JP2016208775A

JP2016208775A - 回転電機

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Publication number: JP2016208775A
Application number: JP2015091038A
Authority: JP
Inventors: 学義則; Manabu Yoshinori; 佳明橘田; Yoshiaki Kitsuta; 宏一尾島; Koichi Oshima; 浩之東野; Hiroyuki Tono; 史也茶園; Fumiya Chazono; 雅樹堀井; Masaki Horii
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2015-04-28
Filing date: 2015-04-28
Publication date: 2016-12-08
Anticipated expiration: 2035-04-28
Also published as: CN106100186A; CN106100186B; US20160322874A1; JP5959687B1; US9960649B2

Abstract

【課題】ロータを冷却するために、複数の部材で冷却液の流路を構成すると、部材間の気密性を高めなければ、冷却液が漏れ、冷却効率が低下するという問題があった。【解決手段】ロータを冷却する冷却液流路構造を、前記ロータの径方向の冷却液の流路となる第１の冷却液流路と、前記第１の冷却液流路に連通して前記ロータの軸方向の冷却液の流路となる第２の冷却液流路とによって構成し、前記第２の冷却液流路の出口に、前記ロータの回転に伴って前記冷却液流路構造の出口を負圧にする負圧構造を備えた。【選択図】図４

Description

この発明は、回転電機に関するもので、特に回転電機のロータの冷却構造に関するものである。

回転電機は、発電機および電動機として使用されるが、いずれにしても、ロータおよび固定子のコイルに電流が流れることによって発熱し、この発熱によって運転効率が低下することになる。このことから、ロータおよび固定子を冷却して運転効率を維持することが行われている。

回転電機の固定子のコイルに電流を流すとジュール熱の発生によって発熱し、また、ロータの周方向には永久磁石が埋め込まれており、ロータの回転に伴って永久磁石に渦電流が発生し、この渦電流によって永久磁石が発熱する。
固定子のコイルや永久磁石の冷却を行うため、ロータのシャフトを中空にして軸方向に冷却液を流すための軸内冷却液流路と、ロータの端板に径方向に冷却液を流すための径方向冷却液流路を設け、ポンプによって冷却液を流すことによってロータを冷却することが提案されている。

この回転電機の冷却については、例えば、特開２０１０−２３９７９９号公報（特許文献１）では、冷却の構造として、ロータの回転軸の軸内冷却液流路から端板の径方向冷却液流路を通じて冷却液を流通させることによってロータを冷却し、このロータの冷却を行った後、冷却液が固定子に向かって噴出して、固定子を冷却する構造が提案されている。
このように冷却液の流路を、ロータと端板のように複数の部材で構成した場合、ロータが高速回転すると、冷却液に作用する遠心力が強くなり、ロータと端板との隙間から冷却液が漏れ出すことが問題となる。この問題に対しては、例えば、特開２０１１−２５４５７４号公報（特許文献２）においては、ロータの回転による遠心力を利用して、遠心力に応じてロータと端板との密着性を増加させる機構を設け、冷却液の漏れが減少するように構成している。

特開２０１０−２３９７９９号公報特開２０１１−２５４５７４号公報

このように、複数の部材で冷却液の流路を構成した場合には、部材間の気密性を高めなければ、冷却液が漏れることによって冷却効率が低下するという問題があり、この問題に対して、特許文献２のように密着性を高めるための遠心力を利用する構造物では、装置全体が大きくなるという新たな問題が発生することになる。
この発明は、前述のような課題を解決するためになされたもので、ロータを冷却する冷却液の流路を複数の部材で構成し、そのロータを高速回転させても冷却液が漏れることの無いよう、また装置全体が格別に大型化にならない冷却構造を持った回転電機を提供するとことを目的としている。

この発明に係る回転電機は、ロータが、ロータコアおよびロータコアの軸方向の両端に設けられた端板によって構成され、ロータを冷却する冷却液流路構造を、前記ロータの径方向の冷却液の流路となる第１の冷却液流路と、前記第１の冷却液流路に連通して前記ロータの軸方向の冷却液の流路となる第２の冷却液流路とによって構成し、前記第２の冷却液流路の出口に、前記ロータの回転に伴って前記冷却液流路構造の出口を負圧にする負圧構造を備えたものである。
前記出口を負圧にする負圧構造として、前記冷却液流路構造の出口が前記端板の壁面から突出している。
さらに負圧を効率良く発生させるために、前記ロータと一体的に回転して、軸方向の前記出口に対して径方向の気流を発生させるファンを備えている。
また、ロータの内部に磁石が埋め込まれている場合には、磁石の冷却を行うため、磁石に前記冷却液流路構造の前記第２の冷却液流路が接するようにした。

