JP6324469B2

JP6324469B2 - 回転電機の冷却構造

Info

Publication number: JP6324469B2
Application number: JP2016218478A
Authority: JP
Inventors: 健西川; 宏一尾島; 渡辺　教弘; 教弘渡辺
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2016-11-09
Filing date: 2016-11-09
Publication date: 2018-05-16
Anticipated expiration: 2036-11-09
Also published as: JP2018078703A

Description

本発明は、冷却油を使用して発熱部位の冷却を行う回転電機の冷却構造に関する。

車両駆動やエンジンアシスト用の回転電機は、エンジンとトランスミッション等の間に配置されることが多く、その搭載環境に合わせて、薄型扁平構造が多く採用されている。この種の回転電機において、ステータコアに巻回されたコイルへの通電時にはその発熱量が増加するため、水冷や油冷等の各種の冷却方式を用いた構造が多く採用されている。

特許文献１にはコイルエンド上方から冷却用液体を供給して冷却を行う回転電機において、回転電機の低回転時には、二つの供給管から同じ流量で冷却用流体を供給し、高回転時には下流側供給管からの供給流量より上流側供給管からの供給流量を多くする。これにより、ロータの回転に起因する旋回流の影響を低くし、冷却用液体の供給流量の偏りが低減される手法が記載されている。
また、特許文献２には、ハウジングの左側合せ面には、当接することにより冷却用油路を構成する孔と溝が形成され、孔は軸方向に延びる供給孔を有し、溝は周方向に延びる分配溝と、分配溝を臨む内周側の壁部を切り欠く複数の切り欠きとを有し、複数の切り欠きからコイルエンドに冷却用油が油滴される構成のものが記載されている。

特開２０１３−１６９０５８号公報特開２０１４−２２５９６９号公報

上記特許文献１はロータの回転時の冷却油の掻き揚げ量と供給冷却油量を最適化することで冷却状態の向上を図ったものであるが、油量をコントロールするための機構が２つ必要となるため、冷却パイプやオイルポンプ等の追加機構が必要となり、部品のコストが増加するという課題があった。

また、上記特許文献２は、ハウジングの左側合せ面には、当接することにより冷却用油路を構成する孔と溝が形成され、孔は軸方向に延びる供給孔を有し、溝は周方向に延びる分配溝と、分配溝を臨む内周側の壁部を切り欠く複数の切り欠きとを有し、複数の切り欠きからコイルエンドに冷却用油が油滴されることを特徴としているが、このような構造を実現するためにはハウジングに複雑な加工を施す必要が有り、加工コストが大幅に増加するという課題があった。

本発明の目的は、ハウジングに流入する冷却油の量を簡易な構造で調整することで、複雑な機構を設けず冷却性能の向上を図ることにある。

本発明に係る回転電機の冷却構造は、複数の分割コアと前記分割コアに巻回されたコイルを中空のフレームによって一体化したステータと、前記ステータから径方向に延伸し斜め上方に突出する給電端子と、前記ステータの外周側に配置され冷却油供給口を有するハウジングと、前記ステータ内に配置されその回転によって内部から径方向に冷却油を吐出するロータとを有する回転電機において、前記ハウジングの上部の前記冷却油供給口から冷却油が供給される位置を基点に前記給電端子の近傍へ向かうにしたがって前記ハウジングの内周部と前記フレームの外周の隙間が徐々に拡大される流路を構成するとともに、前記給電端子近傍において、前記流路は前記給電端子が延伸する方向に向けてさらに径方向に拡大される開口部を設けたものである。

本発明によれば、給電端子近傍に冷却油がより多く流入されて、局所的なコイル温度の上昇を抑えることが可能となり、通電電流密度の高い給電端子を効果的に冷却することも可能となる。

