特許 7548124 回転電機の冷却構造

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-09-02

(45)【発行日】2024-09-10

(54)【発明の名称】回転電機の冷却構造

(51)【国際特許分類】

   H02K 9/04 20060101AFI20240903BHJP

【ＦＩ】

H02K9/04 A

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2021087042

(22)【出願日】2021-05-24

(65)【公開番号】P2022180117

(43)【公開日】2022-12-06

【審査請求日】2023-08-30

(73)【特許権者】

【識別番号】000006105

【氏名又は名称】株式会社明電舎

(74)【代理人】

【識別番号】100114775

【弁理士】

【氏名又は名称】高岡 亮一

(74)【代理人】

【識別番号】100121511

【弁理士】

【氏名又は名称】小田 直

(74)【代理人】

【識別番号】100116001

【弁理士】

【氏名又は名称】森 俊秀

(74)【代理人】

【識別番号】100208580

【弁理士】

【氏名又は名称】三好 玲奈

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 潤一

【審査官】三澤 哲也

(56)【参考文献】

【文献】特許第６８５４９３６（ＪＰ，Ｂ１）

【文献】特開平０７－０４６７９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００１－２５８１９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－０５５７３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－０７６９３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－２７０６６２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｋ ９／０４

９／０６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ステータおよびロータを収容する筐体と、
前記ロータの回転軸方向と交差する方向から前記筐体内に、前記ステータのコイルを冷却する冷却風を導入するダクトと、を備え、
前記ダクトは、前記回転軸方向および前記ダクトの延長方向と交差する高さ方向の流路幅を曲線状に変化させる一対の渦抑制部を内部に有し、
各々の前記渦抑制部は、前記ダクトの入口側に臨み、前記高さ方向の流路幅を狭める第１領域と、前記第１領域に接続され、前記ダクトの出口側に向けて前記高さ方向の流路幅を広げる第２領域を有する凸形状をなしている
回転電機の冷却構造。

【請求項2】

前記ダクトの延長方向での前記渦抑制部の前記第２領域の長さは、前記ダクトの延長方向での前記渦抑制部の前記第１領域の長さよりも長く設定されている
請求項１に記載の回転電機の冷却構造。

【請求項3】

前記渦抑制部は、前記ダクトの内面に後付け可能な部材として構成される
請求項１または請求項２に記載の回転電機の冷却構造。

【請求項4】

前記筐体と前記ダクトの出口側の端部は、前記ステータに設けられたコイルエンドに臨む位置で接続されている
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の回転電機の冷却構造。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、回転電機の冷却構造に関する。

【背景技術】

【0002】

従来から、例えば特許文献１のように、回転軸と接続されたファンの回転により放熱器に冷却風を導く冷却構造を備えた回転電機が提案されている。また、送風機により筐体内に空気を導入してコイルを冷却する空冷方式の回転電機も知られている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２００８－１２５１７２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

回転軸と交差する径方向から筐体内に外気を導入する空冷方式の回転電機では、送風機から入口ダクトにかけての空気の流れは縮小流れとなり、また入口ダクトから回転電機内にかけての空気の流れは拡大流れとなる。このとき、入口ダクトの前後で流路形状の幾何学的不連続性が大きいと、空気の渦が発生することで圧力損失（エネルギー損失）が生じてしまう。コイルの冷却効率を向上させる観点からは、かかる圧力損失を抑制することが重要となる。

【0005】

本発明は、上記の状況に鑑みてなされたものであって、回転軸と交差する方向から筐体内に空気を導入するときの圧力損失を抑制できる回転電機の冷却構造を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の一態様に係る回転電機の冷却構造は、ステータおよびロータを収容する筐体と、ロータの回転軸方向と交差する方向から筐体内に、ステータのコイルを冷却する冷却風を導入するダクトと、を備え、ダクトは、回転軸方向およびダクトの延長方向と交差する高さ方向の流路幅を曲線状に変化させる一対の渦抑制部を内部に有する。各々の渦抑制部は、ダクトの入口側に臨み、高さ方向の流路幅を狭める第１領域と、第１領域に接続され、ダクトの出口側に向けて高さ方向の流路幅を広げる第２領域を有する凸形状をなしている。

