JP2009290979A - 永久磁石型モータ - Google Patents

Abstract

【課題】永久磁石型モータにおいて、永久磁石を冷却しつつ、モータの運転効率の向上を図ることができるようにする。
【解決手段】ロータ１４には、積層鋼板を軸方向に貫通して形成されて冷却油が流れるロータ冷却流路３６が形成される。ロータ冷却流路３６の入口３６ａには、ロータ１４の回転数が高くなるにつれて、ロータ冷却流路３６に流入する冷却油の流量が減少するように流量を調整する流量調整手段４０が設けられている。この構成により、ロータ１４が低回転の場合には冷却油で永久磁石２０を冷却することができる。一方、ロータ１４が高回転の場合にはロータ冷却流路３６に流入する冷却油が減少し、ロータ１４とステータ１８の空隙に介在し抵抗となる冷却油が減少するので、永久磁石型モータ１０の運転効率の向上を図ることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、永久磁石型モータ、特にモータ内部を冷却油により冷却する冷却構造の改良に関する。

従来から、ステータで発生する回転磁界と、永久磁石を有するロータとの間に働く電磁的作用によりロータを回転させる永久磁石型モータが知られている。この永久磁石型モータのロータは、例えば軸方向に積層された積層鋼板に永久磁石を配置して構成される。

このような永久磁石型モータを、例えば自動車の原動機として使用する場合においては、ロータの回転数を可変自在なインバータ制御が採用される。インバータ制御は、ＰＷＭ制御モード、可変調制御モード、矩形制御モードの３つの制御モードを有する。３つの制御モードのうちＰＷＭ制御モードによる制御のときに最も高いリプル電流が発生する。高いリプル電流が永久磁石型モータに流れると、その影響でロータの永久磁石が発熱して高温になる。永久磁石が高温になると減磁するので、モータの運転効率が低下してしまう。

下記特許文献１には、ロータの永久磁石近傍に軸方向に沿って形成された流路に冷却油を導くことで、永久磁石を冷却する技術が開示されている。この技術においては、流路を流れる冷却油により発熱した永久磁石を冷却し、永久磁石の減磁を防止することができる。

特開２００７−２２８６６９号公報

従来の永久磁石型モータにおいては、ロータが軸方向に積層鋼板を積層して構成されるものがある。この積層鋼板に、上記特許文献１のような流路が軸方向に沿って形成される場合、冷却油が流路から積層鋼板間の隙間に少なからず流入する。インバータ制御によりロータの回転数を高くすると、冷却油にはより大きな遠心力が働くことになり、冷却油が流路から径方向外側の積層鋼板間の隙間に流入してロータの外周、すなわちロータとステータとの空隙に流出することになる。そうすると、ロータとステータとの空隙に介在する冷却油がロータの回転運動の抵抗になってしまい、モータの運転効率が低下してしまうという問題があった。

本発明の目的は、永久磁石を冷却しつつ、モータの運転効率の向上を図ることができる永久磁石型モータを提供することにある。

本発明は、回転軸に固定され、軸方向に積層された積層鋼板に永久磁石を配置して構成されるロータと、ロータの周囲に配置されるステータと、を備える永久磁石型モータにおいて、ロータは、積層鋼板を軸方向に貫通して形成されて冷却油が流れる冷却流路を含み、ロータの回転数が高くなるにつれて、冷却流路に流入する冷却油の流量が減少するように流量を調整する流量調整手段を有することを特徴とする。

また、流量調整手段は、冷却流路の入口と間隔を空けて径方向内側に設けられる可動体と、可動体と前記入口とを接続し可動体を径方向内側に向けて付勢する弾性体とを有し、ロータの回転数が高くなるにつれて可動体には弾性体の付勢力より大きい遠心力が径方向外側に向けて発生し、可動体が前記入口に向かい移動することにより撓んだ弾性体が前記入口の開口面積を小さくすることができる。

また、流量調整手段は、冷却流路の入口と間隔を空けて径方向内側に設けられる可動体と、可動体と前記入口とを接続し可動体を径方向内側に向けて付勢する弾性体とを有し、ロータの回転数が高くなるにつれて可動体には弾性体の付勢力より大きい遠心力が径方向外側に向けて発生し、可動体が前記入口に係合するように移動することができる。

また、流量調整手段は、冷却流路の入口を開閉可能な弁体と、弁体を駆動するアクチュエータとを有し、ロータの回転数が高くなるにつれて、アクチュエータの動作により弁体が前記入口の開口面積を小さくすることができる。

