JP2013055728A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】回転電機において、ケースが傾斜した場合でも、簡単な構成で、ケース内に貯留される潤滑用流体の液面を適切な状態とすることである。
【解決手段】回転電機１０は、ケース１２内に取り付けて配置されるステータコア１６と、ステータコア１６の内周面と、エアギャップ２６を介して外周面が対向して配置されるロータコア２２と、ケース１２内の底部に貯留される潤滑用流体３８と、ケース１２のエアギャップ２６の高さ位置に設けられる潤滑用流体３８の通常排出口３０と、通常排出口３０よりも高い位置で、回転電機１０が予め定めた傾斜条件のときに、潤滑用流体３８の液面４２が最も高くなる位置に設けられる潤滑用流体３８の傾斜排出口３２とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転電機に係り、特に、ケース内に潤滑用流体が貯留される回転電機に関する。

回転電機は、ケース内に、固定子と回転子を配置して構成される。固定子には、動作によって発熱する巻線コイルが含まれるので、その冷却をする必要がある。そのために、軸受等の潤滑に用いられる潤滑用流体を、巻線コイルの上方からかけて冷却することが行われる。巻線コイルにかけられた潤滑用流体はケース内の底部に貯まるので、例えば、オイルポンプで循環させる。その際に、ケース内に貯留されている潤滑用流体にロータが浸かると、ロータの回転によって潤滑用流体を撹拌することが生じ、撹拌抵抗による回転損失が発生するので、潤滑用流体の液面の高さの管理が必要になる。

例えば、特許文献１には、車両駆動装置の潤滑装置に関し、アスクルケースに貯留された潤滑油の油面に電動機のロータが浸漬されるとロータの回転抵抗が増大するので、適切な油面位置管理が必要であることが述べられている。ここでは路面勾配によって油面位置が変化することを、オイルポンプの流量調整で抑制することが開示されている。

特開２００７−３２１９２７号公報

従来技術によれば、ケースが傾斜した場合でも、オイルポンプの流量調整で潤滑油の油面の高さの管理を行うことが述べられている。この場合、傾斜の検出と、油面の検出と、検出された油面の位置に応じたオイルポンプの流量制御等が必要で、複雑な構成となる。

本発明の目的は、ケースが傾斜した場合でも、簡単な構成で、ケース内に貯留される潤滑用流体の液面を適切な状態とすることが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、ケース内に取り付けて配置されるステータと、ステータの内周面と、エアギャップを介して外周面が対向して配置されるロータと、ケース内の底部に貯留される潤滑用流体と、ケースのエアギャップの高さ位置に設けられる潤滑用流体の通常排出口と、通常排出口よりも高い位置で、回転電機が予め定めた傾斜条件のときに、潤滑用流体の液面が最も高くなる位置に設けられる潤滑用流体の傾斜排出口と、を備えることを特徴とする。

また、本発明に係る回転電機において、通常排出口は、ロータの中心軸を通る鉛直方向に沿って下方の位置に設けられ、傾斜排出口は、ロータの中心軸を通る鉛直方向からオフセットした位置であって、ロータの回転に干渉しない位置で、傾斜条件によって潤滑用流体の液面が最も高くなる位置に配置されることが好ましい。

また、本発明に係る回転電機において、予め定めた傾斜条件は、回転電機が搭載される車両の走行時における傾斜角度に基づいて設定されることが好ましい。

上記構成により、回転電機は、ケースのエアギャップの高さ位置に設けられる潤滑用流体の通常排出口と、通常排出口よりも高い位置で、回転電機が予め定めた傾斜条件のときに、潤滑用流体の液面が最も高くなる位置に設けられる潤滑用流体の傾斜排出口とを備える。これにより、通常時の場合も、傾斜時でも、液面を適切な状態とすることができる。

また、回転電機において、傾斜排出口は、通常排出口が設けられるロータの中心軸を通る鉛直方向からオフセットした位置であって、ロータの回転に干渉しない位置で、傾斜条件によって潤滑用流体の油面が最も高くなる位置に配置される。このように傾斜排出口の位置を設定するだけで、通常時の場合も、傾斜時でも、液面を適切な状態とすることができる。

