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公開番号2021166453
公報種別公開特許公報(A)
公開日20211014
出願番号2020069675
出願日20200408
発明の名称回転電機
出願人トヨタ自動車株式会社
代理人特許業務法人YKI国際特許事務所
主分類H02K 1/20 20060101AFI20210917BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】回転電機において、コイル導線のスロット内に配置された部分の冷却性を改善する。
【解決手段】ステータコア24は、周方向に交互に配列された連続ティース32Aと分割ティース32Bを有する。分割ティース32Bは、ロータの回転軸線に沿う方向において隙間42を空けて分割されている。ロータから吐出される冷却液が隙間42に送り込まれ、ティース32A,32B間のスロットに配置されたコイル導線の側面に当たって、コイル導線が冷却される。
【選択図】図4
特許請求の範囲【請求項1】
回転軸線周りに回転し、外周面に冷却液を吐出する吐出口が形成されたロータと、
円環または円筒形のヨークと、前記ヨークの内周面に間隔を空けて周方向に配置されて間にスロットを規定するティースとを有し、前記ロータの外周を囲むように配置されたステータコアであって、前記ティースは、前記吐出口に対応する吐出口対応領域において、全数または半数が前記回転軸線の方向において隙間を空けて分割されており、前記吐出口対応領域内の前記回転軸線の方向における少なくとも一部の範囲において、前記ティースと、前記ティースの前記隙間とが周方向に交互に配列されている、ステータコアと、
前記ティースに巻装されたコイルと、
を含む回転電機。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、回転電機に関し、特にステータの冷却に関する。
続きを表示(約 7,700 文字)【背景技術】
【0002】
電気エネルギを回転の運動エネルギに変換する電動機、回転の運動エネルギを電気エネルギに変換する発電機、さらに電動機と発電機どちらにも機能する電気機器が知られている。以下において、これらの電気機器を総称して回転電機と記す。典型的な回転電機は、ロータと、ロータの外側を囲むように配置されたステータを有し、ステータは固定され、ロータは回転する。ロータおよびステータは、それぞれ磁路を形成するロータコアおよびステータコアを含む。
【0003】
ロータコア内に冷却用の流体を流してロータコアを内部から冷却する回転電機が知られている。下記特許文献1には、中空のロータシャフト(16)の内部空間(17)から、ロータコア(21)内部を半径方向に延びる冷却油通路(51)に冷却油を送り、ロータコア(21)を内部から冷却するロータ(20)が示されている。冷却油通路(51)は、ロータコア(21)の外周面に開口しており、冷却油通路(51)を通った冷却油は、この開口からステータ(10)に向けて吐出される。ステータは、典型的には、周方向に互いに間隔を空けて配列されたティースと、ティースに導線が巻回されて形成されたコイルとを含む。なお、上記の( )内の符号は、下記特許文献1で用いられている符号であり、本願の実施形態の説明で用いられる符号とは関連しない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
特開2016−010166号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
コイルの一部は、隣接するティース間の空間であるスロット内に配置されるため、露出部分が少なく冷却が十分に行えない場合がある。
【0006】
本発明は、コイルの、スロット内に配置された部分の冷却性を改善する。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明に係る回転電機は、回転軸線周りに回転し、外周面に冷却液を吐出する吐出口が形成されたロータと、ロータの外周を囲むように配置されたステータとを含む。ステータは、円環または円筒形のヨークと、ヨークの内周面に間隔を空けて周方向に配置されて間にスロットを規定するティースとを有するステータコアと、ティースに巻装されたコイルとを有する。ティースは、ロータの外周面に形成された吐出口に対応する吐出口対応領域において、全数または半数がロータの回転軸線方向において隙間を空けて分割されており、吐出口対応領域内の回転軸線方向における少なくとも一部の範囲において、ティースとティースの隙間とが周方向に交互に配列されている。
【発明の効果】
【0008】
