JP2008125330A - ロータの冷却構造およびロータの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高い冷却効果が得られるロータの冷却構造および該ロータの製造方法を提供する。
【解決手段】ロータの冷却構造は、軸方向に積層される複数の電磁鋼板２と、電磁鋼板２内に埋設される永久磁石と、電磁鋼板２の軸方向の両端部に設けられるエンドプレート４と、エンドプレート４の径方向内方からエンドプレート４の外周面に達するように形成され、ロータ１の回転に伴なって永久磁石を冷却する空気がエンドプレート４の外周面に向かって流れる冷却通路５とを備える。
【選択図】図４

Description

本発明は、ロータの冷却構造およびロータの製造方法に関し、特に、永久磁石が埋設されたロータの冷却構造およびロータの製造方法に関する。

ロータの冷却構造が従来から知られている。
たとえば、特開２００５−２１８２７４号公報（特許文献１）においては、永久磁石と磁性鋼板との間に介在する断熱材を設け、断熱材の熱伝導率を磁性鋼板の熱伝導率よりも小さくし、エンドプレートの熱伝導率を磁性鋼板の熱伝導率よりも大きくした回転子が開示されている。

また、特開２００３−６１２８２号公報（特許文献２）および特開２０００−１２５５２７号公報（特許文献３）においては、軸方向に延びる冷媒通路を有するロータが開示されている。
特開２００５−２１８２７４号公報 特開２００３−６１２８２号公報 特開２０００−１２５５２７号公報

回転電機（集中巻の回転電機）のロータにおいては、高速回転時には磁石内に渦電流損が発生したり、ロータコア内の磁束変動が発生することにより、磁石の温度が上昇し、この結果、磁石が熱減磁する場合がある。したがって、ロータを効果的に冷却するための機構を設けることが求められる。

従来から、ロータを冷却するための冷却機構が設けられているが、必ずしも十分な冷却効果が得られない場合がある。したがって、従来とは異なる構造の冷却機構が求められる。

本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、高い冷却効果が得られるロータの冷却構造および該ロータの製造方法を提供することにある。

本発明に係るロータの冷却構造は、１つの局面では、軸方向に積層される複数の電磁鋼板と、電磁鋼板内に埋設される永久磁石と、電磁鋼板の軸方向の両端部に設けられるエンドプレートと、エンドプレートの径方向内方から該エンドプレートの外周面に達するように形成され、ロータの回転に伴なって永久磁石を冷却する冷却媒体がエンドプレートの外周面に向かって流れる冷却媒体通路とを備える。

上記構成によれば、ロータの回転に伴なって、ロータコアの軸方向端面上において径方向に冷却媒体の流れを形成してロータの冷却を行なうことができる。

上記ロータの冷却構造において、好ましくは、冷却媒体通路は、永久磁石の軸方向端面上に空隙を生じさせるように該永久磁石に対向する位置に形成される。

上記構成によれば、冷却媒体通路により磁束漏れを防止することができる。この結果、エンドプレートにたとえば鉄などの磁性体を用いることが可能になり、ロータの製造コストを低減することができる。

１つの例として、上記ロータの冷却構造において、冷却媒体通路は、ロータの軸方向端面上に開口する溝形状を有する。

この場合には、エンドプレートを電磁鋼板に組付けた後に外側から加工を施して冷却媒体通路を形成することが可能になる。

本発明に係るロータの冷却構造は、他の局面では、軸方向に積層される複数の電磁鋼板と、電磁鋼板内に埋設される永久磁石と、電磁鋼板の径方向内方から該電磁鋼板の外周面に達するように形成され、ロータの回転に伴なって永久磁石を冷却する冷却媒体が電磁鋼板の外周面に向かって流れる冷却媒体通路とを備える。

上記構成によれば、ロータの回転に伴なって、ロータコア内において径方向に冷却媒体の流れを形成してロータの冷却を行なうことができる。

上記ロータの冷却構造において、好ましくは、冷却媒体通路がロータの周方向に並ぶように複数設けられる。さらに好ましくは、複数の冷却媒体通路がロータの周方向に不等間隔で設けられる。

