JP2020096474A

JP2020096474A - 回転電機のロータ

Info

Publication number: JP2020096474A
Application number: JP2018234072A
Authority: JP
Inventors: 栄作垣内; Eisaku Kakiuchi
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-12-14
Filing date: 2018-12-14
Publication date: 2020-06-18

Abstract

【課題】ロータコアの内径側に配置される第１磁石よりロータコアの外径側に配置される第２磁石をより効果的に冷却する。【解決手段】ロータコアは、電磁鋼板を積層させて形成された積層体３２と、積層体３２の積層方向の一端側に設けられ、ロータコアの内径側に配置される永久磁石を冷却するための内径側油路５１とロータコアの外径側に配置される永久磁石を冷却するための外径側油路５２とが形成される第２エンドプレート５と、第２エンドプレート５と積層体３２の間からの冷却油の漏れを防止する油漏れ防止プレート６と、を備える。外径側油路５２は、内径側油路５１より断面積が大きく形成されており、ロータコアの内径側に配置される永久磁石より多くの冷却油をロータコアの外径側に配置される永久磁石に供給する。【選択図】図６

Description

本発明は、回転電機のロータ、特にロータに埋め込まれる磁石の冷却構造に関する。

近年、エンジンと電動機（回転電機）を組み合わせたハイブリッド自動車が多く製作されるようになってきている。このようなハイブリッド自動車に搭載される駆動用の電動機は、磁界を発生されるステータ（固定子）と出力を取り出すロータ（可動子）とこれらを収納するケースから構成される。ロータには永久磁石が埋め込まれており、ステータのスロットに巻き回されたコイルに電流が流れることで発生する磁束によってロータは回転する。永久磁石は、磁束密度を高めてロータの回転効率を向上させるためにロータの外径側のみならず内径側にも配置される場合がある。永久磁石は、磁束密度が高くなると高温になりやすいため、ロータには冷却油を永久磁石に供給して冷却するための油路が形成される。

例えば、特許文献１では、シャフトからロータ外径付近の永久磁石までの油路をエンドプレートとロータコアを利用して形成し、ケースの外からシャフトに流れてくる冷却油を永久磁石に供給することによって冷却させている。

特開２０１７−２００３３３号公報特開２０１７−０８５８７２号公報

ロータに配置される各永久磁石は、配置により受ける磁束の大きさが異なってくる。具体的には、ロータの外径側に配置される永久磁石は、ロータの内径側に配置される永久磁石と比べてステータに近いため、磁束の影響を受けて高温になりやすい。永久磁石は、温度が高くなると劣化しやすくなる。また、ロータに配置された複数の永久磁石間に温度のばらつきがあると、ハイブリッド自動車の運転性能の低下にも繋がりかねない。そのため、ロータの内径側に配置される永久磁石と同等の温度となるよう、ロータの外径側に配置される永久磁石を冷却できるのが都合よい。

本発明は、ロータコアの内径側に配置される第１磁石よりロータコアの外径側に配置される第２磁石をより効果的に冷却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、ロータコアの内径側に配置される第１磁石と、前記第１磁石よりロータコアの外径側に配置される第２磁石と、前記第１磁石に冷却油を供給するための第１油路と、前記第１油路が前記第１磁石に対して供給するより多くの量の冷却油を前記第２磁石に対して供給するための第２油路と、を備えることを特徴とする。

また、前記ロータコアは、前記第１磁石が埋め込まれる第１磁石埋込部と、前記第２磁石が埋め込まれる第２磁石埋込部と、前記第１磁石埋込部内に形成され、前記第１油路に連通される第３油路と、前記第２磁石埋込部内に形成され、前記第２油路に連通される第４油路と、を備え、前記第３油路又は前記第４油路の少なくとも一方には、突起部が設けられることを特徴とする。

