JP6962772B2 - ステータコアの冷却構造および回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、ステータコアの冷却構造および回転電機に関するものである。

従来、ハイブリッド自動車や電気自動車の動力源として回転電機が使用されている。回転電機としては、例えば特許文献１に開示されている回転電機がある。特許文献１の回転電機は、ステータコアと、保持体とを有する。保持体は、断面が環状に形成されている。保持体の内周面は、ステータコアの外周面に嵌合している。これにより保持体は、ステータコアを保持している。

ところで、回転電機の回転数が増加すると、鉄損が増加してステータコアの温度が上昇することが知られている（例えば、下記特許文献２参照）。そこで、下記特許文献２には、ステータコアに冷却油を供給するパイプを備える構成が開示されている。

特許第５７２３４４３号公報 特開２００８−２６３７５３号公報

しかしながら、上述した特許文献２の構成にあっては、冷却油を供給するために、別途パイプを設ける必要がある。そのため、部品点数の増加に繋がる可能性がある。
また、上述した特許文献１のようにステータコアがホルダに圧入されている構成では、ステータコアとホルダとの間にパイプを通じて冷却油を供給することが困難になる可能性もある。
したがって、従来の構成では、部品点数の削減を図った上でステータコアを冷却するという点で改善の余地があった。

そこで、本発明は、上記事情に鑑みたものであって、従来技術と比較して部品点数の削減を図った上で、ステータコアを冷却できるステータコアの冷却構造および回転電機を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、請求項１に記載の発明に係るステータコア（後述の実施形態のステータコア１５）の冷却構造（後述の実施形態の冷却構造５１）は、筒状のステータコアと、前記ステータコアを囲繞する筒状の保持体（後述の実施形態の保持体１１）と、を有するステータコアの冷却構造であって、前記ステータコアの外周面（後述の実施形態の外周面２３）と前記保持体の内周面（後述の実施形態の内周面２１）との間に設けられ、冷媒が流通可能な冷媒通路（後述の実施形態の冷媒通路５３）と、前記ステータコアおよび前記保持体の少なくとも一方に設けられ、前記冷媒通路に連通する冷媒供給口（後述の実施形態の冷媒供給口５５）と、前記ステータコアおよび前記保持体の少なくとも一方に設けられ、前記冷媒通路に連通する冷媒排出口（後述の実施形態の冷媒排出口５７）と、を備え、前記冷媒供給口は、前記保持体の軸方向の一方の端面（後述の実施形態の端面３９ａ）側に開口して設けられ、前記冷媒排出口は、前記保持体の軸方向の他方の端面（後述の実施形態の端面３９ｂ）側に開口して設けられ、前記ステータコアの外周面に形成され、前記ステータコアの外周面上を第一方向に延びるステータ凹部（後述の実施形態のステータ凹部３３）と、前記保持体の内周面に形成され、前記保持体の内周面上を前記第一方向に交差する第二方向に延びる保持体凹部（後述の実施形態の保持体凹部３５）と、を有し、前記冷媒通路は、前記ステータ凹部および前記保持体凹部の間に設けられていることを特徴としている。

また、請求項２に記載の発明に係るステータコアの冷却構造は、前記保持体凹部は、前記保持体の周方向に延びるに従い前記保持体の軸方向に延びる螺旋状に形成されていることを特徴としている。
また、請求項３に記載の発明に係るステータコアの冷却構造は、前記冷媒通路は、前記冷媒供給口と前記冷媒排出口との間で、前記保持体凹部によって螺旋状に形成される第１通路と、前記ステータコアの軸方向の一端から他端にわたって直線状に延びる前記ステータ凹部によって形成される第２通路と、が合わさって形成されていることを特徴としている。

また、請求項４に記載の発明に係るステータコアの冷却構造は、前記ステータコアは、前記保持体に圧入されていることを特徴としている。

また、請求項５に記載の発明に係るステータコアの冷却構造は、前記保持体は、前記ステータコアを保持した状態で、回転電機（後述の実施形態の回転電機１）のケース（後述の実施形態のケース３）に固定されるホルダ（後述の実施形態のホルダ１９）であることを特徴としている。

