JP2017204903A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】モータ室下部の冷媒液面が上昇した場合でも、冷媒液がエアギャップに浸入するのを抑制可能な回転電機を提供すること。【解決手段】ハウジング１に外周を支持されたステータ２と、ステータ２の内側にエアギャップ５を介して配置され、ハウジング１に回転可能に支持されたロータ３と、ロータ３の回転に伴って、ロータ３に供給された冷媒液が飛散するよう設けられた冷媒供給路４と、を備えた回転電機であって、ロータ３の軸方向に沿う方向の両端部であるロータ軸端部としてのエンドプレート３２ｅｐが、ステータ２の軸方向に沿う方向の端面よりもハウジング１のカバー部１１ｂおよびカバー１２に近い側に配置され、エンドプレート３２ｅｐが、ステータ２のステータコア２１の内周よりも外径方向に位置する大径凸部３３を備えることを特徴とする回転電機とした。【選択図】図１

Description

本発明は、冷媒液を用いて冷却可能な回転電機に関する。

従来、回転電機の永久磁石やコイルを、オイルなどの冷媒液を用いて冷却するようにした回転電機において、ロータとステータとの間のエアギャップに冷媒液が浸入するのを抑制する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。
この従来技術は、ロータコア内部から冷媒液を排出する冷媒液排出口と、この冷媒液排出口とロータコア外周面との間の所定位置にロータ円周方向全域に亘って設けられた冷媒液放出部とを備えている。そして、冷媒液放出部は、径方向内側に引退した凹状部と、凹状部の冷媒液排出口側で突出した凸状部とを有している。

したがって、上記従来技術では、冷媒液排出口から排出されてロータ外周に向かう冷媒液は、凸状部から凹状部へ移動することがなく、エアギャップへの流入が防止され、エアギャップに流入した冷媒液がロータの回転力の抵抗となるのを抑制できる。

特開２００９−１１８６８６号公報

しかしながら、上述の従来技術では、モータ室下部の冷媒液面が上昇した際のエアギャップへの冷媒液の浸入を防止することができず、これを原因とした攪拌損失が増大するという問題があった。
すなわち、高速で回転するロータから飛散した冷媒液（油）が、ハウジングやモータ室下部の油溜りへの衝突を繰り返すことにより、冷媒液に気泡が混入する。これにより、気泡が混入した分だけ冷媒液（油）の見かけの体積が増加し、モータ室下部の油溜りの冷媒液面が上昇する。よって、初期状態ではエアギャップ面よりも下に位置していた冷媒液面が、エアギャップよりも上昇し、冷媒液がエアギャップに浸入する場合があった。
本発明は、上記問題に着目してなされたもので、モータ室下部の冷媒液面が上昇した場合でも、冷媒液がエアギャップに浸入するのを抑制可能な回転電機を提供することを目的とする。

本発明の回転電機は、ロータの軸方向に沿う方向の両端部であるロータ軸端部が、ステータの軸方向に沿う方向の端面よりもハウジングに近い側に配置され、ロータ軸端部が、ステータコアの内周よりも外径方向に位置する大径部を備えることを特徴とする回転電機とした。

本発明の回転電機にあっては、ロータ軸端部の大径部がエアギャップの軸方向端部を覆うように配置されて回転するため、冷媒液面が上昇した場合でも、冷媒液がエアギャップへ流入するのを大径部が抑制する。したがって、エアギャップへの冷媒液の流入を低減し、ロータの撹拌損失が低減しモータ効率が向上する。

実施の形態１の回転電機の断面図である。 実施の形態１の回転電機の分解断面図である。 実施の形態１の回転電機の断面図であって、図２のＳ３−Ｓ３線の位置の断面を示す。 実施の形態１の回転電機の断面図であって、図２のＳ４−Ｓ４線の位置の断面を示す。 実施の形態１の回転電機の断面図であって、図２のＳ５−Ｓ５線の位置の断面を示す。 実施の形態１の回転電機のエンドプレートの大径凸部の説明図であり、（ａ）はエンドプレートの回転方向を示す図、（ｂ）は（ａ）のＫ部に示す大径凸部の一例を示す図、（ｃ）は（ａ）のＫ部に示す大径凸部の他の例を示す図である。