また、回転電機において、予め定めた傾斜条件は、回転電機が搭載される車両の走行時における液面の傾斜角度に基づいて設定される。潤滑用流体は流体であるので、液面は、ケースの傾斜と同じ傾斜角度となる他に、車両の旋回時の加速度の変化等によって傾斜することが生じ得る。傾斜条件は、このような車両の走行時における液面の傾斜角度に適合したものとできるので、車両の走行時において、液面を適切な状態とすることができる。

本発明に係る実施の形態の回転電機の断面図等である。 本発明に係る実施の形態の回転電機において、通常排出口の配置関係を示す図である。 本発明に係る実施の形態の回転電機において、傾斜排出口の配置関係を示す図である。 比較例としての排出口を示す図である。

以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。以下では、車両に搭載される回転電機を述べるが、これは説明のための例示であって、車両搭載用でなくても、傾斜することがある回転電機であればよい。また、電磁鋼板を積層したステータコアと、電磁鋼板を積層し、内部に永久磁石が埋め込まれたロータコアを説明するが、これは例示であって、電磁鋼板以外のコア片を積層するものであってもよい。また、これ以外の構成のステータコア、ロータコアであってもよい。例えば、電磁鋼板の積層型でなく、鋼材を加工した一体型コアでもよく、磁粉を成形したコアであってもよい。ステータコアは分割型コアであってもよい。ロータコアにおいて、永久磁石は電磁鋼板の表面に配置されてもよく、また、永久磁石を用いないリラクタンス型コアであってもよい。

以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、本文中の説明においては、必要に応じそれ以前に述べた符号を用いるものとする。

図１は、車両に搭載される回転電機１０の正面図と側面図である。正面図は、回転軸の軸方向から見た図で、一部が断面図で示されている。側面図は、回転軸の軸方向を側面から見た図で、断面図で示されている。

回転電機１０は、ケース１２と、ケース１２に対し回転自在に支持される回転軸１４と、ケース１２に取り付け固定されるステータコア１６と、ステータコア１６に巻回された巻線コイルがステータコア１６の軸方向端部から突き出すコイルエンド１８，２０と、回転軸１４に取り付け固定されるロータコア２２と、ロータコア２２に埋め込まれる永久磁石２４を含んで構成される。ここで、ケース１２の内部空間には、潤滑用流体３８が貯留され、ケース１２には、潤滑用流体３８の排出のために通常排出口３０と傾斜排出口３２が設けられる。なお、図１には、通常排出口３０を挟んで、傾斜排出口３２と傾斜排出口３３が対称的に配置される様子が示されるが、回転電機１０の仕様によっては、傾斜排出口３３を設けても設けなくてもよいので、以下では、特に断らない限り、傾斜排出口３２について説明する。

ケース１２は、内部に回転電機１０のステータとロータを収容し、その潤滑と冷却のための潤滑用流体を貯留する筐体であって、通常排出口３０と傾斜排出口３２を除いて、液密とされる構造を有する。

回転軸１４は、回転電機１０の出力軸である。回転軸１４は、その両端部が図示されていない軸受機構によって、ケース１２に対し、回転自在に支持される。回転軸１４の軸方向がケース１２を含めて、回転電機１０の軸方向であって、重力に対し、水平方向に配置されるように設定される。したがって、ケース１２内の底部に貯留される潤滑用流体３８の通常時の液面は、回転軸１４の軸方向に平行である。

ステータコア１６は、回転電機１０の固定子であるステータを構成する部材で、所定の形状に成形された電磁鋼板を軸方向に沿って複数枚積層したものが用いられる。ステータコア１６の外周部は、ケース１２の内壁に取り付けられ固定される。

ステータコア１６にはステータの磁極となるティースと呼ばれる突出部と、隣接するティースの間で巻線コイルが巻回される空間であるスロットが設けられる。コイルエンド１８，２０は、巻線コイルがステータコア１６の軸方向の両端に突き出した部分である。

