JP2017093136A - 回転電機 - Google Patents
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Abstract
【課題】回転電機のステータ周方向全周に亘って適切な冷媒供給を行うことである。【解決手段】複数のティース12を有するステータコア11と、複数のティース12にそれぞれ巻回されたコイル13と、ステータコア11の内側に配置され、冷媒流路22a,22bを有するロータ20とを備え、ロータ20の回転遠心力を利用して冷媒流路22a,22bの冷媒吐出口22cからステータコア11に向けてATFを飛散させるモータジェネレータ1であって、複数のティース12のそれぞれにおいてコイル13の巻回位置よりも内周側先端部の軸方向端面12aに固定されたリング部材14,15を備え、リング部材14,15の内周面に、冷媒吐出口22cからのATFを、エアギャップGに導くテーパ面14c,15cが形成されている。【選択図】図1
Description
本発明は、回転電機に関し、特にロータからステータに向けて冷媒を飛散させる回転電機に関する。
回転電機においては、ATF等の冷媒をステータ及びロータに供給して、ステータ及びロータを冷却している。特に、回転電機のコイルを冷却するために、ロータからコイルのコイルエンドに向けて冷媒を供給している。この構成として、ティースの軸方向端面に固定されるインシュレータに、ティース内周側から外周側に向かって高くなる冷媒ガイド面を形成し、この冷媒ガイド面に冷媒を吐出することにより、冷媒をコイルエンドに供給する構成が知られている(例えば、特許文献1参照)。
特許文献1に記載の構成では、ティースに固定されたインシュレータの冷媒ガイド面により冷媒をコイルエンドに導いている。このため、周方向においては、ティース間、すなわち、スロットに対応する位置には冷媒ガイド面が存在していないので、スロットに対応する位置では狙い通りの適切な冷媒供給が実現できない可能性がある。
そこで、本発明では、回転電機のステータ周方向全周に亘って適切な冷媒供給を行うことを目的とする。
本発明の回転電機は、円環状のステータヨーク及び当該ステータヨークから内周側に突出する複数のティースを有するステータコアと、前記複数のティースにそれぞれ巻回されたコイルと、前記ステータコアの内側に配置され、冷媒流路を有するロータとを備え、前記ロータの回転遠心力を利用して前記冷媒流路の冷媒吐出口から前記ステータコアに向けて冷媒を飛散させる回転電機であって、前記複数のティースのそれぞれにおいて前記コイルの巻回位置よりも内周側先端部の軸方向端面に固定されたリング部材を備え、前記リング部材の内周面に、前記冷媒吐出口からの前記冷媒を、前記ステータコアと前記ロータとの間のエアギャップまたは前記コイルのコイルエンドに導く斜面または段部が形成されていることを特徴とする。
また、前記ティースに対応する前記リング部材の内周面に、前記冷媒吐出口からの前記冷媒を、前記コイルエンドに導く斜面または段部が形成されているとともに、前記ティース間に形成されるスロットに対応する前記リング部材の内周面に、前記冷媒吐出口からの前記冷媒を、前記エアギャップに導く斜面または段部が形成されていることを特徴とする。
本発明によれば、回転電機のステータ周方向全周に亘って適切な冷媒を供給することができる。特に、ステータ周方向においてティースに対応する部分とスロットに対応する部分とに応じて別々の方向に冷媒供給を行うことができ、各部分に応じた適切な冷媒を供給することができる。
第1の実施形態における回転電機は、例えば、ハイブリッド自動車、電気自動車等に搭載されるモータジェネレータである。図1に示すように、モータジェネレータ1は、円環状のステータ10と、ステータ10の内側に配置されるロータ20とを備えている。ステータ10の内周面とロータ20の外周面との間には、所定間隔のエアギャップGが形成されている。
ステータ10は、ステータコア11と、このステータコア11の内周部に突設されて周方向に等間隔で配置された複数のティース12と、このティース12の周囲に巻装されたコイル13と、ステータ周方向に隣接するティース12の間に形成されたスロット16(図7参照)と、ティース12のコイル13の巻回位置よりも内周側先端部の軸方向端面12a,12bに固定されたリング部材14,15とを備えている。
ステータコア11は、それぞれ略円環状に打ち抜き加工された多数枚の電磁鋼板を軸方向に積層して一体に連結して構成されている。コイル13は、ティース12の軸方向端面12a,12bから外側へ突出するコイルエンド13a,13bを備えている。
図1、2に示すように、リング部材14は、ティース12の内周側先端部の軸方向端面12aに接着剤により接着固定される環状部材である。リング部材14は、例えば、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂等の電気絶縁性及び耐熱性を有する樹脂材料から形成されている。
