WO2008143000A1

WO2008143000A1 - 回転電機の冷却構造

Info

Publication number: WO2008143000A1
Application number: PCT/JP2008/058514
Authority: WO
Inventors: Hiroaki Urano; Satoshi Murata; Michitaka Tsuchida; Yasuaki Tahara
Original assignee: Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha; Aisin Seiki Kabushiki Kaisha
Priority date: 2007-05-16
Filing date: 2008-04-28
Publication date: 2008-11-27
Also published as: JP2008289244A

Abstract

回転電機であるモータジェネレータの冷却構造は、モータケース（２１）と、ボルト挿入孔（５７）が形成され、モータケース（２１）に収容されるステータ（５０）と、ボルト挿入孔（５７）に挿入され、ステータ（５０）をモータケース（２１）に締結するボルト（５６）とを備える。ボルト（５６）は、熱媒体が封入された中空部（５８）を有し、ヒートパイプとして機能する。このような構成により、ステータの放熱が促進される回転電機の冷却構造を提供する。

Description

明細書回転電機の冷却構造技術分野

この発明は、一般的には、回転電機の冷却構造に関し、より特定的には、ステータがケース体にポルト締結される回転電機の冷却構造に関する。背景技術

従来の回転電機の冷却構造に関して、たとえば、特開² 0 0 2— 3 1 5 2 3 5 号公報には、分割鉄心を用いた固定子の組み立てを容易にすることを目的としたモータが開示されている（特許文献 1 ) 。特許文献 1に開示されたモータは、卷線が巻回された複数の分割型鉄心を環状に配置して回転磁界を発生する固定子と、固定子を固定するハウジングとを備える。固定子は、その一端面側をハウジングに嵌入し、鉄心を貫通するスルーボルトで他端面側からハウジングに取り付けられる。

また、特開 2 0 0 3— 2 0 4 6 5 6号公報には、長時間の高温環境の中でも安定した冷却性を維持することを目的とした自動車用交流発電機が開示されている (特許文献 2 ) 。特許文献 2では、宪電電圧を制御する制御部が、締結部材によつてリャプラケットに固定されている。制御部の熱は、締結部材を介してリャブラケットに伝達される。

モータ等の回転電機では、コイルやコイルが卷回されるステータコアの発熱を避けることができない。このため、この熱をいかに効率良くステータから放熱させるかが問題となる。しかしながら、上述の特許文献に開示されたモータや自動車用交流亮電機では、ステータからの放熱に関して改善の余地がある。発明の開示

この発明の目的は、上記の課題を解決することであり、ステータの放熱が促進される回転電機の冷却構造を提供することである。この発明に従った回転電機の冷却構造は、ケース体と、貫通孔が形成され、ケース体に収容されるステータと、貫通孔に挿入され、ステータをケース体に締結するボルトとを備える。ボルトは、熱媒体が封入された中空部を有し、ヒートパイブとして機能する。

このように構成された回転電機の冷却構造によれば、ボルトをヒートパイプとして機能させることにより、ステータで発生した熱を、中空部に封入された熱媒体を介在させてケース体に伝える。これにより、ステータからケース体への放熱を促進させることができる。

また好ましくは、ポルトは、ケース体に締結される締結部を含む。中空部は、貫通孔の賞通方向に延び、締結部の内側にまで延びる。このように構成された回転電機の冷却構造によれば、熱媒体の熱を効率良くケース体に伝えることができる。

また好ましくは、ステータは、貫通孔の貫通方向に積層された複数の電磁鋼板を含む。このように構成された回転電機の冷却構造によれば、複数の電磁鋼板間に介在する微小な空気層等に起因して、ステータ内の熱伝導が電磁鋼板の積層方向において阻害される。これに対して、ボルトをヒートパイプとして機能させることにより、電磁鋼板の積層方向におけるステータ内の熱伝導を促進させることができる。

また好ましくは、ケース体は、ステータの外周上に配置される側部と、ステータの軸方向において側部の一端に配置される底部とを含む。ステータと側部との間に隙間が形成される。底部にステータが締結される。このように構成された回転電機の冷却構造によれば、ステータと側部との間に隙間が形成されるため、ステータからケース体への放熱を効率良く行なうことが難しい。これに対して、ボルトをヒートパイプとして機能させることにより、ステータからステータが締結される底部への放熱を促進させることができる。

