(57)【要約】【課題】より簡易に回転電機を効率的に冷却でき得る冷却構造を提供する。【解決手段】ケーシング１８内に、回転軸１６、ロータ１４、ステータ１２が収容された回転電機１０の冷却構造は、回転軸１６の内部に供給された冷媒を、前記回転軸１６の内部から前記ロータ１４の内部を経由してロータ外面に形成された吐出口４８まで導く冷媒路４０，４２，４４，４６と、前記ケーシング１８のうち、前記吐出口４８から吐出された冷媒が衝突する部位であって、前記衝突してきた冷媒を飛散して跳ね返す飛散部３６と、を備えている。前記冷媒路４０，４２，４４，４６および飛散部３６は、前記吐出口から吐出された冷媒の前記飛散部３６への進入角度αが４５度から９０度になるように配置される。【選択図】図１
2014023297.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケーシング内に、回転軸、ロータ、ステータが収容された回転電機の冷却構造であって、
回転軸の内部に供給された冷媒を、前記回転軸の内部から前記ロータ内部を経由してロータ外面に形成された吐出口まで導く冷媒路と、
前記ケーシングのうち、前記吐出口から吐出された冷媒が衝突する部位であって、前記衝突してきた冷媒を飛散して跳ね返す飛散部と、
を備え、前記冷媒路および飛散部は、前記吐出口から吐出された冷媒の前記飛散部への進入角度が４５度から９０度になるように配置される、
ことを特徴とする回転電機の冷却構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転軸内部に供給された冷媒を、ロータ端部に設けられた吐出口から吐出して、ステータコイル等を冷却する回転電機の冷却構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
回転電機では、当該回転電機の駆動に伴いステータ（ステータコアおよびステータコイル）の温度が上昇すると、熱損失等により性能が低下することが知られている。そのため、従来から、ステータの効率的な冷却を目的とする冷却技術が多数提案されている。かかる冷却技術の一つとして、軸芯冷却が知られている。軸芯冷却は、回転軸内部に供給された冷媒を、ロータの端部に設けられた吐出口からコイルエンドなどに向かって吐出し、ステータコイル等を冷却する技術である。この軸芯冷却では、冷媒を吐出する吐出口が、ロータとともに回転しているため、コイルエンドの全周を冷却することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−１７２０６９号公報
【特許文献２】特開２００９−２９６７７２号公報
【特許文献３】特開２００９−２８４７１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の軸芯冷却技術では、吐出口の位置・形状等を、冷媒がコイルエンドの内周面に向かうように設定しているものが多かった。この場合、冷媒は、コイルエンドの内周面には当たるものの、それ以外の箇所、例えば、コイルエンドの軸方向端面や、外周面には冷媒が届かず、冷却効率が悪かった。
【０００５】
そこで、特許文献１では、回転電機のケーシングの内壁に、ロータに設けられた油路から吐き出されたオイルをステータへ導く凹曲面状の案内面を設けた技術が提案されている。かかる技術によれば、吐き出されたオイルは、案内面に沿って流れ、コイルエンドの外周面側近傍へと進む。また、特許文献２，３には、回転電機に、特殊形状のフランジやガイド部材などを設けて、吐き出された冷媒を所望の位置に導く技術が開示されている。これらの技術によれば、コイルエンドの内周面以外の場所にも冷媒を導くことができる。
【０００６】
しかしながら、特許文献１の技術では、回転電機の冷却効率が不均一になる場合があった。例えば、回転電機が、回転軸が略水平になるように配置されている場合、回転電機の上側では、案内面に沿って流れた冷媒は、最終的には、重力により、コイルエンドの外周面に落下する。一方、回転電機の下側では、案内面に沿って流れた冷媒は、コイルエンドに到達することなくケーシングの下部に落下し、貯留されることになる。結果として、上側に比して、下側が十分に冷却されず、温度分布に偏りが生じてしまう。また、特許文献２，３の技術では、フランジやガイド部材など、別途、専用の部材が新たに必要になるなどの問題があった。つまり、従来、簡易に、回転電機を効率的に冷却でき得る冷却構造がなかった。
