JPWO2018003214A1 - 車両用回転電機 - Google Patents

Abstract

この発明は、大型化を抑えつつ、回転電機本体および電力変換装置を効果的に冷却できる車両用回転電機を得る。この発明の車両用回転電機は、回転電機本体を冷却する冷却装置は、前記回転電機本体に取り付けられ、内部液冷媒が前記回転電機本体の外周に沿って循環する環状の内部液冷媒流路と、外部液冷媒が流通する外部液冷媒通過部と、を備え、前記外部液冷媒通過部は、前記回転電機本体の鉛直上方に位置する接続部で前記内部液冷媒流路に接続され、電力変換装置は、前記電力変換装置で発生する熱を放出する放熱面を備え、前記冷却装置に取り付けられ、前記接続部の鉛直下方の位置で、前記放熱面と前記内部液冷媒とが熱交換可能となっている。

Description

この発明は、電動機、発電機などの車両用回転電機に関し、特に固定子、電力変換を行う電力変換装置などの発熱体の冷却構造に関するものである。

従来の回転機では、受熱面を円環状の固定子の外周壁面に密着させた状態で、固定子の外周を覆って組み付けられ、固定子で発生した熱を受けて気化する冷媒が封入された冷却器と、冷却器と連通管を通じて連通して冷却器の上方に配置され、冷却器から気化した冷媒が連通管を介して流入し、その気化した冷媒を凝縮液化して連通管を介して冷却器に戻す放熱器と、放熱器の前面に配置され、放熱器に向けて送風する送風機と、からなる冷却装置を備えていた。

特開平９−７４７１５号公報

従来の回転機では、放熱器と送風機を用いて冷却器で受けた熱を効果的に放熱していたので、装置全体が大型化するという課題があった。特に、回転機の高出力化にともなって、電力変換を行う電力変換装置での発熱量が増加するので、大きな放熱器および送風機が必要となり、装置全体のさらなる大型化を招く恐れがあった。

この発明は、上記課題を解決するためになされたもので、装置の大型化を抑えつつ、回転電機本体および電力変換装置を効果的に冷却できる車両用回転電機を得ることを目的とする。

この発明の車両用回転電機は、電力変換装置が変換した電力を用いて回転電機本体が車両に対する回転駆動を行う車両用回転電機であって、前記回転電機本体を冷却する冷却装置を備え、前記冷却装置は、前記回転電機本体に取り付けられ、内部液冷媒が前記回転電機本体の外周に沿って循環する環状の内部液冷媒流路と、外部液冷媒が流通する外部液冷媒通過部と、を備え、前記外部液冷媒通過部は、前記回転電機本体の鉛直上方に位置する接続部で前記内部液冷媒流路に接続され、前記電力変換装置は、前記電力変換装置で発生する熱を放出する放熱面を備え、前記冷却装置に取り付けられ、前記接続部の鉛直下方の位置で、前記放熱面と前記内部液冷媒とが熱交換可能となっている。

この発明によれば、電動機本体および電力変換装置から受熱した内部液冷媒が、液冷媒流路と外部液冷媒通過部との接続部で外部液冷媒と熱交換するので、効率のよい放熱が可能となる。これにより、大型化をもたらす放熱器や送風機が不要となり、電動機本体の高出力化にともなって、電力変換装置での発熱量が増加しても、電動機の大型化を抑制しつつ、電動機本体および電力変換装置を効果的に冷却することができる。

この発明の実施の形態１に係る電動機を示す斜視図である。 この発明の実施の形態１に係る電動機を示す横断面図である。 この発明の実施の形態１に係る電動機における電力変換装置の取付前の状態を説明する要部斜視図である。 この発明の実施の形態１に係る電動機における冷媒の流れを説明する横断面図である。 この発明の実施の形態１に係る冷却システムにおける第１冷媒回路図である。 この発明の実施の形態１に係る冷却システムにおける第２冷媒回路図である。 この発明の実施の形態２に係る電動機を示す横断面図である。 この発明の実施の形態３に係る電動機を示す横断面図である。 この発明の実施の形態４に係る電動機を示す横断面図である。 この発明の実施の形態５に係る電動機を示す横断面図である。 この発明の実施の形態６に係る電動機を示す横断面図である。 この発明の実施の形態７に係る電動機を示す横断面図である。 この発明の実施の形態８に係る電動機の外部液冷媒通過部周りを示す要部斜視図である。 この発明の実施の形態９に係る電動機の外部液冷媒通過部周りを示す要部斜視図である。 この発明の実施の形態１０に係る電動機を示す横断面図である。 この発明の実施の形態１１に係る電動機を示す横断面図である。 この発明の実施の形態１２に係る電動機を示す縦断面図である。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る電動機を示す斜視図、図２はこの発明の実施の形態１に係る電動機を示す横断面図、図３はこの発明の実施の形態１に係る電動機における電力変換装置の取付前の状態を説明する要部斜視図、図４はこの発明の実施の形態１に係る電動機における冷媒の流れを説明する横断面図、図５はこの発明の実施の形態１に係る冷却システムにおける第１冷媒回路図、図６はこの発明の実施の形態１に係る冷却システムにおける第２冷媒回路図である。なお、横断面図とは、電動機の回転軸の軸心と直交する断面を表した図である。

図１および図２において、車両用回転電機としての電動機１００は、例えば、電気自動車、ハイブリッド自動車、燃料電池自動車などに搭載される走行用電動機であり、回転電機本体としての電動機本体１と、外部電源からの直流電力を電動機本体１の駆動電力、例えば三相交流電力に変換する電力変換装置８と、電動機本体１と電力変換装置８を冷却する冷却装置１０と、を備える。

