JP2008228523A - 回転電機およびその回転子 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却構造を備える回転電機の回転子の製造工程を簡単にする。
【解決手段】回転電機の回転子コア２は、電磁鋼板２Ａおよび非磁性板２Ｂ〜２Ｄを積層することにより構成される。積層された電磁鋼板２Ａに永久磁石２１が収容される。非磁性板２Ｂ、２Ｃ、２Ｄには、スリット６ａ、７ａ、８ａが形成される。非磁性板２Ｂ〜２Ｄを互いに隣接させて積層することにより、スリット６ａ、７ａ、８ａが連通し、冷媒を流すための冷媒流路が構成される。回転子シャフト３を介して供給される冷媒は、スリット６ａ、７ａ、８ａを流れる。
【選択図】図３

Description

本発明は、複数の電磁鋼板を積層することにより構成されるコアを備える回転子、およびそのような回転子を備える回転電機に係わる。

モータを冷却するための構造として様々な形態が提案されている。例えば、特許文献１には、以下のような回転電機の冷却構造が開示されている。
回転子コアは、複数の円盤形状の電磁鋼板を積層することにより構成されている。各電磁鋼板には、図７に示すように、その中心から外周端に達する切欠が形成されている。これらの電磁鋼板は、９０度ずつ位相をずらしながら積層される。これにより、回転子コアは、放射状に延びる冷却油路を具備することになる。そして、モータを冷却するための冷却油は、回転子シャフトの内部に形成されている油路を介して供給される。この冷却油は、回転子が回転したときの遠心力で、回転子コアに形成されている上述の冷却油路を通ってその回転子と固定子との間の隙間にまで流れる。これにより、回転子（および、固定子）が冷却される。
特開２００６−６７７７７号公報

しかしながら、特許文献１に記載の冷却構造では、回転電機の回転子コアを製造するために、切欠が形成されている多数の電磁鋼板を、９０度ずつ位相をずらしながら積層していく必要がある。このため、回転子を組み立てる作業が複雑になる。また、特許文献１においては、冷却油路を構成するための切欠が、各電磁鋼板の中心領域からその外周端に達するように形成されている。このため、各電磁鋼板の強度が低下するおそれがある。

なお、この問題は、モータに限定されるものではなく、回転電機（モータおよび発電機等を含む）において広く生じ得るものである。
本発明の課題は、冷却構造を備える回転電機の回転子の製造工程を簡単にすることである。また、本発明の他の課題は、回転電機の回転子の強度を保ちながら冷却効率を向上させることである。

本発明の回転電機の回転子は、回転子コア、回転子シャフト、前記回転子コアに設けられた永久磁石を備える。前記回転子コアは、電磁鋼板および非磁性鈑を積層することにより構成される。前記非磁性板には、径方向に延びるスリットが形成されている。前記非磁性板に形成されているスリットを利用して前記回転子シャフトから前記回転子コアの外周端に至る冷媒流路が形成されている。

この発明においては、冷媒流路を構成するためのスリットは、非磁性板に形成される。ここで、非磁性板の加工は、電磁鋼板を加工するよりも容易である。よって、回転子の製造工程が簡単である。

前記冷媒流路は、互いに隣接する複数の非磁性板にそれぞれ形成されているスリットを連通させることにより構成するようにしてもよい。この構成においては、各非磁性板に形成するスリットの長さを短くできるので、回転子の強度の低下を抑えながら冷却構造を実現できる。

前記永久磁石は、前記回転子シャフトの軸方向において前記非磁性板によって分割されて、積層された電磁鋼板に埋め込まれるようにしてもよい。この構成によれば、うず電流が抑制される。

前記非磁性板によって分割された永久磁石を、転積するようにしてもよい。この構成によれば、トルクリップルが抑制される。
前記永久磁石は、積層された前記電磁鋼板に埋め込まれると共に、前記回転子コアにおいて前記非磁性板のスリットに面するようにしてもよい。この構成によれば、冷媒流路としてのスリットを介して流れる冷媒が永久磁石に触れるので、永久磁石を効率的に冷却できる。