以下、本発明の回転電機を実現する最良の形態を、図面に示す実施の形態に基づいて説明する。
（実施の形態１）
まず、本実施形態１の回転電機を備えた回転電機Ａの構造について説明する。
図１は、回転電機Ａを示す断面図である。
この回転電機Ａは、ハウジング１とステータ２とロータ３と、を備える。

ハウジング１は、略有底円筒形状のハウジング本体１１と、このハウジング本体１１の軸方向一端の開口を塞ぐ略円盤形状のカバー１２と、を備え、内部にモータ室１３が形成されている。なお、ハウジング本体１１は、円筒部１１ａと円筒部１１ａの一端の開口を塞ぐ円盤状のカバー部１１ｂとを備える。また、カバー部１１ｂの軸心部には、軸受１１ｃと、そのモータ室１３側のシール材１１ｄとを有する。また、カバー１２も、軸心部に、軸受１１ｃと同軸位置に軸受１２ｃを有するとともに、そのモータ室１３側にシール材１２ｄを有する。

ステータ２は、図３に示すように円環状に形成されたステータコア２１を備え、このステータコア２１の内周には、周方向に一定間隔でティース２２が内径方向に突出されている。また、ティース２２どうしの間に設けられたスロット２３に収容されて、ティース２２にコイル２４が巻き付けられている。なお、ステータコア２１は、多数枚のリング状の鋼板を中心軸に沿う方向に積層して構成されている。

そして、図１に示すように、ステータコア２１の外周がハウジング本体１１の円筒部１１ａの内周に固定されている。なお、円筒部１１ａの外周には、放熱用のフィン１１ｆが複数外径方向に突出して形成されている。
また、ステータコア２１の内側には、ロータ３が、その外周とステータコア２１の内周との間にエアギャップ５を介して配置されている。すなわち、回転電機Ａは、前述したコイル２４と、ロータ３の永久磁石（図示省略）との電磁作用により回転動力を得る。

ロータ３は、ロータシャフト３１とロータコア３２とを備える。
ロータシャフト３１は、ハウジング１の円筒部１１ａの中心軸に沿って配置され、両端部が、軸受１１ｃ，１２ｃに回転可能に支持されている。

ロータコア３２は、ロータシャフト３１の外周に固定され、複数の金属板を軸方向に積層したロータコア本体３２ａと、このロータコア本体３２ａの軸方向の両端に配置されてロータコア本体３２ａを支持するエンドプレート３２ｅｐ，３２ｅｐとを備えている。なお、ロータコア３２は、内部に、周方向に間隔を空けて複数の永久磁石（図示省略）を備える。

また、ロータ３は、軸方向に沿う方向の寸法が、ステータコア２１よりも大きな寸法に形成されている。したがって、両エンドプレート３２ｅｐ，３２ｅｐは、ステータコア２１の軸方向に沿う方向の端面よりもハウジング１（カバー部１１ｂ、カバー１２）側に位置している。

以上の構成の回転電機Ａは、コイル２４に通電して、電動機として機能することが可能であるとともに、回転電機Ａに外部から伝達される駆動力により発電する発電機として機能することも可能である。

次に、回転電機Ａにおける冷却構造について説明する。
ロータ３は、回転電機Ａの外部から冷媒液を供給する冷媒供給路４を備える。すなわち、回転電機Ａは、冷媒液を循環させて、永久磁石およびコイル２４を冷却する構造である。なお、冷媒液としては、冷却オイルを用いることができるが、これに限定されるものではない。また、冷媒液は、ポンプＯ／Ｐにより回転電機Ａに対して供給され、かつ、モータ室１３の下部の冷媒溜り１３ａからポンプＯ／Ｐに吸引される。

冷媒供給路４は、回転軸心流路４１と、径方向流路４２と、ロータ軸方向流路４３と、を備える。
回転軸心流路４１は、ロータシャフト３１の一端の冷媒入口４１ａからロータシャフト３１の中心軸に沿って軸方向に延在されている。