上記のように、冷却媒体通路が複数設けられることで、ロータの冷却効率が向上する。また、複数の冷却媒体通路が周方向に不等間隔で設けられることで、エンドプレートまたは電磁鋼板の外周面上から冷却媒体が吐出される際の風切り音の周期性が無くなり、ノイズが低減される。

本発明に係るロータの製造方法は、複数の電磁鋼板とエンドプレートとが軸方向に並ぶように電磁鋼板およびエンドプレートをシャフトに嵌合する工程と、エンドプレートとシャフトとをかしめながらエンドプレートの軸方向端面上に溝を形成する工程とを備える。

上記方法によれば、エンドプレートの軸方向端面上に溝を形成することで、エンドプレートの軸方向端面の表面積を増大させるとともに、該端面上の空気循環を促進することができる。この結果、ロータの冷却効率が向上する。

上記方法において、好ましくは、溝はエンドプレートの径方向に延びるように形成される。

これにより、エンドプレートの軸方向端面上で径方向の空気流を促進することができる。

上記方法において、好ましくは、溝がロータの周方向に並ぶように複数設けられる。さらに好ましくは、複数の溝がロータの周方向に不等間隔で設けられる。

上記のように、冷却媒体通路が複数設けられることで、ロータの冷却効率が向上する。また、複数の冷却媒体通路が周方向に不等間隔で設けられることで、エンドプレートの外周面上から冷却媒体が吐出される際の風切り音の周期性が無くなり、ノイズが低減される。

本発明によれば、回転電機のロータにおいて高い冷却効果を得ることができる。

以下に、本発明の実施の形態について説明する。なお、同一または相当する部分に同一の参照符号を付し、その説明を繰返さない場合がある。

なお、以下に説明する実施の形態において、個数、量などに言及する場合、特に記載がある場合を除き、本発明の範囲は必ずしもその個数、量などに限定されない。また、以下の実施の形態において、各々の構成要素は、特に記載がある場合を除き、本発明にとって必ずしも必須のものではない。また、以下に複数の実施の形態が存在する場合、特に記載がある場合を除き、各々の実施の形態の特徴部分を適宜組合わせることは、当初から予定されている。

図１は、本発明の１つの実施の形態に係るロータの冷却構造が適用される車両の駆動装置の構成を示した図である。図１を参照して、駆動装置１０は、ハイブリッド車両を駆動する駆動装置であって、モータジェネレータ１００，２００と、プラネタリギヤ機構３００と、減速機構４００と、ディファレンシャルギヤ機構５００と、ドライブシャフト受け部６００と、端子台７１０，７２０とを含んで構成される。モータジェネレータ１００，２００、プラネタリギヤ機構３００、減速機構４００およびディファレンシャルギヤ機構５００は、ハウジング８００内に設けられる。

モータジェネレータ１００，２００は、電動機および発電機の少なくとも一方の機能を有する回転電機であり、回転シャフトと、該回転シャフトに固設されるロータと、ステータとを含んで構成される。

「動力分割機構」としてのプラネタリギヤ機構３００は、サンギヤ、リングギヤ、およびプラネタリキャリヤ（いずれも図示せず）を含む。プラネタリギヤ機構３００におけるサンギヤは、モータジェネレータ１００の回転シャフトに接続されている。プラネタリギヤ機構３００におけるリングギヤは、モータジェネレータ２００の回転シャフトに接続されている。プラネタリギヤ機構３００におけるプラネタリキャリヤは、エンジンから出力された動力が伝達されるシャフト２０と接続されている。そして、プラネタリギヤ機構３００におけるリングギヤの動力が、減速機構４００に伝達される。

減速機構４００は、プラネタリギヤ機構３００とディファレンシャル機構５００との間に設けられる。また、ディファレンシャル機構５００は、ドライブシャフト受け部６００を介してドライブシャフトと接続される。

