JP2004208463A

JP2004208463A - 回転電機の冷却構造

Info

Publication number: JP2004208463A
Application number: JP2002377223A
Authority: JP
Inventors: Masakazu Kobayashi; 正和小林; Takashi Tsuneyoshi; 孝恒吉; Yuki Nakajima; 祐樹中島
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-12-26
Filing date: 2002-12-26
Publication date: 2004-07-22
Anticipated expiration: 2022-12-26
Also published as: JP4100170B2

Abstract

【課題】簡単な構造で高い冷却性能を発揮するとともに、高回転時にもシステム効率の低下がなく、かつ低コストな回転電機の冷却構造を提供する。
【解決手段】ケース４０に回転自在に支持されたロータ軸と一体的に回転するロータ１０と、該ロータの外周側に、コイルが巻装された複数のステータコアを周方向に有するステータ３０とを備える回転電機であって、ロータ軸は、ロータコアを固定する中空の外筒部１２と、外筒部内に挿入され、ケースに回転自在に支持される内軸部１１とを有し、外筒部と内軸部との間に形成された間隙通路１２ｂと、内軸部内に軸方向に形成された冷媒導入孔１１ａと、間隙通路１２ｂとを連通する連通路１１ｂとを備える。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転電機（モータ、ジェネレータ又はモータ兼ジェネレータなど）の発熱を抑制する回転電機の冷却構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の回転電機では、表面に流入通路溝及び流出通路溝を刻設した棒材と、内周面に冷却通路溝を形成した外筒とを、前記流入通路溝及び冷却通路溝を連通する第１連通路、並びに、冷却通路溝及び流出通路溝を連通する第２連通路があらかじめ形成されているロータ軸に組み込んだものが知られている。この冷却構造では、冷媒をロータ軸の外周の上方から供給すると、その冷媒が、流入通路→第１連通路→冷却通路→第２連通路→流出通路と流れて下方に落下するものである（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−２９５８１８号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前述した従来の冷却構造では、軸の構造が複雑であるので、高コスト化が避けられなかった。また、回転時には、外周面に冷媒を出入りさせる通路において、二次流れによる圧損が生じて冷媒を供給するための動力損失が大きくなり、システム効率を悪化させるという問題点もあった。
【０００５】
本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、簡単な構造で高い冷却性能を発揮するとともに、高回転時にもシステム効率の低下がなく、かつ低コストな回転電機の冷却構造を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、以下のような解決手段により、前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために、本発明の実施形態に対応する符号を付するが、これに限定されるものではない。
【０００７】
本発明は、ケース（４０）に回転自在に支持されたロータ軸と一体的に回転するロータ（１０）と、該ロータの外周側に、コイルが巻装された複数のステータコアを周方向に有するステータ（３０）とを備える回転電機であって、前記ロータ軸は、ロータコアを固定する中空の外筒部（１２）と、前記外筒部内に挿入され、ケースに回転自在に支持される内軸部（１１）とを有し、前記外筒部と前記内軸部との間に形成された間隙通路（１２ｂ）と、前記内軸部内に軸方向に形成された冷媒導入孔（１１ａ）と、前記間隙通路（１２ｂ）とを連通する連通路（１１ｂ）とを備えることを特徴とする。
