JP2011259691A

JP2011259691A - 回転電機の回転子

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Publication number: JP2011259691A
Application number: JP2011096441A
Authority: JP
Inventors: Ryosuke Utaka; 良介宇鷹
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2010-05-12
Filing date: 2011-04-22
Publication date: 2011-12-22
Anticipated expiration: 2031-04-22
Also published as: US20110278967A1; JP5673327B2

Abstract

【課題】永久磁石の冷却性能の向上を図り、永久磁石の減磁耐力の局部的な低下を防止し得るようにした回転電機の回転子を提供する。
【解決手段】回転子１５は、円環状の複数の鋼板１２ａを回転軸方向に積層して形成され、固定子１８と径方向に対向するよう配置された回転子コア１２と、回転子コア１２の内部にそれぞれ円周方向に所定間隔を空けて配置された永久磁石１３と、回転子コア１２の回転軸方向両端面の両端面に当接した状態に配設された円環状の一対のエンドプレート１４とを有する。回転子コア１２に、回転子コア１２を回転軸方向に貫通するとともに、その両端が一対のエンドプレート１４と当接する状態に伝熱部材２１を配設する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ハイブリッド車両や電気自動車等の車両等に用いられる回転電機の回転子に関し、特に回転子に埋め込まれた永久磁石の熱を冷却する構造を有する回転電機の回転子に関する。

従来、車両等に用いられる回転電機（モータ）の回転子として、特許文献１に記載されたものが知られている。この回転子は、円環状の複数の鋼板を回転軸方向に積層して形成され、固定子と径方向に対向するよう配置された回転子コアと、回転子コアの内部にそれぞれ円周方向に所定間隔を空けて配置された永久磁石と、回転子コアの回転軸方向の両端面に当接した状態に配設された円環状のエンドプレートと、を含んで構成されている。

このような構造の回転子を図８に示す。図８には、回転子１を周方向に所定数分割したうちの１つの扇状部分が示されている。この回転子１においては、当該回転子１が回転した際に、回転子１の外周側に径方向に所定の間隙を介して配置されている図示せぬ円環状の固定子と回転子１との間で、半径方向、周方向及び回転軸方向に磁界が発生する。この磁界の発生に応じて永久磁石２内に渦電流が流れ、永久磁石２がジュール損失によって発熱する。つまり、永久磁石２が起磁力変動により発熱する。この発熱は、図８に矢印Ｙ１で示すように永久磁石２から回転子１のコアを介して回転軸へ伝わり、この際、回転軸に流れている潤滑油での冷却効果も加味して永久磁石２が冷却される。

このような回転子の永久磁石の除熱構造として特許文献２に記載の回転電機が有る。この回転電機は、回転軸の一方の内部を回転軸方向に通り、更に回転子コア内を永久磁石の回転軸側の近傍を通過し、更には回転軸の他方の内部を回転軸方向に通って抜ける除熱流路が形成されている。その除熱流路を冷却媒体が流通することにより永久磁石が冷却されるようになっている。

特開２００６−３５３０４１号公報特開２００８−２１９９６０号公報

ところで、上記の特許文献１の構造では、永久磁石の回転軸側の熱が回転子コアを介して回転軸に伝わって冷却される。また、特許文献２の構造でも、除熱流路が永久磁石の回転軸側の近傍を通っているので、永久磁石の回転軸側の熱が冷却される。これらのことから永久磁石の回転子外周側の熱は、その逆側（回転軸側）ほどに冷却されない。

回転子では、永久磁石が前述した渦電流によるジュール損失によって発熱するが、特に電機子の起磁力変動の影響を大きく受ける永久磁石の回転子外周側の温度上昇が顕著である。しかし、上記のように永久磁石の回転子外周側はそれほど冷却されないので、この回転子外周側の温度上昇によって、永久磁石の局部的な減磁耐力の低下が懸念されるという問題がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、永久磁石の冷却性能の向上を図り、永久磁石の減磁耐力の局部的な低下を防止し得るようにした回転電機の回転子を提供することを目的とする。

