JP2012165488A - 回転電機の冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】引き摺りトルクの発生を抑制し、燃費悪化を抑制することができる回転電機の冷却装置を提供する。
【解決手段】回転可能に設けられたシャフト５８内に導入された冷却用オイルＡを、シャフト５８の周囲に固設されたロータ１０の回転で発生する遠心力により、ロータ１０の外周に配置されたステータ５０側に供給して回転電機１００を冷却する冷却装置において、ロータ１０の外周上に設けられ、ロータ１０の回転によりマイクロバブルを発生するマイクロバブル発生部２２（２３）を備えることを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、回転電機の冷却装置に関する。

従来、自動車等の車両の駆動装置としてモータや発電機などの回転電機を備えたものが知られている。回転電機は、作動に伴って熱を発生する。この発熱は回転電機の運転効率を低下させる虞があるので、作動中に回転電機を冷却する必要がある。

例えば、特許文献１には、シャフト内に導入された冷媒を、ロータの回転で発生する遠心力によりステータ側に供給して回転電機を冷却する冷却装置が記載されている。

特開２００９−２７８３７号公報

しかしながら、特許文献１のように、回転電機内に冷媒を供給する冷却装置では、供給された冷媒がロータとステータとの間に浸入し、この浸入した冷媒の影響でロータが回転すると引き摺りトルクが発生し、この結果、運転効率が低下して燃費を悪化させる虞がある。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであって、引き摺りトルクの発生を抑制し、燃費悪化を抑制することができる回転電機の冷却装置を提供することを目的とする。

本発明は、回転可能に設けられたシャフト内に導入された冷媒を、前記シャフトの周囲に固設されたロータの回転で発生する遠心力により、前記ロータの外周に配置されたステータ側に供給して回転電機を冷却する冷却装置において、前記ロータの外周上に設けられ、前記ロータの回転によりマイクロバブルを発生するマイクロバブル発生部を備えることを特徴とする。

前記マイクロバブル発生部は、前記ロータの外周上に形成された凹形状部であることが好ましい。

または、前記マイクロバブル発生部は、前記ロータの外周上に形成された凸形状部であることが好ましい。

本発明に係る回転電機の冷却装置において、前記シャフト内に導入される冷媒にマイクロバブルを混入するマイクロバブル発生装置を備えることが好ましい。

本発明にかかる回転電機の冷却装置は、ロータの外周上に設けられたマイクロバブル発生部においてロータの回転に伴いマイクロバブルを発生させ、このマイクロバブルによりロータ表面に空気膜を形成させる。この結果、引き摺りトルクの発生を抑制し、燃費悪化を抑制することができるというという効果を奏する。

図１は、本発明の第一実施形態に係る回転電機の冷却装置の概略構成を示す断面図である。 図２は、図１に示すロータの一部を拡大視した拡大断面図である。 図３は、ロータコアを中心線の方向からみた図である。 図４は、図３に示すマイクロバブル発生部の１つを拡大視した図である。 図５は、ロータコアを中心線の方向からみた図である。 図６は、図５に示すマイクロバブル発生部の１つを拡大視した図である。 図７は、本発明の第二実施形態に係る回転電機の冷却装置の概略構成を示す断面図である。

以下に、本発明に係る回転電機の冷却装置の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の図面において、同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰り返さない。

〔第一実施形態〕
まず、図１〜６を参照して、本発明の第一実施形態について説明する。図１は、本実施形態に係る回転電機の冷却装置の概略構成を示す断面図である。図中に示す回転電機は、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）から電力供給されるモータとを動力源とするハイブリッド自動車に搭載されたモータである。そして、回転電機とは、電力が供給されてモータとしての機能と、発電機（ジェネレータ）としての機能との少なくとも一方の機能を有するモータジェネレータを意味する。