この発明によれば、負圧構造によって、前記冷却液流路構造の出口を負圧にさせることによって冷却液を流すため、ロータのロータコアと端板の隙間から漏れる冷却液の漏れ量を減らすことができ、ロータを効率良く冷却することができる。
また、前記冷却液流路構造の出口が前記端板の壁面から突出されていることによって、負圧が適切に発生する。
さらにまた、ファンを設けることによって前記冷却液流路構造の出口に対して、径方向に気流が発生し、前記冷却液流路構造の出口が負圧になり、冷却液全体の圧力が低くなることによって、冷却液がロータと端板との隙間から漏れるのを少なくすることができる。

この発明の実施の形態１の回転電機の軸方向の概略的な断面図である。この発明の実施の形態１の回転電機のロータの径方向の概略的な断面図である。この発明の実施の形態２の回転電機の断面の一部を示す概略的な図である。この発明の実施の形態３の回転電機の軸方向の概略的な断面図である。この発明の実施の形態４の回転電機のロータの径方向の概略的な断面図である。この発明の実施の形態５の回転電機のロータの分岐冷却液流路に冷却液を案内する平板の概略的な構成を示す断面図である。

実施の形態１
以下、この発明の実施の形態１について説明する。
図１はこの発明の実施の形態１における回転電機の概略的な構造を示すものである。
図１に示すように、回転電機は、フロント側ハウジング１およびリア側ハウジング２によって構成されたハウジングに構成されており、フロント側ハウジング１にはフロント側ベアリング３が設けられ、リア側ハウジング２にはリア側ベアリング４が設けられ、このフロント側ベアリング３とリア側ベアリング４によってシャフト５が回転可能に取り付けられている。シャフト５には、ロータコア６が取り付けられ、このロータコア６の外周に間隙をもってステータコア１１が配置されている。シャフト５には、ロータコア６の軸方向の両側に、フロント側端板７およびリア側端板８が固定されている。すなわち、シャフト５、フロント側端板７、ロータコア６およびリア側端板８によってロータ９が構成されている。ステータ１０は、ステータコア１１と、ステータコア１１に巻かれたコイル１２で構成されている。
なお、ロータコア６には、図２に示すように複数の磁石１４が埋設されている。

この構造の回転電機において、ロータコア６を冷却するために、冷却液の流路は次のように構成されている。
まず、リア側ハウジング２の上部に設けられた冷却液流入部２ａに、ポンプ（図示せず）から圧送された冷却液を受け、冷却液は、リア側ハウジング２の上部からハウジング内に噴射され、一部はステータ１０のステータコア１１とコイル１２の冷却に使用され、一部はハウジングの内壁面を伝ってリア側ハウジング２とカバー１３によって構成された冷却液溜まりＴに溜められ、残りの冷却液は、ハウジングの内壁面を伝って全体を冷却しながら、リア側ハウジング２の下部に設けられた冷却液流出部２ｂに向かう。

冷却液溜まりＴの冷却液がロータコア６の冷却に使用される。リア側ハウジング２とシャフト５との間は、シール部材１５によってシールされており、冷却液溜まりＴの冷却液は、唯一の開口であるシャフト５の端面に設けられた冷却液導入穴Ａに入る。冷却液導入穴Ａは、シャフト５の軸方向に向かって設けられた連通孔で、その先は、シャフト５、ロータコア６およびリア側端板８で構成された冷却液流路Ｂにつながっている。この冷却液流路Ｂは、ロータコア６の壁面とリア側端板８との間で、シャフト５の径方向に放射状に設けられた流路である。この冷却液流路Ｂの先は、ロータコア６の内部を軸方向に貫通する冷却液流路Ｃにつながっている。冷却液流路Ｃは、図２の断面図に示すように、複数の貫通孔が周方向に均等に配置して設けられている。

