专利名称：旋转电机的冷却构造的制作方法
技术领域：
本发明涉及安装在车辆上的旋转电机的构造，特别是涉及具有使用矩
形线形成的扁立线圈(edgewisecoil)的旋转电机的冷却构造。
背景技术：
公知一旦旋转电机运行，则线圈的导线会发热而温度上升，如果不对 该导线充分地进行冷却，则会导致旋转电机的输出下降或者导线的耐久性 降低。
作为这样的旋转电机的定子的绕线，有时使用矩形线来形成扁立线 圈。如果使用该矩形线，则与通常的圆形线相比，线圈截面积增大，因此 通过直流电阻的减小和频率特性的改善等，能够实现小型化、高性能化。
另一方面，矩形线具有弯曲时的曲率半径大、与旋转电机的定子(铁 心)的齿之间的空隙大的倾向。即，当这样的矩形线已巻绕在覆盖铁心的 绝缘部件的截面为四边形的巻绕部上时，难以将导线准确地巻绕成四边 形，无法避免导线仅与四边形的顶点部接触而从直线部浮起并在此产生间 隙的问题。因此，由于间隙会作为隔热空间而发挥作用，因而导线的热量 难以经由绝缘部件传递至铁心，即使对铁心进行冷却，导线的冷却性也会 进一步恶化。
鉴于这样的问题，日本专利文献特开2004 — 343877号公报(专利文 献1)公开了能够通过简单的构造来有效地冷却旋转电机的线圈导线的旋 转电机的线圈。该旋转电机的线圈是在覆盖铁心周围的绝缘部件的巻绕部 上重叠巻绕多层导线的旋转电机的线圈，其特征是通过形成在绝缘部件上 的流路向形成在绝缘部件的巻绕部与导线之间的间隙中填充了导热性部 件。
根据该旋转电机的线圈，由于通过形成在绝缘部件上的流路向形成在覆盖铁心周围的绝缘部件的巻绕部与巻绕在其上的导线之间的间隙中填充 了导热性部件，因此能够通过经由导热性部件和绝缘部件将导线的热量传 递至铁心来有效地进行散热并冷却导线。并且，由于不需要冷媒和使其循 环的泵等，因此能够降低成本。
发明内容
但是，上述专利文献1所公开的旋转电机的线圈只是更多地将线圈 (导线)的热量传递给铁心来间接地进行冷却而不是积极地冷却线圈自 身。这样，有时可能无法充分地冷却矩形线。
本发明是为了解决上述问题而完成的，其目的在于提供一种旋转电机 的冷却构造，该冷却构造能够有效地冷却具有使用矩形线的扁立线圈的旋 转电机。
第一发明的旋转电机的冷却构造是用于冷却具有多个线圈的旋转电机 的构造，所述多个线圈通过在覆盖铁心的周围的绝缘部件上重叠巻绕多层 矩形线而形成。该冷却构造包括在各个线圈中由于矩形线的巻绕的曲率半 径大而形成的、绝缘部件与矩形线之间的间隙和用于供应在间隙中流动的 冷媒的供应单元。
在第一发明中，根据旋转电机的极数形成了多个线圈，该线圈通过在 覆盖铁心的周围的绝缘部件上重叠巻绕多层矩形线而形成。对于在覆盖方 形的铁心(齿)的周围的绝缘材料上无间隙地巻绕矩形线来说，由于矩形 线的巻绕的曲率半径大，因此难以将截面为四边形的矩形线无间隙地巻绕 成四边形，无论如何在绝缘部件与矩形线之间都会形成间隙。供应单元向 该间隙中供应冷媒，该间隙为冷媒的通路。由于向间隙中供应冷媒而不是 如以往那样将导热部件组装到间隙中来间接地提高冷却效率，因此能够直 接冷却铁心。结果，能够提供一种旋转电机的冷却构造，该旋转电机的冷 却构造能够有效地冷却具有使用矩形线的(扁立)线圈的旋转电机。
在第二发明的旋转电机的冷却构造中，除了第一发明的结构以外，冷 媒从一个线圈向其他的线圈流动。
根据第二发明，例如在旋转电机的旋转轴为水平的情况下，冷却液被
4供应给最上部的定子线圈，冷媒由于重力而向下一个相邻的线圈流动。通 过该过程接连不断地进行，能够冷却多个线圈。
第三发明的旋转电机的冷却构造除了第一或第二发明的结构以外，还 包括使间隙的截面积减小的绝缘材料。
根据第三发明，由于间隙的截面积变小，因此冷媒(这里为液体)的 流速上升。因此，进一步促进了热交换，因而提高了冷却效率。
