JP2005218274A

JP2005218274A - 回転電機の回転子

Info

Publication number: JP2005218274A
Application number: JP2004025440A
Authority: JP
Inventors: Hideya Awata; 秀哉粟田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-02-02
Filing date: 2004-02-02
Publication date: 2005-08-11

Abstract

【課題】回転子を十分に冷却できる構造を提供する。
【解決手段】回転子１００は、シャフト６０を取囲むように設けられた磁性体としての磁性鋼板２０と、磁性鋼板２０内に埋込まれてシャフト６０に沿って一方端４０ａから他方端４０ｂまで延び、かつ一方端４０ａが磁性鋼板２０から露出する永久磁石４０と、永久磁石４０と磁性鋼板２０との間に介在する断熱材５０と、一方端に接触するエンドプレート３１とを備える。断熱材５０の熱伝導率は磁性鋼板２０の熱伝導率よりも小さい。エンドプレート３１の熱伝導率は磁性鋼板２０の熱伝導率よりも大きい。
【選択図】図１

Description

この発明は、回転電機の回転子に関し、より特定的には、車両に搭載される回転電機（モータ／ジェネレータ）の回転子の構造に関するものである。

従来、回転電機の構造は、たとえば特開平８−２７５４７０号公報（特許文献１）、特開平９−３０８１５０号公報（特許文献２）、特開平３−１１９５１号公報（特許文献３）、実開平２−１３３１８０号公報（特許文献４）、特開平９−１８２３７４号公報（特許文献５）、特開２００２−３４５１８８号公報（特許文献６）に開示されている。特許文献１および２では、永久磁石の外周に断熱材を配置する構造が開示されている。特許文献３では、永久磁石の外周および軸方向の両端に断熱材を配置する構造が開示されている。特許文献４では、永久磁石の内周に断熱材を配置する構造が開示されている。特許文献５および６では、永久磁石の内周側に冷媒通路を設ける構造が開示されている。
特開平８−２７５４７０号公報特開平９−３０８１５０号公報特開平３−１１９５１号公報実開平２−１３３１８０号公報特開平９−１８２３７４号公報特開２００２−３４５１８８号公報

従来の技術では、モータを駆動させた場合、モータの各部分から損失（銅損、鉄損、機械損など）が発生し、その損失が熱となってモータの各部品の温度を上昇させる。その際、磁石の温度上昇に寄与する熱量は、磁石内部の発熱よりも電磁鋼板などからの受熱の方が支配的となっている。すなわち、永久磁石は、他の部品により暖められる。

このような問題の対策として、磁石自身を断熱することが考えられる。しかしながら、磁石を完全に密閉すると磁石内部の発熱によって結果的に磁石が高温となる。そのため、磁石内部で発生した熱を外部へ逃がす必要がある。また、現在では高い温度にも耐え得ることができるようにするために、耐熱レベルの高い磁石材料を使用している。これがコスト高となる要因となっている。また、磁石の温度が高くなれば高くなるほど磁石の磁束密度が低下する。その結果モータ効率が低下するという問題がある。

現状の技術レベルでは、モータを駆動する上で損失が生じることは避けられず、また、これからのモータ技術では、定格の低減（熱容量縮小）、高出力化（損失増）となることが予想され、モータ温度が上昇する頻度は益々増大する傾向にある。しかしながら、磁石周辺部は熱の経路を考慮したモータ構造設計とはなっていない。

そこで、この発明は上述のような問題点を解決するためになされたものであり、永久磁石を十分に冷却することが可能な回転電機の回転子を提供することを目的とする。

この発明に従った回転電機の回転子は、回転軸を取囲むように設けられた磁性体と、磁性体内に埋込まれて回転軸に沿って一方端から他方端まで延び、かつ一方端が磁性体から露出する永久磁石と、永久磁石と磁性体との間に介在する、磁性体よりも熱伝導率が小さい断熱材と、一方端に接触する、磁性体よりも熱伝導率が大きいエンドプレートとを備える。

このように構成された回転電機の回転子では、永久磁石と磁性体との間には、磁性体よりも熱伝導率が小さい断熱材が介在する。その結果、磁性体から永久磁石への熱の伝達を防止することができ、磁性体による永久磁石の加熱を防止することができる。さらに、永久磁石の一方端は磁性体よりも熱伝導率が大きいエンドプレートと接触するため、永久磁石の熱はエンドプレート側へ逃げる。その結果、永久磁石に熱が溜まることがない。これにより永久磁石を十分に冷却することが可能な回転電機の回転子を提供することができる。

