JP4586542B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、回転電機に関し、特に冷却のための流体を流す冷却流路を有する回転電機に関する。

回転電機（モータ、または発電機、またはモータ兼発電機）を負荷の厳しい条件で運転したり、回転電機の体格をより小さくしたりするには、コイルやステータコアで発生した熱を素早く放熱する必要がある。ステータの温度が上昇すると、コイルのエナメル線のエナメル被覆や、コイルをステータコアと絶縁している絶縁紙が焼損してしまうからである。

近年、回転電機をエンジンとともにあるいはエンジンに代えて駆動源として用いる電気自動車、ハイブリッド自動車および燃料電池自動車などの車両が登場している。このような車両に搭載されている回転電機は、このような負荷の厳しい条件での運転や、小型化の要求が特に大きい。

従来技術においては、コイル温度を低減し、エナメル被覆や絶縁紙の焼損を防止するために、直接コイル巻回部に冷却液をかける技術がある。たとえば回転電機のケース上部に冷却液供給口を設けておき、この冷却液供給口からコイルに対して冷却液を噴射してコイルを冷却するような技術である。

しかし、冷却液をコイルに供給した後冷却液を重力で落下するのに任せると、実際に冷却液で覆われているのはコイルの外表面の約３０〜６０％の面積に限られ、残りのコイル表面部位は冷却液がかからず空冷のままである。よって、コイルの全表面積が空冷の場合に比べてはコイルの温度は低減しているものの、さらに運転条件の厳しい領域（高回転領域または大トルク領域）ではコイル温度が上昇してしまう。

特開２００２−２７２０４１号公報（特許文献１）、特開平４−３６４３４３号公報（特許文献２）、特開２００３−２８９６５０号公報（特許文献３）、特開２００３−２２４９４５号公報（特許文献４）には回転電機のステータのコイル巻回部端面に密閉型冷却流路を備えるものが開示されている。このような構成とすれば、単に冷却液をコイルに噴射して重力により定まる流れに任せておくよりもコイルに対する冷却効果が向上する。
特開２００２−２７２０４１号公報 特開平４−３６４３４３号公報 特開２００３−２８９６５０号公報 特開２００３−２２４９４５号公報

しかしながら、上記の特開２００２−２７２０４１号公報（特許文献１）などの先行文献に開示される構成では、回転電機の上部から冷却液を供給し、下部より排出している。このような構成では、冷却液の供給量が十分でなければコイル端面部分でも場所によっては冷却液が接触しない部位が生じ、冷却性能が十分でないという問題がある。

この発明の目的は、冷却能力が向上した回転電機を提供することである。

この発明は、要約すると、回転電機であって、ステータコアと、ステータコアに巻回されたコイルと、コイルのステータコアに巻回された部分の少なくとも一部が冷却のための流体に浸漬されるように配置された冷却流路と、冷却流路内が流体で適切に満たされるように流体の供給量または排出量を制御する流量制御部とを備える。

好ましくは、冷却流路には、ステータコアの上部側に流体供給口が設けられ、ステータコアの下部側に流体排出口が設けらる。流量制御部は、流体排出口に取付けられた流量制御弁を含む。

好ましくは、回転電機の状態を検知する検知手段を備える。流量制御部は、検知手段の出力に応じて冷却流路に満たされている流体のコイル浸漬レベルを変化させる。

この発明の他の局面に従うと、回転電機であって、ステータコアと、ステータコアに巻回されたコイルと、コイルのステータコアに巻回された部分の少なくとも一部が冷却のための流体に浸漬されるように配置された冷却流路とを備える。冷却流路には、ステータコアの下部側に流体供給口が設けられ、ステータコアの上部側に流体排出口が設けられる。

より好ましくは、回転電機は、流体供給口に取付けられた逆止弁をさらに備える。

好ましくは、流体排出口は、流体排出口から排出される流体がステータコアを収容するケースとステータコアの隙間部に供給される位置に設けられる。

好ましくは、回転電機は、コイルをステータに固定する樹脂モールド部をさらに備える。

本発明によれば、密閉流路を採用することにより、コイルが冷却流体に接する部分が拡大するため、冷却油、コイル間の伝熱面積が大となり、コイル−冷却油間の熱抵抗を大幅に低減し、モータのさらに効率的な冷却が可能となる。

また、放熱経路がコイルから冷却油に直接放熱されるようになるため、コイル−冷却油間の熱抵抗を大幅に低減することができ、モータの効率的な冷却が可能となる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、同一または相当部品には同一の符号を付してそれらについての説明は繰返さない。

［実施の形態１］
実施の形態１においては、ステータのコイル部がモールドされているモータにおいて、コイルを直接液冷することにより、負荷の厳しい条件での運転を可能とし、体格を小さくすることが可能なモータの冷却構造を提案する。

図１は、本発明の実施の形態１に用いられるステータ１の正面図である。

図２は、図１のＩＩ−ＩＩ断面における断面図である。

図１、図２を参照して、ステータ１は内部にロータを収容可能な円筒状の形状を有しており、両側面にカバー６０，７９を含む。カバー６０は、ステータの外周側に配置されているボルト６１〜６７と、内周側に配置されているボルト７０〜７７によってステータのモールド樹脂部２に固定されている。

図３は、図２においてカバー６０を外してＩＩＩ−ＩＩＩ方向から見た図である。

図２、図３を参照して、ステータ１は、ステータコア８と、ステータコア８のコア部にそれぞれ巻回されたコイル１１〜２２と、内部にロータを収容する環状の形状を有し、コイル１１〜２２を樹脂モールドしてステータコア８に固定支持する樹脂部２とを含む。

図３においては上下の断面とステータの円筒状の内側面が見えている。円筒状内側面にはステータコア８Ａ〜８Ｅの頭部が見えている。

樹脂部２のロータと回転軸に垂直な面には、冷却のための流体である冷却油をコイル１１〜２２に近づけるように導くための溝部３０が設けられている。この溝部３０は樹脂部２から突出した壁部３，５によって構成されている。なおハイブリッド自動車では、冷却油としてＡＴＦ（Automatic Transmission Fluid）が用いられることが多い。