リング部材14は、コイル13の端面に当接するコイル当接面14aと、ティース12の軸方向端面12aに当接するティース当接面14bと、ティース当接面14bの内側端縁14b1から径方向内側に向かって傾斜するテーパ面14cとを備えている。リング部材14のコイル当接面14aがリング部材14の外周面であり、この外周面と反対側の内周面にテーパ面14cが形成されている。すなわち、テーパ面14cが形成されることによって、リング部材14の断面形状は、ステータコア11の中央に向かって細くなる略楔形状に形成されている。
リング部材15は、ティース12の内周側先端部の軸方向端面12bに接着固定されており、リング部材14と同様に形成されている。リング部材15のテーパ面15cは、ティース当接面15bの内側端縁15b1から径方向内側に向かって傾斜している。テーパ面15cが形成されることによって、リング部材15の断面形状も、ステータコア11の中央に向かって細くなる略楔形状に形成されている。
図1に示すように、ロータ20は、中空の回転軸21と、この回転軸21の外周に固定されたロータコア22と、ロータコア22に埋め込まれた永久磁石23とを備えている。ロータコア22は、ステータコア11と同様に、それぞれ略円環状に打ち抜き加工された多数枚の電磁鋼板を軸方向に積層して一体に連結して構成されている。また、ロータコア22は、ステータコア11と略同じ軸方向長さを有しており、軸方向の端面同士が略面一となっている。永久磁石23は、ロータコア22の軸方向と略同じ長さの板状部材である。永久磁石23は、回転軸21を中心としてロータコア22の周方向の外周近傍に複数設けられている。
回転軸21の内部には、図示しないオイルポンプからATF(冷媒)が供給される冷媒流路21aが設けられている。冷媒流路21aは回転軸21の中空部分を利用して形成されている。回転軸21の周面には、径方向に開口する冷媒流路21bが設けられている。
ロータコア22の内部であり、冷媒流路21bに対応する位置には、冷媒流路21bに連通する冷媒流路22aが設けられている。冷媒流路22aは径方向に延在している。ロータコア22の内部には、ロータコア22を軸方向に貫通する冷媒流路22bが設けられている。冷媒流路22bのロータコア22の端面の開口が冷媒吐出口22cを形成している。冷媒流路22bは冷媒流路22aと連通している。
また、冷媒流路21b、冷媒流路22a及び冷媒流路22bは、ロータ20の周方向において複数設けられている。そして、図示しないオイルポンプから圧送されるATFは、図中、矢印F1、2、3で示すように、冷媒流路21a,21b,22a,22bを介して冷媒吐出口22cから吐出される。
続いて、ATFによるモータジェネレータ1の冷却について説明する。冷媒吐出口22cから吐出されたATFは、ロータ20の回転遠心力によって、図中矢印F4で示すように、ステータ10に向かって飛散する。このとき、ATFは回転遠心力によってロータ20の全周に亘って飛散する。
そして、ロータコア22とステータコア11とは、軸方向の端面同士が略面一となっているので、ATFはリング部材14,15に向かって飛散して、リング部材14,15のテーパ面14c,15cに衝突する。この衝突したATFは、図中矢印F5で示すように、テーパ面14c,15cによりエアギャップGに導かれる。すなわち、リング部材14,15のテーパ面14c,15cはステータ10の全周に亘って形成されているので、テーパ面14c,15cに衝突したATFは、リング部材14,15の全周から略均一にエアギャップG内に導かれる。
このように、ATFがエアギャップGの全周に亘って略均一にエアギャップG内に供給されるので、ステータ10及びロータ20を全周に亘って略均一に冷却することができる。また、熱がこもりやすいエアギャップGにATFを供給するので、ステータ10及びロータ20を効率よく同時に冷却することができる。
特に、エアギャップGにATFが供給されることによって、ロータ20の外周面が冷却されるので、ロータ20の外周近傍に配置された永久磁石23を効率的に冷却することができ、永久磁石23が高温になったときの減磁を抑制できる。このため、高温でも保磁力を維持できる高コストの重希土類の使用量を低減することができ、永久磁石23のコストを低減することができる。
また、リング部材14,15は、ティース12の軸方向端面12a,12bに固定されているので、コイル13の径方向内側への抜けを防止することができる。さらに、リング部材14,15は、コイル当接面14a,15aでコイル13の端面と当接しているので、コイル13の径方向内側への倒れ込みも防止することができる。
