JP2022186004A - 回転電機及び電動ホイール - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の目的は、構造強度上の信頼性を損なうことなく、冷却性能を向上させることができる回転電機を提供することにある。【解決手段】回転電機１００の固定子１は、固定子コア１７と、コイル１９と、接続線１２または渡り線１３のうち少なくともいずれか一方と、を備える。コイル１９は、固定子コア１７の軸方向一端側の第１コイルエンド１０と、固定子コア１７の軸方向他端側の第２コイルエンド１１と、を有する。回転子２と固定子１とを冷却する冷媒流路は、冷媒流入口１５と、エアギャップ３と軸方向に対向する第１環状流路８と、第２コイルエンド１１側に配置されエアギャップ３と軸方向に対向する中継流路１８と、中継流路１８と連通しエアギャップ３に対して径方向外側にずれて配置される第２環状流路９と、を有する。コイル１９が有する接続線１２及び渡り線１３は、第１環状流路８に配置される。【選択図】図３

Description

本発明は、回転電機の冷却に関する。

自動車や航空機の分野において、モータはコイルやコアを冷却する必要があり、そのための冷却構造が設けられている。近年は、自動車や航空機の電動化のため、モータの高出力密度化が進められ、さらに冷却性能の向上が求められている。

本発明の背景技術として、特開２００１－１４５３０２号公報（特許文献１）に記載されたモータの冷却装置が知られている。特許文献１のモータの冷却装置では、モータのステータの両端部に連通する円環状のオイルジャケットを設け、ステータスロット内に軸方向の冷媒流路を形成して、ステータの巻線を直接液冷している（要約参照）。

特開２００１－１４５３０２号公報

回転電機の固定子における巻線の放熱について以下の課題がある。

例えば、インナーロータ型の回転電機において、平角線を巻線に用いて巻回すると、巻回コイルとインバータなどの外部装置とを接続する接続線をモータ外部に引き出す必要がある。直接液冷方式の回転電機の場合、冷却性能を高めるためには流速を増加させて熱伝達率を向上させることが有効である。しかし、接続線に高速の液体冷媒を当てると、非定常な流体力による流動振動が発生し、構造強度上の問題が生じる可能性がある。これは、コイルエンド部が固定子コアにしっかり巻き回されており、また一般にはワニスなどで固着されており、強固に固定支持されているのに対し、接続線はそのような支持がなされていないためである。

以上のように、冷却性能を向上させようと冷媒流速を増大させると構造強度上の信頼性の問題が生じる可能性があり、一方で流動振動を抑制しようとして冷媒流速を小さくすると冷却性能を向上できなくなる。これにより従来の構造では、構造強度上の信頼性確保と、冷却性能の向上とを両立することが難しい。

特許文献１のモータの冷却装置では、直接液冷によって冷却性能を向上することに配慮されている。本発明では、さらなる冷却性能の向上のために冷媒流速を増加させた場合に、信頼性を低下させることなく向上することができる回転電機を提案する。

すなわち本発明の目的は、構造強度上の信頼性を損なうことなく、冷却性能を向上させることができる回転電機を提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するため、以下のように構成される。

回転子と、前記回転子と所定のエアギャップを介して対向する固定子と、前記回転子と前記固定子を冷却するための冷媒が流れる流路と、を備える回転電機であって、
前記固定子は、周方向に沿って複数のスロットを有する固定子コアと、前記スロットに配設され前記固定子コアの周方向に沿って配置される複数のコイルと、外部装置と前記コイルとを接続する接続線または周方向に隣り合う前記コイルを接続する渡り線のうち少なくともいずれか一方と、を備え、
前記コイルは、前記固定子コアの軸方向一端側で前記スロットからはみ出す第１コイルエンドと、前記固定子コアの軸方向他端側で前記スロットからはみ出す第２コイルエンドと、を有し、
前記流路は、前記第１コイルエンドの側に配置される冷媒流入口と、前記冷媒流入口と連通して周方向に延設され前記エアギャップと軸方向に対向する第１環状流路と、前記第２コイルエンドの側に配置され前記エアギャップと軸方向に対向する中継流路と、前記中継流路と連通して周方向に延設されると共に前記エアギャップに対して径方向外側にずれて配置される第２環状流路と、を有し、
前記コイルが有する前記接続線または前記渡り線は前記第１環状流路に配置される。