径方向流路４２は、回転軸心流路４１からロータシャフト３１およびロータコア３２を通り外径方向に延びる流路であり、シャフト貫通孔４２ａとロータコア径方向流路４２ｂとを備える。

シャフト貫通孔４２ａは、ロータシャフト３１においてロータコア３２の軸方向の一端部と軸方向で略一致する位置で、ロータシャフト３１を外径方向に貫通して形成されている。

ロータコア径方向流路４２ｂは、ロータコア３２のエンドプレート３２ｅｐとロータコア本体３２ａとの間に形成されており、本実施の形態１では、エンドプレート３２ｅｐの端面に軸方向に凹んだ溝を外径方向に延在して形成されている。

ロータコア径方向流路４２ｂは、ロータコア３２の外周部近傍であって、ロータコア径方向流路４２ｂの外径方向先端位置においてロータ３の中心軸と平行にロータコア３２を貫通して形成されている。このロータコア径方向流路４２ｂの両端部は、ロータ軸方向流路４３をモータ室１３に向けて開口された冷媒排出口４４，４４となる。

また、図３に示す冷媒排出口４４およびこれと同軸のロータコア径方向流路４２ｂ（図３では図示されない）は、ロータコア３２（図ではエンドプレート３２ｅｐ）において周方向に略等間隔で複数（本実施の形態では８）形成されている。したがって、ロータコア径方向流路４２ｂ（図１参照）も、図４に示す冷媒排出口４４と同数設けられている。すなわち、ロータコア径方向流路４２ｂは、図４には現れないが、図４に示す回転軸心流路４１とロータコア径方向流路４２ｂとを径方向に連通して形成されている。

さらに、図３、図５に示すように、エンドプレート３２ｅｐの外周部は、周方向に一定の間隔で、複数の大径凸部３３が形成されている。すなわち、エンドプレート３２ｅｐの外周部は、外径がステータコア２１の内径よりも小径に形成されている円弧状部３４と、この円弧状部３４から外径方向に突出した大径凸部３３と、により凹凸状に形成されている。

そして、大径凸部３３は、その外径方向の頂部がステータコア２１の内周よりも外径方向側に位置する一方で、スロット２３のコイル２４よりも内径方向側に位置する。したがって、ロータ３の回転時には、大径凸部３３は、コイル２４と干渉することなく、エアギャップ５の軸方向両端でモータ室１３に向けて開放された開放部５１を遮るように回転する。

また、大径凸部３３の周方向の間隔は、ステータコア２１のスロット２３の周方向の間隔の整数倍（本実施の形態では２倍）に設定されている。
したがって、ロータ３の組付時には、図３に示すように、大径凸部３３の周方向の位置を、ステータ２のスロット２３の周方向の位置に一致させた状態で、図２の矢印Ｙ２に示すように、ステータコア２１の内側を軸方向に沿う方向に移動させることができる。

大径部３３は、図３、図５では、周方向に対称な略台形状のものを示しているが、図６（ｂ）に示す略三角形状や、図６（ｃ）に示す円弧形状に形成するのが好ましい。
すなわち、図６（ｂ）に示す大径部３３（ｂ）、図６（ｃ）に示す大径部３３（ｃ）は、矢印ＹＲにより示すロータ３の回転方向側の突出側面３３ａが、エンドプレート３２ｅｐの円弧状部３４に対し９０度よりも小さな傾斜角度を有して形成されている。具体的には、図６（ｂ）に示す大径凸部３３（ｂ）は、回転方向側の突出側面３３ａが円弧状部３４の接線方向に対して鋭角の傾斜角度θを成す略三角形状に形成されている。図６（ｃ）に示す大径凸部３３（ｃ）は、半円形状に形成され、回転方向側の突出側面３３ａは、円弧状部３４に対して緩やかな円弧を描いて立ち上がるよう傾斜した形状に形成されている。

