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JP3967624B2 - 電動機 - Google Patents

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JP3967624B2
JP3967624B2 JP2002126285A JP2002126285A JP3967624B2 JP 3967624 B2 JP3967624 B2 JP 3967624B2 JP 2002126285 A JP2002126285 A JP 2002126285A JP 2002126285 A JP2002126285 A JP 2002126285A JP 3967624 B2 JP3967624 B2 JP 3967624B2
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直樹 平澤
▲貞▼久 鬼丸
潤 星
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Toyota Motor Corp
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    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
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    • Y02T10/60Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/64Electric machine technologies in electromobility

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  • Iron Core Of Rotating Electric Machines (AREA)
  • Motor Or Generator Cooling System (AREA)

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ロータ回転時に発熱する内部部品を有する電動機に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、様々な用途に電動機が用いられている。例えば、電気自動車、ハイブリッド式自動車においては、自動車の駆動動力として、電動機が用いられている。また、自動車の制動時には、電動機はエネルギーを回生するために用いられている。
【0003】
電動機は、主にステータとロータとから成る。そのうちステータは、リング状のヨーク部からステータ歯部を内周方向に延設した鋼板を積層してステータ鉄心を形成し、そのステータ歯部間のスロット位置にコイルを巻装することで構成される。また、ロータは、軸の周囲にロータ鉄心を配置し、ロータ鉄心内部に永久磁石を配置して構成される。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
上述の電動機において、電動機の駆動時または回生時には、コイルには電流が流れる。このとき、コイルに流れる電流の一部は、コイル自体の抵抗で消費され、熱に変換される。また、コイルが発生する磁束の一部は、ロータ鉄心、ステータ鉄心において消費され、熱となる。このため、コイルの温度が高くなり、電動機の出力が低下してしまうという問題があった。
【0005】
このような問題に対する従来技術として、特開平7-288949に示される電動機がある。しかし、この文献に記載される技術では、コイルエンド部で発熱した熱はコイル自身を通り、次にステータ、さらにケーシングへと熱が伝わり、コイルエンド部からケーシングまでの熱抵抗が大きい。特に、ステータとケーシングの間は、組み付けの都合上、微小な隙間(空気層)が存在するために、この部位の熱抵抗が大きくなる。したがって、高負荷時にはコイルエンドの温度が上昇する可能性がある。
【0006】
また、特開平9-46975に示される電動機がある。しかし、この文献に記載される技術では、コイルエンド部にヒートパイプを挿入しており、構成が複雑でコイルをステータに巻く生産工程において労力を要する。また、ヒートパイプとコイル間の絶縁性を確保するのが難しく信頼性に課題がある。
【0007】
本発明は、上述の問題を解決するためになされたものであり、コイルエンド、ロータ鉄心、又はステータ鉄心などの電動機の内部部品を好適に冷却する電動機を提供することを目的とする。
【0015】
【課題を解決するための手段】
本発明は、円周状のヨーク部から複数のステータ歯部を中心方向に延設して形成されたステータ鉄心と、前記ステータ歯部間のスロット位置に巻回されたコイルとから成るステータと、ステータ歯部の内周側に配置された軸に固定された円筒状のロータ鉄心を含んで成るロータと、を備える電動機であって、前記ロータ鉄心の円筒内側面の直径は軸と固定された位置から軸端に向かって大きくなり、前記ロータの円筒内側面に対応する位置に径方向の開口を有する通路と、前記通路に冷却液を供給する供給手段と、前記ロータ鉄心の円筒内側面に設けられたフィンと、を備えるものである。
【0017】
本発明は、円周状のヨーク部から複数のステータ歯部を中心方向に延設して形成されたステータ鉄心と、前記ステータ歯部間のスロット位置に巻回されたコイルとから成るステータと、前記ステータ鉄心の外周側に配置されるケースと、ステータ歯部の内周に配置されたロータと、を備える電動機であって、前記ステータ鉄心と前記ケースの間に連通し、前記電動機の軸方向が水平方向となるように前記ステータを固定した際の前記ステータ鉄心の最上部より低い位置にあってロータの軸方向に設置されている通路と、前記ケース側面に設けられ、前記通路と連通して前記通路に冷却液を供給するキャッチタンクと、を備えるものである。
【0019】
また、前記ケースと前記ステータ鉄心との間に毛細管現象により冷却油を侵入させて供給することが好ましい。
【0022】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施形態に係る電動機について図面を参照して説明するが、本発明の実施形態について説明する前に、参考例について説明する。
【0023】
第一の参考例.