以上説明したように、この発明に従えば、ステータの放熱が促進される回転電機の冷却構造を提供することができる。図面の簡単な説明図 1は、この発明の実施の形態におけるモータジエネレータの冷却構造が適用された駆動ユエットを模式的に表わす断面図である。

図 2は、図 1中の I I— I I線上に沿ったモータジェネレータの端面図である。図 3は、図 1中の 2点鎖,锒 I I Iで囲まれた範囲を示す断面図である。

図 4は、図 3中の I V— I V線上に沿ったポルトの断面図である。

図 5は、図 1中のステータ内の熱伝導を説明するための図である。

図 6は、図 1中の V I - V I線上に沿ったモータジェネレータの断面図である。発明を実施するための最良の形態

この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下で参照する図面では、同一またはそれに相当する部材には、同じ番号が付されている。図 1は、この発明の実施の形態におけるモータジェネレータの冷却構造が適用された駆動ュ-ットを模式的に表わす断面図である。図中に示す駆動ュニットは、ガソリンエンジンやディーゼルエンジン等の内燃機関と、充放電可能な 2次電池

(バッテリ）とを動力源とするハイプリッド車両に搭載されている。

図 1を参照して、駆動ュニットは、モータジェネレータ 1 1を含む。モータジエネレータ 1 1は、電動機もしくは発電機としての機能を有する回転電機である。モータジェネレータ 1 1は、ロータ 3 0と、ステータ 5 0と、モータケース 2 1 とを含む。ロータ 3 0の外周上にステータ 5 0が配置されている。中心軸 1 0 1 は、水平方向に延びる。ロータ 3 0およぴステータ 5 0は、モータケース 2 1に収容されている。ステータ 5 0は、モータケース 2 1に固定されている。

ロータ 3 0は、仮想軸である中心軸 1 0 1の軸方向に円筒状に延びる形状を有する。ロータ 3 0は、複数の電磁鋼板 3 2を含む。複数の電磁鋼板 3 2は、中心軸 1 0 1の軸方向に積層されている。ロータ 3 0は、中心軸 1 0 1の軸方向に延びるシャフト 4 3に固定されている。シャフト 4 3は、図示しない軸受けを介してモータケース 2 1に対して回転自在に支持されている。モータケース 2 1には、孔 2 4が形成されている。孔 2 4には、シャフト 4 3が揷通されている。シャフト 4 3は、複数の歯車を含んで構成された減速機構 1 4に接続されている。ロータ 3 0には、永久磁石 3 1が埋設されている。ロータ 3 0は、シャフト 4 3とともに中心軸 1 0 1を中心に回転する。

ロータ 3 0は、 I P M (Interior Permanent Magnet) 口タである。ロータ 3 0は、これに限らず、ロータ表面に磁石が貼り付けられる S P M (surface permanent magnet) 口タであつ一もよレヽ。

ステータ 5 0は、中心軸 1 0 1の軸方向に円筒状に延びる形状を有する。ステータ 5 0は、複数の電磁鋼板 5 2を含む。複数の電磁鋼板 5 2は、中心軸 1 0 1 の軸方向に積層されている。電磁鋼板 5 2は、薄板形状を有する。電磁鋼板 5 2 は、一方の周縁を把持した場合に他方の周縁が鉛直下方向に垂れる程度の薄板形状を有する。電磁鋼板 5 2は、たとえば 1 mm以下の厚みを有する。積層された複数の電磁鋼板 5 2は、たとえば溶接やかしめ等の手段により互いに結合されている。

ステータ 5 0は、中心軸 1 0 1が延びる方向の一方端に端面 5 0 aを含み、他方端に端面 5 0 bを含む。端面 5 0 aおよぴ端面 5 0 bは、中心軸 1 0 1に直交する平面内で延在する。

ステータ 5 0には、コイル 5 1が卷回されている。コイル 5 1は、たとえば絶縁被膜された銅線から形成されている。コイル 5 1は、 U相、 V相および W相コィルを含む。これら各相コイルに対応する端子が、端子台 1 7に接続されている。端子台 1 7は、インバータ 1 8を介してバッテリ 1 9に電気的に接続されている。インバータ 1 8は、バッテリ 1 9からの直流電流をモータ駆動用の交流電流に変換するとともに、回生ブレーキにより発電された交流電流を、バッテリ 1 9に充電するための直流電流に変換する。