本発明によれば、接続線側コイルエンドの冷却性能を低下させることなく流動振動を抑制するとともに、反接続線側コイルエンドの冷媒流速を高めて冷却性能を向上させることにより、構造強度上の信頼性向上と、冷却性能向上の両立を実現することができる。

上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の第１実施例に係る回転電機の断面図である。 本発明が適用される回転電機の固定子コアと巻回コイルとを接続線側から見た斜視図である。 本発明の第１実施例に係る、冷媒の流れの説明図である。 本発明の第３実施例に係る回転電機の一部分を示す断面図である。 本発明に係る図であって、アウターロータ型の電動ホイール１０００の外観を示す斜視図である。 図５の電動ホイール１０００を回転軸線上に分離して示す分解立体図である。

以下、図面を用いて、本発明に係る回転電機の実施例を説明する。各図或いは各実施例において共通する構成には同じ符号を付して重複する説明を省略する。また同じ符号を付した共通する構成において異なる部分がある場合はその都度説明する。

［実施例１］
（回転電機の構成）
図１は、本発明の第１実施例に係る回転電機１００の断面図である。本発明が適用される回転電機１００の固定子コア１７と巻回コイル１９とを接続線１２側から見た斜視図である。

図１および図２を参照して、実施例１が適用される回転電機１００を説明する。

図１では、回転電機の外径側に固定子１を配置し、内径側に永久磁石４を有する回転子２を配置した、インナーロータ型の回転電機１００を示す。固定子１と回転子２とはエアギャップ（空隙）３を介して回転電機１００の径方向に対向している。本実施例の回転電機１００は、固定子１及び回転子２を内包するブラケットがハウジング７ａ，７ｂ、エンドプレート２２ａ，２２ｂ及び冷却ジャケット１４により構成される。

回転子２は、回転軸となるシャフト５を有しており、永久磁石４が周方向に複数個配置されている。また、回転子２は、第１エンドプレート２２ａ及び第２エンドプレート２２ｂに保持されたベアリング６により、回転自在に支持されている。以下、シャフト５の回転軸線に沿う方向を「軸方向」と呼んで説明する。

固定子コア１７には径方向内側に向かって突出するように複数のティース１７ｃが設けられており、隣り合う２つのティース１７ｃの間にスロット１７ｄが形成される。そして複数のスロット１７ｄにコイル１９が巻回されるように設けられる。固定子コア１７に巻装されたコイル１９は、インバータなど外部装置(図示せず)と接続するための接続線１２を、固定子コア１７の軸方向の一端（端面１７ａ）側に有している。接続線１２が配置される側のコイルエンド１０は、ハウジング７ａによって覆われ、固定子コア１７の周方向に延設された第１環状流路８を形成する。以下、接続線１２が配置される側（固定子コア１７の端面１７ａ側）のコイルエンド１０は、「第１コイルエンド」と呼び、接続線１２が配置される側とは反対側（固定子コア１７の端面１７ｂ側）のコイルエンド１１は、「第２コイルエンド」と呼んで説明する。

第１環状流路８はエアギャップ３よりも径方向内側（内径側）まで延長され、第１環状流路８とエアギャップ３とは、軸方向に対向するように形成されている。すなわち、エアギャップ３の軸方向における一端側（第１コイルエンド１０側）は第１環状流路８に接続され、エアギャップ３は第１環状流路８と連通している。

固定子コア１７の軸方向の他端側には、ハウジング７ｂにより、第２コイルエンド１１を覆うように第２環状流路９が形成されている。第２環状流路は、エアギャップ３よりも径方向外側（外径側）にずれて形成されている。