本発明によれば、ロータコアの内径側に配置される第１磁石よりロータコアの外径側に配置される第２磁石をより効果的に冷却することができる。

実施の形態１における回転電機のロータを模式的に示す断面図である。実施の形態１におけるエンドプレートの平面図である。実施の形態１における油漏れ防止プレートの平面図である。実施の形態１における電磁鋼板を示す模式図である。実施の形態１においてエンドプレートとロータコアの磁石埋込部との位置関係を示す図である。（ａ）は、実施の形態１における内径側油路を示す縦断面図であり、（ｂ）は、実施の形態１における外径側油路を示す縦断面図である。実施の形態２において磁石埋込部への突起部を有する電磁鋼板を示す模式図である。実施の形態２における突起部、油路及び永久磁石との位置関係を示す図である。実施の形態２における他の電磁鋼板を示す模式図である。実施の形態２において磁石埋込部への突起部を有する他の電磁鋼板を示す模式図である。

以下、図面に基づいて、本発明の好適な実施の形態について説明する。

実施の形態１．
本実施の形態における回転電機（電動機）は、例えばハイブリッド自動車に搭載されて使用される。回転電機は、磁界を発生されるステータ（固定子）と出力を取り出すロータ（可動子）とこれらを収納するケースから構成される。図１は、本実施の形態における回転電機のロータを模式的に示す断面図であり、図２に示す切断線Ｂ−Ｃ−Ｄで切断したときの断面図である。また、図２は図１の破線矢印Ａ方向から見たときのエンドプレートの平面図、図３は図１の破線矢印Ａ方向から見たときの油漏れ防止プレートの平面図、図４は本実施の形態における電磁鋼板を示す模式図、図５は本実施の形態においてエンドプレートとロータコアの磁石埋込部との位置関係を示す図である。以下、これらの図を用いて本実施の形態におけるロータの全体構造について説明する。

図１に示すように、ロータ１は、シャフト２、ロータコア３、第１エンドプレート４、第２エンドプレート５及び油漏れ防止プレート６を備えている。

シャフト２は、軸線Ｏに沿って延びる棒状の部材であり、ケース（図示せず）内でステータ（図示せず）の内側を貫通するように配置され、ケースに対して軸線回りに相対回転可能に支持されている。シャフト２は、フランジ部２１と段差部２２とでロータコア３を挟持する。図１には、冷却油の流れを実線にて示しているが、シャフト２には、ロータコア３に供給する冷却油を受け入れる中空部２３及び穴２４が形成されている。詳細は後述するが、穴２４は、第２エンドプレート５に形成される各油路５１，５２に対応付けして形成され、中空部２３に送られてきた冷却油を各油路５１，５２に送出する

ロータコア３は、複数の電磁鋼板３１が積層された円筒状の積層体３２を備え、中心にはシャフト２が貫通する穴が設けられる。ロータコア３には、磁石埋込部３３ａ，３３ｂが形成される。なお、説明上、相互に区別する必要はない場合、磁石埋込部３３ａ及び磁石埋込部３３ｂを「磁石埋込部３３」と総称する。添字付きの符号が付けられた他の構成要素についても同様である。

電磁鋼板３１には、図４に示すようにロータコア３の内径側に位置する磁石収容孔３１１ａと、磁石収容孔３１１ａよりロータコア３の外径側に位置する磁石収容孔３１１ｂとが形成される。本実施の形態における磁石収容孔３１１ａ，３１１ｂは、各電磁鋼板３１においてそれぞれ同じ位置に同じ形状、大きさにて形成されている。これにより、磁石埋込部（第１磁石埋込部）３３ａは、電磁鋼板３１が積層されることで磁石収容孔３１１ａにより形成される。同様に、磁石埋込部（第２磁石埋込部）３３ｂは、電磁鋼板３１が積層されることで磁石収容孔３１１ｂにより形成される。２つで一対となる磁石埋込部３３ａ（磁石収容孔３１１ａ）と、１つの磁石埋込部３３ｂ（磁石収容孔３１１ｂ）は、組にしてロータコア３の８個の極それぞれに形成される。

磁石埋込部３３ａ、３３ｂの両端は共に開口しており、永久磁石（第１磁石）７ａは、磁石埋込部３３ａに挿入され埋め込まれることによってロータコア３に固定される。同様に、永久磁石（第２磁石）７ｂは、磁石埋込部３３ｂに挿入され埋め込まれることによってロータコア３に固定される。なお、挿入された状態の永久磁石７を図４に示し、図１では省略している。図４に示すように、矩形形状の永久磁石７ａ，７ｂの長辺は、磁石埋込部３３ａ，３３ｂの長辺の長さより短く、永久磁石７ａ，７ｂの両端側に隙間が形成される。この隙間によって磁石埋込部３３ａ内に油路（第３油路）８ａが形成され、磁石埋込部３３ａ内に油路（第４油路）８ｂが形成される。そして、内径側油路５１は油路８ａに連通し、外径側油路５２は油路８ｂに連通する。なお、本実施の形態では、永久磁石７の長辺を磁石埋込部３３の長辺より短くすることによって油路８を形成したが、永久磁石７の長辺又は短辺の少なくとも一方を磁石埋込部３３より短くすることによって油路８を形成するようにしてもよい。

