JP2009171785A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】永久磁石の冷却能力低下を抑制できる、回転電機を提供する。
【解決手段】この回転電機は、回転可能に設けられた回転シャフトを備える。また、回転シャフトに固設され、孔部が形成されているロータコア１２１を備える。また、孔部の一部分に埋設された永久磁石１２２を備える。永久磁石１２２を冷却する冷媒は、ロータコア１２１に形成された孔部の一部である空間１２１Ｂ内を流通する。永久磁石１２２は、孔部の内壁面に、シート状基材を含む接着剤層１２４を介在させて接着固定されている。
【選択図】図５

Description

本発明は、回転電機に関し、特に、永久磁石が埋設された回転電機に関する。

永久磁石が埋設された回転電機では、高効率化および小型化を実現するために、永久磁石として希土類磁石が用いられる場合がある。特に、非常に高い磁気特性を有するＮｄ（ネオジム）磁石が用いられる場合がある。Ｎｄ磁石は、卓越した磁気特性を有するものの、高温になるほど磁石の保持力が低下するという温度特性（熱減磁）を有する。Ｎｄ磁石の保持力が低下すると、外部からの反磁界により磁石が不可逆減磁し、回転電機の性能が低下してしまうという問題がある。よって、回転電機に用いられる永久磁石の温度保護のために、永久磁石の冷却構造が重要となる。

従来の永久磁石の冷却構造として、冷却油など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などの回転電機が各種提案されている。たとえば特許文献１では、永久磁石が挿入固定される磁石挿入孔に沿って冷媒通路が形成され、この冷媒通路を経由して導かれた冷媒によって冷却を行なっている回転電機が提案されている。

また、特許文献２〜５では、永久磁石の固定方法が開示されている。特許文献２では、永久磁石埋め込み形モータにおいて、永久磁石を接着シートで固定する構成が提案されている。特許文献３では、だれ落ちない特性を有する接着剤で永久磁石を止着した電動機用回転子が提案されている。特許文献４では、割ピンを圧入することにより永久磁石を固定する構成が提案されている。特許文献５では、接着剤の漏れ経路となる開口部の面積を縮小することにより、永久磁石装着時における接着剤漏れを抑制する構成が提案されている。
特開２００２−３４５１８８号公報 特開平９−１６３６４９号公報 特開平１０−１２６９８８号公報 特開平５−８３８９２号公報 特開２００５−１８４９６８号公報

回転電機のロータコアに永久磁石を固定するために、通常、エポキシ接着剤などの液体接着剤がよく用いられる。永久磁石に塗布された液体接着剤が硬化する前に、永久磁石を冷却する冷媒が流通する冷媒通路に液体接着剤が溢れ出すと、冷媒通路が液体接着剤によって塞がれる。その結果、冷媒通路内の冷媒の流れが妨げられ、また直接冷媒に接触し得る永久磁石の表面積が減少して、永久磁石の冷却能力が低下するために、永久磁石が熱減磁するという問題があった。

本発明は上記の問題に鑑みてなされたものであり、その主たる目的は、永久磁石の冷却能力低下を抑制できる、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シャフトを備える。また、回転シャフトに固設され、孔部が形成されているコア体を備える。また、孔部の一部分に埋設された永久磁石を備える。永久磁石を冷却する冷媒は、コア体に形成された孔部の他の部分内を流通する。永久磁石は、孔部の内壁面に、シート状基材を介在させて接着固定されている。

上記回転電機において好ましくは、永久磁石は、シート状基材に保持された、常温で固体の接着剤が加熱されて溶融することにより、孔部の内壁面に接着されている。

また好ましくは、永久磁石は、冷媒が流れる孔部の他の部分に向かい合う側面を有する。上記側面は、シート状基材から露出して冷媒と直接接触する。

また好ましくは、孔部は、回転シャフトの回転軸に沿う方向に形成されている。
また好ましくは、回転電機は、コア体の軸方向端面に対向して設けられたエンドプレートをさらに備える。回転シャフトには、冷媒が流通可能な第１流路が形成されている。エンドプレートとコア体の軸方向端面との間には、第１流路に連通する第２流路が形成されている。冷媒は、第１流路と前記第２流路とを経由して、孔部へ流入する。

