JP2013038840A - 永久磁石型電動モータの冷却構造 - Google Patents

Abstract

【課題】モータのロータの永久磁石を冷却する。
【解決手段】モータ／ジェネレータ４のロータ５は、外周部分に永久磁石６が配置されている。ロータ５に隣接してロータ５と伴に回転する中空円板状の回転部材２１は、内部に形成された空間部２４に所定量の冷媒２５が封入されている。
そして、回転部材２１の中央に取り付けられたシャフト３には、冷却水２６が通流する冷却水通路２２が形成されている。これによって、ロータ５の回転時には、回転部材２１も回転し、冷媒２５は遠心力により空間部２４の外周側に偏在する。
これによって、ロータ５の回転時には遠心力により液体状態の冷媒が空間部２４の外周側に偏在し、ロータ５の外周部分に配置された永久磁石６を連続的に冷却することができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、永久磁石型電動モータの冷却構造に関する。

近年、地球温暖化に対し二酸化炭素排出量の少ないハイブリッド自動車や電気自動車が数多く開発され発売されている。それらに欠かせないのが、高効率、高性能な電動モータである。

このような電動モータは、外側に固定位置の電線コイルの巻かれた積層電磁鋼板によって構成されるステータと、内側にネオジウム磁石等に代表される永久磁石を埋め込まれた積層電磁鋼板によって構成される回転体であるロータによって構成される。外側のロータの電線コイルには、交流電流を流すことにより磁場が形成され、磁場の回転によりロータの永久磁石に回転力が生じる。

このような構成の永久磁石型電動モータにおいては、ステータのみならずロータの電磁鋼板中も作動中の渦電流により発熱するため永久磁石の温度が上昇するが、永久磁石型電動モータにおいて使用されているネオジウム磁石では、ネオジウム磁石の特性から一定以上の温度になると急激に磁力を失ってしまう。

ハイブリッド自動車や電気自動車等の自動車駆動用として用いる電動モータは、道路状況や運転条件によって負荷が変化する為発熱量をあらかじめ予測する事が困難である為、減磁を防止する為には磁石部を冷却する事が肝要である。しかしながら構造上回転していない外側のステータ部は空冷・水冷等の手段により冷却する事はできるが、磁石を含むロータを直接冷却する事は難しい。特に、回転体の軸部は冷却媒体を流す事は可能だが、回転体の外周部に配される磁石の冷却は特に難しい。

例えば特許文献１には、密閉型永久磁石モータの冷却方式として、回転軸と同期して動く冷却ファンにより空気を流動させ、永久磁石を冷却する空冷システムが開示されている。

特開平９−３７５１８

しかしながら、近年変速機と内燃機関の間に同軸に電動モータを挟みこむタイプのハイブリッド自動車が提案されており、このようなタイプのハイブリッド自動車では冷却ファンを取り付けたり空気を流動させるためのスペースが得ることが難しく、多くの場合外側のステータを冷却するのみとなっている。

そのため、ネオジウム磁石の冷却が十分に行えない場合には、ネオジウム磁石の減磁を避ける為に、地球上の埋蔵量が少ない為供給が安定せず、高価であるジスプロシウム（ディスプロシウム）：Ｄｙという元素をネオジウム磁石に混合しなければならないという問題がある。

そこで、本発明の永久磁石型電動モータの冷却構造は、隣接するロータと伴に回転する回転部材の内部に、当該回転部材の中央に取り付けられる軸部材とロータの永久磁石の双方に近接する空間部を形成し、前記空間部に、前記軸部材内の冷却媒体と熱交換可能な所定量の冷媒を封入することを特徴としている。ロータ回転時において、空間部に封入された冷媒は、液体の状態ではロータ回転時の遠心力によって、空間部の外周側に偏在する。空間部に封入された冷媒のうち、永久磁石の熱により蒸発した気体の状態の冷媒は、軸部材内の冷却媒体により冷却され空間部の内周側で凝縮する。

