特許 7548428 回転電機

(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

(51)【国際特許分類】

   H02K 9/04 20060101AFI20240903BHJP

【ＦＩ】

H02K9/04 A

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2023525259

(86)(22)【出願日】2021-06-02

(86)【国際出願番号】 JP2021021076

(87)【国際公開番号】W WO2022254631

(87)【国際公開日】2022-12-08

【審査請求日】2023-11-28

(73)【特許権者】

【識別番号】000003997

【氏名又は名称】日産自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002468

【氏名又は名称】弁理士法人後藤特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】奥山 豪成

(72)【発明者】

【氏名】竹内 智毅

【審査官】三澤 哲也

(56)【参考文献】

【文献】特開２００８－４３１４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第９８／４０９５６（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｋ ９／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ロータとステータとをハウジングに収容し、気体を用いて前記ステータのコイルを冷却する回転電機であって、
前記コイルは平角線からなり、
前記ステータは、当該ステータの軸方向の端部から突出する円環状のコイルエンドを備え、
前記ハウジングは、前記回転電機を冷却するための気体を前記ハウジングの外部から前記コイルエンドへと向かって導入する導入口を備え、
前記コイルエンドは、前記ステータの前記コイルと前記コイルとの間隙により流路が構成され、前記導入口から導入された気体が、前記流路を外周側から内周側へと通過し、
軸方向における前記コイルエンドと前記ハウジングとの間には、前記導入口から導入された気体を前記コイルエンドの前記流路に導く冷却風制御部材が設けられ、
前記流路は、
前記コイルエンドの軸方向の根元部分において、軸方向に延設される複数の前記平角線の間に形成される空隙からなり、前記コイルエンドを外周側から内周側に径方向に貫通する第１流路と、
前記根元部分よりも端部側において、軸方向に延設される複数の前記平角線の間に形成される開放部からなり、前記コイルエンドを外周側から内周側に径方向に貫通する第２流路と、を備える、
回転電機。

【請求項2】

請求項１に記載の回転電機であって、
前記冷却風制御部材は、
前記コイルエンドの内周側に当接し、前記コイルエンドから軸方向に突出する円筒部と、
前記円筒部の周囲に立設され、前記コイルエンドの軸方向端面に対向する対向部と、
前記対向部は、外周に向かって前記ハウジングへと近づく近接部を有する、
回転電機。

【請求項3】

請求項２に記載の回転電機であって、
前記コイルエンドの内周面に前記円筒部が当接することで、開放部の一部が遮られることで前記第２流路の流路断面積が制限される、
回転電機。

【請求項4】

請求項３に記載の回転電機であって、
前記第１流路の流路断面積の総開口面積と、前記円筒部により制限された前記第２流路の流路断面積の総開口面積とが、略等しく構成される、
回転電機。

【請求項5】

請求項２から４のいずれか一つに記載の回転電機であって、
前記近接部の外周端が前記ハウジングの内壁に当接する、
回転電機。

【請求項6】

請求項１から５のいずれか一つに記載の回転電機であって、
前記ロータは、軸方向の一方の端部から他方の端部に向かって気体が通過する通風孔を有し、
前記導入口から気体を導入し、前記一方の端部から前記他方の端部へと気体を送るファンが、前記ロータの前記一方の端部に備えられる、
回転電機。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、回転電機に関する。

【背景技術】

【0002】

回転電機のコイルエンドは電流が流れることにより発熱するため、適切な冷却が必要となる。

【0003】

ＪＰ２００６－０４６６９９Ａには、モータの外部に備えられたファンからコイルエンドに冷却空気を送る構成において、冷却空気が効率よくステータのコイルエンド部に当たるように案内板を配置することが開示されている。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上述の特許文献では、冷却空気の導入口付近に案内板を備えるため、コイルエンドの一部、特にエアギャップ付近のコイルエンドの内周側において、十分に冷却空気が当たらない部分が発生する。このため、必ずしも適切にコイルエンドを冷却できないという問題があった。