モータジェネレータ 1 1から出力された動力は、減速機構 1 4からディファレンシャノレ機構 1 5を介してドライブシャフト受け部 1 6に伝達される。ドライブシャフト受け部 1 6に伝達された動力は、ドライブシャフトを介して図示しない車輪に回転力として伝達される。

一方、ハイブリッド車両の回生制動時には、車輪は車体の慣性力により回転させられる。車輪からの回転力によりドライブシャフト受け部 1 6、ディファレンシャル機構 1 5および減速機構 1 4を介してモータジェネレータ 1 1が駆動される。このとき、モータジェネレータ 1 1が発電機として作動する。モータジエネレータ 11により発電された電力は、インバータ 18を介してバッテリ 19に蓄えられる。

図 2は、図 1中の I I— I I線上に沿ったモータジェネレータの端面図である。図中には、モータジェネレータ 11の卷線構造が模式的に表わされている。

図 1および図 2を参照して、ステータ 50は、鍔部 54A、 54 Bおよび 54

Cを含む（以下、特に区別しない場合には鍔部 54と呼ぶ）。鍔部 54は、電磁鋼板 52に一体に形成されている。複数の鍔部 54が、中心軸 101を中心とする周方向に間隔を隔てて形成されている。鐸部 54A、鍔部 54 Bおよび鍔部 5 4Cは、等間隔に配置されている。鍔部 54は、ステータ 50の周縁から中心軸 101を中心とする半径方向外側に向かって突出する。

ステータ 50には、電磁鋼板 52の積層方向に貫通するボルト挿入孔 57が形成されている。ボルト挿入孔 57は、各電磁鋼板 52の鍔部 54に形成されている。ボルト揷入孔 57は、ステータ 50を貫通する。ボルト揷入孔 57は、中心軸 101の軸方向に延び、端面 50 aおよび端面 50 bにそれぞれ開口する。なお、ポルト挿入孔 57が形成される数は 3つに限られず、適宜変更される。

ステータ 50は、中心軸 101を中心に環状に延びるヨーク部 50 yと、ョーク部 50 yの周方向に所定の間隔を隔てて配列され、ヨーク部 50 yの内周面からその径方向内側に突出する複数のティース部 50 tとを含む。互いに隣り合うティース部 50 tと、ヨーク部 50 yとに囲まれた空間には、スロット部 50 s が形成されている。スロット部 50 sは、ロータ 30に対向する位置で開口する。コイル 51は、 U相コイル 51U、 V相コイル 51 Vおよび W相コイル 51W を含む。コイル 51は、いわゆる分布巻きによってステータ 50に巻回されている。

その形態について説明すると、 U相コイル 51U、 V相コイル 5 IVおよび W 相コイル 51Wは、周方向に連続して並ぶ複数個のティース部 50 tの周りを周回するように、それぞれ複数箇所に設けられている。 U相コイル 51U、 V相コィル 5 IVおよび W相コイル 51Wは、その複数個のティース部 50 tの両側にあるスロット部 50 sと、端面 50 aおよび端面 50 b上を通るように巻回されている。 U相コイル 51U、 V相コイル 5 IVおよび W相コイル 51Wは、挙げた順に外周側から内周側に並んで卷回されている。 U相コイル 5 1 U、 V相コィル 5 I Vおよび W相コイル 5 1 Wは、互いに周方向にずれた位置でティース部 5 0 tに卷回されている。

なお、コイル 5 1は、分布卷きに限定されず、コイル 5 1が 1つの磁極ごとにティース部 5 0 tに集中的に巻回される、いわゆる集中卷きによってステータ 5 0に卷回されてもよい。

図 3は、図 1中の 2点鎖線 I I Iで囲まれた範囲を示す断面図である。図 1および図 3を参照して、モータケース 2 1は、金属から形成されている。冷媒が流通するウォータジャケットがモータケース 2 1に形成されてもよい。

モータケース ₂ 1は、側部 2 1 mと底部 2 1 nとを含む。側部 2 1 mは、中心軸 1 0 1の軸方向に筒状に延びる形状を有する。側部 2 l mは、ステータ 5 0の外周を取り囲むように形成されている。底部 2 I nは、中心軸 1 0 1の軸方向における側部 2 Ι παの一端に配置されている。孔 2 4は、底部 2 I nに形成されている。ステータ 5 0は、底部 2 1 nに载置されている。底部 2 I nとステータ ⁵ 0の端面 5 O bとが、面接触する。

