JP7552453B2 - Rotating Machine - Google Patents
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Description
本発明は、回転機に関し、特に回転機のコイルエンドを冷却する冷却構造に関する。 The present invention relates to a rotating machine, and in particular to a cooling structure for cooling the coil ends of a rotating machine.
回転機は駆動により発熱して効率低下等を生じる虞があるため、冷却するのが望ましい。例えば、ステータのコイルエンドを冷却するために、コイルエンドに冷却オイルを流すことが行われている。 Rotating machines generate heat when in operation, which can lead to reduced efficiency, so it is desirable to cool them. For example, cooling oil is passed through the coil ends of the stator to cool them.
特許文献1では、コイルエンドの上側に冷媒吐出用開口を設け、冷媒吐出用開口から流れ落ちる冷媒によってコイルエンドを冷却する構造を開示している。 Patent document 1 discloses a structure in which a refrigerant discharge opening is provided above the coil end, and the coil end is cooled by the refrigerant that flows down from the refrigerant discharge opening.
また特許文献2では、冷却液を径方向内側且つ下方向へ誘導する突条部と、突条部に誘導された冷却液を捕集する捕集部とを備え、捕集部で捕集した冷却液を滴下部でコイルエンドに滴下することでコイルエンドを冷却する構造を開示している。 Patent document 2 also discloses a structure that includes a ridge portion that guides the cooling liquid radially inward and downward, and a collection portion that collects the cooling liquid guided to the ridge portion, and cools the coil end by dripping the cooling liquid collected in the collection portion onto the coil end in a dripping portion.
しかしながら特許文献1では、上側のコイルエンドを通過した冷媒は、下側のコイルエンドに衝突したときに落下の勢いで飛散し、下側のコイルエンドを十分に冷却できないという問題があった。 However, in Patent Document 1, the refrigerant that passes through the upper coil end is scattered by the force of falling when it hits the lower coil end, and the lower coil end cannot be sufficiently cooled.
また特許文献2では、下側のコイルエンドのうち滴下部の直下位置しか冷却できないし、構成が複雑であるという問題があった。 In addition, in Patent Document 2, only the position directly below the dripping part of the lower coil end can be cooled, and there are problems with the complicated configuration.
すなわち、従来はコイルエンドの冷却に改善の余地があった。 In other words, there was previously room for improvement in the cooling of the coil ends.
本発明は、コイルエンドの冷却について改善した回転機を提供することを目的とする。 The present invention aims to provide a rotating machine with improved cooling of the coil ends.
本発明の一態様に係る回転機は、鉛直方向と直交する中心軸に沿って延びるシャフトと前記シャフトの径方向外側に固定されるロータコアとを有するロータと、前記ロータの径方向外側にエアギャップを介して配置されるステータコアと前記ステータコアに巻き回されるステータコイルとを有するステータと、前記ロータ及び前記ステータを軸方向一方側から覆うブラケットと、を備え、前記ステータコイルは、周方向全周に亘って前記ステータコアよりも軸方向一方側に突出するコイルエンドを有し、前記コイルエンドの上側に配置され前記コイルエンドを冷却する冷却液を吐出する吐出口と、前記吐出口から吐出された冷却液の流下位置に間隔を空けて複数配置された流速低減部と、をさらに備え、前記ブラケットは、軸方向他方側に前記流速低減部を有し、前記ブラケットの軸方向一方側であって少なくとも一部が前記流速低減部と軸方向で対向する位置に配置され、冷媒が流れる流路を有し、前記冷媒によって前記ブラケットを介して前記流速低減部を冷却する冷却部材をさらに備える。 A rotating machine according to one aspect of the present invention comprises a rotor having a shaft extending along a central axis perpendicular to the vertical direction and a rotor core fixed to the radial outside of the shaft, a stator having a stator core arranged radially outside the rotor with an air gap therebetween and a stator coil wound around the stator core, and a bracket covering the rotor and the stator from one axial side , wherein the stator coil has coil ends that protrude axially beyond the stator core around the entire circumferential circumference, and further comprises an outlet port arranged above the coil ends and discharging a cooling liquid to cool the coil ends, and a plurality of flow rate reduction portions arranged at intervals at a flow-down position of the cooling liquid discharged from the outlet port, and the bracket has the flow rate reduction portion on the other axial side, and further comprises a cooling member arranged on one axial side of the bracket at a position at least partially facing the flow rate reduction portion in the axial direction, having a flow path through which a refrigerant flows, and cooling the flow rate reduction portion via the bracket with the refrigerant.