この冷却液流路Ｃの先は、フロント側端板７の冷却液流路出口Ｄにつながっている。この冷却液流路出口Ｄはフロント側端板７の表面に対して略垂直に開口しているため、ロータ９が高速に回転するとロータ９の周辺の気体が流速を持ち、そのため、冷却液流路出口Ｄにおいて負圧が発生する。特に、ロータ９が回転、すなわちフロント側端板７自体が回転することによって、冷却液流路出口Ｄの近傍の冷却液は、負圧と遠心力との相乗効果による作用を受け、冷却液流路Ｃにある冷却液はフロント側端板７の冷却液流路出口Ｄから吸い出されることになり、円滑に冷却液の流れが作り出されることになる。
冷却液が負圧にされることによって、ロータコア６とフロント側端板７との間に隙間があったとしても、また、ロータコア６とリア側端板８との間に隙間があったとしても、冷却液の漏れる量を減少させることができる。

実施の形態２．
図３は、この発明の実施の形態２における回転電機の構造を示すものである。図３において、フロント側端板７の冷却液流路出口Ｄ側には突出した出口１６が設けられている。この出口１６が突出していることによって、シャフト５の回転によって形成される径方向外側への空気の流れによる影響を強く受けることになるため、冷却液流路出口Ｄに発生する負圧を増大させることができる。このため、ロータコア６とリア側端板８の軸方向隙間からの液体冷媒の漏れ量を減少させることができる。

冷却液を流す冷却液流路が、例えばポンプＺ（図示せず）からの圧力によって冷却液を流す場合には、ポンプＺの容量が小さい時は、冷却液流路出口Ｄのポンプ効果＞ポンプＺとなり、ポンプＺが圧損になって大流量が流せない。しかし、図１に示すように、冷却液溜まりＴを設け、大気に開放することにより、回転数によるポンプ効果を最大限利用することができる。あるいは、複数の回転電機もしくは発電機が冷却流路の入口配管を共有する時に、互いの回転数の違いからくるポンプ効果に変化がなく、お互い干渉しないようにできる。また、オイルポンプによって冷却液導入穴Ａへ圧送する必要がなくなるため、高い気密性を保つ必要がある流路長を減らすことができる。

実施の形態３．
図４は、この発明の実施の形態３における回転電機の構造を示すものである。図４に示すように、ベアリング３とフロント側端板７の間には、ロータファン１７がシャフト５に固定されている。ロータファン１７の回転によって、径方向外側へ流れる空気が発生し、冷却液流路出口Ｄに発生する負圧を増大させることができる。このため、ロータコア６とリア側端板８との軸方向の隙間からの液体冷媒の漏れ量を減少させることができる。

実施の形態４．
図５は、この発明の実施の形態４における回転電機の構造を示すものである。図５に示すように、軸方向の冷却液流路Ｃ以外に、ロータコア６に埋設された磁石１４の表面を通るように軸方向の分岐された分岐冷却液流路Ｃ０を設けたものである。この分岐冷却液流路Ｃ０を流れる液体冷媒が磁石１４に直接接触するため、効率的に冷却することができる。また、耐熱グレードの低い安価な磁石を使用することができるため、回転電機のコストを低減させることができる。

実施の形態５．
図６は、この発明の実施の形態５を示すもので、実施の形態４に示したように、分岐冷却液流路Ｃ０に冷却液を案内するための構成を示すもので、特に図示してはいないが、リア側端板８とプレート１８によって構成される冷却液流路構造の形状を表している。シャフト５に設けられた冷却液導入穴Ａはこの図６の中心位置にあって、この中心位置の冷却液導入穴Ａに入った冷却液を末端の分岐冷却液流路Ｃ０に案内するために、冷却液導入穴Ａに連通する径方向の冷却液流路Ｒに案内して径方向に案内した後、さらに径方向の流路を分岐させて分岐冷却液流路Ｃ０に案内する。すなわち、冷却液の流路および流路の分岐のパターンの溝が形成されたリア側端板８に対して、流路の末端部に相当するところに選択的に貫通穴が設けられたプレート１８を重ね合せることによって、シャフト５の中心部から、径方向の末端への流路を形成している。このようにリア側端板８と平板を重ね合せて冷却液の流路を形成しても、この流路を流れる冷却液が負圧であることから、重ね合せの隙間から冷却液が漏れることは少なく、冷却液を流すことができる。