電動機本体１は、ハウジング２と、ハウジング２に回転可能に支持された回転軸３に固着されてハウジング２内に配設された回転子４と、円環状に作製され、回転子４との間に空隙を介して、回転子４と同軸に、かつ回転子４を囲繞するように配置され、軸方向両側からハウジング２に挟み込まれて、ハウジング２に保持された固定子５と、を備え、回転軸３の軸心を水平として自動車に搭載される。ここで、固定子５は、図示されていないが、円環状の固定子鉄心と、固定子鉄心に装着された固定子巻線と、を備える。

電力変換装置８は、図示されていないが、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｙｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などのスイッチング素子を含むパワーモジュール、パワーモジュールの駆動を制御する制御基板などの電気部品と、電気部品を収納し、外部の粉塵などから電気部品を保護する筐体と、から構成されている。

冷却装置１０は、内部液冷媒１２が循環可能に封入されており、固定子５、電力変換装置８などの発熱体と内部液冷媒１２とが熱交換可能に配設された、内部液冷媒流路である液冷媒流路１１と、外部液冷媒１４が流通可能に構成され、液冷媒流路１１に接続している状態で配設された外部液冷媒通過部１３と、を備える。ここで、内部液冷媒１２および外部液冷媒１４には、例えば、ラジエータ冷却水、ＬＬＣ（Ｌｏｎｇ Ｌｉｆｅ Ｃｏｏｌａｎｔ）、不凍液などが用いられる。

液冷媒流路１１は、同軸に配置された直径の異なる円筒状の外周壁１１ａと内周壁１１ｂの軸方向両端の開口を一対の端板で塞口して、流路断面を矩形とする円環状の筒体に構成され、固定子５の外周に圧入して固定されて、固定子５と同軸に配設されている。また、外周壁１１ａの鉛直方向の上部位置に開口が形成されている。なお、外周壁１１ａの開口は、回転電機本体１よりも鉛直方向の上方に位置している。

外部液冷媒通過部１３は、下面を開口とする直方体の箱体に構成され、その開口を外周壁１１ａの開口に合わせて液冷媒流路１１の鉛直方向の上部に配置され、液冷媒流路１１と連通している状態で液冷媒流路１１と一体に作製されている。流入ポート１５が、ポートの軸心を回転軸３の軸心と平行として、外部液冷媒通過部１３の軸方向一端面に取り付けられている。また、流出ポート１６が、流入ポート１５と同軸に、外部液冷媒通過部１３の軸方向他端面に取り付けられている。これにより、液冷媒流路１１を流れる内部液冷媒１２と外部液冷媒通過部１３を流れる外部液冷媒１４が、開口、すなわち液冷媒流路１１と外部液冷媒通過部１３との接続部９を通じて混合可能になっている。

電力変換装置８は、図３に示されるように、液冷媒流路１１の外周壁１１ａに形成された開口部１７を塞ぐように、シール部材（図示せず）を介して外周壁１１ａに取り付けられている。これにより、電力変換装置８の放熱面８ａが液冷媒流路１１の一部を構成し、内部液冷媒１２が電力変換装置８の放熱面８ａに直接接している。ここで、電力変換装置８は、回転軸３の軸方向から見て、外周壁１１ａの回転軸３の水平方向の一方の側に、回転軸３と同じ鉛直方向の高さ位置に配置されている。

なお、開口部１７を設けずに、電力変換装置８の放熱面８ａと液冷媒流路１１の外周壁１１ａとの間にグリースや熱伝導シートを介在させて、電力変換装置８を外周壁１１ａに取り付けてもよい。その固定手段としては、ねじ、蝋付け、溶接などが用いられる。

つぎに、電動機１００の動作について説明する。

外部電源からの直流電力が電力変換装置８により三相交流電力に変換され、固定子５に給電される。これにより、回転磁界が回転子４に与えられ、回転子４が回転駆動される。このとき、固定子巻線に通電され、固定子巻線で発熱する。固定子巻線での発熱は、固定子鉄心に伝達され、液冷媒流路１１の内周壁１１ｂを介して内部液冷媒１２に伝達される。また、回転子４での発熱は、固定子５に伝達され、液冷媒流路１１の内周壁１１ｂを介して内部液冷媒１２に伝達される。さらに、電力変換装置８では、スイッチング動作するパワーモジュールが発熱する。パワーモジュールでの発熱の一部は大気中に放熱されるが、そのほとんどが放熱面８ａを介して内部液冷媒１２に伝達される。

固定子５では、周方向に略均一に発熱するので、固定子５での発熱のみでは、内部液冷媒１２は周方向に均一な温度分布となる。一方、電力変換装置８での発熱は、周方向の一部でのみ内部液冷媒１２に伝達されるので、電力変換装置８の近傍の内部液冷媒１２の温度が相対的に高くなり、内部液冷媒１２に周方向の温度差が生じる。内部液冷媒１２は温度が高くなることで密度が小さくなり、浮力が発生する。そこで、図４中矢印Ａで示されるように、電力変換装置８での発熱を受けた内部液冷媒１２は、液冷媒流路１１内を鉛直方向の上方まで上昇し、液冷媒流路１１と外部液冷媒通過部１３との接続部９で流入ポート１５から外部液冷媒通過部１３に流入した外部液冷媒１４と接触する。内部液冷媒１２は、外部液冷媒１４との間で熱交換して低温となり、図４中矢印Ｂで示されるように、液冷媒流路１１内を下降する。これにより、液冷媒流路１１内に封入されている内部液冷媒１２に対流が起こる。

ここで、後述するポンプ２０により冷媒回路を強制循環する外部液冷媒１４が流入ポート１５から外部液冷媒通過部１３に流入し、流出ポート１６から流出する。このように、外部液冷媒通過部１３内を流れる外部液冷媒１４は、強制循環されている流れであり、液冷媒流路１１内を対流している内部液冷媒１２の流れに対して流速が速くなっている。さらに、外部液冷媒通過部１３内を流れる外部液冷媒１４と液冷媒流路１１内を対流している内部液冷媒１２との流れ方向が異なっている。これらにより、外部液冷媒１４の一部が内部液冷媒１２と混合し、熱交換が促進される。