在第四发明的旋转电机的冷却构造中，除了第一或第二发明的结构以 外，供应单元包括管道，向与间隙相连通的孔部供应冷媒；以及泵，使 冷媒在管道中流动。
根据第四发明，通过泵向旋转电机的线圈的间隙中供应冷却液或者向 散热器供应吸收了热量的冷却液，由此能够有效地冷却旋转电机。
图1是包括本发明的实施方式的电动发电机的混合动力车辆整体的控 制框图2是表示动力分配机构的图3是混合动力车辆的冷却系统的整体构成图4是本发明的实施方式的电动发电机的截面图5是本发明的实施方式的电动发电机的立体图6是与图5相对应的局部放大图7是与图6相对应的截面图8是本发明的实施方式的电动发电机(带冷却管)的侧面图； 图9是与图8相对应的、具有冷却管的电动发电机的立体图； 图10A是表示冷却水的流动方式的图(第一图)，是从电动发电机 140的上方观察定子线圈端12010的图； 图IOB是图IOA中的XB—XB截面图11A是表示冷却水的流动方式的图(第二图)，是从电动发电机 140的上方观察定子线圈端12010的图IIB是图IIA中的XIB—XIB截面图；图12是本发明的实施方式的变形例的电动发电机的局部截面立体图。
具体实施例方式
以下，参照附图来说明本发明的实施方式。在以下的说明中，对同一 部件标注相同的标号。它们的名称和功能也相同。因此，不重复对它们的 详细的说明。另外，在附图之间，有时纵横的尺寸比率等不同，这表示本 发明并非仅适用于限定为特定尺寸比的电动发电机。
参照图1来说明包括电动发电机的混合动力车辆整体的控制框图，所 述电动发电机具有本发明的实施方式的冷却构造。另外，本发明不限于图 1所示的混合动力车辆。在本发明中，作为动力源的、例如汽油发动机等 内燃机(以下作为发动机来进行说明)是使车辆行驶的驱动源、并且是发 电机的驱动源即可。并且，可以是驱动源为发动机和电动发电机并能够通 过电动发电机的动力来行驶的车辆(无论是否停止发动机)，也可以是安 装有行驶用蓄电池的其他方式的混合动力车辆(不限于所谓的串联式或并
联式等的混合动力车辆，但是限于在系统起动后能够进行EV行驶的车 辆)。该蓄电池为镍氢电池或锂离子电池等，对其种类没有特殊的限制。 另外，也可以代替蓄电池而使用电容器。并且，具有本发明的实施方式的 冷却构造的电动发电机还可以应用于不具有发动机的电动车辆。
混合动力车辆包括发动机120和电动发电机(MG) 140。以下，为了 便于说明，将电动发电机140表示为电动发电机140A (或MG (2) 140A)和电动发电机140B (或MG (1) 140B)，根据混合动力车辆的行 驶状态，电动发电机140A作为发电机发挥功能，或者电动发电机140B作 为电动机发挥功能。在该电动发电机作为发电机发挥功能的情况下，进行 再生制动。当电动发电机作为发电机发挥功能时，车辆的运动能量被转换 为电能，车辆减速。
混合动力车辆除此之外还包括减速器180，将由发动机120或电动 发电机140产生的动力传递给驱动轮160，或者将驱动轮160的驱动传递 给发动机120或电动发电机140;动力分配机构(例如后述的行星齿轮机构)200，将由发动机120产生的动力分配给驱动轮160和电动发电机140B (MG (1) 140B)这两个路径；行驶用蓄电池220，充入用于驱动电动发电机140的电力；逆变器240，在行驶用蓄电池220的直流与电动发电机140A (MG (2) 140A)和电动发电机140B (MG (1) 140B)的交流之间进行转换的同时进行电流控制；蓄电池控制单元(以下称为蓄电池ECU (Electronic Control Unit,电子控制单元))260，对行驶用蓄电池220的充放电状态(例如SOC)进行管理控制；发动机ECU280，控制发动机120的工作状态；MG—ECU300，根据混合动力车辆的状态来控制电动发电机140、蓄电池ECU260、逆变器240等；以及HV—ECU320等，相互地管理控制蓄电池ECU260、发动机ECU280、 MG—ECU300等，并控制混合动力系统整体以使混合动力车辆能够最高效地运行。
