JP2019075932A

JP2019075932A - 回転電機のロータ

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Publication number: JP2019075932A
Application number: JP2017201801A
Authority: JP
Inventors: 鷹英片桐; Takahide Katagiri; 豊河合; Yutaka Kawai; 宏金原; Hiroshi Kanehara
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-10-18
Filing date: 2017-10-18
Publication date: 2019-05-16
Anticipated expiration: 2037-10-18
Also published as: JP6888514B2

Abstract

【課題】ロータコアを冷却でき、冷媒通路周辺箇所の変形も抑制できる回転電機のロータを提供すること。【解決手段】回転電機１のロータ１０が、シャフト３０と、シャフト３０の外周面に固定され、積層された電磁鋼鈑を含むロータコア５０と、を備えるようにする。ロータコア５０に、冷却媒体が流動すると共に軸方向の一方側から他方側に延びる冷媒通路を設ける。ロータ１０が、冷媒通路の内側に設けられ、流路が冷媒通路より長い内側冷媒通路７９を冷媒通路内に画定する隔壁部材９０を有するようにする。【選択図】図２

Description

本発明は、回転電機のロータに関する。

従来、回転電機のロータとしては、特許文献１に記載されているものがある。このロータは、シャフトと、円環状のロータコアを備え、ロータコアは、シャフトの外周面に固定される。ロータコアは、周方向に間隔をおいて埋め込み配置された複数の永久磁石を含む。また、ロータコアは軸方向に延在する冷媒通路を有し、冷却油等の冷却媒体が冷媒通路内を流動する。回転電機の使用時、永久磁石がその内部を流れる渦電流によって発熱し、それに起因してロータコアが熱くなる。この回転電機は、冷媒通路内に冷却媒体を流動させることでロータコアを冷却している。

特開２０１７−０４６５４５号公報

ロータコアに冷媒通路を設けると、ロータコアにおける冷媒通路の周辺箇所の強度が低下する。したがって、ロータが高速回転すると、ロータコアに生じる遠心力が増加するので、上記冷媒通路の周辺箇所が変形し易い。

そこで、本発明の課題は、ロータコアを冷却でき、冷媒通路周辺箇所の変形も抑制できる回転電機のロータを提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明に係る回転電機のロータは、シャフトと、前記シャフトの外周面に固定され、積層された電磁鋼鈑を含むロータコアと、を備え、前記ロータコアには、冷却媒体が流動すると共に軸方向の一方側から他方側に延びる冷媒通路が設けられ、前記冷媒通路の内側に設けられ、流路が前記冷媒通路より長い内側冷媒通路を前記冷媒通路内に画定する隔壁部を有する。

本発明に係るロータによれば、冷媒通路の内側に隔壁部が設けられる。したがって、この隔壁部で冷媒通路周辺箇所の強度を大きくでき、冷媒通路の変形を抑制できる。

本発明の一実施形態に係る回転電機のロータにおける周方向一部分の部分平面図である。図１のＡ‐Ａ線断面図である。ロータを、軸方向に延びる冷媒通路を通過すると共に径方向及び周方向を含む平面で切断したときの部分断面図である。板状の隔壁部材の厚さ方向の中心を通過する平面でロータを切断したときの、軸方向に延びる冷媒通路の周辺かつ軸方向一方側の断面図である。第１変形例のロータにおける図３に対応する断面図である。第２変形例のロータにおける図３に対応する断面図である。第３変形例のロータにおける図３に対応する断面図である。第４変形例のロータにおける図３に対応する断面図である。第５変形例のロータにおける図４に対応する断面である。第６変形例のロータにおける隔壁部材の側面図である。

以下に、本発明に係る実施の形態について添付図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下において複数の実施形態や変形例などが含まれる場合、それらの特徴部分を適宜に組み合わせて新たな実施形態を構築することは当初から想定されている。また、以下の説明及び図面において、Ｒ方向は、回転電機１のロータ１０の径方向を示し、θ方向は、ロータ１０の周方向を示し、Ｚ方向は、ロータ１０の軸方向を示す。Ｒ方向、θ方向、及びＺ方向は、互いに直交する。

図１は、本発明の一実施形態に係る回転電機１のロータ１０におけるθ方向一部分の部分平面図であり、図２は、図１のＡ‐Ａ線断面図である。なお、図１においては、ロータ１０内部に設けられる冷媒通路７０の配設位置を明確に示すため冷媒通路７０を実線で示す。