なお、前述の実施の形態において、冷却液流路出口Ｄを負圧にする負圧構造として、フロント側端板７の表面に対してほぼ垂直な状態になるように開口したものを示したが、中心から外側に傾斜させることもできる。すなわち、フロント側端板７がロータコア６に接しているところから冷却液流路出口Ｄに向かって傾斜をつけた場合には、ロータ９の回転時に、フロント側端板７の表面に発生する空気の流れに沿うようにして冷却液が吸い出されることになり、より効果が増すことになる。なお、この傾斜する構造は、フロント側端板７における流路部分の傾斜とすることによって、ロータコア６の加工には手間を加えることがなく、安価な工作とすることができる。

なお、実施の形態において、冷却液を一般的な冷却液として説明したが、これに限らず、オートマチックトランスミッションフルード（ＡｕｔｏｍａｔｉｃＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＦｌｕｉｄ：ＡＴＦ）や冷却オイルなどを冷却媒体として用いても良い。
また、前述の実施例においては、説明の便宜上、フロントとリアというように説明したが、どちらがフロントであって、どちらがリアであることには関わりなく、置き換えて名称を付けるに制限はない。

なお、この発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組合せ、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１フロント側ハウジング、２リア側ハウジング、
３フロント側ベアリング、４リア側ベアリング、
５シャフト、６ロータコア、７フロント側端板、
８リア側端板、９ロータ、１０ステータ、
１１ステータコア、１２コイル、１３カバー、
１４磁石、１５シール部材、１６突出した出口
１７ロータファン、１８プレート、Ａ冷却液導入穴、
Ｂ冷却液流路、Ｃ冷却液流路、Ｄ冷却液流路出口、
Ｔ冷却液溜まり、Ｒ冷却液流路、Ｃ０分岐冷却液流路。

この発明に係る回転電機は、ロータが、ロータコアおよびロータコアの軸方向の両端に設けられた端板によって構成され、ロータを冷却する冷却液流路構造を、前記ロータの径方向の冷却液の流路となる第１の冷却液流路と、前記第１の冷却液流路に連通して前記ロータの軸方向の冷却液の流路となる第２の冷却液流路とによって構成し、前記第２の冷却液流路の出口に、前記ロータの回転に伴って前記冷却液流路構造の出口を負圧にする負圧構造を備え、前記第１の冷却液流路の入り口に大気に開放した冷却液溜まりを設け、前記冷却液溜まりから前記第１の冷却液流路に冷却液が流れるようにしたものである。

この発明によれば、負圧構造によって、前記冷却液流路構造の出口を負圧にさせることによって冷却液を流すため、ロータのロータコアと端板の隙間から漏れる冷却液の漏れ量を減らすことができ、ロータを効率良く冷却することができると共に、冷却液溜まりＴを設け、大気に開放することにより、回転数によるポンプ効果を最大限利用することができる。

Claims

ロータコアおよびロータコアの軸方向の両端に設けられた端板によって構成されたロータを冷却する冷却液流路構造を、前記ロータの径方向の冷却液の流路となる第１の冷却液流路と、前記第１の冷却液流路に連通して前記ロータの軸方向の冷却液の流路となる第２の冷却液流路とによって構成し、前記第２の冷却液流路の出口に、前記ロータの回転に伴って前記冷却液流路構造の出口を負圧にする負圧構造を備えたことを特徴とする回転電機。
前記出口を負圧にする負圧構造として、前記冷却液流路構造の出口が前記端板の壁面から突出していることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
前記ロータと一体的に回転して、軸方向の前記出口に対して径方向の気流を発生させるファンを備えたことを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
前記第２の冷却液流路が前記ロータコアに埋設された磁石の表面を軸方向に通過することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の回転電機。
前記第１の冷却液流路の入り口に大気に開放した冷却液溜まりを設け、前記冷却液溜まりから前記第１の冷却液流路に冷却液が流れることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の回転電機。
ロータコアおよびロータコアの軸方向の両端に設けられた端板によって構成されたロータを冷却する冷却液流路構造を、前記ロータの径方向の冷却液の流路となる第１の冷却液流路と、前記第１の冷却液流路に連通して前記ロータの軸方向の冷却液の流路となる複数の第２の冷却液流路とによって構成し、前記複数の第２の冷却液流路への分岐を、軸方向の流路と径方向の流路を形成した端板と、選択的に貫通穴を設けられた平板とを重ね合せて構成し、前記第２の冷却液流路の出口に、前記ロータの回転に伴って前記冷却液流路構造の出口を負圧にする負圧構造を備えたことを特徴とする回転電機。