上記目的を達成するためになされた請求項１に記載の発明は、円環状の複数の鋼板を回転軸方向に積層して形成され、回転電機の固定子と径方向に対向するよう配置された回転子コアと、前記回転子コアの内部にそれぞれ円周方向に所定間隔を空けて配置された永久磁石と、前記回転子コアの回転軸方向両端面のうちの少なくとも一方の端面に当接した状態に配設された円環状のエンドプレートと、を有する回転電機の回転子において、前記回転子コアには、前記回転子コアを回転軸方向に貫通するとともに、その両端が前記エンドプレートと当接する伝熱部材が配設されていることを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、回転電機の作動により回転子が回転した際に、回転子コアに配設された永久磁石が起磁力変動により発熱する。この永久磁石に発生した熱は、回転子コアの鋼板を介して伝熱部材に伝導され、伝熱部材により形成された軸方向に延びる伝熱経路を経由してエンドプレートに伝導される。そして、エンドプレートに伝導された熱は、エンドプレートにより形成された径方向及び周方向に広がる伝熱経路を経由してエンドプレートから外気へ放出され、更にはエンドプレートに当接する他の部材に伝導されることによって除去される。このようにして、永久磁石に発生した熱が伝熱部材を介して効果的に除去されることにより、永久磁石が冷却され、永久磁石の温度上昇が抑制される。したがって、本発明によれば、永久磁石の高温時に発生する減磁耐力の局部的な低下を防止することができる。

請求項２に記載の発明は、前記伝熱部材は、前記永久磁石よりも径方向固定子側に配置されていることを特徴とする。

請求項２に記載の発明によれば、伝熱部材は、特に固定子の起磁力変動の影響を大きく受ける永久磁石の径方向固定子側に配置されているので、永久磁石の冷却を効率よく、より確実に行うことができる。そのため、永久磁石の高温時に発生する減磁耐力の局部的な低下をより確実に防止することが可能となる。

請求項３に記載の発明は、前記伝熱部材は、前記回転子コアに配設された２つの前記永久磁石の間の外周側に、前記エンドプレートに両端が当接状態となるように埋め込まれていることを特徴とする。

請求項３に記載の発明によれば、回転子が固定子の内周側に径方向に対向して配置されている場合において、伝熱部材は、特に固定子の起磁力変動の影響を大きく受ける永久磁石の外周側（径方向固定子側）に配置されているので、永久磁石の冷却を効率よく、より確実に行うことができる。

請求項４に記載の発明は、前記伝熱部材は、前記回転子コアに配設された２つの前記永久磁石の間の外周側に、前記回転子コアの外周面に一面が表出する状態で前記エンドプレートに両端が当接状態となるように埋め込まれていることを特徴とする。

請求項４に記載の発明によれば、上記請求項３と同様に、回転子が固定子の内周側に径方向に対向して配置されている場合において、伝熱部材は、特に固定子の起磁力変動の影響を大きく受ける永久磁石の外周側（径方向固定子側）に配置されているので、永久磁石の冷却を効率よく、より確実に行うことができる。

請求項５に記載の発明は、前記回転子コアは、軸方向に隣接する２つの前記鋼板の間に設けられた絶縁被膜を有し、前記伝熱部材は、前記絶縁被膜よりも熱伝導率が高い材料で形成されていることを特徴とする。

請求項５に記載の発明によれば、永久磁石に発生した熱を、より効率よく伝熱部材を介してエンドプレートに伝導することができるので、永久磁石をより効率よく冷却することができる。

請求項６に記載の発明は、前記回転子コアは、軸方向に隣接する２つの前記鋼板の間に設けられた絶縁被膜を有し、前記エンドプレートは、前記絶縁被膜よりも熱伝導率が高い材料で形成されていることを特徴とする。

請求項６に記載の発明によれば、永久磁石に発生した熱を、より効率よくエンドプレートに伝導し放出することができるので、永久磁石をより効率よく冷却することができる。

請求項７に記載の発明は、前記エンドプレートは、前記回転子コアの回転軸方向一方の端面のみに配設されていることを特徴とする。

請求項７に記載の発明によれば、永久磁石に発生した熱を、伝熱部材及びエンドプレートを介して除去することができるので、永久磁石を効率よく冷却することができる。

請求項８に記載の発明は、前記伝熱部材は、前記鋼板よりも電気伝導率の低い材料で形成されていることを特徴とする。

請求項８に記載の発明によれば、伝熱部材は、鋼板よりも電気伝導率の低い材料で形成されているので、回転子の回転により、回転子と固定子との間に発生した磁界の変化に伴って、回転子コアの積層鋼板を流れる渦電流の流れを遮って抑制することができる。これにより、永久磁石が渦電流によるジュール損失によって発熱することを抑制することができる。

請求項９に記載の発明は、前記伝熱部材は、前記鋼板よりも透磁率の低い材料で形成されていることを特徴とする。

請求項９に記載の発明によれば、上記請求項８と同様に渦電流を抑制することができるので、永久磁石の渦電流による発熱を抑制することができる。

請求項１０に記載の発明は、前記伝熱部材は、回転軸方向に複数に分割され、この分割された各伝熱部材のうち、軸方向に隣接する前記伝熱部材同士は、それぞれの軸方向端面の少なくとも一部にて当接していることを特徴とする。