【0007】

ダクトの延長方向での渦抑制部の第２領域の長さは、ダクトの延長方向での渦抑制部の第１領域の長さよりも長く設定されていてもよい。
また、渦抑制部は、ダクトの内面に後付け可能な部材として構成されていてもよい。
また、筐体とダクトの出口側の端部は、ステータに設けられたコイルエンドに臨む位置で接続されていてもよい。

【発明の効果】

【0008】

本発明の一態様の回転電機の冷却構造によれば、回転軸と交差する方向から筐体内に空気を導入するときの圧力損失を抑制できる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本実施形態に係る回転電機の一例の外観を示す斜視図である。

【図2】図１のＡ－Ａ断面図である。

【図3】比較例での冷却構造における空気の流れを模式的に示す図である。

【図4】比較例の空気導入ダクト側の空気の流れを模式的に示す拡大図である。

【図5】（ａ）は本実施形態での冷却構造における空気の流れを模式的に示す図であり、（ｂ）は渦抑制部の構成例を示す図である。

【図6】本実施形態の空気導入ダクト側の空気の流れを模式的に示す拡大図である。

【図7】実施例の熱流体解析の解析モデルを示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
実施形態では説明を分かり易くするため、本発明の主要部以外の構造や要素については、簡略化または省略して説明する。また、図面において、同じ要素には同じ符号を付す。なお、図面に示す各要素の形状、寸法などは模式的に示したもので、実際の形状、寸法などを示すものではない。

【0011】

また、図面においては、適宜３次元直交座標系としてＸＹＺ座標系を示す。ＸＹＺ座標系において、Ｚ方向は回転軸と平行な方向とする。Ｘ方向は、Ｚ方向と直交する方向であって、図２の左右方向に対応する。Ｙ方向は、Ｘ方向とＺ方向との両方と直交する方向であって、図２の紙面奥行方向に対応する。なお、図面において、必要に応じて回転電機の回転軸を符号ＡＸで示す。

【0012】

図１は、本実施形態に係る回転電機の一例の外観を示す斜視図である。図２は、図１のＸＺ平面の断面図である。本実施形態の回転電機は、例えば、乗物の駆動輪に対して負荷を発生させて路行状態を再現する試験装置（ダイナモメータ）に適用される。なお、本実施形態の回転電機は、ダイナモメータに限定されず他の用途に適用されてもよい。

【0013】

回転電機１は、例えばインナーロータ型のモータであって、ステータ２と、ロータ３と、モータシャフト４と、筐体５とを備える。

【0014】

ステータ２は、円筒形状であって、回転軸ＡＸを中心とする中央の空間部分にロータ３を収容する。ステータ２の内周には軸方向に沿って複数のスロット（不図示）が形成され、各スロットにはコイルが巻回されている。コイルのコイルエンド部６は、ステータ２の軸方向両端（回転電機１の負荷側と反負荷側）においてそれぞれステータ２から張り出し、軸方向と交差する平面（ＸＹ平面）で環状をなしている。

【0015】

ロータ３は、永久磁石（不図示）が配置された鉄心を備え、わずかなエアギャップを隔ててステータ２の内側に配置される。モータシャフト４は、回転軸ＡＸに沿ってロータ３の鉄心中央に嵌入され、筐体５に設けられた軸受７ａ，７ｂにより回転可能に軸支される。モータシャフト４の負荷側は、筐体５を貫通して回転電機１の外側に突出している。

【0016】

回転電機１においては、コイルの電流制御によりステータ２の磁界を順番に切り替えることで、ロータ３の磁界との吸引力または反発力が生じる。これにより、ロータ３およびモータシャフト４が回転し、回転電機１が駆動する。このとき、通電によってコイルは発熱する。