次に、第2の実施形態について図3を参照して説明する。図3において、図1に示される構成と同様の構成には同符号を付してその説明を省略し、異なる構成について説明する。第2の実施形態のリング部材30,31は、第1の実施形態のリング部材14,15とはその形状が異なっている。
図3に示すように、リング部材30は、コイル13の端面に当接するコイル当接面30aと、ティース12の軸方向端面12aに当接するティース当接面30bと、ロータ20に向かって突出する突条30cとを備えている。
突条30cは、リング部材30の内周面の軸方向の端面側にリング部材30の全周に亘って設けられている。このため、リング部材30の内周面には突条30cによって段部が形成されている。この結果、リング部材30の断面形状は略L字形状に形成されている。また、リング部材31は、リング部材30と同様に形成されている。
次にATFによるモータジェネレータ1の冷却について説明する。図3において、ロータコア22の冷媒吐出口22cからリング部材30,31に向かって飛散するATF(矢印F4で示す)は、リング部材30,31の内周面に衝突する。リング部材30,31には突条30c,31cが設けられているので、内周面に衝突したATFは、図中矢印F5で示すように、エアギャップGに導かれる。すなわち、リング部材30,31の突条30c,31cはステータ10の全周に亘って形成されているので、リング部材30,31の内周面に衝突したATFは、軸方向の端面側への飛散が遮られ、リング部材30,31の全周から略均一にエアギャップG内に導かれる。
このように、第2の実施形態におけるリング部材30,31によっても、第1の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。なお、リング部材30,31の突条30c,31cを階段状としてもよい。
次に、第3の実施形態について図4を参照して説明する。図4において、図1と同様の構成には同符号を付してその説明を省略し、異なる構成について説明する。第3の実施形態では、ロータ20の冷媒流路の構成が異なっている。
図4に示すように、回転軸21のロータコア22の軸方向の端面に対応する周面には、径方向に開口する冷媒流路21cが設けられている。冷媒流路21cは冷媒流路21aと連通しており、この冷媒流路21cの開口が冷媒吐出口となっている。すなわち、第3の実施形態では、ロータコア22の内部には冷媒流路が形成されていない。
次にATFによるモータジェネレータ1の冷却について説明する。図4において、回転軸21の冷媒流路21cの開口からATFが吐出されると、ATFはリング部材14,15に向かって飛散する。この飛散したATFは、リング部材14,15のテーパ面14c,15cに衝突する。その後、第1の実施形態と同様に、図中矢印F7で示すように、ATFはエアギャップGに導かれる。このように、回転軸21から直接、ATFをリング部材14,15のテーパ面14c,15c飛散しても、第1の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
次に、第4の実施形態について図5を参照して説明する。図5において、図1と同様の構成には同符号を付してその説明を省略し、異なる構成について説明する。
図5に示すように、第4の実施形態では、リング部材40,41のテーパ面40c,41cが、ティース12の先端からコイルエンド13a、13bに向かって傾斜している。すなわち、テーパ面40cによって、リング部材40の断面形状は、コイルエンド13aに向かって細くなる略楔形状に形成されている。つまり、第4の実施形態のリング部材40のテーパ面40cは、第1の実施形態のリング部材14のテーパ面14cと異なり、コイルエンド13aに向かう程コイルエンド13aに近づく傾斜面である。また、リング部材41は、リング部材40と同様に形成されている。
次にATFによるモータジェネレータ1の冷却について説明する。図5において、ロータコア22の冷媒吐出口22cからリング部材40,41に向かって飛散するATF(矢印F4で示す)は、リング部材40,41のテーパ面40c,41cに衝突する。
この衝突したATFは、図中矢印F8で示すように、テーパ面40c,41cによりコイルエンド13a,13bに導かれて、コイルエンド13a,13bに供給される。リング部材40,41のテーパ面40c,41cはステータ10の全周に亘って形成されているので、テーパ面40c,41cに衝突したATFは、リング部材40,41の全周から略均一にコイルエンド13a,13bに導かれて供給される。
このため、ATFは、コイルエンド13a,13bの全周に亘ってばらつきなく略均一に供給される。また、コイルエンド13a,13bにATFが供給されることによってコイル13を重点的に冷却することができ、コイル13の冷却性を向上することができる。
特に、エアギャップGへのATFの供給量が低減されるので、エアギャップGがATFで満たされることが抑制されて、ロータ20の引き摺り損失を抑制することができる。引き摺り損失の抑制により、モータジェネレータ1の回転損失も抑制でき、駆動効率を向上することができる。