まず、第一の参考例の電動機について説明する。図1は、第一の参考例の電動機を示す構成図である。図1(a)は電動機の断面図であり、図1(b),(c)はそれぞれ図1(a)におけるA−A断面図,B−B断面図である。
【0024】
電動機10は、主にステータ12とロータ22とから成る。ステータ12は、複数枚の鋼板を積層して形成されたステータ鉄心14に、コイル16が装着されて構成される。各鋼板は、リング状のヨーク部18からステータ歯部20を中心方向に延設した形状であり、この鋼板を形状を合わせて積層したときにできるステータ歯部20間のスロット位置にコイル16が巻装される。コイル16の一部であるコイルエンド17は、ステータ鉄心14から鋼板積層方向にはみ出している。
【0025】
ステータ12の内周側に配置されるロータ22は、内部に永久磁石24を備えるロータ鉄心26を軸28の周囲に配置して構成されている。ロータ鉄心26は軸28を中心とした略円筒形状であり、その中央部で軸28と固定されている。ロータ鉄心26の円筒形状の内側面は、軸28と固定された位置から端に近づく程直径が大きい。ロータ鉄心26の内部に配置される永久磁石24は平板状であり、ロータ鉄心26のステータ歯部20と対向する表面近傍の位置に回転方向に所定の間隔をあけて配置される。
【0026】
ロータ22及びステータ12は、円筒形状のケース30内部に収納されている。ケース30は、円筒部31と、円筒部31の左右両端を覆う側面部33とから成る。ケース円筒部31の内径はステータヨーク部18直径より若干大きく、ヨーク部18とケース30との間には隙間44がある。また、ロータ軸28は、ケース30の左側面、右側面に配置された軸受け32に回転可能に軸支されている。軸28の右端は、ケース30外に出ており、他部品にトルクを伝達する。
【0027】
参考例の電動機10では、冷却液を循環させてコイルエンド17を冷却する機構を備えている。この機構について説明する。尚、以下の説明では、冷却液として油を用いた場合について説明している。
【0028】
ケース30の左側面の中央にはオイルポンプ34が配置されている。また、ケース30左側面には、左側面下部内側からオイルポンプ34の吸入口に貫通する通路36と、オイルポンプ34の吐出口から左側面上部内側のコイルエンド17の真横の位置に貫通する2つの通路38,40が設けられている。一方の通路38は、図1(c)に点線で示されるように、オイルポンプ34からケース30内を左斜め上方に向かい、コイルエンド17の真横の位置でコイルエンド17方向に屈曲して設けられている。また、他方の経路40も同様に、ケース30内を右斜め上方に向かい、屈曲してコイルエンド17に向けて設けられている。よって、これらの通路38,40の出口開口が設けられる位置は、コイルエンド17の真横、即ちコイルエンド17に対応した位置となっている。また、各通路38,40の出口には噴射ノズル42が備えられている。
【0029】
ケース30内には、所定量の冷却油が封入されており、ケース30下部には冷却油が溜まっている状態となっている。そして、オイルポンプ34が作動すると、下部に溜まった冷却油は通路36を通してオイルポンプ34に吸入され、通路38,40に吐出される。そして、通路38,40に吐出された冷却油は、通路38,40の出口開口からコイルエンド17に向けて放出し、コイルエンド17に付着する。供給される冷却油の量は、1L/min程度である。
【0030】