第１エンドプレート４は、軸線Ｏに直交する方向に延在するとともに、外形が軸線Ｏを中心とした円形をなす円板状の部材である。第１エンドプレート４は、図１においてロータコア３の図面右側からロータコア３に積層されるように固定される。第１エンドプレート４には、電磁鋼板３１の磁石収容孔３１１、換言するとロータコア３の磁石埋込部３３と同じ位置に孔を有しており、これにより、図１において磁石埋込部３３を図面左側から右側に流れる冷却油は、ロータ１の外部に排出される。

第２エンドプレート５は、第１エンドプレート４と同様に軸線Ｏに直交する方向に延在するとともに、外形が軸線Ｏを中心とした円形をなす円板状の部材である。第２エンドプレート５は、図１においてロータコア３の図面左側からロータコア３に積層されるように固定される。図２に示すように、第２エンドプレート５には、内径側油路（第１油路）５１及び外径側油路（第２油路）５２が形成される。内径側油路５１は、図５に示すようにロータコア３の内径側に位置する一対の磁石埋込部３３ａ（磁石収容孔３１１ａ）の位置に対応して設けられ、磁石埋込部３３ａ内の油路８ａに冷却油を送出する。外径側油路５２は、ロータコア３の外径側に位置する磁石埋込部３３ｂ（磁石収容孔３１１ｂ）に対応し、磁石埋込部３３ｂ内の油路８ｂに冷却油を送出する。

油漏れ防止プレート６は、第２エンドプレート５と同様に軸線Ｏに直交する方向に延在するとともに、外形が軸線Ｏを中心とした円形をなす円板状の部材である。油漏れ防止プレート６は、第２エンドプレート５とロータコア３との間に設けられ、第２エンドプレート５とロータコア３との間からの冷却油の漏れを防止する。油漏れ防止プレート６には、図３に示すように各油路５１，５２から各磁石埋込部３３ａ，３３ｂへ冷却油が送れるように磁石埋込部３３ａ，３３ｂに対応する位置に穴６１，６２が設けられる。

図６（ａ）は、図１に示すＥ−Ｅ´線で切断したときの内径側油路５１を示す縦断面図であり、図６（ｂ）は、図１に示すＦ−Ｆ´線で切断したときの外径側油路５２を示す縦断面図である。各油路５１，５２は、第２エンドプレート５を押出成形により曲げることでＵ字溝の形状にて形成される。そして、各油路５１，５２は、油漏れ防止プレート６で塞がれることで冷却油が漏れないように形成される。また、フランジ部２１は、第２エンドプレート５から突出した各油路５１，５２と干渉しないように凹部２１ａ，２１ｂが形成される。そして、図６（ａ）と図６（ｂ）の各油路５１，５２を比較すると明らかなように、本実施の形態では、押し出す量を大きくして内径側油路５１より外径側油路５２の断面積が大きくなるよう形成する。

本実施の形態におけるロータ１は、以上説明した構造を有するが、以下、電動機の動作及び冷却の作用について説明する。

電動機の駆動時には、インバータを介してステータの各コイルに交流電力が供給され、これらコイルによって生成される回転磁界に各永久磁石７が追従することでロータ１がステータに対して回転する。ロータ１が回転すると、永久磁石７内の渦電流損により永久磁石７が高温になる。

温度が高くなった永久磁石７を冷却するために、冷却油ポンプ（図示せず）が作動する。これにより、冷却油は、図１においてシャフト２の図面左側からシャフトの中空部２３内に導入される。中空部２３に送られてきた冷却油は、穴２４から各油路５１，５２に送られる。各油路８ａ，８ｂに送られた冷却油は、永久磁石７ａ，７ｂに接しながら流通する。そのため、永久磁石７ａ，７ｂは、冷却油によって直接的に冷却され、高温化による永久磁石７の減磁が抑制される。そして、油路８ａ，８ｂを通ってロータコア３の右端まで達した冷却油は、ロータ１の外部に排出され、図示しない冷却部により冷却されて再利用される。