【0005】

本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであり、コイルエンドを適切に冷却する技術を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の一実施態様によれば、ロータとステータとをハウジングに収容し、気体を用いてステータのコイルを冷却する回転電機に適用される。ステータは、当該ステータの軸方向の端部から突出する円環状のコイルエンドを備える。ハウジングは、回転電機を冷却するための気体をハウジングの外部からコイルエンドへと向かって導入する導入口を備える。コイルエンドは、導入口から導入された気体が外周側から内周側に通過する流路を有する。軸方向におけるコイルエンドとハウジングとの間には、導入口から導入された気体をコイルエンドの流路に導く冷却風制御部材が設けられる。

【発明の効果】

【0007】

本発明によれば、軸方向におけるコイルエンドとハウジングとの間に冷却風制御部材を設けたので、導入口から導入された気体が、コイルエンドの流路を外側から内側へと通過するように制御することが可能となり、コイルエンドを適切に冷却することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】図１は、本発明の実施形態のモータの断面図である。

【図2】図２は、第１コイルエンド付近の説明図である。

【図3】図３は、ロータ外観の説明図である。

【図4】図４は、第１コイルエンドの説明図である。

【図5】図５は、冷却構造の説明図である。

【図6】図６は、変形例の冷却構造の説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、図面等を参照して、本発明の実施形態について説明する。

【0010】

図１は、本発明の実施形態に係る回転電機としてのモータ１０の説明図であり、軸方向断面図を示す。

【0011】

モータ１０は、円環状に形成されたステータ２０と、ステータ２０の内側に回転自在に装着されたロータ３０と、ロータ３０に嵌装される回転軸３１と、ステータ２０及びロータ３０を内装するハウジング４０と、を備えて構成される。

【0012】

ステータ２０に形成されるスロットには平角線からなる巻線が挿入されており、ステータ２０の軸方向の両端部には第１コイルエンド２１、第２コイルエンド２２が形成される。ステータ２０の一方の端部には、第１コイルエンド２１が軸方向に突出する。ステータ２０の他方の端部には、第２コイルエンド２２が軸方向に突出する。ステータ２０の巻線に電流を流すことで、ロータ３０に備えられる永久磁石との作用によってロータ３０が回転する。

【0013】

巻線は、ステータ２０の一方の端部から他方の端部を介して一方の端部へと戻るように折り返し形状を有する複数の平角線から構成される。

【0014】

第１コイルエンド２１は、平角線がステータ２０の他方の端部から軸方向に起立し、周方向に屈曲する。この部分では複数の平角線が交錯する交錯部２１３を構成する。平角線は、交錯部２１３から端部に向かって軸方向に突設する。この端部においては平角線が互いに接合され、軸方向端部に向かって起立して形成される接合部２１４を有する。すなわち、第１コイルエンド２１は、ステータ２０におけるコイルの結線側である。

【0015】

第１コイルエンド２１のステータ２０付近の根元部分は、起立した平角線と平角線との間隙が、第１コイルエンド２１の外周側から内周側に冷却風が通過する第１流路２１１として構成される。

【0016】

第１コイルエンド２１の軸方向端部付近の先端部である接合部２１４は、は、起立した平角線と平角線との間隙により、略Ｕ字形状の開放部２１５が形成される（図４参照）。この開放部２１５が、第１コイルエンド２１の外周側から内周側に冷却風が通過する第２流路２１２として構成される。

【0017】

第２コイルエンド２２は、平角線がステータ２０の他方の端部から軸方向に起立した後、周方向に屈曲し、この屈曲部分からステータ２０の方向に軸方向に折り返される。

【0018】

ロータ３０は、一方の端部から他方の端部へと軸方向に貫通する通風孔３３を備える。通風孔３３は、周方向に所定の間隔をもって複数備えられる。通風孔３３は、後述するように、第１収容室４１から第２収容室４２へと冷却風が通過する通路となる。ロータ３０は、通風孔３３を通過する冷却風により冷却される。

