JP2011254572A - 回転電機用ロータ - Google Patents

Abstract

【課題】ロータ内の多数の冷媒流路に対して冷媒を均等に供給できる回転電機用ロータを提供する。
【解決手段】磁性を有する複数の板状部材１８を回転軸４０の軸芯Ｘ方向に積層し、軸芯Ｘ方向に貫通した冷媒流路１０ａを回転軸４０の周方向に沿って複数形成したロータ本体１０と、回転軸４０を介して供給された冷媒を複数の冷媒流路１０ａに分配する冷媒分配機構とを備え、冷媒分配機構に、回転軸４０から供給された冷媒を周方向に沿って留める環状の溜まり部６１を設けた。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁性を有する複数の板状部材を回転軸の軸芯方向に積層し、前記軸芯方向に貫通した冷媒流路を前記回転軸の周方向に沿って複数形成したロータ本体と、前記回転軸を介して供給された冷媒を前記複数の冷媒流路に分配する冷媒分配機構とを備えた回転電機用ロータに関する。

この種の回転電機用ロータに関連する先行技術文献情報として下記に示す特許文献１がある。この特許文献１に記された回転電機用ロータでは、筒状に形成されたロータの回転軸の内部に出力軸が相対回転可能に配置され、両軸部材は歯車機構によって接続されている。ロータ内の永久磁石の近傍を軸心と平行に延びる複数の冷媒流路に冷媒を分配する冷媒分配機構としては、出力軸の基端付近から軸心方向の中間部まで延びて同箇所から径方向外向きに出力軸外に開放される軸冷却流路を設けている。冷媒流路の中央部付近から径方向内側に向かって延びる連絡流路が、出力軸とロータの回転軸との相対角度位相に応じて、軸冷却流路の開放端と対向可能な構成とされている。尚、ロータの回転軸の内面と出力軸との間には環状の間隙があるため、冷却油ポンプによって送り出され軸冷却流路の開放端を出る冷却油（冷媒）は、その一部のみが連絡流路を介してロータの冷媒流路へと向かい、残りの冷却油はロータの回転軸や出力軸のベアリングを潤滑した後、オイルパンなどを経て冷却油ポンプに戻る構成となっている。

特開２００９−２９０９７９号公報（００１９−００２０段落、図１）

特許文献１に記された回転電機用ロータでは、軸冷却流路の開放端から送り出された冷却油は、環状の間隙を経てロータの連絡流路に進入する必要がある。また、特許文献１に記された出力軸に設けることの可能な径方向外向き孔の数は、出力軸の強度を考慮すれば高々２個と考えられるが、一般的な回転電機用ロータではロータ内に多数（６個以上など）の永久磁石が配置される。これらの理由により、特許文献１に記された回転電機用ロータでは、冷却油が軸冷却流路の開放端から多数の連絡流路に均等に進入し難い。このため、周方向に沿って複数配置された冷媒流路の間で必ずしも一定とならず、冷媒による冷却効果も周方向において不均一に働き、ロータの一部が過熱する虞があった。また、ロータ内での冷却油の不均一分配によってロータ自身の見掛けの質量分布にもアンバランスが生じるために、振動によるうなり発生の要因となる虞もあった。

そこで、本発明の目的は、上に例示した従来技術の状況に鑑み、ロータ内の多数の冷媒流路に対して冷媒をより均等に供給することができ、その結果、ロータの一部が過熱する虞が抑制され、且つ、振動によるうなり発生も出難い回転電機用ロータを提供することにある。

本発明による回転電機用ロータの第１の特徴構成は、
磁性を有する複数の板状部材を回転軸の軸芯方向に積層し、前記軸芯方向に貫通した冷媒流路を前記回転軸の周方向に沿って複数形成したロータ本体と、
前記回転軸を介して供給された冷媒を前記複数の冷媒流路に分配する冷媒分配機構とを備え、
前記冷媒分配機構に、前記回転軸から供給された冷媒を前記周方向に沿って留める環状の溜まり部を設けた点にある。

本発明の第１の特徴構成による回転電機用ロータでは、回転軸を介して供給される冷媒は、ロータの回転による遠心力の効果で、環状の溜まり部を全周にわたって満たし、その溜まり部から溢れ出た冷媒が遠心力によって順次、径方向外側の冷媒流路に向かう。そのため、冷媒がロータに設けられた複数の冷媒流路に均等に配分されるので、ロータの一部が過熱する虞が少なく、回転駆動中の振動によるうなり発生も出難い回転電機用ロータが得られた。

