JP6374797B2

JP6374797B2 - 回転電機の冷却構造

Info

Publication number: JP6374797B2
Application number: JP2015017021A
Authority: JP
Inventors: 壽美夫柳生; 一人岡崎
Original assignee: Kubota Corp
Current assignee: Kubota Corp
Priority date: 2015-01-30
Filing date: 2015-01-30
Publication date: 2018-08-15
Anticipated expiration: 2035-01-30
Also published as: JP2016144270A

Description

本発明は、自動車、産業機器に適用される回転電機の冷却構造に関する。

自動車や、農機、建機、ユーティリティビークル等の産業機器に適用される電動機（各種ＰＭモータ・ジェネレータを含む。）は、シリーズハイブリッド式又はパラレルハイブリッド式駆動源として機器に搭載されており、例えば、小型・高出力の永久磁石同期電動機が用いられている。
この種の電動機の内、特に扁平薄型モータにおいては、必要長さの冷却水路長を取るには、ステータ積厚よりも水路幅が大きくなりがちであり、発熱源（巻線及びステータ）との接触面積が限定されて有効な冷却が行い難く、そのため、十分が冷却が行えずに高出力でのモータ連続使用時間が制約される等、使い勝手が悪い状況が生じる。

特許文献１の電動機は、モータハウジング内に設けられたステータ本体および該ステータ本体に巻設けられたステータコイルを有するステータと、該ステータに回転可能に内挿されたロータとを含み、ステータ本体端面とモータハウジング内壁面との隙間にステータ本体から突出しているコイルエンド部の表面に設けられたコイルエンドの巻線同士の隙間にもまわりこんで樹脂が設けられ、モータハウジングを外筒部と内筒部とで二重構造にしてウォータジャケットとし、その内部の隙間（ジャケット通路）を通る冷却媒体によってステータコイル及びステータの熱を吸収するように構成されている。

特開平１０−２９０５４３号公報

前記従来技術は、ステータ外周からウォータジャケットへ至る伝熱径路に加えて、ステータコイルとステータ表面から樹脂を介してウォータジャケットへ至る伝熱径路を利用できることから、冷却効率を高くすることが可能になっているが、モータハウジング内に冷却媒体流通通路となるジャケット通路を形成しているので、モータハウジング自体は強度部材になり難く、また、ジャケット通路を有するモータハウジングとステータとは焼バメ結合するので、熱抵抗が大きくなって冷却能力の低減を招くことがある。

本発明は、このような従来技術の問題点を解決できるようにした回転電機の冷却構造を提供することを目的とする。
本発明は、ウォータジャケットの内周面に巻線及び固定子を覆って一体化される熱伝導体を設け、このウォータジャケットを別体のモータハウジング内に装着することにより、ウォータジャケットの強度確保と冷却効率の向上ができるようにした回転電機の冷却構造を提供することを目的とする。

本発明における課題解決のための具体的手段は、次の通りである。
本発明の一態様に係る回転電機の冷却構造は、環状のヨーク４Ａと、このヨーク４Ａの内周側から径方向内方に突出し且つ周方向に間隔をあけて配列したティース４Ｂとを有する固定子４と、前記ティース４Ｂに巻回された巻線３と、高熱伝導率の材料で円筒状に形成されていて内周側に前記固定子４が配置され、且つ前記ヨーク４Ａから軸心方向の両側に突出するウォータジャケット２と、前記ウォータジャケット２とは別体に形成されていて該ウォータジャケット２が装着されたモータハウジング６と、高熱伝導の樹脂で前記固定子４にモールド成形された熱伝導体５であって、前記巻線３及び前記固定子４を覆って前記ウォータジャケット２の内周面２ｂに一体化された熱伝導体５と、を備え、前記ウォータジャケット２は、冷媒を通すジャケット通路２ａであって当該ウォータジャケット２に軸心方向一端部から他端部にかけて軸心方向に沿って穿孔され且つ周方向に平行に設けられた多数本の直線孔ａ１を含むジャケット通路２ａを有し、前記熱伝導体５は、軸心方向の一側面が、前記巻線３における径方向内端部且つ軸心方向一端部から前記直線孔ａ１の軸心方向一端部に向けて形成されたテーパ面とされ、軸心方向の他側面が、前記巻線３における径方向内端部且つ軸心方向他端部から前記直線孔ａ１の軸心方向他端部に向けて形成されたテーパ面とされていることを特徴とする。