なお、本発明は、上述の回転子を備える回転電機にも適用可能である。

本発明によれば、冷却構造を備える回転電機の回転子の製造工程が簡単になる。また、回転子が備える永久磁石を直接冷却できるので、冷却効率が高くなる。

図１は、本発明に係わる回転電機の冷却構造を示す図である。ここでは、冷媒が流れる経路を示すために、回転電機の内部の構造が模式的に描かれている。なお、以下の実施例では、回転電機の一例として永久磁石同期モータについて説明をする。

図１において、回転子１は、回転子コア２および回転子コア２を回転可能に支持する回転子シャフト３を含んで構成される。回転子コア２は、電磁鋼板および非磁性板を積層することにより構成されている。各電磁鋼板は、円盤形状であり、例えば、ケイ素鋼板である。また、非磁性板は、電磁鋼板と同じ円盤形状であり、例えば、ＳＵＳ等から構成される。回転子シャフト３は、回転子１の回転軸として回転子コア２に固定されている。固定子１１は、回転磁界を発生させるためのコイルを備えている。なお、回転子１と固定子１１との間には、ギャップＧが設けられている。

上記構成の永久磁石同期モータにおいて、回転子１（及び、固定子１１）を冷却するための冷却液体（以下、冷媒）は、回転子シャフト３を介して供給される。なお、回転子シャフト３は、中空構造であり、その中空構造を利用した通路（シャフト内流路）を介して冷媒を流すことができる。冷媒は、特に限定されるものではないが、例えば、冷却オイルである。また、回転子シャフト３は、シャフト内流路を介して流れる冷媒を回転子コア２に導くための冷媒通過孔を備えている。他方、回転子コア２の内部には、後で詳しく説明するが、回転子シャフト３から回転子コア２の外周端に至る冷媒流路が形成されている。ここで、この冷媒流路は、回転子シャフト３が備える冷媒通過孔に接続されている。したがって、回転子１が回転すると、回転子シャフト３に供給される冷媒は、遠心力により回転子シャフト３の冷媒通過孔から放射され、回転子コア２に形成されている冷媒流路を通ってギャップＧに流れる。

このように、回転子コア２の内部に形成された冷媒流路に冷媒を流すことにより、回転子コア２が冷却される。また、この冷媒は、回転子コア２と固定子１１との間のギャップＧにまで流れるので、固定子１１（および、固定子１１のコイルエンド）も冷却することができる。なお、ギャップＧに到達した冷媒は、不図示の循環メカニズムにより、再び回転子シャフト３に供給される。

＜第１の実施形態＞
回転子コア２は、上述したように、複数の電磁鋼板および複数の非磁性板を積層することによって構成される。第１の実施形態では、回転子コア２は、図２（ａ）に示す電磁鋼板２Ａ、および図２（ｂ）〜図２（ｄ）に示す非磁性板２Ｂ〜２Ｄを含んで構成される。

各電磁鋼板２Ａには、それぞれ、回転子シャフト３を収容するためのシャフト収容孔４および永久磁石を収容するための磁石収容孔５が形成されている。磁石収容孔５は、この実施例では、各鋼板に４つずつ形成されている。４つの磁石収容孔５は、互いに９０度ずつ位相をシフトさせた位置に形成されている。なお、磁石収容孔５の形状は、この実施例では、直線状（すなわち、棒状）である。

各非磁性板２Ｂ〜２Ｄには、電磁鋼板２Ａと同様にシャフト収容孔４が形成されているが、磁石収容孔５は形成されていない。ただし、各非磁性板２Ｂ〜２Ｄには、それぞれスリットが形成されている。すなわち、非磁性板２Ｂには、スリット６ａ〜６ｄが形成されている。スリット６ａ〜６ｄは、それぞれ一方の端部がシャフト収容孔４に達しており、他方の端部は径方向に延びている。また、非磁性板２Ｃには、スリット７ａ〜７ｄが形成されている。スリット７ａ〜７ｄは、それぞれ放射状に延びるように形成されているが、シャフト収容孔４および外周端のいずれにも達していない。さらに、非磁性板２Ｄには、スリット８ａ〜８ｄが形成されている。スリット８ａ〜８ｄは、それぞれ、一方の端部が外周端に達しており、他方の端部は中心方向に延びている。