溝部３０の内壁からは、コイル１１〜１２の一部が樹脂部に埋没されていない状態で露出している。この露出している一部は、ステータコア８に巻回されたコイル部分の回転軸手前方向の部分である。冷却油が直接コイルに接触するのでコイルの熱が冷却油に伝達されやすく、冷却効率が向上する。

溝部３０は、環状形状であり、溝部３０を構成する樹脂部２の壁部には、冷却油を流入させる切欠部７と冷却油を流出させる切欠部６とが設けられる。切欠部７は切欠部６より大きく設定されており、これにより冷却油が溝の下側部分に溜まりやすいのでコイルは冷却油に浸漬状態となりやすく、さらに冷却効率が向上する。

ステータコアがコイルにセットされた後に成形型内部に挿入され、射出成形によって樹脂部２が形成される。この成形により樹脂部の断面形状を凹型として冷却油の通路となる溝部３０が一体的に形成される。

冷却油は、重力方向上側の切欠部７から供給され、コイル１１〜２２を冷却しながらモールド上の環状の溝部３０とカバー６０とで形成される流路中を流れ、重力方向下側のカバー６０の下部に設けられた排出口であるオリフィス７８から順次排出される。

モールドで形成された溝部３０の内部には、たとえば冷却油ができるだけコイル１１〜２２に均等にかかり、コイルから冷却油への熱伝達を良好にするために成形時に適宜冷却油を導くための突起部を溝部３０の内部に設けてもよい。

なお、図１、図２に示した構成では、コイルの一部を樹脂モールドの外表面から剥き出しにした例を示したが、剥き出しにまではしなくても樹脂モールドに溝部を設けてコイルの近傍に冷却油を導くような構造とすればコイル冷却には一定の効果はある。

図４は、ステータ１の上部に設けられた切欠部にオイルを供給する構成を説明するための図である。

図４を参照して、回転電機５０は、ステータ１と、ステータ１の内部に配置されるロータ３２と、ステータ１およびロータ３２を収容するケース３４と、ケース３４に固定されロータ３２の回転軸４２を回転自在に支持するボールベアリング３８，４０と、回転軸４２に取付けられケース３４の外側に取付けられるオイルポンプ３６とを含む。ステータ１はボルト５３によってケース３４に固定されている。

ケース３４には、ケース内側の油溜まり４４からオイルを吸込むためのオイル吸込路４６およびオイルポンプ３６から送出されるオイルを冷却のためにステータ１に供給するオイル吐出路４８が設けられている。オイル吐出路４８の終端部にはオイル吐出口５１，５２が設けられておりステータ１の切欠部７の中央部分に冷却油が供給される。

冷却油は、まずケース下部の油溜まり４４からオイルポンプ３６によって汲み上げられ、ケース３４に設けられたオイル吸込路４６からオイルポンプ３６を介してオイル吐出路４８を通りステータの切欠部７に供給される。供給された冷却油は、ステータ１を冷却した後重力落下により油溜まり４４に戻る。油溜まり４４とオイルポンプ３６との途中にオイルクーラを入れてもよい。

溝部３０は図２、図３に示したように壁部３および５によって囲まれておりカバー６０で覆われているため、冷却油はコイル１１〜２２の露出部の大部分にかかり、かつ重力方向下側のオリフィス７８へと誘導される。このため、冷却油は図３のロータ３２とステータ１との間のエアギャップには流れて行かない。

ステータ１とロータ３２間のエアギャップに冷却油が入り込むと、これを剪断するために動力損失が発生する。壁部５が設けられているためこのような動力損失を防止することができる。

図５は、オイルを供給する他の構成を説明するための図である。

図６は、図５におけるＶＩ−ＶＩ面における断面図である。

図５、図６は、図４で示したステータ１およびロータ３２を備えた回転電機５０の構成において、オイルポンプ３６に換えてケース３４外部に取付けられる冷却油を供給する構成を示している。

ロータ３２の回転軸４２には出力ギヤ１５２が固定されている。ギヤ１５０は、出力ギヤ１５２よりも大径に構成されており、モータケース３４外においてそれらが相互に噛み合わされている。ギヤ１５０の下部は、第１油室１５４内に貯留されている潤滑油に浸漬されている。

第１油室１５４には、隔壁１５６によって区分された第２油室１５８が併設されており、潤滑油はそれぞれに貯留される。第２油室１５８は、図４の油溜り４４に通じている。隔壁１５６は、高さ方向の中間部に絞り油路（オリフィス）１６０を備えているため、第２油室１５８に貯留されている潤滑油は、絞り油路１６０を通して流入量を制限されつつ第１油室１５４内に供給されることとなる。

また、出力ギヤ１５２の上方には油受け板１６２がほぼ水平に配置されており、それとギヤボックス１６４との間の空間１６６内には、冷却油供給口１１８が１対設けられている。

そのため、ロータ３２の回転軸４２の回転に伴って、出力ギヤ１５２に噛み合わされている大径ギヤ１５０が水平方向に伸びる回転軸１６８回りに回転すると、第１油室１５４内に貯留されている潤滑油が大径ギヤ１５０により掻き上げられる。

そして、潤滑油は、空間１６６に送り込まれて冷却油供給口１１８を通してモータケース３４内に冷却油として供給される。すなわち、回転電機は、その回転軸４２の回転に伴って第１油室１５４内の冷却油が供給されることにより、その回転電機自身を冷却することとなる。なお、冷却油供給口１１８は図４のオイル吐出路４８に相当する。

このとき、第１油室１５４内に貯留された潤滑油は、それに下部を浸漬された大径ギヤ１５０が回転軸４２の回転に伴って回転することによって掻き上げられ、モータケース３４内に供給される。第１油室１５４に第２油室１５８から供給される潤滑油の量は、隔壁１５６に設けられている絞り油路１６０で制限される。そのため、第１油室１５４内に貯留される潤滑油が一定量に保たれるので、潤滑油が過剰となってそこに浸漬される大径ギヤ１５０の攪拌抵抗による損失を抑制しつつ、モータケース３４内に十分な量の冷却油を供給して回転電機を安定して冷却することができる。

以上説明してきたように、実施の形態１においては、ステータを樹脂モールドしたモータにおいて、ステータコアに巻回されるコイルの一部がモールド外表面から図３に示したように露出しており、冷却油によりコイルを直接冷却可能なようにモールド樹脂部に流路が形成されているステータ構造を採用する。