このように、電動機本体１および電力変換装置８での発熱が、液冷媒流路１１内を循環する内部液冷媒１２に受熱される。内部液冷媒１２に受熱された熱が、液冷媒流路１１と外部液冷媒通過部１３との接続部９で外部液冷媒１４に伝達される。そして、内部液冷媒１２に受熱された熱を伝達されて高温となった外部液冷媒１４が流出ポート１６から流出する。これにより、電動機本体１および電力変換装置８が冷却される。

つぎに、実施の形態１による冷却システムを説明する。なお、図５に示される第１冷媒回路２００は、エンジン１８を冷却する冷却システムであり、図６に示される第２冷媒回路２０１は、エンジン１８ではなく、冷却を必要とする他の車両機器２３、例えば、バッテリー、降圧コンバータ、車載用充電器などを冷却する冷却システムである。

本冷却システムによる第１冷媒回路２００は、図５に示されるように、電動機１００、エンジン１８、ラジエータ１９およびポンプ２０を液冷媒配管２１により連結して構成されている。そして、外部液冷媒１４が、ポンプ２０から圧送されて、冷媒回路を循環する。ポンプ２０から吐出された外部液冷媒１４は、エンジン１８に流入し、エンジン１８での発熱を受熱して温度上昇し、ラジエータ１９に流入する。ついで、外部液冷媒１４は、ラジエータ１９で外部空気との間で熱交換し、温度低下して流入ポート１５から外部液冷媒通過部１３に流入する。ついで、外部液冷媒１４は、液冷媒流路１１と外部液冷媒通過部１３との接続部９で内部液冷媒１２との間で熱交換し、温度上昇して流出ポート１６から流出し、ポンプ２０に戻される。つまり、外部液冷媒通過部１３が車両のエンジン１８に接続されており、外部液冷媒１４がエンジン１８を冷却する。

また、本冷却システムによる第２冷媒回路２０１は、図６に示されるように、電動機１００、車両機器２３、ラジエータ１９およびポンプ２０を液冷媒配管２１により連結して構成されている。そして、外部液冷媒１４が、ポンプ２０から圧送されて、冷媒回路を循環する。ポンプ２０から吐出された外部液冷媒１４は、車両機器２３に流入し、車両機器２３出の発熱を受熱して温度上昇し、ラジエータ１９に流入する。ついで、外部液冷媒１４は、ラジエータ１９で外部空気との間で熱交換し、温度低下して流入ポート１５から外部液冷媒通過部１３に流入する。ついで、外部液冷媒１４は、液冷媒流路１１と外部液冷媒通過部１３との接続部９で内部液冷媒１２との間で熱交換し、温度上昇して流出ポート１６から流出し、ポンプ２０に戻される。

この実施の形態１によれば、冷却装置１０は、内部液冷媒１２が循環可能に充填された環状の液冷媒流路１１と、外部液冷媒１４が流通する外部液冷媒通過部１３と、を備えている。そして、液冷媒流路１１は、内部液冷媒１２が液冷媒流路１１内を循環する過程で電動機本体１と電力変換装置８での発熱を受熱可能に構成されている。外部液冷媒通過部１３は、液冷媒流路１１に対して鉛直方向の上方に位置して液冷媒流路１１に接続されている。そこで、電動機本体１および電力変換装置８から受熱した内部液冷媒１２が、液冷媒流路１１内を上昇し、液冷媒流路１１と外部液冷媒通過部１３との接続部９で外部液冷媒１４と熱交換するので、効率のよい放熱が可能となる。ここで、熱交換とは、内部液冷媒１２と外部液冷媒１４との混合、置換、攪拌、接触などによって高温の液冷媒から低温の液冷媒へと熱が移動することを意味する。これにより、大型化をもたらす放熱器や送風機が不要となり、電動機本体１の高出力化にともなって、電力変換装置８での発熱量が増加しても、電動機１００の大型化を抑制しつつ、電動機本体１および電力変換装置８を効果的に冷却することができる。

液冷媒流路１１が、固定子５の外周を囲繞するように配設されているので、固定子５に局所的な高温箇所が生じることがなく、電動機本体１の全体を効果的に冷却することができる。

実施の形態２．
図７はこの発明の実施の形態２に係る電動機を示す横断面図である。

図７において、電力変換装置８は、回転軸３と外部液冷媒通過部１３との間の鉛直方向の高さ位置で、外周壁１１ａの開口部１７を塞口するように液冷媒流路１１の外周壁１１ａに取り付けられている。
なお、他の構成は、上記実施の形態１と同様に構成されている。

このように構成された電動機１０１では、電力変換装置８が外部液冷媒通過部１３より鉛直方向の下方に位置しているので、電力変換装置８での発熱を受熱して温度上昇した内部液冷媒１２が液冷媒流路１１内を上昇し、液冷媒流路１１と外部液冷媒通過部１３との接続部９で外部液冷媒１４と熱交換する。
したがって、実施の形態２においても、上記実施の形態１と同様の効果が得られる。

実施の形態３．
図８はこの発明の実施の形態３に係る電動機を示す横断面図である。

図８において、電力変換装置８は、回転軸３に対して鉛直方向の下方の高さ位置で、外周壁１１ａの開口部１７を塞口するように液冷媒流路１１の外周壁１１ａに取り付けられている。
なお、他の構成は、上記実施の形態１と同様に構成されている。

このように構成された電動機１０２では、電力変換装置８が外部液冷媒通過部１３より鉛直方向の下方に位置しているので、電力変換装置８での発熱を受熱して温度上昇した内部液冷媒１２が液冷媒流路１１内を上昇し、液冷媒流路１１と外部液冷媒通過部１３との接続部９で外部液冷媒１４と熱交換する。
したがって、実施の形態３においても、上記実施の形態１と同様の効果が得られる。