【０００７】
そこで、本発明では、より簡易に回転電機を効率的に冷却できる冷却構造を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の冷却構造は、ケーシング内に、回転軸、ロータ、ステータが収容された回転電機の冷却構造であって、回転軸の内部に供給された冷媒を、前記回転軸の内部から前記ロータ内部を経由してロータ外面に形成された吐出口まで導く冷媒路と、前記ケーシングのうち、前記吐出口から吐出された冷媒が衝突する部位であって、前記衝突してきた冷媒を飛散して跳ね返す飛散部と、を備え、前記冷媒路および飛散部は、前記吐出口から吐出された冷媒の前記飛散部への進入角度が４５度から９０度になるように配置される、ことを特徴とする。好適な態様では、前記飛散部は、コイルエンドの軸方向外側かつ径方向外側に配置される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、４５度から９０度の進入角度で、冷媒が飛散部に衝突する。その結果、効率的に冷媒が、飛散、分散されるため、冷媒を広範囲に到達させることができ、結果として、回転電機を効率的に冷却できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態である冷却構造が搭載された回転電機の概略構成図である。
【図２】進入角度と冷却効率との関係を示す図である。
【図３】従来の回転電機の概略構成図である。
【図４】従来の回転電機の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
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。図１は、本発明の実施形態である冷却構造が搭載された回転電機１０の概略構成図である。
【００１２】
回転電機１０は、周知の通り、ステータ１２、ロータ１４、回転軸１６、および、これらを収容するケーシング１８等から構成される。ステータ１２は、略円筒形のステータコア２０に、ステータコイル２１を巻回して構成される。ステータコア２０は、磁性材料、例えば、積層電磁鋼板や圧粉磁芯などからなる略円筒形部材で、その内周面には複数のティースが形成されている。各ティースには、ステータコイル２１が巻回されている。ここで、ステータコイル２１の巻回方法としては、分布巻と集中巻が知られているが、本実施形態では、巻回行程の自動化が容易で、ステータコア２０の軸方向端面からの突出部分（コイルエンド２２）の厚みを小さくできる集中巻を採用している。
【００１３】
略円筒形のステータ１２の内側には、ステータ１２との間に一定のギャップを保って、ロータ１４が配されている。ロータ１４は、積層電磁鋼板などの磁性材料からなるロータコア２４の両端を、非磁性材料からなる一対のエンドプレート２６で挟んで固定することで構成される。ロータコア２４の外周面近傍には複数の永久磁石（図示せず）が埋設されている。回転軸１６は、このロータ１４の中心を貫通してロータ１４に固定連結されている。回転軸１６の両端は、軸受３０を介してケーシング１８に回転自在に支持されており、ロータ１４とともに回転する。なお、本実施形態の回転電機１０は、この回転軸１６が略水平になるように設置される。
【００１４】
かかる構成の回転電機１０は、ステータコイル２１に電流を供給して回転磁界を形成すれば、ロータ１４および回転軸１６が回転する電動機として機能し、ロータ１４および回転軸１６を回転させてステータコイル２１に電流を発生させれば、発電機として機能する。電動機、発電機のいずれとして使用する場合であっても、回転電機１０は、駆動に伴い発熱する。この発熱により、ステータ１２の温度が上昇すると、回転電機１０の性能が低下することが知られている。
【００１５】
そこで、本実施形態では、この回転電機１０に、ステータ１２、特に、ステータコイル２１を効率的に冷却するための冷却構造を設けている。以下、この冷却構造について詳説する。
【００１６】
ステータコイル２１の冷却は、当該ステータコイル２１のコイルエンド２２に冷媒を供給することで行われる。この冷媒の供給のために、冷却構造には、複数の冷媒路４０，４２，４４，４６と、ケーシング１８に設けられた飛散部３６と、を有している。
【００１７】