参考例では、上述したように、最も温度が高くなるコイルエンド17に冷却油が供給されるため、コイルエンド17を冷却し、コイル16の温度を低くすることができる。このため、コイル16の電気抵抗が小さくなり、コイル16により大きな電流を流すことができる効果がある。これにより、電動機10の最高回転数を高くすることや、電動機10の最大駆動力を保ったまま電動機10を小型化することが可能となる。特に、本参考例のように出口開口を複数設けると、コイルエンド17の複数位置に冷却油が供給されて、コイルエンド17を冷却するため、冷却効率は向上する。また、冷却油は、噴射ノズル42により、複数の方向に噴射されるため、コイルエンド17の広い面積を冷却することができる。また、本参考例においては、通路38,40がケース30のステータ鉄心14から離れた位置、つまり、ケース30のステータ鉄心よりも側面部33方向の位置にのみ配設されているため、冷却油を温度の低い状態のままコイルエンド17にかけることができる。これにより、コイル16をより効率よく冷却することができる効果がある。
【0031】
また、本参考例では、噴射ノズル42は、ステータヨーク部18とケース30間の隙間44に向けて冷却油を噴出する構造となっている。隙間44は100μm程度の隙間であり、隙間44の軸方向左端に供給された冷却油は毛細管現象により隙間44を内側に侵入していき、隙間のステータヨーク部18周囲の全ての隙間を満たす。このため、ステータヨーク部18とケース30間の熱抵抗が小さくなり、ステータ12の熱をケース30へと伝わり易くして、ステータ12をより冷却することができる効果がある。なお、ステータヨーク部18−ケース30間の隙間44に流す冷却油の流量は50cc/min程度にすれば、ヨーク部18−ケース30間の全域に冷却油が保持される。
【0032】
また、コイルエンド17の複数位置に冷却油を供給するために、図2に示す構成にしてもよい。つまり、図2(a)に示すリング状の部材48をケース左側面33に固定する。この部材48は複数の開口50を所定の間隔毎に有しており、また、部材48の一方の面には円周全域に渡って溝52が設けられている。この部材48の溝52が設けられた面をケース側面33に密接して固定することにより、通路46を通って出口開口に到達した冷却油は、部材48の溝52を通って各開口50に行き渡り、各開口50からコイルエンド17に向けて放出する。このようにリング状部材48を用いた構成でも、複数の開口50から冷却油が供給されるため、コイルエンド17の複数位置に冷却油を供給して冷却効率を高めることができる効果がある。また、複数の噴出孔を有するリング状部材48を一部品として構成しているため、組み付け性もよく、コスト低減も達成される。
【0033】
第二の参考例.
次に、第二の参考例の電動機について説明する。図3は、第二の参考例の電動機を示す構成図である。
【0034】
第二の参考例の電動機60の構成は、図3(a)に示すように、第一の参考例とほぼ同じである。異なる点は、冷却油の通路54がケース30左側面から上部に貫通し、コイルエンド17上部に出口開口56,58を備えていることである。本参考例においても、通路54の出口開口56,58がコイルエンド17上方のコイルエンド17に対応する位置にあり、冷却油がコイルエンド17に向けて放出される。本参考例においても、コイルエンド17を冷却し、コイル16の温度を低くすることができる効果がある。
【0035】
尚、出口開口56,58が設けられる位置は、ケース30の最上部に限らず、コイルエンド17の上であれば他の位置でもよい。また、多数の出口開口を設け、コイルエンド17の複数位置に冷却油を供給することもできる。
【0036】
また、第二の参考例の変形例として、電動機を図3(b)に示すような構成としてもよい。この変形例の電動機64では、オイルポンプ66は電動機64とは別の部品として設けられ、ケース30下部に溜まった冷却油を、ケース30右側上部に設けられたキャッチタンク68に汲み上げる。キャッチタンク68からオーバーフローする冷却油が通路54を通って出口開口56,58からコイルエンド17に供給され、コイルエンド17を冷却する。
【0037】