図１及び図２に示すように、ロータ１０は、シャフト３０と、ロータコア５０を備える。シャフト３０は、中心軸に沿ってＺ方向に延在する円筒状の貫通孔３１を有する。ロータコア５０は、シャフト３０の外周面に、キー係合、スプライン係合、焼き嵌め、又は冷やし嵌め等の手段により相対回転不可に固定される。ロータコア５０は、シャフト３０と同心の円筒状の磁性体である。ロータコア５０は、Ｚ方向に積層された複数の環状鋼板を含む。環状鋼板は、例えば薄板状の電磁鋼板をプレスで打ち抜くことによって形成される。打ち抜き前の各電磁鋼鈑の表面及び裏面には、絶縁被膜が設けられる。この絶縁被膜は、電磁鋼鈑の層間抵抗を高くするために設けられ、層間渦電流を防止するために設けられる。層間渦電流を防止することで、鉄損（電気エネルギーから磁気エネルギーへの変換において発生するエネルギー損失）を小さくでき、エネルギー効率を高くできる。積層された複数の環状鋼板は、加圧カシメ等の処理が施されることにより連結される。

図１に示すように、ロータコア５０は、Ｚ方向に延在する複数の磁石挿入孔対５１,５２を有する。各磁石挿入孔対５１は、対をなす２つの磁石挿入孔５１ａ,５１ｂで構成される。磁石挿入孔５１ａ,５１ｂには、その孔の両端を除き略全長に亘って磁石５５が挿入される。磁石５５が挿入された磁石挿入孔５１ａ,５１ｂ内には、例えば、エポキシ系樹脂などの樹脂が充填される。磁石５５は樹脂によって磁石挿入孔５１ａ,５１ｂ内に固定される。また、同様に、各磁石挿入孔対５２も、対をなす２つの磁石挿入孔５２ａ,５２ｂで構成される。磁石挿入孔５２ａ,５２ｂには、その孔の両端を除き略全長に亘って磁石５８が挿入される。磁石５８が挿入された磁石挿入孔５２ａ,５２ｂ内にも、例えば、エポキシ系樹脂などの樹脂が充填される。磁石５８は樹脂によって磁石挿入孔５２ａ,５２ｂ内に固定される。

磁石挿入孔対５１に挿入される２つの磁石５５、及び磁石挿入孔対５２に挿入される２つの磁石５８によって１対の磁極が形成される。このような磁極の形成により、ロータ１０には、Ｎ極とＳ極がθ方向に互い違いに形成される。

詳述しないが、回転電機１は、ロータ１０の外周側に図示しない環状のステータを備える。ステータは、環状のヨークと、複数のティースを含み、複数のティースは、θ方向に間隔をおいて配置され、各ティースは、ヨークからＲ方向内方側に突出する。各ティースは、僅かな隙間を介してロータ１０にＲ方向に対向する。ティースには、ステータコイルが巻回される。

回転電機１を、モータとして使用する場合には、ステータコイルを通電することにより、ステータに回転磁界を発生させる。この回転磁界で磁石５５,５８を有するロータ１０に電磁気力を作用させて、ロータ１０を回転させる。他方、回転電機１を、ジェネレータとして使用する場合には、回転するロータ１０の磁石５５,５８が生成する変動磁場によりステータコイルに誘導電流を生成し、この誘導電流を電力として外部に取り出す。

図２に示すように、ロータ１０は、冷媒通路７０を有する。冷媒通路７０は、冷却油等の液体からなる冷却媒体をＲ方向内側から外側に流動させるために設けられる。冷媒通路７０は、第１径方向延在通路部７１、第２径方向延在通路部７２、第１軸方向延在通路部７３、周方向延在通路部７４、第２軸方向延在通路部７５、及び第３径方向延在通路部７６を含む。

第１径方向延在通路部７１は、略Ｒ方向に延在してシャフト３０の内周面３３から外周面３４まで延びる。また、第２径方向延在通路部７２は、第１径方向延在通路部７１のＲ方向外方側の端部に連通し、ロータコア５０の内周面５３からＲ方向外方側に延びる。また、第１軸方向延在通路部７３は、第２径方向延在通路部７２のＲ方向外方側の端部に連通し、その端部からＺ方向一方側（紙面における下側）に延在する。また、周方向延在通路部７４は、第１軸方向延在通路部７３のＺ方向一方側の端部に連通し、その端部からθ方向一方側に延在する。