本発明の回転電機によると、永久磁石を冷却する冷媒は、永久磁石が埋設されているコア体の孔部の内部を流通する。永久磁石はコア体の孔部の内壁面に接着固定されている。永久磁石を接着するための接着剤として、常温で固体の接着剤を使用することができる。たとえばプリプレグを使用することができ、この場合、永久磁石と孔部の内壁面との間にガラス繊維などのシート状基材が介在して、永久磁石は孔部の内壁面に接着固定されることになる。常温で固体の接着剤を使用すると、液体接着剤を使用する場合と異なり、冷媒の通路を形成する孔部の内部に接着剤が溢れることがない。つまり、永久磁石を固定するための接着剤によって冷媒が流通する通路が塞がれることを抑制することができるので、永久磁石の冷却能力低下を抑制することができる。

以下、図面に基づいてこの発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において、同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰返さない。

図１は、本発明の一実施の形態に係る回転電機を示した断面図である。図１に示すように、モータおよび／またはジェネレータである回転電機１００は、回転可能に設けられた回転シャフト１１０と、回転シャフト１１０に取り付けられたロータ１２０と、ステータ１３０とを含んで構成される。回転シャフト１１０は、軸受部（図示せず）を介して回転電機のケース（図示せず）に回転可能に取り付けられる。

ロータ１２０は、回転シャフト１１０に固設されたコア体としてのロータコア１２１を有する。ロータコア１２１は、回転シャフト１１０の回転軸に沿った、円筒形状を有する。ロータコア１２１は、たとえば、鉄または鉄合金などからなる電磁鋼板を、回転シャフト１１０の軸方向に積層することにより構成される。ロータコア１２１には、孔部１２１Ａが形成されている。孔部１２１Ａは、回転シャフト１１０の回転軸に沿う方向に延びるように、典型的には回転シャフト１１０の回転軸方向と平行となるように、形成されている。

孔部１２１Ａの一部分には、永久磁石１２２が埋設されている。すなわち、回転電機１００は、ＩＰＭ（Interior Permanent Magnet）モータである。孔部１２１Ａは永久磁石１２２よりも大きい。永久磁石１２２は、孔部１２１Ａの内壁面との間に接着剤層１２４を介在させて、ロータコア１２１に接着固定されている。

ロータ１２０はまた、ロータコア１２１の軸方向両端面に対向して設けられた、エンドプレート１２３を有する。エンドプレート１２３は、電磁鋼板の積層構造を、回転シャフト１１０の軸方向に対して挟持するように配置されている。永久磁石１２２に対向する電磁鋼板の端部が磁化されたとき、磁力の作用によって電磁鋼板が分離しようとする力が働くが、エンドプレート１２３によって電磁鋼板の積層構造を挟持することにより、電磁鋼板の分離を防止する。

エンドプレート１２３は、ねじ止め、かしめ、圧入などの任意の方法によって、回転シャフト１１０に固定されており、回転シャフト１１０の回転に伴って回転運動を行なう。エンドプレート１２３は、たとえばアルミニウムなどにより構成され、その厚みは、たとえば５ｍｍ程度である。

ステータ１３０は、ステータコア１３１と、ステータコア１３１に巻回されたステータコイル１３２とを有する。ステータコア１３１は、たとえば、鉄または鉄合金などからなる電磁鋼板を、回転シャフト１１０の回転軸方向に積層することにより構成される。なお、ロータコア１２１およびステータコア１３１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。ステータコア１３１の内周面上には複数のティース部（図示せず）および該ティース部間に形成されるスロット部（図示せず）が形成されている。スロット部は、ステータコア１３１の内周側に開口するように設けられる。

３つの巻線相であるＵ相、Ｖ相およびＷ相を含むステータコイル１３２は、スロット部に嵌り合うようにティース部に巻き付けられる。Ｕ相、Ｖ相およびＷ相は、互いに円周上でずれるように巻き付けられる。

図１に示される回転電機１００は、典型的には、ハイブリッド車（ＨＶ：hybrid vehicle）に搭載されるが、その用途はハイブリッド車に限定されず、たとえば燃料電池車や電気自動車に搭載されてもよい。