図１を参照して、回転電機１００は、ロータ１０と、ロータ１０の外周に配置されたステータ５０とを備える。ロータ１０は、中心線１０１に沿って延びるシャフト５８に設けられている。ロータ１０は、シャフト５８の周囲に固設され、シャフト５８とともに中心線１０１を中心に回転する。なお、ロータ１０及びステータ５０は、シャフト５８を回転可能に保持するハウジング（図示せず）の内部に収納されている。

ロータ１０は、ロータコア２０と、ロータコア２０に埋設された永久磁石３１とを有する。すなわち、回転電機１００は、ＩＰＭ（Interior Permanent Magnet）モータである。ロータコア２０は、中心線１０１に沿った円筒形状を有する。ロータコア２０は、中心線１０１の軸方向に積層された複数の電磁鋼板２１から構成されている。

中心線１０１方向に位置するロータ１０の軸方向端面には、エンドプレート２９が設けられている。

ステータ５０は、ステータコア５５と、ステータコア５５に巻回されたコイル５１とを有する。ステータコア５５は、中心線１０１の軸方向に積層された複数の電磁鋼板５２から構成されている。なお、ロータコア２０およびステータコア５５は、電磁鋼板に限定されず、たとえば圧粉磁心から構成されても良い。

コイル５１は、３相ケーブル６０によって制御装置７０に電気的に接続されている。３相ケーブル６０は、Ｕ相ケーブル６１、Ｖ相ケーブル６２およびＷ相ケーブル６３からなる。コイル５１は、Ｕ相コイル、Ｖ相コイルおよびＷ相コイルからなり、これらの３つのコイルの端子に、それぞれ、Ｕ相ケーブル６１、Ｖ相ケーブル６２およびＷ相ケーブル６３が接続されている。

制御装置７０には、ハイブリッド自動車に搭載されたＥＣＵ（Electrical Control Unit）８０から、回転電機１００が出力すべきトルク指令値が送られる。制御装置７０は、そのトルク指令値によって指定されたトルクを出力するためのモータ制御電流を生成し、そのモータ制御電流を、３相ケーブル６０を介してコイル５１に供給する。

図２は、図１に示すロータ１０の一部を拡大視した拡大断面図である。図２に示すように、回転電機１００は、シャフト５８に導入される冷却用のオイル（冷媒）Ａによって永久磁石３１を冷却する磁石冷却通路４０を備えている。この磁石冷却通路４０は、シャフト５８内部に形成された冷媒通路４５と、この冷媒通路４５に連通し、エンドプレート２９に形成された冷媒通路４３と、冷媒通路４３に連通する排出孔４４とを備えている。

冷媒通路４５は、中心線１０１方向に延びる軸方向通路４１と、この軸方向通路４１に連設され、シャフト５８の径方向に向けて延びる径方向通路４２とを備えている。

冷媒通路４３は、径方向通路４２に接続され、永久磁石３１に向けて延びる流路４３ａと、この流路４３ａの外径方向端部に接続され、この径方向端部からロータ１０の径方向内方に向けて延びる流路４３ｂとを備えている。

流路４３ａは、エンドプレート２９の主表面２９ａ〜２９ｄのうち、ロータ１０の軸方向端面１０ｂと対向する主表面２９ｃ，２９ｄに形成された溝部と、ロータ１０の軸方向端面１０ａ，１０ｂとによって規定されている。流路４３ａは、永久磁石３１の表面のうち、ロータコア２０の軸方向に位置する軸方向端面３１ａ，３１ｂを経由している。これにより、耐熱性の低い永久磁石３１をオイルによって冷却することができる。

そして、図２において、流路４３ｂは、流路４３ａの外径方向端部に接続され、この流路４３ａの外径方向端部からロータ１０の径方向内方に向けて延びる。このように、エンドプレート２９内において、冷媒通路４３が長尺に形成されることで、オイルとエンドプレート２９との接触面積を増大させることができ、エンドプレート２９を良好に冷却することができ、エンドプレート２９内の発熱による磁石の温度上昇の低減を図ることができる。