本実施の形態においては、以上のようにして永久磁石７を冷却するが、特に外径側油路５２の断面積を内径側油路５１より大きくしたので、外径側油路５２に連通する油路８ｂには、油路８ａより多くの冷却油が供給可能となる。これにより、外径側に位置する永久磁石７ｂには、内径側に位置する永久磁石７ａより多くの冷却油が供給されることになるので、永久磁石７ｂを永久磁石７ａより効果的に冷却することが可能となる。つまり、永久磁石７ａより温度が高くなっている永久磁石７ｂをより効果的に冷却することによって永久磁石７ｂを永久磁石７ａと同等の温度まで冷却することが可能となる。

なお、本実施の形態では、ロータコア３の外径側の永久磁石７ｂをより効果的に冷却するために、永久磁石７ｂにより多くの冷却油を供給できるような構造を設けたことを特徴としている。上記例では、外径側油路５２の高さ(溝の深さ)を大きくすることで内径側油路５１より断面積を大きくした。ただ、断面積を大きくする方法としてこれに限る必要はない。例えば、外径側油路５２の幅若しくは高さと幅の両方を大きくすることで断面積が大きくなるようにしてもよい。

また、本実施の形態では、各永久磁石７ａ，７ｂに接する油路８ａ，８ｂの大きさを同程度にしている。このため、油路８を通過する時間当たりの油量を多くすることで、換言すると油路８ｂを通過する冷却油の流速を速くすることで冷却効果を高めている。ただ、永久磁石７ｂと接する冷却油の量が多くなるように磁石埋込部３３ｂ（磁石収容孔３１１ｂ）又は油路８ｂを形成してもよい。例えば、永久磁石７ｂの冷却用油路を磁石埋込部３３ｂ内に限定せず、磁石埋込部３３ｂとは別個に形成して永久磁石７ｂを両端（油路８ｂの形成位置）以外からも冷却できるようにしてもよい。

本実施の形態によれば、外径側油路５２の断面積を内径側油路５１より大きくすることで、永久磁石７ａに対して供給する油量より多くの冷却油を永久磁石７ｂに供給することが可能となる。これにより、永久磁石７ｂを永久磁石７ａより効果的に冷却することができ、永久磁石７ａより高温となっている永久磁石７ｂを永久磁石７ａと同程度の温度まで冷却することが可能となる。永久磁石７ｂを永久磁石７ａと同程度の温度まで冷却することができれば、ハイブリッド自動車の運転性能の低下を回避することが可能となる。

なお、本実施の形態では、ロータコア３の外径側の永久磁石７ｂをより効果的に冷却するために、永久磁石７ｂにより多くの冷却油を供給できるような構造を設けたことを特徴としており、それ以外のロータ１の構造、また電動機を形成するステータやケース等の構造は、従前と同じでよい。

実施の形態２．
図７は、本実施の形態において、図４に示す電磁鋼板３１と共に使用する電磁鋼板３４を示す模式図である。図８は、本実施の形態における油路８ｂの一部分を拡大して冷却油の流れを示す図である。

電磁鋼板３４は、電磁鋼板３１とはロータの外径側に位置する磁石収容孔３１１ｃの形状が異なり、それ以外は同じでよい。また、磁石収容孔３１１ｃ（磁石埋込部３３ｂ）に挿入する永久磁石７ｂも実施の形態１と同じでよい。

磁石収容孔３１１ｃは、電磁鋼板３１の磁石収容孔３１１ｂとは幅（ロータコア３の周方向の長さ）が相対的に狭く形成される。このため、電磁鋼板３４を含めて積層体３２を形成すると、狭い幅の磁石収容孔３１１ｃによって、図８に示すように油路８ｂの中に突起部３４ａが形成されることになる。