回転シャフト１１０の内部には、中空部１１０Ａが形成されている。回転シャフト１１０は、中空に形成されている。中空部１１０Ａは、回転シャフト１１０の軸方向に沿って（典型的には軸方向に対して平行に、たとえば回転中心軸を含むように）延びる部分と、回転シャフト１１０の径方向に沿って（典型的には径方向に対して平行、すなわち上記軸方向に対して垂直な方向に）延びる部分とを含むように、形成されている。

図１中の下側に位置する一のエンドプレート１２３には、永久磁石１２２の軸方向端面に対向する位置に該軸方向端面を覆うように、凹部１２３Ａが形成されている。図１中の上側に位置する他のエンドプレート１２３には、永久磁石１２２の軸方向端面に対向する位置に該軸方向端面を覆うように、凹部１２３Ｂが形成されている。凹部１２３Ａ，１２３Ｂは、エンドプレート１２３の表面に、エンドプレート１２３の厚みを残存させるように形成された、有底の凹部である。また、図１中の上側に位置する他のエンドプレート１２３には、凹部１２３Ｂの底部からエンドプレート１２３を貫通する、貫通部１２３Ｃが形成されている。

凹部１２３Ａ，１２３Ｂの深さは、たとえば２ｍｍ程度である。凹部１２３Ａ，１２３Ｂは、たとえば、エンドプレート１２３にプレス加工を施すことにより形成される。貫通部１２３Ｃは、たとえばエンドプレート１２３にドリルなどによる穴あけ加工を施すことにより形成される。

永久磁石１２２を冷却する、たとえば冷却油などの冷媒は、図１中に矢印で示すように、中空部１１０Ａ、凹部１２３Ａ、孔部１２１Ａ、凹部１２３Ｂおよび貫通部１２３Ｃを順に流れる。中空部１１０Ａは、回転シャフト１１０に形成された、冷媒が流通可能な第１流路である。凹部１２３Ａは、エンドプレート１２３とロータコア１２１の軸方向端面との間に形成された、中空部１１０Ａに連通する第２流路である。冷媒は、第１流路としての中空部１１０Ａと、第２流路としての凹部１２３Ａとを経由して、ロータコア１２１に形成された孔部１２１Ａへ流入する。回転電機１００は、回転シャフト１１０の回転によって発生する遠心力が作用するために、中空部１１０Ａから凹部１２３Ａへ冷媒が流入しやすい構造に形成されている。

エンドプレート１２３の、凹部１２３Ａが形成されていないロータ１２０の外径側の一部は、ロータコア１２１の軸方向端面と直接接触していてもよく、たとえばＯリングなどのシール部材を介在させてロータコア１２１の軸方向端面と対向していてもよい。シール部材を介在させる場合、遠心力によって中空部１１０Ａから凹部１２３Ａに流入した冷媒がエンドプレート１２３とロータコア１２１との隙間から漏洩することが抑制され、凹部１２３Ａ内に冷媒が滞留しやすい構造とすることができる。

次に、図１に示す回転電機１００の製造方法のうち、ロータ１２０の製造方法について説明する。図２は、ロータの製造方法を示す流れ図である。図２に示すように、まず工程（Ｓ１０）において、ロータコア１２１を形成する。上述のように、たとえば電磁鋼板を積層させることによって、円筒形状のロータコア１２１を形成することができる。またロータコア１２１には、円筒形状の軸方向にロータコア１２１を貫通するように、孔部１２１Ａが形成される。図３は、ロータコアの軸方向端面の部分拡大図である。図３に示すように、孔部１２１Ａは、ロータコア１２１の端面の外周近傍に形成されている。孔部１２１Ａは、円筒形状のロータコア１２１の端面における円周方向に沿い、等間隔に並ぶように、複数個形成されている。

次に工程（Ｓ２０）において、孔部１２１Ａに挿入され、孔部１２１Ａの内壁面に接着固定される、永久磁石１２２を準備する。次に工程（Ｓ３０）において、プリプレグを準備する。プリプレグとは、シート状基材に樹脂を含浸または塗布したシートである。シート状基材には、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維などの織物または一方向に揃えた繊維が用いられる。また上記樹脂としては、ホットメルト型の接着剤として作用する、たとえばエポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、フェノール樹脂などの各種の熱硬化性樹脂を用いることができる。