【０００８】
【作用・効果】
本発明によれば、外筒部と内軸部とを嵌合することによって冷媒通路を形成するので、構造が簡単である。また、冷媒を内軸部に形成された軸方向に形成された冷媒導入孔から供給するので、軸の回転にかかわらず冷媒の供給が可能である。したがって、高回転時にもシステム効率の低下がなく、かつ低コストな回転電機の冷却構造を得ることが可能である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、図面等を参照して、本発明の実施の形態について、さらに詳しく説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明による回転電機のロータ（回転子）の第１実施形態を示す図であり、図１（Ａ）は側断面図、図１（Ｂ）は回転軸方向から見た図、図１（Ｃ）は図１（Ａ）のＣ−Ｃ断面図を示す。
【００１０】
ロータ１０は、内軸部１１と、外筒部１２と、ロータコア１３とを備える回転子である。
【００１１】
内軸部１１は、軸受２０で回転自在に支持されている。内軸部１１は、軸方向に形成された冷媒導入孔１１ａを有する中空軸である。なお、図１では、冷媒導入孔１１ａは内軸部１１を貫通するように形成されているが、このような貫通孔には限定されるものではない。また、内軸部１１の中央付近には、連通孔１１ｂが形成されている。この連通孔１１ｂは、内軸部１１の冷媒導入孔１１ａと外周面とを連通する孔である。本実施形態では、この連通孔１１ｂは、４本形成されている（図１（Ｃ））。内軸部１１の一端には、小孔１１ｄが開けられた挿入キャップ１１ｃが挿入されている。このように挿入キャップ１１ｃで内軸部１１の一端が閉塞されているので、冷媒導入孔１１ａから導入された冷媒が連通孔１１ｂに流れる（図８参照）。また、内軸部１１には、スプライン嵌合部に合わせて形成された突起１１ｇ（図６（Ｂ）参照）によって内軸部１１と外筒部１２とのスラスト方向の動きを制限するカラー１１ｅが取り付けられている。内軸部１１の最太部分の外周面には、スプライン１１ｆが形成されており、この部分が外筒部１２に嵌合する（図１（Ｃ））。なお、このスプライン１１ｆは、連通孔１１ｂとは重ならないように形成されている。
【００１２】
外筒部１２は、内軸部１１を嵌合する。この外筒部１２の内周面には、スプライン１２ａが形成されており（図１（Ｃ））、このスプライン１２ａが内軸部１１のスプライン１１ｆを嵌合する。
【００１３】
外筒部１２に形成されたスプライン１２ａの歯数は、内軸部１１に形成されたスプライン１１ｆの歯数よりも多い。ちなみに、図１（Ｃ）では、外筒部１２に形成されたスプライン溝１２ａは３６本であり、内軸部１１に形成されたスプライン歯１１ｆは４本である。このため、外筒部１２に形成されたスプライン溝１２ａの中には、内軸部１１のスプライン歯１１ｆが挿入されない溝１２ｂがある。内軸部１１に形成された連通孔１１ｂは、内軸部１１の冷媒導入孔１１ａと、この溝１２ｂとを連通して、この溝１２ｂを冷媒通路にするのである。
【００１４】
また、外筒部１２の両端部分には、シール１２ｃが取り付けられている。このシール１２ｃは、後述のように、冷媒がロータ１０とステータ３０との間のエアギャップに流れ込むのを防止する。
【００１５】
ロータコア１３は、外筒部１２に固定されている。ロータコア１３は、電磁鋼板１３ａが圧入固定され、さらに、その両端がエンドプレート１３ｂで固定されている。このエンドプレート１３ｂは、外筒部１２に溶接固定されている。
【００１６】
図２〜図７は、本実施形態のロータの製造方法を示す図である。なお、各図（Ａ）は側断面図、図（Ｂ）は回転軸方向から見た図を示す。
【００１７】
（図２；スプライン形成工程）
外筒部１２の内周全面にスプライン１２ａを形成する。
【００１８】
（図３；内軸部嵌合工程）
次に、冷媒導入孔１１ａ、連通孔１１ｂ等を形成してある内軸部１１を、外筒部１２に挿入する。このようにすることで、内軸部１１の連通孔１１ｂによって、内軸部１１の冷媒導入孔１１ａと外筒部１２のスプライン溝１２ａ（１２ｂ）とが連通する。