排出孔４４は、エンドプレート２９の主表面２９ａ，２９ｂに開口している。この排出孔４４からオイルは、外部に排出される。

次に、本実施形態の冷却装置による回転電機の冷却構造について説明する。中空のシャフト５８の内部に形成された冷媒通路４５内へ外部から供給されたオイルＡは、軸方向通路４１の内部を中心線１０１の方向に沿うように流れる。シャフト５８は回転しているので遠心力が発生し、オイルＡは軸方向通路４１の壁面に沿って流れる。この遠心力の作用によって、径方向通路４２に到達したオイルＡの一部は径方向通路４２へ流入し、シャフト５８の径方向外側に向かって、径方向通路４２の内部を流れる。

そして、オイルＡは、エンドプレート２９内の冷媒通路４３へ流入し、冷媒通路４３の内部を流通して、ロータ１０の軸方向端面１０ａ，１０ｂ、永久磁石３１の軸方向端面３１ａ，３１ｂ、及びエンドプレート２９を冷却する。その後に、オイルＡは排出孔４４へ到り、排出孔４４から回転電機の内部空間へと流れ出る。

さらに、オイルＡにはロータ１０の回転により発生する遠心力が作用しているため、オイルＡは、この遠心力により排出孔４４からロータ１０の外周側（ステータ５０側）へ向かって供給され、噴霧されて飛散する。そしてこのように飛散したオイルＡは、ステータ５０のコイル５１の回転半径方向内方側の表面５１ａに到達して、コイル５１を冷却する。このように、シャフト５８に導入されたオイルＡによって、ロータ１０（ロータ１０の軸方向端面１０ａ，１０ｂ、永久磁石３１の軸方向端面３１ａ，３１ｂ、及びエンドプレート２９）及びステータ５０（コイル５１）を含む回転電機１００が冷却される。

ここで、このような冷却構造において、ロータ１０の排出孔４４からステータ方向にオイルが噴霧されて飛散する際に、飛散したオイルの一部がロータ１０とステータ５０とのなす隙間に浸入する場合がある。隙間にオイルが浸入すると、オイルの粘性により引き摺りトルクが発生し、ロータの回転が妨げられ、この結果運転効率の悪化や燃費の悪化を引き起こす虞がある。

そこで、特に本実施形態では、このような状況を回避すべく、ロータ１０の外周上、より詳細にはロータコア２０の外周面２０ａ（図３、４参照）にマイクロバブル発生部２２が設けられている。マイクロバブル発生部２２とは、ロータ１０の回転によりロータ１０の周囲にマイクロバブルＢを発生させるものであり、具体的には、ロータ１０（ロータコア２０）の外周面２０ａに形成された複数の凹形状をなす部分である。

図３は、ロータコア２０を中心線１０１の方向からみた図であり、図４は、図３に示すマイクロバブル発生部２２の１つを拡大視した図である。図３及び図４に示すように、マイクロバブル発生部２２は、ロータコア２０の軸線方向視において、それぞれが三角形状の断面形状をなす凹形状部であり、より詳細には、ロータコア２０の軸線方向視において、ロータ１０（ロータコア２０）の回転方向に対する前部２２ａでは、外周面２０ａから略直角（または鋭角）に窪み、最下点２２ｂから緩やかに外周面２０ａへ復帰する断面形状をなしている。

このようなマイクロバブル発生部２２は、ロータ１０とステータ５０との間にオイルＡが浸入すると、ロータ１０の回転にともなってマイクロバブル発生部２２の前部２２ａにおいて負圧を発生させる。負圧が発生すると、オイルＡに溶解している空気が膨張してマイクロバブルＢとして析出される。

マイクロバブルＢが発生すると、ロータ１０とステータ５０との間にはオイルＡ及びマイクロバブルＢが混在するようになる。ここで、オイルＡの密度はマイクロバブルＢのものより大きいため、オイルＡはマイクロバブルＢに比べてより大きな遠心力がかかり、ロータ１０の回転に伴ってオイルＡはステータ５０側へ移動する。一方、マイクロバブルＢはロータ側に滞留し、これによりロータ表面（ロータコア２０の外周面２０ａ）に空気膜が形成される。

