JP2017108516A - 回転電機のロータ - Google Patents

Abstract

【課題】焼き嵌めされたロータコアとロータシャフトの締め代が永久磁石およびその周囲の発熱により減少して結合力が低下することを抑制する。【解決手段】ロータコア１６とロータシャフト１８は焼き嵌めにより結合されている。ロータシャフト１８には冷却液が流れるシャフト内冷却液流路３６が形成されている。ロータコア１６の外周部には永久磁石２４が配置され、ロータシャフト１８と永久磁石２４の間の位置に断熱部材４０が配置されている。永久磁石２４およびその周囲で発生した熱が断熱部材４０に遮られ、ロータシャフト１８の近傍に伝わることが抑えられる。【選択図】図１

Description

本発明は、回転電機のロータに関し、特にロータの構造に関する。

電気エネルギを回転の運動エネルギに変換する電動機、回転の運動エネルギを電気エネルギに変換する発電機、さらに電動機と発電機どちらにも機能する電気機器が知られている。以下において、これらの電気機器を回転電機と記す。回転電機は、同軸に配置されて相対的に回転する二つの部材を有する。通常は、一方が固定され、他方が回転する。固定された部材（ステータ）にコイルを配置することができ、このコイルに電力を供給することにより回転する磁界を形成する。この磁界との相互作用により他方の部材（ロータ）が回転する。

下記特許文献１には、冷却液（冷媒）が流れるロータ軸冷媒流路（２０）を有するロータ軸（１８）が開示されている。また、ロータ（１６）には永久磁石が配置されている（段落００２４，００２３。図１等参照）。下記特許文献２には、ロータコア（３）とロータシャフト（４）を焼き嵌めして固定する回転電機のロータが開示されている。また、ロータコア（３）には永久磁石（１）が配置される（段落００１７，００１８、図１等参照）。なお、（ ）内の符号は、各特許文献で用いられたものであり、本願の実施形態で用いられる符号とは関連しない。

特開２０１４−２３０４０８号公報 特開２０１２−１６１２０９号公報

回転電機を運転すると永久磁石およびその周囲の発熱のためロータコアの温度は上昇する。一方、ロータシャフト内に冷却液が流れると、ロータシャフトは冷やされる。このため、ロータコアとロータシャフトに温度差が生じ、熱膨張の差が生じる。この熱膨張差により、ロータコアとロータシャフトの間に隙間が生じたり、またロータコアとロータシャフトを焼き嵌めにて結合している場合には、焼き嵌めの締め代が少なくなり、ロータコアとロータシャフトの結合力が不足することがある。

本発明は、ロータシャフトとロータコアの結合部分に生じる熱膨張の差を小さくすることを目的とする。

本発明に係る回転電機のロータは、外周部に永久磁石が配置されたロータコアと、ロータコアを貫通するロータシャフトとを有し、ロータシャフトのロータコアに対応する位置の少なくとも一部に設けられた冷却液流路が設けられている。さらに、ロータコアの、永久磁石とロータシャフトの間の位置に断熱部材が設けられている。

永久磁石およびその周囲に発生した熱がロータコアのロータシャフト近傍部分に伝わることが断熱構造により阻止され、この部分に熱膨張の差が生じることが抑えられる。

本実施形態の回転電機の回転軸線を含む断面図である。 本実施形態の回転電機の回転軸線に直交する断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に従って説明する。図１は、本実施形態の回転電機１０の回転軸線Ｃを含む断面図であり、図２に示されるＡ−Ｂ−Ｄ−Ｅ線による組み合わせ断面図である。図１において、回転軸線Ｃに対して対称であり左半分が省略されている。図２は、回転電機１０のロータ１２の回転軸線Ｃに直交する断面を示す図であり、全周の四分の１が示されている。以下において、回転軸線Ｃに沿う方向を「軸線方向」、回転軸線Ｃに直交する方向を「径方向」と記す。また、径方向内側とは回転軸線Ｃに近い側、径方向外側とは遠い側を言う。

回転電機１０は、概略円柱形状のロータ１２と、ロータ１２と同心であって、ロータ１２を取り囲むように配置される略円筒形状のステータ１４を有する。ロータ１２は、円柱形状のロータコア１６とロータコア１６の中心を貫くロータシャフト１８を有する。ロータ１２は、このロータシャフト１８を中心に回転する。このロータシャフト１８の中心線が回転軸線Ｃである。ロータコア１６は、軸線方向に積層された電磁鋼板から形成される。ロータコア１６には回転軸線Ｃと平行に延びる磁石収容孔２２が形成され、磁石収容孔２２内に永久磁石２４が配置される。永久磁石２４の形状は直方体であり、その１辺が回転軸線Ｃに平行に配置される。永久磁石２４は、一方の極がロータの径方向外側、他方の極が径方向内側に配置される。図２によく示されるように、永久磁石２４は、２個が外側に開いたＶ字形となるよう配置され、この２個が対をなして１つの磁極を形成する。図２において、永久磁石２４Ａ，２４Ｂが１つの磁極を形成する永久磁石である。この対をなす永久磁石２４Ａ，２４Ｂの極は同じ向きを向いており、例えば、両者ともにＳ極が径方向外側、Ｎ極が径方向内側に配置される。この対をなす永久磁石２４Ａ，２４Ｂに隣接する永久磁石の対の極の向きは逆向きである。隣り合う永久磁石の対の近い側の２個の永久磁石２４（例えば図２において、永久磁石２４Ｂと永久磁石２４Ｃ）の径方向内側には、フラックスバリア２６が形成されている。フラックスバリア２６は空隙であり、回転軸線Ｃに沿って延びる。空隙であるフラックスバリア２６は、磁性鋼板で形成されたロータコアの他の部分に比べて透磁率が低く、磁束はここを避けるように延びる。これにより、フラックスバリア２６によりロータコア１６内の磁路が規定される。