本発明の永久磁石型モータによれば、永久磁石を冷却しつつ、モータの運転効率の向上を図ることができる。

以下、本発明に係る永久磁石型モータの実施形態について、図面に従って説明する。図１は、本実施形態の永久磁石型モータの構成を示す断面図である。

永久磁石型モータ１０は、回転軸１２に固定されたロータ１４と、ロータ１４を囲うように永久磁石型モータ１０のケース１６に固定されたステータ１８とを有する。

ロータ１４は、回転軸１２と同心の円筒状の磁性体であり、例えば積層鋼板を軸線方向に積層して構成される。積層鋼板には軸方向に延びる孔が形成され、この孔に永久磁石２０が配置される。なお、永久磁石２０は、積層鋼板の内部ではなく、積層鋼板の外周に配置することもできる。

回転軸１２は、ケース１６が有する第一軸受２２により回転可能に支持される。回転軸１２は、軸線方向に延びる孔が形成された中空軸であり、その孔に出力軸２４が貫通している。出力軸２４は、ケース１６が有する第二軸受２６により回転可能に支持される。回転軸１２と出力軸２４とは、相対的に回転可能となっている。回転軸１２と出力軸２４とは、歯車機構（図示せず）を介して接続される。

ステータ１８は、ロータ１４の周囲に空隙２８を空けて配置される。ステータ１８には、これの内周側に突出し、周方向に所定の間隔を空けて配置される磁極（図示せず）を有する。この磁極の間の空間であるスロット（図示せず）には、導線を磁極に巻きつけて形成される励磁コイル３０が配置される。この励磁コイル３０の通電により、ステータ１８に回転磁界が発生し、この回転磁界に吸引される力が永久磁石２０を有するロータ１４に発生して、ロータ１４が回転する。

一般的に、永久磁石型モータにおいては、永久磁石が高温になると減磁してしまい、モータの運転効率が低下してしまう。永久磁石の減磁を防ぐために、本実施形態の永久磁石型モータ１０においては、永久磁石２０を冷却油により冷却する冷却構造が設けられている。以下に、その冷却構造について説明する。

ケース１６は、冷却油ポンプ３２を収容する。冷却油ポンプ３２は、出力軸２４の回転と同期して廻る構成となっている。出力軸２４には、その内部に軸方向に沿って軸冷却流路３４が形成されている。また、ロータ１４には、積層鋼板を軸方向に貫通してロータ冷却流路３６が形成されている。ロータ冷却流路３６は永久磁石２０の近傍に形成される。軸冷却流路３４の出口３４ａとロータ冷却流路３６の入口３６ａとは、互いに対向して設けられる。

冷却油ポンプ３２により吐き出された冷却油は、軸冷却流路３４を通り、その出口３４ａから流出する。ここで、冷却油は分岐する。一部の冷却油は、第一及び第二軸受２２，２６を潤滑した後、オイル溜まり（図示せず）に戻され、再び冷却油ポンプ３２に供給される。一方、残りの冷却油は、ロータ冷却流路３６の入口３６ａに流入し、ロータ冷却流路３６を流れることで、永久磁石２０及び積層鋼板を冷却し、ロータ１４のエンドプレート１４ａからロータ１４の外部に流出する。そして、ロータ１４の回転による遠心力により、冷却油は、径方向外側、すなわちステータ１８側に流れて励磁コイル３０を冷却した後、オイル溜まりに戻され、再び冷却油ポンプ３２に供給される。

背景技術で説明したように、永久磁石型モータ１０の回転数を制御するインバータ制御には、ＰＷＭ制御モードと、可変調制御モードと、矩形制御モードとがある。通常、インバータ制御は、ロータ１４の回転数が低い場合にはＰＷＭ制御モード、それより回転数が高い場合には可変調制御モード、そしてさらに回転数が高い場合には矩形制御モードを採用する。ＰＷＭ制御モードのとき、すなわちロータ１４の回転数が低いときに高いリプル電流の影響で永久磁石２０が高温になる。一方、その他の制御モードのとき、すなわちロータ１４の回転数が高いとき、リプル電流はＰＷＭ制御モードのときより低くなるので永久磁石２０の発熱は抑制され高温になりにくくなる。

したがって、ロータ１４の回転数が低い場合においては、永久磁石２０を冷却するために多くの冷却油をロータ冷却流路３６に導入する必要があるが、ロータの回転数が高い場合においては、永久磁石２０の発熱が抑えられるので冷却油をそれほど必要としない。むしろ、ロータ１４の高回転化により冷却油に働く遠心力が大きくなり、冷却油がロータ冷却流路３６から積層鋼板間の隙間に流入してロータ１４とステータ１８との空隙２８に流出してしまい、空隙２８に介在する冷却油が抵抗となり永久磁石型モータ１０の運転効率が低下してしまうのでロータ冷却流路３６を流れる冷却油が少ないほうが好ましい。