（実施の形態１の作用）
次に、実施の形態１の作用を説明する。
回転電機Ａの駆動時にはポンプＯ／Ｐを駆動させ、冷媒入口４１ａから冷媒供給路４に冷媒を供給する。この冷媒供給路４に供給された冷媒液は、ポンプＯ／Ｐの吐出圧およびロータ３の回転により作用する遠心力により、回転軸心流路４１、径方向流路４２、ロータ軸方向流路４３を通り、冷媒排出口４４からモータ室１３に飛散する。また、モータ室１３に飛散された冷媒液は、モータ室１３の下部の冷媒液溜り１３ａに落下し、ポンプＯ／Ｐに吸引され、再び、回転電機Ａの冷媒供給路４に供給される循環を繰り返す。

以上のように冷媒液が循環されるのに伴い、ロータ３の永久磁石や、ステータ２のコイル２４と熱交換を行って、これらを冷却することができる。

ところで、ロータ３が高速で回転すると、ロータ３から飛散した冷媒液（オイル）が、ハウジング１やモータ室１３の下部の冷媒液溜り１３ａへの衝突を繰り返すことにより、冷媒液に気泡が混入する。

そして、気泡が混入した分だけ冷媒液の見かけの体積が増加するため、モータ室１３の下部の冷媒液溜り１３ａの液面が上昇する。これにより、初期状態ではステータ２とロータ３との間に設定されているエアギャップ５よりも下方に位置していた液面が、エアギャップ５よりも高い位置まで上昇する場合がある。

このとき、本実施の形態１では、ロータ３の軸端部のエンドプレート３２ｅｐに形成した大径凸部３３がエアギャップ５の軸方向端部の開放部５１を覆うように配置されて回転する。このため、大径凸部３３が、液面が上昇したモータ室１３の下部の冷媒液溜り１３ａから、冷媒液が開放部５１を通りエアギャップ５へ流入するのを阻害する。これにより、エアギャップ５への冷媒液の流入を低減できるため、ロータ３の撹拌損失が低減しモータ効率が向上する。

（実施の形態１の効果）
以下に、実施の形態１の効果を列挙する。
１）実施の形態１の回転電機は、
ハウジング１に外周を支持されたステータ２と、
ステータ２の内側にエアギャップ５を介して配置され、ハウジング１に回転可能に支持されたロータ３と、
ロータ３の回転に伴って、ロータ３に供給された冷媒液が飛散するよう設けられた冷媒供給路４と、
を備えた回転電機であって、
ロータ３の軸方向に沿う方向の両端部であるロータ軸端部としてのエンドプレート３２ｅｐが、ステータ２の軸方向に沿う方向の端面よりもハウジング１のカバー部１１ｂおよびカバー１２に近い側に配置され、
エンドプレート３２ｅｐが、ステータ２のステータコア２１の内周よりも外径方向に位置する大径凸部３３を備えることを特徴とする。
したがって、エンドプレート３２ｅｐに形成した大径凸部３３がエアギャップ５の軸方向端部の開放部５１を覆って回転するため、冷媒液溜り１３ａの液面が、エアギャップ５よりも上昇しても、エアギャップ５へ冷媒液が流入するのを阻害する。これにより、エアギャップ５への冷媒液の流入を低減できるため、ロータ３の撹拌損失が低減しモータ効率が向上する。

２）実施の形態１の回転電機は、
ロータ軸端部としてのエンドプレート３２ｅｐ，３２ｅｐの少なくとも一方は、外周部が、ステータコア２１の内径よりも小径の円弧状部３４と、この円弧状部３４から外径方向に突出された大径凸部３３と、を備えた凹凸状に形成され、
大径凸部３３は、周方向に等間隔であり、かつ、ステータコア２１のスロット２３の間隔の整数倍の間隔で形成されていることを特徴とする。
したがって、ステータ２の軸方向に沿う方向の一方からロータ３をステータ２に挿入するという従来からの組付方により、ロータ３の組み付けを行うことができる。よって、ステータ２の両側からそれぞれステータコア２１の内径よりも大径のエンドプレートを組み付けるなど、従来とは異なる手順により組み付けるものと比較して、製造コストを低減できる。

３）実施の形態１の回転電機は、
ロータ軸端部としてのエンドプレート３２ｅｐ，３２ｅｐの両方が、前記凹凸状に形成されていることを特徴とする。
したがって、エンドプレート３２ｅｐ，３２ｅｐを共用でき、一方のエンドプレートに、全周に亘ってステータコア２１の内径よりも大径の円盤状のものを用いるなど、異なる形状のものを用いる場合よりも、部品点数を減らし、製造コストを低減できる。