ロータコア１６とロータシャフト１８の結合は、焼き嵌めを利用して行われる。ロータコア１６を加熱し、ロータコア１６の内径（以下、コア内径２８と記す。）を広げる。広がったコア内径２８にロータシャフト１８を挿入し、ロータコア１６を常温に戻し、コア内径２８を狭める。狭まろうとするコア内径２８がロータシャフト１８のシャフト外径３０を締め付けることにより、ロータコア１６とロータシャフト１８が結合する。

ステータ１４は、ステータコア３２とステータコア３２に装着されたコイル３４とを含む。ステータコア３２は、ロータ１２に対向する面に周方向に配列されたティースを有し、このティースに導線が巻回されてコイル３４が形成される。コイル３４に所定の電流を流すと、ステータ１４の内側に回転する磁界が形成され、この磁界とロータ１２の永久磁石２４が相互作用してロータ１２が回転する。

ロータシャフト１８およびロータコア１６には、冷却液が流れる流路が形成されている。ロータシャフト１８内の流路をシャフト内冷却液流路３６、ロータコア１６内の流路をコア内冷却液流路３８と記す。ロータシャフト１８のロータコア１６に対応する部分、つまりロータコア１６の内側に位置する部分の少なくとも一部にシャフト内冷却液流路３６が形成されている。この回転電機１０においては、コア内冷却液流路３８は、ロータコア１６の軸線方向中央に配置され、シャフト内冷却液流路３６は、ロータシャフト１８の、ロータコア１６に対応する部分の一端から中央まで延びて設けられている。ポンプ（不図示）から送られた冷却液は、シャフト内冷却液流路３６を通ってコア内冷却液流路３８に入り、コア内冷却液流路３８を径方向外側に向けて流れ、ロータコア１６の外周面からステータコア３２の内周面に向けて吐出される。

回転電機１０の運転中、永久磁石２４およびその周囲のロータコアは発熱し、この熱によりロータコア１６が温度上昇する。一方、ロータシャフト１８は、シャフト内冷却液流路３６を流れる冷却液により冷やされる。もし、ロータコア１６全体の温度が高くなると、コア内径２８が広がる一方、ロータシャフト１８は冷やされているのでシャフト外径３０は広がらないか、またはコア内径２８ほどには広がらない。このため、焼き嵌めによる締め代が少なくなるか、またはなくなり、ロータコア１６とロータシャフト１８の結合力が弱くなるか、またはなくなる。ロータコア１６とロータシャフト１８が焼き嵌めで結合されていない場合でも、コア内径２８とシャフト外径３０の隙間が大きくなるなどの問題が生じる可能性がある。

この回転電機１０では、永久磁石２４およびその周囲からの熱が、ロータコア１６の、ロータシャフト１８近傍に伝わらないように、または伝わりにくくする断熱部材４０をロータコア１６に設けている。断熱部材４０は、ロータコア１６を構成する電磁鋼板よりも熱伝導率が低い材料から構成される。典型的には、断熱部材４０は樹脂製である。断熱部材４０は、ロータコア１６に設けられた軸線方向に延びる収容孔４２に溶融状態の樹脂を注入し、固化させることで設けることができる。また、断熱部材４０を、収容孔４２の形状に合わせて予め成形しておき、これを収容孔４２に挿入するようにしてもよい。また、収容孔４２内に断熱部材４０を配置せず、空孔のままとしてもよい。空気の熱伝導率は、電磁鋼板よりも低く、空孔のままであっても断熱効果が期待できる。

断熱部材４０により、永久磁石２４からの熱が遮られ、ロータコア１６の、ロータシャフト１８周辺部分の温度上昇が抑制され、ロータシャフト１８との温度差が大きくならないようにされる。

１０ 回転電機、１２ ロータ、１４ ステータ、１６ ロータコア、１８ ロータシャフト、２２ 磁石収容孔、２４ 永久磁石、２６ フラックスバリア、２８ コア内径、３０ シャフト外径、３２ ステータコア、３４ コイル、３６ シャフト内冷却液流路、３８ コア内冷却液流路、４０ 断熱部材、４２ 収容孔。

Claims (1)

1. 外周部に永久磁石が配置されたロータコアと、
   ロータコアを貫通するロータシャフトであって、ロータコアに対応する位置の少なくとも一部に設けられた冷却液流路を有するロータシャフトと、
   ロータコアの、永久磁石とロータシャフトの間の位置に設けられた断熱部材と、
   を有する、
   回転電機のロータ。
   

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