上記の一態様の回転機において、前記流速低減部は、軸方向に延びる円柱形状部材であり、前記流速低減部の軸方向他方側端は、前記コイルエンドの軸方向一方側端よりも軸方向他方側に位置する。 In the rotating machine of the above embodiment, the flow velocity reduction section is a cylindrical member extending in the axial direction, and the other axial end of the flow velocity reduction section is located on the other axial side of the one axial end of the coil end.
上記の一態様の回転機において、前記流速低減部は、前記コイルエンドの径方向内側且つ前記シャフトよりも下側に配置される。 In the rotating machine according to the above aspect, the flow velocity reduction portion is disposed radially inward of the coil end and below the shaft.
上記の一態様の回転機において、複数配置された前記流速低減部のうちの一の流速低減部は、該一の流速低減部と鉛直方向で隣接する他の流速低減部と、鉛直方向及び軸方向と直交する方向にずれている。 In the rotating machine of one aspect described above, one of the multiple flow velocity reduction sections is offset in a direction perpendicular to the vertical direction and the axial direction from another flow velocity reduction section that is adjacent to the one flow velocity reduction section in the vertical direction.
本発明の一態様によれば、コイルエンドの冷却について改善した回転機を提供することが出来る。 According to one aspect of the present invention, it is possible to provide a rotating machine with improved cooling of the coil ends.
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態に係る回転機について説明する。なお、以下の図面においては、各構成をわかり易くするために、実際の構造と各構造における縮尺及び数等を異ならせる場合がある。 The rotating machine according to the embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. Note that in the drawings, the scale and number of each structure may differ from the actual structure in order to make each configuration easier to understand.
また、図面においては、適宜3次元直交座標系としてXYZ座標系を示す。XYZ座標系において、Z軸方向は、図1に示す中心軸Jの軸方向と平行な方向とする。Y軸方向は、中心軸Jに対する径方向のうち図2の上下方向とする。X軸方向は、Z軸方向及びY軸方向の両方と直交する方向とする。X軸方向、Y軸方向、及びZ軸方向のいずれにおいても、図中に示す矢印が指す側を+側、反対側を-側とする。 In addition, in the drawings, an XYZ coordinate system is appropriately shown as a three-dimensional Cartesian coordinate system. In the XYZ coordinate system, the Z axis direction is parallel to the axis of the central axis J shown in Figure 1. The Y axis direction is the vertical direction in Figure 2, among the radial directions relative to the central axis J. The X axis direction is perpendicular to both the Z axis direction and the Y axis direction. In each of the X axis direction, Y axis direction, and Z axis direction, the side indicated by the arrow in the drawing is the + side, and the opposite side is the - side.
また、以下の説明においては、Z軸方向の正の側(+Z側)を「一方側」と呼び、Z軸方向の負の側(-Z側)を「他方側」と呼ぶ。なお、一方側及び他方側とは、単に説明のために用いられる名称であって、実際の位置関係及び方向を限定しない。また、特に断りのない限り、中心軸Jに平行な方向(Z軸方向)を単に「軸方向」と呼び、中心軸Jを中心とする径方向を単に「径方向」と呼び、中心軸Jを中心とする周方向、すなわち、中心軸Jの軸周りを単に「周方向」と呼ぶ。径方向において中心軸Jに近づく側を「径方向内側」と呼び、中心軸Jから遠ざかる側を「径方向外側」と呼ぶ。周方向において図1に示す矢印が指す側を一方側、反対側を他方側とする。 In the following description, the positive side in the Z-axis direction (+Z side) is referred to as "one side," and the negative side in the Z-axis direction (-Z side) is referred to as "the other side." Note that one side and the other side are names used merely for the purpose of description, and do not limit the actual positional relationship and direction. Unless otherwise specified, the direction parallel to the central axis J (Z-axis direction) is simply referred to as "axial direction," the radial direction centered on the central axis J is simply referred to as "radial direction," and the circumferential direction centered on the central axis J, i.e., around the axis of the central axis J, is simply referred to as "circumferential direction." The side approaching the central axis J in the radial direction is referred to as "radially inner," and the side moving away from the central axis J is referred to as "radially outer." In the circumferential direction, the side indicated by the arrow in FIG. 1 is referred to as one side, and the opposite side is referred to as the other side.