本発明に係る回転電機の全体構成を示す斜視図である。本発明に係る実施の形態１の全体構成を示す正面図である。本発明に係る実施の形態１の給電端子近傍の開口部を示す斜視図である。本発明に係る実施の形態２の全体構成を示す正面図である。本発明に係る回転電機のステータの上下左右方向のコイルの温度を示すグラフである。本発明に係る回転電機の給電端子近傍の状態を示す断面図である。

図１はこの発明の実施の形態における回転電機の構成を示す斜視図である。図１に示すように回転電機はステータ１とロータ２と備えており、ロータ２の外周側には積層鋼板によって構成されているロータコアが配置され、その内部に永久磁石が配置されている。また、ステータ１は内周に同じく積層鋼板によって構成されているステータコアを圧入して構成されている。ステータコアの内周と対向するロータコアの外周の間には所定の隙間が設けられている。また、ステータコア端面には配電部品が配置されている。
外部ハーネスより、この配電部品を経由して、ステータ１のコアに巻回されたコイルへの給電を行い、回転磁界を発生させることによってロータ２を駆動し、発生したトルクを駆動軸へ伝達する機構となっている。ステータ１とロータ２はそれぞれハウジング５の内部に配置される。

本発明の回転電機のステータ１は、図１に示すように、複数のステータコアが整列された状態で形成されたスロットに集中的に巻回されたコイルが格納されて構成される。また、ステータ１はステータコアの端面に突出して形成され、湾曲された形状を持つコイルエンド１１を構成する。コイルが巻回されたステータ１は内部が中空となっているフレーム１２に圧入されることによって一体化される。また、このステータ１の外周には回転電機を格納するハウジング５が設けられる。

実施の形態１．
本発明に係る実施の形態１を図２および図３について説明する。図２は実施の形態１における回転電機の冷却構造の全体構成を示す正面図である。図３は実施の形態１における給電端子近傍の開口部を示す斜視図である。
この回転電機における冷却構造について説明する。冷却油の供給手段としては２つの機構が有り、一つはロータ２の内部からの遠心力によって半径方向に冷却油を飛び出させる手段で、もう一つは図２に示すようにステータ１の上部のハウジング５の供給口８から矢印Ａのように冷却油を供給することによってステータ１の外周全体を冷却する手段である。また、冷却油はモータの下部に設けた冷却油溜り１４に貯められたのち外部に排出される。

ハウジング５は広い範囲において、その内周とフレーム１２の外周との間に均等な間隔を有しているが、図２の冷却油１３の経路を示す矢印Ｂに示されているように、給電端子３の近傍へ向かうにしたがってより開口された流路を構成しており、これによって冷却油供給口８より入った冷却油１３は給電端子３側により多く流入することになる。さらに図３の斜視図に示すように開口部６は給電端子３が延伸する方向に向けて半径方向に大きく拡大されており、より多くの冷却油が流入される構造となっている。

ロータ２に記されている矢印Ｃに示す通りロータ２の回転によって冷却油が掻き揚げられる範囲はモータ上部までは届かないため、給電端子３近傍の範囲は相対的にコイル温度が高くなってしまう傾向にあるが、それに対して上記の開口部６を設けることにより多くの冷却油が流入されて、局所的なコイル温度の上昇を抑えることが可能となる。また、これによって通電電流密度の高い給電端子３を効果的に冷却することも可能となる。