次に、第5の実施形態について図6を参照して説明する。図6において、図1と同様の構成には同符号を付してその説明を省略し、異なる構成について説明する。図6において、コイル13は、軸方向の一方側(図中左側)にコイル13の図示しないリード線が突出している。すなわち、図6において、コイル13の図中左側がリード側であり、図中右側が反リード側である。
図6に示すように、反リード側のティース12の端面には、第1の実施形態のリング部材14が固定されており、リード側のティース12の端面には、第4の実施形態のリング部材41が固定されている。つまり、リング部材14のテーパ面14cは、ATFをエアギャップGに導く形状であり、リング部材41のテーパ面41cは、ATFをコイルエンド13bに導く形状である。
次にATFによるモータジェネレータ1の冷却について説明する。図6において、ロータコア22の冷媒吐出口22cからリング部材14,41に向かって飛散するATF(矢印F4で示す)は、リング部材14,41のテーパ面14c,41cに衝突する。
リング部材14のテーパ面14cに衝突したATFは、図中矢印F9で示すように、軸方向の他方側(図中右側)からエアギャップGに流入し、ステータ10及びロータ20を冷却する。その後、ATFは、エアギャップGの軸方向の他方側からエアギャップGの外部に排出される。
一方、リング部材41のテーパ面41cに衝突したATFは、図中矢印F8で示すように、コイルエンド13bに導かれて、コイルエンド13bに供給される。このとき、エアギャップGから排出されたATFと混ざり合い、コイルエンド13bに供給されるATFの量が増加されて、大量のATFがコイルエンド13bに供給される。
このように、ATFは、エアギャップGの全周に亘って略均一にエアギャップG内に供給されるとともに、コイルエンド13bの全周に亘って略均一に供給される。この結果、エアギャップGを流通するATFによりステータ10及びロータ20を冷却でき、また、コイルエンド13bに供給されるATFによりコイルエンド13bを重点的に冷却することができる。特に、第1の実施形態と比べて、エアギャップGへのATFの供給量が低減されるので、ロータ20の引き摺り損失を抑制することができる。
なお、ATFを、反リード側(他方側)からエアギャップGに供給しているが、ATFを、リード側(一方側)からエアギャップGに供給して、コイルエンド13aに向けて供給してもよい。
以上説明したように、何れの実施形態においても、ATFがモータジェネレータ1の周方向全周に亘って略均一にコイルエンド13a,13bやエアギャップGに供給されるので、ステータ10、コイル13及びロータ20を周方向において略均一に冷却することができる。この結果、モータジェネレータ1の温度上昇を抑制することができ、モータジェネレータ1の冷却性能を向上することができる。
また、モータジェネレータ1の冷却性能の向上により、モータジェネレータ1への供給電流量を増加することができ、モータジェネレータ1の駆動出力を向上することができる。さらに、モータジェネレータ1の冷却性能の向上により、モータジェネレータ1の大型化によるコイル13の電流密度の低減を行う必要がなくなり、モータジェネレータ1を小型化することが可能になる。
次に、第6の実施形態について図7、8を参照して説明する。図7は、ティース12、コイル13及びリング部材50の関係を示す分解斜視図である。図8は、スロット16における回転電機の概略断面図である。図7、8において、図1と同様の構成には同符号を付してその説明を省略し、異なる構成について説明する。
図7に示すように、ステータコア11の一端側のティース12の内周側先端部には、リング部材50が固定されている。そして、第6の実施形態では、リング部材50の内周面のうちティース12に対応する部分には、ティース12の先端からコイルエンド13aに向かって傾斜するテーパ面50tが形成されている。すなわち、テーパ面50tによって、リング部材50のティース12に対応する部分の断面形状は、コイルエンド13aに向かって細くなる略楔形状に形成されている。
また、リング部材50の内周面のうちスロット16に対応する部分には、リング部材50のステータ軸方向の内側端縁からスロット16に向かって傾斜するテーパ面50sが形成されている。すなわち、テーパ面50sによって、リング部材50のスロット16に対応する部分の断面形状は、ステータコア11の中央に向かって細くなる略楔形状に形成されている。つまり、リング部材50は、ティース12に対応する部分とスロット16に対応する部分とにおいてテーパ面50t,50sの傾斜方向が異なっている。また、ステータコア11の他端側のティース12の内周側先端部には、リング部材50と同様のリング部材51(図8参照)が固定されている。
