JP2009027837A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】、ステータに設けられた永久磁石を含む冷却対象部を冷媒によって冷却するすることができ、コイルエンドに吹き付けられる冷媒の低減が図られた回転電機を提供する。
【解決手段】回転電機は、回転可能に設けられたシャフト５８と、永久磁石３１を収容可能な収容孔２４Ａと、収容孔２４Ａ内に収容された永久磁石３１とを含み、シャフト５８に固設されたロータ１０と、ロータ１０と対向し、コイルを有するステータと、ロータ１０の軸方向端部に設けられたエンドプレート２９と、エンドプレート２９に形成され、永久磁石３１の軸方向端部を経由し、冷媒が流通可能な冷媒通路４３と、永久磁石３１の内径方向端部Ｐ１からロータ１０の外周側に位置し、永久磁石３１を含む冷却対象部Ｒに対して、ロータ１０の径方向内方に位置すると共に、冷媒通路４３に連通し、冷媒を排出可能な排出孔４４とを備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、回転電機に関し、特に、永久磁石を含む冷却対象部の冷却が図られた回転電機に関する。

従来から冷却油等を用いて磁石やステータのコイルエンドを冷却する電動機等の回転電機が各種提案されている。たとえば、特許文献１（特開２００６−６０９１号公報）に記載された電動機は、永久磁石を備えたロータと、コイルが巻回されたステータと、永久磁石に向けて冷却冷媒を噴出する噴出口とを備えている。

この回転電機においては、冷却冷媒内に含まれる磁性夾雑物を磁石に吸着させて、その後、コイルエンドに冷却冷媒を噴出することで、コイルエンドの絶縁被膜の損傷が抑制されている。

また、特許文献２（特開２００５−６４２９号公報）に記載された回転電機においては、複数のスロットが形成されたステータと、このステータの中空部内に回転可能に設けられたロータとを備えている。スロットには、絶縁紙が装着され、コイルが巻回されている。そして、この回転電機は、ロータの端面に冷却液を供給する冷却油路と、ロータの端面に形成され、絶縁紙よりも上方に位置するコイルエンドに冷却液を誘導する傾斜部とを備えている。

特許文献３（特開２００３−１６９４４８号公報）に記載された電動モータにおいては、ロータ軸の軸受部材に供給される潤滑油が、ロータに設定された潤滑経路を経て、ステータのコイルエンドに向けて噴出され、コイルエンドが冷却されている。

特許文献４（特開２００１−１６８２６号公報）に記載された電動機は、中空部を有するロータシャフトと、中空部に連通する油路が形成されたロータとを備えている。ロータに形成された油路は、ロータの軸方向端面に形成された油溜め部に連通し、油溜め部には、油溜め部よりも狭められた吹き出し口が形成されている。そして、霧状の潤滑油がステータ内部に供給され、電動機が冷却される。
特開２００６−６０９１号公報 特開２００５−６４２９号公報 特開２００３−１６９４４８号公報 特開２００１−１６８２６号公報

しかし、上記のように構成された回転電機においては、回転子から冷媒がコイルエンドに向けて吹き付けられるため、固定子のコイルエンドの絶縁被膜が剥離する。その一方で磁石の熱減磁の低減等を図るために、永久磁石やロータ鉄心を冷却する必要がある。

本発明は、上記のような課題に鑑みてなされ、その目的は、固定子に設けられた永久磁石を含む冷却対象部を冷媒によって冷却することができ、コイルエンドに吹き付けられる冷媒の低減が図られた回転電機を提供することである。

本発明に係る回転電機は、回転可能に設けられた回転軸と、永久磁石を収容可能な収容孔と、収容孔内に収容された永久磁石とを含み、回転軸に固設された回転子と、回転子と対向し、コイルを有する固定子とを備える。そして、この回転電機は、回転子の軸方向端部に設けられたエンドプレートと、エンドプレートに形成され、永久磁石の軸方向端部を経由し、冷媒が流通可能な冷媒通路と、磁石の内径方向端部から回転子の外周側に位置し、永久磁石を含む冷却対象部に対して回転子の径方向内方に位置すると共に、冷媒通路に連通し、冷媒を排出可能な排出孔とを備える。

