(57)【要約】【課題】  電動機において、冷却油を用いて効率的にステータコイルを冷却する。【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。電動機の冷却構造は、ロータ１０１０の回転軸１０００から冷却油を噴霧する開口部１２０２と、遠心力により矢印Ｃのように移動した冷却油を矢印Ｄのようにステータコイルエンド２０１０に保持する冷却油保持部材２５００とを含む。【選択図】        図３
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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構造であって、
前記回転軸から前記ステータに冷却媒体を供給するための供給手段と、
前記供給手段から供給された冷却媒体を、前記ステータが保持するための保持手段とを含む、回転電機の冷却構造。
【請求項２】
前記保持手段は、前記ステータよりも外周側に設けられる、請求項１に記載の回転電機の冷却構造。
【請求項３】
前記保持手段は、ステータコイルにより形成される、請求項１に記載の回転電機の冷却構造。
【請求項４】
前記冷却媒体は冷却用の液体であって、
前記供給手段は、前記冷却媒体を噴霧するための手段を含む、請求項１〜３のいずれかに記載の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、モータ等の回転電機の構造に関し、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構造に関する。
【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】
実開昭５４−６０７号公報（特許文献１）は、噴霧ノズルを備えた回転装置用流体噴霧冷却装置を開示する。この回転装置用流体噴霧冷却装置は、内部に液体を収納して回転中心軸に関して回転する中空回転軸に挿入して使用する噴霧ノズルを備える。この噴霧ノズルは、中空回転軸の壁を貫通して中空回転軸内に挿入される長い部材からなる。この長い部材は、回転中心軸から半径方向の線上に延長する中心孔を有し、かつ回転中心軸内の流体が、この中心孔を通って実質的に半径方向外向きに噴霧される少なくとも１つの開孔を端部の近くに備える。長い部材の中空回転軸外にある端部には、回転中心軸に直角な方向に流体を放射するような開孔が設けられ、長い部材の中空回転軸内にある端部には、回転する回転中心軸内に作用する遠心力によって流体内の固形粒子が中心孔内へ進入するのを防止するように回転中心軸に向かって閉ざされ、回転中心軸に面していない表面だけから中心孔へ通じる多数の開孔が設けられる。
【０００５】
特許文献１に開示された回転装置用流体噴霧冷却装置によると、中空の回転軸に噴霧ノズルを備える。その噴霧ノズルの形状は、長い部材の形状であって、中心孔を有する。中心孔から回転子鉄心に巻かれた巻線に流体である冷却油が噴霧されて、ジュール熱により発熱する巻線が冷却される。噴霧ノズルの中空軸に挿入された部分においては、遠心力が働く向きの開孔を有しないので、中心孔が固形粒子で詰まることを防止できる。
【０００６】
特開２００３−９４６７号公報（特許文献２）は、コイルの端末部に対する冷却効果を充分なものとするモータ冷却構造を開示する。このモータ冷却構造は、磁化された部材を備えたロータと、このロータの外周側に配置されてコイルを備えたステータと、ロータに設けられた、ロータの中心部に供給された冷却剤をコイルの端末部に案内する冷却剤案内部とを含む。特に、好ましくは、冷却剤案内部は、ロータコアの軸方向に対向する側面に設けられているものである。
【０００７】
特許文献２に開示されたモータ冷却構造によると、冷却剤がロータに設けた冷却剤案内部によってコイルの端末部に確実に案内されるので、コイルの端末部に対する冷却効果を充分なものとすることができる。特に、冷却剤は、ロータシャフト内の冷却剤通路を経てロータコアの側面に設けた冷却剤案内部に流れ込み、コイルの端末部に確実に案内されるので、コイルの端末部に対する冷却効果を充分なものとすることができる。
【０００８】
特開平１１−２０６０６３号公報（特許文献３）は、動力伝達装置に組み込まれる電動機であって冷却油を用いて冷却する電動機を開示する。この電動機は、電機子鉄心と電機子鉄心に巻回された電機子コイルを有する電機子を備え、回転軸を回転させる作用を奏する電動機であって、電機子は、電機子を覆い、電機子コイルが電機子鉄心から軸方向にはみ出した部分であるコイルエンドの近傍に冷却剤が通過する空隙を有するカバーと、コイルエンドからカバーへの熱伝達を可能とする熱伝達部材とを有し、電動機の回転中において、電機子鉄心とカバーとの空隙に冷却剤を供給する供給油路とを備える。冷却材が通過する空隙は、カバーに形成された溝部と、溝部とコイルエンドとを仕切る仕切り板により構成される空隙であり、熱伝達部材は、コイルエンドと仕切り板との間の熱伝達が可能となるように樹脂成形された部材である。
【０００９】