非磁性板２Ｂ、２Ｃは、それらを重ね合わせたときにスリット６ａ〜６ｄの径方向側の端部およびスリット７ａ〜７ｄの中心側の端部がそれぞれ互いに連通するように形成されている。同様に、非磁性板２Ｃ、２Ｄは、それらを重ね合わせたときにスリット７ａ〜７ｄの径方向側の端部およびスリット８ａ〜８ｄの中心側の端部がそれぞれ互いに連通するように形成されている。

上記構造の電磁鋼板および非磁性板を積層することにより回転子コア２が形成される。このとき、各電磁鋼板２Ａおよび各非磁性板２Ｂ〜２Ｄのシャフト収容孔４に回転子シャフト３が収容され、各電磁鋼板２Ａの磁石収容孔５にそれぞれ対応する永久磁石が収容される。収容される永久磁石は、特に限定されるものではないが、たとえば、フェライト系磁石であってもよいし、希土類系磁石であってもよい。

図３は、第１の実施形態の回転子１の断面を示す図である。なお、この断面は、図２に示す電磁鋼板２Ａおよび非磁性板２Ｂ〜２Ｄを積層した状態におけるＸ−Ｙ面を示している。

電磁鋼板および非磁性板を積層することにより回転子コア２を構成する際、その一部の層において、非磁性板２Ｂ、２Ｃ、２Ｄがその順番で互いに隣接して積層される。また、それらの非磁性板２Ｂ〜２Ｄを挟むようにして、電磁鋼板２Ａが積層される。なお、永久磁石２１は、積層された電磁鋼板２Ａに埋め込まれている。

このとき、回転子１は、回転子シャフト３に設けられている冷媒通過孔９が非磁性板２Ｂに形成されている各スリット（図３では、６ａ、６ｃ）に連通するように構成される。また、非磁性板２Ｂ、２Ｃを互いに隣接させて積層することにより、非磁性板２Ｂに形成されているスリット６ａは、非磁性板２Ｃに形成されているスリット７ａに連通する。同様に、非磁性板２Ｃ、２Ｄを互いに隣接させて積層することにより、非磁性板２Ｃに形成されているスリット７ａは、非磁性板２Ｄに形成されているスリット８ａに連通する。したがって、回転子シャフト３に冷媒を供給すると、その冷媒は、回転子１を回転させたときの遠心力により、冷媒通過孔９、スリット６ａ、７ａ、８ａを介して回転子コア２の外周領域に達するように流れる。すなわち、回転子コア２の内部にスリット６ａ、７ａ、８ａから構成される冷媒流路が形成されることになる。なお、この冷媒流路は、スリット６ｂ〜６ｄ、７ｂ〜７ｄ、８ｂ〜８ｄによっても同様に形成される。

上記構成において、非磁性板２Ｂ、２Ｃ、２Ｄは、回転子コア２を形成する際に、それぞれ複数枚ずつ重ね合わせた状態で積層するようにしてもよい。なお、各電磁鋼板および非磁性板の厚さは、特に限定されるものではないが、例えば、0.2〜1.0mm程度である。

なお、上述の実施例では、冷媒流路は、永久磁石２１が埋め込まれている方向（すなわち、ｄ軸方向）に延びるように設けているが、本発明はこの構成に限定されるものではない。すなわち、冷媒流路は、永久磁石２１が埋め込まれていない方向に延びるように設けてもよい。

このように、第１の実施形態の回転子においては、非磁性板２Ｂ〜２Ｄにスリットを形成し、それらを連通させることで回転子コア２の内部に冷媒流路を形成する。ここで、非磁性板の加工は、電磁鋼板を加工するよりも容易である。また、第１の実施形態の回転子においては、特許文献１に記載の構成と異なり、非磁性板／電磁鋼板を積層していく際に各板の位相を順番に変えていく必要がない。したがって、第１の実施形態の回転子は、その製造工程が簡単である。

また、上記構成によれば、永久磁石を収容する電磁鋼板２Ａには、スリットが形成されていないので、固定子１１のコイルにより発生する磁束は、冷媒を流すための冷媒流路により遮られることはなく電磁鋼板２Ａを通過するので、リラクタンストルクの低下は回避される。