好ましくは、回転軸に形成され、冷媒通路に冷媒を供給可能な供給管をさらに備える。そして、上記冷媒通路は、供給管に連設され、回転子の径方向に向けて延び、永久磁石の軸方向端面を経由する第１流路と、第１流路に接続され、該第１流路との接続部から回転子の径方向内方に向けて延び、排出孔に達する第２流路とを含む。

好ましくは、上記排出孔は、冷媒通路と供給管との接続位置に対して、回転子の回転方向後方側に位置する。好ましくは、上記排出孔は、冷媒通路から回転軸の軸方向に向かうに従って、回転子の径方向外方に向けて延びる。好ましくは、上記エンドプレートの軸方向端面のうち、排出孔の開口部に対して、ロータの径方向外方側に隣り合う部分に設けられ、エンドプレートの軸方向端面より回転軸の軸方向に突出する突出部をさらに備える。

好ましくは、上記突出部の軸方向端部は、コイルの軸方向端部よりも、ロータの軸方向外方側に位置する。

本発明に係る回転電機によれば、回転子に設けられた永久磁石を冷却することができると共に、永久磁石を冷却する冷媒がコイルエンドに吹き付けられることを抑制することができる。

本実施の形態に係る回転電機について、図１から図１０を用いて説明する。
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、この発明の実施の形態における回転電機を示す断面図である。図中に示す回転電機は、ガソリンエンジンやディーゼルエンジン等の内燃機関と、充放電可能な２次電池（バッテリ）から電力供給されるモータとを動力源とするハイブリッド自動車に搭載されたモータである。そして、回転電機とは、電力が供給されてモータとしての機能と、発電機（ジェネレータ）としての機能との少なくとも一方の機能を有するモータジェネレータを意味する。

図１を参照して、回転電機１００は、ロータ１０と、ロータ１０の外周上に配置されたステータ５０とを備える。ロータ１０は、中心線１０１に沿って延びるシャフト５８に設けられている。シャフト５８は、ロータ１０とともに中心線１０１を中心に回転する。

ロータ１０は、ロータコア２０と、ロータコア２０に埋設された永久磁石３１とを有する。すなわち、回転電機１００は、ＩＰＭ（Interior Permanent Magnet）モータである。
ロータコア２０は、中心線１０１に沿った円筒形状を有する。ロータコア２０は、中心線１０１の軸方向に積層された複数の電磁鋼板２１から構成されている。

中心線１０１方向に位置するロータ１０の軸方向端面には、エンドプレート２９が設けられている。

ステータ５０は、ステータコア５５と、ステータコア５５に巻回されたコイル５１とを有する。ステータコア５５は、中心線１０１の軸方向に積層された複数の電磁鋼板５２から構成されている。なお、ロータコア２０およびステータコア５５は、電磁鋼板に限定されず、たとえば圧粉磁心から構成されても良い。

コイル５１は、３相ケーブル６０によって制御装置７０に電気的に接続されている。３相ケーブル６０は、Ｕ相ケーブル６１、Ｖ相ケーブル６２およびＷ相ケーブル６３からなる。コイル５１は、Ｕ相コイル、Ｖ相コイルおよびＷ相コイルからなり、これらの３つのコイルの端子に、それぞれ、Ｕ相ケーブル６１、Ｖ相ケーブル６２およびＷ相ケーブル６３が接続されている。

制御装置７０には、ハイブリッド自動車に搭載されたＥＣＵ（Electrical Control Unit）８０から、回転電機１００が出力すべきトルク指令値が送られる。制御装置７０は、そのトルク指令値によって指定されたトルクを出力するためのモータ制御電流を生成し、そのモータ制御電流を、３相ケーブル６０を介してコイル５１に供給する。