特許文献３に開示された電動機によると、カバーに形成された溝部と仕切板の両者により冷媒路を形成するため、冷媒路の加工を容易に行うことができる。また、この仕切り板とコイルエンドとの間を樹脂で埋めることにより（モールドする）、先に形成された冷媒路を保持したまま、両者間の熱伝達を可能にすることができる。従来より、コイルエンドを樹脂でモールドすることにより、カバーへの熱伝達を可能にする技術は知られていたが、仕切り板により、冷媒路をコイルエンド近傍に残したまま、モールドすることが可能となった。この結果、コイルエンドの冷却を非常に効率的に行なうことができる。
【００１０】
特開平５−２３５７０４号公報（特許文献４）は、モータ内で一番温度が高くなりやすいステータを効果的に冷却しかつモータの駆動状態に応じて効率的にモータの冷却を行なうモータ冷却装置を開示する。このモータ冷却装置は、モータケースに設置されているステータと、モータの回転軸に設置されているロータとを有するモータの冷却装置であって、モータの回転軸内に軸方向に沿って設けられた冷却用冷媒供給路と、ステータコアに巻着されている巻線によって形成されているステータコイルエンドに対向し、冷却用冷媒を冷却用冷媒供給路よりステータコイルエンドに噴出させるように設けられた冷却用冷媒噴出孔と、冷却用冷媒供給路に冷却用冷媒を供給するポンプと、このポンプの吐出する冷却用冷媒量をモータの駆動状態に応じて可変とするポンプ制御手段とを設ける。
【００１１】
特許文献４に開示されたモータ冷却装置によると、冷却用冷媒噴出孔がステータコイルエンドに対向してモータの回転軸に設けられているため、ポンプにより吐出される冷却用冷媒がステータコイルエンドに直接かけられる。さらにステータコイルエンドの温度は、モータの駆動状態に応じて変化するため、モータの駆動状態に応じて冷媒量を変えるようにしている。これによって、モータ内で一番温度が高くなりやすいステータコイルエンドが直接的に冷却されることとなり、ひいてはモータ全体が効率的に冷却されることとなる。
【特許文献１】実開昭５４−６０７号公報
【特許文献２】特開２００３−９４６７号公報
【特許文献３】特開平１１−２０６０６３号公報
【特許文献４】特開平５−２３５７０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、上述した公報に開示された技術では、以下のような問題点がある。
【００１３】
特許文献１に開示された冷却装置では、中空の回転軸に冷却油を供給して、回転軸に垂直な方向であって回転軸から離れる方向に冷却油が噴霧される。この方向には、ロータ（回転子）のコイルエンドやステータ（固定子）のコイルおよびコイルエンドが配置されている。しかしながら、噴霧された冷却油はすぐに飛散してしまい、冷却効率が良好ではない。特に、ロータのコイルエンドがステータのコイルおよびコイルエンドよりも回転軸の内側に存在するので、ステータのコイルおよびコイルエンドに直接的に冷却油が到達する可能性が低く、ステータの冷却効率が好ましくない。
【００１４】
特許文献２に開示されたモータ冷却構造では、モータの回転軸からロータを伝ってステータのコイルおよびコイルエンドに冷却油が滴下される。ステータのコイルエンドに滴下された冷却油は滞留することなくそのまま、たとえば底部に配置されたオイルパンに落下してしまう。したがって、ステータコイルエンドを十分に冷却することができない。
【００１５】
特許文献３に開示された電動機では、ステータのコイルエンドの冷却を効率的に行なうために、コイルエンドを樹脂でモールドしつつ、コイルエンド付近に油路を形成している。樹脂でモールドする際には、コイルエンド付近に油路の一部を形成する溝部を構成して、この溝部をＯリングでシールした上で、仕切り板で塞いでいる。このようにして、コイルエンドには、冷却用の油が流れる油路が形成され、またコイルエンドは樹脂でモールドされており、冷却用の油路と熱伝達による熱交換が可能としたのでコイルエンドがこの冷却油により冷却される。しかしながら、このようにステータのコイルエンドを油路をその近傍に形成しながら樹脂でモールドすることは、構造が非常に複雑なものになって、製作には非常に多くの工数が必要になる。このため、コストアップにつながる。また、このように加工することは、電動機の重量を増加させることになり、車重の増加は究極的には車両の燃費の悪化につながる。
【００１６】
特許文献４に開示された電動機では、モータの中で最も温度が上がる、ステータのコイルエンドに回転軸から冷却油が供給される。ステータコイルエンドにおいて冷却油が滞留することなく、供給された冷却油は十分な熱交換が行なわれることなしに、たとえば底部に配置されたオイルパンに落下してしまう。したがって、ステータコイルエンドを十分に冷却することができない。
【００１７】
このように、ステータ部の冷却油による冷却においては、１）回転軸からステータコイルエンドにモータの回転による遠心力を用いて供給したり、２）ステータ頂部からステータコイルエンドに冷却油を滴下したりしていた。１）では、ロータコイルエンドが邪魔になり回転軸から冷却油が十分にステータコイルエンドに供給されなかったり、２）では、ステータコイルエンドの回転軸側（すなわち、モータ回転軸を水平にした状態の断面において、上側のステータコイルエンドの下側）に十分な冷却油が供給されないで、ステータコイルエンドを十分に冷却することができない。