モータジェネレータ１００，２００は、それぞれ、ハウジング８００に設けられた端子台７１０，７２０を介してケーブル３０Ａ１，３０Ａ２と電気的に接続される。ケーブル３０Ａ１，３０Ａ２の他端は、ＰＣＵ３０に接続されている。ＰＣＵ３０は、ケーブル４０Ａを介してバッテリ４０と電気的に接続される。これにより、バッテリ４０とモータジェネレータ１００，２００とが電気的に接続される。

ハイブリッド車両の走行時において、エンジンから出力された動力は、シャフト２０に伝達され、プラネタリギヤ機構３００により２経路に分割される。

上記２経路のうちの一方は、減速機構４００から、ディファレンシャル機構５００を介してドライブシャフト受け部６００に伝達される経路である。ドライブシャフト受け部６００に伝達された駆動力は、ドライブシャフトを介して駆動輪に回転力として伝達されて、車両を走行させる。

もう一方は、モータジェネレータ１００を駆動させて発電する経路である。モータジェ
ネレータ１００は、プラネタリギヤ機構３００により分配されたエンジンの動力により発電する。モータジェネレータ１００により発電された電力は、車両の走行状態や、バッテリ４０の状態に応じて使い分けられる。たとえば、車両の通常走行時および急加速時においては、モータジェネレータ１００により発電された電力はそのままモータジェネレータ２００を駆動させる電力となる。一方、バッテリ４０において定められた条件の下では、モータジェネレータ１００により発電された電力は、ＰＣＵ３０内に設けられたインバータおよびコンバータを介してバッテリ４０に蓄えられる。

モータジェネレータ２００は、バッテリ４０に蓄えられた電力およびモータジェネレータ１００により発電された電力のうちの少なくとも一方の電力により駆動する。モータジェネレータ２００の駆動力は、減速機構４００からディファレンシャル機構５００を介してドライブシャフト受け部６００に伝達される。このようにすることで、モータジェネレータ２００からの駆動力によりエンジンの駆動力をアシストしたり、モータジェネレータ２００からの駆動力のみによりハイブリッド車両を走行させたりすることができる。

一方、ハイブリッド車両の回生制動時には、駆動輪は車体の慣性力により回転させられる。駆動輪からの回転力によりドライブシャフト受け部６００、ディファレンシャル機構５００および減速機構４００を介してモータジェネレータ２００が駆動される。このとき、モータジェネレータ２００が発電機として作動する。このように、モータジェネレータ２００は、制動エネルギーを電力に変換する回生ブレーキとして作用する。モータジェネレータ２００により発電された電力は、ＰＣＵ３０内に設けられたインバータを介してバッテリ４０に蓄えられる。

図２は、モータジェネレータ１００，２００に含まれるロータ１の構成を示した図である。図２を参照して、ロータ１は、ロータの軸方向に積層される電磁鋼板２と、電磁鋼板２内に埋設される永久磁石３と、電磁鋼板２の軸方向両端部に設けられるエンドプレート４とを含んで構成される。電磁鋼板２は、たとえば鉄または鉄合金などの磁性体により構成される。

ロータ１の高速回転時には、永久磁石３内に渦電流損が発生したり、ロータコア内の磁束変動が生じたりすることなどにより、永久磁石３の温度が上昇し、永久磁石３が熱減磁する場合がある。この結果、モータジェネレータ１００，２００の駆動力が低下する。したがって、ロータを効果的に冷却することが求められる。

モータジェネレータ１００，２００は、車両の駆動装置１０に適用されるものであり、回転数が高く、磁束変動が大きくなりやすい傾向にある。したがって、モータジェネレータ１００，２００において、ロータの効果的な冷却を行なうことは重要である。

なお、モータジェネレータ１００，２００の巻線構造は、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相のコイルが互いにオーバラップしながら周方向に一定距離ずれた位置に巻回される分布巻構造であってもよいし、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相のコイルが周方向に並ぶようにそれぞれ別々のティースに巻回される集中巻構造であってもよい。なお、集中巻ロータの場合は、生産性が高いという利点があるが、ロータの回転に伴なって磁束が変動しやすいため、永久磁石３の温度が上昇しやすい傾向にある。したがって、集中巻ロータの場合には、特にロータの効果的な冷却が求められる。