在本实施方式中，在行驶用蓄电池220与逆变器240之间设置有升压变换器242。由于行驶用蓄电池220的额定电压低于电动发电机140A(MG (2) 140A)和电动发电机140B (MG (1) 140B)的额定电压，因此在从行驶用蓄电池220向电动发电机140A (MG (2) 140A)或电动发电机140B (MG (1) 140B)提供电力时，通过升压变换器242使电力升压。
在图1中各ECU分别独立地构成，但是也可以构成为合并了两个以上的ECU而得到的ECU (例如，作为一个示例，在图1中如虚线所示构成为合并了 MG—ECU300和HV—ECU320而得到的ECU)。
动力分配机构200为了将发动机120的动力分配给驱动轮160和电动发电机140B (MG (1) 140B)这两者而使用行星齿轮机构(行星齿轮)。通过控制电动发电机140B (MG (1) 140B)的转速，动力分配机构200也作为无级变速器而发挥功能。发动机120的转矩被输入给行星齿轮架(C)，该转矩通过太阳齿轮(S)被传递给电动发电机140B (MG
(1) 140B)，并通过内啮合齿轮(R)被传递给电动发电机140A (MG
(2) 140A)和输出轴(驱动轮160侧)。在使旋转中的发动机120停止时，由于发动机120正在旋转，因此通过电动发电机140B (MG (1)140B)将该旋转的运动能量转换为电能，使发动机120的转速下降。在安装有图1所示的混合动力系统的混合动力车辆中，如果关于车辆
状态的预定的条件成立了，贝IJ HV—ECU320经由电动发电机140A (MG(2) 140A)和发动机ECU280控制发动机120，以使混合动力车辆仅通过电动发电机140的电动发动机140A (MG (2) 140A)而行驶。例如，预定的条件是行驶用蓄电池220的SOC大于等于预定的值这样的条件等。这样一来，在起动时或低速行驶时等发动机120的效率差的情况下，混合动力车辆能够仅通过电动发电机140A (MG (2) 140A)而行驶。结果，能够使行驶用蓄电池220的SOC降低(可以在之后的车辆停止时对行驶用蓄电池220进行充电)。
另外，在通常行驶时，例如通过动力分配机构200将发动机120的动力分配给两个路径， 一方面进行驱动轮160的直接驱动，另一方面驱动电动发电机140B (MG (1) 140B)来进行发电。此时，通过产生的电力来驱动电动发电机140A (MG (2) 140A)，由此进行驱动轮160的驱动辅助。另外，在高速行驶时，还将来自行驶用蓄电池220的电力提供给电动发电机140A (MG (2) 140A)以增大电动发电机140A (MG (2)140A)的输出，由此对驱动轮160追加驱动力。另一方面，在减速时，从动于驱动轮160的电动发电机140A (MG (2) 140A)作为发电机发挥功能来进行再生发电，并将回收的电力蓄积在行驶用蓄电池220中。另外，在行驶用蓄电池220的充电量下降而非常需要充电的情况下，增加发动机120的输出，增大电动发电机140B (MG (1) 140B)的发电量，由此增加对行驶用蓄电池220的充电量。
另外，行驶用蓄电池220的目标SOC通常被设定为60%左右，以使得无论何时进行再生均能够回收能量。另外，为了抑制行驶用蓄电池220的劣化，例如将SOC的上限值设定为80X并将下限值设定为30X， HV—ECU320经由MG—ECU300来控制电动发电机140的发电和再生、以及马达输出，使得SOC不超过上限值和下限值。另外，在这里提到的值仅是一个例子而不是被特别地限定的值。
