔、42 オイル通路、43 底部、44 頂部、51 オイル供給孔、52,53 オイル排出孔、101 中心軸。

Claims (4)

  1. 回転軸方向に貫通する貫通孔が形成され、その貫通孔の内部に冷媒が流通する冷媒通路を形成するロータコアと、前記ロータコアに設けられる磁石とを有するロータを備え、
    前記貫通孔は、前記冷媒通路の断面積が冷媒流れの上流側よりも下流側の方で大きくなるように形成される、回転電機の冷却構造。
  2. 前記ロータコアの外周上に配置されるステータコアと、前記ステータコアに巻回されるコイルとを有するステータをさらに備え、
    前記コイルは、前記ロータの回転軸方向における前記ステータコアの端面から突出するコイルエンド部を含み、
    前記冷媒通路は、前記ロータから排出された冷媒が前記コイルエンド部に向かうように、前記ロータの回転軸に対して傾斜して延びる、請求項1に記載の回転電機の冷却構造。
  3. 前記磁石は、前記ロータコアに埋設され、前記ロータの回転軸方向に延伸する、請求項1または2に記載の回転電機の冷却構造。
  4. 前記貫通孔は、前記冷媒通路と前記磁石との間の距離が冷媒流れの上流側よりも下流側の方で小さくなるように形成される、請求項3に記載の回転電機の冷却構造。
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