また、請求項６に記載の発明に係る回転電機は、上述のステータコアの冷却構造を備えていることを特徴としている。

本発明の請求項１に記載のステータコアの冷却構造では、ステータコアの外周面と保持体の内周面との間に設けられた冷媒通路と、冷媒供給口と、冷媒排出口とを備えた。これにより、冷媒は、冷媒通路を流通することによりステータコアの外周面と保持体の内周面との間を流通するため、ステータコアにおいて高温となっているステータコアの軸方向の中央部分を冷却することが可能になる。よって、請求項１に記載のステータコアの冷却構造は、従来技術と比較して部品点数の削減を図った上でステータコアを冷却できる。

また、ステータコアの冷却構造では、ステータコアの外周面上を第一方向に延びるステータ凹部と、保持体の内周面上を第一方向に交差する第二方向に延びる保持体凹部と、を有し、冷媒通路は、ステータ凹部および保持体凹部の間に設けられている。これにより、冷媒は、ステータ凹部および保持体凹部の間の冷媒通路を流通することで、ステータコアの外周面と保持体の内周面との間を第一方向および第二方向に沿って流通することができるので、ステータコアの軸方向の中央部分を効率よく冷却することが可能になる。よって、請求項２に記載のステータコアの冷却構造は、従来技術と比較して部品点数の削減を図った上でステータコアを効率よく冷却できる。

本発明の請求項２に記載のステータコアの冷却構造では、保持体凹部は、保持体の周方向に延びるに従い保持体の軸方向に延びる螺旋状に形成されているので、冷媒は、ステータコアの外周面と保持体の内周面との間を螺旋状に流通することができる。よって、請求項３に記載のステータコアの冷却構造は、従来技術と比較して部品点数の削減を図った上でステータコアを効率よく冷却できる。

本発明の請求項４に記載のステータコアの冷却構造では、ステータコアは、保持体に圧入されているので、冷媒通路を設けていない場合と比較して、ステータコアの外周面と保持体の内周面との接触面積が小さくなり、嵌合部の先端が局所変形するため、圧入後にステータコアに残存する圧縮応力が低減する。よって、請求項４に記載のステータコアの冷却構造は、圧縮応力に起因する磁気特性の低下を抑制することができる。

本発明の請求項５に記載のステータコアの冷却構造では、保持体は、ステータコアを保持した状態で、回転電機のケースに固定されるホルダであるので、ケースに冷媒通路、冷媒供給口および冷媒排出口を設けなくても、ステータコアの軸方向の中央部分を冷却することが可能になる。よって、請求項５に記載のステータコアの冷却構造は、保持体がケースを備えていても、ケースの強度を低下させずに冷媒を利用してステータコアを効率良く冷却することができる。

また、本発明の請求項６に記載の回転電機は、上述のステータコアの冷却構造を備えているので、部品点数の削減を図った上でステータコアを冷却できる低コストかつ高性能な回転電機とすることができる。

実施形態のステータコアの冷却構造を備える回転電機の全体構成を示す断面図である。 実施形態のステータコアの冷却構造を軸方向から見た図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ断面図である。 図２のＩＶ−ＩＶ断面図である。

以下、本発明の各実施形態について図面を参照して説明する。

（実施形態）
実施形態のステータ５について説明する。
図１は、実施形態のステータコアの冷却構造を備える回転電機の全体構成を示す断面図である。
本実施形態の回転電機１は、例えばハイブリッド自動車や電気自動車のような車両に搭載される走行用モータである。ただし、本実施形態の構成は、上記例に限られず、車両に搭載される発電用モータ等のその他の用途のモータにも適用可能である。また、本実施形態の構成は、車両に搭載される以外の回転電機であって、発電機を含むいわゆる回転電機全般に適用可能である。