また、モータジェネレータ２００のロータは、ハイブリッド車両の定常走行時においてモータジェネレータ１００のロータよりも高速で回転するため、モータジェネレータ２００における永久磁石３の方が、モータジェネレータ１００における永久磁石３に対して温度が高くなりやすい傾向にある。したがって、モータジェネレータ２００においては、特にロータの効果的な冷却が求められる。

図３は、本実施の形態に係るロータの冷却構造を示す図である。図３を参照して、ロータ１においては、エンドプレート４の内部に冷却通路５が放射状に形成されている。冷却通路５は、エンドプレート４の径方向内方からエンドプレート４の外周面に達するように形成されている。冷却通路５の径方向内方側の端部は、エンドプレート４の軸方向端面上に開口する冷却通路７と連通する。

図３に示されるロータ１が矢印ＤＲ１方向に回転すると、エンドプレート４の軸方向端面上の空気が冷却通路７内に吸引される、冷却通路７内に吸引された空気は、冷却通路５内に流入し、エンドプレート４の径方向外方に向かって流れ、エンドプレート４の外周面から外部に流出する。このように、ロータ１の回転に伴なって、エンドプレート４内で放射状の空気流が生じる。この結果、ロータの冷却が促進され、永久磁石３の温度が過度に上昇することが抑制される。

図４は、本実施の形態に係るロータの冷却構造の変形例を示す図である。図４を参照して、本変形例においては、エンドプレート４に形成される冷却通路５に加えて、さらに、積層された電磁鋼板２内に冷却通路６が形成されている。冷却通路６は、電磁鋼板２の径方向内方から電磁鋼板２の外周面に達するように形成されている。冷却通路６の径方向内方側の端部は、積層された電磁鋼板２を軸方向に貫通する冷却通路８と連通する。なお、冷却通路８は、エンドプレート４を軸方向に貫通する冷却通路７と連通している。

図４に示されるロータ１がシャフト９周りに回転すると、エンドプレート４の軸方向端面上の空気が冷却通路７内に吸引される。冷却通路７内に吸引された空気は、冷却通路５および冷却通路８内に流入する。冷却通路８内に流入した空気は、冷却通路６内に流入する。そして、冷却通路５，６に流入した空気は、エンドプレート４および電磁鋼板２の径方向外方に向かって流れ、エンドプレート４および電磁鋼板２の外周面から外部に流出する。このように、ロータ１の回転に伴なって、エンドプレート４および電磁鋼板２内で放射状の空気流が生じる。この結果、図３の例よりも、ロータの冷却がさらに促進される。

図５は、本実施の形態に係るロータの冷却構造の変形例を示す図である。図５を参照して、本変形例においては、放射状に形成される複数の冷却通路５の周方向の間隔（たとえばＤ１，Ｄ２）が一定でない。このようにすることで、冷却通路５から空気が吐出される際の風切り音に周期性が無くなり、その結果、ロータ１の回転時のノイズが低減される。

図６は、本実施の形態に係るロータの冷却構造の変形例を示す図である。また、図７は、図６におけるＶII−ＶII断面図である。図６，図７を参照して、本変形例では、永久磁石３の軸方向端面を覆うように冷却通路５が形成されている。換言すると、本変形例では、永久磁石３の軸方向端面上に空隙を生じさせるように冷却通路５が形成されている。

図８は、図６，図７に示される構造に対する比較例を示す図である。図８を参照して、エンドプレート４を磁性体（たとえば、鉄）により構成した場合、図８中の矢印で示されるように、ロータ１の回転に寄与しない磁束が生じる（本願明細書では、これを「磁束漏れ」と称する。）。ここで、たとえばアルミニウム、ステンレスなどの非磁性体によりエンドプレート４を構成することで、磁束漏れを防止することはできるが、この場合には、ロータ１の製造コストが増大する。