次に工程（Ｓ４０）において、プリプレグを永久磁石１２２の表面に固定する。図４は、永久磁石の表面にプリプレグを固定した状態を示す斜視図である。図４において、接着剤層１２４は、永久磁石１２２の表面のうちの２面に、永久磁石１２２を挟むように貼り付けられて固定されている。この接着剤層１２４として、プリプレグを用いることができる。たとえば永久磁石１２２の表面にプライマーを塗布して、プリプレグを永久磁石１２２に貼り付け固定することができる。

次に工程（Ｓ５０）において、ロータコア１２１に形成された孔部１２１Ａの内部に、永久磁石１２２を挿入する。図５は、永久磁石をロータコアに挿入した状態を示す模式図である。永久磁石１２２の表面にプリプレグが取り付けられている場合、プリプレグのシート状基材に保持された樹脂は、常温で固体である。そのため、液体接着剤を永久磁石に塗布した後にロータコアに挿入する従来の構成と比較して、永久磁石１２２の孔部１２１Ａへの挿入性が向上している。また、液体接着剤がはみ出すこともない。さらに、永久磁石１２２とロータコア１２１との間にプリプレグが存在するために、永久磁石１２２とロータコア１２１とが直接接触することを防止できるので、永久磁石１２２の割れや欠け、表面剥離などの傷付きを防止することができる。

次に工程（Ｓ６０）において、永久磁石１２２を孔部１２１Ａの内周面に接着固定する。図５に示すように、永久磁石１２２と、孔部１２１Ａの内壁面との間には、接着剤層１２４が介在する。図６は、図５中の領域ＶＩ付近を拡大して示す、接着剤層の詳細図である。接着剤層１２４はプリプレグであって、図６に示すように、シート状基材１２４Ａと、樹脂１２４Ｂとを含む。シート状基材１２４Ａと樹脂１２４Ｂとは積層されている。

永久磁石１２２が孔部１２１Ａに挿入されるとき、樹脂１２４Ｂは常温で固体であって乾燥している。つまり、接着剤層１２４は常温で固体であって乾燥している。永久磁石１２２を孔部１２１Ａに挿入した状態で、シート状基材１２４Ａに保持された樹脂１２４Ｂを加熱することにより、樹脂１２４Ｂが溶融する。その後常温まで冷却することにより、樹脂１２４Ｂは固体の状態に戻り、硬化する。このような樹脂１２４Ｂの溶融および硬化によって、永久磁石１２２は、孔部１２１Ａの内壁面に接着固定される。

このとき、図６に示すように、永久磁石１２２は、ロータコア１２１の孔部１２１Ａの内壁面に、たとえばガラス繊維などのシート状基材１２４Ａを介在させて接着固定されていることになる。

また、上述の通り、ロータコア１２１の孔部１２１Ａは永久磁石１２２よりも大きく形成されている。そのため、図５に示すように、永久磁石１２２が孔部１２１Ａに埋設されている状態において、孔部１２１Ａにおける永久磁石１２２が埋設されていない部分には空間１２１Ｂが形成されている。永久磁石１２２を冷却する冷媒は、この空間１２１Ｂの内部を経由して、図１に示すロータコア１２１の軸方向に沿って、エンドプレート１２３の凹部１２３Ａから凹部１２３Ｂへと流通する。

永久磁石１２２は、冷媒が流れる空間１２１Ｂに向かい合う側面１２２Ａを有する。側面１２２Ａには、接着剤層１２４が形成されていない。側面１２２Ａはシート状基材１２４Ａから露出しており、永久磁石１２２は側面１２２Ａにおいて冷媒と直接接触する。そのため、側面１２２Ａにおいて永久磁石１２２から冷媒に直接熱を放出できる。

永久磁石１２２はプリプレグを用いてロータコア１２１の孔部１２１Ａに接着固定されている。永久磁石１２２を孔部１２１Ａの内壁面に接着するための接着剤は常温で固体であって乾燥している。そのために、永久磁石１２２を孔部１２１Ａに挿入するときに接着剤がはみ出し空間１２１Ｂに溢れることはない。よって、空間１２１Ｂが接着剤で塞がれることはなく、また側面１２２Ａが接着剤で覆われることもない。その結果、永久磁石１２２の冷却能力が悪化することを抑制できる。

図２に戻って、次に工程（Ｓ７０）において、ロータコア１２１の軸方向両端面に対向する位置に、エンドプレート１２３を設置する。このようにして、図１に示すロータ１２０の製造が終了する。