図１に示すように、実施形態に係る回転電機１は、ケース３と、ステータ５と、ロータ７と、出力シャフト９とを備える。
出力シャフト９は、ケース３に回転可能に支持されている。
ロータ７は、ロータコア２７と、ロータコア２７に取り付けられた不図示の磁石と、を有している。ロータコア２７は、出力シャフト９に外嵌された筒状に形成されている。なお、以下の説明では、出力シャフト９の軸線Ｃに沿う方向を単に軸方向といい、軸線Ｃに直交する方向を径方向といい、軸線Ｃ周りの方向を周方向という場合がある。

ケース３は、筒状に形成されている。ケース３は、ステータ５およびロータ７を収容している。ステータ５は、ケース３と同軸に配置された筒状に形成されている。ステータ５は、ケース３の内周面１３に取り付けられている。ステータ５は、ロータ７に対して回転磁界を作用させる。

ステータ５は、ステータコア１５と、コイル１７と、ホルダ１９とを備える。
ステータコア１５は、軸線Ｃと同軸に配置され、ロータ７を径方向の外側から取り囲む筒状に形成されている。ステータコア１５は、電磁鋼板に対して打ち抜き加工等を施して形成された環状のプレート４３が軸方向に積層されて構成されている。なお、ステータコア１５は、いわゆる圧粉コアであってもよい。
コイル１７は、ステータコア１５に装着されている。

ホルダ１９は、環状に形成されている。ホルダ１９は、ステータコア１５を保持している。ホルダ１９には、ステータコア１５が圧入されており、ホルダ１９の内周面２１には、ステータコア１５の外周面２３が嵌合している。これにより、ホルダ１９は、ステータコア１５を保持している。ホルダ１９は、ケース３の内周面１３に例えば不図示のボルトにより固定されている。これによりステータ５は、ケース３の内周面１３に取り付けられている。
本実施形態の保持体１１は、上記のケース３と、上記のホルダ１９とを備える。保持体１１は、全体として軸線Ｃを中心とする筒状に構成されており、ステータコア１５を囲繞して保持している。

図２は、実施形態のステータコアの冷却構造を軸方向から見た図である。
図２に示すように、ステータコア１５の端面２９には、複数のスロット３１が形成されている。複数のスロット３１は、端面２９の周方向に間隔を置いて配置されている。スロット３１は、ステータコア１５を軸方向に貫通している。

複数のスロット３１内には、コイル１７が収容されている。コイル１７は、複数のスロット３１内に一部が収容された状態で、ステータコア１５に装着されている。コイル１７は、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相からなる三相コイルである。各相のコイル１７は、絶縁紙を介して互いに絶縁される。また、各相のコイル１７は、絶縁紙を介してステータコア１５と絶縁されている。

ステータコア１５の外周面２３には、複数のステータ凹部３３が設けられている。
複数のステータ凹部３３は、径方向の内側に凹む凹状に形成されており、外周面２３の周方向全体に並んで配置されている。ステータ凹部３３は、外周面２３の軸方向（請求項の「第一方向」に相当。）に沿って直線状に延びて設けられている。ステータ凹部３３は、軸方向から見た断面が、例えばＶ字状に形成されている。隣接するステータ凹部３３，３３の間には、第一凸部４１が形成されている。第一凸部４１は、軸方向から視た断面が例えば三角形状に形成されている。

ステータコア１５の外周面２３には、ホルダ１９の内周面２１が嵌合している。ホルダ１９の内周面２１には、保持体凹部３５が設けられている。
保持体凹部３５は、径方向の外側に凹む凹状に形成されており、ステータ凹部３３に交差する方向（請求項の「第二方向」に相当。）に延びている。より具体的に保持体凹部３５は、ホルダ１９の内周面２１において、保持体１１の周方向に延びるに従い保持体１１の軸方向に延びる螺旋状に形成されている。保持体凹部３５は、ホルダ１９の内周面２１の全体にわたって設けられている。保持体凹部３５は、例えばホルダ１９の内周面を旋盤等により切削加工して形成されている。保持体凹部３５は、周方向から見た断面が、例えばＵ字状に形成されている。