例えば、永久磁石７ｂで高温になりやすい場所（図８において破線で囲んだ場所Ｐ）があると、その場所Ｐの上流側に電磁鋼板３４を配置する。そうすると、油路８ｂを流れてくる冷却油は、突起部３４ａのある場所を通り過ぎたところで乱流となる。このようにして油路８ｂを流れる冷却油に乱流を発生させることで、乱流の発生場所に対応する永久磁石７ｂの場所Ｐへの冷却効率を向上させることができる。

図９及び図１０は、図７及び図８に代わる電磁鋼板３５，３６を示す模式図である。電磁鋼板３１，３４では、永久磁石７を磁石埋込部３３に挿入して接着剤等により固定していたが、電磁鋼板３５，３６では、ロータコア３の内径側に配置される永久磁石７ｃ及びロータコア３の外径側に配置される永久磁石７ｄを、積層体３２全体でモールド３７により固定するのではなく部分的にモールド３７により固定する点が異なる。ロータコア３の外径側に配置される電磁鋼板３６の磁石収容孔３１１ｅは、電磁鋼板３５の磁石収容孔３１１ｄとは幅（ロータコア３の周方向の長さ）が相対的に狭く形成される。これにより、永久磁石７ｄに対応する油路８ｃには、図８を用いて説明したのと同様に突起部が形成され、上記と同様の作用効果を奏する。

ロータコア３の積層方向の中央部は、端部より冷却しにくい位置にあり永久磁石７ｂが高温となりやすいので、図８に示す場所Ｐとして、その中央部より上流の位置に電磁鋼板３４，３６を積層するのが効果的である。

油路８ｂに突起部３４ａを形成する電磁鋼板３４は、積層体３２内に１枚とは限らず、複数枚を積層させてもよい。例えば、電磁鋼板３４を間欠的に配置することで、複数箇所で乱流を発生させることができ、数カ所若しくは長い範囲で永久磁石７ｂを効果的に冷却することが可能となる。電磁鋼板３６においても同様である。

なお、本実施の形態では、磁石収容孔３１１ｃの幅を電磁鋼板３１の磁石収容孔３１１ｂより短くして油路８ｂの中に突起部３４ａが形成されるようにした。ただ、図９及び図１０に示すように、永久磁石７を積層体３２全体でモールド３７により固定するのではなく部分的にモールド３７により固定すれば、磁石収容孔３１１ｅの幅又は厚み方向（ロータコア３の径方向の長さ）の少なくとも一方、例えば幅及び厚み方向の双方に油路及び突起部を形成することは可能である。

また、本実施の形態では、外径側に位置する油路８ｂのみに突起部を形成する場合を例にして説明したが、冷却効率を向上させたい場所が内径側に位置する油路８ａにあれば、油路８ａに突起部を形成してもよい。このように、本実施の形態では、油路８ａ又は油路８ｂの少なくとも一方に突起部を形成することを特徴としている。

１ロータ、２シャフト、３ロータコア、４第１エンドプレート、５第２エンドプレート、６油漏れ防止プレート、７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ永久磁石、８ａ，８ｂ，８ｃ油路、２１フランジ部、２１ａ，２１ｂ凹部、２２段差部、２３中空部、２４，６１，６２穴、３１，３４，３５，３６電磁鋼板、３２積層体、３３ａ，３３ｂ磁石埋込部、３４ａ突起部、３７モールド、５１内径側油路、５２外径側油路、３１１ａ，３１１ｂ，３１１ｃ，３１１ｄ，３１１ｅ磁石収容孔。

Claims

ロータコアの内径側に配置される第１磁石と、
前記第１磁石よりロータコアの外径側に配置される第２磁石と、
前記第１磁石に冷却油を供給するための第１油路と、
前記第１油路が前記第１磁石に対して供給するより多くの量の冷却油を前記第２磁石に対して供給するための第２油路と、
を備えることを特徴とする回転電機のロータ。
前記ロータコアは、
前記第１磁石が埋め込まれる第１磁石埋込部と、
前記第２磁石が埋め込まれる第２磁石埋込部と、
前記第１磁石埋込部内に形成され、前記第１油路に連通される第３油路と、
前記第２磁石埋込部内に形成され、前記第２油路に連通される第４油路と、
を備え、
前記第３油路又は前記第４油路の少なくとも一方には、突起部が設けられることを特徴とする請求項１に記載の回転電機のロータ。