ロータコア２２は、回転電機１０の回転子であるロータを構成する部材で、所定の形状に成形された電磁鋼板を軸方向に沿って複数枚積層したものが用いられる。ロータコア２２の内周部は、回転軸１４に取り付けられ固定される。永久磁石２４は、ロータコア２２の内部に埋め込まれ、ロータの磁極を形成する磁石である。

エアギャップ２６は、ステータコア１６の内周面と、ロータコア２２の外周面とが対向する間の隙間である。エアギャップ２６は、ステータコア１６の磁極とロータコア２２の磁極の間に磁束が流れる磁気隙間であると共に、ステータコア１６に対しロータコア２２が回転するときに接触しないための回転隙間でもある。エアギャップ２６の大きさは、回転電機１０の仕様によって異なるが、例えば、数ｍｍ程度の間隔距離である。

ケース１２の底部に貯留される潤滑用流体３８は、回転軸１４を回転自在に支持する軸受機構を潤滑する流体であるが、回転電機１０の動作によって発熱するコイルエンド１８，２０、ステータコア１６等に供給することで、これらを冷却する機能を有する。

潤滑用流体３８は、図示されていないがケース１２に設けられる供給口から回転電機１０の外部より供給され、コイルエンド１８，２０の上方から重力を利用して、コイルエンド１８，２０にかかるように滴下される。これによってコイルエンド１８，２０を冷却し、ケース１２の底部に貯まる。貯留された潤滑用流体３８は、通常排出口３０または傾斜排出口３２から排出される。ここで、潤滑用流体３８が貯留されると述べたが、貯留とは、ケース１２の底部に収容されるという程度の意味で、常に静止しているわけではなく、効率的な冷却のために、適当な流動が行われている。

潤滑用流体３８としては、回転電機１０と共に車両に搭載される他の機構部品の潤滑に用いられる流体を利用することができる。例えば、車両に搭載される動力伝達機構の潤滑に用いられるＡＴＦ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｆｌｕｉｄ）と呼ばれる潤滑油を潤滑用流体３８として用いることができる。この場合には、ケース１２に設けられる供給口が動力伝達機構の排油口と接続され、通常排出口３０および傾斜排出口３２が動力伝達機構の給油口に接続され、動力伝達機構と回転電機１０との間をＡＴＦが循環する。

ケース１２には、潤滑用流体３８を外部に排出する開口部として、通常排出口３０と、傾斜排出口３２が設けられる。２種類の排出口が設けられる。まず通常排出口３０について説明する。図２は、もっぱら通常排出口３０を説明するための図で、図１から傾斜排出口３２の図示を省略したものである。図２では、重力方向をＹ方向とし、水平方向をＸ方向として示した。

通常排出口３０は、回転電機１０の中心軸を通り鉛直方向に沿って下方の位置に設けられる開口部である。具体的には、回転軸１４の中心点からＹ軸に平行におろしたＣ線と、エアギャップ２６の交わる交点に設けられる開口部である。すなわち、通常排出口３０は、ケース１２のエアギャップ２６の高さ位置に設けられる潤滑用流体３８の通常時における排出口である。通常時とは、車両が停止時、あるいは平坦な路面を走行中のように、ケース１２内の潤滑用流体３８の液面４０がほぼ水平状態のときである。通常排出口３０は、通常時における潤滑用流体３８の液面４０の高さ位置が、エアギャップ２６の高さ位置以上とならないように、具体的には、ロータコア２２の外周側先端部が液面４０よりも上方にくるように、液面４０の位置を一定化する機能を有する。

潤滑用流体３８の液面４０の高さ位置を、エアギャップ２６の高さ位置に合わせる理由は、これより低いと、場合によってはコイルエンド１８，２０を潤滑用流体３８に十分浸漬できないことが生じ得ることと、これより高いと、ロータコア２２の外周先端部が潤滑用流体３８に浸かり、ロータコア２２が回転するときの損失が増大するためである。エアギャップ２６は、上記の例では数ｍｍの隙間間隔であるので、エアギャップ２６の高さ位置とは、この数ｍｍの幅があることになる。エアギャップ２６の高さ位置に合わせる目的の１つは、ロータコア２２の回転損失を抑制することであるので、ロータコア２２が回転したときに、ロータコア２２の回転によって潤滑用流体３８が撹拌されて、撹拌抵抗による回転損失が生じる前に、潤滑用流体３８を排出できる高さ位置を、通常排出口３０の高さ位置であるエアギャップ２６の高さ位置とする。