図２は、図１に示すロータ１０の一部を拡大視した拡大断面図であり、図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線における断面図である。これら、図２および図３に示すように、ロータ１０には、複数の磁極を規定する磁石群３０Ａ〜３０Ｈが設けられている。なお、各磁石群３０Ａ〜３０Ｈは、２つの永久磁石３１によって構成されており、たとえば、磁石群３０Ａは、２つの永久磁石３１Ａ（３１）を備えている。永久磁石３１同士は、ロータ１０の周方向に配列している。そして、ロータ１０の周方向に隣り合う磁石群３０Ａ〜３０Ｈによって規定される磁極は、互いに異なる。

回転電機１００は、磁石群３０Ａ〜３０Ｈの構成する永久磁石３１を冷却する磁石冷却通路４０を備えている。この磁石冷却通路４０は、シャフト５８に形成された冷媒通路４５と、この冷媒通路４５に連通し、エンドプレート２９に形成された冷媒通路４３と、冷媒通路４３に連通する排出孔４４とを備えている。

ここで、図１に示すステータ５０のコイル５１からの磁束がロータ１０内を通り、ロータ１０が回転すると、ロータ１０内を通る磁束量も順次変動する。図３において、ロータ１０のうち、各永久磁石３１の内径方向端部Ｐ１よりも、ロータ１０の径方向外方側に位置する部分の温度が高くなる。

そこで、本実施形態において、冷却対象部Ｒは、各永久磁石３１の軸方向端面３１ａ，３１ｂを含むと共に、各永久磁石３１の内径方向端部Ｐ１を通る基準線Ｐ２からロータ１０の径方向外方側に位置する環状の領域とする。

冷媒通路４５は、中心線１０１方向に延びる軸方向通路４１と、この軸方向通路４１に連設され、シャフト５８の径方向に延び、各磁石群３０Ａ〜３０Ｈに向けて延びる径方向通路４２とを備えている。

そして、冷媒通路４３は、径方向通路４２に接続され、各磁石群３０Ａ〜３０Ｈに向けて延びる流路（第１流路）４３ａと、この流路４３ａの外径方向端部に接続され、この径方向端部からロータ１０の径方向内方に向けて延び流路（第２流路）４３ｂとを備えている。

流路４３ａは、エンドプレート２９の主表面２９ａ〜２９ｄのうち、ロータ１０の軸方向端面１０ｂと対向する主表面２９ｃ，２９ｄに形成された溝部と、ロータ１０の軸方向端面１０ａ，１０ｂとによって規定されている。

この流路４３ａは、ロータ１０の軸方向端面１０ａ，１０ｂのうち、基準線Ｐ２よりも径方向外方にまで延びており、冷却対象部Ｒ内にまで達している。そして、流路４３ａを流れる冷媒Ａによって、冷却対象部Ｒの少なくとも一部が冷却され、鉄損の低減が図られている。

そして、流路４３ａは、各磁石群３０Ａ〜３０Ｈを規定する永久磁石３１の表面のうち、ロータコア２０の軸方向に位置する軸方向端面３１ａ，３１ｂを経由している。特に、の流路４３ａは、ロータ１０の径方向外方に向けて、ロータ１０の周方向の幅が大きくなるように形成されており、各永久磁石３１の軸方向端面３１ａ，３１ｂの全面を通る。これにより、耐熱性の低い永久磁石３１を冷媒Ａによって冷却することができる。

そして、図２において、流路４３ｂは、流路４３ａの外径方向端部に接続され、この流路４３ａの外径方向端部からロータ１０の径方向内方に向けて延びる。このように、エンドプレート２９内において、冷媒通路４３が長尺に形成されることで、冷媒Ａとエンドプレート２９との接触面積を増大させることができ、エンドプレート２９を良好に冷却することができ、エンドプレート２９内の発熱による磁石の温度上昇の低減を図ることができる。

排出孔４４は、エンドプレート２９の主表面２９ａ，２９ｂのうち、冷却対象部Ｒよりも径方向内方に位置する部分に開口している。この排出孔４４から冷媒Ａは、外部に排出される。