【００１９】
（図４；電磁鋼板取付工程）
続いて、外筒部１２の外周に、電磁鋼板１３ａを圧入固定し、その電磁鋼板１３ａを抑えるためのエンドプレート１３ｂを圧入して溶接固定する。なお、本実施形態では、外筒部１２に内軸部１１を嵌め合わせた後、電磁鋼板１３ａを固定することとしているが、電磁性能を損なうおそれがなければ、外筒部１２に電磁鋼板１３ａ等を固定した後、内軸部１１を嵌め合わせてもよい。また、エンドプレート１３ｂの固定は、溶接に限らずネジ式としてもよい。
【００２０】
（図５；シール取付工程）
次に、外筒部１２の両端部分にシール１２ｃを固定する。このシール１２ｃによって、冷媒がロータ１０とステータ３０との間のエアギャップに流れ込むのを防止する（図８参照）。なお、本実施形態では、シール１２ｃを外筒部１２に固定したが、これに限るものではなく、例えば、エンドプレート１３ｂに固定してもよい。
【００２１】
（図６；カラー取付工程）
続いて、内軸部１１のスプライン嵌合部に、カラー１１ｅの突起１１ｇを合わせて挿入し固定する。この突起１１ｇによって、内軸部１１と外筒部１２とのスラスト方向の移動が制限される。
【００２２】
（図７；軸受取付工程）
最後に、内軸部１１に軸受２０を固定する。
【００２３】
図８は、本実施形態によるロータを回転電機に組み込んだ状態を示す図である。図中の矢印は冷媒の流れを示す。
【００２４】
ケース４０の内周面には、ステータ３０が取り付けられており、その内側に軸受２０によってロータ１０が回転自在に支持されている。また、外筒部１２の両端部分に設けられたシール１２ｃは、ケースに設けられたシール４２とともに冷媒室４１を形成している。
【００２５】
回転電機を冷却するときは、ロータ１０の内軸部１１の一端（図８では左端）から冷媒を導入する。すると、冷媒は、冷媒導入孔１１ａ→連通孔１１ｂ→スプライン溝１２ｂを通流してロータ軸の外に流出し、冷媒室４１を通ってオイルパン４３に流れる。
【００２６】
このように冷媒を流すので回転電機を効率よく冷却することができる。また、冷媒をロータ軸から導入するので、回転電機の作動にかかわらず、冷却可能である。
【００２７】
本実施形態によれば、内軸部１１及び外筒部１２をスプライン嵌合構造としたので、大きなトルクを伝達することが可能であり、しかも安価に製造することができる。
【００２８】
また、外筒部１２のスプライン１２ａの歯数を内軸部１１のスプライン１１ｆの歯数よりも多くしたので、内軸部１１から導入された冷媒が、内軸スプラインと嵌め合わされていない外筒スプライン１２ｂに沿って流れ、ロータを冷却することが可能である。そして、このとき、外筒スプライン１２ａはフィン効果を示すので、非常に大きな冷却性能を得ることができる。
【００２９】
さらに、外筒部１２の両端部分にはシール１２ｃを固定してあるので、冷媒がロータ１１とステータ３０との間のエアギャップに入り込むことを防止でき、フリクションを低減することができる。
【００３０】
さらにまた、内軸部１１と外筒部１２とは、スプライン嵌合部に合わせた突起１１ｇを有するカラー１１ｅと、その外側に固定された軸受２０を通じて固定されるので、スラスト方向の動きが抑制され、振動などの弊害が生じることがない。
【００３１】
以上詳細に説明したように、本実施形態によれば、簡単な構造で高い冷却性能を発揮し、高回転時にもシステム効率の低下がなく、かつ低コストな回転電機の冷却構造を得ることが可能である。
【００３２】
（第２実施形態）
図９は、本発明による回転電機のロータの第２実施形態を示す図であり、図９（Ａ）は側断面図、図９（Ｂ）は回転軸方向から見た図を示す。なお、図中の矢印は、冷媒の流れを示す。
【００３３】
以下に示す各実施形態では、前述した第１実施形態と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を付して、重複する説明を適宜省略する。
【００３４】