この流路はモールド樹脂部２に設けられた溝をカバー６０および７９によって密閉して形成する。そして冷却油を重力方向上側から供給して重力方向下側から排出する。カバー６０，７９によって密閉された流路内に露出するコイルの部分すべてを冷却油で浸漬状態とするため、冷却油排出ポートにオリフィス７８を設けている。

実施の形態１の特徴的な構成について列挙する。

（ａ）コイルのステータコアに巻回された部分の一部をモールド樹脂部２の外表面から剥き出しとしていること。

（ｂ）使用状態における樹脂モールドの重力方向上側に冷却油供給ポートとしての切欠部７を設けたこと。なおこの切欠きについては、樹脂モールドに設けずにカバー６０，７９に設けてもよい。

（ｃ）カバー６０，７９に冷却油排出ポートを設けたこと。なお、排出ポートは成形時にモールドの重力方向下側に切欠きを設けてもよい。

（ｄ）成形により樹脂モールド断面形状を凹部として冷却油を導く溝を設けたこと。

（ｅ）モールド樹脂部２にカバー６０，７９を取付けることにより密閉構造の流路が形成されていること。なおモールド樹脂部２とカバー６０，７９との間は、Ｏリングやガスケットなどによりシールされることが好ましい。重力方向上部より冷却油を供給するとコイルの剥き出しとなった部分を冷却しながら重力方向下部のポートより冷却油が排出される。

（ｆ）排出ポートにはコイル端部が完全に冷却油で浸漬状態となるようにオリフィス７８を設けたこと。

なお、（ｅ）で形成された流路部分に、冷却油ができるだけコイルに均等にかかりコイルと冷却油間の伝熱面積を稼げるように、成形時に流路の内側部分に突起部材を設けてもよい。

また、必要な冷却性能のレベルによっては、コイル巻回部分をモールド外表面から剥き出しにしなくてもコイルの近くに冷却油が流れるように流路が形成されていればよい。

このような構造とすることにより、放熱経路がコイルから冷却油に直接放熱されるようになるため、コイル−冷却油間の熱抵抗を大幅に低減することができ、モータの効率的な冷却が可能となる。

また、密閉流路を採用しオリフィスを設けることにより、コイルの剥き出し部分の全面積が冷却油と接するため、冷却油、コイル間の伝熱面積が大となり、コイル−冷却油間の熱抵抗を大幅に低減し、モータのさらに効率的な冷却が可能となる。

さらに、モールド樹脂部２およびカバー６０，７９により流路は密閉構造となっているため、ステータ１とロータ３２間のエアギャップに冷却油が入り込みにくくなり、冷却油をロータ３２で剪断することによる動力損失を防止することができる。

［実施の形態２］
実施の形態２は、実施の形態１で説明した回転電機の構造において、冷却油の供給量＞排出量となるように冷却油供給量、流路形状および冷却油排出ポートに設けられたオリフィス７８の断面積を設定するものである。

図７は、冷却油の流れについて説明するための図である。

図７を参照して、切欠部７から冷却油が供給され、図７において矢印に示すように流路中を冷却油が流れ、オリフィス７８から排出される。

冷却油供給量をＱｉｎ、浸漬高さをＤ１、流量係数をＣ、重力加速度をＧ、初期油面高さをｈ０、オリフィス７８の断面積をＢとすると、これらの間に下式（１）の関係が成立するように各値を決める。
Ｑｉｎ≧Ｄ１・Ｃ・（Ｇ／２ｈ０）^1/2・Ｂ …（１）
つまりモールド樹脂部２およびカバー６０，７９によって密閉された流路空間を完全に冷却油で埋め、コイル全体を冷却油に浸漬するためには、Ｑｉｎ≧Ｑｏｕｔであればよい。また冷却油排出用オリフィス７８から排出される冷却油量Ｑｏｕｔは、（１）式の右辺で表わされる。したがって、（１）式を満たすようにステータ冷却構造の各諸元を決めれば、コイル全体を冷却油に浸漬することが可能となり、ステータの冷却性能を一層向上させることができる。

したがって、実施の形態２によれば、冷却油の供給量が少ない場合でも、確実にコイル全表面積を冷却油に浸漬することができ、コイル温度を一層低減させることが可能となる。

［実施の形態３］
実施の形態１、実施の形態２においては、樹脂モールドから剥き出し状態となっているコイルの部分を冷却油で浸漬状態とすることにより冷却能力を向上させた。しかし、エナメル線、絶縁紙等のモータ構成部材は、冷却油に浸漬された状態で高温になると、冷却油中の微量な水分によって加水分解されることにより、その機械強度や絶縁強度が低下する。

よって冷却性を向上させる上ではできるだけコイルを冷却油中に浸漬しておきたいが、エナメル線や絶縁紙材料の耐油性（耐加水分解性）を向上させなければならないため、それら部材の材料コストがアップしてしまう。

実施の形態３では、コイルを直接油冷するモータにおいて、コイルの温度に応じてコイルの浸漬レベルを可変にすることにより、エナメル線、絶縁紙等の構成部材の耐油性を極端に向上させることなくとも負荷の厳しい条件での運転や、体格の小型化が可能なモータについて提案するものである。

図８は、実施の形態３の回転電機２００の構成を示すブロック図である。

図８を参照して、回転電機２００は、コイル浸漬レベル可変ステータ２０２と、冷却油排出流量制御用コントローラ２０４と、オイルポンプ３６と、油溜り４４とを含む。

コイル浸漬レベル可変ステータ２０２は、実施の形態１で示したコイル密閉構造ステータ１と、コイル密閉構造ステータ１のステータコイルの温度を検知するコイル温度検知部２０６と、コイル密閉構造ステータ１のオイル排出口に取付けられた電磁弁２０８とを含む。

コイル温度検知部２０６は、コイル密閉構造の図３で示したコイル近傍またはコイルとコイルの間に温度センサを埋込み樹脂モールドで一体成形することにより固定されている。電磁弁２０８は、図１のカバー６０のオリフィス７８に代えて冷却油排出ポートに組付けられており、電磁弁２０８に通電しない状態で流路が開状態となり通電した状態で流路が閉状態となっている（ノーマルオープン）。