さらに、上記構成によれば、非磁性板２Ｂ〜２Ｄにより回転子シャフト３の軸方向において永久磁石が分割される。図３においては、永久磁石２１は、Ａ領域およびＢ領域に分割されている。したがって、うず電流が抑制されるので、発熱が抑えられる。なお、Ａ領域おける電磁鋼板２ＡとＢ領域における電磁鋼板２Ａの位相を互いにシフトさせるようにしてもよい（転積）。すなわち、Ａ領域における永久磁石２１の配置とＢ領域における永久磁石２１の配置とを互いにずらすようにしてもよい。このような構成とすれば、トルクリップルが抑制される。

＜第２の実施形態＞
第２の実施形態においては、回転子コア２は、図４（ａ）に示す電磁鋼板２Ａ、および図４（ｂ）〜図４（ｄ）に示す非磁性板２Ｅ〜２Ｇを含んで構成される。なお、非磁性板２Ｆは、第１の実施形態の非磁性板２Ｃと同じである。

非磁性板２Ｅ、２Ｇも、基本的には、それぞれ非磁性板２Ｂ、２Ｄと同じである。ただし、非磁性板２Ｅ、２Ｇには、電磁鋼板２Ａと同様に、永久磁石を収容するための磁石収容孔５が形成されている。

図５は、第２の実施形態の回転子１の断面を示す図である。なお、この断面は、図４に示す電磁鋼板２Ａおよび非磁性板２Ｅ〜２Ｇを積層した状態におけるＸ−Ｙ面を示している。

第２の実施形態においては、電磁鋼板２Ａだけでなく、非磁性板２Ｅ、２Ｇにも磁石収容孔５が形成されている。このため、電磁鋼板２Ａおよび非磁性板２Ｅ〜２Ｇを積層することにより回転子コア２を構成すると、各永久磁石２１の端部がそれぞれ冷媒流路（図５では、スリット７ａ、７ｃ）に達することになる。図５では、永久磁石２１の端面２１ａがスリット７ａ、７ｃに面している。したがって、回転子シャフト３を介して供給される冷媒は、図５に示すスリット６ａ〜８ａ、６ｃ〜８ｃを流れる際に永久磁石２１に直接的に触れるので、永久磁石２１を効率よく冷却することができる。

なお、非磁性板２Ｅと非磁性板２Ｇの代わりに、同様の形状の電磁鋼板を用いて回転子コア２を構成するようにしてもよい。この場合、電磁鋼板にスリットを形成する必要があるが、永久磁石を冷却する能力は変わらない。

＜永久磁石の形状＞
上述した実施例では、回転子１をその回転軸に垂直な面で切断したときの永久磁石２１の形状は直線状（棒状）であるが、本発明はこれに限定されるものではない。永久磁石２１は、例えば、図６（ａ）示すようなハの字形状（Ｖ字形状）、図６（ｂ）に示すようなコの字形状、図６（ｃ）に示すような円弧形状であってもよい。なお、永久磁石は、一般に、その温度が上昇すると磁気特性が低下するので、永久磁石２１を効率よく冷却することは、回転電機の効率の向上に寄与する。

また、上述の実施例では、埋込み磁石構造について説明したが、第１の実施形態においては、図６（ｄ）に示す表面磁石構造にも適用可能である。ここで、実施形態の冷却構造においては、冷媒流路を介して流れる冷媒は、回転子１と固定子１１との間のギャップに導かれる。このため、表面磁石構造の回転電機の場合、冷媒が永久磁石２１に直接的に接触するので、その冷却効率が高くなる。

図６のいずれの変形例でも永久磁石２１の配置、形状に左右されることなく、冷媒流路２２を配置することが可能である。回転軸方向から見て、永久磁石２１と冷媒流路２２が重なる位置に配置すると、永久磁石２１との距離が小さくなるので、効率よく冷却することができる。

＜その他の実施形態＞
（１）冷媒流路は、１層だけ設けるようにしてもよいし、２層以上に設けるようにしてもよい。

（２）回転電機の構成は、４極に限定されるものではなく、他の極数であってもよい。
（３）１層当たりの冷媒流路の本数は、回転電機の回転子の極数に応じて、適宜変更することが可能である。また、１極当り複数本の冷媒流路を形成してもよい。