そこで、本発明の永久磁石型モータ１０においては、ロータ１４の回転数が高くなるにつれて、ロータ冷却流路３６に流入する冷却油の流量が減少するように流量を調整する流量調整手段４０を有することを特徴とする。流量調整手段４０は、ロータ冷却流路３６の入口３６ａに設けられる（図２から図４参照）。以下、流量調整手段４０の構成について図を用いて説明する。

図２（ａ）はロータ冷却流路３６の入口３６ａ付近を拡大して示す要部断面図である。流量調整手段４０は、ロータ冷却流路３６の入口３６ａと間隔を空けて径方向内側、すなわち出力軸２４側に設けられた可動体４２と、可動体４２と入口３６ａとを接続し可動体４２を径方向内側に向けて付勢する弾性体４４を有する。可動体４２には、軸冷却流路３４の出口３４ａから流出する冷却油を入口３６ａに導入する貫通孔４２ａが形成される。弾性体４４は、板状のゴム製部材からなり、その幅は、入口３６ａの径より大きい。弾性体４４は、入口３６ａの円周縁に少なくとも２箇所設けられている。

図２（ｂ）はロータ１４の高回転時における流量調整手段４０の状態を示す。ロータ１４が回転すると、可動体４２に径方向外側に向けて遠心力が発生する。そして、ロータ１４の回転数が所定の回転数以上、すなわち高回転になると、可動体４２に弾性体４４が付勢する径方向内側の力より径方向外側に向けて働く遠心力のほうが大きくなる。すると、板状の弾性体４４が折れ曲がるように撓む。図に示すように、弾性体４４が入口３６ａを塞ぐように撓むことにより入口３６ａの開口面積が小さくなり、入口３６ａに流入する冷却油の流量が減少する。この構成により、流量調整手段４０は、ロータ１４の回転が高くなるにつれて、ロータ冷却流路３６に流入する冷却油の流量が減少するように流量を調整することができる。なお、ロータ１４の回転数が高くなるにつれて、弾性体４４の撓む度合いが大きくなり、最終的にその撓みにより入口３６ａを完全に塞いで冷却油がロータ冷却流路３６に流入するのを防止する構造にすることもできる。

次に、別の態様の流量調整手段４０の構成について説明する。図３（ａ）は、ロータ冷却流路３６の入口３６ａ付近を拡大して示す要部断面図である。流量調整手段４０は、ロータ冷却流路３６の入口３６ａと間隔を空けて径方向内側、すなわち出力軸２４側に設けられた可動体４６と、可動体４６と入口３６ａとを接続し可動体４６を径方向内側に向けて付勢する弾性体４８を有する。可動体４６は、入口３６ａと係合することができる形状を有する。弾性体４８は、例えばコイル状のバネからなり、入口３６ａの円周縁に少なくとも２箇所設けられている。

図３（ｂ）はロータ１４の高回転時における流量調整手段４０の状態を示す。ロータ１４が回転すると、可動体４６に径方向外側に向けて遠心力が発生する。そして、ロータ１４の回転数が所定の回転数以上、すなわち高回転になると、可動体４６に弾性体４８が付勢する径方向内側の力より径方向外側に向けて働く遠心力のほうが大きくなる。すると、板状の弾性体４８が入口３６ａ側に縮む。図に示すように、可動体４６が入口３６ａに向けて移動することにより入口３６ａの開口面積が小さくなり、入口３６ａに流入する冷却油の流量が減少する。この構成により、流量調整手段４０は、ロータ１４の回転が高くなるにつれて、ロータ冷却流路３６に流入する冷却油の流量が減少するように流量を調整することができる。なお、ロータ１４の回転数が高くなるにつれて、弾性体４８の縮み度合いが大きくなり、最終的に可動体４６が入口３６ａに係合して冷却油がロータ冷却流路３６に流入するのを防止する構造にすることもできる。

さらに別の態様の流量調整手段４０の構成について説明する。図４（ａ）は、ロータ冷却流路３６の入口３６ａ付近を拡大して示す要部断面図である。流量調整手段４０は、ロータ冷却流路３６の入口３６ａを開閉可能な弁体５０と、弁体５０を駆動するアクチュエータ５２とを有する。弁体５０とアクチュエータ５２とは軸５２ａにより接続されている。アクチュエータ５２は、例えばソレノイドである。また、ロータ１４の回転数を検出し、アクチュエータ５２を制御する制御部（図示せず）が設けられている。