なお、本明細書において、「軸方向に延びる」とは、厳密に軸方向(Z軸方向)に延びる場合に加えて、軸方向に対して、45°未満の範囲で傾いた方向に延びる場合も含む。また、本明細書において、「径方向に延びる」とは、厳密に径方向、すなわち、軸方向(Z軸方向)に対して垂直な方向に延びる場合に加えて、径方向に対して、45°未満の範囲で傾いた方向に延びる場合も含む。また「平行」とは、厳密に平行な場合に加えて、互いに成す角が45°未満の範囲で傾いた場合も含む。また「直交」とは、厳密に直交な場合に加えて、互いに成す角が45°未満の範囲で傾いた場合も含む。 In this specification, "extending in the axial direction" includes not only extending strictly in the axial direction (Z-axis direction), but also extending in a direction tilted by less than 45° to the axial direction. In this specification, "extending in the radial direction" includes not only extending strictly in the radial direction, i.e., in a direction perpendicular to the axial direction (Z-axis direction), but also extending in a direction tilted by less than 45° to the radial direction. "Parallel" includes not only strictly parallel, but also tilted at an angle of less than 45°. "Orthogonal" includes not only strictly perpendicular, but also tilted at an angle of less than 45°.
<第1実施形態>
図1は、本発明の第1実施形態に係るモータの斜視図である。図1のモータ100は、回転機の一例である。なお、本実施形態では、モータ100のうち軸方向一方側のみを図示し、軸方向他方側の図示を省略している。モータ100のうち軸方向他方側も、軸方向一方側と同様の構成であってもよいし、軸方向他方側は軸方向一方側と異なる構成であってもよい。
First Embodiment
Fig. 1 is a perspective view of a motor according to a first embodiment of the present invention. A
モータ100は、モータケース400を備える。モータケース400は、図2に示すロータ200及びステータ300を収容する。モータケース400は、ロータ200及びステータ300を径方向外側から覆うカバー部410と、ロータ200及びステータ300を軸方向一方側から覆うブラケット部420と、を有する。本実施形態では、カバー部410とブラケット部420とは一体であって一つの部材であるが、カバー部410とブラケット部420とは別部材であってもよい。モータケース400は、例えばアルミダイキャストである。
The
ブラケット部420は、径方向外側端部において、カバー部410の軸方向一方側端部に繋がる。ブラケット部420は、円板形状である。カバー部410は、中心軸Jに沿った筒軸を有する円筒形状である。ブラケット部420は、径方向外側端部から径方向内側に向かって順に、外径部421、傾斜部422、内径部423及び中心部424を有する。
The
外径部421は、中心軸Jと直交する面を有する円環状の部分である。外径部421の軸方向位置は、カバー部410の軸方向一方側端部の軸方向位置と一致する。内径部423は、中心軸Jと直交する面を有する円環状の部分である。外径部421の軸方向位置は、外径部421の軸方向位置よりも軸方向他方側である。傾斜部422は、外径部421と内径部423とを繋ぐ漏斗形状の部分である。傾斜部422の軸方向一方側端部の軸方向位置は、外径部421の軸方向位置と一致する。傾斜部422の軸方向他方側端部の軸方向位置は、内径部423の軸方向位置と一致する。中心部424は、図2に示すシャフト230の軸方向一方側端部を覆う有底円筒形状の部分である。中心部424は、シャフト230と接触しない。中心部424の軸方向他方側端部の軸方向位置は、内径部423の軸方向位置と一致する。
The
モータ100は、冷却部材500を備える。冷却部材500は、冷媒が流れる流路510を内側に有する。冷媒は、気体であってもよいし、液体であってもよい。冷却部材500は、ブラケット部420の軸方向一方側の面の形状に応じた形状であり、冷却部材500の軸方向他方側の面は、ブラケット部420の軸方向一方側の面に接する。図面において、+Y側は鉛直方向上側であり、-Y側は鉛直方向下側である。冷却部材500は、中心部424よりも鉛直方向下側に設けられている。冷却部材500は、少なくとも一部が後述の突起部430(例えば図2参照)の少なくとも一部と軸方向で対向する位置に設けられている。冷却部材500は、流路510に冷媒が流れることで、ブラケット部420を冷却する。冷却部材500は、中心部424よりも鉛直方向下側に加えて、中心部424よりも鉛直方向上側にも設けられているものであってもよい。
The
図2は、第1実施形態のモータ100を、中心軸Jを通りX軸と直交する面で切断して示す断面図である。中心軸Jは、鉛直方向と直交する方向に延びる。モータ100は、ロータ200とステータ300とを備える。
Figure 2 is a cross-sectional view of the
ロータ200は、中心軸に沿って延びるシャフト230と、シャフト230の径方向外側に固定されるロータコア210とを有する。シャフト230は、中心軸Jを回転軸にして回転可能なように軸受(不図示)によって軸支される。
The
ステータ300は、ロータ200の径方向外側にエアギャップを介して配置されるステータコア310と、ステータコア310に巻き回されるステータコイル320とを有する。ステータコイル320は、周方向全周に亘ってステータコア310よりも軸方向一方側に突出するコイルエンド325を有する。
The