これに対し、図６，図７に示す例では、永久磁石３の軸方向端面上に空隙が形成されることで、上述した磁束漏れが抑制される。すなわち、図６，図７に示す例では、ロータ１の冷却用の冷却通路５が、磁束漏れ防止用の空隙として利用されている。

図９は、本実施の形態に係るロータ１の製造方法について説明するための図である。図９の例では、シャフト９に電磁鋼板２およびエンドプレート４を嵌合した後、かしめ治具５０によりエンドプレート４とシャフト９とをかしめる（図９中のＡ部）とともに、エンドプレート４を塑性変形させてその軸方向端面上に溝５Ａを形成している。このようにすることで、エンドプレート４の軸方向端面の表面積が増大し、放熱性が向上する。また、ロータ回転時にエンドプレート４の軸方向端面上の空気循環が促進され、冷却性が向上する効果も期待できる。

なお、溝５Ａは、典型的には、図１０に示すように、エンドプレート４の径方向に延びるように放射状に形成される。この場合、溝５Ａは、図３〜図７の例と同様に、エンドプレート４に形成された「冷却通路５」を構成する。しかしながら、溝５Ａの形態は図１０に示すものに限定されず、たとえば、シャフト９の軸心を中心とするリング状の複数の溝を同心円状に設けるようにしてもよい。

上述した内容について要約すると、以下のようになる。すなわち、本実施の形態に係るロータ１の冷却構造は、軸方向に積層される複数の電磁鋼板２と、電磁鋼板２内に埋設される永久磁石３と、電磁鋼板２の軸方向の両端部に設けられるエンドプレート４と、エンドプレート４の径方向内方からエンドプレート４の外周面に達するように形成され、ロータ１の回転に伴なって永久磁石３を冷却する「冷却媒体」としての空気がエンドプレート４の外周面に向かって流れる「冷却媒体通路」としての冷却通路５とを備える。

なお、図３に示すように、冷却通路５は、ロータ１の周方向に並ぶように複数設けられている。

また、図４の例では、電磁鋼板２の径方向内方から電磁鋼板２の外周面に達するように形成され、ロータ１の回転に伴なって永久磁石３を冷却する空気が電磁鋼板２の外周面に向かって流れる冷却通路６が設けられている。

また、図５の例では、複数の冷却通路５がロータの周方向に不等間隔で設けられている。

また、図６，図７の例では、永久磁石３の軸方向端面上に空隙を生じさせるように永久磁石３に対向する位置に冷却通路５が形成されている。

また、図１０の例では、冷却通路５は、ロータ１の軸方向端面上に開口する溝５Ａにより構成される。

本実施の形態に係るロータの製造方法は、複数の電磁鋼板２とエンドプレート４とが軸方向に並ぶように電磁鋼板２およびエンドプレート４をシャフト９に嵌合する工程と、図９に示すように、エンドプレート４とシャフト９とをかしめながらエンドプレート４の軸方向端面上に溝５Ａを形成する工程とを備える。

本実施の形態に係る冷却構造によれば、エンドプレート４の径方向内方から外周面に達するように冷却通路５が形成されることで、ロータ１の回転に伴なって、ロータコアの軸方向端面上において径方向の空気流が形成される。この結果、ロータの冷却が促進される。

また、図４の例のように、電磁鋼板２の径方向内方から外周面に達するように冷却通路６が形成されることで、ロータ１の回転に伴なって、ロータコア内において、径方向の空気流が形成される。この結果、ロータの冷却がさらに促進される。

また、図５の例のように、冷却通路５を不等間隔で設けることで、ロータ回転時のノイズを低減することができる。

また、図６，図７の例のように、永久磁石３の軸方向端面上に空隙を生じさせるように永久磁石３に対向する位置に冷却通路５が形成されることで、冷却通路５により磁束漏れを防止することができる。この結果、エンドプレート４に低コストの磁性体を用いることが可能になり、ロータ１の製造コストを低減することができる。