図３は、ロータ１０を、第１軸方向延在通路部７３を通過すると共にＲ方向及びθ方向を含む平面で切断したときの部分断面図である。図３に示すように、第１軸方向延在通路部７３は、ロータコア５０に設けられた有底の円筒孔８０にＺ方向に延在する隔壁部材９０を内嵌して固定することで形成される。隔壁部材９０は、隔壁部の一例である。隔壁部材９０は板状部材であり、隔壁部材９０のＲ方向両側の端面９１,９２は円筒孔８０の内周面に対応する形状の円弧面となっている。隔壁部材９０は、円筒孔８０の中心軸を通過し、隔壁部材９０の端面９１,９２は、円筒孔８０の中心を挟んで円筒孔８０の径方向に対向する円筒孔８０内周面の２箇所８１,８２に隙間なく当接する。隔壁部材９０は、例えば、焼き嵌め、又は冷やし嵌め等の手段により円筒孔８０に対して相対移動不可に固定される。隔壁部材９０は、図３に示す断面図において円筒孔８０の内側領域を略同じ面積の２つの領域に分断する。２つの平面領域のうちの一方は、第１軸方向延在通路部７３に含まれ、他方は、第２軸方向延在通路部７５に含まれる。

図４は、隔壁部材９０の厚さ方向の中心を通過する平面でロータ１０を切断したときの、円筒孔８０周辺かつＺ方向一方側の断面図である。図４に示すように、隔壁部材９０のＺ方向一方側の端面９１は、円筒孔８０の底面８４に隙間を介してＺ方向に対向し、その結果、周方向延在通路部７４が円筒孔８０のＺ方向一方側に設けられる。周方向延在通路部７４は、θ方向に延在する。周方向延在通路部７４の長さは、隔壁部材９０の厚さに略一致する。

再度、図２を参照して、第２軸方向延在通路部７５は、周方向延在通路部７４のθ方向一方側の端部に連通し、その端部からＺ方向他方側（図２の紙面における上側）に延在する。また、第３径方向延在通路部７６は、第２軸方向延在通路部７５のＺ方向他方側の端部に連通し、その端部からロータコア５０の外周面までＲ方向外方側に延在する。円筒孔８０は、ロータコア５０に設けられてＺ方向に延在する冷媒通路を構成し、第１軸方向延在通路部７３、周方向延在通路部７４、及び第２軸方向延在通路部７５は、内側冷媒通路７９を構成する。内側冷媒通路７９は、円筒孔８０の流路長の略２倍の流路長を有する。内側冷媒通路７９は、隔壁部材９０を円筒孔８０の内面に内嵌して固定することで円筒孔８０内に形成される。

隔壁部材９０は、絶縁性を有する材料で構成され、電流が隔壁部材９０を通じてＺ方向に隣り合う電磁鋼鈑間に流れることがない。よって、隔壁部材９０を挿入しても鉄損が大きくなることを防止できる。隔壁部材９０を構成する絶縁材料としては、［表１］に示すセラミックスや［表２］に示すプラスチック（樹脂）を好適に使用できる。

隔壁部材９０を構成する他の好適な絶縁材料としては、大理石、ダイヤモンド、マイカ、又は乾いた木材等が挙げられる。又は、隔壁部材９０は、絶縁材料のみで形成されなくてもよく、金属等の導電性材料の表面に絶縁処理を施すことで形成されてもよい。絶縁処理としては、[表１]や[表２]に記載された材料の絶縁コーティングや、絶縁シート、例えば、紙、ゴム、又はビニール等の導電性材料の表面への貼り付けを好適に採用できる。

上記構成において、冷却媒体は、回転電機１の外部に設けられてポンプ等を含む冷媒供給源（図示せず）からシャフト３０の貫通孔３１に供給される。貫通孔３１に供給された冷却媒体の一部は、冷媒通路７０内に導入され、冷媒通路７０内を、第１径方向延在通路部７１、第２径方向延在通路部７２、第１軸方向延在通路部７３、周方向延在通路部７４、第２軸方向延在通路部７５、及び第３径方向延在通路部７６の順に、図２に矢印Ｂに示す方向に流動し、冷媒通路７０の第３径方向延在通路部７６からロータ１０とステータのギャップに放出される。ギャップＧに放出された冷却媒体は、ギャップＧ内を進んだ後、回転電機のケースの底部に落下する。他方、貫通孔３１に導入されてギャップに放出されない冷却媒体は、シャフト３０のＺ方向片側から外部へと放出され、ケースの底部に落下する。ケースの底部に落下した冷却媒体は、ケースの底部又は別の部分で冷却された後、冷媒供給源に戻される。

上記実施形態によれば、ロータコア５０に設けられてＺ方向に延在する円筒孔８０の内面に隔壁部材９０が内嵌されて固定される。したがって、円筒孔８０の内面の少なくとも一部が隔壁部材９０によって拘束され、その部分が変形しにくくなる。よって、円筒孔８０周辺箇所の強度を大きくでき、ロータコア５０の強度不足を抑制できる。

