JP2015201926A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】回転電機のロータの、回転軸方向中央部の冷却を促進する。
【解決手段】回転電機は、永久磁石２を備える円筒型のロータ１と、ロータ１の外周側にロータ１と同軸に配置され、インシュレータ６を介してコイル５が装着された複数の突起部４Ａを備えるステータ４と、を含んで構成される。インシュレータ６は、ロータ１とステータ４との隙間であるエアギャップＧに面する部分に、隣り合う突起部４Ａの間に形成されるスロットＳを塞ぐカバー部６Ａを備え、カバー部６Ａの軸方向中央部を含む所定範囲には、スロットＳとエアギャップＧとを連通する貫通孔７が配置されている。
【選択図】図６

Description

本発明は、ロータに保持された磁石を冷却する機能を有する回転電機に関する。

回転電機を駆動源として用いる電気自動車やハイブリッド自動車等において、車両の軽量化、搭載性の向上、または車室空間の確保等の観点から、回転電機の小型化が望まれている。しかし、回転電機の体積が小さくすることで放熱面積が小さくなると、回転電機を作動したときに温度が上昇し易くなる。そこで、ロータシャフトの内部に設けた冷却媒体用の通路に、ロータシャフトの一端から他端に向けて冷却媒体を流すことでロータを冷却する構成が特許文献１に開示されている。

特開２０１３−０２７２４４号公報

しかしながら、上記文献に記載された構成ではロータ軸方向で冷却効果に差が生じ易く、車両に搭載する状態、つまりケースに収容された状態では、特にロータ軸方向中央部付近の冷却効果が小さくなり易い。そこで本発明では、ロータ軸方向中央部についても冷却効果を確保し得る回転電機を提供することを目的とする。

本発明のある態様によれば、回転電機は永久磁石を備える円筒型のロータと、ロータの外周側にロータと同軸に配置され、インシュレータを介してコイルが装着された複数の突起部を備えるステータとを含んで構成される。そして、インシュレータは、ロータとステータとの隙間であるエアギャップに面する部分に、隣り合う突起部の間に形成されるスロットを塞ぐカバー部を備える。このカバー部の軸方向中央部を含む所定範囲には、スロットとエアギャップとを連通する貫通孔が配置されている。

上記態様によれば、カバー部にスロットとエアギャップとを連通する貫通孔が配置されているので、回転電機作動時にエアギャップ内の空気に遠心力が作用し、貫通孔を介してエアギャップからスロットへ流出する空気流動が生成され、エアギャップ内に圧力差が生じる。このため、エアギャップ内にも空気流動が生成されて、ロータのロータ回転軸方向の中央部付近の冷却が促進される。

図１は、ロータの全体図である。 図２は、図１の一部を拡大した図である。 図３は、ステータの全体図である。 図４は、図３の一部を拡大した図である。 図５は、第１実施形態に係る空気流路を備えるロータの概略図である。 図６は、図５のロータの断面図である。 図７は、第１実施形態に含まれる空気流路の他の例を示す図である。 図８は、図７のロータの断面図である。 図９は、第１実施形態に含まれる空気流路のさらに他の例を示す図である。 図１０は、図９のロータの断面図である。 図１１は、第２実施形態に係るロータの断面図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

（第１実施形態）
図１は、本実施形態に係る回転電機のロータ１の全体図である。図２は図１のＡ部分を拡大してロータ回転軸方向から見た図である。本実施形態の回転電機は、例えば電気自動車の駆動源等に用いられる。なお、図１、２ではロータ１が中空円筒形状になっているが、中実円筒形状であっても構わない。

ロータコア１Ａの外周近くには、複数の永久磁石２が周方向に所定間隔で配置されている。また、ロータコア１Ａの外周面には、ロータ回転軸方向にそって延びる複数の凹状の空気流路３が、周方向に所定間隔で配置されている。空気流路３の周方向位置は、図２に示すように近接する永久磁石２の磁束線が通らない位置、又は磁気回路への影響が少ない位置となっている。