固定子コア１７の他端側の、エアギャップ３の軸方向に対向する位置には、中継流路１８が形成されており、この中継流路１８と第２環状流路９とは周方向の少なくとも一部で接続されている。すなわち、第２エンドプレート２２ｂと回転子２との間には冷媒流路１８が構成され、この冷媒流路１８が中継流路となってエアギャップ３の軸方向における他端側（第２コイルエンド１１側）が第２環状流路９に接続され、エアギャップ３は第２環状流路９と連通する。中継流路１８と第２環状流路９とを連通させるため、ハウジング７ｂには周方向の少なくとも一部に接続部２０として連通孔が設けられている。

（回転電機の冷媒の流れ）
次に図３を用いて、本実施例における冷媒の流れを示す。

図３は、本発明の第１実施例に係る、冷媒の流れの説明図である。図３では、図１の上部（IIIａ部）及び下部（IIIｂ部）を拡大した図を示しており、図中の矢印は冷媒の流れを表している。

冷媒は、冷媒流入口１５から、回転電機の第１環状流路８に流入する。第１環状流路８に流入した冷媒は、周方向に拡大しつつ、軸方向に対向したエアギャップ３の全周からエアギャップ３に流入する。すなわち本実施例では、エアギャップ３は冷媒が流れる流路となる。

エアギャップ３に流入した冷媒は、中継流路１８に流入し、接続部２０から径方向外向きに第２環状流路９へと流入する。

本実施例の回転電機１００は、固定子１の外周に、固定子１を内包し冷媒の流れる流路が構成された冷却ジャケット１４を備える。接続部２０は周方向の一か所（図３では上部）に設けられており、第２環状流路９に流入した冷媒は、周方向に半周流れた後、下部より冷却ジャケット１４内へ流入する。冷媒が冷却ジャケット１４に流入する冷却ジャケット１４の入口は周方向の一か所（図３では下部）に設けられている。冷却ジャケット１４内の冷媒は、周方向に半周して上部へと戻った後、冷媒流出口１６ｂより、回転電機１００の外部へと流出する。

すなわち本実施例の回転電機１００は、第２環状流路９への冷媒入口（接続部１０）は周方向の一か所に設けられる。一方、冷却ジャケット１４に構成された冷媒流路１６の入口１６ａは、第２環状流路９への冷媒入口１０に対して回転子２の回転軸を挟んで径方向反対側に設けられる。第２環状流路９に流入した冷媒は、周方向に半周流れた後、冷却ジャケット１４の冷媒流路１６に入口１６ａから流入し、冷却ジャケット１４の冷媒流路１６を周方向に半周した後、回転電機１００の外部へと流出するように流路が構成される。

本実施例では、ハウジング７ｂの外周側は冷却ジャケットを兼ねた構造となっている。冷却ジャケット１４は必須という訳ではなく、固定子コア１７をその外周側から冷却することによりコイル１９の冷却効果を高めるために設けたものであり、冷却ジャケット１４が無い場合でも本発明が適用できることは言うまでもない。

本実施例によれば、冷媒はエアギャップ３の全周から軸方向に流入するので、冷媒流路となるエアギャップ３の開口面積が大きくとれる。このため冷媒は、第１環状流路８とエアギャップ３とに分流することで第１環状流路８を流れる冷媒の流速が小さくなる。このため、非定常な流体力に起因する接続線１２の流動振動が抑制され、構造強度上の信頼性が確保できる。また、第１環状流路８には低温の冷媒が最初に流れることで、第１コイルエンド１０の冷却性能低下も抑制できる。

一方で、接続線１２が配置されない第２環状流路９内では、第１環状流路８とエアギャップ３とに分流した全ての冷媒を周方向に流すことで、冷媒の流速を大きくし熱伝達率を増加させて、第２コイルエンド１１の冷却性能を向上することができる。また、第２コイルエンド１１はしっかりと固定子コア１７に巻き回されており、一般的にはワニスなどで固着されているので、流動振動が発生する心配はない。

以上により、接続線１２側の接続線側コイルエンド（第１コイルエンド）１０の側の冷却性能を低下させることなく流動振動を抑制するとともに、接続線１２側とは反対側の反接続線側コイルエンド（第２コイルエンド）１１の側の冷媒流速を高めて冷却性能を向上させることにより、構造強度上の信頼性向上および冷却性能向上の両立を実現することができる。