更には、隔壁部材９０を円筒孔８０に内嵌して固定することで、円筒孔の流路長より長い流路長を有する内側冷媒通路７９を円筒孔８０内に画定できる。したがって、内側冷媒通路７９の流路面積（冷媒が通過する流路に垂直な断面の面積）を円筒孔８０の流路面積よりも小さくでき、内側冷媒通路７９を通過する冷却媒体の流速を、隔壁部材９０を挿入しない場合に円筒孔８０を通過する冷却媒体の流速よりも速くできる。よって、冷却媒体の流動によるロータコア５０の冷却効率を高くできる。

尚、本発明は、上記実施形態およびその変形例に限定されるものではなく、本願の特許請求の範囲に記載された事項およびその均等な範囲において種々の改良や変更が可能である。

例えば、上記実施形態では、円筒孔（ロータコアに設けられたＺ方向に延在する冷媒通路）８０を、θ方向及びＲ方向を含む平面で切断したときの断面において、隔壁部材９０が円筒孔８０を略同一の面積を有する２つの領域に分断する場合について説明した。しかし、図５、すなわち、第１変形例のロータ１１０における図３に対応する断面図に示すように、隔壁部の一例としての隔壁部材１９０は、θ方向及びＲ方向を含む平面で切断したときの断面において、ロータコア１５０に設けられたＺ方向に延在する冷媒通路（以下、元冷媒通路という）１８０を３つの略同一の面積領域１８１,１８２,１８３に分断してもよく、元冷媒通路１８０内に３つの軸方向延在通路部１８５,１８６,１８７を形成してもよい。この場合、例えば、第１軸方向延在通路部１８５のＺ方向一方側の端部と、第２軸方向延在通路部１８６のＺ方向一方側の端部を連通させ、第２軸方向延在通路部１８６のＺ方向他方側の端部と第３軸方向延在通路部１８７のＺ方向他方側の端部を連通させる。

本変形例によれば、隔壁部材１９０で元冷媒通路１８０の内周面の３箇所を拘束（支持）することができるので、元冷媒通路１８０周辺の剛性を更に高くできる。また、上述の３つの軸方向延在通路部１８５,１８６,１８７の連結で、元冷媒通路１８０内に形成される内側冷媒通路１７９の流路長を、元冷媒通路１８０の流路長の略３倍とできる。よって、内側冷媒通路１７９を流れる冷却媒体の速さを更に速くでき、冷却媒体による冷却効率を更に上昇させることができる。なお、隔壁部材が、θ方向及びＲ方向を含む平面で切断したときの断面において元冷媒通路を４以上の略同一の面積領域に分断してもよく、元冷媒通路内に４以上の軸方向延在通路部を形成してもよい。

また、元冷媒通路に隔壁部材の取付部を２箇所以上設けて、隔壁部材の２箇所以上の被取付部をその２箇所以上の取付部に取り付けることで元冷媒通路に対する隔壁部材の相対移動を防止すると共に、隔壁部材による元冷媒通路の変形抑制効果を各段に大きくしてもよい。

例えば、図６、すなわち、第２変形例のロータ２１０における図３に対応する断面図に示すように、隔壁部の一例としての隔壁部材２９０が、断面図においてＨ字状の形状を有してもよく。元冷媒通路２８０が、円筒孔部２８１と、それに連通する２つの断面略Ｔ字状の取付凹部２８２,２８３を含んでもよい。そして、２つの断面略Ｔ字状の取付凹部２８２,２８３を、円筒孔部２８１の径方向に対向するように配置し、略断面Ｈ字状の隔壁部材２９０の両端部２９１,２９２を断面略Ｔ字状の取付凹部２８２,２８３に隙間なく嵌合させてもよい。この場合、ロータコア２５０において円筒孔部２８１と取付凹部２８２,２８３とで挟まれている部分２５１を、隔壁部材２９０の両端部２９１,２９２で円筒孔部２８１側に押え付けることができる。よって、隔壁部材２９０による元冷媒通路２８０の変形抑制効果を各段に大きくできる。断面略Ｔ字状の取付凹部２８２,２８３は、元冷媒通路の取付部を構成し、取付凹部２８２,２８３に嵌め込まれる隔壁部材２９０の両端部２９１,２９２は、隔壁部材の被取付部を構成する。

また、図７、すなわち、第３変形例のロータ３１０における図３に対応する断面図に示すように、元冷媒通路３８０の取付部は、円筒孔部３８１から径方向の外方に離れるにしたがって末広がりとなる取付凹部３８２,３８３であってもよく、隔壁部の一例としての隔壁部材３９０の被取付部は、取付凹部３８２,３８３に対応する形状の部分３９１,３９２であり、Ｚ方向に延在する隔壁部材３９０の幅方向の両端部に設けられてもよい。