【0019】

ハウジング４０は、ステータ２０、ロータ３０及び回転軸３１を内装する。回転軸３１は、ベアリング３２を介してハウジング４０に回転自在に支持される。

【0020】

ハウジング４０は、その内周にステータ２０を支持する、ステータ２０の一方の端部側には第１収容室４１が設けられ、ステータ２０の他方の端部側には第２収容室４２が設けられる。第１収容室４１には、ステータ２０の一方の端部から突出する第１コイルエンド２１が収容される。第２収容室４２には、ステータ２０の他方の端部から突出する第２コイルエンド２２が収容される。

【0021】

第１収容室４１の内壁と第１コイルエンド２１との間、及び、第２収容室４２の内壁と第２コイルエンド２２との間は、絶縁のための適切な距離が確保される。

【0022】

第１収容室４１には、ハウジング４０の外部から空気を導入する導入口４４が備えられる。第２収容室には、ハウジング４０の外部へと空気を排出する排出口４５が備えられる。

【0023】

ロータ３０の一方の端部（図１中右側）には、ファン３６が備えられる。ファン３６は複数のプロペラ状の羽根を備え、ロータ３０の回転に伴って回転することで、第１収容室４１内の気体を吸気して、ロータ３０の通風孔３３を介して第２収容室へと送る。これにより、ファン３６は、ハウジング４０の内部で、導入口４４から、第１収容室４１を介して第２収容室４２に向かう冷却風の流れを発生させる。

【0024】

このような構成により、モータ１０の駆動によりファン３６が回転すると、導入口４４から導入された外部の空気が冷却風として第１収容室４１に導入され、第１コイルエンド２１を冷却する。冷却風は、ファン３６の回転によりロータ３０の通風孔３３を通過して第２収容室４２に送られる。第２収容室４２において冷却風が第２コイルエンド２２を冷却する。その後、冷却風は排出口４５から排出される。このようにして、モータ１０が気体により空冷される。

【0025】

なお、本実施形態の冷却風に用いる気体は、大気から導入される空気を用いるが、これに限られず、他の気体（例えば二酸化炭素や六フッ化硫黄）を用いてもよい。また、モータ１０に導入される冷却風は、モータ１０の外部で熱交換器により冷却するように構成してもよい。

【0026】

次に、第１収容室４１における第１コイルエンド２１の冷却について説明する。

【0027】

第１コイルエンド２１、第２コイルエンド２２は電流が流れることにより発熱するため、適切な冷却が必要となる。本実施形態のモータ１０は、ロータ３０の一方側の端部にファン３６を備え、ファン３６が発生する冷却風により、第１コイルエンド２１及び第２コイルエンド２２が冷却されるように構成されている。

【0028】

ファン３６は、回転軸３１に対して螺旋状に延設される複数の羽根を備え、ロータ３０の回転に伴い、導入口４４から第１収容室４１に気体を吸気し、通風孔３３を介して第２収容室４２へと冷却風を送る。

【0029】

第１収容室４１において、第１コイルエンド２１は、絶縁距離を確保するため、ハウジング４０の内壁から離間して配置される。このため、導入口４４から導入された冷却風は、その流れの抵抗となる第１コイルエンド２１の空隙（第１流路２１１及び第２流路２１２）には流れにくく、第１コイルエンド２１の端部と第１収容室４１の内壁との空間を通過して、ファン３６へと流れようとする。このため、第１コイルエンド２１が十分に冷却されない可能性がある。

【0030】

そこで、本実施形態のモータ１０は、以降に説明するように、第１コイルエンド２１に、冷却風の流れを制御して、第１コイルエンド２１を適切に冷却するための冷却風制御部材５０を備えた。

【0031】

図２から図４は、本実施形態の第１コイルエンド２１に備えられる冷却風制御部材５０の説明図である。図２は、第１コイルエンド２１付近の断面図を、図３は、ステータ２０の外観図を、図４は、第１コイルエンド２１の要部の拡大図を、それぞれ示す。

