JP5527308B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

開示の実施形態は、回転電機に関する。

従来、水冷式の冷却機構を備えた回転電機が知られている。たとえば、特許文献１には、ステータの外側を取り囲む環状の冷媒通路を備えた電動機（すなわち、回転電機）を有する電気自動車用駆動装置が開示されている。

なお、特許文献１の回転電機は、駆動時に熱を帯びるパワーモジュール（以下、「発熱部品」と記載する）をステータの上方に配置しており、かかる発熱部品を前述の冷媒通路を流れる冷媒でステータとあわせて冷却する。

特開平６−９９７４５号公報

しかしながら、従来の回転電機には、小型化を図る点でさらなる改善の余地がある。これは、ステータの外側を取り囲む冷媒通路の形成にあたっては、回転電機の筐体がステータの外径を上回る所定幅を要するためである。

実施形態の一態様は、上記に鑑みてなされたものであって、小型化を図ることができる回転電機を提供することを目的とする。

実施形態の一態様に係る回転電機は、筒状の固定子と、外周面の一部を縮径して厚みを薄くした第１部位と、前記第１部位よりも厚みのある複数の第２部位と、内周の中心軸方向の一端面に形成される開口部とを含み、内周面に前記固定子が設けられたフレームとを備える。前記フレームは、収容部と、第１冷媒通路と、第２冷媒通路と、連結部と、第２連結部とを有する。前記収容部は、発熱部品を収容する。前記第１冷媒通路は、前記収容部および前記固定子の間に形成される。前記第２冷媒通路は、前記複数の第２部位ごとに形成される。前記連結部は、前記固定子を挟んで前記第１冷媒通路と反対側の側壁内の前記一端面近傍に設けられ、複数の前記第２冷媒通路のうち２つを連結する。前記第２連結部は、前記中心軸方向の他端面に設けられる側壁内に形成され、前記第１部位を挟んで形成される第２冷媒通路同士をそれぞれ連結する。

実施形態の一態様によれば、小型化を図ることができる。

図１は、実施形態に係る回転電機の構成例を示す図である。 図２は、図１のＡ−Ａ’線断面図である。 図３は、図２のＢ−Ｂ’線断面図である。 図４Ａは、図３のＣ−Ｃ’線断面図である。 図４Ｂは、図３のＤ−Ｄ’線断面図である。 図５Ａは、図４ＢのＥ−Ｅ’線断面図である。 図５Ｂは、図５ＡのＦ−Ｆ’線断面図である。 図５Ｃは、図５ＡのＦ−Ｆ’線断面図である。 図６は、冷媒の流れを示す模式図である。

以下、添付図面を参照して、本願の開示する回転電機の実施形態を詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、以下では、回転電機が、車両用発電機であるものとして説明を行う。

まず、実施形態に係る回転電機の構成例について、図１を用いて説明する。図１は、実施形態に係る回転電機１０の構成例を示す図である。なお、図１には、回転電機１０を負荷側の斜め上方からみた場合を示している。

また、図１には、説明を分かりやすくするために、鉛直上向きを正方向とするＺ軸を含む３次元の直交座標系を図示している。かかる直交座標系は、以下の説明に用いる他の図面においても示す場合がある。

また、以下では、複数個で構成される構成要素については、複数個のうちの１つにのみ符号を付し、その他については符号を省略する場合がある。かかる場合、符号を付した１つとその他とは、同様の構成であるものとする。

図１に示すように、回転電機１０は、フレーム１１と、第１カバー１２と、ブラケット１３とを備える。フレーム１１は、有底の略筒状に形成されており、その内部に、固定子２１、回転子２２といった回転電機１０の駆動部や、発熱部品２３を収容する。

固定子２１は、環状の電磁鋼板を複数枚積層して筒状に形成されており、その外周面はフレーム１１の内周面に固着される。すなわち、フレーム１１は、内周面において固定子２１に外接する。

また、固定子２１の内周側には、所定の空隙ｉを介して回転子２２が対向配置される。回転子２２は、図中のＸ方向へ貫いて設けられるシャフト２４を有する。シャフト２４は、負荷側および反負荷側にそれぞれ設けられる軸受（後述）によって軸支される。これにより、回転子２２は、図中の軸ＡＸまわりに自在に回転することができる。