本発明の他の特徴構成は、前記溜まり部を、前記回転軸に形成した冷媒供給口と対向させ、且つ、前記軸芯の径外方向に関して前記冷媒流路よりも前記回転軸寄りに位置させている点にある。

本構成であれば、溜まり部を冷媒供給口と対向させているため、冷媒供給口から排出された冷媒が直ぐに溜まり部に進入でき、周方向に沿って環状に留まり易くなる。また、溜まり部が回転軸寄りに有るので、冷媒の溜まり部をシャフトの外周面よりもロータの冷媒流路寄りに設けた場合に比して、ロータの回転時における溜まり部の周速が低くなり、溜まり部における冷媒の挙動がより静的なものとなるため、ロータに設けられた複数の冷媒流路への冷媒の均等配分がより達成され易くなる。

本発明の他の特徴構成は、前記溜まり部が前記軸芯に関する径方向内側に開口した環状溝からなる点にある。

本構成であれば、十分な量の冷媒を遠心力によって環状溝の底部に安定的に留めることができ、この環状溝の軸心方向の片側の壁面によって構成される堰部から溢れた冷媒が遠心力で径方向外向きに飛ばされることで、冷媒流路の周辺や同周辺に配置された永久磁石を効率よく冷却できる。

本発明の他の特徴構成は、前記溜まり部を、前記回転軸に形成した冷媒供給口と複数の前記冷媒流路の開口とを覆う状態に前記回転軸に外嵌した冷媒案内部材の一部として設けてある点にある。

本構成であれば、溜まり部を一体的に備えた冷媒案内部材を製作して、回転軸に外嵌設置することで必要な溜まり部の構成が実現されるため、部品数や組み立て工数を減らすことができる。

回転電機の破断側面図である。 回転電機の軸心方向に垂直な断面図である。 本発明に係る回転電機用ロータの分解斜視図である。 溜まり部の成形方法を示す拡大図である。 溜まり部の第２実施形態を示す拡大図である。 溜まり部の第３実施形態を示す拡大図である。 溜まり部の第４実施形態を示す拡大図である。 溜まり部の第５実施形態を示す拡大図である。

図１に示した断面図、図２に示した断面図及び図３に示した分解斜視図に基づいて、本発明に係る回転電機用ロータを電動モータのロータとして使用する場合の実施形態について説明する。各図において矢印は冷媒の流れを示す。電動モータ１は永久磁石型モータであり、ハイブリッド車や電気自動車の駆動源として利用可能なものである。電動モータ１は、回転軸４０によってケース３０に軸心Ｘ回りで軸支されるロータ本体１０と、ロータ本体１０の径方向外側に配置され、ケース３０に固定されるステータ２０とを備えて構成される。ケース３０は、図１において左側部分を構成するケース部材３０ａと、右側部分を構成するケース部材３０ｂとを接合して構成される。尚、回転軸４０を駆動するように構成すれば、本回転電機を発電機として機能させることも可能である。

ロータ本体１０は複数の電磁鋼板１８（磁性を有する板状部材の一例）を積層させて構成されるが、プレス加工により各電磁鋼板１８に円周方向に等間隔に打ち抜き穴を設けることで、ロータ本体１０の円周方向には等間隔に複数の冷媒流路１０ａが形成されている。図３に示すように、永久磁石１１は、それぞれの冷媒流路１０ａの径方向外側に接着固定されている。冷却油（冷媒の一例）が冷媒流路１０ａを流れて排出口１０ｂから排出される間に、永久磁石１１の熱が冷媒によって回収されることにより、永久磁石１１が高温により減磁することが抑制される。

回転軸４０は、ケース３０に設けられた一対のベアリング３１を介してケース３０に軸支される。回転軸４０は内部空間４０ａを有する円筒状に構成されている。ケース部材３０ａの内面と対向する回転軸４０の一端は閉鎖されているが、回転軸４０の他端には、やはり円筒状の出力軸４１が同心状に固定されている。また、回転軸４０の出力軸４１よりもロータ本体１０寄りの箇所には、軸心Ｘを挟んで向き合う一対の冷媒供給口４０ｂが径方向に貫通形成されている。
冷却油は、電動式のポンプＰによってオイルパン７０から出力軸４１の内部空間４１ａを経て回転軸４０の内部空間４０ａに進入し、内部空間４０ａを満たした後に、冷媒供給口４０ｂから冷媒流路１０ａに導かれる。