なお、接続線１２の固定支持を強固にするために、ひも状絶縁部材で締結したり、さらにワニスで固着させたりすることは、接続線１２の表面を熱伝導率が悪い絶縁材料で覆うこととなり、冷却性能の低下につながるので望ましくない。本実施例では、第１環状流路８を流れる冷媒の流速が小さくなり接続線１２の流動振動が抑制されるため、接続線１２をひも状絶縁部材で締結したり、ワニスで固着したりするなどの固定構造を設けないようにすることもできる。

［実施例２］
実施例１では、接続線１２の流動振動の発生を抑制する構造を例示した。

接続線１２以外では、隣接するコイル間を結ぶ渡り線１３も比較的固定支持が弱い部分であり、実施例１に示した接続線１２と同様の方法で、信頼性の確保と冷却性能の向上を両立できる。

すなわち、隣接するコイル１９間を接続する渡り線１３と、固定子コア１７の軸方向一端側であって、渡り線１３が配置される第１コイルエンド１０と、固定子コア１７の他端側である第２コイルエンド１１とを有し、冷媒流路は、第１コイルエンド１０側に配置される冷媒流入口１５と、冷媒流入口１５と接続されエアギャップ３の略全周と軸方向に対向する第１環状流路８と、第２コイルエンド１１側に配置されエアギャップ３と軸方向に対向する中継流路１８と、中継流路１８と接続されエアギャップ３と固定子１の径方向にずれて配置される第２環状流路９とが形成される。

冷媒の流れに関しては、実施例１の接続線１２が渡り線１３と入れ替わるだけであり、同様の流れとなるため、説明は省略する。

以上のような構造によれば、渡り線側コイルエンド１０の冷却性能を低下させることなく流動振動を抑制するとともに、反渡り線側コイルエンド１１の冷媒流速を高めて冷却性能を向上させることにより、構造強度上の信頼性向上および冷却性能向上の両立を実現することができる。

すなわち実施例１及び実施例２の回転電機１００は、下記構成を備える。

回転電機１００は、回転子２と、回転子２と所定のエアギャップ３を介して対向する固定子１と、回転子２と固定子１を冷却するための冷媒が流れる流路（冷媒流路）と、を備える。固定子１は、周方向に沿って複数のスロット１７ｄを有する固定子コア１７と、スロット１７ｄに配設され固定子コア１７の周方向に沿って配置される複数のコイル１９と、外部装置とコイル１９とを接続する接続線１２または周方向に隣り合うコイル１９を接続する渡り線１３のうち少なくともいずれか一方と、を備える。コイル１９は、固定子コア１７の軸方向一端側でスロット１７ｄからはみ出す第１コイルエンド１０と、固定子コア１７の軸方向他端側でスロット１７ｄからはみ出す第２コイルエンド１１と、を有する。流路は、第１コイルエンド１０の側に配置される冷媒流入口１５と、冷媒流入口１５と連通して周方向に延設されエアギャップ３と軸方向に対向する第１環状流路８と、第２コイルエンド１１の側に配置されエアギャップ３と軸方向に対向する中継流路１８と、中継流路１８と連通して周方向に延設されると共にエアギャップ３に対して径方向外側にずれて配置される第２環状流路９と、を有する。そしてコイル１９が有する接続線１２または渡り線１３は、第１環状流路８に配置される。

この場合、冷媒は、前記流路を、冷媒流入口１５、第１環状流路８、エアギャップ３、中継流路１８、および第２環状流路９の順に流れて、回転子２および固定子１を冷却する。

ここで、第１環状流路８および中継流路１８は、エアギャップ３の全周でエアギャップ３と軸方向に対向してエアギャップ３と接続されるようにするとよい。これにより、冷媒はエアギャップ３にスムーズに流入することができ、第１環状流路８を流れる冷媒の流速を良好に小さくすることができる。