より好ましくは、永久磁石の他方端は磁性体から露出し、回転電機の回転子は、他方端に接触する別のエンドプレートをさらに備える。この場合、永久磁石の他方端の熱が別のエンドプレートへ伝えられるため、さらに十分に永久磁石を冷却することができる。

以下、この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の実施の形態では同一または相当する部分については同一の参照符号を付し、その説明については繰返さない。

（実施の形態１）
図１は、この発明の実施の形態１に従った回転電機の断面図である。図１を参照して、この発明の実施の形態１に従った回転電機１の回転子１００は、回転軸としてのシャフト６０を取囲むように設けられた磁性体としての電磁鋼板２０と、電磁鋼板２０内に埋込まれてシャフト６０に沿って一方端４０ａから他方端４０ｂまで延び、かつ一方端４０ａが電磁鋼板２０から露出する永久磁石４０と、永久磁石４０と電磁鋼板２０との間に介在する、電磁鋼板２０よりも熱伝導率の小さい断熱材５０と、一方端４０ａに接触する、電磁鋼板２０よりも熱伝導率の大きいエンドプレート３１を備える。また、永久磁石４０の他方端４０ｂは電磁鋼板２０から露出する。他方端４０ｂは別のエンドプレート３２に接触している。

モータ／ジェネレータとしての回転電機１は、シャフト６０と、シャフト６０の外周に取付けられてシャフト６０とともに回転することが可能な回転子１００と、回転子１００の外周に設けられて回転子１００に磁場を印加するためのステータとしての固定子１０とを有する。シャフト６０は金属製であり、回転軸６０ａを中心として回転する。シャフト６０内には潤滑油の通路が設けられる。この潤滑油によるシャフト６０が潤滑および冷却される。

シャフト６０の外周面には電磁鋼板２０が複数積層して設けられている。電磁鋼板２０はシャフト６０の延びる方向、すなわちスラスト方向に積層されており、鉄などの磁性体により構成される。電磁鋼板２０の積層体の両端には電磁鋼板２０を挟み込むように２枚のエンドプレート３１，３２が設けられる。エンドプレート３１，３２はまた電磁鋼板２０内の熱を逃がす働きをする。そのため、エンドプレート３１，３２の熱伝導率は電磁鋼板２０の熱伝導率よりも大きい。エンドプレート３１，３２はともにシャフト６０に接触しており、エンドプレート３１，３２の熱はシャフト６０へ伝えられる。

電磁鋼板２０には、永久磁石４０が埋込まれている。永久磁石４０はたとえば希土類元素を含み、一方端４０ａから他方端４０ｂに向かって電磁鋼板２０を貫通するように設けられている。永久磁石４０はスラスト方向に延び、その外周には断熱材５０が設けられている。断熱材５０は永久磁石４０を取囲み、かつ２つのエンドプレート３１，３２に接触する。断熱材５０は電磁鋼板２０内の熱が永久磁石４０へ伝わるのを防止する働きをする。そのため断熱材５０の熱伝導率は電磁鋼板２０の熱伝導率よりも小さい。

断熱材としては、たとえばガラス（温度２０℃での熱伝導率：０．７６Ｗ／（ｍ・℃））、絶縁紙（温度２０℃での熱伝導率：０．１４Ｗ／（ｍ・℃））、紙（温度２０℃での熱伝導率：０．１３Ｗ／（ｍ・℃））、空気（温度２０℃での熱伝導率：０．０２９Ｗ／（ｍ・℃））、粉末系真空断熱材（温度２０℃での熱伝導率：０．００５Ｗ／（ｍ・℃））などを用いることができる。なお、絶縁紙としては、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）フィルムとノーメックスとアクリル系接着剤の混合物を用いる。また、粉末系真空断熱材として、松下冷機製ＶＡＣＵＡ（商品名）を用いることができる。

断熱材５０は、固体物質に限られず、液体、気体または液体もしくは気体を封入した固体を用いてもよい。さらに、断熱材５０として固体を用いる場合には、有機物および無機物のいずれをも用いることができる。さらに、多孔体で断熱材５０を構成することも可能である。

エンドプレート３１，３２として、たとえばアルミニウム（温度２０℃での熱伝導率：２０４Ｗ／（ｍ・℃））、真鍮（温度２０℃での熱伝導率：８１〜１１１Ｗ／（ｍ・℃））を用いることができる。その他の熱伝導率の高い金属をエンドプレート３１，３２として採用することも可能である。