図３は、本実施形態に係る回転電機のステータ４の全体図である。図４は図３のＢ部分の拡大図である。

ステータ４は、モータケース１０の内周面に固定されており、内周側にロータ１を同軸上に配置し得る空間を有する。ステータ４の内周面には、内周側に向けて突出する複数のティース部４Ａが周方向に所定間隔で設けられており、各ティース部４Ａにはインシュレータ６を介してコイル５が巻き回されている。隣り合うティース部４Ａの間の空間（スロットＳ）には、コイル５同士の間に、ロータ回転軸方向の一端から他端まで貫通する空間が形成されている。

インシュレータ６は、ロータ１とステータ４との間の空間（エアギャップＧ）においてスロットＳを塞ぐカバー部６Ａを備える。カバー部６Ａには、ロータ回転軸に沿う方向の中央部を含む所定範囲に、エアギャップＧとスロットＳとを連通する貫通孔７が形成されている。貫通孔７の詳細については後述する。

図５は、空気流路３を説明するためのロータ１の概略図である。なお、簡単のため一部分についてのみ記載したが、破線部分も実線部分と同様の構成になっている。

空気流路３は、ロータ１の外周面に凹状に形成されており、ロータ１の軸方向両端から中央部に向けて徐々に深くなっている。

次に、上記回転電機を作動させた場合のモータケース１０内の空気流動について説明する。

図６は、ロータ１とステータ４とを組み立てた状態を示す断面図である。図中の破線矢印は、回転電機を作動させた場合のモータケース１０内の空気流動を示している。なお、ここでは主にロータ１の外周部付近の空気流動を説明するので、図６のロータ１の中空部分は図１に比べて縮径してある。モータケース１０は、いわゆる密閉型である。

回転電機を作動させると熱が発生する。これは、コイル５の電気抵抗によって通電部に発生する銅損と、磁束線が通るときに鉄芯内に発生するヒステリシスロス及び渦電流損失を合わせた鉄損といった電気的損失によるものである。

そして、連続的に作動すると回転電機の温度が上昇し、永久磁石２も温度上昇する。ここで仮に空気流路３及び貫通孔７がないものとすると、ロータ１の軸方向端部に近い部分はケース内の空気との熱交換が可能であるのに対し、ロータ１の中央に近い部分はエアギャップＧに存在する空気としか熱交換できない。そして、エアギャップＧに存在する空気は、回転電機作動中にエアギャップＧ内に滞留し、かつ少量なので、温度上昇し易い。つまり、ロータ１の中央に近い部分は軸方向端部に比べて温度上昇し易い。

これに対し、本実施形態のように空気流路３及び貫通孔７を備える構成では、回転電機を作動させると空気流路３内を含むエアギャップＧ内の空気に遠心力が作用し、ロータ回転軸方向中央部の空気（以下、「中央部の空気」ともいう）が貫通孔７からスロットＳへ流出する。そして、中央部の空気が流出すると、他の部位の空気はロータ回転軸方向中央部へ引き込まれ、遠心力によって貫通孔７からスロットＳへ流出する。この空気流動を繰り返すことで、ロータ１の回転軸方向中央部の冷却が促進される。その結果、永久磁石２のロータ回転軸方向中央部の冷却も促進される。

さらに、空気流路３から貫通孔７を通ってスロットＳへ流出した空気は、スロットＳを通って回転電機の外部へ流出する。つまり、スロットＳ内にも空気流動が生成され、ステータ４やコイル５の冷却も促進される。その結果、鉄損や銅損が低減されるので、回転電機の効率が向上する。

貫通孔７のロータ回転軸方向の長さは、本実施形態を適用する回転電機の仕様に応じて設定する。開口面積が大き過ぎると、スロットＳへ直接流出する空気量が多くなり、空気流路３内に空気流動が生成され難くなり、開口面積が小さ過ぎても貫通孔７を通過する空気量が少なくなって空気流路３内の空気流動が弱くなるからである。