回転軸４０の外周には、概して皿状の冷媒案内部材６０が固定されている。図１と図３に示すように、冷媒案内部材６０は、最も小径の第１フランジ部６０ａと、第１フランジ部６０ａの外周部からロータ本体１０側に垂直に延出された第１ボス部６０ｂと、第１ボス部６０ｂのロータ本体１０側の端部から概して径方向外向きに延出された第２フランジ部６０ｃと、第２フランジ部６０ｃの外周部からロータ本体１０側に垂直に延出された第２ボス部６０ｄとを有する。冷媒案内部材６０は、一対の冷媒供給口４０ｂと複数の冷媒流路１０ａの開口とを同時に覆う状態で回転軸４０に外嵌設置されている。

冷媒案内部材６０は、第１ボス部６０ｂが一対の冷媒供給口４０ｂに対して外径側で対向するように配置されている。
冷媒案内部材６０は、第１フランジ部６０ａの内径側に形成された雌ネジを回転軸４０の外周の雄ネジ部に螺合させることで固定されており、この螺合の過程で、第２ボス部６０ｄのロータ本体１０側の端面は、ロータ本体１０の冷媒流路１０ａを外径側に回避した箇所に当て付けられている。

冷媒案内部材６０の第２フランジ部６０ｃの内径側の端部には、第１ボス部６０ｂの内面よりも内径側に突出した環状の堰部６０ｐが形成されている。この堰部６０ｐの第１ボス部６０ｂ寄りの端面と、第１ボス部６０ｂの内周面と、第１フランジ部６０ａの第１ボス部６０ｂ寄りの端面とが互いに協働して、回転軸４０を介して供給される冷却油を回転軸４０の径方向外側に周方向に沿って留める環状の溜まり部６１（冷媒分配機構の一例）を形成している。すなわち、溜まり部６１は、回転軸４０の外周面、特に冷媒供給口４０ｂと対向し、径方向内側に開口する環状溝を呈しているため、ロータ本体１０の回転による遠心力に基づいて所定量の冷却油を環状に留め、その後、堰部６０ｐから溢れた冷媒を複数の冷媒流路１０ａに均等分配することができる。

回転軸４０の内部空間４０ａから、冷媒供給口４０ｂを介して径方向外向きに排出された冷却油は、溜まり部６１内で一旦環状に保持され、溜まり部６１を溢れた冷却油が、遠心力によりロータ本体１０の端面と第２フランジ部６０ｃの内面との間の円板状の流路を経て、冷媒流路１０ａに供給される。すなわち、冷却油は溜まり部６１で一定の厚さを備えた環状に保持された後に、環状の堰部６０ｐを越えた冷却油が、遠心力により径方向外向きに送り出されるので、８つの冷媒流路１０ａに対してほぼ均等に分配される。溜まり部６１は、回転軸４０の外周面寄りに設けられた小径の保持部の体裁をなしているので、径方向に関して冷媒流路１０ａの付近に設ける場合に比して、冷却油が溜まり部６１に静的に保持される。

永久磁石１１は冷媒流路１０ａの径方向外側に配置されているので、ロータ本体１０の回転時に冷却油に遠心力が作用すると、冷媒案内部材６０によって導入された冷却油が永久磁石１１に接しながら流れ、永久磁石１１が効率的に冷却される。尚、永久磁石１１を冷却流路１０ａとは別の空間に配置してもよいが、永久磁石１１を冷却油によって効果的に冷却するために冷却用流路１０ａの近傍に配置すべきことは言うまでもない。

ステータ２０は、ロータ本体１０と同様に、複数の電磁鋼板を積層させて構成される。ステータ２０にはコイル２１が配置され、コイル２１に通電を行うことにより、ステータ２０に磁界が発生し、永久磁石１１を備えたロータが回転する。コイル２１には絶縁紙や絶縁皮膜が設けられており、複数の導線を束ねるために結束糸が用いられている。ステータ２０から突出したコイルエンド２１ａにおいては、上記絶縁紙、絶縁皮膜、結束糸等が外部に曝されているため、高速の冷却油が衝突するとこれらが破損する虞がある。

