JP7095764B1

JP7095764B1 - 回転電機

Info

Publication number: JP7095764B1
Application number: JP2021020921A
Authority: JP
Inventors: 拓植松
Original assignee: Meidensha Corp
Current assignee: Meidensha Corp
Priority date: 2021-02-12
Filing date: 2021-02-12
Publication date: 2022-07-05
Anticipated expiration: 2041-02-12
Also published as: CN116848764A; CN116848764B; JP2022123545A; WO2022172684A1

Abstract

【課題】比較的簡易な構成でステータの外周に冷却油を行き渡らせることができるとともに、トルクの低下や鉄損を抑制できる回転電機を提供する。【解決手段】回転電機は、ロータを内側に収容するとともに、内周側にコイルが巻回される円筒状のステータと、ステータの外周面に嵌合されてステータを外側から覆うとともに、ステータの外周面に臨む内周面に溝が形成されたハウジングと、を備え、ステータの外周面とハウジングの溝によって形成され、ステータの外周に冷却油を流す油路を有する。上記の溝は、ステータの中間部に配置され、ステータの周方向に延びる第１の溝と、第１の溝から分岐して第１の溝と交差する方向に延び、ステータの軸方向端部に第１の溝からの冷却油を導く複数の第２の溝と、を含む。第２の溝は、ステータの周方向に間隔をあけて配置される。【選択図】図２

Description

本発明は、回転電機に関する。

従来から、ステータコアに巻回されたコイルの冷却効率を高めるために、ステータの外周に冷却油を接触させてステータを冷却する回転電機が提案されている。例えば、特許文献１は、ステータコアの外周に溝を刻んで、フレームとステータの間に周方向または軸方向に冷却油の流路を形成した回転電機を開示する。

特開２０１０－１８７４９０号公報

特許文献１では、ステータの外周に冷却油を行き渡らせるためにステータの周方向の複数箇所から冷却油を供給している。そのため、冷却油の供給管のレイアウトや加工が複雑となり、製造コストが増加してしまう。例えば、軸方向に延びる複数の溝に対してそれぞれ冷却油の供給口を設ける場合には回転電機の製造コストが一層増加する。

また、特許文献１では、ステータコアの外周に溝を形成することからステータ外周の溝付近では部分的に磁束密度が高くなり、磁束の飽和によって回転電機のトルクが低下することが懸念される。

また、回転電機のフレームに対してステータを焼き嵌めで締結する場合、締め代分の圧縮応力がステータに作用することでモータの鉄損が増加することが知られているが、かかる鉄損を抑制することも要望されている。

本発明は、上記の状況に鑑みてなされたものであって、比較的簡易な構成でステータの外周に冷却油を行き渡らせることができるとともに、トルクの低下や鉄損を抑制できる回転電機を提供する。

本発明の一態様の回転電機は、ロータを内側に収容するとともに、内周側にコイルが巻回される円筒状のステータと、ステータの外周面に嵌合されてステータを外側から覆うとともに、ステータの外周面に臨む内周面に溝が形成されたハウジングと、を備え、ステータの外周面とハウジングの溝によって形成され、ステータの外周に冷却油を流す油路を有する。上記の溝は、ステータの中間部に配置され、ステータの周方向に延びる第１の溝と、第１の溝から分岐して第１の溝と交差する方向に延び、ステータの軸方向端部に第１の溝からの冷却油を導く複数の第２の溝と、を含む。第２の溝は、ステータの周方向に間隔をあけて配置され、第２の溝の周方向の配置間隔は、コイルの周方向の配置間隔以下である。

上記の回転電機において、第２の溝は、ステータの軸方向に延びてもよい。
上記の回転電機において、第１の溝による流路の断面積は、第２の溝による流路の断面積よりも大きくてもよい。

上記の回転電機において、ハウジングは、第１の溝に連通し、冷却油を第１の溝に導く給油路を１つ有していてもよい。また、第２の溝による流路の断面積は、給油路からの距離が近い上流側に比べて、給油路からの距離が離れた下流側が大きく設定されていてもよい。