重力方向上部より冷却油を供給すると、流路に剥き出し状態となっているコイルの部分を冷却しながら重力方向下部のポートから排出される。排出ポートには冷却油排出流量を制御するための電磁弁２０８が組付けられており、コイル温度検知部２０６からの温度センサ信号ＴＣＯＩＬに応じて冷却油排出流量制御用コントローラ２０４から電磁弁２０８に対してオン／オフの信号が出される。このオン／オフ信号を調整することにより、冷却油のコイル浸漬レベルを可変にすることができる。

図８においては、オイルポンプ３６によって冷却油を供給するように示しているが、図５、図６で説明したように、モータハウジングの下部に溜められた冷却油がギヤによってかき上げられ、ケースに設けられた流路を通って重力落下により供給されるような構成を採用してもよい。

図９は、図８の冷却油排出流量制御用コントローラ２０４で実行される制御を説明するためのフローチャートである。

図９を参照して、まずステップＳ１において、コントローラ２０４はコイル温度検知部２０６から温度センサ信号ＴＣＯＩＬを取込み、コイル温度Ｔ１を計測する。続いてステップＳ２においてコントローラ２０４はコイル温度Ｔ１がしきい値温度Ｔ＊以上であるか否かを判断する。

しきい値Ｔ＊はモータ構成部材の耐熱温度から定められる値であり下式（２）により求められる。
Ｔ＊＝Ｔ０−α …（２）
ここでＴ０は、モータ構成部材（エナメル線、絶縁紙）の耐熱温度であり、αはマージン値である。

ステップＳ２においてコイル温度Ｔ１≧Ｔ＊であった場合にはステップＳ３に処理が進む。一方、Ｔ１≧Ｔ＊でなかった場合には処理は再びステップＳ１に戻る。

ステップＳ３ではコントローラ２０４は電磁弁２０８に対してオン指令を送る。これにより電磁弁２０８は閉状態となり、コイル浸漬レベルは増加を開始する。そしてステップＳ４においてコントローラ２０４中のタイマがスタートする。これにより時間の計測が開始される。

続いてステップＳ５に進み計測時間ｔが計測時間のしきい値ｔ１以上であるか否かが判断される。

計測時間のしきい値ｔ１は冷却油供給量Ｑと密閉部体積Ｖから式（３）により求められる。
ｔ１＝Ｖ／Ｑ …（３）
計測時間がしきい値ｔ１に至らない間はステップＳ５で時間待ちを行ない、計測時間がｔ１以上となった場合には処理はステップＳ６に進む。

ステップＳ６では、コントローラ２０４は再びコイル温度検知部２０６から温度センサ信号ＴＣＯＩＬを取込んでコイル温度Ｔ２を計測する。

ステップＳ６の計測が終了するとステップＳ７に進みコイル温度Ｔ２が次式（４）で定められるしきい値Ｔ＊＊未満であるか否かが判断される。
Ｔ＊＊＝Ｔ＊−β …（４）
ここで、Ｔ＊はすでに式（２）で求めたしきい値であり、βはマージン値である。

ステップＳ７においてコイル温度Ｔ２がしきい値温度Ｔ＊＊以上である場合にはステップＳ３に進み、電磁弁をオンさせて閉状態としコイル浸漬レベルを増加させる。

一方ステップＳ７においてコイル温度がしきい値温度Ｔ＊＊未満である場合には、処理はステップＳ８に進む。ステップＳ８では電磁弁をオフさせて開状態にしコイル浸漬レベルを低下させる。ステップＳ８が終了すると処理はステップＳ９に進み、ワンサイクルの処理が終了する。

たとえば、仮にＴ０＝１６０℃、α＝２０℃、β＝４０℃、とすると、コイル温度が１４０℃以上で冷却油排出流量制御用の電磁弁がオンとなり、完全な浸漬状態で冷却することができる。そしてコイル温度が１２０℃以下に下がれば冷却油流出流量制御用の電磁弁がオフ状態となりもとの冷却状態に戻る。

図９に示した処理を所定時間ごとに行なうことによりコイル浸漬レベルが調整される。実施の形態３においては、実施の形態１の冷却構造を有するステータ１に対して電磁弁２０８を取付けている。コイル温度検知部２０６によって計測されるコイル温度Ｔ１がしきい値Ｔ＊を超えた場合に電磁弁が閉じて密閉構造部位すべてが冷却油で浸漬された状態となる。そして、コイル温度がしきい値温度Ｔ＊＊以下のときには電磁弁が開状態となり冷却油がコイル端部を重力落下で流れるだけとなり、この場合冷却油は溜まらない。

以上説明したように、実施の形態３で説明した回転電機はコイル温度により剥き出しとなったコイル部分の浸漬状態を変えられるため冷却性能を変化させることができる。そしてコイル温度の高いときのみ完全に浸漬状態とし、それ以外は冷却油の重力落下による冷却程度にしておくことにより、エナメル線、絶縁紙等の構成部材が冷却油にさらされる時間を短くしておくことができる。これにより機械および絶縁強度の低下を少なく抑えることができる。またエナメル線、絶縁紙等の耐油性のレベルを下げることができ構成部材のコストを低減することが可能となる。

［実施の形態４］
実施の形態４においては、実施の形態３においてコントローラ２０４が行なう電磁弁の制御が異なる。

図１０は、実施の形態４においてコントローラ２０４が行なう制御を説明するためのフローチャートである。

図１０を参照して、まず処理が開始されるとステップＳ１１においてコントローラ２０４はコイル温度検知部２０６の出力する温度センサ信号ＴＣＯＩＬを取込んでコイル温度Ｔｉを計測する。続いてステップＳ１２に処理が進み、コイル温度Ｔｉがコイル温度しきい値Ｔ＊以上であるか否かが判断される。コイル温度しきい値Ｔ＊については実施の形態３において式（２）を用いて説明したため説明は繰返さない。ステップＳ１２において、Ｔｉ≧Ｔ＊が成立した場合にはステップＳ１３に処理が進む。一方Ｔｉ≧Ｔ＊が成立しない場合にはステップＳ２１に処理が進む。