ティースとティースの隙間とを周方向に交互に配列することにより、スロット内のコイルの一方の側面に冷却液を直接送ることができる。また、全てのティースを分割されたティースで構成し、かつ隙間を同軸上に配置する場合に比べ、磁路が増加し、分割されたティースを採用することによるトルク低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
本実施形態の回転電機10の回転軸線を含む断面を模式的に示す図である。
本実施形態の回転電機10の回転軸線に直交する断面、特に図1に示すII−II線による断面を模式的に示す図である。
本実施形態の回転電機10の回転軸線に直交する断面、特に図1に示すIII−III線による断面を模式的に示す図である。
回転電機10のステータコアの一部を模式的に示す斜視図である。
回転電機10の動作の説明図である。
他の実施形態の回転電機50の回転軸線を含む断面を模式的に示す図である。
回転電機50のステータコアの一部を模式的に示す斜視図である。
さらに他の実施形態の回転電機70の回転軸線を含む断面を模式的に示す図である。
回転電機70のステータコアの一部を模式的に示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【0010】
以下、本発明の実施形態を図面に従って説明する。図1〜3は、本実施形態に係る回転電機10の断面を模式的に示す図である。図1は回転電機10の出力軸の回転軸線Aを含む断面である。図2は回転軸線Aに直交する断面、特に図1中のII−II線における断面図、図3は回転軸線Aに直交する断面、特に図1中のIII−III線における断面図である。
【0011】
回転電機10は、ロータ12と、ロータ12を取り囲むように同軸配置されたステータ14を備える。ロータ12は、略円筒形状のロータコア16と、ロータコア16の中心を貫通しているロータシャフト18を含む。ロータシャフト18が回転電機10の出力軸である。ロータシャフト18の中心線が、ロータ12の回転軸線Aである。この回転軸線Aに沿う方向を軸線方向、直交する方向を半径方向、回転軸線Aを中心とした円周に沿う方向を周方向と記す。ロータコア16は、電磁鋼板を所定の形状に加工したロータコアプレート20を、回転軸線Aの方向に積層して形成されている。ロータコア16の外周面近傍には、永久磁石22が配置されている。
【0012】
ステータ14は、ステータコア24とステータコア24に巻装されたコイル26を含む。ステータコア24は、電磁鋼板を所定の形状に加工したステータコアプレート28を積層して形成されている。ステータコア24は、略円環または略円筒形状のヨーク30と、ヨーク30の内周面に、周方向に沿って間隔を空けて配列されたティース32を有する。この回転電機10においては、ティース32の数は12である。隣接するティース32の間の空間はスロット34と呼ばれている。スロット34は、隣接するティース32の互いに対向する側面と、ヨーク30の内周面とによって規定され、半径方向内側と軸線方向の端は開放している。
【0013】
ティース32にコイル導線36が巻回されてコイル26が形成されている。コイル26を形成するコイル導線36は、例えば断面が長方形である平角導線であり、スロット34内において、軸線方向に延びている。この回転電機10において、コイル26は分布巻きコイルであり、各スロット34内でコイル導線36が径方向に1列に配置されている。図2に示すように、U相の一方のコイル26U1は、間に4つのスロット34を挟んだ2つのスロット34-1,34-2を通して巻回されている。言い換えれば、コイル26U1は、5個のティース32にまたがって巻回されている。また、もう一つのU相のコイル26U2についても、同様に5個のティース32にまたがって巻回されている。
【0014】
ロータシャフト18は、中空シャフトであり、この中空空間を通じて冷却液が供給される。冷却液は、軸受や摺動部分を潤滑する潤滑油であってよい。ロータシャフト18には、中空空間と外周面をつなぐように半径方向に沿って延びるシャフト内流路38が形成され、シャフト内流路38はロータシャフト18の外周面に開口している。シャフト内流路38を通して冷却液がロータシャフト18の外周面に送られる。ロータコア16には、ロータコア内流路40が形成されている。ロータコア内流路40の半径方向において内側の端は、ロータシャフト18の外周面に形成された、シャフト内流路38の開口に対向する。また、ロータコア内流路40の半径方向において外側の端は、ロータコア16の外周面に開口している。この開口を吐出口40aと記す。冷却液は、シャフト内流路38とロータコア内流路40を通ってロータコア16の外周に送られ、ロータコア内流路40の吐出口40aからステータ14に向けて吐出される。
【0015】
図1,3において、ロータコア内流路40は、簡単のために、ロータコア16の内周面と外周面を同一のロータコアプレート20に形成された連続した1本の流路にて示している。実際には、ロータコア内流路40は、流路をいくつかに分け、個々の分けられた流路を異なるロータコアプレート20に形成し、これらのロータコアプレート20を隣接させて積層することにより部分的な流路をつないで形成されている。