本発明の一態様の回転電機によれば、比較的簡易な構造でステータの外周に冷却油を行き渡らせることができるとともに、トルクの低下や鉄損を抑制できる。

本実施形態のモータを示す斜視図である。本実施形態のモータの縦断面図である。ハウジングの斜視図である。モータ内の第２油路の形状を模式的に示す斜視図である。周方向流路および吐出流路を拡大して示す軸方向断面図である。吐出流路を拡大して示す周方向断面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
実施形態では説明を分かり易くするため、本発明の主要部以外の構造や要素については、簡略化または省略して説明する。また、図面において、同じ要素には同じ符号を付す。なお、図面に示す各要素の形状、寸法などは模式的に示したもので、実際の形状、寸法などを示すものではない。

図１は、回転電機の一例である本実施形態のモータを示す斜視図である。図２は、本実施形態のモータ１の縦断面図である。本実施形態のモータ１は、インナーロータ型モータであって、ロータ２と、ステータ３と、ハウジング４とを備える。

ロータ２は、例えば磁石埋込型または表面磁石型のロータである。ロータ２の中心には、回転軸Ａｘに沿って鉄心を貫通するようにシャフト５が嵌入されている。なお、以下の説明では、回転軸Ａｘを中心とする周方向を単に周方向と称し、回転軸Ａｘを中心とする径方向を単に径方向と称する。

ステータ３は、円筒状のステータコアを有し、僅かなエアギャップを隔ててロータ２の外周に同心状に配置される。ロータ２を内側に収容するステータコアの内周には、回転軸Ａｘに向けて径方向内側に突出するティース（不図示）が周方向に等間隔をおいて櫛歯状に複数設けられている。ステータコアの隣り合うティースの間（スロット）にはコイル６が巻回される。なお、ステータコアのティースおよびスロットはいずれも軸方向に沿って延びている。

モータ１においては、コイル６の電流制御によりステータ３側の磁界を順番に切り替えることで、ロータ２の磁界との吸引力または反発力により、ロータ２が回転軸Ａｘを中心として回転する。

ハウジング４は、軸方向の一方側および他方側が開口した円筒状の空間を有する筐体である。ハウジング４の円筒状の空間内には、ステータ３およびロータ２が配置される。ステータ３はハウジング４の内周に焼き嵌めで嵌合され、ハウジング４はステータ３の外周面を覆うように取り付けられる。また、ハウジング４の一方側および他方側には、それぞれシャフト５を軸支する蓋体（不図示）が取り付けられ、蓋体によりハウジング４の両側の開口が塞がれる。なお、ハウジング４と各蓋体はいずれも鋳造で製造される。

ハウジング４の内周面には、図３に示すように、後述の周方向流路１４を構成するための第１の溝４ａおよび後述の吐出流路１５を構成するための第２の溝４ｂが刻まれている。第２の溝４ｂは、ハウジング４の内周に焼き嵌めされるステータ３との接触面積を小さくする機能も担う。

また、モータ１は、冷却油を流通させる第１油路１１および第２油路１２を有する。第１油路１１は、コイル６のコイル端６ａに冷却油を散布するための油路であり、第２油路１２は、ステータ３の外周に冷却油を流す油路である。

図２に示すように、第１油路１１は、ステータ３よりも図１、図２中上側に配置され、軸方向に沿ってハウジング４内を延びている。第１油路１１は、オイルポンプ（不図示）から冷却油を受ける入口１１ａを有している。ハウジング４の一方側および他方側における第１油路１１の両端部には、コイル端６ａに冷却油を散布するシャワーヘッド（不図示）がそれぞれ取り付けられる。

第２油路１２は、ハウジング４に形成される接続油路１３と、ハウジング４およびステータ３の間に形成される周方向流路１４および複数の吐出流路１５とを有する。

図２に示すように、第２油路１２の接続油路１３は、モータ１の上側に配置され、第１油路１１から分岐して下側に向けて延びている。接続油路１３は、第１油路１１よりも径方向内側に位置する周方向流路１４と連通しており、第１油路１１から周方向流路１４に冷却油を導く給油路としての機能を担う。なお、接続油路１３は、第１油路１１を介さずにオイルポンプから冷却油を直接受けてもよい。