【0032】

図２に示すように、冷却風制御部材５０は、第１コイルエンド２１と、ハウジング４０の第１収容室４１の内壁との間に介在する。

【0033】

冷却風制御部材５０は、円筒形状の円筒部５１と、円筒部５１に連接して径方向に延設する略円盤形状の対向部５２とを有する。対向部５２の外縁部は、外周に向かうほど第１収容室４１の内壁に近づくように形成された近接部５３を構成する。

【0034】

円筒部５１は、その軸方向のステータ２０側端部で第１コイルエンド２１の内周に当接する。円筒部５１のステータ２０とは逆側の端部は、第１収容室４１の内壁に当接する。対向部５２は、第１コイルエンド２１の軸方向端面に対向し、円筒部５１から径方向外側に向かって円盤状に延設される。対向部５２の周辺部に形成された近接部５３は、その外周端が第１収容室４１の内壁に当接する。

【0035】

このように、冷却風制御部材５０を、軸方向における第１コイルエンド２１と第１収容室４１の内壁との間に設けることで、導入口４４から導入される冷却風が、まず、近接部５３により第１収容室４１の内壁から離間して、第１コイルエンド２１に向かうようになる。また、円筒部５１が第１コイルエンド２１に当接していることで、冷却風が第１コイルエンド２１の外側を通過することなく、第１コイルエンド２１の第１流路２１１及び第２流路２１２を通過する。

【0036】

次に、冷却風制御部材５０と第１コイルエンド２１との関係を説明する。

【0037】

図４に示すように、第１コイルエンド２１のステータ２０付近の根元部分には、第１流路２１１が形成される。また、第１コイルエンド２１の軸方向端部には、複数の接合部２１４によりＵ字形状に開口する開放部２１５が形成されており、この開放部２１５が第２流路２１２を形成する。冷却風制御部材５０の円筒部５１は、第１コイルエンド２１の内周面に当接することで、この内周面において、Ｕ字形状の開放部２１５の軸方向側の一部を遮る。

【0038】

冷却風制御部材５０の円筒部５１が開放部２１５の一部を遮ることで、第２流路２１２の各空隙が、図４の矢視Ａで示すような孔形状となる。

【0039】

そして、このように構成される第２流路２１２の各孔形状の流路断面積の総開口面積が、第１コイルエンド２１の根元部分の第１流路２１１の各空隙の流路断面積の総開口面積と、略同一となるように構成する。

【0040】

このように構成することで、第１コイルエンド２１の根元部分の第１流路２１１と、軸方向端部側の第２流路２１２とに、冷却風が等しく流れるようにすることができ、第１コイルエンド２１の全体に冷却風を行き渡らせることができる。

【0041】

なお、円筒部５１の軸方向位置を変更することにより、第２流路２１２の総開口面積と、第１流路２１１の総開口面積とを変更することもできる。

【0042】

たとえば、第２流路２１２の総開口面積を第１流路２１１の総開口面積よりも大きくした場合は、第１コイルエンド２１の端部側の冷却風の流量を多くすることができる。第２流路２１２の総開口面積を第１流路２１１の総開口面積よりも小さくした場合は、第１コイルエンド２１の根元部分の冷却風の流量を多くすることができる。

【0043】

以上説明したように、本発明の実施形態は、ロータ３０とステータ２０とをハウジング４０に収容し、気体を用いてステータ２０のコイルを冷却する回転電機としてのモータ１０に適用される。ステータ２０は、ステータ２０の軸方向の端部から突出する円環状の第１コイルエンド２１を備え、ハウジング４０は、モータ１０を冷却するための気体をハウジング４０の外部から第１コイルエンド２１へと向かって導入する導入口４４を備える。第１コイルエンド２１は、導入口４４から導入された気体が外周側から内周側に通過する流路（第１流路２１１、第２流路２１２）を有し、軸方向における第１コイルエンド２１とハウジング４０との間には、導入口４４から導入された気体を第１コイルエンド２１の流路に導く冷却風制御部材５０が設けられる。

