JP2004129407A

JP2004129407A - 電動機の冷却構造

Info

Publication number: JP2004129407A
Application number: JP2002290939A
Authority: JP
Inventors: Yutaro Kaneko; 金子　雄太郎; Shinichiro Kitada; 北田　真一郎; Toshio Kikuchi; 菊池　俊雄; Takashi Tsuneyoshi; 恒吉　孝
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-10-03
Filing date: 2002-10-03
Publication date: 2004-04-22

Abstract

【課題】電動機を効率よく冷却するための構造に関する。
【解決手段】回転軸５と一体的に回転する回転子２と、回転子２の外周に同軸上に配置される固定子１と、固定子１を固定すると共に回転子２を回転可能に支持するケース７と、回転軸５を中空にして軸方向に冷媒を流す冷媒通路６と、を備える電動機において、冷媒通路６の径がその入口に比して小さい小径部６３を少なくとも１箇所に設けたことを特徴とする電動機。
【選択図】　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電動機の冷却構造に関し、より効果的な冷却効率を得られる冷媒通路の構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の電動機において、例えば、特開２０００−２９５８１８号に記載の発明のように、中空構造とした回転子の内部の円筒状の冷媒通路を設け、この冷媒通路に冷媒を流通させることで回転子を内部から冷却する電動機の冷却構造が知られている。この中空の構造には、中空穴の周囲を平行とした形、中空穴の出口側が拡大した形、中空穴内部にフィンを設けた形等が知られている。
【０００３】
なお、電動機の発熱部位は、主に巻線、固定子、回転子、磁石（同期電動機では永久磁石、誘導電動機ではかご型導体）であり、各々を直接冷却することで冷却効率が最も高くなる。上記の発熱部位のうち、主に巻線及び磁石が温度上昇に伴って電動機の効率を低下させる。磁石は回転子内に存在するので電動機の外側から直接冷却することが難しいため、回転軸内に中空の冷媒通路を設け通路をできる限り広げて冷媒を多く接触させ、熱抵抗を少なくするとより効果的である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の電動機における回転軸内の中空の冷媒通路では、冷却効率を上げるために冷媒の接触面積を増やすと、通路の径が大きくなるに従って冷媒の流速が遅くなるため冷媒通路の層流部でしか冷媒が熱伝達を行えなくなるので、全体としての熱伝達率が小さくなり、結果として冷却効果が下がってしまう。
【０００５】
また、冷媒を乱流にして熱伝達効率を上げるために冷媒の流速を上げる、又は冷媒通路を細くすると、冷媒の圧力損失が大きくなるために大きなポンプが必要となり、装置全体としての総合的な効率が悪化してしまうという問題があった。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、回転子の回転軸内部を中空とし、外部より冷媒を流す冷媒通路を備えた電動機において、前記回転軸内の前記冷媒通路の内面に冷媒の流れ方向に逆らうように小径部（例えば段差部や突起部）を設け、冷媒が冷媒通路を流れる課程で乱流を起こすように構成した。
【０００７】
【発明の作用及び効果】
本発明によれば、回転軸内の冷媒通路内面に流れに逆らうように小径部を設け、冷媒流れを乱流化し熱伝達率を大きくすることで、回転子を効率的に冷却でき、回転子に備えられた永久磁石の温度を低下することが可能となる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【０００９】
＜第１の実施の形態＞
図１は、本発明の第１の実施の形態の電動機の横方向の断面を示す図である。
【００１０】
第１の実施の形態の電動機は、固定子１、回転子２、回転軸５、ケース７によって構成されている。
【００１１】
回転子２には永久磁石４が備えられており、永久磁石４は外周方向に設けられている固定子１に備えられた巻線３から与えられる回転磁束によって反力を発生させられ、回転子の回転軸５を中心に回転するように構成されている。この永久磁石４は互いに磁極が相違するように配置されている。固定子１と回転子２の間にはエアギャップ９と呼ばれる隙間があり、互いに接触しないように設置されている。固定子１は外周面をケース７に固定され保持されており、回転子２は回転軸５、ベアリング８を介してケース７に保持されている。
【００１２】