さらに、排出孔４４が冷却対象部Ｒよりも径方向内方に位置しているため、排出孔４４から排出される冷媒Ａにかかる遠心力は、ロータ１０の周縁部から冷媒Ａが排出される場合に冷媒Ａに係る遠心力よりも低減されている。

これにより、冷媒Ａが排出孔４４の開口部から飛び出す際における飛び出し速度を低減することができ、排出孔４４から吐き出された冷媒Ａが、コイルエンドに達したとしても、コイルの絶縁被膜等が剥離することを抑制することができる。

なお、エンドプレート２９は、シャフト５８に装着され、ロータ１０の軸方向端面１０ａ，１０ｂと協働して、流路４３ａを規定する内側規定部材２８と、この内側規定部材２８に装着され、流路４３ｂを規定する外側規定部材２７とを備えている。このように、製造容易な２つの部材によってエンドプレート２９を構成することで、エンドプレート２９の製造コストの低減および製造工程の簡略化を図ることができる。

図４は、本発明の実施の形態に係る回転電機１００の第１変形例を示す断面図である。この図４に示すように、回転電機１００は、エンドプレート２９内に形成され、冷媒Ａが流通可能な流路４３ｃを備えている。この流路４３ｃの流路面積は、径方向通路４２の流路面積よりも大きくなっている。ここで、流路面積とは、各流路に対して、ロータ１０の径方向に垂直な面積とする。流路４３ｃも、各永久磁石３１の軸方向端面３１ａ、３１ｂを経由するように形成されている。

そして、流路４３ｃ内に入り込んだ冷媒Ａは、流路４３ｃ内を還流する。この際、永久磁石３１の軸方向端面３１ａ，３１ｂを冷媒Ａが通り、永久磁石３１を冷却する。

この流路４３ｃにも、冷却対象部Ｒよりもロータ１０の径方向内方に位置する部分に排出孔４４が形成されている。特に、ロータ１０の外周縁部と排出孔４４との距離Ｌ１よりも、ロータ１０の内周縁部と排出孔４４との距離Ｌ２の方が小さくなるように設定されている。

このため、この第２変形例の回転電機においても、排出孔４４から排出される冷媒Ａに加えられている遠心力は低減されている。このため、ステータ５０のコイルエンドに冷媒が吹き付けられることを抑制することができ、コイルの絶縁被膜が損傷することを抑制することができる。

図５は、本発明の実施の形態に係る回転電機１００の第２変形例を示す断面図である。この図５に示す例においては、径方向通路４２は、磁石群３０Ａ〜３０Ｈのうち、周方向に間隔を隔てて位置する磁石群３０Ｂ，３０Ｄ，３０Ｆ，３０Ｈに向けて延びている。

そして、エンドプレート２９には、各径方向通路４２に連通する通路４３ｄが形成されている。この通路４３ｄは、周方向に間隔を隔てて配置された各磁石群３０Ｂ，３０Ｄ，３０Ｆ，３０Ｈを覆うように形成された冷却室４３ｄ１と、この冷却室４３ｄ１に対して、回転方向Ｓ後方側に位置し、冷却室４３ｄ１に連通する冷却室４３ｄ２とを備えている。

冷却室４３ｄ２は、各磁石群３０Ｂ，３０Ｄ，３０Ｆ，３０Ｈに対して、回転方向Ｓ後方側に位置する各磁石群３０Ｃ，３０Ｅ，３０Ｇ，３０Ａを覆うように形成されている。そして、各冷却室４３ｄ２には、排出孔４４がそれぞれ形成されている。

このため、冷媒Ａは、遠心力によって、各径方向通路４２から冷却室４３ｄ１内に入り込む。そして、ロータ１０が回転方向Ｓに向けて加速すると、冷媒Ａは、慣性力によって、回転方向Ｓと反対方向に向けて流れ、冷却室４３ｄ１から冷却室４３ｄ２内に入り込む。このようにして、各磁石群３０Ａ〜３０Ｈの各永久磁石３１が冷却される。なお、この図５に示す例においても、排出孔４４は、冷却対象部Ｒ（基準線Ｐ２）よりも径方向内方側に位置している。