【0044】

このように、第１コイルエンド２１とハウジング４０との間に、冷却風制御部材５０を備え、導入口４４から導入された気体を第１コイルエンド２１の流路に導くように構成したので、冷却風が、第１コイルエンド２１の外側から内側へと通過させるように制御することが可能となり、第１コイルエンド２１を適切に冷却できる。

【0045】

また、冷却風制御部材５０は、第１コイルエンド２１の内周側に当接し、第１コイルエンド２１から軸方向に突出する円筒部５１と、円筒部５１の周囲に立設され、第１コイルエンド２１の軸方向端面に対向する対向部５２とを備える。対向部５２は、外周に向かってハウジング４０へと近づく近接部５３を有する。

【0046】

このような構成により、近接部５３が第１コイルエンド２１の周方向に渡って、第１コイルエンド２１に近づくので、冷却風が第１コイルエンド２１へと向かうように構成できる。

【0047】

また、コイルは平角線からなる。第１コイルエンド２１の軸方向の根元部分において、軸方向に延設される複数の平角線の間に形成される空隙からなり、第１コイルエンド２１を外周側から内周側に径方向に貫通する第１流路２２１を備える。根元部分よりも端部側において、軸方向に延設される複数の平角線の間に形成される開放部からなり、第１コイルエンド２１を外周側から内周側に径方向に貫通する第２流路２１２を備える。

【0048】

このような構成により、冷却風制御部材５０が、第１コイルエンド２１の根元部分と端部側との流路に冷却風を流通させることができるので、第１コイルエンド２１の全体を冷却することができる。

【0049】

また、第１コイルエンド２１の内周面に円筒部５１が当接することで、開放部２１５の一部が遮られ、第２流路２１２の流路断面積が制限されるので、第１コイルエンド２１の第２流路２１２に流れる冷却風の流量を制御できる。

【0050】

また、第１流路２１１の流路断面積の総開口面積と、円筒部５１により制限され第２流路２１２の流路断面積の総開口面積とが、略等しく構成される。

【0051】

このような構成により、第１コイルエンド２１の根元部分と先端部分とに、同じ風量の冷却風を流通させることができる。

【0052】

また、近接部５３の外周端がハウジング４０の内壁に当接するので、冷却風が、第１コイルエンド２１の外側を通過することなく、第１流路２１１及び第２流路２１２に通過させることができる。

【0053】

また、ロータ３０は、軸方向の一方の端部から他方の端部に向かって気体が通過する通風孔３３を有し、導入口４４から気体を導入し、一方の端部から他方の端部へと気体を送るファン３６が、ロータ３０の一方の端部に備えられる。

【0054】

このような構成により、ファン３６によって冷却風を第１収容室４１から第２収容室４２へと送風することで、第１コイルエンド２１及び第２コイルエンド２２を冷却することができる。

【0055】

次に、本発明の実施形態の変形例を説明する。

【0056】

図５は、本実施形態の変形例のモータ１０の説明図である。

【0057】

図５に示す変形例は、モータ１０に導入する冷却風を、熱交換器を用いて冷却し、ファンをロータ３０の端部ではなく、モータ１０の外部に備えた構成を示す。なお、モータ１０の構成は図１で前述した構成と同一であるため、その説明は省略する。

【0058】

第１収容室４１の導入口４４には第１配管７１が連結され、第２収容室４２の排出口４５には、第２配管７２が接続される。第１配管７１と第２配管７２との間には、熱交換器８０が備えられる。

【0059】

また、第１配管７１の途中には、熱交換器８０からモータ１０の導入口４４へと冷却風を送るファン３７が備えられる。

【0060】

このような構成では、ファン３７が回転することで、冷却風がモータ１０の第１収容室４１に送られる。第１収容室では、前述したように冷却風が第１コイルエンド２１を冷却した後、ロータ３０の通風孔３３を通過して第２収容室４２に送られ、第２コイルエンド２２を冷却する。