本発明に係る実施の形態１における回転電機の冷却構造は、複数の分割コアと前記分割コアに巻回されたコイルを中空の外周フレーム１２によって一体化したステータ１と、前記ステータ１から半径方向に延伸し斜め上方に突出した前記回転電機の上方に配置される給電端子３と、前記ステータ１の外周側に配置され冷却油供給口８を有するハウジング５と、前記ステータ１内に配置されその回転によって内部から半径方向に冷却油を吐出するロータ２とを有する回転電機において、前記ハウジング５の上部の冷却油供給口８から冷却油が供給される位置を基点に前記給電端子３の近傍へ向かうにしたがって前記ハウジング５の内周部と前記フレーム１２の外周の隙間が徐々に拡大される流路を構成するとともに、前記給電端子３近傍において、前記流路は前記給電端子３が延伸する方向に向けてさらに半径方向に拡大される開口部６を設けたことを特徴とする。
油中冷却をする回転電機において、ロータの回転によって掻き揚げられる影響で、コイル温度は円周方向で冷却状態に差異が生じる場合がある。その要因はロータの回転によって掻き揚げられる冷却油のコイルへの飛散が少ない箇所があることにある。比較的高温となるのは、冷却油の掻き揚げ分が届かない範囲であり、その範囲に上方からの冷却油を最適に分配することで冷却状態を均一化することによって通電可能な電流を増やし、最大出力性能を上昇させることができる。しかし、上部からの供給の分配に対して複雑な機構を用いてしまうと、構造の複雑化とコストの増大を招いてしまう。これに対し、上述した本発明に係る実施の形態１における構成によれば、外周のハウジング１２に給電端子３を格納する開口部６を設け、流入する冷却油の量を多くすることで、複雑な機構を設けず、かつ構造上の必要な部品の搭載範囲を確保したうえで冷却性能を向上することが可能となる。
すなわち、ロータの回転によって冷却油が掻き揚げられる範囲はモータ上部までは届かないため、給電端子近傍の範囲は相対的にコイル温度が高くなってしまう傾向にあるが、上記構成によれば、給電端子近傍に給電端子側に向かって徐々に広くなる開口部を設けることにより多くの冷却油が流入されて、給電端子近傍への冷却油の流入が促進され、局所的なコイル温度の上昇を抑えることが可能となる。また、これによって通電電流密度の高い給電端子を効果的に冷却することも可能となる。

実施の形態２．
本発明に係る実施の形態２を図４から図６までについて説明する。図４は実施の形態２における回転電機の冷却構造の全体構成を示す正面図である。図５は本発明に係る回転電機のステータの上下左右方向のコイルの温度を示すグラフである。図６は本発明に係る回転電機の給電端子近傍の状態を示す断面図である。
図４に示す通り、給電端子３近傍の開口部６を通った冷却油は下流側にて、矢印Ｄに示すように再び幅が狭くなるように構成すれば、この狭くなった部分に冷却油が滞留することによって特にコイル温度の上がりやすい箇所における温度上昇を抑制することが可能となる。このように流路を狭くするには、絶縁物からなるガイド板を設けるなどの手段で実現できる。

図５は本発明を実施した場合の回転電機のコイル温度上昇試験を実施した結果である。開口部６を設けた場合の方が全体のコイル温度が低減され、かつ上下左右のコイル温度の分布もより均一化が図れており、定格出力を向上させることが可能となる。

また、図６に示すように給電端子３は軸方向においてフレーム１２の外周側とは重ならない位置に構成されているため、冷却油１３が外周部を流れる際には給電端子３自体によってその流れを大きく阻害することが無くステータ１全体の冷却性能を向上させることが可能となる。さらに、前出の開口部６を利用した冷却油の分配構造をより効果的に利用することができる。

本発明に係る実施の形態２における回転電機の冷却構造は、上述した実施の形態１での構成において、前記徐々に拡大される流路は、前記開口部６よりも下流側においては、前記ハウジング５の内周と前記フレーム１２の外周で構成される流路幅が狭くなるよう構成したことを特徴とする。

また、本発明に係る実施の形態２における回転電機の冷却構造は、上述した実施の形態１での構成において、前記給電端子３は回転軸方向において前記外周フレーム１２と重ならない位置に配置されていることを特徴とする。
この構成により、冷却油１３が外周部を流れる際には給電端子３自体によってその流れを大きく阻害することが無くステータ１全体の冷却性能を向上させることが可能であり、開口部６を利用した冷却油の分配構造をより効果的に利用することができる。また、給電端子３近傍における冷却流路による軸方向の冷却位置がコイルエンド側を冷却できる位置にあることによって、冷却効果を高めることができる。