図６は、本発明の実施の形態に係る回転電機の第３変形例を示す断面図である。この図６に示す例においては、シャフト５８には、各磁石群３０Ａ〜３０Ｈに向けて延びる複数の径方向通路４２と、エンドプレート２９に形成され、全ての径方向通路４２と連通すると共に、環状に形成された流路４３ｅとを備えている。

この流路４３ｅは、磁石群３０Ａ〜３０Ｈを構成する永久磁石３１の軸方向端面を経由するように延びている。さらに、流路４３ｅには、複数の排出孔４４がロータ１０の周方向に間隔を隔てて形成されている。なお、この図６に示す例においても、冷却対象部Ｒよりも径方向内方側に排出孔４４の開口部が位置している。

この図６に示す回転電機においては、流路４３ｅが環状に延びているので、ロータ１０が回転方向Ｓに向けて加速したり減速した際においても、冷媒Ａが回転方向Ｓまたは回転方向Ｓの反対方向に向けて流路４３ｅ内を流れ、いずれの場合においても、各永久磁石３１およびエンドプレート２９を冷却することができる。

ここで、上記冷却対象部Ｒ内のうち、各磁石群３０Ａ〜３０Ｈ間に位置する部分が、ロータ１０の回転中に高温となる一方で、この図６に示す回転電機においては、ロータコア２０のうち、各磁石群３０Ａ〜３０Ｈ間に位置する部分も通るため、当該部分を良好に冷却することができる。

図７は、本発明の実施の形態に係る回転電機の第４変形例を示す断面図である。この図７に示す例においては、軸方向外方に向けて突出する突起部９０が、各エンドプレート２９の軸方向端部に位置する主表面２９ａ，２９ｂのうち、排出孔４４の開口部に対して、ロータ１０の径方向外方側に隣り合う位置に形成されている。

そして、排出孔４４から吐出した冷媒Ａは、突起部９０によって、中心線１０１方向に変位し、その後、突起部９０の軸方向端部９０ａ，９０ｂから、径方向に向けて飛び出す。このため、排出孔４４から吐出した冷媒Ａのうち、コイル５１に吹き付けられる冷媒Ａの割合を低減することができる。

そして、突起部９０の軸方向端部９０ａは、コイル５１の軸方向端部５１ａと一致または中心線１０１方向に突出している。

ここで、突起部９０の軸方向端部９０ａから飛び出す冷媒Ａは、遠心力によって、ロータ１０の径方向に沿って飛び出すので、上記のように突起部９０の軸方向端部９０ａが位置することで、コイル５１に吹き付けられる冷媒Ａの吹付け量をさらに低減することができる。

図８は、図７に示された回転電機１００のロータ１０の斜視図である。この図８に示されるように、突起部９０は、ロータ１０の周方向に延び、環状に形成されている。これにより、各排出孔４４の開口部から吐出された冷媒Ａの大半が、突起部９０によって、中心線１０１方向に変位して、コイル５１に吹付けられることが抑制されている。

図９は、突起部の変形例を示す一部断面図である。この図９に示すように、排出孔４４の開口部に対して、ロータ１０の径方向外方に隣り合う位置に、平坦部９１が形成されており、この平坦部９１に対して、径方向外方側に隣り合う部分には、窪み部９３が形成されている。

この図９に示す例においては、排出孔４４から吐出した冷媒Ａは、平坦部９１と窪み部９３との境界部分から飛び出す。すなわち、平坦部９１と窪み部９３との境界部分の位置を、コイル５１の軸方向端部５１ａよりも、中心線１０１方向に突出させることで、コイル５１に吹付けられる冷媒Ａの吹付け量を低減することができる。

図１０は、排出孔の変形例を示すロータ１０の断面図である。この図１０に示す例においては、排出孔１４４は、中心線１０１に沿って外方に向かうにつれて、ロータ１０の径方向外方に向けて延びている。このため、排出孔１４４内を冷媒Ａが通る間に、排出孔１４４を規定するエンドプレート２９の内表面から、中心線１０１方向の応力を受ける。このため、排出孔１４４の開口部から吐出する冷媒Ａは、中心線１０１方向の速度成分を有し、ロータ１０の径方向外方に向かうに従って、コイル５１の軸方向端部５１ａから離れるように飛び出す。このように、図１０に示された回転電機においても、コイル５１に吹付けられる冷媒Ａの吹付け量の低減を図ることができる。