また、前記ウォータジャケット２の軸心方向両端に配置されていて、前記ウォータジャケット２の径方向の厚さと略同じ幅を有するリング状のシール環１２を備え、前記ウォータジャケット２をアルミニウム合金で形成し、モータハウジング６を鉄系鋳物で形成し、ウォータジャケット２をモータハウジング６内に装着する前に、ウォータジャケット２の内周面２ｂに巻線３及び固定子４を覆う熱伝導体５をモールド成形しており、前記ジャケット通路２ａは、隣接する直線孔ａ１の一端同士を連通する一端側の連通溝ａ２と、前記隣接する直線孔ａ１の一方と、該一方の直線孔ａ１に隣接する直線孔ａ１であって前記隣接する直線孔ａ１の他方とは異なる直線孔ａ１との他端同士を連通する他端側の連通溝ａ３とを有し、前記一端側の連通溝ａ２は、前記ウォータジャケット２の前記軸心方向一端側のシール環１２によって閉鎖され、前記他端側の連通溝ａ３は、前記ウォータジャケット２の前記軸心方向他端側のシール環１２によって閉鎖されていることを特徴とする。
また、前記熱伝導体５の内部に形成された冷媒流通用の通路８であって、前記ヨーク４Ａに沿った環形状を呈していて、前記巻線３及び前記ティース４Ｂとオーバラップした位置と、前記ヨーク４Ａとオーバラップした位置とに配置され且つ前記径方向に同心円環状に設けられた複数の通路８と、を備えていることを特徴とする。

また、前記通路８は、冷媒を流通させる通路内面が前記熱伝導体７を形成する樹脂によって構成されていることを特徴とする。

本発明によれば、回転電機のウォータジャケットの強度確保と冷却効率の向上が可能になる。
即ち、ジャケット通路２ａを形成したウォータジャケット２の内周に巻線３、固定子４及びそれらを覆う熱伝導体５をモールド成形し、ウォータジャケット２を高熱伝導率の材料で形成するとともに別体のモータハウジング６内に装着しているので、冷却効率を向上しながらウォータジャケット２の補強強度も確保できる。

また、ウォータジャケット２を熱伝導率の高いアルミニウム合金で形成しながら強度の高い鉄系鋳物製モータハウジング６に装着しているので、冷却効率を向上しながらウォータジャケット２の強度をより確実に確保できる。
また、ジャケット通路２ａは円筒形状のウォータジャケット２の軸心方向両端間に亘る幅で形成しているので、流通冷媒はウォータジャケット２を効率良く冷却することができる。

また、少ない材料で熱伝導体５からウォータジャケット２への熱伝導を効率良くかつ有効的に行われる。
また、熱伝導体５の内部に固定子４及び巻線３とオーバラップして冷媒流通用の通路８を形成しているので、固定子４及び巻線３の近くで熱伝導体５自体を効率良く冷却することができる。

本発明の第１実施形態を示す斜視説明図である。同一部断面正面図である。同階層破断側面説明図である。ウォータジャケットのジャケット通路を示す斜視説明図である。第２実施形態を示す斜視説明図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１〜４に示す第１実施形態において、扁平薄型の同期電動機（回転電機１）の固定側を示しており、ウォータジャケット２の内周に環状の固定子４を設け、固定子４の多数のティース４Ｂに巻線３を巻回し、これら巻線３及び固定子４を覆ってウォータジャケット２の内周面２ｂに熱伝導体５をモールド成形し、前記ウォータジャケット２をモータハウジング６内に装着しており、固定子４の内側には永久磁石埋込型のロータ７（図２に示す）が配置される。

ウォータジャケット２は高熱伝導率のアルミニウム合金で円筒形状に形成されており、内部に周方向ジグザグ形状のジャケット通路２ａが形成されている。このジャケット通路２ａは、軸方向に沿った直線孔ａ１を周方向に多数本平行に穿孔し、隣接する直線孔ａ１同士は、一端を連通溝ａ２で連通し、他端をそれと隣接する他の直線孔ａ１の他端と連通溝ａ３で連通して形成している。

