(57)【要約】【課題】  冷却媒体の耐久性を維持しつつ、車両に搭載される回転電機をその冷却媒体を用いて効率良く冷却する。【解決手段】  電動機は、複数のスロットが形成され、スロットにステータコイルが装着されたステータコア２０００と、ステータコア２０００の中空部の内周側に配置された回転自在なロータ１０１０とから構成される。電動機の冷却装置として、ハウジング３０００に、ステータに冷却油を滴下する冷却油滴下部２１００が設けられる。冷却油には、潜熱材料を包含したマイクロカプセルが混在され、潜熱材料の相変化により効率的にステータを冷却する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸を中心に回転するロータと、前記ロータの周面に対向したステータとを有する回転電機の冷却装置であって、
前記ステータ、前記ロータおよびコイルの少なくとも一部に冷却媒体を供給するための供給手段と、
前記供給手段により供給される冷却媒体に収納され、相変化を伴う潜熱により前記回転電機を冷却するための冷却手段とを含む、回転電機の冷却装置。
【請求項２】
前記冷却媒体は、液体であって、
前記冷却媒体には、前記液体に溶解しないカプセル型潜熱体が混在され、
前記カプセル型潜熱体は、前記液体に溶解しない殻の内部に、予め定められた温度領域において液体と固体との間の相変化を行なう潜熱材料を収容した、請求項１に記載の回転電機の冷却装置。
【請求項３】
前記予め定められた温度領域は、前記回転電機の上昇温度に基づいて設定される、請求項２に記載の回転電機の冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータ等の回転電機の冷却装置に関し、特に、自動車等の車両に搭載される液冷の回転電機の冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車等の車両に搭載されるモータや発電機は、回転子（ロータ）と、その周囲に配設されステータコイルが巻き付けられたステータコアとを有する。モータはステータコイルに通電して回転力を得て、発電機はロータの回転によりステータコイルに流れる電流を取り出す。そして、ロータ回転時にステータコイルに電流が流れると、ステータコアやステータコイルが発熱する。これらの発熱は、モータや発電機の内部を貫通する磁束に影響を与え、運転効率（回転効率、発電効率）を低下させる。運転効率を維持するため、モータや発電機を冷却する必要がある。
【０００３】
このようなモータや発電機は、ハウジングで覆われた形で車両に搭載される。従って、モータや発電機の冷却には、このハウジング内に冷却媒体の通路を設け、通路内を通過する冷媒による冷却、すなわち液冷が適用されることが多い。このとき、電動機のコイルについての絶縁性は確保しておく必要があるため、冷却は、ハウジング内でコイルと非接触の部位に設けられた冷媒路に冷却水を流す方法や、発熱部位近傍に絶縁性のある機械油等を流したり飛沫させたりする方法により行なわれる。機械油等の絶縁性の冷媒を用いる方法は、絶縁性を保持しつつハウジング内に冷媒路を設ける必要がないため、ハウジングを小型化することが可能であり、発熱部位の近傍に冷媒を供給できるため、冷却能力も大きい点で優れている。このような構造を含み、車両に搭載されるモータの発熱を抑えるための冷却に関する技術が、以下の公報に開示されている。
【０００４】
特開２００１−１９００４７号公報（特許文献１）は、電動モータと、電動モータのロータ軸に連結される動力伝達装置とからなる電動駆動ユニットにおいて、電動モータのロータを動力伝達装置用の潤滑油で効率良く冷却し得るようにするロータ冷却装置を開示する。このロータ冷却装置は、電動モータと、電動モータのロータ軸に連結される動力伝達装置とからなる電動駆動ユニットに用いられる。このロータ冷却装置は、電動モータのロータのヨーク部に形成した冷却用油路と、動力伝達装置のケーシング内の潤滑油を吸い上げるオイルポンプと、オイルポンプからの潤滑油を冷却用油路に供給する給油路と、冷却用油路を通過した潤滑油をケーシング内に戻す戻し油路とを備える。
【０００５】