また、図９により説明されるロータ１の製造方法によれば、エンドプレート４の軸方向端面上に溝５Ａを形成することで、エンドプレート４の軸方向端面の表面積を増大させるとともに、該端面上の空気循環を促進することができる。この結果、ロータ１の冷却効率が向上する。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、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。

本発明の１つの実施の形態に係るロータの冷却構造が適用される車両の駆動装置の構成を示した図である。 本発明の１つの実施の形態に係るロータの冷却構造が適用されるロータの構成を示した図である。 本発明の１つの実施の形態に係るロータの冷却構造を示す図である。 本発明の１つの実施の形態に係るロータの冷却構造の変形例を示す図である。 本発明の１つの実施の形態に係るロータの冷却構造の他の変形例を示す図である。 本発明の１つの実施の形態に係るロータの冷却構造のさらに他の変形例を示す図である。 図６におけるＶII−ＶII断面図である。 図６，図７に示す構造に対する比較例を示す図である。 本発明の１つの実施の形態に係るロータの製造方法における、かしめ工程について説明する図である。 本発明の１つの実施の形態に係るロータの製造方法により得られたロータを示す上面図である。

符号の説明

１ ロータ、２ 電磁鋼板、３ 永久磁石、４ エンドプレート、５〜８ 冷却通路、５Ａ 溝、９ シャフト、１０ 駆動装置、２０ シャフト、３０ ＰＣＵ、３０Ａ１，３０Ａ２，４０Ａ ケーブル、４０ バッテリ、５０ かしめ治具、１００，２００ モータジェネレータ、３００ プラネタリギヤ機構、４００ 減速機構、５００ ディファレンシャル機構、６００ ドライブシャフト受け部、７１０，７２０ 端子台、８００ ハウジング。

Claims (10)

1. 軸方向に積層される複数の電磁鋼板と、
   前記電磁鋼板内に埋設される永久磁石と、
   前記電磁鋼板の軸方向の両端部に設けられるエンドプレートと、
   前記エンドプレートの径方向内方から該エンドプレートの外周面に達するように形成され、ロータの回転に伴なって前記永久磁石を冷却する冷却媒体が前記外周面に向かって流れる冷却媒体通路とを備えた、ロータの冷却構造。
2. 前記冷却媒体通路は、前記永久磁石の軸方向端面上に空隙を生じさせるように該永久磁石に対向する位置に形成される、請求項１に記載のロータの冷却構造。
3. 前記冷却媒体通路は、ロータの軸方向端面上に開口する溝形状を有する、請求項１または請求項２に記載のロータの冷却構造。
4. 軸方向に積層される複数の電磁鋼板と、
   前記電磁鋼板内に埋設される永久磁石と、
   前記電磁鋼板の径方向内方から該電磁鋼板の外周面に達するように形成され、ロータの回転に伴なって前記永久磁石を冷却する冷却媒体が前記外周面に向かって流れる冷却媒体通路とを備えた、ロータの冷却構造。
5. 前記冷却媒体通路がロータの周方向に並ぶように複数設けられる、請求項１から請求項４のいずれかに記載のロータの冷却構造。
6. 複数の前記冷却媒体通路がロータの周方向に不等間隔で設けられる、請求項５に記載のロータの冷却構造。
7. 複数の電磁鋼板とエンドプレートとが軸方向に並ぶように前記電磁鋼板および前記エンドプレートをシャフトに嵌合する工程と、
   前記エンドプレートと前記シャフトとをかしめながら前記エンドプレートの軸方向端面上に溝を形成する工程とを備えたロータの製造方法。
8. 前記溝は前記エンドプレートの径方向に延びるように形成される、請求項７に記載のロータの製造方法。
9. 前記溝がロータの周方向に並ぶように複数設けられる、請求項８に記載のロータの製造方法。
10. 複数の前記溝がロータの周方向に不等間隔で設けられる、請求項９に記載のロータの製造方法。

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