軸内冷媒路４０は、回転軸１６の内部に設けられた冷媒路で、軸方向に延びている。この軸内冷媒路４０の一端は、ケーシング１８の外部に設けられた冷媒供給源（図示せず）に接続されている。また、軸内冷媒路４０の他端は、軸外冷媒路４２に接続されている。軸外冷媒路４２は、回転軸１６の外周面およびロータ１４の内周面の間に形成される冷媒路で、やはり、軸方向に延びている。
【００１８】
軸外冷媒路４２の軸方向両端には、ロータ内冷媒路４４が接続されている。ロータ内冷媒路４４は、ロータ１４の内周面から外周面に向かって延びる冷媒路である。ロータ内冷媒路４４は、ロータ１４の軸方向端部の近傍、より具体的には、エンドプレート２６の内部、あるいは、エンドプレート２６とロータコア２４の端面との間に設けられている。
【００１９】
ロータ内冷媒路４４の外周面側端部は、冷媒が吐出される吐出口４８として機能する。ロータ内冷媒路４４は、図１に示すように、ロータ１４の内周面から径方向に延びるが、吐出口４８の手前位置において、屈曲し、斜め方向に延びる。以下では、この斜め方向に延びる箇所を、傾斜冷媒路４６と呼ぶ。冷媒路に供給された冷媒は、最終的には、この傾斜冷媒路４６を通って、ロータ外部へ噴出する。本実施形態では、この傾斜冷媒路４６の延長線が、ステータ１２を通ることなく（ステータ１２に当たることなく）、飛散部３６に到達するように、傾斜冷媒路４６の位置や角度を設定している。
【００２０】
飛散部３６は、ケーシング１８のうち、吐出口４８から吐出された冷媒が衝突する部位である。この飛散部３６は、傾斜冷媒路４６の延長線上に位置しており、その表面は滑らかな平面となっている。飛散部３６は、図１から明らかな通り、水平・垂直面に対して傾斜した傾斜面である。本実施形態では、この傾斜面である飛散部３６の面と傾斜冷媒路４６の延長線とが成す角度α（以下「進入角度α」という）が、４５度から９０度、望ましくは、略９０度になるように飛散部３６の傾斜角度を設定している。また、本実施形態では、飛散部３６を、ステータ１２の斜め外側（ステータ１２の軸方向外側かつ径方向外側）に設置している。飛散部３６をかかる構成とする理由については、後に詳説する。
【００２１】
次に、以上のような構成の冷却構造の作用を説明する。冷媒供給源から供給された冷媒は、軸内冷媒路４０、軸外冷媒路４２、ロータ内冷媒路４４、傾斜冷媒路４６を通って、吐出口４８から噴出する。吐出口４８から噴出する冷媒は、傾斜冷媒路４６の延長線上に進む。既述した通り、傾斜冷媒路４６は、その延長線上が、ステータ１２を通ることなく、飛散部３６に到達するように設定されている。そのため、当該傾斜冷媒路４６から吐出された冷媒は、ステータ１２に当たることなく、飛散部３６に到達し、衝突する。冷媒は、飛散部３６に衝突することにより跳ね返るが、当該衝突時に受ける衝撃により、その方向性が崩れ、広範囲に飛散する。広範囲に飛散して跳ね返った冷媒は、図１に示すように、コイルエンド２２の軸方向端面や、外周面などに到達し、これらを冷却する。
【００２２】
ここで、冷媒を、効率的に広範囲に到達させるためには、飛散部３６と傾斜冷媒との相対位置・姿勢関係が重要となる。すなわち、冷媒が、角度をもって飛散部３６に衝突した際の衝突エネルギーは、飛散部３６の面に沿った分力と、飛散部３６の面に垂直な分力と、に分けられる。このうち、面に沿った分力は、冷媒を飛散部３６の表面に沿って進めるエネルギーとして作用し、面に垂直な分力が、冷媒を飛散・分散させるエネルギーとして作用する。したがって、冷媒を、効果的に飛散・分散させるためには、面に垂直な分力を大きくすることが必要である。
【００２３】
ここで、飛散部３６に衝突する冷媒の進入角度α（傾斜冷媒路４６の延長線と飛散部３６の面とが成す角度）が、４５度未満になると、面に垂直な分力（冷媒を飛散させる力）が、面に沿った分力（冷媒を表面に沿って進める力）よりも小さくなる。そこで、衝突時のエネルギーを、効率的に、飛散・分散のために用いるために、本実施形態では、角度αを４５度から９０度、より望ましくは、ほぼ９０度になるように飛散部３６・傾斜冷媒路４６の相対位置・姿勢を設定している。これにより、飛散部３６に衝突した冷媒は、効果的に、飛散・分散する。そして、その結果、冷媒が、コイルエンド２２の内周面だけでなく、軸方向端面や、外周面にも広く分散して到達する。なお、図２は、進入角度αと冷却能との相関関係を示すイメージ図である。この図２に示す通り、コイルエンド２２の冷却能は、進入角度が４５度を超えると、急激に増加し、９０度で最高値に達する。
【００２４】