ステップＳ２１においては、コントローラ２０４は内蔵するタイマをスタートさせる。そしてこれにより時間ｔの計測を開始する。

続いてステップＳ２２において計測時間ｔが時間しきい値ｔ２を超えるか否かが判断されｔ≧ｔ２が成立するまで待ち状態になる。

ステップＳ２２で用いられる計測時間のしきい値ｔ２は冷却油供給量Ｑと密閉部体積Ｖから式（５）により求められる。
ｔ２＝Ｖ／Ｑ …（５）
ステップＳ２２において時間ｔ≧ｔ２が成立した場合にはステップＳ２３に進み、コイル温度Ｔｉの次回の計測により、コイル温度Ｔｉ＋１が求められる。

続いてステップＳ２４において前回計ったコイル温度ＴｉとステップＳ２３で計測したコイル温度Ｔｉ＋１との差分であるΔＴが計算される。続いてステップＳ２５においてこのコイル温度変化量ΔＴが所定のしきい値ΔＴｔｈを超えているか否かが判断される。

ステップＳ２５においてΔＴ≧ΔＴｔｈが成立しない場合にはステップＳ１１に処理が戻る。一方、ステップＳ２５においてΔＴ≧ΔＴｔｈが成立した場合にはステップＳ１３に処理が進む。

なお、ステップＳ１３〜ステップＳ１９においては図９で説明したステップＳ３〜Ｓ９とそれぞれ同様な処理が行なわれる。これらについては図９において説明しているので説明は繰返さない。

以上説明したように実施の形態４においてはステップＳ２１〜Ｓ２４で示される処理により、コイル温度検知部２０６によって計測されるコイル温度変化量ΔＴがあるしきい値ΔＴｔｈを超えた場合にステップＳ１３に進み、密閉構造の流路すべてが冷却油で浸漬された状態となる。これにより冷却能力が向上される。そしてその後コイル温度はしきい値Ｔ＊＊以下のときにステップＳ１８において電磁弁が開いた状態となり冷却油が重力落下で流れるだけとなる。

このようにすることで、温度が所定値を超える場合に加え、温度変化が大きい場合にも迅速にコイルを冷却油に浸漬した状態とし冷却性能を向上させることができ、モータ構成部材の焼損を防止することができる。たとえばこのような温度変化が大きい場合としては、車両が急坂道を登る場合や追越し時の急加速を行なう場合のようなコイルへの通電量が大きい場合である。

［実施の形態５］
実施の形態５においては実施の形態３の図８に示したコントローラ２０４が行なう制御が実施の形態３と異なる。

図１１は、実施の形態５においてコントローラ２０４が行なう制御を説明するためのフローチャートである。

図１１を参照して、ステップＳ３１〜Ｓ３９の各々の処理は、図９のステップＳ１〜Ｓ９の処理に対応している。

図９の処理と図１１の処理が異なる点は、ステップＳ３７においてコイル温度Ｔ２＜Ｔ＊＊が成立しなかった場合にステップＳ４１〜Ｓ４６の処理が実行される点である。したがって、ステップＳ３１〜Ｓ３９の各々の処理については、図９を用いてそれぞれ対応するステップＳ１〜Ｓ９を説明しているので説明は繰返さない。

図１１においてステップＳ３７でコイル温度Ｔ２＜Ｔ＊＊が成立しなかった場合にはステップＳ４１に進む。ステップＳ４１においてコイル温度Ｔ２≧ＴＬＩＭが成立するか否かが判別される。ここでＴＬＩＭはコイル温度のしきい値であり式（６）により求められる。
ＴＬＩＭ＝Ｔ０−γ …（６）
ここでＴ０は、モータ構成部材（エナメル線、絶縁紙）の耐熱温度であり、γは所定のマージンの値である。

ステップＳ４１においてＴ２≧ＴＬＩＭが成立しない場合にはステップＳ３３に戻る。一方、ステップＳ４１においてＴ２≧ＴＬＩＭが成立した場合にはステップＳ４２に進む。ステップＳ４２においては図８のコントローラ２０４がステータ１に対する出力制限制御を開始する。

続いてステップＳ４３においてコントローラ２０４はモータへの電流制限指令値ＩＣＯＩＬを低減させる。電流制限指令値ＩＣＯＩＬは、モータのコイルに流すことが可能なその時点での最大電流を示す制限値である。続いてステップＳ４４において、コントローラ２０４はコイル温度検知部２０６から温度センサ信号ＴＣＯＩＬを取込んでコイル温度Ｔ３を計測する。

続いてステップＳ４５において、コイル温度Ｔ３としきい値ＴＬＩＭの大小比較が行なわれる。ステップＳ４５においてＴ３＜ＴＬＩＭが成立しない場合にはステップＳ４３に処理が戻り、モータへの電流制限指令値ＩＣＯＩＬをさらに低減させる。

一方ステップＳ４５においてＴ３＜ＴＬＩＭが成立した場合には、処理がステップＳ４６に進み出力制限制御を終了する。ステップＳ４６の処理が終了するとステップＳ３６に処理が進み、コイル温度Ｔ２の計測が行なわれる。

ステップＳ３１〜Ｓ３９の各々の処理については、図９を用いてそれぞれ対応するステップＳ１〜Ｓ９を説明しているので説明は繰返さない。

以上説明したように、実施の形態５においてはコイル温度がモータ構成部材の耐熱温度から決められたしきい値Ｔ＊を超えた場合に電磁弁が閉じた状態となり密閉構造部位すべてが冷却油で浸漬された状態となる。そしてさらにその状態においてコイル温度がしきい値ＴＬＩＭを超えるとコントローラ２０４がステータコイルへの通電量を低減してコイル温度が上昇しないように焼損を防ぐ。

たとえば仮にＴ０＝１６０℃、α＝２０℃、β＝４０℃、γ＝５℃とすると、コイル温度が１４０℃以上で図８の電磁弁２０８が閉じた状態となりコイルが冷却油にすべて浸漬された状態で冷却が行なわれるようになる。そしてコイル温度が１２０℃以下に下がれば電磁弁２０８が開いた状態となり元の冷却状態に戻る。一方コイル温度が１５５℃以上となるとコントローラ２０４はステータ１のコイルに流れる電流を制限するモータ出力制限制御を開始し発熱自体を低減させる。