この実施の形態３によれば、電力変換装置８が、回転軸３に対して鉛直方向の下方の高さ位置に位置している。そこで、実施の形態３では、実施の形態１に比べて、電力変換装置８と外部液冷媒通過部１３との距離が長くなり、液冷媒流路１１内での温度分布の不均一が大きくなるので、密度差によって生じる対流の流速が速くなり、高い放熱効果が得られる。

実施の形態４．
図９はこの発明の実施の形態４に係る電動機を示す横断面図である。

図９において、冷却装置１０Ａは、内部液冷媒１２が封入された液冷媒流路１１Ａと、外部液冷媒１４が流通可能に構成され、液冷媒流路１１Ａに接続している状態で配設された外部液冷媒通過部１３と、を備える。

液冷媒流路１１Ａは、同軸に配置された矩形枠状の外周壁１１ｃと円筒状の内周壁１１ｂの軸方向両端の開口を一対の端板で塞口して、環状の筒体に構成され、固定子５の外周に圧入して固定されて、固定子５と同軸に配設されている。電力変換装置８が、回転軸３と同じ鉛直方向の高さ位置で、外周壁１１ｃに形成された開口部１７を塞口するように液冷媒流路１１Ａに取り付けられている。外周壁１１ｃの鉛直方向の上方の部位に開口が形成されている。

外部液冷媒通過部１３は、下面を開口とする直方体の箱体に構成され、その開口を外周壁１１ｃの開口に合わせて液冷媒流路１１Ａの鉛直方向の上部に配置され、液冷媒流路１１Ａと連通している状態で液冷媒流路１１Ａと一体に作製されている。
なお、他の構成は、上記実施の形態１と同様に構成されている。

このように構成された電動機１０３では、電力変換装置８が外部液冷媒通過部１３より鉛直方向の下方に位置しているので、電力変換装置８での発熱を受熱して温度上昇した内部液冷媒１２が液冷媒流路１１Ａ内を上昇し、液冷媒流路１１Ａと外部液冷媒通過部１３との接続部９で外部液冷媒１４と熱交換する。
したがって、実施の形態４においても、上記実施の形態１と同様の効果が得られる。

この実施の形態４によれば、液冷媒流路１１Ａの外周壁１１ｃが矩形枠状に構成されている。そこで、液冷媒流路１１Ａと外部液冷媒通過部１３との組み付け性が高められるとともに、電力変換装置８の液冷媒流路１１Ａへの組み付け性が高められる。

実施の形態５．
図１０はこの発明の実施の形態５に係る電動機を示す横断面図である。

図１０において、冷却装置１０Ｂは、内部液冷媒１２が封入された液冷媒流路１１Ｂと、外部液冷媒１４が流通可能に構成され、液冷媒流路１１Ｂに接続している状態で配設された外部液冷媒通過部１３と、を備える。

液冷媒流路１１Ｂは、同軸に配置された八角形枠状の外周壁１１ｄと円筒状の内周壁１１ｂの軸方向両端の開口を一対の端板で塞口して、環状の筒体に構成され、固定子５の外周に圧入して固定されて、固定子５と同軸に配設されている。電力変換装置８が、回転軸３と同じ鉛直方向の高さ位置で、外周壁１１ｄに形成された開口部１７を塞口するように液冷媒流路１１Ｂに取り付けられている。外周壁１１ｄの鉛直方向の上方の部位に開口が形成されている。

外部液冷媒通過部１３は、下面を開口とする直方体の箱体に構成され、その開口を外周壁１１ｄの開口に合わせて液冷媒流路１１Ｂの鉛直方向の上部に配置され、液冷媒流路１１Ｂと連通している状態で液冷媒流路１１Ｂと一体に作製されている。
なお、他の構成は、上記実施の形態１と同様に構成されている。

このように構成された電動機１０４では、電力変換装置８が外部液冷媒通過部１３より鉛直方向の下方に位置しているので、電力変換装置８での発熱を受熱して温度上昇した内部液冷媒１２が液冷媒流路１１Ｂ内を上昇し、液冷媒流路１１Ｂと外部液冷媒通過部１３との接続部９で外部液冷媒１４と熱交換する。
したがって、実施の形態５においても、上記実施の形態１と同様の効果が得られる。

この実施の形態５によれば、液冷媒流路１１Ｂの外周壁１１ｄが八角形枠状に構成されている。そこで、液冷媒流路１１Ｂと外部液冷媒通過部１３との組み付け性が高められるとともに、電力変換装置８の液冷媒流路１１Ｂへの組み付け性が高められる。

実施の形態６．
図１１はこの発明の実施の形態６に係る電動機を示す横断面図である。

図１１において、沸騰誘導部２５が電力変換装置８の放熱面８ａに形成されている。この沸騰誘導部２５は、キャビティと呼ばれる沸騰核を形成しやすくする微少な凹凸の形成部であり、溝加工、サンドブラスト、金属溶射、酸化還元処理などを放熱面８ａに施すことで放熱面８ａに形成される。なお、沸騰核を形成しやすくするために、多孔質体、フィンなどの伝熱促進体を沸騰誘導部２５に設置してもよい。また、伝熱促進体は、蝋付け、拡散接合、溶接などにより沸騰誘導部２５に設置される。
なお、他の構成は、上記実施の形態１と同様に構成されている。