ホルダ１９の外周部２５には、複数の取付片３７が形成されている。複数の取付片３７は、外周部２５の周方向に間隔を置いて配置されている。取付片３７は、ホルダ１９の外周部２５から径方向の外側に突出して形成されている。ホルダ１９は、複数の取付片３７が例えば不図示のボルトによりケース３に固定されることで、ケース３に取り付けられている。取付片３７の径方向の内側には、冷媒排出口５７が設けられている。冷媒排出口５７については後述する。

図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ断面図である。
図４は、図２のＩＶ−ＩＶ断面図である。
図３および図４に示すように、複数の保持体凹部３５の間には、第二凸部４５が形成されている。第二凸部４５は、周方向から見た断面が三角形状に形成されている。第二凸部４５の先端と第一凸部４１の先端とは、ホルダ１９にステータコア１５が圧入されることで、互いに当接している。

続いて、図３と図４を用いて、本実施の形態のステータコア１５の冷却構造５１を説明する。本実施の形態のステータコア１５の冷却構造５１は、冷媒通路５３と、冷媒供給口５５と、冷媒排出口５７とを備える。

冷媒通路５３は、ステータコア１５を冷却する冷媒が流通する通路である。冷媒通路５３は、ステータコア１５の外周面２３とホルダ１９の内周面２１との間であって、ステータ凹部３３と、保持体凹部３５との間に設けられている。また、冷媒通路５３は、ステータコア１５およびホルダ１９の軸方向の一端から他端にわたって設けられている。
なお、図３および図４において、冷媒をドットで図示している。冷媒としては、例えばモータ内外を循環するオイル等が採用される。

冷媒供給口５５は、ホルダ１９の一方の端面３９ａ側に開口して設けられており、冷媒通路５３に連通している。冷媒供給口５５は、冷媒通路５３の保持体凹部３５よりも径方向の外側に配置されている。冷媒供給口５５は、ステータコア１５の外部から保持体凹部３５に冷媒を供給する。冷媒供給口５５の開口には、不図示の供給管が接続されている。
冷媒排出口５７は、ホルダ１９の他方の端面３９ｂ側に開口して設けられており、冷媒通路５３に連通している。冷媒排出口５７は、冷媒通路５３の保持体凹部３５よりも径方向の外側に配置されている。冷媒排出口５７は、保持体凹部３５を流通する冷媒をステータコア１５の外部に排出する。冷媒排出口５７の開口には、不図示の排出管が接続されている。なお、排出管が接続されず、排出口から冷媒を飛沫排出することで、他部品の冷却に活用することもある。

供給管、冷媒供給口５５、冷媒通路５３（ステータ凹部３３および保持体凹部３５）、冷媒排出口５７および排出管は、冷媒回路を構成している。冷媒回路には、例えば不図示のポンプが設けられている。ポンプは、駆動することにより、冷媒回路内の冷媒を流通させている。なお、ポンプの形態は特に限定されることはなく、電動ポンプであってもよいし、メカポンプであってもよい。

続いて、ステータコア１５の冷却方法を説明する。
ポンプが駆動すると、ケース３内の底部に貯留されている冷媒は、冷媒回路内を循環する。具体的には、ポンプが駆動すると、ケース３内の底部に貯留されている冷媒は、供給管、冷媒供給口５５、冷媒通路５３、冷媒排出口５７、排出管の順に流れていき、ケース３内の底部に戻る。

上記の冷媒の循環において、ステータコア１５の冷却構造５１を構成する、冷媒供給口５５、冷媒通路５３および冷媒排出口５７での冷媒の流れを説明する。
ケース３内の底部に貯留された冷媒は、ポンプにより供給管に供給される。供給管を流通する冷媒は、冷媒供給口５５を流通し、一部が保持体凹部３５に流入する。保持体凹部３５に流入した冷媒は、保持体凹部３５を冷媒排出口５７に向かって流通する。これにより、冷媒は、ステータコア１５の外周面２３とホルダ１９の内周面２１との間を螺旋状に流通し、ステータコア１５を冷却する。保持体凹部３５を流通した冷媒は、冷媒排出口５７から排出管に排出される。