この結果、ロータ１０は、形成された空気膜によってロータ１０とステータ５０との間に浸入したオイルＡと接触しにくくなり、回転時にオイルＡの影響を受けにくくなるため、引き摺りトルクが低減する。

このように、本実施形態に係る回転電機の冷却装置によれば、ロータ１０の外周上（ロータコア２０の外周面２０ａ）にマイクロバブル発生部２２を備えるので、ロータ１０の回転に応じてロータ１０の外周にマイクロバブルＢを発生させ、引き摺りトルクの発生を抑制し、燃費悪化を抑制できる。また、発生したマイクロバブルＢによって、ロータ１０とステータ５０との間にオイルがさらに浸入することが抑制される。

また、マイクロバブル発生部２２は、ロータ１０（ロータコア２０）の外周上に形成された凹形状部であるため、引き摺りトルクの発生を抑制しつつ、ロータ１０及びステータ５０間のクリアランスを小さくすることができ、この結果、最大発生トルクが向上する。また、マイクロバブル発生部２２は既存のロータ１０の電磁鋼板２１を切削加工すれば設置することができるので、別途部材を設ける必要がなく、低コスト化を図ることができる。

なお、上記実施形態では、マイクロバブル発生部２２の凹形状として、ロータコア２０の軸線方向視において三角形状の断面形状をなすものを例示したが、負圧を発生させることさえできれば、四角形、多角形、半円など他の断面形状としてもよい。また、オイルの流れ方向に対してロータ１０の外周形状を急激に変化するほど負圧が大きくなるので、マイクロバブル発生部２２の断面形状は、ロータ１０（ロータコア２０）の回転方向に対する前部２２ａにおいて、鋭角または直角に凹むようにとることが好ましい。また、マイクロバブル発生部２２の凹形状部の個数は、単数でも複数でもよい。

また、マイクロバブル発生部２２の形状は、上記のようにロータ１０の回転方向に沿った複数の凹形状の他に、オイルの流れ方向（ロータ１０の回転方向）と交差するように（例えばらせん状）にロータコア２０の外周面２０ａに設けられた溝としてもよい。

さらに、上記実施形態では、マイクロバブル発生部の形状として凹形状部を例示したが、この代わりに、図５及び図６に示すように、ロータコア２０の軸線方向視において、それぞれが三角形状の断面形状をなす複数の凸形状部から成るマイクロバブル発生部２３としてもよい。このようなマイクロバブル発生部２３は、ロータ１０とステータ５０との間にオイルが流入すると、図６に示すように、ロータの回転にともなって、ロータ１０（ロータコア２０）の回転方向に対してマイクロバブル発生部２３の後方において負圧を発生させる。したがって、凸形状のマイクロバブル発生部２３も、上記の凹形状のマイクロバブル発生部２２と同様の作用効果を奏することができる。

なお、マイクロバブル発生部２３の凸形状は、凹形状と同様に、負圧を発生させることさえできれば、図５，６に示した、ロータコア２０の軸線方向視において三角形状の断面形状をなすもの以外にも、四角形、多角形、半円など他の断面形状としてもよい。また、オイルの流れ方向に対してロータ外周形状を急激に変化させるほど負圧が大きくなるので、マイクロバブル発生部２３の凸形状は、図５，６に示すように、ロータ１０（ロータコア２０）の回転方向に対し後端２３ａにおいて、略直角方向にロータ１０の外径まで戻るようにとることが好ましい。また、マイクロバブル発生部２３の凸形状部の個数は、単数でも複数でもよい。

また、マイクロバブル発生部２３の形状は、ロータ１０の回転方向に沿った複数の凸形状の他に、オイルの流れ方向（ロータの回転方向）と交差するように（例えばらせん状）にロータ外周面に設けられた線条部材としてもよい。