特許文献１に開示されたロータ冷却装置によると、動力伝達装置のケーシング内の潤滑油がオイルポンプ→給油路→冷却用油路→戻し油路の経路でケーシングと冷却用油路との間に循環される。かくて、ロータを効率良く冷却でき、電動モータの高出力化が可能になる。また、潤滑油は冷却用油路を通過する際にロータとの熱交換で加温されるため、低温時の潤滑油の早期の昇温が可能となり、潤滑油の粘性による動力伝達装置のフリクションロスを低減することができる。
【０００６】
特開平７−７６２２９号公報（特許文献２）は、電気モータ、自動変速装置およびジェネレータを、１個の潤滑系統のオイルにて潤滑および冷却する潤滑装置を開示する。この潤滑装置は、燃焼エンジンと、電気モータと、エンジンの回転に基づき発電するジェネレータと、電気モータの回転を出力部に伝達するトランスミッションと、を備えてなる、ハイブリット車両において、ジェネレータ、電気モータおよびトランスミッションを、燃焼エンジンに連接した一体ケース内に収納し、この一体ケースに複数の潤滑油路を形成し、この一体ケース内に溜められたオイルを、油圧ポンプおよび複数の潤滑油路を介してジェネレータ、トランスミッションおよび電気モータに供給する。
【０００７】
特許文献２に開示された潤滑装置によると、エンジンの回転は、ジェネレータに伝えられ、ジェネレータにて発電してバッテリに充電される。この際、エンジンは、高い効率でかつ排ガスの発生の少ない状態にて一定回転する。一方、走行信号に基づき、電気モータが回転すると、このモータの出力回転は、自動変速装置等からなるトランスミッションを介して出力部に伝達されて車両を走行する。このとき、たとえばエンジンの回転により油圧ポンプが駆動され、一体ケース内に溜められているオイルを吸込んで、油圧制御回路等により所定潤滑油圧に調圧し、この潤滑油が、ケースに形成した各潤滑油路を介して、それぞれトランスミッション、ジェネレータおよび電気モータに供給される。また、バッテリは、電気モータにより放電されるが、エンジン回転に基づくジェネレータの発電により常に充電されるので、少ない容量のバッテリで充分な走行距離を確保し得る。
【特許文献１】特開２００１−１９００４７号公報
【特許文献２】特開平７−７６２２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上述した特許文献においては、以下のような問題点がある。特許文献１に開示されたロータの冷却装置においては、ロータのヨーク部に形成された冷却用油路にオイルポンプから潤滑油を供給して直接的にロータを冷却している。特許文献２に開示された潤滑装置においては、一体ケース内の複数の潤滑油路にオイルポンプから潤滑油を供給して直接的に電気モータ、自動変速装置およびジェネレータを冷却している。このため、これらの特許文献においては、回転電機であるモータやジェネレータから、直接的に高温を受けることになり、潤滑油の油温がかなり上昇する。
【０００９】
このような回転電機においては、その構造上、損失エネルギーが熱として内部に蓄積される。たとえば、ロータが高速回転すると、高周波が発生して渦電流が発生する。ステータコイルに電流が流されるとジュール熱が発生する。これらにより、コイル、ロータおよびステータが発熱される。このロータおよびステータの温度が上昇すると、磁束が低下してモータの回転効率やジェネレータの発電効率が低下する。油温が上昇してしまうと、このような問題がさらに顕著となり、回転電機の性能の低下や、高温になる冷却油（潤滑油）の耐久性が低下する。
【００１０】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであって、その目的は、冷却媒体の耐久性を維持しつつ、車両に搭載される回転電機をその冷却媒体を用いて効率良く冷却することができる、回転電機の冷却装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
第１の発明に係る回転電機の冷却装置は、回転軸を中心に回転するロータと、ロータの周面に対向したステータとを有する回転電機を冷却する装置である。この冷却装置は、ステータ、ロータおよびコイルの少なくとも一部に冷却媒体を供給するための供給手段と、供給手段により供給される冷却媒体に収納され、相変化による潜熱により回転電機を冷却するための冷却手段とを含む。