また、供給管を流通する冷媒は、冷媒供給口５５を流通し、一部がステータ凹部３３に流入する。ステータ凹部３３に流入した冷媒は、ステータ凹部３３を他端側に向かって流通する。これにより、冷媒は、ステータコア１５の外周面２３とホルダ１９の内周面２１との間を軸方向に沿って流通し、ステータコア１５を冷却する。ステータ凹部３３を流通した冷媒は、冷媒排出口５７から排出管に排出される。
冷媒排出口５７から排出管に排出された冷媒は、ケース３内の底部に貯留される。ケース３内の底部に貯留された冷媒は、ポンプにより供給管に供給されて冷媒回路内を循環する。

本実施形態のステータコア１５の冷却構造５１では、ステータコア１５の外周面２３と保持体１１の内周面２１との間に設けられた冷媒通路５３と、冷媒供給口５５と、冷媒排出口５７とを備えた。これにより、冷媒は、冷媒通路５３を流通することによりステータコア１５の外周面２３と保持体１１の内周面２１との間を流通するため、ステータコア１５において高温となっているステータコア１５の軸方向の中央部分を冷却することが可能になる。よって、本実施形態のステータコア１５の冷却構造５１は、従来技術と比較して部品点数の削減を図った上でステータコア１５を冷却できる。

本実施形態のステータコア１５の冷却構造５１では、ステータコア１５の外周面２３上を軸方向に延びるステータ凹部３３と、保持体１１の内周面２１上を軸方向に交差する方向に延びる保持体凹部３５と、を有し、冷媒通路５３は、ステータ凹部３３および保持体凹部３５の間に設けられている。これにより、冷媒は、ステータ凹部３３および保持体凹部３５の間の冷媒通路５３を流通することで、ステータコア１５の外周面２３と保持体１１の内周面２１との間を軸方向および軸方向と交差する方向に沿って流通することができるので、ステータコア１５の軸方向の中央部分を効率よく冷却することが可能になる。よって、本実施形態のステータコア１５の冷却構造５１は、従来技術と比較して部品点数の削減を図った上でステータコア１５を効率よく冷却できる。

本実施形態のステータコア１５の冷却構造５１では、保持体凹部３５は、保持体１１の周方向に延びるに従い保持体１１の軸方向に延びる螺旋状に形成されているので、冷媒は、ステータコア１５の外周面２３と保持体１１の内周面２１との間を螺旋状に流通することができる。よって、本実施形態のステータコア１５の冷却構造５１は、従来技術と比較して部品点数の削減を図った上でステータコア１５を効率よく冷却できる。

本実施形態のステータコア１５の冷却構造５１では、ステータコア１５は、保持体１１に圧入されているので、冷媒通路５３を設けていない場合と比較して、ステータコア１５の外周面２３と保持体１１の内周面２１との接触面積が小さくなり、嵌合部の先端が局所変形するため、圧入後にステータコア１５に残存する圧縮応力が低減する。よって、本実施形態のステータコア１５の冷却構造５１は、圧縮応力に起因する磁気特性の低下を抑制することができる。

本実施形態のステータコア１５の冷却構造５１では、保持体１１は、ステータコア１５を保持した状態で、回転電機１のケース３に固定されるホルダ１９であるので、ケース３に冷媒通路５３、冷媒供給口５５および冷媒排出口５７を設けなくても、ステータコア１５の軸方向の中央部分を冷却することが可能になる。よって、本実施形態のステータコア１５の冷却構造５１は、保持体１１がケース３を備えていても、ケース３の強度を低下させずに冷媒を利用してステータコア１５を効率良く冷却することができる。

また、本実施形態の回転電機１は、上述のステータコア１５の冷却構造５１を備えているので、部品点数の削減を図った上でステータコア１５を冷却できる低コストかつ高性能な回転電機１とすることができる。