以上説明したように、本実施の形態の回転電機では、永久磁石１２２は、ロータコア１２１の孔部１２１Ａの内壁面に、シート状基材１２４Ａを介在させて接着固定されている。永久磁石１２２は、シート状基材１２４Ａに保持された、常温で固体の樹脂１２４Ｂが加熱されて溶融することにより、樹脂１２４Ｂを接着剤として、孔部１２１Ａに接着されている。永久磁石１２２を冷却する冷媒は、孔部１２１Ａにおいて永久磁石１２２が埋設されていない部分である、空間１２１Ｂ内を流通する。永久磁石１２２の側面１２２Ａは、冷媒と直接接触する。

永久磁石１２２を接着するための接着剤として、たとえばプリプレグを使用することができ、この場合、永久磁石１２２と孔部１２１Ａの内壁面との間にガラス繊維などのシート状基材１２４Ａが介在して、永久磁石１２２は孔部１２１Ａの内壁面に接着固定されることになる。常温で固体の接着剤を使用すると、液体接着剤を使用する場合と異なり、冷媒の通路を形成する孔部１２１Ａの内部の空間１２１Ｂに接着剤が溢れることがない。

つまり、永久磁石１２２を固定するための接着剤によって冷媒が流通する空間１２１Ｂが塞がれて、空間１２１Ｂ内の冷媒の流れが妨げられることを抑制できる。また、永久磁石１２２から直接冷媒へ熱を放出し得る、永久磁石１２２の側面１２２Ａが接着剤によって覆われて、冷媒と直接接触する側面１２２Ａの表面積が減少することを抑制できる。したがって、永久磁石１２２の冷却能力低下を抑制することができ、十分な永久磁石１２２の冷却能力を得ることができる。

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。この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。

本発明の回転電機は、車両に搭載される回転電機に、特に有利に適用され得る。

本発明の一実施の形態に係る回転電機を示した断面図である。 ロータの製造方法を示す流れ図である。 ロータコアの軸方向端面の部分拡大図である。 永久磁石の表面にプリプレグを固定した状態を示す斜視図である。 永久磁石をロータコアに挿入した状態を示す模式図である。 図５中の領域ＶＩ付近を拡大して示す、接着剤層の詳細図である。

符号の説明

１００ 回転電機、１１０ 回転シャフト、１１０Ａ 中空部、１２０ ロータ、１２１ ロータコア、１２１Ａ 孔部、１２１Ｂ 空間、１２２ 永久磁石、１２２Ａ 側面、１２３ エンドプレート、１２３Ａ，１２３Ｂ 凹部、１２３Ｃ 貫通部、１２４ 接着剤層、１２４Ａ シート状基材、１２４Ｂ 樹脂、１３０ ステータ、１３１ ステータコア、１３２ ステータコイル。

Claims (5)

1. 回転可能に設けられた回転シャフトと、
   前記回転シャフトに固設され、孔部が形成されているコア体と、
   前記孔部の一部分に埋設された永久磁石とを備え、
   前記永久磁石を冷却する冷媒は、前記孔部の他の部分内を流通し、
   前記永久磁石は、前記孔部の内壁面に、シート状基材を介在させて接着固定されている、回転電機。
2. 前記永久磁石は、前記シート状基材に保持された常温で固体の接着剤が加熱されて溶融することにより、前記孔部の内壁面に接着されている、請求項１に記載の回転電機。
3. 前記永久磁石は、冷媒が流れる前記孔部の他の部分に向かい合う側面を有し、
   前記側面は、前記シート状基材から露出して冷媒と直接接触する、請求項１または請求項２に記載の回転電機。
4. 前記孔部は、前記回転シャフトの回転軸に沿う方向に形成されている、請求項１から請求項３のいずれかに記載の回転電機。
5. 前記コア体の軸方向端面に対向して設けられたエンドプレートをさらに備え、
   前記回転シャフトには、冷媒が流通可能な第１流路が形成されており、
   前記エンドプレートと前記コア体の前記軸方向端面との間には、前記第１流路に連通する第２流路が形成されており、
   冷媒は、前記第１流路と前記第２流路とを経由して、前記孔部へ流入する、請求項１から請求項４のいずれかに記載の回転電機。

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