本発明によれば、ロータ回転時には遠心力により液体状態の冷媒が空間部の外周側に偏在し、ロータの外周部分に配置された永久磁石を連続的に冷却することができる。

本発明が適用されたハイブリッド車両の動力伝達系統を模式的に示した説明図。 本発明の要部を拡大して示す斜視図。 本発明の要部を拡大して模式的に示した説明図であって、（ａ）は回転部材とロータとをロータの回転軸方向から見た説明図、（ｂ）は回転部材とロータとをロータの回転軸軸直角方向から見た説明図。 回転部材の他の実施形態を示す説明図。 回転部材の他の実施形態を示す説明図。 シャフト内の冷却媒体として潤滑油を用いたの一例を模式的に示した説明図。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明が適用されたハイブリッド車両の動力伝達系統を模式的に示した説明図である。

内燃機関１（クランクシャフト１ａ）からの回転を無段変速機２の入力軸２ａへ伝達するシャフト３に、モータ／ジェネレータ４が一体に設けられている。

モータ／ジェネレータ４は、ロータ５にネオジムを含んでなる永久磁石（ネオジム磁石）６が用いられた同期型モータからなり、モータとして作用（いわゆる「力行」）するとともに、ジェネレータ（発電機）としても作用（いわゆる「回生」）するものであり、内燃機関１と無段変速機２との間に位置している。尚、図１中の７は、モータ／ジェネレータ４のステータである。そして、このモータ／ジェネレータ４と内燃機関１との間に、より詳しくは、シャフト３とクランクシャフト１ａとの間に第１クラッチ８が介挿されており、この第１クラッチ８が内燃機関１とモータ／ジェネレータ４との間を切り離し可能に結合している。

第１クラッチ８は、伝達トルク容量を連続的に変更可能な構成であり、例えば、比例ソレノイドバルブ等でクラッチ作動油圧を連続的に制御することで伝達トルク容量を変更可能な常閉型の乾式単板クラッチあるいは湿式多板クラッチからなる。

また、モータ／ジェネレータ４と駆動輪９との間、より詳しくは、シャフト３と無段変速機２の入力軸２ａとの間には、第２クラッチ１０が介挿されており、この第２クラッチ１０がモータ／ジェネレータ４と無段変速機２との間を切り離し可能に結合している。

この第２クラッチ１０も第１クラッチ８と同様に、伝達トルク容量を連続的に変更可能な構成であり、例えば比例ソレノイドバルブでクラッチ作動油圧を連続的に制御することで伝達トルク容量を変更可能な湿式多板クラッチあるいは乾式単板クラッチからなる。

無段変速機２は、一対の可変溝幅プーリとこれらに巻回されるべルトを用いる無段変速機であり、入力軸２ａ側に設けられるプライマリプーリ１２と、出力軸２ｂ側に設けられるセカンダリプーリ１３と、プライマリプーリ１２とセカンダリプーリ１３に巻回される金属ベルト１４と、を有している。この無段変速機２では、油圧によりプライマリプーリ１２及びセカンダリプーリ１３の溝幅（有効径）を変更することで、プーリ比が変化し、プーリ比の変化に応じて変速比を無段階に変化させることができる。

そして、無段変速機２に入力された回転は、無段変速機２のプーリに応じた変速比として出力軸３ｂ出力され、ファイナルギヤ１５、図示せぬディファレンシャルギヤを介して駆動輪９へ伝達される。

ここで、モータ／ジェネレータ４のロータ５と一体に回転するシャフト３には、には、ロータ５に隣接し、ロータ５と略同一外径の中空円板状の回転部材２１が取り付けられている。

この回転部材２１は、軸部材であるシャフト３と一体に回転するものであって、無段変速機２の入力軸２ａの内部を通りシャフト３の内部にまで連続する冷却水通路２２内を流れる冷却水２６を利用して、隣接するロータ５の永久磁石６を冷却するものである。尚、この冷却水通路２２は、内燃機関１の冷却水系統に接続されているものである。