このように構成された電動機１０５では、電力変換装置８での発熱により放熱面８ａの沸騰誘導部２５に沸騰核が形成され、内部液冷媒１２が沸騰する。内部液冷媒１２の沸騰にともなって蒸気泡２６が発生する。この蒸気泡２６は、内部液冷媒１２より十分に密度が小さく、図１１中矢印Ａで示されるように、液冷媒流路１１内を上昇する。液冷媒流路１１内を鉛直方向の上方まで上昇した蒸気泡２６は、液冷媒流路１１と外部液冷媒通過部１３との接続部９で外部液冷媒１４と接触する。蒸気泡２６は、外部液冷媒１４と熱交換して凝縮液化し、図１１中矢印Ｂで示されるように、液冷媒流路１１内を下降する。これにより、液冷媒流路１１内に封入されている内部液冷媒１２に対流が起こり、電動機本体１および電力変換装置８が冷却される。
したがって、実施の形態６においても、上記実施の形態１と同様の効果が得られる。

実施の形態６によれば、蒸気泡２６の上昇流によって引き起こされる内部液冷媒１２の対流は、内部液冷媒１２の密度差によって引き起こされる内部液冷媒１２の対流よりも流速が速いので、電動機本体１および電力変換装置８を効果的に冷却することができる。

なお、上記実施の形態６では、液冷媒流路１１内に露呈する電力変換装置８の放熱面８ａに沸騰誘導部２５を形成しているが、電力変換装置８が、放熱面８ａを液冷媒流路１１の外周壁１１ａに接する状態で外付けされる場合には、外周壁１１ａの厚み方向から見て、外周壁１１ａの内周面の、電力変換装置８の放熱面８ａと重なる領域に、沸騰誘導部２５を形成すればよい。
また、上記実施の形態６では、上記実施の形態１における電力変換装置８の放熱面８ａに沸騰誘導部２５を形成しているが、他の実施の形態における電力変換装置８の放熱面８ａに沸騰誘導部２５を形成しても、同様の効果が得られる。

実施の形態７．
図１２はこの発明の実施の形態７に係る電動機を示す横断面図である。

図１２において、冷却装置１０Ｃは、内部液冷媒１２が封入された液冷媒流路１１Ｃと、外部液冷媒１４が流通可能に構成され、液冷媒流路１１Ｃに接続している状態で配設された外部液冷媒通過部１３と、を備える。

液冷媒流路１１Ｃは、同軸に配置された楕円形筒状の外周壁１１ｅと円筒状の内周壁１１ｂの軸方向両端の開口を一対の端板で塞口して、環状の筒体に構成され、固定子５の外周に圧入して固定されて、固定子５と同軸に配設されている。電力変換装置８が、回転軸３と同じ鉛直方向の高さ位置で、外周壁１１ｅに形成された開口部１７を塞口するように液冷媒流路１１Ｃに取り付けられている。沸騰誘導部２５が電力変換装置８の放熱面８ａに形成されている。外周壁１１ｅの鉛直方向の上方の部位に開口が形成されている。

外部液冷媒通過部１３は、下面を開口とする直方体の箱体に構成され、その開口を外周壁１１ｅの開口に合わせて液冷媒流路１１Ｃの鉛直上部に配置され、液冷媒流路１１Ｃと連通している状態で液冷媒流路１１Ｃと一体に作製されている。
なお、他の構成は、上記実施の形態１と同様に構成されている。

このように構成された電動機１０６では、電力変換装置８での発熱により放熱面８ａの沸騰誘導部２５に沸騰核が形成され、内部液冷媒１２が沸騰する。内部液冷媒１２の沸騰にともなって蒸気泡２６が発生する。この蒸気泡２６は、内部液冷媒１２より十分に密度が小さく、図１２中矢印Ａで示されるように、液冷媒流路１１内を上昇する。液冷媒流路１１内を鉛直方向の上方まで上昇した蒸気泡２６は、外部液冷媒通過部１３の外部液冷媒１４と接触する。蒸気泡２６は、外部液冷媒１４と熱交換して凝縮液化し、図１２中矢印Ｂで示されるように、液冷媒流路１１内を下降する。これにより、液冷媒流路１１Ｃ内に封入されている内部液冷媒１２に対流が起こり、電動機本体１および電力変換装置８が冷却される。
したがって、実施の形態７においても、上記実施の形態１と同様の効果が得られる。

実施の形態７によれば、外周壁１１ｅが楕円形筒状に作製され、内周壁１１ｂが円筒状に作製されているので、電力変換装置８の放熱面８ａと内周壁１１ｂとの間が狭くなっている。そこで、沸騰にともなって発生した蒸気泡２６が合体し、大きな蒸気泡２６となる。この大型化した蒸気泡２６の上昇流によって引き起こされる内部液冷媒１２の対流の流速が一層速くなり、電動機本体１および電力変換装置８をより効果的に冷却することができる。

なお、上記実施の形態７では、楕円形筒状の外周壁１１ｅと円筒状の内周壁１１ｂとを同軸に配置して、電力変換装置８の近傍の流路の径方向幅を狭くしているが、電力変換装置８の近傍の流路の径方向幅を狭くする構造は、これに限定されず、例えば、円筒状の外周壁１１ａと内周壁１１ｂとを偏心させて配置することで、電力変換装置８の近傍の流路の径方向幅を狭くしてもよい。

実施の形態８．
図１３はこの発明の実施の形態８に係る電動機の外部液冷媒通過部周りを示す要部斜視図である。

図１３において、冷却装置１０Ｄは、外部液冷媒通過部１３内に配設され、流入ポート１５から流入した外部液冷媒１４をその流れ方向を変えて液冷媒流路１１に誘導する導水板２７を備えている。
なお、他の構成は上記実施の形態１と同様に構成さている。