発熱部品２３は、固定子２１の上方に配置される。このとき、発熱部品２３は、フレーム１１の有する第１収容部（後述）に収容される。かかる第１収容部は、上方が開口されており、かかる開口部には第１カバー１２が取り付けられる。

また、ここでは図示していないが、フレーム１１の反負荷側もまた開口されており、かかる開口部にはブラケット１３が取り付けられる。かかるフレーム１１の反負荷側のさらなる構成については、図３を用いて後述する。

また、フレーム１１は、冷媒の注入口１５および排出口１６を有する。ここでは一例として、排出口１６は、注入口１５よりも高い位置に設けられている。

次に、図１のＡ−Ａ’線を含んだＹＺ平面による断面視を用いて、回転電機１０の構成例についてさらに詳細に説明する。図２は、図１のＡ−Ａ’線断面図である。

図２に示すように、フレーム１１は、外周面の一部を縮径（図中の矢印ｓｈ参照）して厚みを薄くした第１部位１１ａを側壁に含んで形成される。このように、薄肉化した第１部位１１ａをフレーム１１に設けることで、固定子２１の外径を保持しつつ、回転電機１０の所定幅を小さくすることができる。すなわち、回転電機１０の出力確保と小型化とを両立させることができる。

なお、図２に示すように、本実施形態では、フレーム１１は、固定子２１の側方それぞれに１つずつかかる第１部位１１ａを有するものとする。

また、フレーム１１は、第１収容部１１ｂと、第１冷媒通路１１ｃと、第２冷媒通路１１ｄとを有する。第１収容部１１ｂには、既に述べたように、発熱部品２３が収容される。

第１冷媒通路１１ｃは、かかる第１収容部１１ｂと固定子２１との間に、第１収容部１１ｂの底面に略平行な天井部を有して形成される。かかる天井部を有することにより、発熱部品２３を下方から効率的に冷却することができる。第１冷媒通路１１ｃの詳細については、図５Ａ〜図５Ｃを用いて後述する。

第２冷媒通路１１ｄは、前述の第１部位１１ａよりも厚みのある第２部位１１ｈにそれぞれ独立して形成される。なお、図２に示すように、本実施形態では、第２冷媒通路１１ｄは、第１部位１１ａそれぞれの上方および下方の第２部位１１ｈに１つずつ形成されているものとする。

また、第２冷媒通路１１ｄは、固定子２１の外周に応じた形状の内壁面を有し、かつ、フレーム１１の内周の中心軸（すなわち、図１に示した軸ＡＸ）方向に延在するように形成される。第２冷媒通路１１ｄをかかる形状とすることにより、固定子２１を効率的に冷却することができる。

次に、図２のＢ−Ｂ’線断面図である図３を用いて、回転電機１０を側方（Ｙ軸の正方向）からみた場合の内部構造について説明する。

図３に示すように、フレーム１１は、前述の第２冷媒通路１１ｄ（図２参照）同士を連結する連結路１１ｅをさらに備える。連結路１１ｅは、フレーム１１の軸ＡＸ方向の端面近傍に形成される。また、連結路１１ｅは、第２冷媒通路１１ｄと同様に、固定子２１の外周に応じた形状の内壁面を有する。

なお、図３には、フレーム１１の軸ＡＸ方向の反負荷側端面の近傍に形成された連結路１１ｅのみを示しているが、連結路１１ｅは、フレーム１１の負荷側端面の近傍にも形成される。かかる点は、図４Ａを用いて後述する。また、フレーム１１は、軸ＡＸ方向の負荷側端面に、環状の軸受１１ｆを保持する。

なお、図１を用いた説明と重複するが、図３に示すように、フレーム１１の反負荷側の開口部には、ブラケット１３が取り付けられる。かかるブラケット１３は、環状の軸受１３ｆを保持しており、かかる軸受１３ｆと前述の軸受１１ｆとでシャフト２４を軸支する。