図２及び図３を用いて詳述すると、永久磁石６は、ロータ５の外周部分に、ロータ５の周方向に沿って複数配置されている。この永久磁石６は、図３（ａ）に示すように、ロータ５の回転軸軸方向からみた断面が細長い略矩形となる扁平な板状を呈している。そして、ロータ５に隣接する回転部材２１は、中央部分にシャフト３が貫通する貫通穴２３が形成された環状を呈し、内部に環状の空間部２４が形成されている。そして、この空間部２４は、内周側がシャフト３の近接し、外周側が隣接するロータ５の外周縁部に配置された永久磁石６と近接しており、所定量の冷媒２５が封入されている。

ここで、回転部材２１は、貫通穴２３の外側部分、すなわち回転部材２１の内周縁部が、シャフト３の半径方向に突出した一対の鍔状の突出部３ａによって挟み込まれてる。そして、シャフト３は、上述した突出部３ａを含め、全体が中空形状となっており、内部に冷却水２６が流れる冷却水通路２２が形成されている。

また、永久磁石６は、図３（ｂ）に示すように、ロータ５の両端面５ａ、５ｂに、その両端面６ａ、６ｂがそれぞれ露出しており、回転部材２１の端面２１ａに対して、その一端面６ａが接触している。

このような本実施形態においては、モータ／ジェネレータ４のロータ５が回転すると、回転部材２１の空間部２４に封入された冷媒２５は、液体の状態では回転部材２１の回転による遠心力によって空間部２４の外周側に偏在し、隣接するロータ５の永久磁石６に近接することになる。そして、空間部２４に封入された冷媒２５のうち、空間部２４の外周側で永久磁石６の熱により蒸発した気体の状態の冷媒２５は、空間部２４の内周側でシャフト３内の冷却水２６により冷却され凝縮することになる。

つまり、渦電流により永久磁石６の温度が上昇するような場面では、ロータ５に隣接する回転部材２１に封入された冷媒２５が、遠心力により回転部材２１の外周側に偏在し、ロータ５の永久磁石６の冷却が促進されるため、永久磁石６の減磁を抑制することができる。

また、永久磁石６が減磁しにくくなるため、永久磁石６に高価なジスプロシウム（Ｄｙ）を混合して減磁対策を行うような場合でも、永久磁石６に混合するジスプロシウム（Ｄｙ）の使用量を減少させることが可能となるため、コスト低減を図ることができる。

そして、空間部２４内の冷媒２５を冷やすシャフト３内の冷却媒体は、内燃機関１の冷却水２６なので、空間部２４内の冷媒２５の冷却のための冷却媒体を新たに追加しなくてもよく、製造コストの上昇を抑制することができる。

また、永久磁石６と熱交換する冷媒２５は、ロータ５内周側のシャフト３内を流れる冷却水２６と熱交換するので、無段変速機２と内燃機関１の間に同軸にモータ／ジェネレータ４を挟みこみ、ロータ５の軸方向にスペースを確保することがレイアウト上の制約から困難なタイプのハイブリッド自動車であっても、モータ／ジェネレータ４のロータ５に配置された永久磁石６を効率よく冷却することができる。

尚、図２及び図３に示した回転部材２１は、図４または図５に示すように形成することも可能である。

図４に示す回転部材３１は、空間部２４の外周縁に、隣接するロータ５の永久磁石６の断面形状に応じた溝部３２を複数形成したものである。換言すると、回転部材３１は、永久磁石６の一端面６ａが接触している部分の内側に冷媒２５が溜まるよう、永久磁石６の一端面６ａに対応した大きさ（断面積）の溝部３２が、空間部２４の外周縁に、回転部材３１の周方向に沿って、永久磁石６と同数形成されている。