【0061】

第２収容室４２の冷却風は、排出口４５を介してハウジング４０の外部に排出され、第２配管７２を介して熱交換器８０に送られる。熱交換器８０は、熱交換を行うことで冷却風の気体の温度を低下させる。

【0062】

熱交換器８０により温度が低下した冷却風は、再びファン３７により導入口４４を介して、モータ１０のハウジング４０の第１収容室４１に導入される。

【0063】

このような構成により、気体を冷却する熱交換器８０を備えて冷却風の温度を低下させることで、モータ１０内部に導入される冷却風の温度を制御することができる。

【0064】

さらに、冷却風を送風するためのファン３７をモータ１０の外部に備えたので、モータ１０の構成部品を少なくでき、モータ１０が大型化することがない。

【0065】

図６は、本実施形態の別の変形例のモータ１０の説明図である。

【0066】

図６に示す変形例は、図５に示す変形例に類似するが、ファンをロータの一方の端部と他方の端部の双方に備えたことが異なる。なお、その他の構成は、図５で前述した構成と同一であるため、その説明は省略する。

【0067】

第１収容室４１の導入口４４には第１配管７１が連結され、第２収容室４２の排出口４５には、第２配管７２が接続される。第１配管７１と第２配管７２との間には、熱交換器８０が備えられる。

【0068】

ロータ３０の一方の端部には、図１で説明したファン３６（第１ファン）が備えられる。また、ロータ３０の他方の端部には、ファン３５（第２ファン）が備えられる。ファン３５は複数の羽根を備え、ロータ３０の回転に伴って回転することで、ロータ３０の通風孔３３から冷却風を吸気し、ロータ３０の他方の端部から第２収容室４２の第２コイルエンド２２に向かう冷却風の流れを発生させる。

【0069】

このような構成では、ロータ３０の回転によりファン３６が回転することで、導入口４４を介してモータ１０の第１収容室４１に冷却風を導入する。第１収容室では、前述したように冷却風が第１コイルエンド２１を冷却した後、ロータ３０の通風孔３３を通過する。

【0070】

第２収容室４２では、ロータ３０の回転によりファン３５が回転することで、通風孔３３から冷却風を吸気して、第２コイルエンド２２に送ることで、第２コイルエンド２２が冷却される。

【0071】

第２収容室４２の冷却風は、排出口４５を介してハウジング４０の外部に排出され、第２配管７２を介して熱交換器８０に送られる。熱交換器８０は、熱交換を行うことで冷却風の気体の温度を低下させる。

【0072】

熱交換器８０により温度が低下した冷却風は、再び導入口４４を介して、モータ１０のハウジング４０の第１収容室４１に導入される。

【0073】

このような構成により、ロータ３０の一方の端部および他方の端部の双方に、冷却風を送風するファンを備えたので、冷却風の流量を増加することができ、モータ１０の冷却効率を向上することができる。

【0074】

なお、図６ではロータ３０の一方の端部および他方の端部の双方にファンを備えたが、この構成に限られず、ロータ３０に、他方の端部（図７中左側）のファン３５のみを備えるように構成してもよい。この場合の冷却風の流量は、図１で説明したロータ３０の一方の端部にファン３５を備えた構成と、ほぼ同じとなる。

【0075】

以上、本発明の実施形態、及びその変形例について説明したが、上記実施形態及び変形例は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

【0076】

本実施形態のモータ１０は、例えば電動自動車に搭載され、車輪を駆動する電動機として機能する。また、モータ１０は、車輪の回転による駆動力を受けて発電（回生）を行なう発電機としても機能する。なお、モータ１０は、自動車以外の装置、例えば各種電気機器又は産業機械の駆動装置として用いられてもよい。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】