【００１２】
第１の発明によると、冷却媒体中に収納された冷却手段により、相変化に伴う潜熱を利用してステータなどを冷却する。この潜熱を利用して、物質の相変化の際に他の物質（この場合はステータなど）から効率的に熱を奪うことができる。そのため、冷却媒体の温度そのものの上昇も回避することができる。さらに、冷却媒体の流通量が少なくても済むので、回転電機の冷却装置が大型化することを避けることができる。その結果、冷却媒体の耐久性を維持しつつ、車両に搭載される回転電機をその冷却媒体を用いて効率良く冷却することができる、回転電機の冷却装置を提供することができる。
【００１３】
第２の発明に係る回転電機の冷却装置においては、第１の発明の構成に加えて、冷却媒体は、液体であって、冷却媒体には、液体に溶解しないカプセル型潜熱体が混在される。このカプセル型潜熱体は、液体に溶解しない殻の内部に、予め定められた温度領域において液体と固体との間の相変化を行なう潜熱材料を収容したものである。
【００１４】
第２の発明によると、冷却媒体は、たとえば冷却油のような液体であって、その液体に溶解しないマイクロカプセルの中に潜熱材料が収納される。この潜熱材料は、予め定められた温度領域（たとえばステータなどの上昇温度）において固体から液体へと相変化を行ない、ステータなどから効率的に融解熱を奪うことができる。
【００１５】
第３の発明に係る回転電機の冷却装置においては、第２の発明の構成に加えて、予め定められた温度領域は、回転電機の上昇温度に基づいて設定されるものである。
【００１６】
第３の発明によると、潜熱材料が液体と固体との間の相変化を行なう温度（融点）がステータなどの上昇温度に基づいて設定される。このため、潜熱を用いて、回転電機を効率的に冷却することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがってそれらについての詳細な説明は繰返さない。
【００１８】
なお、以下の説明においては、本発明における回転電機を電動機として説明するが、本発明は電動機に限定されて適用されるものではない。たとえば、ジェネレータやオルタネータなどの発電機に適用するようにしてもよい。また、以下においては、ステータを冷却する場合を説明するが、ステータに限定されずロータやコイルを冷却油で冷却するものであってもよい。
【００１９】
図１を参照して、本発明の実施の形態に係る車両に搭載される電動機について説明する。車両には、図１に示す回転軸を水平あるいはほぼ水平な状態にして搭載されるものと想定する。
【００２０】
図１は、このような電動機の横断面図（ただし回転軸の部分は外形を表わす）を示す。この電動機は、２つのベアリング１０２０により回転自在に支持されたロータ１０１０を含むロータ部と、ロータ１０１０の外周方向に設置されたステータコア２０００を含むス
テータ部とから構成される。このロータ１０１０は、ベアリング１０２０により支持され、回転軸１０００を中心として回転して、回転トルクを車両のパワートレーンに伝達する。
【００２１】
ロータ１０１０に対応して、わずかなギャップを介して対向した位置には、ステータコア２０００が設けられる。ステータコア２０００には、回転軸１０００に平行な方向にステータコア２０００を貫通するように設けられたスリットに、コイルが巻着される。ステータコア２０００に巻着されたステータコイルの端部が、ステータコア２０００の両側の側方にコイルエンド２０１０として形成される。
【００２２】
ステータコイルは、ステータコア２０００のスロットに設けられた絶縁紙に覆われるように設けられている。またスロット間にはティースが形成されている。
【００２３】
このステータコア２０００に巻着されたコイルに電流が流されて、ステータコア２０００は、ロータ１０１０を回転させるための磁界を発生させる。このときにステータのコイルに流れる電流によりジュール熱が発生して、ステータコア２０００、ステータコイル、ステータコイルエンドが発熱する。
【００２４】