モータケース 2 1には、雌ねじ 2 6が形成されている。雌ねじ 2 6は、底部 2 I nに形成されている。モータジェネレータ 1 1は、ボルト 5 6を含む。ボルト 5 6は、ポルト揷入孔 5 7に挿通されるとともに、雌ねじ 2 6に螺合されている。ステータ 5 0は、ボルト 5 6によってモータケース 2 1に締結されている。ポルト 5 6は、電磁鋼板 5 2の積層方向に締結力を発生させ、ステータ 5 0をモータケース 2 1に対して結合させる。ポルト 5 6は、金属から形成されている。

ボルト 5 6は、頭部 5 6 j と軸部 5 6 kとを含む。頭部 5 6 jは、ステータ 5 0の端面 5 0 a上に位置決めされる。軸部 5 6 kは、ボルト揷入孔 5 7に揷入されるとともに、雌ねじ部 2 6に螺合される。ポルト 5 6は、モータケース 2 1に締結される締結部 5 6 pを含む。締結部 5 6 pは、軸部 5 6 kのうちの雌ねじ 2 6に螺合される部分である。

図 3を参照して、図中では、ボルト 5 6の断面形状が示されている。ボルト 5 6は、中空部 5 8を含む。中空部 5 8は、ボルト 5 6の内部の空間により形成されている。中空部 5 8は、軸部 5 6 kに形成されている。中空部 5 8は、頭部 5 6 jおよび軸部 5 6 kの間で連なるように形成されてもよい。中空部 5 8は、軸部 5 6 kに軸方向、つまりボルト挿入孔 5 7の貫通方向に沿って延びる。中空部 5 8は、積層された複数の電磁鋼板 5 2の一方端と他方端との間で連続して延ぴる。中空部 5 8は、締結部 5 6 pの内側にまで延びる。

図 4は、図 3中の I V— I V線上に沿ったボルトの断面図である。図 3および図 4を参照して、ボルト 5 6は、毛細管構造としての溝形状が形成された内壁 5 9を含む。内壁 5 9に囲まれた位置に中空部 5 8が形成されている。中空部 5 8 は、真空状態で封止されている。中空部 5 8には、水ゃフレオン、アンモニアなどの図示しない熱媒体が少量、封入されている。このような構成により、ポルト 5 6は、ヒートパイプとして機能する。

なお、図 3および図 4中では、ポルト 5 6に 1本の中空部 5 8が形成されているが、これに限らず、互いに間隔を設けて複数本の中空部 5 8がボルト 5 6に形成されてもよい。内壁 5 9に形成される毛細管構造および中空部 5 8に封入される熱媒体は適宜、変更される。

図 1および図 3を参照して、モ^"タジェネレータ 1 1の駆動時、電磁鋼板 5 2 の発熱やコイル 5 1の発熱に起因して、ステータ 5 0の温度が上昇する。本実施の形態では、ステータ 5 0の熱が、中空部 5 8に封入された熱媒体に吸収される。これにより、熱媒体は、蒸発し、ステータ 5 0の内側からモータケース 2 1の内側に向かって移動する。モータケース 2 1の内側に到達した熱媒体は、モータケース 2 1と熱交換を行なうことによって、熱を放出する。熱媒体は、液体に戻り、内壁 5 9に形成された溝形状による毛細管作用によって、ステータ 5 0の内側に向けて移動する。ステータ 5 0の内側に戻った熱媒体は、再びステータ 5 0の熱を吸収する。このようなサイクルの繰り返しにより、ステータ 5 0の熱がモータケース 2 1に放熱される。

図 5は、図 1中のステータ内の熱伝導を説明するための図である。図 5を参照して、本実施の形態では、ステータ 5 0が積層された複数の電磁鋼板 5 2を含む。この場合、ボルト 5 6による締結力にもかかわらず、複数の電磁鋼板 5 2の間に微小な空気層が形成される。このため、ステータ 5 0内の熱伝導率は、各電磁鋼板 5 2の延在方向（中心軸 1 0 1を中心とする径方向）と比較して、複数の電磁 2008/058514 鋼板 5 2の積層方向（中心軸 1 0 1の軸方向）において小さくなる。これに対して、本実施の形態では、ヒートパイプとして機能するボルト 5 6を設けることによって、複数の電磁鋼板 5 2の積層方向における熱伝導を促進させることができる。