【0017】

筐体５は、略円筒形状の全体形状をなす本体部１０を有する。本体部１０は、ステータ２およびロータ３を内部に収容するとともに、モータシャフト４を軸支する。また、筐体５は、負荷側および反負荷側のコイルエンド部６をそれぞれ空冷するための空気導入ダクト１１および空気排出ダクト１２を有している。

【0018】

空気導入ダクト１１は、軸方向に間隔をあけて筐体５に２つ設けられている。各々の空気導入ダクト１１は、回転軸ＡＸと直交する径方向（Ｘ方向）に延び、外形および横断面形状が矩形状をなすダクトである。各々の空気導入ダクト１１の一端側は筐体外と連通し、その他端側は本体部１０のコイルエンド部６に臨む位置にそれぞれ接続されている。また、空気導入ダクト１１の一端側には送風機１３が配置される。これにより、送風機１３を駆動させることで冷却風が空気導入ダクト１１を通過して筐体５の本体部１０に導入され、コイルエンド部６がそれぞれ空冷される。

【0019】

空気排出ダクト１２は、空気導入ダクト１１と同様に、軸方向に間隔をあけて筐体５に２つ設けられている。各々の空気排出ダクト１２は、回転軸ＡＸと直交する径方向（Ｘ方向）に延び、外形および横断面形状が矩形状をなすダクトである。各々の空気排出ダクト１２の一端側は、本体部１０のコイルエンド部６に臨む位置にそれぞれ接続され、その他端側が筐体５の外と連通している。また、空気排出ダクト１２の一端側は、空気導入ダクト１１の他端側に対して、ＸＹ平面上で回転軸ＡＸを中心として１８０°回転対称となる位置にある。つまり、筐体５の本体部１０には、各々のコイルエンド部６に対して、空気導入ダクト１１と空気排出ダクト１２が一対ずつ配置されている。

【0020】

図３は、比較例での冷却構造における空気の流れを模式的に示す図である。空気導入ダクト１１の他端側から筐体５の本体部１０に導入された空気は、コイルエンド部６の外周に沿って左回り方向と右回り方向の両側から本体部１０内を流れ、コイルエンド部６から熱を奪いつつ空気排出ダクト１２に向かう。これにより、各々のコイルエンド部６が全周に亘って空冷される。その後、コイルエンド部６と熱交換した空気は、空気排出ダクト１２を経て筐体の外に排出される。

【0021】

また、図４は、比較例の空気導入ダクト１１側の空気の流れを模式的に示す拡大図である。上記構成の回転電機１では、送風機１３から空気導入ダクト１１にかけての空気の流れは縮小流れとなり、また空気導入ダクト１１から筐体５の本体部１０にかけての空気の流れは拡大流れとなる。このとき、図３、図４に示す比較例のように、空気導入ダクト１１の前後での流路形状の幾何学的不連続性が大きいと、空気導入ダクト１１の手前や筐体５の本体部１０において空気の渦ｖｏ１、ｖｏ２が発生する。かかる渦ｖｏ１、ｖｏ２は、空気流の圧力損失（エネルギー損失）につながり、コイルエンド部６を空冷するときの冷却効率を低下させる一因となる。

【0022】

かかる事象の対策として、本実施形態の空気導入ダクトには、流路形状の幾何学的連続性を高めるために渦抑制部１４が設けられている。以下、図５、図６を参照して渦抑制部１４の構成について説明する。
ここで、渦抑制部１４の構成は、負荷側と反負荷側の２つの空気導入ダクト１１でいずれも共通である。そのため、以下の説明では、回転電機１の負荷側での空気導入ダクト１１の構成を説明し、反負荷側の構成に関する重複説明はいずれも省略する。

【0023】

本実施形態の空気導入ダクト１１には、ダクト内部において回転軸方向および空気導入ダクトの延長方向と直交する高さ方向（Ｙ方向）の一対の壁面にそれぞれ渦抑制部１４が上下に対向して形成されている。渦抑制部１４は、空気導入ダクトの延長方向（Ｘ方向）に沿って、高さ方向（Ｙ方向）の流路幅を曲線状に変化させる構成であり、流路の幅方向（Ｚ方向）にかけての形状は一定である。