回転子２の回転軸５の内部は中空構造になっており、回転子２を冷却するための冷媒が中空の冷媒通路６を外部ポンプ（図示せず）によって冷媒入口６１から送られ冷媒出口６２へと流される。この冷媒は回転子２に備えられた永久磁石４の温度を下げる目的で使用される。永久磁石４の温度を下げることで固定子１から発生する磁束に対する永久磁石４の発生する反力を強め、電動機の回転効率を上げることができる。
【００１３】
冷媒通路６の内面には冷媒の流れ方向に逆らう方向に段差６３が設けられている。本実施の形態では、下流に向けて内径が順次縮小するように、複数の段差６３ａ〜６３ｄが設けられている。冷媒は冷媒入口６１から冷媒通路６へと入り冷媒通路６の段差６３部分で乱流を起こす。乱流が起こることで回転子２の熱をより多くの冷媒に伝達し回転子２を冷却する。回転子２の熱を奪った冷媒は冷媒出口６２へと流れ出る。
【００１４】
上記のように構成された第１の実施の形態の電動機では、冷媒通路６の内面に流れに逆らう方向に段差６３を設けることで段差６３部における冷媒の流れを乱流化することができ、段差が設けられていない冷媒通路６と比較すると内周面の熱伝達率が大きくなるので回転子２を効果よく冷却し、回転子２に備えられた永久磁石４の温度を効率よく低下することができる。
【００１５】
＜第２の実施の形態＞
図２（Ａ）〜（Ｃ）は、本発明の第２の実施の形態の冷媒通路の段差部の拡大図である。なお、第１の実施の形態と同一の動作をする構成には同一の符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００１６】
第２の実施の形態の電動機は、冷媒通路６に設けた段差部が櫛形に形成されている。この櫛形段差６４は、緩やかな段差部分（傾斜部）６４ａと、急な段差部分（櫛形突起部）６４ｂとで構成されている。冷媒は冷媒入口６１から入って冷媒出口６２へと流れる課程で、櫛形段差６４において傾斜部６４ａを流れる冷媒と突起部６４ｂを流れる冷媒との流速が異なるので、より複雑な乱流を起こし、この乱流によって冷媒が回転子２の熱を奪い、熱を奪った冷媒は冷媒出口６２へと流れる。
【００１７】
上記のように構成された第２の実施の形態の電動機では、回転子２の内部の冷媒通路６の内面に櫛形段差６４を設け、櫛形段差６４を急な段差と緩やかな段差とで構成したので、１つの櫛形段差部にてより多くの乱流を発生させることができ、第１の実施の形態の電動機の効果に加え、より効果的に回転子２を冷却することで回転子２に備えられた永久磁石４の温度を効率よく低下することができる。
【００１８】
＜第３の実施の形態＞
図３は、本発明の第３の実施の形態の電動機の冷媒通路の断面図を表したものである。なお、第１の実施の形態と同一の動作をする構成には同一の符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００１９】
第３の実施の形態の電動機は、回転子２内部の冷媒通路６の内面に円周方向の段差６５を複数設けている。回転子２が回転すると回転子２内部の冷媒通路６内面と冷媒との摩擦によって相対的に内部を流通する冷媒が回転方向に動かされる。冷媒は冷媒入口６１から入って冷媒出口６２へと流れる課程で、回転する円周方向の段差６５によって乱流を発生させられる。冷媒はこの乱流によって回転子の熱を奪い、熱を奪った冷媒は冷媒出口６２へと流れる。
【００２０】
上記のように構成された第３の実施の形態では、冷媒通路６内面に円周方向の段差６５を設けることで、回転子２の回転を利用して乱流を生成することができ、第１の実施の形態の電動機の効果に加え、より効果的な回転子２の冷却ができ、回転子２に備えられた永久磁石４の温度を効率よく低下することが可能となる。
【００２１】
＜第４の実施の形態＞
図４は、本発明の第４の実施の形態に係る回転子の横方向の断面を示す図である。なお、第１の実施の形態と同一の動作をする構成には同一の符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００２２】
第４の実施の形態の電動機は、回転子２内部の冷媒通路６の内部に中筒１０を備えている。中筒１０は、先端１０ａと後端１０ｂとがそれぞれ円錐形に形成され、回転軸５と同心的に配置される。なお、中筒１０は回転軸５に対してステーなどを介して指示される。冷媒は冷媒入口６１から冷媒通路６へと入り冷媒通路６の段差６３部分で乱流を起こす。乱流が起こることで回転子２の熱を冷媒に伝達し回転子２を冷却するが、冷媒通路６に備えられた中筒１０によって冷媒がより冷媒通路６の内面近くに導かれ、しかも冷媒の流速も高められるので、より多くの熱を奪うことができる。回転子２の熱を奪った冷媒は冷媒出口６２へと流れて行く。
【００２３】