ところで、空気流路３を設けた部分は他の部分に比べてエアギャップＧが大きくなる。エアギャップＧの拡大は効率低下につながるが、空気流路３は磁束線が通らない位置または磁気回路への影響が少ない位置に設けられているので、エアギャップＧの拡大による効率低下は抑制される。すなわち、空気流路３を設けた部分のエアギャップＧが拡大することにより生じる効率低下は、上述した空気流動による永久磁石３等の冷却促進効果によって相殺され、総合的にみれば、貫通孔７を設けることで回転電機の効率は向上する。

また、空気流路３がなくても、ロータ１の回転によってエアギャップＧ内に回転方向の流動が生じ、エアギャップＧ内の空気に遠心力が作用し、貫通孔７から排出されるので、上述した冷却促進効果が得られる。空気流路３がない構成では、空気流路３を備える構成に比べると空気流動は弱くなるが、空気流路３を備える場合のようなエアギャップＧの一部が大きくなることによる効率低下が生じない。

以上説明した第１実施形態の作用効果をまとめると、次のようになる。

（１）回転電機は、永久磁石２を備える円筒型のロータ１と、ロータ１の外周側にロータ１と同軸に配置され、インシュレータ６を介してコイル５が装着された複数の突起部４Ａを備えるステータ４と、を含んで構成される。インシュレータ６は、ロータ１とステータ４との隙間であるエアギャップＧに面する部分に、隣り合う突起部４Ａの間に形成されるスロットＳを塞ぐカバー部６Ａを備える。カバー部６Ａには、軸方向中央部を含む所定範囲に、スロットＳとエアギャップＧとを連通する貫通孔７が配置されている。これにより、回転電機を作動させるとエアギャップＧ内の空気に遠心力が作用し、貫通孔７を介してエアギャップＧからスロットＳへ流出する空気流動が生成される。これにより、エアギャップＧ内に圧力差が生じ、エアギャップＧ内にも空気流動が生成される。その結果、ロータ１のロータ回転軸方向の中央部付近の冷却が促進される。

（２）ロータ１は、ロータ回転軸方向に沿って延びる凹状の空気流路３を外周面に備えることで、回転電機が作動したときのエアギャップＧ内の空気流動がより強くなり、貫通孔７を通過する空気流動もより強くなって、冷却効果が促進される。

（３）空気流路３をロータ回転軸方向の一端から他端に近づくほど底面がロータ回転軸に近づく形状、またはロータ回転軸方向の両端から中央に近づくほど底面がロータ回転軸に近づく形状とすることで、エアギャップＧ内に圧力差が生じ易くなり、空気流動がより強くなる。

（４）空気流路３は、回転電機の磁気回路上で磁束線が通らない場所に配置されているので、空気流路３を設けた部分のエアギャップＧが大きくなることによる効率低下を抑制できる。

なお、図５、６に示した空気流路３は、ロータ回転軸方向中央部が最深部になっているが、これに限られるわけではない。例えば、図７、８に示すように最深部がロータ回転軸方向のいずれかの方向にずれていてもかまわない。また、図５−８のようにロータ回転軸方向の両端から中央に向けて徐々に深くなる両側テーパ形状の他に、図９、１０に示すように、ロータ回転軸方向の一端から他端に向けて徐々に深くなる形状（片側テーパ形状）にしてもよい。さらには、底面がテーパ形状になっていなくてもよい。いずれの形状であっても、ロータ１のロータ回転軸方向中央部の冷却が促進される。

（第２実施形態）
本実施形態は、ロータ１及びステータ４の構成は第１実施形態と同様であるが、モータケース１０の構成が異なる。

図１１は、本実施形態に係る回転電機の断面図である。図中の破線矢印は、回転電機を作動させた場合の空気流動を示している。

モータケース１０は、いわゆる開放型のケースであり、ロータ回転軸方向の一端面のスロットＳと対向する位置に空気導入口１０Ａを備え、他端面のスロットＳと対向する位置に空気排出口１０Ｂを備える。

空気導入口１０Ａには、モータケース１０の外部から空気が導入される。具体的な導入方法は、例えば導風板等を用いて走行風を空気導入口１０Ａに導入してもよいし、空気導入口１０Ａにポンプを接続して空気を導入してもよい。空気導入口１０ＡからスロットＳに導入された空気は、スロットＳを通過して、空気排出口１０Ｂからモータケース１０の外へ排出される。