そこで、ロータ本体１０の両端面のうち、冷媒案内部材６０と反対側の面には、コイルエンド２１ａを高速の冷却油から保護するための冷媒規制部材５０が取り付けられている。図３に示すように、冷媒規制部材５０は、中心に貫通孔５０ｈを備えた底部５０ａと、底部５０ａの外周から軸心Ｘとほぼ平行に電磁鋼板１８から離間する方向に延出された壁部５０ｂとを有する皿状に構成されている。貫通孔５０ｈによって冷媒規制部材５０を回転軸４０に外嵌させて、回転軸４０の外周面の一部に形成された雄ネジに対してナット５１を締め付けていくと、底部５０ａがロータ本体１０の端面に押付け固定される。図２及び図３に示すように、底部５０ａの各冷媒流路１０ａと対応する位置には冷媒排出孔５０ｄが形成されている。冷却油の円滑な排出を図るために、冷媒排出孔５０ｄの外径側の内面は、永久磁石１１の内径側の面とほぼ一致するように構成されている。

図では、遠心力により径方向外側に沿って流れる冷却油が連通孔５０ｄから排出され易いように、連通孔５０ｄは冷媒流路１０ａの径方向外側寄りに形成されている。一方、仮に連通孔５０ｄを冷媒流路１０ａの径方向内側寄りに形成すると、一定量以上の冷却油が冷媒流路１０ａに溜まってから、冷却油が連通孔５０ｄから排出される。従って、冷媒流路１０ａ内の冷却油が時間をかけて永久磁石１１の熱を回収できるので、冷却効率の向上が期待できる。即ち、連通孔５０ｄを径方向のどのような位置に形成するか、また、連通孔５０ｄの孔径や形状は電動モータ１が使用される条件等に応じて適宜決めればよい。

ロータ本体１０の電磁鋼板１８の抜け止め手段として、回転軸４０の外周の一部には一つの環状の固定フランジ部４０ｄが一体的に突出形成されている。冷媒案内部材６０は、回転軸４０の外周面の一部に形成された雄ネジ部に螺合固定されている。この螺合固定に基づいて、冷媒案内部材６０の第２ボス部６０ｄがロータ本体１０の電磁鋼板１８を冷媒規制部材５０に対して押付け付勢している。

規制部材５０の壁部５０ａの先端５０ｂは、コイルエンド２１ａの先端２１ｂよりも先端側に突出するように構成されている。従って、壁部５０ａの先端５０ｂから遠心力により径方向外側に排出される冷却油が、コイルエンド２１ａと衝突することを防止できる。その結果、コイルエンド２１ａの絶縁紙、絶縁皮膜、結束糸等の損傷を回避することができる。

また、ケース３０の内周面のうち冷却油が衝突する領域には、径方向内側に突出するフィン３２を設けてある。永久磁石１１を冷却して昇温した冷却油がロータ本体１０から排出された後、フィン３２と接触することにより、フィン３２を介した熱交換が促進され、冷却油の放熱を効率的に行うことができる。フィン３２に衝突し、運動エネルギーを消失するとともに冷却された冷却油が、ケース３０の内面を伝ってステータ２０やコイル２１に供給されることにより、これらの部材を破損することなく、効率的に冷却を行うことができる。尚、フィン３２の形状は図１、２に示したものに限らず、内周面から斜めに突出したものでもよいし、複数のフィン３２が必ずしも同一形状である必要はない。

〔別実施形態〕
〈１〉図１に示す冷媒案内部材６０は、環状の堰部６０ｐが軸心方向の中間位置で内径側に突出した形状のため、一般的な構造の金型で射出成形することは困難であり、そのため、溜まり部６１のない部品を作製後に環状溝を呈する溜まり部６１を研削加工するなどの煩雑な工程が必要となる。この研削加工の工程をなくす手法の一つとして、図４では、図１と同等の形状の冷媒案内部材６０を２段階で比較的簡単に製造する方法を示している。すなわち、先ず、図４（ａ）に示すように、軸心Ｘと平行に延出した環状の延長部６０ｐ′を備えた冷媒案内部材６０を射出成形などで作製し、次工程で、ポンチなどを用いて延長部６０ｐ′を曲げ加工することで、内径側に突出する堰部６０ｐを形成している。

〈２〉図５に示す第２実施形態では、冷媒案内部材６０とは別の補助円板部材７０を冷媒案内部材６０に取り付ける手法で溜まり部６１を形成している。補助円板部材７０は貫通孔を備えた円板状を呈しており、第２フランジ部６０ｃの内面に数箇所でネジ止め固定されている。補助円板部材７０の貫通孔の内径を第１ボス部６０ｂの内周面よりも若干小さく設定することで、冷媒を溜める堰部６０ｐが形成され、溜まり部６１が得られている。