参照图2来进一步说明动力分配机构200。动力分配机构200包括行星齿轮，该行星齿轮包括太阳齿轮(S) 202 (以下简单地记载为太阳齿轮202)、小齿轮204、行星齿轮架(C) 206 (以下简单地记载为行星齿轮架206)、以及内啮合齿轮(R) 208 (以下简单地记载为内啮合齿轮208)。
小齿轮204与太阳齿轮202和内啮合齿轮208相配合。行星齿轮架206以能够自转的方式支撑小齿轮204。太阳齿轮202与MG (1) 140B的旋转轴连结。行星齿轮架206与发动机120的曲轴连结。内啮合齿轮208与MG (2) 140A的旋转轴和减速器180连结。
发动机120、 MG (1) 140B、以及MG (2) 140A经由包括行星齿轮的动力分配机构200连结，由此发动机120、 MG (1) 140B、 MG (2)140A的转速在共线图中成为通过直线连结的关系。
参照图3来说明包括电动发电机140的混合动力冷却系统的整体结构，该电动发电机140具有本发明的实施方式的冷却构造。如图3所示，该混合动力冷却系统(以下有时简单地记载为冷却系统)是通过HV水泵2310使作为液体冷媒的冷却水(作为冷却介质的LLC (Long LifeCoolant,长效冷却液))在电动发电机140禾n PCU2200与HV散热器2330之间循环来冷却电动发电机140和PCU2200的系统。
该冷却系统除了上述的HV水泵2310、 HV散热器2330以外还包括至HV散热器的管道2320，是将在电动发电机140和PCU2200中吸收了热量的高温的冷却水送往HV散热器2330的管道；以及从HV散热器返回的管道2340和储存罐2300，是使在HV散热器2330中进行了热交换后水温下降了的冷却水从HV散热器2330返回的管道。
储存罐2300作为冷却水的备用罐而发挥功能，为了应对由于该冷却系统的管道内的冷却水的温度或冷却水的循环而导致的冷却管道的容积的变化而设置了该储存罐2300。更具体地说，在没有储存罐2310的情况下，如果冷却水的容量相对于冷却管道的容积不足，则空气会被吸入到冷却管道中。在该情况下，在该冷却系统的管道中进入了空气，该空气会进入到HV水泵2310中，由此会导致水泵2310发生气塞而无法使冷却水循环。为了避免这样的情况发生而设置了储存罐2310。
在图3所示的冷却系统中，冷却水按照HV散热器2330、 PCU2200、
9储存罐2300、 HV水泵2310、电动发电机140的顺序循环。该PCU2200容纳有用于驱动电动发电机140的IPM，因此如图3所示设置在电动发电机140的附近。结果，如果发动机120安装在该车辆的前部，则电动发电机140和PCU2200将设置在发动机120的附近。
另外，电动发电机140和PCU2200的位置不限于这样的位置。并且，作为冷却系统而说明了不同于发动机120的冷却系统的冷却系统，但是由本发明的控制装置控制的冷却系统不限于此。即，也可以是与发动机120的冷却系统共用冷却管道的冷却系统，或者可以是另外设置管道但共用散热器的冷却系统(即共用发动机120的散热器和HV散热器)，或者还可以是其他的共用形式(仅共用散热器的冷却风扇等)。
参照图4来说明具有本发明实施方式的冷却构造的电动发电机140的内部构造。在上述混合动力车辆中，如图4所示电动发电机140以旋转轴处于水平或近似水平的状态安装。
图4表示了该电动发电机140的横截面图。该电动机包括转子部，包括通过两个轴承11020而被可自由旋转地支撑的转子11010;以及定子部，包括设置在转子11010的外周方向上的定子铁心12000。该转子11010通过轴承11020而被支撑，以旋转轴11000为中心进行旋转，并将旋转转矩传递给车辆的传动系(上述动力分配机构200)。