一般には、渡り線１３と接続線１２とは、固定子コア１７の軸方向の同じ側に配置されるとは限らないが、両者を同じ側に配置することが望ましい。すなわち、コイル１９は接続線１２および渡り線１３の両方を有し、接続線１２と渡り線１３とは、第１環状流路８に配置されることが望ましい。これにより、実施例１と実施例２の構造を同時に満足でき、渡り線１３および接続線１２の両方の構造強度的な信頼性を確保することができる。

［実施例３］
図４は、本発明の第３実施例に係る回転電機１００の一部分を示す断面図である。図４では、第１実施例に係る図１の上部（IIIａ部）に相当する部分を拡大した図を示しており、図中の矢印は冷媒の流れを表している。

図４では、冷媒流入口１５の出口側に、冷媒の流れを周方向に転向させるじゃま板２１を配置してある。すなわち本実施例の回転電機１００は、冷媒流入口１５の第１環状流路８への出口部に、冷媒の流れを周方向に偏向するためのじゃま板２１を有する。これにより、接続線１２や渡り線１３に、冷媒流入口１５からの速い流れが直接当たることを防止することができる。

図２に示すように、接続線１２および渡り線１３は周方向に間隔を置いて配置されるので、一般には接続線１２や渡り線１３の冷媒流入口１５に対する周方向位置を適切にずらすことにより、冷媒流入口１５からの流れが接続線１２や渡り線１３に直接当たることを避けることができる。しかし、構造上の制約からそのような配置にできない場合でも、本実施例のような構造によれば、接続線１２や渡り線１３の流動振動を抑制し、信頼性向上および冷却性能向上を両立できる。

［実施例４］
上記の各実施例では、冷媒流入口１５は周方向の一か所に設けているが、周方向の複数個所に設けることも可能である。すなわち冷媒流入口１５は、周方向に複数配置されているとよい。

このような構造によれば、冷媒流入口１５から流入する冷媒流速を小さくすることができ、たとえ接続線１２や渡り線１３に直接冷媒が当たったとしても、流動振動の発生を抑制することができる。

また、冷媒流入口１５が一か所の場合、流入した冷媒が周方向に配分される際に、多少とも周方向流速が発生する。しかし、冷媒流入口１５を複数設けることで周方向流速を小さくすることができ、接続線１２や渡り線１３の流動振動の可能性をより小さくすることが可能となる。

以上、各実施例はあくまで一例であり、発明の特徴が損なわれない限り、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。例えば、本発明はインナーロータ型の回転電機１００で実施例が記載されているが、アウターロータ型の回転電機でも同様に実施できる。

［実施例５］
図５及び図６を参照して、電動ホイール１０００の実施例（第５実施例）について説明する。本実施例では、アウターロータ型の回転電機１００を用いた例を示しており、上述したインナーロータ型の回転電機１００に適用された本発明がアウターロータ型の回転電機１００に適用されている。
図５は、本発明に係る図であって、アウターロータ型の電動ホイール１０００の外観を示す斜視図である。図６は、図５の電動ホイール１０００を回転軸線上に分離して示す分解立体図である。

ｘＥＶ駆動モータでは、高トルクが要求されるため、コイル（モータ巻線）１９に大電流を通電する必要がある。本実施例のコイル１９（図１参照）は、断面が長辺と短辺を有する扁平な角線が使用されていることで、スロット内における占積率を向上することができ、導体抵抗を抑制して銅損を低減することができる。

電動ホイール１０００は、ホイール１０２０と、回転子組立体１０７０と、固定子組立体１０８０と、電力変換装置７７０と、第１ケース部４０１と、を備えている。回転子組立体１０７０は、回転子２、回転子ケース４００および第２ケース部４０２を有する。固定子組立体１０８０は、固定子１および固定子ケース５００を有する。電動ホイール１０００には、車輪を制動させる制動力を発生させるディスクブレーキ１１１０が取り付けられる。電動ホイール１０００は、サスペンション装置１１２０を介して車体を構成するフレーム（車体フレーム）に取り付けられる。本実施例の回転電機１００は、信頼性および冷却性能が向上されているため、電動ホイール１０００に用いられ、高出力のｘＥＶ駆動モータとして用いられるのに適している。