図４は、モータ１内の第２油路１２の形状を模式的に示す斜視図である。図５は、周方向流路１４および吐出流路１５を拡大して示す軸方向断面図である。図６は、吐出流路１５を拡大して示す周方向断面図である。

図５に示すように、周方向流路１４は、ハウジング４の内周に刻まれた第１の溝４ａ（図３参照）と、ハウジング４に焼き嵌めされたステータ３の外周面とによって形成される。また、図５、図６に示すように、吐出流路１５は、ハウジング４の内周に刻まれた第２の溝４ｂ（図３参照）と、ハウジング４に焼き嵌めされたステータ３の外周面とによって形成される。したがって、周方向流路１４および吐出流路１５は、いずれもステータ３の外周面に臨んでいる。

周方向流路１４を構成するための第１の溝４ａは、ハウジング４の軸方向中央に配置され、ステータ３の外周に沿って環状に形成されている。周方向流路１４は、ステータ３の軸方向中央で冷却油を周方向に導くとともに、各々の吐出流路１５に冷却油を供給する機能を担う。

吐出流路１５は、周方向流路１４を基端として軸方向の一方側と他方側にそれぞれ形成される流路である。吐出流路１５を構成するための第２の溝４ｂは、ステータ３の周方向に等間隔をおいて複数配置されている。各々の第２の溝４ｂは、第１の溝４ａから分岐してハウジング４の一方側の端部または他方側の端部まで軸方向に沿って延びている。したがって、吐出流路１５は、周方向流路１４からの冷却油を軸方向に導くことができる。なお、ハウジング４を鋳造で形成する場合、第２の溝４ｂを軸方向に延びる形状とすると溝の形成が容易となる。

また、ステータ３はハウジング４に焼き嵌めされるが、図６に示すように、吐出流路１５の位置ではステータ３はハウジング４と接触しない。周方向に複数配置された吐出流路１５は、ステータ３とハウジング４の周方向の接触部分を小さくし、焼き嵌めでステータ３に作用する圧縮応力を逃がす空間としても機能する。したがって、焼き嵌めによるステータ３内部の残留応力が吐出流路１５によって緩和されることで、モータ１の鉄損を抑制することができる。

ここで、周方向流路１４および吐出流路１５の仕様は、コイル６の冷却効果やモータ１の鉄損抑制効果を考慮して、例えば以下のように設定される。

コイル６の温度分布は、放熱の容易なコイル端６ａから離れるにつれて温度が上がり、一般にスロット内の軸方向中央が高熱となる。また、周方向流路１４の流量は、複数の吐出流路１５に冷却油を分配するために吐出流路１５の流量よりも大きくする必要がある。そのため、周方向流路１４の断面積は、吐出流路１５の断面積よりも大きく設定される。

これにより、周方向流路１４の冷却油の流量が吐出流路１５の冷却油の流量よりも大きくなる。すると、スロット内のコイル６の高温部位（軸方向中央）において冷却油との熱交換が容易となり、ステータ３の高温部位の冷却能力を向上させることができる。また、吐出流路１５の断面積が周方向流路１４の断面積よりも小さくなることで吐出流路１５での冷却油の流速が速くなり、スロット内のコイル６を軸方向に沿って効率的に冷却できる。

また、焼き嵌めによるステータ３内部の残留応力は、ティースの肉厚部分の方がスロットの肉薄部分よりも高くなると考えられる。そのため、ステータ３内部の残留応力をより適切に緩和するためには、吐出流路１５の配置間隔は、ステータ３のスロットの配置間隔以下に設定することが好ましい。これにより、各ティースに対して１以上の吐出流路１５が臨むので、ステータ３のティースの部位での残留応力を周方向にほぼ均一に緩和できる。一例として、スロット数が４８であるステータの場合、吐出流路１５の配置間隔は周方向において７．５°以下の間隔（３６０°／４８＝７．５°）で配置されることが好ましい。