なお、本発明は、図面を参照して説明した上述の実施形態に限定されるものではなく、その技術的範囲において様々な変形例が考えられる。

例えば、上述した実施形態では、保持体１１にステータコア１５を圧入したが、保持体１１にステータコア１５を焼嵌めしてもよい。この場合には、冷媒通路５３が設けられていない場合と比較して、ステータコア１５の外周面２３と保持体１１の内周面２１との接触面積が小さくなり、嵌合部の先端が局所変形するため、焼嵌め後にステータコア１５に残存する圧縮応力が低減する。よって、ステータコア１５の冷却構造５１は、保持体１１にステータコア１５が焼嵌めされている場合であっても、ステータコア１５の圧縮応力に起因する磁気特性の低下を抑制することができ、回転電機１の性能の低下を抑制することができる。その他の作用効果は、保持体１１にステータコア１５を圧入した上述の実施形態の作用効果と同様のため、説明を省略する。

上述した実施形態では、ステータコア１５の外周面２３に軸方向に沿って延びるステータ凹部３３を設け、ホルダ１９の内周面２１に軸方向と交差する方向に沿って延びる保持体凹部３５を設けた。これに対して、ステータコア１５の外周面２３に軸方向と交差する方向に沿って延びるステータ凹部を設け、ホルダ１９の内周面２１に軸方向に沿って延びる保持体凹部を設けてもよい。

また、上述した実施形態では、ホルダ１９の軸方向の両端面３９ａ，３９ｂにそれぞれ冷媒供給口５５と冷媒排出口５７とを設けたが、一方の同一の端面３９ａ（３９ｂ）に冷媒供給口５５と冷媒排出口５７とを設けてもよい。

また、上述した実施形態では、冷媒通路５３がステータ凹部３３と保持体凹部３５とを備えたが、ステータ凹部３３と保持体凹部３５の両方を必ずしも備える必要はなく、ステータ凹部３３または保持体凹部３５のいずれか一方を備えるようにしてもよい。また、上述の実施形態では、保持体凹部３５を螺旋状にしたが、その他に例えば、軸方向または周方向に沿う直線状にしてもよい。

その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施の形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能である。

１ 回転電機
３ ケース
１１ 保持体
１５ ステータコア
１９ ホルダ
２１ （保持体の）内周面
２３ （ステータコアの）外周面
３３ ステータ凹部
３５ 保持体凹部
５１ 冷却構造
５３ 冷媒通路
５５ 冷媒供給口
５７ 冷媒排出口

Claims (6)

1. 筒状のステータコアと、
   前記ステータコアを囲繞する筒状の保持体と、を有するステータコアの冷却構造であって、
   前記ステータコアの外周面と前記保持体の内周面との間に設けられ、冷媒が流通可能な冷媒通路と、
   前記ステータコアおよび前記保持体の少なくとも一方に設けられ、前記冷媒通路に連通する冷媒供給口と、
   前記ステータコアおよび前記保持体の少なくとも一方に設けられ、前記冷媒通路に連通する冷媒排出口と、
   を備え、
   前記冷媒供給口は、前記保持体の軸方向の一方の端面側に開口して設けられ、
   前記冷媒排出口は、前記保持体の軸方向の他方の端面側に開口して設けられ、
   前記ステータコアの外周面に形成され、前記ステータコアの外周面上を第一方向に延びるステータ凹部と、
   前記保持体の内周面に形成され、前記保持体の内周面上を前記第一方向に交差する第二方向に延びる保持体凹部と、を有し、
   前記冷媒通路は、前記ステータ凹部および前記保持体凹部の間に設けられていることを特徴とするステータコアの冷却構造。
2. 前記保持体凹部は、前記保持体の周方向に延びるに従い前記保持体の軸方向に延びる螺旋状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のステータコアの冷却構造。
3. 前記冷媒通路は、前記冷媒供給口と前記冷媒排出口との間で、
   前記保持体凹部によって螺旋状に形成される第１通路と、
   前記ステータコアの軸方向の一端から他端にわたって直線状に延びる前記ステータ凹部によって形成される第２通路と、
   が合わさって形成されていることを特徴とする請求項２に記載のステータコアの冷却構造。
4. 前記ステータコアは、前記保持体に圧入されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のステータコアの冷却構造。
5. 前記保持体は、前記ステータコアを保持した状態で、回転電機のケースに固定されるホルダであることを特徴とする請求項４に記載のステータコアの冷却構造。
6. 請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のステータコアの冷却構造を備えていることを特徴とする回転電機。

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