上記第１実施形態においては、上述の通り、連通孔１１ｂを内軸部１１の中央付近に設け、スプライン溝１２ｂによって形成された冷媒通路の両端を開放していたが、本実施形態では、連通孔１１ｂを内軸部１１の一端側（図９（Ａ）では左端側）に寄せるとともに、その一端側の冷媒通路（スプライン溝１２ｂによって形成された冷媒通路）をカラー１１ｈで閉塞し、反対側（図９（Ａ）では右端側）の端部のみ開放する。このとき、冷媒の漏れをより少なくするために、カラーと軸との間に、樹脂材などを介在させてもよい。
【００３５】
なお、本実施形態では、図９（Ａ）に示すように、連通孔１１ｂを冷媒流入口側の端部近くに形成したが、冷媒流入口と反対側の端部の近くに設けてもよい。この場合は、連通孔１１ｂを、冷媒流入口と反対側（図９（Ａ）の右端側）の端部の近くに形成するとともに、その端部側の冷媒通路（スプライン溝１２ｂによって形成された冷媒通路）を閉塞し、反対側（図９（Ａ）では左端側）の端部のみ開放する。
【００３６】
本実施形態によれば、冷媒が冷媒通路を一方向に流れるので、その流速が上記第１実施形態に比べて速くなる。このため、さらに大きな冷却性能を得ることができる。
【００３７】
（第３実施形態）
図１０は、本発明による回転電機のロータの第３実施形態を示す図であり、図１０（Ａ）は側断面図、図１０（Ｂ）は回転軸方向から見た図を示す。
【００３８】
本実施形態では、内軸部１１と外筒部１２とを、歯数が少なくとも３以上であって歯が間欠的に形成された歯欠スプラインで嵌合している。図１０（Ｂ）では、歯数４のスプラインを例示している。
【００３９】
本実施形態によれば、流路面積の大きな冷媒通路１２ｂを形成することができるので、冷却性能をさらに向上させることができる。なお、この歯数は、必要な冷却性能や、伝達トルク等を考慮して、適宜決めるとよい。
【００４０】
（第４実施形態）
図１１は、本発明による回転電機のロータの第４実施形態を示す図であり、図１１（Ａ）は側断面図、図１１（Ｂ）は回転軸方向から見た図を示す。
【００４１】
本実施形態では、内軸部１１と外筒部１２との１カ所ずつにキー溝を形成し、そこにキー１４を嵌合した。また、内軸部１１の２カ所には、突起１５を形成した。
【００４２】
本実施形態によっても、流路面積の大きな冷媒通路１２ｂを形成することができるので、冷却性能をさらに向上させることができる。
【００４３】
（第５実施形態）
図１２は、本発明による回転電機のロータの第５実施形態を示す図であり、図１２（Ａ）は側断面図、図１２（Ｂ）は回転軸方向から見た図を示す。
【００４４】
本実施形態では、内軸部１１と外筒部１２との３カ所ずつにキー溝を形成し、そこにキー１４を嵌合した。
【００４５】
本実施形態によっても、流路面積の大きな冷媒通路１２ｂを形成することができるので、冷却性能をさらに向上させることができる。なお、このキーの数は、必要な冷却性能や、伝達トルク等を考慮して、適宜決めるとよい。
【００４６】
（第６実施形態）
図１３は、本発明による回転電機のロータの第６実施形態を示す図であり、図１３（Ａ）は側断面図、図１３（Ｂ）は回転軸方向から見た図を示す。
【００４７】
本実施形態では、内軸部１１と外筒部１２との端部付近にのみ、キー溝を形成し、そこにキー１４を嵌合している点で、内軸部１１と外筒部１２との嵌合全長に渡ってキー溝を形成してキー１４を嵌合している第５実施例と相違する。
【００４８】
本実施形態によっても、流路面積の大きな冷媒通路１２ｂを形成することができるので、冷却性能をさらに向上させることができる。また、キー１４が小形であるので、軽量化を図ることができる。なお、このキーの数は、必要な冷却性能や、伝達トルク等を考慮して、適宜決めるとよい。
【００４９】
以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明と均等であることは明白である。
【００５０】
例えば、第３〜第６実施形態において、第２実施形態のように、連通孔１１ｂの位置を変更してもよい。
【００５１】
また、スプラインを使用する場合（第１〜第３実施形態）や、キーを１カ所にしか使用しない場合（第４実施形態）に、第６実施形態のように、スプラインやキーの位置を限定的なものにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による回転電機のロータの第１実施形態を示す図である。