以上のように本発明の実施の形態について説明を行なったが、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。さらに、上記数値などは、例示であり、上記数値および範囲にかぎられない。

本発明は、回転電機に好適であり、特に、回転子に設けられた永久磁石に設けられた永久磁石を冷却を図りつつも、ステータコイルの絶縁被膜の剥離の抑制が図られた回転電機に好適である。

この発明の実施の形態における回転電機を示す断面図である。 図１に示すロータの一部を拡大視した拡大断面図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線における断面図である。 本発明の実施の形態に係る回転電機の第１変形例を示す断面図である。 本発明の実施の形態に係る回転電機の第２変形例を示す断面図である。 本発明の実施の形態に係る回転電機の第３変形例を示す断面図である。 本発明の実施の形態に係る回転電機の第４変形例を示す断面図である。 図７に示された回転電機のロータの斜視図である。 突起部の変形例を示す一部断面図である。 排出孔の変形例を示すロータの断面図である。

符号の説明

１０ ロータ、１０ａ，１０ｂ 軸方向端面、２０ ロータコア、２７ 外側規定部材、２８ 内側規定部材、２９ エンドプレート、３０Ａ〜３０Ｈ 磁石群、３１ 永久磁石、３１ａ，３１ｂ 軸方向端面、４０ 磁石冷却通路、４１ 軸方向通路、４２ 径方向通路、４３ａ〜４３ｅ 流路、４４ 排出孔、４５ 冷媒通路、５０ ステータ、５１ コイル、５１ａ 軸方向端部、１００ 回転電機、１０１ 中心線、Ｐ２ 基準線、
Ｒ 冷却対象部、Ｓ 回転方向。

Claims (6)

1. 回転可能に設けられた回転軸と、
   永久磁石を収容可能な収容孔と、前記収容孔内に収容された永久磁石とを含み、前記回転軸に固設された回転子と、
   前記回転子と対向し、コイルを有する固定子と、
   前記回転子の軸方向端部に設けられたエンドプレートと、
   前記エンドプレートに形成され、前記永久磁石の軸方向端部を経由し、冷媒が流通可能な冷媒通路と、
   前記永久磁石の内径方向端部から前記回転子の外周側に位置し、前記永久磁石を含む冷却対象部に対して、前記回転子の径方向内方に位置すると共に、前記冷媒通路に連通し、前記冷媒を排出可能な排出孔とを備えた、回転電機。
2. 前記回転軸に形成され、前記冷媒通路に前記冷媒を供給可能な供給管をさらに備え、
   前記冷媒通路は、前記供給管に連設され、前記回転子の径方向に向けて延び、前記永久磁石の軸方向端面を経由する第１流路と、
   前記第１流路に接続され、該第１流路との接続部から前記回転子の径方向内方に向けて延び、前記排出孔に達する第２流路とを含む、請求項１に記載の回転電機。
3. 前記排出孔は、前記冷媒通路と前記供給管との接続位置に対して、前記回転子の回転方向後方側に位置する、請求項２に記載の回転電機。
4. 前記排出孔は、前記冷媒通路から前記回転軸の軸方向に向かうに従って、前記回転子の径方向外方に向けて延びる、請求項１から請求項３のいずれかに記載の回転電機。
5. 前記エンドプレートの軸方向端面のうち、前記排出孔の開口部に対して、前記ロータの径方向外方側に隣り合う部分に設けられ、前記エンドプレートの軸方向端面より前記回転軸の軸方向に突出する突出部をさらに備える、請求項１から請求項４のいずれかに記載の回転電機。
6. 前記突出部の軸方向端部は、前記コイルの軸方向端部よりも、前記ロータの軸方向外方側に位置する、請求項５に記載の回転電機。

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