このようにすることで実施の形態５においてはコイル浸漬レベルを可変に制御することが可能となり冷却能力をコイルの状態に応じて変えることができる。そしてさらにコイルが冷却油にすべて浸漬されている状態による向上した冷却性能でも冷却能力が足りない場合にはモータ出力制限を行なうことによりモータ構成部材の焼損を完全に防止することができる。

［実施の形態６］
実施の形態３〜実施の形態５においてはステータコイルの近くにコイル温度センサを設けてコイル温度の検知を行なっていた。しかしながら、コイルに電流が通電されコイルの温度が上昇し、これがモールド樹脂を伝わって温度センサがこれを検知するまでには樹脂中の熱伝達や温度センサの反応速度に起因する多少の時間遅れが存在する。コイルの温度上昇が予めわかる場合にはなるべく早くコイル冷却能力を増大させてやる方が望ましい。

図１２は、実施の形態６の回転電機３００の構成を示すブロック図である。

図１２を参照して、回転電機３００は、車両状態計測センサ３０４と、コイル温度推定部３０６と、冷却油排出流量制御用コントローラ２０４と、コイル浸漬レベル可変ステータ３０２に冷却油を供給するオイルポンプ３６と、コイル浸漬レベル可変ステータ３０２から排出される冷却油を受ける油溜り４４とを含む。

車両状態計測センサ３０４は、潤滑油温度検知部３０８と、シフトポジションセンサ３１０と、スロットルセンサ３１２と、車速センサ３１４と、ブレーキスイッチ３１６とを含む。コイル浸漬レベル可変ステータ３０２は、実施の形態１で説明したコイル密閉構造を有するステータ１と、ステータ１のオイル排出口にオリフィスの代わりに組付けられた電磁弁２０８とを含む。

車両状態計測センサ３０４は、内蔵する各センサが検知した車両の状態を示す信号ＳＴＡＴＥを出力する。コイル温度推定部３０６は信号ＳＴＡＴＥを受けて推定したコイルの温度を示す信号ＴＣＯＩＬを出力する。コントローラ２０４は、計算により求められたコイル温度に応じて電磁弁２０８のオン／オフを行なう。なお、コイル密閉構造ステータ１は、図１〜図３でその形状は説明しているので説明は繰返さない。

図１３は、コイル温度推定部３０６がコイル温度を推定する処理を示したフローチャートである。

コイル温度推定部３０６は、市販車に一般的に設置されているシフトポジションセンサ３１０、スロットルセンサ３１２、車速センサ３１４、ブレーキスイッチ３１６および潤滑油温度検知部３０８などの車両状態信号をもとにしてコイル温度を計算する。また、コイル温度推定部は、実際にはコントローラ２０４あるいはモータ制御用コントローラ内のプログラムの一部として書込まれているが、図１２においては理解の容易のためコイル温度推定部３０６をコントローラ２０４と独立したものとして図示している。

図１３を参照して、まずコイル温度推定部３０６はステップＳ５１において次式（７）によりモータ発生熱量を計算する。
Ｑｉｎ（Ｔ）＝ｆ（Ｖ（ｔ），Ｔｒｑ（Ｔ）） …（７）
ここでＱｉｎはモータ発生熱量、Ｖはモータ回転数、Ｔｒｑはモータトルクである。なおモータ発生熱量Ｑｉｎについては、モータ回転数Ｖ、モータトルクＴｒｑの関数で予めマップとして記憶されており、このマップからモータ発生熱量を読出すのが関数ｆである。

続いてステップＳ５２において次式（８）に従いコイルからの放熱量Ｑｏｕｔを求める。
Ｑｏｕｔ（ｔ）＝Ｋ２（Ｔｃｏｉｌ（ｔ）−α（ｔ）） …（８）
ここでＱｏｕｔはコイルからの放熱量、Ｋ２は電熱係数、αはコア温度、Ｔｃｏｉｌはコイル温度である。

続いてステップＳ５３において次式（９）によってコイル温度上昇量を計算する。
ΔＴ（ｔ）＝（Ｑｉｎ（ｔ）−Ｑｏｕｔ（ｔ））／Ｋ１ …（９）
ここでΔＴはコイル温度上昇量、Ｑｏｕｔはコイルからの放熱量であり、Ｋ１はコイルの熱容量である。

続いてステップＳ５４において次式（１０）によりコイル温度Ｔｃｏｉｌを計算する。
Ｔｃｏｉｌ＝Ｔｉ＋∫ΔＴ（ｔ） …（１０）
ここでＴｉは初期温度である。

最後にステップＳ５５に進みコイル温度推定処理は終了する。図１３に示すフローチャートの処理を繰り返し行なうことで現時点でのコイル温度Ｔｃｏｉｌを求めることができる。

図１４は、図１２のコントローラ２０４で実行される処理を示したフローチャートである。

図１４のステップＳ６１〜ステップＳ７５は、それぞれ図１０で説明したフローチャートのステップＳ１１〜ステップＳ２５に対応している。図１４のフローチャートが図１０のフローチャートと異なる点は、ステップＳ６１においてコイル温度が計測される代わりにコイル温度推定部３０６によって初期コイル温度Ｔｉが演算されている点と、ステップＳ７３において同様にコイル温度推定部３０６によってコイル温度Ｔｉ＋１が演算されている点である。他の部分の処理については、図１４に示したフローチャートは、図１０のフローチャートの各ステップと同様な処理を行なうためその説明は繰返さない。

このように実施の形態６で説明した回転電機は、まずコイル温度によりコイルのオイルに浸漬される状態を変えられるため、冷却性能を変えることができる。そしてコイル温度の高いときにのみ完全にコイルを冷却油に浸漬状態とし、それ以外は冷却油の重力落下による冷却程度にしておけば、エナメル線、絶縁紙等の構成部材が冷却油にさらされる時間が短くなるため、機械および絶縁強度の低下を抑えることができる。このため、エナメル線、絶縁紙等の構成部材の耐油性の要求レベルが下がるので、コストを低減することができる。