【0024】

渦抑制部１４の形状は、ダクトのＹ方向の各壁面でいずれも共通であり、図５（ｂ）に示すように、流路側の輪郭がダクト内側に向けて凸となる形状である。渦抑制部１４は、空気導入ダクト１１の延長方向に沿って入口側から順に、流路側の輪郭形状の異なる第１領域１４ａと第２領域１４ｂを有する。

【0025】

渦抑制部１４の第１領域１４ａは、空気導入ダクト１１の入口側に臨み、ダクト内側に向かうＹ方向の突出量が曲線状に増加する形状をなす。つまり、一対の渦抑制部１４を対向させて空気導入ダクト１１に配置すると、第１領域１４ａの部位では空気導入ダクト１１のＹ方向の流路幅が出口側に向けて曲線状に狭まってゆく。これにより、空気導入ダクト１１の入口側の縮小流れにおいて、流路の形状が曲線状に変化することで剥離流の発生が抑制されるので、空気導入ダクト１１の入口側は渦が生じにくくなる。そのため、図４の比較例と比べると、図６の渦ｖｏ１’は小さくなる。

【0026】

渦抑制部１４の第２領域１４ｂは、第１領域１４ａと接続され、空気導入ダクト１１の出口側に向けてＹ方向の突出量が曲線状に減少してゆく形状をなす。つまり、一対の渦抑制部１４を対向させて空気導入ダクト１１に配置すると、第２領域１４ｂの部位では空気導入ダクト１１のＹ方向の流路幅が出口側に向けて曲線状に広がっていく。これにより、空気導入ダクト１１から筐体５の本体部１０への拡大流れにおいて、流路の形状が曲線状に変化することで剥離流の発生が抑制されるとともに、空気導入ダクト１１と本体部１０の接続部分での形状の変化が緩やかになることで、筐体５の本体部１０内で渦が生じにくくなる。そのため、図４の比較例と比べると、図６の渦ｖｏ２’は小さくなる。

【0027】

ここで、渦抑制部１４で規定される空気導入ダクト１１の流路形状に関しては、入口側の勾配が急峻でも剥離流は生じにくいが、出口側の勾配が急峻であると剥離流が生じやすくなる。したがって、渦抑制部１４の形状は、入口側の勾配よりも出口側の勾配が小さい形状であることが好ましい。

【0028】

以上の観点から、空気導入ダクト１１の延長方向における第２領域１４ｂの長さは、第１領域１４ａの長さと比べて長く設定されている。これにより、渦抑制部１４の第１領域１４ａでの勾配は第２領域１４ｂと比べて急峻である一方、第２領域１４ｂでの勾配は第１領域１４ａと比べてなだらかな形状となる。例えば、空気導入ダクト１１の延長方向における第２領域１４ｂの長さは、第１領域１４ａの長さに対して十分に長くなるように少なくとも２倍以上に設定される。なお、空気導入ダクト１１の延長方向における第１領域１４ａの長さを短くするほど第２領域１４ｂの長さが長くなり、空気導入ダクト１１の延長方向における第２領域１４ｂでの勾配は緩やかになる。

【0029】

上記の渦抑制部１４における流路側の輪郭形状は、例えば、円弧形状、楕円形状を組み合わせて適宜設定することができる。例えば、渦抑制部１４の流路側の輪郭形状として、長軸および短軸の長さの異なる２種類の１／４楕円を組み合わせた形状としてもよい。また、渦抑制部１４の流路側の輪郭形状として、ＮＡＣＡにより規定された翼型の形状を適用してもよい。

【0030】

ここで、渦抑制部１４は、空気導入ダクト１１と一体に形成されていてもよく、空気導入ダクト１１内に接着やボルト等によって渦抑制部１４の部材を後付けで固定して形成してもよい。渦抑制部１４の部材を後付けする場合、部品の交換により空気導入ダクト１１の流路形状を微調整することも容易となる。