【図２】本実施形態のロータの製造方法（スプライン形成工程）を示す図である。
【図３】本実施形態のロータの製造方法（内軸部嵌合工程）を示す図である。
【図４】本実施形態のロータの製造方法（電磁鋼板取付工程）を示す図である。
【図５】本実施形態のロータの製造方法（シール取付工程）を示す図である。
【図６】本実施形態のロータの製造方法（カラー取付工程）を示す図である。
【図７】本実施形態のロータの製造方法（軸受取付工程）を示す図である。
【図８】本実施形態によるロータを回転電機に組み込んだ状態を示す図である。
【図９】本発明による回転電機のロータの第２実施形態を示す図である。
【図１０】本発明による回転電機のロータの第３実施形態を示す図である。
【図１１】本発明による回転電機のロータの第４実施形態を示す図である。
【図１２】本発明による回転電機のロータの第５実施形態を示す図である。
【図１３】本発明による回転電機のロータの第６実施形態を示す図である。
【符号の説明】
１０ロータ
１１内軸部
１１ａ冷媒導入孔
１１ｂ連通孔（連通路）
１１ｆスプライン
１２外筒部
１２ａスプライン
１２ｂスプライン溝（冷媒通路；間隙通路）
１２ｃシール
１３ロータコア
１３ａ電磁鋼板
１３ｂエンドプレート
１４キー
２０軸受
３０ステータ
４０ケース

Claims

ケースに回転自在に支持されたロータ軸と一体的に回転するロータと、
該ロータの外周側に、コイルが巻装された複数のステータコアを周方向に有するステータと、
を備える回転電機であって、
前記ロータ軸は、
ロータコアを固定する中空の外筒部と、
前記外筒部内に挿入され、ケースに回転自在に支持される内軸部と、
を有し、
前記外筒部と前記内軸部との間に形成された間隙通路と、
前記内軸部内に軸方向に形成された冷媒導入孔と、前記間隙通路とを連通する連通路と、
を備えることを特徴とする回転電機の冷却構造。
前記外筒部の内周全面に形成された歯数ｍのスプラインと、
前記内軸部の外周面に形成され、前記外筒部のスプラインと嵌合可能な歯数ｎ（ただしｎ＜ｍ）のスプラインと、
を有し、
前記間隙通路は、前記外筒部に形成されたスプライン溝のうち、前記内軸部のスプライン歯が嵌合しないスプライン溝である、
ことを特徴とする請求項１に記載の回転電機の冷却構造。
前記外筒部の内周面の所定の位置に間欠的に形成された歯数ｎのスプラインと、
前記内軸部の外周面に形成され、前記外筒部のスプラインと嵌合可能な歯数ｎのスプラインと、
を有し、
前記間隙通路は、前記スプラインの形成されていない、前記外筒部及び内軸部の隙間空間部分である、
ことを特徴とする請求項１に記載の回転電機の冷却構造。
前記スプラインの歯数ｎは、少なくとも３以上である、
ことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の回転電機の冷却構造。
前記内軸部の外径は前記外筒部の内径よりも小径であり、
前記間隙通路は、その径差によって形成された隙間空間部分であり、
前記外筒部及び前記内軸部には、キー溝が形成されており、
前記外筒固定手段は、前記キー溝に嵌合されるキーである、
ことを特徴とする請求項１に記載の回転電機の冷却構造。
前記スプラインは、前記外筒部と前記内軸部との嵌合部分の全長に渡って形成されている、
ことを特徴とする請求項２から請求項５までのいずれか１項に記載の回転電機の冷却構造。
前記スプラインは、前記外筒部と前記内軸部との嵌合部分の両端部分付近に形成されている、
ことを特徴とする請求項２から請求項５までのいずれか１項に記載の回転電機の冷却構造。
前記連通路は、前記間隙通路のほぼ中央付近に連通するように形成されている、
ことを特徴とする請求項１に記載の回転電機の冷却構造。
前記連通路は、前記間隙通路の一端付近に連通するように形成され、
前記間隙通路は、前記一端側の端部が閉塞されている、
ことを特徴とする請求項１に記載の回転電機の冷却構造。
前記外筒部とともに回転し、前記間隙通路から流出した冷媒が前記ロターコアとステータとの間のエアギャップに流れ込むことを低減するシール部を備える、ことを特徴とする請求項１に記載の回転電機の冷却構造。