次にATFによるモータジェネレータ1の冷却について説明する。ティース12に対応する部分におけるステータ軸方向断面は、図5に示す構成と同じであり(リング部材40,40c,41,41cの各符号をリング部材50,50t,51,51tの符号にそれぞれ置き換える)、スロット16に対応する部分におけるステータ軸方向断面は、図8に示すとおりである。これら図5、8を参照してATFの流れについて説明する。
図5、8において、ロータコア22の冷媒吐出口22cからリング部材50,51に向かって飛散するATF(矢印F4で示す)は、リング部材50,51のテーパ面50t,51sに衝突する。リング部材50のテーパ面50t,51tに衝突したATFは、図5において図中矢印F8で示すように、テーパ面50t,51tによりコイルエンド13a,13bに導かれて、コイルエンド13a,13bに供給される。
一方、リング部材50のテーパ面50s,51sに衝突したATFは、図8において図中矢印F10で示すように、テーパ面50s,51sによりスロット16内のコイル13、ロータ20の外周面に囲われたエアギャップG1に供給される。エアギャップG1は、エアギャップGより広い空間であり、ATFは、このエアギャップG1を飛散することによって、ステータコア11及びロータ20を冷却する。
このように、第6の実施形態においては、ステータ周方向においてティース12に対応する部分では、ATFがコイルエンド13a,13bに供給されてコイル13を冷却でき、スロット16に対応する部分では、ATFがエアギャップG1に供給されてステータコア11及びロータ20を冷却できる。すなわち、ステータコア11、コイル13及びロータ20をバランスよく適切に冷却することができる。また、エアギャップG1は、エアギャップGよりも広いので、ATFで満たされ難くロータ20の引き摺り損失を抑制することができる。
また、第6の実施形態におけるテーパ面50t,51t,50s,51sに代えて、先に説明した第2の実施形態の突条としてもよい。この場合、ティース12及びスロット16の各位置に対応して、突条をリング部材50の内周面の上下端にそれぞれ形成する。
なお、第1〜6の実施形態では、リング部材14,15,30,31,40,41,50,51を、ティース12の軸方向両端面にそれぞれ配置していたが、いずれか一方の端面にのみ配置してもよいし、リング部材14,15,30,31,40,41,50,51を組み合わせて配置してもよい。すなわち、モータジェネレータ1の仕様や配置位置等によるモータジェネレータ1の温度上昇を予め実験やシミュレーション等により検討してATFの供給先を設定し、この設定に基づいて、リング部材14,15,30,31,40,41,50,51を適宜組み合わせて配置する。このように、冷却が必要な部分に効率的にATFを供給することも可能である。
1 モータジェネレータ、10 ステータ、11 ステータコア、12 ティース、12a,12b 軸方向端面、13 コイル、13a,13b コイルエンド、14,15,30,31,40,41,50,51 リング部材、14a,15a,30a,31a,40a,41a コイル当接面、14b,15b,30b,31b,40b,41b ティース当接面、14c,15c,40c,41c,50t,51t,50s,51s テーパ面、16 スロット、20 ロータ、21 回転軸、21a,21b,21c,22a,22b 冷媒流路、22 ロータコア、22c 冷媒吐出口、23 永久磁石、30c 突条、G,G1 エアギャップ。
Claims (2)
- 円環状のステータヨーク及び当該ステータヨークから内周側に突出する複数のティースを有するステータコアと、前記複数のティースにそれぞれ巻回されたコイルと、前記ステータコアの内側に配置され、冷媒流路を有するロータとを備え、前記ロータの回転遠心力を利用して前記冷媒流路の冷媒吐出口から前記ステータコアに向けて冷媒を飛散させる回転電機であって、
前記複数のティースのそれぞれにおいて前記コイルの巻回位置よりも内周側先端部の軸方向端面に固定されたリング部材を備え、
前記リング部材の内周面に、前記冷媒吐出口からの前記冷媒を、前記ステータコアと前記ロータとの間のエアギャップまたは前記コイルのコイルエンドに導く斜面または段部が形成されていることを特徴とする回転電機。 - 請求項1に記載の回転電機において、
前記ティースに対応する前記リング部材の内周面に、前記冷媒吐出口からの前記冷媒を、前記コイルエンドに導く斜面または段部が形成されているとともに、前記ティース間に形成されるスロットに対応する前記リング部材の内周面に、前記冷媒吐出口からの前記冷媒を、前記エアギャップに導く斜面または段部が形成されていることを特徴とする回転電機。
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