本実施例では、アウターロータ型の電動ホイール１０００を例示したが、インナーロータ型の電動ホイールに本発明に係る回転電機１００を適用してもよい。

また、本発明は上記した各実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１…固定子、２…回転子、３…エアギャップ、４…永久磁石、５…シャフト、６…ベアリング、７…ハウジング、８…第１環状流路、９…第２環状流路、１０…第１コイルエンド、１１…第２コイルエンド、１２…接続線、１３…渡り線、１４…冷却ジャケット、１５…冷媒流入口、１６…冷媒流出口、１７…固定子コア、１８…中継流路、１９…巻回コイル、２０…接続部、２１…じゃま板。

Claims (9)

1. 回転子と、前記回転子と所定のエアギャップを介して対向する固定子と、前記回転子と前記固定子を冷却するための冷媒が流れる流路と、を備える回転電機であって、
   前記固定子は、周方向に沿って複数のスロットを有する固定子コアと、前記スロットに配設され前記固定子コアの周方向に沿って配置される複数のコイルと、外部装置と前記コイルとを接続する接続線または周方向に隣り合う前記コイルを接続する渡り線のうち少なくともいずれか一方と、を備え、
   前記コイルは、前記固定子コアの軸方向一端側で前記スロットからはみ出す第１コイルエンドと、前記固定子コアの軸方向他端側で前記スロットからはみ出す第２コイルエンドと、を有し、
   前記流路は、前記第１コイルエンドの側に配置される冷媒流入口と、前記冷媒流入口と連通して周方向に延設され前記エアギャップと軸方向に対向する第１環状流路と、前記第２コイルエンドの側に配置され前記エアギャップと軸方向に対向する中継流路と、前記中継流路と連通して周方向に延設されると共に前記エアギャップに対して径方向外側にずれて配置される第２環状流路と、を有し、
   前記コイルが有する前記接続線または前記渡り線は前記第１環状流路に配置される回転電機。
2. 請求項１に記載の回転電機であって、
   前記コイルは前記接続線および前記渡り線の両方を有し、
   前記接続線と前記渡り線とは、前記第１環状流路に配置される回転電機。
3. 請求項１に記載の回転電機であって、
   冷媒は、前記流路を、前記冷媒流入口、前記第１環状流路、前記エアギャップ、前記中継流路、および前記第２環状流路の順に流れて、前記回転子および前記固定子を冷却する回転電機。
4. 請求項１に記載の回転電機であって、
   前記第１環状流路および前記中継流路は、前記エアギャップの全周で前記エアギャップと軸方向に対向して前記エアギャップと接続される回転電機。
5. 請求項１に記載の回転電機であって、
   前記冷媒流入口の前記第１環状流路への出口部に、冷媒の流れを周方向に偏向するためのじゃま板を有する回転電機。
6. 請求項１に記載の回転電機であって、
   前記冷媒流入口は、周方向に複数配置されている回転電機。
7. 請求項１に記載の回転電機であって、
   前記固定子の外周に、前記固定子を内包し冷媒流路が構成された冷却ジャケットを備える回転電機。
8. 請求項７に記載の回転電機であって、
   前記第２環状流路への冷媒入口は周方向の一か所に設けられ、
   前記冷却ジャケットに構成された冷媒流路の入口は、前記第２環状流路への前記冷媒入口に対して前記回転子の回転軸を挟んで径方向反対側に設けられ、
   前記第２環状流路に流入した冷媒は、周方向に半周流れた後、前記冷却ジャケットの前記冷媒流路に前記入口から流入し、冷却ジャケットの前記冷媒流路を周方向に半周した後、当該回転電機の外部へと流出するように流路が構成された回転電機。
9. ホイールと、電力変換装置と、固定子及び回転子を有する回転電機と、を備える電動ホイールであって、前記固定子が前記ホイールの側、又は当該電動ホイールを車体フレームに取り付けるサスペンション装置の側に設けられる電動ホイールにおいて、
   前記回転電機として請求項１に記載の回転電機を備えた電動ホイール。

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