また、図4は、冷却油を好適に供給する第二の参考例に係る電動機の応用例の構成図である。この電動機70では、コイルエンド17上方に樋72が設けられている。樋72は平板帯状であり、コイルエンド17の同心円上に延設される。樋はケース30左側面と一体成型で製作されており、樋72の帯幅方向の一端はケース左側面33に固定されている。また、樋72のステータ鉄心14側の他端にはつば74が付けられており、冷却油が樋72から軸方向に流れ出すことを防止している。樋72には、複数の孔76が設けられている。これらの孔76はコイルエンド17上方の位置にあり、このため、上部の冷却油通路54から樋72に供給された冷却油は、各孔76からコイルエンド17の複数位置に流れ落ち、コイルエンド17を冷却する。図示する角度θ、即ち、軸中心と樋72の延設方向端部78を結ぶ直線が鉛直線となす設置角度を30〜45°程度とすれば、延設方向端部78から流れ落ちる冷却油はコイルエンド17の端にかかるため、コイルエンド17に満遍なく、且つ、冷却油を無駄にすることなく、冷却油を供給することができる。なお、角度θを30°より小さくすると、樋72を流れる冷却油の流速が遅くなり、コイルエンド17端まで届かない。また、角度θを45°より大きくすると、冷却油の流速が速すぎ、冷却油はコイルエンド17にかからずケース30下部に落ちてしまう。
【0038】
次に、図4(b)に示される応用例について説明する。この応用例では、コイルエンド17の周囲に、スポンジやポリウレタンなどの液体を吸収する部材80を取り付けている。上方の通路開口84から供給された冷却油は、この吸液部材80の吸水性により吸液部材80全域に行き渡るため、コイルエンド17の周囲全域を冷却することができる。
【0039】
第三の参考例.
次に、第三の参考例の電動機について説明する。図5は、第三の参考例の電動機を示す構成図である。図5(a),(b)は、第三の参考例に係る電動機90の断面図であり、図5(c)は、ステータ12の斜視図である。
【0040】
第三の参考例の電動機90では、図5(c)に示されるように、ステータヨーク部18の鋼板積層方向の中央に、所定の長さの溝84がヨーク部外周に沿って設けられ、その溝84の両端には、さらに、軸方向に延設された溝86が設けられている。ステータ鉄心14がケース30に組み付けられたときには、この溝が、ケース30とステータ鉄心14間に形成された通路となる。また、ステータ鉄心14とケース30との間には組み付けの都合上できてしまう隙間がある。そして、冷却油が、キャッチタンク68からオーバーフローすると、冷却油は先ず、通路84を通ってケース30とステータ鉄心14間に導かれ、そこで一部の冷却油をステータ鉄心14とケース30間の隙間に放出し、次に残りの大部分の冷却油をコイルエンド17に導く。
【0041】
参考例では、一部の冷却油を、ステータ鉄心14とケース30間の隙間に侵入させる。このため、隙間が空気層である場合と比較して、熱抵抗が格段に低くなり、ステータ鉄心14からケース30への放熱を促進させることができる効果がある。このとき、冷却原理からもわかるように、冷却能力はオイル流量には依存せず、隙間にオイルを保持させるだけの流量(50cc/min)があればよい。
【0042】
また、残りの冷却油をコイルエンド17の複数位置に供給するため、冷却油がコイルエンド17表面上を流れる際に、冷却油自身が温度上昇し熱を運び去る。したがって、コイルエンド17を冷却することができる効果がある。この効果を得るには、冷却油の流量は、片側のコイルエンドに対して1L/min以上必要である。
【0043】
なお、本参考例では、コイルエンド17に冷却油を供給するための通路86の数を2本としているが、それ以上設けてもよい。また、通路86は、ケース30に溝を加工することにより形成してもよい。
【0044】
また、上述のようにステータ鉄心14−ケース30間の溝に、冷却油を供給する場合でも、図6に示すように、コイルエンド17上方に樋88を設けることが好適である。樋88により、冷却油をコイルエンド17の複数位置に供給することができる。また、コイルエンド17の周囲に、冷却油を吸収する部材を取り付けてもよい。
【0045】
第一の実施形態.