請求項１０に記載の発明によれば、複数に分割した伝熱部材を、周方向にスキューさせた状態に配設することによって、騒音の原因となる振動の発生を抑制することができる。

本発明の実施形態に係る回転電機の構成を示す回転軸方向の断面図である。本実施形態に係る回転電機の回転子を周方向に所定数分割したうちの１つの扇状部分を示す部分平面図である。本実施形態に係る回転子において永久磁石に発生した熱の伝導経路を示す回転軸方向の断面図である。本実施形態に係る回転子において永久磁石に発生した熱の伝導経路を示す説明図である。本実施形態の応用例１に係る回転子を周方向に所定数分割したうちの１つの扇状部分を示す部分平面図である。本実施形態の応用例２に係る回転子を周方向に所定数分割したうちの１つの扇状部分を示す部分平面図である。本実施形態の応用例３に係る回転子の一部を示す図であって、（ａ）は１つの扇状部分を示す部分平面図、（ｂ）は（ａ）の破断線に沿って切断した断面図である。従来の回転子を周方向に所定数分割したうちの１つの扇状部分を示す部分平面図である。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。図１は、本実施形態に係る回転電機の構成を示す回転軸方向の断面図である。図２は、本実施形態に係る回転子を周方向に所定数分割したうちの１つの扇状部分を示す部分平面図である。図３は、本実施形態に係る回転子において永久磁石に発生した熱の伝導経路を示す回転軸方向の断面図である。図４は、本実施形態に係る回転子において永久磁石に発生した熱の伝導経路を示す説明図である。

図１に示す回転電機１０は、例えばハイブリッド車両や電気自動車等の車両に搭載されて使用されるものであって、固定子コア１７及び固定子巻線１６を有し電機子として働く固定子１８と、回転子コア１２及びエンドプレート１４を有し界磁として働く回転子１５と、固定子１８及び回転子１５を収容し、締結ボルト（図示せず）よって連結、固定されたフロントハウジング１０ａ及びリアハウジング１０ｂ等を含んで構成されている。

固定子１８は、円環状に形成されて周方向に配列された複数のスロット（図示せず）を有する固定子コア１７と、固定子コア１７のスロットに巻装され電力変換用のインバータ（図示せず）に接続された三相の固定子巻線１６とを有する。この固定子１８は、フロントハウジング１０ａ及びリアハウジング１０ｂ間で挟持されることにより固定されており、回転子１４の外周側に径方向に所定の隙間を介して配置されている。

回転子１５は、フロントハウジング１０ａ及びリアハウジング１０ｂに軸受け１０ｃを介して回転自在に支承された回転軸１１と一体になって回転するもので、回転軸１１の外周面に嵌合固定され、固定子１８の内周側に径方向に所定の隙間を介して対向するよう配置された回転子コア１２と、回転子コア１２の内部にそれぞれ円周方向に所定間隔を空けて配置された複数の永久磁石１３と、回転軸１１の外周面に嵌合固定されて回転子コア１２の回転軸方向両端面に当接した状態に配設された円環状の一対のエンドプレート１４，１４とを有する。一対のエンドプレート１４，１４は、例えばアルミやＳＵＳなどの非磁性体により形成されている。

回転子コア１２は、図４に示すように、回転軸１１と嵌合する貫通孔を有する円環状の複数の鋼板１２ａを回転軸方向に積層して形成されている。そして、回転子コア１２の軸方向に隣接する鋼板１２ａの間には、エポキシやアクリルよりなる絶縁被膜１２ｂが設けられている。この回転子コア１２の、固定子１８の内周側と径方向に対向する外周側には、回転軸方向に貫通する複数の磁石保持孔１２ｄが円周方向に所定距離を隔てて設けられており、各磁石保持孔１２ｄにそれぞれ永久磁石１３が埋め込まれている。本実施形態の場合、ハの字状に配置された一対の永久磁石１３，１３により１つの磁極が形成されており、複数対の永久磁石１３，１３によって周方向に極性が交互に異なる複数の磁極（本実施形態では８極（Ｎ極：４、Ｓ極：４））が形成されている。

回転子コア１２に配設された各永久磁石１３の外周側の近傍には、回転子コア１２を回転軸方向に貫通する貫通孔１２ｅが設けられており、各貫通孔１２ｅ内には、軸方向に延びる長尺状の伝熱部材２１がそれぞれ埋め込まれている。伝熱部材２１の回転軸方向両端は、回転子コア１２の回転軸方向両側に配設された一対のエンドプレート１４，１４の内面にそれぞれ当接した状態にされている。