要は、元冷媒通路に設けられる２以上の取付部の夫々は、それに取り付けられる隔壁部材の被取付部がロータコアに対してＺ方向にしか相対移動できず、２以上の取付部で元冷媒通路に対する隔壁部材の相対回転を防止できる形状であれば如何なる形状であってもよい。なお、図７及び図８に示す例では、元冷媒通路に２つの取付部を設ける場合について説明したが、元冷媒通路に３以上の取付部を設けてもよく、元冷媒通路に３以上の軸方向延在通路部を設けてもよい。

また、図８、すなわち、第４変形例のロータ４１０における図３に対応する断面図に示すように、隔壁部の一例としての隔壁部材４９０が、元冷媒通路としての円筒孔４８０の内周面に隙間なく内嵌されて固定される円環状部４９１を有してもよい。第３変形例のロータ４１０によれば、隔壁部材４９０の円環状部４９１で円筒孔４８０の内周面を全周に亘って拘束（支持）できる。よって、ロータコア４５０における円筒孔４８０周辺箇所の変形を効果的に抑制できる。

また、上記実施形態では、図４に示すように、２つの第１及び第２軸方向延在通路部７３,７５（図３参照）を、流路の断面形状が矩形の周方向延在通路部７４で連通する場合について説明した。しかし、図９、すなわち、第５変形例のロータ５１０における図４に対応する断面図に示すように、２つの軸方向延在通路部を連通する連通通路部５７４の流路の断面形状は、矩形でなくて、円形でもよく、それ以外の如何なる形状でもよい。

また、図１０に示すように、隔壁部の一例としての隔壁部材６９０を、螺旋状のフランジ６９１が設けられた棒状部材で構成してもよい。また、螺旋状のフランジ６９１において最も径方向の外方に位置する箇所が内周面に接触するような円筒孔を、Ｚ方向に延在するようにロータコアに形成してもよく、元冷媒通路としてもよい。そして、隔壁部材６９０を円筒孔に内嵌して固定することで、円筒孔の内周面とＺ方向に隣り合うフランジで螺旋状の内側冷媒通路を円筒孔内に画定してもよい。本変形例によれば、冷却媒体の流れの向きが大きく変化する箇所が内側冷媒通路内に存在しない。よって、冷却媒体が内側冷媒通路内を円滑に流動し易く、冷却媒体の流速を速くし易い。

また、隔壁部を隔壁部材９０,１９０,２９０,３９０,４９０,６９０で構成して、ロータコア５０,１５０,２５０,４５０の元冷媒通路１８０,２８０,３８０に内嵌して固定する場合について説明した。しかし、隔壁部を隔壁部材で構成し、その隔壁部材を元冷媒通路の内側に摺動可能な状態で接触するように配置してもよい。又は、隔壁部は、ロータコアと一体に成形されてもよく、この場合、隔壁部は、例えばプレス成形等で容易に形成できる。

また、円筒孔８０,４８０や元冷媒通路１８０,２８０,３８０（ロータコアに設けられて軸方向の一方側から他方側に延びる冷媒通路）がＺ方向に延在する場合について説明した。しかし、ロータコアに設けられる冷媒通路は、Ｚ方向に傾斜する直線方向に延在してもよい。又は、ロータコアに設けられる冷媒通路は、湾曲した通路でＺ方向の一方側から他方側に延在してもよい。ロータコアに設けられる冷媒通路は、Ｚ方向の一方側から他方側に延在する通路であれば如何なる通路でもよい。

１回転電機、１０,１１０,２１０,３１０,４１０,５１０ロータ、３０シャフト、５０,１５０,２５０,４５０ロータコア、７９,１７９内側冷媒通路、８０,４８０円筒孔（軸方向の一方側から他方側に延びる冷媒通路）、９０,１９０,２９０,３９０,４９０,６９０隔壁部材、１８０,２８０,３８０元冷媒通路（軸方向の一方側から他方側に延びる冷媒通路）、Ｒ方向ロータの径方向、 θ方向ロータの周方向、Ｚ方向ロータの軸方向。

Claims

シャフトと、
前記シャフトの外周面に固定され、積層された電磁鋼鈑を含むロータコアと、
を備え、
前記ロータコアには、冷却媒体が流動すると共に軸方向の一方側から他方側に延びる冷媒通路が設けられ、
前記冷媒通路の内側に設けられ、流路が前記冷媒通路より長い内側冷媒通路を前記冷媒通路内に画定する隔壁部を有する、回転電機のロータ。