図４（ｂ）はロータ１４の高回転時における流量調整手段４０の状態を示す。ロータ１４の回転数を制御部が検出し、ロータ１４の回転数が所定の回転数以上、すなわち高回転になると、制御部がアクチュエータ５２に動作指令を出力する。アクチュエータ５２は、軸５２ａを延ばすように動作し、弁体５０が入口３６ａに覆いかぶさるように移動することにより入口３６ａの開口面積が小さくなり、入口３６ａに流入する冷却油の流量が減少する。この構成により、流量調整手段４０は、ロータ１４の回転が高くなるにつれて、ロータ冷却流路３６に流入する冷却油の流量が減少するように流量を調整することができる。なお、ロータ１４の回転数が高くなるにつれて、弁体５０が徐々に入口３６ａに覆いかぶさり、最終的に弁体５０が入口３６ａを完全に塞いで冷却油がロータ冷却流路３６に流入するのを防止する構造にすることもできる。

本発明の永久磁石型モータ１０によれば、ロータ１４の回転数が高くなるにつれて、流量調整手段４０の作用によりロータ冷却流路３６に供給される冷却油の流量が減少する。これにより、ロータ１４の回転数が低いときに、すなわちＰＷＭ制御モードによる制御のときに永久磁石２０の発熱が大きくなったとしても、冷却油がロータ冷却流路３６に十分に供給されるため、永久磁石２０を効果的に冷却することができる。一方、ロータ１４の回転数が高いときに、すなわち可変調制御モード及び矩形制御モードによる制御のときには、ＰＷＭ制御モードの制御のときより永久磁石２０の発熱が抑えられるため、冷却油の流量を減らしても永久磁石２０を十分に冷却することができる。また、ロータ１４の回転数が高いときには、冷却油の流量の減少によりロータ１４とステータ１８との間の空隙２８に流出する冷却油の流量が減少するため、ロータ１４の回転運動の抵抗を低減することができ、永久磁石型モータ１０の運転効率の向上を図ることができる。

本実施形態の永久磁石型モータの構成を示す断面図である。 （ａ）はロータの冷却流路の入口に流量調整手段が設けられた部位を拡大して示す要部断面図であり、（ｂ）はロータの高回転時における流量調整手段の状態を示す要部断面図である。 （ａ）はロータの冷却流路の入口に別の流量調整手段が設けられた部位を拡大して示す要部断面図であり、（ｂ）はロータの高回転時における流量調整手段の状態を示す要部断面図である。 （ａ）はロータの冷却流路の入口にさらに別の流量調整手段が設けられた部位を拡大して示す要部断面図であり、（ｂ）はロータの高回転時における流量調整手段の状態を示す要部断面図である。

符号の説明

１０ 永久磁石型モータ、１２ 回転軸、１４ ロータ、１８ ステータ、３６ ロータ冷却流路、４０ 流量調整手段、４２，４６ 可動体、４４，４８ 弾性体、５０ 弁体、５２ アクチュエータ。

Claims (4)

1. 回転軸に固定され、軸方向に積層された積層鋼板に永久磁石を配置して構成されるロータと、
   ロータの周囲に配置されるステータと、
   を備える永久磁石型モータにおいて、
   ロータは、積層鋼板を軸方向に貫通して形成されて冷却油が流れる冷却流路を含み、
   ロータの回転数が高くなるにつれて、冷却流路に流入する冷却油の流量が減少するように流量を調整する流量調整手段を有する、
   ことを特徴とする永久磁石型モータ。
2. 請求項１に記載の永久磁石型モータにおいて、
   流量調整手段は、冷却流路の入口と間隔を空けて径方向内側に設けられる可動体と、可動体と前記入口とを接続し可動体を径方向内側に向けて付勢する弾性体とを有し、
   ロータの回転数が高くなるにつれて可動体には弾性体の付勢力より大きい遠心力が径方向外側に向けて発生し、可動体が前記入口に向かい移動することにより撓んだ弾性体が前記入口の開口面積を小さくする、
   ことを特徴とする永久磁石型モータ。
3. 請求項１に記載の永久磁石型モータにおいて、
   流量調整手段は、冷却流路の入口と間隔を空けて径方向内側に設けられる可動体と、可動体と前記入口とを接続し可動体を径方向内側に向けて付勢する弾性体とを有し、
   ロータの回転数が高くなるにつれて可動体には弾性体の付勢力より大きい遠心力が径方向外側に向けて発生し、可動体が前記入口に係合するように移動する、
   ことを特徴とする永久磁石型モータ。
4. 請求項１に記載の永久磁石型モータにおいて、
   流量調整手段は、冷却流路の入口を開閉可能な弁体と、弁体を駆動するアクチュエータとを有し、
   ロータの回転数が高くなるにつれて、アクチュエータの動作により弁体が前記入口の開口面積を小さくする、
   ことを特徴とする永久磁石型モータ。

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