このような回転部材３１においては、永久磁石６の断面形状に応じた溝部３２を空間部２４の外周縁に形成することで、回転部材３１の外周側に偏在する冷媒２５と永久磁石６の発する熱との熱交換効率を高め、回転部材３１の空間部２４に封入する冷媒２５の量を極力少なくすることができるので、ロータ全体の慣性モーメントを小さくすることができる。

図５に示す回転部材４１は、空間部２４の外周縁に隣接するロータ５の永久磁石６の断面形状に応じた溝部３２を複数形成すると共に、空間部２４に回転部材４１の径方向に沿って延びる複数のガイド壁４２を形成したものである。このガイド壁４２は、空間部２４を仕切るものであり、空間部２４内を図５の紙面垂直方向に連続して、回転部材４１の両端面となる壁部と連続している。

このような回転部材４１においては、空間部２４の内周側で凝縮した液状の冷媒２５を回転部材４１の回転による遠心力で空間部２４の外周側に移動させる際に、液状の冷媒２５がガイド壁４２によって短い移動経路で空間部２４の外周側に移動するよう案内されるので、冷却効率を向上させることができる。

また、回転部材２１の空間部２４に封入された冷媒２５を冷却するシャフト３内の冷却媒体としては、内燃機関１の冷却水２６以外に、車両に搭載された変速機の潤滑油を利用してもよく、この場合にも、空間部２４内の冷媒２５の冷却のための冷却媒体を新たに追加しなくてもよく、製造コストの上昇を抑制することができる。

図６は、シャフト３内の冷却媒体として、無段変速機２の潤滑油５２を用いた一例を模式的に示したものであって、この例では、第１クラッチ８を作動させる比例ソレノイドバルブ５１の作動油として供給された無段変速機２の潤滑油５２が、シャフト３内を通流する構成となっている。

１…内燃機関
１ａ…クランクシャフト
２…無段変速機
２ａ…入力軸
２ｂ…出力軸
３…シャフト
３ａ…突出部（シャフト）
４…モータ／ジェネレータ
５…ロータ
６…永久磁石
６ａ…端面（永久磁石）
６ｂ…端面（永久磁石）
７…ステータ
８…第１クラッチ
９…駆動輪
１０…第２クラッチ

Claims (5)

1. 電流を通電するコイルを有するステータと、前記ステータの内側に位置して永久磁石を有するロータと、を備えた永久磁石型電動モータの冷却構造において、
   前記永久磁石は、前記ロータの外周部分に配置され、
   前記ロータに対して当該のロータの軸方向に隣接して該ロータと伴に回転し、かつ内部に密閉された空間部を有する中空円板状の回転部材と、
   前記回転部材の中央に取り付けられ、内部に冷却媒体が通流する軸部材と、を有し、
   前記空間部が、前記軸部材と前記永久磁石の双方に近接するよう形成され、前記空間部に、前記軸部材内の冷却媒体と熱交換可能な所定量の冷媒を封入することを特徴とする永久磁石型電動モータの冷却構造。
2. 前記永久磁石は、前記ロータの周方向に沿って複数配置され、
   前記回転部材は、中央部分に前記軸部材が貫通する貫通穴が形成された環状を呈し、
   前記空間部は、内周側が前記軸部材に近接し、外周側が隣接するロータの永久磁石に近接する環状の空間であって、
   前記空間部の外周縁には、前記永久磁石の断面形状に応じた複数の溝部が形成され、各溝部がそれぞれ対応する前記永久磁石に対して近接していることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石型電動モータの冷却構造。
3. 前記軸部材内を通流する冷却媒体は、永久磁石型電動モータが搭載される車両の内燃機関の冷却水であることを特徴とする請求項１また２に記載の永久磁石型電動モータの冷却構造。
4. 前記軸部材内を通流する冷却媒体は、永久磁石型電動モータが搭載される車両の変速機の潤滑油であることを特徴とする請求項１また２に記載の永久磁石型電動モータの冷却構造。
5. 前記空間部内に、前記回転部材の径方向に沿って延びる複数のガイド壁を設けたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の永久磁石型電動モータの冷却構造。

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