また、ロータ１０１０は、多数の電磁鋼板（０．２ｍｍ〜０．５ｍｍ程度の薄板）を積層して構成されたものであっても、一体的なものであってもいずれでもよい。なお、これらの構成部品である、回転軸１０００、ロータ１０１０、ベアリング１０２０、ステータコア２０００、ステータコイルエンド２０１０などは、ハウジング３０００内に収められている。
【００２５】
ハウジング３０００には、ステータコア２０００およびステータコイルエンド２０１０の上方の位置に、ステータコア２０００およびステータコイルエンド２０１０に冷却油を滴下する冷却油滴下部２１００が設けられている。この冷却油滴下部２１００は、たとえば、オイルポンプにより供給される冷却油をステータコア２０００およびステータコイルエンド２０１０に滴下、噴霧、噴射するノズル等により構成される。この冷却油滴下部２１００からステータコア２０００およびステータコイルエンド２０１０に供給された冷却油により、ステータコア２０００およびステータコイルエンド２０１０が冷却される。
【００２６】
図２を参照して、冷却油に添加されるマイクロカプセル４０００の構造について説明する。図２に示すように、冷却油に混在されるマイクロカプセル４０００は、カプセル型潜熱体であって、その内部に相変化物質４２００を収容して形成される。マイクロカプセル４０００は、冷却温度領域（たとえば１５０℃〜１８０℃）の熱に対して耐熱性がよく、油成分に溶融しない材料（たとえば、メラミン樹脂等のフッ素系樹脂）で形成される皮膜４１００の内部空間に潜熱材料である相変化物質４２００を収容して形成される。このマイクロカプセル４０００の大きさは、例えば３μｍ〜５μｍと小さく、潜熱材料であるマイクロカプセル４０００は、相変化物質４２００が液体と固体のどちらの状態であっても、冷却油とともに油路に搬送されることが可能な構成となっている。
【００２７】
なお、冷却油に対するマイクロカプセル４０００の混在割合は、マイクロカプセル４０００をスムーズに搬送できる割合であれば必要に応じ適宜に設定することができる。
【００２８】
また、相変化物質４２００の材質の選定には、その融点が重要である。車両駆動用の電動機の温度上昇範囲（たとえば１５０℃〜１８０℃）に融点を持つ潜熱材料であることが好ましい。
【００２９】
このような相変化物質４２００が皮膜４１００内に収納されたマイクロカプセル４０００が混在された冷却油が、冷却油滴下部２１００からステータコア２０００やステータコイルエンド２０１０に滴下される。図１の矢印Ａおよび矢印Ｂで示すように、冷却油は、ステータのステータコア２０００、ステータコイル、ステータコイルエンド２０１０に供給される。このとき、冷却油と、ステータコア２０００、ステータコイル、ステータコイルエンド２０１０との間で、潜熱を用いた熱交換が行なわれることにより、これらが冷却される。
【００３０】
ステータコア２０００、ステータコイル、ステータコイルエンド２０１０を冷却した冷却油は、ハウジング３０００の下方に設けられたオイルパンに貯められて、再度オイルポンプで冷却油滴下部２１００に供給される。すなわち、オイルポンプにより冷却油が循環して使用される。
【００３１】
以上のような構造を有する電動機における、ステータコア２０００のコイルに電流を流すことにより、ステータコア２０００およびステータコイルエンド２０１０に発生した熱の冷却について説明する。
【００３２】
電動機が回転軸１０００を中心として回転して、車両を駆動するためには、ステータコア２０００に巻着されたステータコイルに、所定の電流（たとえば、車両を走行させるために必要とされるトルクを発生するための電流）が流される。このとき、この電流によりステータコア２０００およびステータコイルエンド２０１０が発熱、あるいはステータコア２０００での発熱がステータコイルエンド２０１０に熱伝導されて、ステータコイルエンド２０１０が集中的に発熱する。
【００３３】
このとき、ハウジング３０００に設けられた冷却油滴下部２１００を通ってオイルポンプから冷却油がステータに供給される。図１の矢印Ａおよび矢印Ｂに示すように、冷却油滴下部２１００から、ステータコア２０００およびステータコイルエンド２０１０に、マイクロカプセル４０００を含む冷却油が供給される。
【００３４】