また、吐出流路１５とコイル６の位置は周方向において一致していてもよく、ずれていてもよい。例えば、周方向においてコイル６と吐出流路１５の位置が一致する場合、吐出流路１５からコイル６まで距離が短くなるため、吐出流路１５を流れる冷却油により発熱源のコイル６を効率的に冷却できる。一方で、焼き嵌めによるステータ３内部の残留応力を緩和する観点からは、残留応力の高いティースの位置に吐出流路１５を配置する方が好ましい。したがって、吐出流路１５の配置は、コイル６の冷却性能やステータ３内部の残留応力の緩和の程度を考慮して適宜調整すればよい。

また、吐出流路１５の断面積は、周方向の位置に応じて異なっていてもよい。例えば、接続油路１３に近い上流側の吐出流路１５と接続油路１３から離れた下流側の吐出流路１５を比べると、下流側の吐出流路１５には冷却油を送りにくい。また、周方向流路１４を通過する距離が長くなる分、下流側の吐出流路１５では途中での熱交換で冷却油の温度も高くなってしまう。

そのため、下流側の吐出流路１５の冷却効率を高めるために、下流側の吐出流路１５の断面積を上流側の吐出流路１５の断面積よりも大きくしてもよい。上記の構成によれば、下流側の吐出流路１５では断面積が相対的に大きくなる分冷却油の流量が増加し、上流側と下流側の吐出流路１５間での冷却性能の偏りを抑制できる。

上記のように下流側の吐出流路１５の断面積を大きくする場合、第２の溝４ｂの径方向の深さを大きくしてもよく、第２の溝４ｂの周方向の幅を大きくしてもよい。なお、第２の溝４ｂの周方向の幅を大きくする場合、ステータ３とハウジング４の周方向の接触部分がより小さくなるので、焼き嵌めによるステータ３内部の残留応力を抑制する点でも有利である。

ここで、本実施形態では冷却油によるステータ３の冷却は以下のように行われる。
まず、冷却油は、第１油路１１の入口１１ａから供給されて第１油路１１の両端に向けて流れる。第１油路１１からハウジング４の一方側に流れる冷却油は、一方側のシャワーヘッドを通過して一方側のコイル端６ａに上側から散布される。同様に、第１油路１１からハウジング４の他方側に流れる冷却油は、他方側のシャワーヘッドを通過して他方側のコイル端６ａに上側から散布される。これにより、コイル端６ａに接触した冷却油が熱を奪うことで、コイル端６ａが冷却される。

また、第１油路１１を流れる冷却部の一部は、第２油路１２の接続油路１３から周方向流路１４に流れ込む。接続油路１３から周方向流路１４の上側に供給される冷却油は、周方向流路１４の左回り方向と右回り方向の両側から下側にむけて流れる。これにより、ステータ３の軸方向中央において冷却油が周方向流路１４の周方向全体に行き渡り、ステータ３の軸方向中央が冷却油との熱交換により冷却される。

また、周方向流路１４の冷却油は、周方向流路１４から分岐して各々の吐出流路１５に流れ込む。吐出流路１５を流れる冷却油は、軸方向に沿ってハウジング４の一方側の端部または他方側の端部に向けて流れ、コイル端６ａ側の空間に吐出される。各々の吐出流路１５を流れる冷却油によってステータ３が外周から冷却されることで、スロット内のコイル６が軸方向に沿って冷却される。なお、吐出流路１５から吐出される冷却油の一部は、コイル端６ａと接触してコイル端６ａを冷却する。

そして、第１油路１１を経て上側から散布される冷却油と、第２油路１２の吐出流路１５から吐出される冷却油は、ハウジング４の底面近傍のオイルパン領域に貯留される。冷却油は、オイルポンプ（不図示）の駆動によって底面側のオイルパン領域から第１油路１１の入口１１ａに再び供給される。