また、かかるブラケット１３の開口部には第２カバー１４が取り付けられる。これにより、第２収容部１３ａが形成される。第２収容部１３ａは、シャフト２４の反負荷側端部に取り付けられるレゾルバ１７を収容する。

また、ブラケット１３は、かかる第２収容部１３ａと第１収容部１１ｂとを連通させる第１連通孔１３ｂを有するとともに、同じく第２収容部１３ａと、回転電機１０の駆動部が収容された第３収容部１１ｇとを連通させる第２連通孔１３ｃを有する。

かかる第１連通孔１３ｂおよび第２連通孔１３ｃを介することにより、第２収容部１３ａには、レゾルバ１７のほか、第３収容部１１ｇから延びる配線の結線部などを収容することができ、さらにかかる配線を第１収容部１１ｂへ容易に延ばすことができる。

すなわち、図中のＹＺ平面に沿ってメンテナンス箇所を集中して配置できるので、メンテナンスの作業効率を高められるというメリットを得ることができる。とりわけ、回転電機１０が車両用発電機として用いられる場合、防水性確保のためにシールを施す箇所がＹＺ平面に沿ってフラットに配置されるので、信頼性の高いシールを容易に施せるというメリットをあわせて得ることができる。

次に、図３のＣ−Ｃ’線断面図である図４Ａと、同じく図３のＤ−Ｄ’線断面図である図４Ｂとを用いて、前述の連結路１１ｅについてさらに詳しく説明する。

図４Ａに示すように、フレーム１１の負荷側端面の近傍についても、第２冷媒通路１１ｄ同士を図中のＺ軸に沿って連結する連結路１１ｅが設けられる。

ここで、図４Ａには、フレーム１１の外縁に沿って第２冷媒通路１１ｄ同士を連結する連結路１１ｅを示しているが、これに限らなくともよい。たとえば、図４Ａの連結路１１ｅの幅を軸受１１ｆの外周近傍までさらに広げることによって、固定子２１および回転子２２（いずれも図１参照）の端面の冷却効率を向上させてもよい。

また、図３を用いた説明と重複するが、図４Ｂに示すように、フレーム１１の反負荷側端面の近傍には、前述の第１部位１１ａ（図２参照）の下方に形成された第２冷媒通路１１ｄ同士を図中のＹ軸方向で連結する連結路１１ｅが設けられる。

なお、図４Ｂに示すように、第１部位１１ａ（図２参照）の上方に形成された第２冷媒通路１１ｄの一方は、第１冷媒通路１１ｃと連通して設けられる。また、他方の第２冷媒通路１１ｄは、冷媒の排出口１６と連通して設けられる。

また、第１冷媒通路１１ｃは、冷媒の注入口１５と連通して設けられる。以上の構成により、第１冷媒通路１１ｃおよび第２冷媒通路１１ｄは、注入口１５から排出口１６まで、所定の順序で一繋がりに連通されることとなる。

なお、ここで、図４ＢのＥ−Ｅ’線断面図である図５Ａを用いて、第１冷媒通路１１ｃについて詳しく説明しておく。

図５Ａに示すように、第１冷媒通路１１ｃは、前述の第１収容部１１ｂ（図２参照）と略同一の所定幅を有した略矩形状に形成される。かかる第１冷媒通路１１ｃは、略矩形の隅部の１つにおいて注入口１５と連通する。また、かかる隅部の対角に位置する隅部近傍に、第２冷媒通路１１ｄの１つと連通する第３連通孔１１ｃａを有する。

また、第１冷媒通路１１ｃは、複数個の突起１１ｃｂを有する。かかる突起１１ｃｂは、注入口１５から注入され、第１冷媒通路１１ｃを介して第３連通孔１１ｃａへ流入する冷媒を整流するフィンの役割を果たす。

なお、図５Ａでは、並列する６個の突起１１ｃｂを示しているが、配置位置や個数などを限定するものではない。たとえば、冷媒を蛇行して流通させるように突起１１ｃｂを配列してもよい。