図 6は、図 1中の V I—V I線上に沿ったモータジェネレータの断面図である。図中では、ステータ 5 0の外形が 2点鎖線によって表わされている。図 6を参照して、モータケース 2 1の側部 2 l mとステータ 5 0との間には、隙間 8 0が形成されている。側部 2 1 mは、ステータ 5 0と非接触である。この場合、ステ^" タ 5 0からモータケース 2 1への放熱は、底部 2 1 nを通じての経路に限られる。このため、ステータ 5 0からモータケース 2 1に効率良く熱を伝えることができず、ステータ 5 0の温度上昇が問題となり易い。これに対して、本実施の形態では、ヒートパイプとして機能するボルト 5 6を設けることによって、ステータ 5 0からモータケース 2 1への放熱を効率良く行なうことができる。

なお、ポルト揷入孔 5 7の内壁とボルト 5 6との間に樹脂製のスリ一ブが揷入されてもよい。これにより、ステータ 5 0の熱を効率良く中空部 5 8の熱媒体に吸収させることができる。また、ポルト 5 6のねじの呼び（JIS B 0205 に規定）が M ( k ) であるとすると、締結部 5 6 pの長さは、 2 k以上であることが好ましい。締結部 5 6 pの長さは、 3 k以上であることがさらに好ましい。これらの場合、ボルト 5 6とモータケース 2 1との締結長さを十分に確保することで、熱媒体の熱を効率良くモータケース 2 1に伝えることができる。

この発明の実施の形態におけるモータジェネレータ 1 1の冷却構造は、ケース体としてのモータケース 2 1と、貫通孔としてのボルト挿入孔 5 7が形成され、モ ^_タケース 2 1に収容されるステータ 5 0と、ボルト揷入孔 5 7に揷入され、ステータ 5 0をモータケース 2 1に締結するポルト 5 6とを備える。ポルト 5 6 は、熱媒体が封入された中空部 5 8を有し、ヒートパイプとして機能する。

このように構成された、この発明の実施の形態におけるモータジェネレータ 1 1の冷却構造によれば、ヒートパイプとして機能するボルト 5 6を設けることによって、ステータ 5 0からモータケース 2 1への放熱を促進させることができる。また、ステータ 5 0を冷却するための新たな部品を設ける必要がないため、簡易 2008/058514 な構成で上記効果を奏することができる。

なお、本実施の形態では、ロータ 3 0およびステータ 5 0がそれぞれ電磁鋼板 3 2および 5 2から形成される場合を説明したが、電磁鋼板に限定されず、たとえば圧粉磁心等、他の磁性材料から形成されてもよい。また、本発明における回転電機の冷却構造を、電気自動車に搭載されるモータや、一般的な産業用モータに適用してもよい。本発明における回転電機の冷却構造を、車両用ホイールに配置され、車輪を駆動するモータ、いわゆるインホイールモータに適用してもよい。また、以上に説明した回転電機の冷却構造の各構成を適宜組み合わせて、新たな回転電機の冷却構造を構成してもよい。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であつて制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。産業上の利用可能性

この発明は、主に、ハイブリッド車両や電気自動車などの車両に搭載される回転電機に利用される。

Claims

請求の範囲

1 . ケース体と、

貫通孔が形成され、前記ケース体に収容されるステータと、

前記貫通孔に揷入され、前記ステータを前記ケース体に締結するボルトとを備え、

前記ポルトは、熱媒体が封入された中空部を有し、ヒートパイプとして機能する、回転電機の冷却構造。

2 . 前記ボルトは、前記ケース体に締結される締結部を含み、

前記中空部は、前記貫通孔の貫通方向に延び、前記締結部の内側にまで延びる、請求の範囲第 1項に記載の回転電機の冷却構造。

3 . 前記ステータは、前記貫通孔の貫通方向に積層された複数の電磁鋼板を含む、請求の範囲第 1項に記載の回転電機の冷却構造。

4 . 前記ケース体は、前記ステータの外周上に配置される側部と、前記ステ一タの軸方向において前記側部の一端に配置される底部とを含み、

前記ステータと前記側部との間に隙間が形成され、

前記底部に前記ステータが締結される、請求の範囲第 1項に記載の回転電機の冷却構造。