以下、本実施形態のモータ１の効果を説明する。
本実施形態の第２油路１２では、第１の溝４ａの周方向流路１４により、ステータ３の軸方向中央で冷却油を周方向に亘って流す。そして、第２の溝４ｂの吐出流路１５により、周方向流路１４から分岐してステータ３の軸方向に沿って冷却油を流す。これにより、ステータ３の外周に冷却油を行き渡らせることができ、スロット内のコイル６の高温部位を冷却することができる。

また、本実施形態の第２の油路１２では、上側１か所の給油路（接続油路１３）から周方向流路１４に冷却油を供給すれば、ステータ３の外周に冷却油を行き渡らせることができる。そのため、本実施形態のモータ１の構成は、複数の給油路からステータの外周に冷却油を供給する構成に比べてシンプルになり、製造コストも抑制できる。

また、本実施形態では、ハウジング４側に溝４ａ，４ｂを形成してステータ３の外周との間に第２の油路１２を形成するので、ステータ３の外周面を周方向に平滑にできる。そのため、ステータ３側に溝を設けて冷却油を流す構成と比べると、ステータ３での磁束飽和が生じにくくなり、モータ１のトルク低下を抑制できる。

また、本実施形態では、ハウジング４の周方向に複数配置された第２の溝４ｂにより、焼き嵌めによるステータ３内部の残留応力が緩和される。そのため、モータ１の鉄損を抑制することができる。

本発明は、上記実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の改良並びに設計の変更を行ってもよい。

上記実施形態では、回転電機の一例としてモータ１の構成例を説明したが、本発明の回転電機は、発電機に適用することも可能である。

上記実施形態では、吐出流路１５が軸方向に沿って並列に延びる構成例を説明した。しかし、本発明の回転電機は、吐出流路１５が軸方向に対して傾いた方向に並列に延びるスキュー状の構成であってもよい。

上記実施形態では、周方向流路１４がステータ３の軸方向中央に配置される例を説明した。しかし、本発明の回転電機では、周方向流路１４の位置がステータ３の軸方向中央からずれている構成も含みうる。つまり、周方向流路１４は、ステータ３の軸方向端部を除く中間部に形成されていてもよい。

上記実施形態では、周方向流路１４を周方向に環状に形成する構成例を説明した。しかし、本発明の回転電機では、周方向流路が周方向全体に設けられていなくてもよく、例えば下側に周方向流路の形成されていない部分があってもよい。

加えて、今回開示された実施形態は、全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及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

１…モータ、２…ロータ、３…ステータ、４…ハウジング、４ａ…第１の溝、４ｂ…第２の溝、５…シャフト、６…コイル、６ａ…コイル端、１１…第１油路、１１ａ…入口、１２…第２油路、１３…接続油路、１４…周方向流路、１５…吐出流路

Claims

ロータを内側に収容するとともに、内周側にコイルが巻回される円筒状のステータと、
前記ステータの外周面に嵌合されて前記ステータを外側から覆うとともに、前記ステータの外周面に臨む内周面に溝が形成されたハウジングと、を備え、
前記ステータの外周面と前記ハウジングの溝によって形成され、前記ステータの外周に冷却油を流す油路を有し、
前記溝は、
前記ステータの中間部に配置され、前記ステータの周方向に延びる第１の溝と、
前記第１の溝から分岐して前記第１の溝と交差する方向に延び、前記ステータの軸方向端部に前記第１の溝からの前記冷却油を導く複数の第２の溝と、を含み、
前記第２の溝は、前記ステータの周方向に間隔をあけて配置され、
前記第２の溝の周方向の配置間隔は、前記コイルの周方向の配置間隔以下である
ことを特徴とする回転電機。
前記第２の溝は、前記ステータの軸方向に延びる
ことを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
前記第１の溝による流路の断面積は、前記第２の溝による流路の断面積よりも大きい
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。
前記ハウジングは、前記第１の溝に連通し、前記冷却油を前記第１の溝に導く給油路を１つ有する
ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の回転電機。
前記第２の溝による流路の断面積は、前記給油路からの距離が近い上流側に比べて、前記給油路からの距離が離れた下流側が大きく設定されている
ことを特徴とする請求項４に記載の回転電機。