かかる突起１１ｃｂについて、図５Ｂおよび図５Ｃを用いてさらに説明する。図５Ｂおよび図５Ｃは、図５ＡのＦ−Ｆ’線断面図である。

図５Ｂに示すように、突起１１ｃｂは、第１冷媒通路１１ｃの天井部および底面部に、それぞれ対向する向きに設けられる。なお、図５Ｂに示すように、かかる天井部の突起１１ｃｂおよび底面部の突起１１ｃｂの先端同士を接触させないことで、冷媒を整流しつつ、第１冷媒通路１１ｃの底面部方向からの熱の伝導を分断することができる。すなわち、第１冷媒通路１１ｃの上方に配置されている発熱部品２３（図２参照）を確実に冷却することができる。

なお、かかる点は、図５Ｃに示すように、突起１１ｃｂではなく、第１冷媒通路１１ｃの天井部および底面部を連接する支柱１１ｃｂ’を設けることを妨げるものではない。かかる支柱１１ｃｂ’を設ける場合には、第１冷媒通路１１ｃの強度を高められるといったメリットを得ることができる。

このように、第１冷媒通路１１ｃは、注入口１５と連通して設けられるので、注入直後の温度の低い冷媒を用いて発熱部品２３を冷却することができる。すなわち、効率よく発熱部品２３を冷却することができる。

以上の構成を前提として、本実施形態における冷媒の流れを、図６を用いて説明する。図６は、冷媒の流れを示す模式図である。

図６に示すように、注入口１５から注入された冷媒は（矢印１０１参照）、第１冷媒通路１１ｃに流通し（矢印１０２参照）、第３連通孔１１ｃａへ流入する（矢印１０３参照）。

そして、冷媒は、固定子２１の外周に沿って軸ＡＸ方向に延在する第２冷媒通路１１ｄへ流入し（矢印１０４参照）、フレーム１１の負荷側端面近傍の連結路１１ｅを介して（矢印１０５参照）、第２冷媒通路１１ｄを反負荷側方向へ折り返す（矢印１０６参照）。

そして、冷媒は、フレーム１１の反負荷側端面近傍の連結路１１ｅを介して（矢印１０７参照）、ふたたび第２冷媒通路１１ｄを負荷側方向へ折り返す（矢印１０８参照）。

かかる後、冷媒は、フレーム１１の負荷側端面近傍の連結路１１ｅを介して（矢印１０９参照）、さらに第２冷媒通路１１ｄを反負荷側方向へ折り返す（矢印１１０参照）。そして、最終的に冷媒は、排出口１６から排出されることとなる（矢印１１１参照）。

このように、まず、第１冷媒通路１１ｃへ冷媒を流通させることによって、発熱部品２３を効率よく確実に冷却することができる。また、上述の第１部位１１ａ（図２参照）によって分離された独立の第２冷媒通路１１ｄを設けつつも、連結路１１ｅを介して固定子２１の周囲にもれなく冷媒を流通させるので、筐体の小型化と優れた冷却効率性とを両立させることができる。

ところで、実施形態に係る回転電機１０は、フレーム１１のひずみの影響を発熱部品２３などに及ぼしにくいという効果も得ることができる。かかる点について、既に示した図２を用いて具体的に説明する。

図２に示すように、固定子２１は、フレーム１１の内周面に固着されるが、かかる固着は焼き嵌めなどによって行われる。このとき、かかる焼き嵌めの加熱によって、フレーム１１の内周面およびその周囲にひずみを生じる可能性がある。

しかしながら、実施形態に係る回転電機１０は、発熱部品２３を収容する第１収容部１１ｂと固定子２１との間に中空構造の第１冷媒通路１１ｃを配置するので、かかるひずみを、固定子２１に面した第１冷媒通路１１ｃの内壁面で吸収することができる。

すなわち、発熱部品２３の置かれる第１収容部１１ｂの底面部をひずませることなくフラットに保つことができるので、発熱部品２３をはじめ第１収容部１１ｂに収容される各種機器へひずみによる悪影響を与えることなく、安定動作させることができる。