マイクロバブル発生部２２の凹形状と、マイクロバブル発生部２３の凸形状とを組み合わせ、両方をロータ１０の外周上に設けることも可能である。

〔第二実施形態〕
次に、図７を参照して、本発明の第二実施形態について説明する。本実施形態は、シャフト５８へオイルＡが導入される前に、冷却用のオイルＡにマイクロバブルＢを混入するマイクロバブル発生装置９０を備える点において、上述の第一実施形態と異なるものである。

マイクロバブル発生装置９０は、旋回流方式、加圧溶解式、微細孔式などの方式を用いて、オイル供給源（図示せず）からシャフト５８へ導入されるオイルＡに空気を混入して溶解させ、マイクロバブルＢを混入する。

このようなマイクロバブル発生装置９０によりマイクロバブルＢを混入されたオイルが回転電機１００内に導入されると、マイクロバブルＢが混入されたオイルＡがロータ１０の外周（ロータ１０とステータ５０とのなす間隙）に吸い込まれ、さらに、オイルＡに溶解している空気がマイクロバブル発生部２２，２３によりマイクロバブルＢとして析出されるので、ロータ１０とステータ５０との間により一層多くのマイクロバブルＢを滞留させることができ、ロータ表面（ロータコア２０の外周面２０ａ）により厚い空気膜を形成することができ、この結果、ロータ１０とステータ５０との間の引き摺りトルクをより一層低減させることができる。

また、導入されたオイルＡには、マイクロバブル発生装置９０により、空気が溶解度近傍まで溶け込まれている。このため、小さな負圧（低回転時）でもマイクロバブルＢが析出でき、ロータ１０とステータ５０との間の引き摺りトルクをより一層低減させることができる。

また、マイクロバブル発生装置９０によりオイルＡにマイクロバブルＢが混入されるため、マイクロバブルＢの混入率に応じてオイルＡの見かけ密度が低減する。オイルＡの密度が低減すると、エンドプレート２９側面でのオイル攪拌抵抗が低下するため、オイル攪拌損失が低減する。また、オイルＡの密度が低減すると、オイルＡの流速が増加する。ここで、熱伝達率は流速と比例関係にあるので、オイルＡの流速が増加すれば、熱伝達率も向上する。これにより、ロータ１０の冷媒通路４３内を通るオイルＡによる熱吸収が促進されるので、ロータ１０の冷却性が向上する。

以上、本発明について好適な実施形態を示して説明したが、本発明はこれらの実施形態により限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、回転電機１００を冷却するための冷媒としてオイルＡを例示したが、冷却効果のある他のものを使用してもよい。また、ロータ１０のエンドプレート２９に形成された冷媒通路４３の構成や、冷媒通路４３に連通する排出孔４４の設置位置などは、上記実施形態に例示したものと別の構成や位置としてもよい。

１０…ロータ、２２，２３…マイクロバブル発生部、５０…ステータ、５８…シャフト、９０…マイクロバブル発生装置、１００…回転電機、Ａ…冷却用オイル（冷媒）、Ｂ…マイクロバブル。

Claims (4)

1. 回転可能に設けられたシャフト内に導入された冷媒を、前記シャフトの周囲に固設されたロータの回転で発生する遠心力により、前記ロータの外周に配置されたステータ側に供給して回転電機を冷却する冷却装置において、
   前記ロータの外周上に設けられ、前記ロータの回転によりマイクロバブルを発生するマイクロバブル発生部を備えることを特徴とする回転電機の冷却装置。
2. 前記マイクロバブル発生部は、前記ロータの外周上に形成された凹形状部であることを特徴とする、請求項１に記載の回転電機の冷却装置。
3. 前記マイクロバブル発生部は、前記ロータの外周上に形成された凸形状部であることを特徴とする、請求項１または２に記載の回転電機の冷却装置。
4. 前記シャフト内に導入される前記冷媒にマイクロバブルを混入するマイクロバブル発生装置を備えることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の回転電機の冷却装置。

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