次に、第一の実施形態の電動機について説明する。図7は、第一の実施形態の電動機を示す構成図である。図7(a)は電動機100の断面図であり、図7(b)は電動機100内部にあるロータ22の斜視図である。
【0046】
第一の実施形態の電動機100では、図7(a)に示されるように、軸28に、軸の端から軸芯に沿って加工された孔92と、軸28と直行する方向から加工された孔94が設けられており、ケース30左側面に取り付けられたオイルポンプ34が吐出した冷却油が通路92,94を通り、ロータ鉄心26の円筒内側面に向けて放出される。ロータ鉄心26の内側面には、螺旋状のフィン126が設けられており、ロータ回転時には、ロータ鉄心26内側面に供給された冷却油がコイルエンド17に勢いよく噴き付けられる。フィン126により冷却油がコイルエンド17内側全域に噴き付けられるため、コイルエンド17全域を冷却することができる効果がある。また、フィン126を設けることによりロータ鉄心26の表面積が大きくなるため、ロータ鉄心26の冷却性能も向上する。
【0047】
また、軸28に冷却油通路を加工した別の実施形態を、図8に示す。この実施形態では、軸芯に沿って設けられた通路102と、ロータ鉄心26と軸が接続される部分に軸と直行する方向に設けられた通路104と、永久磁石24の内側面に沿ってロータ鉄心26を貫通して設けられた通路106が互いに接続しており、一連の通路を形成している。オイルポンプ34がこの通路102〜106に冷却油を供給することにより、ロータ鉄心26、永久磁石24が冷却される。また、通路106から流出した冷却油はコイルエンド17にかかり、コイルエンド17を冷却する。したがって、本実施形態では、電動機内部の上記各部品を冷却することができ、特に、永久磁石24が直接冷却油で冷却されるため、永久磁石24の熱による磁力の低下を防止することができる効果がある。
【0048】
第四の参考例
次に、第四の参考例の電動機について説明する。図9は、第四の参考例の電動機を示す構成図である。
【0049】
参考例の電動機110では、図9(a)に示すように、ステータ鉄心112は、外径の異なる2種類の鋼板114,116が交互に積層され形成されている。鋼板114,116の外径がケース30内径より小さいため、ケース30とステータ鉄心112の間には隙間ができており、通路120がこの隙間に連通している。積層される鋼板114,116の外径の相違により、ステータ鉄心112の表面には周方向に溝が設けられた状態となっている。また、積層される鋼板のうち、端に位置する鋼板118の外径は、ケース30の内径に近い寸法である。
【0050】
通路120から隙間に供給された冷却油は、冷却油自体が受ける重力およびオイルポンプ34により冷却油にかけられる圧力により、この隙間内を強制的に上から下に溝に沿って流されてステータ鉄心112を冷却する。ステータ鉄心112とケース30間の隙間は冷却油の圧力損失を低減するために3mm以上の隙間となっており、この隙間にオイルポンプ34で汲み上げた冷却油が潤沢に供給され、冷却油自体が温度上昇し熱を運び去る。循環させる冷却油の流量は、2L/min以上必要である。このとき、端の鋼板118の外径が内部の鋼板114,116の外径よりも大きいため、冷却油が隙間からコイルエンド17方向に流れ出ることが防止されている。なお、この溝は、図9(b)に示すように、ケース30内面に加工して設けてもよい。
【0051】
また、図10に示すように、外径がケース30内径とほぼ同じ鋼板124と、外径がケース30内径より小さい鋼板126の2種類の鋼板124,126を交互に積層してステータ鉄心122を形成することで、ステータ鉄心122の表面に周方向に延設される溝を設ける構成としてもよい。この場合には、ケース30内面の最上部及び最下部に軸方向に延設される溝128,129を設けることで、ステータ鉄心122表面の溝はケース内面の溝128,129と連通する。そして、上部の溝128から供給された冷却油は、ステータ鉄心122とケース30間の隙間を流れ、ステータ鉄心122を冷却する。なお、この場合、図9(a)に示した電動機と比較して、ステータ鉄心122の伝熱面積が大きく、より放熱し易い。
【0052】
第二の実施形態.