上述してきたように、実施形態に係る回転電機は、筒状の固定子と、外周面の一部を縮径して厚みを薄くした第１部位と、上記第１部位よりも厚みのある第２部位とを含み、内周面に上記固定子が設けられたフレームとを備える。フレームは、収容部と、第１冷媒通路と、第２冷媒通路とを有する。収容部は、発熱部品を収容する。第１冷媒通路は、上記収容部および上記固定子の間に形成される。第２冷媒通路は、上記第２部位に形成される。

したがって、実施形態に係る回転電機によれば、小型化を図ることができる。

ところで、上述した実施形態では、発熱部品を固定子の上方に配置する場合について説明したが、発熱部品の配置位置を限定するものではない。

また、上述した実施形態では、固定子の側方にあたるフレームの側壁を薄肉化した場合を例示したが、これに限られるものではない。すなわち、回転電機自体の配置スペースの形状や、発熱部品の配置位置などに応じて、適宜薄肉化する部位およびその形状を定めればよい。

また、上述した実施形態では、回転電機が、主に車両用発電機として用いられる場合について説明したが、回転電機の用途を問わず適用できることは言うまでもない。たとえば、回転電機を電動機として用いる場合に適用してもよい。

さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。このため、本発明のより広範な態様は、以上のように表しかつ記述した特定の詳細および代表的な実施形態に限定されるものではない。したがって、添付の特許請求の範囲およびその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。

１０ 回転電機
１１ フレーム
１１ａ 第１部位
１１ｂ 第１収容部
１１ｃ 第１冷媒通路
１１ｃａ 第３連通孔
１１ｃｂ 突起
１１ｃｂ’ 支柱
１１ｄ 第２冷媒通路
１１ｅ 連結路
１１ｆ 軸受
１１ｇ 第３収容部
１１ｈ 第２部位
１２ 第１カバー
１３ ブラケット
１３ａ 第２収容部
１３ｂ 第１連通孔
１３ｃ 第２連通孔
１３ｆ 軸受
１４ 第２カバー
１５ 注入口
１６ 排出口
１７ レゾルバ
２１ 固定子
２２ 回転子
２３ 発熱部品
２４ シャフト

Claims (7)

1. 筒状の固定子と、
   外周面の一部を縮径して厚みを薄くした第１部位と、前記第１部位よりも厚みのある複数の第２部位と、内周の中心軸方向の一端面に形成される開口部とを含み、内周面に前記固定子が設けられたフレームと
   を備え、
   前記フレームは、
   発熱部品を収容する収容部と、
   前記収容部および前記固定子の間に形成される第１冷媒通路と、
   前記複数の第２部位ごとに形成される第２冷媒通路と
   前記固定子を挟んで前記第１冷媒通路と反対側の側壁内の前記一端面近傍に設けられ、複数の前記第２冷媒通路のうち２つを連結する連結部と、
   前記中心軸方向の他端面に設けられる側壁内に形成され、前記第１部位を挟んで形成される第２冷媒通路同士をそれぞれ連結する第２連結部と
   を有することを特徴とする回転電機。
2. 前記第１冷媒通路は、
   冷媒の注入口と連通して設けられ、
   前記第２冷媒通路の１つは、
   前記冷媒の排出口と連通して設けられ、
   前記第２冷媒通路は、
   前記第１冷媒通路と連通する所定の順序で、前記連結部及び前記第２連結部を介して連結されることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
3. 前記第２冷媒通路は、
   前記固定子の外周に応じた形状の内壁面を有することを特徴とする請求項１または２に記載の回転電機。
4. 前記フレームは、
   前記固定子の側方それぞれに前記第１部位を１つずつ有し、前記第１部位それぞれの上方および下方に１つずつ前記第２冷媒通路を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の回転電機。
5. 前記第１冷媒通路は、
   前記収容部の底面に略平行な形状の内壁面である天井部を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の回転電機。
6. 前記第１冷媒通路は、
   前記天井部および当該天井部に対向する底面部のそれぞれに、対向する向きの突起を有することを特徴とする請求項５に記載の回転電機。
7. 前記第１冷媒通路は、
   前記天井部および当該天井部に対向する底面部を連接する支柱を有することを特徴とする請求項５に記載の回転電機。

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