对应于转子11010，在间隔着微小的间隙而与转子11010相对的位置设置有定子铁心12000。在定子铁心12000的槽中巻绕有线圈，所述槽设置成在平行于旋转轴的方向上贯穿定子铁心12000。电流流经该线圈，由此定子铁心12000产生用于使转子11010旋转的磁场。
另外，巻绕在定子铁心12000上的定子线圈的端部作为定子线圈端12010而形成。在定子铁心12000的槽中设置有绝缘纸12021，定子线圈巻绕在绝缘纸12021上。另外，在槽之间形成有齿。
转子11010既可以是通过层叠多个电磁钢板(0.3mm 0.5mm左右的薄板)而构成的，也可以是一体的部件。另外，这些作为构成部件的旋转轴11000、转子11010、轴承11020、定子铁心12000、定子线圈端12010容纳在壳体13000内。图4所示的巻绕在定子铁心12000上的定子线圈12040使用矩形线形成了扁立线圈。与圆形线相比，该矩形线的弯曲(弯折(turn)部分)时的曲率半径大，与旋转电机的定子(铁心)的齿之间的空隙大。因此，本实施方式的冷却构造的主要特征是使用该空隙来作为冷却介质(冷却水、冷却油)的通路。
在图5中表示了具有本发明的实施方式的冷却构造的电动发电机140的立体图。在覆盖定子线圈端12010的绝缘板上设置有与该空隙相连的冷却水穿入孔12011。该定子线圈端12010的形式根据该电动发电机140的极数等而不同，在本实施方式中，将两个孔作为一组而分别设置在一个绝缘板上。
在图6中表示了包括与一个极相对应的扁立线圈的局部的放大图，图7表示了与图6相对应的截面图。如图6和图7所示，在齿12018上巻绕矩形线12050而形成了扁立线圈。如图7所示，难以对方形的齿12018无间隙地巻绕矩形线12050 (难以将截面为四边形的矩形线12050准确地无间隙地巻绕成四边形)。另一方面，如图7所示，具有用于决定扁立线圈相对于齿12018的相对位置的支撑部12013。因此，在由矩形线12050形成的扁立线圈与齿12018之间(准确地说在它们之间设置有绝缘材料)形成了冷却水通路12012。
图6所示的冷却水穿入孔12011的位置与图7所示的冷却水通路12012的位置相对应。因此，通过向冷却水穿入孔12011 (从电动发电机140的外侧向旋转轴(内顶ij、中心侧))供应冷却水(LLC)，能够使冷却水在冷却水通路12012中流动。因此，能够通过冷却水来直接冷却扁立线圈。
参照图8和图9来说明电动发电机140内的冷却水的供应。如图8和图9所示，图5所示的冷却水穿入孔12011设置在电动发电机140的定子线圈端12010部分的全周。以覆盖该遍布全周设置的冷却水穿入孔12011的方式在定子线圈端12010部分的全周设置有冷却水供应管12014。该冷却水供应管12014与冷却水穿入孔12011的位置相对应地具有喷出口。如图8中的箭头所示，从喷出口喷出的冷却水通过冷却水穿入孔12011而流入到冷却水通路12012中。由于冷却水在重力的作用下从电动发电机140的上方向下方流动，因此也可以仅在冷却水供应管12014的上方侧具有喷出口。
另外，如使用上述图3说明的那样，该混合动力冷却系统通过HV水泵2310使冷却水循环，并通过HV散热器2330散发在电动发电机140中吸收的热量。因此，通过了从图4所示的电动发电机140的外侧开设至中心侧的冷却水通路12012的冷却水从设置在电动发电机140下方的排出口(未图示)通过至HV散热器的管道2320而被送入到HV散热器2330。
参照图IOA和图10B来说明冷却水的流动。图IOA是从电动发电机140的上方观察定子线圈端12010的图，表示了设置在绝缘板上的冷却水穿入孔12011。
图IOB表示了该图IOA的XB—XB截面。如图IOB所示，每一极的扁立线圈12015 (定子线圈端12010)并设有多个，流入到由绝缘体12016和绝缘体12017形成的冷却水通路20000、 20010、 20020、 20030中的冷却水与定子线圈进行热交换，使定子线圈的温度下降。