加えてコイル部分に取付ける温度検知用サーミスタが不要となるのでコスト低減を図ることができる。また温度検知用サーミスタの応答遅れの問題もないので、コイル温度が上昇し過ぎる前に冷却能力を速やかに高めることが可能となる。

［実施の形態７］
実施の形態１〜実施の形態６においては、重力方向上側から冷却油を供給し下側の排出口から排出する構造について説明してきた。これに対して実施の形態７においては冷却油を重力方向下側から供給し、コイル全体を冷却油で浸漬状態として重力方向上側から排出する構造を採用するステータについて説明する。

図１５は、実施の形態７において用いられるステータ４００の正面図である。

図１６は、図１５のＸＶＩ−ＸＶＩ断面における断面図である。

図１５、図１６を参照して、実施の形態７で用いられるステータ４００は、図１〜図３で説明したステータ１の構成において、カバー６０、７９に代えてカバー４０６、４０８が用いられている。カバー４０６は、カバー６０のオリフィス７８があった部分に冷却油供給ポートが設けられている。またカバー４０６の重力方向上部には冷却油排出ポート４０２が設けられている。

また樹脂部２に代えて樹脂部４１０が用いられている。樹脂部４１０は、樹脂部２に設けられていた図３の切欠き７が設けられておらず壁部３が外周の一周にわたりつながっている点が樹脂部２とは異なる。なおカバー４０８についてもカバー４０６と同様な構造となっている。他のステータ４００の構成については、図１〜図３で説明したステータ１と同様であるのでその説明は繰返さない。

ステータ４００は、コイルの巻回部分の一部分を樹脂モールド外表面から剥き出しとなるようにしている。そしてカバー４０６に冷却油供給ポートを下部に設け、冷却油排出ポートを上部に設けている。そしてモールド樹脂部４１０とカバー４０６，４０８によって、剥き出しとなっているコイルの部分は密閉構造のオイル流路内部にあることになる。なおモールド樹脂部４１０とカバー４０６，４０８との間はＯリングやガスケットなどによりシールすることが好ましい。

重力方向下部より冷却油を供給すると、オイル流路は完全に冷却油で浸漬状態となり、そして重力方向上部の排出ポート４０２から冷却油が排出される。射出成型により樹脂部４１０を形成し、冷却油供給ポートには冷却油供給用ポンプが停止状態にあるときにもコイルが冷却油で浸漬された状態を維持できるようにポールおよびスプリングからなる逆止弁であるチェックバルブ４０４を設けてもよい。

また、必要な冷却性能のレベルによっては、コイルの剥き出し部分は図３で示したように剥き出し状態でなくても冷却油がコイルの近傍を通過するようにしておく程度でもよい。

実施の形態７のステータを採用すれば、コイル巻回部の剥き出し状態となっている部分のすべてが冷却油を接するため、冷却油とコイルとの間の伝熱面積が大となり、コイル−冷却油間の熱抵抗を大幅に低減することができモータの効率的な冷却が可能となる。

また樹脂モールドおよびカバーにより冷却油が流れる流路は密閉構造となっているため、ステータとロータ間のエアギャップに冷却油が入り込むことを防止でき、これにより発生する動力損失を低減することができる。

加えて、下方の供給口から上方の排出口に向けてオイルを流す構造とすれば、オイルの時間当り供給量が少ない場合やオイル供給がしばしば停止する場合においてもコイルの露出部分を完全に冷却油に浸漬した状態に保持しておくことができモータの冷却効率が一層向上する。

［実施の形態８］
図１７は、実施の形態８で用いられるステータ５００の正面図である。

図１８は、図１７のＸＶＩＩＩ−ＸＶＩＩＩ断面における断面図である。

図１７、図１８を参照して、ステータ５００は、図１５、図１６で説明したステータ４００の構成においてカバー４０６，４０８に代えてカバー５０２，５０４を含む。また樹脂部４１０に代えて図２、図３で説明した樹脂部２を含む。

他の部分の構成については、実施の形態７で説明したステータ４００と実施の形態８のステータ５００は同様な構成を有するため説明は繰返さない。

カバー５０２は図１５のカバー４０６に設けられていた冷却油排出ポート４０２が設けられていない。その代わりに樹脂部２の上部には切欠きが設けられ、冷却油排出用のオーバフローポート５０６，５０８が形成されている。

図１９は、オーバフローポートからの冷却油の浸透を説明するための図である。

図１９に示すように、ステータ４００は、ケースに収容されており、ケース上部５１０およびケース下部５１２とステータコアとの間には僅かな隙間（約７０μｍ）が存在する。オーバフローポート５０６，５０８から排出された冷却油はケース上部５１０とステータコア間の空隙に浸透していく。これにより、その空隙が空気で満たされている場合に比べてコアからケースに対しての熱抵抗が低減される。

図２０は、オーバフローポートから排出されたオイルの流れについて説明するための図である。

図２０に示すように、オーバフローポート５０６，５０８から排出された冷却油は樹脂モールド外径の円筒面を伝って重力によって下方に落下していく。実施の形態８のステータ５００は、図３で示したようにコイル巻回部の一部をモールド外表面から剥き出し状態としている。そして射出成型時にモールド断面形状に溝を設けてそれをカバーで蓋をすることにより密閉構造のオイル流路を設けている。モールドとカバー間はＯリングやガスケットなどによりシールをすることが好ましい。

そして成型によりモールドの重力方向上側に切欠き形状を設けてそこからオイルを排出するようにしている。なお、この切欠きはカバー部分に設けてもよい。

さらに、カバーの外径寸法＞樹脂モールド外径寸法とすることにより、オーバフローした冷却油が確実にモールド外径円筒面を図２０に示すように流れるようにしている。

重量方向下部より冷却油を供給するとコイルの剥き出し部分は完全に冷却油で浸漬状態となり、重力方向上部のモールド切欠きより冷却油がオーバフローする。

オーバフローした冷却油の一部はコアとケース間の空隙を毛細管現象で充填する。そして残りはモールド外径の円筒面を図２０で示すように冷却しながら落下する。冷却油供給ポートには、冷却油供給用ポンプ（図示せず）が停止状態にあるときにもコイル巻回部の剥き出し部分が冷却油で浸漬した状態を保持できるように図１７、図１８に示すようにボール、スプリングからなるチェックバルブ４０４を付けることが好ましい。