前記連通溝ａ２、ａ３はウォータジャケット２の軸心方向両端に配置されるシール環１２によって閉鎖され、ウォータジャケット２には軸心方向両端間に亘る幅でジャケット通路２ａが形成されている。
ジャケット通路２ａの両端はウォータジャケット２の外周面に開口していて、一端は冷媒供給口ａ４となり他端は冷媒吐出口ａ５となっていて外部の冷媒循環装置に接続され、冷却した水、油等の冷媒を循環可能にしている。

固定子４は、環状のヨーク４Ａの内周側にティース４Ｂが突出して周方向複数配列され
、ティース４Ｂは先端末広がり形状であって、その胴部には絶縁部材１１を介在して巻線３が巻かれており、ティース４Ｂ及び巻線３の径内端を残して固定子４の全体に高熱伝導率の樹脂で熱伝導体５がモールド成形されている。
前記固定子４は、１つの環状のヨーク４Ａの内周に多数のティース４Ｂを突設したヨーク一体型のものであるが、分割ヨークとそれに一体となった１つのティース４Ｂ（極歯部）とで固定子片を形成し、その固定子片を周方向に多数個配列して１個の環状の固定子を構成する固定子片環状結合型であってもよい。

固定子４は多数枚の珪素鋼板を積層して形成しており、ティース４Ｂは周方向の２面（スロット側の面）と軸方向（固定子の軸心方向）の２面とを有し、断面矩形状になっている。
絶縁部材１１は、アラミド絶縁紙あるいはＰＰＳ樹脂等の樹脂で形成されており、断面矩形状のティース４Ｂの全周を包囲する四角筒形状、または、ティース４Ｂの全周を２個一対で包囲する二つ割り形状になっている。

前記巻線３は集中巻きで巻かれており、ティース４Ｂに絶縁部材１１を嵌合して、その絶縁部材１１の外周に巻線３を締めながら集中巻きしている。
前記熱伝導体５は、熱伝導率の高い樹脂（例えば熱伝導率３〜５Ｗｍ²Ｋの樹脂）であり、金型内に固定子４を配置しておいて樹脂を充填することにより、巻線３間にも樹脂が充填され、外形も断面矩形状又はそれ以外の形状に形成される。

この熱伝導体５は、固定子４をウォータジャケット２内に嵌入して、ウォータジャケット２を金型の一部に利用して、金型内に高熱伝導率樹脂を射出又はトランスファーにて充填して成形する。高熱伝導率樹脂はウォータジャケット２の内周面２ｂ側でかつ巻線３及び固定子４廻りの空間及び隙間に充填される充填剤となっており、固定子４は焼バメしなくとも、ウォータジャケット２に固定される。

熱伝導体５は固定子４軸心方向の両側面がテーパ面となっており、径外側の軸心方向の幅Ｗ１が径内側の幅Ｗ２より広く形成され、その幅Ｗ１の外周部はウォータジャケット２の軸心方向の略全幅に対応しており、熱伝導体５の全外周面からウォータジャケット２へ熱を伝導できるようにしている。
前記熱伝導体５は、外周部から内周部まで同一幅に形成してもよいが、内周部を狭くして、断面周方向形状が扇形状又は台形状にした方が材料を削減できる。

モータハウジング６は、ＦＣ、ＦＣＤ等の鉄系鋳物で形成されており、別個に形成したウォータジャケット２の外周に嵌合装着される。
ＦＣ、ＦＣＤ等は引張強さが２００〜５００ＭＰａ、熱伝導率が２０〜４０Ｗ／（ｍＫ）であり、アルミニウム合金の引張強さが３００ＭＰａ、熱伝導率が１３０〜１８０Ｗ／（ｍＫ）であり、熱の伝わり易いアルミニウム合金をウォータジャケット２に適用し、外部ケースになるモータハウジング６に引張強さ３００ＭＰａ以上の鉄系鋳物を適用し、モータハウジング６をウォータジャケット２の強度保護用の構造強度部材にしている。

図５に示す第２実施形態において、回転電機１の固定側は、モータハウジング６内にウォータジャケット２を装着し、ウォータジャケット２の内周に巻線３を巻回した固定子４を設け、これら巻線３及び固定子４を覆ってウォータジャケット２の内周面２ｂに熱伝導体５をモールド成形し、この熱伝導体５の内部に冷媒用通路８を形成している。
ウォータジャケット２は高熱伝導率のアルミニウム合金で円筒形状に形成され、内部に周方向ジグザグ形状のジャケット通路２ａが形成され、固定子４は多数枚の珪素鋼板を積層して形成され、ティース４Ｂの先端は末広がり形状ではなく、胴部から先端まで断面矩形状となっており、絶縁部材１１は弾性樹脂で形成され、その外周に巻線３が集中巻きで巻かれている。