実施の形態８では、流入ポート１５から流入した外部液冷媒１４が、導水板２７に衝突する。導水板２７に衝突した外部液冷媒１４の一部が、液冷媒流路１１の方向に流れ、残部が流出ポート１６の方向に流れる。液冷媒流路１１の方向に流れた外部液冷媒１４は、液冷媒流路１１内の電力変換装置８と反対側の流路を下降した後、液冷媒流路１１内の電力変換装置８の側の流路を上昇して外部液冷媒通過部１３に戻ってくる。このように、導水板２７に衝突した外部液冷媒１４の一部が液冷媒流路１１内を流れることにより、液冷媒流路１１内に強制的な対流が発生するので、電動機本体１および電力変換装置８を効果的に冷却することができる。

ここで、導水板２７の形状や流入ポート１５から流入する外部液冷媒１４の流れ方向に対する設置角度を調整することで、液冷媒流路１１内に流れ込む外部液冷媒１４の流量を任意に設定できる。そこで、電動機本体１および電力変換装置８を冷却するために必要な冷却能力に応じて、導水板２７の形状や設置角度を設定すればよい。
また、外部液冷媒１４の一部を液冷媒流路１１に誘導しているので、外部液冷媒１４を循環させるためのポンプ２０への負荷が小さくなり、ポンプ２０の大型化を抑制できる。

実施の形態９．
図１４はこの発明の実施の形態９に係る電動機の外部液冷媒通過部周りを示す要部斜視図である。

図１４において、冷却装置１０Ｅは、液冷媒流路１１内に突出するように外部液冷媒通過部１３に配設され、流入ポート１５から流入した外部液冷媒１４をその流れ方向を変えて液冷媒流路１１に誘導する導水板２８を備えている。
なお、他の構成は上記実施の形態８と同様に構成さている。

実施の形態９では、流入ポート１５から流入して導水板２８に衝突した外部液冷媒１４の一部が、液冷媒流路１１の方向に流れ、残部が流出ポート１６の方向に流れる。液冷媒流路１１の方向に流れた外部液冷媒１４は、液冷媒流路１１内の電力変換装置８と反対側の流路を下降した後、液冷媒流路１１内の電力変換装置８の側の流路を上昇して外部液冷媒通過部１３に戻ってくる。
したがって、実施の形態９においても、上記実施の形態８と同様の効果が得られる。
また、実施の形態９では、導水板２８が液冷媒流路１１内に突出しているので、導水板２８に衝突した外部液冷媒１４を効果的に液冷媒流路１１内に流し込むことができる。

なお、上記実施の形態８，９では、上記実施の形態１による冷却装置の外部液冷媒通過部に導水板を設置しているが、他の実施の形態による冷却装置の外部液冷媒通過部に導水板を設置しても、同様の効果が得られる。

実施の形態１０．
図１５はこの発明の実施の形態１０に係る電動機を示す横断面図である。

図１５において、冷却装置１０Ｆは、内部液冷媒１２が封入された液冷媒流路１１と、外部液冷媒１４が流通可能に構成され、液冷媒流路１１に接続している状態で配設された外部液冷媒通過部１３Ａと、を備える。

外部液冷媒通過部１３Ａは、下面を開口とする直方体の箱体に構成され、その開口を外周壁１１ａの開口に合わせて液冷媒流路１１の鉛直方向の上部に配置され、液冷媒流路１１と連通している状態で液冷媒流路１１と一体に作製されている。そして、流入ポート１５が、液冷媒流路１１の鉛直方向の頂上位置における外周壁１１ａの仮想壁の接線と平行として、外部液冷媒通過部１３Ａの周方向一側面に取り付けられている。これにより、流入ポート１５から外部液冷媒通過部１３Ａ内に流入する外部液冷媒１４の方向が、液冷媒流路１１の鉛直方向の上部、すなわち液冷媒流路１１と外部液冷媒通過部１３Ａとの接続部９における内部液冷媒１２の流れ方向と同じ方向、かつ平行となっている。また、流出ポート１６が、流入ポート１５と同軸に、外部液冷媒通過部１３Ａの周方向他側面に取り付けられている。
なお、他の構成は、上記実施の形態１と同様に構成されている。

このように構成された電動機１０７では、図１５中矢印Ａで示されるように、電力変換装置８での発熱を受熱した内部液冷媒１２が、液冷媒流路１１内を鉛直方向の上方まで上昇し、流入ポート１５を介して外部液冷媒通過部１３Ａに流入した外部液冷媒１４と接触する。内部液冷媒１２は、外部液冷媒１４との間で熱交換して低温となり、図１５中矢印Ｂで示されるように、液冷媒流路１１内を下降する。これにより、液冷媒流路１１内に封入されている内部液冷媒１２に対流が起こり、電動機本体１および電力変換装置８が冷却される。
したがって、実施の形態１０においても、上記実施の形態１と同様の効果が得られる。

実施の形態１０によれば、流入ポート１５から外部液冷媒通過部１３Ａ内への外部液冷媒１４の流入方向が、液冷媒流路１１と外部液冷媒通過部１３Ａとの接続部９における内部液冷媒１２の流れ方向と同じ方向、かつ平行となっている。そこで、内部液冷媒１２は、液冷媒流路１１と外部液冷媒通過部１３Ａとの接続部９で外部液冷媒１４と混合され、その一部が外部液冷媒１４とともに流出ポート１６から流出する。また、外部液冷媒通過部１３Ａに流入した外部液冷媒１４の一部が、混合された内部液冷媒１２とともに、図１５中矢印Ｂで示されるように、液冷媒流路１１内を下降する。このように、外部液冷媒通過部１３Ａに流入した外部液冷媒１４の一部が、液冷媒流路１１内に流入して、液冷媒流路１１内に強制的な対流を発生させるので、電動機本体１および電力変換装置８を効果的に冷却することができる。

実施の形態１１．
図１６はこの発明の実施の形態１１に係る電動機を示す横断面図である。

図１６において、冷却装置１０Ｇは、内部液冷媒１２が封入された液冷媒流路１１と、外部液冷媒１４が流通可能に構成され、液冷媒流路１１に接続している状態で配設された外部液冷媒通過部１３Ｂと、を備える。