この場合において、ステータの発熱に対する冷却効率を高めるために、つまり、冷却油の単位質量（体積）あたりのステータから奪う熱量を増加させるために、冷却媒体を冷却油だけで形成するのではなく、潜熱材料である相変化物質４２００をマイクロカプセル４０００に収納して、冷却油に混入させた。このような潜熱材料とは、固体と液体との相変化に伴い潜熱を利用する材料であって、たとえば、高級アルコールや包接形水和物等により形成され、単位質量当たりの潜熱が大きいものが好ましい。このように、一般には、物質の相変化に伴う潜熱を利用して高温の発熱体から熱を奪う方法は、相変化を伴わない顕熱のみを利用した方法に比べ融点を含む狭い温度範囲に大量の熱エネルギーを高密度に奪うことができるため、冷却性能の向上が実現できる。
【００３５】
たとえば、図３に示すように、本発明は、従来のような相変化物質を有しない場合に比べて、油温上昇が抑制され、電動機の過度の温度上昇を抑えることができ、電動機の小型化および高出力化が可能になる。
【００３６】
以上のようにして、本実施の形態に係る電動機によると、中空円筒形状を有するステータと、ステータの中空部の内周側に配置された円筒形状を有する回転自在なロータと、ロータの回転軸とから構成される。ハウジングに設けられた冷却油滴下部から相変化物質が収納された冷却油が供給され、ステータコイルエンド、ステータコイル、ステータに冷却油が直接的に供給される。このため、冷却油がその潜熱である融解熱を用いてステータコイルエンド、ステータコイル、ステータを十分に冷却することができる。効率的にステータコイルエンドなどを冷却することができ、モータの高出力化、コストダウンを実現できる。
【００３７】
さらに、図４〜図５を用いて、本発明の実施の形態の変形例に係る電動機の冷却装置について説明する。
【００３８】
図４は、この電動機の断面図の一部を示す図である。図４に示すように、この電動機には、ハウジング３０００とステータコア２０００との間に空気が存在する間隙３１００がある。また、ステータコイル２２００は絶縁紙２３００を介してステータコア２０００と接している。図５に、この図４に示す電動機の熱特性を示す。図５に示すように、本変形例においては、相変化物質４２００を、絶縁紙２３００を混入したり、ステータに混入したり、ハウジング３０００に混入したりする。
【００３９】
このように、冷却媒体である冷却油（冷却水でも同じ）以外の他の部分に相変化物質を混入して、その部分の冷却効率を高め、ステータを効率的に冷却してステータにおける発熱を抑えて、電動機の性能の低下を回避することができる。
【００４０】
また、本発明の実施の形態およびその変形例において、ステータコイルエンド、ステータコイル、ステータやロータを含むモータの各部に冷却油が直接的に供給される。このような冷却油を、潤滑作用も有する冷却油とすることにより、モータ内部の各部を冷却するという効果とともに、モータ内部の摺動部を潤滑するという効果も発現させることができる。
【００４１】
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。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の実施の形態に係る電動機の断面図である。
【図２】オイルに添加される相変化物質の構成を示す図である。
【図３】コイル温度の時間変化を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態の変形例を説明するための電動機の断面図である。
【図５】図４の電動機の熱特性を示す図である。
【符号の説明】
【００４３】
１０００  回転軸、１０１０  ロータ、１０２０  ベアリング、２０００  ステータコア、２０１０  ステータコイルエンド、２１００  冷却油滴下部、２２００  ステータコイル、２３００  絶縁紙、３０００  ハウジング、３１００  間隙、４０００  マイクロカプセル、４１００  皮膜、４２００  相変化物質。
【図１】
2005117845.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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