この伝熱部材２１は、高熱伝導率、低電気伝導率（又は高抵抗率）、低透磁率の全てを満たす材料｛例えば、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）樹脂に対し各種フィラーや金属粉等を添加した混合材｝、或いは高熱伝導率と低電気伝導率又は低透磁率とを満たす材料により形成されている。但し、高熱伝導率とは、回転子コア１２の積層された鋼板１２ａの間に設けられた絶縁被膜１２ｂよりも熱伝導率が高いことを示す。低電気伝導率とは、鋼板１２ａよりも電気伝導率が低い（又は、鋼板１２ａよりも抵抗率が高い）ことを示す。低透磁率とは、鋼板１２ａよりも透磁率が低いことを示す。

以上のように構成された回転電機１０において、回転子１５が回転した際に、径方向に対向して配置された回転子１５と固定子１８との間で、半径方向、周方向及び回転軸方向に磁界が発生し、回転子コア１２に配設された永久磁石１３が起磁力変動により発熱する。このとき、特に固定子１８の起磁力変動の影響を大きく受ける永久磁石１３の外周側の温度上昇が顕著となる。これにより、永久磁石１３の外周側の熱は、図３及び図４に示すように、回転子コア１２の鋼板１２ａを介して伝熱部材２１に伝導され（図３の矢印Ｙ２）、伝熱部材２１により形成された回転軸方向に延びる伝熱経路を経由して回転軸方向両側の各エンドプレート１４，１４に伝導される（図３の矢印Ｙ３）。

そして、各エンドプレート１４，１４に伝導された熱は、各エンドプレート１４，１４により形成された径方向及び周方向に広がる伝熱経路を経由して各エンドプレート１４，１４から外気へ放出される。更に本実施形態では、各エンドプレート１４，１４から各エンドプレート１４，１４の内周面が当接している回転軸１１に熱が伝導される（図３の矢印Ｙ４）ことによっても除去される。このようにして、永久磁石１３に発生した熱が伝熱部材２１を介して効果的に除去されることにより、永久磁石１３が冷却され、永久磁石１３の温度上昇が抑制される。

したがって、本実施形態の回転子１５によれば、回転子コア１２には、回転子コア１２を回転軸方向に貫通するとともに、その両端が一対のエンドプレート１４，１４と当接する伝熱部材２１が配設されているので、回転子１５が回転した際に、永久磁石１３に発生した熱を、伝熱部材２１を介して効果的に冷却することができる。これにより、永久磁石１３の高温時に発生する減磁耐力の局部的な低下を防止することができる。

また、伝熱部材２１は、特に固定子１８の起磁力変動の影響を大きく受ける永久磁石１３の外周側（径方向固定子側）に配置されているので、永久磁石１３の冷却を効率よく、より確実に行うことができる。そのため、永久磁石１３の高温時に発生する減磁耐力の局部的な低下をより確実に防止することが可能となる。

そして、伝熱部材２１は、絶縁被膜１２ｂよりも熱伝導率が高い材料で形成されていることから、永久磁石１３に発生した熱を、より効率よく伝熱部材２１を介してエンドプレート１４に伝導することができるので、永久磁石１３をより効率よく冷却することができる。

また、エンドプレート１４は、絶縁被膜１２ｂよりも熱伝導率が高い材料で形成されていることから、永久磁石１３に発生した熱を、より効率よくエンドプレート１４に伝導し放出することができるので、永久磁石１３をより効率よく冷却することができる。

また、伝熱部材２１は、鋼板１２ａよりも電気伝導率の低い材料で形成されていることから、回転子１５の回転により、回転子１５と固定子１８との間に発生した磁界の変化に伴って、回転子コア１２の積層された鋼板１２ａを流れる渦電流の流れを遮って抑制することができる。これにより、永久磁石１３が渦電流によるジュール損失によって発熱することを抑制することができる。さらに、伝熱部材２１は、鋼板１２ａよりも透磁率の低い材料で形成されていることによっても、上記と同様に、渦電流を抑制することができるので、永久磁石１３の渦電流による発熱を抑制することができる。

なお、上記実施形態では、回転子コア１２の回転軸方向両端面に一対のエンドプレート１４，１４を配設するようにしていたが、何れか一方の端面のみにエンドプレート１４を配設するようにしてもよい。この場合にも、上記実施形態の場合と同様に、永久磁石１３の外周側の熱を、伝熱部材２１及びエンドプレート１４を介して回転軸１１に伝導させることができるので、永久磁石１３を効率よく冷却することができる。