モータ100は、コイルエンド325の鉛直方向上側に配置されコイルエンド325を冷却する冷却液を吐出する吐出口450を備える。モータ100は、吐出口450を複数備えてもよい。吐出口450から吐出される冷却液は、例えば冷却オイルである。
The
モータ100は、突起部430を有する。突起部430は、吐出口450から吐出された冷却液の流下位置に間隔を空けて複数配置された流速低減部の一例である。突起部430は、例えば、軸方向に延びる円柱形状部材である。突起部430は、円柱以外の形状、例えば角柱、円錐、角錐、筒状、又は各刑場の組み合わなどの如何なる形状であってもよい。突起部430は、内径部423の軸方向他方側の面から軸方向他方側に延びる。本実施形態では、突起部430とブラケット部420とは一体であって一つの部材であるが、突起部430とブラケット部420とは別部材であってもよい。
The
突起部430の軸方向他方側端は、コイルエンド325の軸方向一方側端よりも軸方向他方側に位置する。突起部430の軸方向他方側端は、吐出口450の軸方向位置よりも軸方向他方側に位置する。突起部430の軸方向他方側端は、ロータコア210の軸方向一方側端よりも軸方向一方側であってロータコア210の軸方向一方側端の近傍に位置する。突起部430の軸方向他方側端は、ステータコア310の軸方向一方側端よりも軸方向一方側であってステータコア310の軸方向一方側端の近傍に位置する。
The other axial end of the
冷却液は、流下する際に突起部430に接することで、その流下速度を低減させられる。冷却液の流下速度を低減することで、冷却液が鉛直方向下側のコイルエンド325に達したときに飛散してしまうことを防ぐことが出来る。これによりコイルエンド325での冷却液の滞留時間を延長することが出来、コイルエンド325をより確実に冷却することが出来る。
When the cooling liquid comes into contact with the
図3は、第1実施形態のモータ100を、吐出口450を通り中心軸Jと直交する面で切断して-Z側から見た断面図である。モータ100は、X軸方向に並んだ5つの吐出口450を備える。吐出口450から吐出された冷却液は、おおよそ図中に矢印B及び矢印Cに示す向きに流下する。矢印Bは、冷却液がコイルエンド325を通過して流下する流れであり、矢印Cは、冷却液がコイルエンド325に沿って流下する流れである。
Figure 3 is a cross-sectional view of the
突起部430は、吐出口450から吐出された冷却液の流下位置に、間隔を開けて複数配置される。冷却液は、複数の突起部430に接触することで広範囲に拡散し、コイルエンド325の広範囲に行き渡り。コイルエンド325の広範囲を冷却することが出来る。
The
本実施形態では、モータ100は、54個の突起部430を有する。突起部430は、コイルエンド325の径方向内側且つシャフト230よりも鉛直方向下側を埋めて配置される。複数の突起部430は、例えば千鳥配置で配置される。複数の突起部430のうちの一の突起部430は、この一の突起部430と鉛直方向で隣接する他の突起部430と、鉛直方向及び軸方向と直交する方向にずれている。突起部430をこのような配置にすることで、冷却液の流下する際に、複数の突起部430のうちのいずれにも接することなく鉛直方向下側のコイルエンド325に達することを防ぎ、冷却液の流下速度を低減することが出来る。冷却液の流下速度を低減することで、冷却液が鉛直方向下側のコイルエンド325に達したときに飛散してしまうことを防ぐことが出来る。これによりコイルエンド325での冷却液の滞留時間を延長することが出来、コイルエンド325をより確実に冷却することが出来る。
In this embodiment, the
なお、突起部430は、コイルエンド325の径方向内側且つシャフト230よりも鉛直方向下側に配置されるのに加えて、コイルエンド325の径方向内側の他の如何なる位置にも配置されてもよい。
In addition to being positioned radially inward of the
発明者は、突起部430の効果を検証するため、熱流体解析を行った。この熱流体解析は、モータ100を動作させたときのコイルエンド325の所定位置(図2及び図3に示した点A)の温度を求めるものである。点Aは、吐出口450から冷却液を吐出して冷却した場合であっても高温になるコイルエンド325の位置である。
The inventors performed a thermal fluid analysis to verify the effect of the
図4は、熱流体解析の結果を示すグラフである。図4(A)は、モータ100において突起部430を設けない構成でモータ100を動作させ、吐出口450から冷却液を吐出した場合の解析結果である。図4(B)は、モータ100において突起部430を設けた構成でモータ100を動作させ、吐出口450から冷却液を吐出した場合の解析結果である。図4(A)及び図4(B)において、縦軸は点Aの温度(華氏)である。図4(A)及び図4(B)を参照してわかるように、突起部430がない場合には点Aの温度は441[K]まで上昇したのに対し、突起部430がある場合には点Aの温度は434[K]で抑えられている。
Figure 4 is a graph showing the results of thermal fluid analysis. Figure 4(A) shows the analysis results when the
冷却部材500は、流路510に冷媒が流れることで、内径部423を介して突起部430を冷却する。これにより、吐出口450から吐出された冷却液は、鉛直方向上側のコイルエンド325を通過する際に熱吸収したとしても、突起部430に接触することで冷却され、鉛直方向下側のコイルエンド325をより確実に冷却することが出来る。
The cooling
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。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。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various improvements and design changes may be made without departing from the spirit of the present invention. In addition, the embodiments disclosed herein should be considered to be illustrative and not restrictive in all respects. The scope of the present invention is indicated by the claims, not the above description, and is intended to include all modifications within the meaning and scope of the claims.