【0016】
図4は、ステータコア24の一部、特に2つのティース32を含む部分を模式的に示す斜視図である。この回転電機10において、ティース32は、周方向に交互に配置された異なる形状のティース32A,32Bを含む。2種のティース32A,32Bは、軸線方向において、ティース32Aが連続しているのに対し、ティース32Bは2つに分割されている。ティース32Aを連続ティース32Aと記し、ティース32Bを分割ティース32Bと記す。また、ティース32Bの分割されたそれぞれの部分をティースセグメント32B1,32B2と記す。
【0017】
1つの分割ティース32Bを構成するティースセグメント32B1と32B2の間には、隙間42が空けられている。隙間42は、軸線方向において、ロータコア内流路の吐出口40aと同じ位置に設けられ、吐出口40aから吐出された冷却液が、隙間42内に送り込まれる。さらに、隙間42の底、つまり隙間42に対応するヨーク30の内周面には、ヨーク30の外周面30aにつながるヨーク内流路44が形成されている。隙間42に送り込まれた冷却液は、ヨーク内流路44を通ってステータコア24の外周面30aから送出される。隙間42は、冷却液の分割ティース32B内の流路を形成し、ヨーク内流路44と共にステータコア24内の冷却液流路を構成する。ヨーク内流路44は、流路をいくつかに分け、個々の分けられた流路を異なるステータコアプレート28に形成し、これらのステータコアプレート28を隣接させて積層することにより部分的な流路をつないで形成されている。
【0018】
回転電機10のティース32は、ロータコア内流路の吐出口40aに対応する吐出口対応領域K(図1参照)において、全ティース32のうち半数の分割ティース32Bが2つのティースセグメント32B1,32B2に分割されている。連続ティース32Aと分割ティース32Bが周方向に交互に配列されることにより、吐出口対応領域Kにおいて、連続ティース32Aの一部と、分割ティース32Bの隙間42が周方向に交互に配列されている。
【0019】
図5に示されるように、隙間42が設けられたことにより、ロータコア内流路の吐出口40aから吐出した冷却液が、矢印Yで示すように隙間42の奥まで進入し、回転方向Rに対向する側のコイル導線36-1に直接当たってこれを冷却する。また、回転方向Rに対して背面となる側のコイル導線36-2についても、隙間42内に進入した冷却液が接触し、これを冷却する。
【0020】
この回転電機10において、隙間42が形成された部分では、ティース32が間引かれているので、ティース32間の空間であるスロットの数が6である。また、極数は2極であり、回転電機10が三相回転電機であれば隙間42が形成された部分では、毎相毎極スロット数が1(=6/(3×2))であり、回転磁界が維持される。図5に示すように、回転電機10は、相ごとに2つのコイルを有する。図5に示す太線の矢印は、U相のコイル26U1,26U2で形成された磁束であり、対向するティース32-1、32-2にそれぞれN極、S極が形成される。V相、W相についても、同様に対向する磁極にN極、S極が形成され、回転磁界が形成されることが分かる。ティース32を間引いても回転磁界が形成されることで、トルク発生に寄与することができ、全てのティース32を分割ティース32Bとした場合に比べ、トルクの低下を小さくすることができる。
【0021】
図6および図7は、他の実施形態の回転電機50の構成を模式的に示す図である。図6は、回転軸線Aを含む断面図であり、回転軸線Aを境に、異なる種類のティースの断面が示されている。図7は、ステータコア52の一部を示す斜視図である。前述の回転電機10と同一の構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。
【0022】
回転電機50は、回転電機10に対してステータコア52の構成が異なる。ステータコア52は、略円環または略円筒形状のヨーク54と、ヨーク54の内周面に、周方向に沿って間隔を空けて配列されたティース56を有する。ティース56は、全て軸線方向において分割されているが、分割の位置が異なる2種を含む。2種のうち一方を第1分割ティース56A、他方を第2分割ティース56Bと記す。図6の回転軸線Aより上側に第1分割ティース56Aの断面が示され、下側に第2分割ティース56Bの断面が示されている。第1分割ティース56Aと第2分割ティース56Bは、周方向に交互に配置されている。
【0023】