（応用例１）
図５に示すように、伝熱部材２１−１を、回転子コア１２に配設された２つの永久磁石１３，１３の間の外周側に、一対のエンドプレート（図示せず）に両端が当接状態となるように埋め込むようにしてもよい。このようにすれば、回転子１５が固定子１８の内周側に径方向に対向して配置されている場合において、伝熱部材２１−１が、特に、固定子１８の起磁力変動の影響を大きく受ける永久磁石１３，１３の外周側（径方向固定子側）に配置されているので、永久磁石１３，１３の冷却を効率よく、より確実に行うことができる。

（応用例２）
図６に示すように、伝熱部材２１−２を、回転子コア１２に配設された２つの永久磁石１３，１３の間の外周側に、回転子コア１２の外周面に一面が表出する状態で一対のエンドプレート（図示せず）に両端が当接状態となるように埋め込むようにしてもよい。このようにすれば、上記応用例１と同様に、伝熱部材２１−２が、特に、固定子１８の起磁力変動の影響を大きく受ける永久磁石１３，１３の外周側に配置されているので、永久磁石１３，１３の冷却を効率よく、より確実に行うことができる。

（応用例３）
図７（ａ）（ｂ）に示すように、長尺状の伝熱部材２１−３を、回転軸方向に複数に分割し、この分割された各伝熱部材２１−３のうち、軸方向に隣接する伝熱部材２１−３同士を、それぞれの軸方向端面の少なくとも一部にて当接している状態に配設するようにしてもよい。この場合には、複数に分割された伝熱部材２１−３は、周方向にスキューさせた状態に配設されている。このようにすれば、騒音の原因となる振動の発生を抑制することができる。

なお、図７（ｂ）に示すように、複数に分割された伝熱部材２１−３が、周方向にスキューさせた状態に配設されていると同時に、長尺状の永久磁石１３−１も、伝熱部材２１−３と同様に、回転軸方向に複数に分割して、周方向にスキューさせた状態に配設されている。これにより、騒音の原因となる振動の発生を、より確実に抑制できるようにされている。

１０…回転電機、１１…回転軸、１２…回転子コア、１２ａ…鋼板、１２ｂ…絶縁被膜、１２ｄ…磁石保持孔、１２ｅ…貫通孔、１３，１３−１…永久磁石、１４…エンドプレート、１５…回転子、１６…固定子巻線、１７…固定子コア、１８…固定子、２１，２１−１，２１−２，２１−３…伝熱部材。

Claims

円環状の複数の鋼板を回転軸方向に積層して形成され、回転電機の固定子と径方向に対向するよう配置された回転子コアと、
前記回転子コアの内部にそれぞれ円周方向に所定間隔を空けて配置された永久磁石と、
前記回転子コアの回転軸方向両端面のうちの少なくとも一方の端面に当接した状態に配設された円環状のエンドプレートと、を有する回転電機の回転子において、
前記回転子コアには、前記回転子コアを回転軸方向に貫通するとともに、その両端が前記エンドプレートと当接する伝熱部材が配設されていることを特徴とする回転電機の回転子。
前記伝熱部材は、前記永久磁石よりも径方向固定子側に配置され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。
前記伝熱部材は、前記回転子コアに配設された２つの前記永久磁石の間の外周側に、前記エンドプレートに両端が当接状態となるように埋め込まれていることを特徴とする請求項１または２に記載の回転電機の回転子。
前記伝熱部材は、前記回転子コアに配設された２つの前記永久磁石の間の外周側に、前記回転子コアの外周面に一面が表出する状態で前記エンドプレートに両端が当接状態となるように埋め込まれていることを特徴とする請求項１または２に記載の回転電機の回転子。
前記回転子コアは、軸方向に隣接する２つの前記鋼板の間に設けられた絶縁被膜を有し、
前記伝熱部材は、前記絶縁被膜よりも熱伝導率が高い材料で形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の回転電機の回転子。
前記回転子コアは、軸方向に隣接する２つの前記鋼板の間に設けられた絶縁被膜を有し、
前記エンドプレートは、前記絶縁被膜よりも熱伝導率が高い材料で形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の回転電機の回転子。
前記エンドプレートは、前記回転子コアの回転軸方向一方の端面のみに配設されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の回転電機の回転子。
前記伝熱部材は、前記鋼板よりも電気伝導率の低い材料で形成されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の回転電機の回転子。
前記伝熱部材は、前記鋼板よりも透磁率の低い材料で形成されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の回転電機の回転子。
前記伝熱部材は、回転軸方向に複数に分割され、
この分割された各伝熱部材のうち、軸方向に隣接する前記伝熱部材同士は、それぞれの軸方向端面の少なくとも一部にて当接していることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の回転電機の回転子。