具体的には、ロータコア２２の外周先端部がわずかに潤滑用流体３８の液面４０の上となるように、通常排出口３０の開口部の最低位置を設定する。わずかに、とは、１ｍｍ程度でよい。このようにすることで、ロータコア２２が回転して潤滑用流体３８がそれにつれて流動し、液面が波立つが、その波立ち量が約１ｍｍまではロータコア２２の外周先端部は潤滑用流体に漬からない。それまでの間に、波立ちによる分が通常排出口３０から外部に排出される。これによって、ロータコア２２の回転によって潤滑用流体３８が大きく波立って撹拌されることで撹拌抵抗による回転損失が増大する前に、潤滑用流体３８が外部に排出されるので、ロータコア２２の回転抵抗の増大を抑制できる。

このようにして、ロータコア２２の外周先端部を潤滑用流体３８に漬からないようにしながら、コイルエンド１８，２０の冷却を効率的に行うことができる。

以上で、通常排出口３０の説明が終了するので、次に、傾斜排出口３２について説明する。車両は平坦な路面を走行するだけでなく、坂道を登り、あるいは下ることもあり、また、凹凸路面を走行することもある。また、右折左折等のために旋回することもある。また、加速減速を行うこともある。これらのように、車両の走行状態によって、車体が傾斜し、あるいは、加速度の変化が生じると、回転電機１０のケース１２内の潤滑用流体３８の液面が傾斜する。

図３は、このような車両の走行時の傾斜条件によって傾斜した液面４２に対応して設けられる傾斜排出口３２を示す図である。傾斜した液面４２は重力の影響で曲面となるが、近似的な傾斜面の方向がＸ方向で示されている。車両の走行時の傾斜条件は、車両の走行仕様によって、予めその範囲を定めることができる。例えば、液面４２の最大傾斜角度を±３０度と定めることができる。勿論、車両の走行仕様によっては、これ以外の設定とすることができる。

図３では、１つの例として、ロータコア２２の撹拌抵抗が最も影響すると考えられる車両の登坂時の場合に、液面４２が−３０度傾斜した場合が示されている。この例では、車両の前後方向がＸ方向である。車両の登坂時において、傾斜角度が一定の坂道が続くと、この−３０度に傾斜した液面４２の状態が継続することになる。

このように、潤滑用流体３８について、水平状態の液面４０から傾斜した液面４２となると、図２の通常排出口３０では、潤滑用流体３８の排出が間に合わず、エアギャップ２６がかなりの部分で潤滑用流体３８に浸かる。これによって、ロータコア２２が回転するときの撹拌抵抗が増大し、回転損失が増大する。傾斜排出口３２は、液面４２が傾斜して、液面４２の一部が通常排出口３０よりも高くなったときに、ロータコア２２の回転による撹拌抵抗の増大の前に、潤滑用流体３８を外部に排出する機能を有する。

傾斜排出口３２は、回転電機１０の中心軸を通る鉛直方向からオフセットした位置であって、ロータコア２２の回転に干渉しない位置で、傾斜条件によって潤滑用流体３８の液面４２が最も高くなる位置に配置される。具体的には、傾斜条件で定められる液面４２の曲面がエアギャップ２６と交わる最高点の高さ位置に傾斜排出口３２が設けられる。その高さ位置を、回転軸１４の中心点から鉛直方向におろしたＣ線から測ったオフセット距離Ｂと、通常時の液面４０から鉛直方向に沿ったオフセット距離Ｃで示すことができる。オフセット距離Ｂ，Ｃは、傾斜条件が定まれば予め計算で求めることができる。

このようにすることで、液面４２が傾斜して、液面４２の一部が通常排出口３０よりも高くなったときでも、迅速に潤滑用流体３８を外部に排出できるので、ロータコア２２の回転による撹拌抵抗の増大を抑制できる。