前記熱伝導体５は、金型内に固定子４を配置しておいて高熱伝導率樹脂を充填することにより形成されており、このモールド成形を行う際に、樹脂製の管、金属製の管または熱溶解可能な材料で形成された棒状中子等を、環状に形成して金型内に挿入しておくことにより、冷媒用通路８が形成されている。
熱伝導体５は固定子４軸心方向の幅がウォータジャケット２と接する外周部から内周部側へ次第に幅狭になっているが、外周部から内周部まで同一幅に形成してもよく、固定子４と軸心方向両側面との間に複数本の冷媒用通路８が形成されている。

冷媒用通路８は固定子４軸心方向両側にそれぞれ３本形成されており、巻線３及びティース４Ｂとオーバラップした位置に２本、ヨーク４Ａとオーバラップした位置に１本配置されている。この３本の冷媒用通路８は、同心円環形状の３本円に巻いており、３本の通路８の一端部に共通の冷媒供給口部材１３を設け、３本の他端部に共通の冷媒吐出口部材１４を設けている。なお、冷媒用通路８は固定子４の一側面だけでもよく、本数も１本又は３本以外の複数本でもよい。

前記冷媒供給口部材１３及び冷媒吐出口部材１４は、固定子４の外部の冷媒循環装置に接続されており、冷却した水、油等の冷媒を冷媒供給口部材１３に供給して冷媒用通路８に流動させ、冷媒吐出口部材１４から吐出させるようになっている。
前記３本の冷媒用通路８は、１本の通路を３重螺旋に巻いて形成することもでき、その場合は、一端部に冷媒供給口部材１３を接続し、他端部に冷媒吐出口部材１４を接続する。

冷媒用通路８は３本のうち、外周側と中間周側とは断面円形であり、内周側は熱伝導体５の内周部が幅狭であるので断面小判形に変形されている。前記冷媒用通路８は、断面形状が円形、小判形、角形、その他の形状でもよく、１本又は複数本にして固定子４の軸心方向の少なくとも一方の側面に配置しておればよく、ヨーク４Ａとオーバラップする位置に配置可能であるが、少なくとも巻線３とオーバラップする位置、コイルエンドを冷却できる位置に配置される。

冷媒用通路８は軸心方向視において、網目形状又は周方向ジグザグ形状に形成して熱伝導体５内に配置したり、巻線３の側方から周方向に隣り合う巻線３間に侵入させたり、周方向に隣り合う巻線３を縫うように配置したりしてもよい。
前記回転電機１は、巻線３及びティース４Ｂで発生する抵抗熱を、ヨーク４Ａを介してウォータジャケット２に伝導して吸収するとともに、巻線３間に充填されかつ巻線３、ティース４Ｂ及びヨーク４Ａを覆う高熱伝導率樹脂製の熱伝導体５でも吸収し、ヨーク４Ａからの直接的な熱伝導に加えて、熱伝導体５の幅広の全外周面が熱伝導率の高い材料製のウォータジャケット２に接していることにより、熱伝導効率を高くして抵抗熱をウォータジャケット２に伝導でき、ウォータジャケット２は全幅にわたって形成されたジャケット通路２ａを流れる冷媒によって効率よく冷却でき、ウォータジャケット２を金型の一部とすることにより熱伝導体５のモールド成形も容易になり、しかも熱伝導体５によって固定子４をウォータジャケット２に装着でき、このウォータジャケット２を構造強度部材のモータハウジング６によって補強することができる。

そして、熱伝導体５に冷媒用通路８を形成して冷媒を流通させると、ヨーク４Ａを介する熱伝導経路より巻線３に近い位置で熱伝導体５自体を冷却して抵抗熱を奪い、冷却効率より向上させることができ、熱伝導体５内に冷媒用通路８を一体成形するため、部品点数を削減できる。
なお、本発明は前記実施形態における各部材の形状及びそれぞれの前後・左右・上下の位置関係は、図１〜５に示すように構成することが最良である。しかし、前記実施形態に限定されるものではなく、部材、構成、材質等を種々変形したり、組み合わせを変更したりすることもできる。