また、冷媒を効果的にコイルエンド２２に到達させるためには、傾斜冷媒路４６と飛散部３６との位置・姿勢関係だけでなく、飛散部３６とコイルエンド２２との相対位置・姿勢関係も重要となる。すなわち、冷媒が、如何に、広範囲に飛散したとしても、当該冷媒の衝突位置がコイルエンド２２から離れていると、コイルエンド２２に到達する冷媒は少なくなる。また、飛散部３６がコイルエンド２２に近い場合であっても、当該飛散部３６が、コイルエンド２２より内側（回転軸１６寄り）にあれば、飛散部３６に当たって跳ね返った冷媒は、コイルエンド２２に到達しない。
【００２５】
そこで、本実施形態では、飛散部３６を、コイルエンド２２の斜め外側（軸方向外側かつ径方向外側）に設置している。かかる位置に設置することで、飛散部３６で衝突して跳ね返った冷媒が、コイルエンド２２、特に、コイルエンド２２の軸方向端面に到達することができる。
【００２６】
以上のような本実施形態の冷却構造と、従来の冷却技術とを比較する。図３、図４は、従来の冷却構造の一例を示す図である。従来の軸芯冷却構造の多くは、図３に示すように、ロータ内冷媒路４４を、その延長線がロータコア２４を通るような形状に設定し、冷媒を、コイルエンド２２の内周面に到達させるものが多かった。かかる構成の場合、冷媒の大部分は、コイルエンド２２の内周面にしか到達せず、コイルエンド２２の軸方向端面や外周面には到達しなかった。その結果、コイルエンド２２の外周面側が十分に冷却できず、コイルエンド２２の内周面側と外周面側とで温度の偏りなどが生じていた。また、コイルエンド２２の内周面は、その一部がインシュレータなどで覆われていることも多く、内周面におけるコイル露出面積は、全コイル面積に比して非常に小さいため、コイル２１の冷却効率が悪かった。特に、集中巻の場合、ステータコア２０の端面からのコイル突出高さが小さいため、こうした問題はより生じやすかった。
【００２７】
また、特許文献１などのように、従来技術の中には、冷媒を、コイルエンド２２に直接当てず、ケーシング１８に当ててから、間接的にコイルエンド２２に当てる技術も提案されている。しかし、こうした従来技術は、図４に示すように、進入角度αが小さいことが多かった。この場合、ケーシング１８に当たった冷媒は、飛散・分散せず、ある程度の纏まりを保ったまま、跳ね返る。その結果、冷媒は十分には広がらず、コイルエンド２２が十分に冷却されなかった。
【００２８】
一方、本実施形態では、上述したように、冷媒の進入角度αを４５度から９０度としているため、飛散部３６に到達した冷媒は、当該到達時に受ける衝撃により、飛散・分散し、広範囲に跳ね返る。その結果、コイルエンド２２の軸方向端面や外周面などにも冷媒が到達し、冷却効率を向上することができる。
【００２９】
なお、これまで説明した構成では、冷媒を、コイルエンド２２の軸方向端面、および、外周面には到達させることができるが、コイルエンド２２の内周面に到達させることは難しい。そこで、一つのロータ１４に、図１に示すような冷媒を飛散部３６に導くようなロータ内冷媒路４４の他に、さらに、図３に示すような冷媒をコイルエンド２２の内周面に導くロータ内冷媒路４４も設けることが望ましい。かかる構成とすることで、冷媒をコイルエンド２２の内周面にも導くことができ、より効果的にステータ１２を冷却できる。また、かかる構成によれば、コイルエンド２２の内周面および外周面の両方に冷媒を導くことができるため、コイルエンド２２の内周面側と外周面側とでの温度の偏りを低減できる。
【００３０】
また、上述の説明では、冷媒が流れる冷媒路を、軸内冷媒路４０、軸外冷媒路４２、ロータ内冷媒路４４、傾斜冷媒路４６で構成したが、これら冷媒路の構成は、適宜変更されてもよい。例えば、軸外冷媒路４２を省略し、軸内冷媒路４０を、ロータ内冷媒路４４に直接接続してもよい。また、本実施形態では、吐出口４８を、ロータ１４の周面（径方向端面）に設けたが、吐出口４８は、ロータ１４の外面にあればよく、たとえば、ロータ１４の軸方向端面に設けてもよい。
【符号の説明】
【００３１】
１０  回転電機、１２  ステータ、１４  ロータ、１６  回転軸、１８  ケーシング、２０  ステータコア、２１  ステータコイル、２２  コイルエンド、２４  ロータコア、２６  エンドプレート、３０  軸受、３６  飛散部、４０，４２，４４，４６  冷媒路。
【図１】
2014023297.tif 000003
【図２】
2014023297.tif 000004
【図３】
2014023297.tif 000005
【図４】
2014023297.tif 000006