外部液冷媒通過部１３Ｂは、下面を開口とする直方体の箱体に構成され、その開口を外周壁１１ａの開口に合わせて液冷媒流路１１の鉛直方向の上部に配置され、液冷媒流路１１と連通している状態で液冷媒流路１１と一体に作製されている。そして、流入ポート１５が、ポートの軸心を、液冷媒流路１１の鉛直方向の頂上位置における外周壁１１ａの仮想壁の接線と平行として、外部液冷媒通過部１３Ｂの周方向一側面に取り付けられている。これにより、流入ポート１５から外部液冷媒通過部１３Ｂ内に流入する外部液冷媒１４の方向が、液冷媒流路１１の鉛直方向の上部、すなわち液冷媒流路１１と外部液冷媒通過部１３Ｂとの接続部９における内部液冷媒１２の流れ方向と同じ方向、かつ平行となっている。また、流出ポート１６が、軸心を流入ポート１５の軸心および回転軸３の軸心と直交させて、外部液冷媒通過部１３Ｂの鉛直方向の上面の周方向他側に取り付けられている。
なお、他の構成は、上記実施の形態１と同様に構成されている。

このように構成された電動機１０８では、図１６中矢印Ａで示されるように、電力変換装置８での発熱を受熱した内部液冷媒１２が、液冷媒流路１１内を鉛直方向の上方まで上昇し、流入ポート１５を介して外部液冷媒通過部１３Ｂに流入した外部液冷媒１４と接触する。内部液冷媒１２は、外部液冷媒１４との間で熱交換して低温となり、図１６中矢印Ｂで示されるように、液冷媒流路１１内を下降する。これにより、液冷媒流路１１内に封入されている内部液冷媒１２に対流が起こり、電動機本体１および電力変換装置８が冷却される。
したがって、実施の形態１１においても、上記実施の形態１と同様の効果が得られる。

実施の形態１１によれば、流入ポート１５から外部液冷媒通過部１３内への外部液冷媒１４の流入方向が、液冷媒流路１１の鉛直方向の上部、すなわち液冷媒流路１１と外部液冷媒通過部１３Ｂとの接続部９における内部液冷媒１２の流れ方向と同じ方向、かつ平行となっている。そこで、内部液冷媒１２は、液冷媒流路１１と外部液冷媒通過部１３Ｂとの接続部９で外部液冷媒１４と混合され、その一部が外部液冷媒１４とともに流出ポート１６から流出する。また、外部液冷媒通過部１３Ｂに流入した外部液冷媒１４の一部が、混合された内部液冷媒１２とともに、図１６中矢印Ｂで示されるように、液冷媒流路１１内を下降する。このように、外部液冷媒通過部１３Ｂに流入した外部液冷媒１４の一部が、液冷媒流路１１内に流入して、液冷媒流路１１内に強制的な対流を発生させるので、電動機本体１および電力変換装置８を効果的に冷却することができる。

さらに、実施の形態１１によれば、流出ポート１６が外部液冷媒通過部１３Ｂの鉛直方向の上面の周方向他側に取り付けられているので、外部液冷媒通過部１３Ｂ内に存在する空気は、速やかに流出ポート１６から外部に流出し、外部液冷媒通過部１３Ｂ内の空気の残存量を少なくすることができる。

実施の形態１２．
図１７はこの発明の実施の形態１２に係る電動機を示縦横断面図である。なお、縦断面図とは、電動機の回転軸の軸心を含む断面を表した図である。

図１７において、冷却装置１０Ｈは、内部液冷媒１２が封入された液冷媒流路１１と、外部液冷媒１４が流通可能に構成され、液冷媒流路１１に接続している状態で配設された外部液冷媒通過部１３Ｃと、を備える。外部液冷媒通過部１３Ｃは、流入ポート１５と流出ポート１６とを連結する開孔管２９を内部に備える。なお、開孔管２９とは、内外を連通する孔２９ａが周壁に多数形成された管状部材である。

外部液冷媒通過部１３Ｃは、下面を開口とする直方体の箱体に構成され、その開口を外周壁１１ａの開口に合わせて液冷媒流路１１の鉛直方向の上部に配置され、液冷媒流路１１と連通している状態で液冷媒流路１１と一体に作製されている。そして、流入ポート１５が、外部液冷媒通過部１３Ｃの軸方向一端面に取り付けられている。同様に、流出ポート１６が、外部液冷媒通過部１３Ｃの軸方向他端面に取り付けられている。流入ポート１５と流出ポート１６とが開孔管２９により連結されており、外部液冷媒１４は、流入ポート１５から開孔管２９に流入し、開孔管２９を流通して流出ポート１６から外部に流出する。このとき、外部液冷媒１４が、開孔管２９の孔から流出し、外部液冷媒通過部１３Ｃが外部液冷媒１４で満たされる。
なお、他の構成は、上記実施の形態１と同様に構成されている。

このように構成された電動機１０９では、電力変換装置８での発熱を受熱した内部液冷媒１２が、液冷媒流路１１内を鉛直方向の上方まで上昇し、開孔管２９を介して外部液冷媒通過部１３Ｃに流入した外部液冷媒１４と接触する。内部液冷媒１２は、外部液冷媒１４との間で熱交換して低温となり、液冷媒流路１１内を下降する。これにより、液冷媒流路１１内に封入されている内部液冷媒１２に対流が起こり、電動機本体１および電力変換装置８が冷却される。
したがって、実施の形態１２においても、上記実施の形態１と同様の効果が得られる。

例えば、実施の形態１による冷却装置１０では、外部液冷媒１４が流入ポート１５から外部液冷媒通過部１３に直接流入するときに、外部液冷媒１４の通過する断面積が異なることによって圧力損失が発生する。さらには、外部液冷媒１４が外部液冷媒通過部１３から流出ポート１６に直接流出するときに、外部液冷媒１４の通過する断面積が異なることによって圧力損失が発生する。