（４）上述の実施例では、スリット形状の異なる３種類の鋼板を積層することで冷媒流路を形成しているが、スリット形状の異なる２種類の鋼板を積層することで冷媒流路を形成してもよいし、スリット形状の異なる４種類以上の鋼板を積層することで冷媒流路を形成してもよい。

（５）図３に示す実施例では、Ａ領域およびＢ領域の電磁鋼板の位相を互いに変えることにより２段の転積を可能としているが、３段以上の転積を実施してもよい。
（６）固定子の巻線方法は、集中巻きであってもよいし、分布巻きであってもよい。

（７）上述の第１、第２の実施形態や図６の各変形例では、回転子の１極あたり永久磁石は径方向に１層であるが、永久磁石を１極当り複数層設けて、ｑ軸のフラックスパスが複数になるようにしてもよい。

（８）上述の実施例では、鋼板２Ｂ、２Ｃ、２Ｄまたは鋼板２Ｅ、２Ｆ、２Ｇにそれぞれ、スリット６ａ〜６ｄ、７ａ〜７ｄ、８ａ〜８ｄが設けられているが、この構成に限らない。同じ鋼板に、径方向に位置の異なるスリットを設けてもよい。例えば、鋼板２Ｂにスリット６ａ〜６ｄと、径方向に位置の異なるスリット８ａ〜８ｄを設け、鋼板２Ｂと鋼板２Ｃによって冷媒流路を形成するようにしてもよい。同様に、鋼板２Ｅにスリット６ａ〜６ｄと、径方向に位置の異なるスリット８ａ〜８ｄを設け、鋼板２Ｅと鋼板２Ｆによって冷媒流路を形成するようにしてもよい。

（９）上述の実施例では、冷媒流路は枝分かれしていないが、回転子の径方向外側へ枝分かれするようにスリットを設けてもよい。
（１０）冷媒流路２２は、回転子の軸方向から見た場合直線状に限らず、曲がっていてもよい。

本発明に係わる回転電機の冷却構造を示す模式図である。 第１の実施形態の電磁鋼板および非磁性板の構造を示す図である。 第１の実施形態の回転子の断面を示す図である。 第２の実施形態の電磁鋼板および非磁性板の構造を示す図である。 第２の実施形態の回転子の断面を示す図である。 （ａ）〜（ｄ）は、回転子が備える永久磁石の形状の変形例を示す図である。 特許文献１に記載の回転電機の特徴を説明する図である。

符号の説明

１ 回転子
２ 回転子コア
２Ａ 電磁鋼板
２Ｂ〜２Ｇ 非磁性板
３ 回転子シャフト
４ シャフト収容孔
５ 磁石収容孔
６ａ〜６ｄ スリット
７ａ〜７ｄ スリット
８ａ〜８ｄ スリット
９ 冷媒通過孔
１１ 固定子
２１ 永久磁石
２２ 冷却流路

Claims (6)

1. 回転子コア、回転子シャフト、前記回転子コアに設けられた永久磁石を備える回転電機の回転子であって、
   前記回転子コアは、電磁鋼板および非磁性板を積層することにより構成され、
   前記非磁性板には、径方向に延びるスリットが形成されており、
   前記非磁性板に形成されているスリットを利用して前記回転子シャフトから前記回転子コアの外周端に至る冷媒流路が形成されている
   ことを特徴とする回転電機の回転子。
2. 前記冷媒流路は、互いに隣接する複数の非磁性板にそれぞれ形成されているスリットを連通させることにより構成される
   ことを特徴とする請求項１に記載の回転電機の回転子。
3. 前記永久磁石は、前記回転子シャフトの軸方向において前記非磁性板によって分割されて、積層された電磁鋼板に埋め込まれる
   ことを特徴とする請求項１に記載の回転電機の回転子。
4. 前記非磁性板によって分割された永久磁石は、転積されている
   ことを特徴とする請求項３に記載の回転電機の回転子。
5. 前記永久磁石は、積層された前記電磁鋼板に埋め込まれると共に、前記回転子コアにおいて前記非磁性板のスリットに面している
   ことを特徴とする請求項１に記載の回転電機の回転子。
6. 固定子および請求項１〜５のいずれか１項に記載の回転子を備える回転電機。
   

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