４）実施の形態１の回転電機は、
大径凸部３３の回転方向側の突出側面３３ａが、円弧状部３４に対して直角よりも緩やかに傾斜した形状に形成されていることを特徴とする。
したがって、エンドプレート３２ｅｐ，３２ｅｐの大径凸部３３が冷媒液に進入する際の抵抗を低減することができるため、ロータ３の撹拌損失がさらに低減しモータ効率が向上する。

以上、本発明の実施の形態を説明してきたが、具体的な構成については、この実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲の各請求項に係る発明の要旨を逸脱しない限り、設計の変更や追加等は許容される。

例えば、実施の形態では、エンドプレートの両方の外周部を、凹凸状に形成した例を示した。しかし、エンドプレートの一方のみに実施の形態で示した外周部が凹凸状のエンドプレートを適用し、もう一方は、ステータコアの内径よりも大径の円盤状のエンドプレートを用いてもよい。この場合、組付時に凹凸状のエンドプレートから挿入することにより、従来からのステータに対して組み付けを終えたロータを挿入して組み付けることができる。

また、実施の形態では、外周部が凹凸状のエンドプレートの大径部の間隔を、スロットの間隔の２倍とした例を示したが、その間隔は、これに限定されない。例えば、大径部の間隔を、スロットの間隔と同間隔（１倍）としてもよいし、３以上の整数倍としてもよい。

あるいは、ロータの組み付け時に、大径部を、スロットを通過させることのない組み付け方法を用いる場合では、大径部の間隔は、スロットの間隔に制約されることなく、任意に設定可能である。
また、大径部としての大径凸部の形状は、実施の形態で示した形状（図６（ｂ）、図６（ｃ）の形状）に限定されるものではない。例えば、突出側面が、円弧状部の法線方向に立ち上がる形状や、法線よりも鈍角を成す形状に形成しても、エアギャップへの冷媒液の浸入を抑制するという効果を得ることはできる。

さらに、ロータの組み付け時に、大径部を、スロットを通過させることのない組み付け方法を用いる場合には、ロータの軸方向両端のエンドプレートに、ステータコアの内径よりも大径の円盤状のエンドプレートを用いることもできる。

１ ハウジング
２ ステータ
３ ロータ
４ 冷媒供給路
５ エアギャップ
１３ モータ室
２１ ステータコア
２２ ティース
２３ スロット
２４ コイル
３２ｅｐ エンドプレート（ロータ軸端部）
３３ 大径凸部
３３ａ 突出側面
３４ 円弧状部
５１ 開放部
Ａ 回転電機

Claims (4)

1. ハウジングに外周を支持されたステータと、
   前記ステータの内側にエアギャップを介して配置され、前記ハウジングに回転可能に支持されたロータと、
   前記ロータの回転に伴って、前記ロータに供給された冷媒液が飛散するよう設けられた冷媒供給路と、
   を備えた回転電機であって、
   前記ロータの軸方向に沿う方向の両端部であるロータ軸端部が、前記ステータの軸方向に沿う方向の端面よりも前記ハウジングに近い側に配置され、
   前記ロータ軸端部が、前記ステータのステータコアの内周よりも外径方向に位置する大径部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、
   前記ロータ軸端部の少なくとも一方は、外周部が、前記ステータコアの内径よりも小径の円弧状部と、この円弧状部から外径方向に突出された前記大径部と、を備えた凹凸状に形成され、
   前記大径部は、周方向に等間隔であり、かつ、前記ステータコアのスロットの間隔と１を含む整数倍の間隔で形成されてい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、
   前記ロータ軸端部の両方が、前記外周部が前記凹凸状に形成されていることを特徴とする回転電機。
4. 請求項２または請求項３に記載の回転電機において、
   前記大径部の回転方向側の突出側面が、前記円弧状部に対して直角よりも緩やかに傾斜した形状に形成されていることを特徴とする回転電機。