第1分割ティース56Aは、2つのティースセグメント56A1,56A2に分割され、これらの間に第1隙間58Aが形成されている。第2分割ティース56Bも、2つのティースセグメント56B1,56B2に分割され、これらの間に第2隙間58Bが形成されている。図示されるように、第1隙間58Aと第2隙間58Bの位置は、軸方向においてずれている。第1隙間58Aは、吐出口対応領域Kを2分割した一方の範囲である第1範囲L1に対応して位置し、第2隙間58Bは、吐出口対応領域Kを2分割したもう一方の範囲である第2範囲L2に対応して位置している。
【0024】
第1隙間58Aの底には、ヨーク54の外周面につながる第1ヨーク内流路60Aが形成されており、第1隙間58Aに送り込まれた冷却液は、第1ヨーク内流路60Aを通ってステータコア52の外周面から送出される。同様に、第2隙間58Bの底には、ヨーク54の外周面につながる第2ヨーク内流路60B形成されており、第2隙間58Bに送り込まれた冷却液は、第2ヨーク内流路60Bを通ってステータコア52の外周面から送出される。
【0025】
ステータコア52の回転軸線Aに直交する断面は、第1範囲L1において図3に示される断面であるとすると、第2範囲L2においては図3に示された断面をティース56の配列ピッチの1ピッチ分だけ回転させた断面となる。各ティースを分割して隙間を設けたことにより、コイル導線36の、回転方向に対して対向する側、背面となる側の両面が冷却液に直接接触するようになる。
【0026】
回転電機50のティース56は、ロータコア内流路の吐出口40aに対応する吐出口対応領域Kにおいて軸線方向において、全て隙間を空けて分割されている。ティース56は、分割位置の違いにより第1分割ティース56Aと第2分割ティース56Bに分けられる。第1分割ティース56Aは、吐出口対応領域Kを二分した一方の範囲L1において隙間58Aが形成されるように分割され、第2分割ティース56Bは、吐出口対応領域Kのもう一方の範囲L2において隙間58Bが形成されるように分割されている。第1分割ティース56Aと第2分割ティース56Bが周方向に交互に配置されることで、第1範囲L1において、第1分割ティース56Aの第1隙間58Aと第2分割ティース56Bのティースセグメント56B2とが周方向に交互に配列される。また、第2範囲L2において、第2分割ティース56Bの第2隙間58Bと第1分割ティース56Aのティースセグメント56A1とが周方向に交互に配置される。
【0027】
図8および図9は、他の実施形態の回転電機70の構成を模式的に示す図である。図8は、回転軸線Aを含む断面図であり、回転軸線Aを境に、異なる種類のティースの断面が示されている。図9は、ステータコア72の一部を示す斜視図である。前述の回転電機10と同一の構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。
【0028】
回転電機70は、回転電機10,50に対してステータコア72の構成が異なる。ステータコア72は、略円環または略円筒形状のヨーク74と、ヨーク74の内周面に、周方向に沿って間隔を空けて配列されたティース76を有する。ティース76は、全て軸線方向において分割されているが、分割の位置が異なる2種を含む。2種のうち一方を第1分割ティース76A、他方を第2分割ティース76Bと記す。図6の回転軸線Aより上側に第1分割ティース76Aの断面が示され、下側に第2分割ティース76Bの断面が示されている。第1分割ティース76Aと第2分割ティース76Bは、周方向に交互に配置されている。
【0029】
第1分割ティース76Aは、2つのティースセグメント76A1,76A2に分割され、これらの間に第1隙間78Aが形成されている。第2分割ティース76Bも、2つのティースセグメント76B1,76B2に分割され、これらの間に第2隙間78Bが形成されている。図示されるように、第1隙間78Aと第2隙間78Bの位置は、軸線方向において、一部が重なり合う状態でずれている。第1隙間78Aは、吐出口対応領域Kを3分割したうちの2つの範囲である第1範囲M1および第3範囲M3に対応して位置し、第2隙間58Bは、3つの分割された範囲のうち第2範囲M2および第3範囲M3に対応して位置している。第1範囲M1においては第1隙間78Aのみが位置し、第2範囲M2のおいては第2隙間78Bのみが位置し、第1範囲M1と第2範囲M2に挟まれた第3範囲M3においては第1隙間78Aと第2隙間78Bの両方が位置している。
【0030】
第1隙間78Aの底には、ヨーク74の外周面につながる第1ヨーク内流路80Aが形成されており、第1隙間78Aに送り込まれた冷却液は、第1ヨーク内流路80Aを通ってステータコア72の外周面から吐出される。同様に、第2隙間78Bの底には、ヨーク74の外周面につながる第2ヨーク内流路80B形成されており、第2隙間78Bに送り込まれた冷却液は、第2ヨーク内流路80Bを通ってステータコア72の外周面から吐出される。
(【0031】以降は省略されています)

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