実施の形態１２によれば、流入ポート１５から流入した外部液冷媒１４は、開孔管２９を流通して、流出ポート１６から流出する。そして、開孔管２９を流通する外部液冷媒１４の一部が、開孔管２９の孔から外部液冷媒通過部１３Ｃに流出する。また、内部液冷媒１２と熱交換した外部液冷媒１４が、開孔管２９の孔から開孔管２９内に流入する。これにより、上述の外部液冷媒１４の外部液冷媒通過部１３Ｃへの流入時、および外部液冷媒通過部１３Ｃからの流出時における圧力損失の発生が抑制される。そこで、外部液冷媒１４の流入量が圧力損失によって減少することがない。

さらに、開孔管２９を流通する外部液冷媒１４の一部が、開孔管２９の孔から外部液冷媒通過部１３Ｃに流出するので、液冷媒流路１１内を上昇してきた内部液冷媒１２と外部液冷媒１４とが接触することができる。これにより、内部液冷媒１２の冷却を阻害することなく、外部液冷媒１４の流入量を増加することができる。

なお、上記各実施の形態では、車両用電動機について説明しているが、車両用発電機、車両用電動発電機などの車両用回転電機に適応しても、同様の効果が得られる。そして、車両用発電機の場合には、電力変換装置は、発電機本体で発生した交流電力を直流電力に変換するように構成される。そして、車両用電動発電機の場合には、電力変換装置は、外部の直流電力を交流電力に変換し、かつ本体で発生した交流電力を直流電力に変換するように構成される。

また、上記各実施の形態では、液冷媒流路が円筒状の内周壁を固定子に圧入して固定子に固定されているが、内周壁を省略し、固定子が液冷媒流路の内周壁を兼ねてもよい。
また、上記各実施の形態では、電力変換装置が液冷媒流路の外周壁に取り付けられているが、電力変換装置は、同軸に配置された内周壁と外周壁との軸方向両端の開口を塞口する端板に取り付けられてもよい。

また、上記各実施の形態では、電動機が回転軸の軸心を水平として設置され、冷却装置の液冷媒流路が固定子の外周に固定子と同軸に設置されているが、電動機は、必ずしも、回転軸の軸心が水平となるように設置される必要はなく、外部液冷媒通過部が、液冷媒流路の鉛直方向の上方位置に配置され、外部液冷媒通過部を通過する外部液冷媒が電力変換装置から受熱して液冷媒流路内を上昇してきた内部液冷媒と熱交換できればよい。

１ 電動機本体（回転電機本体）、４ 回転子、５ 固定子、８ 電力変換装置、８ａ 放熱面、９ 接続部、１０ 冷却装置、１１ 液冷媒流路、１１ｂ 内周壁、１１ｅ 外周壁、１２ 内部液冷媒、１３ 外部液冷媒通過部、１４ 外部液冷媒、１６ 流入ポート、２５ 沸騰誘導部、２７，２８ 導水板、２９ 開孔管。

Claims (11)

1. 電力変換装置が変換した電力を用いて回転電機本体が車両に対する回転駆動を行う車両用回転電機において、
   前記回転電機本体を冷却する冷却装置を備え、
   前記冷却装置は、
   前記回転電機本体に取り付けられ、内部液冷媒が前記回転電機本体の外周に沿って循環する環状の内部液冷媒流路と、
   外部液冷媒が流通する外部液冷媒通過部と、を備え、
   前記外部液冷媒通過部は、前記回転電機本体の鉛直上方に位置する接続部で前記内部液冷媒流路に接続され、
   前記電力変換装置は、前記電力変換装置で発生する熱を放出する放熱面を備え、前記冷却装置に取り付けられ、前記接続部の鉛直下方の位置で、前記放熱面と前記内部液冷媒とが熱交換可能となっている車両用回転電機。
2. 前記回転電機本体は、回転子と、前記回転子を囲繞する固定子と、を備え、
   前記内部液冷媒流路が、前記回転電機本体を囲繞するように配設されている請求項１記載の車両用回転電機。
3. 前記内部液冷媒流路は、円筒形状に構成され、前記回転子と同軸に配設されている請求項２記載の車両用回転電機。
4. 前記放熱面は、前記内部液冷媒流路の周壁の一部を構成している請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の車両用回転電機。
5. 前記放熱面は、凹凸形状に形成された、沸騰核の形成を促す沸騰誘導部を備える請求項４記載の車両用回転電機。
6. 前記放熱面は、前記内部液冷媒流路の周壁の前記内部液冷媒と反対側の面に接している請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の車両用回転電機。
7. 前記内部液冷媒流路の周壁の、前記放熱面が接している領域の内周面は、凹凸形状に形成された、沸騰核の形成を促す沸騰誘導部を備える請求項６記載の車両用回転電機。
8. 前記外部液冷媒通過部は、
   前記外部液冷媒を流入出させる流入ポートおよび流出ポートと、
   前記流入ポートと前記流出ポートとの間に配設され、前記流入ポートから流入した前記外部液冷媒を前記流入ポートより鉛直下方に誘導する導水板と、を備える請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の車両用回転電機。
9. 前記接続部における前記内部液冷媒の循環方向は、前記流入ポートから前記流出ポートに向かう方向と同じ方向である請求項８記載の車両用回転電機。
10. 前記外部液冷媒通過部は、
    前記外部液冷媒を流入出させる流入ポートおよび流出ポートと、
    内外を連通する複数の孔が形成された、前記流入ポートと前記流出ポートとを連結する開孔管と、を備える請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の車両用回転電機。
11. 前記外部液冷媒通過部が前記車両のエンジンに連結されており、前記外部液冷媒が前記エンジンを冷却する請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の車両用回転電機。

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