さらに、電磁鋼板２０の径方向での熱伝導率は温度２０℃で１８Ｗ／（ｍ・℃）、電磁鋼板２０の軸方向の熱伝導率は温度２０℃で１．２Ｗ／（ｍ・℃）、希土類系の永久磁石４０の熱伝導率は温度２０℃で９．６Ｗ／（ｍ・℃）、クロム鋼により構成されるシャフト６０の熱伝導率は温度２０℃で４２〜５０Ｗ／（ｍ・℃）である。

図２は、図１で示す永久磁石４０および断熱材５０の斜視図である。図２を参照して、永久磁石４０は直方体形状であり、露出端面がほぼ長方形となっている。永久磁石４０の外周面を断熱材５０が覆っており、断熱材５０はシース状に形成される。なお、永久磁石４０の形状は図２で示すような角柱状に限られず、円柱状または楕円柱状であってもよい。

本発明では、埋込型の永久磁石モータでおいて、電磁鋼板２０と接する永久磁石４０の外周面を断熱材５０で覆うことにより、永久磁石４０の温度上昇を抑制している。すなわち、永久磁石４０のうち電磁鋼板２０と接触する部分が断熱材５０で覆われ、この磁石が回転子としてのロータの内部に埋込まれている。この断熱材５０により、矢印１０１，１０２，１０５，１０６で示すように、電磁鋼板２０の熱はエンドプレート３１，３２へ逃げて永久磁石４０への伝熱量が減少する。また、永久磁石４０内部で発生する熱は矢印１０３，１０４で示すようにエンドプレート３１，３２側へ逃げる。これにより永久磁石４０の温度上昇を抑制することができる。この発明を適用することで、モータ効率の低下を抑制し、また永久磁石４０の耐熱レベルを低減することが可能となり、低コスト化が可能となる。また、永久磁石４０には断熱材５０が巻付けられていてもよい。ただし、一方端４０ａおよび他方端４０ｂの端面は断熱材５０で覆われることがない。以上のような本発明では、磁石の温度上昇を抑えることにより、モータ効率の低下を抑制することが可能となる。さらに、磁石の耐熱レベル低減させることが可能となり、低コスト化を実現することができる。

（実施の形態２）
図３は、この発明の実施の形態２に従ったモータの断面図である。図３を参照して、この発明の実施の形態２に従った回転子１００では、永久磁石４０の他方端４０ｂがエンドプレート３２に接触していない点で、実施の形態１に従った回転子１００と異なる。永久磁石４０の長さが電磁鋼板２０の積層体の長さよりも短く設定されているため、一方端４０ａはエンドプレート３１に接触するが、他方端４０ｂはエンドプレート３２と直接接触しない。なお、この実施の形態では他方端４０ｂとエンドプレート３２との間に空間が設けられているが、この空間内に何らかの物質を充填してもよい。

このように構成された、この発明の実施の形態２に従った回転子１００でも、実施の形態１に従った回転子１００と同様の効果がある。

以上、この発明の実施の形態について説明したが、ここで示した実施の形態はさまざまに変形することが可能である。まず、モータ／ジェネレータとしての回転電機１内の温度を低下させるために、ロータである回転子１００が潤滑油で冷却されていてもよい。さらに、冷却効率を向上させるためにエンドプレート３１にフィンをつけることも可能である。また、エンドプレート３１に凹凸を設けてもよい。

また、固定子１０には、分布巻きおよび集中巻きのいずれかでＵ、Ｖ、Ｗ相の巻線が形成されていてもよい。なお、磁性体として電磁鋼板２０でなく圧粉磁性体を用いることも可能である。さらに、電磁鋼板２０として、方向性電磁鋼板を用いてもよい。

今回開示された実施の形態はすべ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および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明は車両に搭載される回転電機の回転子として利用することができる。

この発明の実施の形態１に従った回転電機の断面図である。永久磁石と断熱材の斜視図である。この発明の実施の形態２に従った回転電機の断面図である。

符号の説明

１回転電機、１０固定子、２０磁性鋼板、３１，３２エンドプレート、４０永久磁石、４０ａ一方端、４０ｂ他方端、５０断熱材、６０シャフト、１００回転子。

Claims

回転軸を取囲むように設けられた磁性体と、
前記磁性体内に埋込まれて回転軸に沿って一方端から他方端まで延び、かつ一方端が前記磁性体から露出する永久磁石と、
前記永久磁石と前記磁性体との間に介在する、前記磁性体よりも熱伝導率が小さい断熱材と、
前記一方端に接触する、前記磁性体よりも熱伝導率が大きいエンドプレートとを備えた、回転電機の回転子。
前記永久磁石の他方端は、前記磁性体から露出し、
さらに、前記他方端に接触する別のエンドプレートを備えた、請求項１に記載の回転電機の回転子。