【００１８】
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、ステータ、ステータコイルおよびコイルエンドを十分に冷却することができる、回転電機の冷却構造を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
第１の発明に係る回転電機の冷却構造は、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の冷却構造であって、回転軸からステータに冷却媒体を供給するための供給手段と、供給手段から供給された冷却媒体を、ステータが保持するための保持手段とを含む。
【００２０】
第１の発明によると、供給手段は、たとえば回転軸を中空軸にしてその中空部分を介して冷却媒体である冷却油を、回転軸に設けられた開口部からステータ方向（外周方向）に噴霧する。保持手段として、供給手段から噴霧された冷却油をステータが保持できるような形状を有する保持部材が設けられる。この保持部材は、たとえば、回転軸の方向に凹部を有し、ステータよりも外周側に設けられ、噴霧された冷却油をステータに導き、ステータが冷却油を保持できるような部材である。これにより、ステータを効率的に冷却することができる。その結果、ステータ、ステータコイルおよびコイルエンドを十分に冷却することができる、回転電機の冷却構造を提供することができる。
【００２１】
第２の発明に係る回転電機の冷却構造においては、第１の発明の構成に加えて、保持手段は、ステータよりも外周側に設けられるものである。
【００２２】
第２の発明によると、外周側に設けられた保持手段により、回転軸から外周に向けて噴霧された冷却油を、ステータやステータコイルエンドを越えたハウジング部に到達させることを防いで、噴霧された冷却油がステータに導かれて、ステータが冷却油を保持できる。これにより、ステータを効率的に冷却することができる。
【００２３】
第３の発明に係る回転電機の冷却構造においては、第１の発明の構成に加えて、保持手段は、ステータコイルにより形成されるものである。
【００２４】
第３の発明によると、保持手段を、ステータコイルエンドの形状を、たとえば、回転軸の方向に凹部を有するような形状であって、噴霧された冷却油をステータコイルエンド自体に冷却油を保持できる。これにより、ステータコイルエンドを効率的に冷却することができる。
【００２５】
第４の発明に係る回転電機の冷却構造においては、第１〜３のいずれかの発明の構成に加えて、冷却媒体は冷却用の液体であって、供給手段は、冷却媒体を噴霧するための手段を含む。
【００２６】
第４の発明によると、冷却効率の高い液体を用いて、ステータコイルエンド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】
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
図２を参照して、回転軸１０００について詳細に説明する。図２は、図１のロータおよび回転軸部分の拡大図である。図２は、回転軸１０００およびロータ１０１０の断面図である。ロータ１０１０の回転軸１０００は、内側の中空軸１１００（オイルポンプシャフト）と外側の中空軸１２００（ロータシャフト）とから構成される。内側の中空軸１１００の中空部分は、回転軸冷却油路１１０２である。この回転軸冷却油路１１０２は図示しないオイルポンプに接続され、冷却油がこの回転軸冷却油路１１０２に供給され、内側の中空軸１１００に設けられた回転軸に垂直な方向の油路１１０４および外側の中空軸１２００の開口部１２０２を介して、ハウジング３０００の内部に噴霧される。
【００３６】
この開口部１２０２から回転軸１０００に垂直な方向に冷却油が噴霧される。図２の矢印Ａおよび矢印Ｂで示すように、冷却油は、遠心力によりロータ１０１０の側面に沿って外周側に流れて、ステータコア２０００やステータコイルエンド２０１０に供給される。このとき、冷却油は、回転軸自体（内側の中空軸１１００および外側の中空軸１２００）、ロータ１０１０、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との間で熱交換することにより、これらを冷却する。
【００３７】
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回転軸冷却油路１１０２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。
【００３８】
図３を参照して、ステータコア２０００やステータコイルエンド２０１０に到達した冷却油の流れについて説明する。なお、図３には、回転軸１０００から上半分の部分しか記載していないが、下半分も同様の構成としてもよいし、上半分のみを図３に示す構成としてもよい。
【００３９】