上記では、車両が登坂時に傾斜する液面４２について説明した。同じ車両が降坂するときは、液面の傾斜角度の方向が逆となる。その場合には、図１に示すように、通常排出口３０に対し、傾斜排出口３２と対称の位置に配置される傾斜排出口３３を設けるものとできる。車両の仕様上、回転電機１０の駆動によって登坂する場合には、回転電機１０の回転損失はできるだけ抑制したいが、回転電機１０の制動によって降坂する場合には、回転電機１０の回転損失が多少あってもよいとされるときには、傾斜排出口３３を省略して、傾斜排出口３２のみとすることができる。

また、上記では、Ｙ方向に平行な方向を車両の前後方向としたが、回転電機１０の軸方向に平行な方向を車両の前後方向とする場合でも、同様に、通常排出口と傾斜排出口とを設けるものとできる。もっとも、軸方向に沿ったエアギャップ２６の長さが長いときは、液面が傾斜したときに、ロータコア２２が液面の下となる部分が多くなるので、傾斜排出口の排出能力を大きくすることが好ましい。

図４は、比較例として、傾斜した液面４２に対し、傾斜排出口を設けずに、１つの排出口で対応する回転電機５０の構成を示す図である。この場合には、図１の通常排出口３０と傾斜排出口３２を連続的に接続し、場合によってはさらに傾斜排出口３３も連続的に接続した開口部を有する１つの排出口５２を設けることになる。これを図１の構成と比較すると、図４の場合には、複雑な形状の排出口５２をケース１２に加工する必要があるのに対し、図１の構成では、単に、２つの穴を開けて、これを通常排出口３０と傾斜排出口３２とできるので、簡単な加工で、同様の効果を得ることができる。穴を丸穴とすれば、加工もさらに簡単となる。

このように、図１の構成によれば、液面４２が傾斜する場合でも、開口部を１つ設けるのみの簡単な処理で、潤滑用流体３８の液面４０，４２の高さ位置を適切なものとできる。そして、コイルエンド１８，２０を潤滑用流体３８の液面４０，４２の下に漬けることができるので、潤滑用流体３８の冷却性能を最大限利用することができる。また、通常排出口３０、傾斜排出口３２の開口部からの放熱も期待できる。また、通常排出口３０、傾斜排出口３２の高さ位置を、予めエアギャップ位置および傾斜条件に合わせて設定するので、特別な傾斜検出手段、液面検出手段を用いる必要がない。したがって、少ないコストで、潤滑用流体３８の液面４０，４２を適切なものとできる。

本発明に係る回転電機は、車両に搭載される回転電機等として利用できる。

１０，５０ 回転電機、１２ ケース、１４ 回転軸、１６ ステータコア、１８，２０ コイルエンド、２２ ロータコア、２４ 永久磁石、２６ エアギャップ、３０ 通常排出口、３２，３３ 傾斜排出口、３８ 潤滑用流体、４０，４２ 液面、５２ 排出口。

Claims (3)

1. ケース内に取り付けて配置されるステータと、
   ステータの内周面と、エアギャップを介して外周面が対向して配置されるロータと、
   ケース内の底部に貯留される潤滑用流体と、
   ケースのエアギャップの高さ位置に設けられる潤滑用流体の通常排出口と、
   通常排出口よりも高い位置で、回転電機が予め定めた傾斜条件のときに、潤滑用流体の液面が最も高くなる位置に設けられる潤滑用流体の傾斜排出口と、
   を備えることを特徴とする回転電機。
2. 請求項１に記載の回転電機において、
   通常排出口は、ロータの中心軸を通る鉛直方向に沿って下方の位置に設けられ、
   傾斜排出口は、ロータの中心軸を通る鉛直方向からオフセットした位置であって、ロータの回転に干渉しない位置で、傾斜条件によって潤滑用流体の液面が最も高くなる位置に配置されることを特徴とする回転電機。
3. 請求項１に記載の回転電機において、
   予め定めた傾斜条件は、回転電機が搭載される車両の走行時における傾斜角度に基づいて設定されることを特徴とする回転電機。

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