上記のように構成された第４の実施の形態では、冷媒通路６に中筒１０を設けることで冷媒の流れを冷媒通路６の内周面に導くことができるので、第１の実施の形態の電動機の効果に加え、より効果的な回転子２の冷却ができ、回転子２に備えられた永久磁石４の温度を効率よく低下することが可能となる。
【００２４】
＜第５の実施の形態＞
図５は、本発明の第５の実施の形態に係る回転子の横方向の断面を示す図である。なお、第１の実施の形態と同一の動作をする構成には同一の符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００２５】
第５の実施の形態では、回転子２内部の冷媒通路６の内部に中筒１０を備えている。この中筒１０の外周面は、冷媒通路６の内面へと向かうように傾斜した形状に加工されており、この傾斜形状６６は前記冷媒通路６の段差部６３ａ〜６３ｄと対応して複数形成され、冷媒をより冷媒通路６内面へ導くのに適した形状となっている。冷媒は冷媒入口６１から冷媒通路６へと入り冷媒通路６の段差６３部分で乱流を起こすが、この乱流が起こることで回転子２の熱を冷媒に伝達して回転子２を冷却する。このとき、冷媒は冷媒通路６に備えられた中筒１０の傾斜形状６６によって冷媒通路の内面に導かれ、より多くの熱を奪うことができる。回転子２の熱を奪った冷媒は冷媒出口６２へと流れて行く。
【００２６】
上記のように構成された第５の実施の形態の電動機では、冷媒通路の中筒の外周面を冷媒流れをより回転軸５内周面へと向かうように傾斜した形状とすることで、より冷媒の流れを回転軸５内周面に導くことができ、第１及び第４の実施の形態の電動機の効果に加え、より効果的な回転子の冷却及び回転子に備えられた永久磁石の温度を効率よく低下することが可能となる。
【００２７】
なお、本実施の形態では段差部を設ける例を示したが、これに限定するものではなく、冷媒通路の内周に突起部を設けてもよい。
【００２８】
上記のように本発明の電動機は永久磁石式同期電動機として説明したが、誘導電動機やＳＲモータ、その他の種類のモータに採用しても本質的に本発明の効果は変わらない。また、本発明の電動機は固定子コアが一体構造のものとして説明したが、固定子コアが分割構造の電動機でもよい。また、磁石極数が８極のものとして図示してあるが、他の極数の電動機にも本発明は適用可能である。さらに、本発明の実施の形態では電動機として説明したが、これを発電機に置き換えたとしても発明の本質は変わらない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の電動機の横方向の断面を示す図である。
【図２】（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）は本発明の第２の実施の形態の冷媒通路の段差の拡大図である。
【図３】本発明の第３の実施の形態の冷媒通路の断面図である。
【図４】本発明の第４の実施の形態の回転子の横方向の断面を示す図である。
【図５】本発明の第５の実施の形態の回転子の横方向の断面を示す図である。
【００３５】
【符号の説明】
１　固定子
２　回転子
３　巻線
４　磁石
５　回転軸
６　冷媒通路
７　ケース
８　ベアリング
９　エアギャップ
１０　中筒
６１　冷媒入口
６２　冷媒出口
６３　段差
６４　櫛形段差
６５　円周方向の段差
６６　傾斜形状

Claims

回転軸と一体的に回転する回転子と、前記回転子の外周に同軸上に配置される固定子と、前記固定子を固定すると共に前記回転子を回転可能に支持するケースと、前記回転軸を中空にして軸方向に冷媒を流す冷媒通路と、を備える電動機において、
前記冷媒通路の径がその入口に比して小さい小径部を少なくとも１箇所に設けたことを特徴とする電動機。
前記小径部は回転軸の軸方向に複数備えられた段差部からなることを特徴とする請求項１に記載の電動機。
前記段差部の段差形状は、前記冷媒の流れ方向に対して急な段差を形成した第１の段差部と、前記冷媒の流れ方向に対してなだらかな段差を形成した第２の段差部と、を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の電動機。
前記段差部の段差形状は、前記回転軸の回転方向に対して段差を形成し、前記回転軸の回転によって前記冷媒に抵抗を生じさせるよう構成したことを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の電動機。
前記冷媒通路の内部に前記冷媒通路断面よりも小さい断面を持つ中筒を設けたことを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の電動機。
前記中筒の外周面少なくとも１箇所に、前記中筒の断面積が大きくなる方向に傾斜形状を設けたことを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載の電動機。