次に、第の実施形態の電動機について説明する。図11は、第の実施形態の電動機を示す構成図である。
【0053】
本実施形態の電動機では、図11に示すように、ケース30右側面にキャッチタンク69が設けられており、キャッチタンク69から冷却油の通路である冷却油連通孔130を経て、ステータ鉄心14とケース30間の隙間に冷却油が供給される。そして、冷却油は毛細管減少により、ステータ鉄心14とケース30間の隙間に侵入する。これにより、ステータ鉄心14からケース30への放熱が促進される。
【0054】
なお、本実施形態の場合、冷却油はケース30の最上部より低い位置に供給されるが、冷却油は毛細管現象により重力に逆らって上方向にも隙間を進む。このため、冷却油連通孔130の位置は最上部でなく、低い場所でもよい。例えば、鉱物油では、ステータ鉄心14とケース30間の隙間100μmである場合には、最上部より80mm低い位置でも冷却油は毛細管現象により侵入し、隙間の最上部まで至る。冷却油連通孔130を低い位置に設けることにより、電動機設計の自由度が増し、電動機の大きさを小さくすることができる効果がある。また、ステータ鉄心14−ケース30間の隙間は非常に狭い(100μm)ので、冷却油の流量(50cc/min)は非常に少なくてすむ。したがって、オイルポンプ66はキャッチタンク69に冷却油を汲み上げるだけでよく、冷却油を強制的に冷却油連通孔130に送り込む必要はない。
【0055】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態には限定されるものではなく、上記実施形態の組み合わせ、又は、等価な範囲での様々な変形が可能である。
【0056】
尚、上記実施形態では、冷却油が電動機内部部品を冷却するため、冷却油の温度は上昇している。よって、電動機を自動車の駆動源として用いた場合に、自動車の運転を始めた暖機時においては、早期にオイル温度を上昇させることで、ギヤ損失を低減し、自動車の燃費を向上させることもできる。この時、電動機ケースの冷却水を止めるとさらに効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】 第一の参考例に係る電動機を示す構成図である。
【図2】 第一の参考例の変形例を示す構成図である。
【図3】 第二の参考例に係る電動機を示す構成図である。
【図4】 第二の参考例の変形例を示す構成図である。
【図5】 第三の参考例に係る電動機を示す構成図である。
【図6】 第三の参考例の変形例を示す構成図である。
【図7】 第の実施形態に係る電動機を示す構成図である。
【図8】 第の実施形態の変形例を示す構成図である。
【図9】 第参考例に係る電動機を示す構成図である。
【図10】 第参考例の変形例を示す構成図である。
【図11】 第の実施形態に係る電動機を示す構成図である。
【符号の説明】
10 電動機、12 ステータ、14 ステータ鉄心、16 コイル、18 ヨーク部、20 ステータ歯部、22 ロータ、24 永久磁石、26 ロータ鉄心、28 軸、30 ケース、32 軸受け、34 オイルポンプ、36,38,40 通路、42 噴射ノズル、44 隙間。

Claims (3)

  1. 円周状のヨーク部から複数のステータ歯部を中心方向に延設して形成されたステータ鉄心と、前記ステータ歯部間のスロット位置に巻回されたコイルとから成るステータと、
    ステータ歯部の内周側に配置された軸に固定された円筒状のロータ鉄心を含んで成るロータと、
    を備える電動機であって、
    前記ロータ鉄心の円筒内側面の直径は軸と固定された位置から軸端に向かって大きくなり、
    前記ロータの円筒内側面に対応する位置に径方向の開口を有する通路と、
    前記通路に冷却液を供給する供給手段と、
    前記ロータ鉄心の円筒内側面に設けられたフィンと、
    を備えることを特徴とする電動機。
  2. 円周状のヨーク部から複数のステータ歯部を中心方向に延設して形成されたステータ鉄心と、前記ステータ歯部間のスロット位置に巻回されたコイルとから成るステータと、
    前記ステータ鉄心の外周側に配置されるケースと
    ステータ歯部の内周に配置されたロータと、
    を備える電動機であって、
    前記ステータ鉄心と前記ケースの間に連通し、前記電動機の軸方向が水平方向となるように前記ステータを固定した際の前記ステータ鉄心の最上部より低い位置にあってロータの軸方向に設置されている通路と、
    前記ケース側面に設けられ、前記通路と連通して前記通路に冷却液を供給するキャッチタンクと、
    を備えることを特徴とする電動機。
  3. 請求項2に記載の電動機であって、
    前記ケースと前記ステータ鉄心との間に毛細管現象により冷却油を侵入させて供給することを特徴とする電動機。
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