モールドで形成された樹脂部には、冷却油ができるだけコイルに均等にかかりコイルと冷却油間の伝熱面積を稼げるように、樹脂モールドを成型するときに突起部材をオイル流路中に設けてもよい。

なお、必要な冷却性能のレベルによっては、コイルの剥き出し部分は設けなくてもコイルの近傍をオイルが通過するように流路を設けることで代えてもよい。

従来の構成では、モールド外径の円筒面からの放熱は空気を介して熱伝達されていたため、放熱効果はあまり期待できなかったが、放熱は空気を介さずに冷却油を介して熱伝達によってモールドからケースに対して行なわれる。このため空気であった場合に比べモールド外径の円筒面からは約１０倍の放熱効果が上がる。したがってモータの効率的な冷却が可能となる。

また、オーバフローした冷却油がコアとケースとの間に供給されることにより、コアとケース間の熱抵抗が大幅に下がるため、コイルが発熱しコアからケースへの経路の放熱量が増えるため、コイル温度を低く抑えることが可能となる。コアとケース間が空気の場合に比べて熱抵抗が５分の１になり約５倍の放熱効果が期待できる。

さらに、コアとケース間の空隙への油供給路が不要となるので、ケース構造を簡素化することができる（従来、コアとケース間の熱伝達効率をよくするためにケースに油供給路を設けたものも見られるが、図２０で示すような流れを作れば、ケース構造を簡素化しても同様の効果が期待できる。）
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。

本発明の実施の形態１に用いられるステータ１の正面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ断面における断面図である。 図２においてカバー６０を外してＩＩＩ−ＩＩＩ方向から見た図である。 ステータ１の上部に設けられた切欠部にオイルを供給する構成を説明するための図である。 オイルを供給する他の構成を説明するための図である。 図５におけるＶＩ−ＶＩ面における断面図である。 冷却油の流れについて説明するための図である。 実施の形態３の回転電機２００の構成を示すブロック図である。 図８の冷却油排出流量制御用コントローラ２０４で実行される制御を説明するためのフローチャートである。 実施の形態４においてコントローラ２０４が行なう制御を説明するためのフローチャートである。 実施の形態５においてコントローラ２０４が行なう制御を説明するためのフローチャートである。 実施の形態６の回転電機３００の構成を示すブロック図である。 コイル温度推定部３０６がコイル温度を推定する処理を示したフローチャートである。 図１２のコントローラ２０４で実行される処理を示したフローチャートである。 実施の形態７において用いられるステータ４００の正面図である。 図１５のＸＶＩ−ＸＶＩ断面における断面図である。 実施の形態８で用いられるステータ５００の正面図である。 図１７のＸＶＩＩＩ−ＸＶＩＩＩ断面における断面図である。 オーバフローポートからの冷却油の浸透を説明するための図である。 オーバフローポートから排出されたオイルの流れについて説明するための図である。

符号の説明

１，４００，５００ ステータ、２，４１０ モールド樹脂部、３，５ 壁部、６，７ 切欠部、８，８Ａ〜８Ｅ ステータコア、１１〜２２ コイル、３０ 溝部、３２ ロータ、３４ モータケース、３６ オイルポンプ、３８，４０ ボールベアリング、４２ 回転軸、４６ オイル吸込路、４８ オイル吐出路、５０ 回転電機、５１，５２ オイル吐出口、５３，６１〜６７，７０〜７７ ボルト、６０，７９，４０６，４０８，５０２，５０４ カバー、７８ オリフィス、１１８ 冷却油供給口、１５０ ギヤ、１５２ 出力ギヤ、１５４，１５８ 油室、１５６ 隔壁、１６０ 絞り油路、１６２ 油受け板、１６４ ギヤボックス、１６６ 空間、１６８ 回転軸、２００，３００ 回転電機、２０２，３０２ コイル浸漬レベル可変ステータ、２０４ コントローラ、２０６ コイル温度検知部、２０８ 電磁弁、３０４ 車両状態計測センサ、３０６ コイル温度推定部、３０８ 潤滑油温度検知部、３１０ シフトポジションセンサ、３１２ スロットルセンサ、３１４ 車速センサ、３１６ ブレーキスイッチ、４０２ 排出ポート、４０４ チェックバルブ、５０６，５０８ オーバフローポート、５１０ ケース上部、５１２ ケース下部。

Claims (9)

1. ステータコアと、
   前記ステータコアに巻回されたコイルと、
   前記コイルを前記ステータコアに固定する樹脂モールド部とを備え、
   前記樹脂モールド部は、前記コイルの前記ステータコアに巻回された部分の一部であるコイルエンド部を露出し、残りの部分を覆う状態で前記コイルをモールドし、
   前記コイルエンド部が冷却のための流体に浸漬されるように配置された冷却流路を前記樹脂モールド部とともに形成するカバーをさらに備える、回転電機。
2. 前記冷却流路内が前記流体で適切に満たされるように前記流体の供給量または排出量を制御する流量決定部をさらに備える、請求項１に記載の回転電機。
3. 前記冷却流路には、前記ステータコアの上部側に流体供給口が設けられ、前記ステータコアの下部側に流体排出口が設けられる、請求項２に記載の回転電機。
4. 前記流量決定部は、
   前記流体排出口に取付けられた流量制御弁を含む、請求項３に記載の回転電機。
5. 前記流量決定部は、前記流体の排出量を規定するオリフィスである、請求項３に記載の回転電機。
6. 前記回転電機の状態を検知する検知手段を備え、
   前記流量決定部は、前記検知手段の出力に応じて前記冷却流路に満たされている前記流体のコイル浸漬レベルを変化させる、請求項２または３に記載の回転電機。
7. 前記冷却流路には、前記ステータコアの下部側に流体供給口が設けられ、前記ステータコアの上部側に流体排出口が設けられる、請求項１に記載の回転電機。
8. 前記流体供給口に取付けられた逆止弁をさらに備える、請求項７に記載の回転電機。
9. 前記流体排出口は、前記流体排出口から排出される前記流体が前記ステータコアを収容するケースと前記ステータコアの隙間部に供給される位置に設けられる、請求項７または８に記載の回転電機。

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