図３に示すように、この電動機のハウジング３０００内には、冷却油保持部材２５００が設けられている。この冷却油保持部材２５００は、ステータコイルエンド２０１０の外周側であって、ステータコイルエンド２０１０を取り囲むように回転軸１０００の方向に開口した凹形状を有する。なお、このステータコイルエンド２０１０は、ステータコア２０００のスロットに設けられた絶縁紙に包含されてスロットに巻着されたステータコイルのステータコア２０００の外側であって、この部分が主として冷却油により冷却される。
【００４０】
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イルエンド２０１０に発生した熱の冷却について説明する。
【００４１】
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のコイルに、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が発熱する。
【００４２】
このとき、中空軸である回転軸１０００の回転軸冷却油路１１０２を通ってオイルポンプから冷却油が供給される。回転軸冷却油路１１０２を通った冷却油は、回転軸に垂直な油路１１０４を通って開口部１２０２に到達する。
【００４３】
開口部１２０２からハウジング３０００に噴霧された冷却油は、図２の矢印Ａおよび矢印Ｂに示すように、ロータ１０１０の回転による遠心力を受けて、ロータ１０１０の外周に沿ってロータ１０１０の外周面を移動する。ロータ１０１０の端面からステータコイルエンド２０１０に冷却油が、図３の矢印Ｃに示すように飛沫される。このとき、たとえば図３の矢印Ｄに示すように、冷却油は、冷却油保持部材２５００に当たってステータコイルエンドに供給される。また、冷却油は、冷却油保持部材２５００とステータコイルエンド２０１０との間隙に保持される。このような状況は、図３に示す反対側（図３に示す電動機の下側）においても同様に発生させることもできる。
【００４４】
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。回転軸から外周方向に冷却油が供給され、冷却油保持部材によりステータコイルエンド、ステータコイル、ステータに冷却油を保持させる。このため、冷却油が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。ステータにロータの回転軸から冷却媒体を供給して冷却する電動機において、簡易な構造で、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る。
【００４５】
なお、図４に本発明の実施の形態の変形例に係る電動機のステータにおける冷却油の流れを示す。この図４は、前述の図３に対応するものである。これ以外の構造（たとえば、回転軸１０００の内部構造等）については、図１および図２に示した構造と同じであるので、ここでの詳細な説明は繰返さない。
【００４６】
図４に示す、変形例に係る電動機においては、図３に示した冷却油保持部材２５００の機能をステータコイルエンド２０１２自体の形状を変更することで実現している。図４に示すように、このステータコイルエンド２０１２は、少なくとも、回転軸１０００の方向に開口した凹形状を有するように成型される。具体的には、ステータコイルエンド２０１２は、ステータコア２０００のスロットに巻着されるステータコイルの折返し部分であるので、この折返しを図４に示すような形状になるように成型する。
【００４７】
このようにすると、開口部１２０２からハウジング３０００に噴霧された冷却油は、図２の矢印Ａおよび矢印Ｂに示すように、ロータ１０１０の回転による遠心力を受けて、ロータ１０１０の端面に移動し、ロータ１０１０の端面からステータコイルエンド２０１２に、図４の矢印Ｅに示すように冷却油が飛沫される。
【００４８】
以上のようにして、本変形例に係る電動機によると、ステータコイルエンド自体を冷却油を保持できるような形状としたため、ステータコイルエンドに冷却油を保持させて十分に冷却することができる。その結果、ステータにロータの回転軸から冷却媒体を供給して冷却する電動機において、簡易な構造で、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る。
【００４９】
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】
【００５０】
【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】ロータおよび回転軸部分の拡大図である。
【図３】ステータにおける冷却油の流れを示す図である。
【図４】本発明の実施の形態の変形例に係る電動機のステータにおける冷却油の流れを示す図である。
【符号の説明】
【００５１】
１０００  回転軸、１０１０  ロータ、１０２０  ベアリング、２０００  ステータコア、２０１０，２０１２  ステータコイルエンド、２５００  冷却油保持部材、３０００  ハウジング。
【図１】
2005073351.tif 000003
【図２】
2005073351.tif 000004
【図３】
2005073351.tif 000005
【図４】
2005073351.tif 000006