実施の形態３．
本発明に係る実施の形態３を前述した図２、図４および図６について説明する。
本発明のモータの構成部品として開口部６には給電端子３が配置されるが、図２、図４に示す通り中心軸を通る鉛直平面２０に対して開口部６とは反対側の位置に小開口部７が設けられ、この小開口部７に温度センサー等の低圧配線４からなる補助配線が格納される。

通常、これらの部品はモータ構成範囲外に構成されることが多く、搭載範囲を確保するためにハウジング側に突出部を設ける等の対応が必要な場合が有るが、本発明では冷却性向上のために設けた開口部６および小開口部７をそれぞれ給電端子３、低圧配線４の搭載範囲に利用することができる。このように簡易的な構造で冷却油の量を最適化することで全体の冷却性を均一化ができる。

各開口部内にモータの給電端子３と温度センサー等の低圧配線４の配置箇所として利用することで、スペースを有効に活用することができる。
また、図６に示す通りハウジングの開口部６は前記フレーム５の軸方向全域に及んでいるため、冷却油をより多く供給することがとなり、より冷却性を向上することが可能となる。

本発明に係る実施の形態３における回転電機の冷却構造は、上述した実施の形態１または実施の形態２での構成において、前記開口部６の中心軸を通る鉛直面に対して前記給電端子３と反対側に、給電端子３に印加されるモータ駆動電圧が供給される給電用主配線よりも低い電圧が印加され温度センサー等に用いられる低圧配線４からなる補助配線が配置される小開口部７を設けたことを特徴とする。
この構成により、開口部６および小開口部７からなる各開口部をモータの給電端子３と温度センサー等の低圧配線４からなる補助配線の配置箇所として利用することで、スペースを有効に活用できる。

また、本発明に係る実施の形態３における回転電機の冷却構造は、上述した実施の形態１または実施の形態２あるいは前項での構成において、前記ハウジング５の前記開口部６は前記フレーム１２の軸方向全域に及んでいることを特徴とする。
この構成により、ハウジング５の開口部はフレーム１２の軸方向全域に及んでいることで、冷媒をより多く供給することなり冷却性を向上することができる。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態の一部または全部を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１ステータ、２ロータ、３給電端子、４低圧配線、５ハウジング、６開口部、７小開口部、８冷却油供給口、１１コイルエンド、１２フレーム、１３冷却油、１４冷却油溜り、２０中心軸を通る鉛直平面。

Claims

複数の分割コアと前記分割コアに巻回されたコイルを中空のフレームによって一体化したステータと、前記ステータから径方向に延伸して斜め上方に突出する給電端子と、前記ステータの外周側に配置され冷却油供給口を有するハウジングと、前記ステータ内に配置されその回転によって内部から径方向に冷却油を吐出するロータとを有する回転電機において、前記ハウジングの上部の前記冷却油供給口から冷却油が供給される位置を基点に前記給電端子の近傍へ向かうにしたがって前記ハウジングの内周部と前記フレームの外周の隙間が徐々に拡大される流路を構成するとともに、前記給電端子近傍において、前記流路は前記給電端子が延伸する方向に向けてさらに径方向に拡大される開口部を設けたことを特徴とする回転電機の冷却構造。
前記徐々に拡大される流路は、前記開口部よりも下流側においては、前記ハウジングの内周と前記フレームの外周で構成される流路幅が狭くなるよう構成したことを特徴とする請求項１に記載の回転電機の冷却構造。
前記給電端子は回転軸方向において前記フレームと重ならない位置に配置されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の回転電機の冷却構造。
前記開口部の中心軸を通る鉛直面に対して前記給電端子と反対側に低圧配線が配置される小開口部を設けたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の回転電機の冷却構造。
前記ハウジングの前記開口部は前記フレームの軸方向全域に及んでいることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の回転電機の冷却構造。