另外，参照图IIA和图IIB来说明具有形状与绝缘体12015不同的绝缘体22017的扁立线圈22015时的冷却水的流动。图IIA与图10A同样地是从电动发电机140的上方观察定子线圈端12010的图，表示了设置在绝缘板上的冷却水穿入孔12011。图IIB是图IIA中的XIB—XIB截面图。
该扁立线圈22015 (定子线圈端12010)的绝缘体22017比图10A和图IOB所示的绝缘体12017短。因此，从两个一组的冷却水穿入孔12011中的一个流入到冷却水通路30000中的冷却水流入到与另一个冷却水穿入孔12011相连通的冷却水通路30010中。并且，从冷却水通路30010排出的冷却水从下方的其他扁立线圈的一个冷却水穿入孔12011流入到冷却水通路30020中，并流入到与另一个冷却水穿入孔12011相连通的冷却水通路30030中。并且，从冷却水通路30010排出的冷却水流入到更靠下方的扁立线圈。依次流入到由绝缘体22016和绝缘体22017形成的冷却水通路30000、 30010、 30020、 30030中的冷却水与定子线圈进行热交换，使定子线圈的温度下降。
12这样，根据具有本实施方式的冷却构造的电动发电机，当使用矩形线 形成了扁立线圈时，使冷却水流经由于曲率半径大而形成的空隙，其中所 述矩形线在形成弯折时无法形成小的曲率半径。由此，能够积极地冷却定 子线圈，从而能够提高电动发电机的热特性。
<变形例>
以下，参照图12来说明具有本发明的实施方式的冷却构造的电动发 电机的变形例。
图12与图7相对应(虽然方向不同)。与图7所示的冷却构造不同， 代替支撑部40010而在绝缘体40000之外追加了绝缘体40002并在其上部 形成了支撑部40010。
艮口，形成了比冷却水通路12012窄的冷却水通路40030。以包围冷却 水通路40030的方式配置矩形线材40020。这样，当形成了更窄的冷却水 通路时，冷却水的流速上升。因此，能够提高热交换效率，从而能够进一 步提高冷却性能。
应认为此次公开的实施方式在所有方面均仅为例示而不具有限制作 用。本发明的范围由权利要求而非上述说明来表示，与权利要求相等同的 含义和范围内的所有变更均包括在本发明的范围之内。
权利要求
1.一种旋转电机的冷却构造，具有多个线圈(12040)，所述多个线圈(12040)通过在覆盖铁心(12000)的周围的绝缘部件(12021)上重叠卷绕多层矩形线(12050)而形成，在各个所述线圈中，在所述绝缘部件(12021)与所述矩形线(12050)之间形成有间隙，并且，所述冷却构造具有供应部(12012)，所述供应部(12012)用于供应在所述间隙中流动的冷却介质。
2. 如权利要求1所述的旋转电机的冷却构造，其中， 在所述冷却构造中，所述冷却介质从一个线圈向其他的线圈流动。
3. 如权利要求1所述的旋转电机的冷却构造，其中，所述冷却构造还包括使所述间隙的截面积减小的绝缘材料 (40002)。
4. 如权利要求1所述的旋转电机的冷却构造，其中，所述供应部包括管道(12012)，向与所述间隙相连通的孔部供应所述冷却介质；以及泵(10P),使所述冷却介质在所述管道中流动。
全文摘要
有效地冷却具有使用矩形线的扁立线圈的旋转电机。在齿(12018)上卷绕矩形线而形成了扁立线圈。为了对方形的齿(12018)卷绕矩形线，具有决定扁立线圈相对于齿(12018)的相对位置的支撑部(12013)。使冷却液在冷却水通路(12012)中流动，所述冷却水通路(12012)在由矩形线形成并通过支撑部(12013)而被定位了的扁立线圈与齿之间形成。
文档编号H02K3/24GK101689786SQ200880020088
公开日2010年3月31日 申请日期2008年6月12日 优先权日2007年6月13日
发明者园原知香 申请人:丰田自动车株式会社