【0031】

以上のように、上記実施形態の回転電機１は、ステータ２およびロータ３を収容する本体部１０と、ロータ３の回転軸方向と交差する径方向から本体部１０内に冷却風を導入する空気導入ダクト１１と、を備える。空気導入ダクト１１は、回転軸方向および空気導入ダクトの延長方向と交差する高さ方向の流路幅を曲線状に変化させる一対の渦抑制部１４を内部に有している。そして、各々の渦抑制部１４は、高さ方向の流路幅を狭める第１領域１４ａと、空気導入ダクト１１の出口側に向けて高さ方向の流路幅を広げる第２領域１４ｂを有する凸形状をなしている。
上記の渦抑制部１４により、空気導入ダクト１１の入口側と出口側において流路の形状が曲線状に変化することで剥離流が抑制され、圧力損失を抑制することができる。

【0032】

（実施例）
以下、本発明の実施例における熱流体解析について説明する。
実施例では、本実施形態の同様の構成の回転電機を対象として、ＸＹ平面の二次元的な解析モデルで熱流体解析を行い、渦抑制部の有無による圧力損失の変化を確認した。図７は、実施例の熱流体解析の解析モデルを示す図である。

【0033】

図７の解析モデルは、ダイナモメータにおけるコイルエンド部を模している。解析モデルの各部寸法はダイナモメータの代表的な寸法に対応している。また、解析モデルでは、流れを安定させるため上流側と下流側の流路をそれぞれ矩形状に延長させている。

【0034】

図７に示すように、入口側と出口側の延長部分の流路寸法は長さ４００ｍｍ、幅１７０ｍｍであり、筐体と接続されるダクト部分（空気導入ダクト、空気排出ダクト）の寸法は、長さ１１２．５７ｍｍ、幅１５０ｍｍである。また、筐体の内径は４６０ｍｍ（Ｒ２３０ｍｍ）、コイルエンド部の外径は３４０ｍｍ、コイルエンド部と筐体との間隔は６０ｍｍとした。また、渦抑制部の寸法は、全長１１２．５７ｍｍ、第１領域の長さを１５ｍｍ、ダクト内側への突出量を３０ｍｍに設定した。

【0035】

熱流体解析では、出口側の圧力を０Ｐａ、流速を３９ｍ／ｓにそれぞれ設定し、入口側の圧力値を圧力損失の値として算出した。渦抑制部のない比較例の場合、圧力損失の値は１５３２Ｐａであった。これに対し、渦抑制部を設けた実施例の場合、圧力損失の値は１３６６Ｐａであった。したがって、渦抑制部を設けた実施例の場合、比較例に対して圧力損失が約１１％低減する効果を得ることができた。

【0036】

本発明は、上記実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の改良並びに設計の変更を行ってもよい。

【0037】

例えば、上記実施形態における空気導入ダクト１１および空気排出ダクト１２の配置は一例であって、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、空気導入ダクト１１および空気排出ダクト１２は径方向に対して傾斜して延長していてもよい。また、１つのコイルエンド部６に対して空気導入ダクト１１および空気排出ダクト１２を複数対配置してもよい。例えば、空気導入ダクト１１および空気排出ダクト１２を９０°ずらして２つずつ円周方向に交互に配置してもよい。

【0038】

また、本実施形態では、本体部の軸方向の両側にそれぞれ空気導入ダクト１１を配置する例を示したが、軸方向の一方側にのみ空気導入ダクト１１を設け、ステータ２とロータ３のエアギャップを介して他方側に冷却風を送る構成としてもよい。

【0039】

加えて、今回開示された実施形態は、全ての点で例示であっ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特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

【符号の説明】

【0040】

１…回転電機、２…ステータ、３…ロータ、４…モータシャフト、５…筐体、６…コイルエンド部、１０…本体部、１１…空気導入ダクト、１２…空気排出ダクト、１３…送風機、１４…渦抑制部、１４ａ…第１領域、１４ｂ…第２領域

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】