上記のような構成の回転電機を作動させると、空気流路３から貫通孔７を介してスロットＳに流入した空気流動（二次空気流動ともいう）は、空気導入口１０Ａから導入されてスロットＳ内を流れる空気流動（一次空気流動ともいう）に合流してスロットＳを通過し、空気排出口１０Ｂから排出される。このとき、一次空気流動が貫通孔７の上空を通過することで、いわゆる吸い出し効果が発生するので、二次空気流動として空気流路３からスロットＳへ流入する空気量は一次空気流動がない場合に比べて増える。すなわち、スロットＳ内に一次空気流動を生成することで、ロータ１の回転軸方向中央部の冷却がより促進され、回転電機の効率をより向上させることができる。

なお、上記説明では、空気導入口１０Ａ及び空気排出口１０ＢがスロットＳと対向する位置にある構成、つまり、空気導入口１０ＡをスロットＳと同数備える構成について説明したが、各スロットＳに空気流動を生成できる構成であればこれに限られるわけではない。例えば、一つの空気導入口１０Ａから各スロットＳへ、モータケース１０内で分岐した配管を介して空気が流れる構成でも構わない。空気排出口１０Ｂも同様に、各スロットＳから一つの空気排出口１０Ｂへ、モータケース１０内で合流する配管を介して空気が流れる構成でもよい。

また、第１実施形態と同様に、空気流路３が図７−１０に記載したような形状であっても、同様の効果が得られる。

以上説明した第２実施形態の作用効果をまとめると、次のようになる。

（５）ロータ１及びステータ４を収容するモータケース１０を備え、モータケース１０は、モータケース１０の外部から導入した空気をスロットＳのロータ回転軸方向の一端に導入する空気導入口１０Ａと、スロットＳを通過した空気を排出する空気排出口１０Ｂと、を備える。これにより、スロットＳ内に外部から導入した空気による一次空気流動が生成され、一次空気流動によって貫通孔７から空気を吸い出す効果（吸い出し効果）が得られるので、エアギャップＧからスロットＳへの二次空気流動がさらに強くなり、冷却が促進される。

なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。

１ ロータ
２ 永久磁石
３ 空気流路
４ ステータ
５ コイル
６ インシュレータ
７ 貫通孔
１０ モータケース
１０Ａ 空気導入口
１０Ｂ 空気排出口

Claims (6)

1. 永久磁石を備える円筒型のロータと、
   前記ロータの外周側に前記ロータと同軸に配置され、インシュレータを介してコイルが装着された複数の突起部を備えるステータと、
   を含んで構成される回転電機において、
   前記インシュレータは、前記ロータと前記ステータとの隙間であるエアギャップに面する部分に、隣り合う前記突起部の間に形成されるスロットを塞ぐカバー部を備え、前記カバー部の軸方向中央部を含む所定範囲には、前記スロットと前記エアギャップとを連通する貫通孔が配置されてい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、
   前記ロータは、ロータ回転軸方向に沿って延びる凹状の空気流路を外周面に備えることを特徴とする回転電機。
3. 請求項２に記載の回転電機において、
   前記空気流路は、ロータ回転軸方向の一端から他端に近づくほど底面が前記ロータ回転軸に近づく形状となっていることを特徴とする回転電機。
4. 請求項２に記載の回転電機において、
   前記空気流路は、ロータ回転軸方向の両端から中央に近づくほど底面が前記ロータ回転軸に近づく形状となっていることを特徴とする回転電機。
5. 請求項２から４のいずれかに記載の回転電機において、
   前記空気流路は、前記回転電機の磁気回路上で磁束線が通らない場所に配置されていることを特徴とする回転電機。
6. 請求項１から５のいずれかに記載の回転電機において、
   前記ロータ及び前記ステータを収容するケースを備え、
   前記ケースは、前記ケースの外部から導入した空気を前記スロットのロータ回転軸方向の一端に導入する空気導入口と、前記スロットを通過した空気を排出する空気排出口と、を備えることを特徴とする回転電機。

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