〈３〉図６に示す第３実施形態では、冷媒案内部材６０とは別の補助筒状部材７１を冷媒案内部材６０に取り付ける手法で溜まり部６１を形成している。補助筒状部材７１は、円筒状の固定部７１ａと、固定部７１ａのロータ本体１０寄りの端面から径方向内側に突出したフランジ部７１ｂとからなる。固定部７１ａの外周面は第１ボス部６０ｂの内周面とほぼ同寸法に形成されており、第１ボス部６０ｂの内周面に圧入などによって固定されている。フランジ部７１ｂが冷媒を溜める堰部６０を形成し、溜まり部６１が得られている。

〈４〉図７に示す第４実施形態では、冷媒案内部材６０とは別の補助筒状部材７２を回転軸４０の外周面に固定する手法で溜まり部６１を形成している。補助筒状部材７２は、円筒状の固定部７２ａと、固定部７２ａのロータ本体１０寄りの端面から径方向内側に突出した第１フランジ部７２ｂと、固定部７２ａの反ロータ本体１０寄りの端面から径方向内側に突出した第２フランジ部７２ｃとからなる。固定部７２ａの外周面は第１ボス部６０ｂの内周面とほぼ同寸法に形成されており、第１ボス部６０ｂの内周面に圧入などによって固定されている。補助筒状部材７２は第２フランジ部７２ｃの内周面に形成された雌ネジによって回転軸４０の外周面に螺合されている。第１フランジ部７２ｂが冷媒を溜める堰部６０を形成し、溜まり部６１が得られている。

〈５〉図８に示す第５実施形態は、図５に示す第２実施形態の補助円板部材７０を更に変形した補助円板部材７３を冷媒案内部材６０に取り付ける手法で溜まり部６１を形成している。補助円板部材７３はその内周面に凹凸部が周方向に沿って全周に連続的に形成されている点で第２実施形態の補助円板部材７０と異なる。凹凸部は径方向内側に突出した凸部７０ａと、径方向内側に窪んだ凹部７０ｂとを備えている。例えば、凸部７０ａの内周面が第２実施形態の補助円板部材７０の内周面に一致し、凹部７０ｂの底面が第１ボス部６０ｂの内周面と第２実施形態の補助円板部材７０の内周面との中間の位置になるように構成することができるが、凸部７０ａの内周面や凹部７０ｂの底面の位置については、冷媒の粘性や供給量などに応じて種々変更可能である。この構成では、電動モータの温度や気温の上昇などによって冷媒の粘性が高まるのに応じて、隣接する凸部７０ａどうしの間から溜まり部６１外に冷媒が溢れ出易くなり、冷媒流路１０ａへの冷媒流量が増えるという作用が得られる。

本発明は、磁性を有する複数の板状部材を回転軸の軸芯方向に積層し、軸芯方向に貫通した冷媒流路を前記回転軸の周方向に沿って複数形成したロータ本体と、回転軸を介して供給された冷媒を複数の冷媒流路に分配する冷媒分配機構とを備えた回転電機用ロータに適用することができる。

１０ ロータ本体
１０ａ 冷媒流路
１８ 電磁鋼板（板状部材）
４０ 回転軸
Ｘ 軸心

Claims (4)

1. 磁性を有する複数の板状部材を回転軸の軸芯方向に積層し、前記軸芯方向に貫通した冷媒流路を前記回転軸の周方向に沿って複数形成したロータ本体と、
   前記回転軸を介して供給された冷媒を前記複数の冷媒流路に分配する冷媒分配機構とを備え、
   前記冷媒分配機構に、前記回転軸から供給された冷媒を前記周方向に沿って留める環状の溜まり部を設けた回転電機用ロータ。
2. 前記溜まり部を、前記回転軸に形成した冷媒供給口と対向させ、且つ、前記軸芯の径外方向に関して前記冷媒流路よりも前記回転軸寄りに位置させている請求項１に記載の回転電機用ロータ。
3. 前記溜まり部が前記軸芯に関する径方向内側に開口した環状溝からなる請求項１または２に記載の回転電機用ロータ。
4. 前記溜まり部を、前記回転軸に形成した冷媒供給口と複数の前記冷媒流路の開口とを覆う状態に前記回転軸に外嵌した冷媒案内部材の一部として設けてある請求項１から３のいずれか一項に記載の回転電機用ロータ。

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