例えば、第１実施形態において、ジャケット通路２ａは、ウォータジャケット２の両端にそれぞれ連通溝ａ２、ａ３を環状に形成しておいて、両環状連通溝ａ２、ａ３に周方向多数本の直線孔ａ１の両端を連通させるようにしてもよい。
巻線３は集中巻きで巻かれているが、複数本のティース４Ｂに渡って巻線を巻く分布巻きにしてもよい。

１回転電機
２ウォータジャケット
２ａジャケット通路
２ｂ内周面
３巻線
４固定子
４Ａヨーク
４Ｂティース
５熱伝導体
６モータハウジング
８冷媒用通路
１１絶縁部材
１２シール環
Ｗ１、Ｗ２幅

Claims

環状のヨーク（４Ａ）と、このヨーク（４Ａ）の内周側から径方向内方に突出し且つ周方向に間隔をあけて配列したティース（４Ｂ）とを有する固定子（４）と、
前記ティース（４Ｂ）に巻回された巻線（３）と、
高熱伝導率の材料で円筒状に形成されていて内周側に前記固定子（４）が配置され、且つ前記ヨーク（４Ａ）から軸心方向の両側に突出するウォータジャケット（２）と、
前記ウォータジャケット（２）とは別体に形成されていて該ウォータジャケット（２）が装着されたモータハウジング（６）と、
高熱伝導の樹脂で前記固定子（４）にモールド成形された熱伝導体（５）であって、前記巻線（３）及び前記固定子（４）を覆って前記ウォータジャケット（２）の内周面（２ｂ）に一体化された熱伝導体（５）と、
を備え、
前記ウォータジャケット（２）は、冷媒を通すジャケット通路（２ａ）であって当該ウォータジャケット（２）に軸心方向一端部から他端部にかけて軸心方向に沿って穿孔され且つ周方向に平行に設けられた多数本の直線孔（ａ１）を含むジャケット通路（２ａ）を有し、
前記熱伝導体（５）は、
軸心方向の一側面が、前記巻線（３）における径方向内端部且つ軸心方向一端部から前記直線孔（ａ１）の軸心方向一端部に向けて形成されたテーパ面とされ、
軸心方向の他側面が、前記巻線（３）における径方向内端部且つ軸心方向他端部から前記直線孔（ａ１）の軸心方向他端部に向けて形成されたテーパ面とされていることを特徴とする回転電機の冷却構造。
前記ウォータジャケット（２）の軸心方向両端に配置されていて、前記ウォータジャケット（２）の径方向の厚さと略同じ幅を有するリング状のシール環（１２）を備え、
前記ウォータジャケット（２）をアルミニウム合金で形成し、モータハウジング（６）を鉄系鋳物で形成し、ウォータジャケット（２）をモータハウジング（６）内に装着する前に、ウォータジャケット（２）の内周面（２ｂ）に巻線（３）及び固定子（４）を覆う熱伝導体（５）をモールド成形しており、
前記ジャケット通路（２ａ）は、
隣接する直線孔（ａ１）の一端同士を連通する一端側の連通溝（ａ２）と、
前記隣接する直線孔（ａ１）の一方と、該一方の直線孔（ａ１）に隣接する直線孔（ａ１）であって前記隣接する直線孔（ａ１）の他方とは異なる直線孔（ａ１）との他端同士を連通する他端側の連通溝（ａ３）とを有し、
前記一端側の連通溝（ａ２）は、前記ウォータジャケット（２）の前記軸心方向一端側のシール環（１２）によって閉鎖され、
前記他端側の連通溝（ａ３）は、前記ウォータジャケット（２）の前記軸心方向他端側のシール環（１２）によって閉鎖されていることを特徴とする請求項１に記載の回転電機の冷却構造。
前記熱伝導体（５）の内部に形成された冷媒流通用の通路（８）であって、前記ヨーク（４Ａ）に沿った環形状を呈していて、前記巻線（３）及び前記ティース（４Ｂ）とオーバラップした位置と、前記ヨーク（４Ａ）とオーバラップした位置とに配置され且つ前記径方向に同心円環状に設けられた複数の通路（８）と、
を備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載の回転電機の冷却構造。
前記通路（８）は、冷媒を流通させる通路内面が前記熱伝導体（７）を形成する樹脂によって構成されていることを特徴とする請求項３に記載の回転電機の冷却構造。