100…モータ、200…ロータ、230…シャフト、300…ステータ 100...motor, 200...rotor, 230...shaft, 300...stator
Claims (4)
前記ロータの径方向外側にエアギャップを介して配置されるステータコアと前記ステータコアに巻き回されるステータコイルとを有するステータと、
前記ロータ及び前記ステータを軸方向一方側から覆うブラケットと、
を備え、
前記ステータコイルは、周方向全周に亘って前記ステータコアよりも軸方向一方側に突出するコイルエンドを有し、
前記コイルエンドの上側に配置され前記コイルエンドを冷却する冷却液を吐出する吐出口と、
前記吐出口から吐出された冷却液の流下位置に間隔を空けて複数配置された流速低減部と、
をさらに備え、
前記ブラケットは、軸方向他方側に前記流速低減部を有し、
前記ブラケットの軸方向一方側であって少なくとも一部が前記流速低減部と軸方向で対向する位置に配置され、冷媒が流れる流路を有し、前記冷媒によって前記ブラケットを介して前記流速低減部を冷却する冷却部材をさらに備える、
回転機。 a rotor having a shaft extending along a central axis perpendicular to a vertical direction and a rotor core fixed to a radially outer side of the shaft;
a stator including a stator core disposed radially outside the rotor with an air gap therebetween and a stator coil wound around the stator core;
a bracket covering the rotor and the stator from one axial side;
Equipped with
the stator coil has a coil end that protrudes axially beyond the stator core over the entire circumferential circumference,
a discharge port disposed above the coil end and configured to discharge a cooling liquid for cooling the coil end;
a plurality of flow velocity reduction sections arranged at intervals at a flow-down position of the cooling liquid discharged from the discharge port;
Further equipped with
The bracket has the flow velocity reduction portion on the other axial side,
a cooling member that is disposed on one axial side of the bracket and at least a portion of which faces the flow velocity reduction portion in the axial direction, the cooling member having a flow path through which a coolant flows, and that cools the flow velocity reduction portion via the bracket with the coolant;
Rotating machine.
前記流速低減部の軸方向他方側端は、前記コイルエンドの軸方向一方側端よりも軸方向他方側に位置する、
請求項1に記載の回転機。 The flow velocity reduction portion is a cylindrical member extending in the axial direction,
the other axial end of the flow velocity reduction portion is located on the other axial side of the one axial end of the coil end,
The rotating machine according to claim 1 .
請求項1又は2に記載の回転機。 The flow velocity reduction portion is disposed radially inward of the coil end and below the shaft.
The rotating machine according to claim 1 or 2.
請求項1から3のいずれか1項に記載の回転機。 One of the plurality of flow velocity reduction sections is shifted in a direction perpendicular to the vertical direction and the axial direction from another flow velocity reduction section adjacent to the one flow velocity reduction section in the vertical direction.
The rotating machine according to any one of claims 1 to 3.
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